(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電システムと水流入パイプとを備えた貯水場を維持するダムのための水力タービンアッセンブリであって、
前記水流入パイプは、水流入ポイントを有し、前記貯水場へ延ばされており、前記水力発電システムに水を給送するために前記水力発電システムと流体連通しており、
前記水流入ポイントは、前記貯水場内において自由渦を形成するように前記貯水場に配置されており、
前記水力タービンアッセンブリは、
前記自由渦から外側ハウジングチューブに水を集めるための手段と、水が前記外側ハウジングチューブから前記水流入パイプへ通過できるように、前記水流入パイプと流体連通させるための手段とを有する前記外側ハウジングチューブと、
前記外側ハウジングチューブ内に配置され、前記外側ハウジングチューブ内において回転可能であるように前記外側ハウジングチューブに装着され、前記外側ハウジングチューブを通過する水により回転するローター装置と、
前記ローター装置に作動可能に連結され、電気エネルギーを生成するための発電装置であって、前記ローター装置が回転すると電気エネルギーを生成する発電装置と、を備え、
前記外側ハウジングチューブは、前記水流入ポイントに設置されている、水力タービンアッセンブリ。
【請求項２】
前記自由渦から前記外側ハウジングチューブへ水を集めるための前記手段は、前記水流入ポイントに配置された流入円錐部である請求項１に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項３】
前記水流入パイプと流体連通させるための前記手段は、流出ドラフトチューブであり、該流出ドラフトチューブは、前記水流入パイプに装着されている請求項１または２に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項４】
水力発電システムと水流入パイプとを備えた貯水場を維持するダムのための水力タービンアッセンブリであって、
前記水流入パイプは、水流入ポイントを有し、前記貯水場へ延ばされており、前記水力発電システムに水を給送するために前記水力発電システムと流体連通しており、
前記水流入ポイントは、前記貯水場内に自由渦を形成するように、前記貯水場に配置されており、
前記水力タービンアッセンブリは、
流入円錐部及び流出ドラフトを有する外側ハウジングチューブと、
ローター装置、及び電気エネルギーを生成するための少なくとも１つの発電装置を有するローター及びタービンアッセンブリと、を備え、
前記流入円錐部は、前記自由渦から前記外側ハウジングチューブへ水を集めるための前記水流入ポイントに配置されており、
前記流出ドラフトは、水がそこで前記外側ハウジングチューブから前記水流入パイプへ通過することができるように、前記水流入パイプと流体連通しており、
前記ローターおよびタービンアッセンブリは、前記外側ハウジングチューブ内に配置され、前記ローター装置を前記外側ハウジングチューブ内において回転させることができるように、前記外側ハウジングチューブに装着されており、
前記ローター装置は、前記外側ハウジングチューブを通過する水により回転され、
前記発電装置は、前記ローター装置に作動可能に連結されており、前記発電装置は、前記ローター装置の回転エネルギーを電気エネルギーへ変換する水力タービンアッセンブリ。
【請求項５】
前記流入円錐部は、流入水圧損失を最小限にするような、及び前記水力タービンアッセンブリに入る水の速度を局部的に増加させるような形状であって、
前記流出ドラフトチューブは、タービン出口速度を低減させるような、及び前記水力タービンアッセンブリ間のエネルギーポテンシャルをさらに増加させるような形状である請求項４に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項６】
前記ローター装置は、その周部に沿って延びる複数のブレードを有し、水が前記外側ハウジングチューブを通過すると、前記ブレードにより前記ローター装置が回転可能である請求項４または５に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項７】
前記外側ハウジングチューブは、上部キャップアッセンブリと下部キャップアッセンブリとを有し、前記ローター及びタービンアッセンブリは、前記上部キャップアッセンブリに装着され、また、前記下部キャップアッセンブリに装着されている請求項４から６のいずれかに記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項８】
前記ローター及びタービンアッセンブリは、さらに、上部支持プレート、下部支持プレート、及び支持シャフトを備え、
前記上部支持プレートは、前記上部キャップアッセンブリに連結され、
前記下部支持プレートは、前記下部キャップアッセンブリに連結され、
前記支持シャフトは、前記上部支持プレートに連結固定され、また、前記下部支持プレートに連結固定されており、
前記支持シャフト、前記上部支持プレート、及び前記下部プレートは、前記上部キャップアッセンブリ及び前記下部キャップアッセンブリにおいて、前記ローター及びタービンアッセンブリを支持している請求項７に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項９】
