PT882888E - Rotor de turbina pelton - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

"ROTOR DE TURBINA PELTON" A presente invenção refere-se a um rotor de turbina Pelton com vária pás em forma de taça dispostas a longo de uma roda com a forma de um disco que é constituído por várias pás com as raízes das pás integradas na roda em forma de disco e por pás constituídas por várias partes.

Para a fabricação de rotores Pelton é conhecida a solução de os fazer numa única peça com material vazado, não sendo, no entanto, estas técnicas de fabricação inteiramente satisfatórias. A complexidade da geometria da roda, com frequência, cria dificuldades na altura do vazamento, sendo fortemente dificultado o vazamento de rodas de grandes dimensões e o risco de defeitos daí resultantes que se repercutem negativamente no tempo de vida da roda. Os defeitos de vazamento são, além disso, com as técnicas de ensaio nessa altura disponíveis, muitas vezes de detecção difícil de modo que, em especial no caso de rotores de turbinas Pelton de grandes dimensões, onde não é possível detectar deficiências, existe nas peças vazadas, o grande risco de se verificarem roturas, especialmente nas zonas das raízes das pás.

Por estas razões já foi proposto que em vez de se usarem rodas fabricadas por vazamento, estas sejam fabricadas por forjaqem nas quais as possibilidades de evitar defeitos do material são muito maiores. Deverá no entanto notar-se que, genericamente, a fabricação ou forjamento destas peças em, que a roda e as pás formam uma única peça forjada de grandes dimensões, se torna extremamente dispendiosa em consequência 1 da geometria complexa das peças a fabricar. Deverá, neste caso, ter-se em conta que, na fabricação de rodas para turbinas Pelton de grandes dimensões, os custos e as dificuldades de fabricação por forjamento aumentam muito fortemente com o aumento do diâmetro, de modo que, na prática, tendo em consideração os pontos de vista económicos, não é possível fabricar por forjagem rodas de turbina Pelton que sejam aceitáveis e competitivas no que respeita à relação potência-preço.

Por este motivo foram propostas várias soluções, já conhecidas, em que, mesmo no caso de rodas de grandes dimensões, pelo menos parte dos elementos são feitos por forjamento e aplicados em rotores de turbina Pelton em condições economicamente defensáveis, mesmo no caso de rotores de grandes dimensões. Assim, pode-se, por exemplo, reter das descrições da patente AT-PS 3 94 093 e da patente DR-PS 39 38 357, em que as pás individuais se encontram reunidas em estrela, constituindo uma roda de rotor de turbina Pelton composta, pelo menos, por duas chapas simétricas em relação ao plano que passa pelo centro do disco da roda, centrada por meio dos ressaltos cilíndricos formados pelos pés das pás, estando previsto um dispositivo de aperto para fixação dos pés das pás entre os dois discos da roda. De acordo com uma variante da forma de construção de um rotor de uma turbina Pelton como a descrita, por exemplo, na patente EP-B 0 522 336 ou nas correspondentes publicações alemãs DE-A 41 27 622 e DE-A 41 43 378, pode reter-se que se prevê soldar as raízes das pás formando uma coroa em forma de anel a fim de soldar o interior da coroa com cordões de soldadura ligadas ao bordo exterior do disco da roda com vista a fabricar o rotor.

De acordo com uma variante da forma de realização, de acordo com as patentes EP-A 0 346 681 ou GB 583.291, ficou a conhecer-se a concepção da construção de um rotor para 2 turbinas Pelton que apresenta prolongamentos para fixação de pás individuais, sendo esta fixação das pâs individuais feita na zona abrangida pelas respectivas raízes por meio de ligações aparafusadas, sendo estas efectuadas nos prolongamentos previstos no rotor.

Em todas estas formas de realização conhecidas tem que se prever que a maior concentração de solicitações se encontra na zona das raízes das pás que representam as zonas onde se concentram os maiores esforços numa roda de rotor de turbina Pelton, quer seja nas pás quer seja no disco, ou derivadas da forma como se faz a ligação, por aperto, por soldadura ou por aparafusamento. È óbvio que é, em especial, nestas zonas das raízes das pás que se verificam as maiores solicitações e que se terá que prever que, correspondentemente, será nesses pontos de ligação que se encontram os maiores riscos de se verificarem roturas ou deficiências ou onde haverá que recear que se verifiquem desgastes exageradamente grandes ou rápidos.

