ES2611967T3 - Turbina de flujo cruzado o transversal con álabes verticales rectos e inclinados helicoidales - Google Patents

Turbina de flujo cruzado o transversal con álabes verticales rectos e inclinados helicoidales Download PDF

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Abstract

Una turbina de flujo cruzado o transversal (19) para ser usada en un flujo de fluido que comprende al menos un álabe de perfil aerodinámico vertical (22) y al menos un álabe de perfil aerodinámico helicoidal (20) inclinado hacia la dirección de rotación (103); caracterizada por que al menos un álabe helicoidal (21) está inclinado contra el sentido de rotación de la turbina, y por el hecho de que el álabe de perfil aerodinámico vertical (22) es recto.

Description

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DESCRIPCION
Turbina de flujo cruzado o transversal con alabes verticales rectos e inclinados helicoidales Campo tecnico
La invencion presente se refiere a mejoras para turbinas para extraer ene^a de flujos de fluido y esta particularmente dirigida a turbinas que pueden ser usadas bajo el agua para extraer energfa del flujo de agua y en tierra para extraer energfa de la energfa del viento.
Antecedentes
Cualquier referencia a metodos, aparatos o documentos de la tecnica anterior no debe ser considerada como constituyente de ninguna prueba o admision que forman el o forman parte del conocimiento general comun.
El uso de turbinas/generadores para extraer energfa de flujos marinos es una industria que, a diferencia de otras energfas renovables, no tiene una tecnologfa probada o preferida. Las turbinas marinas horizontales de primera generacion eran similares a las turbinas eolicas y estaban sumergidas dentro de los flujos oceanicos o fluviales. La Figura 12 ilustra este tipo de turbina. Sin embargo, la transicion de tales dispositivos de molino de viento desde la superficie hasta el entorno submarino, donde la densidad del fluido es mas de 830 veces mayor presenta dificultades de desarrollo, incluyendo altos costos de manufacturacion, instalacion y mantenimiento que dificultan que la tecnologfa sea comercialmente viable.
La extraccion de energfa marina a volumenes comerciales requiere dispositivos de gran tamano para barrer grandes areas de flujo. Se producen altos costes de ingeniena debido a que los rotores se fabrican con materiales de fibra compuestos de alta resistencia, costosos, que estan sujetos a fuerzas axiales que actuan sobre rotores que tfpicamente tienen 18 metros de diametro. Un dispositivo de un megavatio cuesta aproximadamente 10 millones de dolares americanos. Los dispositivos se construyen tambien normalmente con un monopolo u otras cimentaciones en el fondo del oceano y por tanto estan limitados a operaciones en el fondo del oceano.
Una turbina marina mejorada es la turbina unidireccional de flujo cruzado que ofrece mejores soluciones para extraer energfa de los flujos de fluido. Un ejemplo es la turbina de flujo cruzado "Darrieus" que tiene 2, 3, 4 o mas alabes de perfil hidrodinamico rectos, verticales, y es una tecnologfa conocida que resulta adecuada para el medio marino. Sin embargo, este tipo de turbina tiene desventajas. Una desventaja de la turbina es que no arranca automaticamente. Otra desventaja es que la turbina tiene fluctuaciones del par de giro y puede ser propensa a la desviacion y sacudida de los alabes.
En la patente N° SU 1 150 395 A1 se describe una turbina que tiene una pluralidad de miembros con perfil aerodinamico arrollados desde la base en una direccion de trenzado en direccion opuesta entre sf.
En la patente europea N° EP 2 314 867 A2 se describe una turbina eolica del tipo Darrieus de eje vertical que tiene dos alabes de perfil con perfil aerodinamico, exteriores, fijados a un eje vertical y una pluralidad de alabes con perfil aerodinamico, interiores, usados para arrancar la turbina a una baja velocidad del viento.
Existe una preocupacion de que a las turbinas mencionadas anteriormente en los documentos de tecnica anterior les falta resistencia estructural o pueden tener problemas de rigidez. Es deseable que este disponible una turbina con rigidez mejorada.
Para superar algunas de estas desventajas, se desarrollo un nuevo tipo de turbina que se conoce como la "Turbina Helicoidal Gorlov". Esta turbina descarto los alabes de turbina rectos verticales y en lugar de ellos utiliza alabes helicoidales de perfil aerodinamico. Esta turbina tiene desventajas porque se ha descubierto que los alabes helicoidales que estan conectados por medio de montantes u otros medios a un eje rotatorio desvfan, agitan, hacen que falle o al menos operan ineficientemente en los flujos. La Figura 11 ilustra este tipo de turbina.
Otra desventaja de las turbinas marinas es su incapacidad general para suavizar las fluctuaciones del par de giro, lo que reduce su eficiencia.
Otra desventaja de las turbinas marinas esta en los componentes de extraccion de energfa que convierten el movimiento de rotacion de la turbina en energfa electrica. Los modulos de extraccion de energfa existentes normalmente estan separados de la turbina.
