ES2374701T3

ES2374701T3 - Rueda para máquina hidráulica, máquina hidráulica que comprende tal rueda e instalación de conversión de energía equipada de tal máquina hidráulica.

Info

Publication number: ES2374701T3
Application number: ES09709923T
Authority: ES
Inventors: Farid Mazzouji; Michel Henri Couston; Jean Bernard Houdeline; Sylvain Lavigne; Claire Segoufin
Original assignee: Alstom Hydro France SAS
Current assignee: GE Hydro France SAS
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2012-02-21
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: KR20100112198A; CN101960091A; IL207507A0; RU2010138127A; EP2242908B1; EP2242908A2; PT2242908E; US20110008150A1; WO2009101371A3; IL207507A; RU2479746C2; FR2927670B1; JP5546465B2; FR2927670A1; WO2009101371A2; JP2011512478A; ATE531897T1; CN101960091B; ZA201005925B; US8684694B2

Abstract

Rueda (R) de tipo Francis para máquina hidráulica (M) destinada a ser atravesada por un flujo forzado de agua (E), que comprende: - una corona (1) con simetría de revolución alrededor del eje de rotación (Z) de la rueda (R); - una pluralidad de álabes (21, 22) curvos, unidos a la corona (1) y presentando cada uno un borde periférico externo (212, 222) y un borde central interno (211, 221); caracterizada por que los puntos de conexión (B21, B22) de la corona (1) con los bordes centrales internos (211, 221) de los álabes (21, 22) están globalmente situados sobre un mismo círculo (C20) centrado en dicho eje (Z) y por que los puntos de conexión (A21, A22) de la corona (1) con los bordes periféricos externos (212, 222) de los álabes (21, 22) se sitúan sobre al menos dos círculos distintos (C21, C22) centrados en dicho eje (Z).

Description

Rueda para máquina hidráulica, máquina hidráulica que comprende tal rueda e instalación de conversión de energía equipada de tal maquina hidráulica.

La presente invención se refiere a una rueda de tipo Francis para una máquina hidráulica destinada a ser atravesada por un flujo forzado de agua. Tal flujo tiene el efecto de provocar que la rueda gire, cuando la máquina es una turbina. Tal flujo resulta de esta rotación cuando la máquina es una bomba. Por otro lado, la presente invención se refiere a una máquina hidráulica que comprende tal rueda. Por otra parte, la presente invención se refiere a una instalación de conversión de energía equipada con tal máquina hidráulica.

El documento de patente JP-A-2005 48608 describe una rueda, para una máquina hidráulica de tipo turbina-bomba, que comprende una corona simétrica respecto a un eje y una pluralidad de álabes curvos y unidos a la corona y que presentan cada uno un borde de ataque periférico externo y un borde de fuga central interno. La conexión de la corona con el borde central interno de uno de cada dos álabes se sitúa en un primer círculo de gran radio, mientras que la conexión de la corona con el borde central interno de un álabe adyacente se sitúa en un segundo círculo de radio más pequeño. En la zona periférica externa de la rueda, las conexiones de la corona con los álabes cuyo borde central interno se encuentra en el primer círculo están situadas en la periferia de la corona, mientras que las conexiones de la corona con los álabes adyacentes, cuyo borde central se encuentra en el segundo círculo de pequeño radio, se sitúan fuera de la periferia de la corona. Esta geometría particular de la rueda del documento de patente JP-A-2005 48 608 está destinada a reducir la cavitación que se produce en la entrada de la turbina, es decir en la periferia de la rueda, cuando la máquina funciona en régimen permanente, de manera que aumente su rendimiento hidráulico en régimen permanente.

En los regímenes transitorios que siguen a la puesta en marcha o que preceden a la parada en modo turbina de una máquina hidráulica de la técnica anterior, la rueda está sometida a esfuerzos radiales giratorios y asíncronos que tienden a “descentrarla”. En los regímenes transitorios, estos esfuerzos radiales ejercidos sobre la rueda engendran niveles de tensión mecánica que pueden ser muy importantes y que condicionan por tanto el dimensionado de los componentes de la máquina hidráulica, tales como su árbol o sus palieres. Así pues el coste de estos componentes aumenta considerablemente por el hecho de tales esfuerzos radiales.

