JP2009544893A - 双方向流で使用する衝撃式タービン - Google Patents

Abstract

双方向に逆転する流れ（F，F1，F2）で使用する双方向流の衝撃式タービン装置（１２０）であって、特に、振動水柱力プラント（１１０）で使用される。前記タービン装置（１２０）は、ロータ（１２０）と、前記ロータ（１３２）に対し前記双方向に逆転する流れ（F，F1，F2）を導く前記ロータ（１３２）に向かい合う軸方向側に位置した案内用羽根（１４０，１４２）の第１及び第２の組とを有している。前記案内用羽根（１４０，１４２）は前記ロータより大きな半径（Rv）に位置し、かつ前記ロータの羽根の翼（１３６）から径方向に変位（Ro）している。前記タービン装置は、さらに、各々前記第１および第２の案内用羽根（１４０，１４２）および前記ロータ（１３２）との間に配置された第1および第２の環状ダクト（１４６）を有し、流体を前記案内用羽根（１４０，１４２）から前記ロータ翼（１３６）にまで導く。加えて、他の発明として、前記羽根（１４４）およびロータ翼（１３６）は新しい形状をもっており、特に前記羽根（１４４）は、前記羽根（１４４）の転向部分（１６４）に渡り、前記羽根（１４４）との間に一定の流路（Fp）を保持し、前記ロータ（１３２）の前記ロータ翼（１３６）はより高い転向角度（2α）を有し非軸方向の出口の下流側の流れを生み出す形状をしている。前記タービン（１２０）は、他の発明では、スロット（１９０）を持った羽根（１４４）および前記羽根（１４４）に対する逆流を再活性化させかつ増進させる境界層吹き飛ばし配置を含有しても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、双方向流で機能することができるターボ機械装置に関し、特に、双方向流で使用する衝撃式タービン装置に関する。より詳細には、かつ好ましくは、波力から発電する振動水柱力プラントで使用するようなタービン装置に関する。もっとも、該タービン装置は、前記再生可能なエネルギー発生分野における他の応用、またはより一般的には他のターボ機械の応用が可能である。

振動水柱力を利用する発電機は少なくとも何十年もの間知られている。該して、これらの発電機は、水面下に沈められた第１の開口部と、タービンを通して大気に開かれた第２の開口部とを有する大きな室を有する。波動の山と谷が該室に到達すると、前記室内の前記水柱レベルが周期的に上昇、下降し、それによって、代わりに前記室内の空気を前記タービンを通して前記大気中に吐き出させかつ前記タービンを通して前記大気から前記室に空気を引き戻す。そのような発電機についての特別な問題は、前記タービン装置を通して前記振動水柱によって送られる逆転する双方向空気流から電気を起こしかつ発生することができるタービン装置が欠かせないことである。

そのような振動水柱発電機で用いられるタービン装置の１つの種類は、衝撃式タービンである。衝撃式タービンの動作の基本原理は、エネルギーが抽出される前記流れが、最初に、前記ロータ内に前記流れを加速するために用いるノズル列を適当な角度で通過し、続いて前記ロータが加速された前記流れから運動エネルギーを抽出するということである。衝撃式タービン、すなわち機械の重要な特徴は、前記ロータを横切る静止圧力の変化が実質上ないということである（反動式タービンにあっては、前記流体が前記ロータ段階を通過する際に前記静止圧力が減少する）。前記衝撃式タービンを通る前記流れが一方向性（これは従来の事情である）である場合には、前記タービン段階はノズル列からなり、ロータ列がそれに続くであろう。しかしながら、もし、前記タービンを通る流れの方向が周期的に逆転するような応用、例えば、振動水柱発電機で衝撃式タービンを使用することを望むならば、ノズル列は前記ロータの各側で、流れの両方向で正しいロータ入力条件が生み出される必要がある。特に、振動水柱発電機で用いられるそのような装置の例がGBNo.1449740およびGBNo.1500400に記述されている。

英国特許第1449740号明細書 英国特許第1500400号明細書

この装置に関する課題は、もし前記ノズルの構造が固定されている場合には、前記ロータの下流側の翼は前記ロータの出口流を受け入れるように正しく配置されていない。該して、結果として生じた前記ロータ出口流は軸方向に沿い、周方向に沿った渦巻流がない、すなわち前記ロータを横切る圧力降下のない優れたロータ効力を与える成分をもつ。
けれども前記ロータに隣接する前記ノズル案内用羽根は前記軸方向に対し傾斜しているので、ある角度で正確に前記ロータに前記逆流を導く。前記各逆流にとって前記流れの調製不良の角度の大きさが大きくなるかも知れず、そのことは前記下流のノズルを通して大きな圧力損失に導き、同様に、前記タービンの総合的効果における大きな減衰に導く。振動水柱力プラントで使用する固定された構造の衝撃式タービン装置に一般的に関連する定常流の最大効率のレベルの大きさは一般的に40％未満である。

この課題は、もし前記翼の角度の設定または前記翼自体の実際の構造のいずれかが流れの方向によって変化するように設計されるならば、克服されるであろう。しかしながら、そのような解決法の実用性のある実現には、一般には、要求された前記構造的な変形を達成する複雑な機械的装置の必要性に導く。これは、次には、前記装置が多数の周期に対して作動するように求められる場合および／または海上環境で用いられる場合には明らかな信頼性およびメンテナンス問題が引き起こる。それでも60％より大きい最大効率が、そのような変動可能な構造のタービンの種類に対して得られるが、これらは重大なメンテナンス及び信頼性の問題と結びついており、そうであるので使用されていない。

したがって、振動水柱発電機の開発は衝撃式タービン装置の使用にとって好都合ではない。実際、衝撃式タービンのいくつかの利点にも拘らず、それらは広く使用されずまた一般的に好まれておらず、水力学的な応用のために、専門家の応用でのみ使用され、一般には、反動式タービン装置が好まれている。特に、振動水柱発電機の開発はウェルズ式タービンの使用に集中し、該ウェルズ式タービンは自己矯正可能で逆転する双方向の空気流からの電気を起こしかつ発生させることができる。理論上、そのようなタービンは50％を越える高効率で、定常状態の流れの条件の下で作動することができ、該条件は、固定された構造に対して最大の定常状態流効率を示す。しかしながら、そのようなタービンは、比較的小さい質量流範囲でのみ効率的に作動し、そうであるので、比較的小さい範囲の波動条件でのみ効率的に作動することができる。加えて、ウェルズ式タービンは一般的に比較的に高い回転速度及び低いトルクで（例えば、衝撃式タービンと比較して）作動し、そして比較的高い軸方向の負荷を有し、この軸方向の負荷の全ては振動水柱発電機での使用にとって好ましくない。

したがって、代替方法を提供し、かつ、例えば、振動水柱によってポンピングされるような逆転する双方向の前記流れから作動する改良された衝撃式タービン装置を提供することは望ましく、そのことは衝撃式タービンを通した流れが周期的に逆転する場合の低い全体的な効率の上記問題への解決を提供する。また、改良されたタービンを組み込みかつ使用する改良された振動水柱発電機を提供することは望ましい。また、前記発明は、より一般的に応用可能であって、逆転する双方向の流れで作動することができる改良されたおよび／または代替的なタービン機械装置を提供することはより一般的に望ましい。

本発明に応じて、したがって、双方向流の衝撃式タービン装置を添付の特許請求の範囲に種々記載したように提供する。また、添付した前記特許請求の範囲にさらに記載されているような双方向流の衝撃式タービン装置を含有する振動水柱力発電機を提供する。

第１の発明に係る実施の形態において、タービン装置を通しての双方向に逆転する流れで使用する双方向流の衝撃式タービン装置を提供する。前記タービン装置は1軸を有し、かつ、ロータと、前記軸の周りの周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの１の向き合う軸方向側に位置して、前記ロータ翼に対して前記双方向の逆転する流れを導く案内用羽根の第１および第２の組とを有する。前記ロータは回転可能に設けられて前記軸に関して回転し、かつ前記ロータの周りの周方向に配置された複数のロータ翼を有する。前記案内用羽根は、前記ロータ翼よりもより大きな半径に位置してそれらは半径方向に前記ロータの翼から変位し、前記タービン装置はさらに、前記第１および第２の案内用羽根の組と流体を前記案内用羽根から前記ロータ翼にまで導く前記ロータとの間に各々設けられた第１および第２の環状のダクトを有している。

