ES2827648A1 - Radial turbine with reverse flow blocking and bi-directional flow extracted power generation system (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Turbina radial con bloqueo del flujo reverso y sistema de generación de energía extraída de flujos bidireccionalesRadial turbine with reverse flow blocking and bi-directional flow extracted power generation system
Sector de la técnicaTechnical sector
La presente invención hace referencia a una turbina de flujo radial capaz de aprovechar el flujo en sentido centrífugo (directo) y de bloquearlo dinámicamente en sentido centrípeto (reverso), lo cual le confiere su capacidad selectiva para trabajar con flujos bidireccionales. La turbina puede trabajar individualmente o formando parte de un sistema con varias turbinas, como por ejemplo por parejas (twin) dispuestas simétricamente. La invención también se refiere, por tanto, a un sistema de generación de energía extraída de flujos bidireccionales que comprende al menos dos turbinas como las mencionadas.The present invention refers to a radial flow turbine capable of taking advantage of the flow in the centrifugal (direct) direction and dynamically blocking it in the centripetal (reverse) direction, which gives it its selective ability to work with bidirectional flows. The turbine can work individually or as part of a system with several turbines, for example in pairs ( twins) arranged symmetrically. The invention also relates, therefore, to a system for generating energy extracted from bidirectional flows comprising at least two turbines such as those mentioned.
La invención tiene aplicación en aquellos campos en los que se diseñen, fabriquen, produzcan o utilicen turbinas, como por ejemplo el de maquinaria, bienes de equipo, en el campo de la energía, el agua y aquellos otros donde resulte adecuado el aprovechamiento energético de flujos alternativos de gases fríos o calientes, en ambientes limpios, contaminados y/o agresivos, como es el caso de los sistemas OWC (Oscilating Water Column) de energía undimotriz.The invention has application in those fields in which turbines are designed, manufactured, produced or used, such as machinery, capital goods, in the field of energy, water and those others where the energy use of alternative flows of hot or cold gases, in clean, polluted and / or aggressive environments, such as the OWC ( Oscillating Water Column) wave energy systems.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Numerosos estudios avalan el potencial de la energía undimotriz como fuente renovable susceptible de formar parte del futuro mix energético a nivel mundial. El aprovechamiento de esta fuente de energía cuenta con el hándicap de la naturaleza oscilante y variable de las olas, que se transmite a los dispositivos de extracción de energía y, por ello, éstos deben estar especialmente diseñados para dichas aplicaciones.Numerous studies support the potential of wave energy as a renewable source capable of forming part of the future energy mix worldwide. The use of this energy source has the handicap of the oscillating and variable nature of the waves, which is transmitted to the energy extraction devices and, therefore, these must be specially designed for such applications.
El sistema OWC de aprovechamiento de la energía undimotriz es uno de los más estudiados dentro de este campo y está basado en el empleo de una cámara parcialmente sumergida en el mar, que está comunicada por su parte superior con la atmósfera. Dentro de ella, el movimiento ascendente y descendente de las olas produce un efecto pistón, que origina un flujo neumático bidireccional entre el exterior y el interior de la cámara que puede ser aprovechado por turbinas para producir energía mecánica. El flujo alternativo es aprovechado en ambos sentidos para producir energía.The OWC system for harnessing wave energy is one of the most studied in this field and is based on the use of a chamber partially submerged in the sea, which is communicated by its upper part with the atmosphere. Inside it, the upward and downward movement of the waves produces a piston effect, which causes a bidirectional pneumatic flow between the outside and the inside of the chamber that can be used by turbines to produce mechanical energy. The alternative flow is used in both directions to produce energy.
El punto más crítico en la eficiencia de los sistemas OWC está en los dispositivos de obtención de energía mecánica (turbinas). Al contrario que las turbinas hidráulicas, de gran eficiencia, las turbinas típicas para sistemas OWC presentan una eficiencia muy baja debido a que su configuración está determinada por la condición de trabajar con flujo bidireccional alternativo, que obliga a incorporar algún sistema rectificador o selector del mismo.The most critical point in the efficiency of OWC systems is in the devices for obtaining mechanical energy (turbines). Unlike hydraulic turbines, which are highly efficient, typical turbines for OWC systems have very low efficiency because their configuration is determined by the condition of working with alternative bidirectional flow, which requires the incorporation of a rectifier or selector system. .
Se han realizado numerosas investigaciones sobre tipologías y configuraciones de turbinas para aplicaciones OWC, recogidas en diversas publicaciones internacionales. A día de hoy se han estudiado fundamentalmente tres tipos de turbinas OWC: las unidireccionales con compuertas rectificadoras, las bidireccionales y las unidireccionales en configuración twin. Las primeras aprovechan la energía del flujo en un solo sentido y las compuertas rectificadoras se encargan de dirigirlo adecuadamente hacia las propias turbinas, coincidiendo con la fase ascendente o descendente de la ola. Las turbinas bidireccionales están diseñadas para aprovechar ambos sentidos del flujo, lo que en principio las hace idóneas para estas aplicaciones, sin necesidad de disponer de elementos mecánicos auxiliares. Las configuraciones twin están constituidas por parejas de turbinas unidireccionales que se disponen conjuntamente, de modo que cada una de ellas aprovecha un sentido del flujo, transmitiendo la energía al mismo eje.Numerous investigations have been carried out on types and configurations of turbines for OWC applications, collected in various international publications. To date, three types of OWC turbines have been studied fundamentally: unidirectional with rectifier gates, bidirectional and unidirectional in twin configuration. The former take advantage of the energy of the flow in a single direction and the rectifier gates are in charge of directing it properly towards the turbines themselves, coinciding with the ascending or descending phase of the wave. Bidirectional turbines are designed to take advantage of both directions of flow, which in principle makes them ideal for these applications, without the need for auxiliary mechanical elements. Twin configurations are made up of pairs of unidirectional turbines that are arranged together, so that each one takes advantage of a direction of flow, transmitting energy to the same axis.
Por ejemplo, dentro de las primeras se incluye la solicitud de patente número GB 1014196(A), presentada por Yoshio Masuda, cuyo modelo se llegó a construir con fines productivos. Sin embargo, aunque estuvo en funcionamiento durante años, pronto se vio que el empleo de las compuertas rectificadoras ocasionaba numerosos problemas de mantenimiento en los ambientes marinos y cayeron en desuso (T. Setoguchi and M. Takao, "Current Status of Self-Rectifying Air Turbines for Wave Energy Conversión," Energy Conversión and Management, vol. 47, no. 15-16, pp. 2382-2396, 2006).For example, the former includes patent application number GB 1014196 (A), filed by Yoshio Masuda, whose model was built for production purposes. However, although it had been in operation for years, the use of rectifier gates was soon found to cause numerous maintenance problems in marine environments and they fell into disuse (T. Setoguchi and M. Takao, " Current Status of Self-Rectifying Air Turbines for Wave Energy Conversion, " Energy Conversion and Management, vol. 47, no. 15-16, pp. 2382-2396, 2006).
