ES2212252T3 - Turbina de accion. - Google Patents

Abstract

TURBINA DE IMPULSION QUE CONSTA DE AL MENOS UN RODETE (20) FIJADO POR CHAVETAS A UN EJE TRANSMISOR (30) EN ASOCIACION CON UNA UNIDAD DISTRIBUIDORA (3) QUE, POR CADA RODETE (20) TIENE UNA SALIDA CIRCULAR (6A) PARA SUMINISTRAR FLUIDO DESDE LA UNIDAD DISTRIBUIDORA (3) HACIA LOS ALABES (22) DEL CORRESPONDIENTE RODETE (20). CADA SALIDA (6A) ESTA DISPUESTA COAXIALMENTE DENTRO DEL RODETE (20) RESPECTIVO Y LA UNIDAD DISTRIBUIDORA (3) ESTA MOLDEADA DE MODO QUE DEFINA UNA TRAYECTORIA FUNDAMENTALMENTE CIRCULAR PARA EL FLUIDO Y HAGA QUE ESTE EMERJA DE LA UNIDAD DISTRIBUIDORA (3) A TRAVES DE AL MENOS UNA SALIDA (6A) PREDOMINANTEMENTE EN POSICION TANGENCIAL CON RESPECTO A LA SALIDA (6A).

Description

Turbina de acción.

La presente invención se refiere a turbinas de acción, en particular a turbinas hidráulicas, es decir, turbinas en las que la energía potencial de presión disponible es transformada por completo en energía cinética únicamente en el distribuidor y no en el rotor.

La invención se refiere, de manera más específica, a una turbina de acción que comprende como mínimo un rotor fijado a un eje de impulsión en asociación con un distribuidor que tiene, para cada rotor, una salida circular para el suministro de fluido desde el distribuidor a las paletas del rotor respectivo.

Las turbinas de acción del tipo indicado actualmente conocidas, tales como las turbinas hidráulicas Pelton, tienen varias ventajas tales como su considerable simplicidad estructural y facilidad de mantenimiento, así como elevado rendimiento y fiabilidad de funcionamiento. No obstante, no se pueden utilizar para pequeñas alturas de salto del orden de unos pocos metros, y su utilización resulta en todo caso poco apropiada para alturas de salto medias y bajas. No obstante, es bien conocido que la mayor parte de alturas de saltos que se pueden utilizar fácilmente para la producción de energía hidroeléctrica, particularmente mediante pequeñas plantas de producción de energía son precisamente saltos de altura media, baja y muy baja, para los cuales la utilización de turbinas Pelton no es en general recomendable. Para pequeños saltos, es usualmente necesario por lo tanto utilizar turbinas de reacción, tales como las Francis o Kaplan, que son de construcción máscara y tienen un mantenimiento más oneroso.

Otra desventaja asociada con las turbinas hidráulicas Pelton es que la velocidad de giro de sus rotores puede aumentar bruscamente y de modo considerable como resultado de la interrupción inesperada de la carga del usuario, por ejemplo, por un fallo en la red eléctrica conectada a la turbina, con el riesgo de provocar efectos destructores como resultado de los grandes esfuerzos producidos por la fuerza centrífuga. Para evitar este problema, existen sistemas de seguridad simples, por ejemplo, sistemas del tipo llamado "placa deflectora", que se asocian con las turbinas Pelton para desviar el flujo de fluido desde el rotor cuando se dan estas circunstancias.

De manera más detallada, la presente invención se refiere a una turbina de acción que tiene las características indicadas en el preámbulo de la reivindicación 1. Una turbina conocida que corresponde a este tipo es la que se da a conocer en el documento GB-A-236 560.

El objetivo principal de la presente invención consiste en dar a conocer una turbina de acción que se distingue por una estructura relativamente simple, que es económica de mantenimiento y que se puede utilizar para aprovechar alturas de salto medias o bajas con un rendimiento satisfactorio.

