(57)【要約】水中タービン発電機のための流量増大改良点が開示され、長手方向の穴が、中心領域、概して発電機のハブ内に配設され、および、第２の好ましくは堅固な増強部ダクトが、外側のダクトあるいは装置の筐体のまわりに配設され、スロット領域を形成する。スロットと中空ハブが、平滑な、層状の流体流れの領域を形成する。ハブあるいは中心リングの前縁および増強部の前縁および外側のダクトの前縁は、この構造の流体力学を強化するために楕円形状である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのブレードとタービンのまわりに配設される筐体とを含む、タービン発電機の改良であって、前記改良点が、前記筐体の外面と前記筐体のまわりに配設される増強部の内面とによって画成されるスロットからなり、前記増強部装置は、注入口と、領域において実質的に同様の放出口とを有し、それによって前記タービン発電機の流量特性を強化すること、を特徴とするタービン発電機の改良。
【請求項２】
前記増強部は、前記注入口と前記放出口の間に配設され、かつ前記注入口および前記放出口のそれと比べて小さい領域を有する、中心スロート部分を備え、それによって前記スロットの下流に減速流効果を生成し、かつ前記タービンの効率を増大する、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項３】
前記注入口および前記放出口領域に対する前記スロート部分の領域の比率は、０．１と０．９の間にある、ことを特徴とする請求項２に記載の改良点。
【請求項４】
前記比率は０．５であり、それによって、前記タービンに対して最高効率に達する、ことを特徴とする請求項３に記載の改良点。
【請求項５】
前記増強部は、前記筐体の前記外面の実質的に全てのまわりに配設される第２のダクトであり、それによって二重ダクト構造を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項６】
前記増強部は、前記発電機の前記垂直中心のまわりに対称であり、それによって、双方向流に対する効率を最大化する、ことを特徴とする請求項５に記載の改良点。
【請求項７】
前記注入口および前記放出口上の前縁を更に備え、その少なくとも一つが、流体力学的な形状を有し、それによって、前記注入口および前記放出口を過ぎたところの乱流水流を最小限に抑える、請求項１に記載の改良点。
【請求項８】
前記スロットを画成する前記表面の少なくともいくつかの上に抗付着物コーティングを更に備え、それによって、前記強化された流量特性を維持する、請求項１に記載の改良点。
【請求項９】
前記入出口領域に対する回転前記ブレードによって占められる領域の比率は、０．２５−０．５の間にあり、それによって前記タービンの前記流量特性を向上する、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項１０】
前記ダクトおよび前記増強部は、前記タービン発電機が中立的に浮くように、浮力材料を備える二重ダクト構造を共に形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項１１】
前記二重ダクト構造は、浮揚性のある、硬化した泡によって満たされた硬質シェルダクトから成る、ことを特徴とする請求項１０に記載の改良点。
【請求項１２】
前記タービン発電機は、雑音抑圧手段を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項１３】
前記スロット領域は、前記少なくとも一つのブレードの経路によって描写される領域の１０−５０％である、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項１４】
タービン内の流量増大構造であって、ハブと、長手方向の軸からそれを通して突出し、かつ回転中にブレード領域を掃引する少なくとも一つのブレードとを有し、前記ハブは、前記長手方向の軸に実質的に沿って長手方向の穴を備え、かつ前記ハブの内部面によって画成され、前記ハブはまた、２つの端部および外部表面を備え、前記端部は、その他の点における前記ハブの直径に等しいあるいはより少ない、直径を有し、および前記ブレード領域に対する前記長手方向の穴の領域の比率は、１：１と１：１５の間にあり、それによって流体力学的な形状を形成し、および前記タービンの効率を改善する、流量増大構造。
【請求項１５】
前記ハブから前記タービンのまわりに配設された筐体まで、放射状に突出する複数の支柱を更に備え、それによって、前記穴を通して増加した水流によって引き起こされる振動を防ぐために前記タービンを補強する、ことを特徴とする請求項１４に記載の流量増大構造。
【請求項１６】
前記ハブは、ステンレス鋼、繊維ガラス、ケブラー（商標）あるいは炭素繊維材料の一つから成る、ことを特徴とする請求項１４に記載の流量増大構造。
