BRPI0809257A2 - Turbina eólica com misturadores e ejetores - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TURBINA EÓLICA COM MISTURADORES E EJETORES".

PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido é um segundo pedido de continuação em parte de um Pedido de Utilidade copendente, Número de Série 12/054.050, depositado em 24 de março de 2008 (daqui em diante "Pedido de Patente dos requerentes"), que reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisório dos requerentes Número de Série 60/919.588, depositado em 23 de março de 2007 (daqui em diante "Pedido Provisório dos requerentes"). Os requerentes incorporam as descrições do Pedido de Patente dos requerentes e do Pedido Provisório dos requerentes por referência, em suas totalidades.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se à turbinas eólicas. Mais particularmente, refere-se à aparelho para turbinas eólicas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Turbinas eólicas normalmente contêm um dispositivo do tipo hélice, denominado "rotor" que é voltado para um fluxo de ar móvel. Quando o ar atinge o rotor, o ar produz uma força no rotor de maneira a fazer o rotor rodar em torno de seu centro. O rotor é conectado tanto no gerador de eletricidade ou dispositivo mecânico através de ligações tais como engrenagens, correias, correntes ou outros meios. Tais turbinas são usadas para gerar eletricidade e acionar baterias. Também são usadas para acionar bombas rotativas e/ou mover partes de máquina. É muito comum encontrar turbinas eólicas em "fazendas de vento" contendo múltiplas turbinas em um padrão geométrico desenhado para permitir a extração de energia máxima com impacto mínimo de cada turbina uma na outra e/ou ambiente circundante.

A habilidade de um rotor converter energia fluida em energia rotativa, quando colocada em um fluxo de largura muito grande comparada com seu diâmetro, é limitada pelo valor teórico bem documentado de 59,3% da energia o fluxo que entra, conhecido como o limite de "Betz" como documentado por A. Betz em 1926. Esta produtividade se aplica especialmente à turbina de vento/água axial com múltiplas lâminas tradicional apresentada na figura 1A, rotulada Técnica Anterior.

Tentativas foram feitas para tentar aumentar o potencial de desempenho de turbina eólica além do limite de "Betz". Saias ou condutos circundando o rotor foram usados. Ver, por exemplo, Patente U.S.N°.

5 7.218.011 para Hiel e outros (ver figura 1B); Patente U.S. N0. 4.204.799 para de Geus (ver figura 1C); Patente U.S N0. 4.075.500 para Oman e outros (ver figura 1D); e Patente U.S. N0. 6.887.031 para Tocher. Saias apropriadamente desenhadas fazem o fluxo que se aproxima acelerar quando está concentrado no centro do conduto. Em geral, para um rotor apropriadamente dese10 nhado, esta velocidade de fluxo aumentada causa mais força no rotor e níveis subsequentemente maiores de extração de energia. Frequentemente contudo, as lâminas do rotor se separam devido às forças de cisalhamento e de tração envolvidas com ventos maiores.

Os valores duas vezes o limite de Betz foram presumivelmente 15 registrados mas não sustentados. Ver lgar, O., Shrouds for Aerogenerator, AIAA Journal, October 1976, pp. 1481 -83; Igar e Ozer, Research and DeveIopment for Shrouded Wind Turbines, Energy Cons. & Management, Vol. 21, pp 13-48, 1981; e ver a AIAA Technical Note, intitulada "Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited", de autoria dos requerentes (''Applicants' 20 AIAA Technical Note"), e aceito para publicação. Cópias podem ser encontradas em Applicants' Information Disclosure Statement. Tais reivindicações no entanto não foram sustentadas na prática e resultados de teste existentes não confirmaram a praticabilidade de tais ganhos em aplicação de turbina eólica real.

Para obter tal energia aumentada e eficiência, é necessário co

ordenar estreitamente os desenhos aerodinâmicos da saia e do rotor com os níveis de velocidade de fluxo de fluido que entra, algumas vezes altamente variáveis. Tais considerações de desenho aerodinâmico também desempenham um papel significante no impacto subsequente de turbinas de fluxo em 30 suas redondezas, e o nível de produtividade de desenhos de fazenda de vento.

Os ejetores são bem conhecidos e bombas de jato de fluido documentadas que arrastam o fluxo para um sistema e desse modo aumentam a taxa de fluxo através deste sistema. Misturadores e ejetores são versões compactas curtas de tais bombas de jato que são relativamente insensíveis às condições do fluxo que entra e foram usados extensivamente em aplica5 ções de propulsão de jato de alta velocidade envolvendo velocidades de fluxo perto ou acima da velocidade do som. Ver, por exemplo, Patente U.S. N0. 5.761.900 por Dr. Walter M. Presz, Jr., que também usa um misturador a jusante para aumentar o impulso enquanto reduz o ruído da descarga. Dr. Presz é um coinventor no presente pedido.

A tecnologia de turbina a gás tem ainda que ser aplicada com

sucesso em turbinas eólicas de fluxo axial. Existem múltiplas razões para este inconveniente. Turbinas eólicas existentes usam comumente lâminas de turbina sem saia para extrair a energia de vento. Como resultado, uma quantidade significante do fluxo que se aproxima das pás de turbina eólica 15 flui em torno e não através das lâminas. Também, a velocidade de ar diminui significantemente na medida em que se aproxima de turbina eólicas existentes. Ambos estes efeitos resultam em velocidades de turbina, através de fluxo baixo. Estas velocidades baixas minimizam os benefícios potenciais de tecnologia de turbina a gás tal como conceitos e estator/rotor. Abordagens 20 prévias de turbina eólica com saia possuem difusores de saída para aumentar as velocidades da pá de turbina. Os difusores exigem longos comprimentos para bom desempenho, e tendem a ser muito sensíveis às variações de fluxo que se aproxima. Tais difusores sensíveis a fluxo, longos não são práticos em instalações de turbina eólica. Difusores curtos perdem velocidade, e 25 não funcionam em aplicações reais. Também, a difusão a jusante necessária para não ser possível com na extração de energia de turbina desejada nas velocidades aceleradas. Estes efeitos determinaram todas as tentativas prévias em turbinas eólicas mais eficientes usando tecnologia de turbina a gás.

