(57)【要約】 【課題】  限られたスペースに配置される流体発電用タービンのノズルを改良する。【解決手段】  本発明の流体発電用タービン用のノズルの製造方法は、（ａ）ノズル形状、ノズルサイズ、ノズルの位置、ブレードとタービンの形状とサイズ、流体の流速、ブレードの回転数、パイプのサイズの内の少なくとも１つに基づいて、ＣＦＤでシミュレーションを実行するステップと、（ｂ）前記ステップ（ａ）の結果に従って、システムを構築するステップとを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体発電用タービン用のノズルの製造方法において、
（ａ）以下の内の少なくとも１つに基づいて、ＣＦＤでシミュレーションを実行するステップと、
ノズル形状、ノズルサイズ、ノズルの位置、ブレードとタービンの形状とサイズ、流体の流速、ブレードの回転数、パイプのサイズ、
（ｂ）前記ステップ（ａ）の結果に従って、システムを構築するステップと、
を有する
ことを特徴とする流体発電用タービン用ノズルを製造する方法。
【請求項２】
（ａ）ガイド・ベーンの形状の湾曲断面を有するノズルを有する
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項３】
（ｂ）カップブレードを更に有する
ことを特徴とする請求項２記載の流体発電用タービン。
【請求項４】
（ｂ）プロペラブレードを更に有する
ことを特徴とする請求項２記載の流体発電用タービン。
【請求項５】
ノズルを有することを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項６】
前記ノズルのサイズは、前記パイプの断面直径の４５−５５％である
ことを特徴とする請求項５記載のパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項７】
（ａ）前記パイプの断面直径の４５−５５％の断面直径を有するノズルを有する
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項８】
（ｂ）後部端でパイプの断面直径の５５％以下のブレードシステムを更に有する
ことを特徴とする請求項７記載のパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項９】
（ａ）カップ形状のブレードと、
（ｂ）直径が１００ｍｍのパイプと、
（ｃ）前記パイプの断面積の４０−６０％の断面積のノズルと、
（ｄ）毎分９０−１５０回転のタービンと、
（ｅ）５バール以下の入力圧力と、
を有することを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１０】
前記（ｄ）の回転数は、前記パイプ・サイズが２倍の場合、前記毎分４５−７５回転であり、前記（ｄ）の回転数は、前記パイプ・サイズが１／２の場合、前記毎分１８０−３００回転である
ことを特徴とする請求項９記載のパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１１】
（ａ）パイプの断面積の４５−５５％の断面のノズルと、
（ｂ）流線型のブレード形状、
を有することを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１２】
（ａ）ノズル直径の５０ｍｍあたりカップの数は、１２個から１８個の間である
ことを特徴とする請求項１２記載のパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１３】
（ａ）ノズル直径の５０ｍｍあたりカップの数は、９個から２１個の間である
ことを特徴とする請求項１２記載のパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１４】
ノズルとサブノズルとを有することを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１５】
（ａ）ノズルを保持しタービンに向き合う構造の湾曲したテーパ状の端部と、
（ｂ）パイプの断面積の５０％以下の断面積を有するブレードと、
を有することを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１６】
（ａ）中心にあるノズルと、
（ｂ）中心から外れた位置にあるタービンと、
前記タービンのブレードは、パイプの断面積の５０％以下の断面積を有する
を有することを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１７】
前記タービンの未使用の中心から外れた部分は、ブロックされている
ことを特徴とする請求項１６記載のパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１８】
前記ブレードの後部エッジの断面積の方向に対し、前記ノズルの方向は、４５度以上であることを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項１９】