Este objetivo se consigue por la turbina que tiene las características indicadas en la reivindicación 1.

En virtud de este concepto, la turbina según la invención es estructuralmente muy simple, consiguiendo de manera ventajosa una reducción en sus costes de producción y fiabilidad de funcionamiento. Dado que se trata de una turbina de acción, las paletas del rotor no funcionan nunca en condiciones de baja presión tal como en las turbinas de reacción, y por lo tanto no están sometidas a los riesgos de cavitación, con la consiguiente erosión de las paletas. Además, las turbinas según la invención no requieren la presencia de paletas deflectoras en el distribuidor para dirigir el flujo del fluido correctamente hacia las paletas del rotor, siendo determinada la visión correcta de suministro del fluido de las paletas del rotor únicamente por la geometría del distribuidor que ayuda a simplificar la estructura de la turbina y a minimizar las pérdidas debido a rozamiento dentro del distribuidor, de manera que la máquina tiene un rendimiento mejorado próximo al máximo teórico.

Otras características y ventajas de la invención quedarán evidentes de la descripción detallada siguiente, que hace referencia a los dibujos adjuntos que tienen solamente carácter de ejemplo no limitativo, y en los cuales:

la figura 1 es una vista en perspectiva de una turbina según la presente invención,

la figura 2 es una vista en sección longitudinal de la turbina de la figura 1,

la figura 3 es una vista frontal en alzado de la turbina mostrada en la figura 1, desde el lado indicado por la flecha III,

la figura 4 es una vista frontal en alzado y en sección de la turbina de la figura 3, a mayor escala, mostrando solamente uno de los rotores,

la figura 5 es una vista en alzado lateral, parcialmente en sección, desde el lado indicado por la flecha IV de la figura 3,

la figura 6 es una vista en alzado lateral y en sección de la unidad del distribuidor de la turbina,

la figura 7 es una vista similar a la figura 6, de un detalle de la unidad de distribuidor indicada por la flecha VII de la figura 6, en una situación de funcionamiento distinta,

la figura 8 es una vista en perspectiva esquemática de una paleta de rotor de la turbina, mostrando el flujo de fluido que sale de la salida respectiva y que choca en la paleta, y

la figura 9 es una vista en perspectiva esquemática de una paleta de un rotor.

Con referencia a los dibujos, se ha mostrado una turbina de acción según la invención, indicada de modo general con el numeral (1), del tipo de admisión total. Si bien la siguiente descripción se refiere específicamente a una turbina hidráulica de acción, es decir, una turbina que utiliza preferentemente agua como fluido, la invención puede ser también aplicada, por ejemplo, a una turbina de acción de gas o vapor con pocas modificaciones dentro de la capacidad de un experto en esta técnica, por ejemplo, por la formación de varias etapas similares en serie a efectos de conseguir el funcionamiento con etapas de velocidad.

La turbina (1) comprende, de manera básica, una unidad de distribuidor (3), que es alimentada con el fluido de impulsión a través de un conducto de entrada (10). El fluido es suministrado a continuación por el distribuidor, como mínimo, a un rotor de paletas (20) a través de una salida circular correspondiente (6a).

En la realización preferente que se ha mostrado en los dibujos y que se describe más adelante, dos rotores (20) están asociados con el distribuidor (3) en disposición de oposición simétrica con respecto a un plano medio, de manera que la unidad (3) tiene forma simétrica con dos salidas opuestas (6a). Una turbina según la invención puede tener, de modo alternativo, un rotor único, cuyo eje de rotación puede quedar dispuesto igualmente de forma horizontal o vertical con salida en la parte superior o en la parte inferior.

