JP5539893B2 - 動力発生機 - Google Patents

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Description

本発明は全体的に動力発生機に関するものであり、より具体的には、流体の流れからの運動エネルギを使用して電力を生成するための発電機アセンブリに関する。動力発生機は、水力のような他の形態の動力を生成することにも適している。
本発明は、発電機のようなものを含んだ発電設備にも関する。本発明は特に有利となるように期待されるが、専用的なものではなく、水力発電機の背景において使用される。
本発明は推進装置またはポンプ装置としての使用にも順応される。
水や風などの流体の流れ中の運動エネルギは、発電のためのバイオ燃料および化石燃料のようなエネルギ源の代わりとなることは既知である。例えば、動力発生機内で使用される場合、バイオ燃料および化石燃料が大気中への有害な燃焼ガスの放出と密接に関連するのと異なって、流体の流れを利用することによる動力の発生は、大気への悪影響が全くまたはほとんどない。風力を捕獲するための既知の設備は全体的にランニングコストが低いが、それらは設置することが高価となりがちであり、且つ比較的発電容量が低くなりがちである。例えば潮力などの水力を捕獲するための既知の設備は、その一方で、比較的高い発電容量を有する。しかしながら、これらのタイプの設備も高価であり、提起的なメンテナンスを必要とし、沈泥および腐食に関係した問題により信頼性が低くなり得る。
本発明の目的は、上述の１つ以上の欠点を概略解消すること、または少なくとも改善することであり、または、少なくとも役に立つ代替品を提供することである。
したがって、第１の態様において、本発明は、流体の流れからの運動エネルギを使用して動力を発生するための動力発生アセンブリであって、動力発生アセンブリは、向かってくる流体の流れに面するためのヘッド端部と、流体の流れの方向において面するためのヘッド端部から離間されたテール端部と、ヘッド端部とテール端部との間に延在した回転軸と、を備えたブレードアセンブリと、ブレードアセンブリの回転に反応して動力を生成するためのブレードアセンブリに駆動されるように接続された発電機と、を含み、ブレードアセンブリは、回転軸に関して全体的にらせん構造に配列されたブレード配列と、ブレード配列に接続された少なくとも１つの組み付け構造と、を含み、各々の組み付け構造は回転軸に関して回転するためにブレードアセンブリの組み付けを可能にするために取り付けられ、使用時において、動力発生アセンブリを流れて通過する流体はブレード配列と相互作用してブレードアセンブリを回転軸に関して回転させる動力発生アセンブリを提供する。
一形態において、動力発生機は発電機であり、ブレードアセンブリに駆動さえるように接続された発電機を含んでいる。
別の形態において、水力発生機であり、ブレードアセンブリに駆動さえるように接続された水力発生機を含んでいる。好適に、水力発生機は順に発電機に接続されている。
また別の形態において、動力発生機はブレードアセンブリからの機械的動力を有効に作動するための別のエネルギ形態へと変換する。
第２の態様において、本発明は、流体を排出するように形成された推進装置またはポンプ装置であって、推進装置は、ヘッド端部と、ヘッド端部から離間されて流れの流出する向きに面したテール端部と、ヘッド端部とテール端部との間に延在した回転軸と、を備えたブレードアセンブリと、 ブレードアセンブリを回転してテール端部セクションから流体を流出させるために、駆動可能にブレードアセンブリに接続されたモータと、を含み、ブレードアセンブリは、回転軸に関して全体的にらせん構造に配置されたブレード配列と、ブレード配列に接続された少なくとも１つの組み付け構造と、を含み、各々の組み付け構造は回転軸に関して回転するためにブレードアセンブリの組み付けを可能にするために取り付けられ、使用時において、推進装置を通過するように引き込まれる流体は、回転軸に関してブレードアセンブリが回転する間、ブレード配列と相互作用する装置を提供する。
ブレードアセンブリはブレードアセンブリのヘッド端部とテール端部との間に延在した細長いシャフトを含み、シャフトはブレードアセンブリの回転軸を形成した長手軸を備え、ブレード配列はシャフトに組み付けられてシャフトから放射状に広がっている。モータは好適にシャフトを駆動するように接続されている。ブレード配列は好適にシャフトの端部を除いて終端となっており、各々の組み付け構造はシャフトの端部によって提供され、使用時において、シャフトおよびブレードアセンブリは回転可能に組み付けられ、または支持されている。組み付け構造はシャフトに組み付けられ且つ支持構造に接続されるように形成されたベアリング要素を含み、支持構造に対するブレードアセンブリの回転を可能にしている。
一実施形態において、ブレード配列は、シャフトに沿った全体的にらせん構造内において、長手方向に離間された複数の梁を含んでいる。この実施形態において、各々の梁は好適にシャフトに組み付けられ、梁はシャフトの回転軸に関して調節可能なように回転可能とされており、ブレードアセンブリのピッチの調節を可能にしている。この実施形態において、ブレード配列は、好適に隣接した梁の各々の組の全長に沿って延在し且つ接続されたウェブまたはスキンをさらに含み、ブレード配列は各々の梁のピッチに関係なく、梁の面に渡って連続的である。
別の実施形態において、ブレード配列は好適に１つ以上の連続的ならせんブレードを含んでいる。
好適に、ブレード配列は、側面から見た場合、ヘッド端部からテール端部にかけてテーパ状となっている。
動力発生アセンブリは好適にブレードアセンブリのヘッド端部とテール端部との間に延在した拡張可能な細長いシュラウドも含み、シュラウドはブレードアセンブリに接続され且つブレードアセンブリを取り囲み、シュラウドは使用時においてブレードアセンブリと共に回転する。シュラウドはヘッド端部とテール端部とを備えている。好適に、シュラウドはブレード配列の各々のブレードの先端に接続されており、シュラウドと各々のブレードとの間の接続部は概略流体不透過性接続である。同様に、その実施形態において、ブレード配列は複数の梁およびウェブまたはスキンを含み、各々のウェブまたはスキンの先端もシュラウドに好適に接続されている。好適に、ウェブまたはスキンとシュラウドとの間の接続部は概略流体不透過性接続である。使用時において、流体の流れはブレード配列と相互作用して動力発生アセンブリを回転し、これによって流体の流れはヘッド端部からシュラウドへと流入し、テールエンドを介してシュラウドから排出される。
