JP6012109B2 - 気泡を伴う管内ハイドロタービン - Google Patents

Description

本特許出願は、２０１０年６月１６日出願の米国仮特許出願第６１３５５１７３号、仮の６−１０ハイドロタービンの利益を主張する。

〈背景技術〉
本発明は、配管系におけるハイドロタービンのためのシステム、装置、及び方法に関する。このようなシステムは、安定した及び変更可能なフロー、及び高ヘッド及び低ヘッドを扱うことができる。

本発明の本質は、システムの少なくとも１つの場所における圧力と流量のための制御システムと組み合わせたケーシング内での、及び好ましくはパイプの入力から出力までの全般領域における、気泡の使用である。気泡のコンセプトは、パイプ内のタービンと連結するが、制御システム無しで示されている。米国特許第４４８８０５５号においてＴｏｙａｍａは、気泡を示すが、制御システム、及びブレードを水からの背圧が無いように保つ方法等の、本明細書で示される他の特徴は無い。加えて、下流圧力を制御する手段が無い。下流圧力の特定のレベルが配管系の保全性を維持するために必要とされるため、このことは極めて重大な点である。本出願は、そのような問題に対処する。

現行のシステムの別の独特な特徴は、ブレードへのエネルギー衝突の量を減少できる、流体からの入力流体ノズル及びブレード領域を解放することである。言及されるように、Ｔｏｙａｍａは、入力ノズルを有しておらず、また、流体を入力流体ノズルから遠ざけるための高さの変化も有していない。本出願は、いくつかのシステムを記載し、そのシステムにより、タービン領域の内側の液体からの最小の干渉に直面する、ブレードの十分に高い効果と引き換えに、このような状況を達成するために、少量の効果が犠牲にされる。

本出願において、タービンブレードに入るストリーム（ｓｔｒｅａｍ）の形を調製する入力流体ノズルと、システムに空気を提供する入力エアノズルとの間に差異があることに注意する。

それはガーデンホースの付属品であり、配管系の一部ではないため、Ｌｅｒｎｅｒ、米国特許第４７３１５４５号は関連性が無いことに注意する。さらに、それは、加圧された空気を入れるための装置を含まない。

著者Ｄａｎｉｅｌ Ｆａｒｂによる、初期の特許、パイプにおけるタービンの関係、ＩＢ２００９／０５３６１１は、以下のものを主張する：

「５．上流のタービン活動領域は、下流側のタービンから逆流された含有物で満たされないことを特徴とする、パイプの下流側部分と共に配管系においてタービンを配する方法。」

本出願は先願特許と争うためのものではなく、それは、流体の無いタービン環境の方法を実行するやり方が記載されるからであり、先願特許出願は、圧力ではなく、重力が分離の主な要因である、パイプの下部分の背景を具体的に述べている。本出願は、平坦並びに下方の配管系において機能できるシステムを記載する。

本発明は、ほんの一例として添付の図面によって本明細書に記載される。
図１は、気泡及び圧力の違いを伴う、管内タービンシステムの略図である。 図２は、気泡及びニードルを伴う、管内タービンの略図である。 図３は、気泡を伴う、管内垂直軸タービンの略図である。 図４は、ニードルを伴う入力流体ノズルの略図である。 図５は、入力ハイドロタービンノズルの略図である。 図６は、制御システムの略図である。

本発明は、気泡及び圧力制御を使用して管内タービンから電力を作るための発明に関する。本発明に従って、配管系からの電力の生産に対処する、統一された目的における、特異的なハイドロタービン手法の、様々な装置及び方法が提供される。水力発電タービンに関する多くの特許及び装置が存在する。しかし、本発明において開示される新しい点があり、それらは具体的に、配管系からのエネルギーの問題に関する。

