ES2287550T3 - Aparato de turbina y metodo. - Google Patents
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- Y02E10/70—Wind energy
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Abstract
Un aparato de turbina (10) para captar energía de una corriente de fluido, comprendiendo dicho aparato: un cubo (20) de un rotor; al menos un brazo de par (12) conectado a dicho cubo (20) de rotor; al menos dos álabes de turbina (14) conectados a dicho brazo de par (12), en que cada álabe de turbina tiene mitades primera y segunda (16, 18), conectadas en oposición a dicho brazo de par (12); y un sistema de coordinación (46) conectado a al menos dos álabes de turbina (14), en que el sistema de coordinación (46) comprende un primer sistema (48) conectado para controlar la apertura y el cierre de las mitades primera y segunda (16, 18) de cada álabe de turbina (14) individual, estando dicho primer sistema (48) encerrado dentro de un espacio formado por los al menos dos álabes de turbina (14) a continuación del cierre; caracterizado porque: a. los al menos dos álabes de turbina (14) están dispuestos por pares, y cada álabe de turbina (14) de un par está dispuesto en los extremos opuestos de un brazo de par (12); y b. el sistema de coordinación (46) comprende un segundo sistema (52) conectado entre cada par de los álabes de turbina (14) para cerrar un álabe de turbina (14) mientras se abre el álabe de turbina (14) opuesto.
Description
Aparato de turbina y método.
Este invento se refiere a un aparato y un método
de turbina mejorados. En particular, este invento se refiere a un
aparato de turbina para captar energía de una corriente de fluido.
Además, este invento se refiere a un aparato de turbina eólica.
Han sido desarrollados gran diversidad de
dispositivos de turbina con objeto de extraer la energía de una
corriente de fluido que esté circulando. Los antiguos molinos de
agua y molinos de viento son testigos del interés del hombre desde
la antigüedad en facilitar la carga del trabajo manual, aprovechando
para ello la fuerza de los fluidos en movimiento, Los intentos del
hombre para obtener energía útil tomándola del viento y del agua
han cubierto un amplio espectro de métodos y aplicaciones.
Históricamente, y únicamente a modo de ejemplo, que no de
limitación, gran parte del progreso ha tenido lugar como resultado
de la experiencia del hombre con los barcos de vela. En los
primeros intentos de captar la energía del viento en tierra se
utilizaron velas hechas de tela y estiradas sobre unos ciertos
armazones de madera para presentar una superficie mayor y más
ligera para que reaccionase con el aire en movimiento. Se han
desarrollado dos categorías de turbinas eólicas básicos en los que
se clasifican todos los esfuerzos hechos hasta la fecha para
recuperar la energía de los fluidos en movimiento, tal como
del
aire.
aire.
La primera y más antigua de esas categorías es
la que tiene como característicos dispositivos que simplemente
ocupan espacio en la corriente del viento y obtienen la energía del
impacto de las moléculas del aire sobre su superficie. A estos se
les denomina como dispositivos del tipo de "resistencia". La
resistencia es una fuerza que resulta de la acción de los álabes de
turbina para disminuir la velocidad del viento por obstrucción.
Algo de la energía cinética que poseen las moléculas del aire en
virtud de tener tanto una masa como una velocidad, se transfiere al
álabe de turbina eólica a través de una colisión en la cual se
disminuye la velocidad de la molécula de aire y se acelera la del
álabe de
turbina.
turbina.
Históricamente, las turbinas eólicas del tipo de
resistencia han utilizado una cierta configuración fija de los
álabes de turbina que presentaban dos aspectos diferentes de la
corriente del viento, dependiendo de qué orientación era presentada
al viento. El valor diferencial de las fuerzas de resistencia
operando sobre las dos configuraciones diferentes es el responsable
del momento del par de torsión o fuerza de giro de la turbina. En
las turbinas del tipo de resistencia de la técnica anterior, la
diferencia de fuerzas de resistencia era pequeña, debido a que el
área de la sección transversal presentada al viento era la misma en
ambas direcciones, y solamente variaba mucho la configuración
(cóncava o convexa). Otra característica típica de la mayoría de
los dispositivos de resistencia de la técnica anterior es el de un
brazo de momento acortado para cada álabe de turbina. La velocidad
de rotación ha sido siempre un valor cotizado, y aumentando el brazo
de momento se reduce ese valor puesto que el mismo aumenta el
par.
Un ejemplo de un dispositivo del tipo de
resistencia de la técnica anterior corriente, es el del anemómetro
usado para medir la velocidad del viento. En la mayoría de los
anemómetros, se montan semiesferas huecas sobre brazos que conectan
con un eje, el cual gira al reaccionar la corriente del viento con
las semiesferas en cada lado del eje de rotación. Debido a su
orientación opuesta con respecto a la corriente del viento, hay una
diferencia entre la fuerza de la resistencia en un lado y en el
otro, con respecto al eje alrededor del cual son libres de girar.
Esta diferencia de resistencia da por resultado un par de torsión
alrededor del eje y las copas giran alrededor del eje, debido a ese
par de torsión. Aunque todos los dispositivos del tipo de
resistencia utilizan una configuración establecida que trata de
optimizar esa diferencia de resistencia utilizando para ello formas
que se mueven libremente a través del viento en una dirección, pero
que cogen el viento cuando se hacen girar en la corriente de
aire.
La segunda y más nueva de las categorías de
dispositivos de turbina incluye aquellos dispositivos que se basan
en una fuerza de "sustentación", que se obtiene por la
interacción del viento con una forma particular o configuración
inherente a la geometría de la vela o del álabe de turbina. La
sustentación se obtiene cuando un perfil aerodinámico,
preferiblemente uno limpio, es decir, estructuralmente
ininterrumpido, separa la corriente del viento en dos partes, las
cuales son obligadas a desplazarse a diferentes velocidades debido a
la forma del perfil. En la parte de la corriente del viento que se
acelera con relación a la parte que se retarda, se induce una
presión de aire más baja. Esta presión disminuida en un lado del
perfil aerodinámico con relación a la del otro, da por resultado
una fuerza normal (perpendicular) a la corriente del viento contra
el lado de alta presión del perfil aerodinámico.
