BRPI0721590A2

BRPI0721590A2 - rotor de turbina e usina de energia

Info

Publication number: BRPI0721590A2
Application number: BRPI0721590-8A
Authority: BR
Inventors: Borgen Eystein
Original assignee: Sway As
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2013-01-15
Also published as: CA2683743A1; CN101711309A; AU2007351632A1; EP2147209A1; WO2008127114A1; JP2010523895A; KR20100015945A; CN101711309B; JP5224553B2; US20100133838A1; AU2007351632B2

Abstract

ROTOR DE TURBINA E USINA DE ENERGIA. A presente invenção está correlacionada a um rotor de turbina para uma usina de energia eólica ou energia hidráulica ou para meios propulsores para uma embarcação, em que o rotor de turbina compreende, de modo geral, um cubo de formato toroidal. O cubo de formato toroidal é configurado em uma seção transversal B na forma de um perfil fechado e vazado e em que o cubo de formato toroidal é modelado tanto na forma de um toro - o toro sendo modelado de modo circular na seção transversal B e no formato de anel na seção transversal A, em que os contornos externos e internos do anel são circulares - como na forma de um elemento assemelhado a um toro, o elemento assemelhado a um toro sendo de formato poligonal ou circular na seção transversal B e o toro sendo no formato de anel na seção transversal A, em que os contornos externos e internos do anel são de formato poligonal ou circular, e em que no referido toro ou referido elemento assemelhado a um toro é provida uma hélice de rotor. E também proporcionada uma instalação para uso de um aproveitamento eólico, hidráulico ou da força de marés, dita instalação compreendendo o rotor de turbina.

Description

wROTOR DE TURBINA E USINA DE ENERGIA"

A presente invenção se refere a um rotor de turbina para uma instalação de energia eólica, de energia hidráulica ou de energia de marés, e uma usina de energia eólica ou hidráulica compreendendo tal rotor de turbina. A presente invenção também se refere ao uso de um rotor de turbina em uma instalação de energia eólica ou hidráulica, ou ainda ao uso como um meio propulsor em uma embarcação. Resumidamente, o rotor de turbina compreende, visualizado a partir de uma vista frontal, um centro ou cubo de rotor de grande diâmetro, substancialmente no formato "toroidal" ou no formato de anel, consistindo de um perfil fechado e vazado resistente à torção, no qual as pás (hélices) do rotor são dispostas.

O desenvolvimento de moinhos de vento ou turbinas eólicas para geração de energia, preferivelmente, na forma de energia elétrica, tem se direcionado, de modo uniforme, para instalações de maior porte. Os moinhos de vento com uma produção de cerca de 5 MW e um diâmetro de rotor superior à faixa de 115m - 125m foram agora projetados e construídos. Os moinhos de vento de porte igual ou superior a 5 MW são principalmente projetados tendo em vista uma instalação offshore, devido às dificuldades de transporte desses grandes equipamentos na terra. Os princípios desses moinhos de vento de eixo horizontal são virtualmente os mesmos que aqueles de seus similares menores.

Esses equipamentos são baseados em um rotor que consiste, tipicamente, de três hélices montadas sobre um cubo central com eixo, o eixo sendo preso por um mancai esférico para trabalho pesado. 0 cubo deve ser dimensionado para suportar substanciais momentos de flexão, devido à força do vento sobre cada hélice individual na direção do vento e ao peso morto de cada hélice, em um plano substancialmente em ângulo reto à direção do vento, com direção constantemente variável, dependendo se a hélice se encontra numa posição para cima ou para baixo em seu trajeto rotacional. Se cada hélice apresenta uma diferente pressão de vento em um dado instante, será produzido um momento que irá tentar girar o cubo em torno de um eixo, em ângulo reto com relação ao eixo longitudinal do fuso. Esse momento pode ser, em casos extremos, excepcionalmente grande, pelo que o eixo deve ser também dimensionado para suportar tal momento. 0 cubo central e o eixo também transferem o torque do rotor, diretamente ou através de uma engrenagem, para o gerador.

Os custos de manutenção de moinhos de vento offshore são inicialmente maiores do que moinhos de vento baseados em terra. Uma interrupção na produção de energia como conseqüência de um defeito, em muitos casos, também apresenta maiores conseqüências em localização offshore, pelo fato de que as condições do tempo, normalmente, não permitem o acesso aos moinhos de vento para execução dos necessários reparos. Distante, no mar, as condições do vento, como regra geral, são também consideravelmente mais fortes do que em terra. Se for desejado obter o máximo dessa energia possível, mediante aumento da velocidade nominal do vento, em que as hélices são giradas para fora da direção do vento, a instalação de energia eólica será submetida a um aumento de cargas de fadiga, se comparado a uma localização em condições de vento mais calmas.

Grandes moinhos de vento ou turbinas eólicas apresentam a vantagem de que os custos de manutenção e "custos de uma parada", como, por exemplo, para os sistemas de controle, etc., por kWh de unidade de energia produzida, podem ser esperados como sendo reduzidos. A desvantagem é que o peso e o consumo de material aumentam por kWh de energia produzida, no caso desses grandes moinhos. 0 tamanho econômico ótimo de um moinho de vento terrestre, com o emprego da tecnologia atual, é estimado por muitos como sendo de aproximadamente 1-3MW.

A razão pela qual o peso e o consumo de material aumentam por unidade de energia produzida com o aumento de tamanho do moinho de vento é que o peso aumenta, aproximadamente, pela potência ao cubo da dimensão longitudinal (aumento volumétrico), enquanto a área varrida do rotor (definida como a área do círculo que envolve as hélices do rotor quando ele gira), e assim, a produção de energia, somente aumenta pelo quadrado da dimensão longitudinal. Isso implica numa comparação de uma dada localização, em que a resistência ao vento é a mesma em ambos os casos. Isto é, se for desejado aumentar o tamanho do moinho de vento mediante uso da mesma tecnologia anterior, o peso por unidade de energia produzida e, portanto, em grande proporção, os correspondentes custos, irão aumentar aproximadamente de forma linear com o tamanho do moinho de vento.

Além disso, a velocidade rotacional (velocidade angular) será reduzida com o aumento do diâmetro do rotor do moinho de vento. Isso de deve ao fato de que a velocidade ótima da ponta da hélice é dada como uma função da velocidade do vento. A proporção ótima entre a velocidade da ponta da hélice e a velocidade do vento, daqui em diante referida como a proporção da velocidade da ponta, será para um moinho de vento de três hélices, normalmente, da ordem de 6, dependendo da proporção de comprimento/amplitude das hélices. Quando a velocidade do vento for idêntica, a velocidade angular do rotor, portanto, irá diminuir para um moinho de vento com maior diâmetro de rotor. 0 rendimento produzido, caso sejam desconsideradas as perdas, é o produto da velocidade angular do rotor pelo torque do rotor; P = Μτ*ω, onde P é o rendimento, Mt é o torque e ω é a velocidade angular.

0 aumento no torque, o qual deve ser transferido do rotor aerodinâmico, através da engrenagem de transmissão, para um gerador elétrico, quando a potência for aumentada mediante aumento do diâmetro do rotor, pode então ser estimado pelas seguintes considerações: P = Cp*p*v3*A = Cp*p*v3*D2*7t/4

onde Cp é uma constante, ρ é a densidade do líquido ou ar, ν é a velocidade do vento, A é a área do rotor varrida e D é o diâmetro do rotor; e

ω = v*6/(Ό*π)*2*π = 12*v/D,

onde 6 é a proporção da velocidade da ponta.

A inserção de P e ω na fórmula: P = Μτ*ω proporciona:

Mt = Cp*p*v3*D2*7C*D/ (4*12*v) = Cp*p*v2*D3*7t/48, Mt = k*D3

onde k é constante para uma dada velocidade de vento e densidade de ar.

Assim, como o peso do rotor, o torque transferido

do rotor através da engrenagem de transmissão para o gerador irá aumentar pela potência ao cubo do diâmetro do rotor, enquanto que o rendimento somente aumenta pelo quadrado do diâmetro do rotor. Isso também significa que a transmissão (caixa de engrenagens) é submetida a grandes cargas desproporcionais no caso dos grandes moinhos de vento, pelo que será vantajosa a presença de uma solução de transmissão direta para o gerador. Um problema é que a velocidade de rotação é baixa no caso de grandes diâmetros de rotores, conforme descrito acima, existindo, ao invés disso, um aumento desproporcionalmente grande do necessário material ativo na parte do gerador para um moinho de vento de transmissão direta com grande diâmetro de rotor. Além disso, para os moinhos de vento de transmissão direta, se torna difícil com a tecnologia atual controlar o espaçamento de ar entre o estator e a parte elétrica do rotor, o que, normalmente, deve ser mantido dentro de mais ou menos um par de milímetros, devido às deflexões do eixo principal.

