BRPI0712156A2 - jato de controle de lìquido durante parte de operação de carga em uma turbina hidráulica - Google Patents

Abstract

JATO DE CONTROLE DE LìQUIDO DURANTE PARTE DE OPERAçãO DE CARGA EM UMA TURBINA HIDRáULICA. A presente invenção refere-se a um método e sistema para mitigar as flutuações de pressão em turbinas hidráulicas, operadas em carga parcial, pela injeção de jato ou jatos de controle de alta velocidade (50) de líquido a jusante do rotor de turbina, na parte superior do tubo de aspiração (22), ao longo do eixo geométrico de máquina; a taxa do jato(s) de líquido pode ser ajustada continuamente dependendo do nível de flutuação de pressão no tubo de aspiração, de maneira a controlar o fluxo torvelino a jusante do rotor e evita a parada de vórtice espiral em regimes de carga parciais, eliminado, assim, a causa principal das flutuações de pressão.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "JATO DE CONTROLE DE LÍQUIDO DURANTE PARTE DE OPERAÇÃO DE CARGA EM UMA TURBINA HIDRÁULICA".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a uma turbina hidráulica sendo dotada de um ou mais jatos de controle de líquido injetado com alta veloci- dade axialmente a jusante do rotor de turbina e em uma parte superior do tubo de aspiração de turbina, durante parte da operação de carga da turbina, para controlar o fluxo torvelino e mitigar tanto a parada do seu vórtice espiral quanto suas flutuações de pressão associadas.

Antecedentes da Invenção

Até recentemente, as turbinas hidráulicas foram operadas próxi- mo ao rendimento máximo. Nas proximidades desse ponto de operação óti- ma, as forças dinâmicas nos componentes de turbina são geralmente bai- xas, com a exceção das condições transientes como, por exemplo, rejeição e sobretensão de carga.

A demanda variável no mercado de energia, bem como as capa- cidades de armazenamento de energia limitadas, requer uma flexibilidade maior na operação das turbinas hidráulicas. Como um resultado, as turbinas hidráulicas tendem a ser operadas acima de uma variação estendida longe do melhor ponto de eficiência. Especificamente, as turbinas Francis, que são dotadas de um rotor de passo fixo, são dotadas de um alto nível de remoi- nho residual na entrada do tubo de aspiração como um resultado do dese- quilíbrio entre o remoinho gerado pelas entradas "wicket" (pás fixas de turbi- na) e a força viva angular extraída do rotor de turbina ao operar em parte de condições de carga. No tubo de aspiração de turbina o fluxo que sai do rotor é desacelerado, convertendo por meio disso o excesso de energia cinética em pressão estática. O fluxo torvelino desacelerado freqüentemente resulta na parada do vórtice normal associado ao fluxo do líquido do tubo de aspira- ção que da origem ao desenvolvimento de uma região de quase estagnação central no tubo de aspiração. A parada do vórtice é agora reconhecida como a causa principal de flutuações de pressão severas ou pulsações de pressão experimentadas no tubo de aspiração de uma operação de turbina hidráulica em parte de carga. Acredita-se que as pulsações de pressão são causadas pela transformação do fluxo vórtice torvelino simetricamente de eixo geomé- trico em um ou mais precessamento de vórtices espirais como as comuta- ções da condição de operação em direção à parte de carga. O movimento de precessamento do vórtice espiral resulta em uma pressão de flutuação em qualquer ponto fixo do tudo de aspiração. Além disso, uma quantidade limitada de ar ou vapor d'água no fluxo líquido proporciona um grau de elas- ticidade, cumprimento de cavitação qualificado, e essa elasticidade pode levar a uma forma de ressonância no tubo de aspiração estimulada pelo pre- cessamento do campo de pressão não-homogênea associado ao núcleo do fluxo do vórtice espiral.

Foram propostas muitas soluções diferentes com relação ao problema de instabilidade do tubo aspiração incluindo a alteração do projeto de lâmina, a introdução de pás de hélice no tubo de aspiração, e a injeção de ar em uma região de recirculação circundada pelo cabo de vórtice. A inje- ção de ar produz um fluxo estável de eixo geométrico simétrico essencial- mente, ou um núcleo de ar oco circundado pelo fluxo de água torvelino. A injeção de ar muda a parada da forma de vórtice de uma espiral para uma bolha. A injeção de quantidades relativamente pequenas de ar é dotada de poucos efeitos na eficiência da operação e turbina ao mesmo tempo em que reduz consideravelmente as oscilações de parte da pressão de carga. Con- tudo, o cabo de vórtice e a estimulação do cabo continua a existir.

