ES2626269T3 - Aparato de rotor - Google Patents

Abstract

Un aparato de rotor para extraer energía desde flujo de fluidos unidireccional o bidireccional, el aparato de rotor comprende un primer rotor (7) montado para rotación alrededor de un eje (4) de rotación en una primera dirección de rotación, el primer rotor tiene por lo menos una pala (2) helicoidal; y un segundo rotor (8) montado para rotación alrededor del mismo eje (4) de rotación en una dirección opuesta de rotación y que tiene por lo menos una pala (2) helicoidal, en la que el fluido que sale del primer rotor (7) se pasa al segundo rotor (8); caracterizado porque la pala del primer rotor tiene un tramo que se reduce en una dirección a lo largo del eje de rotación, y la pala del segundo rotor tiene un tramo que se aumenta en la misma dirección a lo largo del eje de rotación.

Description

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DESCRIPCION

Aparato de rotor

La invencion se refiere a un rotor para extraer energfa de un fluido que fluye, por ejemplo, un flujo de marea.

Un fluido que fluye posee energfa cinetica debido a su movimiento. El fluido que se presenta en forma natural que fluye se puede encontrar en corrientes de marea, corrientes costeras u oceanicas, flujos de nos, corrientes terminas, corrientes de aire y en otras partes. El hombre tambien puede generar flujo de fluidos directamente o indirectamente, por ejemplo, los flujos de fluidos secundarios se pueden generar corriente arriba o corriente debajo de un obstaculo colocado en un flujo de fluido que se presenta en forma natural tal como una represa en un rio. El fluido que fluye se puede generar por el transporte de un fluido en una tubena o mediante una maquina tal como un fluido que fluye en un sistema de fluido instalado en un tren, o un barco o un automovil.

La conversion de energfa de los flujos de gas tal como corrientes de aire, es decir potencia eolica, es una tecnologfa bien desarrollada. Se han hecho numerosas turbinas disenadas especialmente para extraer energfa del viento. Sin embargo, el nivel de energfa potencial es mucho mas grande en un fluido lfquido que en un fluido de gas debido a que la densidad del fluido es generalmente mayor. Por ejemplo, en corrientes de marea, se puede generar exceso de velocidades de fluido de 5 m/s, aunque una velocidad mas tfpica se puede encontrar en el rango 1.5-2.5 m/s. Dado que la densidad del agua salada es de 1000 kg/m3, la densidad de la energfa de las corrientes de marea puede normalmente ser del orden de 4000 W/m2 En comparacion, la densidad del aire es de aproximadamente 1.2 kg/m3, por lo tanto, la densidad de la energfa del viento en esta velocidad es normalmente de aproximadamente 5 W/m2, esto es aproximadamente 800 veces menos que la disponible en una corriente de marea correspondiente.

Por lo tanto, subsiste la necesidad de un dispositivo mejorado para energfa de potencia de flujos de fluidos tal como los flujos de mareas.

El documento US 5760515 y US 587814 divulgan rotores de contra corriente como se define en el preambulo de la reivindicacion 1.

Visto desde un primer aspecto, la invencion proporciona un aparato de rotor para extraer energfa de flujos de fluido unidireccional o bidireccional, el aparato rotor comprende un primer rotor montado para rotacion alrededor de un eje rotacional en una primera direccion rotacional, el primer rotor tiene por lo menos una pala helicoidal; y un segundo rotor montado para rotacion alrededor del mismo eje rotacional en una direccion opuesta rotacional y que tiene por lo menos una pala helicoidal, en donde el fluido que sale del primer rotor se pasa al segundo rotor; caracterizado porque la pala del primero rotor tiene un tramo que reduce en una direccion a lo largo del eje rotacional, y la pala del segundo rotor tiene un tramo que aumenta en la misma direccion a lo largo del eje rotacional.

En razon a que el tramo helicoidal de la pala helicoidal se reduce en una direccion cada rotor posee una direccion de flujo optima, que es de un extremo de tramo mas grande al extremo de tramo mas pequeno. El fluido que ingresa en paralelo al eje longitudinal y al cabezal al extremo de tramo helicoidal mas grande encontrana menos resistencia y se podna guiar mas gentilmente dentro del rotor. Cuando el fluido pasa a lo largo de la pala helicoidal el tramo de reduccion asegura la extraccion eficiente de la energfa del flujo. El fluido puede aun fluir en paralelo al eje longitudinal y el cabezal en la direccion no preferida pero la extraccion de potencia no sena optima en razon a que se perdena mucha energfa al alinear inicialmente el flujo de fluido entrante hacia las palas de rotor en angulo. De esta manera se disenan convencionalmente los rotores con una direccion de flujo preferida. En las situaciones en donde la direccion de flujo invierte las disposiciones de la tecnica anterior se puede proporcionar con medios para realineacion con la nueva direccion de flujo tal como un montaje de torre o un flotador atado en un flujo o en un cambio de angulo de pala mediante algunos medios.

Preferiblemente el aparato rotor es un rotor generador, y por lo tanto una realizacion preferida comprende un generador que incluye un aparato rotor, por ejemplo, un generador para generar electricidad de flujos de mareas.

El anterior rotor unidireccional o bidireccional de dos etapas surge de la realizacion no obvio de que cuando el fluido sale del rotor de palas helicoidales unidireccionales, el fluido poseera tanto un componente radial como longitudinal y que este componente radial sera bien adecuado para ingresar en el extremo de tramo helicoidal mas pequeno de otro rotor de palas helicoidal unidireccional, cunado los dos rotores tienen palas que giran en la misma direccion cuando se reduce el tramo (es decir, ambos rotores tienen palas en sentido horario cuando se reduce el tramo o ambos rotores tienen palas en direccion contra horaria cuando se reduce el tramo). De esta manera, en el segundo rotor la direccion de flujo de fluido puede ingresar desde el extremo de tramo helicoidal mas pequeno y fluye hacia el extremo de tramo helicoidal mas grande. La extraccion de potencia resultante sena igual que el caso inicial pero inverso y el fluido saldna del rotor solo con un componente longitudinal. En razon a que los dos rotores son contra rotatorios y poseen otro, el fluido puede fluir en la direccion opuesta con el mismo resultado. Por lo tanto, el rotor de dos etapas de este aspecto permite que la energfa se extraiga de los fluidos en cualquier direccion a lo largo de un eje sin comprometer el nivel de produccion de potencia. Una realizacion preferida es un aparato rotor para extraer energfa de fluidos de marea, preferiblemente mediante la produccion de electricidad, con lo cual el aparato rotor

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funciona como una turbina de marea. El aparato puede por lo tanto tomar la forma de una turbina de marea que comprende el aparato rotor. Un flujo de Ifquido bidireccional adecuado tambien se puede generar debido al movimiento regular hacia arriba y hacia abajo o hacia adelante y hacia atras de una embarcacion o automovil.

En una realizacion preferida el primero y segundo rotor tienen una abertura en el extremo de entrada o salida del aparato rotor que se dispone para flujo axial de fluido. De esta manera, la abertura es perpendicular al eje rotacional del aparato rotor y las palas se formar preferiblemente para recibir o expeler fluido que fluye en una direccion generalmente axial, opcionalmente en una unica direccion axial. El tramo helicoidal mas grande en el extremo de entrada y salida reciben por lo tanto principalmente o unicamente flujo axial, que aumenta la eficiencia.

Preferiblemente los primeros y segundos rotores tienen aberturas en sus extremos opuestos que no se disponen para unicamente el flujo axial, sino que en cambio se pueden adaptar para recibir o expeler fluido que fluye con un componente radial para su movimiento. El componente de flujo radial es util en razon a que los dos extremos opuestos tienen un tramo pequeno hacia la pala de rotor y por lo tanto transfieren flujo entre los dos rotores lo que es mas efectivo cuando el flujo tiene un componente radial, asf como un componente axial.

Una realizacion preferida no permite el flujo de fluido a traves de cualquiera abertura del rotor cuando el flujo de fluido tenga solo un componente radial y ningun componente axial.

Preferiblemente, los primeros y segundos rotores tienen extremos opuestos que tienen mismo diametro. El primer rotor y/o el segundo rotor pueden ser un rotor cilmdrico que tiene una pala formada por una helice cilmdrica. Sin embargo, en realizaciones preferidas el primer rotor y/o el segundo rotor tiene una pala o palas formadas por una superficie que se extiende entre las helices conicas interna y externa, las helices conicas tienen cada una un tramo que se reduce cuando el radio de la helice aumenta. Los rotores pueden tener caractensticas como se discute adelante con relacion al cuarto aspecto de la invencion, por ejemplo, en relacion con la forma y el diseno de las helices conicas, el numero de palas, el aro externo y la superficie periferica interna, generador caractensticas y asf sucesivamente. En la realizacion preferida en donde el primer rotor y el segundo rotor comprenden una pala o palas formadas entre las helices conicas, los dos rotores tienen extremos de diametro grande que se oponen entre sf y tienen el mismo diametro.

