WO2017149186A1 - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, y procedimientos de funcionamiento e instalación asociados - Google Patents

Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, y procedimientos de funcionamiento e instalación asociados Download PDF

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Definitions

  • the present invention refers to a turbogenerating device for the production of electrical energy, as well as to the associated operating and installation procedures, which are located within the technical sector of the generation of electrical energy through the use of the mechanical energy of a circulating fluid.
  • the main purpose of the invention is to have a set of entities that work together for the generation of electric energy through the use of a moving fluid carrying mechanical energy, so that these entities guarantee a transformation of energy in the most efficient way possible, capable of being installed in any type of new or existing hydraulic installation, occupying a very small space and requiring minimal maintenance and high control with respect to its commissioning and shutdown.
  • turbogenerator devices configured to transform the mechanical energy of a fluid into electrical energy
  • which can be used for several installations that demand electrical energy for its operation, or directly pour into the existing electricity network the electricity generated in this way.
  • Clarifying that the mechanical energy of the fluid is caused by the potential energy of the fluid between two heights, and the kinetic energy of the fluid itself,
  • hydraulic turbines installed in hydroelectric plants is known, which can be of three types:
  • Pelton type jet turbines said turbines respectively have a plurality of concave shaped blades so that the fluid flow impacts laterally with respect to the axis of axial revolution of the turbine, as a side jet.
  • the fluid has a very high pressure, and where these turbines are designed to work with very large waterfalls, but with small flows
  • Kaplan type reaction turbines said turbines respectively have a plurality of blades, where the fluid circulates parallel to the axis of axial-revolution of the turbine, highlighting the particularity that said turbines can vary the angle of their blades during operation; and where said turbines are designed to work with small waterfalls and large flows.
  • Francis type reaction turbines Said turbines respectively have a plurality of blades, where the fluid circulates perpendicular to the axis of axial revolution of the turbine, and are designed to work with medium water leaks and average flow.
  • the present invention relates to a turbogenerating device for the production of electrical energy, which comprises:
  • - a cylindrical tube open at its ends and configured to allow the flow of a fluid flow through it;
  • a hydraulic turbine axially and mechanically coupled to at least one generating element through a coupling shaft, being elements housed inside said cylindrical tube and defined as a turbogenerator group; said turbogenerator group configured to transform the mechanical energy of the fluid into electrical energy.
  • a very compact turbogenerator group is obtained and capable of being installed in any type of existing fluid bypass. Stressing that the generator element is of the submersible type when it is housed inside the cylindrical tube that functions as a fluid flow bypass.
  • the generator element axially coupled to the turbine comprises a sealed tubular housing with respect to the circulating fluid through the inside of the cylindrical tube; where said housing comprises inside:
  • said housing has two bases: one of the bases comprises a passage hole of the coupling shaft towards the turbine, and the other base comprises an elastic diaphragm configured to absorb the pressures from the outside of the tubular housing into its interior; Y
  • the generating element has two essential technical characteristics for the operation and commissioning of the generating device object of the invention. Since, first, the existence of an elastic diaphragm located at the base opposite the coupling of the coupling shaft is described; said elastic diaphragm is located in said location since in this way it allows to absorb and transmit the existing pressures outside the tubular housing into said generator element.
  • the generating element comprises an antifreeze liquid, which can also have coolant and lubricant properties, located in the space defined by the tubular housing and the stator, in this way the coupling shaft on which the rotor rotates is it is bathed, at least partially, of said antifreeze fluid, preventing the seizure and deterioration of the moving interior elements to said generating element; in addition to avoiding unwanted thermal gradients that can damage the entire installation
  • the turbogenerating device object of the invention has physical entities that make it perfectly installable as a derivation of a general network where one or more of the aforementioned hydraulic turbines known in the state of the art are installed; since both the turbine and the generating element are coupled one after the other inside the cylindrical tube, where said coupling is preferably carried out axially; occupying a very small space so that the cylindrical tube has a defined fluid passage section or through the maximum section of the turbine or the generating element.
  • the tubular housing is axially coupled to the turbine through a plurality of mooring bars parallel to the coupling shaft, and said mooring bars configured to allow the fluid to circulate through it once it has been ejected from the turbine, so that, once said mooring bars are surrounded, the fluid flows around the tubular housing it contains in inside the generator element, and be expelled by the outlet of the cylindrical tube.
  • cylindrical tube itself can behave like a pipe to use, that is, that at its inlet and outlet the branches of a hydraulic network are connected / coupled; or it can also behave as an independent device housed internally in a hydraulic pipe, the latter being more unfavorable for the use of all the mechanical energy of the fluid, and therefore not being the preferred option of use.
  • said hydraulic installation comprises at least one main fluid passage line; so that said device is installed in parallel with respect to said main pipe, said main pipe comprising two conduits: an inlet conduit from the main pipe to the inlet of the cylindrical tube where the turbogenerator group is located; and an outlet duct from said cylindrical tube where the turbogenerator group is located towards the main pipe; in this way, when an excess flow is present in the main pipe, it is then that the fluid can circulate through a branch until the cylindrical tube is reached where the turbogenerator group is housed, transforming the mechanical energy of the fluid into electrical energy for consumption or discharge to the existing electricity grid.
