ES2325236B1

ES2325236B1 - WAVING DRIVE SYSTEM.

Info

Publication number: ES2325236B1
Application number: ES200500384A
Authority: ES
Inventors: Primitivo Gonzalez Lopez; Juan De Dios Rodriguez Garcia
Original assignee: Universidade da Coruna
Current assignee: Universidade da Coruna
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: ES2325236A1

Abstract

Sistema de impulsión ondulante, accionado mediante sistemas biela - manivela o bien mediante excéntricas, que aprovecha el efecto de reacción o empuje longitudinal provocado en un fluido al ser desplazado el mismo, también longitudinalmente, debido al avance de un frente de ondas perpendiculares a una membrana situada en el mismo.Ripple drive system, driven by crank - crank systems or by eccentrics, which take advantage of the reaction or longitudinal thrust effect caused by a fluid being displaced, also longitudinally, due to the advance of a perpendicular wave front to a membrane located in it.

Con respecto a impulsores ondulantes accionados mediante ejes de levas, logra una mejora del rendimiento energético, puesto que elimina las pérdidas por rozamiento inherentes a este último tipo de transmisión. Asimismo evitaría el desgaste mecánico de las piezas.Regarding driven undulating impellers by means of camshafts, it achieves a performance improvement energy, since it eliminates friction losses inherent in this last type of transmission. I would also avoid mechanical wear of the parts.

Con respecto a impulsores ondulantes accionados magnéticamente, logra una mejora del control de la superficie impulsora, puesto que la posición de cada varilla articuladora de dicha superficie va a ser estrictamente función del ángulo de giro del eje motriz.Regarding driven undulating impellers magnetically, it improves surface control impeller, since the position of each articulating rod of said surface will be strictly a function of the angle of rotation of the drive shaft.

Aplicaciones industriales de este invento: las mismas que las de otros sistemas de impulsión ondulante accionados mediante ejes de levas obien magnéticamente.Industrial applications of this invention: same as those of other driven undulating drive systems by cam shafts or magnetically.

Description

Sistema de impulsión ondulante.Ripple drive system.

Object of the invention

El objeto de la invención es provocar el desplazamiento tangencial o longitudinal de un fluido mediante la generación de un tren de ondas perpendicularmente a una superficie situada en el seno del mismo y aprovechar el desplazamiento de dicho fluido para la impulsión de un cuerpo o sistema, empleando para ello un método eficiente de conversión del movimiento rotatorio motriz en ondulatorio de la superficie propulsora.The object of the invention is to cause the tangential or longitudinal displacement of a fluid through the generation of a wave train perpendicular to a surface located within it and take advantage of the displacement of said fluid for the impulsion of a body or system, using to this is an efficient method of converting rotary motion motor in wave of the propeller surface.

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Background of the invention

Los mecanismos utilizados para la propulsión de embarcaciones, aparte de los basados en el aprovechamiento de la energía eólica, han sido, y siguen siendo, el remo, la rueda de paletas, la hélice (en sus diversas variantes), la propulsión por chorro de agua y de aire y los propulsores cicloidales de palas verticales tipo Voith-Schneider. Más recientemente han sido propuestos mecanismos en los cuales la propulsión se logra por medio de ondas generadas perpendicularmente a una superficie, constituida por un material deformable, situada en el seno de un fluido y accionada ésta por medios de transmisión que emplean ejes de levas o bien magnéticamente.The mechanisms used for the propulsion of vessels, apart from those based on the use of the wind energy, have been, and remain, the oar, the wheel of paddles, the propeller (in its various variants), the propulsion by water and air jet and paddle cycloidal thrusters Vertical type Voith-Schneider. More recently mechanisms have been proposed in which propulsion is achieved by means of waves generated perpendicular to a surface, constituted by a deformable material, located within a fluid and powered by transmission means using shafts of cams or magnetically.