El primero y segundo rotores tienen extremos que se oponen entre sf de tal manera que los fluidos que fluyen de un rotor a otro rotor. Preferiblemente los extremos opuestos se oponen directamente, es decir, con espacio mmimo entre los dos rotores. Esto hace mejor uso del componente radial del flujo que sale de un rotor en ingresa al otro. Sin embargo, en aplicaciones de turbina de mareas, para reducir el peligro a la vida acuatica, el espacio entre los dos rotores se puede aumentar para reducir el efecto de picado entre rotores. La vida acuatica puede pasar a traves del dispositivo sin dano al ser transportado a lo largo del flujo giratorio.

Preferiblemente el primer rotor y el segundo rotor tienen una pala o palas de la misma forma formadas mediante helices conicas similares. Esto asegura bidireccionalidad maxima en razon a que un flujo de fluido identico puede ingresar al aparato rotor de dos etapas desde cualquier extremo con la misma potencia de despegue resultante.

El aparato del rotor puede comprender una carcasa alrededor de los primeros y segundos rotores. La carcasa soporta preferiblemente los rotores para rotacion alrededor del eje rotacional. La carcasa de rotor se puede disenar para realizar diversas funciones. Por ejemplo, la carcasa de rotor se puede disenar exclusivamente para alojar los rotores y proporcionar soporte por via de rodamientos mecanicos, rodamientos magneticos o algun otro tipo de sistema de rodamiento activo o pasivo que permita que los rotores para giren libremente con poca friccion. Una disposicion de sellado tal como sellos de borde, sellos de laberinto o algun otro tipo de disposicion de sellado tambien pueden estar en el lugar para evitar que el flujo de lfquido alcance los rodamientos o componentes electricos en la carcasa del rotor. O, alguno flujo lfquido se puede direccionar hacia los rodamientos e intercambiadores de calor de componentes electricos y utilizar como refrigerante en aplicaciones demandantes.

La carcasa tambien puede incluir generadoras, sistemas de control y similares. Cualquier forma adecuada de carcasa se puede utilizar. En una realizacion preferida, la carcasa de rotor tiene una seccion de entrada y una seccion salida. La carcasa de rotor se puede utilizar para mejorar el desempeno de los rotores. La geometna de entrada de la carcasa de rotor se puede disenar para aumentar la velocidad lineal del flujo de lfquido cuando ingresa a la entrada del rotor mediante el uso de una seccion convergente o alguna otra geometna. En razon a que la potencia disponible del flujo de lfquido es proporcional al cubo de la velocidad de flujo de lfquido, esto proporciona un medio efectivo para aumentar la cantidad de energfa disponible. La salida de la carcasa del rotor tambien se puede disenar para reducir el flujo de lfquido en una forma controlada a traves del uso de una seccion divergente o una geometna de salida disenada especialmente de tal manera que la perdida turbulencia y viscosidad se minimizan y el fluido regresa gentilmente al volumen principal de fluido con perturbacion mmimo.

Los rotores pueden cada uno comprender por lo menos una pala dispuesta para girar alrededor de un eje rotacional, la pala se forma mediante una superficie que se extiende entre las helices conicas interna y externa, las helices conicas cada una tienen un tramo que se reduce cuando aumenta el radio de la helice.

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En el contexto actual, una helice conica tiene una curva tridimensional formada sobre una superficie de un cuerpo generalmente conico. La superficie del cuerpo generalmente conico puede ser conica, de cono truncado o de cualquier otra forma disenada como una superficie de revolucion que tiene generalmente un radio creciente o decreciente. De esta manera, la superficie no se limita espedficamente a un cono de lados rectos, sino que en su lugar puede ser un cono de lados convexos o de cono truncado tal como una zona o forma de cono de nariz, o alternativamente el cono puede tener un cono de lado concavo o de cono truncado. Lo que es importante para el rotor de la invencion es que cada helice conica se forma con un radio que aumenta a lo largo de un eje del rotor y un tramo que se reduce cuando aumenta el radio. Las helices conicas interna y externa tienen preferiblemente la misma reduccion en tramo, aunque son posibles aplicaciones en donde se puede utilizar una reduccion diferente en el tramo para las helices conicas interna y externa.

Los terminos "interno" y "externo" se utilizan aqu para referirse a partes del rotor que tienen un radio mas pequeno o mas mayor del eje rotacional del rotor.

El rotor es para extraer energfa cinetica de un flujo de fluido al convertirla en energfa cinetica en el flujo de fluido en una fuerza de rotacional o torque, permitiendo por lo tanto la conversion hacia adentro en una forma mas conveniente de energfa, tal como energfa electrica. Preferiblemente el rotor es para generacion de electricidad a partir de flujos de marea.

Puede haber un aro externo ubicado alrededor del borde externo de la pala y que corresponde a la superficie sobre la cual se forma la helice conica externa. Puede haber una superficie periferica interna ubicada alrededor del borde interno de la pala y que corresponde a la superficie sobre la cual se forma la helice conica interna. El rotor por lo tanto incluye preferiblemente superficies internas y externas que incluyen las palas, que pueden superficies generalmente conicas interna y externa de revolucion que corresponde a las rutas de las helices conicas. Internamente, el rotor por lo tanto tiene uno o mas pasajes de flujo formados entre las superficies de pala delantera y posterior, el aro externo y la superficie interna. Los pasajes de flujo contienen efectivamente el fluido que fluye y evitan que se pierda la energfa debido a las perdidas de punta.

Para permitir la rotacion de la pala esta se puede montar sobre el aro externo y/o la superficie periferica interna, que luego se montanan para movimiento, por ejemplo, por medio de rodamientos y un eje fijo. En realizaciones preferidas la pala se extiende entre estos y se monta a ambos el aro externo y la superficie interna. Esto asegura el flujo encerrado de fluido y minimiza las perdidas de punta. Alternativamente, sena posible montar la pala a solo uno del aro externo y la cara interna, con el otro aro externo o la superficie interna restante fija. Esta ultima disposicion puede dar aumento a mayores perdidas, pero podna simplificar la fabricacion del rotor.

En una realizacion preferida el rotor tiene una abertura en el extremo de diametro pequeno del rotor que se dispone para flujo axial del fluido. De esta manera, la abertura es perpendicular al eje rotacional del rotor y las palas se forman preferiblemente para recibir o expeler fluido que fluye en una direccion generalmente axial. Preferiblemente el rotor tiene una abertura en el diametro grande que tambien es perpendicular al eje rotacional del rotor. Sin embargo, en la realizacion preferida las palas en el extremo de diametro grande no se disponen unicamente para flujo axial, pero en cambio se pueden adaptar para recibir o expeler fluido que fluye en un componente radial a su movimiento. Una realizacion preferida no permite el flujo de fluido a traves de la abertura del rotor cuando el flujo de fluido tiene solo un componente radial y ningun componente axial.

Las helices conicas interna y externa empiezan preferiblemente en la misma posicion longitudinal a lo largo del eje rotacional del rotor antes de extenderse a lo largo de la direccion del eje rotacional del rotor. Preferiblemente las helices conicas interna y externa tambien se extienden por aproximadamente la misma longitud axial a lo largo de la direccion del eje rotacional del rotor. Con esta disposicion cuando un aro externo del rotor esta presente encierra naturalmente una abertura que requiere un componente axial del flujo para que el fluido fluya a traves de la abertura.

La helice conica puede tener cualquier forma adecuada que permita una curva tridimensional con un aumento de radio y una reduccion de tramo como se describio anteriormente. Una opcion preferida es el uso de un espiral Arquimediano con un aumento lineal en el radio, que se puede utilizar para producir un rotor con una forma simple basada en el cono truncado del lado recto. Sin embargo, la helice conica se puede basar alternativamente en espirales de Euler, Fibonacci, hiperbolica, Lituus, logantmica, Theodorus o cualquier otra espiral conocida que tiene radio variable r como una funcion de la coordenada polar 0 pero que tambien tiene una tercera variable, la longitud l que tambien vana como una funcion de la coordenada polar 0. Algunas curvas y/o el uso de radio no lineal que aumenta resultara en helices conicas basadas en formas conicas con lados concavos o convexos, como se discutio anteriormente.

Las helices conicas interna y externa se pueden basar en la misma forma de espiral o curva, con diferentes radios inicial y final. Alternativamente, las diferentes formas de curva o espiral se pueden utilizar para las helices conicas interna y externa que producen una forma mas compleja para la pala.

Aunque se puede utilizar una unica pala es ventajoso utilizar multiples palas Esto crea multiples pasajes de flujo y tambien permite que el rotor se balancee facilmente. La eleccion de dos, tres o mas palas de rotor puede depender

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del balance de la resistencia del rotor, facilidad de fabricacion y perdida de energfa con friccion. En la presente realizacion, se prefiere la eleccion de tres palas de rotor ya que ofrece una fuerte construccion de tres puntos balanceada con mmima perdida de friccion.