La presente invención tiene por objeto especialmente remediar este inconveniente, proponiendo una rueda cuya geometría atenúa, incluso evita, la generación de esfuerzos radiales giratorios durante los regímenes transitorios.

Con este fin, la invención tiene por objeto una rueda de tipo Francis para una máquina hidráulica destinada a ser atravesada por un flujo forzado de agua, que comprende:

-: una corona con simetría de revolución alrededor del eje de rotación de la rueda;

-: una pluralidad de álabes curvos, unidos a la corona y presentando cada uno un borde periférico externo y un borde central interno;

caracterizada por que los puntos de conexión de la corona con los bordes centrales internos de los álabes están situados globalmente sobre un mismo círculo centrado en dicho eje y por que los puntos de conexión de la corona con los bordes periféricos externos de los álabes están situados sobre al menos dos círculos distintos centrado en dicho eje.

Tal geometría de la rueda introduce una asimetría azimutal, que permite reducir significativamente los esfuerzos radiales sufridos por la rueda en régimen transitorio.

De acuerdo con otras características ventajosas pero opcionales de la invención, tomadas aisladamente o de acuerdo con cualquier combinación técnicamente admisible:

-: los puntos de conexión de la corona con los bordes periféricos externos de los álabes se sitúan sobre dos círculos distintos centrados en dicho eje, presentando los álabes denominados largos puntos de conexión situados sobre un primer círculo, presentado los álabes denominados cortos puntos de conexión situados sobre un segundo círculo cuyo diámetro es inferior al diámetro del primer círculo;

-: la rueda comprende, además, un plafón con simetría de revolución alrededor de dicho eje y situado enfrente de dicha corona, estando los álabes unidos al plafón, los puntos de conexión del plafón con los bordes centrales internos de los álabes se sitúan sobre un mismo círculo centrado en el eje y los puntos de conexión del plafón con los bordes periféricos externos de los álabes se sitúan sobre al menos dos círculos distintos centrados en dicho eje;

-: los puntos de conexión del plafón con los bordes periféricos externos de los álabes se sitúan sobre dos círculos distintos centrados en el eje;

-: los álabes cortos, por una parte, y los álabes largos, por otra, se reparten regularmente alrededor de dicho eje;

-: la rueda comprende nueve álabes, de los cuales seis son largos y tres cortos, estando dispuestos los álabes cortos

sobre la corona con una separación angular de 120º;

-: la rueda presenta un número par de álabes y uno de cada dos álabes es un álabe corto;

-: cada álabe corto presenta una longitud desarrollada comprendida entre el 50% y 99% de la longitud desarrollada de un álabe largo, preferentemente entre el 70% y 85%.

Por otro lado, la invención tiene por objeto una máquina hidráulica, caracterizada por que comprende una rueda como la expuesta anteriormente.

Los componentes de una máquina hidráulica de acuerdo con la invención pueden por lo tanto estar dimensionados para tensiones mecánicas, y por lo tanto con costes, inferiores, con comportamientos iguales para la máquina hidráulica.

Por otra parte, la invención tiene por objeto una instalación de conversión de energía, que está equipada al menos con una máquina hidráulica como la expuesta anteriormente.

Por lo tanto, una instalación de conversión de energía de acuerdo con la invención es menos costosa, con igual comportamiento, que las instalaciones de la técnica anterior.

La invención se entenderá bien y saldrán también a la luz otras ventajas de la misma de la descripción que sigue a continuación, dada a título de ejemplo, no limitativa y hecha con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

-: la figura 1 es una vista en sección del principio básico de una instalación de conversión de energía de acuerdo con la invención, equipada con una máquina hidráulica de acuerdo con la invención que comprende una rueda de acuerdo con la invención;

-: la figura 2 es una sección esquemática de la rueda sola siguiendo la línea de puntos II de la figura 1;

-: la figura 3 es una sección esquemática de la rueda sola siguiendo la línea de puntos III de la figura 1; y

-: la figura 4 es una vista en perspectiva parcial de la rueda de la figura 2.

La instalación i representada en la figura 1 comprende una máquina hidráulica reversible M, que es una turbinabomba de tipo Francis, cuya rueda R se alimenta con agua a partir de una carcasa 3 en el que desemboca una conducción forzada 4. En servicio, la rueda R gira alrededor de un eje de rotación Z vertical. Para producir electricidad en modo turbina, la máquina M se acopla a un alternador 5 a través de un árbol 50 que gira alrededor del eje Z. Entre la carcasa 3 y la rueda R se disponen unos pre-distribuidores 6 estáticos y unos distribuidores 7 orientables, cuya función es guiar un flujo y regular el caudal de agua E proveniente de la conducción 4 y destinado a atravesar la rueda R, en dirección a un conducto de evacuación 8.

