(57)【要約】  水平軸の風力タービンは、ロータ（３）を有しており、その多数のブレード付きタービンロータ（３）の上流側に静止球形状ヘッド（１）を有した正面突出部は、全正面面積の７０％に渡って振り向けられた風の速度を排斥増速する。一連の薄い翼（１２）は、球形状ヘッド（１）上に放射状に均一に設置されており、風をタービンの短いブレード（４）に向かって導く。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータの外表面を含むとともに、複数のタービンブレードによって処理される風を増速するために、前記タービンロータを越えてその静止延長部として前方に延在する静止半球突出部を備え、１０％から２０％の抵抗損失を見込みつつも、処理される風を５７％も増速することで効率を改善する風力タービン。
【請求項２】
タービンロータの外表面を含まず、かつ、タービンブレードによって処理される風を増速するために、前記タービンロータを越えてその静止延長部として前方に延在する静止半球突出部を備え、１０％から２０％の抵抗損失を見込みつつも、処理される風を５７％も増速することで効率を改善する風力タービン。
【請求項３】
タービンロータの外表面を含むとともに、静止延長部として前記タービンロータを越えて前方に延在する静止半球突出部を備え、
該半球突出部は、当該風力タービンの全回転弧の面積を含む該風力タービンの全正面面積の大部分を軸中心からそのブレード先端までの前記回転弧の半径の７０％以上の範囲まで効果的に置換しており、前記風力タービンの複数のブレードに直接処理される全ての風からより大量のエネルギを入手する風力タービン。
【請求項４】
比較的大きな直径のロータ上に搭載された比較的短いタービンブレードをより多数使用して、前記ロータの直前の半球状ヘッドによって排斥される到来風力を最大割合入手し、前記排斥された風の全てが前記タービンブレードの全てに向いている風力タービン。
【請求項５】
比較的大きなロータ上に堅固に搭載された比較的短い複数のタービンブレードを備えており、前記比較的短いタービンブレードは、従来技術のプロペラ型の風力タービンによって許容されるよりも大幅により速い回転速度で回転する前記ロータの作用に耐えられる風力タービン。
【請求項６】
比較的大きなロータ上に堅固に搭載され、正面で突出した静止球状ヘッドの背後に設置された比較的短い複数のタービンブレードを、前記球状ヘッド上の一連の薄い翼と共に備えており、
前記一連の薄い翼は、放射状に釣り合いを取って均一に設置されていて、到来する風が前記タービンロータの各ブレードに向かってそれらの回転方向に進むにつれて到来風を螺旋状に進めるために曲率を取るように曲がることができ、それによって風速が低ければ低い程より粗いピッチ・ブレード角度の作用を造り出すものであり、
各前記翼は、より高い風速の場合には長手方向において作用をなさないように後退され、湾曲解除され、又は直線状とされる風力タービン。
【請求項７】
比較的大きなタービンロータを備えており、該タービンロータは、そのロータ表面の後部外縁から後方に延びた丸く先細りの、又は円錐形のハウジングを有しており、内在化された機械構成要素と発電機又は他の従動装置の全てに対する保護カバーとしての働きをさせ、更に当該風力タービンを手入れする人員が安全でいられ且つ風力タービンを手入れし、修理している間に構成要素から保護されるようにするより安全で広い空間となるように壁で囲まれた封鎖領域を提供する風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明者は、プロペラ型の、特に現在一般的に使用されているような従来技術の風力タービンの現在状態の例を研究して来た。
【背景技術】
【０００２】
それらの明らかに低い効率レベルを見ると、風から最大のエネルギ潜在力を抽出する我々の能力を高めるために流体力学及び空気力学の現在公知で一般的に適用されている原理をより良く活用するような別のアプローチが行われなければならなかった。
【０００３】
