JP5454946B2 - タービン発電ユニットおよび発電方法 - Google Patents

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関連出願

本願は、2007年11月19日付出願の米国特許出願第11/985,971号の優先権を主張しており、その全内容を、参照によって本願に組み込んだものとする。

本発明は、概して述べると、タービンに関するものであり、詳細には、流体の流れからのエネルギーを利用して動力を生成する高効率の一方向タービンに関するものである。

タービンは、流体の流れからのエネルギーを利用して動力を生成するものとして長い間利用されてきた。風からのエネルギーを利用しこれを動力に変換するものとして、風車、ジャイロミル、デルタタービン（delta turbine）やサイクロミル（cyclomill）が長きにわたって利用されてきた。水力タービンは、海流や潮流を利用するので、排出物のない再生可能なエネルギーを実質上無尽蔵に供給することができる。例えば、ダリウスタービン（Darrieus turbine）、風力タービン、ゴルロフのスパイラルタービン（Gorlov Helical Turbine）（ＧＨＴ）、水中タービンなどは、それぞれ特有の方法により、流体の流れのエネルギーを利用して動力を生成する。

垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）であるダリウス風力タービンは、垂直シャフトと、この垂直シャフトに固定され、この垂直シャフトにおいて互いに対称的に配置された複数の垂直翼とを備えている。その垂直シャフトはギアボックスと発電機に連結され、トルクを電力に変換する。ＶＡＷＴはどの方向の風からの風力も有効に利用できるが、幾つかの短所がある。第１に、ダリウスタービンは自己起動性に乏しく、流れを受けて回転し出す際に、何らかの始動力が必要である。第２に、ダリウスタービンの翼は、空気流の方向に対して垂直になる２つの位置において、その回転周期における最大のトルクを生成する。すなわち、ダリウスタービンの翼は、流れに対して迎え角が変化する。そのため、生成されるトルクには、正弦波状の変化が発生する。これが翼（ブレード）の固有振動数に合致すると、その共振は破壊的なものになり得る。したがって、ダリウスタービンには、破壊的な共振が生じる前にＶＡＷＴの回転を減速させる何らかの制動機構が必要となる。最後に、ダリウスタービンのシャフトと発電機とを接続するにあたり、ギアの多段化（gearing multiplication）が必要となる。これは、機械的不良の原因になり得る。

ゴルロフのスパイラルタービン（ＧＨＴ）は、ダリウスタービンの原理に基づいた水系タービンであり、翼状のブレードが中心部のシャフトおよび回転軸に沿って延びているという点が同じである。しかし、ＧＨＴの構造は、ダリウスタービンの短所を改善するようにされている。第１に、ＧＨＴの水中翼ブレードは、回転軸を中心として螺旋状に捻れているので、流れの中で、一定の最適な迎え角が常に得られる。これにより、ダリウスタービンの共振の問題が解消される。第２に、ＧＨＴは、タービンと発電機との間のギアを多段化する必要がない。しかし、これらの改良点にもかかわらず、ＧＨＴには幾つかの制限もある。まず、ＧＨＴは最大で約３５％の効率しか得られない。さらに、螺旋形状のブレードは直円筒の円周軌道を描くので、大きな遠心応力が発生する。また、ＧＨＴは、流入チャネルおよび流出チャネルを有する囲み構造を一般に必要とし、好ましくは、流体の流れをガイドして乱流を軽減するための内側に延びる湾曲した側壁を備えている。

海流や潮流は世界中に存在し、かつ、一定の速度で流れているか、またはその速度の変化は極めて容易に予測可能なので、これらのエネルギーを電気に変換することにより、世界中の多くの場所の電力システムに対し、電気を安定かつ確実に供給することができる。全世界の人口の約７０％が海から２００マイル（約３２０キロメートル）以内の地域に居住している点を踏まえても、これは有用な再生エネルギー源となる。したがって、潮流、公海の海流、河川、土手道、用水路や運河、ダム、およびその他の天然または人工の水流を含む様々な場所および水流条件からエネルギーを効率的に利用し、低速でも高い出力（電力）を発生する、容易に製造可能かつスケーラブル（拡大／縮小可能）な高効率タービンが、当該技術分野で望まれている。

本発明は、様々な場所および水流条件からエネルギーを効率的に利用し、低速でも高い出力を生成することができる、容易に製造可能かつスケーラブルな高効率タービンを提供することで、既存の水力タービンにかかる問題を解決する。

本発明は、長さが可変で、かつ発電機と係合可能なように構成された中心部のシャフトを備えるタービンを含む。このタービンは、さらに、前記中心部のシャフトに対してほぼ垂直に配設された複数の径方向スポークによって前記中心部のシャフトに連結された複数のブレード（翼）であって、流体の流れに曝されることで単一方向に回転し、かつ、このような回転によって前記シャフトの回転を引き起こす複数のブレードを備えている。前記複数のブレードは翼形状の断面を有しており、かつ、この断面は、その断面の翼弦と、その断面に対する相対的な流体の流れの方向に向いた線との交差角度によって決まる０°でない迎え角を、流れに対して有する。また、前記複数のブレードは、中心部のシャフトの周りに螺旋状軌跡となるように巻かれた湾曲形状をしており、その湾曲形状は、中心部のシャフトの長さに沿って半径が変化しており、これにより、タービンの長さ方向の中央部分付近における、その湾曲形状と前記中心部のシャフトとの間の距離が、タービンの両端部における当該距離よりも大きく設定されている。このようにして、前記複数のブレードは、回転時に樽状の筒の円周軌道を描く。また、ある実施形態において、前記複数のブレードの各ブレードの巻きは、中心部のシャフトを中心とした１回３６０°以上の回転に相当する。他の実施形態では、前記複数のブレードの巻き合計が、前記中心部のシャフトを中心とした１回３６０°以上の回転に相当する

