WO2009050663A2 - Dispositivo generador de fuerza motriz - Google Patents

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WO2009050663A2 PCT/IB2008/054249 IB2008054249W WO2009050663A2 WO 2009050663 A2 WO2009050663 A2 WO 2009050663A2 IB 2008054249 W IB2008054249 W IB 2008054249W WO 2009050663 A2 WO2009050663 A2 WO 2009050663A2
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Salvador Domenech Barcons
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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a driving force generating device, and in particular to a driving force generator that harnesses the energy of the flow of a fluid.
  • the objective of traditional driving force generating devices is the use of dynamic energy that concentrates air, water and other fluids for the generation of mechanical or electromotive forces.
  • the force that these devices are capable of producing depends on the volume, mass and speed of the fluid with which they work, so that it grows or decreases directly with the scale, that is, with the shaking or crossing area, while it varies to the cube with respect to the speed of the workflow.
  • the objectives of improving the use of energy face multiple difficulties, among which there are important conditions of a dynamic, mechanical and electrical nature: impacting the flow on an interposed object causes a decrease in its speed and an outward deflection in order to surround the object;
  • the resistance to the advance of the interposed mobile increases more than proportionally to its speed, which makes the mobile's speed stay below that of the fluid that drags it or that the phenomena of suspension or gliding are unstable;
  • the driving force generating device of the present invention comprises a column provided with a plurality of flexible elements placed around said column, which when interposed to the flow react positively turning around in the same direction, and is characterized by the fact that said elements flexible are aerodynamic membranes whose arrangement and shape follows logarithmic spiral patterns and by the fact that it comprises a movable head placed in the upper part of said central column and a base placed in the lower part of said column, each membrane being fixed in its upper part of said movable head and in its lower part of said base.
  • said movable head is rotatable around said column and / or slides along said column.
  • the membranes and / or the base are rotatable around said column.
  • the base is formed by a series of radial stems.
  • the positive turning thrust in one direction is obtained by being the polygonally arranged membranes adopting spiral chasing patterns.
  • control of said turning thrust is obtained by varying the geometry of that spiral arrangement.
  • the shape of said membranes is preferably based on sections of surfaces of revolution wound or contracted in spiral patterns and / or sections of isometric surfaces developed or expanded in superposition to bodies of revolution. Although they could be defined in any suitable way, the shape of said membranes can be defined, for example, by the following equations:
  • said aerodynamic membranes are formed from at least one thermoplastic polymer.
  • said aerodynamic membranes (3) are formed from a thermoplastic polymer chosen from ethylene polyterephthalate (PET), high modulus polyethylene fibers (HMPE), aromatic polyamides (PPTA, TLPC), polyurethane ( PBO), glass (GRP) or carbon (CRP).
  • PET ethylene polyterephthalate
  • HMPE high modulus polyethylene fibers
  • PPTA aromatic polyamides
  • TLPC polyurethane
  • PBO polyurethane
  • GRP glass
  • CPP carbon
  • - uses flexible blades reducing the effect of possible collisions; - can be held by one end, or kept in suspension or afloat;
  • the figure is an elevational view of the device of the present invention in its torsion variant
  • Figures Ib and Ic are plan views of the device of the present invention in its torsion variant
  • Figure 2a is an elevational view of the device of the present invention in its expansion variant
  • Figures 2b and 2c are plan views of the device of the present invention in its expansion variant
  • Figures 3a to 3d are schematic elevational views of the shape of the membranes in their torsion variant
  • Figures 4a to 4d are schematic elevational views of the shape of the membranes in their expansion variant
  • Figures 5a to 5d are schematic elevational views of the shape of the membranes in their torsion and expansion variant
  • Figure 6 is a schematic view of the use of the device of the present invention as a ground generator
  • Figures 7a and 7b are schematic views of the use of the device of the present invention as a generator at sea, floating and submerged, respectively;
  • Figure 8 is a schematic view of the use of the device of the present invention as a penetrating propulsion system
  • Figure 9 is a schematic view of the use of the device of the present invention as a rotor in line with the flow; Y
  • Figures 10a and 10b show polynomial, punctual and lateral chase geometries, respectively; Y
  • Figures 10c and 1Od show distribution patterns.
  • the device of the present invention comprises a column 1 that is sized to support the set of elements that form the device and for transmitting motive energy to rotating radial rods 4 located at the bottom of column 1.
  • This column 1 comprises a head 2 that is rotatable around column 1 and movable along said column 1.
  • the device of the present invention also comprises a plurality of aerodynamic membranes 3, preferably flexible, which are joined, each, by its upper end to said head 2 and by its lower end to one of said radial rods 4.
  • the movement of the head 2 and the radial stems 4 facilitates the continuous and isometric transformation of the membranes 3, whose winding results in geometries of revolution of the catenary type.
  • the main dynamic symmetric element is the logarithmic spiral (equiangular or geometric).
  • the present invention uses the equivalence of expansion and rotation actions with the same center to provide at all times the best indicated aerodynamic angle.
  • the conical trunks and the bodies generated by catenary curves provide the required stability to the whole when balancing the tensions exerted by the forces of thrust, friction, gravitational and centrifugal on the membranes.
  • Figures 6 to 10 simulate the use of devices based on surfaces of constant mean curvature of the hyperbolic space instead of the traditional constant pitch helicoids for a better use of the energy concentrated in the flows. As described below, this provides the possibility of conception of both high versatility devices and others closely related to a given condition.
