PT91317A - Turbinas - Google Patents

Description

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JOHN KIRBY "TURBINAS” A presente invenção diz respeito a turbinas. Como se sabe, uma turbina é um dispositivo destinado a retirar energia de um fluido de trabalho. Na medida em que as turbinas podem também funcionar como bombas ou compressores, comunicando energia a um fluido de trabalho a partir de uma fonte exterior em rotação, a presente invenção refere-se igualmente às bombas ou aos compressores. Quando aqui se referirem "turbinas", deve entender-se que isso se aplica, sempre que for pertinente, igualmente às bombas e aos compressores. Hâ vários tipos reconhecidos de turbinas, entre os quais podem mencionar-se as turbinas de fluxo axial, tipificadas pelas turbinas dos motores de jacto de aviões e instalações de turbinas de gás ou de vapor que accionam os grandes geradores eléctricôs. Estas turbinas de fluxo axial compreendem um certo número de discos, com pás dispostas perifericamente e orientadas radialmente. As pás estão fixadas nos discos de maneiras muito variadas, tendo muitas vezes as raízes das pás formas especiais que se ajustam a ranhuras com formas correspondentes na perife- 2 _ ^r / / ria dos discos. As pás têm de ser modeladas individualmente e montadas individualmente, sendo a construção complicada e cara e, no que respeita à prática comercial, limitam-se às utilizações que exigem elevada eficácia atrás referidas.

Um outro tipo de turbina é a turbina de fluxo tangencial que ê essencialmente semelhante a uma roda hidráulica, na qual o fluído de trabalho é introduzido tangencialmente para incidir em pás na periferia de um elemento rotativo em forma de disco.

Qualquer destes tipos pode ser uma turbina de reacção ou uma turbina de acçio ou de impulso, conforme a configuração das pás. Numa turbina de acção, o fluxo de trabalho é dirigido para uma pá rotativa com a intenção de a atingir perpendicularmente, por assim dizer, e comunicar â pá energia cinética à custa da perda da quantidade de movimento do fluido de trabalho. Numa turbina de reacção, as pás são modeladas de modo a actuar mais como secções hidrodinâmicas e aumentar a velocidade do fluido de trabalho na face côncava da pá9 era comparação com a da face convexa, para desse modo criar "força ascensional" na direcção tangencial de modo a pôr o disco em rotação.

Na prática, a maioria das turbinas funciona em parte como turbinas deacçãbe em parte como turbinas de reacção, conforme as condições de funcionamento. A turbina de fluxo tangencial, em qualquer caso, embora em termos gerais seja de construção mais simples do que a turbina axial, é ainda uma máquina de técnica dispendiosa, exigindo também pás individuais, quer na cons- - 3 - trução, quer na colocação. A presente invenção proporciona uma turbina que, pelo contrário, é extremamente simples e de fabricação pouco dispendiosa. A presente invenção compreende uma turbina que inclui elementos de disco que têm movimento de rotação relativo, tendo um eixo de rotação relativa e estando voltados um para o outro, possuindo cada disco elementos de pá dispostos em pelo menos um anel coaxial, estendendo-se os elementos de pá de cada elemento de disco no sentido do outro elemento de disco e sobrepondo-se axialmente aos elementos de pá do outro elemento de disco e tendo os anéis diâmetros diferentes, de modo que as pás de um elemento de disco estão radialmente a uma pequena distância das pás do outro elemento de disco, havendo meios de entrada e de saída do fluido de trabalho para o fluxo deste fluido de trabalho numa direcção genericamente radial.

Um elemento de disco pode compreender um estator e o outro um rotor.

Os meios de entrada do fluido de trabalho podem compreender uma entrada central relativamente a um dos referidos elementos de disco, podendo o disco dos elementos de disco referidos com entrada central constituir um estator. A turbina pode compreender um elemento de disco com pás em ambas as faces orientadas axialmente. Pode compreender duas partes relativamente rotativas, pelo menos uma das quais possui pás em faces voltadas uma para a outra.