Las turbinas bidireccionales han sido ampliamente investigadas y algunas de ellas patentadas y puestas en servicio para aplicaciones OWC. Tal es el caso de la turbina Wells, [documento de patente n° US 4221538(A) de A. A. Wells] o la turbina de impulso, cuya patente fue presentada por I. A. Babintsev [documento de patente n° US 3922739(A)], pero este tipo de turbinas presentan dificultades para conseguir el diseño óptimo en ambos sentidos del flujo, lo que limita el rendimiento global de las mismas.Bidirectional turbines have been extensively researched and some of them patented and commissioned for OWC applications. Such is the case of the Wells turbine, [patent document No. US 4221538 (A) by AA Wells] or the impulse turbine, whose patent was filed by IA Babintsev [patent document No. US 3922739 (A)], but this type of turbines present difficulties to achieve the optimal design in both directions of the flow, which limits their overall performance.
La turbina de Wells ha sido la más desarrollada y llevada a la práctica. Su principio de funcionamiento es aerodinámico y está basado en las fuerzas de arrastre y sustentación producidas por el flujo sobre los álabes, generando así un par de giro independiente del sentido del flujo. Sin embargo, su principal limitación es el estrecho rango de operatividad que ofrece. Su rendimiento estacionario en el punto de diseño es bueno (hasta el 70%), pero fuera de él cae bruscamente, lo que la hace muy sensible a condiciones de flujo variable. Además, requiere velocidades de giro relativamente elevadas (>1000 rpm) y presenta dificultades para arrancar por sí misma.The Wells turbine has been the most developed and implemented. Its operating principle is aerodynamic and is based on the drag and lift forces produced by the flow on the blades, thus generating a torque independent of the flow direction. However, its main limitation is the narrow operating range it offers. Its stationary performance at the design point is good (up to 70%), but outside it it drops sharply, making it very sensitive to varying flow conditions. Furthermore, it requires relatively high rotational speeds (> 1000 rpm) and is difficult to start on its own.
A lo largo del tiempo se han presentado diversas variantes de turbina Wells: con directrices fijas, móviles, con álabes orientables, con perfiles variables, incluso con dos planos de álabes (biplano) y contrarrotantes, pero no han logrado mejorar el rango de operatividad de la turbina y en algunos casos, además, la complejidad mecánica era excesiva.Over time, various variants of the Wells turbine have been presented: with fixed guidelines, mobile, with steerable blades, with variable profiles, even with two planes of blades (biplane) and counter-rotating, but they have not managed to improve the operating range of the turbine and in some cases, in addition, the mechanical complexity was excessive.
La turbina Denniss-Auld patentada por Energetech Australia Pty Limited [documento de patente n° US20100290908 (A1)] es otro tipo de turbina de configuración similar a la Wells con álabes orientables, que fue desarrollada por la empresa australiana Oceanlinx. En esta turbina los álabes giran sobre ejes radiales que pasan por los puntos medios de los perfiles. Los resultados obtenidos mejoran las prestaciones de la turbina Wells incluso a bajas velocidades, pero la complejidad mecánica del sistema de posicionamiento de los álabes, complica el diseño y el funcionamiento de la misma.The Denniss-Auld turbine patented by Energetech Australia Pty Limited [patent document no. US20100290908 (A1)] is another type of turbine similar in configuration to the Wells with steerable blades, which was developed by the Australian company Oceanlinx. In this turbine the blades rotate on radial axes that pass through the midpoints of the profiles. The results obtained improve the performance of the Wells turbine even at low speeds, but the mechanical complexity of the blade positioning system complicates its design and operation.
Las turbinas bidireccionales de impulso investigadas hasta el momento son tanto de flujo axial como de flujo radial. Ambas trabajan bajo el principio de accionamiento de las turbomáquinas y están dotadas de coronas directrices a ambos lados del rotor para mejorar el momento cinético transmitido en ambos sentidos, a pesar de que su presencia supone un obstáculo para el flujo a la salida. Estas turbinas ofrecen mejor comportamiento fuera del punto de diseño, pero los rendimientos máximos son inferiores a los que ofrece la turbina Wells. Se han analizado diferentes posiciones de directrices y álabes y distintas solideces para tratar de mejorar los resultados, pero no se han conseguido mejoras significativas. El máximo rendimiento estacionario alcanzado no supera el 50% y el rendimiento medio no estacionario en condiciones de flujo sinusoidales inferior del 40%, lo cual supone un inconveniente para la elección de este tipo de turbinas.The bidirectional impulse turbines investigated so far are both axial flow and radial flow. Both work under the principle of driving turbomachines and are equipped with guide rings on both sides of the rotor to improve the kinetic moment transmitted in both directions, despite the fact that their presence is an obstacle to the flow at the outlet. These turbines offer better performance outside the design point, but the maximum performances are lower than those offered by the Wells turbine. Different blade and guide positions and different fastnesses have been analyzed to try to improve results, but no significant improvements have been made. The maximum stationary performance achieved does not exceed 50% and the average non-stationary performance in sinusoidal flow conditions below 40%, which is a drawback for the choice of this type of turbine.
En 1979 Michael McCormick presentó una turbina de impulso bidireccional [documento de patente n° US4271668(A)] constituida por dos rotores contrarrotantes coaxiales provistos con coronas directrices, que disponía un complejo sistema de transmisión para aprovechar ambos sentidos de giro. Sin embargo, el rendimiento máximo alcanzado en pruebas de laboratorio fue solo del 36%.In 1979 Michael McCormick presented a bidirectional impulse turbine [patent document no. US4271668 (A)] consisting of two coaxial counter-rotating rotors provided with guide rings, which had a complex transmission system to take advantage of both directions of rotation. However, the maximum performance achieved in laboratory tests was only 36%.
El empleo de varios rotores ya era conocido en otras turbomáquinas pensadas para aplicaciones termodinámicas (turbinas de gas y de vapor). Tal es el caso de la turbina Ljungstrom, cuyos rotores transmiten los pares a 2 ejes independientes, lo que hace que la complejidad mecánica del dispositivo repercuta negativamente en su rendimiento debido a las pérdidas mecánicas. Además, su mantenimiento resultaba ser elevado.The use of several rotors was already known in other turbomachines designed for thermodynamic applications (gas and steam turbines). Such is the case of the Ljungstrom turbine, whose rotors transmit the torques to 2 independent shafts, which means that the mechanical complexity of the device has a negative effect on its performance due to mechanical losses. In addition, its maintenance turned out to be high.
En el año 2013 Antonio Falcao y Luis Gato presentan la patente US9371815 (B2) de una turbina birradial con un rendimiento máximo que alcanza el 80%. Sin embargo, este dispositivo ofrece un rango de operación muy bajo, que requiere velocidades de giro elevadas. También es de destacar en este caso la introducción de directrices móviles, que complican el funcionamiento y el mantenimiento.In 2013 Antonio Falcao and Luis Gato presented patent US9371815 (B2) for a biradial turbine with a maximum efficiency that reaches 80%. However, this device offers a very low operating range, requiring high rotational speeds. Also noteworthy in this case is the introduction of mobile guidelines, which complicate operation and maintenance.
