ES2244266A1 - Micromaquina. - Google Patents

Abstract

Una micromáquina que incluye al menos un rotor sin álabes, estando dicho rotor adaptado para impartir energía a o derivar energía desde un fluido. Un rotor para una micromáquina que comprende al menos un par de discos alineados coaxialmente y ligeramente espaciados que definen superficies planas enfrentadas, teniendo al menos un disco al menos una abertura, por la que se define un pasaje de fluido entre la abertura, las superficies planas y la periferia del rotor, estando formado el rotor por un material monocristalino.

Description

Micromáquina.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a micromáquinas y a un rotor mejorado para micromaquinaria. El término micromaquinaria se emplea para englobar muchos tipos de turbinas o compresores muy pequeños. Estas máquinas pueden ser tan pequeñas que sólo midan 12 mm de diámetro con rotores de 4 mm de diámetro.

Antecedentes

Micromáquinas tales como micro-turbinas de gas, generadores de energía de combustión, bombas y compresores se describen en la patente estadounidense nº 5.932.940 (la patente M.I.T.), cuya descripción se incluye aquí como referencia. Todas estas máquinas contienen un rotor que consta de un disco o discos que definen bien un compresor/bomba centrífuga o bien una turbina de flujo radial. El material de construcción se caracteriza por una relación resistencia-densidad que permite una velocidad de rotor de al menos 500.000 rotaciones por minuto. Las máquinas se construyen usando técnicas de microfabricación incluyendo deposición en fase de vapor y grabado químico de microplaquetas, siendo el material de construcción común a todos los elementos estructurales.

Los rotores del compresor y de la turbina de los dispositivos descritos en la patente M.I.T. utilizan una pluralidad de paletas de flujo radial. Se considera que esta disposición de álabes no es deseable en micromáquinas por las siguientes razones:

(a) debido a que la naturaleza de la construcción implica técnicas de construcción plana, los redondeos en las aristas son difíciles de conseguir y, en ausencia de los redondeos adecuados, la concentración de altas tensiones en la unión de la base de los álabes disminuye la resistencia a la fractura de estos microelementos;

(b) la colocación de los álabes alrededor de la periferia de los discos aumenta la masa de la estructura en el lugar en el que las tensiones centrífugas tienen el mayor efecto;

(c) la multitud de álabes tiende a provocar una turbulencia indeseable y pulsaciones los fluidos de trabajo, y la naturaleza cíclica de la reacción entre fluidos y álabes resulta en fluctuaciones de tensiones cíclicas (tensiones de fatiga) que limitan la durabilidad (vida de fatiga) del conjunto rotor;

(d) la velocidad máxima de rotor está limitada en parte por las tensiones mecánicas y térmicas permisibles que pueden imponerse sobre la estructura del rotor por la multitud de paletas de flujo radial;

(e) el grado de equilibrio de rotor obtenible se ve afectado por el requisito de una multitud de paletas de flujo radial; y

(f) el disco del rotor emplea álabes sólo en un lado y está sujeto a un momento de flexión, causado por las fuerzas centrífugas sobre el álabe.

Son estos problemas los que han provocado la siguiente invención para utilizar un rotor sin álabes o sin paletas en micromáquinas.

El uso de rotores sin álabes ha sido sugerido en el contexto de turbinas a "gran escala". De este modo, un método para comandar turbinas por medio del rozamiento viscoso fue explicado por Tesla en la patente estadounidense 1.061.206 y para la propulsión de fluido en la patente estadounidense 1.061.142. En ambas descripciones el rotor consta de una pila de discos planos circulares con aberturas en las zonas centrales, siendo los discos ligeramente separados. En la forma de realización de la turbina el rotor se pone en movimiento por la acción adhesiva y viscosa del fluido de trabajo, que entra en el sistema tangencialmente por la periferia y lo deja por su centro. En la realización de la propulsión del fluido, el fluido entra en el sistema por el centro de los discos rotatorios y es transferido por medio del rozamiento viscoso a la periferia donde es descargado tangencialmente.

Para aplicaciones de propulsión del fluido tales como bombas y compresores, el fluido es forzado a una circulación en forma de vórtice alrededor de un punto central donde se crea un gradiente de presión. Este gradiente de presión es tal que un aumento de la distancia en sentido radial desde el centro de rotación lleva a un aumento en la presión, con la densidad del fluido y la velocidad de rotación determinando la intensidad del aumento de presión. Si un flujo radial hacia afuera es superpuesto a la circulación en vórtice se impone una presión creciente sobre el fluido a medida que fluye hacia afuera.