前記ローター及びタービンアッセンブリは、さらに、上部ベアリングアッセンブリ、下部ベアリングアッセンブリ、上部ベアリングプレート、下部ベアリングプレート、及びギアボックスアッセンブリとを備え、
前記上部ベアリングアッセンブリは前記支持シャフトに装着され、
前記下部ベアリングアッセンブリは前記支持シャフトに装着され、
前記上部ベアリングプレートは、前記上部ベアリングプレートが前記支持シャフトを中心に回転できるように、前記上部ベアリングアッセンブリに回転可能に装着されており、
前記下部ベアリングプレートは、前記下部ベアリングプレートが前記支持シャフトを中心に回転できるように、前記下部ベアリングアッセンブリに回転可能に装着されており、
前記ローター装置は、前記ローター装置が前記支持シャフトを中心に回転可能であるように、前記上部ベアリングプレートに連結され、また前記下部ベアリングプレートに連結されており、
前記ギアボックスアッセンブリは、前記ローター装置の回転エネルギーを前記発電装置に伝達することができるように、前記上部ベアリングプレートに作動可能に連結され、また前記発電装置に作動可能に連結されており、前記回転エネルギーは電気エネルギーに変換される請求項８に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項１０】
水流入ポイントを有し、前記貯水場に延ばされ、前記水力発電システムに水を給送するために前記水力発電システムと流体連通している水流入パイプをさらに備え、
前記水流入ポイントは、前記貯水場内において自由渦を形成するように、前記貯水場に配置されている請求項４から９のうちいずれかに記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項１１】
水力発電システムと水流入パイプとを備える貯水場を維持するダムのための水力タービンアッセンブリであって、
前記水流入パイプは、水流入ポイントを有し、前記貯水場へ延ばされており、前記水力発電システムに水を給送するために前記水力発電システムと流体連通しており、
前記水流入ポイントは、前記貯水場内に自由渦を形成するように、前記貯水場に配置されており、
前記水力タービンアッセンブリは、
流入円錐部、流出ドラフト、上部キャップアッセンブリ、及び下部キャップアッセンブリを有する外側ハウジングチューブと、
前記上部キャップアッセンブリに連結された上部支持プレートと、
前記下部キャップアッセンブリに連結された下部支持プレートと、
前記上部支持プレートに連結固定され、前記下部支持プレートに連結固定された支持シャフトと、
前記支持シャフトに装着された上部ベアリングアッセンブリと、
前記支持シャフトに装着された下部ベアリングアッセンブリと、
上部ベアリングプレートが前記支持シャフトを中心に回転できるように、前記上部ベアリングアッセンブリに回転可能に装着された前記上部ベアリングプレートと、
下部ベアリングプレートが前記支持シャフトを中心に回転できるように、前記下部ベアリングアッセンブリに回転可能に装着された前記下部ベアリングプレートと、
ローター装置の周部に沿って延びる複数のブレードを有する前記ローター装置と、
前記外側ハウジングチューブ内に配置された電気エネルギーを生成するための少なくとも１つの発電装置と、
前記ローター装置の回転エネルギーを前記発電装置に伝達できるように、前記上部ベアリングプレートに作動可能に連結され、また、前記発電装置に作動可能に連結されたギアボックスアッセンブリと、を備え、
前記流入円錐部は、前記自由渦から前記外側ハウジングチューブへ水を集めるための前記水流入ポイントに配置されており、前記流入円錐部は、流入水圧の損失を最小限にするような、また前記水力タービンアッセンブリに入る水の速度を局部的に増加させるような形状であり、
前記流出ドラフトは、水が、前記外側ハウジングチューブから前記水流入パイプへ通過可能であるように、前記水流入パイプと流体連通しており、前記流出ドラフトチューブは、タービン出口速度を低減させるような、またさらに前記水力タービンアッセンブリ間のエネルギーポテンシャルをさらに増加させるような形状であり、
前記ローター装置は、前記外側ハウジングチューブ内に配置され、前記ローター装置は、前記ローター装置が前記外側ハウジングチューブ内において前記支持シャフトを中心に回転可能であるように、前記上部ベアリングプレートに連結され、また前記下部ベアリングプレートに連結され、
前記ブレードは、水が前記外側ハウジングチューブを通過すると前記ローター装置を回転可能とし、
前記上部ベアリングプレート及び前記下部ベアリングプレートは、前記ローター装置が回転すると、回転させられ、
前記回転エネルギーは電気エネルギーに変換される水力タービンアッセンブリ。
【請求項１２】
水流入ポイントを有し、前記貯水場へ延ばされ、前記水力発電システムと流体連通した、水を前記水力発電システムへ給送するための水流入パイプをさらに備え、前記水流入ポイントは、前記貯水場内に自由渦を形成するように、前記貯水場に配置されている請求項１１に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項１３】