Otra desventaja de las turbinas marinas es el coste elevado y la complejidad de manufacturacion de una turbina que puede resistir las fuerzas axiales encontradas en el flujo de agua.
Otra desventaja de las turbinas de flujo horizontal y cruzado existentes estriba en la complejidad y el coste de fabricacion de los alabes.
Otra desventaja de las turbinas de flujo horizontal y cruzado existentes usadas en un medio marino es que la turbina tiene un eje central que puede representar una obstruccion al flujo que puede reducir la eficiencia de la turbina.
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Otra desventaja de las turbinas marinas es que las turbinas horizontales y de flujo cruzado existentes pueden fallar en las pruebas marinas debido al agresivo ambiente marino.
Otra desventaja de las turbinas marinas es la dificultad de la instalacion de la turbina en su posicion y la retirada de la turbina para su inspeccion, mantenimiento o reparacion.
Otra desventaja de las turbinas marinas consiste en proporcionar un aparato de conducto estructural para la turbina.
Otra desventaja de las turbinas marinas consiste en proporcionar un conjunto de turbinas de tal manera que el aparato de conducto estructural de una turbina ayude a canalizar agua a mayor velocidad a una turbina adyacente.
El United Kingdom Carbon Trust (el Trust) informa de que la proxima generacion de dispositivos de extraccion de energfa marina debe demostrar su capacidad de supervivencia en ambientes marinos hostiles y preferiblemente tener una capacidad operativa desde el fondo marino hasta la superficie del mar dentro de un intervalo de profundidades de hasta 60 metros. El Trust afirma ademas que para que la industria tenga exito el capital y los costos de instalacion y de operacion deben ser reducidos drasticamente para que el suministro de energfa sea comercialmente viable,
Es un objetivo de la invencion presente proporcionar un aparato o metodo para extraer energfa de un flujo de fluido y que pueda superar al menos uno o mas de los inconvenientes antes mencionados o que proporcione una eleccion comercial en el mercado.
Compendio de la invencion
Segun un primer aspecto de la invencion presente, se proporciona una turbina de flujo cruzado para ser usada en un flujo de fluido, que comprende al menos un alabe de perfil aerodinamico vertical recto y al menos un alabe de perfil aerodinamico helicoidal inclinado hacia la direccion de rotacion; caracterizada por que al menos un alabe helicoidal esta inclinado hacia la direccion de rotacion de la turbina.
Adecuadamente, la turbina incluye ademas bandas de borde superior e inferior.
La turbina puede incluir un eje de accionamiento rotatorio central. Se ilustra un ejemplo no limitador en la Figura 1.
Adecuadamente, una pluralidad de dichas turbinas de flujo cruzado estan asociadas operativamente a un eje de accionamiento comun, o ejes de accionamiento asociados operativamente, que esta/estan asociado(s) a un extractor de energfa u otros medios de extraccion de energfa. Se ilustra un ejemplo no limitador en la Figura 5.
Alternativamente, la turbina no contiene un eje central de accionamiento y en su lugar puede comprender ejes exteriores. Se ilustra un ejemplo no limitador de ejes exteriores en la Figura 2.
Adecuadamente, la turbina comprende un aparato que incluye un modulo de alojamiento, parte de la turbina que comprende un rotor y parte del modulo de alojamiento que comprende un estator de tal manera que la extraccion de energfa comprende parte del aparato. Se ilustra un ejemplo no limitador en la Figura 6.
Adecuadamente, se proporciona un aparato de conducto estructural en el que puede ser alojada la turbina. El aparato puede comprender paredes interiores y exteriores para proporcionar un paso de flujo de difusor interior que puede alojar modulos de extraccion de energfa de la turbina con las superficies exteriores del conducto que influyen en la direccion de flujo de manera que donde haya al menos dos conductos se forme ventajosamente una barrera de flujo abierto. Los espacios entre las paredes interior y exterior del conducto pueden formar compartimentos de lastre.
Preferiblemente, el aparato de conducto incluye ademas placas rectangulares que unen los extremos traseros de dichas paredes del conducto y que sobresalen dentro del flujo a los lados del conducto para ayudar a reducir la presion detras de la turbina para conseguir una actuacion mejorada.
Preferentemente, el aparato de conducto comprende parte de un conjunto o barrera.
El conjunto puede comprender un conjunto flotante, cuyo ejemplo no limitador esta ilustrado en la Figura 25.
El flujo de fluido puede ser aire o agua y, en realizaciones preferidas de la invencion, la turbina puede ser usada bajo el agua, siendo el flujo de fluido el flujo de agua.
Descripcion breve de los dibujos
Las caractensticas, realizaciones y variaciones preferidas de la invencion pueden ser discernidas a partir de la descripcion detallada siguiente que proporciona informacion suficiente para que las personas expertas en la materia realicen la invencion. La descripcion detallada no debe ser considerada de ninguna manera como limitadora del alcance del compendio de la Invencion anterior. La descripcion detallada hace referencia a una serie de dibujos como sigue a continuacion:
La Figura 1 Ilustra un rotor de turbina de flujo cruzado que tiene alabes de perfil aerodinamico helicoidales y
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verticales rectos.
