(57)【要約】水力発電機用のロータ１０である。ロータ１０は、ハブ１２と、複数のブレード１６とを備える。ハブ１２は、円形の断面形状、および、長手方向に延びる回転軸１４を有する。複数のブレード１６のそれぞれは、近位にある基部１６ａ、および、遠位にある端部１６ｂを有する。ハブ１２の最も幅の広い部分Ｄ１に、それぞれのブレードの基部１６ａが取り付けられている。ブレードの端部１６ｂの直径と、ハブ１２の最も幅の広い部分Ｄ１の直径との比は、約２：１未満である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電機用のロータであって、
円形の断面形状、および、長手方向に延びる回転軸を有するハブと、
近位にある基部、および、遠位にある端部をそれぞれが有する複数のブレードであって、前記ハブの最も幅の広い部分に、それぞれの前記ブレードの前記基部が取り付けられている、複数の前記ブレードと、
を備え、
前記ブレードの前記端部の直径と、前記ハブの最も幅の広い部分の直径との比は、約２：１未満である、
ロータ。
【請求項２】
前記ブレードの前記端部の直径と、前記ハブの最も幅の広い部分の直径との比は、約１．２：１と２：１との間である、
請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記ブレードの前記端部の直径と、前記ハブの最も幅の広い部分の直径との比は、約１．５：１または約１．６：１である、
請求項１に記載のロータ。
【請求項４】
前記ブレードの前記端部の直径は、３．６メートルと４．８メートルとの間であり、前記ハブの最も幅の広い部分の直径は、２．４メートルである、
請求項１に記載のロータ。
【請求項５】
前記ブレードの前記端部の直径は、３０メートルと３２メートルとの間であり、前記ハブの最も幅の広い部分の直径は、２０メートルである、
請求項１に記載のロータ。
【請求項６】
前記ハブの表面の輪郭の半径は、それぞれの前記ブレードの前記基部が前記ハブに取り付けられている領域において、前記ハブの最も幅の広い部分の半径の６分の１と、前記ハブの最も幅の広い部分の半径に等しい値との間である、
請求項１から５のいずれか１項に記載のロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機用のロータに関する。
【０００２】
この発明は、主として、水力発電機用のロータとして使用するために開発された。このような発電機は、水および風等の流動する流体の運動エネルギーを電力に変換するために用いられる。
【背景技術】
【０００３】
水および風等の流動する流体の運動エネルギーは、バイオ燃料および化石燃料等の、発電のためのエネルギー源の代替物として知られている。例えば、バイオ燃料および化石燃料は、電力の生成に用いられる場合、有害な燃焼ガスを大気中に放出することが避けられない。バイオ燃料および化石燃料と異なり、流動する流体を用いる発電は、大気に対して悪影響を全く、または、ほとんど及ぼさない。
【０００４】
風力を捕捉するための従来の設備は、一般的に維持費が低いが、設置費用が高く発電容量が比較的低い傾向がある。一方、潮力等の水力を捕捉するための従来の設備は、発電容量が比較的高い。
【０００５】
従来の水力発電機は、通常、外側に向かって延びている２枚以上のブレードが取り付けられた中央のハブを備えるロータを有する。ロータは、駆動軸を介して、電力変換装置（すなわち発電機）への回転機構に接続されている。ロータのブレードの間を通過して流れる流体によってロータが回転すると、変換装置において回転が生じて、電力が生成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のロータは、直径が比較的短いハブと、比較的細長いブレードとを備える。また、ブレードは、アスペクト比（ブレードの長さとブレードの幅との比）が比較的大きい。このようなブレードは、流体の乱流下において、高い運転負荷がかかりやすく、極度に大きい曲げモーメントを受けやすい。この場合、通常は、ブレードが破損してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、上記の不具合を実質的に解決するか、少なくとも小さくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
最初の観点では、本発明は、水力発電機用のロータを提供する。ロータは、
円形の断面形状、および、長手方向に延びる回転軸を有するハブと、
