JP6604964B2 - タービンアセンブリ - Google Patents

Description

この発明は、水の流れからの発電で用いるシステムおよび装置に関する。特に、本発明は、水流からの発電用の装置で用いるタービンアセンブリに関する。

多くのシステムが、水流を電気に変換するのに提案されてきた。装置の一種は、特許文献１に記載され、それは、特に比較的低速の水の高体積流量がある状況で、流れる水体から発電できる。この文献は、発電するシステムでの標準タービン／駆動装置の使用を記載している。

国際公開ＷＯ２０１３／１９０３０４号

他のタービン装置が、水力発電業界で使用されていることが知られている。タービンの一種は、ストラフロー（ｓｔｒａｆｌｏ）タービンと称されることがある、リム生成タービンである。ストラフロータービンでは、チューブは、上流部分および下流部分である２つの部分になっている。タービンは、短い円筒状リムを備え、短い円筒状リムは、タービンチューブと等しい直径のタービンブレードに取り付けられ、２つの静止チューブセクション間に位置する。ブレードとリムとは、チューブの静止上流および下流部分と回転タービンリムのエッジとの間の小さい間隙を有して、共に回転する。上流および下流流路は、静止チューブにある。そのチューブがタービンに固定されていないからである。リムとチューブ部分との間の周方向間隙をシールすることは、難しい。大きな間隙は、タービンディスクの高圧面からタービンディスクの下流低圧面への過度のバイパス漏れを引き起こすことがある。一方、小さな間隙は、過密シールによる過度の摩擦を引き起こすことがある。

本発明は、低ヘッド水力発電で用いる代替タービンアセンブリを提供する。特に、例えば特許文献１に記載されているようなシステムで用いる、比較的低圧の水の高体積流量がある状況で使用できるタービンアセンブリが、記載されている。

本発明の一態様は、以下を備える水流からの発電用の装置を備える：
‐収束セクションであって、混合チューブの第１端に接続され、ベンチュリが収束セクションの端部と混合チューブとの間に定められるようになっている、収束セクション；
‐拡散セクションであって、混合チューブの第２端に接続され、拡散セクションは、使用中に拡散セクションの出口での圧力がベンチュリでの圧力よりも大きくなっている、拡散セクション；
‐複数のブレードを有するブレードアセンブリを備えるタービンチューブであって、タービンチューブは、収束セクションで支持され、アニュラスがタービンチューブと収束セクションとの間に定められるようになっており、第１流路を形成し、タービンチューブは、第２流路を定め、タービンチューブは、収束セクションに回転支持され、ブレードは、タービンチューブの内面に取り付けられ、使用中にブレードを流れ過ぎる水がタービンチューブの回転を駆動するようになっている、タービンチューブ。

タービンチューブおよびブレードは、収束セクションに対して回転する。ブレードは、タービンチューブの内面に固定接続され、タービンチューブの内部の直径にわたって広がり、ブレードアセンブリおよびタービンチューブが、水がブレードを流れ過ぎる際に、同心状に共に回転するようになっている。タービンチューブは、タービンチューブの回転エネルギーを外部発電機に伝達するのに、タービンチューブの中心軸に沿ってブレードアセンブリから延びるドライブシャフトを備えることを必要としない。ブレードは、タービンチューブの内面に接続され、ブレードアセンブリおよびタービンチューブが、水がブレードを流れ過ぎる際に、同心状に共に回転するようになっている。タービンチューブの回転は、発電機を駆動できる。一実施形態では、ブレードアセンブリは、タービンチューブに位置し、タービンチューブの中の二次流路の一部が、ブレードアセンブリの前後に提供されるようになっている。一実施形態では、タービンチューブの長さは、タービンチューブの直径よりも大きくてよい。

タービンチューブは、支持ボスに回転支持され、その支持ボスは、支持ベーンによって収束セクションに取り付けられている。支持ボスは中心ボアを有し、中心ボアは、それを通して形成され、タービンチューブを受け入れて支持する。支持ボスは軸受アセンブリを備え、軸受アセンブリ上で、タービンチューブが、その長手方向軸周りに回転する。タービンチューブの内部は、機械的軸受を備えないかもしれない。軸受は、二次流路の外側に位置する。

支持ボスは、タービンチューブが保持される、タービンチューブよりも短い長さの支持チューブを備えることができる。支持ボスは、支持チューブの両端部に端部キャップをさらに備えることができ、端部キャップは、タービンチューブが回転できる軸受を有する。

タービンチューブはスラストフランジを備えることができ、スラストフランジは、タービンチューブの外面の周りに周囲に広がる。支持ボスはスラストボスを備えることができ、スラストボスは、支持ボスの内面の周りに周囲に広がる。タービンチューブのスラストフランジは、支持ボスのスラストボスと係合できる。スラストボスとスラストフランジとの係合は、軸受アセンブリを介して生じてよい。

タービンチューブは、自由に回転でき、発電機を駆動し、装置がタービンチューブの回転エネルギーから電気エネルギーを生成できるようにする。タービンチューブは、発電のために機械式発電機または電気式発電機を駆動できる。

機械式発電機アセンブリでは、タービンチューブは、発電機に接続可能なギアトレインに接続される。一実施形態では、タービンチューブは、その外面に歯付きフランジを備え、歯付きフランジは、少なくとも１つのピニオンギアと係合し、少なくとも１つのピニオンギアは、支持ボスとタービンチューブとの間のスペースに位置する。各ピニオンギアは、ドライブシャフトに接続され、ドライブシャフトは、発電機に接続可能である。

装置は、支持ボスとタービンチューブとの間のスペースに、複数のピニオンギアおよびドライブシャフト配置を備えることができる。一実施形態では、装置は、少なくとも２つのピニオンギアおよびドライブシャフト配置を備え、各ピニオンギアは、歯付きフランジと係合する。装置は、２つ、３つ、４つまたはそれ以上の、ピニオンギアおよびドライブシャフト配置を備えてよい。歯付きフランジは、タービンチューブの周りに周囲に広がる。

