Turbina.

Una turbina para capturar energía de un flujo de fluido, en particular una turbina de viento,

la turbina que comprende:

un rotor que tiene un eje de rotación y una pluralidad de aspas de rotor (104) arregladas para rotar alrededor del eje de rotación en una dirección de rotación y que se extiende longitudinalmente en una dirección sustancialmente paralela al eje de rotación;

un miembro de protección (V3) arreglado para proteger, durante el uso, algunas de las aspas de rotor de un flujo de fluido entrante donde la incidencia del fluido en las aspas de rotor actuaría en contra de la rotación del rotor en la dirección de rotación,

en donde las aspas de rotor se distribuyen alrededor de la circunferencia del rotor y se separan del eje de rotación, de manera que definen un espacio sustancialmente cilíndrico dentro del rotor a través de cuyo espacio pasa el flujo de fluido, durante el uso de la turbina;

en donde el miembro de protección se define por una superficie radialmente hacia dentro y una superficie radialmente hacia fuera, la superficie radialmente hacia dentro que sigue sustancialmente a una porción de la circunferencia del rotor;

en donde la superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección comprende una primera porción que confluye con la superficie radialmente hacia dentro y en la región de la interfaz con la superficie radialmente hacia dentro, la primera porción se extiende en una primera dirección (n) que hace un ángulo de al menos 0 grados y hasta 90 grados con la dirección radial (r1) del rotor medido en la dirección contraria a la rotación de la dirección radial (r1) a la primera dirección (n);

en donde la superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección comprende una segunda porción que confluye con la primera porción y el ángulo entre la primera dirección y una segunda dirección (p) que sigue al menos una porción de la superficie de la segunda porción es mayor que 0 grados y menor que 100 grados medido en la dirección contraria a la rotación desde la primera dirección (n) a la segunda dirección (p), y

en donde la superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección comprende una tercera porción que confluye con la segunda porción y al menos una porción de la tercera porción se extiende en una tercera dirección (q) que hace un ángulo mayor que 0 grados con la segunda dirección (p) medido en la dirección de rotación desde la segunda dirección (p) a la tercera dirección (q).

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DESCRIPCION

Turbina Campo de la invención La presente invención se refiere a una turbina para capturar energía de un flujo de fluido, en particular una turbina de viento. Sin embargo, la invención se puede aplicar también a turbinas accionadas por agua.

Antecedentes de la invención La energía que fluye en los fluidos tales como del viento, que fluye de los ríos y de las mareas es una fuente de energía para generar, por ejemplo, electricidad sin producir emisiones de contaminantes tales como dióxido de carbono. En la actualidad hay una necesidad de dispositivos que puedan generar energía eléctrica del viento u otros flujos de fluidos eficiente y económicamente. Incluso los dispositivos comerciales e industriales existentes tienen un período de amortización excesivo que hace muy difícil de justificar sobre una base puramente económica y comercial.

Hay dos tipos principales de turbinas de viento:

La turbina de viento de eje horizontal (HAWT) donde el viento sopla a lo largo del eje de rotación, a través del "disco" formado por las aspas giratorias; y La turbina de viento de eje vertical (VAWT) donde el viento es perpendicular al eje de rotación.

La HAWT es un diseño de la hélice, con aspas largas unidas en un extremo a un buje giratorio. Una vez que gira, la dirección del viento aparente que afecta a cada aspa varía a lo largo de la longitud del aspa, que está retorcida a fin de alcanzar un rendimiento óptimo. Ahora parece aceptado que solamente el tercio exterior de la longitud del aspa genera energía apreciable. Los tamaños más grandes de HAWTS crean importantes problemas de ingeniería y de instalación y son ruidosos.

La VAWT se ejemplifica por el diseño de Darrieus descrito primero por Georges Jean Marie Darrieus en la patente de Estados Unidos núm. 1, 835, 018. La turbina tiene un eje que gira alrededor de un eje que se extiende perpendicularmente hacia la dirección del viento. La turbina tiene una pluralidad de aspas, que están conectadas mecánicamente al eje. Las aspas tienen una sección aerodinámica, que se extiende a lo largo de un eje que es una tangente a un círculo concéntrico con el eje. El viento que sopla a través de la turbina, genera un empuje transversal y por lo tanto la rotación del eje.

