ES3057155T3 - Hydroelectric turbine system and method of use - Google Patents

Abstract

Se presentan sistemas y métodos para generar electricidad a partir de una turbina hidroeléctrica. En un aspecto, el sistema emplea una turbina Tesla para girar un eje de transmisión, el cual proporciona par para operar un generador eléctrico. El flujo de fluido entrante que acciona la turbina Tesla entra en una sección hueca del eje de transmisión y sale del sistema como flujo de escape. El sistema puede funcionar con el suministro de agua estándar de una residencia o negocio, recuperando así la energía excedente de la presión del agua. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Sistema de turbina hidroeléctrica y método de utilización

[0003] Campo

[0004] La invención se refiere en general a sistemas y métodos que involucran una turbina hidroeléctrica, y específicamente a sistemas y métodos para generar electricidad a partir de una turbina hidroeléctrica.

[0005] Antecedentes

[0006] Las fuentes tradicionales de agua entrantes a hogares o empresas operan a presiones de agua más altas que las requeridas para garantizar un suministro de agua sólido y estandarizado. El exceso de presión del agua equivale a un desperdicio de energía.

[0007] Lo que se necesita es un sistema o método para recolectar una porción del exceso de presión del agua para otros fines sin comprometer el servicio de suministro de agua, recuperando así lo que de otro modo sería energía desperdiciada. La invención soluciona esta necesidad. En concreto, una porción del exceso de presión del agua podría utilizarse para generar electricidad. De esta manera, se utiliza una fuente de energía que de otro modo se desperdiciaría (el exceso de presión del agua) para generar electricidad.

[0008] La solicitud de patente WIPO WO/2018/047018 titulada “Boundary Layer Turbomachine" describe una turbomáquina de capa límite que puede incluir una carcasa que define un espacio interior y que tiene una abertura de entrada y una abertura de salida para facilitar el movimiento de un fluido a través de la carcasa. La turbomáquina de capa límite también puede incluir un ensamblaje de rotor dispuesto en la cámara del rotor y configurado para rotar alrededor de un eje de rotación. El ensamblaje del rotor puede tener una pluralidad de discos espaciados a lo largo del eje de rotación para proporcionar brechas entre los discos. La pluralidad de discos también puede definir una abertura interior a lo largo del eje de rotación. El ensamblaje de rotor puede tener un portador de discos dispuesto al menos parcialmente en la abertura interior en soporte de la pluralidad de discos. El portador de disco puede tener un paso de fluido expuesto a dos o más de las brechas entre los discos. El fluido puede pasar a través de las brechas entre los discos y la abertura interior a medida que el fluido se mueve a través de la carcasa.

[0009] La solicitud de patente de la WIPO WO/2012/004127 titulada "Tesla Turbine and Method for Operating the Same" describe una turbina Tesla para convertir la energía del flujo en energía mecánica de un árbol y un método para ello. En una carcasa se encuentra una rueda de turbina que rota alrededor de un eje y tiene una pila de discos paralelos que están dispuestos a distancias mutuas y cada uno tiene superficies en ambos lados. Entre los discos, el fluido que fluye tangencialmente hacia la carcasa a través de una entrada incide en las superficies de los discos. El fluido sale de la carcasa a través de una salida. El fluido fluye a través de un espacio intermedio entre los discos dispuestos correspondientemente hacia la salida sustancialmente central a lo largo del eje de la pila de discos dispuestos a distancias mutuas.

[0010] Resumen

[0011] La presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas. Se divulga un sistema de turbina hidroeléctrica que está conectado a una fuente de agua entrante de una casa, negocio u otra fuente de suministro de agua convencional o estándar. El sistema produce pequeñas cantidades de electricidad cada vez que un propietario consume agua (es decir, bebe, se baña, riega el césped, lava la ropa, etc.). En una realización, el sistema de turbina hidroeléctrica se puede utilizar como reemplazo o complemento de una válvula reductora de presión en una casa o negocio. En otra realización, el sistema puede instalarse en línea con una válvula reductora de presión existente. El exceso de presión del agua proporciona la energía necesaria para accionar una turbina que está acoplada a un generador que a su vez produce electricidad.

[0013] En una realización, se divulga un sistema de turbina hidroeléctrica, que comprende el sistema: un cuerpo configurado para recibir un suministro de fluido de entrada, teniendo el cuerpo un eje longitudinal; un conjunto de discos de álabes de turbina dispuestos dentro del cuerpo y en comunicación fluida con el suministro de fluido de entrada; un árbol de turbina montado axialmente a lo largo del eje longitudinal y acoplado al conjunto de discos de álabes de turbina, teniendo el árbol de turbina una porción hueca del árbol de turbina; un acoplador de árbol montado axialmente a lo largo del eje longitudinal y acoplado al árbol de turbina; un generador eléctrico acoplado al acoplador de árbol; en donde: el suministro de fluido de entrada imparte un torque del disco al conjunto de discos de álabes de turbina y fluye hacia la porción hueca del árbol de turbina; el árbol de turbina recibe el torque del disco impulsando al árbol de turbina a rotar a lo largo del eje longitudinal; el acoplador de árbol rota alrededor del eje longitudinal para producir un acoplador de árbol rotatorio; el generador eléctrico genera electricidad gracias al acoplador de árbol rotatorio; y el flujo de entrada ingresa a la porción hueca del árbol de turbina y forma una corriente de fluido de escape.

[0014] En un aspecto, cada disco de álabes de turbina del conjunto de discos de álabes de turbina comprende un conjunto de protuberancias dispuestas sobre una respectiva superficie de disco. En otro aspecto, el suministro de fluido de entrada lo proporciona un suministro de agua de una empresa de suministro de agua. En otro aspecto, el generador eléctrico es un generador de DC, y la electricidad incluye electricidad de DC. En otro aspecto, el sistema comprende además un controlador de sistema que opera para controlar al menos uno de una presión de suministro de fluido de entrada y una tasa de flujo de suministro de fluido de entrada. En otro aspecto, el cuerpo comprende una cámara de cuerpo configurada para dirigir el suministro de fluido de entrada para que fluya sustancialmente de manera tangencial a lo largo de una superficie de disco de cada disco de álabes de turbina. En otro aspecto, el acoplador de árbol es un acoplador de árbol magnético; y el acoplador de árbol está acoplado magnéticamente al árbol de turbina.

[0016] En otra realización, se divulga un método para generar electricidad a partir de un dispositivo de turbina hidroeléctrica, el método que comprende: proporcionar un dispositivo de turbina hidroeléctrica que comprende: un cuerpo configurado para recibir un suministro de fluido de entrada, teniendo el cuerpo un eje longitudinal; un conjunto de discos de álabes de turbina dispuestos dentro del cuerpo y en comunicación fluida con el suministro de fluido de entrada; un árbol de turbina montado axialmente a lo largo del eje longitudinal y acoplado al conjunto de discos de álabes de turbina, teniendo el árbol de turbina un interior de árbol de turbina; un acoplador de árbol montado axialmente a lo largo del eje longitudinal y acoplado al árbol de turbina; y un generador eléctrico acoplado al acoplador de árbol; suministrar el suministro de fluido de entrada al cuerpo; dirigir el suministro de fluido de entrada para que fluya a lo largo de una superficie de disco de cada disco de álabes de turbina del conjunto de discos de álabes de turbina; generando un torque del disco a partir del conjunto de discos de álabes de turbina; hacer fluir el fluido de entrada hacia el interior del árbol de turbina y hacia afuera del interior del árbol de turbina para formar una corriente de fluido de escape; recibiendo, por el árbol de turbina, el torque del disco; rotando el árbol de turbina según lo impulsado por el torque del disco; recibiendo, por el acoplador de árbol, el torque del disco para generar un torque acoplador; y generar electricidad mediante el generador eléctrico según lo permita el torque acoplador.

[0018] En un aspecto, el acoplador de árbol es un acoplador de árbol magnético; y el acoplador de árbol está acoplado magnéticamente al árbol de turbina. En otro aspecto, cada disco de álabes de turbina del conjunto de discos de álabes de turbina comprende un conjunto de protuberancias dispuestas sobre una respectiva superficie de disco. En otro aspecto, el suministro de fluido de entrada lo proporciona un suministro de agua de una empresa de suministro de agua. En otro aspecto, el generador eléctrico es un generador de DC, y la electricidad incluye electricidad de DC. En otro aspecto, el método comprende además un controlador de sistema que opera para controlar al menos uno de una presión de suministro de fluido de entrada y una tasa de flujo de suministro de fluido de entrada.

