ES2276094T3 - Rodete de una maquina hidraulica. - Google Patents
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Abstract
Rodete de una máquina hidráulica, de preferencia, una turbina Francis, turbina bomba reversible Francis, o bomba radial o diagonal, con un número de álabes (1) del rodete, que están dispuestos entre un disco (3) interior y otro exterior (2) de protección, presentando los álabes (1) del rodete un borde (4) de ataque y una arista (5) de salida, presentando un punto (G) de contacto entre el disco (3) interior de protección y el borde (4¿) de ataque, y/o un punto (F) de contacto entre el disco (3) interior de protección y la arista (5¿) de salida, de al menos un primer álabe (1¿) del rodete, con relación al eje de giro de la máquina hidráulica, un radio mayor que los puntos (B, C) correspondientes de contacto de un segundo álabe (1) del rodete inmediatamente contiguo, presentando los puntos (A, D) de contacto entre el disco (2) exterior de protección y el borde (4, 4¿) de ataque y la arista (5, 5¿) de salida del primero y segundo álabe (1, 1¿) del rodete, esencialmente el mismo radio.
Description
Rodete de una máquina hidráulica.
La solicitud objetiva se refiere a un rodete de
una máquina hidráulica, de preferencia, una turbina Francis,
turbina bomba reversible Francis, o bomba radial o diagonal, con un
número de álabes del rodete, que están dispuestos entre un disco
interior y otro exterior de protección, presentando los álabes del
rodete un borde de ataque y una arista de salida.
Un rodete de una máquina hidráulica, como por
ejemplo una turbina Francis, presenta una multitud de álabes del
rodete, configurando cada dos álabes un canal hidrodinámico para un
medio funcional, por ejemplo, agua, a través del cual fluye el
medio funcional al funcionar la máquina hidráulica, y así pone el
rotor en rotación. La fabricación de un rotor semejante es muy
costosa por causa de las formas geométricas complejas de los álabes
del rodete. Para hacer posible la fabricación del rotor, por
ejemplo, por soldadura, etc., y/o una mecanización correspondiente
de las superficies, por ejemplo, por rectificado, pulido, etc.,
mediante máquinas de mecanización, como por ejemplo, robotes, etc.,
los álabes del rodete no pueden estar demasiado cerca unos de otros.
Además, en caso de partes de los álabes estrechamente contiguas,
existe siempre el peligro de que quede producto flotante en el
rodete y, por tanto, se perjudique el funcionamiento, o incluso haga
necesaria la parada de la máquina hidráulica.
Por otra parte, en la zona de la arista de
salida (= borde de ataque en una turbina bomba reversible, al
funcionar como bomba) de los álabes del rodete, se desea un radio
pequeño en el disco interior de protección, puesto que esto es
ventajoso para el funcionamiento, sobre todo en puntos funcionales
alejados del punto funcional de diseño. Con radio pequeño se
mejoraría esencialmente, por ejemplo, la turbulencia en la salida
del rodete, en zonas de carga reducida.
En la salida del rodete, un número alto de
álabes conduce a condiciones muy estrechas de espacio. Por otra
parte, un número pequeño de álabes conduce en la entrada del rodete,
a distancias amplias y a una carga alta y a cavitación en la
entrada del rodete. Para eliminar esta contradicción básica, se
fabricaron rodetes, por ejemplo, de tal manera que cada dos o tres
álabes, en toda la zona de salida de los álabes del rodete, se
realizaba uno más corto que los álabes contiguos del rodete, el
llamado "splitter blade runner", y todos los álabes del rodete
sin excepción, se dejaban iguales en la zona de entrada. La ventaja
de esta realización es que con ella se creaba más sitio en la zona
de salida, con lo que en lo esencial se eliminaban los
inconvenientes de más arriba. Evidentemente, aquí se eleva el
peligro de cavitación en la zona del disco exterior de protección,
entre el centro del álabe y la arista de salida, puesto que allí se
elevan las cargas de los álabes a causa de las longitudes reducidas
parcialmente de los álabes.
