专利摘要:
風力タービンの動作の有効性と効率とを改善するための、方法が、開示されている。本出願人らの好適な方法は、フレア状の入口の中に、そして、タービンシュラウドを通って周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、一次空気流によって、シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、一次空気流が、インペラにエネルギーを伝えることと、周囲の空気の二次空気流を流入させ、インペラに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、インペラを通過した一次空気流だけと周囲空気の二次空気流とを混合することとによって、フレア状の入口を有するタービンシュラウドとインペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの軸流風力タービンに対してBetz限界を超えた電力レベルを発電することを包含する。
公开号:JP2011515613A
申请号:JP2011500749
申请日:2008-09-23
公开日:2011-05-19
发明作者:ウォルター;エム.;ジュニア プレッズ,;マイケル;ジェイ. ワール,
申请人:フローデザイン ウインド タービン コーポレイション;
IPC主号:F03D1-04
专利说明:

[0001] (関連出願の引用)
本出願は、2008年3月24日出願の同時係属中の米国特許出願第12/054,050号(以下「本出願人らの親出願」)の一部継続出願であり、該米国特許出願は、2007年3月23日出願の本出願人らの米国仮特許出願第60/919,588号(以下「本出願人らの仮出願」)の優先権を主張している。本出願人らは、本出願人らの親出願および本出願人らの仮出願の開示の全体を参考として援用している。]
[0002] (技術分野)
本発明は、全体的に風力タービンを扱う。さらに詳細には、本発明は、風力タービンのための方法を扱う。]
背景技術

[0003] 風力タービンは、通常、「ロータ」と称されるプロペラ状の装置を含み、該プロペラ状の装置は、動いている空気流に向けられている。空気が、ロータに当たると、ロータをそれの中心回りで回転させるように、空気がロータに力をもたらす。ロータは、歯車、ベルト、チェーン、または他の手段などの連動装置を介して、発電機または機械デバイスのいずれかに接続される。かかるタービンは、電力を発生させ、そして、バッテリに電力を供給するために使用される。タービンはまた、回転ポンプおよび/または動く機械部分を駆動させるために使用される。大規模な電力を発電する「ウインドファーム」において風力タービンを見つけることは、非常によくあることであり、該ウインドファームは、かかるタービンのそれぞれが、互いに対しておよび/または周囲の環境に対して最も小さい影響で最大の電力抽出を可能にするように設計されている幾何形状パターンで、かかるタービンを複数含む。]
[0004] 流体の力を回転力に変換するロータの能力は、ロータの直径と比較して非常に大きな幅の流れに置かれたときには、1926年にA.Betzによって証明されたような「Betz」限界として知られている、接近する流れの力の59.3%という充分に証明された理論値によって限定される。この生産性の限界は、図1Aに示された従来技術に分類される複数の羽根のある従来の軸状風力/水力タービンに特に当てはまる。] 図1A
[0005] 「Betz」限界を超えて風力タービンの能力の可能性を増加させようとする試みが、行われている。ロータを囲むシュラウドまたはダクトが、使用されている。例えば、Hielらの特許文献1(図1Bを参照)、de Geusの特許文献2(図1Cを参照)、Omanらの特許文献3(図1Dを参照)、およびTocherの特許文献4を参照されたい。適切に設計されたシュラウドは、接近する流れがダクトの中心に集められると、接近する流れを加速させる。概して、適切に設計されたロータに関しては、この流速の増加が、ロータにさらに大きな力をもたらし、結果として、より高いレベルの電力抽出をもたらす。多くの場合はこのようであるが、ロータの羽根は、より強い風と共に含まれる剪断力や引張力によって壊れる。] 図1B 図1C 図1D
[0006] 伝えられるところでは、Betz限界の2倍の値が、記録されているが、立証されていない。非特許文献1、非特許文献2を参照し、そして、本出願人らによって著され、かつ、公開を承諾された「Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited」と題されたtheAIAA Technical Note(「本出願人らのAIAA Technical Note」)を参照されたい。複写が、本出願人らの情報開示文書に見られ得る。しかしながら、かかる主張は、実際に立証されておらず、既存のテスト結果は、実際の風力タービンの用途におけるかかる利益の実現可能性を確認していない。]
[0007] かかる電力および効率の増加を達成するために、時には非常に変動しやすい接近する流体の流速レベルとシュラウドおよびロータの航空力学的設計をしっかりと調整することが必要である。かかる航空力学的設計の考慮はまた、フロータービンの周囲への結果として生じる影響、およびウインドファーム設計の生産性レベルに重要な役割を果たす。]
[0008] 排出器は、周知であり、そして、流体噴射ポンプが、流れをシステムの中に引き込み、それにより、そのシステムを通る流速を増加させることが証明されている。混合器/排出器は、かかる噴射ポンプの短い小型版であり、それらは、接近する流れの状態にあまり影響を受けず、音速付近またはそれ以上の流速を含む高速噴射推進用途において広く使用されている。例えば、Walter M.Presz,Jr.博士の特許文献5を参照されたい。該特許文献5もまた、下流で混合器を使用することにより、推力を増加させながら、排出から騒音を減少させる。Presz博士は、本出願における共同発明者である。]
