JP2015516535A - Hydro turbine - Google Patents
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Abstract
水力タービンは、少なくとも２つの環状ホイールディスク、環状ホイールディスクの中心に配置された中央軸、環状ホイールディスクと中央軸との間に配置されたスポークおよび環状ホイールディスクに環状に配置された複数のブレードを有する。ブレードの数は、少なくとも２８枚であり、１つの環状ホイール・ディスクのセンチメートル単位で測定された外周長の最大となる整数部分の値の数である。全てのブレードの１つの円弧状側の弧の長さの合計は、円環状ホイールディスクの外周長の０．８５〜２倍である。各ブレードの円弧の２つの端点に中点をそれぞれ結んだ２本の線分の間に形成されたブレード角度は１００?〜１７０?の範囲である。各ブレードの円弧の最大翼弦長を有する翼弦線と、ブレードの外側の端点を通過する各環状ホイールディスクの半径線との間に形成されたブレード取付角度は、１５?〜７５?の範囲である。【選択図】図２The hydro turbine includes at least two annular wheel discs, a central shaft disposed at the center of the annular wheel disc, a spoke disposed between the annular wheel disc and the central shaft, and a plurality of blades disposed annularly on the annular wheel disc Have The number of blades is at least 28, which is the number of integer part values that are the maximum of the outer circumference measured in centimeters of one annular wheel disk. The total arc length on one arcuate side of all blades is 0.85 to 2 times the outer circumference of the annular wheel disc. The blade angle formed between the two line segments connecting the middle points to the two end points of the arc of each blade is in the range of 100? To 170 ?. The blade mounting angle formed between the chord line having the maximum chord length of the arc of each blade and the radial line of each annular wheel disk passing through the outer end point of the blade ranges from 15 to 75? It is. [Selection] Figure 2
Description
本発明は海洋エネルギー発電分野、特に水力タービンに関する。 The present invention relates to the field of ocean energy power generation, and more particularly to a hydro turbine.
（関連技術の説明）
従来技術における潮水力タービンは、主に風力発電技術を参考としており、２種類に分類される。１つは、水平シャフトを有する水力タービンである。水力タービンの羽根車は、２または３枚のブレードしか有しておらず、主に速度を上げたり、発電機のような機構システムを水中で作動させたりするために用いられる。定期的なメンテナンスや保全は、高価な費用と商業的な開発価値の損失を引き起こすことになるので困難である。もう１つは、風力発電の考えを取り入れた垂直軸を有する水力タービンである。水力タービンの羽根車は、基本的には３から５枚のブレードを有し、１０枚以上のブレードを有するものもある。この羽根車は、水平軸を有する３枚ブレードの水力タービンの羽根車よりも効率がわずかに低下する。
(Description of related technology)
Conventional hydroelectric turbines are classified into two types mainly based on wind power generation technology. One is a hydro turbine with a horizontal shaft. Hydro turbine impellers have only two or three blades and are mainly used to increase speed and operate mechanical systems such as generators in water. Regular maintenance and maintenance is difficult because it causes expensive costs and loss of commercial development value. The other is a hydro turbine with a vertical axis that incorporates the idea of wind power. An impeller of a hydro turbine basically has 3 to 5 blades and some has 10 or more blades. This impeller is slightly less efficient than the impeller of a three blade hydro turbine with a horizontal axis.
しかしながら、従来技術の盲点は、従来の潮水力タービンでは考慮されず、技術的な誤解がある。従来の潮水力タービンは、風力発電用タービンに準じているが、風力発電機用タービンは、風力エネルギーのより高い開始速度（少なくとも６メートル毎秒）を活用し、それによってブレードの数が少なくても電力を発生する。しかしながら、海流速度（最適条件において、３メートル毎秒であり、通常の流速はそれよりも低い）は、風速よりもはるかに小さい。このため、従来の潮水力タービンは低速時には潮力エネルギーを得ることができない。 However, the blind spots of the prior art are not considered in conventional tidal hydro turbines and there is a technical misunderstanding. Conventional tidal hydro turbines follow wind turbines, but wind turbines take advantage of the higher starting speed of wind energy (at least 6 meters per second), thereby reducing the number of blades Generate power. However, ocean current speeds (3 meters per second at optimal conditions and lower normal flow rates) are much smaller than wind speeds. For this reason, the conventional tidal hydro turbine cannot obtain tidal energy at low speed.
