(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動流体からエネルギーを抽出するタービン装置であって、流体が通過する少なくとも１つのタービンユニットと、前記少なくとも１つのタービンユニットに流体を送るためのシミュレーションポンプと、前記流体を貯蔵するリザーバとを含み、前記タービンユニットは、前記タービンユニットを通して前記流体を引き込むように構成され、前記少なくとも１つのタービンユニットは、ポンプタービン翼の組、及び前記ポンプタービン翼の組から上流に位置する駆動タービン翼の組を含み、両方ともハウジングの通路内に取り付けられていることを特徴とするタービン装置。
【請求項２】
少なくとも１つのタービンユニットが、タービンユニットの前方における圧力の上昇を低減するようにも構成されている請求項１に記載のタービン装置。
【請求項３】
シミュレーションポンプは、駆動タービン翼の組に直接流体を供給する請求項１から２のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項４】
シミュレーションポンプは、少なくともタービンユニットへの流体の供給を変化させるために可変的に動作可能である請求項１から３のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項５】
シミュレーションポンプは、タービンユニットの開口部の前方に位置している請求項１から４のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項６】
シミュレーションポンプは、ダム又は貯水池、又はそのような構造体によって通常生み出される流体及び圧力ヘッドをシミュレートするために使用される、流体ポンプである請求項１から５のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項７】
シミュレーションポンプは、最初に外部電源からのエネルギーの入力を必要とする請求項１から６のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項８】
タービンユニット、リザーバ、及びシミュレーションポンプは、配管によって流体的に接続されている請求項１から７のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項９】
タービン装置は、実質的に閉じた回路である請求項１から８のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１０】
リザーバは、配管細工の拡大部により提供される請求項１から９のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１１】
リザーバの体積は、第２のタービンユニットにおいて前記ユニットを流れる流体の体積の少なくとも２倍に等しい請求項１０に記載のタービン装置。
【請求項１２】
タービン装置は、その内部に流体が存在しない空隙部を有する請求項１０から１１のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１３】
空隙部は、第２のタービンユニットにおいて前記ユニットを流れる流体の体積の半分である請求項１２に記載のタービン装置。
【請求項１４】
タービン装置は、その内部の空気圧と大気の空気圧との均等化を許容するための少なくとも１つの空気弁を更に含む請求項１から１３のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１５】
リザーバは、タービン装置の入口と出口とがそこで連通した状態にある開放した流体塊により提供される請求項１から９のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１６】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、それらが同じ方向且つ同じ速度で回転するよう制約されるように、共通のシャフトに取り付けられている請求項１から１５のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１７】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、対向した関係で取り付けられており、それによって、動作においてポンプタービン翼の組が駆動タービン翼の組から流体を引き込んで駆動タービン翼の組の前方及び駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組との間に低圧領域を生み出し、この圧力は、タービンユニットへ供給される流体の圧力よりも低くなるように、ポンプタービン翼の組が駆動タービン翼の組と反対の関係となる請求項１から１６のいずれかのいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１８】
タービン装置が単一のタービンユニットを含む場合、駆動タービン翼の組に当たる流体の速度は、流体の終端速度よりも大きい請求項１から１７のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項１９】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは離間関係にある請求項１から１８のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２０】
