(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身に対して前記流入する流れの方向に移動する水からエネルギーを抽出すると共に、前記流入する流れの方向へと向けられるように構成された入り口端を有し、前記水は前記入り口端を横切って非一様な流速分布を有している水タービンシステムであって、
回転軸を中心にして軸対称であり、上流側のロータ面を有しているロータアセンブリと、
前記ロータアセンブリの少なくとも一部分が配置されるタービンシュラウドであって、前記ロータ面よりも前記入り口端の近くに配置されたタービンシュラウド入り口と前記ロータアセンブリよりも出口端の近くに配置されたタービンシュラウド終端とを備えており、該タービンシュラウド終端が、複数のタービンシュラウドミキサ要素を備えており、前記タービンシュラウド入り口が非円形断面積を有しているタービンシュラウドと、
前記タービンシュラウドの少なくとも一部分が配置され、エジェクタシュラウド入り口およびエジェクタシュラウド終端を有し、前記エジェクタシュラウド入り口が、前記回転軸を通過する平面の高速部分よりも該回転軸を通過する平面の低速部分においてより大きな断面積を有するよう、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面において非対称な断面を有しているエジェクタシュラウドと、
を備えている水タービンシステム。
【請求項２】
前記複数のタービンシュラウドミキサ要素は、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面において非対称であり、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面の低速部分のタービンシュラウドミキサ要素の１つ以上が、該回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面の高速部分のタービンシュラウドミキサ要素の１つ以上よりも大きい、請求項１に記載の水タービンシステム。
【請求項３】
周囲を前記ロータアセンブリが回転する中央の本体をさらに備えている、請求項１に記載の水タービンシステム。
【請求項４】
前記中央の本体の前方に配置され、前記ロータ面に接する水からデブリを慣性によって分離するように形作られている偏向装置をさらに備えている、請求項３に記載の水タービンシステム。
【請求項５】
前記中央の本体は、該中央の本体から前記タービンシュラウド終端に向かって突き出している下流端を備え、該下流端は１つ以上のミキサ要素を備えている、請求項３に記載の水タービンシステム。
【請求項６】
前記中央の本体は、中央の空洞を有している、請求項３に記載の水タービンシステム。
【請求項７】
前記タービンシュラウド入り口が、前記回転軸を通過する平面の高速部分よりも該回転軸を通過する平面の低速部分においてより大きな断面積を有するよう、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面において非対称な断面を有している、請求項１に記載の水タービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００８年４月１６日付の「Ｗａｔｅｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｍｉｘｅｒｓ  ａｎｄ  Ｅｊｅｃｔｏｒｓ」という名称の米国特許仮出願第６１／１２４，３９７号の利益を主張し、この米国特許仮出願の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明の主題は、海流、潮流、川の流れ／水流、および他の流体の流れなど、例えば流れている水の流れに沈められてエネルギーを抽出するために使用される軸流タービンおよびエジェクタシステムなどの軸流タービンおよびエジェクタシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
流れている水からエネルギーを抽出する軸流水力タービンシステムを、本明細書においては「流れタービン」と称する。流れタービンは、通常は、運動する水の流れを受けるように向けられたプロペラ状の装置、すなわち「ロータ」を含んでいる。図１に示されるように、ロータは、露出していても、シュラウドに収容されていてもよい。流れがロータにぶつかるとき、ロータをロータの中心を中心にして回転させるような様相で、ロータへの力が生じる。ロータを、歯車、ベルト、チェーン、または他の手段などのリンクを介して、発電機または機械的な装置へと接続することができる。このようなタービンを、発電に使用することができ、および／または回転ポンプまたは可動の機械部品を駆動するために使用することができる。また、多数のこのようなタービンを各々のタービンの互いの影響および／または周囲の環境への影響を最小限にしつつ最大の出力を抽出できるように設計された幾何学的なパターンにて含んでいる大規模な発電用の「流れタービン施設」（「流れタービンアレイ」とも称される）に使用することもできる。
【０００４】
露出されているロータについて、その直径よりも大きい幅および深さの流れへと配置されたときに流体の力を回転力へと変換する能力は、到来する流れの力の５９．３％という文書で充分に裏付けられた理論値が限界である（１９２６年にＡ．Ｂｅｔｚによって文書化され、「ベッツ」の限界として知られている）。この出力の限界は、特には図１Ａに示した伝統的な多羽根の軸流潮流タービンに当てはまる。流れタービンの性能の可能性を「ベッツ」の限界を超えて高めようとする試みが行われている。適切に設計されたシュラウドが、到来する流れがロータへと近付くときに、流れの速度をシュラウドのないロータの場合に比べて高めることができる。これにより、到来する流れが、ダクトの中心へと集中させられる。一般に、適切に設計されたロータにおいて、シュラウドなしのロータに対するこの流れの速度の向上は、同じサイズのシュラウドなしのロータに比べてより大きな力をロータに作用させ、したがってより大きな力を抽出することができる。図１Ｂに示した流れタービンなど、これまでのシュラウド付きの流れタービンは、タービンロータにおける流れの速度を高めるために、入り口のコンセントレータと出口のディフューザとを使用している。ディフューザは、典型的には、軸方向の長さに沿って開口を有しているパイプ状の構造を備え、パイプの内側の水のパイプの外側の水とのゆっくりとした拡散混合を可能にするが、一般に、良好な性能のためには長さが長くなければならず、到来する流れの変動にきわめて影響されやすい傾向にある。そのような長くて流れの影響を受けやすいディフューザは、多くの設備において非現実的である。短いディフューザは、失速を生じて、システムのエネルギー変換効率を低下させる可能性がある。