[0020] En otra realización más, se divulga un dispositivo de turbina hidroeléctrica para generar electricidad, el dispositivo que comprende: un cuerpo que tiene un eje longitudinal y está configurado para recibir una corriente de fluido de entrada; una pluralidad de discos de álabes de turbina posicionados dentro del cuerpo, cada disco de álabes de turbina: i) tiene una superficie de disco de álabes de turbina orientada sustancialmente paralela a la corriente de fluido de entrada a medida que la corriente de fluido de entrada fluye sobre la superficie del disco de álabes de turbina para generar un torque de disco, y ii) está configurado para rotar alrededor del eje longitudinal; un árbol de turbina perforado posicionado para rotar alrededor del eje longitudinal, la pluralidad de discos de álabes de turbina posicionados axialmente de manera concéntrica alrededor del árbol de turbina perforado y rotando con una rotación del árbol de turbina perforado; un acoplador de árbol en comunicación con el árbol de turbina perforado, estando el acoplador de árbol configurado para rotar alrededor del eje longitudinal según lo impulsado por la rotación del árbol de turbina perforado; y un generador eléctrico acoplado al acoplador de árbol; en donde: el acoplador de árbol genera un torque acoplador de árbol durante la rotación del árbol de turbina perforado; y el generador eléctrico genera electricidad gracias al torque acoplador de árbol.

[0021] En un aspecto, la corriente de fluido de entrada ingresa a una porción hueca del árbol de turbina perforado a través de una o más aberturas del árbol de turbina perforado para formar una corriente de fluido del árbol de turbina perforado. En otro aspecto, la corriente de fluido del árbol de turbina perforado sale de la porción hueca del árbol de turbina perforado para formar una corriente de fluido de escape. En otro aspecto, el acoplador de árbol es un acoplador de árbol magnético; y el acoplador de árbol está acoplado magnéticamente al árbol de turbina perforado. En otro aspecto, el suministro de fluido de entrada lo proporciona un suministro de agua de una empresa de suministro de agua. En otro aspecto, el generador eléctrico es un generador de DC, y la electricidad incluye electricidad de DC. En otro aspecto, el sistema comprende además un controlador de sistema que opera para controlar al menos uno de una presión de suministro de fluido de entrada y una tasa de flujo de suministro de fluido de entrada.

[0023] La expresión "app" o "aplicación" significa un programa de software que se ejecuta o está alojado en un ordenador, generalmente en ordenador portátil, e incluye un programa de software que accede a herramientas basadas en web, API y/o datos.

[0025] La expresión "computación en la nube" o la expresión "nube" se refiere a servicios informáticos realizados por grupos compartidos de recursos informáticos, a menudo a través de internet.

[0026] La expresión "interfaz de usuario" o "UI", y la expresión "interfaz gráfica de usuario" o "GUI", significan un visualizador basado en un ordenador que permite la interacción con un usuario con la ayuda de imágenes o gráficos.

[0027] Las expresiones "al menos uno", "uno o más" y "y/o" son expresiones abiertas que operan tanto conjuntiva como disyuntivamente. Por ejemplo, cada una de las expresiones "al menos uno de A, B y C", "al menos uno de A, B o C", "uno o más de A, B y C", "uno o más de A, B o C" y "A, B y/o C" significa A solo, B solo, C solo, A y B juntos, A y C juntos, B y C juntos, o A, B y C juntos.

[0028] La expresión "una" o “cierta” entidad se refiere a una o más de esas entidades. Como tal, las expresiones "un" (o "uno, una"), "uno o más" y "al menos uno" pueden usarse indistintamente en este documento. También cabe señalar que las expresiones "que comprende", "incluido" y "que tiene" pueden usarse indistintamente. La expresión "automático" y sus variaciones, como se utiliza en este documento, se refiere a cualquier proceso u operación realizada sin intervención humana material cuando se lleva a cabo el proceso u operación. Sin embargo, un proceso u operación puede ser automático, incluso si el desempeño del proceso u operación utiliza aportaciones humanas materiales o inmateriales, si dicha aportación se recibe antes del desempeño del proceso u operación. Se considera que la aportación humana es material si influye en cómo se realizará el proceso o la operación. La intervención humana que consiente el desempeño del proceso u operación no se considera "material".

[0029] Las expresiones "determinar", "calcular" y "computar", y sus variaciones, como se utilizan en este documento, se utilizan indistintamente e incluyen cualquier tipo de metodología, proceso, operación matemática o técnica. La expresión "medios" como se utiliza en este documento deberá interpretarse en su forma más amplia posible. En consecuencia, una reivindicación que incorpore la expresión "medios" cubrirá todas las estructuras, materiales o actos establecidos en este documento, y todos sus equivalentes. Además, las estructuras, materiales o actos y sus equivalentes incluirán todos aquellos descritos en el resumen, breve descripción de los dibujos, descripción detallada, resumen y las propias reivindicaciones.

[0030] Diversas realizaciones o porciones de métodos de fabricación también pueden implementarse, o alternativamente, parcialmente en software y/o firmware, por ejemplo, análisis de señales. Este software y/o firmware puede tomar la forma de instrucciones contenidas en un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio. Esas instrucciones pueden luego ser leídas y ejecutadas por uno o más procesadores para permitir el desempeño de las operaciones descritas en este documento. Las instrucciones pueden estar en cualquier formato adecuado, tales como código fuente, código compilado, código interpretado, código ejecutable, código estático, código dinámico y similares. Un medio legible por ordenador puede incluir cualquier medio tangible no transitorio para almacenar información en una forma legible por uno o más ordenadores, tales como pero sin limitarse a, memoria de solo lectura (ROM); memoria de acceso aleatorio (RAM); medios de almacenamiento de disco magnético; medios de almacenamiento óptico; una memoria flash, etc.

[0031] Lo anterior es un resumen simplificado de la invención para proporcionar una comprensión de algunos aspectos de la invención. Este resumen no es una descripción extensa ni exhaustiva de la invención y sus diversos aspectos, realizaciones y/o configuraciones. No se pretende identificar elementos clave o críticos de la invención ni delinear el alcance de la invención, sino presentar conceptos seleccionados de la invención en una forma simplificada como introducción a la descripción más detallada que se presenta a continuación. Como se apreciará, son posibles otros aspectos, realizaciones y/o configuraciones de la invención utilizando, solas o en combinación, una o más de las características expuestas anteriormente o descritas en detalle a continuación. Además, aunque la invención se presenta en expresiones de realizaciones de ejemplo, debe tenerse en cuenta que los aspectos individuales de la invención pueden reivindicarse por separado.

[0032] Breve descripción de los dibujos

[0033] La invención se entenderá fácilmente mediante la siguiente descripción detallada junto con los dibujos adjuntos, en donde los mismos numerales de referencia designan elementos similares. Los elementos de los dibujos no están necesariamente a escala unos con respecto a otros. Las Figs.4-6 son dibujos a escala. Se han utilizado numerales de referencia idénticos, siempre que ha sido posible, para designar características idénticas que son comunes a las figuras.

[0034] La Fig. 1 es un diagrama esquemático de una realización de un sistema de turbina hidroeléctrica de la invención;

[0035] La Fig. 2A es un diagrama esquemático de una realización de la integración de un sistema de turbina hidroeléctrica de la invención con un suministro de agua residencial;

[0036] La Fig. 2B es un diagrama esquemático de otra realización de integración de un sistema de turbina hidroeléctrica de la invención con un suministro de agua residencial;

[0037] La Fig. 3 es un diagrama de flujo de un método de utilización de un sistema de turbina hidroeléctrica de la invención, tal como el sistema de turbina hidroeléctrica descrito en las Figs.1, 2, 4 y 5;

[0038] La Fig.4A es una vista isométrica de otra realización de un sistema de turbina hidroeléctrica de la invención; La Fig.4B es otra vista isométrica de la realización de un sistema de turbina hidroeléctrica de la Fig.4A; La Fig.4C es una vista lateral de la realización de un sistema de turbina hidroeléctrica de la Fig.4A;

[0039] La Fig.4D es una vista lateral del puerto de escape de la realización de un sistema de turbina hidroeléctrica de la Fig.4A;

[0040] La Fig.4E es una vista en sección de la realización de un sistema de turbina hidroeléctrica de la Fig.4A; La Fig.5A es una vista lateral de otra realización del conjunto de discos de álabes de turbina montados en el árbol hueco de la turbina del sistema de turbina hidroeléctrica de la Fig.4A;

[0041] La Fig.5B es una vista en sección de la Fig.5A;

[0042] La Fig.5C es una vista isométrica de la Fig.5A con el lado de escape mostrado hacia afuera;

[0043] La Fig.5D es una vista frontal de la Fig.5A; y

[0044] La Fig.6 es una vista en sección de otra realización del sistema de turbina hidroeléctrica divulgado.

