JP5785181B2 - タービン - Google Patents

Description

本発明は、流体の流れからエネルギーを得るタービンに関し、より詳細には、風力タービンに関する。しかしながら、本発明は、水力タービンにも適用されるものである。

風、流れる川、そして潮流などの流れる流体のエネルギーは、二酸化炭素のような汚染排出物を生じることなく、例えば、電力を生み出すことができるエネルギー源である。現在、風または他の流体の流れから、効率的かつ経済的に、電気エネルギーを発生させることができる装置が必要とされている。現存する商業用および工業用の装置でさえ、純粋な経済的および商業的な基準で正当化することを非常に困難とする過度の償却期間を抱えている。

風力タービンには、主たる２種類として、風が回転軸線に沿って吹き、回転するブレードにより形成された「翼車」を通過する水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）と、風が回転の軸に対して垂直となる垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）とがある。

ＨＡＷＴは、一端において回転ハブに取り付けられた複数の長いブレードを備えるプロペラ構造である。ＨＡＷＴが回転すると、各々のブレードに作用する見かけ上の風向は、最高の性能を引き出すために捩じられたブレードに沿って変化する。現在、ブレードの長手方向外側の３分の１の範囲だけで大部分の動力を発生させていることは、受け入れられているようである。より大きなサイズのＨＡＷＴは、設計上および設置上の大きな問題を有するとともに、騒音が大きいという問題もある。

ＶＡＷＴは、米国特許第1,835,018号に、ジョルジュ・ジャン・マリー・ダリアス（Georges jean Marie Darrieus）によって最初に記載されたダリアスデザインにより例証される。このタービンは、風向きに対して垂直に延びる軸線周りに回転する回転軸を備えている。このタービンは、回転軸に機械的に接続された複数のブレードを備えている。これらのブレードは、回転軸と同心の円に接する軸線の方向に沿って延びる流線型部分を有している。タービンを横切って吹く風は、横向きの推力を発生して、回転軸に回転力を生じさせる。

オランダのロッチェムにある有限会社タービー（Turby B.V）とＸＣ０２クワイエットレボリューション（XC02/Quiet Revolution）による最近の設計のＶＡＷＴ（英国特許出願第2404227号）は、長手軸線周りに回転する３枚のブレードを有し、ブレードの上端および下端は互いに水平方向にオフセットしており、各々のブレードが螺旋形状である。垂直軸風力タービンの他の設計は、特開2008-025518号公報、国際公開第2006/039727号、国際公開第2002/095221号、独国特許第2444803号、独国特許第2451751号、米国特許出願公開第2003/0209911号および国際公開第2006/095369号に開示される。

米国特許第1,835,018号明細書 特開2008-025518号公報 国際公開第2006/039727号パンフレット 国際公開第2002/095221号パンフレット 独国特許第2444803号明細書 独国特許第2451751号明細書 米国特許出願公開第2003/0209911号明細書 国際公開第2006/095369号パンフレット

本発明は、流体の流れからエネルギーを得るタービン、より詳細には、風力タービンを提供する。このタービンは、
回転軸線と、該回転軸線の周りに回転方向に向けた回転のために配置され、前記回転軸線と実質的に平行な方向を長手方向として延びる複数のローターブレードと、を有するローターと、
使用時において、いくつかの前記ローターブレードを、流入する流体の流れから遮蔽するよう配置されたシールド部材で、これらローターブレードへの前記流体の入射が回転方向への前記ローターの回転とは反対に作用するものであるシールド部材と、を有し、
前記ローターブレードは前記ローターの円周方向に分散するとともに前記回転軸線から離間して配置されて、前記タービンの使用時に前記流体の流れが通過する実質的に円筒状の空間を前記ローターの内部に画定し、
前記シールド部材は径方向内側面と径方向外側面とにより画定され、前記径方向内側面は前記ローターの円周の一部を実質的に辿っており、
前記シールド部材の前記径方向外側面は前記径方向内側面に連なる第１の部分を備え、前記径方向内側面に連なる領域において、前記第１の部分は、前記ローターの径方向に対して、反回転方向に、０度以上９０度以下の角度を成す第１の方向に延び、
前記シールド部材の前記径方向外側面は前記第１の部分に連なる第２の部分を備え、前記第１の方向と、少なくとも前記第２の部分の表面の一部を辿る第２の方向とが成す角度が、反回転方向に、０度超であることを特徴とする。