Consequentemente, é um objetivo primário da presente invenção fornecer um aparelho aperfeiçoado que emprega princípios de bomba de misturador/ejetor dinâmica de fluido avançados em uma turbina eólica para distribuir de modo consistente níveis sustentáveis de energia bem acima do limite de Betz.

É outro objetivo primário fornecer um método aperfeiçoado para uma turbina eólica de fluxo axial que emprega misturação de fluxo única (para turbinas eólicas) para aumentar a produtividade de e minimizar o impacto de seu campo de fluxo resultante no ambiente circundante localizado em sua vizinhança, tal como encontrado em fazendas de vento.

É outro objetivo primário fornecer um aparelho aperfeiçoado que cria mais fluxo através de um rotor da turbina eólica de fluxo axial e então mistura rapidamente o fluxo de saída de energia mais baixa com fluxo de vento de desvio de energia mais alta antes de sair da turbina.

É outro objetivo primário fornecer uma turbina eólica aperfeiçoada que emprega dispositivo de controle e mistura de fluxo único (para turbinas eólicas) para aumentar a produtividade de e minimizar o impacto de seu campo de fluxo resultante no ambiente circundante localizado em sua vizinhança, tal como encontrado em fazendas de vento.

É outro objetivo primário fornecer uma turbina eólica que bombeia mais fluxo de ar através do rotor e então mistura rapidamente o fluxo de saída da turbina de baixa energia com o fluxo de vento de desvio de energia alta antes de sair do sistema.

É um objetivo mais específico, coincidente com os objetivos lis

tados acima, fornecer um método e um aparelho que são relativamente silenciosos e seguros para uso em áreas populosas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um método e aparelho são descritos para aperfeiçoar a eficiência sustentável de turbinas eólicas além do limite de Betz. O método e o aparelho usam conceitos de ejetor dinâmico de fluido e misturação de fluxo avançada para aumentar a eficiência operacional, enquanto reduz o nível de ruído da turbina eólica única dos requerentes a turbinas eólicas existentes.

O aparelho preferido dos requerentes é uma turbina eólica de misturador e ejetor (denominada "MEWT"). Na modalidade preferida do "aparelho", a MEWT é uma turbina de fluxo axial compreendendo em ordem para jusante: uma saia de turbina tendo uma entrada afunilada; um anel de estatores dentro da saia; um impulsor tendo um anel de palhetas de impulsor "em linha" com os estatores; um misturador, fixado na saia de turbina tendo um anel de lóbulos de misturação (por exemplo como aquele mostrado na Patente U.S. N0. 5.761.900) e uma saia de misturação se estendendo a jusante além dos lóbulos de misturação. A saia de turbina, o misturador e o ejetor são desenhados e dispostos para arrastar a quantidade máxima de fluido através da turbina e minimizar o impacto no ambiente (por exemplo, ruído) e em outras turbinas de energia em seu curso (por exemplo, perdas estruturais ou de produtividade). Diferente da técnica anterior, a MEWT preferida contém uma saia com dispositivos de controle e misturação de fluxo avançados tais como misturadores com lóbulos ou com entalhes e/ou uma ou mais bombas ejetoras. A bomba de misturador e ejetor apresentada é muito diferente daquela usada na indústria de aeronaves, desde que o ar de alta energia flui dentro das entradas de ejetor, e circunda externamente, bombeia e mistura com o ar de baixa energia que sai da saia da turbina.

Nesta modalidade de "aparelho" preferida, a MEWT compreende amplamente: uma turbina eólica de fluxo axial circundada por uma saia de turbina, com uma entrada afunilada, incorporando dispositivos de misturação em sua região de término (isto é, uma parte terminal da saia de turbina) e 20 um conduto de ejetor separado se sobrepondo mas atrás da dita saia de turbina, que pode incorporar dispositivos de misturação avançados em sua região de término.

Em uma modalidade alternada de "aparelho", a MEWT compreende: uma turbina eólica de fluxo axial circundada por uma saia de turbina de contorno aerodinâmico incorporando dispositivos de misturação em sua região de término.

Em um sentido amplo, o método preferido compreende: gerar um nível de energia acima do limite Betz para uma turbina eólica (de preferência uma turbina eólica de fluxo axial), do tipo que tem uma saia de turbina 30 com uma entrada afunilada e um impulsor a jusante tendo um anel de pás de impulsor, recebendo e direcionando um fluxo de ar primário dói ar ambiente para uma saia de turbina; rodar o impulsor dentro da saia pelo fluxo de ar primário, onde o fluxo de ar primário transfere energia ao impulsor, e arrastar e misturar um fluxo de ar secundário de ar ambiente exclusivamente com o fluxo de ar primário, que passou através do impulsor, por meio de um misturador e um ejetor seqüencialmente a jusante do impulsor.

Um método alternativo compreende: gerar um nível de energia

acima o limite de Betz para uma usina eólica, tendo uma saia de turbina com uma entrada afunilada e um rotor do tipo hélice a jusante, arrastando e misturando o ar ambiente exclusivamente com o ar de energia menor, que passou através da saia da turbina e do rotor, por meio de um misturador e um ejetor seqüencialmente a jusante do rotor.