[0045] Debe entenderse que las proporciones y dimensiones (ya sean relativas o absolutas) de las diversas características y elementos (y colecciones y agrupaciones de los mismos) y los límites, separaciones y relaciones posicionales presentados entre ellos, se proporcionan en las figuras adjuntas simplemente para facilitar la comprensión de las diversas realizaciones descritas en este documento y, en consecuencia, pueden no presentarse o ilustrarse necesariamente a escala, y no pretenden indicar ninguna preferencia o requisito para una realización ilustrada con exclusión de las realizaciones descritas con referencia a la misma.

[0046] Descripción detallada

[0047] A continuación se hará referencia en detalle a realizaciones representativas. Las siguientes descripciones no pretenden limitar las realizaciones a una realización preferida. Por el contrario, se pretende cubrir alternativas, modificaciones y equivalentes que puedan incluirse dentro del alcance de las realizaciones descritas como se define en las reivindicaciones adjuntas.

[0048] Los dispositivos, sistemas y métodos de uso divulgados se describirán con referencia a las Figs. 1-6. En general, se divulgan sistemas y métodos para generar electricidad a partir de una turbina hidroeléctrica. En una realización, el diseño de la turbina es una turbina Tesla basada en el principio de turbina de capa límite de Nikola Tesla. Los álabes de turbina son discos relativamente delgados y lisos, adecuadamente espaciados, acoplados a un árbol hueco y proporcionan el torque necesario para rotar un generador. Este diseño sin álabes permite una fácil fabricación y simplicidad en el diseño. El ensamblaje de álabes de turbina (es decir, discos acoplados a un árbol de accionamiento hueco) está conectado a un acoplador de árbol magnético. Esto elimina la necesidad de utilizar sellos de árbol de alta fricción para árboles que sobresalen del marco. En última instancia, esto ayuda, entre otras cosas, a aumentar la eficiencia de la turbina.

[0049] El árbol de accionamiento (también conocido como árbol de turbina) está diseñado para ser hueco debido a la naturaleza del flujo de fluido dentro de la turbina. (Tenga en cuenta que el árbol de accionamiento, típicamente y en muchas realizaciones, no es un "tubo" uniforme o completamente hueco, sino parcialmente hueco, como se detalla a continuación en descripciones más detalladas, por ejemplo, consulte la Fig.4E. En una realización, el árbol de accionamiento tiene una porción hueca). El fluido ingresa tangente (o casi tangente o sustancialmente tangente) al diámetro más externo de uno o más discos de turbina (también conocidos como uno o más discos de turbina). Luego, este trayecto de fluido comienza a rotar en espiral hacia adentro, en dirección al centro de un disco (el punto de rotación y montaje del disco). Finalmente, el fluido llega al árbol de accionamiento (con una porción central hueca) y pasa a través del diámetro exterior (a través de, por ejemplo, una o más aberturas) y continúa hacia el diámetro interior hueco de árbol. El fluido general o sustancialmente entra tangente al miembro rotatorio de la turbina y sale perpendicularmente a través del centro del ensamblaje. Dicho de otra manera, el fluido fluye paralelamente sobre la superficie de un disco. Para generar potencia, un generador de DC se acopla magnéticamente al árbol de accionamiento de la turbina. La potencia producida por el generador puede luego transferirse a un inversor para usarla como corriente AC en un hogar o almacenarse en un banco de baterías (o similar) para usarla en otro momento.

[0050] La expresión "tangente" significa tocar, pero no intersecar, una superficie.

[0051] La expresión "sustancialmente" significa en gran medida o de manera significativa, y al menos el 90% o más de la expresión calificada; por ejemplo, la expresión "sustancialmente tangente" significa 90% o más en una tangente. La expresión "turbina Tesla" significa cualquier turbina de flujo centrípeto sin álabes, incluida la patentada por Nikola Tesla alrededor de 1913 y también las turbinas descritas como turbinas de capa límite, turbinas de tipo cohesión, turbinas de capa Prandtl y cualquier turbina que utilice el efecto de capa límite y no un fluido que incida sobre los álabes como en una turbina convencional.

[0052] La expresión "fluido" significa una sustancia desprovista de forma y que cede a la presión externa, incluyendo líquidos tales como el agua y los gases.

[0053] Téngase en cuenta que, aunque la invención en algunas realizaciones se refiere al agua como fluido en el sistema y método divulgados, se pueden utilizar otros fluidos, que incluyen hidrocarburos tales como petróleo, vapor, aire, agua contaminada (que contiene sólidos disueltos).

[0054] la Fig. 1 presenta un diagrama esquemático generalizado de una realización de un sistema de turbina hidroeléctrica 1 de la invención. En la invención, el sistema de turbina hidroeléctrica puede denominarse "sistema hidroeléctrico", "sistema de turbina hidroeléctrica", "dispositivo de turbina hidroeléctrica", "sistema de turbina" y/o simplemente "sistema" o "dispositivo". La Fig.3 presenta un diagrama de flujo de un método 300 de utilización de un sistema de turbina hidroeléctrica 1 de acuerdo con una realización de la invención. El método 300 de utilización del sistema de turbina hidroeléctrica puede denominarse "método del sistema" y/o simplemente "método".

[0055] El sistema de turbina hidroeléctrica 1 comprende un cuerpo 10, un conjunto de discos de álabes de turbina 20, un árbol hueco de la turbina 30, un acoplador de árbol magnético 40, un generador eléctrico 50 y un controlador del sistema 60.

[0056] El cuerpo 10 está configurado para recibir un suministro de fluido de entrada 13 a través de un puerto de entrada 11 y emitir una corriente de fluido de escape 14 a través de un puerto de escape 12. Por lo tanto, el sistema puede considerarse de flujo continuo, ya que proporciona un flujo continuo de fluido desde el puerto de entrada 11 a través del cuerpo 10 (y varios otros componentes del sistema, por ejemplo, a lo largo de las superficies del disco y hacia el árbol hueco de la turbina) y de salida a través del puerto de escape 12. El suministro de fluido de entrada 13 puede ser residencial, comercial o cualquier suministro de fluido convencional o comercial. El suministro de fluido de entrada 13 puede primero regularse, por ejemplo, reducirse en presión, antes de fluir hacia el puerto de entrada 11. (Véase las Figs. 2A-B para ver configuraciones de ejemplo de instalación o integración del sistema de turbina hidroeléctrica con suministros de fluido de entrada). El cuerpo 10 tiene un eje longitudinal 19, que forma un eje de simetría para uno o más componentes del sistema de turbina hidroeléctrica 1.

[0057] Tenga en cuenta que el suministro de fluido de entrada puede ser cualquier fuente de agua disponible. Normalmente, en una instalación residencial o comercial del sistema de turbina hidroeléctrica, el suministro de agua lo proporciona una empresa de agua, un pozo de agua o un tanque de almacenamiento de agua. El suministro de fluido de entrada 13, como se suministra y describe en el paso 312 de la Fig.3, fluye hacia el puerto de entrada 11. El puerto de entrada 11, como se describe en el paso 316 de la Fig.3, dirige el suministro de fluido de agua de entrada 13 al conjunto de discos de álabes de turbina 20. Más específicamente, el suministro de fluido de entrada 13 fluye hacia el conjunto de discos de álabes de turbina 20 para crear un flujo de disco tangencial 15. Dicho de otra manera, el suministro de fluido de entrada 13 se dirige para producir una corriente de fluido de entrada (flujo de disco tangencial 15) que corre o fluye a lo largo de la superficie del conjunto de discos de álabes de turbina 20. El flujo de disco tangencial 15 genera un torque del disco (utilizando el principio de la turbina Tesla), como se describe en el paso 320 de la Fig.3, y el conjunto de discos de álabes de turbina 20 rota.

[0058] El conjunto de discos de álabes de turbina 20 está unido o acoplado al árbol hueco de la turbina 30. Cada uno del conjunto de discos de álabes de turbina 20 y del árbol hueco de la turbina 30 está dispuesto o acoplado al eje longitudinal del cuerpo 19 para presentar una simetría axial. Dicho de otra manera, el conjunto de álabes de turbina 20 está posicionado axialmente de forma concéntrica alrededor del árbol de turbina 30. El árbol hueco de la turbina 30 recibe el torque del disco, como se describe en el paso 328 de la Fig.3, y rota alrededor del eje longitudinal 19, como lo permite el torque del disco, como se describe en el paso 332 de la Fig.3. El árbol hueco de la turbina 30 (también denominado "árbol de turbina" o "árbol de accionamiento") es al menos parcialmente hueco para permitir que el agua (u otro fluido) fluya a través de un eje central del árbol de turbina 30 y fuera de la turbina perpendicular al flujo entrante. La periferia del árbol está perforada para permitir que el agua entre en la sección hueca. Como tal, el árbol hueco de la turbina 30 también puede denominarse "árbol de turbina perforado". Las perforaciones del árbol de turbina pueden ser ranuras, orificios redondos u otras configuraciones y están diseñadas para coincidir con uno o más discos. El árbol de turbina está acoplado a un acoplador de árbol magnético, pero también puede estar acoplado directamente a un árbol de generador de DC. En otras realizaciones, el árbol puede estar acoplado a una caja de engranajes para aumentar la relación de RPM del árbol de accionamiento al árbol del generador de DC cuando el torque lo permite.

