JP5439386B2 - フローティングロータを備えた水力発電タービン - Google Patents

Description

本発明は、ステータとシャフトレスのロータとを備え、ロータがステータ内に回転自在に収容され、ステータ内でロータを実質的なハイポサイクロイド運動させることができる水力発電タービンに関する。

本発明は、全般的には、水の流れを利用することによって電気を生成するタービンの分野に関し、特に、大型の環状ハウジング内に配置された、環状の外側リムを備えた大型のインペラ式のロータを回転させる上記タービンに関するものである。

大多数のタービンはブレードまたはランナを取り付ける中心回転シャフトを有するように構成されているが、リムマウント式タービンとしても知られる中央部が開放されたタービンを製造することも知られている。内側および外側の環状リング（すなわちリム）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へ外側リムを介してエネルギーが伝達される、中央部が開放されたロータを備えたタービンは、特に低落差条件において、すなわち緩流のときに、特に功を奏する。

中央部が開放されたリムマウント式タービンの例は、特許文献１（１９９７年１月１４日に発行され、２００３年１２月２日にＲＥ３８,３３６として再発行された米国特許第５,５９２,８１６号明細書）、特許文献２（２００３年１１月１８日に発行された米国特許第６,６４８,５８９号明細書）、特許文献３（２００４年５月４日に発行された米国特許第６,７２９,８４０号明細書）、特許文献４（２００５年２月１０日に公開された米国特許出願公開第２００５/００３１４４２号（米国特許出願第１０/６３３,８６５号）明細書）に記載されている。低落差条件（潮流）で使用される水力発電タービンの例は、特許文献５（Ｈｅｕｓｓ ｅｔ ａｌ.の米国特許第４,４２１,９９０号明細書）、特許文献６および７（Ｖａｕｔｈｉｅｒの米国特許第６,１６８,３７３号明細書および同第６,４０６,２５１号明細書）、特許文献８（Ｓｕｓｍａｎ ｅｔ ａｌ.の英国特許出願第２,４０８,２９４号明細書）、特許文献９（Ｄａｖｉｓ ｅｔ ａｌ.の国際公開第０３/０２５３８５号パンフレット）に記載されている。

１９９７年１月１４日に発行され、２００３年１２月２日にＲＥ３８,３３６として再発行された、米国特許第５,５９２,８１６号明細書 ２００３年１１月１８日発行の米国特許第６,６４８,５８９号明 ２００４年５月４日発行の米国特許第６,７２９,８４０号明細書 ２００５年２月１０日公開の米国特許出願公開第２００５/００３１４４２号（米国特許出願第１０/６３３,８６５号）明細書 Ｈｅｕｓｓ ｅｔ ａｌ.の米国特許第４,４２１,９９０号明細書 Ｖａｕｔｈｉｅｒの米国特許第６,１６８,３７３号明細書 Ｖａｕｔｈｉｅｒの米国特許第６,４０６,２５１号明細書 Ｓｕｓｍａｎ ｅｔ ａｌ.の英国特許出願第２,４０８,２９４号明細書 Ｄａｖｉｓ ｅｔ ａｌ.の国際公開第０３/０２５３８５号パンフレット

流体動力式のタービンは、化石燃料や原子力エネルギーを利用する発電プラントに代わる、環境に安全な代替設備と考えられている。コンビナート、市街地、都市等に動力を供給できる大規模発電を行うために水を利用する場合、多数のタービンを設置する必要があり、また、各タービンの発電量を最大にするためにタービンをできる限り大型とする必要がある。これらのタービンのロータブレードは何メートルもの長さを有し、実験設計ではブレードの長さが５０ｍ超の場合もある。

