JP2011527396A - フローコンバータ - Google Patents

Abstract

本発明は、機械的エネルギーを他の形態のエネルギー、好ましくは電気エネルギーに変換する装置に関する。フローコンバータと呼ばれるこの装置は、流体媒体で動き、円周に配置された螺旋形状インペラブレード（１ｃ）を有する回転タービン円錐体（１）が、主軸受け（８）により固定された筐体（２）に対して支持され、スリップリングシール（２３）、軸方向シャフト端部シールリング（３０）、及び半径方向シャフト端部シールリング（３１）により封止され、それにより生成される中空空間内に、回転速度を効率的に変換するユニット（２４）及びエネルギーを効率的に変換するユニット（２５）を配置することができ、流体媒体の貫入から効率的に保護することができ、浮動物質はフローコンバータの構造により排出することができ、大きなパワーレベルを伝達することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、機械的エネルギーを他の形態のエネルギー、好ましくは電気エネルギーに変換する装置に関する。フローコンバータと呼ばれるこの装置は、一体化された発電機及び等しく一体化されたギアユニットと、必要であれば、これもまた一体化された軸受けシステムとを含むコンパクトな設計を通して多数の流体媒体で電気エネルギーを生成するために使用できるように構成される。円周に配置され、軸受けシステムにより円錐形頭部上で筐体に対して回転可能な螺旋形状のインペラブレードを有する回転円錐体が、回転速度を変換し、エネルギーを変換し、流体媒体から封止する装置を組み込む。

風力及び水力を電気エネルギーに変換するために使用される、非常に様々なサイズ及び設計のタービンが周知である。

これらは、流水又は流動する空気からエネルギーを抽出し、中空円錐体に固定され、流体媒体と同一平面であることができ、ネジの長さに等しいネジ径を有し、ネジ径の半分の円錐形頭部を有する２〜５個のシングル巻きネジブレードを特徴とする（特許文献１）に記載のネジを含む。

さらに、（特許文献２）に、ギアユニットと、いくつかの発電機とを組み込む中空円錐体を含み、電気ケーブルが、円錐体先端に流れ方向に配置され、タービン構造全体を支える中空シャフトを介して外部に出るタービンがある。

（特許文献３）及び（特許文献４）の両方には、二重に配置され、水力利用に使用される円錐形状タービン本体外部で軸受け内に保持される円錐タービンが記載されている。

（特許文献５）及び（特許文献６）には、片側に配置され、風力利用に使用される円錐形状タービン本体の外部に軸受け内に保持される円錐タービンが記載されている。

（特許文献７）から、回転ユニット及び流入案内ユニットとして使用される固定ユニットからなる軸流タービンが既知であり、このタービンは、配管システム内部に構成され、本体及びブレードの両方の幾何学的形状により、タービン内の静圧を一定にすることができる。

（特許文献８）に記載のように、最新技術には、低回転速度を有し、両端が軸受けにより支持され、円周に水力を抽出するためのパドルが設けられた円筒形ロールのような形状の水力発電機も含まれる。

（特許文献１）に記載のタービンは、タービンの外部設計の使用により、水及び風の両方の運動エネルギーを回転運動に変換する機会を提供するが、タービン外部への回転運動の伝達により、特に流体媒体が浮動物質を含む場合、オーバードライブ又は他の任意の駆動要素が詰まり、破損する恐れがある。

（特許文献２）によるタービンでは、伝動ユニット及びエネルギー変換ユニットがタービン円錐体内に組み込まれ、これは、軸受けの中空シャフトが円錐体の先端が尖った端部上に流れとは逆の方向に配置されるため、いくつかの利点を提供するが、浮動物質がタービンの前及びタービンブレードに蓄積する危険性がより高い。流体フローを受ける装置を妨げない直径の小さなシャフトを使用する場合、大きな回転速度を伝達することができない。シャフト出力が流れ方向に配置されているため、挿入すべきシールも蓄積する圧力に抵抗する必要があり、これにはかなり高価な技術が必要である。

（特許文献３）及び（特許文献４）からのタービンも、円錐形状タービン基体外部に配置される駆動要素及び軸受け要素を含む。ここでも、浮動物質が蓄積し、駆動要素が破損する危険性がある。