  • turbo generator device object of the invention can have two opposite functions, that is: A) A first function associated with a method of generating electric power through said turbogenerator device where, once the flow of a fluid flow occurs inside the cylindrical tube, the procedure comprises the following simultaneous steps:
  • turbogenerator device behaves as a reversible machine capable of pumping fluid to different locations, see for example for the recharge of aquifers, where they can be supplied with fluid by pumping fluid inwards with the turbogenerator device described, remembering the minimum space necessary for your installation as well as its ability to absorb overpressures and withstand very low working temperatures.
  • the preferred option is described in which at least part of the coupling shaft located inside the tubular housing comprises a plurality of blades configured to recirculate the liquid antifreeze along the inside of said tubular housing; in this way the antifreeze liquid is set in motion together with the rotation of the coupling shaft between the turbine and the generating element, absorbing part of the rotational mechanical energy of the shaft, but not being significant for the energy transformation performance of the associated generating element .
  • the sealed tubular housing comprises:
  • a free-acting bearing configured to allow free rotation of the coupling shaft with respect to said bearing.
  • the antifreeze fluid inside the tubular housing must not come into contact with the rotor as such, so as not to damage its structure or decrease its energy transforming performance, in this sense, it is described how the tubular housing can in turn comprise a flange provided with a mechanical seal coupled to the stator, where said flange is configured to prevent the passage of antifreeze liquid towards the rotor; and thus guaranteeing the non-transfer of antifreeze fluid into the generator element.
  • said cylindrical tube comprises:
  • the device object of the invention comprises a pressure compensation valve located next to the turbogenerator group; so that it can be opened or closed at the user's discretion and / or with an internal programming associated with one or more pressure gauges of Pressure.
  • the device additionally comprises:
  • shut-off valve located downstream of the turbogenerator group.
  • shut-off valves will be fully open, and the compensator valve partially open, depending on the magnitude of the circulating flow.
  • said device comprises a solid filter upstream of the turbogenerator group, with the objective of not including large solids in the turbine, which could damage its structure and prevent its proper functioning.
  • a turbogenerating device for the production of electric energy perfect for being used in hydraulic installations without occupying a large space or investment for its installation and commissioning, being able to be controlled from the outside of a fast and efficient way, and guaranteeing high reliability by being formed by elements that guarantee both its tightness, its resistance to overpressures and its operation with low temperatures; and all this with a device formed by simple entities, which work cooperatively with each other to guarantee the maximum possible performance and energy use, and innovative against the state of the art currently known.
  • Figure 1 shows a two-dimensional sectional view of the turbogenerator device for the production of electric energy object of the invention, observing its main entities and their coupling between them.
  • Figure 2. Shows a schematic two-dimensional view where the turbogenerating device for the production of electric energy object of the invention is installed in parallel with respect to a hydraulic main pipe.
  • Figure 3. Shows a three-dimensional view similar to Figure 2, visualizing the entities outside the cylindrical tube belonging to the turbogenerator device for the production of electrical energy object of the invention.
  • turbogenerating device for the production of electric energy object of the invention comprises:
  • - a cylindrical tube (1) open at its ends and configured to allow a flow of fluid to pass through it;
  • a hydraulic turbine (2) axially and mechanically coupled to a generating element through a coupling shaft (3), being two elements housed inside said cylindrical tube (1) and defined as a turbogenerator group; said turbogenerator group configured to transform the mechanical energy of the fluid into electrical energy; so that the turbine (2) and the generating element are axially coupled with respect to each other through said coupling shaft (3), being an axis formed by two axes: one for the turbine (2) and one for the element generator, and being a direct coupling through respective flanges bolted together; occupying a reduced space to be both the generator element and the turbine (2) aligned axially with each other and inserted into the cylindrical tube (1).
  • the generator element axially coupled to the turbine (2) comprises a tubular housing (4) sealed with respect to the circulating fluid inside the cylindrical tube (1); where said housing (4) comprises inside:
  • said housing (4) has two bases: one of the bases comprises a passage hole of the coupling shaft (3) towards the turbine (2), and the other base comprises an elastic diaphragm (7) configured to absorb the pressures from the outside of the tubular housing (4) towards the inside thereof; Y
  • the sealed tubular housing (4) comprises:
  • a bearing (8) that has a mechanical seal configured to prevent the transfer of fluids between the inner antifreeze liquid (14) to the housing (4) tubular and the fluid in circulation outside said housing (4);
  • a bearing (9) of free drive configured to allow free rotation of the coupling shaft (3) with respect to said bearing (9); wherein in said free-acting bearing (9) one of the free ends of the coupling shaft (3) is displayed, the other free end being coupled to the turbine (2).
  • the tubular housing (4) in turn comprises a flange (10) provided with a mechanical seal coupled to the stator (6) , guaranteeing the tightness between two pieces in an efficient and safe way. And although it is not illustrated as such, it is described how the part corresponding to the coupling shaft (3) located inside the tubular housing (4) comprises a plurality of blades configured to recirculate the antifreeze liquid (14) along the inside said tubular housing (4), thereby the antifreeze liquid is in motion to avoid unwanted temperature gradients inside said tubular housing (4).