本発明は、さらに、動力生成方法（発電方法）を含む。この動力生成方法は、長さを変えることができ、かつ、発電機と係合可能なように構成された中心部のシャフトを用意する過程と、前記中心部のシャフトに対してほぼ垂直に配設された複数の径方向スポークによって前記中心部のシャフトに連結された複数のブレードであって、流体の流れに曝されることで単一方向に回転し、かつ、このような回転によって前記シャフトの回転を引き起こす複数のブレードを用意する過程とを備えている。前記複数のブレードは翼形状の断面を有しており、かつ、この断面は、その断面の翼弦と、その断面に対する相対的な流体の流れの方向に向いた線との交差角度によって決まる０°でない迎え角を有する。また、前記複数のブレードは、中心部のシャフトの周りに螺旋状に巻かれた湾曲形状をしており、その湾曲形状は、中心部のシャフトの長さに沿って半径が変化しており、これにより、タービンの中央部分における、その湾曲形状と前記中心部のシャフトとの間の距離が、タービンの両端部における当該距離よりも大きく設定されている。前記方法は、さらに、前記中心部のシャフトと係合する発電機を用意する過程と、前記発電機および前記複数のブレードを前記中心部のシャフトに取り付けて、タービン発電ユニット装置を形成する過程と、流体の流れの中に前記タービン発電ユニットを配置する過程とを備えている。

本発明の詳細な説明を、以下の図面を参照しながら、その好ましい実施形態に基づいて行う。

本発明の前述した特徴、構成および利点およびその他の特徴、構成および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲および図面を参酌することで、より詳細に理解することができる。

本発明にかかるタービンの一実施形態を示す斜視図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態を示す断面図である。 図２のタービンを流体の流れの中に置いた状態を示す断面図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態を示す斜視図である。 図４ａの実施形態の側面図である。 図４ａの実施形態の一部を示す拡大側面図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態を示す平面図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態を示す端面斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる複数のタービンを発電機に連結した状態を示す斜視図である。 図６の拡大斜視図である。 図７の拡大図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態を示す部分斜視図である。 本発明にかかるタービンの他の実施形態を示す側面図である。 図１０ａのタービンを示す斜視図である。 図１０ａのタービンを示すさらなる斜視図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態について、様々な流れの流速条件下で、その回転速度とトルクとの関係を測定したグラフである。 図１１のトルクおよび回転速度の測定結果を、流れの流速を横軸にして表したグラフである。 本発明にかかるタービンの一実施形態について、様々な流れの流速条件下で、その回転速度と動力との関係を測定したグラフである。 本発明にかかるタービンの一実施形態と連結した発電機の発電機出力の測定結果を示すグラフである。 本発明にかかるタービンの一実施形態の代表値および計算値を示す表である。 本発明にかかるタービンの一実施形態の代表値および計算値を示すさらなる表である。 本発明にかかるタービンの一実施形態の断面を用いて、図１５および図１６の計算値を導き出す計算式を説明した図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態におけるトルク力の数値グラフである。 本発明にかかるタービンの一実施形態における迎え角のグラフである。 本発明にかかるタービンの一実施形態の揚力係数および抗力係数を示すグラフである。 本発明にかかるタービンの一実施形態の最大変位量のシミュレーション結果を示す図である。 本発明にかかるタービンの一実施形態の最大応力値のシミュレーション結果を示す図である。

本発明は、タービンおよびタービンの製造方法を含む。本発明の独自の設計により、様々な場所および水流条件からエネルギーを効率的に利用し、低流速でも高い出力（電力）を生成することができる、容易に製造可能かつスケーラブル（拡大／縮小可能）な高効率タービンを提供する。本発明にかかるタービンの製造方法は、低コストかつ容易に再現できるスケーラブルなプロセスである。本発明の様々な特徴および利点を、好ましい実施形態および変形例を参照しながら以下で説明する。しかしながら、当業者であれば、本発明の範囲および原理から逸脱することなく、本明細書に開示された構造および方法に対する代替的な実施形態も想定可能であることを理解するであろう。

図１に示すように、本発明にかかる高効率タービン１００の例示的な一実施形態は、中心部のシャフト１１０と、この中心部のシャフト１１０の周りに螺旋経路を描くように巻かれた複数のブレード１０５とを備えている。同図において、タービン１００は、中心部のシャフト１１０を基準として対称に配置された２つのブレード１０５を備えており、これら２つのブレード１０５は、互いのブレードの全長方向の同一部位の内表面同士が対向し合うように互いに絡み合っている。複数のブレード１０５は複数の径方向スポーク１１５を介して中心部のシャフト１１０に連結しており、これにより、複数のブレード１０５が回転することで、中心部のシャフト１１０が回転する。前記複数の径方向スポーク１１５は軽量かつ強固であり、これら複数の径方向スポーク１１５を、部品同士を強固に連結しかつ連続負荷条件下でも締結状態を維持できる任意の締結手段を介して、対応する複数のブレード１０５に連結することができる。このような締結手段には、リベット、ナット、ボルト、ねじ、ねじ付きピン（threaded guide dowel）などの機械式の締結具が含まれるが、これらに限定されない。複数のブレード１０５を複数の軽量な径方向スポーク１１５を用いて中心部のシャフト１１０に連結する構成により、効率の低下を招きタービンの端部損失を引き起こす従来の重いスポークおよび／または端部ディスクを使用する必要性が省かれる。

