MXPA00009303A - Rueda de turbina y turbina de tipo pelton equipada con ella - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una rueda de turbina tipo pelton que comprende una llanta (1;51) y varias cubetas (2;52) distribuidas en la periferia de dicha llanta, caracterizada porque comprende por lo menos un disco anular en forma de aro o de corona (5, 6;55, 56) solidario a dicha llanta y provisto de alojamiento (7, 8;57, 58) de inserción cubetas, siendo capaz dicho disco de absorber por lo menos una parte (F') de los esfuerzos (F) transmitidos por dichas cubetas a dicha llanta y formando una banda periférica (9, 10;59, 60) a nivel de las zonas radiales externas de los alojamientos.

Description

RUEDA DE TURBINA Y TURBINA DE TIPO PELTON EQUIPADA CON ELLA La invención se refiere a una rueda de turbina y a una turbina tipo Pelton equipada con dicha rueda. Las turbinas Pelton se utilizan clásicamente para transformar la energía cinética de un fluido, tal como el agua de un salto de agua, en energía mecánica. Esta transformación se efectúa haciendo rotar la rueda de turbina bajo el efecto de un esfuerzo tangencial ejercido sobre cubetas dispuestas en la periferia de una llanta, por un chorro de agua que sale de uno o varios inyectores distribuidos alrededor de la rueda. El esfuerzo creado sobre cada cubeta es transmitido a la llanta a través de una sección de unión de la cubeta sobre la llanta. Esta sección de unión, definida por la intersección geométrica de la cubeta con la llanta, está sometida a grandes tensiones mecánicas. En efecto, cada cubeta puede ser modelizada mecánicamente como una viga empotrada en uno de sus lados, de manera tal que sufre un esfuerzo de flexión importante debido al esfuerzo del chorro. Además, se aplican a la cubeta altas tensiones vibratorias, existiendo peligro de entrada en resonancia de la cubeta o de la llanta. En las disposiciones conocidas, en particular de EP- A-0 346 681 o de EP-A-0 522 336, se ha tratado de paliar estos inconvenientes reforzando la sección de unión de las cubetas sobre la llanta. Esto conduce a estructuras complicadas, por lo tanto onerosas y de reducida confiabilidad. Además, cada cubeta permanece sujeta a la llanta de un solo lado, de manera tal que la naturaleza de los problemas encontrados no se modifica en lo fundamental . FR-A-704 875 explica cómo apoyar las cucharas de una turbina entre sí por medio de argollas montadas sobre su entorno. La distribución de los esfuerzos no es óptima, debiendo intercalarse brazos entre cucharas adyacentes, montadas con el mayor cuidado, lo que da como resultado una falta de homogeneidad de la distribución de los esfuerzos. Todos éstos son los problemas que la invención entiende resolver más particularmente, proponiendo una rueda de turbina tipo Pelton en la cual las cubetas están conectadas a la llanta de una manera tal que las tensiones mecánicas no se concentran en una zona de unión de la cubeta a la llanta y que los peligros de entrada en resonancia de la rueda disminuyen sensiblemente, gracias a una distribución de esfuerzos optimizada. En esta concepción, la invención se refiere a una rueda del tipo mencionado que comprende por lo menos un disco anular solidario a la llanta y provisto de alojamientos de recepción de las cubetas. Este disco es capaz de absorber por lo menos una parte de los esfuerzos transmitidos por las cubetas a la llanta y forma una banda periférica a nivel de las zonas radiales externas de los alojamientos.

