MX2012009317A - Turbina de fluido. - Google Patents

Abstract

Se describe una turbina de fluido recubierta que comprende un impulsor y un recubrimiento de turbina que rodean el impulsor. La entrada del recubrimiento de turbina es sobresaliente. El recubrimiento incluye segmentos de lóbulo curvados alternantes internos y externos a lo largo de un borde de fuga del recubrimiento de turbina. Los segmentos de lóbulo curvados internos y externos tienen superficies laterales expuestas, o en otras palabras no tienen paredes laterales que unen los segmentos de lóbulo curvados internos y externos. Esto permite la mezcla transversal y la mezcla radial del flujo de aire a través del recubrimiento de turbina con el flujo de aire que pasa a lo largo del exterior del recubrimiento de turbina.

Description

TURBINA DE FLUIDO Referencia Cruzada a las Solicitudes Relacionadas Esta solicitud reclama la prioridad a la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana Serie No. 61/415,610 presentada el 19 de noviembre de 2010; 61/332,722, presentada el 7 de mayo de 2010; y 61/303,339 presentada el 11 de febrero de 2010. Esta solicitud es también una continuación parcial de la Solicitud de patente Norteamericana Serie No. 12/983,082 presentada el 31 de diciembre de 2010, la cual es una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/914,509, presentada el 28 de octubre de 2010, que reclamó la prioridad a la Solicitud de Patente Norteamericana Provisional Serie No. 61/332,722 presentada el 7 de mayo de 2010, y fue también una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/054,050, presentada el 24 de marzo de 2008, que reclamó la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana Serie No. 60/919,588, presentada el 23 de marzo de 2007. Esta solicitud es también una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/054,050, presentada el 24 de marzo de 2008, que reclamó la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana Serie No. 60/919,588, presentada el 23 de marzo de 2007. Esta solicitud es también una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/749,341, presentada el 29 de marzo de 2010, que es una continuación parcial de tres diferentes solicitudes de patente. Primero, la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/749,341 que es una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/054,050, presentada el 24 de marzo de 2008, que reclamó la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana Serie No. 60/919,588, presentada el 23 de marzo de 2007. Segundo, la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/749,341 que es una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/629,714, presentada el 2 de diciembre de 2009, que reclamó la prioridad a la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana Serie No. 61/119,078, presentada el 2 de diciembre de 2008. Tercero, la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/749,341 es una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/425,358, presentada el 16 de abril de 2009, que es una continuación parcial de dos diferentes solicitudes de patente. Primero, la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/425.358 que reclamó la prioridad a la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana Serie No. 61/119,078, presentada el 2 de diciembre de 2008. Segundo, la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/425,358 que es una continuación parcial de la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/053,695, presentada el 24 de marzo de 2008, que reclamó la prioridad a la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana Serie No. 60/919,588, presentada el 23 de marzo de 2007. Las descripciones de cada una de estas solicitudes de patente se incorporan por este medio completamente por referencia en su totalidad .

Campo de la Invención La presente descripción se relaciona con turbinas de fluido recubiertas que exhiben la mezcla avanzada y tratan los problemas con las HAWT indicadas anteriormente.

Antecedentes de la Invención Las turbinas de viento de eje horizontales (HAWT, por sus siglas en inglés) tienen típicamente 2-5 aspas montadas a un árbol horizontal que se une a una caja de engranajes y a un generador de energía. Las turbinas usadas en granjas de viento para la producción comercial de energía eléctrica generalmente una torre de acero tubular y tres aspas dirigidas hacia el viento por un sistema de control de computadora. Las torres de acero tubular oscilan de 200 a 300 pies (60 a 90 metros) de alto. Las aspas giran a una velocidad de 10 a 22 revoluciones por minuto (RPM, por sus siglas en inglés). Una caja de engranajes es generalmente usada para aumentar la velocidad del generador a 1,500 a 18,000 RPM. Algunas HAWT operan a una velocidad constante pero más energía puede recolectarse por las turbinas de velocidad variable que utilizan un convertidor de energía de estado sólido para interconectar al sistema de transmisión.

Las HAWT convencionales tiene muchas desventajas incluyendo dificultad de operación cercana al suelo, vientos turbulentos; dificultad para transporta las torres y aspas; dificultad para instalar las torres masivas; interferencia con el radar por torres altas; creación de oposición en residentes locales debido al aspecto y sonido creados; fatiga y falla estructural causadas por turbulencia; acumulación de hielo en el generador y aspas; muerte de pájaros y murciélagos; y fuerzas inestables transmitidas a través de la maquinaria de las turbinas debido a fuerzas aeroelásticas en las aspas.

Breve Descripción de la Invención La presente descripción se relaciona con turbinas de fluido recubiertas que tienen un recubrimiento de turbina formado con ambos segmentos de lóbulo curvados interno y externo a lo largo de un borde de fuga del recubrimiento de turbina. No hay paredes laterales entre los segmentos de lóbulo curvados interno y externo, permitiendo que el flujo de aire sea mezclado transversal y radialmente.

Descrita en las modalidades está una turbina de fluido que comprende un recubrimiento de turbina y un recubrimiento de eyector, en donde el recubrimiento de turbina comprende un primer miembro estructural y una pluralidad de segmentos de lóbulo. El primer miembro estructural define una entrada sobresaliente del recubrimiento. La pluralidad de segmentos de lóbulo define un borde de fuga del recubrimiento de turbina. La pluralidad de segmentos de lóbulo comprende segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos configurados en un patrón de alternancia. Los segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos permiten que el aire se mezcle lateralmente y transversalmente.

Generalmente, cada segmento de lóbulo curvado interno tiene dos superficies laterales expuestas, y en donde cada segmento de lóbulo curvado externo tiene dos superficies laterales expuestas. En las modalidades particulares, la pluralidad de segmentos de lóbulo tiene un total de nueve segmentos de lóbulo curvados internos y nueve segmentos de lóbulo curvados externos.

