ES2222191T3 - Rotor. - Google Patents

Abstract

Rotor destinado a girar en un fluido que fluye en una dirección (A) de flujo y que comprende al menos dos y como máximo cuatro palas (2) de rotor, que están dispuestas para girar alrededor de un eje (3) de rotación, caracterizado porque cada pala (2) forma una superficie única curvada, cuya generatriz se extiende en un plano perpendicular al eje de rotación, dicha pala (2) que tiene un borde (5) delantero, que está girado hacia la dirección (A) de flujo y que se extiende esencialmente de forma radial lejos del eje (3) de rotación y en un plano que forma un ángulo () de entrada en el intervalo de 0-10º con respecto al eje (3) de rotación, y un borde (6) trasero situado corriente abajo del borde (5) delantero y que se extiende en un plano, que forma un ángulo () de salida en el intervalo de 80-100º con respecto al eje (3) de rotación, un plano (7) imaginario que interconecta dichos bordes delantero y trasero formando un ángulo () agudo con el eje de rotación, y porque cada pala está giratoriamente montada para un movimiento giratorio alrededor de un árbol (8) de giro para ajustar el ángulo (), extendiéndose dicho árbol (8) de giro en un plano que es perpendicular al eje (3) de rotación y siendo paralelo a y estando separado a una distancia (d) de un radio (9) imaginario que sale del eje (3) de rotación.

Description

Rotor.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un rotor de múltiples palas diseñado para utilizarse en la conversión de energía. Por ejemplo, el rotor podría utilizarse para extraer energía de rotación de un flujo de fluido o, a la inversa, para producir un flujo de fluido de energía de rotación.

Es particularmente ventajoso conectar el rotor a un generador y extraer energía de la potencia del agua o del viento.

Antecedentes técnicos

Ya se conocen numerosos rotores de la clase anterior, por ejemplo, del documento SE-A-9 503 657. Particularmente comunes son distintas clases de hélices que tienen varias palas de hélice dispuestas sobre un árbol. En tales hélices, cada pala de hélice forma una superficie alargada, que se extiende esencialmente de forma radial desde el árbol y que está curvada en su dirección longitudinal.

Sin embargo, los rotores de la técnica anterior padecen de varios inconvenientes, de los cuales los más serios se expondrán a continuación.

En primer lugar, el rendimiento de los rotores tradicionales es relativamente bajo. En el caso de la potencia del viento, los expertos hablan en términos de rendimiento real de una zona expuesta al viento de un metro cuadrado inferior a 1 vatio por m/s. De este modo, una hélice que tiene una zona expuesta de un metro cuadrado (un radio de aproximadamente 60 cm), podría extraer aproximadamente 10 vatios cuando la fuerza del viento asciende a 10 m/s.

En segundo lugar, cuando los rotores de la técnica anterior están expuestos a los efectos de un fluido que fluye, se generan axialmente fuerzas considerables. En las plantas de energía eólica, los expertos calculan que la estructura de soporte debe estar dimensionada para soportar el doble de fuerza de la que el rotor es capaz de convertir en energía.

Otro problema de los rotores de la técnica anterior es que generan un sonido de tono alto que algunos individuos experimentan como un ruido desagradable.

Objeto de la invención

Un primer objeto de la presente invención es proporcionar una extracción eficaz de energía, tal como energía eólica.

Un segundo objeto de la invención es proporcionar un rotor que sea económico y simple de fabricar.

Un tercer objeto de la invención es proporcionar un rotor que sea relativamente silencioso en funcionamiento.

Sumario de la invención

Estos objetos se consiguen por medio de un rotor de la clase anteriormente señalada y que tiene las características de la reivindicación 1.

Para desviar el flujo según se desee, el rotor comprende varias palas, cada una de las cuales consiste en una superficie única curvada, cuyo borde delantero se extiende esencialmente de forma radial desde el eje de rotación y está situado en un plano que forma un ángulo pequeño (preferiblemente 80-100 grados) con el eje de rotación.

Además, cada pala está montada sobre un árbol, que se extiende en un plano perpendicular al eje de rotación y que es paralela a y está separada a una distancia de un radio imaginario que se extiende hacia fuera desde el eje de rotación.

Cada pala podría formar una superficie esencialmente rectangular, cuya curvatura es tal que la proyección plana de la pala, es decir, la extensión de la pala al flujo, forma una superficie esencialmente cuadrada.

