ES2962183B2 - Cono de aireacion para turbina hidraulica - Google Patents

Cono de aireacion para turbina hidraulica

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Description

DESCRIPCIÓN
CONO DE AIREACIÓN PARA TURBINA HIDRÁULICA
ANTECEDENTES
A menos que se indique lo contrario en el presente documento, los materiales descritos en esta sección no son técnica anterior con respecto a las reivindicaciones de esta solicitud y no se admiten como técnica anterior mediante su inclusión en esta sección.
Una turbina hidráulica es un dispositivo mecánico que convierte la energía potencial contenida en una masa de agua elevada (un río o embalse) en energía mecánica rotacional. Las turbinas de reacción, por ejemplo las turbinas Francis, funcionan con sus rodetes completamente inundados y desarrollan par motor debido a la reacción de la presión del agua contra las palas de rodete. Los componentes principales de una turbina consisten en un rodete, un receptáculo de suministro de agua para llevar el agua al rodete, compuertas de mariposa para controlar la cantidad de agua y distribuirla equitativamente al rodete, y un tubo de aspiración para sacar el agua de la turbina. En una turbina Francis, por ejemplo, el agua entra en la turbina en dirección radial con respecto al árbol y se descarga en dirección axial.
Se usa aireación en las turbinas hidráulicas para mitigar problemas de pulsaciones de presión, vibraciones y/o ruido. En algunos casos, se usa aireación para mitigar la cavitación o para proporcionar niveles de oxígeno disuelto suficientemente altos al agua que sale de la turbina para garantizar los niveles de oxígeno necesarios para que sobreviva la vida acuática. Dependiendo del nivel de inmersión de la turbina, es posible que no sea posible la aireación natural. Los sopladores o compresores externos adicionales representan un coste adicional y requieren mantenimiento y espacio, lo que puede no ser deseable; como tales, no son una solución rentable o pueden no ser factibles. En algunos casos, los operadores de turbinas hidráulicas se oponen al uso de sopladores o compresores para garantizar un suministro de aire suficiente. Se necesita una solución para situaciones en las que la inmersión es demasiado alta para la aireación natural convencional y no puede usarse un soplador o compresor.
SUMARIO
Se proporcionan sistemas y aparatos para airear agua descargada desde una turbina hidráulica.
Según diversos aspectos, se proporciona un aparato de aireación para airear agua descargada desde una turbina hidráulica. En algunos aspectos, el aparato de aireación puede incluir: un colector central dispuesto dentro de una corona de un rodete de la turbina hidráulica; una pluralidad de tuberías radiales que se extienden radialmente desde el perímetro exterior del colector central y configuradas para estar en comunicación de fluido con el colector central; y uno o más inyectores de aire que tienen un primer extremo dispuesto dentro de una tubería de aireación, teniendo cada uno del uno o más inyectores de aire un segundo extremo que se extiende hacia una boquilla en un primer extremo de una de la pluralidad de tuberías radiales. La pluralidad de tuberías radiales están configuradas para bombear agua desde el colector central más allá del uno o más inyectores de aire cuando el rodete rota. El uno o más inyectores de aire están configurados para hacer que el aire sea arrastrado por el agua. La pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado desde el aparato de aireación.
Según diversos aspectos, se proporciona un rodete de turbina hidráulica. En algunos aspectos, el rodete de turbina hidráulica puede incluir: una corona; una pluralidad de palas de rodete acopladas a la corona; y un aparato de aireación configurado para airear agua descargada desde una turbina hidráulica, dispuesto dentro de la corona. El aparato de aireación puede incluir: un colector central dispuesto dentro de una corona de un rodete de la turbina hidráulica; una pluralidad de tuberías radiales que se extienden radialmente desde el perímetro exterior del colector central y configuradas para estar en comunicación de fluido con el colector central; y uno o más inyectores de aire que tienen un primer extremo dispuesto dentro de una tubería de aireación, teniendo cada uno del uno o más inyectores de aire un segundo extremo que se extiende hacia una boquilla en un primer extremo de una de la pluralidad de tuberías radiales. La pluralidad de tuberías radiales están configuradas para bombear agua desde el colector central más allá del uno o más inyectores de aire cuando el rodete rota. El uno o más inyectores de aire están configurados para hacer que el aire sea arrastrado por el agua. La pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado desde el aparato de aireación.
