(57)【要約】本発明はインパルスタービンの回転部であるロータの性能向上に関し、実施例としてさらに詳細には、円形ダクト内の一側にダクト溝が形成され、上記ダクトの中心軸に第1の固定軸の外周縁に複数の第1の固定翼を形成する第1の固定翼部が位置し、上記第1の固定翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に回転軸の外周縁に複数の回転翼を形成する回転翼部が位置し、上記回転翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に第2の固定軸の外周縁に複数の第2の固定翼を形成する第2の固定翼部が位置し、上記ダクト溝に対応するように形成され、回転翼の外周縁の端部にシリンダー形状の幅リングが付着されてなる回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービンに関する。従来のインパルスタービンの回転翼は、ダクト内で回転運動時に回転翼の端部に流動間隙を有するようになり、このような流動間隙を通じて流動流体が漏出されて効率が低減される。本発明ではこれを解決するために、ダクト内にインパルスタービンの回転翼に対応するダクト溝を形成して、回転翼をダクト内部に挿入させて流動間隙を最小化し、インパルスタービンの効率の増加を提供するインパルスタービンを提供しようとする。【選択図】図3
2008546947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形ダクト(1)内の一側にダクト溝(6)が形成され、上記ダクト(1)の中心軸に第1の固定軸(5)の外周縁に複数の第1の固定翼(2)を形成する第1の固定翼部(9)が位置し、上記第1の固定翼部(9)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に回転軸(4)の外周縁に複数の回転翼(3)を形成する回転翼部(11)が位置し、上記回転翼部(11)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に第2の固定軸(5)の外周縁に複数の第2の固定翼(2)を形成する第2の固定翼部(10)が位置し、上記ダクト溝(6)に対応するように形成され、回転翼(3)の外周縁の端部の幅と同一の大きさに形成されたシリンダー形状の幅リング(7)が付着するようにしてなることを特徴とする回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービン。
【請求項２】
上記幅リング(7)は回転翼(3)の外周縁の端部の幅より大きく形成されて付着するようにしてなることを特徴とする請求項１に記載の回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービン。
【請求項３】
円形ダクト(1)内の一側にダクト溝(6)が形成され、上記ダクト(1)の中心軸に第1の固定軸(5)の外周縁に複数の第1の固定翼(2)を形成する第1の固定翼部(9)が位置し、上記第1の固定翼部(9)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に回転軸(4)の外周縁に複数の回転翼(3)を形成する回転翼部(11)が位置し、上記回転翼部(11)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に第2の固定軸(5)の外周縁に複数の第2の固定翼(2)を形成する第2の固定翼部(10)が位置し、上記回転翼部(11)の個々の回転翼(3)の端部に上記回転翼(3)と同一の大きさに形成された羽根板(8)がダクト溝(6)に対応するように付着するようにしてなることを特徴とする回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービン。
【請求項４】
円形ダクト(1)内の一側にダクト溝(6)が形成され、上記ダクト(1)の中心軸に第1の固定軸(5)の外周縁に複数の第1の固定翼(2)を形成する第1の固定翼部(9)が位置し、上記第1の固定翼部(9)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に回転軸(4)の外周縁に複数の回転翼(3)を形成する回転翼部(11)が位置し、上記回転翼部(11)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に第2の固定軸(5)の外周縁に複数の第2の固定翼(2)を形成する第2の固定翼部(10)が位置し、上記回転翼部(11)の個々の回転翼(3)の端部に上記回転翼(3)と同一の大きさに形成された羽根板(8)がダクト溝(6)に対応するように付着するようにしてなることを特徴とする回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービン。
【請求項５】
上記第1の固定翼及び第2の固定翼(2)の流出角は流入角に比べて回転翼の回転運動方向に傾いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービン。
【請求項６】
