(57)【要約】【課題】既存の水力タービンの実例と比較して特定の条件下でより向上した効率をもたらすスクリュータービンを得ること。【解決手段】軸回転するように取り付けられた螺旋タービンブレードと、螺旋タービンブレードに関連付けられ、螺旋タービンブレードを軸回転するように取り付ける、取付台と、螺旋タービンブレードに付与されたエネルギーを電力に変換する、螺旋タービンブレードに関連付けられた発電機と、を備えるスクリュータービンであって、螺旋タービンブレードの直径が螺旋タービンブレードのリードよりも短く、使用に際して流体の側方交換を可能にするように構成された、スクリュータービン。【選択図】図１
2013532796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸回転するように取り付けられた螺旋タービンブレードと、
前記螺旋タービンブレードに関連付けられ、前記螺旋タービンブレードを軸回転するように取り付ける、取付台と、
前記螺旋タービンブレードに付与されたエネルギーを電力に変換する、前記螺旋タービンブレードに関連付けられた発電機と、
を備えるスクリュータービンであって、
前記螺旋タービンブレードの直径が前記螺旋タービンブレードのリードよりも短く、使用に際して流体の側方交換を可能にするように構成された、スクリュータービン。
【請求項２】
前記スクリュータービンの前記螺旋タービンブレードが、使用に際して露出されて、流体の側方交換を可能にする、請求項1に記載のスクリュータービン。
【請求項３】
前記螺旋タービンブレードの直径とリードの比が、1:8である、請求項1又は2に記載のスクリュータービン。
【請求項４】
前記螺旋タービンブレードが、約50°〜75°のリード角、例えば約60°〜75°のリード角を有する、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のスクリュータービン。
【請求項５】
前記螺旋タービンブレードが、無軸螺旋体である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のスクリュータービン。
【請求項６】
前記少なくとも一つの取付台が、長手方向の軸線周りの前記螺旋タービンブレードの回転を促進する軸受が設けられた継手を備える、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のスクリュータービン。
【請求項７】
前記ブレードに関連付けられた駆動シャフトが、電力を生成するための前記発電機に係合する歯車装置に係合され、前記歯車装置が、好ましくは低回転(revs)且つ高トルクで動作する、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のスクリュータービン。
【請求項８】
スクリュータービンのための螺旋タービンブレードであって、無軸螺旋体を含み、前記無軸螺旋体の直径が前記無軸螺旋体のリードよりも短い、螺旋タービンブレード。
【請求項９】
前記螺旋タービンブレードの直径とリードの比が、1:8である、請求項8に記載の螺旋タービンブレード。
【請求項１０】
前記螺旋タービンブレードが、約50°〜75°のリード角、例えば約60°〜75°のリード角を有する、請求項8又は請求項9に記載の螺旋タービンブレード。
【請求項１１】
螺旋タービンブレードが設けられたスクリュータービンを流水体中に沈めるステップと、
前記螺旋タービンブレードに付与されたエネルギーを機械力又は電力に変換するステップと
を含む発電方法であって、
前記螺旋タービンブレードが前記流水によって回転されるときに水の側方交換を可能にするように、前記スクリュータービンが構成されている、発電方法。
【請求項１２】
前記螺旋タービンブレードが前記流水によって回転されるときに水の側方交換を可能にするために、前記スクリュータービンが露出されて沈められる、請求項11に記載の発電方法。
【請求項１３】
前記螺旋タービンブレードに付与された前記エネルギーが、発電機を通じて電力に変換される、請求項11又は12に記載の発電方法。
【請求項１４】
前記螺旋タービンブレードの直径が前記螺旋タービンブレードのリードよりも短く、好ましくは、前記螺旋タービンブレードが無軸螺旋体を含み、前記無軸螺旋体の直径が前記無軸螺旋体のリードよりも短い、請求項11から請求項13のいずれか一項に記載の発電方法。
【請求項１５】
前記螺旋タービンブレードの直径とリードの比が、約1:8である、請求項11から請求項14のいずれか一項に記載の発電方法。
【請求項１６】
前記螺旋タービンブレードが、約50°〜75°のリード角、例えば約60°〜75°のリード角を有する、請求項11から請求項15のいずれか一項に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリュータービン及びそれを利用する発電方法に関する。具体的には、本発明は、比較的小さな螺旋角を有し且つ使用に際してそれを収容する外側被覆を有利なことに必要としない又は利用しない螺旋タービンブレードを備える、アルキメデススクリュータービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な形態のタービンが知られている。それらには例えば、クロスフロータービン、カプランタービン、及びアルキメデススクリュータービンが含まれる。
