ES2276582B2 - Procedimiento y aparato micromotor para la extraccion de energia de un fluido utilizando la excitacion de la calle de torbellinos de karman. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y aparato micromotor para la extracción de energía de un fluido utilizando la excitación de la calle de torbellinos de Karman. El procedimiento consiste en hacer pasar un fluido en condiciones apropiadas por un conducto en cuyo interior se encuentra situado un prisma unido mediante elementos elásticos a las paredes de dicho conducto. Estos elementos permiten al prisma oscilar en un plano que contiene a su eje. El movimiento del fluido alrededor del prisma excita de forma resonante la calle de torbellinos de Karman y genera fuerzas periódicas alrededor del prisma que dan lugar a un movimiento oscilatorio, cuya frecuencia y amplitud depende de los parámetros de diseño del aparato micromotor y de las variables fluidodinámicas. El movimiento oscilatorio del prisma se utiliza para extraer energía del fluido. La aplicación del micromotor es la propulsión y generación de energía para microsistemas.
Description
Procedimiento y aparato micromotor para la
extracción de energía de un fluido utilizando la excitación de la
calle de torbellinos de Karman.
La invención se encuadra en el sector técnico de
los microsistemas. En particular, en las aplicaciones de propulsión
y generación de energía.
El desarrollo de micromotores es un campo de
actividad tecnológica que se ha sirio desarrollando de manera
continuada desde principios de los años 90. De hecho, en la
literatura especializada es posible encontrar la descripción de
múltiples diseños, desarrollados unas veces a nivel conceptual y
otras hasta el nivel de prototipo. En general, los micromotores se
utilizan para aplicaciones propulsivas de microrobots,
microaviones, y microvehículos, movimiento de microactuadores, y
generación de energía para microsistemas.
El concepto más conocido de micromotor es la
microturbina de gas. Básicamente, se trata de un concepto que
consiste en miniaturizar todos los componentes de una turbina de
gas.
Los componentes de las microturbinas de gas
deben trabajar de manera controlada con flujos tridimensionales en
geometrías cuyo tamaño es del orden do los milímetros. Esto da
lugar a dificultades tanto en el diseño del concepto sí corno de
fabricación de los álabes, también tridimensionales, de la
microturbina. Soslayar estas dificultades es factible pero lleva a
diseños complejos que incrementan el coste de éstos
microsistemas.
Desde el punto del procedimiento, las
microturbinas generan un campo fluido tridimensional que da lugar a
sustentación aerodinámica en los perfiles de una cascada de álabes
que rota respecto a un eje. La rotación de ese eje se utiliza para
extraer energía del sistema.
Un ejemplo de patente reciente en el campo de
las microturbinas de gas es la 20030215323 "Micro gas turbina
engine with active tip clearance control" registrada en la
United Status Patent and Trademark Office.
Otra familia de conceptos de micromotor utiliza
el procedimiento de extraer energía del sistema mediante la
utilización de efectos electrostáticos, magnéticos o
piezo-eléctricos.
Otro ejemplo de patente que en este campo que
hay que señalar es la patente japonesa JP20011157433 cuyas
características principales son:
- \bullet
- El cuerpo resonador es un cilindro circular.
- \bullet
- El eje del cuerpo resonador está situado perpendicular a la dirección del flujo.
- \bullet
- La unión del cuerpo resonador al bastidor principal se realiza mediante muelles.
- \bullet
- Utiliza aire como fluido de trabajo y menciona que no requiere palas rotatorias como en un aerogenerador. Esto sugiere que el ámbito de aplicación de la patente está en el régimen fluidodinámico típico de los aerogeneradores: régimen incompresible y turbulento a números de Reynolds del orden de varios millones.
- \bullet
- No hace referencia a ningún régimen concreto de números de Reynolds ni de Mach.
Las diferencias de la presente invención con la
anteriormente mencionada JP20011157433 son las siguientes:
- \bullet
- En la presente invención, el resonador es un prisma de sección poligonal de cualquier número de lados (página 8 línea 15 y página 9 línea 11) de las reivindicaciones. Esto es así porque nuestros estudios muestran que los cuerpos con aristas producen un reforzamiento del efecto físico (excitación controlada de la calle de torbellinos de Karman) en el que está basada la invención. La razón es que en un cuerpo
- \bullet
- poligonal, el desprendimiento de la capa límite fluida está anclado en los ángulos del polígono, mientras que en un cuerpo circular, la zona de desprendimiento oscila con el movimiento del prisma.