Assim, é necessário desenvolver as turbinas hidráulicas para facilidades hidroelétricas atuais que operem eficientemente não apenas sob condições de carga normais, mas também em condições de carga baixas ou parciais, sem serem sujeitadas às flutuações de pressão severas originando no tubo de aspiração como um resultado de parada de vórtice espiral no flu- xo torvelino desacelerado a jusante do rotor.

Sumário da Invenção

A presente invenção refere-se ao controle de fluxo torvelino a jusante de um rotor de turbina hidráulica pela injeção axial de jato de alta velocidade ou jatos de líquido na saída do rotor ou entrada do tubo de aspi- ração. O jato ou jatos de controle de líquido age no fluxo do líquido no tubo de aspiração pela mitigação da parada da trajetória do fluxo de vórtice desse líquido e por meio disso diminuir ou eliminar as pulsações de pressão de tu- bo de aspiração experimentado durante parte da operação de carga da turbina.

Por "alta velocidade" entende-se que o jato de líquido direciona- do axialmente é dotado de uma velocidade que é maior do que a velocidade axial média do líquido que flui na saída do rotor de maneira a proporcionar o beneficio da presente invenção. A alta velocidade do jato ou jatos de contro- le de líquido pode ser de até em torno de 2 a 4 vezes ou maior do que a ve- locidade axial média fluindo na saída do rotor. Deve ser observado que a alta velocidade do jato ou jatos de controle de líquido irá variar dependendo do local da injeção do jato ou jatos de controle de líquido e do número de jatos de controle utilizado. Deve ser também observado que ao se referir ao jato ou jatos de controle de líquido de alta velocidade sendo injetado axial- mente da turbina significa que o jato ou jatos de controle podem ser direcio- nados ao longo do eixo geométrico da turbina, paralelo ao eixo geométrico da turbina, ou convergido em um ponto focai adjacente à parte superior do tubo de aspiração se estendendo no eixo geométrico da turbina ou um eixo geométrico paralelo adjacente ao eixo geométrico da turbina. O jato ou jatos pode também estar situado deslocado do eixo geométrico da turbina em, por exemplo, mas não se limitando a, 10 por cento do diâmetro do rotor de turbi- na e ainda ser considerado como situado com relação a um eixo geométrico central do rotor de turbina.

O jato ou jatos de controle são preferivelmente operados quando a turbina está operando em parte de condições de carga. O jato ou jatos de controle são injetados de pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal po- sicionado com relação a um eixo geométrico central para o rotor de turbina e adjacente a uma parte superior do tubo de aspiração por meio do qual o jato ou jatos de líquido é injetado a jusante do rotor. O pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal é dotado de um bocal do qual um jato de líquido de alta velocidade correspondente é emitido no tubo de aspiração. Em uma modali- dade, a turbina é dotada de um rotor rotativo montado em cima do tubo de aspiração e o rotor é dotado de uma parte de coroa que aloja o pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal. Em uma modalidade alternativa, o pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal pode ser sustentado em uma par- te superior do tubo de aspiração abaixo e espaçado da coroa do rotor de turbina.

O pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal pode compre- ender um único bocal ou uma pluralidade de bocais disposta em um ou mais arranjos circulares, ou um único bocal anular.

De acordo com apresente invenção, é proporcionada uma turbi- na hidráulica compreendendo uma passagem que permite que um líquido passe através da turbina e um tubo de aspiração definindo uma parte de uma passagem através da qual o líquido flui normalmente em uma trajetória de fluxo de vórtice durante condições de operação de turbina ótima. Um ro- tor é montado contra a corrente do tubo de aspiração e gira ao redor de um eixo geométrico central passando através do rotor e se estendendo para dentro no tubo de aspiração. Pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal está posicionado com relação ao eixo geométrico central do rotor e adjacen- te a uma parte superior do tubo de aspiração. O pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal do qual um jato de controle correspondente de alta velo- cidade é injetado axialmente a jusante ao rotor e no líquido fluindo na parte superior do tubo de aspiração durante parte da operação de carga de turbina de maneira a mitigar a parada da trajetória do fluxo de vórtice.

