Turbina pelton con un sistema de evacuación de agua.

Turbina Pelton con un sistema de evacuación del agua para potencias superiores a 100 kW,

en la que en el interior de una carcasa (1) hay un rodete (4) que presenta cucharas dobles (3) con una anchura de cuchara "b" y una longitud de cuchara "1", en las que inyectores (2) que están dispuestos en un plano de simetría (5) de las cucharas rotatorias, inyectan un chorro libre (6) tangencialmente sobre un diámetro de chorro libre "D1", y en las que las salpicaduras de agua (7) que salen de las cucharas caen encerradas por las paredes de la carcasa (1a, 1b) a un socaz (8) caracterizada porque dentro de la carcasa (1) por un lado está previsto junto a las cucharas (3) sobre todo el perímetro y a ambos lados del rodete (4) como elemento de guiado que conduce y desvía las salpicaduras de agua, un anillo de carcasa interior (12) conducido hasta las raíces (17) de las cucharas (3), y por otro lado como otro elemento de guiado que conduce y desvía las salpicaduras de agua, un anillo de carcasa exterior (11) provisto de un saliente (13) sobresale hacia el interior en forma de tejado a dos vertientes, donde el vértice del saliente (13) en forma de tejado a dos vertientes se encuentra en el plano de simetría (5), y los anillos de carcasa interior y exterior (11, 12) forman un espacio anular (16) en forma de cono, para guiar a las salpicaduras de agua que salen de las cucharas, y porque el anillo de carcasa exterior (11) presenta unos orificios de paso(14) tangencialmente al diámetro de chorro libre (D1), que cubren los chorros libres (6) de los inyectores contra las salpicaduras de agua, donde el chorro libre (6) está encerrado en el orificio de paso 14) sin contacto con el orificio de paso (14).

Turbina Pelton con un sistema de evacuación de agua La invención se refiere a una turbina Pelton con un sistema de evacuación de agua para potencias superiores a 100 kW, en la que en el interior de una carcasa hay un rodete que presenta cucharas dobles con una anchura de cuchara (b) y una longitud de cuchara "1", en las que inyectores que están dispuestos en un plano de simetría de las cucharas rotatorias, inyectan un chorro libre tangencialmente sobre un diámetro de chorro libre "D1", y en la que las salpicaduras de agua que salen de las cucharas caen encerradas por las paredes de la carcasa a un socaz.

En una turbina Pelton se convierte todo el salto útil del inyector en energía cinética. Las paletas de las cucharas dobles tienen una forma tal que el chorro libre se divide por una cresta central en partes iguales, y se cambia de sentido en la cuchara prácticamente en 180°. Debido al desvío se convierte casi toda la energía cinética del chorro de agua en una fuerza de impulsión en el perímetro del rodete. La energía residual que queda, de aproximadamente un 2 a un 4%, está todavía presente en forma de energía cinética para poder vaciar las cucharas bien y de forma rápida, y pasa en su mayor parte abierta en abanico en una dirección axial a ambos lados del rodete a la carcasa de la turbina o sobre la superficie libre del socaz.

La turbina Pelton de la clase indicada descrita en la publicación de patente US 1.448.893 presenta cucharas dobles, que en cuanto a técnica de fabricación ofrecen la ventaja de que por la falta de la pared lateral radial hacia el exterior se pueden fabricar de forma muy sencilla. Pero al mismo tiempo surge el inconveniente de que con la ausencia de esta pared lateral exterior en las cucharas en esta zona no se pueden ceder fuerzas al rodete por desvío del flujo. Por este motivo se coloca en la carcasa una pared de retención cilíndrica periférica parcial o total y contigua a las cucharas, que retiene el agua que en caso contrario fluiría hacia el exterior y la obliga a descargarse por encima de las paredes laterales en dirección axial.

La publicación de patente US 4.950.130 muestra una turbina Pelton en la que las pérdidas de ventilación del rodete, es decir esencialmente las cucharas, se aprovechan para aspirar aire desde el exterior de la carcasa y transportarlo a un recinto situado encima de un sumidero cerrado. Debido a la mayor presión que reina encima del sumidero, el agua puede transportarse desde el sumidero a través de una tubería a unas piletas cuyo nivel de agua está situado geodésicamente más alto. Para conseguir este efecto, el recinto situado encima del sumidero está separado de una cámara de ventilación por una pared de limitación. La pared de limitación se encuentra, vista en dirección periférica, delante de la entrada de aire fresco, y allí se conduce lo más cerca posible al contorno de las cucharas y del rodete, para perder la menor cantidad posible de aire que vuelva desde el recinto a la cámara de ventilación.

