(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）タービンを両端で境界付ける一対の対向する端部ディスクであって、一対の対向する端部ディスクが軸心と同心に位置合わせされ、対向する少なくとも一方の端部ディスクが発電機と係合するようになっている、一対の対向する端部ディスクと、
ｂ）流体の流れに晒されるときに一方向に回転する複数のブレードであって、ｉ）複数のブレードが一対の対向する端部ディスク間で延びるとともに軸心周りに均等に配置され、ｉｉ）回転する複数のブレードが一対の対向する端部ディスクを回転させ、ｉｉｉ）複数のブレードが軸心周りに螺旋状に巻かれた軌跡を形成し、この螺旋状軌跡は、複数のブレードから軸心までの距離がタービンの長さ方向中央部でいずれかの端部よりも大きくなるように、タービンの長さに沿って半径が変化し、ｉｖ）複数のブレードは、ゼロでない迎え角を有する翼形断面を更に備え、この迎え角は、翼形断面の翼弦と翼断面に接して相対的な流体流れの方向に向けられる接線との交差角度によって規定され、かつ、タービンの長さに沿って変化する、複数のブレードと、
ｃ）一対の対向する端部ディスクと平行に向けられて、複数のブレードと交差するとともに、軸心と同心に位置合わせされる少なくとも１つの輪状体と、
を備え、
前記複数のブレードの軌跡の投影は、複数のブレードと軸心との間の径方向距離がタービンの端部で該端部間の任意の点におけるよりも小さくなる樽形状をなす
タービン。
【請求項２】
請求項１において、前記複数のブレードが軸心周りで螺旋状に延びる少なくとも２つのブレードであるタービン。
【請求項３】
請求項１において、前記複数のブレードの巻き合計が軸心周りに３６０°回転以上にわたって旋回するタービン。
【請求項４】
請求項１において、ガス流および／または液体流中に浸漬された状態で動作するタービン。
【請求項５】
請求項１において、前記複数のブレードが耐久性のある軽量な材料から製造されるタービン。
【請求項６】
請求項５において、耐久性のある軽量な材料が型成形可能な繊維強化複合体であるタービン。
【請求項７】
請求項１において、軸心に沿って延びる中心シャフトを更に備え、中心シャフトが一対の対向する前記端部ディスクと係合するタービン。
【請求項８】
請求項１において、前記一対の対向する端部ディスクのうちの一方と発電機との間に配置されるシャフトを更に備えるタービン。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項において、前記複数のブレードと前記一対の端部ディスクまたは少なくとも１つの輪状体との間の各交差部における前記ブレードの断面形状は、非対称形状であり、前記非対称形状は、前記ブレードの前記交差部以外の部分における断面形状とは異なる形状であるタービン。
【請求項１０】
タービンにより発電する方法であって、
ａ）一対の対向する端部ディスクを設けるステップであって、一対の対向する端部ディスクが軸心と同心に位置合わせされ、少なくとも一方の対向する端部ディスクが発電機と係合するようになっているステップと、
ｂ）流体の流れに晒されるときに一方向に回転する複数のブレードを設けるステップであって、ｉ）複数のブレードが一対の対向する端部ディスク間で延びるとともに軸心周りに均等に配置され、ｉｉ）回転する複数のブレードが一対の対向する端部ディスクを回転させ、ｉｉｉ）複数のブレードが軸心周りに螺旋状に巻かれた軌跡を規定し、この螺旋状軌跡は、複数のブレードから軸心までの距離がタービンの長さ方向中央部でいずれかの端部よりも大きくなるように、前記タービンの長さに沿って半径が変化し、ｉｖ）複数のブレードは、ゼロでない迎え角を有する翼形断面を更に備え、この迎え角は、翼形断面の翼弦と翼断面に接して相対的な流体流れの方向に向けられる接線との交差角度によって規定され、かつ、タービンの長さに沿って変化する、ステップと、
ｃ）一対の対向する端部ディスクと平行に向けられて複数のブレードと交差する少なくとも１つの輪状体を設けるステップであって、少なくとも１つの輪状体が軸心と同心に位置合わせされるステップと、
ｄ）一対の対向する端部ディスクのうちの少なくとも一方と係合するための発電機を設けるステップと、
ｅ）発電機と複数のブレードとを一対の対向する端部ディスクに取り付けてタービン発電ユニット装置を形成するステップと、
ｆ）タービン発電ユニットを流体の流れの中に配置するステップと、
を含み、
前記複数のブレードの軌跡の投影は、複数のブレードと軸心との間の径方向距離がタービンの端部で該端部間の任意の点におけるよりも小さくなる樽形状をなす
方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記タービン発電ユニットとベース発電所との間で延びる送信ラインを介して発電機からの電力を利用するステップを更に含む方法。
【請求項１２】
請求項１０において、前記複数のブレードが軸心周りで螺旋状に延びる少なくとも２つのブレードである方法。
【請求項１３】
請求項１０において、前記複数のブレードの巻き合計が軸心周りに３６０°回転以上にわたって旋回する方法。
【請求項１４】
請求項１０において、前記複数のブレードの螺旋巻回して半径が変化する軌跡は、負荷条件下での応力および歪みを減少させる方法。
【請求項１５】
請求項１０において、前記タービンをガス流および／または液体流中に浸漬された状態で動作させる方法。
【請求項１６】
