JP5220009B2 - 漂積物放出シュートを有するタービン - Google Patents

Description

本発明は、概していえば、流体、特に水の流れを利用して電気を生成するタービン又は発電所の分野に関し、より詳細には、そのような装置のうち、大型の環状ハウジング内に配置された、環状の外側リムを有する大型のプロペラ式又はインペラ式ロータを備え、このロータの回転を流体の流れによって生じさせる装置に関する。

大型のタービンを用いた電気の生成は、よく知られている。一般的に水力発電タービンは、制御下に置かれた流体の流れによってプロペラ式ロータ又はブレードの回転を生じさせるダムに設置される。このような水の流れが比較的に急となる条件は、高ヘッド条件として知られるところである。また、タービンを、潮流によって湾内、河口又は沖合に形成される低ヘッド条件のもとで配置することも知られている。そのようなタービンは、大型の支持シャフトに取り付けられるのが一般的である。

大方のタービンの構成が中央回転シャフトを備えるものであり、このシャフトにブレード又はランナーが取り付けられる一方、タービンの中央部を開放させることも知られており、このタービンは、リムマウントタービンとしても知られている。中央開放ロータを有するタービンは、低ヘッド条件、即ちより緩やかな流れにおいて特に有効であり、このタービンでは、内側及び外側の環状リング又はリムの間にブレードが取り付けられ、ロータを保持する環状ハウジングに対し、外側リムを通じてエネルギーが伝達される。

中央部が開放されたリムマウントタービンの例は、１９９７年１月１４日に発行され、２００３年１２月２日にＲＥ３８３３６号として再発行された米国特許第５５９２８１６号、２００３年１１月１８日に発行された米国特許第６６４８５８９号、２００４年５月４日に発行された米国特許第６７２９８４０号、及び２００５年２月１０日に公開された米国特許出願公開ＵＳ２００５／００３１４４２号（米国特許出願第１０／６３３８６５号）に見出すことができる。低ヘッド（潮流）条件に用いられる水力発電タービンの例は、Ｈｅｕｓｓ等の米国特許第４４２１９９０号、Ｖａｕｔｈｉｅｒの米国特許第６１６８３７３号及び同第６４０６２５１号、Ｓｕｓｍａｎ等の英国特許出願ＧＢ２４０８２９４号、ならびにＤａｖｉｓ等の国際公開ＷＯ０３／０２５３８５号に見出すことができる。

流体駆動タービンは、化石燃料又は原子力エネルギーを利用する発電所に代わる、環境的に安全な設備と考えられている。工業コンビナート、市街地又は都市部等での電力供給を可能とする、水力を利用した大規模発電では、多数のタービンを設置することが必要であるとともに、それらのタービンは、各タービンによって生成される電力量を最大限とするため、現実的である範囲で大型のものでなければならない。これらのタービンのロータブレードは、その長さが多様であり、実験上の設計として５０メートルを超える長さのブレードを有するものも存在する。

ロータブレードの長さの増大に伴い、より小型のタービン又は発電機では直面することのなかった構造上及び製造上の問題が生じている。シャフトマウントタービンでは、強固、かつ軽量の長ブレードを設置することが困難である。１つの解決策は、シャフトマウントタービンのブレードに、環状ハウジングに収められた外側の環状リムを取り付けることで、上記シャフト及びリムによってブレードに対する支持構造を形成することである。他方、中央部のシャフトを持たないリムマウントタービンでは、内側及び外側のブレード端部に環状サポートを設けることによってこの問題の解決が図られ、この外側のサポートリムは、環状のスロット又はチャネルを有するハウジングの内部に保持される。発電のための典型的な手段では、多数の磁石が環状サポートリムに沿って間隔を空けて配置され、多数のコイルがステータハウジングの収容チャネルに沿って間隔を空けて配置される。ロータ界磁によって形成される磁場が、ロータとステータとを隔てたギャップを横断する。ロータの回転によってコイルとの磁束リンクに変化が生じ、コイルに電磁力が発生する。

