ТУРБИННАЯ СИСТЕМА НА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК F03D3/04 F03D7/06 F03D11/00 

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка является родственной и заявляет приоритет по отношению к заявке US 12/268,274, поданной 10 ноября 2008 года, и предварительной заявке US 61/094,386, поданной 4 сентября 2008 года, ссылки на которые означают их полное включение в описание настоящей заявки.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники

[0002] Настоящая заявка относится к турбинам на текучей среде и, в частности, к турбинам на текучей среде, имеющим вертикальную ось.

Описание уровня техники

[0003] Известно использование турбин для получения энергии из движущихся текучих сред, таких как вода или воздух. Однако известные агрегаты и их различные компоненты имеют различные хорошо известные ограничения и недостатки.

Так, из уровня техники известная ветряная турбина (US 2004/0036297 A1, 26.02.2004, F09B 9/00), содержащая ротор турбины с расположенными по окружности роторными лопастями, примыкающими к втулке ротора и выполненными с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, и лопатки статора, расположенные на расстоянии друг от друга вокруг ротора. Роторные лопасти имеют внутреннюю кромку, примыкающую к втулке ротора с обеспечением задания камер для воздуха, а также имеют однородное горизонтальное сечение по всей их вертикальной длине и плоские вертикальные поверхности. Каждая из лопаток статора имеет радиально внутреннюю лицевую поверхность, радиально внешнюю поверхность и выступ, расположенный на внешней кромке указанной лопатки под острым углом к указанной внешней поверхности, и проходит в вертикальном направлении между верхней пластиной и нижней пластиной с обеспечением задания канала для потока воздуха, ограниченного внутренней лицевой поверхностью одной лопатки статора, и внешней лицевой поверхностью другой смежной лопатки статора и верхней и нижней пластинами. При этом каждая лопатка статора и ее выступ имеют однородное горизонтальное сечение по всей их вертикальной длине, что обеспечено выполнением внутренней и внешней лицевыми поверхностями, плоскими и расположенными параллельно друг другу. Каждая из лопаток статора выполнена с возможностью воздействия на нее потока воздуха с обеспечением возможности создания этим потоком воздуха первой области вихревых потоков поверх выступа лопатки статора с острой кромкой и второй области вихревых потоков под острой кромкой указанного выступа лопатки статора для перенаправления по меньшей мере части потока воздуха в соответствующий канал для потока воздуха, образованный между двумя смежными лопатками статора.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Приводимые в качестве примера варианты реализации, описываемые в настоящей заявке, имеют ряд признаков, ни один из которых в отдельности не является обязательным для обеспечения желаемых свойств этих вариантов реализации или ответственным за обеспечение желаемых свойств этих вариантов реализации. Некоторые из полезных признаков будут кратко описаны ниже без ограничения объема формулы изобретения.

[0005] В некоторых вариантах реализации турбинная система на текучей среде содержит турбину, концентратор и регулируемый концентратор. Турбина содержит лопаточный узел, который содержит лопатки, выполненные с возможностью вращения вокруг оси. По меньшей мере одна из лопаток задает открытую секцию, расположенную таким образом, что часть этой секции находится ближе к указанной оси, чем к наружному краю лопатки. Турбина, кроме того, содержит толкательную половину и возвратную половину для данного направления основного потока текучей среды, которое задает направление навстречу течению и направление далее по течению. Концентратор выполнен с возможностью размещения в позиции непосредственно спереди по течению относительно по меньшей мере части возвратной половины турбины. В указанной позиции концентратор задает выпуклую поверхность, обращенную навстречу течению, и вогнутую поверхность, обращенную далее по течению. Выпуклая поверхность выполнена с возможностью отклонять по меньшей мере некоторое количество текучей среды к толкательной половине турбины, а вогнутая поверхность выполнена с возможностью перенаправлять по меньшей мере некоторое количество текучей среды, текущей в целом навстречу течению от возвратной половины турбины для протекания в целом далее по течению. Регулируемый концентратор выполнен с возможностью размещения спереди по течению относительно турбины и ближе к толкательной половине, чем к возвратной половине. Регулируемый концентратор содержит отклоняющую поверхность, обеспечивающую отклонение текучей среды, а отклоняющая поверхность выполнена с возможностью размещения таким образом, чтобы проходить в целом параллельно указанной оси вдоль значительной части высоты турбины. Регулируемый концентратор выполнен с возможностью перемещения между первой позицией и второй позицией, и при этом регулируемый концентратор сконфигурирован для отклонения большего количества текучей среды к лопаточному узлу в первой позиции, чем во второй позиции.

[0006] В некоторых вариантах реализации турбинная система на текучей среде содержит турбину и концентратор. Турбина содержит лопатки, выполненные с возможностью вращения вокруг некоторой оси, а лопатки задают окно вдоль значительной части высоты лопаток. Первая плоскость, параллельная указанной оси и проходящая через указанную ось, делит пространство, окружающее турбину, на возвратную сторону и толкательную сторону, расположенную напротив возвратной стороны, а турбина сконфигурирована для вращения в целом в направлении навстречу течению на возвратной стороне и в целом в направлении далее по течению на толкательной стороне по отношению к текучей среде, текущей номинально параллельно указанной плоскости. Концентратор выполнен с возможностью размещения спереди по течению относительно по меньшей мере части турбины и по меньшей мере частично или полностью на возвратной стороне. Концентратор содержит первую криволинейную поверхностную часть, сконфигурированную таким образом, что она проходит от первой позиции, находящейся спереди по течению относительно турбины, во вторую позицию, находящуюся еще ранее по течению относительно турбины, и далее на возвратную сторону. Первая криволинейная поверхностная часть сконфигурирована таким образом, что выпуклостью обращена в направлении навстречу течению потока текучей среды, и выполнена с возможностью позиционирования таким образом, чтобы отклонять по меньшей мере некоторое количество текучей среды к толкательной стороне. Концентратор, кроме того, выполнен с возможностью размещения таким образом, чтобы создавать относительное разрежение, с тем чтобы отводить по меньшей мере некоторое количество текучей среды от окон лопаток.

[0007] Турбинная система на текучей среде по предыдущему абзацу, в которой концентратор содержит вторую поверхностную часть, выполненную с возможностью размещения дальше на возвратной стороне относительно первой криволинейной поверхностной части, причем эта вторая поверхностная часть сконфигурирована таким образом, что проходит из третьей позиции в четвертую позицию, которая находится дальше на возвратной стороне и ниже по течению, чем третья позиция.

[0008] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой концентратор содержит заднюю поверхностную часть, сконфигурированную таким образом, что вогнутостью она обращена далее по течению, при этом задняя поверхностная часть содержит поверхностную часть, направленную навстречу течению потока, промежуточную поверхностную часть и поверхностную часть, направленную далее по течению потока; при этом поверхностная часть, направленная навстречу течению потока, имеет такую форму и выполнена с возможностью размещения таким образом, чтобы направлять по меньшей мере некоторое количество текучей среды, текущей навстречу течению от турбины, к промежуточной поверхностной части; промежуточная поверхностная часть имеет такую форму и выполнена с возможностью размещения таким образом, чтобы перенаправлять по меньшей мере некоторое количество текучей среды, текущей навстречу течению для протекания в целом далее по течению к поверхностной части, направленной далее по течению потока; а поверхностная часть, направленная далее по течению потока, имеет такую форму и выполнена с возможностью размещения таким образом, чтобы принимать по меньшей мере некоторое количество текучей среды от промежуточной части поверхности и направлять по меньшей мере некоторое количество текучей среды в целом далее по течению внутрь текучей среды, текущей номинально параллельно указанной плоскости.

[0009] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой концентратор сконфигурирован таким образом, что проходит в направлении дальше внутрь возвратной стороны по меньшей мере до наружного края турбины, так что концентратор по меньшей мере пересекает вторую плоскость, причем вторая плоскость является касательной к наружному краю турбины и параллельной первой плоскости.

[0010] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой вторая плоскость удалена от первой плоскости на расстояние, равное радиусу вершины лопатки, и в которой концентратор сконфигурирован таким образом, что проходит за пределы второй плоскости по меньшей мере на двадцать пять процентов радиуса вершины лопатки.

[0011] В некоторых вариантах реализации турбинная система на текучей среде содержит турбину и концентратор. Турбина выполнена с возможностью вращения вокруг некоторой оси, а плоскость, параллельная этой оси и проходящая через эту ось, делит пространство, окружающее турбину, на возвратную сторону и толкательную сторону, расположенную напротив возвратной стороны. Турбина выполнена таким образом, чтобы вращаться в целом в направлении навстречу течению на возвратной стороне и в целом в направлении далее по течению на толкательной стороне по отношению к текучей среде, текущей номинально параллельно указанной плоскости. Турбина имеет возвратный наружный край, наиболее удаленный от толкательной стороны. Концентратор выполнен с возможностью размещения спереди по течению относительно по меньшей мере части турбины и по меньшей мере частично или полностью на возвратной стороне. Концентратор имеет в целом u-образное сечение, а u-образное сечение имеет обращенную навстречу течению поверхностную часть, выполненную с возможностью размещения таким образом, что выпуклостью она обращена навстречу течению, и обращенную далее по течению поверхностную часть, выполненную с возможностью размещения таким образом, что вогнутостью она обращена далее по течению. Обращенная навстречу течению поверхностная часть выполнена с возможностью размещения таким образом, чтобы направлять толкающую часть текучей среды к толкательной стороне и направлять возвратную часть текучей среды далее по течению от турбины. Обращенная далее по течению поверхностная часть образует частично замкнутую область, имеющую такую форму и выполненную с возможностью размещения таким образом, чтобы принимать создающую лобовое сопротивление часть текучей среды от турбины и перенаправлять создающую лобовое сопротивление часть текучей среды далее по течению внутрь возвратной части текучей среды. Концентратор имеет возвратный конец, сконфигурированный таким образом, чтобы быть наиболее удаленным от толкательной стороны. Возвратный конец выполнен с возможностью размещения таким образом, чтобы наименьшее расстояние между возвратным концом концентратора и указанной плоскостью было по меньшей мере в 1,2 раза больше, чем наименьшее расстояние между возвратным наружным краем турбины и указанной плоскостью.

[0012] Турбинная система на текучей среде по предыдущему абзацу, в которой весь концентратор выполнен с возможностью размещения спереди по течению относительно всей турбины.

[0013] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой концентратор имеет форму, по существу как сечение полого крыла.

[0014] В некоторых вариантах реализации турбинная система на текучей среде содержит турбину и регулируемый концентратор. Турбина выполнена с возможностью вращения вокруг некоторой оси. Первая плоскость, параллельная этой оси и проходящая через эту ось, делит пространство, окружающее турбину, на возвратную сторону и толкательную сторону, противоположную возвратной стороне. Турбина выполнена таким образом, чтобы вращаться в целом в направлении навстречу течению на возвратной стороне и в целом в направлении далее по течению на толкательной стороне по отношению к текучей среде, текущей номинально параллельно указанной плоскости. Турбиной также задана траектория обметания. Регулируемый концентратор выполнен с возможностью размещения на толкательной стороне и спереди по течению относительно всей траектории обметания турбины. Регулируемый концентратор содержит отклоняющую поверхность, выполненную с возможностью размещения таким образом, чтобы проходить в целом параллельно указанной оси вдоль значительной части высоты турбины. Отклоняющая поверхность выполнена с возможностью отклонения по меньшей мере некоторого количества текучей среды. Регулируемый концентратор выполнен с возможностью перемещения между первой позицией и второй позицией, а отклоняющая поверхность сконфигурирована таким образом, чтобы во второй позиции отклонять меньшее количество текучей среды к турбине, чем в первой позиции.

