(57)【要約】  本発明は、流体の流れから回転動力を発生させるための改善された垂直軸水力タービンアセンブリ（２）に関し、該タービンアセンブリ（２）は、アクティブブレードピッチ制御を有する。水力タービンアセンブリ（２）は、垂直アセンブリ軸を中心に配置される複数の垂直ブレード（２０）を備え、各垂直ブレード（２０）は、垂直ブレード軸を有し、該垂直ブレード軸を中心に運動するように適合される。水力タービンアセンブリ（２）は、水力タービンアセンブリ（２）が回転するときに複数の垂直ブレード（２０）の各々の運動を制御するための、ガイド手段をさらに含む。
2017532498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潮流の中で使用するための垂直軸水力タービンアセンブリであって、垂直軸を中心に回転するように適合され、また、
前記アセンブリ軸を中心に配置される複数の垂直ブレードであって、前記垂直ブレードの各々が、垂直ブレード軸を有し、前記垂直ブレード軸を中心に運動するように適合される、垂直ブレードと、
前記水力タービンアセンブリが回転するときに前記複数の垂直ブレードの各々の前記運動をアクティブに制御するためのガイド手段と、を備え、
前記垂直ブレードが最大揚力を生じる前記潮流の領域を該垂直ブレードが通過するときに、前記ガイド手段が、第１の領域において、各垂直ブレードの前記運動を制御するように適合され、
前記垂直ブレードがいかなる揚力も生じない前記潮流の領域を該垂直ブレードが通過するときに、前記ガイド手段がまた、第２の領域において、各垂直ブレードの前記運動を制御するようにも適合され、
前記ガイド手段が、前記タービンアセンブリの前記回転運動を前記垂直ブレードの旋回運動に変換するカムを備え、
前記カムが、前記垂直ブレードの前記回転軸から離間配置される第１のカム従動子であって、前記上部支持体に、またはその一部として提供される第１の連続トラックの中を動くように適合される、第１のカム従動子、および前記垂直ブレードの前記回転軸から離間配置される第２のカム従動子であって、前記潮流の前記第１の領域において前記上部支持体に、またはその一部として提供される第１の不連続トラックの中を、また、前記潮流の前記第２の領域において前記上部支持体に、またはその一部として提供される第２の不連続トラックの中を動くように適合される、第２のカム従動子を備える、
垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項２】
各垂直ブレードが、前記潮流を通してその垂直ブレード軸を中心に反転するように制御される、請求項１に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項３】
各垂直ブレードが、前記潮流を通して最小の抗力を提供するように制御される、請求項１に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項４】
前記水力タービンアセンブリが、下部支持体をさらに備え、前記複数の垂直ブレードの各々が、前記下部支持体に対する旋回運動のために前記下部支持体に取り付けられる、請求項１〜３のいずれかに記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項５】
前記水力タービンアセンブリが、上部支持体をさらに備え、前記ガイド手段が、前記複数の垂直ブレードの各々の前記運動を制御するために前記上部支持体と協働し、前記複数の垂直ブレードの各々が、前記上部支持体に対する旋回運動のために取り付けられる、請求項１〜４のいずれかに記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項６】
各垂直ブレードのための前記ガイド手段が、前記垂直ブレードの上部領域に取り付けられる、請求項１〜５のいずれかに記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の領域において、前記ガイド手段が、最大揚力を生じるように前記垂直ブレードを旋回させる、請求項１〜５のいずれかに記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項８】
前記複数の垂直ブレードのうちの１つ以上が、ＮＡＣＡプロファイルを備える、任意の先行する請求項に記載の垂直水力タービンアセンブリ。
【請求項９】
前記カムが、前記垂直ブレード軸に対して固定されることを特徴とする、任意の先行する請求項に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１０】
