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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-25
(54)【発明の名称】境界層ターボマシン
(51)【国際特許分類】
F01K 25/10 20060101AFI20240315BHJP
F01K 27/00 20060101ALI20240315BHJP
【ＦＩ】
F01K25/10
F01K27/00 Z
F01K25/10 S
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024507055
(86)(22)【出願日】2022-01-18
(85)【翻訳文提出日】2023-10-17
(86)【国際出願番号】 CA2022050068
(87)【国際公開番号】W WO2022150933
(87)【国際公開日】2022-07-21
(31)【優先権主張番号】63/138,649
(32)【優先日】2021-01-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/280,396
(32)【優先日】2021-11-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/285,575
(32)【優先日】2021-12-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523392279
【氏名又は名称】バウンダリー エナジー インク
【氏名又は名称原語表記】ＢＯＵＮＤＡＲＹ ＥＮＥＲＧＹ ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】Ｂｏｘ ９２９ Ｅｖａｎｓｂｕｒｇ， Ａｌｂｅｒｔａ Ｔ０Ｅ ０Ｔ０， ＣＡＮＡＤＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100119091
【弁理士】
【氏名又は名称】豊山 おぎ
(72)【発明者】
【氏名】フォード ダレル
【テーマコード（参考）】
3G081
【Ｆターム（参考）】
3G081BB04
(57)【要約】
動力を伝達するためにシャフトに結合された境界層ターボマシンであって、複数のダクトと、複数のブレード及び／又は１つ以上の突出部とを備える。複数のダクトは、長手方向軸を中心に回転するように構成されたダクト壁によって画定され、入口端と出口端との間で流体を運ぶようにその周囲に同心円状に配置される。流れ入口は、流体を、出口端に向かって長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に複数のダクト内に引き込む。複数のブレード及び／又は１つ以上の突出部は、対向するダクト壁の間でダクト内を半径方向に延びる。つ以上の突出部は、少なくとも部分的に長手方向軸に沿って、かつ長手方向軸の周りに螺旋状に延びて、流体をダクト内に誘導し得る。液相を遠心分離するために、ダクト壁にスロットを設けてもよい。凝縮器、ポンプ、及び／又はコンプレッサを含まない、複数の境界層タービンを使用して発電するシステム及び方法。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入口端から流体を受け入れ、出口端から流体を排出するように構成された境界層ターボマシンであって、入口端から出口端に向かって流体を運ぶために、入口端と出口端との間で境界層ターボマシンの長手方向軸の周りに同心円状に配置された複数のダクトであって、長手方向軸を中心に回転するように構成された対応するダクト壁によって少なくとも部分的に画定された複数のダクトと、
入口端に配置され、複数のダクトのダクト壁の回転に従って出口端に向かって長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に複数のダクトに流体を受け入れるように構成された１つ以上の流れ入口であって、流体は、複数のダクト内を流れる流体に又は複数のダクト内を流れる流体から機械的エネルギーを伝達するためにダクト壁と摩擦係合する、流れ入口とを備えた境界層ターボマシン。
【請求項2】
境界層ターボマシンは境界層タービンであり、１つ以上の流れ入口が流体を複数のダクトに引き込み、ダクト壁に回転を与えて動力を発生させるように構成されている請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項3】
前記１つ以上の流れ入口は、前記流体を前記複数のダクト内に噴射して、前記流体を前記長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に前記出口端まで運ぶように構成された１つ以上のノズルである請求項２記載の境界層ターボマシン。
【請求項4】
前記複数のダクトの下流端部において前記長手方向軸の周りに回転可能に配置された複数のブレードを更に備え、前記複数のブレードは、前記長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に配向された流体を受け、前記流体を前記長手方向軸に概ね平行に方向転換させるように適合され、前記流体は、それによって、前記長手方向軸の周りの前記複数のブレードに回転を付与して動力を発生させる、請求項２又は３に記載の境界層ターボマシン。
【請求項5】
前記複数のブレードの下流に、前記長手方向軸に対して概ね平行に配向された流体を受ける軸方向タービンステージを更に備える、請求項４に記載の境界層ターボマシン。
【請求項6】
前記軸方向タービンステージは、前記長手方向軸に沿って軸方向に整列された羽根付きステータと、前記羽根付きステータと軸方向に整列された羽根付きロータとを含み、前記羽根付きロータは、前記羽根付きステータの下流側に配置されている、請求項５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項7】
前記複数のブレードは、前記ダクトのダクト壁から前記長手方向軸に対して半径方向に延びている、請求項４に記載の境界層ターボマシン。
【請求項8】
前記複数のブレードは、前記ダクトの第１のダクト壁から、前記第１のダクト壁に対向する前記ダクトの第２のダクト壁まで、前記長手方向軸に対して半径方向に延びている、請求項４に記載の境界層ターボマシン。
【請求項9】
前記複数のブレードは、前記ダクト壁と共回転するように前記ダクト壁と一体的に形成されている、請求項７に記載の境界層ターボマシン。
【請求項10】
前記複数のブレードは、前記ダクト壁と一体構造である、請求項９に記載の境界層ターボマシン。
【請求項11】
１１．動力を伝達するように構成された複数のブレードアセンブリを更に含み、複数のブレードアセンブリの各ブレードアセンブリは、１つ以上の流れ入り口の下流の対応するダクト内に配置され、長手方向軸の周りに回転可能に配置された対応する複数のブレードを含み、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に向けられた流体を受けて、流体を長手方向軸に概ね平行に方向転換させるように適合され、流体はそれによって、長手方向軸の周りの対応する複数のブレードに回転を付与して動力を発生させる、請求項２又は３に記載の境界層ターボマシン。
【請求項12】
対応する複数のブレードが、対応するダクトの関連するダクト壁から長手方向軸に対して半径方向に延び、関連ダするクト壁と共回転するように関連するダクト壁と一体的に形成されている、請求項１１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項13】
対応する複数のブレードは、関連するダクト壁と一体構造であり、各ダクトは、その中に配置された少なくとも１つのブレードアセンブリを有する、請求項１２に記載の境界層ターボマシン。
【請求項14】
複数のダクトに駆動可能に結合されたシャフトを更に備え、シャフトは、複数のダクトと同軸であり、複数のダクトによって円周方向に取り囲まれている請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項15】
長手方向軸の周りに同心円状に入れ子状に配置され、概して互いに間隔をおいて配置され、長手方向軸の側方に徐々に大きな断面積を有する複数の管で、各複数のダクトは、複数のダクトのうちの同心円状に隣接する一対の管の間に形成され、シャフトは、複数のダクトのうちの半径方向最内のダクトを少なくとも部分的に画定する複数の管のうちの半径方向最内の管によって形成される内部キャビティ内に同軸に配置される請求項１４に記載の境界層ターボマシン。
【請求項16】
同心円状に隣接する管の各対が、複数のダクトの対応するダクトをその間に形成する、請求項１５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項17】
複数のダクトのうちの少なくとも１つが、長手方向軸に対して側方に環状形状の断面を有する、請求項１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項18】
環状形状の断面が円形環状である請求項１７に記載の境界層ターボマシン。
【請求項19】
前記複数のダクトの下流端において前記長手方向軸の周りに回転可能に配置され、動力を発生する複数のブレードを更に備え、前記１つ以上の流れ入口は、前記ダクトの上流端部で、前記出口端に向かって前記ダクト内に前記長手方向軸周りに概ね方位角方向に流体ジェットを噴出するように構成された１つ以上のノズルを含み、
前記複数ダクトのダクトは、
ダクトの上流端で流体噴流を受けるように断面が適合された上流部分と、
ダクトの下流端で複数のブレードによって画定された流路と断面的に部分的に相補的な下流部分と、
上流部分と下流部分との間に画定された中間部分であって、上流部分及び下流部分はそれぞれ、中間部分の比較的狭い断面を画定するように、中間部分に向かって概して断面がテーパになっている中間部分を含む、
請求項１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項20】
複数のダクトに駆動可能に結合されたシャフトと、複数のダクトを少なくとも部分的に収容し、シャフトに対して実質的に静止した状態を維持するように構成された構造体と、
シャフトに結合され、前記構造体に対して所定の位置でシャフトを回転可能に支持するように前記構造体と前記シャフトの間に配置された接触ベアリングと、を更に含み、、
シャフトは、長手方向軸を中心とする回転のために、長手方向軸に沿って延伸された請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項21】
前記複数のダクトは、前記シャフトに伝達されるシャフト動力を発生させるために毎分４３，０００回転未満で回転するように構成されている請求項２０に記載の境界層ターボマシン。
【請求項22】
複数のダクトのうち半径方向最外側のダクトを少なくとも部分的に画定する半径方向最外側の管と、複数のダクトのうち半径方向最内側のダクトを少なくとも部分的に画定する半径方向最内側の管で、複数のダクトが半径方向最外側の管と半径方向最内側の管との間に配置される、半径方向最内側管とを更に備え、
複数のダクトの各ダクトは、対応する同心円状に隣接するダクトと共通で共有される対応するダクト壁によって少なくとも部分的に画定される、
請求項１又は２１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項23】
長手方向軸の周りに同心円状に入れ子状に配置され、概して長手方向に延伸する複数の管と、接合端から管を片持ち梁状にするように前記管の接合端で複数の管のうちの管に結合され、管は接合端から概して長手方向に延伸しているエンドプレートと、
を更に備え、
複数の管は、複数のダクトの各ダクトが複数の管の同心円状に隣接する対となっている管の間に形成されるように、互いに同心円状に離間しており、複数の管は、発電するように構成されている請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項24】
前記エンドプレートは、前記接合端と長手方向軸に沿ってねじ込み可能に係合することによって、前記複数の管のうちの管に結合される請求項２３に記載の境界層ターボマシン。
【請求項25】
長手方向軸の周りに同心円状に入れ子状に配置され、概して長手方向に延伸する複数の管と、複数の管のうちの一つの管の自由端を受けられるように構成されたスロットを含み、前記管は一般に自由端から長手方向に延伸し、スロットは流体と連通し、スロットに対する管の回転を可能にするように自由端とスロットとの間のクリアランスを維持するよう適合されている支持構造体と、を更に備え、
前記複数の管は、複数のダクトの各ダクトが複数の管の同心円状に隣接する追となっている管の間に形成されるように、互いに同心円状に離間しており、複数の管は、発電するように構成されている請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項26】
前記クリアランスは、前記複数の管のうちの管を前記スロット内で少なくとも部分的に支持し、前記スロットと前記複数の管のうちの管との間の滑り摩擦を実質的に防止するように、前記複数の管のうちの管と前記スロットとの間に流体の潤滑膜を維持するよう適合されている請求項２５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項27】
前記クリアランスは、前記複数の管うちの管と前記スロットとの間の潤滑を維持するために流体を前記スロット内に引き込むように、前記複数の管のうちの管が回転するときに、前記スロット内に比較的低圧のゾーンを生成するように適合されている請求項２４又は２６に記載の境界層ターボマシン。
【請求項28】
前記支持構造は、前記支持構造と前記シャフトとの間に配置された軸受を介して前記シャフトによって支持され、前記シャフトは、前記複数の管に駆動可能に結合されている請求項２５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項29】
前記複数の管は、前記長手方向軸に対して側方に徐々に大きい断面積を有し、前記複数の管に駆動可能に結合されたシャフトで、前記複数の管の半径方向最内側の管によって形成された内側キャビティ内に前記複数の管と同軸に配置されたシャフトを更に備える請求項２５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項30】
前記内部キャビティは、前記複数のダクトと流体連通しており、前記スロットは、前記内部キャビティ又は前記複数のダクトのうちのダクトの、少なくとも１つに開口している、請求項２９に記載の境界層ターボマシン。
【請求項31】
長手方向軸の周りに同心円状に入れ子になっている複数の管であって、複数の管の各管は、複数の管の複数の自由端を画定するために、対応する自由端から概して長手方向に延伸している複数の管と、
前記複数の自由端を受けるように構成された複数のスロットを含み、前記複数のスロットは流体と流体連通しており、前記複数のスロットに対する前記複数の管の回転を可能にするために前記複数の自由端からのクリアランスを維持するように適合されている、支持構造体とを更に備え、
複数の管は、複数のダクトの各ダクトが複数の管の同心円状に隣接する対となっている管の間に形成されるように、互いに同心円状に離間しており、複数の管は、発電するように構成されている請求項１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項32】
前記複数のダクトは、前記複数のスロットを介して互いに流体連通している、請求項３１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項33】
前記クリアランスは、前記複数の管と前記複数のスロットとの間に潤滑膜を維持するために、前記複数のダクトを介して前記複数のスロット内に流体を引き込むために前記複数の管のうちの管が回転しているときに、前記複数のスロット内に比較的低圧のゾーンを生成するように適合され、前記潤滑膜は、前記複数のスロット内で前記複数の管を少なくとも部分的に支持し、前記複数のスロットと前記複数の管との間の滑り摩擦を実質的に防止する請求項３２に記載の境界層ターボマシン。
【請求項34】
前記支持構造体のハウジング部分が、前記複数の管路内の流体の加圧を維持するために前記複数の管を周方向に取り囲み、前記ハウジング部分が、圧力を調整するための調整バルブを備える請求項３３に記載の境界層ターボマシン。
【請求項35】
前記１つ以上の流れ入口は、前記複数のダクトのうちの一つのダクトの上流端に円周方向に配設され、前記出口端に向かって前記ダクト内に長手方向軸回りに概ね方位角方向に流体ジェットを噴出するように構成された複数のノズルを含む請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項36】
前記複数のノズルは、方位角方向が１０度以内に揃えられている請求項３５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項37】
前記複数のノズルは、円周方向に間隔をあけて配置され、前記流体ジェット間の流れの相互作用を低減するように配向される、請求項３６に記載の境界層ターボマシン。
【請求項38】
前記複数のノズルは、前記ダクトの上流端の周りに円周方向に等間隔に配置されている、請求項３６～３７のいずれか一項に記載の境界層ターボマシン。
【請求項39】
ダクト壁が共通の回転のために結合されている、請求項１又は２に記載の境界層ターボマシン。
【請求項40】
１つ以上の流れ入口の一流れ入口が、複数のダクトの一ダクトの上流端に、長手方向軸の周りに概ね方位角方向に流体を引き込むように構成され、ダクトの長手方向長さが、流体の方位角偏差を最大１０度に制限するように適合される請求項４に記載の境界層ターボマシン。
【請求項41】
複数のブレードの前縁が、実質的に揃えられた状態で流体を受けるようにダクトに沿った流体の方位角偏差に適合された請求項４０に記載の境界層ターボマシン。
【請求項42】
流れ入口は、長手方向軸を中心とする方位角方向の１０度以内に配向された上流端に流体を引き込む請求項４０に記載の境界層ターボマシン。
【請求項43】
複数のダクトに駆動可能に結合されたシャフトと、支持構造体に対するシャフトの回転を可能にするために、その間に配置されたベアリングを介してシャフトによって支持された支持構造体で、支持構造体は、その上流端で複数のダクトを密封可能に囲み、複数のノズルは、支持構造体に一体化され、支持構造体は、複数のノズルに流体を供給する１つ以上の入口チャネルと、流体と流体連通し、複数のダクトのダクト壁の複数の自由端を受けるように構成された複数のスロットとを含む、支持構造体と、を更に備え、
複数のスロットは、実質的に接触することなく複数の自由端を回転可能に支持する潤滑膜を維持するために、そこに流体を引き込むように適合されている請求項３６に記載の境界層ターボマシン。
【請求項44】
ダクトの第１の半径方向断面がダクトの第２の半径方向断面よりも大きく、第１の半径方向断面が第２の半径方向断面に対して入口端に近接している請求項１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項45】
長手方向軸の周りに同心円状に入れ子状に配置され、概して長手方向に延伸する複数の管と、複数の管のうちの一の管の自由端に隣接する支持構造体で、前記管は概して自由端から長手方向に延伸し、支持構造体は、支持構造体に対する管の回転を可能にするために、前記自由端と前記支持構造体との間のクリアランスを維持するように適合されている支持構造体と、を更に備え、
複数の管は、複数のダクトの各ダクトが複数の管の同心円状に隣接するついとなっている管の間に形成されるように、互いに同心円状に離間しており、複数の管は発電するように構成されている請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項46】
接合端から管を片持ち梁状にするように、前記自由端に対向する前記管の接合端において前記管に結合されたエンドプレートを更に含み、前記管は前記接合端から前記自由端まで長手方向に延伸した請求項４５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項47】
前記エンドプレートは、前記接合端部と長手方向軸に沿ってねじ込み可能に係合することによって、前記複数の管のうちの前記管に結合される請求項４６に記載の境界層ターボマシン。
【請求項48】
前記クリアランスは、前記複数の管のうちの前記管と前記支持構造体との間の流体の潤滑膜を維持するように適合されている請求項４５に記載の境界層ターボマシン。
【請求項49】
１つ以上の流れ入り口は、自由端に隣接する支持構造の端部において支持構造に形成され、１つ以上の流れ入り口のうちの複数の流れ入り口は、クリアランスを横切って複数の管によって画定されるダクトに流体を噴射するように方位角的に傾斜している請求項４５又は４８に記載の境界層ターボマシン。
【請求項50】
１つ以上の流れ入口は、ダクト壁にかかる力を均衡させるために長手方向軸の周りに対蹠的に配置された少なくとも２つの流れ入口を含む請求項１記載の境界層ターボマシン。
【請求項51】
複数のダクトの一ダクト内に開口し、流体の第１の部分を受けて流体の第１の部分をダクトから引き出すように、ダクトの半径方向内側の壁から半径方向に間隔を空ける一方で、流体の第２の部分をダクト内に残すことを可能にするスロットで、流体の第１の部分は、流体の第２の部分に対してスロットに向かって遠心方向に引き出すことによって、流体の第２の部分から分離されるスロットと、ダクトから流体の第２の部分を受け、流体の第２の部分を境界層ターボマシンから排出するように構成された流れ出口と、を更に含む請求項１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項52】
複数のダクトの一ダクトに沿って少なくとも部分的に長手方向に延び、ダクトの半径方向に延びて、ダクト内にチャネルを画定する１つ以上の突出部であって、前記チャネルは、流れ入口からダクト内に流体を受け入れて引き込むように構成された突出部を更に含む請求項１に記載の境界層ターボマシン。
【請求項53】
前記１つ以上の突出部は、第１の突出部と、前記第１の突出部から離れた第２の突出部とを含み、前記チャネルは、前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に画定され、前記第１の突出部及び前記第２の突出部は、前記１つ以上の流れ入口から前記チャネルに供給される流体を受けるように少なくとも部分的に方位角方向に配向される請求項５２に記載の境界層ターボマシン。
【請求項54】
前記１つ以上の突出部は、前記ダクト内で半径方向に延び、前記ダクトに沿って流体を引き込むために前記ダクト内で前記長手方向軸に沿ってかつ前記長手方向軸の周りにスパイラル状に延びる突出部を含む請求項５２に記載の境界層ターボマシン。
【請求項55】
チャネルがスパイラルチャネルであり、突出部が、ダクト内の長手方向軸の周りに画定されたスパイラルチャネルの壁を画定し、スパイラルチャネルの入口が、１つ以上の流れ入口によって供給される流体を受け入れるように方位角的に配向されている請求項５４に記載の境界層ターボマシン。
【請求項56】
チャネルがスパイラルチャネルであり、突出部が、ダクト内の長手方向軸の周りに画定されたスパイラルチャネルの壁を画定し、スパイラルチャネルのピッチが、１つ以上の流れ入口から減少する請求項５２に記載の境界層ターボマシン。
【請求項57】
チャネルがスパイラルチャネルであり、前記突出部が、前記ダクト内の長手方向軸の周りに画定されたスパイラルチャネルの壁を画定し、前記スパイラルチャネルのピッチが、少なくとも部分的に前記ダクトを通して前記流体を引き込むように構成されている請求項５２に記載の境界層ターボマシン。
【請求項58】
スパイラルチャネルのピッチは、流体が出口端を介してダクトから引き出されるのを妨げる不利な圧力勾配を緩和するように適合される請求項５７に記載の境界層ターボマシン。
【請求項59】
発電のために少なくとも部分的に相変化するように構成された作動流体を用いた発電方法であって、凝縮物に熱を与えて、凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こし、作動流体を生成することと、
半径方向に離間したダクト壁の間を長手方向に延びるダクトに、少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受けることと、
ダクト壁とダクト内の作動流体とを摩擦係合させることを介して半径方向に分離されたダクト壁のうち一ダクト壁を回転駆動し、エネルギーを作動流体と交換して作動流体の凝縮を引き起こし、凝縮物を生成することとを有する発電方法。
【請求項60】
タービンロータを駆動回転させて軸動力を発生させるために、作動流体をタービンロータのブレード上に受ける工程を更に含み、少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を、半径方向に離間したダクト壁の間を長手方向に延びるダクトに受け入れることは、タービンロータから少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受け入れることを含む請求項５９に記載の発電方法。
【請求項61】
半径方向に分離されたダクト壁のうちの前記一ダクト壁を回転駆動することで発電機を駆動することと、凝縮物を予熱するように、凝縮物を使用して発電機を冷却することと、を更に含む請求項５９に記載の発電方法。
【請求項62】
半径方向に分離されたダクト壁のうちの前記一ダクト壁を回転駆動することで発電機を駆動することと作動流体を予熱するために作動流体を使用して発電機を冷却することと、を更に含む請求項５９に記載の発電方法。
【請求項63】
作動流体を生成するために凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こすために凝縮物に熱を付与することが、凝縮物を受けるように構成された加熱器を使用することとを含み、更に、
半径方向に分離されたダクト壁のうちの前記一ダクト壁を回転駆動することによって発電機を駆動することと、
発電機からの熱を使用して熱交換器で凝縮物を予熱することと、
熱交換器を介してヒーターに凝縮物を受けることと、を含む請求項５９に記載の発電方法。
【請求項64】
作動流体が、凝縮物を生成するように凝縮を引き起こすために、圧縮を介してエネルギーを付与される請求項５９に記載の発電方法。
【請求項65】
半径方向に分離されたダクト壁の間を長手方向に延びるダクト内に少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受け入れることは、ダクトの上流端部に流れる作動流体を受けることを含み、半径方向に分離されたダクト壁の間に定義された第１の半径方向断面は、半径方向に分離されたダクト壁の間に定義された第２の半径方向断面よりも大きく、第１の半径方向断面は、第２の半径方向断面に対して上流端部に近接している請求項５９に記載の発電方法。
【請求項66】
半径方向に分離されたダクト壁間の第１の半径方向離隔が、半径方向に分離されたダクト壁間の第２の半径方向離隔よりも大きく、第１の半径方向離隔は、第２の半径方向離隔に対して上流端部に近接している請求項６５に記載の発電方法。
【請求項67】
発電システムであって、少なくとも部分的に気化した流体を生成するために、凝縮物に熱を伝えるヒーターと、
加熱器から流体を受け取るように構成され、流体が第１のダクト壁を第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された第１の複数のダクトを含み、第１のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成されている、第１の境界層タービンと、
第１の境界層タービンに結合され、第１の境界層タービンから流体を受け、流体からエネルギーを抽出する軸流タービンと、
軸流タービンから第２の境界層タービンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受けるために軸流タービンに連結され、第２の境界層タービンで、第２の複数のダクトは、流体が第２のダクト壁を第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって少なくとも部分的に画定され、、第２のダクト壁は、流体を凝縮させ、加熱器のための凝縮物を生成するように、第２の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するよう構成される第２の境界層タービンと、を含む発電システム。
【請求項68】
発電システムであって、少なくとも部分的に気化した流体を生成するために凝縮物に熱を伝えるヒーターと、
加熱器から流体を受けるように構成され流体が第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に第１のダクト壁を摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能な回転をするように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された第１の複数のダクトを含み、第１のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成されている第１の境界層タービンと、
前記第１の境界層タービンから前記第２の境界層タービンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受けるために、前記第１の境界層タービンから間隔を隔てて前記第１の境界層タービンに結合され、第２の複数のダクトは、流体が第２のダクト壁を第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって少なくとも部分的に画定され、第２のダクト壁は、加熱器のための凝縮物を生成するように流体を凝縮させるために、第２の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するよう、構成された第２の境界層タービンと、を含む発電システム。
【請求項69】
発電のために相変化するように構成された作動流体を用いて発電方法であって、作動流体を生成するように凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こすために、凝縮物に熱を与えることと、
タービンロータを駆動回転させて軸動力を発生させるために、作動流体をタービンロータのブレード上に受けることと、
タービンロータから少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクトに受けることで、第１のダクト壁及び第２のダクト壁は、長手方向軸の周りに周方向に延び、長手方向軸に沿って延伸し、第１のダクト壁は、第２のダクト壁から半径方向に分離されていることと、
エネルギーを作動流体と交換して、作動流体の凝縮を引き起こし、凝縮物を生成するために、第１のダクト壁及び第２のダクト壁をダクト内の作動流体と摩擦係合させることを介して、第１のダクト壁と第２のダクト壁とを回転駆動することと、を含む発電方法。
【請求項70】
第１のダクト壁からの突出部が、半径方向に第２のダクト壁まで延び、長手方向軸に沿って少なくとも部分的に螺旋状に延びて、作動流体をダクトに沿って引き込む、請求項６９に記載の発電方法。
【請求項71】
発電機を駆動するためにシャフトパワーを使うことと、凝縮物を予熱するために凝縮物を使用して発電機を冷却することとを含む請求項６９に記載の発電方法。
【請求項72】
作動流体を生成するために凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こすために凝縮物に熱を付与することが、凝縮物を受けるように構成されたヒーターを使用することを含み、発電機を駆動するためにシャフトパワーを用いることと、
発電機からの熱を使用して熱交換器で凝縮物を予熱することと、
熱交換器を介して凝縮物をヒーターに受けることを含む請求項６９に記載の発電方法。。
【請求項73】
作動流体が、凝縮物を生成するために凝縮を引き起こすために圧縮を介してエネルギーを付与される、請求項６９に記載の発電方法。
【請求項74】
発電システムであって、少なくとも部分的に気化した流体を生成するために凝縮物に熱を伝えるためのヒーターと、
加熱器から流体を受けるように構成され、流体が第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に第１の複数のダクト壁を摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する複数の第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定される第１の複数のダクトを含み、第１の複数のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成される第１の境界層タービンと、
第１の境界層タービンに結合され、第１の境界層タービンから流体を受け取り、流体からエネルギーを抽出する軸流タービンと、
軸流タービンから第２の境界層ターボマシンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け入るために、軸流タービンに連結され、第２の複数のダクトは、流体と摩擦係合し、第２の境界層ターボマシンの長手方向軸を中心に駆動可能に回転するように構成された対応する複数の第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、、第２の複数のダクト壁は、流体を凝縮させ、ヒーター用の凝縮物を生成するために、第２の複数のダクト内を流れる流体に又は流体からエネルギーを伝達する第２の境界層ターボマシンと、を含む発電システム。
【請求項75】
第２の複数のダクト壁が、長手方向軸の周りに周方向に延び、長手方向軸に沿って延伸し、第２の複数のダクト壁の一ダクトが、ダクトの第１のダクト壁からダクトの第２のダクト壁まで半径方向に延び、ダクトに沿って流体を引き込むために長手方向軸に沿って少なくとも部分的にスパイラル状に延びる突出部を含む請求項７４に記載の発電システム。
【請求項76】
発電システムであって、少なくとも部分的に気化した流体を生成するために、凝縮物に熱を伝えるヒーターと、
ヒーターから流体を受けるように構成され、流体が第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に第１のダクト壁を摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能な回転をするように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された第１の複数のダクトを含み、、第１のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成されている、第１の境界層タービンと、
第１の境界層タービンから第２の境界層ターボマシンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け入れるように、第１の境界層タービンから離間し、第１の境界層タービンに結合され、第２の複数のダクトは、流体と摩擦係合し、第２の境界層ターボマシンの長手方向軸を中心に駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、、第２のダクト壁は、流体を凝縮させ、ヒーター用の凝縮物を生成するために、第２の複数のダクト内を流れる流体に又は流体からエネルギーを伝達するよう構成された第２の境界層ターボマシンと、を有する発電システム。
【請求項77】
第２のダクト壁が、長手方向軸の周りに周方向に延び、長手方向軸に沿って延伸し、第２のダクト壁の一ダクトが、流体をダクトに沿って引き込むために、ダクトの第１のダクト壁からダクトの第２のダクト壁まで半径方向に延び、長手方向軸に沿って少なくとも部分的にスパイラル状に延びる突出部を含む請求項７６に記載の発電システム。
【請求項78】
ターボマシンであって、長手方向軸に沿って延伸し、長手方向軸の周りに回転可能な第１の本体と、
長手方向軸に沿って第１の本体と少なくとも部分的に同心円状に延伸し、第１の本体と共通の回転のために結合された第２の本体で、第１の本体と第２の本体との間に長手方向に延びるダクトを画定するように第１の本体内に少なくとも部分的に配置された第２の本体と、
第１の本体及び第２の本体の共通の回転に従って、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受けるように構成された流れ入口であって、機械的エネルギーを流体に又は流体から伝達するために、第１の本体及び第２の本体と摩擦係合する流れ入口と、
第１の本体に設けられた１つ以上の突出部が、少なくとも部分的にダクトに沿って長手方向に延び、ダクト内で第２の本体に向かって半径方向に延びて、ダクト内にチャネルを画定し、チャネルが、流れ入口から流体を受け取ってダクト内に引き込むように構成される一以上の突起部と、を含むターボマシン。
【請求項79】
前記１つ以上の突出部は、第１の突出部と、前記第１の突出部から離れた第２の突出部とを含み、前記チャネルは、前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に画定され、前記第１の突出部及び前記第２の突出部は、少なくとも部分的に方位角方向に配向され、前記流れ入口によって供給される流体を前記チャネルに受け入れる請求項７８に記載のターボマシン。
【請求項80】
前記１つ以上の突出部は、前記ダクト内で前記第１の本体から前記第２の本体まで半径方向に延び、前記ダクトに沿って流体を引き込むために前記ダクト内で前記長手方向軸に沿ってかつ前記長手方向軸の周りにスパイラル状に延びる突出部を含む請求項７８に記載のターボマシン。
【請求項81】
前記チャネルがスパイラルチャネルであり、前記突出部が、前記ダクト内の長手方向軸の周りに画定されたスパイラルチャネルの壁を画定し、前記スパイラルチャネルの入口が、前記流れ入口によって供給される流体を受け入れるように方位角的に配向されている請求項８０に記載のターボマシン。
【請求項82】
前記チャネルはスパイラルチャネルであり、前記突出部は、前記ダクト内の長手方向軸の周りに画定されたスパイラルチャネルの壁を画定し、前記スパイラルチャネルのピッチは、前記流れ入口から減少している請求項８０に記載のターボマシン。
【請求項83】
前記ダクト内に配置され、前記１つ以上の突出部の下流側で、前記第１の本体から前記第２の本体まで半径方向に延び、前記複数のブレードの間に受けられた流れを、第１の方位角成分を有する第１の方向から第２の方位角成分を有する第２の方向へ再配向させるように構成され、前記第１の方位角成分は前記第２の方位角成分と対向している複数のブレードを更に含む請求項７８に記載のターボマシン。
【請求項84】
第１の本体及び第２の本体が、流体のポンピングを達成するためにターボマシンを通して流体を吸引するように駆動可能に回転可能である請求項７８に記載のターボマシン。
【請求項85】
互いに流体的に隔離された第１の流体と第２の流体を用いた発電システムであって、第１の流体を少なくとも部分的に気化させるように第１の流体に熱を伝えるよう構成されたヒーターと、
前記ヒーターに流体接続され、前記ヒーターから前記第１の流体を受け取る第１の熱交換器で、前記第１の流体から前記第２の流体に熱を伝達して、前記第２の流体を少なくとも部分的に気化させるように構成された第１の熱交換器と、
第１の熱交換器に流体接続され、第１の熱交換器から第２の流体を受け取り、第２の流体を用いて膨張機のロータを回転駆動して動力を発生するように構成された膨張機と、
前記膨張機に流体接続され、前記膨張機から第２の流体を受け取り、第１の熱交換器に流体接続され、第１の熱交換器から第１の流体を受け取る第２の熱交換器で、第２の流体から第１の流体に熱を伝達することによって第２の流体の凝縮物を生成するように構成された第２の熱交換器と、を含む発電システム。
【請求項86】
前記膨張機に駆動可能に連結され、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器に流体接続されたポンプであって、前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器に前記第２の流体の凝縮物を引き込んで気化させるように構成されたポンプと、前記膨張機に駆動可能に連結され、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器に流体接続されたコンプレッサであって、前記第２の熱交換器から前記第１の流体を受け取り、前記第１の熱交換器から前記第２の熱交換器に前記第１の流体を引き込むように構成されたコンプレッサを更に含む請求項８５に記載のシステム。
【請求項87】
前記膨張機が、前記加熱器から前記第２の流体を受けるように構成され、前記第２の流体が前記境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に前記複数のダクト壁を摩擦で引き込むことによって前記境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する複数のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された複数のダクトを含む境界層タービンで、前記複数のダクト壁が、前記複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成されている請求項８５に記載の発電システム。
【請求項88】
前記ロータは、電気を発生させるために発電機を駆動し、前記発電機の熱交換器は、前記膨張機から第２の流体を受け取り、前記発電機から熱を引き出すように構成されている請求項８５に記載の発電システム。
【請求項89】
第１の流体がアンモニアである請求項８５に記載の発電システム。
【請求項90】
第１の流体が、第１の熱交換器において３００°Ｆから４００°Ｆ～－１０°Ｆから－２０°Ｆまで冷却される請求項８９に記載の発電システム。
【請求項91】
第２の流体が二酸化炭素である請求項８５に記載の発電システム。
【請求項92】
第１の流体が第１の熱交換器において２００℃から４００℃の間で冷却され、第２の熱交換器において５０℃から１００℃の間で加熱される請求項８９記載の発電システム。
【請求項93】
前記第１の熱交換器が、前記第１の流体から前記第２の流体へ熱を伝達して、前記第２の流体を実質的に完全に気化させるように構成されている請求項８５に記載の発電システム。
【請求項94】
前記ヒーターは、第３の流体を受けて第３の流体から第１の流体へ熱を伝達するように構成された熱交換器を含む請求項８５記載の発電システム。
【請求項95】
コンプレッサとポンプが共通の駆動軸を介して膨張機に駆動可能に連結されている請求項８６に記載の発電システム。
【請求項96】
前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に配置され、前記第１の熱交換器から前記第２の熱交換器へ流れる前記第１の流体の圧力を制御する圧力制御弁を更に備える請求項８５に記載の発電システム。
【請求項97】
前記圧力制御弁は、前記第２の熱交換器において前記第１の流体の実質的に完全な気化を達成するように前記第１の流体の圧力を制御するように構成される請求項９６に記載の発電システム。
【請求項98】
前記圧力制御弁が、第２の熱交換器における第１の流体の実質的に完全な気化を達成するために第１の流体を減圧するように構成される請求項９６に記載の発電システム。
【請求項99】
互いに流体的に隔離された第１の流体と第２の流体を用いた発電方法であって、（ａ）第１の流体を加熱して、第１の流体を少なくとも部分的に気化させることと、
（ｂ）第１の熱交換器において、第１の流体から第２の流体へ熱を移動させ、第２の流体を少なくとも部分的に気化させることと、
（ｃ）第２の流体を用いてロータを回転駆動し、動力を発生させることと、
（ｄ）第２の熱交換器において、第２の流体から第１の流体に熱を移動させて、第２の流体の凝縮物を生成することと、
（ｅ）ロータを駆動することによって生成された電力を使用して、第２の熱交換器から第１の熱交換器に第２の流体の凝縮物を少なくとも部分的に引き込み、第１の熱交換器から第２の熱交換器に第１の流体を引き込むこと、とを含む発電方法。
【請求項100】
ロータを駆動することによって生成された電力を使用して、第２の流体の凝縮物を少なくとも部分的に第２の熱交換器から第１の熱交換器に引き込み、第１の流体を第１の熱交換器から第２の熱交換器に引き込むことは、気化のために第２の熱交換器から第１の熱交換器に第２の流体の凝縮物を引き込むために、ロータを使用してポンプを駆動することと、
第１の熱交換器から第２の熱交換器に第１の流体を引き込むために、ロータを用いてコンプレッサを駆動することを含む請求項９９に記載の発電方法。
【請求項101】
ロータが膨張機のロータである請求項９９に記載の発電方法。
【請求項102】
膨張機が境界層タービンである請求項１０１に記載の方法。
【請求項103】
ロータを使用して発電機を駆動して発電し、発電機を冷却するために発電機から第２の流体に熱を伝達する請求項９９に記載の発電方法。。
【請求項104】
第１の流体がアンモニアである請求項９９に記載の方法。
【請求項105】
第１の流体が、第１の熱交換器において、３００°Ｆ－４００°Ｆの間から－１０°Ｆから－２０°Ｆの間まで冷却される請求項１０４に記載の方法。
【請求項106】
第２の流体が二酸化炭素である請求項９９に記載の方法。
【請求項107】
第１の流体が第１の熱交換器において２００℃から４００℃の間で冷却され、第２の熱交換器において５０℃から１００℃の間で加熱される請求項１０４記載方法。
【請求項108】
ターボマシンであって、長手方向軸に沿って延伸し、長手方向軸の周りに回転可能な第１の本体と、
長手方向軸に沿って第１の本体と少なくとも部分的に同心円状に延伸し、第１の本体と共通の回転のために結合された第２の本体であって、第１の本体と第２の本体との間に長手方向に延びるダクトを画定するように第１の本体内に少なくとも部分的に配置された第２の本体と、
第１の本体と第２の本体の共通の回転に従って、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受けるように構成された流れ入口であって、流体が第１の本体と第２の本体と摩擦係合して、機械的エネルギーを流体に又は流体から伝達するように構成された流れ入口と、
ダクト内に開口し、第１の本体から半径方向に間隔をあけて配置され、流体の第１の部分を受けて、流体の第２の部分がダクト内に残るようにしながら、流体の第１の部分をダクトから引き出すスロットであって、流体の第１の部分は、流体の第２の部分に対してスロットに向かって遠心方向に引き寄せられることによって、流体の第２の部分から分離されるスロットと、
ダクトから流体の第２の部分を受け、流体の第２の部分をターボマシンから排出するように構成された出口ポートと、を含むターボマシン。
【請求項109】
前記スロットは、前記第２の本体を通って半径方向に延び、前記ダクト内に半径方向に開口する請求項１０８に記載のターボマシン。
【請求項110】
出口ポートがダクトのスロットの下流にある請求項１０８に記載のターボマシン。
【請求項111】
流体が多相流体であり、前記第１の部分が前記第２の部分よりも多くの液体を含む請求項１０８に記載のターボマシン。
【請求項112】
第１の部分が実質的に完全に液体であり、第２の部分が実質的に完全に気体である請求項１１１に記載のターボマシン。
【請求項113】
前記ダクトが第１のダクトであり、前記スロットが第１のスロットであり、ターボマシンが、長手方向軸に沿って第２の本体と少なくとも部分的に同心円状に延伸し、第２の本体と共通の回転のために結合された第３の本体で、第２の本体と第３の本体との間に長手方向に延びる第２のダクトを画定するように第２の本体内に少なくとも部分的に配置された第３の本体で、第１のスロットが第１のダクトから第２のダクト内に流体の第１の部分を運ぶために第２のダクト内に開口した第３の本体と、
