JP2023524843A - 二次ロータを備えたタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、流体の流れの中に配置される一次ロータを備えるタービンであって、一次ロータは、一次ロータブレードを有し、一次ロータブレードは、一次ロータブレード上に作用する流体の流れの影響下において一次ロータ軸を中心に回転可能であり、かつ、一次ロータ軸から一次ロータブレードの長手方向軸に沿って自由外端まで伸びているタービンに関する。一次ロータブレードは、自由外端の近傍に二次ロータが設けられている。二次ロータは、一次ロータブレードが一次ロータ軸を中心に回転するのに応じて二次ロータ軸を中心に回転可能な二次ロータブレードを有する。二次ロータ軸は、一次ロータブレードの長手方向軸に対し実質的に横方向である。二次ロータ軸はまた、一次ロータ軸に対しても実質的に横方向である。タービンは、二次ロータ軸が一次ロータブレードの長手方向軸からずれて配置されることを特徴とする。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は概して、風又は移動する水などの流体の流れの運動エネルギーをタービンのロータの回転エネルギーに変換するためのタービンに関する。より詳細には、本発明は、潮流タービン又は海流タービンなどの水中タービンに関する。

従来の流体の流れの運動エネルギーを変換するためのタービンは通常、流体の流れの中に配置される一次ロータを備え、一次ロータは、一次ロータ軸を中心に回転可能な１つ又は複数の一次ロータブレードを有する。使用時には、流動する流体が一次ロータブレード上に作用して、一次ロータ軸を中心とした回転を生じさせる。動力取出システムが一次ロータ軸に配置され、一次ロータの回転エネルギーを使用可能な電気エネルギーに変換する。動力取出システムは一般的に発電機を含み、発電機は、一次ロータ軸の比較的低速の回転速度及び比較的高いトルクを、発電機に必要とされる比較的高速の回転速度に変換する機械的なトランスミッションを介して、一次ロータ軸に接続される。いくつかのシステムでは、高トルク発生器は、トランスミッションを介在させることなく、一次ロータ軸に直接、結合される。

従来の動力取出システム、特にそれらのトランスミッション又は高トルク発生器は、タービンの総重量、コスト及び建設の複雑さの大きな要因となっている。そのため、各一次ロータブレードの自由外端に二次ロータを設けた代替的なタービンが知られている。二次ロータは、一次ロータブレードの外端において、一次ロータの比較的高い回転速度にさらされるため、二次ロータは既に高い回転速度で動作するものとなっており、これにより、二次ロータにおけるコンパクトで低コストな動力取り出しが可能となっている。二次ロータとその発電機との直接結合さえも実現可能であり、従来のタービンで使用されるようなトランスミッション又は高トルク発生器は不要となる。

既知のタービン、特に二次ロータを備えたタービンは、流体の流れの中で一次ロータブレードのピッチ角を適応させることによってタービンの動作、特に一次ロータの速度を制御する能動ピッチ制御システムを備えていることが多い。これにより、タービンは、極度となった流体の流速がタービンブレードに与える影響を軽減することができ、特に、一次ロータが「ランニングアウェイ（running away）」、すなわち、流体の流速が上がり続けて出力が増加し続ける状態となるのを防止することができる。しかしながら、能動ピッチ制御システムは複雑であり、必要とする機械部品は脆弱で電気部品は壊れやすいため、タービンをより複雑なものとし、総建設メンテナンスコストを押し上げることとなる。これは、特に、洋上風力タービン及び水中タービンなどの現場に到達するのが困難なタービンにとって重大な欠点であり得る。

したがって、本発明の目的は、改良されたタービン、特に、流体の流速の極端な上昇及び変動を軽減するための受動制御メカニズムを備えたタービンを提供することである。より詳細には、メンテナンス時に低速となる、受動ピッチ及び／又はねじれ機構を有するタービンを提供することが目的である。さらに、製造コスト及びメンテナンスコストの両方で費用効果の高いタービンを提供することを目的とする。本発明の特別な目的は、移動する水の運動エネルギーをタービンのロータの回転エネルギーに変換するためのタービン、例えば、潮流タービン又は海流タービンなどの水中タービンであって、水流速の極端な上昇及び変動を軽減するための受動制御メカニズムを有するタービンを提供することである。