【発明の概要】
【０００５】
上記従来技術の課題を解決するため、本願で特許請求される発明は以下のとおりである。
（１）自身に対して前記流入する流れの方向に移動する水からエネルギーを抽出すると共に、前記流入する流れの方向へと向けられるように構成された入り口端を有し、前記水は前記入り口端を横切って非一様な流速分布を有している水タービンシステムであって、
回転軸を中心にして軸対称であり、上流側のロータ面を有しているロータアセンブリと、
前記ロータアセンブリの少なくとも一部分が配置されるタービンシュラウドであって、前記ロータ面よりも前記入り口端の近くに配置されたタービンシュラウド入り口と前記ロータアセンブリよりも出口端の近くに配置されたタービンシュラウド終端とを備えており、該タービンシュラウド終端が、複数のタービンシュラウドミキサ要素を備えており、前記タービンシュラウド入り口が非円形断面積を有しているタービンシュラウドと、
前記タービンシュラウドの少なくとも一部分が配置され、エジェクタシュラウド入り口およびエジェクタシュラウド終端を有し、前記エジェクタシュラウド入り口が、前記回転軸を通過する平面の高速部分よりも該回転軸を通過する平面の低速部分においてより大きな断面積を有するよう、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面において非対称な断面を有しているエジェクタシュラウドと、
を備えている水タービンシステム。
（２）前記複数のタービンシュラウドミキサ要素は、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面において非対称であり、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面の低速部分のタービンシュラウドミキサ要素の１つ以上が、該回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面の高速部分のタービンシュラウドミキサ要素の１つ以上よりも大きい、（１）に記載の水タービンシステム。
（３）周囲を前記ロータアセンブリが回転する中央の本体をさらに備えている、（１）に記載の水タービンシステム。
（４）前記中央の本体の前方に配置され、前記ロータ面に接する水からデブリを慣性によって分離するように形作られている偏向装置をさらに備えている、（３）に記載の水タービンシステム。
（５）前記中央の本体は、該中央の本体から前記タービンシュラウド終端に向かって突き出している下流端を備え、該下流端は１つ以上のミキサ要素を備えている、（３）に記載の水タービンシステム。
（６）前記中央の本体は、中央の空洞を有している、（３）に記載の水タービンシステム。
（７）前記タービンシュラウド入り口が、前記回転軸を通過する平面の高速部分よりも該回転軸を通過する平面の低速部分においてより大きな断面積を有するよう、前記回転軸を通過する該回転軸に対して垂直な平面において非対称な断面を有している、（１）に記載の水タービンシステム。
第１の実施例においては、タービンシステムが、到来する流れの流れ方向に向けられるように構成された入り口端と、該入り口端の反対側の出口端とを有しており、当該タービンシステムに対して前記到来する流れの流れ方向に移動する水からエネルギーを抽出する。水は、当該タービンシステムの前記入り口端において非一様な流速分布を有している。このタービンシステムが、ロータアセンブリと、該ロータアセンブリの少なくとも一部分が配置される内部空間を有しているタービンシュラウドと、該タービンシュラウドの少なくとも一部分が配置される内部空間を有しているエジェクタシュラウドとを備えている。ロータアセンブリは、回転軸を中心にして軸対称であり、前記入り口端へと向いた上流側のロータ面を有している。タービンシュラウドは、前記ロータ面よりも前記入り口端により近く配置されたタービンシュラウド入り口と、前記ロータアセンブリよりも前記出口端により近く配置されたタービンシュラウド終端とを備えている。タービンシュラウド終端が、複数のタービンシュラウドミキサ要素を備えている。タービンシュラウド入り口は、前記到来する流れの流れ方向に移動している第１の量の水をロータアセンブリへと案内するように構成されており、該第１の量によってロータアセンブリが回転させられて、該第１の量の水からエネルギーが抽出され、より低いエネルギーとなった前記第１の量の水がタービンシュラウド終端を介してタービンシュラウドから排出される。エジェクタシュラウドが、エジェクタシュラウド入り口およびエジェクタシュラウド終端を備えている。エジェクタシュラウド入り口が、前記回転軸を通過する平面について非対称であって、前記回転軸を通過する平面の低速側において、該回転軸を通過する平面の高速側よりも大きな断面積を有している。エジェクタシュラウド終端が、タービンシュラウドミキサ要素よりも前記流れの流れ方向に延びている。
【０００６】
第２の相互に関係のある実施例においては、タービンシステムが、回転軸を中心にして軸対称であって、前記入り口端へと向いた上流側のロータ面を有しているロータアセンブリと、該ロータアセンブリの少なくとも一部分が配置される内部空間を有しているタービンシュラウドと、該タービンシュラウドの少なくとも一部分が配置される内部空間を有しているエジェクタシュラウドとを備えている。タービンシュラウドが、前記ロータ面よりも前記入り口端により近く配置されたタービンシュラウド入り口と、前記ロータアセンブリよりも前記出口端により近く配置されたタービンシュラウド終端とを備えている。タービンシュラウド終端は、複数のタービンシュラウドミキサ要素を備えており、該タービンシュラウドミキサ要素が、前記回転軸を通過する平面について非対称であり、前記回転軸を通過する平面の低速側のタービンシュラウドミキサ要素のうちの少なくとも１つが、該回転軸を通過する平面の高速側のタービンシュラウドミキサ要素のうちの少なくとも１つよりも大きい。タービンシュラウド入り口が、前記到来する流れの流れ方向に移動している第１の量の水をロータアセンブリへと案内するように構成されており、該第１の量によってロータアセンブリが回転させられて、該第１の量の水からエネルギーが抽出され、より低いエネルギーとなった前記第１の量の水がタービンシュラウド終端を介してタービンシュラウドから排出される。エジェクタシュラウドが、エジェクタシュラウド入り口およびエジェクタシュラウド終端を備えており、該エジェクタシュラウド終端が、タービンシュラウドミキサ要素よりも前記流れの流れ方向に延びている。