As condições descritas acima ilustram o problema do aumento do diâmetro do rotor de um moinho de vento, a fim de aumentar o rendimento. O peso e, como forte conseqüência, os custos por kWh produzido, para um moinho de vento na classe de megawatt, aumenta, aproximadamente, de forma linear em relação ao diâmetro do rotor, o que é inconveniente para a construção de moinhos de vento maiores usando a tecnologia conhecida atual. Além disso, tolerâncias de espaçamento de ar entre o estator e o rotor elétrico constituem um problema para os grandes geradores de transmissão direta. A fadiga nas hélices e na estrutura da torre em função da variação de velocidade do vento também constitui um problema, particularmente, para as instalações flutuantes.

As condições acima mencionadas representam as limitações mais significativas para construção de moinhos de vento de localização offshors, os quais são substancialmente maiores que aqueles de potência na faixa de 3 - 5MW.

Constante do estado da técnica nesse campo em particular, deve ser mencionado o documento de patente WO 02/099950 Al, o qual divulga uma turbina com um gerador de transmissão direta, em que a roda do estator e a roda do rotor são feitas de acordo com o mesmo princípio de uma roda de bicicleta com raios, pelo que, em uma extremidade, são fixadas a um anel externo ou aba e, na outra extremidade, são fixadas excentricamente em relação ao cubo. Desse modo, sao implementadas forças radiais e com uma certa intensidade, forças axiais. Entretanto, na descrição do documento é destacadamente indicado que a roda do rotor não incorpora hélices ou quaisquer outros meios de extração de energia do vento ou da água, particularmente, é indicado que as hélices não são montadas sobre elementos de tração. Além disso, nenhuma menção é feita na descrição de um cubo de grande diâmetro com um perfil fechado e vazado resistente à torção.

0 documento de patente DE 197 11 869 Al divulga uma turbina eólica com um cubo anular vazado. 0 cubo anular é dividido em duas partes geralmente no formato de L, em que uma das partes no formato de L é disposta na torre e em que as hélices da turbina são dispostas na outra parte em formato de L. A segunda parte em formato de L é suportada na primeira parte em formato de L por meio de um mancai. Novamente, na descrição não se menciona um cubo de grande diâmetro com um perfil vazado e fechado resistente à torção. Ao se observar as figuras, as partes em formato de L são formadas de placas sólidas de metal, ao invés de perfis vazados e fechados, o que significa que essa usina de energia eólica será incapaz de absorver os momentos de torção criados pela pressão do vento sobre as hélices.

O documento de patente DE 102 55 745 Al divulga uma usina de energia eólica em que cada hélice é montada no cubo com dois mancais De acordo com a descrição, a distância entre os dois mancais deve ser a maior possível, a fim de se obter uma óbvia economia de peso, em que as hélices são montadas em cavidades modeladas de formato cônico no cubo. 0 modo para se obter a distância maior possível entre os dois mancais é que um dos mancais seja posicionado. 0 projeto dessa usina de energia eólica, portanto, é similar aos de convencionais usinas de energia eólica, no que diz respeito ao cubo e à fixação das hélices no cubo. A descrição não menciona o uso de um cubo de grande diâmetro tendo um perfil fechado e vazado resistente à torção, sobre o qual as hélices do rotor de turbina são dispostas.

0 documento de patente WO 99/37912 Al divulga uma máquina elétrica anular, compreendendo um anel de rotor anular girando dentro de um anel de estator anular. A presente invenção é basicamente referida a um dispositivo propulsor para uma embarcação ou a usinas de energia eólica ou hidráulica relativamente pequenas, com diâmetros de cerca de 2 0 metros. Com relação aos acima mencionados documentos do estado da técnica, nada se menciona sobre um cubo de grande diâmetro tendo um perfil fechado e vazado resistente à torção, sobre o qual as hélices do rotor de turbina são dispostas. Os formatos anulares do anel do rotor serão inadequados para usinas de energia de grande escala, do tamanho que a presente invenção está correlacionada.

No presente Pedido de Patente, o termo "rotor de turbina" é usado como um termo coletivo para a unidade rotativa em uma usina de energia eólica ou hidráulica, que converte a energia provinda da água ou do vento em energia mecânica, a qual, por sua vez, é convertida em energia elétrica no gerador. 0 rotor do gerador onde os ímãs são montados é também referido como -um rotor elétrico. 0 rotor de turbina é também usado para se referir a meios propulsores da unidade de propulsão de uma embarcação.

0 termo "partes ativas" do gerador significa as partes que contribuem para a conversão de energia na usina d energia.

0 termo "fontes isentas de ferro", na presente invenção, significa os geradores que não utilizam materiais ferromagnéticos para conduzir campos magnéticos.

No desenvolvimento da presente invenção, foi objetivado construir um rotor de turbina e gerador integrados para usinas de energia, de custo adequando, particularmente, usinas de energia eólica de classificação na faixa de 5-15 MW, com um substancial aumento de diâmetro de rotor e conseqüente aumento de produção de energia, sem o anteriormente associado substancial aumento no peso das hélices e do cubo, e sem o torque ocasionador de forças mais intensas na estrutura, por kWh de energia produzida.

Também, se constituiu em um objetivo da invenção, que as peças pertinentes da referida invenção sejam adequadas para uso na produção de energia hidráulica, produção de energia hidraulica a partir de marés, e/ou sistemas de propulsão para barcos e navios, em que um rotor de turbina é usado como meio propulsor da embarcação.

Esses objetivos são alcançados mediante a presente invenção, conforme divulgado nas reivindicações independentes. Modalidades alternativas são divulgadas nas reivindicações dependentes, as quais são associadas a cada reivindicação independente.

A idéia básica que fundamenta a presente invenção é o uso de um cubo de formato substancialmente "toroidal", o qual é proporcionado na forma de dum perfil vazado e fechado. As hélices do rotor de turbina são fixadas ao cubo de formato toroidal. É importante que o perfil seja vazado e fechado, a fim de manter baixo o peso do cubo de formato toroidal e, ao mesmo tempo, prover a necessária resistência e capacidade de absorver momentos de flexão, criados pela pressão do vento sobre as hélices do rotor de turbina, que são transferidos para o cubo de formato toroidal na forma de momentos de torção. Um dispositivo de desacoplamento das forças radiais e axiais do rotor de turbina é também obtido pela presente invenção, enquanto apenas as forças radiais são atuantes no mancai central, dessa forma, eliminando que os momentos de flexão sejam transferidos para o mancai central. Conforme explicado acima, as turbinas eólicas divulgadas nos documentos do estado da técnica são incapazes de alcançar tais objetivos, isto é, não são capazes de absorver os momentos de torção e, ao mesmo tempo, manter o peso suficientemente baixo para as usinas de energia eólica de grande porte.

0 cubo de formato toroidal, geralmente, apresenta o formato de um toro, o que, de modo importante para a presente invenção, apresenta duas relevantes seções transversais. A seção transversal aqui indicada por seção transversal A, é uma seção através da qual o cubo é perpendicular ao eixo de rotação do rotor de turbina. Esta seção cria um anel com dois círculos concêntricos, no caso do cubo apresentar o formato de um toro. 0 diâmetro do círculo externo do anel ou do círculo que circunscreve o anel de formato poligonal (como um elemento assemelhado a um toro, ver abaixo), obtido na seção transversal A é também chamado como o grande diâmetro do toro ou do elemento assemelhado a um toro. A outra seção transversal aqui indicada como seção transversal B é a seção tomada em um plano que é paralelo ao eixo de rotação do rotor de turbina, e em cujo plano, o eixo de rotação está disposto. A seção transversal B consiste de dois formatos circulares, simetricamente colocados em cada lado do eixo de rotação do rotor de turbina, caso o cubo de formato toroidal seja um toro perfeito. Entretanto, conforme será explicado em maiores detalhes mais adiante, o cubo de formato toroidal do rotor de turbina não tem de ser um toro perfeito, podendo ser formado como um elemento assemelhado a um toro, em que a seção transversal A e/ou a seção transversal B do cubo podem ser fornecidas de diferentes formatos, por exempl o, um formato poligonal, particularmente, um formato poligonal regular, porém, não é limitada a esse formato. Outros formatos de seção transversal também irão servir. 0 formato do perfil do cubo, isto é, conforme pode ser visto na seção transversal B, é, entretanto, preferivelmente formado com uma forma tal, que a curvatura da curva que o perfil descreve apresenta o mesmo sinal ou é igual a zero (sobre uma parte plana do perfil), substancialmente em volta do inteiro contorno do perfil. Pequenos "dentes" no perfil do cubo, tomado na seção transversal B, podem também ser aceitáveis, porém, quanto maior for o "dente" e mais pontudo for o formato do "dente", menor eficiência terá o cubo de formato toroidal na absorção dos momentos de torção. Por exemplo, um "dente" no formato de V profundo no cubo irá substancialmente reduzir a capacidade do cubo em absorver os momentos de torção. Portanto, o formato do cubo tomado na seção transversal B é preferivelmente circular ou poligonal, por exemplo, mediante uso de uma viga no formato de caixa.