【請求項１７】
前記穴は、海洋生物にとって前記少なくとも一つのブレードを迂回するのに充分な寸法であり、それによって前記タービンを海洋生物に対して安全にする、ことを特徴とする請求項１４に記載の流量増大構造。
【請求項１８】
少なくとも一つのロータディスク中の水流領域を有する、双方向性水力タービン発電機の改良であって、前記改良点が、それぞれ二重ダクトとハブとによって画成される外側のスロットと内部の穴領域とを備え、それによって前記タービン発電機中の前記水流を増大し、かつ前記タービン発電機をより効率的にする、双方向性水力タービン発電機の改良。
【請求項１９】
前記二重ダクトの前記外面は、両方の端部で広げられ、それによって前記端部と比べて狭い前記タービン内の中心スロート領域を形成し、それによって、前記水力タービン発電機の前記双方向性流量特性を最適化する、ことを特徴とする請求項１８に記載の改良点。
【請求項２０】
前記ハブは、前記ハブの各端部において曲線縁を備え、それによって前記ハブを流体力学的にする、ことを特徴とする請求項１９に記載の改良点。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に流体動力電気発電用の水中ダクトタービンに関する。より詳しくは、水流を増強するタービンのスロットおよびハブ中の長手方向の穴を画成する二重増強部ダクト構造が、開示される。
【背景技術】
【０００２】
電力を発生させるための双方向性リム発電ダクテッド水中タービンは、例えばＤａｖｉｓ他の、出願人のＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＣＡ０２／０１４１３などで公知である。流量特性、およびしたがってこのような設計の効率を改善したいという願望がある。固定された増強部が、タービン中の流量を増大することは公知である。
Ｍｏｕｔｏｎ他の米国特許４，２１９，３０３は、柔軟性のある外側ノズルの中の堅固な内部一次ノズルであって、外側のノズルが一次ノズルにわずかに重なり合い、ノズル間に片方向流のための隙間を形成するものを開示した。
Ｖａｕｔｈｉｅｒの米国特許６，４０６，２５１Ｂ１は、双方向流を受け入れる水力タービンの外面上のピボット式フラップの機械的に複雑なおよび効率が悪いシステムを開示した。
単一のダクトを備えた、従来の片方向流タービンのダクト内のスロットの理論的な利点が、Ｋｉｒｋｅ，  Ｂ．「ダクト水流タービンにおける発展（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｄｕｃｔｅｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｕｒｂｉｎｅｓ）」、エンジニアリング学部、グリフィスス大学において論じられた。
また、水力タービン発電機中に中心隙間を有することも公知である。Ｍａｔｈｅｉｓｅｌの米国特許４，５０９，４４２は、ブレードのハブあるいは付け根部分のないダクテッドプロペラタービンを開示したが、それは、過剰なたわみ、振動およびハイサイクル疲労を起こしやすく、特に内部のサポートリングなしで、ブレードは、筐体から装置の中心の方へ片持ちにされる。
Ｗｉｌｌｉａｍｓの米国特許ＲＥ３８，３３６Ｅ（５，５９２，８１６の再発行）は、ブレードによって取り囲まれる無制限流の中心開放領域を備えた、水力発電タービンを開示し、流動乱流を低下させることを提案した。また、Ｗｉｌｌｉａｍｓの米国特許６，６４８，５８９Ｂ２は、ブレードによって取り囲まれる無制限流の中心開放領域を備え、単一ブレード中を流れる水の速度増大を促進し、従来のハブ発電機水力発電タービン内のハブの背後で生じる乱流をなくす、水力発電タービンを開示した。Ｗｉｌｌｉａｍｓ特許は、効率的に水流を導くための配管も流体力学的構造も伴わない、片方向タービンブレード構成を備えた、複雑な水力および機械駆動発電機を使用する。Ｗｉｌｌｉａｍｓ特許は、装置の構造的整合性を改善し、ブレードたわみを減少するために、ハブにおいて一組の軸受を組み込まない。
本発明は、構造的、機械的に単純でかつ製造するのに安価な、水流を増大する流量増大設計に対する要求を満たし、海洋生物およびデブリに対するバイパスを提供し、それによって装置の環境的影響を低下させ、振動および流体力学的抵抗を低下させ、および、水中ダクテッドタービンの作動効率を増大する。
【発明の開示】
【０００３】
改善された水力タービン発電機および流量増大の方法を実施することが、本発明の目的であり、その改良点は、ダクトあるいは筐体とダクトのまわりに配設される増強部装置との間のスロットを含む。この増強部装置は、領域が実質的に同様で、かつ中心スロート部分がより狭い、注入口および放出口を最適に有し、それによってタービンの効率を増大する。注入口領域に対するスロート領域、スロット領域およびブレード領域の特定の最適比率が開示され、さらにタービンの効率を最適化する。
