MX2011002427A

MX2011002427A - Sistemas de turbinas de fluidos.

Info

Publication number: MX2011002427A
Application number: MX2011002427A
Authority: MX
Inventors: William Deruyter; Michael Allawos; Peter L Coye
Original assignee: California Energy & Power
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-06-21
Also published as: US20180038345A1; WO2010027635A3; RU2011112620A; CN102439293B; US20100196153A1; KR20110076915A; WO2010027635A2; EP2329140B1; CN102439293A; US20200362813A1; IL211517A0; CA2772985A1; ES2616233T3; EP2329140A2; US7744338B2; RU2555786C2; US20130142619A1; US10669985B2; US20100054910A1; PL2329140T3

Abstract

Se describen varios sistemas y métodos de turbinas de fluidos (100). La turbina (100) puede ser una turbina de viento de eje vertical configurada para generar energía a partir de energía eólica. El sistema de turbina (100) puede tener un conjunto de álabes (140). El conjunto de álabes (140) puede tener una pluralidad de álabes (142, 144, 146, 148) giratorios alrededor de un eje (Y). El sistema de turbina (100) puede tener un concentrador (120) que se puede colocar en dirección del viento y enfrente de un lado de retorno del conjunto de álabes (140). El concentrador (120) puede definir una superficie convexa de frente al viento. El sistema de turbina (100) puede también tener un concentrador variable (100) que se puede colocar en dirección del viento de un lado de empuje del conjunto de álabes (140). El concentrador variable (110) puede ser ajustable entre una primera posición y una segunda posición, el concentrador variable (110) es apto de desviar más viento hacia la turbina (100) en la primera posición que en la segunda posición.

Description

SISTEMAS DE TURBINAS DE FLUIDOS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente solicitud es concerniente con turbinas de fluido y más en particular es concerniente con turbinas de fluido de eje vertical.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las turbinas han sido usadas para generar energía a partir de fluidos móviles, tales como agua o aire. Sin embargo, unidades conocidas y varios componentes de las mismas tienen varias limitaciones y desventajas bien conocidos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Modalidades ejemplares, descritas en la presente tienen varios elementos, ninguno individual de los cuales es indispensable o solamente responsable por sus atributos deseables. Sin limitar el alcance de las reivindicaciones, algunos de los elementos ventajosos serán ahora resumidos.

En algunas modalidades, un sistema de turbina de fluido comprende una turbina, un concentrador y un concentrador variable. La turbina comprende un conjunto de álabes, el conjunto de álabes comprende una pluralidad de álabes giratorios alrededor de un eje. Uno o más de los álabes define una sección abierta colocada de tal manera que una porción de la sección abierta está más cerca al eje que un borde externo del álabe. La turbina también comprende una mitad de empuje y una mitad de retorno para una dirección dada del flujo global de un fluido que define una dirección corriente arriba y una dirección corriente abajo. El concentrador es posicionable en una posición del concentrador directamente corriente arriba de por lo menos una porción de la mitad de retorno de la turbina. En la posición de concentrador, el concentrador define una superficie convexa de frente corriente arriba y una superficie cóncava de frente corriente abajo. La superficie convexa es posicionable para desviar por lo menos algo de fluido hacia la mitad de empuje de la turbina y la superficie cóncava es posicionable para redirigir por lo menos algo del fluido que fluye en general corriente arriba de la mitad de retorno de la turbina para fluir en general corriente abajo. El concentrador variable es posicionable corriente arriba de la turbina y más cercano a la mitad de empuje de la mitad de retorno. El concentrador variable comprende una superficie de desviación operable para desviar el fluido y la superficie de desviación es posicionable para extenderse en general paralela al eje a lo largo de una porción sustancial de la altura de la turbina. El concentrador variable es movible entre una primera posición y una segunda posición y el concentrador variable está configurado para desviar más fluido hacia el conjunto de álabes en la primera posición que la segunda posición.

En algunas modalidades, un sistema de turbina de fluido comprende una turbina y un concentrador. La turbina comprende álabes giratorios alrededor de un eje y los álabes definen una ventana a lo largo de una porción sustancial de la altura de los álabes . Un primer plano paralelo con y que se intersecta con el eje divide el espacio que rodea la turbina en un lado de retorno y un lado de empuje opuesto al lado de retorno y la turbina está configurada para girar en general en una dirección corriente arriba sobre el lado de retorno y en general en una dirección corriente abajo en el lado de empuje en relación con un fluido que fluye nominalmente paralelo al plano. El concentrador es posicionable corriente arriba de por lo menos una porción de la turbina y por lo menos parcial o completamente sobre el lado de retorno . El concentrador comprende una primera porción de superficie curva configurada para extenderse desde una primera posición corriente arriba de la turbina a una segunda posición corriente abajo adicional de la turbina y además al lado de retorno. La primera porción de superficie curva está configurada para estar convexa de frente a una dirección corriente arriba del flujo del fluido y es posicionable para desviar por lo menos algo del fluido hacia el lado de empuje. El concentrador es también posicionable para crear un vacío relativo para extraer por lo menos algo del fluido a lo lejos de la ventana de los álabes.

El sistema de turbina de fluido del párrafo precedente, en donde el concentrador comprende una segunda porción de superficie posicionable además al lado de retorno en relación con la primera porción de superficie curva, la segunda porción de superficie configurada para extenderse desde una tercera posición a una cuarta posición que está además al lado de retorno y además corriente abajo que la tercera posición.

El sistema de turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes , en donde el concentrador comprende una porción de superficie posterior configurada para estar de frente cóncava corriente abajo, la porción de superficie posterior comprende una porción de superficie de flujo corriente arriba, una porción de superficie intermedia y una porción de superficie de flujo corriente abajo, la porción de superficie de flujo corriente arriba formada y posicionable para dirigir por lo menos algo del fluido que fluye corriente arriba de la turbina hacia la porción de superficie intermedia, la porción de superficie intermedia formada y posicionable para redirigir por lo menos algo del fluido que fluye corriente arriba para fluir en general corriente abajo hacia la porción de superficie de flujo corriente abajo y la porción de superficie de flujo corriente abajo formada y posicionable para recibir por lo menos algo del fluido de la porción de superficie intermedia y dirigir por lo menos algo del fluido en general corriente abajo al fluido que fluye nominalmente paralelo al plano.

El sistema de turbina de flujo de uno de los párrafos precedentes, en donde el concentrador está configurado para extenderse en una dirección adicional al lado de retorno a por lo menos un borde externo de. la turbina, de tal manera que el concentrador intersecta por lo menos un segundo plano, el segundo plano es tangente a un borde más externo de la turbina y paralelo al primer plano.

El sistema de turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde el segundo plano está separado del primer plano por un radio de punta de álabe y en donde el concentrador está configurado para - extenderse más allá del segundo plano por lo menos 25% del radio de punta de álabe.

En algunas modalidades, un sistema de turbina de fluido comprende una turbina y un concentrador. La turbina es giratoria alrededor de un eje y un plano paralelo con y que se intersecta con el eje divide el espacio que rodea la turbina en un lado de retorno y un lado de empuje opuesto al lado de retorno. La turbina está configurada para girar en general en una dirección corriente arriba en el lado de retorno y en general en una dirección corriente abajo sobre el lado de empuje en relación con un fluido que fluye nominalmente paralelo al plano. La turbina tiene un borde externo de retorno más alejado del lado de empuje. El concentrador es posicionable corriente arriba de por lo menos una porción de la turbina y por lo menos parcial o completamente sobre el lado de retorno. El concentrador comprende una sección en general en forma de U y la sección en general en forma de U comprende una porción de superficie corriente arriba posicionable para estar convexa de frente corriente arriba y una porción de superficie corriente abajo posicionable para ser cóncava de frente corriente abajo. La porción de superficie corriente arriba es posicionable para dirigir una porción de empuje del fluido hacia el lado de empuje y para dirigir una porción de retorno del fluido corriente abajo a lo lejos de la turbina. La porción de superficie corriente abajo forma un área parcialmente encerrada formada y posicionable para recibir una porción de arrastre del fluido de la turbina y redirigir la porción de arrastre de fluido corriente abajo a la porción de retorno de fluido. El concentrador tiene un extremo de retorno configurado para estar más alejado del lado de empuje. El extremo de retorno es posicionable de tal manera que la distancia más cercana entre el extremo de retorno del concentrador y el plano es por lo menos 1.2 veces mayor que la distancia más cercana entre el borde externo de retorno de la turbina y el plano.

El sistema de turbina de fluido del párrafo precedente, en donde todo el concentrador es posicionable corriente arriba de toda la turbina.

El sistema de turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde el concentrador es formado sustancialmente como una sección de un perfil aerodinámico hueco .

En algunas modalidades, un sistema de turbina de fluido comprende una turbina y un concentrador variable. La turbina es giratoria alrededor de un eje. Un primer plano paralelo con y que se intersecta con el eje divide el espacio que rodea la turbina en un lado de retorno y un lado de empuje opuesto al lado de retorno. La turbina está configurada para girar en general en una dirección corriente arriba en el lado de retorno y en general en una dirección corriente abajo sobre el lado de empuje en relación con un fluido que fluye nominalmente paralelo al plano. La turbina también define una trayectoria de barrido. El concentrador variable es posicionable sobre el lado de empuje y corriente arriba de toda la trayectoria de barrido de la turbina. El concentrador variable comprende una superficie de desviación posicionable para extenderse en general paralela al eje a lo largo de una porción sustancial de una altura de la turbina. La superficie de desviación es apta para desviar por lo menos algo fluido . El concentrador variable es movible entre una primera posición y una segunda posición, y la superficie de desviación está , configurada para desviar menos fluido hacia la turbina en la segunda posición que en la primera posición.

El sistema de turbina de fluido del párrafo precedente, en donde el concentrador variable es giratorio alrededor de un eje del concentrador variable desde la primera posición a la segunda posición.

El sistema de turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde el concentrador variable está configurado para ser impulsado hacia la primera posición.

El sistema de turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes. En donde el concentrador variable está configurado de tal manera que el flujo del fluido sobre el concentrador variable es operable para ajustar el concentrador variable desde la primera posición a la segunda posición.

El sistema de turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde el concentrador variable es formado en general como un perfil aerodinámico y es apto para desviar por lo menos algo del fluido hacia la turbina a una baja velocidad de fluido para incrementar la salida de momento de torsión, el concentrador variable es apto además para desviar menos fluido hacia la turbina o no desviar fluido hacia la turbina a una alta velocidad de fluido para impedir daños a la turbina.

