ES2938835T3 - Aparato estabilizador para máquinas eléctricas que funcionan a vacío con sello rotatorio hidráulico - Google Patents

Abstract

El aparato estabilizador de una máquina eléctrica comprende: un eje giratorio (10) con un volante (12) unido a la parte central del mismo; una carcasa (14) que encierra el volante (12) dentro de una cámara de vacío (16) y tiene dos orificios (18) para que pasen las respectivas porciones del extremo del eje (10); y medios que proporcionan un sello hidráulico giratorio en los orificios (18) para que pasen las porciones extremas del eje (10), utilizando dicho medio un líquido (24) para proporcionar el sello. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato estabilizador para máquinas eléctricas que funcionan a vacío con sello rotatorio hidráulico

La presente invención se refiere a un aparato de estabilización para máquinas eléctricas, en particular del tipo síncrono.

Tales aparatos estabilizan la frecuencia de red para tratar con desequilibrios temporales entre potencia eléctrica disponible y requerida, que cada vez es más probable que se produzcan debido al aumento continuo de la demanda de potencia y a la contribución cada vez más sustancial de fuentes renovables no programables. Un componente esencial de tales aparatos es un volante de inercia que, una vez conectado al árbol de rotor de una máquina eléctrica, regula su velocidad mediante la inercia de su masa rotatoria.

El documento EP 3 056 736 A1 describe un aparato de estabilización que tiene las características generales indicadas en el preámbulo de la reivindicación 1 a continuación. Según tal documento, se alimenta un líquido de sellado mediante un canal ortogonal al árbol rotatorio en un espacio que existe entre un par de labios de sellado adyacentes y llena el espacio axial entre los labios y el árbol.

El documento US 2014/124 172 A1 describe un dispositivo para enfriar un volante de inercia, que usa un líquido diatérmico que tiene como única función facilitar el intercambio de calor.

El documento US 4825718 A describe un amortiguador de vibraciones de torsión con una frecuencia de menos de 100 Hz y, por tanto, que pertenece a este campo técnico específico y limitado. Tal amortiguador comprende un buje anular y un anillo rotatorio que rodea el buje anular y coaxial con este último.

Un objetivo de la presente invención es mejorar el rendimiento de aparatos conocidos del tipo indicado anteriormente, y en particular reducir su consumo de energía y facilitar su mantenimiento.

Según la invención, tal objetivo se logra mediante un aparato de estabilización según la reivindicación 1.

En las reivindicaciones dependientes a continuación en el presente documento se describen específicamente realizaciones preferidas del aparato de la invención.

El volante de inercia del aparato de la invención rota en una cámara de vacío, por ejemplo mantenida a una presión de tan sólo 100 Pa, concretamente en condiciones que reducen sustancialmente la fricción con el aire y la consiguiente degradación de la energía mecánica en calor, reduciendo por tanto significativamente el consumo de energía y eliminando la necesidad de sistemas de enfriamiento complejos.

Los medios de sellado rotatorio del aparato de la invención, que están dispuestos en las porciones de extremo del árbol de volante de inercia, minimizan la entrada de aire en la cámara con una reducción adicional del consumo de energía necesario para mantener el nivel de vacío deseado.

Tales medios de sellado se ven sometidos a muy poco deterioro a lo largo del tiempo y permiten llevar a cabo el mantenimiento sin interrumpir el funcionamiento normal. Tales privilegios son extremadamente ventajosos teniendo en cuenta que los aparatos de la invención se montan normalmente en máquinas eléctricas que forman parte de redes nacionales y transnacionales para el transporte de energía eléctrica, que están en continuo funcionamiento las 24 horas al día, los 365 días del año.

Un objetivo adicional de la presente invención es una máquina eléctrica que comprende un aparato de estabilización del tipo descrito anteriormente.

Ventajas y características adicionales de la presente invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, proporcionada a modo de ejemplo no limitativo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista esquemática en alzado y en sección transversal de un aparato de la invención, y la figura 2 es una vista a escala aumentada de un detalle del aparato de la invención de la figura 1.