Numa modalidade prática de uma usina de energia eólica, o cubo de formato toroidal apresenta um diâmetro, geralmente, da ordem de 10-20%, pelo menos de 1/12 ( = 8,33%) do diâmetro do rotor. A seção transversal B do anel apresenta um diâmetro da ordem de tamanho do diâmetro das hélices, na sua fixação ao cubo, embora possa ser feito de maior ou menor tamanho. Uma ou mais hélices do rotor são dispostas contra o cubo de formato toroidal. Uma vez que as hélices do rotor são terminadas distante do eixo de rotação do rotor de turbina, as hélices do rotor serão de extensão mais curta e, conseqüentemente, os momentos de flexão na origem das hélices serão consideravelmente menores para os moinhos de vento que apresentam cubos tradicionais, com correspondente área de rotor. Conforme explicado, o cubo consiste de um cubo de formato toroidal, o qual é projetado para absorver momentos de torção e de flexão de grande intensidade, simultaneamente. Isto quer dizer que o peso morto das hélices é transferido como momento de flexão para o cubo de formato toroidal, enquanto que o momento de flexão que surge na origem das hélices devido às forças do vento é transferido como um momento de torção para o cubo de formato toroidal. 0 torque Mt do rotor de turbina que proporciona a produção de energia no gerador é absorvido diretamente no estator, sem passar através de um eixo central. Em uma modalidade da presente invenção, portanto, o eixo é idêntico ao do estator do gerador e consiste de um anel anular curto com um grande diâmetro periférico, adaptado ao diâmetro periférico do cubo, disposto diretamente contra o alojamento do motor ou estrutura de suporte da instalação de energia eólica. Isso significa que os tradicionalmente grandes esforços de torção Mt no eixo, provocados pelo torque do rotor, são substancialmente reduzidos e, na prática, eliminados como um problema.

O mancai principal da usina de energia eólica da presente modalidade, que é idêntica ao mancai do gerador elétrico, consiste na presente invenção, preferivelmente, de um mancai magnético estável na periferia do cubo.

O mancai pode consistir ainda de um mancai axial magnético disposto na periferia do cubo, combinado com um mancai central mecânico radial. Nesse caso, o mancai magnético será montado entre o cubo de formato toroidal e o anel do estator, onde as forças axiais são absorvidas, enquanto as forças radiais são absorvidas mediante disposição de um raio ou um sistema de placas, entre o cubo de formato toroidal e um mancai mecânico disposto contra a estrutura fixa do moinho de vento, no centro do eixo de rotação.

Opcionalmente, pode ser usado um mancai simplesmente magnético, o qual absorve forças axiais e radiais mediante uso de um arranjo de Halbach. De acordo com o teorema de Earnshaw, não é possível se obter um mancai magneticamente estável simplesmente através do uso de ímãs permanentes (se não for utilizada uma supercondutividade sob temperaturas extremamente baixas). Isso é descrito em maiores detalhes nas Patentes U.S. Nos. 6.111.332 e 5.495.221. Para evitar a afirmação descrita pelo teorema de Earnshaw sobre a instabilidade magnética, um mancai magnético passivo, conforme descrito nas duas patentes acima mencionadas, de acordo com o chamado arranjo de Halbach, pode ser usado para suportar o cubo ou, opcionalmente, um mancai eletromagnético ativo com servocontrole ativado, a fim de obter estabilidade magnética e amortecimento. Uma solução híbrida que consiste de ímãs permanentes e um mancai eletromagnético ativo, com um dispositivo de servocontrole ativado pode também ser usada para suportar o cubo.

Alternativamente, o cubo pode ser equipado com um mancai magnético passivo e estável, com os ímãs permanentes organizados em um arranjo de Halbach ou, opcionalmente, em uma configuração similar, apresentando a função de um mancai para o cubo e, ao mesmo tempo, contendo as partes ativas do gerador, isto é, os ímãs e os condutores elétricos em um gerador de transmissão direta.

Em ambos os casos mencionados acima, os enrolamentos elétricos no estator são, preferivelmente, isentos de ferro (sem o núcleo ferromagnético), a fim de evitar substanciais forças de atração magnética no gerador. 0 estator do gerador contém os enrolamentos elétricos para a produção de energia elétrica e, opcionalmente (quando utilizar apenas um único suporte magnético com um arranjo de Halbach), enrolamentos elétricos como uma parte dos mancais magnéticos.

Os mesmos enrolamentos podem, opcionalmente, apresentar uma função de produção de energia elétrica e, ao mesmo tempo, formar total ou parcialmente os enrolamentos elétricos que são necessários no mancai magneticamente estável. Os enrolamentos elétricos no estator são, conforme indicado acima, preferivelmente, isentos de ferro, porém, podem conter ferro nas áreas ao longo do estator em que tal força extra de atração magnética é desejada. Para uma alternativa descrita acima, o mancai passive estável consiste de potentes ímãs permanentes dispostos em um sistema especial (arranjo de Halbach ou sistema similar) no cubo ou diretamente no rotor elétrico e condutores elétricos que são dispostos no estator. Quando os ímãs são estabelecidos em movimento, é produzida uma corrente nos condutores elétricos que repele os ímãs no rotor elétrico. Os ímãs são, dessa forma, posicionados em duas ou t rês filas no rotor elétrico, de modo a que o sistema se torne estável contra as forças externas axiais e radiais. É ainda proporcionado um suporte mecânico que suporta o rotor até que o mesmo tenha alcançado uma suficiente velocidade, para que o mancai magnético se torne ativo. Isso será também necessário nos casos em que é usado um mancai eletromagnético, caso ocorram cortes no suprimento de energia ou defeitos no sistema de servocontrole. Borracha ou outro material de amortecimento com satisfatórias propriedades de amortecimento podem ser usados em conexão com a fixação dos ímãs à estrutura, a fim de aumentar as propriedades de amortecimento do mancai magnético, conforme descrito.

Quanto mais próximos os ímãs estiverem dos condutores elétricos, maiores serão as forças de repelência. Ao dispor os ímãs no rotor elétrico em um arranjo de Halbach, é possível evitar a afirmação descrita no teorema de Earnshaw quanto à instabilidade magnética, obtendo-se um mancai magneticamente estável radial e axialmente. O espaçamento de ar para um gerador baseado nos princípios de um arranjo de Halbach isento de ferro, pode ser aumentado de um par de milímetros para mais de 2 0 mm, onde núcl sos de ferro são usados nos enrolamentos do estator. Assim, de acordo com a invenção, é possível, simultaneamente, facilmente construir as tolerâncias de flexão para as partes estruturais de suporte do gerador, na usina de energia eólica, o que em conexão com o estado da técnica, constitui uma área problemática, especialmente para geradores de energia eólica de grandes diâmetros.

Atualmente, são comercialmente disponíveis ímãs permanentes robustos, por exemplo, ímãs de neodímio, com uma força magnética de até 50 toneladas por metro quadrado de face ativa. Esses ímãs serão suficientes para absorver todas as forças de dimensionamento relevantes nos mancais descritos para o rotor da usina de energia eólica. De acordo com o presente pedido de patente, é vantajoso que o cubo seja de grande diâmetro, de modo que os braços do momento sejam também grandes, a fim de suportar diferentes cargas sobre o rotor, tal como, uma diferente distribuição das forças do vento nas diferentes hélices.

0 cubo compreendendo o rotor elétrico, mancai magnético e estator, pode ser também dotado de aletas de resfriamento, para direto resfriamento do ar proveniente da corrente de ar que passa através da parte central do cubo aberto, visto na direção do vento. Os enrolamentos do estator, preferivelmente, serão embutidos em uma parte compósita do estator, sem a presença de um núcleo de ferro. Esta dita parte, vantajosamente, pode ser perfurada, de modo que a água, óleo ou outro adequado refrigerante possa circular em volta dos enrolamentos do estator. Opcionalmente, uma circulação natural do ar através desses furos de resfriamento pode ser um resfriamento suficiente do estator e/ou se esses furos forem dispostos no rotor elétrico, também dos ímãs no rotor.

Será possível se dispor o gerador com o mancai magnético de um modo inverso à disposição que foi descrita acima. Os ímãs, então, irão se dispor no estator e nos enrolamentos elétricos no rotor. Nesse caso, a energia elétrica deve ser trazida de volta para o restante da usina de energia eólica através de anéis de deslizamento elétricos. De modo coaxial com o centro do cubo circular é proporcionado um mancai de anel deslizante (não mostrado), que transfere a necessária energia elétrica para o rotor, para motores de controle de afastamento, luzes, etc. Além disso, é proporcionado um contato elétrico entre o rotor e a nacela/torre para descarga da corrente em conexão com os cursos da iluminação. Esse contato pode ser um contato deslizante ou um contato aberto, também, coaxial com o centro do cubo circular com uma pequena abertura, ao longo da qual um percurso de iluminação será capaz de saltar em um arco de luz (não mostrado).