  • the use of polygonal search or chase geometries that result in logarithmic spirals allows the determination of fixed type geometries with behavior similar to that of the Euclidean described above. This enables the fixed arrangement of the assembly on the best transition zone between the drag and the suspension, favoring those cases in which simplicity prevails over efficiency. In this case, the transformation is contemplated as a mechanism for releasing the loads that may exceed the design parameters.
  • Figure 8 shows how these same principles of dynamic symmetry and polygonal doctrine are exploited by the present invention when arranging several devices in space.
  • patterns of phylactic or fractal recurrence are adopted, and as possible patterns preference is given to those determined by golden proportions and Fibonnaci series.
  • This column 1 in its basic configuration comprises the head 2, the membranes 3 and the set of radial stems 4 indicated above, which constitute a driving axis, indicated by the numerical reference 9.
  • This column 1 can be made of metal (steel, aluminum, etc.) or composite resins (fiberglass, aramid, carbon, etc.), the weight per linear meter and the torsional inertia of the material being decisive for the choice of material. its section in the diametral plane (x, y).
  • the column can be braced with the minimum profile, around which the head 2, the membranes 3 and the radial rods 4 are joined together by one or more ropes, cables, shafts or rods that cross it longitudinally as elements transmitters of the driving force.
  • the head 2 and the radial stems 4 fulfill the essential mission of holding the vertices of the membranes 3, allowing their coordinated spatial displacement.
  • the head 2 is constituted by a cylinder or ring of metal or composite resin, which in its basic version only provides fastening points of the upper vertices of the membranes 3, or of the ropes or cables that keep these vertices of the membranes 3 in this position, allowing the sliding and concentric rotation of the upper vertices of the membranes 3 on the column.
  • the positioning of the head 2 can be carried out by means of different mechanisms, which are different depending on the desired dimension and precision: from elementary spring and mass systems to sophisticated assemblies with absolute rotary encoder and servo motor, using a series of pneumatic, hydraulic or hydraulic actuators. electrical related, which allow to balance the upper vertices of the membranes 3 with the lower vertices of the membranes 3.
  • the radial stems 4 can be made of metal or composite resin, which in their basic version only provide fastening points of the lower vertices of the membranes 3 or of the ropes or cables that keep these lower vertices of the membranes 3 in this position, enabling the concentric rotation of the lower vertices around the column at a radial distance greater than or equal to that of the upper vertices.
  • the movement of the radial stems 4 allows the total adjustment of the position of the membranes 3 according to the requirements of each situation, evenly distributing the required effort along its surface .
  • the membranes 3 constitute essential elements in the invention. Its manufacture must strictly adhere to the design parameters in terms of effort and shape, and among other features they must enable similarity transformations by overcoming the physical conditions of flexion and fatigue of rigid aerodynamic profiles.
  • the three-dimensional modeling of the membranes is carried out based on sections of constant mean curvature surfaces related to catenoids or those resulting from the logarithmic-spiral winding of isometric surfaces, which are optimized for dynamic behavior using finite element analysis models (FEA ) and fluid dynamics computing (CFD).
  • FEA finite element analysis models
  • CFD fluid dynamics computing
  • thermoplastic polymers ethylene polyterephthalate (PET) and high modulus polyethylene fibers (HMPE), of aromatic polyamides (PPTA, TLPC), polyurethane (PBO), glass (GRP) or carbon (CRP).
  • PET ethylene polyterephthalate
  • HMPE high modulus polyethylene fibers
  • PPTA aromatic polyamides
  • PBO polyurethane
  • GRP glass
  • CPP carbon
  • the geometry of the membranes varies according to various interactions of forces in which the desired transformation effects are obtained by action of the head 2 and the radial stems 4.
  • Type "A”, torsion without expansion (figures la to Ic and figures 3a to 3d); Type "B”, expansion without torsion (figures 2a to 2c and figures 4a to 4d); Type "C”, expansion and torsion (figures 4a to 4d).
  • Type "A” torsion without expansion
  • Type "B” expansion without torsion
  • Type "C” expansion and torsion
  • Figures a to Ic show the geometry and components of the "A" type model, in which the stable position is obtained by twisting.
  • the generatrix curve is of the catenary type, resulting from the deformation exerted by the gravitational forces and centrifuges on the walls of a triaxial ovoid.
  • the limits to the transformation are given by the delay of the spindle (-t) and the overlapping of upper vertices (s).
  • Figures 2a to 2c show the geometry and components of the "B" type model, in which the stable position is obtained by expansion.
  • Figure 2a shows the transformation of one of the membranes 3 as a consequence of the change in the relative position of its upper vertex with respect to the lower ones due to the rise or fall of the head.
  • the descent of the head 2 translates into an equal increase in the horizontal radius.
  • the limits to the transformation are given by the resistance of the traction system, the overlapping of lower vertices and the dilation of the radius d.
  • Figures 3a to 5d show the shape of membranes 3 of models "A" (figure 3a), “B” (figure 4a) and “C” (figure 5a) in their various drag arrangements (figures 3b, 4b and 5b), transition (figures 3c, 4c and 5c) and suspension (figures 3d, 4d and 5d).
  • any isometric shape whose winding results in another surface can be used of constant mean curvature equal to one.
  • the hyperbolic surface defined by the following equations has been used to determine the basic shape of the membranes of Figures 3a to 5d:
  • FIGs 6 to 10 simulate the use of turbines of type "A", "B” and "C” in different applications.
  • Figure 6 simulates the application as terrestrial wind turbines.
  • the device of the present invention comprises at its base a reducer 17 and a generator 18.
  • Figures 7a and 7b show the application of the device of the present invention for floating and immersion power generation.
