JP4800296B2 - 水力タービンと発電機を備え、発電機の回転子がタービンの各ブレードに直接接続されたアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、水力タービンと回転式の発電機を備え、発電機の回転子がタービンに接続され、タービンが少なくとも３つの１セットの軸方向ブレードを有する、アセンブリに関する。

本発明は、海および川や水路等の水流（watercourses）において、水面下の流れから電気エネルギーの生産する用途を主に意図しているが、それに限定されるわけではない。海流は、潮汐水、温度差や塩類の違い、地球の自転のコリオリ力（例えばメキシコ湾）、または高低差（例えば海峡（sounds）の両側の高低差）のコリオリ力によって引き起こされ得る。

海流中の水の流速は、通常、かなり穏和である。すなわち、一般に、わずか数ｍ／ｓであり、大きくとも５ｍ／ｓに達し得る程度である。制御されていない水流（watercouses
）中の流速は、通常、同じ大きさであるが、１０−１５ｍ／ｓまで急速に増加する場合がある。

現在、水面下の流れによって提供されるエネルギー源は、発電のためにほとんど利用されてない。これはとりわけ、そのようなエネルギー源に対して経済的に競合する技術を達成することが困難であるためである。これに関する問題の１つは流速が低いことである。そのような流れからエネルギーを利用するには、低回転数および高トルクのタービンの使用が必要とされる。

そのような条件で、目的に叶うタービンのタイプは、軸方向ブレードを備えたタービンである。従来、そのようなタービンは、実質的に径方向を向いた支持を介してシャフトに接続されたブレードを備え、シャフトは発電機の回転子に接続されるように形成されている。比較的大きな寸法のタービンが要求される用途では、ブレードを支持する構造物にかかる応力が大きくなる。これは構造物に歪みと振動の危険性を引き起こし、ブレードの設定の配列が悪くなり、それに伴って効率が下がる可能性がある。タービンを駆動する水流が不安定な場合、すなわち水流の速度と方向に変動が生じる場合には、このことは特に細心の注意を払う問題であり得る。これは、表面の波の動きと潮汐水が流れ（他の点では安定）に影響を及ぼす、あるタイプの水面下の流れに当てはまり得る。その上、必要な負荷を支持する構造物は、タービンを複雑かつ不格好にする。

本発明の目的は上記の問題を無くすか少なくとも軽減することにある。

提示した上記目的は、請求項１の前提部に定義されたアセンブリが、各ブレードが発電機の回転子に個別に直接接続されるという特別な特徴を有するという事実によって達成される。

ブレードが回転子によって直接支持されるという事実によって、ブレードのための特別な負荷支持構造物の必要性が無くなる。回転子は、通常比較的固くて丈夫な本体であるが、少なくともブレードの一端でブレードに対して良好な支えを保証する。このため、ブレ
ードはより明確で安定した位置をとる。さらに、負荷支持構造物が、はるかに単純になるとともに、他の理由のために存在する成分から大部分が成るという事実により、アセンブリ全体の複雑さは軽減される。したがって、本発明のアセンブリは、大きなアセンブリが要求され、流れの条件が常に安定しているわけではない状況において、非常に有利になる。

アセンブリの好ましい実施形態によれば、タービンは、回転子から第１の方向を向いた第１グループのブレードと、回転子から反対方向を向いた第２グループのブレードとを備え、各グループは少なくとも３つのブレードを有する。

これは、種々のタイプの発生した力を伝えることに関して有利である対称をアセンブリ全体が得るという利点を伴う。双方向の配置には、各ブレードがより短くなり得ることも伴い、これは回転子の取り付け位置から最も遠い各ブレードの一部の形状安定性を増加させる。代わりに、より大きな軸方向全長を有するタービンが提供されてもよい。

さらなる好ましい実施形態によれば、第１グループの各ブレードは、第２グループのブレードと一直線上に配置される。このため、アセンブリの対称がより増大し、結果として動作特性がさらに大きく安定する。

さらなる好ましい実施形態によれば、共に一直線上に位置するブレードは、直接互いに機械接続されている。このため、ブレードの一方にかかる曲げ力（bending force）が他
方にかかる曲げ力により支持されるという事実によって、ブレードが対になって互いに安定するという利点が達成される。

さらなる好ましい実施形態によれば、各ブレードは支持手段（stay means）によって支持される。本発明のアセンブリは、基本的に、回転子から直接得られる支持とは別の支持の必要性は無くしているが、ブレードの安定性を改善するために補助の支持をブレードに提供することは有利であることが多い。しかしながら、ゆえに支持手段は、ブレード全体が支持構造物によって支持される従来のタービンにおけるよりも、かなり単純で弱いものであってもよい。これは、ブレードが回転子によって主として支持され、回転子から安定性を得るためである。