A veces, los segmentos de lóbulo curvados externos son más anchos en la dirección circunferencial que los segmentos de lóbulo curvados internos.

En algunas construcciones, cada segmento de lóbulo comprende un extremo frontal y un extremo de mezcla, y los extremos frontales de la pluralidad de segmentos de lóbulo forman el primer miembro estructural. Además, el extremo frontal de cada segmento de lóbulo puede incluir una ranura en una superficie interior.

También se describe una turbina de fluido que comprende un recubrimiento de turbina y un recubrimiento de eyector, en donde el recubrimiento de turbina comprende una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados internos y una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados externos. Cada segmento de lóbulo curvado interno tiene un extremo frontal, un extremo de mezcla, y dos superficies laterales. Cada segmento de lóbulo curvado externo tiene un extremo frontal, un extremo de mezcla, y dos superficies laterales. Cada segmento de lóbulo curvado interno se localiza entre dos segmentos de lóbulo curvados externos. Cada segmento de lóbulo curvado externo se localiza entre dos segmentos de lóbulo curvados internos. Los extremos frontales de los segmentos de lóbulo curvados internos y los extremos frontales de los segmentos de lóbulo curvados externos forman un primer miembro estructural que define una entrada sobresaliente del recubrimiento. Los extremos de mezcla de los segmentos de lóbulo curvados internos y los extremos de mezcla de los segmentos de lóbulo curvados externos forman una pluralidad de segmentos de lóbulo que definen un borde de fuga del recubrimiento. Las dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados internos y las dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados externos se exponen a lo largo del borde de fuga.

Los segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos pueden comprenderse de un material compuesto o un material de tela. El material compuesto puede ser una mezcla de fibra de vidrio y una resina de polímero. El material de tela puede ser fibra de vidrio cubierta con un fluoropolímero.

También se describe una turbina de fluido recubierta que comprende un impulsor, un recubrimiento de turbina que rodea el impulsor, y un recubrimiento de eyector. El recubrimiento de turbina comprende un primer miembro estructural y una pluralidad de segmentos de lóbulo. El primer miembro estructural define una entrada sobresaliente del recubrimiento. La pluralidad de segmentos de lóbulo define un borde de fuga del recubrimiento de turbina. La pluralidad de segmentos de lóbulo comprende segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos configurados en un patrón de alternancia. Dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados internos y dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados externos se exponen a lo largo del borde de fuga. El borde de fuga del recubrimiento de turbina se extiende en un extremo de entrada del recubrimiento de eyector.

Cada segmento de lóbulo puede comprender un extremo frontal y un extremo de mezcla, donde los extremos frontales de la pluralidad de segmentos de lóbulo forma el primer miembro estructural. El extremo frontal de cada segmento de lóbulo puede también incluir una ranura en una superficie interior.

En las modalidades adicionales, el recubrimiento de eyector comprende una pluralidad de segmentos de lóbulo de eyector.

El recubrimiento de eyector tiene generalmente la forma de una superficie aerodinámica de anillo.

Una pluralidad de miembros de soporte puede extenderse entre el recubrimiento de turbina y el recubrimiento de eyector, cada miembro de soporte es alineado con un segmento de lóbulo curvado externo.

En modalidades, el impulsor comprende un cuerpo de barquilla y una pluralidad de paletas de estator que se extiende entre el cuerpo de góndola y el recubrimiento de turbina. En modalidades adicionales, el cuerpo de góndola comprende un pasaje central.

Estos y otros rasgos o características no limitantes de la presente descripción serán además descritos más adelante.

Breve Descripción de los Dibujos Lo siguiente es una breve descripción de los dibujos, que se presentan para los propósitos de ilustrar la descripción indicada en la presente y no para los propósitos de limitar la misma.

La FIG. 1 es una vista en perspectiva en despiece de una turbina de fluido recubierta de la presente descripción.

La FIG. 2A es una vista en perspectiva de un segmento de lóbulo curvado interno.

La FIG. 2B es una vista frontal de un segmento de lóbulo curvado interno.

La FIG. 2C es una vista lateral de un segmento de lóbulo curvado interno.

La FIG. 2D es una vista superior de un segmento de lóbulo curvado interno.

La FIG. 3A es una vista en perspectiva de un segmento de lóbulo curvado externo.

La FIG. 3B es una vista delantera de un segmento de lóbulo curvado externo.

La FIG. 3C es una vista lateral de un segmento de lóbulo curvado externo.

La FIG. 3D es una vista superior de un segmento de lóbulo curvado externo.

La FIG. 4 es una vista en perspectiva frontal de una segunda modalidad ejemplar de una turbina de fluido recubierta de la presente descripción.

La FIG. 5 es una vista en perspectiva posterior de la turbina de fluido recubierta de la FIG. 4.

FIG. 6 es una vista frontal de la turbina de fluido recubierta de la FIG. 4.

La FIG. 7 es una vista posterior de la turbina de fluido recubierta de la FIG. 4.

La FIG. 8 es una vista en sección transversal lateral de la turbina de fluido recubierta de la FIG. 4.

La FIG. 9 es una vista más pequeña de la FIG. 8.

La FIG. 9A y FIG. 9B son vistas laterales ampliadas de los lóbulos ondulados de la turbina de fluido de la FIG. 8.

La FIG. 10 es una vista en perspectiva posterior de una turbina de fluido recubierta de la presente descripción que ilustra la mezcla en el borde de fuga del recubrimiento.

La FIG. 11 es una vista en perspectiva frontal de una turbina de viento recubierta previamente descrita.

La FIG. 12 es una vista posterior de la turbina de viento recubierta de la FIG. 11.

Descripción Detallada de la Invención Una comprensión más completa de los componentes, procesos, y aparatos descritos en la presente pueden obtenerse por referencia a las figuras anexas. Estas figuras se desean para demostrar la presente descripción y no se desean para mostrar tamaños y dimensiones relativas o para limitar el alcance de las modalidades ejemplares.