Para conservar la circulación en vórtice, debe actuar una fuerza externa sobre el fluido, y esta fuerza debe acelerar el fluido en la dirección tangencial a medida que el fluido se mueve hacia afuera para mantener su velocidad angular. Esta función es simplemente una transferencia de la cantidad de movimiento desde el impulsor hacia el fluido, y con un impulsor compresor centrífugo esto puede conseguirse de una o dos maneras. Un primer método es confinar el fluido dentro de un canal de contorno fijo y luego acelerar el canal. En un impulsor del tipo utilizado con técnicas anteriores de micromaquinaria, las paletas y las paredes del rotor forman dicho canal, y la aceleración se produce cuando el fluido se mueve hacia afuera hacia las regiones de mayor velocidad de propulsión. Un segundo método de transferencia de cantidad de movimiento es por rozamiento viscoso y este es el principio que subyace en la disposición descrita en las dos patentes estadounidenses a las que se ha hecho referencia anteriormente. El rozamiento viscoso siempre actúa en el sentido de reducir la diferencia de velocidad, de forma que en el caso de un compresor en el que las paredes del canal se mueven relativa y paralelamente al fluido, el fluido se acelerará en la dirección del movimiento del canal. Por el contrario, cuando es el fluido el que se mueve con relación y paralelamente a las paredes del canal, las paredes del canal se acelerarán en la dirección del movimiento del fluido.

Los rotores sin álabes o sin paletas conocidos han tenido un éxito moderado en las turbinas a gran escala. El número relativamente grande de piezas necesarias para su construcción y la distorsión de los discos que tiene lugar bajo las condiciones de elevadas tensiones térmicas y mecánicas han limitado su adopción.

Son estos problemas los que han hecho surgir esta invención.

Sumario de la invención

Según un aspecto de la presente invención se proporciona una micromáquina que incluye al menos un rotor sin álabes, estando dicho rotor adaptado para impartir energía a u obtener energía de un fluido.

Para la micromáquina, el rotor de la invención puede tener un disco de diámetro no superior a 20 mm.

Preferiblemente, el rotor incluye un eje central que soporta al menos dos discos planos ligeramente espaciados, teniendo dichos discos superficies enfrentadas que definen un pasaje de fluido. Al menos uno de los discos puede tener una o más aberturas para permitir al fluido pasar hacia dentro o hacia afuera del pasaje de fluido. Las aberturas están preferiblemente cerca de una región central del disco. Puede haber dos o más discos con aberturas, con las aberturas de cada disco alineadas con las de los otros discos. Preferiblemente los discos están separados por espaciadores.

El rotor de la invención puede tener un disco de apoyo soportando varios discos anulares que forman una hilera de discos coaxiales ligeramente espaciados. En esa disposición, cada disco anular puede estar montado sobre el disco de apoyo o un disco adyacente mediante una hilera de espaciadores. El disco de apoyo va montado preferiblemente de forma coaxial sobre un eje.

La micromáquina, incluyendo su rotor, preferiblemente tiene un estátor con paletas colocado alrededor de la periferia del rotor sin álabes.

La micromáquina está hecha preferiblemente de material capaz de funcionar a temperaturas superiores a 1000ºC. El rotor, muy preferiblemente, está hecho de un material con una resistencia a la tracción que permita al rotor funcionar a velocidades mayores que 500.000 rpm a las elevadas temperaturas asociadas a la combustión. El rotor puede estar hecho de material monocristalino. El rotor puede, por ejemplo, estar formado al menos en parte de un material de silicio, carburo de silicio, silicio recubierto de carburo de silicio, y silicio recubierto de nitruro de silicio.

El rotor está preferiblemente formado con una técnica de microfabricación, como la fotolitografía o la deposición en fase de vapor.

Según otro aspecto de la presente invención se proporciona un rotor para una micromáquina, en donde el rotor incluye al menos un par de discos alineados coaxialmente y ligeramente espaciados que definen superficies planas enfrentadas, y al menos un disco tiene al menos una abertura por la que se define un pasaje de fluido entre la abertura, las superficies planas y la periferia del rotor, y en donde el rotor no tiene álabes y está formado por un material monocristalino.

Según otro aspecto de la presente invención se proporciona un rotor para una micromáquina, en donde el rotor incluye al menos un par de discos alineados coaxialmente y ligeramente espaciados que definen superficies planas enfrentadas, al menos un disco tiene al menos una abertura por la cual se define un pasaje de fluido entre la abertura, las superficies planas y la periferia del rotor, y en donde el rotor no tiene álabes y está construido de un material que tiene una resistencia a la tracción que permita al rotor funcionar a velocidades mayores que 500.000 rpm a las elevadas temperaturas asociadas a la combustión.

Según otro aspecto más de la presente invención se proporciona un rotor, en donde el rotor incluye un disco de apoyo y al menos un disco anular coaxialmente espaciado apoyado en el disco de apoyo por un buje central que define al menos una abertura, en donde el rotor no tiene álabes y el disco anular define un pasaje de fluido libre de obstáculos entre la abertura y la periferia del disco.

El rotor de la invención es, muy preferiblemente, de construcción unitaria. El rotor está preferiblemente formado con una técnica de microfabricación, como la fotolitografía o la deposición en fase de
vapor.

