PT109624B - Sistema de conversão de energia em escoamentos alternados bidirecionais e o seu método de funcionamento - Google Patents

Sistema de conversão de energia em escoamentos alternados bidirecionais e o seu método de funcionamento Download PDF

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Abstract

O PRESENTE INVENTO REFERE-SE A UM SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA QUE OPERA ENTRE UM PRIMEIRO ESPAÇO (A) E UM SEGUNDO ESPAÇO (B) CARACTERIZADOS POR TEREM UMA DIFERENÇA DE PRESSÃO QUE MUDA ALTERNADAMENTE DE SINAL. O ESCOAMENTO DE AR OSCILANTE ENTRE OS DOIS ESPAÇOS PASSA ALTERNADAMENTECOMO FLUXO UNIDIRECIONAL PELO PRIMEIRO SETOR (100) OU PELO SEGUNDO SETOR (200), QUE CONTÊM, CADA UM, PELO MENOS UM ROTOR. O PRIMEIRO ROTOR (110) E O SEGUNDO ROTOR (210) ESTÃO LIGADOS PELO PRIMEIRO MEIO DE TRANSMISSÃO MECÂNICA (150) E PELO SEGUNDO MEIO DE TRANSMISSÃO MECÂNICA (250),RESPETIVAMENTE, A UM, OU MAIS, DISPOSITIVOS QUE UTILIZAM ENERGIA MECÂNICA (300). OS ROTORES OPERAM SEM ALTERAÇÃO DO SENTIDO DE ROTAÇÃO. O PRESENTE INVENTO CONTÉM AINDA UM PRIMEIRO MEIO DE OBTURAÇÃO (170) E UM SEGUNDO MEIO DE OBTURAÇÃO (270) QUE PERMITEM OU BLOQUEIAM O ESCOAMENTO DEAR PELO PRIMEIRO SETOR (100) OU PELO SEGUNDO SETOR (200), RESPETIVAMENTE.

Description

DESCRIÇÃO
SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA EM ESCOAMENTOS ALTERNADOS
BIDIRECIONAIS E O SEU MÉTODO DE FUNCIONAMENTO
Domínio técnico da invenção
O presente invento refere-se a um sistema de conversão de energia pneumática em escoamentos alternados bidirecionais. Como tal, opera entre dois espaços, caracterizados por, entre si, conterem uma diferença de pressão relativa que muda alternadamente de sinal no tempo.
Para extrair energia eficientemente, o sistema contém um conjunto de rotores para escoamento unidirecional e um sistema de retificação integrado.
Mantendo o mesmo sentido de rotação dos rotores, o sistema é capaz de funcionar eficientemente entre os dois espaços de ar, designados por primeiro espaço (A) e segundo espaço (B) , com pressões respetivamente pA e pB, tais que a diferença de pressão pA - Pb vai mudando sucessivamente de sinal.
Como tal, um dos possíveis domínios de aplicação deste invento são os sistemas de coluna de água oscilante de conversão de energia das ondas e para o caso geral em que se pretenda aproveitar a energia associada a uma diferença de pressão relativa que muda de sinal ao longo do tempo.
Técnica anterior
Atualmente existem vários sistemas de conversão de energia das ondas. Uma classe destes sistemas é designada por Coluna de Água Oscilante (CAO). Estes sistemas caracterizam-se pela existência duma estrutura, fixa ou flutuante, aberta para o mar na sua parte submersa. Por ação das ondas, no interior da estrutura e em relação a ela, desloca-se em movimento alternado uma coluna de água. 0 movimento oscilatório da superfície livre da coluna de água comprime e expande uma câmara de ar. A pressão do ar na câmara é alternadamente superior ou inferior à pressão atmosférica, pelo que é possível utilizar a diferença de pressão para acionar uma turbina de ar colocada numa conduta que liga a câmara à atmosfera ou a uma outra câmara de ar. A turbina aciona direta ou indiretamente um gerador elétrico ou outro tipo de equipamento consoante a aplicação. Como o movimento da superfície do mar muda periodicamente de sentido com o ciclo das ondas, a turbina fica sujeita a um escoamento bidirecional devendo ser autoretificadora ou ter um sistema de retificação constituído por válvulas.