上記のように定義された構成を有するタービンが、従来品と比較して、優れた出力と効率とを有することが見出された。特に、従来品の多くは、タービンを通過するファンネル気流によるヴェンチュリー効果に依存している。本発明の設計は、少なくとも好適な本実施の形態において、装置に入って通り抜ける流体を加速するシールド部材の領域の中に、高圧の領域をつくる。タービンの中央が開いていることにより、流体がローターに入った際と、流体がこのローターから出る際との二度にわたって、各々のローターブレードは流体と相互に作用することができる。これによって、タービンが、流体からのエネルギーを最大限に引き出すことができる。

シールド部材の径方向内側面は、ローターの円周の一部を辿る。しかしながら、シールド部材の径方向内側面が、径方向内側面の全ての範囲に沿ってローターの円周を辿ることは可能ではあるが、必要ではない。したがって、径方向内側面は、例えば、その風下側において、ローターの周方向から分岐することができる。

第１の方向とローターの径方向との間の角度は、０度超、望ましくは１５度超、好ましくは３０度超、より好ましくは４５度超、さらにより好ましくは６０度超とすることができる。第１の方向とローターの径方向との間の角度は、９０度未満、好ましくは８５度未満、より好ましくは８０度未満とすることができる。第１の方向とローターの径方向との間の角度の好適な範囲は、６０度と８０度の間である。

第１の方向と第２の方向との間の角度は、４０度超、好ましくは６０度超とすることができる。第１の方向と第２の方向との間の角度は、１００度未満とすることができる。第１の方向と第２の方向との間の角度の好適な範囲は、６０度と１００度の間である。第２の部分は、第１の方向の逆方向に対して、反回転方向に、１８０度超の（最大の）角度を作る第２の方向に延びると考えることができる。

シールド部材の径方向外側面は、第２の部分に連なる第３の部分を備えることができる。第３の部分の少なくとも一部は、第２の方向に対して、回転方向に、０度超の角度を作る第３の方向に延びることができる。このように、第３の部分の少なくとも一部は、第２の方向の逆方向に対して、反回転方向に、１８０度未満の角度を作る第３の方向に延びることができる。第２の方向と第３の方向との間の角度は、９０度未満、好ましくは６０度未満とすることができる。第２の方向と第３の方向との間の角度は、３０度超とすることができる。第２の方向と第３の方向との間の角度の好適な範囲は、３０度と６０度の間である。第３の部分が特に短い特定の実施形態では、第２の部分と第３の部分との間の角度は９０度超とすることができる。シールド部材の径方向外側面が湾曲する場合には、湾曲面の関連する部分の正接を参照することで、第１の方向および／または第２の方向および／または第３の方向を決定することができる。このように、本発明によれば、関連する方向の必要条件を満たす少なくとも１つの正接をそれぞれ有する湾曲面が選択される。

第３の部分は、ローターの半径の半分超、且つ、ローターの半径の３倍未満の長さを有することができる。好ましくは、第３の部分はローターの半径の７０％超の長さを有し、より好ましくは、第３の部分はローターの半径超の長さを有する。好ましくは、第３の部分は、ローターの半径の２倍未満の長さを有する。第３の部分は、ローターの半径未満の長さを有することができる。第３の部分（尾部）の適当な長さの決定においては、タービンの出力と、装置全体の安定性および製造性との間のトレードオフが存在する。

ローターブレードは、横断面が円弧形でもよい。ここでの円弧形とは、単に、ローターブレードが何らか湾曲していることを意味しているに過ぎず、ローターブレードが円の弧で形成されていることは、可能であるが、これを意味するものではない。後端面が凹状である、湾曲したブレードの設計は、流体の流れを「捕える」のに効果的である。同様に、ローターブレードの凸状の先端面は、タービンの中に流体の流れを導くことができる。

ブレードは、ローターの径方向に対して傾けることができる。したがって、ブレードの円弧状横断面の両端の間の弦線は、ローターの外向きの径方向に対して、反回転方向に、０度超、且つ、４５度未満の角度を成すことができる。「弦線」という用語の使用は、ブレードが円の弧によって形成されることを意味することを目的としない。但し、ブレードが円の弧によって形成されることは可能である。ローターの径方向に対する弦線の角度は、５度超、好ましくは１０度超とすることができる。ローターの径方向に対する弦線の角度は、４０度未満、望ましくは３５度未満、好ましくは３０度未満、より好ましくは２５度未満、さらにより好ましくは２０度未満とすることができる。ローターブレードの全てが、サイズ、位置または向きにおいて同一である必要はないが、このようにすればタービンの設計および製造が簡素化される。本発明の特定の実施例では、ローターブレードは、螺旋形の外形を有することができる。したがって、ブレードの長手方向は、タービンの回転軸線と平行な方向だけでなく、回転軸線の接線方向についても延びて、螺旋を画定することができる。