【０００７】
第３の相互に関係のある実施例においては、タービンシステムに対して到来する流れの流れ方向に移動する水からエネルギーを抽出する方法が、ロータアセンブリの少なくとも一部分が配置される内部空間を有しているタービンシュラウドへと、第１の量の水を捕らえるステップ、該第１の量の水をロータアセンブリを通って案内し、ロータアセンブリによって前記第１の量の水からエネルギーを抽出し、より低いエネルギーとなった前記第１の量の水をタービンシュラウド終端を介してタービンシュラウドから排出するステップ、タービンシュラウドの少なくとも一部分が配置される内部空間を有しているエジェクタシュラウドへと、第２の量の水を捕らえるステップ、および前記第１および第２の量を混合し、混合後の量をエジェクタシュラウド終端から排出するステップ、を含んでいる。タービンシュラウドは、ロータアセンブリよりも入り口端により近く配置されたタービンシュラウド入り口と、ロータアセンブリよりも出口端により近く配置されたタービンシュラウド終端とを備えている。タービンシュラウド終端は、複数のタービンシュラウドミキサ要素を備えている。エジェクタシュラウドは、エジェクタシュラウド入り口およびエジェクタシュラウド終端を備えている。エジェクタシュラウド終端が、タービンシュラウドミキサ要素よりも前記流れの流れ方向に延びている。
【０００８】
１つまたはそれ以上の追加の随意による変形例および特徴を、本発明の主題の所与の実施例に含めることができる。エジェクタシュラウドおよびタービンシュラウドのミキサ要素を、タービンロータを通過する流量を増加させること、および低エネルギーのタービンシュラウド出口流をタービンロータを通らずにエジェクタシュラウド入り口に進入するバイパス流と混合することの両者によって、システムのエネルギー抽出効率の見込みを向上させるミキサ／エジェクタポンプを形成するように、具体的に設計することができる。エジェクタシュラウド入り口を、前記流れの流れ方向に移動している第２の量の水をエジェクタシュラウドの内部空間へと案内するように構成することができ、エジェクタシュラウドの内部空間が、エジェクタシュラウド終端を通って出る前に前記第１の量の水を前記第２の量の水と混合させる複数のエジェクタシュラウドミキサ要素を備えることができる。タービンシュラウドおよびエジェクタシュラウドの形状が、前記ロータ面へと提示される速度勾配を最小化し、前記第１の量の水を最大化し、エジェクタシュラウド終端から排出される前の前記第１および第２の量の混合を最大化することができる。前記速度勾配は、前記ロータ面に沿って測定される。
【０００９】
周囲を前記ロータアセンブリが回転する中央の本体をさらに備えることができる。タービンシュラウドが、この中央の本体を中心とする軸の周りに並べられたステータ羽根を備えているステータアセンブリをさらに備えることができる。ステータ羽根は、前記到来する流れの流れ方向に提示される開いた流れ面積を増加または減少させることによって前記第１の量を調節するために、回転可能であってよい。タービンシュラウド入り口が、ロータアセンブリを通過して流れる前記第１の量を増加または減少させるべく動作することができる１つまたはそれ以上の可動のドア要素を備えることができる。前記第１の量が前記ロータ面に出合う前に該第１の量から浮遊しているデブリおよび／または水性のデブリを慣性によって分離するように形作られた偏向装置を、前記中央の本体の前方に配置することができる。前記中央の本体が、タービンシュラウド終端に向かってエジェクタシュラウドへと該中央の本体から突き出している下流端を備えることができる。前記中央の本体は、浮遊している水生のデブリおよび／または水生生物がロータ羽根に遭遇することなくタービンシュラウド終端に向かって前記中央の本体を通過できるように構成されている中央の空洞を備えることができる。前記中央の空洞は、随意により後縁にミキサ要素を備えてもよいが、エジェクタシュラウドにおける混合性能を向上させるためにエジェクタシュラウドへと高エネルギーのバイパス流を通過させることもできる。前記中央の本体の前記下流端が、１つまたはそれ以上のミキサ要素を備えてもよい。下流にミキサ要素を備えている中空の中央の本体を通過する流れは、ミキサ／エジェクタポンプの動作の性能を向上させることができる。
【００１０】
タービンシュラウド入り口は、前記回転軸を通過する平面の低速側において該回転軸を通過する平面の高速側よりも大きな断面積を有する非円形の断面を有することができる。タービンシュラウドミキサ要素は、ミキサローブおよびミキサスロットのうちの１つまたはそれ以上を含むことができる。前記ロータアセンブリが、ロータハブと、外側ロータリングと、前記ハブの間に配置された第１の複数の半径方向向きのロータ羽根とを備えることができる。エジェクタシュラウド終端領域が、ミキサローブおよびミキサスロットのうちの１つまたはそれ以上を含むことができる第２の複数のエジェクタシュラウドミキサ要素を備えることができる。
【００１１】
前記複数のエジェクタシュラウドミキサ要素は、前記回転軸を通過する平面について非対称であってよい。例えば、前記回転軸を通過する平面の低速側のエジェクタシュラウドミキサ要素のうちの１つまたはそれ以上が、該回転軸を通過する平面の高速側のエジェクタシュラウドミキサ要素のうちの１つまたはそれ以上よりも大きくてよい。同様に、前記複数のタービンシュラウドミキサ要素が、前記回転軸を通過する平面について非対称であってよく、前記回転軸を通過する平面の低速側のタービンシュラウドミキサ要素のうちの１つまたはそれ以上が、該回転軸を通過する平面の高速側のタービンシュラウドミキサ要素のうちの１つまたはそれ以上よりも大きくてよい。
【００１２】
