PT2315933E - Dispositivo para controlar o passo de pás de turbinas hidráulicas - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

"DISPOSITIVO PARA CONTROLAR O PASSO DE PÁS DE TURBINAS HIDRÁULICAS" A invenção refere-se a sistemas de turbina do tipo com passo variável e, particularmente, a um dispositivo para controlar um passo de pás de turbina de turbinas para geração de electricidade a partir de correntes de água. De um modo mais particular, a invenção refere-se a um sistema para ajustar selectivamente o passo de pás de turbina de correntes de água.

Os sistemas de pás de turbina de passo variável incorporam tipicamente uma pluralidade de pás de turbina montadas num cubo rotativo ligado a um veio de accionamento. Cada pá de turbina estende-se radialmente para o exterior a partir do cubo ao longo do eixo longitudinal da pá. De forma a permitir o ajuste de passo, cada pá é montada no cubo com movimento articulável em torno do seu eixo longitudinal. 0 cubo encerra tipicamente uma câmara no seu interior, em que está disposto um sistema de actuação de variação de passo que está ligado operativamente às pás de turbina. 0 sistema de actuação funciona de modo a variar selectivamente o passo das pás, alterando assim a resistência do fluido relativamente à rotação das pás, para assim controlar a velocidade de rotação do veio. 0 estado da técnica inclui o documento GB 892729 A, que descreve um aparelho para controlar um passo de pás de turbina, compreendendo uma haste de pá de turbina, uma engrenagem de 1 ajuste de passo e um actuador ligado à haste de modo a rodar a haste em torno do seu eixo longitudinal.

No caso de um sistema de turbina de passo variável para uma central eléctrica para geração de energia eléctrica a partir de correntes de água (e. g., corrente de maré), as turbinas são rodadas pelas correntes de água e esta rotação é transferida para o gerador da central através do cubo e do veio de accionamento. 0 passo de pás de turbina é ajustado rodando as pás em torno dos seus eixos longitudinais, permitindo assim que a turbina de corrente de água funcione com eficiência máxima em condições de corrente de água variáveis, bem como, auxiliando o arranque da turbina e, através da variação do passo das pás, impedindo uma operação com velocidade excessiva da turbina em velocidades de corrente de água elevadas.

As centrais para geração de energia a partir das correntes de água são colocadas, por vezes, com geradores submersos em águas que possuem correntes predominantes, tal como, correntes de maré onde a direcção da corrente de água é invertida com certos intervalos, em fase com o fluxo e refluxo. Os sistemas de turbina de passo variável para centrais deste tipo estão, por vezes, equipados com sistemas de ajuste de passo que permitem uma rotação de 180° de cada pá de turbina individual em torno do seu eixo longitudinal. De tempo a tempo, surge a necessidade de variar o passo das pás de turbina. Isto pode efectuar-se de modo a impedir uma velocidade excessiva, ou em ligação com uma paragem da central. O propósito da invenção é proporcionar um dispositivo para realizar uma operação de variação do passo de pás de turbina de um modo rápido, previsível e fiável. 2 A presente invenção proporciona um dispositivo para controlar um passo de pás de turbina como exposto na reivindicação 1, compreendendo uma haste de pá de turbina para ligação à pá de turbina, possuindo a referida haste um eixo longitudinal para alinhamento com o eixo longitudinal da pá de turbina, e ligada rotativamente a um elemento de suporte; um actuador ligada à haste e através de um elemento de actuação ao elemento de suporte; e sendo o actuador operável entre um estado retraído e um estado expandido, de acordo com o que a referida operação do actuador provoca uma rotação da haste em torno de um eixo longitudinal de haste. 0 elemento de actuação é, de um modo preferido, operável entre um estado retraído e um estado expandido, de acordo com o que a referida operação do actuador provoca uma rotação da haste em torno de um eixo longitudinal de haste. Numa forma de realização preferida, a haste compreende um elemento de ligação para ligação ao actuador.

De um modo preferido, o elemento de ligação compreende um primeiro meio de ligação articulado para ligação ao actuador, e o elemento de suporte compreende um segundo meio de ligação articulado para ligação ao actuador.

Numa forma de realização preferida, o elemento de suporte compreende um arco denteado, que através de uma roda de engrenagem e de uma engrenagem cónica está ligado a uma unidade de accionamento de ajuste de passo.

