WO1999041498A1

WO1999041498A1 - Turbina eolica e hidraulica universal y aplicaciones

Info

Publication number: WO1999041498A1
Application number: PCT/ES1999/000033
Authority: WO
Inventors: Adolfo Gonzalez Perez
Original assignee: Adolfo Gonzalez Perez
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 1999-08-19
Also published as: ES2156475A1; AU2280099A; ES2156475B1; WO1999041498B1

Abstract

Turbina de sectores radiales configurados por despliegue regular de un paquete de láminas rectangulares o flejes alrededor del eje, conformándose desarrollo, inclinación, geometría estable y máximo rendimiento en medios no confinados o confinados de 'baja' y 'alta' presión, dimensionada según formulación original de mecánica de fluidos, comúnmente de acero. La turbina 'eólica' presenta 'aro motor atirantado', transmisión flexible hasta 'eje motor' conectando con mecanismo receptor directamente o mediante transmisión flexible fragmentada o hidráulica a través del soporte hasta inmediaciones cimiento con velocidad, fuerza y presión determinadas. Sustentada mediante eje en columna giratoria sobre cilindros huecos embutida en soporte configurado por flejes anchos longitudinales. Presenta similar configuración radial abierta para impulsión neumática en 'baja', cerrada 'unipala' para bombas y motores en 'alta', 'aro atirantado' para sustentación, y combinaciones para mecanismos energéticos, automoción, naves y aeronaves.

Description

TURBINA EOLICA E HIDRÁULICA UNIVERSAL Y APLICACIONES

A) Turbina universal para captación o generación de energía cinética de fluidos v mecanismos de transformación. La presente patente de invención se refiere al desarrollo de una "turbina universal" para la captación o generación de energía cinética de fluidos localizados en un espacio confinado o no confinado. Igualmente se refiere a los "mecanismos de transformación" necesarios para su aplicación y aprovechamiento óptimos. Todo ello, de suerte que para una sección de flujo y una velocidad del fluido dados se obtiene el rendimiento máximo.

Los resultados son la consecuencia de la aplicación de la teoría física de mecánica de fluidos de forma específica y original.

Como se expondrá detalladamente a continuación se trata de una concepción física con una aplicación racional y práctica que se justifica técnica y científicamente. El proceso es original en su conjunto aunque algunos de sus componentes sean ya conocidos y utilizados.

Por último, al estar dimensionado y dispuestos todos y cada uno de sus componentes de forma específica, se consigue el objetivo fundamental de obtener una evidente mayor utilidad con relación a otros modelos existentes. Igualmente, se pone de manifiesto que se introducen mejoras definitivas en todos los mecanismos que la integran, al estar adecuados y ser congruentes con la idea básica original.

B) Sector de la técnica

El sector de la técnica al que puede referirse, tanto éste como otros modelos consecuentes, es muy amplio, como se puede deducir de la presente memoria, puesto que se trata de un elemento básico, constituyente de cualquier ingenio o mecanismo que genere o consuma energía cinética procedente de un fluido tanto en reposo o expansión como en movimiento, en un medio confinado o no confinado. En consecuencia, con objeto de tener una referencia evidente y definitiva como modelo y punto de partida para cualquier otro desarrollo de los numerosos que se citarán a lo largo de la presente memoria, se sintetiza y particulariza, por su excepcional importancia sin carácter limitativo, para el caso concreto del desarrollo de un "aeromotor" definitivo, en un medio no confinado, dentro del campo de la "energía eólica" y similares.

C) Estado de la técnica

Es bien conocido, y a ello se hará referencia a lo largo de la presente memoria, el estado de la técnica actual en el campo de la generación de energía, tanto mecánica y térmica como eléctrica. Especialmente, la de los campos de la hidráulica, térmica, nuclear y recientemente el de las "energías renovables", y por ampliación, la relativa a la locomoción, la náutica, la aeronáutica, y muchas otras, porque de algún modo la concepción del modelo genérico de turbina que se propone tiene aplicación en todos los campos de actividad económica e industrial.

Particularizando para el caso de la "energía eólica" el estado actual de la técnica se centra principalmente en dos cuestiones fundamentales. La primera es que se basa en una teoría aproximadaque data de principio de siglo, y la segunda que se adopta un perfil de pala, más o menos reciente, procedente del campo de la sustentación aeronáutica. Con respecto a esta segunda, las palas se dimensionan, en primer lugar, para absorber los grandes esfuerzos a que está sometida, lo cual se resuelve con una disposición de empotramiento en ménsula y en segundo lugar se diseñan con el perfil aerodinámico más ajustado dentro de los posibles, pero con la limitación anterior. Evidentemente, al disponerse de cierta superficie y de cierto ángulo de incidencia se obtiene determinadad captación de energía.

No obstante, creemos que la solución del problema debe comenzar por el perfil aerodinámico y a continuación buscar el modelo estructural resistente más adecuado. Este supuesto, que es el que se sigue para conformar el modelo que se propone, se justificará y se comentará cumplidamente a lo largo de la presente memoria descriptiva.

D) Explicación

En lo que sigue se desarrolla un proceso explicativo desde la idea básica original hasta la apertura de un amplio campo de aplicaciones prácticas.

En consecuencia, se aborda de forma particular una cuestión planteada desde el momento en el que se trató de comprender y justificar de forma satisfactoria el fenómeno científico, técnico y práctico observado en el comportamiento del conocido "molino de viento" y de sus versiones actuales o "aerogeneradores". La información bibliográfica y técnica recogida hasta ese momento, ofrecía dudas razonables al respecto. Sobre todo si se observa la variedad de modelos que se han divulgado a lo largo del tiempo, tan dispares en su configuración como en su composición. Evidentemente, reparando simplemente en los modelos actuales, surge la duda sobre cual se aproxima más al modelo óptimo y ante la duda, lo más razonable es comenzar "desde cero", con una somera exposición de sus antecedentes. a) Antecedentes. El aprovechamiento de la energía cinética de los fluidos ha existido en todos los tiempos y en las más variadas formas, como molinos de viento, molinos de agua, velas de navegación, etc. Es recientemente cuando el avance en el conocimiento de la mecánica de fluidos ha impulsado en mayor medida el desarrollo de mecanismos de captación en cualquier medio, en este caso no confinado. Por otra parte, en el campo de los espacios confinados, existen otros mecanismos de captación como son las turbinas hidráulicas, turbinas de vapor, turbinas de gas, motores de explosión, etc., que se encuentran en continua evolución y cuyos fundamentos tienen una relación directa y estrecha con la teoría aquí expuesta. Así pues, dichos mecanismos serán objeto de desarrollo, con nuevos modelos específicos y originales, que estarán basados en la misma teoría que se propugna. Siendo evidente que las fuentes de energía de fluidos se presentan en la naturaleza de forma espontánea, es la iniciativa humana con la ayuda de la ciencia y la técnica la que tiene que desarrollar los procedimientos sencillos y eficaces que consigan su aprovechamiento óptimo, que resuelvan problemas ambientales indeseables y que of ezcan una alternativa real y definitiva, en todos los aspectos, ante los restantes campos energéticos.

Ante la diversidad de procedimientos de captación existentes, relativos a un mismo fenómeno concreto con resultados tan dispares, se plantea la resolución del problema recurriendo a principios fundamentales y lo más elementales posible. Sin duda, ante la existencia de un fluido en movimiento con una energía cinética susceptible de ser captada y transformada en otro tipo de energía, de aplicación práctica, se genera un proceso que requiere la presencia o intervención de un elemento "captador". Por otra parte, al mismo tiempo que el elemento interpuesto capta cierta energía produce una perturbación en el medio, bien de forma continua, bien de forma brusca é intermitente. Esta segunda forma se considera más efectiva, puesto que provoca una serie de impulsos, de máxima acumulación energética, cuya naturaleza, magnitud y efectos dinámicos se pueden determinar de forma sencilla y precisa. También es factible el control y la regulación de la "cadencia" para la cual se verifica y se reitera el proceso descrito, de la forma periódica más conveniente.

En el caso particular de la turbina eólica, por ejemplo, se viene aplicando para su determinación y justificación hasta la fecha la teoría de Bertz, que data de principios de siglo, y otras similares, a pesar de estar admitidas como aproximadas al partir de unos supuestos que no se ajustan exactamente a la realidad. Otro tanto ocurre con las teorías clásicas sobre los perfiles aerodinámicos, procedentes del campo aeronáutico, cuyas características se determinan, generalmente, de forma empírica en túneles de ensayo, etc. Téngase en cuenta que los planteamientos no tienen por qué ser iguales para resolver un problema de sustentación, en un movimiento rectilíneo y uniforme, que para otro de captación de energía eólica en un movimiento de rotación y reiterativo.

En cambio en nuestro caso, como se desprende de la presente memoria descriptiva, se aplica una teoría y un método de cálculo original y concluyente que, pudiendo hacerse extensivo a todo el campo de la mecánica de fluidos, permite calcular el proceso de transmisión de energía a través de cualquier medio físico susceptible de ser perturbado mediante incrementos diferenciales de presión entre sus partículas. Todo ello está basado, simplemente, en el principio de la acción y reacción en el campo de la materia, cualquiera que sea su naturaleza, comprendiendo desde partículas en estado líquido y gaseoso hasta las partículas más elementales de la misma.

Así pues, comenzamos con el planteamiento específico del problema b) Planteamiento del fenómeno físico. Particularizando para la energía eólica, que nos ocupa preferentemente, tenemos que una turbina al interceptar la corriente de un tubo de flujo del fluido, en un instante determinado en que la velocidad y la presión son constantes en su entorno, produce una perturbación que transforma una parte de la energía cinética en energía elástica de deformación, o sea en forma de "onda de presión", la cual se propaga dentro del medio fluido en todas las direcciones a una velocidad que es función de la densidad y del módulo de elasticidad del fluido. Durante la perturbación se produce en el tubo de flujo un incremento de la presión y consecuentemente una disminución de la velocidad, de suerte que, cuando aquella deja de actuar, la parte de la energía acumulada en la "onda de presión", que no ha sido absorbida por el elemento perturbador, produce en régimen adiabático el proceso inverso, en forma de "onda de expansión", es decir, un incremento de la velocidad y consecuentemente una disminución de la presión. En consecuencia, la diferencia entre las energías de la "onda de presión" y de la "onda de expansión" es la que habrá sido absorbida por el impulso que actúa sobre el elemento perturbador. Y este elemento, al estar dotado de determinada velocidad de desplazamiento en el mismo sentido del flujo, puede desarrollar un trabajo. Al mismo tiempo, si se desplaza igualmente en el mismo sentido transversal que la componente tangencial del empuje correspondiente al ángulo de incidencia del elemento perturbador, aquel trabajo longitudinal puede ser transmitido en este otro sentido transversal.

Y finalmente, este trabajo constituye un par en todo o en parte según que el plano de la turbina permanezca fijo o se le permita desplazarse. En este caso la velocidad inicial o nominal del fluido, para el cálculo de la turbina, será la diferencia entre la velocidad absoluta del fluido y la normal de desplazamiento de la turbina y el trabajo total de la turbina como suma del de desplazamiento y del de rotación, es el que ha de ser máximo.

La "onda de presión" y la "onda de expansión" pueden delimitarse dentro de un determinado "volumen de control" al cual se le pueden aplicar las leyes fundamentales de la física y los principios generales de la mecánica de fluidos de forma rigurosa, adaptada a este caso de aplicación práctica evidente.

La condición fundamental de este proceso es que la "onda de presión" y la "onda de expansión" determinen en conjunto, en lo que respecta a intervalos de duración, un ciclo de repetición del fenómeno, de suerte que al final del mismo se haya recuperado exactamente la velocidad inicial o nominal del fluido con relación al plano de la turbina, estando todo ello originado por la disipación de la energía de la "onda de expansión". Este concepto se identifica con el de "cadencia" que se ha mencionado en el apartado anterior.

El planteamiento anterior y su desarrollo se generaliza fácilmente para cualquier medio por simple sustitución de las constantes de aquel por las específicas de este nuevo. Comúnmente se trata de líquidos o gases como agua, aire, vapor o gases de combustión. c) Desarrollo del fenómeno físico.

Una vez elegido el elemento y el medio fluidos (aire, gas, agua, partículas elementales, etc.) con determinadas características físicas, se le aplican los principios anteriormente expuesto, referidos al plano normal al flujo, con lo cual se calcula matemáticamente la configuración de la turbina o elemento perturbador que capte el máximo de energía cinética y que genere el máximo trabajo útil.

Esta configuración será función exclusiva de las condiciones físicas intrínsecas del fluido (densidad y módulo de elasticidad), de su velocidad inicial o nominal, y de la sección del flujo que se desea captar o interceptar y en cuanto al elemento "captador", de aquella velocidad de régimen más conveniente que se adopte para el mismo, referida a la velocidad de su extremo, comúnmente denominada velocidad en "punta". El elemento captador (aspa, pala, alabe, etc.) intercepta el flujo con determinado ángulo, recibiendo un impulso normal y otro transversal de cada tubo elemental de flujo, cada cierto intervalo de tiempo, tal que siendo reiterativo el fenómeno, sin carácter limitativo en cuanto a la forma, un sistema que se puede adoptar como idóneo para captar y transmitir la energía es el constituido por un elemento rotativo de cierta geometría, que se encuentre, por supuesto, ubicado en un plano normal al flujo. No obstante, en deterninados casos como se justificará más adelante puede presentar cierta oblicuidad, con respecto a la dirección del flujo.

En el proceso anterior la parte de energía acumulada en la "onda de presión" y no captada por el elemento, o sea la correspondiente a la "onda de expansión", se disipa a través del plano de la turbina y del entorno de la misma. Esta disipación de energía en el entorno es la que permite evacuar el exceso de fluido, como diferencia entre el aportado por la sección interceptada y el realmente evacuado a través de la turbina. Basándonos en las condiciones expuestas se pueden determinar matemáticamente las dimensiones fundamentales que ha de cumplir el elemento para que se consiga el objetivo primordial de que la energía total captada sea máxima, citándose como determinantes las siguientes:

I^a. El elemento captador ha de ser tal que la perturbación, en lo que respecta al período de intercepción y proceso de recuperación que definen el ciclo reiterativo, ha de tener una intensidad uniforme en toda la sección de la turbina tanto en intradós como en extradós. Todo ello determina que el valor de "αl" o "paso", ha de ser constante en sentido longitudinal o radial del elemento, y éste a su vez determina que la velocidad de avance o "paso" del fluido también ha de ser constante y uniforme en toda la superficie del elemento. 2^a. El elemento captador ha de ser simétrico con respecto a sus dos caras para que la sobrepresión sea igual a la subpresión (empuje en intradós y extradós respectivamente) y en consecuencia el desarrollo de toda sección transversal será circular y plana. Todo ello determina que el valor de "α" o ángulo transversal de dicha sección con el plano nomal al eje de la turbina, ha de ser constante a lo largo del desarrollo transversal de cualquier sección.

