JP5639641B2 - 双方向タービンブレード - Google Patents

Description

［技術分野］
本発明は概して、水中タービンおよびこれらのタービンのためのブレードに関する。本発明の特定の実施形態は、順方向および逆方向からの流れを、流れに対してタービンを移動させることなく受けるよう構成された水中タービンにおける使用に好適なブレードの設計に関する。

［背景技術］
水流は通常、予測可能であるが、方向に小さな変化および大きな変化が起こることがある。方向の小さな変化は、特定の流れ方向からの数度の変位を伴う。方向の大きな変化は、潮汐流の反転におけるように、６時間ごとの１８０度の変位を伴う。

水中発電装置を設計するとき、これらの流れの方向の大きな変化は通常、構造および機構を回転させて、装置が反転した水流を受けるように装置の姿勢を反転することで対応されてきた。しかしながら、これらの回転する構造および機構は、建設、据付および維持する費用が高い。

本発明は、上述の不都合の１つ以上の改善を図る。

［発明の開示］
本発明の第１の態様によると、
ブレード付け根およびブレード端と、
ブレード付け根およびブレード端との間に延びる第１面および第２面と、
ブレードの長手方向縁の間に延在する翼弦線に対称である断面形状と、
翼弦線から約５度から３５度の間のねじれと、
を含む双方向ブレードであって、ブレードは、第１面または第２面における水流から水中タービンを駆動することができる。

ブレードは特に、中心軸水中発電タービンでの使用に好適である。

ブレードは、平坦、二重楔、六角形（変形二重楔）を含む任意の好適な対称断面形状であってよい。好ましい実施形態では、揚力の増加および抗力の低減を促進するため、断面形状は、楕円形状の両凸である。

好ましくは、ねじれはブレードの長手方向の中心軸を中心とするか、またはブレードの全長に沿う翼弦線の中間点にあるため、ねじれたブレードの全体の形は対称である。好ましくは、ねじれはブレードの選択された長手方向軸を中心とするか、またはブレードの全長に沿う翼弦線の中間点にあるため、後者の場合、ねじれたブレードの全体の形は対称である。

好ましくは、ねじれ全体は、１０から２０度の範囲である。好ましい実施形態では、ねじれはブレード付け根から端へ約１４度である。発明者らによる試験およびモデリングは、約５度から３５度の範囲にあるねじれが、本発明の他の好ましい特徴において効果的かつ有用であることを示す。

好ましくは、ブレード面はテーパが付けられているため長手方向縁が長手方向中心軸に向かって内側に傾斜する。好ましい実施形態では、ブレード端における翼弦線の長さが、ブレード付け根における翼弦線の長さよりもおよそ１０％短くなるようなテーパである。発明者らによる試験およびモデリングは、このブレードの設計では約２％から３０％の範囲にあるテーパが有用であり効果的でありうることを示す。

タービンに据付けられたとき、ブレードは、ブレードの中間部がタービンの中心軸に対しておよそ４５度傾くように配置される。これは、据付けられたときに、好ましいブレードが、付け根または近位ブレード領域において流入する水流に向かって数度ねじれ、かつ、端または遠位ブレード領域において流れから離れて、または後方にもしくは下流に数度ねじれることを意味する。

本発明の第２の態様によると、本発明の第１の態様に従う双方向ブレードの水中タービンにおける使用が提供される。

本発明の第３の態様によると、水中タービンへの水流のため電力を生成するための本発明の第１の態様に従う双方向タービンブレードの使用が提供される。好ましくは、水中タービンは、
中心軸を有するタービン本体と、
中心軸を中心とする回転のためのタービン本体に取付けられたロータであって、複数のブレードを支持する中央ハブとを備え、それぞれのブレードがハブに取付けられるブレード付け根からブレード端に向かって延在する、ロータと、
ロータによって駆動される発電機と、
ロータを囲み、水流をブレードに誘導するよう構成されたハウジングと、
を含む中心軸水力タービンである。

ブレードは、１度から２０度の角度で後方に扇状に広がる（splayed）かまたは傾斜し（raked）、これにより効率が向上しうる。好ましくは、ブレードは、中心軸に対して垂直な面からブレード付け根からブレード端へ後方に２°から１０°の傾きで、より好ましくは、ブレードは、４°から６°の傾きで扇状に広がる。さらに好ましくは、ブレードは、ブレード付け根からブレード端へ後方に中心軸に対して垂直な面から約５°の傾きで扇状に広がる。

ロータは好ましくは、ロータへの抗力を低減させ、ハウジングへの乱水流を低減するためロータの前部に取付けられるノーズコーンを含む。好ましくは、ノーズコーンは、補助の制御システムもしくはリザーバなどの補助システムまたは主要なシステムのためのスペースを提供するよう空洞である。