Según diversos aspectos, se proporciona una turbina hidráulica. En algunos aspectos, turbina hidráulica puede incluir: un árbol de turbina; y un rodete de turbina acoplado al árbol de turbina. El rodete de turbina puede incluir: una corona; una pluralidad de palas de rodete acopladas a la corona; y un aparato de aireación configurado para airear agua descargada desde una turbina hidráulica, dispuesto dentro de la corona. El aparato de aireación puede incluir: un colector central dispuesto dentro de una corona de un rodete de la turbina hidráulica; una pluralidad de tuberías radiales que se extienden radialmente desde el perímetro exterior del colector central y configuradas para estar en comunicación de fluido con el colector central; y uno o más inyectores de aire que tienen un primer extremo dispuesto dentro de una tubería de aireación, teniendo cada uno del uno o más inyectores de aire un segundo extremo que se extiende hacia una boquilla en un primer extremo de una de la pluralidad de tuberías radiales. La pluralidad de tuberías radiales están configuradas para bombear agua desde el colector central más allá del uno o más inyectores de aire cuando el rodete rota. El uno o más inyectores de aire están configurados para hacer que el aire sea arrastrado por el agua. La pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado desde el aparato de aireación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Los aspectos y las características de las diversas realizaciones resultarán más evidentes al describir ejemplos con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una turbina hidráulica Francis según algunos aspectos de la presente divulgación;
la figura 2 es una vista que deja ver el interior de un ejemplo de un rodete de turbina hidráulica según diversos aspectos de la presente divulgación;
la figura 3 es una vista que deja ver el interior de un ejemplo de un rodete de turbina hidráulica según algunos aspectos de la presente divulgación;
la figura 4 es una vista que deja ver el interior que ilustra un ejemplo de inyector de aire y una boquilla mostrados en la figura 3 según algunos aspectos de la presente divulgación;
la figura 5 es una vista que deja ver el interior que ilustra el flujo de agua resultante de la acción de bombeo del rodete de turbina hidráulica a modo de ejemplo según algunos aspectos de la presente divulgación;
la figura 6 es una vista que deja ver el interior de otro ejemplo de un rodete de turbina hidráulica según algunos aspectos de la presente divulgación;
la figura 7 es una vista que deja ver el interior que ilustra un ejemplo de un inyector de aire mostrado en la figura 6 según algunos aspectos de la presente divulgación; y
la figura 8 es una vista que deja ver el interior que ilustra el flujo de agua resultante de la acción de bombeo del rodete de turbina hidráulica a modo de ejemplo según algunos aspectos de la presente divulgación.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Aunque se describen determinadas realizaciones, estas realizaciones se presentan sólo a modo de ejemplo y no pretenden limitar el alcance de protección. Los aparatos, métodos y sistemas descritos en el presente documento pueden realizarse en una variedad de otras formas. Además, pueden realizarse diversas omisiones, sustituciones y cambios en la forma de los métodos y sistemas de ejemplo descritos en el presente documento sin apartarse del alcance de protección.
Caracteres de referencia similares indican partes correspondientes en las distintas vistas, a menos que se indique lo contrario. Aunque los dibujos representan realizaciones de diversas características y componentes según la presente divulgación, los dibujos no están necesariamente a escala y determinadas características pueden estar exageradas para ilustrar mejor las realizaciones de la presente divulgación, y tales ejemplificaciones no deben interpretarse como limitativas del alcance de la presente divulgación.
Salvo que se indique expresamente lo contrario en el presente documento, se aplican las siguientes reglas de interpretación a esta memoria descriptiva: (a) todas las palabras usadas en el presente documento se interpretarán como de tal género o número (singular o plural) según lo requieran las circunstancias; (b) los términos singulares "un”, "una” y "el/la”, tal como se usan en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, incluyen referencias en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario; (c) el término antecedente "aproximadamente” aplicado a un intervalo o valor citado indica una aproximación dentro de la desviación en el intervalo o valores conocidos o esperados en la técnica a partir de las mediciones; (d) las palabras "en el presente documento”, "por el presente documento”, "al presente documento”, "anteriormente en el presente documento” y "a continuación en el presente documento” y palabras de significado similar hacen referencia a esta memoria descriptiva en su totalidad y no a ningún párrafo, reivindicación u otra subdivisión en particular, a menos que se especifique lo contrario; (e) los encabezados descriptivos son sólo por conveniencia y no controlarán ni afectarán el significado o la construcción de ninguna parte de la memoria descriptiva; y (f) "o” y "cualquiera” no son excluyentes e "incluyen” y "que incluye” no son limitativos. Además, los términos "que comprende”, "que tiene”, "que incluye” y "que contiene” deben interpretarse como términos abiertos (es decir, que significan "incluyendo, pero sin limitarse a”).
La enumeración de intervalos de valores en el presente documento simplemente pretende servir como método abreviado para referirse individualmente a cada valor independiente que se encuentre dentro del intervalo o dentro de cualquier subintervalo entre ellos, a menos que se indique claramente lo contrario en el presente documento. Cada valor independiente dentro de un intervalo citado se incorpora en la memoria descriptiva o en las reivindicaciones como si cada valor independiente se enumerara individualmente en el presente documento. Cuando se proporciona un intervalo específico de valores, se entiende que cada valor intermedio, a la décima o menos de la unidad del límite inferior entre el límite superior e inferior de ese intervalo y cualquier otro valor indicado o intermedio en ese intervalo o subintervalo indicado del presente documento, está incluido en el presente documento a menos que el contexto dicte claramente lo contrario. También se incluyen todos los subintervalos. También se incluyen en el mismo los límites superior e inferior de estos intervalos más pequeños, salvo cualquier límite específica y expresamente excluido en el intervalo indicado.