Numa segunda modalidade da invenção, as forças axiais provenientes do rotor de turbina são alimentadas dentro de um mancai mecânico central, sem transferência dos momentos de flexão das hélices do rotor para o mancai central. Essa segunda modalidade é mostrada na figura 8, conforme visto em uma seção vertical paralela ao eixo de rotação do rotor. As hélices (107) são conectadas ao cubo de formato toroidal (105) através do sistema de mancai de afastamento ou passo (108) e do elemento de montagem (106), de uma maneira similar à primeira modalidade. Entretanto, os elementos estruturais (101) que conectam o cubo de formato toroidal ao mancai central (104) são também tornados rígidos na direção axial, conseqüentemente, os momentos de flexão podem ser transferidos para o mancai central. Entretanto, esses momentos de flexão serão consideravelmente menores do que para uma turbina eólica convencional conforme o estado da técnica, pelo fato de que os momentos de flexão no mancai central se constituirão apenas em um resultado das forças axiais que são transferidas entre o cubo de formato toroidal e os elementos estruturais (101) e a distância radial do cubo de formato toroidal no ponto (112) para o mancai central. Nenhum momento de flexão proveniente das hélices é transferido para o mancai central. Isso é garantido mediante aplicação de uma conexão flexível entre o formato toroidal e os elementos estruturais (101) no ponto (112), permitindo ao formato toroidal o movimento de torção (a amplitude da torção no formato toroidal, tipicamente, é menor que 1 grau). Desse modo, praticamente todos os momentos de flexão provenientes das hélices são absorvidos pelo cubo de formato toroidal, ao mesmo tempo em que o rotor está ainda transferindo as forças de empuxo axial do rotor de turbina para a nacela (110), através do mancai central (104) e de um eixo principal fixo (não-rotativo) (109) .

Dessa maneira, os elementos estruturais do estator (100), que consistem de quaisquer adequados elementos estruturais, como uma placa circular ou um sistema de raios e aba, ou um sistema similar, são somente introduzidos com o torque produtor de energia. Isso garante uma estrutura de estator mais leve e menos dispendiosa. Os enrolamentos elétricos produtores de energia (112) e os ímãs do rotor elétrico (102) podem ser mantidos no interior do rotor da turbina. Para evitar sensibilidade em ralação às deflexões entre o estator elétrico e os elementos de rotor elétrico (ímãs) , pode ser instalado um mancai magnético dirigido axialmente (não mostrado nessa figura) entre o estator e o rotor, na vizinhança dos enrolamentos elétricos produtores de energia, similar à primeira modalidade da invenção, para garantir que uma suficiente folga do afastamento de ar seja mantida em todas as ocasiões. É também vantajoso que se utilizar enrolamentos elétricos isentos de ferro, para evitar completamente quaisquer forças atrativas entre o estator elétrico e o rotor elétrico. A necessária dimensão do mancai magnético para essa modalidade é muito menor que para a primeira modalidade, uma vez que a maioria das forças axiais provenientes do rotor de turbina é agora alimentada diretamente para o mancai central e os elementos estruturais do estator (100) podem ser tornados bastante flexíveis para deslocamentos axiais (isto é, se feitos como uma única placa circular), conseqüentemente, o mancai magnético irá facilmente desviar o estator axialmente, conforme exigido para garantir a desejada posição central para o afastamento de ar no gerador.

A figura 9 mostra um exemplo de uma conexão flexível entre o cubo de formato toroidal (105) e os elementos estruturais do estator (101). Isto pode ser feito mediante uma única peça, seguindo o inteiro círculo interno do formato toroidal ou pode ser dividido em diversas unidades mais curtas. Placas de calço de material flexível (201), que podem ser de um material de borracha ou similar, são usadas para conectar um elemento estrutural (203) com cavilhas (202), de um modo flexível, ao cubo de formato toroidal (105) . Uma placa de calço de metal (205) é usada para espalhar as cargas sobre o material flexível. Uma perfuração (204) é feita no elemento estrutural (203) para possibilitar a inserção das cavilhas. Os elementos estruturais (101) (ver a figura 9) são conectados ao elemento estrutural (203). Placas mais rígidas (206) são usadas para garantir que as rotações flexíveis ocorram apenas no mancai flexível.

De acordo com a presente invenção, as seguintes vantagens são obtidas:

1) Substancial aumento na área de varredura do rotor (conseqüentemente, de produção de energia), sem aumentar o comprimento e o peso das hélices do rotor; 2) Acentuado aumento do diâmetro do cubo, enquanto que o seu peso é diminuído;

3) Pequenos esforços de torção (sobre o eixo de rotação) sobre o cubo e o eixo, devido ao grande diâmetro do cubo;

4) Transmissão direta, permitindo a omissão de uma unidade de transmissão (engrenagem) e, ao mesmo tempo, um aumento na velocidade periférica entre o estator e o rotor elétrico (os ímãs) e, dessa forma, uma menor exigência de material ativo no gerador;

5) Maior tolerância de afastamento de ar entre o estator e o rotor elétrico, de modo que isto não se constitui mais em um parâmetro crítico;

6) Resfriamento direto do ar, sem qualquer necessidade de sistemas de bombeamento para circulação do refrigerante;

7) Nenhum contato entre as partes móveis no mancai principal ou no gerador durante a operação, de modo que o desgaste e a manutenção são substancialmente reduzidos;

8) Acima de 50% de redução do peso total do rotor e gerador, comparado com o dimensionamento citado pelo estado da técnica para uma turbina eólica classificada na faixa de MW a 10 MW.

Numa primeira modalidade da invenção, é proporcionado um rotor de turbina para uma usina de energia eólica ou energia hidráulica, ou para meios propulsores de uma embarcação. 0 rotor de turbina compreende um cubo de formato toroidal que, conforme visto numa seção transversal B, é configurado na forma de um perfil fechado e vazado resistente à torção. 0 cubo de formato toroidal é ainda modelado na forma de:

- um toro, o toro na seção transversal B, sendo modelado no formato circular e o toro na seção transversal A, sendo modelado no formato de anel, em que os contornos externos e internos do anel são circulares; ou - um elemento assemelhado a um toro, o elemento assemelhado a um toro na seção transversal B sendo modelado no formato poligonal ou circular, e o elemento assemelhado a um toro na seção transversal A sendo modelado no formato de anel, em que os contornos externos e internos do anel são modelados de forma poligonal ou circular.

No toro ou elemento assemelhado a um toro é proporcionada, pelo menos, uma hélice de rotor.

Os formatos poligonais das seções transversais A e/ou B do elemento assemelhado a um toro mencionado acima, são, preferivelmente, de polígonos regulares, mas essas seções transversais podem também apresentar formatos poligonais irregulares.

O tamanho do cubo modelado no formato de um toro ou de um elemento assemelhado a um toro (substancialmente no formato totroidal) é proporcionado grande em relação ao diâmetro total do rotor de turbina, se comparado com o das usinas de energia conhecidas. Preferivelmente, a distância do eixo de rotação do rotor de turbina para o contorno externo do anel formado na seção transversal A do cubo de formato toroidal, ou para um círculo que circunscreve o polígono externo do anel formado na seção transversal A do cubo de formato toroidal, se o formato do anel for poligonal, é de pelo menos 1/12 do raio do rotor de turbina, isto é, a distância do eixo de rotação do rotor de turbina para a ponta de uma hélice.

O pequeno diâmetro do cubo de formato toroidal, conforme visto na seção transversal B, preferivelmente, é substancialmente do mesmo tamanho que do diâmetro de pelo menos uma hélice na sua porção de origem. Entretanto, o pequeno diâmetro do cubo pode ser feito um pouco menor que o diâmetro das hélices do rotor de turbina. Obviamente, o diâmetro menor pode também se tornar maior que o diâmetro das hélices, porém, deve ser mantido o menor possível, uma vez que é desejável se manter o peso da turbina o mais baixo possível. Entretanto, o mais importante é que o cubo de formato toroidal deva ser suficientemente robusto, de modo que possa absorver os momentos de torção e de flexão causados pela pressão do vento sobre as hélices.

As hélices do rotor de turbina podem ser fixadas diretamente ao cubo de formato toroidal com um mancai de afastamento ou passo. Outra opção é fazer uso de elementos de montagem que são montados no cubo de formato toroidal. Os elementos de montagem, preferivelmente, são modelados com um orifício vazado, com um formato e tamanho correspondentes ao formato e tamanho do cubo de formato toroidal, de modo que o elemento de montagem envolva o cubo de formato toroidal, quando o elemento de montagem estiver montado no dito cubo de formato toroidal. A peça cortada fora para produzir o furo vazado é preferivelmente reinstalada (após o chanframento de alguma porção de material, ao se levar em conta a espessura da parede do formato toroidal) no interior do perfil vazado do formato toroidal, para atuar como um elemento de reforço. Dessa maneira, a capacidade estrutural do formato toroidal e do elemento de montagem é mantida também intacta, depois de ser produzido o furo vazado no elemento de montagem.

Os momentos de flexão na origem de cada hélice devido às forças do vento, desse modo, são transferidos para o cubo de formato toroidal como simples forças de cisalhamento em volta do orifício do espaço cortado para o furo vazado. Este é um modo benéfico para se evitar uma alta concentração de esforços na "junta tubular" entre o elemento de montagem e o cubo de formato toroidal. Os momentos de flexão que ocorrem na origem de cada hélice devido às forças de gravidade das hélices são transferidos como um par de forças, com o braço efetivo sendo a largura (diâmetro) do elemento de montagem. As forças são transferidas com as peças cortadas reinstaladas como reforço interno, conseqüentemente, garantindo uma junta rígida e elegante, com baixa concentração de esforços e alta resistência à cambagem.