Descripción de los dibujos

A continuación se describirán las formas preferidas de realización de la invención sólo a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 es una vista en alzado frontal de una primera realización de un rotor sin álabes para el uso en una micromáquina,

la Figura 2 es una vista en alzado lateral del rotor sin álabes de la Figura 1,

la Figura 3 es una vista en corte transversal tomada a lo largo de la línea III-III de la Figura 1,

la Figura 4 es una vista en alzado frontal de una segunda realización de un rotor sin álabes,

la Figura 5 es una vista en corte del rotor, tomada a través de la línea V-V de la Figura 4,

la Figura 6 es una vista en corte del rotor, tomada a través de la línea VI-VI de la Figura 4,

la Figura 7 es una vista tridimensional que ilustra dos rotores sin álabes montados coaxialmente sobre un eje común,

la Figura 8 es una vista en alzado frontal de un rotor sin álabes según una tercera realización,

la Figura 9 es una vista en alzado lateral del rotor de la Figura 8,

la Figura 10 es una vista en corte del rotor tomada a través de la línea X-X de la Figura 9,

la Figura 11 es una vista en alzado frontal de un aparato de pruebas que ilustra el funcionamiento de una turbina de flujo radial que utiliza un rotor sin álabes,

la Figura 12 es una vista en corte transversal tomada a lo largo de la línea XII-XII de la Figura 11,

la Figura 13 es una vista en alzado frontal de un aparato de pruebas que ilustra el funcionamiento de una turbina de flujo radial que emplea un rotor con álabes,

la Figura 14 es una vista en corte transversal tomada a lo largo de la línea XIV-XIV de la Figura 13,

la Figura 15 es un gráfico de la velocidad del rotor frente a la presión de la cámara impelente utilizando el aparato de pruebas de las Figuras 11 y 13, y

la Figura 16 es un gráfico de la velocidad del rotor frente al flujo de masa en gramos por segundo.

Descripción de la realización preferida

En la patente estadounidense 5.932.940 (la patente M.I.T.) hay una descripción de micromaquinaria en la forma de micro turbinas de gas y microcomponentes asociados. Los componentes tales como el compresor, los difusores, las cámaras de combustión, los rotores de la turbina y los estátores son todos descritos como fabricados empleando técnicas de microfabricación en un material que es común a todos los elementos. Entre los materiales adecuados se incluyen una variedad de materiales cerámicos empleados en el campo de los semiconductores o en el de la microelectrónica, tales materiales incluyen el silicio, el carburo de silicio o el nitruro de silicio. Otros materiales adecuados incluyen metales refractarios y aleaciones basadas en el níquel, tantalio, iridio y renio. También se consideran materiales compuestos como el siliciuro de molibdeno. Los materiales también pueden variar dependiendo de si se emplean en la zona caliente o en la zona fría de la micromáquina. Tales técnicas y materiales son adecuadas para su uso con un rotor y una micromáquina de acuerdo con la invención.

Independientemente de si la máquina es una turbina o un compresor, incluye al menos un rotor normalmente montado sobre un eje. En una forma de realización la máquina podría incluir un eje común que dirige un disco compresor en un extremo, definiendo un compresor centrífugo y un disco de turbina en el extremo opuesto definiendo una turbina de flujo radial hacia el interior. Los componentes son muy pequeños de forma que el conjunto entero mide menos de 20 mm de diámetro. Las micromáquinas están diseñadas para funcionar a velocidades muy altas con una velocidad angular típica de al menos 500.000 revoluciones por minuto. En una forma de realización preferida las dimensiones de la máquina abarcan los discos del compresor y de la turbina, de diámetros entre 1 y 20 mm con una cámara de combustión que tiene una altura entre 2 y 10 mm y con una longitud axial para la cámara de combustión entre 0,5 mm y 12 mm. Los materiales que se emplean para producir los componentes deberían ser preferiblemente capaces de aguantar temperaturas de al menos 1.000ºC en el caso de las turbinas. De nuevo, estas consideraciones son igualmente válidas para un rotor y una micromáquina de acuerdo con la presente invención, como se pondrá de manifiesto en lo que sigue.

La micromáquina descrita en la patente M.I.T. utiliza rotores con álabes o paletas. Como se ha discutido en la introducción de la presente descripción, se considera que el uso de un rotor con álabes o paletas en la micromaquinaria provoca una serie de problemas, muchos de los cuales pueden resolverse mediante el uso de rotores sin álabes o paletas.