  • the tubular housing (4) containing the generator element inside it is coupled to the turbine (2) through a plurality of tie rods (16) parallel to the coupling shaft (3); in this way the fluid once passes through the turbine (2), can continue to circulate and flow through the aforementioned tie rods (16), surround the tubular housing (4) and be expelled from the cylindrical tube (1) by its respective exit; where, as indicated above, the turbine (2) and the tubular housing / 4) are centered with respect to the axis of the cylindrical tube (1); and where, thanks to the exit of the fluid from the turbine (1), and that the tubular housing (4) is next and aligned, there are no large undesired currents of recirculation of the fluid by impact with the tubular housing (4).
  • said hydraulic installation comprises said fluid main pipe (15), so that the device is installed in parallel with respect to said pipe main (15), said main pipe (15) comprising two ducts: the inlet duct (15a) from the main pipe (15) to the inlet of the cylindrical tube (1) where the turbogenerator group is located; and the outlet duct (15b) from said cylindrical tube (1) where the turbogenerator group is located towards the main pipe (15).
  • shut-off valve (12) located upstream of the turbogenerator group; a shut-off valve (13) located downstream of the turbogenerator group; wherein said last two valves (12, 13) are configured to allow both maintenance and parallel non-derivation of the fluid flowing through the main pipe (15); Y

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Abstract

Dispositivo turbogenerador yprocedimientos de funcionamiento e instalación asociados, el cual comprende: un tubo cilíndrico (1) por donde circula un caudal de fluido a su través; una turbina (2) hidráulica acoplada axial y mecánicamente a un elemento generador a través de un eje (3), donde el elemento generador comprende una carcasa (4) tubular estanca con respecto al fluido en circulación; y donde dicha carcasa (4) comprende en su interior: un rotor (5) acoplado a dicho eje (3), y un estator (6) que rodea al rotor (5); donde la carcasa (4) presenta dos bases: una comprende un orificio de paso del eje (3) hacia la turbina (2), y otra comprende un diafragma (7) elástico configurado para absorber las presiones exteriores a la carcasa (4); definiéndose a su vez un espacio entre el estator (6) y la superficie interna de la carcasa (4), alojando en dicho espacio un líquido anticongelante (14).

Description

DISPOSITIVO TURBOGENERADOR PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, Y PROCEDIMIENTOS DE FUNCIONAMIENTO E INSTALACIÓN
ASOCIADOS
DESCRIPCIÓN
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, tal y como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, así como a los procedimientos de funcionamiento e instalación asociados, los cuales se encuentran ubicados dentro del sector técnico de la generación de energía eléctrica a través del aprovechamiento de la energía mecánica de un fluido en circulación.
El dispositivo turbogenerador objeto de la invención tiene como finalidad principal el disponer de un conjunto de entidades que trabajen conjuntamente para la generación de energía eléctrica a través del aprovechamiento de un fluido en movimiento portador de una energía mecánica, de forma que dichas entidades garanticen una transformación de energía del modo más eficiente posible, capaz de ser instaladas en cualquier tipo de instalación hidráulica nueva o ya existente, ocupando un espacio muy reducido y requiriendo un mantenimiento mínimo y un control elevado con respecto a su puesta en funcionamiento y parada.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
A modo de introducción, se conoce el uso y existencia de un gran número de dispositivos turbogeneradores configurados para transformar la energía mecánica de un fluido en energía eléctrica; la cual puede ser aprovechada para instalaciones varias que demanden energía eléctrica para su funcionamiento, o verter directamente a la red eléctrica existente la energía eléctrica así generada. Aclarando que la energía mecánica del fluido viene originada por la energía potencial del fluido existente entre dos alturas, y la energía cinética del propio fluido en movimiento, En este sentido, y de un modo general, es conocido el empleo de turbinas hidráulicas instaladas en centrales hidroeléctricas, las cuales pueden ser de tres tipos:
Turbinas de chorro tipo Pelton; dichas turbinas presentan respectivamente una pluralidad de álabes con forma cóncava de forma que el flujo del fluido impacta lateralmente con respecto al eje de revolución-axial de la turbina, a modo de chorro lateral. De ese modo, el fluido presenta una presión muy elevada, y donde dichas turbinas están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños
Turbinas de reacción tipo Kaplan; dichas turbinas presentan respectivamente una pluralidad de álabes, donde el fluido circula de manera paralela al eje de revolución-axial de la turbina, destacando la particularidad de que dichas turbinas pueden variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento; y donde dichas turbinas están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales.
Turbinas de reacción tipo Francis; dichas turbinas presentan respectivamente una pluralidad de álabes, donde el fluido circula de manera perpendicular al eje de revolución-axial de la turbina, y están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios.
Todas ellas presentan un elemento tipo turbina, el cual se encarga de transformar la energía mecánica del fluido que circula a su alrededor en energía mecánica rotacional, de forma que dicha energía mecánica se transmite a un elemento generador tipo motor asincrono formado por un rotor acoplado al eje de la turbina, y un estator cuyo bobinado transforma dicha energía mecánica en energía eléctrica.
Pero es necesario destacar que todas ellas están diseñadas para unos caudales de flujo del fluido, normalmente agua, predeterminados, de forma que cuando hay un exceso de caudal es necesario derivar parte de dicho caudal hacia el exterior, de forma que no produzcan sobretensiones o fallos en los dispositivos turbogeneradores. Dicha derivación de fluido supone el no aprovechamiento de la energía mecánica del fluido que se escapa sin pasar por el citado dispositivo turbogenerador, y donde dicha energía eléctrica no transformada no es recuperada a posteriori, sino que se pierde tras el vertido del fluido en el correspondiente embalse, río o similar.