発電機アセンブリでは、タービンチューブおよび支持ボスは、永久磁石およびステータ配置を備える。一実施形態では、タービンチューブは、タービンチューブの外面上の凹部に永久磁石を備え、支持ボスは、永久磁石と並べられるステータを備える。凹部および永久磁石は、タービンチューブの外面の周りに周囲に広がる。

装置は、動力取出管路をさらに備えることができ、動力取出管路は、支持ボスおよび支持ベーンの１つを通って延びる。機械式発電機配置のドライブシャフトまたは電気式発電機配置からの電力ケーブルは、管路を通って装置の外側に延びる。支持ボスおよび支持ベーンを通る管路を有することは、タービンチューブがその内部にドライブシャフトおよび／または電力ケーブルを備えないことを、意味する。これは、一次流路および二次流路には、ドライブシャフトおよび／または電力ケーブルがないということを可能にし、それは、水流の乱れを低減するのに役立ち得る。

装置は、空気圧縮機をさらに備えることができ、空気圧縮機は、空気を、支持ベーンの１つを通って延びる空気管路を介して、タービンチューブと支持ボスとの間のスペースに注入する。空気圧縮機は、タービンチューブおよび／または収束セクションの外部に位置することができる。

装置は、送風ファンをさらに備えることができ、送風ファンは、タービンチューブの周りに径方向に位置し、支持ベーンの１つを通って延びる空気管路を介して、空気を、タービンチューブと支持ボスとの間のスペースに引き込む。

一実施形態では、下方に延びるドレン管路は、支持ボスから、支持ベーンを通って収束セクションの外側に延びる。ドレン管路は、タービンチューブと支持ボスとの間のスペースに入り込む水の通路を提供する。

支持ボスは、ノーズフェアリングおよび／またはテールフェアリングを備えることができる。一実施形態では、ノーズフェアリングの外部形状は、円筒状の外形または弾丸型の外形を有する。ノーズフェアリングの内部形状は、凹形状、円錐形状、または凸形状を有してよい。

一実施形態では、ブレードは、タービンチューブの内面と一体になっている。さらなる実施形態では、チューブの内面は、ブレードの先端が固定される複数の凹部を備える。

タービンチューブは、第１材料で作られた第１セクションと、第２材料で作られた第２セクションと、を備えることができ、第１材料と第２材料とは異なっている。第１材料は、第２材料よりも頑丈な材料であってよい。第１セクションは、チューブの前セクションであってよく、第２セクションは、チューブの後セクションであってよい。

タービンチューブの内径は、変化することができる。一実施形態では、タービンチューブの内径は、水流方向にその長さに沿って減少する。別の実施形態では、タービンチューブは、その長さに沿ってほぼ一定の内径を有する。

チューブの位置は、収束セクションに対して変わることができる。タービンチューブは、タービンチューブの長手方向軸が、収束セクションの長手方向軸とほぼ整列するように、収束セクションに位置付けられる。タービンチューブは、収束セクションの入口が、タービンチューブの入口の上流であるように、位置付けられることができる。さらなる実施形態では、タービンチューブは、タービンチューブの入口が、収束セクションの入口の上流であるように、位置付けられることができる。

タービンチューブの出口の位置も、変わることができる。一実施形態では、タービンチューブは、タービンチューブの出口が、混合チューブに及ぶように、位置付けられる。さらなる実施形態では、タービンチューブは、タービンチューブの出口が、混合チューブの入口の上流であるように、位置付けられる。

装置は、二次流路に位置する予旋回ステータをさらに備えることができる。予旋回ステータは、ノーズフェアリングの入口でまたはタービンチューブの入口の前で、タービンブレードアセンブリの前に位置決めされることができる。

収束セクション、混合チューブおよび拡散セクションは、連続したチューブとして製造できる。さらなる実施形態では、混合チューブおよび拡散セクションは、連続したチューブを形成するように共に接続される個別セクションとして製造される。

好ましい実施形態では、収束セクションの外形は、アニュラスを通じて一次流の一定の加速を提供するように構成される。拡散セクションの外形は、拡散セクションを通じて水流の一定の減速を提供するように構成される。

本発明のさらなる態様は、水流から発電するシステムを含み、そのシステムは、流れる水体の断面にわたって位置する障壁を備え、上記の少なくとも１つの装置が提供され、装置は、使用中に障壁の上流側から障壁の下流側への流路を提供するように、位置付けられる。

本発明のさらなる態様は、以下を含む水の水流から発電する方法を含む：
‐上記のシステムまたは装置を水体にわたって設置し、水溜めを提供し、ヘッド差が、障壁の上流側と下流側との間に生じるようになっていること；および
‐装置を通る水の流れを用いてタービンを回転させること。

障壁は、少なくとも２つの上記の装置を備えることができる。好ましくは、障壁は、上記の装置の配列を備える。装置は、障壁に組み込まれて、障壁の一方の側から他方への流路を提供する

本発明のさらなる態様は、外側チューブで用いるタービンアセンブリを含み、外側チューブは、収束セクションと、混合チューブと、拡散セクションと、を有し、収束セクションは、混合チューブの第１端に接続され、ベンチュリが収束セクションと混合チューブとの間に定められるようになっており、拡散セクションは、水流から発電するように、混合チューブの第２端に接続され、タービンアセンブリは、
‐複数のブレードを有するブレードアセンブリを備えるタービンチューブ；および
‐外側チューブの収束セクションに取り付けるための支持ボス；
を備え、
タービンチューブは、支持ボスに回転支持され、ブレードは、タービンチューブの内面に取り付けられ、使用中にブレードを流れ過ぎる水がタービンチューブの回転を駆動するようになっている。タービンチューブは、支持ボスに対して回転する。

ブレードは、タービンチューブの内面に固定接続され、ブレードアセンブリおよびタービンチューブが、水がブレードを流れ過ぎる際に、同心状に共に回転するようになっている。

支持ボスは中心ボアを有し、中心ボアは、それを通して形成され、タービンチューブを受け入れて支持する。支持ボスは軸受アセンブリを備え、軸受アセンブリ上で、タービンチューブが、その長手方向軸周りに回転する。タービンアセンブリは、上記のタービンチューブおよび支持ボスのさらなる特徴を有することができる。

