(57)【要約】【課題】タービンを通過する流体の流れによる流体発電に関する。【解決手段】それを通って両方向に流れる流体の作用によって円筒形パイプ内で交差軸式に回転するよう構成された略球状タービンは、電力を発生させるために、回転機械すなわち発電機と連係動作可能に連結される。ある実施形態では、球状タービンのブレードは、中心シャフトの回転軸線に対して傾斜した平面内で略１８０度円弧内で湾曲している。別な実施形態では、その一部を遮蔽することによって球状タービンを通る流れを制御するために、デフレクターが球状タービンの上流でかつ円筒形パイプ内に設けられている。球状タービンのブレードは、流体力学的流れを最適化するために、キャビテーションを最小限に抑えるために、そして軸方向から回転エネルギーへの変換を最大化するために、断面が翼形である。【選択図】図３
2014159815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の運動から動力を発生させる動力発生システムであって、
前記システムはタービンを具備してなり、
前記タービンは、
直径方向に対向するマウント内で回転するよう構成された中心長手方向シャフトであって、このシャフトは、流体の流れと実質的に直交するように延在するよう構成されており、前記シャフトの一端は回転機械の一部と連係動作可能に結合するよう構成されているシャフトと、
複数のベアリングであって、第１のものは、円方向の回転のためのサポートに対して発生機から最も遠い前記シャフトの端部を支持するよう構成されており、かつ、第２のベアリングは、回転のためのサポートに対して前記シャフトの中間部分を支持するよう構成されており、前記シャフトは前記ベアリングの第２のものを貫通して延在している複数のベアリングと、
前記ベアリングの対間で前記シャフトに結合された複数のブレードであって、前記ブレードは前記シャフトから半径方向外側に延在しており、前記ブレードは前記シャフトの周りで実質的に均等に離間している複数のブレードと、
を具備してなることを特徴とする動力発生システム。
【請求項２】
前記タービンの前記複数のブレードのそれぞれは、略１８０度円弧内で湾曲させられていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記タービンの前記複数のブレードのそれぞれは、各ブレードの実質的に全長に沿って翼形断面を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記タービンの全体形状は略球形状であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記略球状タービンの前記シャフトに対して取り付けられた一対の対向する略円形ハブを、さらに具備してなり、各ハブは、その外周まわりで半径方向に離間して、それに対して固定された複数の取り付けブラケットを有し、前記複数のブラケットは前記複数のブレードの対向する端部を支持することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
流体の流動に応答して電力を発生させるために、前記シャフトと共に回転するように前記シャフトの近位端部と連係動作に結合された発電機を、さらに具備してなることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記タービンは、流体の流動方向に関係なく、同じ方向に回転するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記タービンシャフトを保持している前記マウントはベアリングを備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
パイプを通る流体の運動から電力を発生させる電力発生システムであって、
前記システムはタービンを具備してなり、
前記タービンは、
略円筒形パイプ内の直径方向に対向するマウント内で回転するよう構成された中心長手方向シャフトであって、このシャフトは、前記略円筒形パイプの長軸線と実質的に直交するように延在するよう構成されており、前記シャフトの一端は発電機と連係動作可能に結合するよう構成されているシャフトと、
複数のベアリングであって、第１のものは、円方向の回転のための略円筒形パイプの側壁に対して、前記発電機から最も遠い前記シャフトの端部を支持するよう構成されており、かつ、第２のベアリングは、前記略円筒形水パイプ内での回転のために前記シャフトの中間部分を支持するよう構成されており、前記シャフトは前記ベアリングの第２のものを貫通して延在している複数のベアリングと、