Es por ello que, con el objeto de poder aprovechar dicho excedente de fluido que circula por tales derivaciones, se hace necesaria la aparición de un nuevo dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica capaz de ser instalado en dichas derivaciones, ocupando un espacio mínimo debido al tamaño significativamente menor de dichas derivaciones en comparación con las tuberías principales donde se ubican las turbinas indicadas anteriormente, capaz de ser controlado desde el exterior de un modo rápido y eficaz; y todo ello con un dispositivo formado por entidades simples, que funcionan cooperativamente entre sí para garantizar el máximo rendimiento y aprovechamiento energético posible, y novedoso frente al estado del arte actualmente conocido.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, el cual comprende:
- un tubo cilindrico abierto en sus extremos y configurado para permitir el paso de un caudal de fluido a su través;
- una turbina hidráulica acoplada axial y mecánicamente a al menos un elemento generador a través de un eje de acoplamiento, estando sendos elementos alojados en el interior de dicho tubo cilindrico y definidos como grupo turbogenerador; configurado dicho grupo turbogenerador para transformar la energía mecánica del fluido en energía eléctrica. De esta forma se obtiene un grupo turbogenerador muy compacto y capaz de ser instalado en cualquier tipo de derivación de fluido existente. Destacando que el elemento generador es del tipo sumergible al estar alojado en el interior del tubo cilindrico que hace la función de derivación de caudal de fluido.
Asimismo, el elemento generador acoplado axialmente a la turbina comprende una carcasa tubular estanca con respecto al fluido en circulación por el interior del tubo cilindrico; donde dicha carcasa comprende en su interior:
- un rotor acoplado a dicho eje de acoplamiento, y un estator que rodea, al menos parcialmente, a dicho rotor; donde dicha carcasa presenta dos bases: una de las bases comprende un orificio de paso del eje de acoplamiento hacia la turbina, y la otra base comprende un diafragma elástico configurado para absorber las presiones desde el exterior de la carcasa tubular hacia el interior de ésta; y
- un espacio definido entre el estator y la superficie interna de la carcasa tubular estanca, donde dicho espacio contiene un líquido anticongelante.
Se observa por tanto que el elemento generador presenta dos características técnicas esenciales para el funcionamiento y puesta en servicio del dispositivo generador objeto de la invención. Ya que, en primer lugar, se describe la existencia de un diafragma elástico ubicado en la base opuesta al acoplamiento del eje de acoplamiento; dicho diafragma elástico se ubica en dicha localización ya que de ese modo permite absorber y transmitir las presiones existentes en el exterior de la carcasa tubular hacia el interior de dicho elemento generador.
En segundo lugar, el elemento generador comprende un líquido anticongelante, el cual puede presentar también propiedades de refrigerante y lubricante, ubicado en el espacio definido por la carcasa tubular y el estator, de esa forma el eje de acoplamiento sobre el cual gira el rotor se encuentra bañado, al menos parcialmente, de dicho fluido anticongelante, impidiendo el gripado y deterioro de los elementos móviles interiores a dicho elemento generador; además de evitar gradientes térmicos indeseados que puedan dañar a toda la instalación
De este modo, el dispositivo turbogenerador objeto de la invención presenta unas entidades físicas que lo hacen perfectamente instalable como derivación de una red general donde se instale una o varias de las citadas turbinas hidráulicas conocidas en el estado del arte; ya que tanto la turbina como el elemento generador se acoplan una a continuación del otro en el interior del tubo cilindrico, donde dicho acoplamiento se realiza de forma preferente de un modo axial; ocupando un espacio muy reducido de forma que el tubo cilindrico presente una sección de paso de fluido definida o por la sección máxima de la turbina o del elemento generador. En este sentido, y en preferencia a dicho acoplamiento axial, se contempla la opción en la cual la carcasa tubular se encuentra acoplada axialmente a la turbina a través de una pluralidad de barras de amarre paralelas al eje de acoplamiento, y configuradas dichas barras de amarre para permitir que el fluido circule a través suyo una vez ha sido expulsado de la turbina, para que, una vez rodeadas dichas barras de amarre, el fluido fluya alrededor de la carcasa tubular que contiene en su interior el elemento generador, y sea expulsado por la salida del tubo cilindrico.
Cabe destacar que el propio tubo cilindrico puede comportarse como una tubería al uso, es decir, que a su entrada y salida se conectar/acoplan los ramales de una red hidráulica; o también puede comportarse como un dispositivo independiente alojado interiormente en una tubería hidráulica, siendo este último caso más desfavorable para el aprovechamiento de toda la energía mecánica del fluido, y por ello no siendo la opción preferente de empleo.
