JP2012503731A - 混合器と排出器とを有する風力タービン - Google Patents

Abstract

混合器／排出器風力タービン（「ＭＥＷＴ」）システムが、開示されており、該混合器／排出器風力タービン（「ＭＥＷＴ」）システムは、従来の風力タービンの効率を一貫して超える。好適な実施形態において、本出願人らのＭＥＷＴは、高度な流れ混合技術と、排出器技術と、航空機技術と、推進航空学技術と、騒音減少技術とを、従来の風力タービンの動作の有効性と効率とを流体力学的に改良する独自の方法で組み込み、その結果、風力タービンの動作効率が、Ｂｅｔｚ限界を一貫して超える。本出願人らの好適なＭＥＷＴの実施形態は、フレア状の入口を有するタービンシュラウドと、ステータ翼の輪と、ステータ翼と一列に並ぶ回転羽根の輪（すなわち、インペラ）と、高いエネルギーのバイパスの風の流れと低いエネルギーのタービンの出口の流れを急速に混合しながら、タービンを通る流量を増加させる混合器／排出器ポンプとを備えている。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、２００８年３月２４日出願の同時係属中の米国特許出願第１２／０５４，０５０号（以下「本出願人らの親出願」）の２番目の一部継続出願であり、該米国特許出願は、２００７年３月２３日出願の本出願人らの米国仮特許出願第６０／９１９，５８８号（以下「本出願人らの仮出願」）の優先権を主張している。本出願人らは、本出願人らの親出願および本出願人らの仮出願の開示の全体を参考として援用している。

（技術分野）
本発明は、全体的に風力タービンを扱う。さらに詳細には、本発明は、風力タービンのための装置を扱う。

風力タービンは、通常、「ロータ」と称されるプロペラ状の装置を含み、該プロペラ状の装置は、動いている空気流に向けられている。空気が、ロータに当たると、ロータをそれの中心回りで回転させるように、空気がロータに力をもたらす。ロータは、歯車、ベルト、チェーン、または他の手段などの連動装置を介して、発電機または機械デバイスのいずれかに接続される。かかるタービンは、電力を発生させ、そして、バッテリに電力を供給するために使用される。タービンはまた、回転ポンプおよび／または動く機械部分を駆動させるために使用される。大規模な電力を発電する「ウインドファーム」において風力タービンを見つけることは、非常によくあることであり、該ウインドファームは、かかるタービンのそれぞれが、互いに対しておよび／または周囲の環境に対して最も小さい影響で最大の電力抽出を可能にするように設計されている幾何形状パターンで、かかるタービンを複数含む。

流体の力を回転力に変換するロータの能力は、ロータの直径と比較して非常に大きな幅の流れに置かれたときには、１９２６年にＡ．Ｂｅｔｚによって証明されたような「Ｂｅｔｚ」限界として知られている、接近する流れの力の５９．３％という充分に証明された理論値によって限定される。この生産性の限界は、図１Ａに示された従来技術に分類される複数の羽根のある従来の軸状風力／水力タービンに特に当てはまる。

「Ｂｅｔｚ」限界を超えて風力タービンの能力の可能性を増加させようとする試みが、行われている。ロータを囲むシュラウドまたはダクトが、使用されている。例えば、Ｈｉｅｌらの特許文献１（図１Ｂを参照）、ｄｅ Ｇｅｕｓの特許文献２（図１Ｃを参照）、Ｏｍａｎらの特許文献３（図１Ｄを参照）、およびＴｏｃｈｅｒの特許文献４を参照されたい。適切に設計されたシュラウドは、接近する流れがダクトの中心に集められると、接近する流れを加速させる。概して、適切に設計されたロータに関しては、この流速の増加が、ロータにさらに大きな力をもたらし、結果として、より高いレベルの電力抽出をもたらす。多くの場合はこのようであるが、ロータの羽根は、より強い風と共に含まれる剪断力や引張力によって壊れる。

伝えられるところでは、Ｂｅｔｚ限界の２倍の値が、記録されているが、立証されていない。非特許文献１、非特許文献２を参照し、そして、本出願人らによって著され、かつ、公開を承諾された「Ｄｕｃｔｅｄ Ｗｉｎｄ／Ｗａｔｅｒ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ Ｒｅｖｉｓｉｔｅｄ」と題されたｔｈｅ ＡＩＡＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ（「本出願人らのＡＩＡＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ」）を参照されたい。複写が、本出願人らの情報開示文書に見られ得る。しかしながら、かかる主張は、実際に立証されておらず、既存のテスト結果は、実際の風力タービンの用途におけるかかる利益の実現可能性を確認していない。

かかる電力および効率の増加を達成するために、時には非常に変動しやすい接近する流体の流速レベルとシュラウドおよびロータの航空力学的設計をしっかりと調整することが必要である。かかる航空力学的設計の考慮はまた、フロータービンの周囲への結果として生じる影響、およびウインドファーム設計の生産性レベルに重要な役割を果たす。

排出器は、周知であり、そして、流体噴射ポンプが、流れをシステムの中に引き込み、それにより、そのシステムを通る流速を増加させることが証明されている。混合器／排出器は、かかる噴射ポンプの短い小型版であり、それらは、接近する流れの状態にあまり影響を受けず、音速付近またはそれ以上の流速を含む高速噴射推進用途において広く使用されている。例えば、Ｗａｌｔｅｒ Ｍ．Ｐｒｅｓｚ，Ｊｒ．博士の特許文献５を参照されたい。該特許文献５もまた、下流で混合器を使用することにより、推力を増加させながら、排出から騒音を減少させる。Ｐｒｅｓｚ博士は、本出願における共同発明者である。

