La conversión de energía eléctrica a partir de ¡a cinética proveniente de tas agua y del viento, con el enorme potencial de energía que estas poseen, podría ser aún más eficiente si para capturarlas se utilizaran turbinas multidireccionates, es decir que aprovecharan los flujos de fluidos y sus fuerzas, provenientes de distintas direcciones.

Se debe considerar que no solo hay un problema de eficiencia con la cantidad de energía cinética factible de capturar, o sea un problema de cantidad, sino que también lo hay la eficiencia de utilización de la energía extraída. A modo de ejemplo la Ley de Betz (1926), dice que como máximo puede convertirse un 59 % de la energía cinética en energía mecánica cuando se utiliza una turbina de viento.

Una de las primeras patentes para obviar el problema técnico al respecto es ía US. Patent 2563279 de Rushing el ai. que diseñaron una unidad compuesta de dos turbinas dispuestas a 180 ⁰ una de la otra , que giraban en tomo a ejes separados pero alineados , en sentido contra de! reloj. Ambas turbinas se conectaban por la parte posterior entre sí a través de un sistema de engranajes compuesto por dos engranajes cónicos que rotaban sobre un engranaje que coronaba el eje principa! y que recibía ia energía mecánica de ambas. Además las turbinas estaban montadas sobre una base circular , io que permitía orientarla en ei sentido dei viento.

Por otra parte la solicitud de patente US 2012061965 A1 de Khedekar et al. aborda e! problema desde otra perspectiva al diseñar un equipo que tiene entre otros elementos un motor conectado a! eje de una turbina, sensores de velocidad dei viento y un procesador conectado a estos últimos. El motor opera cuando la velocidad del viento es insuficiente para vencer la inercia inicia! de la turbina para rotar. Este diseño permitiría mejorar la eficiencia de las turbinas, ya que con bajas velocidades de! viento o cuando cambia ia dirección del mismo la energía cinética cosechada es suficiente para hacerlas generar energía eléctrica pero no para hacerlas vencer la inercia y rotar.

Finalmente en la solicitud PCT/CL2013/000055 Serani propone un Sistema de Control Electromagnético para un conjunto de turbinas de fluidos, que tiene entre otros componentes tres turbinas, un eje principal, un diferencial y que constituye una alternativa que soluciona parcialmente el problema de ia variabilidad en ia dirección dei viento; en la bidireccionalidad.

La mayor eficiencia técnica que se logra con esta invención se debe a una estructura mecánica que entre otros elementos contiene un conjunto de rotores, que opera en forma conjunta y muitidireccionai para captar la energía cinética provenientes de flujos de fluido de distintas direcciones, con lo que mejora sustancialmente ia extracción de energía cinética en cuanto a cantidad y también hay una mejora sustancia! en ia eficiencia de utilización posterior de ¡a energía cinética extraída.

Esta innovación proporciona parte importante de ia plataforma mecánica, eléctrica, electromecánica y de control de torque que se requiere para operar turbinas de fluidos que puedan conseguir los objetivos antes señalados; sin embargo ei diseño y la construcción de las mismas no parece ser un problema trivial en todo caso el estado actual de! arte permite suponer que será superado.

i DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN

En términos generales, ei sistema de transmisión mecánico para un conjunto de turbinas de fluidos, muitídireccfonales, generadoras de electricidad, a partir de la utilización de ia energía cinética proveniente de flujos de fluidos (aire o agua}, donde un generador eiéctrico tradicional está unido a un eje principa! d rotación, donde ei giro del eje principa! es causado por ia acción de n rotores y que se ubica en forma perpendicular al piano que trazan con ei movimiento las patas de estos últimos .

Los rotores están montados sobre ejes secundarios; donde ambos, rotores y ejes, están orientados hacia el punto central del eje principal, a igual distancia angular y ubicados en un mismo plano horizontal. E! eje secundario está compuesto de dos semiejes, uno de entrada y el otro de salida; este último se mueve por dentro de un tubo a presión que en su interior tiene un émbolo montado sobre este mismo y que se desplaza de modo bldireccfonaí. Los semiejes se conectan a través de un embrague cónico; en ei extremo interno del semieje de entrada hay un piñón que se asocia functonalmente al extremo superior del mencionado eje principal.

Ef presente Sistema de Transmisión Mecánico consta de cuatro componentes generales, un componente mecánico, un componente electromecánico, un componente eléctrico y un componente de control de torque.

Donde dicho componente mecánico comprende un eje principal, un engranaje central, cinco piñones, cinco ejes secundarios, compuestos de dos semiejes cada uno, uno de salida y otro de entrada, separados por embragues cónicos, cinco cajas de cambio con sus respectivos selectores de velocidad, cinco resortes, cinco tubos estriados, seis sensores de velocidad de rotación, seis sensores de torque y dos rodamientos por cada semieje de salida.

