MX2013009872A - Aleta e instalacion para la conversion de energia hidraulica que comprende dicha aleta. - Google Patents

Abstract

Esta aleta (20) está proyectada para ser instalada en una manera sobresaliente dentro de una tubería de descarga de una máquina hidráulica. La aleta (20) comprende una primera cara que tiene orificios y una segunda cara que es sólida. La aleta (20) define por sí misma, entre la primera cara y la segunda cara, una cavidad (C20) que conecta la parte exterior de la tubería de descarga con los orificios en la primera cara.

Description

ALETA E INSTALACIÓN PARA LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA QUE COMPRENDE DICHA ALETA Campo de la Invención La presente invención se refiere a una instalación para convertir energía hidráulica en energía eléctrica o mecánica, tal como una instalación que comprende una turbina hidráulica, una tubería para transportar hacia la turbina un flujo forzado de agua y una tubería para descargar este flujo cuando abandona la turbina.

Antecedentes de la Invención En una instalación de ese tipo que produce energía eléctrica o mecánica a partir de energía hidráulica, una de las dificultades radica en controlar el nivel de oxígeno disuelto en la tubería de descarga de agua. Por razones ecológicas, este nivel de oxígeno no debe ser menor a un umbral mínimo con el objetivo de respetar el entorno acuático aguas abajo de la instalación.

Sin embargo, es difícil controlar este nivel de oxígeno ya que varía durante el curso de las estaciones. De ese modo, en el agua de invierno tiene la tendencia a estar cargada con oxígeno ya que por lo general proviene de deshielo. Por otra parte, en verano, a menudo el agua se estanca aguas arriba de la instalación y tiene un nivel de oxígeno disuelto que por lo general es muy bajo con respecto al umbral mínimo.

Las Patentes US-A-2 300 748 y US-A-4 142 825 se refieren a una instalación hidráulica que comprende una tubería de descarga para liberar un flujo de agua descargada de una turbina. La parte interna de la tubería de descarga está equipada con nervaduras huecas. Un conducto trae aire presurizado al interior de las nervaduras. Este aire es inyectado al agua en la descarga de la turbina por medio de orificios perforados en las nervaduras. Estos dispositivos requieren del uso de un aparato auxiliar para inyectar aire comprimido en las nervaduras.

Este es el inconveniente que propone remediar la invención particularmente al sugerir una aleta proyectada a ser instalada sobresaliendo dentro de una tubería de descarga de una máquina hidráulica. Según la invención, la aleta comprende una primera cara que comprende orificios y una segunda cara que es sólida. La aleta se define por sí misma, entre la primera cara y la segunda cara, una cavidad que conecta la parte externa de la tubería de descarga con los orificios en la primera cara.

En virtud de la invención, la posición angular de las aletas está determinada de manera tal que crea una sobrepresión en el costado de la aleta que encara el flujo y una presión negativa en el costado opuesto. Esta presión negativa absorbe automáticamente, a través de los orificios en las aletas, aire externo a la tubería de descarga e inyecta el aire aspirado hacia el agua descargada sin tener la necesidad de usar un dispositivo activo que suministre aire comprimido. Además de lo antes señalado, es posible modificar la orientación angular de las aletas a fin de variar la cantidad de aire que se desea que se disuelva en el flujo de agua que pasa a través de la instalación.

Además, las aletas también se pueden usar a fin de reducir la formación de vórtices o turbulencias, referidos por lo general como "ensanchamientos", al tomar en cuenta cualquier componente de rotación del flujo descargado de la turbina, que estabiliza el flujo en la tubería de descarga.

Según los aspectos ventajosos pero no obligatorios de la invención, tal instalación puede incorporar uno o más de los siguientes rasgos distintivos, tomados en cualquier combinación técnicamente aceptable: La primera cara de la aleta es plana.

La segunda cara de la aleta es plana.

La primera cara y la segunda cara de la aleta son paralelas.

La primera cara de la aleta y la segunda cara de la aleta son opuestas y están dispuestas en cualquier costado de una superficie del medio de la aleta.