概して、タービンは、５枚超で１９枚未満のローターブレードを備えることができる。望ましく、タービンは、７枚以上のローターブレードを備えることができる。望ましく、タービンは１７枚未満のローターブレード、好ましくは１５枚未満のローターブレード、また、より好ましくは１３枚未満のローターブレード、さらにより好ましくは１１枚未満のローターブレード、最も好ましくは９枚未満のローターブレードを備えることができる。フルサイズ製品のプロトタイプにおける現在の好適なタービンデザインは、８枚のローターブレードを備えている。

ローターの径方向におけるローターブレードの範囲は、ローターの半径の１０％超、且つ、ローターの半径の５０％未満とすることができる。望ましくは、ローターの径方向におけるローターブレードの範囲は、ローターの半径の１５％超、好ましくは２０％超、より好ましくは２５％超とすることができる。望ましくは、ローターの径方向におけるローターブレードの範囲は、ローターの半径の４５％未満、好ましくは４０％未満とすることができる。

タービンは、実質的円筒状空間の内部に、流れ案内部材を備えることができる。流れ案内部材は、実質的円筒状空間の外周の一部を実質的に辿る径方向外側面を備えることができる。流れ案内部材は、径方向外側面を実質的に反転させた径方向内側面を備えることができる。

タービンは、シールド部材と境を接するローターの半径が、タービンローターへの流体の流れの入射方向に対して、度以上４５度以下の角度（風角度）を作るように構成されることができる。風角度は、０度超、好ましくは５度超、より好ましくは１０度超とすることができる。風角度は、４５度未満、好ましくは３５度未満、より好ましくは２５度未満とすることができる。風角度の好適な範囲は、１０度と２５度の間である。

本発明を説明するための装置の平面図である。 図１に示す装置の一部の横断面図である。 図２ａに示す装置の一部の変形例の横断面図である。 本発明を説明するための装置の平面図である。 本発明の実施の形態であるタービンの概略平面図である。 本発明の他の実施の形態であるタービンの概略平面図である。

流体の流れを回転運動に変換する装置１００は、風力タービンの形で、図１に示される。推進ブレード（推進羽根）は回転の軸線に沿って延び、この回転の軸線は地面から垂直に突出している。このように、この装置は、垂直軸風力タービンである。流体の流れの方向と図１の装置の回転の軸線とは、互いに垂直である。この装置は、風の運動エネルギーを回転軸のトルクに変換する、１つの回転要素を有する単純な配置の形とすることができる。

図１に示されるように、装置１００は、周囲に複数のブレード１０４が接続された回転軸１０２で構成されるローターを備えている。ブレード１０４は、ディスク１０１によって回転軸１０２に接続されている。ディスク１０１は、回転軸１０２と同心にして、これに接続されている。ブレード１０４の横断面は、凸状の先端面と凹状の後端面とを備える円弧形である。各ブレード１０４は、回転軸１０２から半径方向に等距離に配置されており、また、各ブレード１０４は周方向に互いに等間隔で離間して配置される。ブレード１０４の長手方向軸線は、実質的に回転軸１０２と平行に延びている。ブレード１０４は全て同一形状で、直線状である。ブレードは、回転軸線に沿って延びつつ、この回転軸線周りに捩れる、螺旋形であってもよい。また、ブレードは、回転軸線に沿って延びつつ、この回転軸線の方へ延びる形状であってもよい。

流体の流れから電力を発生させるために、回転軸１０２を、発電機または他の発電装置に接続することができる。あるいは、回転軸１０２を、動力または動力と発電の組み合わせとして用いることもできる。