Cabe destacar que para efectos de facilitar ia comprensión de esta invención tanto en tos ejemplos, como en los cálculos correspondientes se utilizan cinco rotores sin que ello represente un óptimo técnico; ya que pueden ser más, o menos dependiendo de ios materiales utilizados en la construcción de! sistema, de las limitaciones técnicas, deí flujo de fluido, de razones económicas y otras.

Ei componente electromecánico está compuesto de un motor de arranque, un generador y una batería.

El tercer componente es el eléctrico, que está constituido por ocho circuitos eléctricos; uno relacionado con ei motor de arranque, uno con el control de torque, uno con la determinación de ia velocidad de rotación de los semiejes de satida y cinco con la operación del selector de la caja de cambios. Cabe destacar que estos circuitos se pueden unir quedando solo uno, dependiendo de ia distribución de las fuentes de electricidad; en definitiva del diseño de una turbina compatible con este Sistema. Además posee once sensores de velocidad de rotación, cinco relacionados con la determinación de las velocidades de los semiejes de salida y seis con ia partida dei motor de arranque, seis sensores de torque , un generador, una batería, cajas y tableros y ei cableado correspondiente.

Z Ei cuarto de ios componentes es el de control de torque, que está compuesto por un sistema de control de servomotores y cinco servomotores interconectados con ias admisiones o con ta regulación de las palas de ios rotores.

Por motivos obvios el empleo de esta Innovación está sujeto ai diseño, desarrollo y fabricación de turbinas mu tidireccionales que se complementen con este sistema de transmisión mecánico, lo que excede por mucño ios objetivos de ia presente invención

DESCRIPCIÓ DE LAS FIGURAS.

Figura 1 muestra una vista en planta dei componente mecánico, en especial de eje principal, del engranaje central, del semieje de salida, de la caja de cambio y del embrague cónico el presente sistema de transmisión mecánico.

Figura 2 muestra una vista lateral de! componente mecánico, similar a la de la figura 1 , más el componente electromecánico del presente sistema de transmisión mecánico.

Figura 3 muestra una vista lateral del componente mecánico, asociado al semieje de entrada.

Figura 4 muestra una vista en planta dei Sistema de transmisión mecánico para un conjunto de turbinas de fluidos, multidireccíonales, generadoras de electricidad.

Figura 5 muestra una vista lateral del selector de velocidades. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención es un Sistema de Transmisión Mecánico para un Conjunto de Turbinas de Fluidos, Multidireccíonales Generadoras de Electricidad, que está relacionado con ta generación de energía eléctrica, a partir de utilización de la energía cinética proveniente de los fluidos, en especial agua y aire.

En particular se relaciona con las máquinas de fluidos, con las turbo máquinas, con las máquinas hidráulicas y con las turbinas y consiste en un sistema de control electromecánico para turbinas bidireccionales, verticales y/o horizontales, para la operación de las mismas.

Especialmente apropiado en la industria relacionada con la producción de turbinas de viento e hidráulicas y también con aquellas relacionadas con la generación o utilización de energía eléctrica partir de la energía hidráulica y de la energía eólica.

La esencia de esta invención comprende a un eje principal conectado a un generador que ai rotar produce electricidad, pero a diferencia de una turbina normal en que la energía mecánica para mover dicho eje proviene de un sentido y de un sofo rotor , en la presente invención el torque es producido por un grupo de rotores distribuidos en forma radial y en un plano horizontal con respecto al eje principal de ta estructura, separados entre sí por una misma distancia angular y a igual distancia radial del centro del eje. Ta! cua! se aprecia en ias Figuras 1 y 2, el componente mecánico dei Sistema comprende un eje principa! (8) que al rotar hace girar un generador, un engranaje centra! (9), cinco piñones (13), un engranaje recto (10), cinco ejes secundarios (7), compuestos por dos semiejes cada uno; uno de safída (1 ) y uno de entrada (12) , cinco partes hembras (18) y cinco machos (120) de embragues cónicos , cinco cajas de cambio (16), cinco selectores (17), anco tubos estriados (124), veinte rodamientos

(125) y cinco rotores (121). Además ai costado de la base del eje principal están tos tableros (6) y ias cajas para ios circuitos eléctricos (7).

Los mencionados rotores (121) están en contacto con ei flujo de fluido generador y por su forma giran impulsados por Ja energía cinética de éste; donde cada uno de dichos rotores está unido ai extremo externo de un eje secundario (7).

La energía cinética contenida en el fluido se transforma en energía mecánica producto de ia interacción entre e! fluido y ei rotor de ia turbina y a su vez esta última se convierte en energía eléctrica mediante un generador. La fuerza que ejerce ei fluido sobre et rotor de la turbina tiene tres componentes; axiai, tangencia! y radial.

