JP4024208B2 - 水中用ダクテッドタービン - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、一般に、流体動力学的発電タービン、ならびに使用方法および配置方法に関する。より具体的には、さまざまな配置で潮流から発電するためのダクテッドリムタイプ発電機二方向性タービンを開示する。
背景技術
何世紀もの間、潮力が利用されている。潮を利用する穀物水車場が沿岸の入江に配置されており、海水を、高潮時に低いダムの水門によって取込み、干潮時に水車によって放出することができる。そのような水車は、初歩的な水力タービンの例である。

エネルギー不足が、フランスのノルマンディーおよびカナダのノヴァスコシアにおける、より現代的なタービン設計を用いる潮力発電の分野の重要なパイロットプロジェクトの建設を含む研究活動に拍車をかけている。ノルマンディーおよびノヴァスコシアのプロジェクトは、潮の干満のある河口の重要なダム建設及びインフラ基盤が必要であった。そのようなプロジェクト全体が海の入江および河口に及ぼす影響は、潮力を妨げ、ダムの後の潮間帯内の海洋生物学的生態系を破壊することである。

ノルマンディーおよびノヴァスコシアのパイロットプロジェクトは、まだ実施中であるが、経済的であることが証明されておらず、世界的に環境意識が高まるとともに、このアプローチは、不評になっている。より最近の研究は、より安価で、潮力および影響を受ける海洋生態系に対してはるかに破壊的でない「フリーストリーム」機械に焦点があてられている。そのようなユニットの「アレイ」は、風力発電地帯（ウィンドファーム）のように、海の入江または水路に、横断しておよび／または線状に配置された、１列または複数列のフリーストリーム機械からなる。実際に、そのような配置を説明するのに「タービンファーム」という用語が使用されている。

１９２０年代、ハーツァ（Ｈａｒｚａ）の米国特許第１，４９３，１５４号明細書は、ローヘッドダムの吸出し管に使用される略水平の軸のハイドロタービンを開示し、ステータコイルが、タービンブレードを収容するランナまたはリムを囲む。ハーツァは、ランナとステータとの間の水シールを提案した。水の密度および速度によって、水中のタービンが、高レベルの振動、浸食、およびねじれを受けたときに、水力タービン内の水シールの完全性を維持することは、非常に困難である。

モートン（Ｍｏｕｔｏｎ）の米国特許第３，９８６，７８７号明細書は、長手方向の捩れを含む角度がつけられたブレードを有する一方向性水力タービンを開示した。モートンの特許は、川の艀の上に発電機がある状態で、艀の下にタービンを取付ける配置方法を教示している。モートンの特許は、また、ケーブルの円錐形アレイからなる、タービンの前に配設されるトラッシュスクリーン（廃棄物用の網）を開示している。モートンの特許は、ほとんどの従来の水力タービンのように、水流の方向に対して角度をつけられたインパクトタイプブレードを有するハブベースの発電機システムを使用する。モートンの特許のトラッシュスクリーンは、タービンの一端のみを保護し、自己洗浄性ではなく、一定の定期的メンテナンスが必要であった。

スケンドロビック（Ｓｋｅｎｄｒｏｖｉｃ）の米国特許第４，１６３，９０４号明細書は、実質的なインフラ基盤と、ハブ発電機を備えた１つの一方向性タービンの周りのシーリングが必要な下流タービンプラントを開示した。

波動の利用の調査は、ウェルズ（Ｗｅｌｌｓ）の米国特許第４，２２１，５３８号明細書をもたらし、これは、フローティングチャンバ内に閉じ込められた波の作用によって生じた振動水柱によってタービンに押し通された空気によって動力供給される一方向性エーロフォイルタービンを開示した。ウェルズの特許は、ハブベースの発電機を備えた１つのロータを開示した。

１９８０年代、ホイス（Ｈｅｕｓｓ）およびミラー（Ｍｉｌｌｅｒ）は、角度をつけられたブレードおよびリムベースの発電機を備えた一方向性インパクトタービンの固定コンクリート堰で、米国特許第４，４２１，９９０号明細書において潮力プラントを開示した。ホイスの特許は、ダム、吸出し管、および発電機ハウジングを含む、実質的なインフラ基盤が必要であった。ステータは、タービンブレードを収容するランナホイールの外側リムにおいてダムまたは基礎内に収容され、水密シールが必要であった。

リー（Ｌｅｅ）の米国特許第４，３１３，７１１号明細書は、複数のウェルズ（Ｗｅｌｌｓ）タイプのエーロフォイル断面ブレード上に空気または水の流れをそらして、効率的な回転をもたらす固定ステータブレードまたはベーンを開示した。リーの特許は、波動、または波によって駆動された空気を使用して発電する。ガイドベーンは、固定され、ロータは、同じ速度で、同じ方向に回転する。

１９９０年代、カラン（Ｃｕｒｒａｎ）およびガト（Ｇａｔｏ）は、一連の異なったウェルズタイプの空気タービンに対して試験を行い、結果を論文「いくつかのタイプのウェルズタービン設計のエネルギー変換性能」（Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｅｓ ｏｆ Ｗｅｌｌｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｄｅｓｉｇｎｓ）プロシーディングス・オブ・ジ・インスティテュート・オブ・メカニカル・エンジニアズ（Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇｒｓ．）Ｖｏｌ ２１１ パート（Ｐａｒｔ）Ａ（１９９７年）に発表した。試験は、ガイドベーンを有するシングルロータ装置、ガイドベーンのないシングルロータ装置、同じ方向に回転するロータを有するデュアルロータ装置、および互いに逆回転するロータを有するデュアルロータ装置を含んでいる。カランおよびガトは、ガイドベーンを有するデュアル逆回転ロータの効果を調査しなかったが、２つのロータが１つのロータより効率的であり、逆回転ロータが、一方向性対より、減衰比が高く、後失速性能が向上し、入口および出口ガイドベーンが、ベーンのないそれらのユニットと比較して、接線方向の運動エネルギーの損失を低減させると、結論づけた。

