PT1625071E - Sistema de propulsão para navios com dispositivos de refrigeração para o estator e para o rotor da respetiva máquina síncrona - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"SISTEMA DE PROPULSÃO PARA NAVIOS COM DISPOSITIVOS DE REFRIGERAÇÃO PARA O ESTATOR E PARA O ROTOR DA RESPETIVA MÁQUINA SÍNCRONA" A presente invenção refere-se a um sistema de propulsão para navios compreendendo uma máquina síncrona, a qual compreende a) um rotor com um enrolamento do rotor particularmente supercondutor multipolar a ser sujeito a arrefecimento intenso, que está termicamente, diretamente ou indiretamente, acoplado a um dispositivo de refrigeração para o rotor; b) um estator que envolve o rotor compreendendo um enrolamento do estator normalmente condutor a ser sujeito a refrigeração; . uma estrutura de suporte que suporta pelo menos parcialmente o enrolamento do estator, a qual apresenta um corpo exterior essencialmente cilíndrico oco de material magneticamente permeável; uma carcaça exterior com um componente da carcaça cilíndrico oco, que envolve o corpo exterior, e; . um dispositivo de refrigeração do estator para a evacuação do calor gerado pelo enrolamento do estator com água como agente de refrigeração, sendo que está prevista uma refrigeração do componente da carcaça pelo menos em áreas parciais através da permuta de calor com o agente de refrigeração dentro do ou no componente da carcaça. 2

Um sistema de propulsão para navios com uma máquina síncrona da referida natureza é divulgado na WO 03/019759. A máquina síncrona do sistema de propulsão para navios conhecido compreende um rotor com um enrolamento do rotor multipolar, o qual é concebido a partir de condutores com material supercondutor de Tc elevado. Neste caso o enrolamento encontra-se num crióstato isolado sob vácuo, que recebe um agente de refrigeração criogénico, em que é mantido a uma temperatura operacional compreendida entre 15K e 77K. O enrolamento do estator de uma máquina síncrona pode ser concebido de acordo com a US20010035692A1 como um chamado enrolamento de entreferro entre dentes de suporte não-magnéticos. Para assegurar uma refrigeração eficaz dos componentes do enrolamento, podem igualmente estar previstos canais de refrigeração que se estendem na direção radial, axial e/ou de circulação de acordo com a EP1251624A2, que são atravessados por água de refrigeração como agente de refrigeração. Para alcançar uma refrigeração eficaz do enrolamento do estator da máquina conhecida para a receção dos referidos canais ou para a disponibilização de uma secção de escoamento do agente de refrigeração suficientemente grande é necessária uma expansão relativamente grande dos dentes de suporte na direção radial.

No caso de alguns tipos de máquinas contudo esta expansão radial é limitada. No caso de tipos de máquinas da referida natureza com diâmetros exteriores relativamente pequenos mal é possível a evacuação do calor gerado pelo enrolamento do estator para um agente de refrigeração líquido por meio 3 de um dispositivo de refrigeração para o estator da referida natureza. Os tipos de máquinas da referida natureza são particularmente necessários para a propulsão por hélice e para a propulsão a jato em equipamentos flutuantes tais como navios.

Na US6485339 é divulgado um motor de propulsão para um sistema de propulsão para navios, que apresenta um dispositivo de refrigeração para o motor de propulsão. São descritos corpos de refrigeração, que conduzem o calor gerado para a água envolvente. Para o referido efeito a carcaça do motor é concebida a partir de um material particularmente condutor de calor. A refrigeração do enrolamento do estator neste caso é realizada através de uma evacuação do calor através de enrolamentos para o componente da carcaça envolvente.

As boas propriedades marítimas de um navio da marinha são caracterizadas por uma velocidade elevada e por uma boa capacidade de manuseamento. É necessária uma velocidade de marcha permanente elevada para uma grande mobilidade através de espaços marítimos amplos. As velocidades máximas e a mobilidade elevadas são necessárias - por vezes apenas por curtos períodos de tempo. A velocidade de marcha permanente situa-se aproximadamente nos 20 nós e a velocidade máxima deverá ser superior a 30 nós.

Uma propriedade importante é a resistência marítima, que tanto depende das reservas de combustível bem como de água e de mantimentos assim como igualmente da segurança operacional dos equipamentos e da disponibilidade da tripulação. Hoje em dia a velocidade de marcha permanente elevada mesmo no caso de mar agitado está relacionada com 4 um bom comportamento marítimo uma necessidade importante para a travessia de espaços marítimos amplos. Os navios têm de estar prontos a serem utilizados a nível mundial.