Los ejes secundarios (7) a! igual que los rotores (121) están orientados hacia ei punto central dei eje principa! (8), a igua! distancia angular entre efios y ubicados sobre un mismo piano horizontal que a su vez es perpendicular ai eje principal. Tai como ya se mencionó ios ejes secundarios (7) se componen de dos semiejes en iínea, uno de ellos es un semieje de salida (11) que está en ei extremo externo del eje secundario y unido a la turbina correspondiente, mientras que et otro semieje es un semieje de entrada (12) dispuesto en e! extremo interno de cada uno de los ejes secundarios (7).

Los semiejes de salida (11) y semiejes de entrada (12) están alineados longitudinalmente y se encuentran separados entre sí por un embrague cónico que está compuesto por una parte hembra montada sobre ei extremo externo de! semieje de entrada (12) y por una parte macho montada sobre ei extremo interno de! semieje de salida (11). La hembra del embrague cónico (18) presenta una concavidad central de forma tronco cónica, mientras que el macho (120) presenta una forma tronco cónica que encaja dentro de la concavidad tronco cónica de ia hembra (18).

Por otra parte el semieje de entrada comienza en ia hembra del embrague (18) y termina en la unión con los piñones (13) que están acopiados con ei engranaje central (9) y por su intermedio conectados con el eje principal (8) y además los semiejes de entrada (12) están acopiados a una caja de cambio mecánica (16 ) junto a su correspondiente selector de velocidades (17); mientras que el semieje de salida comienza con ei macho del embrague (120) y termina en ia unión con ía turbina (121), La unión del macho (120) con la hembra dei embrague (18) y por ende de los semiejes de salida (11) y entrada (12) del eje secundario (7) permite transmitir eí movimiento del rotor ai eje principal (9).

Cada uno de ios semiejes de salida (11 ) asociados a ia turbinas, pasan por dentro y a ío largo de un tubo estriado en su interior (124), en cuyo interior presenta un émbolo

(126) ; donde dicho émbolo (126) está fijo a dichos semiejes de salida (11) y se mueve axiatmente dentro dei tubo de presión (124), a medida que dichos semiejes de salida (11) también avanzan o retroceden axiatmente. El deslizamiento del semieje de salida (11) a lo largo del tubo estriado (124) es consecuencia del Ja fuerza que ejerce el flujo de fluido sobre el rotor (121), específicamente a través del componente axial, a ta vez que el giro posterior de ese mismo semieje (11) es causado por eí componente radia! de la misma fuerza; el avance del semieje de saiida termina en el extremo interior del tubo,

Dentro de cada tubo de presión (124) hay una cámara de aire (128) y un resorte (127) que regulan el avance del émbolo (126), que se encuentra montado sobre el semieje de salida. En su extremo externo el semieje de salida es liso (122) y en el extremo interno estriado (123), de manera que el giro del rotor se traspase al tubo,

Los tubos estriados (124) no tienen movimiento axial pero si son capaces de rotar libremente, lo que se consigue montándoios sobre pares de rodamientos de contacto angular (125) que soportan cargas axiales. El montaje de tas rodamientos puede ser DF (Frente a frente; directo) o DB (dorso con dorso; indirecto).

El émbolo (126) tiene la forma de un perno con cabeza cilindrica rodeada de estrías para ajustarse al tubo y termina en un eje cilindrado con hilos en su punta, para que se una con la parte posterior del macho del embrague ( 20) que tiene un orificio hilado.

El tubo ( 4) tiene en su extremo interior una pletina circular (130) en donde pasa solo el eje del macho del embrague, o sea la parte con hilo indicada anteriormente, en donde la parte macho del embrague (120) tiene un orificio con hilo (129) para fijar el eje del émbolo mostrado anteriormente.

El resorte (127) está ubicado dentro del tubo estriado (124), entre el émbolo (126) y la pletina (130) y es capaz de vencer todas las fuerzas presentes cuando ¡as turbinas no están en movimiento; de roce, peso, eíc, pero no sobrepasa la fuerza que eí fluido ejerce sobre el rotor, de lo contrario el embrague no se unirá. La cámara de aire (128) también está ubicada junto al resort (1 7), entre el émbolo (126) y la pletina (130) y cumple una función similar al del resorte (127), ya que ayuda a separar ei macho del embrague (120) del la hembra (18) del mismo.

En cada uno de lo semiejes de salida hay montado un sensor de torque ( 9), un sensor de velocidad de rotación (20) asociado a un microcontroíador principal y a los cambios de velocidad de ia caja de cambio ( 6) y un segundo sensor de velocidad de rotación (21), asociado a ia partida del motor de arranque (22), Los sensores de torque (19) y de velocidad de rotación (20) y (21 ) pertenecen a! componente eléctrico y sus funciones serán explicadas en relación al componente eléctrico del sistema general. Próximo a la base del eje principal (S) se ubica las cajas y tableros (6) de los circuitos eléctricos que íntereonectan los distintos componentes de esta invención.