前記ベアリング間で前記シャフトに結合された複数のブレードであって、前記ブレードは前記シャフトから半径方向外側に延在しており、前記ブレードは前記シャフトの周りで実質的に均等に離間している複数のブレードと、
を具備してなることを特徴とする電力発生システム。
【請求項１０】
前記タービンの前記複数のブレードのそれぞれは、略１８０度円弧内で湾曲させられていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記タービンの前記複数のブレードのそれぞれは、各ブレードの実質的に全長に沿って翼形断面を有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記タービンの全体形状は略球形状であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記略球状タービンの前記シャフトに取り付けられた一対の対向する略円形ハブを、さらに具備してなり、各ハブは、その外周まわりで半径方向に離間して、それに対して固定された複数の取り付けブラケットを有し、この複数の取り付けブラケットは前記複数のブレードの対向する端部を支持していることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記タービンシャフト上の前記ハブの対間の距離よりも僅かに大きな直径を伴って構成された略円筒形パイプを、さらに具備してなり、前記略円筒形パイプは、前記略円筒形パイプを通る流体の流れに応答して、その中で回転するように前記タービンを支持していることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記タービンシャフト上のハブの対間の距離よりも僅かに大きな直径を伴って構成された略円筒形パイプを、さらに具備してなり、前記略円筒形パイプは、この略円筒形パイプを通る流体の流れに応答して、その中で回転するように前記タービンを支持しており、前記パイプは、前記略球状タービンから直ぐ上流において、その側壁に対して取り付けられた一つ以上のデフレクタープレートを含み、前記一つ以上のデフレクターは、前記パイプの長軸線と直交する平面に対して９０度未満の角度でタービンの回転の方向に前記タービンに向かって傾斜しており、前記一つ以上のデフレクターのそれぞれは、前記対応するデフレクターが前記パイプの側壁に取り付けられる場所から最も遠い各デフレクターの側部に前記タービンの形状に類似する内側に湾曲した縁部を有しており、前記一つ以上のデフレクターは前記パイプの断面積の一部を覆っていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記略円筒形パイプを通る流体の流動に反応して電力を発生させるために、それと共に回転するために、前記シャフトの近位端部と連係動作可能に結合された発電機を、さらに具備してなることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記タービンは、流体の流動方向に関係なく、同じ方向に回転するよう構成されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１８】
前記タービンシャフトを保持している前記マウントはベアリングを有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
前記円筒形パイプの外側壁に対して取り付けられるよう構成された略円筒形ティーセクションを、さらに具備してなり、前記ティーセクションは、前記タービンが回転しているときに電力を発生させるために前記タービンの前記シャフトと回転のために連係動作可能に結合された発電機を収容していることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項２０】
前記略円筒形ティーセクション内への水の流入を実質的に阻止するために、前記略円筒形パイプのアクセス孔を覆うよう構成された円筒アーチ状プレートを、さらに具備してなることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記略円筒形ティーセクション内へのアクセス孔を覆う円形の平らなあるいは凹面状のプレートを、さらに具備してなることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記円形の平らなあるいは凹面状のプレートの上面に着座する発電機を、さらに具備してなることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して流体発電の分野に関する。さらに詳しくは、本発明は、タービンを通過する流体の流れによる流体発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１ないし６(Gorlovに対して付与された米国特許文献)は、発電システムのための、さまざまな円筒形タービンを開示しており、このタービンのブレードは、開放円筒を描くように螺旋状に延在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第5,451,137号明細書