請求項１０において、前記複数のブレードが耐久性のある軽量な材料から製造される方法。
【請求項１７】
請求項１６において、前記耐久性のある軽量な材料が繊維強化複合体である方法。
【請求項１８】
請求項１７において、前記複数のブレードが型成形される方法。
【請求項１９】
請求項１０において、軸心に沿って延びる中心シャフトを更に備え、中心シャフトが前記一対の対向する端部ディスクと係合する方法。
【請求項２０】
請求項１０において、前記一対の対向する端部ディスクのうちの一方と発電機との間に配置されるシャフトを更に備える方法。
【請求項２１】
請求項１０から２０のいずれか一項において、前記複数のブレードと前記一対の端部ディスクまたは少なくとも１つの輪状体との間の各交差部における前記ブレードの断面形状は、非対称形状であり、前記非対称形状は、前記ブレードの前記交差部以外の部分における断面形状とは異なる形状である方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して述べるとタービンに関し、より詳細には、流体の流れからのエネルギを利用して出力を生成する高効率の一方向タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたって、タービンは、出力を生成するために流体の流れからのエネルギを利用してきた。風車、ジャイロミル、デルタタービン（delta turbine）、および、サイクロミル（cyclomill）は、長きにわたって、風からのエネルギを利用してこれを動力に変換してきた。水力タービンは、排出物のない再生可能なエネルギ源を実質上無尽蔵に与えることができる海流や潮流を利用する。たとえば、ダリウスタービン（Darrieus turbine）、風力タービン、ゴルロフのスパイラルタービン（Gorlov Helical Turbine）（ＧＨＴ）、水中タービンはそれぞれ、出力を生成するために流体の流れのエネルギを利用する独特の手法をとる。
【０００３】
垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）であるダリウス風力タービンは、垂直シャフトと、この垂直シャフトに固定され、この垂直シャフトにおいて互いに対称的に配置された複数の垂直翼とを備えている。その垂直シャフトはギアボックスと発電機に連結され、トルクを電力に変換する。ＶＡＷＴはどの方向の風からの風力も有効に利用できるが、幾つかの短所がある。第１に、ダリウスタービンは自己起動性に乏しく、流れを受けて回転し出す際に、何らかの始動力が必要である。第２に、ダリウスタービンの翼は、空気流の方向に対して垂直になる２つの位置において、その回転周期における最大のトルクを生成する。すなわち、ダリウスタービンの翼は、流れに対して迎え角が変化する。そのため、生成されるトルクには、正弦波状の変化が発生する。これが翼（ブレード）の固有振動数に合致すると、その共振は破壊的なものになり得る。したがって、ダリウスタービンには、破壊的な共振が生じる前にＶＡＷＴの回転を減速させる何らかの制動機構が必要となる。最後に、ダリウスタービンのシャフトと発電機とを接続するにあたり、ギアによる増減速が必要となる。これは、機械的不良の原因になり得る。
【０００４】
ゴルロフのスパイラルタービン（ＧＨＴ）は、ダリウスタービンの原理に基づいた水系タービンであり、翼形断面のブレードが中心部のシャフトおよび回転軸に沿って延びているという点が同じである。しかし、ＧＨＴの構造は、ダリウスタービンの短所を改善するようにされている。第１に、ＧＨＴの水中翼ブレードは、回転軸を中心として螺旋状に捻れているので、流れの中で、一定の最適な迎え角が常に得られる。これにより、ダリウスタービンの共振の問題が解消される。第２に、ＧＨＴは、タービンと発電機との間のギアによる増減速を最小に抑制する。しかし、これらの改良点にもかかわらず、ＧＨＴには幾つかの制限もある。まず、ＧＨＴは最大で約３５％の効率しか得られない。さらに、螺旋形状のブレードは直円筒の円周軌道を描くので、大きな遠心応力が発生する。また、ＧＨＴは、流入チャネルおよび流出チャネルを有する囲み構造を一般に必要とし、好ましくは、流体の流れをガイドして乱流を軽減するための内側に延びる湾曲した側壁を備えている。
【０００５】
参照することにより本願に組み入れられる米国特許出願第11/985,971号はこれらの問題の一部を扱う。この出願では、２つ以上の螺旋巻回ブレードが、エネルギの生成のために流体の流れを効率的に利用するバレル（樽）形状のタービンを形成する。このタービンは、２つ以上の螺旋状に巻かれたブレードのそれぞれをタービンの中心シャフトに固定する径方向スポークを備える。径方向スポークおよび中心シャフトは、抗力を生み出して、海藻などの残骸を蓄積する場合があり、そのため、効率が低下する場合もある。また、特定の実施形態では、２つ以上のブレードが中心シャフトに独立に固定されるため、スポークの形態が偏向問題を不十分に扱う場合があり、それにより、動作ブレードと非動作ブレードとの間の負荷伝達が妨げられる。
【０００６】
