ES2216946T3 - Placa separadora parcial para turbinas hidraulicas de reaccion. - Google Patents
Placa separadora parcial para turbinas hidraulicas de reaccion.Info
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Abstract
Una galería de descarga o canal de desagüe (24) para usar en una turbina (10) que tiene un rodete (18) de turbina, incluyendo la galería de descarga (24): paredes laterales (32) que tienen una entrada (22) para colocarse junto al rodete (18) de turbina y una salida (26) que define una salida de flujo para la turbina (10), cuyas paredes laterales (32) de la galería de descarga (24) divergen en anchura entre la entrada (22) y la salida (26); un codo curvado para colocar la salida (26) substancialmente perpendicular a la entrada (22); caracterizado porque la galería de descarga (24) incluye además una placa separadora (28) montada dentro de la galería de descarga (24), que se extiende por el codo y se extiende parcialmente a través de la anchura de la galería de descarga (24) para redirigir el flujo por dicho codo en la galería de descarga (24), teniendo la placa separadora (28) superficies de borde lateral opuestos (30) separadas de las paredes laterales (32) para permitir el flujo arremolinado alrededor de la placa separadora (28) dentro de la galería de descarga (24).
Description
Placa separadora parcial para turbinas
hidráulicas de reacción.
El presente invento se refiere a una galería de
descarga o canal de desagüe de una turbina hidráulica de reacción.
En particular, el presente invento se refiere a galerías de
descarga de tipo de codo que tienen una placa separadora.
En una turbina hidráulica de reacción, una
galería de descarga es una parte del conducto de flujo entre la
salida del rodete de la turbina y la salida de la turbina. El fin
de la galería de descarga en una turbina hidráulica de reacción es
recuperar una parte de la energía dejada en el flujo en la salida
del rodete. El área en sección transversal de la salida de la
galería de descarga es más grande que en la entrada. Esto da lugar
típicamente a velocidades de salida más pequeñas que las
velocidades de entrada. Es deseable minimizar la energía cinética
dejada en el flujo en la salida de la galería de descarga ya que la
mayoría de esta energía se pierde cuando el flujo sale de la
galería de descarga.
Muchas galerías de descarga giran el flujo 90
grados o más, ya que el flujo de entrada en la galería de descarga
es típicamente vertical y el flujo de salida es típicamente
horizontal. En turbinas pequeñas el flujo puede ser opuesto. Tales
galerías de descarga son conocidas comúnmente como galerías de
descarga de tipo de codo.
Uno de los problemas inherentes en muchos diseños
anteriores de galerías de descarga es que el flujo puede separarse
del contorno de la galería de descarga cuando está siendo
redirigido. Esta separación del flujo puede dar lugar a una
pérdida substancial de la eficiencia de la turbina. En el pasado se
han usado placas separadoras, a veces llamadas separadores de
flujo, para mejorar el comportamiento de diseños pobres de galerías
de descarga. Un comportamiento pobre es especialmente apreciable
en puntos de funcionamiento en los que la velocidad del flujo es
más grande que la velocidad del flujo en el punto de mayor
eficiencia para una altura de caída dada.
La placa separadora convencional se extiende por
toda la anchura de la galería de descarga y está anclada en las
paredes laterales de la galería de descarga. La placa separadora
está situada en la galería de descarga junto al codo para obligar
al agua fluida, que pasa a través de la galería de descarga, a
cambiar la dirección. Tal placa separadora para una galería de
descarga con forma de codo se describe en la patente de EEUU
1.467.168 expedida el 4 de septiembre de 1923 para Victor Kaplan.
Alternativamente, la patente de EEUU 2.060.101 expedida el 10 de
noviembre de 1936 para Lewis Moody describe el montaje de la placa
separadora de flujo a través de la galería de descarga y el anclaje
del separador de flujo a las paredes laterales de la galería de
descarga y un contrafuerte central que se extiende
longitudinalmente a lo largo de la galería de descarga.
Aunque el uso de separadores de flujo mejora el
rendimiento, tales placas separadoras de flujo no facilitan el
flujo arremolinado natural del agua a través de la galería de
descarga. Los contrafuertes que se extienden longitudinalmente
combinan además este problema. El flujo a la salida de un rodete
de turbina es por naturaleza un flujo típicamente arremolinado,
especialmente a velocidades de flujo por debajo de la velocidad de
flujo correspondiente a la eficiencia máxima para un salto de
altura operacional dado. El uso de una placa separadora
convencional provoca una disminución de la eficiencia de la galería
de descarga para estas condiciones de carga parcial debido al
bloqueo resultante del componente arremolinado del flujo. La placa
separadora convencional no es factible para turbinas grandes ya que
da lugar a una estructura muy grande sometida a cargas dinámicas y
estáticas muy altas debidas a la gran área de superficie de la
placa separadora que se extiende por toda la anchura de la galería
de descarga y que impide el flujo de torbellino o turbulencia
natural a través de la galería de descarga a velocidades de flujo
por debajo de la eficiencia máxima.