本発明者には公知の物理学及び空気力学の原理に基づいて、風エネルギの捕捉効率をより大きくするように適用されるそれら原理の最良の組合わせとして本発明者が考えて来たものを具体化する数多くの新規な方法と手段によって、幾つかの重大な可能性が明らかであった。現在、特に環境を害さない手段によって発生される電気エネルギに対して急速に需要が高まってきている。この状況は、今や本発明と風力に基づいた電気エネルギの開発に向かって適度のインセンティブを与えており、その場合個々のユニット容量は、単一ユニット当り低くて２０キロワットから５メガワットにも及ぶものであった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、次のようになっている：
第一目的は、そのタービンブレードの全ての振り向け可能な正面露出部に渡って風圧を集中すると共に利用可能な風エネルギの全てをタービンブレードの駆動へと導く事である。
【０００５】
第二目的は、軸中心とそのタービンブレードの外側先端との間の半径の外側３０％以内にそのタービンブレードの主被駆動面を配置することである。この特徴によって、トルクは大幅に高められる共にエネルギの回復が最大化される。
【０００６】
第三に、従来技術の風力タービンの通常の現在状態が１５ｋｍ（９．３２マイル）／ｈｒより低い風速でも利用可能な動力出力を提供できる程度に実に制限されているために、到来する風速を大幅に高めて風力タービンの作動風速範囲の底閾値を下げることができて非常に有利である。風速を高める影響は、実に３乗で効いてきて利用可能な運動エネルギ（ワット／ｍ２）を大幅に高める。
【０００７】
第四に、タービンブレードの背後で連続的に増大する真空、又はより低圧の導入領域を生成し、又は発生することが望ましいであろう。
【０００８】
第五に、風力タービンのロータ又は駆動軸に何ら機械装置を適用する必要無しにタービンブレードのより粗いピッチの該ブレードに対する効果を造り出すことができる大きな長所が存在しよう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
基本的説明と従来技術を凌ぐ改善
本発明の目的に基づいて、従来技術の現在状態を凌ぐ第一の改善は、軸中心とタービンロータブレードの外側先端との間の半径の外側３０％以内に風力エネルギの駆動力を集中することである。タービンロータの外表面を含む半球形状部は、軸中心を直線上に整列させた状態で、タービンロータの後部から前方に延びており、風力タービンの正面面積の７０％よりも大きい領域を排除している。
【００１０】
第二の改善は、タービンロータの外面を含み、軸中心を直線状に整列させて中心を取り、前記ロータの後面で始まり、軸中心から前記半球形状部の正面の真中心までタービンロータの前方に延びるように前記半球形状部を展開することで達成される。前記半球形状部のタービンロータの前方に延びた部分は、固定された静止状態で搭載され、回転しない。後方に続く残りの部分は、それがタービンロータの外表面を代表するように前記ロータの一部分として回転する。これによって、風が前記半球形状部を越えて広がるに従って到来する風の速度を高めることになり、それは物理の一般的な原理である。風速が高まると、従来技術を凌ぐ明白な長所として作動風速の閾値を実に大幅に低下する。前記半球形状部の表面での風速の増加は、（１／４）×Ｃ×Ｒとなり、その比率は１．５７０７：１である。その数字は、表面張力、抵抗又は流動摩擦によって低下され、またレイノルズ数と称されている公知のシステムが概略の抵抗係数を決めるのに使用されよう。本発明者の技術コンサルタントは、正味の速度増加は４６％になり、利用可能な運動エネルギにおける帰結上の増加は１．４６３即ち３１１％に及ぶと示唆している。
【００１１】
従来技術を凌ぐ第三の改善は、適度の前後の奥行きとピッチ角度の２４枚にも及ぶ比較的短い適度に湾曲したタービンブレードを使用し、最大トルクの駆動を達成すると共に、風が決してブレードを通り越して行かないようにしてそれら全てを駆動しなければならないように更に保証することである。ブレード長さは、スピードアップされた風量の全てを捕捉し、又は迎え受けるのに適していなければならないことである。このような考えは、かなり的確であるべきであり、より速く移動している風量を越えて到達しているブレード長さがより低速で移動している風量に入り込もうとすると、それは抵抗を造り出すことになり、結果的に幾分効率損失を来すことになる。このような状況で、被駆動軸において最大トルク量へと転換される風エネルギを最大限捕捉することになる。更に、タービンロータの前の静止球状ヘッドの表面をゴルフボールと同様に凸凹にすることも幾分更に有利にすることになる。これによって、表面張力を大幅に減らし、結果的によりスムーズでより高速の膨張する弧状の加速された風量を発生してタービンブレードを駆動することになろう。