3^a Las condiciones anteriores y la de máxima disipación radial de energía determinan que el elemento captador en su desarrollo radial ha de ser lineal y recto, tanto en intradós como en extradós. Todo ello determina que el valor de "β" o ángulo longitudinal del elemento con el plano normal al eje de la turbina ha de ser constante en su desarrollo radial..

4^a Por último, las tres condiciones anteriores se cumplen si el desarrollo transversal o periférico del elemento perturbador, en cada una de sus secciones, es proporcional al radio de la misma, con lo cual tendrá una proyección en el plano de la turbina en forma de sector circular. Necesariamente se ha de cumplir que la sección captadora y la sección del flujo interceptado se incrementarán proporcionalmente.

Así pues, teniendo en cuenta la teoría expuesta y las condiciones previas anteriores ya tenemos el modelo geométrico sobre el cual se puede calcular matemáticamente en cada sección transversal el ángulo de incidencia y el desarrollo tangencial y transversal del elemento, de suerte que en un proceso reiterativo de perturbaciones consecutivas, todos estos valores vengan dados exclusivamente en función del radio de giro de cada sección del elemento y de las constantes físicas del fluido (densidad y módulo de elasticidad) y de su velocidad inicial o nominal de incidencia y por último en función del rango de la velocidad en "punta" que se toma como más conveniente respecto a la naturaleza y resistencia del material que se utiliza para la confección de los componentes de la turbina. A todo lo expuesto anteriormente solamente queda añadir que una condición matemática previa para que el trabajo generado sea máximo, es que la velocidad de "paso" y la velocidad de "corte" sean iguales entre sí, e iguales a la mitad de la velocidad nominal o lo que es lo mismo, de la velocidad de recuperación del fluido en cada ciclo reiterativo. Con los resultados obtenidos se pueden determinar la geometría o configuración y la velocidad de rotación del régimen óptimo de la turbina y puesto que el cálculo se basa en la aplicación de los principios generales de la mecánica de los fluidos según la teoría y método expuestos, así como de cálculos matemáticos conocidos, nos limitaremos a describir, de forma sucinta, la geometría y la velocidad de rotación de la turbina. Aquellos valores, vienen dados exclusivamente en función del radio (R) de la turbina y en función de la velocidad inicial o nominal (V₀), la densidad (d) y el módulo de elasticidad (E) del fluido. Sin carácter limitativo en lo que respecta al medio fluido, damos a continuación las fórmulas características para una turbina eólica "fija", que compuesta por "n" elementos, dispuestos con igual dimensión y forma, radial y simétrica, que tiene como datos básicos V_o en metros por segundo y R en metros, y distintos valores de las constantes "k".

Los valores de las distintas "k" son constantes físicas que dependen solamente de las características intrínsecas del fluido y del ángulo de incidencia elegido en función del rango de velocidad angular y el tipo de material de la turbina, es decir de la densidad y el módulo de elasticidad del primero o fluido y de la densidad y resistencia del segundo o material.

Si los cálculos matemáticos no son reivindicables, se considera que no es necesario incluirlos. No obstante, los resultados se consideran novedad porque han tenido un desarrollo novedoso y justificado. Así pues cualquier alternativa que se proponga como idónea, si se le aplica de forma rigurosa y estricta el proceso que se propugna, se puede demostrar fácilmente que lo es en realidad si cumple la formulación anterior. E igualmente se puede comprobar que si cumple la formulación es idónea.. Por nuestra parte, la configuración que se propone para el conjunto de la turbina cumple efectivamente la formulación expuesta. Así pues consideramos que están sufientemente probados los fundamentos que avalan la solicitud de declaración de patente de invención, tanto para la turbina como para los mecanismos de transformación expresados en la presente memoria e ilustrados en las figuras adjuntas. Por lo tanto se procede a la exposición de las fórmulas fundamentales, que son las siguientes: :

1) Velocidad de rotación O_n

íen r.p.s.)

2) Velocidad tangencial en el extremo Vy„=ky. Vo/n (en m./s.) 3) Desarrollo tangencial en el extremo

Vo/n (en m.)

4) Ángulo de incidencia en el extremo α„= k„.n (α= tgα)

5) Desarrollo en sentido normal αj= kι.k„R. V₀ (en m.)

Y como resultado final se tiene:

6) Potencia máxima desarrollada W=kw.R². V₀ ³ (kg.m./s.)

Para el caso particular del aire en movimiento, a altitud y temperaturas más frecuentes, hay que tener en cuenta que para turbma eólica "fija" los valores de las constantes "k", vienen también dados en función del tipo de turbina que se determine como la más conveniente en lo que se refiere a su velocidad de trabajo clasificadas en turbinas rápidas, semi-rápidas y lentas. Todos ellos se expresan en función del ángulo de "corte" "αj" relativo a turbina de una sola pala y sus valores 1^= 0,08/αι, k_y, ki y k son tales que este último es del orden del doble del "límite" de Bertz que se cita más adelante y su demostración se encuentra reflejada en los resultados reales de los modelos que se citan en la presente memoria.

El "límite de Bertz" establece la potencia teórica máxima a extraer como

W=0,116.R² Vo³, o sea kw=0,l 16, es decir que en nuestro caso el valor de kw es muy superior a este anterior. No obstante, en ambos casos, los valores estarán afectados por los respectivos coeficientes de rendimiento de los distintos mecanismos que intervienen.

Para el caso particular de turbina eólica "desplazable", instalada sobre un móvil o embarcación, sin carácter limitativo, como puede ser una vela de navegación, pueden hacerse cuantas combinaciones se deseen, dependiendo de que se permita mayor o menor grado de avance, distribuyéndose pues la energía captada en energía de desplazamiento del móvil y en energía de rotación de la turbina.

En el supuesto límite de desplazamiento puro el ángulo de incidencia es nulo (α=0), o sea que tenemos una turbina plana de máximo empuje, con una velocidad de rotación de régimen mediante dispositivo específico.

Para calcular la energía de rotación, la velocidad inicial o nominal, del fluido a considerar será la relativa o efectiva V_r, es decir, como diferencia entre la absoluta V₀ del fluido y la de desplazamiento V_<j.

Hay que tener en cuenta que la velocidad de desplazamiento puede ser también "negativa" es decir que el móvil avance en dirección contraria a la de la corriente, en cuyo caso la velocidad V_r relativa o efectiva es mayor que la velocidad V₀ absoluta.

Para que pueda verificarse esta alternativa en apariencia contradictoria, parte de la energía captada será rotativa y se transforma en energía aplicada a este desplazamiento del móvil mediante mecanismo específico. Para resolver cualquier combinación posible de energía de rotación y energía de desplazamiento, básicamente, basta con tener en cuenta cual es la velocidad V_r efectiva que hay que introducir en el cálculo de la turbina.

En el caso de adoptar valores de desplazamiento intermedios, o sea cualquier parte de energía de rotación y cualquier parte de energía de desplazamiento, el cálculo es más complejo; no obstante, en su desarrollo solamente hay que tener en cuenta estas últimas observaciones y aplicar simplemente la teoría expuesta.

El valor del empuje horizontal es de la forma P_x=k_x.R².V_r ² en kg., y en el supuesto de α=0 su valor es muy superior al del clásico perfil cóncavo,. como la clásica vela de navegación. Siendo V_r la velocidad relativa o efectiva, las fórmulas características son las siguientes, referidas a las de la turbina eóüca "fija", habida cuenta que V_r = Vo-Vd, es decir:

1) Velocidad de rotación 0^=0,61. _>. V_r R.n (en r.p.s.)

2) Desarrollo tangencial l_n =0,86. kt.R. V_r /n (en m.)

3) Ángulo de incidencia α=0

4) Empuje horizontal P_xr =k_xr.R². V_r ² (en kg.)

5) Potencia máxima de

k .R². V₀ ³ (k.gm./s.) Obsérvese que la potencia máxima de desplazamiento puro que se puede desarrollar es el 52% de la correspondiente a turbina "fija" para una misma velocidad nominal absoluta del fluido Vo, dada, resultando

y V_r =2. Vo/3. Si por necesidades de aplicación práctica sin carácter limitativo, como es el caso de navegación a vela el plano de la turbina forma un cierto ángulo de desviación o ataque d con respecto a la normal al flujo, la velocidad efectiva V_r a considerar será su componente normal a dicho plano. Para turbinas "desplazables" mixtas, el rendimiento de la parte de energía de rotación se reduce al intervenir el factor V_r ³, o sea, al variar con el cubo de la velocidad efectiva. No obstante, el valor total oscilará entre el valor máximo de la "fija" y el valor máximo de la "desplazable" pura siendo ésta el 52% de la anterior.

Para el caso particular de aire en movimiento, a altitud y temperatura más frecuentes, para la turbina eólica "desplazable" pura el valor de k es 1,296. d) Consideraciones varias. Una primera consideración de interés, que se observa aplicando la teoría expuesta al modelo deducido, es aquella de que para una geometría y una velocidad de rotación determinadas la potencia obtenida alcanza un valor máximo determinado estabilizándose, aunque la velocidad del fluido en el espacio no confinado supere la velocidad inicial o nominal de proyecto. Este fenómeno, consecuente con el proceso físico descrito, es el que se trata de explicar en la teoría clásica como "pérdida aerodinámica de la turbina", cuando ello se debe a que la turbina cumple una función captadora de energía cinética en un medio no confinado, como suma de efectos de una sobrepresión y una subpresión que para un fluido determinado solamente depende de la velocidad del fluido en sentido normal al plano del elemento perturbador o captador en el instante de la perturbación.

Al mismo tiempo se produce un "bulbo" de presiones en el plano y el entorno de la turbina que provocan una mayor o menor disipación interna y radial de energía. En resumen, se verifica que aquella velocidad nominal se estabiliza puesto que es función de la "onda de presión" y de la "onda de expansión", las cuales están ligadas entre sí, de suerte que ante variaciones de la velocidad nominal incidente tienden a modificarse y a compensarse, reaccionando en sentido contrario y estabilizándose ambas al alcanzar un valor de equilibrio, limitado por las características geométricas del elemento perturbador.

En contrapartida, este comportamiento permite establecer fácilmente un control de la velocidad de rotación de la turbina manteniendo simplemente invariables las constantes de la misma, es decir la geometría, el ángulo de incidencia y la velocidad de rotación, lo que se obtiene absorbiendo con suficiencia la potencia máxima generada.

Con la conclusión anterior queda explicada la forma que adoptan las curvas de rendimiento dadas por todas las turbinas conocidas, en la que se estabiliza la potencia a partir de cierta velocidad.

Una segunda consideración de interés corresponde a la determinación del número "n" de elementos que han de componer la turbina, para lo cual hay que analizar el número de Reynolds (Re) correspondiente a la velocidad tangencial de la turbina y a su sección transversal, el cual tiene un valor mínimo muy elevado, como consecuencia de que las velocidades tangenciales o la de rotación son altas, siendo éstas a su vez inversamente proporcionales al número "n" de elementos.

En este aspecto teórico, el número de elementos será el que deba adoptarse en consideración a factores mecánicos de ejecución, de estabilidad y mínimas pérdidas por penetración, debido principalmente al gran tamaño resultante para el elemento en el caso de grandes potencias. Por otra parte si recurrimos, en el aspecto práctico, a la aplicación de un módulo de penetración bidimensional óptimo, de perfil estrecho, en un medio no confinado, con el fin de reducir las pérdidas cuantiosas a un mínimo, tenemos que la resistencia es el producto de una constante k_p función de las características físicas del fluido, por la velocidad y superficie transversal del elemento, o sea, R=kp.V_y.S. La velocidad en el extremo tiene un valor V_y=Vyn.k_y.Vo/n, de donde se desprende que, en este aspecto, "n" debe tener el mayor valor posible. Así pues, conjugando ambos aspectos, tenemos que, si bien teóricamente el modelo óptimo es el de turbina de un solo elemento o pala, en la práctica será el de más de dos o más para los modelos pequeños, de seis o más para los medianos y de ocho o más para los grandes. Todo ello, en el supuesto de que Vo varíe entre el orden de los 6 y los 12 o más m/seg. respectivamente. En definitiva, resulta que las pérdidas de potencia son proporcionales al cubo de la velocidad de rotación del elemento o lo que es lo mismo, inversamente proporcional al número "n" de elementos de la turbina, lo que hace parecer contradictorio el que para velocidades mayores del fluido debe tenderse a mayor número de elementos. Y una tercera consideración a tener en cuenta es la necesidad de disponer de mecanismos de ampliación para adecuar las velocidades de impulsión a las exigidas por las máquinas de transformación en energía práctica aplicada, en cuyo caso para potencias de cierta consideración se necesita un factor de ampliación muy alto y consecuentemente el mecanismo de conversión resultaría inviable por su enorme tamaño. En este caso es favorable el número reducido de elementos. Conjugando todas las consideraciones anteriores se llega a la conclusión de que el modelo de seis o más palas sería prácticamente el más adecuado para cualquier modelo. Además, por diversas causas que veremos a lo largo de nuestra exposición, se presentan otros inconvenientes entre los cuales destacan los relativos a las grandes velocidades que se pueden originar en la punta de la pala.