Existe la necesidad de una galería de descarga
que tenga un tubo separador de flujo que no de lugar a ninguna
disminución de eficiencia para velocidades de flujo por debajo de
velocidades de flujo de eficiencia máxima y todavía proporcione
todos los beneficios a velocidades de flujo por encima de la
velocidad de flujo de eficiencia máxima para un salto de altura
dado.
El presente invento se refiere a una placa
separadora montada dentro de una galería de descarga con forma de
codo de una turbina hidráulica de reacción que se extiende
parcialmente a través de la anchura de la galería de descarga para
redirigir el flujo alrededor de dicho codo en la galería de
descarga. La placa separadora tiene superficies opuestas de bordes
laterales separadas de las paredes laterales de la galería de
descarga para permitir el flujo de remolino alrededor de la placa
separadora dentro de la galería de descarga. A tal placa
separadora se hace referencia por toda la descripción como "placa
separadora parcial".
La placa separadora parcial del presente invento
no se extiende por toda la anchura de la galería de descarga
permitiendo que el flujo periférico se arremoline alrededor del
separador mientras se mueve a través de la galería de descarga.
La placa separadora parcial no provoca ninguna
disminución de eficiencia para estas condiciones de funcionamiento
por debajo de velocidades de flujo de eficiencia máxima y todavía
proporciona los beneficios completos a velocidades de flujo por
encima de las velocidades de flujo de eficiencia máxima para un
salto de altura dado.
La placa separadora parcial es significativamente
más pequeña que una placa separadora convencional que se extiende
por toda la anchura de la galería de descarga y esto da lugar a
cargas dinámicas y estáticas mucho más pequeñas debido a su área de
superficie más pequeña y el bloqueo mínimo del componente de
remolino del flujo por la placa separadora parcial. Esto hace
factible usar una placa separadora parcial en turbinas grandes
además de en turbinas pequeñas.
De acuerdo con el presente invento la placa
separadora puede extenderse por menos de aproximadamente el 80% de
la anchura de la galería de descarga. Preferiblemente, la anchura
de la placa separadora se extiende entre el 50 y el 80 por ciento
de la anchura de la galería de descarga y tiene sus bordes
laterales opuestos separados sustancialmente la misma distancia
desde la pared lateral adyacente de la galería de descarga. Las
superficies de bordes laterales opuestos de la placa separadora
pueden divergir una de otra en la dirección del flujo hacia la
salida de la galería de descarga.
Preferiblemente, la galería de descarga incluye
una pluralidad de postes de apoyo embebidos en un extremo en la
galería de descarga y conectados en el otro extremo para colocar la
placa separadora en una relación sin contacto con las paredes
laterales de la galería de descarga. Preferiblemente los postes de
apoyo están montados en una superficie inferior de la placa
separadora. Los postes de apoyo están rodeados por tubos
configurados para minimizar los efectos de los postes en el flujo
dentro de la galería de descarga. La galería de descarga incluye
preferiblemente al menos un contrafuerte junto a la salida que se
extiende dentro de la galería de descarga. Preferiblemente, la placa
separadora incluye además al menos un entrante de recepción un
contrafuerte adaptado para recibir el contrafuerte y para apoyar la
placa separadora en el contrafuerte. En la realización preferida
la placa separadora está desviado a través de la anchura de la
galería de descarga y hacia un lado de ella.
De acuerdo con un aspecto del presente invento se
proporciona una galería de descarga para usar en una turbina que
tenga un rodete de turbina. La galería de descarga incluye paredes
laterales que tienen una entrada para colocarse junto al rodete de
turbina y una salida que define una salida de flujo para la
turbina. Las paredes laterales de la galería de descarga divergen
en anchura entre la entrada y la salida. La galería de descarga
tiene un codo curvado para colocar la salida substancialmente
perpendicular a la entrada. La galería de descarga tiene una placa
separadora montada dentro de la galería de descarga que se extiende
por el codo y que se extiende parcialmente a través de la anchura
de la galería de descarga para redirigir el flujo por dicho codo en
la galería de descarga. La placa separadora tiene superficies de
borde laterales opuestos separadas de las paredes laterales para
permitir el flujo arremolinado alrededor de la placa separadora
dentro de la galería de descarga.