Gracias a la invención, el disco que es de una sola pieza y rodea las cubetas, permite soportarlas, cerca de la llanta, en una zona intermedia y en una zona radial externa, de manera tal que cada cubeta permanece eficazmente en sus zonas radiales interna y externa y central y que el esfuerzo que sufre, debido a la existencia del chorro de fluido de arrastre de la turbina, tiene como efecto apretarla contra el disco. Por lo tanto, este esfuerzo no está concentrado únicamente en una zona de unión de la cubeta a la llanta, sino distribuido sobre el conjunto del disco. En otros términos, el esfuerzo tangencial creado sobre una cubeta es transmitido al disco. La cubeta y la parte del disco que soportan la cubeta pueden ser modelizadas mecánicamente como una viga sobre dos apoyos, e incluso como una viga apoyada sobre toda su longitud, estando el primer apoyo del lado de la llanta, mientras que el segundo apoyo está constituido por la banda periférica del disco. Esta distribución de los esfuerzos induce una disminución de las tensiones ejercidas sobre los componentes mecánicos, lo que permite prever piezas de menor espesor. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, una rueda de turbina de acuerdo con la invención puede ser fabricada en metal, en material compuesto o con una estructura mixta. Por ejemplo, ciertas piezas, tales como la llanta o el disco, son fabricadas en metal, mientras que otras piezas, tal como las cubetas, son fabricadas en material sintético compuesto. Una llanta o un disco de material plástico también pueden estar asociados a cubetas metálicas. Por otro lado, la presencia de la banda periférica externa del disco, que crea una continuidad de material fuera de la rueda, permite disminuir sensiblemente las tensiones vibratorias ejercidas sobre las cubetas. En efecto, la banda periférica contribuye a distribuir estas tensiones sobre las diferentes cubetas, de manera tal que el modo propio equivalente de cada cubeta ya no es el de una viga empotrada en uno de sus lados como en las disposiciones del arte anterior, sino el de una viga empotrada en uno de sus lados y apoyada o empotrada del otro. Finalmente, se ha evidenciado, de manera sorprendente, que la presencia del disco permite mejorar notablemente el rendimiento aerodinámico de la rueda de la invención. En efecto, el disco permite limitar el efecto denominado "de ventilador" de la rueda en curso de rotación, es decir la recirculación del aire entre el exterior de la rueda y los espacios entre dos cubetas consecutivas, debido al movimiento de rotación. Esta disminución de los flujos de aire transversales respecto de las cubetas pudo ser cuantificada por pruebas de laboratorio en aproximadamente 20 por ciento de la fuerza de frenado provocada por la ventilación de la rueda en ausencia del disco. De esta manera, la invención permite asimismo mejorar sensiblemente el rendimiento de una rueda de turbina Pelton. Según un primer aspecto ventajoso de la invención, la rueda comprende dos discos dispuestos a ambos lados de uno o de los inyectores de la turbina. Este aspecto de la invención permite disponer los discos enfrentados a cada recipiente o cuchara de las cubetas cuando éstas son dobles, como es clásicamente el caso en las turbinas Pelton. En este caso, pueden preverse discos alineados sobre los ejes medianos de las cucharas de las cubetas . De acuerdo con otro aspecto ventajoso de la invención, el o los discos están provistos de brazos radiales capaces de llenar globalmente el espacio que separa dos cubetas adyacentes de la rueda. Gracias a este aspecto de la invención, los brazos radiales presentan una sección suficiente para absorber las tensiones mecánicas transmitidas por las cubetas. Además, el hecho de que llenen notablemente el espacio que separa dos cubetas permite optimizar la reducción del efecto "de ventilador" . De acuerdo con un primer modo de fabricación de la invención, el o los discos tienen la forma de un anillo perforado, previéndose medios de montaje fijo del o de los discos sobre la llanta cerca de un borde interno del o de los discos. De acuerdo con un segundo modo de fabricación de la invención, el o los discos están formados de una sola pieza con or lo menos una parte de la llanta. Gracias a este aspecto de la invención, la transferencia de los esfuerzos del disco hacia la llanta se ve optimizada. Además, el montaje de la rueda de turbina puede ser facilitado. En este caso, puede preverse que la