Os sistemas e os componentes dos circuitos de marcha e de bordo para o melhoramento das propriedades marítimas devem apresentar uma elevada disponibilidade operacional. A conceção tem de ser montada, de modo que no caso de um dano, causado seja por que circunstâncias for, a danificação dos componentes e da respetiva instalação seja detetada por sensores correspondentes e os sistemas danificados sejam separados dos circuitos de marcha e de bordo, de modo que a parte da instalação intacta possa continuar a funcionar de forma tão ininterrupta quanto possível.

Em seguida será feita referência a alguns pontos de vista a considerar para a instalação de um sistema de propulsão de um navio: I. Sistema de propulsão por hélice

Os navios de superfície hoje em dia geralmente são propulsionados por hélices. No interior do navio estão dispostos motores a diesel ou turbinas a gás, que transmitem a respetiva energia mecânica às hélices através de instalações por eixo/transmissões. No caso dos sistemas de propulsão da marinha a partir da experiência até ao presente têm sido implementados requisitos particularmente rígidos, nomeadamente disponibilidade operacional inicial rápida; potências máximas curtas elevadas em caso de sobrecarga; 5 peso reduzido; boas possibilidades de manutenção assim como formas de montagem e de desmontagem; consumo de combustível reduzido; segurança operacional elevada.

Assim o motor a diesel devido à respetiva disponibilidade operacional relativamente rápida, a respetiva forma de construção e de funcionamento economizadora de espaço e de pessoal e devido ao consumo de combustível reduzido comprovou ser o sistema de propulsão ideal para navios da marinha mais pequenos. II. Sistema de propulsão a jato de água

Os sistemas de propulsão da referida natureza estão particularmente previstos para navios marítimos rápidos. Compreendem uma propulsão através de pelo menos um jato de água, o chamado "waterjet", que é gerado num agregado de bombas com válvula(s) de saída. Para este efeito pode estar previsto uma roda livre na extremidade de um veio de bomba, o qual está ligado a um motor como por exemplo um motor elétrico, por exemplo com supercondutores de Tc elevado ou a um motor a diesel ou a uma turbina a gás (compare-se por exemplo igualmente a WO 03/101820 Al). III. Navio totalmente elétrico (VES) O circuito elétrico de bordo dos navios atuais é constituído pelos seguintes componentes e sistemas, nomeadamente produção de energia elétrica; . distribuição de energia elétrica, e; . consumo de energia elétrica. 6 Há alguns anos que é estudada a exequibilidade de navios de superfície da marinha totalmente elétricos. 0 navio totalmente elétrico (VES) compreende o recurso a produtores de energia elétrica, económicos, para a propulsão do navio através de máquinas elétricas (circuito de marcha) e a alimentação do circuito de bordo.

Exemplares experimentais mais pequenos já se encontram em funcionamento há alguns anos ou estão a ser construídos. Os circuitos elétricos de marcha e de bordo na maior parte dos casos são concebidos com baixa tensão.

Como produtores de energia elétrica consideram-se as seguintes técnicas futuras: Técnica de células de combustível Turbinas de gás - Gerador - Segmentos . Motor a diesel - Gerador - Segmentos A necessidade de potência dos agregados produtores de energia elétrica no caso dos navios futuros está compreendida entre os 20 - 50 MW variando em função das exigências do circuito de bordo e da velocidade do navio. No caso das referidas potências uma distribuição da energia elétrica apenas continua a fazer sentido com um sistema de tensão média. Neste caso contudo são igualmente necessárias redes de distribuição de corrente contínua, considerando que a técnica de células de combustível por natureza fornece tensão contínua.

As tensões de circuito de bordo aplicadas em navios de superfície da marinha futuros situam-se na área da baixa tensão e da média tensão. A frequência do circuito de bordo é de 60 Hz (em parte de 50 Hz). 7

Particularmente no âmbito do desenvolvimento de navios totalmente elétricos pensa-se igualmente em sistemas de propulsão, que apresentam pelo menos um motor de propulsão montado na parte inferior do casco do navio sob a forma de gôndola. Os sistemas de propulsão da referida natureza são igualmente designados por «sistemas de propulsão POD"». Os sistemas de propulsão correspondentes, particularmente com máquinas sincronas com utilização de supercondutores de Tc elevado, em termos gerais são conhecidos (compare-se por exemplo WO 03/019759 A2, EP 0 907 556 Bl, WO 03/047962 A2). O principal objetivo da conceção de sistemas de propulsão POD da referida natureza é a minimização do peso.

Além disso existe o objetivo de alcançar um grau de eficiência da hélice hidrodinâmica > 60%. Neste caso a relação diâmetro da gôndola/diâmetro da hélice é um critério importante para o sistema de propulsão POD e otimamente deverá situar-se nos 0,3... 0,33 (as relações inferiores a 0,3 apenas trazem vantagens hidrodinâmicas reduzidas mediante recursos extraordinariamente elevados para o POD).

Neste caso o comprimento da gôndola deverá ser relativamente curto.

