ES2287175T3 - Maquina dinamoelectrica refrigerada por gas. - Google Patents
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Abstract
Una máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, que comprende: un rotor (100) que tiene una parte (14) de cuerpo, presentando dicho rotor bobinas (22) que se extienden axialmente y espiras (27, 127, 227) de extremo radialmente contiguas que definen una pluralidad de devanados (28, 128, 228) de extremo que se extienden axialmente más allá de al menos un extremo de dicha parte (14) de cuerpo; y al menos un bloque (40, 140, 240) espacial situado entre dichos devanados (28) de extremo adyacentes de manera que se define una cavidad (42, 142, 242) en medio, un gas de refrigeración para entrar en la cavidad (42, 142, 242), que atraviesa una circulación primaria y sale de la cavidad (42, 142, 242); caracterizada porque al menos una de dichas espiras (127, 227) de extremo y/o dicho bloque (140, 240) espacial tiene un perfil (148, 150, 252) superficial no plano sobre una superficie de los mismos dirigida a dicha cavidad (42, 142, 242), y dicho perfil superficial no plano comprende al menos una protuberancia o al menos un rebaje definido totalmente en dicha superficie de dicha al menos una espira de extremo y/o bloque (140, 240) espacial, estando prevista la al menos una protuberancia o rebaje para aumentar la transferencia de calor mejorando la mezcla turbulenta y la rotura de capa límite en dicha cavidad entre devanados de extremo adyacentes.
Description
Máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas.
La presente invención se refiere a una
estructura para mejorar la refrigeración de rotores de generadores
mediante el perfilado superficial de las espiras de extremo de cobre
y/o los bloques espaciales.
El régimen nominal de la potencia de salida de
las máquinas dinamoeléctricas, tales como grandes turbogeneradores,
está limitado con frecuencia por la capacidad de proporcionar
corriente adicional a través del devanado de campo del rotor debido
a las limitaciones de temperatura impuestas al aislamiento del
conductor eléctrico. Por lo tanto, la refrigeración efectiva del
devanado del rotor contribuye directamente a la capacidad de salida
de la máquina. Esto es especialmente cierto en la zona de extremo
del rotor, en la que una refrigeración forzada directa resulta
difícil y cara debido a la habitual construcción de estas máquinas.
A medida que las tendencias que prevalecen en el mercado requieren
generadores de densidad de alta potencia con una mayor eficacia y
una mayor fiabilidad a menor coste, la refrigeración de la zona de
extremo del rotor se convierte en un factor de limitación.
Los rotores de los turbogeneradores consisten
normalmente en bobinas rectangulares concéntricas montadas en
ranuras en un rotor. Las partes de extremo de las bobinas
(habitualmente denominadas como devanados de extremo), que están
más allá del soporte del cuerpo del rotor principal, se soportan
normalmente en contra de fuerzas rotacionales mediante un anillo de
retención (véase la figura 1). Los bloques de soporte se colocan de
manera intermitente entre los devanados de extremo de la bobina
concéntrica para mantener una posición relativa y para añadir
estabilidad mecánica para cargas axiales, tales como cargas térmicas
(véase la figura 2). Adicionalmente, las bobinas de cobre están
constreñidas radialmente por el anillo de retención sobre sus radios
exteriores, lo que contrarresta las fuerzas centrífugas. La
presencia de los bloques espaciales y del anillo de retención da
como resultado un número de zonas de refrigerante expuestas a las
bobinas de cobre. El recorrido primario del refrigerante es axial
entre el árbol y la parte inferior de los devanados de extremo.
También se forman cavidades discretas entre las bobinas por las
superficies de unión de las bobinas, los bloques y la superficie
interior de la estructura del anillo de retención. Los devanados de
extremo están expuestos al refrigerante que se conduce mediante
fuerzas rotacionales desde radialmente por debajo de los devanados
de extremo hacia estas cavidades (véase la figura 3). Esta
transferencia de calor tiende a ser baja. Esto se debe a que, según
líneas de recorrido de flujo calculadas por ordenador, en una única
cavidad de devanado de extremo giratoria a partir de un análisis
dinámico de fluidos realizado por ordenador, el flujo de
refrigerante entra en la cavidad, la atraviesa a través de una
circulación primaria y sale de la cavidad. Normalmente, la
circulación tiene como resultado coeficientes de transferencia de
calor bajos especialmente cerca del centro de la cavidad. Así,
aunque que se trata de un medio para la eliminación del calor en los
devanados de extremo, resulta relativamente ineficaz.
