JP5522406B2 - タービン組立体 - Google Patents

Description

本発明は、発電のために使われることができるタービン組立体に関する。このタービン組立体は、風または水のような流体流動によって起動することができる。より詳しくは、このタービン組立体は動的水エネルギを活用する水力発電システムに使われることができる。

発電用のタービンは、公知技術である。特許文献１は、垂直出力シャフト上のハウジング内の回転のために搭載される水タービンを備えた波浪起動発電装置に関連する。このハウジングは、バックパネルおよび対向する側および接近する波に向かって、ハウジングにそれらを向けるのに適している水ノズルを形成する上下の表面を含む。波スプリッタが、水タービンのブレードの接面に直接対向して各接近する波の一部を方向付け、一方、別の波部分がハウジングのバックパネルに対向して方向付けられて、対向する水タービンブレードの接面に対向して向け直される。

タービンは、発電機の加重フライホイールに操作的に接続されるシャフトに取り付けられることができる。

特許文献２は、三日月形の形状のチューブ状デフレクタベーンの取り囲む連続によって適所に保持されるフレームで支えられる立軸風力タービンに関連する。ベーンは、風を集結させるタービンのコアまたはハブの方へ広がる。風は、タービンの中空内部に入ることで一時的に閉じ込められる。タービンを支持するシャフトは、次いで差動ギヤボックスと結合されるドライブシャフトに、連結される。ブレーキおよびホイールプレートカップラを介して発電機に電力を運ぶ差動ギヤボックスに連結される一対のスプリット形車軸ドライブシャフトも、また設けられる。

特許文献３は、流体の流れの方向に直角に取り付けられるエアフォイル形状のブレードを備えた長尺タービンを記載する。このタービンは、流体流れの方向にかかわりなく同方向に回転する。関連した特許文献４は、螺旋形形状に配置されるブレードを備えた同様のタービンを記載する。螺旋形設計は、潮流および流動による発電のために使われて、発明者Ａｌｅｘａｎｄｅｒ ＧｏｒｌｏｖにちなんでＧｏｒｌｏｖ螺旋形タービンと称される。

従来技術に関して、タービン構造が不必要に複雑で、タービンを製造するのに困難で高価にしていることが分かっている。タービンと発電機との間の接続もまた、特に特許文献５および特許文献６に関して構造が複雑になることが見いだされた。

米国特許第５００９５６８号 米国特許第５６６４４１８号 米国特許第５４５１１３８号 米国特許第５４５１１３７号 米国特許第５，００９，５６８号 米国特許第５，６６４，４１８号

構造において単純で動作において効率的であるタービン組立体を提供することが、本発明の一目的である。

タービン組立体用のブレード組立体を提供することが、本発明の更なる一目的である。

既存のタービンおよびタービンブレード組立体に有用な代替物を公衆に提供することが、本発明のなお更なる一目的である。他の目的は、以下の記述から明白であろう。

唯一の形態、または、実際に最も広い形態である必要はないが１つの形態において、本発明はブレード組立体および発電機を備えたタービン組立体にある。ブレード組立体は、内側キャビティまたは空洞で終端する湾曲したブレードの各々の内端を備えた複数の湾曲したブレードを有する。内側キャビティまたは空洞は、片側で開いている。発電機は、内側キャビティまたは空洞内に設置されて、ブレード組立体に連結されるかまたは取り付けられる。

キャビティは、適切に密封されて、発電機用のエアポケットを形成する。キャビティは、油または空気のような絶縁体流体によって充填されることができる。

ブレード組立体は、発電機の嵌合シャフトと雄雌型関係またはスピゴットおよびソケット関係で係合することができる中央ハブを適切に有する。好ましくは、ブレード組立体の中央ハブは中空内部を有して、したがって好ましくは中実でありソケット用の嵌合スピゴットを形成する発電機のシャフトとの係合のためのソケットを形成する。しかしながら、発電機シャフトがブレード組立体の中央ハブのスピゴットと係合するためのソケットを有することもまた、可能である。

ブレード組立体はしたがって、発電機シャフトに着脱自在に結合されることができ、および、したがって、ブレード組立体ハブと発電機シャフトを相互接続する適切なファスナが設けられることができる。

上記の配置のいずれかにおいて、理解されるであろうことは、ブレード組立体が発電機の中央シャフトを回転させて、したがって、従来の方法で電流を発生させることである。

ブレード組立体のブレードの各々は、適切に円弧状であり、流体の衝撃に直面する凹面を形成する。対向する表面は、凸状かまたは平らでもよい。好ましくは、ブレードの各々はそれらの長さに沿って一様な幅または横断方向の寸法を有するが、しかし、これは重要でない。各ブレードは、流体圧力の下で膨張するようにたわんで、逆の圧力の下でしぼむ柔構造を有することができる。