La figura 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una turbina 100 hidráulica según algunos aspectos de la presente divulgación. La turbina 100 hidráulica puede configurarse para convertir energía hidráulica en par motor para accionar un generador eléctrico (no mostrado) a través de un árbol 104 de turbina. Normalmente, el agua fluye a través de una carcasa 102 en espiral hacia un distribuidor 132 que rodea un rodete 103 rotatorio de la turbina 100 hidráulica. El distribuidor 132 puede tener paletas 113 de soporte y paletas 130 de guía. El agua fluye hacia el interior del rodete 103 en un movimiento generalmente en espiral a lo largo de una dirección horizontal dentro de una turbina que tiene un eje 111. La velocidad de rotación del agua acciona el rodete 103 a girar alrededor del eje 111. A medida que el agua fluye a través del rodete 103, el componente de transporte del agua pasa de un flujo horizontal a un flujo de salida generalmente vertical. Desde el rodete 103, el agua fluye hacia un cono vertical del tubo 105 de aspiración debajo del rodete 103.
El rodete 103 de una turbina puede incluir una corona 106 que tiene una superficie de revolución que se extiende hacia la banda 108 anular a lo largo del eje 111 del rodete 103, y palas 107 que se extienden desde la superficie de revolución de la corona 106 hasta una banda 108 anular. Cada pala 107 tiene un borde de ataque y un borde de salida. Los extremos de estos bordes están unidos a la corona 106 y la banda 108 anular. El rodete 103 puede estar ubicado encima de un anillo 122 inferior en la turbina 100 hidráulica. El agua entra en el rodete 103, fluye alrededor de los bordes de ataque de las palas, fluye entre las palas 107 y pasa sobre los bordes de salida de las palas, luego fluye hacia el tubo 105 de aspiración.
En algunos casos, puede introducirse aire en el agua que sale de una turbina hidráulica. La aireación puede proporcionarse, por ejemplo, para mitigar las pulsaciones de presión, vibraciones, problemas de ruido y/o cavitación, o para proporcionar niveles de oxígeno disuelto suficientemente altos al agua que sale de la turbina para garantizar los niveles de oxígeno necesarios para la vida acuática.
La figura 2 es una vista que deja ver el interior de un ejemplo de un rodete 200 de turbina hidráulica según algunos aspectos de la presente divulgación. En referencia a la figura 2, el rodete 200 de turbina hidráulica puede incluir una corona 210, una tapa 220, palas 239 de rodete y un árbol 240 de aireación. El árbol 240 de aireación puede ser una parte hueca del árbol de turbina (por ejemplo, el árbol 104 principal). La tapa 220 y las palas 239 de rodete pueden estar unidas a la corona 210 y la corona 210 puede estar unida al árbol 240 de aireación. El agua que fluye a través de las palas 239 de rodete hace que roten las palas 239 de rodete, la corona 210, la tapa 220 y el árbol 240 de aireación. El rodete 200 de turbina hidráulica rotatorio también crea baja presión en el agua que está descargándose de la turbina (por ejemplo, hacia el tubo 105 de aspiración). Puede ser posible la aireación natural a través de un orificio 225 en la tapa 220 a partir del aire aspirado en el árbol 240 de aireación cuando la presión atmosférica es mayor que la baja presión del agua creada por la turbina. La aireación natural puede depender del nivel de inmersión de la turbina y puede no ser posible para turbinas profundamente sumergidas.
Las realizaciones a modo de ejemplo de la presente divulgación pueden proporcionar aireación cuando la aireación natural no es factible generando una acción de bombeo controlada en la tapa del rodete de turbina hidráulica y la cámara de corona. La acción de bombeo controlada puede dar como resultado un flujo de aire a través del árbol de turbina hueco y/o la cámara de cubierta de cabeza hacia los conductos de agua de la turbina. La acción de bombeo se logra mediante la configuración geométrica de los elementos de bombeo junto con la rotación del rodete. Según algunos aspectos de la presente divulgación, se proporciona una razón óptima de agua bombeada con respecto a aire arrastrado, así como dispersión de burbujas de aire para garantizar el transporte de aire contra presiones adversas y prevenir la asfixia. La autoaireación (por ejemplo, sin el uso de bombas, ventiladores, etc.) sólo es posible cuando la presión de fluido en una ubicación de inyección de aire cae por debajo de la presión del aire ambiental (por ejemplo, la presión atmosférica) en el foso de turbina. Las realizaciones a modo de ejemplo pueden reducir la presión de fluido en la ubicación de inyección de aire y proporcionar una trayectoria para que la mezcla de aire y agua fluya hacia los canales de rodete o hacia el conducto de flujo principal aguas abajo del rodete.