Con palas de rotor así configuradas, todo el flujo se desvía en un plano perpendicular al eje de rotación, tal como se observa en la extensión de la pala. Dado que el borde delantero se proyecta esencialmente de forma radial desde el eje de rotación y el flujo, tras su desvío, se dirige en ángulos rectos al borde delantero, el flujo relativo a cada pala ocupa una zona sectorial de 90º alrededor del eje de rotación. Si el número de palas sobrepasara de cuatro, el flujo desviado entraría en contacto con una pala adyacente, y por consiguiente, frenaría el rotor. Por esta razón, el rotor según la invención comprende un máximo de cuatro palas de rotor.

En rotores de la técnica anterior, el árbol de giro de cada pala de rotor, es decir el árbol sobre el que gira cada pala, está dispuesto radialmente hacia el exterior desde el eje de rotación, siendo paralelo el borde delantero de la pala del rotor a y estando separado a una distancia de un radio imaginario. Según las enseñanzas de la presente invención, la disposición es exactamente la opuesta, es decir, en su lugar, es el borde delantero el que está dispuesto para extenderse radialmente hacia el exterior desde el eje de rotación y es el árbol de giro el que es paralelo a y está separado de un radio imaginario. Es precisamente esta solución la que genera el patrón de flujo particular que se describe en el documento objeto.

Cada pala podría formar una superficie esencialmente rectangular, cuya curvatura es la razón por la que la proyección plana de la pala, es decir la extensión/longitud que la pala presenta hacia el flujo, forma una superficie esencialmente cuadrada.

Cuando un rotor según la invención se utiliza para extraer energía de un flujo, tal como un flujo de aire, el rotor está dispuesto de manera que el flujo corre primero en una dirección axial y choca contra el borde delantero de la pala. Por tanto, cada pala es eficaz al obligar al flujo a cambiar su dirección de movimiento, desde esencialmente en paralelo con el eje de rotación a un plano perpendicular al eje de rotación, esencialmente de forma tangencial al mismo. Esta redirección del flujo genera tangencialmente una fuerza que da lugar a una fuerza de par alrededor del eje de rotación. Varias palas están dispuestas para cooperar, razón por la cual se provoca que todo el rotor gire cuando se ve afectado por un flujo de fluido.

Además, el flujo que se mueve más allá del borde trasero de cada pala, alcanza velocidades de flujo relativamente elevadas, creando de este modo un efecto de expulsión que lleva un fluido esencialmente estancado desde el lado de sotavento de la pala. En consecuencia, se genera cierta presión negativa detrás de la pala, lo que aumenta más el par.

Dado que se provoca que todo el flujo cambie su dirección, prácticamente no se deja pasar aire a través del rotor y detrás del rotor, se forma una estela de remolinos, que se repone continuamente con fluido circundante.

En los ensayos llevados a cabo en secreto con un prototipo del rotor inventivo en una corriente de aire, el suministro de humo reveló un patrón de flujo aproximadamente configurado tal como se muestra en la figura 1.

La estructura y orientación de las palas y la imagen de flujo que producen proporcionan resultados sorprendentes en la extracción de energía. El ensayo al que se ha hecho referencia anteriormente se llevó a cabo con un prototipo inventivo que tiene una zona receptora de viento de aproximadamente un metro cuadrado en entornos en los que la fuerza del viento ascendió a aproximadamente 10 m/s. La energía efectiva que podría extraerse ascendió a aproximadamente 200 vatios, con una velocidad de rotación de 140 rpm. La potencia obtenida de este modo fue muy sorprendente.

Además, se descubrió que el rotor obtiene esencialmente su capacidad total inmediatamente después de su arranque. Por tanto, la potencia que se puede extraer es independiente de la velocidad de rotación.

El ángulo entre un plano imaginario que interconecta los bordes delantero y trasero de la pala y el eje de rotación está ventajosamente en el intervalo de 30-50º, y preferiblemente es de aproximadamente 45º.

Además, las palas podrían accionarse por muelle para girar alrededor del árbol de giro para una adaptación automática a la velocidad de flujo.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá con más detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos que muestran realizaciones preferidas de la invención para propósitos de ejemplificación. En los dibujos:

La figura 1 muestra esquemáticamente el flujo pasado un rotor según una realización de la invención.

La figura 2 es una vista en perspectiva de un rotor según una realización de la invención.

La figura 3 muestra esquemáticamente la función del dispositivo de ajuste del rotor de la figura 2.

Las figuras 4a-c muestran esquemáticamente configuraciones de rotor según la invención, que implican distintos números de palas de rotor.

