ES2201295T3 - Maquina hidraulica. - Google Patents

Abstract

EN UN DISPOSITIVO DE UNA MAQUINA HIDRAULICO DEL TIPO QUE CONSTA DE UN ROTOR CON EL CUERPO DE UN BUJE (1) Y MOLINETES O PALAS (4) APOYADOS SOBRE COJINETES (7,8) PARA QUE GIREN EN EL CUERPO DEL BUJE Y QUE TIENE AL MENOS UNA CAMARA (2) QUE COMUNICA CON LOS CITADOS COJINETES, SE PROPORCIONA UN PRIMER MEDIO (20,22,23,24,25,27,28,29) PARA ALIMENTAR DE ACEITE LOS CITADOS COJINETES Y OTRO MEDIO (18,19,37,38,39,40,41,42) PARA EXPULSAR EL ACEITE DE LA CITADA CAMARA EN SINCRONIZACION CON LA ALIMENTACION DE ACEITE DE FORMA QUE LA CAMARA MANTENGA UN VOLUMEN ESENCIALMENTE CONSTANTE (35,35A) DE ACEITE INFERIOR AL VOLUMEN TOTAL DE LA CAMARA, PRESIONANDOSE EL ACEITE HACIA LA PARED PERIFERICA DE LA CAMARA POR LA FUERZA CENTRIFUGA DEL GIRO DEL ROTOR.

Description

Máquina hidráulica.

Campo técnico

La invención se refiere a un dispositivo del tipo de máquina hidráulica que comprende un rodete o rotor con un cubo y álabes o palas que se hacen girar sobre cojinetes en el cubo, que tiene al menos una cámara que se comunica con dichos cojinetes.

La invención se ha desarrollado como una mejora de la turbina Kaplan, pero también se puede aplicar a otras máquinas hidráulicas del tipo que se menciona en el preámbulo, tales como las hélices de los barcos que tienen palas que se orientan de forma tangencial.

Técnica anterior

Tradicionalmente, la cámara del cubo de las turbinas Kaplan se llena de aceite. El aceite tiene como finalidad principal lubricar los cojinetes de las palas del rodete. Otras funciones importantes son proporcionar una protección adecuada contra la corrosión en el cubo y proporcionar una posibilidad de detectar la entrada de agua en el cubo. Para evitar que el agua entre dentro del cubo, un riesgo que no puede ser totalmente descartado teniendo en cuenta el diseño de los cubos de hoy en día, todo el cubo se llena con aceite a presión. El documento GB-1124170 muestra un aparato hidráulico que se ha modificado para conseguir la lubricación de los cojinetes de las palas del rodete. La máquina hidráulica comprende una bomba de álabes que se conecta a la varilla que hace funcionar el rodete. En particular, esta modificación se aplica a las turbinas Kaplan y a otras turbinas que tienen un mecanismo de palas de rodete de tipo rotatorio. Sin embargo, el hecho de que el cubo esté lleno de aceite a presión implica el riesgo de que el aceite se pueda salir. De hecho, el escape de aceite en las turbinas Kaplan sucede con tanta frecuencia que es considerado un problema medioambiental de importancia, puesto que el aceite que se sale de la turbina contaminará el río en el que se usa dicha turbina. Además, pueden ocurrir accidentes, cuando el cubo ya está totalmente vacío de aceite, lo cual puede causar un mayor daño al río. Sin embargo, introducir el aceite a presión en el cubo no garantiza que el agua no entre en el mismo. Se han desarrollado muchos sistemas para prevenir dicha entrada de agua así como sistemas para detectar la presencia de agua en el cubo.

Breve descripción de la invención

La invención tiene como finalidad abordar los problemas anteriores y ofrecer un sistema mejorado que proporcione una lubricación adecuada de los cojinetes y de las otras partes del cubo que tienen que lubricarse con aceite y que al mismo tiempo minimice el riesgo de un escape de aceite y también, en caso de que exista una avería, reduzca sustancialmente el daño medioambiental producido por el aceite que haya llegado a salir.