そのような装置において、前記ロータからの前記流れの前記速度はそれが下流の案内用羽根に到達する前に減衰し、その結果、前記下流側の案内用羽根にわたる前記下流側のロータの流れに関する損失が減少する。

前記第１および第２の環状のダクトの前記環状の流路の高さは前記環状ダクトの長手方向に沿って一定であるのが良い。代わりに、前記第１および第２の環状ダクトの環状の流路の前記高さは、変化してもよく、特に、前記ロータ翼に隣接する前記ダクトの端では減少しても良い。前記ダクトの高さにおける変化は都合の良いことには、その時前記ロータ翼に向いている前記案内用羽根に対する前記流れの前記角度を変化させるであろう、前記ロータおよび／または案内用羽根の求められた転向角を減少させる。その際、前記案内用羽根に対する逆流の間に、このことが前記案内用羽根にわたる前記ロータからの前記下流側の流れに関する損失を減少させるだろう。

第２の発明に係る実施の形態では、タービン装置を通しての双方向に逆転する流れで使用する双方向流の衝撃式タービン装置が提供される。前記タービン装置は１軸を有し、かつ、ロータと、前記軸の周りの周方向に沿って配置され、前記ロータ翼に対して双方向に逆転する前記流れを導く前記ロータの向かい合う軸方向の１の側に位置した第１および第２の組の案内用羽根とを有する。前記ロータは前記軸周りに回転するように回転可能に設けられ、かつ前記ロータの周りの周方向に沿って配置された複数のロータ翼を有する。少なくとも１の境界層流制御用出口が、前記案内用羽根の少なくとも１の組の前記案内用羽根の案内用羽根表面に形成されている。前記境界層流制御出口は、流体源と接続されて、使用の際には、流体を前記流体源から前記出口まで前記案内用羽根表面を越えて導く。

そのような境界層流制御出口および前記流体源から前記出口までかつ前記案内用羽根を越える導きは、前記案内用羽根を越える流体を再活性化して前記流体のはく離および関連する圧力損失を削減しそれによって前記タービン装置の効率を増進させる。

第３の発明に係る実施の形態では、タービン装置を通して双方向の逆転する流れで使用する双方向流の衝撃式タービン装置が提供される。前記タービン装置は1軸を有し、かつ、ロータと、前記軸の周りの周方向に沿って配置され、前記ロータ翼に対して双方向に逆転する前記流れを導く前記ロータの向かい合う軸方向の１の側に位置した前記第１および第２の組の案内用羽根とを有する。前記ロータは前記軸の周りで回転するように回転可能に設けられ、かつ前記ロータの周りの周方向に沿って配置された複数のロータ翼を有する。前記案内用羽根は、概して軸および前記タービンを通しての軸流に平行に向いた第１の部分と、前記軸および前記タービンを通しての軸流にある角度で向いた第２の部分と、前記第１の部分と第２の部分との間に設けられた転向部分とを有する断面形状を有する。流路は隣接する案内用羽根の間に形成され、隣接する案内用羽根の転向部分の間に形成された前記流路の断面積は実質上一定である。特にこれを達成するために、前記案内用羽根は１の壁で形成されかつ隣接する案内用羽根の壁の間の距離は実質上一定である。

そのような装置は、前記案内用羽根を越えての逆流に関する前記流れの損失を減少させ、それによって前記タービン装置の効率を増進させる。

前記羽根の転向部分好ましくは円弧で形成された反り曲線を有するのが好ましく、その円弧は、前記羽根の所定の転向角を越えて伸びる。

好ましくは前記第２の部分の前記端は前記羽根の軸方向の弦の2％と10％との間、より好ましくは4.5％の半径をもつ曲面が施された縁をもつ。これはさらに、前記案内用羽根を越える逆流に関する流れの損失を削減しそれによってさらに前記タービン装置の効率を増進させる。

第４の発明に係る実施の形態では、タービン装置を通して双方向の逆転する流れで使用する双方向流の衝撃式タービン装置が提供される。前記タービン装置は1軸を有し、かつロータと、前記軸の周りに周方向に沿って配置され、前記ロータ翼に対して双方向に逆転する流れを導く前記ロータの向かい合う軸方向の１の側に位置した前記第１および第２の組の案内用羽根とを有する。前記ロータは前記軸の周りに回転するように回転可能に設けられ、かつ前記ロータの周りの周方向に沿って配置された複数のロータ翼を有する。前記ロータ翼（複数）は、１のロータ翼が前記タービンの動作点で軸方向の流れを生み出すために要求されるよりも3から5度大きい転向角を有している。さらに、前記ロータ翼は使用の際に、前記ロータから非軸性流を生み出すような転向角を有している。

前記ロータ翼（複数）のそのような転向角は異例のものであるが、前記下流側の案内用羽根への入射角を減少させて、前記案内用羽根を越える逆流に関する損失を削減し、それによって前記タービン装置の効率を増進させる。

好ましくは前記ロータ翼（複数）の転向角は70度と140度との間である。前記ロータ翼は好ましくは前記軸に垂直な平面に対して対称的であって軸方向の前記翼の中点を通過する。

他の発明においては、上述したような振動水柱力発生器を提供する。前記振動水柱力発生器は、前記振動水柱によって周期的に圧縮しかつ膨張する流体のための室を形成するハウジングを有している。該ハウジングは、該ハウジングからの振動水柱によって周期的に圧縮されかつ膨張した前記流体の双方向の逆転する流れを導くための出口を有している。前記タービン装置は、前記出口と接続されかつ前記出口からの双方向の逆転する流れによって駆動される。発生器は前記タービン装置の前記ロータと接続しかつそれによって駆動される。

そのようなタービン装置をもったそのような振動水柱力発生器は、他のタービン装置を用いる従来の装置よりもより効率的である。

一般的概念では、ここに記述されたその新規な衝撃式タービン装置は別々に用いられる、又はより好ましくは特に振動水柱発電機内で、またはより一般的には逆転する双方向の流れで作動することが求められるターボ機械内において組み合わせて用いられる次の特徴および態様を含有する。
Ａ) 前記ロータ翼よりも大きい前記回転軸からの半径で案内用羽根を設定するために用いられる環状オフセットダクト、
Ｂ）周期的に逆転する流れでの作動のために作られたノズルおよび／または案内用羽根の構造、
Ｃ）流体を前記ノズルおよび／または案内用羽根の表面を通して境界層の吹き飛ばしによる前記境界層を再活性化するために流体を導入する装置の使用、
Ｄ）通常は1.0の最終的構造での質量流率（mass flow ratio）条件で最高の効率を得るように前記ロータ翼で例えば70度までの異例の高い転向角を持ったロータ翼の構造の使用（註：質量流率は、前記タービンに入力する平均の軸方向の速度と翼長中央での前記ロータの速度との間の比率として定義され、記号φで与えられる）。

本発明は、次の図に関連するほんの一例が記述されている。すなわち、
図１は、振動水柱発電機の概略図である。 図２は、前記ケーシングの半分を取り去って、前記翼列を露出させて、前記振動水柱発電機に使用して、周期的に逆転する流れ内で用いる固定された案内用羽根を有する従来例に係る衝撃式タービン装置のより詳細な図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る衝撃式タービン装置を含有する振動水柱発電機の概略図である。 図４は、前記ケーシングの半分を取り去って、前記翼列を露出させて、固定された案内用羽根をもちかつ図３に示された振動水柱発電機に使用のための環状の変位した羽根のないダクトを有する衝撃式タービン装置のより詳細な図である。 図５Ａ乃至図５Ｃは、各々図４に示した前記衝撃式タービン装置の前記羽根及び翼を通しての切断Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃでの断面図である。 図６は、図４に示した前記衝撃式タービン装置の環状のオフセット羽根なしダクトのより詳細な概略図である。 図７は、図４に示した前記衝撃式タービン装置の前記案内用羽根の形状および前記案内用羽根の間隔のより詳細な概略図である。 図８は、図４に示した前記衝撃式タービン装置の前記案内用羽根形状へ含むことができる羽根部分の捩れ、傾き、および湾曲を有する羽根を通しての一連の断面形状である。 図９は、図４に示された前記衝撃式タービン装置の前記案内用羽根の形状に含むことができる境界層の吹き飛ばしを容易化するためにその表面に設けた角スロットを示す前記衝撃式タービン装置の案内用羽根形状を示す概略斜視図である。 図１０は、図４に示した前記衝撃式タービン装置のロータ翼形状の概略断面図である。 図１１は、図３及び図４に類似する衝撃式タービン装置を通る半断面概略図であるが、駆動する流体源から取り出して前記ノズルおよび／または案内用羽根の翼上の境界層吹き飛ばし用流体を提供する配置を含む。 図１２は、図１１に類似する衝撃式タービン装置を通る半断面概略図であるが、前記流環内に取入れ口を用いることによって前記ノズルおよび／または案内用羽根翼上に境界層吹き飛ばしを流体を提供する他の配置を含有する。 図１３は、図１１に類似の衝撃式タービン装置を通る半断面概略図であるが、後援のコンプレッサによって前記ノズルおよび／または案内用羽根上の境界層吹き飛ばしを提供する更なる他の配置を有する。 図１４は、図１１に類似する衝撃式タービン装置を通る半断面概略図であるが、外部源からの流体の供給の切り換え制御をもった前記ノズルおよび／または案内用羽根の翼上の境界層の吹き飛ばしを供給するさらに他の配置を含有する。