近年では、エネルギー不足の増加や重大な温室効果の増大により、エネルギーの低炭素化が求められている。従って、風力エネルギーや海洋エネルギー（潮力エネルギー、潮流エネルギー、海洋波エネルギー、および海流エネルギーを含む）などのクリーンエネルギーが、エネルギー開発の今後の方向性となる。しかし、クリーンエネルギーのための発電装置は、依然として開発段階であり、海洋エネルギーの利用は、比較的成熟した風力エネルギーの利用を除いて、未だ初期段階に留まっている。共通の装置や完成された装置も存在しない。装置は、大規模にすることができず、低効率であり、完全に満足のいくレベルに到達できていない。 In recent years, there has been a demand for low-carbon energy due to an increase in energy shortages and a significant increase in the greenhouse effect. Therefore, clean energy such as wind energy and ocean energy (including tidal energy, tidal current energy, ocean wave energy, and ocean current energy) is the future direction of energy development. However, power generation devices for clean energy are still in the development stage, and the use of ocean energy is still at an early stage, except for the use of relatively mature wind energy. There is no common equipment or complete equipment. The device cannot be scaled, is inefficient and has not reached a fully satisfactory level.
従来技術における技術的課題を克服するために、本発明は、複数のブレード有し、高効率な水力タービンを提供する。 In order to overcome the technical problems in the prior art, the present invention provides a highly efficient hydro turbine having a plurality of blades.
上記の目的を達成する本発明は、後述する技術的解決手段を用いている。水力タービンは、少なくとも２つの環状ホイールディスクと、中央軸と、複数のブレードと、を有する。前記中央軸は、前記環状ホイールディスクの中心に配置され、前記中央軸の軸方向は、前記環状ホイールディスクの半径方向に垂直である。前記ブレードは前記環状ホイールディスクに環状に配置されている。前記ブレードの数は、少なくとも２８枚であり、１つの前記環状ホイールディスクのセンチメートル単位で測定された外周長の最大となる整数部分の値の数である。前記ブレードは円弧状であり、全ての前記ブレードの１つの円弧状側の弧の長さの合計は、１つの前記環状ホイールディスクの外周の０．８５から２倍である。ブレード角度は、前記各ブレードの円弧状側の２つの端点に中点をそれぞれ結んだ２本の線分の間に形成される角度であり、１００°〜１７０°の範囲である。ブレード取付角度は、前記各ブレードの円弧状側の最大翼弦長を有する翼弦線と、前記ブレードの外側の端点を通過する前記各環状ホイールディスクの半径線との間に形成される角度であり、前記ブレード取付角度は１５°〜７５°の範囲である。 The present invention that achieves the above object uses the technical solutions described below. The hydro turbine has at least two annular wheel discs, a central shaft, and a plurality of blades. The central axis is disposed at the center of the annular wheel disk, and the axial direction of the central axis is perpendicular to the radial direction of the annular wheel disk. The blade is annularly arranged on the annular wheel disk. The number of the blades is at least 28, and is the number of values in the integer part that is the maximum of the outer peripheral length measured in centimeters of one annular wheel disk. The blade is arcuate and the total arc length on one arcuate side of all the blades is 0.85 to 2 times the outer circumference of one annular wheel disc. The blade angle is an angle formed between two line segments connecting the middle points to the two end points on the arcuate side of each blade, and is in the range of 100 ° to 170 °. The blade mounting angle is an angle formed between a chord line having a maximum chord length on the arcuate side of each blade and a radial line of each annular wheel disk passing through an outer end point of the blade. The blade mounting angle is in the range of 15 ° to 75 °.
好ましくは、前記水力タービンは、前記環状ホイールディスクの半径方向に沿うように配置された複数のスポークを有する。 Preferably, the hydraulic turbine has a plurality of spokes arranged along the radial direction of the annular wheel disk.