La pala o palas se forman preferiblemente como superficies generadas por lmeas rectas entre puntos en las helices conicas interna y externa en la misma distancia longitudinal a lo largo de la direccion del eje rotacional del rotor. De esta manera, la superficie de pala puede conectar el par de helices conicas en la direccion radial. Alternativamente, las palas se pueden formar como superficies generadas por curvas entre puntos sobre las helices conicas interna y externa en la misma distancia longitudinal a lo largo de la direccion del eje rotacional del rotor. Con esta disposicion las superficies de palas pueden, por ejemplo, ser concavas cuando se ven desde el extremo de diametro grande del rotor.

Las helices conicas interna y externa ambas pueden aumentar en radio en la misma proporcion, de tal manera que las superficies conicas generalmente son paralelas. Sin embargo, puede ser ventajoso ajustar el desempeno del rotor al tener un mdice diferente de aumento en diametro para las helices conicas interna y externa. La helice conica interna puede aumentar en radio en una proporcion mas lenta que el aumento en el radio de la helice conica externa con el fin de reducir o restringir las fuerzas de reaccion hidrodinamicas y las fuerzas de torsion producidas por el rotor. Alternativamente, el radio de helice conica interno puede aumentar en una proporciona mas rapida que el radio de helice conica externo con el fin de aumentar las fuerzas de reaccion hidrodinamicas y las fuerzas de torsion.

Los parametros discutidos anteriormente, incluyendo el radio de la helice conica, el tramo de las helices conicas y el aumento relativo en el radio de las helices conicas interna y externa que vanan preferiblemente linealmente a lo largo de la longitud del rotor. Sin embargo, las variaciones de no lineales, de radio, el tramo y el radio relativo tambien senan posibles.

En una realizacion preferida el rotor incluye una carcasa ubicada alrededor del aro externo. La carcasa puede albergar el rotor y los rodamientos de soporte o ejes que permiten la rotacion del rotor. La carcasa puede incluir una entrada convergente y/o salida divergente para condicionar el flujo del fluido antes que ingrese al rotor.

El rotor puede estar provisto con uno o mas generadores para convertir el movimiento rotacional del rotor en energfa electrica. El aro rotacional externo del rotor del rotor se puede disponer para actuar cuando el rotor en el generador electrico con una parte de la carcasa estacionaria es el estator. Alternativamente, la superficie periferica interna se puede disponer para actuar como el rotor con partes estacionarias a lo largo del eje rotacional del rotor que proporciona el estator. Con estas disposiciones el rotor y el estator forman un generador electrico configurado de tal manera que se acciona mediante el flujo de lfquido y convierte directamente el movimiento del rotor en energfa electrica sin la necesidad de transferir la fuerza rotacional hacia un dispositivo adicional. Se pueden montar electroimanes permanentes sobre el aro externo del rotor y sobre el lado interno de la carcasa del rotor para este proposito. El estator y el rotor formados se pueden configurar en cualquier manera adecuada para producir corriente alterna (CA) o corriente continua (CC) en una forma eficiente. La electronica y acondicionamiento de senales se puede incorporar en la carcasa de rotor o en cualquier parte para facilitar la conexion a una red electrica o una instalacion de almacenamiento tal como una instalacion de batena.

Sin embargo, no se considera ideal el uso de imanes para aplicaciones de baja velocidad. En aplicaciones de flujo de baja velocidad es mas eficiente tener un rotor de diametro grande que sea capaz de capturar altos niveles de torque del flujo de fluido de baja velocidad. Esto resulta en una velocidad relativamente baja rotacional del rotor. Una gran serie de imanes sena necesaria para generar directamente la frecuencia correcta para dirigir la conexion a una rejilla electrica tfpica. Si se utiliza una serie de imanes mas pequenos entones el equipo electronico adicional requerina acondicionar la senal electrica para que coincida con la red electrica.

Por lo tanto, se prefiere utilizar generadores multiples de alta eficiencia, alta velocidad, bajo torque tal como generadores asincronicos, que son utiles en aplicaciones de frecuencia constante, velocidad variable. Los niveles de alto torque y baja velocidad rotacional son ventajosos para este tipo de generadores. Los generadores asincronicos pueden generar potencia que luego se puede cargar directamente a la red en la frecuencia correcta.

En razon a que el rotor en este caso puede ser un rotor con aros internos y externo perifericos giratorios, las areas de superficie grande estan disponibles para conexion a multiples generadores de alta velocidad y bajo torque. Las realizaciones preferidas requieren por lo tanto el uso de estos generadores, a diferencia de un unico generador conectado a un giratorio eje central. Se pueden colocar diversos generadores alrededor de la periferia del aro externo giratorio con el fin de extraer la maxima potencia y/o ser reemplazado en el espacio central interno del rotor y extraer potencia de la superficie periferica interna giratoria. La conexion entre el generador y cada aro se puede hacer con un engranaje simple o utilizando una rueda portante.

En razon a que el aro externo y la superficie periferica interna en las realizaciones preferidas tendran un diametro que vana a lo largo de la longitud del rotor, entonces se pueden disponer multiples generadores para que se conecten al aro externo o la superficie periferica interna en diferentes diametros para que corra por lo tanto a diferentes velocidades de rotacion con relacion a la velocidad de rotacion del rotor.

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En una realizacion preferida el aro externo y/o la superficie periferica interna tienen una superficie generalmente conica, y se pueden mover multiples generadores montados en paralelo a una superficie conica con el fin de permitir la variacion de la velocidad rotacional de entrada a los generadores mediante el movimiento a lo largo de la superficie del cono. Esta disposicion funciona de una manera similar para algunos dispositivos de transmision variable continua. Los generadores se pueden mover a lo largo de la superficie mediante motores de tramo a tramo y de marco. Los generadores se pueden montar, por ejemplo, en la superficie interna del cono interno del rotor, o sobre la superficie externa del aro externo del rotor.

En una disposicion alternativa se pueden montar multiples generadores a una superficie escalonada de la superficie periferica interna del aro externo, es decir, una superficie comprendida de multiples cilindros apilados de diferentes diametros. Con esta disposicion puede haber multiples anillos de generadores montados a una superficie escalonada en diferentes diametros. Uno o mas anillos de generadores se pueden enganchar o desenganchar preferiblemente a diferentes velocidades rotacional con el fin de generar electricidad eficiente para diferentes velocidades.

Al permitir la conexion de velocidades variables al rotor de esta forma, una velocidad de generador relativamente constante dentro del rango variable de generadores se puede alcanzar a traves de un rango de flujos de fluido.

En una realizacion particularmente preferida, un primer rotor como se describio anteriormente se proporciona en combinacion con un segundo rotor como se describio anteriormente, con los extremos de diametro grandes del primero y segundo rotores que se oponen entre sf, de tal manera que el fluido que sale del extremo de diametro grande de un rotor y luego ingresa al extremo de diametro grande del otro rotor. Dentro de esta disposicion los rotores se montan ambos para rotacion alrededor de un unico eje y se montan preferiblemente dispuestos para contra rotacion, es decir, de tal manera que el primer rotor gira en la direccion opuesta alrededor del eje del segundo rotor. En este caso los rotores pueden tener palas que se forman desde helices conicas que giran en el mismo sentido cuando aumenta el radio, es decir, los primeros y segundos rotores tienen palas que se forman en la direccion horaria cuando aumento de radio de la helice conica, o alternativamente ambos rotores tienen palas en sentido contra horario.

Visto desde un segundo aspecto, la invencion proporciona un metodo que comprende el uso de un aparato de rotor de dos etapas como se describio anteriormente para la produccion de energfa cinetica rotacional del flujo de un fluido. Preferiblemente el metodo comprende el uso de un aparato de rotor de dos etapas para producir energfa de un flujo de marea, y mas preferiblemente el uso de un rotor para producir energfa electrica del flujo de marea.

Visto desde un tercer aspecto, la invencion proporciona un metodo para fabricar un aparato rotor de dos etapas que comprende: montar un primer rotor para rotacion alrededor de un eje rotacional, el primer rotor tiene por lo menos una pala helicoidal; y un montar segundo rotor para rotacion alrededor del mismo eje rotacional en una direccion rotacional opuesta, el rotor segundo tiene por lo menos una pala helicoidal. caracterizado porque la pala del primer rotor tiene un tramo que reduce en una direccion a lo largo del eje rotacional, y la pala del segundo rotor tiene un tramo que aumenta en la misma direccion a lo largo del eje rotacional.

El metodo puede incluir proporcionar caractensticas del aparato de rotor como se discutio anteriormente en relacion con el primer aspecto. La forma y el diseno del rotor se pueden seleccionar como se discutio anteriormente en relacion con un metodo preferido.

El metodo puede incluir fabricar uno o ambos rotores con por lo menos una pala dispuesta para girar alrededor de un eje rotacional, el metodo comprende: definir una helice conica interna y una helice conica externa, la helice conica tiene cada una un tramo que se reduce cuando aumenta el radio de la helice; y forma las palas como una superficie que se extiende entre las helices conicas internas y externas.

El metodo puede incluir proporcionar caractensticas de las helices conica y de rotor como se discutio anteriormente, que incluyen uno o mas de un aro externo, superficie periferica interna, eje, posicion de partida y longitud de la helice conica, forma de la helice conica, cambio de radio de la helice conica, cambio relativo del radio de las helices conicas interna y externa, cambio de tramo de la helice conica, numero de palas, carcasa, generadores, segundo rotor y asf sucesivamente.

