Campo de aplicação

[001] A presente invenção pertence ao campo das máquinas elétricas girantes, em especial das máquinas síncronas com rotores de polos lisos, notadamente dos arranjos para resfriamento a ar ou ventilação através de dutos ou canais em partes do circuito magnético ou entre condutores.

Fundamentos da invenção

[002] Máquinas elétricas girantes são equipamentos utilizados para a transformação de energia mecânica em elétrica (geradores) ou de energia elétrica em mecânica (motores).

[003] Rotores de turbogeradores de quatro polos lisos geralmente são autoventilados, não necessitando de ventiladores adicionais para promover a sua ventilação. Na cabeça de bobina do rotor alguns componentes, como as costelas do eixo e o anel de prensar o rotor, que, apesar de não serem capazes de uma homogeneização aprimorada do ar que passa pelas bobinas expostas, contribuem para a geração de um fluxo de ar nessa região.

[004] No caso de turbogeradores comuns, de desempenho convencional, esta condição de vazão e distribuição do ar é suficiente para arrefecer o conjunto magnético e condutor e manter as temperaturas em níveis apropriados e satisfatórios para o desempenho térmico esperado.

[005] Já no caso de turbogeradores de alto desempenho, uma solução comumente utilizada para reduzir as perdas mecânicas e incrementar o desempenho é a de reduzir a vazão de ar dos canais radiais e das cabeças de bobina do rotor por meio da imposição de uma perda de carga, diminuindo, assim, o atrito entre o rotor (e seus componentes) e o ar. [006] Essa solução, entretanto, reduz significativamente a vazão de ar que resfria as cabeças de bobina do rotor de polos lisos, provocando uma distribuição desigual da vazão de ar e, por conta disso, algumas regiões da cabeça de bobina do rotor acabam recebendo um fluxo de ar maior do que outras, havendo um desequilíbrio térmico nessa região e, por conseguinte, um incremento indesejado da temperatura em pontos específicos da cabeça de bobina. Além do aumento da temperatura em alguns pontos quentes, verifica- se também o aumento do diferencial de temperatura entre os pontos menos quentes e os pontos mais quentes por conta da precária troca de calor, situação esta que pode ocasionar falhas do gerador devido aos sobreaquecimentos localizados, podendo gerar um curto-circuito entre espiras e até mesmo a movimentação indesejada do bobinado.

[007] O incremento de desempenho de máquinas elétricas girantes da natureza aqui tratada anda, portanto, na contramão da troca de calor necessária, pelo que o equilíbrio entre rendimento e arrefecimento desafia e impõe aos construtores de turbogeradores pelo mundo limites que vão além das limitações de tamanho e potência.

Estado da técnica

[008] Existem no estado da técnica diversas soluções que descrevem sistemas de ventilação ou arrefecimento de cabeças de bobinas de rotores de polos lisos para máquinas elétricas girantes da natureza aqui tratada.

[009] Um exemplo é o documento patentário W02020021673, intitulado "ROTOR PARA UMA MÁQUINA ELÉTRICA GIRANTE" que revela e descreve um rotor com um anel de retenção cilíndrico que cobre a extremidade da bobina e que é aberto na direção axial externa e um defletor de rotor e um defletor isolante que são conectados um ao outro circunferencialmente de modo a dividir um espaço no anel de retenção em primeiro e segundo espaços. O primeiro espaço é formado ao longo de toda a circunferência em torno de um eixo e o defletor do rotor é fornecido com uma primeira parte cônica que se inclina para longe de uma parte cruzada em direção ao lado central do rotor na direção axial em uma parte onde a peça de cruzamento está presente no lado externo do defletor do rotor em uma direção radial.

[010] Embora a solução de W02020021673 promova uma condução uniforme do fluxo de ar gerado pelo rotor, ela depende de um conjunto de defletores do rotor igualmente dependentes de defletores isolantes e, mesmo assim, não equaliza a distribuição de temperatura na cabeça de bobina por estarem os defletores montados nas regiões entre os polos e por não possuírem aberturas para entrada de ar, sendo totalmente fechados direcionando o ar para as passagens de ar no pacote do rotor. O anel de retenção limita a troca de calor por manter a região da cabeça de bobina fechada e, além disso, o fluxo de ar deste rotor é conduzido, dentre outros, em caminhos de ar entalhados no rotor, ou seja, há de se contar com a existência de um rotor específico construído especialmente para esta solução, diminuindo-lhe a versatilidade.