海流や潮流は世界中に存在して一定の速度で流れ或いはその速度変化を極めて容易に予測できるため、これらの流れのエネルギを電気に変換することにより、世界中の多くの場所の電力システムに対して、予測できる確実な電気供給を行なうことができる。全世界の人口の約７０％が海から２００マイル（約３２０ｋｍ）以内に居住しているため、海を再生可能なエネルギ源として利用できる。したがって、当該技術分野では、低速で高出力を生み出して、潮流、公海の海流、河川、土手道、運河、ダム、および、任意の他の天然または人工の水流を含む様々な場所および水流条件からエネルギを効率的に利用する、容易に製造可能で頑丈な高効率のタービンが望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、既存の水力タービンに関連する問題を解決して、低速で高出力を生み出し、かつ様々な場所および水流条件からエネルギを効率的に利用する、容易に製造可能で頑丈な高効率のタービンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、タービンを両端で境界付ける一対の対向する端部ディスクを備えるタービンを含み、一対の対向する端部ディスクは中心の軸心と同心に位置合わせされ、少なくとも一方の対向する端部ディスクは発電機と係合するようになっている。タービンは、流体の流れに晒されるときに一方向に回転する複数の翼（ブレード）を備え、複数のブレード（翼）は、一対の対向する端部ディスク間で延びるとともに、軸心周りに均等に配置され、回転する複数のブレードは一対の対向する端部ディスクを回転させる。複数のブレードは翼形状の断面を有し、この翼形断面は、流れに対してゼロでない迎え角を与える。この迎え角は、翼形断面の翼弦と翼断面に接して相対的な流体流れの方向に向けられる接線との交差角度によって規定される。
【０００９】
複数のブレードは、軸心周りに螺旋軌跡となるように巻回される。この螺旋状軌跡は、複数のブレードから軸心までの距離がタービンの長さ方向の中央部付近でいずれかの端部よりも大きくなるように、軸心の長さに沿って半径が変化する。したがって、複数のブレードは、回転時に樽状の筒の外周軌道を描く。最後に、タービンは、一対の対向する端部ディスクと平行に向けられて、複数のブレードと交差するとともに、軸心と同心に位置する少なくとも１つの整形された輪状体を備える。幾つかの実施形態では、複数のブレードのそれぞれが軸心周りに３６０°回転以上にわたって旋回し、また、他の実施形態では、複数のブレードの巻き合計が軸心周りに３６０°回転以上にわたって旋回する。
【００１０】
また、本発明は、発電する方法も含み、該方法は、一対の対向する端部ディスクを設けるステップであって、一対の対向する端部ディスクが軸心と同心に位置合わせされ、少なくとも一方の対向する端部ディスクが発電機と係合するようになっているステップを含む。該方法は、流体の流れに晒されるときに一方向に回転する複数のブレードを設けるステップであって、複数のブレードが一対の対向する端部ディスク間で延びるとともに軸心周りに均等に配置され、回転する複数のブレードが一対の対向する端部ディスクを回転させるステップを含む。複数のブレードは、ゼロでない迎え角を有する翼形断面を更に備え、この迎え角は、翼形断面の翼弦と、翼断面に接して相対的な流体流れの方向に向けられる接線との交差角度によって規定される。また、複数のブレードは、軸心周りに螺旋状に巻回する軌跡を有するとともに、複数のブレードから軸心までの距離がタービンの軸心方向（長さ方向）の中央部でいずれかの端部よりも大きくなるように軸心の長さに沿って半径が変化する。
【００１１】
複数のブレードを設けた後、この方法は、一対の対向する端部ディスクと平行に向けられて複数のブレードと交差する少なくとも１つの輪状体を設けるステップを含み、前記少なくとも１つの輪状体は軸心と同心に位置合わせされる。次のステップは、一対の対向する端部ディスクのうちの少なくとも一方と係合する発電機を設けるステップと、発電機と複数のブレードとを一対の対向する端部ディスクに取り付けてタービン発電ユニット装置を形成するステップと、タービン発電ユニット装置を流体の流れの中に配置するステップとを含む。
【００１２】
本発明の実施形態のこれらの特徴および利点並びに他の特徴および利点は、以下の図を参照して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ本発明のタービンの一実施形態を示す斜視図、側面図および端面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ、他の実施形態を示す斜視図、側面図および端面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ、別の実施形態を示す斜視図、側面図および端面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ、さらに別の実施形態を示す斜視図、側面図および端面図である。
【図５】本発明のタービンブレードの一実施形態の断面図である。
【図６】流体の流れ中に配置された図５の断面図である。
【図７Ａ】さらに別の実施形態の斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ａのタービンの実施形態の分解斜視図である。
【図７Ｃ】図７Ａのタービンの実施形態の側面図である。
【図７Ｄ】図７Ａのタービンの実施形態の拡大斜視図である。
【図８Ａ】本発明のタービンのさらに別の実施形態を示す端面図である。
【図８Ｂ】図８Ａの実施形態の拡大断面図である。
【図９Ａ】本発明のタービンの一実施形態の解析モデルを示す図である。
【図９Ｂ】本発明のタービンの一実施形態の解析モデルを示す図である。