La unidad de distribuidor (3) comprende un cuerpo principal cilíndrico definido por una pared periférica circular (4) definida axialmente por un par de paredes auxiliares anulares (5), cada una de las cuales soporta un cuerpo tubular correspondiente (6) coaxial con la pared periférica (4), pero de menor diámetro que la misma. Cada uno de los cuerpos (6) define una salida circular correspondiente (6a) dirigida al rotor correspondiente (20). Ambos bordes extremos, indicados (7a y 7b), de cada cuerpo (6), en particular, el borde conectado a la pared (5) y el borde adyacente al rotor respectivo (20), respectivamente, son redondeados a efectos de no alterar el flujo de fluido que sale de la unidad (3). El cuerpo (6) tiene la función de proporcionar fluido con un pequeño empuje axial que, en ausencia el cuerpo (6), sería casi cero, a efectos de favorecer la descarga del fluido desde el rotor.

El conducto de entrada (10) tiene preferentemente una sección transversal rectangular, como mínimo, en las proximidades de la unidad (3), y está conectado a la unidad (3) tangencialmente en la zona de la pared (4) en la que se abre la abertura (16) de suministro de fluido. Un asiento de guía arqueado (14) se forma a lo largo de la pared (4), adyacente a la abertura (16), para posibilitar que una puerta rectangular (15), también de sección transversal arqueada, pueda deslizar (en la dirección de la flecha (C) de la figura 7) entre una posición de reposo, mostrada en la figura 6, en la que queda separada con respecto a la abertura (16) y desde el conducto (10), y una serie de posiciones activas en las que la puerta (15) cierra por lo menos parcialmente la abertura (16), interceptando el flujo de fluido desde el conducto de entrada (10) a la unidad (3) a través de la abertura (16). La puerta (15) posibilita la regulación del flujo de fluido admitido en la unidad (3) y desde dicha unidad (3) a los rotores (20) para su regulación efectiva. La figura 7 muestra el estado en el que la abertura (16) está completamente cerrada por la puerta (15) como resultado del deslizamiento de la puerta en la dirección indicada por la flecha (C).

Las expansiones (17) se extienden desde un lado transversal (15a) de la puerta (15) en la dirección del deslizamiento de la puerta con respecto a la pared (4) y se alojan en unos rebajes de guía alargados correspondientes (18) formados en las proximidades de la zona en la que el conducto de entrada (10) está conectado a la pared periférica (4) de la unidad de distribuidor (3). Las expansiones (17) ocupan las extensiones de la guía de deslizamiento (14) en los lados de la puerta (15) cuando ésta abre por lo menos parcialmente la abertura (16) e impide la presencia de esquinas o rebajes que podrían provocar la formación de torbellinos resultando en la alteración de la uniformidad del flujo de fluido en la unidad (3).

La puerta (15) es controlada, en particular, por un accionador de tipo conocido, por ejemplo, incluyendo un conjunto empujador de cilindro y pistón mecánico o hidráulico, que no se ha mostrado en detalle en los dibujos, alojado preferentemente en un cuerpo envolvente (19) adyacente a la pared (4) en las proximidades de la guía deslizante (14). El funcionamiento de este dispositivo de accionamiento es controlado automáticamente por medios sensores (no mostrados) para detectar la velocidad de rotación de los rotores (20) y el caudal de fluido en el conducto de entrada (10), de manera que la salida de fluido hacia los rotores es ajustada al caudal más arriba de la turbina (1) a efectos de que en todo momento se pueda suministrar la máxima potencia disponible.

En virtud del posicionamiento tangencial del conducto (10), el fluido admitido a la unidad (3) es dirigido según una trayectoria sustancialmente circular (indicada esquemáticamente por las flechas (A) en la figura 6) con una pequeña componente axial que tiende a producir una descarga uniforme del fluido desde los bordes de la salida (6a). Como resultado del flujo circular y uniforme de fluido en la unidad (3), la descarga de fluido tiene lugar uniformemente alrededor de las periferias de la salida (6) y predominantemente de forma tangencial a causa de la fuerza centrífuga.

Un dispositivo de válvula de seguridad automática queda asociado al conducto de entrada (10) en las proximidades de la unidad (3) para desviar el flujo hacia afuera del distribuidor (3) cuando se produce en el conducto (10) una presión mayor que el valor límite predeterminado, a efectos de impedir los fenómenos de golpe de ariete.