増強部は、第１のダクトの外部表面の実質的に全てのまわりに配設される、部分的あるいは完全な第２のダクトとすることができ、それによって二重ダクト構造を形成する。
本発明の別の目的は、流体力学的形状を有する前縁を備えた、軸対称の増強部を提供し、それによって入出口を過ぎたところの乱流水流を最小限に抑え、および双方向水流で最適に実行することである。二重ダクト構造は、抗付着物コーティングで被覆されることができ、および浮力材料を含むことができ、それによってより大きな雑音抑圧を達成し、最小限の環境的影響を確実にし、耐腐食性および高い潤滑性を提供する。
本発明の別の目的は、特定の形状、構造特性および材料特性を有するハブ内のタービンの長手方向の軸に実質的に沿った長手方向の穴を含む、タービン内の流量増大構造を提供し、それによってタービンの効率を改善することにある。ブレード領域に対する穴領域の特定の比率が、開示される。この穴は、ハブの流量特性と組み合わせられ、タービンを海洋生物に対して安全にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
図１を参照して、好ましい実施態様のスロット２００および中空ハブ２４０流動増大構造を備えた二重増強部ダクト水中タービン発電機１０の等角図が、示される。好ましい実施態様において、水中ダクトタービン１０は、出願人の以前の発明Ｄａｖｉｓ他のＰＣＴ／ＣＡ０２／０１４１３出願の主題において開示される種類であり、本改良点は、中空ハブ２０設計および第２の、外側のダクト４０のまわりに配設される増強部ダクト４１、２つのダクト４３間のスロット２００であり、全体として水流１００を増大し、タービン発電機１０の効率を増大することを目的としている。二重増強部ダクト構造４３は、前方および後方の対称構造である、すなわち、それは、タービン発電機１０を横に横断する中心垂直面のまわりに対称である。二重ダクト構造４３は、タービンロータ５０および外側のダクト４０内に収容される全ての発電機構成部品のまわりに配設される。増強部ダクト４１は、双方向流のための高度に効率的なダクトを形成する対称の入口部分４５および４６を有する。中心穴２４０は、また、たとえばタービン発電機の中心部の方へ放射状に配設された片持ちにされたブレードを備えた、ハブのない装置１０内に使用されることもできる。中心穴２４０は、また、非ダクテッドタービン発電機１０内に使用されることもできる。
二重ダクト構造４３は、環状路５１領域内の案内羽根としても働く複数の支柱２４によって、ハブ２０に固着される。支柱２４は、単にスロット２００領域内の支柱であり、曲線状の案内羽根ではない。好ましい実施態様において、５枚の案内羽根２４が、タービン発電機１０の２つの端部の各々にある。羽根２４は、好ましくは、ハブ２０軸のまわりに放射状に均一に間隔を置かれる。好ましい実施態様では、２つの逆回転するロータディスク５０が、回転可能にハブ２０に取り付けられ、および、複数のブレード３０、最適に対称の水中翼ブレードが、前記ハブ２０からロータリム５４まで放射状に延伸し、ロータリムは、外側のダクト４０の内部面内の溝（図示せず）内に取り付けられ、および、軸受レース内で、あるいは変形例では磁石軸受レース内で、回転可能である。他の変形例では、単一のあるいは複数のロータディスク５０が、使用されることができる。流量増大スロット２００および穴２４０構造は、潮汐応用の用途に使用されるだけではなく、当業者として理解することができるような他のタービン発電用途にも使用される。
好ましい実施態様において、二重増強部ダクト４３は、複合材料から製造される堅固な構造である。二重増強部ダクト４３は、任意の複合材料、例えば繊維ガラス、ケブラー（商標）、炭素繊維、繊維強化コンクリートあるいは公知技術のその他の組合せ、から製造されることができる。堅固な、対称の二重ダクト４３配置の利点は、製造、据付けおよび保守の簡単さおよび低資本費を含む。変形例において、柔軟性のある複合材料によって覆われるステンレス鋼ラーメンが、使用される。
【０００５】
増強部ダクト４１の内部壁は、増強部ダクトリム６２の方へそれ、それによって、水１００がダクト２０の中を流れるにつれて、減速効果をタービンブレードの下流に生成する。増強部ダクト４１の外面は、好ましい実施態様において凹形であるが、凸形あるいは円筒形とすることもできる。タービン発電機１０が双方向性であるので、二重増強部ダクト４３の両方の端部が実際上注入口である。増強部ダクト４１の中心部は、円筒形である。動作において、それが注入口リム６２を通っておよび増強部ダクト４１および外側のダクト４０の側面をたどるにつれて、水流１００は収束する。外側のダクト４０と増強部ダクト４１の間の間隙あるいはスロット２００は、平滑な環状流領域である。ブレード先端３０およびロータリム５４（ここで図示せず）は、環状路５１内に含まれ、およびスロット２００内には配設されない。水流１００がロータディスク５０を通ったあと、外側のダクト４０および増強部ダクト４１が再びそれて、自由流れ状態へ水流１００の滑らかな拡散を可能にする。二重増強部ダクト４３の対称性は、双方向潮汐環境で高い水力効率を達成する。好ましい実施態様において、ダクト入口４５および出口４６は、軸対称である。例えば正方形、矩形あるいはその他の任意の形状などの代替の構成が、例えば潮汐状況および局所的測深などの特定の場所あるいは用途のパラメータによって決定されるように、使用されることができる。各場所に対する最適形状は、場所の計算流体力学解析を実行することによって決定される。好ましい実施態様は、しかし軸対称である。
