JP5328681B2 - ミキサーおよびエゼクターを有する風力タービン - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、２００７年３月２３日に出願された出願人らの米国仮特許出願第６０／９１９，５８８号（以下では「出願人らの仮出願」）からの優先権を主張する。出願人らは、本明細書において出願人らの仮出願の開示を参照により援用する。

（発明の分野）
本発明は、概して軸流タービンを扱う。より具体的には、本発明は、軸流風力タービンを扱う。

（発明の背景）
風力タービンは、通例、「ローター」と呼ばれるプロペラのようなデバイスを収容し、ローターは、動く空気の気流の中に向けられている。空気がローターに当たるとき、空気は、ローターをその中心の周りで回転させるような態様で、ローターに対する力を生成する。ローターは、歯車、ベルト、チェーンまたは他の手段のようなリンケージ機構を介して、発電機または機械デバイスのいずれかに接続される。そのようなタービンは、発電および電池への電力供給のために用いられる。そのようなタービンはまた、回転するポンプおよび／または移動する機械部品を駆動するために用いられる。各々のそのようなタービンのお互いに対するインパクト、および／または周囲の環境に対するインパクトを最小にしつつ最大電力の抽出を可能にするように設計された幾何学パターンで複数のそのようなタービンを収容する、大きな電力を発生させる「風力ファーム（ｗｉｎｄ ｆａｒｍ）」において風力タービンを見出すことは、非常に一般的である。

流体動力を回転力に変換するローターの能力は、ローターの直径に比べて非常に大きな幅の気流の中に配置されたときには、１９２６年にＡ．Ｂｅｔｚによって立証された「ベッツ」限界として公知の、近づいてくる気流の力の５９．３％という十分に立証された理論値によって制限される。この生産性の限界は、特に、先行技術とラベルされた図１Ａに提示される従来の複数ブレードの軸方向風力／水力タービンに適用する。

風力タービン性能の可能性を「ベッツ」限界を超えるまで高めようとする試みが行われてきた。ローターを囲むシュラウドまたはダクトが用いられてきた。例えば、Ｈｉｅｌ他に対する特許文献１（図１Ｂを参照）、ｄｅ Ｇｅｕｓに対する特許文献２（図１Ｃを参照）、Ｏｍａｎ他に対する特許文献３（図１Ｄを参照）、およびＴｏｃｈｅｒに対する特許文献４を参照されたい。適切に設計されたシュラウドは、近づいてくる流れがダクトの中心に集中されるときに、その流れの速さを増加させる。一般に、適切に設計されたローターに関して、この流れの速さの増加は、ローターに対してより大きな力を、続いてより高い電力抽出レベルをもたらす。しかし、しばしば、より強い風に伴う剪断力および張力に起因して、ローターは分解する。

ベッツ限界の２倍の値が記録されたと伝えられているが、認められていない。非特許文献１、非特許文献２、および出願人らによって著され掲載を認められた「Ｄｕｃｔｅｄ Ｗｉｎｄ／Ｗａｔｅｒ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ Ｒｅｖｉｓｉｔｅｄ」というタイトルのＡＩＡＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ（「出願人らのＡＩＡＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ」）を参照されたい。写しは、出願人らのＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ Ｓｔａｔｅｍｅｎｔに見出され得る。しかしながら、そのような主張は、実際には認められておらず、既存のテスト結果は、現実の風力タービン用途においてそのような増加の実現可能性を確認していない。

そのような動力および効率における向上を達成するために、シュラウドおよびローターの空気力学的設計と、時として大きく変化する流入流体流の速度レベルと調和させる必要がある。そのような空気力学的な設計考慮事項はまた、続いて起こるフロータービンの環境に対するインパクト、および風力ファーム設計の生産性レベルに対してかなり大きな役割を果たす。

