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BR112017017356B1 - HYDROELECTRIC/HYDROKINETIC TURBINE AND METHODS FOR ITS MANUFACTURE AND USE - Google Patents

HYDROELECTRIC/HYDROKINETIC TURBINE AND METHODS FOR ITS MANUFACTURE AND USE Download PDF

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BR112017017356B1
BR112017017356B1 BR112017017356-5A BR112017017356A BR112017017356B1 BR 112017017356 B1 BR112017017356 B1 BR 112017017356B1 BR 112017017356 A BR112017017356 A BR 112017017356A BR 112017017356 B1 BR112017017356 B1 BR 112017017356B1
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rotor
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water
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BR112017017356-5A
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Inventor
Walter SCHURTENBERGER
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Hydrokinetic Energy Corp
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Publication date
Application filed by Hydrokinetic Energy Corp filed Critical Hydrokinetic Energy Corp
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Abstract

TURBINA HIDROELÉTRICA/HIDROCINÉTICA E MÉTODOS PARA SUA FABRICAÇÃO E USO. O pedido refere-se a turbinas hidrocinéticas unidirecionais com um sistema de aceleração de fluxo melhorado que usa formas de aerobarco assimétrico em alguns ou todos os componentes principais da turbina. Os componentes que podem estar na forma de aerobarco incluem, por exemplo, as pás do rotor (34), o cubo central (36), o protetor de pás do rotor (38), o protetor do acelerador (20), o (s) difusor(es) anular(es) (40), o defletor de vida selvagem e de resíduos (10, 18) e o leme da cauda (60). O método de fabricação projeta vários componentes para cooperar na otimização da extração de energia, enquanto outros componentes reduzem ou eliminam a turbulência que pode afetar negativamente outros componentes.HYDROELECTRIC/HYDROKINETIC TURBINE AND METHODS FOR THEIR MANUFACTURE AND USE. The application relates to unidirectional hydrokinetic turbines with an improved flow acceleration system that uses asymmetric hydrofoil shapes in some or all of the major turbine components. Components that may be in hydrofoil shape include, for example, the rotor blades (34), the center hub (36), the rotor blade guard (38), the accelerator guard (20), the annular diffuser(s) (40), the wildlife and debris deflector (10, 18), and the tail rudder (60). The method of manufacture designs various components to cooperate in optimizing power extraction, while other components reduce or eliminate turbulence that may adversely affect other components.

Description

Fundamentos da InvençãoFundamentals of the Invention

[0001] O presente invento refere-se a turbinas hidrocinéticas concebidas com o objetivo de gerar eletricidade e a métodos para projetar e usar essas turbinas. Relaciona-se ainda com certos elementos empregados em turbinas hidrocinéticas. As turbinas de acordo com a invenção destinam-se a ser colocadas sob a água, em uma configuração fixa, flutuante, ancorada ou rebocada, em qualquer local onde a corrente de água eficaz flua de preferência com uma velocidade mínima de cerca de 0,25 m/s. O fluxo ou corrente de água pode ser de qualquer tipo ou fonte, embora tipicamente seja constituído por um ou mais dos seguintes tipos de fluxo ou corrente de água:a) fixos, flutuantes ou ancoradas em fluxo ou corrente contínua de água, conforme encontrado, por exemplo, em correntes oceânicas, rios ou córregos.b) fixas, flutuantes ou ancoradas no fluxo ou correntes flutuantes, alternadas e/ou cíclicas que podem mudar de direção de forma periódica ou irregular, conforme encontrado, por exemplo, no fluxo de maré ou no fluxo sazonal.c) fixas, flutuantes ou ancoradas em correntes induzidas mecanicamente ou naturalmente que são criadas, por exemplo, por enchimento e esvaziamento de reservatórios, lagos, barragens ou eclusas.d) O dispositivo pode ser rebocado através da água por um navio ou outro dispositivo ou método para criar artificial ou eficazmente um fluxo através do dispositivo.[0001] The present invention relates to hydrokinetic turbines designed for the purpose of generating electricity and to methods for designing and using such turbines. It also relates to certain elements employed in hydrokinetic turbines. The turbines according to the invention are intended to be placed underwater, in a fixed, floating, anchored or towed configuration, in any location where the effective water current flows preferably with a minimum velocity of about 0.25 m/s. The flow or current of water may be of any type or source, although typically it will consist of one or more of the following types of flow or current of water: (a) fixed, floating or anchored in a continuous flow or current of water, as found, for example, in ocean currents, rivers or streams. (b) fixed, floating or anchored in fluctuating, alternating and/or cyclical flow or currents that may change direction periodically or irregularly, as found, for example, in tidal flow or seasonal flow. (c) fixed, floating or anchored in mechanically or naturally induced currents that are created, for example, by the filling and emptying of reservoirs, lakes, dams or locks. (d) The device may be towed through the water by a vessel or other device or method to artificially or effectively create a flow through the device.

[0002] O poder da água corrente foi usado pela humanidade por milênios para gerar energia de vários tipos para diversos propósitos diferentes. Ele foi usado para fresar aplicações de grãos e correias para executar máquinas em fábricas e para impulsionar mecanicamente vários tipos de dispositivos. Nos últimos 150 anos, o fluxo de água provou ser muito eficiente para a geração elétrica em inúmeros designs e aplicações diferentes.[0002] The power of flowing water has been used by mankind for millennia to generate energy of various kinds for a variety of different purposes. It has been used to mill grain and drive belts in factory applications, and to mechanically drive various types of devices. Over the past 150 years, flowing water has proven to be very efficient for generating electricity in a number of different designs and applications.

[0003] O princípio básico do uso de ímãs permanentes e bobinas de cobre para gerar eletricidade ainda está sendo usado hoje em muitas formas diferentes, incluindo o uso de água corrente e turbinas de água para impulsionar geradores elétricos e alternadores.[0003] The basic principle of using permanent magnets and copper coils to generate electricity is still being used today in many different forms, including the use of running water and water turbines to drive electrical generators and alternators.

[0004] A maioria das correntes oceânicas são causadas pelo vento, que por sua vez é causado pelas forças de Coriolis provenientes da rotação da Terra. Essas correntes são muitas vezes influenciadas pela posição das massas terrestres que podem desviar o fluxo e, em alguns casos, acelerar o fluxo.[0004] Most ocean currents are caused by wind, which in turn is caused by Coriolis forces from the Earth's rotation. These currents are often influenced by the position of land masses that can deflect the flow and, in some cases, accelerate the flow.

[0005] As correntes oceânicas também podem ser causadas por diferenças de densidade em massas de água, diferenças de temperatura ou variações na salinidade da água. As correntes oceânicas neste planeta são provavelmente a maior fonte de energia inexplorada existente. As correntes do rio também são usadas com frequência como uma fonte de energia muito boa e eficiente.[0005] Ocean currents can also be caused by density differences in water masses, temperature differences, or variations in water salinity. Ocean currents on this planet are probably the largest untapped source of energy in existence. River currents are also often used as a very good and efficient source of energy.

[0006] Desde o início do desenvolvimento tecnológico, houve muitas tentativas diferentes para coletar essa energia com diferentes graus de sucesso e eficiência. As correntes que são mais acessíveis e mais fáceis de usar para a geração de energia são as correntes superficiais próximas da costa das correntes do oceano e dos rios. O fluxo de água também pode ser produzido artificialmente através da construção de barragens e criação de reservatórios para acumular grandes massas de água que podem ser utilizadas sob demanda.[0006] Since the beginning of technological development, there have been many different attempts to harvest this energy with varying degrees of success and efficiency. The currents that are most accessible and easiest to use for power generation are near-shore surface currents, ocean currents, and river currents. Water flow can also be produced artificially by building dams and creating reservoirs to accumulate large bodies of water that can be used on demand.

[0007] Em 1882, a primeira usina hidrelétrica do mundo estava no rio Fox, em Appleton Wisconsin. Em 1889, 200 usinas elétricas foram construídas nos EUA e, em 1920, a energia hidrelétrica foi utilizada para 25% da geração elétrica dos Estados Unidos, que em 1940 subiu para 40%. Hoje, apenas 6 a 8% da eletricidade produzida nos Estados Unidos vem da energia hidrelétrica. Existem vastas oportunidades e importantes vantagens ambientais e de custo a serem obtidas através da substituição de usinas convencionais de energia a carvão e instalações hidrelétricas. As instalações mais antigas de usinas hidrelétricas situam-se principalmente dentro de barragens ou abaixo de barragens usando a pressão no fundo da barragem para operar uma turbina de água que aciona geradores elétricos.[0007] In 1882, the world's first hydroelectric power plant was on the Fox River in Appleton, Wisconsin. By 1889, 200 power plants had been built in the United States, and by 1920, hydroelectric power was used for 25% of U.S. electrical generation, which rose to 40% by 1940. Today, only 6 to 8% of U.S. electricity comes from hydroelectric power. There are vast opportunities and significant environmental and cost advantages to be gained by replacing conventional coal-fired power plants with hydroelectric facilities. Older hydroelectric facilities are primarily located within or below dams, using the pressure at the bottom of the dam to operate a water turbine that drives electrical generators.

[0008] Desde a Primeira Guerra Mundial, o campo da ciência, hoje chamado de dinâmica de fluidos, desenvolveu-se tremendamente e tornou-se uma ciência muito precisa e finita que é usada hoje no design de hidroplanos modernos. Os hidroplanos (bem como os perfis aéreos, também parte da dinâmica de fluidos) são utilizados para uma grande variedade de propósitos, incluindo a maioria dos designs em aeronáutica, em veículos motorizados, em embarcações e em elementos isolados empregados em turbinas hidrocinéticas.[0008] Since World War I, the field of science now called fluid dynamics has developed tremendously and has become a very precise and finite science that is used today in the design of modern hydrofoils. Hydrofoils (as well as air profiles, also part of fluid dynamics) are used for a wide variety of purposes, including most designs in aeronautics, in motor vehicles, in watercraft, and in isolated elements used in hydrokinetic turbines.

[0009] As turbinas hidrocinéticas podem ser divididas em diferentes categorias ou tipos. Por exemplo, uma turbina pode ser bidirecional ou unidirecional. No primeiro caso, a turbina é definida de tal forma que ela pode ser operada por uma corrente que flui em ambas as direções axiais através da turbina, por exemplo, para ser acionada para gerar energia tanto por um fluxo de maré que entra quanto por um fluxo de maré em recuo. Por outro lado, uma turbina unidireccional é conduzida apenas pelo fluxo de água em uma única direção axial. Do ponto de vista hidrodinâmico, os critérios de design para produzir uma turbina bidirecional são significativamente mais limitados do que no caso de uma turbina unidirecional, ou seja, todos os critérios de design que produzam um efeito adverso na inversão da direção do fluxo de fluido.[0009] Hydrokinetic turbines can be divided into different categories or types. For example, a turbine can be bidirectional or unidirectional. In the former case, the turbine is designed in such a way that it can be driven by a current flowing in both axial directions through the turbine, for example to be driven to generate power by both an incoming tidal flow and a retreating tidal flow. On the other hand, a unidirectional turbine is driven only by water flow in a single axial direction. From a hydrodynamic point of view, the design criteria for producing a bidirectional turbine are significantly more limited than in the case of a unidirectional turbine, i.e. all design criteria that have an adverse effect on the reversal of the direction of the fluid flow.

[0010] Outra forma de categorizar as turbinas hidrocinéticas reside no seu design do cubo, ou seja, se o cubo central está fechado ou aberto. Tradicionalmente, a maioria das turbinas hidrocinéticas possui um cubo central não rotativo (fixo em relação ao cubo externo da turbina) que está fechado ou é sólido, e sobre o qual as pás do rotor rodam. Veja, por exemplo, os exemplos dos seguintes documentos: U.S. 3.986.787 de Mouton et al., US 4.221.538 de Wells, U.S. 4.313.711 de Lee, U.S. 4.421.990 de Heuss et al., U.S. 6.168.373 de Vauthier, U.S. 6.406.251 de Vauthier e GB 2.408.294 de Susman et al. Alguns designs têm um cubo central sólido, mas rodam em torno de rolamentos entre um anel de rotor radialmente externo e um invólucro de turbina, conforme descrito, por exemplo, em U.S. 4.163.904 de Skendrovic.[0010] Another way to categorize hydrokinetic turbines is by their hub design, i.e., whether the central hub is closed or open. Traditionally, most hydrokinetic turbines have a non-rotating central hub (fixed relative to the outer hub of the turbine) that is closed or solid, and about which the rotor blades rotate. See, for example, examples from the following documents: U.S. 3,986,787 to Mouton et al., U.S. 4,221,538 to Wells, U.S. 4,313,711 to Lee, U.S. 4,421,990 to Heuss et al., U.S. 6,168,373 to Vauthier, U.S. 6,406,251 to Vauthier, and GB 2,408,294 to Susman et al. Some designs have a solid central hub but rotate around bearings between a radially outboard rotor ring and a turbine casing, as described, for example, in U.S. 4,163,904 to Skendrovic.

[0011] Mais recentemente, uma empresa desenvolveu designs de turbinas hidrodinâmicas nos quais é provido um cubo central aberto, por razões ambientais, ou seja, a fim de proporcionar uma passagem segura para criaturas marinhas. Veja, por exemplo, os exemplos dos seguintes documentos: U.S. 6.957.947, U.S. 7.378.750, U.S. 8.308.422 e U.S. 8.466.595. Nesses designs basicamente sem cubos, as pás de rotor são tipicamente montadas no interior radial, em cima de um membro de anel interno, e no lado radial externo, em um membro de anel externo, e em alguns designs não há nenhum membro de anel interno. Esses designs de turbina basicamente sem cubos são todos bidirecionais e são de design axialmente simétrico.[0011] More recently, a company has developed hydrodynamic turbine designs in which an open central hub is provided for environmental reasons, i.e., to provide safe passage for marine creatures. See, for example, examples from the following documents: U.S. 6,957,947, U.S. 7,378,750, U.S. 8,308,422, and U.S. 8,466,595. In these essentially hubless designs, the rotor blades are typically mounted on the radial inside, on an inner ring member, and on the radial outside, on an outer ring member, and in some designs there is no inner ring member at all. These essentially hubless turbine designs are all bidirectional and are axially symmetrical in design.

[0012] Em uma adaptação do conceito de centro aberto, é revelado um tipo de turbina hidrocinética que é do design de cubo central fixo citado acima, mas também inclui uma passagem ou uma abertura no cubo central. Ver, por exemplo, U.S. 2013/00443685 de Sireli et al. US 7.471.009 de Davis et al., ambos relacionados a um design de turbina unidirecional. Veja também U.S. 7.874.788 de Stothers et al., e U.S. 2010/0007148 de Davis et al., que se relacionam a turbinas hidrocinéticas bidirecionais especialmente configuradas que incluem o uso opcional de um cubo central aberto ou, no último, ama abertura de derivação do cubo, como em Davis et al. '009, observado acima (ver a Fig. 7 de ambos).[0012] In an adaptation of the open center concept, a type of hydrokinetic turbine is disclosed that is of the fixed center hub design cited above, but also includes a passage or opening in the center hub. See, for example, U.S. Pat. No. 2013/00443685 to Sireli et al., and U.S. Pat. No. 7,471,009 to Davis et al., both of which relate to a unidirectional turbine design. See also U.S. Pat. No. 7,874,788 to Stothers et al., and U.S. Pat. No. 2010/0007148 to Davis et al., which relate to specially configured bidirectional hydrokinetic turbines that include the optional use of an open center hub or, in the latter, a hub bypass opening, as in Davis et al. '009, noted above (see Fig. 7 of both).

[0013] US 4 219 303 A descreve uma usina de geração de energia elétrica a partir do fluxo de correntes de água que utiliza rodas de turbina dentro de bocais submersos na corrente de água, ancorados no fundo do curso d'água, como por exemplo, o oceano, e auto boiados para um nível bem abaixo da superfície da água.[0013] US 4,219,303 A describes a power plant for generating electricity from the flow of water currents that uses turbine wheels inside nozzles submerged in the water current, anchored at the bottom of the watercourse, such as the ocean, and self-floated to a level well below the surface of the water.

[0014] A geração de energia hidrocinética permanece de grande interesse e ganhou crescente importância juntamente com a energia solar e a energia eólica. Há a necessidade de esforços significativos para projetar e construir turbinas geradoras de energia hidrocinéticas muito mais sofisticadas e altamente eficientes; no entanto, visto que o processo de refinação de designs de turbina é, em muitos aspectos, imprevisível e, portanto, demorado, infelizmente houve uma tendência a simplesmente construir versões maiores de designs de turbinas existentes a fim de se obter maior potência de energia a partir deles. Novas turbinas altamente eficientes permitirão a extração de quantidades maiores de energia a partir de uma fonte renovável, com praticamente nenhum impacto ambiental. Por esses motivos, desejam-se fortemente novas melhorias nessas turbinas.[0014] Hydrokinetic power generation remains of great interest and has gained increasing importance along with solar power and wind power. Significant efforts are needed to design and build much more sophisticated and highly efficient hydrokinetic power turbines; however, since the process of refining turbine designs is in many ways unpredictable and therefore time-consuming, there has unfortunately been a tendency to simply build larger versions of existing turbine designs in order to obtain greater power output from them. New highly efficient turbines will allow greater amounts of energy to be extracted from a renewable source with virtually no environmental impact. For these reasons, further improvements to these turbines are strongly desired.

Sumário da invençãoSummary of the invention

[0015] A presente invenção é definida pelas características das reivindicações independentes. Modalidades preferidas são definidas pelas características das reivindicações dependentes.[0015] The present invention is defined by the features of the independent claims. Preferred embodiments are defined by the features of the dependent claims.

[0016] De acordo com um aspecto da presente invenção, é proporcionada uma turbina hidrocinética unidirecional que tem uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que define uma direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo um invólucro do acelerador geralmente cilíndrica que tem uma seção transversal de parede que define dentro da sua secção transversal cilíndrica uma área de fluxo de água que contém uma estrutura localizada dentro dela que consiste essencialmente em um elemento gerador de força hidrocinética integral que compreende um elemento de cubo central com um perfil de hidrofólio assimétrico; e uma pluralidade de elementos de pá montados no elemento de cubo, em que o elemento de geração de força é montado para rotação na superfície interna do invólucro do acelerador. De preferência, o elemento gerador de força hidrocinética compreende um conjunto de rotor que inclui ainda um anel externo de rotor ao qual as pontas da pá estão ligadas e que tem uma circunferência externa que está configurada para rotação dentro do invólucro do acelerador. Preferencialmente, o membro de cubo compreende um membro de perfil geralmente redondo com um centro aberto e de que os membros de parede que circundam o centro aberto formam um perfil de hidrofólio assimétrico, estando os extrados (curvas externas do arco) em direção ao exterior da turbina e os intrados (curvas internas do arco) voltados em direção ao centro do cubo. Além disso, as pás preferencialmente têm uma configuração de seção transversal em forma de perfil hidrelétrico assimétrico, com as pás mais preferencialmente tendo um comprimento de cabo em suas extremidades radialmente externas maior que o comprimento de cabo em suas extremidades radialmente internas e uma espessura de perfil/cabo em suas extremidades radialmente externas que são maiores do que a espessura do perfil nas extremidades radialmente internas. É preferível que o invólucro do acelerador tenha uma seção transversal da parede que também tenha uma forma assimétrica.[0016] According to one aspect of the present invention, there is provided a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a direction of water flow through the turbine, comprising a generally cylindrical accelerator casing having a wall cross-section that defines within its cylindrical cross-section a water flow area that contains a structure located therein that consists essentially of an integral hydrokinetic force generating element comprising a central hub element having an asymmetric hydrofoil profile; and a plurality of blade elements mounted to the hub element, wherein the force generating element is mounted for rotation on the inner surface of the accelerator casing. Preferably, the hydrokinetic force generating element comprises a rotor assembly that further includes a rotor outer ring to which blade tips are attached and that has an outer circumference that is configured for rotation within the accelerator casing. Preferably, the hub member comprises a generally round profile member with an open center and wherein the wall members surrounding the open center form an asymmetric hydrofoil profile, the extrados (outer curves of the arc) being toward the outside of the turbine and the intrados (inner curves of the arc) facing toward the center of the hub. Furthermore, the blades preferably have an asymmetric hydrofoil profile-shaped cross-sectional configuration, with the blades most preferably having a cord length at their radially outer ends greater than the cord length at their radially inner ends and a profile/cord thickness at their radially outer ends that is greater than the profile thickness at the radially inner ends. It is preferred that the accelerator casing have a wall cross-section that is also asymmetric in shape.

[0017] De acordo com outras modalidades preferidas, a turbina hidrocinética unidirecional tem um cubo central tendo um comprimento que se prolonga tanto para a frente quanto para trás a uma distância substancial além dos bordos das pás e, de um modo mais preferencial, que se prolonga a partir das pás para a frente para um primeiro ponto que está para trás da extremidade da entrada de água do invólucro do acelerador e estendendo-se para trás, até um ponto pelo menos até a extremidade de saída de água do invólucro do acelerador. De preferência, o cubo central se estende a uma distância total de cerca de 50 a 80%, mais preferencialmente de cerca de 60 a 70% e mais preferencialmente de cerca de 2/3 do comprimento do invólucro do acelerador.[0017] According to other preferred embodiments, the unidirectional hydrokinetic turbine has a central hub having a length that extends both forwardly and rearwardly a substantial distance beyond the leading edges of the blades, and more preferably extending from the blades forward to a first point that is rearward of the water inlet end of the accelerator casing and extending rearward to a point at least as far as the water outlet end of the accelerator casing. Preferably, the central hub extends a total distance of about 50 to 80%, more preferably about 60 to 70%, and most preferably about 2/3 of the length of the accelerator casing.

[0018] De acordo com outras modalidades preferidas, a turbina hidrocinética unidirecional compreende adicionalmente um difusor anular que compreende um membro de anel geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende um formato de hidrofólio assimétrico, dito difusor anular com um diâmetro maior do que o diâmetro de dito protetor de acelerador e sendo posicionado atrás do protetor de acelerador principal, na direção do fluxo de água através da turbina, preferencialmente em uma relação sobreposta.[0018] According to other preferred embodiments, the unidirectional hydrokinetic turbine further comprises an annular diffuser comprising a generally cylindrical ring member having a wall cross-section comprising an asymmetric hydrofoil shape, said annular diffuser having a diameter larger than the diameter of said throttle guard and being positioned behind the main throttle guard, in the direction of water flow through the turbine, preferably in an overlapping relationship.

[0019] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é proporcionada uma turbina hidrocinética unidirecional que tem uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que define uma direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo um invólucro de acelerador geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende uma forma de hidrofólio assimétrica, em que a forma de hidrofólio compreende um perfil geralmente em forma de S em que a superfície externa compreende uma porção convexa para a frente e uma porção côncava para trás que transita para a porção convexa para a frente e a superfície interna compreende uma porção convexa para trás e uma parte dianteira que tem uma forma que é reta ou côncava e transita para a parte convexa traseira; e um conjunto de rotor que está montado para rotação dentro do invólucro do acelerador em torno de um eixo que é geralmente paralelo à direção do fluxo de água através da turbina, o conjunto de rotor compreendendo uma pluralidade de pás de rotor que se estendem radialmente para fora a partir do centro da turbina e sendo montadas para rotação dentro do invólucro do acelerador. De preferência, o conjunto de rotor compreende ainda um elemento de cubo central, de preferência com um membro de perfil geralmente redondo com um perfil de hidrofólio, e as pás de rotor estão ligadas ao elemento de cubo. Mais preferencialmente, o membro de cubo compreende um membro de perfil geralmente redondo com um centro aberto e de que os membros de parede que circundam o centro aberto formam um perfil de hidrofólio assimétrico, estando os extrados (curvas externas do arco) em direção ao exterior da turbina e os intrados (curvas internas do arco) voltados em direção ao centro do cubo.[0019] According to another aspect of the present invention, there is provided a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a direction of water flow through the turbine, comprising a generally cylindrical accelerator casing having a wall cross section comprising an asymmetric hydrofoil shape, wherein the hydrofoil shape comprises a generally S-shaped profile wherein the outer surface comprises a forward convex portion and a rearward concave portion that transitions into the forward convex portion and the inner surface comprises a rearward convex portion and a forward portion that has a shape that is straight or concave and transitions into the rearward convex portion; and a rotor assembly which is mounted for rotation within the accelerator casing about an axis which is generally parallel to the direction of water flow through the turbine, the rotor assembly comprising a plurality of rotor blades extending radially outwardly from the center of the turbine and being mounted for rotation within the accelerator casing. Preferably, the rotor assembly further comprises a central hub member, preferably having a generally round profile member with a hydrofoil profile, and the rotor blades are attached to the hub member. More preferably, the hub member comprises a generally round profile member with an open center and wherein the wall members surrounding the open center form an asymmetric hydrofoil profile, the extrados (outer curves of the arc) being toward the outside of the turbine and the intrados (inner curves of the arc) facing toward the center of the hub.