さらなる好ましい実施形態によれば、支持手段はブレードを互いに接続する要素を備える。このため、支持が簡単に達成される。

好ましい実施形態によれば、上記の要素はそれぞれのブレードから径方向内側を向いており、要素の径方向に最も内側の端部で互いに接続している。代替の好ましい実施形態によれば、要素は、隣接する各ブレードの間を周方向に延びる。

それらの代替実施形態はいずれも支持が支持手段を形成する比較的単純な構造デザインの要素で安定することを要求する。

さらなる好ましい実施形態によれば、各ブレードは接合装置（joint device）を介して回転子に接続される。このため、有害な曲げモーメントの移動およびブレードから回転子へのトルクの移動の制限が達成される。

さらなる好ましい実施形態によれば、回転子は永久磁石を有し、それによって回転子は丈夫になり、エネルギーの電磁変換における動作妨害に対する感度が低くなる。

さらなる好ましい実施形態によれば、固定子は防水収容体（waterproof house）に密封
される。したがって、便宜な方法で、発電機は海中環境で作用するように適合される。

さらなる好ましい実施形態によれば、回転子は固定子の外部で径方向に位置するとともに、固定子と同じ軸平面に位置する。このため、アセンブリは軸方向および径方向にコンパクトになる。

さらなる好ましい実施形態によれば、固定子には導電材料のコアを備えた高圧ケーブルを巻き付けられ、半導体物質からなる第１の層が導電材料を包囲し、絶縁材料からなる層が第１の層を包囲し、半導体物質からなる第２の層が絶縁材料を包囲する。

この種の巻線によって、周囲の電場が均質になるため、非常に高圧の電流の誘導を管理することが可能となる。電流を低くしておくことができるという事実により、損失および放熱が減少する。

さらなる好ましい実施形態によれば、発電機の固定子が、回転可能であり、固定子を回転子と反対方向に回転させるタービンに接続されている。

コイルに引き起こされる起電力Ｅは、
Ｅ＝−Ｎ・ｄφ／ｄｔ
の関係からファラデーの法則に従って決定される。式中、Ｎは巻線の数であり、φは電磁流量である。このことは、ゆっくり動いている回転子では、ｄφ／ｄｔが小さくなり、結果として誘導される起電力は小さくなることを意味している。固定子も回転し、その回転方向が回転子の回転とは反対方向である事実により、回転子と固定子の間の相対運動はそれらの回転速度の合計になるだろう。このため、ｄφ／ｄｔの項はそれに対応して増大する。したがって、固定子が回転子と同じ速度で回転する場合、ｄφ／ｄｔの項は２倍になり、静止している固定子と比較して、誘導される起電力は２倍になる。

さらなる有利な実施形態によれば、固定子は三相で巻き付けられる。

発明に係るアセンブリの上述の好ましい実施形態は、請求項１に従属する請求項で定義される。

発明に係るアセンブリの利点は、アセンブリが特に水面下の流れからエネルギーを生成するために使用される場合に、特に有益である。

したがって、本発明の第２態様は、水面下の流れから電流を生産するための発明に係るアセンブリの使用方法から成る。

本発明を、添付図面を参照しながら、本発明の有利な実施形態に関する以下の詳細な説明により、より詳しく説明する。

図１は本発明のアセンブリの第１例の略斜視図である。アセンブリは、発電機１およびタービン２から成る。発電機１はフレーム７内に配置された外部固定子３を有する。フレーム７は海の底に静置される。４つの軸方向ブレード５のそれぞれのシャフト８は内部回転子４に固定されている。ブレード５は、回転子４から離れた端部で、４つの支持体(stay)６によって支持されている。支持体６の各々は、２つの隣接したブレード５の間を延びている。水面下の流れＡはタービン２を回転させ、従って回転子４をも回転させ、固定子の巻線に電流が誘導される。出て行くケーブルは、それが三相のものであることを示す。代わりに、ブレードは、回転子から下方に向いていてもよい。

図２の実施形態では、回転子４が固定子３の外部で径方向に位置する。固定子はスタンド（図示しない）によって支持され、スタンドは海の底に静置される。回転子に対して、２つのグループのブレード５ａ，５ｂが、軸方向に反対向きに固定される。第１グループの各ブレード５ａは、第２グループのブレード５ｂと一直線上に配置される。対向する各対のブレード５ａ，５ｂは互いに結合されている。

図３−５では、回転子から離れた端部を有するブレードがどのように互いに支持され得るかの種々の例を端面図で示している。図３の例では、タービンは５つのブレード５を有し、支持体６の配置は図１に示した配置と基本的に一致している。

図４では、タービンが３つのブレード５を有し、支持体５は径方向を向き、中心で互いに接続されている。

図５では、タービンが６つのブレード５を有し、支持体５は図４と同様に径方向を向いているが、ここでは支持体５は中心に配置されたリング形の支持要素９に接続されている。

代わりに、支持体５はブレードの端部から一定距離を開けて配置されてもよい。さらに、軸方向に分布する複数の支持体が配置されてもよい。そのような１つの実施形態が図６に示されている。