Un aparato de estabilización para una máquina eléctrica comprende un árbol 10 rotatorio, que tiene normalmente un diámetro de entre 200 y 600 mm y que tiene un volante 12 de inercia unido a su porción central, en particular fijado de manera rígida o solidario. El árbol 10 tiene un eje de simetría longitudinal que se indica mediante el número de referencia 13.

Una cubierta 14 fija en forma de un disco hueco encierra el volante 12 de inercia en una cámara 16 que, por medio de una o más bombas convencionales, no ilustradas, se mantiene a vacío. La cubierta 14 tiene, además, en la porción central de la misma, que tiene una pared engrosada, dos orificios 18 circulares y alineados para que pasen a través las porciones de extremo respectivas del árbol 10.

En un borde 20 que se extiende axialmente desde cada orificio 18, está realizado un surco 22 circunferencial respectivo en el que hay aceite 24 (o, en otras formas de implementación de la invención, un líquido de sellado diferente) y dentro del cual está libre para rotar un anillo 26, unido a la porción de extremo respectiva del árbol 10 y dotado de una pluralidad de aletas 28 sobresalientes. Realizaciones equivalentes de la invención (no mostradas en las figuras) usan una solución de construcción opuesta en la que se obtiene un surco circunferencial, en el que está presente aceite 24, en la porción de extremo del árbol 10 orientada hacia el borde 20 de cada orificio 18, y en tales surcos está libre para rotar un anillo unido al borde 20 del orificio 18 respectivo. En cualquier caso, los anillos 26 y surcos 22 tienen un plano general o posición sustancialmente ortogonal al eje 13 longitudinal del árbol 10 rotatorio.

Tal como se ilustrará con más detalle en la siguiente descripción de funcionamiento, la rotación de los anillos 26 en el aceite 24 en los surcos 22 respectivos determina un sello hidráulico rotatorio entre la cámara 16 de vacío y el entorno externo a presión atmosférica. Cada surco 22 también tiene una abertura 30 de salida para el aceite 24 en la parte inferior hacia un primer conducto 32 en la pared de la cubierta 14 y, cerca de la boca, una abertura 34 de entrada para el aceite 24 que se origina a partir de un segundo conducto 36. Los conductos 32, 36 forman parte de un circuito 38 de flujo del aceite 24 a través de un intercambiador 40 de calor que proporciona un circuito 42 independiente adicional para el flujo de un fluido adicional, tal como agua, para enfriar el aceite 24. Para permitir que funcione el aparato descrito anteriormente, las porciones de extremo del árbol 10 están montadas, de una manera conocida en sí misma y no ilustrada en las figuras, sobre cojinetes respectivos de las mismas y conectadas al árbol de rotor de una máquina eléctrica.

Este último rotor rota a altas velocidades del orden de 3000 rpm y, por tanto, hace rotar el árbol 10 con el volante 12 de inercia que, debido a su masa inercial, regulariza la velocidad de rotación de todo el rotor.

Tal como ya se mencionó, una o más bombas de vacío establecen una presión muy baja en la cámara 16, reduciendo por tanto sustancialmente las fuerzas de fricción que se oponen a la rotación del volante 12 de inercia, y por tanto la disipación de energía mecánica en calor.

La rotación del árbol 10 también determina la rotación de los anillos 26 unidos/solidarios al mismo, que, por medio de las aletas 28, hacen rotar el aceite 24 en los surcos 22 respectivos. De esta manera, en la parte inferior de los surcos 22 y alrededor de la porción distal de cada anillo 26, se forma una corona circular de aceite 24, impulsada por la fuerza centrífuga y que tiene una sección transversal en forma de U con brazos que tienen diferentes alturas (Ah). Esto compensa la diferencia de presión entre la cámara 16 y el entorno externo, que es aproximadamente igual a la presión atmosférica, y el aceite 24 crea un sello hidráulico rotatorio que impide sustancialmente la entrada de aire externo al interior de la cámara 16 a través de los orificios 18.

El efecto centrífugo generado por la rotación de los anillos 26 también empuja el aceite 24 contenido en cada surco 22 hacia la abertura 30 de salida y el conducto 32, a partir del cual fluye al interior del circuito 38. De esta manera, el aceite 24 pasa a través del intercambiador 40 de calor, en el que se enfría mediante el agua que fluye en el circuito 42. El aceite 24, una vez enfriado, fluye entonces de vuelta al interior de los surcos 22 a través del conducto 36 y la abertura 34.