最適設計は、出口領域４６（反対側の増強部ダクトリム６２）に等しい注入口領域４５（増強部ダクトリム６２）およびスロート領域、タービンブレード領域、あるいは、場所特有の潮汐状態に従い、最適に出口領域４６の１０分の９  （０．９）から四半分（０．２５）までの間にある、環状路５１（円筒形部分）によってさらに特徴づけられる。環状路５１は、外側のダクト４０の内面とタービンブレード３０が通るハブ２０の外面との間の領域である。好ましい実施態様において一般的な用途に対して、増強部ダクトリム６２直径に対する外側のダクト４０中心部の中心スロートあるいは内部表面の比率は、０．５である。変形例において、比率が０．１と０．９の間にあることができる。
両方のダクト４３の前縁および後縁あるいはリム（外側のダクト４０リム６４を含む）は、飛行機翼に形状において同様の断面を備えた流体力学的形状を、最適に有する。この形状は、タービン環状路内への流量１００を増大し、同じく、隣接するスロット２００内への、および潮汐タービン発電機１０全体のまわりの、流量１００の滑らかな遷移を形成する。
好ましい実施態様において、抗付着物コーティング、例えばＳｉ−Ｃｏａｔ  ５６０（商標）が、ダクト４３に塗布される。変形例において、水生の有機体の蓄積に影響されやすい特定の領域が、被覆される。抗汚染コーティングは層流を容易にする高い潤滑性表面を提供する追加の利点を有し、それによって、タービン発電機１０の効率を改善する。
浮力材料が、潮汐タービン発電機１０の全体の浮力を増大するために、二重増強部ダクト４３および発電機筐体９２の内部構造に組み込まれる。それが装置取りはずしおよび保守の過程を容易にするので、中立浮力は装置の鍵となる特性である。好ましい実施態様において、ダクト４３は潮汐タービン発電機１０全体に対する中立浮力を達成するために、ポリ塩化ビニル独立気泡海洋フォーム（図示せず）によって満たされる複合殻構造から成る。他の独立気泡フォームもまた、周知のように、使用されることができる。浮力機能に加えて、独立気泡フォームは、潮汐発電機１０によって生成される流体力学的なおよび電気的な雑音を減らすことによって雑音抑圧装置として働き、したがって、クジラ類および他の海洋哺乳類に関する潮汐タービン発電機１０の起こりうる音響の影響を軽減する。
【０００６】
第２の独特の流量特性は、ハブ２０中の長手方向の穴２４０である。ハブ２０の内面は、最適に円筒形である。ハブの外面は最適に楕円形で、あるいは、ハブリム２７からハブ２０の平坦な中心部の頂点まで大きくなる樽形である。ハブ２０の内面は、ハブ２０軸に沿って長手方向の穴２４０を画成する。他の変形例において、形状は特定の潮汐場所の計算流体力学解析によって定まるように変化する。
次に図２を参照して、スロット２００および中空ハブ２４０流量増大構造を備えた二重増強部ダクト水中タービン発電機の正面立面図が、示される。好ましい実施態様における、外側のダクトリム６４の前縁、ハブリム２７、ブレード３０が続き、および外側のダクト４０によって取り囲まれる、案内羽根２４の曲線状の性質、が示される。
次に図３を参照して、潮汐タービン発電機１０中のスロット２００の一部を切り取った斜視図が、示される。スロット２００は、増強部ダクト４１の内面によって形成される上側表面と、発電機筐体９２を取り囲む外側のダクト４０の外面によって形成される下側表面とによって画成される。増強部ダクト４１は注入口領域４５、スロート領域４７および、各流動１００を逆にする出口領域４６から成る。好ましい実施態様において、スロット２００の下面は、前縁あるいは外側のダクトリム６４を備えた円筒形であり、スロット２００およびタービン環状路あるいはロータディスク領域５１双方内への水流１００の滑らかな流入を提供する。ブレード３０が、ロータリムあるいはリング５４内に配設される。
変形例において、特定の計算流体力学（「ＣＦＤ」）解析からの結果に従い、スロット表面２００の輪郭は変更されることができる。前縁３４および後縁３５は、飛行機翼に形状において同様な断面を備えた流体力学的な形状を有する。この縁形状は、環状路領域５１内への流れ１００を増大し、同じく中央開口部２４０内への流れ１００の滑らかな遷移を形成する。
