JP2007529662A - タービンおよびそのためのローター - Google Patents

Abstract

中央のハブまたはシャフト、および、入る流動の方へ、好ましくは垂直であり、軸の中央のハブにその内側の端部によって連結されるわずかに後部が傾けられたブレード／翼部の外側の前方端に結合するさらに回転軸中央線に螺旋またはピッチ角を形成する回転の方向へ本質的に延長する顕著に延長された羽根の先端を結合する複数のブーツ型の一体のブレード／羽根ユニットから構成されているローター。ローターは、それが回転軸から放射状に実質的な距離をおいて配置された前方へ突設した羽根先端部に進行および通過するので、大部分の流体の流動が本質的に外へおよび後方に移動するのを促進するように、入るガス／流体の流動によって回転軸の周囲を回る。これは、結合されたガス／流体の流動出口面積（またはブレード／羽根間の隙間）は、最大のローター直径、および平均弁通過速度、したがって全体の性能を増加させる効果を有するその後のローター入口領域より非常に大きいので、全体の流動を抑制しない方法において、出現しかつハブ／シャフトに伝導されるトルクを最大にする。ブレードは、その中でスロットを有する可能性がある。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガス／流体流動に本質的に並列の回転軸を有するタービンおよびそのためのローターに関する。特に本発明は、ガスまたは流体の移動する流れからエネルギーを抽出したり、またはその流れへエネルギーを転換するダクト内に収容された、囲まれていない風／水タービンまたはローター／インペラに関する。

大部分において、最新の風タービンローターは剛率が低く、それらの直径の内側の半分の範囲内にブレード領域の大部分が配置する中央の水平な軸を中心に回る「エアフォイル」部分の長い直線のブレードを有しない。最高効率を得ることに関係するきわめて高い先端速度比は、これらのタービンの作動状態の騒音を増加させる。

本発明の発明者は、トルクが力×半径の関数であるので、タービンローターの外側の三分の一は、移動するガス／流体流動から、運動エネルギーを利用できるトルクに転換する際の大部分の有用な作業を実行し、タービンローターの全体のサイズを増加させるよりはむしろ、ガス／流体流動速度を増加させるのは、動力産出においてより有益であることを認識し、本発明は、比較的基本的であり、妨げがなく、流動が固定されず、高い先端速度比に依存しないデザインの範囲内で高いトルク効率を達成するための努力において、この外側の領域のガス／流体流動に示される大多数の作業面を位置させようと努めるものである。

風の流動から抽出することができるエネルギーの最大の理論上の割合は、５９．３％（ベッツ限界）であり、本発明は、大学により管理された風洞試験において ５２％より上の最大係数の動力という結果を示した。

本発明は、最大のローター直径によって予め決定された入口流動領域より非常に大きいブレード／羽根間の隙間または空所により形成される総流動出口面積を有することによる平均弁通過速度を増加させるローターのデザインを用いて、そのサイズの総動力出力を最大にしているその外側の端の大多数の作業面領域をまた配置させることにより、流体／ガス流動に概して並列の回転軸を有する風、水、蒸気またはガスタービンから高効率な出力を提供しようとし、および、中央のハブ、または、等距離および互いに内部に含まれた前記ハブまたはシャフト周辺で放射状に配置された複数の一体のブレード／羽根ユニットを支持するガス／流体流動と本質的に並列の軸の周りで回転可能なシャフト、一般的に短い内側のブレード、または、前記ハブまたはシャフトから本質的に外側に延長された「翼」部分の一体的に形成された組合せ、好ましくは垂直であり、外部に結合される本質的に前方に延長する外側の「羽根」部分、入って来るガス／流体流動ベクトル、の結果として生じる合計に対応する結果として生じる角度より大きい好ましくは０から６°の間でその外側の半径方向の端および前記ハブ／シャフト軸中心線間で螺旋またはピッチ角を形成するため、ハブ／シャフトに載置された全体の羽根／ブレード・ユニットを有する前記内側の部分の前方端、および、回転による接線のガス／流体流動「逆風」要素、概してその軸に並列である外側および後方への移動の流動を促進している完全な回転ロータアセンブリ、互いを中に含む前方に突設している外側の羽根部分を通過する大部分の部分において、それらの長手方向の軸に沿ったいかなる部分での適切な入射角で部分が位置し、またはその特定の横断面および最も好ましくは入射角が５から１５°の間にあるのにかかわりなく、その同じ特定の部分を通過する結果として生じる流体／ガス・ベクトルから好ましくは出る増加した「螺旋形の」経路からなる。

