BR112017002319B1

BR112017002319B1 - Estrutura com aleta rígida adaptada para atravessar um ambiente fluido, turbina e aeronave

Info

Publication number: BR112017002319B1
Application number: BR112017002319-9A
Authority: BR
Inventors: Ryan Church
Original assignee: Ryan Church
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2022-09-13
Also published as: CA2992864C; EP3177828A4; CA2992864A1; EP3177828A1; WO2016019467A1; US10781789B2; US20170218777A1; CN106574603A; CN106574603B; BR112017002319A2

Abstract

ESTRUTURA COM ALETA RÍGIDA ADAPTADA PARA ATRAVESSAR UM AMBIENTE FLUIDO. Uma estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido inclui um corpo alongado tendo uma raiz, uma ponta de asa, uma borda de frente e uma borda de trás; e uma aleta rígida ("winglet") associada com a ponta de asa e tendo um corpo de aleta estendendo substancialmente normal a um de um lado de sucção e um lado de pressão do corpo alongado para um ponto de terminação que é atrás da borda de trás. Em uma modalidade, a estrutura é uma pá de rotor que pode ser incorporada em uma turbina eólica.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA PARA PEDIDO RELACIONADO

[001] Este pedido reivindica prioridade sob 35 USC 119 (e) a partir do Pedido de Patente Provisória dos Estados Unidos No. de Série 62/033,331 depositado em 5 de agosto de 2014, cujos conteúdos são incorporados na sua totalidade por referência aqui.

CAMPO DE INVENÇÃO

[002] O que segue refere-se, em geral, a estruturas adaptadas para atravessar ambientes fluidos e, mais particularmente, a uma estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido tendo um corpo alongado e uma aleta rígida.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[003] As turbinas eólicas de eixo horizontal para gerar eletricidade a partir do movimento de rotação são geralmente constituídas por uma ou mais pás de rotor possuindo cada uma, corpo aerodinâmico estendendo para fora a partir de uma haste horizontal que é suportada por uma gaiola de turbina eólica e roda dentro dela. As pás de rotor são exemplos de estruturas adaptadas para atravessar um ambiente fluido, onde o ambiente é principalmente ar ambiente. A gaiola é suportada em uma torre que se estende a partir do solo ou outra superfície. O vento incidente nas pás de rotor aplica pressão fazendo com que as pás de rotor se movam rodando a haste, a partir da qual se estendem em torno do eixo de rotação horizontal da haste. A haste é, por sua vez, associada a um gerador de eletricidade que, como é bem conhecido, converte o movimento de rotação da haste em corrente elétrica para transmissão, armazenamento e / ou utilização imediata. As turbinas eólicas de eixo horizontal são geralmente muito conhecidas e compreendidas, embora sejam desejáveis melhorias na sua operação para melhorar a eficiência da conversão de energia e as suas características operacionais gerais.

[004] O vento incidente mesmo em velocidades baixas pode fazer com que as pás de rotor rodem muito rapidamente. Como seria bem compreendido, para uma dada velocidade de rotação, a velocidade linear de uma pá de rotor é mais baixa na região de sua raiz - a porção da pá de rotor próxima da haste. De modo semelhante, a velocidade linear da pá de rotor é mais elevada na região da sua ponta de asa - a porção da pá de rotor distal a partir da haste. Particularmente em velocidades lineares mais elevadas, aspectos da pá de rotor podem gerar ruído aeroacústico significativo, à medida que a pá de rotor rapidamente "corta" através do ar ao longo do seu percurso de rotação. Este ruído pode ser bastante desconfortável para pessoas e animais nas proximidades testemunharem. No entanto, o ruído também pode ser um indicador de que a operação não é eficiente, e velocidade máxima de ponta de asa pode realmente ser limitada por tais ineficiências.

[005] Por exemplo, ruído aeroacústico emitido a partir da região da ponta de asa de uma pá de rotor é geralmente chamado ruído de vórtice de ponta. O ruído de vórtice de ponta é um indicador de que um vórtice disperso está sendo criado devido à configuração da pá de rotor na ponta de asa, o que diminui a eficiência da pá criando um arrasto indevido.

[006] É sabido modificar a configuração da pá de rotor na região da ponta de asa, tal como por ter aspectos da pá de rotor na região de ponta de asa apenas se desviando do percurso geralmente linear do resto da pá de rotor em algum ângulo. Tais desvios tornaram-se conhecidos como aletas (“winglets”) e várias configurações de aletas (“winglets”) foram utilizadas para melhorar as eficiências de turbinas eólicas como um todo limitando os vórtices que podem ser criados por rotação das pás de rotor.