En este sentido, se procede a describir el procedimiento de instalación preferente del dispositivo turbogenerador objeto de la invención, donde dicha instalación hidráulica comprende al menos una tubería principal de paso del fluido; de forma que dicho dispositivo se instala en paralelo con respecto a dicha tubería principal, comprendiendo dicha tubería principal dos conductos: un conducto de entrada desde la tubería principal hacia la entrada del tubo cilindrico donde se ubica el grupo turbogenerador; y un conducto de salida desde dicho tubo cilindrico donde se ubica el grupo turbogenerador hacia la tubería principal; de ese modo, cuando en la tubería principal presente un exceso de caudal, es entonces cuando el fluido puede circular por una derivación hasta alcanzar el tubo cilindrico donde se aloja el grupo turbogenerador, transformando la energía mecánica del fluido en energía eléctrica para su consumo o vertido a la red eléctrica existente. No teniendo la obligatoriedad de circular, en todo momento, fluido por el tubo cilindrico, y donde gracias al diafragma elástico el elemento generador no sufre ni recibe las sobrepresiones ocasionadas por el impacto inicial del fluido a su paso por el interior del citado tubo cilindrico, ni se deteriora gracias al fluido anticongelante alojado en su interior.
Cabe destacar, a su vez, que el dispositivo turbo generador objeto de la invención puede presentar dos funciones opuestas, es decir: A) Un primera función asociada a un procedimiento de generación de energía eléctrica a través de dicho dispositivo turbogenerador donde, una vez se produce la circulación de un caudal de fluido en el interior del tubo cilindrico, el procedimiento comprende las siguientes etapas simultáneas:
a) accionamiento de la turbina debido a la energía mecánica del fluido, transformando la energía mecánica de dicho fluido en energía mecánica rotacional;
b) rotación del eje de acoplamiento entre la turbina y el elemento generador, transmitiendo la energía mecánica rotacional desde la turbina hacia el elemento generador; y
c) rotación del rotor con respecto al estator, pertenecientes ambos a dicho elemento generador; y transformando la energía rotacional en energía eléctrica. Donde dicho procedimiento es el procedimiento preferente de uso.
B) Una segunda función, asociada a un procedimiento de bombeo de fluido a través del dispositivo turbogenerador donde, una vez el interior del tubo cilindrico se encuentra inundado, al menos en la ubicación de la turbina, por el fluido, el procedimiento comprende las siguientes etapas simultáneas:
a) suministro de energía eléctrica hacia el elemento generador, transformando la energía eléctrica en energía mecánica rotacional sobre el rotor de dicho elemento generador;
b) rotación del eje de acoplamiento entre la turbina y el elemento generador, transmitiendo la energía mecánica rotacional desde el elemento generador hacia la turbina; y
c) accionamiento de la turbina debido a la energía mecánica rotacional del eje de acoplamiento, transformando dicha energía mecánica en energía mecánica hacia el fluido
Se observa por tanto que el dispositivo turbogenerador se comporta como una máquina reversible capaz de bombear fluido hacia distintas ubicaciones, véase por ejemplo para la recarga de acuíferos, donde éstos pueden ser abastecidos de fluido gracias al bombeo de fluido hacia su interior con el dispositivo turbogenerador descrito, recordando el mínimo espacio necesario para su instalación así como su capacidad de absorber sobrepresiones y aguantar temperaturas de trabajo muy bajas.
En relación a la capacidad de soportar bajas temperaturas sin producir deterioro alguno de sus piezas, se describe la opción preferente en la cual al menos parte del eje de acoplamiento ubicado en el interior de la carcasa tubular comprenda una pluralidad de aspas configuradas para recircular el líquido anticongelante a lo largo del interior de dicha carcasa tubular; de ese modo el líquido anticongelante se pone en movimiento junto con el giro del eje de acoplamiento entre la turbina y el elemento generador, absorbiendo parte de la energía mecánica rotacional del eje, pero no siendo significativo para el rendimiento de transformación energética del elemento generador asociado.
De acuerdo a cómo garantizar un acoplamiento que permita el giro solidario del eje de la turbina con el eje del rotor interior al elemento generador, se contempla la posibilidad de que la carcasa tubular estanca comprenda:
- en la base donde se ubica el orificio de paso del eje de acoplamiento, un cojinete que presenta un cierre mecánico configurado para evitar la transferencia de fluidos entre el líquido anticongelante interior a la carcasa tubular y el fluido en circulación exterior a dicha carcasa; y
- en la base donde se ubica el diafragma elástico, un cojinete de accionamiento libre configurado para permitir el libre giro del eje de acoplamiento con respecto a dicho cojinete.
Siendo por tanto una solución sencilla de implementar, ya que no requiere de rodamientos de ningún tipo para garantizar un giro continuado y sin deterioro para las piezas móviles acopladas a dicho eje de acoplamiento; y donde el cojinete ubicado en uno de los extremos del eje de acoplamiento presenta un cojinete de libre giro; y el cojinete opuesto donde el eje de acoplamiento continúa hacia la turbina presenta un cierre mecánico que impide que el fluido exterior pase al interior de la carcasa tubular donde se aloja, entre otros, el fluido anticongelante.
Es necesario aclarar que en todo momento se describe la existencia de un eje de acoplamiento entre la turbina y el elemento generador, pero dicha descripción contempla la opción en la cual la turbina presente un primer eje de giro, el elemento generador presente un segundo eje de giro, y ambos se encuentren acoplados mecánicamente a través de un acoplamiento directo o indirecto. De este modo, el eje de la turbina y el del elemento generador pueden ser coaxiales o paralelos u orientados en ángulos distintos a través de un acoplamiento tipo cardan o similar.