Numa forma de realização preferida, o actuador compreende um actuador operado hidraulicamente ou um actuador de solenoide 3 e/ou um actuador que compreende uma ou mais cargas explosivas ou molas. Igualmente, numa forma de realização preferida, o actuador está adaptado para ser operado independentemente da engrenagem de ajuste de passo. 0 actuador pode ser adaptado, igualmente, de modo a ser operado conjuntamente com a engrenagem de ajuste de passo. 0 dispositivo inventado é particularmente útil num gerador submerso num corpo de água, para geração de electricidade a partir de correntes que fluem para lá do referido gerador submerso.

Estas e outras caracteristicas da invenção serão claras a partir da descrição que se segue de um modo preferencial de forma de realização, dado como um exemplo não restritivo, com referência aos desenhos anexos, nos quais: A figura 1 é uma vista de alçado em corte de uma nacelle de turbina, que ilustra uma forma de realização preferida da invenção; A figura 2 é um desenho de principio que ilustra a forma de realização preferida da invenção; A figura 3 é uma vista em perspectiva de uma forma de realização preferida da invenção; A figura 4 é uma vista em perspectiva de certos componentes de uma forma de realização preferida da invenção, numa primeira posição; e 4 A figura 5 é uma vista em perspectiva dos componentes mostrados na figura 4, numa segunda posição. A figura 1 mostra uma forma de realização preferida da invenção, incorporada numa nacelle ou alojamento 10. Um veio 12 de accionamento está ligado numa extremidade a um cubo 11 de turbina e na outra extremidade a um gerador (não mostrado) para geração de electricidade a partir de correntes de água, tais como correntes de maré ou semelhantes. Na forma de realização ilustrada, o cubo de turbina compreende duas hastes 14 de pá de turbina, onde em cada uma das respectivas extremidades 8 livres está normalmente fixa uma pá de turbina (não mostrado) . Para clareza de ilustração, as pás de turbina não são mostradas nas figuras, mas o especialista na técnica entenderá que as pás de turbina são fixas na extremidade 8 livre de cada haste 14, de modo a que, o eixo longitudinal de haste fiques alinhado com o eixo longitudinal da pá de turbina. Cada haste 14 está, na forma de realização descrita, suportada pelos respectivos rolamentos 9 radiais exteriores e rolamento 7 interior. O rolamento 7 interior pode ser um rolamento combinado de carga axial e radial. Na forma de realização descrita, estes rolamentos são lubrificados com água. A figura 1 ilustra, igualmente, a unidade 18 de accionamento de ajuste de passo, que num modo convencional (operada hidráulica ou electricamente) acciona a engrenagem 16 de ajuste de passo de turbina. Mostra-se com mais pormenor na figura 3, a engrenagem 16 de ajuste de passo. A figura 3 mostra um eixo 20 de ajuste de passo (que está ligado à unidade 18 de accionamento de ajuste de passo; não mostrada na figura 3) ligado a uma engrenagem cónica 5 compreendendo um pinhão 22 de accionamento e uma roda 24 de coroa para cada haste 14 de turbina (da qual se mostra na figura 3 apenas uma parte) . Cada roda 24 de coroa está ligada a uma roda 26 de engrenagem respectiva que possui dentes que engatam em dentes 29 correspondentes no respectivo arco 28 de segmento circular denteado, referido abaixo como um arco 28 denteado. 0 especialista na técnica entenderá que o arco 28 denteado pode compreender um disco circular completo, sem desvio do âmbito da invenção. Na forma de realização ilustrada, o arco 28 denteado compreende uma estrutura configurada numa parte de disco, que possui dentes 29 ao longo da sua circunferência e duas paredes laterais perfuradas separadas por um compartimento 33 interior. A figura 3 mostra, igualmente, o modo como cada haste 14 de pás de turbina está ligado de modo rotativo ao seu arco 28 denteado respectivo. A haste 14 de pás de turbina pode rodar em torno do seu eixo longitudinal na zona 31 de suporte configurada apropriadamente no arco 28 denteado. A extremidade 15 interior da haste está ligada, e suportada, pelos rolamentos 7 interiores mencionados anteriormente, de um modo que é conhecido da técnica e, por isso, não ilustrada nem discutida aqui.

