(57)【要約】  流れの、ひいては電力の特性を最適にするために立面図で長円形のダクトと、吸気フード及びベントと、後部拡散切り欠き部及び長円形の面とを備える、流体流から発電するためのタービン用装置が開示される。タービン発電機の効率と性能とを高めるため、１つ又は複数の傾斜及び／又はテーパ部を有し、且つ選択的に複数のビード面特徴を有するタービンブレードを備える一方向タービン発電機装置も開示される。ハイブリッド型磁気／摩擦防止軸受アセンブリを備える一面軸方向磁束磁気発電機を有するハイドロタービン発電機が開示される。沿岸ベースの配電系統に接続される複数の一方向タービン発電機を備える多重タービン発電機配置も開示される。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流から発電するためのハイドロタービン発電機装置であって、
ハブと、該ハブから径方向外側に延びる複数のブレード；及び
前記ダクトの入口及び出口端の少なくとも一方が平面図で長円形であることを特徴とする前記ダクトを備え、
前記ダクトの入口の断面積に対する前記ダクトの出口の断面積の比が１．１から２．１の範囲であるハイドロタービン発電機装置。
【請求項２】
前記ダクトの前記入口端が立面図で概ね円形であり、前記ダクトの前記出口端が立面図で長円形である請求項１に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項３】
前記ダクトの垂直寸法が前記ダクトの水平寸法未満である請求項１及び２のいずれかに記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項４】
前記入口の断面積に対する出口の断面積の比が１．２から１．６の範囲である請求項１から３のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項５】
前記ダクトの入口と出口の少なくとも一方が立面図で概ね円形、長円形、超楕円形、楕円形又はそれらのいずれかの組み合わせである請求項１に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項６】
αは、前記タービン装置の中心縦軸と、前記ダクトの前記出口端で前記ダクトの内表面に接する線とがなす角度であり、
βは、前記タービン装置の前記中心縦軸と、前記ダクトの末広部分の始点にある第１のポイントと前記第１のポイントから直ぐ下流の前記ダクトの前記内表面上の前記ダクトの前記出口端に位置する第２のポイントとの間の線とがなす角度であり、
α／βの比が１．５〜２．５の範囲にある、請求項１〜５の内いずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項７】
前記ハブが、該ハブを貫通して縦に延びる少なくとも１つの内壁表面により画成される縦穴を備える請求項１から６のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項８】
前記ダクトの側面上に少なくとも１つの吸気フードを更に備え、該少なくとも１つの吸気フードが更に、水流の向きを前記ダクトの前記外表面から前記内表面へと変更するように、前記ダクトの外表面と内表面との間に前記ダクトの外表面と内表面との間に延びる少なくとも１つの吸気ベントを画成する請求項１から７のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項９】
前記ダクトの前記出口端で縁部表面に少なくとも１つの切り欠き部が画成されるように、前記ダクトの前記出口端で前記縁部表面を前記ダクトの前記入口端の方向に偏向させる請求項１から８のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項１０】
前記ダクトの前記出口端で前記縁部表面の上面に第１の前記切り欠き部を設け、且つ前記ダクトの前記出口端で前記縁部表面の底面に第２の前記切り欠き部を設ける請求項９に記載のハイドロタービン装置。
【請求項１１】
前記ダクトが、前記入口端に側立面図で傾斜する前面を有し、該前面の突出する下部前面縁部から前記前面の凹んだ上部前面縁部の方向に、前記ハブに向かって内側に傾倒する請求項１から１０のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項１２】
前記ブレードがその翼幅に沿って少なくとも１つの傾斜部を備える請求項１から１１のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１３】
前記ブレードが該ブレードの低圧側の少なくとも一部に沿って少なくとも２つのビード面特徴を備える請求項１から１２のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１４】
前記ブレードが各々、前記ハブの近傍の根元部と、前記ハブから遠位の先端部とを備え、前記ブレードが翼弦の厚さと翼弦の長さ寸法の少なくとも１つの方向で前記根元部から前記先端部へとテーパ状に形成される請求項１から１３のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１５】
前記ブレードが各々、前記ハブの近傍の根元部と、前記ハブから遠位の先端部とを備え、前記ブレードが前記根元部と前記先端部との間の少なくとも一部に沿って延びるねじれ部を備える請求項１から１４のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１６】
前記テーパ部が、前記ハイドロタービンブレードの前縁と後縁の少なくとも一方に方向にバイアスされる請求項１４に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１７】
一面軸方向磁束磁気発電機を更に備え、該磁気発電機が、前記ハイドロタービン発電機の軸方向の軸受荷重の少なくとも一部を平衡するようにされた軸方向の磁気吸引力を備える軸方向軸受機能を提供する請求項１から１６のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１８】
前記磁気発電機のロータとステータとの間のギャップを動的に調整可能であり、前記軸方向の磁気吸引力を動的に調整するように動作する請求項１７に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項１９】
前記発電機が、付加的にタービンポンプとして動作可能な請求項１から１８のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項２０】
永久磁石発電機を付加的に備え、前記永久磁石発電機のロータとステータとの間のギャップが、前記ハイドロタービン発電機の浸水動作中に完全に水で溢れるようにされた請求項１から１９のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項２１】
少なくとも１つの摩擦防止軸受を付加的に備え、該少なくとも１つの摩擦防止軸受が、前記ハイドロタービン発電機の浸水動作中に完全に水で溢れるようにされた請求項１から２０のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項２２】
永久磁石発電機ロータを有する一面軸方向磁束磁気発電機を付加的に備え、前記電力が可変電圧及び可変周波数信号からなり、前記発電機が付加的に、少なくとも１つの同種の発電機に、及び前記可変電圧及び可変周波数信号を固定電圧及び固定周波数信号に変換する少なくとも１つの電力変換モジュールに並列接続で接続可能である請求項１から２１のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本発明は、その内容全体が参照として本明細書に組み込まれる、２０１０年４月３０日に出願された先願の米国特許仮出願第６１／３３０，２６８号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は一般に、一方向の水流環境で使用されるようにされた一方向ハイドロタービンに関する。より具体的には、本発明は、一方向の水流で使用するようにされ、外側のダクト配置、タービンブレードの設計、及び磁気発電機の構成が強化されたハイドロタービン、及びこのようなタービンを配電システムに接続する配置に関する。
【背景技術】
【０００３】
水流から発電するための水中ハイドロタービンは公知である。特に、水中ハイドロタービンは、河川や海流、及び潮水流などの一方向及び二方向の水流の利用分野で使用するように考案されている。持続可能な発電の需要が高まっているため、又、従来の持続不能な電力源に対して持続可能な発電のコストを低減する必要があるため、水中ハイドロタービン発電機の効率と性能を高め、資本、運転、及び保守のコストを低減する必要がある。
【０００４】
Ｄａｖｉｓ他への米国特許第７，４７１，００９号は、水流から発電するために二方向ハイドロタービン発電機を開示している。Ｄａｖｉｓの文献は、両端から水流を受け入れ、対称形のハイドロフォイルタービンブレードを含む、タービン周囲の円筒形ハウジング又はダクトを開示している。Ｄａｖｉｓの文献は更に、二方向の流体流の利用分野で使用するようにされた両面の軸方向磁束電磁発電機を有するハイドロタービンを開示している。開示されているある実施形態は、二方向流体流の利用分野で水流をタービンブレードに向けるために、タービンの両側に位置するガイドベーンをも含んでいる。
【０００５】
Ｔｈｏｍｐｓｏｎへの米国特許第４，０２５，２２０号は、水流から発電するための一方向ハイドロタービンを開示している。Ｔｈｏｍｐｓｏｎの文献は、剛性のベンチュリノズル内に封入され、煙突状のコレクタダクト配置内に水流を取り込むためにタービンの上流側に延びる可撓性の繊維製フローコレクタを含む軸流二方向タービンを開示している。
【０００６】
Ｓｐｏｏｎｅｒ他への欧州特許出願公開２１１２３７０Ａ１は、少なくとも一組の受動型磁気軸受を含む、水流から発電するためのハイドロタービン発電機を開示している。このＳｐｏｏｎｅｒの文献では、タービン発電機のコンポーネントとは離れた対向する一対の受動型磁石の斥力又は引力によって発電機タービンを支持するために一組以上の受動型磁気軸受が使用される。
【０００７】
ハイドロタービン発電機の現在の技術は、河川、又は海流などの一方向流体流の環境での効率的、且つ費用効果が高い発電用に有利に構成された一方向ハイドロタービン発電機の設計を提供するには不十分である。したがって、侵食性及び／又は腐食性の水中環境での信頼性と耐久性とを高めるように、又は複雑さと製造、運転又はメインテナンスのコストを低減するようにタービン及び発電機コンポーネントの高い効率と性能とをもたらす一方向ハイドロタービン発電機が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，４７１，００９号
【特許文献２】米国特許第４，０２５，２２０号