La tercera tipología de turbinas OWC es la configuración twin. Esta técnica fue propuesta por primera vez por Jayashankar [JayashankarV, Anand S, Geetha T, et al. (2009). “A twin unidirectional impulse turbine topology for OWC based wave energy plants" Renewable Energy 34: 692-698] y se basa en el empleo de dos turbinas unidireccionales, cada una de las cuales aprovecha un sentido del flujo. Esta configuración ha surgido con el fin de mejorar el rendimiento de las turbinas bidireccionales, pero la clave de su éxito está relacionada con la capacidad de bloqueo del flujo en sentido contrario (reverso) sin necesidad de emplear elementos mecánicos. Estudios realizados sobre turbinas twin de flujo axial con directrices fijas indican que este tipo de configuraciones ofrecen rendimientos entre medios y bajos debido al deficiente bloqueo del flujo reverso [Pereiras Bruno, Valdez Pablo and Castro Francisco “Numerical analysis of a unidirectional axial turbine for twin turbine configuraron" Applied Ocean Research. Vol. 47, pp. 1-8. - 0141-1187. Elsevier, 2014.]. Para tratar de mejorarlo, se han desarrollado modelos dotados con directrices móviles, como el descrito en el documento de patente EP 2949920(B1), presentada por Iñaki Zabala y Alvaro Amenzaga, cuyas directrices son controlables, permitiendo guiar adecuadamente el flujo directo hacia los álabes e impedir el flujo reverso. Sin embargo, tal como se ha mencionado para otras soluciones, el uso de mecanismos auxiliares presenta inconvenientes de mantenimiento y fiabilidad de los sistemas. The third type of OWC turbines is the twin configuration. This technique was first proposed by Jayashankar [JayashankarV, Anand S, Geetha T, et al. (2009). "A twin unidirectional impulse turbine topology for OWC based wave energy plants" Renewable Energy 34: 692-698] and is based on the use of two unidirectional turbines, each of which takes advantage of a direction of flow. This configuration has arisen with the In order to improve the performance of bi-directional turbines, but the key to its success is related to the ability to block the flow in the opposite direction (reverse) without the need to use mechanical elements. Studies carried out on axial flow twin turbines with fixed guidelines indicate that these types of configurations offer medium to low yields due to poor reverse flow blocking [Pereiras Bruno, Valdez Pablo and Castro Francisco "Numerical analysis of a unidirectional axial turbine for twin turbine configured" Applied Ocean Research. Vol. 47, pp. 1-8. - 0141-1187. Elsevier, 2014.]. To try to improve it, models equipped with mobile guidelines have been developed, such as the one described in patent document EP 2949920 (B1), presented by Iñaki Zabala and Alvaro Amenzaga, whose guidelines are controllable, allowing the direct flow to be properly guided towards the blades. and prevent reverse flow. However, as has been mentioned for other solutions, the use of auxiliary mechanisms presents drawbacks for the maintenance and reliability of the systems.
En resumen, se puede concluir que los desarrollos de turbinas para aplicaciones OWC siguen compitiendo en la optimización del rendimiento ya que este factor es el más crítico para la implantación de la tecnología a gran escala. Para mejorarlo, las soluciones que se conocen recurren a menudo al uso de dispositivos auxiliares móviles con la intención de controlar las direcciones de los flujos que discurren por el interior de la turbina. Sin embargo, el empleo de estas técnicas supone un inconveniente desde el punto de vista de operatividad, la fiabilidad, la integración y la miniaturización de los sistemas para las aplicaciones OWC.In summary, it can be concluded that turbine developments for OWC applications continue to compete in performance optimization as this factor is the most critical for large-scale technology implementation. To improve this, the solutions that are known often resort to the use of mobile auxiliary devices with the intention of controlling the directions of the flows that run through the interior of the turbine. However, the use of these techniques is disadvantageous from the point of view of operability, reliability, integration and miniaturization of the systems for OWC applications.
Explicación de la invenciónExplanation of the invention
La presente invención se refiere a una turbina radial con bloqueo de flujo reverso. La turbina comprende dos rotores, un único eje, unos medios de transmisión y un conducto que transforma la trayectoria del flujo. La invención también se refiere a un sistema de generación de energía extraída de flujos bidireccionales que comprende al menos dos turbinas como la anterior.The present invention relates to a reverse flow blocking radial turbine. The turbine comprises two rotors, a single shaft, transmission means and a conduit that transforms the flow path. The invention also relates to a generation system of energy extracted from bidirectional flows comprising at least two turbines like the previous one.
Es, por tanto, un aspecto de la presente invención una turbina radial con bloqueo del flujo reverso que comprende:An aspect of the present invention is therefore a reverse flow blocking radial turbine comprising:
- Al menos dos rotores, un rotor interior y un rotor exterior contrarrotantes dispuestos en torno a un eje. Los rotores comprenden un conjunto de álabes y producen energía de forma simultánea bajo la acción de un flujo en sentido centrífugo respecto al eje y bloquean el flujo en sentido centrípeto respecto al eje.- At least two rotors, an inner rotor and a counter-rotating outer rotor arranged around an axis. The rotors comprise a set of blades and simultaneously produce energy under the action of a flow in the centrifugal direction with respect to the axis and block the flow in the centripetal direction with respect to the axis.
- Un único eje en torno al cual giran los rotores interior y exterior.- A single axis around which the inner and outer rotors rotate.
- Unos medios de transmisión que transmiten la energía de los rotores interior y exterior al eje, y condicionan el sentido de giro y la velocidad relativa de los rotores interior y exterior.- Transmission means that transmit the energy of the inner and outer rotors to the shaft, and determine the direction of rotation and the relative speed of the inner and outer rotors.
- Un conducto que transforma la trayectoria de un flujo, pasando de una trayectoria paralela a la dirección del eje a una trayectoria oblicua u ortogonal a la dirección del eje o viceversa.- A conduit that transforms the path of a flow, going from a path parallel to the direction of the axis to an oblique or orthogonal path to the direction of the axis or vice versa.
En una realización preferida, los rotores interior y exterior son concéntricos, siendo uno interior al otro.In a preferred embodiment, the inner and outer rotors are concentric, one being inner to the other.
En otra realización preferida, los álabes del rotor exterior están orientados de forma especular respecto a los álabes del rotor interior. Esta configuración favorece que los rotores interior y exterior giren en sentido contrario (contrarrotantes) y además mejora el bloqueo del flujo reverso.In another preferred embodiment, the outer rotor blades are oriented specularly relative to the inner rotor blades. This configuration encourages the inner and outer rotors to rotate in the opposite direction (counter-rotating) and also improves reverse flow blocking.