[0015] Турбинная система на текучей среде по предыдущему абзацу, в которой регулируемый концентратор выполнен с возможностью поворота вокруг своей оси из первой позиции во вторую позицию.

[0016] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой регулируемый концентратор сконфигурирован таким образом, чтобы быть смещаемым к первой позиции.

[0017] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой регулируемый концентратор выполнен таким образом, чтобы поток текучей среды, текущий вокруг него, обеспечивал перевод регулируемого концентратора из первой позиции во вторую позицию.

[0018] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой регулируемый концентратор имеет форму, в целом похожую на крыло, и выполнен с возможностью отклонять по меньшей мере некоторое количество текучей среды к турбине при низкой скорости текучей среды, с тем чтобы увеличивать выходной крутящий момент, а также выполнен с возможностью отклонять меньше текучей среды к турбине или не отклонять текучую среду к турбине при высокой скорости текучей среды, с тем чтобы предотвращать повреждение турбины.

[0019] В некоторых вариантах реализации турбина на текучей среде содержит лопатки, выполненные с возможностью вращения вокруг некоторой оси. По меньшей мере одна из лопаток задает открытую секцию, расположенную таким образом, что область нахождения открытой секции находится ближе к указанной оси, чем к наружному краю лопатки. Турбина содержит толкательную половину и возвратную половину для данного направления основного потока текучей среды, которое задает направление навстречу течению и направление далее по течению. По меньшей мере одна из лопаток представляет собой толкаемую лопатку; толкаемая лопатка содержит открытую секцию и содержит вершину. Толкаемая лопатка выполнена с возможностью позиционирования в толкаемую позицию, в которой вершина толкаемой лопатки расположена на толкательной половине. Толкаемая лопатка, кроме того, содержит толкаемую поверхностную часть, обращенную в целом навстречу течению, когда толкаемая лопатка находится в толкаемой позиции. По меньшей мере одна из лопаток представляет собой улавливающую лопатку; улавливающая лопатка содержит вершину. Улавливающая лопатка выполнена с возможностью позиционирования в улавливающую позицию, в которой вершина улавливающей лопатки находится в целом ниже по течению относительно указанной оси. Улавливающая лопатка, кроме того, содержит улавливающую поверхностную часть, обращенную в целом навстречу течению, когда улавливающая лопатка находится в улавливающей позиции. Турбина выполнена с возможностью получения крутящего момента, при этом находящаяся спереди по течению лопатка представляет собой толкаемую лопатку в толкаемой позиции, а находящаяся ниже по течению лопатка представляет собой улавливающую лопатку в улавливающей позиции. Позиция получения крутящего момента задана одной лопаткой, расположенной ниже другой по течению, при этом улавливающая поверхностная часть расположенной ниже лопатки находится непосредственно под открытой секцией расположенной спереди лопатки.

[0020] Турбина на текучей среде по предыдущему абзацу, в которой по меньшей мере одна из лопаток представляет собой поднятую лопатку; поднятая лопатка содержит вершину и выполнена с возможностью позиционирования в поднятую позицию, в которой вершина расположена в целом спереди по течению относительно указанной оси; поднятая лопатка дополнительно содержит криволинейную поверхностную часть, которая выпуклостью обращена от возвратной половины, когда поднятая лопатка находится в поднятой позиции; криволинейная поверхностная часть имеет такую форму и выполнена таким образом, чтобы отклонять текучую среду, текущую в целом далее по течению через эту криволинейную поверхность, от возвратной половины, когда поднятая лопатка находится в поднятой позиции.

[0021] Турбина на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой поднятая лопатка задает открытую секцию, причем открытая секция поднятой лопатки обеспечивает возможность для по меньшей мере некоторого количества текучей среды течь через эту открытую секцию поднятой лопатки.

[0022] Турбина на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой лопатки содержат четыре лопатки, отходящие от указанной оси и равноудаленные друг от друга, и при этом каждая из четырех лопаток бывает поднятой лопаткой, толкаемой лопаткой и улавливающей лопаткой; четыре лопатки задают открытую секцию, так что внутренняя радиальная половина четырех лопаток является по существу открытой; четыре лопатки содержат переднюю поверхностную часть и заднюю поверхностную часть, которые находятся по меньшей мере по существу на наружной радиальной половине лопаток; причем передняя поверхностная часть содержит в целом прямую часть и криволинейную часть, расположенную радиально снаружи от в целом прямой части; четыре лопатки выполнены с возможностью размещения в горизонтальной позиции, в которой в целом прямая часть перпендикулярна указанной плоскости и обращена навстречу течению, при этом криволинейная часть расположена ранее по течению, чем в целом прямая часть, когда лопатки находятся в горизонтальной позиции; и причем задняя поверхностная часть проходит от первого конца вблизи вершины лопаток ко второму концу вблизи открытой секции, задняя поверхностная часть является по существу криволинейной и имеет такую форму, что выпуклостью она обращена далее по течению, когда четыре лопатки находятся в горизонтальной позиции; задняя поверхностная часть имеет такую форму и выполнена таким образом, что точка на задней поверхностной части, расположенная наиболее низко по течению, когда четыре лопатки находятся в горизонтальной позиции, находится между первым концом и вторым концом задней поверхностной части.

[0023] Турбина на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой поперечное сечение четырех лопаток является по существу постоянным вдоль значительной части высоты четырех лопаток.

[0024] Турбина на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой открытая секция, заданная по меньшей мере одной из лопаток, является непрерывной.

[0025] Турбина на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой открытая секция, заданная по меньшей мере одной из лопаток, является прерывистой.

[0026] Турбина на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой набор лопаток содержит массив горизонтальных лопаточных секций, сконфигурированных таким образом, чтобы быть расположенными вдоль указанной оси.

[0027] Турбина на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой горизонтальные лопаточные секции содержат по меньшей мере две лопатки, сконфигурированные для того, чтобы быть неподвижными по отношению к соседней горизонтальной лопаточной секции и иметь угловое смещение относительно соседней горизонтальной лопаточной секции.

[0028] Турбинная система на текучей среде по одному из предшествующих абзацев, в которой массив содержит по меньшей мере три горизонтальные лопаточные секции, имеющие угловое смещение для формирования по существу спирали, выполненной с возможностью устранения цикличности в получении крутящего момента.

В вышеописанных вариантах реализации турбинной системы на текучей среду каждая из лопаток турбины этой турбинной системы может задавать в целом плоскую толкаемую поверхностную часть и криволинейную часть на передней поверхности указанной лопатки, причем криволинейная часть может быть расположена радиально дальше от оси вращения указанной лопатки, чем толкаемая поверхностная часть, а каждая из лопаток может дополнительно задавать выпуклую заднюю поверхностную часть на поверхности, противолежащей толкаемой поверхностной части. Такая конфигурация лопаток турбины в турбинной системе обеспечивает дополнительный технический результат в виде увеличения количества энергии, производимой такой турбиной, вследствие по меньшей мере уменьшения, посредством выпуклой задней поверхности лопаток, лобового сопротивления встречному воздушному потоку и наличия возможности захвата, посредством криволинейной части лопаток турбины, потока воздуха в конце цикла толкания этих лопаток.

[0029] Раскрытие информации также включает способы использования и способы изготовления систем и/или различных компонентов или сочетаний компонентов, описанных выше или в любой другой части настоящей заявки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0030] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества изобретений будут лучше уяснены на примере вариантов реализации, изображенных на прилагаемых чертежах. Изображенные варианты реализации не ограничивают объем изобретений.

[0031] Фиг. 1 - схема, изображающая вариант реализации турбинной системы на текучей среде.

[0032] Фиг. 2 - вид сверху турбинной системы на текучей среде из фиг. 1, изображающий различные возможные траектории течения текучей среды.

[0033] Фиг. 3А - вид сверху турбинной системы на текучей среде из фиг. 1, изображающий различные возможные скоростные зоны.

[0034] Фиг. 3В - план скоростей текучей среды в имеющей вертикальную ось турбинной системе на текучей среде из фиг. 1, показывающий приблизительные скоростные зоны, изображенные на фиг. 3А.

[0035] Фиг. 4А - вид сверху турбинной системы на текучей среде из фиг.1, показывающий различные возможные зоны давления.

[0036] Фиг. 4В - план давлений, показывающий давление, развиваемое текучей средой, когда она проходит через имеющую вертикальную ось турбинную систему на текучей среде из фиг. 1.

[0037] Фиг. 5 - вид сверху турбинной системы на текучей среде из фиг. 1 с регулируемым концентратором, показывающий возможные траектории течения текучей среды при низкой скорости.

[0038] Фиг. 6А - вид сверху еще одного варианта реализации турбинной системы на текучей среде без регулируемого концентратора, изображающий различные возможные скоростные зоны.

[0039] Фиг.6В - план скоростей имеющей вертикальную ось турбинной системы на текучей среде из фиг.6.

[0040] Фиг.7 - перспективный вид компонентов варианта реализации турбинной системы на текучей среде с лопаточным узлом, концентратором и регулируемым концентратором.

[0041] Фиг.8 - вид сбоку турбинной системы на текучей среде, включающий компоненты из фиг.7 и, кроме того, изображающий хвостовой стабилизатор.

[0042] Фиг.9 - перспективный вид лопаточного узла турбинной системы на текучей среде из фиг.8.

[0043] Фиг.10 - вид спереди лопаточного узла, показанного на фиг.9.

[0044] Фиг.11 - перспективный вид концентратора турбинной системы на текучей среде из фиг.8.

[0045] Фиг.12 - перспективный вид регулируемого концентратора турбинной системы на текучей среде из фиг.8.

[0046] Фиг.13 - перспективный вид еще одного варианта реализации лопаточного узла.

[0047] Фиг.14 - вид спереди лопаточного узла, показанного на фиг.13.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

[0048] Несмотря на то что ниже раскрыты определенные предпочтительные варианты реализации и примеры, объект изобретения выходит за рамки конкретных раскрытых вариантов реализации и охватывает другие возможные варианты реализации и/или области применения, а также их модификации и эквиваленты. Таким образом, объем формулы, прилагаемой к настоящей заявке, не ограничен какими-либо конкретными вариантами реализации, описанными ниже. Например, в любом способе или процессе, раскрытом в настоящей заявке, действия или операции этого способа или процесса могут выполняться в любой подходящей последовательности и не обязательно ограничены конкретной раскрытой последовательностью. Различные операции могут быть описаны по очереди как совокупность отдельных операций, с тем чтобы облегчить понимание определенных вариантов реализации; однако порядок описания не следует истолковывать таким образом, что эти операции подчинены этому порядку. Кроме того, конструкции, системы и/или устройства, описываемые в настоящей заявке, могут быть реализованы как интегрированные компоненты или как отдельные компоненты. В целях сравнения различных вариантов реализации описаны определенные аспекты и преимущества этих вариантов реализации. Не обязательно все эти аспекты или преимущества обеспечиваются любым конкретным вариантом реализации. Таким образом, например, различные варианты реализации могут быть осуществлены способом, который обеспечивает или оптимизирует одно преимущество или группу преимуществ, как описано в настоящей заявке, но не обязательно обеспечивает другие аспекты или преимущества, которые тоже могут быть описаны или подразумеваться в настоящей заявке.