[011] Como pode ser inferido da descrição acima, existe espaço e demanda para uma solução de arrefecimento para rotores de máquinas elétricas girantes com polos lisos que supere as desvantagens do estado da técnica, especialmente para o arrefecimento das cabeças de bobina de rotores de polos lisos.

Objetivos da invenção

[012] Um dos objetivos da presente invenção é, portanto, prover um direcionador de ar para a cabeça de bobina de rotores de máquinas elétricas girantes, de acordo com as características da reivindicação 1 do quadro reivindicatório anexo.

[013] Outro objetivo da presente invenção é prover uma máquina elétrica girante, de acordo com as características da reivindicação 12 do quadro reivindicatório anexo.

[014] Demais características e detalhamentos das características são representados pelas reivindicações dependentes.

Breve descrição das figuras

[015] Para melhor entendimento e visualização do objeto da presente invenção, a mesma será agora descrita com referência às figuras anexas, representando o efeito técnico obtido por meio de uma modalidade exemplar não limitante do escopo da presente invenção, em que, esquematicamente:

Figura 1: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de um direcionador de ar de acordo com a invenção;

Figura 2: apresenta uma vista superior do direcionador de ar da figura 1;

Figura 3: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de um rotor de uma máquina elétrica de acordo com a invenção;

Figura 4: apresenta uma vista superior parcial da máquina elétrica da figura 3, evidenciando a posição do direcionador de ar;

Figura 5: apresenta uma vista lateral de um corte parcial do rotor de uma máquina elétrica de acordo com a invenção;

Figura 6: apresenta uma vista ampliada do detalhe A da figura 5, evidenciando a posição do direcionador de ar; Figura 7: apresenta uma vista anterior do corte B-B da figura 5, evidenciando a posição do direcionador de ar; e

Figura 8: gráficos de testes práticos demonstrando a distribuição de temperatura na cabeça de bobina do rotor (parte superior do gráfico) e a distribuição de velocidade de ar na direção radial na entrada de ar da cabeça de bobina (parte inferior do gráfico), com e sem o direcionador de acordo com a invenção.

Descrição detalhada da invenção

[016] A presente invenção se refere a um direcionador de ar (100) para equilibrar o fluxo de ar que resfria uma cabeça de bobina (200) dos polos (300) do rotor (400) de uma máquina elétrica girante, retendo parte do fluxo de ar em uma região com maior insuflamento de ar (210) e desviando essa parte do fluxo de ar para uma região com menor insuflamento de ar (220).

[017] No contexto da presente invenção, o termo "fluxo de ar" se refere a toda e qualquer movimentação de ar, axial ou radial ou mista, provocada pela rotação do rotor (400) em seus elementos salientes e/ou protrusões e/ou desníveis e/ou similares, por exemplo, mas de forma não limitante, nas costelas do eixo (410) e/ou no anel de prensar o rotor (420) e/ou em outro elemento ou parte do rotor (400).

[018] No contexto da presente invenção, o termo "região com maior insuflamento de ar" (210) se refere à parte da cabeça de bobina (200) que recebe, do total de ar que chega até a cabeça de bobina (200), um volume de ar maior do que o volume de ar que recebe, do total de ar que chega até a cabeça de bobina (200), uma "região com menor insuflamento de ar" (220). Estas regiões (210, 220) não possuem um tamanho definido ou único e tampouco há um limite definido ou único entre elas, devendo ser entendidas como sendo regiões (210, 220) de tamanho e limites variáveis de acordo com as condições e a dinâmica da movimentação de ar que as insufla.

[019] A região com maior insuflamento de ar (210) é usualmente, mas de forma não limitante, a região axialmente mais distante da extremidade livre da cabeça de bobina (200) ou a região mais distante das caídas ou voltas das espiras (201) ou a região adjacente à estrutura axialmente mais interna (421) do anel de prensar o rotor (420), enquanto a região com menor insuflamento de ar (220) é usualmente, mas de forma não limitante, a região axialmente mais próxima da extremidade livre da cabeça de bobina (200) ou mais próxima das caídas ou voltas das espiras (201) ou mais distante ou a região adjacente à estrutura axialmente mais externa (422) do anel de prensar o rotor (420). É de notar que esta condição pode ser inversa ou diferente, dependendo da construção do rotor (400) e das características da máquina elétrica girante, demandando, eventualmente, um posicionamento diferente do direcionador de ar (100).