【特許文献３】欧州特許出願公開２１１２３７０Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、先行技術の欠点の幾つかを克服するハイドロタービン発電機用の装置を実装することにある。特に、本発明の別の目的は、先行技術の限界の幾つかに対処する一方向の水流環境で浸水して使用される一方向ハイドロタービン装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、水流から発電するためのハイドロタービン発電機装置が提供される。この実施形態では、ハイドロタービン発電機は、
ハブと、前記ハブから径方向外側に延びる複数のハイドロタービンブレードとを備えるロータと、ダクトの入口端と出口端の少なくとも１つが立面図で長円形であることを特徴とする前記ダクトと、を備え、
前記ダクトの出口の断面積と前記ダクトの入口の断面積との比率が１．１〜２．１の範囲にある。
【００１１】
本発明のある実施形態による別の目的は、浅い河川の利用分野、並びに深い海流の立地に適し、環境を損なわない比較的簡単な設計の効率が高いハイドロタービンを提供することを含む。
【００１２】
本発明のある実施形態の別の目的は、浅い流体の流れ又は水深が浅い領域で効率的に運転するための薄型設計を提供することである。
【００１３】
ある実施形態による本発明の別の目的は、タービンの性能を高めるために吸気フード及びベント、下流側のディフューザ切り欠き部、及び斜切面を有する入口流エンハンサを含む流れ増強機能を提供することである。
【００１４】
一実施形態による本発明の他の目的は、流れ特性を、ひいては性能を向上させるためスロープ又は広がりをディフーザの内表面に設けることである。
【００１５】
ある実施形態による本発明の更に他の目的は、テーパ面及び／又はすくい面が形成された１つ又は複数のタービンブレードを組み込む増強されたタービンブレード設計を有するハイドロタービン発電機を提供することである。
【００１６】
ある実施形態による本発明の他の目的は、タービンの効率及び性能を向上させるため、複数のビード面特徴を備える１つ又は複数のタービンブレードを有するハイドロタービン発電機を提供することである。
【００１７】
一実施形態による本発明の他の目的は、軸方向軸受負荷の少なくとも一部を支持する軸方向軸受機能を備える一面軸方向磁束磁気発電機を含むハイドロタービン発電機を提供することである。
【００１８】
本発明による他の目的は、径方向軸受負荷の少なくとも一部を支持する少なくとも径方向軸受機能を備える径方向磁束磁気発電機を含むハイドロタービン発電機を提供することである。
【００１９】
本発明による更に他の目的は、径方向及び／又は軸方向軸受負荷の少なくとも一部を支持する径方向及び／又は軸方向軸受機能を備える角磁束磁気発電機を含むハイドロタービン発電機を提供することである。
【００２０】
本発明による他の目的は、本発明の１つ又は複数のかかる一方向ハイドロタービン発電ユニットを、先行技術の限界の幾つかに対処する海岸に立地する配電システムに接続する配置を提供することである。
【００２１】
本発明の他の利点は、詳細な説明と共に図面を検討することによって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
次に図面を参照して本発明の装置及び方法を説明する。
【００２３】
【図１】本発明によるディフューザを有する一方向ハイドロタービンの水平断面積である。
【図２】本発明による一方向ハイドロタービン内のディフューザダクト湾曲部の断面図である。
【図３】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と出口とを有するディフューザダクトの斜視図である。
【図４】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と出口とを有するディフューザダクトの斜視図である。
【図５】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と出口とを有するディフューザダクトの側立面図である。
【図６】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と出口とを有するディフューザダクトの平面図である。
【図７】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と出口とを有するディフューザダクトの後立面図である。
【図８】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と長円形の入口とを有するディフューザダクトの斜視図である。
【図９】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と長円形の出口とを有するディフューザダクトの斜視図である。
【図１０】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と長円形の出口とを有するディフューザダクトの側立面図である。
【図１１】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と長円形の出口とを有するディフューザダクトの平面図である。
【図１２】本発明による一方向ハイドロタービン内の円形の入口と長円形の出口とを有するディフューザダクトの後立面図である。
【図１３】本発明による一方向ハイドロタービン内の横向きの吸気フード及びベントを有するディフューザダクトの斜視図である。
【図１４】本発明による一方向ハイドロタービン内の横向きの吸気フード及びベントを有するディフューザダクトの斜視図である。
【図１５】本発明による一方向ハイドロタービン内の横向きの吸気フード及びベントを有するディフューザダクトの側立面図である。
【図１６】本発明による一方向ハイドロタービン内の横向きの吸気フード及びベントを有するディフューザダクトの平面図である。
【図１７】本発明による一方向ハイドロタービン内の横向きの吸気フード及びベントを有するディフューザダクトの後立面図である。
【図１８】本発明による一方向ハイドロタービン内の後部拡散切り欠き部を有するディフューザダクトの斜視図である。
【図１９】本発明による一方向ハイドロタービン内の後部拡散切り欠き部を有するディフューザダクトの斜視図である。
【図２０】本発明による一方向ハイドロタービン内の後部拡散切り欠き部を有するディフューザダクトの側立面図である。
【図２１】本発明による一方向ハイドロタービン内の後部拡散切り欠き部を有するディフューザダクトの平面図である。
【図２２】本発明による一方向ハイドロタービン内の後部拡散切り欠き部を有するディフューザダクトの後立面図である。
【図２３】本発明による一方向ハイドロタービン内の斜面を有するディフューザダクトの斜視図である。
【図２４】本発明による一方向ハイドロタービン内の斜面を有するディフューザダクトの斜視図である。
【図２５】本発明による一方向ハイドロタービン内の斜面を有するディフューザダクトの側立面図である。
【図２６】本発明による一方向ハイドロタービン内の斜面を有するディフューザダクトの平面図である。
【図２７】本発明による一方向ハイドロタービン内の斜面を有するディフューザダクトの後立面図である。
【図２８】本発明によるダクト付き一方向タービン内の個体ハブを有する単一タービン発電機ユニットの平面断面図である。
【図２９】本発明によるダクト付きの一方向タービン内のハブを貫通する縦穴を有する単一タービン発電機ユニットの平面断面図である。
【図３０】本発明のある実施形態による上反りのハイドロタービンブレードの斜視図である。
【図３１】本発明のある実施形態による図３０に示す例示的ハイドロタービンブレードの平面図である。
【図３２】本発明のある実施形態による図３０に示す例示的ハイドロタービンブレードの背面図である。
【図３３】本発明のある実施形態による図３０に示す例示的ハイドロタービンブレードの側面図である。
【図３４】本発明のある実施形態による、傾斜先端部を有するハイドロタービンブレードの斜視図である。
【図３５】本発明のある実施形態による図３４に示す例示的ハイドロタービンブレードの平面図である。
【図３６】本発明のある実施形態による図３４に示した例示的ハイドロタービンブレードの正面図である。
【図３７】本発明のある実施形態による図３４に示して例示的ハイドロタービンブレードの側立面図である。
【図３８】本発明のある実施形態による、先端傾斜面ブレードを備えるハイドロタービン発電機の断面図である。
【図３９】本発明のある実施形態による複数のビード面特徴を備える上反りのハイドロタービンブレードの斜視図である。
【図４０】本発明のある実施形態による図３９に示す例示的ハイドロタービンブレードの平面図である。
【図４１】本発明のある実施形態による図３９に示す例示的ハイドロタービンブレードの背面図である。
【図４２】本発明のある実施形態による図３９に示す例示的ハイドロタービンブレードの側面図である。
【図４３】本発明のある実施形態による、テーパ状先端部を備える例示的ハイドロタービンブレードの背面図である。
【図４４】本発明のある実施形態による、前方にバイアスされたテーパ状先端部を備える例示的ハイドロタービンブレードの背面図である。
【図４５】本発明のある実施形態による、後方にバイアスされた先端テーパ部を備える例示的ハイドロタービンブレードの背面図である。
【図４６】本発明のある実施形態による、磁気発電機及び軸受を有するハイドロタービン発電機の概略断面図である。
【図４７】本発明の選択的実施形態によるハイドロタービンの摩擦防止軸受の断面図である。
【図４８】本発明の別の選択的実施形態によるハイドロタービンの摩擦防止軸受の断面図である。
【図４９】本発明の選択的実施形態によるハイドロタービンの流体軸受の断面図である。
【図５０】本発明の実施形態による潮流タービン発電機ファーム６００の概略図である。
【図５１】本発明のある実施形態による潮流ＡＣ並列タービン発電機ファーム７００の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態の水平立面断面図が示されている。ディフューザダクトを有する一方向タービン発電機ユニット１０は、単一のタービン発電機ユニット１０として、又は通常は河川環境に配備される複数のタービン発電機ユニット１０として使用されてもよいが、この設計は海中の潮流領域、放水路などのその他の環境、又は風力エネルギーユニットで使用されてもよい。ユニット１０は、一方向の海洋循環又は海流タービンとして、その他の一方向の自由流の利用分野、又はプロペラ又はポンプ、又はタービンモードとプロペラ／ポンプモードの両方で動作するシステム用に往復的に使用されてもよい。タービン発電機ユニット１０の目的は、環境に対して最小限の影響しか及ぼさずに水流を使用して効率的に発電することである。好ましい実施形態は、河川及び／又は海洋に装備するために最適化される。本発明が改良型の流体力学、発電機、軸受及びブレード設計上の特徴を有し、結果として浅い河川の利用分野、並びに深い海流の立地に適し、環境を損なわない、（製造、保守、及び運転の観点から）効率が高く且つ複雑ではない効率的な発電機ユニットを提供することは明らかであろう。