La Figura 2 Ilustra una seccion transversal de una turbina con alabes de perfil aerodinamico verticales e inclinados.
La Figura 3 Ilustra el detalle en seccion transversal de los alabes de perfil aerodinamico verticales y helicoidales inclinados hacia delante y hacia atras en la base del borde.
La Figura 4 Ilustra una turbina que no contiene un eje de accionamiento rotatorio central.
La Figura 5 Ilustra un modulo apilable de turbinas sobre un eje de accionamiento comun.
La Figura 6 Ilustra un aparato de turbina que comprende un conjunto de rotor y estator que forma parte del aparato. La Figura 7 Ilustra un modulo de extraccion de energfa de turbina sumergido.
La Figura 8 Ilustra una vista desde arriba de un borde de rotor de turbina que contiene imanes permanentes.
La Figura 9 ilustra una vista desde arriba de una placa de bobina del estator.
La Figura 10 Ilustra una vista desde arriba del conjunto del borde del rotor y la placa de la bobina del estator.
La Figura 11 Ilustra una turbina helicoidal Gorlov de tecnica anterior La Figura 12 Ilustra una turbina marina de tecnica anterior.
Las Figuras 13-18 Ilustran parte de la manufacturacion de la turbina.
La Figura 19 Ilustra una vista en planta de un cilindro de turbina con montantes y perfiles aerodinamicos fijados.
La Figura 20 Ilustra un aparato de conducto estructural.
La Figura 21 muestra el aparato de la Figura 20 e ilustra el flujo de fluido alrededor de el.
Las Figuras 22-25 Ilustra los conjuntos de conductos para flujos de una sola direccion (por ejemplo, un flujo de no).
La Figura 26 Ilustra un conjunto de conductos flotantes que puede hacer una guinada al cambiar la direccion de los flujos.
La Figura 27 Ilustra un conjunto de turbina de estructura de tirantes fija.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
Haciendo referencia ahora a la Figura 1, se ilustra una parte de una turbina de flujo cruzado 10 y que ilustra en particular el rotor de turbina 11. El rotor 11 comprende un eje central 12 que esta soportado para girar por apoyos 13. El rotor 11 comprende una banda de borde de extremo superior 14 y una banda de borde de base inferior 15. Hay fijados imanes permanentes 18 a la banda de borde superior 14. La razon se describe con mayor detalle a continuacion. El rotor 11 comprende ademas alabes de perfil aerodinamico verticales rectos 16 y comprende tambien alabes de perfil aerodinamico helicoidales 17. Por tanto, el rotor comprende una combinacion de alabes verticales 16 y alabes helicoidales 17.
El tamano del rotor 11 puede variar para adaptarse al tamano de la turbina requerida. Como ejemplo no limitador, se preve que los alabes 16 puedan tener una longitud de entre 40 cm respecto a una turbina pequena de hasta 2 m, o mas respecto a una turbina de mayor energfa. Tambien se preve que los alabes puedan tener una anchura de entre 2 y 40 cm, aunque esto puede variar segun sea necesario.
Esta turbina extrae energfa de flujos de fluidos tales como aire y agua y es adecuada para operar en tierra o sumergida en nos, oceanos u otros flujos artificiales. El aparato funciona con o sin envueltas.
La pluralidad de alabes de perfil aerodinamico helicoidales y verticales (17, 16) con bandas de borde superior y de base (14, 15) proporciona una mayor rigidez y resistencia que solamente con alabes helicoidales o verticales.
La combinacion de alabes de perfil aerodinamico helicoidales y verticales (17, 16) limita tambien las sacudidas durante la operacion y ayuda al arranque automatico del aparato y suaviza el par de giro para proporcionar una turbina eficiente.
Se consigue una resistencia estructural adicional incorporando montantes o placas de extremo circunferenciales fijadas a las bandas de borde superior y de base que esten unidos al eje que esta fijado a un eje rotatorio central 12. Los flujos de fluido que impactan sobre los alabes de la turbina de perfil aerodinamico causan que la turbina de flujo cruzado gire en un sentido alrededor del eje independientemente de la direccion del flujo.
La turbina esta equipada con imanes permanentes 18 de manera que forman el componente de rotor del modulo de
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extraccion de energfa. El alojamiento del modulo de extraccion incorpora el componente de estator del generador de electricidad, y esto se describe con mayor detalle a continuacion.
Alternativamente, la turbina esta conectada a un extractor de energfa o bomba exterior.
La turbina se fabrica preferiblemente para que sea un dispositivo ligero y fuerte que utiliza materiales tales como plasticos, fibras de material compuesto y/o metales u otros materiales adecuados para formar una estructura ngida de alta resistencia capaz de soportar las fuerzas axiales encontradas en los flujos de fluido.
La turbina esta equipada con apoyos 13 y engranajes (no ilustrados) segun se requiera y suministra energfa a una red electrica u otro usuario final por medios adecuados conocidos. El aparato esta acabado con una envuelta marina protectora adecuada y esta equipado con pantallas de proteccion adecuadas contra los desechos y la vida marina.