Para un mejor entendimiento de la naturaleza y
objetos del presente invento se puede tener referencia, a modo de
ejemplo, a la siguiente descripción detallada cuando se toma en
conjunto con los dibujos esquemáticos que se acompañan, en los
que:
La figura 1 es una vista lateral en sección de
una turbina hidráulica de reacción que incluye una galería de
descarga y el separador de flujo parcial del presente invento;
La figura 2 es una vista en planta del separador
parcial de flujo montado dentro de la galería de descarga;
La figura 3 es una vista seccional lateral
agrandada que ilustra el separador parcial de flujo montado dentro
de la galería de descarga;
La figura 4 es una vista en planta del separador
parcial de flujo; y,
La figura 5 es una ilustración de una gráfica de
la curva típica de la eficiencia frente a la de velocidad de flujo
para una turbina hidráulica de reacción a un salto de altura
dado.
Haciendo referencia a la figura 1, se muestra una
turbina hidráulica de reacción 10. La turbina 10 incluye una
carcasa 12 a través de la cual entra agua en la turbina 10. El agua
pasa a través de álabes estacionarios 14 y puertas de ventanilla 16
y más allá del rodete 18 de turbina en un cubo giratorio 20.
El agua pasa desde el rodete 18 de turbina hacia
la entrada 22 de una galería de descarga 24 de codo. El flujo de
agua es dirigido gradualmente hacia la salida horizontal de
descarga 26 de la galería de descarga 24. La galería de descarga
24 es construida usualmente de un hormigón reforzado y la parte
superior tiene una cubierta recubierta en fundición o metal.
Situada dentro de la galería de descarga 24 junto al codo de la
galería de descarga, hay una placa separadora parcial 28.
Haciendo referencia a las figuras 1 a 4, la placa
separadora parcial 28 está montada dentro de la galería de descarga
24, que se extiende parcialmente a través de la anchura de la
galería de descarga 24, para redirigir el flujo por el codo de la
galería de descarga 24. La placa separadora 28 tiene superficies
opuestas 30 de borde lateral que están separadas de las paredes
laterales 32 de la galería de descarga 24 unas distancias
predeterminadas para permitir el flujo arremolinado alrededor de la
placa separadora 28 dentro de la galería de descarga 24. La placa
separadora 28 se extiende por menos de aproximadamente el 80% de la
anchura de la galería de descarga 24. En la realización preferida
mostrada, la placa separadora 28 se extiende ligeramente más del 50%
de la anchura de la galería de descarga 24. La placa separadora 28
tiene superficies opuestas 30 de borde lateral separadas de las
paredes laterales 32 de la galería de descarga 24, de manera que la
placa separadora 28 está desviada a lo largo de la anchura de la
galería de descarga, como se ve mejor en la figura 2. Las
superficies 30 de borde lateral son preferiblemente bordes
redondeados y preferiblemente incluyen conductos. En las figuras 2
y 4 la placa separadora 28 tiene paredes divergentes 30 que siguen
la divergencia de las paredes laterales 30 de galería de
descarga.
La placa separadora 28 está montada en postes de
apoyo 34 que tienen uno de sus extremos 46 conectado y embebido en
la pared inferior de hormigón de la galería de descarga 24. El
otro extremo de los postes 36 pasa a través de aberturas 38 en la
placa separadora 28 en los que están soldados los postes en este
extremo a la placa separadora 28. Además, los postes 34 están
rodeados por tubos 36, que están configurados para minimizar la
resistencia a fluir dentro de la galería de descarga 24.
En la realización mostrada, el borde trasero 40
de la placa separadora 28 tiene dos aberturas rebajadas 42. Las
aberturas rebajadas 42 están montadas para recibir con ellas en
relación de montaje un contrafuerte correspondiente de hormigón 44
que se extiende desde la galería de descarga 24.
Haciendo referencia a la figura 5, se muestra una
gráfica de la eficiencia de la turbina frente a la velocidad de
flujo para un salto de altura dado. La curva 50 representa la
placa separadora parcial 28 del presente invento. La curva 60
representa una galería de descarga 24 sin el uso de una placa
separadora. La curva 70 representa el uso de una placa separadora
convencional que se extendería a través de toda la anchura de la
galería de descarga 24. Esta gráfica ilustra que la curva 50 de
placa separadora parcial tiene las ventajas asociadas con las placas
separadoras convencionales a velocidades de flujo máximo y tiene
una eficiencia mejorada sobre el uso de una placa separadora
convencional a velocidades de flujo por debajo de velocidades de
flujo máximas. Esta última mejora de rendimiento se debe a que la
placa separadora parcial 24 está separada de las paredes laterales
32 de la galería de descarga 24 para permitir que el flujo
arremolinado dentro de la galería de descarga proceda a través de
la galería de descarga 24 con una interferencia reducida.
