La turbina helicoidal Gorlov ( GHT ) es una turbina hidráulica que evolucionó a partir del diseño de la turbina Darrieus modificándola para que tenga palas/láminas helicoidales . Las turbinas hidráulicas toman energía cinética y la traducen en electricidad. Fue patentado en una serie de patentes desde el 19 de septiembre de 1995 [1] hasta el 3 de julio de 2001 [2] y ganó en 2001 ASME Thomas A. Edison . GHT fue inventado por Alexander M. Gorlov , profesor de la Universidad Northeastern .
Los principios físicos del trabajo de GHT [3] son los mismos que para su prototipo principal, la turbina Darrieus, y para la familia de aerogeneradores similares de eje vertical que incluye también el aerogenerador Turby , la turbina aerotecture, el aerogenerador Quietrevolution , etc. , Turby y Quietrevolution resolvieron los problemas de torsión pulsatoria mediante el uso del giro helicoidal de las palas.
La turbina helicoidal (patente alemana DE2948060A1, 1979) fue inventada originalmente por Ulrich Stampa (Bremen, Alemania), ingeniero, autor e inventor.
El término "lámina" se utiliza para describir la forma de la sección transversal de la pala en un punto determinado, sin distinción por el tipo de fluido (por lo tanto, se refiere a un " perfil aerodinámico " o " hidroplano "). En el diseño helicoidal, las palas se curvan alrededor del eje, lo que tiene el efecto de distribuir uniformemente las secciones de lámina a lo largo del ciclo de rotación, por lo que siempre hay una sección de lámina en cada ángulo de ataque posible . De esta manera, la suma de las fuerzas de elevación y arrastre en cada pala no cambia abruptamente con el ángulo de rotación. La turbina genera una curva de par más suave, por lo que hay mucha menos vibración y ruido que en el diseño de Darrieus. También minimiza las tensiones máximas en la estructura y los materiales, y facilita el arranque automático de la turbina. En entornos de prueba, se ha observado que el GHT tiene hasta un 35 % de eficiencia en la captura de energía, según informaron varios grupos. [4] [5] [6] "Entre los otros sistemas de turbinas de eje vertical, la turbina Davis Hydro, la turbina EnCurrent y la turbina Gorlov Helical se han sometido a pruebas a escala en laboratorio o en el mar. En general, estas tecnologías representan la actual norma de desarrollo de la corriente de marea." [7]
La principal diferencia entre la turbina helicoidal Gorlov y las turbinas convencionales es la orientación del eje en relación con el flujo de corriente. La GHT es una turbina de eje vertical , lo que significa que el eje está colocado perpendicular al flujo de corriente, mientras que las turbinas tradicionales son turbinas de eje horizontal , lo que significa que el eje está colocado paralelo al flujo de corriente. Los flujos de fluidos, como el viento, cambiarán naturalmente de dirección, pero seguirán siendo paralelos al suelo. Entonces, en todas las turbinas de eje vertical, el flujo permanece perpendicular al eje, independientemente de la dirección del flujo, y las turbinas siempre giran en la misma dirección. Ésta es una de las principales ventajas de las turbinas de eje vertical.
Si la dirección del flujo de agua es fija, entonces el eje de la turbina Gorlov podría ser vertical u horizontal, el único requisito es la ortogonalidad al flujo. [8]
La GHT es una turbina unidireccional, que opera bajo un concepto basado en sustentación (ver perfil aerodinámico ), proporcionando rotación en una dirección constante a partir de flujos de fluido bidireccionales o reversibles. La GHT funciona bajo el mismo principio que la turbina Darrieus; es decir, depende del movimiento de las láminas para cambiar la dirección aparente del flujo con respecto a las láminas y, por tanto, cambiar el "ángulo de ataque" (aparente) de la lámina.
Se propone un GHT [8] para instalaciones microhidráulicas de baja caída , cuando la construcción de una presa no es deseable. El GHT es un ejemplo de tecnología hidroeléctrica sin represas . La tecnología puede ofrecer potencialmente beneficios económicos y ambientales en comparación con los sistemas microhidráulicos basados en represas.
Algunas ventajas de la hidroeléctrica sin represas son que elimina la posibilidad de falla de una represa, lo que mejora la seguridad pública. También elimina el costo inicial de ingeniería, construcción y mantenimiento de represas, reduce las complicaciones ambientales y ecológicas y potencialmente simplifica las cuestiones regulatorias promulgadas específicamente para mitigar los problemas de las represas.
En general, un problema ecológico importante con las instalaciones hidroeléctricas es el riesgo real y percibido para la vida acuática. Se afirma que un GHT gira lo suficientemente lento como para que los peces puedan verlo lo suficientemente pronto como para nadar a su alrededor. [9] [10] A partir de pruebas preliminares realizadas en 2001, se afirmó que si un pez nada entre las palas de la turbina que se mueven lentamente, no sufrirá daño. Además, sería difícil que un pez se atascara o atascara en la turbina, porque los espacios abiertos entre las palas son más grandes que incluso los peces más grandes que viven en un río pequeño. Un pez tampoco sería arrastrado en un vórtice , porque el GHT no crea mucha turbulencia, por lo que los objetos pequeños serían arrastrados sin causar daño por la corriente.
En este ejemplo, la dirección del flujo de fluido es hacia la izquierda.
A medida que la turbina gira, en este caso en el sentido de las agujas del reloj, el movimiento de la lámina a través del fluido cambia la velocidad aparente y el ángulo de ataque (velocidad y dirección) del fluido con respecto al marco de referencia de la lámina. El efecto combinado de estos dos componentes del flujo (es decir, la suma vectorial ) produce la "velocidad aparente del flujo" total neta, como se muestra en la siguiente figura.
La acción de este flujo aparente en cada sección de la lámina genera una fuerza de elevación y de arrastre , cuya suma se muestra en la figura anterior titulada "Vectores de fuerza neta". Cada uno de estos vectores de fuerza neta se puede dividir en dos vectores ortogonales: un componente radial y un componente tangencial, que se muestran aquí como "Fuerza normal" y "Fuerza axial" respectivamente. Las fuerzas normales se oponen a la rigidez de la estructura de la turbina y no imparten ninguna fuerza de rotación ni energía a la turbina. El componente de fuerza restante impulsa la turbina en el sentido de las agujas del reloj, y es a partir de este par que se puede recolectar energía.
[Con respecto a la figura "Velocidad de flujo aparente...", Lucid Energy Technologies, titular de los derechos de la patente de la turbina helicoidal Gorlov, señala que este diagrama, sin velocidad aparente en un ángulo de acimut de 180 grados (pala en su punto en rotación donde se mueve instantáneamente en dirección aguas abajo), puede estar sujeto a interpretaciones erróneas. Esto se debe a que una velocidad de flujo aparentemente cero podría ocurrir sólo con una relación de velocidad punta de unidad (es decir, TSR=1, donde el flujo de corriente inducido por la rotación es igual al flujo de corriente). El GHT generalmente opera a un TSR sustancialmente mayor que la unidad.]
(Los diagramas "Vectores de fuerza neta" y "Vectores de fuerza normal" son parcialmente incorrectos. Los segmentos a favor del viento deberían mostrar los vectores fuera de los círculos. De lo contrario, no habría carga lateral neta en la turbina.) M Koester 2015.
Las turbinas helicoidales en la corriente de agua generan energía mecánica independientemente de la dirección del flujo de agua. Luego, los generadores eléctricos montados sobre el eje común transfieren la energía a electricidad para uso comercial.