各々のブレード／羽根ユニットが、ハブまたはシャフトに垂直のそれ自体の中央の取付け位置中央線の周りで流体／ガス流動から「上がる」ため、重量分配および回転（モーメント）力の両方において好ましくは釣り合うので、製造を単純にし、大きい屈曲またはねじれ応力レベルのために過剰な撓曲または破損などが予想される一方で非常により高い角速度で作動する能力を保持し、速度制限または始動状態のためにこのデザインはまた、異なる「迎え」角に対するブレード／羽根関節の包含の可能性を保持し、その最前方またはそれを他のブレード／羽根ユニットに連結する中間部の周辺部で環状の剛性化端の必要性がほとんどない、または全くない。

本発明の好ましい形状において、わずかに湾曲したスロットは、ブレード／羽根ユニットの最後尾の端部が対向、および、並外れて顕著に前方に突設した羽根部分の使用によって形成される大きいモーメント力を釣り合わせるのを可能にする外方部分の外側の後端部、または、スロットを付けられた翼に似ている横断面において「結果として生じる」流動にほぼ垂直に延長している羽根、または、この前記領域のリフト力を非常に増加させる「ファウラ・フラップ」に配置され、必要に応じて、完全にこれらの力を解決し、羽根をフェザリングするさらに小さい螺旋または「迎え角」、所定の流動速度での羽根／ブレード屈曲による最高回転数の制限を可能にするさらに入って来る流動に羽根部分を回転させる。

好ましくは、このタービンローター・デザインは、風力タービンである、しかしながら、これは、最大に利用できる空間が制限される様々な異なる状態において使われる可能性があるいかなるガス、流体または蒸気タービンの有用なデザイン代替物を提供するその能力を減弱させない。

図１を参照すると、複数の等間隔の一体的に形成された「屈曲した」ブレード／羽根ユニットは、わずかな後部の角度で中央のハブまたはシャフト＃４から放射状に本質的に外へ延長する内側のエアフォイル区域ブレード＃３で最も好ましくは構成され、各々の内側のブレードは垂直から５および６０°の間でまた後方に傾斜している前縁を有し、一体的に形成され、その外側の前方端に結合した本質的に前方に突き出ている羽根部分＃１から構成され、および全体のブレード／羽根ユニットは、結果として生じる流動から得られ、利用できるトルクに変わるリフトまたは屈折力を最大にするように、好ましくはガス／流体流動方向＃１２に並列であるハブ／シャフト中央軸線＃６の周りで螺旋またはピッチ角θにおいて概してねじられる。

羽根部分＃１は好ましくは、接近流動に導く湾曲する外側の位置を形成するため、内側の羽根断面＃３から離れて、その距離に比例して翼弦長が減少するエアフォイル横断面である。

図７を参照すると、羽根＃１は、同じ部分を通過し、湾曲する可能性がある結果として生じる流動＃１１にほぼ垂直に設定されるそれらの外側の後部部分内で好ましくはスロット＃５を含み、各々のスロットは、この領域（図３ｂ）の「リフト力」の増加を提供して、羽根／ブレード・ユニットの後部表面を通じてガス／流体の流動の一部を誘導するように、滑らかに丸みのある出口端を有し非常に狭く、最も好ましくは、この領域で第２の「湾曲する」またはエアフォイル横断面を形成し、モーメントまたはねじり力のため、ハブ軸＃６に垂直の羽根／ブレード総領域重心＃１０を通過する中央線＃８の周りで平衡が維持されるのを可能にするユニット領域あたりのより小さい揚程係数を有する羽根領域の顕著な前部部分を釣り合わせる際に有用であるこの最後尾の羽根領域の揚程係数におけるかなりの増加を可能にする。