ブレード１０４の横断面形状は、図２ａに示される。ブレード１０４は、両端またはエッジ１０５に向けて先細りになる、湾曲した（円弧状の）輪郭を有する。端から端までの間で、上側（先端側）面すなわちキャンバー１０６は、下側（後端側）すなわちキャンバー１０８よりも長くなっている。このように、各々のブレード１０４は、翼形状の横断面を有している。本実施の形態においては、ブレード１０４は、弦１０７に垂直な方向について対称形である。弦１０７または軸線は、ブレード１０４の両端１０５の間に延び、または両端１０５の間に画定される直線である。ブレード１０４は、各々のブレードの弦または弦の軸線１０７が、装置１００の回転軸線を通過するように配置することもできるが（図１の線１１３）、このような配置は好ましくない。

図２（ｂ）には、ブレードの断面形状の変形例が示され、前述したのと同様の特徴部分には同一の符号が付されている。各々のブレード１０４の両端を尖らせる代わりに、両端１２０は面取りされている。

図１の実施例では、ブレードの向きは、矢印１１２によって示される時計回り方向に装置を回転させる向きとされている。このようなブレードの向きでは、全てのブレード１０４が、装置１００を所望の方向に駆動するわけではない。図１の実施例において、「x」の印が付されたブレードは、抵抗力を生じるとともに、ディスクを逆方向（反時計回り方向）に駆動する方向の力を発生する。非常に一般的な条件においては、「a」の印が付されたブレードは、「b」の印が付されたブレードのように、装置を時計回り方向に駆動する方向の力を発生する。抵抗力を生じるとともに装置を反時計回り方向に駆動する方向の力を発生するブレード「x」は、１４５°と２５５°との間の角度範囲θ_xに位置する。装置を時計回り方法に駆動するブレード「ａ」は、２４５°と３５°との間の角度範囲θ_ａに位置する。装置を時計回り方法に駆動するブレード「ｂ」は、３５°と１４５°との間の角度範囲θ_ｂに位置する。このように、２５０°の範囲に亘るブレードが、時計回り方向に装置を駆動する。

現在主張する本願発明の範囲外にある図３（図１と同様の特徴部分には同一の符号を付してある。）に示す装置では、流体の流れを案内して、所望の方向（この場合では時計回り方向）の推進力を発生する、装置１４８のブレード１０４の割合を増加させるために、ガイドまたはフィン１５０が用いられている。ガードまたはシールド１５２は、反対向きの、望ましくない方向（この場合では反時計回り方向）のトルクを発生する装置のブレード１０４の割合を減らすために用いられている。ブレード上への流体の流れの迎え角を改善または最適化するために、概して、ガイドは、回転するブレードの瞬間的または線形の移動方向に対して垂直に設置されるか、または、ブレードが接続されるディスクの円周または縁に対して垂直に設置される。シールドは、流体の流れの方向に対応した方向を向いて所望の方向とは逆向きの方向の力を発生する一部のブレードに、流体の少なくとも一部が流れることを妨げるように設けられる。本実施の形態に示されるようなガイドまたはフィンの利用は、図５と図６の実施形態で明らかにされるように、好ましくない。

シールド１５２（図３にＶ_１およびＶ_２として別々に示される）は、回転軸１０２の両側に固定される。これらのシールド１５２の内側縁１５４は、回転軸からの両端で外側に湾曲している。この形状は、流体が流れるヴェンチュリー流路を形成する。シールドＶ_１およびＶ_２の外側縁１５６は、装置の外周と平行に、内側に湾曲する。シールド１５２の外側縁１５６と装置の外周との間の空間は、ブレード１０４が通ることができる大きさである。シールドＶ_１およびＶ_２の風上側の側面１５８は、ヴェンチュリー流路に気流を導くために、それらの内側縁１５２と外側縁１５６との間で傾斜している。シールドＶ_１およびＶ_２の風下側の側面１６０は、ヴェンチュリー流路から風下側のブレードに向けて外側に気流を導くために、それらの内側縁１５２と外側縁１５６との間で傾斜している。ヴェンチュリー流路は、風上側のブレードを抜けた風を、風下側のブレードに向けて流す。本実施の形態に示されるようなヴェンチュリー流路の利用は、図５と図６の実施形態で明らかにされるように、好ましくない。

ガイドｇ_１は、タービンの風上側に設置されている。これらのガイドｇ_１は、タービンの風上側にあるブレードに、流体の流れを導く。これにより、風上側にあるブレードからの力を最大にする理想的な迎え角が得られる。ガイドｇ_１は、長手方向軸線が回転軸と平行に延びる、薄い平板部材または細長いフィンである。ガイドｇ_１は、タービンの外周に沿って互いに離間して配置される。図３の実施例では、６つのガイドが設けられている。すなわち、ガイドの数は、風上側で、シールドＶ_１およびＶ_２の間に収まることができるブレードの数に対応している。