Uma hélice de rotor é fixada a cada um dos elementos de montagem, de modo que as hélices do rotor se estendam substancialmente de forma radial para fora do eixo de rotação do rotor de turbina. Preferivelmente, o rotor de turbina é fixado âo elemento de montagem com um mancai de afastamento ou passo, porém, o rotor de turbina pode ser também fixado ao elemento de montagem sem a utilização de tal mancai.

Numa adicional modalidade da invenção, o rotor de turbina compreende pelo menos duas hastes de tração, as quais, nas suas primeiras extremidades são fixadas ao cubo de formato toroidal e nas suas segundas extremidades são fixadas a um mancai central montado sobre um cubo central, em que o mancai central e o cubo central são coaxiais em relação ao centro do eixo do estator.

As hastes de tração, preferivelmente, são dispostas de modo que permaneçam, substancialmente, no mesmo plano, dessa forma, transferindo as forças radiais e muito pouco ou nenhuma das forças dirigidas axialmente que foram criadas pela pressão do vento no rotor de turbina.

0 rotor de turbina ao invés de utilizar hastes de tração, pode ser provido de pelo menos duas hastes de pressão, que nas suas primeiras extremidades são fixadas ao cubo de formato toroidal e nas suas segundas extremidades são fixadas a um mancai central montado sobre um cubo central, em que o mancai central e o cubo central são coaxiais em relação ao eixo central do estator. As hastes de pressão são preferivelmente dispostas, de modo que permaneçam, substancialmente, no mesmo plano, dessa forma, transferindo as forças radiais e muito pouco ou nenhuma das forças dirigidas axialmente que foram criadas pela pressão do vento no rotor de turbina.

Em uma modalidade da invenção, o rotor do gerador é montado no cubo de formato toroidal.

Em outra modalidade da invenção, o rotor de turbina compreende pelo menos dois conjuntos de elementos de suporte, os quais se estendem, respectivamente, entre uma área de fixação do cubo de formato toroidal e pelo menos dois mancais centrais dispostos espaçados. 0 rotor de turbina, preferivelmente, compreende dois conjuntos de elementos de suporte, podendo também apresentar mais de dois conjuntos, por exemplo, quatro ou seis conjuntos de elementos de suporte. Os elementos de suporte podem compreender hastes ou placas ou outros adequados elementos e combinação de diferentes tipos de elementos, na medida em que sejam capazes de transferir forças axiais, forças essas devido à pressão do vento, para o cubo central, no qual o rotor de turbina é suportado. Os momentos de torção dedvido à pressão do vento e os momentos de flexão devido ao peso das hélices serão absorvidos no toro substancialmente no formato toroidal.

A área de fixação, preferivelmente, é localizada no interior do cubo de formato toroidal, sobre a parte do cubo de formato toroidal que se defronta substancialmente na direção do eixo de rotação do rotor de turbina. Os elementos de suporte são preferivelmente montados no cubo de formato toroidal, na área de fixação, de modo que se disponham em contato entre si, formando, dessa forma, um ângulo α entre eles. Esse ângulo pode ser escolhido de uma ampla variedade de valores de ângulos, porém, inferior a 902. Preferivelmente, o ângulo α é inferior a 502 , mais preferivelmente, inferior a 25a. Se existirem mais de dois conjuntos de elementos de suporte, cada conjunto, obviamente, irá formar um ângulo entre eles, que será diferente do ângulo formado entre os elementos de suporte dos outros conjuntos.

Preferivelmente, são fixados ímãs a um ou a ambos dos pelo menos dois conjuntos de placas de suporte, onde os ímãs formam uma parte de um gerador elétrico.

Em um segundo aspecto da presente invenção, é proporcionada uma usina de energia, compreendendo um gerador de transmissão direta para conversão da energia contida no vento ou na água circulante em energia elétrica, a usina de energia compreendendo uma torre, na qual é montado um alojamento. 0 alojamento compreende um cubo central fixo e a planta de energia compreende um rotor de turbina que é formado de acordo com quaisquer das reivindicações 1-7 ou 13-16. 0 rotor de turbina é suportado sobre pelo menos dois mancais dispostos espaçados, e o estator do gerador de transmissão direta é montado no cubo central.

0 estator do gerador de transmissão direta pode ser montado no cubo central, entre os referidos pelo menos dois mancais dispostos espaçados, com um número igual de mancais em cada lado do estator ou ser montado sobre cada lado dos mancais. Se os elementos de suporte forem constituídos de placas, então, a área entre o cubo de formato toroidal e o cubo central pode ser completa ou parcialmente coberta por pelo menos dois conjuntos de placas. Isso é também possível para prover as placas com furos.

Em um terceiro aspecto da presente invenção, é proporcionada uma usina de energia, compreendendo um gerador de transmissão direta para conversão da energia contida no vento ou na água circulante em energia elétrica. A usina de energia compreende uma estrutura de torre e um rotor de turbina, e o gerador de transmissão direta compreende um rotor de gerador, que é montado no rotor de turbina. A usina de energia compreende ainda um estator, o qual é montado na estrutura de torre e um mancai que suporta o rotor de turbina no estator. 0 rotor de turbina da usina de energia é formado de acordo com quaisquer das reivindicações 1-15, e o rotor de turbina apresenta um eixo de rotação que coincide com o eixo central do estator do gerador de transmissão direta.

Em uma modalidade da invenção, o cubo de formato toroidal, modelado no formato de um toro ou de um elemento assemelhado a um toro, do rotor de turbina é suportado no estator por um mancai magnético. Esse mancai magnético pode ser um mancai magnético passivo ou um mancai eletromagnético ou uma combinação dos dois. Numa modalidade da invenção, o cubo de formato toroidal é suportado por um mancai magnético disposto axialmente contra o estator, a fim de absorver âs forças e momentos de flexão globais causados por diferentes pressões do vento em cada hélice do rotor, ao mesmo tempo em que o cubo de formato toroidal é suportado radialmente por meio de um mancai convencional, que absorve as forças radiais. A fim de absorver as forças radiais, o rotor de turbina pode compreender pelo menos duas hastes de tração, ou pelo menos duas hastes de pressão, conforme já anteriormente descrito, em que as ditas hastes em uma das extremidades, são fixadas a um mancai central provido sobre um cubo central, o mancai central e o cubo central sendo dispostos de forma coaxial em relação ao eixo central do estator, e nas outras extremidades são fixadas ao cubo de formato toroidal. As hastes de tração ou de pressão, preferivelmente, se dispõem substancialmente no mesmo plano, a fim de transmitir substancialmente apenas as forças radiais, na medida em que a maioria das forças axiais será absorvida pelo mancai magnético. Outra opção é se utilizar as referidas hastes sem qualquer tipo de pré-tensionamento (pressão ou tração).

Em outra modalidade da presente invenção, o mancai magnético é um mancai magnético passivo, em que os ímãs são dispostos em um arranjo de Halbach.

Em ainda outra modalidade da presente invenção, os ímãs no estator são substituídos por condutores elétricos curto-circuitados.

Em uma adicional modalidade da presente invenção, os enrolamentos produtores de corrente são instalados sem a presença de núcleos de ferro magneticamente condutores.

Em outra modalidade da presente invenção, os ímãs do gerador, preferivelmente, consistem de ímãs permanentes dispostos em um arranjo de Halbach.

Em outra modalidade da invenção, a distância mais curta, a partir do eixo de rotação do cubo de formato toroidal, para o centro da área da face de transferência de força do mancai magnético, é menor que a distância a partir do eixo de rotação do cubo de formato toroidal para o eixo neutro, para torção da seção transversal do cubo de formato toroidal. Tal posicionamento dos mancais magnéticos significa que os deslocamentos de uma parte do rotor do mancai magnético numa direção axial são neutralizados, devido à flexão e torção no cubo de formato toroidal, causadas pela pressão do vento no rotor. A flexão local do cubo em torno de cada hélice, arrasta o mancai localmente na direção do vento, enquanto a ação de torção da seção transversal do cubo faz com que o mancai seja deslocado contra a direção do vento. Quando idealmente posicionado (com o ângulo a, conforme a figura 8) , os deslocamentos axiais do mancai magnético conectado ao cubo podem se neutralizar entre si, total ou parcialmente. Isso é vantajoso, pelo fato de que as faces do mancai magnético são mantidas niveladas (planas) o mais que possível, dessa forma, garantindo que elas não entram em contato entre si localmente, devido às deflexões do cubo.