El documento US 5570998 muestra un rodete de una
máquina hidráulica, con un número de álabes del rodete que están
dispuestos entre un disco interior y otro exterior de protección,
presentando los álabes del rodete un borde de ataque y una arista
de salida, y presentando un punto de contacto entre el disco
interior de protección y el borde de ataque de al menos un primer
álabe del rodete, un radio mayor con respecto al eje de rotación de
la máquina hidráulica, que los correspondientes puntos de contacto
de un segundo álabe inmediatamente contiguo del rodete.
Por el documento US 6,135,716 se conoce una vez
más un rotor de una turbina Francis, en el que se mejoró el
comportamiento de cavitación, conformando especialmente los bordes
de ataque y las aristas de salida de los álabes del rodete con
respecto al eje de rotación de la turbina. Aquí las longitudes de
todos los álabes del rodete se dejan iguales, por tanto
corresponden a un rodete convencional. Por tanto se producen sin
embargo de nuevo, los inconvenientes arriba expuestos en relación
con la fabricación y funcionamiento alejados del diseño.
Así pues, una misión de la presente solicitud es
indicar un rodete de una máquina hidráulica, en el que se eviten
los inconvenientes arriba citados, pero que a pesar de todo presente
un buen comportamiento de cavitación, y no lleve consigo ninguna
pérdida de rendimiento energético.
Esta misión se resuelve mediante la invención
objetiva, presentando un punto de contacto entre el disco interior
de protección y el borde de ataque, y/o un punto de contacto entre
el disco interior de protección y la arista de salida, de al menos
un primer álabe, con relación al eje de rotación de la máquina
hidráulica, un radio mayor que los correspondientes puntos de
contacto de un segundo álabe inmediatamente contiguo, presentando
los puntos de contacto entre el disco exterior de protección y el
borde de ataque y la arista de salida del primero y segundo álabe
del rodete, esencialmente el mismo radio. Con ello se logra por una
parte, realizar radios muy pequeños en la zona de salida del rodete
en el disco interior de protección, sin ocasionar problemas de
fabricación o problemas por una disposición demasiado estrecha de
los álabes. Por otra parte, en las zonas de alta carga de los
álabes, o sea, en la zona de contacto de los álabes con el disco
exterior de protección, no se aumenta la carga o sólo lo hace en
forma insignificante, puesto que las longitudes de contacto en estas
zonas no se modifican respecto a rodetes convencionales, de manera
que en cuanto a la cavitación no se produce ningún empeoramiento en
el funcionamiento.
Desde el punto de vista hidráulico y de la
técnica de fabricación es ventajoso cuando el borde de ataque y la
arista de salida de un primero y de un segundo álabe del rodete,
están conformados iguales al menos por sectores, estando
conformadas igual las aristas, de preferencia, entre el punto de
contacto en el disco exterior de protección y un punto cualquiera
en el borde de ataque o en la arista de salida.
Para poder funcionar la máquina hidráulica sin
fricción, también en zonas de carga reducida, la relación entre el
radio mínimo de un punto de contacto de la arista de salida con el
disco interior de protección de un álabe, y el radio del punto de
contacto de la arista de salida con el disco exterior de protección
de este álabe, se especifica menor o igual a 0,4, de preferencia
menor o igual a 0,2. Con ello se consigue que se reduzca la
turbulencia de salida del rodete, y que la máquina hidráulica pueda
funcionar también correctamente en zonas de carga reducida.
El número de los álabes del rodete se elige con
ventaja, divisible por dos o tres, presentando cada dos o tres
álabes del rodete diferentes bordes de ataque y aristas de salida,
con lo que se producen grandes ventajas en la técnica de
fabricación, al menos en la zona de radios pequeños, puesto que de
este modo pueden mecanizarse sin problemas los álabes individuales
del rodete.