貯水場を維持するダムに配置された水力タービンアッセンブリであって、該ダムは、ダムにおいて水から電気を発生させる水力発電システムを有し、
前記水力タービンアッセンブリは、
水流入パイプと、
自由渦から水を集める手段を有する外側ハウジングチューブと、
前記外側ハウジングチューブ内に配置され、前記外側ハウジングチューブ内において回転するように前記外側ハウジングチューブに装着されたローター装置と、
前記ローター装置に作動可能に連結されて、電気エネルギーを発生させる発電装置と、を備え、
前記水流入パイプは、水流入ポイントを有し、前記水流入パイプは、前記貯水場へ延び、水を前記水力発電システムに給送し、また、前記水流入ポイントは、前記自由渦が前記貯水場内において形成されるように、前記貯水場に配置され、
前記外側ハウジングチューブは、水が前記外側ハウジングチューブから前記水流入パイプへ通過可能なように前記水流入パイプと流体連通した手段を有し、前記水流入ポイントに設置されており、
前記ローター装置は、前記外側ハウジングチューブを通過する水により回転され、
前記発電装置は、前記ローター装置の回転に応答して、電気エネルギーを発生させる水力タービンアッセンブリ。
【請求項１４】
前記自由渦から水を集める前記手段は、前記水流入ポイントに配置された流入円錐部である請求項１３に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項１５】
前記水流入パイプと流体連通している前記手段は、前記水流入パイプに装着された流出ドラフトチューブである請求項１３または１４に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項１６】
貯水場を維持するダムに配置された水力タービンアッセンブリであって、該ダムは、ダムにおいて水から電気を発生させる水力発電システムを有し、
前記水力タービンアッセンブリは、
水流入パイプと、
流入円錐部及び流出ドラフトチューブを有する外側ハウジングチューブと、
ローター装置と、電気エネルギーを発生させる少なくとも１つの発電装置とを有するローター及びタービンアッセンブリとを備え、
前記水流入パイプは、水流入ポイントを有し、前記水流入パイプは、前記貯水場へ延び、前記水力発電システムに水を給送し、前記水流入ポイントは、自由渦が前記貯水場内において生じるように前記貯水場に配置され、
前記流入円錐部は、前記水流入ポイントに配置され、前記自由渦から水を集め、前記流出ドラフトチューブは、前記水流入パイプと流体連通し、そこから水を前記水流入パイプへ通過させることができ、
前記ローター及びタービンアッセンブリは、前記外側ハウジングチューブ内に配置され、前記ローター装置が前記外側ハウジングチューブ内において回転するように、前記外側ハウジングチューブに装着され、
前記ローター装置は、前記外側ハウジングチューブを通過する水により回転され、前記発電装置または各前記発電装置は、前記ローター装置に作動可能に連結され、前記発電装置または各前記発電装置は、前記ローター装置の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する水力タービンアッセンブリ。
【請求項１７】
前記流入円錐部は、流入水圧損失を最小限にするような、また前記水力タービンアッセンブリに入る水の速度を局部的に増加させるような形状であり、
前記流出ドラフトチューブは、タービン出口速度を低減させるような、また前記水力タービンアッセンブリ間のエネルギーポテンシャルをさらに増加させるような形状である請求項１６に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項１８】
前記ローター装置は、その周部に沿って延びる複数のブレードを有し、前記ブレードは、水が前記外側ハウジングチューブを通過すると、前記ローター装置を回転可能とする請求項１６または１７に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項１９】
前記外側ハウジングチューブは、上部キャップアッセンブリ及び下部キャップアッセンブリを備え、前記ローター及びタービンアッセンブリは、前記上部キャップアッセンブリに装着され、また前記下部キャップアッセンブリに装着されている請求項１６から１８のいずれかに記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項２０】
前記ローター及びタービンアッセンブリは、さらに、上部支持プレート、下部支持プレート、及び支持シャフトを備え、
前記上部支持プレートは、前記上部キャップアッセンブリに連結され、
前記下部支持プレートは、前記下部キャップアッセンブリに連結され、
前記支持シャフトは、前記上部支持プレートに連結固定され、また前記下部支持プレートに連結固定されており、
前記支持シャフト、前記上部支持プレート、及び前記下部プレートは、前記上部キャップアッセンブリ及び前記下部キャップアッセンブリにおいて、前記ローター及びタービンアッセンブリを支持している請求項１９に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項２１】