Este dispositivo de seguridad comprende una salida (11) formada en el conducto de entrada (10) y una compuerta de cierre (12) de forma que corresponde a la salida (11), articulada en el conducto (10) en el punto (12a) a efectos de desplazarse entre una disposición cerrada, en la que está dispuesta produciendo el cierre contra la salida (11), y una disposición abierta, en la que está separada de aquélla. En particular, la compuerta de cierre (12) está sometida directamente al efecto de la presión del fluido presente en el conducto (10), de manera que se puede desplazar desde la posición cerrada a la disposición abierta, o viceversa, como resultado de la presión del fluido. Unos medios antagonistas quedan asociados con la compuerta (12) para obligarla hacia su disposición cerrada y posibilitar que la compuerta sea mantenida normalmente, es decir, hasta que se superan los umbrales de presión predeterminados en su configuración cerrada, en la que el fluido pasa normalmente por el conducto (10) para llegar a la unidad (3).

Los medios antagonistas para la compuerta (12) pueden ser de cualquier tipo conocido, por ejemplo, del tipo de contrapeso, tal como se ha mostrado en los dibujos, incluyendo los brazos (13) fijados a la compuerta (12) y llevando contrapesos (13a) en sus extremos opuestos a la compuerta (12), o de tipo elástico que comprenden, por ejemplo, unos resortes antagonistas.

En el caso de fallo accidental en la red eléctrica conectada a la turbina, la carga del usuario puede cesar de manera inesperada o reducirse sustancialmente de manera que la velocidad de giro de las paletas puede aumentar bruscamente con riesgo de provocar averías en la instalación y daños al personal. En estas circunstancias, el dispositivo de accionamiento automático para el funcionamiento de la compuerta (15) provoca que ésta deslice cerrando la abertura (16) completamente y de manera inmediata, con el inevitable riesgo de golpe de ariete en el conducto (10). El exceso de presión que se produce instantáneamente en el conducto (10) actúa sobre la compuerta (12) hasta que, si la fuerza es suficiente, supera la fuerza ejercida sobre dicha compuerta (12) por los medios antagonistas, llevando la compuerta a la posición abierta para permitir que el fluido pase por la salida (11), hacia afuera de la unidad (3) (flecha (B) de la figura 7).

Los rotores (20) de la turbina (1) están fijados a un eje único de impulsión (30) que se extiende coaxialmente por la unidad (3) y que está conectado, de manera conocida, a medios para generar energía eléctrica o a otros usuarios (no mostrados), estando montado el eje (30) con capacidad de rotación con respecto a sus soportes (35).

Cada uno de los rotores (20) tiene un conjunto de paletas (22) conectado a un cubo (26) por medio de radios (24). Cada paleta (22) tiene forma alargada, sustancialmente semicircular, y su borde delantero (22a) está dispuesto en oposición a la salida correspondiente (6a) de la unidad (3) y orientado tangencialmente con respecto a la salida, que a su vez es tangencial a un plano perpendicular al eje (30), de manera que la paleta recibe directamente el flujo que sale de las respectivas salidas (6a) en una dirección sustancialmente paralela a la del fluido admitido en el distribuidor. En particular, no es necesario disponer un deflector para dirigir el fluido desde las salidas (6a) hacia las paletas (22) de los rotores (20) puesto que el fluido que sale de las salidas (6a) es ya dirigido paralelamente al borde delantero (22a) de cada una de las paletas (22) (flecha (D) de la figura 8). El ángulo entre un borde delantero (22a) y el borde posterior (22b) de cada paleta (22) es menor de 180º, preferentemente de 170º, de manera que el fluido expulsado desde el borde posterior (22b) de cada paleta (22) (flecha (E) de la figura 8) conserva una componente axial que favorece su movimiento en alejamiento del rotor correspondiente (20).