[0009] ガスタービン技術は、依然として、軸流風力タービンに成功裏には適用されていない。この欠陥には複数の理由がある。既存の風力タービンは、通常、シュラウドのないタービンの羽根を使用して風力エネルギーを抽出する。結果として、風力タービンに近づく流れのかなりの量が、羽根の周りに流れ、羽根を通って流れない。また、空気が既存の風力タービンに近づくと、空気の速度が、かなり減少する。これらの効果の両方が、低速度でタービンを貫流する結果となる。これらの低速度が、ステータ/ロータの概念などのガスタービン技術の利益の可能性を最小にする。以前のシュラウド付き風力タービンの手法は、タービンの羽根の速度を増加させるために、出口の拡散器を最重要視している。拡散器は、良い性能のためには長さを必要とし、接近する流れの変化に非常に影響を受けやすい。流れに影響を受けやすく長いこのような拡散器は、風力タービンの設置において現実的ではない。短い拡散器は、停止してしまい、実際の用途においては全くうまくいかない。また、必要とされる下流での拡散は、加速された速度において望まれるタービンのエネルギーの抽出を用いては可能ではないことがあり得る。これらの効果が、ガスタービン技術を使用したより効率的な風力タービンの以前の試みの全ての失敗を決定的なものにした。]
[0010] 米国特許第7,218,011号明細書
米国特許第4,204,799号明細書
米国特許第4,075,500号明細書
米国特許第6,887,031号明細書
米国特許第5,761,900号明細書]
先行技術

[0011] Igar,O.、ShroudsforAerogenerators、AIAA Journal、October 1976、pp.1481−83
Igar & Ozer、Research and Development for Shrouded Wind Turbines、Energy Cons. & Management、Vol.21、pp.13−48、1981]
発明が解決しようとする課題

[0012] したがって、本発明の主な目的は、改良された方法を提供することであり、該改良された方法は、風力タービンにおいて、改良された流体力学的混合器/排出器ポンプの原理を利用して、Betz限界を充分に上回る持続可能なレベルの電力を一貫して送達する。]
[0013] 別の主な目的は、(風力タービンに対して)独自の流れの混合を利用して、結果として伴う風力タービンの流れの場の生産性を増加させ、かつ、ウインドファームにおいて見られるような、風力タービンの近隣に位置する周囲環境に対する、結果として伴う風力タービンの流れの場の影響を最小にする軸流風力タービンのための改良された方法を提供することである。]
[0014] 別の主な目的は、改良された方法を提供することであり、該改良された方法は、軸流風力タービンのロータを通るさらに多くの流れを作り出し、そして、次に、タービンを出る前に、より高いエネルギーのバイパスの風の流れと低いエネルギーの出口の流れを急速に混合する。]
[0015] 別の主な目的は、改良された風力タービンを提供することであり、該改良された風力タービンは、(風力タービンに対して)独自の流れの混合を利用して、結果として伴う風力タービンの流れの場の生産性を増加させ、かつ、ウインドファームにおいて見られるような、風力タービンの近隣に位置する周囲環境に対する、結果として伴う風力タービンの流れの場の影響を最小にする。]
[0016] 別の主な目的は、改良された風力タービンを提供することであり、該改良された風力タービンは、ロータを通ってさらに多くの空気流をポンピングし、そして、次に、システムを出る前に、より高いエネルギーのバイパスの風の流れと低いエネルギーのタービンの出口の流れを急速に混合する。]
[0017] 上に列挙された目的と同等のさらに詳細な目的は、人口の多い地域において使用するために比較的静かで安全な方法と装置とを提供することである。]
課題を解決するための手段

[0018] 方法と装置とが、Betz限界を超えて風力タービンの持続可能な効果を改良するために開示されている。方法とシステムとの両方が、流体力学的排出器の概念と、高度な流れの混合とを使用することにより、既存の風力タービンと比較して、本出願人らの独自の風力タービンの動作効率を増加させながら、風力タービンの騒音レベルを減少させる。]
[0019] 本出願人らの好適な装置は、混合器/排出器風力タービン(「MEWT」と略称で呼ばれている)。好適な「装置」の実施形態において、MEWTは、軸流タービンであり、該軸流タービンは、下流に向かう順に、フレア状の入口を有するタービンシュラウドと、シュラウドの中のステータの輪と、ステータと「一直線」のインペラ羽根の輪を有するインペラと、タービンシュラウドに取り付けられ、インペラ羽根を越えて下流に延びている混合器ローブの輪を有する混合器と、(米国特許第5,761,900号に示されたもののような)混合器ローブの輪と、混合器ローブを越えて下流に延びている混合シュラウドを備えている排出器と備えている。タービンシュラウドと、混合器と、排出器とは、タービンを通る最大量の流体を引き出し、そして、環境に対する影響(例えば、騒音)や、タービンの後流に関する他の発電タービンに対する影響(例えば、構造的な損失または生産性の損失)を最小にするように設計され、配置されている。従来技術とは異なり、好適なMEWTは、高度な、流れの混合および制御デバイス、例えば、ローブまたはスロット付き混合器、および/または1つ以上の排出器ポンプなどを有するシュラウドを含む。提示された混合器/排出器ポンプは、航空機業界で使用されているものとは非常に異なっている。なぜならば、高いエネルギーの空気が、排出器の入口の中に流れ、そして、タービンシュラウドを出て行く低いエネルギーの空気の外側を囲み、その低いエネルギーの空気をポンピングし、そして、その低いエネルギーの空気と混合する。]
[0020] この第1の好適な「装置」の実施形態において、METWは、概して、タービンシュラウドの末端部分(すなわち、タービンシュラウドの端部分)に混合デバイスを組み込んでいる、フレア状の入口を有するタービンシュラウドによって囲まれた軸流風力タービンと、該タービンシュラウドと重なり、該タービンシュラウドの後部にある分離した排出器ダクトとを備えており、該タービンシュラウド自体は、それの末端領域に高度な混合デバイスを組み込み得る。]
[0021] 代替の「装置」の実施形態において、METWは、航空力学的に形状を合わされたタービンシュラウドによって囲まれた軸流風力タービンを備え、該タービンシュラウドは、それの末端領域に混合デバイスを組み込んでいる。]