次の文書も、垂直軸タービン、および潮流からの海中発電に関する実行可能性研究に関して関心のあるものである。

バリー・ブイ・デイビス（Ｄａｖｉｓ，Ｂａｒｒｙ Ｖ．）（１９９７年）ノバ・エネルギー・リミテッド（Ｎｏｖａ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｔｄ．）「世界海洋の主要エネルギー源」（Ａ Ｍａｊｏｒ Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｗｏｒｌｄｓ Ｏｃｅａｎｓ）ＩＥＣＥＣ−９７会議（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、１９９７年７月３１日、ホノルル（Ｈｏｎｏｌｕｌｕ）
バリー・ブイ・デイビス（１９８０年）ノバ・エネルギー・リミテッド「水力タービン試験」（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｔｒｉａｌｓ）レポート（Ｒｅｐｏｒｔ）Ｎｏ．ＮＥＬ ００２ ＤＳＳ契約（Ｃｏｎｔｒａｃｔ）Ｎｏ．ＯＳＸ−０００４３
ボーティエ（Ｖａｕｔｈｉｅｒ）の米国特許第６，１６８，３７３Ｂ１号明細書、第６，４０６，２５１号明細書、および第２００２／００８８２２２Ａ１号明細書は、潮または川の配置に適した、フローティング、一方向性および二方向性軽量デュアルダクテッドタービンハブ発電機ユニットを開示した。デュアル、並列、回転が一方向性のタービンは、水流で、自由に回転する。したがって、このタービンは、一方向の水流のみを受入れるので、流れの方向に回転しなければならない。二方向性ユニットは、両端で係留され、それにより、水流の方向に関係なく流れのラインに保たれる。付加的な特徴は、外部水流をそらし、それにより、ハウジングの出口でベンチュリ効果を生じさせ、また、おそらくは、タービンを通る水流を加速するために、ハウジング上のスタビライザフィンと、ハウジングの下流端にあるオーグメンタリングと、を含む。タービンブレードは、角度をつけられた従来のタイプのものであり、ガイドベーンは使用されない。

２００１年秋、ニュージーランド（Ｎｅｗ Ｚｅａｌａｎｄ）のボルテク・エネルギー・リミテッド（Ｖｏｒｔｅｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ）は、タービンロータの下流に低圧領域を作るためにディフューザリングを使用する風力タービンを開示する「インフォーメーション・メモランダム」（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ）を発表した。ボルテクのユニットの好ましい実施形態は、岸または沖に配置された、巨大な５０ｍ以上の直径の風力タービンである。艀、ポール、およびブロック取付海中ユニットが、企図されたが、開発されなかった。ボルテクのメモランダムは、また、より大きい中心本体構造およびハブ機構の必要をなくすためにリム発電の可能性を示唆している。ボルテクによって所有された、フォックス（Ｆｏｘ）らのＰＣＴ公報、国際公開第０１／０６１２２ Ａ１号において、タービン内のスロット付エーロフォイル断面ブレードの利点が開示されている。

ハイドロタービンの現在の技術は、多数の可動部品、ならびに腐食性のある塩水環境におけるタービンの維持、設置、および製造の複雑さによって、不満足なものである。
発明の開示
したがって、環境への影響を最小にしながら、潮のエネルギーを利用することができる、効率的な水力タービン発電機ユニットが必要である。摩擦および流れ損失を最小にすることによって、エネルギー保存を最適にし、また、実質的なインフラ基盤にかかる費用を伴わずに、製造、設置、および維持することができる、最小数の可動部品を有するタービンが必要であり、また、メンテナンス要件が最小になるように、可動部品のない簡単な発電機が必要である。本発明は、先行技術の不利な点を克服するハイドロタービン発電機装置を提供する。

本発明の目的は、先行技術の不利な点をいくつか克服するハイドロタービン発電機用装置を実現することである。

本発明に関連する発明の目的は、水流に平行なハブと、複数のブレードと、円筒形ハウジングと、湾曲し、矩形であり、水流を最適な角度でブレードに当たるように向け直す複数のガイドベーンとを有する装置を提供することを含む。ブレードは、断面における対称ハイドロフォイルであってもよい。

ベーンは、固定してもよいし、第１の位置と第２の位置との間で反転（フリップ）してもよく、下流の効率損失を最小にするために、第１の位置は、流入を向け直すのに適切であり、第２の位置は、流出を向け直すのに適切である。

別の目的は、渦損失を最小にする、安定した、効率的なタービン発電機ユニットを作るために、デュアル逆回転ロータディスクを有する二方向性タービンを提供することである。

別の目的は、海洋生物およびくずがタービンユニットに進入するのを防止するスクリーンを提供することである。

さらなる目的は、ベッツ（Ｂｅｔｚ）効果を最小にし、かつ、潮の変化によって水流の方向が変わるとガイドベーンを回転させるように構成されているオーグメンタスカートを提供することである。