llanta esté formada por dos semillantas, cada una de las cuales se prolonga radialmente hacia el exterior por un disco. De acuerdo con otro aspecto ventajoso de la invención, aplicable cualquiera sea el modo de fabricación, las cubetas son fijadas de manera amovible al o a los discos y/o la llanta. Este aspecto de la invención garantiza una buena estabilidad dimensional de la rueda en curso de utilización y una transferencia eficaz de los esfuerzos de las cubetas hacia la llanta. También se facilitan las operaciones de mantenimiento sobre las cubetas o los discos . De acuerdo con otro enfoque, las cubetas pueden estar fijas de manera permanente sobre el o los discos y/o la llanta. La invención se refiere también a una turbina tipo Pelton que comprende una rueda tal como la anteriormente descrita. Una turbina así puede ser fabricada de manera más económica que las anteriores, ya que es posible optimizar el dimensionamiento de las piezas teniendo en cuenta el hecho de que las tensiones mecánicas se distribuyen mejor sobre la rueda. Además, el rendimiento de esta turbina se ve mejorado por la disminución del efecto del ventilador. La invención se comprenderá mejor y aparecerán con más claridad otras ventajas de ésta con la descripción que se detalla a continuación de dos modos de fabricación de una rueda de turbina de acuerdo con su principio, dada únicamente a título de ejemplo y realizada en referencia a los dibujos anexados, en los cuales: La Figura 1 es una vista en perspectiva parcial de una rueda de turbina Pelton de acuerdo con la invención; La Figura 2 es un corte según la línea II-II en la Figura 1 ; La Figura 3 es un corte según la línea III-III en la Figura 2 y La Figura 4 es una vista análoga a la Figura 2 para una rueda de turbina de acuerdo con un segundo modo de fabricación de la invención. La rueda de turbina representada en la Figura 1 comprende una llanta 1 y cubetas 2, en un total de dieciocho en el ejemplo representado, distribuidas en la periferia de la llanta 1. Cada cubeta comprende dos cucharas o recipientes 3 separados por una arista central 4 destinada a estar colocada frente a uno o varios inyectores de agua o de vapor no representados. La llanta 1 está prevista para ser montada sobre un árbol de transferencia del movimiento, el cual tampoco está representado. Para mayor claridad del dibujo, una sola cubeta está representada en la Figura 1. De acuerdo con la invención, se montan dos discos 5 y 6 en forma de aro sobre la llanta 1, los cuales contribuyen a mantener cubetas 2 respecto de esta llanta. Los discos 5 y 6 están provistos respectivamente de alojamientos 7 y 8 en los cuales pueden insertarse las cucharas 3 de las cubetas 2. Los alojamientos 7 y 8 pueden ser mecanizados u obtenidos por moldeado en los discos 5 y 6. Cada uno de los discos 5 y 6 sobrepasa radialmente por fuera de las cubetas 2 , de manera tal que se definen respectivamente dos bandas 9 y 10 del mismo material en las zonas periféricas externas de los discos 5 y 6. Estas bandas 9 y 10 conectan brazos 11 y 12 que pertenecen respectivamente a los discos 5 y 6. Cada alojamiento 7 del disco 5 está delimitado por dos brazos radiales adyacentes 11 que forman parte del disco 5 y por la banda 9, mientras que cada alojamiento 8 del disco 6 está delimitado por dos brazos radiales adyacentes 12 que forman parte del disco 6 y por la banda 10. De esta manera, cada cubeta 2 está soportada a la vez por la llanta 1 y por los dos discos 5 y 6, cada uno de los cuales forma una corona anular de una sola pieza alrededor de la llanta 1, de manera que los esfuerzos de empuje F, visibles en la Figura 3 y transmitidos a una cubeta 2 por el chorro de agua o de vapor, se distribuyen en esfuerzos F' en los brazos radiales 11 ó 12 de los discos 5 ó 6, de donde son transmitidos a la llanta 1. Una parte de estos esfuerzos también puede transitar por la zona de unión de las cubetas sobre la llanta como en los dispositivos conocidos. Gracias a esta distribución, la zona de unión de las cubetas 2 sobre la llanta 1, no es una zona crítica de tensiones mecánicas. El montaje de las cubetas y de los discos sobre la llanta 1 surge más particularmente de las Figuras 2 y 3. Se referencia XX' el eje de la arista central 4 de una cubeta 2. La cubeta 2 comprende dos patas 15 y 16 destinadas a colocarse a ambos lados de una parte radial externa 17 de la llanta 1. Los elementos 15 a 17 están provistos respectivamente de un mandrilado central 15a, 