El componente mecánico del sistema, también está constituido por un eje principa! (8), dispuesto en forma perpendicular a tos ejes secundarios de ia turbinas (121), dicho eje principal (8) presenta en su extremo cercano a los ejes secundarios un engranaje central (9). A este engranaje central (9) se le acoplan cinco piñones (13) que van montados sobre ei extremo interior de cada uno de los ejes secundarios (7) y que le transmiten el movimiento de ios rotores (121) al eje principal (8).

S Tanto e! engranaje centra! (9) que corresponde ai engranaje conducido como ios piñones (13) que son ios engranajes conductores son cónicos y con dientes rectos.

Además estos últimos (13) tienen como característica especiaí el hecho de permanecer constantemente acopiados ai engranaje centra! y giran solo cuando ¡o haga e! rotor (121) y los ejes secundarios (7) íes transmitan el movimiento es decir cuando ei embrague macho (120) se una a ta hembra {18}.

Es de fundamental importancia determinar Sa capacidad de! engranaje centraJ (9) para soportar tas cargas de la totalidad de ios piñones (13} y que depende entre otros del número de rotores, de ta potencia de los mismos y de sus R.P. .

Ta! como se mencionó anteriormente tanto para el ejemplo como para tos cálcuíos se utilizan cinco rotores (121 ) sin que ello represente un óptimo o un compromiso técnico, ya que pueden ser más o menos dependiendo de ios materiales utilizados en la construcción de ta estructura mecánica, de las limitaciones técnicas, de los flujos , de razones económicas y otras.

Para calcular las dimensiones del engranaje, de tos piñones, así como e! diámetro de! eje se requiere de las siguientes ecuaciones:

Momento de torsión: T1= Ph x 83Q25 (1) donde;

n

Ph = Potencia (HP); T = Momento de torsión (Ibs.-pulg.); n ~ R.P.M.; r = Radio primitivo del piñón; d = diámetro primitivo del piñón y Mg= Relación de reducción; cociente entre dientes de! engranaje y de! piñón.

Esta ecuación se utiliza para determinar el momento de torsión en e! engranaje que entrega ei movimiento; en este caso eí piñón (13).

T2 = T1 x Mg (2)

La ecuación (2) se utiliza para encontrar ei momento de torsión en el engranaje que recibe el movimiento; en este caso el engranaje central.

La carga tangencia! en el diámetro de paso de! engranaje central tiene la denominación Wt _> e¡ radio de paso de! engranaje es r y la carga tangencia! motriz es:

Wt = T/ (3)

Las reacciones de tos dientes de un engranaje que recibe carga en tres planos son las siguientes:

Carga radial en e¡ engranaje; Wr ^" - Wt x tang (φ) x eos (a) (4)

Carga axial en e! engranaje; Wx = Wt x tang (φ) x sen (a) (5)

Carga tota! en el engranaje: W - Wt x eos (q>) (6)

Consideraciones y supuestos: - En Sas ecuaciones tos ángulos se encuentran en grados y Sas reacciones en libras- pulgada.

Ef diseño considera engranajes cónicos rectos.

- Eí ángulo de presión será 20°, ya que es e« más común de la industria.

- La distancia entre el centro dei engranaje central y los 5 rotores será igual.

- Los rotores estarán distribuidos alrededor de! engranaje central a una distancia angular contante de 72°.

- Se supondrá que ios rotores tienen ¡a misma potencia pero en ta realidad difieren por la diferencia que con que inciden los flujos de fluido en los rotores y además habrán algunos inactivos. Ver figura 4.

- La potencia de los rotores será de 0,5 HP y giraran a 500 R.P.M.

Con esta información y a través de una pianüía de cáículo se determinaron entre otros tos siguientes valores, para el engranaje central y ios piñones; diámetro primitivo o de paso 808,5 mm y 202,13 mm respectivamente y ei número de dientes; 100 y 25 respectivamente.

Para calcular e! eje de! piñón se supone que será de acero 1045, con lo que su módulo esfuerzo de fluencia será: of - 413,8 (MPa).

Para calcular ei esfuerzo máximo presente en ei eje secundario (7) se debe utilizar ia siguiente ecuación:

σ max ~ c l \ (7) donde : omáx : Esfuerzo máximo a! cual se puede someter la pieza. Su unidad debe ser Pascal o IM/m2.

: Es ei momento flector presente en e! eje, en este caso la fuerza radial por ia longitud desde el rotor al piñón. Su unidad debe ser ¡M-m.

