JP4174473B2 - 改良されたタービン - Google Patents

Description

本発明は、流体タービン、特に詳しくは、水のような他の流体でも駆動されるような風力タービンに関するものである。

〔発明の背景〕
風から力を得る機械は、数世紀にわたり知られている。風車として知られている初期の形式のものは、穀物を挽く動力ミルやその他の用途に使用されていた。これらは、一般的には、いくつかの放射状の翼又は布の帆をもつローター及び必要時前記ローターを風の向きに合わせ、不要時又は強風時には前記翼又は帆を“フェザリング（風に対する抵抗をなくす）”したり、これらを畳むようにする手段を備えていた。これらは、精巧なものではなく、効率も低いものであった。多くのものは、有用な機械力を発生させるために、大形なものであった。

ポンプのような機械的動作を必要とする農業その他の用途によって、風力を動力に活用する新しい改良された機械が発展した。いまでもよく見られる例では、井戸水を農場用水のために揚水するために使用の通常の“風車”がある。このような機械類は、いくつかの簡単なシート状金属ブレードを備えるローター及び歯車を介する駆動機構を有している。これらは、一般的には、初期の風車に較べローターの直径が小さく、効率的で、ローターも高速で回転するものであった（ものである）。風向装置が設けられていて、前記ローターを風向きに合わせ、強風による毀損を避ける向きになるようにしている。

電気技術の発展に伴い発電機を介して風力を電力に変換する機械機構が発展した。この流れは、遠隔地の電力供給に使用される小形の装置から始まったが、いまでは非常に重要なものとなり、大形の装置類が広域給電システムに使用され、発電所の火力発電及び他の発電方式と併用されるようになっている。１９世紀と２０世紀において流体の流れの理解が進むに連れ、新規の形式の機械類が開発され、構造技術も発展した。用語“風車”は、機械それら自体の構造と大きさとが進歩したことで、殆どの用途において“風力タービン”を指す。

ローターの回転軸を垂直にした機械装置（例えば、業界で知られているデリウス及びサボリウス構造）の開発があったが、ほとんどの通常の風力タービンは、回転軸が水平で、放射状のブレードの数も少なく、この結果、ローターは、航空機のプロペラに似たものになっている。これら水平軸の風力タービンは、非常に大形で繊細な構造になってしまっている。

しかしながら、発電のためにこのような形式のタービンを多数使用することは、大きさ、往々にしての外観的な見栄えの悪さ、騒音、大形の回転ブレードによって発生する無線周波数発信による干渉の点で、経済的に限界に達しており、議論の多いところである。また、それらの構造上の繊細さにより維持管理に費用がかかり、難しさがあり、ライフサイクルコストに影響し、適任者がいない場所での使用に影響が出てしまう。

この発明は、これらの問題に対処するものである。ここに記載の風力タービンは、意図した大きさのものにおいて、比較的に簡単で、頑丈であり、製造しやすく、比較的安価に製造でき、維持管理できるものである。さらに、驚くべき効率を発揮し、意図した大きさで費用も範囲内で有用な発電量が得られることができるものである。さらに、騒音特性も満足でき、外観的にも納得ゆくものである。理論的に最高の効率を必要とするものではないが、この発明の風力タービンは、特性の組合せにより、利用可能な他の構造のものに対する有用な代替構造のものになる。

〔従来の技術〕
この発明は、米国特許第４４１５３０６号明細書及びオーストラリア国特許第５６３２６５号公報においてＣｏｂｄｅｎが開示した風力タービン（以下、Ｃｏｂｄｅｎ風力タービンという）を改良しようとするものである。以下に述べるように、この機械は、発電のためにしばしば使用されている２枚又は３枚の放射状のプロペラ型ブレードをもつ“高速”タイプ及び多数の放射状のブレードをもち、揚水用に用いられている農業用風車で代表される“低速”タイプの通常の水平軸風力タービンとは根本的に相違しているものである。論ずるまでもなく一見しただけで、前記Ｃｏｂｄｅｎタービンの機能は、改良されている。