前記ブレードの後部エッジの断面積の方向に対し、前記ノズルの方向は、６０度以上であることを特徴とする請求項１７記載のパイプ内に配置される流体発電用タービン。
【請求項２０】
（ａ）ノズルと、
（ｂ）前記ノズルの後方の領域を囲む片流部分と、
前記片流部分は、前記ノズルの前の場所でパイプから離れて、これにより流体の速度を遅くする
ことを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービン・システム
【請求項２１】
（ａ）パイプ内に配置される流体発電用タービンと、
（ｂ）ノズルと、
（ｃ）上流側のシェル上で、シェルを開閉しノズルを挿入又は取り除くラッチと、
（ｄ）前記ノズルを前記タービンに着脱する手段と、
を有する
ことを特徴とするノズルを交換するシステム。
【請求項２２】
パイプ内のタービンに対し、異なる流速と圧力入力の特性を有するノズルを交換する方法。
【請求項２３】
パイプ内ののタービンの前後の圧力を減らす方法において、
前記方法は、マイクロプロセッサへの以下の入力指示を行うことにより行われ、
ノズルサイズ、ノズル形状、ノズル方向、ノズル構造物の形状、入力圧力、出力圧力、パイプの角度、パイプのサイズ、ヘッドの量、流速、流体密度、発電機の回転速度、ブレード状のカップの数、ブレードの種類、
ことを特徴とする減圧するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、限られたスペースに配置される流体発電用タービンのノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体発電用タービン・ノズルから最大の効率を引き出すことは難しい。これは、大気中に流体（水）が放出されるオープンなシステムにおいては、水力発電パワーに注意が集中していたために、あまり検討されて来なかったからである。この様なオープンなシステムにおいては、ノズルの設計選択は遙かに単純である。限られたスペースと閉鎖（水を大気に放出しない）システムにおいては、水中で水を放出すると、水からの背圧の問題が存在する。この為、ノズルのサイズと限られたスペース内への配置の場合、水車の発電効率に大きな影響を及ぼす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、従来技術の欠点を解決することであり、これは、ノズルとパイプ内に配置されるタービンとの独自の関係を見出すことにより、解決される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施例によれば、本発明の流体発電用タービン用のノズルの製造方法は、      （ａ）以下の内の少なくとも１つに基づいて、ＣＦＤでシミュレーションを実行するステップと、
ノズル形状、ノズルサイズ、ノズルの位置、ブレードとタービンの形状とサイズ、流体の流速、ブレードの回転数、パイプのサイズ、
（ｂ）前記ステップ（ａ）の結果に従って、システムを構築するステップと、
を有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、（ａ）ガイド・ベーンの形状の湾曲断面を有するノズルを有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、（ｂ）カップブレードを更に有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、（ｂ）プロペラブレードを更に有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、ノズルを有する。
本発明の一実施例によれば、前記ノズルのサイズは、前記パイプの断面直径の４５−５５％である。
本発明の一実施例によれば、パイプ内にに配置される流体発電用タービンは、（ａ）前記パイプの断面直径の４５−５５％の断面直径を有するノズルを有する。
本発明の一実施例によれば、パイプ内にに配置される流体発電用タービンは、（ｂ）後部端でパイプの断面直径の５５％以下のブレードシステムを更に有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、
（ａ）カップ形状のブレードと、
（ｂ）直径が１００ｍｍのパイプと、
（ｃ）前記パイプの断面積の４０−６０％の断面積のノズルと、
（ｄ）毎分９０−１５０回転のタービンと、
（ｅ）５バール以下の入力圧力と、
を有する。
本発明の一実施例によれば、前記（ｄ）の回転数は、前記パイプ・サイズが２倍の場合、前記毎分４５−７５回転であり、前記（ｄ）の回転数は、前記パイプ・サイズが１／２の場合、前記毎分１８０−３００回転である。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、
（ａ）パイプの断面積の４５−５５％の断面のノズルと、
（ｂ）流線型のブレード形状、
を有する。
本発明の一実施例によれば、（ａ）ノズル直径の５０ｍｍあたりカップの数は、１２個から１８個の間である。