En los Patent Abstracts of Japan Tomo 16, nº 480 (M-1321) y en el documento JP 04175468 A se muestran con relación a una turbina Pelton unas chapas deflectoras situadas delante de las cucharas exteriormente en dirección radial, así como un recubrimiento cilíndrico de volumen limitado sobre la periferia de las cucharas.

En los Patent Abstracts of Japan Tomo 1998, nº 11 y en el documento JP 10176648 A se prevé para reducir la propagación del sonido en el sumidero de una turbina Pelton formar una cortina de agua en la salida libre de agua del sumidero. Encima del sumidero se muestra un fondo de chapa perforada a modo de cubeta en el cual se recoge una parte de las salpicaduras de agua, para alimentar con ello la cortina de agua a la salida del sumidero.

La publicación de patente AT 366476 muestra que la carcasa de una turbina Pelton se puede realizar de una sola pieza si el rodete se baja a lo largo de su plano de simetría a través de un orificio de la tapa, y se fija sobre un árbol introducido para ello transversalmente a través de los cojinetes. La correspondiente tapa está realizada como caja que cubre las cucharas a lo largo de una parte del perímetro del rodete, con una chapa deflectora cilíndrica y con unas paredes laterales para evitar las salpicaduras de agua procedentes del restante recinto de la carcasa.

La publicación de patente CH 100772 muestra una disposición vertical de una turbina Pelton en la que unas chapas deflectoras superiores e inferiores, que comienzan a la altura de las raíces de las cucharas, desvían al interior del recinto las salpicaduras de agua que salen lateralmente de las cucharas dobles, que presentan un diámetro mayor en comparación con el diámetro del rodete. Para conducir mejor el caudal inferior de salpicaduras de agua se ha situado a una distancia mayor por debajo del rodete otra chapa deflectora en forma de un escudo periférico, que resulta útil para recoger el chorro inferior de salpicaduras de agua. Debido a las variaciones de las direcciones de salida de los chorros de salpicaduras de agua se forman reflejos diferentes en el espacio que se cruzan y que se pueden repartir por toda la carcasa, con lo cual se producen grandes pérdidas de arrastre en el rodete.

En las turbinas con eje de rodete vertical (1-6 inyectores) el agua que sale hacia la parte superior se desvía en el techo hacia la pared exterior de la carcasa y se evacua hacia arriba. El agua que sale de la mitad inferior de las cucharas suele incidir oblicuamente sobre la pared exterior o directamente sobre el nivel de agua libre. El agua que sale de las dos mitades de la cuchara con una velocidad todavía relativamente alta arrastra todavía mucho aire, entre un 30 y un 70% del caudal de agua, y crea una intensa turbulencia en la superficie del socaz. Para proteger el rodete con seguridad de las repercusiones de la formación de espuma, su centro de rodete se encuentra a una altura "F" entre la turbina y el nivel inferior, es decir aproximadamente el doble del diámetro de chorro libre "D1", más alta que el nivel del canal del socaz, lo que supone una pérdida de salto útil o de energía (véase la Fig. 1, técnica anterior) .

En las turbinas con eje de rodete horizontal (1-3 inyectores) , el agua se inyecta lateralmente, en la dirección del eje, contra la carcasa y se evacua hacia abajo mediante unos desvíos adecuados. Debido a la mala evacuación fuera de la carcasa del agua de los inyectores situados en la parte superior, el número de inyectores está limitado a (1) a 2, o a un máximo de 3. La altura "F" está dimensionada de forma semejante a la de la turbina vertical. Cuando el número de inyectores es mayor el drenaje del agua causa problemas, y solamente se puede efectuar con pérdidas de rendimiento o potencia, principalmente en régimen de plena carga, ya que el agua de salida se desvía hacia arriba, sin que se retire del entorno del rodete (véase la Fig. 2, técnica anterior) .

La intensa formación de espuma no sólo tiene como consecuencia que es preciso elegir una altura correspondientemente grande, sino también que esta espuma hay que irla degradando a lo largo de unos trayectos de estabilización largos, si se va a seguir utilizando el agua.