タービン装置が複数のタービンユニットを含む場合、隣接するタービンユニットのシャフトの回転軸は互いに対してオフセットされている請求項１から１９のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２１】
ポンプタービン翼の組は、駆動タービン翼と同じ大きさである請求項１から２０のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２２】
ポンプタービン翼の組は、駆動タービン翼の組よりも大きい直径を有する請求項１から２１のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２３】
駆動タービン翼の直径のポンプタービン翼の組に対する最適な比は、１：１．６１７である請求項２２に記載のタービン装置。
【請求項２４】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、互いに重なり合う請求項１から２３のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２５】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは離間関係とすることができる請求項１から２４のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２６】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼とは、駆動タービン翼の組の直径の３．２倍の比で離間されている請求項２２に記載のタービン装置。
【請求項２７】
通路は、駆動タービン翼の組から上流に位置する収束部を含む請求項１から２６のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２８】
通路は、ポンプタービン翼の組から下流に位置する発散部を含む請求項１から２７のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項２９】
駆動タービン翼の組は、駆動タービン翼の組の翼上に流体を導くために、その上流に位置する固定子を有しており、前記固定子はシャフトに同軸上に取り付けられている請求項１から２８のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項３０】
２以上のタービンユニットを含み、前記タービンユニットは互いに対して向きを変化させながら直列に配置されている請求項１から２９のいずれかに記載のタービン装置。
【請求項３１】
各タービンユニットは、独立したシャフトを有する請求項３０に記載のタービン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にタービン装置に関する。本発明は特に、流動流体からエネルギーを抽出するタービン装置であって、流体が、装置内に含まれるか、或いは、湖、河川、海、又は池等の貯水池から供給されることを特徴とするタービン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の炭素系燃料からの炭素の生産とその地球の大気汚染の影響は、産業の重要な検討事項である。地球の減少する化石燃料への需要が増大するにつれて、代替エネルギー源の研究及び開発が急速に拡大している。現在まで、代替エネルギー源を考慮した場合には、核エネルギー源及び再生可能エネルギー源が支配的である。
【０００３】
核エネルギーに関しては、この燃料の使用においては、ほんの数例を挙げると、廃棄物処理／貯蔵、設立費用、及び事故の危険性等、多くの重大な欠点がある。
【０００４】
風力エネルギー、太陽光エネルギー、水力エネルギー、及び波エネルギー等の再生可能エネルギーに関しては、現在まで、エネルギーを利用するのに十分な大きさの設備の設立に関わる費用が比較的高価な代替手段である。更に、設備は、これらの源が存在した場合に、これらの源からエネルギーを発生させるのみである。これらの施設は、ベースロード電力需要を満たすことができず、従って、炭素燃料系のエネルギー源の実需を交換又は縮小させることはできないではないだろう。結果として、これらの源は、従来の手段を介して供給されるエネルギーを補うためだけに使用される。
【０００５】
既存の水力発電システムは、十分な水を貯えてタービンを駆動するのに十分な圧力ヘッドを作るために、大きなダム構造を建造する必要がある。水力システムの制約は、水が流れると、タービンがポテンシャルエネルギーと小さいレベルの運動エネルギーとを抽出できるだけであるということである。これは、作用する唯一の力が重力であることで、水の速度がその終端速度を超えないことの結果である。
【０００６】
更に、現在の水力システムは、河川、及び地形が必要な流量とヘッドとを生み出すことが可能な領域に限られている。水力システムでは多くの場合、好適な場所は、電力が必要とされる場所から遠距離に位置しており、必要とされる場所へと電力を供給するために大きな伝送損失をもたらす。
【０００７】
加えて、水力システムの機能は、ダム／貯水池への水の再生可能な流入に依存している。これが十分でない場合には、水力ダムのベースロード電力を生成する能力が損なわれる。
【０００８】
再生可能なエネルギー代替物の別の問題は、エネルギーを利用するために必要な設備が、多くの場合に外観が悪く、広い面積の土地又は流体塊領域を必要とすることである。
