PT897470E - Maquina hidraulica - Google Patents

Description

87 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ DESCRIÇÃO “Máquina hidráulica” O invento refere-se a uma máquina hidráulica, que possui uma roda ou rotor com um corpo de cubo e palhetas ou pás que estão apoiadas rotativamente em chumaceiras lubrificadas por óleo no interior do corpo de cubo e um sistema de vedação, que compreende meios de vedação localizados entre as referidas chumaceiras e a água ambiente. O invento foi concebido para ser utilizado numa turbina Kaplan, em particular, numa turbina Kaplan tendo um sistema de lubrificação totalmente novo para as chumaceiras das chapas da roda, mas que pode também ser utilizado em turbinas Kaplan do tipo convencional, bem como noutros tipos de máquinas hidráulicas mencionadas no preâmbulo, como sejam hélices de embarcações com pás ajustáveis angularmente.

ANTECEDENTES DA ARTE

Convencionalmente, a câmara do cubo nas turbinas Kaplan está parcialmente cheia de óleo, tal como descrito no resumo de Derwent n° 93-150466/18 semana 9318, Resumo de SU1733676, 15 de Maio de 1992. O objectivo principal dos óleos é lubrificar as chumaceiras das pás da roda. Outras funções importantes são proporcionar uma protecção anti-corrosão adequada no cubo e proporcionar a possibilidade de detecção da entrada de água no cubo. A fim de impedir a entrada de água no cubo, um risco que não pode ser totalmente ignorado no que diz respeito às concepções actuais de cubos, sugeriu-se também o enchimento da totalidade do corpo de cubo com óleo sob pressão. No entanto, isto conduz ao risco de fuga de óleo. De facto, a fuga de óleo nas turbinas Kaplan ocorre tão frequentemente que é considerada um problema ambiental significativo, uma vez que o óleo derramado irá contaminar o rio no qual a turbina se encontre em funcionamento. Para além disso, podem ocorrer acidentes se o cubo estiver completamente sem óleo, o que pode causar sérios danos ao rio. Todavia, pressurizar o óleo existente no corpo de cubo não é uma garantia de que a água não penetre no cubo. Uma forma de evitar a fuga de óleo é, evidentemente, utilizar chumaceiras não lubrificados a óleo e outras peças deslizantes, tal como o 2 87110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ documento JP-A-5762967 sugere, bem como utilizar água em vez de óleo, mas isso reduz a eficácia de lubrificação.

BREVE DESCRICÃO DO INVENTO O invento tem por objectivo dar resolver os problemas acima e proporcionar uma máquina hidráulica melhorada, que utiliza óleo para a lubrificação, que inclui um sistema de vedação que minimiza o risco de fuga de óleo. O invento foi desenvolvido para ser utilizado em turbinas Kaplan com um sistema de lubrificação totalmente novo que será a descrito e que, entre outras coisas, é caracterizado por o interior da câmara do corpo de cubo não ter a mesma pressão que a atmosfera ambiente. O sistema de vedação do invento é particularmente eficaz no âmbito de máquinas hidráulicas, que tenham sido dotadas com este novo sistema de lubrificação, mas pode também ser utilizado em máquinas hidráulicas do tipo convencional, nas quais todo o corpo de cubo esteja cheio de óleo sob pressão.

Este e outros objectivos podem ser conseguidos pelo facto do invento ser caracterizado pelo que está indicado na parte de caracterização da reivindicação 1.

Outras características e aspectos do invento encontram-se serão evidentes a partir das reivindicações independentes e na descrição que se segue de uma concretização preferida.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Na descrição seguinte de uma concretização preferida, será feita referência aos desenhos anexos, nos quais: a Fig. 1 é um corte axial através de uma roda de uma turbina Kaplan, tendo uma concepção em si mesma conhecida, na qual o invento é utilizado e em que as partes características do invento estão esquematicamente ilustradas; a Fig. 2 é um corte transversal através da roda, numa vista ao longo da linha ll-ll da Fig. 1; a Fig. 3 exibe o pormenor enquadrado III da Fig. I numa escala maior, ilustrando o sistema de prevenção de entrada de água para dentro do cubo; e 3 87 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ a Fig. 4 é uma vista ao longo da linha IV-IV da Fig. 1.

Nos desenhos, foram mostrados apenas os pormenores necessários ao entendimento dos princípios do invento, enquanto que foram omitidos outros pormenores, tais como as pás da roda da Fig. 1, por forma a tornar o essencial mais claro.

