Turbina de acción para uso en flujos bidireccionales.

Una disposición de turbina de acción con flujo bi- direccional (120) para uso con un flujo inverso bidireccional (F,

F1, F2) a través de la disposición de turbina (120), la disposición de turbina (120) tiene un eje central (101) ycomprende:

un rotor (132) montado de manera rotatoria para girar alrededor del eje (101) y que tiene una pluralidad de hojas delrotor (136) dispuestas circunferencialmente alrededor del rotor (132);

un primer conjunto de palas guía (140) dispuestas circunferencialmente alrededor del eje (101) y localizadas sobreun lado axial del rotor (132) para dirigir el flujo inverso bidireccional (F, F1, F2) hacia y desde las hojas del rotor(136);

un segundo conjunto de palas guía (142) dispuestas circunferencialmente alrededor del eje (101) y localizadas sobreun lado axial opuesto del rotor (132) para dirigir el flujo inverso bidireccional (F, F1, F2) hacia y desde las hojas delrotor (136); y

primeros y segundos ductos anulares (146) que definen pasos de flujo anular dispuestos respectivamente entre elprimer y segundo conjuntos de palas guía (140, 142) y el rotor (132) para dirigir fluido desde las palas guía (140,142) hasta las hojas del rotor (136);

caracterizado porque el primer y segundo conjuntos de palas guía (140, 142) se disponen en un radio mayor (Rv)desde el eje central (101) que las hojas del rotor (136) de tal manera que están radialmente descentradas (Ro) de lashojas del rotor (136).

Turbina de acción para uso en flujos bidireccionales La presente invención se relaciona con una disposición de una turbomáquina que puede operar con flujos bidireccionales, y en particular con una disposición de turbina de acción para uso con un flujo bi- direccional. Más específicamente, y preferiblemente, esta se relaciona con tal disposición de turbina para uso en una planta de energía con columna de agua oscilante para generar electricidad de la energía de la ola. La disposición de turbina puede tener así otras aplicaciones en el campo de generación de energía renovable, o aún más generalmente en otras aplicaciones de turbomáquina.

Se han conocido durante numerosas décadas generadores eléctricos que utilizan la energía de una columna de agua oscilante. En general, estos generadores incluyen una gran cámara que incluye una primera abertura sumergida por debajo del nivel del agua y una segunda abertura que sale a la atmósfera por vía de una turbina. En la medida en que las crestas y los valles de las olas llegan a la cámara, el nivel de la columna de agua dentro de la cámara se eleva periódicamente y cae, forzando de esta manera alternativamente al aire dentro de la cámara a escapar a través de la turbina hacia la atmósfera y arrastrar el aire de la atmósfera de regreso a través de la turbina a la cámara. Un problema particular con tales generadores es que requieren disposiciones de turbina que puedan operar y generar electricidad desde el flujo de aire bidireccional inverso bombeado desde la columna de agua oscilante a través de la disposición de turbina.

Un tipo de disposición de turbina que se puede utilizar en tal generador de columna de agua oscilante es una turbina de acción. El principio básico de operación de una turbina de acción es que el flujo del cual se va a extraer la energía pasa primero a través de una hilera de boquillas que se utilizan para acelerar el flujo en el rotor en un ángulo apropiado, el rotor luego extrae la energía cinética del flujo acelerado. Una característica importante de una turbina o máquina de acción es que no existe un cambio sustancial de la presión estática a través del rotor (en una turbina tipo reacción la presión estática disminuye en la medida en que el fluido pasa a través de la etapa del rotor) . Cuando el flujo a través de la turbina de acción es unidireccional (que es la situación convencional) , la etapa de la turbina consistirá de una hilera de boquillas, seguida por una hilera de rotores. Sin embargo, si se desea utilizar una turbina de acción en una aplicación en donde la dirección del flujo a través de la turbina se invierte periódicamente, por ejemplo en una unidad generadora de electricidad con columna de agua oscilante, entonces se requiere una hilera de boquillas en cada lado del rotor para crear las condiciones correctas de entrada al rotor en ambas direcciones del flujo. Ejemplos de tales disposiciones, en particular utilizadas en una unidad generadora de electricidad con columna de agua oscilante de describen en los documentos GB 1449740 y GB 1500400, así como en los documentos US 4 545 726 y FR 473 822 y en un documento de revisión titulado “A Review of impulse turbines for wave energy conversion”; by T. Setoguchi, S. Santhakumar, H. Maeda, M. Takao, K. Kaneko; in Renewable Energy, Vol. 23 n.o. 2, Junio 2001 páginas 261-292.