図１のタービン１００の実施形態から分かるように、径方向スポーク１１５は、中心部のシャフト１１０に対してほぼ垂直であり、複数のブレード１０５を、中心部のシャフト１１０の全長における１つ以上の箇所に連結させている。同図において、複数の径方向スポーク１１５は、中央部位に位置する第１径方向スポーク１１５ａを基準として、中心部のシャフト１１０に沿った長手方向に対称的に離間している。長手方向の中央部位に位置する複数の第１径方向スポーク１１５ａは、その中央部位において、複数のブレード１０５を中心部のシャフト１１０に連結している。複数の第２径方向スポーク１１５ｂは、前記複数の第１径方向スポーク１１５ａから等距離の部位において複数のブレード１０５を中心部のシャフト１１０に連結している。複数の第３径方向スポーク１１５ｃは、前記複数の第１径方向スポーク１１５ａから前記複数の第２径方向スポーク１１５ｂをさらに越えた、第２径方向スポーク１１５ｂから等距離の部位において、複数のブレード１０５を中心部のシャフト１１０に連結している。

一実施形態において、第１径方向スポーク１１５ａ、第２径方向スポーク１１５ｂおよび第３径方向スポーク１１５ｃは、一対ずつが、中心部のシャフト１１０に沿って対称的に離間しており、このようにして複数のブレード１０５のうちの１つ以上のブレードが、各対のスポークによって中心部のシャフトの同一箇所に連結されている。他の実施形態において、径方向スポーク１１５の各対は、それぞれ、複数のブレード１０５のうちの１つのブレードから中心部のシャフト１１０を経て別のブレードに延びる一本の鋼製ロッド（棒材）としてもよい。当業者であれば、第１径方向スポーク１１５ａ、第２径方向スポーク１１５ｂおよび第３径方向スポーク１１５ｃを中心部のシャフトに沿って非対称的に離間させたり、複数のブレード１０５を中心部のシャフト１１０に、このシャフト１１０の１つ以上の互いに異なる連結箇所でそれぞれ連結するようにしてもよいことを理解するであろう。また、本発明にかかるタービン１００は、複数のブレード１０５を所望の形態で中心部のシャフト１１０に確実に連結するものであれば、何本の径方向スポーク１１５を用いてもよい。また、一例として図１に示すように、第１径方向スポーク１１５ａは第２径方向スポーク１１５ｂよりも長く、第２径方向スポーク１１５ｂは第３径方向スポーク１１５ｃよりも長い。このような長さの変化により、タービンは長手方向中央部が大径で、両端部が小径の樽状になる。図１には、タービン１００の二次元投影１２０が含まれており、この投影に含まれる一連の破線１２５は、複数のブレード１０５が回転する際に描く樽状の筒を示している。１つ以上の径方向スポーク１１５の長さを変化させることで、複数のブレード１１５が描く前記樽状の軌跡形状を変化させることができる。

図２および図３に示すように、複数のブレード１０５は、前縁２１０、後縁２２０および中心翼弦２３０を含む空気翼形状または水中翼形状の断面２００を有している。本発明の一実施形態において、水中翼断面２００は、空気力学的なアスペクト比、例えば、ＮＡＣＡ００１８またはＮＡＣＡ００２０を有する。これにより、タービン１００の回転速度は最大になり、かつ、複数のブレード１０５は、遠心力および流体の力に耐えることのできる強固な形状となる。水中翼断面２００は、中心翼弦２３０を基準として対称であってもよいが、好ましくは、非対称である。非対称の構造により、生成トルクが最大になるので、最大の効率が得られる。

また、水中翼断面２００の迎え角２４０は０°でなく、これにより、生成トルクを最大にする揚力が生成される。迎え角２４０は、中心翼弦２３０と、水中翼断面２００に対する相対的な流体の流れの方向２５０に向いた線２４５との交差角度である。本発明の一実施形態において、複数のブレード１０５の各ブレードの迎え角２４０は、そのブレードの長さに沿って変化するように設定されている。このように複数のブレード１０５の水中翼断面２００は生成トルクが最大になるように構成されているが、複数の径方向スポーク１１５も、同様の効果に寄与するように構成されてよい。一実施形態において、複数の径方向スポーク１１５も水中翼形状の断面２００を有しており、かつ、その断面２００の前縁２１０はタービン１００の回転方向を向いている。この場合、複数の径方向スポーク１１５の前縁２１０が複数のブレード１０５の前縁２１０と同一の方向を向くので、タービン１００の空気力学的形状の効率がさらに向上する。

図４ａ〜図５ｂは、本発明の図１に示す実施形態のさらなる図面である。当業者であれば、図中に記載された全ての寸法は拡大・縮小可能であり、かつ、本発明の一実施形態の一例に過ぎないことを理解するであろう。タービン１００の一実施形態は、中心部のシャフト１１０と、この中心部のシャフト１１０の周りに螺旋状に巻かれた複数のブレード１０５とを備えている。さらに、複数のブレード１０５は、ブレードの一点をその垂直平面上において角度方向に回転させることで樽状の湾曲した輪郭を描き、つまり、これに対応した軌跡形状を有する。すなわち、複数のブレード１０５の螺旋状に巻かれた湾曲形状は、中心部のシャフト１１０の長さに沿って半径が変化するように構成されている。本発明のこの実施形態の端面図（平面図）である図５ａ、および本発明のこの実施形態の端面斜視図である図５ｂのいずれの図にも、回転時に樽状の筒の円周軌道を描く、複数のブレード１０５の上記のような螺旋状に巻かれた湾曲形状が明確に示されている。