[007] Atualmente, tais aletas (“winglets”) são conhecidas para ou desviar para o vento chegando incidente com a pá de rotor ou para desviar do vento chegando na direção da torre, sem ir para a frente ou para trás das bordas de frente ou de trás do resto da pá de rotor. Estas duas configurações de aletas (“winglets”) predominantes foram mostradas para reduzir a carga na pá de rotor e reduzir a possibilidade de falha da pá, permitindo que o vento que é incidente na pá de rotor saia da ponta de asa suavemente. No entanto, tais configurações abordaram apenas a manipulação do vento incidente na frente das pás de rotor que faz as pás de rotor rodarem, e não consideraram melhorias na forma como as pás de rotor podem operar em relação ao ar que é encontrado em alta velocidade pelas pás de rotor durante o seu percurso de alta velocidade do seu percurso de rotação. Em particular, o vento incidente na frente das pás de rotor pode razoavelmente mover-se apenas até cerca de trinta (30) quilômetros por hora (kph), enquanto a velocidade linear da região de ponta de asa à medida que atravessa seu percurso de rotação pode razoavelmente alcançar até trezentos e vinte (320) kph para uma pá de rotor com rotação muito rápida. A velocidade mais elevada neste respeito pode ser responsável pela maior parte do ruído e ineficiências de uma ponta de asa.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[008] De acordo com um aspecto, é fornecida uma estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido, a estrutura compreendendo um corpo alongado tendo uma raiz, uma ponta de asa, uma borda de frente e uma borda de trás; e uma aleta rígida (“winglet”) associada com a ponta de asa e tendo um corpo de aleta estendendo substancialmente normal a um de um lado de sucção e um lado de pressão do corpo alongado para um ponto de terminação que é atrás da borda de trás.

[009] Em uma modalidade, o corpo de aleta é planar e é geralmente paralelo à tangente de um círculo atravessado pela ponta de asa durante o movimento do corpo alongado em torno de um eixo de rotação. Em uma modalidade alternativa, o corpo de aleta é arqueado e, geralmente, está em conformidade com um arco de circunferência de um círculo atravessado pela aleta (“winglet”) durante o movimento do corpo alongado em torno de um eixo de rotação.

[0010] Em uma modalidade, a estrutura é uma pá de rotor que pode ser utilizada em uma aeronave ou em uma turbina. Em outra modalidade, a estrutura é uma asa fixa para uma aeronave.

[0011] Outros aspectos e as suas vantagens se tornarão evidentes para o leitor experiente após a revisão do seguinte.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] As modalidades da invenção serão agora descritas com referência aos desenhos anexos nos quais: A Figura 1 é uma vista em elevação lateral de uma turbina eólica de eixo horizontal, de acordo com a técnica anterior; A Figura 2 é uma vista em perspectiva frontal de uma das pás de rotor da turbina eólica da Figura 1, isoladamente; A Figura 3 é uma vista em perspectiva frontal de uma estrutura de acordo com uma modalidade da invenção, isoladamente; A Figura 4 é uma vista em perspectiva frontal de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 5A é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 5B é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 6 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 7 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 8 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 9A é uma vista em elevação lateral de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 9B é uma vista em elevação lateral de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 9C é uma vista em elevação lateral de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 10 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura de acordo com outra modalidade, isoladamente; A Figura 11 é uma vista em perspectiva frontal da região de ponta de asa da estrutura da Figura 10; A Figura 12A é uma vista frontal de uma região de ponta de asa da estrutura ilustrada na Figura 7 isoladamente, adicionalmente com um tratamento de superfície com padrão hexagonal aplicado a um lado de sucção; A Figura 12B ilustra uma porção alargada do tratamento de superfície com padrão hexagonal isoladamente; e A Figura 13 é uma vista em perspectiva frontal de estruturas adaptadas para atravessar um ambiente fluido para aplicação para uma turbina eólica de eixo vertical.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0013] Será agora feita referência em detalhe às várias modalidades da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nas figuras. Cada exemplo é fornecido por meio de explicação da invenção, e não se pretende que seja uma limitação da invenção. Por exemplo, características ilustradas ou descritas como parte de uma modalidade podem ser utilizadas junto ou em conjunto com outras modalidades para fornecem ainda uma outra modalidade. Pretende-se que a presente invenção inclua tais modificações e variações.

[0014] A Figura 1 é uma vista em elevação lateral de uma turbina eólica de eixo horizontal 10, de acordo com a técnica anterior. A turbina eólica 10 inclui uma torre 100 suportada por e estendendo a partir de uma superfície S, tal como uma superfície de solo. Suportada pela torre 100, por sua vez, está uma gaiola 200 estendendo horizontalmente. Um cubo com um fuso 300 é montado rotativamente em uma extremidade frontal da gaiola 200 e é rotativo em relação à gaiola 200 em torno de um eixo de rotação R. Fuso 300 recebe e suporta múltiplas pás de rotor 400 que cada estende para fora a partir do fuso 300. As pás de rotor 400 captam vento incidente Wi fluindo em direção à turbina eólica 10 e são feitas rodar. Devido ao fato de serem suportadas pelo fuso 300, pás de rotor 400 quando girando fazem com que o fuso 300 gire em torno do eixo de rotação R, provocando deste modo movimento de rotação que pode ser convertido em uma maneira bem conhecida em uma potência elétrica ou mecânica utilizável. Neste sentido, as pás de rotor 400 são cada uma estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido, em que o fluido nesta modalidade é o ar ambiente. A gaiola 200 pode ser montada rotativamente na torre 100, de tal modo que a gaiola 200 pode rodar em torno de um eixo substancialmente vertical (não ilustrado) relativamente à torre 100, permitindo assim que as pás de rotor 400 adaptativamente enfrentam a direção a partir da qual o vento incidente Wi está aproximando da turbina eólica 10. Um cone de nariz 500 de uma forma geralmente paraboloidal uniforme é mostrado montado em uma extremidade frontal de fuso 300 para desviar vento incidente Wi para longe do fuso 300.