ガスタービン技術は、依然として、軸流風力タービンに成功裏には適用されていない。この欠陥には複数の理由がある。既存の風力タービンは、通常、シュラウドのないタービンの羽根を使用して風力エネルギーを抽出する。結果として、風力タービンに近づく流れのかなりの量が、羽根の周りに流れ、羽根を通って流れない。また、空気が既存の風力タービンに近づくと、空気の速度が、かなり減少する。これらの効果の両方が、低速度でタービンを貫流する結果となる。これらの低速度が、ステータ／ロータの概念などのガスタービン技術の利益の可能性を最小にする。以前のシュラウド付き風力タービンの手法は、タービンの羽根の速度を増加させるために、出口の拡散器を最重要視している。拡散器は、良い性能のためには長さを必要とし、接近する流れの変化に非常に影響を受けやすい。流れに影響を受けやすく長いこのような拡散器は、風力タービンの設置において現実的ではない。短い拡散器は、停止してしまい、実際の用途においては全くうまくいかない。また、必要とされる下流での拡散は、加速された速度において望まれるタービンのエネルギーの抽出を用いては可能ではないことがあり得る。これらの効果が、ガスタービン技術を使用したより効率的な風力タービンの以前の試みの全ての失敗を決定的なものにした。

米国特許第７，２１８，０１１号明細書 米国特許第４，２０４，７９９号明細書 米国特許第４，０７５，５００号明細書 米国特許第６，８８７，０３１号明細書 米国特許第５，７６１，９００号明細書

Ｉｇａｒ，Ｏ．、Ｓｈｒｏｕｄｓ ｆｏｒ Ａｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ、ＡＩＡＡ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｏｃｔｏｂｅｒ １９７６、ｐｐ．１４８１−８３ Ｉｇａｒ ＆ Ｏｚｅｒ、Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｓｈｒｏｕｄｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ、Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓ． ＆ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ、Ｖｏｌ．２１、ｐｐ．１３−４８、１９８１

したがって、本発明の主な目的は、改良された装置を提供することであり、該改良された装置は、風力タービンにおいて、改良された流体力学的混合器／排出器ポンプの原理を利用して、Ｂｅｔｚ限界を充分に上回る持続可能なレベルの電力を一貫して送達する。

別の主な目的は、（風力タービンに対して）独自の流れの混合を利用して、結果として伴う風力タービンの流れの場の生産性を増加させ、かつ、ウインドファームにおいて見られるような、風力タービンの近隣に位置する周囲環境に対する、結果として伴う風力タービンの流れの場の影響を最小にする軸流風力タービンのための改良された方法を提供することである。

別の主な目的は、改良された装置を提供することであり、該改良された装置は、軸流風力タービンのロータを通るさらに多くの流れを作り出し、そして、次に、タービンを出る前に、より高いエネルギーのバイパスの風の流れと低いエネルギーの出口の流れを急速に混合する。

別の主な目的は、改良された風力タービンを提供することであり、該改良された風力タービンは、（風力タービンに対して）独自の流れの混合を利用して、結果として伴う風力タービンの流れの場の生産性を増加させ、かつ、ウインドファームにおいて見られるような、風力タービンの近隣に位置する周囲環境に対する、結果として伴う風力タービンの流れの場の影響を最小にする。

別の主な目的は、改良された風力タービンを提供することであり、該改良された風力タービンは、ロータを通ってさらに多くの空気流をポンピングし、そして、次に、システムを出る前に、より高いエネルギーのバイパスの風の流れと低いエネルギーのタービンの出口の流れを急速に混合する。

上に列挙された目的と同等のさらに詳細な目的は、人口の多い地域において使用するために比較的静かで安全な方法と装置とを提供することである。

方法とシステムとが、Ｂｅｔｚ限界を超えて風力タービンの持続可能な効果を改良するために開示されている。方法とシステムとの両方が、流体力学的排出器の概念と、高度な流れの混合とを使用することにより、既存の風力タービンと比較して、本出願人らの独自の風力タービンの動作効率を増加させながら、風力タービンの騒音レベルを減少させる。

本出願人らの好適な装置は、混合器／排出器風力タービン（「ＭＥＷＴ」と略称で呼ばれている）。好適な「装置」の実施形態において、ＭＥＷＴは、軸流タービンであり、該軸流タービンは、下流に向かう順に、フレア状の入口を有するタービンシュラウドと、シュラウドの中のステータの輪と、ステータと「一直線」のインペラ羽根の輪を有するインペラと、タービンシュラウドに取り付けられ、インペラ羽根を越えて下流に延びている混合器ローブの輪を有する混合器と、（米国特許第５，７６１，９００号に示されたもののような）混合器ローブの輪と、混合器ローブを越えて下流に延びている混合シュラウドを備えている排出器と備えている。タービンシュラウドと、混合器と、排出器とは、タービンを通る最大量の流体を引き出し、そして、環境に対する影響（例えば、騒音）や、タービンの後流に関する他の発電タービンに対する影響（例えば、構造的な損失または生産性の損失）を最小にするように設計され、配置されている。従来技術とは異なり、好適なＭＥＷＴは、高度な、流れの混合および制御デバイス、例えば、ローブまたはスロット付き混合器、および／または１つ以上の排出器ポンプなどを有するシュラウドを含む。提示された混合器／排出器ポンプは、航空機業界で使用されているものとは非常に異なっている。なぜならば、高いエネルギーの空気が、排出器の入口の中に流れ、そして、タービンシュラウドを出て行く低いエネルギーの空気の外側を囲み、その低いエネルギーの空気をポンピングし、そして、その低いエネルギーの空気と混合する。

この第１の好適な「装置」の実施形態において、ＭＥＴＷは、概して、タービンシュラウドの末端部分（すなわち、タービンシュラウドの端部分）に混合デバイスを組み込んでいる、フレア状の入口を有するタービンシュラウドによって囲まれた軸流風力タービンと、該タービンシュラウドと重なり、該タービンシュラウドの後部にある分離した排出器ダクトとを備えており、該タービンシュラウド自体は、それの末端領域に高度な混合デバイスを組み込み得る。