A análise teórica baseada nos primeiros princípios do método e aparelho preferidos indica que a MEWT pode produzir três ou mais vezes a energia de seus equivalentes sem saia para a mesma área frontal, e aumentar a produtividade de fazendas de vento por um fato de dois ou mais.

Os requerentes acreditam, baseado em sua análise teórica, que

o método e aparelho preferidos gerarão três vezes a energia existente da turbina eólica convencional de mesmo tamanho.

Outros objetivos e vantagens da presente invenção se tornarão mais facilmente evidentes quando a descrição escrita seguinte é lida em conjunto com os desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As figuras 1A, 1B, 1C e 1D, denominadas "Técnica Anterior" ilustram exemplos de turbinas anteriores;

a figura 2 é uma vista explodida da modalidade de MEWT preferida dos requerentes, construída de acordo com a presente invenção;

a figura 3 é uma vista em perspectiva dianteira da MEWT preferida anexada a uma torre de suporte;

a figura 4 é uma vista em perspectiva dianteira de uma MEWT preferida com as partes separadas para mostrar a estrutura interior, tal como uma tomada de força na forma de uma estrutura do tipo roda fixada no impulsor;

a figura 5 é uma vista em perspectiva dianteira apenas do estator, do impulsor, da tomada de força, e da haste de suporte da figura 4;

a figura 6 é uma modalidade alternativa da MEWT preferida com uma bomba de misturador/ejetor tendo lóbulos de misturador nas regiões de térmico (por exemplo, uma parte terminal) da saia de ejetor;

a figura 7 é uma vista em seção transversal lateral da MEWT da

figura 6;

a figura 8 é um detalhe de um acoplamento rotativo (envolvido na figura 7), para fixar de modo rotativo a MEWT em uma torre de suporte, e uma variação de pá de estator rotativa mecânica;

a figura 9 é uma vista em perspectiva dianteira de uma MEWT

com um rotor do tipo hélice;

a figura 10 é uma vista em perspectiva traseira da MEWT da figura 9;

a figura 11 mostra uma vista plana traseira da MEWT da figura

9;

a figura 12 é uma vista em seção transversal tomada ao longo da linha de visão 12-12 da figura 11;

a figura 13 é uma vista plana dianteira da MEWT da figura 9; a figura 14 é uma vista em seção transversal lateral, tomada ao longo da linha de visão 14-14 da figura 13, mostrando dois bloqueadores pivotantes para controlar o fluxo;

a figura 15 é um detalhe de um bloqueador envolvido na figura

14;

a figura 16 ilustra uma modalidade alternativa de uma MEWT com duas abas-asa pivotantes opcionais para alinhamento de vento;

a figura 17 é uma vista em seção transversal lateral da MEWT da figura 16;

a figura 18 é uma vista plana dianteira de uma modalidade alternativa da MEWT incorporando um ejetor de dois estágios com dispositivos de misturação (aqui, um anel de entalhes) nas regiões de térmico da saía de turbina (aqui, lóbulos de misturação) e a saia de ejetor;

a figura 19 é uma vista em seção transversal lateral da MEWT da figura 18;

a figura 20 é uma vista traseira da MEWT da figura 18; a figura 21 é uma vista em perspectiva traseira da MEWT da figura 18;

a figura 22 é uma vista em perspectiva dianteira de uma modali

dade alternativa da MEWT incorporando um ejetor de dois estágios com lóbulos de misturação nas regiões de térmico da saia de turbina e da saia de ejetor;

a figura 23 é uma vista em perspectiva traseira da MEWT da fi

gura 22;

a figura 24 mostra um revestimento acústico opcional dentro da saia de turbina da figura 22;

a figura 25 mostra uma MEWT com um componente de saia não

circular; e

a figura 26 mostra uma modalidade alternativa da MEWT prefe

rida com os lóbulos de misturador na região de término (isto é, uma parte terminal) da saia de turbina.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

Referindo-se aos desenhos em detalhe, as figuras 2-25 mostram

modalidades alternadas do aparelho dos requerentes, "Wind Turbines with Mixers and Ejectors" ("MEWT").

Na modalidade preferida de "aparelho" (ver figuras 2, 3, 4 e 5), a MEWT 100 é uma turbina eólica de fluxo axial compreendendo:

a. uma saia de turbina com contorno aerodinâmico 102;

b. um corpo central com contorno aerodinâmico 130 dentro e

fixado na saia de turbina 102;

c. estágio de turbina 104, circundando o corpo central 103, compreendendo um anel de estator 106 de aletas de estator (por exemplo, 108a) e um impulsor ou rotor 110 tendo pás de impulsor ou rotor (por exemplo

112a) a jusante e "em linha" com as aletas de estator (isto é, bordas dianteiras das pás de impulsor são substancialmente alinhadas com as bordas traseiras das aletas de estator), em que: i. as aletas de estator (por exemplo, 108a) são montadas no corpo central 103; e

ii. as pás de impulso (por exemplo, 112a) são fixadas e mantidas juntas por anéis internos e externos ou braçadeiras montadas no corpo cen

5 trai 103;

d. um misturador 118 tendo um anel de lóbulos de misturador (por exemplo, 120a) em uma região de térmico (isto é, parte terminal) da saia da turbina 102, em que os lóbulos de misturador (por exemplo, 120a) se estendem a jusante além das pás de impulsor (por exemplo, 112a); e e. um ejetor 122 compreendendo uma saia 128, circundando o

anel de lóbulos de misturador (por exemplo 120a) na saia de turbina, com um perfil similar aos lóbulos de ejetor mostrados na Patente U.S. N0. 5.761.900, em que os lóbulos de misturador (por exemplo, 120a) se estendem a jusante e dentro de uma entrada 129 da saia de ejetor 128.