Além disso, conhece-se, por exemplo, através da patente EP-A 0 496 181, assim como da patente correspondente US-PS 5 233 115, um processo assim como um dispositivo para fabricação de peças metálicas com um dispositivo auxiliar, nos quais, por exemplo, para fabricação de uma roda para rotor de uma turbina Pelton, a partir de um cubo forjado que constitui o corpo base ou uma roda em forma de disco e por meio de enchimentos por camadas feitas por soldadura são formadas as pás sobre o cubo. É evidente que os enchimentos por soldadura deste tipo, na maioria dos casos representa uma geometria complicada das pás, é extremamente dispendiosa e que os trabalhos de soldadura efectuados por meio de dispositivos complicados de comando e de controlo requerem um tempo de fabricação prolongado. Além disso, também neste caso, nas zonas das raízes das pás, ou seja onde se faz a ligação das pás individuais ao disco ou à roda em forma de disco se criam tensões consideráveis nos pontos de ligação entre o cubo forjado e as pás feitas por várias camadas de soldadura de enchimento de modo que as desvantagens anteriormente referidas não podem ser evitadas também neste tipo de fabricação.

Um rotor de turbina Pelton do tipo anteriormente referido encontra-se descrito nas patentes GB-A-723 248, GB-A-715 858 e DE-A-1 086 640. No documento referido em primeiro lugar, estão descritas duas variantes de rotores de turbina Pelton nos quais as raízes das pás fazem parte integrante do rotor. Numa primeira variante está previsto um corpo da pá como unidade independente que, em zonas de delimitação curvas ou ponteagudas, se encontram soldadas à raiz da pá. Numa segunda variante, o corpo da pá, composto por várias partes, tem uma parte intermédia feita em conjunto com a raiz da pá e duas partes laterais. Na patente GB-A- 715 858 o corpo da pá feito em duas peças está soldado, ao longo de superfícies delimitadoras ponteagudas, com a raiz da pá. No terceiro documento referido, está descrito um rotor de turbina Pelton que, no essencial, corresponde à segunda variante do primeiro documento a que se fez alusão, constituindo a ligação dos elementos laterais do corpo da pá, que apresenta a ligação das partes laterais do corpo da pá com a parte intermédia do corpo da pá integrada no corpo da roda, uma saliência destinada a absorver as forças centrífugas que se manifestam em funcionamento. A presente invenção tem como objectivo introduzir num rotor de turbina Pelton do tipo a que se acabou de fazer referência, aperfeiçoamentos que permitam, com o auxílio de passos do processo de fabricação e com os correspondentes baixos custos, fabricar um rotor de turbina Pelton de grandes dimensões, sem que, especialmente, as zonas submetidas a grandes solicitações das raízes das pás ou seja das ligações imediatas do corpo da pá â roda em forma de disco tenham que 4 Γ ser previstas obrigatoriamente como zonas submetidas a grandes solicitações. Para atingir este objectivo o rotor de turbina Pelton de acordo com a presente invenção caracteriza--se essencialmente por o corpo da pá ser constituído por três partes, por a raiz da pá se encontrar ligada à parte intermédia, com a mesma largura, segundo uma linha recta na direcção axial e por de ambos os lados da parte intermédia se encontrarem previstas partes laterais que, cada uma ligada, tanto lateralmente como longitudinalmente, à parte intermédia e à raiz da pá, por meio de uma linha de ligação à raiz da pá. Dado que a roda está feita de modo a integrar a raiz da pá, a zona mais sujeita a solicitações da raiz da pá pode ser feita de modo a corresponder, na forma e no que respeita à resistência sem, por exemplo, ficar sujeita a enfraquecimentos nestas zonas pela previsão de pontos de ligação especiais entre a roda e cada uma das pás, por exemplo, resultantes de uma ligação por parafusos. Além disso vê-se claramente que a formação conjunta da roda em forma de disco com as raízes das pás dá lugar a apenas um aumento muito reduzido da roda em forma de disco, apresentando a zona das raizes das pás uma configuração geométrica simples de modo que o acréscimo de custos na fabricação da roda com as raizes das pás nela integradas em comparação com o custo de fabricação da roda em forma de disco simples é muito reduzido ou mesmo desprezável. De acordo com a invenção prevê-se ainda que os corpos das pás que apresentam uma configuração geométrica complexa, sejam fabricados em três peças separadas e posteriormente ligados às raizes das pás feitas como partes integrantes da roda. Vê-se que, deste modo, a fabricação de um rotor de turbina Pelton é muito menos trabalhosa devido a que os corpos das pás, que apresentam uma forma com uma geometria complexa podem ser fabricados em separado, facilmente, como peças relativamente pequenas e a custos mais convenientes, enquanto as dimensões da roda em forma de disco com as raizes das pás nela integradas são apenas ligeiramente mais elevados e a roda, globalmente, é mais simples e 5 Γ