  • the device of the present invention comprises a floating envelope 21 and an additional counterweight 23 below the generator 22, which guarantees stability.
  • a conductive cable runs along the anchoring line 24 that links it to a dead body 25.
  • This device incorporates a lightning rod antenna 19 and a radio beacon or radar reflector 20.
  • FIG. 8 An application of the device of the present invention as a penetrating propulsion system is shown in Figure 8.
  • a vessel 26 uses a device of the present invention as a dextrogyro turbine 28 and another device of the present invention as a levogyral turbine 27 to trap the flow and project it in the opposite direction to that of the march.
  • Devices of the present invention used as side turbines 29 act as stabilizers or auxiliary thrusters for maneuvers.
  • Figure 9 shows an application of the device of the present invention as a rotor in line with the flow.
  • the speed of rotation of the membranes 3 is regulated by the interaction of the column 1 with the head 2.
  • a seat layer 34 inside an expansion chamber 35 contributes to minimize friction and reduce losses.
  • figures 10c and 1Od show patterns indicated for the spatial distribution of multiple devices.

Abstract

El dispositivo generador de fuerza motriz comprende una columna (1) provista de una pluralidad de elementos flexibles (3) colocados alrededor de dicha columna (1), que al interponerse al flujo reaccionan girando positivamente alrededor en un mismo sentido, y se caracteriza por el hecho de que dichos elementos flexibles son unas membranas aerodinámicas (3) cuya disposición y forma sigue patrones espirales logarítmicos y por el hecho de que comprende un cabezal desplazable (2) colocado en la parte superior de dicha columna central (1) y una base (4) colocada en la parte inferior de dicha columna (1), estando fijada cada membrana (3) en su parte superior a dicho cabezal desplazable (2) y en su parte inferior a dicha base ( 4). Permite equilibrar las fuerzas cinéticas, gravitatorias y centrífugas, minimizando las resistencias.

Description

DISPOSITIVO GENERADOR DE FUERZA MOTRIZ
La presente invención se refiere a un dispositivo generador de fuerza motriz, y en particular a un generador de fuerza motriz que aprovecha la energía del flujo de un fluido.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El objetivo de los dispositivos generadores de fuerza motriz tradicionales, tales como molinos, rotores y turbinas, es el aprovechamiento de la energía dinámica que concentran el aire, el agua y otros fluidos para la generación de fuerzas mecánicas o electromotrices. La fuerza que estos dispositivos son capaces de producir depende del volumen, la masa y la velocidad del fluido con que trabajan, de manera que crece o decrece directamente con la escala, es decir, con el área de batido o de cruce, mientras que varía al cubo respecto a la velocidad del flujo de trabajo.
Este hecho explica que, si bien los molinos y las turbinas han sido utilizados desde los anales de la historia, su funcionamiento se haya basado en explotar flujos bien cargados de energía (saltos de agua, zonas ventosas) . En consecuencia, el progreso puede medirse en términos del aumento de la cantidad y el tamaño de las instalaciones, mientras que las mejoras en eficiencia son relativamente recientes y la aplicación de sus resultados limitada .
Los objetivos de mejora del aprovechamiento de la energía se enfrentan a múltiples dificultades entre las que se cuentan importantes condicionantes de naturaleza dinámica, mecánica y eléctrica: al impactar el flujo sobre un objeto interpuesto se produce una disminución de su velocidad y una desviación hacia el exterior con el fin de rodear el objeto;
- la resistencia al avance del móvil interpuesto crece más que proporcionalmente a su velocidad, lo que hace que la velocidad del móvil se mantenga por debajo de la del fluido que lo arrastra o que los fenómenos de suspensión o planeo sean inestables;
- la interacción de las tres fuerzas de empuje (flujo, gravedad e inercia) varia a lo largo de los ciclos de la rotación provocando tensiones considerables y desgaste prematuro del conjunto;
- el acoplamiento del giro de la turbina al eje motriz exige un incremento del par y que los limites seguros de trabajo sean mantenidos muy por debajo de las posibilidades empíricas del diseño con la ayuda de dispositivos de variación de paso y frenado;
- la retención que producen las palas o alabes que no están bien orientados en el flujo produce niveles indeseados de vibración y ruido, y aumentan los riesgos de rotura por sobrepresión o resonancia;
- la variabilidad del flujo y los desequilibrios intrínsecos dificultan el aprovechamiento de la corriente obtenida y exigen que, para conectar con la red, sean necesarios sofisticados y también frágiles equipos capaces de llevar a cabo la medición y compensación de diferencias .
Algo que todos los aparatos comparten es la necesidad de limitar la velocidad de giro para no exceder los esfuerzos máximos para los que han sido diseñados. En unos casos esto se logra gracias a las resistencias cinemáticas inherentes al diseño, lo que aumenta el consiguiente riesgo de que el conjunto se rompa o salga literalmente volando. En otros, se trata de dispositivos de freno o de desajuste del paso respecto al idóneo, con lo que la eficiencia desciende muy rápidamente más allá de la eficiencia óptima. En la práctica, se tiende a que el diseño esté estrechamente relacionado con una condición determinada, de modo que variaciones de intensidad y dirección sobre las condiciones ideales se traducen en notables pérdidas de eficiencia.