Asimismo, y en relación a garantizar un correcto funcionamiento de las entidades principales que conforman el dispositivo turbo generador objeto de la invención, se describe cómo el fluido anticongelante en el interior de la carcasa tubular no debe de entrar en contacto con el rotor como tal, para no dañar su estructura ni disminuir su rendimiento transformador energético, en este sentido, se describe cómo la carcasa tubular puede comprender a su vez una brida provista de un cierre mecánico acoplada al estator, donde dicha brida está configurada para evitar el paso del líquido anticongelante hacia el rotor; y de ese modo garantizando la no transferencia de fluido anticongelante hacia el interior del elemento generador.
Prestando especial atención a cómo el flujo del fluido circula por el interior del tubo cilindrico, se describe la opción preferente en la cual dicho tubo cilindrico comprende:
- en el extremo de entrada de fluido hacia la turbina, una sección divergente donde se aloja dicha turbina; y
- en el extremo de salida de fluido tras el paso por dicho grupo turbogenerador, una sección convergente. De este modo, se dirigen los flujos y se aprovecha la expansión del fluido para su posterior entrada en la turbina, así como la aceleración del flujo del fluido a la salida del turbo cilindrico gracias a la convergencia de la salida de éste hacia la derivación de la tubería principal.
En relación a cómo garantizar un reparto de presiones en el interior del tubo cilindrico, se describe la posibilidad en la cual el dispositivo objeto de la invención comprenda una válvula de compensación de presiones ubicada a continuación del grupo turbogenerador; de forma que pueda abrirse o cerrarse a voluntad del usuario y/o con una programación interna asociada a uno o varios manómetros de presión.
Asimismo, y para regular el paso de fluido hacia el interior del tubo cilindrico, se contempla la opción preferente en la cual el dispositivo adicionalmente comprende:
- una válvula de corte ubicada aguas arriba del grupo turbogenerador; y
- una válvula de corte ubicada aguas abajo del grupo turbogenerador.
De este modo, se puede describir la casuística operativa de un sistema de control asociado al dispositivo objeto de la invención, donde:
Si el caudal Q fuese inferior al caudal mínimo de turbinación del turbogenerador, las válvulas de corte y la válvula compensadora se encontrarán cerradas.
Si el caudal Q fuese superior al caudal mínimo de turbinación e inferior al caudal de diseño de la máquina, las válvulas de cierre se encontrarán totalmente abiertas, y la válvula compensadora parcialmente abierta, en función de la magnitud del caudal circulante.
Si el caudal Q fuese igual al caudal de diseño de la turbina, todas las válvulas se encontrarán totalmente abiertas.
Si el caudal Q fuese superior al caudal de diseño, todas las válvulas se encontrarán totalmente abiertas, y el caudal excedente circularía a través de la válvula compensadora.
Por último, y asociado a la instalación del dispositivo turbogenerador, se describe la opción en la cual dicho dispositivo comprende un filtro de sólidos aguas arriba del grupo turbogenerador, teniendo como objetivo la no inclusión de sólidos de gran tamaño en la turbina, los cuales podrían dañar su estructura e impedir su correcto funcionamiento.
Así pues, con la invención propuesta se obtiene un dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica perfecto para ser empleado en instalaciones hidráulicas sin ocupar un gran espacio ni inversión para su instalación y puesta en servicio, siendo capaz de ser controlado desde el exterior de un modo rápido y eficaz, y garantizando una alta fiabilidad al estar formado por elementos que garanticen tanto su estanqueidad, su aguante a sobrepresiones y su funcionamiento con bajas temperaturas; y todo ello con un dispositivo formado por entidades simples, que funcionan cooperativamente entre sí para garantizar el máximo rendimiento y aprovechamiento energético posible, y novedoso frente al estado del arte actualmente conocido.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando, y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una vista bidimensional en sección del dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica objeto de la invención, observando sus entidades principales y su acoplamiento entre ellas.
La figura 2.- Muestra una vista bidimensional esquemática donde el dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica objeto de la invención se instala en paralelo con respecto a una tubería principal hidráulica.
La figura 3.- Muestra una vista tridimensional similar a la figura 2, visualizando las entidades exteriores al tubo cilindrico perteneciente al dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica objeto de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de la figura 1 , puede observarse cómo el dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica objeto de la invención comprende:
- un tubo cilindrico (1) abierto en sus extremos y configurado para permitir el paso de un caudal de fluido a su través;
- una turbina (2) hidráulica acoplada axial y mecánicamente a un elemento generador a través de un eje de acoplamiento (3), estando sendos elementos alojados en el interior de dicho tubo cilindrico (1) y definidos como grupo turbogenerador; configurado dicho grupo turbogenerador para transformar la energía mecánica del fluido en energía eléctrica; de forma que la turbina (2) y el elemento generador están acoplados axialmente uno respecto del otro a través del citado eje de acoplamiento (3), siendo un eje formado por dos ejes: uno para la turbina (2) y otro para el elemento generador, y siendo un acoplamiento directo a través de respectivas bridas atornilladas entre sí; ocupando un espacio reducido al estar tanto el elemento generador como la turbina (2) alineados axialmente entre sí e introducidos en el tubo cilindrico (1).
