WO2006095039A1 - Procedimiento y aparato micromotor para la extracción de energía de un fluido - Google Patents
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Definitions
- the invention falls within the technical sector of microsystems. In particular, in propulsion and power generation applications.
- micromotors are used for propulsive applications of microbots, microaves, and microcarriers, movement of micro-actuators, and power generation for microsystems.
- the best known micromotor concept is the gas microturbine. Basically, it is a concept that consists of miniaturizing all the components of a gas turbine.
- the components of the gas microturbines must work in a controlled manner with three-dimensional flows in geometries whose size is of the order of millimeters. This gives rise to difficulties both in the design of the concept itself and in the manufacture of the blades, also three-dimensional, of the microturbine. Overcoming these difficulties is feasible but leads to complex designs that increase the cost of these microsystems.
- the microturbines From the point of the procedure, the microturbines generate a three-dimensional fluid field that gives rise to aerodynamic lift in the profiles of a blade cascade that rotates with respect to an axis. The rotation of that axis is used to extract energy from the system.
- An example of a recent patent in the field of gas microturbines is Ia 20030215323 "Micro gas turbine engine with active tip clearance control" registered in the United Status Patent and Trademark Office.
- Another family of micromotor concepts uses the procedure to extract the energy from the system through the use of electrostatic, magnetic or piezoelectric effects.
- the present invention consists of a micromotor method and apparatus for the extraction of energy from a working fluid based on a physical effect 15 different from that used by the other types of micromotors described in the State of the Art of this Patent section.
- This effect is the resonant excitation of the Karman whirlpool street in the movement of a fluid around a prismatic body.
- the procedure consists in passing a fluid through a conduit in whose interior a prism is connected by elastic elements to the walls of said conduit. These elements allow the prism to oscillate in a plane that contains its axis.
- the movement of the fluid around the prism resonantly excites the Karman whirlpool street and generates periodic forces around the prism that give rise to an oscillatory movement, the frequency and amplitude of which depend on the design parameters of the micromotor apparatus and the variables dynamic fluid.
- the operating range for the procedure is:
- the energy efficiency of the present invention is lower than that of a gas microturbine.
- the natural field of industrial application of the present invention is in those situations in which the cost of the micromotor is a more determining factor than its energy efficiency
- the device designed for the implementation of the procedure is a micromotor for propulsion and power generation applications for 5 microsystems
- microsystems can be, but are not limited to, microobots, microaves, microcarriers and microactuators.
- micromotors are systems whose designs are complex and, consequently, expensive to manufacture.
- the present invention is in the direction of simplifying and lowering said designs.
- the first component of the micromotor is a conduit through which a fluid is passed.
- the duct can have any type of section.
- the working fluid usually a gas
- the working fluid may be compressible or incompressible, at room temperature or at a high temperature as a result of a combustion process.
- a prism Inside the duct is located a prism attached by elastic elements to the walls of said duct.
- the major axis of the prism is perpendicular to the axis of the duct, although it is also possible that the angle they form is different than 90 degrees.
- the shape of the prism section can be both circular and polygonal, regular or irregular, of any number of sides.
- the elastic elements may be, but are not limited to, springs or elastic rods.
- the elastic elements allow the prism to oscillate in a plane that contains its major axis.
- the movement of the fluid around the prism resonantly excites the Karman whirlpool street and gives rise to periodic forces around the prism itself. These forces generate an oscillatory movement in the prism, whose frequency and amplitude depends on the parameters 0 of the micromotor design and on said fluid dynamic variables. 5
- the oscillatory movement of the prism is used to extract energy from the system.
- the conversion of the kinetic energy of oscillation of the prism into electrical energy, for example, is carried out by means of a commercial microgenerator that is not the object of the present invention.
- the present invention can be applied in different fields and, in particular, it can be used for the propulsion of microelectromechanical systems and microbots, micro actuator actuation, power generation for microsystems and aerial microcarriers.
- Working fluid compressed air at 1000000 Pa (10 atmospheres) and room temperature.
- Air speed 0.4 m / sec.
- Air consumption 0.002 kg / sec (2 grams / sec).
- the axis of the duct is located horizontally.
- the main axis of the prism is located horizontally and perpendicular to the axis of the duct, so that it oscillates in the vertical plane.