[0022] 広い意味において、好適な方法は、タービンシュラウドの中に周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことによって、フレア状の入口を有するタービンシュラウドと、インペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの風力タービン(好適には、軸流風力タービン)に対してBetz限界を超えた電力レベルを発電することと、一次空気流によって、シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、一次空気流が、インペラにエネルギーを伝えることと、周囲の空気の二次空気流を流入させ、インペラに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、インペラを通過した一次空気流だけと該二次空気流を混合することとを包含する。]
[0023] 代替の方法は、周囲の空気を流入させ、ロータに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、シュラウドとロータとを通過した低いエネルギーの空気だけと周囲の空気を混合することによって、フレア状の入口を有するタービンシュラウドと下流のプロペラ状のロータとを有する風車に対してBetz限界を超えた電力レベルを発電することを包含する。]
[0024] 好適な方法と装置との第一原理に基づいた理論解析は、METWは、同じ前面面積に対して、シュラウドのない同等物の3倍または4倍の電力を生成し得、約2倍以上ウインドファームの生産性を増加させることを示す。]
[0025] 本出願人らは、理論解析に基づいて、好適な方法と装置とが、同じサイズの従来の風力タービンの既存の電力よりも3倍の電力を発電すると考えている。]
[0026] 本発明の他の目的と利点とが、添付の図面と共に、以下に記載される記述を読むとすぐに明らかになる。]
図面の簡単な説明

[0027] 従来技術に分類される図1A、図1B、図1C、および図1Dは、従来のタービンの例を例示している。
従来技術に分類される図1A、図1B、図1C、および図1Dは、従来のタービンの例を例示している。
従来技術に分類される図1A、図1B、図1C、および図1Dは、従来のタービンの例を例示している。
従来技術に分類される図1A、図1B、図1C、および図1Dは、従来のタービンの例を例示している。
図2は、本発明に従って構築された本出願人らの好適なMEWTの実施形態の分解図である。
図3は、支持塔に取り付けられた好適なMEWTの正面斜視図である。
図4は、インペラに取り付けられた車輪状の構造の形態の動力取出装置などの内部構造を示すために切り離された部分を有する好適なMEWTの正面斜視図である。
図5は、図4からの、ステータ、インペラ、動力取出装置、および支持シャフトだけの正面斜視図である。
図6は、排出器シュラウドの末端領域(すなわち、端部分)に混合器ローブを有する混合器/排出器ポンプを有する好適なMEWTの代替の実施形態である。
図7は、図6のMEWTの側面断面図である。
図8は、支持塔にMEWTを回転可能に取り付けるための(図7において囲まれている)回転可能カップリングと、回転可能な機械ステータ翼の変化形の拡大図である。
図9は、プロペラ状のロータを有するMEWTの正面斜視図である。
図10は、図9のMEWTの背面斜視図である。
図11は、図9のMEWTの背面正面図を示している。
図12は、図11の視線12−12に沿って取られた断面図である。
図13は、図9のMEWTの正面平面図である。
図14は、流れの制御のための2つの旋回可能な遮蔽物を示している、図13の視線14−14に沿って取られた側面断面図である。
図15は、図14における囲まれた遮蔽物の拡大図である。
図16は、風との整列のために2つの任意の旋回ウイングタブを有するMEWTの代替の実施形態を例示している。
図17は、図16のMEWTの側面断面図である。
図18は、タービンシュラウド(ここでは、混合器ローブ)の末端領域において混合デバイス(ここでは、スロットの輪)と排出器シュラウドとを有する2段階排出器を組み込んでいるMEWTの代替の実施形態の正面平面図である。
図19は、図18のMEWTの側面断面図である。
図20は、図18のMEWTの背面図である。
図21は、図18のMEWTの正面斜視図である。
図22は、タービンシュラウドと排出器シュラウドとの末端領域に混合器ローブを有する2段階排出器を組み込んでいるMEWTの代替の実施形態の正面斜視図である。
図23は、図22のMEWTの背面斜視図である。
図24は、図22のタービンシュラウドの中の音響ライニングを示している。
図25は、非円形シュラウドコンポーネントを有するMEWTを示している。
図26は、タービンシュラウドの末端領域(すなわち、端部分)に混合器ローブを有する好適なMEWTの代替の実施形態を示している。] 図10 図11 図12 図13 図14 図15 図16 図17 図18 図19
実施例

[0028] 詳細に図面を参照すると、図2〜図25は、本出願人らの装置「混合器と排出器とを有する風力タービン」(「MEWT」)の代替の実施形態を示す。] 図10 図11 図12 図13 図14 図15 図16 図17 図18 図19
[0029] 好適な装置の実施形態(図2、図3、図4、および図5)において、MEWT100は、軸流風力タービンであり、該軸流風力タービンは、
a.航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウド102と、
b.該タービンシュラウド102の中にあり、かつ、それに取り付けられた航空力学的に形状を合わせられた中心体103と、
c.中心体103を囲んでいるタービンステージ104であって、該タービンステージ104は、ステータ翼(例えば、108a)のステータの輪106と、インペラまたはロータ110とを備えており、該インペラまたはロータ110は、下流にインペラまたはロータの羽根(例えば、112a)を有し、かつ、ステータ翼と「一列」に並んでおり、(すなわち、インペラ羽根の先縁がステータ翼の後縁と実質的に並んでいる)、該タービンステージ104においては、
i.ステータ翼(例えば、108a)が、中心体103に据え付けられており、そして、
ii.インペラ羽根(例えば、112a)が、中心体103に据え付けられた内側および外側の輪またはフープによって取り付けられ、かつ、共に保持されている、タービンステージ104と、
