ES2391673T3 - Turbina con un juego de hélices coaxiales - Google Patents

Abstract

Una turbina (5) con al menos dos juegos de hélices contrarrotativasmontados de manera coaxial (10, 15) con un número distinto de hélicesdispuestas para que un juego no pueda eclipsar por completo al otro, un juegode hélices (10) estando a favor de la corriente del fluido durante sufuncionamiento y el otro estando contra la corriente (15), en el que las hélicescontracorriente (15) están dispuestas o tienen la forma para contrarrestar elremolino provocado por las hélices a favor de la corriente (10) para minimizar oreducir el remolino total contracorriente, cada juego de hélices estandooperativo para extraer cantidades similares de energía, en el que las hélices enun juego (10, 15) tienen diferente perfil al de las hélices del otro juego (10, 15) yel perfil de las hélices (10, 15) es tal que existe una diferencia en el par detorsión reactivo generado por cada hélice relativa a la hélice del otro juego dehélices para que sustancialmente no exista un par de torsión reactivo neto entrelos juegos de hélices.

Description

TURBINA CON UN JUEGO DE HÉLICES COAXIALES

[0001] La presente invención hace referencia a una turbina, y en particular a una turbina para generar energía a partir de una corriente marina.

Antecedentes [0002] Con las reservas de petróleo disminuyendo, han aumentado los incentivos gubernamentales y la concienciación por los problemas medioambientales han provocado un aumento en el uso y conveniencia de generar energía mediante fuentes de energía renovables como la energía eólica, solar e hidráulica. Sin embargo, mientras que las fuentes de energía renovable a menudo tienen ventajas en cuanto a la sostenibilidad y el impacto medioambiental, en muchos casos también sufren desventajas como la imprevisibilidad de suministro. Por ejemplo, generar energía aprovechando la energía eólica o solar se limita a los momentos en los que sopla el viento o el sol brilla con fuerza. Estas situaciones están sujetas a un alto nivel de incertidumbre, especialmente en escalas de tiempo del orden de una semana o mayores. Esto conlleva dificultades para mantener un suministro constante a la red eléctrica y puede conllevar dificultades para programar las fuentes de generación de energía y la necesidad de una capacidad de reserva de electricidad. [0003] En los últimos años, una de las formas más usadas de energía renovable ha sido la energía eólica. Las turbinas de viento se utilizan para aprovechar la energía del viento para generar electricidad. Las turbinas de viento generalmente tienen dos o más hélices, optimizadas para la rotación con el viento y montadas sobre un eje que activa el generador mediante una caja de cambios. Comúnmente, las hélices están montadas en la parte alta sobre un soporte. Con tal de obtener niveles de utilidad de la energía, frecuentemente se agrupan varias turbinas. De este modo, las turbinas eólicas utilizadas para la producción de energía a gran escala son generalmente estructuras grandes, impactantes y situadas frecuentemente en áreas de belleza natural. Por ello, la implantación de turbinas eólicas está a menudo sujeta a objeciones por parte de los residentes de la localidad, los ecologistas y los grupos a favor del patrimonio natural. Un ejemplo de generador que funciona con viento se describe en la patente Estadounidense 4.039.848 y en WO-A- 2004/031577. [0004] La energía hidráulica es otra forma de energía renovable conocida. Este tipo de energía puede extraerse mediante una variedad de tecnologías. Estas incluyen la construcción de presas en los ríos para permitir una liberación controlada de agua a través de las turbinas y el uso de diques marinos que permiten al agua fluir a lo largo

