JP2009543971A - 双方向潮流用水力発電タービン - Google Patents

Abstract

潮流力から電力を生成する水力発電タービンであって、このタービンは、中央開放部を有するロータを含んで構成され、これにより、内側リム（３２）と外側リム（３３）との間にブレード部材（３４）が取り付けられる。また、ハウジング（２１）に対するロータの移動が、軸方向の何れの方向にも制限されるように、保持部材（２２、２３）及び摩擦抑制部材（７１、７２）が配設される。このようにして、水流（９９）は、それが何れの方向であっても、タービンを駆動させる。一方、保持部材（２２、２３）及び摩擦抑制部材（７１、７２）は、ロータが、水流に応じて、軸方向の何れの方向にも変位可能となるように構成されている。軸方向へのロータ移動を制限する摩擦抑制部材は、その厚みを増大させておくことが好ましい。これにより、摩擦抑制部材の摩耗が進行すると、ロータは、ハウジングに対して、軸方向に変位することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般に、空気又は水などの流体流から電力を生成するタービン又は発電プラントの分野に関し、詳しくは、流体流によってプロペラ型又はインペラー型のロータに回転を生じさせ、この回転が発電機に伝達されて、電力を生成する装置に関する。より詳しくは、本発明は、潮の満引きに際して生じる水流の方向に応じて何れの方向にも回転可能な中央開放形ロータを有する装置に関する。

水力発電タービンや風力タービンを用いて電力を生成することは、一般に広く知られている。流体流によって、プロペラ型ロータ又はブレードに回転が生じる。風力タービンでは、装置は、空気流が安定している場所に設置され、通常、風のエネルギーを捕らえるのに適した方向を向くように回転される。水力発電タービンでは、装置は、通常、急流中に、一般的にはダム構造物の一部として配置される。この種の水流状態は、高ヘッド状態として知られている。

多くのタービンは、中央部で回転するシャフトを備え、このシャフトが油潤滑軸受によって適切な位置に支持された構造になっており、シャフトには、ブレード又は羽根車が取り付けられる。一方、中央開放形タービンの構造によれば、中央部に配置されたシャフトを有するタービンについて見出されなかった利点を得られることが明らかになっている。中央開放形ロータを含むタービンは、ブレードが、内側の環状リング又はリムと、外側の環状リング又はリムと、の間に配置されると共に、エネルギーが外側リムを介して伝達されるので、低ヘッド状態（即ち、緩い流れ）において有効である。これは、中央シャフト及び中央のブレード集中部の除去によって抗力が軽減されるという事実、及び、重量の軽減により大径のロータを作製することができるので、低ヘッド流と接触する表面積が増加するという事実、を含む複数の理由によるものである。水力発電に適用した場合の中央開放形タービンの他の利点としては、タービンの中央部を通る水流がブレードにより遮断されないので、魚がタービンの中央部を通過可能であるという点がある。上述のような中央開放形タービンの例は、１９９７年１月１４日に発行され、２００３年１２月２日にＲＥ３８，３３６号として再発行された米国特許第５，５９２，８１６号、２００３年１１月１８日に発行された米国特許第６，６４８，５８９号、２００４年５月４日に発行された米国特許第６，７２９，８４０号、及び、２００５年２月１０日に公開された米国特許出願公開第２００５／００３１４４２号（米国特許出願第１０／６３３，８６５号）に記載されている。

これらのタービンでは、その流体流が単一方向であるので、ブレード及びロータに加わる力も単一方向である。このため、流体流が単一方向のみに圧力をかけるので、これまでは、外側リムがハウジングにより保持されたロータについて、その下流側又は風下側での摩擦の問題に取り組むことが必要であるに過ぎなかった。中央開放形タービンでは、外側リムの後縁についてはハウジングによる支持が必要である一方、外側リムの前縁は、下流又は風下の圧力を受けることはない。

双方向流体流を受けるタービンの例は、Heuss他による米国特許第４，４２１，９９０号、Vauthierによる米国特許第６，１８６，３７３号、Vauthierによる米国特許第６，４０６，２５１号、Susman他による英国特許第２，４０８，２９４号、及び、Davis他による国際公開第０３／０２５３８５号に記載されている。