ロータブレードが長くなると、小型のタービンすなわち発電機では発生しない構造上および製造上の問題が生じる。シャフトマウント式のタービンの場合、強くて軽い長ブレードを設けることは難しい。解決策の１つは、環状ハウジングに収められる外側環状リムをシャフトマウント式タービンのブレードに設けることで、シャフトとリムでブレードを支持するというものである。一方、中心シャフトを有しないリムマウント式タービンでは、環状のスロットまたはチャネルを有するハウジング内に外側支持リムが保持された状態で、ブレードの内側端部と外側端部を環状に支持することによって、この問題を解決する。一般的な発電手段では、多数の磁石が環状の支持リムに沿って間隔をあけて配置され、多数のコイルがステータのハウジング内の受入チャネルに沿って間隔をあけて配置されている。ロータ界磁によって形成された磁場はロータとステータとを隔てる隙間を横切り、ロータの回転によってコイルとの鎖交磁束が変化し、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内に入っているので、液中のデブリがチャネルに入り込んでしまう場合がある。著しいデブリの蓄積はロータの回転を妨害して損傷を与え兼ねない。デブリは比較的ゆっくりと流れる水からハウジングのチャネル内に沈降しやすいので、潮流発電機を使用する場合などの低落差条件では、デブリの蓄積がこの上ない問題となる場合がある。

本発明の目的は、環状の外側リムがロータブレード上に配設され、ステータに配設されたチャネル内にこの外側リムが保持されているタービンのための改良型構造を提供、タービンのベアリングの始動時摩擦を減少させ、使用中にベアリングをクリーニングおよび冷却して性能の向上を図ることである。

そこで、本発明は、ステータとシャフトレスのロータとを備え、ロータを回転自在に収容する開口部をステータが画成する水力発電タービンにおいて、この開口部は、ロータの中心軸のまわりでロータが回転でき且つ開口の周囲に沿ってロータがロータの回転方向と逆方向に変位できる、形状および寸法を有することを特徴とする水力発電タービンを提供する。

開口部は、ロータが実質的なハイポサイクロイド運動をできる形状および寸法を有することが好ましい。

タービンは、ステータ上のコイルのアレイおよびロータ上の対応する磁石のアレイを備えるリム発電機を有することが好ましい。

ステータ内でロータを支持する１セットのベアリングを有し、ベアリングは、ステータおよびロータのうちの一方にあるベアリングユニットのアレイと、ステータおよびロータのうちの他方にある、対応するジャーナルとを備えることが好ましい。

ベアリングユニットは使用中の磨耗に耐えられるように設計されていることが好ましい。

隣接するベアリングユニット間に間隔が設けられることが好ましい。

タービンが、対応する少なくとも１つのベアリングユニットに埋設され、ベアリングユニットの所定レベルの磨耗を知らせるようになっている少なくとも１つのセンサを有することが好ましい。

１セットのベアリングは、タービンの動作中に開水面にさらされるように配置されることが好ましい。

ロータは、少なくともその一部に浮揚材を含むことが好ましい。

ステータは、開口部を画成し且つ内部にロータを回転自在に保持する環状のチャネルを備えることが好ましい。

ロータは開放された中央部を備えることが好ましい。

ロータとステータは、ロータが両方向に回転できるようになっていることが好ましい。

本明細書で使用する「軸回転」という用語は、本体、例えば水力発電タービンのロータ、の縦軸のまわりの本体の回転を意味するものとする。

本明細書で使用する「変位」という用語は、経路、例えば曲線状または円状の経路、に沿った、本体、例えば水力発電タービンのロータ、の移動または変位を意味するものとする。

本明細書で使用する「ハイポサイクロイド」という用語は、回転体が自己の中心軸の周りに回転しながら開口部の周囲に沿って移動させる、回転体の外径より大きい直径を備える略円形の開口部内での１つの回転体の動きを意味するものとする。

本発明の好ましい実施形態にしたがう水力発電タービンの斜視図を示す。 図１のタービンのステータ形成部の斜視図を示す。 図１のタービンのロータ形成部の斜視図を示す。 図１のタービンの断面側面図を示す。 タービンのロータが図４の位置に対して前進した位置にある、図４の断面側面図を示す。