Finalmente, añadiremos que solamente del análisis de la curva de rendimientos, función de los valores seleccionados para otn y Vy„, como valores que dependen exclusivamente de las características geométricas del elemento captador y de la físicas del fluido, así como de las velocidadades del fluido y la seleccionada para la turbina, se manifiesta la originalidad y las ventajas que ofrece el modelo que se propugna frente a los modelos clásicos, así como la validez de la totalidad de las conclusiones y de las características óptimas deducidas, aplicables igualmente a todos los casos y modelos que se citan lo largo de la presente memoria. El siguiente paso será determinar la disposición del modelo configurado. e) Determinación del modelo práctico

Desde el punto de vista estructural, la geometría del elemento de la turbina, tanto "fija" como desplazable", debe tener unas características adecuadas ante las elevadas solicitaciones a que está sometida, tanto centrífugas como de flexión y torsión, debido a los empujes horizontales de sobrepresión y subpresión. Por otra parte, para el mayor rendimiento de la turbina se tendrá que adoptar un perfil de penetración de los descritos anteriormente, es decir de perfil estrecho, puesto que de los dos factores que influyen en la resistencia total, es decir superficie lateral y grosor, la primera viene fijada por la configuración de la turbina. Solamente se puede intervenir con ciertas posibilidades en el segundo, reduciéndolo hasta donde permitan las limitaciones de tipo constructivo. El grado de rendimiento de la turbina depende en gran parte de la invariabilidad de su geometría y del ángulo de incidencia, debiendo estar dotada pues de una cierta rigidez propia o estructural externa, aspecto al cual vamos a dedicar especial atención, obteniendo con ello uno de los logros más destacados del modelo que se propone, como tendremos ocasión de observar a continuación. Por un lado la fuerza centrífuga que tiene que soportar el elemento o pala es muy elevada, pero también lo es el empuje horizontal debido a la sobrepresión y subpresión que se producen en su superficie y que originan un desplazamiento horizontal en cada sección del elemento. Pues bien, la fuerza centrífuga radial, por efecto del desplazamiento presenta una componente transversal o normal en cada sección, cuyo momento estabilizador puede igualar el del empuje horizontal de impacto del fluido y, de hecho se consigue en unas condiciones plenamente satisfactorias, eligiéndose adecuadamente el material de las palas, es decir su densidad y su resistencia. También vamos a conseguir un valor constante para el ángulo de inclinación radial (β), como directriz de equilibrio de la sección radial del elemento, haciendo que la masa de cada sección transversal sea constante, puesto que la fuerza centrífuga es proporcional al radio, e igualmente ocurre con el empuje normal por la forma de sector que tiene el elemento, con lo cual, teóricamente, no aparecerán esfuerzos de flexión en ninguna sección ni sentido. En resumen, la masa de cada sección transversal es constante, porque el espesor medio del elemento es inversamente proporcional al radio y el desarrollo transversal es directamente proporcional al mismo en cada sección, por lo tanto, en virtud del párrafo anterior se tiene un elemento plano para cualquier velocidad de rotación y cualquier velocidad del fluido. Solamente variará el ángulo de desplazamiento horizontal, que es el de equilibrio entre ambas acciones, función de aquellas velocidades. El resultado es que se mantiene la geometría o configuración del elemento o aspa estando todo él sometido solamente a esfuerzos de tracción simple. Por el mismo razonamiento si se dota de una cierta excentricidad el arranque del elemento o aspa con respecto al eje de giro por efecto de la componente tranversal de la misma fuerza centrífuga, se obtiene el par motor de la energía desarrollada por el empuje transversal del fluido en la superficie del elemento o pala, si bien en este caso el empuje transversal en cada sección es constante frente al esfuerzo centrífugo que es proporcional al radio, pero los valores de los empujes transversales son del orden del tres por ciento de los normales, siendo compensados con una mínima flexibilidad longitudinal del elemento o pala sin que aparezcan esfuerzos de flexión apreciables en el mismo. Con la disposición anteriormente expuesta está resuelto el problema porque los empujes por superficie de elemento son prácticamente uniformes, y cualquier variación de los mismos, si bien no afectará sensiblemente a la absorción de los empujes y los esfuerzos existentes, pueden afectar en cierto grado al ángulo de incidencia del elemento o aspa si no se le dota de una mínima rigidez a la torsión. En este caso el modelo propuesto, en la teoría y en la práctica es estable en si mismo, y aporta una espectacular solución al problema consistente en la disposición de uno a más segmentos, anillos o discos rigidizadores, de suerte que por efecto de la tracción a que están sometidos debido al esfuerzo centrífugo que tienen que soportar se comportan como estabilizadores ante cualquier desplazamiento normal a su plano. Igualmente absorbe cualquier torsión del aspa a la cual están unidos de algún modo. Este modo de unión también es peculiar puesto que no permite el desplazamiento normal y si el radial puesto que las deformaciones radiales y transversales son iguales si se trata del mismo material, pero el elemento o aspa, debido al desplazamiento normal (ángulo "β") que experimenta, sufre variaciones en su radio de giro. Por otra parte, estos anillos o discos pueden ser deslizantes en el sentido del eje de la turbina, de suerte que no introduzcan ningún esfuerzo normal o transversal sobre el conjunto del elemento o aspa, aparte de la estabilización transversal. También pueden actuar como soporte del aspa en los casos límites de parada o desplazamiento superior al de funcionamiento en uno u otro sentido, por estar en fase de arranque o sobrepasar el empuje previsto para la velocidad nominal de proyecto. Estos segmentos, anillos, aros o discos son de perfil estrecho, están unidos, excepto los primeros, al eje por elementos radiales y dentro de su sección anular pueden alojar elementos o placas, a modo de alerones. Estos últimos, actúan de "aerofrenos" o controladores de velocidad, mediante mecanismos sensibles a fuerzas centrífugas, determinadas en función de la velocidad de rotación constante y de régimen de funcionamiento de la turbina, siendo por lo tanto un componente destacado dentro del conjunto del modelo propuesto. Estos alerones están constituidos por dos placas y un eje intermedio con superficies iguales y masas diferentes, de suerte que la diferencia de fuerza centrífuga entre ellas hasta la velocidad de régimen de la turbina, es absorbida por un resorte calibrado. Por otro lado, a partir de aquella velocidad el elemento girará en mayor o menor grado, con un esfuerzo de giro mínimo, ofreciendo una mayor o menor superficie y resistencia normal a su trayectoria y consecuentemente una mayor o menor fuerza de frenado. Con este proceso se retiene y se estabiliza la velocidad de régimen de la turbina, alterado normalmente por incremento de la velocidad del viento. Hay dos aspectos paralelos que contribuyen a la efectividad del alerón, la mayor velocidad en punta y la mayor superficie de las placas, originando ambas una mayor resistencia, ya que la presión es de la forma: p=k. S. V²

En el proceso anterior puede observarse la efectividad del sistema dado que la fuerza de frenado sobre las placas es de una potencia superior a la del empuje de giro sobre las aspas consiguiéndose el equilibrio natural entre ambas, ya que aquella no actúa por debajo de la velocidad de régimen establecido. Se puede introducir una variante o mejora en la función de los anillos estabilizadores dado que al variar el ángulo que forma el plano de la turbina con el plano normal al eje se produce un deslizamiento longitudinal en sentido radial del aspa con relación al anillo o disco, en su enlace, de suerte que se puede modificar el ángulo de incidencia disponiendo el acuerdo conveniente en el dispositivo de enlace de ambos elementos, en posiciones extremas, es decir fuera del campo de régimen de funcionamiento nominal. De este modo podemos regular la energía captada, de forma que sea menor en el caso de producirse un aumento excesivo de la velocidad media del fluido y evitar que se "dispare" la turbina, si bien se encuentra ya regulada por su funcionamiento intrínseco y por los "aerofrenos" citados, tal como se ha expuesto anteriormente. En la disposición de segmentos, anillos o aros, las dos funciones antes descritas, relativas a regulación mediante alerones o acuerdo de enlace, desempeñan el mismo objetivo, por lo tanto pueden instalarse cualquiera de ellas por separado y posiblemente ambas si se trata de un modelo de cierta potencia y alto grado de automatización.

De lo expuesto anteriormente se infiere que el material de que se componga el elemento ha de ser de cierta resistencia y tener cierta densidad, de suerte que sin carácter limitativo, en cuanto al tipo de material a emplear, un material muy adecuado es el acero, como puede comprobarse en su aplicación en cualquier modelo viable, puesto que la relación entre la resistencia y la densidad es muy adecuada. En el caso más generalizado de V_o del orden de 8 m/s los ángulos de inclinación son tales que tg.β oscila entre 1/15 para radios grandes (superiores a 30 m.), 1/12,5 para radios medianos (de 10 a 20 m.) y 1/10 para radios pequeños (menores de 10 m.) Por otra parte sin carácter limitativo, en otra alternativa para elementos o aspas de grandes dimensiones se puede disponer de un sistema de atirantado, comportándose como una placa triangular apoyada en múltiples puntos correspondientes a los puntos de anclaje de los tirantes que se dispongan. No obstante, el sistema resultaría muy complejo sin aportar ventaja alguna apreciable.

Por otra parte, la solución de sección autorresistente, que es la más comúnmente adoptada en el estado actual de la técnica, para tamaños de elemento o palas normales y por supuesto para los modelos mayores se requiere secciones transversales muy grandes que alteran sensiblemente el perfil aerodinámico óptimo deseado y sobre todo cuando se recurre al estrechamiento o reducción progresiva de la sección transversal del elemento. Esta solución no se adapta en absoluto a las condiciones generales de configuración y geometría obtenidas como fundamentales para la captación de energía en el modelo que hemos expuesto. Por último en este apartado, y como compendio de todos los dispositivos expuestos, abocamos a la idea que consideramos más destacada en lo relativo a la ejecución de la pala o aspa "óptima", basada en la disposición óptima de un elemento básico, constituido como resultado del despliegue de un paquete de elementos simples, cuya configuración final es la solución solicitada. Estos elementos simples se reducen a una serie de láminas planas, estrechas, delgadas y alargadas, básicamente idénticas, tales que simplemente desplegadas, de forma sencilla y conveniente, por giro relativo entre cada dos consecutivas alrededor de un eje común permiten obtener cualquier sección e inclinación, uniforme o variable. Todo ello, de suerte que cumple con todos los objetivos demandados por el elemento perturbador y captador que se propone, es decir, tanto en lo referente a forma geométrica o configuración radial, ángulo de incidencia, desarrollo periférico y masa de la sección, como en geometría estable y trabajo a tracción pura uniforme. Su configuración definitiva es función de la resistencia a la tracción y a la densidad del material elegido. La determinación de la máxima tensión de trabajo, en la sección de arranque, es sumamente sencilla, puesto que resulta ser una constante, función de la densidad del material, por el cuadrado de la velocidad de la pala o aspa en "punta". Con esta formulación sencilla, cada tipo de material nos determina la velocidad máxima del extremo de la turbina, que es independiente del volumen de la misma . La superficie escalonada resultante, como ya se ha expresado, si se desea, puede regularizarse fácilmente con un elemento de acabado y protección de los usuales para superficies expuestas en medios abiertos, más o menos agresivos. Por otra parte puesto que la configuración de despliegue cumple con todas las condiciones estructurales de volumen y resistencia, el acabado puede ser más o menos intenso y uniforme, y se puede complementar en menor grado con otros materiales de relleno, sellado o almohadillado por motivos funcionales o para suavizar bordes, etc. Estos pequeñas modificaciones apenas alteran la efectividad de la turbina. No obstante, el escalonado o estriado provoca un régimen de flujo favorable a la reducción del rozamiento del fluido en la superficie de la pala.

Este procedimiento tiene la particularidad de que el giro o despliegue del paquete de láminas, se realiza a partir del eje de la turbina pudiendo proporcionar dos elementos iguales y simétricos, es decir dos palas contrapuestas y alineadas que resuelven automáticamente el mutuo empotramiento, sin introducir ningún esfuerzo en el eje o buje de la turbina, salvo el de su peso propio, que es mínimo frente al esfuerzo centrífugo de trabajo.

Repitiendo el proceso se configuran el número de pares de palas que se adopte, iguales o distintas, lo que haría posible tener una turbina mixta, con pares de palas para distintas velocidades nominales. Ello permitiría trabajar a la turbina en régimen óptimo a cada par de palas en función de la variación de la velocidad del viento.

No obstante, todas estas sencillas variantes son resultado de las infinitas opciones que ofrece el modelo básico desarrollado, que permite adaptarse a cualquier necesidad por singular o peculiar que resulte. Todas estas variantes posibles están integradas en las constantes iniciales que definen el perfil óptimo de elemento captador de máxima potencia confeccionado sin carácter limitativo, con el proceso descrito, de la forma más sencilla y eficaz posible en cuanto a su diseño y ejecución. La alternativa de pares distintos tiene especial signifícación e interés, si se quiere ampliar el campo de velocidades nominales de trabajo y especialmente si se quiere reducir la velocidad en la situación de autoarranque de la turbina, asignándole tal función a uno de los pares de palas. Estas alternativas dependerán de los datos básicos específicos de cada proyecto. Prosiguiendo con el proceso de ejecución de la turbina como conjunto de pares de palas (o número impar, menos recomendable porque deberán fijarse o empotrarse independientemente en el "buje" de forma más complicada que para los pares), tenemos que las láminas, teóricamente, trabajan a tracción pura. No obstante por facilidad de ejecución y para obsorber posibles flexiones ocasionales, de instalación y de inclinación en estado de parada, se pueden fijar entre si con productos adhesivos complementados con un remachado como método extremadamente sencillo y más aconsejable, o con soldadura menos aconsejable por el reducido espesor de las láminas y otros aspectos desfavorables fáciles de comprender, al poder introducirse tensiones internas no deseables. Es decir, que con esta fijación o cosido entre láminas, se absorben los esfuerzos cortantes tanto longitudinales como transversales para el caso de transmisión del esfuerzo de la componente tangencial que define el par motor de la turbina como elemento "rotor" y del debido a la estabilidad de las palas en su manejo y montaje así como en situación de parada. Esta disposición y configuración resultante para las palas permite fijar de forma sencilla y eficaz los elementos estabilizadores y rigidizadores de "aro atirantado" a que se ha hecho referencia anteriormente.

Prosiguiendo con la disposición y configuración anteriores, se aboca a otra notable innovación consistente en la posibilidad de convertir en "aro motor" cualquiera de los aros descritos como "aros rigidizadores" o "estabilizadores", en los cuales se dispone de una velocidad periférica de cualquier rango, es decir, del orden del de los elementos de transmisión comunes, como correas, cadenas, engranajes, etc. y éstos a su vez similares a los de los periféricos de las poleas, engranajes, etc. de las máquinas receptoras del "par motor" generado. Las máquinas o mecanismos receptores de energía cinética poseen, en general, un régimen de velocidad de rotación elevado en relación con la de la turbina eólica. A titulo orientativo este factor de ampliación puede llegar a oscilar entre 20 a 40 veces.. Según lo últimamente expuesto, de esta forma tan sencilla hemos resuelto el apartado de la multiplicación, pudiendo instalar la máquina receptora, o en su caso el generador eléctrico, acoplada directamente a la turbina o a otro elemento de transmisión intermedio como correa, cadena o sistema hidráulico que permita disponer la máquina (o máquinas, idénticas o distintas) receptora o generador, en cualquier punto de la torre o en otro punto más conveniente, como puede ser el pié de la torre u otro punto más o menos alejado de la misma.

En este último caso, al estar dispuesta la transmisión-generador y el mecanismo giratorio de sustentación en linea con el soporte o mástil que sin carácter limitativo puede ser tubular, hace posible que a través de todo su desarrollo, desde el eje motor hasta el pié del soporte, se pueda instalar una transmisión flexible, básicamente tipo cadena, que aparte de transmitir a velocidad y tracción convenientes la potencia generada permite el giro relativo entre cabeza y base de torre. Con este giro longitudinal correspondiente, al menos, a una vuelta completa de la turbina en ambos sentidos, le posibilita su orientación completa con respecto a la dirección del viento o flujo.