代替の「装置」の実施形態において、ＭＥＴＷは、航空力学的に形状を合わされたタービンシュラウドによって囲まれた軸流風力タービンを備え、該タービンシュラウドは、それの末端領域に混合デバイスを組み込んでいる。

広い意味において、好適な方法は、タービンシュラウドの中に周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことによって、フレア状の入口を有するタービンシュラウドと、インペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの風力タービン（好適には、軸流風力タービン）に対してＢｅｔｚ限界を超えた電力レベルを発電することと、一次空気流によって、シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、一次空気流が、インペラにエネルギーを伝えることと、周囲の空気の二次空気流を流入させ、インペラに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、インペラを通過した一次空気流だけと該二次空気流を混合することとを包含する。

代替の方法は、周囲の空気を流入させ、ロータに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、シュラウドとロータとを通過した低いエネルギーの空気だけと周囲の空気を混合することによって、フレア状の入口を有するタービンシュラウドと下流のプロペラ状のロータとを有する風車に対してＢｅｔｚ限界を超えた電力レベルを発電することを包含する。

好適な方法と装置との第一原理に基づいた理論解析は、ＭＥＴＷは、同じ前面面積に対して、シュラウドのない同等物の３倍または４倍の電力を生成し得、約２倍以上ウインドファームの生産性を増加させることを示す。

本出願人らは、理論解析に基づいて、好適な方法と装置とが、同じサイズの従来の風力タービンの既存の電力よりも３倍の電力を発電すると考えている。

本発明の他の目的と利点とが、添付の図面と共に、以下に記載される記述を読むとすぐに明らかになる。

従来技術に分類される図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、および図１Ｄは、従来のタービンの例を例示している。 従来技術に分類される図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、および図１Ｄは、従来のタービンの例を例示している。 従来技術に分類される図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、および図１Ｄは、従来のタービンの例を例示している。 従来技術に分類される図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、および図１Ｄは、従来のタービンの例を例示している。 図２は、本発明に従って構築された本出願人らの好適なＭＥＷＴの実施形態の分解図である。 図３は、支持塔に取り付けられた好適なＭＥＷＴの正面斜視図である。 図４は、インペラに取り付けられた車輪状の構造の形態の動力取出装置などの内部構造を示すために切り離された部分を有する好適なＭＥＷＴの正面斜視図である。 図５は、図４からの、ステータ、インペラ、動力取出装置、および支持シャフトだけの正面斜視図である。 図６は、排出器シュラウドの末端領域（すなわち、端部分）に混合器ローブを有する混合器／排出器ポンプを有する好適なＭＥＷＴの代替の実施形態である。 図７は、図６のＭＥＷＴの側面断面図である。 図８は、支持塔にＭＥＷＴを回転可能に取り付けるための（図７において囲まれている）回転可能カップリングと、回転可能な機械ステータ翼の変化形の拡大図である。 図９は、プロペラ状のロータを有するＭＥＷＴの正面斜視図である。 図１０は、図９のＭＥＷＴの背面斜視図である。 図１１は、図９のＭＥＷＴの背面正面図を示している。 図１２は、図１１の視線１２−１２に沿って取られた断面図である。 図１３は、図９のＭＥＷＴの正面平面図である。 図１４は、流れの制御のための２つの旋回可能な遮蔽物を示している、図１３の視線１４−１４に沿って取られた側面断面図である。 図１５は、図１４における囲まれた遮蔽物の拡大図である。 図１６は、風との整列のために２つの任意の旋回ウイングタブを有するＭＥＷＴの代替の実施形態を例示している。 図１７は、図１６のＭＥＷＴの側面断面図である。 図１８は、タービンシュラウド（ここでは、混合器ローブ）の末端領域において混合デバイス（ここでは、スロットの輪）と排出器シュラウドとを有する２段階排出器を組み込んでいるＭＥＷＴの代替の実施形態の正面平面図である。 図１９は、図１８のＭＥＷＴの側面断面図である。 図２０は、図１８のＭＥＷＴの背面図である。 図２１は、図１８のＭＥＷＴの正面斜視図である。 図２２は、タービンシュラウドと排出器シュラウドとの末端領域に混合器ローブを有する２段階排出器を組み込んでいるＭＥＷＴの代替の実施形態の正面斜視図である。 図２３は、図２２のＭＥＷＴの背面斜視図である。 図２４は、図２２のタービンシュラウドの中の音響ライニングを示している。 図２５は、非円形シュラウドコンポーネントを有するＭＥＷＴを示している。 図２６は、タービンシュラウドの末端領域（すなわち、端部分）に混合器ローブを有する好適なＭＥＷＴの代替の実施形態を示している。

詳細に図面を参照すると、図２〜図２５は、本出願人らの装置「混合器と排出器とを有する風力タービン」（「ＭＥＷＴ」）の代替の実施形態を示す。

好適な装置の実施形態（図２、図３、図４、および図５）において、ＭＥＷＴ１００は、軸流風力タービンであり、該軸流風力タービンは、
ａ．航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウド１０２と、
ｂ．該タービンシュラウド１０２の中にあり、かつ、それに取り付けられた航空力学的に形状を合わせられた中心体１０３と、
ｃ．中心体１０３を囲んでいるタービンステージ１０４であって、該タービンステージ１０４は、ステータ翼（例えば、１０８ａ）のステータの輪１０６と、インペラまたはロータ１１０とを備えており、該インペラまたはロータ１１０は、下流にインペラまたはロータの羽根（例えば、１１２ａ）を有し、かつ、ステータ翼と「一列」に並んでおり、（すなわち、インペラ羽根の先縁がステータ翼の後縁と実質的に並んでいる）、該タービンステージ１０４においては、
ｉ．ステータ翼（例えば、１０８ａ）が、中心体１０３に据え付けられており、そして、
ｉｉ．インペラ羽根（例えば、１１２ａ）が、中心体１０３に据え付けられた内側および外側の輪またはフープによって取り付けられ、かつ、共に保持されている、タービンステージ１０４と、
ｄ．タービンシュラウド１０２の末端領域（すなわち、端部分）に混合器ローブ（例えば、１２０ａ）の輪を有する混合器１１８であって、混合器ローブ（１２０ａ）は、インペラ羽根（例えば、１１２ａ）を越えて下流に延びている、混合器１１８と、
ｅ．シュラウド１２８を備えている排出器１２２であって、該排出器１２２は、タービンシュラウド１０２上の混合器ローブ（例えば、１２０ａ）の輪を囲み、米国特許第５，７６１，９００号に示された排出器ローブと同様なプロフィールを有し、混合器ローブ（例えば、１２０ａ）は、排出器シュラウド１２８の入口１２９の下流に、かつ、それの中に延びている、排出器１２２と
を備えている。