La invención también se refiere a una instalación para convertir la energía hidráulica en energía eléctrica, esta instalación comprende una máquina hidráulica, una tubería que alimenta la máquina hidráulica con un flujo forzado de agua, una tubería que descarga el flujo liberado de la máquina hidráulica y elementos que sobresalen de una pared de la tubería de descarga donde cada uno define una cavidad que conecta la parte exterior de la tubería de descarga con los orificios formados en los elementos sobresalientes. Según la invención, los elementos sobresalientes comprenden al menos una aleta según la invención, instalada de manera sobresaliente dentro de la tubería de descarga, que es capaz de moverse en rotación alrededor de un eje secante a la pared de la tubería de descarga y la instalación comprende medios para controlar la posición angular de cada aleta alrededor de su eje de rotación.

De manera ventajosa, pero no obligatoria, al menos una aleta retráctil hacia la pared de la tubería de descarga y los medios son capaces de ajustar la extensión hacia la cual se repliega cada aleta con dirección a la pared.

La invención se entenderá mejor y otras ventajas de la misma surgirán de manera más clara a la luz de la siguiente descripción de una instalación según el principio de la misma, que se dan sólo a modo de ejemplo y se hacen con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales: Figura 1 corresponde a una representación esquemática resumida, en sección, de una instalación según la invención; Figura 2 corresponde a una vista en una escala más amplia correspondiente al detalle II en Figura 1, que muestra en sección una aleta y medios que sujetan la aleta, que forman parte de la instalación en Figura 1; Figura 3 corresponde a una vista lateral a una escala más amplia de la aleta en Figura 2; y Figura 4 corresponde a una sección, a través de la línea IV-IV en Figura 3, que muestra la aleta en un flujo de agua en la instalación de Figura 1.

La instalación I mostrada en Figura 1 comprende una turbina 1 del tipo Francis, la rueda 2 está proyectada para que gire, alrededor de un eje vertical X2, mediante un flujo forzado de agua E que proviene de una retención de agua, no se muestra. Un eje 3, asegurado a la rueda 2, se acopla a un alternador 4 que entrega una corriente alterna en frecuencia fija a una red, no se muestra. La instalación I, por lo tanto, convierte la energía hidráulica del flujo E en energía eléctrica. La instalación I puede comprender varias turbinas 1 suministradas a partir de la retención de agua.

En una variante, el eje 3 puede estar acoplado a un montaje mecánico, en cuyo caso la instalación I convierte la energía hidráulica del flujo E en energía mecánica.

Un conducto de alimentación 5 lleva el flujo E hacia la rueda 2 y se extiende entre la retención de agua y un estanque 6 equipado con aspas 61 que regulan el flujo 3.

Una tubería 8 está provista aguas abajo de la turbina 1 a fin de descargar el flujo E y devolverlo al cauce de un río o la corriente a partir de donde se alimenta la retención. La tubería de descarga 8 algunas veces se califica como tubería de aspiración .

Una unidad de control 10 está prevista para controlar la turbina 1 en particular según los requerimientos eléctricos de la red suministrada a partir del alternador 4 y la tasa de flujo del agua disponible para el flujo E. Para llevar a cabo esto, la unidad de control 10 envía las aspas 61 una señal de control Si para ajustar la tasa de flujo de agua que pasa hacia la máquina y, por lo tanto, la potencia recuperada por el alternador 4 a fin de satisfacer los requerimientos de la red eléctrica.

La tubería 8 comprende una parte aguas arriba sustancialmente vertical 81, truncada y centrada en el eje de rotación X2 de la rueda 2. La tubería 8 también comprende una parte aguas abajo 82 centrada en un eje sustancialmente horizontal X82- Este eje Xa2 es sustancialmente horizontal en cuanto a que forma un ángulo menor a 20° con un plano horizontal. En la práctica, el eje X82 puede ser levemente levantado en la dirección del flujo E. Un codo 83, en 90°, conecta las partes 81 y 82 de la tubería 8.