【００２５】
タービン発電機ユニット１０は、一方では上流又は入口端に取水口を、他方では下流又は出口端に排水口を有する２つの端部を中心線の周囲に有する。水流１００の方向と概ね平行な軸を有するハブ２０が、タービン発電機１０の中心縦軸に沿って配置される。ハブ２０は、有利にはいずれかの流体力学的形状に形成されるハブノーズ２１を入口端に有している。ハブノーズ２１は、ダクト４０への、又はそこからの抗力を最小限にするためにＳ字曲線の形状でもよく、又はＳ字曲線形のキャップを有してもよい。一連のベーンがタービンブレードの上流及び／又は下流に位置し、ハブ２０の周囲に径方向に配置されている。特定の利用分野の流体力学的及び構造的な必要条件に応じて決定し得るような任意の数のベーンを実装してもよい。中心ハブは好ましくは、ハブ２０の内壁により画成される縦穴を含んでいる。ハブ２０の内壁は、内径が一定の円筒を形成してもよい。選択的実施形態では、ベンチュリ効果で縦穴を貫流する水の流速を高めるため、ハブ２０の内壁はテーパ状であってもよい。このような選択的実施形態の１つでは、内壁の狭い中心部へ向かうテーパ形状は、入口端ではより鋭く急な角度をなすのに対して、出口端へ向かうとハブ２０の内壁はより緩やかな、広がった末広状である。縦穴又は中心穴は、結果として生じるハブ２０の下流での流れの分岐を低減し、ひいてはタービン環部又は流れ領域を通る全質量流量を増加させる。変形形態では、中央穴がなく、それによって軸受の構造を小型化できる。
【００２６】
ディフューザダクト４０は、ハブ２０の縦軸の周囲に配置されてダクトを形成し、径方向向きのロータを格納する中空円筒である。ダクト４０は、内径が一定又はテーパ状の円筒でよく、又は選択的に、ダクト４０を貫流する水の質量流量を増大するために内壁がテーパ状でもよい。加えて、ダクト４０は取水端又は入口４２に開口を有し、且つ流排水端又は出口４３に開口を有する。特定の実施形態では、入口４２は立面図で円形であり、出口４４は、比較的浅い場合がある立地、又は（例えば河川又は海路などの）ナビゲーションクリアランス制限のある立地でのタービン１０の高さ形状を最小限にし、しかも流量、タービンブレードの直径、ひいては電力出力を最大限にするために長円形である。したがって、ダクトの垂直寸法は水平寸法よりも小さい。あるいは、２つの端部、すなわち前部／上流取水口又は入口４２、及び後部／下流出口４４は概ね円形、長円形、長楕円形、楕円形又はこれらのいずれかの組み合わせでよい。
【００２７】
本発明の一実施形態では、ダクト４０の入口４２は入口の断面積を画成してもよく、ダクト４０の出口４４は出口の断面積を画成してもよい。このような実施形態では、ダクト４０の入口と出口の断面積のサイズは望ましくは、単独での据え付け、又はより望ましくは、例えば発電機ファームで見られるような発電機ユニット１０の配列での据え付けなどの、特定の一方向水流環境向けの発電を最適化するために望ましいような、ハイドロタービン発電機ユニット１０の流体力学的効率が最適になるようなサイズでよい。このような実施形態では、最適な流体力学的な流れを示し、ひいては発電性能を示す入口と出口の断面積に関する設計上の特性は既に決定されており、本明細書に開示される。ダクト４０の入口の断面積に対する出口の断面積の比率（Ａｏｕｔｌｅｔ／Ａｉｎｌｅｔ）の最適な範囲は、本発明の好ましい実施形態により１．１〜２．１の間であることが判明している。上記のダクト４０の入口の面積に対する出口の面積の幾何学的範囲は、望ましくは、発電機ユニット１０を通り、その下流に至る拡散水流に関連する利点をもたらすことができ、しかも不都合に大型のダクト出口の設計の潜在的な負の影響が回避される。したがって、上記のダクト４０の幾何学的範囲（Ａｏｕｔｌｅｔ／Ａｉｎｌｅｔ）は望ましくは、ダクト４０により発電機に加えられる構造負荷の軽減、ダクト４０による流体力学的抗力の軽減、ダクト４０の製造、装備、及び保守／修理コストの低減、ダクト４０の全体的な奥行きと長さとの縮小、及び望ましくは発電機配列又はファーム構成などにおける１つ又は複数の上流ユニットの、１つ又は複数の下流のユニットに及ぼす影響を軽減し、それによって一方向の流体流資源の最適な活用をもたらし得る下流の乱流の発生の低減のうちの１つ又は複数の利点をもたらし得る。
【００２８】
ダクト４０の末広の特徴又はテーパ状の直径は、ダクトの拡散効率を最大にする幾何学的関係によって記述し得る。ある実施形態では、入口４２は立面図で概ね円形であり、出口４２は長円形である。図２は、ダクトの末広部分の始点から下流又は出口縁までのダクト４０の内表面の形状を示す。最適な流れを示し、ひいては発電特性を示すダクト４０の設計上の特性は既に決定されており、本明細書に開示される。ダクト４０の最適な性能範囲は、（１．５≦α／β≦２．５）である時に達成され、α及びβは以下のように定義される。すなわち、βは図２に示す出口４４の端部の内壁上の、ダクト４０の末広部分の始点にある第１のポイントと、（タービン１０の縦軸に沿った）第１のポイントから直ぐ下流のポイントである第２のポイントの２つのポイントに沿って形成される線のタービン０の中心縦軸からの偏向角であり、αはタービン１０の縦軸に対して出口４４でのダクト４０の内表面に接する線の偏向角である。以下に図２で概要を示すように、ベータに対するアルファの関係、すなわちアルファをベータで割った数値（α／β）が１．５未満である場合は、抽出される電力量は低減する。βに対するαの関係が所定範囲内にある場合は、水流は分岐し、構造抗力が増大し、乱流が増加し、これがいずれかの後続の下流のタービンユニット１０に影響を及ぼすことがある。上記で定義した幾何学的関係は製造を容易にする利点をもたらし、ひいては製造コストが節減される。
【００２９】
動作時に、ディフューザダクト４０はタービンによって抽出される電力を増加又は増大する。所与の水深からのエネルギ抽出を最大にするようにこのダクトの形状を画成することが重要である。したがって、ディフューザダクトは図２〜７に示すように両端が円形でもよく、又は垂直高さを最小限にし、しかもなお図８〜１２に示すダクト４０の拡散能力を最大にするために、出口４４の形状を長円形にしてもよい。深さが限定された立地でのブレードの最大直径又は長さは、長円形のディフューザダクト４０の出口４４によって達成され、これには性能の向上という利点が伴う。ディフューザ４０は、更に選択的に１つ又は複数の追加の特徴、すなわち吸気ベント、後部拡散切り欠き部、及びこのダクトの性能を更に高める入口流エンハンサを組み込んでもよい。
【００３０】
最適な性能を達成するため、幾つかの実施形態ではダクト４０の側面の外表面にカウリング、スクープ又は吸気フード４６が設けられる。好ましい実施形態では、比較的浅い環境、又は表面トラフィック及び浅い表面下のトラフィックへの影響を避けることが望ましい環境で垂直形状を低く保つため、吸気フード４６はダクト４０の上部／背面又は底部／前面の外表面には位置しておらず、最適に側部表面に位置している。このような特定の実施形態では、ダクト４０の各々の側部表面に１つずつ、２つのフード４６が設けられる。各フード４６は、ダクト４０の上流又は吸気端に前部開口、密閉された側面、及びダクト４０の後端又は出口端でフード４６の上部パネルが当接し、ダクト４０の外表面と隣接するように、ダクト４０の傾斜に向かって徐々にテーパ状になる上部パネルを含む。ダクト４０の側壁には切り欠き部又はベント４８が設けられ、これは最適にはフード４６の上部パネルの面積と概ね同じ面積である。これらのベント４８の利点は、図１３〜１７に示すようにダクト４０の全体的なサイズを増大せずに補足的な流量制御を行うことである。吸気ベント４６の開口又は上部パネルの面積の相対的サイズ、又はベント４８の開口面積との比率は、特定の実施形態に応じて変更されてもよく、特定のタービンの立地の特定の利用分野又は必要条件に有利であるように、流体流速、タービンブレードのサイズ、ディフューザダクト４０の寸法、及びタービンの入口４２又は出口４４のサイズのうちの１つ又は複数に応じて選択されるような任意の好適なサイズにされてもよい。一実施形態では、計算流体力学法などの技術を用いて、例えば吸気フード４６の開口又は上部パネル、ベント４８の面積の適切なサイズ及び／又は比率を決定してもよい。
【００３１】
好ましい実施形態では、図１８〜２２に示すように、ダクト４０の後縁部にある上部及び底部とも呼ばれる上下の部分に後部拡散切り欠き部５０が設けられる。したがって、後部ダクト４０の縁部は事実上ダクト４０の前部領域の方向に偏向している。切り欠き部５０は、好ましい実施形態では長円形のダクト４０の概ね直線部分であるディフューザ４０の後縁部の直ぐ背後の乱流又は非層流による損失を低減する。したがって、切り欠き部５０は水流拡散の改善、タービンからのウェイク電力の低減及び電力の増大に効果がある（図１８〜２２）。特定の実施形態では、切り欠き部５０は、ディフューザダクト４０の構造健全性を過度に損なわずに、切り欠き部５０が、長円形のダクト４０の切り欠き部５０の形状を画成する連続輪郭を有する平坦部をできるだけ縮小するような好適なサイズにされてもよい。
【００３２】
好ましい実施形態では更に、図２３〜２７に示すように、ダクト４０面の入口流増強特徴５４又は流体力学的形状が備えられる。この特徴は、ダクト４０の上縁部の前、又は前方の突出する入口４２の下縁部を形成する。突出するダクト４０の下縁部、又は長円形の面５はタービン内の流れを改善し、全体の効率を高める。長円形の面５４は、タービン０を貫流する流体流を均一な流れに近づけることによってこの流れを増強する。長円形の面５４、又はショベルマウスによって更に、水流が徐々にタービン１０内に流入し、ひいては水流がタービン１０の周囲で分流する傾向を低減させる。
【００３３】
ある変形形態では、軸受の構造をより小型にするため、図２８に示すようにハブ２０は縦穴を有していなくてもよい。
【００３４】
好ましい実施形態では、図２９に示すように、ハブ２０はこれを貫通する縦穴と、ハブ２０に取り付けた２つ以上のタービンブレード６０を含む。
【００３５】
図３０を参照すると、本発明のある実施形態による上反りのハイドロタービンブレード２００の斜視図が示されている。ハイドロタービンブレード２００は、本発明のある実施形態によるハイドロタービンのハブの近傍に位置するブレード根元部２０１を備え、このようなハブ（図示せず）に取り付けるようにされている。本発明によるハイドロタービンは一実施形態では、２つから６つの、又はそれ以上のタービンブレード２００を備え、これらのタービンブレードはハイドロタービン（図示せず）のハブに取り付けられてタービンロータを形成する。一実施形態では、ハイドロタービンロータは３つ又は６つのタービンブレード２００を備えてもよい。
【００３６】
例示的なタービンブレード２００は更に、根元部２０１から遠位に先端部２０２を備えている。一実施形態では、タービンブレード２００は、ブレード２００の翼幅に沿って根元部２０１と先端部２０２との間に径方向外側に延びるねじれ部を組み込んでもよい。一実施形態では、このような径方向又は翼幅方向のねじれ部は、平均速度、速度変化、乱流などを含んでもよい流体流特性などの要因を考慮しつつ、河川又は海流などの特定の水中流体流の環境での利用範囲に適するかどうかに基づいて決定されてもよい。