図４ａ〜図４ｃの実施形態において、タービン１００が描く樽状の軌跡形状は径方向スポーク１１５によって保持されており、タービン１００のほぼ中央に配設された複数の第１径方向スポーク１１５ａの長さは１５インチ（約３８センチメートル）である。複数の第１径方向スポーク１１５ａの両側に配設された複数の第２径方向スポーク１１５ｂの長さは１４インチ（約３６センチメートル）であり、タービン１００の両端部の近傍に配設された第３径方向スポーク１１５ｃの長さは１２インチ（約３０センチメートル）である。複数の第１径方向スポーク１１５ａから複数の第３径方向スポーク１１５ｃへと外側に向かって複数の径方向スポーク１１５の長さが徐々に減少する構成と、中心部のシャフト１１０に沿って複数の径方向スポーク間の距離が減少する構成との組合せにより、複数のブレード１０５が、半径が変化する樽壁の軌跡形状を描くようにして中心部のシャフト１１０に固定されることを確実にしている。複数のブレード１０５の独特の湾曲形状（螺旋状に巻かれてかつ樽状に湾曲している）により、ブレードの強度は向上し、負荷条件下での応力および歪みが減少する。さらに、この独特の樽状の軌跡形状により、本発明にかかるタービン１００は、直円筒の軌跡形状を有するタービンよりも高効率で動作することができる。例えば、図１５および図１６で説明する実施形態において、タービン１００について算出された効率は少なくとも４３％であり、これと同様の寸法を有する直円筒の軌跡形状のタービンの効率は最大で約３５％までにしか達しなかった。

樽状の軌跡形状の他にも、本発明にかかるタービン１００は、その効率に寄与するさらなる特性を有する。例えば、一実施形態において、複数のブレード１０５は、半径を変化させながら中心部のシャフトの周りに螺旋状に巻かれることに加えて、その巻きが１回３６０°以上の回転に相当している。図４ａ、図４ｂおよび図５ｂのタービン１００の実施形態では、各ブレード１０５が中心部のシャフト１１０を中心として３６０°巻かれており、すなわち、この実施形態の２つのブレード１０５は、２つの３６０°回転を与えている。他の実施形態（図示せず）において、各ブレード１０５は９０°巻かれており、タービンは各側に４つのブレード１０５を備えている。この代替的な実施形態では、ブレードの少なくとも一部が、流体の好ましい流れ位置に常に位置する。さらなる他の実施形態において、タービン１００は、それぞれ１２０°巻かれた３つのブレード１０５を備えている。さらなる他の実施形態において、タービン１００は、それぞれ７２°巻かれた５つのブレード１０５を備えているか、またはそれぞれ６０°巻かれた６つのブレード１０５を備えている。ブレード１０５の個数は、特定の河川または潮の場所が持つ特性に応じて選択される。しかしながら、これら実施形態において、複数のブレード１０５の巻き合計は３６０°回転である。

複数のブレード１０５は、図３の流れの方向２５０に対する０°でない最適な迎え角２４０を形成する少なくとも１つの位置、より好ましくは、少なくとも２つの位置を常に有することができる。この可変の迎え角２４０により、タービン１００の長さ方向の中央部分の周速度の低さを補償することができる。複数のブレードの、迎え角２４０を変化させながら中心部のシャフト１１０を中心として回転する上記のような構成により、乱流の可能性が減少し、かつ、タービン１００の効率が向上する。

さらに、０°でない変化する迎え角２４０により、タービン１００を流体の流れの中に配置した際、その水中翼断面２００の周りに圧力差が生じる。これにより、タービン１００は確実に自己始動する。また、本発明にかかるタービン１００は、抗力ではなく揚力の原理で動作する他のタービンと同様に、流体の流れの方向２５０に関係なく一方向にのみ回転する。このようにして、本発明にかかるタービン１００の空気力学に基づいたブレードは、タービン１００に接近するどの方向からの流体の流れ２５０からも効率的にエネルギーを利用することができる。

図６〜図８に、タービン発電ユニット（ＴＧＵ）６００に装着される本発明にかかるタービン１００の一実施形態を示す。中心部のシャフト１１０は、動作時の力に耐えることのできる堅牢な任意の材料から製造されたものである。例えば、中心部のシャフト１１０は、直径２インチ（約５センチメートル）のスケジュール８０（schedule 80:）の鋼製バイプであり、そのパイプ長は、１つ以上のタービン１００を設置できるように、および／または１つのタービン１００における複数のブレード１０５の湾曲形状の変化に対応できるように、様々な長さが選択される。

図６〜図８では、１つ以上のタービン１００が、１本のシャフト１１０に取り付けられ、それらタービンとタービンとの間に、水中利用可能な永久磁石発電機６０５が設けられている。また、この発電機６０５はギアの多段化を必要としない。複数のタービン１００が流体の流れの中で回転し、そのエネルギーを機械エネルギーに変換し、それを、回転する中心部のシャフト１１０を介して前記水中利用可能な永久磁石発電機６０５に直接伝達させる。