[0059] El flujo de disco tangencial 15, después de pasar o fluir sobre una o más de las superficies exteriores de uno o más de los discos de álabes de turbina 20 del conjunto de discos de álabes de turbina 20, fluye hacia uno o más puertos de árbol de turbina 31 del árbol hueco de la turbina 30 (también conocidos como aberturas del árbol de turbina o aberturas del árbol perforado de turbina) y sale del árbol hueco de la turbina 30 en el puerto de escape 12 para formar una corriente de fluido de escape 14, como se describe en el paso 324 de la Fig.3. Se crea, produce o genera un torque del disco a medida que el suministro de fluido de entrada o la corriente de fluido de entrada pasa sobre las superficies de los discos 20. (La expresión "torque" significa una fuerza de torsión que tiende a provocar rotación). Este torque del disco hace que el árbol de turbina 30 rote alrededor del eje longitudinal 19, produciendo así un árbol de turbina rotatorio.

[0060] El torque del disco se transfiere, a través del acoplador de árbol magnético 40, a un torque acoplador, el torque acoplador a su vez impulsa la rotación del acoplador de árbol magnético 40. El acoplador de árbol magnético 40 permite o habilita el acoplamiento o transferencia de torque sin contacto (a través de un campo magnético), evitando así los problemas de calor y desgaste de los dispositivos de transferencia de torque mecánicos tradicionales. Dicho de otro modo, el árbol hueco rotatorio de la turbina 30 genera un torque de acoplamiento en el acoplador de árbol magnético 40, como se describe en el paso 336 de la Fig.3. El torque acoplador se acopla al generador eléctrico 50. Dicho de otro modo, el torque acoplador se transfiere o se proporciona al generador eléctrico 50, a través del acoplador de árbol magnético 40, en el paso 340. (Cabe destacar que, en algunas realizaciones, el acoplador de árbol magnético 40 es un tipo de acoplador distinto de un acoplador de árbol magnético, tal como un acoplador mecánico convencional u otro acoplador conocido por los expertos en la materia). El generador eléctrico 50, tal como lo permite el torque acoplador y como se describe en el paso 344 de la Fig.3, genera electricidad 51.

[0061] El generador eléctrico 50 puede ser un generador de DC y puede estar acoplado a un controlador de carga para regular el amperaje y el voltaje que ingresan a un banco de baterías para evitar la sobrecarga y daños a un banco de baterías. En lugar de un controlador de carga, el sistema puede contener un diodo de bloqueo para evitar que la corriente fluya en sentido inverso.

[0062] En algunas realizaciones, el generador eléctrico 50 puede contener monitorización y control para usos tales como detección de fugas (o esto puede hacerse en conjunto o únicamente por el controlador del sistema 60). Por ejemplo, si se detecta un flujo constante (de fluido de entrada o de admisión) a una tasa determinada durante un período de tiempo específico, el dispositivo puede contener anulaciones para cerrar automáticamente el fluido (por ejemplo, agua) para evitar daños al sitio (por ejemplo, la casa, el negocio, etc.). Un monitor también puede incluir un medidor de flujo para medir el flujo a través del dispositivo. En una realización, se proporciona comunicación del sistema a dispositivos auxiliares, tales como un ordenador o un teléfono inteligente, para ver el estado del sistema, los detalles del flujo, la salida de potencia, etc.

[0063] El controlador del sistema 60 puede realizar cualquier número de funciones para controlar la operación del sistema de turbina hidroeléctrica 1. Por ejemplo, el controlador 60 puede regular o controlar la salida de electricidad 51 mediante el control del suministro de fluido de entrada 13, o viceversa. El controlador 60 puede regular, controlar u operar la presión de suministro de fluido de entrada y/o la tasa de flujo de suministro de fluido de entrada.

[0064] El controlador del sistema 60 puede ser operado por un usuario a través de una aplicación del sistema de turbina hidroeléctrica y/o puede interactuar con otras aplicaciones o controladores asociados con aspectos de fluidos (por ejemplo, agua) u otras características de control de energía del sitio de instalación del sistema de turbina hidroeléctrica. Por ejemplo, un usuario puede usar la aplicación del sistema de turbina hidroeléctrica para controlar u operar el controlador del sistema 60 para controlar la operación del sistema de turbina hidroeléctrica; dicha operación controlada está influenciada por las presiones de fluidos (por ejemplo, agua) en todo el sitio de instalación del sistema de turbina hidroeléctrica o un uso de energía monitorizado del sitio de instalación.

[0065] El controlador del sistema 60, solo o en coordinación con un procesador del sistema o una aplicación del sistema de turbina hidroeléctrica, puede monitorizar y/o registrar las operaciones o el desempeño del sistema de turbina hidroeléctrica, tal como el ahorro de energía por día o por semana mediante el uso del sistema de turbina hidroeléctrica. El controlador del sistema 60 puede, en algunas realizaciones, registrar parámetros operativos del sistema (por ejemplo, presiones de agua, tiempos de uso del sistema de turbina hidroeléctrica, etc.) en una base de datos, siendo dicha base de datos una base de datos física y/o una base de datos basada en la nube.

[0066] El sistema de turbina hidroeléctrica 1 puede engancharse un número de maneras a un suministro de agua principal o maestro, tales como a una residencia o un negocio. Las Figs.2A-B describen dos configuraciones de ejemplo.

[0067] En la Fig.2A, un suministro principal de agua 220 alimenta o es recibido por una válvula reductora de presión 210, ya sea convencional o existente. La válvula reductora de presión 210 suministra agua a cualquier número de sistemas de agua convencionales 211, tales como un inodoro, un grifo, etc. El sistema de turbina hidroeléctrica 1 puede operar o integrarse con uno de estos sistemas de agua convencionales 211, de modo que una porción del volumen o presión del agua entrante (suministro de fluido de entrada 13) se suministre al sistema de turbina hidroeléctrica 1, en donde la porción de presión del agua (suministro de fluido de entrada 13) alimenta un puerto de entrada 11 del sistema de turbina hidroeléctrica 1, como se describió anteriormente con respecto a las Figs.1 y 3. En una realización similar a la de la Fig.2A, el sistema de turbina hidroeléctrica 1 puede recibir una presión o volumen de agua directamente de la válvula reductora de presión 210.

[0068] En la Fig.2B, un suministro principal de agua 220 alimenta o es recibido por una válvula reductora de presión de agua 230, que a su vez suministra agua a uno o más sistemas de agua convencionales 231, así como a un sistema de turbina hidroeléctrica 1 a través de un puerto de entrada 11. En una realización similar a la de la Fig. 2B, el sistema de turbina hidroeléctrica 1 puede recibir presión o volumen de agua directamente de la válvula reductora de presión de agua 230. La válvula reductora de presión de agua 230 puede incluir características únicas o especializadas para conectarse, acoplarse o engancharse con el puerto de entrada 11 del sistema de turbina hidroeléctrica 1, tales como tuberías controladas mecánica o eléctricamente para conectarse al puerto de entrada 11 o para operar o controlar el puerto de entrada 11.

[0069] Son posibles otras configuraciones para integrar el sistema de turbina hidroeléctrica de la invención con un suministro principal o maestro de agua 230, incluyendo la instalación en el sistema de turbina hidroeléctrica de un valor de reducción de agua especializado que reemplace y/o aumente una válvula de reducción de presión convencional o existente 210 tal como la de la Fig.2A o que reemplace y/o aumente una válvula de reducción de presión de agua especializada 230 tal como la de la Fig.2B. Téngase en cuenta que el valor de reducción de agua especializado antes mencionado puede operar o funcionar como un valor de estrangulamiento que influye o controla la presión que ingresa o recibe el sistema de turbina hidroeléctrica. Estos valores especializados de reducción de agua pueden controlarse mediante un controlador de sistema, tal como el controlador de sistema 60 descrito anteriormente con respecto a la Fig.1.