図１によれば、振動水柱発電機１０は、水面Ｗの下に沈められた第１の開口部およびエアダクト１９を通して前記大気中にはけ口を作る第２の開口部が設けられ、大きな、通常円柱状の室１４を囲む逆さ容器状ハウジング１２と、エアダクト１９内に設けられたタービン組立体２０と、出口２１とを有する。波の山２２と谷２４が前記室１４に到達する際に、前記室１４内の前記水柱の水面Ｗは周期的に上昇及び下降し、それによって、代わりに、前記室１４内の空気を前記第２の開口部１８を通して前記タービン組立体２０により前記大気中に吐出させかつ前記大気中から前記タービン組立体２０を通して前記室１４内に空気を引き戻す。前記タービン組立体２０を通るこの双方向の流れFは、シャフトを経由して発電機と接続する前記タービン組立体のロータを駆動して回転させて電力を発生する。

図２は、そのような振動水柱発電機１０で使用することができる従来例に係る衝撃式タービン組立体２０を示す。前記タービン組立体２０は、外側の円柱状ハウジング２６と、前記タービン組立体２０の中心軸１と同軸で前記ハウジング２６内に設けられ該ハウジング２６との間に環状ダクト３０を形成する円柱状の中心体２８とを有する。前記環状ダクト２８は前記振動水柱発電機１０の前記第１の開口部１８とその一端で接続され、前記水柱発電機の前記出口２１とその他端で接続されて、前記タービン組立体２０を通して前記双方向の流れF，F1，F2を導く。衝撃式タービンロータ組立体３２は、中心のハブ３４と、前記ハブ３４の周りに周方向に間隔をおき設けられた複数のロータ翼３６とを有するとともに、前記外側の円周状のハウジング３６内に回転可能に設けられている。前記ハブ３４は、前記ロータ組立体３２のシャフト３８上に設けられて前記発電機と接続する。前記ハブ３４の外側の周縁部は前記中心体２８と並んで設けられて前記環状ダクト２８を延長し、前記ロータ翼３６は該環状ダクト２８内に設けられそれと連携している。固定子組立体を形成するノズル案内用羽根４０の第１の組は、前記ロータ組立体３２の軸方向側にある環状ダクト２８内に設けられて周方向に沿って配列されて、前記室１４から前記ロータ組立体３２の前記翼３６への第１の方向F1に沿った前記空気の流れを加速しかつ導く。同様にして、固定子組立体を形成するノズル案内用羽根４２の第２の組が前記ロータ組立体３２の他の前記向き合った軸方向側上の前記環状ダクト２８内に設けられて周方向に沿って配列されて、第２の方向F2に沿った前記出口２１から前記ロータ組立体３２の前記翼３６へ流れる前記空気を加速しかつ導く。ノズル案内用羽根４０，４２の前記第１および第２の組の羽根４４は、好ましくは、前記ロータ翼３６への前記各双方向の空気流F，F1，F2を導いて、前記空気流F，F1，F2の方向とは無関係に同一の方向に前記ロータ組立体３２を回転させるように傾斜しかつ角度付けられている。前記羽根４４は従来では、単純な湾曲板を有し、前記空気流を転向させ、前記空気流F，F1，F2の周方向の渦巻き成分を与え、かつ流れ制限を与えて前記空気流F，F1，F2を加速する。代わりに、前記羽根４４はより洗練された翼の形状を有しても良い。前記ノズル案内用羽根４０，４２、ロータ翼３６、および環状ダクト３８は全て軸方向に並べられ、前記中心軸１から同一の半径で前記タービン組立体２０の中心軸１に平行となる全体として軸流経路を提供する。

そのような衝撃式タービン組立体は従来例に係るものであって、例えば、GB1449740に記述されたものと同様である。前述したように、そのようなタービン装置２０は貧弱な効率という欠点がある。これは主として、入口案内用羽根として作用して前記第１の方向F1に沿った空気の流れを前記ロータ３２に導くように求められかつ角度付けられた前記ノズル案内用羽根４０は適切に並んでいないので、前記空気が第２の逆方向F2に流れる場合には前記ロータ３２からの空気流F2を受け入れるからであリ、そして前記案内用羽根は出口用の案内用羽根となる。その結果、大きな圧力損失が前記ロータ３２の下流側に発生して貧弱な全体的効率に帰着する。

図３及び図４は振動水柱発電機１１０および本発明の１実施の形態の改良したタービン組立体１２０を示す。前記振動水柱発電機１１０及びタービン組立体１２０は全体として図１、図２及び上述したものに類似している。そのため唯一の主要な相違が詳細に記述され、１００だけ増加させた同様の参照番号が、同様の対応する特徴のために使用される。また、図３および図４は図１および図２に示されていない前記発電機１５０を示す。

図３及び図４に示すように、ノズル案内用羽根１４０，１４２の前記第１および第２の組が前記ロータ翼１３６よりも大きな半径Rvに位置している。特に、前記ロータ翼３６の中点、すなわち翼長中央／高さ中央は半径Rrにあり、かつ前記ノズル案内用羽根１４４の中点または翼長中央は前記中心軸１から半径Rvにある。この実施の形態にあっては、ノズル案内用羽根１４０，１４２の前記第１及び第２の組は両方とも、前記中心軸から同一の半径距離Rvにある。曲がりくねった環状のオフセットダクト１４６が、前記ノズル案内用羽根１４０，１４２の組とロータ翼１３６との間を接続して前記空気流F，F1，F2を前記案内用羽根１４４およびロータ翼１３６に対して導いている。この実施の形態にあっては、前記環状オフセットダクト１４６（前記ダクト壁に対して垂直）の前記流路の高さHdは概略一定に保たれ、前記ロータ翼及びノズル案内用羽根１４４の半径方向の高さHr、Hvに等しい。前記環状流路（前記軸方向および／または流れ方向に垂直）の全体の断面積の半径における前記変化の結果として、前記環状オフセットダクト１４６の前記ノズル案内用羽根１４０，１４２の端１５２，１５４から前記環状オフセットダクト１４６の前記ロータ端１５６まで減少する。これは、使用の際、前記ノズル案内用羽根１４４を通過した後であって前記流れF，F1，F2が半径方向に前記ロータ翼１３６に向かって内方に導かれる際に、流れが加速されてその軸方向および渦巻速度の双方が増加する。前記流れF，F1，F2が前記ロータ１３２を通過した後、前記流れは前記環状オフセットダクト１４６によって半径方向に外側に向かって導かれ、前記半径が増加するにつれて環状の流れの面積及び流路が増加する。該流れは前記下流側の案内用羽根に到達する前に拡散されて渦巻きが解消される。前記流れF，F1，F2の軸方向および周方向の速度は従って減少する。これは、比較的ゆっくりと移動する流れが前記ノズル案内用羽根１４２に導かれ、該ノズル案内用羽根がそうでなければ生じるだろう前記圧力損失（前記速度の２乗に比例する）の大きさを減少させ、それによって効率が増大する。得られた効率における増加は、前記ノズル案内用羽根１４４及びロータ翼１３６が置かれている半径Rv、Rrにおける差異Roが増加し、前記環状オフセットダクト１４６内での摩擦による流れ損失の増加によって、その利益はより大きくなるまでになる。