En otra realización preferida, los medios de transmisión comprenden un tren de engranajes asociados a los rotores interior y exterior, y al eje. En una realización más preferida, el tren de engranajes es un engranaje epicicloidal con un sol, un portaplanetas, unos planetas y una corona.In another preferred embodiment, the transmission means comprise a gear train associated with the inner and outer rotors, and the shaft. In a more preferred embodiment, the gear train is an epicyclic gear with a sun, a planet carrier, planets, and a crown.
En una realización todavía más preferida, el sol es solidario al eje y a un primer rotor interior. El sol también engrana con dos planetas dispuestos en un portaplanetas fijo, y los planetas engranan con una corona asociada al rotor exterior.In an even more preferred embodiment, the sun is integral with the shaft and with a first inner rotor. The sun also meshes with two planets arranged on a fixed planet carrier, and the planets mesh with a crown associated with the outer rotor.
En otra realización todavía más preferida, el sol es solidario al eje y a un primer rotor interior. El sol además engrana con al menos tres planetas dispuestos en un portaplanetas móvil que gira alrededor del eje. Los planetas engranan con una corona asociada al rotor exterior. En una realización aún todavía más preferida, el portaplanetas móvil gira de forma controlada, con el fin de adecuar la curva característica de la turbina a las condiciones reales del flujo. El control del giro del portaplanetas se puede materializar de múltiples maneras como, por ejemplo, monitorizando y controlando el límite de deslizamiento de un rodamiento mediante unos medios de control y accionamiento electrónicos, o agregando unos medios de frenado asociados a un encoder dispuesto en un eje de giro.In another even more preferred embodiment, the sun is integral with the shaft and with a first inner rotor. The sun also meshes with at least three planets arranged on a movable planet carrier that rotates around the axis. The planets mesh with a crown associated with the outer rotor. In an even more preferred embodiment, the mobile planet carrier rotates in a controlled manner, in order to adapt the characteristic curve of the turbine to the actual flow conditions. Controlling the rotation of the planet carrier can be carried out in multiple ways, such as, for example, monitoring and controlling the sliding limit of a bearing by means of electronic control and drive means, or adding braking means associated with an encoder arranged on a shaft. rotation.
En otra realización preferida, la turbina además comprende un difusor y un deflector que forman el conducto que transforma la trayectoria del flujo.In another preferred embodiment, the turbine further comprises a diffuser and a deflector that form the duct that transforms the flow path.
En otra realización preferida, el flujo es neumático y de origen undimotriz, es decir, que este flujo neumático se produce a través de la presión y depresión que se genera en una cámara a partir de la oscilación de las olas; esto es, que la turbina pertenece a un sistema OWC (Oscillating Water Column) de aprovechamiento de la energía undimotriz.In another preferred embodiment, the flow is pneumatic and of wave origin, that is, this pneumatic flow is produced through the pressure and depression that is generated in a chamber through starting from the oscillation of the waves; that is, the turbine belongs to an OWC ( Oscillating Water Column) system for harnessing wave energy.
Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema de generación de energía extraída de flujos bidireccionales que comprende al menos dos turbinas, donde cada turbina a su vez comprende:Another aspect of the invention refers to a system for generating energy extracted from bidirectional flows that comprises at least two turbines, where each turbine in turn comprises:
- Al menos dos rotores, un rotor interior y un rotor exterior contrarrotantes dispuestos en torno a un eje. Los rotores comprenden un conjunto de álabes y producen energía de forma simultánea bajo la acción de un flujo en sentido centrífugo respecto al eje y bloquean el flujo en sentido centrípeto respecto al eje.- At least two rotors, an inner rotor and a counter-rotating outer rotor arranged around an axis. The rotors comprise a set of blades and simultaneously produce energy under the action of a flow in the centrifugal direction with respect to the axis and block the flow in the centripetal direction with respect to the axis.
- Un único eje en torno al cual giran los rotores interior y exterior.- A single axis around which the inner and outer rotors rotate.
- Unos medios de transmisión que transmiten la energía de los rotores interior y exterior al eje, y condicionan el sentido de giro de los rotores interior y exterior.- Transmission means that transmit the energy of the inner and outer rotors to the shaft, and condition the direction of rotation of the inner and outer rotors.
- Un conducto que transforma la trayectoria de un flujo, pasando de una trayectoria paralela a la dirección del eje a una trayectoria oblicua u ortogonal a la dirección del eje o viceversa.- A conduit that transforms the path of a flow, going from a path parallel to the direction of the axis to an oblique or orthogonal path to the direction of the axis or vice versa.
En una realización específica, el sistema comprende al menos dos turbinas en configuración twin, simétricas, dispuestas con los ejes alineados y acoplados a un generador común.In a specific embodiment, the system comprises at least two turbines in a symmetrical twin configuration, arranged with the axes aligned and coupled to a common generator.
En una realización más específica, es un sistema OWC de aprovechamiento de la energía undimotriz. En una realización aún más específica, el sistema es on-shore, con todos los componentes montados en la línea de costa. En otra realización aún más específica, el sistema es near-shore, con todos los componentes montados en el mar, sobre plataformas ancladas al fondo, cerca de la costa. En otra realización aún más específica, el sistema es off-shore, con todos los componentes montados en el mar, sobre plataformas flotantes lastradas en fondo, alejadas de la costa.In a more specific embodiment, it is an OWC system for harnessing wave energy. In an even more specific embodiment, the system is on-shore, with all components mounted on the shoreline. In another even more specific embodiment, the system is near-shore, with all the components mounted in the sea, on platforms anchored to the bottom, near the coast. In another even more specific embodiment, the system is off-shore, with all the components mounted in the sea, on floating platforms ballasted on the bottom, away from the coast.
La presente invención hace referencia a una turbina radial con bloqueo de flujo reverso que destaca por su excelente capacidad de bloqueo dinámico del flujo reverso (centrípeto) que no ha sido conseguido por ningún otro modelo conocido hasta el momento, y sin utilizar dispositivos mecánicos auxiliares, gracias a la especial asociación entre sus elementos. El bloqueo del flujo reverso supera fácilmente el 95% debido al efecto de cortadura producido entre el rotor interior y el rotor exterior contrarrotantes y a la componente tangencial del flujo en la zona del deflector, que produce un efecto tapón. Esta propiedad, unida al buen rendimiento que la turbina ofrece en sentido directo, la hacen idónea para el aprovechamiento selectivo de flujos bidireccionales, como son los generados en los dispositivos OWC de aprovechamiento de la energía undimotriz.The present invention refers to a radial turbine with reverse flow blocking that stands out for its excellent capacity for dynamic blocking of reverse flow (centripetal) that has not been achieved by any other model known to date, and without using auxiliary mechanical devices, thanks to the special association between its elements. Reverse flow blockage easily exceeds 95% due to the shear effect produced between the counter-rotating inner rotor and outer rotor and the tangential component of the flow in the baffle area, which produces a plugging effect. This property, together with the good performance that the turbine offers in the direct direction, makes it ideal for the selective use of bidirectional flows, such as those generated in OWC devices for the use of wave energy.