前記第１のカム従動子が、前記垂直ブレード軸から第１の距離だけ離間配置されることを特徴とする、請求項９に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１１】
前記第２のカム従動子が、前記垂直ブレード軸から第２の距離だけ離間配置されることを特徴とする、請求項９に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１２】
前記第２のカム従動子が、前記垂直ブレード軸から第２の距離だけ離間配置されることを特徴とする、請求項１０に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１３】
前記第１の距離が、前記第２の距離よりも長いことを特徴とする、請求項１２に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１４】
前記第１の距離が、前記第２の距離の２倍であることを特徴とする、請求項１３に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１５】
前記第１のカム従動子が、前記第２のカム従動子に対して９０°に配置されることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれかに記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１６】
前記第１のカム従動子が、上方に延在する突起を備えることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれかに記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１７】
前記第２のカム従動子が、上方に延在する突起を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１８】
前記第１のカム従動子の前記上方に延在する突起が、前記第２のカム従動子の前記上方に延在する突起よりもさらに上方に延在することを特徴とする、請求項１７に記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項１９】
前記第２のカム従動子の前記上方に延在する突起が、前記関連付けられる垂直ブレードに対して平行に上方に延在することを特徴とする、請求項１７または１８のいずれかに記載の垂直軸水力タービンアセンブリ。
【請求項２０】
実質的に、添付図面を参照して説明され、該添付図面に例示される、垂直水力タービンアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れから回転動力を発生させるための改善された垂直軸水力タービンアセンブリ（ＶＡＷＴ）に関し、該タービンアセンブリは、アクティブブレードピッチ制御を有する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸水力タービンアセンブリと垂直軸空気タービンアセンブリとの間には、相違が見出される。空気流での使用に設計されたアセンブリは、水流には適さない。水の中で機能する垂直タービンアセンブリは、空気の中で機能する垂直タービンアセンブリよりもはるかに低速で回転し、また、はるかに高いトルク負荷に対処しなければならない。空気タービンにおけるアクティブブレードピッチ制御システムは、こうした高いトルク負荷に対処するように設計されていない。典型的に、このような制御システムは、タービン軸の中心近くに位置付けられ、また、ブレードピッチを変化させるためのリンケージシステムを有するアームを使用する。こうしたリンケージシステムの最も重要な制限因子は、該リンケージシステムが提供できるブレード旋回角度の量である。別の重要な制限因子は、制御システムが旋回挙動に適用することができるトルク量である。
【０００３】
本発明に従う垂直軸水力タービンアセンブリは、潮流の中に取り付けることを意図したものであり、また、連続的な周囲の潮流の速度よりも速い速度を有するタービン駆動流が提供されるアクセラレータとともに使用するための特定の設備を有する。多くの場合において、このような水力タービンアセンブリは、潮汐の変動を受ける場所に配置されるので、本明細書では、「潮流」という用語が使用される。しかしながら、本明細書の「潮流」および「流れ」という用語は、単に潮汐の変動を受ける水の流れを指すのではなく、一般に、川の流れ、海流、および構造物からの排水などの任意の運動する水体を指すことを理解されたい。さらに、「潮流」および「流れ」という用語は、本明細書において互換的に使用される。水力発電の電力は、利用できる最も重要な再利用エネルギー源ではないとしても、最も重要な再利用エネルギー源のうちの１つである。
