Rueda de turbina Francis con una distribución angular de los álabes no periódica.

Rueda de turbina Francis (2) que comprende un techo (22), un cerco (24) y varios álabes (26i) repartidos alrededor de un eje de rotación (X2) de la rueda,

no siendo los álabes (26i) simétricos con relación al eje de rotación (X2), caracterizada por que los álabes presentan una distribución alrededor de este eje (X2) que no es periódica y uniforme.

DESCRIPCION

Rueda de turbina Francis con una distribución angular de los álabes no periódica [0001] La invención se refiere a una rueda de turbina Francis, así como a una instalación de conversión de energía que comprende dicha rueda.

En el ámbito de la conversión de energía hidráulica en energía eléctrica o mecánica, es conocido utilizar una rueda de turbina Francis para accionar en rotación un árbol que soporta esta rueda y conectado, por ejemplo, con un alternador. En algunas zonas de puntos de funcionamiento, se producen fenómenos de fluctuación de presión río debajo de la rueda y se amplían. Estas fluctuaciones de presión entorpecen la explotación de la turbina.

Una solución para responder a este problema es equipar una rueda de turbina Francis con una punta que comprende superficies respectivamente convergente y divergente, como se ha considerado en el documento WO-A2005/038243. Esto limita, en una amplia medida, las fluctuaciones de presión. Sin embargo, para ciertas turbinas Francis, pueden subsistir las turbulencias.

Es igualmente conocido por el documento US-A-2010/086394 prever un juego de álabes cortos y un juego de álabes largos en una rueda de turbina Francis, estando cada uno de estos juegos de álabes distribuido de forma periódica y uniforme alrededor del eje de rotación de la rueda. El documento FR-A-2.919.553 prevé la utilización de un número impar de álabes en una zona de turbina Francis, estando estos álabes uniformemente distribuidos, con una periodicidad constante, alrededor del eje de rotación de la rueda. Con estas distribuciones periódicas y uniformes pueden subsistir turbulencias, al menos a ciertos regímenes, río abajo de la rueda.

Son estos inconvenientes los que pretende más particularmente remediar la invención proponiendo una ruda de turbina Francis que reduzca, por si misma, las fluctuaciones de presión río abajo.

A este respecto, la invención se refiere a una rueda de turbina Francis que comprende un techo, un cerco y varios álabes repartidos alrededor de un eje de rotación de esta rueda, caracterizada por que los álabes no son simétricos con relación al eje de rotación y presentan una distribución con relación a este eje que no es periódica y uniforme.

En otras palabras, la rueda no presenta ninguna simetría de revolución con relación a su eje de rotación. El carácter no simétrico de los álabes con relación al eje de rotación corresponde al hecho de que la distribución de estos álabes alrededor de este eje no es periódica y uniforme, debido a una separación inter-álabes no constante y/o una geometría variable de los álabes. Este carácter no simétrico permite perturbar la distribución periódica de la circulación que atraviesa la rueda, lo cual reduce sustancialmente las fluctuaciones de presión río abajo de la rueda.

Según aspectos ventajosos pero no obligatorios de la invención, una rueda de este tipo puede incorporar una o varias de las características siguientes, tomadas con cualquier combinación técnicamente admisible:

- Los álabes están distribuidos alrededor del eje de rotación con una desviación angular entre dos álabes adyacentes no constante;

- Los álabes están distribuidos alrededor del eje de rotación con una posición angular definida, con relación a una posición de referencia, por medio de un ángulo determinado a partir de un número de órden de cada álabe mediante una función no afín, particularmente una función trigonométrica o aleatoria;

- Los álabes están distribuidos alrededor del eje de rotación según una ley de tipo

** (Ver fórmula) **

donde N es el número de álabes de la rueda, i es un número entero natural comprendido entre 1 y N y f es una función no afín. Ventajosamente, esta función f es sinusoidal y se expresa bajo la forma

** (Ver fórmula) **

- Los álabes tienen la misma geometría. En variante, los álabes tienen geometrías diferentes. En este caso, el espesor máximo de los álabes y/o la geometría del borde de ataque y/o del borde de salida de los álabes es variable de un álabe a otro. La curvatura de los álabes puede igualmente ser variable de un álabe a otro.

La invención se refiere igualmente a una instalación de conversión de energía hidráulica en energía eléctrica o mecánica, comprendiendo esta instalación un conducto de traída de agua, una rueda que gira alrededor de un eje de rotación, un árbol de soporte de la rueda y un conducto de aspiración. Esta instalación se caracteriza por que la rueda es tal como la mencionada anteriormente.

La invención se comprenderá mejor y otras ventajas de ésta aparecerán más claramente a la luz de la descripción que sigue de dos modos de realización de una rueda de turbina Francis y de una instalación conformes a su principio, dada únicamente a título de ejemplo y realizada con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

- la figura 1 es una representación esquemática de principio, en sección axial, de una instalación conforme a un primer modo de realización de la invención;

- la figura 2 es una sección a mayor escala según la línea II-II de la figura 1;

- la figura 3 es un esquema representativo de la posición de los álabes de la rueda de las figuras 1 y 2 en comparación con los álabes de una turbina de distribución simétrica;

- la figura 4 es una representación del desvío angular de los álabes de la rueda de las figuras 1 y 2 con relación a una distribución simétrica de estos álabes alrededor del eje de rotación de la rueda; y -la figura 5 es una sección análoga a la figura 2, para una rueda conforme a un segundo modo de realización de la invención.