本発明の目的は、双方向水流にて、タービンの物理的な反転を必要とせずに作動可能な水力発電タービン又は発電プラントを提供することである。ここにおいて、双方向流は、ある一定期間に流れる一方向流と、この後に続く期間に反対方向に流れる逆方向流と、を含んで構成される。本発明の更なる目的は、双方向に流れる潮流に適用しても電力を生成することが可能なタービンを提供することである。本発明の更なる目的は、特に、軸受部材の交換の間のタービン作動可能期間が大幅に延長されるように、水潤滑アキシアル軸受部材が摩耗したときに、ロータが軸方向に変位可能なタービンを提供することである。本発明の更なる目的は、ハウジング内におけるロータの軸方向への変位によって、ロータとハウジングとの間にひっかかったデブリ（漂積物）を洗い流すことが可能なタービンを提供することである。本発明の更なる目的は、ハウジング内におけるロータの軸方向への変位によって、初動回転時に必要とされる力を減少させることが可能なタービンを提供することである。

本発明は、潮流又はその他の双方向に反転する水流により駆動されるタービンから電力を生成する装置である。ここで、双方向水流は、最初の期間の間に第１の方向に向かう流れ（例えば、上げ潮）と、これに続く期間の間に反対方向に向かう流れ（例えば、下げ潮）と、を含み、このサイクルが繰り返される。このような水流は、通常、潮又は水の流れが急ではなく、又は集中的ではない低ヘッド状態である。

その方法は、双方向潮流がタービンを作動させると共に、何れの方向の水流によっても、タービンの配設方向の反転を必要とせずに電力を生成するように、中央開放形の水力発電タービン又は発電プラントを潮流中に配置することを含んで構成される。タービンは、固定されたハウジング内に組み込まれた少なくとも１組の回転ブレード又はこれに類似したプロペラ型もしくはインペラー型構造物により構成されるロータ又は回転アセンブリを含んで構成される。ブレードは、環状の内側リムと環状の外側リムとの間に配置され、これにより、収容される構造物のない比較的大きく開放された中央部が形成されることが好ましい。水流は、ロータに回転を与え、このエネルギーは、電力を生成するために、１以上の発電機に伝達される。又は、ロータ及びハウジング自体が発電機として作動するように構成され、例えば、磁石が、外側リムの外周に沿って配置されると共に、コイルが、外側リムを取り囲むハウジングの内周に沿って配置される。

水流を両方向で捕らえるために、流入及び流出の両方向で、外側リムとハウジングの保持フランジとの間の接触及び摩擦を減少させる軸受部材又は摩擦抑制手段が配設される必要がある。好ましい態様では、ジャーナル部材と、好ましくは、海洋用水潤滑軸受プレートとが用いられて、外側リムの端部とハウジングの保持フランジとの間の回転摩擦が最小化される。最も好ましい態様では、軸方向の移動を制限する軸受プレート及びジャーナル部材の少なくとも一方の厚みを増大させる。これにより、これらの軸受又はジャーナル部材の摩耗が進行した際に、装置は、より長期に亘り作動可能な状態に維持され、ロータは、水流方向に応じて軸方向に変位可能となる。

軸方向に見たときの水力発電タービンを示す図である。 軸方向に対して垂直に見たときの水力発電タービンを示す図である。 好ましい実施形態における部分断面図であり、摩擦抑制手段を含んで構成されるジャーナル部材及び海洋用軸受プレートを示す図である。 図３に類似する他の実施形態であって、互いに反発し合う複数の磁石を含んで構成される摩擦抑制手段を示す図である。 図３に類似する他の実施形態であって、回転エネルギーを発電機に伝達する駆動輪を含んで構成される摩擦抑制手段を示す図である。 より好ましい実施形態における部分断面図であり、厚みが増大された軸受部材により軸方向の移動が制限されることを示す図である。 図６と同様の部分断面図であるが、摩耗した状態の軸受部材と、水流方向に変位したロータと、を示す図である。