本発明の一実施例によれば、（ａ）ノズル直径の５０ｍｍあたりカップの数は、９個から２１個の間である。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、ノズルとサブノズルとを有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、
（ａ）ノズルを保持しタービンに向き合う構造の湾曲したテーパ状の端部と、
（ｂ）パイプの断面積の５０％以下の断面積を有するブレードと、
を有する。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービンは、
（ａ）中心にあるノズルと、
（ｂ）中心から外れた位置にあるタービンと、を有する。
前記タービンのブレードは、パイプの断面積の５０％以下の断面積を有する。
本発明の一実施例によれば、前記タービンの未使用の中心から外れた部分は、ブロックされている。
本発明の一実施例によれば、前記ブレードの後部エッジの断面積の方向に対し、前記ノズルの方向は、４５度以上であることを特徴とするパイプ内に配置される流体発電用タービンである。
本発明の一実施例によれば、前記ブレードの後部エッジの断面積の方向に対し、前記ノズルの方向は、６０度以上である。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内に配置される流体発電用タービン・システムは、
（ａ）ノズルと、
（ｂ）前記ノズルの後方の領域を囲む片流部分と、
を有する。前記片流部分は、前記ノズルの前の場所でパイプから離れて、これにより流体の速度を遅くする。
本発明の一実施例によれば、本発明のノズルを交換するシステムは、
（ａ）パイプ内に配置される流体発電用タービンと、
（ｂ）ノズルと、
（ｃ）上流側のシェル上で、シェルを開閉しノズルを挿入又は取り除くラッチと、
（ｄ）前記ノズルを前記タービンに着脱する手段と、
を有する。
本発明の一実施例によれば、パイプ内のタービンに対し、異なる流速と圧力入力の特性を有するノズルを交換する方法である。
本発明の一実施例によれば、本発明のパイプ内ののタービンの前後の圧力を減らす方法は、マイクロプロセッサへの以下の入力指示を行うことにより行われる。
ノズルサイズ、ノズル形状、ノズル方向、ノズル構造物の形状、入力圧力、出力圧力、パイプの角度、パイプのサイズ、ヘッドの量、流速、流体密度、発電機の回転速度、ブレード状のカップの数、ブレードの種類。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ノズルとブレードのＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）によるシミュレーションを表す図。
【図２】不規則なノズルのＣＦＤによるシミュレーションを表す図。
【図３】様々なノズル方向を表す図。
【図４】ガイド・ベーンを具備したノズルを表す図。
【図５】中心から外れたタービン周囲を有する中心にあるノズルを表す図。
【図６】軸方向タービンで使用されるノズルを表す図。
【図７】ノズル置換システムを表す図。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明は、流体発電用タービンの効率を、ノズルの形状と、ノズルと他のタービンの構成要素、特にパイプの様な限られたスペース内での配置により、改善する。
本明細書で使用される「流体」とは、水、油、ガス等である。
【０００７】
図１に、ノズル２からタービン内に入るパイプ１内の水を、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）でシミュレートする構造を示す。ノズルにより生成される最大速度の領域３は、ブレード即ちカップ４の領域内のより低い流速の領域に直ちになる。同図は、水がブレードに当たるような流体発電用タービンの環境での独自の挑戦的事項を表す。不十分な量の水は、そのパワーを急速に失うが、閉じこめられた中での水の流れは、ブレードに当たる流体の速度を増加させるのに、必要である。
【０００８】
ノズルからの水の流れに耐えるカップを有するペルトン・タービンの様な配列が用いられると、図１に示すように、小さなノズル（空中を通るウォータジェットの従来の水力機械で用いられるノズル）は、水流速度をカップに与えるようなパワーを有さない。この様なパワーは、より大きなノズルによって得られるものである。その結果、より大きなノズルが必要とされる。
【０００９】
ここに開示したシミュレーションによれば、１００ｍｍの直径のパイプにおいては、５０ｍｍの直径のノズルが最適（な比率）である。特に５気圧以下の低圧力環境においては、最適である。この様なノズルを、直径が５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍのノズルで、ノズルと太いパイプのサイズの比率（パイプの直径の５０％、４５−５５％、４０−６０％、３５−６５％の直径のノズル）が、本発明により見いだされた関係を表す。
【００１０】
様々なノズル条件と入力条件において、複数のシミュレーションを実行した。
高効率は、パイプのサイズが１００ｍｍで、タービンの回転数が９０−１５０ｒｐｍの時に、カップ状のブレードと低圧の入力の条件で、最大のパワー出力が得られた。
更にパイプサイズの約５０％の断面積のカップが、最適であった。