! : Es el momento de inercia de ia sección transversal.

c : Es ia distancia perpendicular desde e! centro hasta el punto más lejano; en el caso de los ejes es el radio.

Como el momento de inercia es I = ¼ ir x r 4 y además c es ei radio r, la ecuación H° 7 queda; o f = 8x M/ X r 3 (8) despejando;

Para calcular e! momento M se requiere conocer la distancia entre eí rotor y ei centro que en este caso es 0,4 metros, ya que se ha supuesto que dicha distancia es de 1 metro a lo que hay que restarle 0, 4 metros correspondientes a! diámetro dei engranaje central (9). Además ia fuerza radia! es de 5.9 N por fo que el momento es 9.54 N-M. Ef esfuerzo máximo o esfuerzo de fluencia será de σ=413 MPa lo que equivale a 4 3S00OO0N/ 2; por lo que el diámetro mínimo de! eje (7) del piñón (13), será de 8 mm suponiendo que se usa acero 1045. Cabe destacar que et costo de aumentar e! diámetro del eje no es significativo y se pueden disminuir problemas de fatiga, corrosión y vibraciones pareciera aconsejable dejado en 40 mm o más.

Con esa información se puede determinar las fuerzas presentes en el piñón (3) y en el engranaje central (9) las cuales se muestran a continuación:

La carga radial a nivel de engranaje central es de es de cero suponiendo que la potencia de los rotores se distribuye uniformemente entre ellos, sin embargo sabemos que no es así, ya que variará según la dirección y fuerza que ejerza el flujo de fluido sobre los rotores (121).

La carga presente en eí engranaje es de 27,97 Ibs. y para que la estructura se mantenga equilibrada el eje secundario (7) debe soportar 139.85 Ibs. (27,97 x 5) más el peso de! engranaje central (9).

Finalmente para calcular la carga o reacción del rodamiento de una chumacera, ubicada entre el rotor (121) y el piñón (13) se debe utilizar ta siguiente ecuación:

D~ Wr f / e (en Ibs). (10), donde:

D - Carga en el rodamiento

Wr f = Carga radial

f/e = Relación entre la distancia de! rodamiento al rotor (121) versus ¡a del rotor (121 ) a! engranaje central (9),

La Figura 1 muestra parte del componente mecánico del Sistema, tal como el eje principa! (8) y e! engranaje centra! (9). Además de los pifiones (13), los ejes secundarios (13} , los semiejes de entrada (12), las cajas de cambio (16), los selectores (17) y las hembras de tos embragues cónicos (18) ; donde todos estos últimos elementos están relacionados con cada uno de sus respectivos rotores (121).

Los rotores (121) y los ejes secundarios (7) se distribuyen sobre un mismo plano horizontal perpendicular al eje principa! (8) y al engranaje central (9) y están a igual distancia angular uno del otro, de manera que pueden recibir la fuerza de tos flujos de fluido provenientes de todas las direcciones ( o sea en 360 °). Tal y como ya se mencionó los piñones (13) se mantienen acoplados al eje principal (8) independiente de cual (es) rotor (es) (121) y eje (s) secundario (s) (7) este (n) girando. En la medida que !a energía cinética deí flujo de fluidos provenga de un arco con un mayor ángulo, un mayor número de rotores (121) podrán acopiarse a ios piñones (13), a través de los ejes secundarios y por ende mayor será el íorque a nivel de eje principa!; suma de torques.

La Figura 2 muestra parte del componente mecánico compuesto por eí eje principa! (8), el engranaje central (10) , eí piñón (13), el engranaje recio (10), ía caja de cambio (16), el selector (17) y el componente electromecánico conformado por el motor de arranque. El piñón (13) esta acopiado sobre el eje engranaje centra! {9} y este a su vez unido al eje principal (8) de manera que cuando el rotor gire (121), el eje secundario (7) transmita el movimiento a través del piñón ( 3) al engranaje central (9) y ai eje principal (8). Por su parte ei motor de arranque (21) , que en esta figura esta desacoplado del engranaje recto (10) que unido al eje principa! (8) y se acopia a! mismo (8) cuando se inicia el movimiento de uno o más de los rotores (121), siempre y cuando el eje principal ya no se encuentre girando (8) por acciones previas.