【０００３】
クロスフロータービンでは、水平のシャフトを有する円筒形の水車又は羽根車が設けられる。水車又は羽根車は、半径方向及び接線方向に配置された複数のブレードを備える。ブレード縁部は、水の流れに対する抵抗を減らすために、鋭利にされることがある。軸方向又は半径方向の流れを有する大抵の水力タービンとは異なり、クロスフロータービンでは、水は、タービンを横切って、すなわちタービンブレードを横断して通過する。水車と同様に、水はタービンの縁部で取り込まれる。水は、羽根車を通過した後、反対側から出る。羽根車を二回通過することにより、追加的な効率がもたらされる。水は、羽根車から出て行く際に、羽根車の小さなゴミや汚れを除去するのにも役立つ。クロスフロータービンは、低水頭だが高流速である場所によく適している低速機械である。
【０００４】
カプランタービンは、調整可能なブレードを有するプロペラ式水力タービンである。カプランタービンは、ヴィクトルカプランにより1913年に開発された。この人物は、広範な流れ及び水位にわたって効率を得るために、自動調整プロペラブレードと自動調整案内羽根とを組み合わせた。カプランタービンは、内向流反動タービンである。したがって、作動流体は、タービンを通過するにつれて圧力を変化させ、そのエネルギーを譲り渡す。その設計は、半径方向の特徴と軸方向の特徴を兼ね備える。
【０００５】
アルキメデススクリュータービンは、アルキメデスのねじポンプの原理に基づいて開発された。アルキメデスのねじポンプは、何世紀にもわたって知られてきた水ポンプの形式である。底部から頂部へ揚水するために、ポンプは、手動で又は風車などの何らかの他の機構を通じて、回される必要がある。アルキメデススクリュータービンは、基本的にはアルキメデスのねじポンプを逆転させたものであり、スクリューを駆動するため及び発電機を通じたエネルギーの変換のために、水を利用する。
【０００６】
小水力発電スキームに使用される他のタービンを上回る、これらのタービンの大きな利点は、低水頭の場合でもよく動作することである。したがって、これらのタービンは、既存の堰上で、又は流出管内で使用することができ、また一般に、スキームの土木工学構成要素をより細かくする多量の配管を必要としない。河川中のゴミは、単に通過するので(少なくともある程度まで)、ごみよけスクリーンを必要としない。
【０００７】
タービン、特に風力タービンの効率は、ベッツの法則によって予測される。この法則は、ドイツ人物理学者アルバートベッツにより1919年に開発された、液圧式風力機関(hydraulic wind engine)から得られうる最大可能エネルギーに関する理論である。この法則によれば、風の運動エネルギーのうちの59.3%を超えるエネルギーを得ることができるタービンはない。すなわち、より多くの力を生成させるために風に抵抗するプロペラに歯車をより多く取り付けるほど、プロペラはより遅くなり、生成される力はより少なくなる。ベッツの法則は同様に水力タービンに適用することができるが、この状況において影響を及ぼす幾つかの付加的な要因があると考えられている。具体的には、水は圧縮性ではないため、水力タービンでは、風力タービンと比較してより高い効率を得ることができると考えられている。したがって、水の運動エネルギーに加えて、幾らかのエネルギーも圧力の形で付与されうる。それでも、既存の水力タービンを使用して得ることができる効率には、限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、既存の水力タービンの実例と比較して特定の条件下でより向上した効率をもたらしうる水力タービンの代替形態を、アルキメデススクリュータービンの形態で提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、
軸回転するように取り付けられた螺旋タービンブレードと、
螺旋タービンブレードに関連付けられ、螺旋タービンブレードを軸回転するように取り付ける、取付台と、
螺旋タービンブレードに付与されたエネルギーを電力に変換する、螺旋タービンブレードに関連付けられた発電機と、
を備えるスクリュータービンであって、
螺旋タービンブレードの直径が螺旋タービンブレードのリードよりも短く、使用に際して流体の側方交換(lateral exchange)を可能にするように構成された、スクリュータービンが提供される。
【００１０】
本明細書において使用される場合、「リード」という用語は、ブレードの軸線に対して平行に計測された、螺旋タービンブレードの連続した輪郭間の距離を意味することが意図されている。これは、図1において距離「b」として識別される。
【００１１】