[0015] A Figura 2 é uma vista em perspectiva frontal de uma das pás de rotor 400 isoladamente. A pá de rotor 400 inclui um corpo alongado que estende a partir de uma raiz 410 através de uma seção principal 412 para terminar em uma ponta de asa 414. A raiz 410 estende a partir da gaiola 200 quando anexada à mesma ou integrada com a mesma, enquanto a ponta de asa 414 é a porção do corpo alongado que é distal à gaiola 200. O corpo alongado tem uma borda de frente 420 e uma borda de trás 430, onde a borda de frente 420 conduz a borda de trás 430 quando a pá de rotor 400 está em movimento de rotação com a gaiola 200 em torno do eixo de rotação R na direção D. Um lado de sucção 440 do corpo alongado é mostrado na Figura 2, e um lado de pressão 450, mostrado em linhas pontilhadas, é oposto ao corpo alongado do lado de sucção 440.

[0016] A Figura 3 é uma vista em perspectiva frontal de uma estrutura 405 de acordo com uma modalidade da invenção, ilustrada isoladamente. A estrutura 405 pode ser empregada como uma pá de rotor e inclui um corpo alongado que se estende a partir de uma raiz 410 através de uma seção principal 412 para terminar em uma ponta de asa 414. A raiz 410 da estrutura 405 se estende a partir da gaiola 200 quando anexada à mesma ou integrada com a mesma, e ponta de asa 414 é a porção do corpo alongado que é distal à gaiola 200. O corpo alongado da estrutura 405 tem uma borda de frente 420 e uma borda de trás 430, onde a borda de frente 420 conduz a borda de trás 430 quando, por exemplo, a estrutura 405 está em movimento de rotação com a gaiola 200 em torno do eixo de rotação R na direção D. Tal como a pá de rotor 400, o corpo alongado da estrutura 405 tem um lado de pressão 440 e um lado de sucção 450.

[0017] De acordo com um aspecto da invenção, a estrutura 405 também inclui uma aleta (“winglet”) rígida 470 que é associada com a ponta de asa 414. Nesta modalidade, a aleta (“winglet”) rígida 470 é integral com a ponta de asa 414. A aleta (“winglet”) rígida 470 tem um corpo de aleta planar 472 substancialmente normal e, nesta modalidade, estendendo a partir do lado de sucção 440 do corpo alongado para um ponto de terminação, ou ponta, 474 que é atrás da borda de trás 430. O corpo de aleta planar 472 é alinhado com a tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470 durante o movimento na direção D em torno do eixo de rotação R, para assim apresentar uma extremidade fina ao ar que move durante a rotação. Conforme ilustrado, o ponto de terminação 474 é atrás da borda de trás 430 por uma distância x. Deve ser entendido que a distância x, tal como ilustrado nas figuras, não tem necessariamente que ser a mesma em todas as modalidades.

[0018] A aleta (“winglet”) 470 é configurada para ter um ponto de terminação 474 que é atrás da borda de trás 430 da pá de rotor 405 de modo a permitir que derramamento de vórtice nesta região seja gradual e menos abrasivo quando comparado com os desenhos da arte anterior. Por exemplo, em vez de "rasgar" o ar, a configuração mostrada na Figura 3 permite que o ar encontrado durante a rotação corra ao longo do corpo de aleta 472 suavemente e com resistência reduzida, reduzindo deste modo as turbulências e as emissões de ruído na região da ponta de asa 414.

[0019] A Figura 4 é uma vista em perspectiva frontal de uma estrutura 405A de acordo com uma modalidade alternativa da invenção, mostrada isoladamente. A estrutura 405A inclui um corpo alongado que estende a partir de uma raiz 410 através de uma seção principal 412 para terminar em uma ponta de asa 414. A raiz 410 da estrutura 405A estende a partir da gaiola 200 quando anexada à mesma ou integrada com a mesma, e a ponta de asa 414 é distal para gaiola 200.O corpo alongado da estrutura 405A também tem uma borda de frente 420 e uma borda de trás 430, onde a borda de frente 420 conduz a borda de trás 430 quando a estrutura 405A está em movimento tal como por exemplo quando roda com a gaiola 200 em torno do eixo de rotação R na direção D. Como estrutura 405, o corpo alongado da estrutura 405A tem um lado de pressão 440 e um lado de sucção 450.

[0020] De acordo com um aspecto da invenção, a estrutura 405A inclui uma aleta (“winglet”) rígida 470A associada com a ponta de asa 414. Nesta modalidade, a aleta (“winglet”) rígida 470A é integral com a ponta de asa 414. A aleta (“winglet”) rígida 470A de estrutura 405A tem um corpo de aleta (“winglet”) planar 472A substancialmente normal para e, nesta modalidade, estendendo a partir do lado de pressão 450 do corpo alongado para um ponto de terminação, ou ponta, 474A que é atrás da borda de trás 430. O corpo de aleta planar 472A é alinhado com a tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470A durante o movimento na direção D em torno do eixo de rotação R, para assim apresentar uma extremidade fina ao ar que move durante rotação. Conforme ilustrado, o ponto de terminação 474A é atrás da borda de trás 430 por uma distância x.