Puesto que los dispositivos de turbina del tipo
de sustentación tienen el potencial de extraer una mayor parte de
la energía de la corriente del viento en virtud del hecho de que no
requieren una colisión de las moléculas de aire con la superficie
de la vela ni con los álabes de turbina, los intentos más recientes
para diseñar turbinas productoras de energía han incorporado ese
principio. Debido a la configuración geométrica de la manera en que
se induce la fuerza de sustentación en un perfil aerodinámico de
sustentación, las turbinas eólicas actuales giran típicamente en un
plano circular que es perpendicular a la corriente del viento, y
giran alrededor de un eje que es paralelo a la corriente del viento.
Puesto que la mayor parte del flujo de aire próximo a la superficie
del terreno es horizontal, eso significa que el plano de rotación de
la turbina eólica debe estar orientado en una posición vertical y
que la energía que se obtiene se produce en el extremo de un eje
horizontal que se origina en el centro de la turbina eólica. Puesto
que la dirección del flujo de la corriente del viento es variable,
el plano de este tipo de operación de la turbina eólica debe ser
también variable, para hacer posible que dé frente continuamente al
viento.
Además, puesto que el plano de rotación de la
turbina eólica es vertical, debe estar soportado por encima de la
superficie del terreno por algún tipo de torre, cuya altura sea al
menos mayor que el radio del plano circular de rotación de la
turbina eólica. Además, esa torre está obligada a ser de un diseño
estructural en voladizo vertical, dado que los cables de atirantar
interferirían con la rotación de los álabes de turbina eólica.
Todavía, además, puesto que el plano de rotación circular de la
turbina eólica es vertical, e igualmente lo es la torre que lo
soporta, cada uno debe estar separado del otro, para evitar la
colisión entre los dos. Estas turbinas crean también una carga
excéntrica en la torre, que aumenta aún más la complicación de su
diseño. Con objeto de equilibrar la carga excéntrica y de hacer un
uso eficiente de la energía disponible en el extremo del eje
horizontal situado en la parte superior de la torre de soporte, la
mayoría de los diseños actuales/de la técnica anterior exigen que
un generador eléctrico y la transmisión de la energía estén montados
en la parte superior de la torre y en el extremo opuesto del eje de
accionamiento horizontal de la turbina eólica. Estos diseños dan
por resultado un peso significativo que debe ser soportado por la
torre, mantenido en equilibrio, y que se debe permitir que gire al
cambiar la dirección del viento. Además, la torre debe también estar
diseñada para resistir el momento de vuelco total producido por la
resistencia al viento de la turbina eólica, el conjunto de cubo y
la propia torre. No solamente tiene que resistir la torre esas
cargas, sino que los cimientos de la torre deben resolver
eventualmente tales cargas por transferencia al terreno que los
rodea. Estos requisitos limitan severamente la altura por encima de
la superficie del terreno a la que pueden funcionar tales
turbinas
eólicas.
eólicas.
Otra limitación importante de la tecnología de
las turbinas actuales es la de la configuración que se requiere de
los álabes de turbina individuales. Tales álabes son perfiles
aerodinámicos que obtienen la sustentación en virtud de su forma,
al pasar el viento a su alrededor. La forma óptima requiere una
longitud de álabe larga, pero una sección transversal de álabe
corta. Esta alta relación de L/D, conjuntamente con el requisito de
mantener la baja masa (peso) que se necesita para una máxima
aceleración, impone límites en conflicto en el diseño de la propia
turbina eólica. Las actuales optimizaciones de estas variables en
conflicto dan por resultado configuraciones de álabes que están
valores críticos o casi críticos en cada categoría de variable, y
que limitan severamente el margen de ambientes de funcionamiento en
que pueden desenvolverse con seguridad las turbinas actuales. Es
decir, que los sistemas de turbina eólica actuales están obligados a
vigilar las variables ambientales, tale como las de ráfagas,
dirección del viento, velocidad del viento, y gradiente transversal
de la velocidad del viento (entre otros), y se establecen para
puesta en bandera o para detención total del funcionamiento, en
caso de que cualquiera de esas variables exceda del margen de
funcionamiento de diseño.
La técnica anterior está repleta de referencias
a patentes de dispositivos de los tipos tanto de resistencia como
de sustentación. Tres de tales patentes son representativas. En la
Patente de EE.UU. Nº 4.264.279 se describe una turbina del tipo de
sustentación. Aunque ese es el diseño del tipo de sustentación, se
utilizan en el mismo perfiles aerodinámicos montados
horizontalmente sobre un eje vertical. Aparentemente, funciona como
lo hace un autogiro, ya que se cita como una de sus características
la de auto arranque. La Patente de EE.UU. Nº 4.377.372 es
ilustrativa de las patentes del tipo de resistencia de la técnica
anterior. En este dispositivo se hace uso de placas planas que
están articuladas en el centro para alterar los perfiles presentados
al viento. Las placas articuladas se abren por gravedad y se
cierran por la fuerza del viento únicamente. La Patente de EE.UU.
Nº 5.823.749, es también para un dispositivo del tipo de
resistencia. En este dispositivo se utilizan álabes de tela, debido
a consideraciones de peso, lo que hace que sea inapropiado para
ambientes de alta velocidad del viento. No obstante, el invento
presenta una mejora según la cual los álabes opuestos están
enlazados por cuerdas. Por consiguiente, cuando se abre un álabe por
gravedad, la cuerda unida al mismo tira del álabe opuesto,
cerrándolo.