O corpo central 103 de MEWT 100, como mostrado na figura 7,

é de preferência conectado à saia de turbina 102 através do anel de estator 106 (ou outro meio) para eliminar o som de baixa frequência se propagando a longa distância, prejudicial, incômodo produzido por turbinas eólicas tradicionais na medida em que o curso da pá da turbina atinge a torre de suporte. 20 Os perfis aerodinâmicos da saia de turbina 102 e da saia de ejetor 128 de preferência são abaulados de modo aerodinâmico para aumentar o fluxo através do rotor da turbina.

Os requerentes calcularam, para eficiência ótima na modalidade preferida 100, a relação de área da bomba de ejetor 122, como definida pela 25 área de saída da saia de ejetor 128 sobre a área de saída da saia de turbina 102 será entre 1,5 e 3,0. O número de lóbulos de misturador (por exemplo, 120a) seria entre 6 e 14. Cada lóbulo terá ângulos de borda traseira interna e externa entre 5 e 25 graus. A localização de saída do lóbulo primário, será em, ou perto, da localização de entrada ou entrada 129 da saia de ejetor 30 128. A relação de altura com largura dos canais de lóbulos, estará entre 0,5 e 4,5. A penetração do misturador será entre 50% e 80%. Os ângulos de borda traseira de bujão de corpo central 103 corpo central 102 serão de trinta graus ou menos. O comprimento para o diâmetro (L/D) da MEWT total 100 estará entre 0,5 e 1,25.

A análise teórica baseada em primeiros princípios da MEWT 100 preferida, realizada pelos requerentes, indicam: a MEWT pode produzir três ou mais vezes a energia de seus equivalentes sem saia por um fator de dois ou mais. VerAIAA Technical Note dos requerentes, identificado nos Antecedentes acima, para a metodologia e fórmulas usadas em sua análise teórica.

Baseados em sua analise teórica, os requerentes acreditam que sua modalidade de MEWT preferida 100 gerará pelo menos duas a três ve10 zes a energia existente da turbina eólica convencional de mesmo tamanho (mostrado na figura 1A). O misturador e ejetor combinados dos requerentes arrastam para dentro de um rotor de turbina associado, duas ou três vezes o volume de ar arrastado para dentro dos rotores de usinas de vento tradicionais.

Usinas de vento tradicionais (também conhecidas como turbinas

eólicas), com rotores do tipo hélice (ver figura 1), convertem o vento em energia rotacional e então elétrica. Tais rotores podem somente deslocar, teoricamente, um máximo de 59,3% da energia do fluxo que se aproxima. Esta eficiência de 59,3% é conhecida como o limite de "Betz", como descrito em Antecedentes desta aplicação.

Desde que seus método e aparelho preferidos aumentam o volume de ar deslocado por turbinas eólicas tradicionais, com áreas frontais comparáveis, por pelo menos um fator de dois ou três, os requerentes acreditam que seus método e aparelho preferidos podem sustentar uma eficiên25 cia operacional além do limite de Betz por uma quantidade similar. Os requerentes acreditam que suas outras modalidades também excederão o limite de Betz de modo consistente, dependendo é claro de ventos suficientes.

Em termos simplistas, a modalidade de "aparelho" preferida 100 da MEWT compreende: uma turbina de fluxo axial (por exemplo, aletas de estator e pás de impulsor) circundada por uma saia de turbina de contorno aerodinâmico 102 (isto é, uma saia com uma entrada afunilada) incorporando dispositivos de misturação em sua região de término (isto é, parte terminal); e uma saia de ejetor separada (por exemplo 128) se sobrepondo, mas atrás, da saia de turbina 102, que pode incorporar dispositivos de misturação avançados (por exemplo, lóbulos de misturador) em sua região de término. O anel dos requerentes 118 de lóbulos de misturador (por exemplo 120a), 5 combinado com a saia de ejetor 128, podem ser considerados como uma bomba de misturador/ejetor. Esta bomba de misturador/ejetor fornece o meio para exceder de modo consistente o limite de Betz para eficiência operacional da turbina de vento.

Os requerentes também apresentaram informação suplementar 10 para a modalidade preferida 100 da MEWT mostrada nas figuras 2 e 3. Compreende um estágio de turbina 104 (isto é com um anel de estator 106 e um impulsor 110) montada no corpo central 103, circundado pela saia de turbina 102 com lóbulos de misturador embutidos 128. O estágio de turbina 104 e a saia de ejetor 128 são conectados estruturalmente na saia de turbi15 na 102, que é o elemento de transporte de carga principal.

O comprimento da saia da turbina 102 é igual ou menor que o diâmetro máximo externo da saia de turbina. O comprimento da saia de ejetor 128 é igual a ou menor que o diâmetro máximo externo da saia de ejetor. A superfície exterior do corpo central 103 tem contorno aerodinâmico para 20 minimizar os efeitos de separação de fluxo a jusante da MEWT 100. Pode ser mais curto ou mais longo que a saia de turbina 102 ou a saia de ejetor 128, ou seus comprimentos combinados.

A área de entrada e a área de saída da saia de turbina serão iguais a ou maiores que aquelas da coroa anular ocupada pelo estágio de 25 turbina 104, mas não precisam ser circulares em formato de modo a permitir um controle melhor da fonte de fluxo e impacto de seu curso. A área de seção transversal de trajetória de fluxo interna formada pela coroa anular entre o corpo central 103 e a superfície interior da saia de turbina 102 é aerodinamicamente formatada para ter uma área mínima no plano da turbina e de 30 outro modo varia suavemente de seus planos de entrada respectivos para seus planos de saída. As superfícies externas das saias de turbina e ejetor são formatadas aerodinamicamente para ajudar a guiar o fluxo dentro da entrada de saia de turbina, eliminar a separação de fluxo de suas superfícies, e distribuir o fluxo suave dentro da entrada de ejetor 129. A área de entrada do ejetor 128, que pode ser não circular em formato (ver, por exemplo, a figura 25), é maior que a área de plano de saída do misturador 118 e a área de saída do ejetor pode também ser não circular em formato.