前記ローター及びタービンアッセンブリは、さらに、上部ベアリングアッセンブリ、下部ベアリングアッセンブリ、上部ベアリングプレート、下部ベアリングプレート、及びギアボックスアッセンブリとを備え、
前記上部ベアリングアッセンブリは前記支持シャフトに装着され、
前記下部ベアリングアッセンブリは前記支持シャフトに装着され、
前記上部ベアリングプレートは、前記上部ベアリングプレートが前記支持シャフトを中心に回転できるように、前記上部ベアリングアッセンブリに回転可能に装着されており、
前記下部ベアリングプレートは、前記下部ベアリングプレートが前記支持シャフトを中心に回転できるように、前記下部ベアリングアッセンブリに回転可能に装着されており、
前記ローター装置は、前記ローター装置が前記支持シャフトを中心に回転可能であるように、前記上部ベアリングプレートに連結され、また前記下部ベアリングプレートに連結されており、
前記ギアボックスアッセンブリは、前記ローター装置の回転エネルギーを前記発電装置に伝達することができるように、前記上部ベアリングプレートに作動可能に連結され、また前記発電装置に作動可能に連結されており、前記回転エネルギーは電気エネルギーに変換される請求項２０に記載の水力タービンアッセンブリ。
【請求項２２】
水流入パイプを有する水力発電システムを備えた貯水場のための水力タービンアッセンブリであって、
前記水流入パイプは、前記貯水場内において自由渦形成体を形成するように前記貯水場に位置する水流入ポイントを有し、
前記水力タービンアッセンブリは、
前記自由渦形成体から水を受けるための流入円錐部と、水が前記水流入パイプへ通過できるように前記水流入パイプと流体連通する外側ドラフトチューブとを有する外側ハウジングチューブと、
前記外側ハウジングチューブ内において前記外側ハウジングチューブを通過する水によって回転するよう前記外側ハウジングチューブ内に回転可能に取り付けられたローター装置と、
前記ローター装置の回転により電気エネルギーを生成するよう前記ローター装置に連結された、電気エネルギーを生成するための発電装置と、
を備えた水力タービンアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
水力タービンの使用が従来技術において公知である。特に、従来発明され使用されてきた水力タービンは、無数の目的及び要件を達成するために開発されてきた多数の先行技術により達成された無数の設計にも関わらず、よく知られ、望まれた、明白な構造的配置から基本的に成ることが公知である。
【０００２】
公知の先行技術である水力タービンには、米国特許第４，４３７，０１７号、米国特許第４，９６３，７８０号、米国特許第４，２１９，３０３号、米国特許第４，８１６，６９７号、米国特許第４，４４３，７０７号、及び米国特許第４，２８４，８９９号明細書に記載のものがある。
【０００３】
これらの装置は、それぞれ独立した目的及び要件を達成するが、前記の特許は、新規な水力タービンアッセンブリを開示してはいない。進歩性のある装置は、水を従来の水力発電システムへ給送するように、ダムの貯水場へ延ばされた（好ましくは垂直の）水流入パイプを含む。水流入パイプは、自由渦形成体を形成するように貯水場に配置された水流入ポイントを有している。前記流入自由渦形成体から水を集めるための流入円錐部を有する外側ハウジングチューブと、水流入パイプと流体連通している流出ドラフトが、外側ハウジングチューブから水流入パイプへ水が通過可能なように備えられている。ローター装置と、電気エネルギーを発生させるための少なくとも１つの発電装置とを有するローター及びタービンアッセンブリは、外側ハウジング装置内において水を外側ハウジングチューブを通過させることによりローター装置が回転可能であるように、外側ハウジングチューブ内に配置されている。各発電装置は、発電装置によりローター装置の回転エネルギーが電気エネルギーに交換されるように、ローター装置に作動可能に連結されている。
【０００４】
これらの点において、本発明による水力タービンアッセンブリは、実質的に、先行技術の従来の概念及び設計を変更するものであり、それを行うに当たり、主部として従来の水力発電システムから余分のエネルギーを引き出す目的のために開発された装置を提供するものである。
【０００５】
（発明の概要）
先行技術において現在存在する公知のタイプの水力タービンにおいて内在する前述の欠点を考慮して、本発明は、従来の水力発電システムから余分のエネルギーを引き出すために利用可能な、新しい水力タービンアッセンブリ構造を提供する。
【０００６】
本発明の全体的な目的は、引き続きさらに詳細に述べて行くが、前述の水力タービンの多くの利点と、単独のまたは組み合わせた種々の先行技術による水力タービンにより、予測されることなく、非自明で、示唆されることがなく、または暗示されることのない新しい水力タービンアッセンブリとなる、多くの新規な特徴を有する新しい水力タービンアッセンブリ装置及び方法を提供することである。
【０００７】