DESCRICÃO PORMENORIZADA DO INVENTO

Na Fig. 1, um corpo de cubo fixa a uma flange do eixo da turbina 13 é designado na generalidade por 1. Neste texto, o interior do cubo é referido como câmara do corpo de cubo, designado na generalidade por 2, que inclui também uma parte inferior 3 na região da zona dianteira da turbina, referida no presente texto como vasilha de seco. A turbina é dotada de uma série de pás de roda 4, Fig. 4, cada uma das quais com uma flange de pá 5, a qual está fixa por meio de acoplamentos roscados a um munhão de pá 6. O munhão de pá está apoiado rotativamente nas chumaceiras deslizantes internas e externas 7, 8, respectivamente, no corpo de cubo 1. Os munhões 6 e, consequentemente, as pás 4, são angularmente ajustáveis por meio de rotação nas chumaceiras 7 e 8, de forma em si mesmo conhecida, por intermédio de meios de movimento, os quais compreendem um êmbolo de servomotor 9, uma haste de êmbolo 10, a qual é móvel verticalmente no corpo de cubo 1, uma cruzeta 11 e um mecanismo de alavanca indicado na generalidade por 12. As câmaras hidráulicas 14 e 15 são proporcionadas para os movimentos do êmbolo 9. Um furo axial 16 com um tubo 17 prolonga-se através do êmbolo 9, haste de êmbolo 10 e cruzeta 11.

Os elementos, os quais foram descritos até agora fazem parte da técnica anterior e não serão descritos mais pormenorizadamente no presente texto, nem o êmbolo 9, o qual é manobrado por meio de fluídos hidráulicos nas câmaras hidráulicas 14 e 15.

De acordo com o invento, a câmara do cubo 2 está ligada a pressão atmosférica ambiente P3 através do tubo 17 da perfuração 16. Além disso, de acordo com o invento, um tipo de deslocamento de motor hidráulico 18 e um tipo de deslocamento de bomba hidráulica 19 é accionado pelo motor hidráulico, que se encontra localizado no poço seco 3. O motor hidráulico 18 é accionado por uma fonte de pressão, não ilustrada, incluída numa unidade 49 através de uma primeira 4 87 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ fonte de pressão 20, um torniquete 21 e uma segunda conduta 22, a qual se prolonga no sentido descendente através do tubo 17 para o poço seco 3, uma parte de mangueira 23 e uma conduta de ligação 24. Uma conduta 25, uma parte de mangueira 26 e uma conduta 27 prolongam-se a partir do motor hidráulico 18 para uma conduta 28 na cruzeta 11 e na haste de êmbolo 10. A conduta 28 conduz ao espaço circunferencial fechado 31 no exterior da haste de êmbolo 10, entre os munhões de pá 6 e a haste de êmbolo 10, Uma conduta 30 segue através de cada munhão de pá 6 a partir do espaço 31 para a chumaceira exterior 8. A câmara 2 possui uma quantidade de óleo 35 não superior àquela que, quando for efectuada a rotação da roda, será pressionada para a parede do corpo de cubo 1 e encherá substancialmente o volume, o qual em secção axial tem a forma de uma taça, Fig. 1, entre os munhões de pá 6, Fig. 2. Sob a influência da gravidade, se o eixo da turbina for vertical, a superfície interior 36 do volume de óleo 35 não será totalmente vertical, mas ligeiramente inclinada para baixo - para dentro, Fig. 1, de modo que um pequeno volume 35A com uma superfície interna 36A se prolongará igualmente, no sentido descendente, para o interior do poço seco 3. Nesta última área existe uma conduta de sucção 37, que conduz à bomba hidráulica 19 do volume 35A. Uma conduta 38 conduz da bomba 19, uma parte de mangueira 39 e uma conduta de retomo 41 conduz ao torniquete 21 e, a partir daí, uma conduta de retomo 42 conduz a uma passagem de óleo (não ilustrada) ou unidade correspondente 49.