前記エジェクタシュラウドの少なくとも一部分が配置される内部空間を有している第２のエジェクタシュラウドを、備えることが可能である。この第２のエジェクタシュラウドが、第２のエジェクタシュラウド入り口および第２のエジェクタシュラウド終端領域を備えることができる。第２のエジェクタシュラウド入り口が、前記回転軸を通過する平面について非対称であってよく、前記回転軸を通過する平面の低速側において、該回転軸を通過する平面の高速側よりも大きな断面積を有することができ、前記第２のエジェクタシュラウド終端が、前記エジェクタシュラウドミキサ要素よりも前記流れの流れ方向に延びてよい。
【００１３】
本発明の主題は、多数の利点を提供することができる。例えば、流れタービンが、概念的には風力タービンに類似するが、風力タービンが直面する力の約９００倍も大きい力、浮力に起因する大きな垂直力、流入速度の場の垂直方向における大きな変動（流域の床もしくは壁、または船舶、はしけ、または他の水上船の船体など、流れタービンが取り付けられる不動の表面が近接しているために生じる）に起因する有害な非対称／不安定な荷重、などといった水に関する厄介事を軽減するために、詳細において相違する。堆積物の浸食も、低エネルギーとなってタービンを出る水がタービン入り口をバイパスした流れと再び混ざり合うことによって引き起こされる流速プロフィールの乱れに起因して、流れタービンの前方および後方において生じうる。水生生物の安全性、水による腐食および付着を避けるシステム、および浮遊のデブリの処理も、流れタービンの効率的な使用にとって重要な課題を呈する可能性がある。これらの要請は、典型的には、より丈夫でより重い耐水性の材料の使用、異なる支持構造および内部構造、異なる空気／流体力学的形状、ならびに流れタービンの前方および後方の水流の注意深い処理を必要とする。これらの要因のすべてが、生成されるエネルギー当たりに必要なコストを大きく増加させる可能性がある。
【００１４】
本発明の主題による流れタービンの種々の特徴は、これらの課題の多くに好都合に対処することができる。例えば、ロータアセンブリを収容しているタービンシュラウドを囲むエジェクタシュラウドを設けることができる。エジェクタシュラウドへと流れ込む第２の量の水は、タービンシュラウドをバイパスしているので、エネルギーが抽出されていない。この第２の量の水が、ロータアセンブリを通過してエネルギーが抽出された後の第１の量の水に、積極的に混合される。混合は、エジェクタシュラウドにおいて、エジェクタシュラウドの終端からの排出に先立って行われる。
【００１５】
本明細書に記載のとおりの流れタービンの第一原理にもとづく理論解析が、同じロータ前面面積において、現時点において入手可能なシュラウドなしのタービンの出力の３倍以上の出力を生み出すことができることを示している。本明細書に開示の流れタービンは、流れおよび潮流施設の生産性を、２倍以上に向上させることができる。
【００１６】
本発明の主題の１つまたはそれ以上の変形例の詳細が、添付の図面および以下の説明において述べられる。本発明の主題の他の特徴および利点が、本明細書および図面ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の主題の特定の態様を示しており、本明細書の説明と相まって、開示される実施形態および実施例に関する原理のいくつかを説明するうえで役に立つ。
【図１Ａ】流れタービンシステムの例を説明する概略図である。
【図１Ｂ】流れタービンシステムの例を説明する概略図である。
【図１Ｃ】流れタービンシステムの例を説明する概略図である。
【図２Ａ】流れタービンシステムの実施例について、いくつかの図を示している概略図である。
【図２Ｂ】流れタービンシステムの実施例について、いくつかの図を示している概略図である。
【図２Ｃ】流れタービンシステムの実施例について、いくつかの図を示している概略図である。
【図２Ｄ】流れタービンシステムの実施例について、いくつかの図を示している概略図である。
【図３Ａ】６枚羽根のロータを１つ有している流れタービンシステムの前方からの斜視図を示している概略図である。
【図３Ｂ】６枚羽根のロータを１つ有している流れタービンシステムの前方からの斜視図を示している概略図である。
【図４Ａ】ステータ−ロータタービンを有する流れタービンシステムの前方からの斜視図を示している概略図であり、内部の構造（ロータの外側リムに取り付けられたホイール状の構造の形態の動力取り出し部およびロータの内側リングに位置するリング発電機への動力取り出し部など）を示すために一部分が切断されている。
【図４Ｂ】ステータ−ロータタービンを有する流れタービンシステムの前方からの斜視図を示している概略図であり、内部の構造（ロータの外側リムに取り付けられたホイール状の構造の形態の動力取り出し部およびロータの内側リングに位置するリング発電機への動力取り出し部など）を示すために一部分が切断されている。
【図５Ａ】流れタービンシステムの随意による設置例を示している概略図である。
【図５Ｂ】流れタービンシステムの随意による設置例を示している概略図である。
【図５Ｃ】流れタービンシステムの随意による設置例を示している概略図である。
【図５Ｄ】流れタービンシステムの随意による設置例を示している概略図である。
【図６】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、タービンシュラウドおよびエジェクタシュラウドの終端領域に円周を巡って形状およびサイズを変化させているミキサローブを有しているミキサ／エジェクタポンプを備えている。
【図７Ａ】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、流れへの整列および運動のための２つの随意による枢動ラダーおよびウイング、流れを遮断／制御するドアまたはステータ（ドアまたはステータを通過する平面へと出入りするように回転することができる）、ならびに流れタービンシステムの中央の本体を備えている。
【図７Ｂ】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、流れへの整列および運動のための２つの随意による枢動ラダーおよびウイング、流れを遮断／制御するドアまたはステータ（ドアまたはステータを通過する平面へと出入りするように回転することができる）、ならびに流れタービンシステムの中央の本体を備えている。
