JP5548122B2 - 水車 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気エネルギを生成する目的のために、水流から仕事を取り出す（extract）ように設計された、ある種のタービンに関連する。

現在、潮汐流からエネルギを取り出すために商業化され、或いは、提案された多くの装置がある。河口を横切る障壁が一方の端に固定され、それは視覚的にも環境的にも侵襲性を有する。他方の端には、高い潮流領域に配置されるように設計された「点で取り出す」装置が固定される。後者は、継続的な障壁を造ることで、流れを妨げない「自由流」装置である。それらが、この創出の出発点である。

点で取り出す装置はたいてい、表面からは「水面下の風車」のように見え、即ち、それらは軸方向の流れのタービン（axial flow turbines）である（タービンの回転軸が、自由流の流れの方向に平行であるか、或いは、平行に近い）。一般に、各タービンは２枚又は３枚のブレードを有し、ブレードは、通常、ピッチ（ブレードの取り付けの角度）が可変である。変形（Variants）は、ダクト内で駆動するタービン（ducted turbines）を含み、軸からよりもむしろ周りに支えられたタービンを含む。通常、各支持構造体には１又は２のタービンが取り付けられる。

より大きな装置が結果として経済的に更に実行可能（viable）となるため、沖合いの開発は、各々の据付に関連して非常に多くの固定費用をかけるような経済的状況である。風車の場合、ロータの直径（及び支持構造の高さ）を単に拡大することで、より大きな装置が達成される。しかし、潮汐タービン（tidal turbines）は、利用可能な水深に制限されるので、潮汐タービンの直径は厳格な制限を超えることは不可能である。軸方向の流れの装置から更に大きな動力を開発することができる主要な方法は、装置の大きさを拡大することよりむしろ、装置の数を増すことである（従ってそのコストが増す）。その結果、規模の経済（economies of scale）は達成困難であるという問題がある。即ち、メンテナンスコストが増大し、軸方向の流れのタービンは、可変ピッチのブレード等の特徴を有するために、製造とメンテナンスが本質的に高価である。

軸方向の流れのタービンに対する１つの代替案は、横方向の流れのタービンである（回転軸が流れの方向に対して実質的に垂直であるか、流れの方向の少なくとも主要な成分が回転軸に対して垂直である）。

横方向の流れの風車は周知である。最も簡易なものは、サボニウス型ロータ（Savonius Rotor）として通常知られている。更に効率的な装置は、ダリユウス型タービン（Darrieus Turbine）（１９３１年に特許された）である。図１を参照されたい。それは風車として使用され、ほとんどが通常垂直軸を備え、幅広い範囲の規模で使用されて、たくさんの変形した形状で使用されてきた。

ダリユウス型タービンと同じ原理に基づているが、垂直軸を備えて水中に配備された装置が、１９８０年頃から始まるデーヴィス型タービン（Davis Turbine）である。しかし、垂直軸を備えて配備されるとき、横方向の流れのタービンは、未だに拡張性がない。

それ故に、１つの提案は、ダリユウス型（又はデーヴィス型）タービンであるが、水平軸を備えたタービンを配備することである。３枚のブレードを備えたダリユウス型タービンのロータの基本的な形状が、図２に示される。仮に水平軸のダリユウス型タービンが流れを横切って広げられれば、ブレードは長くて（その長さに比べて）狭いものとなる。各ブレードは、タービンが回転するとき、動的に変化する、大きくて水平方向の力を受け易い。この形状のダリユウス型タービンは、本来、非常に柔軟な構造である。それは、ブレード内に曲げモーメントと剪断力とが発生することで、かけられる負荷に抵抗する。その結果、ダリユウス型タービンは、合理的ではない、大きな欠陥（deflections）になりやすい。

ダリユウス構造の変形（deformation）モードと、欠陥問題の議論とが、今や提起されている。図３は、２枚のブレードを備えたダリユウス型タービンの計画図（plan view）である。動水力から横方向に負荷をかけられる状況下で、端部で支持されたブレード１１は、破断線１２で図中に示されるように変形するだろう（図示のために変形の大きさは誇張されている）。

欠陥は、図４に示されるように、タービンに沿った、断面で堅い補強板１３を導入することで、減らすことができる。これらは、構造全体の「曲げによる欠陥（bending deflection）」を抑えるが、「剪断による欠陥（shear deflection）」を抑えない。図４に示されるように、全体的な変形は未だに大きい。

