PT1805412E - Turbina e compressor empregando uma conceção de rotor com bordo de ataque de tubérculos - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "TURBINA E COMPRESSOR EMPREGANDO UMA CONCEÇÃO DE ROTOR COM BORDO DE ATAQUE DE TUBÉRCULOS"

Campo da Invenção A presente invenção refere-se no geral à captação eficaz de força do vento e outros fluidos em movimento incluindo, mas não limitado a, água e vapor, e à conversão dessa força para a geração de energia elétrica, ou outras formas utilizáveis de energia. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a uma turbina e compressor inovadores empregando uma conceção de rotor com bordo de ataque de tubérculos configurado para aumentar sustentação e reduzir atraso.

Antecedentes da Invenção

Os moinhos eólicos e moinhos hidráulicos são utilizados há séculos para bombar água ou para acionar uma grande variedade de aparelhos mecânicos. Ao longo do último século ambos tornaram-se meios importantes de geração de energia elétrica.

Nos últimos anos houve um esforço considerável despendido para melhorar a eficiência das turbinas eólicas e hidráulicas, utilizadas para geração de energia elétrica, com vista a reduzir dependência nos recursos não-renováveis. A expansão significativa da capacidade de geração de energia de tais turbinas eólicas e hidráulicas vai contudo ser altamente dependente de melhorias na tecnologia existente. Isto deve-se ao facto de que os "locais primários" para turbinas eólicas e hidráulicas, que possuem médias comparativamente elevadas de fluxos de energia e encontram-se razoavelmente próximos de estradas e de redes elétricas, estão a tornar-se escassos. Como consequência, é extensamente reconhecido que se os aumentos futuros projetados na capacidade de geração de energia de turbinas eólicas e hidráulicas são para ser cumpridos, as tecnologias correntes têm de ser melhoradas de modo a obter mais energia a partir das turbinas eólicas e hidráulicas nos locais primários. Tais melhorias, naturalmente, devem também permitir a implementação eficiente de turbinas eólicas e hidráulicas em locais secundários, que oferecem médias menores de fluxo de energia. Realmente, iniciativas para melhorar tecnologias existentes de turbinas eólicas e hidráulicas estão a decorrer mundialmente em diversos programas públicos e privados, muitos dos quais são referidos como ou tecnologias de "Baixa Velocidade de Vento" ou de "Baixa Queda (de Água)". 0 desenvolvimento de tecnologias de baixa velocidade de vento e baixa queda de água tem sido encorajado ativamente por governos em bastantes paises. Por exemplo, nos Estados Unidos da América, o Departamento de Energia estabeleceu parcerias públicas/privadas para encorajar o desenvolvimento de ambos os tipos de geração de energia. Tipicamente, estas estratégias envolvem o desenvolvimento de turbinas com rotores maiores e grandes instalações concebidas para captar mais energia ao interagir com uma porção maior do fluxo de fluido.

Pesquisas e desenvolvimentos recentes em turbinas de baixa velocidade de vento e de baixa queda de água, e especialmente, em turbinas de baixa velocidade de vento, demonstram claramente que melhorias atuais têm sido incrementais em vez de fundamentais. A respeito do desenvolvimento de turbinas de baixa velocidade de vento por exemplo, virtualmente todos os projetos de pesquisa de turbinas de baixa velocidade de vento estão concebidos para explorar a mesma lista breve de opções, incluindo as seguintes: (a) desenvolvimento de turbinas maiores para recolher uma maior área de influxo; (b) desenvolvimento de torres mais altas para suportarem pás de rotor maiores e para tomar partido de maior velocidade do vento a maiores alturas; (c) combinações mais eficientes de geradores, aparelhos de sistema de tração e eletrónica de energia melhorada. (d) desenvolvimento de turbinas e torres mais flexíveis, (incluindo pás articuladas, configurações flexíveis e meios de fabricação, etc.); e, (e) várias abordagens que permitam operação sobre condições de vento altamente variáveis, tais como raj adas.

Também é esperado que projetos futuros de pesquisa rendam melhorias incrementais a outras tecnologias utilizadas para conceber, fabricar e controlar turbinas de velocidade baixa de vento. Por exemplo, é antecipado que sistemas de tração avançados, novas técnicas de fabrico de rotores e melhorias à tecnologia de controlo e monitorização de turbinas de baixa velocidade de vento serão desenvolvidas. Estas melhorias em conjunto com menores custos para montar turbinas de baixa velocidade de vento, muito altas, no local vão resultar em aumentos na capacidade de geração de energia de turbinas de baixa velocidade de vento. É importante apontar que virtualmente todos os projetos de pesquisa de turbinas de baixa velocidade de vento têm-se centrado no desenvolvimento de turbinas maiores capazes de produzir entre 1 e 6 megawatts de eletricidade. Este aumento em escala ocorreu apesar do facto de que rotores de turbina maiores são frequentemente menos eficientes do que os menores de um ponto de vista de custo. 0 custo dos terrenos para os locais, considerações de estética e o custo de estabelecer conexões de rede, custos de manutenção e os custos para construir estradas de acesso, podem exceder de longe qualquer beneficio que seja obtido pela capacidade melhorada de geração de energia destas turbinas maiores de baixa velocidade de vento. Também é importante apontar que conceber turbinas de baixa velocidade de vento com rotores maiores de turbina alberga outros problemas para além de ser ineficiente em termos de custos. Conforme o tamanho das pás de turbina aumenta, as torres de turbina têm de crescer em tamanho e força. As escalas atuais já necessitam de secções de torre que se encontrem próximas do limite do que pode ser transportado sobre as estradas existentes e erguido no local. Pás flexíveis ou articuladas e as assim chamadas torres "suaves" (ou ligeiramente flexíveis) oferecem algum potencial para crescimento na escala de turbinas de baixa velocidade de vento, mas parece que a tecnologia convencional está a aproximar-se dos limites superiores de escala prática. Problemas inerentes semelhantes têm afetado a implementação de turbinas de baixa queda de água de maior escala. Tentativas para aumentar a escala de influxo têm imposto custos de construção consideráveis e colocado limites práticos num número de locais com fluxo suficiente para assegurar despesas.