La figura 3 es una vista que deja ver el interior de un ejemplo de un rodete 300 de turbina hidráulica según algunos aspectos de la presente divulgación. En referencia a la figura 3, el rodete 300 de turbina hidráulica puede incluir una corona 310, una tapa 320, palas 330 de rodete y una tubería 340 de aireación central. Una cámara 305 de corona puede incluir una parte 307 interior de la corona 310 y la tapa 320. La tubería 340 de aireación central puede ser una parte del árbol de turbina (por ejemplo, el árbol 104 principal) o una estructura dispuesta dentro del árbol de turbina. La tubería 340 de aireación central puede incluir además inyectores 345 de aire. Con el fin de proporcionar la acción de bombeo controlada, el rodete 300 de turbina hidráulica puede incluir además un colector 350 central y tuberías 355 radiales. Las tuberías 355 radiales pueden extenderse desde el colector 350 central hasta los puertos 315 de salida de agua proporcionados en la corona 310 (por ejemplo, la cámara 305 de corona). Las tuberías 355 radiales pueden disponerse horizontalmente (por ejemplo, en un plano perpendicular al colector 350 central). En algunas implementaciones, las tuberías 355 radiales pueden disponerse formando un ángulo con respecto a un plano perpendicular al colector 350 central y/o disponerse formando un ángulo con respecto a un plano paralelo a una línea central vertical del colector central.
La parte inferior de la tapa 320 puede incluir un puerto 325 de entrada de agua para permitir que entre agua en el colector 350 central. En algunas implementaciones, la tapa y la corona pueden estar integradas. En tales configuraciones, el puerto de entrada de agua puede disponerse en la parte inferior de la corona y el colector central pueden extenderse hacia la parte inferior de la corona hacia el puerto de entrada de agua.
Tal como se ilustra en la figura 3, pueden formarse puertos 315 de salida de agua alrededor de la periferia de la cámara 305 de corona. En algunas implementaciones, los puertos pueden formarse alrededor de la periferia de la tapa 320. Las tuberías 355 radiales pueden conectar los puertos 315 de salida de agua al colector 350 central. Las tuberías 355 radiales pueden estar en comunicación de fluido con el colector 350 central y pueden proporcionar comunicación de fluido entre el colector 350 central y los puertos 315 de salida de agua. Las tuberías 355 radiales pueden proporcionarse para todos los canales 375 de rodete (por ejemplo, los espacios entre las palas 330 de rodete) o para cualquier subconjunto de canales 375 de rodete.
La tubería 340 de aireación central puede estar en comunicación de fluido con el aire ambiental exterior, por ejemplo, a través de un orificio de aireación central del árbol de turbina (no mostrado). Una parte 342 inferior de la tubería 340 de aireación central puede estar acoplada a y en comunicación de fluido con los inyectores 345 de aire. La tubería 340 de aireación central puede estar aislada del agua en el colector 350 central. Por ejemplo, la parte 342 inferior de la tubería 340 de aireación central puede incluir una parte 344 sólida configurada para sellar la parte 342 inferior para impedir que el agua en el colector 350 central entre en la tubería 340 de aireación central.
Los inyectores 345 de aire pueden disponerse radialmente alrededor de la periferia de la tubería 340 de aireación central. Los inyectores 345 de aire pueden disponerse dentro de boquillas 353 formadas por las tuberías 355 radiales en los puntos de conexión del colector 350 central y las tuberías 355 radiales. Las boquillas 353 pueden permitir una transición suave del flujo de agua desde el colector 350 central hasta las tuberías 355 radiales.
La figura 4 es una vista que deja ver el interior que ilustra un ejemplo de un inyector de aire 345 y una boquilla 353 mostrados en la figura 3 según algunos aspectos de la presente divulgación. Tal como se muestra en la figura 4, los inyectores 345 de aire puede incluir características 410, por ejemplo, pero sin limitarse a, diversas configuraciones de uno o más orificios, ranuras y/o hendiduras ubicadas hacia el extremo 415 de inyección de aire del inyector de aire 345 y dispuestas periféricamente alrededor del extremo 415 de inyección de aire. Estas características 410 pueden influir en el arrastre de aire y la rotura de burbujas de aire. Las boquillas 353 pueden proporcionar una transición suave del flujo de agua desde el colector 350 central hasta las tuberías 355 radiales y puede proporcionar un efecto Venturi, reduciendo de ese modo la presión de fluido local.
La figura 5 es una vista que deja ver el interior que ilustra el flujo de agua resultante de la acción de bombeo del rodete 300 de turbina hidráulica a modo de ejemplo según algunos aspectos de la presente divulgación. El colector 350 central, las boquillas 353 y las tuberías 355 radiales pueden permitir que pase agua desde el puerto 325 de entrada de agua en la parte inferior de la tapa 320 y/o desde la cámara 305 de corona hacia los canales 375 de rodete. En algunas implementaciones, el agua puede pasar alternativa o adicionalmente hacia el conducto de flujo de agua principal aguas abajo de los canales 375 de rodete.