図７に示されているように、ＭＥＷＴ１００の中心体１０３は、タービンの羽根の後流が支持塔に当たったときに従来の風力タービンによってもたらされる、損傷を与え、うるさい、そして、長い距離を伝わる低周波数の音を排除するように、ステータの輪１０６（または他の手段）を介してタービンシュラウド１０２に接続されることが好ましい。タービンシュラウド１０２と排出器シュラウド１２８との航空力学的プロフィールは、好適には、タービンロータを通る流れを増加させるように航空力学的に上反りにされている。

本出願人らは、好適な実施形態１００における最適な効率に関して計算した。排出器ポンプ１２２の面積の比は、排出器シュラウド１２８の出口の面積をタービンシュラウド１０２の出口の面積で割ることによって定められるように、１．５と３．０との間である。混合器ローブ（例えば、１２０ａ）の数は、６と１４との間である。各ローブは、５度と２５度との間の内側後縁の角度と外側後縁の角度とを有する。一次ローブの出口の位置は、排出器シュラウド１２８の入口位置または入口１２９の所に、またはそれの近くである。ローブのチャネルの幅に対する高さの比は、０．５と４．５との間である。混合器侵入力は、５０％と８０％との間である。中心体１０３のプラグの後縁の角度は、３０度以下である。ＭＥＷＴ１００全体の直径に対する長さ（Ｌ／Ｄ）は、０．５と１．２５との間である。

本出願人らによって行われた好適なＭＥＷＴ１００の第一原理に基づいた理論解析は、ＭＥＴＷは、同じ前面面積に対して、シュラウドのない同等物の３倍以上の電力を生成し得、そして、ＭＥＷＴは、約２倍以上ウインドファームの生産性を増加させ得ることを示す。それらの理論解析において使用された方法論と式とに関しては、上記の背景技術において特定された本出願人らのＡＩＡＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅを参照されたい。

理論解析に基づいて、本出願人らは、本出願人らの好適なＭＥＷＴの実施形態１００が、同じサイズの従来の風力タービン（図１Ａに示されている）の既存の電力の少なくとも２倍から３倍の間の電力を発電すると考えている。本出願人らの混合器と排出器との組み合わせは、関連付けられるタービンのロータの中に、従来の風車のロータの中に引き込まれる空気の２倍または３倍の量を引き込む。

プロペラ状のロータ（図１を参照）を有する従来の風車（風力タービンとしても知られている）は、風を回転力に変換し、そして、次に、電力に変換する。かかるロータは、理論的には、接近する流れの力の最大５９．３％を置換するだけであり得る。その５９．３％の効率は、本出願の背景技術において記載されているような「Ｂｅｔｚ」限界として知られている。

本出願人らの好適な方法と装置とは、同様な前面面積に関して、少なくとも２倍または３倍、従来の風力タービンによって置換される空気の量を増加させるので、本出願人らは、本出願人らの好適な方法と装置とが、同様な量だけ、Ｂｅｔｚ限界を超えて動作効率を持続し得ると考えている。本出願人らは、本出願人らの他の実施形態もまた、当然、充分な風によって、一貫してＢｅｔｚ限界を超えると考えている。

単純な観点において、ＭＥＷＴの好適な「装置」の実施形態１００は、航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウド１０２（すなわち、フレア状の入口を有するシュラウド）によって囲まれた軸流タービン（例えば、ステータ翼およびインペラ羽根）であって、該タービンシュラウドは、それの末端領域（すなわち、端部分）に混合デバイスを組み込んでいる、軸流タービンと、タービンシュラウド１０２と重なり、タービンシュラウド１０２の後部にある別個の排出器シュラウド（例えば、１２８）とを備えており、タービンシュラウド１０２自体は、それの末端領域に高度な混合デバイス（例えば、混合器ローブ）を組み込み得る。排出器シュラウド１２８と組み合わされた、本出願人らの混合器ローブ（例えば、１２０ａ）の輪１１８は、混合器／排出器ポンプと考えられ得る。この混合器／排出器ポンプは、風力タービンの動作効率に関してＢｅｔｚ限界を一貫して超える手段を提供する。

本出願人らはまた、図２および図３に示されたＭＥＷＴの好適な実施形態１００に関する補足情報を提示している。ＭＥＷＴの好適な実施形態１００は、中心体１０３に据え付けられたタービンステージ１０４（すなわち、ステータの輪１０６とインペラ１１０とを有する）を備えており、該中心体１０３は、埋め込まれた混合器ローブ（例えば、１２０ａ）を有するタービンシュラウド１０２によって囲まれており、該混合器ローブ（例えば、１２０ａ）は、排出器シュラウド１２８の入口面にわずかに挿入された後縁を有する。タービンステージ１０４と排出器シュラウド１２８とは、タービンシュラウド１０２に構造的に接続されており、該タービンシュラウド１０２自体は、主要な負荷担持部材である。