d.タービンシュラウド102の末端領域(すなわち、端部分)に混合器ローブ(例えば、120a)の輪を有する混合器118であって、混合器ローブ(120a)は、インペラ羽根(例えば、112a)を越えて下流に延びている、混合器118と、
e.シュラウド128を備えている排出器122であって、該排出器122は、タービンシュラウド102上の混合器ローブ(例えば、120a)の輪を囲み、米国特許第5,761,900号に示された排出器ローブと同様なプロフィールを有し、混合器ローブ(例えば、120a)は、排出器シュラウド128の入口129の下流に、かつ、それの中に延びている、排出器122と
を備えている。] 図2 図3 図4 図5
[0030] 図7に示されているように、MEWT100の中心体103は、タービンの羽根の後流が支持塔に当たったときに従来の風力タービンによってもたらされる、損傷を与え、うるさい、そして、長い距離を伝わる低周波数の音を排除するように、ステータの輪106(または他の手段)を介してタービンシュラウド102に接続されることが好ましい。タービンシュラウド102と排出器シュラウド128との航空力学的プロフィールは、好適には、タービンロータを通る流れを増加させるように航空力学的に上反りにされている。] 図7
[0031] 本出願人らは、好適な実施形態100における最適な効率に関して計算した。排出器ポンプ122の面積の比は、排出器シュラウド128の出口の面積をタービンシュラウド102の出口の面積で割ることによって定められるように、1.5と3.0との間である。混合器ローブ(例えば、120a)の数は、6と14との間である。各ローブは、5度と25度との間の内側後縁の角度と外側後縁の角度とを有する。一次ローブの出口の位置は、排出器シュラウド128の入口位置または入口129の所に、またはそれの近くである。ローブのチャネルの幅に対する高さの比は、0.5と4.5との間である。混合器侵入力は、50%と80%との間である。中心体103のプラグの後縁の角度は、30度以下である。MEWT100全体の直径に対する長さ(L/D)は、0.5と1.25との間である。]
[0032] 本出願人らによって行われた好適なMEWT100の第一原理に基づいた理論解析は、METWは、同じ前面面積に対して、シュラウドのない同等物の3倍以上の電力を生成し得、そして、MEWTは、約2倍以上ウインドファームの生産性を増加させ得ることを示す。それらの理論解析において使用された方法論と式とに関しては、上記の背景技術において特定された本出願人らのAIAA Technical Noteを参照されたい。]
[0033] 理論解析に基づいて、本出願人らは、本出願人らの好適なMEWTの実施形態100が、同じサイズの従来の風力タービン(図1Aに示されている)の既存の電力の少なくとも2倍から3倍の間の電力を発電すると考えている。本出願人らの混合器と排出器との組み合わせは、関連付けられるタービンのロータの中に、従来の風車のロータの中に引き込まれる空気の2倍または3倍の量を引き込む。] 図1A
[0034] プロペラ状のロータ(図1を参照)を有する従来の風車(風力タービンとしても知られている)は、風を回転力に変換し、そして、次に、電力に変換する。かかるロータは、理論的には、接近する流れの力の最大59.3%を置換するだけであり得る。その59.3%の効率は、本出願の背景技術において記載されているような「Betz」限界として知られている。]
[0035] 本出願人らの好適な方法と装置とは、同様な前面面積に関して、少なくとも2倍または3倍、従来の風力タービンによって置換される空気の量を増加させるので、本出願人らは、本出願人らの好適な方法と装置とが、同様な量だけ、Betz限界を超えて動作効率を持続し得ると考えている。本出願人らは、本出願人らの他の実施形態もまた、当然、充分な風によって、一貫してBetz限界を超えると考えている。]
[0036] 単純な観点において、MEWTの好適な「装置」の実施形態100は、航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウド102(すなわち、フレア状の入口を有するシュラウド)によって囲まれた軸流タービン(例えば、ステータ翼およびインペラ羽根)であって、該タービンシュラウドは、それの末端領域(すなわち、端部分)に混合デバイスを組み込んでいる、軸流タービンと、タービンシュラウド102と重なり、タービンシュラウド102の後部にある別個の排出器シュラウド(例えば、128)とを備えており、タービンシュラウド102自体は、それの末端領域に高度な混合デバイス(例えば、混合器ローブ)を組み込み得る。排出器シュラウド128と組み合わされた、本出願人らの混合器ローブ(例えば、120a)の輪118は、混合器/排出器ポンプと考えられ得る。この混合器/排出器ポンプは、風力タービンの動作効率に関してBetz限界を一貫して超える手段を提供する。]
[0037] 本出願人らはまた、図2および図3に示されたMEWTの好適な実施形態100に関する補足情報を提示している。MEWTの好適な実施形態100は、中心体103に据え付けられたタービンステージ104(すなわち、ステータの輪106とインペラ110とを有する)を備えており、該中心体103は、埋め込まれた混合器ローブ(例えば、120a)を有するタービンシュラウド102によって囲まれており、該混合器ローブ(例えば、120a)は、排出器シュラウド128の入口面にわずかに挿入された後縁を有する。タービンステージ104と排出器シュラウド128とは、タービンシュラウド102に構造的に接続されており、該タービンシュラウド102自体は、主要な負荷担持部材である。] 図2 図3
[0038] タービンシュラウド102の長さは、タービンシュラウドの最大外径以下である。排出器シュラウド128の長さは、排出器シュラウドの最大外径以下である。中心体103の外側表面は、MEWT100の下流における流れの分離の影響を最小にするように航空力学的に形状を合わされている。中心体103の外側表面は、タービンシュラウド102、もしくは排出器シュラウド128、またはそれらの組み合わせの長さよりも長いか、短いかであり得る。]