【０００４】
よく知られているように、揚力を発生させるために、最適なブレード迎え角がある。この最適な迎え角は、ＶＡＷＴのブレードに適用されると、最大回転動力を発生させる。最適な迎え角は、流速およびタービン回転速度といった異なるパラメータに対して変化する。ブレードの角度もまた、それがどこのタービンの回転位置に対するのかに依存して調整しなければならない。したがって、最大の回転動力を発生させるには、タービンの中心旋回軸に対するタービンブレードの角度を常に調整しなければならない。
【０００５】
水流の中で動作するＶＡＷＴは、空気の中で動作する垂直軸タービンに対して、大幅に異なる設計を有しなければならない。主として、これは、水の粘度がより高いからである。空気流の中で機能する垂直軸タービンは、典型的に、５００ｒｐｍ以上の回転速度を有する。水流の中で機能する固定ブレードＶＡＷＴは、典型的に、１００ｒｐｍの最大回転速度を有する。アクティブブレードピッチ制御を有する、本発明に従うＶＡＷＴは、１０〜４０ｒｐｍの回転速度において最も効率的である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、潮流の中で使用するための垂直軸水力タービンアセンブリであって、垂直軸を中心に回転するように適合され、また、アセンブリ軸を中心に配置される複数の垂直ブレードであって、垂直ブレードの各々が、垂直ブレード軸を有し、垂直ブレード軸を中心に運動するように適合される、垂直ブレードと、水力タービンアセンブリが回転するときに複数の垂直ブレードの各々の運動をアクティブに制御するためのガイド手段と、を備え、垂直ブレードが最大揚力を生じる潮流の領域を該垂直ブレードが通過するときに、ガイド手段が、第１の領域において、各垂直ブレードの運動を制御するように適合され、垂直ブレードがいかなる揚力も生じない潮流の領域を該垂直ブレードが通過するときに、ガイド手段がまた、第２の領域において、各垂直ブレードの運動を制御するようにも適合され、ガイド手段が、タービンアセンブリの回転運動を垂直ブレードの旋回運動に変換するカムを備え、該カムが、垂直ブレードの回転軸から離間配置される第１のカム従動子であって、上部支持体に、またはその一部として提供される第１の連続トラックの中を動くように適合される、第１のカム従動子、および垂直ブレードの回転軸から離間配置される第２のカム従動子であって、潮流の第１の領域において上部支持体に、またはその一部として提供される第１の不連続トラックの中を、また、潮流の第２の領域において上部支持体に、またはその一部として提供される第２の不連続トラックの中を動くように適合される、第２のカム従動子を備える、垂直軸水力タービンアセンブリである。
【０００７】
好ましくは、各垂直ブレードは、潮流を通してその垂直ブレード軸を中心に反転するように制御される。
【０００８】
好ましくは、各垂直ブレードは、潮流を通して最小の抗力を提供するように制御される。
【０００９】
好ましくは、水タービンアセンブリは、下部支持体をさらに備え、複数の垂直ブレードの各々が、下部支持体に対する旋回運動のために下部支持体に取り付けられる。
【００１０】
好ましくは、水タービンアセンブリは、上部支持体をさらに備え、ガイド手段は、複数の垂直ブレードの各々の運動を制御するために上部支持体と協働し、複数の垂直ブレードの各々が、上部支持体に対する旋回運動のために取り付けられる。
【００１１】
好ましくは、各垂直ブレードのためのガイド手段は、垂直ブレードの上部領域に取り付けられる。
【００１２】
好ましくは、第１の領域において、ガイド手段は、最大揚力を生じるように垂直ブレードを旋回させる。
【００１３】
好ましくは、複数の垂直ブレードのうちの１つ以上は、ＮＡＣＡプロファイルを備える。
【００１４】
好ましくは、カムは、該垂直ブレード軸に対して固定される。
【００１５】
好ましくは、第１のカム従動子は、該垂直ブレード軸から第１の距離だけ離間配置される。
【００１６】
好ましくは、または代替的に、第２のカム従動子は、該垂直ブレード軸から第２の距離だけ離間配置される。
【００１７】
好ましくは、第２のカム従動子は、該垂直ブレード軸から第２の距離だけ離間配置される。より好ましくは、第１の距離は、第２の距離よりも長い。さらにより好ましくは、第１の距離は、第２の距離の２倍である。
【００１８】
好ましくは、第１のカム従動子は、第２のカム従動子に対して９０°に配置される。
【００１９】
好ましくは、第１のカム従動子は、上方に延在する突起を備える。
【００２０】