ガイドｇ_２は、タービンの風下側の、シールドＶ_１およびＶ_２と風下側のブレードとの間に設置されている。ガイドｇ_２は、タービンの風下側だけでなく、ブレードにも流体の流れを導く。これにより、風下側にあるブレードからの力を最大にする理想的な迎え角が得られる。ガイドｇ_２も、長手方向軸線が回転軸と平行に延びる、薄い平板部材または細長いフィンである。ガイドｇ_２は、タービンの周囲で、円周方向に互いに離間して配置される。図３の実施例では、６つのガイドが設けられている。すなわち、ガイドの数は、風下側で、シールドＶ_１およびＶ_２の間に収まることができるブレードの数に対応している。

シールドＶ_３は、望ましくない反時計回り方向に装置を押す、負の方向の力を防ぐ。シールドＶ_３は、タービンを反時計回り方向に駆動するブレード１０４の外側に固定される。シールドＶ_３の内側面１６２は、タービンの外周まわりに湾曲する。チャンネル１６６は、風上側において内側面１６２から外側に広がっている。チャンネル１６６は、時計回りの回転を生じるブレード１０４に気流を導く。風下側の内側面と外側面の間の部分１６８は、空気をブレード１０４から流出させるように傾斜している。

この実施の形態は、風上側においてタービンの９０°超にわたり駆動力を与え、また、風下側においてタービンの９０°超にわたり駆動力を与え、合計でタービンの１８０°超にわたり駆動力を与える。露出した四半領域１６９（図３）（シールドＶ_１の外側縁から、径方向外側に延在する領域）では、ブレード（図２ａおよび２ｂ）の平坦側、下側またはキャンバー１０８に作用する流体圧により、推進力が与えられる。

この実施例では、装置１４８は、風見鶏のように、羽根を有する回転可能な取付け台に設置される。その結果、装置１４８は、「頭部を風に向けた状態」、つまりガイドｇ_１が風上側で、ガイドｇ_２が風下側となる状態に保たれる。

シールドＶ_１は、任意に設けられる。シールドＶ_１が設けられない場合、流体の流れが四半領域１６９のブレードを押して、更にタービン１００を周辺で駆動するので、装置の性能は高められる。

図４は、本発明の実施の形態に従う風力タービンの幾何学的配列を、平面図で概略的に例示する。タービンのローターは、その円周に等間隔に分配される８枚のブレード１０４を備えている。前述の実施の形態と同様に、ローターブレード１０４は、風が通過することができる空間をローターの内部に形成するように、上部ディスクと下部ディスクとの間で略垂直に延びている。図４では、風向は、矢印Ｗにより図式的に示される。

一部のローターは、シールドＶ３によって風から保護されている。シールドＶ３のローターに対向する（径方向内側の）面は、ローターが問題なく回転するのに充分な隙間を空けてローターの円周を辿っている。シールドＶ３の径方向外側面は、線ｒ１、ｎ、ｐおよびｑによって画定されている。線ｒ１は、ローターを画定する円の半径であり、ローターの回転方向（図４において反時計回り）についてのシールドＶ３の最大範囲を画する。

本実施の形態では、半径ｒ１の概念上の風向Ｗに対する角度Ｗｒ１（「風角度」）は、ローターの逆回転方向（図４において時計回り）に１５度である。シールドＶ３の風上の面は、線ｎによって画定されている。本実施の形態では、線ｎの風向Ｗに対する角度Ｗｎは、ローターの回転方向に９０度である。シールドＶ３の外側の面は、線ｐによって更に画定されている。本実施の形態では、線ｐの風向Ｗに対する角度Ｗｐは、ローターの回転方向に３０度である。したがって、図４に示される実施の形態では、線ｎによって画定されるシールドＶ３の面と線ｐによって画定されるシールドの面とが成す角度ｎｐは、ローターの逆回転方向に６０度である。風向とシールドＶ３の風上側の表面ｎとが成す角度Ｗｎが増加すると、シールドＶ３の前端面は、ローターブレード１０４へ空気を導くのに、風に対して、より能率的な面となる。しかしながら、通常、線ｎと線ｐとの交差点の近くで生成され、ローターの周りよりむしろローターを通過させるように空気を促す高圧領域が、シールドにとって望ましいことが見出された。