【図７Ｃ】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、流れへの整列および運動のための２つの随意による枢動ラダーおよびウイング、流れを遮断／制御するドアまたはステータ（ドアまたはステータを通過する平面へと出入りするように回転することができる）、ならびに流れタービンシステムの中央の本体を備えている。
【図７Ｄ】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、流れへの整列および運動のための２つの随意による枢動ラダーおよびウイング、流れを遮断／制御するドアまたはステータ（ドアまたはステータを通過する平面へと出入りするように回転することができる）、ならびに流れタービンシステムの中央の本体を備えている。
【図８Ａ】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、ローブミキサおよびスロットミキサを有するエジェクタを有している開いた通路の中央の本体を備えている。
【図８Ｂ】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、ローブミキサおよびスロットミキサを有するエジェクタを有している開いた通路の中央の本体を備えている。
【図８Ｃ】流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図であり、ローブミキサおよびスロットミキサを有するエジェクタを有している開いた通路の中央の本体を備えている。
【図９Ａ】入り口にデブリ阻止システムを備えている流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図である。
【図９Ｂ】入り口にデブリ阻止システムを備えている流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図である。
【図９Ｃ】入り口にデブリ阻止システムを備えている流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図である。
【図９Ｄ】入り口にデブリ阻止システムを備えている流れタービンシステムの別の実施例を示す概略図である。
【図１０Ａ】２段のミキサ／エジェクタシステムを備えている流れタービンシステムの水タービンシステムの別の実施例を示す概略図である。
【図１０Ｂ】２段のミキサ／エジェクタシステムを備えている流れタービンシステムの水タービンシステムの別の実施例を示す概略図である。
【図１１】本発明の主題の実施例による方法を説明するプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ガスタービンの概念および技術は、今までのところ、軸流の流れタービンへの商業的な適用は行われていない。多くの既存の流れタービンは、流れのエネルギーを抽出するために、推進用プロペラの概念にもとづく単一の多羽根のロータを使用している。結果として、流れタービンの羽根を通過する流れのうちのかなりの量が、流れのエネルギーの一部を、軸を中心として渦を巻く流れへと変換する。この渦の成分がエネルギーを吸収し、そのようなエネルギーは発電機へともたらされる可能性がないほか、この渦の成分が、システムの後方に流れの回転を生じさせ、流動床の浸食作用、堆積物の攪拌、および水生生物の方向感覚の喪失を引き起こす可能性がある。これらの影響を、充分に発展したガスタービンのステータ／ロータのタービン空気／流体力学的な流れの考慮事項を使用して軽減することができ、皆無にすることさえ可能である。ガスタービンのロータ／ステータの設計手法を、出口流れの渦がタービンの後方の環境へと及ぼす有害な影響を基本的に除去するために、流れタービンへと適用することができる。
【００１９】
さらに、図１Ａに示したような伝統的な単一ロータシステムは、局所の軸流速度のレベルが正の空気／流体力学的揚力およびトルクをロータの翼に生じさせるに充分に高くなるまで、回転の立ち上がりが遅れ、したがってエネルギーの生成が遅れる。適切に設計された本発明の主題による入り口ステータ／ロータシステムは、この限界を有しておらず、ゼロを上回るすべての局所速度レベルにおいてロータにトルクを生じさせ、出力を生み出すことができる。また、これまでのシュラウド付きの流れタービンは、シュラウドの外側の周囲の流れの空気／流体力学的効率を、特には自由表面、流域の床もしくは側壁、または船舶の船体が存在するときに、補償できていない。流れタービンの入り口を、入り口へと接近するデブリおよび／または水生生物を処理するように適応させることも、本発明の主題の随意による特徴である。空気力学的または流体力学的に調整されたバルバス形状を、到来する水および浮遊しているデブリをまずは外側へとそらすために、入り口の前方に配置することができる。水流の流れは、より大きな浮遊しているデブリおよび／または水生生物よりも慣性が小さいため、バルバス形状の輪郭に沿い、タービンシュラウドまたはエジェクタシュラウドに進入することができる。水生動物、デブリ、など、より大きな慣性の浮遊物は、水の流線から外れ、タービンシュラウドまたはエジェクタシュラウドに進入することができない。
【００２０】
流れにおける出力および効率の向上を達成するために、一般に、シュラウドおよびロータの空気／流体力学的な設計を、タービンに近付く垂直に変化する速度プロフィールに厳密に合わせることが必要である。速度プロフィールは、通常は（常にではない）流動床および自由表面においてそれぞれ生じる最小レベルと最大レベルとの間の１０分の１のべき乗則の依存性に従う。風力タービンも、同様な垂直方向の変化に直面するが、風力タービンは地球の大気の高さに比べてきわめて小さい垂直方向の大きさであるため、流れタービンの場合ほど深刻ではない。水の密度は、空気よりも約９００倍も大きい。生成される出力は、流体の密度および局所速度の三乗に依存する一方で、軸力は、密度および速度の二乗に依存するため、この変化のレベルは、空気／流体力学的設計によって制御されない限り、ロータおよびシュラウドシステムに著しい非対称な出力のデリバリおよび構造的荷重を引き起こす。風力タービンが、回転の中心軸を中心にしておおむね対象である一方で、シュラウド付きの流れタービンは、流入する速度プロフィールによって引き起こされる厄介事を制御および軽減するために、非対称の特徴を採用する機会をもたらす。特には、シュラウドの内表面が、ロータを囲む場所においては必然的にほぼ円形でなければならないが、この制限は、内側または外側のいずれかのシュラウド形状の残り部分については当てはまらない。したがって、シュラウドの外周を巡る空気／流体力学的な輪郭の変化を、流入する流れのひずみをロータ面に達するときまでに容認可能なレベルへと減らすために使用することができる。さらに、そのような非対称または楕円形の空気／流体力学的な輪郭は、流れの流域および壁の浸食および堆積物の攪拌を少なくすることによって、システムから出る流れが周囲の環境へと及ぼす影響を減らすことができる。