Se han utilizado diversos esquemas para
encaminar gas de refrigeración adicional a través de la zona de
extremo del rotor. Todos estos esquemas de refrigeración se basan
en o bien (1) hacer pasos de refrigeración directamente en los
conductores de cobre mecanizando surcos o formando canales en los
conductores, y entonces bombear el gas hacia alguna otra zona de la
máquina, y/o (2) crear zonas de presiones relativamente superiores e
inferiores con la adición de deflectores, canales de flujo y
elementos de bombeo para forzar al gas de refrigeración a pasar por
las superficies de los conductores.
Algunos sistemas perforan el anillo de retención
del rotor altamente cargado con tensión con orificios radiales para
permitir que el gas de refrigeración sea bombeado directamente a lo
largo de los devanados de extremo del rotor y descargado en el
espacio de aire, aunque tales sistemas pueden tener tan sólo una
utilidad limitada debido al elevado esfuerzo mecánico y a
consideraciones de fatiga relacionadas con el anillo de
retención.
Si se utilizan los esquemas de refrigeración
forzada de extremo del rotor convencionales, se añade una
complejidad y un coste considerables a la construcción del rotor.
Por ejemplo, deben mecanizarse o fabricarse conductores
refrigerados directamente para formar los pasos de refrigeración.
Además, debe proporcionarse un colector de salida para descargar el
gas a algún lugar en el rotor. Los esquemas de refrigeración forzada
requieren que la zona de extremo del rotor se divida en zonas de
presión separadas, con la adición de numerosos deflectores, canales
de flujo y elementos de bombeo, que de nuevo añaden complejidad y
coste.
Si no se utiliza ninguno de estos esquemas de
refrigeración directa o forzada, entonces los devanados de extremo
del rotor se refrigeran de manera pasiva. La refrigeración pasiva se
basa en las fuerzas centrífugas y rotacionales del rotor para hacer
circular gas en las cavidades ciegas, cerradas formadas entre los
devanados del rotor concéntricos. La refrigeración pasiva de los
devanados de extremo del rotor se denomina en ocasiones
refrigeración de "convección libre".
La refrigeración pasiva proporciona la ventaja
de una complejidad y un coste mínimos, aunque la capacidad de
eliminación de calor disminuye cuando se compara con los sistemas
activos de refrigeración directa y forzada. Cualquier gas de
refrigeración que entre en las cavidades entre los devanados del
rotor concéntricos debe salir a través la misma abertura puesto que
estas cavidades están encerradas por lo demás -las cuatro "paredes
laterales" de una cavidad típica están formadas por los
conductores concéntricos y los bloques aislantes que los separan,
estando la pared "inferior" (radialmente exterior) formada por
el anillo de retención que soporta los devanados de extremo contra
la rotación. El gas de refrigeración entra desde el espacio anular
entre los conductores y el árbol del rotor. La eliminación de calor
está limitada por tanto por la baja velocidad de circulación del
gas en la cavidad y la cantidad limitada de gas que puede entrar y
salir de estos espacios.
En configuraciones típicas, el gas de
refrigeración en la zona de extremo todavía no se ha acelerado
totalmente a la velocidad del rotor, es decir, el gas de
refrigeración gira a parte de la velocidad del rotor. Cuando el
fluido se conduce hacia una cavidad mediante el impacto de la
velocidad relativa entre el rotor y el fluido, el coeficiente de
transferencia de calor es normalmente superior cerca del bloque
espacial que está aguas abajo en relación a la dirección del flujo
-en el que entra el fluido a una alta velocidad y en el que el
refrigerante fluido está más frío. El coeficiente de transferencia
de calor también es normalmente elevado alrededor de la periferia
de la cavidad. El centro de la cavidad recibe la menor
refrigeración.
Aumentando la capacidad de eliminación de calor
de los sistemas de refrigeración pasiva, se aumentará la capacidad
de transporte de corriente del rotor proporcionando una mayor
capacidad nominal del generador en conjunto manteniéndose la
ventaja de un coste reducido y una construcción sencilla y
fiable.