- \bullet
- En la presente invención el resonador prismático puede estar desalineado (página 8 línea 18 y página 9 línea 14 de las reivindicaciones) un ángulo que va de 45 a 90 grados con respecto al eje del canal; o lo que es lo mismo nuestro resonador no siempre está situado perpendicular a las paredes del conducto sino que puede llegar a estar inclinado 45 grados respecto a ellas. Esto es así para facilitar la aparición de efectos tridimensionales en el campo fluido. Para un caso típico de aplicaciones de MEMS, los efectos tridimensionales en el movimiento de un fluido alrededor de un prisma cuyo eje es perpendicular al movimiento del fluido comienzan alrededor de Reynolds 200. Si el diámetro hidráulico del canal es muy pequeño, el número de Reynolds puede ser bastante menor que 200 y la manera de provocar efectos tridimensionales es, precisamente, girando el eje del resonador. En particular, en algunas circunstancias, este forzamiento de los efectos tridimensionales puede aumentar la resonancia en la que está basada esta invención.
- \bullet
- En la presente invención no se utilizan necesariamente muelles porque en la escala pequeña (tamaño de la sección del canal del orden de 100 micras) los muelles son prácticamente imposibles de construir. Por eso, en la página 8 línea 23 y página 9 líneas 13 y 17 de las reivindicaciones, se hace referencia a elementos elásticos de unión. En particular, lo que tenemos pensado utilizar son micro-varillas de sección circular que flexionen en torno a su eje principal.
- \bullet
- En la presente invención se restringe el número de Reynolds a menos de 10,000 lo cual restringe las aplicaciones a régimen fluido laminar típico de los sistemas micro-electro-mecánicos (MEMS) y esto es así porque los fenómenos físicos que caracterizan los regímenes laminar y turbulento son completamente distintos y los fenómenos oscilatorios están reforzados en el régimen laminar objeto de la presente invención.
- \bullet
- En la presente invención se considera la opción que el fluido presente fenómenos muy importantes de compresibilidad. De hecho, en la página 8 línea 12 de las reivindicaciones se especifica que el número de Mach puede llegar a ser la unidad. El valor de número de Mach igual a 1 no está contemplado porque, en este caso aparecerían efectos de bloqueo sónico en el canal que deteriorarían el comportamiento del micromotor. Una de las formas de conseguir efectos importantes de compresibilidad (números de Mach en torno a 0.5) es calentando el fluido a la entrada mediante una cámara de combustión (que no es objeto de la invención), de este modo la transferencia de energía que nosotros proponemos va desde el modo térmico (calentamiento) hacia el modo convectivo (aceleración del fluido) y termina en el modo mecánico (vía excitación de la calle de torbellinos de Karman). Esto es, la patente JP20011157433 no hace en ningún caso referencia a la posibilidad de utilizar la compresibilidad del fluido como medio para extraer energía.
La presente invención consiste en un
procedimiento y aparato micromotor para la extracción de energía de
un fluido de trabajo basado en un efecto físico distinto del que
utilizan los otros tipos de micromotores descritos en el apartado
Estado de la Técnica de esta Patente. Este efecto es la excitación
resonante de la calle de torbellinos de Karman en el movimiento de
un fluido alrededor de un cuerpo prismático.
El procedimiento consiste en hacer pasar un
fluido por un conducto en cuyo interior se encuentra situado un
prisma unido mediante elementos elásticos a las paredes de dicho
conducto. Estos elementos permiten al prisma oscilar en un plano
que contiene a su eje.
El movimiento del fluido alrededor del prisma
excita de forma resonante la calle de torbellinos de Karman y
genera fuerzas periódicas alrededor del prisma que dan lugar a un
movimiento oscilatorio, cuya frecuencia y amplitud depende de los
parámetros de diseño del aparato micromotor y de las variables
fluidodinámicas.