上記第1の固定翼及び第2の固定翼(2)の各々の流出角は互いに異なって構成されることを特徴とする請求項５に記載の回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、インパルスタービンの回転部であるロータの性能向上に関し、さらに詳細には、円形ダクト内の一側にダクト溝が形成され、上記ダクトの中心軸に第1の固定軸の外周縁に複数の第1の固定翼を形成する第1の固定翼部が位置し、上記第1の固定翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に回転軸の外周縁に複数の回転翼を形成する回転翼部が位置し、上記回転翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に第2の固定軸の外周縁に複数の第2の固定翼を形成する第2の固定翼部が位置し、上記ダクト溝に対応するように形成され、回転翼の外周縁の端部に形成された幅リングが付着されてなる回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービンに関する。
【０００３】
図1は振動水柱型チャンバ(Oscillating Water Column)を利用した波力発電装置図であって、通常の入力波水面(12)が形成される一面に振動水柱型チャンバ(14)が形成され、上記チャンバ(14)によって、その内部には振動水柱型チャンバ内の水面(13)が発生する。
【０００４】
上記振動水柱型チャンバ内の水面(13)の一側上端にインパルスタービン(16)が装着されることによって、水面(13)の水位上昇の変化に伴いインパルスタービン(16)が回転して、波浪のエネルギーから使用可能な機械的或いは電気的エネルギーを抽出する装置として、普通1次変換装置と2次変化装置に分けられる。1次変換装置は波浪エネルギーを空気エネルギーに変える装置であって、振動水柱型チャンバ(OWC、Oscillating Water Column)を称する。
【０００５】
2次変換装置は空気エネルギーを電気的エネルギーに変えるタービンと発電機を意味する。本発明では、この波力発電装置のうちタービンの効率向上のためのロータの形状改善に関する内容を扱う。
【０００６】
インパルスタービン以前に波力発電用装置として広く使用されていたWellsタービンは、翼型の羽根で揚力を利用するので、これによる抗力によって駆動軸のベアリングに大きい負荷を発生させ、高効率を利用することができる作動領域が小さく、作動領域でロータが高回転することによる騷音発生がひどく、ストール現象により急激に効率が低減し、初期機動の問題によって補助電動機を要する問題があった。これを克服するための装置として、これまで10余年の間日本とアイルランドなどでインパルスタービンが研究されており、インドには1.0mの大きさの実海域発電装置が設置されたりした。
【０００７】
図2は図1の波浪発電装置などに多く使用される従来の波力発電用インパルスタービンを示した概略図であって、振動水柱型チャンバ(OWC)で圧縮された空気は、図2のダクト(1)と回転軸(4)と固定軸(5)の間に流入され、これは固定翼(2)を通じて空気流動の直進成分が回転成分に変わるようになる。回転成分の空気は回転翼(3)と衝突して、その反対給付でロータは衝突エネルギーを得て回転力を得る。回転翼は回転する部分なので、どのような加工を施しても回転翼羽根端部とダクトの間には間隙が発生するようになり、この間隙を通じて回転翼の羽根面と衝突すべき空気が漏出されて回転翼に加えられるエネルギーが減少する。
【０００８】
このように、衝動型形態のタービンを使用してWells タービンで発生した短所を克服するようになった。タービンの固定翼は空気の運動方向を変えると同時に、タービンを支持するために使用されているので固定されている。しかし、回転翼は回転運動を行う装置であって、製造上の限界によって回転翼羽根端部は一定の間隙を有するようになる。既存の研究では、この回転翼羽根端部の間隙の影響を調べ、これを減らすための努力をした。
【０００９】
インパルスタービンの固定翼と回転翼の形状に関する研究としては、日本佐賀大学のT.Setoguchi教授が多くの業績を有している。初期効率を極大化させるために、固定翼も固定ではなく流動の方向に沿って回転翼の前方ではノズルの役目をし、回転翼の裏側に置かれる時はディフューザの役目をするようにして、固定翼の体系的な形状変化に関する研究を行い、回転翼の形状も体系的な変化によって最適化を目指した。これとともに、固定翼の運動を回転翼の前後で同期化させるためにリンクも考案した。しかし、このような効率向上の努力にもかかわらず、動く固定翼は継続する作動によって故障の原因となった。その後は、固定翼を固定して効率は減少しても維持補修を減らして安定的な発展を目指すようにした。このような開発段階を経ながら、固定翼と回転翼の形状及び位置と各々の個数に対する最適化過程を模型試験を通じて行った。
【００１０】
このような最適化過程を経たインパルスタービンは優れた性能を示しているが、回転翼羽根端部の間隙における空気の漏出に関する問題は、間隙を減らす方法以外にはその代案がない現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記のような従来の諸般の問題点を解消するために案出されたものであって、インパルスタービンの回転翼羽根端部とダクトとの間隙によって空気が漏出されて羽根の圧力面での圧力損失によって発電機軸に加えられるトルク減少を防止するために、回転翼の端部に幅リングを重ねて回転翼の端部で発生する空気の漏出を防いでインパルスタービンの効率増加を図る回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービンを提供することにある。
【発明の効果】
【００１２】
前述のとおり、本発明による回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービンは、回転翼の端部の間隙を通じる流体の漏出によって回転翼での圧力減少を防いで流体効率を増加するインパルスタービンを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は上記の目的を果たすために以下の特徴を有する。