La patente estadounidense nº 5.644.179 describe
un procedimiento para aumentar la transferencia de calor aumentando
la velocidad de flujo de la única célula de circulación de flujo
grande, introduciendo flujo de refrigeración adicional directamente
en, y en la misma dirección que, la célula de flujo que tiene lugar
de manera natural. Si bien este procedimiento aumenta la
transferencia de calor en la cavidad al aumentar la fuerza de la
célula de circulación, la zona central de la cavidad del rotor se
deja todavía a baja velocidad y, por lo tanto, baja transferencia
de calor. En las zonas de esquina se mantiene todavía la misma baja
transferencia de calor.
En las reivindicaciones adjuntas se definen
aspectos de la invención.
Las realizaciones de la invención mejoran la
tasa de transferencia de calor de las espiras de extremo de cobre
de la zona de devanado de extremo de campo utilizando mecanización o
preparación superficial para generar estructuras de flujo
beneficiosas para refrigerar las espiras de extremo. La mejora de la
refrigeración de las espiras de extremo en esta zona proporcionará
la oportunidad de aumentar el régimen nominal de la potencia de
salida de una máquina dada, lo que lleva a un coste mejorado en
dólares por kilovatio-hora. Puesto que la zona de
devanado de extremo es normalmente limitativa en términos de
satisfacer restricciones de temperatura máxima, las mejoras en esta
zona deberían producir beneficios de rendimiento importantes.
Las tasas de transferencia de calor aumentan por
el área de superficie aumentada, la mezcla turbulenta mejorada en
la superficie, una separación de capa límite y el posterior
reacoplamiento. Según una primera realización de la invención, al
menos una de las espiras de extremo de cobre está mecanizada para
aumentar el área superficial de la misma en comparación con una
superficie plana. Esto puede lograrse haciendo rugosa la superficie
tal como, por ejemplo, creando surcos.
Según una segunda realización alternativa de la
invención, el área superficial de las espiras de extremo se
incrementa formando pequeños hoyuelos, similares a los previstos en
las superficies de las pelotas de golf, en las secciones de espiras
de extremo de cobre del rotor. Estos hoyuelos aumentan las tasas de
transferencia de calor en un factor de tres o cuatro, al tiempo que
provocan un aumento insignificante en las características de
fricción y pérdida de presión global.
Según un rasgo adicional de la invención, además
de o en lugar de modificar las propias espiras de extremo de cobre,
se modifican los bloques de soporte o bloques espaciales dispuestos
entre las espiras de extremo de cobre. Según una realización
ejemplar, se disponen generadores de turbulencia en la cara del
bloque espacial dispuesta en el lado aguas abajo de la cavidad. Más
específicamente, cada uno de los bloques espaciales del rotor se
fabrica con elementos de rugosidad. Estos generadores de turbulencia
actúan para perturbar el flujo, lo que conduce a una turbulencia
aumentada y a un mezclado incoherente. El resultado es la mejora de
la tasa de transferencia de calor global.
En otra realización alternativa, se forman
generadores de remolinos en la cara del bloque espacial en el lado
aguas abajo de la cavidad. Más específicamente, por ejemplo, se
fabrican secciones triangulares en el bloque espacial con el fin de
generar estructuras de remolino coherentes a partir del flujo de gas
de refrigeración a través de los bloques espaciales.
Estos y otros objetivos y ventajas de esta
invención se entenderán y apreciarán de manera más completa mediante
el detenido estudio de la siguiente descripción más detallada de
las realizaciones ejemplares actualmente preferidas de la invención
tomadas junto con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una vista en sección transversal
de una parte de la zona de espiras de extremo de un rotor de máquina
dinamoeléctrica con un estator en relación de oposición al
mismo;
la figura 2 es una vista superior en sección
transversal del rotor de máquina dinamoeléctrica, tomada a lo largo
de la línea 2-2 de la figura 1;
la figura 3 es una ilustración esquemática que
muestra el flujo pasivo de gas en y a través de cavidades de
devanados de extremo;
la figura 4 es una vista en perspectiva parcial
que ilustra espiras de extremo de cobre con surcos extrudidos para
aumentar el área superficial según una realización de la
invención;
la figura 5 es una vista en perspectiva parcial
que muestra espiras con hoyuelos para aumentar el área superficial
según una realización alternativa de la invención;
la figura 6 ilustra generadores de turbulencia
previstos en la cara del bloque espacial aguas abajo en una
realización de la invención;
la figura 7 es una vista en alzado de los
generadores de turbulencia previstos en la realización de la figura
6;
la figura 8 es una vista en sección transversal
de la zona de espiras de extremo, que muestra generadores de
remolino en la cara del bloque espacial aguas abajo; y
la figura 9 es una vista en perspectiva de un
bloque espacial de la realización de la figura 8.