近位にある基部、および、遠位にある端部をそれぞれが有する複数のブレードであって、ハブの最も幅の広い部分に、それぞれのブレードの基部が取り付けられている、複数のブレードと、
を備え、
ブレードの端部の直径と、ハブの最も幅の広い部分の直径との比は、約２：１未満である。
【０００９】
好ましくは、ブレードの端部の直径と、ハブの最も幅の広い部分の直径との比は、約１．２：１と２：１との間である。
【００１０】
好ましくは、ブレードの端部の直径と、ハブの最も幅の広い部分の直径との比は、約１．５：１または約１．６：１である。
【００１１】
一の形態では、ブレードの端部の直径は、３．６メートルと４．８メートルとの間であり、ハブの最も幅の広い部分の直径は、２．４メートルである。
【００１２】
他の形態では、ブレードの端部の直径は、３０メートルと３２メートルとの間であり、ハブの最も幅の広い部分の直径は、２０メートルである。
【００１３】
ハブの表面の輪郭の半径は、好ましくは、それぞれのブレードの基部がハブに取り付けられている領域において、ハブの最も幅の広い部分の半径の６分の１と、ハブの最も幅の広い部分の半径に等しい値との間である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下に記載される、発明の好ましい形態は、例示にすぎず、次の付属の図面に準拠している。
【図１】第１形態のロータの正面図である。
【図２】流線が付された、図１に示されるロータの斜視図である。
【図３】第２形態のロータを備える水力発電機の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１および図２は、潮流環境での設置に適した水力発電機用のロータ１０を示す。ロータ１０は、円形の断面形状、および、長手方向に延びる回転軸１４を有するハブ１２を含む。また、ロータ１０は、等角度に間隔を空けて配置された７枚のブレード１６を含む。ハブ１０は、ガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）または金属膜（metal skins）から形成され、ブレード１６は、炭素繊維金属複合材から形成される。
【００１６】
それぞれのブレード１６は、近位にある基部１６ａ、および、遠位にある端部１６ｂを有する。それぞれのブレード１６は、その基部１６ａにおいて、ハブ１４の最も幅の広い部分において、ハブ１４に取り付けられている。ハブ１４の最も幅の広い部分の直径は、直径Ｄ１として示される。ブレード１６の端部１６ｂの直径は、直径Ｄ２として示される。図示される形態では、直径の比Ｄ２：Ｄ１は、約１．４：１である。
【００１７】
図２は、流体がハブ１２の周囲を流れる過程で流体の速度が増加することを示す流体流線１８に対するロータ１０を示す。流体が加速して局所的な速度が増加するにつれて、局所的な圧力は減少する。この圧力低下によって、流体は、ハブ１２の周囲に集中して留まろうとする。その結果、流体の自由流のエネルギーは、ブレード１６の領域に集中する。
【００１８】
上記の比Ｄ２：Ｄ１は、ハブ１２の直径が、ブレード１６の長さと比較して相対的に長いということも意味する。ハブの直径Ｄ１が相対的に長いということは、次の２つの機能の観点から有利に働く。第一に、通過する水流のエネルギーが集中することであり、第二に、それぞれのアスペクト比がより小さく、寸法がより小さく、強度がより高いブレード１６を比較的多数支持することである。
【００１９】
後者の問題に関して、基部における曲げモーメントは、ブレードのアスペクト比の関数である。例えば、アスペクト比が８：１のブレードは、アスペクト比が４：１の同じブレードと比べて、基部における応力値が１６倍高い。比較的直径が短いハブを備える従来の３枚ブレード式ロータでは、ブレードの基部における弦長は、ハブの直径による制約を受けて、必然的に制限される。この弦長の制限により、十分な強度を与えるため、理想的な翼断面に求められる場合と比べて、ブレードの基部の厚みを大きくする必要がある。
【００２０】
また、比較的小さいハブに取り付けられる比較的長いブレードは、あるＲＰＭ（１分間当たり回転数）における見掛け速度を小さくし、かつ、トルク半径を短くする。
【００２１】
特にブレードの下部３分の１において基部がより厚く、同時に、見掛け速度がより小さく、かつ、トルク半径がより短いほど、そのような（従来の）３枚ブレード式ロータの全出力への寄与がより小さくなる。これは、ハブがより小さく３枚ブレードがより大きい構成における、ブレードの外側３分の１は、仕事の６３％を行うという事実による。これは、全表面積の５６％を構成する、ブレードの外側３０％の押し出し領域と、出力が無視できる程度の、ブレードの内側３０％の押し出し領域との組み合わせである。