Os sistemas do tipo CAO surgiram por invenção de Yoshio Masuda, conforme consta na Patente US3200255. Estes conversores usam uma turbina unidirecional convencional auxiliada por um sistema externo de válvulas de não retorno cujo objetivo é produzir um escoamento unidirecional que atravessa a turbina de ar. Este tipo de turbinas só teve aplicação em pequenos conversores para bóias de navegação. Em dispositivos de grande escala, a complexidade do sistema de retificação por válvulas e as perdas associadas têm desencorajado a sua utilização.
As turbinas auto-retífícadoras rodam no mesmo sentido independentemente do sentido do escoamento. Das várias turbinas auto-retifícadoras existentes destaca-se a turbina Wells, descrita na Patente GB1595700. É possivelmente a turbina que tem sido mais usada em escoamentos bidirecionais. No entanto, a gama de caudais em que opera com bom rendimento é limitada. Em condições reais de funcionamento com caudal variável, o rendimento médio é relativamente baixo quando comparado com o rendimento de turbinas convencionais.
A turbina de ação axial descrita na Patente US3922739 tem sido a alternativa mais frequente à turbina Wells em conversores de energia das ondas do tipo CAO. Nesta turbina o fluido é acelerado e defletido por um conjunto de pás diretrizes antes de atravessar o rotor. As pás do rotor têm uma configuração tal que a pressão do escoamento de saída é aproximadamente igual à do escoamento de entrada (definição de turbina de ação) . Por isso, existem duas coroas de pás de guiamento, uma de cada lado do rotor, de tal modo que a turbina tenha um plano médio de simetria perpendicular ao eixo de rotação. A exigência de simetria leva a que o fluido, depois de atravessar uma primeira coroa de pás fixas de guiamento e o rotor, incida sobre a segunda coroa de pás fixas com um ângulo de incidência excessivo. 0 desalinhamento entre as pás fixas da segunda coroa e o escoamento proveniente do rotor dá origem a importantes perdas aerodinâmicas com a consequente perda de rendimento. De modo a reduzir estas perdas foram propostas várias soluções. Uma delas consiste na introdução de um mecanismo de controlo do ângulo das pás do estator de saída de modo a reduzir as perdas aerodinâmicas. Outra solução possível é a de aumentar a distância entre as pás do estator e do rotor nas direções radial a axial. Assim, reduzindo a energia cinética do escoamento à entrada da segunda coroa do estator, reduzem-se as perdas por separação. Esta é a solução descrita na Patente US8596955B2.
Outro tipo de turbina auto-retificadora, denominada turbina bi-radial, está descrita na Patente WO2011102746. Esta turbina possui entrada e saída radiais, em que o escoamento é centrípeto à entrada do rotor e centrífugo à saída. Fora do rotor o escoamento é essencialmente radial. 0 estator tem duas coroas de pás, uma à entrada e outra à saída, constituídas por pás de guiamento dispostas na direção circunferencial em relação ao eixo de rotação do rotor. As paredes do estator são tendencialmente discos planos perpendiculares ao eixo de rotação. Quando comparada com a turbina Wells e a turbina de ação axial, esta turbina é mais compacta na direção axial e possui um rendimento superior. Na configuração de pás fixas, o escoamento está sujeito a perdas não desprezáveis na segunda coroa de pás do estator.
A patente WO2014185806 descreve outra turbina de rotor duplo para aplicações de CAO. Possui duas cascatas de pás rotativas e respetivas pás de guiamento deslocadas axialmente uma da outra e montadas no mesmo eixo. 0 arranjo é semelhante a duas turbinas convencionais (axiais ou radiais) no mesmo eixo. 0 escoamento de ar alternado entre a câmara de CAO e a atmosfera passa por cada um dos rotores como fluxo unidirecional, ou seja, num rotor é convertido o escoamento do interior para o exterior da câmara, e no outro rotor o escoamento inverso. Esta solução é possível graças a um conjunto duplo de condutas dispostas circunferencialmente e por uma válvula de deslocamento axial.