Ｃｏｂｄｅｎタービンに類似の風力タービンは、米国特許第４７８１５２３号明細書にＡｙｌｏｒが効率が高いものとして開示している。Ｃｏｂｄｅｎタービンに酷似の一つの実施例は、ローターの周縁に多数のブレードを配置し、これらブレードの長さ方向をローターの回転軸と平行にして空気の流れを滑らかにして前記ブレードから放射状に流れるようにしている。別の実施例では、ローターがハブから前向きで外向きになっている複数のブレードをもち、これらブレードを介して空気が外向き後方へ流れるようになっている。両実施例においては、さらに述べるように空気入口と排気領域との間に特定の関係があり、流れの方向も特定されている。いずれの実施例においても、風向きデフレクタとローター支持体の形状が限定されていることで、特に安く、簡単に製造できるようにする点には配慮がなされていない。米国特許第４６８４３１６号明細書（Ｋａｒｌｓｓｏｎ）は、やや似ている構成を開示しているが、大形であるために製造コストが高く、ローターの上流側の回転しない部分の空気力学的損失が大きいという感を否めない。

ダクト内にブレード付きローターを配置し、ローターの下流に拡散領域をもつようにして、従来の形式のものよりも高効率を得るようにした風力タービンが数多く開示されている。これらのものによりブレードを流れる風速を高め、発電効率を高め、ブレード先端の毀損が少なくなるようになっている。これらのいくつかの例は、米国特許第４０２１１３５、４０７５５００、４１３２４９９、４３２４９８５、４４２２８２０号明細書に開示されている。

しかしながら、米国特許第４１４７４７２号明細書において、Ｋｉｎｇは、殆どのダクトつき構成は、機能改善が得られたとしても、経済的には魅力的なものにはならない点を指摘している。Ｋｉｎｇは、非常に小形のシュラウドで囲んだローターを開示していて、このシュラウドは、リングの形状をしており、このリングが翼断面をもっていて、放射状に内方へ作用する上昇力を作るようにしている。このリングは、従来のタイプの放射状になっている複数のブレードに固定され、これらブレードと共に回転する。このリングは、流れの方向において前記ブレードよりも若干長いだけのもので、比較的安価なものにすることができる。前記シュラウドの効果で、前記ブレードを流れる風速が増すドーナッツ状の旋風が巻き起こり、ブレード下流側に長い拡散体を設ける必要がない。このシュラウドは、従来の放射状ブレード風力タービンのローターの付属ものとして開示されている。

〔発明の概要〕
この発明によれば、流動している流体からパワーを吸引する、以下の構成を含む流体タービンが提供されるものである；

水平軸まわりを回転するように支持体に取り付けられているローターで、ハブから前向き外方へ突き出ている複数のブレードを有している前記ローター；そして

前記複数のブレードの外端縁に取り付けられ、前記軸まわりを前記ブレードと共に回転できるリング状フェアリングで、前記回転軸と同軸になっている前記リング状フェアリングを備え、

この構成において、前記リング状フェアリングは、少なくとも一つの周縁位置におけるラジアル断面が前記タービンの作動において、前記リング状フェアリングと前記ハブの間における流速が増加する方向に前記断面まわりに循環流を発生させるようになっているもの。

前記リング状フェアリングの前記少なくとも一つの周縁位置において、前記タービンの動作中前記リング状フェアリングは、前記リング状フェアリングの内方後方へ向けて空気力学的力を発生させるようになっていることが好ましい。

前記リング状フェアリングは、前記リング状フェアリングの周縁の実質的全周にわたり断面が均一になっていることが好ましい。

特に好ましい実施例においては、前記リング状フェアリングの断面は、前記ブレードの半径が長くなるにつれての前記ブレードの接線速度の増加により、前記ブレードに対する流体の流れ方向において変化する少なくとも部分的なオフセットに対し前記循環流が十分であるような形状、大きさ及び向きになっている。

前記ハブは、実施的に円錐形の形状で、頂点角度が６０°〜１２０°の範囲になっている。さらに好ましくは、前記頂点角度は、８０°〜１００°の範囲になっている。円錐形ハブは、製造しやすい利点がある。

前記タービンの動作中前記ブレードの後尾は、少なくともほぼ円錐面になって延びていることが好ましい。この円錐面は、前記ハブの外面に対しほぼ９０°で交叉していることが好ましく、この状態は、前記両面の断面を前記回転軸を含むラジアル面でとったものである。これによって、前記複数のブレードの内部端部近くの流れは、それらに対し実質的に横断するようになる。しかしながら、前記円錐面は、ほぼ７５°〜９０°の範囲で前記ハブの外面に交叉するもので、この状態は、前記両面の断面を前記回転軸を含むラジアル面でとったものである。