En la forma de realización mostrada en las Figuras 1 a 3, se ilustra una forma de construcción sugerida para un rotor 10 sin álabes. El rotor 10 sin álabes o paletas mostrado en las Figuras 1 a 3 incluye dos discos o anillos coaxiales 12 y 13 fundamentalmente planos y lisos que forman una hilera y están muy próximos y separados por un espaciador en forma de estrella 14 que va unido a un disco de apoyo 16. El espaciador 14 está provisto de aberturas 18 que comunican con el espacio 20 entre el disco de apoyo 16 y el anillo 12 y con el espacio 21 entre el anillo 12 y el 13. En el ejemplo mostrado el rotor tiene un diámetro de unos 4 mm y una anchura de unos 0,6 mm. El rotor está construido de material como silicio, carburo de silicio u otro material adecuado y está fabricado preferiblemente como un subconjunto de micromaquinaria de una técnica anterior y, por supuesto, compatible con la fabricación de componentes de micromaquinaria asociados.

Los espacios 20 y 21 forman pasajes de fluido desde la abertura 18 hasta la periferia de los anillos 12 y 13. Los pasajes de fluido están definidos por cuatro superficies, 22, 23, 24 y 25 sobre las cuales fluye el fluido, a saber las superficies enfrentadas 23 y 24 de los anillos 12 y 13 y las superficies enfrentadas 22 y 25 del anillo 12 y el disco de apoyo 16.

En las Figuras 4 a 6, se ilustra una segunda forma de realización del rotor de una micromáquina. En el rotor 30, un disco de apoyo 32 soporta un separador con forma de cruz 34 sobre el cual se apoyan formando una hilera dos discos anulares o anillos paralelos 36 y 37 sustancialmente planos y lisos muy próximos entre sí. El separador 34 va provisto de aberturas 38 que están en conexión fluida con el espacio 40 entre el disco de apoyo 32 y el anillo 36 y con el espacio 41 entre el anillo 36 y el anillo 37. Los espacios 40 y 41 forman pasajes de fluido desde las aberturas 38 hasta la periferia de los anillos 36 y 37. Los pasajes de fluido están definidos por las cuatro superficies 42, 43, 44 y 45, a saber las superficies enfrentadas 43 y 44 de los anillos 36 y 37, y las superficies enfrentadas 42 y 45 del anillo 36 y el disco de apoyo 32. El diámetro interior 46 de los espacios 40 y 41, es más pequeño que el diámetro exterior 48 de las aberturas 38. Esta disposición permite un flujo sin obstáculos de la circulación del vórtice del fluido dentro de los pasajes de fluido formados por los espacios 40 y 41 y dentro de las aberturas 38. En esta forma de realización el rotor tiene un diámetro aproximado de 4 mm y una anchura de unos 0,6 mm.

La construcción del rotor 10 de las Figuras 1 a 3 y el rotor 41 de las Figuras 4 a 6 puede realizarse mediante técnicas de microfabricación de uso común como la fotolitografía y las capas de enmascaramiento. En el caso de que el silicio sea el material de construcción, pueden emplearse también procesos de grabación en surco profundo que empleen pasos de grabación con plasma anisotrópico alternando con pasos de polimerización. Un proceso así se describe en la patente estadounidense nº 5.501.893 y está disponible en Surface Technology Systems Ltd. de Imperial Park, Newport, Reino Unido. Sin embargo, pueden emplearse otras técnicas de grabación, y preferiblemente las técnicas de grabación y química empleadas serán capaces de producir geometrías de surco profundo con grandes relaciones dimensionales. Pueden emplearse otras técnicas de fabricación, en particular cuando el material de construcción es carburo de silicio, en cuyo caso los componentes pueden moldearse por depositado de fase de vapor del material seleccionado dentro de un molde pre-grabado formado por ejemplo a partir de una microplaqueta de silicio. Los componentes moldeados resultantes se sacan luego de sus moldes y pueden enlazarse con los otros componentes para producir el rotor final.

El rotor 10 mostrado en las Figuras 1 a 3 puede funcionar como un compresor/bomba o como una turbina. En el caso de que el rotor se defina como el compresor/bomba de una microturbomáquina, se imprime velocidad al rotor dentro de una carcasa adecuada por medios eléctricos o mecánicos (no mostrados). Debería indicarse que el rotor 10 funcionará con igual eficacia cuando se dirija en sentido de las agujas del reloj que cuando lo haga en el sentido contrario a las agujas del reloj. El fluido, al entrar por las aberturas de entrada 18 y ponerse en contacto con los discos 12 y 13, se ve sujeto a dos fuerzas, una que actúa tangencialmente en la dirección de la rotación, y la otra radialmente hacia el exterior. El efecto combinado de estas fuerzas tangencial y radial es la propulsión del fluido con velocidad creciente en una trayectoria en espiral hasta que alcanza el perímetro del rotor por donde es expulsado. En el caso en que el rotor funciona como turbina en una microturbomáquina el funcionamiento descrito anteriormente es invertido. Por lo tanto, si el fluido bajo presión es admitido tangencialmente hacia el perímetro del disco rotor, el rotor se pondrá en movimiento por las propiedades del rozamiento viscoso del fluido que, recorriendo una trayectoria en espiral y con una velocidad continuamente decreciente alcanza las aberturas 18 por donde escapa.