【００１２】
従来技術を凌ぐ第四の改善は、２４枚ものタービンブレードを設けてこれらブレードの背後に大きな真空誘導作用を発生させていることである。従来技術の３枚のブレード付きプロペラ型の風力タービンは、３枚のブレードによってただそうしているだけである。この発明の場合は、我々は３枚のブレードよりもむしろ２４枚のブレードの効果を得ており、また真空誘導作用が破壊されたり、消滅されたり、又は失われたりするブレード間の有効開放領域が確実に何ら存在しないようにすることでその長所を更に高めている。
【００１３】
従来技術を凌ぐ第五の又は別の潜在的な改善は、タービンロータを越えた半球形状部の静止前方部の周辺部上に一連の放射状の均一に隔設された薄い翼を設置することである。これらの翼は、到来して来る風をタービンロータが回転しているのと同じ方向に半球形状の静止ヘッドの周りで螺旋状にカーブさせる。得られる長所は、より開いたタービンブレードのピッチがより閉じたブレードのピッチと同じ作用をなすように使用される点である。これによって、より高速の風が向かって来たときにブレードのピッチを変える機械的手段の必要性を無くすることができる。例えば、ブレードのピッチが４０度平均の場合、球形ヘッドの静止部分を越えて到来する風を回転方向に２０度だけ曲げることができ、またタービンブレードは、それらがより粗いピッチを持ったかのように作動することになる。かなり高い風速の場合、それぞれの翼は、その効果がなくなるまで内側に後退されて、風力タービンのロータブレードは４０度のピッチで作動することになる。これらの翼は、更にスプリングのように徐々に湾曲され、又は、曲げられる可撓性材料から造られる。この場合、翼は後退させられず、その効果がなくなるまで後退されるのと同様に、ゼロ曲率で長手方向に残ることになろう。各翼は、従来技術を凌ぐ改善そのものであり、その場合到来風をより効率的に且つ安全に入手するためにブレードピッチを変え、また過度の風速の場合に中立状態になるようにする機械的手段が使用される。従来技術の風力タービンでは、機械的ピッチ制御が故障し、又はガバナーシステムが故障すると、風力タービンに重大な損傷を与えることになろう。
【００１４】
従来技術を凌ぐ前記改良に加えて、より少数のより奥行きのあるタービンブレードを使用し、又はタービンロータの前に静止した完全な半球形状部を使用するなどの他のオプションが考えられる。タービンロータは、その場合に平坦面付きの真に円筒状の外表面を有することになろう。更に、我々は定速度の又は減速の伝達装置の形を利用でき、またより高い風速が迎え受けられる場合に、タービンインペラを減速して安定化するために別の発電機容量の形でより多い負荷を、多分に磁気摩擦加熱を付加できそうである。そのようなオプションは当業者には実に明白たり得るので、それらは次の詳細な説明又は図面のいずれにも含まれていない。
【００１５】
大洋上の船を含む水上乗り物の風力駆動システムとして本発明のバージョンが容易に適用されることも本発明者には明らかである。その基本的構成は、水上乗り物の水中前部駆動システムとしても適用され得よう。高効率の空気循環ファンと飛行機プロペラについても更に可能性がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、風力タービンの支持塔台の回転可能な頂部上に搭載されているもので、タービンロータと２４枚のロータブレードとを有した本発明の好適な実施形態を示した側面図である。タービンロータは、完結された半球形状部の後方部分となるように湾曲面を有している。半球形状部は、別々に支持され、かつタービンロータの前方に近接して搭載された静止前部を含む。球形状ヘッドによって排斥される風量の通路の外側縁の近接した概略の輪郭が、拡大する弧形状で示されており、風力タービンのブレードの全横断面となっている。これは、球形ヘッド形状部の静止部分の前方中心からタービンロータブレードの外側先端までの破線とされた弧として示されている。
【００１７】
図２は、風力タービンの支持塔台の回転可能な頂部上に搭載されていて、タービンロータと２４枚のロータブレードとを有した本発明の上記実施形態の正面図である。
【００１８】