【００１４】
本発明による一実施例は、円形ダクト内の一側にダクト溝が形成され、上記ダクトの中心軸に第1の固定軸の外周縁に複数の第1の固定翼を形成する第1の固定翼部が位置し、上記第1の固定翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に回転軸の外周縁に複数の回転翼を形成する回転翼部が位置し、上記回転翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に第2の固定軸の外周縁に複数の第2の固定翼を形成する第2の固定翼部が位置し、上記ダクト溝に対応するように形成され、エアホイル形状を有する上記複数の回転翼の外周縁の端部に上記回転翼と同一の幅又は相対的に幅広に形成されたシリンダー形状の幅リングが付着しており、上記幅リングだけがダクト溝に対応して挿着されてなることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の他の一実施例は、円形ダクト内の一側にダクト溝が形成され、上記ダクトの中心軸に第1の固定軸の外周縁に複数の第1の固定翼を形成する第1の固定翼部が位置し、上記第1の固定翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に回転軸の外周縁に複数の回転翼を形成する回転翼部が位置し、上記回転翼部の一側に接し、上記ダクトの中心軸に第2の固定軸の外周縁に複数の第2の固定翼を形成する第2の固定翼部が位置し、上記回転翼部の個々の回転翼の端部は上記回転翼の形状よりも相対的に大きく形成された羽根板がダクト溝に対応するように付着されて上記ダクト溝の内部に挿入されてなることを特徴とする。
【００１６】
以下、上記のように構成された本発明は、回転翼羽根端部の間隙流動損失防止用インパルスタービンであって、実施例を図面を参照して詳細に説明すると以下のとおりである。
【００１７】
図3は本発明による第1の実施例を示した概略図であって、円形ダクト(1)内の一側にダクト溝(6)が形成され、上記ダクト(1)の中心軸に第1の固定軸(5)の外周縁に複数の第1の固定翼(2)を形成する第1の固定翼部(9)が位置し、上記第1の固定翼部(9)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に回転軸(4)の外周縁に複数の回転翼(3)を形成する回転翼部(11)が位置し、上記回転翼部(11)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に第2の固定軸(5)の外周縁に複数の第2の固定翼(2)を形成する第2の固定翼部(10)が位置し、上記ダクト溝(6)に対応するように形成され、回転翼(3)の外周縁の端部の幅と同一に形成されたシリンダー形状の幅リング(7)が付着されてなる。
【００１８】
図7は本発明の第1の実施例及び第2の実施例による幅リングを示した斜視図であり、図8は本発明の第1の実施例及び第2の実施例による幅リングを示した平面図であって、回転翼の外周縁にシリンダー形状のリング形状の幅リングが付着したことをさらに詳細に示したものであって、これは本発明の一実施例よってシリンダー形態の幅リングが回転翼の端部に付着して、上記幅リングはダクトの一側に形成されたダクト溝に対応して挿入されて回転するように形成された概略図である。
【００１９】
本発明の第1の実施例では回転翼の端部に付着したシリンダー型リングがダクトの一側の内周縁に形成されたダクト溝の内部に挿入されるようにして幅リングとダクトとの間隙による空気の漏出を防ぎ、ダクト壁面での流動剥離を最小限に減少する。
【００２０】
シリンダー形態のリングからなる幅リングが回転翼の端部に付着すると、回転翼で発生した空気の回転エネルギーは回転翼の端部を通じて流動の間隙損失がないため、向上したタービン効率を有する。
【００２１】
図4は本発明による第2の実施例を示した概略図であって、上記第1の実施例のシリンダー形状の幅リングは回転翼の端部の幅と同一の大きさであり、これを変形した第2の実施例の幅リング(7)は回転翼(3)の外周縁の端部の幅よりも大きく形成されて付着されてなる。
【００２２】
本発明は、上記第1の実施例を変形して第3の実施例及び第4の実施例の概略図で見られるように、回転翼の端部にシリンダー型リングではない回転翼各々の端部に個別に板を重ねる形態であって、羽根板を付着して流体の漏出を防ぐインパルスタービンを図5及び図6に見られるように提供する。
【００２３】
図5は本発明による第3の実施例を示した概略図であって、円形ダクト(1)の中心軸に第1の固定軸(5)の外周縁に複数の第1の固定翼(2)を形成する第1の固定翼部(9)が位置し、上記第1の固定翼部(9)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に回転軸(4)の外周縁に複数の回転翼(3)を形成する回転翼部(11)が位置し、上記回転翼部(11)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に第2の固定軸(5)の外周縁に複数の第2の固定翼(2)を形成する第2の固定翼部(10)が位置し、上記回転翼部(11)の個々の回転翼(3)の端部に上記回転翼(3)よりも大きく形成された羽根板(8)が付着してなる。
【００２４】