前記各ブレードがその長さ方向にそって実質的に一定の断面をもつことは、満足されるべきこと（必ずしも必須ではない）である。

前記各ブレードは、断面形状が翼形状になっている。しかしながら、前記各ブレードは、シート状金属で作り、断面形状を円弧状にしてもよい。これで、ほぼ翼状断面になり、製造しやすくなる。

少なくともコスト低減が望ましいときには、前記各ブレードを長さ方向にそって実質的に捻じれていないようになっていることが好ましい。

前記リング状フェアリングの断面は、少なくともほぼ翼状の形態になっていることが好ましい。好ましくは、前記翼状の形状は、前記複数のブレードに対向する側面が凹面になって反っている。しかしながら、このリング状フェアリングは、金属薄板材で作り、該リング状フェアリングの断面を円弧状にしてもよい。そして、前記複数のブレードに対向する側面を凹面にした円弧状にすることが好ましい。

好ましい実施例においては、前記リング状フェアリングは、先頭部と後端部とを有し、回転軸を含めたラジアル面においての前記先頭部と後端部との間の距離は、前記各ブレードの最大翼弦の２倍よりも短くなっている。即ち、前記リング状フェアリングは、流体の流れ方向においては、全く小さな寸法のものになっている。

この発明を好ましい実施例を参照して詳しく説明するが、記載した実施例は、この発明の技術的範囲を限定するものではない。添付の図面を参照する。

〔好ましい実施例の詳細な記載〕
図１と図２は、米国特許第４４１５３０６号明細書及びオーストラリア国特許第５６３２６５号公報に開示の風力タービン１（Ｃｏｂｄｅｎ風力タービン）を示す。

これらの図を参照すると、ベアリング４により支持されたシャフト３に取り付けられたタービンホイール２を有するタービンユニット１が示されている。ベアリング４は、フレーム５に支持され、タービンユニット１は、ベアリング７で支持されたシャフトに取り付けられている。この例においては、タービンホイール２の駆動は、駆動軸９に取り付けられた摩擦ホイール８によって行われ、前記駆動軸は、架台６に通され、駆動力を伝えるようになっている。

タービンホイール２は、複数のブレード１０を有し、これらブレードに前部フェアリング１１が取り付けられている。これらのブレード１０は、タービンホイール２に取り付けられ、前方へ延びて、それらの前端部において、フェアリング１１を取り付け、このようにして前記フェアリングはブレード１０と共に回転する。この例においては、ブレード１０は、金属薄板で作られ、端部フランジ２１が設けられていて、これらフランジを介してブレード１０がタービンホイール２に取り付けられ、フェアリング１１も前記フランジに取り付けられている。

タービンホイール２には、また、円錐形の偏向面部２０が設けられていて、これは、シャフト３に取り付けられ、ブレード１０の近くでタービンホイール２に接続している。

さらに、前記タービンユニット１は、中空の空気力学的形状の胴体部１２を含み、後尾１３が設けられていて、タービンユニット１が速やかに絶えず主な風の向きに合うようにしている（即ち、軸３が風の流れに一致する）。

以前の風力タービンよりも優るＣｏｂｄｅｎタービンの二つの利点は、構造が比較的簡単な点、特に、ブレードの形状について簡単であり、そして、動作が静粛である点である。さらにすぐれた風力タービンにするには、これらの利点を維持してゆくことが望ましいとみられていた。

図３を参照すると、この発明の好ましい実施例による風力タービン３０が図２と同様な態様で示されている。この風力タービン３０は、図１、２に示したＣｏｂｄｅｎ風力タービンの特徴に類似した幾つかの特徴を含んでいる。しかしながら、特徴のなかには、大幅に異なる特徴がある。