各ブレードは、回転軸に対してある角度で適切に定められることができる。適切なピッチ（傾斜度）は、４５度である。ピッチは、ブレードの一端から他端まで変化することができる。

発電機は、周知のように直流または交流を生成するのに用いられることができる。発電機は、また、電気か、水力かまたは空気式でもよい。

参照が、添付の図面に示すように本発明の好ましい実施態様になされることができ、そこにおいて、

本発明のタービンの斜視図である。 本発明のタービンの分解斜視図である。 図１内に示されるタービンの断面図である。 図１内に示されるタービンの概略平面図である。 本発明のタービンの第２の実施態様の斜視図である。 本発明のタービンの第３の実施態様の斜視図である。および、 海または河床上の図１内に示されるタービンの搭載を示す図である。

図１内に示されるタービン組立体１０は、複数のブレードまたはベーンを備えたブレード組立体１１を有する。ブレード組立体１１の各ブレードは、図４に最も明らかに示されるように、弧状形状を有して、内側キャビティ１４で終端する。各ブレードは、流動を捕える凹接面１２および凸状の対向する表面１３を有する。ブレード組立体１１は、内側キャビティ１４で終端して、ブレードの外端部に延在するフランジ１７に乗る。

ブレード組立体１１は、ブレード組立体１１と共に回転する中央シャフト１５を含む。シャフト１５は、図３に最も明らかに示すように、内側キャビティ１４内に収容される発電機２０の回転中央シャフト１６に連結する。図２の分解図に示すように、発電機２０は基部２１に固定されている。これは、溶接２３によって保持されるフランジ２２によって都合よくなされることができる。ボルトまたはねじのようなその他の従来の固定手段もまた、使われることができる。

シャフト１５は都合よく、発電機２０のシャフト１６上のキー２４に嵌合するキーみぞ（見えない）を備えた中空である。キー２４およびキーみぞは、シャフト１６が発電機２０を動作させるためにブレード組立体１１と共に回転することを確実にする。発電機２０によって生成される電流が要求どおりに導通されることができるように、発電機２０は図２に示すように電気伝導体２５および２６を備えている。

図３を参照して、タービン１０の詳細が、断面図で示される。従来の発電機２０は、電磁石２８を搭載するケース２７から成る。シャフト１６上のコイル２９が、磁石２８によって形成される磁界内で回転して導体２５、２６へと流れる電流を発生させる。発電機２０は、ブレード組立体１１の内側キャビティ１４によって形成される空洞内に位置する。タービン１０が水中の使用のために構成される場合には、発電機２０が発電機２０の防水処理を設けることを必要とせずに動作させることができるように、内側キャビティ１４は防水で、空気、ガスまたは油で充填されることができる。流体（空気、ガスまたは油）の陽圧が、遅い速度で流体をキャビティにポンプで送りこむことによってキャビティ内に維持されることができる。

図３に明らかに示すように、キャビティ１４は底で開いており、および、発電機２０がキャビティ内にあるように、ブレード組立体は発電機２０をおおって位置する。理解されるであろうことは、発電機２０は単にブレード組立体１１を取りはずして、基部２１から発電機２０を分離して、新しい発電機を再組み立てすることによって容易に交換されることができることである。

動作中に、タービン１０は流体流れゾーン内に配置される。流体流れゾーンは、河川流または海流のような水流ゾーンであってもよい。タービン１０はまた、空気流（風）による発電のために構成されることができるが、しかし、発明者は河川流および海流が風よりはるかに信頼性が高いと認識する。図４内に、流体流れの方向が矢印Ｂによって示される。流体は、各ブレード１１の凹面１２および凸面１３に対向して流れる。凹面および凸面に対する力の間に圧力差があり、ブレード組立体１１を湾曲した矢印Ａによって示される方向に回転させる。複数の従来技術タービンとは異なり、タービンブレードを介して流体の流れを制御するためにハウジングを設ける何の必要もない。流体流れを有する箇所に、タービン１０は単に配置され、および、タービンは回転する。実際、理解されるであろうことは、タービンは流体流れの方向にかかわりなく同方向に回転することである。