Se genera una acción de bombeo a través de fuerzas centrífugas resultantes de la rotación de todos los componentes dentro del rodete 300 de turbina hidráulica que rotan a medida que rota el rodete 300 de turbina hidráulica. Un radio mayor puede generar una acción de bombeo mayor; por tanto, gran parte de la acción de bombeo se genera en las tuberías 355 radiales. El diámetro externo de las tuberías 355 radiales, por ejemplo, donde entran los canales 375 de rodete a través de los puertos 315 de salida de agua en la cámara 305 de corona junto con la velocidad de rotación del rodete 300 de turbina hidráulica, puede determinar el diferencial de presión que puede generar la acción de bombeo. Debido a este efecto de bombeo, la presión de fluido puede disminuir radialmente hacia dentro hacia la tubería 340 de aireación central. La presión de fluido puede disminuir adicionalmente debido al efecto Venturi resultante de la aceleración del agua a través de las boquillas 353 y el área de sección transversal pequeña creada entre los inyectores 345 de aire y las tuberías 355 radiales.
En referencia a la figura 5, el efecto de bombeo puede hacer que el agua 510 se aspire hacia el colector 350 central, acelerada a través de las boquillas 353 y las tuberías 355 radiales a medida que pasa por los inyectores 345 de aire donde el agua puede airearse, y descargarse a los canales 375 de rodete a través de los puertos 315 de salida de agua en la cámara 305 de corona como una mezcla 520 de aire-agua. El efecto Venturi resultante de la aceleración del agua a través de las boquillas 353 y el área de sección transversal pequeña creada entre los inyectores 345 de aire y las tuberías 355 radiales puede hacer que el aire entre en y se mezcle con el agua a medida que pasa por los inyectores 345 de aire. La forma de los inyectores de aire puede configurarse para romper las burbujas de aire. Por ejemplo, los inyectores 345 de aire pueden configurarse con una o más ranuras, puertos, o combinaciones de los mismos. La cantidad de flujo de agua y la presión generada pueden controlarse modificando las dimensiones de cualquiera o todos los puertos 325 de entrada de agua, las boquillas 353, las tuberías 355 radiales, los puertos 315 de salida de agua y los inyectores 345 de aire.
En determinadas condiciones, la presión de fluido en los inyectores 345 de aire puede disminuir por debajo de la presión del aire ambiental (por ejemplo, la presión del aire en el foso de turbina en la entrada del árbol de turbina hueco) y dar como resultado que se inyecte aire en el agua que fluye más allá de los inyectores 345 de aire. Los inyectores de aire pueden configurarse para dividir el aire en pequeñas burbujas. Las pequeñas burbujas pueden proporcionar una mezcla eficiente del aire con el agua y el transporte del agua aireada fuera de las tuberías 355 radiales y hacia los canales 375 de rodete. La combinación del puerto 325 de entrada de agua en la tapa 320, la cámara 305 de corona, el colector 350 central, las boquillas 353, las tuberías 355 radiales, la tubería 340 de aireación central y los inyectores 345 de aire puede dar como resultado una acción eficiente de bombeo de agua y arrastre de aire, que puede configurarse según requisitos específicos a través de los parámetros geométricos de los elementos individuales. Los ejemplos no limitativos de modificaciones a los parámetros geométricos pueden incluir: una razón de las áreas de sección transversal de la boquilla con respecto al inyector de aire; una razón del área de sección transversal del puerto de entrada con respecto al área de sección transversal de todas las boquillas menos los inyectores de aire; la forma del inyector de aire (por ejemplo, ranuras, orificios, etc.); la forma de la transición de la boquilla a la tubería; la forma de la parte inferior de la tubería de aireación; y el curvado de las tuberías radiales en una dirección circunferencial. Pueden realizarse otras modificaciones a los parámetros geométricos sin apartarse del alcance de la presente divulgación.
En algunas implementaciones, puede proporcionarse una válvula de control para regular el caudal de agua bombeada. La válvula de control puede estar ubicada dentro del colector central, en otra parte del conducto de flujo de agua bombeada, o por debajo de la tapa de rodete. La válvula de control puede permitir detener o reducir el flujo de agua bombeada cuando no es necesario, por ejemplo, durante el funcionamiento de la turbina cerca del punto de mejor eficiencia cuando no es necesario mitigar las pulsaciones de presión, y puede mejorar la eficiencia de la turbina.
La figura 6 es una vista que deja ver el interior de otro ejemplo de un rodete 600 de turbina hidráulica según algunos aspectos de la presente divulgación. En referencia a la figura 6, el rodete 600 de turbina hidráulica puede incluir una corona 610, una tapa 620, palas 630 de rodete y una tubería 640 de aireación central. Una cámara 605 de corona puede incluir una parte 607 interior de la corona 610 y la tapa 620. La tubería 640 de aireación central puede ser una parte del árbol de turbina (por ejemplo, el árbol 104 principal) o una estructura dispuesta dentro del árbol de turbina. La tubería 640 de aireación central puede incluir además un inyector 645 de aire. Con el fin de proporcionar la acción de bombeo controlada, el rodete 600 de turbina hidráulica puede incluir además nervaduras 655 radiales dispuestas alrededor de la periferia de la cámara 605 de corona y puertos 615 de salida de agua proporcionados alrededor de la periferia de la cámara 605 de corona.