また好ましくは、中央線＃８（領域ｘ‐ｘ）の前方の総重量は、中央線＃８（領域ｙ‐ｙ）の後方の総重量と等しく、中央線＃８がハブ軸中央線＃６に対して垂直である領域＃１０の重心を通過すると完全に均衡のとれたブレード・デザインが達成されるのを可能にする。
中央のハブ＃４は、様々な形状およびサイズにおいて構成されることができるが、好ましくは、外側および後方への流動を向けるのに役立ち、過剰な乱流を伝えず、可能なハウジングをブレード関節メカニズムに提供し、適切なアウトプットシャフトおよび／または支持体ベアリングにユニットまたは連結を生成するその後部の方に滑らかに湾曲する円錐形状で直径を増加させ、ローター総直径の０.２から０.４の間の直径を有する。

完全なローターの一般の形状は、さらにおよび完全にローターを通じて移動するので、本質的に外側の方向を有する流体またはガスの流動の形を伝えるように設計されることが図１から示すことができる。

「入る容積」は「出る容積」に等しく、容積は速度×面積に等しいように、全体の出る流動面積「Ａ ｔｈｒｕ」プラス「Ａ ｃｉｒｃ」は、全体の入る流動面積「Ａ ｉｎ」よりかなり大きいので、ローターの内部／前部の速度が増加し、または、ローターの従来技術のタービンローター性能を向上させるすべてのローターの外側／後方の圧力を降下させるベルヌーイの原則に従う。

すべての前縁は乱流を最小化するために好ましくは最適に丸みがあり、内側の羽根部面は十分な強度を有して良好な表面仕上げがすべての部分に適用される。これは、ハブまたはシャフトのトルクへの流体／ガス流動のためのブレード、羽根およびスロットからの偏向の和および「リフト」力を適切に変換または誘導し、極端な状態での最大定格回転速さで回転する全体の質量のための遠心力および屈曲力に耐えることが出来る。

