(57)【要約】  ノズルの断面の減少により空気を加速し、かくして空気の運動エネルギーを増大する実質的に収束ノズルを通って流れる空気に基づき、空気の内部エネルギーを有用な運動エネルギーに変換する方法を提供する。運動エネルギーの増分は、空気の内部エネルギー即ち空気の温度の低下分と等しい。空気流の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換するタービンを前記ノズル内に配置する。機械的エネルギーは、電気エネルギーに変換されるか或いはギヤボックスに伝達されて駆動モーメントを提供する。この方法を使用する装置は、空気流源として自然の風を使用してもよいし、人工空気流手段を使用してもよい。空気流を人工的に発生する手段を組み込んだ装置を、陸上、海上、及び航空の乗り物用のエンジンとして使用できる。空気の温度がノズル内で低下するため、水分が凝縮し、液体の水を別の用途のために溜めておくことができる。
2008520900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の内部エネルギーを運動エネルギーに、更に運動エネルギーを機械的エネルギーに、実質的に明細書及び図面に記載されているように変換するための方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、入口断面積がＡｉのノズルを通して温度がＴｉの空気を速度Ｖｉで流し、この際、可変断面積Ａｄの下流の空気流のパラメータは、速度がＶｄであり、温度がＴｄであり、前記断面Ａｄの一部又は全部がＡｉよりも小さく、そのため、Ａｄでの空気速度値ＶｄがＶｉよりも、ほぼ、ＡｉをＡｄで除した値（Ａｉ／Ａｄ）をＶｉに乗じた値だけ大きく、この場合、空気速度Ｖｄの増分による空気速度運動エネルギーの増分は、空気の内部エネルギーの減少とほぼ等しく、即ち質量流量ｍに空気の定圧比熱Ｃｐを乗じ、更に区分Ａｄでの空気温度の低下ΔＴ、即ちΔＴ＝Ｔｉ−Ｔｄを乗じた値とほぼ等しく、かくしてこのエネルギー変換は、約ｍ＊Ｃｐ＊ΔＴであり、これは、ほぼ、
ｍ（Ｖｄ２−Ｖｉ２）／２と等しい、方法。
【請求項３】
先行するいずれかの請求項に記載の方法において、
空気の運動エネルギーの幾分かを機械的エネルギーに変換するために、タービンがノズル出口又はノズル内のいずれかに配置されている、方法。
【請求項４】
先行するいずれかの請求項に記載の方法において、
前記ノズルは、空気速度を連続的に加速するために、断面が連続的に小さくなっている、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、
前記ノズルは収束−発散ノズルであり、前記タービンは、前記ノズルの最小断面積のところ、即ちスロートに位置決めされるか或いは、前記スロート断面の前方又は前記スロート断面の後方のいずれかの、より大きな断面を持つ区分に位置決めされる、方法。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の装置において、
前記ノズルの内側に少なくとも一つのガイドベーンを有し、このガイドベーンは、可変の断面積を通って流れる少なくとも二つの副流を形成する、装置。
【請求項７】
請求項１に記載のノズルにおいて、
内側に複数のガイドベーンを備えている、ノズル。
【請求項８】
請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の装置において、
空気は水分を含んでおり、かくして、空気が加速し且つその温度が低下するとき、水分が凝縮し、かくして水滴となり、かくして前記ノズル内の静空気圧が低下し、前記ノズルに進入する速度及び質量流量を増大する追加の吸引力を生成する、装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の装置において、
前記水滴は、何らかの用途で使用するために集められる、装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の装置において、
前記タービンは、電気を発生する発電機を駆動するための機械的エネルギーを提供するか、或いは、エンジンとして機能する機械的エネルギーを提供する、装置。
【請求項１１】
請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の装置において、
前記空気流の源は、自然の風である、装置。
【請求項１２】
請求項１乃至８のうちのいずれかに記載のノズルに取り付けられた風力タービンにおいて、
前記空気流に対して垂直な軸線周りに回転するロータハブを有し、前記空気流は、前記ロータハブから各々半径方向に延びるロータハブブレードに当たり、前記ブレードの平面形体は、空気が前記ブレードに当たるチャンネルの断面の形状及び大きさである、風力タービン。
【請求項１３】
請求項１乃至９のうちのいずれかに記載の収束ノズルに取り付けられた風力タービンにおいて、
二つの平行な円形ディスク間を延び且つこれらのディスクに円をなして固定された幾つかのウィングを有し、かくして前記ウィングは、空気が流れるチャンネル内に配置され、流れる前記空気は前記ウィングに空力学的力を発生し、前記空力学的力により発生した空力学的回転モーメントにより、前記ディスクを、前記ディスクの平面に対して垂直であり且つ前記ウィングの長さと平行な軸線周りに回転する、風力タービン。
【請求項１４】
請求項１乃至８のうちのいずれかに記載の装置において、
空気流源は、ノズルを通る空気流を発生する人工空気源である、装置。
【請求項１５】
請求項６に記載の装置において、
前記人工空気源は、電気的動力源、機械的動力源、蒸気動力源、風力源等の任意の動力源によって動力が提供されるファンである、装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１０のうちのいずれかに記載の可動装置において、
そのタービンの機械的回転動力の幾分かを乗り物用駆動システムに伝達することによって、乗り物用エンジンとして機能し、タービンの機械的回転動力の一部を発電機に伝達し、電力を発生し、人工空気源を駆動する、可動装置。
【請求項１７】
先行するいずれかの請求項に記載の収束ノズルに取り付けられるタービンにおいて、
少なくとも１段の軸流タービンを含む、タービン。
【請求項１８】
先行するいずれかの請求項に記載の装置において、
第１ノズルの入口が地面の上方にあり、その排気をパイプによって第１ノズルの下方の第２ノズルに連結し、前記第２ノズルはタービンを含む、装置。
【請求項１９】
先行するいずれかの請求項に記載の収束ノズルにおいて、
前記ノズルスロートのところでの空気速度を所望の速度まで最大にするために、入口断面積を変化させる自動制御システムを備えている、収束ノズル。
【請求項２０】
請求項１乃至１５のうちのいずれかに記載のノズルにおいて、
前記スロートで所望の空気速度を達成するために、前記ノズルスロート断面積を変化させる制御システムと組み合わせた、ノズル。
【請求項２１】
先行するいずれかの請求項に記載のノズルと、先行するいずれかの請求項に記載の任意の種類のタービンとの組み合わせにおいて、
前記タービンは、前記スロートの前方、前記スロートのところ、又は前記スロートの後方に配置される、組み合わせ。
【請求項２２】
先行するいずれかの請求項に記載の装置において、
前記入口に進入する空気流が前記タービンを通過して前記装置を出ることができるようにするために、空気タービンの回転を開始するスターターシステムが設けられている、装置。
【請求項２３】
先行するいずれかの請求項に記載の装置において、
ウィングベクトルに対して０°乃至１８０°の任意の角度の来入風に向かって前記入口が回転され得るように、回転システムに取り付けられている、装置。
【請求項２４】
請求項１乃至２０のうちのいずれかに記載のノズルにおいて、
前記空気タービンを回転させるための動力を提供する始動システムを有し、前記始動システムは、電動モータと、バッテリーや電気グリッド等の電源とを含み、前記電動モータは、随意であるが、前記タービンの発電機である、ノズル。
【請求項２５】
風力タービン始動システムにおいて、
風センサと、バッテリーと、電動モータと、を含み、前記電動モータは、空気を吸い込み、ノズルに進入する風をタービンブレードを通して流すことができる作動方向に前記タービンを回転させる、風力タービン始動システム。
【請求項２６】
先行するいずれかの請求項に記載の装置において、
自由風内に配置された実質的に垂直なウィング表面を持ち、そのため、来入風が空力学的力及びモーメントを前記ウィングに発生させ、かくしてこのモーメントにより装置を前記来入風に向かって回転させる、装置。
【請求項２７】
先行するいずれかの請求項に記載の装置において、
前記装置を前記風に向かって回転させるための動力手段を有する、装置。
【請求項２８】
請求項１乃至２６のうちのいずれかに記載のノズルと、前記ノズルに組み合わされて前記ノズルと共に作動する任意の空気タービンと、を備え、液体のような防氷手段或いは電流や高温空気による加熱を使用して、前記ノズル及びタービンエレメントから氷を溶解する、ノズル及び空気タービン。
【請求項２９】
入口に動力ファンを持つ、先行するいずれかの請求項に記載の装置において、
先行するいずれかの請求項に記載のタービンが設けられており、前記タービンは、ブレードが自由空気に面するプロペラを駆動し、かくしてこの装置は、航空機を駆動するターボプロップエンジンである、装置。
【請求項３０】
請求項２９に記載の装置において、
前記動力ファンを電動モータによって、又はタービンの機械的動力によって駆動する、装置。
【請求項３１】
請求項２９又は３０に記載のターボプロップエンジンにおいて、
動力ファンを備えた内収束ノズルと、前記動力ファン及びより大きな追加のファンにエネルギーを提供するタービンとを備えており、前記追加のファンは、空気を外ノズルに押し込み、この組み合わせは、航空機を駆動する二段ターボプロップエンジンである、ターボプロップエンジン。
【請求項３２】
先行するいずれかの請求項に記載のターボプロップエンジンにおいて、
可変形状の収束−発散ノズルを有する、ターボプロップエンジン。
【請求項３３】
先行するいずれかの請求項に記載のターボプロップエンジンにおいて、
可変形状の収束ノズルを有し、前記ノズルの可動部品の向きを変えて、空気流を、進入する流れとは逆方向に押し、前記装置は、推力逆転装置を持つ、航空機を駆動するターボプロップエンジンである、ターボプロップエンジン。
【請求項３４】
先行するいずれかの請求項に記載のターボプロップエンジンにおいて、
空気流の温度を上昇させ、内部エネルギーを増大させ、質量流量を増大させ、タービンのところに音速の空気流を発生させることによって、タービンが発生するエネルギーを増大させるために、そのノズルに燃料噴射装置及び点火装置が組み込んである、ターボプロップエンジン。
【請求項３５】
自然の風とは別個に空気の内部エネルギーから電気を発生する、先行するいずれかの請求項に記載の装置において、
前記装置の始動に使用される第１動力ファンを備えた収束ノズルと、空気の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換するタービンとを有し、前記第１動力ファンと、好ましくはより大きな第２動力ファンと、電気を発生する発電機とを駆動する、装置。
【請求項３６】
請求項６、２９、３０、３１、３２、３３、３４、及び３５のうちのいずれかに記載の装置において、
液体のような防氷手段或いは電流又は高温の空気による加熱を使用して、氷をノズル及び空気タービンエレメントから溶解する、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスの運動エネルギーを増大し、このエネルギーから電気や機械的エネルギーを発生するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、風の強い地域では、風力タービンが非常に一般的である。これらの風力タービンの設計は、航空機のプロペラと似ている。これらの風力タービンは、自然の風と向き合うように、高いタワーに取り付けられる。自然の風は風力タービンを回転し、この回転により発電機を駆動し、電気を発生する。プロペラの回転を開始するために約４ｍ／ｓの最小風速を必要とする。発電機が発生した電気は、タービンの所有者が使用するか或いは電気グリッドに伝達される。
【０００３】
このような製品についての良好な例は、この分野での主導的製造者が製造している。以下のデータは、２ＭＷを発生する機械についてのデータである。
直径                                ８０ｍ
作動面積                        ５０２７ｍ2
ブレードの数                          ３枚
タワーのデータ
ハブ高（概略）  ６０−６７−７８−１００ｍ
作動データ
作動風速                              ４ｍ／ｓ
公称風速                            １５ｍ／ｓ
停止風速                            ２５ｍ／ｓ（この機械の作動可能な最大速度）
発電機
公称出力                        ２０００ｋＷ
重量
タワー                            １１０ｔ
ナセル                              ６１ｔ
ロータ（プロペラ）                  ３４ｔ
総重量                            ２０５ｔ
注：タワーが高いと重量が増大する。
【０００４】
この大型の機械の公称出力は、１５ｍ／ｓの公称風速で２ＭＷである。
【０００５】
風力タービンのプロペラが回転するとき、プロペラの先端が描く円内を流れる空気の部分だけが任意のプロペラブレードの十分近くを実際に流れ、ブレードに作用する空力学的揚力を発生する。これらの揚力（実際には、これらの揚力の、プロペラの回転平面内の、ブレードセグメントが描く円に対して接線方向の成分）は、プロペラブレードに沿って分配され、プロペラ軸線を中心として回転モーメントを発生する。この揚力にプロペラの回転軸線からの夫々の距離を乗じ、これを所定量のトルクに合わせて蓄積する。これがプロペラブレードを回転する。プロペラブレード間を大量の空気が流れるため、この空気はプロペラに揚力もトルクも及ぼさない。こうしたプロペラが、プロペラの円を横切る空気の運動エネルギーの約２０％しか使用しないのはこうした理由による。従って、低い風速で十分な動力を発生するためには、非常に大型のプロペラが必要とされる。