（特許文献５）及び（特許文献６）に記載の外部軸受け及び駆動措置を有する実施形態は、上記理由により、風力利用に対してのみ適切である。

基体の外部両側の軸受けシステムの配管内部に配置される（特許文献７）のタービンも、きれいな流体媒体内でのみ使用可能である。

浮動物質からの破損という欠点は、軸が直接、流れ方向に配置される場合、軸受けの両側に延びる発電機シャフトを有する（特許文献８）による水力発電機にも該当する。

現在まで、これら種類のタービン並びに周知の大容量タービンには、浮動物質からの破損を回避するために保護ガードを設ける必要があった。

この意図は、コンパクトな設計により、実質的に流れを妨げずに、浮動物質からの防護として追加の装置を組み込む必要がなくエネルギーを効率的に変換する、全ての種類の流体媒体に使用可能なタービンを開発するという目的に基づく。

独国特許第２９７ ２１ ６７１ Ｕ１号明細書 米国特許第４７２２６６５号明細書 米国特許第１ １９１ ９５０号明細書 仏国特許第５５７ １８９号明細書 米国特許第１８８ ０５０号明細書 仏国特許第８２７ ４８７号号明細書 国際公開第９５ ２４５６２号パンフレット 独国特許第２０ ２００６ ００１ １７１号明細書

本発明の要件は、タービン円錐体が静止筐体に対して回転可能なように、円錐形頭部上にタービン円錐体を支持することにより満たされ、タービン円錐体は、円錐形頭部の直径を超えない直径を有し、筐体から封止され、速度及びパワーを変換するために、内部ユニットを円錐体エリア内、又はタービン筐体エリア内に構成する機会を有する。

一方では、タービン円錐体に固定され、タービン円錐体と共に回転する磁石リングを使用し、他方では、筐体に固定された、タービン円錐体内の静止コイル芯を使用して、機械的な力を電力に変換するユニットを構成する場合、極めて有利なことが証明されている。

回転速度変換ユニットを使用する場合、遊星ギアをタービン円錐体と筐体との中空空間内に使用することが有利である。

本発明のさらなる実施形態では、回転速度及びエネルギーを変換するユニットに標準化されたサブアセンブリを使用し、タービン円錐体と筐体との間の中空空間内に配置することが極めて有利である。

そうする場合、発電機を水冷式ＩＰ６８保護クラスの同期発電機として構成することが極めて有利である。

検査間隔を低減するために、標準の遊星ギアユニットを使用する場合、ギアホイールに長寿命の潤滑剤を充填することが有利である。

本発明の請求項１によれば、タービン円錐体が軸受けの円錐形頭部壁上に延び、固定筐体に対して回転できるようにし、筐体が円錐形頭部の直径を超えない直径を有し、円錐形が筐体に対して封止される場合、有利である。

いくつかのシャフトシールが、静止筐体と回転タービン円錐体との間に配置され、シャフトシールが半径方向効果及び軸方向効果の両方を有する場合、特に有利である。互いに対して固定された構造的構成要素間に使用される平坦シールが、極めて有利である。それらシールは、流体媒体が中空空間に貫入しないようにし、それにより、内部ユニットを保護する。

本発明の別の実施形態によれば、タービン及び筐体の両方の材料を耐腐食性材料から製造することが極めて有利である。

タービン円錐体が、エネルギーコンバータ要素をこの初期段階ですでに封入する機会を提供する特定のプロセスでプラスチック材料から作られる場合、特に有利である。

装置がきれいな流体媒体内でのフローコンバータとして使用される本発明の別の実施形態によれば、タービン円錐体が、取り付けられたブレード及び筐体と共に、互いに対して固定され、それにより、ブレードを有するタービン円錐体を、流入案内ベーンとして使用可能であり、同時に、回転インペラホイールをタービン円錐体と筐体との間に組み込む場合、極めて有利である。

ここで、タービンインペラホイールが、タービン円錐体の円錐形頭部の直径に等しいが、円錐形頭部の直径を超えない円錐形直径を有し、取り付けられたブレードが、逆の上昇方向で流入案内ホイールブレードに取り付けられる場合、特に有利である。