ここで添付図面を参照すると、使用中の構成要素の新規な動きをさせることによって動作を改善させるようにした、全体として１０で示されている本発明の好ましい実施形態にしたがう水力発電タービンが図示されている。タービン１０は、例えば海底に、使用時に固定されるステータ１２と、以下に詳述されるように、ステータ１２内に回転自在に保持されるロータ１４とを有する。

図３に示されるように、ロータ１４は、開放された中央部を画成する略円形の内側リム１６と、略円形の外側リム１８と、内側リム１６と外側リム１８の間に固定されているブレード２０のアレイと備える。しかし、タービン１０の動作に関する以下の説明から、ブレード２０の構成および／または枚数ならびに内側リム１６の設置が本発明の動作の必須事項ではく、本発明の機能性を維持しつつ変更可能であることが分かるであろう。

図２を参照すると、記載されている好ましい実施形態において、ステータ１２は、略環状のチャネル２２の形態の開口部を画成し、使用中は図１に示されるようにロータ１４の外側リム１８が内部に収められる。チャネル２２の幅は、内部に外側リム１８を受け入れるが潮流に対するロータ１４の不要な前後動を抑止する寸法となっており、チャネル２２は、ロータ１４を軸方向に保持する機械および／または磁気ベアリング（図示せず）を備えることが好ましい。図示していないが、タービン１０はリム発電機（図示せず）が備えており、このリム発電機は、必須部品として、外側リム１８およびチャネル２２の一方に設けられたコイルのアレイ（図示せず）と、外側リム１８およびチャネル２２の他方に設けられた、対応する磁石のアレイと、を備える。使用中、流れすぎる潮流に応じてロータ１４が回転すると、上記の磁石およびコイルが互いに相対移動し、これによって各コイルにおいて公知の方法で電流が生じる。

ここで図４を参照すると、ロータ１４およびステータ１２の間の径方向摩擦を小さくするために、チャネル２２内のベアリングユニットのアレイ（図示せず）と、外側リム１８の周囲を取り巻く、例えばステンレス鋼のジャーナル（図示せず）との形態の一組のベアリングが設けられている。ベアリングユニットは、一般的なアングルブロック、ローラ、または他のいずれか適切な機能的均等物の形態のものとすることができる。個々のベアリングユニットは、個々のベアリングユニットまたはブロックを効果的に画成するために、連続する円周方向のベアリングの周囲に間隔を空けて溝を機械加工することによって形成可能であることも分かるであろう。内部に外側リム１８が配置されているチャネル２２によって画成される開口部は、以下に詳述するように、内部にベアリングユニットが中に配置された状態で、ロータ１４がチャネル２２内での非同軸回転できるような形状および寸法となっている。

チャネル２２の直径はロータ１４と比較してかなり大きいため、外側リム１８、より詳しくはジャーナルはその時々でベアリングユニットの小さな円弧部分にしか接触しない。したがって、他のベアリングユニットはタービン１０を通過する開水面にさらされる。始動時に、ロータ１４の静止荷重によってジャーナルがステータ１２上の最下部のベアリングユニットに接する。しかし、ロータ１４に浮力があると、そのようにはならない。例えば、ロータ１４が中立浮力を上回っていれば、ジャーナルは、静止時にあってステータ１２上の最上部のベアリングユニットに接し、ステータ１２上方向の推力を与える。しかし、ロータ１４の浮力に拘わらず、潮流が通過し始めると、ロータ１４は、その中心軸周りで回転し始める。なお、ロータ１４がその軸上で回転すると、その結果、ロータ１４は、ロータ１４が回転している方向と逆方向にチャネル２２を徐々にまわりながら進む。従って、例えば、図４の矢印Ａで示されるように、潮流がロータ１４をロータ１４の軸線を中心として時計周り方向に回転させている場合、ジャーナルと軸線ユニットとの接触により、ロータ１４はチャネル２２の円周に沿って反時計回り方向に移動すなわち動く。図５を参照すると、図４に示す始点に対して、ロータ１４がチャネル２２の周に沿って約１／４周の位置に移動していることが分かる。ジャーナルとベアリングユニットとの間には相当な量の滑りが生じることになるが、このロータ１４の複合運動は、ハイポサイクロイド運動に非常に近いので、以下これを「実質的なハイポサイクロイド運動」と呼ぶことにする。中心シャフトはシャフト周りでの回転をロータ１４に強い、チャネル２２の周囲に沿ったロータ１４の移動を不可能にするため、この実質的なハイポサイクロイド運動を可能とするには、内側リム１６によって画成される中心開口部は必須でないが、ロータ１４が中心シャフトに取り付けられていない必要があることが分かるであろう。