del embalse a través de las compuertas durante las mareas altas y al agua almacenada fluir a través de las turbinas durante las mareas bajas. Un ejemplo de generador para una estación de energía eléctrica se describe en WO03/036080. Sin embargo, estos métodos incluyen varios problemas como los altos costes de construcción, la falta de emplazamientos adecuados y el impacto negativo medioambiental debido a la necesidad de estructuras de proporciones considerables y la inundación del terreno. [0005] Otra forma de energía hidráulica es la energía de las olas. Esta energía puede aprovecharse por diversos medios, incluyendo los dispositivos canalizadores que dirigen las olas hacia una cámara ya sea mediante una turbina directamente o provocando una corriente de aire que activa la turbina. Otra opción es utilizar una estructura flotante multisegmentada que utiliza el movimiento relativo entre los segmentos provocado por las olas para activar un pistón que activa el generador. Estos métodos también tienen inconvenientes, incluyendo una baja eficiencia de captura y la exposición a potenciales daños como tormentas y condiciones extremas del mar. [0006] Un medio prometedor de extracción hidráulica es a través del uso de las turbinas de agua. Estos dispositivos que utilizan hélices que giran por la corriente del agua, por ejemplo en ríos o debido a las corrientes marinas. Una ventaja de esta opción es que el equipo generador de energía puede con frecuencia sumergirse o situarse en el mar, lejos de las zonas habitables, con tal de evitar el impacto visual. Así, el movimiento del agua en forma de corrientes marinas es una fuente ideal sin explotar de energía renovable. [0007] La tecnología de turbina de agua convencional utiliza comúnmente una turbina con un único rotor, cada rotor teniendo dos o más hélices, dispuestas para girar bajo la acción de las corrientes de agua. El rotor puede estar al aire o encerrado dentro de una funda. La toma de fuerza es generalmente mediante un eje unido al rotor que activa un generador convencional. De manera alternativa, la turbina puede utilizarse para presurizar un fluido hidráulico para activar un motor hidráulico que a su vez hace funcionar un generador eléctrico. La velocidad de rotación del eje rotor puede controlarse a la velocidad óptima del generador situando una caja de cambios entre el rotor y el generador. Las turbinas pueden colgar bajo pontones flotantes o estar ancladas al fondo del mar o en el lecho del río. [0008] Pese a las ventajas del uso de energía mediante diques marinos y de río existen algunos retos que son necesarios superar para poder explotar esta fuente de energía. Debido a que el agua es más densa que el aire, las turbinas de agua generalmente tienden a girar más lento y están sujetas a un par de torsión mayor que el de las turbinas de viento equivalentes. Para que un generador funcione a una velocidad eficiente, la velocidad rotacional de la turbina de agua generalmente necesita ser aumentada mediante el uso de un engranaje. Debido al alto par de torsión, los engranajes son generalmente pesados e ineficientes. Además, añaden un exceso de peso y complejidad al sistema y requieren un mayor mantenimiento. Asimismo, el funcionamiento de las turbinas de agua convencionales puede crear una corriente de agua turbulenta a contracorriente, similar a la estela de un barco. Esto puede llevar a que la turbina rasgue a contracorriente el fondo del mar o el lecho del río. [0009] El mantenimiento de las turbinas de agua también puede ser problemático debido al efecto dañino de la contaminación provocada por el crecimiento en el sistema de organismos llevados por la corriente y el efecto corrosivo de la sal marina. Estos problemas se agravan por la dificultad del acceso a la turbina. La instalación y la extracción de estos dispositivos también puede ser problemática. Debido al alto par de torsión de las turbinas de agua, se utilizan generalmente medios de sujeción firmes, como por ejemplo el pilotaje. Estos requieren un largo tiempo de instalación, son costosos y pueden tener un impacto medioambiental negativo. Una opción alternativa es utilizar una base muy pesada. Sin embargo, esto no es adecuado para los sistemas que tienen un alto par de torsión reactivo, ya que puede provocar el desplazamiento de la instalación de turbina. [0010] Un objetivo de la presente invención es proporcionar una solución al menos a uno de los problemas mencionados arriba.

Resumen de la invención [0011] De acuerdo con un primer aspecto de esta invención se proporciona una turbina con al menos dos juegos de hélices contrarrotativas como se especifica en la reivindicación 1. Algunas características preferibles se definen en las reivindicaciones adjuntas. [0012] Al menos uno de los juegos de hélices puede estar montado sobre un primer eje. Al menos un juego de hélices puede estar montado sobre un segundo eje. [0013] La turbina puede utilizarse para funcionar con un generador eléctrico que tiene un rotor o rotores y un estátor. El estátor puede ser giratorio. El rotor del generador puede estar unido al primer eje y el estátor del generador puede estar unido al segundo eje. El primer y el segundo eje pueden ser coaxiales. El estátor y el rotor pueden estar dispuestos para que en funcionamiento, contrarroten relativos el uno al otro.

