JP2002503309A - 水力発電所の水車タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、特にエネルギー発生のために水の落差を少なくとも利用する水力発電所の水車タービンに関する。水車タービンのバケットはそれぞれ機械的に連結されたフラップの対を持ち、これを介して水と空気の制御された導入と排水が行われる。特別な制御装置がこのような発電所の運転を高い効率で行うことを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 水力発電所の水車タービン 本発明は水の落差を利用した水力発電所の水車もしくは水車タービンに関する 。水車タービンは水平な車軸と車輪の外周範囲に均等に直接隣あわせに配置され た多数のバケットとを持っている。バケットは端面側が閉じられており、水の導 入もしくは排出のために閉鎖フラップを備えたバケット開口部を持っている。 このような水車は昔から知られており、特に機械エネルギーの発生のために使 われていた。特に電気エネルギーを得るための大規模設備の普及によって、水力 タービンが水車の使用を著しく排除してしまった。従って水車の技術的な再開発 と出力改善の努力は過去数十年の間僅かしかなされなかった。水車は定義的には 水の位置エネルギーから機械エネルギーを得るのに対して、水車タービンの場合 は位置エネルギーとそれに適合された翼或はバケット壁における利用可能な範囲 の流水の運動エネルギーとが利用される。水車タービンは流体機械の部類の中で 等圧タービンに分類される。 現在の技術水準に関する概要は専門書「“水力発電所の構成、その実際に即し た計画資料”(ケ−ニッヒ/イエーレ著、全面改訂第３版、１９９７年、ＣＦミュ ーラー出版社発行)」が示している。１９７頁から水車の一章が設けられている 。そこにはタービンに比較した場合の長所として比較的問題のない深所作業と低 コストの開放構造が示されている。同時にシステム固有の欠点として個々の実施 例の記述において、放水レベルに到達する前に、個々のバケット内に導入されて いたかなり多くの水量が早期に流出することが述べられている。 商Ｑｎ/Ｑ（但しＱｎ＝基準量、Ｑ＝実際の供給量）に関係する水車の効率η を示す通常のグラフがこのことをはっきりと裏付けており、最大効率は常に１（ １００％）よりはるか下にとどまり広範囲の充満率に亘り不変で一定である。 落差を通過する前のバケットの水の損失をできるだけ少なく保つために、過去 において水車ないし水車タービンの特に構造上の対策に関するバケット形状の改 良提案が無かった訳ではない。その対策はなかんずく、バケット開口部の流出 口を長くすることと、バケットに充填された水の仮想重心が可能な限り入口及び 出口開口部のレベルよりはるか下に置かれるバケット構造とに集中していた。こ の関連において、個々のバケットの半径方向の高さが増大すると共に上掛け水と 放水個所との間の理論的に利用可能な落差が減少すること、しかも近似的に半径 方向のバケット高さの２倍だけ減少することが、専門家には知られている。部分 的にのみ満された高いバケットはそれゆえ理論的に利用可能な水エネルギーに関 して常に不利な妥協をしている。 ドイツ特許出願公開第３６２１３１２号明細書には、バケット壁のその発明に 基づいて突出させた舌片がバケットの早期排水を妨げるように、バケット（杯形 ）を形成した水車の一例が記載されている。 少ない流量で少ない落差の溜め水をより良く利用するという課題のために、ド イツ特許第３９３８７４８号明細書によれば、バケットからの水の早期流出をバ ケットの空気圧式密閉システムによって防ぎ、その際位置固定の外側境界と壁と に対する開いたバケットのシールを空気圧を与えられたシールリングにより行う ようにした解決策を示している。しかしながらこの解決策の欠点は、どのような シールも著しい摩擦損失つまり効率低下をもたらし、磨耗を生ずることである。 