Por otro lado, la ausencia de directrices evita pérdidas de energía del flujo por fricción, tanto en la entrada del rotor interior como en la salida de rotor exterior, contribuyendo a mejorar de su eficiencia.On the other hand, the absence of guidelines prevents energy losses from the flow due to friction, both at the inlet of the inner rotor and at the outlet of the outer rotor, helping to improve its efficiency.
Los álabes de los rotores interior y exterior se pueden construir más fácilmente ya que pueden ser rectos y no presentan formas torsionadas.The blades of the inner and outer rotors can be constructed more easily since they can be straight and do not have twisted shapes.
En una de las realizaciones de la invención, la disposición de los rotores (uno interior y otro exterior) permite un mayor aprovechamiento de la energía del flujo al incrementar su deflexión en los álabes, lo que proporciona un momento cinético mayor. In one of the embodiments of the invention, the arrangement of the rotors (one interior and one exterior) allows a greater use of the energy of the flow by increasing its deflection in the blades, which provides a greater kinetic moment.
Los medios de transmisión para transferir el par de los rotores interior y exterior al mismo eje de salida se pueden diseñar con una relación de transmisión constante, manteniendo sincronizadas las velocidades de rotación. Esto evita desacoplamientos de transferencia de flujo entre los rotores interior y exterior.The transmission means for transferring the torque of the inner and outer rotors to the same output shaft can be designed with a constant gear ratio, keeping the rotational speeds synchronized. This prevents flow transfer decoupling between the inner and outer rotors.
En otras realizaciones, los medios de transmisión son un sistema de transmisión epicicloidal variable, que permite modificar a voluntad la relación de velocidades de los rotores interior y exterior controlando la velocidad de giro del portaplanetas del engranaje epicicloidal.In other embodiments, the transmission means is a variable epicyclic transmission system, which allows the speed ratio of the inner and outer rotors to be modified at will by controlling the rotation speed of the planet carrier of the epicyclic gear.
En las realizaciones con presencia de un difusor, se puede recuperar energía cinética del flujo de salida disminuyendo así la presión total de entrada requerida por la turbina.In embodiments with the presence of a diffuser, kinetic energy can be recovered from the outlet flow thereby lowering the total inlet pressure required by the turbine.
Las características de la turbina de la invención hacen que los rendimientos con flujo directo alcanzables por ella sean de hasta el 70%, superando las capacidades de otras turbinas conocidas para las mismas aplicaciones.The characteristics of the turbine of the invention mean that the yields with direct flow achievable by it are up to 70%, exceeding the capacities of other known turbines for the same applications.
La invención también proporciona un sistema de generación de energía con aprovechamiento de flujos bidireccionales que comprende al menos dos turbinas de la invención en configuración twin, dispuestas sobre un mismo eje generador y que puede ir emplazado on-shore, near-shore u off-shore, como por ejemplo compartiendo estructura con los aerogeneradores marinos.The invention also provides a power generation system with use of bidirectional flows that comprises at least two turbines of the invention in a twin configuration, arranged on the same generator axis and that can be located on-shore, near-shore or off-shore. , for example sharing structure with marine wind turbines.
Los resultados de funcionamiento del sistema con las turbinas en configuración twin ofrecen rendimientos medios no estacionarios con flujo sinusoidal que alcanzan el 56%, superando así a los modelos publicados hasta el momento y con un rango de operatividad más amplio que el ofrecido por la turbina Wells y otros modelos.The operating results of the system with the turbines in twin configuration offer average non-stationary performances with sinusoidal flow that reach 56%, thus surpassing the models published so far and with a wider operating range than that offered by the Wells turbine. and other models.
La invención resulta de aplicación en aquellos sectores en los que se diseñen, fabriquen, produzcan o utilicen turbinas, como por ejemplo el de maquinaria y equipo mecánico o el de energía y agua, y más específicamente la invención se puede aplicar a cualquier sistema o proceso donde intervenga un flujo del cual se desee extraer energía, como por ejemplo los dispositivos de energía renovable conocidos como OWC (Oscilating Water Column) para el aprovechamiento de la energía undimotriz, donde la acción de las olas dentro de una cámara parcialmente sumergida en el mar, genera un flujo bidireccional de aire entre el interior y el exterior que es aprovechado por las turbinas twin. The invention is applicable in those sectors in which turbines are designed, manufactured, produced or used, such as machinery and mechanical equipment or energy and water, and more specifically the invention can be applied to any system or process where a flow intervenes from which energy is to be extracted, such as the renewable energy devices known as OWC ( Oscillating Water Column) for the use of wave energy, where the action of the waves within a chamber partially submerged in the sea , generates a bidirectional flow of air between the interior and the exterior that is used by the twin turbines.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva de la turbina de la invención que comprende un conjunto de componentes que se relacionan entre ellos y se montan siguiendo una línea imaginaria, que además es el eje geométrico sobre el que giran los rotores (1,2). Fig. 1 shows a perspective view of the turbine of the invention that comprises a set of components that are related to each other and are assembled following an imaginary line, which is also the geometric axis on which the rotors rotate (1,2 ).
El rotor interior (1) va montado solidario con el eje (3). El rotor exterior (2) va montado sobre el mismo eje (3) con giro libre y dispuesto concéntricamente sobre el rotor interior (1). Los álabes (4) de los rotores interior (1) y exterior (2) están orientados de forma especular respectivamente, para transferir el flujo adecuadamente entre ellos, cuando los rotores interior (1) y exterior (2) giran en sentidos contrarios.The inner rotor (1) is mounted integral with the shaft (3). The outer rotor (2) is mounted on the same shaft (3) with free rotation and arranged concentrically on the inner rotor (1). The blades (4) of the inner (1) and outer (2) rotors are oriented in a specular manner respectively, to properly transfer the flow between them, when the inner (1) and outer (2) rotors rotate in opposite directions.
El rotor exterior (2) incorpora una corona (10), que forma parte de los medios de transmisión (6), que permite transferir la energía del rotor exterior (2) al eje (3). Los medios de transmisión (6) se complementan con el piñón central denominado sol (7), solidario al eje (3) y dos piñones auxiliares, denominados planetas (9), que giran libremente sobre los ejes portaplanetas (8) fijos. Los medios de transmisión (6) invierten la velocidad de giro del rotor exterior (2) para hacerla coincidir con la del eje (3), manteniendo constante la relación de velocidades entre los rotores interior (1) y exterior (2) para que la transferencia de flujo sea óptima.The outer rotor (2) incorporates a crown (10), which is part of the transmission means (6), which allows the energy from the outer rotor (2) to be transferred to the shaft (3). The transmission means (6) are complemented by the central pinion called sun (7), integral with the shaft (3) and two auxiliary pinions, called planets (9), which rotate freely on the fixed planet carrier shafts (8). The transmission means (6) reverse the rotation speed of the outer rotor (2) to make it coincide with that of the shaft (3), keeping the speed ratio between the inner (1) and outer (2) rotors constant so that the flow transfer is optimal.