En algunas implementaciones, las nervaduras radiales pueden ser nervaduras curvas o nervaduras que tienen otras formas, por ejemplo, pueden disponerse formas que se adaptan al perfil de la cámara de la corona en la tapa 320, y los puertos de salida de agua pueden proporcionarse alrededor de la periferia de la tapa. En algunas implementaciones, cada nervadura radial puede ser una nervadura de una sola pieza y puede estar unida a la parte interior de la cámara de corona y extenderse hacia la tapa hacia el puerto de entrada de agua. En algunas implementaciones, cada nervadura radial puede incluir múltiples piezas, por ejemplo, una pieza unida a la parte interior de la cámara de corona y otra pieza unida a la parte interior de la tapa. En alguna implementación, pueden adaptarse nervaduras radiales a los rodetes de turbina existentes. En tales aplicaciones de adaptación, algunos o todos los orificios existentes en la corona y/o la tapa pueden bloquearse y puede ajustarse la forma de las nervaduras radiales para la aplicación específica. Por ejemplo, pueden formar muescas en las nervaduras radiales para proporcionar espacio para los componentes existentes en la cámara de la corona.
La parte inferior de la tapa 320 puede incluir un puerto 325 de entrada de agua para permitir que entre agua en la cámara 305 de corona. En algunas implementaciones, la tapa y la corona pueden estar integradas. En tales configuraciones, el puerto de entrada de agua puede disponerse en la parte inferior de la corona y las nervaduras radiales pueden extenderse hacia la parte inferior de la corona hacia el puerto de entrada de agua.
La tubería 640 de aireación central puede estar en comunicación de fluido con el aire ambiental exterior, por ejemplo, a través de un orificio de aireación central del árbol de turbina (no mostrado). Una parte 642 inferior de la tubería 640 de aireación central puede estar acoplada a y en comunicación de fluido con el inyector 645 de aire. La tubería 640 de aireación central puede estar aislada del agua aspirada en la cámara 605 de corona. Por ejemplo, la parte 642 inferior de la tubería 640 de aireación central puede incluir una porción 644 sólida configurada para sellar la parte 642 inferior para impedir que el agua aspirada en la cámara 605 de corona a través del puerto 625 de entrada de agua entre en la tubería 640 de aireación central.
El inyector 645 de aire pueden disponerse en la parte 642 inferior de la tubería 640 de aireación central. En algunas implementaciones el inyector 645 de aire puede estar formado como una parte de la tubería 640 de aireación central. En algunas implementaciones, el inyector 645 de aire puede ser un elemento independiente acoplado a la parte 642 inferior de la tubería 640 de aireación central.
La figura 7 es una vista que deja ver el interior que ilustra un ejemplo de un inyector 645 de aire mostrado en la figura 6 según algunos aspectos de la presente divulgación. Tal como se muestra en la figura 7, los inyectores 645 de aire pueden incluir características 710, por ejemplo, pero sin limitarse a, diversas configuraciones de una o más ranuras, orificios, o combinaciones de los mismos ubicados alrededor de la periferia del inyector 645 de aire. La ubicación y la forma de las características 710 del inyector 645 de aire pueden configurarse para el arrastre de aire y la rotura de burbujas.
La figura 8 es una vista que deja ver el interior que ilustra el flujo de agua resultante de la acción de bombeo del rodete 600 de turbina hidráulica a modo de ejemplo según algunos aspectos de la presente divulgación. Las nervaduras 655 radiales pueden bombear agua desde el puerto 625 de entrada de agua en la parte inferior de la tapa 620 y/o desde la cámara 605 de corona hacia los canales 675 de rodete. En algunas implementaciones, el agua puede pasar alternativa o adicionalmente hacia el conducto de flujo de agua principal aguas abajo de los canales 675 de rodete.
Se genera una acción de bombeo a través de fuerzas centrífugas resultantes de la rotación de todos los componentes dentro del rodete 600 de turbina hidráulica que rotan a medida que rota el rodete. El diámetro externo de las nervaduras 655 radiales ubicadas cerca de los puertos 615 de salida de agua junto con la velocidad de rotación del rodete 600 de turbina hidráulica pueden determinar el diferencial de presión que puede generar la acción de bombeo. Debido a este efecto de bombeo, la presión de fluido puede disminuir radialmente hacia dentro hacia la tubería 640 de aireación central. La presión de fluido puede disminuir adicionalmente debido al efecto Venturi resultante de la aceleración del agua a través de la sección transversal más pequeña disponible para el flujo de agua entre el inyector 645 de aire y la parte inferior de la tapa 620 o a través de la cámara 605 de corona.
En referencia a la figura 8, el efecto de bombeo puede hacer que el agua 810 se aspire hacia la cámara 605 de corona, acelerada a través de la sección transversal más pequeña entre el inyector 645 de aire y la parte inferior de la tapa 620. A medida que el agua 810 pasa por el inyector 645 de aire, puede aspirarse aire 815 desde la tubería 640 de aireación central. El agua puede airearse y puede descargarse a los canales 675 de rodete a través de los puertos 615 de salida de agua en la cámara 605 de corona como una mezcla 820 de aire-agua. El efecto Venturi resultante de la aceleración del agua a través del área de sección transversal pequeña puede hacer que el aire se aspire y se mezcle con el agua a medida que pasa por los inyectores 645 de aire. La forma del inyector de aire puede configurarse para romper las burbujas de aire. Por ejemplo, el inyector 645 de aire puede configurarse con una o más ranuras, orificios, o combinaciones de los mismos. La cantidad de flujo de agua y la presión generada pueden controlarse modificando las dimensiones de cualquiera o todos los puertos 625 de entrada de agua, las nervaduras 655 radiales, los puertos 615 de salida de agua y el inyector 645 de aire.