請求項１の前文による水車タービンは米国特許第４３８５４９７号明細書により 公知である。 そこで、本発明の課題は、水車ないしは水車タービンのバケットの構造的対策 により、発電所に実際に単位時間当りに導かれる水量と実際に利用可能な水落差 とに関する水車ないしは水車タービンの効率を公知の例に対して高めることであ る。換言すれば本発明の課題は、公知のシステムより更に良く、水路上を導かれ る水を迅速に著しい水の損失もなく高い充満率でバケットに満たし、そして満た された水量の位置エネルギーを、回転モーメントの形成と車軸を介してのエネル ギーの放出ために水の落差にほぼ等しい有効落差に亘って利用することにある。 水の位置エネルギーの他に、流水に特別な措置を施さなくても常に利用可能な水 の衝撃エネルギーを個々のバケットの充水と排水時に回転モーメントに効率的に 変換しようとするものである。 この課題は本発明により、冒頭で述べた種類の水車タービンにおいて、各バケ ットの開口部が閉鎖フラップ（３）を備え、その閉鎖フラップが連結桿（４）を 介して排気及び給気に使われる第２の空気用フラップ（５）と機械的に結合され 、水車タービンが位置固定の制御装置と、閉鎖フラップ及び空気用フラップをそ れぞれ同時に開閉するための機械的伝達部品とを有することによって解決される 。 従来の技術で問題にされた、水車設備のバケットからの水の早期流出に鑑みて 、バケットを閉鎖することがとりあえず選択手段であるように思える。しかし、 非常に短い時間内でのバケットの充水と排水に対する同時の及び不可欠な要求に 結びついて、このような解決策は専門家にとって明らかに問題にされなかった。 瓶を迅速に充填し空にする場合に知られているような空気排除の問題は、このケ ースにも同じように当てはまる。 水用閉鎖フラップと空気用フラップとが機械的に結合されているという本発明 の特徴により、この問題は水車タービンにおいては適切なフラップの制御で極め て効果的に解決された。システムに制約された短い時間内でのバケットの高い充 満率は専門家にとっても驚くべきことであった。 個々のバケットにフラップ或はフラップ対を備えた本発明の解決策はバケット の開閉に効率の良い制御装置を必要とする。制御装置の一つの有利な構成は、フ ラップの外面、特に空気用フラップに固定的に装着されたローラーによって引張 もしくは圧縮バネの力に抗して行う機械的な開放である。ローラーは水車の回転 中に、予め決められた個所で空中に位置固定された板カムの曲面上を滑動し、そ れにより個々のバケットのフラップが連続的に予め決められた角度まで開きそし て再び閉じる。その閉動作はバネの力により促進されるか或は可能になる。同様 にフラップの開閉は例えばフラップ用リンクにおけるねじれによって働く機械的 バネにより行うことができる。フラップ用の位置固定された制御装置は水力発電 所においては水車タービンの外に設置することができる。その制御装置を回転す る部品の内側に固定的に取付けることは特に有利である。車軸への制御部品の装 着と、車軸の下への比較的重い垂球の取付けによる位置固定とによって、この要 求は効率良く満される。このような解決策は、車輪と周囲との間の相対的動きに 影響されない正確なフラップの操作を可能にする。しかし車軸上の軸支は、さら に車軸から見てあらゆる望ましい半径方向への板カムの位置決めを可能に する。 種々の角度位置に板カムを位置決め可能にすることにより、本発明による水車 タービンは上掛け運転でも中掛け運転でも、必要によっては下掛運転でも使用す ることができるという第一の重要な前提が与えられる。種々の運転様式の効率良 い利用のための第二の前提は、フラップの開き時点と最大開き幅に合わせてフラ ップを制御することである。運転様式に応じて、種々の形状と曲面とを持った板 カムを使用することも或はフラップに固定結合されている伝達部品と板カムとの 間隔を変えることもできる。 