Ejemplos comunes y representativos de aplicación y mejora de las tecnologías tradicionales conocidas son los molinos de viento de varias aspas con rotación horizontal, las turbinas de múltiples alabes o cazoletas en línea con el flujo de trabajo del tipo Francis (1849) o Pelton (1879), y las turbinas con rotación vertical sin medios para el guiado del flujo de trabajo de Savonius (US-I.697.574) y Darreius (US-I .835.018 ) . A estas invenciones clásicas cabe añadir las de Kaplan (US- 1.822.778), Yen (US-4.070.131 ) , Seki (US-4.247.252 ) , Gilman (US-4.293.274) , Gorlov (US-5.451.137) , Giorgini (US-5.852.331) , Eider (US-6.538.340 ) y Becker (US- 7.132.760), en las que se experimenta con la curvatura bidimensional (ejes x,y) de los alabes para obtener mejor eficiencia. Más recientes son las invenciones de Sidler (WO 2005/010353 A2 ) o Naskali (WO 2006/119648 Al) en las que los modelos Savonius y Darreius respectivamente son perfeccionados utilizando también un desplazamiento o curvatura en la dimensión vertical (eje z) . Todos estos aparatos se fundamentan en una concepción euclidiana del espacio tridimensional y por más que algunos de ellos ya hablan de diseño helicoidal todos resultan en geometrías de tipo fijo o articuladas a conveniencia, y ninguno resulta en una geometría variable de forma continua e isométrica como la presente invención.
Empíricamente está demostrado que se pueden obtener rendimientos crecientes desde la situación de reposo al aumentar la relación entre la velocidad tangencial de los alabes y la del fluido ("tip speed ratio") hasta un máximo teórico de eficiencia que depende el fluido. Por ello una importante linea de investigación se orienta hacia la mejora de esta relación. En el caso del aire según la teoría de Betz, este máximo de eficiencia se sitúa en un 59,26%.
En general, las mediciones del funcionamiento real de todo tipo de diseños de turbinas eólicas raramente superan el 60% del limite de Betz. Los clásicos molinos de múltiples palas se sitúan en torno a un 15% o 20%, mientras que aerogeneradores modernos de dos o tres palas de gran tamaño llegan a su eficiencia óptima en el orden del 45% con relaciones de velocidad superiores a las 3 veces .
Desarrollos basados en los anteriormente citados mantienen su rotación a relaciones de velocidad más bajas con eficiencia en torno a un 20-30%. No se disponen datos del rendimiento de las invenciones más recientes más allá de que algunos rotores del tipo Darreius han registrado eficiencias del orden del 30-35% a relaciones de velocidad superiores a las 5 veces.
El coste de arrancar y mantener esa relación de velocidad asociado a los problemas de stress mecánico por la distinta acción de las fuerzas gravitatoria y centrifuga a ratios de velocidad elevados pueden ser razones por las que su explotación comercial no prospera.
Por lo tanto, es evidente, que queda un amplio margen para la mejora, no sólo en términos conceptuales, sino también con la búsqueda de geometrías estructurales más estables y el empleo de nuevos materiales y técnicas. En este sentido la utilización de diseños más eficientes o comparativamente más ligeros y económicos puede suponer un importante avance, ya que el mayor condicionante de la viabilidad de los proyectos es la rentabilidad, es decir su coste en relación con la producción obtenida.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Con el dispositivo de la invención se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando otras ventajas que se describirán.
El dispositivo generador de fuerza motriz de la presente invención comprende una columna provista de una pluralidad de elementos flexibles colocados alrededor de dicha columna, que al interponerse al flujo reaccionan girando positivamente alrededor en un mismo sentido, y se caracteriza por el hecho de que dichos elementos flexibles son unas membranas aerodinámicas cuya disposición y forma sigue patrones espirales logarítmicos y por el hecho de que comprende un cabezal desplazable colocado en la parte superior de dicha columna central y una base colocada en la parte inferior de dicha columna, estando fijada cada membrana en su parte superior a dicho cabezal desplazable y en su parte inferior a dicha base.
Ventajosamente, dicho cabezal desplazable es giratorio alrededor de dicha columna y/o se desliza a lo largo de dicha columna.
Preferiblemente, que las membranas y/o la base son giratorios alrededor de dicha columna.
Según una realización preferida, la base está formada por una serie de vastagos radiales.
Ventajosamente, el empuje de giro positivo en un sentido se obtiene por estar las membranas dispuestas poligonalmente adoptando patrones de persecución espiral.
También ventajosamente, el control de dicho empuje de giro se obtiene variando la geometría de esa disposición espiral.
La forma de dichas membranas se basa preferiblemente en secciones de superficies de revolución arrolladas o contraídas en patrones espirales y/o en secciones de superficies isométricas desarrolladas o expandidas en superposición a cuerpos de revolución. Aunque podrían estar definidas de cualquier manera adecuada, la forma de dichas membranas puede estar definida, por ejemplo, por las siguientes ecuaciones:
x = s* [senh (v) *cos (t*u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ] y = s'* [senh (v) *sen (t*u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ] z = [cosh (v) *senh (u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ]
en donde :
- x, y, z son las coordenadas espaciales;
- u es un parámetro de crecimiento vertical;
- v es un parámetro de crecimiento horizontal;
- t es un valor de la torsión; y
- s, s' son factores de escala. Preferentemente, dichas membranas aerodinámicas están formadas a partir de por lo menos un polímero termoplástico .
Según una realización preferida, dichas membranas aerodinámicas (3) están formadas a partir de un polímero termoplástico elegido entre politereftalato de etileno (PET) , fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) , de poliamidas aromáticos (PPTA, TLPC) , de poliuretano (PBO) , de vidrio (GRP) o de carbono (CRP) .