[0014] La turbina puede estar fijada para activarse con las corrientes de mareas. Descripción de los dibujos [0015] Varios aspectos de la invención se describirán ahora únicamente como modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la Figura 1 es una vista en perspectiva de una turbina contrarrotativa y una unidad de generador con la estructura del generador cortada por la sección transversal; la Figura 2 es una vista en perspectiva de la parte delantera del generador de la Figura 1 con los juegos de hélice extraídos; la Figura 3 es una vista en perspectiva de la parte trasera del generador de la Figura 1 con los juegos de hélices extraídos; la Figura 4 es un diagrama vectorial de la velocidad de una sección transversal de una hélice desde el primer juego de hélices al frente de la turbina de la Figura 1 y la Figura 5 es un diagrama vectorial de la velocidad de una sección transversal de una hélice desde el juego de hélices al fondo de la turbina de la Figura 1.

Descripción detallada de los dibujos [0016] La Figura 1 muestra una turbina 5 con dos juegos de hélices adyacentes, un primer juego 10 unido a un primer eje 20, montado de manera axial al segundo juego 15 que está unido al segundo eje 25. Como se muestra en la Figura 2, el primer eje 20 está situado de manera giratoria en una cavidad vacía 30 que se extiende de manera axial por el interior del segundo eje 25 y el segundo eje está sostenido de manera giratoria por la unidades de soporte 35, 40. El primer eje 20 está unido directamente al rotor 45 de un generador 50 y el segundo eje 25 está directamente unido a un estátor giratorio 55. Este perfil y la orientación de las hélices 65 en cada juego 10, 15 es tal que el primer juego de hélices 10 contrarrota relativo al segundo set 15, bajo la acción de una corriente de fluido. Esto provoca la contrarrotación de los ejes respectivos 20, 25, y por lo tanto del rotor 45 y del estátor 55 del generador

50. [0017] El generador 50 puede ser de cualquier forma conocida, pese a que en este ejemplo es una unidad de corriente directa, en la que el rotor 45 tiene una pluralidad de cables de metal en espiral 57, y el estátor 55 tiene la forma de imanes permanentes (polos) 60, montados sobre una estructura giratoria del estátor 75, y fijado alrededor del rotor 45. Los componentes electrónicos están conectados eléctricamente a los bobinados 57 del rotor 10 para regular e invertir el suministro de voltaje, como se conoce en la técnica. Estos componentes electrónicos 90 están contenidos en el interior de una estructura rotante 95 sobre el eje rotor 20. La salida de la energía eléctrica de los elementos electrónicos 90 alimenta un par de anillos colectores en la parte trasera. Los anillos colectores 80 proporcionan una toma de fuerza eléctrica a través del portaescobillas 85. Estos alimentan un cable de toma de fuerza estático (no mostrado) conectando el generador 50 a una red de suministro eléctrico. El generador se adapta para prevenir el ingreso de agua, por ejemplo encerrándolo en el interior de una cubierta del generador herméticamente cerrada. [0018] Con tal de optimizar el rendimiento del generador, las hélices 10, 15 están dispuestas para que un juego no pueda ser eclipsado por completo por el otro en ningún punto del ciclo de generación de energía. Esta disposición previene que uno o más juegos de hélices se atasquen. Esto puede conseguirse, por ejemplo, al tener un juego con un número par de hélices igualmente espaciadas y el otro juego con un número impar de hélices equitativamente espaciadas. En la práctica, ya que la energía se extrae de la corriente de mareas con el primer juego de hélices 10, el contenido de energía de la corriente en el segundo juego de hélices 15 disminuye. Con tal de que ambos juegos de rotores estén en equilibro y extraigan cantidades similares de energía (preferible y sustancialmente la misma), el segundo juego de hélices 15 tiene más hélices que el primer juego de hélices 10. De esta forma, el par de torsión reactivo neto se minimiza. Como un ejemplo específico, el primer juego 10 puede tener tres hélices espaciadas equitativamente mientras que el segundo juego 15 puede tener cuatro. [0019] Las hélices 65, 66 tienen un perfil general hidrodinámico para maximizar la eficiencia de las condiciones comunes de funcionamiento. El perfil puede estar optimizado para proporcionar un perfil de ligero estancamiento e intolerancia a las imperfecciones de la superficie, como se conoce en la técnica. El perfil en punta de la hélice tiene varios radios de curvatura para minimizar el remolino de la hélice en punta. El diseño ideal de la hélice difiere del de una hélice para su uso con una turbina considerada similar con un único juego de hélices ya que cada juego de hélices 10, 15 de la presente invención sólo extrae la mitad de energía. Las hélices 65, 66 de la presente invención tienen, por lo tanto, un carga comparativamente más ligera y así funcionan a una velocidad de rotación mayor. Por lo tanto, una hélice 65 o 66 optimizada para la presente invención puede variar en características como la longitud de cuerda, el ángulo de la hélice, el giro y el estrechamiento comparada con la hélice optimizada para su uso en una turbina teniendo sólo un juego de hélices.