端部の軸受支持体６１０および中央の軸受支持体６１５内に収容された複数の軸受６０７は、中心部のシャフト１１０を支持する。外側の横断面形状の小さい構造体６２０は、端部の軸受支持体６１０と中央の軸受支持体６１５とを接続する基台枠を提供する。外側の構造体６２０は、動作時の力に耐えることのできる任意の適切な材料、例えば、６インチ（約１５センチメートル）のスケジュール４０の鋼製パイプとしてもよい。外側の構造６２０と軸受支持体６１０，６１５との間のさらなる支持部材として、例えば、厚さ１／２インチ（約１．３センチメートル）の鋼製プレートの１つ以上の支持ガセット（strut gusset）６２５（図９）を設けてもよいが、これに限定されない。一実施形態では、図８に示すように、中央の軸受支持体６１５が、ＴＧＵ６００全体をばらすことなく中心部のシャフトへの発電機６０５の容易な取付け・取外しを可能にする、シャフト延長システム８００も支持している。ＴＧＵ６００の複数のタービン１００および発電機６０５を取り囲む外側の細い構造体６２０は、流体の流れをほとんど妨害しないので、本発明のタービン１００の高効率および最大出力に貢献している。

発電機６０５は機械エネルギー（すなわち、ＲＰＭおよびトルク）を電気に変換する。一実施形態では、パワーエレクトロニクスシステム（図示せず）が、発電された電気を制御し、そのコンディショニングを行い、それを同期化する。同期化された電気は、１つ以上の水中送電ケーブル（図示せず）を介して陸上の変電所に到達する。代替的な実施形態では、電気エネルギーを陸上に送信する代わりに、沖合の発電システム（図示せず）が水素および／または飲用水を生産した後、この水素および／または飲用水を世界中の受入れ基地に輸送するようにしてもよい。

水中利用可能なＴＧＵ６００は、流れの中の最適な場所へと、流体の流れのエネルギーを最も完全かつ効率的に利用できること、および商船活動やその他の水上活動の妨げにならないことの２つの要件を満足するようにして配置可能である。流速は一般的に深さに応じて変化するので、すなわち、通常、同一の水平面上では流速に変動はほぼ生じないので、図６〜図８に示すＴＧＵ６００の水平方向形態は最大の取り出し効率を得ることができる。また、図１０ａ〜図１０ｃに示すように、水中利用可能なタービン発電ユニット４００は垂直方向形態の用途にも適応できる。好ましくは、このような垂直方向形態のタービン発電ユニットは、流速が垂直平面において実質上均一な水路で使用される。また、このような水路の流れは一方向である場合が多い。

本発明の実施形態にかかる水中利用可能なタービン発電ユニット６００は、図１０ｃに示すバージ船などの取付プラットフォームに個別に取り付けてもよいし、または複数のタービン発電ユニット６００を、水中に完全に沈めることのできるプラットフォーム構造体（図示せず）に（積重ねて）一緒に取り付けてもよい。このようなプラットフォームは、係留ラインおよび碇を含む係留システムによって水路の底に引っ掛けられてもよい。あるいは、浅瀬でＴＧＵ６００を使用する場合には、ＴＧＵ６００を、杭またはその他の適切な既存の基礎構造、例えば、既存の石油掘削プラットフォームや桟橋に直接取り付けてもよい。

次に、本発明にかかる実際の測定パラメータ値を考える。図１１〜図１３に、本発明にかかるタービン１００の一実施形態である、図４ａ〜図４ｃに示したような１／３縮尺のタービンの、トルクと動力との測定結果を示す。縮尺は、本発明にかかるタービン１００の物理的な長さ寸法を指す。実寸大のタービン１００は実験用の１／３縮尺版よりも３倍大きく、その中心翼弦２３０も１／３縮尺版よりも３倍長い。また、動力出力は、タービン１００の縮尺率の二乗に比例する。

様々な流速下で算出したトルクとタービンの毎分回転数（ＲＰＭ）との関係を示すグラフである図１１および図１２から分かるように、最適なトルク値を生成するタービンのＲＰＭは、図中のいずれの流速においても特定可能である。流速約０．５ｍ／ｓから約３．５ｍ／ｓの範囲において、１／３縮尺のタービン１００のトルクのピークは、約２５０Ｎｍから約８０００Ｎｍである。同一の条件下で、最適のトルク条件でのタービンのＲＰＭは、約１０ＲＰＭから約１９０ＲＰＭである。

図１３は、様々な流速下でのキロワット予測動力（ｋＷ）と、タービンの毎分回転数（ＲＰＭ）との関係を示すグラフである。最適な動力出力を生じるタービンのＲＰＭは、図中のいずれの流速においても特定可能である。流速約２．０ｍ／ｓから約３．５ｍ／ｓの範囲において、１／３縮尺のタービン１００の動力のピークは、約１０ｋＷから約５５ｋＷである。同一の条件下で、最適の動力出力レベルを生じるタービンのＲＰＭは、約４０ＲＰＭから約７０ＲＰＭである。

図１１および図１２のトルク計算および図１３で算出した動力出力を踏まえると、本発明にかかるタービン１００のこの１／３縮尺の実施形態における最適な出力およびトルクが、いずれの特定の流速においても特定可能なことが分かる。流速約３ｍ／ｓの場合、タービンが５５ＲＰＭであるときに、最大のトルク約６０００Ｎｍが生じる。この条件下の動力（出力）は、３０ｋＷから４０ｋＷ、詳細には、３５ｋＷ付近であり、これは同様の寸法での単一のＧＨＴの動力の２倍に相当する。図１４は、本発明にかかるタービン１００の１／３縮尺の実施形態に用いる永久磁石発電機の一構成の出力パラメータに関する予測データを示したグラフである。同予測データでは、パワーエレクトロニクスによって電圧の上限を設定した。全体的に、発電機の電圧およびＫＶＡ（皮相電力）は、流速の増大に対して線形的に増加する。