Un problema con estas disposiciones es que si la geometría de la boquilla es fija, entonces las hojas del lado corriente abajo del rotor no están correctamente alineadas para aceptar el flujo que sale del rotor. Típicamente, el flujo resultante que sale del rotor es axial, sin un flujo de remolino circunferencial o un componente para no generar caída de presión a través del rotor y una buena eficiencia del rotor. Las palas guía de boquilla adyacentes al rotor están así en un ángulo con la dirección axial para dirigir el flujo opuesto correctamente en un ángulo sobre el rotor. La magnitud del ángulo de desalineamiento del flujo para el respectivo flujo inverso puede ser grande, lo que conduce a una gran pérdida de presión a través de las boquillas corriente abajo, y una reducción similarmente grande en la eficiencia total de la turbina. El nivel de eficiencia de flujo continuo pico típicamente asociado con unas disposiciones de turbina de acción de geometría fija para uso en plantas de energía con columna de agua oscilante es de menos del 40%.

Este problema se puede solucionar si las palas guía de boquilla se diseñan de tal manera que la configuración angular de las palas, o la geometría presente de las palas mismas, cambia con la dirección del flujo. El efecto práctico de tales soluciones, sin embargo, conduce típicamente a la necesidad de disposiciones mecánicas complicadas para lograr las variaciones geométricas requeridas. Esto, a su vez, da origen a problemas de confiabilidad y mantenimiento significativos cuando la disposición es puesta a funcionar durante un número grande de ciclos y/o se utiliza en una ambiente marino. Las eficiencias pico de más del 60% han sido así obtenidas para tales tipos de la turbina de geometría variable, pero están se han asociado con unos temas de mantenimiento y confiabilidad significativos, y por lo tanto no se han adoptado para uso.

De acuerdo con esto los desarrollos de las unidades generadoras de electricidad con columna de agua oscilante no han favorecido el uso de las disposiciones de la turbina de acción. De hecho, y a pesar de algunas de las ventajas de las turbinas de acción ellas no han sido utilizadas o favorecidas generalmente para aplicaciones hidráulicas, y solo se utilizan en aplicaciones especiales, siendo favorecidas las disposiciones de turbina de reacción general. En particular los desarrollos de las unidades generadoras de electricidad con columna de agua oscilante se han concentrado en utilizar turbinas tipo Wells que son autorrectificantes y pueden operar y generar electricidad a partir del flujo de aire bidireccional inverso. En teoría, tales turbinas pueden operar con altas eficiencias superiores al 50%

bajo condiciones de flujo de estado constante que han mostrado eficiencias de flujo constante pico con geometría fija. Sin embargo tales turbinas solo operan eficientemente sobre un rango de flujo de masa relativamente pequeño y así solo pueden operar eficientemente sobre un rango relativamente pequeño de condiciones de ola. Además las turbinas Wells operan de manera general a una velocidad rotacional relativamente alta y a un torque bajo (comparado por ejemplo con una turbina de acción) y tienen unas cargas axiales relativamente altas las cuales son indeseables para uso en una unidad generadora de electricidad con columna de agua oscilante.

Por lo tanto es deseable suministrar un método alternativo, y suministrar una disposición de turbina de acción mejorada que pueda operar con flujo bidireccional inverso, como por ejemplo bombeado mediante una columna de agua oscilante, y que suministre una solución al problema anterior de las eficiencia total baja cuando el flujo a través de la turbina de acción se invierte periódicamente. También es deseable suministrar una unidad generadora de electricidad con columna de agua oscilante mejorada que incorpore y utilice una turbina mejorada. La invención también es de manera general más aplicable, y es de manera general más deseable que suministre una disposición de turbomáquina mejorada y/o alternativa que pueda operar con un flujo bi- direccional inverso.