Outro tipologia é proposta no artigo «A twin unidirectional impulse turbine topology for OWC based wave energy plants» publicado na Revista Renewable Energy, Vol. 34, pp. 692698, 2009. Esta configuração, designada por rotor duplo, consiste no uso de duas turbinas unidirecionais idênticas acopladas a um gerador e ligadas diretamente à câmara pneumática. Para um dado sentido do escoamento, tem-se uma turbina a extrair energia de forma eficiente (modo direto) e outra a trabalhar com perdas em caudal negativo (modo inverso). A turbina em modo inverso bloqueia parcialmente a passagem de fluido, pelo que a maior parte do caudal é direcionado para a turbina que funciona em modo direto. Os modos de operação invertem-se quando muda o sentido do escoamento. Apesar de o funcionamento em modo direto ter rendimento elevado, o funcionamento em modo inverso introduz um binário resistente que penaliza o rendimento global do sistema. Esta tipologia funciona sem o auxílio de válvulas.
Descrição pormenorizada da invenção presente invento refere-se a um sistema de conversão de energia pneumática de rotor duplo, com sistema de retificação integrado e projetado para extrair eficientemente energia em escoamentos alternados bidirecionais.
rotor duplo e sistema de retificação permitem conciliar, no mesmo equipamento, o elevado rendimento das turbinas unidirecionais com um sistema de retificação de ação rápida de fácil construção e manutenção.
Uma implementação do presente invento está representada esquematicamente na Figura 1 em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. Na Figura 2 é possível ver uma perspetiva exterior da mesma implementação. 0 primeiro espaço (A) e o segundo espaço (B) são os espaços de ar entre os quais o sistema opera, por exemplo a atmosfera e a câmara pneumática de um dispositivo de CAO, respetivamente. 0 sistema está dividido num primeiro setor (100) e num segundo setor (200), onde se faz a conversão de energia pneumática em mecânica. No centro encontram-se um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300). Exemplos deste tipo de dispositivo são os geradores elétricos, compressores ou bombas.
O sistema está configurado de modo a que se verifiquem as seguintes características-chave: (i) no interior do primeiro setor (100) existe um canal onde o fluido circula unidirecionalmente do segundo espaço (B) para o primeiro espaço (A); (ii) no canal do primeiro setor (100) existe pelo menos um rotor que converte energia pneumática em mecânica; (iii) no interior do segundo setor (200) existe um canal onde o fluido circula unidirecionalmente do primeiro espaço (A) para o segundo espaço (B) ; (iv) no canal do segundo setor (200) existe pelo menos um rotor que converte energia pneumática em mecânica; (v) o canal do primeiro setor (100) não interseta o canal do segundo setor (200); (vi) a seleção dos setores por onde escoa o fluido é feita pelo primeiro meio de obturação (170) e pelo segundo meio de obturação (270) .
Os meios de obturação contêm um ou mais componentes móveis (por exemplo: obturador cilíndrico ou tipo tampão) que permitem bloquear a passagem de fluido nos canais.
Tomando o caso em que Pb > Pa , Figura 1-(i) , o segundo meio de obturação (270) encontra-se no estado «fechado» e o primeiro meio de obturação (170) no estado «aberto», por isso, o escoamento dá-se do segundo espaço (B) para o primeiro espaço (A), passando pelo primeiro setor (100) e com conversão de energia no primeiro rotor (110) .
No caso em que pA > Pb< Figura l-(ii), o primeiro meio de obturação (170) encontra-se no estado «fechado» e o segundo meio de obturação (270) no estado «aberto», por isso o escoamento dá-se do primeiro espaço (A) para o segundo espaço (B), passando pelo segundo setor (200) e com conversão de energia no segundo rotor (210) .
É também possível atuar o primeiro meio de obturação (170) e o segundo meio de obturação (270) em simultâneo bloqueando ambas as passagens entre o primeiro espaço (A) e o segundo espaço (B) . Esta ação é essencial para efetuar controlo de fase e aumentar significativamente o rendimento global de um conversor de energia das ondas do tipo CAO. O bloqueio simultâneo permite também isolar o sistema do exterior, por exemplo, em condições de mar extremas. A obturação parcial de qualquer um dos canais permite controlar o caudal que passa em cada rotor. O mecanismo atuador dos meios de obturação pode ser do tipo elétrico, hidráulico, pneumático ou outro.
A ligação entre o primeiro espaço (A) e o segundo espaço (B) com o primeiro setor (100) e o segundo setor(200) pode ser feita através de um conjunto de coletores. Estes podem ser classificados quanto à sua função: coletores de admissão ou coletores de escape.
A utilização dos coletores de admissão e de escape depende da natureza do primeiro espaço (A) e do segundo espaço (B). Estes podem ser confinados como, por exemplo, a câmara pneumática de um dispositivo CAO ou não confinados como, por exemplo, a atmosfera.