中心穴２４０は、流体運動量の保存が維持される領域である。この特徴は、ハブ２０の背後に以前存在した分離の領域を除去し、かつ加えて、周囲のタービンロータディスク領域５１を通して、追加の流れ１００を引き出す。分離の領域の除去は、また、構造１０上の振動性の荷重を低下させ、信頼性の改善およびしたがって、維持費の減少に結びつく。
この中心穴２４０は、潮汐タービン１０の出力トルク、したがって、総合効率を両方とも増大する。
中心穴２４０構想は、また、その性能増強効果に加えて、プラスの環境的利点を有する。この海洋生物が潮汐タービン発電機１０に入る場合には、この中心領域２４０は魚および海洋哺乳類バイパスを提供する。中心を貫通する穴２４０は、全ての種類の魚および大部分の他の海洋哺乳類（大きなクジラを除く）に対応するために十分に大きい。
中心穴２４０によって占められる領域は、タービンロータディスク５１によって占められる領域以下である。これらの領域の正確な比率は、場所特有のパラメータを使用して実行されるＣＦＤ解析によって決定される。タービンロータディスク領域５１に対する穴２４０の最適の比率は、１：１５と１：１の間であるが、変形例において、他の比率がいくつかの利点に使用されることができる。
【０００７】
中心穴２４０を画成するハブ２０は、潮汐タービン発電機１０の一体構造の部材である。タービン１０上のラジアル荷重あるいは力は、ハブ２０から案内羽根あるいは支柱２４まで、および次いで一次構造部材、外側のダクト４０まで伝達される。これは、非常に硬いおよび確固とした構造を形成する。ハブ２０は、主な半径方向の位置合せおよび推力支持をタービンロータ５０に提供する一連の軸受５８を収容する。水潤滑された、低摩擦軸受５８が、タービンロータハブ２０において搭載される。中心ジャーナル軸受５８（あるいは複数の軸受）が、ロータ５０に対する半径方向の支持を提供し、および、２つの推力軸受５８が、タービン１０上の双方向流体力学的荷重から生じる、軸暴走に対応するためにロータ５０の両側に位置する。水潤滑軸受５８の追加の組が、また、ロータ５０の軸スラストに対抗するためにブレード（ロータ）リム５４位置で使用される。この完全な軸受配置５８は、ラッキングに対するタービンロータ５０の感受性を低下させる。任意選択で、磁気軸受システムあるいは公知技術のその他の軸受システムが、使用されることができる。
好ましい実施態様において、ハブ２０は海洋等級ステンレス鋼から成る。変更態様は、複合材料、例えば繊維ガラス、ケブラー（商標）、炭素繊維あるいは公知技術の任意の組合せ、から製造されるハブ２０を含む。
次に図４を参照して、ハブおよび、スロットと穴を画成する外側ダクトと増強部ダクトの側面図断面図および流動流線１０２を示す。流動流線１０２は、この設計の流量増大特徴を例示する。変形例において、形状の外形は、場所特有の据付けに対する流量特性を改善するために変更される。スロット２００の幾何学的形状は、特定の場所の潮汐流の特性の関数であるが、しかし、スロット領域２００あるいは実効間隙は、タービンロータ領域あるいは環状路５１の１０％−５０％の通常範囲を有する。図４は、環状路５１内への穴２４０およびスロット２００領域からの流動流線１０２の偏向を例示し、それによってロータ５０の上の流量を増大しておよびそれによって電力出力を増大する。
スロット２００に入る流体は、スロット２００を通してその運動量を維持し、次いで、二重増強部ダクト４３の発散部分の境界層に、この運動量を与える。流体のこの注入は、ダクト４３の末広がりの部分の分離の領域を延ばし、同じく取り囲まれた環状路５１領域中の追加の流れを引き出す、双方の効果を有する。これらの効果の最終結果は、ブレード３０トルクの性能、したがって、潮汐タービン発電機１０の全体の効率向上の顕著な増加である。
【０００８】
次に図５を参照して、中空ハブおよび外側ダクトと増強部ダクトの前縁の側面図詳細図が、示される。ハブ２０リム２７、外側のダクト４０リム６４および増強部ダクト４１リム６２の楕円形の、流体力学的形状は、層流および発電機効率を増進する。スロット２００および穴２４０もまた、示される。
次に図６を参照して、開放スロット変形例を備えた二重ダクトの側面図断面図が、示される。スロット２００は不連続であり、および、各増強部ダクトリム６２は支柱２４で支えられる。水流１００もまた、示される。
次に図７を参照して、本発明の二重円筒ダクトで覆われたスロット２００変形例の側面図断面図が、示される。外側のダクト４０の外面は、この変形例において円筒形である。
動作中、潮汐タービン発電機１０上の減少した振動荷重、より滑らかな層流、スロット２００と穴２４０の特徴によってロータディスク５０を通して増大された水流１００が、装置１０の種類および場所パラメータに従い、上記の流量増大構造のない同様のタービン発電機と比較して、ロータディスク５０の出力トルクを、５０％を超えて増大し、それは、次に１０％を超える全体の効率向上につながる。