Otro ejemplo de la técnica anterior relacionada,
es el conocido del documento US-A-5
118 255.
En resumen, entre los inconvenientes de las
turbinas conocidas en la técnica, y en particular de las turbinas
eólicas conocidas en la técnica, se incluye el de la necesidad de
una construcción ligera, y por lo tanto frágil, y la consiguiente
incapacidad para sacar partido de los considerablemente más
productivos ambientes de la alta velocidad del viento. Además,
excepto por lo que se refiere a los rudimentarios dispositivos de
cordón/cuerda, no existe coordinación alguna entre los álabes que
reciben el viento, para así hacer posible una apertura y un cierre
controlados de los álabes en todas las condiciones de viento, y no
se ha previsto en absoluto coordinación alguna de los múltiples
álabes eólicos. Todavía, además, los dispositivos de la técnica
anterior deben ser parados cuando los vientos excedan de los límites
de diseño, o cuando existan condiciones de ráfagas de viento.
Por consiguiente, hay en la técnica la necesidad
de proporcionar una turbina susceptible de ser usada en condiciones
extremas, de construcción robusta, eficiente y económica en su
diseño, y en la que los álabes individuales de la turbina estén
conectados a otros álabes de turbina y sus movimientos estén
coordinados. Es por lo tanto un objeto de este invento el de
proporcionar un sistema de turbina mejorado para captar la energía
de una corriente de fluido. En particular, es un objeto de este
invento el de proporcionar un aparato de turbina eólica mejorado y
un método para el funcionamiento en condiciones de altura en el aire
y de viento a ráfagas.
La solución para lograr este objeto se da en las
reivindicaciones 1 y 6.
En consecuencia el aparato de turbina para
captar energía de una corriente de fluido de acuerdo con el presente
invento está definido por las características de la reivindicación
1.
Un método para captar energía de una corriente
de fluido con un aparato de turbina está definido por las
características de la reivindicación 6.
Otros objetos, características y ventajas del
presente invento se pondrán mejor de manifiesto a la vista de la
descripción detallada que sigue de la realización preferida, de las
reivindicaciones anexas y de los dibujos que se acompañan, en los
cuales:
La Figura 1 es una vista en perspectiva de
acuerdo con una realización preferida del aparato de turbina del
presente invento;
La Figura 2 es una vista en perspectiva lateral
de detalle de los álabes de la turbina de concha de almeja de
acuerdo con una realización del presente invento, en la que se han
representado dos pares de álabes de turbina situados en oposición,
unidos a dos brazos de par;
La Figura 3 es una vista en perspectiva de un
solo álabe de turbina;
La Figura 4a es una vista lateral del álabe de
turbina de concha de almeja de acuerdo con una realización del
presente invento, en la posición de abierto, y la Figura 4b es una
vista lateral del álabe de turbina de concha de almeja de la Figura
4a, en la que se ha representado el álabe de turbina de concha de
almeja en la posición de cerrado;
La Figura 5 es una vista en alzado del mecanismo
de álabe de turbina mirando en el sentido del viento;
La Figura 6 es una vista por arriba del brazo de
par con las mitades de álabe de turbina retiradas para mostrar los
cojinetes lineales y el cilindro hidráulico de acuerdo con una
realización del invento; y
La Figura 7 es una vista en corte esquemática
del sistema hidráulico de bucle cerrado, de acuerdo con una
realización del presente invento.
La realización preferida del presente invento se
ha ilustrado a modo de ejemplo en las Figuras 1-7.
Con referencia específica a la Figura 1, el aparato de turbina 10
de acuerdo con una realización del presente invento incluye el
brazo de par 12 y un par de álabes de turbina 14, preferiblemente de
concha de almeja simétrica. Los álabes de turbina 14 incluyen la
mitad superior 16 y la mitad inferior 18, las cuales, cuando están
en la posición de cerradas, presentan una forma aerodinámica
currentilínea al fluido, Es decir, que las mitades 16 y 18 están
unidas al brazo de par 12 en el interior de las mitades, de tal modo
que las conexiones están cubiertas con la forma aerodinámica cuando
están cerradas, dejando el exterior libre y sin obstáculos, como se
verá aquí con más detalle en lo que sigue. Además, en una
realización preferida, la mitad superior 16 y la mitad inferior 18
de los álabes de turbina 14 de concha de almeja son simétricas cada
una con imagen de espejo de la otra.
Como se ha ilustrado en la Figura 1, un par de
brazos de par 12 soportan dos pares de álabes de turbina situados
en oposición 14, de acuerdo con una realización preferida del
invento. Los brazos de par 12 están conectados al cubo 20 del rotor
en el centro del brazo de par 12, y al eje de accionamiento de
transmisión del par vertical 22 por medio del cubo 20 del rotor. El
eje de accionamiento 22 está soportado dentro de la torre 24 de
celosía de alma abierta. La torre 24 está soportada por cables de
atirantar 26, y los cables de atirantar 26 están asegurados al
terreno 28 mediante anclajes 30 en el terreno.
El eje de accionamiento 22 discurre desde la
parte superior 32 de la torre 24 hasta la base 34 de la torre 24.
En la base 34, la toma de fuerza 36 conecta el eje de accionamiento
22 con el dispositivo accionado 38. De acuerdo con una realización
del invento, el dispositivo accionado 38 es una bomba volumétrica
positiva. De acuerdo con otra realización, el dispositivo
accionado/bomba volumétrica positiva 38 está conectado al colector
40 para proporcionar una salida constante de la bomba volumétrica
positiva.
En la Figura 1 se han representado los álabes de
turbina 14 en la posición 42 de abiertos y en la posición 44 de
cerrados. Por cada par de álabes de turbina 14, un álabe de turbina
está abierto y/o abriendo, mientras que el álabe de turbina 14
opuesto está cerrado y/o cerrando.