好適に、シュラウドは薄い壁で構成されており、ヘッド端部からテール端部までの長さの少なくとも一部に沿って収束しており、収束はブレードアセンブリのテーパと一致している。
シュラウドは好適に複数セクションまたは一体成形構造であり、ヘッド端部セクション、テール端部セクションおよび中間セクションを備え、流体の流れはヘッド端部セクションを介してシュラウドに流入し、テール端部セクションを介してシュラウドから流出し、中間セクションはヘッド端部セクションとテール端部セクションとの間に延在して、ヘッド端部セクションからテール端部セクションに向かう流れを収束させている。有利なことに、シュラウドのヘッド端部セクションは中間セクションに向かって収束し、テール端部セクションは中間セクションから離れるにつれて拡張し、シュラウドは中間セクションによって形成された収束する細長い気管を備えた全体的に収束―拡張ベンチュリの形式である。
好適に、シュラウドは円形断面プロファイルを備え、シュラウドのヘッド端部セクションはベルマウス構造に拡張されている。より好適には、シュラウドのヘッド端部セクションとテール端部セクションとはベルマウス構造に拡張されている。
各々の組み付け構造はシャフトの端部セクションに接続されたベアリング要素を好適に含み、ベアリング要素は、使用時において、固定支持構造に組み付けられ、動力発生アセンブリは支持構造に対して回転するようにされている。
発電機は好適にブレードアセンブリのシャフトの前記端部セクションに組み付けられたダイナモまたはオルタネータであり、支持構造に固定されている。
第３の態様において、本発明は、流体の流れからの運動エネルギを使用して動力を発生するための動力発生機であって、動力発生機は、向かってくる流体の流れに面するためのヘッド端部と、流体の流れの方向において面するためのヘッド端部から離間されたテール端部と、ヘッド端部とテール端部との間に延在した回転軸と、を備えたブレードアセンブリと、ブレードアセンブリの回転に反応して動力を生成するためのブレードアセンブリに駆動されるように接続された発電機と、を含み、ブレードアセンブリは、ブレードアセンブリのヘッド端部とテール端部との間の回転軸の長さに沿って離間された複数の梁を含んだブレード配列と、ブレード配列に接続された少なくとも１つの組み付け構造と、を含み、各々の組み付け構造は回転軸に関して回転するためにブレードアセンブリの組み付けを可能にするために取り付けられ、使用時において、動力発生機アセンブリを流れて通過する流体は、ブレード配列と相互作用してブレードアセンブリを回転軸に関して回転させる動力発生機を提供する。
一形態において、動力発生機は発電機であり、ブレードアセンブリに駆動されるように接続された発電機を含んでいる。
別の形態において、動力発生機は水力発生機であり、ブレードアセンブリに駆動されるように接続された水力発生機を含んでいる。好適に、水力発生機は順に発電機に接続されている。
第４の態様において、本発明は、流体を排出するように形成された推進装置またはポンプ装置であって、推進装置は、ヘッド端部と、ヘッド端部から離間されて流れの流出する向きに面したテール端部と、ヘッド端部と前記テール端部との間に延在した回転軸と、を備えたブレードアセンブリと、ブレードアセンブリを回転してテール端部セクションから流体を流出させるために、駆動可能に前記ブレードアセンブリに接続されたモータと、を含み、ブレードアセンブリは、ブレードアセンブリのヘッド端部とテール端部との間の回転軸の長さに沿って離間された複数の梁を含んだブレード配列と、ブレード配列に接続された少なくとも１つの組み付け構造と、を含み、各々の組み付け構造は回転軸に関して回転するためにブレードアセンブリの組み付けを可能にするために取り付けられ、使用時において、推進装置を通過するように引き込まれる流体は回転軸に関してブレードアセンブリが回転する間、ブレード配列と相互作用する動力発生機を提供する。
ブレードアセンブリの前記梁は回転軸に関して全体的にらせん構造に配置されている。
好適に、本発明のこの態様による動力発生機の特徴および構成は、そのような動力発生機のブレード配列が複数の梁を含んでいる場合、本発明の上述の態様による動力発生機に類似している。
第５の態様において、本発明は、ここまでに記載された発電機アセンブリと、支持構造と、を含み、発電機アセンブリは、各々の組み付け構造を利用して、ブレード配列の回転軸に関して動力発生アセンブリを回転するための支持構造に組み付けられている発電設備を提供する。
潮力エネルギまたは海流式動力発生機の場合、動力発生機は海中に浸漬されるだろう。河川流式動力発生機の場合、動力発生機は河川中または水流中に据え付けられるだろう。動力発生機への流体の流れが風に関連している場合、動力発生機は、風が吹いた場合に空気の流れに暴露される開放区域に配置されるだろう。
一実施形態において、支持構造は、例えば（重い）鎖またはケーブル等の可撓性要素のネットワークを含んでいる。可撓性要素のネットワークは、好適に発生機がそのヘッド端部が向かってくる流体の流れに面するように整列されることが可能となるように配置され、好適に発生機は前記流体の流れの方向にしたがって自己整列する。この実施形態において、可撓性要素のネットワークは、好適に発電機アセンブリが全体的に吹流しの構造に組み付けられるように配置されている。別の実施形態において、支持構造は剛体要素のネットワークを含んだ剛体構造である。
さらなる変化形態において、動力発生アセンブリは前記シュラウドの正面にステータを含んでおり、最も好適には、ステータはシュラウドの前記ヘッド端部セクションに隣接している。ステータはピッチ調節可能な１つ以上のブレードを含んでいる。
また別の変化形態において、動力発生アセンブリはシュラウドの後方にスロット排出配列を含んでおり、最も好適には、スロット排出配列はシュラウドのテール端部セクションに隣接している。一形態において、スロット排出配列はシュラウドに接続され、シュラウドと共に回転する。別の形態において、スロット排出配列は支持構造に接続されて、シュラウドと共に回転しない。一実施形態において、スロット排出配列は離間された複数の管状セクションを含んでおり、最も好適には、スロット排出配列はシュラウドから離れて正反対に拡張している。別の実施形態において、スロット排出配列は一体構造であり、その中にらせんスロットを備え、好適にスロット排出配列はシュラウドから離れて正反対に拡張している。
