JP2010538198A - 流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するためのデバイス - Google Patents

流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するためのデバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するためのデバイスに関する。デバイスは、第一の流動方向と、第一に実質的に逆の第二の流動方向で効果的なように適応している。デバイスは、ロータ軸に対するトルクの伝達のために、ロータ軸に連結するブレード軸に各々が結合した、二つのロータ・ブレードからなり、ブレードの各々は、それらのブレード軸に堅固に結合される。ブレード軸は、それらの自身の軸の周りに、ロータ軸に対して回転するよう取り付けられ、ブレード軸が同一回転方向へ回転するよう相互に連結される。また、ロータ・ブレードの各々は、非対称断面図を持つ。これにより、エネルギー変換プロセス中、非対称ロータ・ブレードに対する流れが、常に、ブレードに対して同方向から存在することになるため、この流れ方向に対して、ロータ・ブレードの断面形状を最適化できる。

Description

本発明は、流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するためのデバイスに関する。このデバイスは、第一の流動方向と、第一とは実質的に逆の第二の流動方向で効果的であるよう適応している。デバイスは、ロータ軸に関してのトルクの伝達のために、二つのロータ・ブレードを含み、各ロータ・ブレードは、ロータ軸に連結したブレード軸に結合している。
そのような設備は、予め公開されることのなかったオランダ特許出願NL-2000150の主題となっている。この出願は、発電機と共に、水中での使用に適応した水タービンを説明する。
エネルギー、特に、環境にやさしいエネルギーへの需要が増加している。環境にやさしいエネルギーの供給源の一つは、海の潮の移動である。潮汐発電所は、潮の干満運動から起こる垂直あるいは水平な水流を利用して、運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する。したがって、高水位（満潮時の最高水位）と低水位（干潮時の最低水位）との間に水位の明確な差異が観察でき、水平方向への強い水流を伴う箇所に、ロータ・ブレードを持つ水中タービンを設置する。風力エネルギーに比べ、このエネルギー変換方法には、流動特性が、より容易に予想でき、より一定であるという大きな利点がある。空気に比べ、水の密度は非常に大きいため、また、ロータ・ブレードには大きな力が作用する。さらに、タービンのサイズが制限されている場合もある。また、同じ電力を得るのに、タービンの回転が低速でよいという、もう一つの利点がある。
この既知のデバイス内に適用されるのは、最適な効率を提供できないことが知られている対称形のロータ・ブレードである。これによって、干満で発生する両方向への水流において、水の運動エネルギーをロータの運動エネルギーへ変換することは可能であるが、両方向における効率は、ロータ・ブレードのデザインに妥協があるため、好ましいものではない。
本発明の目的は、そのようなデバイスへ効率の改善を提供することである。
本発明は、この目的のために、次の特徴を持つ、序文に明記したタイプのデバイスを提供する。ロータ・ブレード各々が、それらのブレード軸に堅固に結合されること。ブレード軸が各々、それらの自身の軸の周りに回転するよう、ロータ軸に対して取り付けられること。それらブレード軸が、同じ軸に対して同一回転方向へ回転するよう、相互に連結されること。ロータ・ブレードが、各々、非対称断面図を持つこと。
これは、タービンで生じるロータ・ブレードの回転とは異なる。ブレード軸各々は、それらの自身の軸の周りに、この軸に対して同方向へ、しかし、異なる半径方向へ軸が各々延びているので相互に異なる方向へ、回転可能である。そのようなタービンは、JP-A-62142863に説明されている。
これらの対策の結果として、エネルギー変換プロセス中、常に、ブレードに対して同方向から、非対称ロータ・ブレードに対する流れが存在するので、この流れ方向に対して、ロータ・ブレードの断面形状を最適化できる。そうすれば、より高い効率が達成できる。この場合、ブレードによってブレード軸に加えられ、そして構造が実質的に左右対称である結果として逆の方向に起こり得るトルクが、ブレード軸間の結合によって均一化される。
ブレードは、また、第一の流動方向では第一の位置でロータ・ブレードが安定し、そして逆の流れ方向では第二の位置でロータ・ブレードが安定するように構成されることが好ましい。そうであれば、流れ方向の反転後、例えば、干潮と満潮との間の変化において、ロータ・ブレードは、それらの当初の位置で不安定になり、乱れがある場合、他方の位置へ移動する。この場合、ブレード軸を、同じ回転方向で回転するよう相互に連結する手法は、数学的な観点から、ブレード軸が相互に平行に延びると仮定していることに注意すべきである。本発明の範囲は、各々がロータ軸に対して鈍角に延びるブレード軸の場合、ブレード軸の回転方向も一致可能である、という事実に基づいている。