本出願において、時に、「空気」及び「ガス」及び「液体」及び「水」は、同等に使用され得る。

本発明が取り組む問題は、効果を減少させるパイプケーシングにおいてタービンを取り囲む、水の効果である。本明細書においてこの難問の解決策が提唱される。それは、タービンを浸す水又は他の流体から、タービンを完全に又は十分に維持することである。そのように維持する方法は、ポンプ注入された空気の使用に関係し、その空気を送達するための任意の装置を含み、特に、流体よりも上方にあるタービンを維持するように向けられる。

伝統的なペルトンタービンなどの、タービンの任意の型は、この気泡システムによってより効果的に動作できる。

図面を参照すると、図１は、上部が空気であるパイプにおけるハイドロタービン（１）を図示する。（２）は、継続前にタービンから下方に液体を排液することを許可するケーシングである。タービンの上部（３）での流体の侵入が示され、空気−流体の界面の交点にて高い空気圧（６）、及びそれが存在するように低圧（５）より下での流体の収集がある。新規性は、システムが配管系の一部であり、その付近に完全に包囲されること、及び空気入力（４）が流体を囲むことなくタービンを保つために使用されることである。１つの実施形態において、空気圧の供給は、回転運動から損なわないように、カップへと向けられる。レベルと圧力の制御はまた、機械的である。

図２は、気泡とニードル（９）を伴う管内タービンの略図である。右側に、ニードルと随意のバネを有するノズルがある。この部分は、示されるように、タービンシステム（７）と組み合わせて使用される時、新規性がある（ｎｏｖｅｌ）。タービン内の流体は、その後、空気圧インレット（１０）により上方に供給される領域において、カップを打つ。理想としては、これらインレットは、同様に回転を遅らせないように、カップに狙いを定める。その後、流体は、タービンの下部（８）に存在し、１つの実施形態において、左に上昇する。はるか左に、１つの実施形態において背圧無しで確実に流れるため一方向のバルブに良い場所がある。

図３は、気泡を伴う管内垂直軸タービンの略図である。液体は、入力ノズルが位置する入力パイプ（１１）にて侵入する。１つの実施形態において、配管系は、（１２）のレベルで相対的に平坦であり、液体は、点（１１）にまで上る。これは、大気圧の一部の犠牲を意味するが、それと引き換えに、パワーへの高い効果の変換を提供できるシステムを可能にする。ケーシング（１９）は、ブレード（１３）を有する垂直軸タービンを含むが、他の実施形態において、タービンは他の構成を有することができる。１つの実施形態において、シャフト（１４）は、ジェネレーター（１５）に接続される。この構成の１つの利点は、摩擦によりエネルギーの損失を引き起こす、きっちりと密封されたジェネレーターシャフトを必要としないということである。界面ブロッカー（１６）又は水と空気の層の分離を作るための手段は、空気と水（１７）の間の界面の領域を減少し、それにより、気泡の維持にあまりエネルギーを必要としない。界面ブロッカーはまた、もちろん、水平軸又は他のタービンと共に使用され得る。１つの実施形態において、前記界面ブロッカーは、１つの実施形態において、浮かべることにより、又は別の実施形態において、滑らせることにより、液体のレベルと共に垂直に移動できる。出力パイプは（１８）である。

図４は、ニードルを有する入力流体ノズルの略図である。部分（２０）はニードルである。シャフト片（２１）は、バネ又は他の調整器（２２）に接続し、周囲の付属品（２３）により適所に保持される。

図５は、入力ハイドロタービンノズルの略図である。ニードル（２４）の本体は、水力発電の分野において知られるノズル開放へと本体が前後に動くだけでなく、ニードル（２５）の一部がストリームにおいて前後に動くことができ、それにより変更可能な圧力のより良い制御を可能にするように、構築される。部分（２５）の移動により、回転ブレードへのその衝撃を減少又は増加するために、ウォータージェット形状の変更を可能にし、それにより、シャフトの機械的なトルク及び毎分回転数を制御し、及びそれは、ブレードの動翼からジェットを転換することによるブレーキの目的のためにも使用され得る。