好ましい実施形態では、発電機はロータと共にハウジングされており、発電機は、ロータの回転から電力を生成するよう構成されている。好ましくは、発電機は、シャフトに直接接続されている。好ましくは、発電機はスプライン接続でシャフトに接続されている。

好ましくは、発電機は、ロータによって直接駆動されており、この構成は、多極発電機または高極発電機などの選択された発電機が要求する入力速度に適しうる。しかしながら、いくつかの構成では、発電機に入力されるシャフトの回転速度が他のタイプの発電機に適する回転速度に変換されるように、変速機をシャフトまたは発電機に接続することが好適でありうる。

好ましくは、ロータおよび発電機を支持するために支柱が備えられる。好ましくは、支柱はダクトまたはリザーバを設けるよう空洞である。一構成では、支柱はロータおよび発電機の間に実質的に放射状に延在する。好ましい実施形態では、支柱の発電機側の端は、支柱が発電機に対して実質的に接線方向に延在するよう取付けられる。これは、発電機およびハウジングの間のトルク伝達を向上させるためであり、より軽い支柱を容易にする。さらに、この好ましい構成の利点は、接線方向に取付けられた支柱が、使用中に完全に後ろに配置されることがなく、すなわち放射状に取付けられたブレードによって完全に「影になる（shadowed）」ことがないため、支柱の疲労荷重が低減されることである。

好ましくは、ロータの回転を抑制するため使用されるブレーキが備えられる。好ましくは、ブレーキは、フェイルセーフ機構である。好ましくは、使用中、ブレーキングアクチュエータは、ブレーキ要素に力が印加された場合、作動力に反してブレーキ要素をロータから離れた状態に保つ。使用中、力がブレーキングアクチュエータから取り除かれた場合、バネからの作用力または他の適切な種類の付勢力を使用しうる作用力が、ブレーキングアクチュエータの力を克服し、ブレーキ要素をロータに適用することでロータの回転が遅くなるかまたは停止する。

好ましくは、ブーツまたはプラグがブレード付け根に設けられ、この領域における干渉抗力を最小化するために間隙もしくはバンプまたはボルト頭部などを覆う。

好ましくは、ハウジングは、ロータの前方の前部開口からタービン本体に隣接する細いスロートに収束する。好ましくは、ハウジングは、流量制限を有する流路を画定する。利点としては、この構成は、流路の制限された部分の流路を流れる液体の速度を、流路の制限されていない部分に比べて増加させる。流量制限は好ましくは、流路の一部または全体を形成しうるベンチュリを備える。特にベンチュリは、流路の両端における開口から流路の内部に向かってテーパが付けられた中細ベンチュリ（divergent-convergent-divergent venturi）を備えうる。好ましくは、ハウジングは、ロータおよびブレードを中に配置する円筒穴を備える本体の形式である。

好ましくは、ハウジングは、ロータに対して実質的に対称である。

好ましい実施形態では、ハウジングは、ロータの後方に延在し、ディフューザとして機能し、ハウジングは、スロートからロータ後方の後部開口に向かって広がる。

好ましくは、ロータは少なくとも２つのブレードを支持する。さらに好ましくは、タービンは、３または６つのブレードを有する。しかし、２、３、４、５、６またはこれ以上の数のブレードをタービンで使用することができることが理解されるだろう。

本発明の好ましい実施形態は、中心軸に垂直な面から約１°から２０°の角度の傾きで基部からブレード端へ傾斜するかまたは後方に扇状に広がったブレードを含み、タービンからの利用可能な電力生成の向上を促進する。

本発明の別の態様によると、水流から電力を生成する方法であって、
中心軸を有するタービン本体と、
中心軸を中心とした回転のためにタービン本体に取付けられたロータであって、複数のブレードを支持する中央ハブを備え、それぞれのブレードは、ハブに取付けられたブレード付け根からブレード端へ向かって延在する、ロータと、
ロータによって駆動する発電機と、
ロータを囲み、水流をブレードに向かって誘導するよう構成されたハウジングであって、ブレードが１から２０度の間の角度で後方に扇状に広がるかまたは傾斜する、ハウジングと、を含む中心軸水力タービンを海洋または河川環境に設けることと、
タービンを通る水運動によってブレードを回転させることと、
タービンから使用可能な電力を引くことと、を含む方法が提供される。

本発明のさらに別の態様によると、中心軸水力タービンの部品一式が提供され、一式は、発電機モジュールであって、中心軸とタービン本体と複数のブレードを支持するための中央ハブを備える、中心軸を中心とした回転のためのタービン本体に取付けられるロータとを備え、さらに１つ以上の支柱および使用中にロータによって駆動される発電機を取付けるためのマウントを含む、発電機モジュールと、複数のブレードと、ハウジングと、電力生成モジュールをハウジングに対して中心位置に支持するための複数の支柱と、を含み、ハウジングは、使用中にロータを囲み、使用中に少なくとも選択された時には、複数のブレード端に隣接して配置されるようロータから離れて配置される１つ以上の内壁を含み、ハウジングは、支柱を定位置に据付けるように取付けるための支柱マウントをさらに含み、支柱は、容易に組み立てることができ、発電機モジュールとハウジングとの間に延在する。