De acuerdo con la presente invención se suministra por lo tanto una disposición de turbina de acción con flujo bidireccional como se describe de manera variada en las reivindicaciones acompañantes. También se suministra un generador de energía con columna de agua oscilante que incluye tal disposición de turbina tipo de acción con flujo bi- direccional como se describe adicionalmente en las reivindicaciones acompañantes.

En una realización de un primer aspecto de la invención se suministra una disposición de turbina de acción con flujo bi- direccional para uso con un flujo inverso bidireccional a través de la disposición de turbina. La disposición de turbina tiene un eje que comprende un rotor, y primer y segundo conjuntos de palas guía dispuestas circunferencialmente alrededor del eje y localizadas sobre un lado axial opuesto del rotor para dirigir el flujo inverso bidireccional hacia y desde las hojas del rotor. El rotor se monta de forma giratoria para rotar alrededor del eje y tiene una pluralidad de hojas del rotor dispuestas circunferencialmente alrededor del rotor. Las palas guía se disponen en un radio mayor que las hojas del rotor de tal manera que ellas están radialmente descentradas de las hojas del rotor y la disposición de turbina comprende además... [Seguir leyendo]

1. Una disposición de turbina de acción con flujo bi- direccional (120) para uso con un flujo inverso bidireccional (F, F1, F2) a través de la disposición de turbina (120) , la disposición de turbina (120) tiene un eje central (101) y comprende:

un rotor (132) montado de manera rotatoria para girar alrededor del eje (101) y que tiene una pluralidad de hojas del rotor (136) dispuestas circunferencialmente alrededor del rotor (132) ;

un primer conjunto de palas guía (140) dispuestas circunferencialmente alrededor del eje (101) y localizadas sobre un lado axial del rotor (132) para dirigir el flujo inverso bidireccional (F, F1, F2) hacia y desde las hojas del rotor (136) ;

un segundo conjunto de palas guía (142) dispuestas circunferencialmente alrededor del eje (101) y localizadas sobre un lado axial opuesto del rotor (132) para dirigir el flujo inverso bidireccional (F, F1, F2) hacia y desde las hojas del rotor (136) ; y

primeros y segundos ductos anulares (146) que definen pasos de flujo anular dispuestos respectivamente entre el primer y segundo conjuntos de palas guía (140, 142) y el rotor (132) para dirigir fluido desde las palas guía (140, 142) hasta las hojas del rotor (136) ;

caracterizado porque el primer y segundo conjuntos de palas guía (140, 142) se disponen en un radio mayor (Rv) desde el eje central (101) que las hojas del rotor (136) de tal manera que están radialmente descentradas (Ro) de las hojas del rotor (136) .

2. La disposición de turbina (120) de la reivindicación 1 en donde la distancia de descentrado radial (Ro) de las palas guía (140, 142) de las hojas del rotor (136) es 6 veces la altura radial (Hr) de las hojas del rotor (136) .

3. La disposición de turbina (120) de cualquier reivindicación precedente en donde los primeros y segundos ductos anulares (146) tienen una longitud axial de entre 4 a 12 veces la altura radial de la hoja de rotor (Hr) .

4. La disposición de turbina (120) de cualquier reivindicación precedente en donde la altura del paso de flujo anular de los primeros y segundos ductos anulares (146) es constante a lo largo de la longitud de los ductos anulares (146) .

5. La disposición de turbina (120) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en donde la altura del paso de flujo anular de los primeros y segundos ductos anulares (146) es menor en un extremo de los ductos (146) adyacentes a las palas guía (140, 142) que en un extremo del ducto (146) adyacente a las hojas del rotor (136) .

6. La disposición de turbina (120) de la reivindicación 5 en donde la altura del paso de flujo anular de los primeros y segundos ductos anulares (146) en un extremo de los ductos (146) adyacentes a las palas guía (140, 142) es mayor que la mitad de la altura del paso de flujo anular de los primeros y segundos ductos anulares (146) en un extremo del ducto (146) adyacente a las hojas del rotor (136) .