Esto último es lo que sucede en las turbinas Pelton de contrapresión cuando funcionan en régimen de stand by en "cortocircuito hidráulico" con una bomba en el mismo árbol, con el fin de poder entregar a un generador en caso de necesidad en poco segundos la carga demandada. Estos requisitos aparecen por ejemplo en instalaciones acumuladoras por bombeo con turbinas Pelton en régimen de contrapresión. Allí aparecen fuertes oscilaciones en la regulación de la carga con intensas oscilaciones de caudal de agua y de presión, que pueden perjudicar al rodete con la formación de espuma y olas de choque. Para que las turbinas Pelton de contrapresión puedan funcionar con seguridad cuando el nivel del socaz presenta fuertes oscilaciones es necesario que se soplen con aire comprimido despejándolas en una cota que permita un funcionamiento seguro sin espuma. En la cámara de la turbina actúa entonces una presión que equivale a la respectiva cota aguas abajo de la correspondiente pileta aguas abajo. El aire introducido por medio del rodete en las aguas abajo se distingue entre una parte disuelta, resultante de la distensión por la diferencia de presión antes y después del inyector y de una parte no disuelta que es arrastrada por las salpicaduras de agua. La longitud del tramo hasta terminar de burbujear en el socaz depende de la profundidad de introducción debajo del rodete así como de la uniformidad de distribución... [Seguir leyendo]

1. Turbina Pelton con un sistema de evacuación del agua para potencias superiores a 100 kW, en la que en el interior de una carcasa (1) hay un rodete (4) que presenta cucharas dobles (3) con una anchura de cuchara "b" y una longitud de cuchara "1", en las que inyectores (2) que están dispuestos en un plano de simetría (5) de las cucharas rotatorias, inyectan un chorro libre (6) tangencialmente sobre un diámetro de chorro libre "D1", y en las que las salpicaduras de agua (7) que salen de las cucharas caen encerradas por las paredes de la carcasa (1a, 1b) a un socaz (8) caracterizada porque dentro de la carcasa (1) por un lado está previsto junto a las cucharas (3) sobre todo el perímetro y a ambos lados del rodete (4) como elemento de guiado que conduce y desvía las salpicaduras de agua, un anillo de carcasa interior (12) conducido hasta las raíces (17) de las cucharas (3) , y por 10 otro lado como otro elemento de guiado que conduce y desvía las salpicaduras de agua, un anillo de carcasa exterior (11) provisto de un saliente (13) sobresale hacia el interior en forma de tejado a dos vertientes, donde el vértice del saliente (13) en forma de tejado a dos vertientes se encuentra en el plano de simetría (5) , y los anillos de carcasa interior y exterior (11, 12) forman un espacio anular (16) en forma de cono, para guiar a las salpicaduras de agua que salen de las cucharas, y porque el anillo de carcasa exterior (11) presenta unos orificios de paso (14) tangencialmente al diámetro de chorro libre (D1) , que cubren los chorros libres (6) de los inyectores contra las salpicaduras de agua, donde el chorro libre (6) está encerrado en el orificio de paso 14) sin contacto con el orificio de paso (14) .

2. Turbina Pelton según la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo de carcasa interior (12) en las raíces

(17) de las cucharas forma con el plano de simetría un ángulo ( ) entre 55 y 80°, y las superficies de tejado a dos 20 vertientes del anillo de carcasa exterior (13) forman con el plano de simetría un ángulo (a) entre 55 y 80°.

3. Turbina Pelton según la reivindicación 2 caracterizada porque a los espacios anulares (16) que se ensanchan les sigue una pieza de conexión cilíndrica (16b) .

4. Turbina Pelton según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque un canal que se estrecha al espacio anular (16) a prolongar.

25 5. Turbina Pelton según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el eje del rodete (30) está dispuesto en dirección vertical, y porque en un recinto situado debajo del plano de simetría (5) está colocada una reja de frenado (18) .

6. Turbina Pelton según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el vértice (15) del anillo de carcasa exterior (13) en forma de tejado a dos vertientes está situado en el plano de simetría (5) y a una 30 distancia del 5 al 20% de una longitud de cuchara respecto a las cucharas (3) .

7. Turbina Pelton según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los orificios de paso (14) en el anillo de carcasa exterior (13) presentan un diámetro sólo ligeramente mayor que el chorro libre (6) .

8. Turbina Pelton según una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque a los espacios anulares (16) o a sus piezas de conexión cilíndricas (16b) les siguen canales conectores que conducen al socaz 35 (8) .