La figura 5 muestra esquemáticamente una pala de rotor según una realización de la invención.

Descripción de una realización preferida

El rotor 1 mostrado en la figura 2 comprende una pluralidad de palas 2, en este caso cuatro palas, que están dispuestas para girar alrededor de un eje 3 de rotación. El rotor 1 está destinado a girar en un fluido que fluye más allá del rotor en una dirección A de flujo.

Según la realización mostrada, cada pala 2 está formada como una superficie única curvada, cuya generatriz, es decir, la línea recta que genera la superficie, se extiende en un plano que es perpendicular al eje de rotación. La curvatura de la pala 2 aparece de forma más clara en la figura 3 y se expondrá con más detalle más adelante. La pala 2 tiene un borde 5 delantero que está girado hacia la dirección A de flujo del fluido, es decir, es la parte de la pala sobre la que incide primero el fluido que fluye hacia el rotor 1. La pala también está formada con un borde 6 trasero, que de este modo está colocado corriente abajo del borde 5 delantero.

Un plano 7 imaginario que interconecta el borde 5 delantero y el borde 6 trasero forma un ángulo \alpha agudo con el eje 3 de rotación. Este ángulo podría estar, por ejemplo, en el intervalo de 30-50º, y preferiblemente es de aproximadamente 45º.

La pala según esta realización es rectangular y de configuración casi cuadrada. Se ha probado que esta configuración es ventajosa pero no debería considerarse como limitativa de la invención.

Cada pala 2 está montada para girar sobre un árbol 8 de giro, que se extiende en un plano que es perpendicular al eje de rotación y que está situado en algún sitio entre los bordes delantero y trasero de la pala.

El árbol 8 de giro se extiende esencialmente de forma radial lejos del eje 3 de rotación, y preferiblemente es paralelo a y está separado a una distancia \delta de un radio 9 imaginario que sale desde el eje de rotación.

Preferiblemente el árbol de giro está colocado sobre el lado 2a de sotavento de la pala 2, es decir el lado que se aleja de la dirección de flujo.

En la realización mostrada, los cuatro árboles 8 de giro están montados en cuatro placas 10 de chapa metálica dispuestas simétricamente alrededor del eje 3 de rotación. Las placas pueden estar unidas, por ejemplo, mediante soldadura, a un cuerpo tubular o a un cuerpo 11 anular, pero podrían estar interconectadas de forma alternativa. El cuerpo 11 anular y las placas 9 forman conjuntamente una estructura 12 de buje.

Preferiblemente, las palas 2 están accionadas por muelle para girar alrededor de su árbol 8 de giro respectivo. La capacidad de muelle podría conseguirse por ejemplo según la realización mostrada, en la que un elemento de muelle, tal como un muelle 13 helicoidal de compresión, está colocado en relación concéntrica con el eje 3 de rotación corriente abajo de la estructura 12 de buje. El muelle 13 helicoidal podría colocarse alrededor de un vástago 14, que se extiende sobre cierta distancia corriente arriba y que está sujeto de forma fija a la estructura 12 de buje.

En un extremo 13a del muelle 13 helicoidal está dispuesto un patín 15 anular alrededor del vástago 14 para ser desplazable sobre el mismo contra la acción elástica del muelle 13 helicoidal. El extremo 13b opuesto del muelle 13 helicoidal está fijado con respecto al vástago 14, por ejemplo mediante una unión fija a dicho vástago, o con ayuda de un bloque 18, que sirve como una superficie de tope contra la que colinda el muelle 13 helicoidal.

Según la realización mostrada, un montante 16 está montado con fijación en paralelo con el borde 5 delantero de cada pala para extenderse cierta distancia hacia el interior en dirección al eje 3 de rotación. Un extremo 17a de un enlace 17 está montado giratoriamente sobre el extremo del montante 16 más próximo al eje de rotación, mientras que el extremo 17b de enlace opuesto está giratoriamente montado sobre el patín 15.

La figura 3 muestra con más detalle la configuración de curvatura de la pala 2 según esta realización. Una línea L imaginaria que se extiende entre el borde 5 delantero y un punto P colocado en oposición al árbol 8 de giro sobre la pala 2 forma un ángulo \beta de 20º con el eje 3 de rotación. La curvatura de la pala continúa de manera que una línea imaginaria que interconecta el borde 5 delantero de la pala y el borde trasero de la misma forme un ángulo \alpha de aproximadamente 45º con el eje de rotación. En el borde 5 delantero, la pala forma un ángulo \varphi con la dirección A de flujo y el eje 3 de rotación, oscilando dicho ángulo \varphi entre 0 y 10º, mientras que en el borde 6 trasero, la pala 2 forma un ángulo \delta con la dirección A de flujo y el eje 3 de rotación, oscilando dicho ángulo \delta entre 80 y 100º.