本発明の好適な実施形態は、添付図を参照すると共に、例示されることのみによってここに記載される。
動力発生機の第１の実施形態の断面を示した概略図である。 動力発生機の第２の実施形態の断面を示した概略図である。 動力発生機の第３の実施形態の断面を示した概略図である。 動力発生機の第４の実施形態の断面を示した概略図である。 動力発生機の第５の実施形態の断面を示した概略図である。 図１及び３に示された動力発生機のブレードアセンブリの斜視図を示している。 動力発生機の第６の実施形態の斜視図を示している。 動力発生機の第７の実施形態の断面を示した概略図である。
図１は発電機アセンブリ１０ａの第１の実施形態の概略を示しており、その発電機は、潮流、海流、河川流または風のような流体の流れ１２の運動エネルギによって駆動される。発電機アセンブリ１０ａは向かってくる流体の流れ１２に面したヘッド端部１６とヘッド端部１６から離間されたテール端部１８とを備えたブレードアセンブリ１４を含み、発電機アセンブリは流体の流れ１２の方向に面している。
ブレードアセンブリ１４はヘッド端部１６とテール端部１８との間に延在した回転軸２０を備えている。ブレードアセンブリは一連の独立梁２２形式のブレード配列を備え、独立梁は回転軸２０に関して全体的にらせん形態である。ブレードアセンブリ１４は、ヘッド端部ベアリング２６およびテール端部ベアリング２８によって支持されたシャフト２４形式の組み付け構造も含んでいる。シャフト２４はシール３２を介して発電機３０に接続されている。発電機３０はハウジング３４内に収容されている。ステイケーブル３６，３８はハウジング３４とベアリング２８とに個々に取り付けられ、それらはアセンブリ１０ａを位置決めし、流体の流れ１２の中においてアセンブリ１０ａを移動しないようにしている。
梁２２は十分なクリアランスを持ってシャフト２４に接続されており、軸２０に関して相互に回転することが可能となっている。梁２２はフランジ（図示略）を介してシャフト２４のヘッド端部１６において所定の位置に保持されており、且つテール端部１８において軸２４はねじ留めされており、ナット（図示略）は締め付けられて軸２４に沿って力を負荷し、所定の位置において梁２２を固定している。追加的に、スキンまたはウェブ４０が梁２２に巻付けられ手織り、スキン４０は膨張および収縮して梁２２のピッチを変更する。
各々の梁２２の長さは、全体的に円錐台境界内においてヘッド端部１６からテール端部１８へとシャフト２４の周りに巻きつくように減少している。
使用時において、ブレードアセンブリ１４は流体の流れ１２の中に組み付けられ、その流れはスキン４０と梁２２とにエネルギを与える。流体の流れ１２が梁２２に力を負荷するので、梁２２はシャフト２４に回転力またはトルクを与えることによって作用する。シャフト２４の回転は発電機３０へと伝達され、電力を発生する。必要であれば、発電機は水力を生成する水力生成機に置き換えられる。水力は海底流体ケーブルを介して沿岸の発電機の動力として使用されることが可能である。
また別の形式において、発電機１０ａは、ブレードアセンブリ１４からの機械的動力を有益に作用するための別のエネルギ形態に変換するように形成されることが可能である。
梁２２は、ハウジングの境界４２を逃げる流体を最小限にするために、シャフト２４に向かう径方向内向きに流体の流れ１２を向けるように形成されることも可能である。これを実行するために、軸２０の方向において見た場合、梁２２は捩れており、且つ（回転方向において）顕著に内向きに湾曲しており、その端部において‘カップ’のように作用して軸２０に向かって流体の流れを向ける。流体の流れ１２がブレードアセンブリ１４を介して流れ続けるので、流れの断面積は減少し且つ圧力は減少する。圧力が減少するので、流体の流速は増加し、エネルギの最大量は流体の流れ１２から梁２２へと伝達される。結果的に、発電機アセンブリ１０ａは反動タービンのように作動し、ゼロヘッドの自由流れよりもむしろ中間ヘッド流れと標準的に関連する。流体１２の流速が変化するので、梁２２の回転配列構造（すなわちピッチ）は最大効率または最大出力において発電機アセンブリ１０ａを作動するために変化する。このことは、タービン効率および出力が流速の範囲に関して増加することを有利に可能にしている。発電機３０はギアボックスを含み、回転速度を変化させてその効率を増加させることも可能である。
追加的に、（テール端部）ステイ３８とベアリング２８とは除去されることが可能であり、そのことはブレードアセンブリ１４が流体の流れ１２の中において、円錐状噴出しの規則と類似の規則によって最適の配列を見出すことを可能にしている。この形態において、ベアリング２６はユニバーサルジョイントに置き換えられてもよく、そのジョイントはシャフト２４を発電機３０に接続している。このことは、ブレードアセンブリ１４が発電機３０に径方向の大きな力を伝達することなく凧と同様に作用し、且つ最適に整列する。
図２は発電機アセンブリ１０ｂの第２の実施液体を示している。アセンブリ１０ｂは図１に示されたアセンブリと類似しており、第１の実施形態において使用された参照符号と同様の参照符号が、図２中の類似の特徴を示すために使用されている。
しかしながら、第２の実施形態において、ブレードアセンブリ１４は、複数の、この場合は一組の等角度に離間された、らせんブレード４４の形式である。等間隔に離間された他の数のらせんブレード（例えば３つ、４つまたは５つなど）が使用されることも可能である。さらに、（ヘッド端部）ステイケーブル３６は垂直ブイケーブル７２に接続されており、そのケーブルは海底７６に固定されたアンカー７４を海面８０付近のブイ７８との間に延在している。必要であれば、（テール端部）ステイケーブル３８とベアリング２８とが除去されて、上述のように、アセンブリ１０ｂが円錐状噴出しの規則と類似の規則によって最適の配列を見出すことを可能にしてもよい。
本実施形態において、発電機３０からの電力は海底電気ケーブル８２を介して陸上に伝達される。海底ケーブルは好適にブイケーブル７２の下部からアンカー７４へと続き、その後海底７６に沿って陸上へと延在している。