La presente invención presenta varias ventajas sobre los dispositivos existentes:
- equilibra las fuerzas cinéticas, gravitatorias y centrífugas, minimizando las resistencias; admite diversos ángulos de incidencia y variaciones de dirección e intensidad; mantiene su eficiencia a relaciones de velocidad bajas, medias y altas; posibilita el cambio de membranas para un espectro de operación más amplio;
- utiliza alabes flexibles reduciendo el efecto de posibles colisiones; - puede sujetarse por un extremo, o mantenerse en suspensión o a flote;
- tiene mínimo impacto ambiental, con posibilidad de reproducción de patrones variados.
Además, la presente invención no presenta algunos de los inconvenientes de diseños existentes:
- al superponer las membranas requiere comparativamente menor área de batido;
- prescinde de deflectores y otros accesorios para dirigir o concentrar el flujo; su geometría (ángulo de ataque, salida, revirado, paso) varía en interacción con el flujo;
- no utiliza aspas o perfiles rígidos evitando problemas por estrés mecánico;
- no ha de ser arrancado ni mantenido en rotación para que funcione;
- alivia una excesiva presión del flujo transformando su forma.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
La figura la es una vista en alzado del dispositivo de la presente invención en su variante de torsión;
Las figuras Ib y Ic son vistas en planta del dispositivo de la presente invención en su variante de torsión;
La figura 2a es una vista en alzado del dispositivo de la presente invención en su variante de expansión;
Las figuras 2b y 2c son vistas en planta del dispositivo de la presente invención en su variante de expansión;
Las figuras 3a a 3d son vistas esquemáticas en alzado de la forma de las membranas en su variante de torsión;
Las figuras 4a a 4d son vistas esquemáticas en alzado de la forma de las membranas en su variante de expansión;
Las figuras 5a a 5d son vistas esquemáticas en alzado de la forma de las membranas en su variante de torsión y expansión;
La figura 6 es una vista esquemática de la utilización del dispositivo de la presente invención como generador terrestre;
Las figuras 7a y 7b son vistas esquemáticas de la utilización del dispositivo de la presente invención como generador en el mar, flotando y sumergido, respectivamente;
La figura 8 es una vista esquemática de la utilización del dispositivo de la presente invención como sistema de propulsión penetrante;
La figura 9 es una vista esquemática de la utilización del dispositivo de la presente invención como rotor en linea con el flujo; y
Las figuras 10a y 10b muestran geometrías de persecución polinomial, puntual y lateral, respectivamente; y
Las figuras 10c y 1Od muestran patrones de distribución .
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
El dispositivo de la presente invención comprende una columna 1 que está dimensionada para soportar el conjunto de elementos que forman el dispositivo y para transmitir energía motriz a unos vastagos radiales 4 giratorios situados en la parte inferior de la columna 1.
Esta columna 1 comprende un cabezal 2 que es giratorio alrededor de la columna 1 y desplazable a lo largo de dicha columna 1.
El dispositivo de la presente invención también comprende una pluralidad de membranas aerodinámicas 3, preferiblemente flexibles, que están unidas, cada una, por su extremo superior a dicho cabezal 2 y por su extremo inferior a uno de dichos vastagos radiales 4.
El movimiento del cabezal 2 y de los vastagos radiales 4 facilita la transformación continua e isométrica de las membranas 3, cuyo arrollamiento resulta en geometrías de revolución de tipo catenario.
Mediante el control del posicionamiento de cabezal 2 y membranas 3 se afecta a las fuerzas de empuje (flujo, gravitatoria, centrífuga y de fricción) , de cuya interacción resulta una componente giratoria y otra acorde a la transformación. La mejor forma dinámica y la composición de las membranas y perfiles de los elementos mejor indicada para las condiciones y requisitos de trabajo prevalecientes se determina con la ayuda de un análisis computerizado.
La utilización de las simetrías de similitud que ilustran las Figuras 1, 2 y 3 se fundamenta en estudios contemporáneos: Hambidge en 1920 explica los elementos de la simetría dinámica y proporciona métodos para reproducir proporciones naturales en el diseño, la construcción y el arte. Los estudios de Weyl (1952) aportan la posibilidad de su tratamiento matemático exacto al definir dos transformaciones de la similitud del plano (dilatación y rotación) y establecer la relación entre dichas transformaciones y sus correspondientes isometrías espaciales (expansión y torsión) . Bryant (1987) analiza la representación de superficies de curvatura media constante en el espacio hiperbólico tridimensional en analogía con los modelos de estudio de superficies mínimas en el espacio euclideo. La reinterpretación de las superficies de curvatura media constante e igual a uno como objetos de revolución se debe a Small (1994) y a otras contribuciones más recientes.
El principal elemento simétrico dinámico es la espiral logarítmica (equiangular o geométrica) . La espiral logarítmica cumple la condición del movimiento uniforme, siendo la única curva plana donde la tangente en cada punto corta su radio vector siempre con el mismo ángulo (α) , que es proporcional al logaritmo natural del radio vector y para OÍ = 90° la reduce a un círculo. Su ecuación polar es p = a*e V f-), siendo k la cotangente del ángulo tangencial polar constante (OÍ) .
La presente invención utiliza la equivalencia de acciones de dilatación y rotación con mismo centro para disponer en todo momento del ángulo aerodinámico mejor indicado .
Desde el punto de vista de la simetría dinámica, reviste especial interés la condición de invariante de una espiral logarítmica respecto a ciertas transformaciones de similitud. Esta propiedad de autoseme janza es conservada en las diversas isometrías de traslación y torsión aplicadas sobre las membranas 3, cuyos puntos manifiestan la dilatación y la rotación en la forma de un crecimiento aditivo y un arrollamiento característicos que hace posible la superposición de estas espirales sobre cualquier cuerpo de revolución definido por la rotación de una recta o curva con origen en el centro de simetría espiral .