Adicionalmente, en dicha figura 1 puede observarse cómo el elemento generador acoplado axialmente a la turbina (2) comprende una carcasa (4) tubular estanca con respecto al fluido en circulación por el interior del tubo cilindrico (1); donde dicha carcasa (4) comprende en su interior:
- un rotor (5) acoplado a dicho eje de acoplamiento (3), y un estator (6) que rodea en su totalidad a dicho rotor (5); donde dicha carcasa (4) presenta dos bases: una de las bases comprende un orificio de paso del eje de acoplamiento (3) hacia la turbina (2), y la otra base comprende un diafragma (7) elástico configurado para absorber las presiones desde el exterior de la carcasa (4) tubular hacia el interior de ésta; y
- un espacio definido entre el estator (6) y la superficie interna de la carcasa (4) tubular estanca, donde dicho espacio contiene un líquido anticongelante (14); de esa forma el estator y, por ende, todo el elemento generador, está protegido de las bajas temperaturas que pudieran perjudicar su correcto funcionamiento.
Asimismo, en el interior del tubo cilindrico (1) se puede observar cómo la carcasa (4) tubular estanca comprende:
- en la base donde se ubica el orificio de paso del eje de acoplamiento (3), un cojinete (8) que presenta un cierre mecánico configurado para evitar la transferencia de fluidos entre el líquido anticongelante (14) interior a la carcasa (4) tubular y el fluido en circulación exterior a dicha carcasa (4); y
- en la base donde se ubica el diafragma (7) elástico, un cojinete (9) de accionamiento libre configurado para permitir el libre giro del eje de acoplamiento (3) con respecto a dicho cojinete (9); donde en dicho cojinete (9) de accionamiento libre se visualiza uno de los extremos libres del eje de acoplamiento (3), estando el otro extremo libre acoplado a la turbina (2).
Y para evitar también la transferencia de fluido anticongelante hacia el rotor (5), se observa también en la figura 1 cómo la carcasa (4) tubular comprende a su vez una brida (10) provista de un cierre mecánico acoplada al estator (6), garantizando la estanqueidad entre sendas piezas de un modo eficaz y seguro. Y aunque no se ilustre como tal, se describe cómo la parte correspondiente al eje de acoplamiento (3) ubicado en el interior de la carcasa (4) tubular comprende una pluralidad de aspas configuradas para recircular el líquido anticongelante (14) a lo largo del interior de dicha carcasa (4) tubular, de ese modo el líquido anticongelante se encuentra en movimiento para evitar gradientes de temperatura indeseados en el interior de dicha carcasa (4) tubular.
En relación a cómo se acopla el elemento generador a la turbina (2), se puede visualizar cómo la carcasa (4) tubular que contiene en su interior el elemento generador, se encuentra acoplada a la turbina (2) a través de una pluralidad de barras de amarre (16) paralelas al eje de acoplamiento (3); de esa forma el fluido una vez pasa por la turbina (2), puede seguir circulando y fluyendo a través de las citadas barras de amarre (16), rodear la carcasa (4) tubular y ser expulsado del tubo cilindrico (1) por su respectiva salida; donde tal y como se ha indicado anteriormente, la turbina (2) y la carcasa /4) tubular se encuentran centrados con respecto al eje del tubo cilindrico (1); y donde gracias a la salida del fluido desde la turbina (1), y que la carcasa (4) tubular se encuentre a continuación y alineada, no se producen grandes corrientes indeseadas de recirculación del fluido por impacto con la carcasa (4) tubular.
Seguidamente, y a la vista de las figuras 2 y 3, se puede observar cómo se produce la instalación y puesta en servicio del dispositivo turbogenerador objeto de la invención, ya que en ambas figuras se observa una tubería principal (15) de la cual emergen dos derivaciones: un conducto de entrada (15a) hacia el tubo cilindrico (1) del dispositivo turbogenerador, y un conducto de salida (15b) desde dicho tubo cilindrico hasta, de nuevo, la tubería principal (15).
De este modo, se puede describir el procedimiento de instalación del dispositivo turbogenerador en una instalación hidráulica, donde dicha instalación hidráulica comprende la citada tubería principal (15) de paso del fluido, de forma que el dispositivo se instala en paralelo con respecto a dicha tubería principal (15), comprendiendo dicha tubería principal (15) dos conductos: el conducto de entrada (15a) desde la tubería principal (15) hacia la entrada del tubo cilindrico (1) donde se ubica el grupo turbogenerador; y el conducto de salida (15b) desde dicho tubo cilindrico (1) donde se ubica el grupo turbogenerador hacia la tubería principal (15).