As máquinas magnéticas permanentes, as máquinas assincronas e sincronas conhecidas não alcançam as exigências relativamente aos referidos requisitos da relação do aspeto e do peso.

Por conseguinte a presente invenção tem por objetivo divulgar um sistema de propulsão para navios utilizando uma máquina síncrona com as características acima referidas, no qual é possibilitada uma refrigeração segura do enrolamento do rotor e particularmente do enrolamento do estator com recursos reduzidos, particularmente igualmente no caso de uma expansão radial reduzida do enrolamento, conforme é necessário no caso de máquinas para navios. 0 referido objetivo é alcançado com as medidas indicadas na reivindicação 1. Correspondentemente no caso da máquina síncrona do sistema de propulsão para navios com as características acima referidas está prevista uma refrigeração do respetivo componente da carcaça pelo menos em áreas parciais e é realizado um acoplamento térmico do enrolamento do estator ao agente de refrigeração (água) através da estrutura de suporte e do componente da carcaça.

Por conseguinte os dentes de suporte têm obrigatoriamente de ser pelo menos parcialmente constituídos por um material com uma condutibilidade térmica suficiente para o efeito. As medidas de acordo com a presente invenção baseiam-se no pensamento, de o enrolamento do estator da máquina síncrona vantajosamente ser totalmente refrigerado através da condução de calor nos respetivos dentes de suporte. Neste caso a evacuação de calor é realizada a partir do enrolamento do estator existente no condutor de cobre comum através do respetivo isolamento e dos dentes de suporte com condutibilidade térmica suficiente para o efeito por meio da emissão do calor para o corpo exterior envolvente. 0 referido corpo exterior envolvente por motivos de uma condução de fluxo magnético necessária é constituído por um material magneticamente permeável como particularmente o ferro, o qual para uma condução de fluxo magnético suficiente tem de apresentar uma secção de escoamento 9 relativamente grande e por conseguinte é capaz de receber e de emitir calor suficiente. A emissão é realizada através de um agente de refrigeração reticulante a partir de pelo menos o componente da carcaça envolvente e eventualmente através de componentes adicionais da carcaça exterior, preferencialmente diretamente ou indiretamente para o agente de refrigeração água tal como por exemplo água do mar ou água doce. É particularmente vantajoso, que a partir dos enrolamentos do enrolamento do estator, os quais devido à respetiva geometria tridimensional altamente complicada geralmente não podem ser incorporados na estrutura de suporte, a evacuação de calor seja realizada através da condução de calor através dos condutores de cobre do enrolamento do estator para o componente ativo linear do enrolamento (na área do corpo exterior magneticamente permeável envolvente) . A partir dai por meio dos dentes de suporte com condutibilidade térmica este calor como igualmente o calor do componente ativo linear são evacuados para o corpo exterior magneticamente permeável, que é refrigerado através do componente da carcaça pelo agente de refrigeração. 0 transporte de calor para o agente de refrigeração é essencialmente realizado através dos dentes de suporte e do corpo exterior, que conjuntamente formam a estrutura de suporte, assim como pelo menos através do componente da carcaça da carcaça exterior.

Ao contrário no caso das máquinas conhecidas a secção de escoamento dos dentes de suporte com uma condutibilidade térmica comparativamente pior da respetiva estrutura de suporte não é suficiente para assegurar uma refrigeração equivalente. 10 É igualmente vantajoso, que se possa prescindir de agregados adicionais tais como uma refrigeração forçada do enrolamento do estator na área dos dentes de suporte.

Considerando que no caso do enrolamento do estator da máquina síncrona preferencialmente se trata de um enrolamento multipolar do tipo entreferro, que geralmente requer uma indução elevada do enrolamento do rotor, vantajosamente este último enrolamento deverá ser sujeito a arrefecimento intenso, sendo que neste caso está termicamente, diretamente ou indiretamente, acoplado a um dispositivo de refrigeração para o rotor adequado para o efeito ou ao respetivo agente de refrigeração. Neste caso preferencialmente o enrolamento do rotor pode ser concebido com supercondutores, particularmente de tal natureza, que contenham material supercondutor de Tc elevado.

As formas de realização preferidas do sistema de propulsão para navios com pelo menos uma máquina síncrona de acordo com a presente invenção são evidenciadas nas reivindicações dependentes.

Assim o estator pode apresentar uma expansão axial do componente ativo do respetivo enrolamento do estator, que é de pelo menos o dobro do respetivo diâmetro exterior, preferencialmente de pelo menos o quádruplo e particularmente preferencialmente de pelo menos o sêxtuplo. Isto significa, que o enrolamento do estator apenas apresenta uma expansão radial reduzida. Os tipos de máquina correspondentes preferencialmente são considerados para a aplicação em navios (do tipo a jato de água ou por hélice/POD). Devido a esta expansão radial reduzida do enrolamento do estator de máquinas da referida natureza uma 11 evacuação de calor eficaz tal como de acordo com a presente invenção apenas é realizável indiretamente.