Uma válvula magnética 45 na conduta de alimentador 20 é proporcionada para não abrir até que a roda da turbina rode a uma velocidade de rotação quase nominal (pelo menos 90% da velocidade de rotação nominal) e existe também na conduta 20 uma válvula de escoamento constante 48. Um controlo de escoamento 47 e um tanque 48 para detecção e/ou separação e condução para fora da água com óleo contaminado são também proporcionados na conduta de retomo 42. Além disso, pode ser proporcionado um separador 50 para tratar qualquer água que possa ter sido contaminada com óleo. O óleo purificado pode ser recirculado para o tanque 48 a partir do separador 50. A unidade 49 contém, entre outros, uma fonte de pressão e calha de óleo, etc.. O sistema descrito opera da seguinte maneira. Durante o arranque, a turbina é enchida com uma certa quantidade de óleo na câmara 2, por exemplo, através do tubo 17. Durante a operação normal, o óleo é alimentado a partir da fonte de 5 87 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ pressão (não mostrada) na unidade 49, através da conduta 20, do torniquete 21 e das condutas 22, 23 e 24, para o motor hidráulico 18, o qual acciona a bomba 19. A partir do motor hidráulico 18, o óleo é conduzido através das condutas 25, 26 e 27 para a conduta 28 e através de uma abertura na haste de êmbolo 10, para o espaço 31. O óleo lubrifica e passa através das chumaceiras de munhão internas 7, após o que o óleo se espalha por toda a câmara de corpo de cubo 2, na qual lubrifica as várias partas do cubo antes de o óleo alcançar e lubrificar as chumaceiras de munhão externas. Contudo, as chumaceiras do mecanismo de alavanca 12 são, de preferência, do tipo auto-lubrificante. Em seguida, o óleo é conduzido do espaço 31, através dos canais 30, para as chumaceiras externas 8, de modo a assegurar a lubrificação também dessas chumaceiras. Através da rotação da roda, o óleo é pressionado das chumaceiras 7 e 8 mais para a frente, para a parede arredondada do corpo da válvula 1, para encher o referido espaço em forma de taça. Este volume de óleo 35 corresponde apenas a uma porção menor do volume total da câmara 2, por exemplo, menos de 10%. O volume de óleo 35 é mantido constante na mesma por a bomba 19, através da conduta de sucção 37, aspirar o óleo dessa fracção de volume de óleo 35A, que se prolonga no sentido descendente para o interior do poço seco 3 e ainda através das condutas 38, 39, 40, 41, o torniquete 21 e para a conduta de retorno 42. A deslocação da bomba 19 é maior do que a do motor 18, o que assegura que o nível do óleo 36A e o volume do óleo 35 são mantidos constantes. O escoamento de óleo é mantido constante por meio da válvula de escoamento constante 46 e é vigiado pelo controlo de escoamento 47, de modo que as anomalias do funcionamento são indicadas e possam ser tratadas. Possivelmente, a água existente no óleo é detectada no tanque 48, e pode, caso necessário, ser removida no separador 50, antes de o óleo ser recirculado para o tanque 48 ou directamente para a unidade 49. No caso de entrar água no sistema, podem ser efectuadas medições em qualquer altura adequada e previamente planeada, a fim de impedir a entrada contínua, por exemplo, através da substituição dos anéis de vedação. Neste contexto deverá também ser mencionado que a detecção de água é facilitada, no sistema do invento pelo facto do óleo lubrificante estar continuamente a circular num circuito fixo dentro do sistema e pelo facto da quantidade total de óleo lubrificante no sistema ser comparativamente pequena. Deve ser ainda mencionado que o óleo hidráulico, o qual pode eventualmente ser derramado para a câmara do corpo de cubo 2 das câmaras hidráulicas 14 ou 15 será tratado no sistema e adicionado ao óleo circulante. 6 87 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ

Através da rotação da roda, a qual pode, por exemplo, desenvolver uma força centrífuga de 20 g do volume do óleo 35, o óleo é pressionado com uma determinada força para as chumaceiras de munhão de pá externas 8 mas, de outro modo, o óleo existente na câmara 2 não é sujeito a qualquer excesso de pressão. Por isso, a pressão que actua sobre o volume de óleo 35 é normalmente inferior à da pressão da água ambiente, o que reduz grandemente o risco de eventual fuga de óleo para a água circundante.