La ejecución práctica de mecanismos basados en la rotación ha sido más fácil de abordar dado el estado de la técnica en su tiempo, y ello ha motivado que no haya tenido más interés el profundizar, para su aplicación a la impulsión y propulsión en medios fluidos, en el desarrollo de mecanismos ondulatorios que son la mayoría de los que se observan en la naturaleza, paralelos a los que existen a nivel electromagnético, que se utilizan, en parte, para transmisión de energía y para comunicaciones, y que presentan las propiedades de algunas partículas.The practical implementation of mechanisms based on the rotation has been easier to address given the state of the technique in his time, and this has motivated him not to have had more interest in deepening, for its application to the drive and propulsion in fluid media, in the development of mechanisms wavelets that are the majority of those observed in the nature, parallel to those that exist at the electromagnetic level, which are used, in part, for energy transmission and for communications, and that present the properties of some particles

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Description of the invention

Consiste en un sistema de impulsión y propulsión consistente en una superficie ondulatoria - articulada mediante una serie de varillas, accionadas éstas a su vez mediante un eje, bien sea de manivelas y bielas o bien de excéntricas - aplicable a cuerpos y sistemas situados en un medio fluido, basado en la forma elegida para provocar su desplazamiento por los primeros organismos vivos, que lo fueron habitando un medio fluido, primero como seres unicelulares y después formando organizaciones pluricelulares más complejas, que hoy, pese a la evolución registrada a lo largo del tiempo, sigue perpetuándose en prácticamente todos los peces y muchos otros organismos, en muchos casos de forma ondulatoria casi pura.It consists of a drive and propulsion system consisting of a wave surface - articulated by means of a series of rods, actuated these in turn by an axis, well either cranks and cranks or eccentrics - applicable to bodies and systems located in a fluid medium, based on the shape chosen to cause its displacement by the first organisms alive, who were inhabiting a fluid medium, first as beings unicellular and then forming multicellular organizations more complex, that today, despite the evolution recorded throughout the time, continues to be perpetuated in virtually all fish and many other organisms, in many cases almost undulatory pure.

Physical-mathematical basis of benefits of the propeller

En el Dibujo 1 se contempla el fenómeno físico del movimiento ondulatorio transversal generado en una superficie soportada físicamente en una membrana situada en el seno de un fluido y se observa la posición de la superficie en dos fases, desplazadas una de otra un cuarto de período.In Drawing 1 the physical phenomenon is contemplated of the transverse wave motion generated on a surface physically supported on a membrane located within a fluid and the surface position is observed in two phases, displaced from each other a quarter period.

No sólo se llega a la conclusión de que el movimiento transversal de la superficie produce el desplazamiento longitudinal del fluido comprendido entre las dos posiciones citadas de la misma, sino que, además, el análisis físico matemático del movimiento permite su estudio riguroso y, a través del cálculo de las cantidades de movimiento puestas en juego, se deduce el empuje axial originado, la energía transmitida y el rendimiento energético.It is not only concluded that the transverse surface movement produces displacement longitudinal of the fluid between the two positions cited the same but also the mathematical physical analysis of movement allows its rigorous study and, through calculation from the amounts of movement put into play, the originated axial thrust, transmitted energy and performance energetic.

Sean las magnitudes de una onda transversal soportada en una superficie que se mueve en un fluido ligada a un cuerpo que se desplaza en el seno del mismo (Ver Dibujo 1):Let the magnitudes of a transverse wave be supported in a surface that moves in a fluid linked to a body that moves within it (See Drawing 1):

Amplitud de la ondaWave amplitude: = a (+ a, - a) = a (+ a, - a)

Longitud de la ondaWavelength: = \lambda= \ lambda

PeríodoPeriod: = T = T

FrecuenciaFrequency: = v = 1/T = v = 1 / T

Velocidad a la cual el cuerpo se desplaza en el seno del fluido = - V_{b}Speed at which the body moves within the fluid = - V_ {b}

Densidad del fluidoFluid density: = \rho= \ rho

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Se deduce:It follows:

Velocidad de avance de la onda respecto al cuerpo al que va ligada la superficie V_{o} = \lambda/T = \lambdavSpeed of advance of the wave with respect to the body to which the surface V_ {o} = \ lambda / T = is linked \ lambdav Velocidad relativa de salida del fluido respecto a dicho cuerpo = V_{o}Relative velocity of fluid output relative to said body = V_ {o} Velocidad absoluta de salida del fluido = V_{o} - V_{b}Absolute fluid outlet speed = V_ {o} - V_ {b} Velocidad absoluta de entrada del fluido = 0Absolute fluid inlet velocity = 0

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Para una onda de frente de avance, o sección transversal, rectangular (soportada en una superficie de ancho b), la superficie de dicha sección transversal es 2ab, con lo que:For a forward wave, or section transverse, rectangular (supported on a surface of width b), the surface of said cross section is 2ab, with that: Caudal de fluido impulsado por la superficie ondulante Q = 2ab\lambdavFluid flow driven by the undulating surface Q = 2ab \ lambdav Fuerza ejercida sobre el cuerpo que se desplaza F = - \rho Q(V_{o} - V_{b})Force exerted on the body that moves F = - \ rho Q (V_ {o} - V_ {b}) Potencia ejercida sobre el cuerpo que se desplaza F(- V_{b} = \rho Q (V_{o} - V_{b}) V_{b}Power exerted on the body that moves F (- V_ {b} = \ rho Q (V_ {o} - V_ {b}) V_ {b} Energía cinética del fluido que abandona la superficie por unidad de tiempo = 1/2\rho Q (V_{o}-V_{b})^{2}Kinetic energy of the fluid leaving the surface per unit of time = 1/2 \ rho Q (V_ {o} -V_ {b}) 2 Potencia consumida = \rho Q (V_{o} - V_{b}) V_{b} + 1/2\rho Q (V_{o} - V_{b})^{2}Power consumption = \ rho Q (V_ {o} - V_ {b}) V_ {b} + 1/2 \ rho Q (V_ {o} - V_ {b}) 2 Rendimiento = \rho Q (V_{o} - V_{b}) V_{b} / (\rho Q (V_{o} - V_{b}) V_{b} + 1/2\rho Q (V_{o} - V_{b})^{2}) = 2 V_{b} / (V_{o}+ V_{b})Yield = \ rho Q (V_ {o} - V_ {b}) V_ {b} / (\ rho Q (V_ {o} - V_ {b}) V_ {b} + 1/2 \ rho Q (V_ {o} - V_ {b} 2) = 2 V_ {b} / (V_ {o} + V_ {b})

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Para una superficie ondulante cuya sección transversal (o frente de avance) de la onda es un sector de círculo de radio R y de amplitud angular = 2\varphi_{0} (+ \varphi_{0}, -\varphi_{0}), las expresiones anteriores son igualmente válidas excepto para el caudal de fluido impulsado por la superficie ondulante, para el que se ha de utilizar la siguiente expresión: Q = \varphi_{0}\lambdavR^{2}.For an undulating surface whose cross section (or forward front) of the wave is a circle sector of radius R and of angular amplitude = 2 \ varphi_ {0} (+ \ varphi_ {0}, - \ varphi_ {0}), the above expressions are equally valid except for surface driven fluid flow undulating, for which the following should be used expression: Q = \ varphi_ {0} \ lambdavR2.

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Advantages over current techniques

Mejora del rendimiento energético al disminuir la energía perdida en torbellinos del fluido saliente, originados por sistemas de propulsión que tienen como fundamento un elemento rotativo como la hélice u otros.Improved energy efficiency by decreasing the energy lost in whirlpools of the outgoing fluid, originated by propulsion systems based on an element Rotary like the propeller or others.