La Figura 2 ilustra una turbina de flujo cruzado 19 que tiene al menos una alabe de perfil aerodinamico helicoidal 20 inclinado hacia el sentido de rotacion y al menos una alabe helicoidal 21 inclinado contra el sentido de rotacion de la turbina. Ambos alabes helicoidales inclinados hacia adelante y hacia atras se cortan cruzandose con los alabes de perfil aerodinamico verticales 22 y entre sf y se unen en las bandas de borde superior y de base 23, 24 que estan provistas de montantes o placas de extremo circunferenciales 26.
La turbina es similar a una configuracion de tirantes en que los alabes actuan como cables de unos tirantes que refuerzan la estructura cilmdrica. Todos los alabes de perfil aerodinamico estan orientados en una direccion con un borde de ataque redondeado orientado hacia el sentido de rotacion propuesta.
El alabe de perfil aerodinamico gira siempre en un sentido que esta determinado por la posicion del borde de ataque redondeado del perfil aerodinamico que proporciona sustentacion. Un borde de salida estrecho reduce la resistencia.
En los flujos de fluido, la turbina tiene un mayor numero de alabes que trabajan proporcionando un par de giro mayor que el de los dispositivos de extraccion de energfa existentes del mismo tamano. Los alabes delanteros trabajan y la separacion entre los alabes es suficiente para permitir que los flujos lleguen a los alabes de aguas abajo, de manera que dichos alabes tambien trabajan. El numero de alabes y la solidez del aparato pueden ser alterados para adaptarse a las condiciones particulares del sitio.
Otra diferencia adicional de esta realizacion de la invencion es que la turbina no contiene un eje central. El eje central utilizado tfpicamente en turbinas de flujo cruzado presenta una obstruccion al flujo que disminuye la eficiencia de la turbina. La turbina proporciona opciones para usar ejes exteriores 25 adecuadamente conectados a las placas superior y de base 26 o a los montantes de extremo de la turbina.
La Figura 3 ilustra el detalle en seccion transversal de los alabes de perfil aerodinamico verticales 22 e inclinados helicoidales 20, 21 en la base del borde 24. Los alabes se cortan cruzandose entre sf en varios puntos proporcionando mayor rigidez y resistencia. La orientacion del alabe ilustrada causa que la turbina gire en sentido de las agujas del reloj, indicado por la flecha 103, independientemente de la direccion del flujo. En particular, el perfil aerodinamico 20 esta inclinado hacia el sentido de rotacion mientras que el perfil aerodinamico 21 esta inclinado contra el sentido de rotacion.
La Figura 4 ilustra una realizacion adicional de la invencion que comprende una turbina de flujo cruzado que tiene alabes de perfil aerodinamico helicoidal pero que no tiene ningun alabe vertical. La turbina 28 comprende bandas de borde superior e inferior 29 al menos con un alabe helicoidal de perfil aerodinamico 30 inclinado hacia el sentido de rotacion y al menos un alabe helicoidal 31 inclinado contra el sentido de rotacion de la turbina, y ejes superior y de base 27.
Esta turbina es similar a la descrita anteriormente, excepto que no tiene alabes de perfil aerodinamico verticales.
Las pluralidades de alabes helicoidales sin la influencia de perfiles aerodinamicos verticales pueden requerir anillos o placas de refuerzo (no mostrados) que pueden incluirse si son requeridos en sitios de flujo de mayor velocidad.
Las pluralidades de alabes helicoidales pueden ser aumentadas o reducidas dependiendo del par de giro o de la velocidad de rotacion requerida. La configuracion del alabe esta ventajosamente disenada para adaptarse a las condiciones del sitio,
Haciendo referencia a la Figura 5, se ilustra una pila (en este caso una pila de dos) modulos de turbina 33, 34 conectados a un unico eje central de accionamiento 35 que esta conectado a un extractor de energfa 36 u otros medios adecuados de extraccion de energfa. La pila se situa sobre una base 32 que a su vez esta situada sobre la superficie 31.
Los modulos de turbina de flujo cruzado apilables 33, 34 estan alineados con una posicion de alabe helicoidal continuo comun y luego estan unidos adecuadamente en la base del modulo 1 a la parte superior del modulo 2.
Las pluralidades de modulos estan unidas de esta manera y estan fijadas a un eje central 35. Los flujos accionan los modulos de turbina que hacen que gire el eje central que esta conectado a un extractor de energfa 36.
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Los modulos pueden ser mantenidos dentro de un alojamiento de modulo 38.
Los modulos apilables funcionan eficientemente en los planos vertical y horizontal y operan con o sin envolturas y estan ventajosamente fijados uno al lado del otro para crear una barrera de flujo abierto. En aplicaciones marinas, los modulos apilados estan adecuadamente alojados debajo de la superficie y amarrados por medios conocidos. En tierra, los modulos apilados, a diferencia de los generadores de viento de flujo axial existentes, requieren una cimentacion minima y pueden ser anclados usando riostras de alambre de bajo coste 37
El alojamiento esta ventajosamente provisto de conexiones pivotantes en su base por medios adecuados conocidos, de manera que el alojamiento y la turbina pueden ser subidos o bajados segun se requiera.