u, K t relativamente mais leve e ,portanto, de custos mais convenientes. Depois da fabricação dos elementos em separado podem-se fixar facilmente os corpos das pás na roda em forma de disco provida das raizes das pás, completando-se deste modo a fabricação do rotor da turbina Pelton, sendo óbvio que na configuração de acordo com a presente invenção, na zona das raizes das pás onde se verificam especialmente grandes solicitações não é necessário prever pontos de ligação específicos. Por meio da construção proposta pela presente invenção pode-se aumentar globalmente a resistência da roda pelo que se podem atingir maiores números de rotações e portanto potências mais elevadas. Em resultado da forma especial das superfícies de ligação representadas pelas linhas de ligação entre os vários elementos individuais dos corpos das pás assim como entre os corpos das pás com as raizes das pás assegura-se que, além da possibilidade de se fabricar um rotor com material de boa qualidade na zona onde se verificam as maiores solicitações, nas raizes das pás consegue-se, ainda, uma zona de maior dimensão da ligação entre as raizes das pás e os corpos das pás feitos em separado. Genericamente, quando se forme o corpo das pás a partir de várias peças individuais, é possível, não só disfrutar-se da vantagem de fabricar peças de menores dimensões, diminuindo o custo de produção, como também conseguir, deste modo, uma qualidade das peças individuais por se conseguir uma diminuição de deficiências dos materiais utilizados.

De acordo cm uma forma de realização da invenção especialmente vantajosa, prevê-se que a raiz das pás apresente na direcção radial um comprimento tal que se estenda da extremidade do lado da raiz da pá até, no máximo, ao meio da cavidade em forma de concha da pá, de modo que, por um ligeiro aumento das dimensões da roda em forma de disco onde fica integrada a raiz da pá, e em geral pela forma geométrica mais simples, consegue-se uma forma de construção 6

Lc, ^ mais económica do rotor no seu todo sem se enfraquecer a ligação da zona especialmente solicitada da ligação da raiz da pá à roda, ao mesmo tempo que se consegue um acesso fácil para a maquinação na zona da raiz da pá. Além disso, pela escolha do comprimento real da raiz da pá até uma determinada medida das taças ou da cavidade que forma a pá, aumentam também as tensões que se podem atingir ou sejam aceitáveis nas pás ou nos elementos que formam as pás. Ao mesmo tempo consegue-se um grande rigor na forma da turbina em si e uma melhor acessibilidade para o controlo durante a fabricação. A fim de se conseguir uma ligação fácil e fiável da ligação do corpo da pá, ou das peças unitárias que compõem o corpo da pá, à raiz da pá, de acordo com a invenção prevê-se que uma ligação rígida de uma raiz da pá com corpo da pá seja feita por soldadura. Em virtude de se verificar que o corpo da pá ou os componentes do mesmo são feitos com pequenas dimensões, e em virtude da forma de construção integrada da raiz da pá com a roda, consegue-se uma ligação fiável e segura dos componentes, fazendo-se a ligação por soldadura, por exemplo, pelo processo de soldadura sob atmosfera de gás de protecção. Além disso, os testes das soldaduras nos pontos de ligação entre a raiz da pá e o corpo da pá podem ser feitos por processos de teste com meios de teste bem conhecidos.