En algunas modalidades, una turbina de fluido comprende una pluralidad de álabes giratorios alrededor de un eje. Uno o más de los álabes define una sección abierta colocada de tal manera que una porción de la sección abierta está más cercana al eje que un borde externo del álabe. La turbina comprende una mitad de empuje y una mitad de retorno para una dirección dada de un flujo global de un fluido que define una dirección corriente arriba y una dirección corriente abajo. Uno o más de la pluralidad de álabes es un álabe de empuje, el álabe de empuje define la sección abierta y comprende una punta. El álabe de empuje es posicionable en una posición de retención, en la cual la punta del álabe de retención está ubicada en general corriente abajo del eje. El álabe de retención comprende además una porción de superficie de retención de frente en general corriente arriba cuando el álabe de retención está en la posición de retención. La turbina es posicionable en una posición de momento de torsión, en donde un álabe corriente arriba es un álabe de empuje en la posición de empuje y un álabe corriente abajo es un álabe de retención en la posición de retención. La posición de momento de torsión es definida por el álabe corriente abajo estando ubicado en general corriente abajo del álabe corriente arriba y la porción de superficie de retención del álabe corriente abajo está ubicada directamente corriente abajo de la sección abierta del álabe corriente arriba.

La turbina de fluido del párrafo precedente, en donde uno o más de la pluralidad de álabes es un álabe de elevación, el álabe de elevación comprende una punta, el álabe de elevación es posicionable en una posición de elevación en la cual la punta está ubicada en general corriente arriba del eje, el álabe de elevación comprende además una porción de superficie curva, la porción de superficie curva es convexa de frente a lo lejos de la mitad de retorno cuando el álabe de elevación está en la posición de elevación, la porción de superficie curva formada y configurada para desviar una porción de elevación de un fluido que fluye en general corriente abajo a través de la superficie curva a lo lejos de la mitad de retorno cuando el álabe de elevación está en la posición de elevación.

La turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde el álabe de elevación define la sección abierta, la sección abierta del álabe de elevación es operable para permitir que por lo menos algo de la porción de elevación de fluido fluya a través de la sección abierta del álabe de elevación.

La turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde la pluralidad de álabes comprende cuatro álabes que se extienden desde el eje y espaciados igualmente entre sí y en donde cada uno de los cuatro álabes es un álabe de elevación, un álabe de empuje, y un álabe de retención, los cuatro álabes definen la sección abierta, de tal manera que una mitad radial interna de los cuatro álabes está sustancialmente abierta, los cuatro álabes que comprenden una porción de superficie frontal y una porción de superficie posterior, la porción de superficie frontal y la porción de superficie posterior están ubicadas por lo menos sustancialmente sobre una mitad radial externa de los álabes : en donde la porción de superficie frontal comprende una porción en genera recta y una porción curva ubicada radialmente hacia fuera de la porción en general recta, los cuatro álabes posicionables en una posición horizontal en la cual la porción en general recta es perpendicular al plano y de frente corriente arriba, la porción curva está ubicada además corriente arriba que la porción en general recta cuando los álabes están en la posición horizontal y en donde la porción de superficie posterior se extiende desde un primer extremo cerca de la punta de los álabes a un segundo extremo cerca de la sección abierta, la porción de superficie posterior es sustancialmente curva y formada para ser convexa de frente corriente abajo cuando los cuatro álabes están en la posición horizontal, la porción de superficie curva formada y configurada de tal manera que una punta sobre la porción de superficie posterior ubicada más alejada corriente abajo cuando los cuatro álabes están en la posición horizontal está entre el primer extremo y el segundo extremo de la porción de superficie posterior .

La turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde la sección transversal de los cuatro álabes es sustancialmente constante a lo largo de una porción sustancial de la altura de los cuatro álabes.

La turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde la sección abierta definida por uno o más de los álabes es continua.

La turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde la sección abierta definida por uno o más de los álabes es discontinua.

La turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde la pluralidad de álabes comprenden un arreglo de secciones de álabe horizontales configuradas para estar dispuestas a lo largo del eje.

La turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde las secciones de álabe horizontales comprenden por lo menos dos álabes configurados para estar fijos en relación con una sección de álabe horizontal adyacente y emplazados angularmente de la sección de álabe horizontal adyacente .

El sistema de turbina de fluido de uno de los párrafos precedentes, en donde el arreglo comprende por lo menos tres secciones de álabe horizontales desplazadas angularmente para formar una hélice virtual apta para reducir ciclos en la salida de momento de torsión.

La revelación también incluye métodos de uso y métodos de manufactura de los sistemas y/o varios componentes o combinaciones de componentes descritos anteriormente o en cualquier parte en la presente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Estos y otros elementos, aspectos y ventajas de la invención se comprenderán mejor con referencia a las modalidades ilustradas en las figuras adjuntas. Las modalidades ilustradas no pretenden definir los límites o el alcance de la invención.

La Figura 1 es una ilustración esquemática que ilustra una modalidad de un sistema de turbina de fluido.

La Figura 2 es una vista superior del sistema de turbina de fluido de la Figura 1 que ilustra varias trayectorias de flujo posibles de un fluido.

La Figura 3A es una vista superior del sistema de turbina de fluido de la Figura 1 que ilustra varias zonas de velocidad posibles .

La Figura 3B es una gráfica de la velocidad de fluido del sistema de turbina de fluido de eje vertical de la Figura 1 que muestra zonas de velocidad aproximadas ilustradas n la Figura 3A.

La Figura 4A es una vista superior del sistema de turbina de fluido de la Figura 1 que muestra varias zonas de presión posibles.

La Figura 4B es una gráfica de presión que muestra la presión desarrollada por el fluido a medida que pasa a través del sistema de turbina de -fluido de eje vertical de la Figura 1.

La Figura 5 es una vista superior del sistema de turbina de fluido de la Figura 1 con un concentrador variable que muestra trayectorias de flujo de fluido posibles a baja velocidad.

La Figura 6A es una vista superior de otra modalidad de un sistema de turbina de fluido sin un concentrador variable que ilustra varias zonas de velocidad posibles.

La Figura 6B es una gráfica de velocidad del sistema de turbina de fluido de eje vertical de la Figura 6.

La Figura 7 es una vista en perspectiva de componentes de una modalidad de un sistema de turbina de fluido con un conjunto de álabes, un concentrador y un concentrador variable.

La Figura 8 es una vista lateral de un sistema de turbina de fluido que incluye los componentes de la Figura 7 y que también ilustra una aleta de cola.

La Figura 9 es una vista en perspectiva de un conjunto de álabes del sistema de turbina de fluido de la Figura 8.

La Figura 10 es una vista frontal del conjunto de álabes mostrado. en la Figura 9.

La Figura 11 es una vista en perspectiva del concentrador del sistema de turbina de fluido de la Figura 8.

La Figura 12 es una vista en perspectiva del concentrador variable del sistema de turbina de fluido de la Figura 8.

La Figura 13 es una vista en perspectiva de otra modalidad de un conjunto de álabes.

La Figura 14 es una vista frontal de un conjunto de álabes mostrado en la Figura 13.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Aunque ciertas modalidades preferidas y ejemplos son revelados a continuación, la materia de la invención se extiende más allá de las modalidades reveladas específicamente a otras modalidades alternativas y/o usos y con modificaciones y equivalentes de las mismas. Así, el alcance de las reivindicaciones adjuntas a la presente no está limitado por cualquiera de las modalidades partículas descritas a continuación. Por ejemplo, en cualquier método o proceso revelado en la presente, las acciones u operaciones del método o proceso pueden ser efectuados en cualquier secuencia apropiada y no están limitados necesariamente a alguna secuencia revelada particular. Varias operaciones pueden ser descritas como múltiples operaciones descritas en turno, de una manera que puede ser útil en el entendimiento de ciertas modalidades; sin embargo, el orden de recepción no debe ser interpretado que implique que estas operaciones son dependientes del orden. Adicionalmente, las estructuras, sistemas y/o dispositivos descritos en la presente pueden ser implementados como componentes integrados o como componentes separados. Por propósitos de comparar varias modalidades, ciertos aspectos y ventajas de estas modalidades son descritos.

No necesariamente todos de tales aspectos o ventajas son obtenidos por alguna modalidad partícula, Así, por ejemplo, varias modalidades se pueden llevar a cabo de una manera que obtiene u optimiza una ventaja o grupo de ventajas como se enseña en la presente sin obtener necesariamente otros aspectos o ventajas como también se pueden enseñar o sugerir en la presente.

La Figura 1 es una vista esquemática que ilustra una modalidad de un sistema de turbina de fluido 100. El sistema de turbina 100 puede incluir un conjunto de álabes 140, un concentrador 120, un concentrador variable 110, un motor de guía 102, una aleta de cola 104, una caja de engranajes 106, y un generador 108. En la modalidad ilustrada en la Figura 1, el conjunto de álabes 140, concentrador 120 y concentrador variable 110, son colocados de acuerdo con una configuración posible del sistema de turbina. Un flujo de fluido global hipotético de la parte superior de la Figura 1 a la parte inferior de la Figura 1 define una dirección "corriente arriba" y una dirección "corriente abajo". El concentrador 120 y concentrador variable 110 están ubicados corriente arriba del conjunto de álabes 140 como se muestra en la Figura 1. La dirección global del flujo de fluido es por facilidad de descripción y ayuda a definir la estructura del sistema de turbina. Aquel de habilidad en el arte reconocerá que el flujo real puede no fluir consistente y uniformemente en una sola dirección.

El conjunto de álabes 140 puede comprender una pluralidad de álabes. Como se ilustra en la Figura 1, cuatro álabes 142, 144, 146, 148 son giratorios alrededor de un eje Y correspondiente a un eje central de un árbol central 190. La dirección global del flujo del fluido también define una dirección de rotación del álabe. El conjunto de álabes 140 mostrado en la Figura 1 tenderá a girar en dirección contraria a las manecillas del reloj en respuesta a un fluido que fluye en la dirección de flujo de fluido global. Como se ilustra en la vista superior del conjunto de álabes 140 mostrado en la Figura 1, cada uno de los cuatro álabes puede tener una sección transversal idéntica. Cada álabe tiene una punta 150, 152, 154, 156. Las puntas de álabes 150, 152, 154, 156 definen un radio que la punta de álabe está ubicada del eje Y, que puede ser llamado el radio de punta de álabe. Cada álabe 142, 144, 146, 148 tiene un lado frontal y un lado posterior, ya sea en un lado u otro de la punta 150, 152, 154, 156. La mayor parte del lado frontal de los álabes 142, 144, 146, 148 estará de frente a lo lejos de la dirección de rotación del álabe y la mayoría del lado posterior estará de frente hacia la dirección de rotación del álabe.