本明細書において使用される場合、「側方交換」という用語は、螺旋タービンブレードの回転への伝達によりエネルギーを失った(すなわち、遅くなった)流体が、より高いエネルギーを有する流体に置き換えられるように、螺旋タービンブレードから放射状に放出されることを意味することが意図されている。例えば、スクリュータービンが流水中に沈んでいる場合、螺旋タービンブレードの回転にエネルギーを伝達してしまった(すなわち、遅くなった)水は、放射状に放出されて、より速く流れる水に置き換えられうる。
【００１２】
本発明のスクリュータービンは、特に低流速に関係する用途において、驚くほどに良好な結果をもたらすことができると考えられる。本発明のスクリュータービンは、螺旋タービンブレードの長さが増すにつれて、比例的な増加又はそれに近いものを、生成される力にもたらすことができると考えられる。すなわち、そのようなシステムに関係する、歴史的に考えられているベッツ限界を克服するタービンを提供することが可能とされうる。
【００１３】
好ましい実施形態では、スクリュータービンの螺旋タービンブレードは、使用に際して露出されて、流体の側方交換を可能にする。このことはまた、螺旋タービンブレードとそれを包囲する外側被覆との間に十分な間隔を設けるか、又は、流体が放射状に放出されうるように、そのような外側被覆に十分な通水孔を設けることによって、達成することができると想定される。
【００１４】
螺旋タービンブレードの直径とリードの関係は、特に制限されていない。但し、螺旋タービンブレードの直径は、螺旋タービンブレードのリードよりも短い。すなわち、螺旋タービンブレードの「ねじれ」は、比較的緩やかである。好ましい実施形態では、螺旋タービンブレードの直径とリードの比は、約1:8である。
【００１５】
螺旋タービンブレードは、好ましくは50°〜75°のリード角、例えば約60°〜75°のリード角を有しうる。ただし、特定の実施形態では、リード角は80°ほどの高さとされうる。このような角度は、比較的小さな螺旋角と調和して、ブレードに比較的緩やかなねじれをもたらす。
【００１６】
流体の側方交換を促進するために好ましい特定の一実施形態では、螺旋タービンブレードは、無軸螺旋体(axleless helix)である。とはいえ、本発明によれば、軸を備える螺旋タービンブレードも有用となりうると考えられる。
【００１７】
本明細書において使用される場合、「無軸螺旋体」という用語は、ブレードが、周囲にブレードが取り付けられる(すなわち、従来のアルキメデスのねじポンプと同様の)中心軸を備えずに、その長さに沿ってねじられた材料片で構成されていることを意味することが意図されている。このことは、図2及び図3に最も良く示されている。
【００１８】
螺旋タービンブレードは、任意の適切な手段で取り付けることができる。例えば、ブレードは、水体中に構成された(すなわち、河床内に固定された)構造物上に取り付けられてもよく、又は、例えば河川の土手又は岸に固定されてそこから延在しているアームの遠位端に、取り付けられてもよい。取り付けの形態は、関係する個々の環境にある程度左右されることになる。ブレードは、例えば、長手方向の軸線周りのブレードの回転を促進する軸受が設けられた継手を介して、回転するように取り付けられなければならない。
【００１９】
螺旋タービンブレードは、通常の方法で発電機に接続することができる。例えば、ブレードに関連付けられた駆動シャフトが、電力を生成するための発電機に係合する歯車装置に係合されてもよい。そのような場合には、歯車装置が低回転(revs)且つ高トルクで動作することが好まれるであろう。すなわち、比較的高い歯車比が好まれるであろう。この歯車比は、個々の使用環境に左右されうる。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、スクリュータービンのための螺旋タービンブレードであって、無軸螺旋体を備え、無軸螺旋体の直径が無軸螺旋体のリードよりも短い、螺旋タービンブレードが提供される。
【００２１】
本発明の前記態様と同様に、螺旋タービンブレードの直径とリードの比は、好ましくは約1:8である。螺旋タービンブレードは、好ましくは50°〜75°のリード角、例えば約60°〜75°のリード角を有するが、80°ほどの高さにもされうる。
【００２２】
螺旋タービンブレードは、例えば、鋼又はそれに相当する材料といった、任意の適切な材料から形成することができる。螺旋タービンブレードは、複合材料から形成されてもよい。
【００２３】
本発明のさらなる態様によれば、
螺旋タービンブレードが設けられたスクリュータービンを流水体中に沈めるステップと、
螺旋タービンブレードに付与されたエネルギーを機械力又は電力に変換するステップと
を含む発電方法であって、
螺旋タービンブレードが流水によって回転されるときに水の側方交換を可能にするように、スクリュータービンが構成されている、発電方法が提供される。
【００２４】
螺旋タービンブレードが流水によって回転されるときに水の側方交換を可能にするために、スクリュータービンは露出されて沈められるのが好ましい。他の可能な実施形態が上記に開示されているが、好ましいものとは見なされない。
【００２５】
一般に、螺旋タービンブレードに付与されたエネルギーは、発電機を通じて電力に変換される。しかし、特定の実施形態では、エネルギーが機械エネルギーに変換されて、別の目的に使用されることも想定される。
