La turbina helicoidal de Gorlov ( GHT ) es una turbina hidráulica que evolucionó a partir del diseño de la turbina Darrieus, modificándola para que tuviera álabes o láminas helicoidales . Las turbinas hidráulicas toman energía cinética y la traducen en electricidad. Fue patentada en una serie de patentes desde el 19 de septiembre de 1995 [1] hasta el 3 de julio de 2001 [2] y ganó la certificación ASME Thomas A. Edison en 2001. La GHT fue inventada 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 turbinas eólicas de eje vertical similares que también incluye la turbina eólica Turby , la turbina aerotecture, la turbina eólica Quietrevolution , etc. GHT, Turby y Quietrevolution resolvieron problemas de torque pulsatorio utilizando el 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 "foil" se utiliza para describir la forma de la sección transversal de la pala en un punto dado, sin distinción por el tipo de fluido (refiriéndose así a un " ala " o " hidroala "). En el diseño helicoidal, las palas se curvan alrededor del eje, lo que tiene el efecto de distribuir uniformemente las secciones de la 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 sustentación 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 lo informado por varios grupos. [4] [5] [6] "Entre los demás sistemas de turbinas de eje vertical, la turbina Davis Hydro, la turbina EnCurrent y la turbina helicoidal Gorlov han sido sometidas a pruebas a escala en el laboratorio o en el mar. En general, estas tecnologías representan la norma actual de desarrollo de corrientes de marea". [7]
La principal diferencia entre la turbina helicoidal de Gorlov y las turbinas convencionales es la orientación del eje en relación con el flujo de corriente. La turbina helicoidal de Gorlov es una turbina de eje vertical , lo que significa que el eje está colocado perpendicularmente 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 la corriente. Los flujos de fluidos, como el viento, cambiarán de dirección de forma natural, pero seguirán siendo paralelos al suelo. Por lo tanto, 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. Esta 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 funciona según un concepto basado en la sustentación (ver perfil aerodinámico ) y que proporciona rotación en una dirección constante a partir de flujos de fluidos bidireccionales o reversibles. La GHT funciona según el mismo principio que la turbina Darrieus, es decir, se basa en el movimiento de los perfiles para cambiar la dirección aparente del flujo en relación con los perfiles y, por lo tanto, cambiar el "ángulo de ataque" (aparente) del perfil.
Se propone un GHT [8] para instalaciones hidroeléctricas de baja presión , cuando no es conveniente construir una represa . El GHT es un ejemplo de tecnología hidroeléctrica sin represas . La tecnología puede ofrecer ventajas ambientales y de costos en comparación con los sistemas hidroeléctricos de micropresas.
Algunas de las ventajas de la energía hidroeléctrica sin represas son que elimina la posibilidad de que falle 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 simplifica potencialmente las cuestiones regulatorias que se incorporan a la ley específicamente para mitigar los problemas con las represas.
En general, un problema ecológico importante con las instalaciones hidroeléctricas es su 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 para nadar alrededor de él. [9] [10] A partir de pruebas preliminares en 2001, se afirmó que si un pez nada entre las palas de la turbina que se mueven lentamente, el pez no sufrirá daño. También sería difícil que un pez se atasque o se atasque 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 se daría vueltas en un vórtice , porque el GHT no crea mucha turbulencia, por lo que los objetos pequeños serían arrastrados inofensivamente por la corriente.
En este ejemplo, la dirección del flujo del 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 de flujo" total neta, como se muestra en la siguiente figura.
La acción de este flujo aparente sobre cada sección de la turbina genera una fuerza de sustentación y una fuerza 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 o 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 obtener energía.
[Con respecto a la figura "Velocidad aparente de flujo...", 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 acimutal de 180 grados (la pala en su punto de rotación donde se mueve instantáneamente en dirección descendente), puede estar sujeto a interpretaciones erróneas. Esto se debe a que una velocidad aparente de flujo cero solo podría ocurrir con una relación de velocidad de punta de la unidad (es decir, TSR=1, donde el flujo de corriente inducido por la rotación es igual al flujo de corriente). La turbina helicoidal Gorlov generalmente opera con una 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 sobre la turbina). M Koester 2015.
Las turbinas helicoidales en una corriente de agua generan energía mecánica independientemente de la dirección del flujo de agua. Luego, los generadores eléctricos montados sobre el eje común convierten la energía en electricidad para uso comercial.