図５は、ブレード組立体５１がシャフト１５に関してピッチを備えたブレードを有するタービン５０の第２の一実施態様を示す。発明者は約４５度のピッチが適切であることを見いだしたが、しかし、本発明はこの特定の角度に限られていない。実際、実質上任意のピッチがタービン１０の流体力学を補助する。最良のピッチ角は、特定の具現に依存する。さらに、ピッチはブレードの一端から他端まで変化することができる。たとえば、ピッチはシャフト１５の近くで小さく、ブレードがシャフト１５から離れて延在するにつれて増大してもよい。

図５内に示される実施態様のブレードは、ブレードの上部を先導するブレードの下部によるピッチを有する。この構成はある程度の上方への揚力を与え、それは有利であることができる。ピッチはブレードの上部が下部を先導するように反転されることができ、それはある程度の下方への揚力を発生させる。

印加力に従い形状の調整される動的なブレードから、ブレード組立体６１が形成される図６内に、タービン組立体６０の更なる一実施態様が示される。印加力の下で帆のように膨張する６２のような、区分されたブレードによって、これは達成されることができる。流体流れに面する凹面側を有するブレードが、流体流れをよりよく捕えるために図６に示すように膨張する。残りのブレードは、非膨張形にしぼむ。他の構造物は、凹面側上のたわまない骨組に対向して適合される弾性的に変形可能なブレードを含むことができる。流体圧力は、示すようにブレードを膨張させるであろうが一旦回転されると変形されてない形状へ戻って収縮するであろう。回転の反対側で、骨組は変形を防ぐであろう。

ブレード組立体のブレード用の適切な材料は、プラスチックまたはアルミニウムのような金属を含む。タービン組立体は、押出し成型、ブロー成形または鋳造によって製造されることができる。

図７は、図１の実施態様、図５の実施態様または図６の実施態様の形態であることができる一対のタービン組立体７０を示す。複数のタービン組立体が、発電ステーションを共に形成する。基部７１は、海底７２または河床の近くに取り付けられ、そこで各基部７１が、くい７３およびチェーン７４で支えられる。必要に応じて、基部７１はタービン７０の浮動を容易にするために中空かまたは浮く材料から作られることができる。基部７１が中空の場合、タービン組立体を沈めるために水で充填されるかまたはタービン組立体を揚げるために空気で充填されることができる。それがタービン組立体のクレーン回収または配置を補助するので、水または空気で基部を充填することは特にメンテナンス目的のために有効である。

水または空気で基部７１を充填することは、また、最大流動流れ内に配置されるべきタービン組立体の深さを調整するために有効であることができる。水を基部に加えることは、それをより低いレベルに沈ませるであろう。水を変位させるために空気を基部にポンプで送りこむことは、基部をより高いレベルに浮かせるであろう。空気でポンプ送りするかまたは水を入れることによって、タービン組立体が最大流動ゾーン内に配置されるように、基部のレベルが変えられることができる。

発明者は、このプロセスがさまざまな深さに流量センサを配置して、最も強い流れを有する深さにタービン組立体を自動的に再配置することによって自動化されることができると構想する。

理解されるであろうことは、空洞またはキャビティ１４が空気で充填されることができ、および、したがって、ガスまたはイオンがキャビティ１４内で発電機２０によって生成される電気の副産物として形成されるかもしれない可能性があるということである。キャビティを乾いたままに保つためにキャビティ１４が追加の空気を必要とする場合、空気圧縮機陸岸側に接続されるであろう単純な空気ホースによって、空気が供給されることができる。空気を供給するホースは、陸岸側から導体２５および２６を伴うことができる。発電機２０は、キャビティ１４内の腐蝕の要素（例えば海水）に合理的な抵抗を有するであろう。

汚染が生じない海中の水力発電ステーションとして、本発明のタービンがきわめて有益に使われることができると考えられる。また、海洋の潮流または流動が予測可能であると信じられ、および、これは本発明のタービンの良好な動作を確実にする。

当業者は、発電ユニットを電力網に接続するときに、さまざまな問題が生じると認識するであろう。この問題は風力発電機のような発電のさまざまな他の形式に対して対処されてきた。適切な変圧器および位相整合装置が発電ステーションの近くに位置するであろうが、水中ではないであろうことが構想される。例えば、海中用途において、変圧器は、海岸線に置かれるであろう。

フェイルセーフブレーキのようなさまざまな安全装置および過電流保護が実装置用のタービン組立体内に組み込まれることもまた、当業者に理解されるであろう。これらの装置は周知であり、簡潔さのために省略されている。

発電機２０は、また、ブレード組立体１１の回転による振動に抵抗するためにそれとともに支持体を結合させることもできる。振動の制御は、タービン技術者にとって周知であり、本発明の効果的な動作のために必要に応じて実施される。