Pelo menos uma daquelas partes pode compreender elementos de disco com pás dispostas axialmente de cada lado de um elemento de disco com pás da outra partee Uma parte pode ter vários elementos de disco com pás e a outra parte pode então ter vários discos com pás intercaladas com os da referida primeira parte. Uma dessas partes pode ter elementos de disco ligados em raios exteriores por uma blindagem. A referida parte pode então constituir um rotor e pode ter um aro exterior de material de elevada resistência à trac-ção. A outra parte pode constituir um estator.

Um dos referidos elementos de disco pode estar num veio, montado sobre chumaceiras, constituindo o mesmo um rotor.

Um rotor pode compreender um anel de pás exterior.

As pás podem ser modeladas como pás de acção ou como pás de reacção. A turbina pode compreender um elemento de disco com pás integradas® 0 elemento de disco e as pás podem ser constituídos por uma peça fundida ou uma peça sinterizada, podendo ser constituídos por um cristal único, por exemplo.

Estas medidas, individualmente e/ou colecti-vamente, dão origem a uma gama de possibilidades. A moldação das pás integradas com o disco, por exemplo por fundição, representa um processo de fabricação económico. Para melhorar a vedação e reduzir as fu-gas é apenas necessário maquinar as superfícies que se con- - 5 - / ff frontam axialmente no disco e na ponta das pás, o que não ê em si um processo dispendioso. Hem o ê a previsão de ranhuras anulares, igualmente uma operação de maquinagem simples.

Assim, pode modelar-se um disco com pás sem a fabricação de múltiplas pás independentes nem com as operações de montagem; a fase de montagem é simplesmente eliminada.

Para turbinas que tenham que resistir a temperaturas elevadas, ê desejável usar materiais apropriados para essas altas temperaturas. Infelizmente, para o desenho convencional de turbinas, os materiais para altas temperaturas, como por exemplo a cerâmica ou materiais refractá-rios, são resistentes à compressão e não â tracção. Aliás, eles são ideais para a fundição ou para a sinterização ou para uma moldaçio de outro tipo para obter uma unidade de pá/disco integrada. Mas os rotores de turbinas convencionais sujeitam as pás e os discos também a esforços de tracção.

Para obedecer às exigências de resistência quer às temperaturas, quer aos esforços de tracção, desenvolveram-se pás de um cristal único de materiais exóticos, mas que são muito caros.

De acordo com um aspecto da presente invenção, os discos do rotor com pás podem ser ligados num raio exterior por uma blindagem e ter um aro exterior (por exemplo, envolvidos com aperto por um arame de elevada resistência à tracção, envolvidos com cintas ou utilizaiado na referida blindagem um material de elevada resistência à tracção ou - 6 - contendo um reforço resistente à tracção) de material de elevada resistência à tracção para contrariar qualquer tendência para serem lançadas para fora sob a acção da força centrífuga. Substancialmente todas as forças internas no disco são então de natureza compressiva, em relação às quais o material da pá/disco e resistente. Isto pode, evidentemente, aplicar-se a outros tipos de turbinas, tais como as turbinas de fluxo axial, e permitirá usar nas suas pás materiais de cerâmica e materiais refractários de baixa resistência à tracção.