El sistema de coordinación 46 se ha representado
también en general en la Figura 1 y se expondrá con más detalle
aquí en lo que sigue. De acuerdo con una realización del invento, el
sistema de coordinación 46 incluye un primer sistema 48 para
controlar el movimiento de apertura y de cierre de la mitad superior
16 y de la mitad inferior 18 de cada álabe de turbina 14. De
acuerdo con una realización, el primer sistema 48 incluye un par de
cojinetes lineales 50 conectados a la mitad superior 16 y a la mitad
inferior 18 de los álabes de turbina 14, y al brazo de par 12, como
se describirá con más detalle con referencia a las Figuras
2-5.
El sistema de coordinación 46 incluye un segundo
sistema 52. El segundo sistema 52 conecta los pares situados en
oposición de álabes de turbina 14 de concha de almeja de modo que al
cerrarse un álabe de turbina 14 de concha de almeja, se abre el
álabe de turbina 14 de concha de almeja opuesto. De acuerdo con una
realización del invento, el segundo sistema 52 incluye un sistema
hidráulico de bucle cerrado, como se expondrá aquí con más detalle
en lo que sigue, con referencia a la Figura 7.
De acuerdo con una realización preferida, el
aparato de turbina 10 del presente invento está diseñado para
operar por encima de la turbulencia originada por efecto del terreno
que afecta a la mayoría de los dispositivos de la técnica anterior.
En una realización preferida, el aparato de turbina 10 del presente
invento soporta los álabes de turbina 14 de concha de almeja en
aire de altura, a más de 100 metros por encima del terreno 28.
Con referencia ahora a la Figura 2, se ha
representado en ella mediante la flecha 54 el viento que viene desde
la izquierda hacia la derecha. El aparato de turbina 10 está
girando en el sentido de la flecha 56. Se han representado dos
pares de álabes de turbina 14, con cada par conectado a un brazo de
par 12. Cada álabe de turbina separado 14 está conectado al brazo
de par 12 opuesto de otro álabe de turbina 14. Es decir, que el par
A1-A2 de álabes de turbina 14 están conectados al
brazo de par 12A3, mientras que el par B1-B2 está
conectado al brazo de par 12B3. Los álabes de turbina 14 que se
mueven contra el viento, o en sentido contrario al del viento,
están en la posición 44 de cerrados. Esos son los álabes de turbina
14 A1 y B1. En esa configuración de "contra el viento", los
álabes de turbina 14 de concha de almeja, puesto que han sido
formados simétricamente, cierran juntos perfectamente. Es decir,
que la mitad superior 16 es la imagen de espejo de la mitad inferior
18. Como resultado, no hay partes en voladizo ni protuberancias que
creen una resistencia innecesaria en la condición de en contra del
viento. De hecho, en una realización preferida, los álabes de
turbina 14 de concha de almeja son de configuración currentilínea y
no tienen conexiones expuestas en la posición 44 de cerrados, de
modo que ofrecen una resistencia mínima al movimiento a través de
una corriente de fluido, de aire o de agua, o similar. En otra
realización preferida, la configuración currentilínea es una forma
de perfil aerodinámico de la forma aproximada de una lágrima, como
se ha ilustrado en la Figura 2, donde los álabes de turbina 14 de
concha de almeja están en la posición de cerrados 44. Esta forma de
lágrima del perfil aerodinámico, incluye un borde ataque 58 mayor y
un borde de salida en cuña 60.
De acuerdo con una realización del invento,
cuando uno de un par de álabes de turbina 14 está en la posición de
cerrado 44, el álabe de turbina 14 opuesto está en la posición de
abierto 42. Como se ha ilustrado en la Figura 2, esto significa que
cuando los álabes de turbina 14 A1 y B1 están en la posición 44 de
cerrados, los álabes de turbina 14 A2 y B2 están en la posición de
abiertos 42.
Se han representado más detalles del sistema de
coordinación 46 también en la Figura 2. El primer sistema 48
incluye un par de cojinetes lineales 50 conectados al soporte de
cojinete 62 de movimiento lineal. El soporte de cojinete 62 de
movimiento lineal está conectado al brazo de par 12. Un par de
varillas de control 64 están conectadas a cada cojinete lineal 50
por un extremo, y a la mitad superior 16 y a la mitad inferior 18
por los otros extremos, como se ha ilustrado. El segundo sistema 52
se ha ilustrado también en parte con respecto al cilindro
hidráulico 66. El segundo sistema 52 y el cilindro hidráulico 60 se
describen con más detalle con respecto a la Figura 7. En la Figura
3 se han representado estos elementos con mayor detalle.
Con referencia ahora a las Figuras 4a y 4b, en
la Figura 4a se ha representado un álabe de turbina 14 de acuerdo
con una realización del invento, en la posición 42 de abierto. El
álabe de turbina 14 incluye el borde de ataque 58 conectado al
brazo de par 12 por la conexión 70. En esa posición de abierto 42,
el borde de ataque 58 está a favor del viento en la dirección del
fluido, el viento, moviéndose de izquierda a derecha en la
dirección de la flecha 54. La mitad superior 16 y la mitad inferior
18 se han representado conectadas por las conexiones 72 a lados
opuestos del brazo de par 12. De acuerdo con una realización, las
conexiones 72 son articulaciones movibles,
giratorias.
giratorias.
Las varillas de control 64 conectan la mitad
superior 16 y la mitad inferior 18 al cursor 74. Las conexiones
articuladas 76 unen las varillas de control 64 al álabe de turbina
14, y las conexiones articuladas 78 conectan las varillas de
control 64 al cursor 74. Como se ha ilustrado claramente en las
Figuras 2 y 3, de acuerdo con una realización del invento, un par
de varillas de control 64 están unidas como se acaba de describir a
cada uno de los dos cojinetes lineales 50.