La figura 2 ilustra una parte de la rueda R que comprende una corona 1 con simetría de revolución alrededor del eje

Z. La corona 1 presenta un borde periférico externo 10 de diámetro D10. La figura 3 ilustra una parte de la rueda R que comprende un plafón 12, que delimita un agujero central 11. El plafón 12 presenta igualmente una simetría de revolución alrededor del eje Z y está situado enfrente de la corona 1. Se indica como D12 el diámetro del borde periférico externo del plafón 12. El borde periférico externo 10 y el agujero central 11 están centrados en el eje Z. Como se muestra en las figuras 1 y 4, las superficies de la corona 1 y del plafón 12 presentan formas sesgadas, engendradas por la rotación, alrededor y a distancia del eje Z, de un segmento de curva. Cualquier forma de corona y de plafón de una rueda convencional de tipo Francis está adaptada para definir respectivamente las superficies de la corona y del plafón de una rueda de acuerdo con la invención.

La rueda R comprende, además, nueve álabes 21 y 22 unidos a la corona 1 y al plafón 12 y que se extienden entre la corona 1 y el plafón 12 alrededor del eje Z, como se muestra en la figura 4. Cada álabe 21 o 22 presenta una forma curvada y globalmente en forma de un tramo de espiral. Cualquier curvatura de álabe convencional puede ser apropiada para definir la curvatura de un álabe 21 o 22. Cada álabe 21 o 22 presenta un borde periférico, 212 y 222 respectivamente, situado en la periferia de la corona 1 y un borde central, 211 y 221 respectivamente, orientado hacia el eje Z. En este documento, un objeto se califica como “central” cuando se encuentra en los alrededores del eje Z, en oposición al adjetivo “periférico” que designa un objeto que está alejado del eje Z.

Cuando la rueda R funciona en modo turbina, el borde periférico externo 212 o 222 configura un borde de ataque de un álabe 21 o 22 y el borde central interno 211 o 221 configura su borde de fuga. La descripción dada a continuación en la presente memoria para el modo turbina recoge estas expresiones “borde de ataque” y “borde de fuga”; éstas pueden transponerse al caso en el que la rueda funciona en modo bomba invirtiendo estas expresiones.

De los nueve álabes 21 y 22 de la rueda R, tres álabes 22 presentan una longitud desarrollada inferior a la longitud desarrollada de los otros seis álabes 21. Así pues, los álabes 22 se califican como “cortos”, mientras que los álabes 21 se califican como “largos”.

En una zona central de la corona 1, se indican como B21 y B22 respectivamente los puntos de conexión de la corona 1 con los bordes de fuga 211 y 221 de cada álabe 21 o 22. Los puntos B21 y B22 se sitúan sobre un mismo círculo central de diámetro D20 centrado en el eje Z. Así, todos los álabes 21 y 22 se extienden hasta el círculo central C20 de diámetro D20.

En una zona periférica de la corona 1, se indican como A21 los puntos de conexión de la corona 1 con los bordes de ataque 212 de cada álabe largo 21. Los puntos A21 se sitúan sobre un primer círculo C21 de diámetro D21 con su centrado en el eje Z. Asimismo, se indican como A22 los puntos de conexión de la corona 1 con los bordes de ataque 222 de cada álabe corto 22. Los puntos A22 se sitúan sobre un segundo círculo C22 centrado en el eje Z de diámetro D22 inferior al diámetro D21 del primer círculo. Así pues, los puntos A21 están más cerca del borde 10 de la corona 1 que los puntos A22. Los diámetros respectivos D21 y D22 del primer y segundo círculos C21 y C22, así como el diámetro D20 del círculo central C20 son inferiores al diámetro D10 del borde 10.

En otras palabras, los álabes cortos 22 se alejan menos hacia el borde 10 de la corona 1 que los álabes largos 21. Por eso la longitud desarrollada de los álabes cortos 22 es inferior a la longitud desarrollada de los álabes largos 21. Así, los puntos A21 y A22 respectivos de los álabes 21 y 22 se sitúan sobre dos círculos distintos C21 y C22 centrados en el eje Z y de diámetros respectivos D21 y D22 diferentes.