Um exemplo de um rotor para absorver energia de um fluído escoante e/ou para proporcionar energia a um fluido escoante está divulgado na CA 2,068,539 (Moser, Joseph), em que o rotor consiste num terminal e pelo menos uma pá de rotor. Para atingir o objetivo de modo a conceber um rotor do gênero visando que a eficiência do rotor seja melhorada durante a absorção de energia de um fluido escoante e durante o fornecimento a um fluido escoante, a pelo menos uma pá de rotor compreende pelo menos uma onda aerodinâmica e/ou hidrodinâmica, que define dois bordos com a porção planar da pá de rotor. 0 bordo que é abordado pelo fluxo radial encontra-se inclinado segundo um ângulo desde a normal nos bordos da pá de rotor de modo que o referido bordo se prolongue externamente a partir do bordo da pá de rotor que conduz na direção da rotação, enquanto o outro bordo encontra-se em ângulos retos aos bordos da pá de rotor.

Um exemplo de uma estrutura a utilizar como uma asa de aeronave, uma pá de hélice, uma pá de soprador, ou uma pá de ventoinha está divulgada no GB 791,563 (Vaghi, Joseph), que compreende um membro alongado possuindo mais largura que espessura e possuindo um bordo substancialmente reto, prolongado longitudinalmente, enquanto o seu outro bordo longitudinal possui um contorno inversamente curvado, corrugado, ondulado, prosseguindo em intervalos transversos interconectados do membro na forma de séries alternadas de nervuras convexas e reentrâncias côncavas entre os bordos longitudinais, caracterizados pela particularidade de que o contorno ondulado no bordo longitudinal mencionado em segundo é maior e está substancialmente formado sobre a largura total do aerofólio, tal que a altura das nervuras convexas e a profundidade das reentrâncias côncavas diminuem gradualmente a partir deste bordo longitudinal ao bordo longitudinal substancialmente reto, de modo a que ambos os lados do aerofólio possuam uma superficie corrugada conformemente. A WO 98/22711 proporciona mais um exemplo de uma pá de turbina eólica com múltiplos turbuladores dispostos no bordo de ataque para amortecer ou prevenir completamente vibrações de estol.

Será apreciado a partir do supracitado que existe uma necessidade para melhorias em turbinas eólicas e hidráulicas e em conceção de compressores, que ofereçam uma eficiência melhorada sem aumentos siqnificativos nos custos. É portanto um objetivo da presente invenção proporcionar uma turbina/compressor inovador.

Sumário da invenção

De acordo com um aspeto da presente invenção, encontra-se proporcionada uma turbina/compressor de acordo com as reivindicações em anexo. É proporcionada uma turbina/compressor eólico ou hidráulico com eficiência melhorada, comparando com conceções de turbina/compressor de estado de técnica. Isto é alcançável através da utilização de um rotor que apresente sustentação melhorada, aerodinâmica reduzida e desempenho de atraso parasitico, e resistência ao estol melhorada.

Adequadamente, num aspeto encontra-se proporcionada uma turbina/compressor compreendendo: pelo menos um dispositivo magnetoelétrico; um sistema de tração acoplado ao referido dispositivo magnetoelétrico; e pelo menos uma pá de rotor acoplada ao referido sistema de tração, a referida pá de rotor possuindo um bordo de ataque moldado, configurado para aumentar sustentação e reduzir atraso. 0 bordo de ataque inclui uma série de tubérculos espaçados formados no mesmo. A turbina/compressor pode compreender ainda um sistema de controlo para ajustar a orientação da pá de rotor de modo a que a pá de rotor fique voltada para o fluxo de fluido recebido. A turbina/compressor pode também incluir um segundo sistema de controlo para alterar a forma da pá de rotor. 0 segundo sistema de controlo pode alterar o passo da pá de rotor e/ou pode alterar o espaçamento e/ou forma dos tubérculos.