したがって、一態様では、流体の流れの中に配置される一次ロータを備えるタービンであって、前記一次ロータは、一次ロータブレードを有し、前記一次ロータブレードは、前記一次ロータブレード上に作用する前記流体の流れの影響下において一次ロータ軸を中心に回転可能であり、かつ、前記一次ロータ軸から前記一次ロータブレードの長手方向軸に沿って自由外端まで伸びているタービンが提供される。前記一次ロータブレードは、前記自由外端の近傍に二次ロータが設けられている。前記二次ロータは、二次ロータ軸と、前記一次ロータブレードが前記一次ロータ軸を中心に回転するのに応じて前記二次ロータ軸を中心に回転可能な二次ロータブレードとを有する。前記二次ロータ軸は、前記一次ロータブレードの前記長手方向軸に対し実質的に横方向であり、かつ、前記一次ロータ軸に対しても実質的に横方向である。さらに、前記二次ロータ軸は、前記一次ロータブレードの前記長手方向軸からずれて配置される。

このように二次ロータをタービンの一次ロータブレードの自由外端近傍に構成及び配置することにより、二次ロータは一次ロータブレードの回転の方向を向くことになり、すなわち、二次ロータ軸は、一次ロータブレードの自由外端の移動の方向と実質的に一致することになり、それにより、一次ロータブレードが一次ロータ軸を中心に回転すると、二次ロータにスラストが発生する。二次ロータは一次ロータブレードの長手方向軸に対してずれた位置に配置されているため、二次ロータのスラストは、一次ロータブレードにその長手方向軸回りのねじりモーメントを発生させる。ねじりモーメントは、二次ロータのスラストと、二次ロータ軸が一次ロータブレードの長手方向軸からずれている距離とに比例し、一次ロータブレードを、少なくとも局所的に、一次ロータブレードの長手方向軸を中心にねじれさせて及び／又は旋回させて、一次ロータブレードのねじれ角及び／又はピッチ角を変更する。スラストは、流体の流速により決定される一次ロータの回転速度に依存するため、タービンの使用中の一次ロータに作用する流体の流速の閾値、すなわち、最小流体流速が設定されていると、タービンにおけるずらす距離を適切に構成配置することができる。これにより、閾値流体流速を超えた場合に、流体の流れに対する一次ロータブレードの迎え角に影響を及ぼす一次ロータブレードのピッチ角及び／又はねじれ角を少なくとも局所的に変更することができる。流体の流れに対する一次ロータブレードの迎え角が変更されると、一次ロータの回転速度に影響を及ぼすため、つまり、最適迎え角よりも小さい迎え角は回転速度を低下させるため、流体の流速の変動は、一次ロータの対応する回転速度に対しては少なくともある程度軽減される。このように、ずらして配置された二次ロータは、一次ロータ速度の受動制御を可能にし、したがって、かなり複雑で費用のかかる能動ピッチ制御システムを不要とする。

一態様では、タービンは、一次ロータブレードの自由外端に又はそれに隣接して設けられた二次ロータを備える。例えば、二次ロータは、一次ロータブレードの外端すなわち先端部に、直接取り付けられても、又は、他の方法で結合されてもよい。しかしながら、二次ロータは、一次ロータブレードの自由外端の近傍に、例えば、最外端からある程度の距離をはさんで設けられてもよい。例えば、二次ロータは、一次ロータ軸と一次ロータブレードの自由外端との間の任意の位置で一次ロータブレードに結合されてもよい。二次ロータを一次ロータブレードの自由外端近傍に配置したとしても、二次ロータに作用する一次ロータブレードの回転速度を局所的に十分な回転速度とすることができ、二次ロータを効率的な動力取り出し手段として機能させることができることが理解されよう。

一態様では、タービンは、一次ロータブレードに少なくとも部分的に一体接続された二次ロータを備えてもよい。例えば、架橋部を一次ロータブレードと二次ロータ軸との間に設けてもよく、架橋部は、一次ロータブレードと一体的に、例えば、一次ロータブレードの自由外端近傍から延びる湾曲したセグメントとして形成され、及び／又は、二次ロータと一体的に形成される。あるいは、一次ロータ及び二次ロータは、それぞれ別個の要素として形成され、形成後に一体に組み立てられてもよい。例えば、二次ロータは一次ロータブレードに、適切な結合手段、例えば、機械的な結合手段、特に、二次ロータを一次ロータブレードに確実に取り付ける、ねじ手段、クランプ手段、スナップ手段又はその他の適切な手段により結合されてもよい。