Mas, para alguns aspectos da presente invenção, não é necessário que as pás sejam integradas com os discos - podem por exemplo ser feitas separadamente dos elementos de disco e neles fixadas, por exemplo por soldadura ou, em especial nas turbinas para temperaturas baixas, por uma ligação com adesivo, ou ainda por ligação mecânica, por exemplo fixadas em cavas ou ranhuras. A presente invenção refere-se também a um processo para a fabricação de uma turbina com vários discos entrelaçados, com pás que se estendem axialmente, que compreende a ligação de discos, alternadamente, axialmente, para formar um e outro de dois discos com movimento de rotação relativo. Um veio de estator pode ser dotado com um primeiro disco estator com pás que se projectam a partir de cada uma das suas faces e um rotor montado em tomo do mesmo, sendo um disco terminal do referido rotor fixado a uma chumaceira no veio do estator e sendo um disco intermédio do referido rotor disposto contra a face oposta do referido - 7 - primeiro disco do estator para o disco terminal do rotor e fixado no referido disco teiminal do rotor num outro raio; depois, um outro disco do estator ê levado até ao disco intermédio do rotor e fixado no veio, sendo os discos do rotor e do estator assim montados alternadamente até que um segundo disco terminal do rotor termina o conjunto numa segunda chumaceira no eixo* Vão agora descrever-se formas de realização de turbinas segundo a presente invenção, com referencia aos desenhos anexos, cujas figuras representam; A fig. 1, uma vista axial de um elemento de disco de uma forma de realização; A fig. 2, uma vista axial de outro elemento de disco da referida forma de realização; A fig. 3, uma vista axial compósita que mostra como os elementos de disco das fig. 1 e 2 se ajustam mutuamente; A fig. 4, um corte axial da forma de realização das fig. 1 a 3» A fig. 5, uma vista axial que mostra uma variante da configuração das pás; A fig. 6, uma vista em corte que mostra um dispositico de vedação das pontas das pás; A fig. 7, uma vista parcial em corte, que mostra um outro dispositivo de vedação da ponta das pás; A fig. 8, um corte axial de outra forma de 8 realização; A fig. 9, uma vista parcial em corte de outra forma de realização; A fig. 10, um alçado lateral de ainda outra forma de realização; e A fig. 11, uma vista parcial em corte de um conjunto de turbina multidiscos.

As fig. 1 a 10 ilustram turbinas que compreendem elementos de discos (11) e (12) com movimentos de rotação relativos, com um eixo de rotação (13) dos movimentos relativos. Ias formas de realização especificamente aqui descritas, um elemento de disco (11) compreende um estator e o outro (12) um rotor. Mas compreender-se-á que, embora seja de esperar que seja esta a disposição usual, poderia também suceder que ambos os elementos de discos rodassem, quer com velocidades diferentes no mesmo sentido, quer com a mesma velocidade ou com velocidades diferentes mas em sentidos opostos, se isso for desejado por qualquer razão.

Os elementos de disco (ll) e (12) estão um em frente do outro e tem elementos de pás (14) nas faces (11a) e (12a) dos elementos de discos (11) e (12) voltadas uma para a outra, de modo que os elementos de pás de um do elemento de disco se estendem a partir deste elemento de disco para o outro.

Os elementos de disco (11) e (12) estão dispostos de modo tal que os elementos de pás (14) de um deles se sobrepõem axialmente aos do outro. Os elementos de pás - 9 - (14) estão dispostos em anéis coaxiais nos elementos de disco (11) e (12), tendo os anéis diâmetros diferentes, de modo que os elementos de pás (14) num elemento de disco ficam radialmente afastados a uma pequena distância dos do outro.

Proporciona-se uma entrada (15) do fluido de trabalho no centro do elemento de disco do estator (11). Proporciona-se uma saída (16) do fluido de trabalho pelo espaço entre os elementos de disco (11, 12), na sua periferia. 0 elemento de disco do rotor (12) tem um veio (17) que está montado em chumaceiras (18). Está representado um alternador (19) fixado no veio (17), como exemplo de uma carga que a turbina deve accionar.

Como está ilustrado, o elemento de disco do rotor (12) tem um anel de elementos de pá (14) exterior.

Compreender-se-á que os dois elementos de disco (11) e (12) podem ser produzidos por exemplo como peças fundidas, em que se integram por fundição os elementos de pá (14), evitando assim a fabricação e a montagem separadas, dispendiosas, de pás individuais, como é usual noutras turbinas convencionais.

Como a operação de fundição pode deixar arestas ou superfícies rugosas e irregulares, os elementos de disco (11) e (12) podem necessitar de um acabamento por ma-quinagem. Isso pode ser necessário nas faces de topo (14a), ou pontas, dos elementos de pá (14) e também nas partes (20) do elemento de disco oposto contra as quais correm as faces 10 (14a). Gomo todas as faces (14a) se situam num mesmo plano, a operação de maquinagem das mesmas pode fazer-se uma única operação de rectificação. Gomo as faces (20) estão igualmente num mesmo plano, para cada um dos discos (11) e (12) igualmente se pode fazer a rectificação com uma operação única em todas as faces simultaneamente,,

De facto, com uma ferramenta especial, pode efectuar-se numa única operação de rectificação a maquinagem dos dois conjuntos de faces (14a) e (20) de cada disco. Ê claro que pode suceder que, quando se trabalha com certos materiais, por exemplo materiais plásticos moldáveis, não haja necessidade de qualquer operação de acabamento.