[0070] Dicho de otra manera, el sistema de turbina hidroeléctrica se puede utilizar junto con una PRV (válvula reductora de presión) o evitando completamente la PRV. Las caídas de presión son inherentes al sistema de turbina hidroeléctrica y darán lugar a una caída de la presión y la energía cinética del agua se pierde debido a la generación de calor por fricción dentro del sistema de turbina hidroeléctrica. El diseño del sistema de turbina hidroeléctrica proporciona pequeñas pérdidas de presión y puede usarse en serie cuando la presión de entrada es lo suficientemente alta para soportar varios dispositivos en línea.

[0071] El diagrama de flujo de la Fig.3 presenta un método 300 de utilización de un sistema de turbina hidroeléctrica de acuerdo con una realización de la invención, tal como el sistema de turbina hidroeléctrica y/o los componentes descritos en las Figs.1, 2, 4 y 5. Generalmente, el método 300 de la Fig.3 comienza en el paso 304 y finaliza en el paso 348. Cualquiera de los pasos, funciones y operaciones descritos en este documento se pueden realizar de forma continua y automática. En algunas realizaciones, uno o más de los pasos del método de uso 300, que incluyen los pasos del método 300, pueden comprender control por ordenador, uso de procesadores de ordenador y/o algún nivel de automatización (que incluye, por ejemplo, el controlador del sistema 60 de la Fig. 1). Los pasos se siguen teóricamente en secuencia numérica creciente, aunque, en algunas realizaciones, se pueden omitir algunos pasos, agregar algunos pasos y los pasos pueden seguir un orden numérico diferente al creciente.

[0072] Algunos de los pasos pueden involucrar a un usuario, que puede ser un solo usuario o un conjunto de usuarios que coordinan los requisitos que se proporcionan al sistema de turbina hidroeléctrica. Por ejemplo, un usuario puede operar una válvula en el paso 312 en relación con el suministro de fluido de entrada 13 para variar la tasa de flujo de entrada (por ejemplo, desde el cierre hasta una tasa máxima). Un usuario puede interactuar o realizar uno o más de los pasos descritos utilizando un visualizador/GUI y/o una aplicación, un teléfono inteligente u otro dispositivo electrónico portátil y/o un dispositivo electrónico de escritorio. El usuario puede interactuar con el controlador 60, directamente o de forma inalámbrica. Por ejemplo, el usuario puede operar el controlador 60 para regular, controlar u operar la presión y/o la tasa de flujo de suministro de fluido de entrada, como se describió anteriormente, o cualquier otro conjunto de estados o configuraciones del sistema de turbina hidroeléctrica y/o componentes o elementos del sistema de turbina hidroeléctrica.

[0073] El controlador 60 puede operar con, incluir o comprender un procesador de ordenador y/o una base de datos, siendo la base de datos un servidor físico y/o un sistema basado en la nube. La base de datos puede almacenar y/o procesar datos históricos relacionados con la operación del sistema de turbina hidroeléctrica, tal como la electricidad generada con el tiempo o en función de los caudales de entrada o de suministro de agua principal. El controlador 60 puede producir datos relativos a la operación del sistema, tal como la electricidad generada a lo largo del tiempo.

[0074] Los pasos del método 300 de la Fig.3 se han descrito de forma general anteriormente y, por lo tanto, aquí solo se describen brevemente.

[0075] El método 300 comienza en el paso 304. Después de completar el paso 304, el método 300 procede al paso 308.

[0076] En el paso 308, se proporciona un sistema de turbina hidroeléctrica, tal como el descrito en las Figs.1, 2 y 4-6. Después de completar el paso 308, el método 300 procede al paso 312.

[0077] En el paso 312, se proporciona o se introduce un suministro de fluido de entrada al cuerpo del sistema de turbina hidroeléctrica, o es recibido por este. El suministro de fluido de entrada puede proporcionarse, por ejemplo, de las maneras descritas en las Figs.2A y 2B. El suministro de fluido de entrada puede ser controlado por un controlador del sistema y/o por un usuario del sistema, incluso de forma remota por un usuario. Después de completar el paso 312, el método 300 procede al paso 316.

[0078] En el paso 316, el suministro de fluido de entrada se dirige al conjunto de discos de álabes de turbina. Más específicamente, el suministro de fluido de entrada está dirigido a fluir de manera general o sustancial sobre las superficies de uno o más de los discos de álabes de turbina, de modo de generar un flujo tangencial sobre las superficies del disco. Después de completar el paso 316, el método 300 procede al paso 320.

[0079] En el paso 320, el flujo tangencial del suministro de fluido de entrada sobre uno o más discos de álabes de turbina genera, crea o produce un torque de disco. Después de completar el paso 320, el método 300 procede al paso 324.

[0080] En el paso 324, el suministro de fluido de entrada, después de pasar sobre uno o más álabes de turbina, es recibido o fluye hacia una o más aberturas del árbol hueco de la turbina (o árbol perforado de turbina). Luego, el fluido recibido por el árbol de turbina se reorienta o rota aproximadamente 90 grados (es decir, rota perpendicularmente a la dirección del flujo recibido) y fluye a lo largo del interior del árbol de turbina para formar una corriente de fluido de escape. Después de completar el paso 324, el método 300 procede al paso 328. En el paso 328, el torque del disco producido, generado o creado en el paso 320 se recibe en el árbol de turbina (el árbol de turbina está acoplado o conectado al conjunto de álabes del disco). Después de completar el paso 328, el método 300 procede al paso 332.

[0081] En el paso 332, el árbol de turbina rota según lo impulsado por el torque del disco recibido en el paso 328. Después de completar el paso 332, el método 300 procede al paso 336.

[0082] En el paso 336, el acoplador de árbol magnético recibe el torque del disco para producir o generar un torque acoplador. Después de completar el paso 336, el método 300 procede al paso 340.

[0083] En el paso 340, el torque acoplador se acopla a o es recibido por el generador eléctrico. Después de completar el paso 340, el método 300 procede al paso 344.

[0084] En el paso 344, el generador eléctrico genera electricidad según lo habilitado por el torque acoplador recibido. Después de completar el paso 344, el método 300 procede al paso 348 y finaliza.

[0085] Las Figs.4 y 5 presentan una realización particular del sistema de turbina hidroeléctrica y/o componentes del sistema de turbina hidroeléctrica.

[0086] Las Figs.4A-B presentan vistas isométricas del sistema de turbina hidroeléctrica 100. La Fig.4C presenta una vista lateral y la Fig.4D una vista final del sistema de turbina hidroeléctrica 100. La Fig.4E presenta una vista lateral en sección del sistema de turbina hidroeléctrica 100.

[0087] Con atención a las Figs. 4A-E, el sistema de turbina hidroeléctrica 100 comprende un cuerpo 110, el cuerpo que comprende una primera superficie exterior 115 orientada en dirección opuesta al puerto de escape 112, una segunda superficie exterior 117 orientada en paralelo con el puerto de escape 112 y un grosor 116. El cuerpo 110 comprende un puerto de entrada 111 que recibe un suministro de fluido de entrada. El suministro de fluido de entrada fluye hacia el cuerpo y hacia afuera del cuerpo a través del puerto de escape 112. El puerto de escape 112 y el generador eléctrico 150 están dispuestos o posicionados a lo largo del eje longitudinal del sistema de turbina hidroeléctrica 100.

[0088] El árbol hueco de la turbina 130 recibe un torque del disco del conjunto unido de discos de álabes de turbina, lo que da como resultado la rotación del árbol hueco de la turbina 130 alrededor del eje longitudinal. El árbol hueco rotatorio de la turbina se engancha al acoplador de árbol magnético 140, que a su vez transfiere torque (denominado torque acoplador) al generador eléctrico 150. El generador eléctrico está montado simétricamente a lo largo del eje longitudinal del sistema de turbina hidroeléctrica mediante una montura del generador 151. La montura del generador 151 también está montada simétricamente a lo largo del eje longitudinal del sistema de turbina hidroeléctrica.

[0089] Un conjunto de discos de álabes de turbina 120 (en esta realización, los álabes de turbina son tres, lo que crea un conjunto de cuatro vacíos, ya sea entre ellos o en el exterior de un disco externo) se disponen simétricamente alrededor del árbol hueco de la turbina 130. El árbol hueco de la turbina 130 comprende uno o más puertos del árbol de turbina (o aberturas) 131. El fluido de entrada generalmente ingresa por el puerto de entrada 11, fluye tangencialmente sobre una o más superficies exteriores de uno o más discos de álabes de turbina 120, ingresa a uno o más puertos del árbol de turbina 131 del árbol hueco de la turbina 130 y sale por el puerto de escape 112 para formar una corriente de fluido de escape.

