ES2560290T3

ES2560290T3 - Central hidroeléctrica

Info

Publication number: ES2560290T3
Application number: ES11156181.7T
Authority: ES
Inventors: Dirk Büchler
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: EP2369171B1; EP2369171A3; EP2369171A2; DE102010013067B4; DE102010013067A1

Abstract

Aparato para la recuperación de energía, realizado bajo la forma de un dispositivo sumergido, instalado en aguas que fluyen libremente, para la generación de energía eléctrica, en cuya carcasa está dispuesto un canal de caudal axial con una hélice (3), dispuesta en el estrechamiento de sección transversal del mismo, de una turbina de hélice que acciona un generador, y en el cual la carcasa dispuesta aguas abajo de la hélice (3) en la dirección del caudal está realizada en forma de carcasa anular que se amplia en forma de difusor, en el cual la carcasa está configurada como un difusor corto (1), en el cual unos elementos de conexión (15, 16) unen el difusor corto (1) a un revestimiento de generador (5) dispuesto aguas abajo en la dirección del caudal y que guía la corriente, en el cual el revesti- miento de generador (5) está dispuesto en un espacio libre de las aguas corrientes que se encuentra detrás de un plano de la abertura de salida (14) del difusor corto (1), caracterizado por el hecho de que, a partir de una región de cojinete (4) de la hélice (3) y en función de una longitud (LG) del revestimiento del generador (5) que empieza en la región de cojinete (4), éste presenta un diámetro de carcasa creciente.

Description

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DESCRIPCION

Central hidroelectrica

La invencion se refiere a un aparato para la recuperacion de ene^a, realizado bajo la forma de un dispositivo su- mergido, instalado en aguas que fluyen libremente, para la generacion de ene^a electrica, en cuya carcasa esta dispuesto un canal de caudal axial con una helice, dispuesta en el estrechamiento de seccion transversal del mismo, de una turbina de helice que acciona un generador, en el cual la carcasa esta dispuesta aguas abajo de la helice en la direccion del caudal y esta realizada en forma de carcasa anular que se amplia en forma de difusor.

Por el documento EP 1 741 926 A2 se ha dado a conocer un generador a ser empleado en un flujo de agua, cuya helice esta configurada completamente sin carcasa envolvente. Sobre una carcasa de cubo en forma de gota con unas unidades de generador integradas estan dispuestos como helices dos anillos de cubo en rotacion y equipados de palas. Dichas helices trabajan en el flujo libre y solamente tienen un grado de eficiencia muy bajo.

Por el documento CH 684 430 A5 se conoce una turbina de agua para la generacion de energfa electrica a partir de unas aguas corrientes, en la cual una carcasa atravesada por el agua esta provista de una turbina y de un generador. Dicha carcasa esta realizada a la manera de una tobera venturi y presenta una gran abertura de entrada en forma de tobera que esta protegida por una reja. En el punto de la carcasa que presenta el diametro mas reducido, se encuentra un rotor de turbina que esta conectado con un generador. La salida de agua fuera de la carcasa se realiza a traves de dos aberturas de salida en forma de difusor, dispuestas en los lados de la misma. Dichas abertu- ras de salida cubren parcialmente un generador cuya carcasa, configurada en primer lugar de modo cilmdrico, pare- ce estar provista de una pieza conica sujeta a la entrada de flujo. Este aparato de construccion muy larga tiene que ser anclado de modo laborioso en un fondo del agua.

El documento WO03/046375A representa una instalacion hidroelectrica con un generador separado que dispone de una carcasa propia.

La invencion esta basada en el objeto de proporcionar un sistema de turbina de flujo libre, empleando un mmimo de material y mejorando la eficiencia.

La solucion del problema preve que la carcasa este realizada como difusor corto, que unos elementos de conexion conecten el difusor corto con un revestimiento de generador dispuesto aguas abajo en la direccion de la corriente y que grna el caudal, estando el revestimiento de generador dispuesto en un espacio libre de las aguas corrientes que se encuentra detras de un plano de la abertura de salida del difusor corto.