El flujo llega a la turbina en sentido axial por el conducto (5), donde se produce el cambio de dirección a flujo radial con la ayuda de un deflector (12). El flujo entra radialmente en el rotor interior (1) y seguidamente pasa por el rotor exterior (2) transfiriendo la energía a ambos.The flow reaches the turbine in an axial direction through the conduit (5), where the change of direction to radial flow occurs with the help of a deflector (12). The flux enters the inner rotor (1) radially and then passes through the outer rotor (2) transferring the energy to both.
A la salida del rotor exterior (2) se dispone un difusor (11) constituido por dos partes, cuyo fin es recuperar energía cinética del flujo de salida. El resto de elementos no identificados son componentes auxiliares (soportes, rodamientos, tuercas, arandelas) que complementan la mecánica del conjunto.At the outlet of the outer rotor (2) there is a diffuser (11) made up of two parts, the purpose of which is to recover kinetic energy from the outlet flow. The rest of the unidentified elements are auxiliary components (supports, bearings, nuts, washers) that complement the mechanics of the set.
La Fig. 2 muestra una perspectiva similar a la anterior donde se representa una turbina como la de la Fig. 1 pero con otros medios de transmisión (6). Fig. 2 shows a perspective similar to the previous one where a turbine like the one in Fig. 1 is represented but with other transmission means (6).
En esta realización, el rotor exterior (2) incorpora una corona (10), que forma parte de los medios de transmisión (6), que permite transferir la energía del rotor exterior (2) al eje (3). Los medios de transmisión (6) son un tren de engranajes de tipo epicicloidal con un piñón central denominado sol (7), solidario al eje (3) y tres piñones auxiliares, denominados planetas (9) que giran libremente sobre un portaplanetas (8) giratorio. Los medios de transmisión (6) invierten la velocidad de giro del rotor exterior (2) para hacerla coincidir con la del eje (3) y permiten variar la relación de velocidades entre los rotores interior (1) y exterior (2) para modificar la transferencia de energía al eje (3).In this embodiment, the outer rotor (2) incorporates a crown (10), which is part of the transmission means (6), which allows energy to be transferred from the outer rotor (2) to the shaft (3). The transmission means (6) are an epicyclic type gear train with a central pinion called the sun (7), attached to the shaft (3) and three auxiliary pinions, called planets (9) that rotate freely on a planet carrier (8) rotary. The transmission means (6) reverse the rotation speed of the outer rotor (2) to make it coincide with that of the shaft (3) and allow varying the speed ratio between the inner (1) and outer (2) rotors to modify the energy transfer to shaft (3).
La Fig. 3 representa una sección lateral y una sección frontal de conjunto de la turbina de la invención según la Fig.1., en donde se muestra el montaje mecánico de las partes. Fig. 3 represents a side section and a front section of the set of the turbine of the invention according to Fig. 1., where the mechanical assembly of the parts is shown.
La Fig. 4 representa un sistema de generación de energía con aprovechamiento de flujos bidireccionales que comprende al menos dos turbinas de la invención. En la figura se pueden ver dos turbinas (T1, T2) montadas sobre el mismo eje de un generador eléctrico (G), en configuración twin. Las turbinas (T1, T2) van respectivamente dispuestas para producir energía en el periodo ascendente o descendente de la ola. En la Fig. 4A se muestra un momento de funcionamiento del sistema. Cuando la ola asciende (EXHALACIÓN) la turbina (T1) produce energía y la turbina (T2) bloquea el paso de flujo. En la Fig. 4B se muestra otro momento de funcionamiento del sistema. Cuando la ola desciende (INHALACIÓN) la turbina (T2) produce energía y la turbina (T1) bloquea el paso de flujo. Fig. 4 represents a power generation system with use of bidirectional flows that comprises at least two turbines of the invention. In the figure you can see two turbines (T1, T2) mounted on the same axis of an electric generator (G), in a twin configuration. The turbines (T1, T2) are respectively arranged to produce energy in the ascending or descending period of the wave. In Fig. 4A a moment of operation of the system is shown. When the wave rises (EXHALATION) the turbine (T1) produces energy and the turbine (T2) blocks the flow path. In Fig. 4B another moment of operation of the system is shown. When the wave descends (INHALATION) the turbine (T2) produces energy and the turbine (T1) blocks the flow path.
La Fig. 5 representa los resultados de un ensayo de la turbina en modo Directo (flujo directo) bajo condiciones de contorno estacionarias. Se han calculado varios coeficientes a partir de los datos experimentales los cuales se representan con líneas discontinuas negras. También se han comparado con los valores obtenidos por simulación numérica CFD (Dinámica de Fluidos Computacional), que se representan con líneas discontinuas blancas. En la Fig. 5A se muestra un gráfico donde en el eje de ordenadas se indican los valores del coeficiente de par o C t y en el eje de abscisas se indican los valores del coeficiente de flujo o 0 En la Fig. 5B se muestra un gráfico donde en el eje de ordenadas se indican los valores del coeficiente de potencia C a y en el eje de abscisas se indican los valores del coeficiente de flujo o 0 En la Fig. 5C se muestra un gráfico donde en el eje de ordenadas se indican los valores del rendimiento q y en el eje de abscisas se indican los valores del coeficiente de flujo o 0: Fig. 5 represents the results of a test of the turbine in Direct mode (direct flow) under stationary boundary conditions. Several coefficients have been calculated from the experimental data which are represented by black dashed lines. They have also been compared with the values obtained by CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical simulation, which are represented by white dashed lines. In Fig. 5A a graph is shown where the values of the torque coefficient or C t are indicated on the ordinate axis and the values of the flow coefficient or 0 are indicated on the abscissa axis . In Fig. 5B a graph where the values of the power coefficient C a are indicated on the ordinate axis and the values of the flow coefficient are indicated on the abscissa axis o 0 In Fig. 5C a graph is shown where the ordinate axis indicates the performance values q and the values of the flow coefficient o 0 are indicated on the abscissa axis:
La Fig. 6 representa los resultados de un ensayo de la turbina en modo Reverso (flujo reverso) bajo condiciones de contorno estacionarias. Se han calculado varios coeficientes a partir de los datos experimentales los cuales se representan con líneas discontinuas negras. También se han comparado con los valores obtenidos por simulación numérica CFD (Dinámica de Fluidos Computacional), que se representan con líneas discontinuas blancas. En la Fig. 6A se muestra un gráfico donde en el eje de ordenadas se indican los valores del coeficiente de par o C t y en el eje de abscisas se indican los valores del coeficiente de flujo o 0: En la Fig. 6B se muestra un gráfico donde en el eje de ordenadas se indican los valores del coeficiente de potencia C a y en el eje de abscisas se indican los valores del coeficiente de flujo o 0: En la Fig. 6C se muestra un gráfico donde en el eje de ordenadas se indican los valores del rendimiento n y en el eje de abscisas se indican los valores del coeficiente de flujo o 0: Fig. 6 represents the results of a test of the turbine in Reverse mode (reverse flow) under stationary boundary conditions. Several coefficients have been calculated from the experimental data which are represented by black dashed lines. I also know have been compared with the values obtained by CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical simulation, which are represented by white dashed lines. In Fig. 6A a graph is shown where the values of the torque coefficient or C t are indicated on the ordinate axis and the values of the flow coefficient or 0 are indicated on the abscissa axis: Fig. 6B shows a graph where the values of the power coefficient C a are indicated on the ordinate axis and the values of the flow coefficient or 0 are indicated on the abscissa axis: Fig. 6C shows a graph where the ordinate axis The values of the efficiency n are indicated and on the abscissa axis the values of the flow coefficient or 0 are indicated:
Realización preferente de la invenciónPreferred embodiment of the invention
Para una mejor comprensión de la presente invención, se exponen los siguientes ejemplos de realización preferente, descritos en detalle, que deben entenderse sin carácter limitativo del alcance de la invención.For a better understanding of the present invention, the following preferred embodiment examples are set forth, described in detail, which should be understood without limiting the scope of the invention.