エゼクターは、流れをシステムに引き込み、それによってそのシステムを通る流量を増加させる周知の立証された流体ジェットポンプである。ミキサー／エゼクターは、そのようなジェットポンプの小型でコンパクトなバージョンであり、流入する流れの条件に対し比較的低感度であり、音速に近い流れ速度または音速を超える流れ速度を伴う高速ジェット推進用途において広範に用いられてきた。例えば、Ｄｒ．Ｗａｌｔｅｒ Ｍ．Ｐｒｅｓｚ，Ｊｒ．による特許文献５を参照されたい。特許文献５は、放電による雑音を低減しながら、推進力を増加させるために下流でミキサーをも用いる。Ｄｒ．Ｐｒｅｓｚは、本出願における共同発明者である。

ガスタービン技術は、いまだ軸流風力タービンに成功裏に適用されていない。この欠点には複数の理由がある。既存の風力タービンは、風力エネルギーを抽出するためにシュラウドのないタービンブレードを用いる。その結果、風力タービンブレードに近づくかなりの量の流れが、ブレードの周りを流れ、ブレードを通り抜けない。また、空気が既存の風力タービンに近づくとき、空気の速度はかなり減少する。これらの影響の両方が、結果として低流入タービン速度をもたらす。これらの低速度は、ステーター／ローター概念のようなガスタービン技術の利点の可能性を最小化する。以前のシュラウドのある風力タービンアプローチは、タービンブレード速度を増加させるために出口ディフューザーを最重要視している。ディフューザーは、良好な性能のために長い長さを必要とし、近づいてくる流れの変化に対して非常に高感度な傾向がある。そのような長い、流れに高感度なディフューザーは、風力タービン装置において実用的でない。短いディフューザーは、失速し、現実の用途においてはまったく機能しない。必要な下流の拡散はまた、加速された速度において所望のタービンエネルギー抽出が可能でないことがあり得る。これらの影響は、ガスタービン技術を用いるより効率的な風力タービンにおいてすべての以前の試みを無駄にさせる。

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

Ｉｇａｒ，Ｏ．，Ｓｈｒｏｕｄｓ ｆｏｒ Ａｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ＡＩＡＡ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９７６年１０月，ｐｐ．１４８１−８３ Ｉｇａｒ ＆ Ｏｚｅｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｓｈｒｏｕｄｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ，Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓ． ＆ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｖｏｌ．２１，ｐｐ．１３−４８，１９８１

したがって、進歩した流体力学ミキサー／エゼクターポンプ原理を使用して、ベッツ限界を十分に超えるレベルの電力を常に送達する軸流風力タービンを提供することは、本発明の主要な目的である。

例えば、風力ファームにおいて見出されるような軸流風力タービンの近傍に位置する周囲の環境上での付随する流れ場の生産性を増加させ、そのインパクトを最小化させるために、（風力タービンのための）固有な流れの混合および制御デバイスを使用する改善された軸流風力タービンを提供することは、別の主要な目的である。

ローターを介してより多くの流れをポンプで送り、システムから出る前に低エネルギーのタービン出口の流れを高エネルギーのバイパスの流れと急速に混合する改善された軸流風力タービンを提供することは、別の主要な目的である。

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であることが、上記で列挙した目的と見合うより具体的な目的である。

（発明の概要）
流体力学的エゼクター概念と、先進的流体混合デバイスおよび制御デバイスと、調整可能な電力タービンとを組み合わせる、発電のためのミキサー／エゼクター風力タービンシステム（「ＭＥＷＴ」と略称される）が開示される。