【特許文献２】米国特許第5,642,984号明細書
【特許文献３】米国特許第6,036,443号明細書
【特許文献４】米国特許第6,155,892号明細書
【特許文献５】米国特許第6,253,700号明細書
【特許文献６】米国特許第6,293,835号明細書
【特許文献７】米国特許第5,405,246号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献は、流体発電電力を発生させるためにタービンを回転させる水を輸送することができる矩形および／または正方形断面チャネルあるいはダクト内に、そうしたタービンを設けることを開示している。Gorlovの円筒形タービンは、外見上は任意のあるいは少なくとも非翼形、たとえば円形断面の放射状ストラットあるいはスポークによって中心シャフトに対して設けられた螺旋状に湾曲し／捩れたブレードあるいはベーンを有する。特許文献７(Goldbergに対して付与された米国特許文献)は、捩れたブレード形態を備えた鉛直軸風力タービンを開示しているが、このものでは、二つの回転可能なブレードが、回転体を形成するように、その全長に沿って湾曲しかつ捩れており、この回転体は「アメリカンフットボール...の外面」を描く。この発明の単に図示された実施形態において、Goldbergのブレードは、そのローターの軸線と直交する回転ポールにおける仮想平面に対して約４５度の角度で中央ローターに対して半径方向において隣接している。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】球状タービンを備えた本発明の実施形態の分解組み立て図である。
【図２】組み立てられた実施形態の正面図である。
【図３】図１の球状タービンの分解組み立て図である。
【図４】組み立てられた球状タービンの斜視図である。
【図５】上流側流体デフレクターを備えた本発明の第２実施形態における組み立てられた球状タービンの斜視図である。
【図６Ａ】タービンおよびタービンのシャフトの近位端部を支持するための円形プレートを含む図１のパイプの断面図である。
【図６Ｂ】タービンおよびタービンのシャフトの近位端部を支持するための球状凹面円形プレートを含む図１のパイプの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図１は、球状タービンを備えた本発明に係るパイプ内流体発電システム１０の第１実施形態の分解組み立て図である。本発明の一実施形態に基づくシステム１０は、Ｔ字形断面流体(概して、水などの液体あるいは空気などの気体あるいは有用な流動特性を示す同様の物質を包含する)パイプ１２と、バルクヘッドすなわち発電機アセンブリ１４と、球状タービンアセンブリ９６とを含む。当業者にとって、図２を参照すれば、組み立てられかつパイプ１２を通る流体の流れによって駆動されるとき、タービンアセンブリ９６が回転し、そしてシステム１０が、貯蔵し、消費し、そして電力グリッドへと供給することができる流体発電電力を発生させることは明らかである。
【０００７】
パイプ１２は略円筒形であり、概して円形断面を有するが、本発明の趣旨および範囲内において、それは僅かに楕円状となった断面を有していてもよい。パイプ１２は、通常、より長く、そしておそらくは、より複雑な流体輸送すなわちパイプシステムの一部であり、そして除去および除去されたセクションを電力システム１０で置き換えることによって、既存のパイプシステムは本発明に係る電力システム１０を用いて容易に改善できることは明らかである。したがってパイプ１２は、上流側および下流側のパイプ端部(図示せず)に対して、いずれかの端部でボルト結合するための円形フランジ１２ａおよび１２ｂを備える。パイプ１２は、側壁の第１の領域に小開口１２ｃを、そしてその直径方向に対向する領域に大開口１２ｄを備える。図から明らかであるように、小開口１２ｃはそれを貫通するようにタービンのシャフトを収容し、一方、大開口１２ｄはタービンアセンブリ９６を、それを経て収容する。パイプ１２はまた、パイプ１２の長軸線と直交するように大開口１２ｄと効果的に係合するフランジ付きＴ字交差パイプ断面(いわゆる「ティー」)を備える。
【０００８】