Aspectos opcionais da modalidade preferida 100 podem incluir: uma tomada de energia 130 (ver figuras 4 e 5), na forma de uma estrutura do tipo roda, que é mecanicamente ligada a um aro externo do impulsor 110 em um gerador de energia (não-mostrado); uma haste de suporte vertical 10 132 com um acoplamento rotativo em 134 (ver figura 5), para suportar de modo rotativo a MEWT 100, que está localizada à frente da localização do centro de pressão na MEWT para autoalinhar a MEWT; e um estabilizador vertical de movimento próprio ou asa-aba 136 (ver figura 4), afixada nas superfícies superior e inferior de saia de ejetor 128, para estabilizar as direções 15 de alinhamento com fluxos de vento diferentes.

MEWT 100, quando usada perto de residências, pode ter um material de absorção de som afixado na superfície interna de suas saias 102, 128 (ver figura 24) para absorver e assim eliminar virtualmente as ondas sonoras de frequência relativamente alta produzidas pela interação do 20 curso do estator 106 com o impulsor 110. A MEWT pode também conter uma estrutura de segurança de contenção de pá.

As figuras 14 e 15 mostram portas de bloqueio de fluxo opcionais 140a, 140b. Elas podem ser rodadas por meio de articulação (nãomostrada) dento da corrente de fluxo para reduzir ou parar o fluxo através da turbina 100 quando é possível dano ao gerador ou outros componentes, devido à alta velocidade e fluxo.

A figura 8 apresenta outra variação opcional da MEWT preferida dos requerentes 100. A incidência do ângulo de saída das aletas do estator é mecanicamente variada in situ (isto é as aletas são pivotadas) para acomodar as variações na velocidade de fluxo de fluido de modo a assegurar redemoinho residual mínimo no fluxo que sai do rotor.

Note que as modalidades de MEWT alternativas dos requerentes, mostradas nas figuras 9-23 e 26, usam um rotor do tipo hélice (por exemplo 142 na figura 9) em vez de um rotor de turbina com um anel de pás de impulsor. Enquanto talvez não tão eficiente, estas modalidades podem ser mais aceitáveis para o público.

As modalidades de "aparelho" alternativas dos requerentes são

variações 200, 300, 400, 500 contendo ejetores de zero (ver, por exemplo, figura 26), um e dois estágios com misturadores embutidos nas regiões de térmico (isto é, partes terminais) das saias de ejetor, se alguma. Ver, por exemplo, as figuras 18, 20 e 22 para misturadores (por exemplo, bocais e 10 fendas) embutidos nas regiões de térmico das saias de ejetor. Fluxos de ar terciários (de ar ambiente), que não entraram previamente nas saias de turbina ou de ejetor, entram nos misturadores dos ejetores de dois estágios para misturar com, e transferir energia para, os vórtices de fluxos de ar primário e secundário que saem das regiões de término. A análise indica que 15 tais modalidades de MEWT eliminarão mais rapidamente o defeito de velocidade inerente que ocorre no curso de turbinas eólicas existentes e assim reduzirão a distância de separação exigida em uma fazenda de vento para impedir o dano estrutura e/ou a perda de produtividade.

A figura 6 mostra uma variação do ejetor de "dois estágios" 600 da modalidade ilustrada 100 tendo um misturador na região de térmico da saia de ejetor.

As modalidades de "aparelho" alternativas 200, 300, 400, 500 nas figuras 9-325 podem ser consideradas amplamente como compreendendo:

a. uma usina eólica, ou turbina eólica, tendo uma saia com uma

entrada afunilada;

b. um rotor do tipo hélice a jusante da entrada;

c. um misturador tendo um anel de lóbulos de misturador que se estende adjacente a e a jusante do rotor; e

d. um ejetor circundando as bordas traseiras dos lóbulos de mis

turador e se estendendo a jusante dos lóbulos de misturador.

Cada uma das saias de turbina eólica ilustradas dos requerentes é adaptada em tamanho e formato para produzir uma série de vórtices de misturação de perda baixa, devido à não uniformidade substancial pelo menos da saia de turbina, á jusante do impulsor (também conhecido como rotor), quando a turbina eólica é exposta a um vento se movendo na direção a jusante.

Cada saia de turbina tem uma parede que varia substancialmente em espessura ao longo de um eixo de rotação no impulsor. Assim variam os ejetores.

Os requerentes acreditam que mesmo sem um ejetor (por e

xemplo, ver a figura 26) um misturador ainda aumentaria o volume de ar que entra e pe deslocado pelos rotores dos requerentes, e portanto aumenta a eficiência com relação a turbinas eólicas anteriores (se com saia ou não), tendo áreas frontais comparáveis. O aumento, no entanto, seria menor que com um ejetor.

Cada modalidade da turbina eólica dos requerentes tem uma

direção "à montante" e uma direção "a jusante". Por aqueles termos, os requerentes estão se referindo a posição de cada parte estrutural com relação à direção do vento que entra, quando a entrada de turbina é girada substancialmente para o vento.