好ましくは、前記水力タービンは、前記ブレードの後ろ側にある２つの環状ホイールディスクの両側に配置された２つのカバープレートをさらに有する。 Preferably, the hydro turbine further comprises two cover plates arranged on both sides of two annular wheel discs behind the blades.
本発明は、以下の有利な効果を奏する。全ての文献記録と実際の実施例によれば、従来の垂直軸型水力タービンは、低い流速（潮流速度は３メートル毎秒より低い）で電力を発生させることができない。取得潮流の変換率は、１０％未満である。そのため、潮力エネルギーは、世界中で商業的に開発されることができなかった。しかしながら、本発明における水力タービンは、少なくとも２８枚のブレードと、所定のブレード角と、ブレード取付角度と、を採用し、流速が３メートル毎秒より低いときでも、取得潮流の変換率が２０％以上であるので、従来技術の盲点を克服し、潮力エネルギー開発のための技術基盤を提供する。実験データは、水力タービンを用いた発電装置の効率は、従来技術の垂直軸を有する発電装置の２倍以上であることを示している。 The present invention has the following advantageous effects. According to all literature records and practical examples, conventional vertical axis hydro turbines cannot generate power at low flow rates (tidal velocity is less than 3 meters per second). The conversion rate of the acquired current is less than 10%. As a result, tidal energy could not be developed commercially around the world. However, the hydro turbine in the present invention employs at least 28 blades, a predetermined blade angle, and a blade mounting angle, and the conversion rate of the acquired tidal current is 20% or more even when the flow velocity is lower than 3 meters per second. Therefore, it overcomes the blind spots of the prior art and provides a technical foundation for tidal energy development. Experimental data shows that the efficiency of a power plant using a hydro turbine is more than twice that of a conventional power plant with a vertical axis.
本発明の上記特徴、他の特徴、実施態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および図面でより詳細に説明する。 The above features, other features, embodiments, and advantages of the present invention are described in more detail in the following description, appended claims, and drawings.
当業者が本発明の構成をより理解し易くするために、実施例における技術的構成は本発明の実施形態に添付の図面を参照して、以下に明確に、完全に説明されている。実施形態は、本発明の概略の１つにすぎず、本発明はこれに限られないことは明らかである。本発明における実施形態に基づいて、当業者によって容易に想到できる全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲に属する。 In order to make it easier for those skilled in the art to understand the configuration of the present invention, the technical configuration in the embodiments will be clearly and completely described below with reference to the accompanying drawings in the embodiments of the present invention. The embodiment is merely one of the outlines of the present invention, and it is obvious that the present invention is not limited to this. Based on the embodiments of the present invention, all other embodiments that can be easily conceived by those skilled in the art belong to the protection scope of the present invention.
以下、本発明の実施例について、添付図面を参照しながら説明する。水力タービンは、中央軸１と、少なくとも２つの環状ホイールディスク２と、複数のブレード４と、を有する。ブレード４は、環状に、環状ホイールディスクに配置されている。実際の適用においては、ブレード４の長さ方向は、環状ホイールディスク２に対して垂直である。実施形態では、環状ホイールディスク２は中空円状、すなわち、環状である。しかしながら、本発明はこれに限定されない。他の実施形態では、環状ホイールディスク２には中実円状であってもよい。本発明における環状ホイールディスク２の数は少なくとも２つであり、環状ホイールディスク２は、それぞれのブレード４の両側に配置され、それによって２つの環状ホイールディスク２の間の範囲内にブレード４を収める。実施形態において環状ホイールディスク２の数は３つであり、環状ホイールディスク２のうちの１つは、ブレード４の中間に配置される。そのため、環状のホイールディスクのであるため、ブレード４の長さ（実際の適用においては、水平面に垂直な方向に沿ったブレード４の長さである）は、効果的に低減され、それによって、水流の衝撃に対するブレード４の抵抗力を向上させる。もし、垂直方向に沿ったブレード４の長さが長すぎると水流の衝撃が大きくなるため、ブレード４が簡単に変形され、真ん中から破壊されることもある。しかしながら、環状ホイールディスク２の具体的な数は、本発明に限定されるものではない。