本発明の別の実施形態では、垂直軸を回転するようにフローコンバータ筐体を空力的に設計し、それにより、風力プラントとしてフローコンバータを好ましく利用できるようにすることが極めて有利である。

本発明を以下により詳細に説明し、いくつかの実施形態例及び図中の対応する参照番号により説明する。

図は以下を表す。

円錐体及び筐体ユニットを含むフローコンバータの側面図である。 挿入された磁石リングを含み、円錐体内で速度及びエネルギーを変換する一体化ユニットを有するフローコンバータの側面断面である。 封入された磁石リングを含み、円錐体内で速度及びエネルギーを変換する一体化ユニットを有するフローコンバータの側面断面である。 筐体内の標準サブアセンブリとして、速度及びエネルギーを変換する一体化ユニットを有するフローコンバータの側面断面である。 円錐体流入案内ホイール、タービンホイール、及び筐体を含むフローコンバータの側面図である。 回転筐体回転軸を含むフローコンバータの側面図である。 狭い筐体ベースを含むフローコンバータの背面図である。

図1及び図２に表されるさらなる実施形態では、フローコンバータは、円錐エンベロープ１ａ及び円錐先端１ｂからなるタービン円錐体１であって、円錐先端１ｂに向かって捻れながら先細りするいくつかの、好ましくは３つの螺旋形状ネジが等間隔でずらされた構成で配置されたタービン円錐体１が、固定された筐体２に対して軸受け上で回転するように設計されている。好ましくは鋼製のタービン円錐体１と、これも好ましくは鋼製の筐体２との間には、いくつかの接続フランジ３が配置される。筐体２の底部には、好ましくは耐水性溶接により筐体２に固定され、筐体を基板に固定する基板４がある。タービン筐体２の垂直ベースには、好ましくは鋼板で作られ、好ましくは筐体２への溶接により、筐体２に対して、媒体の流れが装置により受けられる方向とは逆向きの急な傾斜をなすように固定されたフローウェッジ５が設けられる。

ベースエリアに筐体２を安定化させるために、いくつかの鋼板角板６が、好ましくは、筐体２と基板４との間に、好ましくは筐体２及び基板４の両方に溶接されることにより配置されている。筐体２は、流体媒体の力に逆らう固定要素７を使用してフローコンバータに固定し得る。タービン円錐体１の内部と筐体２の内部により形成される、流体媒体から封止された中空空間内部には、以下の要素：タービン円錐体１が延びて回転する主軸受け８、円錐エンベロープ１ａ内部に配置され、磁石ベル１０内部に配置され、タービン円錐体１に固定される磁石リング９からなるエネルギー変換ユニット、タービン筐体２に固定されるコイル芯１１、及びコイル芯１１から始まり、封止された筐体２を通過して外部に繋がる電気ケーブル１２がある。円錐先端１ｂに向けられたコイル芯１１の端部には、コイル芯に固定された軸受けジャーナル１２がある。ジャーナル上に着座したカウンター軸受け１４、この例では、好ましくはメンテナンスなしの減耗軸受けがある。磁気回転子９からコイル固定子１１までの軸方向磁気延在部が、主軸受け８及びカウンター軸受け１４により保証される。

減耗軸受け１４の外輪は、軸受け筐体１５内に固定され、回転軸に関連して中心線位置において円錐エンベロープ１ａに固定され、回転軸受けの弁座としてのドリル穴が、主軸受け８が内部に配置されたタービン円錐体１の外部中心線弁座１ｄの軸と同期して軸受け筐体１５内に穿孔されている。

円錐体がいずれに回転するかに関連して筐体２からタービン円錐体１を封止するために、シールパック１７が内蔵ベル１６内に設けられる。これらシールは、好ましくは、半径方向及び軸方向のシャフト端部シールリングとして設計される。平坦シール１８が、一方では、主軸受け８の軌道輪と磁気ベル１０との間に挿入され、他方では、主軸受け８の軸受け軌道輪と筐体フランジ２ｂとの間に挿入されている。シャフト端部シール１７及び平坦シール１８は、流体媒体が中空空間内に貫入しないようにエネルギー変換ユニットを保護する。