Num modo de realização, o sistema de tração é um eixo acoplando diretamente a pá de rotor e o dispositivo magnetoelétrico. Num outro modo de realização, o sistema de tração inclui um eixo de transmissão e uma disposição de transmissão atuando entre a pá de rotor e o aparelho magnetoelétrico.

De acordo com outro aspeto, encontra-se proporcionada uma turbina/compressor compreendendo: pelo menos um gerador; um sistema de tração acoplado ao gerador referido; e pelo menos uma pá de rotor acoplada ao referido sistema de tração, a referida pá de rotor possuindo um bordo de ataque moldado com uma série de tubérculos espaçados formados no mesmo. A turbina/compressor proporciona vantagens, em que a sustentação adicional gerada pelas pás de rotor não contribui com atraso adicional mas alternativamente, melhora o rácio de sustentação para resistência. Como consequência, uma vez que as pás de rotor exibem menor atraso, será requerida menos força estrutural para as torres de suporte em qualquer ambiente de vento. Isto, naturalmente, traduz-se em custos menores. Também, ao ajustar a orientação das pás de rotor de modo a que se encontrem acentuadamente mais inclinadas para o fluxo de fluido recebido, a sustentação pode ser melhorada. As caracteristicas de sustentação melhorada permitem que mais enerqia seja captada a partir dos fluxos de fluido disponíveis. A característica de estol melhorado da pá de rotor resulta numa redução de atraso, permitindo portanto à pá de rotor operar sobre um intervalo maior de taxas de fluxo de fluido e a aumentar a quantidade de enerqia que pode ser captada a partir do fluxo de fluido disponível. Adicionalmente, a forma das pás de rotor ajuda a reduzir bombagem em intervalos e consequentemente, turbulência de extremidade de rotor e portanto, a reduzir ruído.

Breve Descrição dos Desenhos

Os modos de realização serão agora descritos mais detalhadamente com referência aos desenhos em anexo nos quais: A Figura IA é uma vista em perspetiva de uma secção de uma pá de rotor de turbina possuindo tubérculos ao longo do seu bordo de ataque em frente da longarina de suporte de carga da pá de rotor; A Figura 1B é uma vista de plano de uma pá de rotor de turbina possuindo protuberâncias ao longo do seu bordo de ataque, a curvatura na pá de rotor sendo omitida para facilidade de ilustração; A Figura 1C é uma vista de plano de um acessório de pá de rotor possuindo protuberâncias ao longo do seu bordo de ataque, a curvatura no acessório de pá de rotor sendo omitida para facilidade de ilustração; A Figura 2 é uma vista lateral da secção da pá de rotor de turbina representada na Figura IA; A Figura 3A é uma vista lateral de uma turbina simplificada de fluxo de fluido empregando pás de rotor de turbina do tipo apresentado nas Figuras IA e 1B ou pás de rotor de turbina convencionais encaixadas com os acessórios de pá de rotor da Figura 1C, acopladas a um gerador via um eixo de transmissão direto; A Figura 3B é uma vista lateral de um gerador simplificado de turbina de fluxo de fluido empregando pás de rotor manualmente ajustáveis do tipo apresentado na figura IA e 1B ou pás de rotor convencionais encaixadas com os acessórios de pá de rotor da Figura 1C acopladas a um gerador via um trem de engrenagens. A Figura 3C é uma vista lateral de uma turbina empregando pás de rotor de turbina do tipo apresentado nas Figuras IA e 1B ou pás convencionais de rotor de turbina encaixadas com os acessórios de pá de rotor da Figura 1C com um mecanismo de orientação para manter a orientação das pás de rotor de modo a que fiquem voltadas para o fluxo de fluido recebido; e A Figura 3D é uma vista lateral de geradores em linha, empregando pás de rotor de turbina do tipo apresentado nas Figuras IA e 1B ou pás convencionais de rotor de turbina encaixadas com os acessórios de pá de rotor da Figura 1C.

Descrição Detalhada dos Modos de Realização

Passando agora às Figuras ΙΑ, 1B e 2, uma pá de rotor de turbina encontra-se apresentada e é geralmente identificada pela referência numeral 10. Como pode ser observado, a pá de rotor de turbina 10 encontra-se acoplada a um terminal fixo 12 (consultar a Figura 3A) e possui um corpo em pá 14 prolongando-se desde uma raiz 16 a uma extremidade de pá 18. Um perfil estrutural como a longarina-D 20 encontra-se formado integralmente dentro do corpo em pá 14 permitindo a transmissão de energia rotacional para o terminal 12. O corpo em pá 14 possui um bordo de ataque 22.

Distinto de pás convencionais de rotor de turbina, o bordo de ataque 22 encontra-se proporcionado com tubérculos 24 ao longo do seu comprimento entre a raiz 16 e a extremidade de pá 18, semelhante aos descritos na U.S. Patente No. 6,431,498. Os tubérculos 24 neste caso encontram-se geralmente espaçados uniformemente ao longo do bordo de ataque 22 e proporcionam a pá de rotor 10 com caracteristicas de sustentação melhorada e de melhor estol, enquanto que ao mesmo tempo, reduzem o atraso que a pá de rotor 10 exibe.