A este respecto, a partir de una region de cojinete de la helice y en funcion de una longitud, empezando en la region de cojinete, del revestimiento de generador, este esta provisto de un diametro de carcasa creciente. A traves de esta solucion es posible una transmision mejorada de energfa, a traves de la carcasa realizada como difusor corto asf como el revestimiento de generador dispuesto en el espacio libre detras del difusor corto. El revestimiento de generador sujeto a la entrada de flujo, por lo tanto, presenta un trazado en forma de cuello de botella.

Una corriente que sale del difusor corto se cruza detras del mismo con sus hilos de corriente exteriores con una corriente de agua que fluye en el exterior, alrededor del aparato y del difusor corto. Por causa de las diferencias de velocidad de estas dos corrientes se forma entre ellas una especie de capa lfmite que, debido a la corriente de agua exterior envolvente, funciona como lfmite exterior virtual con respecto al espacio libre o respectivamente de la corriente de agua libre. El revestimiento de generador que se encuentra detras de la superficie de salida o abertura de salida del difusor corto, sin cubierta exterior, envolvente u otro tipo de instalacion en el espacio libre, forma un lfmite interior frente a ello, para la corriente que sale del difusor corto. Ambos estos lfmites condicionan la conformacion de un flujo anular para la corriente que sale del difusor corto.

Un despliegue a la manera de abanico del flujo anular que se forma detras del difusor corto se impide a traves de la corriente de agua exterior que fluye con mas velocidad. Es solamente despues de un trayecto mas largo detras del aparato que se igualan las diferencias de velocidad entre la corriente de agua que fluye y la corriente que sale del aparato. En lo que se refiere a su velocidad, la corriente de agua que sale del difusor corto o del aparato es depen- diente de la utilizacion de una helice, la estructura de la misma y su impacto de salida. Como consecuencia del revestimiento de generador dispuesto detras del plano de salida del difusor corto y que se amplia con la trayectoria del flujo o la longitud del generador en la direccion radial, este revestimiento de generador forma, para la corriente anular que sale, un elemento de grna de corriente de bajo consumo energetico y que mejora su eficacia. El diametro del revestimiento de generador que parte del plano de salida del difusor corto o de la region de cojinete de la helice y que se amplia con el aumento de la longitud de generador, mejora de manera ventajosa la transformacion de ener- gia en el interior del difusor corto.

A este respecto, segun una forma de realizacion esta previsto que una superficie de revestimiento de carcasa, que parte de la region de cojinete de la helice, del revestimiento de generador esta configurada como cuerpo rotatorio que se compone de una curva envolvente con al menos un punto de inflexion. Se ha reconocido que, partiendo del

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plano de la superficie de salida del difusor corto, la curva envolvente del revestimiento de generador presenta un angulo de inclinacion que aumenta y que, a partir de un primer punto de inflexion de la curva envolvente, permanece constante o disminuye. Con este trazado de una curva envolvente que forma la superficie de revestimiento exterior del revestimiento de generador, es posible una adaptacion de la corriente del canal anular a las condiciones de flujo en el lugar de instalacion y en funcion de una helice empleada en el difusor corto. En funcion de la velocidad de la corriente de las aguas y la corriente de impacto que sale del difusor corto, por lo tanto, se puede lograr un efecto de aspiracion optimo.

De acuerdo con otra realizacion esta previsto que una cara terminal del revestimiento de generador, orientada en direccion opuesta al plano de superficie de salida del difusor corto, esta realizada como superficie plana y/o en forma concava. Por lo tanto, en el espacio libre o en el espacio de corriente detras del revestimiento de generador se forma un borde de corte, de modo que se forma un espacio de agua detenida que favorece el flujo de turbina. De modo adicional, se logra de esta manera una salida del flujo, paralela al eje, fuera del aparato, mejorando la eficiencia.