【０００９】
本発明の背景の前述の議論は、単に本発明の理解を容易にすることを意図している。当然のことながら、前記議論は、言及された材料のいずれかが本願の優先日における一般常識の一部であったことを同意又は承認するものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、従来技術の欠点の１以上を改善又は克服する、又は有用な代替を提供するタービン装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、流動流体からエネルギーを抽出するタービン装置であって、流体が通過する少なくとも１つのタービンユニットと、前記少なくとも１つのタービンユニットに流体を送るためのシミュレーションポンプと、前記流体を貯蔵するリザーバとを含み、前記タービンユニットは、そこを通して前記流体を引き込むように構成されていることを特徴とするタービン装置を提供する。
【００１２】
従来技術とは対照的に、本発明は、電力を発生させるために任意の場所に配置して動作させることが可能なタービン装置を提供する。タービン装置は、既存のダム、貯水池、河川、ラグーン、湖、スイミングプール、タンク又はその他の流体塊（自然又は人工のいずれか）の側面に設置することが可能な、自己完結型の独立型装置、又は可搬型の独立型装置のいずれとして動作してもよい。本発明は、タービン装置のタービンユニットを駆動するのに十分な正のヘッドを作り出すために、流水の供給源やダム等の重要なインフラストラクチャを必要としない。
【００１３】
少なくとも１つのタービンユニットが、タービンユニットの前方における圧力の上昇を低減するように構成されていてもよい。
【００１４】
シミュレーションポンプは、タービン翼の組を駆動するために直接流体を供給してもよい。シミュレーションポンプは、ダムにより従来提供されるような正のヘッドをシミュレートしてもよい。好ましくは、シミュレーションポンプは、少なくともタービンユニットへの流体の供給を変化させるために可変的に動作可能である。好ましくは、シミュレーションポンプは、タービンユニットの開口部の前方に位置している。
【００１５】
シミュレーションポンプは、ダム又は貯水池、或いは流体を貯蔵して所定の圧力ヘッド及び流速で放出してタービンを駆動し、エネルギーを生み出すことができるそのような構造体によって通常生み出される流体及び圧力ヘッドをシミュレートするために使用される、流体ポンプである。
【００１６】
シミュレーションポンプは、最初に外部電源からのエネルギーの入力を必要とする。タービンユニットを動作させるのに必要なポテンシャルエネルギーのレベルを超えて単一のタービンユニットが全エネルギーのレベルを生成する最小速度を、シミュレーションポンプの効率が決定する。
【００１７】
タービンユニット、リザーバ、及びシミュレーションポンプは、配管によって流体的に接続されていてもよい。
【００１８】
本発明の一態様では、タービン装置は、実質的に閉じた回路である。好ましくは、リザーバは、配管細工の拡大部により提供される。動作において、リザーバは、少なくとも１つのタービンユニットの下方に位置していてもよい。好ましくは、リザーバの体積は、秒単位でユニットを流れる流体の体積の少なくとも２倍に等しい。即ち、流体の流れが毎秒２００Ｌである場合には、リザーバは少なくとも４００Ｌ貯蔵することができなければならない。好ましくは、タービン装置は、その内部に流体が存在しない空隙部を有する。この部位は、タービン装置の運転状態に応じて移動してもよい。空隙部は、秒単位でユニットを流れる流体の体積の半分であってもよい。空隙が、装置の圧縮及び失速を防ぐ。
【００１９】
タービン装置は、その内部の空気圧と大気の空気圧との均等化を許容するための少なくとも１つの空気弁を含んでいてもよい。
【００２０】
タービン装置の向きによって、空隙は自動的に装置の上部になる。従って、空隙部と連通した状態に確保するために、少なくとも１つの空気弁もまた、その上部に位置することになる。
【００２１】
本発明の別の態様では、リザーバは、タービン装置の入口と出口とがそこで連通した状態にある開放した流体塊により提供される。
【００２２】
好ましくは、タービン装置が複数のタービンユニットを含む場合は、複数のタービンユニットのＲＰＭが実質的に等しくなるように、複数のタービンユニットにわたって速度及び質量が実質的に等しくあり続ける。
【００２３】
好ましくは、少なくとも１つのタービンユニットは、ハウジングの通路内に取り付けられたポンプタービン翼の組から上流に位置する駆動タービン翼の組を含む。
【００２４】
好ましくは、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、それらが同じ方向且つ同じ速度で回転するよう制約されるように、共通のシャフトに取り付けられている。
【００２５】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、対向した関係で取り付けられていてもよく、それによって、動作において駆動タービン翼の組がポンプタービン翼の組に向かって流体を押し出し、ポンプタービン翼の組が駆動タービン翼の組から流体を引き込むように、ポンプタービン翼の組が駆動タービン翼の組と反対の関係となる。タービン翼の組の同時動作が、駆動タービン翼の組の前方及び駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組との間に低圧領域を生み出してもよく、この圧力は、シミュレーションポンプによりタービンユニットへ供給される流体の圧力よりも低くてもよい。