第一の好適実施例によれば、ブレード軸の各々は、ロータ軸に垂直に延びる。これは、大いに簡略化した構造になる。
したがって本発明は、また、流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するための方法に関する。この場合、水は、第一の流動方向、そして第一に実質的に逆の第二の流動方向へ、択一的に流れることができ、流水から力を受けたロータ・ブレードが、ブレード軸を介してロータ軸にトルクを加える。そして、流れ方向の変化によって、ロータ・ブレードの位置が変えられる。
組み付けの目的では、より小さな構成要素で作業するのが有利である。これによって、例えば、搬送が容易になる。もう一つの実施例における本発明によるデバイスは、この目的のために、ブレード軸方向を横切る方向へ相互から離れて配置されたブレード軸を備え、ブレード軸は、回転のために連結される。この連結は、ブレードによってブレード軸に加えられるトルクの、上述した均一化を提供するように機能する。この連結は、クランク・ロッド結合によって、ギア・ラック結合によって、あるいは中間歯車を持つギア結合によって具現化できる。
流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するためのデバイスは、通常、海水環境内に配置される。海水がデバイスに作用するため、定期的メンテナンスおよび点検を必要とする。効果的でありながら、より単純な、そのようなデバイスの実施例には利点がある。好適実施例によれば、二つのロータ・ブレードは、同じブレード軸に堅固に結合される。
流れ方向の変化の後、二つのブレードは、同時に、第一の流動方向に対して効果的な第一の位置から、実質的に逆な第二の流れ方向に対して効果的な第二の位置へ反転する。反転すべき瞬間では、流れの速度が非常に低いため、水流によってロータ・ブレードに加わる圧力も低い。それから、なお反転を生じさせるには、ブレード軸への水圧のトルクは、可能な限り大きくなければならない。したがって、ロータ・ブレード断面形状のトルク点から離れた位置にブレード軸を配置するのが有利である。なぜなら、トルクの力点距離を増すことによって、低圧でも効果的な反転が達成可能になるからである。この実施例は、また、流れ方向の反転によってブレードの位置の変化が生じるという、上述のタイプの方法を提供する。
水流の力から生じるブレード軸の捻りが減少すれば、構造は重量を軽減できる。有利な実施例における本発明によるデバイスは、ブレード軸がブレード断面形状のトルク点を通るという特徴を持つ。
第一の流動方向から第二の実質的に逆な流れ方向へと、流れ方向が変化するとき、この第二の流動方向に対して、より効果的になるよう、ロータ・ブレードは反転されなければならない。しかしながら、流れ方向におけるこの変化の最中は、流れの速度が非常に低いため、水流によってロータ・ブレードに加えられる圧力も低い。最適状態に及ばないこれらの状態にもかかわらず、効果的な反転を達成するために、好適実施例は、本発明によるデバイスが、この目的のために反転手段を含む、という手法を提供する。これら反転手段は、潮汐の両極においてブレード軸を強制的に反転させるよう適応する。これらの反転手段の制御のために、例えば、メモリに記憶した干満表を利用できる。また、流速がゼロに等しいことを判定するように適応した流量計を利用することもできる。この実施例は、さらに、反転手段によってブレードの位置の変更が行われる方法からなる。
本発明の構成は、ブレード軸に作用するトルクを均一化する目的で、主に対称形であるが、反転動作を向上させるため、特に、一方の位置から他方へロータ・ブレードを反転させるための他の手段を全く備えない場合、僅かな程度の非対称性を存在させてもよいことは明らかである。
特定の好適実施例によれば、ロータ軸は中空形状をとり、そして反転手段は、ロータ軸を通って延びて歯車伝動装置によってブレード軸に連結された反転軸、そして反転軸を回転駆動するための駆動手段からなる。反転プロセスは、駆動手段を作動させることによって実行できる。この場合、エネルギー変換プロセス中、力の伝達への障害を防止するために、反転軸は自由に回転できることが重要である。これは、さらに、海水から保護される包囲型の実施例を提供する。
通常のエネルギー変換プロセス中、ブレードは、平衡の位置にあり、流れの自然な変化に応じて変動もする。これにより、ブレード軸は小さな回転運動を行う。これは磨耗を生じる。これを防止するために、好適実施例によるデバイスは、第一および第二の位置においてロータ・ブレードを捕捉するための捕捉手段を含む。
それらの最も単純な形態における捕捉手段は、第一の位置と第二の位置との間で同じ経路を通るロータ・ブレードの移動を制限するための、第一のストップおよび第二のストップを含む。これらのストップは単純な構造を持つ。これらは、反転移動以外のブレード軸の移動を完全に防止する目的で、しかし、また、限られた移動を許容する目的でも、配置できる。