[0020] En funcionamiento, el primer juego de hélices 10 distorsiona la corriente de fluido que impacta en el segundo juego de hélices. Por lo tanto, las condiciones de la corriente de agua que llega al segundo juego de hélices 15 difiere de la que llega al primer juego 10. Por lo tanto, la configuración óptima de la hélice también variará. Para minimizar el remolino total resultante producido por la turbina, las hélices 66 de la segunda turbina tienen un radio de curvatura y un perfil en punta para que el remolino producido contrarreste el remolino producido por las hélices del primer juego de hélices. La configuración óptima de las hélices contracorriente 65 y de hélices a favor de la corriente 66 puede calcularse utilizando la teoría del elemento de hélice. [0021] La teoría del elemento de hélice cuando se aplca a hélices de una turbina convencional con un único juego de hélices, equipara las fuerzas de la hélice y de la corriente del fluido en direcciones axiales y tangenciales, a través de las ecuaciones

donde dF es una fuerza axial actuando sobre el elemento de hélice en Newtons, dS es una fuerza tangencial actuando sobre el elemento de hélice en Newtons, r es la distancia entre el centroide del elemento de hélice y el centro del rotor en metros, p es la densidad de fluido en kg/m3 de la corriente, V0 es la velocidad de la corriente en

m/s, W es la velocidad de la corriente relativa a la hélice en m/s, Q es la velocidad angular del rotor en rad/s, a y a' son parámetros del flujo axiales y tangenciales respectivamente, a es la solidez del rotor en un radio r, R es el radio del rotor en metros y CL y CD son los coeficientes de fricción y de resistencia respectivamente.