Las Figuras 6-10 ilustran un conjunto de turbina que contiene un modulo enterizo de extraccion de energfa de diseno particular. Espedficamente, el conjunto de turbina contiene la turbina que comprende el rotor y el modulo de alojamiento que comprende el estator del extractor de energfa. Es decir, no se requiere un modulo de extraccion de energfa totalmente separado.
La turbina de flujo cruzado 40 gira dentro de un modulo de extraccion de energfa 41 y la electricidad es transmitida a traves del cable de transmision de energfa 42. La turbina 40 contiene imanes fijos 18 y, por tanto, puede funcionar como un rotor. Una parte superior del modulo de extraccion de energfa 41 comprende las bobinas o devanados primarios 43 y por tanto puede funcionar como el estator. Cuando la turbina 40 esta montada dentro del modulo 41, los imanes 18 y las bobinas de estator 43 estan parcialmente encerrados dentro de una carena de alojamiento 44 que impide que los imanes de rotor 18 y bobinas de estator 43 se inunden cuando el modulo 41 esta sumergido en un fluido.
La placa de cubierta (carena 44) esta abierta por su extremo de manera que atrapa aire cuando el modulo esta sumergido en agua u otros fluidos asegurando asf que la eficiencia del generador de energfa no se vea reducida debido a la friccion causada por la presencia de agua. La prevencion de la inundacion de los imanes del rotor y de las bobinas del estator limita la resistencia y por tanto aumenta la eficiencia del generador y contribuye a la flotabilidad del aparato.
La carena 44 actua de manera similar a una campana de buceo. El aire atrapado dentro de la cubierta del generador puede ser regulado mediante el uso de valvulas de entrada/salida (no ilustradas) que pueden estar conectadas a una fuente exterior de suministro, tal como un compresor de aire.
Se incorporan sistemas de fluido de transferencia de calor de recipiente sellado conocidos (no ilustrados) dentro de la envuelta del generador para reducir la generacion de calor causada por el giro de la turbina segun se requiera.
El modulo de extraccion de energfa de la turbina puede ser operado como un aparato sin envoltura o puede estar incorporado dentro de un conducto. Puede ser una estructura de flotacion neutra o puede estar fijada a un recipiente atado a un punto de amarre, o puede estar atado a una cimentacion por gravedad u otros medios de soporte conocidos.
La Figura 7 ilustra el rotor de turbina montado 40 y el modulo de extraccion de energfa 41 en un entorno sumergido. El aparato puede ser amarrado en una posicion deseable por medio de cables 45 atados a ojetes o fijaciones similares 46 del modulo 41. El aire atrapado dentro de la carena 44 puede proporcionar flotabilidad al aparato.
La Figura 8 ilustra una vista desde arriba del borde del rotor de la turbina de la Figura 6 e ilustra en particular los imanes permanentes 18 fijados al borde del rotor 47.
La Figura 9 ilustra una vista desde arriba de los devanados/bobinas 43 que estan soportados por una placa de la bobina del estator 48.
La Figura 10 ilustra una vista en planta de la combinacion de los imanes permanentes 18 en el borde del rotor y los devanados 43 en la placa de bobina del estator 48.
Las Figuras 13-18 ilustran un metodo para producir la turbina de flujo cruzado con un coste relativamente bajo.
Las turbinas descritas previamente se fabrican ventajosamente a partir de una lamina plana 50 (vease la Figura 13) cortada segun las configuraciones de turbina deseadas que permiten el uso de materiales de coste comparativamente bajo y metodos de manufacturacion mas eficientes que reducen el capital y los costes de operacion. Los materiales laminares 50 (plasticos, metal, etc.) se cortan segun una plantilla de formas de alabes helicoidales 17 y verticales rectos 16 con bandas superior e inferior 52.
Las formas de la turbina son cortadas por laser o hidraulicamente a partir de una sola lamina de material estructural tal como acero, plasticos, fibra de materiales compuestos, laminados, Kevlar u otros materiales de lamina ligera y fuerte adecuados. La forma cortada es unida por sus extremos 51 (vease la Figura 14) para formar un cilindro que esta adecuadamente unido y fijado por la parte superior y por la base y que forma la base de la turbina 10 segun se ilustra en la Figura 1.
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La Figura 15 ilustra la plantilla particular que se corta, se enrolla y luego se une para crear una forma cilmdrica que es la base de la turbina ilustrada en la Figura 2. En la Figura 15, los numeros de referencia indican las siguientes caractensticas: forma de banda de borde superior (90), formas de alabes verticales (92), formas de alabes inclinados hacia delante (94), formas de alabes inclinados hacia atras (94), forma de banda de borde de base (96).