La función del rotor se describirá a continuación según el uso del rotor para extraer energía a partir de una corriente de paso de un fluido, tal como aire. En casos en los que la función es la inversa, es decir, cuando el rotor convierte la energía de rotación en un flujo de fluido, la siguiente descripción debe adaptarse en consecuencia. Hacerlo de este modo depende de la capacidad del experto.

Cuando el fluido que fluye incide sobre los bordes 5 delanteros de las palas 2, el flujo sigue la curvatura de las palas y por consiguiente se desvía. El desvío, que es una aceleración lateral, genera una fuerza centrífuga que afecta a las palas 2 en una dirección periférica con respecto al eje 3 de rotación, por lo que se genera una fuerza M_{1} de par. Las palas 2 están dispuestas en el rotor de manera que las fuerzas de par inducidas por las palas cooperan y por tanto giran el rotor 1 y también accionan cualquier equipo conectado al mismo para propósitos de extracción de energía.

Dado que el árbol 8 de giro está colocado sobre el lado de sotavento de la pala 2, el lado de barlovento de la pala, es decir, el lado girado hacia el flujo de fluido, está completamente libre, lo que resulta en un flujo constante.

Cuando el flujo pasa el borde 6 trasero de la pala, la dirección de flujo ha cambiado y ahora se aleja del eje 3 de rotación, en lugar de dirigirse en paralelo con ese eje. En la realización mostrada, la dirección de flujo en el borde trasero de la pala 2 es esencialmente perpendicular hacia fuera del eje de rotación, y se extiende así en un plano perpendicular al eje 3 de rotación.

Debido a la curvatura constante de la pala, la velocidad del flujo de fluido no se reduce, sino que al contrario aumenta dado que se fuerza a que todo el fluido que fluye hacia la zona de recepción de la pala, que consiste en una proyección 19 plana de la pala en la dirección transversal al flujo, pase por el borde 6 trasero (véase la figura 1). Por consiguiente, la adaptación correcta de la curvatura de la pala es esencial, de manera que se consiguen relaciones apropiadas entre la zona de recepción, la curvatura y la longitud de la pala. La curvatura de la pala junto con la longitud de la pala determinan el ángulo \alpha.

De este modo, el fluido está obligado a pasar por el borde 6 trasero a una velocidad que es superior a la velocidad de flujo original. Esto genera un efecto de expulsión, por lo que el fluido en el lado de sotavento es llevado por el flujo B de fluido que corre más allá del borde 6 trasero. Este efecto de expulsión crea una cierta presión negativa en el lado de sotavento de la pala 2, lo que refuerza más el par M_{1} del rotor.

Dado que esencialmente todo el flujo de fluido en la dirección a lo largo del eje 3 de rotación es desviado y en su lugar se hace que fluya en una dirección alejada del eje de rotación, se genera una zona que es relativamente libre de flujo corriente abajo del rotor, es decir, una estela de remolinos. Con una configuración cuidadosa de las palas 2, en esta estela 20 de remolinos puede imponerse una situación de calma esencialmente completa. De este modo, se genera un flujo C de fluido dirigido hacia la estela de remolinos, tal como se muestra en la figura 1.

Además de verse afectada por la fuerza F_{1} periférica que da lugar al par M_{1}, cada pala también se ve afectada por una fuerza F_{2} que provoca la generación de una fuerza M_{2} de par, tendiendo la última fuerza a girar la pala alrededor del árbol 8 de giro. Este movimiento giratorio se evita con el montante 16, que está inmovilizado por el patín 15, a través del enlace 17. No obstante, cuando la velocidad de flujo es lo suficientemente elevada, la fuerza M_{2} de par se vuelve tan potente que el patín se desplaza a lo largo del vástago 14 contra la acción del muelle 13 helicoidal.

El movimiento giratorio que la pala efectúa de este modo da como resultado una reducción del desvío del flujo de fluido, dado que la zona de recepción de la pala se vuelve más pequeña. Además, ahora puede fluir un fluido entre los bordes delanteros de las palas, cerca del eje 3 de rotación, y hacia el lado de sotavento de la pala, lo que destruye la presión negativa que previamente prevalecía en este lado. Conjuntamente, esto lleva a una reducción de las fuerzas M_{1} y M_{2} de par. La posición angular de la pala 2 se vuelve por tanto auto-ajustable, de manera que el ángulo \alpha adquiere un valor tal que la fuerza M_{2} de par equilibra la acción de muelle del muelle 13 de compresión. De este modo, una elección apropiada del elemento de muelle produce el ajuste deseado del par M_{1} del rotor.