従来の水車は主として水の位置のエネルギーからその回転モーメントを得てい る。本発明による水車タービンでは、出力のかなりの割合が流水の運動エネルギ ーより与えられる。水車タービンの本発明による解決策の場合、純粋な上掛け駆 動の代りに過圧駆動が行われるならば、運動エネルギーの割合は著しく上昇する 。このことは例えば、閉じた水路内の水が相応の圧力で層流として幅広の噴出口 を介して供給されることによって実現できる。 完全に閉鎖可能なバケットは本発明により回転軌道の最下位点近くに来た時に 初めて比較的迅速に開かれるので、流出した水が水車に反動を与え、それが水車 の全回転モーメントに大きく貢献する。 従来の技術における、回転の最下位点到達前の水の大きな損失と、水の反動を 利用してないことと比較すると、このことは二重の意味でエネルギー獲得を意味 する。 バケットの壁の形状と流れ込む水の入射方向により、バケットに充水する際に も回転モーメントのがなりの割合が、バケット壁に水が衝突することにより得ら れる。 水車タービンの本発明による実施は、形状にも、使用材料にも制限されない。 耐蝕性の金属板が、端面に蓋ないしカバーを溶接した円筒ジャケットの形に形成 されることが望ましい。本発明による全ての構成における特徴は、水車タービン の半径方向の外側範囲に水を満杯に張ることができること、すなわち搬送水量を 制限する又はバケットを直接隣あわせに位置させない場合に同じ量の水を搬送す るために半径方向により高いバケット壁を必要とするようなデッドスペース をなくすことができることである。半径方向の高いバケットは、従来の技術で詳 細に説明したように水の落差に比べて利用可能な落差（位置エネルギーの落差） が大きく減少することを意味する。 従来の水車で知られているように、例えば、少ない流量とそれに対応した幅の 狭い水路の場合、全幅のバケットに部分的に満たす（これは効率の低下を伴う） 代りにバケットの一部分を全部満たすために、本発明の水車タービンのバケット もその幅を分割することができる。しかしながらバケットの充満率を異ならせる ことは望ましいことであり、水車タービンの回転数制御に利用できる。種々の充 満率は板カムないしは代替装置の位置の変更によりフラップの制御を変えること によっても達成される。 従来の技術による開放バケットを持った水車は、その始動に際して、最も上の 満されたバケットのオーバーフローが規則正しくそのすぐ下のバケットを満し、 車軸と軸受の間の拘束摩擦を乗り超えるのに十分な回転モーメントを生じさせる ので、難点を持たないが、この原理は本発明による水車タービンでは使用できな い。この代りに、隣のバケットにそれぞれ隣接するバケット壁が適当な寸法の孔 を持ち、この孔は通常運転においては効率に大きく影響しないが、水車の始動に 必要な始動トルクを発生させるために次々と十分にバケットを満たすようにされ ている。 これまで記載した本発明の構成は、フラップの動きとその制御装置とに関する 限り、純機械的な解決策に限定されている。しかしフラップの制御は、板カムを 介する動力伝達を用いる場合でも用いない場合でも、電磁式、空気圧式及び油圧 式の制御部品を使用することもできる。 本発明の全ての実施形態は要約すると次の利点を持つ。 ・バケットの短い充満時間 ・バッケトの高い充満率 ・排水迄のできるだけ長い水の保持 ・充水時の水の衝撃エネルギーの完全利用 ・排水時の水の反動エネルギーの完全利用 ・水の落差の最適な利用 ・低音運転と騒音の少ない排水 ・低い流速によりキャビテーション発生がない。 ・壁面での摩擦損失及び乱流損失がない。 ・部分負荷でも非常に高い効率。 ・ほぼメンテナンスフリー運転での長い寿命 ・景観上の適合性。 概略計算によるとこの水車タービンの効率は上掛け駆動の場合約９８％に達し 、明らかにカプラン、ペルトン、フランシス及び貫流の各水車の公知の値を上回 っている。。