De acordo com a presente invenção, é proporcionado um méto- do para controlar parte da operação de carga de uma turbina hidráulica du- rante parte das condições de carga sendo dotadas de um rotor, um tubo de aspiração situado a jusante do rotor e uma passagem de líquido se esten- dendo através do rotor e do tubo de aspiração. O método compreende a e- tapa de injetar um ou mais jatos de líquido de alta velocidade da turbina, a jusante do rotor de turbina e em pelo menos uma parte superior do tubo de aspiração. É considerado que o método possa também incluir a etapa de localizar o um ou mais jatos de controle na parte central do rotor antes da etapa de injeção. Ademais, o jato ou jatos podem estar situados deslocados do eixo geométrico da turbina.

Adicionalmente, durante a etapa de injeção o um ou mais jatos de controles, o um ou mais jatos de controles pode ser injetado em uma di- reção selecionada do grupo consistindo de ao longo de um eixo geométrico da turbina, paralelo ao eixo geométrico da turbina, convergindo em um ponto focai adjacente à parte superior do tubo de aspiração se estendendo ao eixo geométrico da turbina e um eixo geométrico paralelo adjacente ao eixo geo- métrico da turbina.

Breve Descrição dos Desenhos

Para um melhor entendimento da natureza e dos objetos da pre- sente invenção, pode ser feita referência aos desenhos diagramáticos que a acompanham, nos quais:

A figura 1A é uma vista em elevação, parcialmente em seção transversal, de uma turbina Francis ilustrando um dispositivo de cabeça de bocal para emitir um jato de controle posicionado na coroa acima do tubo de aspiração;

A figura 1B ilustra uma modalidade alternativa para o dispositivo de cabeça de bocal para emitir um jato de controle onde o dispositivo de ca- beça de bocal está exclusivamente na coroa do rotor;

A figura 2 ilustra uma modalidade alternativa para o dispositivo de cabeça de bocal para emitir um jato de controle onde o dispositivo de ca- beça de bocal está posicionado no tubo de aspiração espaçado abaixo da coroa;

As figuras 3A e 3B ilustra contornos de velocidade comparativos para água fluindo através do tubo de aspiração;

As figuras 4A e 4B ilustra contornos de pressão comparativos para água fluindo através do tubo de aspiração;

As figuras de 5A a 5D ilustra modalidades alternativas para a disposição dos bocais no dispositivo de cabeça de bocal. Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção refere-se a uma turbina hidráulica sendo dotada de um ou mais jatos de controle de líquido axialmente direcionado a jusante de um rotor de turbina e na parte superior de um tubo de aspiração.

A presente invenção é intencionada para uso em turbinas hidráulicas de passo fixo e preferivelmente encontra aplicação no propulsor e nas turbinas do tipo Francis.

Com referência à figura 1A é ilustrada uma instalação de turbina hidráulica exemplificativa 10 adequada para uso na geração de hidroeletrici- dade. A instalação de turbina 10 compreende uma turbina Francis 12 sendo dotada de uma coroa 14, lâminas de rotor 16, e uma cinta 18. O rotor de tur- bina Francis 12 é adaptado para girar no invólucro fixo 42. Abaixo o rotor de turbina Francis 12 está situado em um tubo de aspiração 22. Deve ser ob- servado que ao mesmo tempo em que o rotor Francis é ilustrado o rotor também pode ser um rotor tipo propulsor. Apenas uma parte do tubo de as- piração 22 é ilustrada. A parte superior 24 do tubo de aspiração 22 é ilustra- do para ser dotado de um eixo geométrico central se estendendo vertical- mente 26. O eixo geométrico 26 é também o eixo geométrico central para o rotor 12 e o eixo geométrico da turbina hidráulica 10.

A parte superior da coroa 14 é conectada ao eixo 28. O eixo 28 é dotado de um flange de acoplamento 30 que é conectado por parafusos 32 em um flange de acoplamento 34 de um eixo gerador 36. A rotação do rotor Francis 12 leva o eixo 28 a girar e, portanto, o eixo gerador 36 a girar. O eixo gerador 36 é conectado a um gerador (não ilustrado) que gera eletricidade em resposta à ação de rotação da turbina Francis 12.

A turbina Francis 12 gira como um resultado da água se moven- do ao longo da passagem de água 40, a partir do invólucro espiral 42 pas- sando pelas pás de hélice de apoio 44, passando pelas barreiras estreitas, pelas lâminas de rotor 16 e para dentro do tubo de aspiração 22.