La tubería 8 está provista, en su parte aguas arriba 81, con varias aletas 20 que sobresalen, desde la pared 84 de la parte aguas arriba 81, en la dirección del eje X2. Estas aletas 20 están proyectadas para ser arrastradas por parte del flujo E que fluye, emergiendo desde la rueda 2, a través de la pared 84. Las aletas 20 están fijadas, o en otras palabras, no forman parte de la tubería 8 y se montan a la tubería 8.

La Figura 1, que corresponde a una sección transversal en un plano vertical que comprende el eje X2, muestra dos aletas 20 pero en la práctica el número de aletas 20 puede ser mayor a 2. Este número se escoge según el diámetro de la parte aguas arriba 81 y la tasa de flujo provista para el flujo E.

Como se muestra de manera más particular mediante las Figuras 2 y 4, cada aleta 20 es hueca y comprende dos caras laterales planas opuestas paralelas 201 y 202, dispuestas en cualquier costado de un plano medio P2o situado entre las caras laterales 201 y 202. El plano medio P20 corresponde a una superficie media de la aleta 20. Una primera cara lateral 201 de cada aleta 20 está perforada con varios orificios 200 que se comunican con una cavidad C2o, definidos dentro de la aleta 20, entre las caras laterales 201 y 202. Una segunda cara lateral 202 de cada aleta 20 es sólida, es decir, no posee orificio alguno.

Cada aleta 20 define por sí misma una cavidad C 20i o en otras palabras, cada cavidad C2o se forma por completo mediante una aleta 20. Por ejemplo, la cavidad C2o no se forma mediante una parte de la tubería de descarga 8.

Como se indicó de manera más particular a partir de la Figura 2, cada aleta 20 está asegurada a un pistón 21 montado en un cuerpo cilindrico 22 con una base circular, centrado en un eje X22 perpendicular a la pared 84. El pistón 21 está equipado con sellos 211 y 212 y está asegurado a una barra 23 que pasa a través de una placa 24 en la forma de un disco, con la posibilidad de deslizarse con respecto a esta placa a través del eje X22, como se indica mediante las flechas F-¡ y F2. El pistón 21 y la barra 23 se encuentran perforados mediante un canal longitudinal C2i, centrado en el eje X22, que conecta la cavidad C2o con la parte exterior de la tubería de descarga 8. De ese modo, los orificios 200 se comunican con la atmósfera externa.

La placa 24 está equipada con sellos 241 y 242 que proporcionan, con los sellos 211 y 212, el aislamiento fluido con respecto al exterior de una cámara C22 provisto radialmente dentro del cuerpo 22, entre la placa 24 y el pistón 21 y alrededor de la barra 23.

La placa 24 se encuentra fija al cuerpo 22 por medio de tornillos 25, representados por sus líneas de eje.

La cámara C22 está suministrada, a través de una tubería que no se muestra, con agua que proviene del conducto 5. Esto hace posible presurizar la cámara C22, la cual tiene el efecto de empujar el pistón 21 en la dirección de la flecha F2 y hace que la aleta 20 sobresalga en la dirección del eje X2, con respecto a la pared 84.

La presión del suministro en la cámara C22 hace posible controlar la posición, a través del eje X22, del pistón 21 y la aleta 20. Por lo tanto, el pistón 21 y la aleta 20 se mueven en translación, a través del eje X22> en la dirección de las flechas y F2 en Figura 2. Es posible no suministrar la cámara C22 con agua bajo presión, de manera tal que la aleta 20 sea replegada o empujada, con respecto a la pared 84, fuera de la tubería 8, a causa de la presión del agua en una cara 213 del pistón 21 girado hacia la tubería 8.

El sub-montaje formado por las piezas 20 hasta la 25 se monta, con la posibilidad de rotación alrededor del eje X22, en una cubierta 26 inmovilizada en un anillo 27 fijo con respecto a la pared 84. Los pistones 21 y la aleta 20, por lo tanto, se mueven en rotación alrededor del eje X22. Los sellos que forman un cojinete están dispuestos opcionalmente en forma radial alrededor del cuerpo 22 y la placa 24 hace posible que el sub-montaje antes mencionado gire con respecto a la cubierta 26.