さらなる目的は、発電機が周囲流体であふれているリム発電ハイドロタービンを提供することである。

さらなる目的は、メンテナンスを容易にするために、ロータディスクを含む取外し可能なモジュラユニットを備えたタービン発電機を提供することである。

さらなる目的は、個別に、または任意の数のユニットで配置してもよく、かつ、パイロン上であって、ラフトの下に、海床につながれ一体的な浮力構造によって浮いた状態で、ダムに、川のそばに、または海中の窪み、窪地、もしくは谷を横切る潮アレイに配置してもよいハイドロタービン発電機を提供することである。

本発明のさらなる利点は、詳細な説明と関連して図面を考慮すると、明らかになるであろう。

ここで、本発明の装置および方法を、添付の図面を参照して説明する。
好適な実施の形態
図１を参照すると、ダクテッドタービン発電機モジュラユニット１０は、典型的には海中の潮領域に配置された、１つのタービン発電機ユニット１０として使用してもよいし、複数のタービン発電機ユニット１０で使用してもよいが、この設計を、川、放水路、風エネルギーユニットなどの他の環境において使用してもよい。タービン発電機ユニット１０の目的は、環境への影響を最小にしながら、潮力を使用して、効率的に発電することである。好ましい実施形態は、海中配置向けである。本発明は、最小の可動部品を有する効率的な発電機ユニットを提供することが、明らかであろう。

タービン発電機ユニット１０は、中心線の周りに、対称的な２つの端部を有する。水流１００の方向に略平行な軸を有するハブ２０が、タービン発電機１０の中心軸に沿って配置されている。ハブ２０は、各端部において、任意の流体力学的形状で有利に形成してもよいハブノーズ２１を有する。ハブノーズ２１は、ダクト４０への、およびダクト４０からの抗力を最小にするために、オジーブ形状であってもよいし、オジーブ形状キャップを有してもよい。

対称断面を有する複数のハイドロフォイルブレード３０が、それらのルートで中心ハブ２６に取付けられ、それらの周囲または先端で、ロータリム５４とも呼ばれる永久磁石レースに取付けられ、ともにロータディスク５０を構成する。好ましい実施形態において、前後構成で同軸上に取付けられた第１のロータディスク５０および第２のロータディスク５２がある。ロータディスク５０および５２は、ブレード３０のハイドロフォイル形状によって、１方向に回転するだけである。スラストベアリング２９は、各ロータディスク５０および５２の中心ハブ２６と、ハブノーズ２１との間で、自由に回転し、これらに接する。ベアリングは、好ましくは、水潤滑低摩擦スラストベアリング２９である。中心ハブまたはベアリングスペーサ２８は、２つのロータディスク５０および５２の中心ハブ２６間で、回転可能に、同軸上に位置し、ロータディスク５０および５２を互いの接触から離す。ロータディスク５０および５２は、スペーサ２８の周りで自由に回転する。

水流１００の方向から見た場合の上流ロータディスク５０は、常に１方向に（時計回りまたは反時計回りに）回転し、下流ロータ５２は、常に反対方向に回転する。潮、そして、その結果水流１００の方向が逆になると、第２のロータ５２は、ここで上流になり、ハイドロフォイル形状によって、前と同じ方向に回転し続ける。したがって、タービン発電機ユニット１０は、水流１００に対して二方向性であり、各ロータディスク５０および５２は、常に同じ方向に回転する。タービン発電機ユニット１０が１つのロータディスク５０を有する場合、それは、また、１方向に回転する。

ブレード３０は、ハブ２６から略９０度で半径方向に突出する対称エアフォイルまたはハイドロフォイルである。ブレード３０は、上面、下面、前縁、および後縁を有する。ブレード３０の上面および下面は、水流１００に略垂直である。ブレード３０は、後退ブレード構成のような斜角で配置してもよい。ブレード３０の数は、タービンのサイズによる。ブレード３０のそれぞれの面を横切って流れる流体の速度変化を生じさせ、それにより最適な揚力および抗力を生じさせる、当該技術で知られている、いかなるエアフォイルおよび／またはハイドロフォイル形状を使用してもよい。

ダクト４０は、ロータ５０の軸の周りに配置された中空シリンダであり、ダクトを形成し、ロータ５０を収容する。ダクト４０は、一定の内径のシリンダであってもよいし、ダクト４０を通って流れる水の速度を増加させるために、内壁が収束してもよい。好ましい実施形態において、ダクト４０の内壁は、中心部に向けて収束し、それにより、水流１００がダクト４０を通過するときに、ベンチュリ効果が生じる。ロータリム５４は、ロータディスク５０および５２の外側リムに取付けられた、複数の密閉シールされた永久磁石５６を配設可能にする。ロータディスクリム永久磁石レースは、密閉シールされたステータコイル６０を収容する外側ダクト４０の凹部に位置する。第２のロータ５２は、渦による流体運動量損失を減少させ、したがって、タービン発電機ユニット１０をより効率的にするために、第１のロータ５０と反対の方向に回転する。固定ステータコイル６０は、磁石５６を収容するロータディスク５０の外縁に隣接したダクト４０内に取付けられている。

任意に、同軸で動作し、横方向の荷重に抵抗するために、磁気ベアリングシステムを、ロータリム５４において使用してもよく、これは、当該技術において知られている。ロータリム５４は、ダクト４０内の磁石レースまたはロータリム空洞５５内で回転可能に位置し、ロータディスク５０および５２による過度の反りに対して、ステータコイル６０を保護するために、ロータリム５４の外面上に、水潤滑低摩擦スキッドプレート（図示せず）を取付けてもよい。