発電機キャップアセンブリ１４は、システム１０が組み立てられたとき大開口１２ｄを覆い、すなわちそれを閉塞するよう効果的に機能する円形アーチ状プレート１８を含む。アーチ状プレート１８は、それを通って流体が流動するためのパイプ１２内に隣接円筒壁をもたらし、これによって、さもなければティーセクション内でポケット容積として機能するであろうものの中でのキャビテーションあるいはその他のスムーズな流体の流れを阻害するものを排除する。３ベーンの、円筒形スペーサ２０は、環状シール２２ａおよび円形プレート２２ｂを含むカバープレート２２がフランジ１２ｅにボルト結合された際に、ティーセクション内の適所にてアーチ状プレート１８を保持する。円形プレート２２ｂは、それ自体に開口２２ｂａを有し、その周囲で取り付けブロック２４が延在している。ローラーベアリングアセンブリを含む第１のマウント２６は、それを介したスムーズな回転のためにタービンアセンブリ９６のシャフトの遠位端部を支持する。平らなシム２２ｂｂを、取り付けブロック２４と円形プレート２２ｂとの間に設けることができる。
【０００９】
上記円形プレート２２ｂの代替例が図６Ａおよび図６Ｂに示されているが、これは、ティーセクション１２ｅの内部を示す断面図である。当業者にとって、図６Ａおよび図６Ｂにおける絶対的および相対的寸法は一定率での縮尺でないことは明らかである。なぜなら、それらは大まかな構造比較を目的としたものであるからである。
【００１０】
図６Ａ(これは上記の平坦な円形プレート２２ｂを示す)と図６Ｂ(これは球状凹面円形プレート２２ｂ'を示す)との並列比較は、代替プレート２２ｂ'の、ある重要な利点を明らかにする。平坦な円形プレート２２ｂは比較的厚みのある素材から形成する必要があり、したがって、それは重く、取り扱いが困難である。球状凹面円形プレート２２ｂ'は、その一方で、比較的薄い素材から形成されることは明らかであり、したがって、それは著しく軽量であり、かつ、取り扱いが著しく容易である。
【００１１】
これは、代替プレート２２ｂ'の湾曲のためである。
【００１２】
さらに、平らな円形プレート２２ｂの中央領域は、タービンアセンブリから、より遠くにあることは明らかであり、したがって、都合の悪いことに、タービンのシャフトの長さを引き伸ばしている。逆に、球状凹面円形プレート２２ｂ'の中央領域はタービンアセンブリに、より近接していることは明らかであり、これによって、望ましいことに、タービンのシャフトの必要長あるいは鉛直スパンが短縮される。
【００１３】
これもまた、代替プレート２２ｂ'の湾曲のためである。
【００１４】
図６Ｂから、凹面プレート２２ｂ'は、発電機アセンブリ(この図では簡便のために示していない)から内側に、そしてタービンアセンブリ９６'(この図では、二点差線によって大まかに示されており、タービンアセンブリ９６との差異は、より短いシャフト６４'を備えることである)に向かって突出する凹面を備えた略球形状のものであることが分かる。この内側にあるいは下方に向けられた凹面円形プレートは、逆ドーム(あるいは逆キューポラ)と見なすことができ、かつ、逆ドームとして説明する。球状凹面形状が図示説明されているが、当業者にとっては、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、好適な変更を、それに対して施すことが可能であることは明らかである。たとえば、さまざまなアスペクト比の(すなわち、その一つのみが簡便のためにある程度意図的な深さの誇張を伴って図示されている、さまざまな深さ対幅比の)その他の曲線断面がそうであるように、半円断面ではなく、放物線を描く逆ドームも可能である。また、断面に関してキューポラ形状のプレートは、より丸みを帯びた上側ショルダーを有することができ、複雑な湾曲と見なすことが可能なものを形成する。全てのそうした好適な代替形態は、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００１５】
当業者にとって、そうした代替実施形態における取り付け構造の細部は、逆キューポラ形状円形プレート２２ｂ'およびパイプ１２の標準フランジ１２ｅに対する環状シール２２ａを介した、そのボルト結合アセンブリに対応するために簡単に改変されていることは明らかである。たとえば、取り付けブロック２４'は、逆キューポラの内側の球状凹面湾曲と係合しかつそれをシールするために球状凸面状に湾曲したシム２２ｂｂ'を含んでいてもよい。発電機３２は、球状凹面プレート２２ｂ'の中央領域の開口の真上で、タービンのシャフトの遠位端部に対して、それと回転するために取り付けられることは明らかである。代替球状凹面円形プレート２２ｂ'のための、その他のコンポーネントおよび技術は、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００１６】