【０００６】
効率が低いため、これらの風力タービンは大量の電力を発生するためには大型化しなければならない。従って、こうした風力タービンは、大型で重量があり且つ高価であり、動くブレードは鳥類及び航空機にとって危険である。従って、これらの風力タービンは、電力に対する要求が大きい都市のビルディングには設置されない。
【０００７】
風力発電は、多くの理由により、非常に望ましい。これはクリーンで汚染のないエネルギー源であり、ＣＯ２を発生せず、風は無料であり、従って、安価なクリーンエネルギー源であるが、多くの場合、風はこうした大型のプロペラを作動するには弱すぎる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、更に効率的でコンパクトで製造費が低く都市のビルディングの屋根に設置できる風力タービンを提供するのが望ましい。
【０００９】
これらの風力タービンの別の固有の問題点は、これらが強い風での作動が制限されるということである。これは、プロペラブレードが重く、約１１ｔに及び、かくして高い回転速度での遠心力が膨大なものとなり、これらのブレードを２５ｍ／ｓ以上の風に対して設計することを経済的に正当化できないためである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、ガスの内部エネルギーを運動エネルギーに変換し、ガスの運動エネルギーを機械的エネルギーに変換し、これを電気エネルギーに変換する方法及びシステムが提供される。
【００１１】
本発明の主な特徴は、来入風に向いた収束ノズルを使用することである。ノズルの断面積は下流に向かって減少し、そのため空気速度が上昇する。即ち空気の内部エネルギーが運動エネルギーに変換される。
【００１２】
本発明の別の特徴は、収束ノズルの出口に配置した空気タービンと組み合わせることである。これにより、ノズルを出る空気が空気タービンを駆動する。
【００１３】
本発明の更に別の特徴は、駆動タービンの回転により発電機を駆動し、これにより、回転動力から電気を発生することである。
【００１４】
本発明の別の特徴は、タービンのロータの回転軸線が、空気流の方向に対して垂直であるということである。
【００１５】
本発明の更に別の特徴は、ノズル内の空気流の方向を定めるガイドベーンをタービンの収束ノズルに組み込むことである。
【００１６】
本発明の更に別の特徴は、タービンブレードが、ノズルスロートの形状及び大きさを備えているということである。
【００１７】
本発明の更に別の特徴は、ノズル入口の断面が可変であるということである。
【００１８】
本発明の更に別の特徴は、ノズルスロートのところでの空気速度を監視し、スロートのところで、音速を超えることなく、最大空気速度を得るためにノズル入口面積を変化することである。
【００１９】
本発明の更に別の特徴は、追加の空気が漏れ出すことができるように、ノズルスロートの開口部を開閉する制御システムを組み込むことである。
【００２０】
本発明の更に別の特徴は、加速した空気の温度が、自然の風の温度と比較して低下することである。
【００２１】
本発明の更に別の特徴は、空気をノズルから吸い込み、ノズル内での静圧の上昇を防ぎ、ノズルを通る定常流を発生するため、一分以内にタービンを回転する始動プロセスである。
【００２２】
本発明の更に別の特徴は、ノズル入口を来入風に向かって差し向ける自動制御システムを組み込むことである。
【００２３】
本発明の更に別の特徴は、矩形のノズル入口である。
【００２４】
本発明の更に別の特徴は、収束ノズルをそのタービンから分離し、ノズル出口を空気タービンにパイプで連結し、このパイプが、ノズルからの加速された空気をタービン入口に伝達することである。
【００２５】
本発明の更に別の特徴は、収束ノズルとともにインパルスタービンを使用することである。
【００２６】
本発明の更に別の特徴は、タービンノズルに進入する空気流及び雲内の水蒸気から水を発生することである。
【００２７】
本発明の更に別の特徴は、ノズル内の空気をマッハ＝１．０まで加速するため、収束−発散ノズルのスロートを変化する制御システムである。
【００２８】
本発明の更に別の特徴は、ノズルを保持し、風に向かって回転しないようにする停止機構を組み込むことである。
【００２９】
本発明の更に別の特徴は、水がノズルやロータチャンバ内に溜まらないようにする水ドレンシステムを組み込むことである。
【００３０】
本発明の更に別の特徴は、可変ノズルスロート断面積である。
【００３１】
本発明の更に別の特徴は、ノズルを出る空気流中に空気流タービンを配置することである。
【００３２】
本発明の更に別の特徴は、風力タービンの重心の真上に取り付けられた吊り下げ用フックを使用することである。
【００３３】
本発明の更に別の特徴は、タービンユニットを収束−発散ノズルのスロートに挿入することである。
【００３４】
本発明の更に別の特徴は、タービンが、ノズル入口の前方で、その垂直回転軸線を中心として風と向き合うように整合していることである。
【００３５】
本発明の更に別の特徴は、空気をノズルに押し込む動力ファンが設けられた収束ノズルにより、ノズルが空気の内部エネルギーを運動エネルギーに変換し、この運動エネルギーがタービンを駆動して動力ファンによって加えられたよりも多くの動力を発生することである。
【００３６】
本発明の更に別の特徴は、動力ファンが設けられた収束ノズル、及び前記動力ファンにエネルギーを提供するタービンであり、この組み合わせは、航空機を駆動するターボプロップエンジンである。
【００３７】
本発明の更に別の特徴は、動力ファンが設けられた収束ノズル、及び前記動力ファンを機械的に駆動するタービンであり、この組み合わせは、航空機を駆動するターボプロップエンジンである。
【００３８】
本発明の更に別の特徴は、動力ファンが設けられた内収束ノズル、前記動力ファンにエネルギーを提供するタービン、及び別のノズルに空気を押し込む追加のファンであり、この組み合わせは、航空機を駆動するターボプロップエンジンである。
【００３９】
本発明の更に別の特徴は、動力ファンが設けられた形状が可変の内収束ノズル、及び前記動力ファンにエネルギーを提供するタービン、及び形状が可変の別のノズルに空気を押し込む追加のファンであり、この組み合わせは、航空機１９、２０を駆動するターボプロップエンジンである。
【００４０】
本発明の更に別の特徴は、動力ファンが設けられた形状が可変の内収束ノズル、及び前記動力ファンにエネルギーを提供するタービン、及び流れ方向を変化する形状が可変の別のノズルに空気を押し込む追加のファンであり、この組み合わせは、航空機を駆動する、推力逆転装置を備えたターボプロップエンジンである。
【００４１】
本発明の更に別の特徴は、空気流のエネルギー及び温度を上昇し、かくして質量流量を増大し、タービン内で音速を発生し、タービンのエネルギー発生量を増大するため、前記ターボプロップエンジンの収束ノズルに燃料噴射装置を組み込むことである。
【００４２】
本発明の更に別の特徴は、自然の風とは別個に空気の内部エネルギーから電気を発生する装置である。この装置は、装置の始動に使用される第１動力ファンが設けられた収束ノズルと、空気の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換するタービンと、を有し、第１タービン、第２動力ファン、及び電気を発生する発電機を駆動する。
【００４３】
本発明は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより、更に良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
今日の風力タービンは、空気流、即ち風で駆動されるプロペラを備えている。風が強くなるに従って、プロペラブレードを駆動するための更に多くの運動エネルギーを利用できるが、プロペラブレードが大きく且つ重量がある（ブレード一枚当たり約１１０００ｋｇ）ため、風速が特定のレベルを越えると、ブレードが遠心力で壊れることがないようにするため、ブレードの強度及びシャフトへのその取り付け強度に従って回転を停止しなければならない。かくして、空気タービンはその仕事を停止し、多くの風力エネルギーが無駄になる。他方、風が弱過ぎ、約４ｍ／ｓ又はそれよりも弱い場合には、大型のプロペラでも作動しない。これは、利用可能な運動エネルギーが、大型の空気タービンを回転させるには弱すぎるためである。本発明は、こうした問題点を解決し、本発明が、空気タービンをどれ程コンパクトにできるか、及び弱い風並びに高速の風でどのようにして比較的多くの電気を発生するのかを説明する。
【００４５】
更に、ノズル入口に流入する空気流を発生する動力ファンを設置することには価値がある。これは、収束−発散ノズルが、空気流の運動エネルギーをそのスロートのところで約１０倍に増大できるためである。かくして正味動力出力は動力入力よりも大きく、風に左右されないエンジンを得る。空気を吸い込んで空気流を収束ノズル又は収束−発散ノズルに押し込む動力ファンが、本発明の主要な特徴である。
【００４６】
風の運動エネルギーは、以下の式によって数学的に表現できる。
【数１】
2008520900.tif 000003
ここで、Ｖは空気の速度であり、
ρは空気の密度であり、
Ａは空気流の断面積であり、
”×”は掛け算の記号であり、後に省略される。
【００４７】
従って、空気の速度がゼロであれば、発生する運動エネルギーはゼロである。
【００４８】
（注：本特許出願の全ての式及び使用したデータは、下記の参考図書から引用した。）
「空気力学の基礎(Foundations of Aerodynamics)（第二版）」Ａ．Ｍ．クーセ及びＪ．Ｄ．シェッツアー著
ミシガン大学（米国）航空工学科
出版社：ジョン  ウィリー  アンド  サンズ社
米国国会図書館出版目録カード番号：５９−１４１２２
【００４９】
驚くべきことに、自然の風の空気は、たとえ凍結温度でも、その運動エネルギーと比較して大量のエネルギー（「内部」エネルギーと呼ぶ）を持っている。
【００５０】
この状態を理解するため、単位質量についての等エントロピー圧縮流のエネルギー方程式を参照しなければならない。
【数２】
2008520900.tif 000004
（上記方程式については、参考図書の第１４０頁の方程式２４を参照されたい。）
【００５１】
風について論じているため、上記方程式中の全ての関連したパラメータは、以下の特定の条件の空気に関する。
Ｃｐは、空気の定圧比熱である。上記参考図書の第１３２頁を参照されたい。
Ｃｖは、空気の定積比熱である。上記参考図書の第１３１頁を参照されたい。
γ＝１．４は、１０００ oＲ（ランキン温度）の空気についてのＣｐ／Ｃｖの比である。
Ｔは、空気の絶対温度である。
Ｖは、空気の速度である。
【００５２】
Ｃｐ×Ｔは、ガス（空気）の内部エネルギーであり、この際、Ｖ2 ／２は、単位質量のガスの運動エネルギーである。等エントロピー流れ（空気に熱が加えられも奪われもしない流れ）については、式２即ち方程式２４によって与えられたエネルギー関係を満たさなければならない。即ち、エネルギー保存則が存在する。
【００５３】
運動エネルギーと内部エネルギーとの間の比を示すため、これらのエネルギーを、比較的強い２５ｍ／ｓ（Ｖ８０型２ＭＷ（メガワット）風力タービンの作動可能な最大風速）の、温度Ｔ＝３２ oＦ（０℃）の風について計算する。これは、このような空気タービンが普及している北半球で冬季に一般的な非常に低温の空気である。
英国の単位系を使用すると、
Ｃｐ＝６０００ｆｔ×ｌｂ／ｓｌｕｇ oＲ
Ｔ＝４６０＋３２＝４９２ oＲ
Ｖ＝２５／０．３０４８＝８２．０２ｆｔ／ｓ
内部エネルギーは、ＣｐＴ＝６０００×４９２＝２９５２０００ｆｔ×ｌｂ／ｓｌｕｇであり、
運動エネルギーは、Ｖ2 ／２＝（８２．０２）2 ／２＝３２０１．６ｆｔ×ｌｂ／ｓｌｕｇである。
【００５４】
従って、空気の運動エネルギーの、空気の内部エネルギーに対する比は、この場合、
３２０１．６／２９５２０００＝０．００１０８である。即ち、運動エネルギーは、空気の内部エネルギーの約１／１０００である。これは、高性能の２ＭＷ空気タービンについての作動可能な最大風速についてである。風が弱いと、エネルギー比は更に小さくなる。
【００５５】
穏やかな風（１０ｍ／ｓよりも小さい）では運動エネルギーが小さいため、この種の風力タービンによって集められるエネルギーの量を増大するには、大面積のロータブレードが必要となる。ロータブレードが大きくなればなる程、Ｖ８０等の機械全体が大型になり且つ高価になり、その結果、高価な電気を発生することになる。
【００５６】
従って、空気の内部エネルギー源を利用する方法を案出する者が誰もいなかったということは驚くべきことである。本発明は、空気の内部エネルギーを運動エネルギーに変換し、次いで新規なタービン設計によって機械的エネルギーに変換する。
【００５７】
図１は、本発明の一実施形態の概略断面図である。ポッド１００が、ブレード１２６、１２７、１２８、等を備えた円筒形ロータ１２２を収容している。これらのブレードは、平らな又は凹状の矩形の平面形態であってもよいし、任意の他の平面形態であってもよい。かくして、風１５０がノズル入口１１０に進入してノズル１０８内を１５２として流れるとき、ノズルの断面積が最小のノズルスロート１１４まで収斂し、ここで空気がその最大風速に達する。空気流１５４は、スロート１１４の直後に「持ち上がってきた」ブレード１２８及び空気流１５４に対して瞬間的に垂直なブレード１２６に当たる。ブレード１２６は、空気流１５４によって押されて右方に移動する、即ち駆動空気流１５４に対して垂直なロータの回転軸線１２０を中心として時計廻り方向に回転する。ブレード１２６、１２７、１２８、等が同様にロータシリンダ１２２にしっかりと取り付けられているため、ロータ１２２は、そのブレード１２６、１２７、１２８、等とともに時計廻り方向に回転する。ロータブレード１２６、１２７、１２８、等の縁部とシリンダチャンバの壁１２４、１２５との間の距離は小さく（数ｍｍ）、かくして空気流１５４、１５６はこれらのブレードを迂回できず、チャンネル１６２の内部を流れて開口部１２９に達するまで、これらのブレードを押して回転する。空気流１５８は、開口部１２９のところで、参照符号「Ｅ」を付した排気ノズルを通ってロータチャンバを離れ、タービン断面１１８を流れ１６０として離れる。ロータブレード１２６からロータブレード１２９までの空気流の経路は、空気流がロータブレードに連続した空力学的力を及ぼす時間距離を提供する。ブレードの数を二枚まで減らすと、かくしてこの空気タービンの製造費を低減し、最終的にはこの設計によって発生される電気の費用を低減する。しかしながら、滑らかな作動を維持するためには、即ちロータ１２２に一定の空力学的トルクを及ぼすためには、四枚乃至八枚のブレードを使用しなければならない。この設計が本発明の主要な特徴である。