上で議論した欠陥の大きさの問題と同様に、タービンが回転するとき欠陥が変化するから、素材が極端な疲労荷重を受けるという問題もある。それ故に、充分な大きさの水平軸を有するタービンを設計するという問題がある。

更に提案される構造は、ダリユウス型タービンの変形だが螺旋のブレードを備えたゴーロヴ型タービン（Gorlov turbine）である（これは、更に継続して動力を生成するという有利な点を提供する）。ゴーロヴ型タービンのロータの例が図５に示される。ゴーロヴ型装置は、風と水との両方で駆動する、垂直又は水平の軸を備えたタービンを示唆してきた。更なる情報が例えば米国特許第５，６４２，９８４号から得られる（特許文献１）。ブレード１１が端部の板１３で支持される場合（図５）もあれば、中央の軸からスポークで支持される場合もある。しかし、螺旋のブレードは、本質的に剛性構造を形成しないが、構造的一体性のために曲げ剛性（bending stiffness）に依存する。このことは、ブレードは、上で議論した欠陥の問題に遭うことなく、特に長い構造へ広げられることはできないということを意味している。螺旋のブレードは作ることが本質的に困難で、高価であるという問題もある。

本発明は、上記の問題の１又は２以上を少なくとも部分的に解消することを目的とする。

本発明は、軸の回りに回転可能に取り付けられたロータを有する横方向流水車を提供し、ロータは、ブレードが流水中に配置されるとき、ブレードがロータを軸の回りで回転させる少なくとも３枚のブレードを有し、ロータは３次元の三角形分割構造の形態を有する（in the form of a structure triangulated in three dimensions）複数の部材を有し、ブレードの少なくとも１枚は部材の１つを有し、少なくとも１枚のブレードは細長で実質的にまっすぐな線を有し、少なくとも１枚のブレードの線は軸に平行ではなく、ブレードの線と軸とが共通の平面とならないように配置される。

本発明に従ったタービンは、水平方向に引き伸ばされることを可能にすることで、装置の拡張性を可能にするという有利な点を有する。

本発明の実施形態は、３次元の三角形分割構造（a three-dimensional triangulated structure）、即ち、主に圧縮と引張りとで負荷を支える、平面的でない、剛体構造を提供することで、撓みの問題に対処する。三角形分割構造は、好適には、実質的にまっすぐな部材の組立体であり、仮にこれらが「ピン」結合（即ちモーメントに抗しない結合ジョイント）で端部で結合される部材で置き換えられるのなら、同等の構造は、静力学的に確定的であるか、或いは、冗重であろう。それは、機構を形成しないであろう。ジョイントがモーメントを伝達する実際の構造では、それにもかかわらず、その構造内の負荷は、主に軸方向であり、三角形に分割された形態を有する本来の筋交いのために、その構造は剛性を有するであろう。本発明の１つの好適な実施形態では、筋交いの数は６であり、その筋交いは回転軸に対して角度を有している。比較して、ダリユウス型タービンは、通常、２又は３の平行な筋交いで構成され（ダリユウス型タービンは通常４つの筋交いを有する）、三角形分割されていない。本発明では、筋交いそれ自体が、剛体構造を有する構成要素を形成するために使用され、横方向の負荷がかけられた状態で、その構造の撓みの主要な原因を抑える。

タービンの実質的にまっすぐなタービンブレードと回転軸とが共通の平面とならないように配置することで、本発明の実施形態では、タービンの１枚又は２枚以上のブレードが３次元の三角形分割構造を有する一体化した構造部材である構成が可能となり、追加の筋交いは必ずしも必要とされない。

本発明の実施形態は、添付された図面を参照して記述されるが、例としての目的だけに記述される。

図１はダリユウス型風車を示す。 本発明に従っていない、３枚のブレードを備える水平軸のダリユウス型タービンを示す。 本発明に従っていない、長い２枚のブレードを備えたダリユウス型タービンの撓みを示す。 本発明に従っていない、剛性断面を備えた長い２枚のブレードを備えたダリユウス型タービンの撓みを示す。 本発明に従っていない、ゴーロヴの螺旋状のタービンの撓みを示す。 本発明の一実施形態に従った、三角形分割構造を構成するブレードを備えた６枚のブレードを備えたタービンを示す。 本発明の一実施形態に従った、複数のユニットで、６枚のブレードの形状を示す。 接線方向に外れたブレードを備えた、本発明を具体化した６枚のブレードの構造を示す。 半径方向に外れたブレードを備えた、本発明を具体化した６枚のブレードの構造を示す。 接線方向に外れたブレードを備え、三角形分割された端部を備えた、本発明を具体化した６枚のブレードの構造を示す。 軸に平行な３枚のブレードを備えた、本発明を具体化した非対称の６枚のブレードの構造を示す。 本発明に従っていない、長くて筋交いを入れた２枚のブレードを備えたダリユウス型タービンの撓みを示す。 本発明を具体化するタービンの据付の正面図である。 図１３のタービンの据付の断面図である。 図１３のタービンの据付の平面図である。 本発明に従っていない、軸方向の流れのタービンの比較可能な据付を示す。 本発明を具体化する長いタービンの据付を図解する。 可動堰としてタービンの据付の断面図である。