タービンシュラウド１０２の長さは、タービンシュラウドの最大外径以下である。排出器シュラウド１２８の長さは、排出器シュラウドの最大外径以下である。中心体１０３の外側表面は、ＭＥＷＴ１００の下流における流れの分離の影響を最小にするように航空力学的に形状を合わされている。中心体１０３の外側表面は、タービンシュラウド１０２、もしくは排出器シュラウド１２８、またはそれらの組み合わせの長さよりも長いか、短いかであり得る。

タービンシュラウドの入口の面積と出口の面積とは、タービンステージ１０４によって占められる環の面積以上であるが、流れの源と、流れの後流の影響とのより良い制御を可能にするためには、円形の形状である必要はない。中心体１０３とタービンシュラウド１０２の内側表面との間の環によって形成される内部流路の断面積は、タービンの面において最小の面積を有するように、そうでなければ、それらそれぞれの入口面からそれらそれぞれの出口面へ滑らかに変化するように航空力学的に形状を合わされている。タービンの外側表面と排出器シュラウドの外側表面とは、タービンシュラウドの入口の中に流れを導き、それらの表面からの流れの分離を排除し、そして、排出器の入口１２９の中に滑らかな流れを送達することを助けるように航空力学的に形状を合わされる。形状が非円形であり得る排出器１２８の入口の面積（例えば、図２５を参照）は、混合器１１８の出口面の面積および排出器の出口の面積よりも大きい。

好適な実施形態１００の任意の特徴は、インペラ１１０の外側リムにおいて発電機（図示せず）に機械的に連結される車輪状の構造の形態の動力取出装置１３０（図４および図５を参照）と、ＭＥＷＴと自己整列するための、ＭＥＷＴにおける圧力中心の位置の前方に配置されている、ＭＥＷＴ１００を回転可能に支持するための１３４（図５を参照）における回転可能カップリングを有する垂直方向支持シャフト１３２と、異なる風の流れとの整列方向を安定させるために排出器シュラウド１２８の上側表面と下側表面とに取り付けられた自己運動垂直方向スタビライザまたは「ウインドタブ」１３６（図４を参照）とを含み得る。

ＭＥＷＴ１００は、住宅近くで使用されるときには、それのシュラウド１０２、１２８（図２４を参照）の内側表面に取り付けられた音吸収材料を有することにより、インペラ１１０とステータ１０６の後流の相互作用によってもたらされる比較的高周波数の音波を吸収し、そして、結果として、事実上排除し得る。ＭＥＷＴはまた、羽根封入安全構造（図示せず）を含み得る。

図１４および図１５は、任意の流れ遮蔽ドア１４０ａ、１４０ｂを示している。それらは、流れの中で連結装置（図示せず）によって回転させられることにより、高い流速が可能であることによる発電機または他のコンポーネントに対する損傷時に、タービン１００を通る流れを減少させ得るか、または停止させ得る。

図８は、本出願人らの好適なＭＥＷＴ１００の別の任意の変化形を提示している。ステータ翼の出口角の角度は、所定の位置に機械的に変えられる（すなわち、翼は旋回される）ことにより、ロータを出て行く流れにおける残余の渦巻を最小にすることを確実にするように流体流の速度の変化に適応する。

図９〜図２３、および図２６に示された本出願人らの代替のＭＥＷＴの実施形態のそれぞれが、インペラ羽根の輪を有するタービンロータではなくプロペラ状のロータ（例えば、図９における１４２）を使用することに留意されたい。おそらくは効率的ではないが、これらの実施形態は、一般にはより受け入れやすいことがあり得る。

本出願人らの代替の「装置」の実施形態は、変化形２００、３００、４００、５００であり、該変化形２００、３００、４００、５００は、段階のない排出器（例えば、図２６を参照）、たとえある場合であっても、１段階の排出器、そして、２段階の排出器を含み、該排出器は、排出器シュラウドの末端領域（すなわち、端部分）に埋め込まれた混合器を有する。排出器シュラウドの末端領域に埋め込まれた混合器（例えば、ノズルまたはスロット）に関しては、図１８、図２０、および図２２を参照されたい。タービンシュラウドまたは排出器のいずれにも以前に入っていない（周囲の空気）の三次空気流が、２段階排出器の混合器に入ることにより、末端領域を出て行く一次空気流および二次空気流の渦と混合し、それにエネルギーを伝える。解析は、かかるＭＥＷＴの実施形態が、既存の風力タービンの後流において生じる固有の速度の欠損をさらに素早く排除し、そして、その結果、構造的な損傷および／または生産性の損失を回避するためにウインドファームにおいて必要とされる分離距離を減少させることを示す。

図６は、排出器シュラウドの末端領域に混合器を有する図示された実施形態１００の「２段階」排出器の変化形６００を示している。

図９〜図２５における代替の「装置」の実施形態２００、３００、４００、５００は、
ａ．フレア状の入口を有するシュラウドを有する風車または風力タービンと、
ｂ．入口の下流のプロペラ状ロータと、
ｃ．ロータに隣接し、かつ、それの下流に延びている混合器ローブの輪を有する混合器と、
ｄ．混合器ローブの後縁を囲み、かつ、混合器ローブから下流に延びている排出器と
を備えているとして考えられ得る。

図示された本出願人らの風力タービンシュラウドのそれぞれは、風力タービンが下流の方向に動いている風にさらされたときに、インペラ（ロータとしても知られている）の下流に、少なくともタービンシュラウドの実質的な非均一性によって、低損失の一連の混合渦巻を生成するようにサイズと形状とが適合されている。

各タービンシュラウドは、壁を有し、該壁は、実質的に、インペラの回転軸に沿って厚さを変化させる。排出器も同様である。

本出願人らは、排出器がなかったとしても（例えば、図２６を参照）、混合器は、依然として本出願人らのロータの中に入り、そして、それによって置換される空気の量を増加させ、そして、それにより、同様な前面面積を有する従来の風力タービン（シュラウド付きであろうが、シュラウドつきでなかろうが）を上回って効率を増加させると考えている。しかしながら、増加は、排出器を有するよりも小さい。