【００５８】
ポッド１００は、自由空気中に屹立した垂直ウィング１９４を備えている。かくして垂直ウィング１９４と整合していない風がウィングに空力学的力を及ぼし、この力により、ポッド１００を、取り付けコラム１３４に通したその垂直軸線１４５を中心として、ポッドの入口１１０が来入風１５０に面するように回転する。
【００５９】
ポッドコラム１３４は、ストップ１３３及び導入コーン１３５を備えている。これらは、両方とも、ポッドコラム１３４にしっかりと取り付けられており、コラム１３４をパイプ１４０内に整合するのを補助する。パイプ１４０は、作動のため、即ち風で電気を発生するためにポッド１００が取り付けられるタワーである。コラム１３４をパイプ１４０に挿入した後、ストップ１３３がその対応する部品１４１に当たったとき、パイプ１４０内へのコラム１３４の下方への移動を停止する。ストップ１３３及び対応部品１４１は、両方とも、同じ平らな形状、好ましくは円形の平面形態を有する。ストップ１３３が対応部品１４１に載止したとき、Ｃ字形断面形状を持つロック１４２を下側の部品１４１にしっかりと（好ましくはボルトによって）設置し、ストップ１３３及びポッド１００全体を、軸線１４５を中心として、来入風に向かって回転させることができるが、上方に動かないようにし、かくしてタービンポッドをその支持コラム１４０上に設置された状態に保持する。ポッドをパイプ１４０に取り付けるシステム１３０が本発明の別の特徴である。
【００６０】
フック１０９がポッドの対称平面に、重心の上方に正確に取り付けられている。かくして、クレーンでポッド１００をコラム１４０に設置するとき、コラム１３４は水平方向に対して垂直であり、コラム１４０と平行であり、かくしてコーン１３５をコラム１４０の開放した頂部と容易に整合させることができ、タービンをその作動位置に容易に設置できる。このフック及びその位置が本発明の別の特徴である。スロートのところでのマッハ数（Ｍ）が１．０を越える、即ち音速を発生する極めて高速の風用に随意の追加の空気通路を設ける。このような場合には、ノズル１０８に設けられた、風速計測装置を組み込んだ随意の制御システムがこの空気通路を開放し、余分の空気流を、ノズルから、スロート区分１１４のところで、騒音やがたを生じるＭ＝１．０を越えることなく、この通路を通して出す。
【００６１】
本発明の空気タービンは、比較的ぴったりとした容器内で作動するため、ノズル又はロータチャンバ内に溜まった雨水を除去するために水ドレンシステムを必要とする。更に、ノズルに進入する空気が低温である（下文に示す数値例を参照されたい）ため、水蒸気が液化して水になってしまう。水を空気タービンからドレンするため、水コレクタ１６７を追加する。この水コレクタ１６７は、収束ノズルから水を集め、これをパイプ１３１に移送する。更に、ドレン穴及びパイプ１６８がロータチャンバから水を集める。乾燥した地域では、この水を何らかの用途に当てることができる。これは、こうした水が清浄な飲用水であるためである。雲が存在する地域、即ち山や高いタワーの頂部にタービンを配置した場合には、大量の水を発生でき、こうした水を、後に使用するために蓄える。水収集−ドレンシステムは、本発明の別の実施形態である。
【００６２】
図１のロータ設計は、チャンバ壁とブレードの縁部との間の距離が約１ｍｍ又は２ｍｍであるために空気流がブレードを迂回できないため、高い効率をもたらす。この際、ブレードの翼幅又は弦は、約３０ｃｍ又はそれ以上である。この形状により、空気流はブレードを迂回できず、ブレードを押さなければならず、その結果、ブレードの速度を空気流の速度にすることによって、空気の運動エネルギーの大部分がブレードに伝達される。ブレードは、簡単な平らな薄板金又は他の材料であってもよく、かくしてこのブレードの製造費を引き下げる。他方、凹状のブレードは、空力学的効率並びに構造的強度を更に向上する。かくして図１のブレードは、凹状設計であってもよい。この設計のロータブレードは、プロペラを使用する空気タービンと比べるとかなり小さい。空力学的に効率的なプロペラの翼幅は、プロペラの弦の少なくとも約１０倍の長さを備えていなければならない。かくして、２ＭＷの機械について、各ブレードの長さは４０ｍであり、重量は約１１ｔにのぼる！このブレードは、その回転時にかなりの遠心力を発生し、これによりブレードがそのシャフトから破断してしまう場合がある。これは、以下の式で表される遠心力がブレードに作用するためである。
【数３】
2008520900.tif 000005
ここで、ωは、回転速度であり、
Ｒは、プロペラブレードの質量要素の局所的半径であり、
ｄｍは、プロペラブレードの微分質量要素である。
【００６３】
ブレードの回転速度が上昇するに従って、ブレードのシャフトに作用する更に大きな遠心力を発生する。このため、プロペラをベースとした空気タービンは、高速の風で停止しなければならないのである。本発明では、ブレードの翼幅が短く、ブレードの質量が小さく、かくしてロータアッセンブリ全体が小型で軽量であるため、ロータ及びロータブレードに作用する遠心力はプロペラ型風力タービンよりも遥かに小さい。従って、本願の実施形態は、ロータ構造を高度に強化する必要なしに、遥かに高い速度で回転できる。
【００６４】
従って、ロータの重量が小さいため、ロータの慣性回転モーメントが低く、これにより、空気流によって回転を開始するのが現在の風タービンよりも遥かに容易である。
【００６５】
ロータの回転速度は、高い出力電力を得る上で重要な要因である。これは、電力が、力に速度を直接乗じた値に等しい、即ちＰ＝Ｆ×Ｖであるためである。
【００６６】
更に、この実施形態では、ロータブレードに作用する空力学的力は、「揚力」及び「抗力」の組み合わせである。この実施形態では、ブレードに対して垂直な空力学的力の組み合わせ効果に関心があるため、失速という用語には意味がない。従って、揚力及び抗力は、ブレードの主面に対して垂直な力を増大するという同じ目的で役立ち、力のこの組み合わせにより、力を更に安定させる。従って、このロータの実施形態に関し、空力学的力を抗力と考える。この実施形態についての抗力係数は、正方形のブレードに通常の流れがぶつかる場合には、１．０乃至２．０である。かくして空力学的抗力に基づく設計が本発明の別の特徴である。
【００６７】
航空機の翼並びにプロペラブレードでは、翼は、ＮＡＣＡ６５シリーズ等の翼輪郭から幾何学的に形成される。各翼輪郭は、前縁及び後縁を結ぶ線と定義される弦を有する。この実施形態では、翼は、ブレードが輪郭領域全体に亘ってハブに連結されたプロペラブレードやターボジェットの軸流タービンとは異なり、その輪郭の後縁領域によってロータハブに取り付けられている。かくして、軽量のロータブレードが輪郭の後縁領域に亘ってハブに連結されており、閉鎖チャンバ内の空気流路に沿って空気流に従って移動するロータ設計は、本発明の別の特徴である。
【００６８】
収束ノズル１０８が本発明の主要な特徴である。ノズルの断面積は、スロート１１４に向かって徐々に減少し、スロート１１４のところでノズルの断面積が最小になり、かくして空気流１５２を強制的に加速し、即ち空気の内部エネルギーを運動エネルギーに変換する。
【００６９】
乱流による運動エネルギーの損失を最小にするため、及びノズル内の静圧が上昇しないようにするため、入口１０８にはガイドベーン１１２が設けられている。これらのガイドベーン１１２は、空気流を互いに「平行」な流線をなして全体にノズル壁の方向に強制的に流す、平らで薄いエレメント（金属、プラスチック、又はカーボンファイバやガラスファイバ等の複合材料で形成されている）である。その結果、ガイドベーンを離れる空気流は、スロート１１４に向かって同じ速度で、互いに混じり合うことなくできるだけ滑らかに、スロート１１４のところでのノズル壁と平行に且つロータブレード１２６に対して垂直に流れる。矢印１５４がこの流れを示す。ノズル内での乱流及び静圧の上昇を抑えるガイドベーンを組み込んだ収束ノズル設計が、本発明の別の特徴である。
【００７０】
スロート１１４の断面積が入口断面１１０の約１／１０であるため、空気流の速度１５０を自然の風と比較して約１０倍に上昇すると同時に、その運動エネルギーが約１００倍増大する。ノズルの長さ及び形状は、効率と重量との間の配慮の交換条件である。これは、ノズルが長ければ長い程、乱流及び圧力上昇を阻止する上で優れているためである。乱流及び圧力上昇を阻止することは、等エントロピー流れを得る上で、及びできるだけ大量の空気を移送すると同時に入口での漏れを最少にする上で重要である。空気流の内部エネルギーを運動エネルギーに変換する収束ノズルは、本発明の主要な特徴である。
【００７１】
運動エネルギーのこの高いゲインを提供するため、入口からスロートまでのノズルに沿った空気のパラメータを計算する。
入口断面１１０での空気流のパラメータ：
Ａ１＝１０ｍ2 、１１０での断面積、
Ｖ１＝２１．７３７ｆｔ／ｓ、１１０での風速（この値は、後の数値計算を容易にするために選択した値であるということに着目されたい。）
ρ１＝０．００２３７８ｓｌｕｇ／ｆｔ3 、１１０での空気の密度（海面の高さでの標準大気の圧力の値）、
Ｔ１＝３２ oＦ、１１０での空気の温度（冬季の平均的な気温）。
【００７２】
空気流がタービンブレード１２８及び１２６に当たる、スロート１１４での同じパラメータを知る必要がある。即ち、
Ａ２＝１ｍ2 、１１０での断面積（設計によって与えられる）、
Ｖ２＝？、１１４での風速、
ρ２＝？、１１４での空気の密度、
Ｔ２＝１１０での空気の温度、
γ＝１．４、１０００ oＲの空気についてのＣｐ／Ｃｖの比。
【００７３】
解：以下の方程式を使用する。
1)
【数４】
2008520900.tif 000006
区分１１４ではＴ、Ｖは未知数である。
エネルギー保存；参考図書の第１４０頁の方程式２４、即ち本願の式２を参照されたい。
２）
【数５】
2008520900.tif 000007
区分１１４ではＴ、ｐ、ρは未知数である。
理想気体の状態方程式；参考図書の第１３０頁の方程式２を参照されたい。
３）
【数６】
2008520900.tif 000008
区分１１４ではρ、Ｖは未知数である。
連続性の方程式；参考図書の第１５５頁の方程式２２を参照されたい。
４）
【数７】
2008520900.tif 000009
区分１１４ではＴ、ρは未知数である。
断熱可逆流れ；参考図書の第１４２頁の方程式２９を参照されたい。
（区分１１４でのＴｏ及びρｏは、断熱流れについて、区分１１０での値と同じであり、方程式１及び４を使用して所与のパラメータで計算できる。）
【００７４】
区分１１４での空気流のパラメータである四つの未知数Ｖ、Ｔ、ｐ、及びρがある。この方程式の組を解くには、最終的に試行錯誤の方法を必要とする。これは、４番目の方程式即ち上記式７のためである。参考図書の第１５２頁乃至第１５９頁には別の式が記載されている。空気流の速度Ｖの代わりにマッハ数の定義を使用して一般解が説明されている。これらの解は、参考図書の第１５３頁の第４図及びこの参考図書の表２に示されている。
【表１】
2008520900.tif 000010
【００７５】
参考図書での議論は、「ラバル管」と名付けられた収束−発散ノズルについて続けられる。第１５６頁乃至第１５９頁を参照されたい。ここでは、解は、局所的マッハ数＝１．０のクリティカル領域Ａ* の定義を使用して与えられる（第１５７頁Ｌ．２参照）。流れパラメータは、第１５７頁の方程式２６及び２７、及び第１５８頁の図７及び図８で与えられる。項Ａ* ／Ａは空気流のパラメータを計算する上で非常に助けとなる。これは、表２に含まれる。
【００７６】
収束ノズルにおける流れパラメータの解法は、以下の方法に従って行われる。
【００７７】
ステップ１：区分１１０について特定されたマッハ数について、比Ａ* ／Ａを計算する。空気流がマッハ１．０、即ち音速に達する場所の収束ノズルの断面積Ａ* を計算する。音速がＴの関数であることに着目されたい。
【数８】
2008520900.tif 000011
従って、区分１１０でのマッハ数を計算する。
区分１１０での音速は、
【数９】
2008520900.tif 000012
区分１１０でのマッハ数は、Ｍ＝Ｖ／ａ＝２１．７３７／１０８６．８７＝０．０２である。
この値について、表２では、
Ａ* ／Ａ］Ｓ１１０＝０．０３４５５
∴    Ａ* ／１０＝０．０３４５５
∴          Ａ* ＝０．３４５５ｍ2 を得る。
【００７８】
ステップ２：区分１１４でのマッハ数を計算する。
Ａ* がわかっており、Ａ］Ｓ１１４＝１．０ｍ2 である場合には、区分１１４についてのＡ* ／Ａは、Ａ* ／Ａ＝０．３４５５／１．０である。この値は、表２において、Ｍ＝．０２０５、即ちＭ＝０．２とＭ＝０．２１との間の値である。
（注：Ｔo は、区分１１０について、上掲の方程式１から直接計算される。）
Ｔ／Ｔo ＝０．９９２１
Ｔ］Ｓ１１４＝Ｔo ×０．９９２１＝４９２．０３９３７×０．９９２１＝４８８．１５ oＲ∴Ｔ］Ｓ１１４＝４８８．１５ oＲ
このことは、区分１１４の空気は、ノズル入口１１０に進入する空気（４９２ oＲ）よりも低温であるということを意味する。この空気流の温度低下は、本発明の重要な特徴である。これは、本発明による収束ノズルが吸い込んだ雲から水を得るのに使用できるためである。
【００７９】
ステップ３：区分１１４での音速を計算する。
【数１０】
2008520900.tif 000013
【００８０】
ステップ４：区分１１４での空気流の速度を計算する。
【数１１】
2008520900.tif 000014
【００８１】
かくして、スロート１１４での空気の速度は、２２１．９ｆｔ／ｓである。従って、
２２１．９／２１．７３７＝１０．２
即ち、区分１１０での空気流の速度よりも１０．２倍速い。従って、区分１１０と比較して１０４倍の運動エネルギーを持つ空気流を得る。運動エネルギーのこの大幅な増大が、本発明の主要な特徴である。ノズル内の空気流に外部からエネルギーが全く加えられないため、区分１１０の空気流の内部エネルギーの幾分か、即ち、