Embora não esteja ilustrado, a pá de rotor de turbina 10 encontra-se, de facto, torcida para ter em consideração as diferentes velocidade de vento encontradas pela pá de rotor 12, entre a extremidade de pá 18 e a raiz 16, como resultado da rotação da pá de rotor sobre o terminal fixo 12. Por exemplo, se a velocidade da extremidade de rotor 18 é 64 m/s, a velocidade num ponto ao longo da pá de rotor 12 que esteja a um quarto da distância do terminal 12 será de 16 m/s. Como é conhecido por aqueles de perícia na arte, as caracteristicas de estol da pá de rotor 10 são uma função da velocidade do fluxo de fluido e do ângulo nos quais o fluxo de fluido atinge a pá de rotor. A curvatura ao longo da pá de rotor 10 evita ter uma parte da pá de rotor em estol, produzindo portanto uma força de travagem na rotação, enquanto que outra parte da pá de rotor encontra-se a gerar sustentação, que produz rotação.

Como os tubérculos 24 no bordo de ataque 22 da pá de rotor 10 proporcionam a pá de rotor com características de sustentação melhorada e de melhor estol, o grau da curvatura proporcionada na pá de rotor 10 é selecionado para ter estas caracteristicas em conta de modo a que as caracteristicas de sustentação melhorada e de melhor estol possam ser traduzidas num aumento de eficiência de geração de energia elétrica, em particular, a caracteristica de sustentação melhorada da pá de rotor 10 permite que mais energia seja captada a partir dos fluxos de fluido disponíveis. A caracteristica de estol melhorado da pá de rotor resulta numa redução de atraso, permitindo portanto à pá de rotor 10 operar sobre um intervalo maior de taxas de fluxo de fluido e a aumentar a quantidade de energia que pode ser captada a partir do fluxo de fluido disponível. Esta última particularidade é de particular importância à luz da necessidade de torcer a pá de rotor a fim de reduzir estol em raios interiores para que permita que a porção da pá de rotor 12 mais próxima da raiz 16 seja inclinada num angulo mais acentuado. Como resultado, a sustentação é gerada na porção interior da pá de rotor 10, distinto de conceções convencionais de rotor. Adicionalmente, os tubérculos 24 no bordo de ataque 22 da pá de rotor 10 reduzem bombagem em intervalos e consequentemente turbulência na extremidade do rotor e, como resultado, reduzem ruído.

Voltando agora à Figura 3A, uma turbina 50, empregando pás de rotor 10 do tipo descrito acima, encontra-se apresentada. Como pode ser observado, a turbina 50 inclui um gerador 52 acoplado ao terminal 12 por um eixo de transmissão de rotor 54. A turbina 50 neste modo de realização é particularmente adequada para utilização em ambientes de fluxo de fluido estáveis, como por exemplo fluxos de água em queda, geradores de vapor, e geradores de turbina de gás/jato, etc., que pode ser operada de modo a produzir uma taxa de fluxo de fluido controlado às pás de rotor 10. Proporcionar tal fluxo de fluido controlado às pás de rotor 10 transmite rotação às pás de rotor 10 e terminal 12, que por sua vez transmitem rotação ao eixo de transmissão 54. Como o eixo de transmissão 54 encontra-se diretamente conectado ao rotor do gerador 52, a rotação do rotor resulta na produção de eletricidade numa taxa otimizada estável.