Num processo de fabricação alternativo, podem modelar-se elementos de pá separados, que são soldados aos elementos de disco.

Os elementos de pá (14) ilustrados nas fig. 1 a 3 são formados essencialmente por pás de acção. A fig. 5 mostra uma variante na qual os elementos de pá (14) são feitos como pás de reacção, com uma secção aerodinâmica mais pronunciada o A fig. 6 ilustra um dispositivo de vedação das pontas das pás no qual as faces (20) de cada um dos elementos de disco (11) e (12) são recolhidas abaixo do nível das raízes (14b) das pás em ranhuras (19a) em cujo interior se ajustam saliências (14c) dos elementos de pá (14). Isso ajudará a reduzir a perda de fluido de trabalho em tqr-no das pontas das pás (14a) e aumentar o rendimento. As fu- - 11 gas podem ainda ser mais reduzidas fixando um manto anular (21) (fig. 7) nas faces de topo (14a) dos elementos de pá (14) , tendo os mantos (21) zonas salientes (21a) e ranhuras (21b) que cooperam com as ranhuras (20a) e as zonas salientes (20b) das faces de topo (20) dos elementos de disco (11) e (12). 0 rotor (12) tem um elemento (22) (fig. 4) central perfilado essencialmente cónico, oposto à entrada de fluido de trabalho (15) para desviar o fluido de trabalho na direcçio radial. A disposição do elemento deflector (22) pode ser importante para a determinação da eficácia do dispositivo da turbina, podendo o mesmo projectar-se para o interior de um dispositivo de injector (22a) na entrada (15) para se conseguir obter a velocidade óptima do fluido na entrada. A disposição pode incluir um invólucro ou alojamento (23) (Fig. 4) que envolve os elementos de disco (13) e (14) e com uma saída (24) de escape para o fluido de trabalho consumido. Ê claro que os elementos de disco não precisam de ter faces de topo planas. As fig. 8, 9 e 10 mostram outras configurações possíveis. Na fig. 8, as faces de topo dos elementos de disco (11) e (12) são cónicas, ajustando--se o cone do rotor (12) ao do estator (11). A fig. 9 mostra um dispositivo no qual a distância que separa as faces de topo dos elementos de disco (11) e (12) opostas aumenta quando o raio aumenta, enquanto a fig. 10 mostra o contrário. E claro que as faces de topo não precisam de ser cóni- 12 cas - podem ser superfícies de revolução de curvas tais como circunferências, hipérboles ou curvas mais complicadas.

Em vez da entrada (15) para o fluido de trabalho ser central para uma parte, o estator, do dispositivo, o fluido de trabalho poderia ser introduzido através da saída de escape (24) do alojamento (23) e sair pela entrada (15).

Além disso, como atrás foi mencionado, a turbina pode também, com uma concepção apropriada, funcionar como bomba ou compressor. A turbina pode ser concebida para funcionar com qualquer fluido de trabalho desejado, por exemplo vapor de água, ar comprimido, água ou mesmo gás quente, como nas turbinas de gás convencionais. 0 número de anéis de pás pode ser qualquer desde um /essencialmente no rotor (12)J até dez ou mesmo mais, embora a adição de mais anéis sô marginalmente melhore o rendimento. A fig. 11 ilustra um conjunto de turbina multidiscos que é susceptível de funcionar com uma potência mais elevada do que a do dispositivo com um sô disco com o mesmo diâmetro.