【数１２】
2008520900.tif 000015
が運動エネルギーに変換される。即ち、
【数１３】
2008520900.tif 000016
これは、本発明の主要な特徴である。
【００８２】
区分１１４での密度、圧力、及び温度は、方程式４からρo を計算し、方程式２からｐo を計算した後、Ｍ＝０．２０５についての表の値から容易に計算できるということに着目されたい。
【００８３】
収束ノズルについての以上の計算は、「断面又は平行な流線間の変化率が小さい」ということに基づくということに着目されたい。参考図書の第１５４頁を参照されたい。従って、理想的なノズルからの幾らかの逸脱により、ノズルが、「断面の変化率が小さい」状態から外れ、大きくなる場合が予想される。しかしながら、全ての場合において、ρＶＡ＝一定という連続性の方程式に従う。この方程式は、空気流がノズルに進入した後の定常状態の空気流の加速を述べており、区分１１０では、定常状態の速度を有する。
【００８４】
これは、エネルギーの方程式２４を使用してチェックできる。
【数１４】
2008520900.tif 000017
【００８５】
数値間に僅かな相違があるけれども、これらの間の比は０．９９９５６であり、これは、表に示すパラメータの数値を丸めたパラメータを使用し、マッハ数について内挿を使用することによる不正確性に留意すると、工業的目的について優れた精度である。
【数１５】
2008520900.tif 000018
【００８６】
かくして、Ｔの差は、約０．２ oＲであり、これは無視できる誤差である。
【００８７】
かくして、面積比が１／１０の収束ノズルを使用すると、２１．７３７ｆｔ／ｓの自然の風速は、２２１．９ｆｔ／ｓに上昇し、単位質量当たりの自然の風の運動エネルギーは、２１．７３７2 ／２＝２３６．２５から、２２１．９2 ／２＝２４６１９．８に増大する。この運動エネルギーの増大は空気の温度の低下によるものであり、１０４倍である。内部エネルギーの運動エネルギーへのこの変換は、本発明の主要な特徴である。この収束ノズルを使用することにより、入口の１／１０の小さな面積に集中する高速の空気流が得られ、収束ノズルによって空気流が拘束されるため、必要とされるタービンブレードは小型で軽量であり、空気の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換する上で遥かに効率的である。
【００８８】
図１は、これを達成する一つの実施形態を示す。入口断面からスロート断面１１４までのノズルの長さは、ノズルの重量を低減するため、及び台風のときでも立っており且つ作動できるように所与の質量構造についてのノズルの剛性を向上するため、できるだけ短くなければならない。しかしながら、収束ノズルは、等エントロピー流を確保し且つ入口での漏れを最少にする上で十分に長くなければならない。これらの相反する必要条件を満たすため、ガイドベーンを使用する。ガイドベーン１１２は、ノズル１０８を四つの独立した先細の副ノズルに分割する。各副ノズルの入口−出口面積比は、乱流の発生を阻止するため、各副ノズルから出る流れの速度が等しいように、１／１０である。各副ノズルは、主ノズルよりも遥かに狭幅であるということに着目されたい。副ノズルの所望の数は選択事項である。これは、副ノズルを追加すると、抗力、重量、複雑さ、及び費用が大きくなるためである。これらは全て、望ましからぬことである。ノズル、特に短い収束ノズルでガイドベーンを使用することは、本発明の別の重要な特徴である。
【００８９】
本発明を効率的にするため、収束ノズルの内部の静空気圧が、上流、即ち入口１１０での静圧よりも低くなければならないということに着目されるべきである。これは、空気を、収束ノズルを通して等エントロピー流をなして加速する場合である。発電機に連結されたタービンがスロートのところに、又はスロートの僅かに後方に配置されるため、タービンは、特に高出力発電機の場合、流れに対して空力学的抵抗を発生する。この始動時の問題点を解決するため、空気をノズルから吸い込み、定常状態の空気流をノズル内に発生するのを補助するタービンの初期回転速度を与えるため、随意の「始動」手順を使用できる。発電機が電動モータとして作用し、これに連結されたタービンを回転するように、発電機を外部電源に接続する。この始動プロセスは、風が存在する場合に行わなければならない。このような外部電源は、バッテリー又は電気グリッドである。発電機は、風力タービンが電気を発生しているときにこのバッテリーを充電し、バッテリーは、始動時に電流を提供する。始動プロセスに要する時間は短く、約１分程度であり、次いで、始動プロセスを停止し、定常状態の空気流の空気がタービンブレードをそれ自体の力で駆動できるようにする。この始動プロセスは、本発明の別の特徴である。
【００９０】
始動手順を開始するため、多くの構成を形成できる。例えば、風力タービンに設置された動作センサが電気信号を発生し、この信号を、バッテリーによって電力が提供された増幅器回路で増幅し、リレーを切り換え、これによりバッテリーを発電機にタイマーを介して接続する。タイマーは、電流をモータ／発電機に伝達し、所定の数秒が経過した後、モータへの電力を切る。
【００９１】
別の構成は、何らかの空気流を実際に感知するため、ノズル内部又は外部にピトー管を組み込むことである。ピトー管に進入する空気流によるピトー管内部の圧力上昇を、アナログ又はデジタルの電気信号に変換し、この信号がシステム２３０に到達し、制御システムをトリガーし、空気流タービンのロータに連結された電動モータにバッテリーの端子を接続することによって、スターターシステムを作動する。タービンの始動後、制御システムは、少なくとも５分又はそれ以上に亘って別の始動を開始することができない。これは、始動プロセスで空気タービンが発生する空気流でなく、自然の風だけで始動を開始できるようにするためである。制御システムは、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、及びコンピュータプログラムを記憶したメモリー装置に基づくシステムである。このコンピュータプログラムは、風力タービンの状態を監視し、ピトー管からの最少自然風速データの有無に応じて始動プロセスを開始する時期を「決定」するプログラムである。更に、表２のデータ並びに大気のデータをメモリー装置に記憶できる。このデータは、追加の空気通路１６１を制御する上で必要である。図３に関する追加の詳細、又は本発明の他の実施形態の他の特徴を参照されたい。タービンを始動するため、所定の時期に又は所定の時間間隔でタービンの回転を開始する予めプログラムしたタイマー、遠隔制御装置からの作動指令、又は場合によっては人間の手による指令等の他の方法を適用して電気スイッチを作動し、本発明による家庭用風力タービンを作動してもよい。
【００９２】
本発明の大きな利点は、低い風速でも大量のエネルギーを発生できるということ、及び大きさがコンパクトであるということである。そのため、こうした装置は、全てのビルディングの屋根に容易に設置できる。例えば、図１による入口直径が１ｍの収束ノズルの電力出力を計算できる。
【００９３】
風速を２１．７３７ｆｔ／ｓ、即ち６．６ｍ／ｓと仮定する。これは非常に一般的な弱い風であり、スロート１１４のところで２２１．９ｆｔ／ｓの風速を発生する。速度が２２１．９ｆｔ／ｓのスロート空気流５４に対して一時的に垂直なブレード１２６に作用する空力学的力を計算する。
【００９４】
予め計算したスロートのデータを使用する。本明細書中の表２及びそれに続く記載を参照されたい。内挿した比ρ／ρｏ＝０．９７９３を使用し、スロートでの空気の密度を計算する。
ρ＝ρｏ×０．９７９３＝０．００２３７８×０．９７９３＝０．００２３２８８
【数１６】
2008520900.tif 000019
ここで、Ｓは、ブレード１２６の面積であり、ＣＤ＝１．０は、ブレード１２６（区分１１４）の抗力係数である。
【００９５】
タービンブレードが、空気流をノズルのスロート内にとどめるため、タービン負荷がある場合の空気流の速度と比較した、スロートでの空気流の速度低下を３０％と仮定する。即ち、空気流の速度は、２２１．９×０．７＝１５５．３ｆｔ／ｓである。
【数１７】
2008520900.tif 000020
及び電力は、
【数１８】
2008520900.tif 000021
【００９６】
次に、タービン負荷がない場合の、スロートでの空気流のエネルギーを計算する。
【数１９】
2008520900.tif 000022
【００９７】
従って、この風力タービンが１４．５ｋＷのうちの５ｋＷを発生するということを示す上述の電力出力の計算は、非常に控えめであり、実際の電力出力は、７ｋＷにのぼる。
【００９８】
この５．０ｋＷの出力電力は、西欧諸国の平均的な家庭にとって十分である。６．６ｍ／ｓの軽微な風でこの出力が発生することから、更に強い風では、この数値の２倍又はそれ以上の出力が発生する。
【００９９】
この風力タービンは、長さが約２．５ｍであるため、この大きさにより、各都市の数千もの家庭のため、このような風力タービンを、都市の全てのビルディングの屋根に設置できる。本発明を採用すると、国の大量の電気を節約でき、汚染が減少し、多くの家庭が彼等自身で電力を発生することにより、生活費を減少する方法を提供する。当然のことながら、風速が高いと、このような風力タービンの所有者は、地方の電力会社に電気を販売できる。
【０１００】
図２は、図１の空気タービンの正面図を示す。参照番号を付した全てのエレメントは、図１におけるのと同じ参照番号を備えている。この図は、全ての流れを取り扱うため、ガイドベーン１１２がノズルの幅に亘って延びていることを示す。ガイドベーン１１２の翼幅は、図３に明らかに示してある。ガイドベーンの寸法は、空気を加熱することになる運動エネルギーの損失を最少にするように定められる。横方向乱流による乱流作用をなくすため、垂直ガイドベーン（この図には示さず）を追加してもよい。
【０１０１】
図３は、図１の空気タービンの平断面図である。参照番号を付した全てのエレメントには、図１に示してないものを除くと、図１におけるのと同じ参照番号が付してある。ロータの主シャフト１２０は、そのブレード１２７（図面を読み易くするため、残りのブレードは示してない）に及ぼされた空力学的力により回転する。シャフト１２０はプーリ１７０を有し、このプーリは駆動ベルト１７３と係合し、このベルトがプーリ１７０よりも小径のプーリ１７１を回転し、かくして、プーリ１７１は、発電機１７５を駆動するのに十分に高い回転速度で回転し、この発電機が機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。電流の形態の電気エネルギーは、電線（図示せず）によって発電機の外に伝達される。
【０１０２】
随意の追加の空気排出システム１６０−１６３の役割は、風速が最大３００ｋｍ／時に及ぶ台風に対し、この設計が対処することである。台風の空気の速度を１０倍にすると、マッハ＝１．０を越えてしまう。ノズル内で衝撃波が発生しないようにするため、空気通路１６０を開放し、かくしてスロートの面積を増大し、これによってスロート１１４での空気の速度を低下し、マッハ＝１．０以下に保つ。余分の空気通路を組み込むことが、本発明の別の特徴である。スロートでのよどみ圧を計測するピトー管等の風速計測装置２３６と一体化した制御システム２３０及びアナログ−デジタルコンバータ（図示せず）が、この圧力を電気信号に変換し、この信号がライン２３８を通って制御システムのＣＰＵに提供される。ＣＰＵは、スロートでの空気流の速度を監視するコンピュータプログラムを作動し、この速度がＭ＝１を越えたとき、遠隔制御式電動アクチュエータ１６２及びそのアーム１６３によって電動式ドア１６１を開放する。制御システムのメモリー装置に記憶された空力学的データ（参考図書の表２等）は、制御システムが本願の他の実施形態の様々な仕事を行う上で役立つ。マッハ数がマッハ＝１．０に向かって上昇するとき、制御システムは電動アクチュエータ（航空機産業で一般的な装置）に電気信号を送出し、このアクチュエータが剛性アーム１６３を押してドア１６１を開け、かくしてスロートの前方の空気の幾分かを通路１６０を通して流出させることができ、スロートでの空気流はＭ＝１を越えず、かくして、衝撃波、騒音、及び振動をなくす。かくして、この随意の空気通路により、この風力タービンは、破壊的自然現象から幾分かのエネルギーを利用するため、強い風で作動する。余分の空気排出システムを組み込むことが、本発明の別の特徴である。
【０１０３】
図４は、本発明の別の実施形態の側断面図である。この図は、入口が平面的であり、空気がロータブレードに抗力を及ぼす空気経路が長く、かくして大きな効率が得られる。図１の設計の全ての他の特徴は、ここに、及び本願の任意の他の実施形態に含まれていてもよい。図４、図５、図６でエレメントに付した参照番号は、基本的には、図１、図２、及び図３で用いたものと同じである。
【０１０４】
図５は、図４の空気タービンの正面図を示す。この実施形態は、平面的な空気入口を有する。これにより、入口は、大きな入口面積を持つことができると同時に、タービンロータの直径を小さくできる。これは、遠心力を小さくしておく上で重要であり、及び従って、構造を軽量にし且つ安価にする上で重要である。他方、高出力風力タービンは大きな入口を必要とし、自然の景観に大きな影響を及ぼす。しかしながら、この実施形態は、設計の高さを低くし、良好な外観を提供する。入口面積が大きいということは、更に多くの電気を発生するということを意味する。
【０１０５】
図６は、図４の実施形態の平面図である。この実施形態では、ロータブレード１２７の翼幅は、図１又は図４でわかるように、ブレードの半径、即ち弦−ブレードの長さの約５倍乃至１０倍大きい。
【０１０６】