Por motivos hidráulicos es favorable disponer el
punto de contacto entre arista de salida y disco interior de
protección, de al menos un álabe, en dirección axial por debajo del
centro del borde de ataque de este álabe, y con respecto a la
dirección de rotación del rodete, los puntos de contacto del borde
de ataque y de la arista de salida con el disco exterior de
protección, de al menos un álabe, delante de los correspondientes
puntos de contacto del borde ataque y de la arista de salida, con el
disco interior de protección de este álabe. Se producen mejoras
adicionales del comportamiento hidráulico de la máquina, cuando con
respecto al eje de rotación del rodete, la distancia radial entre
los puntos de contacto de la arista de salida con el disco exterior
e interior de protección de al menos un álabe es mayor que la
distancia radial entre los puntos de contacto del borde de ataque
con el disco exterior e interior de protección de este álabe, con
ventaja mayor de 10º, de preferencia mayor de 15º. Entre otras
cosas, con ello puede mejorarse todavía más el comportamiento de
cavitación de la máquina
hidráulica.
hidráulica.
Cuando una parte de al menos un álabe del
rodete, está dispuesta en el tapacubos, y esta parte puede retirarse
con el tapacubos, pueden realizarse radios muy pequeños de los
puntos de contacto de la arista de salida con el disco interior de
protección, lo cual a su vez actúa muy ventajosamente en la zona de
carga reducida de la máquina hidráulica.
La presente invención se describe ahora de la
mano de las siguiente figuras 1 a 3 esquemáticas, no restrictivas,
mostrando:
Figura 1, un álabe de un rodete convencional de
una máquina hidráulica.
Figura 2, álabes del rodete según la invención,
de una máquina hidráulica, y
Figura 3, una vista en dirección axial de un
álabe del rodete según la invención.
Un álabe 1 convencional del rodete de una
máquina hidráulica, según la figura 1, como por ejemplo, una
turbina, turbina bomba reversible o bomba radial, está dispuesto
entre un disco 3 interior y uno 2 exterior de protección, y
presenta un borde 4 de ataque y una arista 5 de salida, que cortan
el disco 3 interior y el 2 exterior de protección, en los cuatro
puntos A, B, C y D de contacto. Álabes 1 contiguos del rodete forman
un canal hidrodinámico que puede ser recorrido por un medio
funcional, por ejemplo, agua. Para una turbina se produciría una
corriente desde el borde 4 de ataque, por ejemplo, desde una caja
espiral suficientemente conocida y aquí no representada, y un
distribuidor, a la arista 5 de salida, y más allá a un tubo
aspirador suficientemente conocido y asimismo no representado aquí,
y que desemboca aguas abajo. Para una bomba o turbina bomba
reversible funcionando como bomba, se invertiría
correspondientemente la dirección de la corriente, aquí pues desde
la arista 5 de salida hacia el borde 4 de ataque. Por la
circulación del medio funcional a través del rodete, se pone en
rotación la máquina hidráulica (en caso de una turbina), o por la
rotación de la máquina hidráulica se transporta medio funcional (en
caso de una bomba). El eje de rotación de la máquina hidráulica,
está ilustrado mediante la línea de trazos y puntos.
El álabe 1 del rodete no es plano en la mayoría
de los casos, sino que básicamente puede presentar una curvatura
tridimensional cualquiera como se ilustra en la figura 3, en la que
está representada una vista de un álabe 1 del rodete en la
dirección axial del eje de rotación. Se reconoce que los puntos C (o
G), D de contacto del borde 4 (ó 4') de ataque, en el disco 3
interior de protección y en el disco 2 exterior de protección,
pueden presentar con respecto al eje de rotación de la máquina
hidráulica, una distancia \varphi_{E} circunferencial, o sea,
referidos a la dirección axial del eje de rotación, no vienen a
situarse en una línea radial por el eje de rotación, sino que están
dispuestos con un ángulo determinado uno respecto a otro. Lo mismo
puede ser válido también naturalmente para los puntos B (o F), A de
la arista 5 (ó 5') de salida, en el disco 3 interior y exterior 2
de protección, donde puede preverse una distancia \varphi_{A}
circunferencial. Para el comportamiento de cavitación de la máquina
hidráulica, es aquí favorable cuando esta distancia \varphi_{A}
circunferencial de los puntos B (o F), A de contacto de la arista 5
(ó 5') de salida se elige mayor que la distancia \varphi_{E}
radial de los puntos C (o G), D del borde 4 (ó 4') de ataque. Un
valor preferente para \varphi_{A} es aquí 15º o mayor. Además,
en la figura 3 se reconoce que los puntos D, A de contacto en el
disco 2 exterior de protección, vistos en la dirección de rotación
que está ilustrada por la flecha, están dispuestos delante de los
puntos B (o F), C (o G) correspondientes de contacto en el disco
interior de protección.