En realizaciones preferidas, el metodo comprende seleccionar las caractensticas del rotor basado en las caractensticas deseadas del desempeno del rotor. Por ejemplo, el metodo puede comprender seleccionar el mdice de cambio de radio de una helice conica o ambas helices conicas basado en una salida de fuerza de torsion deseada para una condicion de flujo predeterminada. La condicion de flujo predeterminada puede por ejemplo ser un flujo de marea promedio en un sitio de instalacion propuesto, y la fuerza de torsion deseada se puede hacer coincidir con el torque de entrada optimo para el dispositivo de salida pretendido, que puede ser un generador o multiples generadores. Similarmente, el metodo puede comprender seleccionar el cambio relativo de radio de helices conicas internas o externas o seleccionar el cambio en tramo de una helice conica o ambas helices conicas basado en una salida de fuerza de torsion deseada para una condicion de flujo predeterminada.

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El uso de multiples generadores de alta eficiencia, alta velocidad, y bajo torque, montados en el rotor con una superficie que tiene un diametro que vana a lo largo de la longitud del rotor, en que se disponen multiples generadores que se van a conectar a la superficie en diferentes diametros para que correan por lo tanto diferentes velocidades rotacional con relacion a la velocidad rotacional del rotor se considera que son nuevas e inventivas en su propio derecho, y por lo tanto, vistas desde un aspecto adicional, la invencion proporciona un rotor para generacion de potencia electrica de flujo de fluido, el rotor comprende una superficie que tiene un diametro que vana a lo largo de la longitud del rotor, en el que se montan multiples generadores para recibir la fuerza rotacional del movimiento de la superficie en diametros variables de la misma. La superficie puede ser una superficie generalmente conica o una superficie escalonada, como se describio anteriormente. El termino generalmente conico esta destinado a referirse a no solo conos rectos perfectos si no tambien conos truncados, conos convexos y conos concavos como se discutio anteriormente. Los generadores pueden ser generadores de alta eficiencia, alta velocidad, y bajo torque, tal como generadores asincronicos como se discutio anteriormente. Se pueden colocar diversos generadores alrededor de la periferia de un aro externo giratorio con el fin de extraer la maxima potencia y/o ser colocados en un espacio central interno del rotor y extraer potencia del aro interno giratorio. La conexion entre el generador y cualquier aro se puede hacer con un engranaje simple o utilizando una rueda portante o algunos otros medios. El rotor puede tener caractensticas como se discutio anteriormente en relacion con el rotor y el aparato rotor de dos etapas. En una realizacion particularmente preferida los generadores se pueden montar en forma movil en paralelo a la superficie generalmente conica con el fin de permitir la variacion de la velocidad rotacional de entrada a los generadores mediante el movimiento a lo largo de la superficie del cono como se discutio anteriormente.

La invencion tambien abarca el uso del rotor como se describio anteriormente para la produccion de electricidad de los flujos de fluidos.

Determinadas realizaciones preferidas de la invencion se describiran ahora solo por via de ejemplo y con referencia a los dibujos acompanantes en los que:

Las figuras 1A y 1B muestran una realizacion de un rotor en una vista lateral y en una vista de extremo,

Las figuras 2A y 2B muestran el rotor de la figura 1 con un aro periferico externo cortado parcialmente de tal manera que son visibles mas detalles del diseno de rotor

Las figuras 3A y 3B son vistas en perspectivas del rotor de las figuras 1 y 2 con el aro externo parcialmente y completamente omitido,

Las figuras 4A y 4B muestran una realizacion de un rotor en donde aumenta el radio de helice conica interno a una menor proporcion que el radio de helice conica externo,

Las figuras 5A y 5B muestran una alternativa adicional en donde aumenta el radio de helice conico interno a una mayor proporcion que el radio de helice conico externa,

Las figuras 6A y 6B muestran una realizacion alterna en donde se reduce el tramo helicoidal a una menor proporcion que el rotor de las figuras 1 y 2,

Las figuras 7A y 7B muestran una realizacion alterna en donde el tramo helicoidal se reduce a una mayor proporcion que el rotor de las figuras 1 y 2,

Las figuras 8A y 8B ilustran una realizacion de una disposicion de aparato de rotor de dos etapas en una vista lateral y una vista de extremo con el aro externo parcialmente omitido,

Las figuras 9A y 9B son vistas en perspectivas del aparato rotor de dos etapas de la figura 8 con el aro externo parcialmente y completamente omitido.

La figura 10 muestra un aparato de rotor de dos etapas instalado en una carcasa con generadores en la superficie de rotor externo,

La figura 11 muestra un aparato de rotor de dos etapas instalado en una carcasa con generadores en una superficie de rotor conica interna,

La figura 12 muestra una disposicion alterna con generadores en una superficie de rotor interna escalonada,

La figura 13 ilustra una disposicion con un par de aparatos de rotor de dos etapas instalado sobre un tipo de torre de estructura para uso sobre un lecho marino.

La figura 14 es una grafica que muestra la variacion en las fuerzas de torsion generada por un aparato rotor de dos etapas cuando se cambia la relacion de radio mmimo do y radio maximo Do de la helice conica,

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La figura 15 es una grafica que muestra la variacion en las fuerzas de torsion generadas por un aparato rotor de dos etapas con modificacion a la velocidad en la que aumenta el radio de helice conico interior comparado con el radio de helice conica externo, y

La figura 16 es una grafica que muestra la variacion en las fuerzas de torsion generadas por un aparato rotor de dos etapas cuando el mdice de reduccion del tramo helicoidal se ajusta al alterar el mdice de aumento de la frecuencia helicoidal.

Las figuras 1A y 1B describen una realizacion de un rotor que incluye un aro 1 periferico externo, palas 2 y superficies 3 internas perifericas. El rotor se puede utilizar para girar el flujo de un lfquido en movimiento rotacional que luego se puede utilizar para generar electricidad. Por ejemplo, en una realizacion preferida el rotor se utiliza en una turbina para generar electricidad de flujos de marea. Las palas 2 se extienden entre la superficie 3 periferica interna y el aro 1 externo y por lo tanto forman las rutas de flujo encerradas. En esta realizacion el espiral subyacente que forma el diseno de las palas 2 se basa en el espiral Arquimediano en donde existe un aumento lineal de radio r con la coordenada polar 0. El rotor resultante tiene por lo tanto la forma de un cono truncado. Como se indico anteriormente, se pueden utilizar otros tipos de curva. Se pueden ver tres palas 2 rotor dentro del rotor y tambien la superficie 3 periferica interna. El eje 4 longitudinal del rotor se muestra por una lmea central. A lo largo de las figuras, el diametro externo maximo del rotor se designa por Do y el diametro externo mmimo se designa por do. La longitud del rotor se designa por L y la longitud local l se mide desde el extremo del rotor que tiene el diametro externo mmimo do.

Las figuras 2A y 2B describen el rotor de las figuras 1A y 1B con el aro 1 periferico externo parcialmente oculto para claridad. El aro 3 periferico interior tambien se resalta. Las tres palas 2 de rotor tienen una forma disenada mediante un par de helices conicas. La helice 5 conica externa es una helice formada sobre la superficie interna del aro 1 externo y forma un radio externo variable ro de la pala 2. La helice 6 conica interna es una helice formada sobre el exterior del cono 3 interno y forma un radio interno variante ri de la pala. Ambas helices tienen un aumento de radio y una reduccion del tramo helicoidal a lo largo del eje 4 longitudinal. Las palas 2 tienen un tramo helicoidal reducido que resulta de un aumento de la frecuencia helicoidal. El par de helices 5 y 6 conicas se generan en una direccion en sentido horario y tienen radios iniciales diferentes que aumentan en una proporcion igual para formar un par de helices conicas paralelas.

Las figuras 3A y 3B muestran vistas en perspectiva del rotor de las figuras 1 y 2 en las que el detalle adicional de la forma de las palas 2 se puede observar.

Las figuras 4A y 4B muestran una variacion del rotor. En esta realizacion el par de helices 5 y 6 conicas se generan en una direccion en sentido horario y forman el diseno de las palas 2 en la forma discutida anteriormente. Sin embargo, el radio ri de la helice 6 conica interna aumenta a una menor proporcion que el radio ro de la helice 5 conica externa para formar por lo tanto un par de helices conicas no paralelas que se separan adicionalmente en un extremo de diametro mayor del rotor que un extremo de diametro pequeno del rotor.

Las figuras 5A y 5B muestran una variacion adicional en la que el radio ri de la helice 6 conica interna aumenta en una mayor proporciona que el radio ro de la helice 5 conica externa para formar por lo tanto un par de helices conicas no paralelas que se separan mas juntas en el extremo de diametro grande del rotor que en el extremo de diametro pequeno del rotor.