図７は、本発明の別の実施形態である。この実施形態は、ロータ設計が図１及び図４と同様であるが、ノズルの断面積が可変である。入口が可変であることによる利点は、空気流がスロート１１４のところでマッハ＝１に達しないようにすることにある。可変の入口は、風速が上昇するとき、流れを絞ると同時に入口に全ての大きな力を作用する。空気タービンのこの実施形態について、ロータブレードの大きさは固定されており、その最大風速はＭ＝１．０である。従って、電力出力を最適化するため、入口の面積を風速に適合させなければならない。風速が低いと、入口面積を増大する必要があるのに対し、高速の風では入口面積を減少する。ノズルの断面を変化するため、実施形態は、２つの平らな表面を有する。これらの表面は、両方とも、ヒンジ２６０を有し、かくしてヒンジ２６０の軸線を中心として回転できる。入口断面積１１０を変化するため、二つの随意の機構を説明する。第１の機構は、風速が上昇するに従って、上向きの揚力が増大するウィング２５０である。ウィング２５０に作用する揚力が大きくなると、ウィングに取り付けられたアーム２５２がシリンダ２５６を中心として回転し、移動自在の平らな表面１０８に力を下方に及ぼし、この平らな表面１０８がヒンジ軸線２６０を中心として回転し、かくして表面１０８の前縁（来入風と最初に出会う線）を下方に回転し、入口断面積１１０を減少する。
【０１０７】
別の選択肢は、電子式制御システム２３０によってノズル面積を変化することである。この制御システムは、図１の余分の空気通路１６０に関して説明した。ここでは、ＣＰＵがスロート１１４のところでの空気流の速度を監視し、入口面積を変化し、タービンに負荷を加える空気流の速度をできるだけマッハ＝１又は任意の他の設計値に維持する。電動アクチュエータ２７０を作動し、アーム２７２を左方に押し、ブラケット２７６を左方に押すことによって、下側の平らな表面１０８を押し、これによって平らな表面１０８をヒンジ軸線２６０を中心として回転し、かくして入口断面積１１０を減少する。入口面積を拡大するためには、アクチュエータのアーム２７２をそのシリンダ２７０内に引っ込める。図７の全ての他のエレメントには、図１におけるのと同じ参照番号が付してある。可変の入口面積及び自動制御システムが本発明の追加の特徴である。制御システムは、電話線又は無線通信のいずれかによる遠距離通信によって、遠方の制御システムから監視できるということに着目されたい。この特徴を可能にするため、セルラーモデム及びアンテナが制御システムのＣＰＵと一体化してある。
【０１０８】
図８は、図７の空気タービンの正面図である。空気速度計測装置２３６（ピトー管）の位置に着目されたい。ピトー管は、スロート平面１１４の後方のチャンバの底部に配置されている。チャンバ壁は、流れ１１２が平行な流線を持つようにするため、平行である。
【０１０９】
図９は、図７の実施形態の平断面図である。垂直ガイドベーン１１６が示してあるチャンバ２２０内の流れは、平行な線をなして流れるように構成されている。
【０１１０】
図１０は、本発明の別の実施形態のポッド１００の中心線に沿った垂直平面での断面図である。上述の実施形態におけるのと同様に、収束ノズルがこの実施形態の重要な部分である。この実施形態では、ロータは約１２枚のウィングを有し、これらのウィングの断面、７３４、７３６、７３８及び７３０は、図１１に明瞭に示す二つの平行な回転自在の「リング」８２０、８５０間に設置されている。各ウィングの側部のチップ側縁部は、リング８２０、８５０の一方にしっかりと連結されており、かくして、ウィングが軸線８８０を中心として移動するとき、両リングはこれらのウィングとともに回転する。上述のロータ設計と異なり、ウィングの後縁はロータハブに取り付けられておらず、かくして、来入流は、これらのウィングに、航空機の翼と作用するのと同様に作用する。リングは、上述の実施形態におけるのと同様に、入口に進入する流れに対して垂直な図１１に示す軸線８８０を中心として回転する。図１０に示す円７４０は、回転リング８２０、８５０の内輪郭である。これは図１１で明瞭にわかる。ガイドベーン７１６は、図示のように設置されており、これらのガイドベーンは、それらの側部のチップがステータリング８４０、８４６に取り付けられている。これらのガイドベーンは、回転自在のウィング７３４、７３５、７３６、７３７の後縁を離れる流れの方向を変え、リング８２０、８５０の右側のウィング、即ちウィング７３８、７３９に向かって流し、これらのウィングを時計廻り方向に更に押し、流れがロータ領域を離れる前に流れから更に多くの運動エネルギーを取り出す。ウィング７３６は、瞬間的に、流れ１５２に対して垂直である。静ガイドベーン７１７、７１８は、ノズル１０８の幅に亘って延びている。これらのガイドベーンは、流れ（矢印７２０で示す）を、最適の迎え角でウィング７３４に当たるように、即ち各ウィングがその瞬間的位置で回転軸線８８０を中心として最大のトルクを発生するように差し向ける。各ウィングのトルクは、結果的に作用する瞬間的な力と回転軸線８８０との間の距離を乗じた、揚力成分及び抗力成分を含む。リング８２０の中心で、静ガイドベーン７１７及び７１８が、ウィング７３６の位置での来入流１５２に垂直なノズル断面であるノズルのスロートを横切って延びている。スロートは、ノズル側壁によって形成される。これは、図１１でわかる。実際には、これらの側壁は、右側の「リング」８２０及び８４０の平らな面及び左側の「リング」８５０及び８４６の平らな面である。スロートの上壁は、ノズル１０８の上壁の延長部であり、下壁は静本体７１８の上面である。この本体は、空気流が下側のウィング７３０、７３２にマイナスのトルクを発生しないようにする。
【０１１１】
この実施形態のウィングは、自由流中のプロペラよりも大きな利点を有する。これは、ウィングの外チップがリング８２０、８５０に面し、これらのリングが壁として役立ち、ウィングの先端が渦を生じないようにするためである。かくして、１乃至５の範囲の低いアスペクト比で高効率のウィングが得られる。通常、プロペラブレードのアスペクト比は、ウィング先端の渦による揚力損が生じないようにするため、約１０又はそれ以上である。別の利点は、一方の側だけが支持されるプロペラブレードとは異なり、各ウィングの両側が支持されるということである。これによりウィングの剛性が大幅に向上する。この設計の更に別の利点は、回転半径が小さいということである。これにより、ロータに作用する遠心力が減少し、かくしてその重量及び費用が小さくなる。
【０１１２】
この実施形態の別の利点は、抗力がタービン駆動トルクに主に寄与するということである。これは、ウィング７３５、７３６、７３７、７３８についてわかる。
【０１１３】
この実施形態の別の利点は、スロートが塞がれておらず、そのため空気流をノズル内に発生でき、その結果、始動の必要性が本願の上述の実施形態と比較して小さいということである。
【０１１４】
図１０に示すウィングの断面は、従来の航空機の輪郭を備えているけれども、この設計にこの他の輪郭を使用してもよい。例えば、キャンバが高い（凹状形状の）輪郭を持つウィング、又は対称をなして凹状をなし、前縁及び後縁に丸みを付けた断面を持つウィング等を使用してもよい。
【０１１５】
図１０のガイドベーン７１０、７１２、７１４は、図１におけるようにノズルの全長に沿って延びていないが、図１のベーンをこの実施形態及び任意の収束ノズルに適用できる。このロータの実施形態は、本願の任意のノズルと組み合わせて使用できる。
【０１１６】
図１１は、図１０の実施形態の正面／断面図である。長円形８１０は、ノズルステーションのスロートでの流れ１５２に対して垂直な断面である。ノズル自体は、その隅部の点Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤによって描かれているように、矩形である。ウィング７３６がスロートの頂部にあることが明らかにわかる。ウィングの側部のチップは、ステータの右側でリング８２０に連結されており、その左側チップがリング８５０に連結されている。ロータ機構は、この図では対称であり、従って、右側だけを説明する。リング８２０は中空のディスクであり、垂直な円筒形延長部８２１を備えている。この延長部は、ベアリング８２４上に「着座」している。ベアリング８２４の回転軸線は８８０である。ディスク８２０は、剛性で丈夫な鋼等の任意の材料で形成されている。
【０１１７】
肩部８２２がベアリング８２４の左方への移動を制限するということに着目されたい。ベアリング８２４は、静パイプ８４１に「着座」している。この静パイプ８４１の対称軸線は、ロータの軸線８８０と一致する。好ましくは金属製のディスク８４２、８４３、及び８４４は、パイプ８４１をステータディスク８４０及び構造壁８１４に連結する上で役立つ。ステータディスク８４０は、対応する左ステータディスク８４６と対称である。ガイドベーン７１１及び７１２は、スロート幅に亘って延びている。即ちステータディスク８４０と、８４６との間を延びている。各ガイドベーンの側縁部は、ステータディスク８４０及び８４６のいずれかに連結されている。回転ウィング、ロータの中心の静ガイドベーン、及び高速空気流が逆の位置にあるウィングに向かって流れないようにする本体を持つこのロータ設計が、本発明の追加の特徴である。
【０１１８】
図１２は、円形断面の収束ノズルのスロート領域に組み込んだ、空気タービンの別の実施形態である。これは軸流タービンであり、従って、図１２に示すほとんどのエレメントは、二つの代表的なエレメントを示す図１４からわかるように、半径方向で対称である。図１、図７、及び図１０におけるように、仮想線１０１は、ノズルの外殻であり、仮想線１０８は、ノズルの内殻である。これは、収束ノズルへの取り付けが容易な構成を備えた軸流タービンである。
【０１１９】
この新規な設計には幾つかの利点がある。第１の利点は、タービンをそのノズルから取り外す手順が容易であるため、保守性が良好であるということである。タービンは、定期的保守を必要とする可動部品を含む機械である。収束ノズルには可動部品がなく、従って、必要される保守が少ない。かくして、保守作業を容易にするため、タービンユニットを取り外して保守工場に持っていくことを容易に行うことができ、作動位置に残っている収束ノズルに交換ユニットを容易に取り付けることができる。ユニットは、ターボジェットエンジンと非常に似た構造を備えている。内部フレーム９０４、外殻９０１、及び内殻９０８を持つポッド９００を備えている。ガイドベーン９２０は、軸線９８０に対して半径方向で対称であり、包囲コーン９２４は３６０°をなしており、来入空気流９１２を、ノズル出口を離れて区分９１０に進入した後、タービンスロート領域９１４に向かって差し向ける。空気流９１２は、スロートのところでその最大速度に達し、回転ハブ９６０を取り囲んでいるがこのハブと接触していない「ノズル」として既知の、複数のガイドベーン９３０を含むステータベーン９３０の第１列に到達する（図１４のステータディスク９３００を参照されたい）。静ガイドベーン９３０は、図１２でわかるように、側方から見て矩形であり、図１３及び図１４でわかる断面輪郭９３２を有する。ガイドベーン９３０は、軸線９８０に対して垂直な同じ平面内に配置された複数の同じこのようなベーンのうちの一つであり、一緒になって、図１４のタービン第１段ステータ９３００を形成する。エレメント９３４は、同じ種類の例示のロータブレード９４０と隣接して配置されたこの複数のエレメントの例である。ロータハブ９６０は、そのシャフト９０６にしっかりと取り付けられている。このシャフト９０６は、ベアリング９５６、９５７、及びバー９５０、９５１を介してポッドの外構造フレーム９０４、９０５、９０６によって支持されている。これらのバーは、半径方向では対称ではないけれども、四つのアームの各々が対称をなして十字形を形成するように配置されており、更に、これらのアームの各々は、空気流中で静止しているときの空力学的抗力を最小にするため、翼状輪郭断面（図１３参照）を備えている。
【０１２０】
これらのバーは、ハブ９６０に作用する長さ方向力及び側方力に耐えることができるということに着目されたい。ベアリング９５６、９５７により、ハブ９６０は、その長さ方向軸線９８０を中心として自由に回転できる。ロータディスク９４００（図１３及び図１４参照）は、複数のブレード９４０を支持する。これらのブレード９４０は、図１４でわかるように、ハブ９６０の周囲に配置されている。
【０１２１】
ステータブレードアレイ９３４及びその隣接したロータブレードアレイ９４４は、ここでは、空気流がステータベーン９３０からロータベーン９４０までどのように移動するのかを説明するために示してある。ステータブレード９３０は、ロータブレードを矢印９９０の方向に押す、即ち軸線９８０を中心として回転させる空力学的力を最大にするように、流れ９１３を、区分輪郭９４４アレイに向かって最良の迎え角で差し向ける。流れ９１３は、ロータ輪郭と出会うときの迎え角が最良であるように、ステータ輪郭によってその方向を変える。流れから運動エネルギーの大部分を取り出す上で、バナナ形状のロータ輪郭が有用である。流れがステータ区分及びロータ区分を蛇行して移動することにより、ロータを９９０方向（軸線９８０を中心として）に回転し、最終的には、長さ方向速度成分が小さく且つ接線方向速度成分が小さい流れ９１８として離れる。
【０１２２】
ロータブレード区分９４２は、対称で高キャンバの空力学的輪郭を備えている。これは、駆動流からできるだけ多くの運動エネルギーを取り出す上で重要である。断面９３２、９４２を夫々備えたステータディスク（ノズル）９３０及びロータディスク９４０のこの構成は、「インパルスタービン」として既知である。インパルスタービンは、流れから取り出されるエネルギーを最大にするように設計されている。各タービン段の、流れからエネルギーを取り出す性能に限界があるため、随意の追加のインパルス段タービン９３８、９４８を設計に追加する。
【０１２３】
シャフト９０６は、発電機９７０−９７２、及び後縁コーン９７５を支持する。かくして、シャフト９０６が回転するとき、発電機のロータ９７２も回転するが、発電機のステータ９７０は、バー９５０と同様のバー９５２によって支持されているため、静止したままである。電力は、支持体９５２に通した電線によって伝達される。
【０１２４】
タービンポッドフレーム９０４は、タービン発電機ユニットの重心のところに配置されており、かくして、フレーム９０４に取り付けられた支持フック１０９は、重心のところに配置される。フック１０９を使用してユニットを吊り上げるとき、ユニットはほぼ水平な姿勢をとり、収束ノズルの後部入口への導入を容易にする。ユニットがその位置にきた後、ボルトをノズルフレーム１０４を通してタービンフレーム９０２、９０３、９０４、９０５に打ち込み、タービンを収束ノズルにしっかりと取り付ける。タービンの後部コーンには、タービンユニットをそのノズルから引っ張るのを助けるための穴９０７が設けられている。
【０１２５】