A invenção dos requerentes pode ser considerada em termos de

métodos. Em um sentido amplo, o método preferido compreende:

a. gerar um nível de energia acima do limite de Betz para uma turbina eólica (de preferência uma turbina eólica de fluxo axial), do tipo que tem uma saia de turbina com uma entrada afunilada e um impulsor a jusante

tendo um anel de pás de impulsor:

i. recebendo e direcionando um fluxo de ar primário de ar ambiente em uma saia de turbina;

ii. rodando o impulsor dentro da saia pelo fluxo de ar primário onde o fluxo de ar primário transfere energia ao impulsor; e

iii. arrastando e misturando um fluxo de ar secundário de ar am

biente exclusivamente com o fluxo de ar primário, que passou através do impulsor, por meio de um misturador e um ejetor seqüencialmente a jusante do impulsor.

Um método alternativo compreende:

a. gerar um nível de energia acima do limite de Betz para uma usina eólica, tendo uma saia de turbina com uma entrada afunilada e um

rotor do tipo hélice a jusante:

i. recebendo e direcionando um fluxo de ar primário de ar ambiente dentro da entrada afunilada e através da saia de turbina;

ii. rodando o impulsor dentro da saia pelo fluxo de ar primário, onde o fluxo de ar primário transfere energia para o rotor e se torna um fluxo

de ar de energia mais baixa; e

iii. arrastando e misturando um fluxo secundário de ar ambiente com o fluxo de ar de energia mais baixa por meio de um misturador e um ejetor seqüencialmente a jusante do rotor.

Misturar o fluxo de ar secundário com o fluxo de ar primário (de energia mais baixa) dentro do ejetor produz uma série de vórtices de misturação devido a não-uniformidade substancial pelo menos da saia de turbina a jusante do impulsor, e cria uma transferência de energia do fluxo de ar secundário para o fluxo primário.

Os métodos dos requerentes podem também compreender:

a. direcionar o fluxo de ar primário, depois de rodar o impulsor

na saia de turbina, para longe de um eixo rotacional do impulsor; e

b. direcionar o fluxo de ar secundário, depois de entrar na saia de ejetor, para o eixo rotacional do impulsor.

Enquanto o eixo rotacional do impulsor preferido é ilustrado como sendo coaxial com um eixo longitudinal central da saia, o eixo rotacional do impulsor não precisa ser assim para propósitos deste método.

Diferente de misturadores e ejetores da turbina a gás, que também misturam com os gases quentes de exaustão de núcleo, o método(s) preferido dos requerentes arrasta e mistura um fluxo secundário de ar ambi30 ente (isto é, vento) exclusivamente com ar de baixa energia (isto é, fluxo primário de ar ambiente parcialmente gasto) que passou através de uma saia de turbina e o rotor. Os requerentes acreditam que suas modalidades de MEWT preferidas 100, 200, 300, 400 e 600 e os métodos preferidos e alternativos dos requerentes descritos diretamente acima, podem sustentar de modo consistente, com ventos suficientes, as eficiências operacionais além do limite de Betz para dias, meses e anos sem qualquer dano significante à turbina.

Em outras palavras, os requerentes acreditam que suas modalidades de MEWT preferidas 100, 200, 300, 400 e 600, e os métodos preferidos e alternativos descritos diretamente acima, podem aproveitar a energia do fluxo de ar primário para produzir energia mecânica enquanto excede o limite de Betz para eficiência operacional sobre um período não anômalo.

Ainda outro método alternativo mais amplo compreende:

a. aumentar o volume de ar que flui através de uma usina eólica, do tipo que possui um rotor:

i. arrastando e misturando ar ambiente exclusivamente com ar de energia mais baixa, que passou através do rotor, por meio de um misturador adjacente a e a jusante do impulsor.

Este método mais amplo pode ainda incluir as etapas de: aumentar o volume de ar ambiente que flui através da usina eólica, enquanto minimiza o nível de ruído do fluxo de descarga da usina eólica, por um ejetor a jusante do misturador.

Deve ser entendido por aqueles versados na técnica que modificações óbvias podem ser feitas sem se afastar do espírito ou escopo da invenção. Por exemplo, as fendas poderiam ser usadas em vez de lóbulos de misturador ou os lóbulos de ejetor. Em adição, nenhum braço bloqueador é 25 necessário para atingir ou exceder o limite de Betz. Consequentemente, deve ser feito primeiramente referência às reivindicações anexas em vez da descrição precedente.

Claims (37)

1. Aparelho que compreende: a. uma usina eólica que tem uma saia com uma entrada abaulada; b. um rotor tipo hélice a jusante da entrada; c. um misturador que tem um anel de lóbulos do misturador que se estende a jusante do rotor; e d. um ejetor envolvendo bordas de arrasto dos lóbulos do misturador e se estendendo a jusante dos lóbulos do misturador.

2. Aparelho que compreende: a. uma usina eólica que tem uma saia com uma entrada abaulada; b. um rotor a jusante da entrada; e c. um misturador que se estende a jusante do rotor.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que ainda compreende um ejetor que se estende a jusante do misturador.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o misturador compreende um anel de lóbulos do misturador que se estende para dentro do ejetor.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o misturador compreende os entalhes discretos do misturador que se estendem para dentro do ejetor.

6. Aparelho que compreende: a. uma usina eólica que tem uma saia com uma entrada abaulada; b. um rotor tipo hélice a jusante da entrada; e c. meio para gerar um nível de potência sobre o limite de Betz por um período não-anômalo: i. recebendo e dirigindo um fluxo de ar primário do ar ambiental na entrada abaulada e através da saia da turbina; ii. girando o rotor dentro da saia pelo fluxo de ar primário, por meio de que o fluxo de ar primário transfere energia ao rotor; e iii. arrastando e misturando um fluxo de ar secundário de ar ambiental exclusivamente com o fluxo de ar primário, que passou através do rotor, através de um misturador e de um ejetor seqüencialmente a jusante do rotor, para transferir energia do fluxo de ar secundário ao fluxo de ar primário e para criar uma série de vórtices saindo do ejetor.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, em que o meio ainda compreende: a. o misturador que tem um anel de lóbulos do misturador que se estende a jusante do rotor; e b. o ejetor envolvendo bordas de arrasto dos lóbulos do misturador e se estendendo a jusante dos lóbulos do misturador.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, em que o ejetor é coaxial com a saia da turbina.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, em que o ejetor inclui uma saia do ejetor concêntrica com uma saída da saia da turbina.