[0090] El sistema de turbina hidroeléctrica 100 también comprende un par de surcos de anillo exterior 195, un surco de anillo interior 196 y un par de cojinetes de bolas de baja fricción 197, tales como cojinetes de bolas de vidrio de baja fricción.

[0091] Con atención a la Fig.4C de izquierda a derecha, un generador eléctrico 150 está acoplado a una montura de generador independiente 151. Esta montura 151 se puede fijar a la turbina mediante abrazaderas (como se diseñó y se muestra aquí) o cualquier otro medio de unión tal como sujetadores roscados. Esta montura 151 se sujeta a la carcasa del acoplador magnético y, por la naturaleza de la montura de sujeción, permite el ajuste del espaciado del acoplador fijado al árbol del generador en relación con el acoplador ubicado dentro de la turbina para lograr una transmisión de torque máxima. A continuación, la carcasa del acoplador magnético 140 se une a la recubierta de escape directamente mediante fijaciones roscadas en la cara. También podría ser cualquier otro medio de fijar un elemento a otro. La siguiente pieza a la derecha es la recubierta del generador, luego la cámara de la turbina y finalmente la recubierta de escape.

[0092] Una recubierta de escape 170, una cámara 180 y una recubierta de generador 190 forman una disposición apilada lateralmente que contiene el conjunto de discos de turbina 120. La recubierta de escape 170 forma el puerto de escape 112 y comprende la segunda superficie exterior 117. La recubierta de escape 170 forma parte del cuerpo 110 del sistema de turbina hidroeléctrica 100. La cámara 180 comprende el puerto de entrada tangencial 181 como alimentación desde el puerto de entrada 111. La cámara 180 forma parte del cuerpo 110 del sistema de turbina hidroeléctrica 100. La recubierta de generador 190 forma parte del cuerpo 110 del sistema de turbina hidroeléctrica 100 y comprende la primera superficie exterior 115. La recubierta de generador 190 comprende surcos de junta tórica para formar una interfaz sellada con la carcasa del acoplador y la cámara. Con atención a la Fig.4D (una vista lateral del puerto de escape del sistema de turbina hidroeléctrica 100), el escape puede contener roscas internas o externas (roscas de tubería) para conectarse a la tubería de servicios públicos del cliente o usuario. Esta realización muestra una entrada 111. Se proporcionan orificios pasantes para pernos de montaje para sujetar todo el sistema, al tiempo que se emplean pasadores de clavija colocados estratégicamente para evitar un ensamblaje incorrecto y proporcionar alineación de todos los componentes exteriores.

[0093] Teniendo en cuenta la Fig. 4E, la carcasa del acoplador está sellada mediante una junta tórica contra la recubierta del generador. La recubierta del generador contiene disposiciones para un cojinete de empuje para evitar la acumulación de fricción si el paquete de discos se cambió lateralmente a lo largo del eje del árbol de accionamiento. La recubierta del generador también contiene disposiciones para un cojinete de bolas. Esta porción y la porción de escape contienen características de sellado de agua en forma de surcos de junta tórica para evitar fugas durante el uso. Este sello podría tener la forma de sellos laberínticos (múltiples surcos, sellador tales como RTV, juntas, etc.) o cualquier combinación de métodos de sellado enumerados o conocidos por aquellos expertos en la materia. La recubierta de escape también contiene disposiciones para un asiento con cojinete de bolas. Esta configuración de cojinete de montaje en silla de montar garantiza que la turbina funcione correctamente a altas RPM y reduce la resistencia dentro del sistema para obtener mayores eficiencias. El acoplador de árbol magnético 140 comprende una primera placa magnética 140A, una primera montura de placa magnética 141A, una segunda placa magnética 140B y una segunda montura de placa magnética 141B, todos simétricos respecto a un eje longitudinal común. La primera placa magnética 140A está acoplada o conectada con la primera montura de placa magnética 141A, ambos simétricos alrededor de un eje longitudinal (por ejemplo, alrededor del eje longitudinal 19, como se muestra en la Fig. 1). La segunda placa magnética 140B está acoplada o conectada con la montura de la segunda placa magnética 141B, ambos simétricos alrededor de un eje longitudinal (por ejemplo, alrededor del eje longitudinal 19, como se muestra en la Fig.1). La primera placa magnética 140A se comunica magnéticamente con la segunda placa magnética 140B de tal manera que una rotación de la primera placa magnética 140A induce o impulsa una rotación de la segunda placa magnética 140B.

[0094] El árbol hueco de la turbina 130 está acoplado o conectado con la extensión del árbol del tubo hueco 133, que a su vez está acoplada o conectada con la primera placa magnética 140A y/o la primera montura de placa magnética 141A. A medida que la extensión del árbol del tubo hueco 133 rota o se voltea, la primera placa magnética 140A y la primera montura de placa magnética 141A rotan o se dan vuelta.

[0095] El generador eléctrico 150 comprende el árbol del generador eléctrico 153. El árbol del generador eléctrico 153 está acoplado o conectado con la segunda placa magnética 140B y la montura de la segunda placa magnética 141B. A medida que la segunda placa magnética 140B y la montura de la segunda placa magnética 141B rotan o dan vueltas, el árbol del generador eléctrico 153 rota o da vueltas. El árbol del generador eléctrico rotatorio 153 es utilizado por el generador eléctrico 150 para generar electricidad. Por ejemplo, el generador eléctrico 150 puede estar equipado con alambres y conductores eléctricos y el árbol del generador eléctrico 153 puede estar equipado con un conjunto de imanes, de modo que la rotación del conjunto de imanes induce una corriente eléctrica en los alambres del generador eléctrico 150 para generar electricidad.

[0096] Una primera porción (también conocida como la porción de accionamiento) del acoplador de árbol magnético 140 está cubierta o sellada por la cubierta de la porción de accionamiento del acoplador 142. La cubierta de la porción de accionamiento del acoplador 142 sella el fluido que puede filtrarse a través de la abertura formada para permitir un paso a través de la extensión del árbol del tubo hueco 133. Tenga en cuenta que el uso de un acoplador magnético entre el árbol hueco de la turbina (accionamiento) 130 (accionado por la rotación del conjunto de discos de la turbina 120) y el árbol del generador eléctrico 153 proporciona muchos beneficios, para incluir la capacidad de sellar (de manera fluida) la porción del sistema que interactúa con el fluido (para incluir, por ejemplo, el árbol hueco de la turbina 130 y el conjunto de discos de la turbina 120) del generador eléctrico 150, y la capacidad de operar dicha transferencia de potencia rotacional en presencia de desalineación de los dos árboles rotatorios (es decir, el árbol hueco de la turbina 130 y el árbol del generador eléctrico 153). En una realización, la velocidad de rotación relativa (RPM) del árbol hueco de la turbina 130 y del árbol del generador eléctrico 153 se regula mediante un controlador, tal como el controlador del sistema 60 de la Fig.1. En una realización, la velocidad de rotación absoluta (RPM) del árbol hueco de la turbina 130 y/o del árbol del generador eléctrico 153 se regula mediante un controlador, tal como el controlador del sistema 60 de la Fig.1. En algunas realizaciones, el árbol hueco de la turbina 130 puede no ser un árbol hueco total o completo, sino que puede ser hueco solo en una porción o parte del árbol de turbina. Dicho de otra manera, el árbol hueco de la turbina 130 es suficientemente hueco para permitir que el fluido fluya desde los discos de álabes hasta el puerto de escape 12 para formar la corriente de fluido de escape 14. Por el contrario, la porción de árbol hueco de la turbina 130 opuesta al puerto de escape no es hueca sino sólida.

[0097] Las Figs. 5A-D detallan la porción del ensamblaje disco/árbol 160 del sistema de turbina hidroeléctrica 100 como un conjunto de vistas que representan características adicionales. El ensamblaje de disco/árbol 160 encaja en el cuerpo 110 (como se muestra en la Fig. 4E) y comprende el conjunto de discos de álabes de turbina 160 y el árbol de turbina 130 (al menos parcialmente) hueco con la porción enchavetada del árbol de turbina 132. También se muestra un conjunto de cuatro protuberancias curvas 121 (mostradas en las Figs.5C-D) que están montadas o dispuestas en una superficie exterior de cada lado adyacente de cada conjunto de discos de álabes de turbina 120.