- Prism oscillation frequency 70 Hz (70 cycles / sec).
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Abstract
El procedimiento consiste en hacer pasar un fluido en condiciones apropiadas por un conducto en cuyo interior se encuentra situado un prisma unido mediante elementos elásticos a las paredes de dicho conducto. Estos elementos permiten al prisma oscilar en un plano que contiene a su eje. El movimiento del fluido alrededor del prisma excita de forma resonante Ia calle de torbellinos de Karman y genera fuerzas periódicas alrededor del prisma que dan lugar a un movimiento oscilatorio, cuya frecuencia y amplitud depende de los parámetros de diseño del aparato micromotor y de las variables fluidodinámicas. El movimiento oscilatorio del prisma se utiliza para extraer energía del fluido. La aplicación del micromotor es Ia propulsión y generación de energía para microsistemas.
Description
Título
Procedimiento y aparato micromotor para Ia extracción de energía de un fluido
Sector Técnico
La invención se encuadra en el sector técnico de los microsistemas. En particular, en las aplicaciones de propulsión y generación de energía.
Estado de Ia Técnica
El desarrollo de micromotores es un campo de actividad tecnológica que se ha venido desarrollando de manera continuada desde principios de los años 90. De hecho, en Ia literatura especializada es posible encontrar Ia descripción de múltiples diseños, desarrollados unas veces a nivel conceptual y otras hasta el nivel de prototipo. En general, los micromotores se utilizan para aplicaciones propulsivas de microrobots, microaviones, y microvehículos, movimiento de microactuadores, y generación de energía para microsistemas.
El concepto más conocido de micromotor es Ia microturbina de gas. Básicamente, se trata de un concepto que consiste en miniaturizar todos los componentes de una turbina de gas.
Los componentes de las microturbinas de gas deben trabajar de manera controlada con flujos tridimensionales en geometrías cuyo tamaño es del orden de los milímetros. Esto da lugar a dificultades tanto en el diseño del concepto en sí como de fabricación de los alabes, también tridimensionales, de Ia microturbina. Soslayar estas dificultades es factible pero lleva a diseños complejos que incrementan el coste de éstos microsistemas.
Desde el punto del procedimiento, las microturbinas generan un campo fluido tridimensional que da lugar a sustentación aerodinámica en los perfiles de una cascada de alabes que rota respecto a un eje. La rotación de ese eje se utiliza para extraer energía del sistema.
Un ejemplo de patente reciente en el campo de las microturbinas de gas es Ia 20030215323 "Micro gas turbina engine with active tip clearance control" registrada en Ia United Status Patent and Trademark Office.
Otra familia de conceptos de micromotor utiliza el procedimiento de extraer l o enegía del sistema mediante Ia utilización de efectos electrostáticos, magnéticos o piezo-eléctricos.
Descripción detallada de Ia invención
La presente invención consiste en un procedimiento y aparato micromotor para Ia extracción de energía de un fluido de trabajo basado en un efecto físico 15 distinto del que utilizan los otros tipos de micromotores descritos en el apartado Estado de Ia Técnica de esta Patente. Este efecto es Ia excitación resonante de Ia calle de torbellinos de Karman en el movimiento de un fluido alrededor de un cuerpo prismático.
El procedimiento consiste en hacer pasar un fluido por un conducto en cuyo 0 interior se encuentra situado un prisma unido mediante elementos elásticos a las paredes de dicho conducto. Estos elementos permiten al prisma oscilar en un plano que contiene a su eje.
El movimiento del fluido alrededor del prisma excita de forma resonante Ia calle de torbellinos de Karman y genera fuerzas periódicas alrededor del prisma que 5 dan lugar a un movimiento oscilatorio, cuya frecuencia y amplitud depende de los parámetros de diseño del aparato micromotor y de las variables fluidodinámicas.