タービンは、少なくとも１つのロータブレードを備え、例えば、２つ以上の一次ロータブレード、例えば、３つ、４つ又は５つの一次ロータブレードを備える。一次ロータブレードのそれぞれに１つの二次ロータを設けてもよいが、複数ある一次ロータブレードの一部のみにそれぞれ１つの二次ロータを設けることもできる。また、１つの一次ロータブレードに、複数の二次ロータ、例えば、２つ又は３つの二次ロータを設けてもよいことも理解されよう。

前記一次ロータブレードは、前記流体の流れの上流に面する上流対面側と、前記上流対面側の反対側にある下流対面側とを有してもよく、前記二次ロータ軸は、前記長手方向軸から上流側にずれて配置される。ここで、二次ロータのスラストは、一次ロータブレード上に、一次ロータブレードの長手方向軸を中心とした、又は、一次ロータブレードの長手方向軸に平行な軸を中心としたねじりモーメントを発生させ、このねじりモーメントは、一次ロータブレードを、よりフェザー位置に近い位置に向けて、つまり、一次ロータブレードが流体の流れる方向に実質的に平行となる位置に向けてねじれさせる及び／又はピッチを変更させることができる。このように、一次ロータブレードにかかる荷重が低減され、その結果、一次ロータ速度が低下する。

前記一次ロータブレードは、前記一次ロータブレードに作用する前記二次ロータのスラスト力の影響下で、実質的に前記一次ロータブレードの前記長手方向軸を中心に、又は、前記一次ロータブレードの前記長手方向軸に平行な軸を中心に、旋回する及び／又はねじれるように構成されてもよい。使用時には、一次ロータブレードのピッチ角又はねじれ角は、一次ロータの速度と二次ロータのスラストとが釣り合う均衡点で安定する。特に、タービンの出力は、ピッチ角又はねじれ角、一次ロータの速度、及び、二次ロータのスラストが釣り合う均衡において安定する。一次ロータブレードは、一次ロータブレード全体でピッチ変更されても及び／若しくはねじれてもよく、又は、局所的に、例えば、一次ロータブレードの所定の部位及び／若しくはセグメントにおいてピッチ変更されても及び／若しくはねじれてもよい。一次ロータブレードのねじれは、例えば、一次ロータブレードの材料の弾性変形によるものであってもよい。一次ロータブレードの旋回は、一次ロータブレードを構成する材料の実質的な弾性又は塑性変形を伴わなくてもよい。一次ロータブレードは例えば、長手方向軸を中心に全体として旋回してもよい。あるいは、一次ロータブレードは、互いに対して旋回するように構成されたいくつかのセグメントを含むことができ、例えば、一次ロータブレードの先端部が根元のセグメントに対して旋回可能としてもよい。これらのセグメントは、ゴムバッファセグメントなどの弾性ブリッジの手段により互いに接合されてもよい。したがって、流体の流速の変動、例えば、流体の流速の急激な増減は、二次ロータのスラストと、それにより一次ロータブレードに発生する、一次ロータブレードを旋回させる及び／又はねじれさせるねじりモーメントとの組み合わせにより軽減される。

タービンは、流体の流速とタービンの出力との間に、実質的に三次関係よりも小さい関係、例えば、二乗、一次又はその他の関係が得られるように構成されてもよい。任意選択として、タービンは、流体の流速と主たるロータスラストとの間に実質的に二乗より小さい関係、例えば、一次又はその他の関係を得るように配置される。

一次ロータブレードは、一次ロータブレードに作用する、二次ロータの所定の閾値を超えるスラスト力の影響下において、旋回する及び／又はねじれるように構成されてもよい。

任意選択として、前記一次ロータブレードが旋回する及び／又はねじれる時に、前記二次ロータ軸が、実質的に前記一次ロータブレードの前記長手方向軸を中心に回転して位置を変え、前記二次ロータのヨー角を変更するように、前記二次ロータは前記一次ロータブレードの前記自由外端の近傍において前記一次ロータブレードに固定して接続される。一次ロータブレードが長手方向軸を中心にねじれる及び／又は旋回することにより、一次ロータの回転方向に対する二次ロータの向きが変更されてもよい。言い換えれば、一次ロータブレードの旋回及び／又はねじれの直後に、二次ロータのアプローチ角は、二次ロータ軸がもはや一次ロータブレードの回転方向と一致しない向きに変更されてもよい。これは、二次ロータのスラストを減少させ、最大出力を減少させる。