好ましい実施形態において、ＭＥＷＴは、空気力学的に外形を作られ吸気口を有するタービンシュラウドと、シュラウド内のステーターのリングと、ステーターと「一列に並ぶ」インペラーブレードのリングを有するインペラーと、タービンシュラウドに取り付けられ、インペラーブレードを越えて下流に延びるミキシングローブのリングを有するミキサーと、ミキシングローブのリングを備えているエゼクター（例えば、特許文献５に示されるもののような）およびミキシングローブを越えて下流に延びるミキシングシュラウドとを、下流に向かってこの順位で備えている軸流タービンである。タービンシュラウド、ミキサーおよびエゼクターは、タービンを通して最大量の流体を引き付け、環境に対する影響（例えば、騒音）およびタービンのウェークの中にある他の電力タービンに対する影響（例えば、構造的損失または生産性の損失）を最小化するように設計され、配列される。先行技術と違って、好ましいＭＥＷＴは、例えばローブまたはスロットのあるミキサーおよび／または一つ以上のエゼクターポンプのような、先進的流れ混合デバイスおよび制御デバイスを有するシュラウドを収容している。高エネルギーの空気がエゼクター吸気口の中に流れ込み、タービンシュラウドから出る低エネルギーの空気を外から囲み、ポンプで送り、低エネルギーの空気と混合するので、提示されるミキサー／エゼクターポンプは、航空機業界で用いられるものと大きく異なっている。

この第一の好ましい実施形態において、ＭＥＷＴは、終端領域（すなわち、タービンシュラウドの端部部分）において混合デバイスを一体化する、空気力学的に外形を作ら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、および、それ自体で先進的ミキシングデバイスを終端領域において一体化し得る上記タービンシュラウドと重なるが、その後部で重なる、分離したエゼクターダクトを備えている。

代替実施形態において、ＭＥＷＴは、終端領域において混合デバイスを一体化する、空気力学的に外形を作ら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ている。

好ましいＭＥＷＴの第一原理に基づく理論的分析は、ＭＥＷＴが同じ前面面積に対してシュラウドを付けられていない対応物の電力の３倍以上を生成し得、ＭＥＷＴが２以上の係数で風力ファームの生産性を増加させ得ることを示している。