El cojinete lineal 50 está conectado al brazo de
par 12. El cojinete lineal 50 es cualquier cojinete lineal ahora
conocido o que se desarrolle después. El cursor 74 está unido a las
varillas 80 de cojinete de movimiento lineal. Las varillas 80 de
cojinete de movimiento lineal están conectadas al soporte 62 de
cojinete de movimiento lineal. De acuerdo con una realización, como
se ha ilustrado en la Figura 5, el cilindro hidráulico 66 está
conectado al brazo de par 12 entre los cojinetes 60 de movimiento
lineal. Como se ha ilustrado más claramente en la Figura 7, el
cilindro hidráulico 66 incluye la envuelta 84 y la varilla
hidráulica extensible 86. El cursor 74 está también conectado a la
varilla hidráulica extensible 86.
El bastidor estructural 82 soporta los álabes de
turbina 14 en su forma aerodinámica, de perfil aerodinámico. Como
se ha ilustrado en la Figura 4a, las mitades simétricas 16 y 18
están en la posición 42 de abiertas y recogen el fluido, el viento,
el agua, y similares, que se muevan de izquierda a derecha en la
dirección de la flecha 54. De nuevo, como se ha ilustrado en las
Figuras 1 y 2, cuando un álabe de turbina 14 de un par de álabes de
turbina está en la posición 42 de abierto, el álabe de turbina 14
conectado al extremo opuesto de un brazo de par 12 está en la
posición 44 de cerrado, como se ha ilustrado en la Figura 4b.
De acuerdo con una realización preferida, cuando
los álabes de turbina 14 están en la posición 44 de cerrados, no
hay expuesta al flujo de fluido estructura de soporte alguna. Con el
flujo de fluido moviéndose de derecha a izquierda en la dirección
de la flecha 54 en la Figura 4b, se presenta una superficie lisa,
aerodinámica ininterrumpida. Esta estructura reduce grandemente la
resistencia y aumenta el rendimiento del álabe de turbina del
Solicitante.
La Figura 4b y la Figura 7 ilustran la operación
del primer sistema 48 en el que la varilla hidráulica extensible 86
del cilindro hidráulico 66 se ha extendido de tal modo que el cursor
74 se mueve a lo largo de las varillas 80 de cojinete de movimiento
lineal, tirando con ellas de las varillas de control 64. Las
varillas de control 64 están dobladas dentro de los álabes de
turbina 14 plegados. Cuando están en la posición 44 de cerrados,
todos los elementos considerados con respecto a la Figura 4a están
cubiertos por la mitad superior 16 y la mitad inferior 18 del álabe
de turbina 14. El primer sistema 48 controla el movimiento de las
mitades superior e inferior 16 y 18, de tal modo que éstas se abren
y se cierran suavemente y con precisión al desplazar las varillas
de control 64 hacia arriba y hacia abajo a las varillas de cojinete
de movimiento lineal al unísono con el cursor 74. Aunque la
velocidad de funcionamiento de los álabes de turbina 14 puede ser
controlada de otras formas, que se consideran aquí con más detalle
en lo que sigue con respecto al segundo sistema 52 y a un regulador
de la velocidad de rotación, el primer sistema 48 es también
controlable, variando para ello la facilidad con que el cursor 74
tiene libertad para moverse hacia arriba y hacia abajo de las
varillas 80 de cojinete de movimiento lineal, únicamente como
ejemplo. Además, de acuerdo con una realización preferida, los dos
pares de varillas de control 64 anclan efectivamente las mitades
superior e inferior 16 y 18 contra cualquier movimiento lado a lado
y/o de torsión en la corriente de fluido.
Con referencia ahora a la Figura 5, se ha
representado en ella una vista de un solo álabe de turbina 14 en la
posición 42 de abierto y mirando en el sentido del viento al
interior del álabe de turbina 14. Se ha representado aquí la
disposición de acuerdo con una realización del invento, en la que
dos pares de varillas de control 64 están conectadas mediante
conexiones articuladas 76 a dos cojinetes 50 de movimiento lineal
por medio del cursor 74. Los dos cojinetes 50 de movimiento lineal
están conectados uno a cada lado del cilindro hidráulico 66.
También se han representado nervios de refuerzo 88 situados en el
interior de la mitad superior 16 y de la mitad inferior 18, de tal
modo que cuando el álabe de turbina 14 está en la posición 44 de
cerrado, los nervios 88 no están expuestos a la corriente de
fluido.
La Figura 6 es una vista por arriba de la Figura
5 con el álabe de turbina 14 y las varillas de control 64
retirados. De nuevo, la disposición de acuerdo con una realización
del invento se ha representado incluyendo el bastidor de soporte 62
de movimiento lineal. Como se ha ilustrado, el soporte 62 está
conectado al brazo de par 12 y los cojinetes lineales 50 y el
cilindro hidráulico 66 están situados entre los dos brazos 90 y 92
del soporte 62. La tapa 94 del soporte 62 ancla los extremos de las
varillas de cojinete 80 de movimiento lineal, como se vio
anteriormente.
Con referencia ahora a la Figura 7, el segundo
sistema 52 incluye, de acuerdo con una realización del invento, un
cilindro hidráulico 66 conectado a los extremos opuestos de un brazo
de par 12. El brazo de par 12 gira alrededor del centro de rotación
96 en la dirección de la flecha 98 con el viento desde la dirección
de la flecha 54, únicamente con el fin de que sirva de ejemplo.
Cada cilindro hidráulico 66 está conectado como se vio en lo que
antecede al brazo de par 12 entre la mitad superior 16 y la mitad
inferior 18 del álabe de turbina 14. Además, la línea hidráulica
100 conecta el cilindro hidráulico 66 A1 con el cilindro hidráulico
66 A2. La línea hidráulica 100 lleva fluido hidráulico en un bucle
cerrado entre el cilindro hidráulico 66 A1 y el cilindro hidráulico
66 A2.
En la Figura 7 se han representado el cilindro
hidráulico 66 A1 con la varilla hidráulica extensible 86 en una
posición 102 de extendida, y el cilindro hidráulico 66 A2 con la
varilla hidráulica extensible 86 en una posición 104 de recogida.