En determinadas condiciones, la presión de fluido en el inyector 645 de aire puede disminuir por debajo de la presión del aire ambiental (por ejemplo, la presión del aire en el foso de turbina en la entrada del árbol de turbina hueco) y dar como resultado que se inyecte aire en el agua que fluye más allá del inyector 645 de aire. Las características 710 (por ejemplo, las diversas configuraciones de una o más ranuras, orificios, o combinaciones de los mismos) del inyector 645 de aire pueden configurarse para dividir el aire en pequeñas burbujas. Las pequeñas burbujas pueden proporcionar una mezcla eficiente del aire con el agua y el transporte del agua aireada fuera de los puertos 615 de salida de agua y hacia los canales 675 de rodete. La combinación del puerto 625 de entrada de agua en la tapa 620, la cámara 605 de corona, las nervaduras 655 radiales, la tubería 640 de aireación central y el inyector 645 de aire puede dar como resultado una acción eficiente de bombeo de agua y arrastre de aire, que puede configurarse según requisitos específicos a través de los parámetros geométricos de los elementos individuales. Los ejemplos de modificaciones a los parámetros geométricos pueden incluir, por ejemplo, pero sin limitarse a, la forma del inyector de aire (por ejemplo, ranuras, orificios, etc.), la forma de las nervaduras radiales, etc. Pueden realizarse otras modificaciones a los parámetros geométricos sin apartarse del alcance de la presente divulgación
En algunas implementaciones, puede proporcionarse una válvula de control para regular el caudal de agua bombeada. La válvula de control puede estar ubicada dentro del colector central, en otra parte del conducto de flujo de agua bombeada, o por debajo de la tapa de rodete. La válvula de control puede permitir detener o reducir el flujo de agua bombeada cuando no es necesario, por ejemplo, durante el funcionamiento a baja velocidad de la turbina, y puede mejorar la eficiencia de la turbina.
Algunos aspectos de la presente divulgación pueden emplearse en turbinas hidráulicas nuevas o existentes. Además, pueden usarse diversas realizaciones en cualquier aplicación en la que se requiera aireación o inyección de gas o en la que sea necesario arrastrar aire o cualquier gas por el agua o cualquier fluido de mayor densidad. Diversas realizaciones pueden resultar ventajosas en comparación con los aireadores convencionales en los que es necesario superar una diferencia de presión relativamente alta. Diversas realizaciones también pueden resultar más eficientes que los tipos convencionales de aireadores tales como los conocidos en áreas de tratamiento de aguas residuales y aireación de aguas abiertas.
Los ejemplos y realizaciones descritos en el presente documento son para fines únicamente ilustrativos. Diversas modificaciones o cambios a la luz de los mismos resultarán evidentes para los expertos en la técnica. Estos deben incluirse dentro del espíritu y el ámbito de esta solicitud, y el alcance de las reivindicaciones adjuntas, que siguen.

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Aparato de aireación para airear agua descargada desde una turbina hidráulica, comprendiendo el aparato de aireación:
un colector central dispuesto dentro de una corona de un rodete de la turbina hidráulica; una pluralidad de tuberías radiales que se extienden radialmente desde el perímetro exterior del colector central y configuradas para estar en comunicación de fluido con el colector central; y
uno o más inyectores de aire que tienen un primer extremo dispuesto dentro de una tubería de aireación, teniendo cada uno del uno o más inyectores de aire un segundo extremo que se extiende hacia una boquilla en un primer extremo de una de la pluralidad de tuberías radiales,
en el que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para bombear agua desde el colector central más allá del uno o más inyectores de aire cuando el rodete rota,
en el que el uno o más inyectores de aire están configurados para hacer que el aire sea arrastrado por el agua, y
en el que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado desde el aparato de aireación.
2. Aparato de aireación según la reivindicación 1, que comprende además una cámara de corona que incluye una pluralidad de puertos de salida de agua dispuestos alrededor de la periferia de la cámara de corona, estando la pluralidad de puertos de salida de agua configurados para estar en comunicación de fluido con segundos extremos de la pluralidad de tuberías radiales.
3. Aparato de aireación según la reivindicación 2, en el que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado a través de la pluralidad de puertos de salida de agua hacia canales de rodete.
4. Aparato de aireación según la reivindicación 1, en el que el segundo extremo del uno o más inyectores de aire comprende una o más ranuras, uno o más orificios, o una combinación de una o más ranuras y orificios.