Num veio oco do estator (111) está montada uma chumaceira com vedação (112) que suporta um disco terminal (113) de um rotor (114). 0 disco terminal (113) tem pás (115) que se estendem axialmente em anéis concêntricos como se descreveu com referência às figuras anteriores. Depois de montar este disco terminal (113) ê colocado no mesmo - 13 -

um disco do estator (116) de face dupla, com os seus anéis de pás (117A) intercalados com os anéis do disco terminal do rotor (113). 0 disco do estator (116) é fixado no veio (111) do estator, por exemplo por soldadura. Coloca-se depois um disco do rotor intermédio (118) ao longo do veio do estator (111) no disco do estator (116), colocando-se com as suas pás (119A) intercaladas com as pás (117B) do disco (116) de face dupla. 0 disco (118) ê fixado num raio exterior no disco (113), por exemplo por soldadura ou, eventualmente, por meio de flanges e parafusos.

Pode agora colocar-se um outro disco do estator (121) ao longo do veio (111) com as suas pás (122A) intercaladas com as pás (119B) do disco do rotor (118), e fixado no veio (111).

Montam-se desta maneira os discos do rotor e do estator desejados. Finalmente, junta-se um segundo disco terminal do rotor (131) num dispositivo (132) de chumaceira e vedação. 0 veio (111) é fechado numa extremidade e aberto na outra para a entrada do fluido de trabalho, e tem aberturas (133) para o escape do fluido de trabalho para a zona de trabalho que inclui as pás do rotor e do estator. 0 invólucro (134) formado pela ligação dos discos do rotor no raio exterior é também perfurado para o escape do fluido de trabalho consumido.

Um invólucro exterior (135) conduz este fluido para um escape (136). A tomada de potência ê a partir do cubo (137) do disco terminal (131) do rotor. 7 - Η -

Se os discos do rotor forem feitos de material fundido ou sinterizado resistente à compressão, mas não necessariamente à tracção, o rotor pode ser reforçado por anéis ou aros de arame ou fita (138) muito resistente à tracção. Estes podem ser pré-tensionados para contrariar a força centrífuga, de modo que as tensões dos discos rotativos serão todas de compressão contra os anéis ou aros exteriores (138). E claro que podem usar-se outros processos de reforço, tais como a incorporação de material de fibras ou de filamentos de reforço num material compósito, por exemplo a incorporação de fibras de carvão ou fibras de vidro num material de plástico ou de resina, especialmente para o funcionamento a temperaturas baixas.

Para o funcionamento a temperaturas elevadas, podem usar-se materiais refractários e em especial materiais especiais tais como os formados pelo crescimento de cristais simples, que pode desenvolver-se com a forma do disco do rotor ou do estator com as pás integradas, de modo que pode também evitar-se a maquinagem, sendo a contagem da turbina tornada mais simples do que no caso de ser necessário montar as pás nos discos.

Mas não é necessário utilizar a construção integrada das pás nos discos - será perfeitamente possível construir uma turbina como a ilustrada na fig. 11, por exemplo, fixando pás nos discos, por exemplo por soldadura ou por encaixe em ranhuras nos discos. A configuração global da turbina pode ter vantagens sobre as turbinas convencio- - 15 nais sem a necessidade de recorrer a processos de construção dispendiosos. A turbina descrita e ilustrada pode ser fabricada em várias dimensões desde uma pequena turbina com alguns centímetros de diâmetro ou menos até um metro ou mais.

Claims (23)

1. -16- / REIVINDICAÇÕES 1.- Turbina que compreende elementos de disco que rodam um em relação ao outro tendo um eixo de rotação relativa e voltados um para o outro, tendo cada disco elementos de pás dispostos em pelo menos um anel coaxial, estendendo-se os elementos de pás de cada elemento de disco para o outro elemento de disco e sobre-pondo-se axialmente aos elementos de pás do outro disco e tendo os anéis diâmetros diferentes, caracterizada por as pás de um dos elementos de disco estarem espaçadas radialmente a pequena distância das pás do outro elemento de disco, havendo meios de entrada e salda para o fluido de trabalho que flui numa direcção genericamente radial.
2. 2.- Turbina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por um dos elementos de disco ser constituído por um rotor e o outro por um estator. 3.- Turbina de acordo com as reivindicações 1 ou 2, ca- 17 racterizada por os meios de entrada do fluido de trabalho serem constituídos por uma entrada central para um dos referidos elementos de disco e por esse elemento de disco estar incluído num estator.
3. 4.- Turbina de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizada por compreender um elemento de disco com pás nas duas faces dispostas axialmente.
4. 5. - Turbina de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizada por compreender duas partes com movimento rotativo relativo, tendo pelo menos uma delas pás em faces opostas.
5. 6. - Turbina de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por compreender pelo menos uma parte que inclui elementos de disco com pás dispostas axialmente dos dois lados de um elemento de disco com pás da outra parte.
6. 7. - Turbina de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por compreender uma parte que tem vários elementos de disco com pás e uma outra parte que tem vários elementos de disco com pás entrelaçados com os da referida primeira parte.
7. 8. - Turbina de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizada por uma das suas partes ter elementos de disco ligados -18-