[020] Assim sendo, o termo "equilibrar" deve ser entendido como sendo a equalização ou uniformização ou ainda a redistribuição de fluxos de ar com características de vazão e/ou pressão e/ou intensidade e/ou velocidade diferentes entre si, no intuito de igualar ao máximo o insuflamento em todas as partes da cabeça de bobina (200), diminuindo o volume de ar que chega à região com maior insuflamento de ar (210) por meio da retenção parcial deste fluxo e, com o volume excedente defletido pelo direcionador de ar (100), incrementar o volume de ar que chega à região com menor insuflamento de ar (220), promovendo a equalização de insuflamento destas duas regiões (210, 220).

[021] Os direcionadores de ar (100) são dispostos sob as cabeças de bobina (200) no espaço radial entre os polos (300) e o rotor (400), na região com maior insuflamento de ar (210) em uma posição rente à estrutura axialmente mais interna (421) do anel de prensar o rotor (420) ou mais próxima ao pacote do rotor (430) e essencialmente centralizada em relação a cada um dos polos (300), devendo haver, portanto, pelo menos um direcionador de ar (100) para cada polo (300).

[022] É de se notar que o termo "rente" deve ser entendido de forma não limitante como sendo tanto uma posição encostada, sem folga, quanto uma posição próxima, levemente afastada ou com mínima folga.

[023] Cada direcionador de ar (100) compreende um corpo principal (105), essencialmente poligonal, alongado, delgado e curvado com raio preferencialmente adequado ao raio do rotor (400), sendo o direcionador de ar (100) dotado essencialmente de duas bordas maiores (110, 120), preferencialmente perpendiculares ao eixo longitudinal do rotor (400) e de duas bordas menores (130, 140), preferencialmente paralelas ao eixo longitudinal do rotor (400). Contudo, as bordas maiores (110, 120) e menores (130, 140) podem apresentar geometria diferente da preferencial sem perda do efeito técnico produzido, desde que as demais relações geométricas do conjunto de aberturas (150) sejam respeitadas. Assim, as bordas maiores (110, 120) podem formar um ângulo diferente de 90 ⁹ em relação ao eixo longitudinal do rotor (400), assim como as bordas menores (130, 140) podem formar um ângulo diferente de 0 ^o em relação ao eixo longitudinal do rotor (400).

[024] Adjacente à borda maior interna (110) há uma aba interna (111), essencialmente perpendicular à superfície do corpo (105), que se estende em direção ao eixo do rotor (400) e serve para fixação do direcionador de ar (100) à estrutura axialmente mais interna (421) do anel de prensar o rotor (420). [025] Adjacente à borda maior externa (120) há pelo menos uma aba externa (121), preferencialmente perpendicular à superfície do corpo (105) e, portanto, preferencialmente paralela à aba interna (111), que se estende em direção às espiras (201) da cabeça de bobina (200), podendo, eventualmente, encostar-se à porção de apoio radial (423) da cabeça de bobina (200) , que pode, em uma concretização exemplar, ser entendida como sendo a superfície interna das longarinas (423) do anel de prensar o rotor (420), servindo para direcionar o fluxo de ar que atravessa o direcionador de ar (100), impedindo que este ar passante circule em direções aleatórias.

[026] O comprimento ou a medida do arco (106) das bordas maiores (110, 120) cobre entre 30 e 80%, preferencialmente entre 55 e 65% do comprimento ou medida do arco (301) de um polo (300). Já a largura (107) ou medida das bordas menores (130, 140) ou medida entre as abas (111, 121) cobre entre 30 e 80%, preferencialmente entre 40 e 75% da distância axial do trecho livre/insuflado (202) da cabeça de bobina (200) que, normalmente, é o trecho da cabeça de bobina (200) que se estende para além da borda do pacote (430) do rotor (400).

[027] O direcionador de ar (100) compreende pelo menos uma e, preferencialmente, mais de uma abertura (150) para passagem de ar em forma de recortes no corpo principal (105), sendo estas agrupadas e dispostas de modo preferencialmente, mas não necessariamente equidistante (151) entre si, formando um conjunto de aberturas (150) dispostas de modo preferencialmente assimétrico em relação às bordas (110, 120,130, 140), sendo dispostas preferencialmente mais próximas à borda maior interna (110) do que à borda maior externa (120) e, em relação ao sentido de giro do rotor (400), preferencialmente mais próximas da borda menor (130) a montante do que da borda menor (140) a jusante. O valor da distância (152) entre a primeira abertura (150) e a borda maior interna (110) é, preferencialmente, um valor de 0,1 a 10%, preferencialmente de 0,5 a 8% do valor do comprimento (107) das bordas menores (120, 130). O valor da distância (153) entre a primeira abertura (150) e a borda menor (130) a montante é, preferencialmente, um valor de 1 a 40%, preferencialmente de 5 a 25% do valor do comprimento ou a medida do arco (106) das bordas maiores (110, 120). No caso de máquinas com sentido de rotação bidirecional, o conjunto de aberturas (150) poderá demandar um posicionamento diferente, por exemplo, sendo disposto simetricamente em relação às bordas menores (130, 140).