第２のダクトに開口し、第２の本体から半径方向に間隔を空け、流体の第１の部分の更なる部分を受け、前記流体の更なる部分を第２のダクトから遠心的に引き出す第２のスロットと、を有する請求項１０８に記載のターボマシン。
【請求項114】
前記第１のスロット及び前記第２のスロットは、前記流体の前記第１の部分の更なる部分が前記第２のスロット内に引き込まれることを可能にするように、互いに長手方向に間隔をあけて配置される請求項１１３に記載のターボマシン。
【請求項115】
前記第１の本体及び前記第２の本体は、流体の前記第１の本体及び前記第２の本体との摩擦係合によって回転駆動され、前記流体は、前記ダクト内にある間に少なくとも部分的に相変化する請求項１０８に記載のターボマシン。
【請求項116】
ターボマシンの駆動方法であって、ターボマシンの入口端部を介して、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクト内で、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受けることと、
流体を第１のダクト壁及び第２のダクト壁に摩擦係合させることと、
第１のダクト壁と第２のダクト壁を流体に従って共通に回転させることと、
ターボマシンの出口端から流体を排出すること、とを含むターボマシンの駆動方法。
【請求項117】
複数のブレードを、第１のダクト及び第２のダクト壁と共通の長手方向軸の周りに回転させることと、流体をダクトから複数のブレード上に少なくとも部分的に方位角方向に受け、流体を長手方向軸に概ね平行に再配向させる請求項１１６に記載のターボマシンの駆動方法。
【請求項118】
第１のダクト壁と第２のダクト壁とを長手方向軸に沿って片持ち支持するように、第１のダクト壁と第２のダクト壁とを長手方向端部で支持することを更に含む請求項１１６に記載のターボマシンの駆動方法。
【請求項119】
第１のダクト壁及び第２のダクト壁を回転駆動するために、流体の噴流を少なくとも部分的に方位角方向にダクト内に噴出することを更に含む請求項１１６に記載のターボマシンの駆動方法。
【請求項120】
ダクト内で長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角的に流体を受けることは、第１のダクト壁から第２のダクト壁まで半径方向に延びる１つ以上の突出部によって画定されるダクト内のチャネルを通して流体を引き込むことを含む請求項１１６に記載のターボマシンの駆動方法。
【請求項121】
第１のダクト壁が半径方向内側の壁であり、第２のダクト壁が半径方向外側の壁であり、ダクト内の流体を長手方向軸の周りに方位角方向に引き寄せて、流体の比較的密度の高い部分を長手方向軸から遠心方向に押しやることと、
流体の比較的密度の高い部分を、半径方向内側の壁から半径方向に間隔をあけたスロットを介してダクトから排出すること、と更に含む請求項１１６に記載のターボマシンの駆動方法。
【請求項122】
流体が入口端から出口端に向かって流れるときにダクト内の流体を収縮させることを更に含む請求項１１６に記載のターボマシンの駆動方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［０００１］ 本出願は、２０２１年１月１８日に出願された米国仮出願第６３１３８６４９号、２０２１年１１月１７日に出願された米国仮出願第６３２８０３９６号及び２０２１年１２月３日に出願された米国仮出願第６３２８５５７５号の利益を主張する。
［０００２］ 以下の開示は、ターボマシン、ならびにそれを使用して発電するシステム及び方法に関し、特に、流体にエネルギーを抽出及び注入するための境界層ターボマシンに関する。
［０００２］ 以下の開示は、ターボマシン、ならびにそれを使用して発電するシステム及び方法に関し、特に、流体にエネルギーを抽出及び注入するための境界層ターボマシンに関する。
【背景技術】
【0002】
［０００３］ 境界層ターボマシンには、効率の向上、製造コスト及び保守コストの低減などの利点がある。このようなタービンの効率は、理論的に達成可能なものよりも低い場合があり、製造には比較的高い精度及び／又はコストが必要な場合がある。
［０００４］ 既存の発電システムでは、環境に対するエネルギーの損失が大きい。例えば、発電システムの作動流体を凝縮するために凝縮器が使用される場合、熱が失われることがある。別の場合では、発電機で熱が失われる場合もあり、その場合、熱の蓄積によって発電機の性能が低下することもある。非効率の低減のために、ヒート・レキュペレータや加熱電力複合（ＣＨＰ）サイクルが提案されている。
［０００５］しかし、様々な難点が以前から認識されている。ヒート・レキュペレータは、すべてのタイプの熱損失に対処するわけではなく、低品位熱用途に共通の領域では効率的に動作しない場合があり、ＣＨＰサイクルは、局所環境において加熱の必要性がない場合には有用ではない。
［０００６］ポンプ及び／又はコンプレッサなどのターボマシンは、発電システムを通じて作動流体の発電流を確立するために使用し得る。しかし、このようなターボマシンは、発電システムの効率を低下させる寄生負荷の原因となり得る。
［０００７］ターボマシンにおける多相流は、そのようなターボマシンの構成部品に過大な構造的負荷を与えり得る。このような負荷による構造的な不良を回避するために、ターボマシンの設計において大きな負担及びコスト上のペナルティが発生し得る。そのため、作動流体は通常、圧縮及び／又はポンピングの前に単相にされる。これによってターボマシンの設計要件は低減されるかもしれないが、完全な相変化の必要性は、熱損失とそれに伴う効率の低下という点で別のペナルティをもたらす。
［０００８］ 例えば、インデューサ及びスクリューコンプレッサは、流体圧縮のために使用されることがあり、一般に、湾曲したヘリコイドブレードがその上に画定された内側回転インペラを含む静止外側ハウジングを含むことがある。静止外側ハウジングと内側回転インペラとの間には、小さな先端隙間が設けられることがある。いくつかの場合では、先端隙間は、キャビテーションや凝縮が発生しやすい領域となり、構造的に破局的な結果をもたらす可能性がある。静止外側ハウジングは、例えば静止部品と可動部品との接触などによるターボマシンの焼き付きを回避するために、回転インペラなどの可動部品に接触することなくターボマシンを密閉するように構成される場合がある。
［０００９］ 改善は望まれている。
［０００４］ 既存の発電システムでは、環境に対するエネルギーの損失が大きい。例えば、発電システムの作動流体を凝縮するために凝縮器が使用される場合、熱が失われることがある。別の場合では、発電機で熱が失われる場合もあり、その場合、熱の蓄積によって発電機の性能が低下することもある。非効率の低減のために、ヒート・レキュペレータや加熱電力複合（ＣＨＰ）サイクルが提案されている。
［０００５］しかし、様々な難点が以前から認識されている。ヒート・レキュペレータは、すべてのタイプの熱損失に対処するわけではなく、低品位熱用途に共通の領域では効率的に動作しない場合があり、ＣＨＰサイクルは、局所環境において加熱の必要性がない場合には有用ではない。
［０００６］ポンプ及び／又はコンプレッサなどのターボマシンは、発電システムを通じて作動流体の発電流を確立するために使用し得る。しかし、このようなターボマシンは、発電システムの効率を低下させる寄生負荷の原因となり得る。
［０００７］ターボマシンにおける多相流は、そのようなターボマシンの構成部品に過大な構造的負荷を与えり得る。このような負荷による構造的な不良を回避するために、ターボマシンの設計において大きな負担及びコスト上のペナルティが発生し得る。そのため、作動流体は通常、圧縮及び／又はポンピングの前に単相にされる。これによってターボマシンの設計要件は低減されるかもしれないが、完全な相変化の必要性は、熱損失とそれに伴う効率の低下という点で別のペナルティをもたらす。
［０００８］ 例えば、インデューサ及びスクリューコンプレッサは、流体圧縮のために使用されることがあり、一般に、湾曲したヘリコイドブレードがその上に画定された内側回転インペラを含む静止外側ハウジングを含むことがある。静止外側ハウジングと内側回転インペラとの間には、小さな先端隙間が設けられることがある。いくつかの場合では、先端隙間は、キャビテーションや凝縮が発生しやすい領域となり、構造的に破局的な結果をもたらす可能性がある。静止外側ハウジングは、例えば静止部品と可動部品との接触などによるターボマシンの焼き付きを回避するために、回転インペラなどの可動部品に接触することなくターボマシンを密閉するように構成される場合がある。
［０００９］ 改善は望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
［００１０］ 環境に対する切迫感ある懸念が、エネルギー消費と排出を削減する要求につながっている。
［００１１］ 発電タービン設備ポンプ／コンプレッサのようなターボマシンに関する排出基準及び効率基準は、例えば温室効果ガス排出の目標を達成するために、急速なペースで引き上げられている。カーボンプライシングは、発電と消費に関して持続可能性の課題に取り組むための強力な市場推進力を導入している。
［００１２］ 正味の全体的なエネルギー消費は、エネルギーを回収することによって削減され得る。例えば、工業プロセスでは、高温及び／又は高圧の出口流体からエネルギーを回収し得る。ターボ膨張機又はエキスパンションタービンとも呼ばれるレットダウン・膨張機を使用して、高温又は高圧ガスからエネルギーを取り出すことができる。ターボ膨張機は、そこに多相流体を巻き込んだり形成したりすることがある。このような流体は、ターボ膨張機の構造に過度の応力を与える可能性があり、例えば、ブレードベースのターボ膨張機は、ブレードの損傷を避けるために動作範囲が制限されている場合がある。あるいくつかのケースでは、ブレードにキャビテーションが発生することがある。例えば、ターボ膨張機は、天然ガス精製所や酸素製造プラントで採用される場合がある。
［００１３］ 有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）発電など、環境に優しいエネルギーを生成するための新しいアプローチでは、実現可能であるために高いターボマシン効率が必要になるか、又は他の場所（例えば、下流の炭素捕捉及び隔離システム）におけるコスト増加を相殺するために、より低コストのターボマシンが必要になる場合がある。そのため、すでに高いターボマシンの設計、製造、及び保守に関連するコストは、更に急速に増加し得る。
［００１４］ 例えば、軸流ターボマシンは、十分に高い効率レベルを達成するために３ステージ以上ステージを有する場合がある。このような各ステージには、相当数の新しい（可動）部品が導入されるため、製造及び保守のコストが上昇する。更に、ターボマシンの改良は、収益が減少する傾向にあり、すなわち、改良のために費やされる資源の増加は、効率及び費用効果の比較的低い増加で報われてきた。
［００１５］ ターボマシンの改良に関する現在の取り組みは、製造及び保守のコストを低減しながら、一貫して効率を向上させるという長期的な課題に直面している。
［００１６］ ターボマシン、特にタービンと膨張機の大幅な改善は、長期的な持続可能性にとって不可欠である。
［００１７］ 境界層効果を利用する接着ベース（又は凝集ベース）のターボマシンは、他のタイプのターボマシンに比べて大幅に効率が高く、可動部品がはるかに少ない状態で動作し得る。
［００１８］ 境界層ターボマシンの初期のプロトタイプは、テスラタービン（又はポンプ）であった。これは羽根のない求心流タービンであり，流体はタービンをスパイラル状の流路を半径方向内向きに流れる。テスラタービンは非常に頑丈である。しかし、このタービンには欠点もあった。例えば、このようなタービンは出力範囲が比較的限られているため、既存の軸流ターボマシンに対抗して大きな出力レベルまでスケールアップする可能性が制限される場合があった。例えば、回転数を上げると乱流レベルが上昇し、出力流にはまだ抽出可能な残留エネルギーがかなり残っていることが多い。テスラタービンを適応させ、境界層効果を利用して、必要な出力で所望の効率を達成しようとする試みは、数十年にわたって成功しなかった。
［００１９］ テスラタービンの欠点は、流体が半径方向外向きの位置からタービン出口に向かって半径方向内向きの位置にスパイラル状に移動する際に、流体を制御できないことである。従って、流体がスパイラル状に下降する際の流体全体の流体速度のバランスをとることができない可能性がある。
［００２０］ 本明細書に開示された態様は、所望の（高い）出力レベルで動作する効率的なターボマシンを提供し得る。例えば、本明細書に開示される態様は、比較的高い効率、穏やかな動作条件、高レベルの頑丈さなどの利点を保持しながら、作動流体から比較的大きな量のエネルギーを抽出する効率的なタービンを提供し得る。いくつかのケースでは、本明細書に開示される態様は、境界層効果によって駆動されるロータを同期させる能力を提供し、例えば、タービンの実施形態では、ロータは正のトルクも生成し得る。
［００２１］ 本明細書に開示されるターボマシンタービンの様々な実施形態において、境界層効果は、長手方向軸の周りに共通の回転で係合し、その間にダクトを画定する、複数の同心円状に入れ子状に配置された概して管状のロータを駆動するために使用され得る。一般に、ダクトは、境界層効果を効率的に利用するように寸法決めされるか、又は適合させ得る。例えば、いくつかのケースでは、ダクト（半径方向）の幅は、その中の境界層の厚さを参照して寸法決めされることがある。
［００２２］ いくつかの実施形態では、作動流体のジェットは、複数のダクトの長手方向端部において長手方向軸の周りに（の？）ノズルを介して方位角方向に噴射され、長手方向軸の周りで回転中のロータを「引きずる」ようにしてもよい。このように噴射されたジェットは、作動流体を、ロータと一体的に形成された複数のブレードを含むダクトの対向する長手方向端部に向かってヘリカル状の経路でダクトの周りをスパイラル状に回転させることがある。流体噴流は、隣接するダクトの一部に対して向けられ、隣接するダクトの間に流体軸受シールを形成し得る。
［００２３］ いくつかの実施形態では、流体は、管状ロータからの所望の挙動を促すような方法でダクトに入ることもある。例えば、ノズルは、管状ロータからの正のトルク生成を達成するために、流入ジェットの向き、速度、圧力を変化させることができ、管状ロータのいずれかが、流れる流体を介して発電する代わりに、流体を汲み上げるために動力を消費するのを防止することもある。ダクトの幅と長さは、正のトルク生成を達成するために変化させ得る。
［００２４］各ダクトは、境界層ターボマシンの利点を維持しながら流体から残留エネルギーを抽出するために、例えばダクト内の流れを部分的に妨害する複数のブレードを有していてもよい。複数のブレードは、部分的に方位角方向に整列した作動流体を受け入れて、そこから更にエネルギーを抽出し、流れを長手方向軸により再整列させるように配向させてもよい。複数のブレードの下流に配置された軸流タービンステージを使用して、作動流体からより多くのエネルギーを抽出してもよい。
［００２５］ ダクト（半径方向）幅に比べて噴出口及び複数のブレードのサイズが比較的大きいことが、製造可能性、コスト、質量流量、及び／又は流体挙動のために望ましい場合がある。いくつかの態様では、ダクトは、上流側及び下流側の端部において滑らかにテーパが付けられ、ジェット及びブレード部分をダクトの接着接着部分と効率的に合流させるそれぞれの収束及び発散流ゾーン（それぞれ、制限及び拡大）を画定し得る。このようなゾーンは、流体力学的な利点を提供することがある。
［００２６］ 本明細書に開示された構成は、高効率をもたらし、より穏やかな動作条件を可能にし、可動部品の数を減らすことができる。全体として、低コストとエネルギー消費の低減が達成されり得る。
［００２７］ 本明細書に開示される態様は、ブレードと接触する前に作動流体からエネルギーを抽出する延伸する接着部を採用することによって、膨張タービンのブレードの壊滅的な損傷を防止し得る。
［００２８］ 本明細書に開示される態様は、ターボマシンの限界に対処し、特にガスタービン、ジェットエンジン及びテスラ型境界層機械に典型的な構成において、他のターボマシンの効率を上回る効率を提供し得る。本明細書に開示される実施形態は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）タービン発電機に特に好適であり得、特に、入口流体が、ターボマシンを横切って少なくとも部分的な相変化を受けるように構成された高温加圧超臨界流体である場合に好適である。
［００２９］ いくつかの態様において、本明細書に開示されるターボマシンは、非常に高い回転速度によって生成される応力条件下で正確な形状を維持することができ、高温下での材料の熱成長に対応することができ、ディスク型境界タービンの既知の欠陥である材料の反りを克服し得ることによって、先行するターボマシンを凌駕し得る。このようなターボマシンは、従来のタービン（半径方向流入又は軸方向）のような膨張特性と、テスラディスクタービンのような接着特性を持つ表面との組み合わせに基づいて作動し得る。
［００３０］ その他の利点としては、従来のタービン設計に固有の鍛造品、鋳造品、及び多軸機械加工作業の必要性を排除すること、低い製造コストを提供しながらも高い耐久性、信頼性を維持し、効率を向上させること、新しい材料及び製造方法－高温プラスチック及び複合材料、炭素繊維、３Ｄ印刷部品－を利用すること、及び管の長さを調整する能力により全体的な効率を向上させ、それによって作動流体の滞留時間を増加させ、対応するエネルギー抽出／回収を増加させることが挙げられる。
［００３１］ 同様に、本明細書で開示される態様は、コンプレッサの出口損失とタービンの入口損失を排除し、コンプレッサの入口損失を低減し、「流体軸受」と外部シャフト軸受、及び長さに沿って異なる位置で管アセンブリの外側を支持する縦方向キャリア軸受を利用することによって、非常に高い回転速度を可能にし得る。例えば、管は、片持ち梁状にされ、管の端部を受けるように構成された加圧スロットを介して流体軸受効果が達成され得る全体的に加圧された環境に保持しされ得る。
［００３２］ いくつかの実施形態では、タービンの管型構造内の管は、「高温」端部に流体軸受を設け、長さ方向に沿って長手方向軸受を設け得る。外付けの「クール」端部軸受により、非常に高い温度と回転速度に耐え得る比較的丈夫で耐久性のある回転アセンブリを実現し得る。このようなアセンブリは、気相流体から完全な液体まで、またその中間の任意の組み合わせまで、汚れた又は汚染された作動流体に適応し得る。
［００３３］ より高い効率は、より緩やかな運転条件下で、より高い実現可能な出力を可能にし得る。いくつかの態様では、構成部品のより低い回転数／分（ＲＰＭ）が可能であるかもしれない。セラミックボール軸受は、高出力運転には不適切な回転部品を支持するために使用される。
［００３４］一態様では、本開示は、入口端部を介して流体を受け、出口端部を介して流体を排出するように構成された境界層ターボマシンであって、以下を備える境界層ターボマシンについて記載する。すなわち、境界層ターボマシンは、入口端部から出口端部に向かって流体を運ぶために、入口端部と出口端部との間で境界層ターボマシンの長手方向軸の周りに同心円状に配置された複数のダクトで、手方向軸の周りに回転するように構成された対応するダクト壁によって少なくとも部分的に画定された複数のダクトと、入口端部に配置され、複数のダクトのダクト壁の回転に従って出口端部に向かって長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に複数のダクトに流体を受けるように構成された１つ以上の流れ入口で、流体が、複数のダクト内を流れる流体に又は流体から機械的エネルギーを伝達するためにダクト壁と摩擦係合する、１つ以上の流れ入口とを備える。
［００３５］コストと排出量を削減するために、発電のエネルギー効率を高めることがますます重視されている。例えば、発電システムの効率向上と、低品位熱を利用可能な電力に変換するなどして工業プロセスからの熱損失を低減するという２つのアプローチがある。ＯＲＣシステムは、低品位熱を利用する方法の一つとして提案されている。しかし、多くの場合、このようなシステムは非効率で高価である。例えば、ＯＲＣシステムでは、作動流体をサイクル中に凝縮させる必要があるため、エネルギーが失われ得る。
［００３６］ 直列に配置された複数の境界層タービンを使用し、その間に可能なタービンステージを設けることで、別個の凝縮器の必要性をなくすことができることが分かった。例えば、これらの境界層タービンのうちの１つ以上は、作動流体、例えばプロパンを液化するために低品位の熱を抽出し得る。
［００３７］ 更に、このような構成を使用することにより、作動流体を十分に低温にし、発電機などの下流の構成要素の冷却材として機能させ、（予熱により）環境への熱損失を更に低減できることが見出された。最後に、作動流体によって達成される低温は、非常に低品位の熱源からの熱の伝達を可能にし得る。例えば、いくつかの実施形態では、海水からの熱をエネルギーのために採取し得る。
［００３８］ いくつかの態様では、発電するために少なくとも部分的に相変化するように構成された作動流体を使用して発電する方法であって、以下を含む方法が開示される。即ち、凝縮物に熱を与え、凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こし、作動流体を生成することと、半径方向に分離されたダクト壁の間で長手方向に延びるダクト内に少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受けることと、ダクト壁とダクト内の作動流体との摩擦係合を介して半径方向に分離されたダクト壁のダクト壁を回転可能に駆動し、作動流体とエネルギーを交換し、作動流体の凝縮を引き起こし、凝縮物を生成することとを含む。
［００３９］ いくつかの更なる態様では、発電システムが開示され、以下が含まれる。すなわち、凝縮物に熱を伝達して、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と、加熱器から流体を受けるように構成され、流体が第１のダクト壁を第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能な回転をするように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと、第１の境界層タービンに連結され、第１の境界層タービンから流体を受け、流体からエネルギーを抽出する軸流タービンと、軸流タービンに連結され、軸流タービンから第２の境界層タービンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受ける第２の境界層タービンで、第２の複数のダクトは、流体が第２のダクト壁を第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、第２のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達して流体を凝縮させ、加熱器のための凝縮物を生成するように構成された第２の境界層タービンとを含む。
［００４０］ 更なる態様では、以下を含む発電システムが開示されている。すなわち、凝縮物に熱を伝達して、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と、加熱器から流体を受け取るように構成され、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに第１のダクト壁を少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込む流体によって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと、第１の境界層タービンから間隔をあけて配置かつ結合され、第１の境界層タービンから、第２の境界層タービンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け、第２の複数のダクトは、流体が第２のダクト壁を第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、第２のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達して流体を凝縮させ、加熱器のための凝縮物を生成するように構成される第２の境界層タービンを含む。
［００４１］ 発電における蒸気圧縮及び液体ポンピングは、発電システムにおける寄生負荷の重要な原因であり得る。このような寄生負荷は、発電効率を低下させ、温室効果ガスの排出削減に重要な発電システムの実行可能性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、低品位熱源からエネルギーを取り出すように構成された発電システムは、十分な純発電量を達成するために高い効率を必要とする場合がある。いくつかのケースでは、低品位熱源には海水が含まれる。
［００４２］ 多相圧縮及び／又はポンピング用に構成された境界層ターボマシンを使用することによって、圧縮及び／又はポンピングが効率的に達成され得ることが見出された。いくつかのケースでは、このような境界層ターボマシンは、エネルギー抽出のためにも構成されることがある。例えば、エネルギー抽出と圧縮（及び／又はポンプ）とが、境界層ターボマシンの同じダクト内で順番に行われる場合がある。
［００４３］いくつかのケースでは、境界層ターボマシンは、長手方向軸に沿って延伸し、周方向に取り囲み、長手方向軸の周りに同心円状に配置された、長手方向軸を中心とする共通の回転のための複数の結合体から構成される。円筒体は、その間に複数の（延伸する）環状体を画定してもよく、環状体の各々は、その中に配置された対応する突出部を有する。突出部は、長手方向軸の周りに、長手方向軸に沿ってスパイラル状に延びて、作動流体をそれぞれの環状体の中に引き込むことができる。
［００４４］ いくつかの態様において、本開示は、発電するために相変化するように構成された作動流体を使用して発電する方法であって、以下を含む方法を説明する。すなわち、凝縮物に熱を与えて凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こし、作動流体を生成することと、タービンロータのブレード上で作動流体を受け取り、タービンロータを駆動可能に回転させて、シャフト動力を生成することと、タービンロータから少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクトに受け、第１のダクト壁及び第２のダクト壁は、長手方向軸の周りに周方向に延び、長手方向軸に沿って延伸し、第１のダクト壁は、第２のダクト壁から半径方向に離間していることと、第１のダクト壁と第２のダクト壁とをダクト内の作動流体と摩擦係合させて回転駆動し、作動流体とエネルギーを交換して作動流体の凝縮を引き起こし、凝縮物を生成すること、とを含む。
［００４５］ 別の態様において、本開示は、発電するためのシステムについて記載しており、以下のものを含む。すなわち、凝縮物に熱を伝達し、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と、加熱器から流体を受けるように構成され、流体が第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に第１の複数のダクト壁を摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する複数の第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定される第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１の複数のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと、前記第１の境界層タービンに連結され、前記第１の境界層タービンから流体を受け取り、前記流体からエネルギーを抽出する軸流タービンと、軸流タービンに連結され、軸流タービンから第２の境界層ターボマシンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け入れる第２の境界層ターボマシンで、第２の複数のダクトは、流体と摩擦係合し第２の境界層ターボマシンの長手方向軸を中心として駆動可能に回転するように構成され対応する複数の第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、第２の複数のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体に又は流体からエネルギーを伝達し、流体を凝縮させ、ヒーター用の凝縮物を生成するように構成される第２の境界層ターボマシンを含む。
［００４６］ 更に別の態様において、本開示は、発電するためのシステムであって、以下を含むシステムを説明する。すなわち、凝縮物に熱を伝達して、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と；加熱器から流体を受け取るように構成され、流体が第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に第１のダクト壁を摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定される第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１のダクト壁が、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと；第１の境界層タービンから間隔をあけ第１の境界層タービンに結合され、第１の境界層タービンから第２の境界層ターボマシンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け入れる第２の境界層ターボマシンで、第２の複数のダクトは、流体と摩擦係合し、第２の境界層ターボマシンの長手方向軸を中心に駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって少なくとも部分的に画定され、第２のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体に又は流体からエネルギーを伝達し流体を凝縮させ、ヒーター用の凝縮物を生成するように構成された第２の境界層タービンを含む。
［００４７］ 更なる態様において、本開示は、以下を含むターボマシンについて記載する。すなわち、長手方向軸に沿って延伸し、長手方向軸の周りに回転可能な第１の本体と、長手方向軸に沿って第１の本体と少なくとも部分的に同心円状に延伸した、第１の本体と共通の回転のために結合された第２の本体であって、第１の本体と第２の本体との間に長手方向に延びるダクトを画定するように第１の本体内に少なくとも部分的に配置された第２の本体と；第１の本体と第２の本体の共通の回転に従って、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受け入れるように構成された流れ入口であって、流体は、第１の本体と第２の本体と摩擦係合して、機械的エネルギーを流体に、又は流体から伝達するように構成された流れ入口と；第１の本体上の１つ以上の突出部が、少なくとも部分的にダクトに沿って長手方向に延び、ダクト内で第２の本体に向かって半径方向に延びて、ダクト内に流路を画定し、チャネルは、流れ入口から流体を受け取ってダクト内に引き込むように構成された一以上の突起部と、を含む。
［００４８］ いくつかのケースでは、低品位熱源からは限られた量のエネルギーしか取り出せない。低品位熱源には海水が含まれる。低品位熱源から効率的なエネルギー抽出を実現すれば、クリーンで安価な豊富なエネルギーが得られ得る。例えば、化石燃料の燃焼を避け得る。
［００４９］ 低品位の熱源からエネルギーを抽出する際の課題は、そのような熱源からエネルギーを受け取るのに適した流体は、特に膨張機や他のターボマシンを使用することによってエネルギーを供給する（又はそこからエネルギーを抽出させる）のに適していない可能性が高いということである。
［００５０］ この課題は、低品位熱源からエネルギーを受け取るための第１の流体と、エネルギーを供給する（すなわち、エネルギーを抽出する）ための第２の流体という、２つの流体を使用することによって克服し得る。第一の流体と第二の流体は、互いに流体的に隔離されていてもよいが、第一の流体と第二の流体との間の熱交換を可能にする１つ以上の熱交換器を介してエネルギー連通状態にし得る。
［００５１］ アンモニアは、低品位の熱源からエネルギーを受け取る（又はそれによって加熱される）のに特に有利であることが見出された。アンモニアは沸点が比較的低いため、極低温サイクルの一部として運転することができ、常温又は室温の流体などの低品位の熱源からエネルギーを取り出すのに適している。更に、アンモニアは、温度及び／又は圧力の比較的小さな変化に対して、比較的大きなエンタルピーを得るのに適している。その結果、単位質量当たりのエンタルピー容量が大きいため、エネルギーを受け取るために使用するアンモニアの質量（したがって、体積）を小さくし得る。その結果、ポンピング要件及び関連コストが減少し得る。いくつかのケースでは、二酸化炭素やエタンなどの他の流体と比較して、アンモニアを使用することにより、低品位熱源からの熱の再利用又は回収に関して、大幅な効率向上が実現され得る。
［００５２］しかしながら、低品位熱源からエネルギーを吸収した後にアンモニアからエネルギーを抽出することは、困難である場合がある。アンモニアは、復熱流体としての利点を与えた上述のアンモニアの特性のために、膨張機の作動流体としては不適当であるか、又は実行不可能である。アンモニアから効率的かつ効果的にエネルギーを抽出するためには、過度に大型の装置が必要となる場合がある。
［００５３］ 膨張機の作動流体として使用する前の中間段階で、アンモニア中のエネルギーを吸収するために、そこからエネルギーを抽出するのに適した別の流体を使用し得る。
［００５４］ 作動流体としての二酸化炭素は、ターボマシンを介した効率的かつ効果的なエネルギーの抽出を可能にする。例えば、二酸化炭素は、メタンのような流体とは異なり、１：１の温室効果を有し、可燃性又は引火性ではなく、低温相変化により低温及び圧力で効果的な運転を提供する。極低温又は極低温に近いサイクルでは、作動流体として少なくとも部分的に二酸化炭素を使用し得る。
［００５５］ このように、２つの別個の分離された流体を使用することにより、低品位熱の効果的な吸収と、境界層タービンのような膨張機の効率的な運転が可能になることが見出された。アンモニアと二酸化炭素の組は特に有利であることが判明した。アンモニアは、低品位熱源から熱を吸収するために使用することができ、その後、熱交換器を通過させて熱を二酸化炭素に移動させ、その後、膨張機に供給し得る。
［００５６］ １つの態様において、互いに流体的に分離された第１の流体及び第２の流体を使用した発電システムが開示され、このシステムは以下を含む：すなわち、第１の流体を少なくとも部分的に気化させるために第１の流体に熱を伝えるように構成されたヒーターと、ヒーターに流体的に接続されてヒーターから第１の流体を受け取る第１の熱交換器であって、第１の熱交換器が第１の流体から第２の流体に熱を伝達して第２の流体を少なくとも部分的に気化させするように構成された第１の熱交換器と、第１の熱交換器に流体的に接続されて第１の熱交換器から第２の流体を受け取り、第２の流体を使用して膨張機のロータを回転駆動するように構成された膨張機と、膨張機に流体接続されて膨張機から第２の流体を受け取り、第１の熱交換器に流体接続されて第１の熱交換器から第１の流体を受け取る第２の熱交換器であって、第２の流体から第１の流体に熱を伝達することによって第２の流体の凝縮物を生成するように構成された第２の熱交換器とを含む。
［００５７］ 更に他の更なる態様において、互いに流体的に分離された第１の流体及び第２の流体を使用して発電する方法が開示され、この方法は以下を含む。すなわち、（ａ）第１の流体を加熱して、第１の流体を少なくとも部分的に気化させることと、（ｂ）第１の熱交換器において、第１の流体から第２の流体へ熱を伝達して、第２の流体を少なくとも部分的に気化させることと、（ｃ）第２の流体を使用してロータを回転駆動し、発電することと、及び（ｄ）第２の熱交換器において、第２の流体から第１の流体へ熱を伝達して、第２の流体の凝縮物を生成する工程とを含む。
［００５８］ 境界層ターボマシンの利点には、多相流体で動作する能力が含まれる場合がある。例えば、作動流体は沸点の近くで作動し、したがって境界層ターボマシン内で相変化し得る。いくつかのケースでは、作動流体の液相を境界層ターボマシンから抽出することが望まれ、これには、境界層ターボマシンのダクト内で形成される液相を抽出することが含まれる。このような抽出は、境界層ターボマシンの構造的負荷及び疲労を低減し、効率を向上させ得る。例えば、より低い割合の液相でワークが抽出され、多相作業流体を液化するために費やされるエネルギーが低減され得る。
［００５９］ 境界層ターボマシンのダクトの（共通の）回転に関連する遠心効果を利用することによって、境界層ターボマシンから液相を抽出してもよいことが見出された。遠心分離は、液相（又は他の重い相）をブリードするためのスロットをダクト壁に供給することによって達成し得る。
［００６０］ いくつかのケースでは、作動流体の気相成分からの液体の分離は、遠心分離器／液体ノックアウトと同様に、境界層ターボマシンの長さの下の点又は複数の点で液体が出るようにすることによって達成し得る。
［００６１］ 液相と気相が境界層ターボマシン内を一緒に移動するので、液相と気相を分離することにより、作動流体中に存在する相とそれらの特性に基づいて、羽根、突起、リブ、ブレード、翼、及び他の特徴を構成又は適合させ得る。例えば、リブや突出及びダクト壁の一部は、液相からより多くのワークを引き出すためにテクスチャ加工が施され、ダクトの別の部分は、作動流体の気相からより多くのワークを取り除くために接着性を高めるために滑らかなままであってもよい。
［００６２］ 一態様では、ターボマシンが開示され、以下が含まれる：すなわち、長手方向軸に沿って延伸し、長手方向軸の周りに回転可能な第１の本体と、長手方向軸に沿って第１の本体と少なくとも部分的に同心円状に延伸し、共通の回転のために第１の本体と結合された第２の本体であって、第１の本体と第２の本体との間に長手方向に延びるダクトを画定するように第１の本体内に少なくとも部分的に配置された第２の本体と、第１の本体と第２の本体との共通の回転に従って、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受け入れるように構成された流れ入口であって、流体が第１の本体及び第２の本体と摩擦係合して、機械的エネルギーを流体に又は流体から伝達するように構成された流れ入口と、ダクト内に開口し、第１の本体から半径方向に間隔をあけて配置され、流体の第１の部分を受け入れ、流体の第１の部分をダクトから引き出す一方で、流体の第２の部分をダクト内に残すことを可能にするスロットであって、流体の第１の部分は、流体の第２の部分に対してスロットに向かって遠心的に引き寄せられることによって流体の第２の部分から分離されるスロットと、流体の第２の部分をダクトから受け入れターボマシンから流体の第２の部分を排出するように構成された出口ポートとを含む。
［００６３］ 更に更なる態様では、ターボマシンを動作させる方法であって、以下を含む：すなわち、ターボマシンの入口端部を介して、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクト内で、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受けることと、流体を第１のダクト壁及び第２のダクト壁と摩擦係合させることと、流体にしたがって、第１のダクト壁及び第２のダクト壁を共通して回転させることと、ターボマシンの出口端部を介して流体を排出することと、を含む。
［００６４］ 様々な実施形態は、上述した特徴の組み合わせを含んでもよい。
［００６５］ 本出願の主題についてのこれら及び他の態様の更なる詳細は、以下に含まれる詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。
［００１１］ 発電タービン設備ポンプ／コンプレッサのようなターボマシンに関する排出基準及び効率基準は、例えば温室効果ガス排出の目標を達成するために、急速なペースで引き上げられている。カーボンプライシングは、発電と消費に関して持続可能性の課題に取り組むための強力な市場推進力を導入している。
［００１２］ 正味の全体的なエネルギー消費は、エネルギーを回収することによって削減され得る。例えば、工業プロセスでは、高温及び／又は高圧の出口流体からエネルギーを回収し得る。ターボ膨張機又はエキスパンションタービンとも呼ばれるレットダウン・膨張機を使用して、高温又は高圧ガスからエネルギーを取り出すことができる。ターボ膨張機は、そこに多相流体を巻き込んだり形成したりすることがある。このような流体は、ターボ膨張機の構造に過度の応力を与える可能性があり、例えば、ブレードベースのターボ膨張機は、ブレードの損傷を避けるために動作範囲が制限されている場合がある。あるいくつかのケースでは、ブレードにキャビテーションが発生することがある。例えば、ターボ膨張機は、天然ガス精製所や酸素製造プラントで採用される場合がある。
［００１３］ 有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）発電など、環境に優しいエネルギーを生成するための新しいアプローチでは、実現可能であるために高いターボマシン効率が必要になるか、又は他の場所（例えば、下流の炭素捕捉及び隔離システム）におけるコスト増加を相殺するために、より低コストのターボマシンが必要になる場合がある。そのため、すでに高いターボマシンの設計、製造、及び保守に関連するコストは、更に急速に増加し得る。
［００１４］ 例えば、軸流ターボマシンは、十分に高い効率レベルを達成するために３ステージ以上ステージを有する場合がある。このような各ステージには、相当数の新しい（可動）部品が導入されるため、製造及び保守のコストが上昇する。更に、ターボマシンの改良は、収益が減少する傾向にあり、すなわち、改良のために費やされる資源の増加は、効率及び費用効果の比較的低い増加で報われてきた。
［００１５］ ターボマシンの改良に関する現在の取り組みは、製造及び保守のコストを低減しながら、一貫して効率を向上させるという長期的な課題に直面している。
［００１６］ ターボマシン、特にタービンと膨張機の大幅な改善は、長期的な持続可能性にとって不可欠である。
［００１７］ 境界層効果を利用する接着ベース（又は凝集ベース）のターボマシンは、他のタイプのターボマシンに比べて大幅に効率が高く、可動部品がはるかに少ない状態で動作し得る。
［００１８］ 境界層ターボマシンの初期のプロトタイプは、テスラタービン（又はポンプ）であった。これは羽根のない求心流タービンであり，流体はタービンをスパイラル状の流路を半径方向内向きに流れる。テスラタービンは非常に頑丈である。しかし、このタービンには欠点もあった。例えば、このようなタービンは出力範囲が比較的限られているため、既存の軸流ターボマシンに対抗して大きな出力レベルまでスケールアップする可能性が制限される場合があった。例えば、回転数を上げると乱流レベルが上昇し、出力流にはまだ抽出可能な残留エネルギーがかなり残っていることが多い。テスラタービンを適応させ、境界層効果を利用して、必要な出力で所望の効率を達成しようとする試みは、数十年にわたって成功しなかった。
［００１９］ テスラタービンの欠点は、流体が半径方向外向きの位置からタービン出口に向かって半径方向内向きの位置にスパイラル状に移動する際に、流体を制御できないことである。従って、流体がスパイラル状に下降する際の流体全体の流体速度のバランスをとることができない可能性がある。
［００２０］ 本明細書に開示された態様は、所望の（高い）出力レベルで動作する効率的なターボマシンを提供し得る。例えば、本明細書に開示される態様は、比較的高い効率、穏やかな動作条件、高レベルの頑丈さなどの利点を保持しながら、作動流体から比較的大きな量のエネルギーを抽出する効率的なタービンを提供し得る。いくつかのケースでは、本明細書に開示される態様は、境界層効果によって駆動されるロータを同期させる能力を提供し、例えば、タービンの実施形態では、ロータは正のトルクも生成し得る。
［００２１］ 本明細書に開示されるターボマシンタービンの様々な実施形態において、境界層効果は、長手方向軸の周りに共通の回転で係合し、その間にダクトを画定する、複数の同心円状に入れ子状に配置された概して管状のロータを駆動するために使用され得る。一般に、ダクトは、境界層効果を効率的に利用するように寸法決めされるか、又は適合させ得る。例えば、いくつかのケースでは、ダクト（半径方向）の幅は、その中の境界層の厚さを参照して寸法決めされることがある。
［００２２］ いくつかの実施形態では、作動流体のジェットは、複数のダクトの長手方向端部において長手方向軸の周りに（の？）ノズルを介して方位角方向に噴射され、長手方向軸の周りで回転中のロータを「引きずる」ようにしてもよい。このように噴射されたジェットは、作動流体を、ロータと一体的に形成された複数のブレードを含むダクトの対向する長手方向端部に向かってヘリカル状の経路でダクトの周りをスパイラル状に回転させることがある。流体噴流は、隣接するダクトの一部に対して向けられ、隣接するダクトの間に流体軸受シールを形成し得る。
［００２３］ いくつかの実施形態では、流体は、管状ロータからの所望の挙動を促すような方法でダクトに入ることもある。例えば、ノズルは、管状ロータからの正のトルク生成を達成するために、流入ジェットの向き、速度、圧力を変化させることができ、管状ロータのいずれかが、流れる流体を介して発電する代わりに、流体を汲み上げるために動力を消費するのを防止することもある。ダクトの幅と長さは、正のトルク生成を達成するために変化させ得る。
［００２４］各ダクトは、境界層ターボマシンの利点を維持しながら流体から残留エネルギーを抽出するために、例えばダクト内の流れを部分的に妨害する複数のブレードを有していてもよい。複数のブレードは、部分的に方位角方向に整列した作動流体を受け入れて、そこから更にエネルギーを抽出し、流れを長手方向軸により再整列させるように配向させてもよい。複数のブレードの下流に配置された軸流タービンステージを使用して、作動流体からより多くのエネルギーを抽出してもよい。
［００２５］ ダクト（半径方向）幅に比べて噴出口及び複数のブレードのサイズが比較的大きいことが、製造可能性、コスト、質量流量、及び／又は流体挙動のために望ましい場合がある。いくつかの態様では、ダクトは、上流側及び下流側の端部において滑らかにテーパが付けられ、ジェット及びブレード部分をダクトの接着接着部分と効率的に合流させるそれぞれの収束及び発散流ゾーン（それぞれ、制限及び拡大）を画定し得る。このようなゾーンは、流体力学的な利点を提供することがある。
［００２６］ 本明細書に開示された構成は、高効率をもたらし、より穏やかな動作条件を可能にし、可動部品の数を減らすことができる。全体として、低コストとエネルギー消費の低減が達成されり得る。
［００２７］ 本明細書に開示される態様は、ブレードと接触する前に作動流体からエネルギーを抽出する延伸する接着部を採用することによって、膨張タービンのブレードの壊滅的な損傷を防止し得る。
［００２８］ 本明細書に開示される態様は、ターボマシンの限界に対処し、特にガスタービン、ジェットエンジン及びテスラ型境界層機械に典型的な構成において、他のターボマシンの効率を上回る効率を提供し得る。本明細書に開示される実施形態は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）タービン発電機に特に好適であり得、特に、入口流体が、ターボマシンを横切って少なくとも部分的な相変化を受けるように構成された高温加圧超臨界流体である場合に好適である。
［００２９］ いくつかの態様において、本明細書に開示されるターボマシンは、非常に高い回転速度によって生成される応力条件下で正確な形状を維持することができ、高温下での材料の熱成長に対応することができ、ディスク型境界タービンの既知の欠陥である材料の反りを克服し得ることによって、先行するターボマシンを凌駕し得る。このようなターボマシンは、従来のタービン（半径方向流入又は軸方向）のような膨張特性と、テスラディスクタービンのような接着特性を持つ表面との組み合わせに基づいて作動し得る。
［００３０］ その他の利点としては、従来のタービン設計に固有の鍛造品、鋳造品、及び多軸機械加工作業の必要性を排除すること、低い製造コストを提供しながらも高い耐久性、信頼性を維持し、効率を向上させること、新しい材料及び製造方法－高温プラスチック及び複合材料、炭素繊維、３Ｄ印刷部品－を利用すること、及び管の長さを調整する能力により全体的な効率を向上させ、それによって作動流体の滞留時間を増加させ、対応するエネルギー抽出／回収を増加させることが挙げられる。
［００３１］ 同様に、本明細書で開示される態様は、コンプレッサの出口損失とタービンの入口損失を排除し、コンプレッサの入口損失を低減し、「流体軸受」と外部シャフト軸受、及び長さに沿って異なる位置で管アセンブリの外側を支持する縦方向キャリア軸受を利用することによって、非常に高い回転速度を可能にし得る。例えば、管は、片持ち梁状にされ、管の端部を受けるように構成された加圧スロットを介して流体軸受効果が達成され得る全体的に加圧された環境に保持しされ得る。
［００３２］ いくつかの実施形態では、タービンの管型構造内の管は、「高温」端部に流体軸受を設け、長さ方向に沿って長手方向軸受を設け得る。外付けの「クール」端部軸受により、非常に高い温度と回転速度に耐え得る比較的丈夫で耐久性のある回転アセンブリを実現し得る。このようなアセンブリは、気相流体から完全な液体まで、またその中間の任意の組み合わせまで、汚れた又は汚染された作動流体に適応し得る。
［００３３］ より高い効率は、より緩やかな運転条件下で、より高い実現可能な出力を可能にし得る。いくつかの態様では、構成部品のより低い回転数／分（ＲＰＭ）が可能であるかもしれない。セラミックボール軸受は、高出力運転には不適切な回転部品を支持するために使用される。
［００３４］一態様では、本開示は、入口端部を介して流体を受け、出口端部を介して流体を排出するように構成された境界層ターボマシンであって、以下を備える境界層ターボマシンについて記載する。すなわち、境界層ターボマシンは、入口端部から出口端部に向かって流体を運ぶために、入口端部と出口端部との間で境界層ターボマシンの長手方向軸の周りに同心円状に配置された複数のダクトで、手方向軸の周りに回転するように構成された対応するダクト壁によって少なくとも部分的に画定された複数のダクトと、入口端部に配置され、複数のダクトのダクト壁の回転に従って出口端部に向かって長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に複数のダクトに流体を受けるように構成された１つ以上の流れ入口で、流体が、複数のダクト内を流れる流体に又は流体から機械的エネルギーを伝達するためにダクト壁と摩擦係合する、１つ以上の流れ入口とを備える。
［００３５］コストと排出量を削減するために、発電のエネルギー効率を高めることがますます重視されている。例えば、発電システムの効率向上と、低品位熱を利用可能な電力に変換するなどして工業プロセスからの熱損失を低減するという２つのアプローチがある。ＯＲＣシステムは、低品位熱を利用する方法の一つとして提案されている。しかし、多くの場合、このようなシステムは非効率で高価である。例えば、ＯＲＣシステムでは、作動流体をサイクル中に凝縮させる必要があるため、エネルギーが失われ得る。
［００３６］ 直列に配置された複数の境界層タービンを使用し、その間に可能なタービンステージを設けることで、別個の凝縮器の必要性をなくすことができることが分かった。例えば、これらの境界層タービンのうちの１つ以上は、作動流体、例えばプロパンを液化するために低品位の熱を抽出し得る。
［００３７］ 更に、このような構成を使用することにより、作動流体を十分に低温にし、発電機などの下流の構成要素の冷却材として機能させ、（予熱により）環境への熱損失を更に低減できることが見出された。最後に、作動流体によって達成される低温は、非常に低品位の熱源からの熱の伝達を可能にし得る。例えば、いくつかの実施形態では、海水からの熱をエネルギーのために採取し得る。
［００３８］ いくつかの態様では、発電するために少なくとも部分的に相変化するように構成された作動流体を使用して発電する方法であって、以下を含む方法が開示される。即ち、凝縮物に熱を与え、凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こし、作動流体を生成することと、半径方向に分離されたダクト壁の間で長手方向に延びるダクト内に少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受けることと、ダクト壁とダクト内の作動流体との摩擦係合を介して半径方向に分離されたダクト壁のダクト壁を回転可能に駆動し、作動流体とエネルギーを交換し、作動流体の凝縮を引き起こし、凝縮物を生成することとを含む。
［００３９］ いくつかの更なる態様では、発電システムが開示され、以下が含まれる。すなわち、凝縮物に熱を伝達して、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と、加熱器から流体を受けるように構成され、流体が第１のダクト壁を第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能な回転をするように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと、第１の境界層タービンに連結され、第１の境界層タービンから流体を受け、流体からエネルギーを抽出する軸流タービンと、軸流タービンに連結され、軸流タービンから第２の境界層タービンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受ける第２の境界層タービンで、第２の複数のダクトは、流体が第２のダクト壁を第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、第２のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達して流体を凝縮させ、加熱器のための凝縮物を生成するように構成された第２の境界層タービンとを含む。
［００４０］ 更なる態様では、以下を含む発電システムが開示されている。すなわち、凝縮物に熱を伝達して、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と、加熱器から流体を受け取るように構成され、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに第１のダクト壁を少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込む流体によって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定された第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと、第１の境界層タービンから間隔をあけて配置かつ結合され、第１の境界層タービンから、第２の境界層タービンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け、第２の複数のダクトは、流体が第２のダクト壁を第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、第２の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、第２のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達して流体を凝縮させ、加熱器のための凝縮物を生成するように構成される第２の境界層タービンを含む。
［００４１］ 発電における蒸気圧縮及び液体ポンピングは、発電システムにおける寄生負荷の重要な原因であり得る。このような寄生負荷は、発電効率を低下させ、温室効果ガスの排出削減に重要な発電システムの実行可能性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、低品位熱源からエネルギーを取り出すように構成された発電システムは、十分な純発電量を達成するために高い効率を必要とする場合がある。いくつかのケースでは、低品位熱源には海水が含まれる。
［００４２］ 多相圧縮及び／又はポンピング用に構成された境界層ターボマシンを使用することによって、圧縮及び／又はポンピングが効率的に達成され得ることが見出された。いくつかのケースでは、このような境界層ターボマシンは、エネルギー抽出のためにも構成されることがある。例えば、エネルギー抽出と圧縮（及び／又はポンプ）とが、境界層ターボマシンの同じダクト内で順番に行われる場合がある。
［００４３］いくつかのケースでは、境界層ターボマシンは、長手方向軸に沿って延伸し、周方向に取り囲み、長手方向軸の周りに同心円状に配置された、長手方向軸を中心とする共通の回転のための複数の結合体から構成される。円筒体は、その間に複数の（延伸する）環状体を画定してもよく、環状体の各々は、その中に配置された対応する突出部を有する。突出部は、長手方向軸の周りに、長手方向軸に沿ってスパイラル状に延びて、作動流体をそれぞれの環状体の中に引き込むことができる。
［００４４］ いくつかの態様において、本開示は、発電するために相変化するように構成された作動流体を使用して発電する方法であって、以下を含む方法を説明する。すなわち、凝縮物に熱を与えて凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こし、作動流体を生成することと、タービンロータのブレード上で作動流体を受け取り、タービンロータを駆動可能に回転させて、シャフト動力を生成することと、タービンロータから少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクトに受け、第１のダクト壁及び第２のダクト壁は、長手方向軸の周りに周方向に延び、長手方向軸に沿って延伸し、第１のダクト壁は、第２のダクト壁から半径方向に離間していることと、第１のダクト壁と第２のダクト壁とをダクト内の作動流体と摩擦係合させて回転駆動し、作動流体とエネルギーを交換して作動流体の凝縮を引き起こし、凝縮物を生成すること、とを含む。
［００４５］ 別の態様において、本開示は、発電するためのシステムについて記載しており、以下のものを含む。すなわち、凝縮物に熱を伝達し、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と、加熱器から流体を受けるように構成され、流体が第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に第１の複数のダクト壁を摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する複数の第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定される第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１の複数のダクト壁は、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと、前記第１の境界層タービンに連結され、前記第１の境界層タービンから流体を受け取り、前記流体からエネルギーを抽出する軸流タービンと、軸流タービンに連結され、軸流タービンから第２の境界層ターボマシンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け入れる第２の境界層ターボマシンで、第２の複数のダクトは、流体と摩擦係合し第２の境界層ターボマシンの長手方向軸を中心として駆動可能に回転するように構成され対応する複数の第２のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定され、第２の複数のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体に又は流体からエネルギーを伝達し、流体を凝縮させ、ヒーター用の凝縮物を生成するように構成される第２の境界層ターボマシンを含む。
［００４６］ 更に別の態様において、本開示は、発電するためのシステムであって、以下を含むシステムを説明する。すなわち、凝縮物に熱を伝達して、少なくとも部分的に気化された流体を生成するための加熱器と；加熱器から流体を受け取るように構成され、流体が第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に第１のダクト壁を摩擦で引き込むことによって、第１の境界層タービンの長手方向軸の周りに駆動可能に回転するように構成された対応する第１のダクト壁によって、少なくとも部分的に画定される第１の複数のダクトを含む第１の境界層タービンで、第１のダクト壁が、第１の複数のダクト内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成された第１の境界層タービンと；第１の境界層タービンから間隔をあけ第１の境界層タービンに結合され、第１の境界層タービンから第２の境界層ターボマシンを少なくとも部分的に画定する第２の複数のダクトに流体を受け入れる第２の境界層ターボマシンで、第２の複数のダクトは、流体と摩擦係合し、第２の境界層ターボマシンの長手方向軸を中心に駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって少なくとも部分的に画定され、第２のダクト壁は、第２の複数のダクト内を流れる流体に又は流体からエネルギーを伝達し流体を凝縮させ、ヒーター用の凝縮物を生成するように構成された第２の境界層タービンを含む。
［００４７］ 更なる態様において、本開示は、以下を含むターボマシンについて記載する。すなわち、長手方向軸に沿って延伸し、長手方向軸の周りに回転可能な第１の本体と、長手方向軸に沿って第１の本体と少なくとも部分的に同心円状に延伸した、第１の本体と共通の回転のために結合された第２の本体であって、第１の本体と第２の本体との間に長手方向に延びるダクトを画定するように第１の本体内に少なくとも部分的に配置された第２の本体と；第１の本体と第２の本体の共通の回転に従って、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受け入れるように構成された流れ入口であって、流体は、第１の本体と第２の本体と摩擦係合して、機械的エネルギーを流体に、又は流体から伝達するように構成された流れ入口と；第１の本体上の１つ以上の突出部が、少なくとも部分的にダクトに沿って長手方向に延び、ダクト内で第２の本体に向かって半径方向に延びて、ダクト内に流路を画定し、チャネルは、流れ入口から流体を受け取ってダクト内に引き込むように構成された一以上の突起部と、を含む。
［００４８］ いくつかのケースでは、低品位熱源からは限られた量のエネルギーしか取り出せない。低品位熱源には海水が含まれる。低品位熱源から効率的なエネルギー抽出を実現すれば、クリーンで安価な豊富なエネルギーが得られ得る。例えば、化石燃料の燃焼を避け得る。
［００４９］ 低品位の熱源からエネルギーを抽出する際の課題は、そのような熱源からエネルギーを受け取るのに適した流体は、特に膨張機や他のターボマシンを使用することによってエネルギーを供給する（又はそこからエネルギーを抽出させる）のに適していない可能性が高いということである。
［００５０］ この課題は、低品位熱源からエネルギーを受け取るための第１の流体と、エネルギーを供給する（すなわち、エネルギーを抽出する）ための第２の流体という、２つの流体を使用することによって克服し得る。第一の流体と第二の流体は、互いに流体的に隔離されていてもよいが、第一の流体と第二の流体との間の熱交換を可能にする１つ以上の熱交換器を介してエネルギー連通状態にし得る。
［００５１］ アンモニアは、低品位の熱源からエネルギーを受け取る（又はそれによって加熱される）のに特に有利であることが見出された。アンモニアは沸点が比較的低いため、極低温サイクルの一部として運転することができ、常温又は室温の流体などの低品位の熱源からエネルギーを取り出すのに適している。更に、アンモニアは、温度及び／又は圧力の比較的小さな変化に対して、比較的大きなエンタルピーを得るのに適している。その結果、単位質量当たりのエンタルピー容量が大きいため、エネルギーを受け取るために使用するアンモニアの質量（したがって、体積）を小さくし得る。その結果、ポンピング要件及び関連コストが減少し得る。いくつかのケースでは、二酸化炭素やエタンなどの他の流体と比較して、アンモニアを使用することにより、低品位熱源からの熱の再利用又は回収に関して、大幅な効率向上が実現され得る。
［００５２］しかしながら、低品位熱源からエネルギーを吸収した後にアンモニアからエネルギーを抽出することは、困難である場合がある。アンモニアは、復熱流体としての利点を与えた上述のアンモニアの特性のために、膨張機の作動流体としては不適当であるか、又は実行不可能である。アンモニアから効率的かつ効果的にエネルギーを抽出するためには、過度に大型の装置が必要となる場合がある。
［００５３］ 膨張機の作動流体として使用する前の中間段階で、アンモニア中のエネルギーを吸収するために、そこからエネルギーを抽出するのに適した別の流体を使用し得る。
［００５４］ 作動流体としての二酸化炭素は、ターボマシンを介した効率的かつ効果的なエネルギーの抽出を可能にする。例えば、二酸化炭素は、メタンのような流体とは異なり、１：１の温室効果を有し、可燃性又は引火性ではなく、低温相変化により低温及び圧力で効果的な運転を提供する。極低温又は極低温に近いサイクルでは、作動流体として少なくとも部分的に二酸化炭素を使用し得る。
［００５５］ このように、２つの別個の分離された流体を使用することにより、低品位熱の効果的な吸収と、境界層タービンのような膨張機の効率的な運転が可能になることが見出された。アンモニアと二酸化炭素の組は特に有利であることが判明した。アンモニアは、低品位熱源から熱を吸収するために使用することができ、その後、熱交換器を通過させて熱を二酸化炭素に移動させ、その後、膨張機に供給し得る。
［００５６］ １つの態様において、互いに流体的に分離された第１の流体及び第２の流体を使用した発電システムが開示され、このシステムは以下を含む：すなわち、第１の流体を少なくとも部分的に気化させるために第１の流体に熱を伝えるように構成されたヒーターと、ヒーターに流体的に接続されてヒーターから第１の流体を受け取る第１の熱交換器であって、第１の熱交換器が第１の流体から第２の流体に熱を伝達して第２の流体を少なくとも部分的に気化させするように構成された第１の熱交換器と、第１の熱交換器に流体的に接続されて第１の熱交換器から第２の流体を受け取り、第２の流体を使用して膨張機のロータを回転駆動するように構成された膨張機と、膨張機に流体接続されて膨張機から第２の流体を受け取り、第１の熱交換器に流体接続されて第１の熱交換器から第１の流体を受け取る第２の熱交換器であって、第２の流体から第１の流体に熱を伝達することによって第２の流体の凝縮物を生成するように構成された第２の熱交換器とを含む。
［００５７］ 更に他の更なる態様において、互いに流体的に分離された第１の流体及び第２の流体を使用して発電する方法が開示され、この方法は以下を含む。すなわち、（ａ）第１の流体を加熱して、第１の流体を少なくとも部分的に気化させることと、（ｂ）第１の熱交換器において、第１の流体から第２の流体へ熱を伝達して、第２の流体を少なくとも部分的に気化させることと、（ｃ）第２の流体を使用してロータを回転駆動し、発電することと、及び（ｄ）第２の熱交換器において、第２の流体から第１の流体へ熱を伝達して、第２の流体の凝縮物を生成する工程とを含む。
［００５８］ 境界層ターボマシンの利点には、多相流体で動作する能力が含まれる場合がある。例えば、作動流体は沸点の近くで作動し、したがって境界層ターボマシン内で相変化し得る。いくつかのケースでは、作動流体の液相を境界層ターボマシンから抽出することが望まれ、これには、境界層ターボマシンのダクト内で形成される液相を抽出することが含まれる。このような抽出は、境界層ターボマシンの構造的負荷及び疲労を低減し、効率を向上させ得る。例えば、より低い割合の液相でワークが抽出され、多相作業流体を液化するために費やされるエネルギーが低減され得る。
［００５９］ 境界層ターボマシンのダクトの（共通の）回転に関連する遠心効果を利用することによって、境界層ターボマシンから液相を抽出してもよいことが見出された。遠心分離は、液相（又は他の重い相）をブリードするためのスロットをダクト壁に供給することによって達成し得る。
［００６０］ いくつかのケースでは、作動流体の気相成分からの液体の分離は、遠心分離器／液体ノックアウトと同様に、境界層ターボマシンの長さの下の点又は複数の点で液体が出るようにすることによって達成し得る。
［００６１］ 液相と気相が境界層ターボマシン内を一緒に移動するので、液相と気相を分離することにより、作動流体中に存在する相とそれらの特性に基づいて、羽根、突起、リブ、ブレード、翼、及び他の特徴を構成又は適合させ得る。例えば、リブや突出及びダクト壁の一部は、液相からより多くのワークを引き出すためにテクスチャ加工が施され、ダクトの別の部分は、作動流体の気相からより多くのワークを取り除くために接着性を高めるために滑らかなままであってもよい。
［００６２］ 一態様では、ターボマシンが開示され、以下が含まれる：すなわち、長手方向軸に沿って延伸し、長手方向軸の周りに回転可能な第１の本体と、長手方向軸に沿って第１の本体と少なくとも部分的に同心円状に延伸し、共通の回転のために第１の本体と結合された第２の本体であって、第１の本体と第２の本体との間に長手方向に延びるダクトを画定するように第１の本体内に少なくとも部分的に配置された第２の本体と、第１の本体と第２の本体との共通の回転に従って、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受け入れるように構成された流れ入口であって、流体が第１の本体及び第２の本体と摩擦係合して、機械的エネルギーを流体に又は流体から伝達するように構成された流れ入口と、ダクト内に開口し、第１の本体から半径方向に間隔をあけて配置され、流体の第１の部分を受け入れ、流体の第１の部分をダクトから引き出す一方で、流体の第２の部分をダクト内に残すことを可能にするスロットであって、流体の第１の部分は、流体の第２の部分に対してスロットに向かって遠心的に引き寄せられることによって流体の第２の部分から分離されるスロットと、流体の第２の部分をダクトから受け入れターボマシンから流体の第２の部分を排出するように構成された出口ポートとを含む。
［００６３］ 更に更なる態様では、ターボマシンを動作させる方法であって、以下を含む：すなわち、ターボマシンの入口端部を介して、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクト内で、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受けることと、流体を第１のダクト壁及び第２のダクト壁と摩擦係合させることと、流体にしたがって、第１のダクト壁及び第２のダクト壁を共通して回転させることと、ターボマシンの出口端部を介して流体を排出することと、を含む。
［００６４］ 様々な実施形態は、上述した特徴の組み合わせを含んでもよい。
［００６５］ 本出願の主題についてのこれら及び他の態様の更なる詳細は、以下に含まれる詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図4】境界層ターボマシンのヘッダーブロックに結合された軸方向タービンステージ及び複数の管の概略分解斜視図である。
【図6】図６Ａは、図２における領域６Ａの拡大図であり、概略的な流れ方向を示す。図６Ｂは、概略的な流れ方向を示す、図２中の領域６Ｂの拡大図である。図６Ｃは、概略的な流れ方向を示す、図２中の領域６Ｃの拡大図である。
【図7】例示的な境界層ターボマシンの複数のダクトの例示的なダクト内の速度等高線及び流線を示す斜視図である。
【図8】例示的なダクト内の圧力等高線の斜視図である。
【図10】図１０Ａは、例示的なダクトの１つにおける速度等高線及び流線の拡大斜視図である。図１０Ｂは、例示的なダクト内の圧力等高線の拡大斜視図である。図１０Ｃは、例示的なダクト内の温度等高線の拡大斜視図である。
【図16】図１６Ａは、実施形態に従った、図１４のシステムの斜視図である。図１６Ｂは、図１６Ａのシステムの断面図である。図１６Ｃは、図１６Ａのシステムの部分拡大断面図である。図１６Ｄは、実施形態に従った、管のダクト壁、ヘッダーブロック及びヘッダプレートを含むヘッダ部を示すために外側ハウジングが取り外された、境界層タービンの内部斜視図である。図１６Ｅは、実施形態に従った、図１６Ｄの境界層タービンの内部側面の立面図である。図１６Ｆは、実施形態に従った、ヘッダーブロックと管との間のクリアランスを示す、図１６Ｅの境界層タービンの内部側面の立面図の拡大図である。図１６Ｇは、実施形態に従った、図１６Ｄの境界層タービンのヘッダーブロックと隣接する管の拡大斜視図である。図１６Ｈは、実施形態に従った、ヘッダーブロック及び図１６Ｄの境界層タービンの隣接管の内部斜視図であり、ヘッダーブロックに形成された内部チャネルを示すためにヘッダーブロックの外側ハウジングが省略されている。図１６Ｉは、実施形態に従った、図１６Ｈの境界層タービンのヘッダーブロック及び隣接管の内部側立面図である。
【図17】図１７Ａは、実施形態に従った、長手方向軸に平行なダクトの概略断面図である。図１７Ｂは、実施形態に従った、第１の長手方向位置における図１７Ａのダクトの概略半径方向断面である。図１７Ｃは、実施形態に従った、第２の長手方向位置における図１７Ａのダクトの概略半径方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
［００１２８］ 以下の開示は、ターボマシン、特に境界層ターボマシンに関する。いくつかの実施形態において、本明細書に開示されるアセンブリ及び方法は、既存のタービンと比較して、より効率的なシャフト動力の生成を促進し得る。
［００１２９］ 境界層ターボマシンは、境界層効果に基づいて動作し、移動表面に最も近い流体の層は、（滑り止め条件により）表面と共に移動するように強制される。）表面に対する流体の流れが確立されると、表面に力が加わる。境界層ターボマシンは、他のタイプのターボマシンよりも効率的であり得る。様々な実施形態において、境界層ターボマシンは２０％以上又は４０％以上効率が高い可能性がある。更に、境界層ターボマシンは、より少ない部品又はより少ない「可動部品」から構成される可能性があり、したがって、建設、修理、及び保守がより容易かつ安価であり得る。
［００１３０］ いくつかのケースでは、例示的な境界層タービンは、ランキンサイクル、例えば有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）、又は（高密度の）超臨界流体が使用される熱力学サイクルに基づくシステムから所望の効率を達成するために特に有用である。様々な実施形態において、タービンの作動流体は、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、又はイソブタン、ペンタン、プロパン、超臨界（過熱）ＣＯ２などの炭化水素であってもよい。
［００１３１］例示的な境界層ターボマシンでは、ドラム又は管は、流体がその外面を通過して長軸の周りに方位角方向に流れることによって、その長軸の周りに回転するようにし得る。境界層はドラム表面上に形成され、運動量シンクとして作用し、回転エネルギーの形で流体からドラムへのエネルギーの伝達を引き起こす。ドラム上のこのような流体の流れは、一般に半径方向に広がりを持つことがあり、流れの半径方向内側の端部がドラムにエネルギーを伝達する。流体の流れの他の（より半径方向に離れた）部分からエネルギーを取り出すことが望ましい。
［００１３２］ 元のドラムを、流体の流れに接触する内面を有するより大きなドラム内に、軸方向に整列させて固定することにより、流体の流れから追加のエネルギーを取り出すことができる。この場合、運動量も流体の流れの半径方向外側端部で取り出すことができる。このような態様において、複数のドラムは、ドラムを駆動するためにそこに（方位角的に）流体を注入するための複数の流体流路（ダクト又は少なくとも部分的に閉鎖された管路）を画定するために、互いに内側に配置され、かつ互いに整列していてもよい。ドラムは、例えば、エンドプレート２３２又は回転ヘッドを使用して交差結合されることによって、共通の回転において強制され得る。様々な実施形態において、流路からの出口流体の流れは、依然として、方位角成分又は有意な方位角成分を含んでいてもよい。様々な実施形態において、ドラムのエンドプレート２３２とは反対側の端部は、回転を可能にし、ドラムと他の構成要素との接触を防止するために、境界層ターボマシンに組み込まれた流体軸受によって支持されてもよく、例えば、流体軸受は、加圧された作動流体を保持する開放端部キャビティであってもよく、したがって、追加の構成要素を必要としなくてもよい。
［００１３３］ 様々な実施形態において、流路の数、長さ、及び／又は平均半径を増加させることは、流体流からのエネルギー抽出を増加させ得ることが見出される。いくつかの実施形態では、流路の数、長さ、及び／又は平均半径を任意に増加させても、流体流からのエネルギー抽出が相応に増加しない場合があることが見出される。いくつかの実施形態では、エネルギー抽出は、ある点を超えると減少し得る。例えば、いくつかの流路を介して抽出されたエネルギーが、ポンプとして他の流路を駆動するために使用される場合があることが見出される。
［００１３４］ 境界層ターボマシンに適合する追加のタービンステージを配置することによって、流体流れから抽出されるエネルギーを増加させてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、方位角方向に向いた流体流を受けるように配向された複数のブレードが、境界層タービンの接着面の下流に配置される。複数のブレードは、共通の回転のために、接着面と一体的に（例えば、それと一体構造で）形成されてもよく、それによって、可動部品の数を減らし、境界層タービンの利点を保持する。いくつかの実施形態では、複数のブレードは、接着面の下流端部分に構造を付加的に「成長」させることによって製造され、その下流端部で、流路の内部に配置される。いくつかの実施形態では、追加のタービンステージを更に下流側に配置し得る。例えば、軸流衝動タービンステージ又は反動タービンステージを複数のブレードの下流に配置し得る。軸流タービンステージは、複数のブレードから流れ出る流体の流れに適合し得る。軸方向タービンのブレードは、複数のブレードから軸方向に向いた流れを受けるように方向付けられてもよい。
［００１３５］ いくつかの実施形態では、付加的な効率は、より低い回転数、温度、及び／又は圧力など、より機械的に負担の少ない（又はより穏やかな）条件下で、境界層タービンから所望の出力を達成することを容易にし得る。したがって、例示的な境界層タービンは、建設、修理、及び保守が容易かつ安価になり得る。いくつかのケースでは、低い回転数は、境界層タービンのシャフト（動力シャフト）を支持するための接触軸受、例えばセラミックボールベアリングの使用に適合し得る。いくつかの実施形態では、境界層タービンは、例えば高回転数用途向けに構成された（分離又は閉鎖された）加圧油圧軸受がなくても作動可能である場合がある。一部の実施形態では、材料の反りを低減し得る。
［００１３６］ 様々な実施形態において、例示的な境界層ターボマシンは、２０，０００ＲＰＭと１００，０００ＲＰＭとの間、又は２，０００ＲＰＭと２０，０００ＲＰＭとの間で動作し得る。いくつかの実施形態では、境界層タービンは、より低い回転数に起因するなどして、より低い全体温度、例えば７５℃と１０００℃の間で動作し得る。いくつかの実施形態では、加圧された（作動）流体は、５０℃から１０００℃の間の温度及び５０ｐｓｉから１０，０００ｐｓｉの間の圧力で境界層ターボマシンに入得る。いくつかの実施形態では、（作動）流体は、１℃～５００℃の間の温度及び０ｐｓｉ～２０００ｐｓｉの間の圧力で境界層ターボマシンを出得る。
［００１３７］ いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンは、比較的低温の流体からエネルギーを抽出するために使用し得る。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンは、５０℃未満の作動流体を受け取り、５０℃未満の作動流体を発行し得る。例えば、作動流体は、境界層ターボマシンに導入される際には室温付近であり、そこから排出される際には（更に）サブクールされる。
［００１３８］ いくつかの実施形態では、作動流体は、例えば液圧ポンプ及びモータのいくつかの実施形態では、単相（液体又は気体）のままであってもよい。様々な実施形態において、作動流体は、境界層ターボマシンの入口から出口まで少なくとも部分的な（いくつかのケースでは全体的な）相変化を受けるように構成されてもよく、これにより、より大きなエネルギー伝達がもたらされ得る。いくつかの実施形態では、入口における作動流体は液体又は（相対的に密度の高い）超臨界流体であり、出口では気体又は（相対的に密度の低い）超臨界流体である場合がある。
［００１３９］例示的な境界層タービンは、本明細書において、例えば上記で言及したように議論される。境界層ターボマシンは、タービンだけでなく、ポンプ、コンプレッサ、及び動力が流体とシャフトとの間（へ又はシャフトから）で伝達される他のターボマシンを含み得ることが理解される。例えば、いくつかの実施形態では、ポンプは、（タービンと比較して）反対方向の回転、及び／又はブレード及び軸流ステージの構成の変更を伴う場合がある。
［００１４０］ 次に、図を参照して様々な実施形態の態様を説明する。
［００１４１］ 図１Ａ～１Ｃは、例示的な境界層ターボマシン１００の様々な図である。境界層ターボマシン１００は、流体１１２とシャフト１１０との間で動力を伝達するためにシャフト１１０と結合し得る。
［００１４２］ 図１Ａは、境界層ターボマシン１００の背面図である。図１Ｂは、正面図である。図１Ｃは斜視図である。
［００１４３］ 例えば、境界層ターボマシン１００は、流体１１２が作動流体であり、長手方向軸１０２の周りにシャフト１１０を回転駆動させるためのエネルギーがそこから取り出される境界層タービンであってもよい。境界層タービンは、作動流体からシャフト１１０に動力を伝達してシャフト動力を生成する。いくつかの実施形態では、シャフトは直径約１インチを有し得る。いくつかの実施形態では、シャフトの直径は、構造的要件及びシャフト１１０によって伝達される動力によって、０．２５インチ～８インチ～１０インチの範囲であってもよい。
［００１４４］流体は、一般に、境界層ターボマシン１００を通って、長手方向軸１０２に沿って長手方向に（長手方向１０６に）及び方位角に、長手方向軸１０２の周りに側方に配向された方位角方向１０４に流れ得る。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００は、境界層コンプレッサ又はポンプであり得ると考えられる。
［００１４５］ 流体は、境界層ターボマシン１００の上流端部に位置する入口ポート１１４を介して境界層ターボマシン１００に受けられ、続いて境界層ターボマシン１００の下流端部に位置する出口ポート１１６を介して排出される。
［００１４６］ 境界層タービンの様々な実施形態では、入口ポート１１４の流体は、出口ポート１１６の流体よりも高圧及び／又は高温である場合がある。いくつかの実施形態では、流体は、境界層ターボマシン１００を横切って相転移を起こし、流体と境界層ターボマシン１００との間のエネルギーの伝達を強化し得る。いくつかの実施形態では、入口ポート１１４における流体は、加圧され、より高密度の超臨界状態又は液体状態にあり、一方、出口ポート１１６における流体は、比較的低圧又は減圧された低密度の気体相にある。いくつかの実施形態では、入口ポート１１４又は出口ポート１１６における流体は、例えば、流体がその中に分散された液相を有する気体であり得る凝縮条件による多相であってもよい。
［００１４７］ 様々な実施形態において、特定の動作理論に拘束されることなく、境界層ターボマシンは、少なくとも部分的に又は比較的大きな割合で、境界層効果又は接着原理を介してシャフト１１０と作動流体との間でエネルギーを伝達するか又は動力を伝達し得ることが理解される。
［００１４８］ 例えば、例示的な境界層ターボマシン１００は、ブレードレス境界層タービン部（複数の場合もある）、及び、ブレード（軸流）ロータ２２８等のブレードロータタービン部（複数の場合もある）で軸流タービンステージのブレードロータであることもあるもの、を含む、ハイブリッド境界層タービンであってもよい。いくつかの実施形態では、ハイブリッド境界層ターボマシンは、様々なステージのための共通のハウジングを有することを含む、単一のユニットとして動作可能に統合された複数のタービンステージのアセンブリを含んでもよい。
［００１４９］ 境界層ターボマシン１００の長手方向軸１０２は、一般に、境界層ターボマシン１００のロータ及びステータ部の順次配置、及びそこを通る流体の全体的な流れを参照し得る。例えば、長手方向軸１０２は、境界層ターボマシン１００のロータの回転軸であってもよく、及び／又は境界層ターボマシン１００のステータの（連続的又は別個の）対称軸を画定してもよい。いくつかの実施形態では、シャフトの回転軸は、長手方向軸１０２と一致することもある。流体の流れは、境界層ターボマシン１００の特定部において向きを変えてもよいし、乱流であってもよいと考えられる。
［００１５０］ 方位角方向１０４は、長手方向軸１０２の周りに一般的に側方に配向していてもよい。例えば、ロータ上の点は、回転時に、長手方向軸１０２の周りの経路を方位角方向に辿り得る。半径方向１０８は、長手方向軸１０２と方位角方向１０４の両方に対して両側方に向いていてもよい。
［００１５１］ 様々な実施形態において、境界層ターボマシン１００は、１０インチから１２インチの間で半径方向に延びていてもよい。様々な実施形態において、外径は、２インチ又はそれ以下から４８インチ又はそれ以上の間で変化し得る。
［００１５２］ 図２は、図１Ｂの参照線２－２に沿った境界層ターボマシン１００の断面２００（断面図）である。
［００１５３］ 概して順次の順序で、境界層ターボマシン１００は、（静止）ヘッダ部２０６と、１つ以上の流れ入口２１２と、複数のダクト２１４と、複数のブレードアセンブリと、軸流タービンステージであってもよい軸流ステージ２２４と、支持構造２３０及びハウジング部分を含む１つ以上の構造体とを備え得る。
［００１５４］ ヘッダ部２０６は、ヘッダプレート２０８及びヘッダーブロック２１０を含むことができ、これらは、例えば締結具を介して、又は一体構造で、一緒に統合され得る。様々な実施形態において、ヘッダ部２０６は、例えばシャフト１１０の回転中、動作中に静止したままであってもよい。
［００１５５］ 境界層ターボマシン１００は、境界層ターボマシン１００の入口端部２０２を介して流体を受け取り、境界層ターボマシン１００の出口端部２０４を介して出口ポート１１６から流体を排出する。境界層ターボマシン１００の入口ポート１１４は、少なくとも部分的にヘッダプレート２０８に形成されてもよく、ヘッダ部２０６を介して、入口端部２０２に向かって流体を流すように構成されてもよい。
［００１５６］ １つ以上の流れ入口２１２は、入口端部２０２に配置される。いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２は、実質的に、複数のダクト２１４の上流端部２１６に配置されるか又は延在し得る。１つ以上の流れ入口２１２は、流体を、出口端部２０４に向かって、長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に方位角方向に複数のダクト２１４内に引き込むように構成される。方位流配向を有する流れは、流れと（回転する）ダクト壁との間でエネルギーを伝達するために、ダクト壁２２０上に引き込む（相互に働く）可能性がある。例えば、境界層タービンでは、このような方位流配向がダクト壁２２０に回転を与え、シャフト１１０を回転駆動する。境界層ポンプ又はコンプレッサでは、（シャフト１１０を介した）ダクト壁２２０の回転により、流体が出口端部２０４に向かって対応するダクトに引き込まれる。いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２は、ダクト壁への噴流衝突を引き起こし、及び／又はダクトの加圧に基づいて複数のダクト２１４の隣接するダクト間に流体軸受シール又は密封を形成するために、部分的に放射状の角度で流体を方向付け得る。
［００１５７］ いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２は、ダクト壁２２０上の力のバランスをとるために対蹠的に配置された少なくとも２つの流れ入口を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２のすべての流れ入口は、境界層ターボマシン１００のバランスを向上させるために対蹠的に配置された対向する流れ入口を含む。
［００１５８］ 複数のダクト２１４は、ヘッダーブロック２１０の下流に位置決めされ、それに又はそのすぐ近くに接続されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４は、半径方向に離れた２本から５本のダクトを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４は、３つのダクトである。より大きな直径のターボマシンの場合、複数のダクト２１４は、５つ以上のダクトを含んでいてもよい。例えば、外径が約４８インチ以上の境界層ターボマシン１００は、最大２４個のダクトを有することもある。
［００１５９］ 様々な実施形態において、ヘッダ部２０６は、多圧ヘッダ部又は多流ヘッダ部であってもよい。いくつかの実施形態では、ヘッダ部２０６は、各ダクトに別々に流体を供給してもよく、例えば、複数のダクト２１４の各ダクトに入る流体の熱力学的条件は、異なっていてもよいし、調整可能であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、半径方向外側のダクトに入る流体は、（相対的に）半径方向内側のダクトに入る流体よりも高い圧力又は低い圧力を有してよい。
［００１６０］ 複数のダクト２１４は、入口端部２０２と出口端部２０４との間の長手方向軸１０２の周りに同心円状に配置又は入れ子状に配置され、それによって、入口端部２０２から出口端部２０４に向かって、その間に流体を運ぶ。複数のダクト２１４は、上流端部２１６から下流端部２１８（それぞれ、１つ以上の上流端部及び下流端部を指す場合がある）まで延伸し、長手方向軸１０２の周りを回転するように構成された閉管路であってもよい。チャネル及び導管を含む追加の構成要素が、入口端部２０２と上流端部２１６との間、及び出口端部２０４と下流端部との間に配置されてもよい。
［００１６１］ 複数のダクト２１４は、少なくとも部分的に、対応するダクト壁２２０、すなわち半径方向に離間した複数のダクト壁２２０によって画定される。例えば、各ダクトは、長手方向に、すなわち長手方向軸１０２に沿って延び、その間に半径方向の隙間（半径方向に延びる隙間）のダクトを画定する２つのダクト壁によって画定されてもよい。
［００１６２］ 複数のダクト２１４のダクト壁２２０は、長手方向軸１０２を中心に回転するように構成された複数のロータを画定する。したがって、複数のダクト２１４は、長手方向軸１０２を中心に回転するということができる。複数のロータは、シャフト１１０と複数のダクト２１４内を流れる流体との間でエネルギーを伝達するために、シャフト１１０に駆動可能に結合されている。
［００１６３］ 複数のブレード２２２は、シャフト１１０に駆動可能に結合されてもよい。複数のブレード２２２は、シャフト１１０に駆動可能に結合された複数のブレードアセンブリのブレードアセンブリを画定してもよく、それぞれ個別に又は中央ハブと一体化されたブレードアセンブリとしてシャフト１１０に結合されてもよい。
［００１６４］ いくつかの実施形態では、各ブレードアセンブリは、１つ以上の流れ入口２１２の下流の対応するダクト内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４が複数のブレードアセンブリをその中に画定するように、各ダクトはその中にブレードアセンブリを有していてもよいし得る。
［００１６５］ 複数のブレード２２２は、対応するダクトの下流端部において長手方向軸１０２の周りに回転可能に配置されてもよい。様々な実施形態において、複数のブレード２２２は、下流端部から上流端部２１６に向かって又は上流端部２１６から離れるように長手方向に延びてよい。いくつかの実施形態では、複数のブレード２２２は、単一の列、例えば、複数のダクト２１４の各ダクト内の単一の列のブレードに配置されてもよい。ブレードの列は、実質的に共通の長手方向位置に沿って配置していてよい。一列のブレードは、周方向に隣接するか又は重ならないブレードを含んでもよい。
［００１６６］複数のブレードアセンブル及びダクト壁２２０を有する複数のダクト２１４は、ハイブリッド境界層タービンの一部として一体的に形成されてもよく、複数のダクト２１４は、流体接着（又は境界層）部分を形成し、複数のブレード２２２はブレードタービン部分を形成する。
［００１６７］ いくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４が、複数のブレード２２２の下流に配置されてもよい。軸方向ステージ２２４は、シャフト１１０に駆動可能に結合されてもよい。例えば、境界層タービンのいくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４は、１つ以上の軸流ステータ及び軸流ロータを含んでいてもよく、これらは一緒になって軸方向ステージ２２４を形成し得る。軸流ステータ２２６は、複数のブレード２２２と軸流ロータ２２８との間に配置されてもよい。このような軸流ステータ２２６は、ノズル状の通路を形成してもよく、及び／又は、流れを直線化する羽根を含んでもよい。様々な実施形態において、軸流ロータ２２８は、長手方向に約０．８インチ以上延びていてもよい。軸方向ステージ２２４は、速度、圧力、及びシャフト／羽根回転速度などの特性によって、所望の効率目標及び流体からのエネルギー抽出を達成するように構成され得る。様々な実施形態において、軸方向ステージは、適合された羽根サイズ、羽根形状、及び羽根角度（迎え角など）を有し得る。
［００１６８］ 様々な実施形態において、追加の軸流ステージなどの追加のタービンステージは、流体からより多くのエネルギーを抽出するため、又はより高い効率を達成するために、軸流ステージ２２４の下流に配置されていてもよい。ステージ及びそこに形成されたブレードの長さ、形状、及び他の構成は、所望の発電を達成し、失速を防止するように調整され得る。
［００１６９］ シャフト１１０は、複数のダクト２１４と同軸に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、シャフト１１０は、複数のダクト２１４によって周方向に取り囲まれるように、複数のダクト２１４の同心円状にかつ半径方向内側に配置されてもよい。様々な実施形態において、このような配置は、より少ない構成要素を有するコンパクトなタービンをもたらす可能性がある。いくつかの実施形態では、シャフト１１０は、１以上の複数のロータと実質的に同様の回転数で、複数のロータと実質的に共回転するように、（ダクト壁によって画定される）複数のロータと同軸に配置される。
［００１７０］ 例えば、シャフト１１０は、複数のダクト２１４の半径方向最内側のダクト壁又はダクトを少なくとも部分的に画定するキャビティ内部キャビティ２４０の内部に同軸に配置されてもよい。キャビティ内部キャビティ２４０は、複数のダクト２１４の半径方向内側に配置され、かつ半径方向最内側ダクトの半径方向内側壁を画定する管によって画定されてもよい。
［００１７１］ １つ以上の構造体は、概して、複数のダクト２１４の周囲、及びその上流及び下流に配置されてよく、境界層ターボマシン１００の様々な部分を支持し、それと協働するために使用され得る。いくつかの実施形態では、１以上の構造体のうちの（支持する又はしない）一構造体は、複数のダクト２１４（ロータ）を少なくとも部分的に収容する。
［００１７２］ 支持構造２３０は、その間に配置されたベアリングを介してシャフト１１０によって支持され、支持構造２３０に対するシャフト１１０の回転を可能にし得る。この構造体は、特定の振動を伝達し、複数のロータとの回転を防止し得る。いくつかの実施形態では、支持構造２３０は、その上流端部２１６において複数のダクト２１４を密封可能に囲んでもよい。
［００１７３］いくつかの実施形態では、ヘッダーブロック２１０は、支持構造２３０の一部を形成していてもよく、また、入口ポート１１４からの流れをそこに通してもよい。
［００１７４］ エンドプレート２３２は、複数のブレードアセンブリの下流に配置され得る。エンドプレート２３２は、複数のダクト壁２２０（複数のロータ）を共通の回転でロックするために、例えば実質的に固定されたジョイントを画定するねじ込み可能な締結具を介して、複数のダクト壁２２０に同時に結合し得る。エンドプレート２３２は、複数のロータ（複数のダクト壁２２０）とシャフト１１０とを共通の回転で係合させるために、シャフト１１０に追加的に結合されることもある。したがって、複数のロータは、実質的に同じ方向に回転し、実質的に同様の回転数で回転するように強制されてもよく、この回転数は、シャフト１１０の回転数と同様であってもよい。
［００１７５］ 軸流ステータ２２６は、複数のブレードアセンブリのすぐ下流であって、軸流ステータ２２６の上流に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、軸流ロータ２２８は、エンドプレート２３２を介してシャフト１１０に結合されてもよい。軸流固定子２２６は、（静止）支持構造２３０に結合又は固定されてもよく、シャフト１１０（及び複数のロータ）の回転中に静止位置を維持するために、クリアランス間隔を介してシャフト１１０から離間されてもよい。例えば、環状形状の軸流ステータ２２６にとって、軸流ステータ２２６の下流側に配置された軸流ロータ２２８は、軸流ステータ２２６を横切って突出し、シャフト１１０の中心から半径方向外側に延びるシャフトフランジを介してシャフト１１０に直接結合（例えば、ねじ止め）してもよい。そうして、軸流ロータ２２８は、シャフト１１０及び複数のロータと共通の回転で係合してもよく、実質的に同様の回転数を有し得る。
［００１７６］ いくつかの実施形態では、構造体は、軸受２３４を使用して、構造体に対してシャフト１１０を定位置で回転可能に支持するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、シャフト１１０の回転数は、シャフト１１０に結合され、構造体とシャフト１１０との間に配置された費用対効果の高い軸受を介して構造体によるシャフト１１０の支持を容易にするように十分に低くてもよい。例えば、このような軸受は、回転接触（摩擦）軸受、例えば、セラミックボールベアリング又はシリコン窒化物ボールベアリングを含んでいてもよい。一部の実施形態では、油圧軸受、磁気軸受、又はフォイルエア軸受が使用され得る。一部の実施形態では、ＳＫＦＴＭＳ７００４ＣＤ／Ｐ４Ａ接触軸受を使用できます。
［００１７７］ 境界層タービン１００のいくつかの実施形態では、複数のロータは、４３，０００ＲＰＭ以下、又は１５，０００ＲＰＭから３０，０００ＲＰＭの間でシャフトに直接伝達される５０～１００ｋＷのシャフト動力を生成するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、より小さい境界層ターボマシン１００は、より高い回転数用に構成され得る一方で、より大きい境界層ターボマシン１００は、より低い回転数用に構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、より小さい境界層ターボマシン１００は、２ｋＷ以下しか出力しない場合がある。そのような回転数範囲では、例示的な境界層タービンによって生成されるトルクの例示的な範囲は、５ｆｔ－ｌｂから５０ｆｔ－ｌｂｓの間であってもよい。このような比較的大きなトルクは、本開示の態様によって促進される高い効率によって、低回転数で達成可能であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、効率は、半径方向タービン及び軸方向タービンのみから構成される基本的なターボマシンと比較して５％～５０％高くなり得る。いくつかの実施形態では、全体の総エネルギー効率は５０％を超えり得る。いくつかのケースでは、エネルギー効率は７５％に達することもある。
［００１７８］ 境界層タービン１００のいくつかの実施形態では、入口ポート１１４を通って受け取られる流体は、２５００ｐｓｉ～５０００ｐｓｉの間の圧力、又は１５００～６０００ｐｓｉの間の圧力で１００℃～１５０℃の間の温度の超臨界ＣＯ２であってもよく、出口ポート１１６を通って通過される流体は、８０℃以下、６００～８００ｐｓｉの間の圧力であってもよい。
［００１７９］ そうでなければ、境界層ターボマシン１００を通る正流が確立されない可能性があるため、出口圧力及び温度は、境界層タービン１００の下流の条件に依ることがある。いくつかの実施形態では、ＣＯ２は、少なくとも部分的な（又は完全な）相変化を起こす可能性がある。いくつかの実施形態では、流体は冷媒であってもよく、境界層タービン１００内でフラッシュしてもよい。
［００１８０］ 境界層タービン１００の例示的なタービンの実施形態における様々な位置での流体特性を表１に示す。位置Ａは、位置Ｂの上流であってよく、位置Ｂは、入口端部２０２又は入口ポート１１４にあるか又は隣接していてよい。位置Ｂは、位置Ｃの下流にある場合があり、位置Ｃは、出口端部２０４又は出口ポート１１６にあるか、又はそれに隣接していてもよい。
［００１２９］ 境界層ターボマシンは、境界層効果に基づいて動作し、移動表面に最も近い流体の層は、（滑り止め条件により）表面と共に移動するように強制される。）表面に対する流体の流れが確立されると、表面に力が加わる。境界層ターボマシンは、他のタイプのターボマシンよりも効率的であり得る。様々な実施形態において、境界層ターボマシンは２０％以上又は４０％以上効率が高い可能性がある。更に、境界層ターボマシンは、より少ない部品又はより少ない「可動部品」から構成される可能性があり、したがって、建設、修理、及び保守がより容易かつ安価であり得る。
［００１３０］ いくつかのケースでは、例示的な境界層タービンは、ランキンサイクル、例えば有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）、又は（高密度の）超臨界流体が使用される熱力学サイクルに基づくシステムから所望の効率を達成するために特に有用である。様々な実施形態において、タービンの作動流体は、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、又はイソブタン、ペンタン、プロパン、超臨界（過熱）ＣＯ２などの炭化水素であってもよい。
［００１３１］例示的な境界層ターボマシンでは、ドラム又は管は、流体がその外面を通過して長軸の周りに方位角方向に流れることによって、その長軸の周りに回転するようにし得る。境界層はドラム表面上に形成され、運動量シンクとして作用し、回転エネルギーの形で流体からドラムへのエネルギーの伝達を引き起こす。ドラム上のこのような流体の流れは、一般に半径方向に広がりを持つことがあり、流れの半径方向内側の端部がドラムにエネルギーを伝達する。流体の流れの他の（より半径方向に離れた）部分からエネルギーを取り出すことが望ましい。
［００１３２］ 元のドラムを、流体の流れに接触する内面を有するより大きなドラム内に、軸方向に整列させて固定することにより、流体の流れから追加のエネルギーを取り出すことができる。この場合、運動量も流体の流れの半径方向外側端部で取り出すことができる。このような態様において、複数のドラムは、ドラムを駆動するためにそこに（方位角的に）流体を注入するための複数の流体流路（ダクト又は少なくとも部分的に閉鎖された管路）を画定するために、互いに内側に配置され、かつ互いに整列していてもよい。ドラムは、例えば、エンドプレート２３２又は回転ヘッドを使用して交差結合されることによって、共通の回転において強制され得る。様々な実施形態において、流路からの出口流体の流れは、依然として、方位角成分又は有意な方位角成分を含んでいてもよい。様々な実施形態において、ドラムのエンドプレート２３２とは反対側の端部は、回転を可能にし、ドラムと他の構成要素との接触を防止するために、境界層ターボマシンに組み込まれた流体軸受によって支持されてもよく、例えば、流体軸受は、加圧された作動流体を保持する開放端部キャビティであってもよく、したがって、追加の構成要素を必要としなくてもよい。
［００１３３］ 様々な実施形態において、流路の数、長さ、及び／又は平均半径を増加させることは、流体流からのエネルギー抽出を増加させ得ることが見出される。いくつかの実施形態では、流路の数、長さ、及び／又は平均半径を任意に増加させても、流体流からのエネルギー抽出が相応に増加しない場合があることが見出される。いくつかの実施形態では、エネルギー抽出は、ある点を超えると減少し得る。例えば、いくつかの流路を介して抽出されたエネルギーが、ポンプとして他の流路を駆動するために使用される場合があることが見出される。
［００１３４］ 境界層ターボマシンに適合する追加のタービンステージを配置することによって、流体流れから抽出されるエネルギーを増加させてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、方位角方向に向いた流体流を受けるように配向された複数のブレードが、境界層タービンの接着面の下流に配置される。複数のブレードは、共通の回転のために、接着面と一体的に（例えば、それと一体構造で）形成されてもよく、それによって、可動部品の数を減らし、境界層タービンの利点を保持する。いくつかの実施形態では、複数のブレードは、接着面の下流端部分に構造を付加的に「成長」させることによって製造され、その下流端部で、流路の内部に配置される。いくつかの実施形態では、追加のタービンステージを更に下流側に配置し得る。例えば、軸流衝動タービンステージ又は反動タービンステージを複数のブレードの下流に配置し得る。軸流タービンステージは、複数のブレードから流れ出る流体の流れに適合し得る。軸方向タービンのブレードは、複数のブレードから軸方向に向いた流れを受けるように方向付けられてもよい。
［００１３５］ いくつかの実施形態では、付加的な効率は、より低い回転数、温度、及び／又は圧力など、より機械的に負担の少ない（又はより穏やかな）条件下で、境界層タービンから所望の出力を達成することを容易にし得る。したがって、例示的な境界層タービンは、建設、修理、及び保守が容易かつ安価になり得る。いくつかのケースでは、低い回転数は、境界層タービンのシャフト（動力シャフト）を支持するための接触軸受、例えばセラミックボールベアリングの使用に適合し得る。いくつかの実施形態では、境界層タービンは、例えば高回転数用途向けに構成された（分離又は閉鎖された）加圧油圧軸受がなくても作動可能である場合がある。一部の実施形態では、材料の反りを低減し得る。
［００１３６］ 様々な実施形態において、例示的な境界層ターボマシンは、２０，０００ＲＰＭと１００，０００ＲＰＭとの間、又は２，０００ＲＰＭと２０，０００ＲＰＭとの間で動作し得る。いくつかの実施形態では、境界層タービンは、より低い回転数に起因するなどして、より低い全体温度、例えば７５℃と１０００℃の間で動作し得る。いくつかの実施形態では、加圧された（作動）流体は、５０℃から１０００℃の間の温度及び５０ｐｓｉから１０，０００ｐｓｉの間の圧力で境界層ターボマシンに入得る。いくつかの実施形態では、（作動）流体は、１℃～５００℃の間の温度及び０ｐｓｉ～２０００ｐｓｉの間の圧力で境界層ターボマシンを出得る。
［００１３７］ いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンは、比較的低温の流体からエネルギーを抽出するために使用し得る。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンは、５０℃未満の作動流体を受け取り、５０℃未満の作動流体を発行し得る。例えば、作動流体は、境界層ターボマシンに導入される際には室温付近であり、そこから排出される際には（更に）サブクールされる。
［００１３８］ いくつかの実施形態では、作動流体は、例えば液圧ポンプ及びモータのいくつかの実施形態では、単相（液体又は気体）のままであってもよい。様々な実施形態において、作動流体は、境界層ターボマシンの入口から出口まで少なくとも部分的な（いくつかのケースでは全体的な）相変化を受けるように構成されてもよく、これにより、より大きなエネルギー伝達がもたらされ得る。いくつかの実施形態では、入口における作動流体は液体又は（相対的に密度の高い）超臨界流体であり、出口では気体又は（相対的に密度の低い）超臨界流体である場合がある。
［００１３９］例示的な境界層タービンは、本明細書において、例えば上記で言及したように議論される。境界層ターボマシンは、タービンだけでなく、ポンプ、コンプレッサ、及び動力が流体とシャフトとの間（へ又はシャフトから）で伝達される他のターボマシンを含み得ることが理解される。例えば、いくつかの実施形態では、ポンプは、（タービンと比較して）反対方向の回転、及び／又はブレード及び軸流ステージの構成の変更を伴う場合がある。
［００１４０］ 次に、図を参照して様々な実施形態の態様を説明する。
［００１４１］ 図１Ａ～１Ｃは、例示的な境界層ターボマシン１００の様々な図である。境界層ターボマシン１００は、流体１１２とシャフト１１０との間で動力を伝達するためにシャフト１１０と結合し得る。
［００１４２］ 図１Ａは、境界層ターボマシン１００の背面図である。図１Ｂは、正面図である。図１Ｃは斜視図である。
［００１４３］ 例えば、境界層ターボマシン１００は、流体１１２が作動流体であり、長手方向軸１０２の周りにシャフト１１０を回転駆動させるためのエネルギーがそこから取り出される境界層タービンであってもよい。境界層タービンは、作動流体からシャフト１１０に動力を伝達してシャフト動力を生成する。いくつかの実施形態では、シャフトは直径約１インチを有し得る。いくつかの実施形態では、シャフトの直径は、構造的要件及びシャフト１１０によって伝達される動力によって、０．２５インチ～８インチ～１０インチの範囲であってもよい。
［００１４４］流体は、一般に、境界層ターボマシン１００を通って、長手方向軸１０２に沿って長手方向に（長手方向１０６に）及び方位角に、長手方向軸１０２の周りに側方に配向された方位角方向１０４に流れ得る。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００は、境界層コンプレッサ又はポンプであり得ると考えられる。
［００１４５］ 流体は、境界層ターボマシン１００の上流端部に位置する入口ポート１１４を介して境界層ターボマシン１００に受けられ、続いて境界層ターボマシン１００の下流端部に位置する出口ポート１１６を介して排出される。
［００１４６］ 境界層タービンの様々な実施形態では、入口ポート１１４の流体は、出口ポート１１６の流体よりも高圧及び／又は高温である場合がある。いくつかの実施形態では、流体は、境界層ターボマシン１００を横切って相転移を起こし、流体と境界層ターボマシン１００との間のエネルギーの伝達を強化し得る。いくつかの実施形態では、入口ポート１１４における流体は、加圧され、より高密度の超臨界状態又は液体状態にあり、一方、出口ポート１１６における流体は、比較的低圧又は減圧された低密度の気体相にある。いくつかの実施形態では、入口ポート１１４又は出口ポート１１６における流体は、例えば、流体がその中に分散された液相を有する気体であり得る凝縮条件による多相であってもよい。
［００１４７］ 様々な実施形態において、特定の動作理論に拘束されることなく、境界層ターボマシンは、少なくとも部分的に又は比較的大きな割合で、境界層効果又は接着原理を介してシャフト１１０と作動流体との間でエネルギーを伝達するか又は動力を伝達し得ることが理解される。
［００１４８］ 例えば、例示的な境界層ターボマシン１００は、ブレードレス境界層タービン部（複数の場合もある）、及び、ブレード（軸流）ロータ２２８等のブレードロータタービン部（複数の場合もある）で軸流タービンステージのブレードロータであることもあるもの、を含む、ハイブリッド境界層タービンであってもよい。いくつかの実施形態では、ハイブリッド境界層ターボマシンは、様々なステージのための共通のハウジングを有することを含む、単一のユニットとして動作可能に統合された複数のタービンステージのアセンブリを含んでもよい。
［００１４９］ 境界層ターボマシン１００の長手方向軸１０２は、一般に、境界層ターボマシン１００のロータ及びステータ部の順次配置、及びそこを通る流体の全体的な流れを参照し得る。例えば、長手方向軸１０２は、境界層ターボマシン１００のロータの回転軸であってもよく、及び／又は境界層ターボマシン１００のステータの（連続的又は別個の）対称軸を画定してもよい。いくつかの実施形態では、シャフトの回転軸は、長手方向軸１０２と一致することもある。流体の流れは、境界層ターボマシン１００の特定部において向きを変えてもよいし、乱流であってもよいと考えられる。
［００１５０］ 方位角方向１０４は、長手方向軸１０２の周りに一般的に側方に配向していてもよい。例えば、ロータ上の点は、回転時に、長手方向軸１０２の周りの経路を方位角方向に辿り得る。半径方向１０８は、長手方向軸１０２と方位角方向１０４の両方に対して両側方に向いていてもよい。
［００１５１］ 様々な実施形態において、境界層ターボマシン１００は、１０インチから１２インチの間で半径方向に延びていてもよい。様々な実施形態において、外径は、２インチ又はそれ以下から４８インチ又はそれ以上の間で変化し得る。
［００１５２］ 図２は、図１Ｂの参照線２－２に沿った境界層ターボマシン１００の断面２００（断面図）である。
［００１５３］ 概して順次の順序で、境界層ターボマシン１００は、（静止）ヘッダ部２０６と、１つ以上の流れ入口２１２と、複数のダクト２１４と、複数のブレードアセンブリと、軸流タービンステージであってもよい軸流ステージ２２４と、支持構造２３０及びハウジング部分を含む１つ以上の構造体とを備え得る。
［００１５４］ ヘッダ部２０６は、ヘッダプレート２０８及びヘッダーブロック２１０を含むことができ、これらは、例えば締結具を介して、又は一体構造で、一緒に統合され得る。様々な実施形態において、ヘッダ部２０６は、例えばシャフト１１０の回転中、動作中に静止したままであってもよい。
［００１５５］ 境界層ターボマシン１００は、境界層ターボマシン１００の入口端部２０２を介して流体を受け取り、境界層ターボマシン１００の出口端部２０４を介して出口ポート１１６から流体を排出する。境界層ターボマシン１００の入口ポート１１４は、少なくとも部分的にヘッダプレート２０８に形成されてもよく、ヘッダ部２０６を介して、入口端部２０２に向かって流体を流すように構成されてもよい。
［００１５６］ １つ以上の流れ入口２１２は、入口端部２０２に配置される。いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２は、実質的に、複数のダクト２１４の上流端部２１６に配置されるか又は延在し得る。１つ以上の流れ入口２１２は、流体を、出口端部２０４に向かって、長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に方位角方向に複数のダクト２１４内に引き込むように構成される。方位流配向を有する流れは、流れと（回転する）ダクト壁との間でエネルギーを伝達するために、ダクト壁２２０上に引き込む（相互に働く）可能性がある。例えば、境界層タービンでは、このような方位流配向がダクト壁２２０に回転を与え、シャフト１１０を回転駆動する。境界層ポンプ又はコンプレッサでは、（シャフト１１０を介した）ダクト壁２２０の回転により、流体が出口端部２０４に向かって対応するダクトに引き込まれる。いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２は、ダクト壁への噴流衝突を引き起こし、及び／又はダクトの加圧に基づいて複数のダクト２１４の隣接するダクト間に流体軸受シール又は密封を形成するために、部分的に放射状の角度で流体を方向付け得る。
［００１５７］ いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２は、ダクト壁２２０上の力のバランスをとるために対蹠的に配置された少なくとも２つの流れ入口を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上の流れ入口２１２のすべての流れ入口は、境界層ターボマシン１００のバランスを向上させるために対蹠的に配置された対向する流れ入口を含む。
［００１５８］ 複数のダクト２１４は、ヘッダーブロック２１０の下流に位置決めされ、それに又はそのすぐ近くに接続されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４は、半径方向に離れた２本から５本のダクトを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４は、３つのダクトである。より大きな直径のターボマシンの場合、複数のダクト２１４は、５つ以上のダクトを含んでいてもよい。例えば、外径が約４８インチ以上の境界層ターボマシン１００は、最大２４個のダクトを有することもある。
［００１５９］ 様々な実施形態において、ヘッダ部２０６は、多圧ヘッダ部又は多流ヘッダ部であってもよい。いくつかの実施形態では、ヘッダ部２０６は、各ダクトに別々に流体を供給してもよく、例えば、複数のダクト２１４の各ダクトに入る流体の熱力学的条件は、異なっていてもよいし、調整可能であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、半径方向外側のダクトに入る流体は、（相対的に）半径方向内側のダクトに入る流体よりも高い圧力又は低い圧力を有してよい。
［００１６０］ 複数のダクト２１４は、入口端部２０２と出口端部２０４との間の長手方向軸１０２の周りに同心円状に配置又は入れ子状に配置され、それによって、入口端部２０２から出口端部２０４に向かって、その間に流体を運ぶ。複数のダクト２１４は、上流端部２１６から下流端部２１８（それぞれ、１つ以上の上流端部及び下流端部を指す場合がある）まで延伸し、長手方向軸１０２の周りを回転するように構成された閉管路であってもよい。チャネル及び導管を含む追加の構成要素が、入口端部２０２と上流端部２１６との間、及び出口端部２０４と下流端部との間に配置されてもよい。
［００１６１］ 複数のダクト２１４は、少なくとも部分的に、対応するダクト壁２２０、すなわち半径方向に離間した複数のダクト壁２２０によって画定される。例えば、各ダクトは、長手方向に、すなわち長手方向軸１０２に沿って延び、その間に半径方向の隙間（半径方向に延びる隙間）のダクトを画定する２つのダクト壁によって画定されてもよい。
［００１６２］ 複数のダクト２１４のダクト壁２２０は、長手方向軸１０２を中心に回転するように構成された複数のロータを画定する。したがって、複数のダクト２１４は、長手方向軸１０２を中心に回転するということができる。複数のロータは、シャフト１１０と複数のダクト２１４内を流れる流体との間でエネルギーを伝達するために、シャフト１１０に駆動可能に結合されている。
［００１６３］ 複数のブレード２２２は、シャフト１１０に駆動可能に結合されてもよい。複数のブレード２２２は、シャフト１１０に駆動可能に結合された複数のブレードアセンブリのブレードアセンブリを画定してもよく、それぞれ個別に又は中央ハブと一体化されたブレードアセンブリとしてシャフト１１０に結合されてもよい。
［００１６４］ いくつかの実施形態では、各ブレードアセンブリは、１つ以上の流れ入口２１２の下流の対応するダクト内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４が複数のブレードアセンブリをその中に画定するように、各ダクトはその中にブレードアセンブリを有していてもよいし得る。
［００１６５］ 複数のブレード２２２は、対応するダクトの下流端部において長手方向軸１０２の周りに回転可能に配置されてもよい。様々な実施形態において、複数のブレード２２２は、下流端部から上流端部２１６に向かって又は上流端部２１６から離れるように長手方向に延びてよい。いくつかの実施形態では、複数のブレード２２２は、単一の列、例えば、複数のダクト２１４の各ダクト内の単一の列のブレードに配置されてもよい。ブレードの列は、実質的に共通の長手方向位置に沿って配置していてよい。一列のブレードは、周方向に隣接するか又は重ならないブレードを含んでもよい。
［００１６６］複数のブレードアセンブル及びダクト壁２２０を有する複数のダクト２１４は、ハイブリッド境界層タービンの一部として一体的に形成されてもよく、複数のダクト２１４は、流体接着（又は境界層）部分を形成し、複数のブレード２２２はブレードタービン部分を形成する。
［００１６７］ いくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４が、複数のブレード２２２の下流に配置されてもよい。軸方向ステージ２２４は、シャフト１１０に駆動可能に結合されてもよい。例えば、境界層タービンのいくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４は、１つ以上の軸流ステータ及び軸流ロータを含んでいてもよく、これらは一緒になって軸方向ステージ２２４を形成し得る。軸流ステータ２２６は、複数のブレード２２２と軸流ロータ２２８との間に配置されてもよい。このような軸流ステータ２２６は、ノズル状の通路を形成してもよく、及び／又は、流れを直線化する羽根を含んでもよい。様々な実施形態において、軸流ロータ２２８は、長手方向に約０．８インチ以上延びていてもよい。軸方向ステージ２２４は、速度、圧力、及びシャフト／羽根回転速度などの特性によって、所望の効率目標及び流体からのエネルギー抽出を達成するように構成され得る。様々な実施形態において、軸方向ステージは、適合された羽根サイズ、羽根形状、及び羽根角度（迎え角など）を有し得る。
［００１６８］ 様々な実施形態において、追加の軸流ステージなどの追加のタービンステージは、流体からより多くのエネルギーを抽出するため、又はより高い効率を達成するために、軸流ステージ２２４の下流に配置されていてもよい。ステージ及びそこに形成されたブレードの長さ、形状、及び他の構成は、所望の発電を達成し、失速を防止するように調整され得る。
［００１６９］ シャフト１１０は、複数のダクト２１４と同軸に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、シャフト１１０は、複数のダクト２１４によって周方向に取り囲まれるように、複数のダクト２１４の同心円状にかつ半径方向内側に配置されてもよい。様々な実施形態において、このような配置は、より少ない構成要素を有するコンパクトなタービンをもたらす可能性がある。いくつかの実施形態では、シャフト１１０は、１以上の複数のロータと実質的に同様の回転数で、複数のロータと実質的に共回転するように、（ダクト壁によって画定される）複数のロータと同軸に配置される。
［００１７０］ 例えば、シャフト１１０は、複数のダクト２１４の半径方向最内側のダクト壁又はダクトを少なくとも部分的に画定するキャビティ内部キャビティ２４０の内部に同軸に配置されてもよい。キャビティ内部キャビティ２４０は、複数のダクト２１４の半径方向内側に配置され、かつ半径方向最内側ダクトの半径方向内側壁を画定する管によって画定されてもよい。
［００１７１］ １つ以上の構造体は、概して、複数のダクト２１４の周囲、及びその上流及び下流に配置されてよく、境界層ターボマシン１００の様々な部分を支持し、それと協働するために使用され得る。いくつかの実施形態では、１以上の構造体のうちの（支持する又はしない）一構造体は、複数のダクト２１４（ロータ）を少なくとも部分的に収容する。
［００１７２］ 支持構造２３０は、その間に配置されたベアリングを介してシャフト１１０によって支持され、支持構造２３０に対するシャフト１１０の回転を可能にし得る。この構造体は、特定の振動を伝達し、複数のロータとの回転を防止し得る。いくつかの実施形態では、支持構造２３０は、その上流端部２１６において複数のダクト２１４を密封可能に囲んでもよい。
［００１７３］いくつかの実施形態では、ヘッダーブロック２１０は、支持構造２３０の一部を形成していてもよく、また、入口ポート１１４からの流れをそこに通してもよい。
［００１７４］ エンドプレート２３２は、複数のブレードアセンブリの下流に配置され得る。エンドプレート２３２は、複数のダクト壁２２０（複数のロータ）を共通の回転でロックするために、例えば実質的に固定されたジョイントを画定するねじ込み可能な締結具を介して、複数のダクト壁２２０に同時に結合し得る。エンドプレート２３２は、複数のロータ（複数のダクト壁２２０）とシャフト１１０とを共通の回転で係合させるために、シャフト１１０に追加的に結合されることもある。したがって、複数のロータは、実質的に同じ方向に回転し、実質的に同様の回転数で回転するように強制されてもよく、この回転数は、シャフト１１０の回転数と同様であってもよい。
［００１７５］ 軸流ステータ２２６は、複数のブレードアセンブリのすぐ下流であって、軸流ステータ２２６の上流に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、軸流ロータ２２８は、エンドプレート２３２を介してシャフト１１０に結合されてもよい。軸流固定子２２６は、（静止）支持構造２３０に結合又は固定されてもよく、シャフト１１０（及び複数のロータ）の回転中に静止位置を維持するために、クリアランス間隔を介してシャフト１１０から離間されてもよい。例えば、環状形状の軸流ステータ２２６にとって、軸流ステータ２２６の下流側に配置された軸流ロータ２２８は、軸流ステータ２２６を横切って突出し、シャフト１１０の中心から半径方向外側に延びるシャフトフランジを介してシャフト１１０に直接結合（例えば、ねじ止め）してもよい。そうして、軸流ロータ２２８は、シャフト１１０及び複数のロータと共通の回転で係合してもよく、実質的に同様の回転数を有し得る。
［００１７６］ いくつかの実施形態では、構造体は、軸受２３４を使用して、構造体に対してシャフト１１０を定位置で回転可能に支持するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、シャフト１１０の回転数は、シャフト１１０に結合され、構造体とシャフト１１０との間に配置された費用対効果の高い軸受を介して構造体によるシャフト１１０の支持を容易にするように十分に低くてもよい。例えば、このような軸受は、回転接触（摩擦）軸受、例えば、セラミックボールベアリング又はシリコン窒化物ボールベアリングを含んでいてもよい。一部の実施形態では、油圧軸受、磁気軸受、又はフォイルエア軸受が使用され得る。一部の実施形態では、ＳＫＦＴＭＳ７００４ＣＤ／Ｐ４Ａ接触軸受を使用できます。
［００１７７］ 境界層タービン１００のいくつかの実施形態では、複数のロータは、４３，０００ＲＰＭ以下、又は１５，０００ＲＰＭから３０，０００ＲＰＭの間でシャフトに直接伝達される５０～１００ｋＷのシャフト動力を生成するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、より小さい境界層ターボマシン１００は、より高い回転数用に構成され得る一方で、より大きい境界層ターボマシン１００は、より低い回転数用に構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、より小さい境界層ターボマシン１００は、２ｋＷ以下しか出力しない場合がある。そのような回転数範囲では、例示的な境界層タービンによって生成されるトルクの例示的な範囲は、５ｆｔ－ｌｂから５０ｆｔ－ｌｂｓの間であってもよい。このような比較的大きなトルクは、本開示の態様によって促進される高い効率によって、低回転数で達成可能であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、効率は、半径方向タービン及び軸方向タービンのみから構成される基本的なターボマシンと比較して５％～５０％高くなり得る。いくつかの実施形態では、全体の総エネルギー効率は５０％を超えり得る。いくつかのケースでは、エネルギー効率は７５％に達することもある。
［００１７８］ 境界層タービン１００のいくつかの実施形態では、入口ポート１１４を通って受け取られる流体は、２５００ｐｓｉ～５０００ｐｓｉの間の圧力、又は１５００～６０００ｐｓｉの間の圧力で１００℃～１５０℃の間の温度の超臨界ＣＯ２であってもよく、出口ポート１１６を通って通過される流体は、８０℃以下、６００～８００ｐｓｉの間の圧力であってもよい。
［００１７９］ そうでなければ、境界層ターボマシン１００を通る正流が確立されない可能性があるため、出口圧力及び温度は、境界層タービン１００の下流の条件に依ることがある。いくつかの実施形態では、ＣＯ２は、少なくとも部分的な（又は完全な）相変化を起こす可能性がある。いくつかの実施形態では、流体は冷媒であってもよく、境界層タービン１００内でフラッシュしてもよい。
［００１８０］ 境界層タービン１００の例示的なタービンの実施形態における様々な位置での流体特性を表１に示す。位置Ａは、位置Ｂの上流であってよく、位置Ｂは、入口端部２０２又は入口ポート１１４にあるか又は隣接していてよい。位置Ｂは、位置Ｃの下流にある場合があり、位置Ｃは、出口端部２０４又は出口ポート１１６にあるか、又はそれに隣接していてもよい。
【0006】
【表1】
【0007】
［００１８１］ 圧力（回収）ＣＰ係数を含む、表１で議論された例示的なタービンの実施形態における追加のＣＯ２流体特性は、表２に表されている。これらの位置に関連する比容積は、密度の逆数として計算し得る。
【0008】
【表2】
【0009】
［００１８２］ 超臨界状態又は多相状態では、流体は液体と蒸気の両方の特性を有するか、液体と蒸気の特性を有する。表１で説明した例示的なタービンの実施形態における液体及び蒸気の特性を表３に示す。
【0010】
【表3】
【0011】
［００１８３］ 低い回転数は、より緩やかな運転条件から利益を得る可能性があり、例えば、より費用効果の高い軸受が使用され得る。いくつかの実施形態では、回転数は１００，０００ＲＰＭを超えることがある。例えば、いくつかの実施形態では、より小さい外径を有する境界層ターボマシン１００は、対応するより高い回転数を有し得る。
［００１８４］ 様々な実施形態において、上流端部２１６及び下流端部２１８は、境界層ターボマシン１００の接着部分、例えば、隣接して形成された接着部分の対応する端部を指すことがあり、これらは一体構造であってもよい。入口端部２０２及び出口端部２０４は、接着部分及び羽根部分、例えばハイブリッドタービンであり得るように、一体構造であり得る接着部分及び羽根部分を画定する境界層ターボマシン１００の端部を指す。
［００１８５］ 様々な実施形態において、内部キャビティ２４０から複数のダクト２１４の半径方向最外側のダクトまで延びる境界層ターボマシン１００の内部容積は、流体、例えば、加圧流体であってもよい作動流体で浸漬又は浸水されてもよい。このような浸水容積は、部分的に、境界層ターボマシン１００の構成要素に潤滑及び支持を提供し得る。
［００１８６］ 図３Ａは、複数の管（管）３０２によって少なくとも部分的に画定された複数のロータ３００の分解斜視図である。複数のロータ３００は、長手方向軸１０２に沿って分解して示されている。
［００１８７］ 図３Ｂは、複数のロータ３００の正面図である。
［００１８８］ 複数のロータの回転方向は、両頭矢印で示されている。複数の管３０２は、シャフト１１０に駆動可能に結合されてそのような回転を引き起こすように、又はそれによってシャフト１１０に回転を引き起こしてシャフト動力を生成するように構成され得る。
［００１８９］ いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、長手方向軸１０２に対して側方に実質的に円形の断面を有する円管であってもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、成形された表面又は長手方向に傾斜した構成を含んでよい。例えば、いくつかの実施形態では、複数の管３０２の各管は、分岐又は合流していてもよく、すなわち、それぞれ、出口端部２０４に向かって長手方向軸１０２に沿って増加又は減少している、長手方向軸１０２に対して横方向の断面を有していてもよい。様々な実施形態において、流体がブレード（例えば複数のブレード２２２）に向かって移動するにつれて管の長さにわたって間隙を増加及び／又は減少させるために、複数の管３０２のうちの１以上を成形又は傾斜させるか、又は複数の管３０２のうちの１つ以上の表面にパターンを埋め込むことによって、エネルギー又は電力の抽出が強化されてもよい。
［００１９０］ 複数の管３０２の各管（３１０、３０２Ａ、３０２Ｂ、又は３０２Ｃ）は、概して長手方向に延伸し、例えば概して小さい断面積を有するテーパ状の又はつままれたの長手方向端部（上流側端部部分３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃ及び下流側端部部分３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ）を有してもよい。各管は、延伸方向に対して側方に、対応する半径方向内側の空間（３１２Ａ、３１２Ｂ、３１２Ｃ、３１２Ｄ）を画定し得る。例えば、複数の管３０２の肉厚は、長手方向中央付近の０．３インチから、１つ以上の挟まれた長手方向端部の０．１インチまで変化し得る。
［００１９１］ 半径方向内側の空間は、長手方向軸１０２に対して側方に徐々に大きな断面積を画定し得る。各半径方向内側の空間は、複数の管３０２のうちの相対的に小さい管を収容して、互いに嵌合する管の並び又は階層を形成するように適合させ得る。このようにして、複数の管３０２は、長手方向軸１０２の周りに同心円状に入れ子状に配置され得る。半径方向内側の空間の一部は、複数のダクト２１４を画定し得る。例えば、半径方向内側の空間３１２Ｄ、３１２Ａ、３１２Ｂのそれぞれは、対応する管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃのそれぞれのダクト壁２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃによって半径方向内側の端部で隣接した対応するダクトを画定し得る。
［００１９２］ 様々な実施形態において、半径方向内側の空間３１２Ａ、３１２Ｂ、３１２Ｃ、３１２Ｄは、約５．２インチ、４．４インチ、３．６インチ、及び６インチのそれぞれの直径を有する円筒形の空間であってよい。様々な実施形態において、複数の管３０２の各々は、長手方向に７インチから８インチの間に延びてよい。
［００１９３］複数の管３０２は、半径方向１０８において、互いに概ね同心円状に離間していてもよい。複数のダクト２１４の各ダクトは、複数の管３０２の同心円状に隣接する一対の管の間に生じるクリアランスに形成されてもよい。いくつかの実施形態では、同心円状に隣接する管の各対は、複数のダクト２１４の対応するダクトをその間に形成する。したがって、複数のダクト２１４の各ダクトは、対応する同心円状に隣接するダクトと共通に共有される対応するダクト壁２２０Ａ（又は２２０Ｂ、２２０Ｃ）によって少なくとも部分的に画定される。
［００１９４］ 複数のダクト２１４のうちの１つ以上は、長手方向軸１０２に対して側方の環状形状の断面（例えば、円形の環状形状）を有し、一致する縁部を有する同心円状の環状の列を形成し得る。その結果、複数のダクト２１４は、それによって比較的コンパクトになり、それによって製造コストを低減し、性能を向上させ得る。例えば、半径方向内側の空間３１２Ｄに形成された第１のダクトは、半径方向内側の空間３１２Ａに形成された第２のダクトとダクト壁２２０Ａを共有し得、第２のダクトは、半径方向内側の空間３１２Ｂに形成された第３のダクトとダクト壁２２０Ｂを共有し得る。
［００１９５］ 複数の管３０２の各管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、３０２Ｄは、複数の管３０２の複数の接合端部に対向する複数の管３０２の複数の自由端部を画定するために、自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃ、３１４Ｄの対応する（それぞれの）自由端部、及び対応し且つ対向する接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、３１６Ｄから概して長手方向に延伸している。
［００１９６］ 複数の管３０２のうち半径方向最内側の管３０２Ｃは、複数のダクト２１４のうち半径方向最内側のダクトと内側キャビティ２４０とを少なくとも部分的に画定してもよく、シャフト１１０は、複数の管３０２と同軸に配置されてもよい。同様に、半径方向最外側の管３１０は、複数のダクト２１４の半径方向最外側のダクトを少なくとも部分的に画定し得る。このように、複数のダクト２１４は、半径方向最外側の管３１０と半径方向最内側の管３０２Ｃとの間に配置されている。半径方向最外側ダクトと半径方向最内側ダクトとの間の半径方向の隔たりは、部分的に流体のための貫流領域を画定する。支持構造２３０のハウジング部分を形成する（共通の）ハウジングは、複数の管３０２を取り囲むように半径方向最外側の管３１０を円周方向に取り囲む。
［００１９７］ いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンからの漏れを介して失われるエネルギーを防止又は低減するために、流路が確立されてもよい。例えば、流体は、半径方向最外側の管３１０とハウジング部分との間に形成されたキャビティにおいて、半径方向最外側の管３１０の半径方向内側から支持構造２３０のハウジング部分内の外側に漏れるか又は逃げ得る。流体は、キャビティを流下して軸流ステータ２２６に接触し、軸流ロータ２２８を横切って方向転換され、入口端部２０２の近位にある隙間から漏れた流体から動力を取り出すことができる。
［００１９８］ 各ブレードアセンブリは、長手方向軸１０２の周りに回転可能に配置された対応する複数のブレード２２２Ａ（又は２２２Ｂ、２２２Ｃ）を含み得る。本明細書で言及されるように、複数のブレード２２２は、対応する複数のブレード２２２Ａ（又は２２２Ｂ、２２２Ｃ）のうちの１以上を指し得る。様々な実施形態において、複数の管３０２は、少なくとも又は多くとも４つの管を含み得る。いくつかの実施形態では、少なくとも又は多くとも３つの管が、それに関連するブレードアセンブリを有してもよく、例えば、３つの管が、その上に付加的に増大したブレードを有してもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２のうちの１つを除くすべてが、その上に増大したブレードを有し得る。
［００１９９］ 複数のブレードアセンブリに関連する複数のブレード２２２は、複数のダクト２１４内、例えばその下流端部に配置される。複数のブレード２２２は、対応するダクト壁２２０（２２０Ａ、２２０Ｂ、及び／又は２２０Ｃ）から長手方向軸１０２に対して半径方向に延びている。いくつかの実施形態では、各ダクトは、そのダクト壁のうちの１つのみ、例えば、半径方向外側のダクト壁又は半径方向内側のダクト壁から延びるブレードを有し得る。いくつかの実施形態では、ブレードは、両方の壁から、例えば交互に延びていてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、半径方向外側のダクト壁は、そこから延びるブレードを有していなくてもよく、いくつかの実施形態では、半径方向内側の管は、そこから延びるブレードを有していなくてもよい。
［００２００］ 複数のブレード２２２は、例えば締結具及び／又はスロット付きコネクタを使用して、ダクト壁と共回転するようにダクト壁と一体的に形成し得る。いくつかの実施形態では、複数のブレード２２２は、関連するダクト壁２２０と一体構造であってもよい（すなわち、各ダクト壁は、関連するブレードと一体構造である）。例えば、複数のブレード２２２は、複数の管３０２上で付加的に製造されてもよい。したがって、複数のブレード２２２は、複数の管３０２又はダクト壁２２０とともに回転するように必然的に強制される場合がある（共回転又は共通回転）。いくつかの実施形態では、各ダクトは、その中に配置された少なくとも１つのブレードアセンブリを有する場合がある。
［００２０１］ 複数の管３０２は、ハイブリッド境界層ターボマシンの組み合わせロータ又はハイブリッドロータと見なされ得る。
［００２０２］例えば、管は、ハイブリッド境界層ターボマシンロータと見られ得て、境界層タービンの接着面又は摩擦面の一部分は、効率が向上したハイブリッドロータを形成するためにブレードを備え、同心円状に隣接する管は、ブレードの周りの円周方向への隔壁形成のために依存される。したがって、ブレードは、半径方向に延びる（かつ周方向に分離した）流路、例えば流路３０８を画定するダクト内に障害物を形成し得る。
［００２０３］ 例えば、管は、効率を高めるための接着面を形成し、かつ同心円状に隣接する管の側板（隔壁）として機能するように構成された長手方向に延伸する（かつ半径方向に拡大された）ハブを有するターボマシンのブレードロータと見られ得る。
［００２０４］ 複数のブレード２２２は、接着部において流体からエネルギーが抽出された後に、流体から追加エネルギーを抽出するように構成されてもよい。
［００２０５］ 図４は、軸方向ステージ２２４及びヘッダーブロック２１０に結合された複数の管３０２の概略分解斜視図である。様々な構成要素を通る流体１１２の経路が、複数の管３０２及び軸流ロータ２２８の回転方向（両頭矢印付き）と共に概略的に示されている。静止した構成部品は、双線で示されている。シャフト１１０は、明瞭さのために図示されていないが、図６の構成部品の中央開口部内に長手方向軸１０２と同軸に配置されている。
［００２０６］ 流体１１２は、１つ以上の流れ入口２１２、例えば３つの流れ入口２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃを介して、境界層ターボマシン１００の接着部又はロータ部に入る。本明細書で言及されるように、流れ入口は、外側の位置（例えば、入口ポート１１４）から接着部又はロータ部分まで延び得る。様々な実施形態において、流れ入口２１２Ａ（及び／又は２１２Ｂ、２１２Ｃ）は、複数のロータ３００の回転を強制するために、長手方向１０６に対して法線方向又は側方に向けられた流体１１２のジェットを噴射するためのノズル端部を有し得る。各ダクト、すなわち複数の管３０２の各管は、流体のそのような方位角方向に配向されたジェットに露出していてもよい。
［００２０７］ 前述したように、軸方向ステージ２２４は、接着部の下流に配置され、軸流ステータ２２６及び軸流ロータ２２８を含む軸流タービンステージであってもよい。軸方向ステージ２２４は、（長手方向１０６内の）長手方向軸１０２に対して概ね平行に配向された流体を受容し、長手方向軸１０２に対して概ね平行に配向された流体を排出するように適合され得る。様々な実施形態において、軸流ステージ２２４は、軸流ステータ２２６及び軸流ロータ２２８の構成によって、衝動タービン又はリアクションタービンであってもよい。軸流タービンは、流体から残留エネルギーを抽出するように適合させ得る。
［００２０８］ 様々な実施形態において、ブレード及び羽根は、流体のタイプ及び関連する熱力学的条件（圧力、温度、速度、及び密度など）に最適になるように構成／変更されてもよく、例えば、超臨界ＣＯ２は、Ｒ１３４Ａとは異なるように扱われてもよい。
［００２０９］ 軸流ステータ２２６は、長手方向軸１０２に沿って複数のロータ３００と軸方向に整列されたガイド羽根を備えた羽根付きステータであってもよい。羽根付きステータは、軸流ステータ２２６がシャフト１１０を介して複数のロータに結合されるコア４１０を画定する環状形状であってもよい。羽根付きステータは、実質的に軸方向に向けられた前縁（対向流及び／又は複数のブレード２２２に最も近い縁）を有する複数のガイド羽根を含んでいてもよい。様々な実施形態において、軸流ロータ２２８は、羽根付きステータと軸方向に整列し、複数のガイド羽根から流れを受けるように羽根付きステータの下流に配置された羽根付きロータであってもよい。ブレードロータのブレードは、実質的に軸方向に向いた後縁を有し得る。
［００２１０］ いくつかの実施形態では、羽根付きステータ及び／又はロータは、複数のダクト２１４のうちの１つ以上のダクトを横切って半径方向に延在してよい。いくつかの実施形態では、これらは、構造的支持のためにシャフトに広がってもよい。
［００２１１］ 図５Ａは、ヘッダーブロック２１０に結合された複数の管３０２の上面図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２１２］ 図５Ｂは、図５Ａにおける領域５Ｂ－１及び５Ｂ－２の拡大図である。
［００２１３］ 図５Ｃは、図５Ａの領域５Ｃの拡大図である。
［００２１４］ ノズル５１０Ａ及びノズル５１０Ｂを含む複数のノズル５１０が、支持構造２３０に一体化されてもよい。様々な実施形態において、複数のノズル５１０は、複数のダクト２１４を通って出口端２０４に流体を運ぶために、その周囲に円周状に分布する。いくつかの実施形態では、複数のノズル５１０は、長手方向軸１０２の周りに均一に分布した、すなわち、隣接するノズル間に６０度の方位角度を形成する６つのノズルを含み得る。いくつかの実施形態では、ノズル５１０Ａは、約０．３インチであってよい。
［００２１５］ いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００は、４８インチより大きい直径を有してよく、管当たり４０個のノズルを含んでよい。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００は、２インチ未満の直径を有してよく、管当たり単一のノズルのみを有してよい。
［００２１６］ 複数のノズル５１０は、入口端部２０２に配置された１つ以上の流れ入り口２１２の一部を形成してもよい。例えば、ノズル５１０Ａ、５１０Ｂは、それぞれの流れ入り口２１２Ａ、２１２Ｂと一体化されてもよい。１つ以上の流れ入り口２１２は、複数のノズル（又は１つ以上の複数のノズル）を介して、複数のダクト２１４に流体を引き込むように構成されてもよい。
［００２１７］ 複数のノズルは、ダクト内に流体噴流を噴出させるために、ダクトの上流端部２１６辺りに周方向に分布していてもよい。いくつかの実施形態では、そのようなことは、複数のダクト２１４の全てのダクトについてそうであってもよく、すなわち、各々が対応する複数のノズル（これらは全体として複数のノズルとも呼ばれ得る）を有してもよい。複数のノズルは、周方向に間隔を空けて配置され、流体噴流間の流れの相互作用を低減するように配向されてもよい。上述したように、様々な実施形態において、複数のノズルは、周方向に等間隔に配置されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、６つのノズル（又は８つのノズル）は、隣接するノズル間の長手方向軸１０２の周りの角度が実質的に６０度（又はそれぞれ４５度）となるように、ダクトの上流端部２１６に対応する管の長手方向端部の周りに周方向に分布してよい。いくつかの実施形態において、このような分布は、特に、互いに衝突する噴流の交差によって生じ得る乱流を緩和し得る。
［００２１８］ 複数のノズルは、流体ジェットを、概して、又は少なくとも部分的に、出口端２０４に向かって長手方向軸１０２の周りに方位角的に噴出するように適合され得る。様々な実施形態において、ノズルは、そこから流体ジェットを発行するように適合された構造を含んでもよい。例えば、ノズル５１０は、そこから流体を通すためのポートを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ノズル５１０は、矩形スロットを含んでもよい。
［００２１９］ 複数のノズルは、流体の速度及び流れを制御するために様々な開口サイズを含んでよく、複数の管３０２の各管に固有であってよい。例えば、いくつかの実施形態では、入口流体速度を複数の管３０２の表面速度に確実に一致させ、複数の管３０２の管の回転速度を同期させるために、比較的大きな外径の管は、流体速度及び質量流量を増加させるために、より小さな開口部を有するより多くのノズルを備え、一方で、より小さな外径の管（すなわち、より小さな外径を有する管）は、より大きな開口部を有するより少ないノズルを備え得る。このように、最大１００本以上の管を同期させて、各管が所定の共通シャフト回転数でトルクに寄与するようにしてもよい。例えば、管の表面速度は、角速度と半径の積にほぼ等しいため、２０，０００ＲＰＭ（約６６６．６６ＴＴ ｒａｄ／ｓ又は２１００ｒａｄ／ｓ）で回転する外径８インチ（半径１／３’）の管は約７００ｆｔ／ｓｅｃの関連表面速度を有し、直径４インチ（半径１／３’）の管は約３５０ｆｔ／ｓｅｃの関連表面速度を有する。管の本数が増え、及び／又は、内管と外管の直径の差が大きくなると、このような表面速度の差は著しく大きくなり、例えば４８インチ管（２０，０００ＲＰＭで回転）の表面速度は約４２００ｆｔ／ｓｅｃとなる。複数の調整可能／適応ノズルの構成は、管の同期を可能にする。
［００２２０］ 各ノズルの出口面は、方位角方向１０４と対応する出口角度５２０を形成し得る。様々な実施形態において、この対応する出口角度５２０は、実質的に０度、又は０度と５度との間、０度と１０度との間、若しくは０度と２０度の間で変化してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、複数のノズルは、方位角方向１０４の３０度以内、１０度以内、又は５度以内に整列され、すなわち、出口角度５２０は、それぞれ、１０度未満又は５度未満であってよい。いくつかの実施形態では、出口角５２０は２０度を超えてもよい。
［００２２１］ 流体１１２が入口端部２０２から出口端２０４へ流れる時に、流体１１２は方向を変え、長手方向１０６とより整列する。様々な実施形態において、角度５４０は、長手方向１０６の０°と１０°との間であってよい。いくつかの実施形態では、流体１１２は、複数のブレード２２２に到達するまで、複数のダクト２１４の周りをスパイラル状に流れる（例えば、長手方向軸１０２の周りの概ねヘリカル状の流路をたどる）。
［００２２２］ 出口角度５２０は、エネルギー抽出を少なくとも部分的に決定し得る。出口角度５２０が大きいと、（接着部分における）滞留時間が短くなり、流路が短くなり、及び／又は複数のダクト２１４を通るほぼスパイラル状の流路のピッチが大きくなり得る。流体中の総エネルギー降下は、減少し得る。
［００２２３］ 様々な実施形態において、出口角度５２０は、流体が、そのエネルギーが閾値の大きさを下回る前に複数のブレード２２２に到達するように適合されてもよく、例えば、複数のブレード２２２に近接する流体の運動エネルギーは、流体からのエネルギー抽出を維持するために、又は流体のポンピングによる対応する管によるエネルギー消費を防止するために、十分に高いレベルに維持されてもよい。
［００２２４］ 下流端部２１８における流体１１２は、入口端部２０２における流体１１２と比較して、長手方向軸１０２に対して相対的により整列していてもよい。いくつかの実施形態では、下流端部２１８における方位角偏差５３０は、出口角５２０よりも２０度より小さい場合がある。いくつかの実施形態では、方位角偏差５３０は、１０度と３０度との間であってよい。
［００２２５］ 様々な実施形態において、流体は、ノズルから出る前は超臨界状態及び／又は多相であってよく、ノズルから出た後はそうでなくなる、すなわち超臨界状態及び多相のいずれか一方又は両方であってよい。いくつかの実施形態では、流体は、ノズルから出た後に超臨界及び／又は多相であり、複数のブレード２２２又はその下流、例えば軸流ステータ２２６において、超臨界及び／又は多相でなくなり得る。このような相の変化は、複数のダクト２１４の流路長及び／又は長手方向の長さ（複数可）に依存する場合がある。
［００２２６］複数のダクト２１４の長手方向長さ（長手方向軸１０２に沿った長さ）は、実質的に同様であってよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４の長手方向の長さは異なっていてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、半径方向外側に移動する連続するダクトは、増加する長手方向長さを有してもよく、いくつかの実施形態では、減少する長手方向長さを有してもよい。
［００２２７］ 様々な実施形態において、複数のダクト２１４のそのような長手方向長さは、流体の方位角偏差を、例えばせいぜい１０度又は２０度に制限し、複数のブレード２２２によって受け取られる流れの乱流レベルを制御し、複数のブレード２２２の直ぐ上流で十分な流体速度を維持し（ポンピング挙動を防止し）、ロータ同期を支持し、正のトルク生成を促し、及び／又は（流れの停滞又は反転によるような）失速状態を防止するように適合され得る。いくつかの実施形態では、流体の方位角偏差は、せいぜい１０度又は２０度に制限され得る。例えば、乱流のレベルは、高くするよりもむしろ低くすることが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００の回転数は、複数のダクト２１４の上流、内部、及び下流の乱流特性によって少なくとも部分的に決定される。
［００２２８］ 各ブレードアセンブリの複数のブレード２２２は、長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に方位角方向に向けられた流体を受けるように適合され得る。各ブレードは、一般に根元から先端まで変化し、前縁５５２Ａ及び後縁５５２Ｂを画定するブレードプロファイル５５０を有してもよい。例えば、複数のブレード２２２の前縁は、ダクトに沿った流体１１２の方位角偏差５３０に合わせられ又は調整され、それとの実質的な調整の中で流体１１２を受ける。それにより、流体１１２は、シャフト１１０を回転駆動するために、長手方向軸１０２を中心とする回転を複数のブレード２２２に与え得る。
［００２２９］ 複数のブレード２２２は、その下流端部、すなわち出口端部２０４において、流体１１２を長手方向軸１０２に対して概ね平行に方向転換させる。例えば、後縁は長手方向軸１０２と概ね整列していてもよい。
［００２３０］ 例えば、様々な実施形態において、方位角ギャップ５８０、５８２は、約０．３５インチ、又はそれ以下、又はそれ以上であってよい。
［００２３１］ 図６Ａは、図２の領域６Ａの拡大図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２３２］ 図６Ｂは、図２の領域６Ｂの拡大図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２３３］ 図６Ｃは、図２の領域６Ｃの拡大図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２３４］ 前と同様に、流体１１２は矢印によって示されている。参照数字は名良性のため省略されている。
［００２３５］ 様々な実施形態において、複数のダクト２１４は、上流部分６１０と下流部分６１２との間に配置された中間部分６１４を含んでもよく、例えば、各ダクトは、したがって、対応する部分：上流部分６１０Ａ、６１０Ｂ、又は６１０Ｃのうちの１つ、下流部分６１２Ａ、６１２Ｂ、又は６１２Ｃ、及び中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃを有してもよい。中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃは、対応する半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、又は６５８Ｃを有し得る。
［００２３６］ いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、実質的に自由であるか、又はそれらの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃ、３１４Ｄにおいて油圧で支持されてもよく、例えば、自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃは、自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃを保持するための別個の構造体（支持構造体２３０）に形成された開放キャビティ内を循環する加圧流体を介して支持されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、例えば、共通の回転のためにロックされるように、ジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、３１６Ｄにおいてエンドプレート２３２と締結又はジョイントされてもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、複数の管３０２を貫通する締結具を介して互いに締結されてもよい。
［００２３７］ 上流部分６１０及び下流部分６１２の各々は、中間部分６１４の比較的狭い断面（６５８Ａ、６５８Ｂ、６５８Ｃ）を画定するため、例えば中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃへの回転の付与を強化するために、対応する上流部分６１０Ａ及び下流部分６１２Ａにおけるそれぞれの断面６５０Ａ及び６５２Ａのようなそれぞれの大きい断面から、中間部分６１４に向かって、概して断面形状的にテーパ形状になっていてもよい。
［００２３８］ 様々な実施形態において、半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、６５８Ｃによって画定される断面は、それぞれ半径方向に０．１インチ又は０．０５インチより大きく伸びてよい。いくつかの実施形態では、半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、６５８Ｃによって画定される断面は、各々、半径方向に１インチ以上延びてよい。複数のダクト２１４の半径方向幅は、全て同じでなくてもよく、ノズルの数、複数の管３０２の数、半径方向最内側の管の内径、及び半径方向最外側の管の外径によって変化してもよい。例えば、タービンの実施形態では、半径方向の幅は、ロータが同期し、複数の管３０２の各管から生成されるトルクが正のままであること、すなわち、境界層ターボマシン１００による流体ポンプが存在しないこと（タービンの実施形態の場合）を保証するために変化してもよい。半径方向の幅は、ダクトの長手方向の長さに沿って変化してもよく、例えば、ダクトは、それによって、所望の流体力学的挙動を達成するために中間部分において成形されてもよい。
［００２３９］ いくつかの実施形態では、上流部分６１０は、１つ以上の流れ入口２１２を収容するために、より大きな断面、例えば、より大きな断面６５０Ａを有してもよい。上流部分６１０は、複数のダクト２１４の各々の上流端部２１６において、ノズルを介して流体噴流を受けるように断面が合わされていてもよい。いくつかの実施形態では、断面６５０Ａは、半径方向に０．３インチ延びていてもよい。様々な実施形態において、上流部分６１０自体は、長手方向に約０．５インチ延びていてもよい。
［００２４０］ １つ以上の流れ入口２１２の断面（流出方向に対して側方）のサイズは、製造可能性又はコストの考慮のために最小サイズに制限されてもよい。様々な実施形態において、複数のロータ３００のより効率的な駆動をもたらす複数のダクト２１４の各々の半径方向幅は、１つ以上の流れ入口２１２のサイズを示す最大半径方向幅よりも小さくてもよい。例えば、ある流動体制では、複数のダクト２１４内の流路半径方向幅に対する境界層厚さの比は、より効率的な駆動のために大きくてもよい。様々な実施形態において、出口端部２０４又は下流端部２１８に向いた、断面６５０Ａからより低い半径方向幅に向かって半径方向幅のテーパ６５４Ａは、１つ以上の流れ入口２１２のより大きなサイズに収容しながらも、複数のロータ３００の駆動の効率を増加させ得る。また、テーパ６５４Ａは、流体の流れ（流体１１２）を加速及び／又は圧縮してもよく、これにより、複数のロータ３００の駆動効率を高め得る。様々な実施形態において、テーパ６５４Ａは、望ましくない流れ状態の形成を防止するため、又は複数のロータ３００の駆動効率を高めるための適切な状態を促すために、（図示のように）緩やか又は比較的滑らかであってもよい。様々な実施形態において、テーパ６５４Ａは、図３Ａに示唆されるように、長手方向軸１０２に関して軸対称であってもよい。
［００２４１］ 同様に、下流部分６１２は、複数のブレード２２２を収容するために、より大きな断面、例えば、より大きな断面６５２Ａを有してもよい。下流部分６１２は、複数のダクト２１４の下流端部２１８において複数のブレード２２２によって画定される流路３０８と断面的に部分的に相補的であってもよい。いくつかの実施形態では、断面６５２Ａは、半径方向に０．２３０インチ延在してよい。様々な実施形態において、下流部分６１２自体は、１インチから１．５インチの間で長手方向に延びてよい。
［００２４２］ 様々な実施形態において、複数のブレード２２２の半径方向幅は、上述した複数のダクト２１４の効率的な半径方向幅に対して大きくてもよい。複数のブレード２２２のより大きな半径方向幅は、複数のロータ３００の駆動のために複数のブレード２２２に効率又は他の利点を与え得る。様々な実施形態において、入口端部２０２又は上流端部２１６に向けられた、断面６５２Ａからより低い半径方向幅に向かう半径方向幅のテーパ６５６Ａは、より大きなサイズの複数のブレード２２２を収容しながらも、複数のロータ３００の駆動の効率を増加させ得る。また、テーパ６５６Ａは、流体の流れ（流体１１２）を減速、拡散、膨張、又は加圧することがあり、これにより、複数のロータ３００及び複数のブレード２２２の駆動効率を高めることもある。様々な実施形態において、テーパ６５６Ａは、望ましくない流れ状態の形成を防止し又は複数のロータ３００の駆動効率を高めるための適切な条件を促すために、（図示のように）緩やか又は比較的滑らかであってもよい。例えば、急激な膨張は、流れの剥離及び分離気泡の形成につながり得ることが知られている。様々な実施形態において、テーパ６５６Ａは、図３Ａに示唆されているように、長手方向軸１０２に関して軸対称であってもよい。
［００２４３］ 中間部分６１４は、上流部分６１０と下流部分６１２との間に画定されてもよい。
［００２４４］ 支持構造２３０は、複数の管３０２の対応する自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃを受けるように構成された１つ以上又は複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃを含み得る。様々な実施形態において、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、０．５８０インチの長手方向の深さを有してもよく、約０．１０インチの半径方向の厚さを有する複数の管３０２の舌片を受けるように構成されてもよい。スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、流体１１２と流体連通していてもよい。同様に、複数の管３０２の反対側の端部は、複数の管３０２の接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、３１６Ｄから実質的に片持ち梁状であってもよい。複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃの長手方向の深さ及び半径方向の厚さは、管の材料剛性に依存してもよく、金属対金属（又は材料対材料）の接触を防止するように構成されてもよい。
［００２４５］ 支持構造２３０は、流体１１２を複数のノズル及び複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃに供給するために、例えば、ヘッダーブロック２１０を通って曲がりくねった１つ以上の入口チャネルを含んでもよい。
［００２４６］ 様々な実施形態において、複数のダクト２１４は、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃを介して互いに流体連通していてもよい。内部キャビティ２４０は、複数のダクト２１４と流体連通していてもよい。いくつかの実施形態では、スロットは、流体との流体連通を確立するために、内側キャビティ２４０又は複数のダクト２１４のダクトのうちの少なくとも１つに開口する。
［００２４７］ スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、複数の自由端部からのクリアランスを維持するように、例えば、自由端部３１４Ａがその中に受容されたときに、自由端部３１４Ａとスロット６２０Ａとの間のクリアランス６３０を維持することによって、寸法決めされ得る。したがって、クリアランス６３０のようなクリアランスを維持することによって、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃに対する複数の管３０２の回転を可能にするように適合され得る。例えば、様々な実施形態において、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃはそれぞれ、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃのそれぞれのスロットのそれぞれの半径方向端部に約０．０２インチのクリアランスを維持してもよい。様々な実施形態において、６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃの各々は、０．１４０インチ、又は０．００１インチから０．２５０インチの間の半径方向幅を有してもよい。いくつかの実施形態において、過度に大きな半径方向の深さは、ダクトからスロット内又はスロット近傍の（循環する）流れへの流体の再指向を引き起こす可能性があり、それによって、漏れ及び効率の損失をもたらす。いくつかの実施形態では、過度に小さい半径方向の深さは、スロット（壁）と複数の管３０２のうちの１つ以上の管との間の物理的接触を促すか又は引き起こす可能性がある。いくつかの実施形態では、長手方向及び半径方向の深さは、スロットごとに異なっていてもよいことに留意されたい。
［００２４８］ 流体１１２の潤滑膜は、各対応する（それぞれの）管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃと、その対応するスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃとの間に、例えばクリアランス６３０のようなクリアランスにおいて維持され得る。潤滑膜は、各管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃをその対応するスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃ内で少なくとも部分的に（回転可能に）支持し、その間の摺動摩擦（接触）を実質的に防止し得る。いくつかの実施形態では、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃ内のクリアランスは、複数の管３０２が、複数のダクト２１４を介して、流体１１２を複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃ内に引き込んで、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃとそれらの対応するスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃとの間の潤滑を維持するために複数の管３０２が回転しているときに、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃの内部に比較的低い圧力ゾーンを生成するように適応し得る。いくつかの実施形態では、流体が充填されたスロットは、流体軸受のような挙動を提供し得る。
［００２４９］ 様々な実施形態において、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの長手方向円筒状（環状）縁部上をスリーブにするように構成された実質的に環状のスロットである。様々な実施形態において、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、一体成型されていてもよい。
［００２５０］ エンドプレート２３２は、複数の管３０２の管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０に、管のジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄの対応するジョイント端部で結合されて、例えば実質的に自由に、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０をジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄから片持ちし得る。エンドプレート２３２は、一体成型であってもよい。様々な実施形態において、片持ち梁とは、片持ち梁効果を可能にするために、一方の端部が固定され、他方の端部が実質的に非固定であり得ることを指す。
［００２５１］ 様々な実施形態において、エンドプレート２３２は、長手方向軸１０２に沿って接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄのそれぞれの接合端部と螺合で係合することによって、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０に結合される。
［００２５２］ 例えば、ジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄは、相補的な締結具と螺合で係合するようにねじ切り又はタップ加工されていてもよい。接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄは、タップ付き溝又はねじ切り延長部などの１つ以上の個別の締結部分を有し得て、これらの締結部分は、接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄにおいて管の円周上に分布し得る。
［００２５３］ いくつかの実施形態では、ジョイントは、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０のジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄの周りに円周方向に延在する締結部分を有する。例えば、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０は、接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄでねじ切りされるか、又は接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄが全体としてねじ可能に係合して管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０をエンドプレート２３２と結合するように（内部で）タップ加工される。
［００２５４］ いくつかの実施形態では、ジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄは、エンドプレート２３２から延びる相補的なねじ付き締結部分を受けるように構成され得る、円周方向に延びる内部ねじ付き環状溝を有し得る。様々な実施形態において、この相補的ねじ締結部分は、エンドプレート２３２と一体的に形成されるか、又は一体構造であってもよく、あるいは、エンドプレート２３２及び管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０と同時に係合するための別個の結合部品であってもよい。
［００２５５］ 例えば、別個の結合部品は、エンドプレート２３２を介して管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０と係合するように構成されたねじ付き締結具であってもよい。このような結合部品の一例は、エンドプレート２３２のクリアランス孔を通過して、管の結合端部において、クリアランス孔と軸方向に整列及び隣接するねじ穴に螺合することによって、エンドプレート２３２と管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０とを結合するキャップねじである。様々な実施形態において、複数の管３０２の各管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０は、エンドプレート２３２にそうように（例えば、独立して又は別個に）結合されてもよい。
［００２５６］ いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、エンドプレート２３２の回転ヘッドへの圧入であってもよく、例えば、そこに別のコンポーネントを嵌め込むことができるように、１つのコンポーネントの熱膨張によって製造される。いくつかの実施形態では、このような構成は、より安価で、より頑丈であるかもしれないが、容易に分解できないかもしれない。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、エンドプレート２３２と螺合可能に係合するように構成された長手方向縁部を有し得る。例えば、長手方向縁部は、ねじ切りされていてもよいし、タップ加工された円周方向に延びるスロットを含んでいてもよい。
［００２５７］ 上述の議論は、管３０２Ａ及びそこに形成されたダクトに焦点を当てたが、同様の議論は、他の管及びそこに形成されたダクトにも及ぶことが理解される。
［００２５８］ 複数のダクト２１４の半径方向幅のある分布に対して、半径方向外側ダクトは、流体を向こう側にポンピングするために半径方向内側ダクトによって消費される電力を生成し得ることが見出された。いくつかの実施形態では、複数のダクト壁２２０によって画定される半径方向最内側ダクト壁６６０Ａは、複数のダクト壁２２０によって画定される半径方向最外側ダクト壁６６０Ｂに対して半径方向に寸法決めされる。このような寸法決めは、複数のロータ３００によって生成されるシャフト動力を使用して、複数のダクト２１４の１つ以上を通る流体１１２のポンピングを防止するように構成される。
［００２５９］ 様々な実施形態において、半径方向最内側ダクト６６０Ａは、第１の所定半径よりも大きく、及び／又は半径方向最外側ダクト６６０Ｂは、第１の所定半径よりも大きい第２の所定半径よりも小さい。様々な実施形態において、中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃの（個々の）半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、又は６５８Ｃは、それぞれ異なっていてもよく、変化してもよい。例えば、境界層ターボマシン１００のタービン実施形態に対して、半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、又は６５８Ｃは、複数のダクト２１４のうちの１つ又はすべてにおけるポンピングを防止又は緩和するように構成され得る。
［００２６０］ 様々な実施形態において、支持構造２３０のハウジング部分６７０は、複数の管３０２を円周方向に取り囲む。いくつかの実施形態では、ハウジング部分６７０は、複数のダクト２１４内の流体の加圧を維持するように構成される。様々な実施形態において、ハウジング部分は、圧力を調整するためのレギュレータバルブのための開口部を含んでよい。
［００２６１］ 図７から図１１は、計算流体力学の結果を示す。
［００２６２］ 図７は、計算流体力学を用いて計算された、例示的な境界層ターボマシン１００の複数のダクト２１４の例示的なダクト内の速度等高線及び流線（velocity contours and streamlines）の斜視図である。
［００２６３］ 図８は、計算流体力学を用いて計算された、例示的なダクト内の圧力等高線の斜視図である。
［００２６４］ 図９は、計算流体力学を使用して計算された例示的なダクト内の温度コンターの斜視図である。
［００２６５］ ダクトは、半径方向最外側の管７００Ａ、半径方向最内側の管７００Ｃ、及び半径方向中間の管７００Ｂの上に形成されている。
［００２６６］ 流れは、複数のブレードに向かって流れるにつれて管の周囲をスパイラル状に流れ、その途中で温度と圧力が低下する。半径方向内側の管は、概して、半径方向外側の管よりも高い圧力、遅い速度、及び／又は低い温度であり得る。
［００２６７］ 図１０Ａは、例示的なダクトの１つにおける、数値流体力学を用いて計算された速度等高線及び流線の拡大斜視図である。
［００２６８］ 図１０Ｂは、計算流体力学を用いて計算された、例示的なダクト内の圧力等高線の拡大斜視図である。
［００２６９］ 図１０Ｃは、計算流体力学を用いて計算された、例示的なダクト内の温度等高線の拡大斜視図である。
［００２７０］ 例示的なダクトは、複数の管３０２のうちの管１０００上に形成されている。拡大図は、複数の羽根の周りの流れの状態を示している。特に、複数の羽根は流線を受けるように適応している。
［００２７１］ 図１１は、数値流体力学を用いて計算された、境界層ターボマシン１００の例示的なノズル１１００の外側における速度流線の斜視図である。ノズルから出る流体ジェットは、方位角的に整列されることがある。
［００２７２］ 図１２は、実施形態による、発電システム１２００の概略ブロック図である。
［００２７３］ 図１２において、太い中空の矢印は、エネルギーの一般的な移送を示し、実線の矢印は、流体の流れ（これは、一般的にエネルギーの移送も含み得る）を示し、破線は、いくつかの実施形態では存在しないことがある流れ及び構成要素を表し得る。
［００２７４］ いくつかの実施形態では、システム１２００は、ランキンパワーサイクル（Rankine power cycle）及び／又はブレイトンパワーサイクル（Brayton power cycle）に類似しているか又は基づいていてもよい。
［００２７５］ システム１２００は、作動流体からエネルギーを抽出するための境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４と、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４における後続のエネルギー抽出を可能にするために作動流体を再生するための再生サブシステム１２０２とを含み得る。
［００２７６］ いくつかの実施形態において、二次サブシステム１２０３は、システム１２００において段階的熱伝達をもたらすために再生サブシステム１２０２に結合されてもよく、例えば、二次サブシステム１２０３は、再生サブシステム１２０２及び境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４とは異なる作動流体を利用してもよい。
［００２７７］ 二次サブシステム１２０３は、それぞれ、二次熱入力１２１１及び二次熱出力１２０９を使用して、再生サブシステム１２０２に熱を提供しかつ熱を受け取得る。二次熱入力１２１１及び二次熱出力１２０９はそれぞれ、別個の、又は同じ、中間エネルギー貯蔵媒体（流体又は固体）であってもよい。
［００２７８］ 境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４及び再生サブシステム１２０２は、フィードバックのために互いに結合されてもよい。様々な実施形態において、二次サブシステム１２０３は、再生サブシステム１２０２に結合されてもよい。
［００２７９］ 流体は、再生サブシステム１２０２からより高い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより高いエネルギーの流体）として位置Ａ－１２において境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４に入り、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４からより低い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより低いエネルギーの流体）として再生サブシステム１２０２に入ってもよい。
［００２８０］ いくつかの実施形態では、Ａ－１２及びＢ－１２における作動流体は、第２の流体であってよく、この第２の流体は、例えば、第１の流体を第２の流体から隔離する熱交換器を使用して、第１の流体を使用して二次サブシステム１２０３において加熱されてよい（逆も同様である）。第２の流体は、二次サブシステム１２０３からより高い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより高いエネルギーの流体）として位置Ｃ－１２で再生サブシステム１２０２に入り、再生サブシステム１２０３からより低い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより低いエネルギーの流体）として位置Ｄ－１２で二次サブシステム１２０３に入り得る。
［００２８１］ 様々な実施形態において、位置Ａ－１２における（第２の）作動流体は、蒸気又は多相であってよい。いくつかの実施形態では、位置Ａ－１２における作動流体は過熱蒸気であってよい。
［００２８２］ 境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４において抽出されたエネルギーは、動力出力１２６０として供給されてもよい。いくつかの実施形態では、動力出力１２６０はシャフト動力であってもよい。
［００２８３］ いくつかの実施形態では、電力出力１２６０は、電気出力１２８０を生成するために発電機１２７０を駆動するために、発電機１２７０において使用され得る。
［００２８４］ 様々な実施形態において、発電機１２７０は、いくつかのケースではかなりの廃熱を生成し得る。例えば、交流（ＡＣ）発電機は、内部抵抗、ヒステリシス損失、摩擦及び抗力による機械的損失に起因して廃熱（又は熱損失）を生成し得る。いくつかの実施形態では、生成された廃熱は、発電機の効率損失を実質的に表す場合がある。例えば、発電機１２７０が５０％の効率で動作する場合、発電機１２７０に入力されるエネルギーの実質的に４０～５０％が廃熱として失われ得る。
［００２８５］ いくつかの実施形態では、システム全体の効率を改善し、発電機１２７０の性能を向上させるために廃熱を使用することを含めて、発電機１２７０を冷却し及び／又は作動流体を予熱するために、作動流体を発電機１２７０に供給してもよい。
［００２８６］ 境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、作動流体からエネルギーを抽出するための１つ以上の境界層タービン１２３０を含んでもよい。境界層タービン１２３０は、境界層ターボマシン１００の１つ以上の実施形態を含んでもよい。いくつかの実施形態では、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、１つ以上のブレードタービン（複数可）１２３４、及び／又はステータ１２３６を含み得る。例えば、軸方向ステージ２２４は、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４に含まれてもよい。
［００２８７］ いくつかの実施形態では、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、作動流体を凝縮させるか、又はそこからエネルギーを抽出することによって作動流体を少なくとも部分的に凝縮させてもよい。例えば、位置Ｂ－１２における作動流体は、液体及び／又は多相であってもよい。いくつかの実施形態において、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、多相作動流体を受け入れてもよく、液相においてより高い質量分率を有する多相作動流体を生成してもよい。いくつかの実施形態において、位置Ａ－１２における作動流体の蒸気品質は、位置Ｂ－１２における作動流体の蒸気品質よりも高くてもよい。
［００２８８］ 再生サブシステム１２０２は、熱交換器１２２０、コンプレッサ１２２２、液体ポンプ１２２４、及び／又は凝縮器１２２６を含んでもよい。
［００２８９］ 再生サブシステム１２０２は、熱入力１２１０を受け取ってもよい。様々な実施形態において、熱入力１２１０は、燃焼及び／又は酸化によって生成された熱であってよい。いくつかの実施形態では、熱入力１２１０は、工業プロセスからの廃熱であってもよい。
［００２９０］ いくつかの実施形態では、熱入力１２１０は、熱交換器１２２０を介して作動流体を加熱するよう使用されてもよい。いくつかの実施形態において、熱交換器１２２０は、シェル＆チューブ式熱交換器を含んでもよい。いくつかの実施形態において、熱交換器１２２０は、炉を含んでもよい。作動流体を加熱することにより、その温度及び／又は圧力を上昇させてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、作動流体は、加熱時に気化する液体又は多相流体であってもよい。気化は、気化熱によるより大きなエネルギー吸収を可能にし得る。
［００２９１］ いくつかの実施形態において、作動流体は、熱交換器１２２０に供給される前に、コンプレッサ１２２２において圧縮されてもよい。コンプレッサ１２２２は、１つ以上の軸流コンプレッサ、混合流コンプレッサ及び／又は遠心コンプレッサを含んでいてもよい。例えば、作動流体は、圧縮によって作動流体が液化されるように、圧縮前に蒸気であってもよい。
［００２９２］ いくつかの実施形態では、（液体）作動流体は、液体ポンプ１２２４、例えば容積式ポンプを用いて圧送されてもよい。
［００２９３］ 作動流体は、ポンピングの前に凝縮器１２２６で液化されることがあり、これにより熱出力１２０８がもたらされることがある。作動流体を凝縮させることは、熱入力１２１０を供給する熱源からのエネルギーのために気化熱を利用するのに有利であり得る。いくつかの実施形態において、熱出力１２０８は、廃熱として周囲に失われることがある。
［００２９４］ 様々な実施形態において、コンプレッサ１２２２及び／又は液体ポンプ１２２４は、電力出力１２６０によって電力を供給されてもよい。コンプレッサ１２２２及び／又は液体ポンプ１２２４は、発電するために発電サイクルを通して作動流体を循環させるための動力を提供し得る。
［００２９５］ いくつかの実施形態では、作動流体は、作動流体からのエネルギー抽出によって引き起こされる境界層タービン１２３０内の凝縮のために、位置Ｂ－１２において液体又は実質的に液体であることがある。
［００２９６］ いくつかの実施形態では、熱は、二次サブシステム１２０３を介して再生サブシステム１２０２に供給されてもよい。二次サブシステム１２０３内の第１の流体は、熱入力１２１０を吸収し、第２の流体に移され、再生サブシステム１２０２にエネルギーを供給し得る。
［００２９７］ いくつかの実施形態では、再生サブシステム１２０２から失われた熱は、二次サブシステム１２０３によって吸収され得る。二次サブシステム１２０３は、熱出力１２０８としてエネルギーを出力してもよい。
［００２９８］ いくつかの実施形態では、二次サブシステム１２０３は、第１の流体を再生サブシステム１２０２に出し入れするための構成要素を含み得る。いくつかの実施形態では、二次サブシステム１２０３は、コンプレッサを含み得る。
［００２９９］ 図１３は、実施形態による、発電システム１３００の概略ブロック図である。
［００３００］ このシステムは、システム１２００の作動流体を加熱することによってシステム１２００にエネルギーを注入するためのヒーター１２０５を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ヒーター１２０５は、熱交換器１２２０にエネルギーを供給する熱入力１２１０源を含んでもよい。
［００３０１］ いくつかの実施形態では、作動流体は、加熱器１２０５で加熱される前に、少なくともいくらかの凝縮物を含み得る。例えば、作動流体は、液体、実質的に液体、及び／又は多相（液体及び蒸気）であってもよい。そのような凝縮物は、システム１２００の他の構成要素における圧縮及び／又は冷却から生じてもよい。
［００３０２］ ヒーター１２０５は、作動流体を加熱して、少なくとも部分的に気化した作動流体（又は流体）を生成し得る。例えば、加熱された作動流体は、蒸気、実質的に蒸気、及び／又は多相（液体及び蒸気）であってもよい。作動流体が加熱の前後で多相である場合、加熱は、液体に対する蒸気の蒸気圧又は質量分率を増加させ得る。
［００３０３］ 加熱された作動流体は、作動流体からエネルギーを取り出すために、境界層ターボマシン１００の一実施形態であってもよい（第１の）境界層タービン１２３０Ａに供給されてもよい。
［００３０４］ 境界層タービン１２３０Ａにおける作動流体からのエネルギー抽出後、作動流体は、軸方向ステージ２２４に供給されてもよい。軸方向ステージ２２４は、作動流体からエネルギーを抽出するために境界層タービン１２３０Ａから作動流体を受け取るように境界層タービン１２３０Ａに結合されてもよい。軸方向ステージ２２４は、軸流タービンなどの軸流ロータ、及び／又は軸流ステータを含んでもよい。
［００３０５］ いくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４は、シャフトを回転駆動するように構成されてもよい。様々な実施形態において、軸方向ステージ２２４は、シャフトを介在させずに、境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂの一方又は両方に直接結合されてもよい。軸方向ステージ２２４及び境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂは、別個のシャフトの有無にかかわらず、生成された動力を伝達するために結合されてもよい。
［００３０６］ 作動流体のエネルギーは、軸方向ステージ２２４において低減されてもよい。例えば、いくつかのケースでは、作動流体の圧力及び／又は温度が低減されてもよい。
［００３０７］ 軸方向ステージ２２４における作動流体からのエネルギー抽出後、作動流体は、第２の境界層タービン１２３０Ｂに供給され得る。
［００３０８］ 境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂは、作動流体から動力、例えばシャフト動力を生成するために、それぞれの境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂにエネルギーを供給するためのそれぞれのダクト壁を有し得る。
［００３０９］ 境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂは、作動流体が、境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂのそれぞれの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に前述のそれぞれのダクト壁を摩擦で引き込むことによって、それぞれの境界層ターボマシンの対応する長手方向軸の周りに駆動可能な回転のために構成され得る。
［００３１０］ いくつかの実施形態では、冷却され凝縮された作動流体は、発電機１２７０の冷却、すなわち作動流体凝縮物の予熱のために発電機１２７０に供給されてもよい。そして、作動流体は、少なくとも部分的な凝縮物の形態で加熱器１２０５に戻される。システム１２００を、加熱器１２０５に供給するための実質的に液体の作動流体を生成するように構成することが有利であることが見出される。
［００３１１］ Ａ－１３、Ｂ－１３、Ｃ－１３、及びＤ－１３の位置における作動流体の熱力学的特性を、例示的な実施形態について表４に示す。
［００１８４］ 様々な実施形態において、上流端部２１６及び下流端部２１８は、境界層ターボマシン１００の接着部分、例えば、隣接して形成された接着部分の対応する端部を指すことがあり、これらは一体構造であってもよい。入口端部２０２及び出口端部２０４は、接着部分及び羽根部分、例えばハイブリッドタービンであり得るように、一体構造であり得る接着部分及び羽根部分を画定する境界層ターボマシン１００の端部を指す。
［００１８５］ 様々な実施形態において、内部キャビティ２４０から複数のダクト２１４の半径方向最外側のダクトまで延びる境界層ターボマシン１００の内部容積は、流体、例えば、加圧流体であってもよい作動流体で浸漬又は浸水されてもよい。このような浸水容積は、部分的に、境界層ターボマシン１００の構成要素に潤滑及び支持を提供し得る。
［００１８６］ 図３Ａは、複数の管（管）３０２によって少なくとも部分的に画定された複数のロータ３００の分解斜視図である。複数のロータ３００は、長手方向軸１０２に沿って分解して示されている。
［００１８７］ 図３Ｂは、複数のロータ３００の正面図である。
［００１８８］ 複数のロータの回転方向は、両頭矢印で示されている。複数の管３０２は、シャフト１１０に駆動可能に結合されてそのような回転を引き起こすように、又はそれによってシャフト１１０に回転を引き起こしてシャフト動力を生成するように構成され得る。
［００１８９］ いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、長手方向軸１０２に対して側方に実質的に円形の断面を有する円管であってもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、成形された表面又は長手方向に傾斜した構成を含んでよい。例えば、いくつかの実施形態では、複数の管３０２の各管は、分岐又は合流していてもよく、すなわち、それぞれ、出口端部２０４に向かって長手方向軸１０２に沿って増加又は減少している、長手方向軸１０２に対して横方向の断面を有していてもよい。様々な実施形態において、流体がブレード（例えば複数のブレード２２２）に向かって移動するにつれて管の長さにわたって間隙を増加及び／又は減少させるために、複数の管３０２のうちの１以上を成形又は傾斜させるか、又は複数の管３０２のうちの１つ以上の表面にパターンを埋め込むことによって、エネルギー又は電力の抽出が強化されてもよい。
［００１９０］ 複数の管３０２の各管（３１０、３０２Ａ、３０２Ｂ、又は３０２Ｃ）は、概して長手方向に延伸し、例えば概して小さい断面積を有するテーパ状の又はつままれたの長手方向端部（上流側端部部分３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃ及び下流側端部部分３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ）を有してもよい。各管は、延伸方向に対して側方に、対応する半径方向内側の空間（３１２Ａ、３１２Ｂ、３１２Ｃ、３１２Ｄ）を画定し得る。例えば、複数の管３０２の肉厚は、長手方向中央付近の０．３インチから、１つ以上の挟まれた長手方向端部の０．１インチまで変化し得る。
［００１９１］ 半径方向内側の空間は、長手方向軸１０２に対して側方に徐々に大きな断面積を画定し得る。各半径方向内側の空間は、複数の管３０２のうちの相対的に小さい管を収容して、互いに嵌合する管の並び又は階層を形成するように適合させ得る。このようにして、複数の管３０２は、長手方向軸１０２の周りに同心円状に入れ子状に配置され得る。半径方向内側の空間の一部は、複数のダクト２１４を画定し得る。例えば、半径方向内側の空間３１２Ｄ、３１２Ａ、３１２Ｂのそれぞれは、対応する管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃのそれぞれのダクト壁２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃによって半径方向内側の端部で隣接した対応するダクトを画定し得る。
［００１９２］ 様々な実施形態において、半径方向内側の空間３１２Ａ、３１２Ｂ、３１２Ｃ、３１２Ｄは、約５．２インチ、４．４インチ、３．６インチ、及び６インチのそれぞれの直径を有する円筒形の空間であってよい。様々な実施形態において、複数の管３０２の各々は、長手方向に７インチから８インチの間に延びてよい。
［００１９３］複数の管３０２は、半径方向１０８において、互いに概ね同心円状に離間していてもよい。複数のダクト２１４の各ダクトは、複数の管３０２の同心円状に隣接する一対の管の間に生じるクリアランスに形成されてもよい。いくつかの実施形態では、同心円状に隣接する管の各対は、複数のダクト２１４の対応するダクトをその間に形成する。したがって、複数のダクト２１４の各ダクトは、対応する同心円状に隣接するダクトと共通に共有される対応するダクト壁２２０Ａ（又は２２０Ｂ、２２０Ｃ）によって少なくとも部分的に画定される。
［００１９４］ 複数のダクト２１４のうちの１つ以上は、長手方向軸１０２に対して側方の環状形状の断面（例えば、円形の環状形状）を有し、一致する縁部を有する同心円状の環状の列を形成し得る。その結果、複数のダクト２１４は、それによって比較的コンパクトになり、それによって製造コストを低減し、性能を向上させ得る。例えば、半径方向内側の空間３１２Ｄに形成された第１のダクトは、半径方向内側の空間３１２Ａに形成された第２のダクトとダクト壁２２０Ａを共有し得、第２のダクトは、半径方向内側の空間３１２Ｂに形成された第３のダクトとダクト壁２２０Ｂを共有し得る。
［００１９５］ 複数の管３０２の各管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、３０２Ｄは、複数の管３０２の複数の接合端部に対向する複数の管３０２の複数の自由端部を画定するために、自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃ、３１４Ｄの対応する（それぞれの）自由端部、及び対応し且つ対向する接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、３１６Ｄから概して長手方向に延伸している。
［００１９６］ 複数の管３０２のうち半径方向最内側の管３０２Ｃは、複数のダクト２１４のうち半径方向最内側のダクトと内側キャビティ２４０とを少なくとも部分的に画定してもよく、シャフト１１０は、複数の管３０２と同軸に配置されてもよい。同様に、半径方向最外側の管３１０は、複数のダクト２１４の半径方向最外側のダクトを少なくとも部分的に画定し得る。このように、複数のダクト２１４は、半径方向最外側の管３１０と半径方向最内側の管３０２Ｃとの間に配置されている。半径方向最外側ダクトと半径方向最内側ダクトとの間の半径方向の隔たりは、部分的に流体のための貫流領域を画定する。支持構造２３０のハウジング部分を形成する（共通の）ハウジングは、複数の管３０２を取り囲むように半径方向最外側の管３１０を円周方向に取り囲む。
［００１９７］ いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンからの漏れを介して失われるエネルギーを防止又は低減するために、流路が確立されてもよい。例えば、流体は、半径方向最外側の管３１０とハウジング部分との間に形成されたキャビティにおいて、半径方向最外側の管３１０の半径方向内側から支持構造２３０のハウジング部分内の外側に漏れるか又は逃げ得る。流体は、キャビティを流下して軸流ステータ２２６に接触し、軸流ロータ２２８を横切って方向転換され、入口端部２０２の近位にある隙間から漏れた流体から動力を取り出すことができる。
［００１９８］ 各ブレードアセンブリは、長手方向軸１０２の周りに回転可能に配置された対応する複数のブレード２２２Ａ（又は２２２Ｂ、２２２Ｃ）を含み得る。本明細書で言及されるように、複数のブレード２２２は、対応する複数のブレード２２２Ａ（又は２２２Ｂ、２２２Ｃ）のうちの１以上を指し得る。様々な実施形態において、複数の管３０２は、少なくとも又は多くとも４つの管を含み得る。いくつかの実施形態では、少なくとも又は多くとも３つの管が、それに関連するブレードアセンブリを有してもよく、例えば、３つの管が、その上に付加的に増大したブレードを有してもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２のうちの１つを除くすべてが、その上に増大したブレードを有し得る。
［００１９９］ 複数のブレードアセンブリに関連する複数のブレード２２２は、複数のダクト２１４内、例えばその下流端部に配置される。複数のブレード２２２は、対応するダクト壁２２０（２２０Ａ、２２０Ｂ、及び／又は２２０Ｃ）から長手方向軸１０２に対して半径方向に延びている。いくつかの実施形態では、各ダクトは、そのダクト壁のうちの１つのみ、例えば、半径方向外側のダクト壁又は半径方向内側のダクト壁から延びるブレードを有し得る。いくつかの実施形態では、ブレードは、両方の壁から、例えば交互に延びていてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、半径方向外側のダクト壁は、そこから延びるブレードを有していなくてもよく、いくつかの実施形態では、半径方向内側の管は、そこから延びるブレードを有していなくてもよい。
［００２００］ 複数のブレード２２２は、例えば締結具及び／又はスロット付きコネクタを使用して、ダクト壁と共回転するようにダクト壁と一体的に形成し得る。いくつかの実施形態では、複数のブレード２２２は、関連するダクト壁２２０と一体構造であってもよい（すなわち、各ダクト壁は、関連するブレードと一体構造である）。例えば、複数のブレード２２２は、複数の管３０２上で付加的に製造されてもよい。したがって、複数のブレード２２２は、複数の管３０２又はダクト壁２２０とともに回転するように必然的に強制される場合がある（共回転又は共通回転）。いくつかの実施形態では、各ダクトは、その中に配置された少なくとも１つのブレードアセンブリを有する場合がある。
［００２０１］ 複数の管３０２は、ハイブリッド境界層ターボマシンの組み合わせロータ又はハイブリッドロータと見なされ得る。
［００２０２］例えば、管は、ハイブリッド境界層ターボマシンロータと見られ得て、境界層タービンの接着面又は摩擦面の一部分は、効率が向上したハイブリッドロータを形成するためにブレードを備え、同心円状に隣接する管は、ブレードの周りの円周方向への隔壁形成のために依存される。したがって、ブレードは、半径方向に延びる（かつ周方向に分離した）流路、例えば流路３０８を画定するダクト内に障害物を形成し得る。
［００２０３］ 例えば、管は、効率を高めるための接着面を形成し、かつ同心円状に隣接する管の側板（隔壁）として機能するように構成された長手方向に延伸する（かつ半径方向に拡大された）ハブを有するターボマシンのブレードロータと見られ得る。
［００２０４］ 複数のブレード２２２は、接着部において流体からエネルギーが抽出された後に、流体から追加エネルギーを抽出するように構成されてもよい。
［００２０５］ 図４は、軸方向ステージ２２４及びヘッダーブロック２１０に結合された複数の管３０２の概略分解斜視図である。様々な構成要素を通る流体１１２の経路が、複数の管３０２及び軸流ロータ２２８の回転方向（両頭矢印付き）と共に概略的に示されている。静止した構成部品は、双線で示されている。シャフト１１０は、明瞭さのために図示されていないが、図６の構成部品の中央開口部内に長手方向軸１０２と同軸に配置されている。
［００２０６］ 流体１１２は、１つ以上の流れ入口２１２、例えば３つの流れ入口２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃを介して、境界層ターボマシン１００の接着部又はロータ部に入る。本明細書で言及されるように、流れ入口は、外側の位置（例えば、入口ポート１１４）から接着部又はロータ部分まで延び得る。様々な実施形態において、流れ入口２１２Ａ（及び／又は２１２Ｂ、２１２Ｃ）は、複数のロータ３００の回転を強制するために、長手方向１０６に対して法線方向又は側方に向けられた流体１１２のジェットを噴射するためのノズル端部を有し得る。各ダクト、すなわち複数の管３０２の各管は、流体のそのような方位角方向に配向されたジェットに露出していてもよい。
［００２０７］ 前述したように、軸方向ステージ２２４は、接着部の下流に配置され、軸流ステータ２２６及び軸流ロータ２２８を含む軸流タービンステージであってもよい。軸方向ステージ２２４は、（長手方向１０６内の）長手方向軸１０２に対して概ね平行に配向された流体を受容し、長手方向軸１０２に対して概ね平行に配向された流体を排出するように適合され得る。様々な実施形態において、軸流ステージ２２４は、軸流ステータ２２６及び軸流ロータ２２８の構成によって、衝動タービン又はリアクションタービンであってもよい。軸流タービンは、流体から残留エネルギーを抽出するように適合させ得る。
［００２０８］ 様々な実施形態において、ブレード及び羽根は、流体のタイプ及び関連する熱力学的条件（圧力、温度、速度、及び密度など）に最適になるように構成／変更されてもよく、例えば、超臨界ＣＯ２は、Ｒ１３４Ａとは異なるように扱われてもよい。
［００２０９］ 軸流ステータ２２６は、長手方向軸１０２に沿って複数のロータ３００と軸方向に整列されたガイド羽根を備えた羽根付きステータであってもよい。羽根付きステータは、軸流ステータ２２６がシャフト１１０を介して複数のロータに結合されるコア４１０を画定する環状形状であってもよい。羽根付きステータは、実質的に軸方向に向けられた前縁（対向流及び／又は複数のブレード２２２に最も近い縁）を有する複数のガイド羽根を含んでいてもよい。様々な実施形態において、軸流ロータ２２８は、羽根付きステータと軸方向に整列し、複数のガイド羽根から流れを受けるように羽根付きステータの下流に配置された羽根付きロータであってもよい。ブレードロータのブレードは、実質的に軸方向に向いた後縁を有し得る。
［００２１０］ いくつかの実施形態では、羽根付きステータ及び／又はロータは、複数のダクト２１４のうちの１つ以上のダクトを横切って半径方向に延在してよい。いくつかの実施形態では、これらは、構造的支持のためにシャフトに広がってもよい。
［００２１１］ 図５Ａは、ヘッダーブロック２１０に結合された複数の管３０２の上面図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２１２］ 図５Ｂは、図５Ａにおける領域５Ｂ－１及び５Ｂ－２の拡大図である。
［００２１３］ 図５Ｃは、図５Ａの領域５Ｃの拡大図である。
［００２１４］ ノズル５１０Ａ及びノズル５１０Ｂを含む複数のノズル５１０が、支持構造２３０に一体化されてもよい。様々な実施形態において、複数のノズル５１０は、複数のダクト２１４を通って出口端２０４に流体を運ぶために、その周囲に円周状に分布する。いくつかの実施形態では、複数のノズル５１０は、長手方向軸１０２の周りに均一に分布した、すなわち、隣接するノズル間に６０度の方位角度を形成する６つのノズルを含み得る。いくつかの実施形態では、ノズル５１０Ａは、約０．３インチであってよい。
［００２１５］ いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００は、４８インチより大きい直径を有してよく、管当たり４０個のノズルを含んでよい。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００は、２インチ未満の直径を有してよく、管当たり単一のノズルのみを有してよい。
［００２１６］ 複数のノズル５１０は、入口端部２０２に配置された１つ以上の流れ入り口２１２の一部を形成してもよい。例えば、ノズル５１０Ａ、５１０Ｂは、それぞれの流れ入り口２１２Ａ、２１２Ｂと一体化されてもよい。１つ以上の流れ入り口２１２は、複数のノズル（又は１つ以上の複数のノズル）を介して、複数のダクト２１４に流体を引き込むように構成されてもよい。
［００２１７］ 複数のノズルは、ダクト内に流体噴流を噴出させるために、ダクトの上流端部２１６辺りに周方向に分布していてもよい。いくつかの実施形態では、そのようなことは、複数のダクト２１４の全てのダクトについてそうであってもよく、すなわち、各々が対応する複数のノズル（これらは全体として複数のノズルとも呼ばれ得る）を有してもよい。複数のノズルは、周方向に間隔を空けて配置され、流体噴流間の流れの相互作用を低減するように配向されてもよい。上述したように、様々な実施形態において、複数のノズルは、周方向に等間隔に配置されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、６つのノズル（又は８つのノズル）は、隣接するノズル間の長手方向軸１０２の周りの角度が実質的に６０度（又はそれぞれ４５度）となるように、ダクトの上流端部２１６に対応する管の長手方向端部の周りに周方向に分布してよい。いくつかの実施形態において、このような分布は、特に、互いに衝突する噴流の交差によって生じ得る乱流を緩和し得る。
［００２１８］ 複数のノズルは、流体ジェットを、概して、又は少なくとも部分的に、出口端２０４に向かって長手方向軸１０２の周りに方位角的に噴出するように適合され得る。様々な実施形態において、ノズルは、そこから流体ジェットを発行するように適合された構造を含んでもよい。例えば、ノズル５１０は、そこから流体を通すためのポートを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ノズル５１０は、矩形スロットを含んでもよい。
［００２１９］ 複数のノズルは、流体の速度及び流れを制御するために様々な開口サイズを含んでよく、複数の管３０２の各管に固有であってよい。例えば、いくつかの実施形態では、入口流体速度を複数の管３０２の表面速度に確実に一致させ、複数の管３０２の管の回転速度を同期させるために、比較的大きな外径の管は、流体速度及び質量流量を増加させるために、より小さな開口部を有するより多くのノズルを備え、一方で、より小さな外径の管（すなわち、より小さな外径を有する管）は、より大きな開口部を有するより少ないノズルを備え得る。このように、最大１００本以上の管を同期させて、各管が所定の共通シャフト回転数でトルクに寄与するようにしてもよい。例えば、管の表面速度は、角速度と半径の積にほぼ等しいため、２０，０００ＲＰＭ（約６６６．６６ＴＴ ｒａｄ／ｓ又は２１００ｒａｄ／ｓ）で回転する外径８インチ（半径１／３’）の管は約７００ｆｔ／ｓｅｃの関連表面速度を有し、直径４インチ（半径１／３’）の管は約３５０ｆｔ／ｓｅｃの関連表面速度を有する。管の本数が増え、及び／又は、内管と外管の直径の差が大きくなると、このような表面速度の差は著しく大きくなり、例えば４８インチ管（２０，０００ＲＰＭで回転）の表面速度は約４２００ｆｔ／ｓｅｃとなる。複数の調整可能／適応ノズルの構成は、管の同期を可能にする。
［００２２０］ 各ノズルの出口面は、方位角方向１０４と対応する出口角度５２０を形成し得る。様々な実施形態において、この対応する出口角度５２０は、実質的に０度、又は０度と５度との間、０度と１０度との間、若しくは０度と２０度の間で変化してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、複数のノズルは、方位角方向１０４の３０度以内、１０度以内、又は５度以内に整列され、すなわち、出口角度５２０は、それぞれ、１０度未満又は５度未満であってよい。いくつかの実施形態では、出口角５２０は２０度を超えてもよい。
［００２２１］ 流体１１２が入口端部２０２から出口端２０４へ流れる時に、流体１１２は方向を変え、長手方向１０６とより整列する。様々な実施形態において、角度５４０は、長手方向１０６の０°と１０°との間であってよい。いくつかの実施形態では、流体１１２は、複数のブレード２２２に到達するまで、複数のダクト２１４の周りをスパイラル状に流れる（例えば、長手方向軸１０２の周りの概ねヘリカル状の流路をたどる）。
［００２２２］ 出口角度５２０は、エネルギー抽出を少なくとも部分的に決定し得る。出口角度５２０が大きいと、（接着部分における）滞留時間が短くなり、流路が短くなり、及び／又は複数のダクト２１４を通るほぼスパイラル状の流路のピッチが大きくなり得る。流体中の総エネルギー降下は、減少し得る。
［００２２３］ 様々な実施形態において、出口角度５２０は、流体が、そのエネルギーが閾値の大きさを下回る前に複数のブレード２２２に到達するように適合されてもよく、例えば、複数のブレード２２２に近接する流体の運動エネルギーは、流体からのエネルギー抽出を維持するために、又は流体のポンピングによる対応する管によるエネルギー消費を防止するために、十分に高いレベルに維持されてもよい。
［００２２４］ 下流端部２１８における流体１１２は、入口端部２０２における流体１１２と比較して、長手方向軸１０２に対して相対的により整列していてもよい。いくつかの実施形態では、下流端部２１８における方位角偏差５３０は、出口角５２０よりも２０度より小さい場合がある。いくつかの実施形態では、方位角偏差５３０は、１０度と３０度との間であってよい。
［００２２５］ 様々な実施形態において、流体は、ノズルから出る前は超臨界状態及び／又は多相であってよく、ノズルから出た後はそうでなくなる、すなわち超臨界状態及び多相のいずれか一方又は両方であってよい。いくつかの実施形態では、流体は、ノズルから出た後に超臨界及び／又は多相であり、複数のブレード２２２又はその下流、例えば軸流ステータ２２６において、超臨界及び／又は多相でなくなり得る。このような相の変化は、複数のダクト２１４の流路長及び／又は長手方向の長さ（複数可）に依存する場合がある。
［００２２６］複数のダクト２１４の長手方向長さ（長手方向軸１０２に沿った長さ）は、実質的に同様であってよい。いくつかの実施形態では、複数のダクト２１４の長手方向の長さは異なっていてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、半径方向外側に移動する連続するダクトは、増加する長手方向長さを有してもよく、いくつかの実施形態では、減少する長手方向長さを有してもよい。
［００２２７］ 様々な実施形態において、複数のダクト２１４のそのような長手方向長さは、流体の方位角偏差を、例えばせいぜい１０度又は２０度に制限し、複数のブレード２２２によって受け取られる流れの乱流レベルを制御し、複数のブレード２２２の直ぐ上流で十分な流体速度を維持し（ポンピング挙動を防止し）、ロータ同期を支持し、正のトルク生成を促し、及び／又は（流れの停滞又は反転によるような）失速状態を防止するように適合され得る。いくつかの実施形態では、流体の方位角偏差は、せいぜい１０度又は２０度に制限され得る。例えば、乱流のレベルは、高くするよりもむしろ低くすることが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００の回転数は、複数のダクト２１４の上流、内部、及び下流の乱流特性によって少なくとも部分的に決定される。
［００２２８］ 各ブレードアセンブリの複数のブレード２２２は、長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に方位角方向に向けられた流体を受けるように適合され得る。各ブレードは、一般に根元から先端まで変化し、前縁５５２Ａ及び後縁５５２Ｂを画定するブレードプロファイル５５０を有してもよい。例えば、複数のブレード２２２の前縁は、ダクトに沿った流体１１２の方位角偏差５３０に合わせられ又は調整され、それとの実質的な調整の中で流体１１２を受ける。それにより、流体１１２は、シャフト１１０を回転駆動するために、長手方向軸１０２を中心とする回転を複数のブレード２２２に与え得る。
［００２２９］ 複数のブレード２２２は、その下流端部、すなわち出口端部２０４において、流体１１２を長手方向軸１０２に対して概ね平行に方向転換させる。例えば、後縁は長手方向軸１０２と概ね整列していてもよい。
［００２３０］ 例えば、様々な実施形態において、方位角ギャップ５８０、５８２は、約０．３５インチ、又はそれ以下、又はそれ以上であってよい。
［００２３１］ 図６Ａは、図２の領域６Ａの拡大図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２３２］ 図６Ｂは、図２の領域６Ｂの拡大図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２３３］ 図６Ｃは、図２の領域６Ｃの拡大図であり、概略的な流れ方向を示す。
［００２３４］ 前と同様に、流体１１２は矢印によって示されている。参照数字は名良性のため省略されている。
［００２３５］ 様々な実施形態において、複数のダクト２１４は、上流部分６１０と下流部分６１２との間に配置された中間部分６１４を含んでもよく、例えば、各ダクトは、したがって、対応する部分：上流部分６１０Ａ、６１０Ｂ、又は６１０Ｃのうちの１つ、下流部分６１２Ａ、６１２Ｂ、又は６１２Ｃ、及び中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃを有してもよい。中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃは、対応する半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、又は６５８Ｃを有し得る。
［００２３６］ いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、実質的に自由であるか、又はそれらの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃ、３１４Ｄにおいて油圧で支持されてもよく、例えば、自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃは、自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃを保持するための別個の構造体（支持構造体２３０）に形成された開放キャビティ内を循環する加圧流体を介して支持されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、例えば、共通の回転のためにロックされるように、ジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、３１６Ｄにおいてエンドプレート２３２と締結又はジョイントされてもよい。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、複数の管３０２を貫通する締結具を介して互いに締結されてもよい。
［００２３７］ 上流部分６１０及び下流部分６１２の各々は、中間部分６１４の比較的狭い断面（６５８Ａ、６５８Ｂ、６５８Ｃ）を画定するため、例えば中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃへの回転の付与を強化するために、対応する上流部分６１０Ａ及び下流部分６１２Ａにおけるそれぞれの断面６５０Ａ及び６５２Ａのようなそれぞれの大きい断面から、中間部分６１４に向かって、概して断面形状的にテーパ形状になっていてもよい。
［００２３８］ 様々な実施形態において、半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、６５８Ｃによって画定される断面は、それぞれ半径方向に０．１インチ又は０．０５インチより大きく伸びてよい。いくつかの実施形態では、半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、６５８Ｃによって画定される断面は、各々、半径方向に１インチ以上延びてよい。複数のダクト２１４の半径方向幅は、全て同じでなくてもよく、ノズルの数、複数の管３０２の数、半径方向最内側の管の内径、及び半径方向最外側の管の外径によって変化してもよい。例えば、タービンの実施形態では、半径方向の幅は、ロータが同期し、複数の管３０２の各管から生成されるトルクが正のままであること、すなわち、境界層ターボマシン１００による流体ポンプが存在しないこと（タービンの実施形態の場合）を保証するために変化してもよい。半径方向の幅は、ダクトの長手方向の長さに沿って変化してもよく、例えば、ダクトは、それによって、所望の流体力学的挙動を達成するために中間部分において成形されてもよい。
［００２３９］ いくつかの実施形態では、上流部分６１０は、１つ以上の流れ入口２１２を収容するために、より大きな断面、例えば、より大きな断面６５０Ａを有してもよい。上流部分６１０は、複数のダクト２１４の各々の上流端部２１６において、ノズルを介して流体噴流を受けるように断面が合わされていてもよい。いくつかの実施形態では、断面６５０Ａは、半径方向に０．３インチ延びていてもよい。様々な実施形態において、上流部分６１０自体は、長手方向に約０．５インチ延びていてもよい。
［００２４０］ １つ以上の流れ入口２１２の断面（流出方向に対して側方）のサイズは、製造可能性又はコストの考慮のために最小サイズに制限されてもよい。様々な実施形態において、複数のロータ３００のより効率的な駆動をもたらす複数のダクト２１４の各々の半径方向幅は、１つ以上の流れ入口２１２のサイズを示す最大半径方向幅よりも小さくてもよい。例えば、ある流動体制では、複数のダクト２１４内の流路半径方向幅に対する境界層厚さの比は、より効率的な駆動のために大きくてもよい。様々な実施形態において、出口端部２０４又は下流端部２１８に向いた、断面６５０Ａからより低い半径方向幅に向かって半径方向幅のテーパ６５４Ａは、１つ以上の流れ入口２１２のより大きなサイズに収容しながらも、複数のロータ３００の駆動の効率を増加させ得る。また、テーパ６５４Ａは、流体の流れ（流体１１２）を加速及び／又は圧縮してもよく、これにより、複数のロータ３００の駆動効率を高め得る。様々な実施形態において、テーパ６５４Ａは、望ましくない流れ状態の形成を防止するため、又は複数のロータ３００の駆動効率を高めるための適切な状態を促すために、（図示のように）緩やか又は比較的滑らかであってもよい。様々な実施形態において、テーパ６５４Ａは、図３Ａに示唆されるように、長手方向軸１０２に関して軸対称であってもよい。
［００２４１］ 同様に、下流部分６１２は、複数のブレード２２２を収容するために、より大きな断面、例えば、より大きな断面６５２Ａを有してもよい。下流部分６１２は、複数のダクト２１４の下流端部２１８において複数のブレード２２２によって画定される流路３０８と断面的に部分的に相補的であってもよい。いくつかの実施形態では、断面６５２Ａは、半径方向に０．２３０インチ延在してよい。様々な実施形態において、下流部分６１２自体は、１インチから１．５インチの間で長手方向に延びてよい。
［００２４２］ 様々な実施形態において、複数のブレード２２２の半径方向幅は、上述した複数のダクト２１４の効率的な半径方向幅に対して大きくてもよい。複数のブレード２２２のより大きな半径方向幅は、複数のロータ３００の駆動のために複数のブレード２２２に効率又は他の利点を与え得る。様々な実施形態において、入口端部２０２又は上流端部２１６に向けられた、断面６５２Ａからより低い半径方向幅に向かう半径方向幅のテーパ６５６Ａは、より大きなサイズの複数のブレード２２２を収容しながらも、複数のロータ３００の駆動の効率を増加させ得る。また、テーパ６５６Ａは、流体の流れ（流体１１２）を減速、拡散、膨張、又は加圧することがあり、これにより、複数のロータ３００及び複数のブレード２２２の駆動効率を高めることもある。様々な実施形態において、テーパ６５６Ａは、望ましくない流れ状態の形成を防止し又は複数のロータ３００の駆動効率を高めるための適切な条件を促すために、（図示のように）緩やか又は比較的滑らかであってもよい。例えば、急激な膨張は、流れの剥離及び分離気泡の形成につながり得ることが知られている。様々な実施形態において、テーパ６５６Ａは、図３Ａに示唆されているように、長手方向軸１０２に関して軸対称であってもよい。
［００２４３］ 中間部分６１４は、上流部分６１０と下流部分６１２との間に画定されてもよい。
［００２４４］ 支持構造２３０は、複数の管３０２の対応する自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃを受けるように構成された１つ以上又は複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃを含み得る。様々な実施形態において、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、０．５８０インチの長手方向の深さを有してもよく、約０．１０インチの半径方向の厚さを有する複数の管３０２の舌片を受けるように構成されてもよい。スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、流体１１２と流体連通していてもよい。同様に、複数の管３０２の反対側の端部は、複数の管３０２の接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、３１６Ｄから実質的に片持ち梁状であってもよい。複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃの長手方向の深さ及び半径方向の厚さは、管の材料剛性に依存してもよく、金属対金属（又は材料対材料）の接触を防止するように構成されてもよい。
［００２４５］ 支持構造２３０は、流体１１２を複数のノズル及び複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃに供給するために、例えば、ヘッダーブロック２１０を通って曲がりくねった１つ以上の入口チャネルを含んでもよい。
［００２４６］ 様々な実施形態において、複数のダクト２１４は、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃを介して互いに流体連通していてもよい。内部キャビティ２４０は、複数のダクト２１４と流体連通していてもよい。いくつかの実施形態では、スロットは、流体との流体連通を確立するために、内側キャビティ２４０又は複数のダクト２１４のダクトのうちの少なくとも１つに開口する。
［００２４７］ スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、複数の自由端部からのクリアランスを維持するように、例えば、自由端部３１４Ａがその中に受容されたときに、自由端部３１４Ａとスロット６２０Ａとの間のクリアランス６３０を維持することによって、寸法決めされ得る。したがって、クリアランス６３０のようなクリアランスを維持することによって、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃに対する複数の管３０２の回転を可能にするように適合され得る。例えば、様々な実施形態において、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃはそれぞれ、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃのそれぞれのスロットのそれぞれの半径方向端部に約０．０２インチのクリアランスを維持してもよい。様々な実施形態において、６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃの各々は、０．１４０インチ、又は０．００１インチから０．２５０インチの間の半径方向幅を有してもよい。いくつかの実施形態において、過度に大きな半径方向の深さは、ダクトからスロット内又はスロット近傍の（循環する）流れへの流体の再指向を引き起こす可能性があり、それによって、漏れ及び効率の損失をもたらす。いくつかの実施形態では、過度に小さい半径方向の深さは、スロット（壁）と複数の管３０２のうちの１つ以上の管との間の物理的接触を促すか又は引き起こす可能性がある。いくつかの実施形態では、長手方向及び半径方向の深さは、スロットごとに異なっていてもよいことに留意されたい。
［００２４８］ 流体１１２の潤滑膜は、各対応する（それぞれの）管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃと、その対応するスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃとの間に、例えばクリアランス６３０のようなクリアランスにおいて維持され得る。潤滑膜は、各管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃをその対応するスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃ内で少なくとも部分的に（回転可能に）支持し、その間の摺動摩擦（接触）を実質的に防止し得る。いくつかの実施形態では、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃ内のクリアランスは、複数の管３０２が、複数のダクト２１４を介して、流体１１２を複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃ内に引き込んで、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの自由端部３１４Ａ、３１４Ｂ、３１４Ｃとそれらの対応するスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃとの間の潤滑を維持するために複数の管３０２が回転しているときに、複数のスロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃの内部に比較的低い圧力ゾーンを生成するように適応し得る。いくつかの実施形態では、流体が充填されたスロットは、流体軸受のような挙動を提供し得る。
［００２４９］ 様々な実施形態において、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃの長手方向円筒状（環状）縁部上をスリーブにするように構成された実質的に環状のスロットである。様々な実施形態において、スロット６２０Ａ、６２０Ｂ、６２０Ｃは、一体成型されていてもよい。
［００２５０］ エンドプレート２３２は、複数の管３０２の管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０に、管のジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄの対応するジョイント端部で結合されて、例えば実質的に自由に、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０をジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄから片持ちし得る。エンドプレート２３２は、一体成型であってもよい。様々な実施形態において、片持ち梁とは、片持ち梁効果を可能にするために、一方の端部が固定され、他方の端部が実質的に非固定であり得ることを指す。
［００２５１］ 様々な実施形態において、エンドプレート２３２は、長手方向軸１０２に沿って接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄのそれぞれの接合端部と螺合で係合することによって、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０に結合される。
［００２５２］ 例えば、ジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄは、相補的な締結具と螺合で係合するようにねじ切り又はタップ加工されていてもよい。接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄは、タップ付き溝又はねじ切り延長部などの１つ以上の個別の締結部分を有し得て、これらの締結部分は、接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄにおいて管の円周上に分布し得る。
［００２５３］ いくつかの実施形態では、ジョイントは、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０のジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄの周りに円周方向に延在する締結部分を有する。例えば、管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０は、接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄでねじ切りされるか、又は接合端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄが全体としてねじ可能に係合して管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０をエンドプレート２３２と結合するように（内部で）タップ加工される。
［００２５４］ いくつかの実施形態では、ジョイント端部３１６Ａ、３１６Ｂ、３１６Ｃ、又は３１６Ｄは、エンドプレート２３２から延びる相補的なねじ付き締結部分を受けるように構成され得る、円周方向に延びる内部ねじ付き環状溝を有し得る。様々な実施形態において、この相補的ねじ締結部分は、エンドプレート２３２と一体的に形成されるか、又は一体構造であってもよく、あるいは、エンドプレート２３２及び管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０と同時に係合するための別個の結合部品であってもよい。
［００２５５］ 例えば、別個の結合部品は、エンドプレート２３２を介して管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０と係合するように構成されたねじ付き締結具であってもよい。このような結合部品の一例は、エンドプレート２３２のクリアランス孔を通過して、管の結合端部において、クリアランス孔と軸方向に整列及び隣接するねじ穴に螺合することによって、エンドプレート２３２と管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０とを結合するキャップねじである。様々な実施形態において、複数の管３０２の各管３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、又は３１０は、エンドプレート２３２にそうように（例えば、独立して又は別個に）結合されてもよい。
［００２５６］ いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、エンドプレート２３２の回転ヘッドへの圧入であってもよく、例えば、そこに別のコンポーネントを嵌め込むことができるように、１つのコンポーネントの熱膨張によって製造される。いくつかの実施形態では、このような構成は、より安価で、より頑丈であるかもしれないが、容易に分解できないかもしれない。いくつかの実施形態では、複数の管３０２は、エンドプレート２３２と螺合可能に係合するように構成された長手方向縁部を有し得る。例えば、長手方向縁部は、ねじ切りされていてもよいし、タップ加工された円周方向に延びるスロットを含んでいてもよい。
［００２５７］ 上述の議論は、管３０２Ａ及びそこに形成されたダクトに焦点を当てたが、同様の議論は、他の管及びそこに形成されたダクトにも及ぶことが理解される。
［００２５８］ 複数のダクト２１４の半径方向幅のある分布に対して、半径方向外側ダクトは、流体を向こう側にポンピングするために半径方向内側ダクトによって消費される電力を生成し得ることが見出された。いくつかの実施形態では、複数のダクト壁２２０によって画定される半径方向最内側ダクト壁６６０Ａは、複数のダクト壁２２０によって画定される半径方向最外側ダクト壁６６０Ｂに対して半径方向に寸法決めされる。このような寸法決めは、複数のロータ３００によって生成されるシャフト動力を使用して、複数のダクト２１４の１つ以上を通る流体１１２のポンピングを防止するように構成される。
［００２５９］ 様々な実施形態において、半径方向最内側ダクト６６０Ａは、第１の所定半径よりも大きく、及び／又は半径方向最外側ダクト６６０Ｂは、第１の所定半径よりも大きい第２の所定半径よりも小さい。様々な実施形態において、中間部分６１４Ａ、６１４Ｂ、又は６１４Ｃの（個々の）半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、又は６５８Ｃは、それぞれ異なっていてもよく、変化してもよい。例えば、境界層ターボマシン１００のタービン実施形態に対して、半径方向幅６５８Ａ、６５８Ｂ、又は６５８Ｃは、複数のダクト２１４のうちの１つ又はすべてにおけるポンピングを防止又は緩和するように構成され得る。
［００２６０］ 様々な実施形態において、支持構造２３０のハウジング部分６７０は、複数の管３０２を円周方向に取り囲む。いくつかの実施形態では、ハウジング部分６７０は、複数のダクト２１４内の流体の加圧を維持するように構成される。様々な実施形態において、ハウジング部分は、圧力を調整するためのレギュレータバルブのための開口部を含んでよい。
［００２６１］ 図７から図１１は、計算流体力学の結果を示す。
［００２６２］ 図７は、計算流体力学を用いて計算された、例示的な境界層ターボマシン１００の複数のダクト２１４の例示的なダクト内の速度等高線及び流線（velocity contours and streamlines）の斜視図である。
［００２６３］ 図８は、計算流体力学を用いて計算された、例示的なダクト内の圧力等高線の斜視図である。
［００２６４］ 図９は、計算流体力学を使用して計算された例示的なダクト内の温度コンターの斜視図である。
［００２６５］ ダクトは、半径方向最外側の管７００Ａ、半径方向最内側の管７００Ｃ、及び半径方向中間の管７００Ｂの上に形成されている。
［００２６６］ 流れは、複数のブレードに向かって流れるにつれて管の周囲をスパイラル状に流れ、その途中で温度と圧力が低下する。半径方向内側の管は、概して、半径方向外側の管よりも高い圧力、遅い速度、及び／又は低い温度であり得る。
［００２６７］ 図１０Ａは、例示的なダクトの１つにおける、数値流体力学を用いて計算された速度等高線及び流線の拡大斜視図である。
［００２６８］ 図１０Ｂは、計算流体力学を用いて計算された、例示的なダクト内の圧力等高線の拡大斜視図である。
［００２６９］ 図１０Ｃは、計算流体力学を用いて計算された、例示的なダクト内の温度等高線の拡大斜視図である。
［００２７０］ 例示的なダクトは、複数の管３０２のうちの管１０００上に形成されている。拡大図は、複数の羽根の周りの流れの状態を示している。特に、複数の羽根は流線を受けるように適応している。
［００２７１］ 図１１は、数値流体力学を用いて計算された、境界層ターボマシン１００の例示的なノズル１１００の外側における速度流線の斜視図である。ノズルから出る流体ジェットは、方位角的に整列されることがある。
［００２７２］ 図１２は、実施形態による、発電システム１２００の概略ブロック図である。
［００２７３］ 図１２において、太い中空の矢印は、エネルギーの一般的な移送を示し、実線の矢印は、流体の流れ（これは、一般的にエネルギーの移送も含み得る）を示し、破線は、いくつかの実施形態では存在しないことがある流れ及び構成要素を表し得る。
［００２７４］ いくつかの実施形態では、システム１２００は、ランキンパワーサイクル（Rankine power cycle）及び／又はブレイトンパワーサイクル（Brayton power cycle）に類似しているか又は基づいていてもよい。
［００２７５］ システム１２００は、作動流体からエネルギーを抽出するための境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４と、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４における後続のエネルギー抽出を可能にするために作動流体を再生するための再生サブシステム１２０２とを含み得る。
［００２７６］ いくつかの実施形態において、二次サブシステム１２０３は、システム１２００において段階的熱伝達をもたらすために再生サブシステム１２０２に結合されてもよく、例えば、二次サブシステム１２０３は、再生サブシステム１２０２及び境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４とは異なる作動流体を利用してもよい。
［００２７７］ 二次サブシステム１２０３は、それぞれ、二次熱入力１２１１及び二次熱出力１２０９を使用して、再生サブシステム１２０２に熱を提供しかつ熱を受け取得る。二次熱入力１２１１及び二次熱出力１２０９はそれぞれ、別個の、又は同じ、中間エネルギー貯蔵媒体（流体又は固体）であってもよい。
［００２７８］ 境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４及び再生サブシステム１２０２は、フィードバックのために互いに結合されてもよい。様々な実施形態において、二次サブシステム１２０３は、再生サブシステム１２０２に結合されてもよい。
［００２７９］ 流体は、再生サブシステム１２０２からより高い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより高いエネルギーの流体）として位置Ａ－１２において境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４に入り、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４からより低い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより低いエネルギーの流体）として再生サブシステム１２０２に入ってもよい。
［００２８０］ いくつかの実施形態では、Ａ－１２及びＢ－１２における作動流体は、第２の流体であってよく、この第２の流体は、例えば、第１の流体を第２の流体から隔離する熱交換器を使用して、第１の流体を使用して二次サブシステム１２０３において加熱されてよい（逆も同様である）。第２の流体は、二次サブシステム１２０３からより高い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより高いエネルギーの流体）として位置Ｃ－１２で再生サブシステム１２０２に入り、再生サブシステム１２０３からより低い温度、圧力、及び／又は体積の流体（又はより低いエネルギーの流体）として位置Ｄ－１２で二次サブシステム１２０３に入り得る。
［００２８１］ 様々な実施形態において、位置Ａ－１２における（第２の）作動流体は、蒸気又は多相であってよい。いくつかの実施形態では、位置Ａ－１２における作動流体は過熱蒸気であってよい。
［００２８２］ 境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４において抽出されたエネルギーは、動力出力１２６０として供給されてもよい。いくつかの実施形態では、動力出力１２６０はシャフト動力であってもよい。
［００２８３］ いくつかの実施形態では、電力出力１２６０は、電気出力１２８０を生成するために発電機１２７０を駆動するために、発電機１２７０において使用され得る。
［００２８４］ 様々な実施形態において、発電機１２７０は、いくつかのケースではかなりの廃熱を生成し得る。例えば、交流（ＡＣ）発電機は、内部抵抗、ヒステリシス損失、摩擦及び抗力による機械的損失に起因して廃熱（又は熱損失）を生成し得る。いくつかの実施形態では、生成された廃熱は、発電機の効率損失を実質的に表す場合がある。例えば、発電機１２７０が５０％の効率で動作する場合、発電機１２７０に入力されるエネルギーの実質的に４０～５０％が廃熱として失われ得る。
［００２８５］ いくつかの実施形態では、システム全体の効率を改善し、発電機１２７０の性能を向上させるために廃熱を使用することを含めて、発電機１２７０を冷却し及び／又は作動流体を予熱するために、作動流体を発電機１２７０に供給してもよい。
［００２８６］ 境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、作動流体からエネルギーを抽出するための１つ以上の境界層タービン１２３０を含んでもよい。境界層タービン１２３０は、境界層ターボマシン１００の１つ以上の実施形態を含んでもよい。いくつかの実施形態では、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、１つ以上のブレードタービン（複数可）１２３４、及び／又はステータ１２３６を含み得る。例えば、軸方向ステージ２２４は、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４に含まれてもよい。
［００２８７］ いくつかの実施形態では、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、作動流体を凝縮させるか、又はそこからエネルギーを抽出することによって作動流体を少なくとも部分的に凝縮させてもよい。例えば、位置Ｂ－１２における作動流体は、液体及び／又は多相であってもよい。いくつかの実施形態において、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、多相作動流体を受け入れてもよく、液相においてより高い質量分率を有する多相作動流体を生成してもよい。いくつかの実施形態において、位置Ａ－１２における作動流体の蒸気品質は、位置Ｂ－１２における作動流体の蒸気品質よりも高くてもよい。
［００２８８］ 再生サブシステム１２０２は、熱交換器１２２０、コンプレッサ１２２２、液体ポンプ１２２４、及び／又は凝縮器１２２６を含んでもよい。
［００２８９］ 再生サブシステム１２０２は、熱入力１２１０を受け取ってもよい。様々な実施形態において、熱入力１２１０は、燃焼及び／又は酸化によって生成された熱であってよい。いくつかの実施形態では、熱入力１２１０は、工業プロセスからの廃熱であってもよい。
［００２９０］ いくつかの実施形態では、熱入力１２１０は、熱交換器１２２０を介して作動流体を加熱するよう使用されてもよい。いくつかの実施形態において、熱交換器１２２０は、シェル＆チューブ式熱交換器を含んでもよい。いくつかの実施形態において、熱交換器１２２０は、炉を含んでもよい。作動流体を加熱することにより、その温度及び／又は圧力を上昇させてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、作動流体は、加熱時に気化する液体又は多相流体であってもよい。気化は、気化熱によるより大きなエネルギー吸収を可能にし得る。
［００２９１］ いくつかの実施形態において、作動流体は、熱交換器１２２０に供給される前に、コンプレッサ１２２２において圧縮されてもよい。コンプレッサ１２２２は、１つ以上の軸流コンプレッサ、混合流コンプレッサ及び／又は遠心コンプレッサを含んでいてもよい。例えば、作動流体は、圧縮によって作動流体が液化されるように、圧縮前に蒸気であってもよい。
［００２９２］ いくつかの実施形態では、（液体）作動流体は、液体ポンプ１２２４、例えば容積式ポンプを用いて圧送されてもよい。
［００２９３］ 作動流体は、ポンピングの前に凝縮器１２２６で液化されることがあり、これにより熱出力１２０８がもたらされることがある。作動流体を凝縮させることは、熱入力１２１０を供給する熱源からのエネルギーのために気化熱を利用するのに有利であり得る。いくつかの実施形態において、熱出力１２０８は、廃熱として周囲に失われることがある。
［００２９４］ 様々な実施形態において、コンプレッサ１２２２及び／又は液体ポンプ１２２４は、電力出力１２６０によって電力を供給されてもよい。コンプレッサ１２２２及び／又は液体ポンプ１２２４は、発電するために発電サイクルを通して作動流体を循環させるための動力を提供し得る。
［００２９５］ いくつかの実施形態では、作動流体は、作動流体からのエネルギー抽出によって引き起こされる境界層タービン１２３０内の凝縮のために、位置Ｂ－１２において液体又は実質的に液体であることがある。
［００２９６］ いくつかの実施形態では、熱は、二次サブシステム１２０３を介して再生サブシステム１２０２に供給されてもよい。二次サブシステム１２０３内の第１の流体は、熱入力１２１０を吸収し、第２の流体に移され、再生サブシステム１２０２にエネルギーを供給し得る。
［００２９７］ いくつかの実施形態では、再生サブシステム１２０２から失われた熱は、二次サブシステム１２０３によって吸収され得る。二次サブシステム１２０３は、熱出力１２０８としてエネルギーを出力してもよい。
［００２９８］ いくつかの実施形態では、二次サブシステム１２０３は、第１の流体を再生サブシステム１２０２に出し入れするための構成要素を含み得る。いくつかの実施形態では、二次サブシステム１２０３は、コンプレッサを含み得る。
［００２９９］ 図１３は、実施形態による、発電システム１３００の概略ブロック図である。
［００３００］ このシステムは、システム１２００の作動流体を加熱することによってシステム１２００にエネルギーを注入するためのヒーター１２０５を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ヒーター１２０５は、熱交換器１２２０にエネルギーを供給する熱入力１２１０源を含んでもよい。
［００３０１］ いくつかの実施形態では、作動流体は、加熱器１２０５で加熱される前に、少なくともいくらかの凝縮物を含み得る。例えば、作動流体は、液体、実質的に液体、及び／又は多相（液体及び蒸気）であってもよい。そのような凝縮物は、システム１２００の他の構成要素における圧縮及び／又は冷却から生じてもよい。
［００３０２］ ヒーター１２０５は、作動流体を加熱して、少なくとも部分的に気化した作動流体（又は流体）を生成し得る。例えば、加熱された作動流体は、蒸気、実質的に蒸気、及び／又は多相（液体及び蒸気）であってもよい。作動流体が加熱の前後で多相である場合、加熱は、液体に対する蒸気の蒸気圧又は質量分率を増加させ得る。
［００３０３］ 加熱された作動流体は、作動流体からエネルギーを取り出すために、境界層ターボマシン１００の一実施形態であってもよい（第１の）境界層タービン１２３０Ａに供給されてもよい。
［００３０４］ 境界層タービン１２３０Ａにおける作動流体からのエネルギー抽出後、作動流体は、軸方向ステージ２２４に供給されてもよい。軸方向ステージ２２４は、作動流体からエネルギーを抽出するために境界層タービン１２３０Ａから作動流体を受け取るように境界層タービン１２３０Ａに結合されてもよい。軸方向ステージ２２４は、軸流タービンなどの軸流ロータ、及び／又は軸流ステータを含んでもよい。
［００３０５］ いくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４は、シャフトを回転駆動するように構成されてもよい。様々な実施形態において、軸方向ステージ２２４は、シャフトを介在させずに、境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂの一方又は両方に直接結合されてもよい。軸方向ステージ２２４及び境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂは、別個のシャフトの有無にかかわらず、生成された動力を伝達するために結合されてもよい。
［００３０６］ 作動流体のエネルギーは、軸方向ステージ２２４において低減されてもよい。例えば、いくつかのケースでは、作動流体の圧力及び／又は温度が低減されてもよい。
［００３０７］ 軸方向ステージ２２４における作動流体からのエネルギー抽出後、作動流体は、第２の境界層タービン１２３０Ｂに供給され得る。
［００３０８］ 境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂは、作動流体から動力、例えばシャフト動力を生成するために、それぞれの境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂにエネルギーを供給するためのそれぞれのダクト壁を有し得る。
［００３０９］ 境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂは、作動流体が、境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂのそれぞれの長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に前述のそれぞれのダクト壁を摩擦で引き込むことによって、それぞれの境界層ターボマシンの対応する長手方向軸の周りに駆動可能な回転のために構成され得る。
［００３１０］ いくつかの実施形態では、冷却され凝縮された作動流体は、発電機１２７０の冷却、すなわち作動流体凝縮物の予熱のために発電機１２７０に供給されてもよい。そして、作動流体は、少なくとも部分的な凝縮物の形態で加熱器１２０５に戻される。システム１２００を、加熱器１２０５に供給するための実質的に液体の作動流体を生成するように構成することが有利であることが見出される。
［００３１１］ Ａ－１３、Ｂ－１３、Ｃ－１３、及びＤ－１３の位置における作動流体の熱力学的特性を、例示的な実施形態について表４に示す。
【0012】
【表4】
［００３１２］ 例示的な実施形態について、作動流体の多相特性を表５に示す。
【0013】
【表5】
［００３１３］ いくつかの実施形態では、熱入力は約８９５ｋＷであり、熱出力１２０８は約３６８ｋＷである。
［００３１４］ 様々な実施形態において、液体ポンプ１２２４は、約８ｆｔ３／分の体積流量に構成され得る。
［００３１５］ 発電システムの様々な実施形態では、複数の境界層ターボマシン１００が一緒に結合されてもよく、例えば、３つ又は４つの境界層ターボマシン１００が段階化されてもよい。各境界層ターボマシン１００は、異なるように構成されてもよく、例えば、ダクト壁の数、半径、入口羽根の数、及び他のパラメータは、１つの境界層ターボマシン１００から別の境界層ターボマシン１００まで異なってもよい。
［００３１６］ 図１４は、実施形態による、発電するシステム１４００の概略ブロック図である。
［００３１７］ システム１４００において、第２の境界層タービン１２３０Ｂは、作動流体からエネルギーを抽出することによって凝縮物を生成するように構成されてもよい。第２の境界層タービン１２３０Ｂにおいて生成された凝縮物は、作動流体の蒸気質を、加熱器１２０５における再加熱（及び気化）に適したレベルまで低下させることもある。
［００３１８］ 有利なことに、別個の凝縮器を使用しなくてもよい。別個の凝縮器で作動流体を凝縮させることによるエネルギー（熱）損失は回避し得る。このようなエネルギー又はその一部は、機械的エネルギーに変換し得る。いくつかの実施形態では、効率の改善が達成される場合がある。
［００３１９］ 様々な実施形態において、（蒸気）コンプレッサ１２２２は、気化後の作動流体を圧縮するために加熱器１２０５の下流に配置され得る。圧縮及び／又は加圧は、作動流体を通して引き込むためにシステム１４００内に適切な圧力勾配を確立し得る。
［００３２０］ 例示的な実施形態について、位置Ａ－１３、Ｂ－１３、及びＣ－１３における作動流体（プロパンであってもよい）の熱力学的特性は、表６に列挙されている。
【0014】
【表6】
【0015】
【表7】
［００３２３］ 図１５Ｂは、図１５Ａのシステム１３００の部分拡大断面図である。
［００３２４］ 図１５Ａ～１５Ｂを参照すると、システム１３００のダクト内の材料の流れは、適切な場合に、大きな（輪郭のある）矢印を用いて示されている。
［００３２５］ 図１５Ａ～１５Ｂを参照すると、システム１２００の長手方向軸１０２は、境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂのダクト壁、軸方向ステージ２２４のロータ、及び発電機１２７０の、共通の回転軸線を画定し得る。いくつかの実施形態では、これらの構成要素のうちの１つ以上が別個の回転軸を有していてもよい。共通の回転軸を有することにより、構造が単純化され、構成要素の直接的な結合が可能になる場合がある。
［００３２６］ 高温の作動流体は、入口ダクト１５１０を介して境界層タービン１２３０Ａの複数のダクトに供給される。
［００３２７］ 境界層タービン１２３０の複数のダクトは、対応するダクト壁によって少なくとも部分的に画定され得る。これらのダクト壁は、シャフト動力を生成するために作動流体によって長手方向軸１５６０を中心に駆動可能に回転するように構成され得る。
［００３２８］ 軸方向ステージ２２４は、境界層タービン１２３０Ａと境界層タービン１２３０Ｂとの間に挟まれることがある。
［００３２９］境界層タービン１２３０Ｂは、軸方向ステージ２２４から境界層タービン１２３０Ｂを少なくとも部分的に画定する複数のダクト内に、エネルギーを低減した作動流体を受け入れてもよい。複数のダクトは、作動流体と摩擦係合し、作動流体によって長手方向軸１５６０を中心に駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって少なくとも部分的に画定されてもよい。様々な実施形態において、境界層タービン１２３０Ｂのダクト壁は、作動流体を少なくとも部分的に凝縮又は冷却するために、境界層タービン１２３０Ｂの複数のダクト内を流れる作動流体からエネルギーを伝達するように構成されてもよい。
［００３３０］ 軸方向ステージ２２４は、境界層タービン１２３０Ａと境界層タービン１２３０Ｂとを軸方向に離間させるために、軸方向ステージ２２４の対向する端部において２つの境界層ターボマシンに結合させてもよい。
［００３３１］ 様々な実施形態において、境界層タービン１２３０Ａ、軸方向ステージ２２４、及び境界層タービン１２３０Ｂ（及び、いくつかの実施形態では、発電機１２７０）は、共通の回転のために一体的に形成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、構成要素は、中間シャフト体又は歯車装置を介さずに、ねじ切り可能な接続部を介して互いに取り付けられ又は一体的に結合されてもよい。例えば、別個の構成要素を一体化した後に「シャフト」を形成してもよい。
［００３３２］ 発電機１２７０は、軸方向ステージ２２４及び境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂに連結されて発電し、電気ケーブル１５５０を介して発電機１２７０から出力される。
［００３３３］ 様々な実施形態において、発電機１２７０は、誘導発電機又は永久磁石発電機／モータであってもよい。発電機１２７０は、発電機１２７０の耐用年数及び／又は性能の劣化につながる可能性のある熱を生成し得る。また、生成された熱は、再生されない場合、システム１３００からのエネルギーの損失となり得る。
［００３３４］ 境界層タービン１２３０Ｂにおける冷却の後、冷たい作動流体は、発電機入口１５２０を介して発電機１２７０の中及び／又は周囲に引き込まれる。いくつかの実施形態では、冷たい作動流体は、発電機１２７０の高温部分を取り囲む熱交換器に供給されてもよい。例えば、冷たい作動流体は、熱交換のために構成された長手方向軸１０２の周りのヘリカル状ダクト１５７０に供給されてもよい。
［００３３５］ 発電機１２７０を冷却した後、作動流体は出口ダクト１５３０を介して引き出され、凝縮器１２２６及び液体ポンプ１２２４を介して加熱器１２０５に戻る。
［００３３６］ 作動流体の流れを制御するために、バルブ１５４０を設けてもよい。
弁１５４０は制御可能な弁であってもよい。いくつかの実施形態において、弁１５４０は、弁１５４０を通る流量を変化させるように制御可能であってもよい。様々な実施形態において、弁１５４０は、電気的に（例えばソレノイドを介して）、油圧的に、及び／又は空気圧的に作動可能であってよい。
［００３３７］ 様々な実施形態において、境界層タービン１２３０Ａ及び／又はそのダクトは、それぞれ境界層タービン１２３０Ｂ、及び／又はそのダクトと実質的に同様の内径及び外径を有してよい。いくつかの実施形態では、境界層タービン１２３０Ａ及び境界層タービン１２３０Ｂのダクトの数は、実質的に同様であってよい。
［００３３８］ 様々な実施形態において、軸受１５８０は、長手方向軸１０２に関する結合位置の周りで構成要素を支持するために提供され得る。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンは、セラミック軸受のような費用効果の高い軸受の使用を可能にするために、比較的低い回転数での動作を容易にし得る。
［００３３９］ 様々な実施形態において、境界層タービン１２３０Ａ、１２３０Ｂのダクト壁のそれぞれのセットは、ダクト壁間の差回転を防止するために、特定の境界層タービンのダクト壁を一緒に結合する締結具１５８２を介して一体的に形成されてもよい。例えば、特定の境界層タービンのダクト壁を画定する環状管は、全て同様又は同じ角速度で回転し得る。
［００３４０］ 様々な実施形態において、軸方向ステージ２２４の１つ以上のロータ及び／又はステータは、長手方向下流に分岐していてもよい。
［００３４１］ 図１６Ａは、実施形態による、システム１４００の斜視図である。
［００３４２］ 図１６Ｂは、図１６Ａのシステム１４００の断面図である。
［００３４３］ 図１６Ｃは、図１６Ａのシステム１４００の部分拡大断面図である。
［００３４４］ 図１６Ａ～１６Ｃ（及び後述の図１６Ｄ～１６Ｉも同様）を参照すると、システム１４００のダクト内の材料の流れが、適切な場合には、大きな（輪郭のある）矢印を用いて示されている。
［００３４５］ 熱入力１２１０は、入口１６０２を通って熱交換器に入り、出口１６０４を通って出る高温流体を介して、熱交換器１２２０に供給され得る。いくつかの実施形態において、熱交換器１２２０は、シェル＆チューブ式熱交換器であってもよい。
［００３４６］ コンプレッサ１２２２は、ブレードコンプレッサであってもよい。例えば、コンプレッサ１２２２は、軸流コンプレッサ、遠心コンプレッサ、及び／又は混合流コンプレッサであってもよい。いくつかの実施形態では、コンプレッサ１２２２は、インペラの一種であってもよい。コンプレッサ１２２２は、実質的に単相の流体を受け入れるように構成されてもよい。コンプレッサ１２２２は、実質的に単相運転のために構成されてもよい。
［００３４７］ 作動流体のエネルギー（エンタルピー）は、第１の境界層タービン１２３０Ａの入口から第２の境界層タービン１２３０Ｂの出力まで減少し得る。作動流体から引き出されたエネルギーは、機械的な仕事に変換されてもよい。第２の境界層タービン１２３０Ｂは、作動流体中の凝縮物を増加させるために、作動流体を十分に冷却し得る。いくつかの実施形態では、形成される凝縮物は、凝縮器と同様の量であってもよい。
［００３４８］ 様々な実施形態において、第２の境界層タービン１２３０Ｂの長さは、凝縮物形成の所望の割合を達成するため、及び／又は発電（又は作動流体からのエネルギー抽出）の所望の量を達成するために変化させ得る。様々な実施形態において、境界層タービン１２３０Ａの複数のダクトは、境界層タービン１２３０Ｂの複数のダクトよりも軸方向に実質的に短くてもよい。いくつかのケースでは、境界層タービン１２３０Ａ、及び／又はそのダクトは、それぞれ、境界層タービン１２３０Ｂ、及び／又はそのダクトの軸方向長さの３分の１から２分の１の間であることが有利であることが見出される。
［００３４９］ いくつかの実施形態では、境界層タービン１２３０Ｂからの冷却され凝縮された作動流体は、発電機１２７０の冷却、すなわち凝縮物の予熱のために発電機１２７０に供給されてもよい。作動流体は、その後、少なくとも部分的な凝縮物の形態で加熱器１２０５に戻される。
［００３５０］ ヒーター１２０５に供給するための実質的に液体の作動流体を生成するようにシステム１４００を構成することが有利であることが見出される。
［００３５１］ 有利なことには、発電機１２７０によって生成された熱は、発電機１２７０における熱に関連する劣化（例えば、熱蓄積を介して）を緩和すると同時に、システム１４００からの熱損失を低減するために作動流体を予熱するように、作動流体によって吸収され得る。
［００３５２］ 発電機１２７０の周囲のプレナム１６０６は、発電機１２７０を冷却するため、及び作動流体を予熱するために、冷たい作動流体を受け取得る。プレナム１６０６は、境界層タービン１２３０Ｂの出口を熱交換器１２２０に流体接続されたダクトに流体接続してもよい。
［００３５３］ いくつかの実施形態では、システム１４００は、熱が逃げることに対して実質的に閉鎖されてよい。例えば、熱は、熱交換器１２２０を介してシステム１４００に入ることのみでき、そうでなければ、不完全な断熱及び他の伝導損失、騒音、及び／又は振動のために、漏れを介しての場合を除いて、システムから出ることができない。システム１４００に供給された熱は、機械的エネルギー、例えばシャフトエネルギーに変換されてもよい。また、システム１４００に対する寄生負荷、例えばコンプレッサ１２２２による寄生負荷が存在し得る。
［００３５４］ 本明細書において、「シャフトエネルギー」とは、質量物体、すなわち慣性モーメントを有する物体の回転運動の形態の機械的エネルギーを指す。例えば、シャフトエネルギーは、明確な一体型（又は一体的に構成された）シャフトがない場合でも生成され得る。
［００３５５］ 図１６Ｄは、実施形態による、管３０２のダクト壁、ヘッダーブロック２１０及びヘッダプレート２０８を含むヘッダ部２０６を示すために外側ハウジングが除かれた、境界層タービン１２３０Ａの内部斜視図である。
［００３５６］ 図１６Ｅは、実施形態による、図１６Ｄの境界層タービン１２３０Ａの内部側面図である。
［００３５７］ 図１６Ｆは、図１６Ｅに示す境界層タービン１２３０Ａの内部側図の拡大図であり、実施形態に従って、ヘッダーブロック２１０及び管３０２の間のクリアランス１６０８を示している。
［００３５８］ 作動流体は、支持構造２３０の一部であるヘッダーブロック２１０を出て、流れ入口２１２を介してダクトに出てもよい。
［００３５９］ ヘッダーブロック２１０は、管３０２の自由端部に隣接していてもよい。管３０２の自由端部は、他の構成要素に取り付けられておらず、長手方向軸１０２を中心に自由に回転し得る。
［００３６０］ ヘッダーブロック２１０は、ヘッダーブロック２１０に対する管３０２の回転を可能にするために、管３０２の自由端部とヘッダーブロック２１０との間のクリアランス１６０８を維持するように適応し得る。様々な実施形態において、クリアランスは１０００分の３～１０００分の８インチ（３～８ｔｈｏｕ）の間で変化し得る。
［００３６１］ 図１６Ｆに示すように、いくつかの実施形態では、クリアランスを画定するヘッダーブロック２１０及び管３０２のそれぞれの面（の対向する端部）は、互いに実質的に平行であってよい。いくつかの実施形態では、これらの面は、長手方向軸に対して実質的に垂直である。例えば、単純化された構造及び有利な流体力学的挙動がそれによって達成され得る。
［００３６２］ 前述したように、いくつかの実施形態において、クリアランスの面は、長手方向軸に対して実質的に平行であってよく、舌の面と、舌を受けるスロットの面とを含んでよい。
［００３６３］ 様々な実施形態において、クリアランス１６０８は、管３０２とヘッダーブロック２１０との間の流体の潤滑膜を維持するように適応し得る。
［００３６４］ 様々な実施形態において、流れ入り口２１２は、管３０２の自由端部に隣接する端部においてヘッダーブロック２１０に形成されてもよい。
［００３６５］ 複数の流れ入り口２１２は、クリアランス１６０８を横切って複数の管によって画定されたダクト内に流体を注入するように方位角方向に傾斜していてもよい。
［００３６６］ クリアランスを横切るダクトへの流体の注入は、同心円状に隣接するダクト間の流体の移動を緩和又は低減することがある。例えば、流体力学的層（せん断層など）の形成は、クリアランス１６０８を介した複数のダクトのダクト間のクロスフローを減少させる不利な圧力勾配を維持し得る。
［００３６７］ 様々な実施形態において、締結具１５８２は、その中に画定された羽根を通して複数のダクトを通して締結されてもよい。図１６Ｄ～１６Ｅに見られるように、羽根は、管に沿って様々な傾斜を有してよい。例えば、流れ入口に比較的近位の羽根は、そこから比較的遠位の羽根と比較して、方位角方向により配向され得る。
［００３６８］ 複数のブレード２２２は、自由端部とは反対側の管３０２の端部に形成されてもよい。管３０２の端部は、管３０２から半径方向外向きに延びるリッジ１６１０又はリップを形成してもよい。いくつかの実施形態では、管３０２の端部は、流れ入口２１２から離れるように半径方向内側に傾斜してよい。様々な実施形態において、半径方向の傾斜は、１２°～１８°又は約１６°の間であってよい。
［００３６９］ 図１６Ｇは、実施形態による、図１６Ｄの境界層タービン１２３０Ａのヘッダーブロック２１０と隣接管３０２の拡大斜視図である。
［００３７０］ 図１６Ｈは、図１６Ｄの境界層タービン１２３０Ａのヘッダーブロック２１０及び隣接管３０２の内部斜視図であり、実施形態に従って、ヘッダーブロック２１０に形成された内部チャネルを示すためにヘッダーブロック２１０の外側ハウジングが省略されている。
［００３７１］ 図１６Ｉは、実施形態による、図１６Ｈの境界層タービン１２３０Ａのヘッダーブロック２１０及び隣接管３０２の内部側面図である。
［００３７２］ 流れ入口２１２は、ヘッダーブロック２１０に形成された流路の端部に画定される矩形のポート（又はスロット）であってもよい。チャネルは、少なくとも部分的に、ヘッダーブロック２１０を取り囲むそのハウジングによって画定され得る。
［００３７３］ チャネルは、長手方向軸に実質的に平行に作動流体を受け入れてもよく、流体を方位角方向に再配向してもよい。いくつかの実施形態では、チャネルは、ヘッダーブロック２１０から立ち上がる要素の間に形成されてもよい。例えば、そのような要素は、管３０２に合わされてもよいし、その上に付加的に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、チャネルは、（流体の比較的滑らかな又は緩やかな方位角方向の再配向を達成するために）流れ方向にアーチ状に形成されてもよく、出口端部（流れ入口２１２の近位）に向かって収束して、管３０２に衝動を与える方位角方向に（部分的に）傾斜した噴流を形成して、その回転を引き起こして発電してもよい。
［００３７４］ いくつかの実施形態では、ダクトへの流れ入口２１２は、長手方向軸の周りに等間隔に配置されてよい。いくつかの実施形態では、流れ入口２１２は、隣接する流れ入口から噴出する噴流間の干渉又は実質的なクロスフロー（直交流）を防止するために、管３０２の円周に沿って間隔を空けて配置されてもよい。いくつかの実施形態では、流れ入口２１２は、そのような距離以下の間隔を空けてよい。様々な実施形態において、流動入口２１２に関連する数、サイズ、及び流動特性は、境界層タービン１２３０Ａによって生成される所望の出力及びトルクを達成するために変化させ得る。
［００３７５］ いくつかの実施形態では、流れ入口２１２は対で形成されてもよい。流れ入口２１２の総数は偶数であってもよい。各流れ入口は、境界層タービン１２３０内の力の均衡を向上させるために、管３０２を横切って対蹠的に形成された、それに関連する対向流流れ入口を有し得る。
［００３７６］ 図１６Ａ～１６Ｉを参照して上述したように、ヘッダーブロック２１０の実施形態は、境界層ターボマシン１００の様々な実施形態の一部であってもよい。
［００３７７］ 図１７Ａは、実施形態による、長手方向軸１０２に平行なダクト１７００の概略断面図である。
［００３７８］ ダクト壁２２０は、長手方向に断面積が減少している場合がある。
［００３７９］ いくつかの実施形態では、ダクト壁２２０は長手方向に収束していてもよい。いくつかの実施形態では、第１の長手方向位置１７０４Ａにおけるダクト壁２２０間の半径方向の離隔１７０２Ａは、第２の長手方向位置１７０４Ｂにおけるダクト壁２２０間の半径方向の離隔１７０２Ｂと異なっていてもよい。
［００３８０］ 第１の長手方向位置１７０４Ａは、第２の長手方向位置１７０４Ｂと比較して又はこれに対して、入口端部２０２から近位であり、出口端部２０４から遠位であってもよい。
［００３８１］ 図１７Ｂは、実施形態による、第１の長手方向位置１７０４Ａにおけるダクト１７００の概略半径方向断面図である。
［００３８２］ 図１７Ｃは、実施形態による、第２の長手方向位置１７０４Ｂにおけるダクト１７００の概略半径方向断面図である。
［００３８３］ ダクト１７００の第１の半径方向断面１７０６Ａは、ダクト１７００の第２の半径方向断面１７０６Ｂよりも大きい。第１の半径方向断面１７０６Ａは、第２の半径方向断面１７０６Ｂに対して入口端部２０２の近位にある。
［００３８４］ 図１８は、発電するために相変化するように構成された作動流体を使用して発電する例示的な方法１８００のフローチャートである。
［００３８５］ 方法１８００のステップ１８０２は、作動流体を生成するために凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こすために凝縮物に熱を与えることを含んでもよい。
［００３８６］ 方法１８００のステップ１８０４は、半径方向に分離されたダクト壁の間で長手方向に延びるダクト内に、少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受け入れることを含み得る。
［００３８７］ 方法１８００のステップ１８０６は、凝縮物を生成するために作動流体の凝縮を引き起こすために作動流体とエネルギーを交換するために、ダクト壁とダクト内の作動流体との摩擦係合を介して半径方向に分離されたダクト壁のダクト壁を回転可能に駆動することを含み得る。
［００３８８］ 方法１８００のいくつかの実施形態は、シャフト動力を生成するためにタービンロータを駆動可能に回転させるために、タービンロータのブレード上に作動流体を受けることを含み、半径方向に分離されたダクト壁の間を長手方向に延びるダクト内に少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受けることは、タービンロータから少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受けることを含む。
［００３８９］ 方法１８００のいくつかの実施形態は、半径方向に分離されたダクト壁を回転駆動することによって発電機を駆動することと、凝縮物及び／又は作動流体をそれぞれ予熱するために、凝縮物及び／又は作動流体を使用して発電機を冷却することとを含む。例えば、作動流体は多相であってもよい。
［００３９０］ 方法１８００のいくつかの実施形態では、作動流体を生成するために凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こすために凝縮物に熱を付与することは、凝縮物を受けるように構成された加熱器を使用することを含む。方法１８００のいくつかの実施形態は、半径方向に分離されたダクト壁を回転駆動することによって発電機を駆動することと、発電機からの熱を使用して熱交換器内で凝縮物を予熱することと、凝縮物を熱交換器を介して加熱器に受け入れることとを含む。
［００３９１］ 方法１８００のいくつかの実施形態では、作動流体は、凝縮物を生成するために凝縮を引き起こすために圧縮を介してエネルギーを付与される。
［００３９２］ 方法１８００のいくつかの実施形態では、半径方向に分離されたダクト壁の間で長手方向に延びるダクト内に少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を受けることは、ダクトの上流端部で流れる作動流体を受けることを含み；半径方向に分離されたダクト壁の間で画定される第１の半径方向断面は、半径方向に分離されたダクト壁の間で画定される第２の半径方向断面よりも大きく、第１の半径方向断面は、第２の半径方向断面に対して上流端部の近位にある。
［００３９３］ 方法１８００のいくつかの実施形態では、半径方向に分離されたダクト壁間の第１の半径方向分離は、半径方向に分離されたダクト壁間の第２の半径方向分離よりも大きく、第１の半径方向分離は、第２の半径方向分離に対して上流端部に近接している。
［００３９４］ 図１９は、実施形態による、発電システム１９００の概略ブロック図である。
［００３９５］ 様々な実施形態において、システム１９００は、いくつかの点でシステム１３００と類似していてもよい。例えば、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４は、境界層１２３０及び軸方向ステージ２２４を含む。
［００３９６］ いくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４の後、作動流体は、軸方向ステージ２２４に結合された境界層ポンプタービン１９５０に引き込まれてもよく、境界層ターボマシン１００の一実施形態であってもよい。本明細書で言及されるように、境界層ポンプタービン１９５０は、境界層コンプレッサタービン１９５０として機能してもよい。
［００３９７］ 境界層ポンプタービン１９５０は、作動流体の熱力学的状態を変化させるように構成されてもよい。特に、境界層ポンプタービン１９５０は、作動流体を少なくとも部分的に液化するように構成され得る。このような液化は、熱入力１２１０を供給する熱源からのエネルギーのために気化熱を活用するのに有利であり得る。例えば、低品位熱源からの熱の抽出が可能になる場合がある。有利なこととして、システム１９００からのエネルギーの正味損失を引き起こす凝縮器などのヒートシンクの使用が回避され得る。
［００３９８］ 境界層ポンプタービン１９５０は、作動流体を受け入れるように構成されたダクトを画定する複数のダクト壁を含んでもよい。境界層ポンプタービン１９５０の複数のダクト壁は、作動流体と摩擦係合し、境界層タービン１９５０の長手方向軸を中心とする駆動可能な回転のために構成されてもよい。複数のダクト壁は、その中を流れる作動流体に及び／又は作動流体から、エネルギーを伝達する（動力を伝達する）ように構成されていてもよい。その結果、作動流体は、加熱器１２０５のための凝縮物を生成するための凝縮物であってもよい。
［００３９９］ いくつかの実施形態では、境界層ポンプタービン１９５０は、システム１９００を通る流体の適切なポンピングを確実にするために、実質的にポンプとして作用し得る。いくつかの実施形態では、境界層ポンプタービン１９５０は、作動流体を圧縮して、蒸気から液体への相変化を引き起こしてもよい。例えば、境界層ポンプタービン１９５０は、多相（蒸気及び液体）の作動流体を受け取ることができ、この作動流体を圧縮して、作動流体中の蒸気の少なくとも一部を凝縮させて凝縮物を生成してもよい
。いくつかのケースでは、境界層ポンプタービン１９５０は、実質的に完全に液体の作動流体を生成し得る。
［００４００］ いくつかの実施形態では、境界層タービン１２３０及び軸方向ステージ２２４は、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４の一部であってもよいし、境界層エネルギー抽出サブシステム１２０４を形成してもよい。追加のタービンステージが、例えば再生サブシステム１２０２に設けられてもよい。いくつかの実施形態では、軸方向ステージ２２４は、再生サブシステム１２０２になくてもよい。いくつかの実施形態では、境界層ターボマシンだけが、再生サブシステム１２０２に設けられてもよい。
［００４０１］ いくつかの実施形態では、境界層ポンプタービン１９５０は、作動流体からエネルギーを抽出して作動流体のエネルギーを更に低減し、そこから凝縮物を生成して再利用するためのタービンとして機能し得る。
［００４０２］ いくつかの実施形態では、境界層ポンプタービン１９５０は、凝縮物を生成するために、ポンプ又はタービンのいずれかとして柔軟に動作するように構成され得る。
［００４０３］ いくつかの実施形態では、境界層ポンプタービン１９５０から冷却され凝縮された作動流体は、発電機１２７０の冷却、すなわち凝縮物の予熱のために発電機１２７０に供給されてもよい。作動流体は、その後、少なくとも部分的な凝縮物の形態で加熱器１２０５に戻される。加熱器１２０５に供給するために実質的に液体の作動流体を生成するようにシステム１９００を構成することが有利であることが見出される。
［００４０４］ Ａ－１９、Ｂ－１９、及びＣ－１９の位置における作動流体の熱力学的特性を、例示的な実施形態について以下に示す。いくつかの実施形態では、作動流体はエタンであってもよい。いくつかの実施形態では、作動流体は二酸化炭素、プロパン、又はプロピレンであってもよい。
【0016】
【表0】
【0017】
【表0】
［００４０６］ 図２０Ｂは、実施形態による、図２０Ａのシステムの断面図である。
［００４０７］ 図２１Ａは、図２０Ｂの領域２１Ａの拡大図である。
［００４０８］ 図２１Ｂは、図２０Ｂの領域２１Ｂの拡大図である。
［００４０９］ 境界層タービン１２３０の複数のダクトは、対応するダクト壁によって少なくとも部分的に画定されてもよい。これらのダクト壁は、複数のダクト内を流れる作動流体からエネルギーを伝達するために、作動流体が長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に方位角方向に摩擦で引き込むことによって、長手方向軸１０２の周りに駆動可能に回転するように構成されてもよい。
［００４１０］軸方向ステージ２２４は、境界層タービン１２３０と境界層ポンプタービン１９５０との間に挟まれることがある。
［００４１１］ 境界層ポンプタービン１９５０は、少なくとも部分的に境界層ポンプタービン１９５０を画定する複数のダクト内に、軸方向ステージ２２４から、エネルギーが低減された作動流体を受け入れてもよい。複数のダクトは、作動流体と摩擦係合し、長手方向軸１０２を中心に駆動可能に回転するように構成された対応する第２のダクト壁によって少なくとも部分的に画定されてもよい。
［００４１２］ 様々な実施形態において、境界層ポンプタービン１９５０のダクト壁は、作動流体を少なくとも部分的に凝縮させるために、境界層ポンプタービン１９５０の複数のダクト内を流れる作動流体に、又は作動流体からエネルギーを伝達するように構成され得る。
［００４１３］ 軸方向ステージ２２４は、境界層タービン１２３０と境界層ポンプタービン１９５０とを軸方向に離間させるために、軸方向ステージ２２４の対向する端部において２つの境界層ターボマシンに結合され得る。
［００４１４］ 様々な実施形態において、境界層タービン１２３０、軸方向ステージ２２４、及び境界層ポンプタービン１９５０（及び、いくつかの実施形態では、発電機１２７０）は、共通の回転のために一体的に形成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、構成要素は、中間シャフト体又は歯車を介さずに、ねじ切り可能な接続部を介して互いに取り付けられるか、又は一体的に結合されてもよく、したがって、「シャフト」は、別個の構成要素を一体化した後にのみ形成されてもよい。
［００４１５］ 発電機１２７０は、境界層ポンプタービン１９５０との結合を介して軸方向ステージ２２４及び境界層タービン１２３０に結合されて発電することができ、この電気は電気ケーブル１５５０を介して発電機１２７０から出力される。
［００４１６］ 境界層ポンプタービン１９５０で凝縮物を形成した後、冷たい作動流体は、発電機入口１５２０を介して発電機１２７０の中及び／又は周囲に引き込まれる。
［００４１７］ 有利には、発電機１２７０によって生成された熱は、発電機１２７０における熱に関連する劣化（例えば、熱蓄積を介して）を緩和すると同時に、システム１２００からの熱損失を低減するよう作動流体を予熱するために、作動流体によって吸収され得る。
［００４１８］ 発電機１２７０から熱を受けて予熱した後、作動流体は、出口ダクト１５３０を介して引き出され、加熱器１２０５の熱交換器１２２０に戻る。
［００４１９］ 様々な実施形態において、境界層タービン１２３０、及び／又はそのダクトは、それぞれ、境界層ポンプタービン１９５０、及び／又はそのダクトと実質的に同様の内径及び外径を有し得る。いくつかの実施形態では、境界層タービン１２３０及び境界層ポンプタービン１９５０のダクトの数は、実質的に同様であってもよい。
［００４２０］ 様々な実施形態において、境界層タービン１２３０の複数のダクトは、複数の境界層ポンプタービン１９５０よりも実質的に軸方向に短くてもよい。
［００４２１］ 様々な実施形態において、境界層ポンプタービン１９５０は、ダクトの出口端部の周りに流体をヘリカル状に案内するために、その中に延びる突出部又はその機能を有するダクトを含んでよい。
［００４２２］ 図２１のＢを参照すると、境界層ポンプタービン１９５０のダクトは、長手方向軸１０２に沿って延伸し得、また長手方向軸を周方向に取り囲み得るダクト壁２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄ、２２０Ｅ、２２０Ｆを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、これらは、長手方向軸１０２の周りに円筒形であってもよい。
［００４２３］ 様々な実施形態において、ダクト壁２２０Ａ、２２０Ｃ、２２０Ｅからの突出部２１１０は、それぞれの対向するダクト壁２２０Ｂ、２２０Ｄ、２２０Ｆまで半径方向に延びてよい。いくつかの実施形態では、突出部２１１０は、作動流体をそれぞれのダクトに沿って引き込むように長手方向軸１０２に沿って少なくとも部分的にスパイラル状に延びていてもよい。例えば、突出部２１１０は、付加的に製造されてもよい。
［００４２４］ 軸方向ステージ部２２４は、長手方向軸１０２に沿って発散していてもよい。
［００４２５］ 図２２Ａは、実施形態による、境界層ポンプタービン１９５０の斜視図である。
［００４２６］図２２Ｂは、実施形態による、長手方向軸１０２に垂直な境界層ポンプタービン１９５０の断面図である。
［００４２７］ 図２２Ｃは、図２２Ｂの領域２２Ｃの拡大図である。
［００４２８］ いくつかのケースでは、境界層ポンプタービン１９５０は、境界層ターボマシン１００の実施形態であってもよい。
［００４２９］ 境界層ポンプタービン１９５０のいくつか（その複数）の本体２２１０は、長手方向軸１０２に沿って延伸してもよく、その周りで回転可能であってもよい。
［００４３０］ 本体２２１０は、長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に互いに同心円状に配置されてもよい。本体２２１０は、長手方向軸１０２に沿って少なくとも部分的に互いに同軸に延伸してもよい。本体２２１０は、互いに共通の回転のために結合されてもよい。本体２２１０は、少なくとも部分的に別の本体２２１０内に配置されて、その間に長手方向に延びるダクト２１４を画定してもよい。
［００４３１］ 本体２２１０は、その同軸配置を可能にするために実質的に中空であってもよい。様々な実施形態において、本体２２１０は、長手方向軸１０２に関して軸対称又は実質的に軸対称であってもよい。例えば、本体２２１０は、本体が回転体である場合のように、長手方向軸１０２に関して連続的に対称であってもよいし、長手方向軸１０２に関して別個のｎ回対称性を画定してもよい。いくつかの実施形態では、本体２２１０は、円筒形又は錐体形状（又は、長手方向軸１０２に沿って半径方向にテーパ状）であってもよい。いくつかの実施形態では、本体２２１０は、管３０２と実質的に類似していてもよい。
［００４３２］ いくつかの実施形態では、境界層ポンプタービン１９５０を通って流れる作動流体は、密度が変化することがあり、例えば、作動流体は、部分的又は完全に相が変化し得る。様々な実施形態において、本体２２１０の形状（複数可）は、長手方向軸１０２に沿ってダクト２１４の断面積を変化させることなどによって、作動流体の密度の変化に対応するように適合され得る。例えば、作動流体が、部分的に又は完全に、蒸気から液体に相変化するときに、効率的な動作を容易にするために、錐体形状が適合され得る。特に、断面積の減少は、空のポケットの形成を緩和し、作動流体とダクト壁との間の接着接触を促進して、本体２２１０の回転を介した回転駆動を可能にし得る。いくつかの実施形態では、本体２２１０の形状は、作動流体の圧縮及び／又はポンピングを促進するように適合され得る。
［００４３３］ 本体２２１０上の１つ以上の突出部は、ダクト内の少なくとも１つのチャネルを画定するために、ダクト２１４内の別の本体２２１０に向かって、ダクトに沿って少なくとも部分的に長手方向に延び、半径方向に延び得る。
［００４３４］ いくつかの実施形態では、本体２２１０上の１つ以上の突出部２１１０は、ダクト２１４内の本体２２１０まで延びていてもよい。
［００４３５］ いくつかの実施形態では、突出部２１１０は、ダクト２１４に沿って作動流体を引き込むため、及び／又はダクト２１４内に流体を導くために、ダクト２１４内の長手方向軸１０２に沿って、及びその周りにスパイラル状に延びてよい。いくつかの実施形態では、突出部２１１０は、インデューサブレードと同様に構成されてもよい。
［００４３６］ いくつかの実施形態では、チャネルは、スパイラル状チャネル２３１２Ａ、２３１２Ｂ、２３１２Ｃなどの一つのスパイラル状チャネル（又は複数のスパイラル状チャネル）であってもよい。チャネルは、流れ入口２１２からダクト２１４に流体を受け、引き込むように構成されてもよい。
［００４３７］ 流れ入口２１２は、本体２２１０の共通の回転に従って、長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に方位角方向に作動流体をダクト２１４に受け入れるように構成されてもよい。例えば、ダクト２１４内の流体の速度の方位角成分は、本体２２１０の壁の表面の速度の方位角成分と概ね一致することがある。
［００４３８］ ダクト２１４内の作動流体は、機械的エネルギーを流体に、又は流体から伝達するために、本体２２１０と摩擦係合し得る。
［００４３９］ いくつかの実施形態では、流れ入口２１２は、本体２２１０を摩擦駆動してその共通の回転を達成するために、ダクト２１４内に作動流体を供給するように構成されてもよい。この共通の回転は、その中の流体の速度の方位角成分を有する本体によって画定されるダクト２１４の壁の速度の方位角成分と揃えられてもよい。
［００４４０］ いくつかの実施形態では、流れ入口２１２は、速度の方位角成分を付与することによって、回転体２２１０との摩擦係合を介してダクト２１４内に作動流体を引き込むように構成されてもよい。この速度は、その中の流体の速度の方位角成分を有する本体によって画定されるダクト２１４の壁の速度の方位角成分と揃えられてもよい。
［００４４１］ いくつかの実施形態では、流れ入口２１２は、（少なくとも部分的に方位角的に傾斜した）ノズル又はスロットであり得る。
［００４４２］ 本体２２１０は、本体２２１０との長手方向軸の周りの共通の回転のために本体２２１０に結合されるハウジング２２１２によって周方向に取り囲まれてもよい。ハウジング２２１２は、本体２２１０と実質的に同様に構成されてもよい。ハウジング２２１２は、長手方向軸１０２に沿って延伸していてもよく、長手方向軸１０２を周方向に取り囲んでいてもよい。
［００４４３］ １つ以上の突出部２１１０は、１つの本体２２１０から次の同心の本体２２１０（又はハウジング２２１２）まで完全に延びることもある。例えば、突出部２１１０と本体２２１０との間の先端クリアランスは、突出部２１１０を通過する流れを防止するために実質的にゼロであってもよい。
［００４４４］ 図２３は、実施形態による、ハウジング２２１２が図示されていない図２２Ａ～２２Ｃの境界層ポンプタービン１９５０の側面図である。
［００４４５］ この図は、そこから延びる突出部２１１０を有する本体２２１０を示す。突出部２１１０は、それらの間にダクト２１４を画定するように、本体２２１０から別の取り囲んでいる本体まで半径方向に延び得る。様々な実施形態において、突出部２１１０は、同心円状に配置された２つの隣接する本体２２１０の間の半径方向の範囲を満たして、本体２２１０に沿って、突出部自体において、突出部に対する垂直な流れを緩和するか、又は完全に止め得る。
［００４４６］ 本体２２１０は、第１の部分２３１０Ａ、第２の部分２３１０Ｂ、及び第３の部分２３１０Ｃを有する。各部分は、そこから延びる異なるタイプの突出部を有し得る。
［００４４７］ 第１部分２３１０Ａ及び第２部分２３１０Ｃにおいて、本体２２１０は、作動流体をダクト２１４内に誘導し及び／又は作動流体をダクト２１４に沿って引き込むために、長手方向軸１０２に沿ってかつその周りに、少なくとも部分的にスパイラル状に延び得る突出部２１１０を有し得る。
［００４４８］ いくつかの実施形態では、突出部２１１０は、ダクト２１４内の長手方向軸１０２に沿ってスパイラル状チャネル２３１２Ａ、２３１２Ｂ、２３１２Ｃ（又はスパイラル状チャネル）を画定し得る。突出部２１１０は、スパイラル状チャネル２３１２Ａ、２３１２Ｂ、２３１２Ｃの壁を画定し得る。例えば、互いに隣接する３つの実質的に連続したヘリカル状突出部は、３つの隣接するヘリカル状チャネルを画定するように、長手方向軸１０２に沿ってスパイラル状に延びている。スパイラル状チャネル２３１２Ａ、２３１２Ｂ、２３１２Ｃの入口は、流れ入口２１２によって供給される流体を受けるために、方位角方向に配向され得る。
［００４４９］ いくつかの実施形態では、スパイラル状チャネル２３１２Ａ、２３１２Ｂ、２３１２Ｃは、固定ピッチ及び／又は可変ピッチを有し得る。
［００４５０］第２の部分２３１０Ｂでは、本体２２１０は、本明細書では突出部とも呼ばれ得る複数のブレード２２２を有し得る。複数のブレード２２２は、第１の部分２３１０Ａの突出部２１１０の下流側でダクト２１４内に配置されてもよい。複数のブレード２２２は、複数のブレード２２２の間に受容された流れを、第１の方位角成分２３１４を有する第１の方向２３１５から第２の方位角成分２３１６を有する第２の方向２３１７に再配向させるように構成されてもよい。第１の方位角成分２３１４は、第２の方位角成分２３１６と対向していてもよい。
［００４５１］ いくつかの実施形態において、複数のブレード２２２は、作動流体からのエネルギー抽出を促進し得る。
［００４５２］ 様々な実施形態において、作動流体の方位角成分を逆転させる作動流体の再配向は、第３の部分２３１０Ｃにおける流体のポンピング又は圧縮を引き起こすか又は促進し得る。
［００４５３］ 第３の部分２３１０Ｃにおいて、本体２２１０は、スパイラル状の突出部２１１０を含んでもよい。突出部２１１０は、第１の部分２３１０Ａと同様に、スパイラル状のチャネル、例えばヘリカル状チャネルを画定してもよい。いくつかの実施形態では、第３の部分２３１０Ｃにおける突出部２１１０のピッチは、第１の部分２３１０Ａにおける突出部２１１０のピッチとは異なっていてもよい。いくつかの実施形態では、ピッチは、第３の部分２３１０Ｃにおいて第１の部分２３１０Ａよりも大きくてもよい。
［００４５４］ いくつかの実施形態では、突出部２１１０によって画定されるスパイラル又はヘリカルのキラリティ（又はハンドネス）は、第１の部分２３１０Ａから第３の部分２３１０Ｃまで変化してもよい。いくつかの実施形態において、第２の部分２３１０Ｂにおける第１の方向２３１５から第２の方向２３１７への流れの再配向は、第３の部分２３１０Ｃにおけるヘリカル又はスパイラル（又はそれによって画定されるチャネル）の角度又はキラリティに作動流体の方向を適合させるように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、第３の部分２３１０Ｃの突出部２１１０は、そこから作動流体を受け取ることを可能にするために、方向２３１７に適合されてもよい。
［００４５５］ 様々な実施形態において、第１の部分２３１０Ａは、作動流体からエネルギーを引き出すように構成されてもよい。第３の部分２３１０Ｃは、突出部２１１０を介してダクト２１４に沿って流体を誘導することを含めて、作動流体を圧縮又は圧送するように構成され得る。第１の部分２３１０Ａ及び第３の部分２３１０Ｃの両方において、ダクト２１４のダクト壁は、作動流体に及び／又は作動流体からエネルギーを伝達するために、作動流体との（摩擦抗力を介した）摩擦係合を達成するために共通の回転であってよい。有利には、ダクト壁の共通回転を可能にすることで、摩擦抵抗を介した作動流体への及び／又は作動流体からのエネルギー伝達を容易にし得る。
［００４５６］ 様々な実施形態において、ユニット構造のターボマシンハブ（本体２２１０）を使用して、エネルギー抽出とエネルギー注入を順番に達成し得る。
［００４５７］ 図２４は、実施形態による、境界層ポンプタービン１９５０の本体２２１０の分解図である。
［００４５８］ 本体２２１０は、その間にダクト２１４を画定するために、長手方向軸１０２に沿って互いの内部で又は内部に同心円状に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、本体２２１０は、そこから延びる突出部２１１０を有する概ね円筒形であってもよい。いくつかの実施形態では、本体２２１０上の突出部２１１０は、実質的に同じであってもよい。ハウジング２２１２は、複数の本体２２１０を包んでもよい。様々な実施形態において、ハウジング２２１２及び本体２２１０は、長手方向軸１０２を中心とする回転のために一緒に固定されてもよい。
［００４５９］ 図２５Ａは、図２４の境界層ポンプタービン１９５０の本体２２１０の斜視図である。
［００４６０］ 図２５Ｂは、図２５Ａの本体２２１０の側面図である。
［００４６１］ 図２５Ｂの大きな白い矢印は、境界層ポンプタービン１９５０を通る流れを模式的に表している。
［００４６２］ 図２５Ａ～２５Ｂを参照すると、本体２２１０は、２つの部分を含んでいる（図２５Ｂの中括弧を参照）。いくつかの実施形態において、第１の部分は、流体からエネルギーを抽出するように構成され得、第２の流体は、流体をポンピング又は圧縮するために流体にエネルギーを注入するように構成され得る。
［００４６３］ いくつかの実施形態において、長手方向軸１０２の周りの流体の方位角方向は、第１の部分から第２の部分へと反転し得る。
［００４６４］ 各部分は、半径方向外側に延びるスパイラル又はヘリカル状の突出部を有する。各スパイラルは、スパイラル又はヘリカルの連続するピーク間の長手方向距離によって定義されるピッチ２５０２、突出部２１１０の半径方向延伸によって定義される半径方向深さ２５０４、及び長手方向軸１０２に対するスパイラルの傾きによって定義される角度２５０６を有し得る。様々な実施形態において、ピッチ２５０２は、流体を少なくとも部分的にダクト２１４を通して引き込むように構成され得る。
［００４６５］ 様々な実施形態において、ピッチ２５０２は、ダクト２１４内の流体の滞留時間又はフロースルー距離を制御するように適合され得るか又は構成され得る。例えば、ピッチ２５０２を減少させることにより、ダクト２１４内の流体の貫流距離を増加させ、それによって、本体２２１０及び／又はハウジング２２１２によって画定され得るように、ダクトの一方又は両方の壁との作動流体の摩擦接触（の持続時間又は長さ）を増加させ得る。摩擦接触を増加させることは、流体からのより高い又はより効率的なエネルギー抽出を可能にし得る。
［００４６６］ いくつかの実施形態では、ピッチ２５０２は、長手方向の逆流（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｆｌｏｗ ｒｅｖｅｒｓａｌすなわち長手方向逆流）を防止するように適合され得る。例えば、（不利な圧力勾配を介したような）過度の流れ抵抗は、ピッチ２５０２が過度に小さい場合及び／又は関係する突出部２１１０が流体の（方位）方向の再配向を誘導するように構成されている場合に生じ得る。。様々な実施形態において、ピッチ２５０２は、流れ抵抗を低減するために広げられてもよい。
［００４６７］ いくつかの実施形態では、ピッチ２５０２は、流体が出口端部２０４を介してダクト２１４から引き出されるのを妨げる不利な圧力勾配を緩和するように適合され得る。
［００４６８］ いくつかの実施形態では、ピッチ２５０２は第１の部分から第２の部分へと変化してもよい。第１の部分のピッチ２５０２は、例えば上述した１つ以上の理由のために、第２の部分のピッチ２５０２よりも相対的に小さくてもよい。
［００４６９］ いくつかの実施形態では、突出部２１１０又はその延伸方向は、ダクト２１４内の上流位置では、その中の下流位置と比較して、長手方向軸１０２の周りの方位角方向と相対的により整列し及び／又は相対的により小さいピッチ２５０２を有することがある。下流位置では、突出部２１１０の延伸方向が方位角方向に対してよりずれていることがあり及び／又はピッチ２５０２がより大きいこともある。例えば、いくつかのケースでは、このような構成により、タービンの失速及びダクト２１４内の流体のポンピングを防止し得る。
［００４７０］ いくつかの実施形態では、ダクト２１４内の流体のポンピングを達成するために、ピッチ２５０２を減少させ、突出部を方位角方向により整列させる（又は完全に整列させる）こともある。
［００４７１］ 半径方向の深さ２５０４は、突出部２１１０を横切る、例えば突出部２１１０を越える流れを防止するために、ダクト２１４の高さに適合させ得る。突出部２１１０と外側本体又はハウジングとの間に隙間が形成されるのを回避することにより、構造的な欠陥及び／又は疲労につながる可能性のある小さな隙間の形成を防止し得る。例えば、狭い隙間での急激な加速は、相変化を引き起こす可能性があり、いくつかのケースでは、ターボマシン部品の表面に弾道的に衝突する可能性のある高速高密度流体の生成を引き起こし得る。
［００４７２］ いくつかの実施形態では、半径方向深さ２５０４は、例えば、作動流体の密度の変化によるダクト高さの変化を考慮して、長手方向軸１０２に沿って変化してもよい。いくつかの実施形態では、半径方向深さ２５０４は、温度膨張を考慮するため、及び／又は突出部２１１０を介した本体２２１０間の摩擦係合を可能にするために、ダクト高さよりも大きくても小さくされ得る。
［００４７３］ 角度２５０６は、第１の部分から第２の部分へ変化してもよい。いくつかの実施形態において、角度２５０６は、第１の部分において４°と４．５°との間であってよく、第２の部分において－５°と－５．５°との間であってよい。角度２５０６は、流れ方向の方位角成分の変化を達成又は誘発するように変化させてもよいし、流れ方向の所定の方位角成分に適合させてもよい。
［００４７４］ 様々な実施形態において、突出部２１１０は、第１の部分（図２５Ｂの領域Ａを参照）において三角形の断面（長手方向軸１０２に垂直な断面）を有し、第２の部分（図２５Ｂの領域Ｂを参照）において矩形の断面（長手方向軸１０２に垂直な断面）を有する形状でダクト壁の表面から突出してもよい。いくつかの実施形態では、突出部２１１０のプロファイルは、インデューサブレードなどのターボマシンブレードに基づいてもよい。
［００４７５］ 様々な実施形態において、本体２２１０及びハウジング２２１２は、１つ以上の締結具１５８２を介して共通の回転のために結合され得る。
［００４７６］ 図２５Ｂに示されるように、締結具１５８２は、流れ方向、例えば一般的な流れ方向に沿って実質的に配向されるように、適合され得る。例えば、締結具１５８２は、層流流れを促し及び干渉を低減する。いくつかの実施形態において、突出部２１１０又はその幅は、締結具１５８２を介した締結を可能にするように適合され得る。例えば、いくつかの実施形態において、突出部２１１０の幅は、延伸する締結具又は延伸する締結具を相補的に受けるように構成された貫通孔と少なくとも同じ大きさであってよい。そのような延伸する締結具は、それぞれの本体２２１０（及び／又はハウジング２２１２）を共通の回転のために互いに結合するために、本体２２１０（及び／又はハウジング２２１２）のすべて又は複数を通過してもよい。いくつかの実施形態では、締結具１５８２は、ねじ切り可能な締結具であってもよい。いくつかの実施形態では、締結具は、ナットに結合するように構成されたボルトであってもよい。様々な実施形態において、締結具１５８２は、剛性体として機能するように本体２２１０を一体的に結合してもよい。
［００４７７］ いくつかの実施形態では、本体２２１０は、一体構造であってもよいし、そうでなければ一体的に形成されてもよい。例えば、本体２２１０は付加的に製造されてもよい。いくつかの実施形態では、締結具１５８２は、複数の本体２２１０を互いに結合するための支柱又は結合構造であってもよい。例えば、そのような支柱は、１つの本体２２１０から別の本体２２１０に付加的になっていき、２つ以上の本体２２１０を互いに結合するために固体溶接され、及び／又は固体構造からダクト２１４を選択的に機械加工（減算製造）することによって形成され得る。
［００４７８］ 図２６は、別の実施形態による、本体２２１０の側面面図である。
［００４７９］ 図２６の突出部２１１０のピッチ２５０２は、長手方向軸１０２に沿って変化してもよい。例えば、ピッチ２５０２は、徐々に又は連続的に減少してもよい。
［００４８０］ 突出部２１１０は、本体２２１０の周りに連続的にスパイラル状に延びる単一のチャネル２３１２を画定し得る。
［００４８１］ いくつかの実施形態において、エネルギー抽出は、ピッチ２５０２が減少するにつれて減少する可能性があり、エネルギー注入（ポンピング又は圧縮）は、対応して増加し得る。
［００４８２］ いくつかの実施形態では、ピッチ２５０２は、作動流体の密度の変化を考慮して変化させ得る。ピッチ２５０２を減少させることは、長手方向における流路２３１２の幅を減少させることによって流体が通過するために利用可能な空間を相応的に減少させ得る。この空間は、作動流体がダクト２１４を通って流れる際の密度変化による作動流体の体積減少に適合させ得る。いくつかの実施形態では、相変化によりかなりの体積変化が生じることがある。
［００４８３］ 様々な実施形態において、ダクト壁の表面は、流体に及ぼされる摩擦抗力の量を制御するために変化させ得る。摩擦抗力を変化させることにより、流体から抽出される又は流体に注入されるエネルギーを変化させ得る。例えば、摩擦抵抗を低減させる方法及び／又は摩擦抵抗を増大させる方法を採用し得る。
［００４８４］ いくつかの実施形態では、ダクト壁に隣接する境界層は、摩擦抗力を変化させるために、流れの乱流特性を変更するトリッピング装置又は機能を使用してトリッピングされることがある。
［００４８５］ いくつかの実施形態では、表面粗さ及び／又は化学的性質は、所望の抗力及び／又は滑りを達成するために変化させてもよく、例えば、表面粗さ及び／又は化学的性質は、所定の目標摩擦に基づいて適合させてもよい。
［００４８６］ いくつかの実施形態では、１つの表面は、同じダクト２１４内の対向する表面とは異なる表面粗さを有してもよく、例えば、表面粗さは、表面壁近傍の作動流体の密度に基づいて変化してもよい。この密度は、ダクト内でより重い流体を半径方向外側に引き寄せる遠心力に起因するものを含め、ある表面から次の表面まで半径方向に変化することがある。いくつかの実施形態では、ダクト２１４の半径方向外側表面付近の流体は、ダクトの半径方向内側表面付近の流体よりも大きな質量分率又は液相の割合を有する場合がある。いくつかの実施形態では、半径方向外側の表面の表面粗さは、より重い流体からより多くの作業を引き出すために、半径方向内側の表面の表面粗さよりも大きいこと、いくつかのケースでは小さい、ことがある。
［００４８７］ いくつかの実施形態では、ダクト壁の表面は、方位角流を低減するために摩擦を低減するように平滑化されてもよく、例えば、（体積を制限することによる）より大きな圧縮及び／又は羽根又は複数のブレード２２２による流れの直線化を可能にする。
［００４８８］ いくつかの実施形態では、ダクト壁は、表面への流体の接着を変化させるために、所望の摩擦特性及び化学特性を有する加硫ゴムなどの材料で部分的に被覆されてもよい。例えば、材料の管状部２６１０を使用してもよい。いくつかの実施形態では、コーティングは、ダクト壁に化学的に接着されてもよい。いくつかの実施形態では、そのような被覆は、複数のブレード２２２の上流又は下流にあってもよい。いくつかの実施形態では、そのような被覆は、複数のブレード２２２以外の突出部のない又は突出部のない本体２２１０に設けられてもよい。
［００４８９］ 図２７は、更に別の実施形態による、本体２２１０の側面図である。
［００４９０］ 本体２２１０は、本体２２１０から半径方向に延びて三角形の断面を画定する突出部を形成するヘリカル状突出部２１１０を含んでよい。ヘリカル状突出部２１１０は一定のピッチ２５０２を有し得る。
［００４９１］ いくつかの実施形態では、共通の回転における突出部２１１０、ダクト壁２２０、及びハウジング２２１２は、ブレードターボマシン及び接着ベースのタービンに関連する利点を認めることを可能にし得る。例えば、様々な実施形態において、多相運転及び効率的な圧縮／ポンピングが達成され得る。
［００４９２］ 突出部２１１０、ダクト壁２２０、及びハウジング２２１２の共通の回転は、ダクト壁２２０によって画定された共回転摩擦面の間に画定されたダクト２１４を通る作動流体の少なくとも部分的な方位角流を確立し得る。いくつかの実施形態では、ターボマシンは、共回転摩擦面の間に画定された単一のダクト２１４のみを有し得る。摩擦面の共回転は、ターボマシンの焼き付きなしに、突出部２１１０のダクトを画定する両方の摩擦面への接触を可能にし得る。摩擦面の共回転は、共通の回転のために構成された摩擦面と作動流体との間の相対的な方位角速度又は角速度によって、すなわち作動流体の方位角成分と摩擦面の方位角速度との間の差によって、摩擦面による作動流体の摩擦引き込み又は作動流体による摩擦面の摩擦引き込みを可能にし得る。異なる（隣接する）ダクト壁２２０の長手方向軸１０２からの半径方向距離の違いにより、隣接する摩擦面の方位角速度が異なる場合がある。様々な実施形態において、ダクト２１４のダクト壁２２０によって画定される隣接する摩擦面の方位角速度は、（ポンピング及び／又は圧縮のための作動流体へのエネルギー注入のためなどの）作動流体の方位角成分よりも大きいか、又は（発電のための作動流体からのエネルギー抽出のためなどの）作動流体の方位角成分以下である。いくつかの実施形態では、エネルギー抽出及びエネルギー注入は、所望の作動流体速度を達成するために、ダクト壁２２０及び突出部２１１０を使用してダクト２１４の形状を変化させることによって、単一のダクトで提供され得る。
［００４９３］ ターボマシンのいくつかの実施形態は、ハブから外側に延びるブレードを有し、ハブを取り囲むハウジングを有する、同心円状に配置された延伸するインデューサハブを含むことができ、インデューサのブレードは、ブレードを横切る流れを防止するためにハウジングと接触しており、ハブ及びハウジングは、例えば互いに締結されることによって、共通の回転のために結合されている。
［００４９４］ 図２８は、更なる実施形態による、本体２２１０の側面図である。
［００４９５］ 図２８の実施形態は、ダクト２１４内のチャネル２３１３Ａ、２３１３Ｂ、２３１３Ｃを画定するために、少なくとも部分的にダクト２１４に沿って長手方向に延び、ダクト２１４内で半径方向に延びるように構成された突出部２１１０Ａ、２１１０Ｂ、２１１０Ｃ、２１１０Ｄを含む。
［００４９６］ 突出部２１１０Ａは、突出部２１１０Ｂ、２１１０Ｃから分離していてもよく、突出部２１１０Ｂは、突出部２１１０Ｃから分離していてもよい。
［００４９７］ チャネル２３１３Ａ、２３１３Ｂ、２３１３Ｃは、それぞれ、突出部２１１０Ａと突出部２１１０Ｂとの間、突出部２１１０Ｂと突出部２１１０Ｃとの間、及び突出部２１１０Ｃと突出部２１１０Ｄとの間に画定され得る。
［００４９８］ 流路２３１３Ａ、２３１３Ｂ、２３１３Ｃは、流れ入口２１２からダクト２１４に流体を受け入れ、引き込むように構成され得る。
［００４９９］ 突出部２１１０Ａ、２１１０Ｂ、２１１０Ｃ、２１１０Ｄは、１つ以上の流れ入口２１２によってチャネル２３１３Ａ、２３１３Ｂ、２３１３Ｃに供給される流体を受け入れるように、少なくとも部分的に方位角方向に配向され得る。
［００５００］ いくつかの実施形態では、突出部２１１０Ａ、２１１０Ｂ、２１１０Ｃ、２１１０Ｄは、ダクト２１４を画定する第１の本体２２１０及び第２の本体２２１０から半径方向に延び得る。
［００５０１］ ダクト２１４を画定する本体２２１０は、流体のポンピングを達成するためにターボマシンを通して流体を引き込むように駆動可能に回転可能であってもよい。突出部２１１０Ａ、２１１０Ｂ、２１１０Ｃ、２１１０Ｄは、長手方向軸に平行な流体速度の早すぎる配向を防止し得るので、流体の少なくとも部分的なポンピングのための境界層ターボマシンの動作を可能にし得る。流れの反転と失速は防止され得る。
［００５０２］ 図２９は、発電するために、少なくとも部分的に相変化するように構成された作動流体を使用して発電する例示的な方法２９００のフローチャートである。
［００５０３］ ステップ２９０２において、方法２９００は、作動流体を生成するために凝縮物の少なくとも部分的な気化を引き起こすために凝縮物に熱を与えることを含み得る。
［００５０４］ ステップ２９０４において、方法２９００は、シャフト動力を生成するためにタービンロータを駆動可能に回転させるために、タービンロータのブレード上に作動流体を受けることを含んでもよい。
［００５０５］ ステップ２９０６において、方法２９００は、タービンロータから少なくとも部分的に方位角方向に流れる作動流体を、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクト内に受け入れることを含み得る。第１のダクト壁及び第２のダクト壁は、長手方向軸の周りに周方向に延びていてもよく、長手方向軸に沿って延伸していてもよい。第１ダクト壁は、第２ダクト壁から半径方向に離れていてもよい。
［００５０６］ ステップ２９０８において、方法２９００は、凝縮物を生成するために作動流体の凝縮を引き起こすために作動流体とエネルギーを交換するために、第１のダクト壁及び第２のダクト壁とダクト内の作動流体との摩擦係合を介して第１のダクト壁及び第２のダクト壁を回転可能に駆動することを含み得る。
［００５０７］ 方法２９００のいくつかの実施形態は、シャフト動力を使用して発電機を駆動すること、凝縮物を使用して発電機を冷却して凝縮物を予熱すること、発電機からの熱を使用して熱交換器で凝縮物を予熱すること、及び／又は熱交換器を介して凝縮物を加熱器に受け入れることを更に含んでもよい。
［００５０８］ 方法２９００のいくつかの実施形態では、第１のダクト壁からの突出部は、半径方向に第２のダクト壁まで延び、少なくとも部分的に長手方向軸に沿ってスパイラル状に延びて、作動流体をダクトに沿って引き込むことができる。
［００５０９］ 方法２９００のいくつかの実施形態において、作動流体を生成するために凝縮物の少なくとも部分的な気化するよう凝縮物に熱を与えることは、凝縮物を受けるように構成された加熱器を使用することを含み得る。
［００５１０］ 方法２９００のいくつかの実施形態において、作動流体は、凝縮物を生成するために凝縮を引き起こすよう、圧縮を介してエネルギーを付与され得る。
［００５１１］ 図３０は、互いに流体的に分離された第１の流体及び第２の流体を使用して発電するためのシステム３０００の概略ブロック図である。
［００５１２］ 第１の流体は位置Ｅ－３０からＨ－３０を通って流れ、第２の流体は位置Ａ－３０からＤ－３０を通って流れる。
［００５１３］ いくつかの実施形態において、アンモニアを第１の流体として使用し、二酸化炭素を第２の流体として使用することが、それらの特定の特性のために特に有利であることが見出される。
［００５１４］ ヒーター１２０５は、第１の流体を少なくとも部分的に気化させるために、第１の流体に熱を伝達するように構成され得る。ヒーター１２０５は、例えば、再生可能な天然ガスの燃焼を通じて、又は海水のような低品位の熱源から、熱入力１２１０を提供されてもよい。熱入力１２１０は、加熱器１２０５の熱交換器１２２０Ａを介して第１の流体に伝達されてもよい。
［００５１５］ 熱交換器１２２０Ｃは、加熱器１２０５から第１の流体を受け取るために、加熱器１２０５に（直接的又は間接的に）流体接続されてよい。熱交換器１２２０Ｃは、第２の流体を少なくとも部分的に気化させるために、第１の流体から第２の流体へ熱を伝達するように構成され得る。
［００５１６］ 膨張器３０１０は、熱交換器１２２０Ｃから第２の流体を受け取るために、熱交換器１２２０Ｃに流体接続されてもよい。膨張機３０１０は、第２の流体を使用して、複数のロータ３００のロータなどの膨張機３０１０のロータを回転駆動するように構成されてもよい。したがって、膨張機３０１０は、発電するように構成されてもよい。様々な実施形態において、膨張機３０１０は、軸流タービン、半径流タービン、及び／又は他のタイプの膨張機であってもよい。
［００５１７］ いくつかの実施形態では、膨張器３０１０は、境界層タービン１２３０であってもよい。複数のダクト２１４は、加熱器１２０５から第２の流体を受け取るように構成されてよく、これは、境界層タービン１２３０の長手方向軸１０２の周りに少なくとも部分的に方位角方向に複数のダクト壁を摩擦引き込みし得る。複数のダクト壁は、複数のダクト２１４内を流れる流体からエネルギーを伝達するように構成されてもよい。
［００５１８］ 別の熱交換器１２２０Ｂは、そこから第２の流体を受けるために膨張器３０１０に流体的に接続されてもよい。熱交換器１２２０Ｂは、そこから第１の流体を受けるために熱交換器１２２０Ｃに流体的に接続されてもよい。熱交換器１２２０Ｂは、第２の流体から第１の流体へ熱を伝達することによって、第２の流体の凝縮物を生成するように構成されてもよい。第１の流体の予熱は、熱交換器１２２０Ｂを介して達成されてもよい。
［００５１９］ 様々な実施形態において、アンモニアであり得る第１の流体は、熱交換器１２２０Ｃにおいて２００℃と２５０℃との間、又は３００℃と４００℃との間で冷却され、第２の熱交換器１２２０Ｂにおいて６０℃と８０℃との間、又は５０℃と１００℃との間で加熱される。
［００５２０］ 液体ポンプ１２２４（又はポンプ）は、熱交換器１２２０Ｂ、１２２０Ｃに流体的に接続されてもよい。液体ポンプ１２２４は、第２の流体を気化させるために、第２の流体の凝縮物を熱交換器１２２０Ｃから熱交換器１２２０Ｂに引き込むように構成されてもよい。
［００５２１］ 液体ポンプ１２２４は、液体をポンピングするように構成されてもよい。熱交換器１２２０Ｃは、液体ポンプ１２２４におけるポンピングのために第２の流体が実質的に液体の形態であることを保証し得る。第２の流体から除去されたエネルギーの少なくとも一部は、熱交換器１２２０Ｂを介してそこに戻されてもよい。熱交換器１２２０Ｂは、液体ポンプ１２２４でのポンピング後に、第２の流体の少なくとも部分的な再気化を提供してもよい。
［００５２２］ 液体ポンプ１２２４は、液体ポンプ１２２４を駆動するために膨張機３０１０に駆動可能に結合されてもよい。液体ポンプ１２２４は、膨張機３０１０の駆動シャフトに機械的に結合されてもよい。
［００５２３］ コンプレッサ１２２２は、熱交換器１２２０Ｂ、１２２０Ｃに流体的に接続されてもよい。コンプレッサ１２２２は、熱交換器１２２０Ｃから第１の流体を受け取り、第１の流体を熱交換器１２２０Ｂから第２の熱交換器１２２０Ｃに引き込むように構成されてもよい。
［００５２４］ コンプレッサ１２２２は、膨張機３０１０に駆動可能に結合されてもよい。コンプレッサ１２２２は、膨張機３０１０の駆動シャフトに機械的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、コンプレッサ１２２２を膨張機３０１０に直接結合することで、特定の利点、例えば効率の向上が得られうる。
［００５２５］ 熱交換器１２２０Ｂ、１２２０Ｃは、第１の流体と第２の流体との相互作用を防止するように構成され得る。例えば、熱交換器１２２０Ｂ、１２２０Ｃは、シェル＆チューブ式熱交換器などの向流熱交換器又は並行流熱交換器を含んでもよい。
［００５２６］ ロータは、発電機１２７０を駆動して発電させてもよい。いくつかの実施形態では、発電機１２７０の熱交換器は、発電機１２７０から熱を奪うために膨張器３０１０から第２の流体を受けるように構成されてもよい。
［００５２７］ いくつかの実施形態において、熱交換器１２２０Ｂは、第１の流体から第２の流体へ熱を伝達して、第２の流体を実質的に完全に気化させるように構成され得る。
［００５２８］ いくつかの実施形態では、加熱器１２０５の熱交換器１２２０Ａは、第３の流体を受け、第３の流体から第１の流体へ熱を伝達するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、第３の流体は、水又は蒸気であってよい。いくつかの実施形態では、第３の流体は、廃ガス流、例えば工業プロセスからの排ガスであってもよい。様々な実施形態において、第３の流体は、液体、気体、超臨界流体、又は他のタイプの流体であってもよい。
［００５２９］ いくつかの実施形態では、熱入力は、伝導性熱伝達、放射性熱伝達、又は他のタイプの伝達によってシステム３０００に提供されてもよい。例えば、太陽エネルギーは、第１の流体を直接加熱するため、及び／又は第１の流体に熱を伝達するために水を加熱するために提供されてもよい。
［００５３０］ いくつかの実施形態では、圧力解放弁又は圧力制御弁などの弁３０１２は、熱交換器１２２０Ｂから熱交換器１２２０Ｃに流れる第１の流体の圧力を制御するために、熱交換器１２２０Ｂ、１２２０Ｃの間に配置されてもよい。例えば、第１の流体の圧力を制御することは、流体を減圧することを含み得る。
［００５３１］ いくつかの実施形態では、（圧力解放又は圧力制御）弁３０１２は、実質的に単相状態でコンプレッサ１２２２を作動させるために、熱交換器１２２０Ｃにおいて第１の流体の実質的に完全な気化を達成するように第１の流体の圧力を制御するように構成され得る。例えば、第１の流体を減圧することにより、液化及び／又は流体の液化状態の維持を防止又は緩和することができ得る。
［００５３２］ いくつかの実施形態では、コンプレッサ１２２２及び液体ポンプ１２２４は、共通の駆動シャフトを介して膨張機３０１０に駆動可能に接続される。
［００５３３］ いくつかの実施形態では、発電機１２７０、膨張機３０１０、液体ポンプ１２２４、及びコンプレッサ１２２２は、互いに機械的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、機械的結合は、共通のシャフトであってもよい。いくつかの実施形態では、発電機１２７０、膨張機３０１０、液体ポンプ１２２４、又はコンプレッサ１２２２のうちの１つ以上が、軸受によって共通シャフトに支持されてもよい。
［００５３４］ 第１の流体がアンモニアであり第２の流体が二酸化炭素である例示的な実施形態について、位置Ａ－３０、Ｂ－３０、Ｃ－３０、及びＤ－３０における第２の流体の熱力学的特性を表８に列挙し、位置Ｅ－３０、Ｆ－３０、Ｇ－３０、及びＨ－３０における第１の流体の熱力学的特性を表９に列挙する。
【0018】
【表8】
［００５３５］
【0019】
【表9】
［００５３６］
［００５３７］ 第１の流体がアンモニアであり第２の流体が二酸化炭素である例示的な実施形態について、位置Ａ－３０、Ｂ－３０、Ｃ－３０、及びＤ－３０における第２の流体の多相特性を表１０に列挙し、位置Ｅ－３０、Ｆ－３０、Ｇ－３０、及びＨ－３０における第１の流体の多相特性を表１１に列挙する。
【0020】
【表10】
【0021】
【表11】
［００５３８］ 図３１は、実施形態による、境界層ターボマシン１００Ａ、１００Ｂを使用するシステム３１００の斜視図である。
［００５３９］ 図３２Ａは、実施形態による、図３１のシステム３１００の断面図である。
［００５４０］ 図３２Ｂは、実施形態による、図３２Ａの領域３２Ｂの拡大図である。
［００５４１］ 境界層ターボマシン１００Ａ、１００Ｂは、複数の本体２２１０を含んでもよく、各本体は、長手方向軸１０２に沿って延伸し、その周囲で回転可能である。複数の本体２２１０は、すべて共通の回転のために結合され得る本体２２１０Ａ、２２１０Ｂ、２２１０Ｃ、２２１０Ｄを含み得る。本体２１１０Ｂ、２２１０Ｃ、２１１０Ｄを含む複数の本体２２１０は、その中に流体を受けるために長手方向軸１０２に沿って延伸していてもよい。
［００５４２］ 本体２２１０Ａは、本体２２１０Ｂ内に同軸に収容又は配置されてもよく、本体２２１０Ｃ内に収容されてもよく、本体２２１０Ｄ内に収容されてもよい。ダクト２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃは、それぞれ、本体２２１０Ａと本体２１１０Ｂ、本体２１１０Ｂと本体２１１０Ｃ、本体２１１０Ｃと本体２１１０Ｄとの間に画定されてもよい。
［００５４３］ スロット３２０２Ａ、３２０２Ｂ、３２０２Ｃは、それぞれのダクト２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃに開口していてもよい。スロット３２０２Ａ、３２０２Ｂ、３２０２Ｃは、それぞれの本体２１１０Ａ、２１１０Ｂ、２１１０Ｃから（長手方向軸１０２に対して）半径方向に離間していてもよい。
［００５４４］ 各ダクト２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃは、対応する流体の第１の部分及び第２の部分を有し得る。第１の部分は、それぞれのスロット３２０２Ａ、３２０２Ｂ、３２０２Ｃに受けられてよい。流体の第１の部分は、流体のそれぞれの第２の部分がそれぞれのダクト２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ内に留まることを可能にしながら、それぞれのダクト２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃから引き出され得る。
［００５４５］ 出口ポート１１６は、それぞれのダクト２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃから流体の第２の部分を受けるように構成され得る。いくつかの実施形態では、出口ポート１１６は、流体をターボマシンから排出するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、出口ポート１１６は、ダクト内のスロット３２０２Ａ、３２０２Ｂ、３２０２Ｃの下流に配置されてもよい。
［００５４６］ いくつかの実施形態では、各スロット３２０２Ａ、３２０２Ｂ、３２０２Ｃは、それぞれのダクト２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ内に半径方向に開くようにそれぞれの本体２２１０Ｂ、２２１０Ｃ、２２１０Ｄを通って半径方向に延びる。
［００５４７］ いくつかの実施形態では、スロット３２０２Ａ、３２０２Ｂ、３２０２Ｃは、間隔３２０６で長手方向に離間された円形スロットであってよい。いくつかの実施形態では、隣接する円形スロットは、スロットのうちの２半径分又は隣接するスロットの半径の合計だけ、長手方向に間隔を空けて配置されてもよい。
［００５４８］ スロット３２０２Ａ、３２０２Ｂは、それぞれのスロット３２０２Ａ、３２０２Ｂを通過する流体の一部の更なる一部がそれぞれの追加のスロット３２０２Ｂ、３２０２Ｃに引き込まれることを可能にするように、互いに長手方向に間隔をあけて配置されてもよい。スロット３２０２Ａは、流体の一部をダクト２１４Ａからダクト２１４Ｂに運ぶために、ダクト内に開口してもよく、開口するように適合され又は構成されてもよい。
［００５４９］ 排出口３２０４は、境界層ターボマシン１００Ｂから流体を排出し得る。排出口３２０４は、複数のダクト２１４及び長手方向軸１０２の周囲に延びる環状の空間を含み得る。
［００５５０］ 図３３は、実施形態による、スロット３２０２Ａ、３２０２Ｂを有する境界層ターボマシン１００の断面図である。
［００５５１］ 本体２２１０Ａ、２２１０Ｂ、２２１０Ｃは、方向３３０２によって示されるように、共通の回転のために結合されてもよい。ダクト２１４Ａ、２１４Ｂ内の流体は、気相及び液相を含む多相であってもよい。
［００５５２］ 流体の第１の部分３３０４Ａ、３３０４Ｂは、流体のそれぞれの第２の部分３３０６Ａ、３３０６Ｂよりも重くてもよい。例えば、第１の部分３３０４Ａ、３３０４Ｂは、第２の部分３３０６Ａ、３３０６Ｂよりも多くの液体３３０８を含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１の部分３３０４Ａ、３３０４Ｂは実質的に完全に液体であってよく、第２の部分３３０６Ａ、３３０６Ｂは実質的に完全に気体であってよい。
［００５５３］ 流体の第１の部分３３０４Ａ、３３０４Ｂは、それぞれの第２の部分３３０６Ａ、３３０６Ｂに対するそれぞれのスロット３２０２Ａ、３２０２Ｂに向かって遠心的に引き寄せられることによって、流体のそれぞれの第２の部分３３０６Ａ、３３０６Ｂから分離され得る。
［００５５４］ いくつかの実施形態では、境界層ターボマシン１００は、摩擦係合を介してその中を流れる流体からエネルギーを抽出することによって発電する境界層タービン１２３０であってもよい。エネルギーの抽出は、流体を冷却し、境界層タービン１２３０において相変化又は少なくとも部分的な相変化を引き起こし得る。例えば、作動流体は、完全な気相（おそらく）から、多相を経て、おそらく完全な液相へと徐々に変化する。
［００５５５］ 相変化を伴う温度変化は、相変化を伴わない温度変化と比較して、大きなエネルギーの放出を伴う。そのため、作動流体の一部が液体になると、そこから抽出されるエネルギー量は相対的に少なくなる。
［００５５６］ 複数のダクト２１４内の作動流体からスロット３２０２Ａ、３２０２Ｂを介して液相を除去することは、上述したように、ポンピング要件を低減することによって効率を改善し、ターボマシン上の構造負荷を低減し得る。いくつかのケースでは、ダクトの断面積は、液相の除去に対応するために、図２２Ａ～２２Ｃに示されるように、長手方向に小さくなってもよい。
［００５５７］ 図３４は、互いに流体的に分離された第１の流体及び第２の流体を使用して発電するための例示的な方法３４００のフローチャートである。
［００５５８］ ステップ３４０２は、第１の流体を少なくとも部分的に気化させるために第１の流体を加熱することを含み得る。
［００５５９］ ステップ３４０４は、第２の流体を少なくとも部分的に気化させるために、第１の熱交換器において、第１の流体から第２の流体へ熱を移動させることを含み得る。
［００５６０］ ステップ３４０６は、発電するために第２の流体を使用してロータを回転駆動することを含んでもよい。
［００５６１］ ステップ３４０８は、第２の流体の凝縮物を生成するために、第２の熱交換器において、第２の流体から第１の流体へ熱を移動させることを含み得る。
［００５６２］ ステップ３４１０は、ロータを駆動することによって生成された電力を使用して、第２の熱交換器から第１の熱交換器に少なくとも部分的に第２の流体の凝縮物を引き込み、第１の流体を第１の熱交換器から第２の熱交換器に引き込むことを含み得る。
［００５６３］ 方法３４００のいくつかの実施形態は、気化のために第２の熱交換器から第１の熱交換器に第２の流体の凝縮物を引き込むために、ロータを使用してポンプを駆動することを含み得る。
［００５６４］ 方法３４００のいくつかの実施形態は、第１の熱交換器から第２の熱交換器に第１の流体を引き込むために、ロータを使用してコンプレッサを駆動することを含み得る。
［００５６５］ 方法３４００のいくつかの実施形態では、ロータは膨張機のロータであってもよい。
［００５６６］ 方法３４００のいくつかの実施形態では、膨張機は境界層タービンであってもよい。
［００５６７］ 方法３４００のいくつかの実施形態は、発電するようにロータを使用して発電機を駆動することと、発電機を冷却するように発電機から第２の流体に熱を伝達することとを含んでもよい。
［００５６８］ 方法３４００のいくつかの実施形態において、第１の流体はアンモニアであってもよい。
［００５６９］ 方法３４００のいくつかの実施形態において、第１の流体は、第１の熱交換器において３００°Ｆ～４００°Ｆから－１０°Ｆ～－２０°Ｆに冷却され得る。
［００５７０］ 方法３４００のいくつかの実施形態では、第２の流体は二酸化炭素であってもよい。
［００５７１］ 方法３４００のいくつかの実施形態において、第１の流体は、第１の熱交換器において２００℃から４００℃の間で冷却され、第２の熱交換器において５０℃から１００℃の間で加熱されてもよい。このような温度範囲は、低品位のエネルギー吸収を可能し、第２の作動流体からの効果的なエネルギー抽出を容易にし得る。
［００５７２］ 図３５は、ターボマシンを動作させる方法の例示的な方法３４００のフローチャートである。
［００５７３］ ステップ３５０２は、ターボマシンの入口端部を介して、第１のダクト壁と第２のダクト壁との間に画定されたダクト内で、長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角方向に流体を受けることを含む。
［００５７４］ ステップ３５０４は、流体を第１のダクト壁及び第２のダクト壁に摩擦係合させることを含む。
［００５７５］ ステップ３５０６は、流体に従って、第１のダクト壁と第２のダクト壁とを共通に回転させることを含む。
［００５７６］ ステップ３５０８は、ターボマシンの出口端部を介して流体を排出することを含む。
［００５７７］ 方法３５００のいくつかの実施形態は、第１のダクト及び第２のダクト壁と共通して長手方向軸の周りに複数のブレードを回転させることと、流体を長手方向軸に概ね平行に方向転換させるようにダクトから複数のブレードに少なくとも部分的に方位角的に流体を受け入れることとを含み得る。
［００５７８］ 方法３５００のいくつかの実施形態は、第１のダクト壁及び第２のダクト壁を長手方向軸に沿って片持ち支持するように、第１のダクト壁及び第２のダクト壁を長手方向端部で支持することを含み得る。
［００５７９］ 方法３５００のいくつかの実施形態は、第１のダクト壁及び第２のダクト壁を回転駆動するために、流体の噴流を少なくとも部分的に方位角方向にダクト内に噴出することを含んでもよい。
［００５８０］ 方法３５００のいくつかの実施形態では、ダクト内で長手方向軸の周りに少なくとも部分的に方位角的に流体を受けることは、第１のダクト壁から第２のダクト壁まで半径方向に延びる１つ以上の突出部によって画定されるダクト内のチャネルを通して流体を引き込むことを含む。
［００５８１］ 方法３５００のいくつかの実施形態では、第１のダクト壁は半径方向内側の壁であり、第２のダクト壁は半径方向外側の壁である。
［００５８２］ 方法３５００のいくつかの実施形態は、流体の相対的に密な部分を長手方向軸から遠心方向に押しやるように、ダクト内の流体を長手方向軸の周りに方位角方向に引き寄せること；及び流体の相対的に密な部分を、半径方向内壁から半径方向に間隔を空けられたポートを介してダクトから排出することを含む。
［００５８３］ 方法３５００のいくつかの実施形態は、流体が入口端部から出口端部に向かって流れるときにダクト内の流体を収縮させることを含んでもよい。
［００５８４］ 「接続された」又は「結合された」という用語は、直接結合（互いに結合された２つの要素が互いに接触する）及び間接結合（少なくとも１つの追加要素が２つの要素の間に配置される）の両方を含み得る。
［００５８５］ 本文書に記載された実施形態は、本技術の可能な実装の非限定的な例を提供する。本開示を検討すれば、当業者であれば、本技術の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に変更を加え得ることを認識するであろう。例えば、熱膨張及び構造的負荷を考慮して、構成を変化させ得る。更に、本開示に鑑みて、当業者によって更なる変更が実施され得、これらの変更は、本技術の範囲内とされる。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図16E】
【図16F】
【図16G】
【図16H】
【図16I】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図22C】
【図23】
【図24】
【図25】
【図25A】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32A】
【図32B】
【図33】
【図34】
【図35】
【国際調査報告】