ブレード４の長さが増加すると、環状ホイールディスク２の数はそれに応じて増加する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The hydro turbine has a central shaft 1, at least two annular wheel disks 2, and a plurality of blades 4. The blade 4 is annularly arranged on the annular wheel disk. In practical applications, the length direction of the blade 4 is perpendicular to the annular wheel disc 2. In the embodiment, the annular wheel disk 2 has a hollow circular shape, that is, an annular shape. However, the present invention is not limited to this. In other embodiments, the annular wheel disc 2 may be solid. In the present invention, the number of the annular wheel disks 2 is at least two, and the annular wheel disks 2 are arranged on both sides of the respective blades 4, thereby accommodating the blades 4 within the range between the two annular wheel disks 2. . In the embodiment, the number of the annular wheel disks 2 is three, and one of the annular wheel disks 2 is arranged in the middle of the blade 4. Thus, because of the annular wheel disc, the length of the blade 4 (in practical applications, the length of the blade 4 along the direction perpendicular to the horizontal plane) is effectively reduced, thereby reducing the water flow. The resistance of the blade 4 to the impact of If the length of the blade 4 along the vertical direction is too long, the impact of the water flow is increased, so that the blade 4 is easily deformed and may be broken from the middle. However, the specific number of the annular wheel disks 2 is not limited to the present invention. As the length of the blade 4 increases, the number of annular wheel discs 2 increases accordingly.
本発明において、ブレード４の数は、少なくとも２８枚であり、１つの環状ホイールディスクのセンチメートル単位で測定された外周長の最大となる整数部分の値の数である。例えば、環状ホイールディスク２の外周長が９８．３または９８．８センチメートルのとき、ブレード４の数は９８である。ブレード４は、円弧状である。全てのブレード４の円弧状側の弧の長さの合計は、１つの円環状ホイールディスク２の外周長の０．８５から２倍である。ブレード角度Ａは、中点を各ブレード４の円弧状側の２つの端点にそれぞれ結んだ２本の線分の間に形成される角度であり（図３を参照）、ブレード角度Ａは１００°以上１７０°以下である。ブレード取付角度Ｂは、各ブレード４の円弧状側の最大翼弦長を有する翼弦線と、ブレード４の外側の端点を通過する各環状ホイールディスク２の半径線との間に形成される角度であり（図４を参照）、ブレード取付角度Ｂは、１５°以上７５°以下である。実際の使用では、ブレード取付角度Ｂは、１５°、４５°、６０°等であってもよい。 In the present invention, the number of blades 4 is at least 28, and is the number of values in the integer part that is the maximum of the outer peripheral length measured in centimeter units of one annular wheel disk. For example, when the outer peripheral length of the annular wheel disk 2 is 98.3 or 98.8 centimeters, the number of blades 4 is 98. The blade 4 has an arc shape. The total length of the arcs on the arcuate side of all the blades 4 is 0.85 to twice the outer peripheral length of one annular wheel disk 2. The blade angle A is an angle formed between two line segments connecting the middle point to the two end points on the arcuate side of each blade 4 (see FIG. 3), and the blade angle A is 100 °. More than 170 degrees. The blade mounting angle B is an angle formed between the chord line having the maximum chord length on the arcuate side of each blade 4 and the radial line of each annular wheel disk 2 passing through the outer end point of the blade 4. (See FIG. 4), the blade mounting angle B is 15 ° or more and 75 ° or less. In actual use, the blade mounting angle B may be 15 °, 45 °, 60 °, or the like.