ハブ支持体としても作用する、複数の湾曲した略矩形ガイドベーン２４が、ハブ２０からロータハウジングまたはダクト４０にまで延在して、ロータディスク５０および５２が回転する安定したシャフトを形成する。ガイドベーン２４は、概ね鋭い前縁、鋭い後縁、および２つの面を有する。ガイドベーン２４は、最初の迎え角を、上流ロータディスク５０、および下流ロータディスク５２の後方の出口ガイドベーン２４に与え、流体力学的渦運動量損失を最小にする。好ましい実施形態において、ガイドベーンの面は、ベーン２４に当たる水を、ブレード３０に当たる前に、所定の迎え角に向け直すように、円弧に湾曲している。ブレード３０は、ロータディスク５０に対して、０の迎え角を有し、対称断面を有する。

タービン発電機ユニット１０は、所定位置に固定されたままであり、潮、したがって水流１００が逆になると、ロータが、それぞれの方向に回転し始める。逆回転ロータディスク５０および５２ならびにガイドベーン２４の配置により、ロータディスク軸のいずれかの方向からダクト４０内に入る流れ１００で、高効率電力出力をもたらし、また、可動機械部品の数を最小にし、それにより、海洋環境における費用のかかるメンテナンスを低減する。

ここで、図２を参照すると、タービンアセンブリの半分が除去された、ロータディスクハブ２６、ブレード３０、永久磁石ロータリム５４、永久磁石５６、ステータコイル６０、ガイドベーン２４、およびダクト４０の断面の詳細図が示されている。

ガイドベーン２４によって最初の迎え角が与えられた、ダクト４０内への水流１００によって、ロータディスクトルクが生じ、これは、ブレード３０にかかる揚力を生じさせ、それにより、第１のロータ５０の回転を開始する。水流１００は、第１のロータ５０を出て、第２のロータ５２に当たると、有益な迎え角で、渦を巻き、それにより、第２のロータ５２を第１のロータ５０と反対方向に回転させる。ロータディスクリム５４の磁石５６がダクト４０内の固定ステータ６０を通り過ぎると、当該技術において周知であるように、ファラデーの法則に従って、フラックスの変化の速度で乗じたステータコイルの巻き数に等しい電圧が誘起される。次に、当該技術で知られている任意の手段によって、電気ケーブル（図示せず）によって、電流を取出してもよい。当該技術において周知であるように、ロータ５０と、磁石５６と、ステータ６０とを含む発電機を配線して、直流または３相交流を生じさせることができる。磁石５６とステータ６０との間の空間は、周囲動作流体であふれ、それにより、大きい流体力学的荷重がタービン発電機ユニットに加えられることによって、典型的には、失敗するか、水中への適用において高メンテナンスを必要とする、費用がかかり実用的でないエアシールの使用を回避する。

図３は、一定の弦寸法またはルートから先端までの長さのストレートブレード３０を有するロータディスク５０の立面図である。ブレード３０は、４分の１弦がハブ２０の軸と整列した状態で配置されている。ブレード３０はすべて、断面における対称ハイドロフォイルである。ブレード３０の数は、２からｎの複数であってもよい。

図４は、ハブで狭く、先端で広い、湾曲したブレード３０を有するロータディスク５０の立面図である。任意に、狭い先端を有する、ハブ２０で広い、湾曲したブレード３０を使用してもよい（図示せず）。ブレード３０はすべて、断面における対称ハイドロフォイルである。ブレード３０のスイープの方向は、後方、または、タービン発電機ユニットハブ２０の中心の方であるが、前方スイープも、オプションである。ブレード３０の数は、２からｎの複数であってもよい。

図５は、中心線がハブ２０の軸と整列した、一定の弦寸法のストレートブレード３０を備えた、タービンロータディスク５０、ブレード３０、およびロータリム５４の立面図である。ブレード３０の数は、２からｎの複数であってもよい。

図６は、ハブ２０で狭く、先端で広い、ストレートブレード３０を有するロータディスク５０の立面図である。任意に、狭い先端を有する、ハブ２０で広い、ストレートブレード３０を使用してもよい（図示せず）。ブレード３０はすべて、断面における対称ハイドロフォイルである。ブレード３０の数は、２からｎの複数であってもよい。

図７は、垂直オフセットブレードおよび海洋生物バイパス３２を備えた、ロータディスク５０、ブレード３０、およびロータリム５４の立面図である。海洋生物バイパス３２は、魚および哺乳動物などの海洋生物が、タービン発電機ユニット１０に入った場合、通ることができる、ハブ２０の中心軸を通る長手方向の穴である。バイパス３２は、タービン発電機ユニット１０のリム発電スタイルによって可能であり、ロータディスク５０ベアリングシャフトしてのみ使用され、発電機９０を収容しない小さい構造部材として、ハブ２０を残す。

図８は、ロータディスク５０について、平面の代わりに、曲面を有するタービンロータディスク配置の断面図である。この配置は、可変厚さ又は一定の厚さのブレード３０とともに使用してもよい。この配置は、１つまたは複数のロータディスクで、前の図のロータブレード３０のいずれかの配置で、使用してもよい。

図９は、等角図である。タービン発電機ユニット１０は、ダクト端部４０に取付けられた略楕円形スクリーン７０によって、カプセル化してもよい。スクリーン７０は、ダクト４０から長手方向に延在し、２つのハブ２０の端部の前、上、わき、または下の点に集まる、複数のバーからなってもよい。スクリーン７０は、海洋生物による進入を最小にするように、かつ、そうでなければタービンブレード３０およびガイドベーン２４を妨げるか損傷するであろう、タービン発電機ユニット１０に入る海草、くず、および海洋生物に対するシールドとして、作用する。スクリーンの形状、ならびに方向を変える潮および水流１００によって、スクリーン７０は、自己洗浄性する。オーグメンタスカート７４は、タービン発電機ユニット１０の円周の長手方向の中間面の周りのヒンジ３７を有する関節式パネル３６から構成される。