La sección transversal de cada álabe mostrado en la Figura 1 tiene una sección sustancialmente recta 158, 160, 162, 164 que se extiende a lo largo de una tangente del árbol central 190. Las secciones rectas 158, 160, 162, 164 de los álabes pueden incluir una sección abierta o ventanas que se extienden a lo largo de la altura de los álabes (mostrada en líneas discontinuas en la Figura 1, véase también Figura 9) . En algunas modalidades, las secciones abiertas de los álabes se extienden a lo largo de una porción sustancial de la altura de los álabes. Los álabes no necesitan incluir secciones sustancialmente rectas. Especialmente en modalidades en donde la sección sustancialmente recta de la sección transversal del álabe corresponde a la sección , abierta del álabe, la geometría del soporte de álabe puede tener poco efecto sobre el movimiento de fluido alrededor del álabe. Sin embargo, por facilidad de manufactura y ahorro de material, los soportes de álabe a lo largo de una sección abierta pueden ser sustancialmente rectos. Las secciones abiertas pueden ser continuas o discontinuas a lo largo de la altura de los álabes. En algunas modalidades, cada álabe tiene una sección abierta. La sección abierta puede ser colocada de tal manera que una porción de la sección abierta está más cerca al eje Y que un borde externo del álabe. En algunas modalidades, aproximadamente una mitad radial interna del conjunto de álabes es sustancialmente abierta, de tal manera que los álabes tienen poca o ninguna área superficial expuesta al fluido dentro de aproximadamente una mitad radial interna del conjunto de álabes. Las secciones abiertas más cercanas al eje que el borde externo de los álabes pueden permitir que el fluido imparta un impulso sobre la porción del álabe que provee la mayor parte del momento de torsión (esto es, además del eje) y reducen el arrastre creado por el fluido ubicado cerca del eje de rotación.

Por propósitos de discusión, un plano X es mostrado en la Figura 1 como una línea. El plano X es paralelo con y se intersecta con el eje Y alrededor del cual los álabes son giratorios y paralelo con el flujo de fluido global. El plano X divide el espacio que rodea el conjunto de turbina en general en dos mitades: el lado de empuje y el lado de retorno. El álabe 144 se encuentra en el lado de empuje debido a que un fluido que fluye en dirección del flujo del fluido global como se define anteriormente tiende a hacer girar el conjunto de álabes, de tal manera que el 144 es empujado por el fluido y gira en una dirección corriente abajo de la posición mostrada en la Figura 1. El álabe 148 se encuentra en el lado de retorno debido a que el álabe 148 tenderá a girar corriente arriba para regresar al lado de empuje en respuesta a un flujo de fluido global hipotético definido anteriormente para la Figura 1. La turbina misma puede también tener dos mitades : una mitad de empuje y una mitad de retorno. Para una dirección dada de un flujo global de un fluido que define una dirección corriente arriba y una dirección corriente abajo, la mitad de empuje de la turbina tiende a girar corriente arriba y la mitad de retorno de la turbina tiende a girar corriente abajo.

Con referencia además a la Figura 1 , un número de posiciones de álabe pueden ser definidas con el fin de facilitar la descripción de la geometría de los álabes 142, 144, 146, 148 también como su operación. Se puede considerar que el álabe 142 está en una posición elevada. La posición elevada es caracterizada por un álabe colocado de tal manera que la punta del álabe está ubicada en general corriente arriba del eje Y y una porción de superficie curva del álabe es convexa de frente a lo lejos del lado de retorno. La punta 150 del álabe 142 como se ilustra en la Figura 1, está ubicada corriente arriba del eje Y y una porción de superficie curva 166 es conexa de frente a lo lejos del lado de retorno. Se puede considerar que el álabe 144 está en una posición de empuje. La posición de empuje puede ser caracterizada por una posición del álabe, de tal manera que la punta del álabe está ubicada sobre el lado de empuje y una porción de superficie de empuje del álabe está de frente en general corriente arriba. El álabe 144 tiene una punta 152 sobre el lado de empuje y una porción de superficie de empuje 172 de frente en general corriente arriba. Se puede considerar que el álabe 146 está en una posición de retención. La posición de retención puede estar caracterizada por una álabe colocado de tal manera que la punta del álabe está ubicada en general corriente abajo del eje Y y una porción de superficie de retención del álabe está de frente en general corriente arriba. Una punta 154 del álabe 146 está ubicada en general corriente abajo del. eje Y y una porción de superficie de retención 182 del álabe 146 está de frente en general corriente arriba como se ilustra en la Figura 1. Se puede considerar que el álabe 148 está en una posición de retorno. La posición de retorno puede ser caracterizada por una punta ubicada en el lado de retorno y una porción de superficie de retorno del álabe de frente en general corriente arriba. Como se ilustra en la Figura 1, el álabe 148 tiene una punta 156 ubicada sobre el lado de retorno y una porción de superficie de retorno 184 de frente en general corriente arriba .

En base a la posición de los álabes como se ilustra en la Figura 1, el a porción álabe 142 puede ser llamado un álabe de elevación, el álabe 144 puede ser llamado un álabe de empuje, el álabe 146 puede ser llamado un álabe de retención, y el álabe 148 puede ser llamado un álabe de retorno. A medida que el conjunto de álabes 140 tiende a girar en una dirección contraria a las manecillas del reloj , el álabe 142 realizará una transición a una posición de empuje, el álabe 144 realizará una transición a una posición de retención, el álabe 146 realizará una transición a una posición de retorno, y el álabe 148 realizará la transición a una posición de elevación. Estas posiciones son usadas por propósitos de descripción, y se puede considerar que cada álabe está en más de una posición en cualquier punto dado en la rotación de un conjunto de álabes dado. Cada álabe puede también exhibir características de uno o más de un álabe de elevación, un álabe de empuje, un álabe de retención, o un álabe de retorno en uno o más puntos en su rotación alrededor del eje Y, incluyendo exhibir simultáneamente dos o más características de tales álabes .

Como se discute anteriormente, el álabe 142 está en la posición de elevación. El álabe 142 es colocado y formado para proveer elevación cuando es accionado por un fluido, proporcionando mediante esto momento de torsión para hacer girar el conjunto de álabes 140. La porción de superficie curva 168 del álabe 142 como se ilustra en la Figura 1 se extiende desde un primer extremo 166 cerca de la punta 150 del álabe 142 a un segundo extremo 170 cerca de la sección en general recta 158 o sección abierta del álabe 142.

El álabe 144 está en la posición de empuje, con la porción de superficie de empuje 172 de frente en general corriente arriba. Como se ilustra en la Figura 1, la porción de superficie de empuje 172 puede ser en general recta y ubicada sobre una superficie frontal del álabe 144. La superficie frontal del álabe 144 puede también incluir una porción curva 174 ubicada alejada del árbol central 190 radialmente de la porción de superficie de empuje 172. Como se ilustra en la posición del álabe 144 mostrado en la Figura 1, la porción curva 174 está ubicada además corriente arriba que la porción de superficie de empuje 172 cuando la porción de superficie de empuje 172 es en general perpendicular al plano X. El álabe 144 también incluye una porción de superficie posterior 178 ubicada opuesta a la porción curva 174 y la porción de superficie de empuje 172. La porción de superficie posterior 178 se extiende desde un primer extremo 176 cerca de la punta 152 del álabe 144 a un segundo extremo 180 cerca de la sección en general recta 160 del álabe 144. Como se ilustra en la Figura 1, el álabe 144 está en una posición horizontal. La porción de superficie posterior 178 del álabe 144 es convexa de frente corriente abajo. La porción de superficie posterior es también formada y configurada de tal manera que una porción media de la porción de superficie posterior 178 se extiende además corriente abajo que el primer extremo 176 y el segundo extremo 180 de la porción de superficie posterior 178 cuando el álabe 144 está en la posición horizontal. Debido a que la porción de superficie posterior está ubicada sobre aproximadamente una mitad radial externa del álabe 144 en la modalidad ilustrada en la Figura 1, la porción media de la porción de superficie posterior 178 está también ubicada fuera de una mitad radial interna del álabe 144. La porción de superficie media de la porción de superficie posterior 178 puede reducir el arrastre y proveer elevación en varias posiciones del labe, y estos, elementos pueden ser mejorados por la ubicación de la porción de superficie media cerca de la punta de un álabe. Elementos adicionales de los álabes 142, 144, 146, 148 del conjunto de álabes 140 son descritos a continuación.

Como se ilustra en el esquema de la Figura 1, el conjunto de álabes 140 puede ser conectado a una caja de engranajes 106 y/o un generador 108. En algunas modalidades, la caja de engranaje 106 es usada para convertir la velocidad de rotación del conjunto de álabes 140. El generador 108 puede ser conectado a la caja de engranajes 106 o al conjunto de álabes 140 para convertir la energía rotacional del sistema de turbina 100 en energía eléctrica. El sistema de turbina de fluido 100 puede ser usado sin una caja de engranajes 106 o un generador 108 para efectuar otras funciones o producir otras formas de energía tales como energía mecánica para uso en impulsar un dispositivo mecánico.

El concentrador 120 ilustrado en la Figura 1 será ahora descrito. El concentrador 120 incluye una superficie corriente arriba y una superficie corriente abajo. El concentrador puede también incluir un extremo de empuje 134 ubicado más cercano al lado de empuje o más alejado del lado de retorno y un extremo de return 128 ubicado más alejado al lado de retorno o más alejado del lado de empuje. En la modalidad mostrada en la Figura 1, el concentrador es formado sustancialmente como una sección frontal de un flujo de aire con un lado hueco o lado corriente abajo abierto. La superficie corriente arriba puede incluir una primera porción de superficie curva 122 que se extiende desde una primera posición corriente arriba de por lo menos una porción de la turbina a una segunda posición además corriente arriba y además al lado de retorno. La primera porción de superficie curva 122 de la superficie corriente arriba puede ser formada ser convexa de frente en general hacia arriba y posicionable para desviar por lo menos algo del fluido hacia el lado de empuje del sistema de turbina .

En la modalidad ilustrada en la Figura 1, el extremo de empuje 134 del concentrador 120 está ubicado en el lado de retorno del plano X. En la figura 1 , . el extremo de empuje 134 es un extremo del concentrador 120 más cercano al lado de empuje pero persiste un espacio entre el extremo de empuje 134 y el plano X. Un espacio por separación entre el extremo de empuje 134 y el plano X puede incrementar la eficiencia, potencia o velocidad de fluido de arranque mínima del sistema. Por ejemplo, el fluido que fluye en una dirección hacia el lado de empuje del concentrador 120 (por e emplo, desde la primera porción de superficie curva 122) puede comenzar a "empujar" el álabe 142 en la dirección apropiada más pronto que si el extremo de empuje 134 del concentrador fuera colocado más cercano al lado de empuje o si ningún concentrador 120 estuviera presente. A medida que el álabe 142 gira en dirección contraria a las manecillas del reloj desde la posición mostrada en la Figura 1, el fluido que fluye corriente abajo y/o hacia el lado de empuje del concentrador 120 puede chocar sobre el lado frontal del álabe 142 más pronto que el lado frontal del alabe 142 sería de otra manera expuesto al fluido que se aproxima al álabe 142 en la dirección del flujo de fluido global. En algunas modalidades, la separación o una distancia más corta entre el extremo de empuje 134 del concentrador 120 y el plano X es mayor de aproximadamente uno por ciento (1%) del radio de la punta del álabe, mayor de aproximadamente tres por ciento (3%) del radio de la punta del álabe, o mayor de aproximadamente cinco por ciento (5%) del radio de la punta del álabe. En algunas modalidades, la separación o espacio es de entre aproximadamente seis y siete por ciento del radio de la punta del álabe. Sin embargo, el extremo de empuje 134 del concentrador 120 no necesita estar ubicado sobre el lado de retorno del plano X.

