BR112012031972B1 - Sistema hidroelétrico em um duto e método para manter as lâminas da turbina em um alojamento substancialmente livre de água - Google Patents

Abstract

SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO E MÉTODO PARA MANTER AS LÂMINAS DA TURBINA EM UM ALOJAMENTO SUBSTANCIALMENTE LIVRE DE ÁGUA se refere a uma turbina dentro de um duto com o uso de uma bolha de ar em uma configuração nova e única com controles eletrônicos que podem aumentar a eficiência de turbinas hidroelétricas dentro de dutos.

Description

Este pedido de patente reivindica o benefício do pedido provisório patente U.S, 6135517 3, 6-10 provisório hidroturbina provisória, depositado em 16 de junho de 2010.

Setor e estado da técnica da invenção

A presente invenção refere-se a sistemas, dispositivos e métodos para uma turbina hidráulica em um sistema de dutos. Tal sistema pode lidar com o fluxo constante e variável e cabeça alta e baixa.

A essência da invenção é a utilização de uma bolha de ar dentro do alojamento em combinação com um sistema de controle para a taxa de fluxo e pressão em pelo menos um local do sistema e de preferência toda a área desde a entrada até o duto de saída.

O conceito de bolhas de ar foi sugerido antes em conjunto com turbinas em dutos, mas sem os sistemas de controle. A patente americana de Toyama U.S4488055 mostra uma bolha de ar, mas sem um sistema de controle e sem as outras características mostradas aqui, como um método para manter as lâminas sem contrapressão da água. Além disso, não há nenhum meio para controlar a pressão a jusante. Este é um ponto crucial, uma vez que níveis específicos de pressão a jusante são requeridos para manter a integridade do sistema de tubagens. O presente depósito enfrenta estes problemas.

Outra característica única do sistema atual é que ele libera o bico de entrada de fluido e a área da lâmina de fluidos que pode diminuir a quantidade de energia que colide com a lâmina. Como observado, Toyama não tem nenhum bico de entrada e nenhuma mudança de elevação para manter o fluido longe do bico de entrada. O presente pedido descreve alguns sistemas em que uma pequena quantidade de eficiência é sacrificada para atingir tal situação, em troca da eficiência muito maior de uma lâmina que enfrenta a interferência mínima do líquido dentro da área de turbina.

Observe que, neste depósito há uma distinção entre o bico de entrada do fluido, que regula a forma do fluxo entrando nas lâminas de turbina, e o bocal de entrada de ar, que fornece ar para o sistema.

Note que a patente americana de Lerner, patente n° US 4731545, é irrelevante, porque é um anexo a uma mangueira de jardim, não faz parte de um sistema de encanamentos. Além disso, ela não contém um dispositivo para a inserção de ar pressurizado.

Uma patente anterior, “Relações de turbina em dutos”, IB2009/053611, do mesmo autor Daniel Farb, reivindica como segue: "5. Um método de colocação de turbinas em um sistema de dutos com uma seção da tubulação voltada para baixo, onde a área ativa a montante da turbina não é repleta de conteúdo de retorno da turbina a jusante.

O pedido de patente atual não entra em conflito com a patente anterior porque descreve maneiras de implementar o método de um ambiente de turbina livre de fluido, e o pedido de patente anterior afirma especificamente o contexto de uma seção voltada para baixo da tubulação, em que a gravidade é o fator principal na separação, não a pressão. O depósito atual descreve um sistema que pode funcionar em sistemas de tubulação plana, bem como para baixo.

Breve descrição dos desenhos

A invenção é aqui descrita, a título de exemplo somente, tendo como referência os desenhos que acompanham, em que:

Figura 1 é um diagrama de um sistema de turbina dentro de tubulação com uma bolha de ar e diferenças de pressão.

Figura 2 é um diagrama de uma turbina dentro de uma tubulação com uma bolha de ar e uma agulha.