5. Aparato de aireación según la reivindicación 1, que comprende además un puerto de entrada de agua dispuesto en una parte inferior de una cámara de corona de la corona, en el que el colector central está configurado para estar en comunicación de fluido con el puerto de entrada de agua.
6. Aparato de aireación según la reivindicación 1, en el que la tubería de aireación está aislada del colector central mediante una parte sólida configurada para sellar una parte inferior de la tubería de aireación de manera que el agua aspirada en el colector central no se aspire en la tubería de aireación.
7. Rodete de turbina hidráulica, que comprende:
una corona;
una pluralidad de palas de rodete acopladas a la corona; y
un aparato de aireación configurado para airear agua descargada desde una turbina hidráulica, dispuesto dentro de la corona, comprendiendo el aparato de aireación:
un colector central dispuesto dentro de la corona;
una pluralidad de tuberías radiales que se extienden radialmente desde el perímetro exterior del colector central y configuradas para estar en comunicación de fluido con el colector central; y
uno o más inyectores de aire que tienen un primer extremo dispuesto dentro de una tubería de aireación, teniendo cada uno del uno o más inyectores de aire un segundo extremo que se extiende hacia una boquilla en un primer extremo de una de la pluralidad de tuberías radiales,
en el que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para bombear agua desde el colector central más allá del uno o más inyectores de aire cuando el rodete rota,
en el que el uno o más inyectores de aire están configurados para hacer que el aire sea arrastrado por el agua, y
en el que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado desde el aparato de aireación.
8. Rodete de turbina hidráulica según la reivindicación 7, en el que el aparato de aireación comprende además una cámara de corona que incluye una pluralidad de puertos de salida de agua dispuestos alrededor de la periferia de la cámara de corona, estando la pluralidad de puertos de salida de agua configurados para estar en comunicación de fluido con segundos extremos de la pluralidad de tuberías radiales.
9. Rodete de turbina hidráulica según la reivindicación 8, en el que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado a través de la pluralidad de puertos de salida de agua hacia canales de rodete.
10 Rodete de turbina hidráulica según la reivindicación 7, en el que el segundo extremo del uno o más inyectores de aire comprende una o más ranuras, uno o más orificios, o una combinación de una o más ranuras y orificios.
11. Rodete de turbina hidráulica según la reivindicación 7, en el que el aparato de aireación comprende además un puerto de entrada de agua dispuesto en una parte inferior de una cámara de corona de la corona, en el que el colector central está configurado para estar en comunicación de fluido con el puerto de entrada de agua.
12. Rodete de turbina hidráulica según la reivindicación 7, en el que la tubería de aireación está aislada del colector central mediante una parte sólida configurada para sellar una parte inferior de la tubería de aireación de manera que el agua aspirada en el colector central no se aspire en la tubería de aireación.
13. Turbina hidráulica, que comprende:
un árbol de turbina; y
un rodete de turbina acoplado al árbol de turbina, comprendiendo el rodete de turbina;
una corona;
una pluralidad de palas de rodete acopladas a la corona; y un aparato de aireación configurado para airear agua descargada desde una turbina hidráulica, dispuesto dentro de la corona, comprendiendo el aparato de aireación:
un colector central dispuesto dentro de la corona;
una pluralidad de tuberías radiales que se extienden radialmente desde el perímetro exterior del colector central y configuradas para estar en comunicación de fluido con el colector central; y
uno o más inyectores de aire que tienen un primer extremo dispuesto dentro de una tubería de aireación, teniendo cada uno del uno o más inyectores de aire un segundo extremo que se extiende hacia una boquilla en un primer extremo de una de la pluralidad de tuberías radiales,
en la que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para bombear agua desde el colector central más allá del uno o más inyectores de aire cuando el rodete rota,
en la que el uno o más inyectores de aire están configurados para hacer que el aire sea arrastrado por el agua, y
en la que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado desde el aparato de aireación.
14. Turbina hidráulica según la reivindicación13, en la que el aparato de aireación comprende además una cámara de corona que incluye una pluralidad de puertos de salida de agua dispuestos alrededor de la periferia de la cámara de corona, estando la pluralidad de puertos de salida de agua configurados para estar en comunicación de fluido con segundos extremos de la pluralidad de tuberías radiales,
en la que la pluralidad de tuberías radiales están configuradas para descargar el agua y el aire arrastrado a través de la pluralidad de puertos de salida de agua hacia canales de rodete.
15. Turbina hidráulica según la reivindicación13, en la que el segundo extremo del uno o más inyectores de aire comprende una o más ranuras, uno o más orificios, o una combinación de una o más ranuras y orificios.
16. Turbina hidráulica según la reivindicación13, en la que el aparato de aireación comprende además un puerto de entrada de agua dispuesto en una parte inferior de una cámara de corona de la corona, en la que el colector central está configurado para estar en comunicación de fluido con el puerto de entrada de agua.
17. Turbina hidráulica según la reivindicación13, en la que la tubería de aireación está aislada del colector central mediante una parte sólida configurada para sellar una parte inferior de la tubería de aireación de manera que el agua aspirada en el colector central no se aspire en la tubería de aireación.
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