発電機サブアセンブリ２８は、円形プレート２２ｂの円形孔装備を介してボルト結合される。発電機サブアセンブリ２８は、タービンのシャフトと結合可能な発電機３２を収容するための環状スペーサすなわちスタンドオフ３０、第１の機械式リフトタブ３４ａを備えた環状リム３４、および第２の機械式リフトタブ３６ａを有するキャップ３６を含む。当業者にとって、タブ３４ａおよび３６ａが、組み立て、分解あるいはメンテナンスの間、組み立てられたティーセクション電力発生コンポーネントの全て、あるいは一部を持ち上げるための便利なタブを提供することは明らかである。当業者にとって、発電機は、直流あるいは交流電流(ＤＣあるいはＡＣ)でかつ単相あるいは三相、同期１２０ＶＡＣあるいは２４０ＶＡＣなどであってもよく、かつ／または、電力グリッド要求条件に依存して一方から他方へと転換可能であることは明らかである。
【００１７】
取り付けプレート１２ｆが小開口１２ｃの周りでパイプ１２に溶接されており、第２のマウント３８は、その中でのスムーズな回転のためにタービンアセンブリ９６のシャフトの遠位端部を支持するローラーベアリングアセンブリを含んでいる。当業者にとって、円筒形パイプ１２の円形断面に適応するために、本発明の第１実施形態に基づく第１のマウント２６は、外側の平らな面およびパイプの外部円筒面と係合するための内側の円筒面とを有するシム(詳しくは図示していないが、この説明から当業者には自明である)を含むことは明らかである。このシムは、機械加工でき、あるいは適当なプロセスによってかつシャフトとそれを経てシャフトが突出するパイプ開口との間で良好なシーリング係合を保証する適当な素材から形成できる。本明細書中で説明しかつ／または図示したシムはいずれも任意のものであり、なぜなら、いずれも、対応する取り付けブロックあるいはプレートに容易に組み付けることができるからである。
【００１８】
第１および第２のマウント２６および３８は、本発明の趣旨および範囲内で代替的形態をとることができるが、たとえば、スリーブベアリングあるいはその他の滑り摩擦機構ではなく、転がり摩擦のみを生じる球状ローラーベアリングを用いることで、軸方向および半径方向のスラストハンドリングが最も良好に達成される。本明細書中で説明したローラーベアリングマウントは、約３〜４フィート／秒(fps)程度のパイプ１２を通過する流体流速によって電力を発生させるために、システム１０が安全に、確実に、そして永続的に作動することを可能とする。
【００１９】
当業者にとって、タービンアセンブリ９６はパイプ１２の大開口１２ｄを経て滑り込ませられ、かつ、そのシャフトの遠位端部は第２のマウント３８に固定されていることは明らかである。発電アセンブリ１４がパイプ１２のフランジ１２ｅ上にボルト結合され、流体発電システム１０は作動準備が完了する。発電システム１０は、パイプシステム(図示せず)の一部に組み込まれ、あるいは、さもなければそれに対して設けられる。流体がパイプ１２を経て流れるとき、発電システム１０は電力を発生させる。
【００２０】
驚くべきことに、本明細書中で説明しかつ図示したようなタービンアセンブリは、約３〜４フィート／秒(fps)程度の流体流速によって回転することが分かっている。
【００２１】
当業者にとって、意図的に広範な用語「回転楕円状」は「球状」との用語に代えて使用可能であり、その逆も同様であることも明らかであり、僅かにあるいはある程度、断面に関して円形あるいは楕円形から逸脱した回転楕円状タービンは、相応に、ある程度、断面に関して円形あるいは楕円形から逸脱した円筒形パイプ内で生産的に使用可能である。本発明に関する、これらおよびその他の変形例は、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００２２】
図２は組み立てられたシステム１０の側面図である。図２は、それが対応する図１を参照した上記説明に鑑みると、概ね説明を要しないと考えられる。図２から、球状タービンアセンブリの「ソリディティ」は、多数のブレードの数およびその個々の形態およびピッチに依存して、約１５％ないし３０％であることは明らかである。本発明の一実施形態に基づく、複数の球状タービンブレードのそれぞれと、シャフトの中央軸線との交差角度は約３０度であるが、それ以外の角度も本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされることは明らかである。たとえば、交差角度は、代替的に、ただし、本発明の趣旨および範囲内で、約１０ないし４５度であっても、さらに好ましくは約１５ないし３５度であっても、最も好ましくは約２５度ないし３５度であってもよい。有用な範囲内の、いかなる好適な角度も、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００２３】