Ｃｏｂｄｅｎタービン１と同様に、風力タービン３０は、中空胴部３１を含む。ローター３２が胴部３１の前端部にあるシャフト３３に取り付けられ、シャフト３３は、胴部３１内の軸受（図示せず）で支承されて、軸３９まわりを回転するようになっている。シャフト３３が適宜必要に応じて発電機、ポンプ又は他の動力消費装置（図示せず）を既知の態様で駆動するのに使用されることができるようになっている。図４と図５は、実用のために塔の頂部に取り付けたタービン３０を示す。タービン３０は、塔内の垂直軸３５まわりを回動できるように取り付けられていて、ブーム４５に取り付けられた後尾部３６が風向き４１にタービン３０の向きを自動的に合わせる、即ち、シャフト３３と風向き４１とを自動的に合わせるようになっている。後尾部３６とブーム４５は、垂直軸６１にピボット連結されていて軸３９と風向きとの間の角度を必要に応じて変え、強風時オーバースピードにならないようにしたり、ローターが一緒に極端な状態で回転して破損しないような角度になるようにしている。マイクロプロセッサなどのようなものに基づく適当なコントローラ（図示せず）を設けることが好ましく、該コントローラのプログラムにより使用時のタービン３０の角度を変えるようにすることもでき、これは後尾部３６とブーム４５をピボット回動させる機械的駆動（図示せず）により行う。

軸３９は、使用時水平に保たれている。

ローター３２は、円錐形ハブ３６を含み、ハブ３６から複数のブレード３７が外前方へ延びている。複数のブレード３７は、図３又は図４には個々に示されていないが、軸３９を含む垂直断面においては、ローター３２の回転でブレード３７がそってまわる円錐形の形状をした全体４４（クロスハッチングで図示）として示してある。各ブレードの前端と後端とが軸３９及びハブ３６と同軸のリング状フェアリング３８に固定され、リング状フェアリング３８は、ハブ３６及び複数のブレードと共に回転する。リング状フェアリング３８の面は、軸３９に対し直交する。

図６と図７は、ローター３２の正面図と側部断面図であり、個々のブレード３７を有した状態で示されている。いくつかの点線が図６，７に示されていて、図７では、ハブ３６の内部詳細構造は、示されていない。３０枚のブレードが設けられている。ブレード３７は、周縁が等間隔で一定の翼弦をもって配置され、長さ方向には捩じれていない。ハブ３６の後縁４３に寄ったハブ３６の円錐面４２からほぼ直立している。このハブ３６は、頂点角度が９０°になっているコーン形状に形成されている。

図８ハブ３６における一つのブレード３７ａを示す。ブレード３７ａを含めてのすべてのブレード３７は、すべて同じもので、同じようにハブ３６に取り付けられている。ブレード３７ａは、Ｂ方向から見たとき、軸３９を含む放射面５１に対し後縁４６が６．５°の角度で傾斜するように取り付けられている。矢印４７は、ローター３２の回転方向を示す。ローター３２が回転中は、後縁４６が頂部角度９０°の角度をもつ円錐面をなでるようにして通過する。

図９は、ブレード３７ａ（のみ）の断面図であって、ブレード３７ａのコンスタントの断面が簡単な円弧になっていることを示している。さらにまた、後縁５１及びハブ３６の頂部から、その円錐面にそってのブレード３７ａの後縁４６に達するライン５１を含む想像面４８に対するブレード３７ａの角度位置が示されている。断面が簡単な円弧状になっている複数のブレード３７は、簡単に低コストで金属板材で作ることができる。図示のように、各ブレードは、ブレード基部取り付けブラケット４９及びブレード先端取り付けブラケット５０にスポット溶接され、これらブラケット４９，５０は、ハブ３６及びリング状フェアリング３８にそれぞれボルト止めされている。複数のブレード３７は、金属板材から円弧状に作られ、前縁と後縁との間で曲率半径が変わるようになっている点に注目されたい。

図１０は、リング状フェアリング３８の代表的な周縁ポイントにおける断面を示す。その直径方向での断面で見たとき、リング状フェアリング３８は、翼断面の形状をもち、軸３９が風向き４１に一致しているとき、リング状フェアリング３８のポイントで発生する空気力学的上昇力が内方及び後方へ向くようになっている。リング状フェアリング３８は、その全体周縁においては同じ翼状断面４０を有している。翼状断面４０のキャンバーライン５５は、内方及び後方へ突き出ており、これによって空気力学的上昇力が内方及び後方へ向かう。広いサイズ範囲にわたって、翼状断面４０をもつリング状フェアリング３８を作る適切な方法は、ガラス繊維成形体５６及び金属板材リング５７を用いることである。しかしながら、当業者にとり他の多くの可能性が明らかであり、キャンバー５５に似たキャンバーラインで形成された簡単な金属板材リングであっても低減されたコストでそれなりのパフォーマンスを発揮できる。