Los troncos cónicos y los cuerpos engendrados por curvas catenarias proporcionan la estabilidad requerida al conjunto al equilibrar en todo momento las tensiones que ejercen las fuerzas de empuje, fricción, gravitatoria y centrifuga sobre las membranas.
La razón por que ninguno de los desarrollos conocidos puede resultar en una geometría variable se debe a que unos obvian la consideración de la curvatura necesaria y otros se remiten a una curvatura bidimensional utilizando espirales de paso constante, de ecuación polar pm = am*θn , como las arquimedianas (m = n = 1), parabólicas (m = 2, n = 1) o galileanas (m = 1, n = 2), a las que podrían asimilarse incluso sus inversiones hiperbólicas (m =1, n = -1) o lituusianas (m = 2, n = -1) . En consecuencia, las variaciones e hibridaciones de los aparatos que ya tratan con alguna curvatura tridimensional utilizan los helicoides planos, cónicos o esféricos conocidos, los cuales resultan de la extensión tridimensional de estas espirales de paso constante.
Las Figuras 6 a 10 simulan la utilización de aparatos basados en superficies de curvatura media constante del espacio hiperbólico en lugar de los tradicionales helicoides de paso constante para un mejor aprovechamiento de la energía concentrada en los flujos. Tal y como se describe más adelante, ello aporta la posibilidad de concepción tanto de aparatos de amplia polivalencia como de otros estrechamente relacionados con una condición determinada. El empleo de geometrías de búsqueda o persecución poligonal que resultan en espirales logarítmicas permite la determinación de geometrías de tipo fijo con comportamiento similar al de las euclidianas antes descritas. Esto posibilita la disposición fija del conjunto sobre la mejor zona de transición entre el arrastre y la suspensión, favoreciendo aquellos casos en que la simplicidad prima sobre la eficiencia. En tal caso, la transformación se contempla como mecanismo de liberación de las cargas que puedan exceder los parámetros de diseño. La Figura 8 muestra cómo estos mismos principios de simetría dinámica y persecución poligonal son explotados por la presente invención a la hora de disponer varios aparatos en el espacio. Para sacar el máximo provecho de sus características de adireccionalidad y multiaxialidad se adoptan patrones de recurrencia filotáctica o fractal, y como patrones posibles se da preferencia a los determinados por proporciones áureas y series de Fibonnaci.
Los componentes de la invención citados en la descripción breve pueden identificarse en las Figuras la a Ic y 2a a 2c. En estas figuras aparece la columna 1 que está sujeta en su parte inferior por una base 7 y en su parte superior por un conjunto de vientos 8 mediante cojinetes de aguja u otro rodamiento radial-axial .
Esta columna 1 en su configuración básica comprende el cabezal 2, las membranas 3 y el conjunto de vastagos radiales 4 indicados anteriormente, que constituyen un eje motriz, indicado mediante la referencia numérica 9.
Esta columna 1 puede ser de metal (acero, aluminio, etc.) o resinas compuestas (fibra de vidrio, aramida, carbono, etc.), siendo determinantes para la elección del material el peso por metro lineal y la inercia a la torsión de su sección en el plano diametral (x, y) .
También son posibles configuraciones con el mástil fijo, usando elementos de unión y transmisión de fuerza distintos entre el cabezal 2, las membranas 3 y los vastagos radiales 4 y el eje motriz 9.
En este caso, la columna puede estar arriostrada con el mínimo perfil, alrededor de la cual giran el cabezal 2, las membranas 3 y los vastagos radiales 4 unidos por una o más cuerdas, cables, ejes o varillas que la atraviesan longitudinalmente como elementos transmisores de la fuerza motriz.
El cabezal 2 y los vastagos radiales 4 cumplen la misión esencial de sujetar los vértices de las membranas 3, permitiendo su desplazamiento espacial coordinado .
El cabezal 2 está constituido por un cilindro o anillo de metal o resina compuesta, que en su versión básica sólo proporciona puntos de sujeción de los vértices superiores de las membranas 3, o de las cuerdas o cables que mantienen estos vértices de las membranas 3 en esta posición, posibilitando el deslizamiento y giro concéntrico de los vértices superiores de las membranas 3 sobre la columna.
El posicionamiento del cabezal 2 se puede realizar mediante diferentes mecanismos, que son distintos en función de la dimensión y precisión deseadas: desde sistemas elementales de resorte y masa hasta sofisticados conjuntos con codificador rotatorio absoluto y servomotor, utilizando una serie de actuadores neumáticos, hidráulicos o eléctricos relacionados, que permiten equilibrar los vértices superiores de las membranas 3 con los vértices inferiores de las membranas 3.
Los vastagos radiales 4 pueden ser de metal o resina compuesta, que en su versión básica sólo proporcionan puntos de sujeción de los vértices inferiores de las membranas 3 o de las cuerdas o cables que mantienen estos vértices inferiores de las membranas 3 en esta posición, posibilitando el giro concéntrico de los vértices inferiores alrededor de la columna a una distancia radial mayor o igual que la de los vértices superior .
El movimiento de los vastagos radiales 4 permite el total ajuste de la posición de las membranas 3 según los requerimientos de cada situación, distribuyendo uniformemente el esfuerzo requerido a lo largo de su superficie .