En la figura 2 está representado ahora
esquemáticamente un rodete según la invención. Los álabes 1 de este
rodete están dispuestos aquí de nuevo entre un disco 3 interior y
uno 2 exterior de protección, y forman de nuevo un canal
hidrodinámico para el medio funcional.
No obstante, ahora en este rodete, el borde 4 de
ataque y la arista 5 de salida de cada dos o tres álabes 1 del
rodete, están retirados parcialmente hacia fuera (o retirada hacia
dentro según el punto de vista) con referencia al eje de rotación
de la máquina hidráulica. Es decir, que igual que antes, una parte
de los álabes 1 del rodete, están limitados convencionalmente como
se describe en la figura 1, o sea, por un borde 4 de ataque entre
los puntos C y D de contacto, por una arista 5 de salida entre los
puntos A y B, así como por el disco 3 interior y el exterior 2 de
protección. Cada dos o tres álabes del rodete, uno 1' difiere de
esta limitación. El borde 4 de ataque de dos álabes 1, 1' contiguos
del rodete, discurre igual a partir del punto D de contacto entre
el borde 4 de ataque y el disco exterior de protección, hasta un
punto H cualquiera en el borde 4 de ataque, a partir de este punto
H, el borde 4' de ataque está retirado hacia fuera con respecto al
eje de rotación, es decir, que el punto G de contacto del borde 4'
de ataque del álabe 1' del rodete en el disco 3 interior de
protección, presenta un radio mayor que el correspondiente punto C
de contacto del álabe 1 contiguo del rodete.
En la arista 5 de salida es válido por analogía
lo dicho arriba. Las aristas 5 de salida de los álabes 1, 1'
inmediatamente contiguos del rodete coinciden en lo esencial entre
un punto A de contacto en el disco 2 exterior de protección, y un
punto E cualquiera en la arista 5 de salida. A partir de este punto
E, la arista 5' de salida de cada dos o tres álabes 1' del rodete,
está retirada hacia fuera (o retirada hacia dentro, según el punto
de vista), es decir, que el punto F de contacto de la arista 5' de
salida del álabe 1' del rodete, en el disco 3 interior de
protección, presenta un radio mayor que el del punto B
correspondiente de contacto del álabe 1 contiguo del rodete.
La limitación de una parte de los álabes 1 del
rodete, discurre pues entre los puntos C y D de contacto que forman
el borde 4 de ataque, así como entre los puntos A y B de contacto
que forman la arista 5 de salida, como en los álabes
convencionales, y la limitación de uno 1' de cada dos o tres álabes
del rodete, discurre entre los puntos D, H y G que forman el borde
4' de ataque, y entre los puntos A, E y F que forman la arista 5'
de salida.
Como es natural la descripción arriba mencionada
es únicamente a título de ejemplo. También cabría imaginar
naturalmente retirar hacia fuera, sólo el borde 4 de ataque, o sólo
la arista 5 de salida, o alternativamente por sectores, el borde 4
de ataque y la arista 5 de salida.
Además, los puntos E y H pueden estar dispuestos
en una posición cualquiera, en la arista 5 de salida, o en el borde
4 de ataque, en especial, en una realización según la invención,
estos puntos E y H podrían coincidir también con los puntos A y D
de contacto en el disco 2 exterior de protección.
Gracias a estas aristas 5, 5' de salida que
discurren alternativa y diferentemente, los álabes 1 del rodete
pueden acercarse mucho al eje de rotación de la máquina hidráulica,
es decir, que los puntos B de contacto de las aristas 5 de salida
en el disco 3 interior de protección, pueden presentar diámetros muy
pequeños. En especial, se puede conseguir una relación
r_{B}/r_{A} de radios en la arista 5 de salida, menor o igual a
0,2, lo cual hasta ahora era problemático, si es que era
posible.