Debido a esta circulación del aceite 24, que tiene lugar sin la ayuda de bombas externas, y por tanto sin aumentar sustancialmente el consumo de energía del aparato, se elimina el calor generado por fricción entre el aceite 24 y las paredes de los surcos 22 durante la rotación del árbol 10, incluso en ausencia de partes metálicas en contacto.

Por tanto, el aparato descrito anteriormente hace posible crear dentro de la cámara 16, dentro de la cual rota el volante 12 de inercia, un vacío correspondiente a presiones absolutas incluso inferiores a 100 Pa según la tensión de vapor del aceite 24, disipando poca potencia y proporcionando una fiabilidad y una durabilidad muy altas a lo largo del tiempo.

Naturalmente, sin alterar el principio de la invención, los detalles de implementación y realizaciones pueden variar ampliamente con respecto a los descritos meramente a modo de ejemplo, sin alejarse por ello del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, las presiones absolutas en la cámara en la que rota el volante de inercia pueden hacerse variar según se desee. Además, los diversos componentes del aparato de la invención también pueden suministrarse desmontados como un kit para montarse directamente por el usuario final en la máquina eléctrica cuya frecuencia debe estabilizarse.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Aparato para estabilizar una máquina eléctrica que forma parte de una red para el transporte de energía eléctrica, que comprende:

- un árbol (10) rotatorio que tiene un volante (12) de inercia fijado a la porción central del mismo,

- una cubierta (14) que encierra dicho volante (12) de inercia y que tiene dos orificios (18) para que pasen a través las porciones de extremo respectivas de dicho árbol (10),

- una cámara (16) de vacío, en la que dicho volante (12) de inercia está encerrado por dicha cubierta (14), y - medios que proporcionan un sellado hidráulico rotatorio en dichos orificios (18) para que pasen a través las porciones de extremo del árbol (10), usando tales medios un líquido (24) para proporcionar el sellado, estando dicho aparato caracterizado porque, en un borde (20) que se extiende axialmente de cada orificio (18), o en una porción del extremo de árbol (10) orientada hacia cada borde (20), está realizado un surco (22) circunferencial en el que está dicho líquido (24) de sellado y dentro del cual está libre para rotar un anillo (26) unido a dicha porción del extremo de árbol (10), o a dicho borde (20), respectivamente.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que dicho líquido (24) de sellado es aceite.

3. Aparato según la reivindicación 1 ó 2, en el que una pluralidad de aletas (28) sobresalen a partir de dicho anillo (26).

4. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha cubierta (14) está conformada como un disco hueco perforado en el centro y tiene una pared engrosada que se extiende alrededor de cada orificio (18).

5. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el diámetro de dicho árbol (10) es de entre 200 y 600 mm.

6. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo de enfriamiento para dicho líquido (24) de sellado.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que la circulación del líquido (24) de sellado en dicho dispositivo de enfriamiento se debe al efecto centrífugo generado por la rotación del anillo (26) dentro del surco (22).

8. Aparato según la reivindicación 6 ó 7, en el que dicho surco (22) tiene una abertura (30) para la salida del líquido (24) de sellado en un primer conducto (32) realizado en la pared de la cubierta (14) y una abertura (34) para la entrada del líquido (24) de sellado que se origina a partir de un segundo conducto (36), formando dichos conductos (32, 36) parte de un circuito (38) de flujo del líquido (24) de sellado a través de un intercambiador (40) de calor.

9. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos anillos (26) y dichos surcos (22) circunferenciales se encuentran en planos sustancialmente ortogonales a un eje (13) longitudinal del árbol (10) rotatorio.

10. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, debido a la rotación del árbol (10), se forma una corona circular de líquido (24) de sellado en la parte inferior de los surcos (22) y alrededor de la porción distal de cada anillo (26), impulsada por la fuerza centrífuga con una sección transversal en forma de U, cuyos brazos tienen diferentes alturas (Ah).

11. Máquina eléctrica que forma parte de una red para el transporte de energía eléctrica y comprende un aparato de estabilización según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.