Figura 3 é um diagrama de uma turbina dentro de uma tubulação de eixo vertical e com uma bolha de ar.

Figura 4 é um diagrama de um bico de entrada de fluido com uma agulha.

Figura 5 é um diagrama da agulha de um bocal de entrada da turbina hidráulica.

Figura 6 é um diagrama do sistema de controle.

Descrição das concretizações preferenciais

A presente invenção se refere a uma invenção para a produção de energia elétrica de uma turbina dentro de uma tubulação usando bolha de ar e controles de pressão. De acordo com a presente invenção, são fornecidos vários dispositivos e métodos de uma abordagem de uma turbina hidráulica específica, visando o objetivo unificado de enfrentar a produção de energia em sistemas de tubulação. Existe um grande número de patentes e dispositivos para turbinas hidrelétricas. No entanto, existem pontos novos que são divulgados na invenção atual e se relacionam especificamente com os problemas de energia em sistemas de tubulação.

Neste depósito, às vezes "ar" e "gás" e "líquido" e "água" podem ser utilizados de forma equivalente.

O problema que a presente invenção visa é o efeito da água ao redor da turbina em uma tubulação, causando diminuição da eficiência. Aqui é proposta uma solução para este dilema, que é manter a turbina substancialmente ou totalmente fora da água ou outro líquido banhando a turbina. Um método para fazer isto envolve o uso de ar bombeado e inclui todos os dispositivos para entregá-lo e particularmente dirigidos para manter a turbina acima do fluido.

Qualquer tipo de turbina, como a turbina Pelton tradicional, pode operar mais eficientemente com este sistema de bolha de ar.

Referindo-se agora os desenhos, a Figura 1 ilustra uma turbina hidráulica (1) em um duto em que a parte superior é o ar. A referência (2) é um alojamento que permite a drenagem do líquido da turbina inferiormente antes de continuar, que mostra a entrada do líquido na parte superior de uma turbina (3) onde há pressão de ar alta (6) na intersecção da interface ar-líquido, e a coleção de fluido abaixo em baixa pressão (5) conforme o mesmo sai. As novidades são que o sistema faz parte de um sistema de dutos que é totalmente fechado na sua vizinhança e essa entrada de ar (4) é usada para manter a turbina livre de fluido em torno. Em uma concretização, o suprimento de pressão de ar é dirigido os copos de forma a não desvirtuar o movimento rotacional. O controle de nível e pressão também pode ser mecânico.

A Figura 2 é um diagrama de uma turbina em tubulação com uma bolha de ar e uma agulha (9). No lado direito está um bocal com uma agulha e uma mola opcional. Esta parte é nova quando usada em combinação com o sistema de turbina (7), como mostrado. O fluido na turbina percute nos copos numa área fornecida por entradas de pressão de ar (10) superiormente.

Idealmente estas entradas visam os copos de modo a não retardar a rotação. Ém seguida, o fluido sai da turbina inferiormente (8) e, em uma concretização ascende à esquerda. Na extrema esquerda é um bom local para uma válvula unidirecional assegurar o fluxo sem contrapressão em uma concretização.

A Figura 3 é um diagrama de uma turbina em tubulação de eixo vertical com uma bolha de ar. O líquido entra no duto de entrada (11), onde se encontra o bocal de entrada. Em uma concretização, o sistema de tubulação é relativamente plano no nível de (12) e o líquido sobe para o ponto (11). Isto pode significar um sacrifício de uma fração de uma atmosfera de pressão, mas em troca, ele permite um sistema que pode fornecer conversão de alta eficiência em energia. O alojamento (19) contém uma turbina de eixo vertical com lâminas (13), mas em outras concretizações, a turbina pode ter outras configurações. Em uma concretização, um eixo (14) conecta-o a um gerador (15). Uma das vantagens desta configuração é que há menos necessidade de um eixo gerador hermeticamente selado, que causará uma perda de energia através da fricção. Um bloqueador de interface (16) ou meios para criar uma separação entre a camada de água e de ar reduz a área de interface entre o ar e a água (17) e, assim, requer menos energia para a manutenção da bolha de ar. Naturalmente um bloqueador de interface também pode ser usado com um eixo horizontal ou outra turbina. Em uma concretização, dito bloqueador de interface pode se mover verticalmente com o nível do líquido, em uma concretização sendo flutuante, ou em outra concretização sendo deslizante. O duto de saída é (18).