De acordo com a modalidade ilustrada na figura 1A, um jato de controle 50 é injetado na água fluindo na parte superior 24 do tubo de aspi- ração 22. Um dispositivo de cabeça de bocal 52 compreende uma parte de extremidade do conduto 58 que passa através do centro da coroa 14. O dis- positivo de cabeça de bocal 52 é dotado de um bocal 54 do qual o jato de controle 50 é injetado na água ou líquido fluindo através do tubo de aspira- ção 22. A coroa 14 é dotada de uma parte de ponta de coroa 56 que aloja o dispositivo de cabeça de bocal 52.

A água sobpressão é suprida à parte de ponta de coroa 56 e o dispositivo de cabeça de bocal 52 pelo conduto 58 passando através do eixo 28. O conduto 58 está conectado aos condutos se estendendo radialmente para dentro 60. O eixo 28 é dotado de uma parede externa 62 com um ou mais orifícios de líquido 64 contidos no mesmo. Os condutos se estendendo radialmente para dentro 60 estão conectados ao bocal 54, através do condu- to 58 e o dispositivo de cabeça de bocal 52 e transporta água de pressão alta dos orifícios de líquido 64 para o bocal 54. Na modalidade ilustrada os orifícios de entrada 64 estão situados entre os flanges e acoplamento 30 e 34 que são também aqui referidos como estando situados na parede externa do eixo 28 visto que o acoplamento 30 forma parte do eixo 28. Ao mesmo tempo em que os eixos 28 e 36 estão ilustrados como sendo sólidos, na prá- tica, os mesmos são ocos.

Uma câmara de coleta de líquido fixa 66 é montada em relação de vedação circundante com o eixo oco 28, ou na modalidade ilustrada os flanges de acoplamento 30, 34. A câmara de coleta de líquido fixa 66 dire- ciona água pressurizada nos orifícios 64. A câmara de coleta de água ou líquido fixa 66 é conectada ao conduto de suprimento de desvio de água 68 na parte de extremidade 70 da mesma. O conduto de suprimento de desvio de líquido 68 é dotado de uma parte de extremidade oposta 72 acoplada em relação de vedação com o invólucro espiral e passa o líquido do invólucro espiral 42 para a câmara de coleta de líquido 66. Uma válvula de regulagem 74 está situada no conduto de suprimento de desvio de líquido 68. A válvula 74 controla a taxa de fluxo do líquido suprido para a câmara de líquido está adaptada para comutar o jato de controle de uma condição desligada para uma condição ligada e para variar a taxa de fluxo do jato de controle depen- dendo na parte de condições de operação de carga da instalação de turbina 10. Na modalidade ilustrada, a válvula de regulagem 74 está situada contra a corrente do bocal 54 de modo a controlar a taxa de fluxo da água e, por- tanto, a velocidade resultante do jato de controle de "alta velocidade" 50 emi- tido do bocal 54. Deve ser compreendido que a válvula de regulagem 74 é capaz de desligar para suprir de água para a câmara de coleta de líquido 66 quando a turbina é operada em condições de carga ótima. Como resultado nenhuma água é emitida do bocal 54. Na modalidade da figura 1A, o jato de controle 50 é emitido do bocal 54 do dispositivo de cabeça de bocal 52 que está posicionada centralmente da, e adjacente a, parte superior 24 do tubo de aspiração 22 na coroa 14. A produção de jato de água na ponta da coroa se beneficia do eixo de turbina oco, e se beneficia do suprimento de água de pressão alta de contra a corrente no invólucro espiral de turbina.

Deve ser compreendido que a figura 1A ilustra uma geração e jato exemplificativa e sistema de controle compreendendo dispositivo de ca- beça 52, os condutos 58, 60, a câmara de coleta de água 66, o conduto 68, e a válvula 74 e que as modalidades alternativas para suprir água sobpres- são para o dispositivo de cabeça 52 serão prontamente compreendidas por aquele versado na técnica.