Fixo à haste 14 está um elemento 36 de ligação, que, na forma de realização ilustrada, é mostrado como um elemento fixo na haste 14 na vizinhança da zona 31 de suporte, posicionado entre partes das duas paredes do arco denteado. 0 elemento 36 de ligação pode ser fixo à haste 14 por meio de parafusos ou meios de fixação semelhantes ou pode ser formado de modo integrante na haste 14. Um actuador 32 está ligado de modo articulado ao elemento 36 de ligação e, assim, à haste 14. 0 actuador 32 - que compreende um se descreverá com maior pormenor abaixo - 6 tirante 38 de actuador (mostrado num estado retraído na figura 3) que na sua extremidade livre está ligada ao arco 28 denteado por meio de uma ligação 34 articulada. A posição rotativa das hastes - e assim o passo de turbina - pode ser ajustada ao actuar de modo controlado a unidade 18 de accionamento de ajuste de passo, rodando assim o eixo 20 de ajuste. 0 movimento rotativo do eixo de ajuste é transmitido através da engrenagem 22, 24 cónica às rodas 26 de engrenagem individuais e ao arco 28 denteado respectivo. Uma vez que o arco 28 denteado está ligado à haste 14 através do actuador 32 (e das suas ligações 34, 35, 36), o movimento rotativo do arco denteado é transferido directamente para a haste 14. Assim, o arco 28 denteado e a haste 14 são nesta operação efectivamente um único elemento, devido à ligação firme estabelecida entre o arco denteado e a haste pelo actuador 32 e suas ligações (34, 35, 36) . 0 comprimento de arco do arco 28 denteado determina a extensão possível de rotação de cada haste 14 em torno do seu eixo longitudinal e, assim, do intervalo de ajuste de passo de pás de turbina. Assim, na forma de realização ilustrada, o comprimento de arco do arco 28 denteado permite uma rotação de mais de 180°. Esta característica é útil de modo a, e. g. , considerar as correntes inversas que, e. g., podem ocorrer em correntes de maré. O ajuste de passo de pás de turbina quando a central está em operação e as turbinas estão sujeitas a cargas axiais elevadas, requer que os dentes 29 no arco 28 denteado sejam de materiais de elevada resistência. Isto está ilustrado nas figuras 3, 4 e 5 onde as zonas 30 de arco de ambas as 7 extremidades do arco 28 denteado compreendem materiais de elevada resistência, tais como Duplex ou semelhantes. 0 actuador 32 compreende, na forma de realização ilustrada, um tirante 38 de actuador que pode ser operado entre um estado retraído (ver figura 4) e um estado expandido (ver figura 5) . 0 actuador 32 pode ser operado hidraulicamente, no qual o tirante 38 de actuador é estendido e retraído através da manipulação da pressão hidráulica, de um modo que é conhecido na técnica. Numa forma de realização alternativa, o actuador 32 pode ser um actuador de solenoide, no qual se obtém uma extensão e retracção do tirante 38 de actuador através de impulsos eléctricos. As linhas hidráulicas e as linhas de controlo omitiram-se das figuras para clareza da ilustração e devido a estas características serem conhecidas na técnica. 0 actuador 32 serve assim como um dispositivo de ajuste de passo adicional, uma vez que a haste 14 (e por isso a pá de turbina fixa à haste) pode ser rodada em torno de um eixo longitudinal de haste através de uma operação do actuador 32. Este ajuste de passo por meio do actuador 32 pode ser, assim, realizado independentemente do ajuste de passo descrito anteriormente com referência à unidade 18 de accionamento, engrenagem 22, 24 cónica e arco 28 denteado. 0 actuador 32 pode servir, assim, como um dispositivo de ajuste de passo auxiliar. 0 intervalo de ajuste de passo obtenível por meio do actuador 32 está, na forma de realização ilustrada, limitado por parâmetros dimensionais, tal como, o comprimento de curso do tirante 38 de actuador, pela distância entre o centro da haste de pá de turbina e o ponto 35 de ligação de actuador e pela distância entre o centro de haste de pás de turbina e o ponto 34 de ligação do arco denteado; indicados como "S", "a" e "b" respectivamente na figura 2. 0 actuador 32 pode servir, assim, como um meio para um ajuste fino do passo de turbina, e. g., guando o arco 28 denteado está bloqueado em posição pela disposição de engrenagem cónica, como ilustrado na figura 3. Os dois meios de ajuste de passo (i. e., a roda 28 denteada rotativa e o actuador 32 podem ser, assim, operados separadamente um do outro, mas os dois meios de ajuste de passo podem ser operados, igualmente, de modo conjunta.