Las condiciones de operación son las referidas al rango de
- número de Reynolds, definido como el producto de Ia velocidad del fluido a () Ia entrada del conducto multiplicado por el diámetro máximo de Ia sección transversal del prisma y dividido por Ia viscosidad cinemática del fluido
- número de Mach, definido como el cociente entre Ia velocidad del fluido a Ia entrada del conducto y Ia velocidad del sonido en dicho fluido
- número de Strouhal, definido como Ia frecuencia adimensionalizada con Ia velocidad del fluido a Ia entrada del conducto y el diámetro máximo de Ia sección transversal del prisma de las fuerzas periódicas que sufre dicho prisma como consecuencia de Ia aparición de Ia calle de torbellinos de
Karman
En particular, el rango de operación para el procedimiento es:
- Número de Reynolds en el rango de 0.1 a 10000
- Número de Mach inferior a 1 en Ia entrada del conducto y sin que se alcancen condiciones sónicas en ningún punto del campo fluido
- Frecuencia natural de vibración del sistema masa-amortiguamiento-rigidez del conjunto prisma-elementos elásticos en el rango de 0.01 a 1000 veces Ia frecuencia asociada al número de Strouhal de las fuerzas de carácter periódico que aparecen en el prisma
El hecho de que para determinada combinación de parámetros fluidodinámicos ia topología de Ia calle de torbellinos de Karman sea bidimensional, implica que el dispositivo concebido para Ia puesta en práctica de este procedimiento es más sencillo y barato de fabricar que una microturbina de gas.
Por otra parte, Ia eficiencia energética de Ia presente invención es inferior a Ia de una microturbina de gas. De ahí que el campo natural de aplicación industrial de Ia presente invención sea en aquellas situaciones en las que el coste del micromotor sea un factor más determinante que su rendimiento energético,
El dispositivo concebido para Ia puesta en práctica del procedimiento es un micromotor para aplicaciones de propulsión y generación de energía para
5 microsistemas. Estos microsistemas pueden ser, pero no se limitan a, microrobots, microaviones, microvehículos y microactuadores.
En el estado actual de Ia técnica, los micromotores son sistemas cuyos diseños son complejos y, en consecuencia, caros de fabricar. La presente invención va en Ia dirección de simplificar y abaratar dichos diseños.
l o El primer componente del micromotor es un conducto por el que se hace pasar un fluido.
El conducto puede tener cualquier tipo de sección.
El fluido de trabajo, normalmente un gas, puede estar en régimen compresible o incompresible, a temperatura ambiente o a alta temperatura como resultado 15 de un proceso de combustión.
En el interior del conducto se encuentra situado un prisma unido mediante elementos elásticos a las paredes de dicho conducto.
Normalmente, el eje mayor del prisma es perpendicular al eje del conducto, aunque también es posible que el ángulo que formen sea distinto de 90 grados.
o La forma de Ia sección del prisma puede ser tanto circular como poligonal, regular o irregular, de cualquier número de lados.
Los elementos elásticos pueden ser, pero no están limitados a, muelles o varillas elásticas. Los elementos elásticos permiten al prisma oscilar en un plano que contiene a su eje mayor.
5 Con Ia selección de las variables fluidodinámicas descrita en el rango de operación del procedimiento, el movimiento del fluido alrededor del prisma excita de forma resonante Ia calle de torbellinos de Karman y da lugar a fuerzas periódicas alrededor del propio prisma. Estas fuerzas generan un movimiento oscilatorio en el prisma, cuya frecuencia y amplitud depende de los parámetros 0 de diseño del micromotor y de dichas variables fluidodinámicas.
5 El movimiento oscilatorio del prisma se utiliza para extraer energía del sistema. La conversión de Ia energía cinética de oscilación del prisma en energía eléctrica, por ejemplo, se realiza mediante un microgenerador comercial que no es objeto de Ia presente invención.
La presente invención puede ser aplicada en diferentes campos y, en concreto l o puede ser empleada para Ia propulsión de sistemas microelectromecánicos y microrobots, actuación de microactuadores, generación de energía para microsistemas y microvehículos aéreos.
Exposición de al menos un modo de realización de Ia invención
La presente invención se ¡lustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo, 15 que no es limitativo de su alcance.
Ejemplo 1
Fluido de trabajo: aire comprimido a 1000000 Pa (10 atmósferas) y temperatura ambiente.
Velocidad del aire: 0.4 m/seg.
0 Gasto de aire: 0.002 kg/seg (2 gramos/seg).
Número de Mach: 0.001
Conducto de sección cuadrada de lado 0.006 m (6 mm), cuya longitud es 0.030 m (30 mm).
El eje del conducto está situado en posición horizontal.