Nas Figuras 1 e 2, o espaço confinado corresponde ao segundo espaço (B). Neste caso, a ligação do segundo espaço (B) com o primeiro setor (100) é feita através do primeiro coletor de admissão (140), que recolhe o fluido de trabalho para conversão de energia no primeiro rotor (110) (Figuras 1 e 2 -(i)) . A ligação do segundo setor (200) ao segundo espaço (B) é feita através do primeiro coletor de escape (240) que emite o fluido após o aproveitamento de energia no segundo rotor (210) (Figuras 1 e 2 -(ii)).
Considerando um espaço não confinado, como por exemplo a atmosfera representada pelo primeiro espaço (A) das Figuras e 2, este, por definição, envolve o primeiro setor (100) e o segundo setor (200) . Como tal, a primeira conduta de saída (130) e a segunda conduta de entrada (260) estão em contacto direto com o primeiro espaço (A) , pelo que o uso de coletores é opcional.
Os coletores podem ser do tipo câmara de pleno ou caixa espiral. Para ambos, a ligação aos espaços é feita numa direção tendencialmente perpendicular ao eixo de rotação dos rotores, como nas Figuras 2, 9 e 10.
Consoante o tipo de coletor de admissão podem ser usados o primeiro estator de guiamento (120) e/ou o segundo estator de guiamento (220), que contêm um ou mais conjuntos de pás diretrizes, como nas Figuras 3 e 6.
Considere-se o primeiro coletor de admissão (100), do tipo câmara de pleno, que se encontra representado na Figura 1. Este fornece à primeira conduta de entrada (160) um escoamento uniforme radial, pelo que para extrair energia de forma eficiente no primeiro rotor (110) é necessário o uso de um primeiro estator de guiamento (120) que deflita o escoamento e lhe adicione uma componente tangencial. Uma projeção do rotor e estator de guiamento num plano perpendicular ao eixo de rotação está representada na Figura 3 .
Na implementação representada na Figura 9 é usado um primeiro coletor de admissão (140) do tipo caixa espiral. O fluido entra na primeira conduta de entrada (não visível) com componente tangencial, tornando opcional o uso de um primeiro estator de guiamento a montante do primeiro rotor.
O sistema descrito no presente invento permite a utilização de várias geometrias de rotores semelhantes aos das turbinas convencionais usadas para outros fins. Podem ser usados rotores e estatores de guiamento radiais (Figura 3), axiais (Figura 6) ou mistos. Como o escoamento nos rotores é unidirecional, as pás podem ser fortemente assimétricas e com um grau de reação diferente de zero (turbina de reação), repartindo a queda de pressão entre o rotor e as pás diretrizes, beneficiando o rendimento aerodinâmico em condições de caudal variável. São também possíveis configurações com múltiplos conjuntos rotor/estator colocados em série em cada um dos canais e ainda coroas de pás diretrizes com ângulo de calagem variável através de um atuador.
Os rotores estão ligados a um meio de transmissão mecânica que, na implementação mais simples, são veios encastrados nos cubos dos rotores. Qualquer que seja a configuração, a função dos meios de transmissão é a de transportar energia mecânica dos rotores a outros dispositivos. Portanto, em função da aplicação, pode ser conveniente ter um meio de transmissão com capacidade de multiplicação de binário, sistemas de acoplamento rápido ou até sistemas de conversão de movimento rotativo em linear.
Para reduzir as perdas por energia cinética à saída dos rotores, prevê-se a utilização de uma primeira conduta de saída (130) e uma segunda conduta de saída (230), que podem ser desenhadas de forma a converterem uma parte da energia cinética do escoamento em pressão. A geometria pode ser definida genericamente pela rotação de duas geratrizes em torno de um eixo coaxial com o eixo de rotação dos rotores dos respetivos setores (primeiro setor (100) ou segundo setor (200) ) .