図面を参照し、最良の態様及び好ましい実施形態を考慮しつつ、本発明の詳細を説明する。最も一般的な意味では、本発明は、低ヘッドな双方向水流又は反転水流、特に主として潮流（即ち、満潮状態と干潮状態との間の循環運動）に起因する双方向水流から電力を生成する装置であり、一般には水力発電タービンや発電プラントと称される。

図１及び図２に概要を示すように、本発明の好ましい実施形態では、中央開放形の水力発電タービン１０は、ほぼ環状のハウジング２１を含んで構成される。図示のハウジング２１の構成は、制限を意図したものではなく、他の構成とすることも可能である。ハウジング２１は、他の目的において、回転アセンブリ又はロータ３１の回転軸周りでの両方向への回転を可能とし、及び、機械駆動型の発電手段４２に対する回転エネルギーの伝達又は磁石５１とコイル５２との組み合わせ等によっての電力生成における実際の関与を可能とすると共に、ロータ３１を、その軸方向の変位を規制しながらハウジング２１内で同軸上に保持する。ハウジング２１は、第１の保持フランジ２２と、第２の保持フランジ２３と、を含んで構成される。これらの保持フランジは、内周面２４の両側に配設され、協働して、制限又は保持手段を形成する。制限又は保持手段は、ロータ３１が軸方向の何れの方向にも制限的に移動できるような寸法に設計される。保持フランジ２２、２３は、実際には、環状であり、また夫々、ロータ３１の側面に対向するほぼ平面状の内壁面を有していることが好ましい。また、保持フランジ２２、２３は、連続部材である必要はない。

保持フランジ２２と保持フランジ２３との間の最小距離は、ロータの外側リム３３をハウジング２１の溝部に収容できるようにするため、ロータ３１及びハウジング２１に配設されるジャーナル部材７１や軸受部材７２などの摩擦抑制手段を考慮しつつ、外側リム３３の軸方向の寸法により決定される。図３〜図５に示す実施形態において、保持フランジ２２と保持フランジ２３との間の内壁間距離は、ロータ３１に関する軸方向の最大移動距離を決定し、環状の外側リム３３の軸方向の寸法を僅かに超える。これにより、ロータ３１は、軸方向に変位することができるが、その移動は比較的制限される。これに対し、図６及び図７に示す実施形態において、保持フランジ２２と保持フランジ２３との間の軸方向距離は、環状の外側リム３３を収容するために必要な最小距離に比べて非常に大きい。このため、ロータ３１は、軸方向に、より大きな移動をすることができる。

回転アセンブリ又はロータ３１は、環状の内側リム部材３２と、環状の外側リム部材３３と、を含んで構成される。複数の羽根車又はブレード部材３４は、内側リム３２と外側リム３３との間に配設される。ブレード部材３４は、潮流９９が軸方向の何れの方向であっても、流体移動がロータ３１の回転を生じるように、既知の方法で所望の角度に曲げられ、又は、ねじられて形成される。ブレード部材３４の特定枚数、形状、及び材料組成を変更することは可能であるが、ブレード部材３４は、構造的完全性を過度に犠牲にすることなく、可能な限り軽量に作製されることが好ましい。

内側リム３２は、比較的大きな中央開放部３５を形成する。中央開放部３５は、低ヘッド状態での水力発電タービン１０の効率を高める。これは、ロータ３１の支持部が、中央シャフトに集中される場合に比べて、外側リム３３の外周面に広がるからである。これにより、ハウジング２１及びロータ３１を、シャフト取付ロータで実現可能な直径に比べて、より大きな直径で形成することができる。従って、ブレード部材３４の全表面積が大幅に増加するので、水力発電タービン１０は低ヘッド状態であっても十分に作動することができる。

図３に示す好ましい実施形態では、ハウジング２１とロータ３１との組み合わせにより、電力を生成する発電機が構成されている。これは、複数の磁石５１を外側リム３３の外周面近傍に配置すること、及び、複数のコイル５２をハウジング２１の内周面２４近傍に配置すること、により、実現され得る。これにより、ハウジング２１は、実質的に、発電機のステータとなる。ロータ３１の回転により、磁石５１がコイル５２の近傍を通過して、既知の方法で電力が生成される。