【００３７】
タービンブレード２００は更に、ブレードを通過して流れる（例えば河川及び／又は海流などの）流体から揚力を生成するように、ブレード根元部２０１で示されるような流体力学的形状などの流体力学的形状を備えている。一実施形態では、ブレード２００のこのような流体力学的形状は、翼弦に対して非対称の上反りの形状を備えてもよい。このような実施形態では、先行技術から公知であるなどのいずれかの好適なこのような上反りのブレード形状をタービンブレード２００で使用してもよい。特にハイドロタービンの特定の利用分野に適するような公知の上反りの形状から好適な上反りのブレード形状を選択してもよく、これは例えば特定の利用分野で多く見られる流体流の条件に応じて決定されてもよい。
【００３８】
図３１を参照すると、本発明のある実施形態による、図３０に示す例示的ハイドロタービンブレードの平面図が示されている。図３１では、平面図で見るブレード根元部２０６及びブレード先端部２０７の輪郭形状にブレード２００の上反りの流体力学的形状を明瞭に見ることができる。前述のように、例示的タービンブレード２００では、ブレードの形状は図３１により明瞭に見られるように、本発明によるハイドロタービンブレードのハブの近傍にありハブに取り付け可能なブレード根元部２０６と、該根元部２０６から径方向遠位にあるブレード先端部２０７との間に径方向に延びる径方向又は翼幅方向のねじれ部を備えている。
【００３９】
図３２を参照すると、本発明のある実施形態による、図３０に示す例示的ハイドロタービンブレード２００の後立面図が示されている。図３２に示すように、一実施形態では、ハイドロタービンブレード２００は更に、タービンブレード根元部２０８と先端部２０９との間に延びる翼幅方向の、又は径方向のテーパ部を備えてもよい。このような実施形態では、図３２に示すように、タービンブレード２００は望ましくは、ハイドロタービンのハブの近傍に位置しハブに取り付け可能なタービンブレード根元部２０８の翼弦寸法（翼弦が広い）が、ブレード根元部２０８から径方向遠位の（翼弦が狭い）タービン先端部２０９よりも大きいタービンブレードでよい。
【００４０】
図３３を参照すると、本発明のある実施形態による、図３０に示す例示的ハイドロタービンブレード２００の側面図が示されている。図３３に示すように、ハイドロタービンブレード２００は更に、タービンブレード根元部２０５と先端部２１０との間に翼幅方向又は径方向の翼厚テーパ部を備えてもよい。図３３に示すようなこのような実施形態では、タービンブレード２００の流体力学的形状の翼厚は、本発明のある実施形態によるハイドロタービンのハブの近傍に位置しハブに取り付け可能なブレード根元部２０５の方が、流体力学的な翼厚が相対的に薄いブレード先端部２１０よりも厚い。
【００４１】
図３４を参照すると、本発明のある実施形態による、傾斜先端部２１８を有するハイドロタービンブレード２１１の斜視図が示されている。ハイドロタービンブレード２１１は、本発明のある実施形態によるハイドロタービンのハブの近傍に位置するようにされ、且つこのようなハブ（図示せず）に取り付けるようにされ、例えば２つから６つ又はそれ以上のタービンブレード２１１を備える例示的ハイドロタービンロータのなどのタービンロータを形成するブレード根元部２１９を備えている。一実施形態では、ハイドロタービンロータは３つ又は５つのタービンブレード２１１を備えてもよい。
【００４２】
例示的ハイドロタービンブレード２１１は更に、根元部２１９から遠位にある傾斜先端部２１８を備えている。傾斜先端部２１８は、ブレード２１１の極先端を含むブレード２１１の先端長の少なくとも一部を含んでいる。一実施形態では、傾斜先端部２１８は、タービンブレード２１１の長さの残りの大部分に対して上反角をなして配向される。特定の実施形態では、ブレードの傾斜先端部２１８をタービンブレード２１１から区画するこのような上反角は、例えば約２°〜４０°の間でよい。
【００４３】
選択的に、タービンブレード２１１は、根元部２１９と傾斜先端部２１８との間に径方向外側に延びるねじれ部をブレード２１１の翼幅に沿って組み込んでもよい。前述したと同様に、一実施形態では、このような径方向又は翼幅方向のねじれ部は、平均速度、速度変化、乱流などを含んでもよい流体流特性などの要因を考慮しつつ、河川又は海流などの特定の水中流体流の環境での利用範囲に適するかどうかに基づいて決定されてもよい。これも前述したと同様に、タービンブレード２１１は更に、ブレードを通過して流れる（例えば河川及び／又は海流などの）流体から揚力を生成するように、ブレード根元部２１９で示されるような流体力学的形状などの流体力学的形状を備えている。一実施形態では、ブレード２１９のこのような流体力学的形状は、翼弦に対して非対称の上反りの形状を備えてもよい。このような実施形態では、先行技術から公知であるなどのいずれかの好適なこのような上反りのブレード形状をタービンブレード２１９で使用してもよく、これは例えば特定の利用分野で多く見られる流体流の条件に応じて選択されてもよい。
【００４４】
図３５を参照すると、本発明のある実施形態による、図３４に示す例示的ハイドロタービンブレード２１１の平面図が示されている。図３５では、断面図で見るブレード根元部２１５及びブレードの傾斜先端部２１４の輪郭形状にブレード２１１の上反りの流体力学的形状を明瞭に見ることができる。前述のように、選択的実施形態ではタービンブレード２１１のブレード形状は選択的に、図３５から分かるように、本発明によるハイドロタービンのハブの近傍にありハブに取り付け可能なブレード根元部２１５と、該根元部２１５から径方向遠位にあり且つタービンブレード２１１の主要部に対して上反角又は傾斜角をなして整列されたブレード先端部２１４との間に径方向に延びる径方向又は翼幅方向のねじれ部を備えてもよい。
【００４５】
図３６を参照すると、本発明のある実施形態による、図３４に示す例示的ハイドロタービンブレード２１１の正面図が示されている。図３６に示すように、一実施形態では、ハイドロタービンブレード２１１は更に、タービンブレード根元部２１と先端部２１７との間に延びる翼幅方向又は径方向のテーパ部を備えてもよい。このような実施形態では、図３２に示すように、タービンブレード２１１は望ましくは、ハイドロタービンのハブの近傍に位置しハブに取り付け可能な（翼弦が広い）タービンブレード根元部２１７の翼弦寸法が、ブレード根元部２１７から径方向遠位の（翼弦が狭い）タービン先端部２１６よりも大きいタービンブレードでよい。更に、選択的実施形態では、ブレード先端部２１６はブレード２１１の前縁部又は後縁部のいずれかの方向にバイアスされ、又は傾斜され、それぞれ前方傾斜ブレード又は後方傾斜ブレード２１１になるようにしてもよい。このような一実施形態では、図３６に示すように、ブレードの傾斜先端部２１６は、（例えば上向きの傾斜を有する）ブレード２１１に対して上反角をなして位置してもよく、さらに、タービンブレード２１１の前縁部（例えば、上向きの傾斜）に向かって傾斜又はバイアスされていてもよく、したがって、これを例えば上向きと下向きの両方の傾斜先端部２１６を有する二重傾斜タービンブレード２１１と呼んでもよい。本発明の一実施形態では、二重傾斜タービンブレード２１１は望ましくは、本発明のある実施形態によるハイドロタービン発電機のタービンブレード２１１の性能及び／又は効率を高めるようにタービンブレード２１１に沿った径方向の流速分布を修正してもよい。
【００４６】
図３７を参照すると、本発明のある実施形態による、図３４に示す例示的ハイドロタービンブレード２１１の側立面図が示されている。図３７に示すように、且つ前述したと同様に、ハイドロタービンブレード２１１は更に、タービンブレード根元部２１３と傾斜先端部２１３との間に延びる翼幅方向の、又は径方向のテーパ部を備えもよい。このような実施形態では、図３７に示すように、タービンブレード２１１の流体力学的形状の翼厚は望ましくは、本発明のある実施形態によるハイドロタービンのハブの近傍に位置しハブに取り付け可能なブレード根元部２１３の方が、流体力学的な翼厚が比較的薄いブレード先端部２１２よりも厚い。
【００４７】
図３８を参照すると、本発明のある実施形態による、前方傾斜ブレード２２１、２２２を備えるハイドロタービン発電機２２０の断面図が示されている。ハイドロタービン発電機２２０は、外側のダクト又はハウジング２２４と、流体及び／又は海洋生物がハブ２２５を通過できるようにハブ２２５を貫いて軸方向に延びる中心穴２２３を設けた内側のハブ２２５とを備えている。図３８から分かるように、タービンブレード２２１及び２２２は多翼ハイドロタービンロータを形成するように、その根元部でハブ２２５に取り付けられる。更に、図３８に示す実施形態では、タービンブレード２２１及び２２２は、タービン２２０の前側又は上流側へ、すなわちタービンハブ２２５の上流端へ前方傾斜角をなして傾斜してタービンハブ２２５に取り付けられる。このような実施形態では、タービンハブ２２５に取り付けるタービンブレード２２１及び２２２の前方傾斜角は、ハイドロタービン２２０のタービンブレード２２１及び２２２の性能及び／又は効率を高めるように、水中流体流の環境でのハイドロタービン２２０の使用中に、ブレード２２１及び２２２に沿った流体の径方向の流速分布を修正するように機能してもよい。
【００４８】
図３９を参照すると、本発明のある実施形態による、多翼表面特徴２３３、２３４を備える上反りのハイドロタービンブレード２３０の斜視図が示されている。ハイドロタービンブレード２３０は、本発明のある実施形態によるハイドロタービンのハブの近傍に位置するようにされ、且つこのようなハブ（図示せず）に取り付けるようにされ、例えば３つから５つ又はそれ以上のタービンブレード２３０を備える例示的ハイドロタービンロータのなどのタービンロータを形成するブレード根元部２３２を備えている。別の実施例で前述したと同様に、一実施形態では、ハイドロタービンロータは３つ又は５つのタービンブレード２３０を備えてもよい。
【００４９】
例示的タービンブレード２３０は更に、ブレード２３０の径方向の最も遠位範囲に、根元部２３０から遠位に位置する先端部２３１を備えている。選択的に、タービンブレード２３０は、ブレード２３０の翼幅に沿って根元部２３２と先端部２３１との間に径方向外側に延びるねじれ部を組み込んでもよい。前述したと同様に、一実施形態では、このような径方向又は翼幅方向のねじれ部は、平均速度、速度変化、乱流などを含んでもよい流体流特性などの要因を考慮しつつ、河川又は海流などの特定の水中流体流の環境での利用範囲に適するかどうかに基づいて決定されてもよい。
【００５０】