出願人らは、彼らの理論的分析に基づいて、好ましいＭＥＷＴ実施形態は、同じ大きさの従来型風力タービンの既存のものの３倍の電力を発生させると考えている。

本発明は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
吸気口を有する空気力学的に外形を作られたタービンシュラウドと、インペラーブレードのリングを有する下流のインペラーとを有するタイプの軸流風力タービンにおける改善であって、該改善は、
ａ．該インペラーの上流のステーターベーンのリングと、
ｂ．ミキサーローブのリングであって、該ミキサーローブは、該インペラーブレードの下流に延びる、ミキサーローブのリングと、
ｃ．ミキサーローブの該リングを囲むエゼクターシュラウドであって、該ミキサーローブは、下流に延びて該エゼクターシュラウドの中へ入る、エゼクターシュラウドと
を含む、改善。
（項目２）
前記エゼクターシュラウドの終端においてミキサーローブのリングを収容している、項目１に記載の風力タービン。
（項目３）
前記タービンは、回転結合部によって、該タービン上の圧力中心位置の前方に位置する支持シャフト上に据え付けられ、該タービンが流入する風の気流に自由に旋回することを可能にする、項目１に記載の風力タービン。
（項目４）
前記タービンは、該タービンを通る流れの量を妨げる該タービンの内側の少なくとも一つの可動ブロッカーを含む、項目１に記載の風力タービン。
（項目５）
前記タービンの外部表面は、該タービンの近づいてくる流れの方向との整列を空気力学的に助け、かつ、流れの乱気流によって誘発されたシステムの振動を弱めるための自己調整する可動ウイングタブを収容している、項目１に記載の風力タービン。
（項目６）
前記ステーターベーンは、すべての動作条件において、ステーター出口の流れをローターブレードと良好に整列させるように機械的に回転される、項目１に記載の風力タービン。
（項目７）
タービンローターは、前記インペラーの周りの車輪のような構造の形態をしている動力取出装置に接続されている、項目１に記載の風力タービン。
（項目８）
軸流風力タービンであって、
ａ．空気力学的に外形を作られ、吸気口を有するタービンシュラウドと、
ｂ．該軸流風力タービンの該タービンシュラウド内に据え付けられたステーターベーンのリングであって、該ステーターベーンは、前縁および後縁を有する、ステーターベーンのリングと、
ｃ．該軸流風力タービンの該タービンシュラウド内に回転可能に据え付けられたインペラーブレードのリングであって、該インペラーブレードは、それぞれのステーターベーンの後縁に隣接する前縁を有する、インペラーブレードのリングと、
ｄ．該軸流風力タービンの動作効率に対するベッツ限界を常に超える手段と
を備え、該手段は、
（ｉ）ミキサーローブのリングであって、該ローブは、該インペラーブレードの下流に延びている、ミキサーローブのリングと、
（ｉｉ）該ミキサーローブの該リングを囲むエゼクターシュラウドであって、該ミキサーローブは、下流に延びて該エゼクターシュラウドの中へ入る、エゼクターシュラウドと
を備えている、タービン。
（項目９）
軸流風力タービンであって、
ａ．空気力学的に外形を作られ、吸気口を有するタービンシュラウドと、
ｂ．該シュラウドの中に据え付けられたタービンステージであって、該タービンステージは、
（ｉ）該吸気口の下流に、該タービンシュラウドに取り付けられた支持シャフトに据え付けられたステーターベーンのリングと、
（ｉｉ）該ステーターベーンの下流に、該支持シャフト上に据え付けられたインペラーブレードのリングと
を備えている、タービンステージと、
ｃ．ミキサーローブのリングであって、該ローブは該インペラーブレードの下流に延びる、ミキサーローブのリングと、
ｄ．該ミキサーローブの後縁を囲み、該ミキサーローブから下流に延びるエゼクターと
を備えている、タービン。
（項目１０）
吸気口を有する空気力学的に外形を作られたタービンシュラウドと、インペラーブレードのリングを有する下流のインペラーとを有するタイプの軸流風力タービンにおける改善であって、該改善は、該インペラーの上流にステーターベーンを有するステーターリングと、該シュラウドに取り付けられ、該インペラーブレードの下流に延びるミキサーローブのリングを有するミキサーと、該ミキサーローブの該リングから下流に延びるエゼクターとを含む、改善。
（項目１１）
吸気口を有するシュラウドとプロペラのようなローターとを有するタイプの軸流風力タービンにおける改善であって、該改善は、インペラーブレードの下流に延びるミキサーローブのリングを有するミキサーを含む、改善。
（項目１２）
前記改善は、前記ミキサーから下流に延びるエゼクターをさらに含む、項目１１に記載の軸流風力タービン。

本発明の他の目的および利点は、以下に書かれている説明が添付の図面との関連で読まれるとき、より容易に明らかとなる。

「先行技術」とラベルされた図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、先行技術のタービンの例を図示する。 「先行技術」とラベルされた図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、先行技術のタービンの例を図示する。 「先行技術」とラベルされた図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、先行技術のタービンの例を図示する。 「先行技術」とラベルされた図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、先行技術のタービンの例を図示する。 図２は、本発明に従って構成された、出願人らの好ましいＭＥＷＴの実施形態の分解組立図である。 図３は、支持タワーに取り付けられた好ましいＭＥＷＴの正面斜視図である。 図４は、例えばインペラーに取り付けられた車輪のような構造の形態をしている動力取出装置のような内部構造物を示すために、一部分がはずされた好ましいＭＥＷＴの正面斜視図である。 図５は、図４からのステーター、インペラー、動力取出装置および支持シャフトのみの正面斜視図である。 図６は、エゼクターシュラウドの終端領域（すなわち、端部部分）上にミキサーローブを有するミキサー／エゼクターポンプを有する、好ましいＭＥＷＴの代替実施形態である。 図７は、図６のＭＥＷＴの側面断面図である。 図８は、ＭＥＷＴを支持タワーに回転可能に取り付けるための（図７において円で囲まれた）回転可能な結合部、および機械的に回転可能なステーターブレードの変化形のクローズアップである。 図９は、プロペラのようなローターを有する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の背面平面図を示す。 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、流れ制御のための二つの旋回可能なブロッカーを示す、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において円で囲まれたブロッカーのクローズアップである。 図１６は、風の整列のために二つのオプションの旋回するウイングタブを有する、ＭＥＷＴの代替実施形態を図示する。 図１７は、図１６のＭＥＷＴの側図断面図である。 図１８は、タービンシュラウドの終端領域（ここでは、ミキシングローブ）においてミキシングデバイス（ここでは、スロットのリング）を有する２ステージのエゼクターとエゼクターシュラウドとを組み込むＭＥＷＴの代替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の終端領域におけるミキシングローブを有する２ステージのエゼクターとエゼクターシュラウドとを組み込むＭＥＷＴの代替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内のオプションの音響ライニングを示す。 図２５は、円形でないシュラウドコンポーネントを有するＭＥＷＴを示す。 図２６は、タービンシュラウドの終端領域（すなわち、端部部分）にミキサーローブを有する好ましいＭＥＷＴの代替実施形態を示す。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
図面を詳細に参照すると、図２〜図２５は、出願人らのミキサーおよびエゼクターを有する軸流風力タービン（「ＭＥＷＴ」）の代替実施形態を示す。