De acordo com uma alternativa de forma de realização de uma ligação simples, a presente invenção prevê que se faça uma ligação desmontável entre a raiz da pá e o corpo da pá por meio de ligações por parafusos ou de cunhas, sendo previsto, com vantagem, no caso de uma ligação com parafusos ou cunhas que, entre a raiz da pá e corpo da pá, se interponha uma junta de vedação ou prever um cordão de soldadura de vedação a fim de se poder assegurar que a zona de ligação é estanque e resistente. 7 ρ U, ^^

Como já se referiu anteriormente, as peças forjadas de um rotor de turbina Peiton distinguem-se, antes de mais, pelas suas superiores qualidades mecânicas e por uma menor incidência de defeitos ou uma correcção mais fácil de defeitos detectados. De acordo com a invenção, prevê-se, portanto, que a roda e as raizes das pás nela integradas formem uma única peça feita de material forjável, correspondente a uma forma de realização preferida. Em virtude da constatação de que as raizes das pás implicam apenas um aumento diminuto das dimensões da roda em forma de disco e uma configuração geométrica, na maioria dos casos, mais simples podem-se fabricar estas rodas com um mínimo de custos da formação de elementos forjados de custos mais elevados das zonas especialmente submetidas a esforços das ligações das raizes das pás à roda em forma de disco, fazendo-as de um material com a resistência mecânica e isenção de defeitos de maquinação correspondentes, o que torna a fabricação especialmente económica.

Para a formação dos corpos das pás, de acordo com uma forma de realização especialmente conveniente, a presente invenção prevê que os corpos das pás sejam feitos de um material vazado ou forjado, sendo proposto como especialmente conveniente que, no caso de corpos de. pás feitos em vários componentes, estes sejam feitos, pelo menos em parte, de material forjado. Como já por várias vezes se referiu, os corpos das pás têm, em si, dimensões relativamente pequenas de modo que a sua fabricação com material forjado, tendo presente a sua maior resistência em comparação com os corpos de pás feitos de material vazado, podem, em qualquer caso, ser usados, embora com aumentos de custo diminutos.

Além disso, em especial no caso de corpos de pás feitas com vários componentes, os elementos unitários podem ser feitos de materiais diferentes, podendo os elementos laterais ou abas laterais, submetidos comparativamente a menores 8

V Γ solicitações, ser feitos por exemplo de material vazado, mais económico, enquanto as peças do meio, podem, por exemplo, ser feitas de material forjado. A invenção será a seguir descrita em pormenor com o auxílio de exemplos de formas de realização correlacionados com as figuras nas quais, a Fig.l é um alçado lateral esquemático de um rotor de turbina Pelton, a Fig. 2 é um corte por um plano assinalado pela linha II-II da Fig.l, em ampliação a Fig. 3 é, novamente em ampliação, um pormenor da zona de ligação do corpo de uma pá com a respectiva raiz e a Fig. 4 é um corte por um plano assinalado pela linha IV-IV da fig. 3, sendo a Fig. 3 uma vista tomada no sentido da seta III representada na Fig. 4.

Na Fig. 1 está assinalado genericamente um rotor de uma turbina Pelton em que numa roda 2 estão dispostas várias pás 3. Como se mostra esquematicamente na Fig. 1, a roda do rotor 2 é formada numa peça única com as raízes 4 das pás às quais se encontram ligadas também, numa vista esquemática, os corpos das pás 5 respectivos, mostrando-se alguns corpos das pás 3 assinalados na Fig. 1 pela referência 6. O sentido de rotação do rotor representado na Fig. 1 está aí assinalado pela seta 7.

Na vista ampliada de acordo com a Fig. 2 pode ver-se que a roda 2, em forma de disco, parcialmente representada em corte, constitui uma única peça com as raizes das pás, assinaladas de novo pela referência 4, estando às raizes das 9 % r pás 4, na forma de realização de acordo com a Fig. 2, ligados vários elementos que compõem os corpos das pás. Neste caso prevê-se que a parte intermédia 8 do corpo da pá está ligado à raiz 4 da pá por uma linha representada por uma recta 6, estando, além disso as partes laterais 9 ligadas lateralmente por linhas representadas por rectas 10, tanto à raiz 4 como à parte intermédia 8 do corpo 5 da pá. A ligação ou fixação pode ser feita, por exemplo, por soldadura dos elementos individuais 8, 9 e 4 feitas ao longo das linhas de ligação assinaladas pelas referências 6 e 10. Pode ver-se ainda que as raízes das pás 4 se estendem ao longo de uma parte das cavidades das pás 3.