一次ロータブレードは、一次ロータブレードの回転方向に向かって一番前を進む前縁と、前縁の反対側の後縁とを有する。任意選択として、前記二次ロータは、前記一次ロータブレードの後縁に又はその近傍に配置される。このようにして、二次ロータは、一次ロータブレードの先端の渦エネルギーを収集することができる。二次ロータは特に、一次ロータブレードの後端渦の中に配置されて、二次ロータが先端渦の回転とともに回転するようにしてもよい。二次ロータは例えば、後縁を越えて、すなわち、関連する一次ロータブレードの後縁を後ろからついていくように配置することができる。一次ロータブレードは、例えば一次ロータブレードの先端部にかかる荷重を増加させることによって、先端の渦損失を促進するように設計することができる。これらの渦損失は二次ロータによって回復することができ、したがって、一次ロータの効率をさらに向上させることができる。

任意選択として、前記一次ロータブレードは、曲げ軸回りに曲げモーメント、例えば、フラットワイズ曲げモーメントを受けた時に、前記一次ロータブレードの前記長手方向軸を中心にねじれるように構成されている。一次ロータブレードの自由外端に又はその近傍に設けられる二次ロータは、それに関連するかなりの質量を有することができ、一次ロータの回転の下、一次ロータブレードに実質的に遠心力を発生させる。二次ロータは一次ロータブレードに対してずれた位置に配置されているため、この遠心力は一次ロータブレード上に、実質的に長手方向軸に対し横方向、かつ、二次ロータ軸に対し平行である曲げ軸回りのフラットワイズ曲げモーメントを発生させる。この曲げモーメントは結合され、長手方向軸回りのねじりモーメントを発生させる。したがって、この曲げ－ねじれ－結合により、一次ロータブレードが長手方向角回りで、例えば、よりフェザー位置に近い位置に向かってねじれて、一次ロータブレードにかかる荷重を低減させることが可能となる。曲げ－ねじれ結合は、例えば、一次ロータブレードの曲げとねじれとを構造的に結合する、一次ロータブレードの材料の異方特性により確立することができる。一次ロータブレードの曲げにより引き起こされるねじれは、二次ロータのスラストにより引き起こされるねじりモーメントと連動してもよく、すなわち、これらのねじりモーメントの方向が一致していてもよい。あるいは、一次ロータブレードの曲げにより引き起こされるねじりは、二次ロータのスラストにより引き起こされるねじりモーメントに対抗してもよく、すなわち、これらのねじりモーメントの方向が互いに逆であってもよい。例えば、一次ロータブレードは、一次ロータブレードの曲げ－ねじり－結合を可能にするために、異方性材料を含む。

曲げモーメントはさらに、一次ロータのスラスト力によって発生され得る。タービンが配置されている流体の流れは、一次ロータブレードに作用し、一次ロータブレード上に（フラットワイズ）曲げモーメントを生じさせ、これは結合されて、長手方向軸回りのねじりモーメントを発生させる。一次ロータのスラストにより発生する曲げモーメントと、二次ロータの働きの遠心力により発生する曲げモーメントとは、一次ロータブレードに同時に作用することができ、結合されて、長手方向軸回りのねじりモーメントを発生させる。

任意選択として、前記一次ロータブレードは、コンクリート、特に、プレテンションコンクリート又は強化コンクリートからなる。コンクリートは高圧縮強度を有し、比較的安価で製作が容易である。より具体的には、一次タービンブレードは、実質的にコンクリート製であってもよい。コンクリートは、例えば鋼、チタン、カーボン、ケブラー（登録商標）、ポリマー、複合材料及び／又は他の材料で作られたプレテンションロッドを用いてプレテンションして、それにより、一次ロータブレードを（プレ）ロードして圧縮し、コンクリートの比較的低い引張強度を補うことができる。コンクリートは例えば、一次ロータブレードに異方特性を付与するような方法でプレテンションすることもできる。さらに、プレテンションロッドは、周期的に荷重を加えた場合には非常に小さい力のリップルを示すことが知られており、したがって、プレテンションロッドの、ひいては、一次ロータブレードの疲労寿命を損なうことなく、プレテンションロッドに降伏まで又は非常に高い荷重まで張力をかけることができる。一次ロータブレードの建設にコンクリートを適用することは、水中タービンの場合に特に有益である。一次ロータブレードは、少なくとも実質的に、中性浮力とすることができ、これにより、タービンへの重力負荷を最小限に抑え、容易に一次ロータブレードを所望の沖合の位置に搬送及び設置できるようになる。