再び、図７を参照すると、スクリーン７０は、海洋生物バイパス３２と組合せて使用された場合、バイパス３２口の外側リムで終わり、ダクト４０の前縁まで延在し、それにより、くずがスクリーン７０内に捕えられる一方で、海洋生物がタービン発電機ユニットを通過することができ、それにより、発電の環境への影響を少なくすることができる。

メンテナンスを容易にするために、ロータディスク５０（および適用可能であれば５２）と、発電機とからなるタービンアセンブリを、ユニットとして、挿入し、取外し、ダクト４０および配置手段を所定位置のままにしてもよい。ロータディスク５０および発電機９０は、上面にラグまたはフックを有するセルフコンテインドコアユニットであってもよい。タービンアセンブリの取外しを可能にするために、ダクト４０の柔軟性中心部であるダクトリムスペーサ４４を設けてもよい。ダクトリムスペーサ４４を取外すと、タービンアセンブリ４８を表面まで上げて、修理するか取替えてもよい。

図１０は、タービン発電機１０の中間点に取付けられた柔軟性オーグメンタスカート７４を備えたダクト４０を示す。スペクトラ（Ｓｐｅｃｔｒａ）（登録商標）織布繊維などの耐久性柔軟性材料から構成されたスカート７４は、流れ１００の動的圧力が、スカート７４の広がった端部がダクト４０の出口にある適切な位置に、スカート７４を押しやるように、形成されている。スカート７４は、補強リング（図示せず）が埋込まれてもよいが、潮流１００の大きい動的圧力を受ける間、適切な形状を保持するために、最大かつ末端の直径において、剛性スカートリング７５を確実に有する。スカート７４は、「スペクトラ織布」などの耐久性複合材料、または関節式金属構成要素から構成されてもよい。スカート７４は、ダクト４０から広がるように、後縁で、より大きい円周を有する。スカート７４は、タービン発電機ユニット１０の出口において、低圧領域を作り、これは、ベッツ効果によるタービン効率損失を最小にする。このタイプの固定オーグメンタは、タービンを通る流れを増大させ、また、当業者によって、十分に特徴づけられる。潮の方向が変わると、潮流の動的力によって、柔軟性織物スカート７４および関節式金属スカート７４の両方が、前後に動かされ、そのため、スカート７４は、常に、ダクト４０の出口において、またはダクト４０の出口を越えて、後方に延在する。これは、タービンダクト４０の円周の中間部の周りに、ヒンジで取付けられるか、付けられた、二方向性の、単独で配置されたオーグメンタスカート７４である。スカートは、円周全体の周りに取付けてもよいし、特定の取付けで望まれるように、円周の適切な部分に取付けてもよいし、複数のユニットであってもよい。

図１１は、ヒンジ３７によってタービンユニット１０の中間点に取付けられた関節式オーグメンタスカート７４を備えたダクト４０を示す。スカート７４は、耐久性剛性パネルから構成され、かつ、スカートセグメントの広がった端部がダクト４０の出口にある適切な位置に、スカート７４を押しやる流れ１００の動的圧力によって、配置される。タービン発電機ユニット１０は、配置およびメンテナンス作業に有益な浮力をもたらすダクト４０構造および材料から構成される。

タービン発電機ユニットは、耐久性耐腐食性材料から構成される。好ましい実施形態において、軽量内部剛性骨材を、構造全体に積極的に浮力があるのに十分な割合で含有するマリングレードコンクリートが、ダクト４０に使用され、耐腐食性高強度材料が、ロータ５０、およびタービン１０を構成するシャフト１９、ならびに他の主要構成要素に使用される。先進複合材料、コンクリート、および鋼などの材料を使用してもよい。タービン発電機ユニット１０は、水力損失を低減し、海洋生物の付着による付着物を最小にするために、当該技術において知られているようにシリコンガラス製品がコーティングされている。

ダクト４０は、新しいシリコンガラス製品がコーティングされ、好ましくは、軽量の浮力性コンクリートから形成され、タービン発電機ユニット１０が、配置のためのサイトに引かれ、次に、タービン発電機ユニット１０が水面１６より下の所定の深さで浮くように、係留されるのを可能にする。タービン発電機ユニット１０は、必要に応じて、川または水中の位置に下げられる。好ましい実施形態において、タービン発電機ユニットは、発電のために潮力を使用する。

図１２は、先行技術の対称フォイルにかかる空気流のベクトル図であり、米国特許第４，２２１，５３８号明細書におけるウェルズ（Ｗｅｌｌｓ）が、ブレード３０のハイドロフォイル断面にかかる駆動ベクトルを図示し、ここで、Ｖは、ブレード３０の方向と反対の流れの相対速度であり、Ｉ１およびＩ２は、結果として生じる流体ベクトル入射速度であり、Ｕ１およびＵ２は、二方向の水流１００を表し、Ｌ１およびＬ２は、揚力の法線成分を表す。ハイドロフォイルブレード３０にかかる揚力が、ロータ５０を、効率的に、強力に、加速する。

図１３は、デュアル同軸ロータディスク５０を有するタービン発電機ユニットの構成要素としての、２つの水力逆回転ブレード３０の断面の流れ図である。この先行技術のシステムは、渦による下流のエネルギー損失を低減し、より大きい速度スペクトルにわたって動作効率を高めるのに効果的である。