En algunas modalidades, el concentrador 120 es colocado de tal manera que por lo menos una porción del concentrador 120 está sobre el lado de empuje del sistema de turbina 100. El concentrador 120 puede también intersectarse con el plano X cuando está en esta posición. También puede existir un espacio o separación entre el extremo de empuje 134 del concentrador 120 y el plano X, de tal manera que el concentrador 120 bloquea por lo menos parcialmente el conjunto de álabes 140 en el lado de empuje. Puede ser deseable colocar el concentrador 120 para bloquear por lo menos parcialmente el conjunto de álabes 140 sobre el lado de empuje con el fin de frenar la rotación del conjunto de álabes 140, detener la rotación del conjunto de álabes 140 o proteger el sistema de turbina 100 de daños por el fluido que fluye a altas velocidades . En algunas modalidades , cuando el extremo de empuje 134 del concentrador 120 está en el lado de empuje, existe una separación o espacio de bloqueo entre el extremo de empuje 134 y el plano X. La separación o espacio de bloqueo puede ser mayor de aproximadamente uno por ciento (1%) del radio de la punta del álabe, mayor de aproximadamente tres por ciento (3%) del radio de la punta del álabe, o mayor de aproximadamente cinco por ciento (5%) del radio de la punta del álabe. La separación de bloqueo puede ser de entre aproximadamente veinticinco por ciento y aproximadamente cincuenta por ciento del radio de la punta del álabe. En algunas modalidades la separación de bloqueo es mayor de aproximadamente cincuenta por ciento del radio de la punta del álabe. En algunas modalidades la separación de bloqueo puede ser de aproximadamente 100 por ciento del radio de punta del álabe. En algunas modalidades, el centro del concentrador 120 es posicionable para aproximadamente intersectarse con el plano X.

En algunas modalidades, el concentrador 120 es movible entre una primera posición y una segunda posición. La segunda posición puede corresponder a una posición en la cual el sistema de turbina 100 está configurado para extraer menos energía del fluido o exponer menos del conjunto de álabes 140 a un fluido que se aproxima al sistema de turbina 100 que en la primera posición. En algunas modalidades, cuando el concentrador 120 está en la primera posición, el extremo de empuje 134 y el extremo de retorno 128 del concentrador 120 están en el lado de retorno del sistema de turbina 100. En algunas modalidades, cuando el concentrador 120 está en la segunda posición, el extremo de empuje 134 está sobre el lado de empuje y el extremo de retorno 128 está en el lado de retorno. El concentrador 120 puede también ser posicionable para bloquear plenamente el conjunto de álabes 140 de sustancialmente cualquier exposición directa al fluido que se aproxima al sistema de turbina 100. En algunas modalidades, el concentrador 120 es movible a lo largo de una pista entre las primeras y segundas posiciones. Se puede usar un motor para ajustar la posición del concentrador 120. Un detector montado sobre o cerca del sistema de turbina de fluido 100 puede ser usado para detectar la dirección o velocidad del fluido. La información del detector puede ser usada para ajustar manual o automáticamente la posición del concentrador 120. Por ejemplo, un detector montado sobre el concentrador 120 puede enviar una señal a una computadora que indica una alta velocidad del fluido o del viento. La computadora puede determinar que el concentrador 120 debe ser movido para reducir la velocidad rotacional del conjunto de álabes 140 o para proteger el conjunto de álabes 140 de los daños. A medida que la velocidad del viento disminuye, el concentrador 120 puede ser movido automáticamente de regreso hacia la primera posición. El concentrador 120 puede ser un gobernador, que gobierna la velocidad rotacional del conjunto de álabes 140. El movimiento del concentrador 120 puede ser en lugar de, o además combinado con el ajuste del concentrador con respecto a la dirección de flujo de fluido global como se describe en cualquier parte en la presente.

La superficie corriente arriba del concentrador 120 puede también incluir una segunda porción de superficie 126 posicionable además al lado de retorno en relación con la primera porción de superficie curva 122. La segunda porción de superficie se puede extender desde una tercera posición a una cuarta posición que está además al lado de retorno y además corriente abajo de la tercera posición. El concentrador puede tener un punto de desviación 124 en el cual el fluido es ya sea desviado hacia el lado de empuje o a lo lejos del lado de empuje. El concentrador 120 puede ser simétrico como se muestra en la modalidad ilustrada en la Figura 1, en cuyo caso, el punto de desviación 124 puede ser el punto medio de la superficie corriente arriba. Como se muestra en la Figura 1, las porciones de superficie corriente arriba ya sea sobre un lado u otro del punto de desviación 124 puede ser convexas de frente corriente arriba, de tal manera que toda la superficie corriente arriba es una superficie en general en forma de U que es convexa de frente corriente arriba. La superficie corriente arriba puede tener una forma en general parabólica, que se puede o puede no conformarse matemáticamente a una ecuación parabólica. La superficie corriente arriba como un todo puede también ser formada en general como el extremo delantero de un perfil aerodinámico, que se puede o no conformarse técnicamente a una definición matemática estricta de un perfil aerodinámico. Como se usan de principio a fin, los términos "parábola" y "perfil aerodinámico" son términos amplios y las superficies formadas que estos términos describen no necesitan conformase estrictamente a una definición matemática de una "parábola" o forma de "perfil aerodinámico" .

La superficie corriente abajo del concentrador 120 puede ser formada y colocada para ser cóncava de frente corriente abajo. En la modalidad ilustrada en la Figura 1, la superficie corriente abajo del concentrador 120 incluye una superficie de flujo corriente arriba 132, una superficie intermedia 136, y una superficie de flujo corriente abajo 130. Como se discutirá con referencia a la Figura 2, la superficie de flujo corriente arriba 132 puede estar configurada para recibir el fluido que fluye corriente arriba desde el conjunto de álabes 140 y dirigir el fluido hacia la superficie intermedia 136. La superficie intermedia 136 puede estar configurada para redirigir por lo menos por lo menos algo del fluido desde la superficie de flujo corriente arriba 132 a la superficie de flujo corriente abajo 130. La superficie de flujo corriente abajo 130 es formada y configurada para dirigir el fluido corriente abajo al flujo global del fluido para fluir inevitablemente a lo lejos del conjunto de alabes 140. Como se ilustra en la modalidad mostrada en la Figura 1, la superficie corriente abajo del concentrador 120 puede estar sustancialmente equidistante de la superficie corriente arriba del concentrador 120, formando un concentrador 120 dé espesor sustancialmente constante. En algunas modalidades, el concentrador 120 como un todo puede ser formado en general como una parábola, formado en general como la sección de extremo delantero de un perfil aerodinámico sustancialmente hueco o en general ser de forma U. El concentrador 120 también se puede extender una distancia Z más allá de un extremo externo de una trayectoria de los álabes sobre el lado de retorno, como se muestra en la Figura 1 y se describe además a continuación.

El concentrador variable 110 ilustrado en la Figura 1 será ahora descrito. El concentrador variable 110 puede ser formado en general como un perfil aerodinámico. Como se ilustra en la Figura 1, un concentrador variable 110 tiene un borde delantero 112, un borde trasero 118, y dos superficies laterales 114, 116. El concentrador variable 110 está ubicado sobre el lado de empuje del sistema de turbina y corriente arriba del conjunto de álabes 140. La superficie lateral 114 puede ser una superficie de desviación que se extiende en general paralela al eje Y a lo largo de una porción sustancial de la altura del conjunto de álabes 140.

El concentrador variable 110 puede ser movible entre una primera posición y una segunda posición, y el concentrador variable 110 puede estar configurado para desviar más fluido hacia el conjunto de álabes en la primera posición que en la segunda posición. En algunas modalidades, el concentrador variable 110 es impulsado hacia la primera posición mediante un mecanismo impulsor. El mecanismo impulsor puede ser activo (por ejemplo, un motor) o pasivo (por ejemplo, un muelle) . A medida que la velocidad de un fluido que fluye más allá del concentrador variable 110 se incrementa, el concentrador variable se puede mover hacia la segunda posición en la cual menos fluido o sustancialmente ningún fluido es desviado hacia el conjunto de álabes 140. En algunas modalidades, el fluido que fluye a través del concentrador variable 110 provoca que el concentrador variable 110 se mueva. En algunas modalidades, se puede usar un motor u otro posicionador para colocar el concentrador variable 110 en lugar de o además del movimiento provocad por el fluido que fluye más allá del concentrador variable 110. El sistema de turbina 100 puede estar configurado para colocar el concentrador variable en la primera posición en medios ambientes de baja velocidad de fluido y en la segunda posición en medios ambientes de alta velocidad de fluido. El concentrador variable puede desviar el fluido hacia el conjunto de álabes en medios ambientes de baja velocidad de fluido e impedir que altas velocidades de fluido dañen la turbina. Asi, el concentrador variable puede también ser llamado un regulado .

El esquema mostrado en la Figura 1 incluye un motor de guia 102 y una aleta de cola 104 como parte del sistema de turbina de fluido 100. El motor de guía 102 y la aleta de cola 104 pueden ser usado solos o en combinación para mantener una posición relativa de uno o más del concentrador 120 y el concentrador variable 110 en general corriente arriba del conjunto de álabes 140. En algunas modalidades, el concentrador 120 es formado y configurado de tal manera que mantiene automáticamente una posición corriente arriba del conjunto de álabes 140 y gira alrededor del perímetro externo de conjunto de álabes 140 para mantener su posición corriente arriba. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, la forma simétrica curva del concentrador 120 puede permitir que tienda a estar de frente corriente arriba a un flujo del fluido. En modalidades en donde uno o más del concentrador 120 o concentrador variable 110 son formados y configurados para estar de frente corriente arriba en un flujo de fluido dado, otro del concentrador variable 110, concentrador 120 u otros componentes del sistema de turbina de fluido pueden ser acoplados al componente movible para también mantener una posición especificada en relación con la dirección corriente arriba. En algunas modalidades, el sistema de turbina puede ser desplegado en áreas con una dirección de fluido en general constante (por ejemplo, el viento) y el concentrador 120 y concentrador variable 110 pueden tener una posición relativamente fija en relación con el conjunto de álabes 140.