[0020] Em algumas modalidades preferidas, o elemento de rotor compreende ainda um anel externo do rotor ao qual as pontas de pá estão ligadas e que tem uma circunferência externa configurada para rotação dentro do invólucro do acelerador. Em outras modalidades preferidas, a turbina hidrocinética unidirecional compreende adicionalmente um difusor anular que compreende um membro de anel geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende uma seção transversal de parede que também compreende um formato de hidrofólio assimétrico, o referido difusor anular com um diâmetro maior do que o diâmetro de dito protetor de acelerador e sendo posicionado atrás do protetor de acelerador principal, na direção do fluxo de água através da turbina, preferencialmente em uma relação sobreposta.[0020] In some preferred embodiments, the rotor element further comprises an outer rotor ring to which the blade tips are attached and which has an outer circumference configured for rotation within the throttle casing. In other preferred embodiments, the unidirectional hydrokinetic turbine further comprises an annular diffuser comprising a generally cylindrical ring member having a wall cross-section comprising a wall cross-section also comprising an asymmetric hydrofoil shape, said annular diffuser having a diameter larger than the diameter of said throttle guard and being positioned behind the main throttle guard, in the direction of water flow through the turbine, preferably in an overlapping relationship.

[0021] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é proporcionada uma turbina hidrocinética unidireccional que tem uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que definem uma direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo um invólucro de acelerador geralmente cilíndrico que tem uma secção transversal de parede que compreende um formato de hidrofólio assimétrico e define dentro da sua seção transversal cilíndrica uma área de fluxo, onde a forma do hidrofólio serve para acelerar o fluxo de água através do invólucro do acelerador e para criar um campo de pressão negativa atrás do invólucro do acelerador, na direção do fluxo de água; um conjunto de rotor que está montado para rotação dentro do invólucro do acelerador em torno de um eixo que é geralmente paralelo à direção do fluxo de água através da turbina, compreendendo o conjunto de rotor um cubo central cilíndrico geralmente alongado tendo uma seção transversal de parede que compreende um formato de hidrofólio; uma pluralidade de pás de rotor fixadas e que se estende radialmente para fora a partir da parede central do cubo para rotação com a mesma e que terminam nas pontas das pás do rotor, cujas pás têm uma configuração de seção transversal em formato de perfil hidroelétrico assimétrico; e um anel externo do rotor ao qual as pontas da pá estão ligadas e tendo uma circunferência externa que está configurada para rotação dentro do invólucro do acelerador: e um difusor anular que compreende um membro de anel geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende um formato de hidrofólio assimétrico. O difusor anular tem um diâmetro maior do que o diâmetro do invólucro do acelerador e está posicionado atrás do invólucro do acelerador principal, na direção do fluxo de água através da turbina, de preferência em relação de sobreposição, pelo que o formato do hidrofólio do difusor anular serve para acelerar o fluxo de água através do difusor anular e para criar um campo de pressão negativa atrás do difusor anular, e em cooperação com o formato do hidrofólio do invólucro do acelerador, o cubo do rotor no formato de hidrofólio e as pás, para aumentar a aceleração do fluxo de água através do invólucro do acelerador na localização do conjunto de rotor[0021] According to another aspect of the present invention, there is provided a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a direction of water flow through the turbine, comprising a generally cylindrical accelerator casing having a wall cross-section comprising an asymmetric hydrofoil shape and defining within its cylindrical cross-section a flow area, wherein the shape of the hydrofoil serves to accelerate the flow of water through the accelerator casing and to create a negative pressure field behind the accelerator casing in the direction of water flow; a rotor assembly that is mounted for rotation within the accelerator casing about an axis that is generally parallel to the direction of water flow through the turbine, the rotor assembly comprising a generally elongated cylindrical central hub having a wall cross-section comprising a hydrofoil shape; a plurality of rotor blades attached to and extending radially outwardly from the central hub wall for rotation therewith and terminating in rotor blade tips, which blades have an asymmetric hydrofoil-shaped cross-sectional configuration; and an outer rotor ring to which the blade tips are attached and having an outer circumference that is configured for rotation within the accelerator housing; and an annular diffuser comprising a generally cylindrical ring member having a wall cross-section comprising an asymmetric hydrofoil shape. The annular diffuser has a diameter larger than the diameter of the accelerator casing and is positioned behind the main accelerator casing in the direction of water flow through the turbine, preferably in an overlapping relationship, whereby the hydrofoil shape of the annular diffuser serves to accelerate the water flow through the annular diffuser and to create a negative pressure field behind the annular diffuser, and in cooperation with the hydrofoil shape of the accelerator casing, the hydrofoil-shaped rotor hub and the blades, to increase the acceleration of the water flow through the accelerator casing at the location of the rotor assembly.

[0022] Em algumas modalidades preferidas da turbina hidrocinética unidirecional, as pás têm um comprimento de cabo nas suas extremidades radialmente externas maior do que o comprimento de cabo nas suas extremidades radialmente internas e/ou as pás têm uma espessura de perfil/cabo em suas extremidades radialmente externas maior do que a espessura do perfil/cabo em suas extremidades radialmente internas. Em outras modalidades preferidas, o cubo central compreende um membro de perfil geralmente redondo com um centro aberto e de que os membros de parede que circundam o centro aberto formam um perfil de hidrofólio assimétrico, estando os extrados (curvas externas do arco) em direção ao exterior da turbina e os intrados (curvas internas do arco) voltados em direção ao centro do cubo. De preferência, o cubo central tem um comprimento que se estende tanto para a frente como para trás, a uma distância substancial além dos bordos das pás, mais preferencialmente o cubo central se estende das pás para a frente para um primeiro ponto que está na traseira da extremidade de entrada da água do invólucro do acelerador e se estende para trás até um ponto pelo menos até a extremidade de saída de água do invólucro do acelerador. De preferência, o cubo central se estende a uma distância total de cerca de 50 a 80%, mais preferencialmente de cerca de 60 a 70% e mais preferencialmente de cerca de 2/3 do comprimento do invólucro do acelerador. Também pode se estender para trás, para além do bordo traseiro do invólucro do acelerador.[0022] In some preferred embodiments of the unidirectional hydrokinetic turbine, the blades have a cable length at their radially outer ends greater than the cable length at their radially inner ends and/or the blades have a profile/cable thickness at their radially outer ends greater than the profile/cable thickness at their radially inner ends. In other preferred embodiments, the central hub comprises a generally round profile member with an open center and wherein the wall members surrounding the open center form an asymmetric hydrofoil profile, with the extrados (outer arc curves) facing toward the outside of the turbine and the intrados (inner arc curves) facing toward the center of the hub. Preferably, the center hub has a length that extends both forward and rearward a substantial distance beyond the leading edges of the blades, more preferably the center hub extends from the blades forward to a first point that is rearward of the water inlet end of the throttle housing and extends rearward to a point at least as far as the water outlet end of the throttle housing. Preferably, the center hub extends a total distance of about 50 to 80%, more preferably about 60 to 70%, and most preferably about 2/3 of the length of the throttle housing. It may also extend rearward beyond the trailing edge of the throttle housing.

[0023] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é proporcionada uma turbina hidrocinética unidirecional com uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que define uma direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo uma seção do invólucro do acelerador geralmente cilíndrica que define dentro da seção transversal um fluxo de água; um conjunto de rotor que é montado para rotação dentro do invólucro do acelerador em torno de um eixo que é geralmente paralelo à direção do fluxo de água através da turbina, compreendendo o conjunto de rotor uma pluralidade de pás de rotor que se estendem radialmente para fora, a partir do centro da turbina, e um membro defletor de vida selvagem e/ou de detritos montado na extremidade de entrada da água do invólucro do acelerador, o defletor compreendendo uma estrutura de formato geralmente cônico que é afunilada em direção à sua extremidade dianteira/estreita e compreende um conjunto de hastes defletoras que se deslocam paralelamente entre si e são espaçadas essencialmente de forma uniforme a uma distância pré-determinada ao longo de seu comprimento total umas em relação às outras, pelo que a distância predeterminada define o tamanho máximo da vida selvagem ou um objeto que possam passar pelo defletor. De preferência, o elemento deflector de vida selvagem e/ou de detritos inclui na sua extremidade dianteira/estreita um elemento de anel ao qual as hastes defletoras estão unidas, o anel tendo um diâmetro não maior que a distância pré-determinada das hastes defletoras. Em outras modalidades preferidas, o membro de anel e/ou pelo menos algumas e de preferência todas as hastes do defletor têm uma seção transversal em forma de perfil de hidrofólio de modo a reduzir a turbulência na água que flui através do anel e/ou das hastes defletoras.[0023] According to another aspect of the present invention, there is provided a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end defining a direction of water flow through the turbine, comprising a generally cylindrical accelerator casing section defining within the cross section a water flow; a rotor assembly that is mounted for rotation within the accelerator casing about an axis that is generally parallel to the direction of water flow through the turbine, the rotor assembly comprising a plurality of rotor blades extending radially outwardly from the center of the turbine, and a wildlife and/or debris deflector member mounted at the water inlet end of the accelerator casing, the deflector comprising a generally conical shaped structure that is tapered toward its forward/narrow end and comprising a set of deflector rods that run parallel to each other and are spaced essentially uniformly at a predetermined distance along their overall length relative to each other, whereby the predetermined distance defines the maximum size of wildlife or an object that may pass through the deflector. Preferably, the wildlife and/or debris deflector member includes at its forward/narrow end a ring member to which deflector rods are attached, the ring having a diameter no greater than the predetermined distance of the deflector rods. In other preferred embodiments, the ring member and/or at least some and preferably all of the deflector rods have a hydrofoil-shaped cross-section so as to reduce turbulence in the water flowing through the ring and/or the deflector rods.

[0024] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é proporcionada uma turbina hidrocinética unidirecional que tem uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que definem uma direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo um invólucro do acelerador geralmente cilíndrico que tem uma secção transversal de parede compreendendo um formato de hidrofólio geralmente assimétrico que serve para acelerar o fluxo de água através do invólucro do acelerador principal e para criar um campo de pressão negativa atrás do invólucro do acelerador, na direção do fluxo da água, e que define dentro de sua seção transversal cilíndrica uma área de fluxo de água que contém um elemento gerador de força hidrocinética integral que compreende um elemento de cubo central que tem um perfil de hidrofólio assimétrico e uma pluralidade de membros de pás montados no membro de cubo, em que o elemento gerador de força é montado para rotação na superfície interna do invólucro do acelerador. A turbina é caracterizada pela sua capacidade de acelerar a velocidade de fluxo ambiente da água que entra na turbina para uma velocidade de fluxo nos membros de pás que tem pelo menos cerca de duas vezes a velocidade de fluxo ambiente, de preferência pelo menos cerca de 2 % vezes e, de preferência, pelo menos cerca de 3 vezes. Ademais, a turbina é caracterizada pela sua capacidade de prover um aumento na potência de saída em comparação com turbinas hidrocinéticas convencionais de igual diâmetro, em um fator de pelo menos cerca de 25%, preferencialmente em pelo menos cerca de 50%, e mais preferencialmente em pelo menos cerca de 80%.[0024] According to another aspect of the present invention, there is provided a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a direction of water flow through the turbine, comprising a generally cylindrical accelerator casing having a wall cross-section comprising a generally asymmetric hydrofoil shape that serves to accelerate the flow of water through the main accelerator casing and to create a negative pressure field behind the accelerator casing in the direction of water flow, and that defines within its cylindrical cross-section a water flow area containing an integral hydrokinetic force generating element comprising a central hub member having an asymmetric hydrofoil profile and a plurality of blade members mounted to the hub member, wherein the force generating element is mounted for rotation on the inner surface of the accelerator casing. The turbine is characterized by its ability to accelerate the ambient flow velocity of water entering the turbine to a flow velocity at the blade members that is at least about twice the ambient flow velocity, preferably at least about 2% times, and more preferably at least about 3 times. Further, the turbine is characterized by its ability to provide an increase in power output compared to conventional hydrokinetic turbines of equal diameter by a factor of at least about 25%, preferably by at least about 50%, and more preferably by at least about 80%.

[0025] De acordo com outro aspecto da presente invenção, adicionamente, é proporcionada um invólucro que é projetado para utilização em uma turbina hidrocinética unidireccional que tem uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que definem uma direção de fluxo de água através da turbina. O invólucro do acelerador compreende um protetor de acelerador geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende um formato de hidrofólio geralmente assimétrico, em que o formato de hidrofólio compreende um perfil geralmente em formato de S no qual a superfície externa compreende uma porção convexa dianteira e uma porção côncava traseira e a superfície interna compreende uma porção convexa traseira e uma porção dianteira que tem um formato que é reto ou côncavo. Essa configuração única serve para acelerar de forma ideal o fluxo de água através do invólucro do acelerador principal e para criar um campo de pressão negativa atrás do invólucro do acelerador na direção do fluxo de água.[0025] According to another aspect of the present invention, there is additionally provided a housing that is designed for use in a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a direction of water flow through the turbine. The accelerator housing comprises a generally cylindrical accelerator shield having a wall cross section that comprises a generally asymmetric hydrofoil shape, wherein the hydrofoil shape comprises a generally S-shaped profile in which the outer surface comprises a forward convex portion and a rear concave portion and the inner surface comprises a rear convex portion and a forward portion that has a shape that is either straight or concave. This unique configuration serves to optimally accelerate the flow of water through the main accelerator housing and to create a negative pressure field behind the accelerator housing in the direction of water flow.

[0026] De acordo com mais um outro aspecto da presente invenção, é proporcionada uma turbina hidrocinética unidireccional que tem uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que definem uma direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo um invólucro do acelerador geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende uma forma de hidrofólio assimétrico; e um conjunto de rotor que é montada para rotação dentro da cobertura do acelerador em torno de um eixo que é geralmente paralelo à direção do fluxo de água através da turbina, compreendendo o conjunto de rotor uma pluralidade de pás do rotor que se estende radialmente para fora[0026] According to yet another aspect of the present invention, there is provided a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a direction of water flow through the turbine, comprising a generally cylindrical accelerator casing having a wall cross-section comprising an asymmetric hydrofoil shape; and a rotor assembly that is mounted for rotation within the accelerator casing about an axis that is generally parallel to the direction of water flow through the turbine, the rotor assembly comprising a plurality of rotor blades extending radially outwardly

[0027] a partir do centro da turbina e do anel externo do rotor a que as pontas das pás estão fixadas para rotação no invólucro do acelerador, em que as pás têm uma configuração de seção transversal em formato de hidrofólio assimétrico, com a maior parte das pás tendo um comprimento de cabo nas suas extremidades radialmente externas maior do que o comprimento de cabo em suas extremidades internas e/ou uma espessura de perfil/cabo nas suas extremidades externas maior do que a espessura de perfil em suas extremidades internas.[0027] from the center of the turbine and the outer ring of the rotor to which the blade tips are attached for rotation in the accelerator casing, wherein the blades have an asymmetric hydrofoil-shaped cross-sectional configuration, with most of the blades having a cable length at their radially outer ends greater than the cable length at their inner ends and/or a profile/cable thickness at their outer ends greater than the profile thickness at their inner ends.

[0028] De preferência, o conjunto de rotor compreende ainda um elemento de cubo central, de preferência com um membro de perfil geralmente redondo com um perfil de hidrofólio assimétrico, e as pás de rotor estão ligadas ao elemento de cubo. Mais preferencialmente, o membro de cubo compreende um membro de perfil geralmente redondo com um centro aberto e de que os membros de parede que circundam o centro aberto formam um perfil de hidrofólio assimétrico, estando os extrados (curvas externas do arco) em direção ao exterior da turbina e os intrados (curvas internas do arco) voltados em direção ao centro do cubo.[0028] Preferably, the rotor assembly further comprises a central hub member, preferably having a generally round profile member with an asymmetric hydrofoil profile, and the rotor blades are attached to the hub member. More preferably, the hub member comprises a generally round profile member with an open center and wherein the wall members surrounding the open center form an asymmetric hydrofoil profile, the extrados (outer arc curves) being towards the outside of the turbine and the intrados (inner arc curves) facing towards the center of the hub.

[0029] De acordo com mais outro aspecto da presente invenção, é proporcionado um membro defletor de vida selvagem e/ou de detritos que é projetado para ser usado em uma turbina hidrocinética. O membro defletor de vida selvagem e/ou de detritos é projetado para ser montado em uma das extremidades ou em ambas as extremidades de uma turbina. O defletor compreende uma estrutura de formato geralmente cônico que é afunilado em uma extremidade e compreende uma gama de hastes defletoras que se estendem paralelamente umas às outras e são espaçadas essencialmente de forma uniforme a uma distância predeterminada ao longo de seu comprimento total em relação umas às outras, por meio do que dita distância predeterminada define o tamanho máximo de um objeto ou do animal selvagem que possam passar através do defletor. De preferência, o membro defletor de vida selvagem e/ou de detritos inclui na sua extremidade mais estreita um primeiro membro de anel ao qual as hastes defletoras estão presas, o primeiro anel com um diâmetro não maior do que a distância pré- determinada. De modo semelhante, o defletor preferencialmente tem na ou perto da sua extremidade mais ampla um segundo membro de anel ao qual as hastes defletoras estão ligadas. Em outras modalidades preferidas, pelo menos algumas e, de preferência, todas as hastes defletoras e/ou anéis têm uma seção transversal em forma de perfil de hidrofólio.[0029] According to yet another aspect of the present invention, there is provided a wildlife and/or debris deflector member that is designed for use in a hydrokinetic turbine. The wildlife and/or debris deflector member is designed to be mounted on one end or both ends of a turbine. The deflector comprises a generally conical shaped structure that is tapered at one end and comprises a range of deflector rods that extend parallel to each other and are spaced substantially uniformly apart at a predetermined distance along their overall length relative to each other, whereby said predetermined distance defines the maximum size of an object or wildlife that can pass through the deflector. Preferably, the wildlife and/or debris deflector member includes at its narrowest end a first ring member to which the deflector rods are attached, the first ring having a diameter no greater than the predetermined distance. Similarly, the baffle preferably has at or near its wider end a second ring member to which baffle rods are attached. In other preferred embodiments, at least some, and preferably all, of the baffle rods and/or rings have a hydrofoil-shaped cross-section.

[0030] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é proporcionado um método para a concepção de uma turbina hidrocinética unidirecional com uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que definem uma direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo a concepção de um invólucro do acelerador geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende uma forma de hidrofólio assimétrico inicial e define dentro de sua seção transversal cilíndrica uma área de fluxo, onde o formato do hidrofólio é selecionado com base em princípios da dinâmica de fluidos que servem para acelerar o fluxo de água através do invólucro do acelerador e para criar um campo de pressão negativa atrás do invólucro do acelerador, na direção do fluxo de água; projetar um conjunto de rotor que é montado para rotação dentro do invólucro do acelerador em torno de um eixo que é geralmente paralelo à direção do fluxo de água através da turbina, o conjunto de rotor compreendendo (i) um cubo central cilíndrico geralmente alongado tendo uma seção transversal de parede compreendendo uma forma inicial de hidroplano que é selecionada com base em princípios de dinâmica de fluidos; (ii) uma pluralidade de pás de rotor fixadas que se estendem radialmente para fora a partir da parede central do cubo para rotação com as mesmas e que terminam nas pontas do rotor, cujas pás têm uma configuração de seção transversal no formato de hidrofólio inicial assimétrico que é selecionado com base nos princípios da dinâmica do fluido; e (iii) um anel externo do rotor ao qual as pontas das pás estão ligadas e tendo uma circunferência externa configurada para rotação dentro do invólucro do acelerador; a concepção de um difusor anular compreendendo um membro de anel geralmente cilíndrico que tem uma secção transversal de parede que compreende um formato de hidrofólio assimétrico inicial que é seleccionado com base em princípios de dinâmica do fluido, em que o difusor anular tem um diâmetro maior do que o diâmetro do invólucro do acelerador e está posicionado atrás do invólucro do acelerador principal, na direção do fluxo de água através da turbina, de preferência em relação de sobreposição; e a modificação dos formatos iniciais do hidrofólio do acelerador anular, do cubo central, das pás do rotor e do difusor anular, em resposta ao teste/análise de CFD de um design de turbina que compreende esses componentes, de forma a fornecer formatos finais de hidrólio para todos esses componentes que (a) pelo menos melhorem e de preferência otimizem a capacidade de acelerar o fluxo de água através do difusor anular e criem um campo de pressão negativa atrás do difusor anular e (b) proporcionem uma cooperação com os formatos finais de hidrofólio do invólucro do acelerador, do cubo do rotor e das pás, pelo menos para melhorar e de preferência otimizar a aceleração do fluxo de água através do invólucro do acelerador na localização do conjunto do rotor[0030] According to another aspect of the present invention, there is provided a method for designing a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a direction of water flow through the turbine, comprising designing a generally cylindrical accelerator casing having a wall cross-section comprising an initial asymmetric hydrofoil shape and defining within its cylindrical cross-section a flow area, wherein the shape of the hydrofoil is selected based on fluid dynamics principles that serve to accelerate the flow of water through the accelerator casing and to create a negative pressure field behind the accelerator casing in the direction of water flow; designing a rotor assembly that is mounted for rotation within the accelerator casing about an axis that is generally parallel to the direction of water flow through the turbine, the rotor assembly comprising (i) a generally elongated cylindrical central hub having a wall cross-section comprising an initial hydrofoil shape that is selected based on principles of fluid dynamics; (ii) a plurality of attached rotor blades extending radially outwardly from the central hub wall for rotation therewith and terminating in rotor tips, which blades have an initial asymmetric hydrofoil-shaped cross-sectional configuration that is selected based on principles of fluid dynamics; and (iii) an outer rotor ring to which the blade tips are attached and having an outer circumference configured for rotation within the accelerator casing; the design of an annular diffuser comprising a generally cylindrical ring member having a wall cross-section comprising an initial asymmetric hydrofoil shape that is selected based on fluid dynamics principles, wherein the annular diffuser has a diameter larger than the diameter of the accelerator casing and is positioned behind the main accelerator casing in the direction of water flow through the turbine, preferably in overlapping relationship; and modifying the initial shapes of the annular accelerator hydrofoil, central hub, rotor blades and annular diffuser, in response to CFD testing/analysis of a turbine design comprising these components, so as to provide final hydrofoil shapes for all of these components that (a) at least improve and preferably optimize the ability to accelerate water flow through the annular diffuser and create a negative pressure field behind the annular diffuser and (b) provide cooperation with the final hydrofoil shapes of the accelerator casing, rotor hub and blades to at least improve and preferably optimize the acceleration of water flow through the accelerator casing at the location of the rotor assembly

[0031] Outras características e vantagens da presente invenção ficarão evidentes a partir da descrição detalhada das modalidades preferidas que se seguem, quando consideradas em conjunto com as figuras a seguir.[0031] Other features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the preferred embodiments which follows, when considered in conjunction with the accompanying figures.

Breve Descrição das FigurasBrief Description of Figures

[0032] A seguir, uma breve descrição das figuras, que são apresentadas com o objetivo de ilustrar a divulgação de certas modalidades da invenção aqui apresentada e não com a finalidade de limitá-la.[0032] The following is a brief description of the figures, which are presented for the purpose of illustrating the disclosure of certain embodiments of the invention presented herein and not for the purpose of limiting it.