Os componentes do primeiro setor (100) são tendencialmente simétricos aos componentes do segundo setor (200) em relação a um plano médio perpendicular ao eixo de rotação dos rotores. No entanto, em algumas implementações poderá não haver simetria para uma melhor adaptação a diferentes condições de operação do presente invento.
sistema de conversão de energia objeto deste invento permite combinar o rendimento elevado das turbinas de gás convencionais com a capacidade de aproveitar a energia associada a uma queda de pressão relativa que varia alternadamente de sinal, sem recorrer a mecanismos ou estruturas complexas. 0 único mecanismo presente (à exceção do conjunto de rotores e gerador) são os meios de obturação do escoamento, cilíndricos ou de tampão, de curso reduzido e que na posição aberta não introduzem perda de carga significativa. É de salientar que o presente invento permite que o gerador e os mecanismos atuadores dos meios de obturação se encontrem acessíveis a partir do exterior do sistema, facilitando a construção e manutenção do equipamento. Os meios de obturação que equipam o invento podem desempenhar várias funções, tais como retificação do escoamento, controlo de fase, fecho de segurança e controlo de caudal.
Descrição das figuras
Figura 1. Representação esquemática do sistema em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. 0 primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. 0 primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A conversão é feita no primeiro rotor (110) e no segundo rotor (210) . A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) pelo primeiro meio de transmissão mecânica (150) e pelo segundo meio de transmissão mecânica (250). Nesta implementação a primeira conduta de entrada (160) e a segunda conduta de entrada (260) são bocais de aspiração. A primeira conduta de saída (130) e a segunda conduta de saída (230) são difusores. A geometria do primeiro rotor (110), do segundo rotor (210), do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) são do tipo turbina de gás radial convencional. A admissão de fluido do segundo espaço (B) para o primeiro setor (100) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140) . O fluido de escape do primeiro setor (100) é descarregado diretamente pela primeira conduta de saída (130) para o primeiro espaço (A). A admissão de fluido do primeiro espaço (A) para o segundo setor (200) é feita diretamente pela segunda conduta de entrada (260). O fluido de escape do segundo setor (200) é recolhido e descarregado pelo primeiro coletor de escape (240) para o segundo espaço (B). Quer o primeiro coletor de admissão (140) quer o primeiro coletor de escape (240) são do tipo câmara de pleno. O primeiro meio de obturação (170) e o segundo meio de obturação (270) são do tipo tampão. Na Figura 1—(i) o primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dáse no primeiro setor (100). Na Figura l-(ii) o primeiro meio de obturação (170) está no estado «fechado» e o segundo meio de obturação (270) no estado «aberto»; a conversão e transmissão de energia dá-se no segundo setor (200) .
Figura 2. Vista em perspetiva do exterior do sistema na mesma implementação representada na Figura 1. O primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. O primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) . A admissão de fluido do segundo espaço (B) para o primeiro setor (100) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140). O fluido de escape do primeiro setor (100) é descarregado diretamente pela primeira conduta de saída (130) para o primeiro espaço (A) . A admissão de fluido do primeiro espaço (A) para o segundo setor (200) é feita diretamente pela segunda conduta de entrada (260). O fluido de escape do segundo setor (200) é recolhido e descarregado pelo primeiro coletor de escape (240) para o segundo espaço (B) . Quer o primeiro coletor de admissão (140) quer o primeiro coletor de escape (240) são do tipo câmara de pleno. Na Figura 1—(i) o primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100) . Na Figura l-(ii) o primeiro meio de obturação (170) está no estado «fechado» e o segundo meio de obturação (270) no estado «aberto»; a conversão e transmissão de energia dá-se no segundo setor (200) .
Figura 3. Representação esquemática do primeiro rotor (110), do segundo rotor (210), do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) que equipam o invento na configuração das Figuras 1 e 2. O plano do desenho é perpendicular ao eixo de rotação do rotor. As pás do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) podem ser perfiladas aerodinamicamente. A linha média do perfil tem uma curvatura tal que deflete o escoamento centrípeto de entrada adicionando-lhe velocidade tangencial. A entrada do escoamento no primeiro rotor (110) e no segundo rotor (210) dá-se tendencialmente segundo a direção centrípeta e a saída segundo a direção axial.