Para a refrigeração da carcaça exterior ou do respetivo componente da carcaça da máquina síncrona consideram-se praticamente todos os tipos de refrigeração conhecidos com utilização de agentes ou misturas de agentes de refrigeração líquidos. Deste modo pode estar prevista uma refrigeração por meio de uma refrigeração por banho. Em vez disso é igualmente possível um fluxo forçado do agente de refrigeração água ou de um outro agente de refrigeração adicional termicamente acoplado ao agente de refrigeração água pelo menos no ou dentro do componente da carcaça. Neste caso o agente de refrigeração utilizado pode fluir por canais de refrigeração discretos, como por exemplo serpentinas de refrigeração montadas na parte exterior da carcaça.

Além disso pode ser vantajoso para o componente da carcaça ligar um agente de refrigeração adicional que se encontra num sistema de refrigeração próprio, que está termicamente acoplado ao agente de refrigeração água. Neste caso para o agente de refrigeração água pode estar previsto um circuito de refrigeração adicional. Entre o agente de refrigeração água e o agente de refrigeração adicional da máquina é realizada uma permuta de calor de modo conhecido. As técnicas de refrigeração correspondentes são particularmente vantajosas para a aplicação em navios.

Além disso é vantajoso, que o dispositivo de refrigeração do rotor esteja termicamente acoplado ao agente de refrigeração água do dispositivo de refrigeração para o estator. Neste caso pode estar particularmente previsto: 12 um primeiro circuito de refrigeração para o dispositivo de refrigeração para o estator; um segundo circuito de refrigeração para o dispositivo de refrigeração para o rotor, e; um terceiro circuito de refrigeração com o agente de refrigeração água que está termicamente, diretamente ou indiretamente, acoplado ao primeiro e ao segundo circuitos de refrigeração.

Deste modo é assegurado um aproveitamento eficaz da água existente, quer seja água doce ou água utilizada do navio ou água do mar envolvente.

De acordo com a presente invenção para a estrutura de suporte da máquina sincrona do sistema de propulsão para navios não são utilizados dentes de estator em ferro tal como acontece no caso das máquinas conhecidas, mas de um material com uma condutibilidade térmica mais elevada (condutibilidade térmica λ) . A condutibilidade térmica do ferro é limitada e está compreendida no intervalo de 40 a 60 W/ (K.m) em função de uma eventual liga com outros materiais.

Devido à supressão de dentes de suporte de ferro ferromagnético o enrolamento do estator praticamente representa um enrolamento de entreferro, sendo que através da estrutura de suporte para este enrolamento o calor perdido é evacuado do enrolamento de entreferro. Neste caso não é relevante se são realizados um ou vários sistemas de estator eletricamente deslocados como enrolamento de entreferro.

As demais formas de realização vantajosas da máquina sincrona de acordo com a presente invenção são evidenciadas 13 nas reivindicações dependentes que ainda não foram explicadas.

Em seguida a presente invenção será mais detalhadamente explicada com base nas figuras, nas quais são assinalados exemplos de realização preferidos de máquinas síncronas de acordo com a presente invenção. Neste caso de forma ligeiramente esquematizada a

Figura 1 apresenta um corte longitudinal através de um sistema de propulsão por hélice do tipo POD de um navio com uma máquina da referida natureza;

Figura 2 apresenta um corte transversal através da máquina de acordo com a Figura 1;

Figura 3 apresenta numa ampliação de recorte da Figura 2 uma ranhura do estator da máquina;

Figura 4 apresenta um corte transversal através de uma máquina a jato de água de um navio.

Neste caso os componentes correspondentes nas figuras são assinalados com as mesmas referências.