本明細書で説明した実施形態は４枚ブレード球状タービンアセンブリであるが、僅か２枚のブレードおよび２０枚ものブレードも、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。さらに好ましくは、概ね２枚ないし１１枚のブレードが考えられる。最も好ましくは、概ね３枚ないし７枚のブレードが考えられる。約１８０度円弧球状タービンブレードのその他の数および形態も、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。当業者にとっては、おそらく図３から、球状タービンアセンブリのブレードは、翼形断面によってその全長に沿って特徴付けられることは明らかである。これは、流体発電電力の発生時にタービンの流体力学および効率をもたらす。本発明のこの球状タービン実施形態によれば、回転する球状タービンアセンブリの周囲のおよびパイプ内の十分なクリアランスが提供され、タービンスイープ境界における流体の好ましくない圧縮が回避される(図２参照)。
【００２４】
当業者にとって、(本発明の趣旨および範囲内の)球状タービンブレードは、いかなる好適な素材から、そしていかなる好適なプロセスから形成されてもよいことは明らかである。たとえば、ブレードは、アルミニウム、好適な複合材、あるいは好適な強化プラスチック素材から形成できる。ブレードは、回転あるいは射出成形、押し出し、引き抜き、曲げ、あるいは使用される素材と適応し、かつ実質的に一定の断面を有する長尺体のコスト効率のよい生産と適応する、その他の成形技術によって形成できる。上記およびその他の有用な素材およびプロセスは、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００２５】
本発明の図示する実施形態によれば、球状タービンブレードの翼形断面は認定ＮＡＣＡ２０標準に一致するが、代替翼形断面も本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００２６】
図３は、球状タービン９６の分解組み立て斜視図である。球状タービン９６は上側および下側ハブアセンブリ９８および１００を含む。各ハブアセンブリは、ハブプレート１０２および四つの取り付けブラケット１０４,１０６,１０８および１１０を含む(簡便のために上側ハブアセンブリのみが、そのように指し示されている)。ハブプレート１０２は平坦であって、かつ、鋸刃状(回転の円形断面輪郭に追従するための曲線およびブレードの端部の当接および同一面状の取り付けを可能とするための直線が交互に並ぶ)周囲縁部を有するが、その直線状部分が、図示のとおり、取り付けブラケットを支持する。取り付けブラケットは、四つの球状ブレード１１２,１１４,１１６および１１８をそれぞれ、指定された角度、たとえば好ましくは約３０度で、各湾曲ブレードによって大まかに描かれる面とシャフトの中心軸線との間で支持する。当業者にとって、球状ブレード１１２,１１４,１１６および１１８がまた翼形断面、たとえばＮＡＣＡ２０あるいはその他の好適な基準を有することは明らかである。上側および下側分割シャフトカプラー１２０および１２２が、シャフト６４に対してハブアセンブリを堅固に固定するために使用される。本発明のある実施形態によれば、複数のブレードに対してボルト結合された取り付けブラケットは、図示するガイドピンおよびアライメントのための孔を用いて、溶接によってハブプレートに固定される。六角ボルト、ロックワッシャーおよびセットスクリューなどの好適なファスナーが、図示のとおり、球状タービンアセンブリ９６の残りのコンポーネント部品を組み立てるために使用される。
【００２７】
図４は組み立てられた球状タービン９６の斜視図である。図４は、それが対応する図３を参照した上記説明に鑑みると、概ね説明を要しないと考えられる。回転する球状タービンアセンブリの動的クリアランスは、その静的クリアランスよりも大きく、かつ、パイプのＩＤに対して円筒形タービンを僅かに小さなサイズとすることで、たとえば、パイプ１２の直径およびその他の用途細目に依存して、約０.５センチメートルないし５センチメートルの、好ましくは約１センチメートルないし３センチメートルの小さな、ただし好ましくは一定のクリアランスを付与することで、適応させられる。こうした間隔は単なる例証であり、限定を意図していない。なぜなら、他の間隔も、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされるからである。
【００２８】