La Figura 3 muestra los restantes elementos del componente mecánico, que comprende ei rotor (121), eí semieje de salida (1 ), en sus partes lisa (122) y estriada (123), el tubo estriado (124), e! émbolo (126), eí resorte (127), la cámara de aire, los rodamientos (125) y e! macho dei embrague cónico (1 0). La figura 3-A corresponde a un rotor (121) que está en reposo y por ende el semieje de salida (11) esta desplazado axiaimente hacia la parte exterior del Sistema junto al rotor de ía turbina, producto de ia fuerza que ejerce sobre el resorte (127) junto ai aire descomprimido dé la cámara de aire (128). La Figura 3-B muestra al rotor (121) trabajando ya que el semieje (121) se ha deslizado por el interior del tubo estriado (124) empujando al émbolo (126), que comprime al resorte (127) y al aire contenido en ía cámara (128) , lo que fuerza ai macho del embrague cónico (120) a unirse con la parte hembra deí embrague cónico (18) ; de esta manera ei giro dei rotor ( 121) se transmite a través deí eje secundario (7) hasta ei eje principal y por su intermedio al generador. Cerca de cada rotor (121) hay un servomotor (132), que tiene por función regular las admisiones o las palas de ios rotores, según corresponda, de forma d prevenir daños en ios ejes secundarios (7) por exceso de íorque, lo que se hace en función de los impulsos de los sensores de torque ( 9) ubicados en tos ejes y a través dei cohíroi de servomotores.

Por otra parte tai como se desprende de las Figura 4 aunque la velocidad con que el fluido llegue a tos distintos rotores (121) sea la misma, la fuerza que ejerza sobr cada uno de los rotores a nivel dei eje de mismos será diferente. En dicha figura se puede apreciar que ei flujo del fluido incide en los ejes de los rotores 121-1, 121-2 y 121-3 formando los ángulos A, C y 8 respectivamente, en donde la velocidad dei fluido a nivel de rotor será Vb > Ve >Va ; en consecuencia las velocidades de giro angular det eje principal, def engranaje central , de los piñones y de Sos ejes secundarios .

En definitiva si eí flujo de fluido incide en un rotor en forma frontal al eje (caso similar al del rotor 121-1) la velocidad del fluido a nivel deí eje del rotor tenderá a ser la misma que la dei flujo, suponiendo que no hay roce ni turbulencias, sin embargo sí por e! contrario el flujo incide forma perpendicular a! eje del rotor ( caso similar al del rotor 121-2) ia velocidad de rotación deí mismo será nula. En la Figura 4 también se puede ver que, dado e! sentido de derecha a izquierda que tiene el Rujo del fluido, los rotores {121-3} y (121-4) no puedan girar por carecer de ia energía cinética para hacerlo, ío que se refleja en que los embragues cónicos macho (120) y hembra no estén unidos,

A diferencia de io que ocurre con los rotores (121-1 ), (121-2) y (121-3), en donde la fuerza deí flujo De ahora en adelante a los rotores que estén girando y transmitiendo energía mecánica ai eje principal (con macho y hembra del embrague unidos) les llamaremos rotores activos y a ios restantes inactivos.

Para determinar ias velocidades del fluido dentro del rotor se utilizará la metodología descrita y los siguientes supuestos:

1 Ei rotor es rígido y permanece estático.

2. - Se desprecian los efectos de roce y turbulencias.

3. - Las colisiones son elásticas y se cumplen las siguientes relaciones.

4. - Se asume que ias partículas de agua se comportan como partículas de luz.

Con estos supuestos se utilizó ia Ley de Sneii: n 1 sen Θ1 = n2 sen Θ2

en donde n y n2 corresponden a los índices refracción de dos medios separados por una superficie S. Los rayos de luz que atraviesen ios dos medios se refractarán en la superficie, variando su dirección dependiendo del cociente entre Sos índices de refracción ni y n2. En este caso n1=n2, ya que la colisión siempre ocurre en el mismo medio, por lo cual.

Θ incidencia = Θ refractado; Este caso se conoce como Reflexión Interna Tote!

La figura siguiente muestra el esquema de colisión del agua con el eje de! rotor. El ángulo α corresponde a ia inclinación del eje del rotor respecto at flujo de agua. Aplicando Sneii se obtiene que el ángulo a de incidencia es igual al de rebote.

Debido a ta conservación def momentum y a que el rotor no se mueve la velocidad final del agua después de ia colisión es igual a la velocidad inicial del agua:

V fluido i = V fluido f ^β V fluido.

La velocidad del fluido en el eje del rotor será la componente que sigue !a misma dirección de su eje; Vfiuido fx aludiendo a que es la componente x de la velocidad del fluido.