Na figura 1B está ilustrada uma seção transversal através de uma turbina 10 compreendendo um invólucro espiral 111, as pás de hélice guia 112, o rotor Francis 109, e o tubo de aspiração 114. Uma passagem 115 se estende através da turbina 110. A coroa de rotor 120 compreende uma cavidade central 122 conectada com o lado de alta pressão 124 do ro- tor 109 pelos tubos de aspiração 126. Um dispositivo de cabeça de bocal 128 é dotado de uma agulha 132 e de um bocal 130 do qual o jato de contro- le de líquido de alta velocidade 50 é emitido na parte superior 140 do tubo de aspiração 114 da coroa de rotor 120. Um mecanismo de ajuste 134 é acio- nado por um dispositivo de controle ativo 136 para ajustar a posição do dis- positivo de cabeça de bocal 128 de maneira a controlar a velocidade do jato de controle e líquido de velocidade alta 50.

Um ou mais sensores de pressão 142 estão montados no tubo de aspiração 114 adjacente a uma parede lateral próxima à parte superior 140 do tubo de aspiração 114. Os sensores de pressão 142 medem a pres- são da água na parte superior do tubo de aspiração 114 e transmitem essas medições para o dispositivo de controle ativo 136 que sucessivamente con- trola o movimento do dispositivo de cabeça de bocal 128 a fim de ajustar a velocidade do jato de controle de líquido de velocidade alta 50. Quando em uma posição aberta o dispositivo de cabeça de bocal 128, a água do lado de pressão alta 124 do rotor 109 é suprida através dos tubos 126 a cavidade da câmara de água 122 para o bocal 130. Como um resultado, um jato de con- trole de líquido 50 será emitido da coroa 120 do rotor na posição superior 140 do tubo de aspiração 114 também conhecido como a entrada do tubo de aspiração. A velocidade ou taxa de fluxo do jato de controle de líquido 50 é controlada pela posição do dispositivo de cabeça de bocal 128 dependendo da pressão medida pelos sensores de pressão 142. O dispositivo de cabeça de bocal 128 é fechado quando a turbina não está funcionando em condi- ções de operação de carga parcial. Esse sistema de geração de jato tem a vantagem de que o sistema de geração de jato concerne a um único compo- nente da turbina, a saber, rotor. O sistema de geração não implica quaisquer problemas de estancamento de água, e pode ser implementado no local pa- ra os rotores existentes e todos os componentes de sistema, exceto para as cavidades e tubos do rotor e pode ser considerado como um tipo de geração de jato "turnkey" de kit.

Referindo-se à figura 2, a mesma ilustra uma modalidade alter- nativa onde o dispositivo de cabeça de bocal 80 está espaçado da coroa 14 da turbina 10. O dispositivo de cabeça de bocal 80 compreende um bocal 82 do qual o jato de líquido 50 é injetado verticalmente axialmente ao longo do eixo geométrico 26 do tubo de aspiração 22 adjacente à parte superior 24 do tubo de aspiração 22. O dispositivo de cabeça de bocal 80 também compre- ende uma pluralidade de condutos de apoio e de suprimento de líquido 84 interconectando a cabeça 82 com a tubulação 86 situada na parede externa do tubo de aspiração 22. A tubulação 86 é conectada através do encana- mento de suprimento de desvio 88 para a voluta 40. Uma válvula de regula- gem 90 está localizada para controlar a pressão do líquido ou água suprida para o bocal 82 e, portanto, o jato de controle de líquido de "velocidade alta" 50. Nessa modalidade, a água sobpressão é suprida da voluta 40 através da parede do tubo de aspiração 22 e não através da coroa 14 da turbina Fran- cis 12.

As figuras 3A, 3B, 4A e 4B ilustram simulações de computador de contornos de velocidade e pressão de água fluindo no tubo de aspiração 22 que ocorre em parte das condições de carga. As figuras 3A e 3B ilustram contornos de velocidade de água fluindo no tubo de aspiração em parte das condições de carga. Na figura 3A, não foi injetado nenhum jato de controle no tubo de aspiração. Na figura 3B, foi injetado um jato de controle de líquido no tubo de aspiração. Na figura 3A, quando não é empregado nenhum jato, é ilustrado um único cabo e vórtice de tubo de aspiração espiral. Na figura 3B quando o jato de controle está em funcionamento, a região e pressão baixa central indicada pela "isso-surperfície" foi muito reduzida e sua forma foi alterada de uma forma espiral para um cone estendido ligeiramente fora do centro 96. Na figura 4A, não é empregado o jato e o contorno da pressão ilustra fortes variações circulares no fluxo do vórtice da água no tubo de as- piração em 98, que associado ao movimento de precessão resulta em flutu- ações de pressão severas. Na figura 4B, quando o jato de controle é empre- gado parece não haver nenhuma parada na área de pressão baixa associa- da ao vórtice na área 100.