本出願人らの風力タービンの各実施形態は、「上流」方向と、「下流」方向とを有する。これらの用語によって、本出願人は、タービンの入口が実質的に風に向けられたときの、接近する風の方向に対する各構造部分の位置を指している。

本出願人らの発明が、方法の点から考えられ得る。広い意味において、好適な方法は、
ａ．フレア状の入口を有するタービンシュラウドとインペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの風力タービン（好適には、軸流風力タービン）に対してＢｅｔｚ限界を超えた電力レベルを発電することであって、
ｉ．タービンシュラウドの中に周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、
ｉｉ．一次空気流によって、シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、一次空気流が、インペラにエネルギーを伝えることと、
ｉｉｉ．周囲の空気の二次空気流を流入させ、インペラに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、インペラを通過した一次空気流だけと該二次空気流とを混合することと
による、発電すること
を包含する。

代替の方法は、
ａ．フレア状の入口を有するタービンシュラウドと下流のプロペラ状のロータとを有する風車に対してＢｅｔｚ限界を超えた電力レベルを発電することであって、
ｉ．フレア状の入口の中に、そして、タービンシュラウドを通って周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、
ｉｉ．一次空気流によって、シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、一次空気流が、インペラにエネルギーを伝え、そして、より低いエネルギーの空気流になることと、
ｉｉｉ．周囲の空気の二次空気流を運び、ロータに続けて下流にある混合器と排出器とを経由して、低いエネルギーの空気流と該二次空気流を混合することと
による、発電すること
を包含する。

排出器の中の（低いエネルギーの）一次空気流と二次空気流とを混合させることが、少なくともタービンシュラウドの実質的な非均一性によって、インペラの下流に、一連の混合渦巻を生成し、そして、二次空気流から一次流へのエネルギーの伝達を作り出す。

本出願人らの方法はまた、
ａ．タービンシュラウド内でインペラを回転させた後、インペラの回転軸から離れるように一次空気流を向けることと、
ｂ．排出器シュラウドに入った後、インペラの回転軸に向かって二次空気流を向けることと
を包含する。

インペラの好適な回転軸は、シュラウドの中央長手方向軸と同軸であるように例示されているが、インペラの回転軸は、この方法の目的のためには、シュラウドの中央長手方向軸と同軸である必要はない。

高温の中心部排気ガスとも混合するガスタービン混合器および排出器とは異なり、本出願人らの好適な方法は、周囲の空気の二次流（すなわち、風）を流入させ、そして、タービンシュラウドとロータとを通過した低いエネルギーの空気（すなわち、周囲の空気の部分的に消費された一次流）だけと混合する。

本出願人らは、本出願人らの好適なＭＥＷＴの実施形態１００、２００、３００、４００、および６００と、すぐ上に記述された本出願人らの好適かつ代替の方法とは、タービンに対して顕著な損傷を伴うことなく、何日間も、何週間も、そして、何年間も、充分な風を用いて、Ｂｅｔｚ限界を超えた動作効率を一貫して持続すると考えている。

言い換えると、本出願人らは、本出願人らの好適なＭＥＷＴの実施形態１００、２００、３００、４００、および６００と、すぐ上に記述された本出願人らの好適かつ代替の方法とは、一次空気流の力を活用することにより、機械エネルギーを生成しながら、異常でない期間にわたって、動作効率に関してＢｅｔｚ限界を超え得ると考えている。

さらにより概略的な代替の別の方法は、
ａ．ロータを有するタイプの風車を通って流れる空気の量を増加させることであって、
ｉ．周囲の空気を流入させ、そして、インペラに隣接し、かつ、下流にある混合器によって、ロータを通過した低いエネルギーの空気だけと周囲の空気を混合させること
による、増加させること
を包含する。

このより概略的な方法はさらに、風車を通って流れる周囲の空気の量を増加させながら、混合器の下流の排出器によって、風車からの排出流の騒音レベルを最小にするステップを含み得る。

明白な改変が、本発明の精神または範囲を逸脱することなく行われ得ることが、当業者によって理解されるべきである。例えば、スロットが、混合器ローブまたは排出器ローブの代わりに使用され得る。さらに、遮蔽物アームは、Ｂｅｔｚ限界に合致するか、またはそれを超えるためには必要とされない。したがって、上の記載ではなく、添付の特許請求の範囲に、主に、参照が行われるべきである。

Claims (37)