図面では、類似の部品は、類似の参照符号で示される。

本発明の実施形態に構想される原理の応用は、潮汐流からエネルギを取り出すことであるが、装置は、他の型の流れ、例えば川の中や大洋の流れによって引き起こされる流れの中に配備されることが等しく可能である。この後、例として潮汐流に対して参照がされるが、これは単に好ましい配備にすぎず、他の流れの箇所における配備を排斥しない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態のタービンが、図６に示される。図２のタービンロータと比較して、ブレードの数が６枚に増えており、ブレード１１は三角形分割構造を形成するように再編成される。図６は、構造の１つのユニットを示す。ブレード１１自体が、三角形分割構造を形成するために使用された細長の部材であることに留意されたい。この場合、ブレードは、ロータの回転軸１４に平行ではない。更に、ブレード１１は軸１４に対して半径方向には傾斜していないが接線方向には傾斜しており、その結果、ブレード１１及びロータ軸１４の長手方向の線は同一平面上にない。このように、ブレード１１は、３次元において三角形分割構造の部材を形成する。もちろん、ブレードは、例えばロータが端部でテーパにされれば、付加的に半径方向に傾斜することもある。いくつかのユニットは、図７における３つのユニットとして図示されるように、連続した構造を形成するために一緒に取り付けられることもある。ユニットは、等しい半径と等しい長さを有するものとして示されているが、これは本質的ではない。例えば、直径は、より深い水の領域では、より大きくなることがある。タービンの直径には特に制約はないが、一般に、６０ｍ乃至８０ｍの水深で使用されるとき、直径は２０ｍとなることがある。もちろん、ずっと小さい変形例も可能である。

タービンのブレードの数は、その軸に関連するブレードの最大数を妨げるタービンロータの軸に垂直な平面を考慮して画定される。即ち、その数は、ブレードの数を与える。その結果、図７は、たとえ各々が６枚の明白なブレードを有する３つのユニットで構成されるとしても、６枚のブレードを備えたタービンロータの設計を未だに考慮される。好ましくは、ブレードのすべては、三角形分割構造の少なくとも一部を形成する部材でもある。しかしながら、三角形分割構造の部材のすべてが、必ずしも、ブレードではない。

ブレードの外形は、知られた任意の好適な形状をダリユウス型タービンに取ることが可能である。例えば、通常、ブレードは、翼（aerofoil）が対称の、即ち反対側の面の外形が同じの、横断面において翼の形状を有している。

本実施形態では、ブレードは実質的にまっすぐであり、長さ方向にまっすぐな線を画定している。選択的には、ブレードの翼の外形（aerofoil profile）は、流体力学的に効率を最適にするために（ブレードの長手方向の線は実質的にまっすぐなままであるが）捩られることが可能であり、その結果、回転軸からの半径方向は、ブレードの長さに沿って平面に対して垂直である。しかし、このような場合でも、各ブレードの線はまっすぐである。構造の１つの形態において、各ブレードは、よじれているかもしれない翼の外形を形成している外側のシェルを備えたスチールの中央のまっすぐな翼桁（spar）を有する。シェルは、グラスファイバや他の複合材料のような軽量な素材でできている。

（他の実施形態）
本発明の重要な部分は、設計が、ブレードを構造的な要素として使用して、三角形分割された剛体構造を形成することである。このことにより、タービンが流れを横切って延伸することが可能になり、必要とされる支持部の数が減る。図６及び図７は、まっすぐでよじれた、各ユニットの端で円板の上に交差する、等しい領域を有し、軸に対して等しく傾斜しているブレードを示しているが、これらの特徴のいずれも本発明の本質ではない。他に、本発明の他の実施形態及び第１の実施形態の変形例は、以下のものを含む。