Todo este proceso es posible debido a que la velocidad que se obtiene en el eje motor superior es del mismo rango que la requerida por el mecanismo receptor o generador. Y también, a que el elemento longitudinal de transmisión puede fraccionarse en cuantas partes convenga, para facilidad de ejecución y de flexibilidad de giro, así como para cambios de dirección o puntos de ampliación. Este aspecto es particularmente importante puesto que en cada nudo puede establecerse un aumento o reducción, simplemente disponiendo en el eje de enlace diámetros distintos para cada tramo. No obstante la relación entre los diámetros debe mantenerse a lo largo de todo el recorrido. Así, con este proceso puede transmitirse cualquier magnitud de energía, en cualquier tipo de recorrido, a la velocidad y esfuerzo axial o tracción más convenientes. La máquina o mecanismo receptor, conectado directamente al eje motor, sin carácter limitativo, puede ser una bomba hidráulica, de agua, preferentemente en los casos de grandes caudales y grandes distancias de transmisión de potencia, de forma similar a la efectuada en las centrales hidroeléctricas con las tuberías de presión. La bomba impulsora, según el modelo exclusivo, al ser de alta revolución permite de manera extremadamente fácil su aplicación y ejecución. Lo mismo cabe decir de la transmisión flexible a través del soporte y de traslación en el entorno del soporte hasta el punto de generación, bien a pié de torre o a la distancia requerida, al igual que la citada para centrales hidráulicas. Otro tanto ocurre con la turbina o motor hidráulico acoplado al generador eléctrico o mecanismo receptor final de la energía generada. Este modelo es el más apto, para estaciones de bombeo en las centrales hidráulicas, de abastecimiento de agua y de desalación, etc. o cualquier aprovechamiento lineal y escalonado de la energía generada para distintos mecanismos dispersos o en movimiento. En este caso particular de utilización dispersa podemos mencionar tres utilizaciones concretas:

1) El desarrollo de un sistema de generación y de aprovechamiento a lo largo de una línea de transporte como puede ser el del ferrocarril, con aerogeneradores distribuidos en puntos convenientes 2) El desarrollo de un plan integral de generación de energía eólica y, mediante bombeo e interposición de una tubería a presión, de suministro de agua y energía, con disposición de dínamos, motores de turbina u otros mecanismos receptores, en los puntos terminales de aprovechamiento y utilización.

3) Sin duda otra de las aplicaciones más notables del modelo anterior es la de concentración de energía generada por varios "aeromotores", como es el caso más común de los conocidos como "parques eólicos", en una o varias estaciones con generadores de la potencia conveniente.

4) Otra aplicación de claro interés se centra en los posibles proyectos de "reconversión" de centrales térmicas, nucleares o similares existentes con aprovechamiento integro de sus instalaciones eléctricas, todo ello mediante concentración de "aeromotores" utilizando el sistema de transmisiones flexibles e hidráulicas como aquellas que se ha detallado anteriormente. Finalmente, se puede observar que las masas correspondientes a los elementos complementarios, como segmentos y anillos, no alteran la superficie de captación de la turbina ni el empuje normal sobre la misma. No obstante, incrementan la componente radial centrífuga, de suerte que ésta se puede deducir de la requerida correspondiente a la sección de las palas o aspas, aligerando sesiblemente el peso total de la turbina, siempre que estas masas se sitúen más distantes del eje que el centro de gravedad de la turbina, es decir que 1/2 del radio, como es el caso de los aerofrenos. Estos segmentos se reflejan con claridad en las figuras correspondientes. Hay otros dispositivos complementarios, los más usuales en este tipo de aparatos, que simplemente se mencionan por no requerir especial diseño, y son los referentes a:

1) Arranque mecánico, hidráulico o eléctrico de la turbina hasta la efectividad del viento.

2) Sistema eléctrico, hidráulico o mecánico de freno de zapata, o similar, actuando sobre el disco del "aro motor". 3) Dispositivo de giro de la torre para posición normal, oblicua o de parada respecto al flujo para velocidades superiores a la del proyecto.

4) Sistema eléctrico de conexiones, medidas, controles, transformaciones y evacuación o transporte de la energía generada. No obstante, en relación con la "puesta en oblicuo" antes mencionada queremos hacer una observación importante en relación con esta orientación del plano de la turbina respecto de la dirección del fluido, que tiene lugar cuando la velocidad del fluido es muy superior a la nominal adoptada para el régimen normal de funcionamiento. La observación consiste en que siendo la velocidad efectiva la componente normal de la del fluido con relación al plano de la turbina, se puede estabilizar este valor simplemente manteniendo el plano de la turbina con el ángulo adecuado con relación al flujo, de suerte que aquella coincida más o menos con la de proyecto o nominal. Todo ello requiere un sistema de automatización, medición y control de los que se encuentran en el mercado, y que se puede adoptar en proyectos determinados que lo justifiquen. No obstante, es una alternativa y mejora del conjunto del modelo que se propone, que estaría incluida en el apartado 3) anterior. f) Aplicación práctica del modelo de turbina Sin carácter limitativo en cuanto a la aplicación práctica de la turbina desarrollada, sin duda, una de las más adecuadas es la de producción de energía eléctrica, en cuyo caso puede ir acoplada, mediante el oportuno mecanismo de conversión de velocidad, a un generador en linea, al que se dotará de un sistema de frenado y de un controlador de velocidad constante.

En este caso, por las razones expuestas, el control de velocidad es estrictamente necesario, para lo cual solamente se requieren esfuerzos adicionales mínimos, de suerte que una solución entre las adecuadas es la de que el generador sea un motor asincrono conectado a una red eléctrica existente. El generador funcionará como motor en la fase de arranque pasando a generador cuando la turbina alcanza la velocidad de régimen, momento a partir del cual controlará, (al igual que aquellos mecanismos específicos ya mencionados), la velocidad, no permitiendo sobrepasarla, salvo que se generase una potencia muy superior a la del proyecto, (lo cual no ocurrirá por aquellas características intrínsecas de la turbina, tal y como se ha expresado en la exposición precedente).

Si la turbina es "desplazable" mixta, y sin carácter limitativo, por ejemplo, se instala en una embarcación o móvil, la energía total captada, menos la de desplazamiento elegida, puede ser desarrollada como si se tratase de una turbina "fija". Y en el caso extremo de desplazamiento puro la turbina será plana, o sea con α=0, y la velocidad de régimen correspondiente al rendimiento óptimo se controlará con un dispositivo específico que sin carácter limitativo, puede ser adosable al elemento o aspa en forma de alabe.

Por otro lado, dado que el empuje horizontal es proporcional a la velocidad normal del fluido en el plano de la turbina, si aumenta la velocidad del fluido, se obtiene el incremento de rendimiento equivalente a esta variable en el valor de Px_r. No obstante, dadas las características intrínsecas de la turbina no se recupera el valor teórico de V_r al permanecer invariable 1„, llegando a establecerse un equilibrio entre aquel y el de las pérdidas por funcionamiento que también aumentan. Se puede obtener también este mismo efecto con un cierto mínimo valor de "α" de suerte que la parte de energía correspondiente a la rotación sea equivalente a las pérdidas de giro y rozamiento de la propia turbina. Hasta ahora nos hemos referido preferentemente a la producción de una energía de la misma calidad que la de las redes eléctricas habituales porque es una aplicación de la mayor importancia. Los generadores pueden ser de cualquier otro tipo de corriente alterna o de corriente continua, si se les dota de los mecanismos específicos de regulación y frenado, constituyéndose de este modo en aerogeneradores autónomos que puedan ser instalados en puntos aislados.

Esta situación de puntos aislados autónomos es muy amplia, cuando se trata de pequeñas potencias, de tipo doméstico o de emergencia. Una aplicación generalizada es en puntos de comunicación como radio, televisión y telefonía, en puntos de señalización y balizamiento marítimos, de montaña y en vias de comunicación y transporte en general, como carreteras, o en puntos habitados aislados, refugios de alta montaña, etc.. Como un caso particular de auxilio o emergencia, por aislamiento o retención, por nieve o accidente, etc., se puede incluir su aplicación a vehículos dotados de alternador o dínamo, e incluso acumuladores (que pueden ser independientes) a los cuales basta conectar la turbina, de la potencia requerida. Esta conexión se puede hacer mediante transmisión flexible y soporte plegable, que puede fraccionarse en cuantos tramos convenga, como se ha descrito anteriormente, todo ello sin carácter limitativo, y finalmente se puede alojar en el interior del vehículo o lugar específico. Igualmente puede adoptarse cualquier otro tipo de apUcación mecánica que pueda ser acoplada de forma directa, a la turbina mediante mecanismos adecuados intermedios y cuya enumeración es en la práctica ilimitada. No obstante, sin carácter limitativo, se citan además de los que explícitamente lo han podido ser antes, los siguientes: A) Extracción y bombeo de agua y líquidos en general, accionando directamente cualquier tipo de turbina. Incluido el bombeo a presión en desalación por osmosis de aguas saladas y el suministro integral de agua y energía mediante tuberías de presión, etc.. B) Compresores en general, centrífugos o de émbolo, incluidos los de bombas de calor, para producción de aire acondicionado, calefacción y agua caliente para usos industriales y domésticos, etc. C) Cualquier aplicación industrial en la que mediante mecanismos, o procesos interpuestos, se pueda sustituir el conjunto generador o motor eléctrico por cualquier otro tipo de energía mecánica, directamente apücada, o mediante convertidores de calor, transmisión flexible, bombas hidráulicas de aceite, agua, o cualquier otro líquido como transmisor, etc.

D) Cualquier aplicación mixta como combinación obtenida entre las anteriores, etc.

Una faceta especial de la turbina eólica, como elemento que controla el medio, al mismo tiempo que capta parte de su energía cinética, en el caso de grandes dimensiones, es que ofrece una aplicación peculiar, al controlar y frenar la acción de vientos excepcionales, en general catastróficos. Cadenas de grandes aerogeneradores, en determinadas zonas costeras, servirían de protección y producción de enormes cantidades de energía de forma económica. Estos cálculos son fáciles de desarrollar, con la simple aplicación de lo expuesto en la presente memoria.

También tiene excepcional aplicación en zonas de difícil acceso sin carácter limitativo, como son grandes macizos rocosos, donde los vientos son excepcionales. Los polos pueden ser la fuente inagotable de energía, suficiente para abastecer las necesidades de todo el globo terráqueo. Este último aspecto junto al de su adaptabilidad a niveles bajos de viento es una de las más útiles y beneficiosas aplicaciones que, sin la menor duda, aporta la presente turbina eólica al campo energético.

En este momento actual sería la mejor forma conocida de obtener energía abundante y no contaminante en lugares de recursos económicos escasos. Y por último, si son instalables en las proximidades de grandes núcleos urbanos o industriales de fuertes contaminaciones en épocas de extremada calma, aquellos grandes aerogeneradores pueden ser utilizados, a la inversa, como grandes ventiladores para la renovación y limpieza de la atmósfera.

Esta circunstacia se dá con frecuencia en grandes núcleos urbanos situados en grandes depresiones o valles rodeados de cordilleras con vientos periódicos que pueden aportar un mínimo de energía eólica, pero que tiene que soportar frecuentes períodos anticiclónicos de calma persistente.

Este proceso se pondría en práctica, preferentemente, en horas bajas de consumo habitual. g) Disposición del modelo.

En cuanto a la disposición correcta de la turbina en un plano normal a la dirección del flujo, se resuelve mediante dispositivo específico, y una solución sin carácter limitativo, es la disposición de un pivote o rodamiento axial para los modelos ligeros y un tramo doble, de longitud suficiente, ubicado en la parte superior de la torre, con elementos de rodadura interpuestos para los modelos grandes. De este modo se constituye un conjunto lineal turbina-convertidor-generador interpuesto con el soporte o mástil de suerte que el plano de la turbina tenga cierta excentricidad con respecto al punto de apoyo giratorio, con lo cual tienda a colocarse en la dirección opuesta a la de procedencia del flujo debido al empuje normal del fluido sobre la turbina, coincidiendo esta posición de equilibrio con la correcta. Recuérdese la posibilidad de orientar la turbina para reducción y fijación de la velocidad efectiva correspondiente a la nominal de proyecto.

El empuje normal sobre el plano de la turbina alcanza el valor de la expresión P_x = k_xo.R². Vo² en kg. para la velocidad de régimen.

Con respecto al soporte o mástil, por las condiciones expuestas, ha de tener el menor espesor posible para que produzca la menor alteración en cualquier sentido, ya que repercute en el mismo grado reiterativamente, en cada ciclo, sobre el elemento captador. Este fenómeno es el que se explica en la teoría clásica como "vibraciones en las palas".

Así pues, un dispositivo adecuado sin carácter limitativo, es un soporte tubular no arriostrado o arriostrado mediante atirantado de forma similar a la expuesta para el elemento captador.

Las solicitaciones que tiene que soportar la torre o mástil, vienen determinada por el peso de la turbina y en mayor medida por el momento de vuelco debido al empuje horizontal correspondiente al normal antes citado, el cual puede actuar en todas las direcciones. De ello se desprende que una solución idónea es la tubular, cilindro- cónica, de un material que trabaje indistintamente a tración y compresión, por todo lo cual el acero sin carácter limitativo, es uno de los más adecuados Por otra parte, su altitud del eje ha de ser tal que el contorno de la turbina rebase al menos la cota en la que la corriente o flujo ya es aprovechable, lo cual para terrenos despejados es del orden de 10 metros, resultando para el eje de la turbina una altura mínima aproximada de 10+R en metros. Esta altura es la que se debe tener en cuenta a efectos de determinar la velocidad nominal de calculo o proyecto, la cual se obtiene aplicando el coeficiente de mayoración correspondiente a la naturaleza o rugosidad del terreno a dadas como características de cada lugar a los 10 metros de altura.

En cuanto a la ejecución del soporte sin carácter limitativo, adoptando una disposición similar a la de las palas mediante superposición de láminas delgadas, obtenidas de bobinas de chapa o flejes comerciales, de la misma longitud de la torre, tenemos un elemento longitudinal sin uniones ni empalmes.

El esfuerzo cortante, por ejecución y previsión del pandeo, se absorbe mediante adhesivos y remachado permitiendo la ejecución "in situ" de una torre cilindrico- cónica, de cualquier diámetro, espesor y longitud, con la simple disposición de las bobinas, de sencillo manejo.

Todo ello independientemente de los anillos rigidizadores y de guía, durante la construcción, que pueden disponerse arbitrariamente.

Por último, es fundamental que no exista un obstáculo horizontal en torno a la turbina en un radio del orden de 130 (R/n)V₀, en m, puesto que una observación más, del mayor interés, que puede considerarse incluida en el apartado d), es que por efecto de sus impulsos reiterativos, la turbina controla, fija y unifica la velocidad del fluido en aquella distancia en todas las direcciones, incluida la del flujo, tanto en intradós como en el extradós.