タービンブレード２３０は更に、ブレードを通過して流れる（例えば河川及び／又は海流などの）流体から揚力を生成するように、ブレード根元部２３２で示されるような流体力学的形状などの流体力学的形状を備えている。図３９に示すように、一実施形態では、ハイドロタービンブレード２３０のこのような流体力学的形状は、翼弦に対して非対称の上反りの形状を備えてもよい。更に、一実施形態では、タービンブレード２３０の流体力学的形状は望ましくは、２３３及び２３４などの２つ以上のビード面特徴を備えてもよい。好ましくは、このような複数のビード面特徴２３３及び２３４は、流体力学的形状の低圧又は吸引側に沿って位置してよく、少なくとも１つのビード面特徴２３３は流体力学的形状の上流又は前縁方向に位置し、少なくとも１つのビード面特徴２３４は第１の特徴２３３に対して流体力学的形状の相対的下流、又は後縁方向に位置する。このようにして、例示的なビード被覆されたハイドロタービンブレード２３０の複数のビード面特徴２３３及び２３４は望ましくは、例えばタービンブレード２３０の翼弦に沿った下流の距離がより長い場合にブレード２３０の近傍で低圧の条件を保つように、動作中にブレード２３０の低圧又は吸引側の近傍に実質的な層流境界条件を改善のために再付着してもよい。別の実施形態では、望ましくは複数のビード面特徴２３３及び２３４は、望ましくはブレード２３０の反対側すなわち高圧側で相対的に高圧の流体流を保つことで、流動流体環境での使用中にタービンブレード２３０の揚力を高め、且つ／又は抗力特性を弱めるように、ブレード２３０の低圧又は吸引側の近傍の流体流の流れの乱流を低減してもよい。このような一実施形態では、ブレード２３３の複数のビード面特徴２３３及び２３４は、図３９に示すように翼形の低圧又は吸引側からの円形凸曲面又は突起部を備えてもよく、更に、望ましくはタービンブレード２３０の翼幅の概ね全体に沿って根元部２３２から先端部２３１へと延びてもよい。別の実施形態では、ブレードの複数のビード面特徴２３３及び２３４は、タービンブレード２３０の翼幅に沿って先端部２３１の方向に途中まで延びてもよい。選択的実施形態では、特徴２３３及び２３４などのブレードのビード面特徴の数は、例えば、特定の運転環境でのタービンブレード２３０の性能を高めるために望ましいように、ブレードの任意数のビード面特徴でよい。更に別の実施形態では、タービンブレード２３０は、ブレード２３０の圧力側の流体力学的形状の上流又は前縁方向に位置する少なくとも１つのビード特徴、及び第１の特徴に対して流体力学的形状の相対的下流、又は後縁方向に位置する少なくとも１つのビード特徴などのブレード２３０の高圧側に位置する複数のビード面特徴を備えてもよい。選択的実施形態では、このようなビード面特徴はタービンブレード２３０の圧力側にだけ位置してもよく、又は別の選択的実施形態によれば、タービンブレード２３０は、ブレード２３０の高圧側と低圧側の両方に複数のビード面特徴を備えてもよい。
【００５１】
図４０を参照すると、本発明のある実施形態による、図３９に示す例示的な複数のビード面特徴を有するハイドロタービンブレード２３０の平面図が示されている。図４０では、平面図で見てブレード根元部２３６とブレード先端部２３５との輪郭形状に例示的な複数のビード面特徴２３７及び２３８を備えるブレード２３０の上反りの流体力学的形状を見ることができる。前述したと同様に、選択的実施形態では、タービンブレード２３０のブレード形状は選択的に、本発明によるハイドロタービンのハブの近傍にありハブに取り付け可能なブレード根元部２３６と、該根元部２３６から径方向遠位にあるブレード先端部２３５との間に径方向に延びる径方向又は翼幅方向のねじれ部を備えてもよい。別の実施形態では、ブレード２３０の複数のビード面特徴２３７及び２３８は望ましくは、タービンブレード２３０の翼幅の概ね全体に沿って根元部２３６から先端部２３５へと延びてもよい。
【００５２】
次いで図４１を参照すると、本発明のある実施形態による、図３９に示した例示的ハイドロタービンブレード２３０の背面図が示されている。図４１に示すように、一実施形態ではハイドロタービンブレード２３０は更に、タービンブレード根元部２４０と先端部２３９との間に延びる翼幅方向又は径方向のテーパ部を備えてもよい。このような実施形態では、図４１に示すように、タービンブレード２３０は望ましくは、ハイドロタービンのハブの近傍に位置しハブに取り付け可能な（翼弦が広い）タービンブレード根元部２４０の翼弦寸法が、ブレード根元部２４０から径方向遠位の（翼弦が狭い）タービン先端部２３９よりも大きいタービンブレードでよい。
【００５３】
次いで図４２を参照すると、本発明のある実施形態による、図３９に示す例示的ハイドロタービンブレード２３０の側立面図が示されている。図４２に示すように、且つ前述したと同様に、ハイドロタービンブレード２３０は更に、タービンブレード根元部２４２と先端部２４１との間に翼幅方向又は径方向の翼厚テーパ部を備えてもよい。図４２に示すこのような実施形態では、タービンブレード２３０の流体力学的形状の翼厚は、本発明のある実施形態によるハイドロタービンのハブの近傍に位置しハブに取り付け可能なブレード根元部２４２の方が、流体力学的な翼厚が相対的に薄いブレード先端部２４１よりも厚い。
【００５４】
図４３は、本発明のある実施形態によるテーパ状先端部２５３を備える例示的ハイドロタービンブレード２５０の背面図である。タービンブレード２５０のブレード先端部２５３のテーパ部は好ましくは、別の実施形態を参照して前述したように根元部２５４と先端部との間のブレード２５０の翼弦の長さにわたる選択的な漸次的な翼幅方向の径方向テーパ部よりも顕著であり、且つブレード先端部２５３の中間領域に局限化されている。特に、タービンブレード２５０の局限化されたテーパ状先端部２５３は望ましくは、流動流体流環境でのタービンの水中での使用中にタービンブレード２５０の先端部を通過する流体流の先端渦の激しさを低減する機能を果たし得る。流動流体に発生する先端渦のこのような軽減は望ましくは、流体を通って移動するブレード２５０が受ける抗力を低減するなどによって、タービンブレード２５０の効率を高め、ひいては望ましくは、タービンブレード２５０により抽出される電力の改善をもたらし得る。
【００５５】
図４４は、本発明のある実施形態による、前方にバイアスされた先端テーパ部を備える例示的ハイドロタービンブレード２５１の背面図を示している。タービンブレード２５１のテーパ状ブレード先端部に局限化されたテーパ部は、ブレード２５１の前縁又は後縁部２５７の方向にバイアスされ、概ね鋭角でタービンブレード２５１の前縁部２５７と接する。図４３で前述したと同様に、ブレード先端部２５５でのタービンブレード２５１のテーパ部は好ましくは、根元部２５６と先端部２５５との間のブレード２５１の翼弦の長さにわたる選択的な漸次的な翼幅方向の径方向テーパ部よりも顕著であり、且つブレード先端部２５５の中間領域に局限化されている。更に前述したと同様に、タービンブレード２５１の局限化されたテーパ状先端部２５５は望ましくは、タービンブレード２５１の先端部を通過する流体流の先端渦の激しさを低減する機能を果たし得る。
【００５６】
図４５は、本発明のある実施形態による、後方にバイアスされた先端テーパ部を備える例示的ハイドロタービンブレード２５２の背面図である。タービンブレード２５２のテーパ状先端部２５９に局限化されたテーパ部は、前縁部２５８の反対側にブレード２５２の後縁又は尾縁部の方向にバイアスされる。したがって、後方にバイアスされたテーパ状先端部２５９は、概ね鋭角でタービンブレード２５２の後縁部に接する。図４３及び４４で前述したと同様に、ブレード先端部２５９でのタービンブレード２５２のテーパ部は好ましくは、根元部２６０と先端部２５９との間のブレード２５２の翼弦の長さにわたる選択的な漸次的な翼幅方向の径方向テーパ部よりも顕著であり、且つブレード先端部２５９の中間領域に局限化されている。更に前述したと同様に、タービンブレード２５２の局限化されたテーパ状先端部２５９は望ましくは、タービンブレード２５２の先端部を通過する流体流の先端渦の激しさを低減する機能を果たし得る。
【００５７】
次いで図４６を参照すると、本発明のある実施形態による、磁気発電機及び軸受を有するハイドロタービン発電機３００の概略断面図が示されている。ハイドロタービン発電機３００は、片面の軸方向磁束電磁発電機を有し、且つタービン発電機３００を通ってタービンブレード３１０を通過するように一方向流体流３０１を向ける外側ハウジング又はディフューザダクト３０２を備えている。タービンブレード３１０はタービンロータ構造に取り付けられ、このタービンロータ構造は好ましくは更に、外側軸受レース３１１と、タービンロータの周囲で概ね等間隔を隔てた複数のロータ永久磁石３１４とを備えている。ロータ永久磁石３１４は、一連のロータ永久磁石３１４の間の磁力線を閉じる機能を果たすロータのバックアイアン３１５に接合されている。タービンロータの構造は、中心の摩擦防止軸受３１２によって中心のタービンハブ構造の外側軸受レース３１１に回転自在に取り付けられ、中心軸３０４を中心に回転可能である。中心のタービンハブ構造は更に、好ましくはタービンハブの周囲で概ね等間隔を隔てた複数の積層ステータ鉄心電機子３１６を備えている。ステータ電機子３１６は各々、好ましくは概ねステータ電機子３１６内に収容される発電機のステータ巻線３１７を備えている。ステータ電機子３１６と固定内側軸受レース３１３とを含むタービンハブ構造は、いずれかの好適な機械的取付け手段３０３によって外側ハウジング又はディフューザダクト３０２に機械的に接合される。一実施形態では、タービンブレード３１０は、それに限定されないが前述のタービンブレードなどの一方向流体流タービンで使用するための任意の好適なブレード設計を備えている。別の実施形態では、ディフューザダクト３０２は、それに限定されないが上記に詳細に記載した一方向流体流タービンで使用する使用するためのいずれかの好適なダクト又はハウジング設計を備えている。更に、一実施形態では、ロータのバックアイアン３１５は、例えばロータの永久磁石３１４の間の閉じた磁束線に適するような積層又は鋳造バックアイアンを備えてもよい。
【００５８】
水中の一方向流体流環境で使用する場合、タービン発電機３００を貫流する流体流３０１は、タービンロータの回転タービンブレード３１０を回転させ、このタービンロータは更にロータの永久磁石３１４をステータ電機子３１６に対して回転させる。流体流３０１によるタービンブレード３１０のこのような回転駆動の結果、ブレードの軸方向スラスト３０５が生じ、このスラストはブレードに対する流体流によってタービンブレード３１０又はタービンロータ構造に作用し、且つ下流方向に向けられる。ステータ電機子３１６及びステータ巻線３１７に対するロータの永久磁石３１４の回転には、ステータ巻線３１７内の起電力を誘発し、この起電力は望ましくは、ロータ磁石３１４とステータ電機子３１６との間の単一のギャップ内の機械的軸受システム３１１−３１２−３１３を通る流体流３０１の機械的力を変換する手段を提供し、次いで、例えば給電線又は配電網への接続によるなどして、電気負荷に電力を供給する際に使用するためにタービン発電機３００から出力される電力を発電するため、ステータ巻線で発電用に使用されてもよい。タービン発電機３００は望ましくは、タービン３００の発電機内のロータ磁石３１４とステータ電機子３１６との間のギャップが河川又は海洋環境の場合に川の水や海水などの周囲流体が浸水、したがってロータ／発電機のギャップ内に高価で故障し易い可能性がある封止装置の必要がない水中流体環境で使用されてもよい。