Aunque los términos específicos se utilizan en la siguiente descripción, estos términos se desean para referirse solamente a estructuras particulares en los dibujos y no se desean para limitar el alcance de la presente descripción. Debe entenderse que designaciones numéricas similares se refiere a componentes de función similar.

El término "aproximadamente" cuando se utiliza con una cantidad incluye el valor indicado y también tiene el significado dictado por el contexto. Por ejemplo, incluye por lo menos el grado de error asociado a la medida de la cantidad particular. Cuando se utiliza en el contexto de un intervalo, el término "aproximadamente" debe también considerarse como que describe el intervalo definido por los valores absolutos de los dos puntos extremos. Por ejemplo, el intervalo "de aproximadamente 2 a aproximadamente 4" también describe el intervalo "de 2 a 4".

Un Sistema de Energía de Mezclador-Eyector (MEPS, por sus siglas en inglés) proporciona un medio mejorado para generar energía a partir de corrientes de viento. Un recubrimiento primario contiene un impulsor el cual extrae energía de una corriente de viento primaria. Una bomba de mezclador-eyector es incluida que injiere flujo desde la corriente de viento primaria y flujo secundario, y promueve la mezcla turbulenta. Esto mejora el sistema eléctrico aumentando la cantidad de flujo de aire a través del sistema, reduciendo la presión posterior sobre las aspas de turbina, y reduciendo el ruido propagado desde el sistema.

El término "impulsor" se utiliza en la presente para referirse a cualquier montaje en el cual las aspas se unen a un árbol y es capaz de girar, permitiendo la generación de fuerza o energía desde el fluido que gira las aspas. Los impulsores ejemplares incluyen un propulsor o un montaje de rotor/estator. Cualquier tipo de impulsor puede incluirse dentro del recubrimiento de turbina en la turbina de fluido de la presente descripción.

La entrada sobresaliente de una un recubrimiento de turbina puede considerarse el frente de la turbina de fluido, y el borde de fuga de un recubrimiento de eyector puede considerarse la parte posterior de la turbina de fluido. Un primer componente de la turbina de fluido localizada más cercana al frente de la turbina puede considerarse "corriente arriba" de un segundo componente localizado más cercano a la parte posterior de la turbina. Dicho de otra manera, el segundo componente está "corriente abajo" del primer componente.

La turbina de fluido recubierta de la presente descripción incluye un impulsor, un recubrimiento de turbina que rodea el impulsor, y un recubrimiento de eyector opcional que rodea el borde de fuga del recubrimiento de turbina. Los segmentos de lóbulo están presentes en el borde de fuga del recubrimiento de turbina. En particular, los segmentos de lóbulo incluyen los segmentos o superficies de lóbulo curvados internos, y los segmentos o superficies de lóbulo curvados exteriores. Las superficies laterales en estos segmentos de lóbulo curvados se exponen a lo largo del borde de fuga. Esto permite al aire que pase a través del recubrimiento de turbina mezclarse con el aire que pasa fuera del recubrimiento de turbina mezclarse eventualmente en dos direcciones, transversal y radialmente, como se explica adicionalmente en la presente.

Una turbina de fluido que utiliza un recubrimiento de turbina ejemplar se ilustra en la FIG. 1. La turbina de fluido 100 comprende un recubrimiento de turbina 110. El recubrimiento de turbina tiene un primer miembro estructural 112 que define una entrada sobresaliente 114 del recubrimiento. La entrada "sobresale" debido a que el recubrimiento tiene una superficie en sección transversal mayor, en un plano perpendicular al eje central 105, en la entrada que en el impulsor. La entrada 114 puede también describirse como que se define por un borde de punta circular del recubrimiento de turbina. El recubrimiento se compone de una pluralidad de segmentos de lóbulo 118. Los segmentos de lóbulo incluyen una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados interiores 120 y una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados externos 130. Los términos "interno" y "externo" están con relación al eje central 105 de la turbina. Como se muestra aquí, hay nueve segmentos de lóbulo curvados internos y nueve segmentos de lóbulo curvados externos. Los segmentos de lóbulo curvados interiores 120 y los segmentos de lóbulo curvados externos 130 se configuran en un patrón de alternancia. Dicho de otra manera, cada segmento de lóbulo curvado interno 120 se localiza entre dos segmentos de lóbulo curvados externos 130, y cada segmento exterior de lóbulo curvado 130 se localiza entre dos segmentos de lóbulo curvados internos 120. Los segmentos de lóbulo definen un borde de fuga 116 del recubrimiento de turbina. Puede también verse que los segmentos de lóbulo curvados interiores 120 y los segmentos de lóbulo curvados externos 130 están configurados para permitir al aire mezclarse lateral y transversalmente. Dicho de otra manera, no hay paredes laterales que conectan los extremos de mezcla de los segmentos de lóbulo curvados internos y externos juntos.

La estructura de los segmentos de lóbulo a lo largo del borde de fuga permite al aire que atraviesa el interior del recubrimiento de turbina mezclarse con aire que fluye a lo largo del exterior del recubrimiento de turbina en dos direcciones, radial y transversalmente (es decir circunferencialmente). La combinación de estos tipos de segmentos de lóbulo puede también referirse como lóbulos ondulados. Las eficacias que exceden el límite de Betz por cuatro veces basadas en el área de barrido del rotor pueden alcanzarse.

Como se muestra aquí, los segmentos de lóbulo 118 también forman el primer miembro estructural 112. A este respecto, cada segmento de lóbulo curvado interno 120 puede considerar como que comprende el extremo frontal 122 y un extremo de mezcla 124. Similarmente, cada segmento de lóbulo curvado exterior 130 puede considerarse como que comprende un extremo frontal 132 y un extremo de mezcla 134. Los extremos frontales 122, 124 de estos segmentos de lóbulo forman el primer miembro estructural 112. Los extremos de mezcla 124, 134 de los segmentos de lóbulo forman el borde de fuga 116.