La instalación I representada en la figura 1 comprende una turbina 1 de tipo Francis cuya rueda 2 está destinada para ser puesta en rotación, alrededor de un eje vertical X2, por una circulación forzada de agua E procedente de un embalse no representado. Un árbol 3 soporta la rueda y está acoplado con un alternador 4 que proporciona una corriente alterna a una red no representada. La instalación I permite por consiguiente convertir la energía hidráulica de la circulación E en energía eléctrica. La instalación I puede comprender varias turbinas 1 alimentadas a partir del mismo embalse.

En variante, el árbol 3 puede acoplarse a un conjunto mecánico, en cuyo caso la instalación I convierte la energía hidráulica del elemento E en energía mecánica.

Un conducto de alimentación forzada 5 permite llevar la circulación E a la rueda 2 y se extiende entre el embalse y un cárter 6 equipado con directrices 61 que regulan la circulación E. Un conducto de aspiración 8 está previsto río abajo de la turbina 1 para evacuar la circulación E y reenviarla hacia el lecho de un arroyo o de un rio.

La rueda 2 comprende un techo 22, un cerco 24 y trece álabes 261 a 2613 repartidos alrededor del eje X2 que es un eje de simetría para el techo 22 y el cerco 24. Se aprecia 26i un álabe para i un número entero natural comprendido entre 1 y 13.

Los álabes 26i tienen la misma geometría y comprenden cada uno un borde de ataque 26a, un borde de salida 26b, una superficie extradós 26c y una superficie intradós 26d.

Se marca la posición angular de un álabe 26i alrededor del eje X2 mediante un ángulo i definido, en el plano de la figura 2, entre un radio R2 de la rueda 2 que constituye un origen y una recta Di que pasa por el eje X2 y por el borde de salida de este álabe en este plano.

Como se desprende de las figuras 2 a 4, los álabes 26i no están regularmente distribuidos alrededor del eje X2.

Si los álabes 26i estuviesen regularmente distribuidos alrededor del eje X2, entonces el desvío angular entre dos álabes tendría un valor constante 0 representado en la figura 3 entre radios en líneas de trazo interrumpido correspondiente a una distribución uniforme de trece álabes alrededor del eje X2. Por el contrario, los álabes 26i tienen la distribución representada con línea de trazo continuo en la figura 3.

Por i comprendido entre 2 y 13, se define el desvío angular Ei entre los álabes de la fila i e i-1 como igual a la diferencia entre los ángulos i y i-1. El desvío angular E1 entre los álabes 261 y 2613 es igual a 1 - 13 = 1 ya que 13 equivale a 0º. Con el protocolo de indicación 13 = 0 = 0º, los desvíos angulares Ei se definen por consiguiente como Ei = i - i-1.

Los desvíos angulares Ei no son constantes alrededor del eje X2. Así, los álabes 26i no son simétricos alrededor de este eje.

Se define un desvío angular i entre un ángulo i y el ángulo que formaría el álabe 26i... [Seguir leyendo]

1. Rueda de turbina Francis (2) que comprende un techo (22) , un cerco (24) y varios álabes (26i) repartidos alrededor de un eje de rotación (X2) de la rueda, no siendo los álabes (26i) simétricos con relación al eje de rotación (X2) , caracterizada por que los álabes presentan una distribución alrededor de este eje (X2) que no es periódica y uniforme.

2. Rueda según la reivindicación 1, caracterizada por que los álabes (26I) están distribuidos alrededor del eje de rotación con un desvío angular (Ei) entre dos álabes adyacentes (26i) no constante.

3. Rueda según la reivindicación 2, caracterizada por que los álabes (26i) están distribuidos alrededor del eje de rotación (X2) con una posición angular definida, con relación a una posición de referencia (R2) , por medio de un

ángulo (i) determinado a partir de un número de orden (i) de cada álabe por una función no afín, particularmente una función trigonométrica o aleatoria.

4. Rueda según una de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizada por que los álabes (26i) están distribuidos alrededor del eje de rotación (X2) según la ley:

** (Ver fórmula) **

donde N es el número de álabes de la rueda, i es un número entero natural comprendido entre 1 y N y f es una función no afín.

5. Rueda según la reivindicación 4, caracterizada porque la función f es sinusoidal y se expresa bajo la forma

** (Ver fórmula) **

donde A es una amplitud angular fija, de preferencia comprendida entre 2º y 10º, y B es un número entero, de preferencia comprendido entre 1 y 4.

6. Rueda según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los álabes (26i) tienen la misma 25 geometría.

7. Rueda según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que los álabes (26i) son geometrías diferentes.

8. Rueda según la reivindicación 7, caracterizada por que el espesor máximo (e26) de los álabes y/o la geometría del borde de ataque (26a) y/o del borde de salida (26b) de los álabes (26i) es variable de un álabe al otro.

9. Rueda según una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizada por que la curvatura (C26) de los álabes (26i) es 30 variable de un álabe a otro.

10. Instalación (I) de conversión de energía hidráulica en energía eléctrica o mecánica, comprendiendo esta instalación un conducto forzado (5) de traída de agua, una rueda (2) giratoria alrededor de un eje de rotación (X2) , un árbol (4) de soporte de la rueda y un conducto de aspiración (8) , caracterizada por que la rueda (2) es según una de las reivindicaciones anteriores.