加えて、第２のカム従動子は、上方に延在する突起を備える。好ましくは、第１のカム従動子の上方に延在する突起は、第２のカム従動子の上方に延在する突起よりもさらに上方に延在する。
【００２１】
好ましくは、第２のカム従動子の上方に延在する突起は、関連付けられる垂直ブレードに対して平行に上方に延在する。
【００２２】
以下、本発明は、添付図面に関連して、単なる一例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】垂直軸水力タービンアセンブリおよびアクセラレータの一部の概略図である。
【図２】本発明で使用するためのカム従動子の斜視図である。
【図３】本発明に従う水力タービンアセンブリの上から見た概略図である。
【図４】本発明とともに使用するための上部支持体を下から見た図である。
【図４Ａ】本発明とともに使用するための上部支持体の別の実施例を上から見た平面図である。
【図５】ブレードが第１の位置にある、上から見た、本発明に従う水力タービンアセンブリの詳細を示す図である。
【図６】下から見た図５の水力タービンアセンブリの詳細を示す図である。
【図７】ブレードが第２の位置にある、図６の水力タービンアセンブリに類似する図である。
【図８】ブレードが第３の位置にある、図６および図７の水力タービンアセンブリに類似する図である。
【図９】ブレードが第４の位置にある、図６、図７、および図８の水力タービンアセンブリに類似する図である。
【図１０】ブレードが第５の位置にある、上から見た、本発明に従う水力タービンアセンブリのさらなる詳細を示す図である。
【図１１】ブレードが第６の位置にある、図１０の水力タービンアセンブリに類似する図である。
【図１２】ブレードが第７の位置にある、図１０および図１１の水力タービンアセンブリに類似する図である。
【図１３】３つの潮流における、本発明に従うタービンアセンブリの第１の速度で回転中の、ガイド手段の第１の構成要素の相対位置を示すグラフである。
【図１４】同じ３つの潮流における、タービンアセンブリの第２の速度で回転中の、図１３のガイド手段に類似するグラフである。
【図１５】ガイド手段構成要素の極限位置だけを示す、図１３および図１４のガイド手段に類似するグラフである。
【図１６】図１３および図１４に示される全ての結果を組み合わせたグラフである。
【図１７】図１３および図１４に示される２つの最も類似する結果を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、アクセラレータ４の片側に位置付けられた水力タービンアセンブリ２の概略図を示す。アクセラレータ４は、連続的な周囲の潮流の速度よりも速い速度を有するタービン駆動流を提供する。アクセラレータ４は、水流が前面またはバウ６に面する鈍頭物体、およびそこから従属する側面を有し、該側面の周囲には、タービン駆動流として側面の各々に隣接して水が流れる。潮流の全般的な方向は、矢印Ａによって示される。矢印Ｂは、水力タービンアセンブリの回転方向を示す。
【００２５】
この説明は、ポート垂直軸水力タービンアセンブリ２（バウ６に面したときに鈍頭物体の左側）に関する。右舷（右側）の配設は、鏡像の配設で構成され、また、さらに説明されないことが理解されるであろう。座標系の中心１０は、タービンの軸と一致する。座標システムの正のＹ方向は、鈍頭物体の中心線に対して平行に、かつ水流方向に対して正反対である。座標システムの正のＸ方向は、鈍頭物体の中心に向かう方向を指す。角度は、反時計回りのときに正である。０°は、正のｘ軸に対して平行である。このポートタービンアセンブリは、この座標システムの正の方向（反時計回り）に回転する。
【００２６】
「上部」もしくは「下部」という記述、または類似する方向の記述は、代替の読み取りが必要であることを文脈が明らかにしていない限りは、タービンアセンブリがその垂直軸を中心に直立していることを参照していると理解されたい。
【００２７】
水力タービンアセンブリは、好ましくは、支持体内に取り付けられる。支持体は、上部および下部タービン支持体が延在する側部ピラーを備えることができる。回転するように適合された垂直シャフト１２は、上部および下部タービン支持体の間に、またはより好ましくは、それらを通して取り付けられる。
【００２８】
水力タービンアセンブリは、垂直軸水力タービンアセンブリがそれを中心に回転するように適合される垂直アセンブリ軸を有する。垂直シャフト１２は、好ましくは、垂直軸と一致して提供される。垂直シャフト１２の外部垂直面（複数可）は、垂直シャフト１２を中心とした水の流れを支援するように、好都合に成形される。
【００２９】