図１５〜図２２に、本発明にかかるタービン１００の性能評価の他の側面を示す。図１５よび図１６は、本発明にかかるタービン１００と、このタービンと同様の動力出力約６９．９４ｋＷを生成可能なゴルロフのスパイラルタービン（ＧＨＴ）とを比較したものである。図１５および図１６の実施形態において、本発明にかかるタービン１００の効率は４３％であり、他方、ＧＨＴの効率は３０％に過ぎない。図１７の図および計算式は、図１５および図１８〜図２０の計算値をどのようにして導き出したかを示したものである。図１８は、図１５の表に挙げた寸法を有する複数のブレード１０５の例示的な実施形態について算出したトルク力（トルクを与える力）を示したものである。図１９は、図１５の表に挙げた寸法を有する複数のブレード１０５の例示的な実施形態について算出した迎え角２４０を示したものである。図２０は、図１５の表に挙げた寸法を有する複数のブレードの例示的な実施形態について算出した揚力係数および抗力係数を示したものである。当業者であれば、タービン１００の効率および出力が直径および流速に強く依存することを理解できるであろう。

図２１および図２２の負荷解析モデルが示すように、本発明にかかるタービン１００の樽状軌跡形状は、動力生成を高効率で行えることに加えて、高い応力にも耐えることができる。図１５の表に挙げた寸法を有するタービン１００の一実施形態の場合、２５０ＲＰＭでの最大の変位量は２ミリメートル未満である。図２１によると、複数のブレード１０５の「何もない」部分（すなわち、スポークとスポークとの間の部位）の中間部位において最大の変位量約１．８６ｍｍが生じた。図２２に示すように、タービン１００の動作シミュレーションを、速度２５０ＲＰＭでの遠心負荷応力（centrifugal loading stress）について行った結果、径方向スポーク１１５における中心部のシャフト１１０に近い部位に高い応力が観測された。この高い応力は最大で約８０ＭＰａに達した。構造用鋼の降伏強度および破壊強度はそれぞれ約２５０ＭＰａ、約４００ＭＰａなので、鋼製の径方向スポーク１１５は破壊することなく遠心負荷に耐えることができる。

本発明はタービン１００の製造方法も含む。タービン用の複数のブレード１０５および径方向スポーク１１５は軽量かつ耐久性に優れた任意の材料、例えば、軽量金属、複合繊維またはプラスチックなどから製造されたものであり、また、タービン用のブレード１０５および径方向スポーク１１５は中空でも中実でもよい。本発明の一実施形態において、複数のブレード１０５および径方向スポーク１１５は、高強度プラスチック材料から製造された中空でない部材とされる。この高強度プラスチック材料は、ポリヒドロキシブチレート系プラスチック、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、アクリル、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリフェニルスルフィド、シリコーンおよびポリウレタンで構成されるグループから選択される。複数のブレード１０５および径方向スポーク１１５は、機械加工、押出成形、射出成形などの一種類以上の公知の製造方法を経て製造されたものであってもよい。

本発明の一実施形態にかかる複数のブレード１０５の好ましい一製造方法について説明する。第１ステップは、特定の内径、長さおよび側壁厚を有するパイプの選択の過程を含む。パイプの内径は、複数のブレード１０５が中心部のシャフト１１０の周りに螺旋状に巻かれる際の最大半径を決定する。同様に、パイプの長さは、複数のブレード１０５の長さに近似している。ただし、一製造方法において製造されるアセンブリは、複数のブレード１０５を製作するための少なくとも１つの螺旋状部材の延伸および／または収縮の過程を含む。また、側壁厚は、複数のブレード１０５の水中翼断面２００の最大の厚さ２３５（図３）を決定する。

次に、第２ステップは、パイプを螺旋状の経路に沿って切断し、ブレード１０５に加工する前の螺旋状部材を製作すること、すなわち、ブレード１０５のブランク材を製作することを含む。パイプを前記螺旋状の経路に沿って切断する過程は、ＣＡＤを利用したＣＮＣドリル加工やＣＮＣフライス加工などの公知の手段を用いて自動化してもよいし、または人手による切断でも十分である。特定の螺旋形状を有する螺旋状部材を製作する際、パイプの表面にテンプレート（型板）、例えば、木製のガイド用レールを固定することにより、手動のこぎりや動力のこぎりなどの切断工具を用いてパイプを周方向に正確な軌道で切断するようにしてもよい。

第３ステップは、製作された螺旋状部材を形削り用の取付具に固定することを含む。第４ステップは、このように固定された螺旋状部材を工業用の形削り盤の切削加工面に通し、螺旋状部材の長さに沿ってその水中翼断面を滑らかに成形することを含む。この工業用の形削り盤の切削加工面の形状は、水中翼断面２００を所望の形状に加工するように設定されている。本発明にかかる方法の一実施形態では、非対称的な水中翼断面を形成する形削り盤により、螺旋状部材の両側を成形するようにしてもよい。単一の工業用の形削り盤に対し、まず螺旋状部材の１つの側を切削加工面に向けて通し、次に、この側と平行な第２の側を切削加工面に向けて通すことで、中心翼弦２３０を基準とした断面２００を持つ水中翼を製作することができる。