風力タービン３０の中空胴部３１は、単純なシリンドリカルの先頭部５８と滑らかになっている後部５９とを有している。先頭部５８は、ハブ３６の輪郭に滑らかに続くようにはなっていない。中空胴部をこのようにすることで、さもなければ必要になってしまう大きさを小さくでき、費用も安くできる。

上記したタービンの機能を詳細にコンピュータでシミュレーションしたときに該タービンの特定の結合構造が使用された。このようにして、現在では、実際のタービンのパフォーマンスの信用度を評価している。米国特許第４４１５３０６号明細書に開示のＣｏｂｄｅｎタービンで行われている。タービン３０とＣｏｂｄｅｎタービンのコンピュータで評価されたパフォーマンスを互いに比較し、さらに、その他いくつかの風力タービン構造についての発表されているデータと比較した。

周知のように、風力タービンは、風力タービンの寸法なしの先端速度レシオのファンクションとして、その寸法なしの出力係数を決定することにより他の風力タービンと比率的に比較できる。装置同士にあって、これらの量が一貫してきまっていれば、サイズに関係なしに直接に比較できる。

寸法なしの出力係数Ｃρは、以下のようになる，

そして寸法なし先端速度レシオンＴＳＲは、以下のとおりである，

ここで、
Ρは、発生出力、
ρは、空気密度、
Αは、自由な流れに直角なタービンの突出領域、
μは、自由に流れている風速、
R_ｏは、発電機の外径、
ωは、ブレード環の角速度。

図１１は、ここに記載の風力タービン、業界で知られている他のもののパフォーマンスの比較結果と理想の結果を示す。図示された曲線は、以下のものである。

“Ｓａｖｏｎｉｕｓ”−１９９７年７月のＳａｎｄｉａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．ＳＡＮＤ７６−０１３１においてＢｌａｃｋｗｅｌｌ他により報告された２枚ブレードのＳａｖｏｎｉｕｓローターの風洞テスト（該レポートの図２から）；

“Ｄａｒｒｉｅｕｓ”−Ｓａｎｄｉａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．ＳＡＮＤ７９−１７５３においてＷｏｒｓｔｅｌｌにより報告された高さ１７ｍのＤａｒｒｉｅｕｓ形式風力タービンのフルサイズ・フィールドデータ（該レポートの図２から）；

“Ｃｏｂｄｅｎ”−オーストラリア国のＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｒｏｙａｌ ＭｅｌｂｏｕｒｎｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ雄 ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙのＡｋｂａｒｚａｄｅｈ他によるモデルＣｏｂｄｅｎタービンの風洞テスト；

“Ｇｌａｕｅｒｔ 低速”及び“Ｇｌａｕｅｒｔ 高速”−編集者Ｗ．Ｆ．ＤｕｒａｎｄのＤｏｖｅｒ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｉｎｃ．発行“Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｔｈｅｏｒｙ”分類Ｌ，１１章図１０３から引用の在来のプロペラ式の低速及び高速運転の風力タービンのモデルテスト結果（Ｇｌａｕｅｒｔにより使用の量の異なる定義を補償するように調節された出力係数つきのもので、図示の他の曲線との正しい比較が可能になっているもの）；

“理想のもの”−上記文献の図１０３でＧｌａｕｅｒｔによっても示されている在来のプロペラ式の理想的な風力タービンの理論的パフォーマンスの限界；

“発明のもの”−ＦＬＵＥＮＴ ５．５ソフトウエアを用いて、ここに記載の風力タービンのコンピュータによる流体力学シミュレーションの結果からの技術コンサルタントのＷＢＭ Ｐｔｙ Ｌｔｄ．により提供の評価されたパフォーマンス曲線。

Ｃｏｂｄｅｎ風力タービン・モデルのシミュレーションをまたチェックとしてＦＬＵＥＮＴ ５．５ソフトウエアを用いて行い、図１１にプロットした実験結果との良好な合致をみた。

“理想的なもの”の特徴に注目すべきである。これは、Ｂｅｔｚによるプロペラ式風力タービンの簡単な理論に基づくもので（この理論の記述については、上記のＧｌａｕｅｒｔ文献参照）、“理想的”パフォーマンスが実際に得られるとしたならば、実際にはそのような装置類で達成できる出力効率の頂点のアッパーエンベロープである。プロペラ式の風力タービン、特に、固定ブレード配置のものからは、先端速度レシオ範囲全体にわたり、この曲線に達することは期待できず、Ｇｌａｕｅｒｔによる高速及び低速の装置類に対する結果における相違によってポイントが示されている。図１１の曲線は（“理想的”曲線のほかに）、特にローターのジオメトリーのためのものであり、業界のプラクティスを代表するものと思われる。しかしながら、すべての曲線は、ローターのジオメトリーを変えることで、ある程度モディファイできる。