水力タービンアセンブリ２は、該垂直アセンブリ軸を中心に配置される複数の垂直ブレード２０をさらに備える。好都合には、複数の垂直ブレードの各々は、他の垂直ブレードと同じである。各垂直ブレード２０は、垂直ブレード軸を有し、また、該垂直ブレード軸を中心に運動するように適合される。垂直軸水力タービンアセンブリ２が回転するときに、複数の垂直ブレード２０の各々の運動を制御するために、ガイド手段が提供される。好都合には、複数の垂直ブレードは、３〜１０枚のブレードを備える。最も好ましくは、複数のブレードは、６枚のブレードを備える。
【００３０】
各垂直ブレード２０は、垂直ブレード軸と整列されるシャフトを組み込む。垂直軸水力タービンアセンブリ２は、上部ブレード支持体２８および下部ブレード支持体をさらに備える。好都合には、上部ブレード支持体２８および下部ブレード支持体は、タービンアセンブリの垂直軸を中心に回転するように、中央シャフト１２に取り付けられる。好都合には、上部および下部ブレード支持体は、中央シャフト１２を中心に回転するように取り付けられる支持体プレートとして形成される。
【００３１】
下部ブレード支持体は、各垂直ブレードシャフトの下端部のための、下部取り付け手段、例えばベアリングを備える。下部取り付け手段は、その垂直軸を中心としたそれぞれの垂直ブレード２０の運動を可能にする。使用に際し、水力タービンアセンブリ２のこの部分が潮流の中に浸漬されること、およびこれを考慮して、取り付け手段、例えばベアリングが選択されることが認識されるであろう。
【００３２】
上部ブレード支持体２８は、各垂直ブレードシャフトの上端部２２のための上部取り付け手段を備える。上部取り付け手段は、その垂直軸を中心としたそれぞれの垂直ブレード２０の運動を可能にする。好ましい実施形態において、上部取り付け手段は、複数の垂直ブレードの各々の運動を制御するために、ガイド手段に対応する。
【００３３】
ガイド手段は、図２〜図１２を参照することによってさらに詳細に説明される。
【００３４】
垂直ブレード２０が回転するときに該垂直ブレードのピッチを制御するために、カムシステムが提供される。
【００３５】
本発明で使用するためのカム従動子アーム３０は、図２に示される。各垂直ブレードシャフトの上端部２２は、このようなカム従動子アーム３０を備える。カム従動子アーム３０は、好都合には、第２のより短いリム３４に接続される第１のより長いリム３２を有する、略Ｌ字形状である。各カム従動子アーム３０は、各垂直ブレードシャフトのそれぞれの上端部２２に、固定関係で取り付けられる。好ましい実施形態において、これは、垂直ブレードシャフトの相補的な凹部に係合するための、上部垂直ブレードシャフトおよびカム従動子アームの各々の相補的な位置付け特徴、例えばカム従動子アーム３０のノッチ４２の使用によって達成される。
【００３６】
より長いカム従動子リム３２の自由端は、第１の上方に延在する突起３６を備える。この第１の上方に延在する突起３６は、上部支持体２８内で受容されるように適合される。
【００３７】
より短いカム従動子リム３４の自由端は、第２の上方に延在する突起３８を備える。この第２の上方に延在する突起３８の機能は、下で説明される。
【００３８】
上部支持体２８（図４）は、外周部を画定する第１の連続トラック５０を備える。第１の上方に延在する突起３８は、上部支持体の第１の連続トラック５０内で受容されるように適合される。図４の例示される実施形態において、第１の連続トラック５０は、複数のスポーク５４によってハブ５２から支持される。好都合には、ハブ５２およびスポーク５４は、連続トラック５０と一体的に形成される。上部支持体２８のハブ５２は、水力タービンアセンブリ２の垂直軸を中心に回転するように、水力タービンアセンブリ２の上端部で支持される。
【００３９】
第１の不連続トラック６０および第２の不連続トラック６２もまた、上部支持体上に、またはその一部として提供される。各不連続トラック６０、６２は、第２の突起３８が不連続トラックの中へ進行するのを容易にするために、好ましくは、先端部に、先行する、好ましくは面取りした縁部５６を備える。
【００４０】
第１のまたは主不連続トラック６０は、連続トラック５０の外周部の外側に位置付けられ、また、さらなるスポークまたは支持体６４によって上部支持体に接続される。
【００４１】
第２のまたは副不連続トラック６２は、連続トラック５０の外周部の内側に位置付けられ、また、第１の連続トラック５０を支持するスポーク５４に取り付けられる。副不連続トラック６２は、主不連続トラック６０の反対側に位置付けられる。
【００４２】