図6は本発明による第4の実施例を示した概略図であって、円形ダクト(1)内の一側にダクト溝(6)が形成され、上記ダクト(1)の中心軸に第1の固定軸(5)の外周縁に複数の第1の固定翼(2)を形成する第1の固定翼部(9)が位置し、上記第1の固定翼部(9)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に回転軸(4)の外周縁に複数の回転翼(3)を形成する回転翼部(11)が位置し、上記回転翼部(11)の一側に接し、上記ダクト(1)の中心軸に第2の固定軸(5)の外周縁に複数の第2の固定翼(2)を形成する第2の固定翼部(10)が位置し、上記回転翼部(11)の個々の回転翼(3)の端部に上記回転翼(3)の形状よりも相対的に大きく形成された羽根板(8)がダクト溝(6)に対応するように付着してなる。
【００２５】
これは回転軸の外周縁に複数に形成された個々の回転翼の端部に各々の羽根板を付着して、上記羽根板はダクトの内周縁に形成されたダクト溝に挿入される構成であって、回転翼の回転運動時に回転翼とダクトの内周縁との間隙で発生する流動損失を最小化してタービン効率を増加する。
【００２６】
図10は本発明による羽根板を示した概略図に見られるように、第4の実施例では個々の回転翼の端部に各々の羽根板を付着して、上記羽根板はダクト溝が形成されない通常のダクトの内周縁内で回転翼の回転運動とともに回転運動しながら回転翼とダクトの内周縁との間隙で発生する流動損失を最小化してタービン効率を増加する。
【００２７】
図9は本発明による固定翼部を示した概略図であって、上記第1の実施例ないし第4の実施例の第1の固定翼及び第2の固定翼(2)の流出角は流入角に比べて回転翼の回転運動方向に傾くように形成される。これは回転翼の回転運動とともに回転翼と接した回転翼の間に流入されて流出される流体の流線が回転方向に所定の傾斜角度として傾くように構成されるため、上記傾斜角度に対応する傾斜角度として固定翼が構成されることによって、流動損失が最小化してタービン効率を増加する。
【００２８】
すなわち、第1の固定翼及び第2の固定翼(2)に流入された流体の流線は、回転翼の回転運動によって上記回転翼の回転方向に方向が傾くようになるが、この時、第1の固定翼及び第2の固定翼(2)の流出角が流入角と同一であれば、上記回転翼を通過しながら回転翼の回転方向に方向が傾くようになった流体は、傾いた流線方向が流入される時の方向に強制的に変わりながら排出されて流動損失が発生するため、上記第1の固定翼及び第2の固定翼(2)の流出角は、回転翼の回転によって所定の傾斜角度を有するようになった流体の流線に対応するように、上記第1の固定翼及び第2の固定翼(2)の流入角に比べて上記回転翼の回転方向に傾くように形成されることで流動損失が最小化させる。
【００２９】
さらに、回転翼の回転運動によって回転翼に流入される流体の流入角度と流出される流出角度は各々異なるように形成されるが、上記回転翼に流体を流入して回転翼を通過した流体を流出する上記第1の固定翼及び第2の固定翼(2)各々の流出角を同一に形成するようになれば、流体の効率が減少することは当然である。これに関連して、上記第1の固定翼及び第2の固定翼(2)の各々の流出角は互いに異なって形成して、流体効率を増加するようにする。
【００３０】
図11は従来のタービンと本発明による実施例による流線を示したシミュレーション結果図であって、左側は従来技術であり、右側は本発明による回転翼の回転運動による流線特性をコンピュータシミュレーションで示した結果図である。図11に見られるように、従来技術では流動間隙損失が極めて大きいことが分かり、本発明では流動間隙損失が相対的に極めて減少されていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】振動水柱型チャンバ(Oscillating Water Column)を利用した波力発電装置図である。
【図２】従来の波力発電用インパルスタービンを示した概略図である。
【図３】本発明による第1の実施例を示した概略図である。
【図４】本発明による第2の実施例を示した概略図である。
【図５】本発明による第3の実施例を示した概略図である。
【図６】本発明による第4の実施例を示した概略図である。
【図７】本発明の第1の実施例及び第2の実施例による幅リングを示した斜視図である。
【図８】本発明の第1の実施例及び第2の実施例による幅リングが装着された斜視図である。
【図９】本発明による固定翼部を示した概略図である。
【図１０】本発明による羽根板を示した概略図である。
【図１１】従来のタービンと本発明による実施例による流線を示したシミュレーション結果図である。
【符号の説明】
【００３２】
1: ダクト                            
2: 第1の固定翼、第2の固定翼、固定翼
3: 回転翼                            
4: 回転軸
5: 第1の固定軸、第2の固定軸、固定軸    
6:ダクト溝
7: 幅リング                          
8:羽根板
9:第1の固定翼部                     
10:第2の固定翼部
11: 回転翼部
12 : 入力波水面                       
13: 振動水柱型チャンバ内水面
14 : 振動水柱型チャンバ(Oscillating Water Column)
15 : 空気流動                     
16: インパルスタービン
【図１】
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【図２】
2008546947.tif 000004
【図３】
2008546947.tif 000005
【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】
2008546947.tif 000012
【図１１】
2008546947.tif 000013
【国際調査報告】
2008546947.tif 000014
2008546947.tif 000015