図１３は、タービンの主要部品の組み立て方法を示す。コーン９２４をシャフト９０６に連結した後、アーム９５０をベアリング９５６に取り付け、このベアリングをシャフト９０６に装着する。次いで、ハブディスク９６０を、好ましくはスプライン溝によってシャフトにしっかりと連結する。その後、ステータディスク９３００をハブ９６０の周囲に取り付ける。ステータディスクは、静エレメントとなるように、後に、その外部リング９３８を介してポッドの内殻に連結される。次いで、ロータディスク９４００をシャフトに組み込み、シャフトにハブ９６０としてしっかりと連結する。
【０１２６】
図１４は、ステータディスク９３００及びロータディスク９４００の平面図である。
【０１２７】
ターボジェットエンジンと同様に組み立てた軸流タービンユニットを、収束ノズル又は収束−発散ノズルと関連して使用することが、本発明の一つの特徴である。
【０１２８】
図１５は、本発明の別の実施形態を示す側面図である。収束ノズル１０００は、タワーとして役立つ垂直パイプ１０５０に取り付けられている。このタワーは、ケーブル１０４７、１０４８、及びベース１０６８によって地面に固定されている。ケーブル１０４７、１０４８に対して垂直な平面で作用する追加の支持ケーブルは図示してない。かくして、高い構造（数１００ｍ）が安全に取り付けられる。この設計は、１ｍから始まって高くなる任意のタワー高に対して良好である。収束ノズル入口１０１０に進入する空気は、ガイドベーン１０２０乃至１０２３によって、パイプの頂部開口部１０５１内に差し向けられる。空気流は、パイプ内を流れ１０１４をなして押し下げられ、パイプ１０５７を通って流れ１０１６として流れ、任意のタービン内に及び特定的には本明細書中に説明した実施形態に流入する。この実施形態（図１５参照）には三つの利点がある。即ち、
１．高速の風を捕らえるため、ノズルが地面から高くに配置されるということ、
２．保守が困難で費用がかかり且つ危険な高いタワーにタービンユニットを設置する必要がないということ、及び
３．収束ノズルの副生物が水であるという利点がある。
【０１２９】
上文中で与えられた数値解において、自然の空気の温度が４ oＲ低下することがわかっている。これにより、収束ノズルによって吸い込まれた雲は液化温度に達し、これにより水蒸気が水滴に変化し、これらの水滴が収束ノズルの内側を流れてパイプ１０５０、１０５５に入り、このパイプの底部に設けられた小さな穴を通ってパイプ１０６５に流入し、次いで水リザーバ（図示せず）に集められる。かくして、水が必要とされる乾燥した地域では、この実施形態は高品質の水及び電力を提供できる。ノズルを風に向けるため、垂直ウィング１０９０が構造１０９２を通して空力学的力を及ぼし、これによりノズルを風に向かって回転する。このように回転できるようにするため、図１におけるのと同様の機構１３０−１４０が使用される。パイプ１０５０は、パイプ１０５５内で回転できる。僅かに小径のパイプ１０５２が、パイプ１０５５にしっかりと取り付けられており、パイプ１０５０内に延びている。パイプ１０５２はシャフトとして役立ち、ウィング１０９０の力の作用により、パイプ１０５０がパイプ１０５２を中心として回転する。ディスク１０４１はパイプ１０５０にしっかりと取り付けられており、パイプ１０５５にしっかりと取り付けられた同様のディスク１０４２の上に載せてある。その結果、上側のディスク１０４１は、下側のディスク１０４２の上で摺動できる。クランプ１０４５が、その下側から、下側のディスク１０４２に取り付けられており、かくして、ディスク１０４１が上方に移動しないようにし、かくして、パイプ１０５０及びかくしてノズルアッセンブリ全体を、パイプ１０５０の中心線に沿って延びる垂直軸線を中心として回転できるように、パイプ１０５５の上に保持する。
【０１３０】
かくして、空力学的力が垂直ウィング１０９０に加わったとき、この力が収束ノズルアッセンブリに回転モーメントを発生し、空力学的力がゼロになるまで、即ちウィング１０９０が風の方向と一直線上に並び、入口１０１０が来入風に面するまで、ノズルを押して回転させる。
【０１３１】
図１５の実施形態は、水の製造をも目的とする高出力タービンに適している。例えば、２１．７３７ｆｔ／ｓの風速についてのデータを使用して２ＭＷ風力タービンの寸法を計算できる。
【数２０】
2008520900.tif 000023
【０１３２】
従って、ノズルのスロート面積は、
【数２１】
2008520900.tif 000024
でなければならない。従って、ノズルの入口面積は、スロート面積よりも１０倍大きくなければならない、即ち１０７．７ｍ2 、即ち直径１０．７ｍの円形の入口でなければならない。これは、プロペラ式のベスタス（Ｖｅｓｔａｓ）Ｖ８０タービンよりもかなり小さい。従って、このような装置は、高さが約１２ｍであり且つ長さが２７ｍであり、現在のプロペラ式風力タービンの技術よりも重量及び費用がかなり小さくなる。ベスタスＶ８０は、１５ｍ／ｓの風から２ＭＷを発生する。この風は、ここで使用した６．６ｍ／ｓよりもかなり強い風である。従って、上記タービンの１５ｍ／ｓの風では約８ＭＷを発生する。
【０１３３】
図１５の実施形態は、発電所に適している。大型（入口直径が２０ｍ乃至１００ｍ）の収束ノズルを使用して数１００ＭＷを発生できる。更に、水が必要とされる場合には、地表近くに雲がある山の上にノズルを配置してもよい。かくして、雲を捉えて水にするのに短いパイプで済む。
【０１３４】
本発明は、空気の内部エネルギーを運動エネルギーに変換することにあるため、ノズル内の空気流を最大可能な速度まで加速し、最大のエネルギーをスロートに通すのが望ましい。この速度は、音速であるか或いはこれよりも僅かに低い速度である。この速度を得るため、収束−発散ノズルを使用しなければならない。数値で示した上掲の場合のように、ノズル出口ステーション１１０（図１参照）でのマッハ数、及びステーション１１０とステーション１１４との間の面積比により、音速が得られるスロート面積を決定する。風速が一定でないため、図１６の別の実施形態が提供される。この実施形態では、図７の実施形態とは対照的に、入口面積を一定にしたまま、自動制御システム１２３０がスロート面積を変化する。ノズル１４０８は、自然の風１３２０がノズル１４０８に進入する入口１４１０を有する。このノズルは、スロート区分１４１４と、ステーション１４１４からステーション１４１８まで僅かに発散するノズルとを有する。ステーション１４１８のところで流れ１５２０がノズルから出て、風力タービン１５００に進入する。この風力タービンの対称軸線１５５０は、ノズルの長さ方向対称軸線と一致する。制御システムのメモリーは、参考図書の表２からのデータ、及び様々な標高での密度、圧力、温度、及び音速等の標準大気及び局所的な大気のデータを記憶している。更に、スロートのところでの空気流の速度についての情報を制御システムのＣＰＵに提供するため、少なくとも一つのピトー管１４２０が一体に設けられている。随意であるが、空気流１５２０の空気流の速度を計測するため、別のピトー管１４２１が設置されている。この図に示すノズルは、円形断面であってもよいし、矩形断面であってもよい。矩形断面の場合には、ステーション１４１４での局所的空気速度が、この場合に得ることができる最大の空気速度であるＭ＝１、即ち音速に達するようにステーション１４１４でのスロートの面積を設定するため、随意のスロート面積制御システムを追加する。
【０１３５】
制御システムは、二つの電動アクチュエータ１２３８、１４３８を作動する。各アクチュエータは、移動自在のプッシュピストン１２３９、１４３９を作動する。これらのプッシュ／プルピストンは、ノズル内殻１４０８、１４０９に取り付けられており、かくして、これらのピストンがそれらのシリンダ１２３８、１４３８から出るように移動するとき、スロート１４１４を狭め、これらのピストンがそれらのシリンダ１２３８、１４３８内に入るように移動するとき、スロート１４１４を拡げる。ピトー管１４２０は、スロートでの空気流１３２５の速度を計測し、この速度の情報を制御装置（デジタルコンピュータ）１２３０に伝達する。制御ユニットは、スロート１４１４のところでＭ＝１を得るため、そのアルゴリズム及び記憶されたデータを使用することによってスロート面積の増減いずれかを決定する。ピトー管１４２０が空気の速度の計測値を送り続けるため、制御ユニットは、スロート面積の変化後の速度についてのフィードバックを直ちに得、空気流の速度をどのように改善するのかの結論を出す。
【０１３６】
ピストン１２３９、１４３９は、殻部１４０８及び１４０９（好ましくは鋼製）を引っ張り装置１４１３に押し付ける。引っ張り装置１４１３は、殻部１４０９をポッドの外フレームに向かって引っ張り、スロート面積１４１４を拡大するばね式取り付け装置である。殻部の右側縁部１５００は、内殻１５０９上で自由に摺動し、かくして、ピストン１２３９、１４３９がスロート１４１４を狭めるように移動するとき、殻部の縁部１５００は左方に移動し、ピストン１２３９、１４３９がスロート１４１４を拡げるように移動するとき、殻部の縁部１５００は右方に移動する。制御システムは、制御ユニット１２３０、バッテリー１２３２、及びアンテナ１２３４に接続された随意の無線通信機（制御システムは、２００４年の一般的な携帯電話と類似している）を備えている。制御システムは、指令を送信するため、及びピトー管等のセンサから来るデータを受信するため、１４４９等の制御線を使用する。別の被制御システムは、電気式停止／制動システム１４６１である。この停止／制動システム１４６１は、垂直ウィング１４９０に及ぼされる空力学的風力による、垂直軸線１３００を中心としたアッセンブリ全体の回転を停止する。停止システムは、アッセンブリ全体がいきなり回転することがないようにするために必要とされる。これは保守中に重要である。かくして携帯電話によって停止指令を送信できる。別の態様では、保守員が手動で作動できるように、簡単な電気スイッチを安全な距離に設置してもよい。電気式停止機構１４６１が設置されたシリンダ１４６２に回転自在の垂直シャフト１４６４が挿入された一つのプラットホーム１４６５上にアッセンブリ全体を設置する。シリンダ１４６２は、地面１４７０に置いたベース１４６０にしっかりと連結されている。アッセンブリ全体は、海上に、タワーの上に、ベッセルに配置でき、任意の所望の高さまで地面の上方に持ち上げることができる。プラットホーム１４６５は、収束−発散ノズルアッセンブリ１４００を二つのコラム１４６９、１４７０上に支持する。風力タービンユニット１５００は、図１２のユニットと同様に、空気流がノズル１４００を出てタービン１５００の入口に進入するようにコラム１４５０に取り付けられている。随意であるが、タービンユニット１５００には、図１の実施形態について説明した始動システムが設けられる。
【０１３７】
随意であるが、コラム１４５０の高さは、制御システムによって制御される。制御ユニット１２３０は、電動アクチュエータ１２３８、１２３９について使用されたのと同じ方法でコラム１４５０の高さを制御する。風がない場合にはコラム１４５０を下げ、かくして空気流１５２０の経路上に障害がないようにする。風が吹き始め、定常状態の流れがノズル１４０８−１４０９内に発生したとき、制御ユニットは、風力タービン１５００を図示の作動位置まで持ち上げる指令を送出する。風力タービンが作動位置にある場合には、空気流１５２０が風力タービン入口に進入し、インパルスタービンロータに当たってこれらのロータを回転し、風力タービンの回転軸線１５５０に組み込んだ発電機で電気を発生する。次いで、発生した電気をグリッドに送出し、そのうちの幾分かが局所的バッテリー１５３０及び制御システムのバッテリー１２３２を充電する。随意のタービン始動システムは、バッテリー１５３０と、このバッテリー１５３０からの電流によって駆動されたとき、タービンロータを回転し、流れ１５２０に対する抵抗を減少する、タービンと一体の発電機／モータを含む。かくして、風力タービン１５００を所定位置に持ち上げたとき、そのロータは既に回転している。風力タービンがその作動位置にあるとき、制御システムは始動プロセスを停止し、バッテリー１５３０は、モータ／発電機に電流を送出するのを停止する。風力ノズル出口平面１４１８と風力タービン入口との間の距離を変化させるため、随意の電動アクチュエータ１４６７、１４６８が設けられている。これは、入口での漏れ及びエネルギーの損失を最少にするために行われる。随意のピトー管１４２１は、得ることができる最大速度について制御システムにフィードバックを提供し、これと同時に、電流計／電圧計（図示せず）は、発電機が発生する電気についての重要なデータを提供する。
【０１３８】
図１７は、本発明の別の実施形態を概略に示す。地面６６０にしっかりと取り付けられた垂直なパイプ６００が２つのリング６０２及び６０６を支持する。これらのリングは、パイプ６００を中心として回転できる。ビーム６０８、６１０がリング６０２及び６０６にしっかりと取り付けられている。ノズル６２０は、これらのビーム６０８、６１０にピン６１２及び６１４で取り付けられており、かくしてノズルは、随意であるが、ピン６１２及び６１４の垂直軸線を中心として回転できる。これは、ビーム６０８、６１０内の疲労応力を減少する上で重要である。
【０１３９】
ノズル６２０は、その内部に空気タービン６９０を支持する。この空気タービン６９０は、これらの用途の任意の空気タービン又は他の設計をノズルに設置できるということを強調するため、概略に示してある。随意の支持ビーム６４０がリング６４２を介してパイプ６００に連結されている。垂直コラム６４４がノズルの後端を支持する。コラム６４４は、翼状断面輪郭を有し、かくしてスタビライザーとしても役立つ。地面によって支持された随意のコラム６４４はホイール６４８を有し、このホイールは、その回転軸線６４９を中心として回転できる。
【０１４０】
リング６０２及び６０６は、随意であるが、ノズル入口に進入する空気の速度を最少にするため、図示の断面６０５を持つウィング状フェアリング６０４に取り付けられている。風６３０が吹くと、ノズルが回転して図示のように風に向かう。これはノズルの横方向力により、パイプ６００の垂直軸線６０１を中心として回転するためである。更に、随意のコラム６４４は、航空機の垂直スタビライザーと同様に作用し、ノズル６００を風と整合するのを補助する。このような整合中、ホイール６４８は剛性の表面６６０上で転動する。空気流６３２がノズル６２８に進入した後、流れは空気タービン６９０に到達し、タービンのロータを回転し、発散ノズル６２９を空気流６３８として出る。
【０１４１】