前記環状オフセットダクト１４６の部分がより詳細に、図６に示されている。前記環状オフセットダクト１４６は前記タービン組立体１２０の曲がった壁１５８および前記内側中心体１２８の外側の周縁壁１６０によって囲まれて、環状オフセットダクト１４６および流路がその間に形成される。前記環状オフセットダクト１４６の流路中心線１６２は、ロータ翼の半径方向の高さHrの尺度を用いて前記ダクト１４６の前記長さLおよび要求された半径方向のオフセットRoを定義することで測られるコサイン関数によって定義されている。前記中心線が定義されると、この実施の形態に係る前記ダクト壁１５８，１６０の間の垂直距離は前記ダクト１４６の長手方向に沿って一定のままであり、前記ロータ１３２およびノズル案内用羽根１４０，１４２において前記流環の前記高さHdに等しい。前記流環の高さHdは、ノズル案内用羽根の第１の組１４０、ロータ翼１３２およびノズル案内用羽根の第２の組１４２のいずれに対しても同一である。

前記ロータ１３２と前記ノズル案内用羽根１４０，１４２との間の前記環状オフセットダクト１４６を組み込みかつ使用することから生ずる前記パフォーマンス利益は、付着した流れ（流れが拡散する際の流れのはく離を回避する）を維持しかつ濡れた表面面積を最小にする間に達成されることができる拡散量に比例する。実際問題として、これらの制限は、前記案内用羽根端１５２，１５４での前記ダクト１４６の前記流路面積が、前記ロータ端１５６において前記ダクト1４６の前記流路面積の4倍まで、より詳細には、3.5倍まで、さらに好ましくは2.5倍までであるように、最大の流路面積比に帰着しやすい。これは、一定の高さHdのダクト１４６に対して、半径Rv、Rrにおける同一の変化に等しく、それによって前記羽根の翼長中央の半径が、前記ロータの翼長中央の半径Rrの、4倍まで、より詳細には、3.5倍まで、より好ましくは2.5倍までである。これは、また、典型的なハブから先端までの比および高さをもったロータ翼１３６に対して、典型的なオフセット距離Ro、および、前記ロータ翼１３６およびノズル案内用羽根１４４の翼長中央点の前記半径Rr、Rvにおける差異が、前記ロータ翼の高さHrの10または12倍まで、より好ましくは6倍に等しくしかつそれを与える。

面積比での望む変化を得るように要求されたオフセットダクト１４６の前記軸方向の長さLは、従来の拡散構造データから決定される。一般に、拡散体損失は、前記拡張率が減少するにつれて、濡れた面積の増大による影響が出るまで減少する。理想的には、もし前記拡張率およびダクト１４６があまりに険しくかつあまりに曲がりくねっている場合に生じうる流れのはく離、それは流れの損失を持ち込むものであるが、それを避ける一方、前記ダクトはできるだけ短くすることが望ましい。したがって、実施上、前記長さLは、ロータ翼の高さHr の4から12倍の範囲内に、および好ましくは4から8倍であるのが適当であり、求められた拡散量に依存する。より明確にはかつより好ましくは、前記拡散および面積における変化は、軸方向の長さLが典型的にはロータ翼高さHrの5倍であるダクト１４６によって達成される。

好ましくは、前記環状オフセットダクト１４６は、示されているように、羽根がなくて前記流れF，F1，F2を半径方向に沿って内向き／外向きに単純に送る単なるダクト１４６である。しかしながら、半径Roにおける変化が非常に短い軸方向の長さLで実行される非常にコンパクトな装置をもつことが望ましい所定の応用にあっては、例えば渦発生器のような流れ制御装置を前記ダクト１４６内に導入することが必要であるかもしれず、これによって流れのはく離または高度の非均一流の発達を阻害する。

この実施の形態において、前記ロータ１３２のいずれかの側における前記オフセットダクト１４６は対称的であり、かつノズル案内用羽根１４０，１４２の組は、同一の半径Rvにある。しかしながら、他の実施の形態にあっては、ノズル案内用羽根１４２の第２の組およびそれらに導くオフセットダクト１４６は異なる半径および大きさにあるのが良い。
なぜならば、前記室１１４からの流れF1は、大気中から前記室１１４への空気の流れF2よりも濃いからであり、それによって前記タービン組立体および出口１２１から出る空気流F1の速度は前記室１１４への前記空気流よりも小さい。結果として、前記オフセットダクト１４６の前記オフセットRoおよび大きさは、これを考慮して変えるのが良い。

前記ノズル案内用羽根１４０，１４２が提供する抵抗量およびそれに伴う損失は、非線形的態様で、転向量と関係している。これは、前記ノズル案内用羽根１４４の転向角を削減する顕著な利益があることを意味する。これは、前記オフセットダクト１４６の前記高さHdを、前記案内用羽根端１５２，１５４において、前記ロータ端１５６よりも小さくさせることによって達成することができる。特に、もし前記ダクト１４６の高さHdが、半径Roにおける任意の変化に対して一定である場合には、前記流れF，F1，F2の前記軸方向の速度成分および周方向の渦巻き速度成分は比例して変化し、かつ、前記流れF，F1，F2の前記ノズル案内用羽根端１５２，１５４およびロータ端に関する角度は一定のままである。しかしながら、もし前記ダクトの高さHdが変化する場合には、前記流れF，F1，F2の軸および周方向の成分は異なるように変化し、前記流れF，FI，F2の前記軸方向に対する角度は変化可能であって、前記調整要求を削減することができる。特に、もし、前記ロータ端１５６での前記ダクトの高さHr，Hv，Hdが、前記ノズル案内用羽根端１５２，１５４よりも大きいならば、前記流れの角度は、好都合なことに変化して、前記ノズル案内用羽根１４４によって要求される転向、したがって前記損失を削減する。しかしながら、ダクトの高さHdにおけるこの変化は、流路面積における変化を従って前記拡散効果および全速度変化を削減し、かつ、それはハブ／先端比を増加させる必要性を導くだろうし、その両者は、パフォーマンスを削減する傾向となるであろう。したがって、達すべき調和があり、その調和は、前記ノズル案内用羽根端１５２，１５４での前記ダクト１４６の高さHdは、前記ロータ端１５６での高さの半分より小さくなりそうでないことを意味するだろう。ダクトの高さHdでの変化を補償するために前記オフセット半径Roおよび前記ロータ１３２に対する前記羽根１４０，１４２の前記半径Rv，Rrにおける差異は変化して全ての流路面積および拡散での求められた変化を維持することもまた認められている。

前記案内用羽根１４０，１４２を、前記ロータ翼１３６よりも大きい半径Rvに向かって外方に移動させることは前記圧力損失の大きさを削減するけれども、はく離した乱流の大きな領域が、前記ロータ１３２の前記各案内用羽根１４４の下流側の周りでさらに生ずる。これは、圧力損失を持ち込みかつ効率を低下させる。このはく離した流れ（すなわち乱流）およびそれが誘発した前記損失の程度は逆流での動作に適合する新規な案内用羽根構造を採用することによって削減しうる。

前記案内用羽根１４４に対する構造上の要求は、したがって、前向きの流れ方向にある入口の案内用羽根として作用する場合に低い損失をもった効率的な流れの転向を提供し、空気流を前記ロータ翼１３２に導き、かつ、出口用の案内用羽根として逆方向にそれが作動するときに生ずる流れのはく離の衝撃を緩和する性質をもつ。特に前記案内用羽根１４４の形状は前向きの流れ方向で効果的な転向を提供し、かつ逆方向の動作時のパフォーマンスを改善する特徴を有するべきである。

もし前記ロータの上流で作動する際に前記ロータで流れを導くように角度付けられた単純な曲がった板が前記案内用羽根１４４のために使用されるとするならば、任意の隣接する２つの案内用羽根の間の前記流路の前記面積は前記ロータに向かって減少する。しかしながら、前記流れが逆転し、前記案内用羽根が前記ロータの下流にあって、かつ前記曲がったプレートの案内用羽根の間の前記流路が、非常に貧弱な拡散機として作動し、前記損失が増大する。したがって、前記逆流方向で作動する際に前記パフォーマンスを改善するためには、前記案内用羽根１４４は、前記流れの転向が発生する前記羽根１４４の間の流路部分の断面積がほとんど一定に維持される形状を持つように設計される。この特徴は、前記羽根１４４が逆流方向で作動する場合に前記流れが向きを変える前記領域には（前記はく離した流れの発達を悪化させるであろう）拡散が殆ど行なわれず、流体の向きを変えない前記流路の前記部分では拡散が行なわれる。