Las condiciones de operación son las referidas
al rango de
- -
- número de Reynolds, definido como el producto de la velocidad del fluido a la entrada del conducto multiplicado por el diámetro máximo de la sección transversal del prisma y dividido por la viscosidad cinemática del fluido
- -
- número de Mach, definido como el cociente entre la velocidad del fluido a la entrada del conducto y la velocidad del sonido en dicho fluido
- -
- número de Strouhal, definido como la frecuencia adimensionalizada con la velocidad del fluido a la entrada del conducto y el diámetro máximo de la sección transversal del prisma de las fuerzas periódicas que sufre dicho prisma corno consecuencia de la aparición de la calle de torbellinos de Karman
En particular, el rango de operación para el
procedimiento es:
- -
- Número de Reynolds en el rango de 0.1 a 10000
- -
- Número de Mach inferior a 1 en la entrada del conducto y sin que se alcancen condiciones sónicas en ningún punto del campo fluido
- -
- Frecuencia natural de vibración del sistema masa-amortiguamiento-rigidez del conjunto prisma-elementos elásticos en el rango de 0.01 a 1000 veces la frecuencia asociada al número de Strouhal de las fuerzas de carácter periódico que aparecen en el prisma
El hecho de que para determinada combinación de
parámetros fluidodinámicos la topología de la calle de torbellinos
de Karman sea bidimensional, implica que el dispositivo concebido
para la puesta en práctica de este procedimiento es más sencillo y
barato de fabricar que una microturbina de gas.
Por otra parte. la eficiencia energética de la
presente invención es inferior a la de una microturbina de gas. De
ahí que el campo natural de aplicación industrial de la presente
invención sea en aquellas situaciones en las que el coste del
micromotor sea un factor más determinante que su rendimiento
energético.
El dispositivo concebido para la puesta en
práctica del procedimiento es un micromotor para aplicaciones de
propulsión y generación de energía para microsistemas. Estos
microsistemas pueden ser, pero no se limitan a, microrobots,
microaviones, microvehículos y microactuadores.
En el estado actual de la técnica, los
micromotores son sistemas cuyos diseños son complejos y, en
consecuencia, caros de fabricar. La presente invención va en la
dirección de simplificar y abaratar dichos diseños.
El primer componente del micromotor es un
conducto por el que se hace pasar un fluido.
El conducto puede tener cualquier tipo de
sección.
El fluido de trabajo, normalmente un gas, puede
estar en régimen compresible incompresible, a temperatura ambiente
o a alta temperatura como resultado e un proceso de combustión.
En el interior del conducto se encuentra situado
un prisma unido mediante elementos elásticos a las paredes de dicho
conducto.
Normalmente, el eje mayor del prisma es
perpendicular al eje del conducto, aunque también es posible que el
ángulo que formen sea distinto de 90 grados.
La forma de le sección del prisma puede ser
tanto circular como poligonal, regular irregular, de cualquier
número de lados.
Los elementos elásticos pueden ser, pero no
están limitados a, muelles o varillas elásticas. Los elementos
elásticos permiten al prisma oscilar en un plano que contiene a su
eje mayor.
Con la selección de las variables
fluidodinámicas descrita en el rango de operación del
procedimiento, el movimiento del fluido alrededor del prisma excita
de forma resonante la calle de torbellinos de Karman y da lugar a
fuerzas periódicas alrededor del propio prisma. Estas fuerzas
generan un movimiento oscilatorio en el prisma, cuya frecuencia y
amplitud depende de los parámetros de diseño del micromotor y de
dichas variables fluidodinámicas.
El movimiento oscilatorio del prisma se utiliza
para extraer energía del sistema. La conversión de la energía
cinética de oscilación del prisma en energía eléctrica, por
ejemplo, se realiza mediante un microgenerador comercial que no es
objeto de la presente invención.
La presente invención puede ser aplicada en
diferentes campos y, en concreto puede ser empleada para la
propulsión de sistemas microelectromecánicos y microrobots,
actuación de microactuadores, generación de energía para
microsistemas y microvehículos aéreos.
La presente invención se ilustra adicionalmente
mediante el siguiente ejemplo, que no es limitativo de su
alcance.
Fluido de trabajo: aire comprimido a 1000000 Pa
(10 atmósferas) y temperatura ambiente.
Velocidad del aire: 0.4 m/seg.
Gasto de aire: 0.002 kg/seg (2 gramos/seg).