しかしながら、捕捉手段は、少なくとも、ブレード軸に対するロータ・ブレードの移動を阻止する位置と、ブレード軸に対するロータ・ブレードの移動を許容する位置との間で移動可能なラチェットからなることもできる。この場合、ブレード軸のいずれの位置をも阻止位置とできることが好ましい。この目的のために、ブレード軸の二つの位置に対応する二つのキャビティを配置し、各々の位置において、ラチェットがキャビティへ入るようにできる。しかし、各々が、ブレード軸の位置の一つで、単一のキャビティへ入ることが可能な、二つのラチェットを配置することも可能である。この場合、ブレード軸内に、そしてブレード軸のベアリング内に、キャビティを配置できる。それから、ラチェットは常に、対向エレメント内に配置する。
もう一つの好適実施例によれば、ラチェットを阻止位置に付勢するために、付勢手段が設けられる。これらの付勢手段は、バネによって形成してもよい。この場合、付勢手段は、水流の方向が反転したときに生じるそれらの力でのみ、ラチェットが、関連するキャビティを出るよう、力を作用させるように適応している。
代替実施例によれば、デバイスは、起動すると阻止位置から解放位置へラチェットを移動させる作動手段からなる。この場合、作動手段の制御は、反転手段の制御に依存して行われることが好ましい。
本発明はまた、ロータ軸が発電機に連結される上述のタイプのデバイスからなる、流水の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換するための、そのようなデバイスに関する。
さて、添付図面を参照して本発明を説明する。
流水の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換するためのデバイスを示す断面図である。 流水の運動エネルギーをロータ軸の運動エネルギーへ変換するためのデバイスを示す斜視図である。 図２に示すデバイスの変形例を図解する斜視図である。 図２および図３に示す好適実施例のブレード軸の断面図である。 図２および図３に示す好適実施例のブレード軸の断面図である。 代替実施例におけるブレード軸の断面図である。 代替実施例におけるブレード軸の断面図である。
図１は、海面下に設置された支持構造内に取り付けられた発電機１を示す。支持構造は、発電機に直接結合された垂直エレメント２と、水平エレメント３からなる。発電機１は、全体を参照番号５で指す水タービンが結合されたロータ軸４を含む。水タービンは、両側に、タービン・ブレード７、８の各々が堅固に結合されたブレード軸６を含む。ロータ軸４の終端に取り付けられているのが、スリーブ９であり、その軸はロータ軸を横切る方向へ延び、その中に、ブレード軸６が回転可能に取り付けられている。
図２に、水タービンをより詳細に示す。矢印１０の方向へ水が流れ、そして図２に示す位置にブレードが配置されるタービンの通常作動中、水流は、ブレード７および８へ圧力を加える。これにより、ロータ軸４は、矢印１１で示す方向へ回転する。この実施例では、ブレード７および８は、流水によってブレード７および８に作用する水圧の係合点が、ブレード軸６の軸線を横切るよう、あるいはブレード７、８が最適な位置にある場合には、そこから少なくとも少し離れて位置するよう、ブレード軸６に取り付けられている。ブレード軸とブレードとの間の結合は、ブレード軸６を介して全くトルクを伝達する必要がない、あるいは僅かなトルクのみを伝達するので、このブレード軸の寸法は小さくともよい。
図３に示す代替構造では、そうではない。この場合、ブレード７および８は、流水がブレード７、８に加える水圧の係合点が、ブレード７、８の最適な位置において、ブレード軸から相当な距離だけ離れて、ブレード軸６に取り付けられている。これは、ブレード軸とブレードとの間の結合に、より重い構造を要求するが、この構成には、流れ方向が逆になったときにブレードの反転が自動的に、より容易に行われる、という利点がある。
図４Ａおよび図４Ｂは、スリーブ９から短距離の箇所でブレード軸６を示す断面図であり、スリーブには、ブレード軸がベアリングで取り付けられている。これらの図は、ブレード軸６上に隆起部１２が設けられていることを示す。第一の水流方向に関連する図４Ａに示す位置において、隆起部１２は、第一のストップ１３に寄りかかるが、図４Ｂに示す位置においては、隆起部１２は、第二のストップ１４に寄りかかる。この後の方の位置は、第二の流動方向に関連する。明らかではあるが、ブレード軸の移動、および、それによる、それに取り付けられたブレードの移動は、矢印１５が示す経路のみを介して行われる。
最後に、図５Ａおよび図５Ｂは、ブレード軸６に設けられた二つのキャビティ１６、１７と、スリーブ９に結合されてブレード軸の半径方向に移動可能なピン１８との形態にある、捕捉手段の代替実施例を示す。ピン１８は、スリーブ９内に設けられたキャビティ２０内に受容され、そしてピン１８は、キャビティ２０内に配置されたバネ１９によって、キャビティ１６内へ付勢される。これにより、図面に示す位置において、捕捉が行われる。図５Ｂは、ピン１８がキャビティ１７内へ移動した、他方の流れ方向に対応する位置を示す。両方の図において、スリーブ９に対するブレード軸６の回転位置が、矢印２１によって示されている。上述のように、これらの捕捉手段は、流れの方向が変わったときに自動的に解放するよう寸法決めができるが、流れの方向が変わった時点での解放制御のための作動手段を備えることもできる。同様に、同業者には明らかであるが、スリーブおよびブレード軸内のピンとキャビティの位置は、各々置き換えることができる。また、捕捉手段の構造における変形例も可能である。さらに、本発明の図示の実施例の全体的な構造における変形例も可能である。