Segun otras formas de realizacion esta previsto que la cara terminal del revestimiento de generador esta dispuesta en una cavidad en el interior del revestimiento de generador. O que un cono de flujo o cono truncado de flujo esta dispuesto en el area central de la cara terminal del revestimiento de generador. Dicho cono, cono truncado o com- ponente conformado con el mismo efecto puede sobresalir mas alla del plano de la cara terminal del revestimiento de generador.

De acuerdo con otras formas de realizacion de la invencion, la cara terminal del revestimiento de generador esta dispuesta a una distancia con respecto al plano de la superficie de salida del difusor corto que es igual o inferior que un diametro de la cara terminal del revestimiento de generador. La longitud del revestimiento de generador es igual o inferior a dos veces la longitud del difusor corto.

Contrariamente a las turbinas instaladas en tubos o similares, tal como estan conocidas por ejemplo a traves del documento WO 2009/121612 A2, el aparato puede ser generado con un mmimo de material empleado, en forma de unidad de generador de construccion muy corta, que presenta una eficiencia excelente. Ello tiene la ventaja de que la solucion de acuerdo con la invencion como unidad puede ser transportada facilmente y profundizada en un lugar de instalacion. Unas realizaciones a este respecto preven que la turbina este provista de unos elementos de reten- cion dispuestos delante de su entrada. Ello puede realizarse en forma de unos elementos conocidos en sf, en forma de rastrillo, equipados de un tirante de sujecion central destinado para la fijacion y como contrafuerte frente a una corriente. Un ejemplo de realizacion de la invencion esta representado en los dibujos y a continuacion es descrito en detalle.

Muestran:

Fig. 1 una vista en perspectiva del aparato en la direccion de la corriente, la Fig. 2 una vista en perspectiva contra la direccion de la corriente, la Fig. 3 un corte a traves del aparato y la

Fig. 4 una simulacion de la trayectoria del flujo a traves del aparato.

En la Fig. 1 esta representada una vista en perspectiva a partir de una direccion de entrada de flujo sobre el aparato para la recuperacion de energfa. La carcasa del aparato esta realizada como un difusor corto 1 en cuya abertura de entrada 2 esta dispuesta una helice 3. Dispuesta aguas abajo de la helice 3 se encuentra una region de cojinete 4, a partir de la cual se extiende, en la direccion de la salida del flujo del aparato, un revestimiento de generador 5. La region de cojinete 4 esta retenida mediante unos elementos de conexion 16 en la forma de puntales en el difusor corto.

El aparato se encuentra aqrn sobre una pieza de soporte 6 que, en este caso, esta realizada para su colocacion sobre el fondo de unas aguas corrientes. A este efecto, dos placas de fondo 7, 8 estan dispuestas a una distancia una con respecto a la otra, y conectadas por medio de unos largueros 9. Sobre la placa de fondo 8 situada delante del aparato en la direccion de la entrada de flujo esta dispuesto un soporte de cojinete 10 sobre el cual esta sujetado de modo giratorio un tirante 11. El tirante 11 esta dispuesto en el difusor corto a traves de unos elementos de fijacion 12. Por lo tanto, a efectos de mantenimiento, el aparato puede ser agarrado en un tope 13 y, en una rotacion hacia arriba alrededor del soporte de cojinete 10, puede ser levantado fuera de las aguas corrientes. De este modo se asegura, a efectos de mantenimiento, una buena accesibilidad al revestimiento de generador y a la helice de accio- namiento. La longitud de los largueros 9 y del tirante 11 se elige en funcion de un lugar de posicionamiento y de la profundidad del agua corriente que se encuentra allf. Por supuesto tambien son posibles otros modos de colocacion para el aparato.