[0033] A Fig. 1 é uma vista frontal tridimensional de uma modalidade de uma turbina hidrocinética com estrutura de suporte/montagem;[0033] Fig. 1 is a three-dimensional front view of an embodiment of a hydrokinetic turbine with support/mounting structure;

[0034] A Fig. 2 é uma vista traseira tridimensional da turbina hidrocinética da Fig. 1, com estrutura de suporte/montagem;[0034] Fig. 2 is a three-dimensional rear view of the hydrokinetic turbine of Fig. 1, with support/mounting structure;

[0035] A Fig. 3 é uma vista lateral em corte transversal da turbina hidrocinética da Fig. 1, com estrutura de suporte/montagem:[0035] Fig. 3 is a cross-sectional side view of the hydrokinetic turbine of Fig. 1, with support/mounting structure:

[0036] A Fig. 4 é uma visão tridimensional de uma modalidade de um invólucro do acelerador com difusor anular;[0036] Fig. 4 is a three-dimensional view of one embodiment of an accelerator housing with an annular diffuser;

[0037] A Fig. 5A é uma vista parcial em corte transversal de um invólucro de acelerador de hidrofólio em forma de S/de curva dupla em uma disposição como mostrado na Fig. 4, com difusor anular;[0037] Fig. 5A is a partial cross-sectional view of an S-shaped/double-curved hydrofoil accelerator housing in an arrangement as shown in Fig. 4, with annular diffuser;

[0038] A Fig. 5B é uma vista parcial em corte transversal de um invólucro de acelerador de hidrofólio não em forma de S, em uma disposição como mostrado na Fig. 4, com difusor anular;[0038] Fig. 5B is a partial cross-sectional view of a non-S-shaped hydrofoil accelerator housing, in an arrangement as shown in Fig. 4, with annular diffuser;

[0039] A Fig. 6 é uma vista em corte parcial de uma outra modalidade de um invólucro de acelerador, com múltiplos difusores anulares de diâmetros semelhantes;[0039] Fig. 6 is a partial cross-sectional view of another embodiment of an accelerator housing, having multiple annular diffusers of similar diameters;

[0040] A Fig. 7 é uma vista em corte parcial de uma outra modalidade de um invólucro de acelerador, com múltiplos difusores anulares de diâmetros diferentes;[0040] Fig. 7 is a partial cross-sectional view of another embodiment of an accelerator housing, with multiple annular diffusers of different diameters;

[0041] A Fig. 8 é uma vista tridimensional de uma modalidade de uma turbina inteira com uma seção de rotor central;[0041] Fig. 8 is a three-dimensional view of one embodiment of an entire turbine with a central rotor section;

[0042] A Fig. 9 é uma vista em corte transversal da turbina inteira da Fig. 8, com a seção do rotor central no lugar;[0042] Fig. 9 is a cross-sectional view of the entire turbine of Fig. 8, with the central rotor section in place;

[0043] A Fig. 9 A é uma vista em perspectiva isolada do invólucro do acelerador, mostrando esquematicamente a colocação das bobinas[0043] Fig. 9A is an isolated perspective view of the accelerator housing, schematically showing the placement of the coils

[0044] A Fig. 10 é uma vista tridimensional da seção de rotor isoladamente da modalidade da Fig. 8;[0044] Fig. 10 is a three-dimensional view of the rotor section in isolation of the embodiment of Fig. 8;

[0045] A Fig. 1 1 é uma vista lateral esquemática daseção do rotor da Fig. 8, mostrando uma das pás de rotor em forma de perfil do hidrofólio, a estrutura da pá do rotor e o cubo central em forma de perfil de hidrofólio;[0045] Fig. 11 is a schematic side view of the rotor section of Fig. 8, showing one of the hydrofoil-shaped rotor blades, the rotor blade structure and the hydrofoil-shaped central hub;

[0046] A Fig. 12 é uma vista em perspectiva de quatro pás de rotor isoladamente na modalidade da Fig. 8;[0046] Fig. 12 is a perspective view of four rotor blades in isolation in the embodiment of Fig. 8;

[0047] A Fig. 12A é uma vista em perspectiva isolada de uma única pá de rotor exemplificativa;[0047] Fig. 12A is an isolated perspective view of a single exemplary rotor blade;

[0048] A Fig. 13 é uma vista em corte de uma modalidade de uma pá de rotor ilustrando certas características preferidas, incluindo o ângulo de ataque variável, o comprimento variável do cabo e a espessura variável de perfil e de torção;[0048] Fig. 13 is a cross-sectional view of one embodiment of a rotor blade illustrating certain preferred features, including variable angle of attack, variable cord length, and variable profile and twist thickness;

[0049] A Fig. 14 é uma vista em perspectiva isolada de uma modalidade de quatro pás de rotor com secções transversais dos formatos de hidrofólio das pás;[0049] Fig. 14 is an isolated perspective view of a four-bladed rotor embodiment with cross-sections of the hydrofoil shapes of the blades;

[0050] A Fig. 1 5 é uma vista em perspectiva de uma única pá de rotor isoladamente com secções transversais dos formatos do hidrofólio;[0050] Fig. 15 is a perspective view of a single rotor blade in isolation with cross sections of the hydrofoil shapes;

[0051] A Fig. 16 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma turbina com removedores dianteiros e traseiros de detritos e animais selvagens;[0051] Fig. 16 is a perspective view of one embodiment of a turbine with front and rear debris and wildlife removers;

[0052] A Fig. 17 é uma vista em corte transversal da turbina da Fig. 16, com removedores dianteiros e traseiros de vida selvagem e de detritos;[0052] Fig. 17 is a cross-sectional view of the turbine of Fig. 16, with front and rear wildlife and debris removers;

[0053] A Fig. 18 é uma vista em perspectiva da turbina da Fig. 16, com removedores dianteiros e traseiros de animais selvagens e detritos e que utiliza uma barra defletora em formato de hidrofólio/gota para formar os removedores;[0053] Fig. 18 is a perspective view of the turbine of Fig. 16 having front and rear wildlife and debris removers and utilizing a hydrofoil/teardrop shaped deflector bar to form the removers;

[0054] A Fig. 19 é uma vista em perspectiva explodida que mostra esquematicamente todos os componentes em secção transversal parcial de acordo com uma modalidade da invenção;[0054] Fig. 19 is an exploded perspective view schematically showing all components in partial cross-section in accordance with an embodiment of the invention;

[0055] A Fig. 20 é uma vista explodida da turbina da fig. 19, mostrando todos os componentes em uma vista lateral esquemática e parcialmente em seção;[0055] Fig. 20 is an exploded view of the turbine of Fig. 19, showing all components in a schematic side view and partly in section;

[0056] A Fig. 21 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma turbina hidrocinética montada em pilha montada sobre um pedestal giratório;[0056] Fig. 21 is a perspective view of one embodiment of a stack-mounted hydrokinetic turbine mounted on a rotating pedestal;

[0057] A Fig. 22 é uma vista lateral em corte transversal da turbina hidrocinética montada em pilha da Fig. 21, instalada em um pedestal giratório;[0057] Fig. 22 is a cross-sectional side view of the stack-mounted hydrokinetic turbine of Fig. 21, installed on a rotating pedestal;

[0058] A Fig. 23 é uma visão esquemática em perspectiva da turbina hidrocinética montada em uma jangada instalada em uma barcaça oceânica, com ambas as turbinas operando;[0058] Fig. 23 is a schematic perspective view of the raft-mounted hydrokinetic turbine installed on an ocean barge, with both turbines operating;

[0059] A Fig. 24 é uma vista em perspectiva esquemática de uma turbina hidrocinética montada em uma jangada instalada em uma barcaça oceânica com turbina do lado da porta e com uma turbina lateral de estibordo em posição de manutenção;[0059] Fig. 24 is a schematic perspective view of a raft-mounted hydrokinetic turbine installed on an ocean-going barge with the port side turbine and with a starboard side turbine in maintenance position;

[0060] A Fig. 25 é uma visão em perspectiva da turbina hidrocinética montada em uma jangada instalada em uma barcaça oceânica, com a turbina do lado de estribo operando e com a turbina do lado da porta na posição de manutenção;[0060] Fig. 25 is a perspective view of the raft-mounted hydrokinetic turbine installed on an ocean barge, with the stirrup-side turbine operating and the port-side turbine in the maintenance position;

[0061] A Fig. 26 é uma vista em perspectiva da turbina hidrocinética montada em uma jangada instalada entre duas barcaças oceânicas;[0061] Fig. 26 is a perspective view of the hydrokinetic turbine mounted on a raft installed between two ocean barges;

[0062] A Fig. 27 é uma visão em perspectiva do flutuante na instalação de uma turbina hidrocinética instalada em uma jangada submersível;[0062] Fig. 27 is a perspective view of the float in the installation of a hydrokinetic turbine installed on a submersible raft;

[0063] A Fig. 28 é uma vista em perspectiva esquemática de uma turbina hidrocinética montada em uma estrutura instalada em uma ponte em um rio;[0063] Fig. 28 is a schematic perspective view of a hydrokinetic turbine mounted on a structure installed on a bridge across a river;

[0064] A Fig. 29A é uma vista em perspectiva esquemática de uma instalação flutuante de uma turbina hidrocinética montada em uma jangada submersa instalada em um leito oceânico ou no leio de um rio;[0064] Fig. 29A is a schematic perspective view of a floating hydrokinetic turbine installation mounted on a submerged raft installed on an ocean floor or riverbed;

[0065] A Fig. 29B é uma vista em perspectiva esquemática de uma instalação flutuante de uma turbina hidrocinética flutuante fixada diretamente às cintas instaladas em um leito oceânico ou de um rio;[0065] Fig. 29B is a schematic perspective view of a floating hydrokinetic turbine installation directly attached to braces installed on an ocean or river bed;

[0066] A Fig. 30 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma instalação rebocada de uma turbina hidrocinética que é rebocada atrás de uma embarcação;[0066] Fig. 30 is a perspective view of one embodiment of a towed hydrokinetic turbine installation that is towed behind a vessel;

[0067] A Fig. 31 é uma vista em perspectiva de uma turbina hidrocinética com um cubo central sólido do formato do hidrofólio e palhetas no formato do hidrofólio para fixar o cubo, não fazendo parte da presente invenção; e[0067] Fig. 31 is a perspective view of a hydrokinetic turbine having a solid hydrofoil-shaped central hub and hydrofoil-shaped vanes for attaching the hub, not forming part of the present invention; and

[0068] A Fig. 32 é uma vista lateral esquemática de uma turbina hidrocinética com um cubo central sólido no formato do hidrofólio e palhetas no formato do hidrofólio para fixar o cubo, não fazendo parte da presente invenção;[0068] Fig. 32 is a schematic side view of a hydrokinetic turbine having a solid hydrofoil-shaped central hub and hydrofoil-shaped vanes for securing the hub, not forming part of the present invention;

[0069] As Figs. 33 A e 33B são, respectivamente, uma vista lateral esquemática de um invólucro de acelerador, o difusor e o cubo central inicialmente selecionado para uma corrente de 6 nós e uma vista correspondente de um invólucro, de um difusor e de um cubo central do acelerador que foram otimizados para uma corrente de 3 nós;[0069] Figs. 33A and 33B are, respectively, a schematic side view of an accelerator housing, diffuser and center hub initially selected for a 6-node stream and a corresponding view of an accelerator housing, diffuser and center hub that have been optimized for a 3-node stream;

[0070] A Fig. 34 é uma vista lateral esquemática e uma vista frontal de uma pá de rotor otimizada para uma turbina de diâmetro de seção de rotor de 1,5 m a ser utilizada em uma corrente de 3 nós;[0070] Fig. 34 is a schematic side view and a front view of a rotor blade optimized for a 1.5 m rotor section diameter turbine to be used in a 3 knot current;

[0071] A Fig. 35 é uma vista lateral esquemática mais detalhada de um invólucro de acelerador, de um difusor e de um cubo central otimizado para uma turbina de diâmetro de seção de rotor de 1,5 m a ser usada em uma corrente de 3 nós, utilizando a pá de rotor da Fig. 34.[0071] Fig. 35 is a more detailed schematic side view of an accelerator casing, diffuser and central hub optimized for a 1.5 m rotor section diameter turbine to be used in a 3 knot stream utilizing the rotor blade of Fig. 34.

[0072] A Fig. 36 é um gráfico que compara a potência de saída das hidroturbinas de acordo com a invenção em comparação com máquinas similares que não possuem invólucros de hidrofólio, a velocidades de água variáveis.[0072] Fig. 36 is a graph comparing the power output of hydroturbines according to the invention compared to similar machines not having hydrofoil casings, at varying water velocities.

[0073] As Figs. 37A e 37B ilustram os resultados de ensaios bidimensionais da análise de CFD da aceleração de fluxo, em velocidade e pressão, respectivamente, de uma modalidade de acordo com a invenção.[0073] Figs. 37A and 37B illustrate the results of two-dimensional tests of CFD analysis of flow acceleration, in velocity and pressure, respectively, of an embodiment according to the invention.

[0074] As Figs. 38A e 38B ilustram medições de CFD, em linhas de velocidade e campos de pressão, respectivamente, de uma modalidade de acordo com a invenção.[0074] Figs. 38A and 38B illustrate CFD measurements, on velocity lines and pressure fields, respectively, of an embodiment according to the invention.

[0075] As Figs. 39 e 40 mostram o diferencial de pressão na dianteira das pás e na traseira das pás, respectivamente, em testes de CFD.[0075] Figs. 39 and 40 show the pressure differential at the front of the blades and at the rear of the blades, respectively, in CFD tests.

[0076] Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas da Invenção[0076] Detailed Description of Preferred Embodiments of the Invention

[0077] Os dispositivos de acordo com a invenção são caracterizados por um único sistema de aceleração de fluxo e outros componentes únicos, sem eixo ou engrenagem central e, como resultado dessas e outras características, podem operar a um nível de eficiência superior ao de outras turbinas comparáveis.[0077] The devices according to the invention are characterized by a single flow acceleration system and other single components, without a central shaft or gear and, as a result of these and other characteristics, can operate at a higher efficiency level than other comparable turbines.

[0078] Os designs das turbinas hidrocinéticas da invenção são facilmente dimensionáveis, o que significa que elas podem ser facilmente adaptadas e otimizadas para qualquer área geográfica específica e para diferentes velocidades de fluxo e volumes de fluxo.[0078] The hydrokinetic turbine designs of the invention are readily scalable, meaning that they can be easily adapted and optimized for any specific geographic area and for different flow velocities and flow volumes.

[0079] A presente invenção inclui vários métodos de instalação diferentes, tornando o dispositivo adequado para uso em muitos tipos diferentes de locais e condições com qualquer profundidade de água navegável.[0079] The present invention includes several different installation methods, making the device suitable for use in many different types of locations and conditions with any navigable water depth.

[0080] As turbinas da invenção são projetadas para serem muito ecologicamente corretas e terem um impacto praticamente nulo sobre a vida marinha, o leito do mar ou o leito do rio e seus arredores. Eles são, de preferência, equipados com removedores de animais selvagens e de detritos, uma passagem ou via segura para animais marinhos pequenos e blindagem de radiação eletromagnética (EMF). A parte externa preferencialmente é pintada com um revestimento anti-incrustante não tóxico.[0080] The turbines of the invention are designed to be very environmentally friendly and have virtually no impact on marine life, the seabed or riverbed and its surroundings. They are preferably equipped with wildlife and debris removers, a safe passage or pathway for small marine animals and electromagnetic radiation (EMF) shielding. The exterior is preferably painted with a non-toxic anti-fouling coating.

[0081] Devido ao design exclusivo, os materiais utilizados na construção e revestimentos aplicados, esses dispositivos requerem manutenção mínima.[0081] Due to the unique design, materials used in construction and applied coatings, these devices require minimal maintenance.

[0082] A presente invenção, em um aspecto, refere-se a uma turbina hidrocinética destinada a ser colocada sob a água, em uma configuração fixa, flutuante, ancorada ou rebocada, em uma corrente de fluxo de água que de preferência tem uma velocidade de fluxo mínima de cerca de 0,25 m/s. A invenção também se refere a certos componentes de turbina, a um método para projetar/produzir tais turbinas, bem como a um método para sua utilização. Claro que este dispositivo produzirá mais energia com maiores velocidades de fluxo.[0082] The present invention, in one aspect, relates to a hydrokinetic turbine intended to be placed underwater, in a fixed, floating, anchored or towed configuration, in a water flow stream that preferably has a minimum flow velocity of about 0.25 m/s. The invention also relates to certain turbine components, a method for designing/producing such turbines, as well as a method for using them. Of course, this device will produce more power at higher flow velocities.

[0083] Essas turbinas podem ser instaladas em qualquer quantidade. Elas podem ser usadas como unidades únicas ou podem ser instaladas como uma "matriz de turbina" ou uma "fazenda de turbinas" que pode consistir em turbinas múltiplas e pode ser até centenas de unidades. As turbinas podem gerar eletricidade em conjunto ou separadamente.[0083] These turbines can be installed in any quantity. They can be used as single units or they can be installed as a "turbine array" or a "turbine farm" that can consist of multiple turbines and can number up to hundreds of units. The turbines can generate electricity in tandem or separately.

[0084] O design dessas turbinas é dimensionável e pode ser produzido como uma pequena unidade de qualquer tamanho, mas, falando em termos práticos, tem pelo menos cerca de 30 cm de diâmetro da seção do rotor e pode ser de qualquer tamanho do diâmetro da seção do rotor que seja prático e apropriado para uma determinada aplicação em um local específico. O dispositivo pode ser uma grande unidade de qualquer tamanho, até pelo menos cerca de 30 m do diâmetro da seção do rotor ou mais.[0084] The design of these turbines is scalable and can be produced as a small unit of any size, but practically speaking, it is at least about 30 cm in rotor section diameter and can be any size of rotor section diameter that is practical and appropriate for a given application at a given location. The device can be a large unit of any size, up to at least about 30 m in rotor section diameter or more.

[0085] A invenção proporciona um sistema de aceleração de fluxo melhorado desenvolvido pelo requerente, que usa formatos de hidrofólio em muitos dos principais componentes da turbina e mais preferencialmente na maioria ou em todos os componentes sobre os quais ou através dos quais a água flui. Os componentes que podem ter um formato de hidrofólio são denominados: as pás do rotor (34), o cubo central (36), o invólucro da palheta do rotor (38), o invólucro do acelerador (20), o difusor anular (40), o removedor de animais selvagens e de detritos (10, 18), o leme da cauda (60), a estrutura de suporte (50, 52), a pilha de suporte (54). Alguns desses componentes, como as pás do rotor ou a estrutura do acelerador, podem ter, vantajosamente, o formato de hidrofólio para otimizar a extração de energia, enquanto que outros componentes, como os removedores de animais selvagens e de detritos, podem ter o formato de hidrofólio para reduzir ou eliminar a turbulência que poderia afetar de maneira negativa outro componente ou outros componentes.[0085] The invention provides an improved flow acceleration system developed by the applicant, which uses hydrofoil shapes in many of the major components of the turbine and more preferably in most or all of the components over or through which water flows. The components that may have a hydrofoil shape are named: the rotor blades (34), the central hub (36), the rotor blade casing (38), the accelerator casing (20), the annular diffuser (40), the wildlife and debris remover (10, 18), the tail rudder (60), the support structure (50, 52), the support stack (54). Some of these components, such as rotor blades or accelerator structure, may advantageously be hydrofoil shaped to optimize energy extraction, while other components, such as wildlife and debris removers, may be hydrofoil shaped to reduce or eliminate turbulence that could adversely affect another component or components.

[0086] Os princípios da hidrodinâmica que se aplicam a este projeto são válidos para qualquer tamanho a que esta turbina hidrocinética seja dimensionada e qualquer que seja a velocidade do fluxo de água. Com uma mudança adequada nos formatos desses componentes em formato de perfil de hidrofólio, essa turbina hidrocinética pode ser adaptada e otimizada para as condições de fluxo de um local específico e para o tamanho da turbina requerida. As mudanças nos formatos de hidrofólio são vantajosamente feitas a uma ou mais das pás do rotor, ao suporte do acelerador, ao cubo central e/ou ao difusor anular. As mudanças, que em alguns casos podem ser relativamente pequenas e podem consistir em aumentar ou diminuir o comprimento do cabo e/ou a espessura do cabo de alguns hidrofólios e/ou mudar o ângulo de ataque/incidência dos hidrofólios de acordo com a velocidade o fluxo de água e do tamanho necessário da turbina. Isso significa que o design das modalidades específicas de acordo com a invenção pode alterar relativamente ou mesmo muito pouco quanto à aparência, mas funcionará exatamente do mesmo jeito, independentemente do tamanho da turbina ou da velocidade do fluxo de água, contanto que as porções em tamanho e posição dos componentes em relação uns aos outros e a posição entre as partes individuais sejam mantidas e permaneçam inalteradas ou muito semelhantes.[0086] The principles of hydrodynamics that apply to this design are valid for any size to which this hydrokinetic turbine is dimensioned and whatever the speed of the water flow. By appropriately changing the shapes of these hydrofoil profile shaped components, this hydrokinetic turbine can be adapted and optimized for the flow conditions of a specific site and for the size of the turbine required. The changes in the hydrofoil shapes are advantageously made to one or more of the rotor blades, the accelerator support, the central hub and/or the annular diffuser. The changes, which in some cases may be relatively small, may consist of increasing or decreasing the cable length and/or cable thickness of some hydrofoils and/or changing the angle of attack/incidence of the hydrofoils according to the speed of the water flow and the required size of the turbine. This means that the design of specific embodiments according to the invention may change relatively or even very little in appearance, but will function exactly the same regardless of the size of the turbine or the speed of the water flow, as long as the portions in size and position of the components relative to each other and the position between the individual parts are maintained and remain unchanged or very similar.

[0087] O rendimento da turbina aumentará em proporção com a área de superfície das pás do rotor; isso significa que a força motriz que determina quantos quilowatts ou megawatts produzem uma turbina não é proporcional ao seu diâmetro, mas na proporção da área de superfície das pás do rotor expostas à corrente de água. O rendimento da turbina aumenta pelo quadrado do diâmetro. Em outras palavras, uma turbina que é duas vezes maior em diâmetro renderá quatro vezes a energia elétrica. Essa propriedade do design faz da turbina dimensionável a quase qualquer tamanho prático e utilizável em um corpo de água com alterações aos formatos de hidrofólio, que costumam ser alterações relativamente menores.[0087] Turbine output will increase in proportion to the surface area of the rotor blades; this means that the driving force that determines how many kilowatts or megawatts a turbine produces is not proportional to its diameter, but in proportion to the surface area of the rotor blades exposed to the water current. Turbine output increases by the square of the diameter. In other words, a turbine that is twice as large in diameter will produce four times the electrical power. This design property makes the turbine scalable to almost any practical size and usable in a body of water with changes to the hydrofoil shapes, which are usually relatively minor changes.

[0088] O design e o uso desses formatos particulares de peças de hidrofólio não apenas eliminam o vórtice da ponta das pás do rotor como também aceleram o fluxo de água através da seção do rotor da turbina em função do fato de que o invólucro do acelerador, em combinação com o difusor anular, cria uma área de baixa pressão na saída ou atrás da turbina, preferencialmente ampliada ainda mais pelo cubo central em formato de hidrofólio. Esses componentes juntos criam uma sinergia para aumentar o fluxo de água ainda mais. O fluxo de água que já está ligeiramente acelerado na entrada das turbinas através do efeito de encapsulamento do canal de entrada é acelerado ainda mais por essa área de baixa pressão atrás da turbina, que cria uma sucção para puxar a água através da seção do rotor por trás a uma velocidade até mesmo superior. No caso da utilização preferida do formato de hidrofólio das peças, as figuras de acordo com a invenção conseguem um aumento muito grande na velocidade de fluxo através da seção de rotor da turbina onde as pás em formato de hidrofólio são posicionadas. Nenhum outro design de turbina hidrocinética conhecido alcançou este grau de aceleração de fluxo.[0088] The design and use of these particular hydrofoil part shapes not only eliminate the vortex from the rotor blade tips but also accelerate the water flow through the turbine rotor section due to the fact that the accelerator casing, in combination with the annular diffuser, creates a low pressure area at or behind the turbine outlet, preferably further enlarged by the hydrofoil-shaped central hub. These components together create a synergy to increase the water flow even further. The water flow that is already slightly accelerated at the turbine inlet through the encapsulation effect of the inlet channel is further accelerated by this low pressure area behind the turbine, which creates a suction to pull the water through the rotor section from behind at an even higher velocity. In the case of the preferred use of the hydrofoil shape of the parts, the figures according to the invention achieve a very large increase in the flow velocity through the turbine rotor section where the hydrofoil-shaped blades are positioned. No other known hydrokinetic turbine design has achieved this degree of flow acceleration.

[0089] A aceleração do fluxo criada pelos formatos únicos e pela combinação de todos os elementos hidrodinâmicos permanece a mesma em qualquer tamanho de turbina. A análise da dinâmica de fluidos computacional dos designs de turbinas hidrocinéticas de acordo com a invenção provou que aceleram a velocidade de fluxo através da seção do rotor de até cerca de três vezes a velocidade da velocidade de fluxo ambiente que circunda a parte externa da turbina. Isso significa que, por exemplo, se esse dispositivo fosse colocado em uma corrente de 3 nós, a velocidade de fluxo através da seção do rotor desse dispositivo seria de até 9 nós. As vantagens muito significativas desse aumento da corrente para a potência de energia hidrelétrica são claramente evidentes.[0089] The flow acceleration created by the unique shapes and combination of all hydrodynamic elements remains the same in any turbine size. Computational fluid dynamics analysis of hydrokinetic turbine designs according to the invention has proven that they accelerate the flow velocity through the rotor section to about three times the velocity of the ambient flow velocity surrounding the outside of the turbine. This means that, for example, if such a device were placed in a 3 knot current, the flow velocity through the rotor section of such a device would be up to 9 knots. The very significant advantages of this increased current for hydropower output are clearly evident.