これを達成するために、本発明は、一般に、水を従来の水力発電システムへ給送するようにダムの貯水場に延ばされた（好ましくは垂直の）水流入パイプを含む。水流入パイプは、自由渦形成体を形成するように貯水場に配置されている水流入ポイントを有している。前記流入自由渦形成体から水を集めるための流入円錐部を有する外側ハウジングチューブと、水流入パイプと流体連通している流出ドラフトとが、外側ハウジングチューブから水流入パイプへ水が通過可能なように備えられている。ローター装置と、電気エネルギーを発生させるための少なくとも１つの発電装置とを有するローター及びタービンアッセンブリは、外側ハウジングチューブに水を通過させることにより、外側ハウジング装置内においてローター装置を回転させることができるように、外側ハウジングチューブ内に配置されている。各発電装置は、発電装置により、ローター装置の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されるように、ローター装置に作動可能に連結されている。
【０００８】
このように、以下に続くその詳細な説明がよりよく理解され、または当該技術に対する貢献がよりよく理解され得るように、本発明のさらに重要な特徴の概略を、かなり大まかに述べてきた。本発明のさらなる特徴を以下に説明していくが、それは、ここに添付した特許請求項の主題を構成することになるだろう。
【０００９】
本態様において、本発明の少なくとも１つの実施形態を説明する前に、本発明は、詳細な構造に対する、及び、以下の説明において述べたまたは図面に図示した構成要素の配置に対する実施形態に限定されるものでないことが理解されよう。本発明は、他の実施形態が可能であり、種々の方法で実施及び実行可能である。さらに、ここで用いられている用語法及び専門用語が、説明目的のためのものであり、または限定するものではないことが理解されよう。
【００１０】
このように、当業者は、本開示が基礎とする概念が、本発明のいくつかの目的を実行するために、他の構造、方法、システムを設計するための基礎として容易に利用できることを理解するだろう。従って、特許請求項が、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて、このような均等な構造を含むものとしてみなされることが重要である。
【００１１】
さらに、本明細書の最後の要約書の目的は、特許または法律の用語または語法に通じていない、当該技術における、一般に公衆、及び特に科学者、技術者、当業者が、大まかに閲覧することにより、本願の技術的開示の性質及び本質を迅速に判断できるようにすることである。要約書は、特許請求の範囲により判断される本願の発明を定義するものではないし、また、とにかく本発明の範囲について限定を行うものではない。
【００１２】
よって、本発明の目的は、前述の水力タービンの多くの利点と、単独のまたは組み合わせた種々の先行技術による水力タービンにより、予測されることなく、非自明で、示唆されることがなく、または暗示されることのない、新しい水力タービンアッセンブリとなる多くの新規な特徴を有する新しい水力タービンアッセンブリ装置及び方法を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、容易にかつ効率よく製造及び販売できる新しい水力タービンアッセンブリを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、耐久性及び信頼性のある構造の新しい水力タービンアッセンブリを提供することである。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、材料及び労力の両方に関して、低いコストで製造可能であり、これにより一般消費者に対する販売価格を低くすることができ、その結果、このような水力タービンアッセンブリを購買者に経済的に入手可能とすることができる、新しい水力タービンアッセンブリを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、先行技術の装置及び方法において、そのいくつかの利点を得られ、また、同時に通常それに伴ういくつかの欠点を克服する新しい水力タービンアッセンブリを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、従来の発電システムから余分のエネルギーを引き出すための新しい水力タービンアッセンブリを提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、必要に応じて、水を貯水場に戻すことができ、システムを通過する利用可能な水量を増加させることにより、生成された余分のエネルギーを利用でき、これにより、従来の水力発電システムのエネルギー出力全体を増加させる代替手段を提供することである。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、必要に応じて、種々の数の水力タービンアッセンブリを貯水場において貯水場内の種々の場所で組み込むことができることであり、これらの各流出パイプは、従来の水力発電システムに通じる貯水場の主流出パイプに最後に接続されており、この結果、このシステム内において水力タービンアッセンブリのエネルギー出力がさらに増加する。
【００２０】