Numa adicional modalidade da presente invenção, a fim de reduzir o risco do rotor do gerador entrar em contato com o estator do gerador, a rigidez à flexão do cubo de formato toroidal, quanto ao dobramento em relação a um plano que é perpendicular ao eixo de rotação do dito cubo de formato toroidal, é maior que a rigidez à flexão do estator, quanto ao dobramento em relação ao mesmo plano. Quando o estator apresenta uma rigidez à flexão que é menor que a rigidez à flexão do cubo de formato toroidal, o estator irá tender a acompanhar as deflexões locais no cubo de formato toroidal, devido à pressão do vento na turbina eólica e, dessa forma, reduzindo o risco de que o rotor e o estator entrem em contato.

Em outras palavras, isso significa que o mancai magnético apresenta uma flexibilidade local e que o estator pode ser defletido localmente se os ímãs em uma área do mancai magnético se aproximam do contato entre si. Numa modalidade preferida da invenção, a rigidez à flexão do cubo de formato toroidal quanto ao dobramento em relação a um plano que é perpendicular ao eixo de rotação do dito cubo de formato toroidal, é pelo menos duas vezes maior que a rigidez à flexão do estator quanto ao dobramento em relação ao dito plano.

Um quinto aspecto da presente invenção compreende o uso do rotor de turbina de acordo com quaisquer das reivindicações 1-16, em uma usina de energia eólica ou uma usina de energia hidráulica.

Um sexto aspecto da presente invenção compreende o uso do rotor de turbina de acordo com quaisquer das reivindicações 1-16, como um meio propulsor de uma embarcação. Uma descrição de exemplos não-limitativos de modalidades preferidas da invenção é apresentada a seguir, tal descrição sendo ilustrada pelos desenhos anexos, nos quais:

- a figura 1 ilustra uma usina de energia eólica com um rotor de turbina eólica, consistindo de hélices de rotor e cubo. A usina de energia eólica é montada em uma torre (7). A torre pode apresentar uma fundação fixa ou ser instalada numa localização offshore flutuante;

- a figura 2 ilustra o rotor de turbina eólica com hélices montadas sobre mancais de afastamento ou passo;

- a figura 3 é uma vista em perspectiva de um rotor desmontado de um estator;

- a figura 4 ilustra o estator, alternativamente, dividido em diferentes áreas;

- as figura 5A-5D ilustram quatro alternativas de seções transversais (seção transversal A-A, conforme indicado na figura 6) da combinação de mancai magneticamente estável e gerador;

- a figura 6 ilustra a combinação de mancai magnético axial e mancai mecânico radial;

- a figura 7 é uma vista de uma seção de uma usina de energia eólica;

- a figura 8 ilustra uma segunda modalidade da invenção;

- a figura 9 ilustra um exemplo de uma conexão flexível entre o cubo de formato toroidal e os elementos estruturais do estator;

as figuras 10-13 ilustram diferentes possíveis combinações do formato de configuração toroidal, na seção transversal A e seção transversal B;

- a figura 14 ilustra uma disposição em que a usina de energia eólica é usada como um sistema de propulsão para um veículo no ar ou na água; e - a figura 15 ilustra um sistema de propulsão em que o cubo envolve uma parte ou todo o casco da embarcação.

A seguir, a primeira modalidade da presente invenção se cor relaciona com uma modalidade em que o cubo de formato toroidal é suportado sobre o estator, com pelo menos, parcialmente, um mancai magnético, conforme mostrado, por exemplo, nas figuras 6 e 7, enquanto a segunda modalidade da invenção está correlacionada a uma modalidade em que o cubo de formato toroidal é suportado sobre um cubo central, conforme mostrado na figura 8

A figura 1 mostra uma usina de energia eólica (1) com uma produção de 10-12 MW, a qual é equipada com um grande cubo, geralmente no formato toroidal (6, 105), em que o cubo de formato toroidal pode apresentar um diâmetro da ordem de 2 0 m. O cubo de formato toroidal (6, 105) pode apresentar um diâmetro da ordem de 3 m, quando tomado na seção transversal B. As hélices do rotor (3, 4, 5) podem apresentar um comprimento de 60 m cada, sendo dispostas contra mancais de afastamento ou passo (8, 9, 10), conforme mostrado na figura 2, os quais são dispostos como capazes de girar as hélices em torno de seu eixo longitudinal, impulsionados a partir de um sistema de controle de passo (não mostrado) . As hélices podem ser fixadas ao cubo de formato toroidal usando um elemento de montagem (106), conforme mostrado, por exemplo, na figura 8. Os mancais de afastamento ou passo são dispostos nos elementos de montagem (106), sobre o cubo de formato toroidal (6) , com um ângulo de 1202 entre cada hélice (3, 4, 5). O cubo de formato toroidal (6, 105) é de perfil fechado e vazado, podendo consistir de um tubo circular vazado, conforme mostrado nas figuras 10a e 10b, em que o círculo externo (seção A) apresenta um diâmetro que corresponde a cerca de 15% do diâmetro do rotor de turbina e o tubo apresenta uma seção transversal de cerca de 100% da seção transversal das hél ices (3, 4, 5) na sua fixação ao mancai de afastamento. No interior do cubo de formato toroidal (6) da primeira modalidade é disposto um rotor elétrico (11), o qual é suportado contra uma parte do estator (12). O estator (12) é suportado por vigas rígidas à flexão (13), que conduzem as forças para dentro do resto da estrutura de suporte através de um tubo cilíndrico (14). O rotor e o estator são equipados com abas de resfriamento (16) ventiladas de forma natural.

A seção transversal do mancai de carga do cubo de formato toroidal (6, 105) consiste de um perfil circular fechado e vazado, de aproximadamente 3 m de diâmetro, que é adaptado para simultaneamente absorver grandes momentos de torção e de flexão, causados pelo peso e pressão do vento sobre as hélices do rotor. Na primeira modalidade da invenção, o estator (12) é suportado por vigas rígidas à flexão (13) que conduzem as forças dentro do restante da estrutura de suporte, através de um tubo cilíndrico (14) . Cada mancai de afastamento ou passo é conectado ao lado oposto do cubo de formato toroidal (6) através de hastes de tração ou hastes de pressão (15), todas as quais sendo conectadas entre si em um anel de âncora central ou placa de ancoramento (60) , que é radialmente suportada de forma mecânica contra um tubo cilíndrico (14) . As hastes de tração ou as hastes de pressão (15) são dispostas substancialmente no mesmo plano, de modo que as hastes de tração ou pressão não transferem forças axiais (diferentemente de uma roda de bicicleta, onde os raios são montados contra o cubo central em duas diferentes posições, axialmente, para possibilitar a absorção de forças axiais). As forças axiais provenientes do rotor causadas pela pressão do vento contra as hélices (3, 4, e 5) são transferidas diretamente para o estator (12), através de um mancai magnético alinhado axialmente (39), disposto entre o cubo de formato toroidal (6) e o estator (12) . Esse mancai magnético consiste de ímãs permanentes dirigidos opostamente, de modo que surgem forças de repulsão nas faces do mancai. O mancai é vantajosamente provido de dupla ação, isto é, consegue absorver as forças em ambas as direções axiais. Quatro filas de ímãs podem ser usadas no dito mancai a fim de alcançar tal objetivo. Alternativamente, podem ser usados eletroímãs no mancai. O torque Mt do rotor de turbina que proporciona a produção de energia é absorvido diretamente no estator (12), sem passar através de um eixo central. Portanto, o eixo fixo (12) é idêntico ao do estator do gerador e consiste de um curto anel anular, com um grande diâmetro periférico, adaptado ao diâmetro periférico do cubo de formato toroidal (6), disposto diretamente contra o alojamento de motor (14) ou estrutura de suporte (7) da usina de energia eólica, através de vigas (13) . O amortecimento do rotor (2) e do cubo (6) no plano do rotor (aqui definido como um plano que intersecta a ponta externa das três hélices) é executado pela modulação ativa da produção de energia do gerador, mediante um sistema de controle de um transformador de energia (um retificador e/ou um inversor, não mostrado), opcionalmente, em conjunto com um freio aerodinâmico que proporciona um amortecimento aerodinâmico no plano do rotor. Elementos de gerador de tecnologia conhecida, com os quais um especialista versado na técnica é familiar, podem ser usados pela presente invenção, sem precisar de uma descrição mais detalhada no presente relatório. Esses elementos podem, por exemplo, ser enrolamentos de estator inclinados ou ímãs, ou podem ser representados por uma distância irregular entre os ímãs ou os enrolamentos do estator, a fim de evitar desbastamento, etc., porém, não são limitados a isso. O mancai principal (39) é um mancai magnético estável, consistindo de ímãs permanentes (61), conforme mostrado na figura 6, os quais são dirigidos opostamente entre si, de modo que são criadas forças de repulsão entre os mesmos.

Embora os enrolamentos elétricos no estator, preferivelmente, sejam geralmente isentos de ferro, eles podem, alternativamente, conter núcleos de ferro nas áreas (21), (22).

Se existir um simples mancai magnético em ambas as direções radial e axial (com um arranjo de Halbach), um mancai mecânico (não mostrado) pode também ser proporcionado entre o rotor elétrico (11) e o estator (12), que suporta axial e radialmente o rotor elétrico, até que o mesmo tenha alcançado suficiente velocidade para que o mancai magnético se torne ativo.