El recubrimiento de turbina 110 rodea un impulsor 140. El recubrimiento de turbina también rodea un cuerpo de góndola 150. Aquí, el impulsor es un montaje de rotor/estator. El estator 142, comprende una pluralidad de aletas de estator 144, uniendo el recubrimiento de turbina 110 y el cuerpo de góndola 150. El rotor 146 gira alrededor del cuerpo de góndola 150 y está corriente abajo del estator 142. En algunas modalidades como se representa aquí, un pasaje central 152 se extiende axialmente a través de la totalidad del cuerpo de góndola 150. El pasaje central 152 permite al aire fluir a través del cuerpo de góndola 150 y desvía el rotor 146 o impulsor 140. Este aire se mezcla más adelante con otras corrientes de aire para mejorar la eficacia de la turbina de fluido. Un generador de anillo 160 convierte la energía de líquido en fuerza o energía.

Los segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos pueden comprenderse del mismo o diferentes materiales. Los segmentos de lóbulo curvados internos y externos pueden comprender materiales compuestos tal como mezclas de fibra de vidrio y una resina de polímero. En algunas modalidades, la fibra de vidrio comprende vidrio E. El vidrio E es un vidrio de alumino-borosilicato con menos de 1% en peso de óxidos de álcali. La resina de polímero puede ser una resina de epoxi, una resina de viniléster, o un poliéster.

Los segmentos de lóbulo curvados internos y externos pueden comprender un material de tela. En algunas modalidades, el material de tela es fibra de vidrio recubierta con un fluoropolímero.

Las FIGS. 2A-2D muestran una vista en perspectiva, una vista frontal, una vista lateral, y una vista superior, respectivamente, de un segmento de lóbulo curvado interno. El segmento de lóbulo curvado interno 200 tiene un extremo frontal 202 y un extremo de mezcla 204. El extremo frontal 202 están localizado a lo largo de un borde frontal 206, y el extremo de mezcla 204 está localizado a lo largo de un borde posterior 208 del segmento de lóbulo curvado interno. Una primera superficie lateral 210 y una segunda superficie lateral 212 se extienden entre el extremo frontal 202 y el extremo de mezcla 204. Las superficies laterales se curvan radialmente hacia adentro en la dirección del eje central de la turbina de fluido, y pueden describirse como que tienen una forma combada. Las superficies laterales 210, 212 se exponen a lo largo del extremo de mezcla 204 del segmento de lóbulo curvado interno. Dicho de otra manera, las superficies laterales se exponen a lo largo del borde de fuga del recubrimiento de turbina. Esta declaración no debe interpretarse como que requiere la totalidad de la superficie lateral a exponerse.

Desde el frente como se ve en la FIG. 2B, una curva 225 es visible, que corresponde a la circunferencia del primer miembro estructural. El ancho 215 del segmento de lóbulo curvado interno en la dirección circunferencial es generalmente igual al largo del borde frontal y el borde posterior. Desde el lado como se ve en la FIG. 2C, el extremo frontal del segmento de lóbulo curvado incluyen un ranura 220 en una superficie interior 222. Opuesto a la superficie interior está una superficie exterior 224 que se ubica desde el borde frontal 206 al borde posterior 208. Desde la parte superior como se ve en la FIG. 2D, el segmento de lóbulo curvado interno tiene una forma rectangular.

Las FIGS. 3A-3D muestran una vista en perspectiva, una vista frontal, una vista lateral, y una vista superior, respectivamente, de un segmento de lóbulo curvado externo. El segmento de lóbulo curvado exterior 300 tiene un extremo frontal 302 y un extremo de mezcla 304. El extremo frontal 302 está localizado a lo largo de un borde frontal 306, y el extremo de mezcla 304 está localizado a lo largo de un borde posterior 308 del segmento de lóbulo curvado externo. Una primera superficie lateral 310 y una segunda superficie lateral 312 se extienden entre el extremo frontal 302 y el extremo de mezcla 304. Las superficies laterales se curvan radialmente hacia fuera lejos del eje central de la turbina de fluido, y pueden describirse como que tienen una forma combada. Las superficies laterales 310, 312 se exponen a lo largo del extremo de mezcla 304 del segmento de lóbulo curvado externo. Dicho de otra manera, las superficies laterales se exponen a lo largo del borde de fuga del recubrimiento de turbina.

Desde el frente como se ve en la FIG. 3B, una curva 325 es visible, que corresponde a la circunferencia del primer miembro estructural. El ancho 315 del segmento de lóbulo curvado externo en la dirección circunferencial es generalmente igual al largo del borde frontal y el borde posterior. Desde el lado como se ve en la FIG. 3C, el extremo frontal del segmento de lóbulo curvado incluye una ranura 320 en una superficie interior 322. Opuesto a la superficie interior está una superficie exterior 324 que se ubica desde el borde frontal 306 al borde posterior 308. Desde la parte superior como se ve en la FIG. 3D, el segmento de lóbulo curvado externo tiene una forma rectangular.

Los segmentos de lóbulo curvados externos 300 son también más anchos en la dirección circunferencial que los segmentos de lóbulo curvados interiores 200. Dicho de otra manera, cada segmento de lóbulo curvado externo tiene un ancho 315, y cada segmento de lóbulo curvado interno tiene un ancho 215, y el ancho 315 de los segmentos de lóbulo curvados externos es mayor que los anchos 215 de los segmentos de lóbulo curvados internos. Todos los segmentos de lóbulo curvados externos tienen el mismo ancho 315, y todos los segmentos de lóbulo curvados internos tienen el mismo ancho 215.

Las ranuras 220, 320 en los segmentos de lóbulo curvados pueden utilizarse para colocar o localizar un sistema de generación de energía o potencia. Las ranuras 220, 320 en los segmentos de lóbulo curvados internos y externos se alinean entre sí para formar un anillo cuando el recubrimiento se monta.