加えて、前記羽根の転向部分１６６の長さは、できるだけ短く維持して前記ロータの出口流への軸方向の妨害を最小限にする。前記案内用羽根１４４は、また、前記高い流れの入射角度および流れの入射における変化による衝撃を削減する比較的鈍い丸みを帯びた後縁を有している。従来の一方向の案内用羽根と異なり、前記後縁（前記ロータにより近い）ができるだけ鋭い形状を持つのが一般的に好ましく、前記案内用羽根の後縁はできるだけ薄いことが好ましい。

これらの目的に適うとともに前記空気流を前記ロータ翼に導く適切な案内用羽根の形状は、図５ａ，図５ｃおよび図７に示されている。図７は、前記流れ方向F，F1，F2に関するノズル案内用羽根１４０の前記第１の組の羽根１４４の前記羽根の形状を示す。ノズル案内用羽根の前記第２の組１４２の前記羽根１４４の前記羽根の形状は同じであるが、図５ａ，図５ｃと比較して示すように、逆の軸方向に向いた前記羽根１４４を持っている。

前記ノズル案内用羽根１４４の断面形状は、先端部１６４、転向部分１６６と後部１６８とを有している。前記先端部１６４は前記ロータ１３２から軸方向に最も遠く離れかつ前記開口部１１８に向かって前記室１１４またはノズル案内用羽根の組の羽根が内部で用いられる出口１２１に設けられている。前記後部１６８は軸方向に前記ロータ１３２に向かって設けられ、前記先端部１６４と後部１６８の間に前記転向部分１６６が設けられている。前記ノズル案内用羽根翼１４４の形状はこれらの部分の各々のいくつかの構造的特徴を互いに混ぜることによって形成される。

求められる形状、および転向部分１６６は、求められる転向量を求められる転向角θに渡って伸びる円弧１７０として形成することによって構成され、前記案内用羽根１４４が前記ロータ翼１３６の上流にあるような前記流れ（図７でのF1）の場合に、前記空気流を前記ロータ翼１３６で正しく導く。この円弧１７０は、前記羽根１４４の中央の反り曲線１７０を形成し、前記調整部分１６６の長さを最小にする。前記反り曲線１７０から間隔を空けた上側および下側表面１７２，１７４および前記厚さtv翼弦比はこの転向部分によって定められて連続的なノズル案内用羽根１４４の間の前記流路の面積Fpをこの転向部分１６６に渡って実質上一定に維持する。前記上側および下側表面１７２，１７４は、適切な数学的関数、余弦関数、３乗関数および／または正接関数を用いて、それらの形状を形成することによって連続的な滑らかさを維持する。

前記後部１６８は前記転向部分１６６の前記端部の短い直線状の伸長部分であって略平行な前記上側および下側の表面をもつものを有している。前記後部１６８は好ましくは前記全体の羽根の軸方向の翼弦の長さの10％までのみであるが、前記全体の羽根の軸方向の翼弦の長さの30％、または50％までであっても良い。前記後部１６８の端部は、前記羽根１４４が前記逆流（図７のF2）を受ける場合の前記高い流れの入射角度および流れの入射の変化を削減する比較的鈍い丸みを帯びた後縁１７６によって仕上げられている。この後縁１７６は、好ましくは示されているように、前記軸方向の翼弦の2％と10％の間、より好ましくは4.5％の半径rtをもつ半円後縁（１９）を有する。

前記羽根形状の前記先端部１６４は前記中心軸１０１に平行な前記反り曲線をもって前記軸方向に沿って設けられ、前記先端部１６４を越える前記流れの調整がない。前記先端部１６４は、比較的細い（すなわち、比較的長い）楕円のまたは他の適当な形状であって隣接する羽根１４４の間の増大する流路を囲み、前記羽根１４４が前記逆流（図７のF2）を受けた場合の逆流および前記ロータ１３２の下流に対する緩やかな求められる拡散を提供する。前記最大厚さ点の前方の前記楕円状先端部１６４の前記羽根１４４の最大の厚さTvmaxと細さとの比は前記後縁１７６、転向部分１６６および転向角θおよび前記要求によって決定されて、前記転向部分１６６にわたる一定の流路面積Fpを維持する。

前記結果として生じる羽根１４４の形状は、図７に示すように、比較的平坦で、かつ、比較的大きな最大厚さを持っている。また、この構造は境界層の吹き飛ばし（下記の）のために使用される空気のための高圧室として役に立つか、または、種々の構造の翼を有することと関連するアクチュエータ機構を収容することのいずれかに使用されることができる明らかな内部容量があるという利益を有する。

好ましい装置では、示されるように、前記流路の前記面積は、前記転向部分１６６および後部１６８の双方に渡って実質上一定であり、前記面積のみが、前記先端部に渡って変化しかつ増加する。したがって、前記流れF，F1，F2の拡散は前記羽根１４４の前記先端部１６４に渡ってのみ生ずる。

一般に、衝撃式タービンを通しての流れが増加するにつれて、前記効率が増加してピークに達し、その後、さらなる流速の増加とともに穏やかな減少がある。これは、逆転するサイクルにわたって高い効率を達成するには前記タービンは、高い質量流量(high mass flow rate)条件で運転すべきであり、低い質量流量、低い効率条件で作動して費やす時間を最小化することを意味する。前述の要求を満たすためには、したがって、目的の構造は、比較的高い質量流率の設計上、すなわち、翼の構造に基づいて、例えば、翼長中央で平均の軸方向の速度／回転速度が、φ＝1.0をもつことになる。これは、従来の衝撃式タービン装置およびロータ設計と対照的であり、転向角αは、例えば、φ＝0.4の設計上の質量流率を有する。

従来装置にあっては、衝撃式タービンは、前記ロータからの出口流が軸方向である場合に最も高い効率で作動し、したがって、タービンは、それらの設計上、この条件に近づくように通常設計されている。前記ロータの出口の下流側には、案内用羽根１４０，１４２を有する場合には、逆流の場合と同様に、前記ロータ１３２の出口流は軸方向に接近し、前記案内用羽根１４４への前記流れの入射は非常に高く、そのことは非常に大きな流れのはく離に導く。このはく離の程度は、前記案内用羽根１４０，１４２への前記ロータ１３２の出口流の入射を削減することによって削減されることができる。したがって、前記ロータ翼１３２の転向角を、例えば、前記設計上において（70度の全転向角の最大値まで）厳密に要求されるものを越えて、数度、3−5度増加させて、ある角度を向いた流れが前記ロータ１３２から届けられるようにすることは有益である。これは、前記ロータ１３２の下流側の前記羽根１４４において、前記ロータ１３２からの前記流れの前記入射角度を減少させる。したがって、前記ロータ翼１３６は、好ましくは、従来用いられたであろうものより高い転向角を有する。これは、ロータ１３２のパフォーマンスにおけるわずかな減少に帰着するけれども、前記案内用羽根１４０，１４２の少し良い流れの配列に起因する損失の減少によって、それを補償する以上のものがある。

効率を最大化するためには、すなわち、通過する前記空気流から前記タービンができるだけ多くの仕事を引き出すためには、前記タービン組立体１２０からの低い渦巻き出口流を持つことが望ましい。これは、比較的高い負荷をかけたロータ形状をもたせることが望ましく、そのことは、比較的大きな案内用羽根１４４およびロータ翼１３６の転向角、典型的には、55度よりも大きい角度に導く。これと、前記案内用羽根１４４の転向角が（上述したように）、種々の高さHdのオフセットダクト１４６の使用によって削減されても良いという事実が与えられるならば、前記案内用羽根１４４の転向角θは典型的には、35−70度の範囲内であり、同様のロータ翼１３６の転向角αは、35−70度の範囲であり、前記ロータはその軸方向の中間面に関して対称的であるので、全体のロータ翼１３６の転向角は、70−140度（すなわち、2α）を与える。