Otro objetivo es conseguir que la invención se pueda usar en las máquinas que ya existen, sólo realizando pequeños retoques o cambios en el diseño de la máquina.

Estos y otros objetivos se pueden conseguir cuando la invención se caracteriza por lo expuesto en la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

Otros rasgos y aspectos característicos de la invención se mostrarán de forma clara en las reivindicaciones independientes y en la siguiente descripción de la realización preferida.

Breve descripción de los dibujos

En la siguiente descripción de una realización preferente, se hará referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales

La figura 1 es una sección axial de un rodete de una turbina Kaplan con un diseño que se conoce per se, en la cual se emplea la invención y en la que las partes caracterizadoras de la invención se muestran de manera esquemática;

La figura 2 es una sección transversal del rodete con una vista a lo largo de la línea II-II de la figura 1;

La figura 3 muestra a mayor escala el detalle III que está enmarcado en la figura 1, y que ilustra el sistema para prevenir la entrada de agua en el cubo; y

La figura 4 es una vista a lo largo de la línea IV-IV de la figura 1.

En los dibujos, sólo se muestran aquellos detalles que son necesarios para comprender los principios de las invenciones, mientras que se han omitido otros detalles, tales como las palas del rodete en la figura 1, para que lo esencial esté más claro.

Descripción detallada de la invención

En la figura 1, un cubo, fijado a una pestaña 13 del árbol de la turbina, por lo general se indica con 1. En el texto, la parte interior del cubo se denomina cámara del cubo, y por lo general se indica con 2, ésta también incluye una parte inferior 3 en la región de la parte del morro de la turbina, que en este texto se denomina cárter seco. La turbina está provista de varias palas de rodete 4, figura 4, teniendo cada una de ellas una pestaña de pala 5, que por medio de enganches atornillados se sujeta a un pivote 6. El pivote de la pala gira sobre los cojinetes deslizantes internos y externos, 7 y 8 respectivamente, en el cubo 1. Los pivotes 6, y por lo tanto las palas 4, se orientan de forma tangencial mediante la rotación en los cojinetes 7 y 8 de una manera que se conoce per se, por medio de los dispositivos motores que comprenden un pistón de servomotor 9, una varilla del pistón 10, que se mueve en vertical por el cubo 1, una cabeza transversal 11 y un mecanismo de palanca que por lo general se indica con 12. Las cámaras hidráulicas 14 y 15 se crean para facilitar los movimientos del pistón 9. Un agujero axial 16 con un tubo 17 se extiende por todo el pistón 9, por la varilla del pistón 10 y cruza a través de la cabeza 11.

Los elementos que se han descrito hasta el momento pertenecen a la técnica anterior y no se describirán con más detalle en este texto, ni tampoco el pistón 9, que se mueve por medio de fluidos hidráulicos en las cámaras hidráulicas 14 y 15.

Según la invención, la cámara del cubo 2 está conectada a la presión atmosférica ambiental P3 por medio de un tubo 17 que está en el agujero 16. Además, según la invención, un motor hidráulico, que se coloca en el cárter seco 3, hace funcionar a un tipo de motor hidráulico 18 y a un tipo de bomba hidráulica 19 de desplazamiento. Una fuente de presión, no mostrada, hace funcionar al motor hidráulico 18. Esta fuente de presión se incluye en una unidad 49 por medio de un primer conducto 20, un eslabón giratorio 21 y un segundo conducto 22 que se extiende hacia abajo por el tubo 17 hasta llegar al cárter seco 3, a un trozo de manguera 23 y a un conducto de conexión 24. Un conducto 25, un trozo de manguera 26 y un conducto 27 se extienden desde el motor hidráulico 18 hasta un conducto 28 que está en la cabeza transversal 11 y en la varilla del pistón 10. El conducto 28 lleva a un espacio circular cerrado 31 en el exterior de la varilla del pistón 10 entre los pivotes de las palas 6 y la varilla del pistón 10. Un conducto 30 entra por cada uno de los pivotes de la pala 6 a través del espacio 31 hasta el cojinete exterior 8.