Las membranas 3 constituyen elementos esenciales en la invención. Su fabricación debe ceñirse estrictamente a los parámetros de diseño en cuanto a esfuerzo y forma, y entre otras características han de posibilitar las transformaciones de semejanza superando los condicionantes físicos de flexión y fatiga de los perfiles aerodinámicos rígidos .
Para ello, deben mantener una doble condición de rigidez en las direcciones de tensión y de flexibilidad en las de transformación. Esto se consigue mediante materiales monolíticos, hilados o tejidos que son cohesionados, laminados o estratificados con ayuda de presión y temperatura.
El modelado tridimensional de las membranas se realiza partiendo de secciones de superficies de curvatura media constante parientes de catenoides o de las que resultan del arrollamiento logarítmico-espiral de superficies isométricas, que son optimizados para el comportamiento dinámico mediante modelos de análisis de elementos finitos (FEA) y computación de dinámica de fluidos (CFD) .
Si bien en principio sería válido cualquier material natural o sintético adaptable a la forma de un molde tridimensional que cumpliera con las anteriores condiciones y fuera también apto en consideración de otros factores en juego como la resistencia a la exposición ambiental y el aspecto externo o acabado, en su aplicación industrial los exigentes requerimientos de resistencia y peso de su fabricación conducen hacia la elección de determinados polímeros termoplásticos, entre los que figuran el politereftalato de etileno (PET) y las fibras de polietileno de alto módulo (HMPE), de poliamidas aromáticos (PPTA, TLPC) , de poliuretano (PBO) , de vidrio (GRP) o de carbono (CRP) . La geometría de las membranas varía de acuerdo con diversas interacciones de fuerzas en las que los efectos de transformación deseados se obtienen por acción del cabezal 2 y los vastagos radiales 4.
Estas transformaciones persiguen la captura de la mayor cantidad posible de la energía que transporta el flujo en su incidencia sobre el lado cóncavo de cada una de las membranas, de forma directa y por desvío hacia el área oculta (arrastre) , así como por efecto de la succión sobre su lado convexo (sustentación) . De ello se obtiene una resultante tangencial que alimenta el efecto de giro, y otra resultante normal acorde al incremento de velocidad que ayuda a la transformación, con límites que se establecen en función de los parámetros de diseño.
Para facilitar su descripción, estas interacciones y sus correspondientes modelos tipo se clasifican en tres variantes: Tipo "A" , torsión sin expansión (figuras la a Ic y figuras 3a a 3d) ; Tipo "B", expansión sin torsión (figuras 2a a 2c y figuras 4a a 4d) ; Tipo "C" , expansión y torsión (figuras 4a a 4d) . A éstas se añade una posibilidad efectiva sin expansión ni torsión, asimilada a una geometría fija del tipo "B" situada en la mejor transición entre el predominio del arrastre y la sustentación de las membranas.
Las Figuras la a Ic muestran la geometría y componentes del modelo tipo "A" , en el que la posición estable se obtiene por torsión.
En la figura la puede apreciarse la transformación de una de las membranas 3 como consecuencia del cambio de la posición relativa de su vértice superior respecto a los inferiores por influencia del avance o retroceso del cabezal 2.
Ambas situaciones corresponden a las dos vistas de las figuras Ib y Ic, en las que el conjunto está superpuesto a unas espirales de delimitación 10 y de crecimiento 11, que las conforman al arrollarse sobre la figura de revolución definida por el área sombreada 12 representada en la figura la.
La curva generatriz es de tipo catenario, resultando de la deformación ejercida por las fuerzas gravitatoria y centrifuga sobre las paredes de un ovoide triaxial. Los limites a la transformación vienen dados por el retardo del cabezal (-t) y el solapamiento de vértices superiores (s) .
Las Figuras 2a a 2c muestran la geometría y los componentes del modelo tipo "B" , en el que la posición estable se obtiene por expansión. En la figura 2a puede apreciarse la transformación de una de las membranas 3 como consecuencia del cambio de la posición relativa de su vértice superior respecto a los inferiores por influencia del ascenso o descenso del cabezal.
Ambas situaciones corresponden a las figuras 2a y 2c, en las que el conjunto está superpuesto a las espirales de delimitación 10 y de crecimiento 11 que las conforman al arrollarse sobre la figura de revolución. La curva generatriz es de tipo catenario, resultando de la deformación ejercida por las fuerzas gravitatoria y centrifuga sobre las paredes de un esferoide triaxial.
En las figuras, el descenso del cabezal 2 se traduce en un aumento igual del radio horizontal. Los limites a la transformación vienen dados por la resistencia del sistema de tracción, el solapamiento de vértices inferiores y la dilatación del radio d.
Las Figuras 3a a 5d muestran la forma de las membranas 3 de los modelos "A" (figura 3a) , "B" (figura 4a) y "C" (figura 5a) en sus diversas disposiciones de arrastre (figuras 3b, 4b y 5b) , transición (figuras 3c, 4c y 5c) y suspensión (figuras 3d, 4d y 5d) .
De forma general, puede usarse cualquier forma isométrica cuyo arrollamiento resulte en otra superficie de curvatura media constante igual a uno.
Para la determinación de la forma básica de las membranas de las Figuras 3a a 5d se ha usado la superficie hiperbólica definida por las siguientes ecuaciones:
x = s* [senh (v) *cos (t*u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ] y = s'* [senh (v) *sen (t*u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ] z = [cosh (v) *senh (u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ]
en donde :
- x, y, z son las coordenadas espaciales;
- u es un parámetro de crecimiento vertical;
- v es un parámetro de crecimiento horizontal;
- t es un valor de la torsión; y
- s, s' son factores de escala.