潮汐が逆になると、ロータ１４はその軸を中心として逆方向に回転し、その結果、チャネル２２の周囲に沿って逆方向に移動することが分かるであろう。潮が転流し、その結果、ロータ１４がその軸を中心としてほとんどまたは全く回転しない間、ロータ１４は、図４に示すように、チャネル２２の底に向かって再び沈むことがある。

ロータ１４の実質的なハイポサイクロイド運動は、タービン１０動作中に多くの利点をもたらす。ロータ１４が一度に少数のベアリングユニットとしか接触しないので、他のベアリングユニットはタービン１０を通る潮流にさらされ、それによって、これらのベアリングユニットを流水によって冷却し、また、ベアリングユニット上またはベアリングユニット間に蓄積するデブリ等を押し流すことが可能となる。ロータ１４がチャネル２２の周上を移動するのに伴い、各ベアリングユニットが開水面に順次さらされ、それによって全てのベアリングユニットの冷却とクリーニングを順に行うことが可能となる。また、より大きな直径のチャネル２２内にロータ１４があるという構成により、ロータ１４とチャネル２２との間に隙間が生じるが、この隙間は、ロータ１４およびベアリングユニットの接触領域に向かって次第に狭くなっている。その結果、ロータ１４の回転方向についてジャーナルおよびベアリングユニットの接点のすぐ上流の、ジャーナルおよびベアリングユニット間の図中Ｂで表された空間では、水がジャーナルおよびベアリングユニットの接触領域に流入させられるとチャネル２２内の水が圧縮される。この空間Ｂ内の水の圧縮により、接触位置のベアリングユニットとジャーナルとの間に流体力学的効果が生じ、それによってロータ１４とステータ１２との間の摩擦が減少する。流体力学的効果を促進するために、各ベアリングパッドの接触面に対して流体力学的効果を最大限とするように輪郭形成する等の修正を施してもよい。

上記の実質的なハイポサイクロイド運動を可能とするために、チャネル２２によって画成される開口部を、ロータ１４に対してかなり大きいものとすることによって、タービン１０は、タービン１０が受ける潮汐力による熱膨張／収縮、および撓みまたは変形に対する耐性が向上する。どのような使用場所にあっても、タービン１０は、ステータ１２およびロータ１４の熱膨張／収縮を生じさせる温度差を受けやすい。また、潮流によってタービン１０にかかる大きな力により、タービン１０、特にロータ１４にいくらかの撓みや変形が生じる。ロータ１４に対してチャネル２２をかなり大きくすることにより、ステータ１２内でのロータ１４の噛み込み又は制動／減速を生じさせることなくタービン１０は熱膨張／収縮および変形することが可能となる。