La cámara 2 contiene una cantidad de aceite 35, que no es mayor que aquella que, cuando el rodete gira, se presiona contra la pared del cubo 1 y que en esencia rellena el volumen que en la sección axial tiene la forma de tazón, figura 1, entre los pivotes de las palas 6, figura 2. Bajo la influencia de la gravitación, cuando el árbol de la turbina es vertical, la superficie interna 36 del volumen de aceite 35 no estará completamente vertical, sino que se inclinará levemente hacía abajo y hacía dentro, figura 1, de manera que un volumen pequeño 35A con una superficie interna 36A también descenderá hacia el cárter seco 3. En esta última región existe un conducto de succión 37 que lleva hasta la bomba hidráulica 19 desde el volumen 35A. Un conducto 38 lleva desde la bomba 19, un trozo de manguera 39 y un conducto de retorno 41 llevan hasta el eslabón giratorio 21 y desde aquí sale un conducto de retorno 42 que lleva hasta un canal de aceite (no mostrado) o hasta la correspondiente unidad 49.

Se proporciona una válvula magnética 45 en el conducto de alimentación 20 que no se abre hasta que el rodete de la turbina gira a casi la velocidad de rotación nominal (por lo menos a 90% de la velocidad de rotación nominal), y en el conducto 20 también hay una válvula de flujo constante 46. También se proporcionan en el conducto de retorno 42 un control de flujo 47 y un tanque 48 para detectar y/o separar y para sacar fuera el agua con aceite contaminado. Lo que es más, se puede proporcionar un separador 50 para que se haga cargo del agua que pudiera estar contaminada con aceite. El aceite purificado se puede hacer que vuelva al tanque 48 desde el separador 50. La unidad 49 contiene, entre otros, una fuente de presión y un canal de aceite, etc.

El sistema descrito funciona de la siguiente manera. Al empezar a funcionar, la turbina se llena con una cierta cantidad de aceite en la cámara 2, por ejemplo, a través del tubo 17. Cuando existe un funcionamiento normal, el aceite se introduce desde la fuente de presión (no mostrada) en la unidad 49 a través del conducto 20, el eslabón giratorio 21 y los conductos 22, 23 y 24 hasta el motor hidráulico 18, que hace funcionar la bomba 19. Desde el motor hidráulico 18 el aceite es conducido por los conductos 25, 26 y 27 hasta el conducto 28 y mediante la apertura de la varilla del pistón 10 hacia el espacio 31. El aceite lubrica y pasa por los cojinetes de los pivotes interiores 7 donde después el aceite se vierte por la cámara del cubo 2, en donde lubricará las diferentes partes del cubo antes de que el aceite alcance y lubrique los cojinetes de los pivotes exteriores. Sin embargo, los cojinetes del mecanismo de palanca 12 son del tipo auto-lubricante, lo cual es más apropiado. Lo que es más, el aceite se lleva desde el espacio 31 a través de los canales 30 hasta los cojinetes exteriores 8 para asegurarse de que estos cojinetes también están lubricados. Por medio de la rotación del rodete, el aceite se presiona aún más desde los cojinetes 7 y 8 contra la pared redondeada del cuerpo de la válvula 1 para llenar dicho espacio que tiene forma de tazón. Este volumen de aceite 35 sólo corresponde a una pequeña parte del volumen total de la cámara 2, por ejemplo, menos de 10%. El volumen de aceite 35 se mantiene constante de manera que la bomba 19, por medio de conducto de succión 37, succione el aceite de esa fracción de volumen de aceite 35A que baja y se introduce en el cárter seco 3 y más allá por medio de los conductos 38, 39, 40 y 41, por el eslabón giratorio 21 y por el conducto de retorno 42. El desplazamiento de la bomba 19 es mayor que el del motor 18, lo que asegura que el nivel de aceite 36A y el volumen de aceite 35 se mantienen constantes. El flujo de aceite se mantiene constante gracias a la válvula de flujo constante 46 y al control de flujo 47, de manera que las alteraciones del funcionamiento se van indicando y se pueden ir observando. Posiblemente, la existencia de agua en el aceite se detecta en el tanque 48 y puede, si fuese necesario, eliminarse en el separador 50 antes de que se vuelva a llevar el aceite al tanque 48 o directamente a la unidad 49. Si el agua entrase en el sistema, se pueden llevar a cabo mediciones en cualquier momento que se considere adecuado o que se haya preestablecido para poder prevenir una entrada continua, por ejemplo, al intercambiar los anillos de sellado. Se debe mencionar a este respecto que en el sistema de la invención, la detección de agua se facilita mediante el hecho de que el aceite lubricante circula continuamente en una trayectoria cíclica en el interior del sistema y por el hecho de que la cantidad total de aceite lubricante en el sistema es relativamente pequeña. Además se debería mencionar que el sistema se encargará del aceite hidráulico que quizás puede filtrarse en la cámara del cubo 2 desde cualquiera de las cámaras hidráulicas 14 ó 15 y lo añadirá al aceite circulante.