本発明の理解を助けるため、参照は本発明のいくつかの例の詳細を示す添付の図面において作成されるが、図示される特徴および図面に関して記載されるものは、発明の範囲を制限するものとして解釈されないと理解される。
好適な実施例の上面図を示す。 ブレードの数を除いて好適な実施例の正面図を示し、＃２は、この場合回転の方向である。 結果として生じるガス／流体流動＃１１およびその同じ位置でのブレード／羽根横断面への入射角αの関係を表す好適な一体のブレード／羽根ユニットの様々な部分の切欠図を示す。またｂでは、スロット＃５の近傍における好適な横断面を示す。 結果として生じるガス／流体流動＃１１およびその同じ位置でのブレード／羽根横断面への入射角αの関係を表す好適な一体のブレード／羽根ユニットの部分の切欠図を示す。 好適な実施例の等角図である。 ハブでトルクに向けられる結果として生じるリフト力を最大にするようにそのブレード上および回転の方向に第１の段階と異なる迎え角を有する第２の段階を持ち、プレローター羽根を有する可能性がある簡略化された段階的なタービンの実施例を表す。 ハブに組み込まれる機械的な手段によって関節でつながれることができるブレード／羽根ユニットの下部の中央の取付け線＃８から突き出ている取り付けシャフトでブレード迎え角調整を達成する方法を示す。 剛性を増加させるためにブレード／羽根ユニットの最前方の周辺部に取り付けられる環状の端を有する押圧された金属または真空形成方法を用いて、より容易に製造できる可能性があるスロットのない実施例を示す。 ピッチ長および実際の後部推力（Ｖ１軸さらにＶ２軸構成要素から構成されている）を犠牲にすることのない一般的に小さい角度で回転によって生じる流動が出るのを可能にするように、異なる回転方向およびブレードピッチ角を持つ第２のローターを有する航空機／ホバークラフトに合わせるためにダクトにおいて囲まれる可能性がある簡略化された２つの段階のファンを表す。 提供されたタービン直径のために拡大・縮小されるデザイン方法に関して、好適な実施例のブレード／羽根ユニットの正面図を示す。ここで「Ｄ」＝最大ローター直径、ＣＬ ｍａｘ ＝ブレードまたは翼ユニット領域のための最大揚程係数、Ｙ ＝ブレード／羽根の後方への中央の取付け位置線＃８の総面積、ｘ ＝ブレード／羽根の前方への中央の取付け位置線＃８の総面積、Ａ ｉｎ ＝ 流動吸入の面積（ローター半径の二乗×φ）、Ａ ｃｉｒｃ＝羽根の周において外へ出ている流動の面積、Ａ ｔｈｒｕ ＝ローターの後部に出ている流動の面積、θ＝ハブ／シャフトに対するブレード／羽根ユニットのピッチまたは迎え角、ω＝ハブ／シャフト軸＃６に対する羽根内部前縁＃７間の角度、φ＝中央線＃８に対する羽根部前縁間の角度、＃１＝外側の羽根部分、＃３＝内側の羽根部分、＃６＝ハブ／シャフト軸中央線、＃８=ハブまたはシャフト軸に対して垂直な領域＃１０の重心を通過している中央の線、＃９＝ブレード／羽根および中央のハブまたはシャフトの間の接合面積、＃１０＝ブレードおよび羽根部分の総合計面積が中央に置かれるように考慮される面積の重心、＃１１＝回転による軸流動速度、半径方向の流動速度および接線の流動速度の合計からなる「結果として生じる」流動ベクトル、＃１２＝入って来る流動方向、＃１４＝羽根／ブレード外側の後縁およびハブシャフト軸間の角度 ７６５ｍｍの直径のローターの大学により行われた風洞試験の結論のページである。

Claims (12)