Un segmento de lóbulo curvado interno puede distinguirse de un segmento de lóbulo curvado externo basado en su aspecto del frente. Como se ve cuando se compara de la FIG. 2B y FIG. 3B, cuando se orienta al borde frontal 206 del segmento de lóbulo curvado interno 200, el borde posterior 208 y el extremo de mezcla 204 están en el interior de la curva 225, o debajo de la curva. En cambio, el borde posterior 308 y el extremo de mezcla 304 del segmento de lóbulo curvado exterior 300 están en el exterior de la curva 325, o sobre la curva. Dicho de otra manera, el extremo de mezcla 204 de un segmento de lóbulo curvado interno 200 está más cercano al eje central que el extremo frontal 202. En cambio, el extremo frontal 302 de un segmento de lóbulo curvado exterior 300 está más cercano al eje central que el extremo de mezcla 304.

En algunas modalidades, los segmentos de lóbulo curvados externos son más anchos en la dirección circunferencial que los segmentos de lóbulo curvados internos. En diferentes modalidades, los segmentos de lóbulo curvados internos son más anchos en la dirección circunferencial que los segmentos de lóbulo curvados externos. Alternativamente, los segmentos de lóbulo curvados internos y externos pueden tener el mismo ancho. Las ranuras en la superficie interior de los segmentos de lóbulo curvados pueden interconectar con, por ejemplo, un generador de anillo que captura energía/potencia del fluido.

Las FIGS. 4-8 son varias vistas de una segunda modalidad de una turbina de fluido 400 con un recubrimiento de turbina segmento 410 y un recubrimiento de eyector 460. La FIG. 4 es una vista en perspectiva frontal izquierda. La FIG. 5 es una vista en perspectiva posterior izquierda. La FIG. 6 es una vista frontal. La FIG. 7 es una vista posterior. La FIG. 8 es una vista en sección transversal lateral.

De nuevo, el recubrimiento 410 se compone de una pluralidad de segmentos de lóbulo 418. Los segmentos de lóbulo 418 incluyen una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados interiores 420 y una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados externos 430. Los segmentos de lóbulo curvados internos y los segmentos de lóbulo curvados externos se configuran en un patrón de alternancia. Las superficies laterales 424, 434 de los segmentos de lóbulo curvados internos y los segmentos de lóbulo curvados externos se exponen a lo largo del borde de fuga 416 del recubrimiento. Los extremos frontales 422, 432 de los segmentos de lóbulo forman el primer miembro estructural 412 en la entrada sobresaliente 414 del recubrimiento de turbina. El recubrimiento 410 rodea un impulsor 440 y un cuerpo de góndola 450 que tiene un pasaje central 452. Un primer extremo 454 del pasaje central es visible en la FIG.4.

La turbina de fluido además incluye un recubrimiento de eyector 460. El recubrimiento de eyector 460 tiene una forma de superficie aerodinámica de anillo combada. Los miembros de soporte 470 unen el recubrimiento de eyector 460 al recubrimiento de turbina 410. Debe observarse que los miembros de soporte 470 se alinean con los segmentos de lóbulo curvados externos 430. El borde de fuga 416 o el extremo posterior 417 del recubrimiento de turbina 410 o los lóbulos ondulados se extiende en un extremo de entrada 462 del recubrimiento de eyector. El recubrimiento de eyector 460, el recubrimiento de turbina 410, y el cuerpo de góndola 450 son coaxiales con el eje central 405.

Con referencia ahora a la FIG. 5, un segundo extremo 456 del pasaje central 450 es visible aquí. Además, esta vista posterior muestra que los segmentos de lóbulo curvados interiores 420 y los segmentos de lóbulo curvados externos 430 están configurados para permitir al aire mezclarse lateral y transversalmente. Las dos superficies laterales 424 de los segmentos de lóbulo curvados internos y las dos superficies laterales 434 de los segmentos de lóbulo curvados externos se exponen a lo largo del borde de fuga 416.

Los segmentos, es decir los segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos, pueden comprenderse de un plástico reforzado con fibra. En algunas modalidades, los segmentos se comprenden de polietileno moldeado por rotor o moldeado por soplado. En otras modalidades, los segmentos son formados mediante estampado o soldadura de metal.

Una ventaja de utilizar lóbulos ondulados es que la longitud axial del recubrimiento de eyector puede reducirse. La disminución en la longitud axial del recubrimiento de eyector permite mayor energización de la estela detrás de la turbina de fluido. A consecuencia, mejor mezcla de la corriente de aire de baja energía del interior del recubrimiento de turbina con las corrientes de aire de alta energía del exterior del recubrimiento de turbina, puede alcanzarse sobre una distancia axial más corta. Esto permite que las turbinas de fluido sean colocadas más cerca juntas entre sí. Los recubrimientos más cortos también reducen el costo y peso, permitiendo a la torre soportar la turbina de fluido para también reducir en tamaño y peso, alcanzando ahorro en costos adicionales sin sacrificar la seguridad. En la FIG. 8, el recubrimiento de turbina 410 tiene una longitud axial LM, y el recubrimiento de eyector 460 tiene una longitud axial LE. En modalidades, la relación de LM a LE puede ser de 0.8 a 1.5.

Una ventaja de segmentar el recubrimiento de turbina de fluido en segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos es que esto hace el recubrimiento más fácil de manejar y transportar. De nuevo, esto reduce los costos y complejidad de mover la turbina de fluido recubierta a una localización adecuada.

Aunque no se muestra aquí, el recubrimiento de eyector puede también comprender lóbulos de mezcla ondulados a lo largo de un extremo de salida.