Si la arista 5 de salida se lleva muy cerca del
eje de rotación, en la zona del disco 3 interior de protección, en
ciertas circunstancias puede llevar a problemas de espacio y/o de
montaje con la fijación del rodete en el árbol. Para resolver este
problema, podría preverse, por ejemplo, realizar una parte de los
álabes 1 ó 1' del rodete, como parte de un tapacubos
suficientemente conocido, aquí no representado. Por ejemplo, se
podría fabricar un sector que se establece por los puntos E, B y F,
como parte del tapacubos del rodete, que entonces, con el
tapacubos, sería desmontable del rodete.
Claims (18)
1. Rodete de una máquina hidráulica, de
preferencia, una turbina Francis, turbina bomba reversible Francis,
o bomba radial o diagonal, con un número de álabes (1) del rodete,
que están dispuestos entre un disco (3) interior y otro exterior
(2) de protección, presentando los álabes (1) del rodete un borde
(4) de ataque y una arista (5) de salida, presentando un punto (G)
de contacto entre el disco (3) interior de protección y el borde
(4') de ataque, y/o un punto (F) de contacto entre el disco (3)
interior de protección y la arista (5') de salida, de al menos un
primer álabe (1') del rodete, con relación al eje de giro de la
máquina hidráulica, un radio mayor que los puntos (B, C)
correspondientes de contacto de un segundo álabe (1) del rodete
inmediatamente contiguo, presentando los puntos (A, D) de contacto
entre el disco (2) exterior de protección y el borde (4, 4') de
ataque y la arista (5, 5') de salida del primero y segundo álabe (1,
1') del rodete, esencialmente el mismo radio.
2. Rodete según la reivindicación 1,
caracterizado porque los bordes (4, 4') de ataque del primero
y del segundo álabe (1, 1') del rodete, están conformados
discurriendo diferentemente, al menos por sectores.
3. Rodete según la reivindicación 2,
caracterizado porque los bordes (4, 4') de ataque del primero
y del segundo álabe (1, 1') del rodete, están conformados
discurriendo en lo esencial igual, entre el punto (D) de contacto
de los bordes (4, 4') de ataque en el disco (2) exterior de
protección y un punto (H) que puede predeterminarse en el borde (4,
4') de ataque.
4. Rodete según alguna de las reivindicaciones 1
a 3, caracterizado porque las aristas (5, 5') de salida del
primero y del segundo álabe (1, 1') del rodete, están conformadas
discurriendo diferentemente, al menos por sectores.
5. Rodete según la reivindicación 4,
caracterizado porque las aristas (5, 5') de salida del
primero y del segundo álabe (1, 1') del rodete, están conformadas
discurriendo en lo esencial igual, entre el punto (A) de contacto
de las aristas (5, 5') de salida en el disco (2) exterior de
protección y un punto (E) que puede predeterminarse en la arista
(5, 5') de salida.
6. Rodete según alguna de las reivindicaciones 1
a 5, caracterizado porque la relación entre el radio r_{B}
mínimo de un punto (B) de contacto de la arista (5') de salida con
el disco (3) interior de protección, de un álabe (1) del rodete, y
el radio r_{A} del punto (A) de contacto de la arista (5, 5') de
salida con el disco (2) exterior de protección de este álabe (1)
del rodete, es menor o igual que 0,4, de preferencia menor o igual
que 0,2.
7. Rodete según alguna de las reivindicaciones 1
a 6, caracterizado porque el número de álabes (1, 1') del
rodete, es divisible por dos o por tres.
8. Rodete según la reivindicación 7,
caracterizado porque en caso de un número divisible por dos,
de álabes (1, 1') del rodete, la arista (5) de salida y/o el borde
(4) de ataque de uno de cada dos álabes (1) del rodete, presenta un
punto (B, C) de contacto en el disco (3) interior de protección, con
un radio menor con respecto al eje de rotación del rodete, que los
correspondientes puntos (F, G) de contacto de los álabes (1')
contiguos del rodete.