【００２６】
この構成により、通路の開口部の流体圧力と比較して低圧の領域が２つのタービン翼の組の間に作り出される。更に、ポンプタービン翼の組がタービンユニットを通して流体を引き込むと、駆動タービン翼の組から上流にも低圧の領域が形成される。これは、タービンユニットの前方に流れるための最小限の障害が存在することを確実にするので重要であり、従来技術の装置により典型的に経験されたことである。ポンプタービン翼の組とその駆動タービン翼の組に対する逆の配向の結果として、タービンユニットを通って流れる質量が顕著に増加する。更に、駆動タービン翼の組に当たる流体の速度が増加する。
【００２７】
流体が高圧領域（タービンユニットの前方）から比較的低圧の領域に移動すると、より大きな圧力差がより大きな質量流量を誘導する。高圧領域は、自然、即ち大気圧、又は強制、即ちポンプや圧力ヘッドのどちらかにより発生し得る。更に、ポンプタービン翼の組は、流体を排出すると同時に、背圧のポテンシャルを低下させる。
【００２８】
好ましくは、タービン装置が単一のタービンユニットを含む場合、駆動タービン翼の組に当たる流体の速度は、流体の終端速度よりも大きい。これは、ポンプタービン翼の組の大きさにより影響され得る。
【００２９】
各タービン翼の組は、翼に当たる流体の力によって回転させられる翼の組の形態であってもよい。
【００３０】
本発明の一態様では、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは離間関係にある。
【００３１】
本発明の別の態様では、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは互いに重なり合う。
【００３２】
タービン装置は、少なくとも１つの発電機に接続されていてもよい。
【００３３】
少なくともタービンユニットは、少なくとも１つの発電機に接続されていてもよい。
【００３４】
少なくとも１つのタービンユニットのシャフトは、発電機に接続されていてもよい。
【００３５】
接続は、チェーン駆動、ベルト駆動、シャフトからシャフトへの直接接続、ギアボックス、又は他の既知の手段を介して行われてもよい。
【００３６】
流体が通路を通って流れると、その流れが駆動タービン翼の組を駆動すると同時に、ポンプタービン翼の組を回転させる。ポンプタービン翼の組が回転すると、それがポンプタービン翼の組に向かって効率的に流体を引き込み、少なくとも２つのタービン翼の組の間に低圧領域を作り出す。
【００３７】
ポンプタービン翼の組が回転すると、流体がシステムを通して引き込まれてユニットの外へ押し出され、駆動タービン翼の組の後方及び前方の圧力蓄積と関連する逆流圧及びエネルギー損失を最小化する。通路から流体を押し出す行為はまた、通路の出口に存在し得る圧力ヘッドを克服する。
【００３８】
更に、互いに対して設定された各タービン翼の組の向きにより、ポンプタービン翼の組の効果はまた、システム内の乱流を最小にし、流体が駆動タービン翼の組から通過すると流体の流れを整流する効果を有する。
【００３９】
タービン装置が複数のタービンユニットを含む場合、隣接するタービンユニットのシャフトの回転軸は互いに対してオフセットされている。これが、電源を容易にシャフトに接続することを許容すると同時に、タービン装置の更なるコンパクト化を可能にする。
【００４０】
好ましくは、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、最大トルクを提供するように構成されている。
【００４１】
更に、互いに対して設定された各タービン翼の組の向きにより、ポンプタービン翼の組の効果はまた、システム内の乱流を最小にし、流体が駆動タービン翼の組から通過すると流体の流れを整流する効果を有する。
【００４２】
タービン装置は、通路に侵入する破片や動物を防ぐため、通路の駆動端及びポンプ端にスクリーンを更に含んでいてもよい。
【００４３】
本発明の一態様では、ポンプタービン翼の組は、駆動タービン翼と同じ大きさとすることができる。
【００４４】
本発明の別の態様では、ポンプタービン翼の組は、駆動タービン翼の組よりも大径とすることができる。好ましくは、駆動タービン翼の直径のポンプタービン翼の組に対する最適な比は、１：１．６１７である。
【００４５】
本発明の一態様では、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、互いに重なり合うように連結することができる。
【００４６】
本発明の別の態様では、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは離間関係とすることができる。駆動タービン翼の組とポンプタービン翼とは、駆動タービン翼の組の直径の３．２倍の比で離間されていてもよい。駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組との間隔は、この比から変化させることができる。
【００４７】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼とは、ポンプタービン翼の組が駆動タービン翼の組の直径に対して小径、同径、又は大径となることを許容する離間関係とすることができる。
【００４８】