任意選択として、一次ロータブレードは、複数のセグメント、例えば、一次ロータブレードの長さに沿って連続的に配置された複数のセグメントで構成される。セグメントは、互いに対して旋回するように構成されてもよく、それぞれ異なる材料から作製されてもよい。任意選択として、一次ロータブレードは、固定されている根元セグメントと、この固定根元セグメントに対して旋回可能な及び／又はねじれ可能な１つ又は複数の先端セグメントとを備える。根元セグメントは、実質的にコンクリートから作製されてもよい。１つ又は複数の先端セグメントは、コンクリート又は任意の他の材料から作製されてもよい。根元セグメントは、一次ロータの一次ハブに固定されてもよく、例えば、一次ロータブレードの長さの三分の二までを構成することができる。

前記タービンは任意選択として、前記二次ロータの前記二次ロータブレードの、前記二次ロータブレードの長手方向軸回りのピッチ角を制御するように構成された制御手段を備える。このようにして、二次ロータのスラスト、又は、二次ロータによる誘導を制御することができる。このようにして、タービンの全体的な性能を制御可能となる。制御手段は、受動的であっても又は能動的であってもよい。

前記二次ロータは、ダクト内に設けられてもよく、前記ダクトは、前記二次ロータ軸及び中央の貫通流路の回りに延在し、流体の流れを案内して前記ダクトを通過させるダクト壁を有する。ダクトは、一次ロータブレードのねじれ及び／又は旋回によって二次ロータの向きが変更された時であっても、流体を実質的に二次ロータ軸に沿った方向に案内するように構成される。

任意選択として、ダクトの貫通流路の断面積は、ダクトを通過する流れを最適化するために、ダクトの長さに沿って変化する。前記ダクトの前記貫通流路は、前記ダクトの入り口側と出口側との間で、局所的に断面が縮小する又は拡大する部分を備え、前記二次ロータは、前記二次ロータによる誘導を最適化するために、前記局所的に断面が縮小する又は拡大する部分に配置される。ダクトは、効率を高めるためにディフューザを、例えばダクトの出口側にさらに備えてもよい。

任意選択として、前記タービンは、前記タービンの動作中に、前記ダクトの前記貫通流路に沿って断面積を変化させるように構成された流れ調整手段を備える。断面積は例えば、二次ロータを最適に動作させるために、一次ロータの速度に応じて変更させてもよい。

二次ロータは、発電機に動作可能に、例えば機械的なトランスミッションシステムを介在させずに接続されてもよい。

任意選択として、ダクト壁は、発電機のステータを含む。

前記タービンは、前記二次ロータブレードの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するギアレストランスミッションを備えてもよい。

本発明の別の態様によれば、本書に記載のタービンを備え、流体の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置が提供される。

任意選択として、前記エネルギー変換装置の前記タービンは、水流、例えば海流、例えば一方向の海流の中に配置される水中タービンである。

任意選択として、前記エネルギー変換装置の前記タービンは、水流中に配置され、潮の動きを受ける潮流タービンである。

上記の態様、特徴及び任意の選択のうちの任意の１つ又は複数を組み合わせることができることが理解されよう。上記態様のうちの一態様を考慮して説明された任意の選択はいずれも、他のどの態様においても同様に適用され得ることが理解されよう。また、タービンを考慮して説明されたすべての態様、特徴及び任意の選択が、エネルギー変換装置にも同様に適用されることも明らかであろう。