9. Rodete según la reivindicación 1,
caracterizado porque en caso de un número divisible por tres,
de álabes (1, 1') del rodete, la arista (5) de salida y/o el borde
(4) de ataque de uno de cada tres álabes (1, 1') del rodete,
presentan un punto (B, C) de contacto en el disco (3) interior de
protección, con un radio menor con respecto al eje de rotación del
rodete, que los correspondientes puntos (F, G) de contacto de los
álabes (1') contiguos del rodete.
10. Rodete según alguna de las reivindicaciones
1 a 9, caracterizado porque un punto (B, F) de contacto entre
la arista (5, 5') de salida y el disco (3) interior de protección,
de al menos un álabe (1, 1') del rodete, está dispuesto en
dirección axial, por debajo del centro del borde (4, 4') de ataque
de este álabe (1, 1') del rodete.
11. Rodete según alguna de las reivindicaciones
1 a 10, caracterizado porque con respecto a la dirección de
rotación del rodete, los puntos (A, D) de contacto del reborde (4,
4') de ataque y de la arista (5, 5') de salida en el disco (2)
exterior de protección, de al menos un álabe (1, 1') del rodete,
están dispuestos delante de los correspondientes puntos (B, C, F,
G) de contacto del borde (4, 4') de ataque y de la arista (5, 5')
de salida, en el disco (3) interior de protección, de este álabe (1,
1') del rodete.
12. Rodete según alguna de las reivindicaciones
1 a 11, caracterizado porque con respecto al eje de rotación
del rodete, la distancia \varphi_{A} circunferencial entre los
puntos (A, B, F) de contacto de la arista (5, 5') de salida en el
disco (2) exterior y en el interior (3) de protección, de al menos
un álabe (1, 1') del rodete es mayor que la distancia
\varphi_{E} circunferencial entre los puntos (D, C, G) de
contacto del borde (4, 4') de ataque en el disco (2) exterior y en
el interior (3) de protección de este álabe (1, 1') del rodete.
13. Rodete según la reivindicación 12,
caracterizado porque la distancia \varphi_{A}
circunferencial entre los puntos (A, B, F) de contacto de la arista
(5, 5') de salida en el disco (2) exterior y en el interior (3) de
protección, de al menos un álabe del rodete, es mayor de 10º, de
preferencia, mayor de 15º.
14. Rodete según alguna de las reivindicaciones
1 a 13, caracterizado porque al menos un álabe (1, 1') del
rodete, está realizado partido, estando dispuestas al menos dos
partes del álabe del rodete, desmontables una de otra.
15. Rodete según la reivindicación 14,
caracterizado porque una parte de al menos un álabe (1, 1')
del rodete, está dispuesta en el tapacubos, y esta parte puede
desmontarse con el tapacubos del rodete.
16. Procedimiento para la fabricación de un
rodete de una máquina hidráulica, de preferencia, una turbina
Francis, turbina bomba reversible Francis, o bomba radial o
diagonal, con un número de álabes (1, 1') del rodete dispuestos
entre un disco (3) interior y otro exterior (2) de protección,
fabricándose al menos un álabe (1') del rodete con un borde (4) de
ataque y/o una arista (5) de salida diferente de un álabe (1)
contiguo del rodete, de manera que un punto (G) de contacto entre
el disco (3) interior de protección y el borde (4') de ataque, y/o
un punto (F) de contacto entre el disco (3) interior de protección y
la arista (5') de salida, de al menos un álabe (1') del rodete,
presenta con relación al eje de rotación de la máquina hidráulica,
un radio mayor que los correspondientes puntos (B, C) de contacto
de un álabe (1) contiguo del rodete, presentando los puntos (A, D)
de contacto entre el disco (2) exterior de protección y el borde (4,
4') de ataque y la arista (5, 5') de salida de todos los álabes (1,
1') del rodete, esencialmente el mismo
radio.
radio.
17. Procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque los álabes (1, 1') del rodete se
fabrican de antemano como piezas sueltas, e inmediatamente después
se sueldan con el disco (3) interior y el exterior (2) de
protección, para formar un rodete.
18. Procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque el rodete se obtiene por colada al menos
parcialmente, y en ciertos casos, los álabes (1, 1') del rodete, se
mecanizan inmediatamente después con un procedimiento de mecanizado
superficial, como por ejemplo, rectificado o pulido.
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