Claims (18)

  1. 流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するためのデバイスであって、第一の流動方向と、第一に実質的に逆の第二の流動方向とに効果的であるよう適応しており、
    ロータ軸に対するトルクの伝達のために、各々が、ロータ軸に連結されたブレード軸に結合した二つのロータ・ブレードからなり、ブレードがそれらのブレード軸に各々堅固に結合され、ブレード軸が、それらの自身の軸の周りに、ロータ軸に対して回転するように取り付けられ、ブレード軸が同じ回転方向へ回転するよう相互に連結され、ロータ・ブレードが各々非対称断面形状を持つことを特徴とする、デバイス。
  2. ブレード軸が各々、ロータ軸に対して垂直に延びることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
  3. ロータ・ブレードが各々、分離したブレード軸に結合され、それらブレード軸が、ブレード軸方向を横切る方向へ、相互から離れて配置され、ブレード軸が、回転のために連結されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のデバイス。
  4. 二つのロータ・ブレードが、同一のブレード軸に堅固に結合されることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
  5. ブレード軸がロータ・ブレード断面形状のトルク点から離れて配置されることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
  6. ブレード軸がロータ・ブレード断面形状のトルク点を通って延びることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
  7. デバイスが、第一および第二の位置でロータ・ブレードを回転させるための反転手段を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイス。
  8. ロータ軸が中空の形状をとり、そして、反転手段が、ロータ軸を通って延びて歯車伝動装置によってブレード軸に連結する反転軸、そして反転軸を回転駆動するための駆動手段からなることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
  9. 反転手段が、ロータ軸およびブレードの非対称構成からなることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
  10. デバイスが、第一および第二の位置においてロータ・ブレードを捕捉するための捕捉手段を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイス。
  11. 捕捉手段が、第一の位置と第二の位置との間の同じ経路を通るロータ・ブレードの移動を制限するための、第一のストップおよび第二のストップを含むことを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。
  12. 捕捉手段が、少なくとも、ブレード軸に対するロータ・ブレードの移動を阻止する位置と、ブレード軸に対するロータ・ブレードの移動を許容する位置との間で移動可能なラチェットからなることを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。
  13. 阻止位置へラチェットを付勢する付勢手段によって特徴づけられる、請求項１２に記載のデバイス。
  14. 起動すると阻止位置から解放位置へラチェットを移動させる作動手段によって特徴づけられる、請求項１３に記載のデバイス。
  15. ロータ軸が発電機に連結する、前述の請求項のいずれかに記載のデバイスによって特徴づけられる、流水の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換するためのデバイス。
  16. 流水の運動エネルギーを回転ロータ軸の運動エネルギーへ変換するための方法で、水が第一の流動方向、そして第一に実質的に逆な第二の流動方向へ択一的に流れることができ、また、流水が加える力によってロータ・ブレードが、ブレード軸を介してロータ軸にトルクを加える方法であって、流れの方向が変化するときにロータ・ブレードが、それらのブレード軸に対して回転位置を変化させることを特徴とする、方法。
  17. ブレードの回転位置の変化が、流れ方向の反転によって生じることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
  18. ブレードの回転位置の変化が、反転手段によって実行されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
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