10. Turbina eólica, adaptada para aproveitar a energia de um fluxo de vento, compreendendo: a. a turbina eólica que tem uma direção a montante e uma direção a jusante, em relação ao fluxo de vento, em que a turbina eólica inclui: b. uma saia da turbina que tem uma entrada e uma saída; c. um rotor que tem lâminas de rotor, dentro da saia, a jusante da entrada; e d. uma saia do ejetor, coaxial com a saia da turbina, posicionada junto à saída da saia da turbina; e. em que a saia da turbina e a saia do ejetor são adaptadas no tamanho e na forma para: i. dirigir um fluxo de ar primário que passa através de um interior da saia da turbina e através do rotor longe de um eixo rotacional do rotor; e ii. dirigir um fluxo de ar secundário, quç não entrou na saia da turbina, dentro da saia do ejetor e para um eixo rotacional do rotor.

11. Turbina eólica, de acordo com a reivindicação 10, em que a saia da turbina, em sua saída, e o ejetor são adaptados no tamanho e na forma para misturar o fluxo de ar secundário com o fluxo de ar primário a jusante do rotor.

12.Turbina eólica, de acordo com a reivindicação 11, em que a saia da turbina, em sua saída, e o ejetor são adaptados no tamanho e na forma para transferir energia do fluxo de ar secundário ao fluxo de ar primário mais eficientemente devido a uma formação de uma série de vórtices de mistura a jusante do rotor.

13.A turbina eólica, de acordo com a reivindicação 11, em que a saia da turbina e a saia do ejetor, quando assim posicionadas, são adaptadas no tamanho e na forma para: a. dirigir parte do fluxo de ar secundário na saia do ejetor e para uma posição no eixo rotacional do rotor atrás da saída da saia da turbina; e b. dirigir parte do fluxo de ar primário através de um interior da saia da turbina e através do rotor longe da posição no eixo rotacional atrás da saída da saia da turbina.

14.Aparelho que compreende: a. uma turbina eólica que tem uma direção a montante e uma direção a jusante, com a turbina eólica incluindo: i.uma saia da turbina que tem uma entrada; ii. um rotor a jusante da entrada da saia da turbina; iii. uma saia do ejetor posicionada próxima a uma saída da saia da turbina; e iv.em que a saia da turbina eólica é adaptada no tamanho e na forma para produzir uma série de vórtices de mistura de pequenas perdas, devido à não uniformidade substancial pelo menos da saia da turbina, a jusante do rotor, quando a turbina eólica for exposta a um vento que se move na direção a jusante.

15.Aparelho que compreende: a. uma turbina eólica de fluxo axial que tem uma direção a montante e uma direção a jusante, a turbina eólica incluindo: i. um rotor; ii. lóbulos do misturador; iii. um ejetor que se estende a jusante do misturador; iv. os lóbulos do misturador são posicionados adjacente a uma entrada do ejetor; e v. em que a turbina eólica é adaptada no tamanho e na forma para operar como uma bomba do misturador/ejetor devido ao posicionamento dos lóbulos do misturador em relação ao ejetor tais que o ar ambiental e o ar de baixa energia, em relação um ao outro, se misturam para aumentar o fluxo de ar através do estágio da turbina.

16. Aparelho que compreende: a. uma turbina eólica de fluxo axial que tem uma direção a montante e uma direção a jusante, incluindo: i. aletas de estator; ii. um rotor a jusante das aletas de estator; iii. um misturador a jusante do rotor; e iv. um ejetor que se estende a jusante do misturador; v. em que a turbina eólica é adaptada para aproveitar a potência do vento para produzir energia mecânica ao exceder o limite de Betz para a eficiência operacional da turbina eólica de fluxo axial.

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, em que a turbina eólica é adaptada no tamanho e na forma para aproveitar a energia do vento para produzir energia mecânica ao exceder o limite de Betz para a eficiência operacional da turbina eólica de fluxo axial durante um período não-anômalo.

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, em que a turbina eólica é adaptada no tamanho e na forma para aproveitar a energia do vento para produzir a energia mecânica ao exceder o limite de Betz para a eficiência operacional da turbina eólica de fluxo axial durante um período prolongado.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, em que a turbina eólica é adaptada no tamanho e na forma para aproveitar a energia do vento para produzir a energia mecânica ao consistentemente exceder o limite de Betz para a eficiência operacional da turbina eólica de fluxo axial.

20. Aparelho que compreende: a. uma turbina eolica que tem uma dire5a0 a montante e uma diregao a jusante, incluindo: i. uma saia da turbina com uma entrada, uma parede da saia da turbina que varia substancialmente em espessura ao Iongo de um eixo de rotagao do rotor; ii. um rotor situado dentro da saia da turbina; iii. elementos de mistura de fluxo adjacentes a um plano de sai-da da saida da saia da turbina; e iv. um ejetor posicionado proximo as bordas dos elementos do misturador e se estendendo fora dos elementos do misturador.

21. Aparelho de acordo com a reivindica5a0 20, em que a parede da saia da turbina varia substancialmente em espessura ao Iongo do eixo de r0ta5a0 do rotor tem uma forma abaulada.