記述が発電機の主要な実施態様を記載したとはいえ本発明がこの特定の具現に限られていないと認められなければならない。発電機２０は、運動エネルギを他の有効なエネルギに変換する任意の適切な装置であってもよい。したがって、発電機は水力または空気式でありえる。

要約すると、理解されるであろうことは、本発明のブレード組立体は構造が単純で、ブレード組立体の開いている空洞またはキャビティ内に設置される発電機への直接結合を有するということである。

１０ タービン組立体
１１ ブレード組立体
１２ 凹接面
１３ 凸面
１４ 内側キャビティ
１５ シャフト
１６ 発電機のシャフト
１７ フランジ
２０ 発電機
２１ 基部
２２ フランジ
２３ 溶接
２４ キー
２５、２６ 電気伝導体
２７ ケース
２８ 電磁石
２９ コイル
５０、６０ タービン組立体
５１、６１ ブレード組立体
６２ 区分されたブレード
７０ 一対のタービン組立体
７１ 基部
７２ 海底
７３ くい
７４ チェーン

Claims (18)

1. 流体流れを有する箇所に露出した状態で配置されるタービン組立体であって、
   開放側を有するキャビティで終端する湾曲したブレードの各々の内端を備えた複数の前記湾曲したブレードを有するブレード組立体と、
   前記キャビティ内に設置されて、かつ前記ブレード組立体に連結される発電機と、を備え、
   前記キャビティ内に、空気またはガスが充填される、組立体。
2. 請求項１に記載のタービン組立体であって、さらに、前記発電機のシャフトと連結する前記ブレード組立体内の中央ハブを備える組立体。
3. 請求項２に記載のタービン組立体であって、前記中央ハブが、前記発電機の前記シャフトと着脱自在に連結する、ことを特徴とする組立体。
4. 請求項２に記載のタービン組立体であって、前記中央ハブが、前記発電機の前記シャフトの上に適合して、かつ係合するソケットである、ことを特徴とする組立体。
5. 請求項２に記載のタービン組立体であって、さらに、前記中央ハブが、前記発電機の前記シャフト内のソケットに嵌挿して、かつそれを係合するスピゴットである、ことを特徴とする組立体。
6. 請求項４または５に記載のタービン組立体であって、さらに、前記ソケット上のキーみぞを係合する前記シャフト上のキーまたは前記シャフト上のキーみぞを係合する前記ソケット上のキーを備える組立体。
7. 請求項１に記載のタービン組立体であって、前記ブレード組立体が、前記キャビティから前記ブレードの外端部まで延在するフランジを更に備える、ことを特徴とする組立体。
8. 請求項１に記載のタービン組立体であって、前記湾曲したブレードが、凹面および対向する凸面を有する、ことを特徴とする組立体。
9. 請求項１に記載のタービン組立体であって、各湾曲したブレードが、その長さに沿って一様な幅を有する、ことを特徴とする組立体。
10. 請求項１に記載のタービン組立体であって、各湾曲したブレードが、流体圧力の下で膨張するようにたわんで、かつ逆の圧力の下でしぼむ動的構造を有する、ことを特徴とする組立体。
11. 請求項１に記載のタービン組立体であって、各湾曲したブレードが、回転軸に対してある角度で定められる、ことを特徴とする組立体。
12. 請求項１１に記載のタービン組立体であって、前記ブレードの傾斜角度が、４５度である、ことを特徴とする組立体。
13. 請求項１１に記載のタービン組立体であって、前記ブレードの傾斜角度が、前記ブレードの長さに沿って変化する、ことを特徴とする組立体。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のタービン組立体を２つ以上備えた発電ステーションであって、各タービン組立体が、開放側を有するキャビティで終端する湾曲したブレードの各々の内端を備えた複数の前記湾曲したブレードを有するブレード組立体と、前記キャビティ内に設置されて、かつ前記ブレード組立体に連結される発電機と、を備えるステーション。
15. 請求項１４に記載の発電ステーションであって、さらに、各タービン組立体上に中空基部を備えるステーション。
16. 請求項１５に記載の発電ステーションであって、前記中空基部が、浮く材料で充填される、ことを特徴とするステーション。
17. 請求項１５に記載の発電ステーションであって、水中にある時、前記中空基部が前記発電ステーションの深さを調整するために空気または水によって充填可能である、ことを特徴とするステーション。
18. 請求項１４に記載の発電ステーションであって、さらに、水中にある時、海または河床に前記発電ステーションを固定するための手段を備えるステーション。

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