通路は、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組との間に位置するチャンバを含んでいてもよい。チャンバは、ポンプタービン翼の組に近づくにつれて収束する前に駆動タービン翼の組から外側に延びていてもよい。
【００４９】
通路は、駆動タービン翼の組から上流に位置する収束部を含んでいてもよい。通路は、ポンプタービン翼の組から下流に位置する発散部を含んでいてもよい。
【００５０】
収束部は、流体が流れる断面積を減少させて、そこを通過する流体の速度及び圧力を増加させる。一方で、発散部はそこを通過する流体の速度及び圧力を減少させる。各部分は、タービンユニットのチャンバに向かう方向に収束するように構成されている。
【００５１】
収束部は、駆動タービン翼の組に向かって移動するにつれて流体速度を増大させるのに役立つ。これが、ポンプタービン翼の組の動作と組み合わせて、流体速度が重力による流体の終端速度（水については７ｍ／ｓ）を超えることを可能にする。また、３５ｍ／ｓを超える流体速度の上昇を誘導し、流体の流れからの最大の運動エネルギーの抽出を可能にし、確実にする。
【００５２】
好ましくは、発散部は、流体がタービン翼の組から離れるにつれてタービン翼の組の流体のエネルギー損失によって作り出される背圧の低減に寄与する。
【００５３】
駆動タービン翼の組は、駆動タービン翼の組の翼上に流体を導くために、その上流に位置する固定子を有していてもよい。好ましくは、固定子は、シャフトに同軸上に取り付けられている。
【００５４】
付加的な固定子を、タービンユニットの他の部分に結合させてもよい。固定子は、一組の静止翼であり、その主な役割は流体を偏向することである。
【００５５】
この場合には、ポンプタービン翼の組の、タービン装置内の圧力への影響の結果として、流体の質量流量及び関連する圧力は、先行技術の装置とは異なり、固定子によって妨げられない。従って、高速で妨げられない質量流量は、駆動タービン翼の組に当たる流体の力を増大させ、これが今度は電気エネルギーに変換することができる利用可能なエネルギーを増加させる。
【００５６】
ポンプタービン翼の組は、シミュレーションポンプからの通路及び収束部を通って流れる流体によるヘッド損失を最小限にする大きさであり、従って所望の流速でシミュレーションポンプによって生成された流体の流れの質量及び圧力ヘッドが被る損害が最小限となるよう確保し、利用可能な位置エネルギー及び運動エネルギーから生成することが可能な全エネルギーを最大化する。
【００５７】
複数のタービンユニットは、直列に配置してもよい。該ユニットは、タービンユニットを出る流体が他の隣接するタービンユニットへと直ちに通過するように、隣接した配置に位置付けられていてもよい。
【００５８】
それがなければ駆動タービン翼の組に存在したであろう流体の流れ及び圧力の障害を最小にするポンプタービン翼の組の結果としてのみ、直列の複数のタービンユニットの使用が可能である。
【００５９】
本発明の一態様では、タービン装置は、第１のタービンユニットと第２のタービンユニットとを含み、流体がタービン装置を通過すると、第２のタービンユニットの駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とを通過してリザーバ内へと通過する前に、流体が第１のタービンユニットの上流に開口するベンチュリと、第１のタービンユニットの駆動タービン翼の組及びポンプタービン翼の組とを連続して通過するように、各タービンユニットが、実質的に端部から端部への関係である。
【００６０】
タービン翼アセンブリは、第３のタービンユニットを含んでいてもよい。第２のタービンユニットを出る流体が第３のタービンユニットに入るように、第３のタービンユニットは第２のタービンユニットに当接していてもよい。
【００６１】
互いに対して向き及び構成を変化させながら実質的に直列に配置された、複数のタービンユニットがあってもよい。これらの構成は本発明の範囲に含まれることが理解されるべきである。
【００６２】
各タービンユニットは、独立したシャフトに取り付けられていてもよい。
【００６３】
タービンアセンブリの内部及び外部の少なくともいずれかへの流体の流れは、複数の経路を通ってもよく、この変形は本発明により包含されることが理解されるべきである。
【００６４】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とが互いに逆の関係に配置されているので、本発明の一態様では、２つのタービン翼の間の位置からすると、１つのタービン翼の組のタービン翼は別のタービン翼の組のタービン翼の鏡像である。別の態様では、１つのタービン翼の組のタービン翼は、他のタービン翼の組のタービン翼から１８０°の角度でオフセットされている。
【００６５】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼とは、ポンプタービン翼の組が駆動タービン翼の組の直径に対して小径、同径、又は大径となることを許容する離間関係とすることができる。或いは、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは連結又は重複し、それによって２つの翼の組が互いに僅かに重なり合っていてもよい。
【００６６】
駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とは、互いに対向した関係で配置され、即ち、流体が駆動タービン翼の組に当たって翼がシャフトの回転を開始するように、翼が互いに対して逆になっている。ポンプタービン翼の組と駆動タービン翼の組とが共通のシャフトに接続されているので、ポンプタービン翼の組は、駆動タービン翼の組と同時に同じ速度で回転する。ポンプタービン翼の組が回転すると、それがポンプタービン翼の背後に低圧領域を作り出し、駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組との間だけでなく、駆動タービン翼の組の前方に低圧領域を誘導する。これが、駆動タービン翼を横切る大幅に高圧力に設定された流体の質量流量の増加をもたらし、流体がより大きな力で駆動タービン翼の組に当たるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
本発明は、以下添付の図面に示す複数の実施形態の以下説明を参照することで良く理解されるであろう。
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るタービン装置の概略平面図である。
【図２】図２は、支持フレームワーク及び関連する発電機を備えた図１のタービン装置の概略側面図である。
【図３】図３は、図２の平面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態のタービン装置に組み込まれたタービンユニットの断面側面図である。
【図５】図５は、第２の実施形態に係るタービン装置に組み込まれた一連のタービンユニットの概略図である。
【図６】図６は、第２の実施形態のタービン装置に組み込まれたタービンユニットの断面側面図である。
【図７】図７は、図６に示すタービン翼の組の分解断面図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態に係るタービン装置の斜視図である。  図中において、同様の構造は、複数の図を通して同様の数字によって参照される。示される図面は、必ずしも正確な縮尺ではなく、一般的に本発明の原理の具体的説明に重点を置いている。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
図１〜図４を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る発明は、流動流体からエネルギーを抽出するためのタービン装置１０の形態である。タービン装置１０は、そこを流体が通過する３つのタービンユニット１１を含む。
【００６９】
タービン装置１０はまた、流体を第１のタービンユニット１１ａへ送るためのシミュレーションポンプ１４と、流体を貯蔵するためのリザーバ２０とを含む。
【００７０】
構成要素の各々は、パイプ３２で互いに流体連通している。図１に示すように、リザーバ２０は、結合したパイプ３２の拡大部である。
【００７１】
図１、図２及び図３に示すように、第１の実施形態のタービン装置１０は、実質的に閉じたシステムである。しかしながら、タービン装置１０は時々、任意の漏れに対応するために流体を補充する必要があり得ることを理解されたい。また、タービン装置１０は、パイプ３２内の空気圧を大気圧と比較的等しい状態に確保するために通気孔３２を有すことができる。
【００７２】
図２及び図３を参照すると、動作の準備が整ったタービン装置１０が示されている。これらの図では、タービン装置１０はフレーム３６により支持され、タービンユニット１１がリザーバ２０の上に留まるようにタービン装置１０を配向させている。
【００７３】
各タービンユニット１１は、共通のシャフト１７に同軸上に取り付けられた駆動タービン翼の組１３及びポンプタービン翼の組１５を含む。図４において、流体の流れは矢印Ａで示されている。
【００７４】
駆動タービン翼の組１３及びポンプタービン翼の組１５は、ハウジング１９内に形成された通路２１内に配置されている。通路２１は、駆動タービン翼の組１３及びポンプタービン翼の組１５へと流体を導く。
【００７５】
図４を参照すると、通路２１は、第１の端部２３及び第２の端部２５を有する。通路２１はまた、第１の端部２３と駆動タービン翼の組１３との間に位置する収束部２７と、駆動タービン翼の組１３とポンプタービン翼の組１５との間に位置する発散部２９とを内蔵している。
【００７６】
図３に最も良く示すように、各タービンユニット１１のシャフト１７は、ハウジング１９を越えて延びている。各シャフトは、発電機３０に接続されたより大きなシャフト１８に連結されている。
【００７７】
その初期動作において、シミュレーションポンプ１４が、リザーバ２０から第１のタービンユニット１１ａの駆動タービン翼の組１３へと制御された流体の体積及び圧力ヘッドで、流体を供給する。流体は、通路２１の第１の端部２３を抜けて収束部２７へと通過する。収束部２７は、流体が駆動タービン翼１３に当たる前に効果的に流体の速度を増加させる。これが駆動タービン翼の組１３を回転させ、シャフト１７及びポンプタービン翼の組１５を回転させる。
【００７８】
一度ポンプタービン翼の組１５が回転すると、低圧の領域が２つのタービン翼の組１３及び１５の間の通路２１の部分に生み出される。ポンプタービン翼の組１５は、流体がポンプタービン翼の組１５を通過するまで、流体を駆動タービン翼の組１３から引き込む。それが次いで第１のタービンユニット１１ａの外へ、第２のタービンユニット１１ｂに向けて流体を押出し、そこで同様の工程が行われる。第３のタービンユニット１１ｃでも同様である。第３のタービンユニット１１ｃを出ると、流体はリザーバ２０へと排出される。
【００７９】