また、水それ自体によりもたらされる潤滑に加えて、ロータ３１とハウジング２１との間の摩擦抗力を最小化する摩擦抑制手段を配設することも重要である。これは、好ましい実施形態では、図３に示すように、ジャーナル部材７１と軸受部材７２（例えば、海洋用水潤滑軸受プレート）との組み合わせを用いることにより実現される。軸受部材をロータの外側リムに配置することにより、軸受面が増加し、これにより、軸受部材に加わる平方インチ当たりの圧力は、水潤滑軸受を利用可能なレベルまで減少する。

図に示すように、ジャーナル部材７１は、外側リム３３の流入側端部及び流出側端部に取り付けられ、海洋用軸受プレート７２は、ハウジング２１の内周面及び保持フランジ２２、２３に取り付けられる。尚、これらの取付位置を逆にすることも可能である。当然のことながら、本明細書において、「流入」及び「流出」という用語は、相対的な用語であり、タービン１０を通過する水流の方向（実際は、双方向流）に依存する。これと同様の相対性が、「上流」及び「下流」などの用語にも適用可能であることは明らかであろう。アキシアルジャーナル部材７１ａは、アキシアル又はスラスト軸受部材７２ａに対応し、協働して、ロータの軸方向への移動を抑制する。ラジアルジャーナル部材７１ｂ及びラジアル軸受部材７２ｂは、協働して、径方向の移動を抑制する。ジャーナル部材７１は、比較的低摩擦な材料（例えば、ステンレス鋼など）から成り、同様に、海洋用軸受プレート７２は、比較的低摩擦な材料（例えば、テフロン（登録商標）などのポリマーやセラミックなど）から成る。これらの構成部品は、装置の全ての構成部品と同様に、海水やその他の環境的被害に対する耐久性を有さなければならない。なぜなら、本発明を用いる際、上記の要因に構成部品をさらすことになるからであり、とりわけ潮流が主として海水又は汽水を含んで構成される点を考えれば、これは必要といえる。ジャーナル部材７１と海洋用軸受プレート７２との組み合わせにより、径方向及び両軸方向の摩擦力と抗力とが減少する。このため、ハウジング２１に対するロータ３１の回転が妨げられることは非常に少ない。

ロータ３１は、潮流が何れの方向であっても、軸方向に移動可能であることにより、タービン１０の上流側の摩擦抑制手段が、軸方向で接触することはない。このため、潮流が一定方向に流れる期間において、タービン１０の上流側の摩擦抑制手段は、タービンの作動中に摩耗を受けることはない。潮流が反転すると、ロータ３１は、それまではハウジング２１の上流側であった側に向けて軸方向に移動する。これにより、タービン１０の新上流側の摩擦抑制手段が接触することはなく、従って、タービン１０の新上流側の摩擦抑制手段は、摩耗を受けることはない。このような配置により、何時でも確実に、タービン１０の一方の側の摩擦抑制手段のみが摩擦を受けるようになるので、摩擦抑制手段の全摩耗を減少させることができる。