1. ａ．フレア状の入口を有するシュラウドを有する風車と、
   ｂ．該入口の下流のプロペラ状のロータと、
   ｃ．該ロータの下流に延びている混合器ローブの輪を有する混合器と、
   ｄ．該混合器ローブの後縁を囲み、かつ、該混合器ローブから下流に延びている排出器と
   を備えている、装置。
2. ａ．フレア状の入口を有するシュラウドを有する風車と、
   ｂ．該入口の下流のロータと、
   ｃ．該ロータの下流に延びている混合器と
   を備えている、装置。
3. 前記混合器から下流に延びている排出器をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
4. 前記混合器は、前記排出器の中に延びている混合器ローブの輪を備えている、請求項１に記載の装置。
5. 前記混合器は、前記排出器の中に延びている分離した混合器スロットを備えている、請求項１に記載の装置。
6. ａ．フレア状の入口を有するシュラウドを有する風車と、
   ｂ．該入口の下流のプロペラ状のロータと、
   ｃ．異常でない期間にわたってＢｅｔｚ限界を超えた電力レベルを発電するための手段であって、
   ｉ．該フレア状の入口の中に、そして、該タービンシュラウドを通って周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、
   ｉｉ．該一次空気流によって、該シュラウドの中で該ロータを回転させ、それにより、該一次空気流が、該ロータにエネルギーを伝えることと、
   ｉｉｉ．周囲の空気の二次空気流を流入させ、該ロータに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、該ロータを通過した該一次空気流だけと該二次空気流を混合することにより、該二次空気流から該一次空気流にエネルギーを伝え、そして、該排出器を出て行く一連の渦巻を作ることと
   による、手段と
   を備えている、装置。
7. 前記手段はさらに、
   ａ．前記ロータの下流に延びている混合器ローブの輪を有する前記混合器と、
   ｂ．該混合器ローブの後縁を囲み、かつ、該混合器ローブから下流に延びている前記排出器と
   を備えている、請求項６に記載の装置。
8. 前記排出器は、前記タービンシュラウドと同軸である、請求項７に記載の装置。
9. 前記排出器は、前記タービンシュラウドの出口と同心の排出器シュラウドを含む、請求項７に記載の装置。
10. 風の流れからのエネルギーを活用するように適合された風力タービンであって、
    ａ．該風の流れに対して上流方向と下流方向とを有する風力タービン
    を備え、該風力タービンは、
    ｂ．入口と出口とを有するタービンシュラウドと、
    ｃ．該入口の下流で、該シュラウドの中にインペラ羽根を有するインペラと、
    ｄ．該タービンシュラウドの該出口に隣接して配置された該タービンシュラウドと同軸の排出器シュラウドと
    を含み、
    ｅ．該タービンシュラウドと該排出器とは、
    ｉ．該タービンシュラウドの内部を通り、そして、該インペラの回転軸から離れるように、該インペラを通って一次空気流を導くことと、
    ｉｉ．該排出器シュラウドの中に、そして、該インペラの回転軸に向かって、該タービンシュラウドに未だ入ったことのない二次空気流を導くことと
    のためにサイズと形状とを適合されている、風力タービン。
11. 前記タービンシュラウドは、それの出口において、そして、前記排出器は、前記インペラの下流において、前記一次空気流と前記二次空気流とを混合するようにサイズと形状とを適合されている、請求項１１に記載の風力タービン。
12. 前記タービンシュラウドは、それの出口において、そして、前記排出器は、前記インペラから下流において、一連の混合渦巻を形成することによって、さらに効率的に、前記二次空気流から前記一次空気流にエネルギーを伝えるようにサイズと形状とを適合されている、請求項１１に記載の風力タービン。
13. 前記タービンシュラウドと前記排出器シュラウドとは、そのように配置されたときに、
    ａ．該排出器シュラウドの中に、かつ、該タービンシュラウドの前記出口の後の前記インペラの回転軸上の場所に向かって前記二次空気流の一部を導くことと、
    ｂ．該インペラを通り、そして、該タービンシュラウドの該出口の後の該回転軸上の場所から離れるように、該タービンシュラウドの内部を通って、該一次空気流の一部を導くことと
    のためにサイズと形状とを適合されている、請求項１１に記載の風力タービン。
14. ａ．上流方向と下流方向とを有する風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．入口を有するタービンシュラウドと、
    ｉｉ．該タービンシュラウドの該入口から下流のインペラと、
    ｉｉｉ．該タービンシュラウドの出口の近くに配置された排出器シュラウドと
    を含み、
    ｉｖ．該風力タービンシュラウドは、該風力タービンが、下流方向に動いている風にさらされたときに、少なくとも該タービンシュラウドの実質的な非均一性によって、該インペラの下流に、低損失の一連の混合渦巻を生成するようにサイズと形状とが適合されている、風力タービン
    を備えている、装置。
15. ａ．上流方向と下流方向とを有する軸流風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．インペラと、
    ｉｉ．混合器ローブと、
    ｉｉｉ．該混合器から下流に延びている排出器と
    を含み、
    ｉｖ．該混合器ローブは、該排出器の入口近くに配置されており、
    ｖ．該風力タービンは、該排出器に対する該混合器ローブの配置によって混合器／排出器ポンプとして動作し、それにより、周囲の空気とより低いエネルギーの空気とが互いに対して混合することにより、タービンステージを通る空気流を増強させるように、サイズと形状とが適合されている、風力タービン
    を備えている、装置。
16. ａ．上流方向と下流方向とを有する軸流風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．ステータ翼と、
    ｉｉ．該ステータ翼の下流のインペラと、
    ｉｉｉ．該インペラの下流の混合器と、
    ｉｖ．該混合器から下流に延びている排出器と
    を含み、
    ｖ．該風力タービンは、風力を活用して機械エネルギーを生成しながら、該軸流風力タービンの動作効率に関してＢｅｔｚ限界を超えるように適合されている、風力タービン
    を備えている、装置。
17. 前記風力タービンは、風力を活用して機械エネルギーを生成しながら、異常でない期間にわたって、該軸流風力タービンの動作効率に関してＢｅｔｚ限界を超えるように適合されている、請求項１６に記載の装置。
18. 前記風力タービンは、風力を活用して機械エネルギーを生成しながら、継続期間にわたって、該軸流風力タービンの動作効率に関してＢｅｔｚ限界を超えるように適合されている、請求項１６に記載の装置。
19. 前記風力タービンは、風力を活用して機械エネルギーを生成しながら、一貫して該軸流風力タービンの動作効率に関してＢｅｔｚ限界を超えるように適合されている、請求項１６に記載の装置。