Cada una de las paletas (22) tiene una generatriz principal arqueada (23a) dispuesta en un plano tangencial al respectivo rotor (20) y extendiéndose entre el borde delantero (22a) y el borde posterior (22b) de la paleta. Si bien cada paleta (22) puede tener una envolvente plana en la dirección transversal, su generatriz principal (23a), lo que sería ventajoso desde el punto de vista de simplicidad constructiva, puede quedar constituida con una forma más eficaz si está conformada para tener una generatriz secundaria (23b) dispuesta transversalmente a la generatriz principal (23a) y también de forma arqueada.

Cada paleta (22) está ventajosamente anclada a las paletas adyacentes (22) en la zona de los bordes longitudinales opuestos de la misma (22c, 22d), de manera que todas las paletas (22) del mismo rotor (20) forman un cuerpo único.

Dada la estructura simétrica de la turbina descrita como realización preferente, los esfuerzos que actúan sobre el distribuidor (3) y sobre los soportes del eje (30) quedan también distribuidos simétricamente, equilibrando los empujes axiales y simplificando ventajosamente los elementos estructurales y de soporte de la turbina.

Claims (19)

1. Turbina de acción, que comprende como mínimo un rotor (20) fijado a un eje de impulsión (30) en asociación con un distribuidor (3) que tiene, para cada rotor (20), una salida circular (6a) para el suministro de fluido desde el distribuidor (3) a las paletas (22) de un rotor correspondiente (20), estando formado dicho distribuidor (3) de manera tal que define una trayectoria sustancialmente circular para el fluido y para provocar que éste salga desde el distribuidor (3) a través de una o varias salidas (6a) de manera predominantemente tangencial con respecto a la salida (6a),

caracterizada porque cada salida (6a) está dispuesta coaxialmente dentro del rotor respectivo (20) y porque el distribuidor (3) comprende un cuerpo cilíndrico principal definido por una pared periférica circular (4) definida axialmente por un par de paredes auxiliares anulares (5), cada una de las cuales soporta el correspondiente cuerpo tubular (6) coaxial con la pared periférica (4), pero de menor diámetro que la misma, y definiendo una salida correspondiente circular (6a) dirigida al rotor correspondiente (20).

2. Turbina de acción, según la reivindicación 1, caracterizada porque el distribuidor (3) comprende un cuerpo cilíndrico que tiene un conducto de entrada tangencial (10), teniendo dicho conducto (10) unos medios asociados (14, 15, 15a) para regular el caudal de fluido admitido en el distribuidor (3).

3. Turbina de acción, según la reivindicación 2, caracterizada porque el cuerpo cilíndrico tiene una pared periférica circular (4), y porque el conducto de entrada (10) tiene una sección transversal de forma general rectangular, como mínimo, en las proximidades de su conexión a la pared periférica (4).

4. Turbina de acción, según la reivindicación 2 ó 3, caracterizada porque los medios para regular el caudal de fluidos comprenden una compuerta (15) deslizante a lo largo de la pared periférica (4) del distribuidor (3) entre una posición de reposo, en la que está separada con respecto al conducto (10) de entrada de fluido, y una serie de posiciones activas, en las que la compuerta (15) intercepta por lo menos parcialmente el flujo de fluido desde el conducto de entrada (10) al distribuidor (3) a través de la abertura de suministro (16).

5. Turbina de acción, según la reivindicación 4, caracterizada porque la compuerta (15) es controlada por sensores que detectan la velocidad de giro del rotor o rotores (20) y el caudal de fluido del conducto de entrada (10).

6. Turbina de acción, según la reivindicación 4 ó 5, caracterizada porque la compuerta (15) tiene una sección transversal arqueada que corresponde a la pared periférica (4) del distribuidor (3), y porque dos expansiones alargadas (17) se extienden desde extremos opuestos de un lado transversal (15a) de la compuerta en la dirección de deslizamiento de la misma, quedando alojadas las expansiones (17) en respectivos rebajes de guía (18) formados en las proximidades de la zona de conexión del conducto de entrada (10) a la pared periférica (4) del distribuidor (3).