[0098] En algunas realizaciones, los puertos del árbol de turbina 131 se forman alrededor del diámetro exterior del árbol de accionamiento (al menos parcialmente) hueco 130; estos puertos permiten que el fluido (tal como el agua) se desplace en espiral hacia el árbol de accionamiento 130 para ingresar al árbol semihueco 130 y salir de la turbina. Los puertos 131 también contienen un anillo de retención integrado para colocar un cojinete. Dicho anillo de retención integrado de este tipo también puede formarse cortando un surco en el árbol y añadiendo un anillo de retención u otros métodos de retención comunes, como lo conocen los expertos en la materia. Tenga en cuenta que, aunque el principio de capa límite de la turbina Tesla no requiere nada para dirigir el flujo de fluido, la adición de las protuberancias 121 agrega múltiples características. Una de estas características es la simplificación del diseño. Los discos de la turbina deben separarse para permitir que el fluido aplique torque para provocar la rotación. Normalmente, esto se haría mediante el uso de discos adicionales de un diámetro más pequeño o usando arandelas para poner brechas en los discos. Las protuberancias en esta realización actúan como esos espaciadores pero además tienen forma curva o semicircular para permitir adicionalmente un impulso sobre los discos. Estas protuberancias pueden formarse como parte de todo el disco (mecanizados, fundidos, forjados, moldeados o cualquier otro medio conocido por los expertos en la materia). Las protuberancias también pueden formarse y unirse independientemente mediante fijación mecánica, soldadura, pegado u otros medios conocidos por los expertos en la materia. Puede existir una pluralidad de protuberancias direccionales en la superficie del disco, dispuestas radialmente alrededor del eje central. El diseño de las Figs.5C-D contiene cuatro protuberancias, pero son posibles otros números y diseños. Las protuberancias también pueden usarse como pesos modificables para equilibrar cada disco. El equilibrio (similar a equilibrar un neumático con pesos en las ruedas) es necesario debido a las velocidades de rotación potencialmente altas, es decir, altas rotaciones por minuto (RPM). Cabe señalar que una de las protuberancias es única y contiene una característica que actúa como una chaveta de árbol para bloquear los discos en la alineación adecuada con el árbol de accionamiento. En la realización mostrada, la característica tiene forma rectangular (imitando así la forma de una chaveta de árbol) pero puede ser de cualquier otra forma o diseño, como lo conocen los expertos en la materia.

[0099] Con atención a la Fig.5B, note que el árbol contiene dos planos para unir y accionar el acoplador de árbol magnético. Con atención a la Fig.5D, note la naturaleza enchavetada del árbol de accionamiento y la sección hueca del árbol de accionamiento que permite que el agua fluya. Las partes planas están diseñadas para la realización actual y pueden cambiar si es necesario montar un acoplador de estilo diferente.

[0100] En algunas realizaciones, uno o más discos de álabes de turbina 120 pueden formar un único disco de turbina de capa límite con una o más protuberancias de canalización integradas. En tal realización, se puede formar una característica de chaveta de árbol integrada en donde la base o raíz de una de las protuberancias curvas se conecta a través de una característica de chaveta con la porción de chaveta del árbol de turbina 132. En una realización, uno o más discos de álabes de turbina 120 pueden incluir un conjunto de protuberancias de disco que están unidas de forma independiente (y/o son desmontables) en lugar de estar moldeadas, mecanizadas, fundidas, etc.

[0101] Tenga en cuenta que el diseño presentado en las Figs.4-5 es relativamente pequeño y contiene tres discos de 4.0" de diámetro. Sin embargo, este disco puede ajustarse en diámetro y cantidad para satisfacer las necesidades de una aplicación específica. Además de ajustar el tamaño del disco, también se pueden ajustar los puertos de entrada y salida, así como el generador, para adaptarse a la aplicación. Por ejemplo, en una vivienda residencial, la tubería de cobre que entra normalmente es de 3/4". El generador requiere unas RPM específicas de la turbina para generar una potencia determinada. De esta forma, se reduce el tamaño de la entrada para aumentar la velocidad del flujo de agua antes de entrar en la turbina para proporcionar las RPM adecuadas.

[0102] Además, tenga en cuenta que el diseño presentado en las Figs.4-5 se basa en la turbina Tesla, pero puede ser de otros diseños de discos/álabes de turbina conocidos que emplean aletas o copas para atrapar agua o cualquier diseño que se piense en el futuro. El diseño que se muestra en las imágenes de soporte tiene cuatro protuberancias curvas que ayudan a guiar el flujo de agua hacia el centro del árbol. Estas protuberancias también proporcionan el espaciado adecuado entre los discos durante el ensamblaje. Una de las cuatro protuberancias está fijada al árbol para proporcionar un accionamiento positivo y sin deslizamiento. Estas protuberancias pueden incorporarse al álabe como una unidad completa (disco con protuberancias mecanizadas en el disco) o unirse independientemente a cada disco (disco plano con protuberancias unidas mediante tornillos, pasadores, soldadura o cualquier otro medio de fijación permanente).

[0103] En algunas realizaciones, el sistema de turbina hidroeléctrica puede contener una boquilla no permanente para personalizar la salida de potencia variando la presión del agua entrante a través del flujo. La boquilla puede ser ajustable, como en una válvula ajustable, y controlarse manual o automáticamente con base en la monitorización del sistema para regular el flujo saliente.

[0104] En algunas realizaciones, el sistema de turbina hidroeléctrica puede funcionar a la inversa para bombear fluido en dirección opuesta a la utilizada para crear potencia. En algunas realizaciones, el sistema de turbina hidroeléctrica puede contener múltiples entradas alrededor de un perímetro de un conjunto de discos.

[0105] En algunas realizaciones, el árbol de accionamiento del sistema de turbina hidroeléctrica puede o no sobresalir a través del exterior del marco de turbina; puede, por ejemplo, estar acoplado directamente a un generador de DC mediante un acoplador de árbol mecánico.

[0106] La Fig.6 muestra una realización alternativa de un sistema de turbina hidroeléctrica 600. El sistema de turbina hidroeléctrica 600 comprende un diseño de álabes de turbina de tipo rueda hidráulica junto con una entrada tangencial 601 (arriba) y una salida 602 (abajo). Esta figura podría usarse como representación de múltiples entradas cuando se acopla con el diseño de turbina de disco liso. Las entradas pueden ser cualquier número mayor que uno y posicionarse tangencialmente alrededor del perímetro de los discos de la turbina.

[0107] Los sistemas y métodos de ejemplo de esta invención se han descrito en relación con sistemas y métodos que involucran un sistema de turbina hidroeléctrica. Sin embargo, para evitar oscurecer innecesariamente la presente invención, la descripción precedente omite un número de estructuras y dispositivos conocidos, y otras aplicaciones y realizaciones. Esta omisión no debe interpretarse como una limitación del alcance de las reivindicaciones. Se exponen detalles específicos para facilitar la comprensión de la presente invención. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la presente invención puede practicarse de diversas maneras más allá de los detalles específicos establecidos en este documento.

[0108] Además, debe tenerse en cuenta que los diversos enlaces que conectan los elementos pueden ser enlaces alámbricos o inalámbricos, o cualquier combinación de los mismos, o cualquier otro elemento conocido o desarrollado posteriormente que sea capaz de suministrar y/o comunicar datos hacia y desde los elementos conectados. Estos enlaces alámbricos o inalámbricos también pueden ser enlaces seguros y pueden comunicar información cifrada. Los medios de transmisión utilizados como enlaces, por ejemplo, pueden ser cualquier portador adecuado para señales eléctricas, incluidos cables coaxiales, alambres de cobre y fibra óptica, y pueden adoptar la forma de ondas acústicas o luminosas, tales como las generadas durante las comunicaciones de datos por radio e infrarrojos.

[0109] Además, si bien los métodos se han analizado e ilustrado en relación con una secuencia particular de eventos, se debe tener en cuenta que pueden ocurrir cambios, adiciones y omisiones a esta secuencia sin afectar materialmente la operación de las realizaciones, configuraciones y aspectos divulgados.

[0110] Se puede utilizar un número de variaciones y modificaciones de la invención. Sería posible prever algunas características de la invención sin prever otras.

[0111] Aunque la presente invención describe componentes y funciones implementados en los aspectos, realizaciones y/o configuraciones con referencia a estándares y protocolos particulares, los aspectos, realizaciones y/o configuraciones no están limitados a dichos estándares y protocolos. Existen otros estándares y protocolos similares no mencionados en este documento y se consideran incluidos en la presente invención. Además, las normas y protocolos mencionados en este documento, y otras normas y protocolos similares no mencionados en este documento, son reemplazados periódicamente por equivalentes más rápidos o más efectivos que tienen esencialmente las mismas funciones. Dichos estándares y protocolos de reemplazo que tienen las mismas funciones se consideran equivalentes incluidos en la presente invención.