当業者に公知であるように、上記の開示を考慮して、多くの改変および修正が、その趣旨あるいは有効範囲から逸脱することなく、この発明の実践において可能である。したがって、本発明の有効範囲は、以下の請求の範囲によって定められる内容に従って解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の装置および方法は、次に付随する図面を参照して説明される。
【図１】本発明に従うスロットおよび中空ハブ流量増大構造を備えた二重増強部ダクト水中タービン発電機の等角図である。
【図２】本発明に従うスロットおよび中空ハブ流量増大構造を備えた二重ダクト水中タービン発電機の正面立面図である。
【図３】本発明に従うスロットおよび中空ハブ流量増大構造を備えた二重増強部ダクト水中タービン発電機の一部を切り取った斜視図である。
【図４】本発明に従う、ハブおよびスロットと穴を画成する外側ダクトと増強部ダクトの側面図断面図ならびに流動流線を示す。
【図５】中空ハブおよび外側の増強部ダクトの前縁の側面図詳細図である。
【図６】本発明の二重増強部ダクト開放スロット変形例の側面図断面図である。
【図７】本発明の円筒形二重増強部ダクトスロット変形例の側面図断面図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年5月29日(2007.5.29)
【手続補正１】
【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】
少なくとも一つのブレードとタービンのまわりに配設される筐体とを含む、タービン発電機の改良であって、前記改良点が、前記筐体の外面と前記筐体のまわりに配設される増強部の内面とによって画成されるスロットを備え、前記増強部装置は、注入口と、領域において実質的に同様である放出口とを有し、それによって前記タービン発電機の流量特性を強化することにつながり、そして、前記タービン発電機は、双方向性である、ことを特徴とするタービン発電機の改良。
【請求項２】
前記増強部は、前記注入口と前記放出口の間に配設される中心のスロート部分を備え、前記注入口および前記出口領域に対する前記スロート部分の領域の比率は、０．１と０．９の間にあり、それによって前記スロットの下流に減速流効果を生成し、かつ前記タービン発電機の効率を増大する、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項３】
前記増強部は、前記筐体の前記外面の実質的に全てのまわりに配設される第２のダクトであり、それによって二重ダクト構造を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項４】
前記スロット領域は、前記少なくとも一つのブレードの経路によって描写される領域の１０−５０％である、ことを特徴とする請求項１に記載の改良点。
【請求項５】
少なくとも一つのロータディスク中の水流領域を有する、双方向性水力タービン発電機の改良であって、前記改良点が、それぞれ二重ダクトとハブとによって画成される外側のスロットと内部の穴領域とを備え、それによって、前記外側のスロットと内部の穴手段中の水速度を保存し、かつ前記タービン発電機をより効率的にし、前記二重ダクトは、領域において実質的に同様の注入口と放出口とを有する増強部を備える、双方向性水力タービン発電機の改良。
【請求項６】
前記内部の穴領域は、前記タービン発電機の下流に位置する分離の領域のタービン効率に関する影響を低下させるように、水が、前記内部の穴領域中を実質的に乱れなく流れることを可能にすることによって、前記タービン発電機をより効率的にするように操作可能である、ことを特徴とする請求項５に記載の改良点。
【請求項７】
前記二重ダクトの前記外面は、両方の端部で広げられ、それによって前記端部と比べて狭い前記タービン内の中心スロート領域を形成し、それによって、前記水力タービン発電機の前記双方向性流量特性を最適化する、ことを特徴とする請求項５に記載の改良点。
【請求項８】
前記ハブは、前記ハブの各端部において曲線縁を備え、それによって前記ハブを流体力学的にする、ことを特徴とする請求項７に記載の改良点。
【請求項９】
複数の案内羽根が、前記ハブから放射状に延伸する、ことを更に含む、請求項５に記載の改良点。
【請求項１０】
前記ハブは、堅固でおよび前記ハブの外側の周縁のまわりに、回転可能なロータリムを備える、ことを特徴とする請求項５に記載の改良点。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのロータディスクは、複数のブレードを備え、かつ、前記堅固なハブのまわりに回転するように適応される、ことを特徴とする請求項５に記載の改良点。
【請求項１２】