好ましい実施形態（図２、図３、図４、図５を参照）において、ＭＥＷＴ１００は、軸流風力タービンであり、軸流風力タービンは、
（ａ）空気力学的に外形を作られたタービンシュラウド１０２と、
（ｂ）タービンシュラウド１０２の中にあり、タービンシュラウド１０２に取り付けられ、空気力学的に外形を作られた中心本体１０３と、
（ｂ）中心本体１０３を囲み、ステーターベーン（例えば、１０８ａ）のステーターリング１０６と、下流にインペラーブレードまたはローターブレード（例えば、１１２ａ）を有しステーターベーンと「一列に並んだ」（すなわち、インペラーブレードの前縁がステーターベーンの後縁と実質的に整列される）インペラーまたはローター１１０とを備えているタービンステージ１０４と
を備え、タービンステージ１０４の中で、
（ｉ）ステーターベーン（例えば、１０８ａ）は、中心本体１０３上に据え付けられ、
（ｉｉｉ）インペラーブレード（例えば、１１２ａ）は、中心本体１０３上に据え付けられた内または外のリングまたはフープによって、取り付けられ、一緒に保持され、
さらに、軸流風力タービンは、
（ｃ）タービンシュラウド１０２の終端領域（すなわち、端部部分）上にミキサーローブ（例えば、１２０ａ）のリングを有するミキサー１１８（ミキサーローブ（例えば、１２０ａ）は、インペラーブレード（例えば、１１２ａ）を越えて下流に延びる）と、
（ｄ）シュラウド１２８を備え、タービンシュラウド上のミキサーローブ（例えば、１２０ａ）のリングを囲み、米国特許第５，７６１，９００号において示されるエゼクターローブに類似した輪郭を有するエゼクター１２２（ミキサーローブ（例えば、１２０ａ）は、下流に延び、エゼクターシュラウド１２８の吸気口１２９の中に入る）と
を備えている。

図７に示されるように、ＭＥＷＴ１００の中心本体１０３は、タービンのブレードウェークが支持タワーに当たるとき従来の風力タービンによって生成され、害を与え、悩ましい、長距離を伝搬する低周波数音を排除するために、好ましくは、ステーターリング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。タービンシュラウド１０２およびエゼクターシュラウド１２８の空気力学的輪郭は、タービンローターを通る流れを増加させるために、好ましくは空気力学的にそりを与えられる。

出願人らは、好ましい実施形態１００における最適効率を求めて、エゼクターシュラウド１２８の出口面積によって規定される、タービンシュラウド１０２の出口面積に対するエゼクターポンプ１２２の面積比が、１．５から３．０の間にあることを計算した。ミキサーローブ（例えば、１２０ａ）の数は、６から１４の間にあり得る。各ローブは、５度から２５度の間にある内または外の後縁角度を有する。主要なローブの出口位置は、エゼクターシュラウド１２８の入口位置または吸気口１２９に、またはその近くにある。ローブ経路の高さ対幅の比は、０．５から４．５の間にある。ミキサー通過率は、５０％から８０％の間にある。中心本体１０３プラグの後縁角度は、３０度以下である。ＭＥＷＴ１００全体の長さ対直径（Ｌ／Ｄ）は、０．５から１．２５の間にある。