Embora o risco de fuga de óleo para a água ambiente seja muito reduzido, uma vez que o óleo na câmara do corpo de cubo não está sujeito a excesso de pressão, este risco pode ser ainda minimizado por meio de uma boa vedação entre as chumaceiras de munhão de pá externo 8 e a água circundante. Na Fig. 3 é mostrado um tal sistema de vedação, o qual compreende um anel de vedação externo e interno 60 e 61, respectivamente, feitos de borracha ou outro elastómero, localizados no intervalo angular 62, o qual rodeia a flange de pá 5. Os anéis de vedação 60, 61 estão fixos no intervalo 62, por meio de um anel de aperto 63, o qual é fixo por meio de parafusos ao corpo do cubo 1. O maior risco de ocorrência de fuga de óleo, embora a câmara do corpo de cubo de válvula 2 não esteja sob pressão, existe do lado de sucção da turbina, ou seja, na “parte inferior” ou “parte traseira” das pás da roda, onde a pressão é muito baixa. Esta pressão, a pressão P2, é inferior à pressão atmosférica durante a operação, a pressão P3, Fig. 3, que é a pressão no interior do cubo. Por um lado, a pressão P1 do lado de pressão das pás da roda, ou seja, por cima das pás de roda 4, é sempre superior à pressão atmosférica. Estas condições são utilizadas na disposição de vedação do invento. Do lado de fora da flange de pá 5, na zona do lado de pressão das pás da roda, isto é, de um ponto da flange de pá 5 acima da pá 4, prolonga-se um canal 64 para o interior de um espaço circunferencial 65 no intervalo 62 entre os anéis de vedação externo e interno 60 e 61, respectivamente. O espaço circunferencial anular 65 entre os anéis de vedação comunicará, por outras palavras, com a água ambiente do lado de pressão da turbina, através do canal 64, o que significa que o espaço 65 terá a mesma pressão P1 em torno de toda a circunferência da flange de pá 5 do que a água no lado de pressão. Isto por sua vez, significa que a pressão fora do anel de vedação interno 61 é superior à do lado interno do anel de vedação 61 ao longo de toda a circunferência do mesmo, ou seja, dentro da região do lado de sucção da flange da pá, onde a pressão da água P2 do lado externo é sub-atmosférica. Deste modo. a pressurização do espaço circunferencial 65 funciona como um bloqueio à fuga de óleo. 7 87 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ

Para além disso, ou como alternativa, o espaço 65 pode ser pressurizado por meio de água proveniente de uma outra fonte de pressão que não a água ambiente, de preferência, pressurizado por meio de água pura vinda da caixa da chumaceira do veio (não mostrada) do veio da turbina, através de um canal 68, o qual se prolonga através do veio da turbina, da flange de veio de turbina 13 e do corpo de cubo 10 para o espaço 65. Também podem, em princípio, ser utilizadas outras fontes de pressão, de preferência, fontes de pressão que contêm água pura sob pressão. Tal concretização alternativa pode ser particularmente útil nos casos em que a pressão do lado de pressão das pás da roda ou das pás da hélice é comparativamente baixa, por exemplo, no âmbito de turbinas Kaplan em centrais eléctricas com queda comparativa mente baixa, uma vez que a pressurização do espaço (65), nesse caso, pode ser efectuada a partir de uma fonte de pressão, tendo uma pressão superior à da pressão exercida do lado de pressão das pás da roda/pás da hélice. Esta alternativa pode ser particularmente vantajosa se a câmara do corpo de cubo estiver cheia de óleo sujeito a excesso de pressão ao mesmo tempo.

Basicamente, o invento tem a ver com a prevenção de fugas de óleo para a água ambiente. Isto de acordo com o invento, é conseguido por o invento ser caracterizado por, pelo menos, algumas das características que são mencionadas nas reivindicações anexas ou por todas estas características associadas entre si. Entre estas características, deverá mencionar-se que a quantidade total de óleo no sistema de lubrificação é pequena, substancialmente inferior ao volume total da câmara do corpo de cubo; que a câmara do corpo de cubo se encontra à pressão atmosférica; que o óleo de lubrificação está em circulação num circuito; que são proporcionados meios para o controlo do escoamento de óleo, de modo a que a eventual fuga de óleo seja detectada e possa ser resolvida; e que são proporcionados meios de vedação eficazes, os quais favorecem a entrada de água antes de permitir a fuga de óleo. Ao mesmo tempo, é necessário que a lubrificação seja eficiente e não seja prejudicada pela entrada de água. Em ligação com isto, deverá ser considerada a condição de que a água tenha uma densidade superior à do óleo, o que poderá criar uma tendência de a água se separar do óleo e de a água se juntar nas chumaceiras externas 8 devido à força centrífuga. A fim de travar essa tendência, poderá ser relevante conduzir o óleo do espaço 31 através das condutas 30 para as chumaceiras 8. Esta função pode ser ainda garantida proporcionando meios, por exemplo, restrições de vários tipos, por exemplo, a vedação eficaz das chumaceiras internas 7, a fim de guiar em segurança um 8 87 110 ΕΡ Ο 897 470/ΡΤ escoamento de óleo para as chumaceiras externas 8. Nas chumaceiras 8, poderá permitir-se que o óleo que entra seja misturado com a água que eventualmente entre, que é misturada com o óleo no volume 35 e eventualmente desviada através da conduta de retomo 42, detectada e escoada.