Num modo de operação do dispositivo, o passo é ajustado por meio da unidade 18 de accionamento, engrenagem 22, 24 cónica e arco 28 denteado, como descrito acima e ilustrado pela figura 3. Nesta configuração, o actuador 32 está fixo no estado retraído, i. e., estando o tirante 38 de actuador retraído no interior do alojamento de actuador e a rotação do eixo 20 de ajuste de passo é transmitida directamente à haste 14 através do actuador 32 fixo, como explicado anteriormente. Em certas circunstâncias, pode ser desejável ou necessário realizar um ajuste de passo, para e. g., variar o passo das pás de turbina para remover substancialmente as cargas axiais das turbinas. Este pode ser, por exemplo, o caso de uma central eléctrica de corrente de maré, quando a velocidade da corrente de água excede parâmetros de concepção permissíveis e/ou de um mau funcionamento da engrenagem 16 de ajuste de passo ou dos componentes associados, em cujo caso existe uma necessidade adicional de um ajuste de passo rápido. Um tal ajuste de passo pode ser, assim, obtido através da activação do actuador 32, estendendo o tirante 38 de actuador, de modo a que, a haste 14 de pás de turbina seja suficientemente rodado em torno do seu eixo longitudinal. 9 A figura 4 ilustra o actuador 32 e o tirante 38 de actuador no estado retraído, enquanto a figura 5 ilustra o tirante 38 de actuador no estado estendido. A rotação da haste em torno do seu eixo longitudinal (e por isso, o ajuste de passo de pás de turbina) devido à actuação do actuador 32, é indicada pela letra "A" de referência, nas figuras 4 e 5.

Através de um dimensionamento adequado do actuador, incluindo os parâmetros identificados na figura 2, tal activação do actuador variará o passo das pás de turbina. Os actuadores podem ser construídos, além disso, de modo a que, o tirante 38 de actuador seja estendido rapidamente. 0 actuador pode compreender assim uma carga explosiva e/ou molas, como únicos meios de actuação ou em combinação com os meios de actuação hidráulicos ou eléctricos descritos anteriormente. 0 actuador 32 serve, assim, como um dispositivo para variar o passo, e como um dispositivo de variação do passo de emergência. 0 actuador 32 proporciona, assim, um dispositivo de segurança, que realiza uma função de segurança para a engrenagem 16 de ajuste de passo.

Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma forma de realização que compreende duas hastes 14 de pás de turbina, o especialista na técnica entenderá que a invenção se aplica a outras quantidades e disposições das hastes de pás de turbina.

Lisboa, 16 de Agosto de 2013 10

Claims (4)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo para controlar um passo de pás de turbina de corrente de água, compreendendo uma engrenagem (16) de ajuste de passo e um arco (28) denteado que está a suportar uma haste (14) de pás de turbina possuindo um eixo longitudinal para alinhamento com o eixo longitudinal de pás de turbina, caracterizado por a haste (14) estar ligada de modo rotativo ao arco (28) denteado; o actuador (32) estar ligado à haste (14) e através de um elemento (38) de actuação ao arco (28) denteado; e o actuador (32) ser operável de modo a rodar a haste (14) em torno de um eixo longitudinal da haste, de acordo com o que o passo de pás de turbina pode ser ajustado por meio do actuador (32), independentemente da engrenagem (16) de ajuste de passo.
2. 2. Dispositivo da reivindicação 1, em que o elemento (38) de actuação é operável entre um estado retraído e um estado estendido, de acordo com o que a referida operação do actuador (32) provoca uma rotação da haste (14) em torno de um eixo longitudinal de haste.
3. 3. Dispositivo da reivindicação 1 ou reivindicação 2, em que a haste (14) compreende um elemento (36) de ligação para ligação ao actuador (32).
4. 4. Dispositivo da reivindicação 3, em que o elemento (36) de ligação compreende um primeiro meio (35) de ligação articulado para ligação ao actuador (32). 1 Dispositivo de qualquer das reivindicações 1-4, em que o arco (28) denteado compreende um segundo meio (34) de ligação articulado para ligação ao actuador (32). Dispositivo de qualquer das reivindicações 1-5, em que o arco (28) denteado, através de uma roda (26) de engrenagem e de uma engrenagem (22, 24) cónica, está ligado a uma unidade (18) de accionamento de ajuste de passo. Dispositivo de qualquer das reivindicações 1-6, em que o arco (28) denteado compreende duas paredes perfuradas separadas por um compartimento (33) interior e um elemento (36) de ligação disposto entre partes das duas paredes está fixo à haste (14) ou está formado de modo integrante na haste e está ligado de modo articulado ao actuador (32) . Dispositivo de qualquer que o actuador (32) hidraulicamente ou um actuador que compreende molas. das reivindicações anteriores, em compreende um actuador operado actuador de solenoide e/ou um uma ou mais cargas explosivas ou Utilização do dispositivo como especificado por qualquer das reivindicações 1-8, num gerador submerso num corpo de água, para geração de electricidade a partir de correntes que fluem para lá do referido gerador submerso. Lisboa, 16 de Agosto de 2013