Mediante la rotación del rodete, que por ejemplo puede desarrollar una fuerza centrífuga de 20 g del volumen de aceite 35, el aceite es presionado con cierta fuerza contra los cojinetes exteriores 8 del pivote de la pala pero, aparte de esto, el aceite de la cámara 2 no está sujeto a ningún exceso de presión. Por lo tanto, la presión que se ejerce sobre el volumen de aceite 35 normalmente es menor que la presión normal del agua, lo que reduce de manera radical el riesgo de que el aceite se filtre al agua circundante.

Aunque el riesgo de que el aceite se filtre al agua del entorno es muy pequeño, puesto que el aceite en la cámara del cubo no está sujeto a ningún exceso de presión, este riesgo se puede reducir aún más mediante un buen sellado entre los cojinetes exteriores 8 del pivote de la pala y el agua circundante. En la figura 3 se muestra dicho sistema de sellado, que comprende un anillo de sellado exterior y otro interior, 60 y 61 respectivamente. Están hechos de goma o de otro elastómero, que se acomodan en un hueco angular 62 que circunda la pestaña de la pala 5. Los anillos de sellado 60 y 61 se sujetan en el hueco 62 por medio de una abrazadera 63 que se fija con tornillos al cubo 1. El mayor riesgo de que se filtre el aceite, aunque la cámara 2 de la válvula del cubo no esté a presión, está en el lado de la turbina de succión, es decir en el "lado inferior" o en el "lado trasero" de las palas del rodete, donde la presión es muy baja. Esta presión, presión P2, es menor que la presión atmosférica durante su funcionamiento, presión P3, figura 3, que es la presión que existe dentro del cubo. Por otro lado, la presión P1 que se ejerce sobre los lados de las palas del rodete, es decir, sobre las palas del rodete 4, siempre es mayor que la presión atmosférica. Estas condiciones son las que se usan cuando se hace el ajuste para el sellado de la invención. Desde el exterior de la pestaña de la pala 5, en la región del lado presionado de las palas del rodete, es decir, desde un punto en la pestaña de la pala 5 sobre la pala 4, se extiende un canal 64 que se introduce en un espacio circular 65 que está en el hueco 62 entre el anillo de sellado exterior y el interior, 60 y 61 respectivamente. En otras palabras, el hueco circular y anular 65 que está entre los anillos de sellado se comunicará con el agua del entorno por el lado de la turbina que sufre la presión a través del canal 64, que quiere decir, que el espacio 65 tendrá la misma presión P1 en toda la circunferencia de la pestaña de la pala 5 que la que tiene el agua en el lado que sufre la presión. Por lo tanto, esto significa que la presión en el exterior del anillo de sellado interno 61 es mayor que en la cara interna del anillo de sellado 61 en toda la circunferencia del mismo, es decir, en la región de la cara de succión de la pestaña de la pala donde la presión del agua P2 de la cara exterior está por debajo de la presión atmosférica. Por lo tanto, al presurizar el espacio circular 65 se consigue una especie de barrera contra el vertido de aceite.