ロータの環状外側リムがステータハウジングのチャネルに収容されているため、液体中を漂うデブリ（漂積物）がチャネル内に取り込まれる場合がある。漂積物が多量に蓄積されると、ロータの回転に支障が生じて、損傷を与え兼ねない。この漂積物の蓄積は、水の流れる速度が比較的に遅く、漂積物がハウジングチャネル内で容易に停滞してしまうことから、潮流を利用した発電機による場合のような低ヘッド条件において、最も問題となる。

本発明は、ロータブレードに取り付けられた環状の外側リムを有し、この外側リムがハウジングに設けられたチャネル内に保持されたタービンの改良された構造を提供して、チャネル内における漂積物の蓄積を最小限に抑え又は解消することを目的とする。更に、本発明は、ハウジングチャネルに１以上の漂積物放出シュートが設けられたタービンを提供して、ロータの外側リムとハウジングチャネルとの間に取り込まれた漂積物をタービンから除去し又は排出することを目的とする。

本発明は、ロータブレードが環状の外側リムによって支持され、この外側リムが、これを受けるチャネルを有するハウジングの内部に保持され又はこのようなハウジングによって収容される形式の、改良された流体駆動タービン、好ましくは、水力タービンである。典型的な構成において、本発明のタービンは、ロータの外側リムに磁石が設けられるとともに、ハウジング又はステータのチャネルにコイルが配置され、ステータの内部におけるロータの回転によって電気を生成する発電機である。このような改良は、タービンを介する水の流速が比較的に低い低ヘッド条件のもとで水に浸漬させる形式のタービンである場合に、特に利点がある。

本発明の改良には、ハウジングチャネルに１以上の漂積物放出用のシュート、チャネル又は開口を設け、ロータの外側リムとハウジングチャネルとの間に取り込まれたいかなる漂積物も、重力の作用による結果としてであろうと、漂積物放出シュートを介する流体の移動がなす排出作用によるものであろうと、このシュートを通じて形成される通路によって流出することができるようにすることが含まれる。

環状の外側リムを有するロータと、このロータの外側リムを受けるチャネルを有するステータハウジングとを備える代表的なタービン（図示の形態において、中央開放式のリムマウントタービン）を、軸方向に見た状態で示す図である。 ステータハウジングの透視図である。 ロータの透視図である。 ステータハウジングに設けられた漂積物放出シュートを示す、図１のｘ−ｘ線に沿った部分断面図である。

以下、図面を参照して、最良の及び好ましい形態の観点から本発明を詳細に説明する。本発明は、その最も広い意義の１つにおいて、発電用のタービンである。一般的な実施形態において、タービンは、ステータハウジングの内部に設置されたロータを備え、このロータは、ステータハウジングの環状チャネル又はスロットによって収められ又は保持された環状の外側リムを有する。他の発電手段を採用してもよいが、ここでの電気生成（発電）手段は、ロータの環状リムに設けられた多数の磁石と、ステータハウジングの内部、好ましくは、ロータの環状リムを受けるチャネルに設けられた多数のコイルとを組み合わせて構成される。説明のため、タービンは、図面において中央開放式のリムマウントロータとして示され、ロータに対する全ての支持構造は、ステータハウジングによって形成されるが、本発明は、環状の外側リムを有するシャフトマウントロータを備えるタービンに適用することも可能である。更に、本発明は、選択された発電手段の種類に拘わらず、ロータの外側リムがハウジングの内部に収容された、いかなるタービンに適用することもできる。

図１〜３にその概略が示されるように、本発明は、略環状のハウジング３０を備えたタービン又は発電機１０である。ここに示されたハウジング３０の構成は、限定を意味するものではなく、他の構成を採用して、ハウジング３０により、他の目的において軸方向又は径方向のいずれの方向への望まない移動に対しても回転部アッセンブリ又はロータ２０を保持し、ロータ２０をその回転軸周りで回転させることが可能である。ハウジング３０は、ロータ２０を受け及びこれを保持するチャネル３２を形成する一対の保持フランジ３１を備えている。