No caso do sistema de propulsão para navios de acordo com a presente invenção com pelo menos uma máquina sincrona parte-se de sistemas de propulsão em si conhecidos. Neste caso pode particularmente tratar-se de um sistema de propulsão do tipo por hélice/POD ou igualmente do tipo a jato de água. No caso do exemplo de realização que se segue trata-se do tipo por hélice/POD. A respetiva máquina sincrona apresenta um rotor com um enrolamento do rotor particularmente supercondutor multipolar a ser sujeito a refrigeração intensa, que está termicamente, por exemplo diretamente, acoplado a um dispositivo de refrigeração para o rotor. Por um acoplamento direto neste caso deverá entender-se uma refrigeração por meio de um agente de 14 refrigeração, que está em contacto térmico direto com os componentes a refrigerar do enrolamento do rotor. Contudo é igualmente possivel uma refrigeração indireta, sendo que entre os componentes a refrigerar do enrolamento do rotor e um dispositivo de refrigeração para o rotor ou um agente de refrigeração é estabelecida uma ligação de condutibilidade térmica através de componentes fixos. 0 rotor está envolvido por um estator com um enrolamento de condutibilidade normal a refrigerar, sendo que o enrolamento do estator se encontra pelo menos parcialmente numa estrutura de suporte. Esta estrutura de suporte compreende um corpo exterior cilíndrico oco de um material magneticamente permeável assim como dentes de suporte sob a forma de nervuras no respetivo lado interior que se estendem na direção axial e na direção radial, entre os quais estão dispostos pelo menos componentes do enrolamento do estator. 0 corpo exterior magneticamente permeável está envolvido por uma carcaça exterior, que na área do corpo exterior forma um componente da carcaça cilíndrico oco. 0 calor produzido no enrolamento do estator é evacuado através de um dispositivo de refrigeração para o estator especifico com água como agente de refrigeração. Este dispositivo de refrigeração para o estator subsequentemente será mais detalhadamente explicado. 0 dispositivo de refrigeração para o estator da máquina sincrona é particularmente utilizável para tipos de máquina, que apresentam uma relação de aspeto elevada do enrolamento do estator, quer dizer em que o estator apresenta uma expansão axial do componente ativo do respetivo enrolamento do estator, que é um múltiplo do diâmetro exterior. Os tipos de máquinas correspondentes praticamente não apresentam espaço para canais de 15 refrigeração discretos na área dos dentes de suporte entre os respetivos componentes de enrolamento. Um tipo de máquina correspondente é particularmente o sistema de propulsão por hélice/POD selecionado para o exemplo de realização das Figuras 1 a 3. No caso dos detalhes não de acordo com a presente invenção, não mais detalhadamente explicados do sistema de propulsão remete-se para formas de realização conhecidas (compare-se por exemplo WO 03/019759 A2 ou EP 0 907 556 Bl).

Na Figura com 2 é assinalada uma unidade de propulsão POD de um navio, com 3 uma gôndola de motor, com 4 um casco de um navio, com 5 um dispositivo de fixação para a gôndola de motor no casco do navio, com 6 uma máquina síncrona, com 7 um rotor desta máquina, com 8 um eixo do rotor, que está alojado em mancais do eixo 9, com 10 uma hélice de navio fixada no eixo, com 11 um enrolamento de entreferro e de corrente trifásica como enrolamento do estator, com 12 enrolamentos deste enrolamento, com 13 uma culatra de ferro magneticamente permeável como corpo exterior de uma estrutura de suporte 14, com 15 uma carcaça exterior da máquina com um componente da carcaça 15a que envolve o corpo exterior magneticamente permeável 13, com 16 um entreferro existente entre o enrolamento de entreferro/estator 11 e o lado exterior do rotor 7, com A o eixo do rotor 7 ou o eixo do rotor 8, com W os fluxos térmicos e com K um agente de refrigeração como por exemplo água. 0 agente de refrigeração K neste caso preferencialmente deverá encontrar-se a uma temperatura inicial compreendida entre 275K e 310K, particularmente compreendida entre 275K e 295K. Na representação selecionada da Figura o enrolamento do estator 11 é largamente coberto por dentes de suporte sob a forma de 16 nervuras 21i da estrutura de suporte 14 que se estendem na direção axial, quer dizer na direção do eixo A; apenas são visíveis os respetivos enrolamentos 12 frontais. Os fluxos térmicos assinalados W circulam no interior do enrolamento 11 e dos dentes de suporte 21i.

Conforme assinalado na Figura através das linhas com setas dos fluxos térmicos W, o calor existente nos condutores elétricos do enrolamento 11 é transferido da área do enrolamento para o corpo exterior magneticamente permeável 13 que envolve o respetivo componente axial e a partir daí evacuado através de pelo menos o componente da carcaça 15a que envolve o corpo exterior para o agente de refrigeração K. Vantajosamente a carcaça particularmente nesta área é concebida de um material com uma boa condutibilidade térmica, cuja condutibilidade térmica λ é mais elevada do que a do ferro e mais particularmente se situa acima dos 60 W/(K.m). Para este efeito vantajosamente é constituída por ligas metálicas como bronzes específicos ou por exemplo a partir da mistura ou da liga de materiais tais como o alumínio (Al) ou o magnésio (Mg). Assim uma fundição de alumínio correspondente pode apresentar até 210/(K.m) ou uma fundição de magnésio aproximadamente 150 W/(K.m). Estes materiais simultaneamente possibilitam uma construção fácil e podem igualmente formar um aumento adicional da superfície de permuta de calor relativamente ao agente de refrigeração K. A Figura 2 apresenta o corte transversal através da máquina 6 de acordo com a Figura 1 com a respetiva carcaça exterior envolvente 15 ou o respetivo componente da carcaça 15a. Os dentes de suporte individuais aqui evidenciados entre componentes individuais do enrolamento do estator 11 são 17 assinalados com 21i. Conjuntamente com o corpo exterior magneticamente permeável 13 formam a estrutura de suporte 14 para o enrolamento 11.