En la parte que sobresale axialmente, a través del eje X22, con respecto a la cubierta 22, la placa 24 está provista con dientes radiales externos 243 que encaja con un piñón 29 accionado mediante el eje de salida 301 de un servomotor eléctrico 30. Este motor es controlado por la unidad de control 10 a través de una señal electrónica S3.

El servomotor 30, por lo tanto, gira el sub-montaje formado por las partes 20 hasta la 25 alrededor del eje X22, según una señal de control S3 recibida a partir de la unidad de control 10. Esta rotación varía la posición angular de la aleta 20 alrededor del eje X22.

Como queda más claro a partir de Figura 3, la posición angular de cada aleta 20 puede ser medida a través de un ángulo a tomado, sobre el eje X22, entre el plano medio P2o de la aleta 20 y un plano horizontal P22 que contiene el eje X22. Cuando las caras laterales 201 y 202 de las aletas 20 son verticales, el ángulo a es igual a 90°.

Estando en funcionamiento, cuando se desea disolver aire en el flujo de agua E descargada mediante la tubería de descarga 8, con la intención de aumentar su nivel de oxígeno disuelto, es necesario sacar las aletas 20 hacia la tubería de descarga 8, en la dirección de la flecha F2, de manera tal que las aletas 20 sobresalgan en la dirección del eje X2, con respecto a la pared 84. Este movimiento es controlado por la unidad de control 10.

La posición angular a de cada aleta 20 se ajusta de manera tal que el plano P20 se incline con respecto al flujo E, la segunda cara 202 de las aletas 20 queda orientada hacia el flujo E, como se muestra en Figura 4. La posición angular a es controlada por la unidad de control 10, que entrega una señal S3 al motor 30 con el objetivo de crear una zona bajo presión, cerca de la segunda cara 202, y una zona Z2 bajo presión negativa, cerca de la primera cara 201.

En virtud de la presión negativa en la zona Z2, el aire externo es succionado automáticamente en la cavidad C20 y es inyectado en el flujo E, a través de los orificios 200, como se indica mediante las flechas A en Figuras 2 hasta la 4.

La posición angular a de las aletas 20 tiene una influencia en la intensidad de la presión negativa creada en la zona Z2 y, por lo tanto, tiene una influencia en la cantidad de aire inyectada hacia el flujo E.

Las dimensiones y el número de orificios 200 están determinados según la dimensión y la cantidad de burbujas de aire que se desean disolver en el flujo E.

De manera ventajosa, las aletas 20 se pueden usar para reducir las fluctuaciones de presión y la formación de ensanchamientos turbulentos que aparecen, estando en funcionamiento, en la tubería de descarga 8. Para llevar a cabo esto, el ángulo a de las aletas 20 se puede ajusfar para modificar el flujo E, como se mostró por ejemplo en el documento FR-A-2 942 274.

En una variante, la posición de cada aleta 20 a través de su eje de rotación X22 se puede controlar por medios distintos a una cámara de presión suministrada con agua.

Dependiendo de la geometría de las caras 201 y 202, además de la disposición de la cara 201 con respecto a la cara 202, la superficie correspondiente al plano med io Pío no es necesariamente plana. Por ejemplo, cuando las caras 201 y 202 se encuentran en la forma de una parte de un cilindro con una sección transversal circular, el costado cóncavo de las caras 201 y 202 se gira hacia el mismo lado, la superficie del medio es una parte de un cilindro con una sección transversal circular que tiene un radio que yace entre el radio de la cara 201 y de la cara 202.

Es posible usar, por ejemplo, un servomotor eléctrico o una cubierta eléctrica, mecánica o hidráulica.

En una variante, al menos una de las aletas 20 puede que no sea retráctil. En este caso, cuando se desea disolver oxígeno en el flujo E, las caras 201 y 202 de estas aletas no retráctiles están orientadas paralelas al flujo E, a fin de no perturbar el flujo.

La invención descrita antes se muestra en las Figuras en el caso donde el eje de rotación X22 de las aletas 20 es perpendicular a la pared 84. Esto no es obligatorio es suficiente para que el eje X22, que se fija con respecto a la pared 84, sea secante para esta pared.