Deve notar-se que o invento não está restringido às partes móveis, tendo a concepção que foi explicada na descrição anterior e nem sequer às partes móveis das turbinas Kaplan em geral. Por exemplo, o invento pode muito bem ser também utilizado para o tipo de máquinas hidráulicas mencionadas no preâmbulo, que possuem um eixo de rotação horizontal. Também nessas máquinas, a quantidade comparativamente pequena de óleo na roda será pressionada para fora para a periferia por meio da força centrífuga. É verdade que a forma gerada do volume de óleo nesse caso será diferente da das máquinas com eixos verticais, mais especificamente, será obtida uma superfície cilíndrica interna, mas este facto pode ser considerado no local da conduta de sucção 37 da bomba hidráulica 19.

Deverá ser igualmente mencionado que a bomba 19, também no âmbito da concretização ilustrada, está localizada em função das forças “g" que também actuam na conduta de sucção 37 da bomba, de modo que a bomba estará em condições de receber óleo através da conduta de sucção.

Lisboa,

Por KVAERNER TURBIN AKTIEBOLAG - O AGENTE OFICIAL -

Eng.° ANTÓNIO JOÃO DA CUNHA FERREIRA Ag. Of. Pr. Ind- Rua das Flores, 74-4.° 1200-195 LISBOA

Claims (6)

1. 87 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Máquina hidráulica com uma roda ou rotor com um corpo de cubo (1) e palhetas ou pás (4) que estão apoiadas rotativamente em chumaceiras lubrificados por óleo (7, 8) no corpo de cubo, e um sistema de vedação, que compreende meios de vedação localizados entre as referidas chumaceiras e a água circundante, caracterizada por os referidos meios de vedação compreenderem um primeiro elemento de vedação circunferencial (60) e um segundo elemento de vedação circunferencial (61) dentro do referido primeiro elemento de vedação circunferencial, por existir um espaço circunferencial (65) entre os referidos primeiro e segundo membros de vedação, e por o espaço circunferencial estar ligado através de um canal (64) com água, o qual tem uma pressão superior à pressão do óleo contido nas referidas chumaceiras.
2. 2 - Máquina hidráulica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por os elementos de vedação estarem localizados num intervalo (62) entre, por um lado, a unidade, a qual compreende um munhão de pá de roda (6) ou correspondente, e uma flange de pá de roda (5) ou correspondente, e, por outro lado, a unidade que compreende o corpo de cubo.
3. 3 - Máquina hidráulica de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por os elementos de vedação estarem localizados num intervalo (62) entre a flange da pá da roda e o corpo do cubo.
4. 4 - Máquina hidráulica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por o espaço circunferencial (65) estar ligado, através de um canal (64), com água circundante do lado de pressão das pás da roda ou correspondente, de modo a que o fluído existente no espaço circunferencial atingirá essencialmente a mesma pressão que a água tem do lado de pressão.
5. 5 - Máquina hidráulica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por o espaço circunferencial (65) estar ligado através de um canal (68) a uma fonte de pressão dentro da construção da máquina hidráulica, de preferência, à caixa do eixo, do veio da máquina, canal esse que se prolonga de uma fonte de pressão ao espaço circunferencial através do corpo do cuho. 212 8/ 110 ΕΡ 0 897 470/ΡΤ
6. 6 - Máquina hidráulica de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada por os elementos de vedação consistirem em anéis de vedação (60, 61) com lábios de vedação pressionados contra as paredes do intervalo (62) e por os lábios de vedação dos anéis de vedação estarem virados contra o referido espaço circunferencial (65). ;Λ Lisboa, !;· ív Por KVAERNER TURBIN AKTIEBOLAG - O AGENTE OFICIAL - O ADJUNTO

   Eng.° ANTÓNIO JO&Q DA CUNHA FERRE1RA Ag. Ot Pr. Ind. Rua das Flores, 74-4,® 1200195 LISBOA