Fig. 2 representa una vista en perspectiva, contrariamente a la direccion de la entrada del flujo, sobre una abertura de salida 14 fuera del difusor corto 1. A efectos de optimizar las condiciones de la corriente, el revestimiento de generador 5, que envuelve un generador que se encuentra dentro del mismo, presenta una especie de trazado en forma de cuello de botella de la superficie de revestimiento. El diametro del revestimiento de generador, partiendo de la region de cojinete 4 y partiendo del plano de la abertura de salida 14, en funcion de una longitud Lg del revesti-

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miento de generador 5, se vuelve cada mes mas grande en su diametro. Unos elementos de conexion adicionales 15, similares a puntales, retienen el revestimiento de generador 5 en el difusor corto 1. Los puntales 16 conectan la region de cojinete 4 con el difusor corto 1. Tambien pueden servir para la conexion con un generador - no represen- tado en este caso - o el revestimiento de generador 5.

Fig. 3 muestra un corte a traves del aparato. El revestimiento de generador 5 dispone de una superficie de revestimiento con un trazado que mejora la eficiencia. La superficie del revestimiento de generador 5 corresponde a una curva envolvente que, en su comienzo, presenta un angulo de inclinacion creciente.

El tamano de construccion del aparato se elige en funcion de una velocidad de flujo de unas aguas que se topa con el difusor corto 1 y la helice 3 dispuesta en el mismo. El revestimiento de generador permite la provision de tamanos diferentes para un generador 17. Su tamano depende de las respectivas condiciones. En el ejemplo de realizacion se representa una variante del generador 17 con un tamano mas reducido.

Para la eventual refrigeracion del generador 17, el revestimiento de generador 5 presenta una hendidura anular 18 del lado de la entrada del flujo como abertura de entrada para una corriente de lfquido hacia el revestimiento de generador. De este modo, dicha corriente puede actuar de manera refrigerante sobre el generador. La salida de esta corriente de lfquido interior se realiza a traves de una abertura 18 que esta situada en la region central de la cara terminal 19 del revestimiento de generador. En vez de una abertura tambien pueden estar provistas varias aberturas, dispuestas de manera distribuida.

En el ejemplo de realizacion, la cara terminal 19 del revestimiento de generador esta dispuesta en una cavidad en el interior del revestimiento de generador y esta conformada como superficie arqueada de modo concavo. De esta manera se crea la ventaja de una salida de flujo mejorada del revestimiento de generador. Detras del revestimiento de generador, el flujo identificado por flechas se encuentra con una especie de borde de corte 20 detras del cual o bien en el interior del cual se acumula el asf llamada agua detenida que mejora la eficiencia. En el caso de que la cara terminal 19 del revestimiento de generador esta provista de una conformacion en forma de cono que mejora la grna de corriente y cuyo extremo tambien puede sobresalir mas alla de la cara terminal del revestimiento de generador 19 o del borde de corte 20 en la direccion de la salida de flujo, entonces se genera una formacion de superficie que puede ser designada como una especie de mitad de superficie de revestimiento en forma de toro. En el caso presente, dicha superficie 21 esta realizada en forma de cono truncado con una abertura de salida 18 central para el agua que refrigera el generador.

La longitud (Lg) del revestimiento de generador 5 es igual o inferior a dos veces la longitud (Lk) del difusor corto 1. Por lo tanto se genera, en colaboracion con el agua corriente que rodea el aparato por el exterior, un efecto de aspi- racion y una salida del flujo paralela al eje en el revestimiento de generador 5 que condiciona una eficiencia muy buena del aparato.