シールドＶ３は、線ｑの方向に、ローターから離れるように延びる、尾部Ｖ５を備えている。本実施の形態では、線ｑはローターの半径に平行であるので、尾部Ｖ５は一定の幅を有する。尾部Ｖ５は、シールドＶ３の周りの風の流れに対する抵抗を増やして、シールドＶ３により生成される高圧領域を増加させる。本実施の形態では、線ｐにより画定されるシールドＶ３の外側の面と線ｑにより画定される尾部Ｖ５の外側の面とが成す角度ｐｑは、回転方向に４５度である。ローターの内部に、内部シールドＶ２により、ローターを通る流線形の風の通路が形成される。内部シールドＶ２は、ローター周りのシールドＶ３、Ｖ５の範囲を画定する２つの半径の間の弧により画定されている。内部シールドＶ２の径方向外側の弧は、ローターが問題なく回転するのに充分な隙間を空けて、ブレード１０４の径方向内側端によって画定される円を辿っている。内部シールドＶ２の半径方向内側の面は、外側の面を画定している弧の両端間の弦線に沿って外側の面の輪郭を反転させたものである。

本実施の形態では、ローターブレード１０４は、円弧形で、径方向の最も内側の点と径方向の最も外側の点との間で湾曲する。径方向の最も内側の点と径方向の最も外側の点とを結ぶ直線は、図４に線ｍとして例示される。ローターを画定する円の半径とローターブレードの両端を結ぶ線とが成す角度ｒ１ｍは、この実施形態では、ローターの逆回転方向に約３５度である。この角度は、ローターの半径方向に対して、ローターブレードを後方つまり逆回転方向（回転方向とは反対方向）に傾けることによって、それが風を捕えるためにシールドＶ３から十分に出る前に、ローターブレードの先端面がローターの中に空気を案内する、という点で重要である。これが、タービンの出力をかなり強化する。

例示した実施の形態では、ローターの直径は１．６ｍである。これは試作品のサイズであり、完全なサイズのローターの直径は、約２０ｍである。試作品では、シールドＶ３の厚みは、例えば、尾部Ｖ５の遠位の先端で測定して２１ｃｍであり、また、尾部の長さは約２ｍである。

図５は、本発明の他の実施の形態に従う風力タービンの幾何学的配列を、平面図で概略的に例示する。本実施の形態では、シールドＶ３の外側の面は、図４の実施の形態より湾曲し、また、より角張っていない輪郭を有する。しかしながら、本発明に従う、シールドの幾何学的配列は、同様である。

図５の実施の形態では、タービンのローターは、円周方向に等間隔に分配される８枚のブレードを備えている。前述の実施の形態と同様に、ローターブレード１０４は、風が通過することができる空間をローターの内部に形成するように、上部ディスクと下部ディスクとの間で略垂直に延びている。

図５の実施の形態では、シールドＶ３のローターに面した（径方向内側の）面は、ローターが問題なく回転するのに充分な隙間を空けてローターの円周を辿っている。シールドＶ３の径方向外側の面は、線ｒ１、ｎ、ｐおよびｑによって画定されている。線ｒ１は、ローターを画定する円の半径であり、ローターの回転方向（図５において反時計回り）についてのシールドＶ３の最大範囲を画する。シールドＶ３の径方向外側を向く面は、半径ｒ１から、最初ローターの逆回転方向（図５において時計回り）に湾曲し、その後、方向を変えてローターの回転方向（図５において反時計回り）に湾曲する、なめらかな湾曲面を形成している。

本実施の形態では、半径ｒ１の概念上の風向Ｗに対する角度Ｗｒ１（「風角度」）、ローターの逆回転方向（図４において時計回り）に１５度である。シールドＶ３の風上の面は、湾曲面のローターの半径ｒ１に交わる部分における接線（シールドＶ３の先端の、いかなる小規模な平滑化も無視する）である、線ｎによって画定されている。本実施の形態では、線ｎの風向Ｗに対する角度Ｗｎは、ローターの回転方向に９５度である。

シールドＶ３の外面は、ローターの逆回転方向すなわち湾曲が変化する方向への、シールドの湾曲した外面の最大角範囲を示す線ｐによって、さらに画定されている。本実施の形態では、線ｎと線ｐとが成す角度ｎｐは、ローターの逆回転方向に８０度である。したがって、本実施の形態の線ｐの風向きＷに対する角度Ｗｐは、ローターの回転方向に１５度である。