20 Donde,

V fluido (rotor) = V fluido íx

V fluido (rotor) - [ eos (ángulo RAD) ^* V fluido)]; a continuación hay un ejemplo:

Tal como se señaló anteriormente el principal objetivo de esta invención es maximizar la extracción de !a energía cinética de flujos muttidireccionaies y ios valores de esta tabla obtenidos a partir de la Ley de Sneí!, demuestran que con una estructura mecánica que tenga una distribución circular de los rotores, ta! como la de esta invención, esto es perfectamente factible. Ei segundo objetivo de esta invención es mejorar sustancialmente ia eficiencia con que se utiliza la energía cinética extraída; a continuación se explica la forma en que la presente invención alcanza este objetivo

En la figura 4 es posible apreciar que hay tres rotores (121-1), (121-2) y (121-5) que están capturando energía cinética y convirtíéndoia en energía mecánica. Además a través de la Ley de Snell se puede concluir que ia velocidad de giro y por ende de la potencia de ios rotores (121) diferirá entre ellos, lo que se deriva del hecho que ios ángulos de incidencia de ios flujos de fluido con respecto a los ejes de los rotores son diferentes. En definitiva el problema se reduce entonces a encontrar ia forma dé transmitir ia energía proveniente de estas 3 fuentes; rotores (121) a! eje principal (8).

La presente invención logra este objetivo mediante ia incorporación de cinco cajas de cambio montadas con sus respectivos selectores de cambio (17) en cada uno de ios cinco semiejes de entrada (12) relacionados con sus respectivos semiejes de salida (11) y rotores (121) y con un microconfroiador principal más cinco microcontroladores; uno para cada selector de cambios(17).

Para efectos de la operación del Sistema un microcontrolador principal lee las velocidades de rotación de cada uno de los semiejes de salida (11), relacionados con los cinco rotores (121), las compara y determina cual es la mayor, luego le ordeña a los microcontroladores que administran la parte operativa de cada uno de Sos selectores de cambios (17) , para que hagan ei cambio correspondiente en su respectivas cajas ( 16 ), de manera tai que todos los semiejes de entrada (12) y sus respectivos piñones (13) giren a ta misma velocidad angular. El resultado es que él torque de cada uno de los piñones se sume al momento de hacer girar el eje principal.

En ia Figura 2 se presenta el diseño de una caja de cambio mecánica de seis velocidades y con engranajes helicoidales que cumple con los requerimientos de esta invención y que permite facilitar ia comprensió de su funcionamiento, sin embargo solo es un ejemplo ya que podrían usarse otras cajas mecánicas o automáticas e incluso transmisiones variables continuas.

21 Ef eje primario A, que recibe e! movimiento de! motor consta de seis engranajes; desde ei 1A hasta 6A que tienen 25, 30, 35, 40, 45 y 50 dientes respectivamente. Se han supuesto velocidades de entrada a ía caja de 400, 800, 800 y 1000 R.P. . y relaciones de transmisión de 0,293; 0,513; 0,737; 0,948; 1 ,171 y 1 ,5, para 1 ^a a 6 ^a respectivamente. Por otra parte;

Rt = relación de transmisión = Np/Ng = Vg Vp donde,

Np= N° de dientes dei piñón y Ng= ei N° de dientes de! engranaje.

Vp = Velocidad dei piñón y Vg ^Velocidad deí engranaje

A partir de estas ecuaciones se determinó eí N° de dientes óptimo para los engranajes deí eje secundario B, así como fas relaciones de transmisión reales y las velocidades de salida para todos sus engranajes, a las distintas velocidades de entrada.

La dimensión de ios dientes se hizo utilizando una planilla de cálculo, con las siguientes consideraciones; los ángulos de presión y de hélice seleccionados son de 20 ⁰ y 23 ⁰ respectivamente, el valor a considerar para el módulo es de 3 y la distancia entre ios ejes primarios y secundarios debe ser siempre igual. Además se utilizaron tes formulas existentes para determinar las medidas de los dientes helicoidales tales como el diámetro primitivo, el adendo, el dedendo y otros.

En la Figura 2 y en especial en la Figura 5 se muestra detalle de un de un selector de cambios hidráulico (17) con el que cuenta esta invención y que consta de tres cilindros (2 0), a través de cada uno de ios chales se contraían dos cambias (1 y 2; 3 y 4 y 5 y 8); donde cada cilindro (210) tiene dos cámaras y una división central que las separa (214), dos émbolos (213) y dos vástagos (2 1). En la división central de cada cilindro hay una bomba bidireccionaí (2 7) y una válvula con que se regula el llenado de tas cámaras (218) y además un sensor de contacto en la camisa del mismo (216),

En esta Figura se puede ver que el selector (17) y la caja de cambio (16) están en primera velocidad para fo cual el émbolo y el vástago inferior se deslizaron por completo hacía abajo (causado por el desplazamiento del liquido hidráulico que hizo ía bomba y por ei accionar de la válvula), arrastrando la varilla y el sincronizador correspondiente en la caja de cambio. Eí sistema de automatización detectó esta operación, cambio efectuado a la primera velocidad, a través deí sensor de contacto.