EJEMPLO 1:EXAMPLE 1:
En una primera realización se construyó un modelo de turbina que comprendía un conducto de entrada (5) de 98 mm de diámetro, un deflector (12), un rotor interior (i) de diámetro exterior 200 mm y 24 álabes de 24 mm de envergadura, un rotor exterior (2) de diámetro exterior 250 mm y 48 álabes de 24 mm de envergadura, un eje (3), un difusor (11) de 300 mm de diámetro y un sistema de transmisión (6) entre ambos rotores. Los medios de transmisión (6) estaban formados por un sistema epicicloidal de dientes rectos de módulo 2, con un sol (7) de 60 dientes, dos planetas (9) de 19 dientes y una corona de 100 dientes. Los dos planetas (9) giran libres sobre dos ejes portaplanetas (8) que permanecen fijos y engranan con la corona (10) y el sol (7), sincronizando el giro de los rotores (1,2), con una relación de transmisión fija y predeterminada.In a first embodiment, a turbine model was built comprising an inlet duct (5) with a diameter of 98 mm, a deflector (12), an inner rotor (i) with an outer diameter of 200 mm and 24 blades of 24 mm wingspan , an outer rotor (2) with an outer diameter of 250 mm and 48 blades of 24 mm wingspan, a shaft (3), a diffuser (11) with a diameter of 300 mm and a transmission system (6) between both rotors. The transmission means (6) consisted of an epicycloidal system of straight teeth of modulus 2, with a sun (7) of 60 teeth, two planets (9) of 19 teeth and a crown of 100 teeth. The two planets (9) rotate freely on two planet carrier shafts (8) that remain fixed and mesh with the crown (10) and the sun (7), synchronizing the rotation of the rotors (1,2), with a transmission ratio fixed and default.
La construcción de los rotores interior (1) y exterior (2), el conducto (5) de entrada, el sol (7), los dos planetas (9), la corona (10), el difusor (11) y el deflector (12) se realizó mediante una impresora 3D, empleando PLA (poliácido láctico) como material de fabricación. El eje (3) y los dos portaplanetas (8) se fabricaron de aluminio, con máquina herramienta. Los demás componentes auxiliares (elementos de unión, rodamientos, etc.) se utilizaron normalizados para racionalizar el diseño y facilitar su intercambiabilidad.The construction of the inner (1) and outer (2) rotors, the inlet duct (5), the sun (7), the two planets (9), the crown (10), the diffuser (11) and the deflector (12) was carried out by means of a 3D printer, using PLA (polyacid lactic acid) as a manufacturing material. The shaft (3) and the two planet carriers (8) were made of aluminum, using a machine tool. The other auxiliary components (connecting elements, bearings, etc.) were used standardized to rationalize the design and facilitate their interchangeability.
Para comprobar las prestaciones de la turbina se realizaron los siguientes ensayos bajo condiciones de contorno estacionarias:To check the performance of the turbine, the following tests were carried out under stationary boundary conditions:
a) En modo Directo:a) In Direct mode:
• Ensayo 1 en el que se determinó la potencia del flujo de entrada en función de la velocidad de giro de la turbina, para lo cual se suministró un flujo de aire variable a la turbina, midiendo el caudal, la presión total de entrada y las revoluciones del eje de salida.• Test 1 in which the power of the inlet flow was determined as a function of the speed of rotation of the turbine, for which a variable air flow was supplied to the turbine, measuring the flow, the total inlet pressure and the revolutions of the output shaft.
• Ensayo 2 en el que determinó la potencia aplicada al eje (3) de la turbina en función de la velocidad de giro, para lo cual se accionó la turbina con una tacodinamo, para determinar la potencia aplicada al eje (3) en función de la velocidad de giro.• Test 2 in which the power applied to the shaft (3) of the turbine was determined as a function of the rotation speed, for which the turbine was operated with a tachodinam, to determine the power applied to the shaft (3) as a function of turning speed.
b) En modo Reverso: b) In Reverse mode:
• Ensayo 3 en el que la turbina que se accionó mediante una tacodinamo, a la vez que pasaba un flujo reverso variable por ella. El ensayo permitió determinar la potencia consumida por la turbina y el par de frenado producido por el flujo reverso.• Test 3 in which the turbine that was activated by means of a tacho-dynamo, at the same time passing a variable reverse flow through it. The test made it possible to determine the power consumed by the turbine and the braking torque produced by the reverse flow.
Los datos experimentales obtenidos han permitido calcular los coeficientes adimensionales característicos de la turbina que a continuación se exponen:The experimental data obtained have made it possible to calculate the characteristic dimensionless coefficients of the turbine that are set out below:
Coeficiente de flujo 0: valor adimensional que caracteriza cinemáticamente la turbina, relacionando la velocidad del flujo que circula a través de ella con su velocidad de giro.Flow coefficient 0: dimensionless value that kinematically characterizes the turbine, relating the speed of the flow that circulates through it with its speed of rotation.
Coeficiente de par C t : valor adimensional que relaciona el par generado sobre la turbina con el máximo teórico generado por el flujo sobre la sección media característica de la turbina.Torque coefficient C t : dimensionless value that relates the torque generated on the turbine with the theoretical maximum generated by the flow over the characteristic middle section of the turbine.
• Coeficiente de potencia Ca: valor adimensional que relaciona la potencia consumida por la turbina con la máxima teórica que el flujo proporcionaría en la sección media característica de la turbina.• Power coefficient Ca: dimensionless value that relates the power consumed by the turbine with the theoretical maximum that the flow would provide in the characteristic middle section of the turbine.
• Rendimiento q: valor adimensional que relaciona la potencia transmitida al eje de la turbina con la potencia consumida por la misma. • Performance q: dimensionless value that relates the power transmitted to the turbine shaft with the power consumed by it.