【００２１】
エジェクタが、流れをシステムへと引き込み、当該システムを通過する流速を高める。エジェクタの複数のシュラウドの設計にリング翼の概念を使用することによって、所望の出力レベルに必要なロータのサイズを、シュラウドなしのロータに必要なサイズの半分以下にまで減らすことができる。ロータの羽根が短いほど、コストが低く、構造的により丈夫である。さらに、流れによってロータへと加えられる軸力も、半分またはそれ以上に減らすことができ、残りの荷重はシュラウド付きのシステムの非回転の構成要素へと移される。固定の非回転の部品によって支えられる荷重は、設計、製造、および保守に関して、大幅に単純かつ経済的である。
【００２２】
ミキサ／エジェクタは、流入する流れのひずみに比較的影響されにくく、音速の付近または音速を上回る流れの速度が関係する高速ジェット推進の用途に広く使用されているエジェクタ・ジェット・ポンプの短くてコンパクトな変形例である。例えば、やはり流出からの騒音を減少させつつ水力を増やすために下流にミキサを使用している本発明の発明者のうちの一人であるＤｒ．Ｗａｌｔｅｒ  Ｍ．Ｐｒｅｓｚ，Ｊｒ．の米国特許第５，７６１，９００号を参照されたい。本発明の発明者によって設計された風力タービンを含め、ミキサ／エジェクタ技術のこれまでのすべての発電への応用においては、２つの流れの間の流れの混合を生じさせる複数の三次元表面（以下では、混合要素と称される）が、すべて同じサイズであり、シュラウドの外周を巡って反復パターンにて配置されている。流れタービンに接近する流れに埋め込まれた速度のひずみに対応し、付随の楕円形のシュラウド入り口において効率的に働くために、先進の混合要素の設計を、システムの円周の各々の扇形部分について最大の混合およびポンプ作用を及ぼすために使用することができる。
【００２３】
流れタービンは、風力タービンと同様に、出力を発電機の定格の動力レベルに適合するように調節できなければならない。伝統的な３枚羽根の風力タービンは、それらの平均の動作の風速の最大で１０倍からの風速に直面する可能性があり、発電機および／または構造への損傷を避けるために、複雑な機械式の遮断システムを取り入れていなければならない。流れタービンは、あまり極端な速度の変動には直面せず、したがって典型的には、異なる設計の遮断システムを取り入れている。ステータ／ロータシステムを採用する複数シュラウドのミキサ／エジェクタ流れタービンは、標準的なブレークシステムに加えて、遮断をもたらす３つの手段を提供する。ステータを、入り口開口を基本的に閉じるべく関節運動させることができ、シュラウドの内表面に作り付けられたブロッカードアを、流れの場へと揺動させて、流れの通路を妨げることができ、および／または入り口のデブリ阻止バルブを、入り口へと移動させ、流量を減らすことができる。
【００２４】
シュラウド付きの流れタービンの固定システムは、風力タービンに使用される高い塔とはきわめて異なっており、密に組み合わせられるシステムの空気／流体力学的効率を損なうことがないように一体的に設計されなければならない。図１に示したような柱上または台座上のシステムは、さまざまなレベルおよび空気／流体力学的干渉の原因に直面するが、そのような空気／流体力学的干渉を、エネルギーの効率的な送達を保証するために低減しなければならない。
【００２５】
複数シュラウドのミキサ／エジェクタ流れタービンは、ロータおよび発電機システムの特有な一体化の機会を提供する。流れタービンは、方向を変える必要がなく、あるいは潮流の場合においては、１日に２回の予定で方向を変えればよいため、発電機を効率および／またはより容易な保守作業にとってより好都合に配置することができる。ガスタービンにおいて頻繁に採用されているようなロータの先端のシュラウドを採用することで、リムの歯車／駆動システムの使用およびシュラウド内またはシュラウド上への発電機の配置が可能になる。さらに、中央の本体を、水生動物を通過させるための開いた導管として設計することが可能になる。
【００２６】
図２〜１０が、本発明の主題の範囲に包含される特徴のうちのいくつかを例示するいくつかの実施例を示している。一実施例によれば、水力タービンシステムが、軸方向の延在のうちのいくつかの地点において非円形である空気力学的または流体力学的に輪郭付けられたタービンシュラウド１０２を備えている。空気力学的または流体力学的に輪郭付けられた中央の本体１０３が、タービンシュラウド１０２に囲まれ、タービンシュラウド１０２へと取り付けられており、タービンシュラウド１０２が、第１の量の水を通過させて引き込むタービンシュラウド入り口１０５を有している。中央の本体１０３は、回転の回転軸を中心にして軸対称である。タービンステージ１０４が、中央の本体１０３を囲んでおり、ステータ羽根１０８ａのステータリング１０６とインペラ羽根またはロータ羽根１１２ａを有するインペラまたはロータ１１０とを備えている。ロータ１１０は、ロータ羽根１１２ａの前縁によって形成されたロータフェースを備えている。ロータ１１０は、ロータフェースがステータ羽根１０８ａの後縁に実質的に整列するように、ステータ羽根１０８ａの下流に配置されている。ステータ羽根１０８ａは、中央の本体１０３に取り付けられており、ロータ羽根１１２ａは、内側および外側のリングもしくはフープまたはハブ１１２ｂおよび外側のリング１１２ｃによって一体に取り付けられ、保持されている。内側のリングまたはハブが、中央の本体１０３を囲んでおり、中央の本体１０３を中心にして回転可能である。タービンシュラウド１０２の終端領域または端部を含むミキサ要素の終端領域が、ロータ羽根１１２ａを過ぎて下流へと延びるミキサローブ１２０ａのリングを備えており、ミキサローブ１２０ａの形状またはサイズが、タービンシュラウド１０２とエジェクタシュラウド１２８との間のすき間を埋め、取り入れた水を中央の本体１０３の付近へと届けるために、必要に応じて変化させられている。これは、ミキサローブ１２０ａがエジェクタシュラウド１２８の入り口１２９へと下流に延びている米国特許第５，７６１，９００号に示したエジェクタローブに類似している。さらに、エジェクタ１２２が、軸方向の長さのうちの一部分において非円形であってよく、タービンシュラウドのミキサローブ１２０ａのリングを囲んでいるシュラウド１２８を備えている。エジェクタシュラウド１２８は、図６に示されているように、終端領域にさまざまなサイズおよび形状のミキサ要素を備えることができる。