【００２２】
一方、ロータ１０の構成（すなわち、比較的大きいハブ１４と、比較的短いブレード１６と、比較的数が多いブレード１６）は、内側３分の２の領域に流体の流れを導いて集中させ、外側３分の１の領域を通過させて流体の流れを加速させ、外側３分の１の領域において１００％の出力を抽出する。これにより、ブレード１６は、応力負荷をより低くしつつ、運転容量を最大にできる利点が生じる。
【００２３】
言い換えると、ロータ１０の比Ｄ２：Ｄ１によって、ハブ１２の周囲の加速領域にブレード１６が設けられ、その領域で運転するブレード１６の長さが理想的になる。仮に、ブレードがハブの直径に比べて長すぎる場合、ブレードの先端は、代わりに、流体の加速がない領域で運転し、その結果、正のトルクに寄与しない。
【００２４】
図３は、第２形態のロータ３２を備える水力発電機３０を示す。ロータ３２は、ハブ３４と、１０枚のブレード３６とを有する。図３は、また、ブレード基部取り付けビーム３８、ブレード取り付けハブ４０、固定主軸４２、駆動軸４４、ギアボックス４６、支持ビーム４８、水シール５０、軸受５２、および、回転式発電装置５４を示す。ビーム４８は、発電機３０を、浮上式配置リグ（図示せず）に接続するために用いられる。
【００２５】
また、図３には、ハブ３４とブレード３６とが接続される領域におけるハブ３４の輪郭の半径である半径Ｒが示されている。図示される好ましい構成では、半径Ｒは、ハブ３４の半径の６分の１である。この比は、乱流の発生を防止しつつ流れの加速度を最大にする固有値である。
【００２６】
発電機３０の一の好ましい形態の仕様は、以下の通りである。
【００２７】
ハブの直径Ｄ１：２．４メートル
ブレードの先端の直径Ｄ２：４．８メートルから３．６メートル
発電量の範囲：５０ｋＷｓから３００ｋＷｓ
流速の範囲：１．２メートル／秒から４．２メートル／秒
ブレードの先端の直径とハブの直径との比：２：１から１．５：１
発電機３０の他の好ましい形態の仕様は、以下の通りである。
【００２８】
ハブの直径Ｄ１：２０メートル
ブレードの先端の直径Ｄ２：３２メートルから３０メートル
発電量の範囲：０．５ＭＷｓから５ＭＷｓ
流速の範囲：１．２メートル／秒から４．０メートル／秒
ブレードの先端の直径とハブの直径との比：１．６：１から１．５：１
ハブの（比較的長い）直径とブレードの（比較的短い）直径との上記の比によって、水力発電機には、いくつかの利点がある。
【００２９】
第一に、小さいブレードの集合を横切ることで流体の流れのエネルギーが集中および加速されるので、ロータの効率が向上する。
【００３０】
第二に、複数（例えば７枚）のより小さいブレードの体積の合計は、少数（例えば３枚）の大きいブレードの体積より小さいので、製造費用が小さくなる。
【００３１】
第三に、ブレードが小さいほど、アスペクト比がより低く、すなわち、ブレードの基部における曲げモーメントがより小さいので、ブレードが破損する確率がより小さくなる。
【００３２】
第四に、ブレードが小さいほど、ブレードに対する流れの入射速度および入射角は、ブレードの広がり全域に亘って均一の値により近くなる。すなわち、ブレードの広がり全域に亘ってブレードの歪みがほぼゼロになり、ブレードの歪みに起因する性能低下を起こすことなく、ピッチを制御してブレードを統合することができる。さらに、運転中にピッチを調整することができるので、流れの速度に独立して、一定のＲＰＭでロータを駆動させることができる。これにより、電気グリッドに直接接続された発電機を一定のＲＰＭで駆動させることができるので、電気周波数インバータ駆動システムの費用が不要になる。
【００３３】
第五に、高速の潮流下で運転しているロータは、流れの中で高レベルの乱流を受けやすい。より大きいハブの周囲において水の流れを加速させることで、ブレードの領域における乱流のレベルが低下する。これにより、激しい乱流環境におけるブレードの耐久性が向上する。
【００３４】
好ましい形態に関して本発明を説明したが、当業者によって、本発明は他の形態で実施されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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