中央軸１は、環状ホイールディスク２の中心に配置され、中央軸１の軸方向は、環状ホイールディスク２の半径方向に垂直である。本発明の水力タービンが海洋エネルギー発電装置に適用されるときは、中央軸１の一端が発電機に接続される。水流がブレード４に衝撃を与えるとき、ブレード４は、駆動して環状ホイールディスク２を回転させるため、さらには中央軸１を回転させるために回転し、中央軸１はさらに運動エネルギーを発電機に伝える。実施形態では、中央軸１の数は１つであり、中央軸１は、複数の環状ホイールディスク２を貫通する。他の実施形態では、中央軸１の数が２つであってもよく、２つの中央軸１は、ブレード４の後ろ側の環状ホイールディスク２の最も外側の両側の中心位置にそれぞれ配置してもよい。 The central shaft 1 is arranged at the center of the annular wheel disc 2, and the axial direction of the central shaft 1 is perpendicular to the radial direction of the annular wheel disc 2. When the hydro turbine of the present invention is applied to a marine energy power generator, one end of the central shaft 1 is connected to a generator. When the water flow impacts the blade 4, the blade 4 is driven to rotate to rotate the annular wheel disk 2, and further to rotate the central shaft 1, which further transmits kinetic energy to the generator. Tell. In the embodiment, the number of central shafts 1 is one, and the central shaft 1 passes through a plurality of annular wheel disks 2. In another embodiment, the number of the central shafts 1 may be two, and the two central shafts 1 are respectively arranged at the center positions on both outermost sides of the annular wheel disk 2 on the rear side of the blade 4. Also good.
実施形態では、水力タービンはさらに、環状ホイールディスク２の半径方向に沿って配置された複数のスポーク３を備える。実施形態では、スポーク３は、環状ホイールディスク２と、中央軸１との間に固定されている。スポーク３を介して、環状ホイールディスク２と、中央軸１との間の固定接続を強固にすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されない。他の実施形態では、水力タービンは、スポーク３を含まなくてもよい。 In an embodiment, the hydraulic turbine further comprises a plurality of spokes 3 arranged along the radial direction of the annular wheel disc 2. In the embodiment, the spoke 3 is fixed between the annular wheel disc 2 and the central shaft 1. The fixed connection between the annular wheel disk 2 and the central shaft 1 can be strengthened via the spoke 3. However, the present invention is not limited to this. In other embodiments, the hydro turbine may not include spokes 3.
実施形態では、水力タービンはさらに、ブレード４の後ろ側に、２つの環状ホイールディスクの両側にそれぞれ配置された２つのカバープレート５を有する。図１に示すように、カバープレート５は、それぞれ上部環状ホイールディスク２の上方および下部環状ホイールディスク２の下方に配置されている。カバープレート５により、水が上部および下部にある中央軸１と環状ホイールディスク２の隙間から侵入することを効果的に防止することにより、水力タービンの運転効率を確保している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。他の実施形態では、水力タービンは、カバープレート５を含まなくてもよい。 In an embodiment, the hydro turbine further comprises two cover plates 5 arranged on the back side of the blades 4 respectively on both sides of the two annular wheel disks. As shown in FIG. 1, the cover plates 5 are respectively disposed above the upper annular wheel disk 2 and below the lower annular wheel disk 2. The cover plate 5 effectively prevents water from entering from the gap between the central shaft 1 and the annular wheel disk 2 at the upper and lower portions, thereby ensuring the operation efficiency of the hydro turbine. However, the present invention is not limited to this. In other embodiments, the hydro turbine may not include the cover plate 5.