Con referencia ahora a la FIG. 8, el impulsor 440 rodea el cuerpo de góndola 450. Aquí, el impulsor es un montaje de rotor/estator que comprende un estator 442 que tiene aspas de estator y un rotor 444 que tiene aspas de rotor. El rotor está corriente abajo y "en línea" con las aspas de estator. Dicho de otra manera, los bordes frontales de las aspas de rotor se alinean sustancialmente con los bordes de fuga de las aspas de estator. Las aspas de rotor se mantienen unidas por un anillo interno y un anillo externo (no visibles). El anillo interno se monta en el cuerpo de góndola 450. El cuerpo de góndola 450 es conectado con el recubrimiento de turbina 410 a través del estator 442, o por otros medios.

El recubrimiento de turbina 410 tiene la forma en sección transversal de una superficie aerodinámica con el lado de succión (es decir lado de presión baja) en el interior del recubrimiento. El recubrimiento de turbina además comprende lóbulos ondulados en una región de término (es decir, porción periférica) del recubrimiento de turbina. Los lóbulos ondulados se extienden corriente abajo más allá de las aspas de rotor para formar la parte posterior o extremo corriente abajo 417 del recubrimiento de turbina. Los lóbulos ondulados se forman de los segmentos de lóbulo curvados interiores 420 y los segmentos de lóbulo curvados externos 430. Los segmentos de lóbulo curvados interiores 420 se extienden internamente hacia el eje central 405 del recubrimiento de turbina; y los segmentos de lóbulo curvados externos 430 se extienden exteriormente lejos del eje central. Los lóbulos ondulados se extienden corriente abajo y en un extremo de entrada 462 del recubrimiento de eyector. Los miembros de soporte 470 se extienden axialmente para unir el recubrimiento de turbina 410 al recubrimiento de eyector 460.

El recubrimiento de turbina y el recubrimiento de eyector se comban aerodinámicamente para aumentar el flujo a través del rotor de turbina. La longitud axial LM del recubrimiento de turbina es igual o menor que el diámetro externo máximo DM del recubrimiento de turbina. También, la longitud axial del recubrimiento de eyector LE es igual o menor que el diámetro externo máximo DE del recubrimiento de eyector. La superficie exterior del cuerpo de góndola se contornea aerodinámicamente para minimizar los efectos de la separación de flujo corriente abajo de la turbina de fluido. El cuerpo de góndola puede configurarse para ser más largo o más corto que el recubrimiento de turbina o el recubrimiento de eyector, o sus longitudes combinadas.

El área de entrada del recubrimiento de turbina y el área de salida serán iguales o mayores que a la del anillo ocupado por el impulsor. El área de sección transversal de la trayectoria de flujo interno formada por el anillo entre el cuerpo de góndola y la superficie interior del recubrimiento de turbina se forma aerodinámicamente para hacer que un área mínima en el plano de la turbina y de otra manera varíe suavemente de sus planos de entrada respectivos a sus planos de salida. El área en sección transversal del extremo de entrada del recubrimiento de eyector es mayor que el área en sección transversal del extremo posterior del recubrimiento de turbina.

Varias características opcionales pueden incluirse en la turbina de fluido recubierta. Una toma de fuerza, en la forma de una estructura similar a rueda, puede unirse mecánicamente en un borde externo del impulsor a un generador de energía. El material absorbente de sonido puede fijarse a la superficie interna de los recubrimientos, para absorber y prevenir la propagación de las ondas de frecuencia de sonido relativamente altas producidas por la turbina. La turbina puede también contener estructuras de contención de aspas para seguridad agregada. Los recubrimientos tendrán un contorno aerodinámico para mejorar la cantidad de flujo en y a través del sistema. Las áreas de entrada y salida de los recubrimientos pueden ser no circulares en la sección transversal tal que la instalación de recubrimiento es acomodada fácilmente alineando los dos recubrimientos. Una articulación giratoria puede incluirse en una superficie externa menor de la turbina para montarse en una posición vertical/pilón, permitiendo que la turbina sea girada en el fluido para maximizar la extracción de energía. Las aletas de estabilizador aerodinámicas verticales pueden montarse en el exterior de los recubrimientos para asistir en mantener la turbina sobresaliente en el fluido.

La relación de área, como se define por el área de salida del recubrimiento de eyector sobre el área de salida del recubrimiento de turbina, estará en el intervalo de 1.5-3.0. El número de lóbulos ondulados a puede estar entre 6 y 14. La relación peso a ancho de los canales de lóbulo estará entre 0.5 y 4.5. La penetración de lóbulo estará entre 50% y 80%. Los ángulos de borde de fuga de salida del cuerpo de góndola serán treinta grados o menos. La longitud a diámetro (L/D) de la turbina total está entre 0.5 y 1.25.

Con referencia ahora a la FIG. 8, el aire de corriente libre (indicado generalmente por la flecha 472) que pasa a través del estator 442 tiene su energía extraída por el rotor 444. El aire de alta energía indicado por la flecha 474 desvía el recubrimiento de turbina 410 y el estator 442 y fluye sobre el exterior del recubrimiento de turbina 410 y se dirige internamente. Los lóbulos ondulados causan que el aire de baja energía salga corriente abajo desde el rotor que se mezclará con el aire de alta energía.

En la FIG. 9A, una línea de tangente 480 se dibuja a lo largo de la superficie interior indicada generalmente por 481 del segmento de lóbulo curvado interno 420. Un plano posterior 482 del recubrimiento de turbina está presente. Una línea 483 está formada perpendicular al plano y tangente posteriores al punto 484 donde un segmento de lóbulo curvado interno y un segmento de lóbulo curvado externo se encuentran. Un ángulo 02 es formado por la intersección de la línea de tangente 480 y la línea 483. Este ángulo 02 está entre 5 y 65 grados. Dicho de otra manera, un segmento de lóbulo curvado interior forma un ángulo 02 entre 5 y 65 grados con relación al recubrimiento de turbina. En las modalidades particulares, el ángulo 02 es de aproximadamente 35° a aproximadamente 50°.