Puesto que la línea hidráulica 100 forma un bucle cerrado entre los
cilindros hidráulicos 66 A1 y A2, el movimiento de una varilla
hidráulica extensible 86 produce el movimiento de la otra varilla
hidráulica 86. Es decir, que el movimiento de la varilla hidráulica
extensible 86 desde la posición 102 de extendida a la posición 104
de recogida en el cilindro hidráulico 66 A1, hace que la varilla
hidráulica extensible 86 en el cilindro hidráulico 66 A2 se mueva
desde la posición 104 de recogida a la posición 102 de extendida, y
a todas las posiciones entre ellas. Puesto que el cursor 74 está
conectado a cada varilla hidráulica extensible 86 en un par de
álabes de turbina 14, los álabes de turbina 14 están coordinados y
controlados en su apertura y en su cierre por medio del sistema de
coordinación 46, que incluye el primer sistema 48 y el segundo
sistema 52.
En la Figura 7 se ha ilustrado también un
sistema de regulación 106. El sistema de regulación 106 está
conectado al segundo sistema 52 de modo que regula la apertura y el
cierre de los álabes de turbina 14. De acuerdo con una realización,
el sistema de regulación incluye una válvula manual 108. La válvula
manual 108, como se ha ilustrado, está conectada a la línea
hidráulica 100 e incluye la palanca operante 110. Moviendo la
palanca operante 110 como es conocido en la técnica, se puede
reducir o detener por completo el flujo de fluido hidráulico en la
línea hidráulica 100. Por consiguiente, el sistema de regulación
106, de acuerdo con esta realización, capacita a un usuario para
detener por completo el flujo de fluido hidráulico, de modo que se
paralicen los álabes de turbina 14 contra rotación mientras está
siendo instalado el aparato de turbina 10 en la parte superior de
la torre 24, únicamente para que sirva de ejemplo.
De acuerdo con otra realización, el sistema de
regulación 106 incluye una válvula 112 accionable a distancia. La
válvula 112 accionable a distancia puede ser de cualquier tipo de
válvula ahora conocido o que se desarrolle después, incluyendo,
únicamente como ejemplo, una válvula de solenoide electrónica. La
válvula 112 accionable a distancia puede servir para la misma
función que la válvula manual 108. Además, la válvula 112 accionable
a distancia puede servir también como un regulador de la velocidad
de rotación. En esa capacidad, un usuario acciona a distancia la
válvula 112 para reducir el flujo de fluido hidráulico a través de
la línea hidráulica 100 hasta que la apertura y el cierre de los
álabes de turbina 14 sean los adecuados para la velocidad del flujo
de fluido. Por ejemplo, en situaciones de viento fuerte o a ráfagas,
la válvula 112 accionable a distancia capacita a un usuario para
ampliar el tiempo que se invierte en abrir y cerrar los álabes de
turbina 14, reduciendo con ello efectivamente la velocidad con la
que giran los mismos. Los mecanismos para alimentar de energía y
operar la válvula 112 accionada a distancia están bien dentro del
alcance de quienes posean los conocimientos corrientes de la
técnica.
Con referencia de nuevo a la Figura 1, otro
regulador de la velocidad de rotación de acuerdo con una realización
del invento incluye la toma de fuerza (PTO) de conexión 36 para el
eje de accionamiento de transmisión del par vertical 22. El usuario
selecciona después un dispositivo 38 accionado, convenientemente
dimensionado, y lo conecta a la PTO 36. Tal como aquí se usa, se
entiende por "convenientemente dimensionado" que tenga un
tamaño tal que la carga situada sobre el eje de accionamiento 22 por
el dispositivo accionado 38 se adapte a la carga situada sobre el
dispositivo accionado 38 mediante el eje de accionamiento 22. De
esta manera, se puede controlar la velocidad de rotación del
aparato de turbina 10. Se puede obtener una carga apropiada con un
mínimo cálculo por quienes posean los conocimientos corrientes de la
técnica, de modo que se acomode a varios ambientes de fluido.
De acuerdo con otra realización, el dispositivo
accionado 38 es una bomba volumétrica positiva para bombear agua.
De acuerdo con otra realización, un colector 40 está conectado a la
bomba volumétrica positiva para regular la salida de la bomba de
modo que se proporcione una fuente de entrada constante a un
dispositivo de generación de potencia (no representado).
A modo de explicación adicional, al girar los
álabes de turbina de concha de almeja 14 contra el viento, la mitad
superior 16 y la mitad inferior 18 son presionadas juntas. El fluido
hidráulico se mueve a través de las líneas hidráulicas 100 de modo
que un álabe de turbina de concha de almeja 14 situado en oposición
es obligado a abrirse mediante el otro es llevado a cerrarse. Es
importante hacer notar que el sistema hidráulico de bucle cerrado
amortigua la acción de apertura y de cierre de los álabes de turbina
14 de concha de almeja. Es decir, que tanto cuando se abre como
cuando se cierra, el proceso puede ser regulado como se ha visto en
lo que antecede, para que se mueva tan rápida o tan lentamente como
lo desee el operador. Ciertamente, la velocidad de funcionamiento
está dentro del control del operador por cualesquiera medios ahora
conocidos o que se desarrollen después. Por ejemplo, la velocidad
de movimiento puede ser regulada también simplemente seleccionando
fluidos hidráulicos de viscosidad variable.