この実施形態の利点は、自然に安定し、小型（入口直径が１ｍ）から大型（入口直径が１００ｍ）のノズルに適用できるということである。風６３０は随意のウィング状フェアリング６０４を通過し、ノズルに空気流６３２として進入する。ノズルスロートでは、タービン６９０が空気の運動エネルギーを電気に変換する。ノズルは、ノズル内の空気流を安定させるのを補助する収束−発散ノズルであるということに着目されたい。
【０１４２】
上述の実施形態に関して上文中に説明した実施形態は、随意であるが、この実施形態にも適用できる。
【０１４３】
更に、ノズル６２０及びその支持機構６０２−６４９の設備全体に、パイプ６００（及び随意のコラム６４４）を短縮する手段が設けられていてもよい。その結果、ノズルを下げることができる。装置全体を取り囲む保護壁（図示せず）により、風力タービンが強い風で損傷することがないようにブロックできる。
【０１４４】
更に、このような実施形態を海に設置することもでき、その場合には、ホイール６４８の代わりにボートやブイを使用する。
【０１４５】
図１８は、本発明の別の実施形態を示す。図１に関し、空気が、面積が大きい入口から小さな断面積に向かって流れる場合に、収束ノズルが空気流の内部エネルギーの幾分かを運動エネルギーに変換するということがわかった（表２参照）。本発明を風力発電とは別個のものにするため、人工空気流を発生するのがよい。これは、収束ノズルが、空気の内部エネルギーを運動エネルギーに変換することによって、空気流の運動エネルギーを増大するためである。運動エネルギーに変換された内部エネルギーの量は、自然の（風の）運動エネルギーの、２２１．９2 ／−２１．７３７2 ＝１０４．２倍であったことが示された。従って、本発明の別の実施形態は、図１８に示すようにノズル入口に位置決めされた動力ファン５２０を含み、このファンが、空気タービン５０２が位置決めされたスロート５１４に向かう空気流５３０を発生する。空気タービン５０２は、本願の図１２に示す空気タービンであるが、他の空気タービンを使用してもよい。図１８に示す空気タービン５０２は、タービンの出力の幾分かを取り出し、これをギヤ５６２と係合したギヤ５５２を介してシャフト５６０に伝達する機械的動力出力システムを示す。シャフトは、回転動力をギヤボックス５６８に伝達し、任意の回転動力消費装置にシャフト５６９を介して伝達する。このような構成は、乗り物を駆動するためのエンジンである。タービン／エンジンを始動するため、運転者は、動力ファン５２０の電動モータ５２８をバッテリー（図示せず）に接続する。ファン５２０は空気５３０を収束ノズルに吸い込み、ここで空気流を加速し、タービン５０２に到達する。タービン５０２は、ここでは、発電機（図示せず）を備えている。発電機は、図１２に示すのと同様に、シャフト５５１に取り付けられている。
【０１４６】
しかしながら、好ましくは電動モータ５２８によって駆動される動力ファン５２０は、何らかの外部動力を使用してもよい。例えば、任意の外部動力によって駆動される動力シャフト（ＰＴＯ）をファンハブ５２６に連結し、これでファンを駆動してもよい。ファンは空気５３０を吸い込み、これを空気流５３２としてスロート５１４に向かって押す。ファン支持ビーム５２８は、抗力を最小にするため及び流れを対称軸線に沿って差し向けるため、翼状輪郭断面５２９を有する。好ましくはアルミニウム又はステンレス鋼製の随意のガイドベーン５４０がノズル幅に亘って設けられており、流れを剥離していない状態に保持し、乱流及び圧力上昇を最少にする。これらのガイドベーンは、ノズルの対称軸線５５０を中心として対称に形成された薄く平らな金属製シートであってもよいし、金属製の円形のシートであってもよい。これらのガイドベーンの重要な（本願の全てのノズルに適用できる）特徴は、ガイドベーンの下流縁部の傾斜が、互いに、及びノズルの対称軸線５５０に対して平行であるということである。これは、乱流を防ぐ上で、及びガイドベーン間を出る全ての副流が滑らかに組み合わせられるようにする上で重要である。
【０１４７】
更に、図２０でわかるように、ファンを支持するために延長されたタービンシャフトは、ファンに動力を加えることができる。
【０１４８】
公称出力がＸｋＷの電動モータ５２８でファンを駆動するものと仮定する。更に、ファンが電力の５０％を運動エネルギーに変換し、乱流及び剥離によりノズルの等エントロピー性が８０％に過ぎないものと仮定する。かくして、定常状態の流れが入口５１０に進入する。電気エネルギーの約３０％しか電動モータ５２８によって消費されない。しかしながら、スロートでは、運動エネルギーを１００倍に増大できる（スロートの面積が入口５１０の面積の１／１０であると仮定すると、収束ノズルの作用により、スロートのところで、投入されたエネルギーの３０倍以上の運動エネルギーを得る）。タービン５０２の効率が５０％である場合には、１５倍の出力を提供し、正味利得は１４倍の出力である。かくして、空気の内部エネルギー源により、消費される全てのエネルギーよりも多くのエネルギーを発生する独立したエネルギー機械を提供する。ポッド５００は、内殻５０８及び５０９、及びポッド外殻を支持する長さ方向ビーム５０２及びフレーム５０３を持つターボジェットエンジンポッドと同様に形成されている。図１乃至図１７の実施形態について言及した全ての設置された構成をここに適用できる。この実施形態は、風力に関して作動でき、更に、エンジン５０８の動力とともに、又はこの動力なしで作動できるということに着目すべきである。この装置を自然の風で作動する場合には、整合用垂直テールウィングを必要とする。更に、鋭い入口前縁に着目されたい。これは、ターボジェットエンジンポッドの代表的な丸みを付けた前縁と異なっている。入口に動力ファンを設けてもよく、これは、電気グリッド及び自動車のエンジンに電力を提供する家庭用発電機、公共の建物の発電機として使用できる。公共の建物の発電機については、こうした建物に蒸気設備が備えられているため、ファンに動力を提供するのに蒸気動力を使用でき、発電機は電力をグリッドに提供する。
【０１４９】
図１９は、本発明の更に別の実施形態を示す。この実施形態では、収束ノズル又は収束−発散ノズルを、動力ファン、即ち航空機を駆動するターボプロップエンジンとして機能するタービンと組み合わせる。図１９は、ポッド、ノズル、及びファンの対称軸線５５０に沿った側断面図である。ポッド、ノズル、及びファンは、全て、軸線５５０に関して半径方向で対称である。ポッド５００の入口のところでファン５２０がシャフト５２５に取り付けられている。このシャフト５２５の回転軸線は、軸線５５０と一致する。電動モータ５２８がシャフト５２５を回転し、かくしてファン５２０を回転する。このファン５２０は、前記ノズルに流入する空気５３０をその回転時に吸い込む。更に、下流矢印５３２は、静ウィング６２８を通過した後のノズル５００内の流れを示す。ウィング６２８の断面５２９は、空気流を軸線５５０と平行に差し向ける。更に、ガイドベーン５４０（スプリッターベーンとしても周知である）は乱流を阻止し、空気流５３４をタービン入口５１４に向かって差し向ける副収束ノズルを形成する。空気流がタービンのスロートのところでその最高速度に達したとき、シャフト５５１に取り付けられたタービンロータ５０２を回転し、これを強制的に回転し、ベベルギヤ５５２を駆動する。このベベルギヤ５５２は、シャフト５６０に取り付けられたベベルギヤ５６２と係合している。シャフト５６０は、バッテリー又は他の電源等の外部動力源を使用してエンジンを始動した後、ファン５２０を駆動するための電力を発生する発電機５６８に連結されている。ファン５２０は、空気をノズル５００及び６０８の両方に投入する。ファン５２０の外部分は、空気流５７０をガイドベーン６４０に投入する。この空気は、可動壁６０３を内方又は外方に移動してノズルの断面積を変化させ、排気区分６１８を離れるときに最大の推力を発生することによって加速又は減速される。ノズル壁６０３は、シリンダに設けられた矩形の切欠きの形状を有する。ノズル周囲に設けられた幾つかのこのような部品により、ノズルのスロートを変化させることができる。従って、壁６０３は移動自在であり且つヒンジ６０４、電動アクチュエータ６０６、及び取り付けエレメント６０９によってポッド６００に連結されている。電動アクチュエータ６０６の他端には、シリンダ６０５内に引っ込められるアクチュエータアーム６０６が設けられており、このアームは、エレメント６１２に力を加えて左方に移動し且つヒンジ６０４のヒンジ線を中心として反時計廻り方向に回転し、かくしてノズルの断面を増大する。別の態様では、アクチュエータ６０５、６０６は液圧アクチュエータであってもよい。図１９の下半分は、両ノズルがそれらの通常の位置にある場合のエンジンを示し、フレーム６１０がポッド６００を補剛しており且つポッド外殻６０９にしっかりと連結されている。ポッド外殻６０９は弾性材料であり、移動自在のドア６１６の殻部６１５に押し付けられ、かくして、ドア６１６を移動すると、殻部６１５と接触したままとなる。ビーム６２０は、翼状輪郭断面６２１を有する半径方向に分配された複数の支持ビームであり、タービンを収容した内ノズルを外ポッド内殻６０２に連結する。
【０１５０】
エンジンを始動するため、バッテリー又は他の電源から電流を電動モータ５２８に提供し、このモータがファンのシャフト５２５を駆動する。
【０１５１】
航空機のエンジンは、離陸時の速度ゼロから巡行中の最大速度までの広範な空気速度で作動する必要があるため、航空機の速度をマッハ＝１．０に近付ける収束−発散ノズルの理論的スロート面積は、入口速度に従って変化する。かくして、エンジンが離陸時の速度を主眼として設計された場合には、航空機が速度を得たときにノズルのスロート面積を増大する必要がある。そうでない場合には、流れが絞られてしまい、即ち、スロートのところでマッハ＝１が得られるが、空気流の質量速度は上昇しない。このように絞られることがないようにするため、ノズル内壁５１６は移動自在であり、断面積増大位置で示してあり、この際、閉鎖位置を６０７で示す。形状が可変のこのノズルが、本発明の別の特徴である。
【０１５２】
このエンジンの推力を増大するため、随意の燃料噴射装置７００、７０４、及び７０６が設けられている。このような燃料噴射装置は、ノズル断面に亘って半径方向に分配されている（空気流を案内する半径方向に分配された幾つかのウィング６２８（図示せず）が設けられており、これらのウィングの各々が、随意であるが、これらの燃料噴射装置を支持している）。線７０２は、燃焼する燃料の火炎が伝播する円錐形を示す。このような燃料噴射装置は、特に高高度（６０９６ｍ（２００００ｆｔ））巡行時に必要とされ、離陸の目的でも使用できる。これは、このエンジンの推力が、入口での空気流の速度で決まるためである。
【０１５３】
図１９は、ファンを電動モータ５２８で駆動することが示してある。しかしながら、ファンは、タービンロータ５０２をファン５２０に連結するシャフトによって駆動でき、かくして大出力の電動モータ５２８の必要をなくす。このような解決策を図２０に示す。
【０１５４】
上述の実施形態について説明したのと同様の制御システム（図１９には示さず）を使用し、図１９及び図２０の両実施形態の余分の空気流用のドア５１６、６１６を制御する。エンジンの推力を制御するため、エンジン始動電力とは方向が逆の直流を電動モータ５２８に提供する。発電機が発生した電流（直流）の変化は、発電機５６８の出力を電動モータ５２８まで延びる電線に連結する電線の接続を変化することによって行われる。別の態様では、移動自在のドア６１６を移動して外ノズル６０２出口領域に近付ける。推力逆転装置を図２１に示す。
【０１５５】
このようなエンジンが航空機のエンジンとして役立つことができることを示すため、入口面積が０．５ｍ2 のこのようなエンジンの推力及び出力を計算する。ここで、海面高さでの航空機の速度ＶＡＣ＝０、中央ノズル入口での空気流をＶ＝３４ｍ／ｓ＝１１１．５ｆｔ／ｓとする。
標準大気：Ｔ＝５９＋４６０＝５１９ oＲ；
ρ＝０．００２３７８；
ｐ＝２１１６．２ｌｂ／ｆｔ2 ；
ａ＝１１１７ｆｔ／ｓ
【０１５６】
１．中央ノズルを通る質量流量ｍを計算する。
【数２２】
2008520900.tif 000025
【０１５７】
２．静止状態の空気を押してＶ＝３４ｆｔ／ｓ（入口）にするのに必要なエネルギー毎秒を計算する。
【数２３】
2008520900.tif 000026
【０１５８】
３．マッハ＝０．１についてのスロートの断面積を参考図書の表２を使用して計算する。
【数２４】
2008520900.tif 000027
【０１５９】
４．マッハ＝１、即ちＶ＝１１１７ｆｔ／ｓと仮定してスロートでのエネルギー毎秒を計算する。
【数２５】
2008520900.tif 000028
【０１６０】
５．タービンの効率を４５％とした場合の、プロペラを駆動するのに利用できるエネルギーを計算する。
【数２６】
2008520900.tif 000029
【０１６１】
６．航空機の速度が１８５ｆｔ／ｓである場合のエンジンの出力を計算する。ファンは、この速度で空気を約２２３．４ｆｔ／ｓ即ちマッハ＝０．２で押すものと仮定される。
参考図書の表２から、
Ａ* ／Ａ＝０．３３７４
∴    Ａ* ＝０．５×０．３３７４
∴        ＝０．１６８７ｍ2 を得る。
このスロート面積は、上文中でＶ＝３４ｍ／ｓ＝１１１．５ｆｔ／ｓについて計算したスロート面積よりも大きい。
従って、次いで比較的小さなスロートを絞ってもよく、これが起こらないようにするため、図１９のドア５１６を開放し、余分の流れを流れ５３３としてタービンを迂回させ、外部ノズルに進入する流れ６３２と合流させる。これらの流れは両方とも、タービンによって供給された出力によって、上文中で計算したように駆動される。
エンジンの出力を上昇するため、ジェット燃料を噴射してもよい。燃料の燃焼によりノズル内の圧力が上昇し、タービンのところでのマッハ数が増大する。これは、音速が温度の平方根と比例するためである。かくして、タービン内のガスの温度が１０００ oＲまで上昇した場合、音速は、
√（γＲＴ）＝√（１．４×１７１５×１０００）＝１５４９．５である。これは、海面高さの標準大気の温度の１．３８７倍である。この音速の増大は、タービンの出力が１．３８７3 ＝２．６７倍増大するということを意味する。
エンジンの出力を増大するための別の解決策は、ほぼ回転速度、即ち約マッハ＝０．１５である航空機速度に対してエンジンを設計することである。入口５１０での空気流の速度をマッハ＝０．２であると仮定すると、
Ａ* ／Ａ＝０．３３７４
∴    Ａ* ＝０．５×０．３３７４
∴        ＝０．１６８７ｍ2 が得られる。
【０１６２】