図１１は、風力タービン３０がＣｏｂｄｅｎ及びＳａｖｏｎｉｕｓタービンよりも発電能力において格段にすぐれているものとされる点を示している。さらに、該能力は、Ｇｌａｕｅｒｔによる低速運転の装置よりも概ね良好である。先端速度レシオが１においては、利用できる最大出力のほぼ８０％（“理想的”曲線に基づく）が供給される。先端速度レシオが比較的早くなっているタービン類は、概ね効率がよいものとされているが、スターティングトルクが低いもので（上記文献におけるＧｌａｕｅｒｔ参照）、風速がおそいときの始動の問題により実用上不利な点がある。低速度の装置の利点は、通常の農場用の風車（このような風車の代表としては、Ｇｌａｕｅｒｔの低速度例がある）で分かるように、さらに、一層頑丈になり、信頼でき、維持が簡単である点である。

近代的な低速度の従来形式のものは、Ｇｌａｕｅｒｔによるものよりも若干良いものではあるにせよ、風力タービン３０の期待される能力は、驚くべきものであり、特に現在のタービンの構造を簡単にしてあり、例えば、簡単な捻じりのないブレード類及び中空胴部３１とハブ３６の簡単な形状などである。コスト的には合っているより複雑な翼断面のブレードを使用していては、改良は、一切期待できない。

図３の風力タービンの能力の少なくともその片鱗を確かめるために、回転部分の実寸モデルを作り、大きな風洞で実験した。このモデルのリニアスケールファクタは、フルサイズの１３．７％であった。出力効率はいくつかの絶対風速（風洞封鎖のために補正された）における先端速度レシオのファンクションとして（両者の量は、上記とおり規定）測定された。図１２と図１３は、４１ｋｐｈと４６ｋｐｈそれぞれの補正された絶対風速で得られた結果を示す。これら二つの結果は、それぞれ３２．９ｘ１０^３及び３６．９ｘ１０^３のレイノルズナンバー（ファン翼の先端翼弦に基づく）に相当する。レイノルズナンバーは、空気力学的力と空気摩擦抵抗力との相対的関係で重要なものであり、前記のような小形の大きさのもののテストにおいては、可能な限り大きくされ、実寸の装置のものにできる限り近付けるようにする。（通常は、フルスケールのレイノルズナンバーに達することはできない）。二つのレイノルズナンバーに対する結果は、フルスケールの装置からさらに高い能力が期待できることを示す（推定）方向で相違している（より高いレイノルズナンバーにおいて、より高い能力が得られたからである）。これらの結果は、図３のタービンが優れた能力を発揮することが期待できることを示している。これは、図１１でプロットした結果をもつ結果を比較することで示される。

以下は、風力タービン３０の作動及び該タービンが驚くべき良好なパフォーマンスを発揮するものと確信できる要因との説明である。

タービン３０が風に対面すると、リング状フェアリング３８を介して軸３９の方向に空気が流れる。ついで、空気の流れは、ハブ３６により概ね円錐形の方向に偏向され、さらに、複数のブレード３７を介して複数のブレード３７の長さ方向に概ね直交する方向に流れる。ついで前記ブレードを吹き抜けた空気は、徐々に流れ方向を戻し、通常の流れ方向になる。

前方及び外方へ傾いている複数のブレード３７を使用することで、複数のブレードが放射状に延びている在来の風力タービンにおけるよりも所定の全体直径において、より広い翼運動領域が得られ、構造の面でのコストが軽減される。さらに、比較的大きなハブ３６から複数のブレードが傾斜して延びていることで、前記ブレードの長さにそうポイントの正接速度（回転による）の変動度合いがブレードが放射状に延びている同じ直径の在来の風力タービンよりも小さい。これによって、簡単で捩じれていない複数のブレードを使用することによるパフォーマンスの減点をなくすことができ、これは、ブレードの捩じれがなくなることは、ブレード３７の全長にそって最適の当たり角度を維持するのに必要であるからである。