[0049] На Фиг.1 схематично изображен вариант реализации турбинной системы 100 на текучей среде. Система 100 может включать лопаточный узел 140, концентратор 120, регулируемый концентратор 110, направляющий двигатель 102, хвостовой стабилизатор 104, редуктор 106 и генератор 108. В варианте реализации, изображенном на фиг.1, узел 140, концентратор 120 и концентратор 110 расположены согласно одной возможной конфигурации турбинной системы. Предположительный основной поток текучей среды от верхней части фиг.1 к нижней части фиг.1 задает направления «навстречу течению» и «далее по течению». Концентратор 120 и концентратор 110 расположены спереди по течению относительно узла 140, как показано на фиг.1. Принятое направление основного потока текучей среды служит для упрощения описания и помогает в определении конструкции турбинной системы. Специалист в данной области понимает, что реальный поток может не течь согласованно и однородно в одном направлении.

[0050] Узел 140 может содержать лопатки. Как изображено на фиг.1, четыре лопатки 142, 144, 146, 148 выполнены с возможностью вращения вокруг оси Y, соответствующей центральной оси центрального вала 190. Направление основного потока текучей среды также задает направление вращения лопатки. Узел 140, показанный на фиг.1, будет стремиться вращаться против часовой стрелки под действием текучей среды, текущей в направлении основного потока текучей среды. Как изображено на виде сверху узла 140, показанном на фиг.1, четыре лопатки могут иметь одинаковое поперечное сечение. Каждая лопатка имеет вершину 150, 152, 154, 156. Вершины 150, 152, 154, 156 задают радиус, на котором вершина лопатки находится от оси Y, который может быть назван радиусом вершины лопатки. Каждая лопатка 142, 144, 146, 148 имеет переднюю сторону и заднюю сторону, находящиеся по обе стороны вершины 150, 152, 154, 156. Большая часть передней стороны лопаток 142, 144, 146, 148 будет обращена от направления вращения лопатки, а большая часть задней стороны будет обращена к направлению вращения лопатки.

[0051] В поперечном сечении каждая лопатка, показанная на фиг.1, имеет по существу прямую секцию 158, 160, 162, 164, проходящую вдоль касательной вала 190. Секции 158, 160, 162, 164 лопаток могут включать открытую секцию или окна, проходящую или проходящие вдоль лопаток в высоту (показаны пунктирными линиями на фиг.1, см. также фиг.9). В некоторых вариантах реализации открытые секции лопаток проходят вдоль значительной части высоты лопаток. Наличие в лопатках по существу прямых секций не является обязательным условием. В частности, в вариантах реализации, где по существу прямая секция поперечного сечения лопатки соответствует открытой секции лопатки, геометрия опоры лопатки может оказывать незначительное влияние на движение текучей среды возле лопатки. Однако для упрощения производства и экономии материала опоры лопаток вдоль открытой секции могут быть по существу прямыми. Открытые секции могут быть непрерывными или прерывистыми вдоль высоты лопаток. В некоторых вариантах реализации каждая лопатка имеет открытую секцию. Открытая секция может быть расположена так, что она находится ближе к оси Y, чем наружный край лопатки. В некоторых вариантах реализации внутренняя радиальная приблизительно половина лопаточного узла является по существу открытой, так что лопатки имеют небольшую или нулевую площадь поверхности, на которую воздействует текучая среда, внутри внутренней радиальной приблизительно половины лопаточного узла. Открытая область может быть меньше или больше, в зависимости от желаемого крутящего момента и характеристик лобового сопротивления. Открытые секции, расположенные ближе к оси, чем к наружному краю лопаток, могут обеспечивать передачу импульса от текучей среду на ту часть лопатки, которая обеспечивает наибольший крутящий момент (т.е. на более дальнюю от оси), и уменьшать лобовое сопротивление, создаваемое текучей средой, находящейся ближе к оси вращения.

[0052] Для целей описания плоскость Х показана на фиг.1 как линия. Плоскость Х параллельна оси Y и проходит через ось Y, с возможностью вращения вокруг которой выполнены лопатки, а также параллельна основному потоку текучей среды. Плоскость Х делит пространство, окружающее турбинный узел, в целом на две половины: толкательную сторону и возвратную сторону. Лопатка 144 находится на толкательной стороне, поскольку текучая среда, текущая в направлении основного потока текучей среды, как определено выше, стремится повернуть лопаточный узел, так что лопатка 144 толкается текучей средой и поворачивается в направлении далее по течению из позиции, показанной на фиг.1. Лопатка 148 находится на возвратной стороне, поскольку лопатка 148 будет стремиться повернуться вперед по течению, с тем чтобы вернуться на толкательную сторону под действием условного основного потока текучей среды, заданного выше для фиг.1. Турбина как таковая может тоже иметь две половины: толкательную половину и возвратную половину. Для данного направления основного потока текучей среды, которым задано направление вперед по течению и направление назад по течению, толкательная половина турбины стремится повернуться вперед по течению, а возвратная половина турбины стремится повернуться назад по течению.

[0053] С помощью фиг.1 могут быть охарактеризованы несколько позиций лопаток для упрощения описания геометрии лопаток 142, 144, 146, 148, а также их работы. Лопатка 142 может рассматриваться как находящаяся в поднятой позиции. Поднятая позиция характеризуется тем, что лопатка расположена таким образом, что ее вершина находится в целом спереди по течению относительно оси Y, a криволинейная поверхностная часть лопатки выпуклостью обращена от возвратной стороны. Вершина 150 лопатки 142, как изображено на фиг.1, находится спереди по течению относительно оси Y, а криволинейная поверхностная часть 166 выпуклостью обращена от возвратной стороны. Лопатка 144 может рассматриваться как находящаяся в толкаемой позиции. Толкаемая позиция может быть охарактеризована тем, что лопатка расположена таким образом, что ее вершина находится на толкательной стороне, а толкаемая поверхностная часть лопатки обращена в целом навстречу течению. Лопатка 144 имеет вершину 152, расположенную на толкательной стороне, и толкаемую поверхностную часть 172, обращенную в целом навстречу течению. Лопатка 146 может рассматриваться как находящаяся в улавливающей позиции. Улавливающая позиция может быть охарактеризована тем, что лопатка расположена таким образом, что вершина лопатки находится в целом далее по течению относительно оси Y, а улавливающая поверхность лопатки обращена в целом навстречу течению. Вершина 154 лопатки 146 находится в целом далее по течению относительно оси Y, а улавливающая поверхностная часть 182 лопатки 146 обращена в целом навстречу течению, как изображено на фиг.1. Лопатка 148 может рассматриваться как находящаяся в возвратной позиции. Возвратная позиция может быть охарактеризована тем, что вершина находится на возвратной стороне, а возвратная поверхность лопатки обращена в целом навстречу течению. Как изображено на фиг.1, лопатка 148 имеет вершину 156, находящуюся на возвратной стороне, и возвратную поверхностную часть 184, обращенную в целом навстречу течению.

[0054] На основании положения лопаток, показанных на фиг.1, лопатка 142 может быть названа поднятой лопаткой, лопатка 144 может быть названа толкаемой лопаткой, лопатка 146 может быть названа улавливающей лопаткой, а лопатка 148 может быть названа возвратной лопаткой. Поскольку узел 140 стремится вращаться в направлении против часовой стрелки, лопатка 142 будет переходить в толкаемую позицию, лопатка 144 будет переходить в улавливающую позицию, лопатка 146 будет переходить в возвратную позицию, а лопатка 148 будет переходить в поднятую позицию. Эти позиции используются для описательных целей, и каждая лопатка может считаться находящейся более чем в одной позиции в любой данной точке вращения данного лопаточного узла. Каждая лопатка может, кроме того, проявлять характеристики по меньшей мере одной из следующих лопаток: поднятая лопатка, толкаемая лопатка, улавливающая лопатка или возвратная лопатка в по меньшей мере в одной точке при ее вращении вокруг оси Y, в том числе одновременно проявлять по меньшей мере две характеристики этих лопаток.

[0055] Как описано выше, лопатка 142 находится в поднятой позиции. Лопатка 142 расположена таким образом и имеет такую форму, чтобы обеспечивать подъем, когда на нее действует текучая среда, тем самым обеспечивая крутящий момент для вращения узла 140. Криволинейная поверхностная часть 168 лопатки 142, как показано на фиг.1, проходит от первого конца 166 вблизи вершины 150 лопатки 142 ко второму концу 170 вблизи в целом прямой секции 158 лопатки 142.

[0056] У лопатки 144 в толкаемой позиции часть 172 обращена в целом навстречу течению. Как изображено на фиг.1, часть 172 может быть в целом прямой и расположенной на передней поверхности лопатки 144. Передняя поверхность лопатки 144 может также включать криволинейную часть 174, расположенную радиально дальше от вала 190, чем часть 172. В положении лопатки 144, показанном на фиг.1, часть 174 находится выше по течению, чем часть 172, когда часть 172 в целом перпендикулярна плоскости X. Лопатка 144 также включает заднюю поверхностную часть 178, находящуюся напротив части 174 и части 172. Часть 178 проходит от первого конца 176 вблизи вершины 152 лопатки 144 ко второму концу 180 вблизи в целом прямой секции 160 лопатки 144. Как изображено на фиг.1, лопатка 144 находится в горизонтальной позиции. Часть 178 лопатки 144 выпуклостью обращена далее по течению. Задняя поверхностная часть, кроме того, имеет такую форму и конфигурацию, что средняя часть части 178 проходит ниже по течению, чем конец 176 и конец 180 части 178, когда лопатка 144 находится в горизонтальной позиции. Поскольку задняя поверхностная часть находится на приблизительно наружной радиальной половине лопатки 144 в варианте реализации, изображенном на фиг.1, средняя часть части 178 тоже расположена снаружи внутренней радиальной половины лопатки 144. Средняя часть части 178 может уменьшать лобовое сопротивление и обеспечивать подъем в различных позициях лопатки, и эти свойства могут быть улучшены путем размещения этой средней поверхностной части вблизи вершины лопатки. Дополнительные свойства лопаток 142, 144, 146, 148 узла 140 описаны ниже.

[0057] Как изображено на схеме из фиг.1, узел 140 может быть присоединен к редуктору 106 и/или генератору 108. В некоторых вариантах реализации редуктор 106 используется для преобразования скорости вращения узла 140. Генератор 108 может быть присоединен к редуктору 106 или узлу 140 для преобразования энергии вращения системы 100 в электрическую энергию. Система 100 может использоваться без редуктора 106 или генератора 108 для выполнения других функций или производства других форм энергии, таких как механическая энергия для приведения в действие некоторого механического устройства.