追加的に、発電機３０はシャフト２４にトルクを供給するモータと置き換えられることが可能であり、シャフトはそれに替えてらせんブレード４４の回転動作を生成し、且つ流体中においてテール端部セクション１６から推力を提供して、船舶を推進させるかまたは流体を圧送する。
追加的に、ステイケーブル３６，３８は海中に据え付けられた適切な指示構造に接続されることが可能であり、または、代替的に、橋梁または海洋入口に渡された一組のケーブルもしくは一組の支持構造に接続されることが可能である。さらなるバリエーションにおいて、フライホイール（図示略）が、回転エネルギを蓄積し且つ流体の流れ１２の乱流による回転力のばらつきを減少するために、シャフト２４に取り付けられることが可能である。この形態において、発電機アセンブリ１０ｂはセルフスタートしないかもしれない。この場合、発電機３０はモータとして使用されて、ブレードアセンブリ１４の回転を開始するために、シャフト２４にトルクを供給することが可能である。
図３は発電機アセンブリ１０ｃの第３の実施形態を示している。アセンブリ１０ｃは図１および２に示されたアセンブリに類似しており、第１および第２の実施形態を記載するために使用された参照符号に類似した参照符号が、図３において類似した特徴を示すために使用されている。
第３の実施形態において、アセンブリ１０ｃは流れの力／水力を回転力に変換し、その後電力へと変換するためのタービンとして形成されている。より具体的には、ブレードアセンブリ１４は、全体的に円錐台形のシュラウド５０内に収容されている。各々の梁２２遠位端はローラ５２を含み、そのローラは各々の梁２２の相互の軸回転がシュラウド５０内で発生することを可能にし、一方で構造の一体性および梁２２の外側とシュラウド５０の内側との間の確実な流体シールを維持することを可能にしている。
シュラウド５０は複数セクションまたは一体成型構造であり、シュラウド５０に流入する流体の流れ１２が通るヘッド端部セクション５０ａと、シュラウド５０から流出する流体の流れ１２が通るテール端部セクション５０ｂと、ヘッド端部セクション５０ａとテール端部セクション５０ｂとの間に延在した細長い中間セクション５０ｃを備えている。中間セクション５０ｃも、ヘッド端部セクション５０ａからテール端部セクション５０ｂに向かって、径方向において収束している。シュラウド５０のヘッド端部セクション５０ａも中間セクション５０ｃに向かって収束しており、テール端部セクション５０ｂは中間領域５０ｃから離れるにつれて拡張し、シュラウド５０は全体的に中間セクション５０ｃによって形成された収束する細長い気管を備えた、収束―発散ベンチュリ形状のようになっている。長さに沿った全点において、シュラウド５０は円形の断面プロファイルを備えている。シュラウドヘッド端部セクション５０ａはベンチュリとして成形され、ブレードアセンブリ１４の後方に低圧領域を生成し、そのことは有利にシュラウド５０を通り且つ流出する、より自由な流れとなる。さらに、シュラウド５０がブレード２２に接合されているので、シュラウド５０はブレード２２と一体となって回転し、シュラウド５０の回転動作はシュラウド５０の前方の旋回または渦を含んでいる。そのことは（自然界に見られる）渦巻きを形成し、そこを通過しない場合よりも付加的な流体をブレードアセンブリ１４内に吸い込むので、この渦は有利である。シュラウド５０は強度向上のために一体成型されることも可能である。
本実施形態中のシャフト２４は長いらせんスプリング５４によって取り囲まれており、らせんスプリングは各々の梁２２のピッチ位置を維持し、
その一方でブレードアセンブリ１４全体においてらせん（ねじ）形状の一貫性を維持することを提供している。スプリング５４のテール端部はスプリング固定クランプ５６によってシャフト２４に取り付けられている。クランプ５６を使用してスプリング５４の一端を固定し、スプリング５４にトルクを供給することによって、スプリング５４は形状を変化し、各々の梁２２は軸２０に関して相互に一様に回転し、それに続いてブレードアセンブリ１４のピッチを変化させる。そのようなトルクを供給するために、スプリング５４はディスク５８に取り付けられており、そのディスクは発電機ハウジング３４に固定されたブレーキパッド６０によって固定されて、回転するように保持されることが可能である。製造の間、スプリング５４は、ピッチ調整の中心にある梁２２を伴った中立位置において、トルクがかからないように組み立てられている。通常の操作において、スプリング５４のピッチはシャフト２４に取り付けられたディスクロック６２によって固定されており、ディスク５８とスプリング５４とはシャフト２４と一体に回転するようにされている。ブレード２２のピッチを大きくするために、ディスクロック６２は固定解除され、発電機３０は電気ケーブル６４から電力を受けて、発電機はモータとなる。この形式において、発電機はスプリング張力を減少する方向においてシャフト２４にトルクを供給する。スプリングテンションはスプリング５４のピッチの増加に作用し、一方でディスクパッド６０はディスク５８が回転できないように締め付けている。シャフト２４は回転し、その一方でスプリング５４は固定を保持され、ピッチを増加してその後梁２２を相互に軸回転させ、且つブレードアセンブリ１４のピッチを増加させる。
梁２２のピッチを減少するために、ディスクロック６２は固定解除され、発電機３０は電力を受けて、スプリングテンションを増加する方向においてシャフト２４にトルクを供給し、その後スプリング５４のピッチを減少し、一方でブレーキパッド６０はディスク５８の回転を防止するように適用される。シャフト２４は回転し、その一方でスプリング５４は固定を保持され、ピッチを減少してその後長手軸に関して相互に梁２２を回転させ、ブレードアセンブリ１４のピッチを減少させる。
回転エネルギを蓄積し且つ流体の流れ１２中の乱流による回転力のばらつきを減少するために、アセンブリ１０ｃもシャフト２４に取り付けられたフライホイール６４を含んでいる。代替的に、分離したモータとギアとが発電機ハウジング３４の内部に組み込まれ、シャフト２４に連結されることが可能であり、それらはシャフトにトルクを供給して、スプリング５４のピッチを変化させ、それによってブレードアセンブリ１４のピッチを変化させることが可能である。このことは、ブレードアセンブリ１４のピッチが発電機アセンブリ１０ｃの通常動作中に変化されることを可能にしている。
図４は第４の実施形態である発電機アセンブリ１０ｄを示している。再び、これまでに参照符号と共に記載された特徴と同様の特徴は、同様の参照符号と共に記載されている。