[0039] タービンシュラウドの入口の面積と出口の面積とは、タービンステージ104によって占められる環の面積以上であるが、流れの源と、流れの後流の影響とのより良い制御を可能にするためには、円形の形状である必要はない。中心体103とタービンシュラウド102の内側表面との間の環によって形成される内部流路の断面積は、タービンの面において最小の面積を有するように、そうでなければ、それらそれぞれの入口面からそれらそれぞれの出口面へ滑らかに変化するように航空力学的に形状を合わされている。タービンの外側表面と排出器シュラウドの外側表面とは、タービンシュラウドの入口の中に流れを導き、それらの表面からの流れの分離を排除し、そして、排出器の入口129の中に滑らかな流れを送達することを助けるように航空力学的に形状を合わされる。形状が非円形であり得る排出器128の入口の面積(例えば、図25を参照)は、混合器118の出口面の面積および排出器の出口の面積よりも大きい。] 図25
[0040] 好適な実施形態100の任意の特徴は、インペラ110の外側リムにおいて発電機(図示せず)に機械的に連結される車輪状の構造の形態の動力取出装置130(図4および図5を参照)と、MEWTと自己整列するための、MEWTにおける圧力中心の位置の前方に配置されている、MEWT100を回転可能に支持するための134(図5を参照)における回転可能カップリングを有する垂直方向支持シャフト132と、異なる風の流れとの整列方向を安定させるために排出器シュラウド128の上側表面と下側表面とに取り付けられた自己運動垂直方向スタビライザまたは「ウインドタブ」136(図4を参照)とを含み得る。] 図4 図5
[0041] MEWT100は、住宅近くで使用されるときには、それのシュラウド102、128(図24を参照)の内側表面に取り付けられた音吸収材料を有することにより、インペラ110とステータ106の後流の相互作用によってもたらされる比較的高周波数の音波を吸収し、そして、結果として、事実上排除し得る。MEWTはまた、羽根封入安全構造(図示せず)を含み得る。] 図24
[0042] 図14および図15は、任意の流れ遮蔽ドア140a、140bを示している。それらは、流れの中で連結装置(図示せず)によって回転させられることにより、高い流速が可能であることによる発電機または他のコンポーネントに対する損傷時に、タービン100を通る流れを減少させ得るか、または停止させ得る。] 図14 図15
[0043] 図8は、本出願人らの好適なMEWT100の別の任意の変化形を提示している。ステータ翼の出口角の角度は、所定の位置に機械的に変えられる(すなわち、翼は旋回される)ことにより、ロータを出て行く流れにおける残余の渦巻を最小にすることを確実にするように流体流の速度の変化に適応する。] 図8
[0044] 図9〜図23、および図26に示された本出願人らの代替のMEWTの実施形態のそれぞれが、インペラ羽根の輪を有するタービンロータではなくプロペラ状のロータ(例えば、図9における142)を使用することに留意されたい。おそらくは効率的ではないが、これらの実施形態は、一般にはより受け入れやすいことがあり得る。] 図10 図11 図12 図13 図14 図15 図16 図17 図18 図19
[0045] 本出願人らの代替の「装置」の実施形態は、変化形200、300、400、500であり、該変化形200、300、400、500は、段階のない排出器(例えば、図26を参照)、たとえある場合であっても、1段階の排出器、そして、2段階の排出器を含み、該排出器は、排出器シュラウドの末端領域(すなわち、端部分)に埋め込まれた混合器を有する。排出器シュラウドの末端領域に埋め込まれた混合器に関しては、図18、図20、および図22を参照されたい。タービンシュラウドまたは排出器のいずれにも以前に入っていない(周囲の空気)の三次空気流が、2段階排出器の混合器に入ることにより、末端領域を出て行く一次空気流および二次空気流の渦と混合し、それにエネルギーを伝える。解析は、かかるMEWTの実施形態が、既存の風力タービンの後流において生じる固有の速度の欠損をさらに素早く排除し、そして、その結果、構造的な損傷および/または生産性の損失を回避するためにウインドファームにおいて必要とされる分離距離を減少させることを示す。] 図18 図20 図22 図26
[0046] 図6は、排出器シュラウドの末端領域に混合器を有する図示された実施形態100の「2段階」排出器の変化形600を示している。] 図6
[0047] 図9〜図25における代替の「装置」の実施形態200、300、400、500は、
a.フレア状の入口を有するシュラウドを有する風車または風力タービンと、
b.入口の下流のプロペラ状ロータと、
c.ロータに隣接し、かつ、それの下流に延びている混合器ローブの輪を有する混合器と、
d.混合器ローブの後縁を囲み、かつ、混合器ローブから下流に延びている排出器と
を備えているとして考えられ得る。] 図10 図11 図12 図13 図14 図15 図16 図17 図18 図19
[0048] 本出願人らは、排出器がなかったとしても(例えば、図26を参照)、混合器は、依然として本出願人らのロータの中に入り、そして、それによって置換される空気の量を増加させ、そして、それにより、同様な前面面積を有する従来の風力タービン(シュラウド付きであろうが、シュラウドつきでなかろうが)を上回って効率を増加させると考えている。しかしながら、増加は、排出器を有するよりも小さい。] 図26
[0049] 本出願人らの発明が、方法の点から考えられ得る。広い意味において、好適な方法は、
a.フレア状の入口を有するタービンシュラウドとインペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの風力タービン(好適には、軸流風力タービン)に対してBetz限界を超えた電力レベルを発電することであって、
i.タービンシュラウドの中に周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、
ii.一次空気流によって、シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、一次空気流が、インペラにエネルギーを伝えることと、
iii.周囲の空気の二次空気流を流入させ、インペラに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、インペラを通過した一次空気流だけと該二次空気流とを混合することと
