Rueda para máquina hidráulica, máquina hidráulica equipada con dicha rueda e instalación de conversión de energía que comprende dicha máquina hidráulica.

Rueda (R) de tipo Francis para máquina hidráulica (M), destinada para ser atravesada por una corriente forzada de agua (E),

que comprende:

- una corona (1) con simetría de revolución alrededor de un eje de rotación (Z) de la rueda (R),

- un techo (12) con simetría de revolución alrededor del eje de rotación (Z) y situado frente a la corona (1),

- una pluralidad de álabes (21) curvados hacia adentro, solidarios de la corona (1) y del techo (12) y que presentan cada uno un borde central (211) cerca del eje de rotación (Z) y un borde periférico (212), opuesto al borde central (211), que se extiende entre la corona (1) y el techo (12) y que está destinado para ser atravesado primero por la corriente (E) cuando la máquina hidráulica (M) funciona en modo turbina,

- siendo el borde periférico (212) de al menos un álabe (21) curvo con su concavidad vuelta hacia el exterior de la rueda (R), una primera distancia (d1), medida entre un punto (P) cualquiera del borde periférico (212) y una línea recta (L) que pasa, por una parte, por un primer punto de conexión (A) entre el borde periférico (212) y la corona (1) y, por otra parte, un segundo punto de conexión (C) entre el borde periférico (212) y el techo (12) que es máxima a nivel de un punto intermediario (N) del borde periférico (212), siendo el radio (Rn) del punto intermediario (N) estrictamente inferior al radio (Ra) del primer punto de conexión (A),

caracterizándose la rueda (R) por que el radio (Rn) del punto intermediario (N) es estrictamente inferior al radio (Rc) del segundo punto de conexión (C).

DESCRIPCION

Rueda para máquina hidráulica, máquina hidráulica equipada con dicha rueda e instalación de conversión de energía que comprende dicha máquina hidráulica.

La presente invención se refiere a una rueda de tipo Francis para máquina hidráulica destinada para ser atravesada por una corriente forzada de agua. Cuando la máquina es una turbina, dicha corriente tiene por efecto accionar la rueda en rotación y cuando la máquina es una bomba, dicha corriente se produce por esta rotación. Por otro lado, la presente invención se refiere a una máquina hidráulica equipada con dicha rueda. Por otra parte la presente invención se refiere a una instalación de conversión de energía que comprende dicha máquina hidráulica.

De forma clásica, una instalación de conversión de energía hidráulica en energía eléctrica comprende una máquina hidráulica que funciona en modo turbina y que es atravesada por una corriente forzada de agua cuyo caudal es controlado por un distribuidor. La rueda de la turbina acciona en rotación un árbol conectado con un alternador. Para poder conectar el alternador a la red eléctrica, la velocidad de rotación de la turbina debe ser estable, para que la frecuencia de la señal eléctrica a la salida del alternador sea igual a la frecuencia de la red eléctrica. La frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz en Europa, pero este valor puede ser de 60 Hz en otros países, por ejemplo en los Estados Unidos. Mientras la máquina no se acople a la red, el par de la rueda es nulo. En fases transitorias de funcionamiento, fluctuaciones de presión de la corriente provocan inestabilidades, de modo que la velocidad de rotación de la rueda de la turbina no está estabilizada y el alternador no puede conectarse a la red eléctrica. En particular, en el arranque de la turbina, el distribuidor de abre poco a poco, produciendo oscilaciones de la velocidad de rotación de la rueda de turbina. Luego, cuando la apertura deseada del distribuidor ha sido alcanzada, el alternador se conecta con la red eléctrica una vez que la velocidad de rotación de la rueda es estable y alcanza una velocidad de sincronismo.

La figura 1 muestra una rueda 100 de tipo Francis de la técnica anterior, que comprende una corona 101 y un techo 112 situado frente a la corona 101. La rueda 100 comprende, además, nueve álabes 121 solidarios de la corona 101 y del techo 112 y que se extienden entre la corona 101 y el techo 112. Cada álabe 121 presenta un borde de ataque 221 rectilíneo que es atravesado primero por una corriente forzada de agua, cuando la rueda pertenece a una máquina hidráulica que funciona en el modo turbina.

La gráfica de la figura 4 muestra, en abscisas, una magnitud denominada «velocidad de rotación reducida», expresada en r/min, proporcional con relación a la velocidad de rotación de la rueda de una turbina sobre la raíz cuadrada de la altura del salto, y, en ordenadas, una magnitud denominada «par reducido», expresado en Nm y proporcional con relación al par ejercido por la rueda, sobre la altura del salto. Cada curva C1 a C6 del gráfico proporciona el par reducido de la rueda en función de su velocidad de rotación reducida, para una apertura constante de un distribuidor situado aguas arriba de esta rueda. Las curvas con líneas de trazo continuo C1, C3 y C5 corresponden al funcionamiento de una turbina equipada con la rueda 100 de la técnica anterior, y las curvas con líneas de trazo interrumpido C2, C4 y C6 corresponden al funcionamiento de una turbina equipada con una rueda conforme a la invención.