前記ハブから前記タービン発電機のまわりに配設された筐体まで、放射状に突出する複数の支柱を更に備え、それによって、前記外側のスロットと内部の穴とを通して増加した水流によって引き起こされる振動を防ぐために前記タービン発電機を補強する、ことを更に含む、請求項５に記載の改良点。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
電力を発生させるための双方向性リム発電ダクテッド水中タービンは、例えばＤａｖｉｓ他の出願人のＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＣＡ０２／０１４１３などで公知である。流量特性、およびしたがって、このような設計の効率を改善したいという願望がある。固定された補強部が、タービン中の流量を増大することは公知である。
Ｍｏｕｔｏｎ他の米国特許４，２１９，３０３は、柔軟性のある外側ノズルの中の堅固な内部一次ノズルであって、外側のノズルが一次ノズルにわずかに重なり合い、ノズル間に片方向流のための隙間を形成するものを開示した。
Ｖａｕｔｈｉｅｒの米国特許６，４０６，２５１Ｂ１は、双方向流を受け入れる水力タービンの外面上のピボット式フラップのシステムを開示した。しかし、このシステムは、機械的に複雑である。
単一のダクトを備えた、従来の片方向流タービンのダクト内のスロットの理論的な利点が、Ｋｉｒｋｅ，  Ｂ．「ダクト水流タービンにおける発展（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｄｕｃｔｅｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｕｒｂｉｎｅｓ）」、エンジニアリング学部、グリフィスス大学において論じられた。
また、水力タービン発電機中に中心隙間を有することも公知である。Ｍａｔｈｅｉｓｅｌの米国特許４，５０９，４４２は、ブレードのハブあるいは付け根部分のないダクテッドプロペラタービンを開示したが、それは、過剰なたわみ、振動、を起こしやすく、
特に内部のサポートリングなしで、ブレードは、筐体から装置の中心の方へ片持ちにされる。
Ｗｉｌｌｉａｍｓの米国特許ＲＥ３８，３３６Ｅ（５，５９２，８１６の再発行）は、ブレードによって取り囲まれる無制限流の中心開放領域を備えた、水力発電タービンを開示し、流動乱流を低下させることを提案した。また、Ｗｉｌｌｉａｍｓの米国特許６，６４８，５８９Ｂ２は、ブレードによって取り囲まれる無制限流の中心開放領域を備え、単一ブレード中を流れる水の速度増大を促進し、従来のハブ発電機水力発電タービン内のハブの背後で生じる乱流をなくす、水力発電タービンを開示した。Ｗｉｌｌｉａｍｓ特許は、効率的に水流を導くための配管も流体力学的構造も伴わない、片方向タービンブレード構成を備えた、複雑な水力および機械駆動発電機を使用する。Ｗｉｌｌｉａｍｓ特許は、装置の構造的整合性を改善し、ブレードたわみを減少するために、ハブにおいて一組の軸受を組み込まない。
本発明は、構造的、機械的に単純でかつ製造するのに安価な、水流を増大する流量増大設計に対する要求を満たし、海洋生物およびデブリに対するバイパスを提供し、それによって装置の環境的影響を低下させ、振動および流体力学的抵抗を低下させ、および、水中ダクテッドタービンの作動効率を増大する。
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【手続補正１】
【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】
水流から電力を生成するための水力タービン発電装置における流量増大構造であって、前記装置は少なくとも一つのロータディスクと、少なくとも一つの周囲の水が流れ込む発電機を備え、
ａ）該ロータディスクの周りに配置された双方向増強ダクト、および
ｂ）該ロータディスクの中心を通る長手方向穴、
を特徴とする流量増大構造。
【請求項２】
前記双方向増強ダクトが、前記双方向増強ダクトの両端に位置する一組の実質的に対称な注入口、および内壁であって、前記内壁が前記注入口の間に位置する中心直径に向かって収束し、中心直径が前記注入口の直近に位置する流入口直径よりも小さい内壁、を少なくとも一つ備える、請求項１に記載の流量増大構造。
【請求項３】
前記ロータディスクの周りに配置された、前記双方向増強ダクトの内部に位置する、前記双方向増強ダクトと実質的に同心の外部ダクトをさらに備える、請求項１乃至２のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項４】
前記外部ダクトと前記双方向増強ダクトの間に画定された実質的に環状なスロットをさらに備える、請求項３に記載の流量増大構造。
【請求項５】
前記ロータディスクが、内部ロータリムと、前記内部ロータリムにその根元が接続され前記内部ロータリムから外側に放射状に延伸する一つまたは複数のブレードを備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項６】