図４Ａにおいて、同じ参照番号は同じ部品を指し、第１の連続トラック５０ならびに第１の不連続トラック６０および第２の不連続トラック６２は、固定支持体プレート（図示せず）から支持される。好ましい一実施形態（図示せず）において、第１の連続トラック５０は、固定支持体プレート内に形成され、第１の不連続トラック６０および第２の不連続トラック６２は、固定支持体プレートから支持される。中央シャフト１２の上端部は、図４Ａに示される。
【００４３】
中央シャフトは、好都合には、タービンアセンブリによって発生される回転動力を利用するために、任意の適切な手段に接続されることが理解されるであろう。
【００４４】
例示されるカム従動子アーム３０の配設を考慮した、第１の連続トラック５０ならびに第１の不連続トラック６０および第２の不連続トラック６２の形状および相対位置の決定は、下で説明される。
【００４５】
図３および図５〜１２において、タービンが回転するときにブレードが移動することが分かる。タービンアセンブリの構成要素の寸法は、単なる一例として提供される。
【００４６】
カム従動子アーム３０は、その旋回地点と第１の上方に延在する突起３６の中心との間に１００ｍｍの長さがある。
【００４７】
カム従動子アーム３０は、その旋回地点と第２の上方に延在する突起３８の中心との間に５０ｍｍの長さがある。この寸法が、関連付けられる垂直ブレード２０に対して平行に延びることが理解されるであろう。
【００４８】
上方に延在する突起３６、３８の各々は、直径が１０ｍｍで、高さが１１ｍｍである。これは、トラック５０、６０、６２の内面とカム従動子アーム３０との間の空間を可能にする。第１の上方に延在する突起３６は、好都合には、カム従動子アーム３０の基部において高さ１０ｍｍのボス４０の上に提供される。
【００４９】
第１の突起３６および第２の突起３８が横切る経路は、複数の地点で交差するので、不連続トラック６０、６２が主連続トラック５０よりも低く位置付けられ、そうした理由から、第１の突起３６は、第２の突起３８と比較して高くなっている。
【００５０】
垂直ブレード２０のシャフト（すなわち、該垂直ブレードの旋回軸）の中心は、６００ｍｍの直径を有する円形経路２６の周りに配設される。
【００５１】
図３は、カム従動子アームの第１の突起３６が連続トラック５０内に位置付けられる単一のブレード２２を実例として示す、いくらか概略的な図である。本図は、連続経路５０および不連続経路６０、６２を備える上部支持体２８に関連して各ブレード２２によって描かれる円形経路２６を例示する。
【００５２】
連続トラック５０の通常の幅（Ｃ−図４）は、１０．２ｍｍである。連続トラック５０および不連続トラック６０、６２を備える上部アセンブリは、その最大幅地点において７５７．４ｍｍであり（Ｄ−不連続トラック６０、６２と同一線上）、その最小幅地点において７４１．５６ｍｍである（Ｅ−先の測定に対して垂直に測定）。この最小幅寸法と平行して、第１の不連続トラック６０は、３５９．１４ｍｍの長さ（Ｆ）である。
【００５３】
図５は、上から見たタービンアセンブリ２の一部の図であり、図６〜図１２は、タービンアセンブリ２が回転するときにどのようにカム従動子アーム３０がトラックに嵌合し、回転するのかが分かるように、タービンを斜め下から見た図である。単一の垂直ブレード２０およびそのカム従動子アーム３０だけが示されているが、水力タービンアセンブリ２は、関連付けられるカム従動子アームを有する複数のこのような垂直ブレードを備えることが理解されるであろう。
【００５４】
図５において、カム従動子アーム３０の第１の突起３６は、連続トラック５０内に位置付けられる（また、図３に示されるブレードの位置に対応する）。カム従動子３０は、ブレード２０の上部シャフト２２に接続される。垂直ブレード２０のシャフト、およびより具体的には旋回地点は、水力タービンアセンブリ２の垂直軸の周りを回転して、円形経路２６を描く。
【００５５】
図６は、下から見ているが、図５と同じ位置における垂直ブレード２０を示す。カム従動子アーム３０の第２の突起３８が、主不連続トラック６０にちょうど進入したことが分かる。
【００５６】
水力タービンアセンブリ２が回転すると、第２の突起３８が内方に引き込まれ、垂直ブレード２０の経路に向かい（図７）、そして、垂直ブレードの経路を横断し、その中に向かい（図８）、垂直ブレード２０を潮流に対して反転させる。第２の突起３８が主不連続トラック６０を出ると、垂直ブレード２０は、反転運動を完了している（図９）。
【００５７】
図５〜図９では、回転地点で連続トラック５０の幅が広がり、第１の突起３６を連続トラック５０から（それでも案内されているが）係合解除されるとみなすことができるように、第１の突起３６のための余地を作り出すことが分かる。図８は、第２の突起３８が第１の不連続トラック６０の出口に向かうときに、連続トラック５０と再係合する第１の突起３６を示す。