Las pequeñas velocidades de rotación reducidas de la turbina, en la parte izquierda del gráfico, corresponden a grandes alturas de salto, mientras que las grandes velocidades de rotación reducidas de la turbina, en la parte derecha del gráfico, corresponden a alturas de salto pequeñas. Los puntos P1 a P6 están situados respectivamente en la intersección entre las curvas C1 a C6 y una línea recta horizontal corresponden a un par reducido nulo. Los puntos P1 a P6 proporcionan por consiguiente una velocidad de rotación reducida de la rueda que permite conectar el alternador a la red eléctrica. Es conocido que, en un gráfico de este tipo, los puntos de funcionamiento para los cuales la pendiente de la curva es negativa corresponden a un funcionamiento estable de la turbina, dicho de otro modo a una velocidad de rotación de la rueda estable. A la inversa, los puntos de funcionamiento para los cuales la pendiente de la curva es positiva corresponden a una velocidad de rotación de la rueda inestable, lo cual no permite conectar el alternador a la red. De forma clásica, se busca poder hacer funcionar la turbina para alturas de salto lo más bajas posible, manteniendo una pendiente negativa.

Para la rueda 100 de la técnica anterior, se observa que para el punto P1, que corresponde a una primera apertura del distribuidor para una altura de salto relativamente importante, la pendiente de la curva C1 es negativa y la velocidad de rotación es estable. Respecto al punto P3, que corresponde a una altura de salto más pequeña para una segunda apertura del distribuidor, la curva C3 es poco más o menos vertical lo cual significa que la velocidad de rotación de la rueda 100 de la técnica anterior es poco estable. Por último, la curva C5 tiene forma de S y su pendiente en el punto P5 es positiva, lo cual corresponde a una velocidad de rotación inestable de la rueda 100.

En conclusión, la rueda 100 de la técnica anterior no permite, por si sola, estabilizar su velocidad de rotación para alturas de salto relativamente pequeñas.

Con el fin de estabilizar la velocidad de rotación de una rueda de la técnica anterior, es conocido utilizar una turbina con un dispositivo suplementario de conexión que consiste en desincronizar las directrices. Estas directrices se reparten alrededor de la rueda y son desincronizables, es decir que es posible orientarlas de distinto modo las unas

con relación a las otras para hacer variar alrededor de la rueda el caudal de la corriente con miras a obtener una curva de pendiente negativa en la representación de la figura 4. Sin embargo, desincronizar las directrices requiere, por una parte, la colocación de servomotores de maniobra de las directrices a desincronizar y, por otra parte, la colocación de un programa de control y de mando apropiados.

El documento US-2005/013691 describe una rueda de tipo Francis que comprende un techo y un anillo, entre los cuales se extienden álabes con un borde de ataque curvado cuya convexidad es circunferencial. Así, los bordes de ataque comprenden cada uno un punto intermediario, situado en el fondo de la forma curva del borde de ataque. Esta rueda tiene una geometría tal que el radio de un primer punto de conexión entre el borde de ataque y el techo es inferior al radio del punto intermediario. Esta geometría no permite mejorar la estabilidad de la velocidad de rotación de la rueda, en fases de conexión a la red eléctrica.

Son estos inconvenientes los que pretende más particularmente remediar la invención proponiendo una rueda de turbina cuya geometría específica permita estabilizar la velocidad de rotación de la rueda en fases transitorias de arranque, para alturas de salto relativamente pequeñas.

A este respecto, la invención tiene por objeto una rueda de tipo Francis para máquina hidráulica, destinada para ser atravesada por una corriente forzada de agua, que comprende:

- una corona con simetría de revolución alrededor de un eje de rotación de la rueda, -un techo con simetría de revolución alrededor del eje de rotación y situado frente a la corona, -una pluralidad de álabes curvados hacia adentro, solidarios de la corona y del techo y que presentan cada uno un borde central cerca del eje de rotación y un borde periférico, opuesto al borde central, que se extiende entre la corona y el techo y que está destinado para ser atravesado primero por la corriente cuando la máquina hidráulica funciona en modo turbina. Dicho de otro modo, cuando la máquina hidráulica funciona en modo turbina, la corriente fluye del borde periférico hacia el borde central.

El borde periférico de al menos un álabe es curvo con su concavidad vuelta hacia el exterior de la rueda. Una primera distancia, medida entre un punto cualquiera del borde periférico y una línea recta que pasa, por una parte, por un primer punto de conexión entre el borde periférico y la corona y, por otra parte, un segundo punto de conexión entre el borde periférico y el techo es máxima a nivel de un punto intermediario del borde periférico. El radio del punto intermediario es estrictamente inferior al radio del primer punto de conexión. El radio del punto intermediario es estrictamente... [Seguir leyendo]

1.Rueda (R) de tipo Francis para máquina hidráulica (M) , destinada para ser atravesada por una corriente forzada de agua (E) , que comprende:

- una corona (1) con simetría de revolución alrededor de un eje de rotación (Z) de la rueda (R) .