による、発電すること
を包含する。]
[0050] 代替の方法は、
a.フレア状の入口を有するタービンシュラウドと下流のプロペラ状のロータとを有する風車に対してBetz限界を超えた電力レベルを発電することであって、
i.フレア状の入口の中に、そして、タービンシュラウドを通って周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、
ii.一次空気流によって、シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、一次空気流が、インペラにエネルギーを伝え、そして、より低いエネルギーの空気流になることと、
iii.周囲の空気の二次空気流を運び、ロータに続けて下流にある混合器と排出器とを経由して、低いエネルギーの空気流と該二次空気流を混合することと
による、発電すること
を包含する。]
[0051] 排出器の中の(低いエネルギーの)一次空気流と二次空気流とを混合させることが、少なくともタービンシュラウドの実質的な非均一性によって、インペラの下流に、一連の混合渦巻を生成し、そして、二次空気流から一次流へのエネルギーの伝達を作り出す。]
[0052] 本出願人らの方法はまた、
a.タービンシュラウド内でインペラを回転させた後、インペラの回転軸から離れるように一次空気流を向けることと、
b.排出器シュラウドに入った後、インペラの回転軸に向かって二次空気流を向けることと
を包含する。]
[0053] インペラの好適な回転軸は、シュラウドの中央長手方向軸と同軸であるように例示されているが、インペラの回転軸は、この方法の目的のためには、シュラウドの中央長手方向軸と同軸である必要はない。]
[0054] 高温の中心部排気ガスとも混合するガスタービン混合器および排出器とは異なり、本出願人らの好適な方法は、周囲の空気の二次流(すなわち、風)を流入させ、そして、タービンシュラウドとロータとを通過した低いエネルギーの空気(すなわち、周囲の空気の部分的に消費された一次流)だけと混合する。]
[0055] 本出願人らは、本出願人らの好適なMEWTの実施形態100、200、300、400、および600と、すぐ上に記述された本出願人らの好適かつ代替の方法とは、タービンに対して顕著な損傷を伴うことなく、何日間も、何週間も、そして、何年間も、充分な風を用いて、Betz限界を超えた動作効率を一貫して持続すると考えている。]
[0056] 言い換えると、本出願人らは、本出願人らの好適なMEWTの実施形態100、200、300、400、および600と、すぐ上に記述された本出願人らの好適かつ代替の方法とは、一次空気流の力を活用することにより、機械エネルギーを生成しながら、異常でない期間にわたって、動作効率に関してBetz限界を超え得ると考えている。]
[0057] さらにより概略的な代替の別の方法は、
a.ロータを有するタイプの風車を通って流れる空気の量を増加させることであって、
i.周囲の空気を流入させ、そして、インペラに隣接し、かつ、下流にある混合器によって、ロータを通過した低いエネルギーの空気だけと周囲の空気を混合させること
による、増加させること
を包含する。]
[0058] このより概略的な方法はさらに、風車を通って流れる周囲の空気の量を増加させながら、混合器の下流の排出器によって、風車からの排出流の騒音レベルを最小にするステップを含み得る。]
[0059] 明白な改変が、本発明の精神または範囲を逸脱することなく行われ得ることが、当業者によって理解されるべきである。例えば、スロットが、混合器ローブまたは排出器ローブの代わりに使用され得る。さらに、遮蔽物アームは、Betz限界に合致するか、またはそれを超えるためには必要とされない。したがって、上の記載ではなく、添付の特許請求の範囲に、主に、参照が行われるべきである。]
权利要求:

請求項1
a.フレア状の入口を有するタービンシュラウドとインペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの軸流風力タービンに対してBetz限界を超えた電力レベルを発電することであって、i.該フレア状の入口を有する該タービンシュラウドの中に、そして、該タービンシュラウドを通って周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、ii.該一次空気流によって、該シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、該一次空気流が、該インペラにエネルギーを伝えることと、iii.周囲の空気の二次空気流を流入させ、該インペラに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、該インペラを通過した該一次空気流だけと該二次空気流とを混合することとによる、発電することを包含する、方法。
請求項2
少なくとも複数日の間、Betz限界を超えた前記電力レベルを持続することをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
請求項3
少なくとも複数週の間、Betz限界を超えた前記電力レベルを持続することをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
請求項4
前記混合器は、前記排出器の中に延びている混合器ローブの輪を備えている、請求項1に記載の方法。
請求項5
前記混合器は、放射状に間隔を空けられた複数の混合器スロットを備えている、請求項1に記載の方法。
請求項6
前記タービンはさらに、前記インペラの上流にステータ翼の輪を備えている、請求項1に記載の方法。
請求項7
a.フレア状の入口を有するタービンシュラウドと下流のプロペラ状のロータとを有する風車に対してBetz限界を超えた電力レベルを発電することであって、i.該フレア状の入口の中に、そして、該タービンシュラウドを通って周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、ii.該一次空気流によって、該シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、該一次空気流が、該ロータにエネルギーを伝え、低いエネルギーの空気流になることと、iii.周囲の空気の二次空気流を流入させ、該ロータに続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、該インペラを通過した該低いエネルギーの空気流だけと該二次空気流を混合することとによる、発電することを包含する、方法。