Figura 4. Representação esquemática do sistema em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. 0 primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. 0 primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde a energia pneumática é convertida em energia mecânica. A conversão é feita no primeiro rotor (110) e no segundo rotor (210) . A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) pelo primeiro meio de transmissão mecânica (150) e pelo segundo meio de transmissão mecânica (250). Nesta implementação, a primeira conduta de entrada (160) e a segunda conduta de entrada (260) são bocais de aspiração. A primeira conduta de saída (130) e a segunda conduta de saída (230) são difusores. A geometria do primeiro rotor (110), do segundo rotor (210), do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) são do tipo turbina hidráulica Kaplan. A admissão de fluido do segundo espaço (B) para o primeiro setor (100) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140) . O fluido de escape do primeiro setor (100) é descarregado diretamente pela primeira conduta de saída (130) para o primeiro espaço (A) . A admissão de fluido do primeiro espaço (A) para o segundo setor (200) é feita diretamente pela segunda conduta de entrada (260). O fluido de escape do segundo setor (200) é recolhido e descarregado pelo primeiro coletor de escape (240) para o segundo espaço (B). O primeiro meio de obturação (170) e o segundo meio de obturação (270) são do tipo obturador cilíndrico. Nesta representação, o primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100) .
Figura 5. Representação esquemática do sistema em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. 0 primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. 0 primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde a energia pneumática é convertida em energia mecânica. A conversão é feita no primeiro rotor (110) e no segundo rotor (210) . A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) pelo primeiro meio de transmissão mecânica (150) e pelo segundo meio de transmissão mecânica (250). Nesta implementação, a primeira conduta de entrada (160) e a segunda conduta de entrada (260) são bocais de aspiração. A primeira conduta de saída (130) e a segunda conduta de saída (230) são difusores. A geometria do primeiro rotor (110), do segundo rotor (210), do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) são do tipo turbina de gás axial convencional. A admissão de fluido do segundo espaço (B) para o primeiro setor (100) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140) . O fluido de escape do primeiro setor (100) é descarregado diretamente pela primeira conduta de saída (130) para o primeiro espaço (A). A admissão de fluido do primeiro espaço (A) para o segundo setor (200) é feita diretamente pela segunda conduta de entrada (260). O fluido de escape do segundo setor (200) é recolhido e descarregado pelo primeiro coletor de escape (240) para segundo espaço (B) . Quer o primeiro coletor de admissão (140) quer o primeiro coletor de escape (240) são do tipo câmara de pleno. O primeiro meio de obturação (170) e o segundo meio de obturação (270) são do tipo obturador cilíndrico. Nesta representação, o primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100) .
Figura 6. Representação esquemática do primeiro rotor (110), do segundo rotor (210), do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) que equipam o sistema na implementação da Figura 5. A vista do desenho é feita a partir de um plano paralelo ao eixo de rotação do rotor. As pás do primeiro estator de guiamento (120), do segundo estator de guiamento (220), do primeiro rotor (110) e do segundo rotor (210) podem ser perfiladas aerodinamicamente. A linha média dos perfis das pás dos estatores de guiamento tem uma curvatura tal que deflete o escoamento axial de entrada conferindo-lhe componente tangencial. A entrada e sarda do escoamento no primeiro rotor (110) e segundo rotor (210) dá-se tendencialmente segundo a direção axial. Os perfis das pás do primeiro rotor (110) e segundo rotor (210) têm uma curvatura tal que a passagem do escoamento produz binário ao eixo de rotação.
Figura 7. Representação esquemática do sistema em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. O primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. O primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A conversão é feita no primeiro rotor (110) e no segundo rotor (210) . A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) pelo primeiro meio de transmissão mecânica (150) e pelo segundo meio de transmissão mecânica (250). Nesta implementação, a primeira conduta de entrada (160) e a segunda conduta de entrada (260) são bocais de aspiração. A primeira conduta de sarda (130) e a segunda conduta de sarda (230) são difusores. A geometria do primeiro rotor (110), do segundo rotor (210), do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) são do tipo turbina hidráulica Kaplan. A admissão de fluido que escoa entre o segundo espaço (B) e a primeira conduta de entrada (160) e a recolha do fluido que escoa pela segunda conduta de saída (230) são feitas pelo coletor central (400) . O primeiro espaço (A) liga diretamente quer à primeira conduta de saída (130) quer à segunda conduta de entrada (260) . O coletor central (400) é do tipo câmara de pleno. O primeiro meio de obturação (170) e o segundo meio de obturação (270) são do tipo obturador cilíndrico. Nesta representação, o primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100) .