[0058] Теперь будет описан концентратор 120, изображенный на фиг.1. Концентратор 120 включает обращенную навстречу течению поверхность и обращенную далее по течению поверхность. Концентратор может также включать толкательный конец 134, расположенный наиболее близко к толкательной стороне или наиболее удаленный от возвратной стороны, и возвратный конец 128, находящийся наиболее далеко на возвратной стороне или наиболее удаленный от толкательной стороны. В варианте реализации, показанном на фиг.1, концентратор имеет форму, по существу как передняя секция крыла, с полой или открытой обращенной далее по течению стороной. Обращенная навстречу течению поверхность может включать первую криволинейную поверхностную часть 122, проходящую от первой позиции, находящейся спереди по течению относительно по меньшей мере части турбины, ко второй позиции, находящейся еще ранее по течению, и далее на возвратную сторону. Часть 122 обращенной навстречу течению поверхности может иметь такую форму, что выпуклостью она обращена в целом навстречу течению, и выполнена с возможностью расположения таким образом, чтобы отклонять по меньшей мере некоторое количество текучей среды к толкательной стороне турбинной системы.

[0059] В варианте реализации, изображенном на фиг.1, конец 134 концентратора 120 находится на возвратной стороне от плоскости X. На фиг.1 конец 134 концентратора 120 наиболее близок к толкательной стороне, но остается зазор между концом 134 и плоскостью X. Зазор между концом 134 и плоскостью Х может улучшить такие параметры системы, как КПД, мощность или минимальная скорость текучей среды для запуска системы. Например, текучая среда, текущая в направлении к толкательной стороне от концентратора 120 (например, от части 122), может начать «толкать» лопатку 142 в нужном направлении раньше, чем если бы конец 134 концентратора был расположен ближе к толкательной стороне, либо если бы концентратора 120 не было. По мере поворота лопатки 142 против часовой стрелки из позиции, показанной на фиг.1, текучая среда, протекающая далее по течению и/или к толкательной стороне от концентратора 120, приобретает возможность воздействовать на переднюю сторону лопатки 142 раньше, чем передняя сторона лопатки 142 при иных условиях подверглась бы воздействию текучей среды, подходящей к лопатке 142 в направлении основного потока текучей среды. В некоторых вариантах реализации зазор или наименьшее расстояние между концом 134 концентратора 120 и плоскостью Х больше приблизительно одного процента (1%) радиуса вершины лопатки, больше приблизительно трех процентов (3%) радиуса вершины лопатки или больше приблизительно пяти процентов (5%) радиуса вершины лопатки. В некоторых вариантах реализации зазор находится в диапазоне между приблизительно шестью и семью процентами радиуса вершины лопатки. Однако конец 134 концентратора 120 не обязательно должен быть расположен на возвратной стороне от плоскости X.

[0060] В некоторых вариантах реализации концентратор 120 расположен таким образом, что по меньшей мере часть концентратора 120 находится на толкательной стороне системы 100. Концентратор 120 может, кроме того, пересекать плоскость X, когда находится в этой позиции. Кроме того, может иметься зазор между концом 134 концентратора 120 и плоскостью X, так что концентратор 120 по меньшей мере частично блокирует узел 140 на толкательный стороне. Размещение концентратора 120 с целью по меньшей мере частичной блокировки узла 140 на толкательной стороне может требоваться для того, чтобы замедлить вращение узла 140, остановить вращение узла 140 или защитить систему 100 от повреждения текучей средой, текущей на высоких скоростях. В некоторых вариантах реализации, когда конец 134 концентратора 120 находится на толкательный стороне, имеется блокирующий зазор между концом 134 и плоскостью X. Блокирующий зазор может быть больше приблизительно одного процента (1%) радиуса вершины лопатки, больше приблизительно трех процентов (3%) радиуса вершины лопатки или больше приблизительно пяти процентов (5%) радиуса вершины лопатки. Блокирующий зазор может находиться в диапазоне между приблизительно двадцатью пятью процентами и приблизительно пятьюдесятью процентами радиуса вершины лопатки. В некоторых вариантах реализации блокирующий зазор больше приблизительно пятидесяти процентов радиуса вершины лопатки. И некоторых вариантах реализации блокирующий зазор может составлять приблизительно 100 процентов радиуса вершины лопатки. В некоторых вариантах реализации центр концентратора 120 выполнен с возможностью расположения таким образом, чтобы приблизительно проходить через плоскость X.

[0061] В некоторых вариантах реализации концентратор 120 выполнен с возможностью перемещения между первой позицией и второй позицией. Вторая позиция может соответствовать позиции, в которой система 100 сконфигурирована для извлечения меньшего количества энергии из текучей среды или подставления меньшей части узла 140 под текучую среду, подходящую к системе 100, чем в первой позиции. В некоторых вариантах реализации, когда концентратор 120 находится в первой позиции, конец 134 и конец 128 концентратора 120 находятся на возвратной стороне системы 100. В некоторых вариантах реализации, когда концентратор 120 находится во второй позиции, конец 134 находится на толкательной стороне, а конец 128 находится на возвратной стороне. Концентратор 120 может, кроме того, быть выполнен с возможностью размещения таким образом, чтобы полностью блокировать узел 140 от по существу любого прямого подставления под текучую среду, подходящую к системе 100. В некоторых вариантах реализации концентратор 120 выполнен с возможностью перемещения вдоль направляющей между первой и второй позициями. Двигатель может быть использован для регулировки позиции концентратора 120. Датчик, смонтированный на системе 100 или вблизи системы 100, может быть использован для определения направления или скорости текучей среды. Информация от датчика может быть использована для ручной или автоматической регулировки позиции концентратора 120. Например, датчик, смонтированный на концентраторе 120, может отправить компьютеру сигнал, показывающий высокую скорость жидкости или ветра. Компьютер может решить, что следует переместить концентратор 120, с тем чтобы уменьшить скорость вращения узла 140 или защитить узел 140 от повреждения. Когда скорость ветра снижается, концентратор 120 может быть автоматически перемещен обратно к первой позиции. Концентратор 120 может служить регулятором, который регулирует скорость вращения узла 140. Перемещение концентратора 120 может быть осуществлено отдельно либо вместе с регулировкой концентратора относительно направления основного потока текучей среды, как описано в другой части настоящей заявки.

[0062] Обращенная навстречу течению поверхность концентратора 120 может, кроме того, включать вторую поверхностную часть 126, выполненную с возможностью размещения дальше на возвратной стороне относительно части 122. Вторая поверхностная часть может проходить от третьей позиции до четвертой позиции, которая находится дальше на возвратной стороне и ниже по течению, чем третья позиция. Концентратор может иметь точку 124 отклонения, в которой текучая среда отклоняется либо к толкательной стороне, либо от толкательный стороны. Концентратор 120 может быть симметричным, как показано в варианте реализации, изображенном на фиг.1, и в этом случае точка 124 может представлять собой среднюю точку обращенной навстречу течению поверхности. Как показано на фиг.1, обращенные навстречу течению поверхностные части по любую сторону от точки 124 могут быть выпуклостью обращены навстречу течению, так что вся обращенная навстречу течению поверхность представляет собой в целом U-образную поверхность, которая выпуклостью обращена навстречу течению. Обращенная навстречу течению поверхность может иметь в целом параболическую форму, которая может соответствовать или не соответствовать математически параболическому уравнению. Обращенная навстречу течению поверхность в целом может, кроме того, иметь форму переднего конца крыла, которая технически может соответствовать или не соответствовать точному математическому определению крыла. Термины «парабола» и «крыло» в настоящей заявке используются в общем смысле, и криволинейные поверхности, описываемые этими терминами, не обязательно точно соответствуют математическому определению формы «параболы» и «крыла».

[0063] Обращенная далее по течению поверхность концентратора 120 может иметь такую форму и такое расположение, чтобы вогнутостью быть обращенной далее по течению. В варианте реализации, изображенном на фиг.1, обращенная далее по течению поверхность концентратора 120 включает поверхность 132 направленного навстречу течению потока, промежуточную поверхность 136 и поверхность 130 направленного далее по течению потока. Как будет описано со ссылкой на фиг.2, поверхность 132 может быть выполнена таким образом, чтобы принимать поток, текущей навстречу течению, от узла 140 и направления текучей среды к поверхности 136. Поверхность 136 может быть выполнена таким образом, чтобы перенаправлять по меньшей мере некоторое количество текучей среды от поверхности 132 к поверхности 130. Поверхность 130 имеет такую форму и выполнена таким образом, чтобы направлять текучую среду далее по течению внутрь основного потока текучей среды, так чтобы она в итоге текла от узла 140. Как изображено в варианте реализации, показанном на фиг.1, обращенная далее по течению поверхность концентратора 120 может быть по существу равноудаленной от обращенной навстречу течению поверхности концентратора 120, формируя концентратор 120 по существу постоянной толщины. В некоторых вариантах реализации концентратор 120 в целом может иметь форму параболы, иметь в целом форму передней концевой секции по существу полого крыла либо иметь в целом U-образную форму. Концентратор 120 может, кроме того, отходить на расстояние Z за наружный конец траектории лопаток на возвратной стороне, как показано на фиг.1 и дополнительно описано ниже.

[0064] Теперь будет описан концентратор 110, изображенный на фиг.1. Концентратор 110 может иметь форму крыла. Как изображено на фиг.1, концентратор 110 имеет передний край 112, задний край 118 и две боковые поверхности 114, 116. Концентратор 110 находится на толкательной стороне турбинной системы и спереди по течению относительно узла 140. Поверхность 114 может представлять собой отклоняющую поверхность, которая проходит в целом параллельно оси Y вдоль значительной части высоты узла 140.

[0065] Концентратор 110 может быть выполнен с возможностью перемещения между первой позицией и второй позицией, и концентратор 110 может быть сконфигурирован для отклонения большего количества текучей среды к лопаточному узлу в первой позиции, чем во второй позиции. В некоторых вариантах реализации концентратор смещается к первой позиции смещающим механизмом. Смещающий механизм может быть активным (например, двигатель) или пассивным (например, пружина). Когда скорость текучей среды, текущей мимо концентратора 110, возрастает, регулируемый концентратор может переместиться ко второй позиции, в которой к узлу 140 отклоняется меньшее или по существу нулевое количество текучей среды. В некоторых вариантах реализации текучая среда, текущая через концентратор 110, заставляет концентратор 110 перемещаться. В некоторых вариантах реализации двигатель либо другое средство может быть использовано для позиционирования концентратора 110, вместо либо в дополнение к перемещению концентратора, вызванного потоком текучей среды вокруг него. Система 100 может быть реализована с размещением регулируемого концентратора в первой позиции при низкой скорости окружающей текучей среды и во второй позиции при высокой скорости окружающей текучей среды. Регулируемый концентратор может отклонять текучую среду к лопаточному узлу при низкой скорости окружающей текучей среды и не позволять высоким скоростям текучей среды повредить турбину. Поэтому регулируемый концентратор можно также назвать регулятором.