La Figura 2 es una modalidad ejemplar.de un sistema de turbina que incluye un conjunto de álabes 140, un concentrador 120, y un concentrador variable 110. La dirección en general del flujo global del fluido es mostrada por las flechas 200. La Figura 2 muestra en general varias trayectorias de flujo de fluido posibles alrededor del sistema de turbina en respuesta a un flujo de fluido global que se acerca al sistema de turbina como se muestra por las flechas 200. Por ejemplo, la flecha 204 muestra que algo de fluido puede ser dirigido hacia el lado de empuje como se muestra en la Figura 2. La Flecha 206 indica que por lo menos algo fluido puede ser dirigido a lo lejos del lado de. empuje y continuar corriente abajo inevitablemente para fluir a lo lejos del sistema de turbina. La flecha 208 indica que por lo menos algo de fluido puede fluir a través de una porción de superficie posterior 250 del álabe 142. A medida que el fluido fluye a través de la porción de superficie posterior 250 del álabe 142, la velocidad de fluido se puede incrementar. Un incremento en velocidad del fluido que fluye a lo largo de la trayectoria mostrad por la flecha 208 puede proveer elevación al álabe 142, proporcionando mediante esto momento de torsión que tiende para hacer girar el conjunto de álabes 140. El fluido que fluye a lo largo del concentrador 120 (por ejemplo, a lo largo de las trayectorias indicadas por las flechas 204, 206) también tiende a incrementar en velocidad y compresión. El fluido comprimido, concentrado acelerado por el concentrador 120 a lo largo de la trayectoria indicada por la flecha 204 fluye al lado de empuje, proporcionando mediante esto más momento de torsión para hacer girar el conjunto de álabes 140.

Un perímetro externo de una trayectoria de barrido del conjunto de álabes 140 es mostrado por la línea discontinua 202. Como se muestra por las flechas 214, 216, 218, 220 en la Figura 2 , el fluido dentro de la trayectoria de barrido del conjunto de álabes 140 puede fluir en dirección contraria a las manecillas del relo . El fluido que fluye a lo largo de la trayectoria indicada por la flecha 214 puede proveer un impulso a la superficie de empuje 260 del álabe 144. El fluido que fluye a lo largo de la trayectoria indicada por la flecha 216 puede proveer un impulso a la superficie de retención 270 del álabe 146. El concentrador 120 puede estar formado, configurado y/o colocado de tal manera que el flujo de fluido global no actuará sobre una superficie de arrastre 280 del álabe 148. En la modalidad ilustrada en la Figura 2, la porción del concentrador ubicada más alejada al lado de retorno se extiende más allá de la trayectoria de barrido en una dirección perpendicular al plano X y alejado del lado de empuje. El fluido que fluye más allá del concentrador 120 a lo largo de una trayectoria indicada por la flecha 206 tiende así a fluir corriente abajo más allá del conjunto de álabes 140 sin chocar sobre la superficie de arrastre 280 del álabe 148, incrementando mediante esto la eficiencia del sistema de turbina .

Como se indica por las flechas 224, 226, 228, 230, 232, la forma y posición del concentrador 120 pueden también provocar que el fluido que fluye corriente arriba fuera de la trayectoria de barrido del conjunto de álabes 140 sea redirigido por el concentrador 120 a fluir corriente abajo e inevitablemente a lo lejos del conjunto de álabes 140. En particular, el fluido puede fluir a lo largo de una trayectoria indicada por la flecha 228 a lo largo de una superficie de flujo corriente arriba 132 del concentrador 120 y ser redirigido a fluir corriente abajo a lo largo de una trayectoria indicada por la flecha 230 a lo largo de una superficie de flujo corriente abajo 130 del concentrador 120. Mediante esto, el concentrador 120 puede proveer una trayectoria de escape de fluido que extrae continuamente fluido a lo lejos del conjunto de álabes 140. Esta extracción continua de fluido puede crear o contribuir a un efecto de vacío relativo que tiende a remover el fluido de la trayectoria de barrido del conjunto de álabes después que el fluido ha impartido un impulso a los álabes .

Como se describe anteriormente, un extremo del concentrador 120 se puede extender más allá de una trayectoria de barrido de los álabes en una dirección perpendicular al plano X y a lo lejos del lado de empuje, como se muestra por la • distancia Z en la Figura 1. El posicionamiento del concentrador puede así crear un efecto de bloqueo que no solamente impide que fluido que fluye corriente abajo se ponga en contacto con el álabe 148, sino que puede proveer espacio suficiente para que el fluido sea extraído al concentrador sin fluir contra el flujo de fluido global (por ejemplo, a lo largo de una trayectoria indicada por la flecha 224) . A medida que el fluido sale de la superficie de flujo corriente abajo 130 del concentrador 120 (por ejemplo, a lo largo de una trayectoria indicada por la flecha 232) se puede unir o fluir a lo largo del fluido que ha sido desviado desde una superficie corriente arriba del concentrador 120 (por ejemplo, a lo largo de una trayectoria indicada por la flecha 206). En algunas modalidades, el concentrador 120 se extiende en una dirección además al lado de retorno a por lo menos un borde externo . de la turbina, de tal manera que el concentrador se intersecta por lo menos con un segundo plano tangente a un borde más externo de la turbina y paralelo al plano X. El segundo piano puede estar separado del plano X por un radio de la punta de álabe, y el concentrador se puede extender más allá del segundo plano por una distancia de extensión medida en una dirección perpendicular al plano X y alejada del lado de empuje. En algunas modalidades, la distancia de extensión puede ser de por lo menos cinco, por lo menos diez, por lo menos veinte, por lo menos veinticinco, o por lo menos treinta por ciento del radio de punta del álabe. En algunas modalidades, la distancia de extensión es de entre aproximadamente diez y aproximadamente veinte por ciento del radio de la punta del álabe. Preferiblemente, la distancia de extensión es de entre aproximadamente veinte y treinta por ciento del radio de punta del álabe, entre aproximadamente veintitrés y veintisiete por ciento del radio de punta del álabe, o aproximadamente veinticinco por ciento del radio de punta del álabe. En algunas modalidades, la turbina tiene un borde externo de retorno más alejado del lado de empuje y el concentrador tiene un extremo de retorno más alojado del lado de empuje. En algunas modalidades, La distancia más cercana entre el extremo de retorno del concentrador y el plano X es por lo menos 1.1, por lo menos 1.2, por lo menos 1.3, por lo menos 1.4 o por lo menos 1.5 veces mayor que la distancia más cercana entre el borde externo de retorno de la turbina y el plano X. Preferiblemente, la distancia más cercana entre el extremo de retorno del concentrador y el plano X es de entre aproximadamente 1.1 y 1.4, entre aproximadamente 1.2 y 1.3 o aproximadamente 1.2 veces mayor que la distancia más cercana entre el borde externo de retorno de la turbina y el plano X.

El efecto de vacío relativo que puede ser creado por el concentrador 120 puede también provocar que un centro de rotación del fluido/ cerca del conjunto de álabes 140 se desplace hacia el lado de retorno o además al lado de retorno. La dirección general del fluido que fluye en las secciones abiertas o ventanas de los álabes es mostrada por las flechas 234, 236, 238, 240. Este fluido puede ser extraído a lo lejos del conjunto de álabes por el concentrador 120 como se muestra en parte por las flechas 242, 244. Las flechas 221 y 222 indican que por lo menos algo del fluido puede escapar de la trayectoria de barrido del conjunto de álabes 140 y fluir en general corriente abajo a lo lejos del sistema de turbina sin ser extraído plenamente hacia la superficie corriente abajo del concentrador y redirigido a lo lejos del concentrador.

En la modalidad del sistema de turbina ilustrado en la Figura 2, el concentrador variable 110 es colocado de tal manera que desvía poco o ningún fluido hacia el conjunto de álabes 140 o solamente una pequeña cantidad de fluido, no más fluido o ligeramente menos fluido que el que fluiría hacia el conjunto de álabes 140 debido al flujo de fluido global definido por las 200 en ausencia del concentrador variable 110. En algunas modalidades, el fluido que fluye a lo largo de las superficies laterales del concentrador variable (por ejemplo, a lo largo de las trayectorias . indicadas por las flechas 210, 212) se puede incrementar en velocidad temporalmente, pero no es dirigido además hacia el conjunto de álabes 140 que el flujo global de fluido. En algunas modalidades, el concentrador variable 110 es formado y colocado de tal manera que cuando no está dirigiendo el fluido hacia el conjunto de álabes 140 provee un ligero efecto de bloqueo para impedir altas velocidades de fluido que dañen el conjunto de álabes 140.

Con referencia adicional a la Figura 2, el conjunto de álabes 140 en la posición ilustrada en la Figura 2 tiene un álabe 142 en la posición de elevación, un álabe 144 en la posición de empuje, un álabe 146 en la posición de retención, y un álabe 148 en la posición de retorno. En algunas modalidades, el conjunto de álabes 140 tiene una posición de momento de torsión en la cual por lo menos un álabe está en una posición de elevación, por lo menos un álabe es en una posición de empuje, por lo menos un álabe está en una posición de retención, y por lo menos un álabe está en una posición de retorno. A medida que el conjunto de álabes 140 gira, los álabes pueden cambiar de posiciones. En algunas modalidades, el conjunto de álabes 140 está siempre en una posición de momento de torsión a medida que gira, de tal manera que características de momento de torsión favorables de la posición de elevación, la posición de empuje, la posición de retención, y la posición de retorno son exhibidas constantemente a medida que la turbina gira en respuesta a un fluido introducido. En algunas modalidades, cada álabe está principalmente solo en una la posición de elevación, posición de empuje, posición de retención, y posición de retorno. En algunas modalidades con cuatro álabes, para una o más posiciones rotacionales del conjunto de álabes 140 hay solamente un álabe de elevación, un álabe de empuje, un álabe de retención, y un álabe de retorno, los álabes son clasificados por su posición primaria o dominante .

La Figura 3A es una vista superior de un sistema de turbina similar a aquel mostrado en la Figura 2 e ilustra varias zonas de velocidad relativa de fluido que fluye a lo largo de las trayectorias ilustradas en la Figura 2 resultantes de los elementos descritos. Las zonas A, B, C, D y E ilustran áreas de una velocidad de fluido relativamente media. Las zonas F y G indican zonas de velocidad de fluido relativamente alta. Las zonas H, I, J, K, L, y M ilustran zonas de velocidad relativamente baja.