[0090] Os efeitos de cada peça individual, bem como os efeitos da interação/cooperação e da relação das peças entre si, são descritos em detalhes abaixo, em ligação com várias modalidades exemplificativas da invenção, com referência às figuras em anexo.[0090] The effects of each individual part, as well as the effects of the interaction/cooperation and relationship of the parts to each other, are described in detail below, in connection with several exemplary embodiments of the invention, with reference to the attached figures.

[0091] A invenção é preferencialmente composta por quatro componentes principais, a) um invólucro de acelerador de fluxo, b) um difusor anular opcional seguindo o invólucro do acelerador de fluxo, c) um rotor principal que está embutido no invólucro do acelerador, mas é uma peça separada, e d) um ou mais removedores opcionais de animais selvagens/detritos. Alguns desses componentes tipicamente compreendem várias subpeças diferentes que são montadas para serem uma peça da turbina. Características adicionais e vantagens são descritos abaixo. Essas peças e características cooperam com e têm um efeito entre si de maneiras que também são descritas abaixo para produzir a operação melhorada das turbinas de acordo com a invenção.[0091] The invention preferably comprises four main components, a) a flow accelerator housing, b) an optional annular diffuser following the flow accelerator housing, c) a main rotor which is embedded in the accelerator housing but is a separate part, and d) one or more optional wildlife/debris removers. Some of these components typically comprise several different sub-parts which are assembled to be one part of the turbine. Additional features and advantages are described below. These parts and features cooperate with and have an effect on each other in ways which are also described below to produce the improved operation of turbines according to the invention.

Invólucro do acelerador de fluxo com o difusor anularFlow accelerator housing with annular diffuser

[0092] Referindo-se agora às Figs. 1-5, 8 e 19, oinvólucro do acelerador de fluxo (20) é uma parte importante que incorpora o formato de hidrofólio mais complexo. Tal como utilizado nos designs desta invenção, ele tem preferencialmente um formato de hidrofólio assimétrico e, mais preferencialmente, um formato de hidrofólio de curva dupla/em formato de S (Fig. 5a, 21) ou, em outras palavras, uma configuração de curva dupla geralmente em forma de S (Fig. 9) para criar um campo de pressão negativa atrás do invólucro para acelerar o fluxo de água através da seção do rotor (30) da turbina. A seção transversal da parede da carcaça do acelerador também pode ter um formato de hidrofólio que não é de curva dupla em formato de S, mas lembra muito mais os formatos convencionais de hidrofólio (Fig. 5b, 24). O invólucro do acelerador acelera o fluxo da água no interior da turbina em comparação com a velocidade do fluxo ambiente em torno do invólucro do acelerador. O invólucro do acelerador é de preferência composto por quatro peças: o canal de entrada (22), o compartimento do estator (24), o invólucro da pá do rotor (38) (Fig. 10) e a carcaça traseira (28). Estes quatro componentes juntos preferencialmente formam um único formato, que é de preferência o hidrofólio assimétrico do invólucro do acelerador, o qual, em certas modalidades preferidas, tem a formato de perfil de hidrofólio em formato de S/curva dupla. Todas as quatro peças são de preferência mentidas unidas para formar uma superfície perfeitamente lisa na parte interna e externa, sobre a qual a água flui sem criar nenhuma turbulência significativa.[0092] Referring now to Figs. 1-5, 8 and 19, the flow accelerator casing (20) is an important part that incorporates the more complex hydrofoil shape. As used in the designs of this invention, it preferably has an asymmetric hydrofoil shape and, more preferably, a double-curve/S-shaped hydrofoil shape (Fig. 5a, 21) or, in other words, a generally S-shaped double-curve configuration (Fig. 9) to create a negative pressure field behind the casing to accelerate the flow of water through the rotor section (30) of the turbine. The accelerator casing wall cross-section may also have a hydrofoil shape that is not a double-curve S-shaped shape but more closely resembles conventional hydrofoil shapes (Fig. 5b, 24). The accelerator casing accelerates the flow of water within the turbine compared to the ambient flow velocity around the accelerator casing. The accelerator casing preferably consists of four parts: the inlet runner (22), the stator housing (24), the rotor blade casing (38) (Fig. 10) and the rear casing (28). These four components together preferably form a single shape, which is preferably the asymmetric hydrofoil of the accelerator casing, which in certain preferred embodiments has the shape of an S-shaped/double-curved hydrofoil profile. All four parts are preferably joined together to form a perfectly smooth surface on the inside and outside, over which the water flows without creating any significant turbulence.

[0093] O duto de entrada (22) serve para afunilar o fluxo de água para dentro da seção do rotor (30) e para conduzir o fluxo de água até e sobre o compartimento do estator (24) na parte externa do invólucro do acelerador e sobre o invólucro da pá do rotor (38) na parte interna. Essa superfície externa e a superfície interna do invólucro da pá do rotor são parte do formato geral do invólucro do acelerador. O duto de entrada também contém os rolamentos de impulso dianteiro que orientam a seção do rotor durante o funcionamento.[0093] The inlet duct (22) serves to funnel the water flow into the rotor section (30) and to conduct the water flow to and over the stator housing (24) on the outside of the accelerator housing and over the rotor blade housing (38) on the inside. This outer surface and the inner surface of the rotor blade housing are part of the overall shape of the accelerator housing. The inlet duct also contains the forward thrust bearings that guide the rotor section during operation.

[0094] O compartimento do estator (24) contém todas as bobinas metálicas (25), de preferência de cobre, que compreendem o estator do gerador anular, bem como a fiação elétrica convencional (não mostrada) para transportar a energia elétrica gerada para fora da turbina. O compartimento do estator também contém os rolamentos rotativos/rolamentos de esferas (ou outros rolamentos ou buchas de polímero de baixa fricção) (26) sobre os quais a seção do rotor gira.[0094] The stator compartment (24) contains all of the metal coils (25), preferably copper, that comprise the stator of the annular generator, as well as conventional electrical wiring (not shown) for transporting the generated electrical power away from the turbine. The stator compartment also contains the rotating bearings/ball bearings (or other low friction polymer bearings or bushings) (26) on which the rotor section rotates.

[0095] A superfície externa do invólucro da pá do rotor (38) faz parte do invólucro do acelerador, mas é uma peça separada que está unida às pontas das pás do rotor (33) e gira com o rotor principal dentro do invólucro do acelerador. Ela é descrita em mais detalhes abaixo.[0095] The outer surface of the rotor blade housing (38) is part of the accelerator housing, but is a separate part that is joined to the tips of the rotor blades (33) and rotates with the main rotor within the accelerator housing. It is described in more detail below.

[0096] A carcaça traseira (28) localizada atrás do compartimento do estator (24) e o invólucro da pá do rotor (38) conduzem o fluxo de água para a saída do invólucro do acelerador (20) e de preferência têm um bordo de penas (29) na extremidade traseira para evitar a criação de turbulência ou resistência. A carcaça traseira também contém os rolamentos de impulso traseiro/posterior (26) (Fig. 9) contra os quais a seção do rotor é pressionada enquanto gira.[0096] The rear housing (28) located behind the stator housing (24) and the rotor blade casing (38) conducts the water flow to the outlet of the accelerator casing (20) and preferably has a feathered edge (29) at the rear end to prevent the creation of turbulence or drag. The rear housing also contains the rear/back thrust bearings (26) (Fig. 9) against which the rotor section is pressed as it rotates.

[0097] O difusor anular (40) também é preferencialmente um anel em forma de hidrofólio assimétrico e de preferência tem um diâmetro maior do que o invólucro do acelerador (20). O difusor anular (40) está localizado atrás do invólucro do acelerador e, de preferência, sobrepõe-se um pouco sobre a extremidade traseira do invólucro do acelerador (20). Ele funciona de uma maneira muito semelhante ao invólucro do acelerador, aumentando ainda mais o campo de pressão negativa atrás da turbina. Devido à cooperação e ao efeito sinérgico resultante do invólucro do acelerador e do difusor anular, há um aumento maior da velocidade do fluxo através da seção do rotor. De modo geral, em uma posição relativamente próxima (por exemplo, cerca de 4 a 6 polegadas) atrás do bordo de fuga do difusor anular (final), que é preferencialmente um bordo de penas, a parte traseira de animais selvagens e de exclusão de detritos está anexada. Pode haver alguns casos em que pode ser vantajoso, por exemplo, sob condições específicas de fluxo de água, empregar um ou mais difusores anulares, como o segundo difusor anular (42) e talvez até um terceiro difusor anular (44), posicionado um atrás do de outros. (Figs. 6-7)Conjunto do RotorVoltando agora às Figs. 10-15, as turbinas hidrocinéticas da invenção preferencialmente têm um centro aberto (37). Em parte, isso é vantajoso nas figuras da presente invenção devido à baixa velocidade com que as pás se deslocam através da água perto do centro da seção do rotor e, portanto, não criam elevação suficiente ou energia suficiente para extrair. Inclusive, a parte central geralmente tem um efeito negativo sobre o rotor devido à resistência extra que cria por uma superfície úmida mais ampla e pelo peso adicional que precisa ser deslocado pela água. As extremidades das pás do rotor (34) se deslocam através da água a uma velocidade mais alta e, portanto, criam substancialmente mais elevação e permitem uma extração de energia substancialmente maior. Dependendo do tamanho da turbina, a velocidade do fluxo em um local da instalação e outras necessidades específicas do local, a relação entre o centro aberto e o tamanho da pá e do cubo pode ser qualquer uma entre cerca de 40% de pá: 60% de espaço aberto, cerca de 80% de pá: 20% de espaço aberto. As turbinas de acordo com a invenção usam vantajosamente a maior parte do diâmetro total ao longo do perímetro da seção de rotor para produzir elevação, tipicamente mais de cerca de 60% e mais preferivelmente cerca de 2/3 do diâmetro. Isso deixa a porção menor restante, por exemplo, em uma modalidade preferida, aproximadamente cerca de 1/3 do diâmetro total no centro aberto (37). A eliminação da seção central do rotor reduz o peso total do rotor e também reduz a área da superfície úmida e resistência que uma seção de perfil sólido pudesse criar. Por conseguinte, as figuras desta invenção criam uma seção de rotor mais eficiente que utiliza uma área de pá menor com menos peso, com menos área úmida e menos resistência, que pode girar a taxas de rpm mais elevadas e permitir a extração de mais energia. Há também um efeito secundário que é mais benéfico para eliminador de detritos e animais selvagens que é descrito abaixo.[0097] The annular diffuser (40) is also preferably an asymmetric hydrofoil shaped ring and preferably has a larger diameter than the throttle casing (20). The annular diffuser (40) is located behind the throttle casing and preferably overlaps somewhat over the rear end of the throttle casing (20). It functions in a very similar manner to the throttle casing by further increasing the negative pressure field behind the turbine. Due to the cooperation and resulting synergistic effect of the throttle casing and the annular diffuser, there is a further increase in the flow velocity through the rotor section. Generally speaking, at a relatively close position (e.g., about 4 to 6 inches) behind the trailing edge of the annular diffuser (end), which is preferably a feathered edge, the rear wildlife and debris exclusion portion is attached. There may be some instances where it may be advantageous, for example under specific water flow conditions, to employ one or more annular diffusers, such as the second annular diffuser (42) and perhaps even a third annular diffuser (44), positioned one behind the other. (Figs. 6-7) Rotor Assembly Turning now to Figs. 10-15, the hydrokinetic turbines of the invention preferably have an open center (37). This is advantageous in part in the figures of the present invention because the blades travel slowly through the water near the center of the rotor section and therefore do not create sufficient lift or sufficient energy to extract. In fact, the center portion generally has a negative effect on the rotor due to the extra resistance it creates from a wider wetted surface and the additional weight that must be displaced by the water. The tips of the rotor blades (34) travel through the water at a higher speed and therefore create substantially more lift and allow substantially greater energy extraction. Depending on the size of the turbine, the flow velocity at an installation site, and other site-specific requirements, the ratio of open center to blade and hub size can be anywhere from about 40% blade:60% open space to about 80% blade:20% open space. Turbines according to the invention advantageously use most of the overall diameter along the perimeter of the rotor section to produce lift, typically more than about 60% and more preferably about 2/3 of the diameter. This leaves the remaining smaller portion, e.g., in a preferred embodiment, approximately about 1/3 of the overall diameter at the open center (37). Eliminating the rotor center section reduces the overall weight of the rotor and also reduces the wetted surface area and drag that a solid profile section would create. Accordingly, the figures of this invention create a more efficient rotor section that utilizes a smaller blade area with less weight, less wetted area, and less drag, which can rotate at higher rpm rates and allow more energy to be extracted. There is also a side effect that is more beneficial to waste eliminator and wildlife which is described below.

[0098] O centro central (36, 80), que é de preferência anular e rodeia o centro preferencialmente aberto (37), também é usado para unir as bases da pá do rotor (39). (Figuras 1 1-12 e 31) O cubo central (80) que é sólido de preferência tem um formato de hidrofólio simétrico, enquanto que o cubo central 36 com centro aberto preferencialmente tem um formato de hidrofólio assimétrico, com os extrados em direção à parte externa da turbina e os intrados voltados para o centro do cubo. A elevação gerada pelo cubo central ajuda a aumentar o campo de pressão negativa atrás da turbina criado pelo invólucro do acelerador (20) e pelo difusor anular (40). Este efeito aumenta a aceleração do fluxo de água através da seção da pá do rotor e contribui para o efeito sinérgico e para a geração de energia maior resultante.[0098] The central hub (36, 80), which is preferably annular and surrounds the preferably open hub (37), is also used to join the rotor blade bases (39). (Figures 11-12 and 31) The solid central hub (80) preferably has a symmetrical hydrofoil shape, while the open-center central hub 36 preferably has an asymmetrical hydrofoil shape, with the extrados toward the outside of the turbine and the intrados toward the hub center. The lift generated by the central hub helps to increase the negative pressure field behind the turbine created by the accelerator casing (20) and the annular diffuser (40). This effect increases the acceleration of the water flow through the rotor blade section and contributes to the synergistic effect and resulting higher power generation.

[0099] O invólucro da pá do rotor (38) (também chamado de anel externo do rotor principal) é onde as extremidades/pontas (33) das pás (34) estão ligadas. (Fig. 10). Este invólucro (38) da pá do rotor forma uma parte do formato do hidrofólio do invólucro do acelerador (20). Trata-se de um elemento separado do invólucro do acelerador, permitindo que ele gire com as pás do rotor (34). Mas a superfície do invólucro da pá do rotor está de preferência perfeitamente em linha com a superfície interna do invólucro do acelerador (20) para criar uma curva uniforme de ambas as superfícies internas, a estrutura do acelerador e a estrutura da pá do rotor. A superfície externa do invólucro da pá do rotor, que está voltada para a superfície interna do compartimento do estator (24), é de preferência rebaixada no invólucro do acelerador e tem uma superfície plana onde estão localizados os ímãs permanentes (32) que giram através das bobinas de cobre (25) do estator para produzir energia elétrica. O invólucro da pá do rotor (38) também elimina o vórtice da ponta e reduz a resistência e a turbulência, resultando em maior eficiência e maior extração de energia.[0099] The rotor blade casing (38) (also called the main rotor outer ring) is where the tips (33) of the blades (34) are attached. (Fig. 10). This rotor blade casing (38) forms a part of the hydrofoil shape of the accelerator casing (20). It is a separate element from the accelerator casing, allowing it to rotate with the rotor blades (34). But the surface of the rotor blade casing is preferably perfectly in line with the inner surface of the accelerator casing (20) to create a uniform curve of both the inner surfaces, the accelerator housing and the rotor blade housing. The outer surface of the rotor blade housing, which faces the inner surface of the stator housing (24), is preferably recessed into the accelerator housing and has a flat surface where the permanent magnets (32) are located which rotate through the copper coils (25) of the stator to produce electrical energy. The rotor blade housing (38) also eliminates tip vortex and reduces drag and turbulence, resulting in higher efficiency and greater power extraction.

[0100] Referindo-se agora às Figs. 11-15, a eficiência das pás de rotor (34) é aumentada de preferência utilizando um formato de hidrofólio assimétrico, o qual também é de preferência otimizado, conforme explicado abaixo. Esse formato, também chamado de cabo ou seção transversal (35) do hidrofólio, resulta em um aumento da eficiência de cada pá, reduz seu tamanho e diminui o número de pás em relação a outros designs. Uma pá de rotor menor (34) tem uma área menos úmida, produzindo assim menos resistência. A quantidade de elevação gerada pelo formato de um hidrofólio é determinada pelo formato do cabo/seção transversal (35) (Fig. 15), o comprimento do cabo (74) e a espessura do cabo (76) do hidrofólio (Fig. 13). Nos designs de acordo com a invenção, um ou ambos, o comprimento do cabo (74) e/ou a espessura do cabo (76) preferencialmente mudam entre a base da pá (39) e a ponta da pá (33). Isso otimiza a elevação criada pelo formato do hidrofólio em relação à velocidade em que se desloca através da água. O número de pás colocadas na secção do rotor das figuras de acordo com a invenção pode variar dependendo do tamanho da turbina e da velocidade de fluxo da água em uma aplicação em particular.[0100] Referring now to Figs. 11-15, the efficiency of the rotor blades (34) is preferably increased by utilizing an asymmetric hydrofoil shape, which is also preferably optimized as explained below. This shape, also called the cable or hydrofoil cross-section (35), results in an increase in the efficiency of each blade, reduces its size, and decreases the number of blades relative to other designs. A smaller rotor blade (34) has a smaller wetted area, thus producing less drag. The amount of lift generated by a hydrofoil shape is determined by the cable/cross-section (35) shape (Fig. 15), the cable length (74), and the cable thickness (76) of the hydrofoil (Fig. 13). In designs according to the invention, one or both of the cable length (74) and/or the cable thickness (76) preferably change between the blade base (39) and the blade tip (33). This optimizes the lift created by the shape of the hydrofoil in relation to the speed at which it moves through the water. The number of blades placed in the rotor section of the figures according to the invention may vary depending on the size of the turbine and the flow speed of the water in a particular application.

[0101] O ângulo/incidência (72) (Fig. 13) em que as pás do rotor estão instaladas também é uma variável que pode ser ajustada com o objetivo de otimizar o ângulo de ataque ou a incidência da pá que se desloca pela água. É preferido usar um ângulo ótimo que é determinado pela rpm do rotor para produzir um fluxo laminar ou pelo menos um fluxo quase laminar da água sobre a superfície da pá. Se esse fluxo for turbulento ou significativamente não laminar, o hidrofólio cria menos elevação e, portanto, menos energia pode ser extraída. A ponta da pá percorre a água mais rapidamente do que a base da pá devido ao fato de que percorre uma distância maior para completar uma rpm. Portanto, a incidência da pá diminui vantajosamente gradualmente da base (39) da pá até a ponta (33) da pá, de modo a estar no ângulo ótimo. Essa mudança de ângulo é chamada de torção (78) da pá. A torção é de preferência projetada para criar uma elevação máxima da pá do rotor em cada seção transversal e, portanto, para aumentar a eficiência e a extração de energia.[0101] The angle/incidence (72) (Fig. 13) at which the rotor blades are installed is also a variable that can be adjusted in order to optimize the angle of attack or incidence of the blade moving through the water. It is preferred to use an optimum angle that is determined by the rotor rpm to produce a laminar or at least a near-laminar flow of water over the blade surface. If this flow is turbulent or significantly non-laminar, the hydrofoil creates less lift and therefore less energy can be extracted. The blade tip travels through the water faster than the blade base due to the fact that it travels a greater distance to complete one rpm. Therefore, the incidence of the blade advantageously decreases gradually from the blade base (39) to the blade tip (33) so as to be at the optimum angle. This change in angle is called the twist (78) of the blade. The twist is preferably designed to create maximum rotor blade lift at each cross section and therefore to increase efficiency and power extraction.

[0102] Para que os formatos de hidrofólio de acordo com a invenção sejam ideais enquanto percorrem a água a diferentes velocidades, preferencialmente eles têm diferentes comprimentos de cabo (74) e espessuras de perfil/cabo (76) diferentes. De preferência, a espessura (76) da pá aumenta e/ou o comprimento do cabo (74) aumenta a partir da base da pá em direção à ponta da pá, de modo a aumentar a área de superfície onde a pá percorre a água com maior velocidade e cria a maior quantidade de elevação. Assim, as pás de preferência aumentam em tamanho e espessura à medida que se estendem radialmente a partir do cubo. Esses aumentos no comprimento e espessura do cabo resultam em uma maior eficiência e maior extração de energia.[0102] In order for the hydrofoil shapes according to the invention to be optimal while traveling through the water at different speeds, they preferably have different cable lengths (74) and different profile/cable thicknesses (76). Preferably, the blade thickness (76) increases and/or the cable length (74) increases from the base of the blade towards the blade tip, so as to increase the surface area where the blade travels through the water at the highest speed and creates the greatest amount of lift. Thus, the blades preferably increase in size and thickness as they extend radially from the hub. These increases in cable length and thickness result in greater efficiency and greater power extraction.

[0103] O formato de hidrofólio das pás do rotor (35), o comprimento do cabo (74), a espessura do perfil/cabo (76), o grau de incidência (72) e a torção (78) de cada pá do rotor e o número de pás podem ser vantajosamente variados para cada aplicação, a fim de se adaptar às condições de fluxo específicas do local da água e outras necessidades de localização.[0103] The hydrofoil shape of the rotor blades (35), the length of the cable (74), the thickness of the profile/cable (76), the degree of incidence (72) and the twist (78) of each rotor blade and the number of blades can be advantageously varied for each application in order to adapt to the specific flow conditions of the water site and other location needs.

Removedores de animais selvagens e de detritosWildlife and Debris Removers

[0104] Referindo-se agora principalmente às Figs. 16-18, uma turbina hidrocinética que produz energia a partir de uma fonte renovável com zero emissões de carbono deve ser ecologicamente correta, não só para os recursos naturais e para a atmosfera, mas também para o meio marinho e a vida selvagem. Esta invenção desvia e mantém toda vida marinha e detritos flutuantes ou submersos acima de um tamanho especificado fora do rotor da turbina hidrocinética da invenção. O tamanho da vida marinha ou dos detritos que não podem entrar na seção do bocal da turbina é especificado pelo espaçamento/distância (15) das hastes defletoras (14) do removedor dianteiro e traseiro. Nesta invenção, as hastes defletoras, por design, encontram-se paralelas umas Às outras e são espaçadas de maneira uniforme ao longo de todo o seu comprimento para que não haja distância entre as hastes (15) maior em um lugar do que em outro. A distância do espaçamento (15) é determinada pelo tamanho e pelas espécies de vida selvagem marinha, bem como o tamanho dos detritos encontrados para serem removidos e para se adaptarem às necessidades da localização de locais específicos de operação. Isso impedirá qualquer vida marinha, como peixes, tartarugas, mamíferos marinhos e até mesmo mergulhadores que são maiores do que o espaço (15) entre as hastes defletoras (14), de entrarem na seção do rotor da turbina hidrocinética dianteira, bem como da traseira quando o removedor dianteiro também for usado.[0104] Referring now primarily to Figs. 16-18, a hydrokinetic turbine that produces energy from a renewable source with zero carbon emissions must be environmentally friendly, not only to natural resources and the atmosphere, but also to the marine environment and wildlife. This invention diverts and keeps all floating or submerged marine life and debris above a specified size out of the rotor of the hydrokinetic turbine of the invention. The size of marine life or debris that cannot enter the turbine nozzle section is specified by the spacing/distance (15) of the front and rear scrubber deflector rods (14). In this invention, the deflector rods, by design, are parallel to each other and are spaced evenly along their entire length so that there is no greater distance between the rods (15) in one place than in another. The spacing distance (15) is determined by the size and species of marine wildlife, as well as the size of debris encountered to be removed, and to suit the location needs of specific operating sites. This will prevent any marine life such as fish, turtles, marine mammals and even divers that are larger than the space (15) between the deflector rods (14) from entering the front hydrokinetic turbine rotor section, as well as the rear section when the front deflector is also used.