本発明のタービン１００の樽状の軌跡形状を製作するには、中心部のシャフト１１０の長さに沿って正確に適合するように、かつ、様々な長さを有する複数の径方向スポーク１１５に連結できるように螺旋状部材を調節したり、特定の部位を延伸または収縮したりすることが必要となる。代替的な実施形態では、複数のブレードの所望の形状を、形削り工程で形成してもよい。このような実施形態では、第２ステップで製作される螺旋状部材は、螺旋状部材の長さ方向の中間部分（中央部分）における水中翼断面２００が、螺旋状部材の長さ方向の両端における水中翼断面２００よりもパイプの外壁に近い部分となるようにパイプを形削り盤に対して放物線状に通すことで製作される。本発明にかかるタービン用のブレード１０５の製造方法のこの代替的な実施形態では、第１ステップで選択されるパイプの壁厚は、ブレード１０５の樽状軌跡の曲率を実現できる十分な厚さとされる。

前述の例は例示的なものに過ぎないので、本発明を限定するものとして解釈されるべきでない。本発明を例示的な実施形態を用いて説明したが、本明細書で用いた文言は説明用および例示用の文言に過ぎず、限定的な意味を含む文言ではないことを理解されたい。本発明の精神と範囲を逸脱しない程度の変更は、現時点の特許請求の範囲内および補正後の特許請求の範囲内に含まれ得る。本発明の説明を、特定の手段、材料および実施形態に言及しながら行ったが、本発明は本明細書中に開示された特定の事項に限定されない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲内の構造、方法および用途も含め、機能的に等価なあらゆる構造、方法および用途を内包する。

Claims (37)