Mejora del rendimiento energético con respecto a sistemas de propulsión ondulatorios que emplean mecanismos de transmisión por medio de levas, debido a la eliminación de los importantes rozamientos inherentes a este último tipo de transmisión. Asimismo se evitaría el desgaste mecánico de las diversas piezas.Energy efficiency improvement with respect to wave propulsion systems employing mechanisms of transmission by means of cams, due to the elimination of important frictions inherent in this last type of transmission. Likewise, the mechanical wear of the various pieces

Mejora del control de la superficie ondulante con respecto a sistemas de propulsión ondulatorios por accionamiento electromagnético, debido a que en estos últimos la posición de cada varilla articuladora de la membrana ondulatoria no es estrictamente función del ángulo de giro del eje motriz.Improved control of the undulating surface with respect to wave propulsion systems by electromagnetic drive, because in the latter the position of each articulating rod of the wave membrane not It is strictly a function of the angle of rotation of the drive shaft.

Industrial applications

Sistema motriz para la propulsión, gobierno y estabilización de embarcaciones de superficie y sumergidas y de otros móviles en el seno de fluidos, así como para la impulsión y elevación de fluidos, separación de fluidos no miscibles para aplicaciones de protección medioambiental como la separación de hidrocarburos del agua en derrames desde buques o desde tierra, separación de productos pulverulentos de distinta densidad y/o tamaño secado y espesamiento de fangos, transporte y elevación de peces vivos y muertos, transporte y elevación de productos en partículas, aplicaciones médicas y fisioterapéuticas, aplicaciones en aeronáutica, aplicaciones en el sector de defensa, aplicaciones deportivas y de ocio.Drive system for propulsion, government and stabilization of surface and submerged vessels and of other mobiles within fluids, as well as for the drive and fluid lift, separation of non-miscible fluids for environmental protection applications such as separation of water hydrocarbons in spills from ships or from land, separation of powdery products of different density and / or drying size and sludge thickening, transport and lifting of live and dead fish, transportation and lifting of products in particles, medical and physiotherapeutic applications, applications in aeronautics, applications in the defense sector, applications sports and leisure.

Además, trabajando de forma reversible, es decir recibiendo la energía de un fluido que se desplaza paralelo a la dirección de avance de la onda, el sistema actúa como generador de energía, en lugar de consumidor, a fin de ser utilizado para el aprovechamiento de energía contenida en dicho fluido.In addition, working reversibly, that is receiving the energy of a fluid that travels parallel to the direction of advance of the wave, the system acts as a generator of energy, rather than consumer, in order to be used for use of energy contained in said fluid.

Brief description of the drawings

En el Dibujo 1, que explica el fundamento físico matemático de la invención, se representa la sección de una superficie en la que se genera una onda, de longitud \lambda y amplitud \alpha, en dos posiciones separadas una de otra 1/4 de período. Si esta superficie está constituida por una membrana situada en el seno de un fluido, la parte de fluido sombreada es desplazada hacia la derecha y así sucesivamente, impulsando por lo tanto a un móvil unido a la membrana hacia la izquierda.In Drawing 1, which explains the physical foundation mathematician of the invention, the section of a surface on which a wave is generated, of length λ and amplitude α, in two positions separated from each other 1/4 of period. If this surface is constituted by a membrane located within a fluid, the shaded fluid part is shifted to the right and so on, driving so both a mobile attached to the membrane to the left.

En el Dibujo 2 se expone una membrana ondulatoria cuyas varillas articuladoras son actuadas por medio de un eje de excéntricas.In Drawing 2 a membrane is exposed wave whose articulating rods are actuated by means of An eccentric shaft.

En el Dibujo 3 se expone el fundamento del funcionamiento de la invención correspondiente al método de transmisión por medio sistema biela - manivela.In Drawing 3 the foundation of the operation of the invention corresponding to the method of Transmission via connecting rod - crank system.

En el Dibujo 4 se expone el fundamento del funcionamiento de la invención correspondiente al sistema de transmisión por medio de excéntricas.In Drawing 4 the foundation of the operation of the invention corresponding to the system of transmission by eccentrics.

Embodiment of the invention

A través de un sistema motriz accionado por una máquina, u otra forma de accionamiento físico, capaces de generar una onda superficial que avance de la forma indicada en el Dibujo 1.Through a drive system powered by a machine, or other form of physical drive, capable of generating a surface wave that advances in the manner indicated in the Drawing one.