Alternativamente, a turbina 50 pode ser configurada como uma turbina eólica de acionamento direto. Neste caso, o gerador 52 inclui um rotor de iman permanente (não apresentado) diretamente conectado ao eixo de transmissão 54. A rotação do rotor magnético resulta na geração de uma corrente elétrica alternada. A corrente elétrica alternada gerada é por sua vez fornecida à eletrónica de controlo de energia para conversão em corrente que pode ser fornecida a uma rede elétrica ou a aparelhos elétricos locais. Neste modo de realização, a turbina inclui preferencialmente meios ou manuais ou automáticos para orientar a turbina relativamente ao vento, como irá ser descrito. O tamanho do gerador 52 está ajustado preferencialmente aos niveis de fluxo de vento tipicos de modo a atingir as eficiências desejadas. A turbina 50 pode também ser empregada numa configuração de acionamento direto implementada em aplicações de turbina de alta potência de queda de água e de vapor onde o fluxo de fluido em contacto com as pás de rotor 10 é suficientemente rápido para rodar o eixo de transmissão 54 a alta velocidade, ou onde geradores de escala bastante elevada 52 podem ser implementados. Em tais aplicações onde o fluxo de fluido é controlado de modo a que permaneça a, ou perto de, uma taxa desejável, a conceção das pás de rotor 10 pode ser ajustada às taxas de fluxo conhecidas permitindo que seja gerado o máximo de energia sem necessitar de controlo ativo ou passivo de estol de rotor. Contudo, em aplicações onde a taxa de fluxo de fluido é variável de uma maneira ambiental ou controlada, a pá de rotor pode ser configurada para manter controlo de energia passivo (via as caracteristicas de estol da pá) ou controlo de energia ativo através da atuação de ajustes de passo. Uma ou ambas as técnicas de controlo de energia são empregadas preferencialmente quando a turbina estiver implementada como uma turbina eólica. Deve ser apontado como questão prática que as conceções existentes de geradores adequados para operações de acionamento direto a taxas de rotação baixas a moderadas tendem a ser bastante grandes para implementação económica em turbinas de vento acima dos 6 MW. É possível empregar controlo de estol ou passo para manter uma taxa de rotação constante razoável para tais turbinas. Contudo, é bastante conhecido na arte que as turbinas eólicas são menos eficientes quando operadas a taxas de rotação constantes. Como consequência, as turbinas eólicas de acionamento direto devem ser capazes de operar a velocidades variáveis compreendidas entre uma velocidade de vento de arranque que é suficiente para superar inércia e fricção, e uma velocidade máxima que pode provocar danos. A energia gerada pode ser processada por eletrónica de energia, (não apresentada, mas bastante conhecida na arte), a fim de torná-la adequada para a operação de aparelhos elétricos ou para fornecimento de uma forma adequadamente estável à rede de distribuição de energia elétrica. A figura 3B apresenta uma turbina 150 para utilização num ambiente de fluxo de fluido lento que emprega também pás de rotor 10 do tipo acima descrito. Neste modo de realização, o terminal 12 encontra-se acoplado a um eixo de transmissão de baixa velocidade 152. O eixo de transmissão 152 encontra-se acoplado a uma caixa de engrenagens ou transmissão 154 que por sua vez aciona um eixo de transmissão de alta velocidade 156. O eixo de transmissão de alta velocidade 156 encontra-se acoplado ao eixo de transmissão 158 de um gerador de alta velocidade 160. Os geradores de alta velocidade são, tipicamente, menores e mais baratos que os geradores de baixa velocidade. O gerador 160 está preferencialmente dimensionado para igualar as caracteristicas de fluxo de fluido do ambiente de fluxo de fluido lento.

Ajustes das caracteristicas de rotor, (passo, orientação, curvatura, implementação de tubérculos, flexibilidade, amortecimento, etc), podem ser efetuados à mão ou sobre controlo dinâmico. Tais sistemas de controlo dinâmico e manual são bastante conhecidos na arte. A figura 3C apresenta outra turbina 250 para utilização num ambiente de fluxo de fluido lento, que emprega similarmente pás de rotor 10 do tipo acima descrito. Neste modo de realização, o terminal 12 e acoplado a um eixo de transmissão de baixa velocidade 252. O eixo de transmissão 252 encontra-se acoplado a uma caixa de engrenagens ou transmissão 254, que por sua vez aciona os eixos de transmissão de alta velocidade 256a e 256b. O eixo de transmissão de alta velocidade 256b encontra-se acoplado ao eixo de transmissão 258 de um gerador de alta velocidade 260 via um sistema de embraiagem e/ou travagem 2 62. Um travão de rotor 2 64 e um anel deslizante 266 encontram-se proporcionados no eixo de transmissão 252.

Um sistema de controlo de orientação 280 encontra-se acoplado a um conjunto de montagem de turbina 281, que suporta o rotor, o sistema de tração e o gerador para permitir que o conjunto inteiro seja rodado a fim de manter a orientação das pás de rotor 10 na direção de barlavento desejada. Como pode ser observado, o sistema de controlo de orientação 280 inclui uma engrenagem de orientação 282 acionada por um mecanismo de orientação 284 via um pinhão 288. Um servo de orientação 290 deteta a velocidade de vento e controla o mecanismo de orientação 284 via um codificador (não apresentado) para permitir que a orientação de pá de rotor seja ajustada. O servo de orientação 290 também controla o travão de orientação 292 para permitir que as pás de rotor 10 sejam fixas em posição.

Se desejado, a turbina 250 pode incluir também um sistema de controlo de passo de pá de rotor para ajustar o passo das pás de rotor de modo a controlar a taxa de rotação dos eixos de alta e/ou baixa velocidade para igualar as taxas de rotação do gerador. Como será apreciado, o sistema de controlo de passo de pá de rotor é semelhante ao sistema de controlo de orientação acima descrito. Como as pás de rotor melhoradas por tubérculos apresentam um intervalo mais abrangente de operação de sustentação estável, o controlo de passo de pá de rotor pode ser ajustado para manter um passo mais acentuado para fluxos de fluido de qualquer velocidade e consequentemente aumentar a geração máxima de energia. O sistema de controlo de passo de pás de rotor pode preferencialmente ser empregado para dobrar as pás de rotor na eventualidade de rajadas de vento de velocidade excecionalmente elevada, que iriam de outro modo danificar as pás de rotor, sistema de tração e/ou o gerador. Posteriormente, para além do facto de que as pás de rotor melhoradas por tubérculos vão tender a produzir menos atraso que as pás convencionais na maioria dos ângulos de passo, em alguns casos as velocidades de vento podem produzir atraso suficiente para impor forças potencialmente prejudiciais na torre. Em tais casos, o sistema de controlo de passo de pá de rotor pode ser empregado para ajustar o passo de pá de rotor em resposta a um sensor e controlo retroativo (não apresentados), que monitorizam velocidades de vento e, se necessário, esforços estruturais na torre e proporcionam sinais de controlo adequados ao sistema de controlo de passo de pá de rotor.