前述の実施の形態のように、ローター周辺というよりむしろローターを通過させるように空気を流すシールドの構成は、線ｎと線ｐとの交差点の近くで、一般に、高圧領域を発生させるように選択されるのが望ましいことが見出された。

シールドＶ３は、線ｑの方向に、ローターから離れるように延びる、尾部Ｖ５を備えている。線ｑは、湾曲が方向を変えた後の、ローターの回転方向（図５において反時計回り）への、シールドの湾曲した外面の最大角範囲を示す。本実施の形態では、線ｐによって画定されるシールドＶ３の外面と、線ｑによって画定される尾部Ｖ５の外面とが成す角度ｐｑは、回転方向に５５度である。

図４の実施の形態に記載されるのと同様に、ローターの内部に、内部シールドＶ２により、ローターを通る流線形の風の通路が形成される。

図５の実施の形態では、ローターブレード１０４は、円弧形で、径方向の最も内側の点と径方向の最も外側の点との間で湾曲する。この実施の形態のローターブレード１０４は、凸状の先端面と凹状の後端面とを有する。径方向の最も内側の点と径方向の最も外側の点とを結ぶ直線は、図５に線ｍとして例示される。ローターを画定する円の半径とローターブレードの両端を結ぶ線とが成す角度ｒ１ｍは、この実施形態に示される場合では、ローターの逆回転方向に１５度である。

図５の実施の形態では、ローターの直径は１．６ｍである。これは試作品のサイズであり、完全なサイズのローターの直径は、約２０ｍである。試作品では、尾部の長さは約０．６ｍである。

要約すると、装置１００の原理は、固定された軸線の周りに回転するように配置されるブレード１０４の使用にあり、このブレード１０４の主軸または長軸は回転軸線に平行である。回転軸線の方向は重要ではない。しかしながら、効率を最大にするためには、回転軸線の方向を、空気の通常の流れに対して垂直にすべきである。それにより、空気は装置１００全体に流れる。気流は、回転の中心を横切る装置の直径を横切るように導かれ、または案内される。それにより、気流は、反対側にある他のブレード１０４を横切る。その後、空気は、自由大気に流出する。ブレード１０４を横切る空気の動作は、ブレード１０４の主軸に対して垂直で、適切な構造（例えば、ディスクまたはホイール）によって回転軸１０２に伝達される力を作る。そして、力はこの回転軸１０２の回転として出力される。

本発明の実施の形態では、空気は、シールド部材の物理的な構造によって、更には、シールド部材と空気を有するローターとの相互作用により形成される高低の圧力領域によって、案内される。

ローターの内部または内側は遮蔽され、または、入ってくる気流を直径または中心を横切るように案内し、最適な角度でブレードを横切るように排出するような風道を有している。各々のブレードは、ローターが１回転する間に、２つの方向から流れを受けるので、対称形のブレードの横断面は、両方向の流れを受けた際に、各々のブレードが軸に力を印加することを意味する。ブレードへの流体の流れの制御により、各々のブレードへの最適な迎え角を与える。

要約すると、流体の流れからエネルギーを得る風力タービンは、回転軸線と、回転軸線の周りに回転のために配置された複数のローターブレード１０４とを有するローターを備える。ローターブレードは、回転軸線と実質的に平行な方向に向けて長手方向に延びる。シールド部材Ｖ３は、ローターブレードへの風の入射が回転方向へのローターの回転とは反対に作用するように流入する風から、いくつかのローターブレードを遮蔽するように配置される。ローターブレード１０４は、ローターの周方向に分散するとともに、回転軸から離間して配置されて、風が通過する実質的に円筒状の空間をローターの内部に画定する。シールド部材Ｖ３は、径方向内側面と径方向外側面とにより画定される。径方向内側面は、ローターの円周の一部を実質的に辿っている。シールド部材Ｖ３の径方向外側面は、径方向内側面に連なる第１の部分を備えている。径方向内側面に連なる領域において、第１の部分は、ローターの径方向に対して、反回転方向に、０度以上９０度以下の角度を作る第１の方向ｎに延びる。シールド部材Ｖ３の径方向外側面は、第１の部分に連なる満たす第２の部分を備える。少なくとも第２の部分の一部は、第１の方向ｎに対して、反回転方向に、０度超の角度を作る第２の方向ｐに延びる。このタービンは、従来の類似の設計と比較して、出力および効率が改善された。