[0105] Os presentes designs contrastam com outros designs anteriores conhecidos (ver, por exemplo, (US 3.986.787, US 2010/0007148 Al e US D 614.560) que são caracterizados por hastes defletoras que não são paralelas, de modo que as aberturas entre as hastes se tornam maiores/mais amplas em direção a uma extremidade do removedor, não limitando assim a entrada de vida marinha ou de detritos a um tamanho finito. Alguns outros dispositivos da técnica anterior são projetados como barras defletoras circulares concêntricas (ver, por exemplo, US D 304.322 e US 5.411.224) que definem um tamanho finito de abertura, mas essas configurações não descartam efetivamente toda a vida selvagem e detritos, como as barras defletoras de acordo com a presente invenção, que estão alinhadas obliquamente em relação à direção do fluxo. No design concêntrico, a vida selvagem ou os detritos podem facilmente ser alojados entre os anéis. Nos designs da invenção, o tamanho exato da vida marinha ou dos detritos a serem excluídos pode ser vantajosamente predeterminado seletivamente pela distância (15) escolhida entre as hastes defletoras (14).[0105] The present designs contrast with other known prior designs (see, for example, (US 3,986,787, US 2010/0007148 A1 and US D 614,560) that are characterized by baffle rods that are not parallel, such that the openings between the rods become larger/wider towards one end of the stripper, thus not limiting the entry of marine life or debris to a finite size. Some other prior art devices are designed as concentric circular baffle bars (see, for example, US D 304,322 and US 5,411,224) that define a finite opening size, but these configurations do not effectively discard all wildlife and debris, as do the baffle bars according to the present invention, which are aligned obliquely with respect to the direction of flow. In the concentric design, wildlife or debris can easily be housed between the rings. In the designs of the invention, the exact size of the marine life or debris to be excluded can advantageously be selectively predetermined by the distance (15) chosen between the deflector rods (14).

[0106] As correntes oceânicas e as correntes de rio contêm detritos flutuantes de vários tipos. Esses detritos podem estar flutuando na superfície ou submersos em diferentes profundidades. Portanto, é preferível manter tais detritos fora da seção do rotor da turbina hidrocinética na maior extensão possível, para evitar danos à turbina e garantir uma potência elétrica contínua e ininterrupta. Os designs de acordo com a invenção desviam e evitam todos os detritos acima do tamanho especificado (15) do espaçamento das hastes defletoras.[0106] Ocean currents and river currents contain floating debris of various types. This debris may be floating on the surface or submerged at different depths. Therefore, it is preferable to keep such debris out of the rotor section of the hydrokinetic turbine to the greatest extent possible, to avoid damage to the turbine and to ensure continuous and uninterrupted electrical power. The designs according to the invention deflect and avoid all debris above the specified size (15) of the deflector rod spacing.

[0107] As turbinas hidrocinéticas de acordo com a invenção preferencialmente têm dois removedores de animais selvagens e de detritos, um (10) na frente na entrada (22) da turbina e um (18) atrás na saída da turbina. O removedor de animais selvagens e de detritos dianteiro (10) está localizado na frente da turbina que protege a entrada (22) do invólucro do acelerador (20) e está ligado à extremidade dianteira do invólucro do acelerador, bem como de preferência à estrutura de suporte (50, 52) da turbina. As hastes defletoras (14) do removedor podem ser feitas de metal, fibra de vidro ou materiais sintéticos com diferentes diâmetros dependendo do tamanho da turbina; de cerca de % de polegada em uma pequena turbina e até cerca de 2 polegadas em unidades muito grandes. As hastes defletoras preferencialmente têm formatos de hidrofólio/gota (14) na seção transversal (Fig. 18) com a extremidade romba apontando na direção do fluxo da água e as extremidades afiadas sendo o bordo de fuga. Essa configuração serve para evitar a turbulência no fluxo de água que poderia perturbar a eficiência de um ou mais outros componentes, como o invólucro do acelerador (20), o difusor anular (40) e/ou as pás do rotor (34).[0107] The hydrokinetic turbines according to the invention preferably have two wildlife and debris removers, one (10) at the front at the turbine inlet (22) and one (18) at the rear at the turbine outlet. The front wildlife and debris remover (10) is located at the front of the turbine protecting the inlet (22) of the accelerator casing (20) and is attached to the front end of the accelerator casing as well as preferably to the turbine support structure (50, 52). The deflector rods (14) of the remover may be made of metal, fiberglass or synthetic materials with different diameters depending on the size of the turbine; from about 1/4 inch in a small turbine and up to about 2 inches in very large units. The deflector rods preferably have hydrofoil/teardrop shapes (14) in cross-section (Fig. 18) with the blunt end pointing in the direction of the water flow and the sharp ends being the trailing edge. This configuration serves to prevent turbulence in the water flow that could disturb the efficiency of one or more other components, such as the accelerator casing (20), the annular diffuser (40) and/or the rotor blades (34).

[0108] O removedor de detritos e animais selvagens primeiro/dianteiro (10) é construído preferencialmente de modo que as hastes defletoras na extremidade dianteira do removedor dianteiro (14) formem um formato geralmente de formato cônico. As hastes defletoras na extremidade dianteira estão ligadas a um pequeno anel (12) que de preferência tem o mesmo diâmetro interno que a distância especificada (15) entre as partes internas das hastes defletoras. Na extremidade traseira, as hastes defletoras estão preferencialmente ligadas a um anel grande (16) que é de preferência maior em diâmetro do que o difusor anular (40). A inclinação do formato cônico criado pela diferença entre o anel dianteiro (12) e o anel traseiro (16), ao qual as hastes defletoras (14) estão ligadas, pode ser alterada para se adaptar a diferentes necessidades ambientais. O removedor dianteiro está de preferência posicionado de modo a sobrepor ligeiramente o difusor anular com um espaço que é aproximadamente do mesmo tamanho que a distância (15) entre as barras defletoras, de modo a manter um tamanho finito de vida selvagem e dos detritos autorizados a entrar. Ele é projetado para ser de formato cônico para dispensar e desviar qualquer vida selvagem, detritos, algas marinhas ou qualquer outra coisa que esteja flutuando na corrente de água prestes a entrar na turbina.[0108] The first/front wildlife and debris remover (10) is preferably constructed so that the baffle rods at the front end of the front remover (14) form a generally conical shape. The baffle rods at the front end are attached to a small ring (12) that preferably has the same inner diameter as the specified distance (15) between the inner parts of the baffle rods. At the rear end, the baffle rods are preferably attached to a large ring (16) that is preferably larger in diameter than the annular diffuser (40). The slope of the conical shape created by the gap between the front ring (12) and the rear ring (16), to which the baffle rods (14) are attached, can be changed to suit different environmental needs. The front skimmer is preferably positioned to slightly overlap the annular diffuser with a space that is approximately the same size as the distance (15) between the deflector bars, so as to maintain a finite size of wildlife and debris allowed to enter. It is designed to be conical in shape to shed and deflect any wildlife, debris, seaweed or anything else floating in the water stream about to enter the turbine.

[0109] O removedor de detritos e vida selvagem segundo/traseiro 18 (Figs. 16 e 18) está localizado atrás da saída da turbina e está preso ao bordo de fuga do difusor anular (final). O removedor traseiro é composto também, de preferência, por uma rede ou malha de membros de hastes paralelas espaçados entre si pela mesma distância predeterminada que as hastes (14) na frente do removedor e, no caso do removedor dianteiro, a configuração mais preferida é uma geralmente planar. O removedor traseiro evita que o animal marinho maior ingresse na seção posterior do rotor, mesmo contra o fluxo da corrente de água ou também no caso de nenhuma corrente, como, por exemplo, durante a mudança de uma maré entrante para uma maré de saída. As hastes defletoras do removedor estão espaçadas com a mesma distância especificada (15) que o removedor de vida selvagem e detritos traseiro, a fim de evitar que animais selvagens e detritos maiores do que a distância especificamente entrem na seção do rotor. Todas as hastes defletoras (14) de ambos os removedores preferencialmente têm uma seção transversal em formato de perfil de hidrofólio, para minimizar a criação de turbulências e vórtices que afetem negativamente os formatos de hidrofólio que podem estar presentes em um ou mais dos outros componentes, tais como as pás do rotor, o invólucro do acelerador, os difusores anulares e/ou o cubo central.[0109] The second/rear wildlife and debris remover 18 (Figs. 16 and 18) is located behind the turbine outlet and is attached to the trailing edge of the annular (end) diffuser. The rear remover also preferably consists of a net or mesh of parallel rod members spaced apart by the same predetermined distance as the rods (14) in front of the remover, and in the case of the front remover, the most preferred configuration is a generally planar one. The rear remover prevents larger marine life from entering the rear section of the rotor, even against the flow of the water current or also in the case of no current, such as during the change from an incoming to an outgoing tide. The deflector rods of the remover are spaced at the same specified distance (15) as the rear wildlife and debris remover in order to prevent wildlife and debris larger than the specified distance from entering the rotor section. All deflector rods (14) of both strippers preferably have a hydrofoil profile shaped cross section to minimize the creation of turbulence and vortices that negatively affect the hydrofoil shapes that may be present in one or more of the other components, such as the rotor blades, the accelerator casing, the annular diffusers and/or the central hub.

[0110] Ao menor animal marinho que pode passar pelo espaço (15) das hastes defletoras é vantajosamente proporcionada uma via secundária para a passagem segura através do cubo central cilíndrico (36) tendo um centro aberto (37) na maioria das modalidades de turbina representadas. O centro aberto da seção do rotor é descrito acima. Visto que a velocidade do fluxo de água no centro do centro é mais veloz do que a de fora, onde as pás estão localizadas, o animal marinho menor será aspirado através dessa abertura e pode sair ileso. O diâmetro do centro aberto pode variar amplamente, sem afetar materialmente a performance da turbina. O diâmetro ideal pode ser calculado para cada aplicação e, em certas modalidades preferidas, é tipicamente aproximadamente 1/3 do diâmetro total da seção do rotor. O fluxo acelerado de água através do centro aberto (37) serve para transportar com segurança pequenas espécies selvagens e pequenos detritos pelo interior da turbina.[0110] The smaller marine life that can pass through the space (15) of the deflector rods is advantageously provided a secondary route for safe passage through the cylindrical central hub (36) having an open center (37) in most of the turbine embodiments shown. The open center of the rotor section is described above. Since the velocity of the water flow in the center of the hub is faster than that outside, where the blades are located, the smaller marine life will be sucked through this opening and may escape unharmed. The diameter of the open center can vary widely without materially affecting the performance of the turbine. The optimum diameter can be calculated for each application and, in certain preferred embodiments, is typically approximately 1/3 of the total diameter of the rotor section. The accelerated flow of water through the open center (37) serves to safely transport small wildlife and small debris through the interior of the turbine.

[0111] Não importa qual método de instalação seja escolhido, as turbinas de acordo com a invenção são, de preferência, auto- orientadoras automaticamente, o que significa que elas sempre apontarão exatamente na direção da qual o fluxo de água está vindo. Isso é alcançado preferencialmente pela instalação atrás da turbina de um leme de cauda fixo (60), que é de preferência do formato de hidrofólio e orientará a unidade diretamente na direção da corrente do fluxo de água. Essa característica permite que o dispositivo aponte exatamente para a direção a partir da qual a corrente está vindo, de modo que a água que passa sobre os componentes em formato de hidrofólio da turbina flua no ângulo ideal sobre todas as superfícies em formato de hidrofólio. Isso otimiza o diferencial de pressão entre os dois lados, aumenta o efeito sinérgico dos formatos de hidrofólio e contribui para um fluxo laminar da água.[0111] No matter which installation method is chosen, the turbines according to the invention are preferably automatically self-orienting, meaning that they will always point exactly in the direction from which the water flow is coming. This is preferably achieved by installing behind the turbine a fixed tail rudder (60), which is preferably of hydrofoil shape and will orient the unit directly in the direction of the water flow stream. This feature enables the device to point exactly in the direction from which the stream is coming, so that the water passing over the hydrofoil-shaped components of the turbine flows at the optimum angle over all hydrofoil-shaped surfaces. This optimizes the pressure differential between the two sides, increases the synergistic effect of the hydrofoil shapes and contributes to a laminar flow of the water.

[0112] O design das turbinas hidrocinética da invenção é tal que o fluxo da água se dá sempre para o mesmo lado, ou seja, é unidirecional. Isso permite que as turbinas tenham grande vantagem sobre muitos formatos de hidrofólio assimétricos e efeitos hidrodinâmicos que, quando combinados, resultam em uma turbina muito mais eficiente. As turbinas bidirecionais não podem usar formatos de hidrofólio assimétricoss e, portanto, são menos eficientes.[0112] The design of the hydrokinetic turbines of the invention is such that the water flow is always in the same direction, i.e., it is unidirectional. This allows the turbines to have a great advantage over many asymmetric hydrofoil shapes and hydrodynamic effects which, when combined, result in a much more efficient turbine. Bidirectional turbines cannot use asymmetric hydrofoil shapes and are therefore less efficient.

[0113] As turbinas de acordo com a invenção não utilizam apenas o efeito Venturi/Bernoulli com muito mais eficácia devido ao seu fluxo unidirecional como também aumentam a velocidade do fluxo com o uso do invólucro acelerador em formato de hidrofólio assimétrico preferido e/ou do difusor anular e/ou preferencialmente do cubo central em formato de hidrofólio.[0113] The turbines according to the invention not only utilize the Venturi/Bernoulli effect much more effectively due to their unidirectional flow but also increase the flow velocity with the use of the preferred asymmetric hydrofoil-shaped accelerator casing and/or the annular diffuser and/or preferably the hydrofoil-shaped central hub.

[0114] O design do gerador anular preferencialmente tem ímãs (32) montados na cobertura da pá do rotor (38) e nas bobinas de cobre ou outras bobinas metálicas (25) no compartimento do estator (24), que de preferência estão localizadas dentro do invólucro do acelerador (20). Esse design elimina a necessidade de sistemas hidráulicos ou de uma caixa de velocidades ou transmissões para extrair mecanicamente e transmitir energia a partir da turbina. As caixas de velocidades, transmissões e sistemas hidráulicos criam uma fricção que consome uma parte da energia que a turbina produz. Pelo uso de um gerador anular, a invenção minimiza essas perdas de fricção/transmissão e cria uma turbina ou gerador mais eficiente. A energia elétrica gerada diretamente dentro da turbina é transmitida através de fios elétricos (não mostrados) que eliminam a fricção/transmissão e a perda de energia. A energia produzida é então transmitida para condicionamento a um inversor/transformador que tipicamente está localizado fora da turbina, onde for considerado prático. O design preferido de acordo com a presente invenção também elimina a necessidade de ter rolamentos centrais, o que, assim, elimina a necessidade de qualquer estrutura fixa (por exemplo, um eixo ou um cubo) localizado dentro da área de fluxo através da turbina. A ausência de qualquer estrutura fixa, além disso, significa que não são necessárias escoras ou outros elementos para suportar essa estrutura fixa.[0114] The annular generator design preferably has magnets (32) mounted on the rotor blade shroud (38) and on copper or other metal coils (25) in the stator housing (24), which are preferably located within the accelerator housing (20). This design eliminates the need for hydraulic systems or a gearbox or transmission to mechanically extract and transmit power from the turbine. Gearboxes, transmissions and hydraulic systems create friction that consumes a portion of the power the turbine produces. By using an annular generator, the invention minimizes these friction/transmission losses and creates a more efficient turbine or generator. The electrical power generated directly within the turbine is transmitted through electrical wires (not shown) that eliminate friction/transmission and power loss. The power produced is then transmitted for conditioning to an inverter/transformer that is typically located outside the turbine where practical. The preferred design according to the present invention also eliminates the need for central bearings, which thereby eliminates the need for any fixed structure (e.g., a shaft or hub) located within the flow area through the turbine. The absence of any fixed structure, furthermore, means that no struts or other elements are required to support such fixed structure.

[0115] O invólucro do acelerador (20), o difusor anular (40), o cubo central (36, 80) e as pás de rotor (34) dessa turbina são de preferência construídos de materiais de construção compósitos, tais como, por exemplo, fibra de carbono, fibra de aramida, fibra de vidro ou similares em fibra sólida e resina ou em material de núcleo de espuma estrutural ou material de núcleo de favo de mel. Algumas peças, tais como o compartimento do estator, são de preferência ocos, de modo a acomodar as bobinas de cobre (25) do estator. Outras peças, tais como o duto de entrada (22), a carcaça traseira (28) do invólucro do acelerador (20) e o difusor anular (40) podem, em algumas modalidades preferidas, ser sólidas ou de construção em sanduíche e permanecer vazias no interior, com a opção de serem preenchidas seletivamente com água quando submersa. Com o apoio estrutural apropriado (para a profundidade da água) no interior das peças ocultas, elas poderão suportar a pressão da água ao serem submersas. No caso da construção em sanduiche, esses materiais de compósito utilizados são naturalmente flutuantes e manterão a turbina flutuando. Embora os materiais de compósito sejam ideais para a construção dessa turbina hidrocinética, o dispositivo também pode ser construído de aço, alumínio, titânio ou outras ligas metálicas consideradas adequadas para uma aplicação específica. A flutuabilidade geral dessa turbina será principalmente positiva e pode usar lastro para mantê-la submersa. A turbina também pode ser submersa ao permitir que os compartimentos ocos sejam preenchidos com água. A instalação de uma quantidade apropriada de lastro ou do preenchimento com água de certos compartimentos permitirá que a flutuabilidade geral da turbina seja controlada para fazer com que a turbina torne-se positivamente flutuante, neutra ou dinamitante para diferentes aplicações.[0115] The accelerator casing (20), annular diffuser (40), central hub (36, 80) and rotor blades (34) of such a turbine are preferably constructed of composite construction materials such as, for example, carbon fibre, aramid fibre, fibreglass or the like in solid fibre and resin or in structural foam core material or honeycomb core material. Some parts, such as the stator housing, are preferably hollow so as to accommodate the copper coils (25) of the stator. Other parts, such as the inlet duct (22), the rear housing (28) of the accelerator casing (20) and the annular diffuser (40) may, in some preferred embodiments, be solid or of sandwich construction and remain empty inside, with the option of being selectively filled with water when submerged. With appropriate structural support (for the water depth) within the hidden parts, they will be able to withstand the pressure of the water when submerged. In the case of sandwich construction, these composite materials used are naturally buoyant and will keep the turbine afloat. While composite materials are ideal for the construction of this hydrokinetic turbine, the device can also be constructed of steel, aluminum, titanium, or other metal alloys deemed suitable for a particular application. The overall buoyancy of this turbine will be primarily positive and may use ballast to keep it submerged. The turbine can also be submerged by allowing hollow compartments to be filled with water. Installing an appropriate amount of ballast or filling certain compartments with water will allow the overall buoyancy of the turbine to be controlled to make the turbine positively buoyant, neutrally buoyant, or buoyant for different applications.

[0116] A característica de auto-orientação preferida do dispositivo permite que essa turbina seja uma turbina de fluxo unidirecional. Em uma turbina unidireccional, a existência de um fluxo de água que vem sempre da frente da turbina possibilita o uso de formatos de hidrofólio unidirecionais ou assimétricos no design. Por conseguinte, qualquer ou todos os componentes básicos, isto é, as pás do rotor, a estrutura do acelerador, os difusores anulares, o cubo central oco, o leme da cauda e/ou os removedores de animais selvagens e de detritos podem, vantajosamente, compreender, a pelo menos algum grau, fomatos de hidrofólio assimétrico. Os formatos de hidrofólio assimétricos ou unidirecionais são muito mais eficientes do que os hidrofólios simétricos ou bidirecionais.[0116] The preferred self-orienting characteristic of the device allows this turbine to be a unidirectional flow turbine. In a unidirectional turbine, the existence of a water flow that always comes from the front of the turbine allows the use of unidirectional or asymmetric hydrofoil shapes in the design. Accordingly, any or all of the basic components, i.e., the rotor blades, the accelerator structure, the annular diffusers, the hollow central hub, the tail rudder, and/or the wildlife and debris removers may advantageously comprise, to at least some degree, asymmetric hydrofoil shapes. Asymmetric or unidirectional hydrofoil shapes are much more efficient than symmetric or bidirectional hydrofoils.

[0117] A relação e a cooperação entre os elementos que podem incluir os formatos de hidrofólio assimétricos, ou seja, o invólucro do acelerador, as pás do rotor, o difusor anular, o cubo central oco e/ou os removedores de animais selvagens e de detritos produzem um efeito mutuamente benéfico e sinérgico, que se aprimorada à medida que mais desses elementos são fornecidos com os perfis de hidrofólio assimétricos. Nas modalidades mais preferidas, todos esses cinco elementos beneficiam-se da presença um do outro e, quando combinados, seu efeito é ampliado para criar um campo de pressão negativa muito maior atrás da turbina do que criariam individualmente ou separadamente. Em outras palavras, o efeito da pluralidade de elementos em conjunto é maior do que a soma dos elementos plurais individualmente. Esse efeito sinérgico cria uma maior aceleração do fluxo através da seção do rotor, onde as pás assimétricas em formato de hidrofólio obtêm maior vantagem e são capazes de girar a uma velocidade ou RPM maior. Esses efeitos combinados resultam em um efeito sinérgico que é mutuamente benéfico e que resulta em uma eficiência muito maior que permite uma maior extração de energia graças a essa "Tecnologia de aceleração de fluxo" desenvolvida pelo inventor.[0117] The relationship and cooperation between the elements which may include the asymmetric hydrofoil shapes, i.e. the accelerator casing, the rotor blades, the annular diffuser, the hollow center hub, and/or the wildlife and debris removers, produces a mutually beneficial and synergistic effect which is enhanced as more of these elements are provided with the asymmetric hydrofoil profiles. In the most preferred embodiments, all five of these elements benefit from the presence of each other and when combined, their effect is magnified to create a much larger negative pressure field behind the turbine than they would create individually or separately. In other words, the effect of the plurality of elements together is greater than the sum of the plural elements individually. This synergistic effect creates greater acceleration of the flow through the rotor section where the asymmetric hydrofoil shaped blades gain greater advantage and are able to rotate at a higher speed or RPM. These combined effects result in a synergistic effect that is mutually beneficial and that results in a much greater efficiency that allows for greater energy extraction thanks to this "Flow Acceleration Technology" developed by the inventor.

[0118] Com referência à Figura 36, a tabela mostra como, para uma modalidade preferida, a presença do invólucro do acelerador em formato de hidrofólio, resulta em uma aceleração exponencial da velocidade do fluxo através da seção do bocal em comparação com a velocidade de fluxo ambiente.[0118] Referring to Figure 36, the table shows how, for a preferred embodiment, the presence of the hydrofoil-shaped accelerator housing results in an exponential acceleration of the flow velocity through the nozzle section compared to the ambient flow velocity.

[0119] Os dados representados na Figura 36 ilustram a diferença na potência produzida com velocidade de corrente ambiente aumentada entre 2 designs diferentes de turbinas hidrocinéticas com um rotor de 1,5 metro de diâmetro. A linha com quadrados representa uma turbina hidrocinética que simplesmente possui um cubo e 3 pás, sem o invólucro (que é o design mais comum usado em turbinas hidrocinéticas em todo o mundo). A linha com triângulos demonstra a saída do presente invento, que utiliza a estrutura do acelerador em formato de hidrofólio, o difusor anular e o cubo central aberto. Essa é a mesma relação para o mesmo conjunto de rotor contido em um invólucro de acelerador com um formato de perfil de hidrofólio semelhante ao descrito na Figura 35. Observa-se que o aumento de potência está de acordo com uma potência exponencial na ordem de 3. Também é possível ver que, na faixa mais baixa das velocidades atuais (por exemplo, cerca de 3 nós, que representa a grande maioria das aplicações de hidroturbinas desse tipo), a relação comparativa é menos sensível às mudanças na velocidade atual. Portanto, nessa gama comum de operação, é especialmente importante otimizar o design do membro de invólucro (e outros componentes e relações), para maximizar o aumento relativo da potência.[0119] The data shown in Figure 36 illustrates the difference in power output at increased ambient stream velocity between 2 different hydrokinetic turbine designs with a 1.5 meter diameter rotor. The line of squares represents a hydrokinetic turbine that simply has a hub and 3 blades, without the casing (which is the most common design used in hydrokinetic turbines worldwide). The line of triangles demonstrates the output of the present invention, which utilizes the hydrofoil-shaped accelerator structure, annular diffuser, and open center hub. This is the same relationship for the same rotor assembly contained in an accelerator casing with a hydrofoil profile shape similar to that depicted in Figure 35. It can be seen that the power increase is in accordance with an exponential power on the order of 3. It can also be seen that in the lower range of current speeds (e.g., about 3 knots, which represents the vast majority of hydroturbine applications of this type), the comparative relationship is less sensitive to changes in current speed. Therefore, in this common range of operation, it is especially important to optimize the casing member design (and other components and relationships) to maximize the relative power increase.