Num outro modo de realização, a turbina 250 pode ser concebida para acomodar alterações nas taxas de fluxo de fluido, que ocorrem lentamente, (i.e. alterações na taxa de fluxo que ocorrem ao longo de dias, semanas ou meses). Os cursos de baixa queda de água deparam-se com tais variações lentas nas taxas de fluxo. Neste caso, uma combinação de métodos e meios para acomodar estas variações lentas de fluxo de fluido podem ser empregados. Por exemplo, a turbina 250 pode incluir um sistema de controlo de pá de rotor de turbina (não apresentado) para variar a curvatura, passo, arqueamento, espessura e até o tamanho dos tubérculos nos bordos de ataque das pás de rotor. Para esse propósito, o revestimento externo das pás de rotor 10 pode ser formado por material flexivel e ser esticado sobre o substrato de apoio. Atuadores hidráulicos, eletromecânicos e/ou piezoelétricos podem ser proporcionados ao longo das pás de rotor, que podem ser atuados para alterar a forma das pás de rotor. Os bordos de ataque das pás de rotor podem compreender uma combinação de componentes fixos e movíveis comparáveis a flaps nas asas de aeroplanos, com componentes os moviveis sendo ajustáveis relativamente aos componentes fixos para modificar as caracteristicas aerodinâmicas ou hidrodinâmicas das pás de rotor. 0 sistema de controlo de pá de rotor de turbina pode ser responsivo a ajustes mecânicos realizados por um operador e/ou responsivo a codificadores de posição e/ou sensores medindo taxas de fluxo de fluido, caracteristicas de rotor, e parâmetros de operação de turbina.

Ainda num outro modo de realização, a turbina 250 pode também ser concebida para lidar com situações onde as taxas de fluxo de fluido estão sujeitas a mudanças periódicas de magnitude significante que podem, de outro modo, resultar em danos ao gerador ou outros componentes do conjunto. Neste caso, a turbina pode incluir um sistema de desvio de forças, tal como por exemplo um sistema de travagem ativa em conjunto com uma transmissão apropriada, um mecanismo automatizado de ajuste de caracteristicas para reduzir a eficiência do rotor ao aumentar estol ou ao dobrar as pás de rotor. O sistema de desvio de força pode ser responsivo a ajustes mecânicos realizados por um operador e/ou responsivo a codificadores de posição e/ou sensores medindo taxas de fluxo de fluido, caracteristicas de rotor, e parâmetros de operação de turbina.

Como será apreciado, modificações adicionais à turbina 250 são preferíveis se a turbina for para ser utilizada em situações onde as taxas de fluxo de fluido sofrem variações significantes frequentes, como é frequentemente o caso em aplicações de turbina eólica. As taxas de fluxo de energia de vento são, como regra, vastamente mais variáveis que as taxas de fluxo de água. Esta variabilidade no potencial de recurso de energia eólica varia extensamente por época, padrões meteorológicos de grande escala, região geográfica, particularidades locais físicas e geográficas tais como formas de terreno (colinas, vales, etc.), árvores circundantes e outras obstruções de superfície, e, até pela altura do dia. Uma discussão da variabilidade do vento encontra-se disponível no website do US-DOE, no website da Associação Dinamarquesa de Energia do Vento e no site Strategis do Governo Canadiano.

Na realidade, existem vastas diferenças na velocidade de vento média, e, consequentemente na energia potencial disponível, de região para região. Por exemplo, nos EUA continental, apenas uma pequena fração da massa terrestre experiencia velocidades médias de vento acima dos 8 metros por segundo, (classificados como locais de vento de Classe 6 e Classe 7). Áreas com recursos de vento na ordem da Classe 1 à Classe 5 constituem a maioria dos recursos do país. Adicionalmente, tais velocidades médias de vento estão longe da uniformidade. Ventos erguem-se e desaparecem em todo o lado, mas na Classe 6 e regiões mais altas, o impacto líquido é bastante insignificante. A turbina 250 pode ser adaptada para estes padrões menores, mas faz uso de sistemas de controlo para lidar com rajadas de vento de alta velocidade utilizando ou travagem ativa ou passiva ou ao empregar um sistema de embraiagem para evitar o sobreaquecimento do gerador, ou alterar os ângulos de passo de pá de rotor para travar eficientemente contra taxas rotacionais excessivas ao ajustar as pás de rotor em direção ao estol. A tecnologia convencional é adequadamente eficiente para produção de energia em ambientes de classe 6 ou maior mas tipicamente, estes sistemas produzem eletricidade a 50-60% da taxa de ambientes da classe 4, o que aumenta drasticamente os custos. Tal tecnologia é marginalmente económica, no melhor dos casos, na Classe 3 ou menor.