言い換えれば、前記ロータ１３２、および特に前記ロータ翼１３６の前記転向角αは、非軸方向の流れを生じさせ、かつ（前記設計動作上で）周方向の渦巻き成分を有するように設計して、前記隣接するロータ１３２に向き合う前記羽根の形状によって前記出口流における前記調製不良を減少させる。これは、典型的な衝撃式タービンロータの設計であって、前記設計動作上ベルト車のような軸流を持つように設計されたものと対照的となりうる。したがって、前記ロータ１３２、およびロータ翼の形状および特に転向角は、より高く負荷を負いかつ典型的な純粋の衝撃式タービンに対するであろう場合よりも高い質量流量を有するように形成される。したがって、本発明に係る前記ロータ１３２は、純粋な衝撃式の形状ではなく、前記ロータ１３２を横切ってわずかに圧力の降下を有して、非軸方向の出口流を生じさせる。これが前記ロータ１３２の効率を削減させる一方、前記案内用羽根１４４による前記流出調整不良に関連する損失の削減によって補償される。なぜならば、前記非軸方向の出口流は前記羽根の形状による調製不良ではなくかつ全体の効率における全体的な改良を与えるからである。実際、前記ロータの設計（および転向角）は、好ましくは、最適化するように設定されて、設計上の流速において、前記渦巻きおよび周方向の速度成分の程度は、そのような渦巻き成分をもつ前記出口流に起因する前記ロータの出口と関連する損失が前記渦巻き成分をもちかつ軸方向というよりもある角度をもつ前記出口流に起因する前記案内用羽根１４４を越える前記流れに関連する損失による減少に等しいようなものである。

本発明の実施の形態に係る前記ロータ翼の形状は、図１０に示され、それは、円弧状の反り曲線１８０および厚さによって定められる。前記ロータ翼１３６は好ましくは、その全体的な半径方向の高さに渡って中心線について対称的である。前記円弧１８０は前記ロータ翼１３６の前記転向角αを定義する前記ロータ翼１３６の全体的な転向角は、前記翼の形状が対称的なので、実際にはαの2倍である。圧縮および吸引表面１８２，１８４は前縁１８６および後縁１８８のポイントであって、前記翼弦中央での最大の厚さの点を通る放物曲線によって形成されている。前記形状の形成は、特定の半径（それは製造上考慮すべき事柄に依存する）を前記前縁および後縁１８６，１８８に適用することによって完成される。

新規な形状の使用に加えて、前記ノズル案内用羽根１４４および／またはロータ翼１３６のパフォーマンスは、それらを３次元に作ることによって改善することができて、それらを半径とともに変化する局所的な流れの条件とより良く調和する。これは、前記ノズル／案内用羽根翼の形状がその翼長に沿って同一に維持されることを意味するが、前記羽根／翼を有する異なる半径部分が、ねじれ、かつ周方向および軸方向の変形（傾斜および湾曲）が前記部分を回転しかつ真直ぐな半径ラインに沿ってそれらの中心軌跡を積み重ねるよりも、むしろ３次元の数学的関数に基づくそれらの中心軌跡の積み重ねにより導入されている。そのような３次元の翼の空気力学的設計による前記案内用羽根およびロータ翼の形状の最適化は特に、例えば、前記室１１４からの前記空気流と前記大気から前記室１１４への空気流との間での密度の相違に起因して、前記前進流および逆流の性質が異なる状況で特に利益がある。前記部分に適用することができる前記ねじれ、傾斜および湾曲が図８に示すように例示されている。加えて、前記羽根１４４およびロータ翼１３６の形状がそれらの半径方向の高さおよび翼長にわたって変化しても良い。

問題の表面を通して流体を導入することによって流れのはく離が減少しまたは防止されて、境界層の吹き飛ばしを通して前記境界層を再活性化しかつパフォーマンスの正味の増加をもたらすことは知られている。これを実行するために要求される前記流体質量流量は、前記タービンを通しての全体的な質量流量に比較して典型的には小さい。

したがって、流体の再活性化流は前記ノズル案内用羽根１４４を越えて導かれることができてその時前記ノズル案内用羽根１４４は前記ロータ１３２の下流にあって、前記ノズル案内用羽根１４４を越えて前記境界層が再活性化されかつ前記ノズル案内用羽根１４４を越えて逆流の間生ずる前記流れのはく離を制御しかつ減少させ、その時前記ノズル案内用羽根１４４は前記ロータ１３２の下流側にある。図９に示すように、このことは前記羽根１４４の前記後縁１７６に接近する細いスロット１９０を提供することによって達成されるだろう。該細いスロットから流体の噴射がされるかも知れず、その際前記羽根１４４は逆流を受け、前記流れは前記羽根１４４が前記ロータ１３２の下流にある。前記スロット１９０は、前記局所的な表面の斜面の接線に対して典型的には約45度の角度で配置されている。最大の効果を達成するには前記スロット１９０は典型的には前記後縁１７６（前記逆流においては前縁となる）および前記流れのはく離点にあり、その時前記羽根１４４は下流側の案内用羽根１４４として作動する。前記羽根１４４内に前記スロット１９０および適切なダクト構造を適応させて流体を前記スロット１９０に供給するためには、前記後縁１７６はやや厚く作られている。効率的であるためには、前記スロットからの前記流体の流れの前記速度は前記羽根を越える前記局所的な自由な流れの速度よりもより高くしなければならず、典型的には、前記自由流速の1.1から1.3倍の範囲内である。

この境界層の制御を生み出すために要求される前記流体の流れは、任意の適切な手段によって提供されることができる。例えば、図１４に示すように、前記流体は、加圧された空気２００の離れた源から適切な弁２０２を通してノズル案内用羽根の周囲の閉じた空間および多岐管２０４に供給されることができ、前記ノズル案内用羽根から前記流体は複数の供給用ダクト２０６を通して前記個々の羽根１４４および各羽根の前記スロット１９０へ管で運ばれるだろう。前記加圧された流体の源は好ましくは流体の流れを要求された速度、典型的には、前記自由流速の1.1から1.3倍の前記スロット１９０からの流体の流れを提供するのに十分な圧力であり、したがって、前記スロットの前記面積によって決定され、前記羽根１４４での静止圧力よりも大きくなければならない。前記切替弁２０２は制御されて前記弁は、前記スロット１９０へ前記吹き飛ばし流体を提供し、その時前記タービン組立体１２０を通りかつ前記各羽根１４４を越える前記逆流（案内用羽根１４０の第１の組の場合にはF2）がある。図１４には、ノズル案内用羽根１４０の前記第１の組に対する前記吹き飛ばし流体の供給配置のみが示され、対応する流体供給配置はノズル案内用羽根１４２の第２の組に対し設けられていることを認識されるでしょう。

代わりに、もし前記タービンを横切る前記圧力効果が十分に大きい場合には、これは前記上流側の案内用羽根１４２の前方から前記下流側に、前記流れ源から追加の流れを取り出すことによって、または前記流環に取入れ口（例えば、単純なピトー型のような）を組み込むことのいずれかによって流体を届けることによって前記吹き飛ばし用の流体を提供して前記求められた吹き飛ばし用の流れを徐々に減らすために用いても良い。そのような配置は好都合なことに、適当な吹き飛ばし用の流れを生じさせるある圧力差は前記タービン１２０を通しての適当な流れF1，F2がある場合のみ存在する。加えて、前記主要な流れF，F1，F2が逆転した場合には、前記スロット１９０へのおよび前記取入れ口からの逆転吹き飛ばし用流れは生じない。前記スロット１９０は前記ロータ１３２に隣接する羽根１４４の前記縁にあるからであり、したがって、後縁、および該後縁での圧力、およびスロット１９０は前記向かい合った羽根の向かい合った側での前記下流側圧力と同じであって、前記入口／上流側の案内用羽根を越えて生ずる衝撃式タービンの主要な圧力降下を伴う。したがって、そのような受動的な吹き飛ばし配置は、自動的に吹き飛ばし用流体を前記主要な流れF1，F2の前記流れ方向に対して、任意の切替装置２０２の必要なく前記適当な案内用羽根に供給するのみである。これは好都合なことには、動作部分のない受動的な吹き飛ばしシステムを生じさせるだろう。そのような受動的な吹き飛ばし配置は図１１および図１２に示されている。