【００２６】
本発明の他の態様と同様に、螺旋タービンブレードの直径は通常、螺旋タービンブレードのリードよりも短い。例えば、螺旋タービンブレードは無軸螺旋体を含むことができ、無軸螺旋体の直径は無軸螺旋体のリードよりも短い。
【００２７】
この場合もやはり、螺旋タービンブレードの直径とリードの比は、好ましくは約1:8である。螺旋タービンブレードは、約50°〜75°のリード角、例えば約60°〜75°のリード角を有しうる。
【００２８】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。以下は例示としてのみ挙げられたものであることを理解すべきであり、多少なりとも本発明を制限するものと解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】螺旋タービンブレードの側面図である。
【図２】螺旋タービンブレードの斜視図である。
【図３】螺旋タービンブレードの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
各図を参照すると、螺旋タービンブレードは、無軸螺旋体の形状をとる。事実上、螺旋タービンブレードは、長さに沿ってねじられた、例えば鋼や他の適切な材料からなる材料片で構成される。ねじれは比較的緩やかであり、したがって螺旋角γは比較的小さい。その結果として、リード角αは比較的大きい。このことは、一般にはるかに大きな傾斜度がブレードに設けられている従来のスクリュータービンと比較した場合に、特に当てはまる。
【００３１】
螺旋タービンブレードの直径「a」は、ブレードのリード「b」よりも短い。例示されているように、直径のリードに対する比は、1:8を少し上回る。この構成が、軸を除いたことと相まって、使用に際してより優れた流体の側方交換が促進されると考えられる。
【００３２】
一般に、螺旋タービンブレードは、何ら被覆なしで流水中に沈められる。図を参照すると、そのようにすることにより、水が、ブレードをむりやり回転させるようにブレードに動力を供給し、エネルギー及び速度を失い、より速い水が取って代わることを可能にするブレードから放射状に放出されることが理解されよう。したがって、螺旋タービンブレードの長さが増すと、生成される力が比例して増大すると想定される。
【００３３】
螺旋タービンブレード及びそれを利用するスクリュータービンは、流れの遅い河川及び他の比較的小さな流れの環境において有用であろうと考えられる。例えば、スクリュータービンは、アマゾン川に対して提案された水力発電計画の実行可能な代替案とされうる。この例をとると、本発明は、提案された計画(すなわち、アマゾン盆地の至る所に一連の巨大ダムを建造すること)に脅かされている部族の土地を維持しながら電力を提供する能力を含む、大きな利点を提供しうる。
【００３４】
螺旋タービンブレードは、螺旋角が(プロペラとは対照的に)小さいという事実に起因して、急速に又は積極的には回転されず、したがって、比較的低効率で動作する。しかし、既存のタービンに一般に見られる長さよりも長くなる可能性に起因して、媒体(すなわち、水)は、比較的大きな表面積上に作用する機会を有し、それにより回転に伝達される力の総量が増大される。
【００３５】
文脈上別の解釈をする必要のある場合又は明確に逆のことを述べている場合を除き、単数の整数、ステップ、又は要素として本明細書において引用された本発明の整数、ステップ、又は構成要素は、引用された整数、ステップ、又は要素の単数形及び複数形の両方を明白に含む。
【００３６】
この明細書の全体にわたって、文脈上別の解釈をする必要のある場合を除き、「含む、備える(comprise)」という語、又は「含む、備える(comprises)」若しくは「含んでいる、備えている(comprising)」などの変形は、述べられたステップ若しくは要素或いは整数、又はステップ若しくは要素或いは整数の群を含むことを意味するが、任意の他のステップ若しくは要素或いは整数、又はステップ若しくは要素或いは整数の群を除外することを意味しないことが理解されよう。したがって、この明細書の文脈において、「含んでいる、備えている(comprising)」という用語は、包括的な意味で使用されており、したがって、「主として含んでいるが、必ずしもそれのみを含んでいるわけではない」ことを意味するものとして理解されるべきである。
【００３７】
上記の説明が、本発明の説明に役立つ実例として挙げられたものであること、及び、当業者には明らかであろうすべてのそのような修正形態及び変形形態が、本明細書において説明された本発明の広い範囲及び境界内に含まれると見なされることは、理解されよう。
【図１】
2013532796.tif 000003
【図２】
2013532796.tif 000004
【図３】
2013532796.tif 000005
【国際調査報告】
2013532796.tif 000006
2013532796.tif 000007
2013532796.tif 000008
2013532796.tif 000009
2013532796.tif 000010