図５は、本発明の別な実施形態に基づく装置を示している。代替システム１０'は上記システム１０と類似しており、したがって、同一のコンポーネントに関しては同じ参照数字を、そして類似のコンポーネントに関してはプライム付き参照数字を使用する。システム１０'は、さらに、上流側デフレクター１２２を含むことが分かる(簡便のために、図５ではタービンおよび発電機アセンブリなどを省略している)。ある実施形態に基づくデフレクター１２２は、パイプ１２の内部円形断面と曲線的に合致する第１の、僅かに傾斜した延在片１２２ａと、円形断面球状タービンに向かって延在すると共にそれと概ね合致する凹面状に湾曲した内側自由縁部１２２ｂａを形成する第２の、より傾斜した延在片１２２ｂとを含む、２枚以上の平坦な延在片からなっている。二つの延在片は、パイプの中心軸線に対するその傾斜角度内で中断を生じる係合ラインに沿って溶接されるか、あるいはその他の方法で接合される。デフレクター１２２は、したがって、システム１０'の稼働中、エネルギーの生産力が最も低く、したがって、より低い流速で望ましくないストールが発生し得る回転円弧内で球状タービンの回転するブレードの外側回転範囲を効果的に遮蔽する。
【００２９】
驚くべきことに、タービンアセンブリ９６の上流領域付近のデフレクター１２２は、パイプ内にそうした上流側デフレクターを持たない球状タービンの公称出力に対して、約１４％ないし４０％だけ、より確実には約２０％ないし３０％だけ電気エネルギー発生量を増大させることができることが判明している。
【００３０】
当業者にとって、デフレクターの有効範囲およびタービンのスイープとの間の比率は、約１０％ないし４０％、より好ましくは約２０％ないし３０％であってもよいことは明らかである。当業者にとってはまた、デフレクター有効範囲の大きさは用途固有であってもよいことは明らかである。なぜなら、それは体積流量および水頭減少との間でトレードオフを示すからである。したがって、タービンスイープに対するデフレクター有効範囲の代替レンジは、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００３１】
当業者にとってはまた、デフレクター１２２はいかなる好適な素材、たとえばスチールから形成されてもよいこと、そして、球状タービン９６の上流領域における所望の流体流量調整のための寸法および向きとすることができることは明らかである。本発明のある実施形態によれば、デフレクター１２２は、その自由縁部１２２ｂａにおいて９０度未満の角度で、パイプ１２の長軸線に対して傾斜している。パイプ１２の中心軸線に対するデフレクターの自由縁部のいわゆる出口角は、好ましくは、約１０度ないし４０度である。本発明のある実施形態によれば、延在片１２２ａは約１５度だけ傾いており、かつ、延在片１２２ｂはパイプ１２の中心軸線から約３０度だけ傾いている。だが、その他の傾斜角度も、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００３２】
当業者にとっては、デフレクター１２２が、本発明の趣旨および範囲内で、異なる形態をとることができることは明らかである。たとえば、デフレクター１２２は、それがパイプ１２の中心軸線に向かって半径方向内側に延びるとき、二つよりも多くかつより短い部品状平坦セグメントを有することができ、これによって、滑らかで、かつ、好ましくは円筒カーブが良好に模倣されるが、その中心軸線は、好ましくは、タービンの回転軸線と概ね平行(すなわちシャフト６４の長軸線と概ね平行)である。実際、本発明の趣旨および範囲内のデフレクター１２２は、そのパイプ係合縁部とその自由縁部との間で滑らかに円筒状に湾曲していてもよい。
【００３３】
本発明のある実施形態に基づくデフレクター１２２の自由縁部１２２ｂａは、その高さに沿ったその内側範囲を、球状タービンのブレードの全体的湾曲と概ね一致させるために凹面状に湾曲している。いかなる好適な直線状あるいは滑らかなカーブあるいは曲率半径も本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００３４】
当業者にとって、上記球状タービンは、電力発生以外の動力変換システムにおいて機能し得ることは明らかである。たとえば、流体の軸方向運動エネルギーは、発電機あるいは好適な代替物を含む回転機械(たとえば、コンベア、グラインダー、ドリル、鋸、ミル、フライホイールなど)のための回転運動エネルギーへと変換できる。本発明に係る流体タービンの全てのそうした用途は、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００３５】