請求項8
少なくとも複数日の間、Betz限界を超えた前記電力レベルを持続することをさらに包含する、請求項7に記載の方法。
請求項9
少なくとも複数週の間、Betz限界を超えた前記電力レベルを持続することをさらに包含する、請求項7に記載の方法。
請求項10
前記混合器は、前記排出器の中に延びている混合器ローブの輪を備えている、請求項7に記載の方法。
請求項11
前記混合器は、放射状に間隔を空けられた複数の混合器スロットを備えている、請求項7に記載の方法。
請求項12
前記タービンはさらに、前記インペラの上流にステータ翼の輪を備えている、請求項7に記載の方法。
請求項13
a.フレア状の入口を有するタービンシュラウドとインペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの軸流風力タービンによって発電された電力レベルを増加させながら、該風力タービンの騒音レベルを最小にすることであって、i.該タービンシュラウドの中に、そして、該タービンシュラウドを通って周囲の空気の一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、ii.該一次空気流によって、該シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、該一次空気流が、該インペラ羽根にエネルギーを伝え、低いエネルギーの空気流になることと、iii.周囲の空気の二次空気流を流入させ、該インペラ羽根に続いて下流にある混合器と排出器とを経由して、該インペラ羽根を通過した該一次空気流だけと該二次空気流を混合することとによる、最小にすることを包含する、方法。
請求項14
a.入口を有する、航空力学的に形状を合わせられたタービンシュラウドとインペラ羽根の輪を有する下流のインペラとを有するタイプの軸流風力タービンを通って流れる空気の量を増加させることであって、i.周囲の空気を流入させ、該インペラの下流にある混合器を経由して、該インペラ羽根を通過した低いエネルギーの空気だけと該周囲の空気を混合することによる、増加させることを包含する、方法。
請求項15
前記タービンを通って流れる周囲の空気の量を増加させながら、前記混合器の下流にある排出器によって前記風力タービンからの排気流の騒音レベルを最小にすることをさらに包含する、請求項14に記載の方法。
請求項16
a.ロータを有するタイプの風車を通って流れる空気の量を増加させることであって、i.周囲の空気を流入させ、該ロータの下流にある混合器を経由して、該ロータを通過した低いエネルギーの空気だけと該周囲の空気を混合することによる、増加させることを包含する、方法。
請求項17
前記風車を通って流れる周囲の空気の量を増加させながら、前記混合器の下流にある排出器によって、該風車からの排気流の騒音レベルを最小にすることをさらに包含する、請求項16に記載の方法。
請求項18
風力タービンを動作させる方法であって、該方法は、a.上流方向と下流方向とを有する風力タービンを風の流れの中に提供することと、b.タービンシュラウドの中に、そして、該タービンシュラウドを通って一次空気を受け入れ、そして、導くことと、c.該一次空気流によって該シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、エネルギーが、該一次空気流から該インペラに伝えられることと、d.以前に該タービンシュラウドを通過したことのない二次空気流と、該タービンシュラウドを出た後の一次空気流とを、該タービンシュラウドに隣接して配置された排出器シュラウドの中に受け入れ、そして、導くことであって、該二次空気流は、該一次空気流が該インペラを回転させた後に含むよりも多くのエネルギーを含む、受け入れ、そして、導くことと、e.該排出器シュラウドに入った後に、該一次空気流と該二次空気流とが混合し、そして、該二次空気流から該一次流へのエネルギーの伝達を引き起こすような方向に、該一次空気流と該二次空気流とを導くこととを包含する、方法。
請求項19
a.前記タービンシュラウドの中で前記インペラを回転させた後に、該インペラの回転軸から離れるように、前記一次空気流を導くことと、b.該排出器シュラウドに入った後に、該インペラの回転軸に向かって前記二次空気流導くこととをさらに包含する、請求項18に記載の方法。
請求項20
a.前記タービンシュラウドの中で前記インペラを回転させた後に、前記インペラの回転軸上の場所から離れるように、そして、該タービンシュラウドから下流の場所に前記一次空気流の一部を導くことと、b.該排出器シュラウドに入った後に、該インペラの回転軸上の場所に向かって前記二次空気流の一部を導き、それにより、エネルギーが、該二次空気流から該一次空気流に伝えられることとをさらに包含する、請求項18に記載の方法。
請求項21
風力タービンを動作させる方法であって、該方法は、a.上流方向と下流方向とを有する風力タービンを風の流れの中に提供することと、b.タービンシュラウドの中に、そして、該タービンシュラウドを通って一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、c.該一次空気流によって該シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、エネルギーが、該一次空気流から該インペラに伝えられることと、d.該タービンシュラウドの出口に隣接し、かつ、該タービンシュラウドの出口と実質的に同心に配置されている排出器シュラウドの中に、以前に該タービンシュラウドを通過したことのない二次空気流と、該タービンシュラウドを出た後の該一次空気流とを受け入れることであって、ここで、e.該二次空気流は、該排出器シュラウドに入る際には、該一次空気流が該インペラを回転させた後のエネルギーの高さよりも高いエネルギーの空気流であり、f.該二次空気流は、該排出器シュラウドの中で該一次空気流と混合し、そして、g.該二次空気流は、該一次空気流を外面的に囲み、該一次空気流と混合し、そして、エネルギーを該一次空気流に伝える、受け入れることとを包含する、方法。