図１４は、カスケード対の同軸ロータ５０タービン発電機ユニットの流れ図である。多数のカスケードの使用により、非常に高速の状況で、多数のユニットにかかる圧力降下を最小にする。逆回転ディスクのカスケード対の数は、２からｎの複数である。

図１５は、ハイドロフォイルブレード３０の断面を有するシングルロータディスク５０を横切り、交互位置の入口および出口ガイドベーン２４を通る流れ図である。ベーン２４は、柔軟性であり、関節式スカートとの結合によって調整される。流れ１００の動的圧力は、スカートを調整させ、それにより、ガイドベーンを適切な位置に移動させる。上流ガイドベーンは、正の迎え角を与え、下流ガイドベーンは、運動量渦損失を低減する。水流１００が逆になると、ロータ５０は、同じ方向に回転するが、ベーン２４は、ヒンジで取付けることによって、逆になるか、ひっくり返され（フリップし）、点線２５で示された位置を占める。この変更例において、ベーン２４の前縁は、ハブ２０構造およびダクト４０の内面に、剛性に固定されている。

図１６は、デュアルインラインロータ５０タービン発電機ユニットの構成要素としての、２つの水力逆回転ブレード３０の断面を横切り、入口および出口ガイドベーン２４を通る流れ図である。好ましい実施形態において、ガイドベーン２４は、示された構成で永久的に固定されている。

図１７は、テレスコピックパイロン８０上に取付けられた水力タービン発電機ユニット１０の等角図である。好ましい実施形態において、タービン発電機ユニット１０は、メンテナンスのために水面１６より上にタービン発電機ユニット１０を上げることを含む、タービン発電機ユニット１０の遠隔の高さ調整を可能にするためにテレスコピックであってもよいパイロン８０上に取付けられている。

図１８は、川または潮流の水中の複数のテレスコーピングパイロン８０上に取付けられたタービン発電機ユニットの立面図である。タービン発電機ユニットにアクセスするために、テレスコーピングパイロン８０を上げるか下げることによって、設置、取外し、および修理を容易にする。デュアル同軸ロータディスク５０および５２、ならびに、同じパイロン８０上に取付けられた付加的なタービン発電機ユニット１０を使用してもよい。電力を取出し、かつ、タービン発電機ユニット１０を制御するための、いかなる既知のケーブルシステムも使用してもよい。

図１９は、外部ラグおよびケーブル１３によって、海または川床１５上の、１組の２以上のアンカー１４につながれたタービン発電機ユニット１０の側面図である。アンカーは、亜鉛めっき鋼船アンカーまたはコンクリートブロックを含む、いかなるタイプであってもよい。ケーブル１３は、タービン発電機ユニット１０の各端部に取付けられ、それにより、タービン発電機ユニット１０が、所定位置に保持される。ロータ５０および５２が二方向性なので、タービン発電機ユニットは、所定位置に固定されたままであってもよい。

図２０は、シングルロータ５０タービン発電機の、図１９のＩ−Ｉに沿った断面図である。

図２１は、シングルタービン発電機ユニットの、図１９のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。

タービン発電機ユニット１０は、個別に配置してもよいし、２以上のタービン発電機ユニット１０のグループで配置してもよい。図２２は、デュアル並列タービン発電機ユニット１０の変更例である、図１９のＩ−Ｉに沿った断面図である。

図２３は、デュアル並列タービン発電機ユニット１０の変更例の、図１９の端面図である。２つのタービン発電機ユニット１０のダクト４０は、流体力学的力に抵抗するのに適した、他のいかなる手段によって、ともに、溶接するか、ボルト締めするか、取付けてもよい。

タービン発電機ユニット１０に予期される、少なくとも５つの可能な配置方法がある。これらは、
・図１７および図１８に示されたように、１つ以上のテレスコピックパイロン８０上に取付ける
・艀１２０の下で浮き、艀１２０に取付ける
・川の片側で、折りたたみ可能なゴムダム１３０の横に
・図１９に示されたように、表面より下でつながれて浮く
・図２６〜３０に示されたように、海の入江または水路を横切る潮フェンス内である
図２４は、艀１２０の下に取付けられたタービン発電機ユニット１０の側面図である。

図２５は、小さいダム１３０に取付けられたタービン発電機ユニット１０の平面図である。

図２６は、タービン発電機ユニット１０のいくつかの列を示す、完全な潮フェンス１４０の立面図である。

図２７は、９つの積重ねられたタービン発電機ユニット１０を示す、潮フェンス１４０の一部の詳細立面図である。

図２８は、潮フェンス１４０内の１つのタービン発電機ユニット１０の立面図である。

図２９は、潮フェンス１４０の構造内の、３つの積重ねられたタービン発電機ユニット１０を示す断面図である。潮フェンス１４０は、Ｔビーム構造１４１と、電気監視ガレー（ｇａｌｌｅｙ）および関連路床１４２と、垂直支持コラム１４７によって助けられたＴビーム１４３、アクセスカバー１４４、およびレールライン１４５および１４６から構成されるコラムデッキ構造とを有する。それは、さらに、波ダイバータ１４８と、取外し可能アンチキャビテーションプラットフォーム１４９と、重力基礎構造１５０と、関連支持ウェブ１５１と、パイロン１５２および１５３とから構成される。この構造は、複数のタービン発電機ユニット１０を支持する。

図３０は、潮フェンス１４０構造の頂部のレール上に配置されたガントリーを利用して、カセット形態のタービン発電機ユニット１０を取外すためのメンテナンス性能の断面図である。