【００２７】
中央の本体１０３を、図２に示されているように、伝統的な流れタービンおよび潮流タービンにおいてタービンの羽根の波紋が支持塔にぶつかることによって生じる有害、面倒、かつ長距離を伝播する低周波の圧力波をなくすために、ステータリング１０６（または、他の手段）を介してタービンシュラウド１０２へと接続することができる。タービンシュラウド１０２およびエジェクタシュラウド１２８の空気力学的プロフィールは、好ましくは、上流のひずみによって引き起こされるロータフェースにおける速度の垂直方向のばらつきを少なくするような方法でタービンロータを通過する流れを増加させるために、空気力学的に反らされている。
【００２８】
本出願の出願人は、好ましい実施形態１００における最適な効率のために、エジェクタシュラウドの終端の断面積をタービンシュラウドの終端の断面積で除算することによって定められるエジェクタポンプ１２２の面積比が、１．５〜４．０の間であると計算した。ミキサローブ１２０ａの数は、６〜１４の間であろう。各々のローブの内側および外側の後縁の角度は、５〜２５度の間であろう。一次のローブの出口位置は、エジェクタシュラウド１２８の入り口位置もしくは入り口１２９、またはその付近に位置するであろう。ローブのチャネルの高さ：幅の比は、０．５〜４．５の間であろう。ミキサへの進入は、３０％〜８０％の間であろう。中央の本体１０３のプラグの後縁の角度は、３０度以下であろう。システム１００の全体としての直径に対する長さ（Ｌ／Ｄ）は、０．５〜１．２５の間であろう。
【００２９】
一般に、流れタービンエネルギー変換システムは、ステータ羽根１０８ａとインペラ羽根もしくはロータ羽根１１２とを備える軸流流れタービン１００を備えており、そのような流れタービン１００が、混合要素１２０ａを終端領域または端部に取り入れている空気力学的に輪郭付けられたタービンシュラウド１０２と、タービンシュラウド１０２に重なり合っているが、タービンシュラウド１０２の下流である別々のエジェクタシュラウド１２８とによって囲まれている。エジェクタシュラウド１２８も、その終端領域に、例えばミキサローブ１１９またはミキサスロットなどの先進の混合要素を取り入れることができる。エジェクタシュラウド１２８の終端１１７に位置するローブまたはスロット１１９などのミキサ特徴のリング１１８を、流れおよび潮流タービンシステム１００の動作効率についてベッツの限界を一貫して超えるための手段をもたらすミキサ／エジェクタポンプと考えることができる。
【００３０】
図２Ａが、組み込まれたミキサ要素１２０ａの後縁をわずかにエジェクタシュラウド１２８の入り口の平面に挿入させているタービンシュラウド１０２によって囲まれた中央の本体１０３に回転可能に取り付けられたロータアセンブリ１１０を含むタービン段１０４を示している。タービン段１０４およびエジェクタシュラウド１２８は、それ自身が主たる荷重支持部材であるタービンシュラウド１０２へと構造的に接続されている。
【００３１】
タービンシュラウド１０２の長さは、いくつかの実施例においては、タービンシュラウド１０２の最大外径以下であってよい。エジェクタシュラウド１２８の長さは、いくつかの実施例においては、エジェクタシュラウドの最大外径以下であってよい。中央の本体１０３の外表面を、流れタービンシステム１００の下流の流れの分離の影響を最小限にするために、空気力学的または流体力学的に輪郭付けることができる。中央の本体１０３は、タービンシュラウド１０２もしくはエジェクタシュラウド１２８、またはタービンシュラウド１０２およびエジェクタシュラウド１２８の組み合わせの長さよりも、長くても、短くてもよい。
【００３２】
タービンシュラウドの入り口１０５およびタービンシュラウドの終端１１５の断面積は、タービン段１０４によって占められる環状の部分の断面積と同じ、またはそれよりも大きくてよいが、流れの出所およびその後方の流れの影響をより良好に制御できるよう、円形である必要はない。中央の本体１０３とタービンシュラウド１０２の内表面との間の環状の部分によって形成される内部の流路の断面積は、ロータアセンブリ１１０の平面において最小の面積を有し、他の点ではそれぞれの入り口平面からそれぞれの出口平面へと滑らかに変化するよう、空気力学的に形作られる。タービンシュラウド１０２およびエジェクタシュラウド１２８の外表面は、タービンシュラウドの入り口１０５へと流れを案内し、これらの表面からの流れの分離をなくし、エジェクタシュラウドの入り口１２９へと滑らかな流れをもたらすうえで助けとなるように、空気力学的または流体力学的に形作られる。非円形であってもよいエジェクタ１２８の入り口の面積は、タービンシュラウドの終端のミキサ要素１１８を含むタービンシュラウドの終端１１５の断面積よりも大きい。エジェクタシュラウドの終端１１７における断面積も、非円形であってよい。
【００３３】
図４Ａおよび４Ｂに示されるように、動力の取り出し１３０の一例は、ロータアセンブリ１１０の下方または上方の発電機（図示されていない）へとロータアセンブリ１１０の外側または内側のリムにおいて機械的に接続されたホイール状の構造の形態をとることができる。図４Ａおよび５Ａに示されるように、１３４に回転可能な継ぎ手を有する垂直な支持軸１３２が、流れタービンシステム１００を回転可能に支持することができ、流れている流れに沈められたときに流れタービンシステムが自動的に整列するように、流れタービンシステム１００が直面する圧力の中心位置の前方に位置することができる。異なる流れおよび潮流において整列の方向を安定させ、垂直移動時の操舵をもたらすために、自動で動く垂直ラダー１３６およびおおむね水平なウイング１３７（図７を参照）を、タービンならびに／またはエジェクタシュラウド１０２および１２８のそれぞれの上面および下面に取り付けることができる。