図６は、いかにこれが、メモリーを有するマイクロプロセッサにより電気的に制御されたシステムの一部となり得るかを実証する。最も基本的なレベルにて、ＰＬＣ（プログラム可能論理制御装置）（２６）は、圧力調節システムを作るため、様々な実施形態及び様々な組合せにおいて、エアコンプレッサー（２７）、空気シリンダー（２８）、圧力調整器（２９）、ニードルバルブ（３０）、及びレベルセンサ（３１）に接続されることにより、レベル及び圧力を制御する。１つの実施形態におけるニードルの位置は、このシステムにより制御される。エアコンプレッサーは、このシステムの随意の部品である。

要するに、請求項は、パイプに接続されるケーシングにおいて、流体の無い又は実質的に流体の無いタービンのために作られ、ただ記載される装置と方法の異なる組み合わせを使用するこのような様式において維持される

方法と装置は、１つの実施形態において、レベルが上昇するにつれて内部へのフローを減少し、及びレベルが下がるにつれて内部へのフローを増加させることにより、最高効率の点で流体レベルを維持することに関する。システムを動作させるための別の方法と装置は、流体出口圧力（ｆｌｕｉｄ ｅｘｉｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に関して、気圧を調節することに関する。１つの実施形態において、配管の水平部分における、気圧の侵入は、流体出口圧力よりも良い。別の実施形態において、パイプ出口傾斜、流体出口圧力、及び気圧の組合せは、流体の出口を確実にするためにグループとして制御される。

本発明が限られた数の実施形態に関して記載されている一方で、 本発明の多くの変更、修正及び他の応用がなされるということが認識されるであろう。

本発明は、 電子制御下で気泡を伴う管内水力発電タービンを提供することにより、現在知られる構成の欠点に、首尾よく取り組む。

最初に、電気出力のため接続されたジェネレーターを伴う、流体を含むパイプにおける水力発電システムが開示され、該システムは：
ａ． 少なくとも１つのブレードを有するタービンを内包し、少なくとも１つの入力及び出力パイプに接続されるケーシング、
ｂ． 少なくとも１つのガスノズルによりケーシング内部に実質的に連続的なガス圧力を提供し、タービンブレードを実質的に逆流水の無い状態に保つために動作する、ガス圧力手段を含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． タービンから下流にある水レベルセンサを含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． １大気圧又はそれ以上で、出力圧力を維持するために動作するシステムを含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． 下位に面するくぼみを有し、ブレードを打った後に少なくとも幾つかの水を下位に配向するよう動作する、ブレードを含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． タービンブレードからケーシング下流の内部にある、液体ガス界面領域−減少手段を含み、それにより、液体とガスの間の界面の領域は減少される。

別の実施形態に従って、前記界面領域−減少手段は、流体のレベルに従って垂直レベルを変更できる。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． 内容物の再加圧と組み合わされるタービンから下流の一方向バルブを含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． 少なくとも１つのセンサからの入力を使用することにより、上流及び／又は下流の圧力及び／又は上流又は下流の流量を調節するよう動作する、マイクロプロセッサ制御システムを含む。

別の実施形態に従って、少なくとも１つのガスノズルは、入力ガスノズルから流体を受け取る位置に回転する前に、液体を除去するという目的のため、ブレード内側表面に対して配向される。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． 流体フローの配向において移動する手段を含む上流部分、及び流体フローの配向において上流部分から分離できる下流部分を含む、入力流体ノズルニードルバルブシステムを含む。

別の実施形態に従って、入力流体ニードルバルブシステムはまた、その直径を拡張できる。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． ケーシングに隣接する入力パイプのレベルの上流の上昇部を含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． 入口地点からケーシングまでの、タービンに対するケーシング又は配管の下流の上昇部における凹部を含む。