Las figuras 6A y 6B muestran una variacion que tiene conos internos o externos paralelos como en las figuras 1 y 2, pero en los cuales el tramo helicoidal se reduce a una menor velocidad que las realizaciones descritas anteriormente. Esto resulta en mdice mas lento de aumento de frecuencia helicoidal. Las figuras 7A y 7B muestran la variante opuesta en la que el tramo helicoidal se reduce en un mayor mdice, que resulta en un mdice as rapido de aumento de frecuencia helicoidal.

Las figuras 8a - 8B, 9A y 9B muestran un par de rotores en un aparato de rotor de dos etapas que puede funcionar como una turbina de mareas. Las figuras 8A y 8B son vistas de extremo y laterales con un aro 1 externo parcialmente omitido. Las figuras 9A y 9B son vistas en perspectivas del mismo par de rotor con el aro 1 externo parcialmente y completamente omitidos. Como se puede ver de la figura 8A, los dos rotores son montados extremo a extremo sobre un eje 4 de rotacion comun. En uso, los rotores estan en contra rotacion como se describio anteriormente. Los rotores mostrados en las figuras son similares a los rotores ilustrados en las figuras 1, 2 y 3 aqrn, pero se apreciara que el aparato de rotor de dos etapas puede comprender cualquier par de rotores con la forma de cuchilla helicoidal requiere, tal como cualquiera de las realizaciones alternas y variaciones de rotores descritas aqrn.

La figura 10 muestra una realizacion de un aparato rotor de dos etapas que puede funcionar como una turbina de mareas con un par de rotores 7, 8 de contra rotacion, instalados en una carcasa 9 a lo largo de un eje 4 longitudinal comun. La carcasa 9 se muestra en una seccion transversal y los rotores 7, 8 se muestran en la seccion trasversal parcial. Los rotores 7 y 8 giran alrededor de un eje 11 fijo comun que se asegura a la carcasa 9 y esta soportado por los rodamientos 10. Para asegurar que el flujo pasa solo a traves de los rotores 7, 8, los sellos 15 de laberinto se colocan en cualquier extremo de los rotores 7, 8 entre una superficie interna de la carcasa 9 y una superficie externa

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de los aros 1 de cada rotor 7, 8. En esta realizacion, los dos extremos de la carcasa 9 tienen una geometna 16 convergente/divergente disenada para aumentar/reducir la velocidad de fluido y mejorar el desempeno de los dos aparatos rotores de dos etapas.

El aparato rotor de dos etapas se utiliza para acomodar un flujo unidireccional y tambien un flujo reversible o dclico mediante la combinacion de dos de los rotores. El primer rotor de etapa recibe el flujo de fluido lfquido que se aproxima que posee un componente longitudinal y extrae una proporcion de la energfa cinetica al convertir la fuerza rotacional o torque que provoca que gire el primer rotor de etapa. El segundo rotor de etapa tiene una geometna construida en la misma forma que el primer rotor de etapa y gira alrededor del mismo eje longitudinal que el primer rotor de etapa, pero gira 180° con relacion al primer rotor de etapa, por lo tanto, gira en la direccion opuesta alrededor del eje. El flujo lfquido sale del primer rotor de etapa en un angulo determinado por el tramo helicoidal en la salida de rotor y luego es recibido por el segundo rotor de etapa, la entrada al segundo rotor de etapa esta en un angulo similar y tramo helicoidal. En esta etapa el fluido posee tanto un componente longitudinal como radial. El segundo rotor de etapa extrae una proporcion adicional de la energfa cinetica del flujo lfquido. Cuando el fluido sale el segundo rotor de etapa posee idealmente un componente longitudinal unicamente y puede ser regresado del flujo principal con minima interferencia.

En la realizacion de la figura 10, la carcasa 9 se disena para proporcionar un area de montaje para multiples generadores 13 de alta eficiencia, alta velocidad, bajo torque colocados por fuera de los rotores 7, 8. Los generadores 13 se accionan mediante el movimiento del aro 1 giratorio externo de los rotores 7, 8 mediante el engranaje apropiado.

La figura 11 muestra una seccion transversal de una realizacion alterna de un aparato rotor de dos etapas instalado en una carcasa 9. En la realizacion mostrada en la figura 11, en contraste a la disposicion de la figura 10 los generadores 13 se colocan dentro del cono interno en lugar de afuera del cono externo. Los bloques 12 de montaje fijos se unen al eje 11 fijo dentro de los rotores 7 y 8. Estos proporcionan un area de montaje para generadores 13 de alta eficiencia, alta velocidad, bajo torque. Los generadores 13 se acciona mediante la superficie interna del cono

3 interno de los rotores 7, 8 mediante el engranaje adecuado.

Como se menciono, en la presente realizacion en donde el espiral subyacente se basa en el espiral Arquimediano en donde existe un aumento lineal en el radio r con la coordenada polar 0, el rotor propiamente dicho forma el diseno similar al cono truncado. Una caractenstica de esta forma es que la velocidad lineal del aro 3 vana a lo largo del eje

4 longitudinal debido al radio externo variante. En razon a que los generadores de 13 en esta realizacion se montan sobre un bloque 12 con una superficie paralela a la superficie interno del cono 3 interno los generadores 13 se pueden mover a lo largo de la superficie mediante el marco adecuado y los motores 14 escalonados. Los generadores 13 se pueden asegurar a un montaje de estructura movil comun o moverse por separado a lo largo de la superficie truncada por los motores de tramo a tramo activados por equipo de monitorizacion cableado o inalambrico y/o CPU de tal manera que el aparato rotor de dos etapas es capaz de responder a cambios en la velocidad rotacional de los rotores 7, 8 y ajustar la posicion longitudinal de los generadores a lo largo del cono truncado. Esto permite que los generadores 13 se muevan dentro de los rotores 7, 8 para responder a cambios en la velocidad rotacional de los rotores 7, 8. En esta forma, una velocidad de generador relativamente constante dentro del rango variable de los generadores de 13 se puede alcanzar a traves de un rango de flujo de fluidos. Para un flujo de fluido de baja velocidad el punto de conexion de generador se puede hacer en el extremo de mayor velocidad lineal, esto es en el extremo de diametro mas grande del rotor. Para mayores velocidades de flujos de fluidos el punto de conexion del generador se puede reposicionar en el extremo de velocidad lineal as bajo, este es el extremo de diametro mas pequeno del rotor. Esto presenta una ventaja significativa, en razon a que una caja de velocidades complicada no requiere que representa un ahorro significativo en econoirna y complejidad.

La figura 12 muestra una seccion transversal de una realizacion alterna de un aparato de rotor de dos etapas instalado en una carcasa 9. En la realizacion mostrada en la figura 12, en contraste a la disposicion de la figura 10 se montan los generadores 13 sobre un montaje 16 de motor fijo en lugar del exterior de un cono externo. Los montajes 12 de motor fijo se unen al eje 11 fijo dentro de los rotores 7 y 8. Esto proporciona un area de montaje para multiples generadores 13 de alta eficiencia, alta velocidad de bajo torque. Los generadores 13 se accionan mediante la superficie de revolucion interna del cono 3 interno de los rotores 7, 8 mediante el engranaje adecuado.

Como se menciono, en la presente realizacion en donde el espiral subyacente se basa en el espiral Arquimediano en donde existe un aumento lineal en el radio r con la coordenada polar 0, el rotor propiamente dicho forma el diseno similar a un cono truncado. Una caractenstica de esta forma es que la velocidad lineal del aro 3 vana a lo largo del eje 4 longitudinal debido a un radio externo variante. En razon a que los generadores de 13 en esta realizacion se montan sobre un montaje 16 de motor fijo los generadores 13 se pueden instalarse como anillos de generadores que se pueden enganchar o desenganchar segun se requiera en diferentes ubicaciones a lo largo del eje 4 longitudinal. Los anillos de los generadores 13 se pueden enganchar o desenganchar por motores de tramo a tramo activados mediante equipo de monitorizacion cableado o inalambrico y/o CPU de tal manera que el aparato rotor de dos etapas es capaz de responder a cambios en la velocidad de rotacion de los rotores 7, 8 y ajustar el numero de anillos de los generadores 13 en uso en cualquier momento dado.

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Esto permite que los anillos de los generadores 13 se enganchen y desenganchen selectivamente dentro de los rotores 7, 8 para responder a cambios en la velocidad de rotacion de los rotores 7, 8. De esta forma, una salida de generador relativamente constante dentro del rango variable de los anillos de generadores 13 se puede lograr a traves de un rango de flujo de fluidos. Adicionalmente, la operacion de los anillos de los generadores 13 por fuera de su rango de operacion se puede controlar y por supuesto, se pueden desconectar todos los generadores si turbina de dos etapas se sobrecarga en flujo de fluidos extranos.