[0021] Tal como a aleta (“winglet”) 470, a aleta (“winglet”) 470A é configurada para ter um ponto de terminação 474A que é atrás da borda de trás 430 da estrutura 405A de modo a permitir que derramamento de vórtice nesta região seja gradual e menos abrasivo quando comparado com os desenhos da arte anterior. Por exemplo, em vez de "rasgar" o ar, a configuração ilustrada na Figura 4 permite que o ar encontrado durante a rotação corra ao longo do corpo de aleta 472A suavemente e com resistência reduzida, reduzindo deste modo as emissões de turbulência, arrasto e ruído na região da ponta de asa 414.

[0022] As aletas (“winglets”) rígidas 470 e 470A representam modalidades muito simples, para as quais são contempladas numerosas alternativas.

[0023] Por exemplo, a Figura 5A é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura tal como uma pá de rotor, como um observador pode vê-la quando está de frente para a frente de uma turbina eólica horizontal da qual a pá de rotor é uma peça - de acordo com outra modalidade, isoladamente. Esta estrutura é configurada para ser rodada no sentido horário na direção D.

[0024] Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470B é integral com a ponta de asa 414 e se estende suavemente a partir de ponta de asa 414 girando-se suavemente de modo a curvar-se para cima enquanto se balança para trás em relação à direção de rotação D, de modo a estender-se substancialmente normal para o lado de sucção 440 (fora da página, isto é, em direção ao observador). A aleta (“winglet”) rígida 470B continua a torcer um total de cerca de 180 graus (para revelar o lado de pressão 450) e varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474B, que é atrás da borda de trás 430 por uma distância x. O ponto de terminação 474B aponta para longe a partir do vento Whs. O corpo de aleta 472B é substancialmente planar e é geralmente paralelo à tangente T do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470B durante o movimento de uma turbina.

[0025] Sem estar ligado a uma teoria particular, acredita-se que a configuração torcida da aleta (“winglet”) rígida 470B contribui para a formação de fluxo laminar que reduz a intensidade de derramamento de vórtice e, consequentemente, o ruído devido ao derramamento de vórtice.

[0026] A Figura 5B é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente. Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470C é integral com a ponta de asa 414 e se estende suavemente a partir de ponta de asa 414 torcendo-se gentilmente de modo a curvar para cima enquanto se balança para trás em relação ao sentido de rotação D, de modo a estender-se substancialmente perpendicular para o lado de sucção 440 (fora da página, isto é, em direção ao observador). A aleta (“winglet”) rígida 470C continua a torcer um total de cerca de 180 graus (para revelar o lado de pressão 450) e varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474C, que é atrás da borda de trás 430 por uma distância x. O ponto de terminação 474C é mais afiado do que o ponto de terminação 474B, mas, como ponto de terminação 474B, o ponto de terminação 474C aponta para longe a partir do vento Whs. O corpo de aleta 472C é substancialmente planar e é geralmente paralelo à tangente T do círculo atravessado pela ponta de asa durante o movimento de uma turbina.

[0027] A Figura 6 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente. Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470D é integral com a ponta de asa 414 e se estende suavemente a partir de ponta de asa 414 torcendo-se gentilmente de modo a curvar para cima enquanto balança para trás em relação ao sentido de rotação D, de modo a se estender substancialmente perpendicular para o lado de sucção 440 (fora da página, isto é, em direção ao observador). A aleta (“winglet”) rígida 470D continua a torcer um total de cerca de 180 graus (para revelar o lado de pressão 450) e varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474D, que é atrás da borda de trás 430 por uma distância x. Nesta modalidade, o corpo de aleta 472D é ligeiramente curvado, ou arqueado e, em geral, está em conformidade com um arco de circunferência de um círculo atravessado na direção D pela aleta (“winglet”) 470D durante o movimento de uma turbina.

[0028] A Figura 7 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente. Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470E está integral com a ponta de asa 414 e se estende suavemente a partir de ponta de asa 414 torcendo-se gentilmente, de modo a curvar-se para cima enquanto balança para trás em relação ao sentido de rotação D, de modo a estender-se substancialmente perpendicular para o lado de sucção 440 (fora da página, isto é, em direção ao observador). A aleta (“winglet”) rígida 470E continua a torcer um total de cerca de 180 graus e varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474E, que é atrás da borda de trás 430 por uma distância x. O corpo de aleta 472E é substancialmente planar e é geralmente paralelo à tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470E durante o movimento de uma turbina.