[0066] Схема, показанная на фиг.1, включает двигатель 102 и стабилизатор 104 как часть системы 100. Двигатель 102 и стабилизатор 104 могут быть использованы отдельно или совместно для поддержания относительного положения по меньшей мере одного из концентраторов 120 и 110 в целом спереди по течению относительно узла 140. В некоторых вариантах реализации концентратор 120 имеет такую форму и сконфигурирован таким образом, что он автоматически поддерживает положение спереди по течению относительно узла 140 и поворачивается возле наружного периметра узла 140 для поддержания его положения спереди по течению. Например, как показано на фиг.1, криволинейная симметричная форма концентратора 120 позволяет ему стремиться быть обращенным навстречу течению внутри потока текучей среды. В вариантах реализации, где по меньшей мере один из концентраторов 120 или 110 имеет такую форму и сконфигурирован таким образом, чтобы быть обращенным навстречу течению в данном потоке текучей среды, второй из концентраторов 110, 120 либо другие компоненты турбинной системы на текучей среде могут быть присоединены к этому выполненному с возможностью перемещения компоненту, с тем чтобы тоже поддерживать заданную позицию по отношению к направлению навстречу течению. В некоторых вариантах реализации турбинная система может быть использована в применениях с в целом постоянным направлением текучей среды (например, ветра), и концентраторы 120 и 110 могут иметь относительно неподвижное положение по отношению к узлу 140.

[0067] На Фиг.2 показан пример варианта реализации турбинной системы, которая включает узел 140, концентратор 120 и концентратор 110. Общее направление основного потока текучей среды показано стрелками 200. Фиг.2 показывает в целом различные возможные траектории течения текучей среды возле турбинной системы под действием основного потока текучей среды, подходящего к турбинной системе, как показано стрелками 200. Например, стрелка 204 показывает, что некоторое количество текучей среды может быть направлено к толкательный стороне, как показано на фиг.2. Стрелка 206 показывает, что по меньшей мере некоторое количество текучей среды может быть направлено от толкательный стороны и далее по течению, с тем чтобы в конечном итоге уходить от турбинной системы. Стрелка 208 показывает, что по меньшей мере некоторое количество текучей среды может течь через заднюю поверхностную часть 250 поверхности лопатки 142. Когда текучая среда течет через часть 250 лопатки 142, скорость текучей среды может увеличиваться. Увеличение скорости текучей среды, текущей по траектории, показанной стрелкой 208, может обеспечивать на лопатке 142 эффект подъемной силы крыла, тем самым обеспечивая крутящий момент, который стремится повернуть узел 140. Текучая среда, текущая вдоль концентратора 120 (например, по траекториям, показанным стрелками 204, 206), также стремится увеличить свою скорость и сжаться. Сжатая, сконцентрированная текучая среда, скорость которой увеличена концентратором 120 на траектории, показанной стрелкой 204, течет внутрь толкательной стороны, тем самым обеспечивая больший крутящий момент для вращения узла 140.

[0068] Наружный периметр траектории обметания узла 140 показан пунктирной линией 202. Как показано стрелками 214, 216, 218, 220 на фиг.2, текучая среда, ограниченная траекторией обметания узла 140, может течь в направлении против часовой стрелки. Текучая среда, текущая по траектории, показанной стрелкой 214, может сообщать импульс толкаемой поверхности 260 лопатки 144. Текучая среда, текущая по траектории, показанной стрелкой 216, может сообщать импульс улавливающей поверхности 270 лопатки 146. Концентратор 120 может иметь такую форму, быть сконфигурирован таким образом и/или быть расположен таким образом, что основной поток текучей среды не будет действовать на поверхность 280 лобового сопротивления лопатки 148. В варианте реализации, изображенном на фиг.2, часть концентратора, расположенная наиболее далеко на возвратной стороне, проходит за пределами траектории обметания (если ориентироваться в направлении, перпендикулярном плоскости X) и от толкательной стороны. Текучая среда, текущая мимо концентратора 120 по траектории, показанной стрелкой 206, таким образом стремится течь далее по течению мимо узла 140 без воздействия на поверхность 280 лопатки 148, тем самым увеличивая КПД турбинной системы.

[0069] Как показано стрелками 224, 226, 228, 230, 232, форма и положение концентратора 120 могут, кроме того, заставлять текучую среду, текущую навстречу течению снаружи траектории обметания узла 140, быть перенаправленной концентратором 120, с тем чтобы течь далее и в итоге от узла 140. В частности, текучая среда может течь по траектории, показанной стрелкой 228, вдоль поверхности 132 концентратора 120 и может быть перенаправлена, с тем чтобы течь далее по течению по траектории, показанной стрелкой 230, вдоль поверхности 130 концентратора 120. Концентратор 120 может, таким образом, обеспечивать непрерывный отвод текучей среды от узла 140. Это непрерывное отведение текучей среды может создавать эффект относительного разрежения или способствовать созданию эффекта относительного разрежения, стремящегося удалить текучую среду из траектории обметания лопаточного узла после того, как текучая среда передала импульс лопаткам.

[0070] Как описано выше, конец концентратора 120 может проходить за пределы траектории обметания лопаток в направлении, перпендикулярном плоскости X, и от толкательной стороны, как показано расстоянием Z на фиг.1. Расположение концентратора может таким образом создавать блокирующий эффект, который не только не позволяет текучей среде, текущей далее по течению, контактировать с лопаткой 148, но и может обеспечить создание достаточного пространства для втягивания текучей среды вверх внутрь концентратора без течения против основного потока текучей среды (например, по траектории, обозначенной стрелкой 224). Когда текучая среда покидает поверхность 130 концентратора 120 (например, по траектории, обозначенной стрелкой 232), она может соединиться или течь рядом с текучей средой, которая была отклонена обращенной навстречу течению поверхностью концентратора 120 (например, по траектории, обозначенной стрелкой 206). В некоторых вариантах реализации концентратор 120 проходит и направлении дальше внутрь возвратной стороны по меньшей мере до наружного края турбины, так что этот концентратор по меньшей мере пересекает вторую плоскость, касательную к наружному краю турбины и параллельную плоскости X. Эта вторая плоскость может находиться на расстоянии от плоскости X, равном радиусу вершины лопатки, и концентратор может проходить дальше этой второй плоскости на расстояние прохождения, измеряемое в направлении, перпендикулярном плоскости X, и от толкательной стороны. В некоторых вариантах реализации расстояние прохождения может составлять по меньшей мере пять, по меньшей мере десять, по меньшей мере двадцать, по меньшей мере двадцать пять или по меньшей мере тридцать процентов радиуса вершины лопатки. В некоторых вариантах реализации расстояние прохождения находится в диапазоне между приблизительно десятью и приблизительно двадцатью процентами радиуса вершины лопатки. Предпочтительно, расстояние прохождения находится в диапазоне между приблизительно двадцатью и тридцатью процентами радиуса вершины лопатки, между приблизительно двадцатью тремя и двадцатью семью процентами радиуса вершины лопатки либо составляет приблизительно двадцать пять процентов радиуса вершины лопатки. В некоторых вариантах реализации турбина имеет возвратный наружный край, наиболее удаленный от толкательной стороны, а концентратор имеет возвратный конец, наиболее удаленный от толкательной стороны. В некоторых вариантах реализации наименьшее расстояние между возвратным концом концентратора и плоскостью Х в по меньшей мере в 1.1, по меньшей мере 1.2, по меньшей мере 1.3, по меньшей мере 1.4 или по меньшей мере 1.5 раз больше, чем наименьшее расстояние между возвратным наружным краем турбины и плоскостью X. Предпочтительно, наименьшее расстояние между возвратным концом концентратора и плоскостью Х в приблизительно 1.1-1.4, приблизительно 1.2-1.3 или приблизительно 1.2 раз больше, чем наименьшее расстояние между возвратным наружным краем турбины и плоскостью X.

[0071] Эффект относительного разрежения, который может быть создан концентратором 120, может, кроме того, заставлять центр вращения текучей среды вблизи узла 140 смещаться к возвратной стороне или дальше внутрь возвратной стороны. Общее направление текучей среды, текущей в открытых секциях или окнах лопаток, показано стрелками 234, 236, 238, 240. Эта текучая среда может оттягиваться от лопаточного узла концентратором 120, как показано частично стрелками 242, 244. Стрелки 221 и 222 показывают, что по меньшей мере некоторое количество текучей среды может выходить за траекторию обметания узла 140 и течь в целом далее по течению от турбинной системы без полного притягивания к обращенной далее по течению поверхности концентратора и перенаправления от концентратора.

[0072] В варианте реализации турбинной системы, изображенном на фиг.2, концентратор 110 расположен таким образом, что он отклоняет небольшое или нулевое количество текучей среды к узлу 140, или лишь малое количество текучей среды, не больше текучей среды или немного меньше текучей среды, чем текло бы к узлу 140 в общем потоке текучей среды, заданном стрелками 200, при отсутствии концентратора 110. В некоторых вариантах реализации текучая среда, текущая вдоль боковых поверхностей регулируемого концентратора (например, по траекториям, обозначенным стрелками 210, 212), может испытывать временное увеличение скорости, но не направляется ближе к узлу 140, чем основной поток текучей среды. В некоторых вариантах реализации концентратор 110 имеет такую форму и расположен таким образом, что когда он не направляет текучую среду к узлу 140, он обеспечивает небольшой блокирующий эффект, не позволяя текучей среде, текущей с высокой скоростью, повредить узел 140.

[0073] Снова обратимся к фиг.2. Узел 140 в положении, изображенном на фиг.2, имеет лопатку 142 в поднятой позиции, лопатку 144 в толкаемой позиции, лопатку 146 в улавливающей позиции и лопатку 148 в возвратной позиции. В некоторых вариантах реализации узел 140 находится в состоянии получения крутящего момента, в котором по меньшей мере одна лопатка находится в поднятой позиции, по меньшей мере одна лопатка находится в толкаемой позиции, по меньшей мере одна лопатка находится в улавливающей позиции и по меньшей мере одна лопатка находится в возвратной позиции. Когда узел 140 вращается, лопатки могут менять позиции. В некоторых вариантах реализации узел 140 всегда остается в состоянии получения крутящего момента, когда он вращается, так что благоприятные характеристики по крутящему моменту поднятой позиций, толкаемой позиции, улавливающей позиции и возвратной позиции постоянно проявляются, когда турбина вращается под действием входящей текучей среды. В некоторых вариантах реализации каждая лопатка находится главным образом лишь в одной из следующих позиций: поднятая позиция, толкаемая позиция, улавливающая позиция и возвратная позиция. В некоторых вариантах реализации с четырьмя лопатками для по меньшей мере одного положения узла 140 при его вращении имеется лишь одна поднятая лопатка, одна толкаемая лопатка, одна улавливающая лопатка и одна возвратная лопатка, причем лопатки классифицируются по их основной или преобладающей позиции.

[0074] Фиг.3А представляет собой вид сверху турбинной системы, аналогичной той, что показана на фиг.2, и изображает различные зоны относительной скорости текучей среды, текущей по траекториям, изображенным на фиг.2, обусловленные описанными признаками. Зоны A, В, С, D и E изображают области относительно средней скорости текучей среды. Зоны F и G показывают зоны относительно высокой скорости текучей среды. Зоны H, I, J, К, L и М изображают зоны относительно низкой скорости текучей среды.