図１１の前記吹き飛ばし配置において、羽根１４０の前記第１の組に対する前記追加の流体流が第２の入り口２０８およびダクト２１０を通して前記大気中から取り出されて流体ノズル案内用羽根１４０の前記第１の組の周囲にある前記プレナム部２０４に移動させ、該プレナム部から前記流体の流れは管２０６で前記個々の羽根１４４およびスロット１９０に運ばれる。前記羽根１４２の第２の組に対する前記吹き飛ばし配置は図１１には示されていないが前記追加の流体流が前記振動水柱発電機１１０から取り出される場合には同一である。

図１２の前記吹き飛ばし配置において、該配置は前記好ましい配置であるが、逆流F2で作動する際に前記流体を羽根１４０の前記第１の組に提供するためには、ピトー型の取入れ口２１２はノズル案内用羽根１４２の第２の組の前方の前記流路２２８に設けられる。これはダクト２１０と接続して、ノズル案内用羽根１４０の前記第２の組の周囲の流体を、ノズル案内用羽根１４０の第２の組の下流に沿い、前記ロータ１３２の他の側にそして前記プレナム部２０４に移動し、そこから、流体は個々の羽根１４４および羽根の前記第１の組のスロット１９０に管２０６により運ばれる。羽根１４０の前記第２の組に対する吹き飛ばし配置は、図１２には示されていないが、前記追加流体流がノズル案内用羽根１４２の第１の組の前方の前記流路２２８に設けられたピトー型取入れ口２１２から取られた場合と同様である。これはダクトと接続してノズル案内用羽根１４０の第１の組の周りの前記流体をノズル案内用羽根１４２の前記第１の組の下流に移送して、前記ロータ１３２の他の側である前記プレナム部２０４に移送し、そこから前記流体は、管２０６によって前記個々の羽根１４４およびノズル案内用羽根１４２の第２の組のスロット１９０に運ばれる。

もし、特別な応用での圧力差が非常に小さいので吹き付ける空気の求められた質量流量をポンピングすることができないのならば、小さなコンプレッサ２１４が、前記システムに含めることができて、図１３に示すように、逸らされた空気の圧力をまた上げることができる。そのようなポンプ２１４は同様にして、図１１の前記配置に含めることができる。そのようなポンプ２１４の前記使用は、しかしながら、あまり望ましくない。なぜならば、それは複雑さを加え、また、適当に前記ポンプ２１４を作動させるための切り替えシステムを要求するからである。

また、前記スロット１９０は、他の実施の形態では、一連の小孔又は多重スロットで置き換えられて、前記羽根を越えて流体を吹き付ける多重の間隔を置いたジェットを設けることが認識されるだろう。これは、吹き付ける流体の要求を削減しおよび／または与えられた吹き付けの流速に対して達成することができる効率性を増加することができる。

上述したように本発明は、新規な衝撃式タービン装置からなり、衝撃式タービンを通しての前記流れが周期的に逆転する場合の低い全体的な効率の上記課題への解決を与え、本発明の特別な実施の形態に係るタービン１２０は、75％以上の改良された効率を提供することができる。その結果、本発明のそのような衝撃式タービン装置は実用的にかつ好都合に例えば振動水柱発電システムに用いることができる。また、前記衝撃式タービン装置は、他の、例えば、作業場の比較的遅い回転速度を持つものを含むような応用において従来使用されるウェルズ式タービン装置を越える利点、例えば同様の機関の効率をもつウェルズ式タービンに比較してより高いトルクの性質、および軸方向の作業用負荷のない（または低い）をもっている。前記好ましい実施の形態に係る前記衝撃式タービン装置は、固定された構造をもち、唯一の１の主要な動作部分である前記ロータを持っている。

上述したように、前記衝撃式タービン装置１２０は特に振動水柱発生装置１１０との使用に適しているけれども、それは、衝撃式タービン装置１２０を通過する流れが周期的に逆転する他の応用にも用いることができるしかつ用いた。また、前記衝撃式タービン装置１２０の詳細な構造、および特に前記羽根１４４および翼１３６の正確な形状および大きさは、前記特別な応用の詳細によって決定されるだろう。したがって、ここでは、それらは前記重要なパラメータの典型的な値に言及して記述した。さらに、前記記述は、ノズル案内用羽根１４０，１４２の単一の列および組、単一の翼列をもったロータ１３２のいずれかの側の使用にのみ言及しているが、これらは、多重翼列および案内用羽根列によって非常によく置き換えることができる。

本発明の作業の原理およびモードが、その好ましい実施の形態において説明されかつ例示されている。しかしながら、本発明は、その主旨または範囲から逸れることなく特に説明しかつ例示したようなものと異なるように実施することができることを理解されなければならない。

Claims (42)