図７は、ブレード５の接合取り付けであって、ブレード５のシャフト８が接合装置１０を介して回転子４に固定されていることを示す。

図８は、タービン２の上の３つのブレード５を支持する外部回転子４と、内部固定子３とを備えた代替実施形態を示す。ここで、固定子３は回転するようにされており、３つのブレード２５を備えたタービン２２に接続されている。固定子タービンのブレード２５は、固定子が回転子の回転方向Ｃとは反対方向Ｂに回転するような角度をなしている。

図９では、発電機の固定子巻線の有利な実施形態が示されている。固定子には高圧ケーブルが巻き付けられ、図９はそのようなものの断面図である。ケーブルは、銅からなる１または複数のワイヤ導線３１を有するコアから成る。コアは内側の半導体層３２によって包囲されている。この外側に、固体絶縁、例えばＰＥＸ絶縁の層３３が配置される。絶縁の周囲に、外側の半導体層３４が配置される。半導体層の各々１つは等電位面を形成する。

以上説明した図は、発明の理解のために、発明に重要な特定の態様を強調する目的であまり重要でない詳細については省略している点で、概略的なものである。

通常、本発明のアセンブリは、２−１０ｍのタービン直径に相当する寸法を有するが、単に１人または少数のユーザへの局所的なエネルギー供給では、０．５−２ｍの回転子直径の範囲のより小さな寸法も考慮され得る。例えばメキシコ湾流の海のはるか沖合のような特定の用途では、最大１００ｍまでの回転子直径を有する非常に大きな寸法が考慮され得る。

本発明の第１実施形態の略斜視図。 本発明の第２実施形態の略斜視図。 本発明の種々のタービンのデザイン例の略端面図。 本発明の種々のタービンのデザイン例の略端面図。 本発明の種々のタービンのデザイン例の略端面図。 本発明のさらなる実施形態のタービンの略斜視図。 さらなる実施形態による本発明の詳細を示す図。 さらなる実施形態の略斜視図。 本発明の実施形態における固定子巻線に使用されるケーブルの断面図。

Claims (15)

1. 水力タービン（２）と回転式の発電機（１）を備えたアセンブリであって、発電機（１）は固定子（３）と回転子（４）を備え、発電機（１）の回転子（４）がタービン（２）に接続され、タービン（２）が少なくとも３つの軸方向ブレード（５）を有し、各ブレード（５）が発電機（１）の回転子（４）に個別に直接接続され、
   各ブレード（５）が直線状の支持体（６）によって支持され、
   前記支持体（６）はブレード（５）を互いに接続する
   ことを特徴とするアセンブリ。
2. タービン（２）は、回転子（４）から第１の方向に延びる第１グループのブレード（５ａ）と、回転子（４）から第１の方向とは反対の第２の方向に延びる第２グループのブレード（５ｂ）とを備え、各グループは少なくとも３つのブレード（５ａ，５ｂ）を有することを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
3. 第１グループの各ブレード（５ａ）が第２のグループのブレード（５ｂ）の対応する一つと、共に一直線上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
4. 共に一直線上に位置するブレード（５ａ，５ｂ）がそれぞれのシャフト（８）および回転子４を介して互いに機械接続されていることを特徴とする請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記支持体（６）はそれぞれのブレード（５）からブレードが形成する仮想円の径方向内側を向き、支持体（６）の径方向に最も内側の端部で互いに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記支持体（６）は隣接する各ブレードの間を延びることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
7. 各ブレード（５）が接合装置（１０）を介して回転子に接続されていることを特徴とする請求項１−６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
8. 回転子（４）が永久磁石（２１）を有することを特徴とする請求項１−７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
9. 固定子（３）が防水収容体に密封されることを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
10. 回転子が固定子の外部で径方向に位置するとともに、固定子と同じ軸平面に位置することを特徴とする請求項１−９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
11. 固定子には導電材料のコア（３１）を備えた高圧ケーブルが巻き付けられ、半導体物質からなる第１の層（３２）が導電材料を包囲し、絶縁材料からなる層（３３）が該第１の層（３２）を包囲し、半導体物質からなる第２の層（３４）が該絶縁材料を包囲することを特徴とする請求項１−１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
12. 発電機の固定子（３）が、固定子（３）を回転子（４）と反対方向に回転させるタービン（２２）に接続されていることを特徴とする請求項１−１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
13. 固定子（９）の巻線が三相巻線であることを特徴とする請求項１−１２のいずれか一項に記載のアセンブリ。
14. 水面下の流れから電流を生産するために使用される請求項１−１３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
15. 軸方向ブレード（５）の数は８個以下である請求項１に記載のアセンブリ。

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