本発明の別の目的は、水を従来の水力発電システムへ給送するようにダムの貯水場へ延ばされた（好ましくは垂直の）水流入パイプを含む新しい水力タービンアッセンブリを提供することである。水流入パイプは、自由渦形成体を形成するように貯水場に配置されている水流入ポイントを有している。前記流入自由渦形成体から水を集めるための流入円錐部を有する外側ハウジングチューブと、水流入パイプと流体連通している流出ドラフトが、外側ハウジングチューブから水流入パイプへ水が通過可能なように備えられている。ローター装置と、電気エネルギーを発生させるための少なくとも１つの発電装置とを有するローター及びタービンアッセンブリは、外側ハウジング装置内に水を通過させることにより、外側ハウジングチューブにおいてローター装置が回転させることができるように、外側ハウジングチューブ内に配置されている。各発電装置は、発電装置により、ローター装置の回転エネルギーが電気エネルギーに交換されるように、ローター装置に作動可能に連結されている。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は、貯水場から流入口において第２のタービン発電機を組み込むことにより、従来の水力発電システムから余分のエネルギーを引き出し、またダムの従来のタービン装置に対して、エネルギーの大部分を利用可能とすることができる新しい水力タービンアッセンブリを提供することである。
【００２２】
本発明のさらに別の目的は、自由渦を形成可能に設計された流入口を有するが、新しい水力タービンアッセンブリを提供することであるが、そのエネルギーは他の乱流という形で一般に失われる。このエネルギーの源は、水の初期渦巻前状態、地球の自転によるコリオリ効果、及び貯水場の形状などの種々のパラメータの組み合わせである。
【００２３】
本発明の他の目的を伴うこれらは、本発明を特徴付ける種々の新規な特徴を伴って、添付され本開示の一部を形成する特許請求項の詳細により指摘されている。本発明、すなわちその使用により達成されたその作動上の利点及び特定の目的をよりよく理解するために、添付の図面、及び本発明の好ましい実施形態を示した記述事項を参照すべきである。
【００２４】
以下の本発明の詳細な説明について考えれば、本発明はよりよく理解され、また、上述の目的以外の目的が明らかとなるだろう。この説明は、添付の図面を参照して行うものである。
【００２５】
（好ましい実施の形態）
ここで、図面に関して、特に図１から図９に関して、参照番号３により全体を示した、本発明の原理及び構想を体現する新しい水力タービンアッセンブリを説明していく。
【００２６】
さらに具体的には、水力タービンアッセンブリ（３）は、垂直の水流入パイプ（１）と、流出ドラフトチューブ（８）と、ローター及びタービンアッセンブリ（３８）とを備えていることに注目されたい。
【００２７】
図１から図９に最もよく図示されているように、この水力タービンアッセンブリ（３）は、貯水場から垂直流入口において、第２のタービン発電機を組み込むことにより、従来の水力発電システムから余分のエネルギーを引き出すように設計されている。
【００２８】
図１に図示されているように、本発明は、モジュラー式に設計され、従来の下流または低位置の発電所に水を供給する垂直に対向した流入給水パイプ（１）に装着された、取り外し可能な発電タービン装置から構成されている。
【００２９】
図１に示されているように、垂直流入パイプ（１）は、それ自体に、水力タービン装置（３）のフランジ装着部（３０）を装着するための適宜の受取りフランジ端（４２）を備えており、また、該装置によりかかる重量及びねじり荷重に耐えるように、コンクリート、スチール、または他の材料から製造することができる。
【００３０】
貯水場（４１）内において垂直流入パイプ（１）を水平に配置することにより、本実施形態に特有の自由流入渦（３４）を適宜形成することができるように、保持またはダム壁（３１）、基部（３２）、水面（３３）、及び貯水場（４１）の両側から、適切なクリアランスを設けることが可能である。水の供給または水流は、システムの停止に必要な適宜の形状のバルブまたは遮断ゲート（２）を使用して、緩めたりまたは止めたりすることができる。
【００３１】
水力タービンアッセンブリ（３）のフランジ装着部（３０）自体は、水流入パイプ（１）のフランジ受取り端（４２）に装着されたフランジであるので、修理、メンテナンスのために、または従来の水力発電システム（３５）を以前の通りに作動させるために、分解及び取り外しを容易に行うことができる。
【００３２】
パワー出力ケーブル（４）は、適切に絶縁されており、密閉された発電装置（２９）から貯水場（４１）の外側の所望の給送ポイントへ出ている。
【００３３】
水の自由面（３３）からこの装置の水流入ポイント（５）までの高さは、水力タービンアッセンブリ（３）の上方において自由渦（３４）を形成できる程度であり、個々の実施形態により異なる。メッシュスクリーン（６）のような仕切られた囲い構造体が、水以外の材料がシステムに入るのを防ぐために、実施形態によっては必要な場合がある。
【００３４】