【００５９】
本発明の一実施形態では、一方向タービン発電機３００は、ほぼ全ての回転機械と同様に水中流体流環境で回転させて使用する間に様々な過酷な負荷を受ける。タービンロータ軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３によって力とモーメントとが取り込まれ、タービンハブ及び／又は支持構造に伝達される。軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３は好ましくは、過酷な水辺又は海洋環境の水中で動作され、場合によっては保守又は交換期間の間などの延長期間に動作されてもよい。
【００６０】
図４６に示すような本発明の軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３は、タービンハブ内に格納される主要な支持部材である。したがって、タービンのロータ／ハブの軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３は、以下の複合的な荷重、すなわちタービンロータ上の軸受アセンブリによって加えられる径方向の力３０８によって平衡されるタービンロータの径方向荷重３０９（ロータの重量）、タービンブレード３１０及び電磁場によって生成される軸方向スラスト荷重３０５、並びに場合によって生じることがある過渡的なねじり荷重及び傾倒モーメントを受け入れ、これに耐えることができなければならない。軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３は望ましくは更に、タービン発電機３００を通過する流体流３０１の変動及び／又は乱流などにより回転及び直線加速度及び振動がある振動的な環境で動作しなければならない。その上、タービン発電機３００用の軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３の選択と配置は好ましくは、摩擦トルクを低減する目的で決定され、それによってハイドロタービン発電機３００の全体的な発電効率が高まる。加えて、本発明の一態様では、計画される保守及び交換が完了するまでシステムの健全性を保つような、発電機３００及び軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３の信頼性及び長い耐用性も重要である。
【００６１】
本発明の一実施形態では、タービン発電機３００は望ましくは、ハイブリッド型軸受アセンブリを備えることで軸受機能の少なくとも一部がタービンの磁気発電システムによって提供される。このような１つの配置では、タービン発電機は二要素の軸受、すなわち磁気及び摩擦防止軸受を組み込んでいる。別の選択的実施形態では更に、タービン発電機の軸受システムに第３の流体力学的軸受の要素を実装してもよい。軸受システムの様々な要素の組み合わせも考えられ、２つ以上のハイブリッド型軸受アセンブリを結合して、上記の軸受荷重要素の一部又は全部に対応するための特別なハイブリッド型軸受アセンブリを製造してもよい。更に別の実施形態では主として１つの軸受要素に依存し、他の軸受要素は軸受機能を二重にし、且つ／又は補完するために組み込んでもよい。
【００６２】
一実施形態では、タービン発電機３００のロータ永久磁石３１４は両方とも、タービンステータ（又はハブ）のステータ巻線３１７に電位を誘導する機能を果たし、更にステータ電機子３１６に永久に磁気的に吸引されることで、流体流３０１に対して上流方向に向けられる軸方向向きの永久的磁気吸引力３０６を提供し、それによってタービンブレード３１０にかかる下流の軸方向スラスト力３０５の少なくとも一部を平衡する役割を果たす。したがって、タービン発電機３００の軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３は望ましくは、タービンブレードの軸方向スラスト力３０５の低減した部分に耐えるだけでよく、したがってタービンの動作中に、軸受アセンブリは低減した軸方向の軸受力３０７を加えるだけで軸受スラスト力３０５の大きさを完全に平衡し得る。本発明のハイブリッド型磁気／摩擦防止軸受構造の軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３によって加えられる軸方向軸受力３０７の大きさをこのように低減する結果、望ましくは機械的摩擦防止軸受アセンブリ３１１−３１２−３１３にかかる摩擦と摩耗が低減し、したがって、軸受システムの効率、耐用性及び／又は信頼性を高め得る。更に、ロータ磁石３１４とステータ電機子３１６との間の軸方向の磁気吸引軸受力３０６の大きさは、タービンロータの回転速度の変化、流体流３０１の流速、及び発電機巻線３１７に加わる外部からの電気負荷による影響が比較的少ない。別の実施形態では、軸方向の磁気吸引軸受力３０６の大きさも、望ましくはタービンロータ内のロータ磁石３１４の磁極の磁気シーケンス又は配向（Ｎ−Ｓ又はＳ−Ｎ）による影響が概ね少ない。
【００６３】
別の実施形態では、二要素の磁気及び摩擦防止軸受システムは、径方向磁束永久磁石発電機要素と、摩擦防止軸受要素とを備えてもよい。このような実施形態では、径方向磁束発電機の永久磁石ロータの間の径方向向きの磁気吸引力は望ましくは、タービンロータの径方向重量を支持する径方向軸受力の少なくとも一部を提供する機能を果たしてもよい。このような構成では、ハイブリッド型の径方向磁気軸受及び摩擦防止軸受システムは望ましくは、発電機全体及びハイブリッド型軸受システムの径方向サイズを最小限にし、これは例えば利用できる水深が制限され、発電機／軸受アセンブリの径方向サイズを最小限に摺ることが流体力学的に好ましい環境で使用することが望ましい。
【００６４】
別の選択的実施形態では、二要素の磁気及び摩擦防止軸受システムは、角磁束永久磁石発電機要素と摩擦防止軸受要素とを備えてもよい。このような実施形態では、角磁束永久磁石発電機は、発電機の磁気磁石ロータとステータ素子との間の平面がハイドロタービン発電機の縦軸に対して鋭角をなすように傾斜することで、ロータとステータ要素との間の磁気吸引力が軸方向と径方向の両方の成分を備えるように構成されてもよい。したがって、このような軸方向と径方向の磁気吸引力は望ましくは、タービンロータの軸方向及び径方向の荷重を支持する軸方向と径方向の両方の軸受力の少なくとも一部を提供し得る。加えて、更に別の実施形態では、角磁束磁気発電機がタービン発電機の縦軸に対して位置する角度は望ましくは、発電機の軸方向の生成磁気吸引力がタービンブレードの軸方向スラスト力を概ね平衡するように最適化されてもよい。したがって、このような構成は望ましくは、軸方向と径方向の両方の機械的摩擦防止軸受要素への摩擦及びそれに関連する摩耗を低減し、したがって二要素の磁気及び摩擦防止軸受システムの効率、耐用性及び／又は信頼性を高め得る。
【００６５】
次いで図４７を参照すると、ハイブリッド型磁気及び摩擦防止軸受機能を組み込んだ本発明のある実施形態によるハイドロタービン摩擦防止軸受アセンブリの断面図が示されている。このような実施形態では、摩擦防止軸受４０１は、タービンハブ４１０の上流部分と下流のタービンハブ構造４０４との間に位置する固定シャフト４０８上に実装され、例えば保持ナット又はボルト４０６及び／又は例えば保持リング４０２などによって所定位置に適宜に固締又は保持される。タービン発電機のステータ鉄心４１１はステータ電機子と巻線とを備え、概ね剛性のステータプレート上に取り付けられて、概ね剛性のステータディスクを形成する。タービンロータの永久磁石レース４０７は、ロータの永久磁石を備え、摩擦防止軸受４０１に支承されるタービンロータ（又はタービンブレードリング）４０５上に取り付けられる。摩擦防止軸受４０１は、（タービンブレード４０３及びロータ磁石４０７アセンブリを備える）タービンロータ４０５の重量からの径方向荷重全体を支持し、更に、ロータ磁石４０７とステータ鉄心４１１との間の軸方向の磁気吸引力によって磁気的に平衡されない、タービンブレード４０３の軸方向スラスト荷重の残りの部分をも支持する。
【００６６】
タービン発電機ユニットが稼働中でない場合は、図４７に示すような摩擦防止軸受４０１は、タービンロータ磁石４０７とタービンステータ鉄心（すなわちステータ電機子）４１１との間の軸方向の磁気吸引力によって効果的に軸方向に予荷重がかけられる。タービンブレード４０３を通過する流体流によってタービン発電機が回転を開始した後、且つ継続的な水流内回転動作中に、タービンブレード４０３にかかる軸方向のスラスト力が摩擦防止軸受４０１の荷重を効果的に除き、摩擦防止軸受４０１によって支持される必要のある軸方向の平衡力を軽減する。したがって、図４７に示す実施形態のハイブリッド型磁気／摩擦防止軸受構造内での動作中、摩擦防止軸受４０１の荷重が上記のように軽減される結果、有利に摩擦防止軸受４０１への摩擦と摩耗とが低減し、したがって摩擦防止軸受４０１の、最終的にはハイドロタービン発電機の効率、耐用性及び／又は信頼性を高め得ることが望ましい。
【００６７】
図４７に示す実施形態では、軸受レース、転動／摺動軸受素子、軸受ケージなどを含む摩擦防止軸受４０１の要素は、周囲流体媒体、すなわち新気が溢れ、且つ／又は河川及び／又は海洋の利用分野では海水で水浸しになる完全な浸水状態で動作し得る。したがって、このような実施形態では、周囲水又はその他の流体の浸入を防止するような液封手段は高価且つ／又は故障し易いため、浸水する摩擦防止軸受４０１は望ましくはこれを必要とせず、又は使用しなくてよい。したがって、このような浸水状態では摩擦防止軸受４０１は潤滑されずに動作するものと見なしてもよい。したがって、摩擦防止軸受４０１の構造に実装されることがある何らかのシールの使用と目的は好ましくは、摩擦防止軸受４０１への堆積物の侵入を低減又は防止はするが、摩擦防止軸受４０１が流体で溢れることは妨げないように軸受への流体の進入に「フィルタをかける」ように設計される（それに限定されないがラビリンスシール又はシールドなどの）非接触タイプのシールに限定される。一実施形態では、長期間にわたる浸水状態での使用に適するどのタイプの摩擦防止軸受も摩擦防止軸受４０１として採用してもよい。特定の実施形態では、摩擦防止軸受４０１は全ての軸受要素が、それに限定されないが例えばＳｉ３Ｎ４などのセラミック材料からなる完全セラミック軸受であってもよい。しかし、別の実施形態では、合金及び／又はコーティングされたレースを有するセラミックボールなど、その他の軸受材料の混成した組み合わせを摩擦防止軸受４０１に使用してもよい。
【００６８】