リング状フェアリング３８を設けることで、流れる空気流をブレード３７の外端部で外方へ素早く曲げ、これによって、該外端部は、空気力学的上昇力、したがって回転トルクを発生させ、前記ブレード３７にそう流れ（横切るものではない）の要素を少なくとも制限する。第２の利点は、リング状フェアリング３８により、シュラウドで囲まれていない複数のブレードの先端部で生じる渦巻き流れによる大幅な出力損失を防ぐことができる。この点でリング状フェアリング３８は、飛行機の翼における所謂“端板”に類似の作用をする。

しかしながら、リング状フェアリング３８を使用すると、さらに別の利点があると考えられる。まず第１に、Ｋｌｉｎｇにより開示のように（上記文献参照）、翼形状のリング状フェアリングは、装着されずに、周縁で上昇力が生じると、その周縁の各ポイントまわりに循環流れを生じさせてしまう。このリング状フェアリング３８は、これらの上昇力が内方へ向くような形状になっているから、この流れは、図３と図１０における矢印６０に示すようになり、前記ブレード３７を介して外方及び後方への空気の流れを加速させ、この結果、前記ブレード３７の外端部に対する強さが強まる。同時に、回転により前記ブレードのポイントの正接速度がそれらの外端部似向け増加する、即ち、半径が長くなる。リング状フェアリング３８がないと、この後者の効果で前記ブレードを捻じり、各ブレード３７の最適な負荷を維持するようにしなければならない。リング状フェアリング３８まわりの循環流は、この増加した正接速度を少なくとも部分的にオフセットし、これによって、そのような捻じりの必要性を減らす。タービン３０において、簡単な捩じれがない前記ブレード３７が捩じれている複雑なブレードよいも優秀な能力を発揮する理由である。このようにして観察すると、翼状部４０の形状と寸法は、風力タービンにおける当業者による他のルーチンの方法又は試行錯誤により簡単な翼作用で満足できる能力をために選択されることができる。

リング状フェアリング３８（空気流を外方へ曲げる）を設ける主な理由は、Ｋｌｉｎｇとは完全に相違する点に注目されるべきであって、意図はしなかったものの、角度がついた複数のブレード３７をその長さにそって捻じ、作り難くする必要性を無くした点である。さらに、リング状フェアリング３８の形状は、角度がついたブレードをもつＡｙｌｏｒ（上記文献参照）により教示されているものとは全く異なる。Ａｙｌｏｒは、外方及び前方へ向く上昇力を生じる外方へキャンバーされた断面のリング状フェアリングを使用している。これは、排気される空気流を後方へまげて中空胴部（Ａｙｌｏｒでは符号４３のもの）を滑らかに通過し、排出口の流路の断面領域を小さくするようにしている。また注目すべきは、Ａｙｌｏｒのリング状フェアリングは、リング状フェアリング３８よりも格段に大きく、やや複雑になっていて、コストが高いものである。

数多くの変形がこの発明の精神と範囲とから逸脱することなく行なわれるものである。特に、通常の方法（例えば、コンピュータによる流体メカニックのシミュレーション）を用いて、高い効率を得るために風力タービン３０の構造における風力タービンをさらによいものにすることができ、さらには、前記の利点を維持したままそれらの構造を特定の条件に合うように特別仕立てすることもできる。これらには、さらに洗練された翼作用及び／又はリング状フェアリング翼部が含まれ、この点では、費用が嵩むのも了承される。

他の可能性は、中空胴部３１を僅かに太くし、ハブ３６から中空胴部３１へのつながりをなめらかにするようにしてもよい。いくらかの能力の向上が見込まれる。

他方、より簡単な金属板材のリング状フェアリング、好ましくは、キャンバーされたリング状フェアリング３８にすることで、風力タービン３８を簡単に、安くできるもので、このようにしても能力の低下はほぼない。