De acuerdo con una variante de la invención no representada, los puntos de conexión de la corona con los bordes de ataque pueden situarse sobre más de dos círculos distintos, por ejemplo sobre tres círculos.

La figura 3 muestra la implantación de los álabes 21 y 22 sobre el plafón 12 de la rueda R. De manera análoga a la conexión de la corona 1 con los álabes 21 y 22, en la zona central del plafón 12, se indican respectivamente como G21 y G22 los puntos de conexión del plafón 12 con los bordes de fuga 211 y 221 de cada álabe 21 o 22. Los puntos G21 y G22 se sitúan sobre un mismo círculo central C40 de diámetro D40 centrado en el eje Z. Así, todos los álabes 21 y 22 se extienden hasta el mismo círculo central C40 de diámetro D40.

En una zona periférica del plafón 12, se indican como F21 los puntos de conexión del plafón 12 con los bordes de ataque 212 de cada álabe largo 21. Los puntos F21 se sitúan sobre un tercer círculo C41 de diámetro D41 con su centro sobre el eje Z. Igualmente, se indican como F22 los puntos de conexión del plafón 12 con los bordes de ataque 222 de cada álabe corto 22. Los puntos F22 se sitúan sobre un cuarto círculo C42 centrado en el eje Z y de diámetro D42 inferior al diámetro D41 del tercer círculo.

En la práctica, según la potencia deseada para la máquina hidráulica equipada con la rueda R, el diámetro D10 del borde 10 de la corona 1 puede estar comprendido entre 0,4 m y 10 m. Según las dimensiones seleccionadas para la corona1, el diámetro D21 del primer círculo puede representar entre 90% y 100% del diámetro D10 y el diámetro D22 del segundo círculo puede representar entre 70% y 99%, preferiblemente entre el 80% y 95% del diámetro D21. Según las dimensiones seleccionadas para el plafón 12, el diámetro D41 del tercer círculo puede representar entre 90% y 100% del diámetro D12 y el diámetro D42 del cuarto círculo puede representar entre 70% y 99%, preferiblemente entre 80% y 95% del diámetro D41.

Según las características de la rueda R, especialmente sus dimensiones y la frecuencia de rotación a la está destinada a girar en régimen permanente, cada álabe corto 22 puede presentar una longitud desarrollada comprendida entre 50% y 99% de la longitud desarrollada de un álabe largo 21. La longitud desarrollada de un álabe largo 21 puede medirse entre los puntos A21 y B21 o entre los puntos F21 y G21. Igualmente, la longitud desarrollada de un álabe corto 22 puede medirse entre los puntos A22 y B22 o entre los puntos F22 y G22. Preferiblemente, la longitud desarrollada de un álabe corto 22 está comprendida entre 70% y 85% de la longitud desarrollada de un álabe largo 21. Así, si un álabe largo 21 presenta una longitud desarrollada de 1 m, un álabe corto 22 puede presentar por ejemplo una longitud desarrollada de 0,8 m.

Para asegurar un buen equilibrado dinámico de la rueda R, los álabes cortos 22, por una parte, y los álabes largos 21 por otra, se reparten de forma regular alrededor del eje de rotación Z de la rueda R. En este caso, los tres álabes cortos 22 se disponen sobre la corona 1 con una separación angular a22 de 120º entre sí. Dos álabes largos 21 se disponen en intervalos regulares entre dos álabes cortos 22 consecutivos, con una separación angular de 40º entre dos álabes largos 21 adyacentes y de 80º entre dos álabes largos 21 entre los que se dispone un álabe corto 22.

Son posibles otras distribuciones de álabes cortos y largos. Así se puede prever un número par de álabes, por ejemplo diez, de los que uno de cada dos álabes es corto y el otro un álabe largo, estando repartidos los álabes cortos y los largos regularmente alrededor del eje de rotación de la rueda.

Una rueda de acuerdo con la invención permite atenuar o incluso evitar los esfuerzos radiales engendrados sobre las ruedas de álabes convencionales, especialmente durante los regímenes transitorios de puesta en marcha o parada en modo turbina. Se ha constatado que, de forma sorprendente, una rueda de acuerdo con la invención permite reducir la intensidad de los esfuerzos radiales soportados por la rueda en régimen transitorio. La optimización de la geometría de los álabes de la rueda en función de su aplicación permite reducir todavía más esta intensidad.