アセンブリ１０ｄは、それは図２に示されたものと類似した、この場合複数の等角度に離間されたらせんブレード、および図３に示されたものと類似したシュラウド５０を備えている。等間隔に離間された他の数のらせんブレード（例えば３つ、４つまたは５つなど）が使用されることも可能である。ブレード４４は径方向において減少し、ブレードはヘッド端部１６からテール端部１８までシュラウド５０の内径に続いてシャフト２４の周りに巻きついている。ブレード４４の遠位端もシュラウド５０の内側面に接合されている。結果的に、使用時において、シュラウド５０はブレード４４と共に回転し、そのことはシュラウド５０の前方に渦を発生させる。シュラウド５０の前方において発生される渦をさらに増加するために、羽根９０がシュラウドヘッド端部セクション５０ａのリードエッジに組み付けられてもよい。渦はブレードアセンブリ１４のヘッド端部１６の入り口においてブレード４４の先端の増大された速度によって、シュラウド５０のヘッド端部１６における吸引圧力の発生においてさらに補助される。シュラウド５０内部の減少された圧力、シュラウド５０後部の減少された圧力、ブレードアセンブリ前方の渦を含んだシュラウド５０の回転、ブレードアセンブリ１４前方の渦を含んだ羽根、およびブレードアセンブリ１４の入口におけるブレードのより小さいピッチの組み合わせは、より多くの流体が、別の方法で発生するよりもブレードアセンブリ１４内に吸い込まれる結果となる。ブレード１４を通過する増加した流体は、アセンブリ１０ｄの出力を劇的に増加する。
図５は第５の実施形態である発電機アセンブリ１０ｅを示している。これまでに参照符号と共に記載された特徴と同様の特徴は、再度同様の参照符号と共に記載されている。
アセンブリ１０ｅにおいて、ステータ１００はシュラウド５０のちょうど正面に配置されている。ステータ１００はブレード４４に流入する流れを調整するように作用する。ステータ１００はハウジング３４に接続されており、ピッチを調節するために長手軸に関して回転可能なブレードを備えている。
使用時において、流体の流れ１２は、流体の流れ１２に対してある角度をなした動力ステータ１００のブレードに流入し、ステータ１００は流体の流れ１２に、好適にブレードアセンブリ１４の回転方向において角度モーメント成分を付加して回転または渦巻き動作を与える。その後、流体の流れ１２はブレードアセンブリ内に流入し、上述されたような規則においてブレードアセンブリにエネルギを与える。アセンブリ１０ｅの出力と効果とは、ブレードに力を付加するために使用される流体の線形モーメントだけでなく角度モーメントによって有利に増加する。さらに、角度モーメント成分を伴って、ブレードアセンブリ１４から流出する流体の流れ１２は乱流により損失を減少した最小起動回転を有し、全体的な出力と効率とを向上している。ステータブレードのピッチは誘起される角度モーメント量およびこれによる出力を変化するために調整されることが可能である。ピッチは安全上の理由のためにスロットルが戻され、またはタービンを減速することも可能である。
アセンブリ１０ｅもシュラウド５０の出口（すなわちテール端部セクション５０ｂ）においてスロット排出配列１０２を含んでいる。スロット排出配列１０２はシュラウド５０と共に回転する。スロット排出配列１０３の離間されたセクション１０６の間のギャップ１０４は、アセンブリ１０ｅの外部付近を流れる流れが矢印１０８によって示されたようにシュラウドを離れる流体の流れ内に効果的に流入することを可能にしている。この追加的な流れ１０８の効果は、その流れが掃気効果を誘起し、シュラウドを離れる流れのエネルギを増大させて、より多くの流れがシュラウド５０の内部を通過し、これによってアセンブリ１０ｅの効率および出力を向上させることである。
代替的に、スロット排出配列１０２は発電機ハウジング３４に組み付けられることが可能であり、シュラウド５０と共に回転しない。
図６は、図１に示された発電機アセンブリ１０ａおよび図３に示された発電機アセンブリ１０ｃにそれぞれ使用されたブレードアセンブリ１４を示している。
図７は第６の実施形態である発電機アセンブリ１０ｆを示しており、そのアセンブリは図５に示された２つのアセンブリ１０ｅを含んでいる。ブレードアセンブリ１０ｅは、矢印１１０に示されたように、対向して回転するように形成されており、２つの発電機３０に与えられる反発トルクは均等な大きさであるが、対向した向きであり効果的に打ち消される。結果的に、ステイケーブル３６に伝達される反発トルクは最小化され、アセンブリ１０ｅ全体は据付台内部またはケーブル３６を介して有利に回転せず且つ回転しようとしない。
図８は第７の実施形態である発電機アセンブリ１０ｇを示している。アセンブリ１０ｇは、スロット排出配列が単一のらせんスロット共に構成されてセクション１０６の間にギャップ１０４を形成していることを除いて、図６に示された発電機アセンブリと類似している。スロット排出配列１０６の長さはスロット１０４の幅を変化させて流入の効率と出力を変化させるように調節されることが可能であるということが理解されるべきである。例えば、発電機は長いスロット排出配列と共に遅い流れの中に据え付けられて、より多くの水を引き込み、出力を増大させてもよい。速い流れの中においては、より短いスロット排出配列が使用されてもよい。らせんスロット排出配列はアルミニウムのような弾性材料から形成され、水流の強さからそこに負荷される力に依存してその形状を変化させることが可能であるということも記しておく。
本発明は好適な実施形態を参照すると共に記載されたが、本発明が他の多くの形式内においては当業者によって具体化されてもよいということが理解されるだろう。例えば、発電機はブレードアセンブリ１４を回転するモータと置き換えられ、アセンブリ１０は推進装置または流体ポンプとして作用することが可能であり、別の例においては、発電機は強固で軽量な材料によって形成され、風の中で‘凧’として効果的に使用されることが可能である。発電機の重量を浮かせるヘリウムバルーンのような発電機に発電機に動力を提供するための凧に関する多数のオプションが存在し、凧は電力を生成するための発電機に関して機械的な動力を提供する。
１０ａ ・・・動力発生アセンブリ
１２ ・・・流体の流れ
１４ ・・・ブレードアセンブリ
１６ ・・・ヘッド端部
１８ ・・・テール端部