16a ó 17a de inserción de un tornillo de bloqueo 18. Los discos 5 y 6 están previstos para colocarse a ambos lados de la llanta 1 y de las patas 15 y 16 y comprenden, cerca de sus bordes internos respectivos 5a y 6a, mandrilados 5b y 6b previstos para alinearse con los mandrilados 15a, 16a y 17a, de manera que el tornillo 18 atraviese sucesivamente el disco 5, la pata 15, la parte radial 17, la pata 16 y el disco 6. De esta manera, los discos 5 y 6 y la cubeta 2 se montan de modo amovible sobre la llanta 1. Los esfuerzos F debidos al chorro de agua o de vapor transmitidos a las diferentes cubetas 2, no transitan únicamente por las patas 15 y 16 de cada cubeta 2, sino que se distribuyen en la periferia de la llanta 1, gracias a los discos 5 y 6 y sobre todo a las bandas 9 y 10. Para mejorar la rigidez del montaje y como surge más particularmente de la Figura 3, puede preverse que la zona 17 de la llanta 1 se fabrique levantando el material respecto del ancho nominal de la llanta 1, conservado en el espacio 19 que separa dos zonas 17 contiguas. Se entiende que la geometría de los brazos radiales 11 y 12 está adaptada a la forma exterior de las cubetas, de manera tal que éstas quedan fijas dentro de los alojamientos 7 y 8 por coincidencia de formas, lo que presenta la ventaja suplementaria de que los brazos radiales 11 y 12 llenan notoriamente el espacio que separa dos cubetas adyacentes de la rueda, de modo que se optimiza la separación aerodinámica del volumen interior 20 definido entre los dos discos 5 y 6 respecto del exterior de los mismos. En otros términos, la circulación transversal de aire a través del volumen interior 20 es limitada. Puede observarse que los discos 5 y 6 están alineados globalmente sobre los ejes medianos AA' y BB' de las cucharas o recipientes 3 de las cubetas 2. Esto hace que los brazos 11 y 12 de los discos 5 y 6 se separen del fondo de las cucharas 3 a una distancia dj y del borde de las cucharas una distancia d2 suficientes para no perturbar el escurrimiento del agua o del vapor hacia el exterior del volumen 20. El hecho de que la distancia d2 sea notoriamente inferior a la distancia dj corresponde a que los brazos radiales 11 y 12 ocupan globalmente el espacio que separa dos cubetas adyacentes . Como surge con mayor claridad de la Figura 3, cada cubeta 2 también es solidaria al disco 6 gracias a un tornillo de bloqueo 21 ubicado en una perforación 22 del disco 6 y capaz de insertarse en un resalte trasero 23 de la cubeta 2. Se prevé una idéntica construcción a nivel del disco 5. El tornillo 21 mejora la fijación de la cubeta 2 respecto del disco 5. En el segundo modo de fabricación representado en la Figura 4, los elementos análogos a los del modo de fabricación de las Figuras 1 a 3, poseen referencias idénticas aumentadas en 50. En este modo de fabricación, la llanta 51 está formada por dos semillantas 51a y 51b destinadas a ensamblarse entre sí, por ejemplo, por medio del tornillo 51c. La semillanta 51a se prolonga radialmente hacia afuera por medio de una corona de una sola pieza 55 que forma un disco anular cuya función es idéntica a la del disco 5 del modo de fabricación precedente. La corona o disco 55 se prolonga radialmente fuera de una cubeta 52 provista de dos cucharas 53 separadas por una arista central 54. De la misma manera, la semillanta 51b se prolonga por medio de una corona o disco anular 56 destinado a soportar las cubetas 52. Las coronas 55 y 56 están provistas de alojamientos 57, 58 de inserción de las cubetas 52,mientras que las bandas 59 y 60 de material continuo, pertenecientes respectivamente a los discos 55 y 56, delimitan los alojamientos 57 y 58 en su parte radial externa . Como los elementos 51a y 55 por un lado, 51b y 56 por otro, están formados de una sola pieza, la transmisión de los esfuerzos entre los discos 55 y 56 y la llanta 51 es óptima. El montaje de una rueda de turbina Pelton de acuerdo con este segundo modo de fabricación, se efectúa acercando entre sí las semillantas 51a y 51b, mientras que las cubetas 52 se distribuyen radialmente en una posición cercana a su posición final, lo que permite acuñar una cola o lengüeta 52a de cada cubeta 52 entre las semillantas 51a y 51b, mejorando así el anclaje de las cubetas 52 respecto de la llanta 51. Un tornillo 51c atraviesa convenientemente la cola 52a de cada cubeta 52. De acuerdo con una variante no representada de la invención, puede preverse que la llanta 51 y los discos 55 y 56 