ここに記載された好ましい実施形態は、余すところがないこと、または本発明の範囲を開示された厳密な形態に限定することは意図されていない。それらは、本発明の原則ならびにその適用および実際の使用を最良に説明し、当業者がその教示を理解できるように、選択され、記載された。

上記開示に鑑み、当業者に明らかであるように、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本発明の実施に多くの変更および修正が可能である。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定された実体によって解釈されるべきである。

ハウジングおよびガイドベーンを備えた、デュアルインラインセットの逆回転ロータディスクの破断斜視図である。 １つのロータディスクおよび発電機、ダクト、ならびにガイドベーンを含むタービンの半分の等角図である。 ブレードが先端まで曲線を描いて延びた、タービンロータ、ブレード、およびリムアセンブリの立面図である。 広い先端のブレードを備えた、タービンロータ、ブレード、およびリムアセンブリの立面図である。 垂直オフセットブレードを備えた、タービンロータ、ブレード、およびリムアセンブリの立面図である。 垂直ブレードを備えた、タービンロータ、ブレード、およびリムアセンブリの立面図である。 本発明による、垂直オフセットブレードおよび海洋生物トンネルを備えた、タービンロータ、ブレード、およびリムアセンブリの立面図である。 タービンブレード構成の側断面図である。 水力タービン発電機ユニットの等角図である。 ダクト上のタービン発電機柔軟性オーグメンタスカートの等角図である。 ダクト上のタービン発電機関節式オーグメンタスカートの等角図である。 先行技術による対称フォイルにかかる流体の流れのベクトル図である。 先行技術によるデュアルインラインタービンの構成要素としての、２つの逆回転ブレードの断面の流れ図である。 カスケード対のデュアルインラインタービンの構成要素としての、４の逆回転ブレードの断面の流れ図である。 タービンの構成要素としての、ロータブレードの断面を横切り、交互位置の入口および出口ガイドベーンを通る流れ図である。 デュアルインラインタービンの構成要素としての、２つの水力逆回転ブレードの断面を横切り、入口および出口ガイドベーンを通る流れ図である。 テレスコーピングパイロン上に取付けられたタービン発電機ユニットの等角図である。 テレスコーピングパイロン上に取付けられたタービン発電機ユニットの側面図である。 つながれたタービン発電機ユニットの側面図である。 シングルタービン発電機の、図１９のＩ−Ｉに沿った断面図である。 シングルロータディスクタービン発電機の、図１９のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 デュアルロータディスクタービン発電機の、図１９のＩ−Ｉに沿った断面図である。 デュアルロータディスクタービン発電機の、図１９のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 艀の下に取付けられたタービン発電機ユニットの側面図である。 小さいダムに取付けられたタービン発電機ユニットの平面図である。 潮フェンスの立面図である。 潮フェンスの立面図である。 潮フェンス内の１つのタービン発電機ユニットの立面図である。 潮フェンスのケーソン内の、３の積重ねられたタービン発電機ユニットの図２７の断面図である。 ケーソンの頂部にレール上に配置されたガントリーを利用して、カセット形態のタービン発電機ユニットを取外すためのメンテナンス性能の断面図である。

符号の説明

１０…タービン発電機ユニット（ハイドロタービン発電機装置）、２０…ハブ（シャフト）、２４…ガイドベーン、３０…ハイドロフォイルブレード、３２…海洋生物バイパス（穴）、３６…関節式パネル、４０…ダクト、５０・５２…ロータディスク、５６…永久磁石、６０…ステータコイル、７０…スクリーン、７４…スカート、８０…テレスコーピングパイロン、９０…発電機（リム発電機、リム発電手段）、１００…水流。

Claims (36)