以下の説明では、「上流」および「下流」は、装置の特徴の相対的位置を定義するに使用される。上流および下流方向は、使用中に水が装置を流れる方向との関連で定義される。上流端は入力領域と考えられ、下流端は出力領域と考えられる。

本発明をこれから添付図面に準拠して例として記載する。

本発明の実施形態の断面側面図を示す。 本発明の装置の実施形態を示す。 図２の切り取り図を示す。 本発明の実施形態の断面側面図を示す。 本発明の収束セクションおよびタービンチューブの断面側面図を示す。 本発明の装置で用いる収束セクション、タービンチューブおよび支持ボスの切り取り図を示す。 本発明のタービンチューブおよび支持ボスの端面図を示す。 本発明の装置で用いるタービンチューブおよび支持ボスの実施形態の切り取り図を示す。 本発明の装置で用いるタービンチューブおよび支持ボスの実施形態の切り取り図を示す。 タービンチューブおよび支持ボスの実施形態の分解図を示す。 本発明のタービンチューブの概略側面図を示す。 本発明のタービンチューブの概略側面図を示す。 Ａ，ＢおよびＣは、本発明の実施形態の概略側面図を示す。 本発明のタービンチューブおよび収束セクションの概略側面図を示す。 本発明の動力発生装置の切り取り図を示す。 本発明のタービンチューブの断面側面図を示す。 本発明のタービンチューブの断面側面図を示す。 本発明のタービンチューブの断面側面図を示す。

図１は、水流を電気に変換する本発明によるシステム１０を示す。システムは、障壁１２と装置１４とを備え、障壁１２は、水体の幅にわたって位置し、装置１４は、障壁の上流側から障壁の下流側に、障壁１２を通る水の流路を提供する。システムは、液圧流エネルギーを液圧ポテンシャルエネルギーに変換し、それから液圧ポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに変換する。

流れに対するシステムの抵抗は、装置を通る流れを駆動し、およびタービンが電気への変換のために機械エネルギーを取り出す、ポテンシャル水圧エネルギーのインベントリを作り出す上流水自由表面の上昇を引き起こす。上昇した上流自由表面のポテンシャル液圧エネルギーのインベントリは、上流の流れの運動エネルギーによって連続的に補充される。

図１，２および３に関し、装置１４は、障壁１２の上流の位置から下流の位置への流路を提供する。装置は、収束セクション１６と、混合セクション１８と、発散拡散セクション２２と、を有するチューブを備える。収束セクション１６は、混合チューブ１８に向かって狭くなり、ベンチュリ２０が、収束セクション１６と混合チューブ１８との境界で定められるようになっている。発散拡散セクション２２は、混合チューブ１８の出口から延びる。

タービンチューブ２４は、支持ボス２６で収束セクション１６内に回転支持され、アニュラス２８が、タービンチューブ２４の外面と、収束セクション１６の内面と、の間に形成されるようになっている。支持ボスは、タービンチューブを受け入れて支持する中心ボアを備え、タービンチューブ２４の長手方向軸が、収束セクション１６の長手方向軸とほぼ整列するようになっている。タービンチューブは、ブレードアセンブリ３０を備える。水がタービンチューブ２４を流れるにつれて、ブレードアセンブリ３０は、静的支持ボス２６および収束セクション１６に対するタービンチューブ２４の回転を駆動する。

一次流３２用の第１流路は、タービンチューブ２４と収束セクション１６との間のアニュラス内に定められる。二次流３４用の第２流路は、タービンチューブ２４内に定められる。アニュラスは、円形の、チューブと収束セクションの内壁との間のリング状空間に限定されない。アニュラスの形状は、収束セクション、タービンチューブおよび支持ボスの断面形状によって決まる。

水体にわたる障壁１２は、装置のすぐ上流に加圧ヘッドを提供する。これは、障壁の後ろの水深が増加するにつれて流れが減速する際に、さらに上流の流れによる一部の運動エネルギーを、上昇した水位のポテンシャルエネルギーに変換する。結果として生じるヘッド差（Ｈ）は、等価流から直接運動エネルギーを取り出す自由流装置の、ベッツの限界として知られる、出力上限を上回る有用なエネルギーへのポテンシャルエネルギーの変換を可能にする。障壁の上流側からの水は、収束セクションを通って混合セクションに流れ込み、それから拡散セクションを経由して装置から流出する。チューブを通る二次流が誘発され、それは、機械力または電力取出配置を介して発電するブレードアセンブリを介してタービンチューブの回転を駆動する。

収束セクションは、一次流を加速してベンチュリの低圧領域にする。低圧領域は、タービンチューブを通る二次流を誘発する。一次流も二次流も、２つの流れが混合する混合チューブに入る。混合流は、拡散セクションに入り、水流の速度は、それが拡散セクションを進む際に遅くなる。水が拡散セクションを流れる際に、流れは、その静水頭を取り戻し、それが拡散セクション下流を出る前に、その動水頭を失う。これは、ベンチュリで低静水頭を保存する。

一次流３２である水流の大部分は、収束セクション１６とタービンチューブ２４との間に形成されたアニュラス２８を通る。二次流３４である水のより小さい体積は、タービンチューブ２４を流れ、それがブレードアセンブリ３０を流れ過ぎる際にタービンチューブの回転を駆動する。一次流３２がベンチュリ２０に向かって合流する際に、一次流は、加速し、静水頭を失う。タービンチューブ出口でのタービンチューブ２４の外側の高速一次流３２は、タービンチューブ２４の端部を出るより遅い二次流３４を一次流３２に引き込むのを補助する。

こうして、装置は、大量低ヘッド流を、少量高ヘッド流に変えることができ、それから電力が回転タービンチューブを介して効率的に生成されることができる。

図４および５に関し、タービンチューブ２４は、静的支持ボス２６で収束セクション１６に回転支持され、収束セクション１６内で中央に位置する。タービンチューブ２４は、上流の高静水頭と、ベンチュリの低静水頭、との間の流路を提供する。二次流は、タービンチューブを流れ、タービンチューブの上流端とベンチュリとの間の増幅した落差によって引き起こされる。