【図１０】本発明に係る発電方法の一実施形態を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明はタービンおよび発電方法を含む。本発明の独自の設計により、低い流速で高出力を生み出しかつ様々な場所および水流条件からエネルギを効率的に利用する、容易に製造可能でスケーラブル（拡大／縮小可能）な高効率のタービンが提供される。タービンの製造方法は、低コストで容易に再現できるスケーラブルなプロセスである。以下、本発明の幾つかの好ましい実施形態および変形例を参照しつつ、本発明の様々な特徴および利点について説明する。しかしながら、当業者であれば分かるように、記載される本発明の範囲および原理から逸脱することなく、本明細書中で説明される構造および方法に対する代替的な実施形態が使用されてもよい。
【００１５】
図１Ａ〜図４Ｃに示されるように、本発明の高効率タービン１００の典型的な実施形態はそれぞれ、タービン１００の両端を境界付ける一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂと、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂ間で延びる複数のブレード１０５とを備える。対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂはタービン１００の軸心１１０と同心に位置合わせされており、少なくとも１つの対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂは、参照することにより本願に組み入れられるSauer et al.の米国特許出願第11/975,581号に開示されるような発電機と係合するようになっている。また、タービン１００は、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂと平行に向けられて複数のブレード１０５と交差する少なくとも１つの輪状体（faired ring）１０７を備える。少なくとも１つの輪状体１０７もタービン１００の軸心１１０と同心に位置合わせされている。
【００１６】
複数のブレード１０５は、流体の流れに晒されるときに一方向に回転して、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂを回転させる。複数のブレード１０５は、軸心周りに均等に配置され、タービン１００の軸心１１０周りで螺旋状に巻かれた経路を辿る。複数のブレート１０５の螺旋状軌跡は、複数のブレード１０５から軸心１１０までの距離がタービン１００の軸方向中央部でいずれかの端部よりも大きくなるように、タービン１００の長さ方向に沿って半径が変化する。たとえば、図１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ，７Ａの実施形態に明確に描かれるように、複数のブレード１０５は、樽の円形の垂直断面を傾斜角を変化させて横切る点の回転によって樽上を辿る曲線に相当する形状をとる。つまり、複数のブレード１０５は、軸心１１０の長さに沿って半径が変化する螺旋状軌跡を与える。
【００１７】
図１Ａ〜図４Ｃおよび図７Ａ〜図７Ｄの実施形態において、タービン１００は、複数のブレード１０５が少なくとも１つの輪状体１０７によって軸心に対して固定された位置に保たれることで、樽形状をとる。タービン１００の軸心１１０から、少なくとも１つの輪状体１０７と複数のブレード１０５との間の交差ポイントまでの距離Ｄは、軸心１１０の長さに沿って変化する。たとえば、図３Ａに明確に描かれるように、第１の輪状体１０７ａは、第１の輪状体と複数のブレード１０５との間の交差部が軸心から第１の距離Ｄ３ａに存在するように軸心１１０の中間点またはその近傍に配置される。その第１の距離Ｄ３ａは、第１の輪状体１０７ａに跨って第１の輪状体１０７ａと端部ディスク１０２ａ，１０２ｂとの間に配置される一対の第２の輪状体１０７ｂと軸心１１０との間の第２の距離Ｄ３ｂよりも長い。輪状体１０７ａ，１０７ｂのこの漸進的な直径の減少により、複数のブレード１０５は、タービン１００の横断面円形の樽状の壁に沿って半径が変化する。複数のブレード１０５のこの独特の軌跡（螺旋巻回および樽湾曲）は、ブレード強度を高め、負荷条件下での応力および歪みを減少させる。また、この独特の樽形状は、本発明のタービン１００が直円筒のタービンよりも高効率で動作できるようにするのにも役立つ。
【００１８】
樽形状に加えて、他の特徴も本発明のタービン１００の効率を高める。たとえば、一実施形態において、複数のブレード１０５は、半径を変化させながら軸心１１０周りに螺旋状に延びることに加えて、軸心１１０周りに合計３６０°回転以上にわたって旋回する。図１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ，７Ａの各実施形態では、各ブレード１０５が９０°回転にわたって旋回し、複数のブレード１０５は４つのブレード１０５を備える。この実施形態では、複数のブレード１０５の少なくとも一部が常に好ましい流れ位置にあり、また、複数のブレード１０５が合計で３６０°にわたって巻回する。更なる他の実施形態では、タービン１００が３つのブレード１０５を備え、各ブレードが１２０°回転する。他の実施形態において、タービン１００は、それぞれが７２°回転する５つのブレード１０５を備えてもよく、あるいは、それぞれが６０°回転する６つのブレード１０５を備えてもよい。特定数のブレード１０５の選択は、特定の河川または潮の場所の特性によって決まる。しかしながら、全ての実施形態において、複数のブレード１０５の巻回は合計で３６０°である。