前記一つまたは複数のブレードがそれぞれ前記内部ロータリムから遠位に位置する先端をさらに備えるとともに、前記一つまたは複数のブレード先端が外部ロータリムに接続され、前記内部ロータリムが、前記ロータディスクの中心を通る前記長手方向穴、およびハブを少なくとも一つ画定する、請求項５に記載の流量増大構造。
【請求項７】
前記発電機が周囲の水が流れ込む水中リム発電機である、請求項５または６のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項８】
ハブを備える流量増大構造であって、前記発電機が周囲の水が流れ込む水中ハブ発電機である、請求項６に記載の流量増大構造。
【請求項９】
前記一つまたは複数のブレードが断面において実質的に対称である、請求項５乃至８のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項１０】
前記双方向増強ダクトが前記ロータディスクに対して軸上の位置に実質的に固定された、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項１１】
ロータディスクと外部ダクトとの間に位置する一つまたは複数の磁気軸受をさらに備える、請求項３に記載の流量増大構造。
【請求項１２】
ハブを備える流量増大構造であって、少なくとも一つのロータディスクとハブの間に位置する一つまたは複数の磁気軸受をさらに備える、請求項６に記載の流量増大構造。
【請求項１３】
ハブを備える流量増大構造であって、前記ハブが二つの端と一つの外表面を備え、前記端が前記ハブのどの部分と比較しても同じかより小さい直径を持ち、それにより流体力学的な形状を形成して前記構造の効率を改善する、請求項６に記載の流量増大構造。
【請求項１４】
中心ハブ、および前記ハブから突出する複数の支柱をさらに備える、請求項３に記載の流量増大構造。
【請求項１５】
前記複数の支柱が前記ハブから放射状に突出し、前記ハブと前記外部ダクトとの間に位置する環状部分において案内翼として操作可能な、請求項１４に記載の流量増大構造。
【請求項１６】
前記複数の支柱が前記ハブと前記外部ダクトの間に位置する環状部分において湾曲した、請求項１４または１５のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項１７】
前記複数の支柱が前記外部ダクトと前記双方向増強ダクトとの間の環状部分におけるスムースな水流のために必要な大きさにされた、請求項１４乃至１６のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項１８】
前記実質的に環状なスロットが前記外部ダクトの外表面と前記増強ダクトの内表面との間にさらに画定され、および前記双方向増強ダクトが二つの注入口を備え、前記注入口が実質的に類似した断面領域を持つ、請求項４に記載の流量増大構造。
【請求項１９】
前記増強ダクトの前記内壁を備える流量増大構造であって、前記内壁の前記中心直径の断面領域の前記注入口のいずれに対する比も０．１と０．９の間にある、請求項２に記載の流量増大構造。
【請求項２０】
前記ロータディスクが少なくとも一つのブレードを備える流量増大構造であって、前記環状スロットの断面領域が、前記少なくとも一つのブレードの回転経路が通過する断面領域の１０％から５０％の間である、請求項４に記載の流量増大構造。
【請求項２１】
前記ロータディスクが少なくとも一つのブレードを備える流量増大構造であって、前記支柱の長さの少なくとも一部が、前記水流を前記少なくとも一つのブレードに対して鋭角の迎え角で向かわせる案内翼として機能する、請求項１４乃至１７のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項２２】
前記ハブが実質的に剛体であり、前記ロータディスクが前記ハブを中心とした回転に適合した内部ロータリムを備える、請求項１４乃至１７または２１のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【請求項２３】
前記支柱が前記ハブから放射状に突出するとともに、前記増強ダクト、および、前記ロータディスクの周りに配置され、前記双方向増強ダクトの内部に位置する、前記双方向増強ダクトと実質的に同心の外部ダクトの少なくとも一つと接続し、それによって前記タービン発電機を、そこを通る水流によって引き起こされる振動に対して強化する、請求項１４乃至１７または２１乃至２２のいずれか一項に記載の流量増大構造。
【国際調査報告】
2008513650.tif 000010
2008513650.tif 000011
2008513650.tif 000012
2008513650.tif 000013