Esta característica de la turbina eólica, como elemento que controla el medio y capta parte de su energía cinética, en el caso de grandes dimensiones, es la que ofrece las aplicaciones especiales mencionadas en el apartado anterior. Estos cometidos pueden tener lugar en horas de bajo consumo, como es práctica habitual en las estaciones de bombeo en saltos hidráulicos y similares. h) Descripción del modelo En cuanto a la disposición y dimensiones resultantes para la turbina eólica expondremos los dos casos extremos de turbina fija y de turbina desplazable pura, en las cuales la totalidad de la energía captada se desarrolla exclusivamente en energía de rotación o en energía de desplazamiento respectivamente.

Las turbinas desplazables mixtas intermedias son similares a la turbina fija salvo que en lugar del valor de Vo se considera el de V_r, o sea la velocidad relativa o efectiva, y la energía total se distribuye parte en energía captable y el resto en energía de desplazamiento. T) Turbina fija.

La turbina se compone de "n" elementos, en principio iguales, sin carácter limitativo, dispuestos de forma radial y simétrica, adoptándose el "n" recomendable desde los puntos de vista constructivos y de efectividad energética, estando limitados especialmente por la velocidad periférica y el esfuerzo radial de la pala por las razones expuestas anteriomente.

En cuanto a la sección transversal del elemento se tenderá a un perfil casi plano adaptándose en lo posible, constructivamente, al módulo de penetración bidimensional óptimo de perfil estrecho en un medio no confinado como se refleja en la figura correspondiente.

El despliegue de elementos simples, láminas, cintas, tiras o flejes descrito anteriormente cumple a la perfección con estos requisitos.

En nuestro caso, como el más general se desarrolla en las figuras adjuntas el modelo de n=6 elementos, determinando los valores característicos ωβ, k, &s y

en función de las constantes k de R y Vo , o sea: El valor de "β" o tg"β", en el caso límite de equilibrio estricto, es función inversa de la densidad y el espesor del material utilizado con valores del orden de 0,15 para '^tg β" y hasta 50 m. para R. No obstante, aquel valor se reduce en función del grado de atirantado que se elija, pudiendo llegarse hasta un valor nulo para "β".

Por último el factor de conversión viene dado por la relación entre la ω de la turbina y las revoluciones por segundo del generador o mecanismo seleccionado.

En las figuras adjuntas se presenta un prototipo genérico, con las partes características sin carácter limitativo, de un aerogenerador como sigue:

En las figuras 1 a 3, relativas a turbina "fija", se representa el alzado frontal, los alzados laterales, la proyección lateral de las palas en línea, el desarrollo de una pala, la proyección de una pala sobre un plano frontal y lateral y los cortes transversales en eje y extremo. También se refleja la regularización de las superficies escalonadas de las palas.

Al mismo tiempo se incluye sin carácter limitativo, en las figuras 4 y 5 una disposición del "aro motor", que actúa también como "aro rigidizador" o "estabilizador", conectado a la transmisión flexible en los dos casos más representativos de generador o mecanismo receptor de la energía por interposición del "eje motor" en pié de torre para la "alternativa A" y en la columna giratoria para la "alternativa B". En la figura 13 se muestra una vista frontal del modelo que se obtendría extrapolaando la turbina de uno o más MW. a otra de diez o más MW. En las figuras 6 y 7 se presentan sin carácter limitativo, los detalles constructivos del "aro motor" en la primera y de la fijación de las palas al eje de sustentación de la columna giratoria en la segunda.

En las siguientes figuras 8 y 9 se presenta el conjunto de la columna giratoria en lo que respecta a sus tres ejes principales de sustentación, motor y de giro con relación a la torre soporte fija así como detalle de guía de la cadena o transmisión flexible.

En relación a su tamaño se distinguen los modelos pequeños en los cuales se pueden utilizar rodamientos comerciales de tamaño suficiente para el paso interior de la transmisión flexible. En los tamaños medianos y grandes se adopta lo alternativa general mencionada en el apartado anterior, de interposición de elementos de rodadura, tales como bolas, cilindros y un modelo específico que se propone, de cilindro hueco, barra perforada o caequillo, que experimenta una deformación mayor que el cilindro o barra llena, presentando una superficie mayor de contacto, mejor reparto de carga, menor punzamiento de rodadura y en definitiva con un incremento notable de la capacidad de carga del sistema en general. Los elementos de rodadura sin carácter limitativo, son de acero, no obstante, otra alternativa interesante es la cerámica, en especial las fabricadas con compuestos de alúmina También se observa la disposición de la transmisión flexible, para las dos alternativas A y B, respectivamente . A continuación en la figura 10 se reflejan los detalles más característicos de los tres ejes de giro relativos a la turbina, al eje motor y a la columna giratoria de la cabeza de torre, así como ambas transmisiones flexibles. Lo relativo a la transmisión lineal flexible sin carácter limitativo, tanto desde "aro motor" como a través del soporte hasta el pié, cimiento o su prolongación en el exterior, se representa en las figuras 2, lO y l l. En la figura 12 se representa en detalle la disposición de los "aerofrenos".

En el soporte o mástil de sustentación se presenta la alternativa de no atirantado tanto para la turbina como para el soporte. En este aspecto téngase en cuenta que las soluciones variarán notablemente con el tamaño de la turbina, de ser pequeña a ser mediana, grande o muy grande, como es el caso de diámetros superiores a 100 metros, adaptándose siempre a las directrices de la teoría general expuesta. II) Turbina desplazable pura. Su configuración, sin carácter limitativo, en una alternativa similar a la de la turbina "fija", es la que se refleja en la figura 14. En ella se presenta un prototipo genérico, que representa las partes más características sobre un alzado cuyas dimensiones, en comparación con los de la turbina "fija", para el caso de 6 palas, son los siguientes: ©₆=0,61. l .Vr ^.R; l₆=0,86.k, .R.V₀/2 ; αe= α₆.l=0; y W_d max.=0,32.k_w.R².Vo³, donde V_d=V₀/3 y V_r=2V₀/3.

Por otro lado, se mantienen las mismas consideraciones con respecto al número de elementos, a la sección transversal del elemento, al valor de "β", al atirantado y al soporte, como se ha expuesto en la turbina "fija". i) Versatilidad del modelo . I) Turbina fija

Se pueden modificar sin carácter limitativo las dimensiones de la turbina para adaptarla a valores distintos de la velocidad nominal V_o y obtener las potencias máximas correspondientes. No obstante este objetivo requiere modificar los valores de l_n, ω_n, ct_n y e, al mismo tiempo que las frecuencias del generador o del convertidor, resultando el conjunto tan complejo que quizás no compensen las ventajas frente a los inconvenientes. El problema es perfectamente abordable con la simple aplicación de la teoría expuesta y en determinados casos podría incluirse alguna o algunas de las variantes en el sistema con sus consiguientes ventajas parciales. En cualquier caso sin carácter limitativo, la alternativa más recomendada es la de elegir y calcular rigurosamente los valores de n, V_o, R y W, para en consecuencia adoptar la correspondiente geometría y velocidad de rotación invariables para la totalidad de la turbina, estableciendo los distintos modelos normalizados de acuerdo con las necesidades de cada caso, que es una de las ventajas que ofrece el modelo propuesto frente a los usuales que se limitan a modelos "standard". En cierto modo, se resuelve el problema en gran parte adoptando la alternativa descrita de disponer pares de palas de distinto desarrollo. Las consideraciones anteriores son igualmente aplicables al caso de turbinas "desplazables" mixtas, para desarrollo de energías de rotación y desplazamiento. π) Turbina desplazable pura.

En este caso las variables a modificar son solamente ω,, y 1„ de las cuales la primera es muy fácil de regular y modificar según hemos expuesto en el apartado f). Y en cuanto a la segunda evidentemente también puede resolverse sin grandes dificultades, incluso recurriendo a distintos juegos de turbinas intercambiables.

Hay que tener en cuenta que en este caso se trata de un sistema móvil donde las variación de las distintas velocidades puede ser grande y en consecuencia conveniente y rentable el adaptarse a los distintas valores nominales de Vo. i) Generalización de la teoría específica expuesta v de su aplicación. Hemos partido de una teoría específica que se ha expuesto ampliamente y que siendo aplicable a cualquier tipo fluido en movimiento o en reposo, se ha particularizado para el caso de turbina cinética eólica, por tener en sí misma una entidad relevante. En consecuencia, sin carácter limitativo, lo hacemos extensivo a cualquier medio fluido de suerte que para una mayor precisión de exposición, nos reservamos los derechos de desarrollar detalladamente los modelos específicos correspondientes a cada caso por separado.

En otro campo de aplicación de la teoría específica aquí expuesta, nos reservamos igualmente el derecho de desarrollar modelos óptimos, en un medio no confinado para los casos generales siguientes: a) Turbina dinámica de impulsión o sustentación en un medio fluido en reposo o en movimiento. b) Plano dinámico de sustentación en un medio fluido en reposo, o en movimiento. c) Módulo de penetración en un medio en reposo o en movimiento. d) Combinado arbitrario entre los casos anteriores.

Igualmente como ya se ha hecho referencia, nos reservamos el derecho de desarrollar modelos óptimos en medios fluidos confinados en movimiento o en reposo, para los casos generales similares a los referidos en medios no confinados, disponiendo el modelo de turbina conveniente para la transformación de la componente de presión interna del fluido en componente de energía cinética del mismo, con el fin de captar toda la energía disponible en esta segunda modalidad y de acuerdo con un proceso similar al descrito en la presente memoria. Este tipo de turbina cerrada que podemos definir como de "alta presión" en comparación con la de "baja presión" de fluido ligero en medio no confinado tiene el mismo proceso de cálculo con la particularidad de que el "volumen de control" al que se aplican las principios generales de la mecánica de fluidos es menos complejo y más concreto al eliminarse el ciclo de repetición y el resultado es un "elemento básico único" que incluye todas las características requeridas arrojando un conjunto cerrado y compacto. Asi pues, como modelo específico para solicitaciones dinámicas tiene especial importancia al obtenerse como despliegue de elementos simples, o láminas, que configuran modelos cerrados, del tipo de turbina convencional, en su sentido más amplio. En este caso, su geometría cumple, con una precisión absoluta, con las características óptimas relativas a su efectividad funcional y a su resistencia instrínseca. En las figuras 15 y 16 se representan secciones de una turbina genérica mostrándose el despliegue del paquete de láminas cintas o flejes, de "paso" uniforme o variable y en sus dos variantes de captación y de impulsión o generación.

Con respecto a la facilidad de ejecución y a la funcionalidad del simple despliegue y escalonamiento del paquete de láminas o flejes se incluye la siguiente observación, que se hace a todas las aplicaciones posibles de este "elemento básico". En primer lugar se dispone de un paquete de láminas cuya sección y longitud e incluso su espesor (o "paso") pueden estar fijados previamente por razones estructurales. Pues bien, aún disponemos de dos variantes más: 1) el desarrollo que es función del ángulo y 2) el solape que es función del grueso de las láminas. El escalonamiento resultante depende pues del espesor de las láminas, que en el caso de ser inferiores a 1 mm. se obtienen superficies prácticamente lisas y uniformes, fáciles de regularizar. En el caso de disponer de alguna variante más de las citadas como previas las soluciones son prácticamente ilimitadas.

Además de las alternativas de turbina de "paso" uniforme o variable se incluyen las posibles combinaciones de ambas, en dos o más escalones, en los que se genera o capta energía, siendo la fuente de energía interior o exterior. Las variantes resultantes son prácticamente ilimitadas y para muestra se puede poner un ejemplo de los de mayor número de modelos componentes distintos como el turbo-reactor de hélice en empuje y sustentación donde se tiene: a) la turbina-hélice (generador rotativo en impulsión en medio no confinado), b) la turbina-compresor en linea (generador rotativo en impulsión en medio confinado, c) la cámara de combustión en linea (fuente de energía térmica y en expansión y reposo en medio confinado), d) la turbina-motor en linea (captador rotativo en medio confinado), e) plano de sustentación (mecanismo receptor lineal en impulsión en medio no confinado) y f) disposición peculiar superior del plano de sustentación anterior de suerte que capta en su parte inferior parte de la energía en expansión del escape de los gases al producirse un incremento de presión en el medio por reducción de velocidad y enfriamiento. Esta última peculiartidad f) es aplicable de forma especial a los "reactores" convencionales situando los motores en la parte anterior inferior del fuselaje, puesto que la mitad de energía la absorben los gases en expansión (05mV²), los cuales al expandirse y enfriarse bajo el plano de sustentación incrementan la presión del medio, de cuyos efectos en expansión se beneficiaría en un 50% la sustentación de la nave. La aplicación anterior del campo de la aeronáutica es extrapolable al campo naval. El apartado a) es igualmente en medio no confinado pero de fluido denso, los b) c) y d) pueden ser similares si se adopta un motor turbo reactor rápido, el e) puede adoptarse en embarcaciones ligeras y el f) para este caso se refiere a la disposición de la hélice en la parte inferior y anterior o delantera, o sea bajo proa, de suerte que se expanda el fluido impulsado por la turbina ó hélice por debajo del plano de sustentación, siendo más favorable si está confinado lateralmente. La reducción de la velocidad incrementa la presión en beneficio de la sustentación de la embarcación (tendiendo al 50% de la energía cinética) siendo aplicable a todos los tipos y tamaños de embarcaciones. En la figura 17, se representan las aplicaciones más inmediatas de los modelos anteriores en los campos de la náutica, la aeronáutica y la hidráulica.

En la figura 18 se representa un helicóptero convencional con un rotor y una hélice del tipo propuesto escalonada y regularizada y otro modelo de helicóptero propuesto de un rotor con dos hélices superpuestas en un mismo eje, con giro contrario mediante la interposición de un sistema planetario o similar sin carácter limitativo, cuyos radios son inversos al par motor de régimen y su ángulo es proporcional al mismo par a fin de que se equilibren los efectos de giro sobre el cuerpo del aparato. Con ello se sustituye la hélice de cola que consume energía por otra que la transforma en energía útil de sustentación, al mismo tiempo que con este novedoso modelo se aumenta la superficie de sustentación al mismo tiempo que se mejora la relación sustentación/potencia e incluso puede funcionar en mayor o menor proporción como autogiro de sustentación con mayor seguridad de vuelo. En esta alternativa se representan las héüces regularizadas.

La inferior tendrá un ángulo de incidencia superior para absorber la mayor velocidad nominal motivada por el impulso de la superior, pero tendrá menor diámetro porque la relación potencia/sustentación es mayor en la inferior. Por otra parte se observa que para una sola hélice la velocidad efectiva en cada hemisferio se reduce o aumenta en la magnitud de la velocidad de desplazamiento y que con dos hélices se tiene un rotor equilibrado para ambos hemisferios.

A título orientativo en energía eólica para que sirva de clara comparación frente a los modelos clásicos más divulgados en el momento actual, se relacionan a continuación algunas de las características ventajosas que avalan la solución propuesta como óptima técnica y económicamente.