添付の特許請求の範囲により網羅される態様、並びに、他の態様、特徴及び利点を、添付の図面を参照して、以下の記載においてさらに詳細に説明する。

タービンの概略正面図である。 タービンの概略側面図である。 一次ロータのブレード先端の概略拡大正面図である。 一次ロータのブレード先端の概略拡大上面図である。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、タービン１の概略正面図及び概略側面図である。タービン１は、一次ロータブレード３Ａを有する一次ロータ３を備える。ここで、タービン１は、２つの一次ロータブレード３Ａ、３Ｂを備えるが、タービン１は３つ、４つ、５つ又は６つの一次ロータブレード３Ａ、３Ｂなど、２つより多い一次ロータブレード３Ａ、３Ｂを備えてもよいことが理解される。一次ロータブレード３Ａ、３Ｂはそれぞれ、中央の一次ハブ５に取り付けられ、一次ハブ５から長手方向軸９Ａ、９Ｂに沿って自由外端７Ａ、７Ｂまで外向きに延びている。一次ロータブレード３Ａ、３Ｂ、及び、一次ハブ５は、水平な一次ロータ軸１１を中心として回転可能であり、一次ロータブレード３Ａ、３Ｂそれぞれの長手方向軸９Ａ、９Ｂは、水平な一次ロータ軸１１に対して実質的に垂直である。

使用時には、タービン１は、流体の流れ、例えば風又は水の流れの中に、一次ロータ軸１１が流体の流れの向きと一致するように配置される。流体の流れと一次ロータブレード３Ａ、３Ｂとの相互作用により、一次ロータブレード３Ａ、３Ｂは、一次ロータ平面４内で一次ロータ軸１１を中心に回転する。図１Ｂにおいて、流体の流れ方向は矢印１９で示されており、この場合、流体は左から右に流れていることを示す。したがって、タービン１は、図１Ａ及び図１Ｂにおいては、地表面１５、例えば海底から一次ロータ３を支持するタービン１の土台構造１３の上流に一次ロータ３が配置される上流側構成で示されている。タービン１はまた、一次ロータ３が土台構造１３の下流に配置される下流側構成のタービンであってもよいことが理解される。

一次ロータブレード３Ａ、３Ｂはそれぞれ、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂが設けられている。いくつかの実施形態では、一次ロータブレードの一部にのみ、例えば、一次ロータブレードのうちの１つにのみ二次ロータを設けると理解されてもよい。また、１つの一次ロータブレードに複数の二次ロータを設けてもよいと理解されてもよい。二次ロータ１７Ａ、１７Ｂは、対応する一次ロータブレード３Ａ、３Ｂの自由外端７Ａ、７Ｂの近傍に設けられ、二次ロータ軸２１Ａ、２１Ｂを備える。二次ロータ１７Ａ、１７Ｂはそれぞれ、対応する二次ロータ軸２１Ａ、２１Ｂを中心に回転可能な１つ又は複数の二次ロータブレード１８（図示せず）を備える。タービン１は、二次ロータ軸２１Ａ、２１Ｂがその対応する一次ロータブレード３Ａ、３Ｂの長手方向軸９Ａ、９Ｂに対して実質的に垂直になるように配置される。二次ロータ軸２１Ａ、２１Ｂはさらに、一次ロータ軸１１に対して垂直である。すなわち、二次ロータ軸２１Ａ、２１Ｂは、一次ロータブレード３Ａ、３Ｂの自由外端７Ａ、７Ｂの回転方向と一致しており、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂは、一次ロータ３の回転方向を向いている。したがって、一次ロータ３は流体の流れにより駆動され、一方、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂは、一次ロータブレード３Ａ、３Ｂが一次ロータ軸を中心に回転することによって引き起こされる二次ロータ１７Ａ、１７Ｂの流体中の相対的な動きにより駆動される。二次ロータ１７Ａ、１７Ｂは、一次ロータブレード３Ａ、３Ｂの自由外端７Ａ、７Ｂの近傍に配置されるため、流体の流速よりもかなり速い速度で流体中を移動する。例えば、タービン１は、速度比λ＜６、例えば２≦λ≦５で運転されてもよく、その場合、一次ロータブレード３Ａ、３Ｂの自由外端７Ａ、７Ｂの速度は、流体の流速の約２～５倍、例えば３倍速くなる。さらに、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂは、一次ロータ３よりもはるかに小さいため、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂはロータ速度が高速でも動作可能である。

二次ロータ１７Ａ、１７Ｂはそれぞれ発電機に結合され、それにより、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂの回転エネルギーは、使用可能な電気エネルギーに変換される。発電機は、対応する二次ロータ１７Ａ、１７Ｂの中央のハブに関連付けられてもよく、又は、例えばダクト２３Ａ、２３Ｂと一体化されたリング発電機のような、対応する二次ロータ１７Ａ、１７Ｂの周りに延在するダクト２３Ａ、２３Ｂに関連付けられてもよい。二次ロータ１７Ａ、１７Ｂの回転数が高いため、関連する発電機との結合は、直接的、すなわち、機械的なトランスミッションを介在させない結合であってもよい。