Claims (13)
1. Una galería de descarga o canal de desagüe
(24) para usar en una turbina (10) que tiene un rodete (18) de
turbina, incluyendo la galería de descarga (24):
- paredes laterales (32) que tienen una entrada (22) para colocarse junto al rodete (18) de turbina y una salida (26) que define una salida de flujo para la turbina (10), cuyas paredes laterales (32) de la galería de descarga (24) divergen en anchura entre la entrada (22) y la salida (26);
- un codo curvado para colocar la salida (26) substancialmente perpendicular a la entrada (22);
- caracterizado porque la galería de descarga (24) incluye además una placa separadora (28) montada dentro de la galería de descarga (24), que se extiende por el codo y se extiende parcialmente a través de la anchura de la galería de descarga (24) para redirigir el flujo por dicho codo en la galería de descarga (24), teniendo la placa separadora (28) superficies de borde lateral opuestos (30) separadas de las paredes laterales (32) para permitir el flujo arremolinado alrededor de la placa separadora (28) dentro de la galería de descarga (24).
2. Una turbina hidráulica de reacción (10), que
incluye un rodete (18) de turbina y una galería de descarga (24),
teniendo la galería de descarga (24) paredes laterales (32) que
definen una entrada (22) junto al rodete (18) de turbina y una
salida (26) que define una salida de flujo para la turbina (10),
teniendo la galería de descarga (24) un codo para colocar la salida
(26) substancialmente perpendicular a la entrada (22), divergiendo
en anchura la galería de descarga (24) entre la entrada (22) y la
salida (26); incluyendo la mejora una placa separadora (28) montada
dentro de la galería de descarga (24), que se extiende parcialmente
a través de la anchura de la galería de descarga (24) para
redirigir el flujo por dicho codo en la galería de descarga (24), y
teniendo la placa separadora (28) superficies (30) de bordes
laterales opuestos separadas de las paredes laterales (32) para
permitir el flujo arremolinado alrededor de la placa separadora
(28) dentro de la galería de descarga (24).
3. Un dispositivo acorde con la reivindicación 1
ó 2, en el que la placa separadora (28) se extiende a través de
menos de aproximadamente el 80% de la anchura de la galería de
descarga (24).
4. Un dispositivo acorde con la reivindicación 3,
en el que las superficies (30) de bordes laterales opuestos de la
placa separadora (28) divergen una de otra en la dirección del
flujo hacia la salida (26).
5. Un dispositivo acorde con la reivindicación 2,
en el que la anchura de la placa separadora (28) se extiende entre
el 50 y el 80 por ciento de la anchura de la galería de descarga
(24) y tiene sus bordes laterales opuestos separados
substancialmente en la misma distancia de una adyacente de las
paredes laterales (32) de la galería de descarga (24).
6. Un dispositivo acorde con la reivindicación 1,
en el que la anchura de la placa separadora (28) se extiende entre
el 50 y el 80 por ciento de la anchura de la galería de descarga
(24).
7. Un dispositivo acorde con la reivindicación 2,
en el que la galería de descarga (24) incluye una pluralidad de
postes de apoyo (34) embebidos por un extremo en la galería de
descarga (24) y conectados en el otro extremo para colocar la placa
separadora (28) en una relación de no contacto con las paredes
laterales (32) de la galería de descarga (24).
8. Un dispositivo acorde con la reivindicación 1,
en el que la galería de descarga (24) incluye una pluralidad de
postes de apoyo (34) embebidos por un extremo en la galería de
descarga (24) y conectados en el otro extremo para colocar la placa
separadora (28) en relación de no contacto con las paredes de la
galería de descarga (24).
9. Un dispositivo acorde con la reivindicación 1
ó 2, en el que la galería de descarga (24) incluye al menos un
contrafuerte (44) junto a la salida (26), que se extiende dentro de
la galería de descarga (24), incluyendo además la galería de
descarga (24) una pluralidad de postes de apoyo (34) embebidos por
un extremo en la galería de descarga (24) y conectados en el otro
extremo para colocar la placa separadora (28) en la galería de
descarga (24), incluyendo además la placa separadora (28) al menos
un entrante (42) de recepción de contrafuerte adaptado para recibir
al contrafuerte (44) y para apoyar la placa separadora (28) en el
contrafuerte (44).
10. Un dispositivo acorde con la reivindicación
7, 8 ó 9, en el que los postes de apoyo (34) están rodeados por
tubos (36) configurados para minimizar los efectos de los postes en
el flujo dentro de la galería de descarga (24).
11. Un dispositivo acorde con la reivindicación
7, 8 ó 10, en el que los postes de apoyo (34) están montados en una
superficie inferior de la placa separadora (28).
12. Un dispositivo acorde con la reivindicación
2, en el que la placa separadora (28) está montada desviada a
través de la anchura de la galería de descarga (24).
13. Un dispositivo acorde con la reivindicación
1, en el que la placa separadora (28) está desviada a través de la
anchura de la galería de descarga (24).
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