La primera característica a mencionar, de sencillez de construcción y de máximo rendimiento, son evidentes.

La segunda característica se centra en que las velocidades nominales necesarias son inferiores a las medias que se demandan actualmente. En el mercado actual, la mayoría de los modelos de máximas potencias, del orden de los 1.500 KW., requieren velocidades nominales de 12 a 14 m/s. Pues bien, con los "modelos GS" que se propugnan se puede obtener aquella potencia con vientos de velocidades nominales del orden de 9 m/s. Esta alternativa amplia el campo de instalación a zonas de vientos de niveles bajos, por lo general más regulares, donde aquellas soluciones son inviables. Y por añadidura se tiene que con vientos de aquellas magnitudes son viables aparatos de potencias del orden de 10.000 KW. En lugares favorables con vientos superiores se puede hablar de potencias iguales y superiores a los 20.000 KW. En este caso, es una alternativa clara y contundente como fuente exclusiva de producción de "energía renovable" y "limpia", sin competencia de ningún orden. Esta peculiaridad tiene una importancia muy superior a la captada a primera vista en el caso concreto de un aerogenerador porque si observamos la curva de velocidades del viento a lo largo de un período normal de un año el rendimiento total anual depende de la velocidad seleccionada como nominal que normalmente es la conocida como velocidad media (a 10 m. de altura) multiplicada por el factor de altura correspondiente al eje de la turbian. Y porque si elegimos una velocidad notablemente inferior como nominal se obtiene un incremento aún más notable de horas trabajando a pleno rendimiento puesto que el número de horas aumenta con la disminución de la velocidad del viento. Es decir que si podemos elegir una velocidad menor para una misma potencia de turbina y el incremento del coste es inferior al incremento del rendimiento hemos conseguido introducir una novedad muy valiosa. Todo ello quiere decir que se tenderá a aceptar velocidades inferiores más abundantes y regulares e incluso en zonas de altos niveles se tenderá a proyectar por debajo de las velocidades medias disponibles, tan ponderadas en los modelos actuales, obteniéndose con ello un incremento del rendimiento neto muy superior en proporción al incremento del coste de una turbina más voluminosa. Pues bien, los modelos derivados del modelo de invención propuesto cumplen a la perfección con el planteamiento anterior. Así a título orientativo se puede estimar que con un incremento del 20% en la inversión se puede obtener un incremento en el rendimiento del 50%, si establecemos como referencia las velocidades comúnmente admitidas como velocidades medias. Por ejemplo el supuesto anterior se cumple en el caso de adoptar una velocidad nominal de cálculo de 8 m/s. en lugar de 10 m/s. admitida actualmente como normal y ventajosa.

Además hay otros factores que influyen favorablemente en lo expuesto anteriormente y es que se amplia el campo de aplicación al disponerse de mayor número de espacios más amplios y accesibles con menos viento y más próximos a los puntos de aprovechamiento . En este aspecto cobran mayor protagonismo las grandes extensiones, hasta el momento menos valoradas, como las estepas, los desiertos, ciertas zonas costeras, y zonas de difícil aprovechamiento económico por ser inaccesibles e inhabitables debido a su orografía difícil o condiciones climáticas adversas. La tercera característica a destacar, son las de flexibilidad de los modelos que se adaptan a cualquier potencia y cualquier velocidad, a partir de los 5 m/s. y 100 KW. No son modelos preexistentes y normalizados. Cada proyecto se adapta simplemente a la velocidad disponible y a la potencia requerida. Por otra parte, teniendo en cuenta la ampha gama de clasifícación de turbinas, desde lentas hasta super-rápidas, en función de las constantes intrínsecas adoptadas, el diseño es igualmente flexible en cuanto al número de palas. Este puede oscilar desde dos, cuatro, seis, ocho, e incluso diez o más, según las características del tipo de acero u otro material seleccionado y las limitaciones de velocidades máximas en "punta" de pala o de velocidad máxima de rotación de la turbina. Por ello, aunque las características técnicas del prototipo las admitan altas se tenderá a adoptar velocidades en "punta" más moderadas, aunque todo ello implica una mayor sección y peso en la turbina. Por último, el coste por KW instalado, de cualquier potencia, es muy inferior al de los restantes modelos del mercado actual por, entre otras, las siguientes razones: I^a) El material utilizado, en el caso más general, es el acero comercial, en bobinas de chapa larga fina, sin carácter limitativo, galvanizada o para pintar. Con este material se confeccionan la turbina, aros y soporte, que constituyen del orden del 90% en peso de toda la parte estructural, estando compuesto el otro 10% por material metálico complementario de la estructura y elementos de giro y transmisión, en general también de tipo metálico y de amplia disponibilidad en el mercado. Con respecto a esta parte estructural se tiene que las cantidades en peso, necesarias en comparación con la de los modelos más usuales, comprendiendo multiplicador, góndola y torres más robustas, son inferiores en un 60% o más, teniendo en cuenta, por otra parte, que en general se trata de material más económico, como el acero comercial en el conjunto de las turbinas frente a las manufacturadas con aleacciones especiales productos sintéticos y fibras especiales para las palas. O un simple "aro motor" frente a un multiplicador de engranajes más o menos complejo. El dato más característico con respecto al acero sin carácter limitativo, como material apropiado, se tiene en la circunstancia de que la tensión máxima a tracción, en el arranque de las palas, para las potencias y velocidades en "punta" más usuales, incluidos los "aerogeneradores" mayores de varios MW. oscila alrededor de los 200 a 400 k/cm². lo que significa un coeficiente de seguridad del orden de 10 para aceros comunes.

2^a) En cuanto al mecanismo receptor o más usual el generador eléctrico, puede estar dispuesto en la base y protegido lo que reduce el coste de protección intrínseca al mínimo, así como los elementos de conexión eléctricos. En este segundo capítulo eléctrico los costes pueden reducirse prácticamente en un 30% o más. 3^a) Por último, los costes de ejecución son menores por sus dimensiones reducidas, por su naturaleza y por su sencillez de ejecución, pudiendo fabricarse "in situ" tanto la estructura como la turbina, prácticamente en su totalidad. Aspecto muy importante en cuanto a lugares de difícil acceso.

Por último para obtener una mejor comprensión del conjunto de posibilidades de utilización de los modelos básicos de turbina obtenido como despliegue de elementos simples y que se han propuesto se puede hacer una primera clasificación elemental de todas ellas como sigue: a) turbinas de "baja presión" que comprenden las de mayor dimensión como turbinas de captación o impulsión en medios ligeros no confinados (eólicas, velas de navegación, hélices de helicóptero y aeronaves en general, planos de sustentación de aeronaves, etc.) b) turbinas de "alta presión" que comprenden las de menores dimensiones como hélices de captación o impulsión en medios densos, confinados o no confinados (hidráulicas, marinas, etc.) y por otro lado las turbinas de captación o impulsión en medios confinados en general (bombas, motores, reactores, turbinas de gas o vapor, compresores, etc.) E) Descripción de los dibujos o figuras

Primeramente se hace una descripción del contenido de cada una de las 18 figuras o láminas y al final se relacionan los elementos más destacados estando diferenciados, cada uno de ellos, con el mismo número en todas las figuras. La figura 1 muestra un alzado frontal del "aeromotor", o en este caso también un "aerogenerador", prototipo de un "modelo GS", en que sus proporciones son las correspondientes a un rango de potencia del orden de uno o mas MW, con velocidades de viento medias, del orden de 9 m/s. Para mayor claridad de exposición se precisa que en el conjunto del "aeromotor" se pueden destacar cinco componentes principales: turbina (palas y "aro motor"), columna giratoria ( ejes de sustentación, motor y orientación), tranmisiones flexibles (de "aro motor" y de "eje motor", a través de soporte en la alternativa A), soporte (torre y cimiento) y generador o mecanismo receptor de potencia. En primer lugar se tiene el soporte, torre o mástil, de sección cilindro-cónica y en su extremo superior se inserta la columna giratoria o elemento portador de la turbina y el sistema de conversión o transmisión. La columna giratoria está constituida por un elemento cilindrico de sección circular, sin carácter limitativo, cuya parte inferior transmite el peso y los esfuerzos de flexión por empotramiento en la parte superior de la torre o mástil por mediación de un sistema específico de rodadura, que se propugna, o de dos rodamientos cónicos y opuestos, al mismo tiempo que éstos permiten girar al conjunto, con relación al soporte, y orientarse en el sentido conveniente del fluido. El componente superior de la columna giratoria, que sobresale del extremo superior del soporte, es portador de dos ejes correspondientes, el primero, al giro independiente y Ubre de la turbina soportado por dos rodamientos cónicos que absorben el momento de empotramiento y el empuje horizontal de la turbina en régimen de captación, de forma similar al de empotramiento y giro de la columna giratoria antes descrito, y el segundo de transmisión del par motor que imprime el "aro motor" de la turbina sobre el eje motor. Este eje puede conectar sobre el generador o mecanismo receptor de la energía, situado en prolongación, en la parte posterior de la columna giratoria de la alternativa B, o sobre un elemento a modo de piñón, polea o similar, para transmitir en vertical, por el interior de la torre la fuerza motriz, a velocidad conveniente para conectar con generador o mecanismo receptor situado en el pié de la torre o en sus proximidades, señalado como alternativa A. El eje superior es portador de la turbina eólica, que se detalla en figura posterior, constituida por las palas simétricas, las masas estabilizadoras y los segmentos portadores de los "aerofrenos" y del enlace con el "aro motor", y por los aros o anillos estabilizadores, y entre eUos el "aro motor". Este último, es tal que su velocidad periférica es exactamente la convemente para transmitir, como producto de dicha velocidad por la fuerza Uneal, la energía captada por la turbina. El elemento transmisor, sin carácter limitativo, puede ser cable, cadena, correa u otro elemento resistente y flexible. Estas velocidades, periférica y üneal, pueden oscilar, para aclarar conceptos entre 8 y 15 m./seg. o más, perfectamente factibles, sí se parte de velocidades periféricas, en los extremos de las palas de la turbina, que estén comprendidas entre 50 y 100 m./seg. Ello quiere decir que la relación de radios entre extremo de pala y "aro motor" es del orden de 8.

En cuanto al diámetro del elemento receptor de la transmisión del "aro motor", será tal que la velocidad de rotación del mismo sea del mismo rango que la del generador o mecanismo receptor, que para el caso de 25 r.p.s.(ó 1500 r.p.m. ), oscilará alrededor de 0,125 R.

Todos los valores anteriores son orientativos. Igualmente, se ha dispuesto un solo mecanismo receptor, a modo indicativo, pudiendo disponerse, sin carácter limitativo, cualquier número de elementos trasmisores o ejes motores, conectados indistintamente en la periferia del "aro motor", con lo cual se divide la potencia total de la turbina en otros menores y más asequibles, así como también pueden disponerse varios "aros motores" de distintos diámetros unidos a las distintas aspas. Esta fragmentación de ejes motores es particularmente interesante para grandes potencias donde se recurra a la transmisión hidráulica mediante agua con tuberías de presión flexibles. Este tipo de proyectos en apariencia complejos se resuelven fácilmente con la simple apUcación de lo expuesto en la presente memoria. La figura 2 muestra dos vistas laterales del mismo conjunto anterior, con las dos alternativas A y B, con el generador o receptor de energía en pié o cabeza de torre respectivamente. Sus componentes son los mismos descritos en la figura anterior. La fugura 3 muestra una parte fundamental del modelo que se propone: la pala. Se presenta el paquete de láminas, cintas o flejes y su despliegue por giro con eje en el pasador central para constituir las dobles palas.

También se representa su proyección frontal y lateral con detaües de eje y punta y las secciones en los mismos lugares, con las dos variantes de superficie escalonada y regularizada. Como puede observarse, solamente hay que calcular la sección total del aspa o paquete con lo que se determina el ancho y grueso de cada lámina o fleje, de suerte que el número de elementos determina la altura o "paso" de la turbina, y que con el despUegue o separación entre cada dos consecutivas se obtenga automáticamente el ángulo de incidencia que le corresponde exactamente a cada sección o radio.

El escalonamiento resultante depende pues del espesor de las láminas, que en el caso de ser inferiores a 1 mm. se obtienen superficies prácticamente Usas y uniformes, La sección total corresponde a la masa necesaria para estabiUdad centrífuga de la turbina, junto a las masas estabilizadoras como se ha expuesto reiteradamente a lo largo de la presente memoria. La figura 4 representa una vista frontal, a mayor escala, y relativa a la parte superior del aeromotor, es decir la turbina y la columna giratoria, y correspondiente a la alternativa A.

Aquí aparece con mayor detalle la parte del "aro motor", los tirantes rigidizadores y la transmisión flexible conectando con el eje motor. En esta alternativa, el eje motor transmite el par motor que recibe en el piñón o polea del extremo exterior a otro similar situado en el tramo interior, en el centro de la columna giratoria.

De este modo se transmite, con elemento flexible, hasta el pié del mismo, la potencia generada a velocidad conveniente, que es del mismo rango que la del piñón o polea del generador o mecanismo receptor. Obsérvese que también se han dispuesto tensores en las transmisiones flexibles con el fin de obtener la tracción o adherencia convenientes.

La figura 5 representa una vista frontal, a mayor escala, y relativa a la parte superior del "aeromotor", es decir la turbma y la columna giratoria, y correspondiente a la alternativa B. Igual que en la figura anterior aparece con mayor detalle la parte del "aro motor", los tirantes rigidizadores y la transmisión flexible conectando con el eje motor.

En esta alternativa, el eje motor transmite el par motor, que recibe en el piñón o polea del extremo de la turbina al otro extremo exterior, situado al otro lado de la columna giratoria, donde se encuentra el generador o mecanismo receptor, similar al situado en la figura anterior. La figura 6 representa con mayor detaUe la parte correspondiente al "aro motor" y relativa a la disposición de los tirantes y su fijación en el eje de sustentación de la turbina.

La figura 7 representa en detalle la fijación de los pares de aspas para formar el conjunto de la turbina, la cual está constituida principalmente por el par de placas, unidas a su vez por tantos tornillos o pasadores como aspas, de suerte que no rompen la continuidad diametral de cada par. La figura 8 y la figura 9 representan una vista lateral de la misma parte representada en las figuras anteriores, correspondientes a las alternativas B y A respectivamente. En ellas aparece con más detalle lo relativo a los ejes de sustentación y motor. Y en relación con el giro de la columna, en la 9 se detalla el dispositivo específico de rodadura, que se propugna.

La figura 10 comprende una vista lateral, similar a la de las precedentes figura 8 y figura 9, en la cual se incluye con mayor detaUe la columna giratoria, incluyendo sus elementos de giro, de enlace con la parte superior del soporte o torre y la transmisión flexible hacia el pié de la torre, para la alternativa A. Se representan las dos variantes del giro de columna con rodamiento común para modelos pequeños (menos de 300 kW) y sistema de rodadura específico para modelos medianos y grandes. En la figura 11 se representa la transmisión flexible desde el eje motor hasta el pié del soporte, que está fragmentada, mediante nudos con ejes de igual diámetro, para mayor facilidad de funcionamiento y de giro. Esta flexibilidad de cadena sin carácter limitativo, por fragmentación permite una torsión de la misma a lo largo de su trayectoria.