さらに、タービン１は、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂが、対応する一次ロータブレード３Ａ、３Ｂの長手方向軸９Ａ、９Ｂからずれた位置に配置されるように構成される。特に、二次ロータ１７Ａ、１７Ｂは、長手方向軸９Ａ、９Ｂの上流側の、長手方向軸９Ａ、９Ｂからずれた位置に配置される。

図２Ａ及び図２Ｂは、一次ロータブレード３Ａの自由外端７Ａの拡大図である。図２Ａは自由外端７Ａの側面図であり、図２Ｂは、自由外端７Ａの上面図である。一次ロータブレード３Ａの先端には、二次ロータ１７Ａが設けられている。二次ロータ１７Ａは、二次ロータ軸２１Ａを中心に回転可能な少なくとも１つの二次ロータブレード１８を備える。ここで、二次ロータ１７Ａは３つの二次ロータブレード１８を備えているが、二次ロータ１７Ａは２つ、又は３つより多く、例えば、４つ、５つ、６つ又は７つの二次ロータブレード１８を備え得ると理解されよう。二次ロータブレード１８は、二次ロータハブ２５に取り付けられ、二次ロータハブ２５と、二次ロータ１７Ａのダクト２３Ａの内壁との間で半径方向に延びている。ここで、ダクト２３Ａには発電機のステータが一体化されており、二次ロータ１７Ａには発電機のロータが関連付けられている。特に、ダクト２３Ａの内壁は、二次ロータブレード１８に結合され、ダクト２３Ａの外壁に対して回転可能であり、発電機のロータは、ダクト２３Ａの回転可能な内壁に関連付けられている。二次ロータはハブレスであってもよく、その場合、二次ロータブレード１８は、ダクト２３Ａの内壁から二次ロータ軸２１Ａに向かって半径方向内向きに延びることが理解される。さらに、別の構成では、発電機のステータを二次ロータ１７Ａの二次ロータハブ２５と一体化させてもよいことが理解される。

二次ロータ１７Ａは、二次ロータ１７Ａのダクト２３Ａの貫通流路内に設けられており、ダクト２３Ａは、流体の流れを実質的に二次ロータ軸２１Ａに沿った方向に導くように構成されている。二次ロータ１７Ａのダクト２３Ａは、一次ロータブレード３Ａの自由外端７Ａに取り付けられ、ここで、自由外端７Ａは、一次ロータブレード３Ａの長手方向軸９Ａを実質的に横切る向きに延在する架橋部２７を備える。特に、架橋部２７は、一次ロータ平面４の上流側に向けて延在して、二次ロータ１７Ａを一次ロータブレード３Ａの長手方向軸９Ａからずれた位置に配置している。一次ロータブレード３Ａ上に作用する流体の流れは、一次ロータブレード３Ａを、一次ロータ軸１１を中心に回転させ、それにより、一次ロータブレード３Ａの自由外端７Ａが、図２Ｂに示すように矢印３１の向きに移動する。一次ロータブレード３Ａが一次ロータ軸１１を中心に回転することにより生じる二次ロータのスラストは、図２Ａの二頭矢印２９及び図２Ｂの曲線矢印２９によって示されるように、一次ロータブレード３Ａに長手方向軸９Ａ回りのねじりモーメントを発生させる。その結果、一次ロータブレード３Ａ又はその一部分は旋回及び／又はねじれを起こし得て、それによりピッチ角が変更され、一次ロータブレード３Ａへの荷重を低減する。一次ロータブレード３Ａのねじれ位置は、図２Ｂに破線で示されている。

本明細書では、本発明は、本発明の具体的な実施形態を参照して記載されている。しかしながら、本発明の本質から逸脱することなく、様々な修正、変形、代替及び変更を行うことができることは明らかであろう。明確性及び簡潔な記載を目的として、本明細書において特徴は同じ又は別々の実施形態の一部として記載されるが、これらの別々の実施形態に記載される特徴のすべて又はいくつかの組合せを有する代替の実施形態もまた、特許請求の範囲により骨子が示された本発明の枠組みの中に含まれることが想定され、理解される。したがって、明細書、図面及び実施例は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で検討されるべきである。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内にあるすべての代替、修正及び変形を包含することが意図される。さらに、記載される要素の多くは、個別の又は分散された構成要素として、又は、他の構成要素と併せて、任意の好適な組合せ及び配置で実装され得る、機能を備えた実体である。