Na Figura 3 é apresentada uma ampliação de recorte da Figura 2 na área de uma ranhura de estator 20. Além disso na Figura são assinalados com 21a e 21b dois dos dentes de suporte 21i que delimitam lateralmente na direção periférica a ranhura de estator, com 22j condutores do enrolamento ou um pacote, por exemplo condutores de cobre, do enrolamento do estator 11, com 23 um isolamento dos condutores em torno dos condutores individuais 22j, com 24 um isolamento principal, com 25 uma corrediça de fixação no fundo da ranhura 20 e com 26 uma corrediça intermédia numa área central da ranhura, por exemplo de acordo com a DE 102 27 559 AI. Neste caso não é relevante, qual a quantidade de material condutor no estator a ser comutada em paralelo ou quantos sistemas de estator são utilizados. A resistência térmica mais importante é o isolamento dos condutores dos condutores do enrolamento 22j assim como o isolamento principal 24 entre o pacote de condutores e os dentes de suporte laterais 21a e 21b. Através destes isolamentos o calor existente nos condutores 22j vantajosamente é transferido para os dentes de suporte 21a e 21b concebidos com uma boa condutibilidade térmica e a partir dai através de um corpo exterior magneticamente permeável 13 que envolve a ranhura para o exterior e o componente da carcaça 15a da carcaça exterior 15 para o agente de refrigeração K. Neste caso é considerado conveniente que a corrediça intermédia 26 seja igualmente concebida com um material com uma boa condutibilidade térmica, mas com uma má condutibilidade elétrica como por exemplo a partir de um 18 óxido de alumínio, um nitrito de alumínio ou qualquer outro material cerâmico com boa condutibilidade térmica.

No caso da máquina síncrona do dispositivo de propulsão de acordo com a presente invenção os dentes de suporte 21a, 21b (ou 21i) apresentam três funções, nomeadamente transmissão dos momentos mecânicos; fixação e espaçamento dos condutores do enrolamento 22j, e; a função térmica da evacuação/transmissão de calor.

Como material para os dentes de suporte é particularmente considerado um daqueles acima referidos, nomeadamente materiais cerâmicos ou ligas metálicas com boa condutibilidade térmica ou igualmente um material composto, particularmente com fibras de carbono de elevada condutibilidade térmica, por exemplo um composto CFK (material sintético reforçado com fibra de carbono). Neste caso é particularmente vantajoso, que o sentido das fibras seja disposto, de modo que possa ser realizado um fluxo térmico ótimo. Os dentes de suporte apresentam por exemplo uma conceção em forma de cunha. Neste caso é irrelevante, qual é a forma de realização e conceção concreta de cada dente de suporte individual, por exemplo se é produzido numa única peça de um único material ou em várias peças de vários matérias ou de um material em camadas ou de um material composto. Contudo tem se ser assegurado, que o fluxo térmico W necessário pode ser evacuado com intensidade suficiente do modo acima referido.

No caso da forma de realização de um sistema de propulsão POD de um navio de acordo com as Figuras 1 a 3 acima 19 referidas parte-se do princípio, que a carcaça exterior 15 com o componente da carcaça 15a está diretamente cercada por água do mar como agente de refrigeração K no respetivo lado exterior. Evidentemente a máquina é igualmente adequada para outros circuitos de refrigeração com utilização do agente de refrigeração K. Por conseguinte o agente de refrigeração que refrigera o componente da carcaça pode ser um agente de refrigeração adicional, diferente de água, que se encontra num sistema de refrigeração próprio, sendo que este sistema de refrigeração ou o agente de refrigeração adicional está termicamente, diretamente ou indiretamente, acoplado ao agente de refrigeração K, por exemplo água doce do navio ou água do mar. É igualmente possível, que para este agente de refrigeração adicional da máquina esteja previsto um circuito de refrigeração adicional, sendo que neste caso é realizada uma permuta de calor entre este circuito de refrigeração adicional e o agente de refrigeração água. 0 agente de refrigeração que refrigera a máquina pelo menos na área do componente da carcaça 15a pode encontrar-se num recipiente de um banho de agente de refrigeração ou igualmente passar forçosamente pela carcaça exterior. Um fluxo da referida natureza pode igualmente ser realizado em canais de agente de refrigeração discretos, que estão dispostos pelo menos dentro do ou no componente da carcaça. Podem por exemplo ser montadas serpentinas de agente de refrigeração no lado exterior do componente da carcaça numa ligação com boa condutibilidade térmica.

Preferencialmente por meio de uma refrigeração direta ou indireta da referida natureza com utilização do agente de refrigeração água, que geralmente apresenta uma temperatura 20 inicial compreendida entre 275K e 310K, preferencialmente compreendida entre 275K e 295K, é ajustada uma temperatura operacional do enrolamento do estator 11 compreendida entre 275K e 525K, preferencialmente compreendida entre 275K e 455K.