[028] O formato das aberturas (150) pode ser, de forma não limitante, poligonal simétrica, poligonal assimétrica, circular, oval, oblonga e demais formas adequadas, sendo uma forma preferencial a forma poligonal alongada.

[029] A soma das áreas dos recortes que formam as aberturas (150) equivalem a um valor entre 1 e 35%, preferencialmente entre 3 e 25%, mais preferencialmente entre 5 e 15% da área total da superfície do corpo principal (105).

[030] Assim sendo, o fluxo de ar que se movimenta radialmente desde a região do eixo do rotor (400) em direção às cabeças de bobina (200), quando chega ao direcionador de ar (100), é parcialmente retido por este que deixa passar apenas o volume de ar que atravessa as aberturas (150) para passagem de ar, enquanto o excedente de ar retido na parte fechada do corpo principal (105) é defletido e direcionado para as bordas (120, 130, 140). Deste modo, o volume de ar que chega à região com maior insuflamento de ar (210) é diminuído em favor do aumento do volume de ar que chega à região com menor insuflamento de ar (220), havendo uma uniformização da distribuição e, por conseguinte, um equilíbrio ou equalização do volume de ar que chega até a cabeça de bobina (200).

[031] Portanto, o direcionador de ar (100) disposto sob as cabeças de bobina (200) em uma posição mais próxima da região com maior insuflamento de ar (210) e essencialmente centralizada ou mediana dos polos (300), dotado das relações de medidas e áreas acima descritas, é capaz de equalizar a distribuição do fluxo de ar gerado pela movimentação do rotor (400), desviando-o de uma região mais insuflada para uma região menos insuflada.

[032] Testes práticos e simulações de temperatura demonstram a eficácia do direcionador de ar (100) da invenção, cuja utilização resulta não só na diminuição da temperatura dos pontos quentes pré-existentes da cabeça de bobina (200), mas também na redução significativa dos valores de pico de temperatura, em que o diferencial de temperatura entre os pontos de maior e de menor temperatura é reduzido em mais de 50% em relação a uma mesma máquina sem o direcionador de ar (100), conforme representado no gráfico da figura 8. Além disso, análises gráficas da distribuição de velocidade de ar na direção radial na entrada de ar da cabeça de bobina (200) demonstram a equalização quase completa da distribuição do fluxo de ar.

[033] A fixação dos direcionadores de ar (100) a um ou mais elementos da estrutura do rotor (400) pode ser feita por qualquer meio ou elemento de fixação adequado, podendo este ser escolhido, de forma não limitante, do grupo compreendendo parafusos, pinos, rebites, soldas, adesivos de alta performance, encaixes, grampos e afins, isoladamente ou em combinação entre si.

[034] Os direcionadores de ar (100) podem ser fabricados em qualquer material apropriado à aplicação, podendo o material ser escolhido, de forma não limitante, do grupo compreendendo metais e suas ligas, polímeros termoplásticos ou termofixos, isoladamente ou em combinação entre si.

[035] Além disso, a fixação dos direcionadores de ar (100) a um ou mais elementos da estrutura do rotor (400) com elevada estabilidade dimensional mesmo em altas rotações como, por exemplo, a estrutura do anel de prensar o rotor (420), impede ou minimiza quaisquer deformações significativas dos direcionadores de ar (100) em operação, garantindo a sua eficácia em praticamente todas as faixas e condições de uso da máquina elétrica girante.

[036] Por fim, uma máquina elétrica girante de acordo com a invenção é um turbogerador de quatro polos construído com polos lisos e dotado de pelo menos um direcionador de ar (100) de acordo com a invenção.

Conclusão

[037] Será facilmente compreendido por aqueles versados na técnica que modificações podem ser realizadas na presente invenção sem com isso se afastar dos conceitos expostos na descrição acima. Essas modificações devem ser consideradas como compreendidas pelo escopo da presente invenção. Consequentemente, as concretizações particulares descritas em detalhe anteriormente são somente ilustrativas e exemplares e não limitativas quanto ao escopo da presente invenção, ao qual deve ser dada a plena extensão das reivindicações em anexo e de todos e quaisquer equivalentes da mesma.