Figura 8. Representação esquemática do sistema em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. O primeiro espaço (A) (espaço confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. O primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A conversão é feita no primeiro rotor (110) e no segundo rotor (210) . A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) pelo primeiro meio de transmissão mecânica (150) e pelo segundo meio de transmissão mecânica (250). Nesta implementação a primeira conduta de entrada (160) e a segunda conduta de entrada (260) são bocais de aspiração. A primeira conduta de saída (130) e a segunda conduta de saída (230) são difusores. A geometria do primeiro rotor (110), do segundo rotor (210), do primeiro estator de guiamento (120) e do segundo estator de guiamento (220) são do tipo turbina de gás radial convencional. A admissão de fluido que escoa entre o segundo espaço (B) e a primeira conduta de entrada (160) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140) . A recolha do fluido que escoa entre a primeira conduta de sarda (130) e o primeiro espaço (B) é feita pelo segundo coletor de escape (180) . A admissão de fluido que escoa entre o primeiro espaço (A) e a segunda conduta de entrada (260) é feita pelo segundo coletor de admissão (280) . A recolha do fluido que escoa entre a segunda conduta de sarda (230) e o segundo espaço (B) é feita pelo primeiro coletor de escape (240) . O primeiro coletor de admissão (140), o primeiro coletor de escape (240), o segundo coletor de escape (180) e o segundo coletor de admissão (280) são do tipo câmara de pleno. O primeiro meio de obturação (170) e o segundo meio de obturação (270) são do tipo tampão. Na Figura 1— (i) o primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100). Na Figura l-(ii) o primeiro meio de obturação (170) está no estado «fechado» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «aberto»; a conversão e transmissão de energia dá-se no segundo setor (200) .
Figura 9. Vista em perspetiva do exterior do sistema. O primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. O primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300). A admissão de fluido do segundo espaço (B) para o primeiro setor (100) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140) . O fluido de escape do primeiro setor (100) é descarregado diretamente pela primeira conduta de saída (130) para o primeiro espaço (A) . A admissão de fluido do primeiro espaço (A) para o segundo setor (200) é feita diretamente pela segunda conduta de entrada (260). O fluido de escape do segundo setor (200) é recolhido e descarregado pelo primeiro coletor de escape (240) para o segundo espaço (B) . Quer o primeiro coletor de admissão (140) quer o primeiro coletor de escape (240) são do tipo caixa espiral. O primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dáse no primeiro setor (100) .
Figura 10. Vista em perspetiva do exterior do sistema. O primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. O primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300). A admissão de fluido do segundo espaço (B) para o primeiro setor (100) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140) . O fluido de escape do primeiro setor (100) é descarregado diretamente pela primeira conduta de saída (130) para o primeiro espaço (A) . A admissão de fluido do primeiro espaço (A) para o segundo setor (200) é feita pelo segundo coletor de admissão (280) . O fluido de escape do segundo setor (200) é recolhido e descarregado pelo primeiro coletor de escape (240) para o segundo espaço (B) . Quer o primeiro coletor de admissão (140) quer o segundo coletor de admissão (280) são do tipo caixa espiral. O primeiro coletor de escape é do tipo câmara de pleno. O primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100) .
Figura 11. Representação esquemática do sistema em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. 0 primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. 0 primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A conversão é feita no primeiro conjunto de rotores (115) e no segundo conjunto de rotores (215) . A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) pelo primeiro meio de transmissão mecânica (150) e pelo segundo meio de transmissão mecânica (250). Nesta implementação a primeira conduta de entrada (160) e a segunda conduta de entrada (260) são bocais de aspiração. A primeira conduta de saída (130) e a segunda conduta de saída (230) são difusores. A geometria do primeiro conjunto de rotores (115), do segundo conjunto de rotores (215), do primeiro estator de guiamento (120), do segundo estator de guiamento (220), do primeiro conjunto de estatores de guiamento (125) e do segundo conjunto de estatores de guiamento (225), são do tipo turbina de gás radial convencional. A admissão de fluido do segundo espaço (B) para o primeiro setor (100) é feita pelo primeiro coletor de admissão (140) . O fluido de escape do primeiro setor (100) é descarregado diretamente pela primeira conduta de saída (130) para o primeiro espaço (A) . A admissão de fluido do primeiro espaço (A) para o segundo setor (200) é feita diretamente pela segunda conduta de entrada (260). O fluido de escape do segundo setor (200) é recolhido e descarregado pelo primeiro coletor de escape (240) para segundo espaço (B) . Quer o primeiro coletor de admissão (140) quer o primeiro coletor de escape (240) são do tipo câmara de pleno. O primeiro meio de obturação (170) e o segundo meio de obturação (270) são do tipo tampão. O primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100) .