1. 軸を有し、通過する双方向に逆転する流れで使用するタービン装置であって、
   回転可能に設けられ前記軸の周りを回転し、かつその周囲に周方向に沿って配置された複数のロータ翼を有するロータと、
   前記軸の周りの周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの軸方向側に位置して、前記双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導く案内用羽根の第１の組と、
   前記軸の周りの周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの反対側の軸方向側に位置して、双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導く案内用羽根の第２の組と、
   案内用羽根の前記第１、２の組および前記ロータとの間に各々配置され、前記案内用羽根から前記ロータ翼に流体を導く第１および第２の環状ダクトとを有し、
   前記案内用羽根は前記ロータ翼よりも大きな半径に配置されそれらは前記ロータ翼から半径方向に変位している双方向の流れの衝撃式タービン装置。
2. 前記ロータ翼からの前記案内用羽根の半径方向の変位の距離は、前記ロータ翼の前記半径方向の高さの6倍である請求項１に記載のタービン装置。
3. 前記第１および第２の環状ダクトは前記ロータ翼半径方向の高さの4から12倍の間の軸方向の長さを有する請求項１または請求項２のいずれかに記載のタービン装置。
4. 前記ロータ翼に隣接する前記ダクトの端における前記第１および第２の環状ダクトの環状流路の前記半径方向の高さは前記ロータ翼の半径方向の高さに相当する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタービン装置。
5. 前記第１および第２の環状ダクトの前記環状流路の前記高さは前記環状ダクトの長手方向に沿って一定である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のタービン装置。
6. 前記第１および第２の環状ダクトの前記環状流路の前記高さは前記ロータ翼に隣接する前記ダクトの端でよりも前記案内用羽根に隣接する前記ダクトの端での方がより小さい請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のタービン装置。
7. 前記案内用羽根に隣接する前記ダクトの端で前記第１および第２の環状ダクトの前記環状の流路の前記高さは、前記ロータ翼に隣接する前記ダクトの端での前記第１および第２の環状のダクトの前記環状の流路の高さの半分の高さよりも大きい請求項６に記載のタービン装置。
8. 前記案内用羽根に隣接する前記ダクトの端での前記第１および第２の環状ダクトの流路面積は、前記ロータに隣接する前記ダクトの端での前記第１および第２の環状のダクトの流路面積よりも大きい請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のタービン装置。
9. 前記案内用羽根に隣接する前記ダクトの端での前記第１および第２の環状ダクトの前記流路面積は、前記ロータに隣接する前記ダクトの端での前記第１および第２の環状ダクトの前記流路面積の4倍まで大きい請求項８に記載のタービン装置。
10. 前記案内用羽根に隣接する前記ダクトの端で前記第１および第２の環状のダクトの前記流路の面積は、前記ロータに隣接する前記ダクトの端で前記第１および第２の環状ダクトの前記流路面積よりも2.5倍まで大きい請求項８に記載のタービン装置。
11. 軸を有し、通過する双方向に逆転する流れで使用するタービン装置であって、
    回転可能に設けられ前記軸の周りを回転し、かつその周囲に周方向に沿って設けられた複数のロータ翼を有するロータと、
    前記軸に関して周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの１の軸方向側に位置して、前記双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導くための案内用羽根の第１の組と、
    前記軸に関して周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの反対側の軸方向側に位置して、双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導くための案内用羽根の第２の組とを有し、
    少なくとも１の境界層流制御用出口が、案内用羽根の前記組の少なくとも１つの前記案内用羽根の案内用羽根表面に形成され、前記境界層流制御用出口は、流体源と接続されて、使用の際には、前記流体源からの流体を前記出口に前記案内用羽根表面を越えて導く双方向の流れの衝撃式タービン装置。
12. 少なくとも１の境界層流制御用出口は前記案内用羽根の前記案内用羽根表面にスロットを有する請求項１１に記載のタービン装置。
13. 前記少なくとも１の境界層流制御用出口は前記案内用羽根の前記案内用羽根表面の多重スロットを有する請求項１１または請求項１２のいずれかに記載のタービン装置。
14. 前記少なくとも１の境界層流制御用出口は前記案内用羽根の前記案内用羽根表面における複数の開口部を有する請求項１１に記載のタービン装置。
15. 前記少なくとも１の境界層流制御用出口は、前記ロータに近い案内用羽根のロータ方向の端に位置している請求項１１乃至請求項１４のいずれかに記載のタービン装置。
16. 前記流体源は、少なくとも１の取入れ口およびダクトを有し、前記タービンダクトを通して流れる前記流体の一部は、前記少なくとも１の境界層流制御用出口に逸らす請求項１１乃至請求項１５のいずれかに記載のタービン装置。
17. 前記タービンダクトを通って流れる前記流体の一部は案内用羽根の前記第１の組の前記少なくとも１の境界層流制御用出口に逸らす第１の取入れ口およびダクトと、前記タービンダクトを通って流れる前記流体の一部を案内用羽根の前記第２の組の前記少なくとも１の境界層流制御用出口に逸らす第２の取入れ口およびダクトを有する請求項１６に記載のタービン装置。
18. 前記第１の取入れ口は、案内用羽根の前記第１の組に対し前記ロータの軸方向側の反対側に位置し、前記第２の取入れ口は、案内用羽根の第２の組に対し前記ロータの軸方向側の反対側に位置する請求項１７に記載のタービン装置。
19. 前記第１の取入れ口は、前記ロータに対して、案内用羽根の前記第２の組の反対側の軸方向の側に位置し、前記第２の取入れ口は、前記ロータに対して、案内用羽根の第１の組の反対側の軸方向側に位置する請求項１８に記載のタービン装置。
20. 前記少なくとも１の取入れ口は前記タービン装置を通る流路に位置したピトー型取入れ口を有する請求項１６乃至請求項１９のいずれかに記載のタービン装置。
21. 流体源はポンプを有する請求項１１乃至請求項２０のいずれかに記載のタービン装置。
22. 流体源は、少なくとも１の弁を有して、前記流体源から前記少なくとも１の境界層流制御用出口までの前記案内用羽根表面を越える流体の前記流れを制御する請求項１１乃至請求項２１のいずれかに記載のタービン装置。
23. 軸を有し、通過する双方向に逆転する流れで使用するタービン装置であって、
    回転可能に設けられ前記軸の周りを回転し、かつその周囲に周方向に沿って設けられた複数のロータ翼を有するロータと、
    前記軸に関して周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの１の軸方向側に位置して、前記双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導くための案内用羽根の第１の組と、
    前記軸に関して周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの反対側の軸方向側に位置して、双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導くための案内用羽根の第２の組とを有し、
    流路が隣接する案内用羽根の間に形成され、前記案内用羽根は、軸および前記タービンを通る軸方向の流れに該して平行に向いた第１の部分と、前記軸および前記タービンを通る軸方向の流れにある角度で向いた第２の部分と前記第１および第２の部分の間に配列された転向部分とを有する断面形状を有し、
    隣接する案内用羽根の転向部分の間に形成された前記流路の前記断面積は実質上一定である双方向の流れの衝撃式タービン装置。
24. 前記案内用羽根は壁によって囲まれ、隣接する案内用羽根の前記壁の間で前記転向部分を越える前記流路の前記幅は、実質上一定である請求項２３に記載のタービン装置。
25. 前記羽根の前記転向部分は、円弧によって形成された反り曲線を有する請求項２３または請求項２４のいずれかに記載のタービン装置。
26. 前記円弧は、前記羽根の所定の転向角に渡って伸びる請求項２５に記載のタービン装置。
27. 前記羽根の前記所定の転向角は前記軸方向に対して35と70度の間である請求項２６に記載のタービン装置。
28. 前記第1の部分は楕円状の断面形状を有する請求項２３乃至請求項２７のいずれかに記載のタービン装置。
29. 前記第２の部分は、前記羽根の前記軸方向の翼弦の30％まで、好ましくは10％までを有する請求項２３乃至請求項２８のいずれかに記載のタービン装置。
30. 前記第２の部分の前記端は前記羽根の前記軸方向の翼弦の2と10％の間および、好ましくは4.5％の半径を有する丸みを帯びた縁を有する請求項２３乃至請求項２９のいずれかに記載のタービン装置。
31. 軸を有し、通過する双方向に逆転する流れで使用するタービン装置であって、
    回転可能に設けられ前記軸の周りを回転し、かつその周囲に周方向に沿って設けられた複数のロータ翼を有するロータと、
    前記軸に関して周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの１の軸方向側に位置して、前記双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導くための案内用羽根の第１の組と、
    前記軸に関して周方向に沿って配置され、かつ前記ロータの反対側の軸方向側に位置して、双方向の逆転する流れを前記ロータ翼に対して導くための案内用羽根の第２の組とを有し、
    前記ロータ翼は、前記タービンの前記動作点での軸方向の流れを生じさせるためにロータ翼に要求されるものよりも3から5度大きい転向角を有する双方向の流れの衝撃式タービン装置。
32. 前記ロータ翼の転向角は70度と140度との間である請求項３１に記載のタービン装置。
33. 前記ロータ翼は、使用の際に前記ロータからの非軸方向出口流を生じさせるような転向角を有する請求項３１乃至請求項３２のいずれかに記載のタービン装置。
34. 前記ロータ翼は円弧によって形成された反り曲線を有する請求項３１乃至請求項３３のいずれかに記載のタービン装置。
35. 前記ロータ翼は、間隔をおいてかつ反り曲線上に中心をもつ放物線状の圧縮および吸引表面を有する請求項３４に記載のタービン装置。
36. 前記ロータ翼は前記軸に垂直な平面について対称的でありかつ前記翼の軸方向の中間点を通過する請求項３１乃至請求項３５のいずれかに記載のタービン装置。
37. 前記案内用羽根は、前記ロータ翼よりもより大きい半径で配置されてそれらは前記ロータ翼から半径方向に変位している請求項１１乃至請求項３６のいずれかに記載のタービン装置。
38. 少なくとも１の境界層流制御用出口が案内用羽根の少なくとも１の組の前記案内用羽根の案内用羽根表面に形成され、前記境界層流制御用出口は、流体源と接続し、使用中には、前記流体源からの流体を前記案内用羽根を越えて前記出口に導く請求項１乃至請求項１０または請求項２３乃至請求項３６のいずれかに記載のタービン装置。
39. 流路が隣接する案内用羽根の間に形成され、かつ該案内用羽根は、
    該して軸および前記タービンを通る軸方向の流れに平行に向いた第１の部分と、前記軸および前記タービンを通る軸方向の流れに対してある角度を向いた第２の部分と、前記第１と第２の部分との間に形成された転向部分とを有する断面形状を有し、
    隣接する案内用羽根の前記転向部分の間に形成された前記流路の前記断面積は実質上一定である請求項１乃至請求項２２または請求項３１乃至請求項３６のいずれかに記載のタービン装置。
40. 前記ロータ翼（複数）は、ロータ翼が前記タービンの動作点での軸方向の流れを生じるために要求されるものよりも3度から5度大きい転向角を有する請求項１乃至請求項３０のいずれかに記載のタービン装置。
41. 振動水柱によって周期的に圧縮されかつ膨張される流体の室を囲むハウジングと、
    出口からの前記流体の双方向の逆転する流れによって駆動され、前記出口と接続する請求項１乃至請求項４０のいずれかに記載のタービン装置と、
    前記タービン装置の前記ロータと接続しかつ駆動される発生器とを有し、
    前記ハウジングは前記ハウジングからの前記振動水柱によって周期的に圧縮されかつ膨張する前記流体の双方向の逆転する流れを導くための出口を有する振動水柱力発生器。
42. 前記振動水柱によって周期的に圧縮されかつ膨張する前記流体は空気を有する請求項３７に記載の振動水柱力発生器。

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