Deste modo pode-se prever que a roda 2, em forma de disco, em conjunto com as raizes das pás 4 sejam fabricadas em material forjado a fim de se atingir uma boa resistência mecânica, enquanto que os elementos unitários ou troços 8 ou 9 do corpo das pás que completam a forma das pás 3 podem igualmente ser fabricados com material forjado. Em alternativa, pode-se prever que, por exemplo, os troços laterais ou abas laterais 9, sujeitos a solicitações menores, sejam feitos de material fundido economicamente mais conveniente, enquanto que a parte intermédia 8, cuja largura corresponde sensivelmente à largura da raiz 4, pode igualmente ser fabricada com material forjado.

No caso de, em vez de ligações por soldadura ao longo das linhas de ligação, as ligações dos elementos 8 e 9 às raizes das pás 4 serem feitas por parafusos ou por cunhas, nas zonas das linhas de ligação deverá prever-se uma junta adequada ou uma soldadura de vedação das superfícies.

Na forma de realização representada nas Figs. 3 e 4, de novo desenhadas em ampliação, pode ver-se que a roda em forma de disco está feita de modo a integrar as raizes das pás 4, pelo que através das linhas de ligação 6 e 10, de novo a 10 parte intermédia 8 assim como as partes laterais 9 estão ligadas ãs raízes das pã 4 para se formar cada uma das pás 3 ligada à raiz da pá 4. As linhas representadas adicionalmente, parcialmente a tracejado, mostram a configuração geométrica complexa das pás 3.

Lisboa, 13 de Novembro de 2001

O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

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Claims (8)

1. Γ REIVINDICAÇÕES 1— ΐ 1. Rotor de turbina Pelton com várias pás dispostas em torno de uma roda em forma de disco composto pelas raízes das pás que constituem com a roda em forma de disco uma peça única, caracterizado por os corpos das pás (5; 8,9) serem feitos individualmente por conjugação de três peças, por a raiz das pás (4) se encontrar ligada a uma peça intermédia (8) longitudinalmente com a mesma largura por meio de uma linha de ligação (6), recta e por de ambos os lados da peça intermédia (8) se encontrarem previstas peças laterais (9) ligadas de cada lado radialmente por linhas de ligação (10), rectas, tanto com a peça intermédia (8) como com a raiz da pã (4) .
2. 2. Rotor de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por as raizes das pás (4) terem, na direcção radial, um comprimento que, a partir da extremidade do início da raiz, se entende no máximo até metade da cavidade em forma de taça das pás (3).
3. 3. Rotor de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2 caracterizado por a ligação rígida entre a raiz de uma pá (4) e o corpo de uma pá (5; 8, 9) ser feita por soldadura.
4. 4. Rotor de acordo com uma das reivindicações 1 a 2 caracterizado por a ligação desmontável da raiz de uma pá (4) com o corpo de uma pá (5; 8,9) ser feita por meio de cunhas ou de parafusos.
5. 5. Rotor de acordo com a reivindicação 4 caracterizado por numa ligação por cunhas ou por parafusos entre a raiz de 1 uma pá (4) e o corpo de uma pá (5) se encontrar previsto um elemento de vedação ou um cordão de suldadura de vedação entre a raiz da pá (4) e o corpo da pá.
6. 6. Rotor de acordo com uma das reivindicações 1 ou 5 caracterizado por a roda (2) e as raizes das pás (4) serem feitas como uma peça única de material forjado.
7. 7. Rotor de acordo com uma das reivindicações 1 ou 6 caracterizado por os corpos das pás (5; 8, 9) serem feitos de material vazado ou forjado.
8. 8. Rotor de acordo com a reivindicação 7 caracterizado por num corpo de pá (8, 9) formado por várias peças pelo menos uma parte delas ser feita de material forjado. Lisboa, 13 de Novembro de 2001 O AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDIJF" · ' -

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