Aunque un rotor 10 con los dos discos 12 y 13 se describe en las Figuras 1 a 3, se entiende que se puede utilizar una pluralidad de más de dos discos que cumplan adecuadamente con los requisitos de funcionamiento particulares. De modo similar, el rotor 30 de las Figuras 4 a 6 puede tener al menos un disco o anillo adicional a los anillos 36 y 37.

Como puede apreciarse en las Figuras 1 a 3, las tensiones impuestas por las fuerzas centrífugas son aguantadas radialmente por el separador en forma de estrella 14, previniendo así un momento flector en el disco de apoyo 16. También, según se ilustra en las Figuras 1 a 3, los extremos 26 del separador con forma de estrella 14 que se prolongan dentro del espacio 20 entre la placa de apoyo 16, y el disco 12, y el espacio 21 entre los discos 12 y 13 para proporcionar apoyo lateral a los discos 12 y 13.

De forma opuesta, en la segunda forma de realización ilustrada en las Figuras 4 a 6, los extremos del espaciador en forma de estrella 34 terminan por debajo del diámetro exterior 48 de las aberturas 38 formando en consecuencia el diámetro interior 46 de los espacios 40 y 41. Los beneficios de esta forma de realización son que el flujo de fluido perturbado, causado por los extremos 26 del espaciador 14 del rotor 10 de la primera forma de realización, puede ser eliminado y el flujo por rozamiento viscoso puede continuar sin obstáculos hacia las aberturas 38.

Un material de construcción preferido para el rotor de la invención es el carburo de silicio. Este material posee como propiedades una alta resistencia y estabilidad dimensional (resistencia a la termofluencia) para temperaturas elevadas y una elevada relación resistencia-densidad. En el caso particular de un rotor de turbina sin álabes de técnica anterior, en donde los principales problemas han estado siempre relacionados con la vibración interna, las altas temperaturas, altas velocidades y altas presiones, ha sido impracticable la construcción del rotor de carburo de silicio, limitando así el potencial de alto rendimiento de los rotores de turbina que funcionan con los principios del rozamiento viscoso del fluido. El uso del carburo de silicio en el rotor de una micro turbina de gas según la presente invención minimiza la distorsión del disco y permite mayores velocidades y por lo tanto un mejor rendimiento. Además, debido a que el rotor está hecho con técnicas de microfabricación, se gana una ventaja de los métodos particulares disponibles para la producción por lotes. En el caso en que los rotores de la microturbomáquina puedan funcionar a temperaturas inferiores a las de las micro turbinas de gas, el material preferido de construcción puede ser el silicio. Este material ya se usa ampliamente en los componentes microelectrónicos y las técnicas de fabricación están bien comprendidas. Las cerámicas son materiales excelentes para la microfabricación de componentes sometidos a grandes tensiones porque muestran una gran resistencia a la tracción a temperaturas muy elevadas.

En algunas aplicaciones de micromaquinaria, se puede aplicar un nivel de tensión térmica o mecánica relativamente bajo, en cuyo caso los medios para soportar los anillos 12 y 13 según se muestra para el rotor 10 en las Figuras 1 a 3 puede modificarse. Lo mismo sirve para los anillos 36 y 37 del rotor 30 mostrado en las Figuras 4 a 6.

La Figura 7 es una vista en perspectiva de un rotor 50 de una micro turbina de gas de la presente invención construida según lo habitual para una turbina de gas que sigue el ciclo de Bryton. El rotor 50 tiene una unidad compresora 51 de flujo radial de salida y una unidad de turbina 52 para el flujo radial de entrada cada una de las cuales funciona con los principios del rozamiento viscoso de fluido. Las unidades 51 y 52 van montadas por sus respectivos discos de apoyo 53 y 54 a los respectivos extremos de un eje de conexión 55.

Cada una de las unidades 51 y 52 del rotor 50 de la Figura 7 tiene una forma general parecida a la del rotor 10 de las Figuras 1 a 3 y del rotor 30 de las Figuras 4 a 6. Una descripción detallada de las unidades 51 y 52 no es, por tanto, necesaria. Sin embargo, como se ve, los discos de apoyo respectivos 53 y 54 están encarados el uno frente al otro a lo largo del eje 55. Por lo tanto, los anillos 56 y 57 de la unidad 51 son adyacentes a la superficie del disco 53 que es remoto a la unidad 52, mientras que los anillos 58 y 59 son adyacentes a la superficie del disco 54 que es remoto a la unidad 51.