Pela injeção de um jato de controle de líquido de alta velocidade axialmente no tubo de aspiração, a freqüência de precessão é alterada no tubo de aspiração e, eventualmente, pela eliminação da região central apa- rentemente parada, o jato de controle impede ou reduz o desenvolvimento dos cabos de vórtice no fluxo de líquido de tubo de aspiração. Como um re- sultado, o jato de controle direciona diretamente o desenvolvimento da ocor- rência de cabo de vórtice, mitigando, portanto, a fonte principal das flutua- ções de pressão, ou pelo menos altera a freqüência de precessão e reduz significativamente a amplitude das flutuações de pressão. A injeção de um jato de controle de líquido é diferente da admissão de ar na ponta da coroa uma vez que o jato de controle de líquido não é almejado no controle ou eli- minação da parada de vórtice. Ademais, quando não é necessário o jato de controle durante o funcionamento da turbina, o jato de controle pode ser des- ligado.

Evitando a parada do vórtice espiral o desempenho total do tubo de aspiração na parte de carga é significativamente aperfeiçoado pela redu- ção das perdas hidráulicas devido às não-uniformidades e inseguranças do fluxo severo.

O jato de controle proporciona um controle ativo do fluxo torveli- no a jusante do rotor. O jato de controle usa uma fração da descarga de tur- bina geral. A descarga de jato desvia a região de turbina provida de hélice e não produz nenhuma energia no eixo de turbina. Contudo, a redução na efi- ciência como um resultado do desvio de descarga de jato a região da turbina provida de hélice é mais baixa do que esperado. Isso ocorre porque a redu- ção das perdas hidráulicas devido ao precessamento do cabo de vórtice compensando o gasto de energia hidráulica. Além disso, o jato de controle é dotado do benefício de diminuir as pulsações de pressão severas e a instabi- lidade do tubo de aspiração na descarga parcial.

As figuras de 5A a 5D ilustram modalidades da parte do tubo e comunicação 82 para um único dispositivo de cabeça de bocal 80 da figura 2. Deve ser compreendido que podem ser empregados múltiplos dispositivos de cabeça de bocal ou múltiplas partes de cabeça 82 para cada dispositivo de cabeça de bocal podem ser empregadas para modalidades alternativas. Contudo, na figura 5A, um único bocal 102 para emitir o jato de controle 50 está situado para direcionar o jato 50 ao longo do eixo geométrico 26 do tu- bo de aspiração. Alternativamente, esse jato 50 pode ser direcionado ao longo de um eixo geométrico paralelo para um deslocamento do eixo geo- métrico 26. Na figura 5B, a pluralidade de bocais 102 está disposta em um arranjo circular ao redor do eixo geométrico central 26. Isso resulta em uma pluralidade de jatos sendo emita dos bocais 102. Alternativamente, os jatos podem ser dispostos em um arranjo circular a um eixo geométrico paralelo a e deslocado do eixo geométrico 26. Os bocais 102 podem estar dispostos para emitir os jatos cada paralelo ao eixo geométrico 26 ou os jatos podem ser convergidos em direção um ao outro com um ponto focai se estendendo no eixo geométrico 26, ou os jatos podem ser direcionados para focar em um eixo geométrico paralelo ao eixo geométrico central 26. Na figura 5C, dois arranjos circulares dos bocais 102 estão dispostos concentricamente ao redor do eixo geométrico central 26. Na figura 5D, um único bocal na forma de aro anular 102 está disposto ao redor do eixo geométrico 26. Em modali- dades alternativas para as figuras de 5A 5D, a localização dos bocais pode ser escolhida para direcionar o jato ou jatos a serem deslocados do eixo ge- ométrico de controle 26 em até 10% do diâmetro do tubo de aspiração 22.

A utilização do jato ou jatos de líquido de controle da presente invenção: a) direcionada diretamente com sucesso à causa principal da ins- tabilidade de fluxo, em lugar dos efeitos; b) não requer modificações geomé- tricas da forma externa do rotor; c) é continuamente ajustável de acordo com as condições de operação, e pode ser desligada quando não for necessária; d) apesar de uma fração da descarga poder desviar a região provida de héli- ce, a eficiência de turbina geral sofre marginalmente, e pode ser aperfeiçoa- da, devido ao aperfeiçoamento tanto nas eficiências do rotor quanto no tubo de aspiração quando o jato de controle está ligado em parte das condições de operação.