回転部アッセンブリ又はロータ２０は、内側に位置する環状のリム部材２３と、外側に位置する環状のリム部材２２とを備えており、これらのリム２２，２３は、中心回転軸に対して垂直な方向に、比較的に薄いのが好ましい。内側リム２３及び外側リム２２の間を延伸させて複数のプロペラ、即ちランナー又はブレード部材２１が設けられており、これらのブレード２１は、軸方向の及びステータハウジング３０を介する流体の移動がロータ２０の回転を生じさせるように、公知の態様で角度が付され又は捻りが加えられている。ブレード２１の個別の数、構成及び材料組成は、変更することが可能であるが、好ましくは、ブレード２１は、構造的な一体性を過度に損なうことなく、できるだけ軽量であるように構成される。

大抵の条件のもとでは、タービン１０は、ロータ２０の軸が略水平に向いて、ブレード２１が略鉛直な平面内で回転するように、その方向が定められる。これに伴い、ハウジング３０の環状チャネル３２も略鉛直な平面を占めるように方向付けられる。これにより、チャネル３２、特にそのうち最も低い部位が、ロータ２０及びハウジング３０の間に取り込まれた漂積物の受け皿となり、この漂積物は、作動流体がタービン１０を通過する際に堆積する。このハウジングチャネル３２における漂積物の蓄積は、潮流を駆動源とするタービン等の低ヘッド条件で使用される水力発電タービン１０に顕在する問題である。水の流れが比較的に遅い場合は、漂積物の密度が比較的に高いことと相俟って、際立って多くの量の漂積物がロータ２０及びハウジング３０の間に取り込まれる傾向にある。静止したハウジング３０内でのロータ２０の回転と、これと協働する重力の作用とにより、漂積物がチャネル３２内に、特にチャネル３２の底部に蓄積していく。この蓄積量が過度に多くなると、漂積物の量又は個々の物体の大きさのいずれの観点からも、ロータ２０の回転に対して摩擦力の増大による悪影響が及び、タービンの効率が損なわれる。蓄積した漂積物がロータ２０又はチャネル３２の表面に損傷を与える場合もあり、このことは、磁石及びコイルを外側リム２２及びチャネル３２に設けて使用するタービンについて、特に有害である。

漂積物蓄積の問題を考慮して、ハウジング３０には、図４のように１以上の漂積物放出用のシュート、チャネル又は開口５０が設けられ、チャネル３２内に取り込まれた漂積物に対し、これを流出させ又は除去する手段が与えられている。この漂積物放出シュート５０は、漂積物の放出が重力の作用によって促進されるように、使用に際して略下方に向けられるのが好ましい。必ずしも要求されないが、少なくとも１つの漂積物放出シュート５０が、ハウジングチャネル３２の底部又は最も低い部位に直に設けられるのが最も好ましい。タービン１０が回転する影響によってチャネル３２内の漂積物に周方向の動きを生じさせることができるので、漂積物放出シュート５０は、水平上方の上側部分を含め、チャネル３２全体に沿って間隔を空けて配置することが可能である。漂積物放出シュート５０に関する個別の寸法、方向及び構成は、技術上の設計事項であり、図示のものから変更することができる。例えば、漂積物放出シュート５０は、図４においてタービン１０の回転軸に対して垂直なものとして示されているが、これ以外の方向に設定してもよい。同様に、図４の漂積物放出シュート５０は、平行な壁によって形成されているが、漂積物放出シュートは、その内径が増大し又は減少するように形成してもよい。

以上で述べた要素に対する均等物又は置換物が当業者にとって明らかであると理解されることから、本発明の範囲及び意義は、添付の請求の範囲に述べられるところに従って定められる。

Claims (3)

1. ブレードに外側リムが取り付けられたロータと、
   前記ロータの外側リムを収めるチャネルを有するハウジングと、
   電気を生成する発電手段と、
   を含んで構成され、
   前記チャネルにおいて、少なくとも１つの漂積物放出シュートが、前記ハウジングを、前記ロータの径方向に沿うように貫通して設けられ、
   前記ロータの外側リムと、前記ハウジングの前記チャネルとの間に取り込まれた漂積物が、前記漂積物放出シュートを通じて放出される流体駆動タービン。
2. 前記ロータは、その軸が略水平に向いており、
   前記漂積物放出シュートは、前記ハウジングの前記チャネルの底部に配置される請求項１に記載の流体駆動タービン。
3. 前記漂積物放出シュートは、その上側開口部が、前記ロータの外側リムの下端部に臨む請求項２に記載の流体駆動タービン。

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