【００１９】
ここで、図５および図６を参照すると、複数のブレード１０５は、前縁２１０、後縁２２０、および、中心翼弦２３０を持つエアフォイルまたはハイドロフォイル形状の断面２００を有する。本発明の一実施形態において、ハイドロフォイル断面（水中翼の翼断面）２００は、空気力学的なアスペクト比、たとえば、ＮＡＣＡ００１８またはＮＡＣＡ００２０を備える。この形態は、タービン１００の回転速度を最大にして、複数のブレード１０５が遠心力および流体の流れによる力に耐える強固な形態を有することを可能にする。ハイドロフォイル断面２００は、中心翼弦２３０周りで対称であってもよいが、非対称であることが好ましい。非対称構造は、最大トルクを生み出すのに役立ち、それにより、最大効率を得るのに寄与する。
【００２０】
ハイドロフォイル断面２００は、揚力を生み出して生成トルクを最大にするためにゼロでない迎え角２４０も与える。迎え角２４０は、中心翼弦２３０と、ハイドロフォイル断面２００に接して相対的な流体流れ２５０の方向に向けられる接線２４５との交差によって規定される角度である。本発明の一実施形態において、迎え角２４０は、複数のブレード１０５のそれぞれの長さに沿って変化する。複数のブレード１０５は、流体流れ２５０の方向に対してゼロでない最適な迎え角２４０を有する少なくとも１つのポイント、より好ましくは少なくとも２つのポイントを常に持つ。この変化する迎え角２４０は、タービン１００の長さに沿う、中心半径の小さい部分での遅い周速度を補償する。したがって、変化する迎え角２４０で軸心１１０周りに巻回する１つ以上のブレード１０５のそれぞれのこのような形状は、タービン回転中の乱流の可能性を減少させ、タービン１００の効率を高める。
【００２１】
また、変化するゼロでない迎え角２４０により、タービン１００を流体の流れ２５０の中に配置した際、タービン１００のハイドロフォイル断面２００の周りの圧力差がタービン１００を自動始動させる。また、本発明のタービン１００は、抗力の原理ではなく揚力の原理で動作する他のタービンと同様に、流体の流れ２５０の方向に関係なく一方向にのみ回転する。このようにして、本発明のタービン１００の空気力学的なブレードは、任意の方向からタービン１００に近づく流体の流れ２５０からのエネルギを効率的に利用することができる。
【００２２】
生成トルクを最大にする効果に役立つ複数のブレード１０５のハイドロフォイル断面２００に加えて、少なくとも１つの輪状体１０７もその効果に寄与する。少なくとも１つの輪状体１０７の流線型の丸みを帯びるように整形された前縁２１０は、複数のブレード１０５の前縁２１０と同じ方向に向けられ、それがタービン１００の流体力学的構造の効率に更に寄与する。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの輪状体１０７が図１Ａ〜図４Ｃの実施形態に明示されるようにリング形状であってもよいが、他の実施形態では、少なくとも１つの輪状体１０７が図７Ａ〜図７Ｄに描かれるようにディスク（円盤）形状であってもよい。タービンサイズおよび流体の流れ２５０の速度によっては、少なくとも１つの輪状体１０７の剛体（solid surface）ディスクの実施形態が、動作ブレード１０５と非動作ブレード１０５との間の負荷伝達を助けるため、および／または水面下のタービン１００を貫く層流の流体流れ２５０を維持するために好ましい。いずれの実施形態においても、少なくとも１つの輪状体１０７は、複数のブレード１０５を支持するために中心シャフト１１２の長さに沿って同様に配置された複数の独立の径方向支持スポークよりも抗力が小さい。
【００２３】
少なくとも１つの輪状体１０７は、負荷を動作ブレード１０５から１つ以上の非動作ブレード１０５へと伝達する働きをする。これは、動作ブレードに作用する応力および歪みを減少させるとともに、複数のブレード１０５の偏向を減らす。応力および歪みのこの減少に起因して、複数のブレード１０５がガラス繊維複合体などの頑丈で軽量な材料から製造および／または型成形されてもよい。また、タービン１００の少なくとも１つの輪状体１０７が繊維強化複合体から型成形されてもよい。これは、高負荷条件下で変形に抵抗できる頑丈な軽量構造をもたらす。
【００２４】
また、特定のタービン１００における輪状体１０７の適切な数の選択は、負荷下での変形を減少させるのに役立つ。たとえば、図９Ａおよび図９Ｂは、２つのタービン１００のモデルの有限要素解析を描いている。２つのタービン１００は、図９Ａのタービン１００が１つの中央部に位置する輪状体１０７を備えるのに対し、図９Ｂのタービン１００が２つの等しい距離で離間した輪状体１０７を備えている点を除いて、全ての寸法が同一である。図９Ｂのタービン１００は偏向があまり生じない。これは、輪状体１０７の位置および数が、複数のブレード１０５を効果的に拘束して、複数のブレード１０５間でより効果的な負荷伝達を可能にし、それにより、動作ブレード１０５の内部応力が減少するからである。複数の輪状体１０７を備える実施形態では、軸心１１０に沿う輪状体１０７の均等な間隔が望ましくない場合がある。軸心１１０の長さに沿う輪状体１０７のための配置場所を決定するために何らかの最適化が必要な場合がある。輪状体１０７の間隔を最適にすると、複数のブレードに作用する応力および歪みが減少し、それにより、偏向が減少して、出力生成（発電）の効率が最大になる。