En la FIG. 9B, una línea de tangente 485 se dibuja a lo largo de la superficie interior indicada generalmente por 486 del segmento de lóbulo curvado exterior 430. Un ángulo 0 es formado por la intersección de la línea de tangente 485 y la línea 483. Este ángulo 0 está entre 5 y 65 grados. Dicho de otra manera, un segmento de lóbulo curvado interior forma un ángulo 0 entre 5 y 65 grados con relación al recubrimiento de turbina. En modalidades particulares, el ángulo 0 es de aproximadamente 35° a aproximadamente 50°.

La FIG. 10 es una vista en perspectiva posterior de una turbina de fluido ejemplar que ilustra el flujo de aire en el borde de fuga de un recubrimiento. La turbina de fluido 500 comprende un recubrimiento de turbina 510 y un recubrimiento de eyector 560. El recubrimiento de turbina 510 comprende los segmentos de lóbulo curvados interiores 518 y los segmentos de lóbulo curvados externos 520. El aire alta energía H alcanza el borde de fuga del recubrimiento de turbina 510 en el exterior, es decir entre el recubrimiento de turbina 510 y el recubrimiento de eyector 560, es decir el aire de alta energía H no fluye a través de la entrada sobresaliente ni desvía el impulsor. El aire de baja energía L alcanza el borde de fuga del recubrimiento de turbina 510 que fluye a través del interior del recubrimiento de turbina 510, es decir a través de la entrada sobresaliente y a través del impulsor. La vista ampliada muestra la mezcla transversal del flujo de aire de alta energía 599 y el flujo de aire de baja energía 598. En las modalidades que comprenden un pasaje central, el aire fluye a través del pasaje central es aire de alta energía.

La FIG. 11 y la FIG. 12 son vistas de una modalidad de una turbina de viento recubierta 1000 descrita previamente en la Solicitud de Patente Norteamericana Serie No. 12/054,050. Una discusión de ciertas características ayudará a definir adicionalmente la estructura de la presente turbina de fluido.

Con referencia a la FIG. 11, esta modalidad utiliza un impulsor tipo propulsor 1002 en vez de un montaje de rotor/estator. El recubrimiento de turbina 1010 tiene un conjunto de diez lóbulos de mezcla de alta energía 1012 que se extienden hacia adentro hacia el eje central de la turbina. El recubrimiento de turbina también tiene un conjunto de diez lóbulos de mezcla de baja energía 1014 que se extiendan hacia fuera lejos del eje central. Los lóbulos de mezcla de alta energía alternan con los lóbulos de mezcla de baja energía alrededor del borde de fuga del recubrimiento de turbina 1010. El impulsor 1002, el recubrimiento de turbina 1010, y el recubrimiento de eyector 1020 son coaxiales entre sí, es decir comparten un eje central común.

Con referencia ahora a la FIG. 12, el borde de fuga del recubrimiento de turbina puede describirse como que incluye una pluralidad de porciones arqueadas circunferencial espaciadas internas 1032 que cada una tiene el mismo radio de curvatura. Esas porciones arqueadas internas se separan uniformemente aparte entre sí. Entre las porciones 1032 hay una pluralidad de porciones arqueadas externas 1034, que cada una tiene el mismo radio de curvatura. El radio de curvatura para las porciones arqueadas internas 1032 es diferente del radio de curvatura para las porciones arqueadas externas 1034, pero las porciones arqueadas internas y las porciones arqueadas externas tienen el mismo centro (es decir a lo largo del eje central). Las porciones internas 1032 y las porciones arqueadas externas 1034 entonces son conectadas entre sí mediante las porciones radialmente extendidas 1036. Esto da lugar a una forma almenada circular, es decir la forma de arriba a abajo o dentro y fuera general del borde de fuga 1016. Esta estructura almenada forma dos conjuntos de lóbulos de mezcla, lóbulos de mezcla de alta energía 1012 y lóbulos de mezcla de baja energía 1014.

Con referencia ahora a la vista posterior de la FIG. 7, el borde de fuga 414 puede también describirse como que incluye una pluralidad de porciones arqueadas circunferencialmente espaciadas internas 492 y una pluralidad de porciones arqueadas circunferencialmente espaciadas externas 494. Las porciones arqueadas internas 492 cada una tienen el mismo radio de curvatura, y se separan uniformemente entre sí. Las porciones arqueadas externas 494 cada una tienen el mismo radio de curvatura, y se separan uniformemente entre sí. El radio de curvatura para las porciones arqueadas internas 492 es diferente del radio de curvatura para las porciones arqueadas externas 494, pero las porciones arqueadas internas y las porciones arqueadas externas tienen el mismo centro (es decir a lo largo del eje central 405).

Sin embargo, la turbina de fluido de la FIG. 7 difiere de la turbina de viento de la FIG. 11 en que los segmentos de lóbulo del presente recubrimiento de turbina no incluyen paredes laterales, mientras que los lóbulos de mezcla mostrados en la FIG. 11 incluyen paredes laterales. Dicho de otra manera, el borde de fuga 416 del presente recubrimiento de turbina segmentado tiene las porciones arqueadas internas 492 y las pociones arqueadas externas 494, pero no tiene las porciones radialmente extendidas. Las porciones en la FIG. 7 que parecen extenderse radialmente (indicadas con el número de referencia 496) son realmente ilusiones ópticas formadas de los bordes de los segmentos de lóbulo, en lugar de ser debido a la presencia de paredes laterales. La carencia de porciones radialmente extendidas causa que las superficies laterales 424, 434 de los segmentos de lóbulo 418 estén expuestas, permitiendo la mezcla circunferencial del flujo de aire. El borde de fuga 416 puede así descrito como que tiene una forma de merlón circular (que se refiere a las porciones sólidas de los segmentos de lóbulo) en lugar de una forma almenada circular como en la FIG. 11.