[0120] Outra maneira de demonstrar a eficiência aumentada das turbinas desta invenção é em comparação com outras turbinas altamente eficientes disponíveis no mercado. Um dos fabricantes e instaladores de turbinas hidrocinéticas mais bem-sucedidos no mundo desenvolveu recentemente um novo design de turbina hidrocinética que afirma ser o mais eficiente. É uma turbina bidirecional que tem uma seção de rotor de 16 m de diâmetro com um invólucro externo e um cubo central aberto, e afirma-se que poderá produzir 2,2 MW. Utilizando a metodologia do design da presente invenção, uma turbina com a mesma seção de rotor de 16 m de diâmetro produzirá 3,88MW, de acordo com nossos "cálculos teóricos". Isso representa um aumento de 76% na potência elétrica para uma turbina de mesmo tamanho.[0120] Another way to demonstrate the increased efficiency of the turbines of this invention is by comparison with other highly efficient turbines available on the market. One of the most successful manufacturers and installers of hydrokinetic turbines in the world has recently developed a new hydrokinetic turbine design that it claims is the most efficient. It is a bidirectional turbine that has a 16 m diameter rotor section with an outer casing and an open center hub, and is claimed to be capable of producing 2.2 MW. Using the design methodology of the present invention, a turbine with the same 16 m diameter rotor section will produce 3.88 MW, according to our "theoretical calculations". This represents a 76% increase in electrical output for a turbine of the same size.

[0121] Abaixo está um cálculo utilizado para a previsão de potência para os designs de turbina hidrocinética de acordo com a invenção: [0121] Below is a calculation used for power prediction for hydrokinetic turbine designs according to the invention:

Métodos de instalação:Installation methods:

[0122] As turbinas hidrocinéticas de acordo com a invenção podem ser instaladas em praticamente qualquer corpo móvel de água ou podem ser deslocadas através da água para gerar uma potência utilizável. Existem cinco formas principais de instalação e métodos de implantação para essas turbinas hidrocinéticas:[0122] The hydrokinetic turbines according to the invention can be installed in virtually any moving body of water or can be moved through water to generate usable power. There are five main installation forms and deployment methods for such hydrokinetic turbines:

[0123] Montagem em pilha (Figuras 21, 22): A unidade ou as unidades de turbina podem ser uma instalação montada em pilha, que consiste em uma pilha (52) conduzida no fundo do oceano ou no leito do rio que possui um conjunto de rolamentos de rotação e um rolamento de compressão na parte superior (53). Um tubo maior que está ligado à estrutura de montagem (50) sobre a qual a turbina posiciona as mangas na pilha fixa (52) e nos rolamentos (53). A estrutura de montagem (50) pode se desligar do tubo (52) e possui um plugue elétrico (53) dentro do tubo que pode ser desconectado para manutenção e remoção da turbina. Essa instalação permite que a turbina gire e a turbina pode girar livremente 360° para orientar-se exatamente na direção da corrente de água. Este tipo de instalação também possui uma pegada de fundo muito pequena e um impacto mínimo sobre o meio ambiente. Nessa instalação, a energia elétrica é transmitida através de um conjunto de anéis de cobre e escovas de carvão (53) dentro da manga para evitar que um cabo seja torcido e evitar qualquer restrição na ação de rotação.[0123] Pile Mount (Figures 21, 22): The turbine unit or units may be a pile mounted installation, consisting of a pile (52) driven into the ocean floor or riverbed that has a set of rotation bearings and a compression bearing on top (53). A larger pipe that is attached to the mounting frame (50) upon which the turbine positions the sleeves on the fixed pile (52) and bearings (53). The mounting frame (50) is detachable from the pipe (52) and has an electrical plug (53) inside the pipe that can be disconnected for maintenance and removal of the turbine. This installation allows the turbine to rotate and the turbine can freely rotate 360° to orient itself exactly in the direction of the water current. This type of installation also has a very small bottom footprint and minimal impact on the environment. In this installation, electrical energy is transmitted through a set of copper rings and carbon brushes (53) inside the sleeve to prevent a cable from being twisted and to avoid any restriction in the rotation action.

[0124] Montagem em estrutura flutuante (Fig. 23, 24, 25.26, 27): A unidade de turbina ou as unidades podem ser conectadas a qualquer tipo de estrutura flutuante, como uma barcaça oceânica, uma balsa (54), um navio ou uma embarcação flutuando na superfície da água. Esses dispositivos podem ser ancorados no leito do mar ou no leito do rio (59) ou mantidos no local por propulsores acoplados a dispositivos de localização GPS similares a plataformas de petróleo ou ligados a qualquer estrutura no oceano, em um rio ou ao longo da costa. Existem dois tipos de instalações montadas em jangadas, uma está em um pivô longitudinal (Fig. 23, 24, 25) e a outra está no pivô transversal (Fig. 26, 27). De preferência, o dispositivo montado emjangada emprega um sistema de elevação ou um guindaste que está instalado no convés ou um dispositivo com engrenagem helicoidal para girar a turbina até o convés. Um tipo de instalação utiliza apenas uma jangada ou barcaça, enquanto que o sistema montado transversalmente emprega duas jangadas ou barcaças, com a unidade de turbina montada entre elas. Dependendo do tamanho da turbina, da localização ou da preferência do operador, um tipo de instalação pode ser melhor do que o outro. Para sistemas maiores, geralmente é vantajoso utilizar duas jangadas ou plataformas e montar a turbina entre os dois no eixo transversal central (Fig. 26, 27), sobre o qual a turbina pode ser girada 180 ° acima da água para manutenção ou reparo. Para unidades menores, a turbina ou as turbinas podem ser montadas sobre a a lateral da estrutura flutuante e ser articuladas no eixo longitudinal (Fig. 23, 24, 25), para serem colocadas no convés da estrutura para manutenção ou reparo.[0124] Floating Structure Mounting (Fig. 23, 24, 25,26, 27): The turbine unit or units may be attached to any type of floating structure such as an ocean-going barge, a barge (54), a ship or a vessel floating on the surface of the water. These devices may be anchored to the seabed or riverbed (59) or held in place by thrusters coupled to GPS tracking devices similar to oil rigs or attached to any structure in the ocean, on a river or along the coast. There are two types of raft-mounted installations, one is on a longitudinal pivot (Fig. 23, 24, 25) and the other is on a transverse pivot (Fig. 26, 27). Preferably, the raft-mounted device employs a hoisting system or a crane that is installed on the deck or a worm gear device to swing the turbine to the deck. One type of installation uses a single raft or barge, whereas a transversely mounted system uses two rafts or barges, with the turbine unit mounted between them. Depending on the size of the turbine, the location, or the operator's preference, one type of installation may be better than the other. For larger systems, it is often advantageous to use two rafts or platforms and mount the turbine between the two on the central transverse shaft (Fig. 26, 27), on which the turbine can be rotated 180° above the water for maintenance or repair. For smaller units, the turbine or turbines can be mounted on the side of the floating structure and pivoted on the longitudinal axis (Fig. 23, 24, 25), so that they can be placed on the deck of the structure for maintenance or repair.

[0125] Montagem em estrutura terrestre (Fig. 28): A unidade de turbina ou unidades de turbina também podem ser montadas em uma estrutura terrestre, como uma parede de fundo, uma linha costeira ou ser anexadas a um pilar de ponte ou a outras estruturas instaladas no fluxo de uma corrente oceânica ou corrente de um rio. O dispositivo pode ser montado, de preferência, em qualquer uma dessas estruturas fixas com pelo menos dois métodos diferentes. A estrutura de suporte à qual a turbina está anexada pode ser montada em um ou dois trilhos fixados à estrutura fixa, em que a unidade é abaixada na água e levantada para fora da água para manutenção ou reparo, ou pode ser montada em um pivô que também permite que o dispositivo seja articulado no fluxo de água e saia da água para manutenção ou reparo. De qualquer forma, as unidades são mantidas no lugar na posição de cima por um mecanismo de trava, enquanto que na posição de baixo podem descansar em algumas paradas. A conexão do cabo de preferência se dá na estrutura de base e de lá até um transformador para condicionamento.[0125] Mounting on a land structure (Fig. 28): The turbine unit or turbine units may also be mounted on a land structure such as a seawall, a shoreline or be attached to a bridge pier or other structure installed in the flow of an ocean current or river current. The device may preferably be mounted on any of these fixed structures by at least two different methods. The support structure to which the turbine is attached may be mounted on one or two rails fixed to the fixed structure, on which the unit is lowered into the water and raised out of the water for maintenance or repair, or it may be mounted on a pivot which also allows the device to be pivoted into the water flow and out of the water for maintenance or repair. In either case, the units are held in place in the up position by a locking mechanism, while in the down position they may rest on a number of stops. The cable connection preferably takes place at the base structure and from there to a transformer for conditioning.

[0126] Instalação flutuante (Fig. 29): A unidade de turbina ou as unidades de turbina podem ser feitas de forma naturalmente flutuante devido aos materiais de construção compósitos que podem ser utilizados para a construção de qualquer uma das ou todas as peças. Isso permite que o dispositivo flutue em qualquer profundidade determinada pelo comprimento de uma cinta (64 e 66) que é anexada a uma base/ancoradouro marinho (59) ou a uma âncora de tipo parafuso ou a qualquer outro dispositivo fixo no fundo do mar ou no leito do rio. A cinta de duas partes tem dois propósitos: a cinta fixa (64) e a cinta de rolamento (66) são para manter o dispositivo submerso na profundidade desejada e para transmitir eletricidade da unidade geradora para a base e depois até a costa. Essa cinta (64 e 66) tem 2 componentes: uma cinta fixa primária (64) que é uma extensão fixa entre a turbina e a cinta de rolamento secundária (66), que é um mecanismo de rolamento que está ligado à base e tem uma extensão igual à distância entre a superfície da água e a profundidade desejada onde a turbina deve ser mantida. Quando a cinta secundária é desenrolada, a turbina pode flutuar na superfície para manutenção ou reparo. O dispositivo também pode ser ligado em uma jangada submersível (58) ou dispositivo de flutuação submersa (58) para manter a turbina suspensa em meio ao fluxo. O mesmo mecanismo de cinta pode ser utilizado neste caso.[0126] Floating Installation (Fig. 29): The turbine unit or units can be made naturally buoyant due to the composite construction materials that can be used for the construction of any or all of the parts. This allows the device to float at any depth determined by the length of a strap (64 and 66) that is attached to a marine base/mooring (59) or to a screw-type anchor or to any other device fixed to the seabed or riverbed. The two-part strap serves two purposes: the fixed strap (64) and the bearing strap (66) are to keep the device submerged at the desired depth and to transmit electricity from the generating unit to the base and then to shore. This belt (64 and 66) has 2 components: a primary fixed belt (64) which is a fixed extension between the turbine and the secondary bearing belt (66), which is a bearing mechanism that is attached to the base and has a length equal to the distance between the water surface and the desired depth where the turbine is to be kept. When the secondary belt is unwound, the turbine can float on the surface for maintenance or repair. The device can also be attached to a submersible raft (58) or submerged flotation device (58) to keep the turbine suspended in mid-flow. The same belt mechanism can be used in this case.

[0127] Instalação de reboque (Fig. 30): A unidade de turbina ou as unidades de turbina também podem ser rebocadas atrás de uma embarcação ou serem arrastadas através da água por outros dispositivos que impulsionam o dispositivo através da água que não está em movimento, para criar artificialmente um fluxo de água através do dispositivo. O cabo de reboque está geralmente fica preso à frente do removedor de animais selvagens e de detritos e, assim, orienta a turbina para criar o fluxo de forma ideal da frente para a parte traseira por meio da unidade. Em vez do único leme que geralmente está localizado atrás da saída da turbina, podem ser alternativamente 2 ou 4 winglets (62) conectados à parte externa do difusor anular; com um winglet em cada lado e um winglet na parte superior e inferior. Esses winglets (62) impedem a própria turbina de girar à medida que é rebocada através da água, garantindo assim que apenas a seção do rotor esteja girando.[0127] Towing installation (Fig. 30): The turbine unit or turbine units may also be towed behind a vessel or dragged through the water by other devices that propel the device through the still water, to artificially create a flow of water through the device. The tow cable is usually attached to the front of the wildlife and debris remover and thus guides the turbine to create the optimum flow from front to rear through the unit. Instead of the single rudder that is usually located behind the turbine outlet, there may alternatively be 2 or 4 winglets (62) attached to the outside of the annular diffuser; with one winglet on each side and one winglet each on the top and bottom. These winglets (62) prevent the turbine itself from rotating as it is towed through the water, thus ensuring that only the rotor section is rotating.

Procedimentos de manutenção:Maintenance procedures:

[0128] As turbinas hidrocinéticas da invenção requerem apenas manutenção mínima, devido ao design dos componentes e porque os materiais de construção compósitos preferidos são praticamente isentos de corrosão. No entanto, assim como tudo o que é submerso no oceano ao longo de um certo período de tempo, ocorrerão incrustações e o crescimento marinho. Essas turbinas hidrocinéticas são revestidas com tintas anti- incrustantes não tóxicas, mas ainda precisam de limpeza periódica das superfícies para garantir uma funcionalidade e uma potência ideais. Essas unidades podem ser lavadas por pressão por um mergulhador enquanto estão submersas, o que lhes permite permanecer sob a água ou podem ser levadas à superfície e lavadas a pressão por uma equipe em solo. Além de limpeza periódica, essas unidades requerem muito pouca manutenção.[0128] The hydrokinetic turbines of the invention require only minimal maintenance due to the design of the components and because the preferred composite construction materials are virtually corrosion-free. However, as with anything that is submerged in the ocean over a period of time, fouling and marine growth will occur. These hydrokinetic turbines are coated with non-toxic anti-fouling paints, but still require periodic surface cleaning to ensure optimum functionality and power. These units can be pressure washed by a diver while submerged, allowing them to remain underwater, or they can be brought to the surface and pressure washed by a ground crew. Other than periodic cleaning, these units require very little maintenance.

[0129] Dependendo do tipo de instalação, os procedimentos de manutenção preferidos podem variar, conforme discutido abaixo.[0129] Depending on the type of installation, preferred maintenance procedures may vary, as discussed below.

[0130] No caso de uma instalação montada em pilha (Fig. 21, Fig. 22), é preferível utilizar um recipiente de manutenção especial (também designado pelo requerente) que é um navio de catamarã com um convés removível entre os dois cascos e um pórtico com uma talha instalada sobre esse convés removível. O navio pode ser posicionado acima da turbina que precisa de manutenção, e a unidade de turbina pode ser levantada através da abertura na plataforma entre os dois cascos e levantando-se a turbina até o barco. O fio elétrico que conecta a turbina à terra conduz a anéis de cobre e escovas (53) que estão localizados dentro do suporte da pilha para rotação (52) possui um plugue impermeável (53) que pode ser desconectado quando a turbina é levantada pelo navio de manutenção localizado acima. Na embarcação, a turbina que acabou de ser removida da pilha pode ser colocada em um lado, em um dos cascos, e uma turbina sobressalente pronta no outro casco pode ser abaixada através da abertura e conectada e aparafusada de volta à pilha, da qual a primeira unidade foi removida.[0130] In the case of a pile-mounted installation (Fig. 21, Fig. 22), it is preferable to use a special maintenance vessel (also designated by the applicant) which is a catamaran vessel with a removable deck between the two hulls and a gantry with a hoist installed on this removable deck. The vessel can be positioned above the turbine that needs maintenance, and the turbine unit can be lifted through the opening in the platform between the two hulls and lifting the turbine onto the boat. The electric wire connecting the turbine to earth leads to copper rings and brushes (53) that are located inside the pile support for rotation (52) has a waterproof plug (53) that can be disconnected when the turbine is lifted by the maintenance vessel located above. On the vessel, the turbine that has just been removed from the pile can be placed on one side in one of the hulls, and a ready spare turbine in the other hull can be lowered through the opening and connected and bolted back to the pile from which the first unit was removed.

[0131] No caso de uma instalação montada em jangada, é preferível unir a estrutura de suporte (50) da turbina longitudinalmente ao lado da jangada ou transversalmente entre duas jangadas (Fig. 23, 24, 25, 26, 27). Em cada caso, é utilizada uma estrutura de suporte (55) que é montada em pontos de rotação com rolamentos (55), que permitem que a unidade gire em torno de um eixo central de 270°, no caso de unidades montadas longitudinalmente (Fig. 23, 24, 25), ou 180°, no caso de unidades montadas transversalmente (Fig. 26, 27). Um mecanismo de bloqueio é usado para manter as unidades no lugar quando submersas para geração de energia, bem como quando expostas para manutenção ou reparo. Para a superfície da unidade, emprega-se um guindaste ou talha (56) instalados na jangada que podem ser fixados à estrutura de suporte da turbina. Uma vez liberado da posição submersa, o guindaste pode puxar a unidade para fora da água, girando a unidade na posição de manutenção, onde ela pode ser segura travando na posição.[0131] In the case of a raft-mounted installation, it is preferable to attach the turbine support structure (50) longitudinally to the side of the raft or transversely between two rafts (Figs. 23, 24, 25, 26, 27). In each case, a support structure (55) is used which is mounted on pivot points with bearings (55) which allow the unit to rotate around a central axis of 270° in the case of longitudinally mounted units (Figs. 23, 24, 25) or 180° in the case of transversely mounted units (Figs. 26, 27). A locking mechanism is used to hold the units in place when submerged for power generation as well as when exposed for maintenance or repair. For surfacing of the unit, a crane or hoist (56) installed on the raft which can be attached to the turbine support structure is employed. Once released from the submerged position, the crane can pull the unit out of the water, rotating the unit into the maintenance position where it can be secured by locking into position.

[0132] No caso de uma instalação montada em estrutura fixa (Fig. 28), as unidades de turbina podem ser mantidas ou reparadas por pelo menos dois métodos. Um método é ter uma plataforma flutuante ou uma jangada que seja posicionada depois que a turbina é içada fora da água, seja deslizando a turbina montada na estrutura de suporte para cima nos trilhos da estrutura fixa ou para montar as unidades na estrutura de suporte para fora da água. O outro procedimento é ter uma plataforma que esteja unida à estrutura fixa que pode se afastar do caminho para elevar as unidades da turbina para fora da água e depois ser reposicionada para manutenção.[0132] In the case of a fixed structure mounted installation (Fig. 28), the turbine units can be maintained or repaired by at least two methods. One method is to have a floating platform or raft that is positioned after the turbine is lifted out of the water, either by sliding the turbine mounted on the support structure up on the rails of the fixed structure or by mounting the units on the support structure out of the water. The other procedure is to have a platform that is attached to the fixed structure that can move out of the way to lift the turbine units out of the water and then be repositioned for maintenance.

[0133] No caso de instalação flutuante, existem também pelo menos duas formas de manutenção das unidades de turbina. No caso de uma turbina flutuante que está amarrada ao leito do mar ou ao leito do rio por uma ligação fixa (64) que está unida à cinta de rolamento (66) ser alongada desenrolando-se o mecanismo de tração (descrito na descrição da instalação acima) e trazendo a turbina para a superfície. Uma vez na superfície, a unidade da turbina pode ser içada no convés de uma embarcação para manutenção ou reparo. No caso em que as unidades de turbina estão ligadas a uma balsa submersa (58) ou a um dispositivo de flutuação, o mecanismo de tração de cinta de rolamento (66) desenrolou-se da mesma maneira que com uma turbina flutuante e, uma vez na superfície, as unidades de turbina podem ser articuladas na plataforma para manutenção.[0133] In the case of a floating installation, there are also at least two ways of maintaining the turbine units. In the case of a floating turbine that is moored to the seabed or riverbed by a fixed connection (64) that is joined to the running belt (66) can be extended by unrolling the traction mechanism (described in the installation description above) and bringing the turbine to the surface. Once on the surface, the turbine unit can be hoisted onto the deck of a vessel for maintenance or repair. In the case where the turbine units are attached to a submerged barge (58) or to a flotation device, the running belt traction mechanism (66) is unrolled in the same way as with a floating turbine and, once on the surface, the turbine units can be hinged onto the platform for maintenance.

[0134] No caso de uma instalação rebocada, a linha de reboque anexada à unidade de turbina é transportada para levar a unidade de turbina ao lado ou atrás da embarcação, onde normalmente é retirada por uma talha ou um guindaste montado no navio. A turbina é colocada, de preferência, no convés do navio para manutenção ou reparo.[0134] In the case of a towed installation, the tow line attached to the turbine unit is hauled to bring the turbine unit alongside or behind the vessel, where it is typically retrieved by a hoist or a ship-mounted crane. The turbine is preferably placed on the deck of the ship for maintenance or repair.

Metodologia de designDesign methodology

[0135] A maneira como as unidades de turbina desta invenção foram projetadas é considerada inovadora e única. Após mais de 30 anos de experiência como designer trabalhando no campo de dinâmicas de fluido, e depois de ter criado e construído muitos tipos diferentes de hidrofólios em sua vida profissional, o requerente chegou aos conceitos básicos subjacentes ao design das turbinas de acordo com a invenção. Com esses conceitos básicos design, ele acredita que seus designs de turbina de acordo com esta invenção fornecem turbinas hidrocinéticas que superarão e ultrapassarão qualquer outro design atualmente em existência.[0135] The manner in which the turbine units of this invention have been designed is considered to be innovative and unique. After over 30 years of experience as a designer working in the field of fluid dynamics, and after having designed and built many different types of hydrofoils in his professional life, the applicant has arrived at the basic concepts underlying the design of the turbines according to the invention. With these basic design concepts, he believes that his turbine designs according to this invention provide hydrokinetic turbines that will outperform and surpass any other design currently in existence.

[0136] Hoje em dia, existem muitos ambientes em que são utilizadas turbinas hidrocinéticas caracterizadas por um fluxo de corrente de reversão e, como resultado, grande parte do trabalho de design do modem se concentrou em fornecer turbinas bidirecionais que possam ser efetivamente empregadas em tais ambientes, principalmente correntes de maré. Consequentemente, muitas dessas turbinas bidirecionais incorporam componentes pequenos ou inexistentes, ou, se o fazem, os designs do hidrofólio são necessariamente simétricos. No entanto, o coeficiente de elevação de seção transversal de um hidrofólio assimétrico ou curvado é maior que o de um hidrofólio simétrico. Esse design das turbinas hidrocinéticas unidirecionais de acordo com a presente invenção aproveita-se desse fenômeno.[0136] There are many environments today in which hydrokinetic turbines characterized by reversing current flow are used, and as a result, much of the modern design work has focused on providing bidirectional turbines that can be effectively employed in such environments, particularly tidal currents. Consequently, many of these bidirectional turbines incorporate small or nonexistent components, or if they do, the hydrofoil designs are necessarily symmetrical. However, the cross-sectional lift coefficient of an asymmetrical or curved hydrofoil is greater than that of a symmetrical hydrofoil. This design of unidirectional hydrokinetic turbines according to the present invention takes advantage of this phenomenon.

[0137] Determinou-se que teve mais sentido otimizar principalmente as turbinas hidrocinéticas de acordo com a invenção para uma corrente de 3 nós (ver, por exemplo, a modalidade representada nas Figuras 34 e 35), pois as correntes de cerca de 3 nós são as correntes mais comuns nas correntes oceânicas, bem como nas correntes de maré e também em muitas correntes do rio. Existem também exemplos de locais e/ou circunstâncias nas quais as velocidades de corrente mais altas entre cerca de 5 nós e 7 nós são comumente encontradas, por exemplo, em áreas onde características geográficas especiais estão presentes, como, por exemplo, correntes de maré de fluxo rápido ou correntes do rio, ou mesmo correntes oceânicas em raros casos, e também no caso do reboque de uma das hidroturbinas atrás de uma embarcação, tipicamente um veleiro. Para levar em conta essas situações de velocidade de corrente mais altas, o pedido também descreve modificações no design destinadas a modalidades projetadas para uma corrente de 6 nós, como sendo representativas de e também turbinas exemplificativas destinadas a serem utilizadas em ambientes que exibem essas velocidades de fluxo de corrente mais elevadas. Portanto, o pedido descreve modalidades que são representativas dos designs para uso nessas duas velocidades de fluxo mais comuns (ou seja, em quase todas). É claro que, seguindo os ensinamentos deste pedido, as turbinas de acordo com a invenção podem ser otimizadas para qualquer velocidade de fluxo, o que, do ponto de vista prático, inclui correntes que variam de cerca de % nós a até 12 nós de velocidade de fluxo.[0137] It was found that it made most sense to primarily optimize the hydrokinetic turbines according to the invention for a current of 3 knots (see, for example, the embodiment depicted in Figures 34 and 35), since currents of about 3 knots are the most common currents in ocean currents as well as in tidal currents and also in many river currents. There are also examples of locations and/or circumstances in which higher current speeds between about 5 knots and 7 knots are commonly encountered, for example in areas where special geographical features are present, such as, for example, fast-flowing tidal currents or river currents, or even ocean currents in rare cases, and also in the case of towing one of the hydroturbines behind a vessel, typically a sailing ship. To accommodate these higher current velocity situations, the application also describes design modifications for embodiments designed for a 6 knot current as being representative of and also exemplary turbines intended for use in environments exhibiting these higher current flow velocities. Thus, the application describes embodiments that are representative of designs for use in these two most common (i.e., nearly all) flow velocities. It is clear that, following the teachings of this application, turbines according to the invention can be optimized for any flow velocity, which from a practical standpoint includes currents ranging from about 100 knots to up to 12 knots flow velocity.