【００２５】
本発明のタービン１００の端部ディスク１０２ａ，１０２ｂおよび少なくとも１つの輪状体１０７は、複数のブレード１０５と交差して、これらの要素１０５、１０７を強固に係合して適切に負荷伝達する。図８Ａおよび図８Ｂは、複数のブレード１０５を少なくとも１つの端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７に結合するための技術の一実施形態を描いている。この実施形態では、複数のブレード１０５がガラス繊維のような繊維強化複合材料から成形される。複数のブレード１０５と端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは少なくとも１つの輪状体１０７との間の各交差部３００では、ブレード１０５がガラス繊維から成形される中実の非対称形状断面３０５を有する。したがって、交差部３００におけるブレード１０５の非対称形状断面３０５は、ブレード１０５における交差しない部分のハイドロフォイル形状断面２００とは異なる形状を有する。端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７との交差部３００に配置される非対称形状断面３０５は２つの平行な直線縁部３０７を備え、該直線縁部は、これらの２つの平行な直線縁部間で延びる長手方向直線縁部３０９によって離間される。この構造は、交差する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７の外周縁に配置された、同様に形成される窪み３１０と係合する部分的に長方形の輪郭を伴う非対称形状断面３０５を与える。
【００２６】
一実施形態において、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７は、長方形状の窪み３１０が機械加工される中実材料から製造されてもよい。他の実施形態では、非対称形状断面３０５を受けるための窪み３１０が端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７の外周に形成されるように端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７が繊維強化複合体から成形されてもよい。いずれの実施形態でも、少なくとも１つの端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７が、非対称形状断面３０５に対応した形状を有してこの断面３０５を受け入れるための窪み３１０を備える。図８Ａおよび図８Ｂの実施形態では、細長い窪み３１０の長手方向軸が端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７の径方向と垂直でない角度を成す。この実施形態は、交差するブレード１０５のねじれに対応する。
【００２７】
図８Ａおよび図８Ｂの実施形態は、ブレード１０５の非対称形状断面３０５を端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７に取り付けるためのボルト締めシステムを更に備える。ボルト締めシステムは、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７に形成され或いは機械加工されるとともに窪み３１０の長手方向軸に対して平行に延びる長手方向軸を有する楕円形状の切り欠き３１５を備える。切り欠き３１５および窪み３１０は、これらに挿通されて切り欠き３１５内に配置されるワッシャ３２５と係合する１つ以上の機械的な締結具３２０を支持するのに十分な幾らかの長さだけ、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７を横切って離間される。１つ以上の機械的な締結具は、たとえばボルト、ねじ、およびリベットなどであり、ブレード１０５の非対称形状断面３０５を貫通してワッシャ３２５と係合することにより、ブレード１０５を端部ディスク１０２ａ，１０２ｂまたは輪状体１０７に対して強固に締結する。
【００２８】
複数のブレード１０５、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂおよび少なくとも１つの輪状体１０７は、軽量金属や繊維強化複合体またはプラスチックなどの任意の耐久性のある軽量材料から製造できる。また、複数のブレード１０５、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂおよび少なくとも１つの輪状体１０７は中空または中実であってもよい。本発明の一実施形態では、複数のブレード１０５、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂおよび少なくとも１つの輪状体１０７がガラス繊維または炭素繊維強化複合体などの繊維強化複合体から回転モールド成形される。少なくとも端部ディスク１０２ａ，１０２ｂおよび／または１つの輪状体１０７が複数のブレード１０５間で負荷を効率的に伝達し、それにより、応力を減少させて偏向を減らすので、複数のブレード１０５は、炭素繊維強化複合体ではなく、費用効率が高い軽量な繊維強化複合体１０５から製造するのが有益である。