図３は、風力タービンの側面図であり、その球形ヘッドの静止正面突出部上に設けられ、効果がゼロとなるように完全に閉じるまで後退される１２枚の湾曲した翼の相対位置を示している。それらは、風の到来方向をタービンロータブレードの回転方向に曲げる目的を担っており、ピッチ制御の必要性を全く無くすために固定タービンロータブレードに２０度以上の作用を及ぼす。
【００１９】
図４は、風力タービンの正面図であり、図３に示されたものと同じ１２枚の湾曲した翼の相対位置を示している。
【００２０】
図における全ての前述要素と、このような開示及び詳細な説明を考慮すると明らかになるような他の別の目的と共に、本発明は、添付図面を参照して、発明概念の色々な具体的な実施例に含まれ、具体化され、着想され又は包含されるような発明概念から構成されている。
【００２１】
図１は、風力タービンの支持塔台の回転可能な頂部上に搭載されている本発明の好適な実施形態の側面図であり、球形ヘッド１の静止部分と、ロータ３の外側表面でもある球形ヘッド２の回転部分とを有している。タービンブレード４と、円錐形の後方外部ケーシング５と、空気力学的形状の下部延長部６とを有している。下部延長部６は、塔柱９の頂部上の回転可能なベース７まで下方に延び、その支持構造物と内部に組み込まれたアクセス入口孔とを取り囲んだ壁と外側本体を備えている。
【００２２】
風力タービンの球形状ヘッド部及びその前方端軸受の静止部分用に翼形状の構造支持ビーム８を有している。さらに、構造支持塔（柱）９の静止部分を有している。破線１０は、球形状ヘッドによって排斥された風の容積膨張領域の外側縁を表し、波形線１１は、風力タービンのブレードの背後の排気風に共通するような、タービンロータ３の背後で予想される乱流を表している。
【００２３】
図２は、風力タービンの正面図であり、半球形状部１の静止正面部と、この半球形状部の残部であるタービンロータ３の回転湾曲外周面２とを示している。本実施形態では２４枚とされたタービンブレード４を有している。更に、前記半球形状部の静止正面部及び正面軸受のための各支柱８と、風力タービンのための回転可能な頂部ベース搭載部７と、地面レベルまで延在する静止支持塔９とが示されている。
【００２４】
図３は、風力タービンの別の好適な実施形態の角度をずらした側面図である。半球形状部の静止正面突出部１上でかつその内部に設置され、軸中心から比較的短いタービンブレード４の内縁又は底端までの半径の７０％よりも長い１２枚の比較的薄い後退可能な翼１２の相対位置が示されている。区分され、円錐突出部を効率的に製造する目的に必要とされるように、後部本体又はケーシング５の円錐突出部と、その支持構造要素と内部入口孔とを取り囲んだ壁とその外側本体とから成り、支持塔構造部９の頂部上の回転可能なベース７まで下方に延びた幾分円筒形で空気力学的形状とされた下部延長部６とを有している。
【００２５】
図４は、図３に示した実施形態の正面図である。湾曲した後退可能な翼１２と、タービンブレード４に対するそれらの関係が示されている。更に、風力タービンの前部には、タービンの前部軸受を支持すると共に、半球形状部の静止正面部１を支持する必須の支柱８が示されている。更に、風力タービンの後部ハウジング又は実施例の底部延長部の空気力学的形状とされた前端部６と、回転可能なベース支持部７と、静止支持塔９とが示されている。
【００２６】
別の関連したコメント及び説明と共に前記詳細な説明に基づいて、本発明の目的は、ここで上述したように適切に傾注して来たものであり、容易に達成可能である。更に、本発明の好適な実施例を図示し、説明して来たが、本発明はそれらに限定されるものでは無く、添付の特許請求の範囲の技術範囲内において他に色々と具体化され応用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】支持塔台の回転可能な頂部上に搭載されているもので、タービンロータと２４枚のロータブレードとを有した本発明の好適な実施形態を示した側面図である。
【図２】図１の風力タービンの正面図である。
【図３】風力タービンの他の実施形態を示した斜視図である。
【図４】図３の風力タービンの正面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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