Las pluralidades plegables de laminas cortadas por laser son laminadas y fijadas entre sf para formar un cilindro excepcionalmente fuerte y ngido que es el nucleo de una turbina (vease la Figura 16). Alternativamente, las laminas interior y exterior cortadas por laser son enrolladas y fijadas a bloques espaciadores que estan emparedados por las laminas que estan adecuadamente selladas en los penmetros interior y exterior.
De esta manera se forma un espacio entre las laminas que permite ventajosamente que el cilindro sea utilizado como un molde unico que es llenado con fibra compuesta y resina para formar un cilindro fuerte y ngido que es el nucleo de una turbina (vease la Figura 17).
Las formas de perfil aerodinamico cortadas con laser a partir de material de desecho sobrante de cortar la forma de cilindro se usan para crear las formas de perfil hidrodinamico que son fijadas adecuadamente a las formas de alabes del cilindro (vease la Figura 18). La Figura 19 es una vista en planta de un cilindro de turbina 100 con montantes 104 y cuatro perfiles aerodinamicos 102 del tipo mostrado en la Figura 18 dispuestos alrededor del cilindro.
Tambien hay disponibles componentes extrudidos y/o inyectados, moldeados por calor o al vado, u otros materiales adecuados de bajo costo para ser usados cuando las formas de perfil aerodinamico son fijadas a las formas de alabe del cilindro.
Las turbinas de mayor diametro que requieren mas de una sola lamina de material se fabrican mediante un proceso de manufacturacion similar excepto que el material es cortado a partir de una pluralidad de laminas para formar una pluralidad de segmentos que cuando se unen entre sf comprenden una forma de cilindro que es adecuadamente unida y laminada y/o es de fibra de material compuesto llena de formas hidrodinamicas fijadas para formar una turbina segun se ha descrito previamente.
Los cilindros equipados con formas de perfil aerodinamico e imanes estan adecuadamente fijados a un eje central para formar una turbina de flujo cruzado.
El material laminar recortado plegable se enrolla y se une por los extremos para crear una forma de cilindro que resulta reforzada. Los cilindros enrollados son fijados con capas adicionales de material laminar para aumentar la resistencia y rigidez del cilindro. Las capas adicionales de material son laminadas o fijadas de otra manera adecuada a un cilindro.
Las formas de alabes del cilindro laminadas o rellenas de resina pueden tener dispuestas formas de perfil aerodinamico.
Las formas de perfil aerodinamico del National Advisory Comitee for Aeronautics (NACA) u otras formas adecuadas son creadas en una o mas secciones de una forma preferida que es adecuadamente fijada a ambos lados de los alabes laminados del cilindro. Este metodo de manufacturacion de turbinas permite el uso de formas de perfil aerodinamico extrudidas, inyectadas, moldeadas por calor o por vado, o por corte por laser/hidraulico de bajo costo. Las formas moldeadas de fibra de material compuesto tambien pueden ser fijadas a los alabes.
La turbina con su pluralidad de alabes verticales y helicoidales con angulos de ataque a varios grados de incidencia proporciona ventajosamente la oportunidad de variar las formas hidrodinamicas. Las formas de los alabes pueden ser variadas para aumentar la sustentacion o la resistencia segun sea necesario y para suavizar los giros de la turbina. La solidez de los alabes de perfil aerodinamico puede ser variada ventajosamente dentro de una turbina. Varias formas conocidas para aumentar la velocidad, el par de giro o disminuir las sacudidas y/o la cavitacion o ayudar en el arranque automatico de la turbina pueden ser usadas en combinacion para proporcionar una actuacion optima.
Las Figuras 20-25 ilustran un aparato de conducto estructural en el que puede ser alojado un modulo de turbina. Haciendo referencia inicialmente a las Figuras 20 y 21, el aparato 54 comprende un modulo extractor de energfa de la turbina 55 que puede ser insertado y retirado del aparato. Se proporciona alguna forma de pantalla de barrera 56 delante del modulo 55 para prevenir la entrada de residuos solidos que pueden danar la turbina.
El aparato comprende una pared interior 57 y una pared exterior 58 y tiene un paso de flujo interior 59. El modulo de turbina 55 esta situado delante del aparato y en el paso 59 de tal manera que el agua que fluye a traves del modulo de turbina 55 pasa al interior del paso 59.
La pared exterior 58 del aparato influye en la direccion del flujo de manera que con dos conductos al menos se forma ventajosamente una barrera de flujo abierta (vease, por ejemplo, la Figura 22).
Los espacios entre la pared interior y exterior del conducto forman compartimentos de lastre 60 que tambien ofrecen una mayor proteccion para el extractor de energfa de la turbina alojado en el paso de flujo del conducto interior.
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El paso 59 funciona como un difusor que es mas ancho en su salida 61 para que los flujos aumenten por un efecto Venturi. Las placas de extremo/laterales rectangulares 62 unen los dos extremos traseros de las paredes del conducto y sobresalen dentro del flujo a los lados del conducto para ayudar a reducir la presion detras de la turbina para mejorar potencialmente la actuacion.