本発明の実施の形態は、図示された例に特に関連して記載されている。しかしながら、本発明の範囲内で、記載された実施例に変形や変更を成すことができることはいうまでもない。上記の例は、主に流体の流れが風である場合に関して記載されているが、本願明細書に記載された装置は、川や潮流における水の流れのような他の流れる流体にも用いることができる。図１と図３の装置は、その外周の周りに２４枚のブレードを有するように記載されているが、異なる枚数のブレードを用いることができる。

Claims (11)

1. 流体の流れからエネルギーを得るタービン、特に風力タービンであって、
   回転軸線と、該回転軸線の周りに回転方向に向けた回転のために配置され、前記回転軸線と実質的に平行な方向を長手方向として延びる複数のローターブレード（１０４）と、を有するローターと、
   使用時において、いくつかの前記ローターブレードを対向する流体の流れから遮蔽するよう配置されたシールド部材で、これらローターブレードへの前記流体の入射が回転方向への前記ローターの回転とは反対に作用するものであるシールド部材（Ｖ３）と、を有し、
   前記ローターブレードは前記ローターの円周方向に分散するとともに前記回転軸線から離間して配置されて、前記タービンの使用時に前記流体の流れが通過する実質的に円筒状の空間を前記ローターの内部に画定し、
   前記シールド部材は径方向内側面と径方向外側面とにより画定され、前記径方向内側面は前記ローターの外周の一部を実質的に辿っており、
   前記シールド部材の前記径方向外側面は前記径方向内側面に連なる第１の部分を備え、前記径方向内側面に連なる領域において、前記第１の部分は、前記ローターの径方向（ｒ１）に対して、該径方向（ｒ１）から第１の方向（ｎ）に向けて反回転方向に計測された、０度以上９０度以下の角度を成す前記第１の方向（ｎ）に延び、
   前記シールド部材の前記径方向外側面は前記第１の部分に連なる第２の部分を備え、前記第１の方向と、少なくとも前記第２の部分の表面の一部を辿る第２の方向（ｐ）とが成す角度が、前記第１の方向（ｎ）から前記第２の方向（ｐ）に向けて反回転方向に計測された、０度超、且つ、１００度未満であり、
   前記シールド部材の前記径方向外側面は前記第２の部分に連なる第３の部分を備え、前記第３の部分の少なくとも一部が、前記第２の方向（ｐ）に対して、該第２の方向（ｐ）から第３の方向（ｑ）に向けて回転方向に計測された、０度超の角度を作る前記第３の方向（ｑ）に延びることを特徴とするタービン。
2. 前記第１の方向（ｎ）と前記ローターの径方向（ｒ１）とが成す前記角度が０度超、且つ、９０度未満である請求項１記載のタービン。
3. 前記第１の方向（ｎ）と前記第２の方向（ｐ）とが成す前記角度が０度超、且つ、１００度未満である請求項１または２記載のタービン。
4. 前記第２の方向（ｐ）と前記第３の方向（ｑ）との間の前記角度が９０度未満である請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービン。
5. 前記第３の部分が前記ローターの半径の半分超、且つ、前記ローターの半径の３倍未満の長さを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のタービン。
6. 前記ローターブレードは横断面が円弧状であり、前記ブレードの円弧状横断面の両端の間の弦線（ｍ）が、前記ローターの外向きの半径方向（ｒ２）と共に、反回転方向に、０度超、且つ、４５度未満の角度を作る請求項１〜５のいずれか１項に記載のタービン。
7. ５枚超、且つ、１９枚未満の前記ローターブレードを備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のタービン。
8. 前記ローターの径方向における前記ローターブレードの範囲が、前記ローターの半径の１０％超、且つ、前記ローターの半径の５０％未満である請求項１〜７のいずれか１項に記載のタービン。
9. 前記実質的円筒状空間の内部に、流れ案内部材（Ｖ２）をさらに備える請求項１〜８のいずれか１項に記載のタービン。
10. 前記流れ案内部材が、前記実質的円筒状空間の円周の一部を実質的に辿る径方向外側面を有する請求項９記載のタービン。
11. 前記流れ案内部材が、前記径方向外側面を実質的に反転させた径方向内側面を有する請求項１０記載のタービン。

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