内部に配置された発電機を冷却するために、中央供給ライン１９が軸に位置合わせされ、好ましくは流体媒体と同一である冷却剤が、円錐先端１ｂから始まって供給ライン１９まで流れ、その途中で軸受けジャーナル１３上の回転ホース結合２０を通り、それにより、コイル芯内で生成された熱を吸収し、次に、固定ホース結合２１により排出ホース２２内に流入し、排出ホースは、筐体カバー２ｂを介して外部に通じる。表面を破損及び腐食から保護するために、流体媒体に接触するタービン円錐体１及び筐体２のすべての表面エリアには、特別な被膜が設けられる。代替として、実施形態１を非腐食性鋼から作ることを選択してもよい。

図３に示される第２の例では、タービン円錐体１は、磁気リング９、カウンター軸受け１４、及びタービン円錐ユニットを主軸受け８に固定する要素がすでに封入される特定のプロセスにおいて、完全にプラスチック材料から作られる。したがって、軸受け弁座の製造中にいくらかの費用を節減すると共に、さらに、主軸受け８と磁気回転子９との間の別の平坦シール１８を回避することができる。回転するタービン円錐体１と静止した軸受けジャーナル１３は、互いにスリップリングシール２３により封止される。

図４に表される第３の実施形態例は、筐体２に、機械的に互いに結合された回転速度変換ユニット２４及びエネルギー変換ユニット２５の両方が設けられたフローコンバータを利用する。ユニット２４及び２５のそれぞれは、標準サブアセンブリから構成される。回転速度は、センタリングカバー２６により筐体２にしっかりと固定されたギアユニット２４により抽出され、この例では、ギアは、長寿命油が充填され、それにより、好ましくは溶接によりタービン円錐体１の円錐頭部１ｅに固定された駆動ブシュ２７を通して、メンテナンスを必要とはするが、メンテナンス量が少ないコンパクトな遊星ギアとして設計され、駆動ブシュの端部は、ブシュ２７に耐水溶接されるカバー２８により封止される。

この例では、水冷式同期発電機として設計される発電機２５は、ギアユニット２４に接続されており、それにより、フロー発電機により供給される回転速度は、ギアユニット２４内で変換され、発電機２５に伝達される。回転速度の変換は、同期速度に近い発電機速度を達成するため、タービンの効率が増大する。発電機の設計が適切であれば、ギアユニットなしであってもこの実施形態を使用することが可能であり、この設計も特許請求される。発電機２５の水冷機能は流体媒体に依存しない。したがって、いかなる結露も回避する温度制御システムを発電機２５内に提供してもよい。センタリングカバー２６には、スリップリングシール２９が設けられ、スリップリングシール２９は、駆動ブシュ２７上に配置される軸方向シャフト端部シールリング３０及び半径方向シャフト端部シールリング３１と組み合わせて、流体媒体が中空空間内に貫入しないようにギアユニット２４及び発電機２５を保護する。タービン円錐体ユニット全体は、タービン円錐体上に取り付けられたセンタリングカバー２６、ギアユニット２４、及び発電機２５と共に筐体２内に挿入される。センタリングフランジ３２に対してセンタリングされ、ボルト３３を使用して固定される。

代替として、ギアユニットあり、又はギアユニットなしの両方の非同期発電機及び線形発電機等の他の発電機をこの実施形態例に使用してもよい。

図５を参照する第４の実施形態例では、タービン円錐体１は、筐体２にしっかりと固定される。本実施形態では流入案内ホイールとして使用されるタービン円錐体１の背後に、流れを回転移動に変換するタービンインペラ３４がある。タービンインペラ３４には、タービン円錐体に配置されるブレードとは逆方向に上昇するいくつかのブレード３５が設けられ、ブレード３５の高さレベルは、円錐体に設けられるブレードの最大高さに対応する。しかし、インペラ３４の円錐体直径は円錐形頭部１ｅを決して超えない。タービンインペラの回転運動は、２つの主軸受け８からなる軸受けシステムを介して、回転速度及びエネルギーを変換するユニットが配置された、筐体２とタービン円錐体１との内部中空空間内に伝達される。ラビリンスシール３６、半径方向シャフト端部封止リング３７、及びスリップリングシール３８が使用されて、回転するインペラ３４、固定された筐体２、及びタービン円錐体１を封止する。