【００５８】
カム従動子アーム３０、主連続トラック５０、および第１の不連続トラック６０の相互作用は、垂直ブレード２０の旋回をアクティブに制御する。
【００５９】
垂直ブレード２０が最大揚力を生じる潮流の中の領域を垂直ブレード２０が通過するときに、ブレードの旋回軸またはシャフトおよびその関連付けられる取り付けベアリングには高い負荷が働く。カム従動子アーム３０のてこ動力は、これらの負荷に対処する際に有利である。
【００６０】
第１の突起３６は、連続トラック５０に沿った第１の突起３６の進行を支援するために、回転カム従動子を備えることができることが理解されるであろう。同様に、第２の突起３８もまた、不連続トラック６０、６２に沿った第２の突起３８の進行を支援するために、回転カム従動子を備えることができる。
【００６１】
図９は、タービンアセンブリ２がいかなる揚力も生じない静かな水流の領域を垂直ブレード２０が通過するときの、垂直ブレード２０およびカム従動子アーム３０を示す。第２の突起３８は、この時点で第２の不連続トラック６２に進入する。垂直ブレードが経路２６を横切るときに、垂直ブレード２０は、水流に対して適所に保持される。図１０は、カム従動子アーム３０が第２の不連続トラック６２の中間点にある状態の垂直ブレード２０を示し、図１１は、カム従動子アーム３０が第２の不連続トラック６２を出ようとしている状態の垂直ブレード２０を示す。
【００６２】
ここでも、図９〜１１では、回転地点で連続トラック５０の幅が広がり、第１の突起３６を連続トラック５０から（それでも案内されているが）係合解除されるとみなすことができるように、第１の突起３６のための余地を作り出すことが分かる。
【００６３】
この領域では、比較的小さい負荷がブレード軸旋回地点および関連付けられるベアリングに働く。この副トラック６２の利点は、旋回アクションのてこ地点を変更する能力である。連続トラック５０およびカム従動子アーム３０の相対角度が、スナッギング効果を生じさせ得るので、これを行うことが有利である。
【００６４】
カム従動子アーム３０および第２の不連続トラック６２の相互作用は、第２の不連続トラック６２領域における垂直ブレード２０の旋回をアクティブに制御する。
【００６５】
垂直ブレード２０が最小揚力を生じる潮流の中の領域を垂直ブレード２０が通過するときに、ブレードの旋回軸またはシャフトおよびその関連付けられる取り付けベアリングにはより低い負荷が働く。カム従動子アーム３０のより短いてこ動力は、これらの負荷に対処するのに十分である。
【００６６】
このシステムを使用することによる別の利点がある。ブレード２０は、ノーズを前方へ反転することができるので、このことは、必要なときに、最大揚力に対して常時位置付けられるプロファイルを有するブレード２０のためのＮＡＣＡプロファイルを使用することを可能にする。これはまた、垂直ブレード２０のノーズが潮流を通過するときに、滑らかな動きも可能にする。
【００６７】
カム従動子アーム３０は、Ｌ字形状である必要はない。他の配設を採用することができ、例えば、カム従動子は、第１および第２の突起を有するプレートとして形成することができる。しかしながら、垂直ブレードの旋回地点に対する第１および第２の突起の相対的な場所を維持することが必要になる。
【００６８】
複数のタービンブレード２０の各々の運動を制御するためにカム従動子アーム３０によって採用される経路は、下で説明されるように決定される。
【００６９】
各垂直ブレード２０は、それを中心にして各垂直ブレード２０が旋回する、ｘおよびｙ座標を備える。最初に、ゼロ位置から始まる１度毎のタービン全体のヨーの増分［ヨー角度（θ）と呼ばれる］において分析が行われる。ここで、この角度は、計算流体力学（ＣＦＤ）分析［θ＝３６０°の関係である］のＣＦＤ角度位置の縦列とは異なることに留意されたい。旋回地点のＸおよびＹ座標は、このθの角度から、座標スキームの中心、タービンの中心に対して算出される。
【数１】
2017532498.tif 000003
【００７０】
次に、固定座標系に対する垂直ブレード２０の角度が算出される。ＣＦＤ分析は、局所正接と比較した「迎え角」としてこのデータを提供する。したがって、最初に、局所正接の角度を算出した（θ＋９０°）。ＣＦＤ迎え角（α）は、「ブレードのノーズが正の時計回り方向に配向されるときに、垂直ブレード２０の迎え角がゼロになるように画定される」として定義される。
【００７１】
このポートタービンアセンブリは、ＣＦＤ分析に使用するものと反対方向に回転する。この分析には、負のＣＦＤ迎え角が使用される。任意のヨー角度θについて、正しい迎え角、角度位置＝３６０°−θを有する横列が読み取られる。したがって、ブレード角度（β）は、次式で与えられる。