（ａ）ブレードは僅かに湾曲することが可能である。それらは一定の翼弦の幅を有する必要はない。しかし、それらはトラス構造（実質的には三角形分割構造）のために圧縮と引張りの部材として作用するだろう。
（ｂ）ブレードは、図８（接線方向に外れた）及び図９（半径方向に外れた）に示されるように、ブレードが交わるところで、僅かに中心を外れることが可能である。これらの設計は、剛体構造の基本的な要求を達成するが、流体力学的な理由のために好適であろう。
（ｃ）それらは円板に交わる必要はないが、図１０に示されるように、三角形の端部１５に交わることができる。
（ｄ）ブレードは大きさを変えることが可能であり、流れに対して角度を変えることが可能である。図１１に示される例は、そこでは３枚のブレードが回転軸に対して平行で、３枚の更に小さなブレードが傾斜している。それらは、剛性を有する三角形分割構造を未だに形成する。
（ｅ）ブレードの数は６枚である必要ない。例えば、タービンが三角形分割構造を有するという要求に従った、８枚等異なる数のブレードが使用され得る。
（ｆ）剛性を有する三角形分割構造を達成する他の方法は、少なくとも３枚のブレードを使用し、ほっそりとした引張り部材で筋交いを入れることで達成でき、選択的には、流線断面のバーの形状を使用することで達成できる。追加の筋交いの部材の効果の図解を図１２に示す。この図は、２つのブレードを有するタービンを示し、明瞭にする目的で１つの平面の筋交いだけを示しているから、本発明の実施形態に従っていないが、図３及び図４と比較するために示される。図１２に示されるように、構造全体の剪断撓みはずっと小さく、対応する変形は圧縮される。個々のブレード１１は、図１２に示されるように、未だに変形する（符号１２参照）。しかし、それらの撓みは図３及び図４に示された構造の以前の全体的な変形よりもずっと小さい。

（本発明を具体化しているタービンの配備）
図１３は、本発明を具体化しているタービンの典型的な可能な配置を示している。２つのタービンロータ５は、海底２に固定された３つの構造３，４によって支持されて示されている。構造３の２つは水面１を切り裂き、他の構造４は水面を切り裂いていない。輸送（shipping）のために、波の負荷及び環境の理由のために、表面を切り裂かない支持構造を有することは有利な点となることがある。タービンロータは、発電機（不図示）を分離するために接続されることがあり、或いは、支持構造３の１つの中で単一の発電機６と一緒に接続されることがある。支持構造に適用されるトルクを減らすために、隣接するタービンロータは、反対方向に回転することが可能である。再び、タービンロータ５は、すべてが互いに同じ半径を有している必要はなく、或いは、長さ方向に統一した半径を有している必要もない。

図１４は、本発明を具体化するタービンの軸を通る断面を示す。タービン５を横切る水の流れ７を示している。流れが潮汐システムの中で逆流するとき、タービン５は以前と同じ向きで回転する。タービン５は現在の方向に関わりなく、同じように回転する。

図１５は、タービン５を横切る流れ７を示し、計画における同じ概念を示す。流れは正確に横方向である必要はない。しかしながら、傾斜した流れは、いくつかの効率の損失を生じさせるだろう。

図１３と比較して、図１６は、流れを横切って類似の兆候（breath）を占有する軸方向の流れのタービン８の一般的な配備を示す。本発明を具体化するタービンと比較して、軸方向の流れの計画は、
（ａ）流れの更に小さな断面を妨害する。
（ｂ）更なる支持構造を要求する。それらのすべてが発電機に対するアクセスのための表面を切り裂くことを必要とする。
（ｃ）更なる発電機を必要とする。
（ｄ）軸受等のための更なる基本的なシールを必要とする。
例えば、浅い河口では、本発明を具体化する一連のタービンは、図１７に示されるように、長い配列を形成するために、１又は２以上の発電機６と結合されるであろう。

本発明を具体化するタービンは、例えば川の中等の粘度が更に高い流れの中に配備されることもある。適した場合において、タービン５は、「可動堰（active weir）」として作動することもある。図１８を参照されたい。堰の下流では、流れは非常に危険となり（supercritical）、その後水位が急上昇し（hydraulic jump）、決定的とまではいかない流れ（sub-critical flow）へ戻ることもあろう。

支持構造３，４は、任意の好適な形状を取ることもある。例えば、それらは、単一の柱、複数の柱、重力基礎、或いは、ケーソン（caisson）の上に基礎を置く基板を備えた固定された構造体とすることも可能である。支持構造は、スチールやコンクリートで作られることもある。つなぎ縄でつながれた浮き構造（Tethered buoyant structures）が、ある種の応用（例えば非常に深い水）では適切であるかもしれない。