複数のタービンブレードを備えるブレードアセンブリ３０は、タービンチューブ２４の内側に位置する。ブレードアセンブリは、ブレードの先端を介してタービンチューブ２４の内面に接続され、水がブレードアセンブリ３０を流れ過ぎる際に、タービンチューブ２４がその中心軸周りに回転するようになっている。タービンチューブおよびブレードアセンブリは、単一ユニットとして共に回転する。水がブレードアセンブリを流れ過ぎる際に、水流はブレードと相互作用し、これは、支持ボスの軸受上で回転するタービンチューブの回転を駆動する。

一実施形態では、複数の凹部が、タービンチューブの内面に機械加工されている。それぞれのブレードは、その先端にランドを有し、ランドは、凹部に収まってタービンブレードをタービンチューブに対して固定するように形作られる。凹部は、タービンチューブの前端部の内面に機械加工され、ブレード先端ランドは、チューブの前端部から凹部に滑り込むことができる。これは、損傷したまたは交換が必要である場合に、タービンチューブの実質的な解体を必要とせずに、ブレードが、タービンチューブの前端部から除去および挿入されることができるようにする。

代替実施形態では、ブレード先端は、タービンチューブの内面と一体になっている。

ブレードアセンブリの周りでタービンチューブに切れ目がなく、従って、ブレードアセンブリの上流面と下流面との間に漏れ経路がない。タービンチューブ２４が回転する軸受３６，４０は、タービンチューブ２４の外側にあり、ブレードアセンブリ３０を通過する流れから隔離されている。こうして、タービンにわたる高圧力降下は、利用可能なバイパス漏れ経路を有さず、全ての二次流３４は、タービンチューブ２４の長さを進む。ブレードアセンブリには、タービンチューブの入口から十分な距離が提供されている、すなわち、ブレードアセンブリは、タービンチューブの入口から引っ込み、ブレードアセンブリを通る良好に調整された流れがあるようになっている。一実施形態では、ブレードアセンブリは、タービンチューブの部分長さに沿って提供され、二次流路の少なくとも一部が、ブレードアセンブリの前に提供され、二次流路の少なくとも一部が、ブレードアセンブリの後に提供されるようになっている。

タービンチューブとブレードアセンブリのブレードとを支持ボス内で単一ユニットとして回転させることによって、ブレードからチューブへの物理的連続性があり、これは、従来のタービンで生じ得るブレード先端での動力損失を削減するのに役立つ。タービンチューブへのブレードのこの連続性は、ブレードの構造強度および弾性を高めるのにも役立ち、より小さい、より軽量のブレードデザインを使用できるようにし、それは、動力損失を最小限にするのに役立ち得る。

図１２に示されているように、タービンチューブ２４は、その長さに沿ってほぼ一定の内径を有することができる。代替構成では、タービンチューブ２４は、図１１に示されているようにその下流端に向かって先細になることができる。タービンチューブの直径は、その長さに沿って収束し、タービンチューブ２４の入口が、タービンチューブの出口よりも大きな直径を有するようになっている。先細のタービンチューブを提供することによって、低減した周面摩擦による装置のより高い効率を生成するのに役立ち得る。

一実施形態では、タービンチューブ２４は、２つ以上のセクションを備えることができる。タービンチューブ２４は、前方耐荷重 セクション４４および後方セクション４６を備えることができる。前方セクションおよび後方セクションは、異なる材料で作られることができる。好ましくは、前方セクションは、後方セクションよりも頑丈な材料で作られる。これは、後方セクションに軽量および／またはより安価である材料を使用することによって、システムの製造でコストを削減するのに役立ち得る。より頑丈な材料で作られるセクション用に使用できる適切な材料は、鋼鉄、チタン、アルミニウム、青銅およびその合金などの材料を含むが、これらに限定されない。他のセクション用のより軽量および／またはより安価である材料は、プラスチックまたは低コスト金属合金を含むことができるが、これらに限定されない。

チューブを形成するセクションは、通常の手段によって製造できる。ある実施形態では、一体型タービンを備える前方セクションは、３Ｄプリントによって任意に製造されることもできる。

タービンチューブは、高圧領域からベンチュリの低圧領域にわたって収束セクションに位置付けられるような十分な長さであってよい。図５に示されているように、タービンチューブ２４の下流端は、混合チューブ１８内に位置することができ、距離Ｘで混合チューブに及ぶ。距離Ｘは、装置の性能を最適化するように選択され、ゼロ、正または負であることができる。距離Ｘが正であるとき、タービンチューブは、混合チューブに及ぶ。距離Ｘが負であるとき、タービンチューブの出口は、混合チューブの入口の上流で終端する。距離Ｘがゼロであるとき、タービンチューブの出口は、混合チューブの入口とほぼ一致する。

支持ボス２６は中心ボアを有し、中心ボアの中にタービンチューブ２４が取り付けられる。支持ボスは、支持ベーン６２によって収束セクション１６に取り付けられる。

タービンチューブ２４は、スラストフランジ３８を備え、スラストフランジ３８は、タービンチューブ２４の外面の周りに周囲に広がる。タービンチューブ２４上のスラストフランジ３８は、スラスト軸受４０と係合し、スラスト軸受４０は、ねじ込みスラストボス４２によって支持ボス２６内に拘束される。ねじ込みスラストボス４２は、支持ボス２６の内面の周りに周囲に広がる。スラストボスとのスラストフランジの係合は、タービンチューブが回転する際に、タービンチューブが軸方向下流に移動しないようにする。

一実施形態では、支持ボス２６は、支持チューブと係合する、ノーズフェアリング４８および／またはテールフェアリング５０を、備えることができる。ノーズおよびテールフェアリングは、支持ボスに取り付けられたときに、一次流にスムーズな流体力学的形状を与えるように形作られ、乱流によるエネルギー損失を最小限にするのに役立つ。図５に示されているように、ノーズフェアリングは、円筒状であることができる、または、図１５‐１８に示されているように、弾丸型の外形として存在する。