図２に図示したように、水力タービンアッセンブリ（３）は、３つの部分を備えており、第１の部分は流入円錐部（７）として図示されている。その機能は、流入水を集めることであり、特定の実施形態により流入水圧のロスを最小限にし、またタービン主部（１０）に入る水の速度を局部的に高めるような形状となっている。流入円錐部（７）は、特定の実施形態により、コンクリートまたはスチール、または他の適宜の材料から形成することができるが、その近接における水の高速度、さらに装置の組立及び分解による装置全体の重量に耐えるものでなければならない。流入円錐部（７）は、フランジ接続部（３６）において主部（１０）に装着されたフランジであり、それから取り外すことができる。
【００３５】
図２に図示した水力タービンアッセンブリの第３の部分は、発散形状で、概ね、タービンの流出水速度を低減させ、またタービンのエネルギーポテンシャルをさらに増すような形状の、流出ドラフトチューブ（８）である。その構造は、流入円錐部（７）の構造と同様である。流出ドラフトチューブ（８）もまた、フランジ接続部（４３）において主部（１０）に装着されたフランジであり、それから取り外すことができる。
【００３６】
パワー流出ケーブル（４）は、１本のタービン支柱（９）を経て水力タービンアッセンブリ（３）を出るが、水力タービンアッセンブリ（３）から中空支柱（９）の中を通過するか、またはそれに沿い装着されるかのいずれかとすることができる。さらに、出口ポイントは、残りの装置からケーブル（４）を分離可能な密閉された接合ボックス（３７）とすることができる。
【００３７】
水力タービンアッセンブリ（３）の主部（１０）は、水力タービンアッセンブリ（３）の三部構造を完成させるものであり、タービンローター及び発電装置を含む作動部である。その外側ハウジングチューブ（１３）は、流入円錐部（７）と流出ドラフト（８）と同様の材料から形成されており、各流入フランジ接続装着部（３６）と流出フランジ接続装着部（４３）とにおいてそれぞれに別々に装着されている。
【００３８】
図３に示したような主部（１０）は、流入円錐部（７）と流出ドラフト（８）から分離された場合のモジュール方式構想を続けると、流入円錐部（７）と主部（１０）との間に装着された上部キャップアッセンブリ（１１）のフランジと、流線型の上部キャップ（１１）とを表すように、さらに分解することができる。なお、流入円錐部（７）は、ローター及びタービンアッセンブリ（３８）を水流の中央に吊り下げるようにする上部支柱（９）を含む。上部キャップアッセンブリ（１１）の目的は、ローター及びタービンアッセンブリ（３８）の流体形状ロスを最小限にすることであり、ローター装置（２６）とともに回転はしない。
【００３９】
支柱（９）は、さらに、形状抵抗を最小限にするように流体力学的に設計されており、またさらに回転はしない。同様に、下部キャップアッセンブリ（１２）は、回転せず、抵抗を最小限にしながらローター及びタービンアッセンブリ（３８）を支持するように機能する構造である。フランジ外側ハウジングチューブ（１３）は、ローター及びタービンアッセンブリ（３８）のための支持構造体を完成するものであり、当然水を含んでいる。
【００４０】
図４に図示されるように、ローター及びタービンアッセンブリ（３８）は、上部支持プレート（１４）と下部支持プレート（１５）とにより支持されており、これらは、回転せず、上述の上部キャップアッセンブリ（１１）及び底部キャップアッセンブリ（１２）に、収容された装置を取り付けるように機能する。
【００４１】
支持プレート（１４、１５）は、さらに支持シャフト（１６）を固定しており、これが、回転しないことにより、構成要素の実際の数は最小限となり、この結果、装置において実際に回転する部品の重量が最小限となるが、このことは後述する。実際の固定方法は、固定された支持プレート（１４、１５）に対するシャフト（１６）の回転を防止するように、スプライン法またはキー法、または他の適宜の方法とすることができる。固定された支持シャフト（１６）は、さらに、ローター（２６）を回転させる上部ベアリングアッセンブリ（１７）及び下部ベアリングアッセンブリ（１８）を支持している。
【００４２】
ローター装置アッセンブリ（２６）は、水の侵入に対する密閉を必要とする場合があるので、このために、フェルトまたは適宜の種々のシールを、上部シール（１９）及び下部シール（２０）のために使用することができる。上部保持キャップ（２１）及び下部保持キャップ（２２）は、さらに、密閉を完全にするように、また固定された支持シャフト（１６）を垂直に配置するように、機能する。ローター及び発電機サブアッセンブリ（２３）は、上部ベアリングアッセンブリ（１７）及び下部ベアリングアッセンブリ（１８）と、上部支持プレート（１４）及び下部支持プレート（１５）とから分かれているのが分かる。
【００４３】
上部ベアリングプレート（２４）及び下部ベアリングプレート（２５）が、ローター（２６）に取り付けられ、ローター（２６）とともに回転する。それらの機能は、第１の例において、ローター（２６）を支持することであるが、さらに、上部ベアリングプレート（２４）の場合には、連続ギアによりローター（２６）の回転エネルギーを発電装置（２９）へ伝達することである。上部ベアリングプレート（２４）は、それ自体、内歯を有し、ギアボックス（２７）において作動する環状歯車である。
【００４４】