5. un techo (12) con simetría de revolución alrededor del eje de rotación (Z) y situado frente a la corona (1) , -una pluralidad de álabes (21) curvados hacia adentro, solidarios de la corona (1) y del techo (12) y que presentan cada uno un borde central (211) cerca del eje de rotación (Z) y un borde periférico (212) , opuesto al borde central (211) , que se extiende entre la corona (1) y el techo (12) y que está destinado para ser atravesado primero por la corriente (E) cuando la máquina hidráulica (M) funciona en modo turbina, -siendo el borde periférico (212) de al menos un álabe (21) curvo con su concavidad vuelta hacia el exterior de la rueda (R) , una primera distancia (d1) , medida entre un punto (P) cualquiera del borde periférico (212) y una línea recta (L) que pasa, por una parte, por un primer punto de conexión (A) entre el borde periférico (212) y la corona (1) y, por otra parte, un segundo punto de conexión (C) entre el borde periférico (212) y el techo (12) que es máxima a nivel de un punto intermediario (N) del borde periférico (212) , siendo el radio (Rn) del punto intermediario (N) estrictamente inferior al radio (Ra) del primer punto de conexión (A) , caracterizándose la rueda (R) por que el radio (Rn) del punto intermediario (N) es estrictamente inferior al radio (Rc) del segundo punto de conexión (C) .

2. Rueda (200) según la reivindicación 1, caracterizada por que el punto intermediario (N) es el más alejado de la línea recta (L) .

3. Rueda (200) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la proyección ortogonal del punto intermediario (N) sobre la línea recta (L) está situada en una zona que se extiende a lo largo de la línea recta

(L) y que está centrada en el medio (F) de la línea recta (L) y por que la altura (H2) de la zona es inferior al 80% de una altura (H) de cada álabe (21) , medida entre el primer punto de conexión (A) y el segundo punto de conexión (C) , de preferencia inferior al 10%.

4. Rueda (R) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el borde periférico (212) de los álabes (21) tiene forma de porción de círculo, de elipse, de parábola, incluso de cualquier otra curva.

5. Rueda (R) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que una primera relación que presenta:

- como denominador, una altura (H) de un álabe (21) , medida entre el primer punto de conexión (A) y el 30 segundo punto de conexión (C) , -como numerador, una distancia máxima (D21) entre la línea recta (L) y el borde periférico (212) , está comprendida entre un 0% y un 200%, de preferencia entre un 30% y un 80%.

6. Rueda (R) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el punto intermediario (N) del borde periférico (212) está situado a media distancia entre los puntos de conexión (A, C) .

7. Rueda (R) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que, en un primer plano (Pb) , paralelo al eje de rotación y perpendicular a un segundo plano (Pa) que pasa por una intersección entre el techo (12) y una superficie media (S) del álabe (21) situada entre una superficie externa (213) y una superficie interna (214) del álabe (21) , y que prolonga esta superficie media, la superficie externa (213) es convexa y la superficie interna (214) es cóncava.

8. Rueda (R) según la reivindicación 7, caracterizada por que, en el primer plano (Pb) , la forma de la superficie externa (213) y de la superficie interna (214) está definida por una porción de círculo, de elipse, de parábola, incluso de cualquier otra curva.

9. Rueda según una de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizada por que una segunda relación, que presenta:

- como denominador, una altura (H) del álabe (21) , medida entre el primer punto de conexión (A) y el 45 segundo punto de conexión (C) , -como numerador, una distancia (D22) máxima, medida paralelamente al primer plano (Pb) , entre la línea recta (L) y el borde periférico (212) , está comprendida entre un 0% y un 200%, de preferencia comprendido entre un 10% y un 40%.

10. Rueda (R) según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizada por que, en el primer plano (Pb) , el punto 9

intermediario (N) del borde periférico (212) está situado a media distancia entre los puntos de conexión (A, C) .

11. Rueda (R) según una de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizada por que, en el primer plano (Pb) , el borde periférico (212) es curvo, con su concavidad vuelta en el mismo sentido que el sentido de rotación (R1) en modo turbina de la rueda (200) .

12. Rueda (R) según una de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizada por que una segunda distancia (d2) , medida paralelamente al primer plano (Pb) , entre un punto (P) cualquiera del borde periférico (212) y la línea recta (L) , es máxima en el punto intermediario (N) .

13. Máquina hidráulica (M) , caracterizada por que está equipada con una rueda (R) según una de las reivindicaciones anteriores.

14. Máquina hidráulica (M) según la reivindicación 13, equipada con una rueda (R) según la reivindicación 7, caracterizada por que cuando funciona en modo turbina, la corriente (E) golpea primero la superficie externa (213) de los álabes (21) .

15. Instalación (I) de conversión de energía, caracterizada por que comprende al menos una máquina hidráulica (M) según una de las reivindicaciones 13 y 14.