Los diseños recientes de las VAWTs por Turby B.V de Lochem, Países Bajos y XC02/Quiet Revolution (solicitud de patente del Reino Unido núm. GB-A-2404227) tienen tres aspas que giran alrededor de un eje longitudinal en el que el extremo superior y el extremo inferior de las aspas están desplazados uno con respecto a otro horizontalmente de manera que cada aspa tiene una forma como de hélice. Otros diseños para turbinas de viento de eje vertical se describen en JP 2008-025518,

WO 2006/039727, WO 02/095221, DE 24 44 803, DE 24 51 751, US 2003/0209911 y WO 2006/095369. Otros diseños de turbinas de viento se describen en US 5, 332, 354 y US 2003/0133782,

Resumen de la invención 45 La presente invención proporciona una turbina para capturar energía de un flujo de fluido, en particular una turbina de viento, de acuerdo con la reivindicación 1.

Se ha encontrado una turbina que tiene la configuración definida anteriormente para tener salida de potencia superior y eficiencia en comparación con los diseños anteriores. Particularmente, muchos diseños anteriores se basan en el efecto 50 Venturi para canalizar el flujo de aire a través de la turbina. El diseño de acuerdo con la invención, al menos en las modalidades actualmente preferidas, crea una región de alta presión en la región del miembro de protección que acelera el fluido dentro y a través del dispositivo. El centro abierto de la turbina permite que cada aspa del rotor interactúe con el fluido dos veces: una vez cuando el fluido entra al rotor y una vez cuando el fluido sale de este rotor. Esto permite que la turbina extraiga la energía máxima del fluido.

La superficie radialmente hacia dentro del miembro de protección sigue a una porción de la circunferencia del rotor. Sin embargo, no es necesario, aunque es posible que la superficie radialmente hacia dentro del miembro de protección siga la circunferencia del rotor a lo largo de la totalidad de la longitud de la superficie radialmente hacia dentro. Por lo tanto la superficie radialmente hacia dentro puede diferir de la dirección circunferencial del rotor, por ejemplo en la dirección de 60 sotavento de la superficie radialmente hacia dentro.

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El ángulo entre la primera dirección y la dirección radial del rotor puede ser mayor que 0 grados, deseablemente mayor que 15 grados, preferentemente mayor que 30 grados, más preferentemente mayor que 45 grados, aún más preferentemente mayor que 60 grados. El ángulo entre la primera dirección y la dirección radial del rotor puede ser menor a 90 grados, preferentemente menor a 85 grados, más preferentemente menor a 80 grados. Un intervalo preferido para el ángulo entre la primera dirección y la dirección radial del rotor está entre 60 grados y 80 grados.

El ángulo entre la primera dirección y la segunda dirección puede ser mayor que 40 grados, preferentemente mayor que 60 grados. Un intervalo preferido para el ángulo entre la primera dirección y la segunda dirección está entre 60 grados y 100 grados, la segunda porción se puede considerar para extenderse en una segunda dirección que hace un ángulo (máximo) mayor que 180 grados en la dirección contraria a la rotación en contra de la primera dirección.

La superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección comprende una tercera porción que confluye con la segunda porción. Al menos una porción de la tercera porción se extiende en una tercera dirección que hace un ángulo mayor que 0 grados en la dirección de rotación con la segunda dirección. Por lo tanto, al menos una porción de la tercera porción se puede extender en una tercera dirección que hace un ángulo de menos de 180 grados en la dirección contraria a la rotación en contra de la segunda dirección. El ángulo entre la segunda dirección y la tercera dirección puede ser menor a 90 grados, preferentemente menor a 60 grados. El ángulo entre la segunda dirección y la tercera dirección puede ser mayor que 30 grados. Un intervalo preferido para el ángulo entre la segunda dirección y la tercera dirección es entre 30 grados y 60 grados, en cierras modalidades, donde la tercera porción es particularmente corta, el ángulo entre la segunda porción y la tercera porción puede ser mayor que 90 grados.

Donde la superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección es curvada, la primera dirección y/o la segunda dirección y/o la tercera dirección se pueden determinar con referencia a la tangente a la porción relevante de la superficie curvada. Por lo tanto, de acuerdo con la invención, las superficies curvadas se seleccionan para tener cada una al menos una tangente que cumple con los requerimientos de la dirección relevante.

La tercera porción puede tener una longitud mayor que la mitad del radio del rotor y menor una tercera parte del radio del rotor. Preferentemente la tercera porción tiene una longitud mayor que 70% del radio del rotor, más preferentemente la tercera porción tiene una longitud mayor que el radio del rotor. Preferentemente la tercera porción tiene una longitud menor que dos veces el radio del rotor. La tercera porción puede tener una longitud menor al radio del rotor. En la determinación de una longitud adecuada para la tercera porción (cola) , hay una compensación entre la salida de potencia de la turbina y la estabilidad y la capacidad de fabricación del dispositivo general.