A Figura 4 é um diagrama de um bico de entrada de fluido com uma agulha. A parte (20) é a agulha. Um pedaço de eixo (21) conecta-o a uma mola ou outro regulador (22) mantido no lugar por acessórios periféricos (23).

A Figura 5 é um diagrama da agulha de um bocal de entrada da turbina hidráulica. O corpo da agulha (24) é construído para que não só pode o próprio corpo seja móvel para frente e para trás dentro do bocal de abertura, técnica conhecida em energia hidrelétrica, mas também uma porção da agulha (25) pode mover-se para frente e para trás no fluxo, possibilitando maior controle das pressões variáveis. O movimento da porção (25) permite a mudança da forma do jato de água a fim de reduzir ou aumentar a força do seu impacto sobre as lâminas rotativas, desse modo controlando o torque mecânico e rotações por minuto do eixo, podendo ser usado também para fins de frenagem ao desviar o jato dos copos das lâminas.

A Figura 6 demonstra como isso pode ser parte de um sistema controlado eletronicamente através de um microprocessador com memória. Em nível mais básico, o PLC (controlador lógico programável) (26) controla o nível e a pressão por estar conectado, em várias concretizações e várias combinações, a um compressor de ar (27), um cilindro de ar (28), um regulador de pressão (29), uma válvula de agulha (30) e um sensor de nível (31) para criar um sistema de regulação de pressão. A posição da agulha em uma concretização é controlada por este sistema. O compressor de ar é uma parte opcional do sistema.

Em resumo, reivindicações são feitas para a turbina livre de fluido ou turbina substancialmente livre de fluido em um alojamento conectado a uma tubulação, mantida em tal forma usando diferentes combinações dos dispositivos e métodos que acabamos de descrever.

Os dispositivos e métodos envolvem manter o nível do líquido no ponto de máxima eficiência, em uma concretização, diminuindo o fluxo para dentro enquanto o nível aumenta, e aumentando o fluxo para dentro quando o nível decai. Outro método e dispositivo para o sistema operacional envolvem ajustar a pressão de ar em relação à pressão de saída do fluido. Em uma concretização, numa seção horizontal da tubulação, a pressão de ar entrando seria maior que a pressão de saída do fluido. Em outra concretização, a combinação de inclinação do duto de saída, pressão de saída do fluido e pressão de ar iria ser controlada como um grupo, a fim de assegurar a saída do fluido.

Enquanto a invenção tem sido descrita com respeito a um número limitado de concretizações, será apreciado que muitas variações, modificações e outras aplicações da invenção podem ser realizadas.

Resumo da invenção

A presente invenção aborda com sucesso as deficiências das configurações atualmente conhecidas, fornecendo uma turbina hidrelétrica em duto com uma bolha de ar sob controle eletrônico.

É agora divulgado pela primeira vez um sistema hidrelétrico em um duto contendo um fluido, com um gerador conectado para saída elétrica, compreendendo: a) Um alojamento envolvendo uma turbina de pelo menos uma lâmina e conectada pelo menos um duto de entrada e um duto de saída; (b) meios de pressão de gás proporcionando uma pressão de gás substancialmente contínua para o interior do alojamento através de pelo menos um bocal, operativos para manter as lâminas de turbina substancialmente livres de refluxo de água.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) um sensor nível de água a jusante da turbina.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) um sistema operacional para manter a pressão de saída em 1 atmosfera ou maior.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) lâminas com uma depressão voltada inferiormente, operativas para dirigir pelo menos parte da água inferiormente após golpear a lâmina.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) meios de redução da área da interface líquido-gás dentro do alojamento a jusante das lâminas de turbina, segundo os quais a área de interface entre o líquido e o gás é reduzida.