図６を参照する第５の実施形態例では、フローコンバータは、筐体２が円筒体として設計される垂直筐体軸を中心として回転可能である。リム軸受け３９が、筐体上部２ｃと筐体下部２ｄとの間に配置される。リム軸受け３９の内輪は、内部リングギアとして設計され、その中に、モータ４０により駆動されるピニオン４１が係合し、それにより、タービン上部全体を静止した筐体下部２ｄに相対して移動させる。タービンが風力抽出に使用される場合、円錐先端１ｂを常に、受けるべき風が流れる方向とは逆の方向に向けることができる。タービンを、この例と同様に流体媒体に使用する場合、この回転点に、いくつかの個々のシールを含むシールパック４２を使用して、筐体下部２ｄから筐体上部２ｃを封止する装置を等しく設けるべきである。

図７に表される第６の例では、回転速度及びエネルギーを変換するユニットは、タービン円錐体１と筐体上部２ｃとの中空空間内に配置され、シールにより流体媒体から保護される。筐体下部２ｄは、ここでは、鋼板角板６で補強された基板４の方向の軸を横断して先細りする。したがって、この実施形態変形では、フローウェッジ５をなくすことができる。

異なる実施形態例の任意の組み合わせが可能であり、したがって、それら任意の組み合わせも特許請求される。

１ タービン円錐体
１ａ 円錐エンベロープ
１ｂ 円錐先端
１ｃ ネジジャック
１ｄ 外部センタリング弁座
１ｅ 円錐頭部
２ 筐体、タービン筐体
２ａ 設置・検査フラップ
２ｂ 筐体フランジ
２ｃ 筐体上部
２ｄ 筐体下部
３ 接続フランジ
４ 基板
５ フローウェッジ
６ 鋼板角板
７ 接続要素、ボルト
８ 主軸受け
９ 磁気リング、磁気回転子
１０ 磁気ベル
１１ コイル芯、コイル固定子
１２ 電気ケーブル、ケーブル
１３ 軸受けジャーナル
１４ カンター軸受け、減耗軸受け
１５ 軸受けケース
１６ 内蔵ベル
１７ シールパック、シャフト端部シールリング
１８ 平坦シール
１９ 水冷用中央供給ライン、供給導管
２０ 回転ホース結合
２１ 静止ホース結合
２２ 排出ホース
２３ スリップリングシール
２４ 回転速度変換ユニット、ギアユニット
２４ エネルギー変換ユニット、発電機
２６ センタリングカバー
２７ 駆動ブシュ
２８ 封止カバー
２９ スリップリングシール
３０ 軸方向効果を有するシャフト端部シールリング、軸方向シャフト端部シールリング
３１ 半径方向効果を有するシャフト端部シールリング、半径方向シャフト端部シールリング
３２ センタリングフランジ
３３ ボルト
３４ タービンインペラ、インペラ
３５ ブレード、タービンブレード
３６ ラビリンスシール
３７ タービンインペラ半径方向シャフト端部シールリング
３８ タービンインペラスリップリングシール
３９ リム軸受け
４０ モータ、方位角モータ
４１ ピニオン
４２ リム軸受けシールパック

Claims (20)