En las Figuras 8 a 10 se muestra una forma de realización en la cual un rotor 70 de una micromáquina consta de un disco de apoyo 72 sobre el cual van montados una serie de espaciadores 73. Cada uno de los espaciadores 73 está unido por una cara al disco de apoyo 72 y por la cara opuesta al anillo 74. Sobre la cara opuesta del anillo 74 va montada otra serie de espaciadores 75 y estos espaciadores van en contacto con la cara interior del anillo 76. Aunque en los dibujos se muestran seis espaciadores 73 y seis espaciadores 75 de un tamaño y forma particular se comprende que pueden ser válidas otras cantidades, tamaños y formas. En esta forma particular de realización de la invención de las Figuras 8 a 10, la ventaja del apoyo radial dado a los anillos por el espaciador en forma de estrella según muestran las Figuras 1 a 3 o de un espaciador en forma de cruz según muestran las Figuras 4 a 6 respectivamente, se intercambia por la ventaja de una abertura sin obstáculos 78. Esta forma de realización de las Figuras 8 a 10, como la primera forma de realización de las Figuras 1 a 3 y la segunda forma de realización de las Figuras 4 a 6, define pasajes de fluido entre la abertura 78 y la periferia de los anillos 74 y 76.

Las dimensiones del rotor 70 en conjunto, y el espaciamiento del disco 72 y los anillos 74 y 76, para cualquier máquina dada estarán determinados por las condiciones y requisitos de la aplicación particular de la micromáquina, como con el rotor 10 de las Figuras 1 a 3, el rotor 30 de las Figuras 4 a 6 y el rotor 50 de la Figura 7. En general, hace falta mayor espaciamiento entre discos para diámetros de disco más grandes, recorridos en espiral más largos y mayores viscosidades del fluido. Por ejemplo, cuando la máquina está configurada como una turbina el par es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad relativa del fluido respecto al rotor y al área efectiva de los discos, e inversamente porporcional a la distancia que los separa. El tamaño y la forma de las aberturas de los discos también estará determinada según la aplicación y la construcción del rotor. En un rotor de múltiples discos, el disco más lejano al disco de apoyo puede tener aberturas más grandes no sólo para acomodar el flujo de salida del fluido a través del pasaje adyacente al disco, sino también la salida de fluido de los otros discos entre el disco de apoyo y el disco más lejano. Además, el acabado de la superficie de los discos es lo suficientemente liso para que al menos a una capa de partículas de fluido se adhieran al disco, creando por lo tanto una capa límite en el vórtice del fluido.

En sus formas preferidas, la presente invención puede proporcionar las siguientes ventajas sobre el uso de paletas de flujo radial en microturbomáquinas de técnica anterior:

(a) menor concentración de tensiones en las aristas;

(b) menor turbulencia y pulsación en los fluidos de trabajo;

(c) mayores velocidades angulares dentro de los límites de la resistencia a la tracción y módulo elástico del material debido a la carga plana radial y la ausencia de cambios bruscos de sección;

(d) mejor equilibrado del rotor;

(e) reducción del momento flector causado por las cargas centrífugas de los álabes;

y en el caso del uso técnicas anteriores en rotores sin álabes de gran escala:

(a) no se requiere la multiplicidad de partes; y

(b) distorsión de disco minimizada debido al material de construcción preferido que da una alta resistencia y estabilidad dimensional a elevadas temperaturas como, por ejemplo, carburo de silicio o silicio.

La reducción o eliminación de las tensiones cíclicas que surgen de la reacción entre los álabes y los fluidos de trabajo en los rotores de microturbinas de técnica anterior, tiene el efecto de obtener las ventajas bosquejadas en el párrafo (b) anterior y, efectivamente, extender la vida de fatiga, o durabilidad del rotor en la presente configuración sin álabes.

Las figuras 11 y 12 muestran un primer aparato de pruebas 80 para su uso en el ensayo de un rotor 10 sin álabes como muestran las Figuras 1 a 3. Las Figuras 13 y 14 muestran un segundo aparato de pruebas 80, usado para ensayar un rotor con álabes 100 con los álabes 102. Los respectivos aparatos 80 de las Figuras 11 y 12 y de las Figuras 13 y 14 son idénticos, y por lo tanto tienen los mismos números de referencia y son descritos refiriéndose a cualquiera de ellos. El rotor 100 mostrado en las Figuras 13 y 14 tiene una construcción modelada lo más fielmente posible según los rotores de turbina descritos en la patente M.I.T.

Los respectivos aparatos 80 se usaron para demostrar la eficacia de usar un rotor sin álabes en una micromáquina representada por un aparato de pruebas 80 como el mostrado en las Figuras 11 y 12 y, usando un rotor 100 con álabes en un aparato de pruebas 80 como el mostrado en las Figuras 13 y 14. Es decir, el propósito de los aparatos 80 era demostrar el comportamiento de tales maquinarias cuando se emplea un rotor 10 sin álabes del tipo descrito antes, según las Figuras 11 y 12, comparado con el comportamiento de un rotor 100 convencional con álabes, que tiene los álabes 102 según las Figuras 13 y 14. Por razones prácticas se tomó la decisión de construir una turbina con rotores 10 y 100 de 18 mm de diámetro para ser impulsadas por aire comprimido. El uso de aire comprimido significó que la turbina no necesitaba la capacidad de alcanzar elevadas temperaturas de combustión y por ello no debía estar hecha de un material cerámico resistente a las altas temperaturas. Por lo tanto, los componentes se construyeron de un metal fácilmente asequible que tiene excelentes cualidades de maquinabilidad. Se eligió una aleación de aluminio 2011 debido a sus características de maquinabilidad y su alta resistencia a la tracción. La elección de un rotor de 18 mm de diámetro se hizo también por facilidad de construcción y para asegurar que el aparato puede seguir clasificándose como micromáquina.