２０ ・・・回転軸
２２ ・・・独立梁
２４ ・・・シャフト
２６ ・・・ヘッド端部ベアリング
２８ ・・・テール端部ベアリング
３０ ・・・発電機
３２ ・・・シール
３４ ・・・ハウジング
３６，３８ ・・・ステイケーブル
４０ ・・・スキン
４２ ・・・境界
４４ ・・・らせんブレード
５０ ・・・シュラウド
５２ ・・・ローラ
５４ ・・・らせんスプリング
５６ ・・・スプリング固定クランプ
５８ ・・・ディスク
６０ ・・・ブレーキパッド
６２ ・・・ディスクロック
６４ ・・・電気ケーブル
７２ ・・・垂直ブイケーブル
７４ ・・・アンカー
７６ ・・・海底
７８ ・・・ブイ
８０ ・・・海面
９０ ・・・羽根
１００ ・・・ステータ
１０２ ・・・スロット排出配列

Claims (65)

  1. 流体の流れからの運動エネルギを使用して動力を発生するための動力発生アセンブリであって、該動力発生アセンブリは、
    向かってくる流体の流れに面するためのヘッド端部と、前記流体の流れの方向において面するための前記ヘッド端部から離間されたテール端部と、前記ヘッド端部と前記テール端部との間に延在した回転軸と、を備えたブレードアセンブリと、
    該ブレードアセンブリの回転に反応して動力を生成するための前記ブレードアセンブリに駆動されるように接続された発電機と、
    前記ブレードアセンブリの前記ヘッド端部と前記テール端部との間に延在した、両端が開口した細長いシュラウドと、
    を含み、
    前記ブレードアセンブリは、前記回転軸に関して全体的にらせん構造に配列されたブレード配列と、該ブレード配列に接続された少なくとも１つの組み付け構造と、を含み、各々の組み付け構造は前記回転軸に関して回転するために前記ブレードアセンブリの組み付けを可能にするために取り付けられ、使用時において、前記発電機アセンブリを流れて通過する流体は前記ブレード配列と相互作用して前記ブレードアセンブリを前記回転軸に関して回転させ、前記シュラウドは前記ブレードアセンブリに接続され且つ前記ブレードアセンブリを取り囲み、前記シュラウドは使用時において前記ブレードアセンブリと共に回転することを特徴とする動力発生アセンブリ。
  2. 前記動力発生アセンブリは発電機であり、前記ブレードアセンブリに駆動されるように接続された発電機を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の動力発生アセンブリ。
  3. 前記動力発生アセンブリは水力発生機であり、前記ブレードアセンブリに駆動されるように接続された水力発生機を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の動力発生アセンブリ。
  4. 前記水力発生機は順に発電機に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の動力発生アセンブリ。
  5. 前記動力発生アセンブリは前記ブレードアセンブリからの機械的動力を有効に作動するための別のエネルギ形態へと変換することを特徴とする請求項１に記載の動力発生アセンブリ。
  6. 前記ブレードアセンブリは該ブレードアセンブリのヘッド端部とテール端部との間に延在した細長いシャフトを含み、該シャフトは前記ブレードアセンブリの回転軸を形成した長手軸を備え、前記ブレード配列は前記シャフトに組み付けられて前記シャフトから放射状に広がっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の動力発生アセンブリ。
  7. 前記動力発生アセンブリは前記シャフトに駆動されるように接続されていることを特徴とする請求項６に記載の動力発生アセンブリ。
  8. 前記ブレード配列は前記シャフトの端部を除いて終端となっており、各々の組み付け構造は前記シャフトの端部によって提供され、使用時において、前記シャフトおよび前記ブレードアセンブリは回転可能に組み付けられ、または支持されていることを特徴とする請求項７に記載の動力発生アセンブリ。
  9. 前記組み付け構造は前記シャフトに組み付けられ且つ支持構造に接続されるように形成されたベアリング要素を含み、前記支持構造に対する前記ブレードアセンブリの回転を可能にしていることを特徴とする請求項８に記載の動力発生アセンブリ。
  10. 前記ブレード配列は、前記シャフトに沿った全体的に前記らせん構造内において、長手方向に離間された複数の梁を含んでい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動力発生アセンブリ。
  11. 各々の前記梁は前記シャフトに組み付けられ、前記梁は該シャフトの回転軸に関して調節可能なように回転可能とされており、前記ブレードアセンブリのピッチの調節を可能にしていることを特徴とする請求項１０に記載の動力発生アセンブリ。
  12. 前記ブレード配列は、隣接した前記梁の各々の組の全長に沿って延在し且つ接続されたウェブまたはスキンをさらに含み、前記ブレード配列は各々の前記梁のピッチに関係なく、前記梁の面に渡って連続的であることを特徴とする請求項１１に記載の動力発生アセンブリ。
  13. 前記ブレード配列は１つ以上の連続的ならせんブレードを含んでい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動力発生アセンブリ。
  14. 前記ブレード配列は、側面から見た場合、前記ヘッド端部から前記テール端部にかけてテーパ状となっていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の動力発生アセンブリ。
  15. 前記シュラウドはヘッド端部とテール端部とを備えていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の動力発生アセンブリ。
  16. 前記シュラウドは前記ブレード配列の各々の前記ブレードの先端に接続されており、前記シュラウドと前記各々のブレードとの間の接続部は概略流体不透過性接続であることを特徴とする請求項１５に記載の動力発生アセンブリ。
  17. 前記ブレード配列は複数の前記梁および前記ウェブまたはスキンを含み、各々の前記ウェブまたはスキンの先端も前記シュラウドに接続されていることを特徴とする請求項１５に記載の動力発生アセンブリ。