En el modelo de prueba, el ángulo de los bordes de ataque y salida de los perfiles de las membranas se ha modificado en ± π/4, para obtener rendimiento aerodinámico. El refinamiento del comportamiento se consigue mediante análisis computacional de dinámica de fluidos (CFD) .
La Figuras 6 a 10 simulan la utilización de turbinas de tipo "A", "B" y "C" en diferentes aplicaciones .
La Figura 6 simula la aplicación como aerogeneradores terrestres. En esta aplicación, el dispositivo de la presente invención comprende en su base una reductora 17 y un generador 18.
Las Figuras 7a y 7b muestran la aplicación del dispositivo de la presente invención para generación eléctrica flotando y en inmersión.
En este caso, el dispositivo de la presente invención comprende una envolvente flotante 21 y un contrapeso adicional 23 por debajo del generador 22, que garantiza la estabilidad.
Un cable conductor discurre con la linea de fondeo 24 que lo une a un cuerpo muerto 25. Este dispositivo incorpora una antena pararrayos 19 y una radio-baliza o un reflector radar 20.
En la figura 8 se ha representado una aplicación del dispositivo de la presente invención como sistema de propulsión penetrante. En este caso, un buque 26 utiliza un dispositivo de la presente invención como turbina dextrógira 28 y otro dispositivo de la presente invención como turbina levógira 27 para atrapar el flujo y proyectarlo en dirección opuesta a la de la marcha. Unos dispositivos de la presente invención utilizados como turbinas laterales 29 actúan como estabilizadores o propulsores auxiliares para maniobras.
En la figura 9 se ha representado una aplicación del dispositivo de la presente invención como rotor en linea con el flujo. La velocidad de giro de las membranas 3 está regulada por la interacción de la columna 1 con el cabezal 2. Una capa de asiento 34 dentro de una cámara de expansión 35 contribuye a minimizar la fricción y reducir las pérdidas .
Finalmente, las figuras 10a y 10b muestran geometrías de persecución polinomial de n número de elementos con n = 3, 4, 5 y 6. Tanto la persecución puntual 36 como la lateral 37 determinan espirales logarítmicas de ángulo α = (n-2)ji/2n, en este caso 30°, 45°, 54° y 60° .
Por su parte, las figuras 10c y 1Od muestran patrones indicados para la distribución espacial de múltiples aparatos. El patrón fractal de la izquierda 38 se basa en la separación uniforme en circuios concéntricos (α = 90°) de m elementos en un mismo nodo; el ángulo entre éstos es β= 2ji/m = 120° para m = 3. El patrón de la derecha 39 posibilita mayor densidad. Se basa en la separación creciente de 2 elementos axialmente opuestos que se disponen en proporción áurea (β = 2ji/φ2 ~ 137,51° ) sobre espirales de ángulo α = 85°.
A pesar de que se ha hecho referencia a una realización concreta de la invención, es evidente para un experto en la materia que el dispositivo descrito es susceptible de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser substituidos por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas .

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Dispositivo generador de fuerza motriz, que comprende una columna (1) provista de una pluralidad de elementos flexibles (3) colocados alrededor de dicha columna (1), que al interponerse al flujo reaccionan girando positivamente alrededor en un mismo sentido, caracterizado por el hecho de que dichos elementos flexibles son unas membranas aerodinámicas (3) cuya disposición y forma sigue patrones espirales logarítmicos y por el hecho de que comprende un cabezal desplazable (2) colocado en la parte superior de dicha columna central (1) y una base (4) colocada en la parte inferior de dicha columna (1), estando fijada cada membrana (3) en su parte superior a dicho cabezal desplazable (2) y en su parte inferior a dicha base (4) .
2. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho cabezal desplazable (2) es giratorio alrededor de dicha columna (1) y/o se desliza a lo largo de dicha columna ( 1 ) .
3. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las membranas (3) y/o la base (4) son giratorios alrededor de dicha columna (1) .
4. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la base (4) está formada por una serie de vastagos radiales .
5. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el empuje de giro positivo en un sentido se obtiene por estar las membranas (3) dispuestas poligonalmente adoptando patrones de persecución espiral.
6. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que el control de dicho empuje de giro se obtiene variando la geometría de esa disposición espiral.
7. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la forma de dichas membranas (3) se basa en secciones de superficies de revolución arrolladas o contraídas en patrones espirales y/o en secciones de superficies isométricas desarrolladas o expandidas en superposición a cuerpos de revolución.
8. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que la forma de dichas membranas (3) está definida por las siguientes ecuaciones:
x = s* [senh (v) *cos (t*u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ] y = s'* [senh (v) *sen (t*u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ] z = [cosh (v) *senh (u) ] / [ 1+cosh (u) *cosh (v) ]
en donde :
- x, y, z son las coordenadas espaciales;
- u es un parámetro de crecimiento vertical;
- v es un parámetro de crecimiento horizontal;
- t es un valor de la torsión; y
- s, s' son factores de escala.
9. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichas membranas aerodinámicas (3) están formadas a partir de por lo menos un polímero termoplástico .
10. Dispositivo generador de fuerza de motriz según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que dichas membranas aerodinámicas (3) están formadas a partir de un polímero termoplástico elegido entre politereftalato de etileno (PET) , fibras de polietileno de alto módulo (HMPE) , de poliamidas aromáticos (PPTA, TLPC) , de poliuretano (PBO) , de vidrio (GRP) o de carbono (CRP¡
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