出願人らにより実行された好ましいＭＥＷＴ１００の第一原理に基づく理論的分析は、ＭＥＷＴが同じ前面面積に対してシュラウドを付けられていない対応物の電力の３倍以上を生成し得、ＭＥＷＴが２以上の係数で風力ファームの生産性を増加させ得ることを示している。出願人らの理論的分析において用いられた方法論および式については、上記の背景において識別された、出願人らのＡＩＡＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅを参照されたい。

出願人らの理論的分析に基づいて、出願人らは、出願人らの好ましいＭＥＷＴ実施形態１００が、同じ大きさの（図１Ａに示される）従来型風力タービンの既存のものの３倍の電力を発生させると考えている。

単純化した用語で言えば、ＭＥＷＴの好ましい実施形態１００は、終端領域に（すなわち、端部部分）においてミキシングデバイスを一体化する空気力学的に外形を作られたタービンシュラウド１０２によって囲まれた軸流タービン（例えば、ステーターベーンおよびインペラーブレード）、および、それ自体で先進的ミキシングデバイス（例えば、ミキサーローブ）を終端領域において一体化し得る、タービンシュラウド１０２と重なるが、その後部で重なる分離したエゼクターシュラウド（例えば、１２８）を備えている。エゼクターシュラウド１２８と組み合わされたミキサーローブ（例えば、１２０ａ）の出願人らのリング１１８は、ミキサー／エゼクターポンプとして考えられ得る。このミキサー／エゼクターポンプは、風力タービンの動作効率のベッツ限界を常に超える手段を提供する。

出願人らはまた、図２Ａおよび図２Ｂに示されるＭＥＷＴの好ましい実施形態１００について補足情報を提供している。補足情報は、中心本体１０３に据え付けられ、エゼクターシュラウド１２８の入口平面の中にわずかに挿入される後縁を有し、埋め込まれたミキサーローブ（例えば、１２０ａ）を有するタービンシュラウド１０２によって囲まれたタービンステージ１０４（すなわち、ステーターリング１０６およびインペラー１１０を有する）を備えている。タービンステージ１０４およびエゼクターシュラウド１２８は、タービンシュラウド１０２に構造的に接続され、タービンシュラウド１０２自体は、主要な荷重を伴う部材である。

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。エゼクターシュラウド１２８の長さは、エゼクターシュラウド１２８の最大外径以下である。中心本体１０３の外部表面は、ＭＥＷＴ１００の下流で流れの分離の影響を最小化するように、空気力学的に外形を作られる。中心本体１０３の外部表面は、タービンシュラウド１０２またはエゼクターシュラウド１２８、あるいはタービンシュラウド１０２とエゼクターシュラウド１２８との組み合わされた長さよりも長くあり得るか、または短くあり得る。

タービンシュラウドの入口面積および出口面積は、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、流れの供給源および流れのウェークの衝撃のより良い制御を可能にするように、形状が円形である必要はない。中心本体１０３とタービンシュラウド１０２の内部表面との間の環によって形成される内部の流れ経路の断面積は、タービンの平面において最小面積を有するように、あるいは中心本体１０３およびタービンシュラウド１０２の内部表面のそれぞれの入口平面から出口平面まで円滑に変化するように、空気力学的に形状を作られる。タービンおよびエゼクターシュラウドの外部表面は、流れをタービンシュラウド吸気口の中へ導くことを助けるように空気力学的に形状を作られ、それらの表面からの流れの分離を排除し、エゼクター入口１２９への円滑な流れを送達する。エゼクター１２８の入口面積は、形状が円形でないことがあり得（例えば、図２５を参照）、ミキサー１１８の出口平面面積より大きく、エゼクターの出口面積は、形状が円形でないことがあり得る。