別の実施形態に従って、タービンは垂直軸にある。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． ケーシングに隣接する入力パイプのレベルの上流の上昇部を含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． 下流の一方向バルブを含む。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． 出力液体を再加圧するために動作するコンプレッサー手段を含む。

別の実施形態に従って、少なくとも１つのタービンブレードは、疎水性のコーティングを有する。

現在、最初に、以下の工程により、実質的に水の無い状態に、ケーシングにおける管内タービンシステムのブレードを保つ方法が開示される。
ａ． 少なくとも１つの次のセットの接続された要素：液体レベルセンサ、液体圧力検出器、ガス圧力センサ、圧送機、及びニードルバルブシステムを有するシステムにおいて圧力を調節するための、マイクロプロセッサ制御システムを配する工程、
ｂ． 気泡をケーシングに導入する工程。

１つの実施形態において、システムはさらに：
ｃ． ガス／下流の水界面領域減少手段を提供する工程を含む。

Claims (26)

1. 配管系に設けられ、ケーシングからの出口および入り口に接続されるパイプを含み、電気出力のための接続されたジェネレーターを伴う、流体を含むパイプにおける水力発電システムであって、該システムは：
   ａ． 少なくとも１つのブレードを有するタービンを内包し、少なくとも１つの入力パイプ及び少なくとも一つの出力パイプに接続されるケーシング、
   ｂ．ケーシングに設けられる少なくとも１つのガスノズル、
   ｃ．ガスノズルからケーシング内部に実質的に連続的な調整可能な正のガス圧力を提供するガス圧力手段、
   ｄ．ケーシング内部に提供するガス圧力を調整する圧力調整器、
   ｅ．ケーシング内部のガス圧力を検知するガス圧力センサ、及び/又は、ケーシング内部の水位を検知するレベルセンサ、
   を備え、
   ガス圧力手段は、少なくとも１つのガスノズルによりケーシング内部に実質的に連続的な正のガス圧力を圧力調整器を介して提供し、タービンブレードおよび入力パイプに接続されている流体入力ノズルを実質的に逆流流体の無い状態に保つために動作する、および流体を正圧で下流に放出するように動作することを特徴とする、システム。
2. さらに、タービンからの下流の流体レベルセンサを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. ガス圧力手段が、１０１，３２５Ｐａ以上で、出力流体圧力を維持することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. さらに、下位に面するくぼみを有し、ブレードを打った後に少なくとも幾つかの水を下位に配向するよう動作する、ブレードを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. さらに、タービンブレードからケーシング下流の内部にある、液体ガス界面領域−減少手段を含み、それにより、液体とガスの間の界面の領域が減少されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
6. 前記界面領域−減少手段が、流体のレベルに従って垂直レベルを変更できることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
7. さらに、タービンから下流の一方向バルブを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
8. さらに、ガス圧力手段、圧力調整器、ガス圧力センサ及び/又はレベルセンサに接続され、ケーシング内のガス圧及び/又は水位を制御するマイクロプロセッサ制御装置を含み、
   マイクロプロセッサ制御装置は、少なくとも１つのセンサからの入力を使用することにより、上流及び／又は下流の圧力及び／又は上流又は下流の流量を調節するよう動作することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
9. 少なくとも１つのガスノズルが、入力ガスノズルから流体を受け取る位置に回転する前に、液体を除去するという目的のため、ブレード内側表面に対して配向されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
10. さらに、流体フローの配向において移動する手段を含む上流部分、及び流体フローの配向において上流部分から分離できる下流部分を含む、入力流体ノズルニードルバルブシステムを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
11. 入力流体ニードルバルブシステムがまた、その直径を拡張できることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