本発明の好ましい実施形態によるタービンは、海や川などで見られる水流体における使用に好適である。本発明は、海流および潮流を使用して電気を生成することができる。

本明細書を通して、文脈が別途指示しない限り、「含む（comprising）」または「含む（comprises）」、「含んでいる（comprising）」などの変形は、述べられた要素、整数、ステップ、または要素、整数若しくはステップのグループの包括を示すものであり、他の要素、整数またはステップまたは要素、整数若しくはステップのグループを除外するものではないことが理解されよう。

本明細書に含まれている文書、行為、素材、装置、物品その他の議論は、本発明のコンテクストを提供する目的のためのみになされる。これらの事項のいずれかまたは全てが、本明細書に開示される本発明の優先日以前にオーストラリアに存在する、先行技術の基礎の一部をなすか、または本発明にかかる技術分野における常識であることを容認するものと理解されるものでない。

本発明がより明確に理解されるよう、以下の図面と例を参照して、好ましい実施形態が記述される。

図１は、本発明の好ましい実施形態に従うに双方向タービンブレードの等角図である。 図２は、図１の双方向ブレードの正面図であり、ページ面に沿って突出したブレード付け根を示す図である。 図３は、図１のブレードにそって多様な位置で切断した複数の断面図を示す図である。 図４は、図１の双方向ブレードの正面図であり、ページ面に沿って突出するブレード端を示す図である。 図５は、図１の双方向ブレードの断面図であり、長手方向の断面を、中心カンバ線に沿って示す図である。 図６は、図１のブレードをブレード端から見た図であり、実質的には平面図である。 図７は、図１のブレードをブレード付け根から見た図であり、実質的には下から見た平面図である。 図８は、本ブレードの好ましい実施形態の多様なねじれ角度で比較した効率に関するモデリングおよび試験結果を示すグラフである。 図９は、本ブレードの好ましい実施形態の多様な迎え角度で比較した効率に関するモデリングおよび試験結果を示すグラフである。 図１０は、双方向ブレードを有するタービンの等角図である。 図１１は、図１０のタービンの正面図である。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
図を参照すると概して１０として示されるブレードが示されており、ブレード１０は、中心軸海洋タービン（図示せず）での使用に好適であり、ブレード１０は、ブレード付け根１２およびブレード端１４と、第１面１６および第２面１８とを含み、面１６および１８は、ブレード付け根１２およびブレード端１４の間に延在し、長手方向（または前／後ろ）縁１７および１９によって長手方向に境界される。ブレード１０は、翼弦線２２に対して対称である断面形状２０をさらに含み、翼弦線２２は縁１７および１９の間に延在する。ブレードの形状は、図３および６に示され、両凸であり、５０として示される。

ブレード１０は、ねじれを含み、ねじれはいくつかの構成では約５°から３５°の範囲であると効果的でありうるが、図示される好ましい実施形態では、効率の向上のため、付け根から端へ約１４°である。

面１６および１８は、任意の好適な突出した形状でよいが、図に示される実施形態では、面１６および１８は、ブレード付け根１２からブレード端１４にテーパが付けられている。ブレード端１４における翼弦線２２は、ブレード付け根１２における翼弦線２２よりも短く、好ましい実施形態では、短縮量はおよそ１０％である。

ブレード１０のねじれは、図２および図４に明確に示される。図２は、好ましいブレード１０の正面図であるが、ブレード付け根１２の面がページ面と平行になるようにブレードが配向されている。ブレード端１４は、ページ面から回転しているように見え、かつ強くテーパが付けられているように見える。しかし、ブレードの面がブレード端１４に向かってテーパが付けられているものの、図２において、テーパが付けられているように見えるのは、ねじれのせいである。図４は、ブレード先端１４がページ面と平行に突出していることを示す。

中心軸タービン（図示せず）に据付けられたとき、ブレード１０は、ブレードの中間部分１３がタービンの中心軸に対して４５°傾くように配置される。この構成は、ブレード１０が中間部分１３からブレード付け根１２に向かって数度ねじれ、中間部分１３からブレード端１４に向かって逆方向に数度ねじれるような構成である。図３は、ブレード１０に沿う多様な断面でのねじれの形成を示す。