Las aspas de rotor pueden tener una sección transversal arqueada. En este sentido, el arqueo no implica que las aspas de rotor estén formadas por un arco de un círculo, aunque esto es posible, simplemente que las aspas de rotor estén curvadas de alguna manera. Un diseño de aspa curvada con una superficie posterior cóncava es eficaz en la "captura" del flujo de fluido. De manera similar, una superficie delantera convexa del aspa del rotor puede guiar el flujo de fluido a través de la turbina.

Las aspas se pueden inclinar con respecto a la dirección radial del rotor. Por lo tanto, una línea de acorde entre los extremos de la sección transversal arqueada de las aspas puede formar un ángulo mayor que 0 grados y menor a 45 grados en la dirección contraria a la rotación con la dirección radial hacia fuera del rotor. El uso del término "línea de acorde" no pretende dar a entender que las aspas están formadas por un arco de un círculo, aunque esto es posible. El ángulo de la línea... [Seguir leyendo]

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Reivindicaciones

1. Una turbina para capturar energía de un flujo de fluido, en particular una turbina de viento, la turbina que comprende:

un rotor que tiene un eje de rotación y una pluralidad de aspas de rotor (104) arregladas para rotar alrededor del eje de rotación en una dirección de rotación y que se extiende longitudinalmente en una dirección sustancialmente paralela al eje de rotación; un miembro de protección (V3) arreglado para proteger, durante el uso, algunas de las aspas de rotor de un flujo de fluido entrante donde la incidencia del fluido en las aspas de rotor actuaría en contra de la rotación del rotor en la dirección de rotación, en donde las aspas de rotor se distribuyen alrededor de la circunferencia del rotor y se separan del eje de rotación, de manera que definen un espacio sustancialmente cilíndrico dentro del rotor a través de cuyo espacio pasa el flujo de fluido, durante el uso de la turbina; en donde el miembro de protección se define por una superficie radialmente hacia dentro y una superficie radialmente hacia fuera, la superficie radialmente hacia dentro que sigue sustancialmente a una porción de la circunferencia del rotor; en donde la superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección comprende una primera porción que confluye con la superficie radialmente hacia dentro y en la región de la interfaz con la superficie radialmente hacia dentro, la primera porción se extiende en una primera dirección (n) que hace un ángulo de al menos 0 grados y hasta 90 grados con la dirección radial (r1) del rotor medido en la dirección contraria a la rotación de la dirección radial (r1) a la primera dirección (n) ; en donde la superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección comprende una segunda porción que confluye con la primera porción y el ángulo entre la primera dirección y una segunda dirección (p) que sigue al menos una porción de la superficie de la segunda porción es mayor que 0 grados y menor que 100 grados medido en la dirección contraria a la rotación desde la primera dirección (n) a la segunda dirección (p) , y en donde la superficie radialmente hacia fuera del miembro de protección comprende una tercera porción que confluye con la segunda porción y al menos una porción de la tercera porción se extiende en una tercera dirección (q) que hace un ángulo mayor que 0 grados con la segunda dirección (p) medido en la dirección de rotación desde la segunda dirección (p) a la tercera dirección (q) .

2. Una turbina como se reivindicó en la reivindicación 1, en donde dicho ángulo entre la primera dirección (n) y la dirección radial (r1) del rotor es mayor que 0 grados y menor que 90 grados.

3. Una turbina como se reivindicó en la reivindicación 1 o 2, en donde el ángulo entre la primera dirección (n) y la segunda dirección (p) es mayor que 40 grados y menor que 100 grados.

4. Una turbina como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el ángulo entre la segunda dirección (p) y la tercera dirección (q) es menor que 90 grados.

5. Una turbina como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la tercera porción tiene una longitud mayor que la mitad del radio del rotor y menor una tercera parte del radio del rotor.

6. Una turbina como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las aspas de rotor son arqueadas en sección transversal y una línea de acorde (m) entre los extremos de la sección transversal arqueada de las aspas hace un ángulo mayor que 0 grados y menor que 45 grados en la dirección contraria a la rotación con la dirección radial hacia fuera (r2) del rotor.

7. Una turbina como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende más de cinco aspas de rotor y menos de 19 aspas de rotor.

8. Una turbina como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la extensión de las aspas de rotor en la dirección radial del rotor es mayor que 10% del radio del rotor y menor que 50% del radio del rotor.

9. Una turbina como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además un miembro para dirigir el flujo (V2) dentro del espacio sustancialmente cilíndrico.

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10. Una turbina como se reivindicó en la reivindicación 9, en donde el miembro para dirigir el flujo tiene una superficie radialmente hacia fuera que sigue sustancialmente a una porción de la circunferencia del espacio sustancialmente cilíndrico.

11. Una turbina como se reivindicó en la reivindicación 10, en donde el miembro para dirigir el flujo tiene una superficie radialmente hacia dentro que reproduce sustancialmente la superficie radialmente hacia fuera.