1. タービンまたはローターであって、流体またはガス流動と概して並列の軸の周りで回転可能な中央のハブまたはシャフトであって、各々が本質的に外側に延長しているブレードまたは「翼」部分からなり、好ましくはガス／流体の流動出口方向へのわずかな後部傾斜（０‐４５°）を有し、前記ハブまたはシャフト周辺で放射状に配置される複数の一体的に形成されたブレード／羽根ユニットを支持する中央のハブまたはシャフト、ガス／流体の流動の出口方向に垂直の回転方向の方へ概して面し、その最も外側の前方端を支持し、一体的に形成する平面、凸面または最も好ましくはエアフォイルの形の表面、顕著な長さおよび好ましくは減弱している凸面の本質的に前方の（入る流動に導くこと）突設する「羽根」、または、ブレード／羽根を通過する前記ガス／流体流動によって形成されるリフトまたは屈折力がその中央軸の周りでタービンまたはローターを回転させるのを可能にするように外側のブレード／羽根端および前記ハブまたはシャフト間で形成される螺旋またはピッチ角を有するハブ／シャフト部分の上に完全なブレード／羽根ユニットが集合されて、回転の方向に概して面するのと同様に、概して結果として生じるガス／流体の流動に垂直の「エアフォイル形状の」表面から構成されるタービンまたはローター。
2. 請求項１に記載のタービンまたはローターであって、（その外部先端から完全な一体のブレード／羽根ユニットの領域の重心まで測定して）常に同じ、または、同じ前記重心からの内側の羽根断面の長さより大きい長さの前方に突設している外側の羽根部分を有するので、外側に出ている流動領域、または、その外側の羽根周辺の間の空所の領域は、全体の出るガス／流体の流領域の３分の１より常に大きいタービンまたはローター。
3. タービンまたはローターであって、提供された流動速度より上に効果を与え、このことにより羽根／ブレード屈曲を引き起こし、したがって最大の回転速度制御を引き起こすため、ハブ／シャフトに垂直なそれらの重心を通過している中央線の周りの重量分配、および、均衡を失った状態が所望でない限り等しい前記同じ中心線のどちらかの側面の周りでのリフトまたは屈折力によって形成されるモーメントの合計またはねじれ力の両方において、適用が提供される有用性の範囲内で釣り合う一体のブレード／羽根ユニットを有するタービンまたはローター。
4. タービンまたはローターであって、請求項１に記載の一体のブレードおよび羽根ユニットの各々の特定の断面領域の大多数の断面外形は、好ましくは０°から３５°の入射角で設定され、最も好ましくは、前記同じ特定の領域のそれらの横断面または寸法にかかわりなくその同じ特定の領域を通過する結果として生じるガス／流体流動から常に０°から１５°の間で設定されるタービンまたはローター。
5. タービンまたはローターであって、請求項１に記載のその一体の「ブレード／羽根」は、究極的な「速度制限」を可能にする、または、積まれる場合「運転開始」条件に恩恵を与えるように、それらの個別的な取付け位置中心線の周りで前記ハブ／シャフト上へこのような範囲に関節でつながれることが可能である限り、入って来る流動が、固定された羽根または回転用ローターの前に螺旋形の経路を提供され、前記タービンまたはローターを通じてガス／流体が流動すると、概して回転方向の方へ前記ブレード／羽根のリフトまたは屈折力が突出する不変に固定された螺旋またはピッチ角のハブまたはシャフト周辺で放射状に移動するタービンまたはローター。
6. タービンまたはローターであって、それらが配置される前記羽根／ブレードの前記特定の領域の近くで前記最大の「リフト」に加える効果において、それぞれの後部出口で摩擦がないカーブ、半径、または、流動するためにそれ自体の入射角をまた有するエアフォイル部を有する１つまたはそれ以上の狭い「スロット」をその中に含む可能性があるか、または含む可能性はない請求項１に記載のブレードおよび羽根を有し、それらのスロットは、好ましくはそれらが位置する前記同じ領域を通過する前記ガス／流体の流動に垂直の向きにされるタービンまたはローター。
7. 請求項１に記載のローターであって、トルクが請求項１に記載の前記回転の方向において適用される場合、ガス／流体の流動は、様々な段階の数、ピッチ角または回転の方向にかかわりなく、前記外側および後方の方向に伝えられる可能性があるように、請求項１から４に記載のそのブレード／羽根ユニット上に、前記回転の方向の反対側に概して面する凸面またはエアフォイル表面、および、請求項４に記載のその様々な部分の全体にわたり対向するまたは負の入射角を有するローター。
8. 請求項１に記載のタービンまたはローターであって、前記中央回転軸から放射状に前記直径の０．３から０．４５間に位置するブレード／羽根の表面積のそのブレードの前記最も大きな比率を有するタービンまたはローター。
9. 請求項１に記載のタービンまたはローターであって、インラインまたは多数の軸方向の複数のローター・タービン配置において使用され、ここで前記ローターが、前記同じシャフト、ハブまたは同じ方向に回転する必要はないタービンまたはローター。
10. 請求項１から９に記載のタービンまたはローターであって、固体、部分的に固体または中空、エアフォイル、平面、凹状または凸面の断面で構成され、いかなる数または請求項３に記載の前記空力および質量分配必要条件を満たすこれらの混合物を有してその一体のブレード／羽根ユニットを有するタービンまたはローター。
11. 請求項１から１０に記載のタービンまたはローターであって、鋼鉄、合金、複合物、プラスチック、樹脂、積層体、有機材料、これらのいかなる組合せの材料で構成され、いかなる数の以下の方法、積層、空洞成形、射出成形、ロトモールド、真空形成、押圧、切断、鋳造、挿入、吹付け、焼結、鍛錬、ボルト締結、リベット締結、溶接、組立、接着、超音波での結合または機械加工、のいずれかを１つの完成したユニット集団または部分から組み立てられるユニットのいずれかとして使用する可能性があるタービンまたはローター。
12. 添付の図面の図１‐７の参照によって明細書において先に記載されたファンまたはローター。