La Figura 3B es una gráfica de velocidad ejemplar de una modalidad de un sistema de turbina con una velocidad de entrada de cerca de 45 Km/hora (28 mph) . La Figura 3B ilustra que las zonas A, B, C, D, y E tiene una velocidad de fluido cerca de la velocidad de entrada. Las zonas F y G tienen velocidades de fluido mayores que la velocidad de entrada, mientras que las zonas H, I, J, K, L, M tienen velocidades de fluido menores que la velocidad de entrada. Como se muestra en la Figura 3B, una velocidad de entrada cerca de 45 Km/h (28 mph) puede crear velocidades de por lo menos 72 Km/h (45 mph) como se muestra en la zona F cerca del lado de empuje del conjunto de alabes. La gráfica de velocidad también incluye vectores de velocidad que pueden mostrar una concentración relativa del fluido. En particular, la Figura 3B ilustra un incremento en concentración del fluido cerca del concentrador.

La Figura 4A es una vista superior de un sistema de turbina que muestra varias zonas de presión relativa de un fluido que rodea el sistema de turbina. Suponiendo una dirección de flujo de fluido global como se muestra en la Figura 2, el sistema de turbina ilustrado en la Figura 4A puede tener zonas de presión media mostradas como zonas N, 0, P, Q, R, y S en la Figura 4A. El sistema de turbina puede tener una zona de alta presión tal como la zona T y una zona de presión más baja indicada como zona U en la Figura 4A.

La Figura 4B es una gráfica de presión de una modalidad ejemplar de un sistema de turbina. Una presión del fluido de entrada que fluye de acuerdo con los vectores de velocidad ilustrados en la Figura 4B es una presión media que ocupa la zona N. Como en la Figura 4A, otras zonas de presión de intervalo medio incluyen las zonas 0,- P, Q, R, y S. Otra vez, como en la Figura 4A, la zona T es una zona de alta presión y la zona U es una zona de baja presión en relación con la presión del fluido de entrada.

La Figura 5 ilustra otra modalidad de un sistema de turbina 100. En la Figura 5, el concentrador variable 110 es colocado para desviar el fluido hacia el conjunto de álabes . En particular, a bajas velocidades de fluido (por ejemplo, viento) , un concentrador variable colocado para desviar el fluido hacia el conjunto de álabes puede disminuir la velocidad del fluido de arranque del sistema de turbina e incrementar la eficiencia del sistema a bajas velocidades de fluido. El fluido puede fluir alrededor del concentrador variable 110 como se indica por las flechas 510, 520. La forma del concentrador variable 110 puede provocar que el fluido se incremente en velocidad y se comprima a medida que fluye alrededor del concentrador variable 110. El concentrador variable 110 puede también ser colocado de tal manera que el fluido que sale del concentrador variable 110 puede luego fluir a lo largo de la trayectoria como se indica por la flecha 550 hacia el conjunto de álabes. Por lo menos algo de este fluido puede actuar sobre uno o más de los álabes 142, 144, 146, 148 del conjunto de álabes, y en particular sobre una superficie de empuje 260 del álabe 144 en la posición de álabe ilustrado en la Figura 5.

En algunas modalidades, varios elementos del sistema de turbina de fluido 100 pueden incrementar la salida de momento de torsión del sistema o disminuir la velocidad del fluido necesaria para comenzar a hacer girar el conjunto de álabes . Por ejemplo, cuando el conjunto de álabes está estacionario en la posición ilustrada en la Figura 5, un fluido puede proveer momento de torsión de por lo menos los álabes 142, 144, y 146. En particular, el fluido que fluye a través de la porción de superficie curva 250 del álabe 142 como se indica por la flecha 560 puede crear un efecto de elevación que tiende a hacer girar el álabe 142. Por lo menos algo de fluido puede también fluir a través de la sección abierta del álabe 144 ubicado cerca de la sección en general recta 160 del álabe 144 y actuar sobre la superficie de retención 270 del álabe 146. Cuando la superficie de retención 270 está ubicada directamente corriente abajo de la sección abierta del álabe 144, el fluido que fluye directamente corriente abajo puede fluir a través de la sección abierta del álabe 144 y contra la superficie de retención 270 del álabe 146. En algunas modalidades, por ejemplo, como se muestra en la Figura 5, el fluido desviado por otras superficies del sistema de turbina 100 (por ejemplo, superficies sobre el concentrador variable 110 o sobre la porción de superficie curva 250 del álabe 142) provoca que el fluido cambie de rumbo de la dirección del flujo de fluido global y choque contra porciones del álabe 146 no ubicadas directamente corriente abajo de la sección abierta del álabe 144. El fluido del flujo de fluido global o dirigido hacia el conjunto de álabes del concentrador variable 110 puede también actuar sobre la porción de superficie de empuje 260 del álabe 144. Así, un flujo de fluido a través del conjunto de álabes estacionario en la posición de la Figura 5 puede proveer un momento de torsión de por lo menos tres de los álabes ilustrados en la Figura 5. El fluido que fluye más allá de un conjunto de álabes giratorios 140 puede también proveer momento de torsión de por lo menos tres de los álabes simultáneamente.

Como se discute anteriormente con referencia a la Figura 2, el concentrador 120 mostrado en la Figura 5 puede también bloquear el flujo de fluido global de crear arrastre adicional sobre la superficie de arrastre 280 del álabe 148. El concentrador 120 puede también incrementar la velocidad de y comprimir el fluido que fluye a lo largo de una trayectoria indicada por la flecha 540. El fluido que fluye a lo lejos del lado de empuje a lo largo de la flecha 530 es también concentrado y comprimido, lo que puede ayudar a extraer fluido a lo lejos del conjunto de álabes como se describe anteriormente con referencia a la Figura 2.

La Figura 6A es una vista superior de un sistema de turbina sin un concentrador variable. La Figura 6A indica varias zonas de velocidad de fluido que fluye alrededor del sistema de turbina. La velocidad del fluido de entrada es mostrada en la zona A' . El fluido de entrada tiene una velocidad en el intervalo medio, junto con los fluidos en las zonas C, D' , y E' . El fluido en las zonas F' y G' fluye a una velocidad más alta que el fluido de entrada, y el fluido en las zonas H', i', J', K' , L' , y M' fluye a una velocidad más baja que el fluido de entrada.

La Figura 6B es una gráfica de velocidad de una modalidad ejemplar de un sistema de turbina similar a la modalidad mostrada en la Figura 6A. La velocidad de entrada es de 45 Km/h (28 mph) con una velocidad máxima de por lo menos 72 Km/h (45 mph) como se muestra en la zona F' . Las zonas de velocidad de intervalo medio son designadas como A', C, D', y E' . Zonas de alta velocidad de fluido incluyen F' y G' . Las zonas de baja velocidad de fluido incluyen H' , I', J' , K' , L' , y M' . La dirección de flujo de fluido y concentración relativa del fluido es indicada por los vectores de velocidad en la gráfica de velocidad de la Figura 6B. El área sombreada más oscura en la zona F' indica velocidades máximas cerca de esta ubicación sobre el lado de empuje. El área de velocidad máxima en la zona F' de la Figura 5 es más grande que el área de velocidad máxima en la zona F de la Figura 3B, indicando que el concentrador variable y su posición en la Figura 3B pueden reducir la cantidad de fluido que fluye a velocidades máximas, impidiendo mediante esto daños a la turbina en altas velocidades de fluido.

La Figura 7 muestra una modalidad de un sistema de turbina de fluido 700. El sistema de turbina de fluido 700 comprende un conjunto de álabes 740, un concentrador 720, y un concentrador variable 710. El conjunto de álabes 740, concentrador 720, y concentrador variable 710 pueden ser similares al conjunto de álabes 140, concentrador 120, y concentrador variable 110 descritos en la presente. En la modalidad ilustrada en la Figura 7, el concentrador 720 y concentrador variable 710 tienen una altura que es sustancialmente mayor que la altura del conjunto de álabes 740. En algunas modalidades, la altura del conjunto de álabes 740, concentrador 720, y concentrador variable es sustancialmente igual. En algunas modalidades, la altura de uno más del concentrador 720 o concentrador variable es por lo menos una porción sustancial de la altura de uno o más álabes del conjunto de álabes.

La Figura 8 es una vista lateral de una modalidad de un sistema de turbina de fluido de eje vertical 800. Por propósitos de discusión, la dirección de fluido es mostrada por la flecha 810. Cajas de rodamientos 806, 808 en la parte superior e inferior de un árbol central 190 de un conjunto de álabes 140 permiten que el conjunto de álabes 140 gire. La caja de rodamientos 806 puede ser montada a una abrazadera superior 802, y la caja de rodamientos 808 puede ser montada a una abrazadera inferior 804. En la modalidad ilustrada en la Figura 8, las abrazaderas superior e inferior 802, 804 pueden girar en relación con una base 812 en la parte inferior del sistema de turbina 800. Una aleta de cola 104 se puede extender entre las abrazaderas superior e inferior 802, 804. La aleta de cola, 104 puede orientar el sistema de tal manera que un concentrador 120 y concentrador variable 110 estarán corriente arriba (por ejemplo, en dirección del viento) del conjunto de álabes 140 y de frente a un fluido que se aproxima (por ejemplo, viento) . El concentrador variable 110 y el concentrador 120 se extienden entre las abrazaderas superior e inferior 802, 804 en el lado izquierdo del conjunto de álabes como se muestra en la Figura 8. En algunas modalidades, el concentrador 120 es fijo en relación con las abrazaderas superior e inferior 802, 804 y el concentrador variable es giratoriamente fijo a las abrazaderas superior e inferior 802, 804. En algunas modalidades, una caja de engranajes 106 puede ser usada para convertir la velocidad de la rotación del conjunto de álabes 140 a una velocidad óptima para convertir energía rotacional en energía eléctrica. La caja de engranajes 106 puede estar ubicada en la base 812 del sistema.