発電機は、任意のたくさんの好適な構成を取ることが可能である。例えば、発電機は、ギアを有しない低角速度の発電機、タービンと発電機との間に多段のギアボックスを備えた高角速度を有する発電機のいずれかであることもあろう。各々の支持構造に１（又は２）の発電機があることもあるだろう、或いは、タービンロータ５が（例えば僅かな角度の不整合を許容するカップリングを使用して）支持構造を通して連結されているだけということもあり、動力伝導機構（power take-off）がその線に沿った一点にあるということもあるだろう。発電機が流線の上方に配置されることを可能にするために、機械式の伝動装置システムが使用される更に複雑な配置もまた構想される。
〔形態１〕
軸の回りに回転可能に取り付けられたロータを有する横方向流水車であって、
前記ロータは少なくとも３枚のブレードを有し、
前記ブレードが流水中に配置されるとき、当該ブレードが前記ロータを前記軸の回りで回転させる、横方向流水車において、
前記ロータは、３次元で三角形分割構造を有する形態で複数の部材を有し、
前記ブレードの少なくとも１枚は、前記部材の１つを有し、
前記少なくとも１枚のブレードは、細長であって実質的にまっすぐな線を有し、
前記少なくとも１枚のブレードの前記線は、前記軸に平行ではなく、当該ブレードの当該線と当該軸とが共通の平面とならないように配置される、横方向流水車。
〔形態２〕
形態１に記載の横方向流水車において、
前記三角形分割構造の部材を形成する少なくとも６枚のブレードを有する、横方向流水車。
〔形態３〕
形態１又は２に記載の横方向流水車において、
各ブレードは、実質的にまっすぐである、横方向流水車。
〔形態４〕
形態１乃至３のいずれか１項に記載の横方向流水車において、
少なくとも１枚のブレードは、翼の外形を有する、横方向流水車。
〔形態５〕
形態１乃至４のいずれか１項に記載の横方向流水車において、
少なくとも１枚のブレードは、長さ方向によじれた翼である、横方向流水車。
〔形態６〕
形態１乃至５のいずれか１項に記載の横方向流水車において、
前記軸に沿った少なくとも１箇所において、当該軸に垂直な平面が、前記三角形で分けられた構造の少なくとも６個の部材によって遮られる、横方向流水車。
〔形態７〕
形態１乃至６のいずれか１項に記載の横方向流水車において、
前記軸は、実質的に水平である、横方向流水車。

１１：ブレード、１４：ロータ軸

Claims (6)

1. 水平な軸の回りに回転可能に取り付けられたロータを有する横方向流水車であって、
   前記ロータは、前記軸に垂直な少なくとも２つの平面と、当該少なくとも２つの平面の間に配設された少なくとも３枚のブレードを有し、
   前記少なくとも３枚のブレードの各々は、当該ブレードの第１端部が前記少なくとも２つの平面の１つによって支えられ、当該ブレードの第２端部が当該少なくとも２つの平面の他の１つによって支えられ、
   前記少なくとも３枚のブレードは、当該ブレードが流水中に配置されるとき、前記ロータを前記軸の回りで回転させる、横方向流水車において、
   前記ロータは、３次元で三角形分割構造を有する形態で複数の部材を有し、
   前記ブレードの少なくとも１枚は、前記部材の１つを有し、
   前記少なくとも１枚のブレードは、細長であってまっすぐな線を有し、
   前記少なくとも１枚のブレードの前記線は、前記軸に平行ではなく、当該ブレードの当該線と当該軸とが共通の平面とならないように配置され、
   前記複数の部材は、複数の三角形を形成し、
   ３次元で三角形分割構造の前記複数の三角形の少なくとも１つは、前記少なくとも２つの平面の１つと、前記少なくとも３枚のブレードの２枚とを有する、横方向流水車。
2. 請求項１に記載の横方向流水車において、
   前記三角形分割構造の部材を形成する少なくとも６枚のブレードを有する、横方向流水車。
3. 請求項１又は２に記載の横方向流水車において、
   各ブレードは、まっすぐである、横方向流水車。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の横方向流水車において、
   少なくとも１枚のブレードは、翼の外形を有する、横方向流水車。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の横方向流水車において、
   少なくとも１枚のブレードは、長さ方向によじれた翼である、横方向流水車。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の横方向流水車において、
   前記軸に沿った少なくとも１箇所において、当該軸に垂直な平面が、前記三角形で分けられた構造の少なくとも６個の部材によって遮られる、横方向流水車。

Images