特許請求の範囲において、括弧内に配置された参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。用語「含む」は、クレームに列挙されたもの以外の特徴又はステップを排除するものではない。さらに、単語「１つの」は、「唯一の」に限定されると解釈されるべきではなく、「少なくとも１つの」を意味するために使用されており、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる請求項に記載されているという事実だけで、これらの手段の組合せを有利に使用することはできないと意味するものではない。

Claims (15)

1. 流体の流れの中に配置される一次ロータを備えるタービンであって、
   前記一次ロータは、一次ロータブレードを有し、
   前記一次ロータブレードは、前記一次ロータブレード上に作用する前記流体の流れの影響下において一次ロータ軸を中心に回転可能であり、かつ、前記一次ロータ軸から前記一次ロータブレードの長手方向軸に沿って自由外端まで伸びており、
   前記一次ロータブレードは、前記自由外端の近傍に二次ロータが設けられ、
   前記二次ロータは、二次ロータ軸を中心に回転可能な二次ロータブレードを有し、
   前記二次ロータ軸は、前記一次ロータブレードの前記長手方向軸及び前記一次ロータ軸に対し実質的に横方向であるタービンにおいて、
   前記二次ロータ軸は、前記一次ロータブレードの前記長手方向軸からずれて配置されることを特徴とする、タービン。
2. 前記一次ロータブレードは、前記流体の流れの上流に面する上流対面側と、前記上流対面側の反対側にある下流対面側と、を有し、
   前記二次ロータ軸は、前記長手方向軸から上流側にずれて配置される、請求項１に記載のタービン。
3. 前記一次ロータブレードは、前記一次ロータブレードに作用する前記二次ロータのスラスト力の影響下で、実質的に前記一次ロータブレードの前記長手方向軸を中心に旋回する及び／又はねじれるように構成される、請求項１又は２に記載のタービン。
4. 前記一次ロータブレードが旋回する及び／又はねじれる時に、前記二次ロータ軸が、実質的に前記一次ロータブレードの前記長手方向軸を中心に回転して位置を変え、前記二次ロータのヨー角を変更するように、前記二次ロータは前記一次ロータブレードの前記自由外端の近傍において前記一次ロータブレードに固定して接続される、請求項３に記載のタービン。
5. 前記二次ロータは、前記一次ロータブレードの後縁に又はその近傍に配置される、請求項１から４までのいずれか１項に記載のタービン。
6. 前記一次ロータブレードは、曲げ軸回りに曲げモーメントを受けた時に、前記一次ロータブレードの前記長手方向軸を中心にねじれるように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載のタービン。
7. 前記一次ロータブレードは、実質的にコンクリート、特に、プレテンションされたコンクリートで作られている、請求項１から６までのいずれか１項に記載のタービン。
8. 前記二次ロータの前記二次ロータブレードの、前記二次ロータブレードの長手方向軸回りのピッチ角を制御するように構成された制御手段を備える、請求項１から７までのいずれか１項に記載のタービン。
9. 前記二次ロータは、ダクト内に設けられ、
   前記ダクトは、前記二次ロータ軸及び中央の貫通流路の回りに延在し、流体の流れを案内して前記ダクトを通過させるダクト壁を有する、請求項１から８までのいずれか１項に記載のタービン。
10. 前記ダクトの前記貫通流路は、前記ダクトの入り口側と出口側との間で、局所的に断面が縮小する又は拡大する部分を備え、
    前記二次ロータは、前記局所的に断面が縮小する又は拡大する部分に配置される、請求項９に記載のタービン。
11. 前記タービンの動作中に、前記ダクトの前記貫通流路に沿って断面積を変化させるように構成された流れ調整手段を備える、請求項９又は１０のいずれか一項に記載のタービン。
12. 前記タービンは、前記二次ロータブレードの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するギアレストランスミッションを備える、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のタービン。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載のタービンを備え、流体の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置。
14. 前記タービンは、一方向の水流中に配置される水中タービンである、請求項１３に記載のエネルギー変換装置。
15. 前記タービンは、水流中に配置され、潮の動きを受ける潮流タービンである、請求項１４に記載のエネルギー変換装置。

Images