20. ａ．上流方向と下流方向とを有する風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．入口を有するタービンシュラウドであって、該タービンシュラウドの壁は、インペラの回転軸に沿って実質的に厚さを変化させる、タービンシュラウドと、
    ｉｉ．該タービンシュラウドの中に配置されたインペラと、
    ｉｉｉ．該タービンシュラウドの出口の出口面に隣接した流れ混合要素と、
    ｉｖ．該混合要素の縁の近くに配置され、かつ、該混合要素から離れるように延びている排出器と
    を含む、風力タービン
    を備えている、装置。
21. 前記インペラの回転軸に沿って実質的に厚さを変化させる前記タービンシュラウドの前記壁は、上反りにされた形状を有する、請求項２０に記載の装置。
22. 前記排出器の壁は、前記インペラの回転軸に沿って実質的に厚さを変化させる、請求項２０に記載の装置。
23. 前記インペラの回転軸に沿って実質的に厚さを変化させる前記排出器の壁は、上反りにされた形状を有する、請求項２０に記載の装置。
24. ａ．上流方向と下流方向とを有する風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．入口を有する、航空力学的に形状を合わされたタービンシュラウドと、
    ｉｉ．該入口の下流に配置されたインペラ羽根を有するインペラと、
    ｉｉｉ．混合器ローブの輪であって、該混合器ローブは、該インペラから下流に延びている、混合器ローブの輪と、
    ｉｖ．該混合器ローブの輪を囲んでいる排出器シュラウドであって、該混合器ローブは、該排出器シュラウドの下流に、かつ、該排出器シュラウドの中に延びている、排出器シュラウドと
    を含む、風力タービン
    を備えている、装置。
25. 混合器ローブの第２の輪が、前記排出器シュラウドの末端に配置されている、請求項２４に記載の装置。
26. 前記風力タービンの外側表面は、自動調節の可動ウイングタブを含み、該自動調節の可動ウイングタブは、風の接近する流れ方向との該風力タービンの整列を航空力学的に補助するように適合されている、請求項２４に記載の装置。
27. ａ．入口と出口とを有する、航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウドと、
    ｂ．該タービンシュラウドの中に回転可能に配置されたインペラと、
    ｃ．Ｂｅｔｚ限界を超えて軸流風力タービンの動作効率を継続可能に超えるための手段であって、該手段は、
    ｉ．混合器ローブの輪であって、該ローブは、該インペラの下流に延びている、混合器ローブの輪と、
    ｉｉ．該混合器ローブの輪を囲んでいる排出器シュラウドであって、該混合器ローブは、該排出器シュラウドの中に延びている、排出器シュラウドと
    を備えている、手段と
    を備えている、軸流風力タービン。
28. ａ．上流方向と下流方向とを有する軸流風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．入口を有する、航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウドと、
    ｉｉ．該シュラウドの中に据え付けられたタービンステージであって、該タービンステージは、
    ｉｉｉ．インペラと、
    ｉｖ．混合器ローブの輪であって、該混合器ローブは、該インペラから離れるように延びている、混合器ローブの輪と、
    ｖ．該インペラに対して、後の該混合器ローブの縁を囲み、かつ、該混合器ローブから下流に延びている排出器と
    を備えている、タービンステージと
    を備えている、風力タービン
    を備えている、装置。
29. ａ．上流方向と下流方向とを有する軸流風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．入口を有する、航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウドと、
    ｉｉ．インペラと、
    ｉｉｉ．該シュラウドの近くに配置され、該インペラから下流に延びている混合器ローブを有する混合器と、
    ｉｖ．該混合器ローブから下流に延びている排出器と
    を含む、風力タービン
    を備えている、装置。
30. 上流方向と下流方向とを有し、入口とロータとを有するタービンシュラウドを有するタイプの軸流風力タービンにおいて、改善点は、該ロータから下流に延びている混合器ローブを有する混合器を備えている。
31. 前記混合器は、放射状に間隔を空けられた複数の混合器スロットを備えている、請求項３１に記載の装置。
32. 前記混合器から下流に延びている排出器をさらに備えている、請求項３１に記載の装置。
33. 前記タービンはさらに、インペラの上流にステータ翼の輪を備えている、請求項３１に記載の装置。
34. ａ．上流方向と下流方向とを有する軸流風力タービンであって、該風力タービンは、
    ｉ．ステータ翼と、
    ｉｉ．該ステータ翼の下流のインペラと、
    ｉｉｉ．該インペラの下流の混合器と、
    ｉｖ．該混合器から下流に延びている排出器と、
    ｖ．該排出器の末端領域において埋め込まれた別の混合器と
    含み、
    ｖｉ．該風力タービンは、風力を活用して機械エネルギーを生成しながら、該軸流風力タービンの動作効率に関してＢｅｔｚ限界を超えるようにサイズと形状とを適合されている、風力タービン
    を備えている、装置。
35. ａ．入口と出口とを有するタービンシュラウドと、
    ｂ．該タービンシュラウドの中に回転可能に配置されたインペラと、
    ｃ．Ｂｅｔｚ限界を超えて軸流風力タービンの動作効率を超えるための手段であって、該手段は、
    ｉ．混合器ローブの輪であって、該ローブは、該タービンシュラウドの中に埋め込まれ、かつ、該インペラの下流に延びている、混合器ローブの輪と、
    ｉｉ．該混合器ローブの輪を囲んでいる排出器シュラウドであって、該混合器ローブは、該排出器シュラウドの中に延びている、排出器シュラウドと、
    ｉｉｉ．該排出器シュラウドの末端領域に埋め込まれた混合器ローブの別の輪と
    を備えている、手段と
    を備えている、軸流風力タービン。
36. 風車であって、
    ａ．入口と出口とを有するタービンシュラウドと、
    ｂ．該タービンシュラウドの中に配置されたプロペラ状のロータと、
    ｃ．Ｂｅｔｚ限界を超えて風車の動作効率を超えるための手段であって、該手段は、
    ｉ．混合器ローブの輪であって、該ローブは、該ロータの下流に延びている、混合器ローブの輪と、
    ｉｉ．該混合器ローブの輪を囲んでいる排出器シュラウドであって、該混合器ローブは、該排出器シュラウドの中に延びている、排出器シュラウドと、
    ｉｉｉ．該排出器シュラウドの末端領域に埋め込まれた混合器ローブの別の輪と
    を備えている、手段と
    を備えている、風車。
37. 軸流風力タービンであって、
    ｉ．インペラと、
    ｉｉ．該インペラの下流の第１の混合器と、
    ｉｉｉ．該混合器に隣接し、かつ、そこから下流に延びている排出器と、
    ｉｖ．該排出器の末端領域に埋め込まれた第２の混合器と
    を備えている、軸流風力タービン。

Images