[0029] A Figura 8 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente. Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470F é integral com a ponta de asa 414 e se estende suavemente a partir de ponta de asa 414 torcendo-se gentilmente, de modo a curvar-se para baixo enquanto balança para trás em relação ao sentido de rotação D, de modo a estender-se substancialmente normal para o lado de pressão 450 (para dentro da página, isto é, longe do observador). A aleta (“winglet”) rígida 470F continua torcendo um total de cerca de 180 graus (para revelar o lado de sucção 450) e varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474F, que está atrás da borda de trás 430 por uma distância x. Nesta modalidade, o corpo de aleta (“winglet”) 472F está substancialmente planar e está geralmente paralelo à tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470F durante o movimento de uma turbina.

[0030] A Figura 9A é uma vista em elevação lateral de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente. Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 472G é integral com a ponta de asa 414 e estende a partir de um mecanismo de conexão linear 476G através de uma região de transição planar 478G a partir da ponta de asa 414 antes de torcer suavemente de modo a curvar para cima enquanto balançando para trás em relação à direção de rotação D de modo a estender substancialmente normal para o lado de sucção 440 (fora da página, ou seja, em direção ao observador). Nesta modalidade, o mecanismo de conexão é uma junta rígida retendo a aleta (“winglet”) rígida 470G em uma posição fixa em relação à ponta de asa 414.

[0031] A aleta (“winglet”) rígida 470G continua a torcer um total de cerca de 180 graus (para revelar o lado de pressão 450) e varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474G, que está atrás da borda de trás 430. O corpo de aleta 472G é substancialmente planar e está geralmente paralelo à tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470G durante o movimento de uma turbina.

[0032] Nesta modalidade, a região de transição planar 478G é angulada para cima por um ângulo θ a partir de mecanismo de conexão 476G em relação ao lado de sucção 440 e, por conseguinte, se estende mais abruptamente em relação à ponta de asa 414 do que em outras modalidades.

[0033] A Figura 9B é uma vista em elevação lateral de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente. Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470H está integral com a ponta de asa 414 e se estende a partir de um mecanismo de conexão linear 476H através de uma região de transição planar 478H a partir da ponta de asa 414 antes de torcer suavemente, de modo a curvar-se para cima enquanto varre para trás em relação ao sentido de rotação D, de modo a estender substancialmente normal para o lado de sucção 440 (para fora da página, ou seja, em direção ao observador). Nesta modalidade, o mecanismo de conexão é uma articulação permitindo que a aleta (“winglet”) rígida 470H rode livremente em relação à ponta de asa 414 em resposta ao fluxo de fluido incidente no corpo alongado.

[0034] A aleta (“winglet”) rígida 470H continua a torcer um total de cerca de 180 graus (para revelar o lado de pressão 450) e varrer para trás até um ponto de terminação, ou ponta, 474H, que está atrás da borda de trás 430. O corpo de aleta 472H é substancialmente planar e está geralmente paralelo à tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470H durante o movimento de uma turbina.

[0035] A Figura 9C é uma vista em elevação lateral de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente. Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470I está integral com a ponta de asa 414 e se estende a partir de um mecanismo de conexão linear 476I através de uma região de transição planar 478I a partir da ponta de asa 414 antes de torcer suavemente, de modo a curvar-se para cima enquanto balança para trás em relação à direção de rotação D, de modo a estender-se substancialmente normal para o lado de sucção 440 (fora da página, isto é, em direção ao observador). Nesta modalidade, o mecanismo de conexão 476I é uma estrutura de controle que permite que a aleta (“winglet”) rígida 470I gire em relação à ponta de asa em resposta a sinais de controle. A estrutura de controle inclui uma estrutura de bomba hidráulica / pneumática conectada à ponta de asa 414 e que pode ser acionada para estender ou retrair um braço com uma extremidade distal que é conectada à região de transição planar 478I. A extensão do braço usando a estrutura de bomba faz o braço empurrar a região de transição planar 478I no sentido horário, e retração do braço usando a estrutura da bomba faz com que o braço puxe a região de transição planar 478I no sentido anti- horário.

[0036] A aleta (“winglet”) rígida 470I continua a torcer um total de cerca de 180 graus (para revelar o lado de pressão 450) e varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474I, que está atrás da borda de trás 430. O corpo de aleta 472I é substancialmente planar e está geralmente paralelo à tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470I durante o movimento de uma turbina.

[0037] A Figura 10 é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura adequada como uma pá de rotor de acordo com outra modalidade, isoladamente, e a Figura 11 é uma vista em perspectiva frontal da região de ponta de asa da Figura 10.