従来の水車は明らかに低い効率にしか到達してない。中掛け駆動及 び下掛け駆動の場合も閉鎖フラップ及び空気用フラップの調整が可能であること の利点が完全に発揮される。下掛け駆動の場合、従来のバケット及び翼形状では 水に沈み込む際がなりの制動損失が発生する。 水車タービンにより発生した回転モーメントは車軸を介して取り出され、変速 機と伝動装置を介して機械を機械的に駆動するか、又は結合された発電機を介し て電気エネルギーを発生させる。 例えば２又は４象限駆動のＩ或はＵ変換器として制御される周波数変換器のよ うな新技術の導入により、伝動装置の無い電流発生装置を提供することができ、 それによって本発明による水力発電所（小形或いは超小形発電設備）は相当の経 済的、技術的価値を認められるものと思われる。そのような考えは、電力系統と の並列運転及び周波数の安定した単独運転における同期回転数に回転数を整合さ せる問題のような、低い回転数の水車によって電流を発生させる従来の問題を解 決するのに適している。 水車タービンの低音運転と、従来の水車の、一方は高い位置からの排水時の、 他方は機械的動力伝達装置の著しい騒音がないこととによって、環境政策的に過 敏な地域でも変速機なしの発電が可能になる。例えばＣＯ₂排出に対して増大す る環境意識によって、超小形水力発電設備の分野への本発明による水車タービン の導入が拡大される。同様に代替エネルギーの優先的導入の試みの成果が得られ る。 本発明を以下において実施形態の図に基づいてより詳細に説明する。 図１は上掛け駆動用の本発明による水車タービンの優れた実施形態の原理の概 要を示す側断面図である。 図２は図１の一部分を示す断面図である。 図３は図１に示された本発明による水車タービンないしはバケットの三つの基 本的運転状態の原理的な流れを、閉じているバケットを持つ回転相、開いている バケット及び閉じているバケットを持つ充水相、並びに開いているバケット及び 閉じているバケットを持つ排水相によって示す。 図４は図１のバケットの閉鎖フラップを詳細に示す断面図である。 図５は中掛け駆動方式における図１の水車タービンの一部分を示す断面図であ る。 図６は下掛け駆動方式における図１の水車タービンの一部分を示す断面図であ る。 図は上掛け運転(図１)、中掛け運転（図５）及び下掛け運転（図６）の水車タ 一ビンの優れた実施形態を示している。それぞれの運転に適合した水用閉鎖フラ ップの種々の望ましい開口幅が図に示されている。重量を節減した中空車軸（１ ）は水車タービンのボスを担持し、このボスをスポーク部材を介して２つのリム （９）に結合し、そのリムはバケット（２）の支持部材として作用し、同時に閉 じたバケットの側板を構成する。バケットへの充水は、相応する位置で開き連結 桿（４）を介して空気用フラップ（５）と機械的に結合されている閉鎖フラップ （３）によって行われる。これらのフラップ対はそれぞれ１つのローラー（７） によって操作される。そのローラーは、曲面状の輪郭を持つ板カム（８）の表面 上をローラーが滑動する際にそこから得られフラップ対の開閉を制御する制御命 令のための伝達部品として役立つ。図３．２はバケットの充水時に連続的に変化 するフラップの位置を示し、図３．３はバケットの排水時の状態を示す。 間隔を有することなく連続的に配置されたバケットと、閉鎖フラップのそれぞ れ順番に生ずる位置とが高い充満率を可能にする。図４は優れた実施形態に基づ いてバケットを閉鎖フラップ（１１）と固定のバケット壁（１２）に設けられた 矩形の形材（１０）によって十分に密閉させることができる様子を示している。 フラップ対の開動作は図２に特に概略的に示されている引張バネの力に抗して 行われる。バケットは、充水時と同じような制御によって回転の最下位点の直前 で初めて排水されるように、図３．１に示すように水車タービンの回転中は閉じ られている。 各バケットの空気用フラップ（５）は充水中の排気のために使われると共に、 排水時の給気のためにも使われる。