より好ましい実施形態では、図６及び図７に示すように、ロータ３１の軸方向への移動を制限するアキシアル軸受部材８２ａは、当初は、その厚みが増大されている。このため、第１の保持フランジ２２と第２の保持フランジ２３との間の内壁間距離は、ロータ３１を軸方向で保持するために必要な最小距離に比べて、非常に大きくなっている。これにより、軸方向に延びる、短寸かつ円筒状のトラックウェイ８０が形成される。ロータ３１は、ピストンがシリンダ内を移動する場合と同様に、トラックウェイ８０内を軸方向に移動することができる。第１の方向に向かう潮流９９が発生すると、ロータ３１は水流方向に変位する。そして、下流側に設けられた低摩擦のアキシアル又はスラスト軸受部材８２ａは、アキシアルジャーナル部材８１ａと協働して、ロータ３１の第１の方向への変位を制限する。潮流９９が第２の方向に反転すると、ロータ３１は反対側に変位する。そして、反対側（この時点では下流側）に設けられた低摩擦の軸受部材８２ａは、ロータ３１の第２の方向への変位を制限する。このハウジング２１に対するロータ３１の変位は、ロータ３１が中央開放形であることにより、容易に発生し得る。そして、ロータが中央シャフトやアスクルに取り付けられている型のタービンとは対照的に、外側リム３３で全ての保持が行われる。ここにおいて、当然のことながら、シャフトを用いたタービンであっても、軸方向の変位が発生し得る。時間が経過すると、大型の軸受部材８２ａは、摩擦効果により、その摩耗が進行する。図７は、長期間にわたって使用されたタービン１０を示しており、アキシアル軸受部材８２ａが非常に摩耗している。図の左から右へ向けて潮流９９が発生すると、ロータ３１は、図の右側に向けて変位する。潮流９９が反転すると、図に点線で示すように、ロータ３１は図の左側に向けて変位する。ハウジング２１及びアキシアル軸受部材８２ａは、ロータ３１が軸方向に変位移動可能な大きさに設定され、かつ、アキシアル軸受部材８２ａは、その使用可能期間を延ばすために、その厚みを増大させているので、必須の保守作業から軸受部材８２ａの交換の必要性に基づく修理作業までの期間が大幅に延長される。このように、軸受部材８２ａは、軸方向で大幅な摩耗が発生しても、効率的に作動するように設計される。特に、軸受部材８２ａが、軸方向で、好ましくは、当初の厚みの１００％〜１０％、より好ましくは、１００％〜３０％、そして最も好ましくは、１００％〜５０％の範囲内にまで摩耗した場合であっても、タービン１０は作動可能である。ロータ３１に関する軸方向の往復変位に対応するため、軸方向でアキシアルジャーナル部材８１ｂに対応する拡大型又は大型のラジアル軸受部材８２ｂを配設することが好ましい。また、磁石５１及びコイル５２の組み合わせは、発電時の過大な損失を発生させることなく、ロータの軸方向への変位に対応するように構成される。ハウジング２１に対するロータ３１の軸方向変位に関する別の特徴としては、ロータ３１とハウジング２１との間にひっかかった漂積物を、潮流により、装置から容易に洗い流すことが挙げられる。これは、上流側のフランジ（保持フランジ２２又は２３）と、環状の外側リム３３の端部と、の間の間隙を拡張することにより、この間隙における流量が増加するからである。他の好ましい特徴としては、ロータ３１が静止位置から初動回転を行なうときに必要とするエネルギーを減少させることが挙げられる。これは、下流側の摩擦抑制手段と、外側リム３３と、が接触する前に、ロータの回転が開始されるからである。

また、図４に示すように、摩擦抑制手段は、互いに反発し合う磁石６１の組み合わせを含んで構成されてもよい。反発磁石６１は、所定の組み合わせで互いに反対極を対向させつつ、外側リム３３の表面と、ハウジング２１の内周面２４及び保持フランジ２２、２３と、で対となるように取り付けられる。このため、反発磁力により、外側リム３３と、ハウジング２１及び保持フランジ２２、２３と、の接触が抑制される。他の実施形態では、図５に示すように、摩擦抑制手段として、機械的手段（例えば、ローラ又はその他の回転軸受）を用いることが可能である。図示した実施形態において、摩擦抑制手段は、シャフト４３により発電手段４２に接続される駆動輪４１を含んで構成される。これにより、ロータ３１の回転が発電手段４２に直接伝達されて、電力が生成される。経時的な汚れ及び劣化に対応しつつ、これらの構成部品を適切にシールすることは容易ではないため、この実施形態はあまり好ましくはない。