[0022] Estas ecuaciones se resuelven mediante un proceso iterativo para producir valores convergentes de los parámetros de la corriente a y a', tras los que los vectores de velocidad mostrados en la Figura 2 pueden evaluarse. Las predicciones de rendimiento del juego de hélices completo se obtienen al sumar todos los elementos de hélice, concediendo unas pérdidas apropiadas de la punta del hélice. [0023] Para predecir el rendimiento de los dos juegos de hélices contrarrotativos 10, 15 deben confirmarse ciertos supuestos. Se asume que los juegos de hélices 10, 15 están cercanos, y funcionan como un único disco activador en lo que al rendimiento de la turbina respecta. En segundo lugar, se asume que el remolino que se transmite a la corriente mediante el juego de hélices a favor de la corriente 10 se elimina mediante el juego de hélices contracorriente 15, por ejemplo existe una reacción mínima del par de torsión transferida a la estructura que sujeta los juegos de hélices. Por lo tanto, la configuración de la hélice calculada utilizando este método proporciona un diseño de hélice que provoca un pequeño o ningún par de torsión reactivo. [0024] El procedimiento de diseño de la hélice para una turbina de la presente invención envuelve prescribir una geometría para el juego de hélices contracorriente 10, obteniendo soluciones convergentes para a y a' utilizando estas para especificar una geometría apropiada para el juego de hélices a favor de la corriente 15. Para obtener una solución cerrada de la ecuación de momento para el juego de hélices contracorriente 10, se requiere un supuesto adicional. Resulta evidente que la ecuación de arriba para dF no se aplica de forma válida a las hélices contracorriente 10, ya que el juego de hélices contracorriente 10 sólo recibe una fracción del total de la fuerza de deceleración de la corriente del fluido. Sin embargo, es necesario especificar esta fracción para resolver la ecuación. En la práctica, puede ocurrir una amplia gama de condiciones y éstas necesitarían investigarse. Pese a que en la práctica, un juego de hélices sería diseñado para su rendimiento óptimo en condiciones de corriente específicas. [0025] Según estos cálculos, un caso "simétrico" se utiliza donde los juegos de hélices funcionan a la misma velocidad específica y se supone que cada juego recibe la misma carga de empuje axial, por supuesto igual a la mitad de la recibida por la corriente del fluido. Por lo tanto,

[0026] Donde A es la velocidad específica de la hélice, definida por A = QR/V0 (-). [0027] Extendiendo esto a cada elemento de hélice, la ecuación para dF para el juego de hélices contracorriente se modifica a

[0028] Las ecuaciones están solucionadas para proporcionar valores de a y a'. Para todo el juego de hélices, los parámetros como la fuerza de empuje axial, el par de torsión y la salida de energía pueden calcularse en esta fase. [0029] Para el juego de hélices contracorriente 15, los diagramas vectoriales de velocidad y fuerza (Figura 5) son similares, pero no idénticos, a aquellos para las hélices a favor de la corriente 10. El ángulo asociado con el vector aparente de la corriente en grados, c, se obtiene de

[0030] Por lo tanto, c puede estar determinado como a ya ha sido determinado. Así, las ecuaciones de momento se reducen a

donde CN = CLcos< + CDsin< es la fuerza coeficiente axial o normal, y CT = CLsin< -CDcos< es la fuerza coeficiente tangencial. [0031] Estas están combinadas para eliminar a resultando en