Un motor de guía 102, que puede ser un servomotor, puede también ser usado en lugar de o además de la aleta de cola 104 para orientar las abrazaderas superior e inferior 802, 804 en relación con la base 812. El motor de guía 102 puede ser conectado a un detector, que en algunas modalidades puede detectar la dirección ,del flujo del fluido (por ejemplo, viento) y orientar el sistema de turbina 800, de tal manera que el concentrador 120 y concentrador variable 110 están corriente arriba (por ejemplo, en dirección del viento) del conjunto de álabes . El motor de guía 102 puede ser usado para estabilizar el sistema e impedir que la aleta de cola 104 oscile o gire en respuesta a cambios ligeros en la dirección del flujo del fluido. En algunas modalidades, un amortiguador (no mostrado) puede ser usado en lugar de o además del motor de guía 102 para frenar la respuesta del sistema a cambios pequeños en la dirección del flujo del fluido. Un segundo motor de guía (no mostrado) puede ser usado para orientar el concentrador variable 110. El segundo motor de guía puede ser conectado a un detector que en algunas modalidades puede detectar la velocidad de fluido y orientar el concentrador variable 110 a lo lejos del conjunto de álabes 140 cuando el sistema 800 es sometido a altas velocidades de fluido (por ejemplo, en altos vientos) para desviar el fluido a lo lejos del conjunto de álabes 140. Uno o más de los motores de guía pueden estar ubicados dentro de la base 812. Otras configuraciones de abrazaderas o elementos de montaje para el conjunto de álabes 140, concentrador 120, y concentrador variable 110 pueden ser usadas. Estos diseños pueden también ser optimizados para promover la conversión eficiente de energía de fluido. En algunas modalidades, uno o más del conjunto de álabes 140, concentrador 120 o concentrador variable 110 son montados separadamente y pueden ser movibles separadamente en relación con uno o más de los otros componentes. El sistema de turbina de fluido 800 puede también incluir un arrancador. El arrancador puede ayudar a iniciar la rotación del conjunto de álabes 140. En algunas modalidades, un arrancador no es necesario y el conjunto de álabes 140 se auto-iniciará en condiciones de fluido apropiadas .

Las Figuras 9-10 muestran un conjunto de álabes 740 con cuatro álabes . Aproximadamente una mitad radial interna de los álabes está sustancialmente abierta. Un soporte de álabe superior 902, soportes de álabe medios 904, y un soporte de álabe inferior 906 se extienden desde un eje de rotación a una porción sustancialmente sólida del álabe ubicada alejada del eje que las secciones abiertas. Como se ve en las Figuras 9 y 10, una sección abierta o ventana se puede extender a lo largo de una porción sustancial de la altura de los álabes. Las secciones abiertas pueden ser continuas o discontinuas. Por ejemplo, la abertura 1002 en la Figura 10 puede ser vista como una abertura continua 1002 o una sección pequeña de una sola abertura discontinua que se extiende a lo largo de la altura del álabe .

La Figura 11 es una vista en perspectiva del concentrador 720 mostrado en la Figura 7. El concentrador 720 comprende una superficie corriente arriba 1104 y una superficie corriente abajo 1106. Un extremo delantero 1102 del concentrador 720 está configurado para dividir el fluido que fluye hacia el concentrador 720 en una porción de' empuje de fluido para fluir hacia una mitad de empuje de la turbina y una porción de retención del fluido para fluir a lo lejos de la mitad de empuje de la turbina. Los bordes traseros 1110, 1108 pueden ser posicionables corriente abajo del borde delantero 1102. El borde trasero 112 puede corresponder al extremo de empuje 134 del concentrador 120 mostrado en las Figuras 1 y 2. El borde trasero 112 puede corresponder al extremo de retorno 128 del concentrador 120 mostrado en las Figuras 1 y 2.

La Figura 12 es una vista en perspectiva del concentrador variable 710 mostrado en la Figura 7. El concentrador variable 710 puede tener un borde delantero 1202, un borde trasero 1206, y una superficie de desviación lateral 1204. El borde trasero 1206 puede ser posicionable corriente abajo del borde delantero 1202.

Las Figuras 13-14 muestran una modalidad de un conjunto de álabes 1300 que puede estar configurado para uso en un sistema de turbina de fluido similar a aquellos descritos anteriormente. La modalidad del conjunto de álabes 1300 mostrado en la Figura 13 puede ser similar a la modalidad ilustrada del conjunto de álabes 140 de la Figura 1, con la adición de placas horizontales montadas periódicamente a lo largo de la longitud del conjunto de álabes. Como se muestra en la Figura 13, el conjunto de álabes 1300 puede tener siete secciones, cada una con una placa horizontal en la parte superior e inferior de la sección. Los álabes pueden tener una sección abierta o ventanas, que pueden estar ubicadas cerca de la porción central de cada sección de álabe. La Figura 14 muestra una vista frontal del conjunto de álabes 1300, con la abertura 1402 cerca de la porción central del álabe.

En algunas modalidades, el conjunto de álabes 1300 puede ser modular. Por ejemplo, cada una de las siete secciones del conjunto de álabes puede ser una pieza separada montada separadamente a un árbol central 1308. Un conjunto de álabe modular puede permitir facilidad de manipulación del número de secciones de álabe en un diseño de sistema de turbina basado en preferencias del usuario o espacio disponible. Un método ejemplar para ensamblar el conjunto de álabes 1300 puede ser como sigue: (1) provee un árbol central 1308 con una placa inferior 1306 fija al árbol; (2) proveer una sección del conjunto de álabes que comprende una placa 1304 que comprende secciones de álabe que se proyectan desde el lado inferior de la placa 1304, las secciones de álabe comprenden una abertura hacia el centro de la placa 1304; (3) montar la sección de conjunto de álabes al árbol central 1308; y (4) montar secciones de conjunto de álabe adicionales al árbol central 1308, con la sección de conjunto de álabes final que comprende la placa superior 1302. En algunas modalidades, una o más secciones de conjunto de álabes pueden comprender una placa 1304 en la parte inferior de la sección de conjunto de álabes en lugar de la parte superior. En algunas modalidades, las placas horizontales pueden estar separadas de los álabes, o podrían ser omitidas por completo.

En algunas modalidades, una o más porciones del conjunto de álabes pueden estar desplazadas radialmente de una o más de las otras porciones. Por ejemplo, los álabes en una sección de un conjunto de álabes modular puede no alinearse con los álabes en la sección por encima y/o debajo de la misma, a diferencia del conjunto de álabes ilustrado en la Figura 13, en el cual los álabes de cada sección están alineados para formar efectivamente un álabe recto a lo largo de la altura del conjunto de álabes. El desplazamiento de las secciones de álabes puede ayudar a crear una salida de momento de torsión no cíclica. En algunas modalidades, cada sección del conjunto de álabes está desplazado de las otras por diez grados. En algunas modalidades, cada sección está desplazada por entre aproximadamente 1 y aproximadamente 20, entre aproximadamente 5 y 15 o entre aproximadamente 8 y 12 grados de una sección por debajo o encima de la misma. En algunas modalidades, un desplazamiento uniforme puede ser calculado en base al número de álabes en cada sección y/o el número de secciones para colocar igualmente álabes alrededor del árbol central en varios patrones. En algunas modalidades, el desplazamiento no es uniforme entre las diferentes secciones.

En algunas modalidades, el desplazamiento de las diferentes secciones de álabes puede crear una forma helicoidal o "hélice virtual". Por ejemplo, un álabe 1322 en la sección inferior del conjunto de álabes 1300 puede ser montado en una posición de referencia de 0 grados en relación con el árbol central 1308. Un álabe 1320 en la siguiente sección puede ser montado a 10 grados, un álabe 1318 en la siguiente sección puede ser montado a 20 grados, etc. a través del álabe 1310 en la parte superior del conjunto de álabes 1300. Para una orientación rotacional dada del conjunto de álabes 1300, los álabes 1322, 1320, 1318, 1316, 1314, 1312, 1310 estarán ubicados en diferentes posiciones en relación con el flujo de fluido y pueden capturar un impulso del fluido en diferentes tiempos. Si cada sección tiene cuatro álabes espaciados igualmente entre sí, cuatro patrones helicoidales diferentes pueden ser vistos a medida que el conjunto de álabes 1300 gira.

En algunas modalidades, las secciones de álabe pueden estar desplazadas en un patrón de tal manera que las secciones de álabe se ensanchan en la misma dirección por encima y debajo de una sección de álabe particular.

El patrón puede ser similar a la forma helicoidal descrita anteriormente, excepto que puede consistir de dos formas helicoidales discontinuas. Por ejemplo, un álabe 1316 de una sección central del conjunto de álabes 1300 puede ser montada en una orientación de referencia a 0 grados en relación con el árbol central 1308. Un álabe 1314 en la siguiente sección más alta puede ser montado a 10 grados. Un álabe 1312 en la siguiente sección más alta puede ser montado a 20 grados. Un álabe 1310 en la siguiente sección más alta puede ser montado a 30 grados. Un álabe 1318 en la sección directamente debajo del álabe 1316 puede ser montado a 10 grados. Un álabe 1320 en la siguiente sección inferior puede ser montado a 20 grados. Un álabe 1322 en la siguiente , sección inferior puede ser montado a 30 grados. Menos secciones de álabes o secciones de álabe adicionales pueden ser incluidas y los ángulos de desplazamiento pueden variar. En algunas modalidades, un conjunto de álabes 1300 puede tener secciones de álabe con ángulos de desplazamiento ajustables, de tal manera que el patrón de desplazamiento puede ser variado de acuerdo con preferencias del usuario, condiciones de flujo de fluido u otros f ctores. Los diseños de desplazamiento descritos anteriormente con referencia a la Figura 13 pueden ser usados con el conjunto de álabes 140 descrito con referencia a la Figura 1. Las modalidades descritas en las Figuras 1-12 pueden también ser modulares y construidas en secciones separadas como se describe con referencia a la modalidad mostrada en la Figura 13.

En algunas modalidades, menos concentradores o concentradores adicionales o concentradores variables pueden estar configurados para uso con el conjunto de álabes. Esto es, un conjunto de álabes puede ser usado solo, o en combinación con uno o más de un concentrador o concentrador variable.

Cuando son usados en combinación, los diferentes componentes pueden mejorar las características favorables exhibidas por los otros, algunas veces sinergísticamente . Por ejemplo, el uso de un concentrador con un conjunto de álabes que comprende aberturas o ventanas hacia una porción radial interna de los álabes puede crear el efecto de tener un concentrador o tener aberturas de álabe solas. El sistema de turbina puede también incluir conjuntos de álabe adicionales, y uno o más de los conjuntos de álabes pueden incluir menos o más de cuatro álabes. En algunas modalidades, los parámetros del diseño pueden ser optimizados utilizando estudios de simulación por computadora tales como modelado por computadora de Cosmos Fio Works y/o ADINA. Análisis de mecánica de fluidos de PIV puede también ser empleado. Estas herramientas pueden ser usadas para incrementar la eficiencia del diseño y confirmar el deseo de modificaciones en la cantidad, tamaño, forma y/o colocación de los diferentes componentes del sistema de turbina. Un diseño similar a aquel ilustrado en la Figura 3B se puede estimar para producir aproximadamente 5 Kilowatts de energía en un viento de aproximadamente 45 Km/h (28 millas por hora) . En algunas modalidades, se puede obtener una eficiencia teórica de más del 30 por ciento. Mientras más alta es la eficiencia, más energía disponible del flujo del fluido es convertida a energía utilizable, por ejemplo, energía eléctrica. Algunas modalidades del sistema de turbina de fluido de eje vertical pueden también estar configuradas para no requerir el flujo de fluido unidireccional o laminar. Este sistema puede también producir una baja cantidad de ruido, aún a altas velocidades de flujo de fluido. Las aves son menos probables de ser lesionadas por sistemas de turbina descritos en la presente. Muchas características de modalidades de los sistemas de turbina de fluido descritos en la presente pueden hacer a los sistemas deseable para uso como turbinas de viento en medios ambientes urbanos, en donde también pueden ser montados en estructuras pre-existentes .