En referencia a los dibujos, en los que los
números de referencia idénticos indican los mismos elementos en
todas las diversas vistas, las figuras 1 y 2 muestran un rotor 10
para una máquina dinamoeléctrica refrigerada por gas, que también
incluye un estator 12 rodeando al rotor. El rotor incluye una parte
14 de cuerpo generalmente cilíndrica dispuesta centralmente en un
árbol 16 de rotor y que tiene caras de extremo axialmente opuestas,
de las que una parte 18 de una cara de extremo se muestra en la
figura 1. La parte de cuerpo está dotada de una pluralidad de
ranuras 20 espaciadas circunferencialmente y que se extienden
axialmente para alojar bobinas 22 dispuestas concéntricamente, que
constituyen el devanado del rotor. Para mayor claridad, sólo se
muestran cinco bobinas de rotor en la figura 2, aunque normalmente
en la práctica se utilizan varias más.
Específicamente, una serie de barras 24
conductoras que constituyen una parte del devanado del rotor se
apilan una dentro de cada una de las ranuras. Las barras
conductoras adyacentes están separadas por capas de aislamiento 22
eléctrico. Las barras conductoras apiladas se mantienen normalmente
en las ranuras mediante cuñas 26 (figura 1) y están hechas de
material conductor tal como cobre. Las barras 24 conductoras están
interconectadas en cada extremo opuesto de la parte de cuerpo por
espiras 27 de extremo, que se extienden axialmente más allá de las
caras de extremo para formar devanados 28 de extremo apilados. Las
espiras de extremo también están separadas mediante capas de
aislamiento eléctrico.
Haciendo referencia específicamente a la figura
1, se dispone un anillo 30 de retención alrededor de las espiras de
extremo en cada extremo de la parte de cuerpo para sujetar los
devanados de extremo en su lugar en contra de las fuerzas
centrífugas. El anillo de retención está fijado en un extremo de la
parte de cuerpo y se extiende hacia fuera por encima del árbol 16
de rotor. Un anillo 32 de centrado está acoplado al extremo distal
del anillo 30 de retención. Debería observarse que el anillo 30 de
retención y el anillo 32 de centrado pueden montarse de otras
formas, tal como se conoce en la técnica. El borde periférico
interior del anillo 32 de centrado está radialmente espaciado del
árbol 16 de rotor de manera que se forma un paso 34 de entrada de
gas y los devanados 28 de extremo están espaciados del árbol 16 de
manera que se define una zona 36 anular. Se proporciona un número
de canales 38 de refrigeración axiales formados a lo largo de las
ranuras 20 en comunicación fluida con el paso 34 de entrada de gas
a través de la zona 36 anular para entregar gas de refrigeración a
las bobinas 22.
Haciendo referencia a la figura 2, los devanados
28 de extremo en cada extremo del rotor 10 están separados
circunferencial y axialmente por un número de espaciadores o bloques
40 espaciales. (Para mayor claridad de la ilustración, los bloques
espaciales no se muestran en la figura 1). Los bloques espaciales
son bloques alargados de un material aislante situados en los
espacios entre los devanados 28 de extremo adyacentes y se
extienden más allá de la profundidad radial total de los devanados
de extremo en el espacio 36 anular. Por consiguiente, los espacios
entre las pilas concéntricas de las espiras 27 de extremo están
divididos en cavidades. Estas cavidades están enlazadas en la parte
superior mediante el anillo 30 de retención y en cuatro lados por
devanados 28 de extremo adyacentes y bloques 40 espaciales
adyacentes, tal como se muestra en la figura 3. Tal como se ve
mejor en la figura 1, cada una de estas cavidades está en
comunicación fluida con el paso 34 de entrada de gas a través de la
zona 36 anular. Una parte del gas de refrigeración que entra en la
zona 36 anular entre los devanados 28 de extremo y el árbol 16 de
rotor a través del paso 34 de entrada de gas entra por tanto en las
cavidades 42, circula por las mismas, y después vuelve a la zona 36
anular entre el devanado de extremo y el árbol del rotor. El flujo
aéreo se muestra mediante flechas en las figuras 1 y 3.