図６及び図７において図示したように、ローター装置（２６）は、実施形態により異なるが３枚から６枚のブレード（４０）を含むタービンの主な回転要素である。これらのブレード（４０）は、ローター装置（２６）の中心軸線からの距離に応じた、ブレード（４０）と水との間の相対速度における違いに適合するために、先端において大きな角度、またハブにおいて浅い角度のピッチで配置されている。
【００４５】
ギアボックスアッセンブリ（２７）は、上部ベアリングプレート（２４）からの回転エネルギーを受容し、トルク及び速度を、実施形態により異なる相当する値に変換して、それを、発電装置（２９）へ送る。使用される歯車（３９）のセット数は、本実施形態において配置されたモジュラー発電装置（２９）の数により異なる。回転せず、キーまたは他の適宜の方法により中央固定支持シャフト（１６）に固定された歯車キャリヤ（２８）は、ギアボックスの歯車を適切な位置に維持し、上部ベアリングプレート（２４）とともに回転しないように、使用される。ギアキャリヤ（２８）の形状は、本実施形態において配置されたモジュラー発電装置（２９）の数により異なる。
【００４６】
機械的回転エネルギーは、固定支持シャフト（１６）の平坦部に堅固に取り付けられ、それ自体は不動の発電装置（２９）を使用することにより、最終的に、電気エネルギーに変換される。配置された発電装置（２９）の数は、個々の実施形態、管状空間の問題、及び生成された有効トルクより、異なる。各発電装置（２９）は、完全に密閉され水中で作動し、また出力ケーブル（４）もまた完全に密閉されている。
【００４７】
使用に際して、水力タービンアッセンブリ（３）の流入口は、自由渦を形成可能なように設計されているが、そのエネルギーは一般に他の乱流の形で失われる。このエネルギーの源は、水における初期の渦巻前状態（「initial pre-swirl」）、地球の自転によるコリオリ効果、及び貯水場（４１）の形状などの、種々のパラメータの組み合わせである。従って、作用水頭が低く、流速が高く、大きい水の渦巻には、本水力タービンアッセンブリ（３）におけるような軸流タイプの水力タービンの使用が適している。
【００４８】
使用時において、さらに、この水力タービンアッセンブリ（３）は、ダム（３１）の従来の水力発電システム（３５）とは別個に、独立した水力発電システムとして、使用可能であることが理解されるべきである。すなわち、水力タービンアッセンブリ（３）は、水力タービンアッセンブリ（３）を通過する水が、ダムの従来の水力発電システム（３５）に入る必要がないように使用可能であるか、または、従来の水力発電システム（３５）を含まないシステムにおいて使用可能である。
【００４９】
この水力タービンアッセンブリ（３）間に作用する水頭圧が低いので、ダムのための従来のタービン配置に対する大部分のエネルギーがなお利用可能である。従って、水力タービンアッセンブリ（３）を追加したシステムの総エネルギー出力は、従来のタービン配置のみを使用した場合より大きくなる。
【００５０】
水力タービンアッセンブリ（３）の最大の長所のひとつとしては、本発明は、コリオリ効果に基づき、ダム（３１）の従来の水力タービンシステム作用を妨げないということである。従って、本発明は、エネルギー保存の法則に矛盾しない。
【００５１】
本発明の利用方法及び作動方法についてのさらなる議論については、同様のことが、上記の説明から明らかだろう。従って、使用方法及び作動方法に関する議論は行わない。
【００５２】
従って、上記の説明に関して、サイズ、材料、形状、構成、機能、及び作動方法、組立方法、及び使用方法における変更を含むような、本発明の部品の最適な寸法の関係は、当業者には容易に理解できるものでありまた明白と思われ、また、図面に示しまた本明細書に記述したそれらに均等の全関係は、本発明により達成されるものである。
【００５３】
よって、前述したことは、本発明の原理を図示するだけのためのものと考えられる。さらに、多数の変形及び変更が、当業者にとって容易に案出されるだろうことから、本発明を図示した正確な構造及び記述した正確な作動に限定することは望ましくない。従って、適宜の変更及び均等物は、本発明の範囲内において行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による新しい水力タービンアッセンブリを右側から見た側面図である。
【図２】  水力タービン装置の側面図である。
【図３】  水力タービンアッセンブリの主部の拡大等角図である。
【図４】  ローター及びタービンアッセンブリの側面図である。
【図５】  タービンアッセンブリの拡大等角図である。
【図６】  ローター及び発電機のサブアッセンブリの拡大等角図である。
【図７】  ローター装置の平面図である。
【図８】  図７の８−８線に沿うロータ装置の側面図である。
【図９】  図７の９−９線に沿うロータ装置の側面図である。
【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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【図８】
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【図９】
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