Ei componente electromecánico contempla un motor de arranque (22), que se usa para vencer la resistencia inicial del eje principal (8) previniendo daños por exceso dé torque. Este componente esté asociado a! eléctrico a través de un sensor se velocidad de rotación en ei semieje de salida ( ), que forma parte de un circuito eléctrico y de un motor de arranque (22) que se puede ver en la Figura 3. Cuando la energía cinética mueve uno o más rotores (121) el circuito eléctrico da la partida ai motor de arranque instantes antes que eí eje secundario (7) y el piñón ( 3) aumenten el torque sobre el eje principal (8) , de rotación, de manera de prevenir daños al por exceso de torque . La excepción fa constituye el hecho que el eje principa! (8) ya este en movimiento por una acción anterior, en cuyo caso el circuito eléctrico que además cuenta con un sensor de movimiento montado en ei mismo (8) inhibe !a partida.

Eí componente electromecánico comprende además un engranaje de acopie asociado ai motor de arranque (22) que se conecta al eje principal a través de un engranaje recto (10) montado sobre el eje principal (8).

El componente electromecánico se completa con una batería (23) para acu ular energía y darle la partida ai motor de arranque y/o para producir electricidad hacia el exterior dei sistema, un generado (24) que se relaciona con el eje principal (8) a través de un polea menor (25) acoplada ai generador (24) una polea mayor (26) acoplada ai eje principa! (8) y donde ambas poleas están conectadas por una correa de transmisión (27),

Et componente eléctrico incíuye ocho circuitos; aunque tai como se mencionó podrían ser uno solo o más dependiendo de la ubicación de las fuentes de energía eléctrica que a su vez depende de! diseño de ia turbina que estaría asociada a la presente invención; ios circuitos son los siguientes: a) U microcontrolador principal que tiene por función leer ia velocidad de rotación de los semiejes de salida (11) a través de los sensores de rotación (20) para determinar ta mayor de éstas, y ordenarle a los microcontroladores de cada selector de velocidad (17) para hacer los cambios correspondientes en ia caja (16). Físicamente este circuito se ubica en ias cajas y tableros (6) que están próximos al eje principal (8) y comprende cinco sensores de velocidad de rotación (20). b) Cinco microcontroladores a nivel de selector de cambios (17) que tienen cómo función recibir una orden del microcontrolador principal y realizar las operaciones que se requieran; bombas (217) y en válvulas (218), para hacer los cambios de velocidad en ia caja (16) y así lograr que las velocidades de rotación de los semiejes de entrada (12), correspondientes a ios rotores activos (121) se igualen independiente de ias velocidades de giro que existan a nivel de rotores (121). c) Un circuito eléctrico relacionado con la partida dei motor de arranque (22) que consta de cinco sensores de rotación (21); montados en cada uno de ios semiejes de salida (11) y en el eje principal . El objetivo dei circuito es sincronizar la partida del motor de arranque entre tos cinco ejes secundarios (7) de manera de prevenir daños en ios mismos por exceso de torque. Físicamente este circuito se ubica en las cajas y tableros (8) que están próximos a la base de! eje principal (8). d) Un circuito eléctrico relacionado con el sistema de control de torque que consta de cinco sensores de torque (19) y un control de servomotores cuya función es regular la admisión de ios rotores {121 } o de las palas de tos mismos según sea el caso, para disminuir la entrada de fluidos y prevenir así ios daños en los ejes por exceso de torque. Los sensores están ubicados en ios semiejes de salida (11) y ei circuito eléctrico se ubica en las cajas y tableros (6) que están próximos a ta base del eje principal (8).

Ei componente de control de torque está compuesto por cinco servomotores (132); uno por cada rotor (121), como se puede observar en ia Figura 4 y un control de servomotores ubicado en ias cajas y tableros (6) próximos a la base del eje principa!,

El funcionamiento y las relaciones que hay entre ios distintos componentes que forman parte del Sistema de Transmisión Mecánico consta de los cuatro componentes antes descritos, es decir, un componente mecánico, uno electromecánico, uno etéctríco y uno de control de exceso de torque. Las interconexiones entre ellos son:

Entre e! componente mecánico y el electromecánico: Se da por la transmisión mecánica vía eje principal (B), ei engranajes recto (10) y el motor de arranque (22).

Entre el componente mecánico y e! eléctrico: A través de ios sensores de velocidad de rotación (20) y (21) en fundón de ios rotores (121) y por el motor de arranque (22).

Entre el componente mecánico y de control de torque. A través del eje principal (8), los ejes secundarios (7), ios sensores de torque (19), el control de servomotores y los servomotores ( 32).

Entre el componente electromecánico y el eléctrico: A través de los motores de arranque (22), ei generador (24), ia batería (23) y el cableado.

Entre el componente eléctrico y ei control de torque: A través de tos sensores de torque (19), ei control de servomotores y los servomotores (132).