潮流から電力を生成するために、１以上の水力発電タービン１０が、水中又は潮の影響を受ける水域内（好ましくは、開放水域内）に配置される。これにより、上げ潮又は満ち潮のときには、水が一方向にロータ３１を通って流れ、その一方で、下げ潮又は引き潮のときには、水が逆方向にロータ３１を通って流れる。潮が満ちるにつれて、ロータ３１は一方向に回転して、上述のように、電力が生成される。潮が引くにつれて、水流は反転し、ロータ３１は反対方向に回転して、再び電力が生成される。中央開放形構造であり、ブレード表面積が比較的大きく、かつ、ハウジング２１及び保持フランジ２２、２３に関連してロータ３１への支持力が分散されることにより、ロータ３１は低ヘッド状態であっても回転することができる。従って、潮流によって、電力を十分に生成することができる。

当業者にとって、上記の特定要素に対する均等物及び置換物が存在することは明らかであり、それゆえ、本発明の真の範囲及び定義は、特許請求の範囲の記載のごとくであると理解されるべきである。

Claims (14)

1. 水流方向に応じて配設方向を反転させることなく、第１の水流方向と、その反対方向である第２の水流方向と、を含む双方向水流から電力を生成するタービンであって、
   外側リムから延びるブレードを含んで構成され、かつ、第１の回転方向及び第２の回転方向に回転可能なロータと、
   前記ロータを軸方向及び径方向に保持する保持手段を含んで構成され、かつ、前記タービンの作動時に、前記ロータの、前記双方向水流に応じた何れの軸方向への変位も許容するハウジングと、
   前記タービンの作動時に、前記ハウジングと前記ロータとの間の摩擦抗力を減少させる摩擦抑制手段と、
   前記ロータの、前記第１の回転方向又は前記第２の回転方向の何れの方向における回転によっても電力を生成する手段と、
   を含んで構成されるタービン。
2. 前記タービンの作動時に、前記外側リムの上流側にて、前記外側リムと前記保持手段とが互いに軸方向で接触しないように、前記ハウジングの形状及び寸法が決定された請求項１記載のタービン。
3. 前記タービンの作動時に、前記リムの下流側側面と前記保持手段との接触に先立って前記ロータが静止位置から回転開始可能なように、前記ハウジングの形状及び寸法が決定された請求項１又は請求項２記載のタービン。
4. 前記保持手段は、第１の保持フランジと、第２の保持フランジと、を含んで構成される請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のタービン。
5. 前記摩擦抑制手段は、前記タービンの作動時に、前記保持手段と前記外側リムとの間の抗力を減少させる請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のタービン。
6. 前記保持手段は、前記軸方向の摩擦摩耗が発生しても効率的に機能するように構成された請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のタービン。
7. 前記保持手段は、前記軸方向において、その当初の厚みの１００％〜１０％まで摩耗したときに効率的に機能し、より好ましくは、当初の厚みの１００％〜３０％、最も好ましくは、当初の厚みの１００％〜５０％まで摩耗したときに効率的に機能するように構成された請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のタービン。
8. 前記摩擦抑制手段は、ジャーナル部材と、海洋用軸受プレートと、を含んで構成され、前記摩擦抑制手段の厚みが摩擦効果によって減少するほど、前記軸方向における前記ロータの移動量が増加する請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のタービン。
9. 前記ジャーナル部材は、ステンレス鋼から成り、かつ、前記海洋用軸受プレートは、低摩擦ポリマーから成る請求項８記載のタービン。
10. 前記ジャーナル部材は、前記外側リムに配設され、前記海洋用軸受プレートは、前記第１及び第２の保持フランジに配設された請求項８又は請求項９記載のタービン。
11. 前記ハウジングは、内周面を更に含んで構成され、前記海洋用軸受プレートは、前記内周面上にも配設された請求項８〜請求項１０のいずれか１つに記載のタービン。
12. 前記ハウジングは、内周面を更に含んで構成され、前記電力生成手段は、前記外側リムに配設された磁石と、前記内周面に配設されたコイルと、を含んで構成される請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載のタービン。
13. 前記ロータは、中央開放部を形成する内側リムと、該内側リムと前記外側リムとの間に設けられたブレードと、を含んで構成される請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載のタービン。
14. 前記摩擦抑制手段は、海洋用水潤滑軸受プレートを含んで構成される請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載のタービン。