Donde V r : velocidad radial del flujo medida sobre el diámetro medio del rotor Dm; u r : velocidad de giro del rotor; b: envergadura de los álabes; p: densidad del flujo; w: velocidad de giro del eje de salida; T0: par aplicado sobre el rotor; AP: presión total del flujo de entrada; Q: caudal del flujo.Where V r : radial flow velocity measured over the mean rotor diameter Dm; u r : rotational speed of the rotor; b: wingspan of the blades; p: flux density; w: output shaft rotation speed; T0: torque applied to the rotor; AP: total pressure of the inlet flow; Q: flow rate.
Para el modo Directo se han calculado los coeficientes anteriores a partir de los datos experimentales y se han comparado con los valores obtenidos por simulación numérica CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). Ambos resultados se muestran en la Fig. 5A, Fig. 5B y Fig. 5C. Se puede apreciar la concordancia entre los respectivos valores. For the Direct mode, the previous coefficients have been calculated from the experimental data and compared with the values obtained by CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical simulation. Both results are shown in Fig. 5A, Fig. 5B and Fig. 5C . You can see the agreement between the respective values.
Para el modo Reverso se han obtenido los coeficientes de flujo 0, de par C t y de potencia C a , siendo los resultados comparados con los obtenidos por simulación numérica CFD. Estos resultados se muestran en la Fig. 6A y Fig. 6B.For the Reverse mode, the coefficients of flow 0, torque C t and power C a have been obtained, the results being compared with those obtained by CFD numerical simulation. These results are shown in Fig. 6A and Fig. 6B .
La concordancia de los resultados en modo directo y en reverso permite concluir la validez de los mismos.The agreement of the results in direct and in reverse mode allows to conclude the validity of the same.
En modo Directo el rendimiento q constituye el valor de referencia para comparar la eficiencia de la turbina de la invención con otras existentes y está relacionado por definición, con el coeficiente de flujo 0, el coeficiente de par C t y el coeficiente de potencia C a . El rendimiento máximo alcanzado en régimen de funcionamiento estacionario es de 0,7, valor que supera al ofrecido por otras turbinas OWC investigadas hasta la fecha.In Direct mode, the performance q constitutes the reference value to compare the efficiency of the turbine of the invention with other existing ones and is related by definition, with the flow coefficient 0, the torque coefficient C t and the power coefficient C a . The maximum performance achieved in stationary operation is 0.7, a value that exceeds that offered by other OWC turbines investigated to date.
En modo Reverso el coeficiente de potencia C a indica el grado de resistencia que la turbina ofrece al paso del flujo. El modelo de la invención presenta unos valores superiores al ofrecido por otras turbinas OWC, lo cual es indicativo de la mayor capacidad de bloqueo del flujo reverso. Esta característica constituye una de las ventajas de la invención para su aplicación en los sistemas twin constituidos por parejas de turbinas que trabajan conjuntamente para producir energía.In Reverse mode, the power coefficient C a indicates the degree of resistance that the turbine offers to the flow. The model of the invention has higher values than those offered by other OWC turbines, which is indicative of the greater blocking capacity of the reverse flow. This characteristic constitutes one of the advantages of the invention for its application in twin systems made up of pairs of turbines that work together to produce energy.
El coeficiente de par C t en modo Reverso indica el grado de frenado que origina el flujo al pasar por los rotores. El valor ofrecido es ligeramente superior al experimentado por otras turbinas existentes y está relacionado con el mayor bloqueo del flujo. Pero este efecto se ve contrarrestado y superado por la mejora del bloqueo del flujo, que tiene una influencia positiva en el rendimiento neto del conjunto (twin). The torque coefficient C t in Reverse mode indicates the degree of braking caused by the flow as it passes through the rotors. The value offered is slightly higher than that experienced by other existing turbines and is related to the increased flow blockage. But this effect is counteracted and overcome by the improvement of the flow blockage, which has a positive influence on the net performance of the set ( twin).
EJEMPLO 2:EXAMPLE 2:
En una segunda realización se construyó un modelo de turbina, que comprendía un conducto (5) entrada con un diámetro de entrada 98 mm, un deflector (12), un rotor interior (1) de diámetro exterior 200 mm y 24 álabes de 24 mm de envergadura, un rotor exterior (2) de diámetro exterior 250 mm y 48 álabes de 24 mm de envergadura, un eje (3), un difusor (11) y unos medios de transmisión (6) que eran un sistema epicicloidal (6) de dientes rectos de módulo 2, formado por un sol (7) de 60 dientes, tres planetas (9) de 19 dientes, una corona de 100 dientes y donde los planetas (9) giraban libres sobre el porta planetas (8) que a su vez giraba alrededor del eje (3). Los tres planetas (9) engranaban con la corona (10) y el sol (7), sincronizando el giro de los rotores (1,2), con una relación de transmisión variable y controlable. El control de giro del portaplanetas (8) se realizaba electromagnéticamente desde el exterior.In a second embodiment, a turbine model was built, comprising an inlet duct (5) with an inlet diameter of 98 mm, a deflector (12), an inner rotor (1) with an outer diameter of 200 mm and 24 blades of 24 mm. of wingspan, an outer rotor (2) with an outer diameter of 250 mm and 48 blades of 24 mm wingspan, a shaft (3), a diffuser (11) and transmission means (6) that were an epicycloidal system (6) of straight teeth of module 2, formed by a sun (7) with 60 teeth, three planets (9) with 19 teeth, a crown of 100 teeth and where the planets (9) rotated freely on the planet carrier (8) that turn rotated around the axis (3). The three planets (9) meshed with the crown (10) and the sun (7), synchronizing the rotation of the rotors (1,2), with a variable and controllable transmission ratio. The rotation control of the planet carrier (8) was carried out electromagnetically from the outside.
La construcción de los rotores interior (1) y exterior (2), el conducto (5) de entrada, el sol (7), el portaplanetas (8), los tres planetas (9), la corona (10), el difusor (11) y el deflector (12) se realizó mediante una impresora 3D, empleando PLA (poliácido láctico) como material de fabricación. El eje (3) y los ejes del portaplanetas (8) se fabricaron de aluminio, con máquina herramienta. Los demás componentes auxiliares (elementos de unión, rodamientos, etc.) se han previsto normalizados para racionalizar el diseño y facilitar su intercambiabilidad. The construction of the inner (1) and outer (2) rotors, the inlet duct (5), the sun (7), the planet carrier (8), the three planets (9), the crown (10), the diffuser (11) and the deflector (12) were made by means of a 3D printer, using PLA (polyacid lactic) as manufacturing material. The axis (3) and the axes of the planet carrier (8) were made of aluminum, with a machine tool. The other auxiliary components (connecting elements, bearings, etc.) have been standardized to streamline the design and facilitate their interchangeability.
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| ES201900175A ES2827648A1 (en) | 2019-11-21 | 2019-11-21 | Radial turbine with reverse flow blocking and bi-directional flow extracted power generation system (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
Applications Claiming Priority (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2827648 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20210521 |
|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20210909 |