1. 発電機の両側に、回転による機械エネルギーを前記発電機に伝達する一対のタービンが連結されたタービン発電ユニットであって、
   前記タービンは、
   ａ）長さが可変で、かつ、発電機と同心に係合された中心部のシャフトと、
   ｂ）前記中心部のシャフトに対してほぼ垂直に配設された複数の径方向スポークによって前記中心部のシャフトに連結された複数のブレードであって、流体の流れに曝されることで単一方向に回転し、かつ、このような回転によって前記シャフトの回転を引き起こす複数のブレードと、を備え、
   前記複数のブレードは、
   ｉ）翼形状の断面を有しており、かつ、この断面は、その断面の翼弦と、その断面に対する相対的な流体の流れの方向に向いた線との交差角度によって決まる０°でない迎え角を有しており、
   ｉｉ）中心部のシャフトの周りに螺旋状軌跡となるように巻かれた湾曲形状をしており、その湾曲形状は、中心部のシャフトの長さ方向に沿って半径が変化しており、これにより、タービンの長さ方向の中央部分における、その湾曲形状と前記中心部のシャフトとの間の距離が、タービンの両端部における当該距離よりも大きく設定されており、
   さらに、
   ｃ）前記中心部のシャフトと前記発電機との間に配置されて前記タービンをばらすことなく前記発電機を前記中心部のシャフトに対して取付け・取外しを可能にするシャフト延長システムを備え、前記発電機が、その両側に配置された各シャフト延長システムを介して、前記一対のタービンに連結されている
   タービン発電ユニット。
2. 請求項１において、前記長さが可変の中心部のシャフトが、１つ以上のタービンを設置できるように構成されており、および／または１つのタービンにおける複数のブレードの湾曲形状の変化に対応できるように構成されている、タービン発電ユニット。
3. 請求項１において、前記複数のブレードが、前記中心部のシャフトの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも２つのブレードである、タービン発電ユニット。
4. 請求項１において、前記迎え角が、当該タービンの長さに沿って変化している、タービン発電ユニット。
5. 請求項１において、前記複数のブレードの湾曲形状の投影が樽状であり、この樽状の投影において、当該タービンの端部における前記複数のブレードと前記中心部のシャフトとの径方向距離は、当該タービンの両端部間の任意の部位における当該径方向距離よりも小さい、タービン発電ユニット。
6. 請求項１において、前記複数のブレードの巻き合計が、前記中心部のシャフトを中心とした１回３６０°以上の回転に相当する、タービン発電ユニット。
7. 請求項１において、前記０°でない迎え角により、当該タービンの生成トルクが最大になり、タービン効率が約４３％に達する、タービン発電ユニット。
8. 請求項７において、流体が約０．５ｍ／ｓから約３．５ｍ／ｓの流速で流れている場合、当該タービンが毎分約１０から約１９０回の範囲内で回転している際に前記生成トルクがピークに達する、タービン発電ユニット。
9. 請求項７において、約３ｍ／ｓの流れにおいて、当該タービンが毎分約４０から約６０回の範囲内で回転している際に、前記生成トルクが、約５５００Ｎｍから約６５００Ｎｍの最適のトルクピークに達し、好ましくは、当該タービンが毎分約５５回で回転している際に、前記生成トルクが、約６０００Ｎｍの最適のトルクピークに達する、タービン発電ユニット。
10. 請求項９において、当該タービンが毎分５５回で回転して約６０００Ｎｍのトルクを生成している際の当該タービンの動力が、３０ｋＷから４０ｋＷ、好ましくは、３５ｋＷである、タービン発電ユニット。
11. 請求項１において、前記複数のブレードの、半径を変化させながら螺旋状に巻かれた湾曲形状により、負荷条件下での応力および歪みが軽減される、タービン発電ユニット。
12. 請求項１１において、当該タービンの一端部を固定した状態で２５０ＲＰＭの遠心負荷に曝した場合、前記複数のブレードが最大で約１．８６ミリメートルの変位を生じる、タービン発電ユニット。
13. 請求項１において、流動気体および／または流動液体中に沈められた状態で運転する、タービン発電ユニット。
14. 請求項１において、前記複数のブレードが軽量かつ耐久性に優れた材料から製造されたものである、タービン発電ユニット。
15. 請求項１４において、前記軽量かつ耐久性に優れた材料が、ポリヒドロキシブチレート系プラスチック、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、アクリル、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリフェニルスルフィド、シリコーンおよびポリウレタンで構成されるグループから選択される高強度プラスチック材料である、タービン発電ユニット。
16. 請求項１４において、前記複数のブレードが機械加工されたものである、タービン発電ユニット。
17. 請求項１４において、前記複数のブレードが押出成形されたものである、タービン発電ユニット。
18. 請求項１４において、前記複数のブレードが射出成形されたものである、タービン発電ユニット。
19. ａ）長さが可変で、かつ、発電機と同心に係合される中心部のシャフトを用意する過程と、
    ｂ）前記中心部のシャフトに対してほぼ垂直に配設された複数の径方向スポークによって前記中心部のシャフトに連結された複数のブレードであって、流体の流れに曝されることで単一方向に回転し、かつ、このような回転によって前記シャフトの回転を引き起こす複数のブレードを用意する過程と、を備え、
    前記複数のブレードは、
    ｉ）翼形状の断面を有しており、かつ、この断面は、その断面の翼弦と、その断面に対する相対的な流体の流れの方向に向いた線との交差角度によって決まる０°でない迎え角を有しており、
    ｉｉ）中心部のシャフトの周りに螺旋状に巻かれた湾曲形状をしており、その湾曲形状は、中心部のシャフトの長さ方向に沿って半径が変化しており、これにより、タービンの長さ方向の中央部分における、その湾曲形状と前記中心部のシャフトとの間の距離が、タービンの両端部における当該距離よりも大きく設定されており、
    さらに、
    ｃ）発電機を用意する過程であって、前記中心部のシャフトと前記発電機との間に配置されて前記タービンをばらすことなく前記発電機を前記中心部のシャフトに対して取付け・取外しを可能にするシャフト延長システムを使用し、前記発電機を、その両側に配置された各シャフト延長システムを介して、回転による機械エネルギーを前記発電機に伝達する一対の前記タービンに連結する過程と、
    ｄ）前記発電機および前記複数のブレードを前記中心部のシャフトに取り付けて、タービン発電ユニットを形成する過程と、
    ｅ）流体の流れの中に前記タービン発電ユニットを配置する過程と、
    を備える、発電方法。
20. 請求項１９において、さらに、
    前記タービン発電ユニットと発電基地局とを結ぶ送電ラインを介して、前記発電機からの電力を利用する過程、
    を備える、発電方法。
21. 請求項１９において、前記長さを変えることのできる前記中心部のシャフトが、１つ以上のタービンを設置できるように構成されており、および／または１つのタービンにおける複数のブレードの湾曲形状の変化に対応できるように構成されている、発電方法。
22. 請求項１９において、前記複数のブレードが、前記中心部のシャフトの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも２つのブレードである、発電方法。
23. 請求項１９において、前記迎え角が、当該タービンの長さに沿って変化している、発電方法。
24. 請求項１９において、前記複数のブレードの湾曲形状の投影が樽状であり、この樽状の投影において、当該タービンの端部における前記複数のブレードと前記中心部のシャフトとの径方向距離は、当該タービンの両端部間の任意の部位における当該径方向距離よりも小さい、発電方法。
25. 請求項１９において、前記複数のブレードの巻き合計が、前記中心部のシャフトを中心とした１回３６０°以上の回転に相当する、発電方法。
26. 請求項１９において、前記０°でない迎え角により、当該タービンの生成トルクが最大になり、タービン効率が約４３％に達することを含む、発電方法。
27. 請求項２６において、流体が約０．５ｍ／ｓから約３．５ｍ／ｓの流速で流れている場合、当該タービンが毎分約１０から約１９０回の範囲内で回転している際に前記生成トルクがピークに達することを含む、発電方法。
28. 請求項２６において、約３ｍ／ｓの流れにおいて、当該タービンが毎分約４０から約６０回の範囲内で回転している際に、前記生成トルクが、約５５００Ｎｍから約６５００Ｎｍの最適のトルクピークに達することを含み、好ましくは、当該タービンが毎分約５５回で回転している際に、前記生成トルクが、約６０００Ｎｍの最適のトルクピークに達することを含む、発電方法。
29. 請求項２８において、当該タービンが毎分５５回で回転して約６０００Ｎｍのトルクを生成している際の当該タービンの動力が、３０ｋＷから４０ｋＷ、好ましくは、３５ｋＷに達することを含む、発電方法。
30. 請求項１９において、前記複数のブレードの、半径を変化させながら螺旋状に巻かれた湾曲形状により、負荷条件下での応力および歪みを軽減させることを含む、発電方法。
31. 請求項３０において、当該タービンの一端部を固定した状態で２５０ＲＰＭの遠心負荷に曝した場合、前記複数のブレードに最大で約１．８６ミリメートルの変位が生じることを含む、発電方法。
32. 請求項１９において、前記タービンを流動気体および／または流動液体中に沈めた状態で運転させることを含む、発電方法。
33. 請求項１９において、前記複数のブレードが軽量かつ耐久性に優れた材料から製造されたものである、発電方法。
34. 請求項３３において、前記軽量かつ耐久性に優れた材料が、ポリヒドロキシブチレート系プラスチック、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、アクリル、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリフェニルスルフィド、シリコーンおよびポリウレタンで構成されるグループから選択される高強度プラスチック材料である、発電方法。
35. 請求項３３において、前記複数のブレードが機械加工されたものである、発電方法。
36. 請求項３３において、前記複数のブレードが押出成形されたものである、発電方法。
37. 請求項３３において、前記複数のブレードが射出成形されたものである、発電方法。

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