Los sistemas descritos en la presente pueden por consiguiente ser usados para aprovechar los recursos de vientos de nichos no apropiados para otras turbinas de viento en tanto que todavía producen cantidades sustanciales de energía y reducen pérdidas de línea de transmisión.

Aunque los sistemas de turbina descritos anteriormente son descritos con referencia a turbinas de eje vertical, tales sistemas no necesitan ser montados verticalmente. Algunas modalidades pueden ser montadas horizontalmente o en otras orientaciones con modificaciones apropiadas. Además, ciertos elementos individuales o combinaciones de elementos revelados en la presente pueden ser adaptados para uso en turbinas horizontales u otros tipos de turbinas. Además, otros fluidos pueden ser usados para hacer girar las turbinas en los sistemas descritos anteriormente, incluyendo agua.

La referencia en toda esta especificación a "algunas modalidades" o "una modalidad" significa que un elemento, estructura o característica particular descrito en relación con la modalidad está incluida en por lo menos algunas modalidades. Así, las apariciones de las frases "en algunas modalidades" o "en una modalidad" en varios lugares en toda esta especificación no están necesariamente todos refiriéndose a la misma modalidad y se pueden referir a una o más de las mismas o diferentes modalidades. Además, los elementos, estructuras o características particulares pueden ser combinados de cualquier manera apropiada, como sería evidente para aquel de habilidad ordinaria en el arte a partir de esta revelación, en una o más modalidades .

Como se usan en esta solicitud, los términos "que comprende", "incluye", "que tiene", y los semejantes son sinónimos y son usados de manera inclusiva, de manera de extremos abiertos y no excluyen elementos, aspectos, actos, operaciones adicionales y así sucesivamente. También, el término "o" es usado en su sentido inclusivo (y no en su sentido exclusivo) de tal manera que cuando es usado, por ejemplo, para unir una lista de elementos, el término "o" significa uno, algunos o todos los elementos en la lista.

Similarmente, se debe apreciar que en la descripción anterior de modalidades, varios elementos son algunas veces agrupados conjuntamente en una sola modalidad, figura o descripción de la misma por el propósito de hacer corta la revelación y ayudar en el entendimiento de uno o más de los aspectos inventivos. Este método de revelación, sin embargo, no será interpretado como refleja la intención de que cualquier reivindicación requiere más elementos de los que son citados expresamente en aquella reivindicación. Más bien, aspectos inventivos caen en una combinación de menos de todos los elementos de cualquier modalidad revelada anterior individual.

Aunque son descritos en el contexto de ciertas modalidades preferidas y ejemplos, se comprenderá por aquellos experimentados en el arte que la revelación se extiende más allá de las modalidades descritas específicamente a otras modalidades alternativas y/o usos y modificaciones y equivalentes obvios .

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de turbina de fluido, caracterizada porque comprende: una turbina que comprende un conjunto de álabes , el conjunto de álabes comprende una pluralidad de álabes giratorios alrededor de un eje, uno o más de los álabes definen una sección abierta colocada de tal manera que una porción de la sección abierta está más cerca al eje que un borde externo del álabe, la turbina comprende una mitad de empuje y una mitad de retorno para una dirección dada de un flujo global de un fluido que define una dirección corriente arriba y una dirección corriente abajo; un concentrador posicionable en un posición de concentrador directamente corriente arriba de por lo menos una porción de la mitad de retorno de la turbina, en donde el concentrador define una superficie convexa de frente corriente arriba y una superficie cóncava de frente corriente abajo cuando está en la posición del concentrador, la superficie convexa es posicionable para desviar por lo menos algo del fluido hacia la mitad de empuje de la turbina, la superficie cóncava es posicionable para redirigir por lo menos algo del fluido que fluye en general corriente arriba desde la mitad de retorno de la turbina a fluir en general corriente abajo; y un concentrador variable posicionable corriente arriba de la turbina y más cercano a la mitad de empuje que la mitad de retorno, el concentrador variable comprende una superficie de desviación operable para desviar el fluido, la superficie de desviación es posicionable para extenderse en general paralela al eje a lo largo de una porción sustancial de la altura de la turbina, en donde el concentrador variable es movible entre una primera posición y una segunda posición, y en donde el concentrador variable está configurado para desviar más fluido hacia el conjunto de álabes en la primera posición que en la segunda posición.

2. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de álabes definen una trayectoria de barrido, y en donde un borde de la trayectoria de barrido más alejado de la mitad de empuje define una mitad de borde de retorno externo, y en donde por lo menos una porción del concentrador está configurada para extenderse más allá de la mitad del borde de retorno externo de la trayectoria de barrido medida en una dirección perpendicular al flujo global y a lo lejos de la mitad de empuje, y en donde el concentrador es formado y configurado para extraer una porción de arrastre de fluido corriente arriba a lo lejos de la trayectoria de barrido y redirigir la porción, de arrastre del fluido a fluir corriente abajo.

3. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de álabes comprende cuatro álabes que definen la sección abierta, los cuatro álabes son extensibles desde el eje, cada uno de los cuatro álabes comprende una punta y cada uno de los cuatro álabes son posicionables en una posición de elevación, una posición de empuje, una posición de retención, y una posición de retorno; en donde la posición de elevación es definida por un álabe colocado de tal manera que punta del alabe en la posición de elevación está ubicada en general corriente arriba del eje y una porción de superficie curva del álabe en la posición de elevación es convexa de frente a lo lejos de la mitad de retorno de la turbina; en donde la posición de empuje es definida por un álabe colocado de tal manera que la punta del álabe en la posición de empuje está ubicada sobre la mitad de empuje de la turbina y una porción de superficie de empuje del álabe en la posición de empuje está de frente en general corriente arriba; en donde la posición de retención es definida por un álabe colocado de tal manera que la punta del álabe en la posición de retención está ubicada en general corriente abajo del eje y una porción de superficie de retención del álabe en la posición de retención éstá de frente en general corriente arriba; en donde la posición de retorno es definida por un álabe colocado de tal manera que la punta del álabe en la posición de retorno está ubicada en la mitad de retorno de la turbina y una porción de superficie de retorno del álabe en el posición de superficie de retorno está de frente en general corriente arriba.

4. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la turbina es posicionable en una posición de momento de torsión en la cual un primero de los cuatro álabes está en la posición de elevación, un segundo de los cuatro álabes está en la posición de empuje, un tercero de los cuatro álabes está en la posición de retención, y un cuarto de los cuatro álabes está en la posición de retorno, el concentrador y los cuatro álabes aptos para proveer características de momento de torsión favorables en respuesta al flujo global del fluido; en donde el primer álabe está configurado para acelerar por lo menos algo del fluido que fluye a través de la porción de superficie curva, proporcionando mediante esto momento de torsión; en donde el segundo álabe está configurado para proveer momento de torsión mediante por lo menos algo del fluido que choca sobre la porción de superficie de empuje; en donde el tercer álabe está configurado para proveer momento de torsión por al menos algo de fluido que choca sobre la porción de superficie de retención; y en donde el concentrador está configurado para reducir el arrastre en el cuarto álabe al bloquear por lo menos algo del fluido que choque sobre la porción de superficie de retorno .

5. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la pluralidad de álabes definen una trayectoria de barrido, y en donde un borde de la trayectoria de barrido más alejada de la mitad de empuje define un mitad de borde de retorno externo, y en donde por lo menos una porción del concentrador está configurada para extenderse más allá de la mitad del borde de retorno externo de la trayectoria de barrido medida en una dirección perpendicular al flujo global y a lo lejos de la mitad de empuje.

6. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el primer álabe, el segundo álabe, y el tercer álabe están configurados para proveer momento de torsión simultáneamente cuando la turbina está estacionaria en la posición de momento de torsión, la sección abierta del segundo álabe posicionable de tal manera que por lo menos algo de fluido pasa a través de la sección abierta del segundo álabe y choca sobre la porción de superficie de retención de del tercer álabe.

7. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la sección abierta definida por uno o más de los álabes es continua.

8. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la sección abierta definida por uno o más de los álabes es discontinua.

9. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador variable está configurado para ser impulsado hacia la primera posición.

10. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el concentrador variable está configurado de tal manera que el flujo del fluido es operable para a ustar el concentrador variable desde la primera posición hacia la segunda posición.

11. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador variable está configurado para desviar por lo menos algo del fluido hacia el conjunto de álabes cuando está la segunda posición.

12. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador y concentrador variable son movibles alrededor de un perímetro externo de la turbina, el sistema de turbina del fluido comprende además una aleta de cola apta para ser acoplada al concentrador y el concentrador variable, la aleta de cola está formada y configurada para colocar el concentrador y concentrador variable en general corriente arriba de la turbina .

13. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque comprende además un motor de guía apto para ser acoplado al concentrador y concentrador variable, el motor de guía está configurado para controlar selectivamente la posición del concentrador y concentrador variable.

14. El sistema de turbina de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el concentrador y el concentrador variable son movibles alrededor de un perímetro externo de la turbina, el sistema de turbina del fluido comprende además un motor de guía apto para ser acoplado al concentrador y concentrador variable, el motor de guía operable para colocar el concentrador y concentrador variable corriente arriba de la turbina.

15. Un sistema de turbina de fluido, caracterizado porque comprende: una turbina que comprende álabes giratorios alrededor de un eje, los álabes definen una ventana a lo largo de una porción sustancial de la altura de los álabes, en donde un primer plano paralelo con y que se intersecta con el eje divide el espacio que rodea la turbina en un lado de retorno y un lado de empuje opuesto al lado de retorno, la turbina está configurada para girar en general en una dirección corriente arriba sobre el lado de retorno y en general en una dirección corriente abajo sobre el lado de empuje en relación con un fluido que fluye nominalmente paralelo al plano; y un concentrador posicionable corriente arriba de por lo menos una porción de la turbina y por lo menos parcial o completamente sobre el lado de retorno, el concentrador comprende una primera porción de superficie curva configurada para extenderse desde una primera posición corriente arriba de la turbina a una segunda posición además corriente arriba de la turbina y además al lado de retorno, en donde la primera porción de superficie curva está configurada para ser convexa de frente a una dirección corriente arriba del flujo del fluido, la primera porción de superficie curva es posicionable para desviar por lo menos algo fluido hacia el lado de empuje, el concentrador es posicionable además para crear un vacío relativo para extraer por lo menos algo del fluido a lo lejos de la ventana de los álabes .