La acción de bombeo inherente y las fuerzas
rotacionales que actúan en una cavidad del generador giratorio
producen una única célula de circulación de flujo grande, tal como
se muestra esquemáticamente en la figura 3. Esta célula de
circulación de flujo muestra su mayor velocidad cerca de los bordes
periféricos de la cavidad, dejando normalmente la zona central
inadecuadamente refrigerada debido a la inherentemente baja
velocidad en la zona central de la cavidad. Tal como puede verse en
la figura 3, grandes áreas de las zonas de esquina también están
inadecuadamente refrigeradas porque el movimiento circular de la
célula de flujo no transporta flujo de refrigeración a las
esquinas.
Para mejorar la efectividad de refrigeración de
los devanados de extremo de campo del generador, en una realización
de la invención, las secciones de espiras de extremo de cobre y/o
los bloques espaciales mecánicos se mecanizan o perfilan
superficialmente de otro modo para definir un perfil superficial no
plano sobre una superficie de los mismos dirigida a la cavidad del
devanado de extremo adyacente. Estas modificaciones superficiales
aumentan el nivel de la mezcla turbulenta y rompen las capas de
límite térmico desarrolladas por el flujo que se mueve a lo largo
de las superficies. En cada caso, la caída de presión
correspondiente aumentará. Sin embargo, las ganancias en la
refrigeración de la zona de devanado de extremo producen
generalmente beneficios globales que superan el precio del aumento
de la pérdida por resistencia aerodinámica.
Por tanto, en referencia a la figura 4,
la(s) superficie(s) de al menos una de las espiras 127
de extremo que unen la cavidad de refrigeración son al menos una de
las mecanizadas o perfiladas superficialmente de modo que se
aumenta al menos una de las áreas superficiales de las mismas y
generan un flujo turbulento para así mejorar la transferencia de
calor.
Según una primera realización, las superficies
144, 146 expuestas de las espiras 127 de extremo que definen el
devanado 128 de extremo están extrudidas o mecanizadas para aumentar
el área superficial de las mismas. A modo de ejemplo, el área
superficial puede aumentarse mecanizando o extrudiendo las espiras
de cobre para definir al menos un surco 148, 150 que se extiende
longitudinalmente de al menos una superficie 144, 146 expuesta de
la(s) espira(s) 127 de extremo.
En una realización alternativa, tal como se
ilustra en la figura 5, una pluralidad de hoyuelos 252 están
formados en al menos una superficie 244, 246 de al menos una de las
espiras 227 de extremo de cobre que definen el devanado 228 de
extremo del rotor.
Ha de entenderse que las realizaciones con
ranuras y hoyuelos son meramente ejemplos de perfilados
superficiales que pueden adoptarse para mejorar la transferencia de
calor. De hecho, pueden adoptarse otras técnicas de perfilado
superficial para aumentar el área superficial, mejorando la mezcla
turbulenta en la superficie y/o la rotura de capas de límite y su
posterior reacoplamiento, sin alejarse de esta invención. Por
ejemplo, pueden proporcionarse protuberancias o rebajes de otras
formas y diseños. Además, el perfilado superficial no necesita ser
tan pronunciado como en la realización ilustrada. Por tanto, por
ejemplo, puede proporcionarse una superficie estriada como una
alternativa adicional.