En el caso particular en el que el frente de avance de la onda sea un sector circular de radio R y de amplitud angular (- \varphi_{0}, + \varphi_{0}), tal como se aprecia en los Dibujos 3 y 4 , y, por lo tanto, de superficie de la sección o frente de avance = 1/2 (2\varphi_{0}) R^{2} = \varphi_{0} R2 , el sistema generador de la onda en la superficie ondulante, recogido en el presente documento, se consigue por medio de:In the particular case where the front of the wave is a circular sector of radius R and angular amplitude (- \ varphi_ {0}, + \ varphi_ {0}) , as can be seen in Drawings 3 and 4, and, therefore, of the surface of the section or leading front = 1/2 (2 \ varphi_ {0}) R2 = \ varphi_ {0} R2, the wave generating system in the undulating surface, collected in this document, is achieved by:

a)to): una serie de manivelas que giran situadas equidistantemente a lo largo de un eje (cigüeñal) de longitud \lambda, ó \lambda/2 (éste último caso si lo que se desea es generar sólo media onda), desfasadas angularmente una de otra en un ángulo 2\pi/(n-1), ó \pi/(n-1) en el caso de generar únicamente media onda, siendo n el número de manivelas.a series of rotating cranks located equidistant along an axis (crankshaft) of length λ, or λ / 2 (the latter case if what is desired is to generate only half a wave), angularly offset from one another in a angle 2 \ pi / (n-1), or \ pi / (n-1) in the case of generating only half a wave, where n is the number of cranks.

: Dichas manivelas, tal y como se aprecia en esquema del Dibujo 3, van fijadas en un eje al cual se le hace girar, transmitiéndole el efecto motriz por medio de un motor u otro tipo de accionamiento físico Estas manivelas accionan, a su vez, a través de bielas las varillas que mueven la superficie ondulante a que se hace referencia, al oscilar el ángulo (- \varphi_{0} + \varphi_{0}) en torno a un eje paralelo al anterior.Said cranks, as shown in the scheme of Drawing 3, are fixed on an axis to which it is rotated, transmitting the motor effect by means of a motor or other type of physical drive These cranks, in turn, actuate connecting rods the rods that move the undulating surface referred to, by oscillating the angle (- \ varphi_ {0} + \ varphi_ {0}) around an axis parallel to the previous one.

: En el Dibujo 3 se expone el fundamento del funcionamiento de la invención correspondiente al método de transmisión por medio sistema biela - manivela:In Drawing 3 the basis of the operation of the invention is set forth corresponding to the transmission method via connecting rod system - crank:

\circ\ circ: Leyenda A: esquematiza una manivela que rota en torno a su ejeLegend A: schematizes a crank that rotates around its axis

\circ\ circ: Leyenda D: esquematiza el eje motriz que transmite un movimiento de rotación a la manivelaLegend D: schematize the axis motor that transmits a rotational movement to the crank

\circ\ circ: Leyenda B: esquematiza una biela que transmite el movimiento de la manivela a la varillaLegend B: schematize a connecting rod which transmits the movement of the crank to the rod

\circ\ circ: Leyenda C: varilla con movimiento oscilatorio de amplitud 2\varphi_{0} y que soporta la membrana flexible ondulatoria en su extremo de longitud R.Legend C: rod with movement oscillatory amplitude 2 \ varphi_ {0} and that supports the membrane flexible wave at its end of length R.

\circ\ circ: Leyenda E: representa el eje soporte sobre el cual oscilan las varillas articuladoras de la membranaLegend E: represents the axis support on which the articulating rods of the membrane

b)b): una serie de excéntricas que giran situadas equidistantemente a lo largo de un eje de longitud \lambda, ó \lambda/2 (éste último caso si lo que se desea es generar sólo media onda), desfasadas angularmente una de otra en un ángulo 2\pi/(\pi-1), ó \pi/(n-1) en el caso de generar únicamente media onda, siendo n el número de excéntricas.a series of rotating eccentrics located equidistant along an axis of length λ, or λ / 2 (the latter case if what is desired is to generate only half a wave), angularly offset from each other at an angle 2 \ pi / (\ pi-1), or \ pi / (n-1) in the case of generating only half a wave, n being the number of eccentrics.