  18. 前記ウェブまたはスキンと前記シュラウドとの間の接続部は概略流体不透過性接続であることを特徴とする請求項１７に記載の動力発生アセンブリ。
  19. 使用時において、流体の流れは前記ブレード配列と相互に作用して前記動力発生アセンブリを回転させ、したがって前記流体の流れは前記ヘッド端部からシュラウドに流入し且つ前記テール端部を介して前記シュラウドから流出することを特徴とする請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の動力発生アセンブリ。
  20. 前記シュラウドは薄い壁で構成されており、前記ヘッド端部から前記テール端部までの長さの少なくとも一部に沿って収束しており、前記収束は前記ブレードアセンブリのテーパと一致していることを特徴とする請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の動力発生アセンブリ。
  21. 前記シュラウドは複数セクションまたは一体成形構造であり、ヘッド端部セクション、テール端部セクションおよび中間セクションを備え、流体の流れは前記ヘッド端部セクションを介して前記シュラウドに流入し、前記テール端部セクションを介して前記シュラウドから流出し、前記中間セクションは前記ヘッド端部セクションと前記テール端部セクションとの間に延在して、前記ヘッド端部セクションから前記テール端部セクションに向かう流れを収束させていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の動力発生アセンブリ。
  22. 前記シュラウドの前記ヘッド端部セクションは前記中間セクションに向かって収束し、前記テール端部セクションは前記中間セクションから離れるにつれて拡張し、前記シュラウドは前記中間セクションによって形成された収束する細長い気管を備えた全体的に収束―拡張ベンチュリの形式であることを特徴とする請求項２１に記載の動力発生アセンブリ。
  23. 前記シュラウドは円形断面プロファイルを備え、前記シュラウドの前記ヘッド端部セクションまたは前記ヘッド端部セクションと前記テール端部セクションとはベルマウス構造に拡張されていることを特徴とする請求項２１または２２に記載の動力発生アセンブリ。
  24. 各々の組み付け構造は前記シャフトの前記端部セクションに接続されたベアリング要素を含み、該ベアリング要素は、使用時において、固定支持構造に組み付けられ、前記動力発生アセンブリは前記支持構造に対して回転するようにされていることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一項に記載の動力発生アセンブリ。
  25. 前記発電機は前記ブレードアセンブリの前記シャフトの前記端部セクションに組み付けられたダイナモまたはオルタネータであり、前記支持構造に固定されていることを特徴とする請求項２４に記載の動力発生アセンブリ。
  26. 前記動力発生アセンブリは前記シュラウドの正面にステータを含んでいることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか一項に記載の動力発生設備。
  27. 前記ステータは前記シュラウドの前記ヘッド端部セクションに隣接していることを特徴とする請求項２６に記載の動力発生設備。
  28. 前記ステータはピッチ調節可能な１つ以上のブレードを含んでいることを特徴とする請求項２６または２７に記載の動力発生設備。
  29. 前記動力発生アセンブリは前記シュラウドの後方にスロット排出配列を含んでいることを特徴とする請求項１〜２８のいずれか一項に記載の動力発生設備。
  30. 前記スロット排出配列は前記シュラウドの前記テール端部セクションに隣接していることを特徴とする請求項２９に記載の動力発生設備。
  31. 前記スロット排出配列は前記シュラウドに接続され、前記シュラウドと共に回転することを特徴とする請求項２９または３０に記載の動力発生設備。
  32. 前記スロット排出配列は前記支持構造に接続されて、前記シュラウドと共に回転しないことを特徴とする請求項２９または３０に記載の動力発生設備。
  33. 前記スロット排出配列は離間された複数の管状セクションを含んでいることを特徴とする請求項２９〜３２のいずれか一項に記載の動力発生設備。
  34. 前記スロット排出配列は前記シュラウドから離れて正反対に拡張していることを特徴とする請求項３３に記載の動力発生設備。
  35. 前記スロット排出配列は一体構造であり、その中にらせんスロットを備えていることを特徴とする請求項２０〜３２のいずれか一項に記載の動力発生設備。
  36. 前記スロット排出配列は前記シュラウドから離れて正反対に拡張していることを特徴とする請求項３５に記載の動力発生設備。
  37. 流体を排出するように形成された推進装置またはポンプ装置であって、該推進装置は、 ヘッド端部と、該ヘッド端部から離間されて流れの流出する向きに面したテール端部と、前記ヘッド端部と前記テール端部との間に延在した回転軸と、を備えたブレードアセンブリと、
    該ブレードアセンブリを回転して前記テール端部セクションから流体を流出させるために、駆動可能に前記ブレードアセンブリに接続されたモータと、
    前記ブレードアセンブリの前記ヘッド端部と前記テール端部との間に延在した、両端が開口した細長いシュラウドと、
    を含み、
    前記ブレードアセンブリは、前記回転軸に関して全体的にらせん構造に配置されたブレード配列と、該ブレード配列に接続された少なくとも１つの組み付け構造と、を含み、各々の組み付け構造は前記回転軸に関して回転するために前記ブレードアセンブリの組み付けを可能にするために取り付けられ、使用時において、前記推進装置を通過するように引き込まれる流体は、前記回転軸に関して前記ブレードアセンブリが回転する間、前記ブレード配列と相互作用し、前記シュラウドは前記ブレードアセンブリに接続され且つ前記ブレードアセンブリを取り囲み、前記シュラウドは使用時において前記ブレードアセンブリと共に回転することを特徴とする装置。
  38. 前記ブレードアセンブリは該ブレードアセンブリの前記ヘッド端部と前記テール端部との間に延在した細長いシャフトを含み、該シャフトは前記ブレードアセンブリの回転軸を形成した長手軸を備え、前記ブレード配列は前記シャフトに組み付けられて前記シャフトから放射状に広がっていることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