Una máquina hidráulica de acuerdo con la invención presenta así pues una deflexión radial reducida, incluso nula, de su rueda y su árbol. Esto reduce por lo tanto el coste de la máquina hidráulica, ya que puede dimensionarse de manera reducida.

La invención se ha descrito en este documento con relación a una máquina hidráulica reversible de tipo turbinabomba. Sin embargo, la invención se aplica también a máquinas hidráulicas “simples” de tipo turbina.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Rueda (R) de tipo Francis para máquina hidráulica (M) destinada a ser atravesada por un flujo forzado de agua (E), que comprende:

-

una corona (1) con simetría de revolución alrededor del eje de rotación (Z) de la rueda (R);

una pluralidad de alabes (21, 22) curvos, unidos a la corona (1) Y presentando cada uno un borde periferico externo (212, 222) y un borde central interno (211, 221);

caracterizada por que los puntos de conexión (B21, B22) de la corona (1) con los bordes centrales internos (211, 221) de los álabes (21, 22) están globalmente situados sobre un mismo círculo (C20) centrado en dicho eje (Z) y por que los puntos de conexión (A21, A22) de la corona (1) con los bordes periféricos externos (212, 222) de los álabes (21, 22) se sitúan sobre al menos dos círculos distintos (C21, C22) centrados en dicho eje (Z).
2.- Rueda (R) según la reivindicación 1, caracterizada por que los puntos de conexión (A21, A22) de la corona (1) con los bordes periféricos externos (212, 222) de los álabes (21, 22) se sitúan sobre dos círculos distintos (C21, C22) centrados en dicho eje (Z), presentando los álabes denominados largos (21) puntos de conexión (A21) situados sobre un primer círculo (C21), presentando los álabes denominados cortos (22) puntos de conexión (A22) situados sobre un segundo círculo (C22) cuyo diámetro (D22) es inferior que el diámetro (D21) del primer círculo.
3.- Rueda (R) según la reivindicación 1 o 2, caracterizada por que comprende, además, un plafón (12) con simetría de revolución alrededor de dicho eje (Z) y situado enfrente de la citada corona (1), estando los álabes (21, 22) unidos al plafón (12), por que los puntos de conexión (G21, G22) del plafón (12) con los bordes centrales internos (211, 221) de los álabes (21, 22) se sitúan sobre un mismo círculo (C40) centrado en dicho eje (Z) y por que los puntos de conexión (F21, F22) del plafón (12) con los bordes periféricos externos (212, 222) de los álabes (21, 22) se sitúan sobre al menos dos círculos distintos (C41, C42) centrados en dicho eje (Z).
4.- Rueda (R) según las reivindicaciones 2 y 3, caracterizada por que los puntos de conexión (F21, F22) del plafón

(12) con los bordes periféricos externos (212, 222) de los álabes (21, 22) se sitúan sobre dos círculos distintos (C41, C42) centrados en dicho eje (Z).
5.- Rueda (R) según la reivindicación 2 y una de las reivindicaciones 3 a 4, caracterizada por que los álabes cortos (22), por una parte, y los álabes largos (21) por otra, se reparten regularmente alrededor de dicho eje (Z).
6.- Rueda (R) según la reivindicación 2 y una de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizada por que comprende nueve álabes, de los cuales seis son largos (21) y tres cortos (22), estando los álabes cortos (22) dispuestos sobre la corona (1) con una separación angular (a22) de 120º.
7.- Rueda (R) según la reivindicación 2 y una de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizada por que presenta un número de álabes par y por que uno de cada dos álabes es un álabe corto.
8.- Rueda (R) según la reivindicación 2 y una de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizada por que cada álabe corto

(22) presenta una longitud desarrollada comprendida entre 50% y 99% de la longitud desarrollada de un álabe largo (21), preferiblemente entre 70% y 85%
9.- Máquina hidráulica (M), caracterizada por que comprende una rueda (R) según una de las reivindicaciones anteriores.
10.- Instalación (i) de conversión de energía, caracterizada por que está equipada con al menos una máquina hidráulica (M) según la reivindicación 9.