[0038] Nesta modalidade, a estrutura tem uma borda de frente 420 cortando em alta velocidade para o vento Whs durante rotação, uma borda de trás 430, e uma ponta de asa 414. Uma aleta (“winglet”) rígida 470J é anexável à ponta de asa 414 usando-se o mecanismo de conexão rígido 476J em pontos de conexão 473J utilizando-se fixadores adequados passados através tanto da aleta (“winglet”) rígida 470J como da ponta de asa 414. Nesta modalidade, o mecanismo de conexão rígido 476J é uma barra rígida que incorpora pontos de conexão 473J que são, nesta modalidade, orifícios através da barra rígida. Nesta modalidade, o mecanismo de conexão 476J é formado de metal e é integral com uma região de extensão planar 479J através da qual a aleta (“winglet”) rígida 470J estende. A região de extensão planar 479J é intermediária entre o mecanismo de conexão 476 J e uma região de transição 478J. Nesta modalidade, a região de transição 478J está curvada entre a região de extensão 479J e o corpo de aleta 472J, de modo a transitar suavemente para o corpo de aleta 472J a partir da ponta de asa 414. Nesta modalidade, o corpo de aleta 472J não é torcido, mas é varrido para trás em relação à direção de rotação D, de modo a estender-se substancialmente normal para o lado de sucção 440 (fora da página, isto é, em direção ao observador). A aleta (“winglet”) rígida 470J continua a varrer para trás para um ponto de terminação, ou ponta, 474J, que é atrás da borda de trás 430 por uma distância x. Nesta modalidade, o corpo de aleta 472J é substancialmente planar e é geralmente paralelo à tangente do círculo atravessado pela aleta (“winglet”) 470J durante o movimento de uma turbina.

[0039] Na Figura 11, pode-se ver que o mecanismo de conexão 476J é escalonado na região da extremidade distal da ponta de asa 414, assegurando deste modo que a região de transição 479J esteja principalmente no mesmo plano que a ponta de asa 414.

[0040] As configurações de aletas (“winglets”) aqui reveladas foram fornecidas para diminuir as emissões de ruído e para melhorar a eficiência operacional de turbinas eólicas horizontais através da redução do derramamento de ponta de vórtice e ondas sonoras associadas.

RESULTADOS DE TESTE

[0041] Foram realizados testes de uma turbina eólica de pequena escala com estruturas para atravessar um ambiente fluido como aqui descrito, a partir de várias distâncias a partir de uma fonte de vento incidente e vários níveis de potência, para cada de: estruturas da técnica anterior sem aletas (“winglet”), estruturas da técnica anterior, de acordo com a presente invenção com uma aleta rígida (“winglet”) associada a uma ponta de asa tendo um corpo de aleta estendendo-se substancialmente normal a um de um lado de sucção e um lado de pressão do corpo alongado para um ponto de terminação que está atrás da borda de trás. Os resultados dos testes demonstraram um aumento sutil na saída de potência em várias velocidades de vento e distâncias a partir da fonte de vento com uma aleta (“winglet”) padrão e diferenças de saída de potência ainda maiores resultantes de estruturas de acordo com a presente invenção. 1. 20cm a partir da Fonte de Vento, Nível de Potência 2 A. Turbina eólica regular (sem aleta (“winglet”)) - 148mV B. Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) saindo) - 150mV C. Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) atrás da borda de trás) - 156mV 2. 30cm a partir da Fonte de Vento, Nível de Potência 2 A. Turbina eólica regular (sem aleta (“winglet”)) - 135mV B. Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) saindo) - 136mV C. Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) atrás da borda de trás) - 141mV 3. 50cm a partir da Fonte de Vento, Nível de Potência 2 A. Turbina eólica regular (sem aleta (“winglet”)) - 115mV B. Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) saindo) - 116mV C. Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) atrás da borda de trás) - 121mV 20cm a partir da Fonte de Vento, Nível de Potência 3 Turbina eólica regular (sem aleta (“winglet”)) - 158mV Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) saindo) - 160mV Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) atrás da borda de trás) - 165mV 30cm a partir da Fonte de Vento, Nível de Potência 3 Turbina eólica regular (sem aleta (“winglet”)) - 142mV Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) saindo) - 143mV Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) atrás da borda de trás) - 149mV 50cm a partir da Fonte de Vento, Nível de Potência 3 Turbina eólica regular (sem aleta (“winglet”)) - 127mV Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) saindo) - 130mV Turbina eólica regular (aleta (“winglet”) atrás da borda de trás) - 136mV

[0042] As melhorias de configurações de pá de rotor acima descritas para a aleta (“winglet”) de uma pá de rotor para uma turbina eólica de eixo horizontal também podem ser aplicadas a uma ou mais pás de rotor utilizáveis para turbinas eólicas de eixo vertical e ambas de qualquer escala, ou para uma ou mais pás de rotor utilizáveis em turbinas de barragem hidroelétricas, turbinas a gás, turbinas de maré ou turbinas eólicas aerotransportadas ou em outros tipos de turbinas que lidam com o fluxo de fluido, quer de gás ou de líquido.

[0043] As configurações de pá de rotor acima descritas podem alternativamente ser empregadas em aeronaves, tais como aviões comerciais, aeronaves a jato militares, pás de helicóptero, asas de helicóptero, aviões civis, aviões não tripulados e outros aviões semelhantes. A invenção ou invenções aqui descritas podem ser aplicadas a turbinas eólicas com menos ou mais pás do que as descritas a título de exemplo a fim de aumentar a eficiência operacional de uma turbina eólica, diminuir os custos de manutenção e aumentar a escalabilidade e comercialização de tais turbinas eólicas.

[0044] Observa-se que aviões comerciais, aviões civis, aviões não tripulados, asas de helicóptero teriam uma aleta de proporção semelhante à dos aviões comerciais modernos, com uma arquitetura que se curva para além da linha da borda de trás.