好ましい実施形態１００のオプションの特徴は、インペラー１１０の外縁で（示されていない）発電機に機械的に接続される、車輪のような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を自己整列させるためのＭＥＷＴ上の圧力中心の位置の前方に位置するＭＥＷＴ１００を回転可能に支持する、１３４（図５を参照）における回転可能な結合部を有する垂直支持シャフト１３２と、さまざまな風の気流を有する整列方向を安定化させる、エゼクターシュラウド１２８の上および下の表面に付けられた自己移動垂直安定板または「ウイングタブ」１３６（図４を参照）とを含み得る。

ＭＥＷＴ１００は、住宅の近くで用いられるとき、ステーター１０６のウェークのインペラー１１０との相互作用によって生成される比較的高い周波数の音波を吸収して除去する、ＭＥＷＴ１００のシュラウド１０２およびシュラウド１２８（図２４を参照）の内表面に付けられた音吸収材料１３８を有し得る。ＭＥＷＴはまた、（示されていない）安全ブレード収容構造を収容し得る。

図１４および図１５は、オプションの流れ遮断扉１４０ａおよび流れ遮断扉１４０ｂを示す。流れ遮断扉１４０ａおよび流れ遮断扉１４０ｂは、流れの高速度に起因する発電機または他のコンポーネントへの損傷の可能性があるとき、タービン１００を介して流れを低減するか、または止めるように、（示されていない）リンク機構を介して流れの気流の中へ回転され得る。

図８は、出願人らの好ましいＭＥＷＴ１００の別のオプションの変形を提供する。ステーターベーンの出口角度の入射角は、ローターから出る流れの中の最小限の残留渦流を確保するために、流体気流速度における変化を受け入れるように機械的に元の位置に変化される（すなわち、ベーンが旋回される）。

図９〜図２３および図２６に示される出願人らの代替ＭＥＷＴ実施形態は、それぞれ、インペラーブレードのリングを有するタービンローターよりも、プロペラのようなローター（例えば、図９に示される１４２）を用いることに留意されたい。おそらく効率的だからではないが、これらの実施形態は、公衆にとってより受け入れられやすくあり得る。

出願人らの代替ＭＥＷＴ実施形態は、仮にある場合は、ミキサーがエゼクターシュラウドの終端領域（すなわち、端部部分）に埋め込まれた、ゼロステージ（例えば、図２６を参照）、１ステージおよび２ステージのエゼクターを収容する変形２００、変形３００、変形４００、変形５００である。エゼクターシュラウドの終端領域に埋め込まれたミキサーについては、図１８、図２０、および図２２を参照されたい。分析は、そのようなＭＥＷＴ実施形態が、既存の風力タービンのウェークにおいて生じる固有の速度欠陥をより迅速に除外し、構造的損傷および／または生産性の損失を回避するために風力ファームにおいて必要な分離距離を低減することを示している。

図６は、エゼクターシュラウドの終端領域にミキサーを有する、図示された実施形態１００の「２ステージ」エゼクターの変形６００を示す。

本発明の精神または範囲から逸脱することなく、明らかな構造的修正が行われ得ることが、当業者によって理解されるべきである。例えば、ミキサーローブまたはエゼクターローブの代わりに、スロットが用いられ得る。加えて、ベッツ限界を満たすまたは超えるためにブロッカーアームは必要でない。したがって、上記の説明よりも添付の特許請求の範囲への参照が主として行われるべきである。

Claims (10)