ノーズフェアリング４８は、タービンチューブ２４に入口シュラウドを提供し、タービンチューブへの二次流３４の入口を定める。ノーズフェアリングの内面は、二次流と接触し、装置の効率性を促進するように形作られることができる。図１３は、ノーズフェアリングの内面のいくつかの考えられる形状を例示する。図１３Ａに示されているように、ノーズフェアリングの内面は、凹形状を有することができる。図１３Ｂは、ノーズフェアリングが円錐形状を有し、その入口からタービンチューブの入口へ一定のテーパーを有する、装置を示す。図１３Ｃは、ノーズフェアリングが凸形状を有する装置を示す。一実施形態では、装置は、タービンチューブの入口に接続されたフィッシュスクリーン（図示せず）をさらに備えることができる。フィッシュスクリーンは、魚がチューブに入るのを防ぎながら、水がなおタービンチューブを流れることができるように選択される。チューブタービンの回転は、フィッシュスクリーンをデブリから守るのを補助し得る。

図１４に示されているように、支持ボス２６のノーズフェアリング４８の上流端は、収束セクション１６の入口から距離Ｙを置いている。距離Ｙは、ゼロ、正または負であることができる。距離Ｙが正であるとき、収束セクションの入口は、支持ボスのノーズフェアリングの入口の上流である。距離Ｙが負であるとき、支持ボスの入口は、収束セクションの入口の上流である。距離Ｙがゼロであるとき、収束セクションの入口は、支持ボスのノーズフェアリングの入口とほぼ一致する。

水の自由流速度が２メートル毎秒未満である好ましい実施形態では、距離Ｙは、Ｄ１（収束入口の直径）の大きさに関連して選択され、ノーズフェアリングの前縁に沿った高さの収束セクションの断面を通る水が、約２メートル毎秒の平均速度を有することを確実にする。

図５に関し、支持ボス２６は、高くなった内部円形ランド５２を備える。タービンチューブ２４のスラストフランジ３８は、支持ボスの円形ランド５２と係合する。発電部品は、支持ボス２６とタービンチューブ２４との間のスペースに位置する。端部キャップ５４および５６は、タービンチューブ２４と支持ボス２６との間のスペースの端部を閉じる。端部キャップ５４および５６は、タービンチューブ２４がその長手方向軸周りに回転する軸受３６を支えることができる。シール５８は、タービンチューブ２４と端部キャップ５４との間に、端部キャップ５４，５６とノーズフェアリング４８およびテールフェアリング５０との間に、および／または支持ボス２６とノーズフェアリング４８およびテールフェアリング５０との間に、設けられる。シール５８は、支持ボスとタービンチューブとの間のスペースに水が入るのを制限するのに役立つ。

支持ボスおよびタービンチューブは、二次流からタービンチューブと支持ボスとの間のスペースへと導く、生じ得る漏れ経路の入口間に、圧力差がほとんどあるいは全くないようにも、構成される。これは、スペースに漏れ出す水を妨げるのに役立つ。

支持ボス２６は、２つ以上の支持ベーン６２によって収束セクションに支持され、２つ以上の支持ベーン６２は、支持ボス２６の外面から収束セクション１６の内面に広がる。支持ベーンの数は変わることができ、好ましくは３つまたは４つの支持ベーンが使用される。しかしながら、必要に応じて、大体の支持ベーンが使用されることができる。支持ベーンは、一次流のエネルギー損失を最小限にするような外形を呈する。図８に示されているように、支持ベーン６２は、収束セクション１６および支持ボス２６にボルト６４および／またはダボ６６で取り付けられる。他の従来の取付手段も、支持ベーンを収束セクションおよび支持ボスに取り付けるのに使用できる。

一実施形態では、支持ボス２６は、ドレン管路６０を備えてよく、ドレン管路６０は、支持ボス２６および支持ベーン６２を通って収束セクション１６の外側に延びる。あるとすれば、ドレン管路は、使用中に管路６０が垂直に下方にそろえられ、支持ボスとタービンチューブとの間のスペースに入った水が、装置１４の外側に流出できるように、位置付けられる。

タービンチューブの回転は、いくらかの回転エネルギーを、周面摩擦を通じて一次流に移行させる。図６および７に示されている一実施形態では、流れにおける回転の望ましくない程度は、ノーズフェアリング４８に予旋回ステータ６８を含めることによって、相殺される。予旋回ステータ６８も、タービンチューブへの大きなデブリの侵入を妨げるのに役立ち得る。

発電部品は、支持ボス２６とタービンチューブ２４との間のスペースに位置する。装置の２つの好ましい動力取出配置オプションは、機械力取出配置および電力取出配置である。

機械力取出配置が、図１５‐１８に示されている。タービンチューブ２４のスラストフランジ３８は、歯車の歯を有し、歯車の歯は、その上流側に切り込まれている。タービンチューブの回転は、歯付きスラストフランジ３８に接続されたギアトレインを駆動する。ギアトレインは、歯付きピニオンホイール７０を備え、歯付きピニオンホイール７０は、支持ボス２６とタービンチューブ２４との間のスペース内に位置し、歯付きスラストフランジ３８と係合する。ピニオンホイール７０は、ドライブシャフト７２の端部に接続される。ドライブシャフト７２は、支持ボス２６および支持ベーン６２にある管路７４を通って上方へ延びる。タービンチューブ２４の回転は、ピニオンホイール７０およびドライブシャフト７２の回転をもたらす。ドライブシャフトは、オルタネータ（図示せず）に接続され、オルタネータは、装置１４の外側に位置して発電する。

装置は、１つ以上のドライブシャフト７２およびピニオンホイール７０アセンブリを備えてよく、それはタービンチューブ２４の歯付きフランジ３８と係合する。装置の動力取出部品の応力を制限するのが望ましいことがあるハイパワーデバイスは、複数のドライブシャフト／ピニオンホイールアセンブリを備えることができ、各ドライブシャフト７２が、支持ボス２６および支持ベーン６２の管路７４を通って上方へ出る。

図７および１６に関し、一実施形態では、装置は、空気圧縮機（図示せず）を備え、空気圧縮機は、空気を注入して管路７６に流されるようにし、管路７６は、支持ベーン６２および支持ボス２６を通って、支持ボス２６とタービンチューブ２４との間のスペースに延びる。空気を注入して管路７６に流されるようにすることは、支持ボス２６とタービンチューブ２４との間のスペースにある水を、ドレン管路６０の外に、排出するのに役立つ。機械的取出配置を備える装置に存在するとき、空気圧縮機は、ギアトレインのドライブシャフト７２によって駆動されることができる。