: Dichas excéntricas , tal y como se aprecia en el Dibujo 4, van fijadas en un eje al cual se le hace girar, transmitiéndole el efecto motriz por medio de un motor u otro tipo de accionamiento físico Estas excéntricas accionan, a su vez, a través de barras, las varillas que mueven la superficie ondulante a que se hace referencia, al oscilar el ángulo (- \varphi_{0} + \varphi_{0}) en torno a un eje soporte de varillas, paralelo al eje de excéntricas, tal como se observa en el esquema del Dibujo 2.These eccentric, as shown in Drawing 4, are fixed at an axis to which it is rotated, transmitting the motor effect by means of an engine or other type of physical drive These eccentric drive, in turn, through rods, the rods that move the undulating surface referred to, to oscillate the angle (- \ varphi_ {0} + \ varphi_ {0}) around a rod support shaft, parallel to eccentric shaft, such as It is observed in the scheme of Drawing 2.

: Entre disco y collar de cada excéntrica se inserta un rodamiento que posibilita la reversibilidad del sentido de transmisión de potencia del mecanismo.Between disk and each eccentric collar is inserted a bearing that enables the reversibility of the direction of power transmission of the mechanism.

: En el Dibujo 4 se expone el fundamento del funcionamiento de la invención correspondiente al sistema de transmisión por medio de excéntricas:In Drawing 4 the basis of the operation of the invention is set forth corresponding to the transmission system through eccentric:

: Se representa una excéntrica: su disco, collar, barra de transmisión y la varilla oscilatoria a la cual transmite el movimiento.It is shown An eccentric: its disk, collar, transmission bar and rod oscillatory to which the movement transmits.

: Este sistema induce en la varilla un movimiento oscilatorio de amplitud (- \varphi_{0} + \varphi_{0})This system induces an oscillatory movement of amplitude on the rod (- \ varphi_ {0} + \ varphi_ {0})

\circ\ circ: Leyenda D: esquematiza el eje motriz que transmite un movimiento de rotación a la excéntricaLegend D: schematize the axis motor that transmits a rotational movement to the eccentric

: La distancia entre el centro del eje de excéntricas y el centro del disco de una excéntrica equivaldría a la longitud de la manivela de un sistema biela-manivela equivalenteDistance between the center of the eccentric shaft and the center of the disk of a eccentric would be equivalent to the length of the crank of a system connecting rod-crank equivalent

: La distancia entre el centro del disco de una excéntrica y el extremo superior de su correspondiente varilla equivaldría a la longitud de la biela de un sistema biela-manivela equivalente.Distance between the center of the disc of an eccentric and the upper end of its corresponding rod would be equal to the length of the connecting rod of an equivalent crank-crank system.

El accionamiento del eje motriz puede realizarse por acoplamiento directo al mismo de la máquina, o bien, a través de un sistema reductor o amplificador de revoluciones, lo cual permite la variación de régimen según se desee. Igualmente, el sistema puede disponer de inversión de giro, con lo que el sentido de avance de la onda y el empuje originado por el fluido desplazado cambian de sentido.Drive shaft drive can be performed by direct coupling to the same machine, or, through of a speed reducer or amplifier system, which Allows regime variation as desired. Likewise, the system can have turn inversion, so that the sense of advance of the wave and the thrust caused by the displaced fluid They change direction.

Claims

1. Drive system, whose thrust is caused within a fluid by means of the generated waves, on articulated undulating surfaces, by rigid rods driven through mechanisms constituted by drive shafts, which are moved by motorized means or by drive manual, characterized in that the drive shafts comprise a crank mechanism and its operation is carried out by connecting rods.

2. Drive system according to claim 1 characterized in that the crank mechanism is an eccentric one each comprising a disk, a collar and a bearing between the disk and the collar that enables reversibility of the power transmission direction of the mechanism.