本発明の他の実施形態において、複数のブレード１０５、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂおよび少なくとも１つの輪状体１０７は、ポリヒドロキシブチレート系プラスチック、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、アクリル、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、硫化ポリフェニル、シリコーン、および、ポリウレタンからなるグループから選択されるがこれらに限定されない、高強度プラスチック材料から製造される非中空部材である。複数のブレード１０５、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂおよび少なくとも１つの輪状体１０７は、機械加工、回転モールド製法、押出成形、または、射出成形などの任意の数の既知の製造方法によって形成することができる。
【００２９】
複数のブレードおよび少なくとも１つの輪状体に加えて、図１Ｂ〜図３Ｃの実施形態などのタービンの幾つかの実施形態は、タービンの軸心１１０に沿って配置される中心シャフト１１２を備えてもよい。図４Ａ〜図４Ｃに描かれる実施形態などの他の実施形態は、中心シャフト１１２を必要とせず、その代りに、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂの少なくとも一方の外面上に配置され、および／または該外面と一体の端部シャフト１１４を備える。図１Ａ〜図３Ｃに示されるように、中心シャフト１１２を備えるタービン１００の実施形態でも、少なくとも一方の端部ディスク１０２ａ，１０２ｂに配置される端部シャフト１１４を備える。中心シャフト１１２を備える実施形態において、少なくとも１つの端部シャフト１１４は、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂを貫通してこれを越えて延びる中心シャフト１１２の一部分であってもよい。中心シャフト１１２を排除して１つ以上の端部シャフト１１４だけを維持することは、タービン１００の回転動作中の抗力を減少させて、ごみがタービン１００に絡まることにより効率が低下する可能性を減らすのに役立つ。
【００３０】
端部シャフト１１４は、タービン１００の回転中に電力を発生させるために１つ以上の発電機と係合するようになっている。したがって、端部シャフト１１４は、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂから端部シャフト１１４を剪断するような大きなトルクまたはモーメント力に耐えるよう、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂと強固に係合される。たとえば、端部シャフト１１４は、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂにボルト締結されてもよく、あるいは、一片の素材から端部ディスク１０２ａ，１０２ｂとともに形成されてもよい。図１Ａ〜図４Ｃの実施形態において、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂは、それらの中心へ向けて厚くなっており、それにより、剛性を高めるとともに、端部シャフト１１４との接続点で応力を減少させる。図１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂはこの厚肉化技術を最も明確に描いている。これらの図は、各端部ディスク１０２ａ，１０２ｂの両側で対称的な形状の厚肉化を描いている。しかしながら、中心シャフト１１２の存在、タービン１００の全体のサイズ、および、使用中の予期される力などのファクタに応じて、端部ディスク１０２ａ，１０２ｂの局部的な厚肉化が一方側または両側で行なわれてもよい。端部ディスク１０２ａ，１０２ｂの断面厚を端部シャフト１１４との接続点で増大させることにより、負荷を端部シャフト１１４へ、その後、係合される発電機（図示せず）へと更に効果的にかつ効率的に伝達することができる。
【００３１】
本発明のタービン１００は、発電機と係合されて、タービン発電ユニット（ＴＧＵ）を形成する。中心シャフト１１２および／または端部シャフト１１４は、動作時の力に耐えることのできる任意の頑丈な材料から製造される。たとえば、中心シャフト１１２および／または端部シャフト１１４は、１つ以上のタービン１００を設置できるように、および／または１つのタービン１００における複数のブレード１０５の軌跡の変化に対応できるように長さを変えることができる２インチ（約５ｃｍ）直径のスケジュール８０の鋼製バイプであってもよい。１つ以上のタービン１００は一般に永久磁石発電機と直接に係合し、そのため、該発電機はギアによる増減速を必要としない。１つ以上のタービン１００は、流体の流れ２５０の中で回転して、その流れのエネルギを機械エネルギに変換し、この機械エネルギは、回転する端部シャフト１１４を介して、端部シャフトに接続される水中永久磁石発電機に直接に伝わる。
【００３２】
発電機は機械エネルギ（すなわち、ＲＰＭおよびトルク）を電気に変換する。一実施形態では、パワーエレクトロニクスシステムが、発生された電気を制御し、調整し、同期化する。同期化された電気は、その後、１つ以上の水中送電ケーブルを介して海岸の変電所に到達する。電気エネルギを海岸へ送る代わりに、更なる他の実施形態では、沖合で発電システムが水素および／または飲用水を生産した後、この水素および／または飲用水を世界中の任意の受入れ基地に輸送するようにしてもよい。