La presente descripción se ha descrito con referencia a las modalidades ejemplares. Obviamente, las modificaciones y alteraciones serán evidentes durante la lectura y comprensión de la descripción detallada anterior. Se desea que la presente descripción se interprete como que incluye todas tales modificaciones y alteraciones puesto que se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones anexadas o equivalentes de las mismas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Una turbina de fluido, que comprende: un recubrimiento de turbina que comprende: un primer miembro estructural que define una entrada sobresaliente del recubrimiento; y una pluralidad de segmentos de lóbulo que definen un borde de fuga del recubrimiento de turbina; y un recubrimiento de eyector dispuesto corriente abajo y concéntricamente sobre el recubrimiento de turbina; en donde la pluralidad de segmentos de lóbulo comprende segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos configurados en un patrón de alternancia para permitir al aire mezclarse lateral y transversalmente.

2. La turbina de fluido de la reivindicación 1, en donde cada segmento de lóbulo curvado interno tiene dos superficies laterales expuestas, y en donde cada segmento de lóbulo curvado externo tiene dos superficies laterales expuestas.

3. La turbina de fluido de la reivindicación 1, en donde la pluralidad de segmentos de lóbulo tiene un total de nueve segmentos de lóbulo curvados internos y nueve segmentos de lóbulo curvados externos.

4. La turbina de fluido de la reivindicación 1, en donde los segmentos de lóbulo curvados externos son más anchos en la dirección circunferencial que los segmentos de lóbulo curvados internos.

5. La turbina de fluido de la reivindicación 1, en donde cada segmento de lóbulo comprende un extremo frontal y un extremo de mezcla, y los extremos frontales de la pluralidad de segmentos de lóbulo forman el primer miembro estructural.

6. La turbina de fluido de la reivindicación 5, en donde el extremo frontal de cada segmento de lóbulo incluyen una ranura en una superficie interior.

7. La turbina de fluido de la reivindicación 1, en donde los segmentos de lóbulo curvados internos y los segmentos de lóbulo curvados externos se comprenden de un material compuesto o un material de tela.

8. La turbina de fluido de la reivindicación 7, en donde el material compuesto es una mezcla de fibra de vidrio y una resina de polímero.

9. La turbina de fluido de la reivindicación 7, en donde el material de tela es fibra de vidrio cubierta con un fluoropolímero.

10. Una turbina de fluido, que comprende: un recubrimiento de turbina, el recubrimiento de turbina que comprende: una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados internos, cada segmento de lóbulo curvado interno tiene un extremo frontal, un extremo de mezcla, y dos superficies laterales; y una pluralidad de segmentos de lóbulo curvados externos, cada segmento de lóbulo curvado externo tiene un extremo frontal, un extremo de mezcla, y dos superficies laterales; y un recubrimiento de eyector corriente abajo del recubrimiento de turbina; en donde cada segmento de lóbulo curvado interno se localiza entre dos segmentos de lóbulo curvados externos, y cada segmento de lóbulo curvado externo se localiza entre dos segmentos de lóbulo curvados internos; en donde los extremos frontales de los segmentos de lóbulo curvados internos y los extremos frontales de los segmentos de lóbulo curvados externos forman un primer miembro estructural que define una entrada sobresaliente del recubrimiento; en donde los extremos de mezcla de los segmentos de lóbulo curvados internos y los extremos de mezcla de los segmentos de lóbulo curvados externos forman una pluralidad de segmentos de lóbulo que definen un borde de fuga del recubrimiento; y en donde las dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados internos y las dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados externos se exponen a lo largo del borde de fuga.

11. Una turbina de fluido recubierta que comprende un impulsor, un recubrimiento de turbina que rodea el impulsor, y un recubrimiento de eyector, en donde el recubrimiento de turbina comprende: un primer miembro estructural que define una entrada sobresaliente del recubrimiento; y una pluralidad de segmentos de lóbulo que definen un borde de fuga del recubrimiento de turbina; en donde la pluralidad de segmentos de lóbulo comprende segmentos de lóbulo curvados internos y segmentos de lóbulo curvados externos configurados en un patrón de alternancia; en donde dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados internos y dos superficies laterales de los segmentos de lóbulo curvados externos se exponen a lo largo del borde de fuga; y en donde el borde de fuga del recubrimiento de turbina se extiende en un extremo de entrada del recubrimiento de eyector.

12. La turbina de fluido de la reivindicación 11, en donde el recubrimiento de eyector comprende una pluralidad de segmentos del perfil de eyector.

13. La turbina de fluido de la reivindicación 11, en donde el recubrimiento de eyector tiene la forma de una superficie aerodinámica de anillo.

14. La turbina de fluido de la reivindicación 11, en donde la pluralidad de segmentos de lóbulo tiene un total de nueve segmentos de lóbulo curvados internos y nueve segmentos de lóbulo curvados externos.

15. La turbina de fluido de la reivindicación 11, en donde los segmentos de lóbulo curvados externos son más anchos en la dirección circunferencial que los segmentos de lóbulo curvados internos.

16. La turbina de fluido de la reivindicación 11, en donde cada segmento de lóbulo comprende un extremo frontal y un extremo de mezcla, y los extremos frontales de la pluralidad de segmentos de lóbulo forman un primer miembro estructural.

17. La turbina de fluido de la reivindicación 16, en donde el extremo frontal de cada segmento de lóbulo incluyen un ranura en una superficie interior.

18. La turbina de fluido de la reivindicación 11, adicionalmente comprende una pluralidad de miembros de soporte que se extiende entre el recubrimiento de turbina y el recubrimiento de eyector, cada miembro de soporte está alineado con un segmento de lóbulo curvado externo.

19. La turbina de fluido de la reivindicación 11, en donde el impulsor comprende un cuerpo de góndola y una pluralidad de aletas de estator que se extiende entre el cuerpo de góndola y el recubrimiento de turbina.

20. La turbina de fluido de la reivindicación 19, en donde el cuerpo de góndola comprende un pasaje central.