De acordo com outra concretização, os ditos meios de redução da área de interface podem alterar o nível vertical de acordo com o nível do fluido.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) válvulas unidirecionais a jusante da turbina combinados com repressurização do conteúdo.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) um sistema de controle de microprocessador operativo para regular a pressão a montante ou a jusante e/ou a taxa de fluxo a montante ou a jusante usando a entrada de pelo menos um sensor.

De acordo com outra concretização, pelo menos um bocal é dirigido para a superfície interna da lâmina, com a finalidade de remoção de líquido, antes que esta gire em posição para receber o fluido do bocal de entrada de gás.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) um sistema de bico de agulha de entrada composto por uma parte a montante, que contém um meio para mover-se na orientação do fluxo de fluido, e uma parte a jusante que pode separar da parte a montante na orientação do fluxo do fluido.

De acordo com outra concretização, o sistema de bico agulha de entrada também pode expandir o seu diâmetro.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) uma elevação a montante do nível do duto de entrada adjacente ao alojamento.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) uma depressão na elevação do alojamento ou tubulação de entrada a jusante da turbina do ponto de entrada do alojamento.

De acordo com outra concretização, a turbina está em um eixo vertical.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) uma elevação a montante do nível do duto de entrada adjacente ao alojamento.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) uma válvula unidirecional a jusante.

Em uma concretização, o sistema ainda compreende: c) meios compressores operativos para repressurizar o fluido de saída. De acordo com outra concretização, pelo menos uma lâmina da turbina tem um revestimento hidrofóbico.

É agora divulgado pela primeira vez um método para manter as lâminas de um sistema de turbina em tubulação em um alojamento substancialmente isento de água pelas etapas de: a) colocar um sistema de controle de microprocessador para regular a pressão no sistema com pelo menos um do seguinte conjunto de componentes conectados: sensor de nível de líquido, sensor de pressão de líquido, sensor de pressão de gás, compressor de gás e sistema de válvula de agulha; b) introdução de uma bolha de ar no alojamento. de: jusante.

Em uma concretização, o sistema é ainda compreende a etapa c) fornecer meios de redução de área da interface água/ gás da jusante.

Claims (18)

1. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO que compreende uma turbina em um sistema de tubulação contendo um fluido, com um gerador conectado para saída elétrica, caracterizado pelo fato de compreender: a) um alojamento envolvente de uma turbina com pelo menos uma lâmina e conectada a pelo menos um duto de entrada e de saída, o referido tubo de saída saindo em uma elevação inferior à do tubo de entrada, os referidos tubos conectados a e dentro de um sistema de tubulação fechado, contendo um fluido; b) um meio de pressão de gás, ligado ao alojamento, fornecendo pressão de gás substancialmente contínua e ajustável para o interior do alojamento através de pelo menos um bocal de entrada de gás a uma pressão menor que a do fluido de entrada, operativo para manter as lâminas da turbina substancialmente livres de fluido de refluxo e deixando algum espaço de ar abaixo do nível mais baixo das lâminas, em que o fluido a montante e a jusante são não contíguos e operam para expelir o fluido do alojamento para o tubo de saída; c) um regulador de pressão ajustando a pressão do gás fornecida ao interior do alojamento; d) um sensor de pressão de gás detectando pressão de gás no alojamento e/ou um sensor de nível de líquido detectando o nível de fluido no alojamento.

2. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, como reivindicado em 1, caracterizado por compreender um sensor do nível de água a jusante a partir da turbina.

3. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, como reivindicado em 3, caracterizado por compreender um sistema operativo para manter a pressão de saída a uma atmosfera ou superior.

4. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, como reivindicado em 1, caracterizado por compreender lâminas com uma depressão voltada para baixo, operativas para dirigir pelo menos uma parte da água inferiormente após bater na lâmina.

5. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, como reivindicado em 1, caracterizado por compreender meios de redução da área de interface liquido-gás dentro do alojamento à jusante das lâminas de turbina, em que a área de interface entre o líquido e o gás é reduzida.

6. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o referido meio de redução de área de interface poder mudar de nível vertical de acordo com o nível do fluido.

7. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, como reivindicado em 1, caracterizado por compreender ao menos uma válvula unidirecional à jusante da turbina.

8. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um sistema de controle microprocessado para ajustar a pressão de gás e/ou o nível de fluido no alojamento que está conectado ao meio de pressão de gás, o regulador de pressão de gás e o sensor de pressão de gás e/ou o sensor de nível de líquido, em que o sistema de controle microprocessado opera para regular a pressão a montante e/ou a jusante e/ou a taxa de fluxo a montante ou a jusante usando a entrada de pelo menos um sensor.

9. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um bocal de entrada de gás é direcionado para a superfície interna da lâmina com a finalidade de remover o líquido, antes de girar para a posição para receber o fluido do bocal de entrada de gás.

10. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO como reivindicado em 1 e ainda caracterizado por compreender um sistema de agulha do bocal de entrada de líquido que compreende uma parte a montante, que contém um meio para mover-se na orientação do fluxo do fluido, e uma parte a jusante, que pode separar-se da parte a montante, na orientação do fluxo do fluido.

11. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, como reivindicado em 1, caracterizado por compreender uma elevação a montante do nível do duto de entrada horizontal adjacente ao alojamento.

12. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO como reivindicado em 1 e ainda caracterizado por a turbina estar em um eixo vertical.

13. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, como reivindicado em 12, caracterizado por compreender uma elevação a montante do nível do duto de entrada horizontal adjacente ao alojamento.

14. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender uma válvula unidirecional à jusante.

15. SISTEMA HIDROELÉTRICO EM UM DUTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma lâmina da turbina tem um revestimento hidrofóbico

16. MÉTODO PARA MANTER AS LÂMINAS DE UM SISTEMA DE TURBINA DENTRO DE DUTO EM UM ALOJAMENTO SUBSTANCIALMENTE LIVRE DE ÁGUA conectado a pelo menos um tubo de entrada e saída, com algum espaço de ar abaixo do nível mais baixo das lâminas, em que o fluido a montante e a jusante são não contíguos, caracterizado pelas etapas de: a) posicionar um sistema de controle de pressão para regular a pressão no sistema com um compressor de gás e pelo menos um dos seguintes conjuntos de componentes conectados: pelo menos um bico de gás fornecido no invólucro, um meio de pressão de gás fornecendo pressão de gás positiva substancialmente contínua e ajustável para o interior do invólucro através do bocal de gás, um regulador de pressão ajustando a pressão do gás fornecida ao interior do invólucro, pelo menos um de um sensor de pressão de gás detectando a pressão do gás no invólucro e um sensor de nível de líquido detectando o nível de fluido no alojamento e o sistema de válvula de agulha; b) introdução de uma bolha de ar no alojamento; c) fornecer pressão de gás positiva substancialmente contínua e ajustável através de um regulador de pressão para o interior do revestimento através de pelo menos um bocal de gás por meios de pressão de gás; d) regular a pressão do gás no alojamento pelo sistema de controle de pressão.

17. MÉTODO PARA MANTER AS LÂMINAS DE UM SISTEMA DE TURBINA DENTRO DE DUTO EM UM ALOJAMENTO SUBSTANCIALMENTE LIVRE DE ÁGUA, como reivindicado em 16, caracterizado por proporcionar meios de redução de área da interface água/ gás a jusante.

18. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle de pressão compreende um controlador de microprocessador.

Images