22. Aparelho de acordo com a reivindicagao 20, em que uma parede do ejetor varia substancialmente na espessura ao Iongo do de rotagao do rotor.

23. Aparelho de acordo com a reivindica5a0 20，em que a parede do ejetor que varia substancialmente em espessura ao Iongo do eixo de r0ta9a0 do rotor que tem uma forma abaulada.

24. Aparelho que compreende: a. uma turbina eolica que tem um sentido a montante e um sen-tido a jusante, a turbina eolica incluindo: i. uma saia de turbina conformada aerodinamicamente com uma entrada; ii. um rotor que tem as Iaminas de rotor posicionadas jusante da entrada; iii. um anel de Iobulos do misturador, em que os l6bulos do misturador se estendem a jusante do rotor; e iv. uma saia do ejetor que envolve 0 anel de l6bulos do misturador, em que os l6bulos de misturador se estendem a jusante e dentro da saia do ejetor.

25.Aparelho de acordo com a reivindicação 24, em que um segundo anel de lóbulos do misturador fica localizado em uma extremidade de término da saia do ejetor.

26.Aparelho de acordo com a reivindicação 24, em que uma superfície exterior da turbina eólica inclui uma asa-aba móvel autoajustável adaptada para auxiliar aerodinamicamente no alinhamento da turbina eólica com um sentido de fluxo próximo do vento.

27.Turbina eólica de fluxo axial que compreende: a. uma saia de turbina conformada aerodinamicamente com uma entrada e uma saída; e b. um rotor posicionado de modo rotativo dentro da saia da turbina; e: c. meios para sustentavelmente exceder a eficiência operacional da turbina eólica de fluxo axial acima do limite de Betz que compreende: i. um anel dos lóbulos do misturador, em que os lóbulos se estendem a jusante do rotor; e ii. uma saia do ejetor que envolve o anel de lóbulos do misturador, em que os lóbulos do misturador se estendem na saia do ejetor.

28. Aparelho que compreende: a. uma turbina eólica de fluxo axial que tem um sentido a montante e um sentido a jusante, a turbina eólica incluindo: i. uma saia da turbina conformada aerodinamicamente com uma entrada; ii. um estágio da turbina, montado dentro da saia, compreendendo: iii. um rotor; iv. um anel de lóbulos do misturador, em que os lóbulos do misturador se estendem para fora do rotor; e v. bordos de fuga envolvendo o ejetor, em relação ao rotor, de 30 lóbulos do misturador e se estendendo a jusante dos lóbulos do misturador.

29. Aparelho que compreende: a. uma turbina eólica de fluxo axial que tem um sentido a montante e um sentido a jusante, a turbina eólica incluindo: i. uma saia da turbina conformada aerodinamicamente com uma entrada; ii. um rotor; iii. um misturador localizado próximo à saia, tendo os lóbulos do misturador se estendendo a jusante do rotor; e iv. um ejetor que estende a jusante dos lóbulos do misturador.

30. Aperfeiçoamento em uma turbina eólica do tipo que tem um sentido a montante e um sentido a jusante, uma saia de turbina com uma entrada e um rotor, o aperfeiçoamento compreendendo um misturador que tem os lóbulos de misturador que se estendem a jusante do rotor.

31. Aparelho de acordo com a reivindicação 31, em que o misturador compreende uma pluralidade de entalhes radialmente espaçados do misturador.

32. Aparelho de acordo com a reivindicação 31, adicionalmente compreendendo um ejetor que se estende a jusante do misturador.

33. Aparelho de acordo com a reivindicação 31, em que a turbina adicionalmente compreende um anel de lâminas de estator a montante do rotor.

34. Aparelho que compreende: a. uma turbina eólica de fluxo axial que tem um sentido a montante e um sentido a jusante, a turbina eólica incluindo: i. aletas de estator; ii. um rotor a jusante das aletas do estator; iii. um misturador a jusante do rotor; iv. um ejetor que estende a jusante do misturador, e v. um outro misturador encaixado em uma região do término do ejetor; vi. em que a turbina eólica é adaptada no tamanho e na forma às energias eólicas do chicote de fios produzir a energia mecânica ao exceder o limite de Betz para a eficiência operacional da turbina eólica do fluxo axial.

35. Turbina eólica de fluxo axial que compreende: a. uma saia de turbina com uma entrada e uma saída; e b. um rotor posicionado rotativamente dentro da saia da turbina; e c. meios para exceder a eficiência operacional da turbina eólica do fluxo axial acima do limite de Betz que compreende: i. um anel de lóbulos do misturador, em que os lóbulos são encaixados na saia da turbina e estendem a jusante do rotor; ii. uma saia do ejetor que cerca o anel dos lóbulos do misturador, em que os lóbulos do misturador estendem na saia do ejetor; e iii. um outro anel de lóbulos do misturador encaixados em uma região do término da saia do ejetor.

36. Moinho de vento que compreende: a. uma saia da turbina com uma entrada e uma saída; e b. um rotor tipo hélice posicionado dentro da saia da turbina; e c. meios para exceder a eficiência operacional do moinho de vento sobre o limite de Betz que compreende: i. um anel dos lóbulos do misturador, em que os lóbulos estendem a jusante do rotor; ii. uma saia do ejetor que cerca o anel dos lóbulos do misturador, em que os lóbulos do misturador estendem na saia do ejetor; e iii. um outro anel dos lóbulos do misturador encaixados em uma região do término do ejetor.

37. Turbina eólica de fluxo axial que compreende: i. um rotor; ii. um primeiro misturador a jusante do rotor; iii. um ejetor junto a e alargamento a jusante do misturador, e iv. um segundo misturador encaixado em uma região do término do ejetor.