Para locais de Classe 6 e maior, a turbina 250 pode incluir sistemas de controlo ativo para controlar as caracteristicas de pá de rotor como descrito anteriormente. A sustentação aumentada e atraso reduzido, resultantes da utilização das pás de rotor 10, produzem mais força rotacional ao eixo do rotor, que pode ser direcionado para produzir taxas rotacionais maiores ou maior torque. Contudo, as pás de rotor vão também sofrer estol a velocidades de vento menores, o que significa que estas vão operar também sobre um maior intervalo de velocidades de vento e, como consequência, a energia transmitida ao eixo de transmissão irá variar através de um intervalo mais amplo. Métodos e meios para operar sobre o intervalo eficiente inteiro e para aumentar a produção de energia elétrica podem incluir a utilização de uma transmissão automática que pode ser alterada sobre o controlo de um circuito de monitorização eletrónico, a fim de manter as taxas rotacionais de gerador o mais próximo do constante possível. Além disso, a turbina pode empregar dois ou mais geradores pequenos, de alta velocidade, em linha 360, em séries, interligados por embraiagens 362 (quer eletromagnéticas ou mecânicas) conforme apresentado na Figura 3D, tal que conforme as velocidades de vento alteram, a quantidade desejada de eletricidade é produzida. Por exemplo, quando se encontram ventos de alta velocidade, a turbina pode empregar três geradores interligados ao eixo de transmissão através de embraiagens. Dois geradores interligados podem ser empregados para ventos moderados e apenas um gerador empregado quando são apresentadas condições de vento fraco. Em todos esses casos, circuitos sofisticados de controlo de regulação de energia podem ser empregados a fim de produzir energia de maior qualidade e para fornecer o máximo de energia ao utilizador final ou a uma rede elétrica. Como será apreciado, a utilização de geradores pequenos de alta velocidade em linha proporciona vantagens. Por exemplo, a disposição de gerador em linha reduz a obstrução de fluxo de ar através da turbina e proporciona benefícios de operacionalidade em que um ou mais geradores podem ainda operar se um estiver a ser servido. Além disso, os geradores menores são mais fáceis de transportar e montar.

Além disso, nas áreas de Classe 6 e Classe 7, que usufruem de velocidades médias de vento comparativamente altas, é bastante conhecido que grandes rotores de turbina convencionais possuem problemas distintos com altas velocidades de rotação. As pás de rotor na ordem dos 40 a 70 metros deparam-se frequentemente com ventos significativamente diferentes no topo da sua rotação do que no fundo, pois as velocidades de vento tendem a variar com a altura. Isto pode ser agravado por fluxos de jato de baixo nível bastante imprevisíveis que impactam com as pás de rotor apenas no topo da sua rotação. Uma dificuldade adicional é que mesmo em regimes de vento estáveis, a extremidade da pá de rotor está a deslocar-se bastante mais rápido do que a raiz da pá de rotor e está consequentemente sujeita a esforços bastante diferentes. Em alguns casos, estes fatores produzem fortes vibrações que podem esforçar a estrutura de pá de rotor e levar à sua avaria prematura. Para lidar com estes fatores, a turbina 250, quando utilizada em tais ambientes de vento de alta velocidade, pode incluir amortecimento passivo da pá de rotor, travagem tanto passiva como ativa para manter as taxas de rotação dentro das tolerâncias, e travagem ativa do gênero discutido anteriormente para impor uma carga adicional no eixo de rotor a fim de controlar taxas de rotação. A turbina pode também empregar um ou mais meios de sensor (que podem ser mecânicos, óticos, etc.) através dos quais um circuito de controlo pode monitorizar a pá de rotor pelas tais vibrações e compensar ativamente pelas vibrações de pá indesejadas. Este processo de compensação pode envolver a implementação de amortecimento passivo, uma mudança em todas e quaisquer caracteristicas de pá de rotor e/ou, compensação ativa pelas vibrações indesejadas ao detetá-las rapidamente, e gerando uma forma de onda ativa, 180 graus fora de fase da vibração a fim de efetuar o cancelamento das vibrações através de oposição de fase.

Embora os modos de realização acima apresentem uma conceção de pá de rotor onde os tubérculos 24 estão formados ao longo do bordo de ataque 22 da pá de rotor 10, estão disponíveis alternativas. Por exemplo, voltando agora à Figura 1C, um acessório de pá de rotor adequado para readaptação de uma pá de rotor convencional existente é apresentado e é geralmente identificado pela referência numeral 310. Tal acessório de pá de rotor pode ser conectado ao bordo de ataque 22 da pá de rotor 10 através de vários meios convencionais a fim de proporcionar a pá de rotor com sustentação melhorada e atraso reduzido. Tal acessório de readaptação de pá de rotor deve ser empregado preferencialmente com ajustes a todos os subsistemas associados, incluindo, mas não limitado a, parâmetros de operação, software de controlo de subsistemas, sensores ambientais e resposta automatizada, operações de servo atuadores de passo, etc., como discutido abaixo. Deve ser apontado que tais readaptações devem preferencialmente ser realizadas em pás de rotor implementadas com passo controlado por controlo de energia, nas quais pode ser implementada sustentação melhorada sem comprometer o controlo de energia passivo. A aplicação de tais bordos de ataque readaptados em pás de rotor convencionais reguladas por estol, vai necessitar do fabrico do componente de tal maneira que converte o fator de forma torcida de um rotor convencional em linha com esta invenção. Tais componentes de readaptação têm de ser projetados dentro de tais parâmetros de compromisso para ajustar o fator de forma atual dos rotores individuais controlados por estol.