El espacio entre la pared interior y la exterior del conducto esta reforzado con miembros estructurales 63 y los espacios entre las paredes interior y exterior del conducto proporcionan compartimentos sellados que operan como tanques de lastre que pueden ser llenados con materiales pesados para ayudar a anclar el aparato o se llenan con aire comprimido para realizar una operacion de flotacion segun se requiera.
Ventajosamente, las paredes exteriores del conducto 58 obstruyen el flujo y lo desvfan (vease la flecha 64 en la Figura 20) de manera que puede ser canalizado en forma de flujos de mayor velocidad a otros conductos de aguas abajo.
El conducto aloja el extractor de energfa de la turbina de flujo cruzado del modulo 55 que esta acoplada al aparato y esta fijada de manera adecuada para que se instale y extraiga facilmente segun se requiera. Esta disposicion permite ventajosamente una instalacion y una sustitucion de modulos sencilla y economica en un ciclo de mantenimiento o en caso de un fallo catastrofico. El aparato de conducto 54 comprende un camino de flujo interior con forma de difusor 59 y tiene el modulo de turbina instalado en la entrada estrecha.
El aparato funciona como un dispositivo cargado con pesos. El aparato comprende un conducto difusor interior envuelto por un conducto exterior. La cavidad entre los conductos es usada para proporcionar lastre mediante materiales densos de mucho peso como hormigon, roca o sacos de arena que ayudan a amarrar el dispositivo al lecho marino. Los miembros de soporte estructural y un conducto exterior de alta resistencia (placa de acero, hormigon preformado, etc.) aumentan la capacidad del dispositivo para soportar fuerzas las axiales fuertes de las corrientes y el duro medio ambiente marino. Esta disposicion reduce los costos de instalacion cuando el conducto flota y puede ser remolcado hasta el sitio. El conducto puede ser cargado con pesos de lastre en el sitio de manera que quede sumergido en su posicion. El conducto puede ser conectado a otras amarras de cimentacion de gravedad conocidas segun se requiera.
El aparato puede funcionar tambien como un dispositivo de flotacion, en donde el compartimento del conducto esta sellado para proporcionar compartimentos de flotacion que pueden ser bombeados por bombas o compresores exteriores para llenar el compartimento con aire comprimido o agua, arena u otros materiales adecuados para conseguir una profundidad neutral deseable en el seno del flujo. La envuelta exterior proporciona una mayor integridad estructural al dispositivo para que sobreviva mejor al duro ambiente marino.
Una pluralidad de tales aparatos (instalaciones de conducto) 54 puede ser situada en un conjunto para formar conjuntos de barrera de flujo abierto.
Las instalaciones de conductos 54 fabricadas con materiales pesados como hormigon u otro tipo de materiales adecuados que tienen una densidad mayor que el agua son lo suficientemente pesadas para permitir que los dispositivos esten permanentemente situados en grupos en el fondo del mar.
Tales grupos de conductos permanecen en el suelo marino hasta el momento en que se retiran del servicio. Solo se quita el modulo de extraccion de energfa de la turbina intercambiable para trabajos de mantenimiento o de sustitucion segun se requiera durante la vida util del proyecto.
Las paredes laterales exteriores de los conductos de compartimentos desvfan los flujos aguas abajo. Los flujos desviados pueden ser canalizados ventajosamente a otros conductos de turbina de aguas abajo que estan configurados en grupos. Pluralidades de conductos cargados con pesos 54 formados en grupos crean un obstaculo al flujo para que los flujos de los canales de los conductos de grna a los conductos de aguas abajo aumenten potencialmente la velocidad del flujo. Esto se ilustra en la Figura 22, en la Figura 23 y en la Figura 24.
Hileras sucesivas de conductos crean un parque de extraccion de energfa de bajo costo comparativamente eficiente.
Haciendo referencia espedficamente a la Figura 22, se ilustra un conjunto de conductos 66 que comprende tres aparatos de conducto 54, el conjunto es apto para flujos de una sola direccion tales como los que se encuentran en un no. Las flechas indican la direccion de los flujos.
Los flujos de fluido entran en la turbina de entrada 67 y fluyen a traves de la turbina causando que gire y genere electricidad. La pared del conducto exterior desvfa los flujos 68 a lo largo de la superficie exterior que prosiguen aguas abajo hacia otros conductos de turbina situados de manera adecuada dentro de los flujos desviados.
Los conductos de aguas abajo estan situados para permitir que los flujos viajen alrededor del conducto para que el flujo del obstaculo que esta formado por la pluralidad de conductos no se obture o bloquee, sino que haya suficiente separacion o espacio para favorecer el flujo entre los conductos.
Las configuraciones de conjuntos de al menos dos o mas conductos de turbina crean una barrera de flujo abierto
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eficiente para la extraccion de energfa del flujo de los fluidos.
Las Figuras 23 y 24 ilustran conjuntos mas complejos de aparatos de conducto 54.