El diseño del rotor sigue la forma de realización del rotor 30 según se ilustra en las figuras 4 a 6 pero con todas las dimensiones escaladas en la proporción 1:4,5. El espaciamiento entre el disco de apoyo 32 y el disco 36, y entre los discos 36 y 37 fue de 0,375 mm, mientras que el espesor de los discos 36 y 37 fue de 0,375 mm. La distancia entre las superficies de trabajo 44 y 45 fue 1,125 mm.

Según muestran las Figuras 11 a 14, cada aparato de pruebas 50 consta de un bloque de alojamiento 81 con una cara frontal 82 con un hueco anular 83. Un agujero cilíndrico 84 se extiende a través del centro del bloque 81. El agujero 84 sirve de apoyo para los rodamientos espaciados 86. En las Figuras 11 y 12, el rotor 10 sin álabes se muestra montado en un extremo del eje 87 que va apoyado dentro del agujero 84 por los rodamientos 86 para rotación axial. El lado trasero 85 del bloque 81 está cerrado por una placa final 88 que está asegurada al bloque por tornillos de cabeza plana 89. El hueco anular 83 en la parte frontal del bloque 81 sirve de apoyo a una chapa soporte 90 que va colocada muy próxima a la parte de atrás del rotor 10 sin álabes de las figuras 11 y 12 y el rotor 100 con álabes de las Figuras 13 y 14. La placa soporte 89 soporta un estátor anular 91 que tiene los álabes 92. El estátor respectivo 91 está colocado fuera pero cerca de la periferia del rotor 10 o del rotor 100 para dirigir el aire entrante hacia la periferia del rotor. Una tapa delantera 93 va sujeta sobre la parte delantera del alojamiento por seis tornillos de cabeza plana 94. Se usa aire comprimido para impulsar la turbina y la entrada de aire 95 está colocada en la parte inferior derecha del bloque como muestran las Figuras 11 y 13. El aire llena inicialmente la cavidad anular alrededor de la periferia del respectivo rotor 10 y 100 y entonces en el caso del rotor 10 sin álabes fluye a través del pasaje de fluido definido por los discos del rotor para impartir un rozamiento viscoso que rote el rotor y luego escapar vía las aberturas en el centro del rotor. El espacio anular exterior a cada rotor también está ligado a través de una cámara impelente con un sensor de presión (no mostrado) mediante una vía de escape 96 mostrada en las Figuras 11 y 13 en la esquina superior derecha del bloque 81.

El rotor 10, 100 de flujo radial de entrada montado en el eje respectivo 87 va apoyado sobre sus respectivos rodamientos de bolas de alta velocidad (140.000 rpm) con cada rodamiento 86 localizado de forma precisa con precargas idénticas en ambos aparatos de prueba. El aire es suministrado tangencialmente al rotor por la entrada de aire 95. También es suministrado a la cámara impelente que incluye el sensor de presión. El estátor multiálabe respectivo 91 dirige el aire hacia el rotor 10, 100 y cada estátor 91 también está modelado sobre el estátor descrito en la patente M.I.T. Los aparatos 80 tienen idénticas aberturas de salida y el eje 87 incluye un disco bicolor que permite leer la velocidad angular del eje 87 usando un tacómetro óptico. El aire comprimido se reguló con válvulas de aguja de ajuste basto y fino para asegurar el control fino del flujo.

Se tomaron todas las precauciones necesarias para asegurar que los dos aparatos de pruebas 80 funcionaban según idénticos parámetros. En un ensayo, se midieron las revoluciones por minuto frente a la presión de la cámara impelente en puntos de cambio precisos para obtener datos repetibles. La presión se incrementó poco a poco para asegurar que las medidas representaban condiciones estables de flujo de aire y velocidad de rotor. La presión se aumentó progresivamente hasta que se sobrepasó el límite de rpm especificado para cada rodamiento de bolas 86. Los resultados es este ensayo, a saber, la velocidad del rotor frente la presión de suministro, se representaron en el gráfico mostrado en la Figura 15.