Os princípios de operação fundamentais e, realmente, muitos dos critérios de projeção de geradores e compressores de turbina são idênticos. Como tal, as turbinas discutidas acima são aplicáveis para utilização em, basicamente, compressores, ventiladores e geradores de turbina de todas as formas. Por outras palavras as pás de rotor podem ser utilizadas numa grande variedade de produtos tal como, por exemplo, compressores para turbinas de motor a jato incluindo turbopropulsores, carros, unidades de ar condicionado, turbinas hidráulicas, turbinas de vapor térmico e nuclear, sistemas de energia de barcos a jato, ventoinhas rotativas, bombas rotativas e de turbina, máquinas de lavagem à pressão, referindo apenas alguns.

Como será apreciado por aqueles de perícia na arte, as turbinas podem ser implementadas em casos onde fluxos de fluido são constantes nas, ou perto das, taxas de fluxo médio. Em tais casos, apenas são necessários meios mínimos para igualar engrenagens, geradores e aparelhos elétricos e eletrónicos de controlo de geração de energia. Alternativamente, as turbinas podem ser utilizadas em casos onde fluxos de fluido são extensamente variáveis.

Embora os modos de realização da presente invenção tenham sido descritos, aqueles de pericia na arte vão apreciar que variações e modificações podem ser realizadas sem divergir do âmbito de aplicação como definido pelas reivindicações em anexo.

Lisboa, 1 de junho de 2016

Claims (18)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Uma turbina/compressor compreendendo: pelo menos um aparelho magnetoelétrico; um sistema de tração acoplado ao referido aparelho magnetoelétrico; e uma pluralidade de pás de rotor acopladas ao referido sistema de tração, cada pá de rotor possuindo um bordo de ataque moldado prolongando geralmente o comprimento da referida pá de rotor, o bordo de ataque referido formado para definir um série de tubérculos espaçados, prolongados frontalmente, os referidos tubérculos sendo dimensionados e proporcionados para melhorar sustentação, proporcionar caracteristicas de estol melhorado, reduzir atraso e reduzir bombagem por intervalos.
2. 2. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 1 compreendendo adicionalmente um sistema de controlo para ajustar a orientação das referidas pás de rotor de modo a que as referidas pás de rotor fiquem voltadas para o fluxo de fluido recebido.
3. 3. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 2 compreendendo adicionalmente um segundo sistema de controlo para alterar a forma das referidas pás de rotor.
4. 4. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 3 em que o segundo sistema de controlo referido altera o passo das referidas pás de rotor.
5. 5. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 3 em que o referido segundo sistema de controlo altera o espaçamento e/ou forma dos referidos tubérculos.
6. 6. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 1 em que o referido sistema de tração é um eixo acoplando diretamente as referidas pás de rotor e o referido aparelho magnetoelétrico.
7. 7. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 1 em que o referido sistema de tração inclui um eixo de transmissão e disposição de transmissão atuando entre as referidas pás de rotor e o aparelho magnetoelétrico.
8. 8. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 7 compreendendo adicionalmente um sistema de controlo para ajustar a orientação das referidas pás de rotor de modo a que as referidas pás de rotor fiquem voltadas para o fluxo de fluido recebido.
9. 9. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 8 compreendendo adicionalmente um segundo sistema de controlo para alterar a forma das referidas pás de rotor.
10. 10. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 9 em que o referido segundo sistema de controlo altera o passo das referidas pás de rotor.
11. 11. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 10 em que o segundo sistema de controlo altera o espaçamento e/ou forma dos referidos tubérculos.
12. 12. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 1 em que pelo menos um referido aparelho magnetoelétrico é pelo menos um gerador e em que cada pá de rotor sofre uma curvatura entre a extremidade e a raiz, o ângulo de torção sendo selecionado para ter características de sustentação melhorada e de estol melhorado em conta.
13. 13. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 12 compreendendo adicionalmente um sistema de controlo para ajustar a orientação das referidas pás de rotor de modo a que as referidas pás de rotor fiquem voltadas para o fluxo de fluido recebido.
14. 14. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 13 compreendendo adicionalmente um segundo sistema de controlo para alterar a forma das referidas pás de rotor.
15. 15. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 14 em que o referido sistema de tração é um eixo acoplando diretamente as referidas pás de rotor e o referido gerador.
16. 16. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 14 em que o sistema de tração referido inclui um eixo de transmissão e disposição de transmissão atuando entre as referidas pás de rotor e o gerador.
17. 17. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 16 compreendendo adicionalmente uma pluralidade de geradores interligados.
18. 18. Uma turbina/compressor de acordo com a reivindicação 17 em que os referidos geradores interligados encontram-se em linha. Lisboa, 1 de junho de 2016