[0032] Esta ecuación se resuelve mediante un proceso iterativo que envuelve la presentación de los valores del ángulo de inclinación de la hélice �, donde �=c-a, hasta que se halle una solución. El procedimiento consiste en aumentar �, mediante pequeños incrementos hasta que el desequilibrio en esta ecuación se minimice. Cuando se consigue esto, la solidez a se calcula, y la longitud de cuerda de la hélice se determina. [0033] Una turbina 5 y un generador 50 como los aquí descritos tienen muchas ventajas sobre las tecnologías convencionales. La provisión de múltiples juegos de hélices de turbina 10, 15, aumenta la eficiencia para capturar energía. Además, tener dos juegos de hélices contrarrotativas 10, 15 cercanos conlleva un par de torsión reactivo cero en el sistema. Esto tiene muchas ventajas, incluyendo la mayor flexibilidad en el diseño de la estructura de soporte, eliminando posiblemente la necesidad de la colocación de pilotaje en el fondo del mar o en el lecho del río. Además, los componentes pueden ser más ligeros y más baratos ya que no necesitan la fuerza para resistir el alto nivel de par de torsión reactivo. Esta mayor velocidad rotacional relativa del rotor y del estátor permite una reducción de hasta el 50% del número de polos eléctricos de la máquina comparados con una máquina estándar del mismo rango. Esto permite el uso de un mecanismo de engranaje mucho más ligero, simple y más compacto o incluso la eliminación del mecanismo de engranaje si el generador se activa directamente. Ya que el remolino producido en las hélices contracorriente puede cancelarse sustancialmente mediante el remolino producido por las hélices a favor de la corriente, se puede reducir en gran medida el impacto medioambiental asociado con el rasgado del fondo del mar por culpa del remolino. Además, el movimiento relativo de los rotores contrarrotativos puede ser tal que los organismos marinos encontrarían difícil establecerse en los rotores, lo que reduciría la biocontaminación de las hélices. [0034] Una persona especializada en la técnica apreciará que son posibles variaciones de las disposiciones aquí publicadas sin alejarse del alcance de la invención. Por ejemplo, mientras que en la turbina aquí descrita, el rotor y el estátor del generador están unidos directamente al correspondiente juego de hélices de turbina, también se podrían aceptar otras disposiciones con una unión indirecta mediante el uso de al menos un mecanismo de engranaje entre al menos uno de los juegos de hélices de turbina y el generador. Además, mientras que aquí se ha descrito un ejemplo específico del sistema con dos ejes, uno asociado a cada juego de hélices de turbina, se acepta que pueda utilizarse sólo un eje y un medio apropiado para unir ambos juegos de hélices de turbina, por ejemplo, un sistema de engranaje orbital. Asimismo, pese a que la turbina descrita está dispuesta para su rendimiento óptimo en una dirección, si se modificara la forma de la hélice y de la estructura del generador sería posible un uso bidireccional. Igualmente, mientras las hélices descritas en la presente invención están abiertas, la funda puede utilizarse para aumentar el área de colección y así acelerar la corriente. En consecuencia, la descripción anterior del modo de realización específico se entiende como modo de ejemplo y no con el objetivo de limitar. Es obvio para los especialistas en la técnica que pueden llevarse a cabo modificaciones menores sin provocar cambios significativos a la función descrita.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   Una turbina (5) con al menos dos juegos de hélices contrarrotativas montados de manera coaxial (10, 15) con un número distinto de hélices dispuestas para que un juego no pueda eclipsar por completo al otro, un juego de hélices (10) estando a favor de la corriente del fluido durante su funcionamiento y el otro estando contra la corriente (15), en el que las hélices contracorriente (15) están dispuestas o tienen la forma para contrarrestar el remolino provocado por las hélices a favor de la corriente (10) para minimizar o reducir el remolino total contracorriente, cada juego de hélices estando operativo para extraer cantidades similares de energía, en el que las hélices en un juego (10, 15) tienen diferente perfil al de las hélices del otro juego (10, 15) y el perfil de las hélices (10, 15) es tal que existe una diferencia en el par de torsión reactivo generado por cada hélice relativa a la hélice del otro juego de hélices para que sustancialmente no exista un par de torsión reactivo neto entre los juegos de hélices.

2. 2.

   Una turbina (5) de acuerdo con la reivindicación 1, en la que un juego tiene un número par de hélices y otro juego tiene un número impar de hélices.

3. 3.

   Una turbina (5) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los juegos de hélices (10, 15) están montados sustancialmente adyacentes el uno con el otro.

4. 4.

   Una turbina (5) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos un juego de hélices (10, 15) está montado sobre un primer eje.

5. 5.

   Una turbina (5) de acuerdo con la reivindicación 4, en la que al menos otro juego de hélices (10, 15) está montado sobre un segundo eje.

6. 6.

   Una turbina (5) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la turbina se utiliza para activar un generador eléctrico que tiene un rotor o rotores y un estátor.

7. 7.

   Una turbina (5) de acuerdo con la reivindicación 6, en la que el estator es giratorio.

8. 8.

   Una turbina (5) de acuerdo con la reivindicación 7, en la que el rotor del

   5 generador está unido al primer eje y el estátor del generador está unido al segundo eje.
9. 9. Una turbina (5) de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el primer y el segundo eje son coaxiales.
10. 10. Una turbina (5) de acuerdo con la reivindicación 9, en la que el estátor y el rotor o rotores están dispuestos para que en funcionamiento, contrarroten relativos uno con el otro.

    15 11. Una turbina (5) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, dispuesta para su activación con las corrientes de mareas.
11. 12. Un generador combinado con una turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

    LI� EA DE CUERDA DE LA HELICE