軸受３６およびピニオンホイール７０を含むスペースから水を取り除くことは、ドライブトレイン上の摩擦抵抗を最小限にするのに役立つ。装置が作動していないとき、スペースに入り込む水は、重力下でドレン管路６０から流出する。

電力取出配置が、図８，９および１０に示されている。永久磁石７８は、タービンチューブ２４の外面に機械加工された溝の中に固定される。溝は、タービンチューブ２４の耐荷重部分４４に位置することができる。ステータ８０は、一次巻線８２を支え、支持ボス２６に接続される。ステータ８０は、ボルト８４または他の通常の取付手段によって支持ボス２６の内側に保持される。

タービンチューブ２４の回転は、永久磁石７８をステータ８０および一次巻線８２の内側で回転させ、電力を生成する。電力は、支持ボス２６および支持ベーン６２を通って延びる管路８８を通る電力ケーブル８６を介して装置から送出される。

一実施形態では、送風ファン９０が、タービンチューブ２４の周りに取り付けられる。ファンは、タービンチューブの回転によって、送風ファンが空気を空気管路７６に引き込むような、寸法に形成される。管路は、支持ボスおよび支持ベーンを通って延び、空気を、支持ボスと送風ファンのすぐ上流のタービンチューブとの間のスペースに引き込む。電気的取出配置を備える装置に存在するとき、送風ファンは、空気を圧力下でステータを囲んでいるスペースに吹き込む。

ステータ８０の周りに生じた空気圧は、ステータ８０の周りのスペースに有る水を、ドレン管路６０を通じて排出する。装置が作動していないとき、スペースに入り込む水は、重力下でドレン管路６０を介して流出する。

機械的または電気的配置を介した、タービンからの動力取出は、支持ボスおよび支持ベーンを通って延びる管路を通じて行われる。これは、一次流または二次流が、固定チューブの自由回転タービンでの場合のように、ドライブベルトまたはシャフトによって妨げられることがないということを、意味する。

タービンチューブおよび支持ボスを形成する部品の一体的構成は、設置時間およびコストを減少させるのに役立ち、装置の場所位置決めに役立つ。

収束セクション１６は、第１開口とより狭い開口とを有する漏斗の形であり、第１開口は、一端で障壁１２の後ろから水を受け取る入口としてあり、より狭い開口は、対向端で出口としてあり、混合チューブ１８へ水を放出する。収束セクション１６は、上流端から混合チューブ１８の入口に向かって先細になる。ベンチュリ２０は、収束セクションと混合チューブとの境界で定められる。収束の角度、セクションの長さ、収束セクションの入口および出口の直径などの大きさ、などの収束セクションのパラメーターは、装置の性能を最適化するように選択できる。

図１３に関し、図１３Ａに示されているように、収束セクション１６は、上流端から下流端へほぼ円錐の外形を有する。収束セクションは、円錐台の形状の単一部品として簡単に製造されることができる。図１３Ｂおよび図５は、収束セクション１６が前方収束セクション９２および後方収束セクション９４を備える、代替構成を例示する。前方セクションと後方セクションとは、別々に製造されることができ、前方収束セクションが、円錐台として簡単な形状を有し、後方収束セクションが、より複雑な湾曲凸形状である。図１３Ｃは、さらなる好ましい代替構成を例示し、収束セクション１６が、その長さに沿って可変角度で先細になり、アニュラスを通る一次流３２に一定の加速度を生じさせるように形作られた凸型外部形状を提供する。

混合チューブは、二次流３４と一次流３２とがほぼ一様な流れを形成するように混ざることができる管のセクションを提供する。流れは、拡散セクション２２へと混合チューブ１８を出る前にほぼ均一であり、拡散セクションを通る流れの十分な圧力回収が、ベンチュリでの低い圧力と、拡散セクションの出口でのより高い圧力と、の間の圧力差を維持できる、速度プロファイルを有する。

混合チューブは、二次流３４が通るタービンチューブの出力を最大にするように構成される。これは、少なくとも部分で、ベンチュリの低圧によって引き起こされるタービンを流れる二次流が一次流と混じり合い始める位置のすぐ下流の領域の流動様式を最適化するように、構成された混合セクションによって、達成される。混合チューブは、この混合チューブで一次流から二次流へのエネルギー移行を最適化するように構成される。

混合チューブは、開口、出口および非ゼロ長さを有し、流れが混合することができる開口と出口との間の十分な長さのスペースを提供する。混合チューブを定める管の長さ（Ｌ）は、適切に調整された流れが、流れが拡散セクションに入る前に得られるように、選択される。流れおよび圧力状態に適した長さを選択することによって、流れの速い一次流とより遅い二次流との間の最適なエネルギー移行があることが確実になり、２つの流れにわたる許容速度プロファイルが、合流が拡散セクションに入る前にあるようになっている。

本発明の一実施形態では、混合チューブは、混合チューブの出口がその入口よりも狭くなるように、βベータの半円錐角だけ下流方向に先細になることができる。混合チューブの半円錐角は、正または負であることができる。代替実施形態では、混合チューブは、上流方向に先細になることができ、混合チューブの出口が、混合チューブの入口よりも広くなるようになっている、すなわち、混合チューブは、拡散セクションの方へその長さに沿って発散する。先細の混合チューブを有することによって、アニュラスを通る高速一次流と、タービンチューブを出るより遅い二次流と、の間のエネルギー移行を促進できる。

混合チューブ１８の下流端は、拡散セクション２２に接続される。拡散セクションは、第１開口とより広い開口とを有する漏斗の形であり、第１開口は、混合チューブ１８から水を受け取る入口としてあり、より広い開口は、対向端で出口としてあり、障壁１２の下流側で自由流れに戻るように水を放出する。拡散セクション２２は、混合チューブ１８の出口から外側に発散し、流れの速度を落とし、それが拡散セクション２２を出る前に静圧を取り戻し、乱流によるエネルギー損失を最小限にする。発散の角度は、ディフューザーの性能を最適化するように選択できる。