  39. 前記モータは前記シャフトを駆動するように接続されていることを特徴とする請求項３８に記載の装置。
  40. 前記ブレード配列は前記シャフトの端部を除いて終端となっており、各々の組み付け構造は前記シャフトの端部によって提供され、使用時において、前記シャフトおよび前記ブレードアセンブリは回転可能に組み付けられ、または支持されていることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
  41. 前記組み付け構造は前記シャフトに組み付けられ且つ支持構造に接続されるように形成されたベアリング要素を含み、前記支持構造に対する前記ブレードアセンブリの回転を可能にしていることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
  42. 前記ブレード配列は、前記シャフトに沿った全体的に前記らせん構造内において、長手方向に離間された複数の梁を含んでいることを特徴とする請求項３７〜４１のいずれか一項に記載の装置。
  43. 各々の前記梁は前記シャフトに組み付けられ、前記梁は該シャフトの回転軸に関して調節可能なように回転可能とされており、前記ブレードアセンブリのピッチの調節を可能にしていることを特徴とする請求項４２に記載の装置。
  44. 前記ブレード配列は、隣接した前記梁の各々の組の全長に沿って延在し且つ接続されたウェブまたはスキンをさらに含み、前記ブレード配列は各々の前記梁のピッチに関係なく、前記梁の面に渡って連続的であることを特徴とする請求項４３に記載の装置。
  45. 前記ブレード配列は１つ以上の連続的ならせんブレードを含んでいることを特徴とする請求項３７〜４１のいずれか一項に記載の装置。
  46. 前記ブレード配列は、側面から見た場合、前記ヘッド端部から前記テール端部にかけて
    テーパ状となっていることを特徴とする請求項３７〜４５のいずれか一項に記載の装置。
  47. 前記シュラウドはヘッド端部とテール端部とを備えていることを特徴とする請求項３７〜４６のいずれか一項に記載の装置。
  48. 前記シュラウドは前記ブレード配列の各々の前記ブレードの先端に接続されており、前記シュラウドと前記各々のブレードとの間の接続部は概略流体不透過性接続であることを特徴とする請求項３７または４７に記載の装置。
  49. 前記ブレード配列は複数の前記梁および前記ウェブまたはスキンを含み、各々の前記ウェブまたはスキンの先端も前記シュラウドに接続されていることを特徴とする請求項３７〜４７のいずれか一項に記載の装置。
  50. 前記ウェブまたはスキンと前記シュラウドとの間の接続部は概略流体不透過性接続であることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
  51. 前記シュラウドは薄い壁で構成されており、前記ヘッド端部から前記テール端部までの長さの少なくとも一部に沿って収束しており、前記収束は前記ブレードアセンブリのテーパと一致していることを特徴とする請求項３７〜５０のいずれか一項に記載の装置。
  52. 前記シュラウドは複数セクションまたは一体成形構造であり、ヘッド端部セクション、テール端部セクションおよび中間セクションを備え、流体の流れは前記ヘッド端部セクションを介して前記シュラウドに流入し、前記テール端部セクションを介して前記シュラウドから流出し、前記中間セクションは前記ヘッド端部セクションと前記テール端部セクションとの間に延在して、前記ヘッド端部セクションから前記テール端部セクションに向かう流れを収束させていることを特徴とする請求項３７〜４６のいずれか一項に記載の装置。
  53. 前記シュラウドの前記ヘッド端部セクションは前記中間セクションに向かって収束し、前記テール端部セクションは前記中間セクションから離れるにつれて拡張し、前記シュラウドは前記中間セクションによって形成された収束する細長い気管を備えた全体的に収束―拡張ベンチュリの形式であることを特徴とする請求項５２に記載の装置。
  54. 前記シュラウドは円形断面プロファイルを備え、前記シュラウドの前記ヘッド端部セクションと前記テール端部セクションとはベルマウス構造に拡張されていることを特徴とする請求項５２または５３に記載の装置。
  55. 各々の組み付け構造は前記シャフトの前記端部セクションに接続されたベアリング要素を含み、該ベアリング要素は、使用時において、固定支持構造に組み付けられ、前記動力発生アセンブリは前記支持構造に対して回転するようにされていることを特徴とする請求項３７〜５４のいずれか一項に記載の装置。
  56. 前記装置は前記シュラウドの正面にステータを含んでいることを特徴とする請求項３７〜５５のいずれか一項に記載の装置。
  57. 前記ステータは前記シュラウドの前記ヘッド端部セクションに隣接していることを特徴とする請求項５６に記載の装置。
  58. 前記ステータはピッチ調節可能な１つ以上のブレードを含んでいることを特徴とする請求項５６または５７に記載の装置。
  59. 前記装置は前記シュラウドの後方にスロット排出配列を含んでいることを特徴とする請求項３７〜５８のいずれか一項に記載の装置。
  60. 前記スロット排出配列は前記シュラウドの前記テール端部セクションに隣接していることを特徴とする請求項５９に記載の装置。
  61. 前記スロット排出配列は前記シュラウドに接続され、前記シュラウドと共に回転することを特徴とする請求項５９または６０に記載の装置。
  62. 前記スロット排出配列は発電機に接続されて、前記シュラウドと共に回転しないことを特徴とする請求項５９または６０に記載の装置。
  63. 前記スロット排出配列は離間された複数の管状セクションを含んでいることを特徴とする請求項５９〜６２のいずれか一項に記載の装置。
  64. 前記スロット排出配列は一体構造であり、その中にらせんスロットを備えていることを特徴とする請求項５９〜６２のいずれか一項に記載の装置。
  65. 前記スロット排出配列は前記シュラウドから離れて正反対に拡張していることを特徴とする請求項６３または６４に記載の装置。
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