Os ímãs permanentes (23) e (61) são fixados em uma base de borracha, a fim de proporcionar amortecimento radial e axial no mancai magneticamente estável.

A figura 6 mostra uma seção transversal preferida (seção transversal A-A, conforme indicado na figura 4) da combinação de mancai magneticamente estável e gerador, consistindo do gerador elétrico (62) composto do anel do estator (12) (montado na aba), com enrolamentos elétricos (24) sem núcleos de ferro e ímãs permanentes (23) no rotor. O rotor elétrico (11) com ímãs permanentes (23) constitui uma parte do cubo de formato toroidal (6), sendo fixado diretamente ao mesmo.

As figuras 5a, 5b, 5c e 5d mostram seções transversais alternativas (seção transversal A-A, conforme indicado na figura 6) da combinação de mancai magneticamente estável e gerador.

As figuras 6 e 7 representam vistas laterais de uma usina de energia eólica, apresentando o cubo de formato toroidal (6), com o gerador elétrico (11) disposto no referido cubo de formato toroidal (6) . 0 rotor elétrico (11) é fixado ao cubo de formato toroidal (6) . 0 rotor elétrico é configurado com um recesso anular, no qual se dispõe o estator (12). Este recesso pode ter a forma de um "ü", apontando para cima (figura 6) ou para baixo (figura 7). Para aumentar a área magnética disponível, é também possível proporcionar o gerador e o mancai magnético na forma de diversos discos axialmente sucessivos, consistindo de uma pluralidade de recessos na direção axial e uma pluralidade de anéis de estator associados. 0 rotor elétrico (11) e o estator (12) são providos de ímãs, que juntos formam um mancai magnético que absorve as forças axiais e momentos de flexão causados pela pressão do vento. 0 estator (12) do gerador elétrico (11) também compreende os elementos produtores de corrente, isto é, ímãs e enrolamentos do estator. É também concebível que os enrolamentos sejam dispostos no rotor elétrico e os ímãs no estator. 0 recesso anular no rotor elétrico (11) e no estator (12) pode apresentar diferentes modelos, por exemplo, conforme mostrado nas figuras 5a-5d e figura 6.

Para absorver as forças radiais, em particular, o peso do rotor de turbina, são providas hastes de tração ou hastes de pressão (15) , as quais são fixadas ao cubo de formato toroidal (6) em uma extremidade, e a um anel de ancoramento central ou placa de ancoramento (55) na outra extremidade, em que o anel de ancoramento ou placa de ancoramento (55) é radialmente suportada de forma mecânica contra um tubo cilíndrico (14).

Sobre o cubo de formato toroidal, são também montadas as hélices do rotor de turbina (3, 4, 5) nos seus respectivos mancais de afastamento ou mancais de passo.

As figuras 10-13 mostram diferentes configurações do cubo de formato geralmente toroidal (6, 105), que é fornecido na forma de um toro ou de um elemento assemelhado a um toro. Conforme explicado anteriormente, existem duas importantes seções transversais - seção transversal A e seção transversal B. Conforme pode ser observado das figuras, as duas seções transversais AeB podem apresentar um formato circular ou poligonal. 0 formato poligonal é preferivelmente regular, por exemplo, um formato de pentágono, hexágono, etc. As diferentes possíveis combinações de formato circular e formato poligonal são apresentadas nas figuras 10-13. As figuras IOa-IOb mostram o cubo de formato toroidal (6, 105), em que o formato é circular para ambas as seções transversais Ae B. Nesse exemplo, o cubo de formato toroidal apresenta a forma de um toro em si. As figuras IOa-IOb mostram o cubo de formato toroidal (6, 105), onde uma das seções transversais A ou B é de formato circular e a outra de formato poligonal (figuras 11-12), e a última opção em que ambas as seções transversais AeB são de formato poligonal (figura 13) . O cubo de formato toroidal mostrado nas figuras 11-13 tem a forma de um elemento assemelhado a um toro.

Na figura 8, uma segunda modalidade da invenção é apresentada, em que as forças axiais do rotor de turbina são alimentadas dentro de um mancai central mecânico, sem transferência dos momentos de flexão das hélices do rotor para o mancai central. Essa segunda modalidade é mostrada na figura 8, conforme visto numa seção vertical paralela ao eixo de rotação do rotor. As hélices (107) são conectadas ao cubo de formato toroidal (105) através do sistema de mancai de afastamento (108) e do elemento de montagem (106), de maneira similar à primeira modalidade. Entretanto, os elementos estruturais (101) que conectam o cubo de formato toroidal ao mancai central (104) são também tornados rígidos na direção axial, conseqüentemente, os momentos de flexão podem ser transferidos para o mancai central. Porém, esses momentos de flexão serão consideravelmente menores que os de uma turbina eólica convencional citada no estado da técnica, pelo fato de que os momentos de flexão no mancai central serão apenas o resultado das forças axiais que são transferidas entre o cubo de formato toroidal e os elementos estruturais (101) e a distância radial a partir do cubo de formato toroidal no ponto (112) para o mancai central. Isso é garantido pela aplicação de uma conexão flexível entre o formato toroidal e os elementos estruturais (101) no ponto (112), permitindo ao formato toroidal a ação de torção (a amplitude da torção no formato toroidal, tipicamente, é inferior a 1 grau). Dessa maneira, praticamente, todos os momentos de flexão provenientes das hélices são absorvidos pelo cubo de formato toroidal, ao mesmo tempo em que o rotor está ainda transferindo as forças de empuxo axial, do rotor de turbina para a nacela (110), através do mancai central (104) e de um eixo principal fixo (não-rotativo) (109).

Dessa maneira, os elementos estruturais do estator (100), consistindo de quaisquer adequados elementos estruturais, tais como, uma placa circular ou um sistema de raios e aba, ou um sistema similar, são apenas introduzidos com o torque produtor de energia. Isso garante uma estrutura de estator mais leve e menos dispendiosa. Os enrolamentos elétricos produtores de energia (112) e os ímãs do rotor elétrico (102) podem ser mantidos no interior do rotor da turbina. Para evitar sensibilidade em ralação às deflexões entre o estator elétrico e os elementos de rotor elétrico (ímãs), pode ser instalado um mancai magnético dirigido axialmente (não mostrado nessa figura) entre o estator e o rotor, na vizinhança dos enrolamentos elétricos produtores de energia, similar à primeira modalidade da invenção, para garantir que uma suficiente folga do afastamento de ar seja mantida em todas as ocasiões. É também vantajoso que se utilizar enrolamentos elétricos isentos de ferro, para evitar completamente quaisquer forças atrativas entre o estator elétrico e o rotor elétrico. A necessária dimensão do mancai magnético para essa modalidade é muito menor que para a primeira modalidade, uma vez que a maioria das forças axiais provenientes do rotor de turbina é agora alimentada diretamente para o mancai central e os elementos estruturais do estator (100) podem ser tornados bastante flexíveis para deslocamentos axiais (isto é, se feitos como uma única placa circular) , conseqüentemente, o mancai magnético irá facilmente desviar o estator axialmente, conforme exigido para garantir a desejada posição central para o afastamento de ar no gerador.

A figura 9 mostra um exemplo de uma conexão flexível entre o cubo de formato toroidal (105) e os elementos estruturais do estator (101) . Isto pode ser feito mediante uma única peça, acompanhando o inteiro círculo interno do formato toroidal ou pode ser dividido em diversas unidades mais curtas. Placas de calço de material flexível (201) , que podem ser de um material de borracha ou similar, são usadas para conectar um elemento estrutural (203) com cavilhas (202), de um modo flexível, ao cubo de formato toroidal (105). Uma placa de calço de metal (205) é usada para espalhar as cargas sobre o material flexível. Uma perfuração (204) é feita no elemento estrutural (203) para possibilitar a inserção das cavilhas. Os elementos estruturais (101) (ver a figura 9) são conectados ao elemento estrutural (203). Placas mais rígidas (206) são usadas para garantir que as rotações flexíveis ocorram apenas no mancai flexível.

A invenção pode ser também usada como um sistema de propulsão para aeronaves e também para todos os tipos de embarcações e barcos que se dispõem na água. O rotor de turbina (2), com o cubo de formato toroidal (6), mancais de afastamento ou passo (8, 9, 10) e mancai magnético (39), nesse exemplo da invenção, será disposto como um meio propulsor. O gradiente de tamanho, resistência e torção, etc., do meio propulsor é alterado para tal finalidade, de acordo com o citado no estado da técnica. O gerador é depois processado como um motor elétrico. O sistema de propulsão é disposto sobre uma embarcação (37), que deverá ser movimentada pelo referido sistema de propulsão, em que dois exemplos são mostrados nas figuras 14 e 15. Sobre a embarcação (37) ou casco, em uma alternativa da invenção, uma conexão aerodinâmica pode ser montada sobre possíveis outras partes do objeto/casco que deverá ser movimentado. Em outra alternativa da invenção, o sistema de propulsão (40) é disposto com um leme (não mostrado) . Em ainda outra modalidade da invenção, o sistema de propulsão (40) é disposto de tal modo que o próprio sistema de propulsão possa ser girado em torno de um eixo vertical, numa fixação rotativa à embarcação, como um propulsor com ângulo de azimute. Diversas outras configurações para montagem de um propulsor, de acordo com o citado no estado da técnica, são possíveis. O propulsor pode apresentar um maior ou menor número de hélices em relação à modalidade preferida aqui ilustrada. A embarcação (37) pode também ser dotada de diversos meios propulsores.