En general, para anillos de flujo de fluido de baja velocidad de los generadores 13 se pueden enganchar en el extremo de velocidad lineal mayor, esto es en el extremo de diametro mas grande del rotor. Para flujos de fluido de mayor velocidad los anillos de los generadores se pueden enganchar en el extremo de velocidad lineal mas bajo, este es el extremo de diametro mas pequeno del rotor. El enganche de multiples anillos tambien es posible, por ejemplo, enganchando dos o mas anillos de generadores en el extremo de menor velocidad lineal o dos o mas anillos de generadores en el extremo de mayor velocidad lineal. Esto presenta una ventaja significativa sobre la figura 11, ya que un dispositivo de posicionamiento complicado no se requiere que represente un ahorro significativo en gastos y complejidad. Tambien como se muestra en la figura 12, se sellan compartimentos 17 que pueden incorporar pinones de control para los generadores o dispositivos de flotacion para permitir la recuperacion segura de la turbina de etapas dos a la superficie para reparacion y servicio.

El aparato rotor de dos etapas se puede aplicar efectivamente a direcciones de flujo de fluido lfquido vertical, asf como horizontal y los que estan entre ellos al variar la orientacion de la entrada y salida y la orientacion de los rotores. En aplicaciones de turbinas de marea, la carcasa de rotor tambien funciona para dirigir el flujo de lfquido en el rotor para corregir desviaciones de flujo cruzado menores. Para desviaciones de flujo cruzado mas grandes, la carcasa de rotor puede tener un sistema de direccion y suspension e incluir aletas, engranajes y dispositivos de control de flotacion con el fin de ajustar su posicion dentro del campo de flujo con el fin de optimizar el desempeno o para alcanzar la superficie con proposito de mantenimiento si se sumerge en una corriente liquida. El sistema de suspension y direccion proporciona una determina capacidad de autoajuste con respecto a los cambios en la direccion de flujo.

Es posible tener un aparato rotor de dos etapas adicional dispuesto o instalado en serie en la carcasa de rotor. Sin embargo, la cantidad de potencia restante en el flujo de lfquido que sale de la primera turbina de dos etapas sena menor que aquel contenido en el flujo lfquido original. Por lo tanto, parece mas economico tener multiples aparatos de rotor de dos etapas en paralelo.

En operacion, particularmente en aplicaciones de turbina de mareas, el aparato rotor de dos etapas se puede apoyar sobre un piso, por ejemplo, el lecho del mar o se puede suspender en un flujo lfquido por medio de una disposicion de anclaje o amarre al lecho marino o a una balsa de flotacion. O se puede sentar sobre una torre instalada sobre el lecho marino de tal manera que pueda ser recuperado del mar para manteniendo por un buque sobre la superficie o mediante una disposicion de extension telescopica en la torre. O se puede configurar para que sea naturalmente flotante de tal manera que se ubique suspendido en el flujo de fluido, al modificar la flotacion de la unidad, la disposicion de turbina de dos etapas se puede elevar hasta la superficie o bajar hasta el lecho marino. O la disposicion de turbina completa se puede configurar de tal manera que solo una parte mas pequena de la disposicion se necesitana recuperar para mantenimiento. En este caso una subunidad de la disposicion que contiene los componentes de rotor y electricos solo se pueden separar de la estructura instalada principal que sale de la estructura instalada principal en el lugar. Esto proporciona una operacion de mantenimiento mas simple.

La figura 13 muestra una posible utilizacion del aparato rotor de dos etapas como una turbina de mareas. Los rotores 7,8 en las dos carcasas 9 como se muestra en las figuras 10, 11 o 12 se instalan sobre una estructura de torre que se puede instalar sobre el lecho marino. Las multiples carcasas de rotor se pueden alinear con la primera direccion de flujo para permitir la operacion efectiva en un flujo reversible o dclico tal como un sistema de corrientes de marea. En razon a que el aparato rotor de dos etapas es capaz de operacion eficiente con la direccion de flujo no es necesario proporcionar un mecanismo de rotacion de la torre cuando cambia la direccion de flujo de marea.

Una disposicion alterna (no mostrada) seria para montar el aparato de rotor de dos etapas en una carcasa dentro de un tubo en donde fluye el fluido. El flujo de fluido en cualquier direccion se convertina eficientemente en movimiento rotacional y, de acuerdo con la realizacion preferida del rotor, convertido en energfa electrica por los generadores. El tubo se puede instalar dentro de las vfas acuaticas de una represa o una estacion de hidropotencia o una presa de mareas Alternativamente, si puede estar dentro de un sistema de corrientes lfquida encerrado que consiste de dos depositos lfquidos conectados en dicha forma que se permite la transferencia de lfquido de un deposito al otro. Se puede inducir un flujo de lfquido entre dos depositos como una consecuencia de fuerzas hechas por el hombre o naturales externamente aplicadas. Dicha fuerza externa puede ser experimentada si se instala transversalmente o longitudinalmente a bordo de un buque o algun otro objeto movil tal como un tren o un automovil creando movimiento transversal y/o longitudinal.

De esta manera, los rotores como se describe aqrn se utilizan en realizaciones preferidas en un aparato rotor de dos etapas instalado en una carcasa de rotor. Cuando el aparato rotor de dos etapas se somete a una variedad de escenarios de flujo de fluido lfquido, tal como flujos de marea, los rotores extraen la energfa cinetica del flujo de

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fluido Kquido y la conviertan en una fuerza rotacional o torque que provoca que el par de rotores con forma espedfica giren.

En la realizacion preferida del flujo de marea se aplica torque para accionar los generadores electricos como se indico anteriormente. Alternativamente, se puede utilizar torque para impulsar una bomba, un compresor o cualquier otro dispositivo que requiera que se aplique una fuerza rotacional o torque.

La geometna de los rotores facilita la conversion de la energfa cinetica en flujo de fluido lfquido para fuerza rotacional o torque. La geometna de los rotores se basa en el par de helices 5, 6 conicas que tienen un aumento en el radio r con una coordenada 0 polar a lo largo del eje 4 longitudinal, cada helice 5, 6 poseen un radio inicial diferente. El par de helices 5, 6 conicas tambien tienen un tramo que reduce con la coordenada 0 polar cuando aumenta el radio. La reduccion de tramo helicoidal proporciona un aumento de la frecuencia helicoidal. Este tipo de helice conica se puede definir como una espiral tridimensional que tiene un radio r variante como una funcion de la coordenada 0 polar pero tambien tiene una tercera variable, la longitud l que vanan tambien como una funcion de la coordenada polar 0.

Se puede generar el par de helices conicas en una direccion horaria o contra horaria y como se muestra en las figuras 6A a 7B la velocidad de reduccion del tramo helicoidal que resulta en un aumento en la frecuencia helicoidal se puede variar para obtener una reduccion optima del tramo helicoidal por unidad de longitud. Otras variables que tienen un efecto directo sobre la potencia extrafda son los radios iniciales y finales del par de helices conicas (y de esta manera los diametros interno o externo maximo y mmimo del rotor) y la longitud general del rotor. Estas tambien se pueden optimizar para una situacion de flujo dada. Por ejemplo, en una aplicacion de tubena, se puede limitar el espacio y restringir para que existan diametros de tubena, por lo tanto un rotor que tiene diametros externos maximos y mmimos relativamente pequenos se pueden preferir, por ejemplo 1 m y 2m de diametro respectivamente. En este caso, un rotor mas grande puede ser beneficioso que luego permite espacio para que se extiende el par de helices conicas para optimizar la salida de potencia. En una aplicacion de turbina de marea, el espacio no puede ser un problema y los diametros grandes, por ejemplo 10 m y 20 m respectivamente se pueden utilizar para mejorar en gran medida la salida de potencia. Se puede utilizar luego un rotor mas corto para reducir los costes de instalacion y cobertura.

Las superficies de pala de rotor del rotor se forman cuando el par de helices conicas se conectan en la direccion radial. En los rotores mostrados en las figuras se presentan tres palas 2 de rotor identicas. Alternativamente puede haber menos o mas palas 2 de rotor identicas separadas equidistante alrededor del rotor. Las palas de 2 rotor se extienden entre la superficie 3 periferica interna y el aro 1 externo y se fijan a la superficie 3 periferica interna o el aro 1 externo para rotacion con estos.

Se crea una fuerza de reaccion hidrodinamica sobre una superficie solida cuando un cuerpo de fluido que fluye sobre la superficie solida experimenta un cambio del momentum. La fuerza hidrodinamica neta que actua sobre el cuerpo de fluido en una direccion particular es al mdice de cambio de momentum del cuerpo de fluido en esa direccion como se indica por la segunda ley de Newton. De acuerdo con la tercera ley de Newton, una fuerza de reaccion hidrodinamica igual y opuesta actua sobre la superficie del solido que se une al cuerpo de fluido. Ejemplos de dichas fuerzas de reaccion hidrodinamicas son aquellas encontradas cuando un chorro de agua golpea una pared, o la fuerza aplicada en un sistema de tubena cuando se obliga que el fluido gire en una curva o la fuerza que se siente en un cuerpo solido cuando se coloca en un fluido que fluye que obliga a que el fluido fluya alrededor de este.