Embora a invenção tenha sido descrita com relação ao que é atualmente considerado como as modalidades mais práticas da abordagem hidrodinâmica do controle de fluxo torvelino e mitigação da parada do vórtice espiral juntamente com as flutuações de pressão severa associadas pelo uso de jato ou jatos de controle de líquido de velocidade alta, deve ser com- preendido que a invenção não está limitada às mesmas, mas, ao contrário, é intencionada a cobrir várias modificações e disposições equivalentes, con- forme será compreendido por aquele versado na técnica de turbinas hidráulicas.

Claims (13)

1. Turbina hidráulica compreendendo: uma passagem permitindo a passagem de líquido através da turbina; um tubo de aspiração definindo uma parte da passagem através da qual o líquido normalmente flui em vórtice de trajetória de fluxo durante condições de operação de turbina ótimas; um rotor giratório montado contra a corrente de um tubo de aspi- ração e girando ao redor de um eixo geométrico central passando através do rotor e se estendendo no tubo de aspiração; pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal posicionado com relação ao eixo geométrico central do rotor e adjacente a uma parte superior do tubo de aspiração, o pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal é dotado pelo menos de um bocal do qual um jato de controle correspondente de líquido de alta velocidade é injetado axialmente a jusante do rotor e no líquido fluindo na parte superior do tubo de aspiração durante parte da ope- ração e turbina, de maneira a mitigar a parada do vórtice da trajetória de fluxo.

2. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1, em que o pelo menos um bocal posiciona o jato de controle correspondente de líquido de alta velocidade em uma posição ao longo de um eixo geométrico central da turbina e deslocado do eixo geométrico central da turbina.

3. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1, em que o rotor é dotado de uma parte de coroa e a parte de coroa aloja o pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal.

4. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 3, em que o rotor compreende um sistema de geração de jato e de controle situado em uma parte da coroa e uma parte de eixo para o rotor.

5. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 3, em que o pelo menos um jato de controle de líquido de velocidade alta é ejetado de um bocal axialmente em uma parte central do vórtice de trajetória de fluxo do líquido fluindo no tubo de aspiração.

6. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1, em que o pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal também compreende pelo menos uma válvula situada contra a corrente do pelo menos um bocal para controlar a pressão do líquido do jato de controle correspondente.

7. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1, em que a pelo menos uma válvula é capaz de comutar o jato de controle correspon- dente entre os estados ligado e desligado.

8. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1, em que o pelo menos um dispositivo de cabeça de bocal é sustentado em comunica- ção de fluxo líquido com conduto e estendendo da parede do tubo de aspira- ção em uma parte superior do tubo de aspiração.

9. Turbina hidráulica, de acordo com a reivindicação 1, em que compreende adicionalmente um ou mais sensores na aspiração para medir a pressão líquida na parte superior do tubo de aspiração e transmitindo eesas medidas para um dispositivo de controle ativo que sucessivamente controla o movimento do dispositivo de cabeça de bocal a fim de ajustar a velocidade do jato de controle de líquido de alta velocidade.

10. Método de controle de parte de operação de carga de uma turbina hidráulica durante parte de condições de carga sendo dotada de um rotor, um tubo de aspiração situado a jusante do rotor e uma passagem de líquido se estendendo através do rotor e o tubo de aspiração, o método compreendendo a etapa de injetar um ou mais jatos de líquido de alta velo- cidade axialmente da turbina, a jusante do rotor de turbina e na pelo menos uma parte superior do tubo de aspiração.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, compreendendo a etapa de localizar o um ou mais jatos de controle na parte central do rotor antes da etapa de injeção.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, em que durante a etapa de injeção de um ou mais jatos de controle de líquido de alta velocida- de, o um ou mais jatos de controle são injetados em uma direção seleciona- da do grupo consistindo em ao longo de um eixo geométrico da turbina, pa- ralelo ao eixo geométrico de turbina, convergindo em um ponto focai adja- cente à parte superior do tubo de aspiração se estendendo no eixo geomé- trico de turbina, e convergindo em um ponto focai adjacente a parte superior do tubo de aspiração se estendendo em um eixo geométrico paralelo ao eixo geométrico da turbina.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, em que a etapa de localização compreende situar o jato ou jatos de controle de líquido de alta velocidade deslocado de um eixo geométrico da turbina.