De acuerdo con una realización preferida, se han
previsto, por ejemplo, cuatro álabes de turbina 14, como se ha
ilustrado en la Figura 1, por ejemplo. En esta realización, un
cilindro hidráulico 66 está conectado a cada álabe de turbina 14 de
concha de almeja, proporcionando con ello dos líneas hidráulicas
separadas 100 para coordinar y controlar con suavidad la apertura y
el cierre de los lados opuestos de los álabes de turbina 14 de
concha de almeja. De nuevo, el segundo sistema 52 garantiza que
cuando un álabe de turbina 14 de concha de almeja está
completamente abierto, el otro álabe de turbina concha de almeja 14,
situado directamente en oposición, está cerrado por completo. Es
importante hacer notar que todas las posiciones desde la de
totalmente cerrado hasta la de totalmente abierto están también
coordinadas de forma controlada por el segundo sistema 52. Es
decir, que cualquiera que sea el tanto por ciento con respecto a
completamente abierto en que pueda estar un álabe de turbina de
concha de almeja 14, el álabe de turbina de concha de almeja 14
situado en oposición
\hbox{estará en el mismo tanto por ciento
con respecto a la posición de cierre.}
En la Figura 1 se ha ilustrado también una
realización preferida del presente invento en la que los álabes de
turbina de concha de almeja 14 están situados en oposición en los
brazos de par 12, y están situados simétricamente alrededor del
cubo 20 del rotor. Además, está claro, a la vista de esta
ilustración, que en una realización preferida, los álabes de
turbina 14 de concha de almeja están orientados en un plano
horizontal y están situados simétricamente alrededor de un eje
vertical. Esto permite el uso de una torre 24 de peso ligero, con
cables de atirantar 26 eficientes, que resistan el momento de
vuelco inducido por el viento. Puesto que la velocidad del viento
tiende a variar en estratos horizontales cerca de la superficie del
terreno, el aparato de turbina 10, situado encima del aire con
efecto de terreno variable, queda totalmente dentro de aire a la
altura óptima diseñada.
A modo de explicación adicional, la potencia del
aparato de turbina 10 es entregada como un momento de par alrededor
del eje de accionamiento vertical 28. Esto permite que la fuerza sea
entregada en la base 34 de la torre 24, en vez de serlo en la parte
superior 32. De hecho, todos y cada uno de los engranajes de
transmisión, generadores, bombas y compresores, pueden ser situados
en la base 34 de la torre del invento del Solicitante, en vez de
situarlos en lo alto, reduciéndose así el peso que haya de ser
soportado por la torre 24.
Como se vio anteriormente, se ha previsto un
"regulador de la velocidad de rotación" mediante la adaptación
de la carga impuesta sobre el aparato de turbina 10 a los requisitos
del aparato de turbina 10. En condiciones de viento fuerte, se
aplica más carga. En condiciones de viento flojo, se requiere menos
carga. Cualesquiera medios ahora conocidos o que se desarrollen
después para aplicar una carga variable son apropiados para los
fines del invento, y están dentro de las capacidades de quienes
posean los conocimientos corrientes de la técnica. Lo que interesa
es que puesto que el aparato de turbina 10 opera en respuesta al
impacto que hace el viento sobre la superficie de los álabes de
turbina 14, la velocidad de rotación de los álabes de turbina 14
puede tener cualquier valor comprendido entre cero y la velocidad
actual del viento u otro fluido en movimiento. Se ha determinado
que se extrae una potencia óptima cuando la velocidad del aparato de
turbina 10/álabes de turbina 14 se mantiene en un valor que sea
igual a aproximadamente una tercera parte de la velocidad del
viento. Aunque el par de arranque máximo se obtiene con los álabes
de turbina 14 en reposo, no se puede hacer ningún trabajo ni
extraer ninguna energía a menos que haya movimiento. Por lo tanto,
proyectando cuidadosamente el área y la extensión de los álabes de
turbina 14 y adaptándolos a una carga debidamente ajustada, el
dispositivo accionado 38, por ejemplo, cuya curva de potencia se
adapte a la de diseño del aparato de turbina 10, se puede mantener
el rendimiento del aparato de turbina 10 en los niveles óptimos en
todas las condiciones de funcionamiento, de tal modo que el brazo
de par gire dentro de un margen óptimo.
En resumen, el aparato de turbina 10, de acuerdo
con una realización del presente invento, es un aparato de turbina
de eje vertical que utiliza álabes de turbina 14 articulados, los
cuales operan en un plano horizontal, para optimizar la diferencia
en la fuerza de resistencia generada por los álabes de turbina 14 al
experimentar éstos ciclos desde una configuración de contra el
viento, aplastada y currentilínea, a una configuración a favor del
viento de abiertos y acopados.
En la carrera de potencia a favor del viento, el
álabe de turbina 14 se abre para presentar un área superficial
máxima sobre la que se aplique el viento, dando por resultado una
fuerza de par alrededor de un eje vertical. En la carrera contra el
viento, el álabe de turbina 14 se pliega a su configuración
currentilínea, proporcionando sustentación y disminuyendo al mínimo
su resistencia y su correspondiente pérdida de energía. De hecho, el
aparato de turbina del Solicitante combina los beneficios de los
diseños tanto de "resistencia" como de "sustentación" de
perfil aerodinámico, como se vio aquí.
Además, el aparato de turbina 10 es simétrico
alrededor de un eje vertical y, preferiblemente, contiene un número
par de álabes de turbina 14, con cada carga de gravedad del álabe
equilibrada exactamente por su correspondiente opuesto. Deberá ser
sin embargo evidente, para quienes sean los conocimientos corrientes
de la técnica, que también se podrían acomodar mediante el invento
un número impar de álabes de turbina.
Los álabes de turbina opuestos, los álabes de
concha de almeja, 14, están enlazados y regulados por un sistema
hidráulico de bucle cerrado que garantiza que cuando uno esté
abierto el otro deba estar plegado. Es decir, que el sistema
hidráulico de bucle cerrado transfiere una fuerza bidireccional
entre los pares de álabes de turbina 14, de modo que al abrirse un
álabe el otro deba plegarse, y viceversa. Es la fuerza de la
diferencia del viento actuando sobre el par enlazado de álabes de
turbina 14 la responsable de activar el cambio de configuración.