Además, o como alternativa, el espacio 65 puede presurizarse por medio del agua desde alguna otra fuente de presión diferente al agua del entorno, con preferencia se hará con agua pura desde la caja del diferencial (no mostrada) del árbol de la turbina a través del canal 68 que se extiende a través de dicho árbol de la turbina, de la pestaña del árbol de la turbina 13 y del cubo 1 hasta el espacio 65. Esta solución puede ser especialmente ventajosa cuando la caída que usa la central eléctrica, y por lo tanto la presión P1, es relativamente pequeña.

Fundamentalmente, la invención trata de prevenir el vertido de aceite en el agua del entorno. Esto se consigue, según la invención, cuando la invención se caracteriza por tener al menos varias de las características que se mencionan en las reivindicaciones que se han agregado a la patente o por tener todas esas características juntas. Entre estas características, se debe mencionar que la cantidad total de aceite en el sistema de lubricación es pequeña, bastante menor que el volumen total de la cámara del cubo; que la cámara del cubo tiene la presión atmosférica; que el aceite lubricante circula por un circuito cerrado; que se facilitan medios para controlar el flujo de aceite de manera que el posible filtrado de aceite se detecte y pueda ser tratado; y que se facilitan procedimientos de sellado eficaces que favorezcan la entrada de agua antes de permitir el filtrado del aceite. Al mismo tiempo, se requiere que la lubricación sea eficaz y que no se vea dañada si entra agua. En este sentido, se debe tener en cuenta la condición de que el agua tiene una mayor densidad que el aceite, lo que podría ocasionar una tendencia a que el agua se separe del aceite y a que el agua se acumule en los cojinetes externos 8 debido a la fuerza centrífuga. Para evitar esta tendencia, podría ser importante dirigir el aceite desde el espacio 31 a través de los conductos 30 hasta los cojinetes 8. Esta función puede ofrecer más garantías si se proporcionan recursos adecuados, por ejemplo, elementos constrictores de diferentes tipos, como por ejemplo elementos que sellen de manera eficaz los cojinetes interiores 7, para poder guiar de manera segura un flujo de aceite hasta los cojinetes exteriores 8. En los cojinetes 8, se puede permitir que el aceite que entre se mezcle con el agua que pueda entrar, la cual se mezclará con el aceite en el volumen 35 y al final será enviada fuera a través del conducto de retorno 42, se detectará y se eliminará.

Se debería tener en cuenta que la invención no es restrictiva para rodetes que tienen el diseño que se ha explicado en la descripción precedente y no sólo para los rodetes de las turbinas Kaplan en general. Por ejemplo, la invención podría muy bien emplearse también en las máquinas hidráulicas del tipo que se mencionan en el preámbulo, que tienen un eje horizontal de rotación. También en dichas máquinas, la relativamente pequeña cantidad de aceite en el rodete se verá presionada hacia fuera contra la zona periférica debido a la fuerza centrífuga. Es cierto que la forma que toma el volumen del aceite en ese caso será diferente del de aquellas máquinas que tienen árboles verticales, más concretamente se obtendrá una superficie interna cilíndrica, pero este hecho se puede considerar al colocar el conducto de succión 37 en la bomba 19.

También se debe mencionar que la bomba 19, respecto a la realización que se muestra, se sitúa teniendo en cuenta las fuerzas gravitacionales que también actúan en el conducto de succión 37 de la bomba, de manera que la bomba pueda introducir el aceite a través del conducto de succión.

Claims (12)

1. Una máquina hidráulica del tipo que comprende un rodete o rotor con un cubo (1) y álabes o palas (4) que se hacen girar sobre cojinetes (7, 8) en el cubo, que tiene al menos una cámara (2) que se comunica con dichos cojinetes, y unos dispositivos de suministro (20, 22, 23, 24, 25, 27, 28 y 29) preparados para suministrar el aceite a dichos cojinetes; caracterizada por otros dispositivos de trasvase (37, 38, 39, 40, 41 y 42) preparados para sacar el aceite de dicha cámara y una bomba y dispositivos de control (18, 19, 46 y 47) preparados para controlar dicho suministro y trasvase de aceite para mantener el volumen (35 y 35A) de aceite en la cámara básicamente constante, volumen que es menor que el volumen total de la cámara.