【００３３】
水中ＴＧＵは、流体の流れのエネルギを十分かつ効率的に利用できかつ商船活動やその他の水上活動を妨げないように流れの中の最適な場所に位置させることができる。流速は一般的に深さに応じて変化するので、すなわち、通常、水平面内では流速があまり変化しないので、ＴＧＵの水平配置が電力を効率的に発生する。水中タービン発電ユニットは垂直配置にも適合できる。そのような垂直配置は、垂直方向でほぼ均一な流速を有するほぼ一方向の流れの水路内において好ましい。
【００３４】
本発明の実施形態に係る水中タービン発電ユニットは、バージ船などの取付プラットフォームに個別に取り付けてもよく、あるいは、タービン発電ユニットの幾つかが水中に完全に沈めることのできるプラットフォーム構造体（図示せず）に取り付け（“積み重ね”）てもよい。プラットフォームは、係留ラインおよびアンカーを備える係留システムによって水路の底に引っ掛けられてもよい。あるいは、浅瀬に配置されるＴＧＵは、杭または他の適切な既存の基礎構造、たとえば、既存の石油掘削プラットフォームや桟橋に直接取り付けてもよい。
【００３５】
本発明は、本発明のタービン１００を発電機と係合させて流体の流れ２５０の中に配置できるタービン発電ユニットを形成することによって電力を生成する方法１０００を含む。図１０は、この発電方法１０００の一実施形態を描いている。第１のステップＳ１００５は、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂを設けることを含み、この場合、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂは軸心１１０と同心に位置合わせされ、また、対向する少なくとも一方の端部ディスク１０２ａ，１０２ｂは発電機と係合するようになっている。第２のステップＳ１０１０は、流体の流れ２５０に晒されるときに一方向に回転する複数のブレード１０５を設けることを含み、この場合、複数のブレード１０５は、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂ間で延びるとともに、軸心１１０周りに均等に配置される。
【００３６】
複数のブレード１０５は、流体の流れに晒されるときに一方向に回転して、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂを回転させる。複数のブレード１０５は、タービン１００の軸心１１０周りで螺旋状に巻かれた経路を辿る。複数のブレートの螺旋状軌跡は、複数のブレード１０５から軸心１００までの距離がタービン１００の軸心方向（長さ方向）の中央部でいずれかの端部よりも大きくなるように、タービン１００の長さに沿って半径が変化する。たとえば、図１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ，７Ａの実施形態に明確に描かれるように、複数のブレード１０５は、樽の円形の垂直断面を傾斜角を変化させて横切る点の回転によって樽上を辿る曲線に相当する形状をとる。こうして、複数のブレード１０５は、軸心１１０の長さに沿って半径が変化する螺旋状軌跡を与える。
【００３７】
図１０に描かれる電力を生成する方法の実施形態における第３のステップＳ１０１５は、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂと平行に向けられて複数のブレード１０５と交差する少なくとも１つの輪状体１０７を設けることを含む。この場合、少なくとも１つの輪状体１０７は軸心１１０と同心に位置合わせされている。第４のステップＳ１０２０は、一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂのうちの少なくとも一方と係合するための発電機を設けることを含み、第５のステップＳ１０２５は、発電機と複数のブレード１０５とを一対の対向する端部ディスク１０２ａ，１０２ｂに取り付けてタービン発電ユニット装置を形成することを含む。最終ステップＳ１０３０は、タービン発電ユニットを流体の流れ２５０の中に配置することを含む。
【００３８】
なお、前述の例は、単なる説明の目的のためだけに示されており、決して本発明を限定するものと解釈されるべきでない。典型的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本明細書中で使用された文言が説明用および例示用の文言に過ぎず、限定的な意味を含む文言でないことは言うまでもない。本発明の思想および範囲から逸脱することなく、現時点の特許請求の範囲内および補正後の特許請求の範囲内で変更を行なうことができる。ここでは特定の手段、材料および実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明は本明細書中に開示された前記特定の事項に限定されない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲内の構造、方法および用途と機能的に等価なあらゆる構造、方法および用途に及ぶ。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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