7. La disposición de turbina (120) de cualquier reivindicación precedente en donde un área de paso de flujo de los primeros y segundos ductos anulares (146) en un extremo de los ductos (146) adyacentes a las palas guía (140, 142) es mayor que un área de paso de flujo de los primeros y segundos ductos anulares (146) en un extremo de los ductos (146) adyacentes a el rotor (132) .

8. La disposición de turbina (120) de la reivindicación 7 en donde el área de paso de flujo de los primeros y segundos ductos anulares (146) en un extremo de los ductos (146) adyacentes a las palas guía (142, 140) es hasta 4 veces mayor, y preferiblemente hasta 2.5 veces mayor que el área de paso de flujo de los primeros y segundos ductos anulares (146) un extremo de los ductos adyacente al rotor (132) .

9. La disposición de turbina (120) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 en donde por lo menos una salida de control de flujo de superficie límite (190) se define en una superficie de pala guía de las palas guía (144) de por lo menos uno de los conjuntos de palas guía (140, 142) , la salida de control de flujo de superficie límite (190) se conecta a una fuente de fluido (200) para, en uso, dirigir el fluido desde la fuente de fluido (200) hacia la salida (190) y sobre la superficie de pala guía (144) .

10. La disposición de turbina (120) de la reivindicación 9 en donde por lo menos una salida de control de flujo de superficie límite (190) comprende por lo menos una ranura en la superficie de la pala guía (144) de las palas guía (140, 142) .

11. La disposición de turbina (120) de la reivindicación 9 o 10 en donde la fuente de fluido comprende por lo menos una toma (212) y un ducto para dividir una porción del fluido que fluye a través del ducto de turbina a por lo menos una salida de control de flujo de superficie límite.

12. La disposición de turbina de la reivindicación 11 que comprende una primera toma y ducto (210) para dividir una porción del flujo que fluye a través del ducto de turbina (146) a por lo menos una salida de control de flujo de superficie límite (190) del primer conjunto de palas guía (140) , y una segunda toma y ducto para dividir una porción del flujo que fluye a través del ducto de turbina (146) a por lo menos una salida de control de flujo de superficie límite

(190) del segundo conjunto de palas guía (142) ; y en donde la primera toma (212) se localiza sobre un lado axial opuesto del rotor (132) al primer conjunto de palas guía (140) , y la segunda toma se localiza sobre un lado axial opuesto del rotor al segundo conjunto de palas guía (142) ; y

en donde la primera toma (142) se localiza sobre un lado axial opuesto del segundo conjunto de palas guía (142) al rotor (132) , y la segunda toma se localiza sobre un lado axial opuesto del primer conjunto de palas guía (140) al rotor (132) .

13. La disposición de turbina de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en donde un paso de flujo (Fp) se define entre palas guía adyacentes (144) , y las palas guía (144) tienen un perfil de sección transversal que comprende una primera porción (164) orientada de manera general en paralelo con el eje (101) y un flujo axial (F1, F2) a través de la turbina (120) , una segunda porción (168) orientada en un ángulo (8) con el eje (101) y un flujo axial (F1, F2) a través de la turbina (120) , y una porción de giro (166) dispuesta entre las primeras y segundas porciones (164, 168) ; y en donde el área de sección transversal del paso de flujo (Fp) definida entre las secciones de giro (166) de las palas guía adyacentes (144) es sustancialmente constante.

14. La disposición de turbina (120) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 en donde las hojas del rotor (136) tienen un ángulo de giro (a) que es de 3 a 5 grados mayor que el requerido para la hoja de rotor (136) para producir un flujo axial en el punto operativo del

15. Un generador de energía con columna de agua oscilante (110) que comprende:

una carcasa (112) que define una cámara (114) para un fluido que es periódicamente comprimido y expandido por la columna de agua oscilante, la carcasa (112) tiene una salida (118) para dirigir un flujo inverso bidireccional (F1, F2) del fluido periódicamente comprimido y expandido mediante la columna de agua oscilante desde la carcasa (112) ; una disposición de turbina (120) de cualquier reivindicación precedente conectada a la salida (118) e impulsada por el flujo inverso bidireccional (F1, F2) del fluido desde la salida (118) ; y

un generador (150) conectado a e impulsado por el rotor (132) de la disposición de turbina (120) .