   num raio exterior por um invólucro.
8. 9.- Turbina de acordo com a reivindicação 8, caracte-rizada por a referida primeira parte constituir um rotor.
9. 10.- Turbina de acordo com a reivindicação 9, caracteri-zada por o referido rotor ter um aro exterior de material de elevada resistência à tracção.
10. 11. - Turbina de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizada por a outra parte constituir um estator.
11. 12. - Turbina de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 11, caracterizada por um dos seus membros de disco estar num veio montado em chumaceiras, constituindo o mesmo um rotor.
12. 13. - Turbina de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 12, caracterizada por um rotor compreender um anel exterior de pás.
13. 14. - Turbina de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 13, caracterizada por compreender pás de acção.
14. 15.- Turbina de acordo com uma qualquer das reivindica- -1,9-ções 1 a 14, caracterizada por compreender pás de reacção.
15. 16. - Turbina de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 15, caracterizada por compreender um elemento de disco com pás integradas.
16. 17. - Turbina de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por o elemento de disco e as pás serem constituídas por uma peça fundida.
17. 18.- Turbina de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por o elemento de disco e as pás serem constituídas por um cristal único.
18. 19. - Turbina de acordo com uma qualquer das reivindica ções 16 a 18, caracterizada por as faces voltadas na direcção axial das pás e dos elementos de disco serem maquinadas planas pelo menos no raio do anel ou de cada um dos anéis de pás ou do elemento ou de um elemento de disco adjacente, para permitir uma proximidade relativamente estreita entre partes com movimentos relativos, de modo a impedir as fugas de fluido de trabalho em torno das faces das extremidades das pás.
19. 20. - Turbina de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 19, caracterizada por compreender meios de vedação das -20- íP pontas das pás.
20. 21.- Turbina, caracterizada por compreender partes rotativas de material de tensão fraca, sendo tais partes rotativas ligadas por um aro de elevada resistência à tracção em raios exteriores .
21. 22. - Turbina de acordo com a reivindicação 21, caracterizada por o referido aro ser pré-esforçado para manter as referidas partes rotativas sob compressão ou para impedir que elas fiquem sujeitas a tensêes potencialmente prejudiciais.
22. 23. - Processo para a fabricação de uma turbina com vários discos entrelaçados com pás estendendo-se axialmente, caracteri-zado por compreender a ligação dos discos alternadamente axialmente para formar um e o outro dos dois elementos rotativos com movimento relativo.
23. 24. - Processo de acordo com a reivindicação 23, caracte-rizado por se proporcionar um veio de estator com um primeiro disco de estator com pás que se projectam a partir de cada uma das suas faces e um rotor montado em torno do mesmo, sendo um disco terminal do referido rotor fixado a uma chumaceira no veio do estator e sendo um disco intermédio do referido rotor disposto contra a face do referido primeiro disco do estator oposta ao -21-

    disco terminal do rotor e fixado ao referido disco do rotor terminal no raio exterior, sendo depois colocado um outro disco do estator no disco do rotor intermédio e fixado no veio, sendo assim o rotor e o estator montados alternadamente até que um segundo disco terminal do rotor termina o conjunto numa segunda chumaceira no veio, Lisboa, 28 de Julho de 1989 O Agente Oficial da Propriedade industrial