【００３４】
流れタービンシステム１００を、例えば柱１３３、固定の基礎１３７、索１３８、または水上の船舶１３９（はしけまたはフロートなど）など、例えば図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、および５Ｄに示したような他のシステムによって構造的に支持することができる。
【００３５】
可変のミキサ要素の形状を使用し、図６に示したようにバイパスの気流から最大のエネルギーを抽出するように最適化することができる。ミキサ要素１４０は、図６に示されるように、ロータアセンブリ１１０の回転軸を通過する平面に関して非対称であってよい。
【００３６】
図７は、制御ラダーおよびウイング１３５および１３６、ならびに随意による流れ遮断ドア１４０ａ、１４０ｂを示している。それらを、高い流速に起因する発電機または他の構成部品の損傷の可能性があるときに、タービン１００を通過する流れを減少させ、または停止させるために、リンク（図示されていない）を介して流れの中へと回転させることができる。図７Ｄは、流れタービンシステム１００の別の随意による変形例を示している。ステータ羽根の出口角度の程度を、ロータから出る流れに残る渦が最小限になるように保証するために、例えばステータ羽根を流体の流れの速度の変動に対応するべく枢動させることによって、その場で機械的に変化１４２させることができる。
【００３７】
別のさらなる変形例は、図８Ａおよび８Ｂに示されるような開いた通路を有する中央の本体１４４（ミキサ要素１４５を備えることができる）、図８Ｃに示されているようなスロット式のミキサ１４６、図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、および９Ｄに示されるようなデブリの偏向装置１４７を備える中央の本体、ならびに図１０Ａおよび１０Ｂに示されるような複数のエジェクタシュラウド１４８を備えることができる。
【００３８】
図１１は、本発明の主題の実施例による方法を説明するプロセスフロー図である。１１０２において、第１の量の水が、ロータアセンブリの少なくとも一部分が配置されたタービンシュラウド内部空間を有しているタービンシュラウドへと捕らえられる。タービンシュラウドは、ロータアセンブリよりも入り口端により近く配置されたタービンシュラウド入り口と、ロータアセンブリよりも出口端により近く配置されたタービンシュラウド終端とを備えている。タービンシュラウド終端は、複数のタービンシュラウドミキサ要素を備えている。１１０４において、第１の量の水がロータアセンブリを通って案内されることで、ロータアセンブリが回転し、ロータアセンブリによって第１の量の水からエネルギーが抽出され、より低いエネルギーとなった第１の量の水が、タービンシュラウド終端を介してタービンシュラウドから排出される。１１０６において、第２の量の水が、タービンシュラウドの少なくとも一部分が配置されたエジェクタシュラウド内部空間を有しているエジェクタシュラウドへと捕らえられる。エジェクタシュラウドは、エジェクタシュラウド入り口と、タービンシュラウドミキサ要素を過ぎて流れの流れ方向に延びているエジェクタシュラウド終端とを備えている。１１１０において、第１および第２の量が合成または混合され、混合後の量が、エジェクタシュラウド終端から排出される。上述のような他の構造的な特徴も、本発明の主題による方法において使用される構造に含まれることができる。
【００３９】
以上の説明において述べた実施例は、本発明の主題に一致するすべての実施例を示すものではない。むしろ、それらは、上述の主題に関する態様に矛盾しないいくつかの例にすぎない。図面の全体を通して、可能な限りにおいて、同じまたは同様の部分を指し示すために、同じ参照番号が使用される。いくつかの変形例を詳しく上述したが、他の変更または追加も可能である。特には、さらなる特徴および／または変形例を、本明細書に記載の特徴および／または変形例に加えて提供することができる。例えば、上述した実施例を、開示された特徴のさまざまな組み合わせおよび部分的組み合わせ、ならびに／または上記開示のいくつかのさらなる特徴の組み合わせおよび部分的組み合わせへと向けることが可能である。さらに、添付の図面に示され、および／または本明細書に記載された論理的な流れは、所望の結果を達成するために、提示された特定の順序または連続的な順序である必要はない。他の実施形態または実施例が、以下の特許請求の範囲に包含されうる。
【図１Ａ】
0005454963.tif 000002
【図１Ｂ】
0005454963.tif 000003
【図１Ｃ】
0005454963.tif 000004
【図２Ａ】
0005454963.tif 000005
【図２Ｂ】
0005454963.tif 000006
【図２Ｃ】
0005454963.tif 000007
【図２Ｄ】
0005454963.tif 000008
【図３Ａ】
0005454963.tif 000009
【図３Ｂ】
0005454963.tif 000010
【図４Ａ】
0005454963.tif 000011
【図４Ｂ】
0005454963.tif 000012
【図５Ａ】
0005454963.tif 000013
【図５Ｂ】
0005454963.tif 000014
【図５Ｃ】
0005454963.tif 000015
【図５Ｄ】
0005454963.tif 000016
【図６】
0005454963.tif 000017
【図７Ａ】
0005454963.tif 000018
【図７Ｂ】
0005454963.tif 000019
【図７Ｃ】
0005454963.tif 000020
【図７Ｄ】
0005454963.tif 000021
【図８Ａ】
0005454963.tif 000022
【図８Ｂ】
0005454963.tif 000023
【図８Ｃ】
0005454963.tif 000024
【図９Ａ】
0005454963.tif 000025
【図９Ｂ】
0005454963.tif 000026
【図９Ｃ】
0005454963.tif 000027
【図９Ｄ】
0005454963.tif 000028
【図１０Ａ】
0005454963.tif 000029
【図１０Ｂ】
0005454963.tif 000030
【図１１】
0005454963.tif 000031