Según un aspecto adicional de la invención, tal
como se ilustra en las figuras 6 a 9, además de o como alternativa
al perfilado superficial de las espiras de extremo, al menos la
superficie 156 dispuesta en el lado aguas abajo de la respectiva
cavidad 142 (a la que se hace referencia en lo sucesivo como
superficie aguas abajo) de al menos algunos de los bloques 140
espaciales, está perfilada de manera que redirige el flujo que choca
sobre la misma. En una realización actualmente preferida, la
superficie aguas abajo del bloque espacial está perfilada
proporcionando al menos una estructura de interrupción del flujo en
la misma. En un ejemplo, las estructuras de interrupción del flujo
son generadores 158 de turbulencia previstos en la superficie aguas
abajo de los bloques espaciales (sólo se muestra para mayor claridad
un bloque espacial con turbulencia). Cada uno de los generadores
158 de turbulencia tiene una forma generalmente rectangular y más
preferiblemente cuadrada en sección vertical (figura 6) y tiene un
eje longitudinal inclinado con respecto a un eje del rotor (figura
7). Tal como se indicó anteriormente, los generadores de turbulencia
pueden preverse en los bloques espaciales en lugar de o además de
en el mecanizado o perfilado superficial
ilustrado en las figuras 4 a 5.
ilustrado en las figuras 4 a 5.
Según otro ejemplo alternativo, las estructuras
de interrupción del flujo son una pluralidad de generadores 258 de
remolino previstos en la superficie 256 de al menos algunos de los
bloques 240 espaciales dirigida a y dispuesta en el lado aguas
abajo de la respectiva cavidad 242. Tal como se muestra en la figura
8, cada uno de los generadores 258 de remolino tiene generalmente
una sección transversal vertical triangular y como se muestra en la
figura 9, cada generador 258 está orientado con su eje longitudinal
con una inclinación con respecto al eje del rotor 10.
Aunque la invención se ha descrito en conexión
con lo que actualmente se considera la realización más práctica y
preferida, debe entenderse que la invención no está limitada a las
realizaciones descritas, sino que, por el contrario, pretende
abarcar diversas modificaciones y disposiciones equivalentes dentro
del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (6)
1. Una máquina dinamoeléctrica refrigerada por
gas, que comprende:
- un rotor (100) que tiene una parte (14) de cuerpo, presentando dicho rotor bobinas (22) que se extienden axialmente y espiras (27, 127, 227) de extremo radialmente contiguas que definen una pluralidad de devanados (28, 128, 228) de extremo que se extienden axialmente más allá de al menos un extremo de dicha parte (14) de cuerpo; y
- al menos un bloque (40, 140, 240) espacial situado entre dichos devanados (28) de extremo adyacentes de manera que se define una cavidad (42, 142, 242) en medio,
- un gas de refrigeración para entrar en la cavidad (42, 142, 242), que atraviesa una circulación primaria y sale de la cavidad (42, 142, 242);
- caracterizada porque al menos una de dichas espiras (127, 227) de extremo y/o dicho bloque (140, 240) espacial tiene un perfil (148, 150, 252) superficial no plano sobre una superficie de los mismos dirigida a dicha cavidad (42, 142, 242), y
- dicho perfil superficial no plano comprende al menos una protuberancia o al menos un rebaje definido totalmente en dicha superficie de dicha al menos una espira de extremo y/o bloque (140, 240) espacial, estando prevista la al menos una protuberancia o rebaje para aumentar la transferencia de calor mejorando la mezcla turbulenta y la rotura de capa límite en dicha cavidad entre devanados de extremo adyacentes.
2. La máquina dinamoeléctrica según la
reivindicación 1, en la que dicha superficie (144, 146) tiene al
menos un surco (144, 146) definido en la misma.
3. La máquina dinamoeléctrica según la
reivindicación 1, en la que dicha superficie (244, 246) tiene al
menos un hoyuelo (252) definido en la misma.
4. La máquina dinamoeléctrica según la
reivindicación 1, en la que una pluralidad de espiras (227) de
extremo que definen dicho devanado de extremo tienen perfiles
superficiales no planos.
5. La máquina dinamoeléctrica según la
reivindicación 1, en la que el rotor (10) comprende un árbol (16),
definiendo dichos devanados de extremo y dicho árbol un espacio (36)
anular en medio; y en la que cada cavidad (42, 142, 242) está unida
mediante bloques (40, 140, 240) espaciales adyacentes y devanados
(28, 128, 228) de extremo adyacentes y está abierta hacia dicho
espacio (36) anular.
6. La máquina dinamoeléctrica según la
reivindicación 1, en la que la al menos una protuberancia o rebaje
en el bloque (140, 240) espacial tiene la forma de una estructura
(158) de generador de turbulencia que es generalmente rectangular en
sección transversal vertical.
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