La Figura 25 ilustra una realizacion adicional de la invencion que comprende pluralidades de aparatos de conducto de turbina 54 incorporados dentro de la estructura de tirantes 70 filtrada de residuos 71 para formar un conjunto flotante. (Se omite la placa superior para mayor claridad).
Se pueden fabricar pluralidades de conductos de compartimento 54 a partir de materiales ligeros para formar conjuntos de extraccion de energfa. Las conjuntos ligeros de los conductos de turbina 54 estan alojados dentro de una estructura de tirantes 70 que opera como un dispositivo de flotacion neutra fijado a traves de los ojetes 72 a un ancla de gravedad (no ilustrada), para que la estructura haga guinadas con los cambios de direccion del flujo o estan fijados a un ancla de gravedad, cimentacion, estructuras de soporte escalonadas u otros medios de soporte.
La Figura 26 ilustra conjuntos flotantes 73 segun se describe en la Figura 25 que estan fijados a un amarre de gravedad 74 para hacer guinadas siguiendo el cambio de direccion de los flujos.
La Figura 27 ilustra los conjuntos de turbina de estructura de tirantes fijados a amarres de cimentacion conocidos en el fondo del mar. Los conjuntos pueden estar opcionalmente fijados a estructuras escalonadas para capturar la energfa dentro de un flujo a varias profundidades. Otros sistemas de montaje y amarre adecuado conocido para dispositivos de flotabilidad neutra son tambien aplicables, por ejemplo, montajes bajo pontones y otras embarcaciones y otros dispositivos de soporte conocidos.
En cumplimiento con el estatuto, la invencion ha sido descrita en un lenguaje mas o menos espedfico segun las caractensticas estructurales o de metodo. La expresion "comprende" y sus variaciones, tales como "que comprende" y "compuesto de” son usadas en toda la memoria en un sentido inclusivo y no para excluir cualquier caractenstica adicional. Resultara evidente que la invencion no se limita a las caractensticas espedficas mostradas o descritas ya que los medios descritos en esta memoria comprenden formas preferidas para realizar la invencion. La invencion esta, por tanto, reivindicada en cualquiera de sus formas o modificaciones dentro del alcance apropiado de las reivindicaciones adjuntas apropiadamente interpretadas por personas expertas en la materia.
En toda la memoria y reivindicaciones (si esta presente), a menos que el contexto requiera otra cosa, se entendera que la expresion "sustancialmente" o "aproximadamente" no debe estar limitada al intervalo cualificado por las expresiones.
Cualquier realizacion de la invencion esta destinada a ser solamente ilustrativa y no pretende ser limitadora de la invencion. Por tanto, resultara evidente que varios cambios y modificaciones pueden ser incorporados a cualquier realizacion descrita sin apartarse del alcance de la invencion, que esta definida por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una turbina de flujo cruzado o transversal (19) para ser usada en un flujo de fluido que comprende al menos un alabe de perfil aerodinamico vertical (22) y al menos un alabe de perfil aerodinamico helicoidal (20) inclinado hacia la direccion de rotacion (103); caracterizada por que al menos un alabe helicoidal (21) esta inclinado contra el sentido de rotacion de la turbina, y por el hecho de que el alabe de perfil aerodinamico vertical (22) es recto.
  2. 2. La turbina de la reivindicacion 1, incluyendo bandas de borde superior y de fondo (23, 24).
  3. 3. La turbina de la reivindicacion 1 o de la reivindicacion 2, incluyendo un eje de accionamiento rotatorio central (25).
  4. 4. Una pluralidad de turbinas (33, 34) de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes asociadas operativamente a un eje de accionamiento comun (35), u operativamente asociadas a ejes de accionamiento, que esta/estan asociado(s) a un extractor de energfa (36) o a otros medios de extraccion de energfa.
  5. 5. La turbina segun se reivindica en la reivindicacion 1 o la 2, comprendiendo ejes exteriores.
  6. 6. Un aparato incluyendo un modulo de alojamiento (41), una turbina (40) segun se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo parte de la turbina un rotor (18) y comprendiendo parte del modulo de alojamiento un estator (43) de manera que el extractor de energfa comprende parte del aparato.
  7. 7. Un aparato de conducto estructural (54) conteniendo una turbina segun se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
  8. 8. El aparato de conducto de la reivindicacion 7, comprendiendo paredes interior (57) y exterior (58) para proporcionar un paso interior difusor del flujo (59) que puede alojar modulos de extraccion de energfa de la turbina (55) con las superficies exteriores del conducto influenciando la direccion del flujo (64, 68) para que donde haya al menos dos conductos se forme ventajosamente una barrera de flujo abierto.
  9. 9. El aparato de conducto de la reivindicacion 8, incluyendo ademas placas rectangulares (62) uniendo los extremos traseros de dichas paredes de conducto (57, 58) y sobresaliendo dentro del flujo a los lados del conducto para ayudar a reducir la presion detras de la turbina para conseguir una actuacion mejorada.
  10. 10. Un conjunto o barrera (66) comprendiendo al menos un aparato de conducto segun una cualquiera de las reivindicaciones 7 a la 9.
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