Los distintos tramos están unidos por pares de piñones en un mismo eje, y faciUtan la torsión sin que exista contacto entre las dos trayectorias de la cadena, al menos hasta un giro completo en cualquiera de los dos sentidos. Ello permite la orientación permanente de la turbina en dirección correcta del viento, como se ha expuesto en la presente memoria. Si bien los diámetros de los piñones tienen que ser iguales en cada nudo, pueden variar de un nudo a otro de suerte que se obtiene en cada variación un aumento o una reducción de la velocidad de rotación. Con eUo se tiene una transmisión de posible conversión, de rango conveniente, además de la general reiteradamente expuesta. Este modelo ofrece multitud de soluciones adecuadas, mediante combinaciones convenientes.

Este sistema de transmisión también puede continuarse fuera del entorno del soporte, hasta donde convenga, porque permite cambios de plano con giro de 90 grados. En la figura 12 se muestra una disposición del "aerofreno" en cada pala, con su placa descompensada para que gire alrededor de su eje a partir de cierta velocidad, hasta la cual el resorte calibrado la retiene, dentro de los topes que se han dispuesto. En la figura 13 se representa una vista frontal, similar a la de figura 1 pero relativa, en proporciones más o menos naturales, a un generador del rango de 10 MW o más. El número de palas, las dimensiones del rotor y de la columna giratoria y el diámetro del soporte, se duplica con respecto al anterior, teniendo en cuenta que la velocidad nominal es también bastante superior, al menos del orden de un 40%

En la figura 14 se refiere a un modelo genérico de turbina "desplazable" generalmente de dos palas por facilidad de pliegue, en situación de parada o de desplazamiento. Figuran los componentes más representativos. Para más detalles basta con adaptarse a lo expuesto en la presente memoria. Las figuras 15 y 16, recogen las distintas alternativas más significativas relativas a turbinas de impulsión y captación, en general denominadas bombas y motores, de fluido líquido o gaseoso, en un medio confinado o no confinado. Son el caso de hélices de buques y aeronaves y turbinas de centrales hidráuUcas. De este modo se representa, por una parte, como turbina de impulsión o de bombeo para líquidos y turbo-compresión para aire o gas y por otra parte la turbina de captación o motor para líquidos o turbina de reacción para aire y gases o vapor, principalmente de combustión, que se puede combinar con la anterior. Todas las variantes tienen en común el desarrollo helicoidal obtenido mediante la configuración del modelo que se propugna, es decir el desplieque del conveniente paquete de láminas, reiteradamente aludido, pudiendo variarse el paso en cualqueir sección de forma convemente.

La sección tranversal y la proyección frontal de una turbina de impulsión genérica, muestra el "paso" y la disposición en despliegue del paquete de láminas, o flejes, como configuración característica de los modelos reivindicados. Con la facilidad ya expresada se obtiene el perfil deseado, de cualquier paso, diámetro y ángulo de incidencia, que definen cualquier potencia en función de una velocidad de rotación conveniente.

La originaüdad más notable que la caracteriza es la versatilidad que le confiere el simple despüegue de una unidad simple y elemental, que con tan solo dos dimensiones permite obtener todas las secciones posibles. Es decir, con el grueso y el solape se define el ángulo de incidencia de la turbina (velocidades de "corte" y de "paso") y con el grueso y el ancho se define el canto resistente de la misma. Como caso más general téngase en cuenta que el "paso" puede ser uniforme o variable según las necesidades de cada sección, por ejemplo a efectos de la compresibiüdad que experimentan los gases a distintas presiones y temperaturas. Esta configuración, como ya se ha expuesto es especialmente idónea para medios confinados líquidos, para bombas de impulsión o presión de aire, para turbo- compresores, o de gases de combustión en turbinas de turbo-reactores, turbinas de vapor de centrales térmicas y nucleares, etc.

En la primera de las figuras se representa esta configuración en general para el caso de láminas del mismo espesor e igual solape (A) (paso constante), espesor variable y mismo solape (B) (paso variable) y solape variable con el mismo espesor (C) (paso variable). En la segunda una bomba o motor (A) y una combinación de ambos (B).

En la figura 17 se representa en primer término una aplicación para maquinaria o instalaciones con hélices de impulsión en medios no confinados como las de tipo naval o de turbinas de captación en medio confinado como la de tipo hidráulico. A continuación se representa una aplicación aeronáutica convencional del modelo de hélice de impulsión en un medio no confinado, con héUce de supefície escalonada y regilarizada..

En la figura 18 se representa el helicóptero en sus dos versiones de un rotor con una hélice y con dos hélices de giro contrario. También se muestra la hélice desplegada y de perfil regularizado que puede tener cualquier otra aplicación similar relativa a mecanismos de elevación de cargas en el espacio. Por extensión se puede aplicar también al "autogiro"

Su tratamiento es similar al de una turbina de impulsión, pero en un medio no confinado, con el rotor en posición de despegue y en posición de traslación. En la segunda posición se recuperan las condiciones del medio con la propia traslación del aparato en el espacio.

También se podría sugerir un plano de sustentación superior constituido por un "aro atirantado" de superficie Uena, en sustitución de los dos planos laterales convencionales del avión o aeronave representada, con la recuperación en el plano inferior de parte de la energía del escape del fluido. Todo ello igualmente aplicable a modelos navales ligeros.

A continuación se hace una descripción de cada uno de los componentes destacados en las figuras anteriores, comprendiendo su número de identificación y una descripción basada en su denominación más comúnmente utilizada.

Los distintos elementos que aparecen numerados en las figuras anteriores se pueden describir de la forma siguiente:

1 Aspa o pala, construida por pares diametrales. 1.1 Paquete de láminas, cintas, tiras o flejes.

1.2 Paquete desplegado alrededor de un eje central común.

1.3 Vista o proyección frontal de un par de palas o aspas.

1.4 Vista o proyección lateral de un par de palas o aspas.

1.5 Corte transversal de pala en arranque. 1.6 Corte transversal extremo de pala y proyección de la misma.

1.7 Corte anterior con superficie regularizada.

1.8 Placa de aerofreno.

1.9 Eje de giro.

1.10 Resorte caUbrado. 1.11 Tope de placa de aerofreno.

1.12 Tope guía de resorte.

1.13 Segmentos de sujección del eje de giro.

2 Soporte, torre o mástil, cilindro-cónico.

3 Transmisión flexible formado por cadena, correa, cable, etc. 3.1 Cadena, correa, cable, etc.

3.2 Disco, piñón, polea, etc.

3.3 Eje de nudo, fijo con discos distintos y libre con discos iguales.

4 Generador, bomba o mecanismo receptor de energía.

5 Aros rigidizadores o estabilizadores y "aro motor". 6 Cimiento en función de la naturaleza del suelo.

7 Masas estabilizadoras o secciones aerodinámicas neutras.

8 Aerofrenos centrífugos de placa con resortes calibrados. 9 Columna giratoria con rodamientos cómeos o sistema de rodadura.

10 Eje de sustentación de la turbina, con rodamientos cónicos o sistema de rodadura.

11 Eje motor, con rodamientos cómeos o sisteme de rodadura. 12 Tensores de transmisión flexible.

13 Par de placas de fijación de los pares de palas o aspas.

14 Tirantes del "aro motor", a modo de horquillas.

15 AniUos de fijación de las horquillas de los tirantes.

16 Pasadores o tornillos de sujección de los pares de palas y placas.

10 17 Rodamientos o sistema de rodadura del eje de sujección de la turbina.

18 Rodamientos o sistema de rodadura del eje motor.

19 Rodamientos o sistema de rodadura de la columna giratoria.

19.a Dispositivo de rodadura, de bolas, cihndros huecos o caequillos.

20 Fijación del sistema de freno sobre disco de "aro motor".

15 21 Turbina de paso constante (igual espesor de láminas e igual solape). 21.a alzado frontal. 2 I b sección . 21,c perspectiva.

22 Turbina de paso variable (igual solape de láminas y espesor variable). 20 22 a alzado frontal.

22.b sección . 22.c perspectiva.

23 Turbina de paso variable (igual espesor de láminas y solape variable). 23.a alzado frontal.

25 23.b sección .

23. c perspectiva.

24 A) Bomba o motor de "alta presión" para medio confinado y no confinado denso. 24.a Sección. 30 24 b Perspectiva.

25 B) Conjunto compresor, cámara de combuestión y turbina receptora, 25.a Sección. 1 25.b Perspectiva.

26 Turbina o hélice de barco o marina de "alta presión"

27 Turbina de central hidráuüca de "alta presión".

28 Aeronave convencional con hélice de "baja presión" 5 28.a Hélice escalonada.

28. b Hélice regularizada.

29 Helicóptero de un rotor de una turbina. 29.a Hélice escalonada.

29. b Hélice regularizada. 10 30 Helicóptero de un rotor y dos turbinas superpuestas de giro contrario. 30.a Hélices regularizadas.

F) Exposición de un modo de relización

En las figuras anteriores queda reflejado perfectamente el proceso de ejecución de un

"aeromotor" o "aerogenerador" de "baja presión", por despliegue de una serie de 15 láminas, cintas, tiras o flejes, sin carácter Umitativo de acero, con las condiciones de esfuerzo radial admisible y de fuerza centrífuga soportada de suerte que los empujes transversales del aire interceptado arrojen un momento equivalente al de la excentricidad por la fuerza centrífuga anterior. Estos valores se obtienen fácilmente con perfiles de aceros comerciales. 20 En modelos pequeños móviles o de impulsión a vela, es aplicable material plástico o similar, tanto por resistencia como por efecto centrífugo.

En modelos intermedios de "alta presión" como turbinas de centrales hidroelécticas, turbinas de vapor en centrales térmicas y nucleares o héUces en grandes buques etc., donde el esfuerzo se soporta más por espesor de canto que por componente 25 centrífuga la ejecución es similar con la particularidad de que el ancho conveniente de las láminas es mayor. Los restantes aspectos han sido ampliamente descritos en las figuras precedentes.

Otro tanto ocurre con los tamaños moderados y pequeños, para motores, bombas y conjuntos turbo-reactores industriales. 30 G) Aplicaciones industriales

Son las mencionadas reiteradamente a lo largo de la memoria. Son dignas de especial mención las siguientes: 1) Energía eólica: para generación eléctrica o accionamiento de motores hidráulicos o turbo-compresores, desalación por bombeo a presión y osmosis, de bombeo en centrales hidráulicas, generación de calor y otros.

2) En aeronáutica: para rotores de impulsión (hélices) y sustentación (autogiros) o combinación de ambos (heUcopteros), en turbo-reactores y en sustentación general de aeronaves, tanto de planos exclusivos como del fuselaje. En el primero puede desarrollarse una sustentación global mediante un "modelo básico específico".

3) En industria naval: para impulsión (hélices de barco) o navegación a vela y otras aplicaciones combinadas como el modelo descrito de "turbo-reactor de hélice en empuje y sustentación", donde la sustentación podría ser del tipo de "planeamiento" similar al de las aeronaves, para embarcaciones ügeras y rápidas.

4) Suministro de energía a zonas aisladas y de difícil acceso, como refugio de montaña o balizamiento y boyas en el mar, en vehículos acopladas al sistema de alternador y baterías, etc.

5) En los campos de la automoción, transporte y actuaciones mecánicas en general con motores "turbo-reactor" alternativos a térmicos de émbolo. 6) En la producción masiva de energía con grandes turbinas hidráulicas en saltos de agua, con grandes turbinas de gas o vapor en centrales térmicas y nucleares, etc. 7) Cualquier otro tipo de aplicación en el campo de la industria, citado o no citado en la presente memoria en que tenga aplicación directa el modelo básico de turbina propugnado. H) Conclusiones. Observemos que la apUcación de la teoría del límite de Bertz y el uso de los perfiles aerodinámicos son las características más extendidas en el proyecto de todos los prototipos existentes, incluidos los de grandes dimensiones.

El modelo y la teoría aquí expuestos propugnan alternativas reales frente a las soluciones anteriores, donde el rendimiento de la turbina "eólica" propuesta y proyectada es muy superior, incluso, al Umite de Bertz. La justificación de ello hay que buscarla, por una parte en el proceso anaUtico del comportamiento real del medio ante un mecanismo cuya geometría consecuente se adapta a un ritmo de actuación ante impulsos consecutivos y por otra parte en la rigurosa interpretación de este proceso físico, que es donde estriba la originaüdad y eficiencia de la teoría expuesta. Aplicando la teoría general de "baja presión" y "alta presión" en espacios no confinados, ligeros y densos respectivamente, de igual forma para la "alta presión" en espacios confinados se obtienen por extensión y extrapolación los mismos resultados óptimos, cuyo campo de aplicación es tan extenso como el del número ilimitado de aparatos mecánicos funcionales mencionados anteriormente,

Las mejoras introducidas en el caso de la turbina eólica la confirman como una alternativa eficaz y definitiva por su extraordinaria capacidad de captación, simplificando el proyecto y ejecución de los mecanismos necesarios, puesto que el proyecto y comportamiento de cualquier prototipo se obtiene directamente del proceso de cálculo.

Por otra parte ofrece un funcionamiento uniforme y regular en cuanto a rotación, empujes y potencias generadas, de suerte que el mecanismo en conjunto se identifica plenamente con las características físicas del medio en que se ubica. No olvidemos que la turbina controla al medio de suerte que unifica la velocidad del fluido en su entorno.