[0113] La presente invención, en diversos aspectos, realizaciones y/o configuraciones, incluye componentes, métodos, procesos, sistemas y/o aparatos sustancialmente como se representa y describe en este documento, incluidos diversos aspectos, realizaciones, configuraciones, realizaciones, subcombinaciones y/o subconjuntos de las mismas. Los expertos en la técnica comprenderán cómo hacer y utilizar los aspectos, realizaciones y/o configuraciones divulgadas después de comprender la presente invención. La presente invención, en diversos aspectos, realizaciones y/o configuraciones, incluye proporcionar dispositivos y procesos en ausencia de ítems no representados y/o descritos en este documento o en diversos aspectos, realizaciones y/o configuraciones aquí descritas, incluso en ausencia de ítems que puedan haberse usado en dispositivos o procesos anteriores, por ejemplo, para mejorar el desempeño, lograr facilidad y/o reducir el coste de implementación.

[0115] La discusión anterior se ha presentado con fines ilustrativos y descriptivos. Lo anterior no pretende limitar la invención a la forma o formas divulgadas en este documento. En la descripción detallada anterior, por ejemplo, diversas características de la invención se agrupan en uno o más aspectos, realizaciones y/o configuraciones con el propósito de simplificar la invención. Las características de los aspectos, realizaciones y/o configuraciones de la invención pueden combinarse en aspectos, realizaciones y/o configuraciones alternativas distintas de las analizadas anteriormente. Este método de invención no debe interpretarse como reflejo de una intención de que las reivindicaciones requieran más características que las que se mencionan expresamente en cada reivindicación. Más bien, como reflejan las siguientes reivindicaciones, los aspectos inventivos residen en menos que todas las características de un único aspecto, realización y/o configuración divulgadas anteriormente. Por tanto, las siguientes reivindicaciones se incorporan a la presente Descripción Detallada, y cada reivindicación se considera por sí sola una realización preferida separada de la invención.

[0117] Además, aunque la descripción ha incluido la descripción de uno o más aspectos, realizaciones y/o configuraciones y ciertas variaciones y modificaciones, otras variaciones, combinaciones y modificaciones están dentro del alcance de la invención, por ejemplo, como pueden estar dentro de la habilidad y el conocimiento de aquellos en la técnica, después de comprender la presente invención. Se pretende obtener derechos que incluyan aspectos, realizaciones y/o configuraciones alternativas en la medida permitida, incluyendo estructuras, funciones, rangos o pasos alternativos, intercambiables y/o equivalentes a los reivindicados, independientemente de que dichas estructuras, funciones, rangos o pasos alternativos, intercambiables y/o equivalentes se divulguen o no en este documento, y sin intención de dedicar públicamente ningún tema patentable.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

1. Un sistema de turbina hidroeléctrica (100), el sistema que comprende:

un cuerpo (110) configurado para recibir un suministro de fluido de entrada (13), teniendo el cuerpo (110) un eje longitudinal (19);

un conjunto de discos de álabes de turbina (120) dispuestos dentro del cuerpo (110) y en comunicación fluida con el suministro de fluido de entrada (13), al menos un disco de álabes de turbina (120) que comprende un conjunto de protuberancias (121) que comprenden pesos modificables;

un árbol de turbina (130) montado axialmente a lo largo del eje longitudinal (19) y acoplado al conjunto de discos de álabes de turbina (120), teniendo el árbol de turbina (130) una porción de árbol de turbina hueca configurada para transportar un fluido;

un acoplador de árbol (140) montado axialmente a lo largo del eje longitudinal (19) y acoplado al árbol de turbina (130); y;

un generador eléctrico (150) acoplado al acoplador de árbol (140);

en donde:

el suministro de fluido de entrada (13) imparte un torque del disco al conjunto de discos de álabes de turbina (120) y fluye hacia la porción hueca del árbol de turbina;

el árbol de turbina (130) recibe el torque del disco impulsando al árbol de turbina (130) a rotar a lo largo del eje longitudinal (19);

el conjunto de protuberancias (121) opera para equilibrar al menos un disco de álabes de turbina (120) cuando el árbol de turbina (130) está rotando;

el acoplador de árbol (140) rota alrededor del eje longitudinal (19) para producir un acoplador de árbol rotatorio (140);

el generador eléctrico (150) genera electricidad según lo permite el acoplador de árbol rotatorio (140); y el suministro de fluido de entrada (13) ingresa a la porción hueca del árbol de turbina y forma una corriente de fluido de escape (14) dentro de la porción hueca del árbol de turbina.

2. El sistema de la reivindicación 1, en donde la corriente de fluido de escape sale del cuerpo (110) a través de la porción hueca del árbol de turbina.

3. El sistema de la reivindicación 1 o 2, en donde el conjunto de protuberancias (121) es desmontable y al menos una del conjunto de protuberancias (121) está configurada además como una chaveta de árbol que opera para bloquear el al menos un disco de álabes de turbina (120) al árbol de turbina (130).

4. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en donde el generador eléctrico (150) es un generador de DC y la electricidad (51) incluye electricidad de DC.

5. El sistema de cualquier reivindicación anterior, que comprende además un controlador de sistema (60) que opera para controlar al menos uno de una presión de suministro de fluido de entrada (13) y una tasa de flujo de suministro de fluido de entrada (13).

6. El sistema de cualquier reivindicación anterior, que comprende además una boquilla no permanente configurada para variar el suministro de fluido entrante (13) para personalizar así la salida de electricidad del sistema.

7. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en donde: el acoplador de árbol (140) es un acoplador de árbol magnético; y el acoplador de árbol (140) está acoplado magnéticamente al árbol de turbina (130).

8. Un método para generar electricidad a partir de un dispositivo de turbina hidroeléctrica (100), el método que comprende:

proporcionar el dispositivo de turbina hidroeléctrica (100) que comprende:

un cuerpo (110) configurado para recibir un suministro de fluido de entrada, teniendo el cuerpo (110) un eje longitudinal (19);

un conjunto de discos de álabes de turbina (120) dispuestos dentro del cuerpo (110) y en comunicación fluida con el suministro de fluido de entrada (13), al menos un disco de álabes de turbina (120) que comprende un conjunto de protuberancias (121) que comprenden pesos modificables;

un árbol de turbina (130) montado axialmente a lo largo del eje longitudinal (19) y acoplado al conjunto de discos de álabes de turbina (120), teniendo el árbol de turbina (130) un interior de árbol de turbina configurado para transportar un fluido;

un acoplador de árbol (140) montado axialmente a lo largo del eje longitudinal (19) y acoplado al árbol de turbina (130); y

un generador eléctrico (150) acoplado al acoplador de árbol (140);

suministrar el suministro de fluido de entrada al cuerpo (110);

dirigir el suministro de fluido de entrada (13) para que fluya a lo largo de una superficie de disco de cada disco de álabes de turbina (120) del conjunto de discos de álabes de turbina (120);

generar un torque del disco a partir del conjunto de discos de álabes de turbina (120);

utilizar el conjunto de protuberancias (121) para equilibrar al menos un disco de álabes de turbina (120) cuando el árbol de turbina (130) está rotando;

hacer fluir el suministro de fluido de entrada (13) dentro del interior del árbol de turbina para formar una corriente de fluido de escape (14);

hacer fluir la corriente de fluido de escape (14) desde el cuerpo (110);

recibir, por el árbol de turbina (130), el torque del disco;

rotar el árbol de turbina (130) según lo impulsado por el torque del disco;

recibir, por el acoplador de árbol (140), el torque del disco para generar un torque acoplador; y

generar electricidad (51) mediante el generador eléctrico (150) según lo habilitado por el torque acoplador.

9. El método de la reivindicación 8, en donde: el acoplador de árbol (140) es un acoplador de árbol magnético; y el acoplador de árbol (140) está acoplado magnéticamente al árbol de turbina (130).

10. El método de la reivindicación 8 o 9, en donde el conjunto de protuberancias (121) es desmontable y al menos una del conjunto de protuberancias (121) está configurada además como una chaveta de árbol que opera para bloquear el al menos un disco de álabes de turbina (120) al árbol de turbina (130).

11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en donde el suministro de fluido de entrada (13) es proporcionado por un suministro de agua de una empresa de servicios públicos de agua.

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde el generador eléctrico (150) es un generador de DC y la electricidad (51) incluye electricidad de DC.

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, que comprende además un controlador de sistema (60) que opera para controlar al menos uno de una presión de suministro de fluido de entrada (13) y una tasa de flujo de suministro de fluido de entrada (13).

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en donde el dispositivo de turbina hidroeléctrica (100) comprende además una boquilla no permanente configurada para variar el suministro de fluido entrante (13) para personalizar así la salida de electricidad del dispositivo de turbina hidroeléctrica (100).

15. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el suministro de fluido de entrada (13) es un líquido.