Figura 12. Representação esquemática do sistema em corte pelo plano de simetria e que contém o eixo de rotação dos rotores. O primeiro espaço (A) (espaço não confinado) e o segundo espaço (B) (espaço confinado) são os espaços de ar entre os quais o presente invento opera. O primeiro setor (100) e o segundo setor (200) são as duas zonas onde é convertida energia pneumática em energia mecânica. A conversão é feita no primeiro rotor (110) e no segundo rotor (210) . A energia é fornecida a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300) pelo primeiro meio de transmissão mecânica (150) e pelo segundo meio de transmissão mecânica (250) . A geometria do primeiro rotor (110) e a geometria do segundo rotor (210) são do tipo turbina de gás radial convencional. O primeiro meio de obturação (170) está no estado «aberto» e o segundo meio de obturação (270) está no estado «fechado»; a conversão e transmissão de energia dá-se no primeiro setor (100) .
Lisboa, 22 de setembro de 2016.

Claims (1)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema de conversão de energia em escoamentos alternados bidirecionais em que a energia está associada a uma diferença de pressão que varia alternadamente de sinal entre um primeiro espaço (A) e um segundo espaço (B) e que compreende, pelo menos, dois rotores, ligados por meios de transmissão mecânica a um ou mais dispositivos que utilizam energia mecânica (300), compreendendo:
    a) um primeiro setor (100) composto por: um primeiro coletor de admissão (140), uma primeira conduta de entrada (160), um primeiro rotor (110), uma primeira conduta de saída (130), um primeiro meio de obturação (170) do escoamento e um primeiro meio de transmissão mecânica (150) ;
    b) um segundo setor (200) composto por: uma segunda conduta de entrada (260), um segundo rotor (210), uma segunda conduta de saída (230), um primeiro coletor de escape (240), um segundo meio de obturação (270) do escoamento e um segundo meio de transmissão mecânica (250);
    em que os componentes do primeiro setor (100) estão ligados através da seguinte configuração:
    a) o primeiro coletor de admissão (140) está ligado ao segundo espaço (B) e à primeira conduta de entrada (160);
    b) a primeira conduta de entrada (160) está ligada ao primeiro coletor de admissão (140) e ao primeiro rotor (110);
    c) a primeira conduta de saída (130) está ligada ao primeiro rotor (110) e ao primeiro espaço (A) ;
    em que os componentes do segundo setor (200) estão ligados através da seguinte configuração:
    a) a segunda conduta de entrada (260) está ligada ao primeiro espaço (A) e ao segundo rotor (210);
    b) a segunda conduta de saída (230) está ligada ao segundo rotor (210) e ao primeiro coletor de escape (240);
    c) o primeiro coletor de escape (240) está ligado à segunda conduta de saída (230) e ao segundo espaço (B) ;
    em que o primeiro coletor de admissão (140) e o primeiro coletor de escape (240) podem ser substituídos por um coletor central (400), que comunica com o espaço (B), com a primeira conduta de entrada (160) e com a segunda conduta de saída (230);
    podendo ser adicionado um segundo coletor de escape (180) ligado à primeira conduta de saída (130) e ao primeiro espaço (A) e um segundo coletor de admissão (280) ligado ao primeiro espaço (A) e à segunda conduta de entrada (260);
    podendo ainda ser adicionado um primeiro estator de guiamento (120) na primeira conduta de entrada (160) e um segundo estator de guiamento (220) na segunda conduta de entrada (260) ;
    podendo o primeiro rotor (110) ser substituído por um primeiro conjunto de rotores (115), constituído por dois ou mais rotores associados em série e o segundo conjunto de rotores (215), constituído por dois ou mais rotores associados em série;
    caracterizado pela adição de um primeiro conjunto de estatores de guiamento (125), constituído por um ou mais estatores de guiamento, localizados entre rotores do primeiro conjunto de rotores (115), e pela adição de um segundo conjunto constituído por localizados entre (215) .
    de estatores de guiamento (225), um ou mais estatores de guiamento, rotores do segundo conjunto de rotores
    Lisboa, 10 de maio de 2021.
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