当業者にとって、その多くの実施形態における、本発明に係るシステムの配置は、単なる例証であり、本発明の範囲の限定として解釈すべきではないことは明らかである。したがって、上側および下側といった用語の使用は、絶対的なものではなく相対的なものであると解釈すべきであり、それは互換性がある。すなわち、上記システムは、発電機およびタービンシャフトを収容するバルクヘッドがパイプの長軸線に対して上方または下方に延在する状態で、(本発明の趣旨および範囲内で)垂直な向きさえ呈することができる。実際、上記システムは、タービンのシャフトが流体の流動の方向に対して概ね直交するように延在する、その他の好適な、いかなる角度をも呈することができる。
【００３６】
当業者にとって、本発明に係るシステムのコンポーネント部分は、スチールおよびアルミニウムを含む、いかなる好適な素材から形成されてもよいことは明らかである。たとえば、タービンシャフト、フラットプレートおよびデフレクターがそうであるように、ほとんどの部品は、スチールであってもよい。ハブ、カップリングブロックおよびブレードを含む残りの部分は、機械加工されるか、押し出し成形されるか、あるいは引き抜き成形されるアルミニウム(ブレードは続いてロール成形されかつ／または所望の形状へと湾曲させられる)、あるいは射出成形された強化プラスチックからなっていてもよい。いかなる代替素材およびいかなる代替成形プロセスも、本発明の趣旨および範囲内のものであると見なされる。
【００３７】
当業者にとってはまた、本発明に係るシステムは、その用途に応じて、容易に寸法を増減できることは明らかである。寸法は概して本明細書中では提示していないが、寸法は比例的に正確に示されていることは明らかであるから、その絶対スケールは(本発明の趣旨および範囲内で)変更可能である。
【００３８】
当業者にとって、二つ以上の流体発電システムを、水輸送パイプ内にかつそれに沿って、所定の間隔で(直列に)設置して、これによって発生電力を増大させることができることは明らかである。当業者にとってはまた、並列配置の二つ以上の流体発電システムを水輸送パイプの枝管内に設置して、これによって代替的にあるいは付加的に発生電力を増大させることができることは明らかである。当業者にとっては、潮汐(双方向、往復)流れ用途における、そうしたシステムの使用のために、必要ならば、本明細書において説明しかつ図示した流体発電システムに対してキックスタート機構を付加できることは明らかである。当業者にとってはまた、ベアリングの故障などの場合に自己破損を阻止するために、本発明に係るパイプ内流体発電システムの使用の際に、フェールセーフモードの運転を実現できることは明らかである。最後に、当業者にとって、本明細書中で説明しかつ図示したような、そうした流体発電システムは、要因から発電システムを保護し、かつ／または電力ケーブルあるいは近くの貯蔵デバイスあるいは電力グリッドへのその他の適当な輸送手段に沿った電力分配を容易にする外部スリーブ管路内に配置されてもよいことは明らかである。
【００３９】
本発明は、本明細書中で説明し図示した、手法あるいは構造の細部、製造法、素材、用途あるいは使用法に限定されるものではない。実際、代替実施形態として、好適な製造法、使用法あるいは用途が考えられ、したがってそれは本発明の趣旨および範囲内のものである。
【００４０】
用途、使用あるいは運転方法、形態、製造方法、形状、サイズあるいは素材の変更によって生じる本発明の別な実施形態(これは本明細書あるいは図面には開示されていないが当業者にとっては明らかであろう)は、本発明の範囲内のものであることがさらに意図されている。
【００４１】
したがって、本発明に関して、本発明に係る装置の上記実施形態を参照して図示・説明してきたが、形態および細部におけるその他の変更は、特許請求の範囲に規定された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その中でなし得ることは当業者にとって自明である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  パイプ内流体発電システム
１２  パイプ
１２ａ,１２ｂ  円形フランジ
１２ｃ  小開口
１２ｄ  大開口
１２ｅ  フランジ
１２ｆ  取り付けプレート
１４  発電機アセンブリ
１８  円形アーチ状プレート
２０  円筒形スペーサ
２２  カバープレート
２２ａ  環状シール
２２ｂ  円形プレート
２２ｂａ  開口
２２ｂｂ  シム
２４  取り付けブロック
２６  第１のマウント
２８  発電機サブアセンブリ
３０  環状スペーサ(スタンドオフ) 
３２  発電機
３４  環状リム
３４ａ  タブ
３６  キャップ
３６ａ  タブ
３８  第２のマウント
９６  球状タービンアセンブリ
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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