Su ejecución es sencilla y no requiere materiales especiales, pudiendo limitarse a la simple utilización de aceros comerciales. Otro tanto puede decirse respecto a los mecanismo de transformación propuestos Por último, podemos afirmar que la turbina GS universal y mecanismos de transformación que se propugnan, como generadores de una energía alternativa renovable y como mecanismo utilizable ventajosamente en cualquier actividad económica e industrial proporciona un medio económico y conforme a la Naturaleza capaz de producir principalmente energía útil en las condiciones más favorables, en una época de constantes debates sobre modelos energéticos más o menos agresivos frente a la conservación del medio ambiental. Es perfectamente instalable en variadas y ampUas zonas del planeta que cuentan con vientos aprovechables y que frecuentemente coinciden con las áreas más deprimidas y necesitadas. Lo mismo cabe decir para aplicaciones en sus dos versiones de "baja presión" y "alta presión" como en múltiples combinaciones de las mismas. En resumen la Patente de Invención que se solicita deberá recaer sobre las siguientes:

Claims

REIVINDICACIONES

I^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, que se reivindica, que consiste en un nuevo diseño y unas características técnicas singulares, y que se caracteriza porque se obtiene el máximo rendimiento en captación o generación de energía cinética de fluidos, en medios no confinados o confinados; porque se capta una potencia máxima cuya expresión viene dada en función de una constante, la cual depende de las características físicas del fluido (densidad y módulo de elasticidad) y de la velocidad elegida en "punta" de la turbina (extremo de las palas o aspas) multiplicada por la superficie del flujo interceptado y por el cubo de la componente normal de la velocidad inicial o nominal de incidencia del fluido con respecto al plano normal al eje de la turbina; porque apücándose las leyes fundamentales de la física y los principios generales de la mecánica de fluidos, para que se verifique que el rendimiento sea máximo, se deduce tanto la geometría (configuración, desarrollo y ángulo de incidencia) de los elementos como el intervalo de intercepción o duración del ciclo de repetición, el cual depende a su vez directamente de las características físicas del fluido y del ángulo de incidencia que corresponde a la velocidad en "punta" elegida; porque se puede particularizar para el caso del aire atmosférico en movimiento como medio ligero y para las corrientes de agua marinas y de otros cauces abiertos como medio denso; porque en definitiva su rotación genera un par motor que mediante determinados y simples mecanismos de conversión o transformación que se reivindicarán más adelante produce energía mecánica efectiva susceptible de un aprovechamiento óptimo; e igualmente porque en reivindicaciones posteriores se determinan las características y aplicaciones específicas del modelo que se propugna. Véase figuras 1 a 18.

2^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según la reivindicación anterior que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque está constituida por uno o varios elementos iguales o desiguales, simétrica y radialmente dispuestos; porque la forma de la geometría deducida para cada elemento es radial y tiene una proyección normal sobre el plano de la turbina en forma de sector circular y sobre un plano axial normal a la turbina en forma rectangular, lo que significa que tiene unas velocidades de "corte" y de "paso" del fluido constantes en toda su superficie; porque estas dos velocidades son iguales para que la potencia generada sea máxima; porque el valor deducido para el desarrollo tangencial circular en cada sección viene dado en

- función de una constante la cual depende de las características físicas del fluido (densidad y módulo de elasticidad) y de la velocidad en "punta" elegida (extremo de las palas o aspas), multiplicada por el radio de la sección y la velocidad inicial o nominal del fluido (siempre se entenderá componente normal con respecto al plano normal al eje de la turbina) y dividida por el número de elementos iguales que la componen; porque a diferencia de la turbina "fija", en el caso de la turbina "desplazable" pura, como es la vela de navegación, la superficie del elemento es plana y en el de la "desplazable" mixta, o vela de empuje y captación, es intermedia entre ésta y la anterior. Véase figuras 1, 3 y 13.

3^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque el ángulo de incidencia del elemento, con respecto a la componente del flujo que es normal al plano de referencia de la turbina, (o paralela al eje), viene dado en cada sección transversal en función de una constante que depende de las características físicas del fluido (densidad y módulo de elasticidad) y de la velocidad en "punta" elegida 0 (extremo de las palas o aspas), multipUcada por la velocidad nominal del fluido, el radio de la turbina y el número de elementos iguales y dividida por la velocidad nominal en "punta" elegida y el radio correspondiente a dicha sección. Véase figura 3. 4^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el 5 que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque la velocidad de régimen de rotación de la turbina viene dada en función de una constante, la cual depende de las características físicas del fluido (densidad y módulo de elasticidad) y de la velocidad elegida en "punta" (extremo de las palas o aspas), multiplicada por la velocidad nominal del fluido y dividida por el radio de la turbina y el número de 0 elementos iguales que la componen; porque el número de elementos se eüge de forma que determine la velocidad en "punta" más conveniente a efectos mecánicos como son la resistencia máxima a la tracción en el arranque de la pala y las pérdidas por rozamiento de la turbina en conjunto. Véase figura 1.

5^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque sus elementos tienen el mínimo espesor y máxima uniformidad, ajustándose al módulo bidimensional de penetración óptima de perfil estrecho, controlándose la fijación de la geometría y el ángulo de incidencia por la fuerza centrífuga radial y la propia configuración uniforme, además de la acción de los "aro estabiüzadores" sin carácter limitativo; porque cualquier directriz radial de equilibrio de cada elemento es plana y recta debido, por una parte, a que en cada sección la masa es constante puesto que el espesor medio uniforme es inverso al radio y el desarrollo circular tangencial es proporcional al mismo radio y, por otra parte, a que el empuje unitario del fluido es constante en cada sección; porque la inclinación de equiUbrio de los elementos respecto al plano normal al eje de la turbina es elegida a conveniencia debido a que dicha inclinación es función de la densidad, espesor y resistencia máxima del material utilizado que, sin carácter limitativo, puede ser de acero como una solución adecuada; porque esa inclinación se determina igualando el momento de vuelco del empuje del fluido con el momento estabilizador de la fuerza centrífuga de cada elemento; porque cierta parte del esfuerzo centrífugo requerido se puede absorber con el incremento de la masa centrífuga de los distintos "aros estabilizadores", de los segmentos específicos de fijación del "aro motor" y de los "aerofrenos" (exclusivos en situación, configuración y funcionamiento) reduciendo en mayor proporción aún la masa necesaria de cada elemento al estar situados a mayor distancia del eje que el centro de gravedad del propio elemento o pala. Véase figuras 1, 3, 6, 7 y 12.

6^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque una configuración de los elementos simple y senciüa le confiere las características pecuüares que cumplen a la perfección con los condicionantes requeridos, siendo dicha configuración el resultado del simple despliegue conveniente de una serie o paquete de láminas planas, estrechas, delgadas y alargadas, a modo de flejes, cintas o tiras, sin carácter limitativo, alrededor de un eje común; porque este despliegue permite obtener con extrema facilidad la configuración requerida en cuanto a forma geométrica, desarrollo circular, espesor y ángulo de incidencia, y que al mismo tiempo cumple en todas las secciones de forma instantánea y simultánea con todo lo relativo a ángulo de inclinación, desarrollo, grueso y masa resultante, geometría estable y tracción de trabajo simple y uniforme; porque para su ejecución un material tan convencional y asequible como el acero, disponible en el mercado en bobinas de chapa larga fina, sin carácter limitativo, es uno de los más adecuados, tanto por su configuración en "flejes", como por su densidad y resistencia; porque la superficie escalonada resultante, cuyo salto puede oscilar desde medio milímetro en adelante, se puede regularizar fácilmente en el grado que se desee con productos de acabado y protección ambiental. Véase figura 3. 7^a Turbina eóiica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque está dispuesta linealmente con un transmisor o convertidor de potencia, obtenido por especial disposición de un "aro motor" atirantado extremadamente resistente e indeformable, fácilmente adosado a todas y cada una de las palas, al que se le asigna el radio requerido para que la velocidad periférica sea la necesaria de suerte que con una fuerza adecuada a la naturaleza de la transmisión flexible transmita exactamente la potencia generada; porque el "aro motor" es soUdario con la turbina mediante segmentos fijadores y con el "eje motor" mediante transmisión flexible (cadena, correa, cable, etc.) sin carácter limitativo; porque el "eje motor" acciona el mecanismo receptor de la energía generada en conexión directa o mediante transmisión flexible a distancia, de suerte que las velocidades de arrastre de la turbina y del mecanismo son similares y adecuadas. Véase figuras 1 y 6.

8^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque está dispuesta, junto con el conjunto transmisor o convertidor, mediante los ejes de sustentación y motor sin carácter Umitativo, sobre un elemento o columna giratoria embutida en la parte superior del soporte de forma similar a los ejes anteriores; porque la fijación de los ejes a la columna y de ésta al soporte se efectúa mediante rodamientos convencionales para tamaños pequeños o mediante "sistemas de rodadura" específicos para los tamaños mayores; porque este "sistema" de bolas o de cilindros huecos con mayor superficie de contacto de rodadura, de acero o cerámica sin carácter limitativo, permite su orientación en la posición normal respecto al flujo en velocidad de régimen o con cierta oblicuidad para velocidades superiores del fluido de suerte que la componente normal de incidencia sea igual a la nominal de cálculo; porque el soporte, torre o mástil, de sección tubular, atirantado o no y de minina resistencia al flujo, se puede confeccionar en sentido longitudinal sin uniones, de generatriz continua, mediante láminas de chapa larga fina o fleje y de grandes longitudes, obtenidas de bobinas de chapa comercial, similar a las palas, con la simple interposición de adhesivos o remachado, y determinados aros guías o rigidizadores. Véase figuras 8, 9, 10 y 11.

9^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, para el caso particular de turbina "fija" en un medio no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque a través del soporte, desde el "eje motor" situado en la cabeza giratoria hasta el cimiento o pie del mismo y funcionando mediante transmisión flexible (cadena, correa, cable, etc.) a la velocidad y tracción convenientes, se transmite la potencia generada y se orienta en la direción adecuada con respecto al flujo; porque este proceso permite que las velocidades periféricas del "aro motor" y del mecanismo receptor sean del mismo rango. Porque la transmisión puede fraccionarse mediante nudos constituidos por piñones, poleas, discos etc. iguales y de eje común, para facilidad de montaje y flexibiüdad de giro; porque el mecanismo receptor, conectado al "eje motor", sin carácter limitativo, puede ser una bomba hidráulica, siendo adecuada de agua sobre todo en los casos de grandes caudales y grandes distancias de transmisión de potencia de forma similar a la efectuada en las centrales hidráuücas mediante tuberías de presión; porque también es apUcable a estaciones de bombeo en saltos de agua y centrales hidroeléctricas, a instalaciones de bombeo para agua potable con abastecimiento integral de agua y energía mediante tubería de presión con terminales de captación en "alta presión", a estaciones de bombeo a presión para desalación por osmosis, etc., siendo una de sus apücaciones exclusivas más notables la de concentración de potencia de grupos de "aeromotores" de los parques eóUcos en generadores de mayor potencia o en proyectos de "reconversión" de centrales térmicas, nucleares o similares existentes con aprovechamiento íntegro de sus instalaciones eléctricas, todo ello mediante transmisiones flexibles y/o hidráulicas como las citadas anteriormente. Véase figuras 11, 15 y 16. 10^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, en un medio confinado o no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque se hace extensiva a turbinas de "baja presión" y "alta presión" de cualquier fluido en reposo, expansión o en movimiento, localizado en un medio ligero o denso y confinado o no confinado; porque su interposición capta o genera además de la energía cinética la correspondiente a la componente de presión, sin carácter limitativo; porque es aplicable como turbina de captación, impulsión o sustentación, planos de sustentación, módulos de penetración, etc, o a cualquier combinación entre los mismos; porque en "baja presión" comprende además de la "eóüca" otras de grandes dimensiones como turbinas de impulsión en medios ligeros no confinados (hélices de helicóptero simples o dobles superpuestas de giro contrario, autogiro, elevador de cargas, así como planos de sustentación de naves y aeronaves, etc.); porque en "alta presión" comprende las de menores dimensiones como hélices de captación o impulsión en medios densos confinados (bombas, motores, compresores, centrales hidráulicas, etc.) o no confinados (hidráulicas, marinas, etc.); porque en medio confinado o no confinado denso presentan un "desarroUo helicoidal continuo y cerrado" mediante la configuración del modelo propuesto, de "paso" uniforme o variable absorbiendo incrementos de presión elevados; porque una alternativa completa de "turbo-reactor de hélice en empuje y sustentación" se compone de: a) turbina-hélice (generador rotativo de impulsión en medio no confinado), b) turbina-compresor en linea (generador rotativo de impulsión en medio confinado; c) cámara de combustión (fuente de energía térmica en reposo y expansión en medio confinado); d) turbina- motor en Unea (captador rotativo en medio confinado); e) plano de sustentación (mecanismo receptor Uneal en impulsión en medio no confinado); y f) disposición superior del plano de sustentación anterior, de suerte que capta en su cara inferior la energía en expansión de los gases por incremento de presión debido a su reducción de velocidad y enfriamiento en beneficio de la sustentación; porque el modelo combinado "turbo-reactor de hélice en empuje y sustentación" es igualmente aplicable al campo naval, dispuesto bajo proa, por la reducción de velocidad de empuje y al confinamiento lateral que se adopta; porque se pueden desarrollar los modelos de invención y utilidad que se deriven de los modelos anteriores, citándose como más destacados: a) prototipo de motor "turbo-reactor" para automoción y accionamiento mecánico alternativo al convencional térmico de émbolo; b) prototipo de helicóptero incluyendo motor y doble hélice superpuesta alternativo al convencional de dos héüce independientes y el de héüce de "cola"; c) prototipo de aeronave incluyendo "turbo- reactor" de impulsión cinética de gases con recuperación de presión o de arrastre de hélice de impulsión con igual recuperación de presión y enfriamiento, y plano de sustentación y fuselaje aerodinámico fusiforme y de revolución configurado mediante despliegues combinados similares a turbina de "baja presión", soporte tubular y "aro atirantado"; d) prototipo de embarcación ligera y de grandes desplazamientos incluyendo motor "turbo-reactor", mecanismos de transformación y conversión mediante transmisión flexible fragmentada o hidráulica inversas a las "eólicas", hélice de "alta" bajo proa y sustentación semi-confinada con recuperación inferior de presión y fuselaje aerodinámico fusiforme y de revolución configurado mediante despliegues combinados de forma similar al fuselaje de aeronaves de la reivindicación anterior. Véase figuras 15, 16, 17 y 18. 11^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, en un medio confinado o no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque esta calculada según una teoría o método de cálculo original en base al comportamiento real de un mecanismo, cuya geometría es consecuencia de su adaptación a un medio determinado, de suerte que sus constantes físicas, junto con la naturaleza y el rango del trabajo pretendido, son las que determinan las dimensiones y cadencia de paso del elemento captador, siendo su objetivo final la consecución del máximo rendimiento por el procedimiento más idóneo y sencillo dentro del campo de la mecánica apücada, no existiendo limitaciones en cuanto a prestaciones, puesto que prácticamente solo depende de la disponibilidad de fluido y de la potencia que se pretende generar; porque tiene el más amplio campo conocido, y sin competencia, en ámbito industrial y de producción energética, especialmente energía eólica, como se desprende de las reivindicaciones anteriores y sus múltiples posibles derivaciones o aplicaciones. Véase figuras 1 a 18. 12^a Turbina eólica e hidráulica universal y aplicaciones, según las reivindicaciones anteriores que, en un medio confinado o no confinado en el que capta o genera la potencia máxima, se caracteriza porque en síntesis se ha obtenido de forma racional como el instrumento elemental, por configuración y naturaleza, que interpuesto con cadencia de paso e incidencia adecuadas en un medio fluido provoca una acción y una reacción entre ambos, indistintamente, de suerte que genera el más conveniente intercambio de energías entre los mismos.