[0045] No entanto, as aeronaves a jato militares, pás de helicóptero, provavelmente empregam um aleta (“winglet”) semelhante que é no tamanho em comparação com o comprimento da pá devido à velocidade de ponta de asa que seria incorrida. Para referência de escala, um rotor de helicóptero é aproximadamente 1/3 do tamanho de um avião comercial, com velocidade de ponta semelhante, o tamanho seria de 1/3 o de uma aleta (“winglet”) do avião.

[0046] Embora modalidades tenham sido descritas com referência aos desenhos, os versados na técnica apreciarão que variações e modificações podem ser feitas sem se afastar do espírito e âmbito das mesmas, tal como definido pelas reivindicações anexas.

[0047] Por exemplo, uma aleta (“winglet”) rígida como descrito aqui pode ser ainda equipada para integrar o sistema de proteção contra raios de uma pá de rotor e pode conter projeções em miniatura que reduzem as forças de impacto da chuva e da neve, limitando assim a erosão e falha de pá.

[0048] Além disso, uma aleta pode ser fornecida com um tratamento de superfície tal como uma série de ondulações e / ou uma série de padrões hexagonais e / ou uma série de depressões ou ranhuras, todas as quais podem tanto afundadas na superfície ou levantadas acima da superfície da aleta. Por exemplo, a Figura 12A é uma vista frontal de uma região de ponta de asa de uma estrutura em isolamento, com um tratamento de superfície com padrão hexagonal 485 aplicado ao lado de sucção 440. A Figura 12B mostra uma parte ampliada da superfície com padrão hexagonal 485 isoladamente. Como mostrado, cada hexágono H é em forma de cunha em seção transversal, com a extremidade fina da cunha 486 virada para a fonte do vento incidente Wi para formar, desse modo, um pouco de uma rampa para cima a partir do lado de sucção 440, e a extremidade grossa da cunha 487 de costas para a fonte do vento incidente Wi para, desse modo, ser espaçada a partir do lado de sucção 440.

[0049] Tais melhorias podem ser aplicadas igualmente bem, mutatis mutandis, com tais mutações como sendo relevante, incluindo, mas não limitado a, aviões comerciais, aeronaves a jato militares, pás de helicóptero, asas de helicóptero, aviões civis, naves espaciais, aviões não tripulados, e outras coisas.

[0050] Além disso, as estruturas aqui descritas são utilizáveis em outros ambientes fluidos além do ar ambiente, tal como os ambientes de água, ambientes de óleo e assim por diante.

[0051] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a uma turbina eólica de eixo vertical. Em tal modalidade, a aleta rígida parte da região inferior e superior da pá, como se mostra geralmente na Figura 13. Esta aleta pode espiralar em qualquer de: na direção do eixo central da turbina eólica, ou estender-se para fora e para longe da haste. Neste pedido de patente, estas novas aletas (“winglets”) também podem estender-se diretamente para trás a partir da direção de rotação.

[0052] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a uma turbina de barragem hidroelétrica. Em tal modalidade, a aleta se afasta da ponta na borda de trás, uma vez que estas pás são geralmente bastante grandes em comparação com o seu comprimento. A onda, como descrito na técnica desta patente, começa geralmente na ponta da borda de frente, e, lentamente, aumenta em severidade de onda à medida que se move em direção à borda de trás, terminando além dela, em que a onda não tem mais do que 140 graus.

[0053] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a uma turbina a gás. Em tal modalidade, a onda como descrito na técnica da presente patente começa geralmente na ponta da borda de frente, e aumenta lentamente em severidade de onda à medida que se move em direção à borda de trás, terminando além dela. A terminação, no entanto, neste caso, poderia ocorrer em um ângulo mais para o lado de sucção, tal como para estar em linha com o fluxo de gás, e para induzir um fluxo turbulento menor para o próximo conjunto de pás.

[0054] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a uma turbina de maré. Em tal modalidade, a aleta se afasta da ponta da mesma maneira como a turbina eólica, como descrito. Isto é certamente verdade para turbinas de maré que usam um aparelho que é altamente análogo às turbinas de vento. Nos casos em que a turbina de maré é enclausurada em uma concha, com um múltiplo de aletas (“winglets”) estendendo-se a partir da circunferência externa da concha na direção de uma porção interior de uma concha, as aletas (“winglets”) se assemelham às das turbinas hidroelétricas, exceto que as aletas (“winglets”) estariam na região central da concha, e não em uma circunferência exterior.

[0055] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a uma turbina de energia eólica aerotransportada. Em tal modalidade, as aletas (“winglets”) podem ser aplicadas tanto à asa da pipa em si, e para o dispositivo de geração de energia, que é na maioria das vezes uma hélice. No caso da asa, que permite que a asa voe, a aleta que se assemelha as tais aplicadas a uma aeronave, que tem uma forma semelhante as da turbina eólica, tal como descrito. No caso do dispositivo de geração de energia, que é na maioria das vezes uma hélice, a aleta é semelhante às turbinas de barragens hidroelétricas.

[0056] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a um avião comercial, com a aleta tendo uma forma semelhante à da turbina eólica acima descrita.

[0057] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a uma aeronave a jato militar e a uma aeronave espacial, com as aletas (“winglets”) sendo menores do que as observadas em um avião comercial.