セクションの長さ、発散の角度、θ、および第１および第２開口の断面積の比率、などの拡散セクションのパラメーターは、乱流を抑制し、流れが減速して自由流速度に戻る際に、流れ分離によって引き起こされるエネルギー損失を低減するように、選択される。過度の乱流、渦および流れ分離は、流れが拡散セクションの出口に近づく際に圧力回収を害することがある。パラメーターは、圧力回収を最大限にするように選択され、下流水深によって定められる拡散器出口での圧力が、ベンチュリでの圧力よりも極力高いようになっている。

拡散セクションは、圧力回収が生じる際に拡散セクションを通じて等減速率での一次流を提供するように構成される。図１３Ａおよび図１３Ｃに関し、拡散セクション２２は、その長さに沿って可変角度で下流端に発散する。図１３Ａに示されているように、拡散セクションは、凹型外部形状を有することができる。図１３Ｃに示されているように、拡散セクションは、凸型外形セクションを有することができる。図１３Ｂは、ほぼ一定の角度で先細になり、ほぼ円錐形状を有する、発散セクション２２を有する装置を例示する。

収束セクション、混合チューブおよび拡散セクションは、単一の連続チューブとして製造できる。代替的に、収束セクション、混合チューブおよび拡散セクションは、ボルトによってまたは他の従来の連結手段または技術によって共に保持される２つ以上の別々のセクションとして製造できる。図２および３に示されているように、収束セクション、混合チューブおよび拡散セクションは、収束および混合チューブセクションと、拡散セクションと、である２つのセクションとして製造でき、２つのセクションがボルト９６によって共に保持される。

アール移行部９８を、任意の２つの隣り合うセクション間に形成することができ、誘発乱流によるエネルギー損失を最小限にする。誘発乱流は、鋭角移行部がセクション間に存在する場合に生じ得る。これは、システムのエネルギー変換効率を高めるのに役立つ。

装置は、１ｋＷから１ＭＷを超える出力を生成するのに使用されることができる。図４に関し、収束セクションの入口の直径（Ｄ１）、支持ボスのノーズフェアリングの入口の直径（Ｄ２）、タービンチューブの出口の直径（Ｄ３）、混合セクションの出口の直径（Ｄ４）、拡散セクションの出口の直径（Ｄ５）、混合セクションの長さ“Ｍ”、および拡散セクションの長さ“Ｌ”は、システムの効率を高めるのに役立つように変更されることができる。比率Ｄ４／Ｄ１，Ｄ３／Ｄ１，Ｍ／Ｄ４およびＬ／（Ｄ５−Ｄ４）は、システムが取り付けられる状況に適合するように選択される。

一実施形態では、装置は、水の約８０％がアニュラス２８を通過して流れ、水の残りの約２０％がタービンチューブ２４を通って引き込まれるように、設計されている。好ましい実施形態の一つでは、装置は、２つの無次元パラメーターα（アルファ）およびβ（ベータ）の積が０．２５にほぼ等しくなるように構成され、ここで：
αは、タービンチューブの出口での全二次流面積（πＤ３^２／４）に対するタービンチューブの出口での全一次流面積［（π／４）（Ｄ４^２−Ｄ３^２）］の比率である；および
βは、タービンチューブからの出口でのアニュラスの一次流の平均速度に対するタービンチューブの二次流の平均速度の比率である。

機械の最大出力がベッツの限界に従い、機械の配列が、それらが各機械間でかなり離れて配置されることを必要とする、自由流体流の運動エネルギー機械とは異なり、この発明は、水体の幅全体にわたる障壁の提供によって上流水位を上昇させることにより、流れ全体の運動エネルギーからポテンシャル水圧エネルギーのインベントリを初めて作り出し、そして、ポテンシャルエネルギーのこのインベントリの多くを、タービンチューブを流れる流れのより小さい部分に集中させ、それを通じて対応して増幅した圧力差が作り出され、経済的「水ワイヤ」効率で電気エネルギーが生成されることを可能にする。

発電での許容効率を達成するために、この本発明は、同じ流れる水体にわたって配置される自由流タービンのタービンディスクの直径より小さい直径を有する、ブレードアセンブリおよびタービンチューブの使用を可能にする。ほとんどの川および多くの感潮河口地を含む、多くの場所では、自由流タービンの望ましい直径は、利用できる水深を著しく超えることがある。本発明のシステムで使用されることができるより小さいタービンは、より低い資本コストで同等の効率を達成し、システムは、より広範囲の場所で使用されるのに適している。

本発明のシステムの後ろの上流水の自由表面は、典型的に１．０ｍ〜３．５ｍ、流れの幅全体にわたって隆起する。自由流タービンについて、水の流れに対するタービンの抵抗によって引き起こされる、タービンの上の水面上に小さい「バルジ」があり、それは、自由流タービンのエネルギー生成能力の指標である。このバルジは、通常の視力で典型的に検知できない。自由表面タービンのほんの上流の隆起は、ベッツの限界の制約のために、ほんのわずかである。さらに、この小さい隆起した体積は、平面で各自由流タービンに局所的であり、ベッツの限界も、配列の各自由流タービン間のかなりの開水域を定め、自由流タービンまたはタービン配列のほんの上流および上の隆起した水の体積が、同じ流れる水体にわたって配置されるこの発明の隆起した上流のよりも、典型的に１桁分以上、極めて小さくなるようになっている。隆起した水の体積のこの比較は、機械の種類毎による電気への変換に利用できる比較エネルギーの直接の指標である。本発明のシステムは、従って、同じ水体から、自由流タービンまたは自由流タービン配列のよりも、１桁分以上の利用できるエネルギーを典型的に有する。

さらに、本発明は、自由流タービンの設置よりもかなり大きな隆起した上流の水頭を作り出し、そして、そのヘッド差をさらに、上流流れの典型的に２０％である誘発二次流で３〜５倍の率典型的に増幅する。従って、本発明のタービンの駆動ヘッド（圧力）は、典型的に１桁分以上、自由流タービンにわたるのよりも大きい。本発明のこの装置は、従って、１桁分以上小さい直径のタービンチューブおよびブレードアセンブリを使用でき、典型的な自由流タービンよりも、１桁分以上速い速度で回転する。