ポンプタービン翼の組１５の流体の引込み作用は、駆動タービン翼の組１３の前方において生じ得る圧力の上昇だけでなく駆動タービン翼の組１３によって作り出される逆流圧力損失の影響を軽減し、駆動タービン翼の組１３から上流に更なる低圧領域を作り出す。引込み効果はまた、乱流を低減して流体速度を増大させるのに役立つ。
【００８０】
流体は、タービンユニット１１の通路２１に入ると、収束部２７を通って駆動タービン翼の組１３に向かい加速される。駆動タービン翼の組１３が回転すると、ポンプタービン翼の組１５もまた回転して通路２１を介してより多くの流体を引き込む。ポンプタービン翼の組１５と駆動タービン翼の組１３とは同じシャフトに取り付けられているので、ポンプタービン翼の組１５の回転は、駆動タービン翼の組１３の回転によって誘起される。
【００８１】
ポンプタービン翼の組１５の翼は、駆動タービン翼の組１３の翼とは逆になっているので、ポンプタービン翼の組１５は、駆動タービン翼の組１３から流体を引き込み、流体をそこから下流の通路２１へと押し出す。
【００８２】
本発明の第２の実施形態を、図５、図６及び図７に示す。便宜上、第１の実施形態のタービン装置１０の特徴と類似又は対応するタービン装置１１０の特徴は、同じ参照番号で示した。
【００８３】
この実施形態では、タービン装置１１０は、各タービンユニット１１１の構成のため、よりコンパクトである。図６及び図７を参照すると、各タービンユニット１１１は、共通のシャフト１７に同軸上に取り付けられた駆動タービン翼の組１３とポンプタービン翼の組１５とを含む。駆動タービン翼の組１３及びポンプタービン翼の組１５は、ハウジング１１９内に形成された通路１２１内に配置されている。通路１２１は、収束部又は発散部がない円筒形状である。
【００８４】
図７に最もよく示されるように、駆動タービン翼の組１３とポンプタービン翼の組１５とは、互いに対して配置されており、それによって重なり合うか又は連結する。この向きでは、２つのタービン翼の組１３及び１５の間には間隙がない。これによって、各タービンユニット１１１は大幅に長さを減らし、タービン装置１１０をよりコンパクトにすることができる。
【００８５】
タービンユニット１１１は、流体の流れを支援するために、２つのタービン翼の組１３及び１５の間の中央に位置するベンチュリビーズ１１２を有する。
【００８６】
本発明の第３の実施形態を、図８に示す。便宜上、第１の実施形態のタービン装置１０の特徴と類似又は対応するタービン装置２１０の特徴は、同じ参照番号で示した。
【００８７】
この実施形態では、タービン装置２１０は、例えばダム、河川、湖又はスイミングプール等の流体塊２１２により提供されるリザーバ２２０を有する。動作において、シミュレーションポンプ１４が、最初にリザーバ２２０から入口２３８を介して第１のタービンユニット１１ａへと水を供給する。一度流体が３つのタービンユニット１１を通過すると、その流体は出口２４０を通ってリザーバ２２０へと戻り補充される。
【００８８】
上記の各実施形態では、ポンプタービン翼の組の回転が、その非存在下において作り出されたであろうものよりも大幅に低圧の区域を作り出すことで、駆動タービン翼の組を横切る質量流量をより大きく誘導することができる。
【００８９】
各ユニットが駆動タービン翼の組とポンプタービン翼の組とを有するように構成されているため、ポンプタービン翼の組はポンプとして動作しているので、駆動タービン翼の組によって作り出されるエネルギーの損失は、ポンプタービン翼の組の作用によって補われる。エネルギーは、駆動タービン翼の組からシャフトに沿ってポンプタービン翼の組へと効率的に転送される。これは、両方の翼の組が、同じシャフトに取り付けられており、駆動タービン翼の組が従来の様式で動作しながらポンプタービン翼の組がタービンユニットを通して流体を引き込むように、同時に逆方向に回転する場合にのみ可能である。
【００９０】
シミュレーションポンプは、最初に外部電源からのエネルギーの入力を必要とする。タービン装置を動作させるのに必要なポテンシャルエネルギーのレベルを超えて単一のタービン装置が全エネルギーのレベルを生成する最小速度を、シミュレーションポンプの効率が決定する。
【００９１】
総エネルギー（ＴＥ）は、タービン装置により生成されるポテンシャルエネルギー（ＰＥ）と運動エネルギー（ＫＥ）とを合成したものであり、機械的エネルギーに変換され、次いで電気的エネルギーに変換される。
【００９２】
生成された電気的エネルギーは、次いで、シミュレーションポンプに戻って供給され、その動作、並びに所望の流量及び圧力ヘッドの流体の供給を維持する。
【００９３】
一度生成された電気的エネルギーがシミュレーションポンプにより必要なポテンシャル（電気的）エネルギーを超えると、次いでタービン装置は概して独立型のユニットとなり、その時点では外部電源を必要としない。
【００９４】
使用される流体が水であり、シミュレーションポンプが８０％の能率評価を有すると仮定すると、タービン装置が電力を提供するための流体の所望の速度は、ポンプごとに１６．５５ｍである。シミュレーションポンプが９０％の能率評価を有するとき、流体の所望の速度は１３．７ｍ／ｓである。
【００９５】
一例では、シミュレーションポンプが８５％の効率であり、流速が２３ｍ／ｓのとき、一連又は単一のタービン装置における第１のユニットにより生成される電力のレベル（理論値）は、シミュレーションポンプを作動させるのに必要な電力の１．４１倍である。
【００９６】
本発明は、シミュレーションポンプが第１のタービンユニットを駆動するために必要な流体の流れ及びヘッドのシミュレート又は生成を行うタービン装置に関する。更に、タービンユニットの内部の機械的構成によって、流体の流れが妨げられず、電力を生成するために複数のタービンユニットを直列で使用することができる。