バケットの効率の良い排気及び給気は公知の 方法によりバケット壁とフラップとの成形時に、例えばバケット内に案内板を設 けることによって保証される。 図示された水車タービンの水の位置エネルギー利用の高い効率は流入及び流出 する水の衝撃エネルギーの追加的利用により更に著しく高まる。水の衝撃エネル ギーを有効に利用するために、水車の回転中のバケットの開動作点及び閉動作点 をその作用に合うよう制御することが重要である。そのことは閉鎖可能なバケッ トを用いてのみ行うことができる。 例えばペルトン水車において、固定翼を持った車輪を駆動する場合に知られて いるような、バケット列によって噴流水を覆うことによる問題は水車タービンの 場合発生しない。何故なら、この作用は閉鎖フラップの角度設定を調整すること により回避されるからである。 板カムは車軸に位置固定的に取付けられた制御装置全体の一部分である。それ ゆえ、制御装置は空中にその位置を維持する構成部品である。二つのそれぞれ必 要な板カムの一方は常に排水領域に配置されるのに対して、水の導入口のために 必要とされる他方の板カムは、付設の位置決め部品が位置固定の垂球に対して調 整されこれに取外し可能に結合されることによって、車輪の半径方向の位置のあ らゆるところに位置決めすることができる。 図１において板カムの位置決め部品上に描かれた両方向矢印は、この位置決め 部品で板カムの微調整、従ってフラップの動きの微調整を行うことができること を示している。 水車タービンの自始動を保証するために、それぞれのバケットに壁孔（１３） が設けられている。これによって、充水位置にあるバケットの充水に基づいて、 車軸の始動のための始動トルクが作られるまで、位置的に先行しているバケット に順々にゆっくり充水することが可能になる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．水平の車軸（１）と、端面を閉ざされ開口部を介して水を導入及び排出する 直接隣あわせに配置された複数のバケット（２）とを備え、各バケット開口部が 閉鎖フラップ（３）を有するようにした水の落差を利用する水力発電所の水車タ ービンにおいて、閉鎖フラップは連結桿（４）を介して排気及び給気に使われる 第二の空気用フラップ（５）と機械的に結合され、水車タービンが位置固定の制 御装置と、閉鎖フラップ及び空気用フラップをそれぞれ同時に開閉するための機 械的伝達部品とを有することを特徴とする水力発電所の水車タービン。 ２．制御装置が車軸に位置固定的に取付けられていること特徴とする請求項１に 記載の水車タービン ３．制御装置が、バケットのフラップの開閉を車軸に関して予め決定可能な種々 の半径方向において行うことのできる部品を有していることを特徴とする請求項 １又は２記載の水車タービン。 ４．制御装置が、個々のフラップ対の連続的な開閉を車軸に関して予め決められ た半径方向の角度範囲内で行うことのできる伝達部品を有していることを特徴と する請求項１及至３の１つに記載の水車タービン。 ５．伝達部品が一方のフラップに強固に結合されたローラー（７）と位置固定の 板カム（８）であり、その際ローラーが板カムのカム面を転がることを特徴とす る請求項４に記載の水車タービン。 ６．制御装置が、フラップ対の最大開き幅を可変に調整可能である部品を有して いることを特徴とする請求項１及至５の１つに記載の水車タービン。 ７．フラップに機械的バネ（６）が取付けられ、閉じたフラップ対の開動作がバ ネ力に抗して行われることを特徴とする請求項１及至６の１つに記載の水車ター ビン。 ８．制御装置が個々のフラップ対の開閉のために油圧或は空気圧で制御可能な部 品を有していることを特徴とする請求項１及至７の１つに記載の水車タービン。 ９．構成部品が高圧力の水での駆動用に設計されていることを特徴とした請求項 １及至８の１つに記載の水車タービン。