Está prevista uma técnica de refrigeração indireta para a máquina sincrona 6 evidenciada na Figura 4. A Figura apresenta uma forma de realização da máquina de acordo com as Figuras 1 a 3, que é mantida no interior de uma caixa de recipiente 31 através de travessas de suporte 32. Num ou em vários interstícios 33 entre a caixa de recipiente e a carcaça exterior 15 da máquina 6 encontra-se o agente de refrigeração K. A forma de realização apresentada pode ser particularmente utilizada para sistemas de propulsão a jato de água para navios, nos quais o motor propriamente dito se encontra numa carcaça de máquina no casco intermédio do navio. Para a instalação e para a fixação da caixa de recipiente 31 no alicerce no exterior da caixa de recipiente são assinaladas garras de ataque 34. Neste caso as travessas de suporte 32 transmitem o binário da máquina ou da respetiva carcaça exterior para a caixa de recipiente 31 e através das garras 34 dispostas nesta para o alicerce, no exemplo apresentado o casco intermédio do navio. O agente de refrigeração K existente entre a caixa de recipiente 31 e a carcaça da máquina 15 preferencialmente é um líquido ou uma mistura de líquidos. 0 agente de refrigeração está ligado a um circuito de refrigeração, por exemplo diretamente ou indiretamente ao sistema de água doce de um navio. Para este efeito eventualmente podem ser utilizadas bombas. É igualmente concebível um circuito de água separado, que refrigera a água do mar por meio de 21 permutadores de calor. Este circuito térmico separado pode apresentar uma circulação natural ou forçada. No caso de uma circulação natural têm de ser realizados cortes transversais correspondentemente grandes. A circulação pode por exemplo ser realizada com base num efeito de termosifão, no qual é utilizado um agente de refrigeração adequado às temperaturas, eventualmente água.

No caso das formas de realização acima referidas partiu-se do principio, que no caso do tipo de máquina utilizado para a máquina sincrona se trata de um motor com um rotor, que apresenta um enrolamento do rotor multipolar particularmente com material supercondutor de Tc elevado (por exemplo de acordo com a WO 03/047962 A2). Neste caso o enrolamento do rotor por meio do dispositivo de refrigeração para o rotor geralmente deve ser mantido a uma temperatura operacional compreendida entre 4K e 120K, preferencialmente compreendida entre 25K e 77K, particularmente compreendida entre 25K e 35K. Uma máquina da referida natureza pode estar prevista diretamente como motor de propulsão ou igualmente como um gerador para um sistema de propulsão para navios (compare-se a patente WO-A2 acima referida). Evidentemente uma máquina da referida natureza pode igualmente ser concebida com condutores com utilização de material supercondutor metálico, clássico ou igualmente com condutores refrigerados de condutibilidade normal. O dispositivo de refrigeração acima referido para o enrolamento do estator 11 vantajosamente pode ser combinado com um dispositivo de refrigeração necessário para a refrigeração do enrolamento do rotor. Considerando que geralmente a temperatura operacional do enrolamento do 22 rotor se situa abaixo daquela para o enrolamento do estator, o agente de refrigeração água utilizado para a refrigeração do enrolamento do estator apenas pode ser utilizado para uma refrigeração prévia do dispositivo de refrigeração para o rotor. Por isso convenientemente está previsto um primeiro circuito de refrigeração para o dispositivo de refrigeração para o estator e um segundo circuito de refrigeração para o dispositivo de refrigeração para o rotor. 0 agente de refrigeração água conduzido num terceiro circuito de refrigeração em seguida é termicamente, diretamente ou indiretamente, acoplado ao primeiro e ao segundo circuito de refrigeração. Eventualmente é igualmente possivel integrar o circuito de refrigeração de água no primeiro circuito de refrigeração do dispositivo de refrigeração para o estator.

Em seguida são referidos alguns pontos de vista para o dimensionamento de um sistema de propulsão a jato de água com utilização de uma máquina síncrona HTS.

Neste caso os objetivos são diferentes comparativamente com o motor POD: 0 motor de propulsão deve ser instalado em fundos intermédios de navios. Neste caso a grande prioridade é a otimização do diâmetro do componente ativo. 0 comprimento do componente ativo não é tão relevante. É mais desejável um peso elevado. 0 grau de eficiência elétrica deve ser elevado. 0 comprimento do eixo do sistema de propulsão a jato de água por um lado depende da inclinação relativamente ao 23 casco do navio, e, por outro lado da altura de construção do motor de propulsão.