Y asociados a las derivaciones y al propio dispositivo, se observa en ambas figuras la existencia de los siguientes elementos hidráulicos:
Una válvula de compensación (1 1) de presiones ubicada a continuación del grupo turbogenerador; la cual tiene como objeto el regular tanto el paso de aire como la distribución de presiones en el interior del tubo cilindrico (1);
una válvula de corte (12) ubicada aguas arriba del grupo turbogenerador; una válvula de corte (13) ubicada aguas abajo del grupo turbogenerador; donde dichas dos últimas válvulas (12, 13) se configuran para permitir tanto el mantenimiento como la no derivación paralela del fluido que circula por la tubería principal (15); y
un filtro (14) de sólidos aguas arriba del grupo turbogenerador.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, el cual comprende:
- un tubo cilindrico (1) abierto en sus extremos y configurado para permitir el paso de un caudal de fluido a su través;
- una turbina (2) hidráulica acoplada axial y mecánicamente a al menos un elemento generador a través de un eje de acoplamiento (3), estando sendos elementos alojados en el interior de dicho tubo cilindrico (1) y definidos como grupo turbogenerador; configurado dicho grupo turbogenerador para transformar la energía mecánica del fluido en energía eléctrica; y estando el dispositivo caracterizado por que el elemento generador acoplado axialmente a la turbina (2) comprende una carcasa (4) tubular estanca con respecto al fluido en circulación por el interior del tubo cilindrico (1); donde dicha carcasa (4) comprende en su interior:
- un rotor (5) acoplado a dicho eje de acoplamiento (3), y un estator (6) que rodea, al menos parcialmente, a dicho rotor (5); donde dicha carcasa (4) presenta dos bases: una de las bases comprende un orificio de paso del eje de acoplamiento (3) hacia la turbina (2), y la otra base comprende un diafragma (7) elástico configurado para absorber las presiones desde el exterior de la carcasa (4) tubular hacia el interior de ésta; y
- un espacio definido entre el estator (6) y la superficie interna de la carcasa (4) tubular estanca, donde dicho espacio contiene un líquido anticongelante (14).
2. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según la reivindicación 1 , caracterizado por que la carcasa (4) tubular estanca comprende:
- en la base donde se ubica el orificio de paso del eje de acoplamiento (3), un cojinete (8) que presenta un cierre mecánico configurado para evitar la transferencia de fluidos entre el líquido anticongelante (14) interior a la carcasa (4) tubular y el fluido en circulación exterior a dicha carcasa (4); y
- en la base donde se ubica el diafragma (7) elástico, un cojinete (9) de accionamiento libre configurado para permitir el libre giro del eje de acoplamiento (3) con respecto a dicho cojinete (9).
3. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según la reivindicación 2, caracterizado por que la carcasa (4) tubular comprende a su vez una brida (10) provista de un cierre mecánico acoplada al estator (6), donde dicha brida (10) está configurada para evitar el paso del líquido anticongelante (14) hacia el rotor (5).
4. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la carcasa (4) tubular se encuentra acoplada axialmente a la turbina (2) a través de una pluralidad de barras de amarre (16) paralelas al eje de acoplamiento (3).
5. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos parte del eje de acoplamiento (3) ubicado en el interior de la carcasa (4) tubular comprende una pluralidad de aspas configuradas para recircular el líquido anticongelante (14) a lo largo del interior de dicha carcasa (4) tubular.
6. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el tubo cilindrico (1) comprende:
- en el extremo de entrada de fluido hacia la turbina (2), una sección divergente (2a) donde se aloja dicha turbina (2); y
- en el extremo de salida de fluido tras el paso por dicho grupo turbogenerador, una sección convergente (2b).
7. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una válvula de compensación (1 1) de presiones ubicada a continuación del grupo turbogenerador.
8. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende:
- una válvula de corte (12) ubicada aguas arriba del grupo turbogenerador; y - una válvula de corte (13) ubicada aguas abajo del grupo turbogenerador.
9. - Dispositivo turbogenerador para la producción de energía eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un filtro (14) de sólidos aguas arriba del grupo turbogenerador.
10. - Procedimiento de generación de energía eléctrica a través del dispositivo turbogenerador definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, una vez se produce la circulación de un caudal de fluido en el interior del tubo cilindrico (1), el procedimiento comprende las siguientes etapas simultáneas:
a) accionamiento de la turbina (2) debido a la energía mecánica del fluido, transformando la energía mecánica de dicho fluido en energía mecánica rotacional;
b) rotación del eje de acoplamiento (3) entre la turbina (2) y el elemento generador, transmitiendo la energía mecánica rotacional desde la turbina (2) hacia el elemento generador; y
c) rotación del rotor (5) con respecto al estator (6), pertenecientes ambos a dicho elemento generador; y transformando la energía rotacional en energía eléctrica.
1 1. - Procedimiento de bombeo de fluido a través del dispositivo turbogenerador definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que, una vez el interior del tubo cilindrico (1) se encuentra inundado, al menos en la ubicación de la turbina (2), por el fluido, el procedimiento comprende las siguientes etapas simultáneas:
a) suministro de energía eléctrica hacia el elemento generador, transformando la energía eléctrica en energía mecánica rotacional sobre el rotor (5) de dicho elemento generador;
b) rotación del eje de acoplamiento (3) entre la turbina (2) y el elemento generador, transmitiendo la energía mecánica rotacional desde el elemento generador hacia la turbina (2); y
c) accionamiento de la turbina (2) debido a la energía mecánica rotacional del eje de acoplamiento (3), transformando dicha energía mecánica en energía mecánica hacia el fluido.
12.- Procedimiento de instalación del dispositivo turbogenerador definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en una instalación hidráulica, donde dicha instalación hidráulica comprende al menos una tubería principal (15) de paso del fluido, caracterizado por que dicho dispositivo se instala en paralelo con respecto a dicha tubería principal (15), comprendiendo dicha tubería principal (15) dos conductos: un conducto de entrada (15a) desde la tubería principal (15) hacia la entrada del tubo cilindrico (1) donde se ubica el grupo turbogenerador; y un conducto de salida (15b) desde dicho tubo cilindrico (1) donde se ubica el grupo turbogenerador hacia la tubería principal (15).
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