1. 流体媒体で動き、螺旋形状のインペラブレード１ｃが円周に配置された回転タービン円錐体１及び静止筐体２からなるフローコンバータであって、
   前記タービン円錐体１は、筐体２に対して円錐頭部側で回転可能であり、円錐頭部１ｅの直径を超えない直径を有し、封止され、それにより生成される中空空間内に、回転速度を効率的に変換するユニット２４及びエネルギーを変換するユニット２５を配置することができ、前記流体媒体の貫入から効率的に保護することができ、浮動物質は、前記フローコンバータの構造により排出することができ、大きなパワーレベルを伝達することができる、フローコンバータ。
2. 前記エネルギー変換ユニットは、タービン円錐体１に固定され、ひいては駆動される磁気回転子９及び筐体２に固定されたコイル芯１１からなる、請求項１に記載のフローコンバータ。
3. いくつかの磁石が磁気ベル１０の円周に配置され、いくつかの磁石が一緒になって前記回転磁石リング９を形成する、請求項１及び２に記載のフローコンバータ。
4. 前記タービン円錐体１を筐体２から封止するために必要な前記シャフト端部封止シールリング１７は、円錐頭部１ｅの直径を超えない直径の内蔵ベル１６内に配置され、平坦シール１８が、筐体フランジ２ｂ、前記磁気ベル１０、及び前記センタリングフランジ２６の間に配置される、請求項１に記載のフローコンバータ。
5. 前記筐体２の下部に、一方では、基板４が設けられ、他方では、流れに逆らって向けられて流れを受け、それぞれが筐体２に固定されたフローウェッジ５が設けられる、請求項１に記載のフローコンバータ。
6. タービン円錐体１及び筐体２の構成要素部分は鋼から作られ、互いに動かすことができないサブアセンブリは一緒に溶接される、請求項１及び４に記載のフローコンバータ。
7. 前記流体媒体に接触するすべての表面エリアには、耐腐食性保護が設けられている、請求項１、４、及び６に記載のフローコンバータ。
8. 前記流体媒体に接触するすべての表面エリアは、非腐食性鋼で作ることができる、請求項７に記載のフローコンバータ。
9. 前記タービン円錐体１は、前記エネルギー変換要素、好ましくは前記磁気リング９が封入される特定のプロセスで、前記流体媒体に耐性を有するプラスチック材料で作ることができる、請求項１に記載のフローコンバータ。
10. 内部に配置される発電機は、回転ホース結合２０及び静止ホース結合２１を介して前記コイル芯１１に接続された中央供給ライン１９及び排出ホース２２からなる中央冷却システムにより冷却され、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載のフローコンバータ。
11. 前記回転速度を変換するユニット２４及び前記エネルギーを変換するユニット２５は、標準化されたサブアセンブリからなり、ギアユニット２４は、好ましくは、メンテナンスを必要とするが、必要なメンテナンス量が最低限の遊星ギアとして構成され、前記発電機２５は、好ましくは、水冷式同期発電機として構成される、請求項１に記載のフローコンバータ。
12. 前記エネルギーを変換するユニット２５は、非同期モータとして構成することができる、請求項１及び１１に記載のフローコンバータ。
13. 前記エネルギーを変換するユニット２５は、環状的に配置される線形発電機として構成することができる、請求項１及び１１に記載のフローコンバータ。
14. 前記円筒形筐体２は、静止した筐体下部２ｄ及び旋回する筐体上部１ｃにさらに分割することができる、請求項１に記載のフローコンバータ。
15. 内部リングギアを有するリム軸受け３９が、前記筐体下部２ｄと前記筐体上部２ｃとの間に配置され、前記リム軸受けの外輪は、前記静止部２ｄに固定され、内輪は前記筐体上部２ｃに固定される、請求項１及び１４に記載のフローコンバータ。
16. モータ４０により駆動されるピニオン４１が前記リム軸受け３９に係合する、請求項１、１４、及び１５に記載のフローコンバータ。
17. 前記筐体下部２ｄと前記筐体上部２ｃとの間に配置されるシールパック４２が、前記流体媒体が前記筐体２内に貫入しないようにする、請求項１及び１４に記載のフローコンバータ。
18. 前記タービン円錐体１及び筐体２は、互いに固定され、前記タービン円錐体１と前記筐体２との間にタービンインペラ３４を有し、前記タービンインペラ３４の芯直径は、延期円錐頭部１ｅの直径を超えず、前記円錐体に配置されるブレードとは逆方向に上昇して配置され、半径方向長さがタービン円錐体１の最大直径を超えないいくつかのブレード３５が設けられる、請求項１に記載のフローコンバータ。
19. 前記筐体２及びタービン円錐体１に対する前記回転インペラ３４の封止は、ラビリンスシール３６、半径方向シャフト端部シールリング３７、及びスリップリングシール３８を使用して達成される、請求項１及び１８に記載のフローコンバータ。
20. 前記筐体下部２ｄは、前記筐体上部２ｃ及び基板４に関連して垂直軸において先細りし得る、請求項１に記載のフローコンバータ。

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