La invención ha sido mostrada en el caso donde todas las aletas 20 se orientan, es decir que se mueven en rotación alrededor de un eje secante, en particular perpendicular, hacia la pared 84 de la tubería de descarga 84. En una variante, sólo algunas aletas 20 se pueden orientar a un lugar determinado. Además, sólo algunas de las aletas 20 pueden tener orificios 200. Estas aletas que no se encuentran perforadas 200 se pueden usar para evitar la formación de ensanchamientos turbulentos.

La invención ha sido mostrada con un servomotor asociado con cada aleta 20, que hace posible controlar las aletas 20 en forma individual. La sincronización entre el movimiento de las aletas 20 se proporciona mediante la unidad de control 10 y el manejo de las diversas señales S3 se proyecta para los diversos motores 30.

En una variante, es posible usar medios mecánicos que montan las aletas 20, lo cual proporciona un control agrupado de las aletas 20. Es posible, por ejemplo, usar cadenas o un anillo que regula la válvula como se conoce, por ejemplo, para controlar las aspas guías 62.

Otros dispositivos pueden ser considerados para girar las aletas, con un control individual y agrupado de las aletas 20. En la práctica, esta rotación puede ser provista mediante cualquier activador adecuado, por ejemplo, una cubierta lineal o giratoria asociada con un enlace. Las cubiertas se pueden activar mediante aceite, una corriente eléctrica, aire comprimido o agua.

La invención ha sido mostrada en esta solicitud con una turbina del tipo Francis. No obstante, se aplica a otros tipos de turbina, tal como las turbinas Kaplan y las turbinas del tipo tornillo, así como también las turbinas tipo bomba.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. La aleta (20) proyectada para ser instalada de manera que sobresalga en una tubería de descarga (8) de una máquina hidráulica (1), caracterizada porque la aleta (20) comprende una primera cara (201) que comprende orificios (200) y una segunda cara (202) que es sólida, la aleta (20) define por sí misma, entre la primera cara (201) y la segunda cara (202), una cavidad (C20) que conecta la parte exterior de la tubería de descarga (8) con los orificios (200) en la primera cara (201).

2. La aleta (20) según la reivindicación 1, caracterizada porque la primera cara (201) de la aleta (20) es plana.

3. La aleta (20) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la segunda cara (202) de la aleta (20) es plana.

4. La aleta (20) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la primera cara (201) y la segunda cara (202) de la aleta (20) son paralelas.

5. La aleta (20) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la primera cara (201) de la aleta (20) y la segunda cara (202) de la aleta (20) se encuentran opuestas y se disponen en cualquier costado de la superficie media (P?o) de la aleta (20).

6. La aleta (20) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las dimensiones de la aleta (20) permiten la rotación de la aleta (20) con respecto a la tubería de descarga (8), alrededor de un eje (X22) secante a la pared (84) de la tubería de descarga (8).

7. La instalación (I) para convertir energía hidráulica en energía eléctrica, esta instalación comprende una máquina hidráulica (1), una tubería (5) que alimenta la máquina hidráulica (1) con un flujo forzado (E) de agua, una tubería (8) que elimina el flujo (E) de descarga de la máquina hidráulica (1) y elementos que sobresalen de una pared (84) de la tubería de descarga (8) que definen una cavidad (C2o) que conecta la parte exterior de la tubería de descarga (8) con los orificios (200) formados en los elementos que sobresalen, la instalación (I) caracterizada porque los elementos sobresalientes comprenden al menos una aleta (20) según una de las reivindicaciones precedentes, instaladas de manera sobresaliente dentro de la tubería de descarga (8), que es capaz de moverse en rotación alrededor de un eje (X22) secante a la pared (84) de la tubería de descarga (8) y la instalación (I) comprende medios (10) para controlar la posición angular (a) de cada aleta (20) alrededor de su eje de rotación (X22).

8. La instalación (I) según la reivindicación 7, caracterizada porque al menos una aleta (20) es retráctil en la pared (84) de la tubería de descarga (8) y los medios (30) son capaces de ajustar el grado hacia donde cada aleta (20) se retrae en la pared (84).