[0138] Existem muitos algoritmos padrão usados na dinâmica dos fluidos para calcular o formato dos hidrofólios e os manuais e bancos de dados padrão contêm informações e tabelas completas relativas a tais cálculos e designs conhecidos. Estes não precisam ser discutidos no contexto atual, uma vez que são bem conhecidos por aqueles versados na técnica. No entanto, como é discutido abaixo, em algumas modalidades, a presente invenção utiliza esses algoritmos/bancos de dados em um novo esquema de design como ponto de partida para conceber novos formatos de hidrofólio que servem como os chamados designs "iniciais" nos primeiros estágios do processo de design da hidroturbina.[0138] There are many standard algorithms used in fluid dynamics to calculate hydrofoil shapes, and standard manuals and databases contain comprehensive information and tables relating to such calculations and known designs. These need not be discussed in the present context since they are well known to those skilled in the art. However, as discussed below, in some embodiments, the present invention utilizes these algorithms/databases in a novel design scheme as a starting point for devising novel hydrofoil shapes that serve as so-called "starter" designs in the early stages of the hydroturbine design process.

[0139] De acordo com um modo, o processo de design normalmente começa com esboços desenhados à mão (geralmente, mas não necessariamente novos) com base em considerações das dinâmicas de fluidos convencionais, cujos esboços são selecionados com base nos novos princípios de acordo com esta invenção. Os esboços selecionados são posteriormente inseridos em um programa de computador do tipo chamado programa de modelagem em 3-D, um exemplo do qual é chamado de "Rhino 3-D" ou "Sol id Works". Isso resulta em uma primeira versão dos designs "iniciais".[0139] In one embodiment, the design process typically begins with hand-drawn sketches (usually, but not necessarily, new) based on conventional fluid dynamics considerations, which sketches are selected based on the new principles according to this invention. The selected sketches are then input into a computer program of the type called a 3-D modeling program, an example of which is called "Rhino 3-D" or "Sol id Works". This results in a first version of the "initial" designs.

[0140] Alternativamente, a primeira versão do design "inicial" pode ser produzida através da seleção de diferentes formatos de hidrofólio de um banco de dados, como os arquivos do Comitê Consultivo Nacional de Aeronáutica (NACA), baseados novamente nas mesmas considerações dinâmicas de fluidos convencionais que são empregadas na elaboração dos esboços desenhados à mão, mas novamente as formas são selecionadas (dentre um grande número) com base em considerações de design inovadoras ensinadas neste pedido. Os formatos desta primeira versão, os formatos intuitivos "iniciais" de hidrofólio (independentemente de como chegaram) são modificados com o software de modelagem 3-D, como o Rhino 3D ou o SolidWorks, e analisados em um programa de análise de fluxo 2-D, como " Java Foil "ou similares, e outros produtos de software comercialmente disponíveis para esse fim. Essa modificação prossegue ao visualizar os perfis "iniciais" selecionados em 3-D e fazer modificações consideradas favoráveis com base em considerações de dinâmicas de fluidos, de modo a manter o fluxo laminar e evitar a turbulência, mantendo a velocidade máxima do fluxo. Como resultado dessa primeira etapa, são criados designs "iniciais" modificados que representam formatos novos e únicos de hidrofólios de acordo com os princípios da invenção, que são então feitas em um formato anular ou de bocal, com a finalidade de empregá-los no contexto de uma hidroturbina.[0140] Alternatively, the first version of the "initial" design may be produced by selecting different hydrofoil shapes from a database, such as the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) files, again based on the same conventional fluid dynamic considerations that are employed in producing the hand-drawn sketches, but again the shapes are selected (from a large number) based on the innovative design considerations taught in this application. The shapes of this first version, the intuitive "initial" hydrofoil shapes (however arrived at) are modified with 3-D modeling software such as Rhino 3D or SolidWorks, and analyzed in a 2-D flow analysis program such as "Java Foil" or similar, and other commercially available software products for this purpose. This modification proceeds by viewing the selected "initial" profiles in 3-D and making modifications deemed favorable based on fluid dynamics considerations, so as to maintain laminar flow and avoid turbulence while maintaining maximum flow velocity. As a result of this first step, modified "initial" designs are created that represent new and unique hydrofoil shapes in accordance with the principles of the invention, which are then made into an annular or nozzle shape for use in a hydroturbine context.

[0141] Geralmente, ao considerar o design para uma única velocidade de corrente selecionada, como, por exemplo, de 3 nós, o tamanho das hidroturbinas de acordo com a invenção pode ser ampliado ou reduzido com apenas pequenas alterações na configuração geral. O principal fator de influência da escolha de um formato de hidrofólio "inicial" e, por conseguinte, da modificação adicional desse perfil, é a velocidade de fluxo de corrente de água na qual a turbina deve ser colocada. Em velocidades de fluxo mais elevadas, como por exemplo, 6 nós, por exemplo, a seção transversal dos formatos de hidrofólio é geralmente mais fina e lisa (menos câmara em ambos os lados do hidrofólio), portanto eles estão em um perfil para uma corrente de 3 nós, onde a seção transversal do hidrofólio seria mais curvada e mais espessa (mais arqueada em ambos os lados do hidrofólio). Isso é ilustrado de modo geral na Figura 33, onde as diferenças nas respectivas seções transversais ou perfis são claramente visíveis. Em velocidades de fluxo mais altas, o cabo do formato do hidrofólio também costuma ser aumentado. Isso também é visível na Figura 33, onde, na Figura 33a, os designs "iniciais" modificados para o cubo central e o invólucro do acelerador são mais alongados quando projetados para uso em uma corrente de 6 nós do que no caso de uma configuração similar projetada para uso em uma corrente de 3 nós, como mostrado na Figura 33b (que, no entanto, não é um design "inicial", mas sim um projeto final resultante da segunda etapa do processo de design, conforme descrito abaixo). Essas modificações (realizadas no software de modelagem 3D) são sempre feitas para criar uma elevação ideal e aceleração máxima da velocidade de fluxo. Com o design "inicial" modificado da Figura 33a, que de certa forma é projetada de forma intuitiva na primeira etapa do processo, como discutido acima, agora é possível passar para a segunda etapa do processo do design (discutida abaixo) em que o design "inicial" modificado é submetido à otimização mais quantitativa usando a análise de CFD.[0141] Generally, when considering the design for a single selected current speed, such as 3 knots, the size of the hydroturbines according to the invention can be enlarged or reduced with only minor changes in the overall configuration. The main factor influencing the choice of an "initial" hydrofoil shape and therefore the further modification of this profile is the water current flow speed at which the turbine is to be placed. At higher flow speeds, such as 6 knots for example, the cross-section of the hydrofoil shapes is generally thinner and smoother (less chamber on both sides of the hydrofoil), so they are in a profile for a 3 knot current, where the hydrofoil cross-section would be more curved and thicker (more arched on both sides of the hydrofoil). This is illustrated generally in Figure 33, where the differences in the respective cross-sections or profiles are clearly visible. At higher flow velocities, the hydrofoil shape cable is also typically lengthened. This is also visible in Figure 33, where in Figure 33a the modified “initial” designs for the center hub and throttle housing are more elongated when designed for use in a 6-knot current than in the case of a similar configuration designed for use in a 3-knot current, as shown in Figure 33b (which, however, is not an “initial” design, but rather a final design resulting from the second step of the design process, as described below). These modifications (performed in 3D modeling software) are always made to create optimal lift and maximum acceleration at the flow velocity. With the modified “initial” design of Figure 33a, which is somewhat intuitively designed in the first step of the process, as discussed above, it is now possible to move on to the second step of the design process (discussed below) where the modified “initial” design is subjected to more quantitative optimization using CFD analysis.

[0142] A forma da pá do rotor é projetada da mesma forma que o cubo central e o invólucro do acelerador. Assim, um formato "inicial" adequado de hidrofólio é esboçado ou selecionado a partir da biblioteca, para a seção transversal da pá do rotor, de acordo com os princípios da invenção, e depois modificado (utilizando princípios de dinâmica de fluidos) com base na velocidade com que se desloca pela água, cuja velocidade é maior na ponta da pá do que na base da pá. Por conseguinte, a seção transversal do perfil hidráulico da pá do rotor, o comprimento do cabo, a espessura do cabo/perfil e a incidência da seção transversal, de preferência, mudam e, de um modo mais preferido, mudam continuamente, desde a base da pá até a ponta da pá. Durante a primeira etapa do processo de design, tantas modificações possíveis são feitas aplicando-se intuitivamente considerações de dinâmicas de fluidos para chegar a um design "inicial" modificado. Tal como é entendido pelos versados na técnica, isso geralmente é feito com a ajuda de produtos de software concebidos para auxiliar tais atividades de design, como, por exemplo, os programas denominados "JavaProp", "QBlade" e outros. (As variações aqui descritas geralmente podem ser visualizadas observando a modalidade final ou "otimizada" preferida ilustrada na Figura 34, que representa um perfil de pá de rotor que é "otimizado" (na segunda etapa) a um diâmetro de 1,5 m da seção da pá do rotor, para uso em uma corrente de 3 nós. É claramente visível como todos os parâmetros que definem o formato hidroelétrico da pá e seus incidentes mudam entre a base e a ponta da pá.[0142] The rotor blade shape is designed in the same manner as the central hub and accelerator casing. Thus, a suitable "starting" hydrofoil shape is sketched or selected from the library for the rotor blade cross section according to the principles of the invention, and then modified (using fluid dynamics principles) based on the speed at which it travels through the water, which speed is greater at the blade tip than at the blade base. Accordingly, the rotor blade hydraulic profile cross section, cable length, cable/profile thickness, and cross section incidence preferably change, and more preferably change continuously, from the blade base to the blade tip. During the first step of the design process, as many modifications as possible are made by intuitively applying fluid dynamics considerations to arrive at a modified "starting" design. As understood by those skilled in the art, this is usually done with the help of software products designed to assist such design activities, such as, for example, the programs called "JavaProp", "QBlade" and others. (The variations described herein can usually be visualized by looking at the preferred final or "optimized" embodiment illustrated in Figure 34, which represents a rotor blade profile that is "optimized" (in the second step) to a 1.5 m diameter rotor blade section, for use in a 3 knot current. It is clearly visible how all the parameters defining the hydro shape of the blade and its incidents change between the base and the tip of the blade.

[0143] Com referência às Figuras 37A e 37B, a primeira mostra a aceleração do fluxo na velocidade 2-D, indicando uma zona de alta velocidade dentro da turbina (95), resultante da análise do software, enquanto que a última é uma apresentação relacionada mostrando a aceleração do fluxo na pressão 2-D. Ambas as figuras mostram claramente áreas de aceleração melhorada resultantes das características do design de acordo com a invenção.[0143] Referring to Figures 37A and 37B, the former shows the acceleration of the flow at 2-D velocity, indicating a high velocity zone within the turbine (95), resulting from the software analysis, while the latter is a related presentation showing the acceleration of the flow at 2-D pressure. Both figures clearly show areas of enhanced acceleration resulting from the design features according to the invention.

[0144] Passando agora para o segundo estágio do processo de desenvolvimento, esses formatos "iniciais" modificados criados no primeiro estágio do design são então analisadas quanto à sua eficiência trabalhando em conjunto em um ambiente de turbina criando os maiores diferenciais de pressão e com menor turbulência para alcançar o máximo de aceleração do fluxo de água através de um bocal. Essa é a etapa de "otimização", em que os formatos finais e otimizados são determinados para cada um dos componentes do hidrofólio. Para essa análise, é utilizado o que é chamado de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD). Como é sabido, esse teste é sempre feito em uma estrutura tridimensional. Essas simulações podem ser feitas em qualquer programa de computador de CFD conhecido, como um chamado "STAR CCM+", que é um dos softwares mais avançados neste campo. Este software permite que o designer de um formato de hidrofólio intuitivamente criado analise e otimize as características de fluxo em um ambiente virtual antes de construir protótipos para testes na vida real.[0144] Moving now to the second stage of the development process, these modified "initial" shapes created in the first stage of design are then analyzed for their efficiency in working together in a turbine environment to create the highest pressure differentials and lowest turbulence to achieve maximum acceleration of water flow through a nozzle. This is the "optimization" stage, where the final, optimized shapes are determined for each of the hydrofoil components. For this analysis, what is called Computational Fluid Dynamics (CFD) is used. As is known, this testing is always done in a three-dimensional structure. These simulations can be done in any known CFD computer program, such as one called "STAR CCM+", which is one of the most advanced software in this field. This software allows the designer of an intuitively created hydrofoil shape to analyze and optimize the flow characteristics in a virtual environment before building prototypes for real-life testing.

[0145] A seguir, um exemplo de resultados, a partir de um programa de resolução, da análise de CFD realizada em 3-D para um design inicial de um invólucro de acelerador e de um cubo central, com o difusor anular. Com referência à Figura 38A, é representado o diferencial de pressão dentro da turbina como resultado da aceleração do fluxo, por meio da exibição de linhas aerodinâmicas. Isso também é usado para determinar se há alguma turbulência no fluxo de água que poderia reduzir a eficiência. Com referência à Figura 38B, são mostrados os campos de pressão resultantes das correntes de fluxo mostradas na Figura 38A.[0145] The following is an example of the results, from a solver program, of the 3-D CFD analysis performed for an initial design of a throttle casing and center hub with annular diffuser. Referring to Figure 38A, the pressure differential within the turbine as a result of the acceleration of the flow is represented by the display of streamlines. This is also used to determine if there is any turbulence in the water flow that could reduce efficiency. Referring to Figure 38B, the pressure fields resulting from the flow streamlines shown in Figure 38A are shown.

[0146] Esses exemplos da análise de CFD de um invólucro de acelerador já parcialmente otimizado e do cubo central, com o difusor anular adicionado, demonstram um efeito sinérgico dos elementos que criam um diferencial de pressão muito maior.[0146] These examples of CFD analysis of an already partially optimized accelerator housing and center hub, with the annular diffuser added, demonstrate a synergistic effect of the elements that creates a much larger pressure differential.

[0147] Na CFD, o programa cria uma malha elaborada de formatos poliédricos para simular o volume de fluido e um formato muito preciso da turbina na forma de uma malha composta por milhões de triângulos. Posteriormente, esse modelo recém-criado é executado através do solucionador do programa, que analisa o fluxo de fluido/água (corpos poliédricos) sobre o formato da turbina (malha triangular) e mostra os caminhos de fluxo criados por ele. Dessa forma, os formatos otimizados finais e a configuração dos componentes são alcançados ao fazer mudanças e avaliar as consequências dessas mudanças com base nos comentários de teste fornecidos pela análise de CFD, até se atingir uma combinação final ótima de formatos.[0147] In CFD, the program creates an elaborate mesh of polyhedral shapes to simulate the fluid volume and a very precise turbine shape in the form of a mesh composed of millions of triangles. This newly created model is then run through the program's solver, which analyzes the fluid/water flow (polyhedral bodies) over the turbine shape (triangular mesh) and displays the flow paths created by it. In this way, the final optimized shapes and component configuration are achieved by making changes and evaluating the consequences of these changes based on the test feedback provided by the CFD analysis, until a final optimal combination of shapes is achieved.

[0148] Uma vez que todas os formatos de hidrofólio são otimizados e que funcionam em harmonia entre si, a extração de energia potencial ou do rendimento elétrico é calculada. Aqui encontra-se um resultado exemplificativo da análise de um determinado formato de pá desenvolvido durante a fase inicial do design, usando CFD para analisar o diferencial de pressão entre os dois lados das pás do rotor (intrados e extrados) à medida que giram através da água (para determinar o melhor formato e número de pás). A presente referência é às Figuras 39 e 40, que ilustram as respectivas zona de alta pressão na parte superior do hidrofólio (extrados) (90) e zona de baixa pressão na parte superior do hidrofólio (intrados) (92) nos dois lados das pás do rotor.[0148] Once all hydrofoil shapes are optimized and work in harmony with each other, the potential energy extraction or electrical output is calculated. Here is an example result of the analysis of a particular blade shape developed during the early design phase, using CFD to analyze the pressure differential between the two sides of the rotor blades (intrados and extrados) as they rotate through the water (to determine the best shape and number of blades). Reference is made here to Figures 39 and 40, which illustrate the respective high pressure zone on the top of the hydrofoil (extrados) (90) and low pressure zone on the top of the hydrofoil (intrados) (92) on both sides of the rotor blades.

[0149] Será apreciado que existem elementos de tentativa e erro envolvidos não só na primeira etapa, mas também em algum grau na segunda etapa do processo. Na primeira etapa, o teste e o erro são informados não só pela habilidade do artesão que aplica os princípios ensinados neste pedido, mas também por uma aplicação intuitiva dos princípios gerais da dinâmica de fluidos e, mais importante, pelos resultados dos testes quantitativos fornecidos pelos vários tipos de software que são aplicados para verificar os efeitos de cada modificação feita nos designs de componentes individuais. No segundo estágio, onde o teste é feito em 3 dimensões e para combinações de componentes, há muitas oportunidades para mudanças que podem ser feitas; no entanto, a otimização é relativamente direta nesse momento. A partir da análise de CFD, áreas que evidenciam falta de fluxo laminar e/ou turbulência podem ser detectadas e modificadas para remover esses efeitos de fluxo indesejados. Normalmente, o alvo é considerado, o que, teoricamente, acredita-se ser a melhor melhora possível nos resultados, por exemplo, um aumento na velocidade do fluxo através da turbina de cerca de três vezes a velocidade de entrada da corrente ambiente. Alternativamente, pode ser escolhido um alvo de uma certa melhoria na saída de potência da turbina, em comparação com uma turbina conhecida de tamanho comparável. Quando um ou ambos os objetivos são abordados ou alcançados, a otimização é considerada como tendo sido alcançada. Por exemplo, nas Figuras 34 e 35, são mostradas as dimensões essenciais para uma modalidade preferida de uma turbina de acordo com a invenção, isto é, uma turbina de 1,5 metro de diâmetro que foi otimizada para utilização em uma corrente com uma velocidade na região de 3 nós, como mostrado nas legendas que seguem.Legenda para Figuras 13 e 34 Legenda para Figura 34Legenda para Figura 35 [0149] It will be appreciated that there are elements of trial and error involved not only in the first stage, but also to some degree in the second stage of the process. In the first stage, trial and error is informed not only by the skill of the craftsman applying the principles taught in this application, but also by an intuitive application of general fluid dynamics principles and, more importantly, by the quantitative test results provided by the various types of software that are applied to verify the effects of each modification made to the individual component designs. In the second stage, where testing is done in 3 dimensions and for combinations of components, there are many opportunities for changes that can be made; however, optimization is relatively straightforward at this point. From CFD analysis, areas that evidence a lack of laminar flow and/or turbulence can be detected and modified to remove these undesirable flow effects. Typically, a target is considered which, theoretically, is believed to be the best possible improvement in results, for example, an increase in the flow velocity through the turbine of about three times the ambient inlet stream velocity. Alternatively, a target of a certain improvement in turbine power output may be chosen, compared with a known turbine of comparable size. When one or both of these objectives are approached or achieved, optimization is considered to have been achieved. For example, in Figures 34 and 35, the essential dimensions are shown for a preferred embodiment of a turbine according to the invention, i.e. a 1.5 meter diameter turbine that has been optimized for use in a current with a velocity in the region of 3 knots, as shown in the captions that follow. Caption for Figures 13 and 34 Caption for Figure 34 Caption for Figure 35

[0150] Posteriormente, os aspectos estruturais doformato do design são analisados em um programa de análise de elementos finitos, como o chamado CD-Adapco FEA, Scan and Solve ou similares. Essa engenharia estrutural é para confirmar que os formatos dos perfis que foram determinados podem realmente ser construídos com a força necessária, por exemplo, com materiais de compósito. Existem também vários outros programas de software que também podem ser utilizados ao longo do caminho, como o Sol id Works, o AutoCAD, com simulação de eventos mecânicos, mas são contribuintes menores para o design.[0150] Afterwards, the structural aspects of the design shape are analyzed in a finite element analysis program, such as the so-called CD-Adapco FEA, Scan and Solve or similar. This structural engineering is to confirm that the profile shapes that have been determined can actually be constructed with the required strength, for example with composite materials. There are also several other software programs that can also be used along the way, such as Sol id Works, AutoCAD with simulation of mechanical events, but they are minor contributors to the design.

[0151] Uma vez que os formatos da turbina são determinados por design/esboço intuitivo, pela otimização de formatos em modelagem 3-D e pela análise de CFD, começa o estágio III de desenvolvimento. Esse estágio é a construção física de um protótipo totalmente funcional e de testes em condições reais, enquanto monitoram-se e documentam-se todos os parâmetros do design. Isso envolve a gravação da rpm da seção do rotor, a potência elétrica da unidade de turbina, a gravação de vídeo das características de fluxo através de tufagem de todas as superfícies (semelhante a uma asa de avião em um túnel de vento). Esses testes são realizados em várias velocidades de fluxo diferentes, de 1 nós até 6 nós, utilizando diversas configurações de formatos do invólucro do acelerador, formatos de difusores anulares e formatos da seção do rotor. Em última análise, este teste resulta na confirmação final da funcionalidade e da eficiência do design a uma determinada velocidade de fluxo e a um tamanho específico da turbina.[0151] Once the turbine shapes are determined by intuitive design/sketching, 3-D modeling shape optimization, and CFD analysis, Stage III of development begins. This stage is the physical construction of a fully functional prototype and testing under real-world conditions while monitoring and documenting all design parameters. This involves recording the rotor section rpm, the turbine unit electrical power, and video recording of the flow characteristics through tufting of all surfaces (similar to an airplane wing in a wind tunnel). These tests are performed at a variety of different flow velocities from 1 knot to 6 knots using various configurations of throttle casing shapes, annular diffuser shapes, and rotor section shapes. Ultimately, this testing results in final confirmation of the functionality and efficiency of the design at a given flow velocity and turbine size.

Design específico para o localSite-specific design

[0152] Além disso, essa metodologia única de design pode ser utilizada para melhorar a extração da potência máxima de qualquer corrente de água de ocorrência natural por design específico para o local. A primeira etapa do design específico para o local consiste na coleta de dados de fluxo das características em um local ou localização específicos. As velocidades de fluxo, a direção do fluxo, as características de massa do fluxo (volume de água que flui em qualquer momento específico) e as flutuações no fluxo durante um período de tempo determinado serão medidos e registrados com precisão com o equipamento acústico Doppler. A segundo etapa é avaliar, gravar e registrar os tipos e as quantidades de animais marinhos e selvagens na área escolhida para o local de instalação por gravação prolongada de vídeo, mergulho e registro de todas as espécies e tamanhos de animais marinhos. Também é necessário registrar o tipo e a quantidade de detritos que flutuam na água. Depois disso, a metodologia de design indicada acima pode começar e, em primeiro lugar, uma turbina otimizada para um local específico pode ser desenvolvida ajustando primeiramente o formato de hidrofólio do invólucro do acelerador, o difusor, o cubo central e as pás do rotor e, em seguida, ajustando o espaçamento das barras no removedor de animais selvagens e detritos às necessidades locais. Isso garantirá que a turbina não prejudique os animais selvagens, que a turbina não seja prejudicada por detritos flutuantes e que a quantidade máxima de energia/eletricidade possa ser extraída na localização precisa.[0152] Additionally, this unique design methodology can be utilized to improve the extraction of maximum power from any naturally occurring stream by site-specific design. The first step of site-specific design is to collect flow data from features at a specific site or location. Flow velocities, flow direction, flow mass characteristics (volume of water flowing at any given time), and fluctuations in flow over a given period of time will be accurately measured and recorded using acoustic Doppler equipment. The second step is to assess, record, and document the types and quantities of marine and wildlife in the area selected for the installation site by extended video recording, diving, and recording of all species and sizes of marine animals. It is also necessary to record the type and quantity of debris floating in the water. After this, the design methodology outlined above can begin and firstly, a turbine optimized for a specific location can be developed by first adjusting the hydrofoil shape of the accelerator casing, the diffuser, the central hub and the rotor blades and then adjusting the bar spacing on the wildlife and debris remover to the local requirements. This will ensure that the turbine does not harm wildlife, that the turbine is not hindered by floating debris and that the maximum amount of energy/electricity can be extracted at the precise location.