1. フリーストリーム環境における水流から発電するためのハイドロタービン発電機装置であって、
   前記装置が、水流に略平行なハブと、少なくとも１つのリム発電機と、を含み、
   （ａ）前記ハブに回転可能に取付けられ、前記ハブから半径方向に延在する複数の略対称なハイドロフォイルブレードを備えた、少なくとも１つのロータディスクと、
   （ｂ）前記ブレードの先端に最も近く、前記ハブから半径方向に延在する複数の湾曲したガイドベーンによって前記ハブに取付けられたダクトを画定する略円筒形ハウジングと、
   を備え、
   前記ダクトは、内壁と外壁を有し、当該内壁と外壁により画定される空間に、前記少なくとも１つのリム発電機の一部を配設してなり、
   前記発電機は、前記少なくとも一つのロータディスクのリムにある永久磁石と、前記ダクトの前記内壁と前記外壁により画定される前記空間に配置されているステータと、を有し、前記ステータの周囲が水であふれ、かつ、前記永久磁石と前記ステータとの間の空間が水であふれており、
   前記ハブは、当該ハブ内に、該ハブを通る海洋生物バイパス穴を有する、
   ハイドロタービン発電機装置。
2. 前記ブレードが、対称ハイドロフォイル断面ブレードである請求項１に記載の装置。
3. 前記ブレードが、前記水流に略垂直に配置されている請求項２に記載の装置。
4. 第１のロータディスクおよび第２のロータディスクを備え、前記第１のロータディスクが、上流に配設され且つ水流に対して第１の方向に回転し、前記第２のロータディスクが、下流に配設され且つ水流に対して第２の方向に、前記第１のロータディスクに対して逆回転する請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の方向が、水流の方向から反時計回りであり、前記第２の方向が、前記水流の方向から時計回りである請求項４に記載の装置。
6. 前記第１の方向が、水流の方向から時計回りであり、前記第２の方向が、前記水流の方向から反時計回りである請求項４に記載の装置。
7. 前記水流の方向が変わると、前記第２のロータディスクが、上流ディスクになり、同じ方向に回転し続け、一方、前記第１のロータディスクが、下流ディスクになり、同じ方向に、前記上流ディスクに対して逆回転し続ける請求項４に記載の装置。
8. 前記ガイドベーンが、前記ハブの一端または両端に配置されている請求項１に記載の装置。
9. 前記ガイドベーンが、湾曲し、前記ハブと前記ダクトの内壁との間に前記ハブから半径方向に延在し、それにより、水流が鋭角で前記ハイドロフォイルブレードに当たり、揚力を生じさせ、したがって、前記ロータディスクを回転させるように、前記湾曲が前記水流の方向を変える請求項１に記載の装置。
10. 前記ベーンが、所定位置に固定されている請求項１に記載の装置。
11. 前記ベーンが移動可能である請求項１に記載の装置。
12. 前記ガイドベーンが、前記水流の方向の変化に応じて前記ハブおよび前記ダクトに対して移動可能である請求項１に記載の装置。
13. 前記水流の方向が変わると、前記ガイドベーンの湾曲が逆になり、それにより、前記水流を好ましい角度に向けるように、前記ガイドベーンが移動する請求項７に記載の装置。
14. 前記水流の方向が変わると、前記水流を前記上流ロータディスク上に向ける前記ガイドベーンの湾曲が逆になり、それにより、新しい下流ロータディスクからの前記水流を、前記ハブの軸に平行に向け、かつ、前記タービン発電機からの前記水流を向ける、前記ハブの下流端に配置された前記ガイドベーンが、ここで、前記水流を、前記前の下流ロータディスク上に鋭角に向けるための位置に移動させるように、前記湾曲したガイドベーンが移動する請求項７に記載の装置。
15. 前記水流の方向が変わると、前記ダクトの一端から他端にひっくり返されるスカートへの機械的結合の手段によって、前記ベーンが移動する請求項１２、１３、または１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記発電機が、前記ブレードの先端に配置された前記永久磁石と、前記ダクトの内壁に配置されたソレノイドとから構成される請求項１に記載の装置。
17. 前記発電機のステータコイルが、前記ダクトの内壁に配置されている請求項１に記載の装置。
18. 前記発電機が、デュアルまたはシングルアキシャルフラックス発電機、またはデュアルもしくはシングルラジアルフラックス発電機のうちの１つである、請求項１に記載の装置。
19. 前記ハウジングは、前記ブレードの周りに配置され、少なくとも１つのハブ支持体によって前記ハブに取付けられ、前記タービン発電機が所定の海中の深さで浮くように前記ハブと一体化した浮力手段を含む、請求項１に記載の装置。
20. メンテナンスおよび取替えが容易になるように、前記ロータディスクおよび発電機が、モジュラユニットとして取外されるように構成されている請求項１に記載の装置。
21. 前記ダクトの外面の軸方向の中間部分の周りに配置され、前記水流の方向に、前記ダクトの１つの開放端を過ぎて延在するリバーシブルスカートをさらに含む請求項１に記載の装置。
22. 前記スカートが常に前記ダクトの前記中間部分から前記ハイドロタービンの下流端の方に延在するように、前記水流が逆になると、前記スカートが上がり、ひっくり返されるように構成されている請求項２１に記載の装置。
23. 前記スカートが、柔軟性材料から構成される請求項２１に記載の装置。
24. 前記スカートが、関節式パネルから構成される請求項２１に記載の装置。
25. 前記ダクトの開放端の周りに配置されたスクリーンをさらに含み、くずおよび生物が前記スクリーンによってそれるようにした請求項１に記載の装置。
26. 前記スクリーンが、金属バーからなる請求項２５に記載の装置。
27. 前記バーが、前記ダクト端部から前方に、前記ダクト端部の中心の前の点まで延在する請求項２６に記載の装置。
28. 前記スクリーンが、前記水流に対し接線方向に角度をつけられたスラットからなり、くずおよび生物が前記タービンの周りでそれるようにした請求項２５に記載の装置。
29. 発電が最適になるように、前記タービン発電機を、水面より上に、および選択された海中の深さに、選択的に下げるか上げるように構成された、少なくとも１つの海中テレスコーピングパイロン上に、少なくとも１つのタービン発電機が取付けられている請求項１に記載の装置。
30. 前記ハイドロタービン発電機が、二方向性であり、２つの開放端のいずれからも前記水流を受入れ可能であり、発電することができる請求項１に記載の装置。
31. 前記ダクトが、ベンチュリ効果を生じるように、収束する内面を有する請求項１に記載の装置。
32. 前記ロータディスクが、同軸であり、互いに逆回転する請求項４に記載の装置。
33. ２から１０個のカスケード対の同軸逆回転タービン発電機がある請求項３２に記載の装置。
34. シャフトを含む流体タービンのための装置であって、
    （ａ）前記シャフトから半径方向に延在する、複数の回転可能なブレードと、
    （ｂ）前記タービンの上流端および下流端の両方で、前記シャフトから半径方向に延在する、複数のガイドベーンと、を備え、
    前記ガイドベーンの湾曲は、流体の流れの方向に応じて調整可能であり、
    前記シャフトは、海洋生物が前記流体タービンをバイパスするための穴を画定する内面を有する、
    装置。
35. 前記ブレードの先端が最も近いように、前記ブレードの周りに配置されたダクトをさらに含む請求項３４に記載の装置。
36. リム発電手段を含む請求項３４に記載の装置。