En los rotores descritos aqrn una union de superficie solida del cuerpo de fluido que fluye se forma mediante el par de palas de rotor delantera y posterior y los aros internos y externos del rotor. Cuando el cuerpo de fluidos fluye a traves del rotor de forma especialmente y su pasaje de flujo complicado se ve forzado constantemente a cambiar de direccion debido a la forma de las palas y a la reduccion de tramo helicoidal de la entrada a la salida lo que resulta en un aumento frecuencia helicoidal, resulta por lo tanto en un mdice continuo de cambio de momentum. Este mdice de cambio de momentum resulta necesariamente en una fuerza de reaccion hidrodinamica que actua sobre las superficies solidas del rotor. Cuando la helice conica tiene una direccion geometrica dada, esta se encuentra en direccion horaria o en forma contra horaria, la fuerza de reaccion hidrodinamica actua en la direccion opuesta y por lo tanto el centro de fuerza de reaccion hidrodinamica se desplaza a una distancia radial del eje longitudinal, se genera una fuerza de torsion que actua alrededor del eje longitudinal del rotor y tiende a girar el rotor.

El espiral de matematica subyacente de la helice conica se puede basar en espiral Arqmmediana, de Euler, de Fibonacci, hiperbolica, Lituus, logantmica, Theodorus o cualquier otra espiral conocida que tenga radios r variables como una funcion de la coordenada 0 polar, sino que tambien tiene una tercera variable, la longitud l, que vana tambien como funcion de la coordenada 0 polar. Por las razones discutidas anteriormente, es evidente que una espiral subyacente que posee un cambio mas rapido en el radio r interno y externo con la coordenada 0 polar inducina a un mdice de cambio mas rapido del momentum que resulta necesariamente en un aumento en la fuerza de reaccion hidrodinamica. Esto es similar a comparar una curva poco profunda con una curva aguda. Es bien sabido que la fuerza experimentada en un sistema de tubenas se incrementa cuando el fluido se ve obligado a girar la mas aguda de las dos curvas.

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En las realizaciones descritas anteriormente, por motivos de simplicidad, el espiral subyacente se basa en un espiral de Arqmmediana cuando subsiste un aumento lineal en el radio r con la coordenada 0 polar. Sin embargo, es igualmente factible construir el rotor por via de un aumento no lineal los radios interno y externo r con la coordenada 0 polar a traves del uso de una espiral matematica subyacente diferente tal como espiral Arqmmediano, de Euler, de Fibonacci, hiperbolica, de Lituus, logantmica, Theodorus o cualquier otro espiral conocido que tenga radios r variables como una funcion de la coordenada 0 polar pero que tambien tiene una tercera variable , la longitud l, que tambien vana como funcion de la coordenada 0 polar. El uso de un espiral de Arqmmediano con aumento lineal en los radios r con la coordenada 0 polar proporciona una helice conica formada alrededor de un cono truncado de lados rectos como se muestra en las figuras. Por el contrario, un aumento no lineal en los radios r interno y externo con la coordenada 0 polar proporcionana una forma diferente, por ejemplo, las superficies conicas interna y externa se pueden curvar.

En las realizaciones preferidas ilustradas aqm, el par de helices conicas se seleccionan para que tengan un aumento lineal en los radios r con una coordenada 0 polar a lo largo del eje longitudinal, cada una posee un radio diferente inicial. En algunas realizaciones, como las figuras 4A a 5B el incremento del radio de la helice conica puede aumentar en mas o menos proporcion para formar un par de helices conicas no paralelas. En otras realizaciones, como las figuras 1A a 3B ellas pueden aumentar en la misma proporcion para formar un par de helices conicas paralelas. Simultaneamente, el tramo helicoidal tambien se reduce por via de la variacion l como una funcion de 0 continuamente o en etapas discretas a lo largo del eje 4 longitudinal. El mdice de reduccion de tramo helicoidal o la proporcion de aumento de frecuencia helicoidal en las realizaciones de las figuras es lineal. Alternativamente este puede no ser lineal.

El radio, con forma de helice, aumenta y el tramo reduce la combinacion para proporcionar la fuerza de reaccion hidrodinamica general sobre el rotor y de esta manera el torque y salida de potencia. Estos parametros pueden optimizarse para maximizar la extraccion de potencia de un flujo de fluido dado o para limitar la extraccion de potencia de un flujo de fluido dado si se requiere. El siguiente grupo de ecuaciones considera las fuerzas de reaccion hidrodinamica y torques generados.

entrada — ^ salida — TT?

Fx = ihCu,-iit)

Fy = ThO* - Fa = m(w, - w^) r, = FB yy - Fyxz .

Ty = Fx xz-Fbkx

Tm = Fy x x - F* xy

Como se indica en la ecuacion [1], el flujo de masa m en el rotor es constante. Las fuerzas de reaccion hidrodinamica Fx, Fyy Fz se producen necesariamente debido a la reduccion continua del tramo helicoidal o en otras palabras, debido a un cambio continuo en la direccion de flujo de fluido y de esta manera un cambio en la velocidad de los componentes u, v y w del fluido entre los componentes de velocidad en primeras y segundas secciones cruzadas arbitrarias en el rotor, los primera y segunda secciones cruzadas arbitrarias estan a diferentes distancias a lo largo de la longitud del rotor. Esto resulta en un mdice de cambio del momentum y las fuerzas de reaccion hidrodinamicas como se expresa mediante la ecuacion [2.1] a [2,3]. Observe la regla a mano derecha, los torques Tx, Ty y Tz alrededor del eje x, y y z del rotor se producen por la salida del producto de balance cruzado de los componentes de fuerza hidrodinamicos y las distancias x, y y z pertinentes del eje longitudinal alrededor del cual ellos actuan como se muestra por las ecuaciones [3.1] [3.3].

De acuerdo con este grupo de ecuaciones se puede entender que un cambio en el mdice de reduccion del tramo helicoidal resultara en un aumento o reduccion en las fuerzas de torsion y salida de potencia. Una reduccion en la fuerza torsion se alcanza mediante un mdice de reduccion mas lento del tramo helicoidal y un aumento en la fuerza de torsion se alcanza mediante una proporcion mas rapida de la reduccion del tramo helicoidal.

La distancia desde el eje longitudinal a la que actuan las fuerzas de la reaccion hidrodinamicas se incrementa o se disminuye continuamente mediante el cambio en el radio del par de helices conicas. Para cada pasaje de flujo complicado un grupo de fuerzas de torsion separadas resulta, la fuerza de torsion total alrededor del eje longitudinal del rotor, es la suma de todas las fuerzas de torsion que actuan alrededor del eje longitudinal del rotor.

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En el caso en donde el aumento de radios del par de helices conicas aumenta en la misma proporcion para formar un par de helices conicas paralelas esto resulta en un aumento igual en la distancia del eje longitudinal en el que las fuerzas de reaccion hidrodinamica actuan y de esta manera una magnificacion de la fuerza de torsion y potencia de salida se determinada por la ecuacion [3.1]a [3.3]. En este caso, las areas de seccion transversal en las primeras y segundas secciones cruzadas arbitrarias en el rotor aumentan en una proporcion constante y en razon a que el flujo de masa es constante, las diferencias de velocidad y de esta manera las fuerzas de reaccion hidrodinamicas producidas son constantes. La magnificacion de la fuerza de torsion y la salida de potencia solo es en la proporcion en la que el radio del par de helices conicas aumenta.

Cuando aumenta el radio del par de helices conicas en mayor o menor proporcion para formar un par de helices conicas no paralelas, esto tiene el efecto de cambiar la proporcion en la que las areas de seccion transversal en la primera y segunda secciones cruzadas arbitrarias en el rotor aumenta. Cuando aumenta la helice conica interna en radio a una velocidad mas lenta que el aumento en el radio de la helice conica externa, el area de seccion cruzada transversal aumenta el mdice de transferencia. Esto tiene el efecto de reducir los cambios en los componentes de velocidad y por lo tanto el flujo de masa es constante, las fuerzas de reaccion hidrodinamicas producen menos. Cuando el radio de la helice conica interna aumenta en una proporcion mas rapida que el radio de la helice conica externo, el area de seccion cruzada transversal aumenta en una proporcion mas lenta. Esto tiene el efecto de aumentar los cambios en los componentes de velocidad y por lo tanto el flujo de masa es constante, las fuerzas de reaccion hidrodinamicas producidas son mayores. De esta manera, aunque la manipulacion de los parametros del rotor, es posible para manipular la salida de potencia extrafda y optimizar o restringirlo segun se requiera.

Adicionalmente, la conexion entre el par de helices conicas no se limita a ser rectas. La conexion se puede curvar, por ejemplo, una superficie concava se puede utilizar para aumentar el area de superficie a lo largo de la superficie de la pala de rotor con forma especial con el fin de dispersar las fuerzas hidrodinamicas resultantes sobre un area mayor mas grande y reducir la tension interna, En forma similar el par de helices conicas se alinean generalmente axialmente por simplicidad pero se pueden desalinear ligeramente con el fin de cambiar las caractensticas de superficie de las helices conicas en una forma beneficiosa.

Como se discutio anteriormente, varios parametros de la forma de rotor y pala se pueden variar dependiendo del proposito del rotor y las condiciones de operacion que se expondra a, tal como mdice de flujo y asf sucesivamente. Las Figuras 14 a l6 ilustran como estos cambios de los parametros afecta el desempeno del rotor.