先に述べたように、タービン１０は、外側リム１８およびチャネル２２の一方に複数のコイルが配置され、他方に対応する複数の磁石が配置されたリム発電機（図示せず）を備えている。ロータ１４が回転すると、コイルおよび磁石間の相対運動によって発電が起こる。磁石（図示せず）の磁界は、ロータ１４およびステータ１２間のウォータギャップを横断し、コイルを通り抜けてコイル内に電流を誘導する。ウォータギャップの寸法がロータ１４およびチャネル２２の周囲に沿って変化すると、各コイルを通り抜ける磁界の強さも変化する。ウォータギャップが大きくなるほどコイルを通り抜ける磁界の強さが小さくり、したがって、それらのコイルに誘導される電流も減少する。したがって、ロータ１４がチャネル２２の周上を移動すると、タービン１０の周囲に配設された個々のコイルによって生成される電流に変動が生じる。そのため、各コイルからの電流は結合する前に整流されることが好ましい。変動する交流電流を結合するより、このようにして直流電流を結合するほうが、はるかに問題が少ないからである。従って、タービン１０の非常に好ましい実施形態では、各コイル（図示せず）がコイル内で誘導された電流を整流するための手段を備えており、この手段は、各コイルに隣り合わせて設置された専用の整流器の形態であることが好ましい。

各ベアリングユニットは使用中に絶え間なく冷却およびクリーニングされるので、磨耗しにくくなる。しかし、それにもかかわらず、ベアリングユニットはいくらか磨耗する。しかし、タービン１０の動作はそのような磨耗に耐え得るものであり、この摩損は、ロータ１４がチャネル２２に沿って移動する経路の円周長を僅かに増加させるに過ぎず、従来のベアリングセット内に保持された一般的な同心回転ロータのように、ロータ１４に緩みが生じたり、ロータ１４がベアリングセットに合わなくなったりすることはない。タービン１０には、１以上のベアリングユニット内に所定の深さに埋設される１以上の磨耗センサ（図示せず）を備えることもできる。このようにすれば、ベアリングユニットの磨耗がセンサ（図示せず）にまで及んだ場合に、ベアリングユニットの磨耗が修理または交換を要する位置にまで進んだことを知らせる信号を生じさせることもできる。

このように、ロータ１０の実質的なハイポサイクロイド動作を可能とするタービン１０の設計は、従来の装置に対して、特にベアリングの冷却およびクリーニングにおいて、数多くの顕著な利点を提供することが分かるであろう。

１０ タービン
１２ ステータ
１４ ロータ
１６ 内側リム
１８ 外側リム
２０ ブレード
２２ チャネル

Claims (10)

1. ステータとシャフトレスのロータとを備え、前記ロータを該ロータの中心軸周りに回転自在に収容する開口部を前記ステータが画成し、前記ステータ内で前記ロータを支持する１セットのベアリングを有し、前記ベアリングは前記ロータおよび前記ステータのうち一方にあるベアリングユニットのアレイと前記ステータおよび前記ロータの他方にある対応するジャーナルを備える水力発電タービンにおいて、前記開口部は、前記ジャーナルがどの時点でも前記ベアリングユニットの小さな円弧部分のみに接触することにより前記開口の周囲に沿って前記ロータが前記ロータの回転方向と逆方向に変位できる形状および寸法を備えていることを特徴とする水力発電タービン。
2. 前記開口部は、前記ロータが実質的なハイポサイクロイド運動をできる形状および寸法を有する、請求項１に記載の水力発電タービン。
3. 前記ステータ上のコイルのアレイおよび前記ロータ上の対応する磁石のアレイを備えるリム発電機を有する、請求項１または２に記載の水力発電タービン。
4. 隣接する前記ベアリングユニット間に隙間が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水力発電タービン。
5. 前記対応する少なくとも１つのベアリングユニットに埋設され、前記ベアリングユニットの所定のレベルの磨耗を知らせるようになっている少なくとも１つのセンサを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水力発電タービン。
6. 前記１セットのベアリングは、前記タービンの動作中に開水面にさらされるように配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水力発電タービン。
7. 前記ロータは少なくともその一部に浮揚材を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水力発電タービン。
8. 前記ステータは、前記開口部を画成し且つ内部に前記ロータを回転自在に保持する環状のチャネルを備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水力発電タービン。
9. 前記ロータは開放された中央部を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水力発電タービン。
10. 前記ロータと前記ステータは、前記ロータが両方向に回転できるようになっている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の水力発電タービン。

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