【数２】
2017532498.tif 000004
【００７２】
第３のステップは、垂直ブレードの旋回に対する第１の突起の中央の位置を算出することである。この分析において、カム従動子アームは、任意の角度（γ）に固定することができるが、−９０°の開始地点を使用し、該開始地点は、タービンアセンブリが０°のヨーであり、迎え角がゼロである（試験では、迎え角は、通常、この位置において非常に小さい）ときに、カム従動子アームが正のｘ軸に沿って存在することを意味する。したがって、相対位置は、次式のようになる。
【数３】
2017532498.tif 000005
【００７３】
カム従動子として作用する第１の突起３６の中心の座標は、ＸａｒｍおよびＸｐｉｖｏｔ座標の追加によって与えられ、Ｙ座標についても同じである。
【００７４】
約１５５°から始まる、ＣＦＤ迎え角の推奨は、ブレード２０が、約９０°の角度を通して時計回りに回転し、一方で、ヨー角度は、約６０°の角度を通してだけ移動することを必要とする。
【００７５】
この領域では、カムアームが最小の力でこの運動を完了するようにカムアームを前方に滑らかに加速することが有利である。これは、主不連続トラック６０を使用して達成される。第２の上方に延在する突起３８は、主不連続トラック６０の先端に進入し、それによって、必要に応じてブレード２０が回転するように適合される。連続トラック５０は、第１の突起３６が２つのトラックの間で拘束されるのを止めるために、回転地点で幅が広がる。
【００７６】
副不連続トラック６２は、ブレード２０が０°地点を通過するときに該ブレードが正しい角度を維持することを確実にするために、３０°を超える、および０°未満のヨー角度においてタービンアセンブリの反対側で使用される。
【００７７】
上記計算を使用して、図１３に示されるように、（全て１５ｒｐｍの同じ設定で）３つの流れ速度についてトラックを算出した。図１３は、１．２ｍ／ｓ（Ａ）、１．８ｍ／ｓ（Ｂ）、および２．５ｍ／ｓ（Ｃ）の流れ速度について、第１の上方に延在する突起が従うトラックを示す。トラックの間の最大半径方向の距離は、５０ｍｍであり、約２２５°のヨー角度において起こることが決定された。
【００７８】
図１４は、２０ｒｐｍの場合で、２．５ｍ／ｓの場合について、カム従動子の開始地点および終了地点を示す（各流れ速度を示すために、図１３の場合に類似する基準を使用する）。垂直ブレード２０の位置は、２．５ｍ／ｓの流れ速度（経路Ｃ’）の経路上の２つの地点において示される。
【００７９】
図１５は、ちょうど最も速い流れおよび回転速度（Ｃ’）のトラック、ならびに最も遅い流れおよび回転速度（Ａ）のトラックを示す。この図は、カムトラック位置の違いが、約２２５°のヨー角度で最も顕著になることを示す（ここでの半径方向の位置ずれは約４４ｍｍである）。
【００８０】
図１６は、全ての流速について、全てのトラックを示す［１５ｒｐｍで１．２ｍ／ｓ（Ａ）、１５ｒｐｍで１．８ｍ／ｓ（Ｂ）、１５ｒｐｍで２．５ｍ／ｓ（Ｃ）、２０ｒｐｍで１．２ｍ／ｓ（Ａ’）、２０ｒｐｍで１．８ｍ／ｓ（Ｂ’）、および２０ｒｐｍで２．５ｍ／ｓ（Ｃ’）］の。いくつかのトラックが非常に類似していることが分かる。
【００８１】
図１７は、最も大きな類似性、すなわち、１５ｒｐｍで１．８ｍ／ｓ（Ｂ）および２０ｒｐｍで２．５ｍ／ｓ（Ｃ’）を有するトラックを示す。これらは、最適であると考えられる。
【００８２】
これらのトラックのうちの１つを使用して、連続トラックを作り出すことができる。垂直ブレードの旋回軸が円形経路に従うことが知られているので、この連続トラックにおいて第１の突起が従う経路と同様に、第１および第２の不連続トラックの形状および位置は、第２の突起がこれらのトラックに進入することを確実にするように算出することができ、よって、垂直ブレードは、第１の不連続トラックの場合には、流れを通して旋回またはタックするように制御され、第２の不連続トラックの場合には、最小の抗力を提供するように制御される。
【図１】
2017532498.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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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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【国際調査報告】
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