水源にわたる障壁が全ての水の流れをタービンについて導く、典型的な水力発電ダムは、発電機作業を効率良くするのに、典型的に３．５ｍ以上のヘッド差を必要とする。しかしながら、誘発二次流の圧力増幅により、本発明は、そのようなタービンを約１．０ｍのヘッド差でコスト効率良く作動できる。

Claims (31)

1. 水流からの発電用の装置であって、
   ‐収束セクションであって、混合チューブの第１端に接続され、ベンチュリが前記収束セクションの端部と前記混合チューブとの間に定められるようになっている、収束セクションと、
   ‐拡散セクションであって、前記混合チューブの第２端に接続され、前記拡散セクションは、使用中に前記拡散セクションの出口での圧力がベンチュリでの圧力よりも大きくなっている、拡散セクションと、
   ‐複数のブレードを有するブレードアセンブリを備えるタービンチューブであって、前記タービンチューブは、前記収束セクションで支持され、アニュラスが前記タービンチューブと前記収束セクションとの間に定められるようになっており、第１流路を形成し、前記タービンチューブは、第２流路を定め、前記タービンチューブは、前記収束セクションに回転可能に取り付けられ、前記ブレードは、前記タービンチューブの内面に取り付けられ、使用中に前記ブレードを流れ過ぎる水が前記タービンチューブの回転を駆動するようになっている、タービンチューブと、
   を備える装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記タービンチューブは、支持ボスに回転可能に取り付けられ、前記支持ボスは、支持ベーンによって前記収束セクションに取り付けられている、装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、前記支持ボスは、前記タービンチューブよりも短い長さの支持チューブを備える、装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記支持ボスは、支持チューブの両端部に端部キャップをさらに備えることができ、前記端部キャップは、前記タービンチューブが回転できる軸受を有する、装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、スラストフランジを備え、前記スラストフランジは、前記タービンチューブの外面の周りに周囲に広がり、前記支持ボスはスラストボスを備え、前記スラストボスは、前記支持ボスの内面の周りに周囲に広がり、前記スラストフランジは、軸受アセンブリを介して前記スラストボスと係合する、装置。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、機械式発電機を駆動する、装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、前記タービンチューブは、その外面に歯付きフランジを備え、前記歯付きフランジは、少なくとも１つのピニオンギアと係合し、前記ピニオンギアは、前記支持ボスと前記タービンチューブとの間のスペースに位置し、各ピニオンギアは、ドライブシャフトに接続され、前記ドライブシャフトは、発電機に接続可能である、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、少なくとも３つのピニオンギアおよびドライブシャフト配置を備え、各ピニオンギアは、歯付きフランジと係合する、装置。
9. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、電気式発電機を駆動する、装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記タービンチューブは、前記タービンチューブの外
    面上の凹部に永久磁石を備え、前記支持ボスは、前記永久磁石と並べられるステータを備える、装置。
11. 請求項２〜１０のいずれか１項に記載の装置であって、動力取出管路を備え、前記動力取出管路は、前記支持ボスおよび前記支持ベーンの１つを通って延びる、装置。
12. 請求項２〜１１のいずれか１項に記載の装置であって、空気圧縮機を備え、前記空気圧縮機は、空気を、前記支持ベーンの１つを通って延びる管路を介して、前記タービンチューブと前記支持ボスとの間のスペースに注入する、装置。
13. 請求項２〜１２のいずれか１項に記載の装置であって、送風ファンを備え、前記送風ファンは、前記タービンチューブの周りに径方向に位置し、前記支持ベーンの１つを通って延びる管路を介して、空気を、タービンチューブと支持ボスとの間のスペースに引き込む、装置。
14. 請求項２〜１３のいずれか１項に記載の装置であって、下方に延びるドレン管路を備え、前記ドレン管路は、前記支持ボスから、前記支持ベーンを通って前記収束セクションの外側に延びる、装置。
15. 請求項２〜１４のいずれか１項に記載の装置であって、前記支持ボスは、ノーズフェアリングおよび／またはテールフェアリングを備える、装置。
16. 請求項１５に記載の装置であって、前記ノーズフェアリングの外部形状は、円筒状または弾丸型である、装置。
17. 請求項１５または請求項１６に記載の装置であって、前記ノーズフェアリングの内部形状は、凹形状、円錐形状、または凸形状を有する、装置。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置であって、前記ブレードは、前記タービンチューブの内面と一体になっている、装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブの内面は、前記ブレードの先端が固定される複数の凹部を備える、装置。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、第１材料で作られた第１セクションと、第２材料で作られた第２セクションと、を備え、第１材料と第２材料とは異なっている、装置。
21. 請求項２０に記載の装置であって、第１材料は、第２材料よりも頑丈な材料である、装置。
22. 請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブの内径は、水流方向に減少する、装置。
23. 請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、ほぼ一定の内径を有する、装置。
24. 請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、前記収束セクションの入口が、前記タービンチューブの入口の上流であるように、位置付けられる、装置。
25. 請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、前記タービンチューブの入口が、前記収束セクションの入口の上流であるように、位置付けられる、装置。
26. 請求項１〜２５のいずれか１項に記載の装置であって、二次流路の入口に位置する予旋回ステータをさらに備える、装置。
27. 請求項１〜２６のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、前記タービンチューブの出口が、前記混合チューブに及ぶように、位置付けられる、装置。
28. 請求項１〜２６のいずれか１項に記載の装置であって、前記タービンチューブは、前記タービンチューブの出口が、前記混合チューブの入口の上流であるように、位置付けられる、装置。
29. 請求項１〜２８のいずれか１項に記載の装置であって、前記収束セクションと、前記混合チューブと、前記拡散セクションと、は、連続したチューブとして構成される、装置。
30. 請求項１〜２８のいずれか１項に記載の装置であって、前記収束セクションと、前記混合チューブと、前記拡散セクションと、は、連続したチューブを形成するように共に接続される個別セクションとして構成される、装置。
31. 水流からの発電用のシステムであって、前記システムは、流れる水体の断面にわたって位置する障壁を備え、請求項１〜３０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの装置が提供され、前記装置は、使用中に障壁の上流側から障壁の下流側への流路を提供するように、位置付けられる、システム。

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