Este cambio se inicia durante un período en la rotación de los
álabes de turbina 14 mientras otro álabe de turbina totalmente
abierto 14 está produciendo la carrera de potencia para ese ciclo y
utiliza una parte diferente de la corriente del viento.
Además, el aparato de turbina 10 del Solicitante
es de por sí sensible al cambio de dirección del viento. Es la
fuerza de la diferencia del viento actuando sobre las dos
configuraciones de aspecto de los álabes de turbina de concha de
almeja 14 emparejados, la responsable tanto de la actuación del
cambio de configuración como de la fuerza entregada al eje de
accionamiento vertical 28 de transmisión de par. Un cambio de
dirección del viento simplemente hace que cambie el período de la
configuración para que varíe en los pares de álabes de turbina 14
afectados. De nuevo, es de hacer notar que la parte de la corriente
del viento que es responsable de efectuar la apertura y el cierre
de los álabes de turbina 14 es diferente a aquella parte de la
corriente del viento que realmente comunica potencia a los álabes
de turbina 14 abiertos.
Todavía, además, el sistema de regulación 106 es
multifuncional, por cuanto, además de hacer posible el cambio de
configuración y un retardo en la respuesta, establece a su vez un
límite superior de la velocidad de rotación de los álabes de
turbina 14 para una velocidad del viento correspondiente.
En una realización preferida, cada álabe de
turbina 14 de concha de almeja está configurado con dos mitades
componentes 16 y 18, esencialmente idénticas, conectadas/articuladas
de modo movible por su borde de ataque, operando en un modo de
concha de almeja y soportadas estructuralmente por el brazo de par
12. La mitad superior 16 y la mitad inferior 18 están enlazadas
entre sí y controladas por el primer sistema 48, de manera que se
"equilibra" su operación con la de su correspondiente frente a
la atracción de la gravedad. Es decir, que al caer la mitad
inferior 18 debido a la atracción de la gravedad, la fuerza
correspondiente es transferida a la parte superior, la mitad
superior 16, para sustentarla. La única fuerza requerida para
manipular las mitades emparejadas es la que se requiere para vencer
la inercia del sistema y la pérdida por rozamiento del sistema.
Aunque el primer sistema 48 controla el movimiento de torsión lado a
lado de las mitades, el segundo sistema 52 y el sistema de
regulación 106 cooperan para controlar y regular el aparato de
turbina 10 frente a un movimiento rápido no regulado, brusco y
dañino.
Aunque la realización preferida está orientada a
las turbinas eólicas, será evidente para quienes posean los
conocimientos corrientes de la técnica que se puede usar la turbina
en cualquier fluido, tal como el agua. El aparato de turbina del
diseño del Solicitante puede ser anclado en el océano y captar
efectivamente la energía de la corriente del Golfo, por
ejemplo.
Aunque se ha descrito el presente invento en
relación con las realizaciones preferidas del mismo, debe quedar
entendido que puede haber otras realizaciones que queden dentro del
alcance del invento, tal como éste queda definido en las
reivindicaciones que siguen.
Claims (6)
1. Un aparato de turbina (10) para captar
energía de una corriente de fluido, comprendiendo dicho aparato:
- un cubo (20) de un rotor;
- al menos un brazo de par (12) conectado a dicho cubo (20) de rotor;
- al menos dos álabes de turbina (14) conectados a dicho brazo de par (12), en que cada álabe de turbina tiene mitades primera y segunda (16, 18), conectadas en oposición a dicho brazo de par (12); y
- un sistema de coordinación (46) conectado a al menos dos álabes de turbina (14), en que el sistema de coordinación (46) comprende un primer sistema (48) conectado para controlar la apertura y el cierre de las mitades primera y segunda (16, 18) de cada álabe de turbina (14) individual, estando dicho primer sistema (48) encerrado dentro de un espacio formado por los al menos dos álabes de turbina (14) a continuación del cierre;
- caracterizado porque:
- a.
- los al menos dos álabes de turbina (14) están dispuestos por pares, y cada álabe de turbina (14) de un par está dispuesto en los extremos opuestos de un brazo de par (12); y
- b.
- el sistema de coordinación (46) comprende un segundo sistema (52) conectado entre cada par de los álabes de turbina (14) para cerrar un álabe de turbina (14) mientras se abre el álabe de turbina (14) opuesto.
2. El aparato de turbina según la reivindicación
1, que comprende además un eje de accionamiento de transmisión del
par (22) conectado a dicho cubo (20) del rotor.
3. El aparato de turbina según la reivindicación
1 ó 2, en el que cada álabe de turbina (14) tiene una mitad
superior (16) y una mitad inferior (18), dispuestas de modo que
cuando el álabe de turbina (14) está cerrado, el álabe de turbina
(14) tiene la forma de un perfil aerodinámico al hacer éste frente a
la dirección del viento, teniendo un borde de ataque mayor (58) y
un borde de salida más pequeño, en cuña, (60).
4. El aparato de turbina según la reivindicación
1, 2 ó 3, que comprende además un sistema de regulación (106)
conectado al segundo sistema (52) para regular el funcionamiento del
segundo sistema (52), en que el sistema de regulación (106) incluye
además una válvula de control manual (108) y una válvula de
solenoide electrónica accionable a distancia (112).
5. El aparato de turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, que comprende además una bomba volumétrica
positiva (38) conectada al eje de accionamiento (22), y un colector
(40) conectado a la bomba volumétrica positiva (38), para regular
la salida de la bomba volumétrica positiva (38).
6. Un método para captar energía de una
corriente de fluido, usando un aparato de turbina (10) de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
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