Claims

1. Rotor de turbina para uma usina de energia eólica ou hidráulica, ou para meios propulsores de uma embarcação, caracterizado pelo fato de que o rotor de turbina compreende um elemento de centro ou cubo, geralmente no formato toroidal (6), cujo cubo no formato toroidal é configurado na seção transversal B na forma de um perfil fechado e vazado, e em que o cubo no formato toroidal é modelado ou na forma de um toro - o toro sendo modelado de modo circular na seção transversal B e no formato de anel na seção transversal A, em que os contornos externos e internos do anel são circulares - ou na forma de um elemento assemelhado a um toro, o elemento assemelhado a um toro sendo de formato poligonal ou circular na seção transversal Beo toro sendo no formato de anel na seção transversal A, em que os contornos externos e internos do anel são de formato poligonal ou circular, e em que no referido toro ou referido elemento assemelhado a um toro é provida uma pá de rotor.

2. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as formas poligonais das seções transversais A e/ou seções transversais B do elemento assemelhado a um toro são de polígonos regulares.

3. Rotor de turbina, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a distância do eixo de rotação do rotor de turbina para o contorno externo do anel formado na seção transversal A do cubo de formato toroidal ou para um círculo que circunscreve o polígono externo do anel formado na seção transversal A do cubo de formato toroidal, caso a forma do anel seja poligonal, é de pelo menos 1/12 do raio do rotor da turbina, isto é, a distância do eixo de rotação para uma ponta da pá.

4. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pequeno diâmetro do cubo de formato toroidal é substancialmente do mesmo diâmetro de pelo menos uma pá, na porção de origem da pá.

5. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos iam elemento de montagem (106) é montado no cubo de formato toroidal, o elemento de montagem (106) sendo modelado com um orifício vazado de formato e tamanho correspondente ao formato e tamanho do cubo de formato toroidal (105), de tal modo que o elemento de montagem (106) envolve o cubo de formato toroidal (105), quando o elemento de montagem é montado no cubo de formato toroidal (105).

6. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que uma pá de rotor (107) é fixada ao elemento de montagem (106), a pá de rotor (107) se estendendo substancialmente para fora do eixo de rotação do rotor de' turbina.

7. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a pá de rotor (107) é fixada ao elemento de montagem (106) com um mancai de afastamento (108) .

8. Rotor de turbina, de acordo com quaisquer das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que o rotor de turbina compreende pelo menos duas hastes de tração que nas suas primeiras extremidades são fixadas ao cubo de formato toroidal e nas suas segundas extremidades são fixadas a um mancai central montado sobre um cubo central, o mancai central e o cubo central sendo coaxiais em relação ao eixo central do estator.

9. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as hastes de tração se dispõem substancialmente no mesmo plano.

10. Rotor de turbina, de acordo com quaisquer das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que o rotor de turbina compreende pelo menos duas hastes de pressão que nas suas primeiras extremidades são fixadas ao cubo de formato toroidal e nas suas segundas extremidades são fixadas a um mancai central montado sobre um cubo central, o mancai central e o cubo central sendo coaxiais em relação ao eixo central do estator.

11. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as hastes de pressão se dispõem substancialmente no mesmo plano.

12. Rotor de turbina, de acordo com quaisquer das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o rotor do gerador é montado no cubo de formato toroidal.

13. Rotor de turbina, de acordo com quaisquer das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que o rotor de turbina compreende pelo menos dois conjuntos de elementos suporte (101), os quais se estendem, respectivamente, entre uma área de fixação (112) do cubo de formato toroidal (105) e pelo menos dois mancais centrais dispostos espaçados (104).

14. Rotor de turbina, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a área de fixação (112) está localizada sobre a parte do cubo de formato toroidal (105) que se defronta substancialmente na direção do eixo de rotação do rotor de turbina.

15. Rotor de turbina, de acordo com quaisquer das reivindicações 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que um ângulo α é formado ente os dois conjuntos de elementos suporte (101), em seção transversal B, cujo ângulo é inferior a 90°, preferivelmente, inferior a 50°, mais preferivelmente, inferior a 20°.

16. Rotor de turbina, de acordo com quaisquer das reivindicações 13-15, caracterizado pelo fato de que ímãs (102) são fixados em um ou ambos os referidos pelo menos dois conjuntos de elementos suporte (101), os ímãs (102) formando uma parte de um gerador elétrico.

17. Usina de energia, compreendendo um gerador de transmissão direta para converter a energia na forma eólica ou na forma de água circulante em energia elétrica, a usina de energia compreendendo uma torre (111), na qual é montada um alojamento (110), o alojamento (110) compreendendo um cubo central fixo (109), a usina de energia compreendendo ainda um rotor de turbina, caracterizada pelo fato de que o rotor de turbina é formado de acordo com quaisquer das reivindicações 1-7 ou 13-16, e em que o rotor de turbina é suportado por pelo menos dois mancais (104) dispostos espaçados, providos no cubo central (109) e em que o estator do gerador de transmissão direta é montado no cubo central (109) .

18. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que o estator (100) do gerador de transmissão direta é montado no cubo central (109), entre os referidos pelo menos dois mancais (104) dispostos espaçados, com um número igual de mancais (104) em cada lado do estator (100) .

19. Rotor de turbina, de acordo com quaisquer das reivindicações 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que a área entre o cubo de formato toroidal (105) e o cubo central (109) é completamente ou parcialmente coberta por pelo menos dois conjuntos de placas suporte (101).

20. Usina de energia, compreendendo um gerador de transmissão direta para converter a energia na forma eólica ou na forma de água circulante em energia elétrica, a usina de energia compreendendo uma estrutura de torre e um rotor de turbina, o gerador de transmissão direta compreendendo um rotor de gerador que é montado no rotor de turbina, um estator que é montado na estrutura de torre e um mancai suportando o rotor de turbina no estator, caracterizada pelo fato de que o rotor de turbina é formado de acordo com quaisquer das reivindicações 1-15 e o rotor de turbina apresenta um eixo de rotação que coincide com o eixo central do estator do gerador de transmissão direta.

21. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que o rotor de turbina é suportado no estator por um mancai magnético que consiste de ímãs permanentes, eletroímãs ou uma combinação de ambos.

22. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que o mancai magnético é um mancai magnético passivo.

23. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que o mancai magnético é um mancai magnético passivo com os ímãs dispostos em um arranjo de Halbach.

24. Usina de energia, de acordo com quaisquer das reivindicações 21 ou 23, caracterizada pelo fato de que os ímãs no estator são substituídos por condutores elétricos curto-circuitados.

25. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que o mancai magnético é um mancai eletromagnético.

26. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que os enrolamentos produtores de corrente (24) são instalados sem núcleos de ferro magneticamente condutores.

27. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de que os ímãs do gerador consistem de ímãs permanentes dispostos em um arranjo de Halbach.

28. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 28, caracterizada pelo fato de que o rotor de turbina é suportado no estator por meio de um mancai convencional.

29. Usina de energia, de acordo com a reivindicação 20, caracterizada pelo fato de que o rotor de turbina é suportado por um mancai magnético disposto axialmente contra o estator e que o rotor de turbina é suportado radialmente por um mancai convencional.

30. Usina de energia, de acordo com quaisquer das reivindicações 21-27, caracterizada pelo fato de que a distância mais curta do eixo de rotação do cubo de formato toroidal para o centro da área da face transf eridora de força do mancai magnético é menor que a distância do eixo de rotação do cubo de formato toroidal para o eixo neutro da seção transversal do cubo de formato toroidal,

31. Usina de energia, de acordo com quaisquer das reivindicações 21-3 0, caracterizada pelo fato de que a rigidez à flexão do cubo de formato toroidal (6), para flexão fora de um plano que passa através do cubo de formato toroidal e que é perpendicular ao eixo de rotação do cubo de formato toroidal, é maior que a rigidez à flexão do estator para flexão fora do mesmo plano.

32. Usina de energia, de acordo com quaisquer das reivindicações 21-31, caracterizada pelo fato de que a rigidez à flexão do cubo de formato toroidal (6), para flexão fora de um plano que passa através do cubo de formato toroidal e que é perpendicular ao eixo de rotação do cubo de formato toroidal, é pelo menos duas vezes maior que a rigidez à flexão do estator para flexão fora do mesmo plano.

33. Uso do rotor de turbina de acordo com quaisquer das reivindicações 1-16, caracterizado pelo fato de que o referido uso é implementado em uma usina de energia eólica ou uma usina de energia hidráulica.

34. Uso do rotor de turbina de acordo com quaisquer das reivindicações 1-16, caracterizado pelo fato de que o referido uso é implementado na forma de um meio propulsor em uma embarcação.