[0075] Фиг.3В - это пример плана скоростей варианта реализации турбинной системы с входной скоростью, близкой к 28 миль/ч (45,08 км/ч). Фиг.3В показывает, что Зоны А, В, С, D и Е имеют скорость текучей среды, близкую к входной скорости. Зоны F и G имеют скорости текучей среды выше, чем входная скорость. Зоны H, I, J, К, L, М имеют скорости текучей среды ниже входной скорости. Как показано на фиг.3В, входная скорость, близкая к 28 миль/ч (45,08 км/ч), может создавать скорости по меньшей мере 45 миль/час (72,45 км/ч), как показано в Зоне F вблизи толкательной стороны лопаточного узла. План скоростей, кроме того, включает векторы скорости, которые могут показывать относительную концентрацию текучей среды. В частности, фиг.3 изображает рост концентрации текучей среды вблизи концентратора.

[0076] Фиг.4A - это вид сверху турбинной системы, показывающий различные зоны относительного давления текучей среды, окружающей турбинную систему. Принимая во внимание направление основного потока текучей среды, как показано на фиг.2, турбинная система, изображенная на фиг.4A, может иметь зоны среднего давления, показанные как Зоны N, О, Р, Q, R и S на фиг.4A. Турбинная система может иметь зону высокого давления, показанную как Зона T, и зону более низкого давления, изображенную как Зона U на фиг.4A.

[0077] Фиг.4 В - это план давлений примера варианта реализации турбинной системы. Давление входящей текучей среды, текущей в соответствии с изображенными на фиг.4 В векторами скоростей, является средним давлением, занимающим Зону N. Как и на фиг.4А, другие зоны среднего диапазона давлений включают Зоны О, Р, Q, R и S. Как и на фиг.4A, Зона T является зоной высокого давления, а Зона U является зоной низкого давления по отношению к давлению входящей текучей среды.

[0078] Фиг.5 изображает еще один вариант реализации системы 100. На фиг.5 концентратор 110 расположен таким образом, чтобы отклонять текучую среду к лопаточному узлу. В частности, при низких скоростях текучей среды (например, ветра) регулируемый концентратор, расположенный для отклонения текучей среды к лопаточному узлу, может снизить такой параметр, как минимальная скорость текучей среды, при которой возможен запуск турбинной системы, и увеличить КПД системы при низких скоростях текучей среды. Текучая среда может обтекать концентратор 110, как показано стрелками 510, 520. Форма концентратора 110 может обеспечивать сжатие и увеличение скорости текучей среды, когда она течет возле концентратора 110. Концентратор 110 может, кроме того, быть расположен таким образом, что текучая среда, покидающая концентратор 110, может затем течь по траектории, показанной стрелкой 550, к лопаточному узлу. По меньшей мере некоторое количество этой текучей среды может действовать на по меньшей мере одну из лопаток 142, 144, 146, 148 лопаточного узла и, в частности, на поверхность 260 лопатки 144 в позиции лопатки, изображенной на фиг.5.

[0079] В некоторых вариантах реализации различные особенности конструкции системы 100 могут увеличивать выходной крутящий момент системы или снижать такой параметр, как скорость текучей среды, необходимая для начала вращения лопаточного узла. Например, когда лопаточный узел является неподвижным в позиции, изображенной на фиг.5, текучая среда может обеспечивать получение крутящего момента от по меньшей мере лопаток 142, 144 и 146. В частности, текучая среда, текущая через часть 250 лопатки 142, как показано стрелкой 560, может создавать эффект подъемной силы крыла, стремящейся повернуть лопатку 142. По меньшей мере некоторое количество текучей среды может, кроме того, течь сквозь открытую секцию лопатки 144, расположенную вблизи секции 160 лопатки 144, и действовать на поверхность 270 лопатки 146. Когда поверхность 270 находится непосредственно далее по течению от открытой секции лопатки 144, текучая среда, текущая непосредственно далее по течению, может течь через открытую секцию лопатки 144 и на поверхность 270 лопатки 146. В некоторых вариантах реализации, например в показанном на фиг.5, отклонение текучей среды другими поверхностями системы 100 (например, поверхностями на концентраторе 110 или частью 250 лопатки 142) заставляет текучую среду отклоняться от направления ее основного потока и воздействовать на части лопатки 146, не находящиеся непосредственно ниже по течению открытой секции лопатки 144. Текучая среда из основного потока текучей среды или направленная к лопаточному узлу от концентратора 110 может, кроме того, действовать на толкаемую поверхностную часть 260 лопатки 144. Таким образом, поток текучей среды через лопаточный узел, неподвижный в позиции из фиг.5, может обеспечивать получение крутящего момента от по меньшей мере трех из лопаток, изображенных на фиг.5. Текучая среда, текущая через узел 140, может, кроме того, обеспечивать получение крутящего момента от по меньшей мере трех из лопаток одновременно.

[0080] Как было описано выше со ссылкой на фиг.2, концентратор 120, показанный на фиг.5, может, кроме того, не позволять основному потоку текучей среды создавать дополнительное лобовое сопротивление на поверхности 280 лопатки 148. Концентратор 120 может, кроме того, увеличивать скорость текучей среды, текущей по направлению, показанному стрелкой 540, и сжимать эту текучую среду. Текучая среда, текущая от толкательной стороны по стрелке 530, тоже концентрируется и сжимается, что может способствовать отведению текучей среды от лопаточного узла, как описано выше со ссылкой на фиг.2.

[0081] Фиг.6А - это вид сверху турбинной системы без регулируемого концентратора. Фиг.6А показывает различные скоростные зоны текучей среды, текущей возле турбинной системы. Скорость входящей текучей среды показана в Зоне А'. Входящая текучая среда имеет скорость в среднем диапазоне, равно как и текучая среда в Зонах С', D' и Е'. Текучая среда в Зонах F' и G' течет с более высокой скоростью, чем входящая текучая среда, а текучая среда в Зонах H', I', J', К', L' и М' течет с более низкой скоростью, чем входящая текучая среда.

[0082] Фиг.6В - это план скоростей примера варианта реализации турбинной системы, аналогичного тому, что показан на фиг.6A. Входная скорость составляет 28 миль/ч (45,08 км/ч), а максимальная скорость составляет по меньшей мере 45 миль/ч (72,45 км/ч), как показано в Зоне F'. Зоны со средним диапазоном скоростей обозначены как А', С', D' и R'. Зоны высокой скорости текучей среды включают F' и G'. Зоны низкой скорости текучей среды включают H', I', J', К', L' и М'. Направление течения текучей среды и относительная концентрация текучей среды показаны векторами скорости на плане скоростей фиг.6В. Более темная область в Зоне F' является признаком максимальных скоростей вблизи этого места на толкательной стороне. Область максимальной скорости в зоне F' из фиг.5 является более крупной, чем область максимальной скорости в зоне F из фиг.3В, и это говорит о том, что регулируемый концентратор и его позиция на фиг.3В могут уменьшать количество текучей среды, текущей с максимальными скоростями, тем самым предотвращая повреждение турбины при высоких скоростях текучей среды.

[0083] Фиг.7 показывает вариант реализации турбинной системы 700 на текучей среде. Система 700 содержит лопаточный узел 740, концентратор 720 и регулируемый концентратор 710. Узел 740, концентратор 720 и концентратор 710 могут быть подобны узлу 140, концентратору 120 и концентратору 110, описанным в настоящей заявке. В варианте реализации, изображенном на фиг.7, концентратор 720 и концентратор 710 имеют высоту, которая по существу больше, чем высота узла 740. В некоторых вариантах реализации высота узла 740, концентратора 720 и регулируемого концентратора по существу одинакова. В некоторых вариантах реализации высота концентратора 720 и/или регулируемого концентратора составляет по меньшей мере значительную часть высоты по меньшей мере одной лопатки лопаточного узла.

[0084] Фиг.8 - это вид сбоку варианта реализации имеющей вертикальную ось турбинной системы 800 на текучей среде. Для целей описания направление текучей среды показано стрелкой 810. Корпуса 806, 808 подшипников в верхней части и в нижней части вала 190 узла 140 позволяют узлу 140 вращаться. Корпус 806 может быть смонтирован на верхней опоре 802, а корпус 808 может быть смонтирован на нижней опоре 804. В варианте реализации, изображенном на фиг.8, опоры 802, 804 могут вращаться относительно основания 812 в нижней части системы 800. Стабилизатор 104 может проходить между опорами 802, 804. Стабилизатор 104 может ориентировать систему таким образом, что концентратор 120 и концентратор 110 будут находиться спереди по течению, например, с наветренной стороны) узла 140 и будут обращены к подходящей текучей среде (например, ветру). Концентратор 110 и концентратор 120 проходят между опорами 802, 804 слева от лопаточного узла, как показано на фиг.8. В некоторых вариантах реализации концентратор 120 прикреплен неподвижно по отношению к опорам 802, 804, а регулируемый концентратор прикреплен с возможностью вращения к опорам 802, 804. В некоторых вариантах реализации редуктор 106 может быть использован для преобразования скорости вращения узла 140 в скорость, оптимальную для преобразования вращательной энергии в электрическую энергию. Редуктор 106 может быть расположен в основании 812 системы.

[0085] Направляющий двигатель 102, который может представлять собой серводвигатель, может, кроме того, быть использован вместо стабилизатора 104 или в дополнение к стабилизатору 104 для ориентирования опор 802, 804 относительно основания 812. Двигатель 102 может быть присоединен к датчику, который в некоторых вариантах реализации может определять направление потока текучей среды (например, ветра) и ориентировать систему 800 таким образом, чтобы концентратор 120 и концентратор 110 были спереди по течению (например, с наветренной стороны) лопаточного узла. Двигатель 102 может быть использован для стабилизации системы и для того, чтобы не позволять стабилизатору 104 качаться или поворачиваться под действием небольших изменений в направлении потока текучей среды. В некоторых вариантах реализации амортизатор (не показан) может быть использован вместо двигателя 102 или в дополнение к двигателю 102 для замедления реакции системы на незначительные изменения в направлении потока текучей среды. Второй направляющий двигатель (не показан) может быть использован для ориентирования концентратора 110. Второй направляющий двигатель может быть присоединен к датчику, который в некоторых вариантах реализации может определять скорость текучей среды, ориентировать концентратор 110 от узла 140, когда система 800 испытывает воздействие высоких скоростей текучей среды (например, сильных ветров), с тем чтобы отводить текучую среду от узла 140. По меньшей мере один из направляющих двигателей может быть расположен внутри основания 812. Могут быть использованы и другие конфигурации опор или монтажных элементов для узла 140, концентратора 120 и концентратора 110. Эти конструктивные решения могут, кроме того, быть оптимизированы, с тем чтобы способствовать эффективному преобразованию энергии текучей среды. В некоторых вариантах реализации узел 140, и/или концентратор 120, и/или концентратор 110 смонтированы независимо и могут быть выполнены с возможностью независимого перемещения относительно по меньшей мере одного из других компонентов. Система 800 может, кроме того, включать стартер. Стартер может помогать начать вращение узла 140. В некоторых вариантах реализации стартер не нужен, и узел 140 запускается самостоятельно при подходящих параметрах текучей среды.