1. 吸気口を有する空気力学的に外形を作られたタービンシュラウドと、インペラーブレードのリングを有する下流のインペラーとを有するタイプの軸流風力タービンにおける改善であって、該改善は、
   ａ．該インペラーの上流のステーターベーンのリングと、
   ｂ．該タービンシュラウドの終端領域に一体化されたミキサーローブのリングであって、該ミキサーローブは、該インペラーブレードの下流に延びる、ミキサーローブのリングと、
   ｃ．ミキサーローブの該リングを囲むエゼクターシュラウドであって、該ミキサーローブは、下流に延びて該エゼクターシュラウドの中へ入る、エゼクターシュラウドと
   を含み、各ローブは、丸みを帯びた突起を含み、該突起は、下流に、そして、該風力タービンの中心軸から外側に、または該風力タービンの中心軸に向かって内側に延びている、改善。
2. 前記エゼクターシュラウドの終端においてミキサーローブのリングを収容している、請求項１に記載の風力タービン。
3. 前記タービンは、回転結合部によって、該タービン上の圧力中心位置の前方に位置する支持シャフト上に据え付けられ、該タービンが流入する風の気流に自由に旋回することを可能にする、請求項１に記載の風力タービン。
4. 前記タービンは、該タービンを通る流れの量を妨げる該タービンの内側の少なくとも一つの可動ブロッカーを含む、請求項１に記載の風力タービン。
5. 前記タービンの外部表面は、該タービンの近づいてくる流れの方向との整列を空気力学的に助け、かつ、流れの乱気流によって誘発されたシステムの振動を弱めるための垂直安定板を収容している、請求項１に記載の風力タービン。
6. 前記ステーターベーンは、すべての動作条件において、ステーター出口の流れをローターブレードと良好に整列させるように機械的に回転される、請求項１に記載の風力タービン。
7. タービンローターは、前記インペラーの周りの車輪のような構造の形態をしている動力取出装置に接続されている、請求項１に記載の風力タービン。
8. 軸流風力タービンであって、
   ａ．空気力学的に外形を作られ、吸気口を有するタービンシュラウドと、
   ｂ．該シュラウドの中に据え付けられたタービンステージであって、該タービンステージは、
   （ｉ）該吸気口の下流に、該タービンシュラウドに取り付けられた支持シャフトに据え付けられたステーターベーンのリングと、
   （ｉｉ）該ステーターベーンの下流に、該支持シャフト上に据え付けられたインペラーブレードのリングと
   を備えている、タービンステージと、
   ｃ．該タービンシュラウドの終端領域に一体化されたミキサーローブのリングであって、該ローブは該インペラーブレードの下流に延びる、ミキサーローブのリングと、
   ｄ．該ミキサーローブの後縁を囲み、該ミキサーローブの下流に延びるエゼクターと
   を備えており、各ローブは、丸みを帯びた突起を含み、該突起は、下流に、そして、該風力タービンの中心軸から外側に、または該風力タービンの中心軸に向かって内側に延びている、タービン。
9. 吸気口を有する空気力学的に外形を作られたタービンシュラウドと、インペラーブレードのリングを有する下流のインペラーとを有するタイプの軸流風力タービンにおける改善であって、該改善は、該インペラーの上流にステーターベーンを有するステーターリングと、該シュラウドに取り付けられ、該タービンシュラウドの終端領域に一体化されかつ該インペラーブレードの下流に延びるミキサーローブのリングを有するミキサーと、該ミキサーローブの該リングの下流に延び、該ミキサーローブの該リングを囲むエゼクターシュラウドとを含み、各ローブは、丸みを帯びた突起を含み、該突起は、下流に、そして、該風力タービンの中心軸から外側に、または該風力タービンの中心軸に向かって内側に延びている、改善。
10. 吸気口を有するシュラウドとプロペラのようなローターとを有するタイプの軸流風力タービンにおける改善であって、該改善は、該シュラウドの終端領域に一体化されかつインペラーブレードの下流に延びるミキサーローブのリングを有するミキサーと、該ミキサーローブの該リングの下流に延び、該ミキサーローブの該リングを囲むエゼクターシュラウドとを含み、各ローブは、丸みを帯びた突起を含み、該突起は、下流に、そして、該風力タービンの中心軸から外側に、または該風力タービンの中心軸に向かって内側に延びている、改善。

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