2. Una máquina hidráulica, según la reivindicación 1, caracterizada porque dichos primer dispositivos sirven para suministrar aceite a una región comprendida entre una varilla del pistón central (10) del rodete, que forma parte del dispositivo motor para ajustar de manera tangencial los álabes y palas (4) y dichos cojinetes.

3. Una máquina hidráulica, según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque la presión (P3) en la zona de la cámara que no está llena de aceite es menor que la presión en el exterior de dichos cojinetes.

4. Una máquina hidráulica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque se proporciona una bomba para bombear y sacar el aceite de dicho volumen de aceite (35, 35A) al mismo tiempo que se suministra aceite a ese mismo volumen por medio de dichos primeros dispositivos.

5. Una máquina hidráulica, según la reivindicación 4, caracterizada porque dichos primeros dispositivos sirven para que funcione un motor hidráulico, que hace que funcione dicha bomba hidráulica, y porque el aceite que se suministra a dichos cojinetes es aceite de retorno del motor hidráulico.

6. Una máquina hidráulica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque dichos primeros dispositivos sirven para suministrar el aceite a los cojinetes por medio de un espacio cerrado (31) que está dentro de los pivotes de las palas (6) del rodete sobre los que se montan las palas del rodete.

7. Una máquina hidráulica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por tener al menos un canal (30) que lleva el aceite hasta los cojinetes exteriores (8).

8. Una máquina hidráulica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la bomba hidráulica (19) y el motor hidráulico (18) son de desplazamiento, y porque la bomba (19) tiene un mayor desplazamiento que el motor (18).

9. Una máquina hidráulica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque los dispositivos de sellado entre dichos cojinetes (8) y el agua del entorno comprenden un primer miembro de sellado circular (60) y un segundo miembro de sellado circular (61) en el interior de dicho primer miembro de sellado; porque hay un espacio circular (65) entre dichos primer y segundo miembros de sellado; y porque dicho espacio circular está conectado por medio de un canal (64) al agua que tiene una presión que es mayor que la presión del aceite en dichos cojinetes, de manera que el espacio circular se llena de agua a una presión mayor.

10. Una máquina hidráulica, según la reivindicación 9, caracterizada porque el canal (64) se extiende entre el espacio circular (65) y el agua circundante en la cara de las palas del rodete de la turbina que sufre la presión, de manera que el espacio circular (65) tendrá la misma presión (P1) que tiene el agua en la cara de las palas del rodete que sufre la presión.

11. Una máquina hidráulica, según cualquiera de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizada porque un canal (68) se extiende desde una fuente de presión en la construcción de la turbina, preferentemente desde una caja de diferencial del árbol de la turbina a través del árbol de la turbina y del cubo hasta dicho espacio circular.

12. Un procedimiento de lubricación para máquinas hidráulicas de un tipo que comprende un rodete o rotor con un cubo (1) y álabes o palas (4) que se hacen girar sobre cojinetes (7 y 8) en el cubo, que tiene al menos una cámara (2) que se comunica con dichos cojinetes; caracterizado por tener dispositivos de suministro (20, 22, 23, 24, 25, 27, 28 y 29) preparados para suministrar aceite a dichos cojinetes, otros dispositivos de trasvase (37, 38, 39, 40, 41 y 42) preparados para sacar el aceite de dicha cámara y una bomba y dispositivos de control (18, 19, 46 y 47) preparados para controlar dicho suministro y trasvase de aceite para mantener el volumen de aceite (35 y 35A) en la cámara básicamente constante, volumen que es menor que el volumen total de la cámara, cuyo volumen de aceite sufre una presión contra las paredes periféricas de la cámara debido a la fuerza centrífuga que aparece por la rotación del rodete.