海流速度が速い場合には、水力タービンのブレードの枚数が少なくても発電効率は高くなる。水力タービンの数が多すぎると、ブレードは水流を遮断してしまうことがある。これにより、効果的に電力を生成するために水を水力タービンに流入することができないことがある。海流速度が低い場合には、水力タービンのブレードの数を増やすことにより、発電効率を向上させることができる。換言すれば、水力タービンのブレードの数は海流速度に反比例する関係である。実験データは、本発明における水力タービンを用いた発電装置の効率は、従来技術において垂直軸型水力タービンを用いた発電装置の２倍以上であることがあることを示している。本発明においては、水力タービンは、少なくとも２８枚のブレードと、所定のブレード角と、ブレード取付角度と、有することにより、従来の水力タービンが低い海流速度において、起動し、効率的に発電することができなかったという問題点を克服することができる。本発明における水力タービンは、逆流（例えば、潮流など）に特に適しており、様々な海流速度で自己始動能力を有する。 When the ocean current speed is high, the power generation efficiency is high even if the number of blades of the hydro turbine is small. If there are too many hydro turbines, the blades may block the water flow. This may prevent water from flowing into the hydro turbine in order to effectively generate power. When the ocean current speed is low, the power generation efficiency can be improved by increasing the number of blades of the hydro turbine. In other words, the number of hydro turbine blades is inversely proportional to the ocean current velocity. Experimental data shows that the efficiency of a power generator using a hydro turbine in the present invention may be more than twice that of a power generator using a vertical axis hydro turbine in the prior art. In the present invention, the hydro turbine has at least 28 blades, a predetermined blade angle, and a blade mounting angle, so that the conventional hydro turbine can be started and efficiently generated at a low ocean current speed. You can overcome the problem of not being able to. The hydro turbine in the present invention is particularly suitable for reverse flow (for example, tidal current) and has self-starting capability at various ocean current speeds.
要約すると、本発明は、以下の有益な効果を有する。全ての文献記録と実際の実施例によれば、従来の垂直軸型水力タービンは、低い流速（潮流速度は３メートル毎秒より低い）で電力を発生させることができない。取得潮流の変換率は、１０％未満である。そのため、潮力エネルギーは、世界中で商業的に開発されることができなかった。本発明における水力タービンは、少なくとも２８枚のブレードと、所定のブレード角と、ブレード取付角度と、を採用し、流速が３メートル毎秒より低いときでも、取得潮流の変換率が２０％以上であるので、従来技術の盲点を克服し、潮力エネルギー開発のための技術基盤を提供する。 In summary, the present invention has the following beneficial effects. According to all literature records and practical examples, conventional vertical axis hydro turbines cannot generate power at low flow rates (tidal velocity is less than 3 meters per second). The conversion rate of the acquired current is less than 10%. As a result, tidal energy could not be developed commercially around the world. The hydro turbine in the present invention employs at least 28 blades, a predetermined blade angle, and a blade mounting angle, and the conversion rate of the acquired tidal current is 20% or more even when the flow velocity is lower than 3 meters per second. Therefore, it overcomes the blind spots of the conventional technology and provides a technical foundation for tidal energy development.
Claims (3)
前記環状ホイールディスクの中心に配置され、軸方向が前記環状ホイールディスクの半径方向に垂直である中央軸と、
前記環状ホイールディスクに環状に配置される複数のブレードと、を有し、前記ブレードの数は、少なくとも２８枚であり、１つの環状ホイール・ディスクのセンチメートル単位で測定された外周長の最大となる整数部分の値の数であり、前記ブレードは円弧状であり、全ての前記ブレードの１つの円弧状側の弧の長さの合計は、１つの前記円環状ホイールディスクの外周長の０．８５〜２倍であり、前記各ブレードの円弧の２つの端点に中点をそれぞれ結んだ２本の線分の間に形成されたブレード角度は１００°〜１７０°の範囲であり、ブレード取付角度は、前記各ブレードの円弧状側の最大翼弦長を有する翼弦線と、前記ブレードの外側の端点を通過する各環状ホイールディスクの半径線との間に形成され、前記ブレード取付角度は、１５°〜７５°である、水力タービン。 At least two annular wheel discs;
A central axis disposed in the center of the annular wheel disc and having an axial direction perpendicular to a radial direction of the annular wheel disc;
A plurality of blades arranged annularly on the annular wheel disk, wherein the number of blades is at least 28, and a maximum outer circumferential length measured in centimeters of one annular wheel disk; The blade is arcuate, and the total arc length of one arcuate side of all the blades is 0. 0 of the outer circumferential length of one annular wheel disk. The blade angle formed between the two line segments connecting the midpoint to the two end points of the arc of each blade is in the range of 100 ° to 170 °, and the blade mounting angle Is formed between a chord line having a maximum chord length on the arcuate side of each blade and a radial line of each annular wheel disk passing through an outer end point of the blade, and the blade mounting angle is 1 A hydro turbine that is between 5 ° and 75 °.
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