請求項22
前記二次空気流は、前記一次空気流と同軸である、請求項21に記載の方法。
請求項23
風力タービンを動作させる方法であって、該方法は、a.上流方向と下流方向とを有する風力タービンを風の流れの中に提供することと、b.タービンシュラウドに中に、そして、該タービンシュラウドを通って一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、c.該一次空気流によって該シュラウドの中でインペラを回転させることと、d.該タービンシュラウドを通過することなく、該タービンシュラウドの周りを通過した二次空気流を、排出器シュラウドの中に、そして、該排出器シュラウドを通って受け入れ、そして、導くことであって、該二次空気流は、該排出器の中で該一次空気流と混合することにより、一連の混合渦巻を生成する、受け入れ、そして、導くこととを包含する、方法。
請求項24
前記二次空気流は、前記一次空気流と混合することにより、少なくとも前記タービンシュラウドの実質的な非均一性によって、前記インペラの下流で、一連の渦巻を生成する、請求項28に記載の方法。
請求項25
上流方向と下流方向とを有する軸流風力タービンを動作させる方法であって、a.空気流の中に該軸流風力タービンを提供することであって、該軸流風力タービンは、タービンステージと、混合器と、該混合器の下流から延びている排出器とを含む、提供することと、b.該排出器に対する該混合器の配置によって、混合器/排出器ポンプとして該軸流風力タービンを動作させるので、高いエネルギーの空気と低いエネルギーの空気とが、互いに対して混合することにより、該タービンステージを通る空気流を増強させることとを包含する、方法。
請求項26
進歩した軸流風力タービンを動作させる方法であって、該方法は、a.上流方向と下流方向とを有する風力タービンを風の流れの中に提供することと、b.一次空気流がインペラを通過して該インペラを回転させるように、タービンシュラウドを通って該一次空気流を受け入れることと、c.二次空気流が、該タービンシュラウドを通過することなく、該タービンシュラウドの周りを通るように、そして、該二次空気流が、排出器シュラウドを通過するように該二次空気流を受け入れることと、d.該一次空気流の力を活用して機械エネルギーを生成しながら、該軸流風力タービンの動作効率に関して、Betz限界を超えることとを包含する、方法。
請求項27
前記一次空気流の力を活用して機械エネルギーを生成しながら、異常でない期間にわたって前記軸流風力タービンの動作効率に関してBetz限界を超えることをさらに包含する、請求項26に記載の方法。
請求項28
前記一次空気流の力を活用して機械エネルギーを生成しながら、一貫して前記軸流風力タービンの動作効率に関してBetz限界を超えることをさらに包含する、請求項26に記載の方法。
請求項29
a.三次空気流が、前記排出器シュラウドの末端領域における混合器を通過するように、該三次空気流が、前記タービンシュラウドと該排出器シュラウドとを先に通過することなく、該タービンシュラウドの周りを通るように、該三次空気流を受け入れることをさらに包含する、請求項26に記載の方法。
請求項30
風力タービンを動作させる方法であって、該方法は、a.上流方向と下流方向とを有する風力タービンを風の流れの中に提供することと、b.タービンシュラウドの中に、そして、該タービンシュラウドを通って一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、c.該一次空気流によって該シュラウドの中でインペラを回転させ、それにより、エネルギーが、該一次空気流から該インペラに伝えられることと、d.以前に該タービンシュラウドを通過したことのない二次空気流と、該タービンシュラウドを出た後の一次空気流とを、該タービンシュラウドの出口に隣接し、かつ、該タービンシュラウドの出口と同心で配置された排出器シュラウドの中に受け入れることであって、ここで、i.該二次空気流は、該排出器シュラウドに入る際には、該一次空気流が該インペラを回転させた後のエネルギーの高さよりも高いエネルギーの空気流であり、ii.該二次空気流は、該排出器シュラウドの中で該一次空気流と混合し、そして、iii.該二次空気流は、該一次空気流を外面的に囲み、該一次空気流と混合し、そして、エネルギーを該一次空気流に伝える、受け入れることと、e.以前に該タービンシュラウドと該排出器シュラウドとを通過したことのない三次空気流を、該排出器シュラウドの末端領域に埋め込まれた混合器の中に受け入れることであって、ここで、i.該三次空気流は、該排出器シュラウドの該混合器に入る際には、該一次空気流が該インペラを回転させた後のエネルギーの高さよりも高いエネルギーの空気流であり、ii.該三次空気流は、該排出器シュラウドを出る該混合された一次空気流と二次空気流とを外面的に囲み、それらと混合し、そして、エネルギーをそれらに伝える、受け入れることとを包含する、方法。
請求項31
風力タービンを動作させる方法であって、該方法は、a.上流方向と下流方向とを有する風力タービンを風の流れの中に提供することと、b.タービンシュラウドの中に、そして、タービンシュラウドを通って一次空気流を受け入れ、そして、導くことと、c.該一次空気流によって該シュラウドの中でインペラを回転させることと、d.該タービンシュラウドを通過することなく、該タービンシュラウドの周りを通過した二次空気流を、排出器シュラウドの中に、そして、該排出器シュラウドを通って受け入れ、そして、導くことであって、該二次空気流は、該排出器の中で該一次空気流と混合することにより、一連の混合渦巻を生成する、受け入れ、そして、導くこととe.以前に、該タービンシュラウドを通過しておらず、そして、該排出器シュラウドを通過したことのない三次空気流を、該排出器シュラウドの末端領域における混合器の中に受け入れ、そして、導くことであって、ここで、i.該三次空気流は、該排出器シュラウドの該混合器に入る際には、該一次空気流が該インペラを回転させた後のエネルギーの高さよりも高いエネルギーの空気流であり、ii.該三次空気流は、一連の混合渦巻を外面的に囲み、それと混合し、そして、エネルギーをそれに伝える、受け入れ、そして、導くこととを包含する、方法。
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