Fig. 4 representa una trayectoria de la corriente a traves del aparato con la ayuda de vectores de flujo en forma de flechas. Una corriente Ak que sale detras de la helice 3 y fuera del difusor corto 1 se cruza detras de los mismos, con sus hilos exteriores de corriente Sa, con una corriente de agua Gs que circula por el exterior alrededor del aparato y del difusor corto 1. Por causa de las diferencias de velocidad de las dos corrientes Ak y Gs se forma entre ellas una especie de capa lfmite que esta actuando como lfmite exterior virtual Gz con respecto al espacio libre o bien a la corriente de agua libre Gs. Una corriente Sg que sale de la helice 3 en la region del cubo y que fluye a lo largo del revestimiento de generador 5 que se encuentra en el espacio libre, forma una especie de lfmite interior de la corriente anular que sale del aparato. La cara terminal 19 del revestimiento de generador, dispuesta en una cavidad, forma un borde corte 20 frente al revestimiento de generador 5. De esta manera se genera en la direccion de la corriente detras del revestimiento de generador 5 un torbellino anular Rw que, en conexion con el contorno exterior del revestimiento de generador 5 que mejora y grna la corriente, facilita una salida de flujo, paralela al eje, fuera del aparato, mejorando la eficiencia. El contorno exterior presenta un trazado en forma de cuello de botella.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Aparato para la recuperacion de energfa, realizado bajo la forma de un dispositivo sumergido, instalado en aguas que fluyen libremente, para la generacion de ene^a electrica, en cuya carcasa esta dispuesto un canal de caudal axial con una helice (3), dispuesta en el estrechamiento de seccion transversal del mismo, de una turbina de helice que acciona un generador, y en el cual la carcasa dispuesta aguas abajo de la helice (3) en la direccion del caudal esta realizada en forma de carcasa anular que se amplia en forma de difusor, en el cual la carcasa esta configurada como un difusor corto (1), en el cual unos elementos de conexion (15, 16) unen el difusor corto (1) a un revestimien- to de generador (5) dispuesto aguas abajo en la direccion del caudal y que grna la corriente, en el cual el revesti- miento de generador (5) esta dispuesto en un espacio libre de las aguas corrientes que se encuentra detras de un plano de la abertura de salida (14) del difusor corto (1), caracterizado por el hecho de que, a partir de una region de cojinete (4) de la helice (3) y en funcion de una longitud (Lg) del revestimiento del generador (5) que empieza en la region de cojinete (4), este presenta un diametro de carcasa creciente.
2. Aparato de acuerdo con la reivindicaciones 1, caracterizado por el hecho de que el revestimiento de generador (5) sujeto a la entrada de flujo presenta un trazado en forma de cuello de botella.
3. Aparato de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por el hecho de que una superficie de revestimiento de carcasa del revestimiento de generador (5), partiendo de una region de cojinete (4) de la helice (3), es realizada bajo la forma de un cuerpo de rotacion que se compone de una curva envolvente con al menos un pun- to de inflexion.
4. Aparato de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que, a partir del plano de la superficie de salida (14) del difusor corto (1), la curva envolvente del revestimiento de generador (5) presenta un angulo de inclinacion (a) creciente, en el que, a partir de un primer punto de inflexion de la curva envolvente, el angulo de inclinacion (a) permanece constante o disminuye.
5. Aparato de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que una cara terminal (19) del revestimiento de generador orientada en sentido opuesto al plano de la abertura de salida (14) del difusor corto (1) es realizada bajo la forma de una superficie plana y/o de forma concava.
6. Aparato de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que la cara terminal (19) del revestimiento de generador esta dispuesta en una cavidad en el interior del revestimiento de genera- dor (5).
7. Aparato de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que una estruc- tura (21) en forma de cono o de cono truncado de flujo esta dispuesta en la region central de la cara terminal (19) del revestimiento de generador.
8. Aparato de acuerdo con la reivindicacion 7, caracterizado por el hecho de que la estructura (21) en forma de cono o de cono truncado de flujo sobresale mas alla del plano de la cara terminal (19) del revestimiento de generador.
9. Aparato de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que la cara terminal (19) del revestimiento de generador esta dispuesta a una distancia con respecto a la abertura de salida (14) del difusor corto (1), que es igual o inferior a un diametro (Dg) de la cara terminal (19) del revestimiento de genera- dor.
10. Aparato de acuerdo con la reivindicacion 9, caracterizado por el hecho de que la longitud del revestimiento de generador (Lg) es igual o inferior a dos veces la longitud (Lk) del difusor corto (1).