5 Prisma oscilante de sección también cuadrada de lado 0.001 m (1 mm), cuya longitud es 0.005 m (5 mm) de modo que queda una tolerancia de 0.0005 m (0.5 mm) entre los extremos del prisma y las paredes del conducto.
Número de Reynolds basado en el diámetro máximo de Ia sección transversal del prisma: 350.
El eje principal del prisma está situado en posición horizontal y perpendicular al eje del conducto, de modo que oscila en el plano vertical.
Rigidez de los elementos elásticos: 0.006 Nw/m.
Fuerza máxima en dirección vertical que aparece como consecuencia de Ia aparición de Ia calle de torbellinos de Karman: 0.00001 Nw.
Frecuencia de oscilación del prisma: 70 Hz (70 ciclos/seg).
Claims
1 . Procedimiento para Ia extracción de energía de un fluido de trabajo caracterizado por estar basado en Ia excitación resonante de Ia calle de torbellinos de Karman cuyas etapas son:
- preparación de un fluido de trabajo cuyo número de Reynolds, basado en el K) diámetro máximo de Ia sección transversal de un prisma alrededor del cual circulará dicho fluido, está en el rango de 0.1 a 10000 y cuyo número de Mach es inferior a 1 y tal que en el movimiento alrededor del prisma no se alcanzan condiciones sónicas
- inyección del fluido en un conducto que alberga en su interior un prisma de 1 5 sección circular o poligonal unido a las paredes del canal mediante elementos elásticos
- puesta en circulación del fluido alrededor de dicho prisma cuyo eje mayor forma con el eje del canal un ángulo comprendido entre 45 y 90 grados
- formación automática debida a Ia topología del campo fluido de Ia calle de 2o torbellinos de Karman
- generación de una oscilación resonante basada en el acoplamiento fluido- térmico-mecánico de las fuerzas generadas por Ia calle de torbellinos de Karman con Ia oscilación del prisma y de los elementos elásticos, cuyo sistema masa-rigidez-amortiguamiento tiene una frecuencia natural que
25 está en el rango de entre 0.01 y 1000 veces Ia frecuencia asociada al número de Strouhal de las fuerzas de carácter periódico que aparecen en el prisma
- conversión de Ia energía mecánica de Ia oscilación del prisma en energía eléctrica mediante en uso de un generador o microgenerador.
"0 5
2. Un aparato micromotor concebido para Ia puesta en práctica del procedimiento descrito en Ia reivindicación 1 caracterizado por estar formado por los siguientes elementos:
- conducto sellado de sección constante o variable de forma circular o poligonal de 3 o más lados por el que se hace circular un fluido de trabajo l o cuyas variables fluidodinámicas están descritas en Ia reivindicación 1
- prisma de sección circular o poligonal regular o irregular de 3 o más lados situado en el interior del conducto y unido a las paredes del mismo mediante elementos elásticos, cuyo eje mayor forma con el eje del conducto un ángulo comprendido entre 45 y 90 grados
i 5 - elementos elásticos que permiten Ia oscilación del prisma en un plano que contiene a su eje mayor y cuya frecuencia natural asociada al sistema masa-rigidez-amortiguamiento del conjunto prisma-elementos elásticos está comprendida en el rango paramétrico especificado en Ia reivindicación 1
i) - un microgenerador cuya misión es convertir Ia energía mecánica de Ia oscilación del prisma en energía eléctrica
3. Uso del procedimiento descrito en Ia reivindicación 1 y del aparato micromotor descrito en Ia reivindicación 2 caracterizado por su aplicación en los siguientes campos:
5 - propulsión de sistemas microelectromecánicos y microrobots
actuación de microactuadores
- generación de energía para microsistemas
- microvehículos aéreos
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| ESP200500558 | 2005-03-09 | ||
| ES200500558A ES2276582B2 (es) | 2005-03-09 | 2005-03-09 | Procedimiento y aparato micromotor para la extraccion de energia de un fluido utilizando la excitacion de la calle de torbellinos de karman. |
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2005
- 2005-03-09 ES ES200500558A patent/ES2276582B2/es active Active
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2006
- 2006-03-06 WO PCT/ES2006/000106 patent/WO2006095039A1/es not_active Application Discontinuation
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Also Published As
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