estén formados de una sola pieza. En otros términos, las semillantas 51a y 51b se unen así en una sola pieza obtenida por moldeado y/o mecanizado. El efecto de mejoramiento de la ventilación de la turbina descrita en referencia al modo de fabricación de las Figuras 1 a 3, también se obtiene con el dispositivo del segundo modo de fabricación. Teniendo en cuenta el nivel de tensiones relativamente bajo sufrido por las cubetas y la llanta de una rueda de turbina de acuerdo con la invención, puede preverse fabricar estas piezas y los discos en materiales hasta ahora no considerados para este tipo de dispositivo. En particular, es recomendable la utilización de resina compuesta, eventualmente cargada de fibras de esfuerzo, pudiendo conservarse ciertas piezas en metal. Dado que las cubetas pueden ser fabricadas independientemente de la llanta y de los discos, puede preverse revestirlas con un producto antiabrasivo o antierosivo antes de su montaje. En particular, puede utilizarse la enseñanza técnica de la solicitud de patente EP-A-0 543 753 en nombre de la Solicitante. Una rueda de turbina de acuerdo con la invención es ensamblada a partir de una llanta, de uno o dos discos y de cubetas o de cubetas con estructuras . El ensamblado de estos diferentes componentes puede efectuarse por los medios descritos y visibles en las Figuras o por cualquier otro medio apropiado tal como, específicamente, la coincidencia de formas, el acuñamiento, el zunchado, la soldadura, la soldadura amarilla, el encolado. La invención ha sido representada con cubetas insertas en la llanta y el disco y montadas de manera fija. También es posible prever que las cubetas estén montadas de manera permanente en la llanta y/o el disco, en particular soldadas, soldadas por soldadura amarilla o encoladas en posición. Asimismo, puede fabricarse una rueda de una sola pieza obtenida por moldeado, que contenga una llanta, uno o dos discos y cubetas.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Rueda de turbina tipo Pelton que comprende una llanta (1; 51) y varias cubetas (2; 52) distribuidas en la periferia de dicha llanta, caracterizada porque comprende por lo menos un disco anular en forma de aro o de corona (5, 6; 55, 56) solidario a dicha llanta y provisto de alojamientos (7, 8; 57, 58) de inserción de dichas cubetas, siendo capaz dicho disco de absorber por lo menos una parte (F') de los esfuerzos (F) transmitidos por dichas cubetas a dicha llanta y formando una banda periférica (9, 10; 59, 60) a nivel de las zonas radiales externas de los alojamientos.
2. 2. Rueda de turbina de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende dos discos (5, 6; 55, 56) dispuestos a ambos lados de uno o de los inyectores de dicha turbina .
3. 3. Rueda de turbina de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque dichos discos (5, 6; 55, 56) están alineados notoriamente sobre los ejes medianos (AA', BB') de las cucharas (3) de dichas cubetas (2; 52).
4. 4. Rueda de turbina de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho o dichos discos (5, 6; 55, 56) están provistos de brazos radiales (11, 12) capaces de llenar globalmente el espacio que separa dos cubetas adyacentes ( 2 , 52) de dicha rueda.
5. 5. Rueda de turbina de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dicho o dichos discos (5, 6) poseen forma de aro perforado, previéndose, cerca de un borde interno (5a, 6a) de dicho o dichos discos, medios (5b, 6b, 17a, 18) de montaje fijo de dicho o dichos discos sobre dicha llanta (1) .
6. 6. Rueda de turbina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque dicho o dichos discos (55, 56) están formados de una sola pieza con una parte (51a, 51b) de dicha llanta (51) .
7. 7. Rueda de turbina de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque dicha llanta (51) está formada por dos semillantas (51a, 51b) destinadas a ser ensambladas para formar dicha llanta, prolongándose cada semillanta radialmente hacia afuera por un disco (55, 56) .
8. 8. Rueda de turbina de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dichas cubetas (2; 52) están fijas sobre dicho o dichos discos (5, 6 ; 55, 5-6) y/o dicha llanta (1; 51) .
9. 9. Rueda de turbina de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dichas cubetas están fijas de manera permanente sobre dicho o dichos discos y/o dicha llanta.
10. 10. Turbina de tipo Pelton que comprende una rueda de turbina de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes.