ゴルロフヘリカルタービン

ゴルロフらせん水車（GHT）は、ダリウス水車設計をらせん状のブレード/フォイルに変更して進化した水車です。水車は運動エネルギーを電気に変換します。1995年9月19日^[1]から 2001年7月3日^{[2]にかけて一連の特許を取得し、2001年}ASME Thomas A. Edison賞を受賞しました。GHTは、ノースイースタン大学の教授であるアレクサンダー・M・ゴルロフによって発明されました。

^GHT研究[3]の物理的原理は、主なプロトタイプであるダリウスタービンや、タービー風力タービン、エアロテクチャータービン、クワイエトレボリューション風力タービンなどを含む同様の垂直軸風力タービンのファミリーと同じです。GHT、タービー、クワイエトレボリューションは、ブレードのらせん状のねじれを利用して脈動トルクの問題を解決しました。

らせんタービン（ドイツ特許 DE2948060A1、1979 年）は、もともとエンジニア、著者、発明家である Ulrich Stampa（ドイツ、ブレーメン）によって発明されました。

「フォイル」という用語は、流体の種類を区別せずに、特定のポイントでのブレードの断面の形状を説明するために使用されます (したがって、「エアフォイル」または「ハイドロフォイル」のいずれかを指します)。らせん設計では、ブレードは軸の周りを曲がっており、回転サイクル全体にわたってフォイルセクションが均等に分散される効果があり、すべての可能な迎え角に常にフォイルセクションがあります。このようにして、各ブレードの揚力と抗力の合計は、回転角度によって急激に変化しません。タービンはより滑らかなトルク曲線を生成するため、ダリウス設計よりも振動と騒音が大幅に少なくなります。また、構造と材料のピーク応力を最小限に抑え、タービンの自動始動を容易にします。テスト環境では、GHT は、いくつかのグループによって報告されたエネルギー捕捉の効率が最大 35% であることが確認されています。^{[4] [5] [6]} 「他の垂直軸タービンシステムの中で、デイビスハイドロタービン、エンカレントタービン、ゴルロフヘリカルタービンはすべて実験室または海上でスケールテストを受けています。全体として、これらの技術は潮流開発の現在の標準を表しています。」^[7]

ゴルロフ ヘリカル タービンと従来のタービンの主な違いは、流れに対する軸の向きです。GHT は垂直軸タービンで、軸は流れに対して垂直に配置されます。一方、従来のタービンは水平軸タービンで、軸は流れに対して平行に配置されます。風などの流体の流れは自然に方向が変わりますが、地面に対して平行のままです。そのため、すべての垂直軸タービンでは、流れの方向に関係なく、流れは軸に対して垂直のままであり、タービンは常に同じ方向に回転します。これが垂直軸タービンの主な利点の 1 つです。

水の流れの方向が固定されている場合、ゴルロフ水車の軸は垂直でも水平でもかまいません。唯一の要件は流れに対して直交していることです。^[8]

GHT は、揚力ベースの概念 (翼を参照)に基づいて動作する一方向タービンで、双方向または可逆な流体の流れから一定方向の回転を提供します。GHT は、ダリウス タービンと同じ原理で動作します。つまり、翼の動きを利用して翼に対する流れの見かけの方向を変更し、翼の (見かけの)「迎え角」を変更します。

GHTは、ダム建設が望ましくない場合の低落差マイクロ水力発電設備に提案されています^{[8] 。GHTは}ダムレス水力発電技術の一例です。この技術は、ダムベースのマイクロ水力発電システムに比べてコストと環境面での利点を提供できる可能性があります。

ダムレス水力発電の利点としては、ダムの決壊の可能性がなくなるため、公共の安全が向上することが挙げられます。また、ダムのエンジニアリング、建設、保守の初期コストが不要になり、環境や生態系の複雑さが軽減され、ダムの問題を軽減するために法律に盛り込まれた規制の問題が簡素化される可能性もあります。

一般的に、水力発電設備に関する主要な環境問題は、水生生物に対する実際のリスクと認識されているリスクです。GHTは魚がすぐにそれを見て周りを泳ぐことができるほどゆっくりと回転すると主張されています。^{[9] [10]} 2001年の予備テストでは、魚がゆっくり動くタービンブレードの間を泳いでいても、魚が傷つくことはないと主張されました。また、ブレード間の空きスペースは小川に生息する最大の魚よりも大きいため、魚がタービンに引っかかったり動けなくなったりすることは困難です。GHTは大きな乱流を生成しないため、魚が渦に巻き込まれることもなく、小さな物体は流れに流されても害はありません。

この例では、流体の流れの方向は左方向です。
タービンが回転すると (この場合は時計回り)、流体を通る翼の動きによって、翼の基準フレームに対する流体の見かけの速度と迎え角(速度と方向) が変化します。これら 2 つの流れ成分 (つまり、ベクトルの合計)の組み合わせ効果により、次の図に示すように、正味の合計「見かけの流速」が生成されます。

この見かけの流れが各フォイル セクションに作用すると、揚力と抗力の両方が生成され、その合計は上の図「正味の力のベクトル」に示されています。これらの正味の力のベクトルはそれぞれ、ラジアル成分と接線成分の 2 つの直交ベクトルに分割できます。ここでは、それぞれ「法線力」と「軸方向の力」として示されています。法線力はタービン構造の剛性によって阻止され、タービンに回転力やエネルギーを与えることはありません。残りの力の成分はタービンを時計回りに推進し、このトルクからエネルギーを得ることができます。

[図「見かけの流速...」に関して、ゴルロフ ヘリカル タービンの特許権者である Lucid Energy Technologies は、方位角 180 度 (ブレードが回転して下流方向に瞬間的に移動するポイント) で見かけの流速がないこの図は誤解を招く可能性があると指摘しています。これは、見かけの流速がゼロになるのは、先端速度比が 1 (つまり、TSR=1、回転によって誘発される電流が電流と等しい) の場合にのみ発生するためです。GHT は通常、1 より大幅に大きい TSR で動作します。]

(図「ネット力ベクトル」と「法線力ベクトル」は部分的に間違っています。風下側のセグメントは円の外側のベクトルを示す必要があります。そうしないと、タービンにネット横方向の荷重がかかりません。) M Koester 2015。

水流中のらせん状のタービンは、水流の方向に関係なく機械的動力を生み出します。次に、共通シャフト上に組み立てられた発電機が、その動力を商業用に電気に変換します。

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