El rotor según la invención provoca el desvío de todo el flujo en un plano perpendicular al eje de rotación en una dirección tangencial. Dado que el borde delantero de cada pala de rotor se proyecta esencialmente de forma radial desde el eje de rotación, se generan los patrones de flujo tal como se muestran en las figuras 4a-c, figuras de dibujos que muestran esquemáticamente varias configuraciones distintas de rotor según la invención. La extensión de cada pala de rotor hacia el flujo está indicada con 25a-c, mientras que las flechas que indican la dirección de flujo están indicadas con 26a-c.

La figura 4a muestra una configuración que comprende dos palas 25a de rotor. El flujo 26a a lo largo de estas palas de rotor se aleja del rotor en direcciones opuestas en un plano perpendicular al eje de rotación. En la figura 4b, están indicadas tres palas 25b de rotor, y en este caso el flujo 26b se aleja del rotor en tres direcciones distintas, separadas 120º. Finalmente, la figura 4c corresponde a la configuración del rotor anteriormente descrita y que comprende cuatro palas 25c de rotor. El flujo 26c se aleja en este caso del rotor en cuatro direcciones distintas.

Se observa además que los flujos en las figuras 4a-c representan situaciones momentáneas. En funcionamiento, las direcciones 26a-c de flujo obviamente varían con la rotación del rotor, lo que da como resultado un flujo principalmente continuo lejos del eje de rotación en todas direcciones.

Tal como se apreciará, son posibles un gran número de modificaciones de las realizaciones anteriores dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Un ejemplo de una realización alternativa y preferida de una pala de rotor según la invención, se muestra en la figura 5, realización que comprende elementos 27 de cobertura en la forma de placas colocadas en los lados de las palas de rotor, de manera que se forme una estructura 28 con forma de pala. Los elementos de cobertura obligan a que una parte incluso más grande del flujo de fluido se mueva más allá del borde trasero de la pala, aumentando de este modo el rendimiento del rotor en un 20 por ciento o más. En el ejemplo mostrado, la pala del rotor se extiende en sí misma un poco más allá de las placas 27 de cobertura pero esta característica no debería considerarse como limitativa.

Claims (7)

1. Rotor destinado a girar en un fluido que fluye en una dirección (A) de flujo y que comprende al menos dos y como máximo cuatro palas (2) de rotor, que están dispuestas para girar alrededor de un eje (3) de rotación,

caracterizado porque

cada pala (2) forma una superficie única curvada, cuya generatriz se extiende en un plano perpendicular al eje de rotación,

dicha pala (2) que tiene un borde (5) delantero, que está girado hacia la dirección (A) de flujo y que se extiende esencialmente de forma radial lejos del eje (3) de rotación y en un plano que forma un ángulo (\varphi) de entrada en el intervalo de 0-10º con respecto al eje (3) de rotación, y un borde (6) trasero situado corriente abajo del borde (5) delantero y que se extiende en un plano, que forma un ángulo (\delta) de salida en el intervalo de 80-100º con respecto al eje (3) de rotación,

un plano (7) imaginario que interconecta dichos bordes delantero y trasero formando un ángulo (\alpha) agudo con el eje de rotación, y porque

cada pala está giratoriamente montada para un movimiento giratorio alrededor de un árbol (8) de giro para ajustar el ángulo (\alpha), extendiéndose dicho árbol (8) de giro en un plano que es perpendicular al eje (3) de rotación y siendo paralelo a y estando separado a una distancia (d) de un radio (9) imaginario que sale del eje (3) de rotación.

2. Rotor según la reivindicación 1, en el que el ángulo (\alpha) está en el intervalo de 30-50º y preferiblemente de aproximadamente 45º.

3. Rotor según la reivindicación 1 o 2, en el que las palas son accionadas por muelle para girar alrededor del árbol (8) de giro para ajustar automáticamente el ángulo (\alpha) a la velocidad de flujo.

4. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende cuatro palas (2).

5. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada pala (2) forma una superficie esencialmente rectangular.

6. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rotor se utiliza para extraer energía eólica.

7. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rotor se utiliza para extraer energía hidráulica.