[0153] Todos os programas de computador que foram mencionados na descrição anterior da metodologia da presente invenção estão disponíveis no mercado e os seus modos de utilização são também bem conhecidos por aqueles versados na técnica.[0153] All computer programs that were mentioned in the previous description of the methodology of the present invention are available on the market and their modes of use are also well known to those skilled in the art.

[0154] Assim, o requerente concebeu certos designs inovadores para turbinas hidrocinétivas e, além disso, tomou conceitos, ferramentas e informações de vários campos diferentes e empregou e/ou combinou-os de maneira inovadora para projetar turbinas hidrocinéticas unidireccionais que exibem significativamente uma maior eficiência. Isso é devido em grande parte à interação sinérgica de múltiplos e inovadores componentes de turbina que incorporam novas características de hidrofólio assimétrico, que foram aperfeiçoados de forma nova para o ambiente específico em que devem ser empregados. O "Novidade de processo de design" é evidente porque nunca antes os engenheiros e projetistas foram capazes de obter resultados altamente eficientes como demonstrado em relação às turbinas hidrocinéticas de acordo com esta invenção. Com essas eficiências, as turbinas da invenção podem ser empregadas de forma útil em muitos contextos em que a velocidade de corrente é muito baixa para permitir a utilização de turbinas da técnica anterior.[0154] Thus, the applicant has conceived certain innovative designs for hydrokinetic turbines and, further, has taken concepts, tools and information from several different fields and employed and/or combined them in innovative ways to design unidirectional hydrokinetic turbines that exhibit significantly greater efficiency. This is due in large part to the synergistic interaction of multiple, innovative turbine components that incorporate novel asymmetric hydrofoil features, which have been novelly optimized for the specific environment in which they are to be employed. The "novelty of design process" is evident because never before have engineers and designers been able to obtain highly efficient results as demonstrated with respect to the hydrokinetic turbines according to this invention. With these efficiencies, the turbines of the invention can be usefully employed in many contexts where the current velocity is too low to permit the use of prior art turbines.

[0155] O design dessas turbinas e componentes hidrocinéticos são exclusivos devido ao fato de que nenhum outro design até o presente momento combinou todas as possíveis vantagens hidrodinâmicas, permitindo novas combinações (na seleção de componentes, design de componentes e interação desses componentes em conjunto) para otimizar a potência da turbina e acelerar o fluxo da água para extrair mais energia possível com as turbinas da presente invenção. Embora os princípios hidrodinâmicos sejam bem conhecidos, o uso desses princípios e a combinação de designs inovadores e os efeitos de todos os diferentes elementos utilizados neste design, especialmente os efeitos mutuamente benéficos e sinérgicos desses elementos combinados, são novos e inventivos. Conforme demonstrado neste design, cada elemento foi projetado inicialmente e, em seguida, otimizado para a velocidade do fluxo e o tamanho da turbina, e, portanto, o resultado final é uma turbina hidrocinética com muito maior potência e eficiência do que outros designs provados até o presente. Lista de peças10 removedor dianteiro de animais selvagens e de detritos12 anel de vedação dianteiro para a fixação das hastesdefletoras 14 hastes defletoras em formato de hidrofólio15 distância entre as hastes defletoras16 anel traseiro/posterior do removedor para a fixação dashastes defletoras 18 removedores de animais selvagens e de detritostraseiros/posteriores 20 invólucro completo do acelerador21 formato de S/curva dupla da seção transversal doacelerador em formato de hidrofólio 22 carcaça dianteira/do duto de entrada do invólucro doacelerador 23 compartimento do estator/seção central do invólucrodo acelerador 24 seção transversal do invólucro do acelerador emformato de hidrofólio sem o formato de S 25 enrolamentos metálicos do estator 26 9 rolamentos/rolamentos de esfera (3 rolamentos deimpulso para dianteiros, 3 rolamentos de impulso traseiros e 3 rolamentos dealinhamento) 28 carcaça posterior/seção posterior do invólucro doacelerador 29 bordo de penas do invólucro do acelerador30 seção completa do rotor principal com pás em formatode hidrofólio, invólucro da pá do rotor com um recesso para instalação de um ímã permanente e um cubo central em formato de hidrofólio 32 anéis de ímãs permanentes montados no recesso daseção do rotor 33 ponta das pás do rotor34 pás de rotor em formato de hidrofólio35 secções transversais de formatos de hidrofólio das pásdo rotor 36 cubo central em formato de hidrofólio37 centro aberto da seção do rotor principal38 invólucro da pá do rotor com recesso para instalaçãodo ímã permanente 39 base das pás do rotor40 difusor anular com seção transversal em formato dehidrofólio 42 segundo difusor anular44 terceiro difusor anular50 estrutura de suporte tubular para vários fins demontagem 51 hastes de fixação em formato de perfil de hidrofólioentre os componentes da turbina e da estrutura de suporte 52 pilha de suporte para rotação 53 plugue impermeável para remoção, anéis e escovaspara rotação no interior da pilha 54 jangada flutuante ou barcaça oceânica55 estrutura de suporte para rotação em uma instalaçãode jangada/barcaça 56 guindastes para rotação da turbina na instalação dajangada/barcaça 58 jangada submersível para instalação flutuante59 ancoradouros ou ancoragem de tipo parafuso60 leme da cauda da turbina para orientar a turbina nadireção do fluxo de água 62 winglets fixados à turbina para instalação de reboque64 cinta fixada e ancoragem para aembarcação/instalação montada na jangada ou para a instalação flutuante 66 cinta de rolamento para submergir a turbinaencurtando-a ou estendendo-a para o içamento 72 incidência/ângulo de ataque da pá do hidrofólio74 cabo do hidrofólio/comprimento do cabo75 comprimento da pá do rotor76 espessura da seção transversal/formato do hidrofólio78 torção da pá do rotor/mudança de incidência80 cubo central sólido/bulboso82 palhetas em forma de hidrofólio para sustentar o cubocentral sólido na posição 83 diâmetro da entrada do difusor84 diâmetro da entrada do invólucro do acelerador85 diâmetro total do cubo central86 espessura do cabo/perfil do cubo central87 comprimento do invólucro do acelerador88 comprimento do difusor 89 comprimento do cubo central90 espessura do cabo/perfil do invólucro do acelerador91 espessura do perfil/cabo do difusor92 diâmetro da saída do cubo central93 diâmetro da saída do invólucro do acelerador94 diâmetro da saída do difusor95 direção do fluxo[0155] The design of these hydrokinetic turbines and components are unique in that no other design to date has combined all of the possible hydrodynamic advantages, allowing for new combinations (in component selection, component design, and interaction of these components together) to optimize turbine power and accelerate water flow to extract the most energy possible with the turbines of the present invention. Although the hydrodynamic principles are well known, the use of these principles and the combination of innovative designs and the effects of all of the different elements utilized in this design, especially the mutually beneficial and synergistic effects of these combined elements, are novel and inventive. As demonstrated in this design, each element was initially designed and then optimized for the flow velocity and turbine size, and thus the end result is a hydrokinetic turbine with far greater power and efficiency than other designs proven to date. Parts List 10 Front Wildlife and Debris Remover 12 Front O-ring for attaching deflector rods 14 Hydrofoil-shaped deflector rods 15 Distance between deflector rods 16 Rear/back ring of remover for attaching deflector rods 18 Rear/back Wildlife and Debris Removers 20 Complete Throttle Housing 21 Hydrofoil-shaped S-shaped/double-curve Throttle Cross-section 22 Throttle Housing Front/Inlet Duct Housing 23 Throttle Housing Center Section/Stator Housing 24 Hydrofoil-shaped Throttle Housing Cross-section without S-shaped 25 Stator Metal Windings 26 9 Bearings/Ball Bearings (3 Front Thrust Bearings, 3 Rear Thrust Bearings, and 3 Alignment Bearings) 28 rear housing/rear section of accelerator housing 29 feathered edge of accelerator housing 30 complete main rotor section with hydrofoil-shaped blades, rotor blade housing with a recess for installation of a permanent magnet and a hydrofoil-shaped central hub 32 permanent magnet rings mounted in the recess of the rotor section 33 rotor blade tip 34 hydrofoil-shaped rotor blades 35 hydrofoil-shaped cross-sections of rotor blades 36 hydrofoil-shaped central hub 37 open center of main rotor section 38 rotor blade housing with recess for installation of permanent magnet 39 rotor blade base 40 annular diffuser with hydrofoil-shaped cross-section 42 second annular diffuser 44 third annular diffuser 50 tubular support structure for various mounting purposes 51 profile-shaped fixing rods hydrofoil between turbine components and support structure 52 support pile for rotation 53 waterproof plug for removal, rings and brushes for rotation inside the pile 54 floating raft or ocean barge 55 support structure for rotation on a raft/barge installation 56 cranes for rotation of the turbine on the raft/barge installation 58 submersible raft for floating installation 59 moorings or screw type anchorage 60 turbine tail rudder for steering the turbine in the direction of water flow 62 winglets attached to the turbine for towing installation 64 attached strap and anchorage for vessel/raft-mounted installation or for floating installation 66 bearing strap for submerging the turbine by shortening or lengthening it for lifting 72 incidence/angle of attack of the hydrofoil blade 74 hydrofoil cable/cable length 75 rotor blade length 76 section thickness hydrofoil cross section/shape78 rotor blade twist/incidence change80 solid/bulbous center hub82 hydrofoil-shaped vanes to hold solid center hub in position83 diffuser inlet diameter84 throttle housing inlet diameter85 center hub overall diameter86 center hub profile/cable thickness87 throttle housing length88 diffuser length89 center hub length90 throttle housing profile/cable thickness91 diffuser profile/cable thickness92 center hub outlet diameter93 throttle housing outlet diameter94 diffuser outlet diameter95 flow direction

Claims (14)

1. Turbina hidrocinética unidirecional com uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que definem uma única direção de fluxo de água através da turbina, compreendendo:um protetor de acelerador (20) geralmente cilíndrico que tem um comprimento que se estende desde a extremidade de entrada de água até a extremidade de saída de água e compreende uma superfície de parede radialmente interna e uma superfície de parede radialmente externa espaçada da superfície de parede radialmente interna, para formar uma seção transversal de parede radial, em que a superfície de parede radialmente interna define dentro de sua seção transversal cilíndrica uma área de fluxo de água; localizada dentro da área de fluxo de água um membro gerador de força hidrocinética integral que gira como uma unidade em uma única direção em resposta ao fluxo de água na única direção durante a geração de força dentro do protetor de acelerador (20), o membro gerador de força integral compreendendo:um membro de cubo central (36) tendo um perfil hidrodinâmico e um centro aberto (37) rodeado por uma parede interna que define uma passagem de fluxo de água; euma pluralidade de membros de pás (34), montadas no membro de cubo (36), cada membro de pá (34) tendo duas bordas e se estendendo radialmente para fora de uma extremidade de base radialmente interna da mesma, em cuja extremidade de base cada pá (34) é montada no membro de cubo central (36) para rotação com ele para formar um conjunto de rotor, os membros de pás (34) terminando em pontas de pás (33) radialmente externas;caracterizada pelo fato de que:o conjunto de rotor compreende ainda um anel externo do rotor (38) ao qual as pontas das pás (33) são fixadas e que tem uma circunferência externa que é configurada para rotação dentro do protetor de acelerador (20), e em que os membros de pás (34) têm um comprimento de cabo em suas extremidades radialmente externas que é maior do que o comprimento de cabo em suas extremidades radialmente internas; eum difusor anular (40) que compreende um membro de anel geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede compreendendo uma forma de hidrofólio assimétrico, o difusor anular (40) tendo um diâmetro maior do que o diâmetro do protetor de acelerador (20) e sendo posicionado atrás do protetor de acelerador (20) principal, na direção do fluxo de água através da turbina.1. A unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that define a single direction of water flow through the turbine, comprising: a generally cylindrical throttle guard (20) having a length extending from the water inlet end to the water outlet end and comprising a radially inner wall surface and a radially outer wall surface spaced from the radially inner wall surface, to form a radial wall cross-section, wherein the radially inner wall surface defines within its cylindrical cross-section a water flow area; located within the water flow area an integral hydrokinetic force generating member that rotates as a unit in a single direction in response to water flow in the single direction during generation of force within the throttle guard (20), the integral force generating member comprising: a central hub member (36) having a hydrodynamic profile and an open center (37) surrounded by an inner wall defining a water flow passage; and a plurality of blade members (34) mounted on the hub member (36), each blade member (34) having two edges and extending radially outwardly from a radially inward base end thereof, at which base end each blade (34) is mounted to the central hub member (36) for rotation therewith to form a rotor assembly, the blade members (34) terminating in radially outward blade tips (33); characterized in that: the rotor assembly further comprises an outer rotor ring (38) to which the blade tips (33) are attached and that has an outer circumference that is configured for rotation within the throttle guard (20), and wherein the blade members (34) have a cable length at their radially outward ends that is greater than the cable length at their radially inward ends; and an annular diffuser (40) comprising a generally cylindrical ring member having a wall cross-section comprising an asymmetric hydrofoil shape, the annular diffuser (40) having a diameter larger than the diameter of the throttle guard (20) and being positioned behind the main throttle guard (20), in the direction of water flow through the turbine. 2. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o membro de cubo central (36) compreende um membro de perfil geralmente redondo e em que os membros de parede ao redor do centro aberto (37) formam um perfil hidrodinâmico assimétrico, com os extrados sendo voltados para fora da turbina e os intrados voltados para o centro do cubo.2. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 1, characterized in that the central hub member (36) comprises a generally round profile member and in which the wall members around the open center (37) form an asymmetric hydrodynamic profile, with the extrados being directed outwards from the turbine and the intrados facing towards the center of the hub. 3. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as pás (34) têm uma configuração de seção transversal em forma de hidrofólio assimétrico.3. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the blades (34) have an asymmetric hydrofoil-shaped cross-sectional configuration. 4. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que compreende um íma montado no anel externo do rotor (38) para rotação com o conjunto do rotor.4. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a magnet mounted on the outer ring of the rotor (38) for rotation with the rotor assembly. 5. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 1, 2, 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que os membros de pás (34) têm uma espessura de perfil em suas extremidades radialmente externas que são maiores que a espessura de perfil em suas extremidades radialmente internas.5. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the blade members (34) have a profile thickness at their radially outer ends that is greater than the profile thickness at their radially inner ends. 6. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o cubo central (36) tem um comprimento que se estende tanto para a frente como para trás, a uma distância substancial para além das bordas dos membros de pás (34).6. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 2, characterized in that the central hub (36) has a length that extends both forward and rearward a substantial distance beyond the edges of the blade members (34). 7. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o cubo central (36) se estende desde os mombros de pás (34) para a frente até um primeiro ponto que está atrás da extremidade de entrada de água do protetor de acelerador (20), e se estende para trás até um ponto tão longe como a extremidade de saída de água do protetor de acelerador (20).7. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 6, characterized in that the central hub (36) extends from the blade shoulders (34) forward to a first point that is behind the water inlet end of the throttle guard (20), and extends rearward to a point as far as the water outlet end of the throttle guard (20). 8. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o cubo dentral (36) se estende por uma distância total de aproximadamente 2/3 do comprimento do protetor de acelerador (20).8. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 7, characterized in that the inner hub (36) extends for a total distance of approximately 2/3 of the length of the accelerator guard (20). 9. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o difusor anular (40) está posicionado atrás do protetor de acelerador (20), na direção do fluxo de água através da turbina, em uma relação de sobreposição.9. Unidirectional hydrokinetic turbine, according to claim 1, characterized by the fact that the annular diffuser (40) is positioned behind the throttle guard (20), in the direction of water flow through the turbine, in an overlapping relationship. 10. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que a secção transversal da parede do protetor de acelerador (20) geralmente cilíndrico, tem uma forma de hidrofólio assimétrico, a forma de hidrofólio servindo para acelerar o fluxo de água através do protetor de acelerador (20) e para criar um campo de pressão negativa atrás do protetor de acelerador (20), na direção do fluxo de água.10. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the cross-section of the wall of the generally cylindrical throttle guard (20) has an asymmetric hydrofoil shape, the hydrofoil shape serving to accelerate the flow of water through the throttle guard (20) and to create a negative pressure field behind the throttle guard (20), in the direction of the water flow. 11. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o difusor anular (40) tem um diâmetro maior do que o diâmetro do protetor de acelerador (20) e estando posicionado atrás do protetor de acelerador (20) principal, na direção do fluxo de água através da turbina, em que a forma de hidrofólio do difusor anular (40) serve para acelerar o fluxo de água através do difusor anular (40) e para criar um campo de pressão negativa atrás do difusor anular (40), e em cooperação com o hidrofólio do protetor de acelerador (20), o cubo do rotor e/ou as pás (34) servem assim para aumentar a aceleração do fluxo de água através do protetor de acelerador (20) principal na localização do conjunto de rotor.11. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 10, characterized in that the annular diffuser (40) has a diameter larger than the diameter of the throttle guard (20) and is positioned behind the main throttle guard (20) in the direction of water flow through the turbine, wherein the hydrofoil shape of the annular diffuser (40) serves to accelerate the water flow through the annular diffuser (40) and to create a negative pressure field behind the annular diffuser (40), and in cooperation with the hydrofoil of the throttle guard (20), the rotor hub and/or the blades (34) thus serve to increase the acceleration of the water flow through the main throttle guard (20) at the location of the rotor assembly. 12. Turbina hidrocinética unidirecional, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o protetor de acelerador tem uma porção dianteira a montante das pás (34) e uma porção traseira a jusante das pás (34), e em que a forma de hidrofólio assimétrico compreende um perfil no qual a superfície radialmente externa compreende uma porção dianteira convexa e uma porção traseira côncava, e a superfície radialmente interna compreende uma porção traseira convexa e uma porção dianteira, medida desde as pás (34) até a extremidade de entrada de água, que tem uma forma que é reta ou curva, e em que a área de fluxo de água dentro do protetor de acelerador é livre de estrutura fixa.12. Unidirectional hydrokinetic turbine according to claim 11, characterized in that the throttle guard has a forward portion upstream of the blades (34) and a rear portion downstream of the blades (34), and in which the asymmetric hydrofoil shape comprises a profile in which the radially outer surface comprises a convex forward portion and a concave rear portion, and the radially inner surface comprises a convex rear portion and a forward portion, measured from the blades (34) to the water inlet end, that has a shape that is straight or curved, and in which the water flow area within the throttle guard is free of fixed structure. 13. Método para projetar uma turbina hidrocinética unidirecional com uma extremidade de entrada de água e uma extremidade de saída de água que define uma direção de fluxo de água através da turbina, caracterizado pelo fato de que compreende:selecionar um protetor de acelerador (20) geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende uma forma de hidrofólio assimétrico inicial e define dentro de sua seção transversal cilíndrica uma área de fluxo, onde a forma de hidrofólio é selecionada com base em princípios de dinâmica de fluidos que serve para acelerar o fluxo de água através do protetor de acelerador (20) e para criar um campo de pressão negativa atrás do protetor de acelerador (20), na direção do fluxo de água;projetar um conjunto de rotor que é montado para rotação dentro do protetor de acelerador (20) em torno de um eixo que é geralmente paralelo à direção do fluxo de água através da turbina, o conjunto de rotor compreendendo(i) um cubo central (36) cilíndrico geralmente alongado tendo um centro aberto (37) e uma seção transversal de parede compreendendo uma forma de hidrofólio inicial que é selecionada com base em princípios de dinâmica de fluidos, (ii) uma pluralidade de pás (34) do rotor fixadas e que se estendem radialmente para fora a partir da parede do cubo central (36) para rotação com o mesmo e que termina nas pontas do rotor, cujas pás (34) têm uma configuração de seção transversal em forma de hidrofólio assimétrico inicial que é selecionada com base em princípios da dinâmica de fluidos e também inclui um comprimento de cabo em suas extremidades radialmente externas que é maior do que comprimento de cabo em suas extremidades radialmente internas; e(iii) um anel externo do rotor ao qual as pontas das pás (33) estão ligadas e tendo uma circunferência externa que é configurada para rotação dentro do protetor de acelerador (20);projetar um difusor anular (40) que compreende um membro de anel geralmente cilíndrico que tem uma seção transversal de parede que compreende uma forma de hidrofólio assimétrico inicial que é selecionada com base em princípios de dinâmica de fluidos, em que o difusor anular (40) tem um diâmetro maior do que o diâmetro do protetor de acelerador (20) e é configurado para ser posicionado atrás do protetor de acelerador (20) principal, na direção do fluxo de água através da turbina; emodificar as formas de hidrofólio iniciais do protetor de acelerador (20), o cubo central (36), as pás (34) do rotor e o difusor anular (40), em resposta ao teste de CFD de um projeto de turbina que compreende estes componentes, de forma a fornecer formas de hidrofólio finais para todos estes componentes que(a) melhore a capacidade de acelerar o fluxo de água através do difusor anular (40) e criar um campo de pressão negativa atrás do difusor anular (40), e(b) proporcione cooperação entre as formas de hidrofólio finais do protetor de acelerador (20), o cubo (36) do rotor e as pás (34) para aumentar a aceleração do fluxo de água através do protetor de acelerador (20) na localização do conjunto do rotor.13. A method for designing a unidirectional hydrokinetic turbine having a water inlet end and a water outlet end that defines a direction of water flow through the turbine, comprising: selecting a generally cylindrical throttle guard (20) having a wall cross-section comprising an initial asymmetric hydrofoil shape and defining within its cylindrical cross-section a flow area, wherein the hydrofoil shape is selected based on fluid dynamics principles that serves to accelerate the flow of water through the throttle guard (20) and to create a negative pressure field behind the throttle guard (20) in the direction of water flow; designing a rotor assembly that is mounted for rotation within the throttle guard (20) about an axis that is generally parallel to the direction of water flow through the turbine, the rotor assembly comprising (i) a generally elongated cylindrical central hub (36) having an open center (37) and a wall cross-section comprising an initial asymmetric hydrofoil shape; (ii) a plurality of rotor blades (34) attached to and extending radially outwardly from the wall of the central hub (36) for rotation therewith and terminating at rotor tips, which blades (34) have an initial asymmetric hydrofoil-shaped cross-sectional configuration that is selected based on fluid dynamics principles and also includes a cable length at their radially outer ends that is greater than the cable length at their radially inner ends; and(iii) an outer rotor ring to which the blade tips (33) are attached and having an outer circumference that is configured for rotation within the throttle guard (20); designing an annular diffuser (40) comprising a generally cylindrical ring member having a wall cross-section comprising an initial asymmetric hydrofoil shape that is selected based on fluid dynamics principles, wherein the annular diffuser (40) has a diameter larger than the diameter of the throttle guard (20) and is configured to be positioned behind the main throttle guard (20), in the direction of water flow through the turbine; and modify the initial hydrofoil shapes of the throttle guard (20), the central hub (36), the rotor blades (34) and the annular diffuser (40), in response to CFD testing of a turbine design comprising these components, so as to provide final hydrofoil shapes for all of these components that (a) improve the ability to accelerate the water flow through the annular diffuser (40) and create a negative pressure field behind the annular diffuser (40), and (b) provide cooperation between the final hydrofoil shapes of the throttle guard (20), the rotor hub (36) and the blades (34) to increase the acceleration of the water flow through the throttle guard (20) at the location of the rotor assembly. 14. Método para projetar uma turbina hidrocinética unidirecional, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o difusor anular (40) é configurado para ser posicionado atrás do protetor de acelerador (20) principal, na direção do fluxo de água através da turbina, em uma relação de sobreposição e em que o protetor de acelerador (20) tem uma porção dianteira a montante das pás (34) e uma porção trazeira a jusante das pás (34), e em que a forma de hidrofólio assimétrico inicialmente selecionada do protetor de acelerador compreende um perfil no qual a superfície radialmente externa compreende uma porção convexa dianteira e uma porção côncava traseira, e a superfície radialmente interna compreende uma porção convexa traseira e uma porção dianteira, medida das pás (34) até a extremidade de entrada de água, que tem uma forma que é reta ou curva.14. A method for designing a unidirectional hydrokinetic turbine as defined in any one of claims 1 to 12, wherein the annular diffuser (40) is configured to be positioned behind the main throttle guard (20), in the direction of water flow through the turbine, in an overlapping relationship and wherein the throttle guard (20) has a forward portion upstream of the blades (34) and a rear portion downstream of the blades (34), and wherein the initially selected asymmetric hydrofoil shape of the throttle guard comprises a profile in which the radially outer surface comprises a forward convex portion and a rear concave portion, and the radially inner surface comprises a rear convex portion and a forward portion, measured from the blades (34) to the water inlet end, that has a shape that is straight or curved.
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