７．入口５１０での、空気流が入口に進入する前の空気流のよどみパラメータは、
【数２７】
2008520900.tif 000030
【０１６３】
８．入口５１０での質量流量ｍを計算する。
Ｍ＝０からＭ＝２までの等エントロピー空気加速を仮定し、表２からρを得る。
【数２８】
2008520900.tif 000031
【０１６４】
９．タービンのスロートでの空気の運動エネルギーを計算する。Ｍ＝１と仮定する。
１）スロートでの静温度を表から計算する。
【数２９】
2008520900.tif 000032
２）音速を計算する。
【数３０】
2008520900.tif 000033
３）スロートでの空気流の速度は、Ｖ＝ａ×１．０＝１０１９．７である。
【数３１】
2008520900.tif 000034
この値を上文中で計算した値と比較すると、１４５５７０３／８９０２２６＝１．６３となり、大幅な上昇が得られる。
このエネルギーの４５％を使用できるものと仮定すると、
０．４５×１４５５７０３＝６５５０６６ｆｔ・ｌｂが得られる。
【０１６５】
１０．プロペラによって空気流の速度をＭ＝０．１５からＭ＝０．２まで上昇するのに必要なエネルギー毎秒を計算する。
【数３２】
2008520900.tif 000035
【０１６６】
１１．プロペラで利用できる正味エネルギー毎秒は、
【数３３】
2008520900.tif 000036
である。
【０１６７】
Ｍ＝０．１５の航空機の速度でのＭ＝１及びタービンのスロートでのＭ＝１．０についてエンジンを設計することによって、Ａ＝０．１６８７ｍ2 のスロート面積を持つ大型のタービンを必要とする。航空機速度Ｖ＝０でのエンジン出力は、スロートでの空気流の速度が１．０よりも低いため、低い。
【０１６８】
当然のことながら、ここで使用する大きさの、燃料により出力を発生する現在のターボプロップエンジンは、約３０００・を発生するが、こうしたエンジンは、大量の燃料を使用するということを思い出さなければならない。この大量の燃料は、航空機の離陸時重量の大きな部分を占め、即ちＡＴＲ４２−４００等の航空機の離陸時重量の約２５％を占める。
【０１６９】
従って、本発明によるエンジンは、
１．燃料を使用しない。このことは、航空機の飛行範囲が無限であるということを意味する。
２．航空機が安全である。火災の危険がない。
３．航空機は燃料タンクも燃料システムも必要としない。従って、軽量且つ安価に製造でき、そのため操業に要する費用が小さい。
４．航空機は遥かに静粛である。これは、エンジンの騒音の大部分が燃料の燃焼によって発生するためである。
５．航空機はＣＯ２を発生せず、地球温暖化プロセスに参与せず、逆に、空気流の温度を下げる。かくしてこのエンジンは環境に非常にやさしい。
【０１７０】
図２０は、本発明によるエンジンの別の実施形態を示す。これは、同様のノズル設計を持つ、航空機用の別のターボプロップエンジンである。このエンジンは、二つの同軸の駆動シャフトを備えている。内駆動シャフト５９１は、タービン低空気速度ロータ５０４を大ファン５２０に連結し、駆動シャフト５９０は、高空気速度ロータ５０２を小内ファン５３２に連結する。このエンジンを始動するため、電動モータ５８７に電流を提供する。このモータは、シャフト５８４を介してベベルギヤ組５８３−５８２を駆動する。ギヤ５８２は、小ファン５３２を駆動する外シャフト５９０にしっかりと連結されている。ファン５３２が回転すると、このファンが空気５３０を吸い込み、この空気が内側ノズル５００に進入し、大ファン５２０及び静ウィング５２８（この図には一つしか示してない）を通過する。ウィング５２８は内シャフト５９１をベアリング５７１を介して支持するということに着目されたい。内シャフト５９１は、タービン側部でアーム５９３及びベアリング５７５によって支持されている。同様に、外シャフト５９０は、静ウィング５３１（この図には一つしか示してない）によってベアリング５７３を介して支持されており、外シャフトの他端は、アーム５９２及びベアリング５７６によって支持されている。静ウィング５２８及び５３１は、ファンが発生した空気流の方向を変え、エンジンの軸線５５０と平行に流す。空気流は、静ガイド／支持ウィング５３１を通過した後、軸線５５０に対して半径方向で対称なガイドベーン（スプリッターベーンとしても既知である）５４０によってタービン入口に差し向けられる。このベーンは、ノズル内に等エントロピー流れを維持し、乱流が発生しないようにするための随意のエレメントである。空気流が、収束ノズル５００によって加速された後、タービンに高速で進入するとき、タービンロータ５０２を回転し、その後、タービンロータ５０４を回転する。ロータ５０４は、タービンを通過する空気流の運動エネルギーの大部分を取り出すように設計されている。空気は、タービンロータを流れ５３５として離れた後、発散ノズル５０９内で膨張し、タービンを流れ５３６として出る。ロータ５０４は内シャフト５９１を回転し、この内シャフト５９１は、ハブ５７０によってシャフト５９１にしっかりと連結された大ファン５２０を回転する。このファンは、このエンジンの主推力発生機である。ファン５２０は空気流をノズル５００及び６０８の両方に入れる。内ノズル内の空気が余分にならないようにするため、ドア５１６を開放する（図１９についての説明を参照されたい）。この空気流５３３は外ノズルに進入し、空気流６３２と合流し、外ノズル６０８に進入する。随意のガイドベーン（軸線５５０に対して半径方向で対称である）は、空気流を乱流がない状態に保持するのを補助するということに着目されたい。随意である（図面に示してない）が、軸線から半径方向外方に延びる追加のガイドベーンが、ファンの作動による流れの渦運動を阻止するのを補助する。
【０１７１】
上述の実施形態に説明したのと同様の制御システム（図１９及び図２０参照）を使用し、図１９及び図２０の両実施形態の余分の空気流用のドア５１６、６１６を制御する。エンジンの推力を制御するため、ケース５６８内のブレーキを作動して大ファン５２０の回転数を制御し、かくしてこのエンジンの推力を変化する。
【０１７２】
図２１は、本発明によるターボプロップエンジンの別の実施形態を示す。このエンジンは、基本的には、図２０に示すエンジンと同じである。しかしながら、推力逆転装置６１６を備えている。外ノズル後エレメント６１６ａは、航空機巡行位置にある。二つの電動アクチュエータ６０５及び６７６によってポッド６００に連結されている。着陸中、大きな制動力が必要とされる場合には、パイロットは推力逆転装置を作動する。即ち、図面の他方の半分に６７８として示すように、アクチュエータ６７６を一杯に引っ込めると同時にアクチュエータ６０５を、６７５で示すように、一杯に延ばす。この相互作用により、６１７ｂとして示すドア６１６ａの新たな位置をとる。位置６１７ｂは、ノズルの排気面積を減少し、流れの幾分かを６３３及び６３４として戻し、かくして制動力を発生する。エンジンポッドは、全てが同時に作動する幾つかのこのようなドアを持つということは理解されるべきである。更に、電動モータ５６８から延びるシャフトは、その取り付け後には「浮動」状態にない。即ち可動ドア６１７からずらしてあるということに着目されたい。実際には、シャフトは、ノズルの移動不能の部分があるこのような可動ドア６１６間に取り付けられる。
【０１７３】
図２２は、本発明による別の実施形態を示す。この実施形態は、収束ノズル内の空気流から電気を発生する。この実施形態は、図１９及び図２０の実施形態と同様のターボプロップエンジンと同じ技術を使用する。同様のファン５３２が外部動力源によって始動され、このファンが外シャフト５９０を駆動する。このような外部動力源は、バッテリーであってもよいし、又は電動モータ５８５を駆動する他の電力源であってもよい。電動モータ５８５は、シャフト５８４を回転し、このシャフト５８４がベベルギヤ５８２、５８３によって外シャフト５９０を駆動し、これにより小ファン５６０を回転し、空気５３０をノズル５００に吸い込む。流れ５３２は、収束ノズルによってファン５６０に向かって加速されるとき、翼状輪郭断面を持つファン５６０及び支持ビーム５６２を通過する。支持ウィング５６２は、ベアリング５２６を介して外シャフト５９０を支持する。幾つかの支持エレメント５６２がタービンの対称軸線５５０を中心として半径方向に分配されている。これらのエレメントは、更に、流れを差し向け且つファン５６０からの回転流れ速度をなくすのに役立つ。随意のガイドベーン５４０及び５４１は、流れを乱流がない状態に保持するのを補助する。これらのガイドベーンは、対称軸線５５０に対して半径方向で対称である。空気流は、タービンにほぼ音速で進入し、タービンのロータ５０２及び５０４を回転する。ロータ５０２は外シャフト５９０を駆動し、このシャフトが小ファン５６０を回転する。また、ロータ５０４は内シャフト５９１を駆動し、この内シャフト５９１が大ファン５２０を駆動する。ロータ５０４がタービンの運動エネルギーの大部分を得るため（高効率のタービンブレード輪郭を備えることによって）、二つの消費部分について空気の運動エネルギーの大部分を使用する。第１に、大ファン５２０を駆動するため、及び第２にベベルギヤ５５２、５６２及びシャフト５６０によって発電機５６８を駆動するためである。かくして、大量の空気がタービンに押し込まれ、ロータ５０４が発生する大量の動力を発電機５６８に送出する。発生した電流は、消費部分に、又はパブリックグリッドに伝達される。
【０１７４】
図１８の実施形態を越える図２２の実施形態の利点は、小ファン５６０が、ファン５６０を始動するために少量の動力しか必要としないということである。ファン５６０が吸い込みを開始した後、タービンは、大ファン５２０を駆動するための動力を提供する。例えば、個人の家庭用の装置は、直径５０ｃｍのファンを使用してもよく、約７ｋＷの電力を提供するには、大ファンの直径は約１ｍである。タービンのロータを連結するシャフトの代わりに、発電機５８５が発生した電気が電動モータを駆動するように、装置を直接駆動する電動モータを使用してもよいということに着目すべきである（図２２には示してないが、図１８にエレメント５２８として示してある）。電動モータのシャフトは、図１８に示すように、ファンのシャフトとしても役立つ。このことは、ファン５２０についても適用される。ファン５２０は、随意であるが、発電機５６８から電気を得る電動モータ（図２２には示さず）によって駆動される。
【０１７５】
本発明に従って、動力式のファンを備えた又は備えていない任意のノズル設計及び空気タービン設計の任意の組み合わせを形成できるということに着目すべきである。かくして、図１６の収束−発散ノズルを、本願に説明した任意の空気タービンと組み合わせることができる。更に、本発明の一実施形態に関して説明した任意のシステムは、実際的である場合には、本明細書中に説明した他の実施形態とも関連している。これらの場合もまた、本発明の部分である。例えば、始動システムは、風力タービンの全ての実施形態と関連している。一例は、随意の制御システム、ピトー管空気速度計測装置、任意の動作センサ、及び図１４に関して説明した停止システムを使用することである。更に、従来の「プロペラ」状風力タービンを１つ、又は幾つかを次々に並べて収束ノズルのスロートに設置してもよく、又は図１６に示すように出口ノズルの僅かに後方に設置してもよい。
【０１７６】
数値計算からわかるように、収束ノズルを通って流れる空気は冷却され、従ってノズル及びタービンのロータブレードに氷が堆積する。氷が堆積しないようにするための一つの方法は、作動前及び作動中にノズルエレメント及びタービンエレメントの表面にオイルや灯油等の氷を防ぐ液体をスプレーすることである。別の方法は、電流や電気ヒーターで発生した高温の空気を使用してこれらの表面を温め、重要な場所の氷を溶かすことである。
【０１７７】
本発明は、上文中に単なる例として説明した実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【０１７８】
【図１】図１は、円形の入口を持つ収束ノズルを備えた本発明の一実施形態による風力タービンの側断面図である。
【図２】図２は、図１の風力タービンの正面図である。
【図３】図３は、図１の風力タービンの平断面図である。
【図４】図４は、矩形の入口を持つ、本発明の別の実施形態による風力タービンの側断面図である。
【図５】図５は、図４の風力タービンの正面図である。
【図６】図６は、図４の風力タービンの平断面図である。
【図７】図７は、入口断面積が可変の、本発明の別の実施形態による風力タービンの側断面図である。
【図８】図８は、図７の風力タービンの正面図である。
【図９】図９は、図７の風力タービンの平断面図である。
【図１０】図１０は、ガイドベーンを持つ、翼状のロータ及びステータを備えた、本発明の別の実施形態による風力タービンの側断面図である。
【図１１】図１１は、図１０の風力タービンの正面図である。
【図１２】図１２は、軸線方向インパルスタービンを持つ、本発明の別の実施形態による風力タービンの断面図である。
【図１３】図１３は、図１２の空気タービンのタービンシャフト、支持アーム、ステータディスク、及びロータディスクを示す断面図である。
【図１４】図１４は、図１２のステータディスク及びロータディスクの平面図である。
【図１５】図１５は、ノズルを空気タービンから分離した、本発明の別の実施形態による風力タービンの側断面図である。
【図１６】図１６は、収束−発散ノズルをタービンから分離した、本発明の別の実施形態による風力タービンの側断面図である。
【図１７】図１７は、垂直回転軸線が収束ノズルの前方にある、本発明の別の実施形態による風力タービンの側断面図である。
【図１８】図１８は、動力ファンを備えたノズルの側断面図である。
【図１９】図１９は、動力ファン及びタービンを備えており、航空機用ターボプロップエンジンを形成するノズルの側断面図である。
【図２０】図２０は、動力ファン及びタービンを備えており、航空機用２段ターボプロップエンジンを形成するノズルの側断面図である。
【図２１】図２１は、動力ファン、タービン、及び推力逆転装置を備えており、航空機用２段ターボプロップエンジンを形成するノズルの側断面図である。
【図２２】図２２は、動力ファン及びタービンを備えており、２段ターボ発電機を形成するノズルの側断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【国際調査報告】
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