Lisboa, 28 de Maio de 2013

Claims (19)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um sistema de propulsão para navios compreendendo uma máquina sincrona (6), a qual compreende a) um rotor (7) com um enrolamento do rotor particularmente supercondutor multipolar a ser sujeito a arrefecimento intenso, que está termicamente, diretamente ou indiretamente, acoplado a um dispositivo de refrigeração para o rotor; b) um estator que envolve o rotor (7) sob formação de um entreferro compreendendo um enrolamento do estator normalmente condutor (11) a ser sujeito a refrigeração; uma estrutura de suporte (14) que suporta pelo menos parcialmente o enrolamento do estator (11), a qual apresenta um corpo exterior essencialmente cilíndrico oco (13) de material magneticamente permeável; . uma carcaça exterior (15) com um componente da carcaça cilíndrico oco (15a), que envolve diretamente o corpo exterior (13), e; um dispositivo de refrigeração do estator para a evacuação do calor (W) gerado pelo enrolamento do estator (11) com água como agente de refrigeração (K) , sendo que está prevista uma refrigeração do componente da carcaça (15a) pelo menos em áreas parciais através da permuta de calor com o agente de refrigeração (K) dentro do ou no componente da carcaça (15a), caracterizado por ser realizado um acoplamento térmico do enrolamento do estator (11) com o agente de refrigeração (K) através da estrutura de suporte (14) e do componente da carcaça (15a); 2 a estrutura de suporte (14) compreender dentes de suporte sob a forma de nervuras (21i) no lado interior do corpo exterior cilindrico oco (13), entre os quais estão dispostas pelo menos partes do enrolamento do estator (11); a evacuação do calor gerado pelo enrolamento do estator (11) ser realizada praticamente totalmente através da condução de calor nos dentes de suporte (21i); os dentes de suporte (21i) serem concebidos a partir de um material, que apresenta uma condutibilidade térmica superior a 60 W/(K.m).

2. Um sistema de propulsão para navios de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma refrigeração do componente da carcaça (15a) a partir do respetivo lado exterior.

3. Um sistema de propulsão para navios de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por estar prevista uma refrigeração por meio de um banho de refrigeração.

4. Um sistema de propulsão para navios de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por um fluxo forçado do agente de refrigeração (K) água ou de um agente de refrigeração adicional termicamente ligado ao agente de refrigeração água.

5. Um sistema de propulsão para navios de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o fluxo estar previsto em canais de refrigeração.

6. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por ao componente da carcaça (15a) estar ligado um agente 3 de refrigeração adicional, que se encontra num sistema de refrigeração próprio.

7. Um sistema de propulsão para navios de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por para o agente de refrigeração água estar previsto um circuito de refrigeração adicional.

8. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o agente de refrigeração água ser água transportada no navio ou água retirada do mar.

9. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por uma temperatura inicial do agente de refrigeração água estar compreendida entre 275K e 310K, preferencialmente compreendida entre 275K e 295K.

10. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por uma refrigeração do enrolamento do estator (11) por meio do dispositivo de refrigeração do estator de modo a alcançar uma temperatura operacional compreendida entre 275K e 525K, preferencialmente compreendida entre 275K e 455K.

11. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o enrolamento do rotor ser realizado com supercondutores de alta voltagem. 4

12. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por uma refrigeração do enrolamento do rotor por meio de um dispositivo de refrigeração até alcançar uma temperatura operacional compreendida entre 4K e 120K, preferencialmente compreendida entre 25K e 77K, particularmente preferencialmente compreendida entre 25K e 35K.

13. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o dispositivo de refrigeração do rotor estar termicamente ligado ao agente de refrigeração água do dispositivo de refrigeração do estator.

14. Um sistema de propulsão para navios de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por . um primeiro circuito de refrigeração para o dispositivo de refrigeração do estator; um segundo circuito de refrigeração para o dispositivo de refrigeração do rotor, e; um terceiro circuito de refrigeração com o agente de refrigeração água, que está termicamente, diretamente ou indiretamente, ligado ao primeiro e ao segundo circuitos de refrigeração.

15. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o estator apresentar uma extensão axial do componente ativo do respetivo enrolamento do estator (11) , que é de pelo menos duas vezes o diâmetro exterior, preferencialmente de pelo menos quatro vezes, particularmente preferencialmente de pelo menos seis vezes. 5

16. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por os dentes de suporte (21i) serem pelo menos parcialmente constituídos por uma liga metálica ou por um material cerâmico ou por um material composto.

17. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o componente da carcaça (15a) ser pelo menos parcialmente constituído por um material com uma condutibilidade térmica mais elevada λ do que a do ferro.

18. Um sistema de propulsão para navios de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o componente da carcaça (15a) ser constituído por um material com uma condutibilidade térmica λ superior a 60 W/(Km).

19. Um sistema de propulsão para navios de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por como material estar prevista uma liga metálica ou um material cerâmico ou um material composto. Lisboa, 28 de Maio de 2013