[0086] Фиг.9-10 показывают узел 740 с четырьмя лопатками. Приблизительно внутренняя радиальная половина лопаток является по существу открытой. Верхняя опора 902 лопатки, средние опоры 904 лопатки и нижняя опора 906 лопатки проходят от оси вращения к по существу сплошной части лопатки, находящейся дальше от оси, чем открытые секции. Как видно из фиг.9 и 10, открытая секция или окно может проходить вдоль значительной части высоты лопаток. Открытые секции могут быть непрерывными или прерывистыми. Например, отверстие 1002 на фиг.10 может рассматриваться как непрерывное отверстие 1002 или как небольшая секция одного прерывистого отверстия, проходящего вдоль высоты лопатки.

[0087] На Фиг.11 представлен перспективный вид концентратора 720, показанного на фиг.7. Концентратор 720 содержит обращенную навстречу течению поверхность 1104 и обращенную далее по течению поверхность 1106. Передний край 1102 концентратора 720 сконфигурирован для деления текучей среди, текущей к концентратору 720, на толкающую часть текучей среды, которая должна течь к толкательной половине турбины, и возвратную часть текучей среды, которая должна течь от толкательной половины турбины. Задние края 1110, 1108 могут быть выполнены с возможностью их расположения далее по течению относительно края 1102. Край 1110 может соответствовать концу 134 концентратора 120, показанного на фиг.1 и 2. Край 112 может соответствовать концу 128 концентратора 120, показанного на фиг.1 и 2.

[0088] На Фиг.12 представлен перспективный вид концентратора 710, показанного на фиг.7. Концентратор 710 может иметь передний край 1202, задний край 1206 и боковую отклоняющую поверхность 1204. Край 1206 может быть выполнен с возможностью размещения далее по течению относительно края 1202.

[0089] Фиг.13-14 показывают вариант реализации лопаточного узла 1300, который может быть использован в турбинной системе на текучей среде, подобной тем, что описаны выше. Вариант реализации узла 1300, показанный на фиг.13, может быть аналогичен варианту реализации, обозначенному как узел 140 на фиг.1, с добавлением горизонтальных пластин, смонтированных периодически вдоль длины лопаточного узла. Как показано на фиг.13, узел 1300 может иметь семь секций, каждая с горизонтальной пластиной в верхней части и нижней части. Лопатки могут иметь открытую секцию или окна, которая может быть расположена или которые могут быть расположены вблизи центральной части каждой лопаточной секции. Фиг.14 показывает вид спереди узла 1300 с отверстием 1402 вблизи центральной части лопатки.

[0090] В некоторых вариантах реализации узел 1300 может быть модульным. Например, каждая из семи секций лопаточного узла может представлять собой отдельный элемент, монтируемый отдельно на центральный вал 1308. Модульный лопаточный узел может облегчить манипуляции с лопаточными секциями при компоновке турбинной системы на основании предпочтений пользователя или имеющегося пространства. Один приводимый в качестве примера способ сборки узла 1300 может быть следующим: (1) подготовить вал 1308 с прикрепленной к нему нижней пластиной 1306; (2) подготовить секцию лопаточного узла, содержащую пластину 1304, содержащую лопаточные секции, отходящие от нижней стороны пластины 1304, причем лопаточные секции содержат отверстие вблизи центра пластины 1304; (3) смонтировать секцию лопаточного узла на валу 1308; и (4) смонтировать дополнительные секции лопаточного узла на валу 1308, при этом последняя секция лопаточного узла должна содержать верхнюю пластину 1302. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере одна секция лопаточного узла может содержать пластину 1304 в своей нижней части, а не в верхней части. В некоторых вариантах реализации горизонтальные пластины могут быть отдельными от лопаток или могут быть вообще не использованы.

[0091] В некоторых вариантах реализации по меньшей мере одна часть лопаточного узла может быть смещена радиально от по меньшей мере одной из других частей. Например, лопатки в одной секции модульного лопаточного узла могут не быть выровнены с лопатками в секции над и/или под ней, в отличие от лопаточного узла, показанного на фиг.13, в котором лопатки каждой секции выровнены, с тем чтобы фактически формировать прямую лопатку вдоль высоты лопаточного узла. Смещение лопаточных секций может способствовать созданию нециклического выходного крутящего момента. В некоторых вариантах реализации каждая секция лопаточного узла смещена от других на десять градусов. В некоторых вариантах реализации каждая секция смещена на приблизительно 1-20, приблизительно 5-15 или приблизительно 8-12 градусов от секции под или над ней. В некоторых вариантах реализации равномерное смещение может быть вычислено на основании количества лопаток в каждой секции и/или количества секций, с тем чтобы равномерно разместить лопатки вокруг центрального вала по той или иной схеме. В некоторых вариантах реализации смещение не является равномерным между разными секциями.

[0092] В некоторых вариантах реализации смещение разных лопаточных секций может создавать спиральную форму или «по существу спираль». Например, лопатка 1322 в нижней секции узла 1300 может быть смонтирована в так называемую позицию отсчета, в которой смещение принимается равным 0 градусов, на вал 1308. Лопатка 1320 в следующей секции может быть смонтирована со смещением 10 градусов, лопатка 1318 в следующей секции может быть смонтирована со смещением 20 градусов и т.д. до лопатки 1310 в верхней части узла 1300. Для данной вращательной ориентации узла 1300 лопатки 1322, 1320, 1318, 1316, 1314, 1312, 1310 будут расположены в разных позициях относительно потока текучей среды и могут принимать импульс от текучей среды в разные моменты времени. Если каждая секция имеет четыре лопатки, равноудаленные друг от друга, то четыре отдельных спиральных контура можно наблюдать, когда узел 1300 вращается.

[0093] В некоторых вариантах реализации лопаточные секции могут быть смещены по такой схеме, что лопаточные секции над и под определенной лопаточной секцией смещены в одном и том же направлении. Схема может быть подобна спиральной форме, описанной выше, за исключением того, что она может состоять из двух прерывистых спиральных форм. Например, лопатка 1316 центральной секции узла 1300 может быть смонтирована в так называемую ориентацию отсчета, в которой смещение принимается равным 0 градусов, относительно вала 1308. Лопатка 1314 в следующей более высокой секции может быть установлена со смещением 10 градусов. Лопатка 1312 в следующей более высокой секции может быть установлена со смещением 20 градусов. Лопатка 1310 в следующей более высокой секции может быть установлена со смещением 30 градусов. Лопатка 1318 в секции непосредственно под лопаткой 1316 может быть установлена со смещением 10 градусов. Лопатка 1320 в следующей более низкой секции может быть установлена со смещением 20 градусов. Лопатка 1322 в следующей более низкой секции может быть установлена со смещением 30 градусов. Может быть включено меньшее количество секций, либо могут быть включены дополнительные секции, и углы смещения могут варьироваться. В некоторых вариантах реализации узел 1300 может иметь лопаточные секции с регулируемыми углами смещения, так что схема смещения может быть изменена в зависимости от предпочтений пользователя, свойств потока текучей среды или иных факторов. Схемы смещения, описанные выше со ссылкой на фиг.13. могут быть использованы с узлом 140, описанным со ссылкой на фиг.1. Варианты реализации, описанные на фиг.1-12, могут тоже быть модульными и выполненными из отдельных секций, как описано со ссылкой на вариант реализации, показанный на фиг.13.

[0094] В некоторых вариантах реализации меньшее количество или дополнительное количество концентраторов или регулируемых концентраторов может быть предусмотрено для использования с лопаточным узлом. Иными словами, лопаточный узел может быть использован отдельно или в сочетании с по меньшей мере одним концентратором или регулируемым концентратором. При использовании в сочетании различные компоненты могут улучшать полезные характеристики, проявляемые другими компонентами, иногда взаимно. Например, использование концентратора с лопаточным узлом, содержащим отверстия или окна во внутренней радиальной части лопаток, может усилить эффект от использования концентратора или использования отверстий лопаток по отдельности. Турбинная система может, кроме того, включать дополнительные лопаточные узлы, и по меньшей мере один из лопаточных узлов может включать меньше или больше, чем четыре лопатки. В некоторых вариантах реализации параметры конструктивных решений могут быть оптимизированы с использованием компьютерного моделирования и анализа, например, посредством программ компьютерного моделирования Cosmos FloWorks и/или ADINA. Также может быть использован анализ механики текучей среды посредством внедрения в нее наблюдаемых частиц. Эти инструментальные средства могут быть использованы для увеличения КПД конструктивного решения и подтверждения необходимости изменить количество, размер, форму и/или местоположение различных компонентов турбинной системы. Конструктивное решение, подобное тому, что изображено на фиг.3В, может, согласно расчетам, производить приблизительно 5 киловатт мощности при скорости ветра приблизительно 28 миль/ч (45,08 км/ч). В некоторых вариантах реализации может быть достигнут теоретический КПД более 30%. Чем выше КПД, тем больше мощности из потока текучей среды преобразуется в пригодную для использования энергию, например электрическую энергию. Некоторые варианты реализации имеющей вертикальную ось турбинной системы на текучей среде могут быть, кроме того, выполнены таким образом, что не нуждаются в однонаправленном или ламинарном потоке текучей среды. Система может, кроме того, производить малое количество шума даже при высоких скоростях потока текучей среды. Турбинные системы, описанные в настоящей заявке, менее травмоопасны для птиц. Многие характеристики вариантов реализации турбинных систем, описанных в настоящей заявке, могут делать эти системы предпочтительными для использования в качестве ветровых турбин в городских условиях, где они могут, к тому же, быть установлены на уже существующие здания и сооружения. Системы, описанные в настоящей заявке, могут, таким образом, быть использованы для эксплуатации ветровых ресурсов в областях, не пригодных для других ветровых турбин, производя значительные количества энергии и снижая потери линий электропередачи.

[0095] Несмотря на то что турбинные системы, описанные выше, описаны со ссылкой на имеющие вертикальную ось турбины, такие системы не обязательно монтируются вертикально. Некоторые варианты реализации могут быть смонтированы горизонтально или в других ориентациях при условии обеспечения соответствующих модификаций. Более того, некоторые отдельные признаки или сочетания признаков, описанные в настоящей заявке, могут быть выполнены с возможностью использования в горизонтальных турбинах или других типах турбин. Кроме того, другие текучие среды могут быть использованы для вращения турбин в описанных выше системах, в том числе вода.

[0096] Ссылка в настоящем описании на «некоторые варианты реализации» или «вариант реализации» означает, что конкретный признак, конкретная конструкция или конкретная характеристика, описываемые применительно к определенному варианту реализации, включены по меньшей мере в некоторые варианты реализации. Таким образом, выражения «в некоторых вариантах реализации» или «в варианте реализации» в различных местах настоящего описания не обязательно все относятся к одному и тому же варианту реализации, а могут относиться как к одному и тому же варианту реализации, так и к разным вариантам реализации. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут сочетаться любым подходящим образом, как должно быть понято обычному специалисту в области, к которой относится настоящее раскрытие, в по меньшей мере одном варианте реализации.