7. Turbina de acción, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizada porque el distribuidor (3) comprende un dispositivo de válvula de seguridad automática (11, 12) que puede derivar el flujo de fluido hacia afuera del distribuidor (3) cuando se detecta una presión superior a un valor umbral predeterminado en el conducto de entrada (10).

8. Turbina de acción, según la reivindicación 7, caracterizada porque el dispositivo de válvula de seguridad comprende una salida (11) formada en el conducto de entrada (10) y una compuerta de tipo placa (12) que es de una forma que corresponde a la de la salida (11) y está sometida al efecto de la presión del fluido, estando articulada la compuerta (12) al conducto de entrada (10) a efectos de tener capacidad de movimiento entre una disposición cerrada, en la que está dispuesta contra la salida (11), y una disposición abierta, en la que está separada de la salida (11) como resultado de la presión del fluido.

9. Turbina de acción, según la reivindicación 8, caracterizada porque unos medios antagonistas (13, 13a) están asociados con la compuerta tipo placa (12) para obligarla hacia su configuración cerrada, siendo capaces los medios antagonistas (13, 13a) de mantener la compuerta (12) en su disposición cerrada cuando la presión en el conducto de entrada (10) tiene un valor no superior al valor umbral y permitir que adopte la disposición abierta para presiones superiores al valor umbral.

10. Turbina de acción, según la reivindicación 9, caracterizada porque los medios antagonistas son de tipo contrapeso (13a) de tipo antagonista elástico.

11. Turbina de acción, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque el distribuidor (3) tiene, en las proximidades de cada salida (6a), un cuerpo tubular correspondiente (6) con un diámetro menor que el de la pared periférica circular (4), poseyendo los dos bordes opuestos (7b, 7a) de cada cuerpo tubular (6) para conexión a una pared auxiliar (5) interpuesta entre el cuerpo tubular (6) y la pared circular periférica (4), y para la salida del fluido, respectivamente, bordes redondeados.

12. Turbina de acción, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque cada uno de los rotores (20) comprende un conjunto de paletas alargadas y arqueadas (22), cada una de las cuales tiene su borde delantero (22a) dirigido a la salida respectiva (6a) del distribuidor (3) y orientada tangencialmente con respecto al mismo.

13. Turbina de acción, según la reivindicación 12, caracterizada porque cada paleta (22) tiene una generatriz principal arqueada (23a) dispuesta en un plano tangencial con respecto al rotor correspondiente (22).

14. Turbina de acción, según la reivindicación 12 ó 13, caracterizada porque el ángulo entre el borde delantero (22a) y el borde posterior (22b) de cada paleta (22) es menor de 180º, preferentemente de unos 170º.

15. Turbina de acción, según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizada porque cada paleta (22) tiene una generatriz secundaria (23b) dispuesta transversalmente a la generatriz principal (23a) y que es asimismo arqueada.

16. Turbina de acción, según cualquiera de la reivindicaciones 12 a 15, caracterizada porque cada paleta (22) del rotor (20) está fijada a las paletas adyacentes (22) en la zona de los bordes longitudinales opuestos del mismo (22c, 22d).

17. Turbina de acción, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque el distribuidor (3) tiene forma simétrica y comprende dos salidas opuestas (6a), estando asociados estos rotores (20) con el distribuidor (3) en disposición simétrica de oposición con respecto a un plano medio del mismo.

18. Turbina de acción, según la reivindicación 17, caracterizada porque los dos rotores (20) están fijados a un único eje de impulsión (30) que se extiende coaxialmente con el distribuidor (3) con intermedio de un cubo respectivo (26) conectado a las paletas (22) por medio de una serie de radios (24).

19. Turbina de acción, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizada porque el distribuidor (3) no tiene deflectores para dirigir el flujo hacia las paletas (22) de uno o más rotores (20).