[0058] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada a uma pá de helicóptero, em que a aleta ondula para baixo em direção ao chão e termina atrás da borda de trás.

[0059] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada para asas de helicópteros, em que a aleta se ondula para o céu e termina atrás da borda de trás.

[0060] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada para asas de aviões civis, em que a aleta contém uma forma semelhante à da turbina eólica, tal como descrito.

[0061] A estrutura adaptada para atravessar um ambiente fluido pode ser aplicada para asas de um avião não tripulado, com a aleta contendo uma forma semelhante à da turbina eólica, tal como descrito.

[0062] Observa-se que os aviões comerciais, aviões civis, aviões não tripulados, asas de helicóptero e pás de helicóptero teriam uma aleta (“winglet”) de proporção de tamanho semelhante à dos aviões comerciais modernos, com uma arquitetura que dobra para trás além da linha da borda de trás. Para referência de escala, um rotor de helicóptero tem aproximadamente 1/3 do tamanho de um avião comercial, com velocidade de ponta semelhante, o tamanho seria de 1/3 o de um aleta (“winglet”) do avião.

[0063] No entanto, aeronaves a jato militares provavelmente empregam um tamanho de aleta (“winglet”) menor em comparação com os da aviação comercial devido à velocidade de ponta de asa que seria incorrida. Para referência de escala, uma asa de aeronave a jato militar é aproximadamente 1/3 do tamanho de um avião comercial, com muito mais velocidade de ponta, o tamanho seria menos de 1/3 o de uma aleta (“winglet”) do avião.

[0064] Deve ser notado que o termo "compreendendo" não exclui outros elementos ou passos e a utilização de artigos "um" ou "uma" não exclui uma pluralidade. Além disso, elementos descritos em associação com diferentes modalidades podem ser combinados. Deve ser notado que os sinais de referência nas reivindicações não devem ser entendidos como limitantes do âmbito das reivindicações.

Claims

1. Estrutura (405) adaptada para atravessar um ambiente fluido, a estrutura (405) caracterizada pelo fato de que compreende: um corpo alongado tendo uma raiz, uma ponta de asa, uma borda de frente e uma borda de trás; e uma aleta (“winglet”) rígida (470) associada com a ponta de asa e tendo um corpo de aleta (472) estendendo substancialmente normal a um de um lado de sucção (440) e um lado de pressão do corpo alongado para um ponto de terminação (474) que é atrás da borda de trás (430); em que o corpo de aleta (472) é arqueado e está em conformidade com um arco de circunferência de um círculo atravessado pela aleta durante o movimento do corpo alongado em torno de um eixo de rotação; em que o corpo de aleta (472) é integral com a ponta de asa e se estende da ponta de asa girando de modo a curvar a aleta para cima enquanto se balança para trás em relação à uma direção de rotação, em que o giro da aleta é de 180 graus.

2. Estrutura (405), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a aleta rígida (470) e o corpo alongado são uma estrutura integral (405).

3. Estrutura (405), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a aleta rígida (470) e o corpo alongado são conectados um ao outro.

4. Estrutura (405), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato do corpo de aleta (472) ser plano e ser geralmente paralelo à tangente de um círculo atravessado pela ponta de asa durante o movimento do corpo alongado em torno de um eixo de rotação.

5. Estrutura (405), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o giro revela pelo menos um de: o lado de pressão da aleta rígida (470) e o lado de pressão do corpo alongado.

6. Estrutura (405), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a aleta rígida (470) compreende ainda: uma região de transição intermediária entre a ponta de asa e o corpo de aleta (472); e um mecanismo de conexão ligando a região de transição à ponta de asa.

7. Estrutura (405), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o mecanismo de conexão compreende: uma articulação permitindo que a aleta rígida (470) rotacione livremente em relação à ponta de asa em resposta ao fluxo de fluido incidente no corpo alongado.

8. Estrutura (405), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o mecanismo de conexão compreende: uma junta rígida retendo a aleta rígida (470) em uma posição fixa em relação à ponta de asa.

9. Estrutura (405), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o mecanismo de conexão compreende: uma bomba pneumática ou uma bomba hidráulica permitindo que a aleta rígida (407) rotacione em relação à ponta de asa em resposta a sinais de controle.

10. Estrutura (405), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma porção da região de transição é curvada.

11. Estrutura (405), de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma porção da região de transição é planar.

12. Estrutura (405), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que o corpo alongado é um aerofólio.

13. Estrutura (405), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a estrutura é uma pá de rotor.

14. Estrutura (405), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a estrutura é uma asa fixa para uma aeronave.

15. Estrutura (405), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a estrutura é acoplada a uma turbina eólica.

16. Turbina, caracterizada pelo fato de que compreende pelo menos uma pá de rotor, conforme definida na reivindicação 13.

17. Turbina, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que a turbina é selecionada do grupo constituído por uma turbina eólica, uma turbina de maré, uma turbina de barragem hidroelétrica e uma turbina de energia eólica aerotransportada.

18. Aeronave, caracterizada pelo fato de que compreende pelo menos uma estrutura (405), conforme definida na reivindicação 12.