[0097| Используемые в настоящей заявке термины «содержащий», «включающий», «имеющий» и подобные являются синонимичными, используются во включительном, но не ограничительном смысле, и не исключают возможность наличия дополнительных элементов, признаков, действий, операций и т.д. Кроме того, термин «или» используется во включительном (а не ограничительном) смысле, так что при использовании, например, для связывания перечня элементов термин «или» подразумевает один элемент в перечне, некоторые элементы в перечне или все элементы в перечне.

[0098] Аналогичным образом необходимо понимать, что в приведенном выше описании вариантов реализации различные признаки иногда сгруппированы вместе в одном варианте реализации, в одной фигуре или в их описании, с тем чтобы упростить раскрытие и помочь пониманию по меньшей мере одного из разнообразных аспектов изобретения. Этот способ раскрытия, однако, не следует интерпретировать таким образом, что в любом пункте формулы должно быть больше признаков, чем фактически перечислено в этом пункте. Наоборот, аспекты изобретения образованы сочетанием меньшего количества признаков, чем в одном раскрытом выше варианте реализации.

[0099] Несмотря на то что описание приведено в контексте определенных предпочтительных вариантов реализации и примеров, специалисты в данной области должны понимать, что раскрытие выходит за рамки конкретных описанных вариантов реализации и охватывает другие варианты реализации и/или области применения, а также очевидные модификации и эквиваленты.

Изобретение относится к турбинам на текучей среде и, в частности, к турбинам на текучей среде, имеющим вертикальную ось. Турбина (100) представляет собой имеющую вертикальную ось ветровую турбину, предназначенную для получения электроэнергии из энергии ветра. Система (100) имеет лопаточный узел (140). Узел (140) имеет лопатки (142, 144, 146, 148), выполненные с возможностью вращения вокруг оси (Y). Система (100) имеет концентратор (120), выполненный с возможностью размещения с наветренной стороны и перед возвратной стороной узла (140). Концентратор (120) может образовывать выпуклую поверхность, обращенную к ветру. Система (100) имеет регулируемый концентратор (110), выполненный с возможностью позиционирования с наветренной стороны по отношению к толкательной стороне узла (140). Концентратор (110) выполнен с возможностью перевода между первой позицией и второй позицией, причем концентратор (110) способен отклонять больше ветра к турбине (100) в первой позиции, чем во второй позиции. Изобретение направлено на увеличение КПД. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Турбинная система на текучей среде, содержащая турбину с лопаточным узлом, содержащим лопатки, выполненные с возможностью вращения вокруг оси, причем по меньшей мере одна из лопаток содержит открытую секцию, так что часть открытой секции расположена ближе к указанной оси, чем наружный край лопатки, а турбина содержит толкательную половину и возвратную половину для данного направления основного потока текучей среды, которым задано направление навстречу течению и направление далее по течению, концентратор, выполненный с возможностью размещения в позиции концентратора непосредственно спереди по течению относительно по меньшей мере части возвратной половины турбины, причем концентратор образует выпуклую поверхность, обращенную навстречу течению, и вогнутую поверхность, обращенную далее по течению, при нахождении в указанной позиции концентратора, выпуклая поверхность выполнена с возможностью размещения для отклонения по меньшей мере некоторого количества текучей среды к толкательной половине турбины, вогнутая поверхность выполнена с возможностью размещения для перенаправления по меньшей мере некоторого количества текучей среды, текущей в целом навстречу течению от возвратной половины турбины для протекания в целом далее по течению, и регулируемый концентратор, выполненный с возможностью размещения спереди по течению относительно турбины и ближе к толкательной половине турбины, чем к ее возвратной половине, и содержащий отклоняющую поверхность, обеспечивающую отклонение текучей среды и выполненную с возможностью прохода в целом параллельно указанной оси вдоль значительной части высоты турбины, при этом регулируемый концентратор выполнен с возможностью перемещения между первой позицией и второй позицией и при этом регулируемый концентратор выполнен с возможностью отклонения большего количества текучей среды к лопаточному узлу в первой позиции, чем во второй позиции.

2. Турбинная система по п. 1, в которой лопатками задана траектория обметания, край которой, наиболее удаленный от толкательной половины, задает наружный край, расположенный на возвратной половине, а по меньшей мере часть концентратора сконфигурирована для прохода за указанный наружный край, расположенный на возвратной половине, траектории обметания, рассматриваемой в направлении, перпендикулярном основному потоку и от толкательной половины, причем концентратор имеет форму и сконфигурирован для отвода создающей лобовое сопротивление части текучей среды навстречу течению от траектории обметания и перенаправления создающей лобовое сопротивление части текучей среды для протекания далее по течению.

3. Турбинная система по п. 1, в которой лопатки содержат четыре лопатки, задающие указанную открытую секцию и выполненные с возможностью прохождения от указанной оси, при этом каждая из четырех лопаток содержит вершину и выполнена с возможностью нахождения в поднятой позиции, толкаемой позиции, улавливающей позиции и возвратной позиции, причем поднятая позиция задана лопаткой, расположенной таким образом, что вершина лопатки в поднятой позиции находится в целом спереди по течению относительно указанной оси, а криволинейная поверхностная часть лопатки выпуклой частью обращена от возвратной половины турбины, толкаемая позиция задана лопаткой, расположенной таким образом, что вершина лопатки в толкаемой позиции находится на толкательной половине турбины, а толкаемая поверхностная часть лопатки обращена в целом навстречу течению, улавливающая позиция задана лопаткой, расположенной таким образом, что вершина лопатки в улавливающей позиции находится в целом далее по течению относительно указанной оси, а улавливающая поверхностность лопатки в улавливающей позиции обращена в целом навстречу течению, возвратная позиция лопатки расположена таким образом, что вершина лопатки в возвратной позиции находится на возвратной половине турбины, а возвратная поверхностная часть лопатки возвратной позиции обращена в целом навстречу течению.

4. Турбинная система по п. 3, в которой турбина выполнена с возможностью расположения в положении получения крутящего момента, в котором первая из четырех лопаток находится в поднятой позиции, вторая из четырех лопаток находится в толкаемой позиции, третья из четырех лопаток находится в улавливающей позиции, четвертая из четырех лопаток находится в возвратной позиции, а концентратор и четыре лопатки выполнены с возможностью получения благоприятных характеристик по крутящему моменту под действием основного потока текучей среды, причем первая лопатка сконфигурирована для ускорения по меньшей мере некоторого количества текучей среды, текущей через криволинейную поверхностную часть, тем самым создавая крутящий момент, вторая лопатка сконфигурирована для создания крутящего момента за счет воздействия по меньшей мере некоторого количества текучей среды на толкаемую поверхностную часть, третья лопатка сконфигурирована для создания крутящего момента за счет воздействия по меньшей мере некоторого количества текучей среды на улавливающую поверхностную часть, а концентратор сконфигурирован для уменьшения лобового сопротивления на четвертой лопатке за счет предотвращения воздействия по меньшей мере части текучей среды на возвратную поверхностную часть.

5. Турбинная система по п. 4, в которой лопатками задана траектория обметания, край которой, наиболее удаленный от толкательной половины, задает наружный край, расположенный на возвратной половине, а по меньшей мере часть концентратора сконфигурирована для прохода за указанный наружный край, расположенный на возвратной половине, траектории обметания, рассматриваемой в направлении, перпендикулярном основному потоку и от толкательной половины.

6. Турбинная система по п. 4, в которой первая лопатка, вторая лопатка и третья лопатка сконфигурированы для создания крутящего момента одновременно, когда турбина находится неподвижно в положении получения крутящего момента, причем открытая секция второй лопатки выполнена с возможностью размещения так, что по меньшей мере некоторое количество текучей среды проходит сквозь эту открытую секцию второй лопатки и воздействует на улавливающую поверхностную часть третьей лопатки.

7. Турбинная система по п. 1, в которой открытая секция, заданная по меньшей мере одной из лопаток, является непрерывной.

8. Турбинная система по п. 1, в которой открытая секция, заданная по меньшей мере одной из лопаток, является прерывистой.

9. Турбинная система по п. 1, в которой регулируемый концентратор сконфигурирован с возможностью смещения к первой позиции.

10. Турбинная система по п. 9, в которой регулируемый концентратор сконфигурирован таким образом, что поток текучей среды обеспечивает возможность перенастройки регулируемого концентратора из первой позиции во вторую позицию.

11. Турбинная система по п. 1, в которой регулируемый концентратор, когда он находится во второй позиции, сконфигурирован для отклонения по меньшей мере некоторого количества текучей среды к лопаточному узлу.

12. Турбинная система по п. 1, в которой концентратор и регулируемый концентратор выполнены с возможностью перемещения возле наружного периметра турбины и которая дополнительно содержит хвостовой стабилизатор, выполненный с возможностью присоединения к концентратору и регулируемому концентратору и имеющий форму и сконфигурированный для позиционирования концентратора и регулируемого концентратора в целом спереди по течению относительно турбины.

13. Турбинная система по п. 12, дополнительно содержащая направляющий двигатель, выполненный с возможностью присоединения к концентратору и регулируемому концентратору и сконфигурированный для выборочного управления позицией концентратора и регулируемого концентратора.

14. Турбинная система по п. 1, в которой концентратор и регулируемый концентратор выполнены с возможностью перемещения возле наружного периметра турбины и которая дополнительно содержит направляющий двигатель, выполненный с возможностью присоединения к концентратору и регулируемому концентратору и обеспечивающий позиционирование концентратора и регулируемого концентратора спереди по течению относительно турбины.

15. Турбинная система на текучей среде, содержащая турбину, содержащую лопатки, выполненные с возможностью вращения вокруг оси и задающие окно вдоль значительной части высоты лопаток, причем каждая из лопаток задает в целом плоскую толкаемую поверхностную часть и криволинейную часть на передней поверхности указанной лопатки, криволинейная часть расположена радиально дальше от оси, чем толкаемая поверхностная часть, а каждая из лопаток дополнительно задает выпуклую заднюю поверхностную часть на поверхности, противолежащей толкаемой поверхностной части, первая плоскость, параллельная указанной оси и проходящая через указанную ось, делит пространство, окружающее турбину, на возвратную сторону и толкательную сторону, противоположную возвратной стороне, а турбина выполнена с возможностью вращения в целом в направлении навстречу течению на возвратной стороне и в целом в направлении далее по течению на толкательной стороне по отношению к текучей среде, текущей номинально параллельно указанной плоскости, и концентратор, выполненный с возможностью размещения спереди по течению относительно по меньшей мере части турбины и по меньшей мере частично или полностью на возвратной стороне и содержащий первую криволинейную поверхностную часть, сконфигурированную для прохождения из первой позиции, находящейся спереди по течению относительно турбины, к второй позиции, находящейся еще ранее по течению относительно турбины, и далее на возвратную сторону, причем первая криволинейная поверхностная часть выполнена обращенной выпуклостью в направлении навстречу течению и выполнена с возможностью размещения для отклонения по меньшей мере некоторого количества текучей среды к толкательной стороне, а концентратор, кроме того, выполнен с возможностью размещения для создания относительного разрежения для отвода по меньшей мере некоторого количества текучей среды от указанного окна лопаток.