別の選択的実施形態では、（ロータ永久磁石を備える）タービンロータアセンブリ４０７と、（ステータ電機子を備える）ステータ鉄心４１１との間の機械的ギャップは望ましくは、タービンロータ、タービンブレードの軸方向スラストに方向を向く付加的な流体力学的スラスト力が生成されるように適宜に離隔され、及び／又は調整されてもよい。それによって、このような流体力学的スラスト力は望ましくは、ロータ磁石に吸引力によって生じる摩擦防止軸受４０１への何らかの軸方向の軸荷重の大きさを低減してもよい。このような実施形態では、ステータ鉄心及びステータ電機子４１１の面は、流体力学的スラストパッドとして設計されてもよく、且つタービンロータ４０５及びロータ磁石アセンブリ４０７のタービンロータの表面は、流体力学的軸受の流体力学的スラストワッシャとして設計されてもよい。更に、選択的実施形態では、摩擦防止軸受の保持リング４０２はばね部材として設計されてもよく、それによって摩擦防止軸受４０１は、動作中に軸受力に応答して軸受シャフト４０８に沿って軸方向に変位することが可能になる。この軸方向変位はロータ部材４０７とステータ部材４１１との間のギャップを動的に変化させ、それによって選択的な流体力学的軸受スラスト容量を調整することで、摩擦防止軸受４０１の荷重の制御が可能になる。
【００６９】
次いで図４８を参照すると、本発明の別の選択的実施形態による、ハイドロタービン摩擦防止軸受アセンブリの断面図が示されている。図４８の摩擦防止軸受は、回転するようにされ、タービンブレード４０３、磁気レース４０７、ロータ４０５、シャフト４０８、及び保持リング４０２を備える軸受の内側レースではなく、ステータ鉄心４１１とステータプレート４０９とを備える軸受の外側レースが固定状態を保つようにされる代替の構成を表している。図４８に示す摩擦防止軸受アセンブリのその他の全ての要素には、前述したものと概ね同じ参照番号が付されている。
【００７０】
図４９を参照すると、磁気及び摩擦防止軸受のハイブリッド型軸受機能を組み込んだ本発明のある実施形態による、ハイドロタービンの流体力学的軸受の断面図が示されている。このような実施形態では、好適な流体膜を被覆した流体力学的軸受４５１が前述の同類の実施形態での摩擦防止軸受の代わりに採用されている。流体力学的軸受４５１は、タービンハブ４５７の上流部と下流のタービンハブ構造４５３との間に位置する固定シャフトの頂部に取り付けられている。この実施形態では、ステータ電機子と巻線とを備えるタービン発電機のステータ鉄心４５８が概ね剛性のステータプレート４５６上に取り付けられ、概ね剛性のステータディスクを形成する。タービンロータの永久磁石レース４５５はロータ永久磁石を備え、タービンブレード４５２に取り付けられ、流体力学的軸受４５１に支承されるタービンロータ（又はタービンブレードリング）４５４内に取り付けられる。流体力学的軸受４５１は、（タービンブレード４５２とロータ磁石４５５とのアセンブリを備える）タービンロータ４５４の重量による径方向の全荷重を支持し、更に、ロータ磁石４５５とステータ鉄心４５８との間の軸方向の磁気吸引力によっては磁気的に補償されないタービンブレード４５２の軸方向のスラスト荷重の残りの部分をも支持する。タービンロータ４５４は、軸方向のスラストパッドとして機能するステータ鉄心及び電機子４５８によって上流側で軸方向に拘束され、下流側では、それに限定されないが例えば摩擦防止又は摩擦軽減材料などのいずれかの好適な材料からなるものでよい下流のスラストプレート４６１によって拘束される。
【００７１】
タービン発電機ユニットが稼働中でない場合は、図４９に示すような流体力学的軸受４５１は、タービンロータ磁石４５５とタービンステータ鉄心（すなわちステータ電機子）４５８との間の軸方向の磁気吸引力によって効果的に軸方向に予荷重がかけられる。タービンブレード４５２を通過する流体流の力によってタービン発電機が回転を開始した後、且つ継続的な水流内回転動作中に、タービンブレード４５２にかかる軸方向のスラスト力が流体力学的軸受４５１の荷重を効果的に除き、流体力学的軸受４５１によって支持される必要のある軸方向の平衡力を軽減する。したがって、図４９に示す実施形態のハイブリッド型／摩擦防止軸受構造内での動作中、流体力学的軸受４５１の荷重が上記のように軽減される結果、有利に流体力学的軸受表面、及び隣接する軸方向の荷重プレート及びパッド表面への摩擦と摩耗とが低減し、したがって流体力学的軸受の、最終的にはハイドロタービン発電機の効率、耐用性及び／又は信頼性を高め得る。
【００７２】
代替実施形態では、流体力学的軸受４５１は付加的に、例えばスラスト表面、流体力学的スラストパッド、及び／又は急停止面などの特徴を備えてもよい。更に、タービンロータ４５４は選択的に、少なくとも一部が中空の、又はその他の形態の浮き構造であってよく、それによって望ましくは、ロータ４５４の水中重量を軽減することで流体力学的軸受４５１により支持される径方向の力を軽減するようにしてもよい。
【００７３】
次いで図５０を参照すると、本発明のある実施形態による、例示的水中ハイドロタービン発電機ファーム６００の概略図が示されている。例示的水中ハイドロタービン発電機６００は例えば、可変電圧及び可変周波数信号の形態の電気エネルギを抽出するために河川のような一方向海流６０４の環境及び／又は一方向海流６０４作動環境に沈設することができる（例えば水中タービン発電機６０１及び６０３）の配列６０２と、水中タービン発電機６０１及び６０３によって生成される可変電圧及び可変周波数信号を固定電圧及び固定周波数信号に変換するための複数の電力変換モジュール（例えば電力変換モジュール６０９及び６１８）と、各々の水中タービン発電機６０１及び６０３を電力変換モジュール６１８及び６０９の別の１つに接続して、前者によって生成された可変電圧及び可変周波数信号を後者に供給するための複数の送電ケーブル（例えば、送電モジュール６０８及び６１９）と、を備えている。電力変換モジュール６１８及び６０９はまた、固定電圧及び固定周波数信号を電力供給網６１２などの配電系統に供給する。
【００７４】
水中タービン発電機６０１及び６０３は、一方向流体流環境に沈設し、電気エネルギを生成するのに適し、そこから可変電圧及び可変周波数信号の形態で電気エネルギを抽出するように動作可能で、水中に沈設することができるいずれかの好適なタービン発電機であってよい。一実施形態では、特に図５０に示されるように、水中タービン発電機６０１及び６０３は各々、図４６に示し、上記に詳細に記載したようなハイドロタービン発電機３００の構造を有してもよい。このような実施形態６０４では、流体流による水中タービン発電機６０１及び６０３のタービンロータ及び関連するロータ永久磁石６０７の回転によって生成される可変電圧及び可変周波数信号は、それぞれのステータ発電機巻線６０５及び６１４を経て出力され、その詳細は図４６に関連して記載されている。このような実施形態では更に、水中タービン発電機６０１及び６０３により生成される可変電圧及び可変周波数信号を対応する電力変換モジュール６１８及び６０９に供給するため、送電ケーブル６０８及び６０９は各々、水中タービン発電機６０１及び６０３をそれぞれのステータ発電機巻線６０５及び６１４で電力変換モジュール６１８及び６０９にそれぞれのタービン接続側６１０及び６１６で接続するために、一端が電気スプライス６１５及び６０６で終端している。
【００７５】
中間の電力変換モジュール６１８及び６０９によって、送電ケーブル６０８及び６１９は、流体６０４の本流に沈設することができる個々の水中タービン発電機６０１及び６０３により生成される電力（すなわち可変電圧及び可変周波数信号）を、陸上の領域に位置し、通常は流体６０４の本流から距離を隔てる送電網６１２などの配電系統に伝送する機能を果たす。そのため、送電ケーブル６０８及び６１９は、水中の流動力学的タービン発電機ファーム６００で使用するように配備された場合、一部は一方向流体流環境に沈設され、一部は水面上に上がっている。送電ケーブル６０８及び６１９を形成するのに適する材料は、当業者にはなじみの公知の水中ケーブル材料から選択される。
【００７６】
電力変換モジュール６１８及び６０９は、水中タービン発電機６０１及び６０３からタービン側６１０及び６１６で受信した可変電圧及び可変周波数信号を、送電網６１２に出力するために送電網側６１１及び６１７で固定電圧及び固定周波数信号に変換するために必要なスイッチングデバイス、トランス及びパワーエレクトロニクス及び／又はコントローラなどの電気素子を備えている。
【００７７】
水中タービン発電機６０１及び６０３の配列６０２を記述する「配列」という用語は、水中タービン発電機６０１及び６０３が互いに配置される特定の順序を意味するものではない。例えば、一方向流体流環境６０４は河川である場合、水中タービン発電機６０１及び６０３は一方の川岸６１３から他方の川岸に延びる河川の幅方向に空間的に配置されてもよく、あるいは、水中タービン発電機６０１が水中タービン発電機６０３に対して配列６０２の上流又は下流に配置されてもよい。
【００７８】
流動力学的水中タービン発電機ファームの例示的利用分野は、岸辺の発電所との有利な適応化を含んでもよい。すなわち、水中タービン発電機６０１及び６０３が一方向流体流環境６０４（例えば海洋）と乾燥領域（例えば陸地、プラットフォーム）との間の境界（例えば海岸線６１３）の近傍に位置し、一方向流体流環境に沈設される場合、各々の水中タービン発電機６０１及び６０３は、個々の独自の前述の送電ケーブル６０８及び６１９と対をなしてもよい。各対の水中タービン発電機６０１及び６０３を、対応する電力変換モジュール６１８及び６０９にプラグ接続し、又はそこから取り外すことができ、限定されないが２基などの少ないタービン発電機を所与の流体流資源に適する又は必要な数の多数のタービン発電機に容易に配列６０２のサイズを変更できるモジュラユニットと見なしてもよい。複数のハイドロタービン発電機ファーム６００をこのように容易に「プラグ接続」で据え付けることで、水中ハイドロタービン発電機ファーム６００の配置は電力系統外での遠隔発電及び配電の利用分野に特に適するようになる。
【００７９】
図５１には、本発明のある実施形態による例示的な水中ＡＣ並列ハイドロタービン発電機ファーム７００の概略図が示されている。例示的な水中ハイドロタービン発電機ファーム７００は、可変電圧及び可変周波数信号の形態で電気エネルギを抽出するために、例えば河川及び／又は一方向海流動作環境などの一方向流体流環境７０４に沈設することができる水中タービン発電機（例えば水中タービン発電機７０１及び７０３、及び選択的に所望の又は好適な数の追加のタービン発電機）の配列７０２と、電力網７１２などの配電系統に接続される双方向電力変換モジュール７０９と、タービン発電機７０１、７０３によって生成される可変電圧及び可変周波数信号を電力変換モジュール７０９に供給するために、各々の水中タービン発電機７０１及び７０３を双方向電力変換モジュール７０９に並列に接続する少なくとも１つの送電ケーブル（例えば送電ケーブル７０８）と、を備えている。
【００８０】