12. さらに、ケーシングの上流側に、ケーシングに隣接する平坦な入力パイプのレベルの上昇部を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
13. さらに、ケーシングの下流側に、入力パイプからタービンまでのレベルに対し、より低い出力パイプのレベルを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
14. タービンが垂直軸にあることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
15. さらに、ケーシングの上流側に、ケーシングに隣接する平坦な入力パイプのレベルの上昇部を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
16. さらに、下流の一方向バルブを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
17. 少なくとも１つのタービンブレードが疎水性のコーティングを有することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
18. 以下の工程により、上流側および下流側のパイプを含む配管系に設けられるケーシングにおける管内タービンシステムのブレードを、実質的に水の無い状態に保つ方法であって、前記工程は、
    ａ． 圧送機および少なくとも１つの次のセットの接続された要素：ケーシングに設けられる少なくとも１つのガスノズル、ガスノズルからケーシング内部に実質的に連続的な調整可能な正のガス圧力を提供するガス圧力手段、ケーシング内部に提供するガス圧力を調整する圧力調整器、ケーシング内部のガス圧力を検知するガス圧力センサまたはケーシング内部の水位を検知するレベルセンサの少なくとも１つ、及びニードルバルブシステムを有するシステムにおいて圧力を調節するための、圧力制御システムを配する工程、
    ｂ． 気泡をケーシングに導入する工程、
    ｃ． ガス圧力手段によって、少なくとも１つのガスノズルによりケーシング内部に実質的に連続的な調整可能な正のガス圧力を圧力調整器を介して提供する工程、
    ｄ． 圧力制御システムによって、ケーシング内のガス圧力を調節する工程、
    であることを特徴とする、方法。
19. 圧力制御システムがマイクロプロセッサ制御装置を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. ガス／下流の水界面領域減少手段を提供する工程を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
21. さらに、出力パイプ内で少なくとも１０１，３２５Ｐａ以上の正圧を維持する工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. さらに、レベルセンサから入力を得て、ガス圧力手段に制御出力を与える、ＰＬＣ制御装置を含むことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
23. 流体入力ノズルが、動作可能な弁を含み、該動作可能な弁が、ＰＬＣ制御装置から制御出力を受けることを特徴とする、請求項２１に記載のシステム。
24. タービンがペルトンタービンであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
25. 配管系に設けられる水力発電システムの性能を調節する方法であって、該方法が、
    ａ．入力パイプを提供する工程、
    ｂ．出力パイプを提供する工程、
    ｃ．変更可能な流量及び／又はヘッドのグループの入力流体を提供する工程、
    ｄ．入力パイプからの流体のフローから動作する、入力パイプおよび出力パイプに接続されたケーシングで囲まれた、タービンを提供する工程、
    ｅ．ケーシングに接続されノズルを有する圧送機を提供する工程、
    ｆ．ケーシング内部に提供するガス圧力を調整する圧力調整器を提供する工程、
    ｇ．ケーシング内部のガス圧力を検知するガス圧力センサ、及び/又は、ケーシング内部の水位を検知するレベルセンサを提供する工程、
    ｈ． ブレードから下流流体が取り除かれる程度まで、正のガス圧力を圧送機を介してケーシング内へ提供する工程、を含むことを特徴とする、方法。
26. 配管系において水力発電タービンからの下流圧力を制御する方法であって、該方法が、
    ａ．入力パイプおよび出力パイプを提供する工程、
    ｂ．各端部がパイプに付けられたケーシングおよびタービンを提供する工程、
    ｃ．入力流体ノズルを提供する工程、
    ｄ．ケーシングに付けられた圧送機を提供する工程であって、該圧送機がタービンおよびノズルを下流流体の上に維持するのに十分な圧力で動作する、工程、
    ｅ．ケーシング内部に提供するガス圧力を調整する圧力調整器を提供する工程、
    ｆ．ケーシング内部のガス圧力を検知するガス圧力センサ、及び/又は、ケーシング内部の水位を検知するレベルセンサを提供する工程、
    ｇ． 下流パイプを通る流体の移動を維持するために、ガス圧力を圧送機を介して制御する工程、を含むことを特徴とする、方法。