La Figura 14 es una grafica que ilustra el efecto de variar la relacion del diametro maximo externo Do del rotor al diametro externo mmimo do. En este caso, el radio del par de helices conicas se incrementa en la misma proporcion para formar un par de helices conicas paralelas. El diametro de aumento resulta en un aumento en la distancia desde el eje longitudinal en la que las fuerzas de reaccion hidrodinamica actuan y de esta manera proporcionan una magnificacion de la fuerza torsion. La magnificacion de la fuerza de torsion es dependiente de la proporcion de los radios del par de helices conicas.

Como un valor inicial, la Figura 14 ilustra una disposicion sin cambio en el diametro, es decir, en donde la relacion de radios maximos y mmimos [Do / do] es uno. Este es un rotor donde el radio del par de helices conicas no aumenta, es decir, este es un rotor basado en una helice cilmdrica y no una helice conica. Los rotores descritos aqrn, que se basan en palas formadas por helices conicas, tienen una relacion de mas de uno y esto proporciona una multiplicacion de torque y un aumento en la eficiencia como se muestra en la figura.

En algunas de las diversas realizaciones discutidas anteriormente, la helice conica externa se forma sobre superficies conicas no en paralelo. La Figura 15 es una grafica que ilustra el efecto de aumentar o reducir los radios relativos del par de helices conicas para formar un par de helices conicas no en paralelo. Cuando la helice conica interna aumenta en el radio en una proporcion mas lenta que el aumento en el radio de la helice conica externa (es decir, [Ari/L] / [Aro/L] < 1) areas de seccion transversal arbitraria en la primera y segunda distancias longitudinales a lo largo del rotor aumenta en una transferencia dada. Esto tiene el efecto de reducir los cambios en los componentes de velocidad y por lo tanto el flujo de masa es constante, las fuerzas de reaccion hidrodinamicas y las fuerzas de torsion producidas son mas bajas. Cuando el radio de helice conica interna aumenta en una proporcion mas rapida que el radio de helice conico externo (es decir, (Ari/L] / [Aro/L] > 1), las areas de seccion transversal arbitrarias dentro del rotor aumentan a una proporcion mas lenta. Esto tiene el efecto de aumentar los cambios en los componentes de velocidad y por lo tanto el flujo de masa es constante, las fuerzas de reaccion hidrodinamica y las fuerzas de torsion producidas son mayores. El punto en donde [Ari/L] / [Aro/L] = 1 es un rotor en donde los radios del par de helices conicas aumentan en la misma proporcion para formar un par de helices conicas paralelas.

Otras variantes discutidas anteriormente implican el uso de diferentes cambios en tramo para reducir el tramo de helices conicas. La Figura 16 es una grafica que ilustra el efecto de los cambios en la proporcion de reduccion de la ruta helicoidal que resulta en un cambio en el mdice de aumento de la frecuencia helicoidal Af. Como se muestra en la figura, un cambio de esta naturaleza resultara en un aumento o reduccion en las fuerzas de torsion y de esta manera salida de potencia. Una reduccion en la fuerza de torsion se alcanza por un mdice o reduccion mas lento de tramo helicoidal o un mdice mas lento de aumento de frecuencia helicoidal y una fuerza de momento y torsion se alcanza por un indice de reduccion mas rapido del tramo helicoidal o un mdice de aumento mas rapido en la

frecuencia helicoidal. En la Figura 16, el rotor etiquetado Af = 0.1 se basa en el rotor presentado en las Figuras 1A a 3B. En comparacion, el rotor etiquetado Af = 0.05 se basa en el rotor presentado en las Figuras 6A y 6B mientras que el rotor etiquetados Af = 0.25 se basa en el rotor presentado en las Figuras 7A y 7B.

5 En resumen, las realizaciones preferidas descritas aqu proporcionan una complejidad de bajo campo del aparato de rotor de dos etapas que es ideal para la generacion de electrica del flujo de marea. El aparato de rotor de dos etapas puede sin embargo ser aplicado efectivamente a cualquier sistema de flujo de lfquidos que puede tener caractensticas de corriente lfquida o dclica reversible sencilla. El diseno de los rotores y las palas se puede sintonizar a una aplicacion particular a traves de la variacion de los parametros como se describio anteriormente.

10 Los parametros no se limitan a los valores y combinaciones de valores establecidos aqrn. En cambio, de los parametros estos se pueden variar solos o en combinacion segun se requiera para alcanzar las caractensticas de desempeno deseadas. Estas caractensticas aseguran que el aparato de rotor de dos etapas puede funcionar eficientemente bajo condiciones significativamente variables y escenarios encontrados en flujos de fluidos.

15

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   65

   REIVINDICACIONES

   1. Un aparato de rotor para extraer energfa desde flujo de fluidos unidireccional o bidireccional, el aparato de rotor comprende un primer rotor (7) montado para rotacion alrededor de un eje (4) de rotacion en una primera direccion de rotacion, el primer rotor tiene por lo menos una pala (2) helicoidal; y un segundo rotor (8) montado para rotacion alrededor del mismo eje (4) de rotacion en una direccion opuesta de rotacion y que tiene por lo menos una pala (2) helicoidal, en la que el fluido que sale del primer rotor (7) se pasa al segundo rotor (8);

   caracterizado porque la pala del primer rotor tiene un tramo que se reduce en una direccion a lo largo del eje de rotacion, y la pala del segundo rotor tiene un tramo que se aumenta en la misma direccion a lo largo del eje de rotacion.
2. 2. Un aparato de rotor como se reivindica en la reivindicacion 1, en el que el aparato de rotor es un aparato de rotor para extraer energfa desde flujos de marea,
3. 3. Un aparato de rotor como se reivindica en la reivindicacion 1 o 2, en el que el primer y/o segundo rotor(s) (7, 8) tienen una abertura en el extremo de entrada o de salida del aparato de rotor que se dispone para recibir o expulsar el fluido que fluye en una direccion generalmente axial.
4. 4. Un aparato de rotor como se reivindica en la reivindicacion 1,2 o 3, en el que el primer y segundo rotores (7, 8) tienen aberturas en sus extremos opuestos que se adaptan para recibir o expulsar el fluido que fluye con un componente radial asf como tambien un componente axial.
5. 5. Un aparato de rotor como se reivindica en cualquier reivindicacion precedente, en el que el primer y segundo rotores (7, 8) tienen extremos opuestos que tienen el mismo diametro.
6. 6. Un aparato de rotor como se reivindica en cualquier reivindicacion precedente, en el que el primer rotor (7) y/o segundo rotor (8) tiene una pala o palas (2) formadas por una superficie que se extiende entre las helices (5, 6) conicas interna y externa, teniendo cada una de las helices conicas un tramo que disminuye a medida que se incrementa el radio de la helice.
7. 7. Un aparato de rotor como se reivindica en la reivindicacion 6, en el que los dos rotores (7, 8) tienen extremos de diametros grandes opuestos entre sf y que son del mismo diametro.
8. 8. Un aparato de rotor como se reivindica en la reivindicacion 6 o 7, en el que el primer rotor (7) y el segundo rotor (8) tiene una pala o palas (2) del mismo diseno formado por helices (5, 6) conicas similares.
9. 9. Un aparato de rotor como se reivindica en cualquier reivindicacion precedente, que comprende una carcasa (9) alrededor del primer y segundo rotores (7, 8), la carcasa es para soportar los rotores para rotacion alrededor del eje (4) de rotacion.
10. 10. Un aparato de rotor como se reivindica en la reivindicacion 9, en el que la carcasa (9) de rotor tiene una seccion de entrada y una seccion de salida, con la geometna (16) de entrada de la carcasa de rotor que se disena para aumentar la velocidad lineal del flujo lfquido cuando ingresa en la entrada del rotor y la salida de la carcasa de rotor se disena para ralentizar el flujo lfquido en una forma controlada.
11. 11. Un generador que comprende el aparato de rotor como se reivindica en cualquier reivindicacion precedente.
12. 12. Un metodo que comprende el uso de un aparato de rotor o generador como se reivindica en cualquier reivindicacion precedente para la produccion de energfa cinetica rotacional desde el flujo de un fluido.
13. 13. Un metodo como se reivindica en la reivindicacion 12, que comprende el uso del aparato de rotor de dos etapas para producir energfa desde un flujo de marea.
14. 14. Un metodo para fabricar un aparato de rotor de dos etapas que comprende:

    montar un primer rotor (7) para rotacion alrededor de un eje (4) de rotacion, el primer rotor tiene por lo menos una pala (2) helicoidal; y montar un segundo rotor (8) para rotacion alrededor del mismo eje (4) de rotacion en una direccion opuesta de la rotacion, el segundo rotor tiene por lo menos una pala (2) helicoidal;

    caracterizado porque la pala del primer rotor tiene un tramo que se reduce en una direccion a lo largo del eje de rotacion, y la pala del segundo rotor tiene un tramo que se aumenta en la misma direccion a lo largo del eje de rotacion.
15. 15. Un metodo como se reivindica en la reivindicacion 14, que comprende proporcionar caractensticas de un aparato de rotor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.