Número de Mach: 0.001
Conducto de sección cuadrada de lado 0.006 m (6
mm), cuya longitud es 0.030 m (30 mm).
El eje del conducto está situado en posición
horizontal.
Prisma oscilante de sección también cuadrada de
lado 0.001 m (1 mm), cuya longitud es 0.005 m (5 mm) de modo que
queda una tolerancia de 0.0005 m 0.5 mm) entre los extremos del
prisma y las paredes del conducto.
Número de Reynolds basado en el diámetro máximo
de la sección transversal del prisma: 350.
El eje principal del prisma está situado en
posición horizontal y perpendicular al eje del conducto, de modo
que oscila en el plano vertical.
Rigidez de los elementos elásticos: 0.006
Nw/m.
Fuerza máxima en dirección vertical que aparece
como consecuencia de la aparición de la calle de torbellinos de
Karman: 0.00001 Nw.
Frecuencia de oscilación del prisma: 70 Hz (70
ciclos/seg).
Claims (3)
1. Procedimiento para la extracción de energía
de un fluido de trabajo caracterizado por estar basado en la
excitación resonante de la calle de torbellinos de Karman cuyas
etapas son:
- -
- preparación de un fluido de trabajo cuyo número de Reynolds, basado en el diámetro máximo de la sección transversal de un prisma alrededor del cual circulará dicho fluido, está en el rango de 0.1 a 10000 y cuyo número de Mach es inferior a 1 y tal que en el movimiento alrededor del prisma no se alcanzan condiciones sónicas
- -
- inyección del fluido en un conducto que alberga en su interior un prisma de sección poligonal unido a las paredes del canal mediante elementos elásticos
- -
- puesta en circulación del fluido alrededor de dicho prisma cuyo eje mayor forma con el eje del canal un ángulo comprendido entre 45 y 90 grados
- -
- formación automática debida a la topología del campo fluido de la calle de torbellinos de Karman
- -
- generación de una oscilación resonante basada en el acoplamiento fluido- térmico-mecánico de las fuerzas generadas por la calle de torbellinos de Karman con la oscilación del prisma y de los elementos elásticos, cuyo sistema masa-rigidez-amortiguamiento tiene una frecuencia natural que está en el rango de entre 0.01 y 1000 veces la frecuencia asociada al número de Strouhal de las fuerzas de carácter periódico que aparecen en el prisma
- -
- conversión de la energía mecánica de la oscilación del prisma en energía eléctrica mediante en uso de un generador o microgenerador.
2. Un aparato micromotor concebido para la
puesta en práctica del procedimiento descrito en la reivindicación
1 caracterizado por estar formado por los siguientes
elementos:
- -
- conducto sellado de sección constante o variable de forma circular o poligonal de 3 o más lados por el que se hace circular un fluido de trabajo cuyas variables fluidodinámicas están descritas en la reivindicación 1
- -
- prisma de sección poligonal regular o irregular de 3 o más lados situado en el interior del conducto y unido a las paredes del mismo mediante elementos elásticos, cuyo eje mayor forma con el eje del conducto un ángulo comprendido entre 45 y 90 grados
- -
- elementos elásticos que permiten la oscilación del prisma en un plano que contiene a su eje mayor y cuya frecuencia natural asociada al sistema masa-rigidez-amortiguamiento del conjunto prisma-elementos elásticos está comprendida en el rango paramétrico especificado en la reivindicación 1
- -
- un microgenerador cuya misión es convertir la energía mecánica de la oscilación del prisma en energía eléctrica
3. Uso del procedimiento descrito en la
reivindicación 1 y del aparato micromotor descrito en la
reivindicación 2 caracterizado por su aplicación en los
siguientes campos:
- -
- propulsión de sistemas microelectromecánicos y microrobots
- -
- actuación de microactuadores
- -
- generación de energía para microsistemas
- -
- microvehículos aéreos.
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| ES200500558A ES2276582B2 (es) | 2005-03-09 | 2005-03-09 | Procedimiento y aparato micromotor para la extraccion de energia de un fluido utilizando la excitacion de la calle de torbellinos de karman. |
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|---|---|---|---|---|
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-
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- 2005-03-09 ES ES200500558A patent/ES2276582B2/es active Active
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| Publication number | Publication date |
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