【００９７】
駆動タービン翼の組は、流体が通路を通過すると翼に当たる流体の力によって回転が生じる一式の駆動タービン翼を含む。
【００９８】
ポンプタービン翼の組は一式の翼を含み、それらの設計及び駆動タービン翼の組に対する結果的な配向により、流体をそれ自体から排出する前にハウジングの通路を介してポンプタービン翼に向けて流体を引き込む。通路を通る流体の「引込み」は、ポンプタービン翼の組によって生み出され、これが大幅に通路内の圧力を低下させる。
【００９９】
ポンプタービン翼の組の動作は、駆動タービン翼の組の前方とポンプタービン翼の組の後方との間に高い圧力差を生み出す。高圧領域（駆動タービン翼の組の前方）から低圧領域（ポンプタービン翼の組の後方）へと流体が移動するので、この差がより大きな質量流量を誘導する。高圧領域は、自然に（即ち、大気圧）、又は強制的に（即ち、ポンプ又は加圧ヘッド）生じさせてもよい。ポンプタービン翼の組は、従って、駆動タービン翼を通る流体の質量流量及び速度の増加を誘導する。ポンプタービン翼の組の動作の結果として、タービンアセンブリを通過する流体の速度が（水については、７ｍ／ｓから３５ｍ／ｓを超えるまで）増加し、それによって、流体の速度は、その重力により生じる終端速度を大幅に超える。
【０１００】
加えて、ポンプタービン翼の組は、流体を排出すると同時に、通常は駆動タービン翼の組の前方に生じる流体の流れに対する背圧のポテンシャルと障害とを除去する。
【０１０１】
駆動タービン翼の組の直径に対するポンプタービン翼の組の直径は、必要な結果、及びタービンアセンブリが使用される条件（例えば、スロープ上に位置付けられる）に応じて、同径、小径、又は大径であってもよい。
【０１０２】
共通のシャフトがハウジングを通って延び、そこから突出し、電力を生み出すために交流電源又はモータのそこへの接続を許容する。
【０１０３】
両方のタービン翼の組は、それをもって結合させられる１以上の固定子を有していてもよい。固定子の静止翼は、タービン翼の組の翼上へと流体を偏向させる。
【０１０４】
適用によっては、ハウジングは収束ベンチュリを支持する。収束ベンチュリが収束領域を提供し、これが質量保存によって流体の速度を増加させる。質量保存は、流体塊がより小さい領域を通過するとその速度が増加し、逆もまた同様であることを規定する。
【０１０５】
適用によっては、ハウジングは発散ベンチュリを支持する。発散ベンチュリは、そこを通って移動する流体の速度を低下させる発散領域を提供する。
【０１０６】
駆動タービン翼の組の直前の収束ベンチュリの目的は、重力により生じる流体の終端速度（水については、約７ｍ／ｓ）を超えるレベルまで流体の速度を増加させることである。これが、移動する流体からの運動エネルギーの最大抽出を容易にする。
【０１０７】
ポンプタービン翼が配置されているハウジングの部分はまた、発散ベンチュリを含んでいてもよい。このハウジングは、駆動タービン翼の組からポンプタービン翼の組へと遠ざかり発散してもよく、２つのタービン翼の組の間で同じ大きさであってもよく、又は駆動タービン翼の組からポンプタービン翼の組へと収束してもよい。
【０１０８】
タービンアセンブリは、動作するために流体リザーバと流体連通するように配置される。流体リザーバは、例えば、流体を保持でき、タービンアセンブリを通して流体を案内することができるポンプ又は任意の機構によって、流体を持続的に引き込むことができる任意の大きさ又は任意の形状の流体塊、ダム、貯水池、湖、タンク、密閉された導管（パイプラインや他のもの）を含む多くの形態をとることができる。直列の複数のタービンアセンブリがあってもよい。一度流体がタービンアセンブリを通過すると、流体は流体リザーバへと戻り排出される。
【０１０９】
シミュレーションポンプは、ハウジングに接続され、タービンアセンブリを通る流体の流れ及びヘッドを作り出し、制御するために使用される。シミュレーションポンプは、タービン（例えば水力）を動作させるために必要なヘッド及び流れを作り出すために流体を収容するダム等の構造物の必要性を置換する。
【０１１０】
タービン装置は、ポンプごとに、２ｍから１００ｍを超える高さまでの正のヘッドで、２０Ｌから１００，０００Ｌを超える流体流速で動作させることができる。
【０１１１】
当業者にとって明らかであろう変更及び変形は、本発明の範囲に入るものと考慮される。
【０１１２】
下部及び上部等の位置の記載の参照は、図面に示された実施形態の文脈で解釈されるべきであって、用語の文言通りの解釈に本発明を限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ当業者にとって理解されるであろうものとして解釈されるべきである。
【０１１３】
明細書を通して、文脈が要求しない限り、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」との語、或いは「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の変形は、規定された整数又は整数の群の包含を意味するものと理解されるが、他の任意の整数又は整数の群を排除することを意味するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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