Los aparatos de pruebas 80 se usaron después para realizar ensayos de flujo de masa en donde se midieron las rpm frente a la velocidad del aire de salida. La presión se incrementó poco a poco para asegurar que las medidas representaban condiciones estables de flujo de aire y velocidad de rotor. La presión se aumentó progresivamente hasta sobrepasar el límite de rpm especificado para el rodamiento de bolas. El flujo de masa en gramos por segundo se derivó del volumen por segundo del aire de salida y se representó una gráfica como muestra la Figura 16.

Del gráfico de la Figura 16 puede verse que hay una clara ventaja de comportamiento al usar el rotor 10 sin álabes en comparación con el rotor 100 con álabes. Los gráficos del flujo de masa divergen desde aproximadamente las 40.000 rpm mostrando una fuerte tendencia hacia valores proporcionadamente más bajos para el rotor 10 sin álabes en comparación con el rotor 100 con álabes al aumentar las rpm. El rotor 100 con álabes registró una cifra para el flujo de masa un 30% mayor que el rotor 10 sin álabes a 100.000 rpm. Al flujo de masa de prueba máximo, el rotor sin álabes alcanzó aproximadamente un 35% más de rpm que el rotor 100 con álabes. El gráfico de presión impelente frente a las rpm mostró una fuerte tendencia similar favoreciendo al rotor 10 sin álabes. Desde aproximadamente las 50.000 rpm el rotor 10 sin álabes alcanzó mayores velocidades que el rotor 100 con álabes, y esta divergencia aumentó hasta las 140.400 rpm lo que estaba justo por encima del límite especificado para los rodamientos. Esta velocidad se alcanzó con sólo 20,4 KN de fuerza por metro cuadrado (KPa), una mejora del 18,5% sobre el rotor 100 con álabes. Adicionalmente, una presión un 27% mayor fue necesaria para que el rotor 100 con álabes alcanzase las 100.000 rpm. Las tendencias divergentes de ambos gráficos indican los principales beneficios de comportamiento que sería de esperar que aumentase proporcionalmente a mayores rpms.

Una ventaja más que se apreció durante el uso de los dos aparatos de pruebas 80 fue que el rotor 10 sin álabes era considerablemente más silencioso que el rotor 100 con álabes.

Los expertos en la técnica apreciarán que se pueden hacer numerosas variaciones y/o modificaciones en la invención como se muestra en las realizaciones específicas sin salir del espíritu o alcance de la invención como se ha descrito ampliamente. Las presentes realizaciones, por lo tanto, deben considerarse en todos los aspectos como ilustrativas y no restrictivas.

Claims (22)

1. Un rotor para una micromáquina caracterizado porque el rotor incluye al menos un par de discos alineados coaxialmente y espaciados entre sí una distancia no superior a la longitud del radio del disco de, mayor radio, que definen superficies planas enfrentadas, teniendo al menos un disco al menos una abertura por la que se define un pasaje de fluido entre la abertura, las superficies planas y la periferia del rotor.

2. Rotor según la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor incluye un disco de apoyo y al menos un disco anular coaxialmente espaciado apoyado en el disco de apoyo mediante un cubo central que define al menos una abertura.

3. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor no tiene álabes.

4. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está fabricado de una pieza.

5. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor tiene un disco de diámetro no mayor de 20 mm.

6. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor incluye un eje que soporta centralmente dichos discos.

7. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una abertura de al menos uno de dichos discos está en la región delimitada por la mitad radialmente interna del disco.

8. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque hay al menos dos discos que tienen, cada uno, al menos una abertura, estando al menos una abertura de cada disco alineadas entre sí.

9. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los discos están separados por espaciadores.

10. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor incluye un disco de apoyo que soporta una pluralidad de discos anulares que forman una matriz coaxial con separaciones no superiores a la longitud del radio del disco de mayor radio.

11. Rotor según la reivindicación 10, caracterizado porque cada disco anular está montado sobre el disco de apoyo o sobre un disco adyacente mediante una matriz de espaciadores.

12. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque el disco de apoyo está montado coaxialmente sobre un eje.

13. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está hecho de un material capaz de funcionar a temperaturas superiores a 1.000ºC.

14. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está hecho de un material que tiene una resistencia a la tracción que permite que el rotor funcione a velocidades superiores a 500.000 rpm a elevadas temperaturas asociadas con la combustión.

15. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está hecho de un material monocristalino.

16. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está formado al menos en parte de un material seleccionado de entre silicio, carburo de silicio, silicio revestido de carburo de silicio, y silicio revestido de nitruro de silicio.

17. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está formado mediante una técnica de microfabricación.

18. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está formado mediante fotolitografía.

19. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rotor está formado mediante deposición en fase de vapor.

20. Una micromáquina caracterizada porque incluye al menos un rotor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

21. Micromáquina según la reivindicación 20, caracterizada porque un estátor con paletas está colocado alrededor de la periferia del rotor.

22. Micromáquina según una cualquiera de las reivindicaciones 20 y 21, caracterizada porque la micromáquina está hecha con materiales capaces de funcionar a temperaturas superiores a 1.000ºC.