当然のことではあるが、ここに記載の発明は、移動する流体の流れからパワーを得ることが望ましい他の分野にも利用できる。

従来技術の風力タービンの斜視図。 タービンのローターの回転軸を含む垂直面で切った図１に図示の風力タービンの断面図。 タービンのローターの回転軸を含む垂直面で切った、この発明による風力タービンの一部断面側面図。 実用のためにタワーに取り付けた図３に示す風力タービンの側面図。 実用のためにタワーに取り付けた図３に示す風力タービンの正面図。 ローターの見えるブレードの輪郭が一部かくされている図３に示す風力タービンのローターの正面図。 図６の“ＡＡ”部分での図６に示されたローターの断面図。 図７の矢印“Ｂ”方向から見た図７に示されたローターのハブと一つのブレードの斜視図。 図８の“ＦＦ”部分で見た図８に示されたブレードの断面図。 図７で示したローターのリング状フェアリングの一つの周縁ポイントにおける断面図。 図３に示した風力タービンを含むいくつかの風力タービンの出力係数を比較したグラフ。 絶対風速４１ｋｐｈにおける図３に示したタービンの回転部分のスケールモデルに対する先端速度レシオのファンクションとしての出力係数を示すグラフ。 絶対風速４６ｋｐｈにおける図３に示したタービンの回転部分のスケールモデルに対する先端速度レシオのファンクションとしての出力係数を示すグラフ。

符号の説明

３０ 流体タービン
３１ 支持構造体
３２ ローター
３６ ハブ
３７ ブレード
３８ リング状フェアリング
３９ 水平軸
６０ 循環流れ

Claims (18)

1. 以下を含む移動する流体から動力を得る流体タービン：
   水平軸まわりを回転するように支持構造体に取り付けられたローターであり、ハブから前方及び外方へ延びている複数のブレードをもつ前記ローター、
   前記ブレードの外端部において前記ブレードに固定され、前記軸まわりを前記ブレードと共に回転可能であって、前記回転軸と同軸になっているリング状フェアリング、
   このようなものにおいて、前記リング状フェアリングは、少なくとも一つの周縁位置においては、前記タービンが動作中は放射断面にそっての回転流を生じ、そのような方向に向け、前記リング状フェアリングと前記ハブとの間の流体の流速を増すようになっている放射断面形状を有しているもの。
2. 前記リング状フェアリングにおける前記少なくとも一つの周縁位置においては、前記リング状フェアリングにより前記タービン動作中は前記リング状フェアリングの内方及び後方へ向けての空気力学的力が発生されるようになっている請求項１による流体タービン。
3. 前記リング状フェアリングは、前記リング状フェアリングの実質的な全周縁にそっての断面が均一なっている請求項１又は請求項２による流体タービン。
4. 前記リング状フェアリングの断面は、前記回転流が、前記ブレードの半径が長くなるに伴う前記ブレードの接線速度の増加に伴ない発生する流体流れの方向における変化を少なくとも部分的に減殺するに十分であるような形状、寸法及び向きになっている請求項１から請求項３のいずれか一つによる流体タービン。
5. 前記ハブは、実質的に円錐形であり、頂点角度が６０°〜１２０の範囲になっている請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
6. 前記頂点角度が８０°〜１００の範囲になっている請求項５による流体タービン。
7. 前記ブレードが前記タービンの動作中では少なくともほぼ円錐面を描くように動く請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
8. 前記円錐面と前記ハブの外表面とが前記回転軸を含む放射面で両者の面の断面を見たとき、約７５°〜９０°の角度で交叉している請求項７による流体タービン。
9. 前記円錐面と前記ハブの外表面とが前記回転軸を含む放射面で両者の面の断面を見たとき、約９０°の角度で交叉している請求項７による流体タービン。
10. 前記ブレードの各々は、その長さにそって実質的に一定の断面形状をもっている請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
11. 前記ブレードの各々は、翼状の断面をもつ請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
12. 前記ブレードの各々は、その長さにそって実質的に捩じれていない請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
13. 前記ブレードの各々は、金属板材で形成され、円弧状の断面形状をもつ請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
14. 前記リング状フェアリングの断面は、少なくともほぼ翼状の形状になっている請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
15. 前記翼状の形状は、前記ブレードに対向する側面において凹んでいるキャンバーラインを有している請求項１４による流体タービン。
16. 前記リング状フェアリングは、金属板材で形成され、円弧状の断面形状をもつ請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。
17. 前記円弧形状は、前記ブレードに対向する面において凹んでいる請求項１６による流体タービン。
18. 前記リング状フェアリングの断面は、先頭部と後尾部とを有し、回転軸を含む放斜面で見たとき、前記先頭部と後尾部との間における距離が前記各ブレードの最大翼弦の２倍以下になっている請求項１から請求項４のいずれか一つによる流体タービン。

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