ES2338835B1 - Dispositivo generador de fuerza motriz. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo generador de fuerza motriz.
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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) varía 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 límites 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 álabes
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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 álabes 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-1.697.574) y Darreius
(US-1.835.018). 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), Elder (US-6.538.340)
y Becker (US-7.132.760), en las que se experimenta
con la curvatura bidimensional (ejes x,y) de los álabes para obtener
mejor eficiencia. Más recientes son las invenciones de Sidler (WO
2005/010353 A2) o Naskali (WO 2006/119648 A1) 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 álabes y
la del fluido ("tip speed ratio") hasta un máximo teórico de
eficiencia que depende el fluido. Por ello una importante línea 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 límite 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 centrífuga 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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 vástagos 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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).
\vskip1.000000\baselineskip
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 álabes 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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 1a es una vista en alzado del
dispositivo de la presente invención en su variante de torsión;
Las figuras 1b y 1c 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
línea con el flujo; y
Las figuras 10a y 10b muestran geometrías de
persecución polinomial, puntual y lateral, respectivamente; y
Las figuras 10c y 10d muestran patrones de
distribución.
\vskip1.000000\baselineskip
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 vástagos 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 vástagos radiales 4.
El movimiento del cabezal 2 y de los vástagos
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 (\alpha), que es proporcional
al logaritmo natural del radio vector y para \alpha = 90º la
reduce a un círculo. Su ecuación polar es \rho = a*e^{k\theta},
siendo k la cotangente del ángulo tangencial polar constante
(\alpha).
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 autosemejanza 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 centrífuga 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 \rho^{m} = a^{m}*\theta^{n} ,
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 1a a 1c y 2a
a 2c. En estas figuras aparece la columna 1 que está sujeto 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 vástagos
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 vástagos
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 vástagos 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 vástagos 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 vástagos 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 vástagos 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.
\newpage
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
vástagos 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 1a a
1c 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 1a a 1c muestran la geometría y
componentes del modelo tipo "A", en el que la posición estable
se obtiene por torsión.
En la figura 1a 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 1b y 1c, 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 1a.
La curva generatriz es de tipo catenario,
resultando de la deformación ejercida por las fuerzas gravitatoria
y centrífuga sobre las paredes de un ovoide triaxial. Los límites 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 centrífuga 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 límites 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).
\newpage
De forma general, puede usarse cualquier forma
isométrica cuyo arrollamiento resulte en otra superficie de
curvatura media constante igual a uno.
\vskip1.000000\baselineskip
Para la determinación de la forma básica de las
membranas de las Figuras 3a a 5d se ha usado la superficie
hipérbolica definida por las siguientes ecuaciones:
\vskip1.000000\baselineskip
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)]
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
En el modelo de prueba, el ángulo de los bordes
de ataque y salida de los perfiles de las membranas se ha
modificado en \pm \pi/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 línea 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 línea 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
\alpha = (n-2)\pi/2n, en este caso 30º, 45º, 54º y 60º.
\alpha = (n-2)\pi/2n, en este caso 30º, 45º, 54º y 60º.
Por su parte, las figuras 10c y 10d muestran
patrones indicados para la distribución espacial de múltiples
aparatos. El patrón fractal de la izquierda 38 se basa en la
separación uniforme en círculos concéntricos (\alpha = 90º) de m
elementos en un mismo nodo; el ángulo entre éstos es \beta=
2\pi/m = 120º 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 (\beta =
2\pi/\varphi^{2} \approx 137,51º) sobre espirales de ángulo
\alpha = 85º.
\newpage
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 (10)
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 vástagos 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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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