使用時には、水中タービン発電機７０１及び７０３を一方向流体流環境７０４内での回転運動に初期設定するため、双方向電力変換モジュール７０９を使用して電力網７１２から供給される固定電圧及び固定周波数信号を可変電圧及び可変周波数信号に変換し、これが水中タービン発電機７０１及び７０３を初期駆動し、それに従ってタービン発電機の永久磁石ロータ７０７に始動回転を与える。水中タービン発電機７０１及び７０３が回転運動に設定されると、水中タービン発電機７０１及び７０３は概ね同じ流体流７０４内に沈設されているので、自然に略同じ回転速度で動作する。一実施形態では、ＡＣ並列接続された発電機配列７０２の１つ又は複数の個々のタービン発電機が配列内の残りのタービン発電機の共通の回転速度よりも加速又は減速すると、該個々のタービン（１つ又は複数）は有利に残りのタービンに自然に自己同期して、同期化した並列ＡＣ発電動作を再確立し得る。このような自然の自己同期化は望ましくは、通常は発電機間の同期を保つために発電機調速機を必要とする別の発電用原動機の概ね強いトルク対ＲＰＭ特性の関係と比較して、タービン発電機配列８０２に加えられる流体流７０４の力のトルク対ＲＰＭの特性の関係が相対的に弱いことにより生じ得る。更に、永久磁石と、（望ましくはロータケージとして機能する）関連するバックアイアンとを備える永久磁石タービンロータ７０７を含む、ＡＣ並列接続された本実施形態のタービンファーム７００に使用される例示的タービン発電機７０３の構成により望ましくは、タービン発電機配列７０２の直接オンライン機械動作特性が生じ、個々の発電機ユニット７０１、７０３が概ね安定した流体流７０４に晒されるタービン配列７０２が一方向流体流環境で動作する場合に、調速機又はその他の同期パワーエレクトロニクスを必要とせずに自然の自己同期化がなされる。
【００８１】
一実施形態では、例示的な水中ＡＣ並列タービン発電機ファーム７００は付加的に、タービン発電機と送電ケーブル７０８との間に各水中タービン発電機７０１及び７０３に直列接続されて配置される回路遮断器（例えば回路遮断器７１４及び７１６）などの複数の遮断デバイスを含んでもよい。動作中に配列７０２内のいずれか１つの個々の水中タービン発電機７０１又は７０３が電気的に平衡を欠き、又は故障すると、平衡を欠き、又は故障した発電機の電力束及び／又は電流の不平衡レベルを望ましくは検知し得る直列接続された回路遮断器７１４又は７１６によって自動的に遮断され得る。故障した発電機の配列７０２からのこのような遮断により、残りの発電機（１つ又は複数）及びその他の電気システムの要素が損傷、又は可能性のあるその他の動作上の悪影響から有利に保護され得る。
【００８２】
水中ＡＣ並列接続タービン発電機ファーム７００の配置は、発電機配列７０２を沖合の海流環境に配備する場合のように、ファーム７００の立地が海岸から遠すぎて単一の送電ケーブル７０８を使用することが経済的に問題となるような利用分野では特に有利である。このような場合は、ファーム７００の配置は望ましくは、大規模の又は事業用規模の発電機ファーム用の望ましい発電機ファーム配置を提供してもよい。ファーム７００の配置は、最少数の電気素子しか必要としないという利点を有し、したがって例えば長期的に沈設される海洋の発電機ファームなどの導電性があり化学的侵食環境内に配備するのに適している。
【００８３】
ある種の従来型の発電機ファームの設計で使用されるようなタービンの直流（ＤＣ）並列接続されるタービンと比較して、本発明のある実施形態による水中ＡＣ並列接続タービン発電機ファーム７００の配置は、例えば長期の沈設任務により故障又は劣化し易い水中ダイオードブリッジなどのある種の水中直流パワーエレクトロニクスを使用する必要がなくなることで、発電機ファームの運転及び保守に関する全体的なコストが有利に削減される。
【００８４】
本明細書に記載の例示的実施形態は、網羅的であること、又は本発明の範囲を開示の厳密な形態に限定することを意図するものではない。これらの実施形態は、第３者の当業者がその教示内容を理解できるように、本発明の原理及び利用分野と実際的な使用を説明するために選択され、記載されたものである。
【００８５】
これまでの開示に鑑みて当業者には明らかであるように、本発明を実施するには多くの偏向及び修正が可能である。
【００８６】
したがって、本発明の範囲は以下のクレームで定義される内容に従って解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年11月30日(2011.11.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流から発電するためのハイドロタービン発電機装置であって、
ハブと、該ハブから径方向外側に延びる複数のブレードを含むロータ、および
入口端及び出口端、内表面及び外表面、ならびに中心縦軸を備えるダクトと、を備え、
αは、前記タービン装置の前記中心縦軸と、前記ダクトの前記出口端で前記ダクトの前記内表面に接する線とがなす第１の角度であり、
βは、前記タービン装置の前記中心縦軸と、前記ダクトの末広部分の始点にある第１のポイントと前記第１のポイントから直ぐ下流の前記ダクトの前記内表面上の前記ダクトの前記出口端に位置する第２のポイントとの間の線とがなす第２の角度であり、
α／βの比が１．５〜２．５の範囲にあるハイドロタービン発電機装置。
【請求項２】
前記ダクトの前記入口端が立面図で概ね円形であり、前記ダクトの前記出口端が立面図で長円形である請求項１に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項３】
前記ダクトの垂直寸法が前記ダクトの水平寸法未満である請求項１及び２のいずれかに記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項４】
前記入口端の断面積に対する前記出口端の断面積の比が１．１から２．１の範囲である請求項１から３のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項５】
前記ダクトの前記入口と前記出口の少なくとも一方が立面図で概ね円形、長円形、超楕円形、楕円形又はそれらのいずれかの組み合わせである請求項１に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項６】
前記入口端の断面積に対する前記出口端の断面積の比が１．２から１．６の範囲である請求項１から５のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項７】
前記ハブが、該ハブを貫通して縦に延びる少なくとも１つの内壁表面により画成される縦穴を備える請求項１から６のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項８】
前記ダクトの側面上に少なくとも１つの吸気フードを更に備え、該少なくとも１つの吸気フードが更に、水流の向きを前記ダクトの前記外表面から前記内表面へと変更するように、前記ダクトの外表面と内表面との間に前記ダクトの外表面と内表面との間に延びる少なくとも１つの吸気ベントを画成する請求項１から７のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項９】
前記ダクトの前記出口端で縁部表面に少なくとも１つの切り欠き部が画成されるように、前記ダクトの前記出口端で前記縁部表面を前記ダクトの前記入口端の方向に偏向させる請求項１から８のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項１０】
前記ダクトの前記出口端で前記縁部表面の上面に第１の前記切り欠き部を設け、且つ前記ダクトの前記出口端で前記縁部表面の底面に第２の前記切り欠き部を設ける請求項９に記載のハイドロタービン装置。
【請求項１１】
前記ダクトが、前記入口端に側立面図で傾斜する前面を有し、該前面の突出する下部前面縁部から前記前面の凹んだ上部前面縁部の方向に、前記ハブに向かって内側に傾倒する請求項１から１０のいずれか一項に記載のハイドロタービン装置。
【請求項１２】
前記ブレードがその翼幅に沿って少なくとも１つの傾斜部を備える請求項１から１１のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１３】
前記ブレードが該ブレードの低圧側の少なくとも一部に沿って少なくとも２つのビード面特徴を備える請求項１から１２のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１４】
前記ブレードが各々、前記ハブの近傍の根元部と、前記ハブから遠位の先端部とを備え、前記ブレードが翼弦の厚さと翼弦の長さ寸法の少なくとも１つの方向で前記根元部から前記先端部へとテーパ状に形成される請求項１から１３のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１５】
前記ブレードが各々、前記ハブの近傍の根元部と、前記ハブから遠位の先端部とを備え、前記ブレードが前記根元部と前記先端部との間の少なくとも一部に沿って延びるねじれ部を備える請求項１から１４のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１６】
前記テーパ部が、前記ハイドロタービンブレードの前縁と後縁の少なくとも一方に方向にバイアスされる請求項１４に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１７】
一面軸方向磁束磁気発電機を更に備え、該磁気発電機が、前記ハイドロタービン発電機の軸方向の軸受荷重の少なくとも一部を平衡するようにされた軸方向の磁気吸引力を備える軸方向軸受機能を提供する請求項１から１６のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機装置。
【請求項１８】
前記磁気発電機のロータとステータとの間のギャップを動的に調整可能であり、前記軸方向の磁気吸引力を動的に調整するように動作する請求項１７に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項１９】
前記発電機が、付加的にタービンポンプとして動作可能な請求項１から１８のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項２０】
永久磁石発電機を付加的に備え、前記永久磁石発電機のロータとステータとの間のギャップが、前記ハイドロタービン発電機の浸水動作中に完全に水で溢れるようにされた請求項１から１９のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項２１】
少なくとも１つの摩擦防止軸受を付加的に備え、該少なくとも１つの摩擦防止軸受が、前記ハイドロタービン発電機の浸水動作中に完全に水で溢れるようにされた請求項１から２０のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【請求項２２】
永久磁石発電機ロータを有する一面軸方向磁束磁気発電機を付加的に備え、前記電力が可変電圧及び可変周波数信号からなり、前記発電機が付加的に、少なくとも１つの同種の発電機に、及び前記可変電圧及び可変周波数信号を固定電圧及び固定周波数信号に変換する少なくとも１つの電力変換モジュールに並列接続で接続可能である請求項１から２１のいずれか一項に記載のハイドロタービン発電機。
【国際調査報告】
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