パイプの断面積の４５−５５％と４０−６０％の断面積を有するブレードが、パイプの直径の約５０％のノズルにおいて、優れた結果が得られた。特に閉鎖された（水が大気に放出されない）システムにおいて、得られた。
他の実施例においては、この高効率は、特殊なブレードの形状、例えばコーン型のブレードあるいは高度に流線型のブレードで、得られた。この高効率は、低圧差圧が最大５気圧の時に得られた。
【００１１】
多くの種類の流速の状況においては、ブレードの枚数対ノズルの直径に対する理想的な比率は、５０ｍｍの直径当たり１５枚のブレードの時である。その許容範囲は±３枚で、更には±６枚である。これは、パイプの直径の５０％の直径を有するノズルの場合である。
【００１２】
図２は、図１の対称系のノズルよりも小さな高速領域６を有する不規則形状のノズル５のＣＦＤシミュレーションを表す。
【００１３】
図３は、この実施例の場合、水である流体を介して、流体のジェット流をブレードに当てることにより、エネルギーの損失を減らす方法と装置を示す。パイプ９が水をタービンに運ぶ。
この発明の概念は、ノズルを最適のベクトル（方向）でブレードに最も近づけることである。ノズルを保持している構造物の湾曲した下流側端部１０により、ジェット流に最も近づいて配置できる。このノズルは様々な形状の構造物から保持される。重要な部分は、ノズルそのものの配置場所である。これにより、従来のノズルの配置１２に近づく。水流がブレードに当たる角度は４５度以上であり、更に好ましくは６０度以上である。これは、ノズルの配置位置をブレードの方向に合わせることにより、行うことができる。これにより、位置１１，１３に示すより、直接ベクトルに沿って力が発生することになる。
【００１４】
パイプ内のタービンの前後の圧力を減らす為に、本発明の方法は、マイクロプロセッサへの以下の入力指示を行うことにより、制御する。ノズルサイズ、ノズル形状、ノズル方向、ノズル構造物の形状、入力圧力、出力圧力、パイプの角度、パイプのサイズ、ヘッドの量、流速、流体密度、発電機の回転速度、ブレード状のカップの数、ブレードの種類である。
【００１５】
あらゆるノズルは、ある程度のバックアップを構成するために、特定の場所への水の流れから発電するシステムの構成は、これによりバックアップのない点から平行なバイパスが開始するが、この様なタービンを構成する最適な方法である。これを以下説明する。本発明のシステムの独自性は、この様な点から得られたものである。
【００１６】
図４は、ガイドベーン付のノズルを示す。この種のノズルは、カップ型又はプロペラ型のブレードに使用される。ノズル１４は、少なくとも２個のサブノズルに分割される。前記ノズル又はサブノズルは、下流方向から角度の付いた出口１５を形成する。カップの場合には、ノズルは、ブレードの後部部分１６上の線の方向を向いている。ノズル構造体の下流側エッジは、カップの周囲でテーパ状をしているか、別の形状をしている。
【００１７】
図５は、オフ・センターのタービンの周囲部分を有する中心にあるノズルを示す。ノズル１８は、上流側から中央部に対称に配置されており、タービンのスペースの外側周囲の方向を向いている。これは、タービン１９の周囲にパイプの下側部分が配置されているからである。これにより、周囲でのブレードの当たる流速を増加させる。一実施例においては、タービン・チェンバ内のパイプの下側部分は、ブロックされている。
【００１８】
図６は、軸方向タービン２１で使用されるノズル２０を示す。この構成の利点は、回転するカップにより、より高い流速の領域がなくなることはないことである。これは、従来の軸方向流タービンとは異なる。これは、外部パイプを細くなることに関連するが、パイプ内でノズル構造が狭くはなることには関連していない。
【００１９】
図７は、ノズル置換システムを表す。これは他の発明とも関連している。その理由は、パイプ内のタービンの構成要素の間の複雑な相互作用により、流れが変化する状態に合わせて、ノズルを容易に置換できるようになるからである。例えば、雪解け水による春の速い水の流れであり、特にノズルは、流れの条件に会うのに必須の部分だからである。タービンより上流側部分のタービンのシェル内のラッチ２２は、ノズルを置換するポイントとして機能する。この様なラッチ２２は、様々な方法でその場所にロックされる。
【００２０】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
【符号の説明】
【００２１】
１  パイプ
２  ノズル
３  領域
４  カップ
５  ノズル
６  高速領域
９  パイプ
１０  下流側端部
１１，１３  
１２  ノズルの配置
１４  ノズル
１５  出口
１６  後部部分
１８  ノズル
１９  タービン
２０  ノズル
２１  軸方向タービン
２２  ラッチ
【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】
2012528272.tif 000008
【図７】
2012528272.tif 000009
【国際調査報告】
2012528272.tif 000010
2012528272.tif 000011