ブレードは、炭素繊維強化ポリマーなどの複合素材から構築されるが、いくつかの構成では、ブレードは、ポリマー、金属、合金などから鋳造されうる。

中心軸タービンにおけるロータのハブへのブレードの取り付けを容易にするために、スリーブ３０がブレードスタブ３２に干渉はまりまたは接着によって固定されている。このスリーブは、ハブにおける対応する穴から延在するピン（図示せず）を受ける複数のくぼみ３３を含み、このようにしてブレードの迎え角が変更されうる。スリーブ３０は、使用中にハブの内壁に接するフランジ３１を含むため、ブレードの回転中に発達した半径方向力によって取り除かれることが阻止される。楔素材の形式である応力除去領域３４が、ブレード付け根においてブレードに含まれる。ここは、ブレードにおいて応力が高い領域であるため、応力除去ウェッジは有用となる。

このブレードが好適に配置されうるタービンの種類は、図１０および図１１に示すような水平軸タービンを含むが、中心軸タービンはハウジング１１６を含むこともあり、含まないこともあることに留意されたい。これらの図を参照し、本発明の好ましい実施形態に従う中心軸水力タービンアセンブリは、概ね１１０として示され、本体１１２、ロータ１１４および任意のハウジングまたはカウリング１１６を備える。本体１１２は、電力生成アセンブリ１１８を含み、ロータ１１４が、中心軸を中心とした回転のためにシャフト１２０に取付けられる。ロータ１１４は、複数のブレード１２４を支持するハブ１２２を含み、好ましい実施形態は、６つのブレードを備え、それぞれのブレードは、ハブに取付けられたブレード付け根１２７からブレード端１２８へ延在する。据付けられたとき、ハウジング１１６は、内壁が、ロータ１１４を含むような位置に配置され、いくつかの実施形態では、ロータの前方の前部開口１２９から、ロータ１１４に隣接する細いスロート１３０へ収束し、水流をブレード１２４に誘導する。支柱１５０は、発電機およびロータのトルク荷重を取るのにより効果的となるよう発電機アセンブリ１１８に接線方向に取付けられる。

広範に記載された本発明の精神または範囲から逸脱することなく、多数の変形および／または変更が、特定の実施形態において示された発明になされうることが当業者には理解されよう。本発明の実施形態は、それゆえ、あらゆる面で、例示的であり、制限的でないと理解される。

Claims (14)

1. 中心軸に対して垂直なブレード面における前記中心軸を中心とした回転のための、水中タービン用双方向タービンブレードであって、
   ブレード付け根およびブレード端と、
   前記ブレード付け根および前記ブレード端の間に延びる第１面および第２面と、
   前記ブレードの長手方向縁の間に延在する翼弦線に対称である断面形状と、
   ブレード付け根からブレード端に分配された約１０度から２０度の間のねじれと、を含み、
   前記ブレードは、前記第１面または前記第２面に入射する水流から水中タービンを駆動することが可能であり、
   ブレード付け根からブレード端へのブレード翼弦テーパが５％から３０％の間であり、
   前記ブレードは、中間部における前記翼弦が前記ブレード面に対して４５度に配置されるように取り付け可能である、
   水中タービン用双方向タービンブレード。
2. 前記ねじれがブレード付け根から端へ約１４度である、請求項１に記載のタービンブレード。
3. 前記断面形状が、楕円形の形状である両凸である、請求項２に記載のタービンブレード。
4. 前記テーパが、およそ１０％である、請求項３に記載のタービンブレード。
5. 中心軸を備えるタービン本体と、
   前記タービン本体に動作可能に結合された、電力生成のための発電機と、
   水流に応じた、前記中心軸に実質的に垂直な面における前記中心軸を中心とした回転のためにロータに取り付けられた、請求項１に記載の１つ以上のブレードであって、中間領域の前記翼弦が前記ブレード面に対して約４５度に設定されるように前記ロータ内に取り付けられるブレードと、を備える中心軸水中発電タービン。
6. 前記ブレードが、楕円形の両凸断面形状を有する、請求項５に記載の中心軸水中発電タービン。
7. 前記ねじれがハブから端へ１４度である、請求項５または６に記載の中心軸水中発電タービン。
8. 前記テーパがハブから端へ１０％である、請求項７に記載の中心軸水中発電タービン。
   
9. 前記タービン本体を囲み、水流を前記ブレードに誘導するよう構成されたハウジングを含む、請求項５に記載の中心軸水中発電タービン。
10. 請求項５に記載のタービンおよび発電機を水塊中に取り付けるステップと、
    水によって前記タービンの前記ブレードを駆動して電力を生成するステップと、を含む、
    水中発電タービンを給電する方法。
11. 前記ブレードが、ブレード付け根からブレード端へ１４度ねじれている、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ブレードテーパが、付け根から端へ約１０％である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記ブレードの前記断面形状が、楕円形の形状である両凸である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記発電機およびタービンが、前記タービン本体を囲み、水流を前記ブレードに誘導するよう構成されたハウジングを含む、請求項１０に記載の方法。

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