JP2011508145A - 水力装置、該装置を備えるエネルギー変換設備、及び該装置を調節する方法 - Google Patents

Abstract

この水力装置は、静止構造物（９）に関して静止軸を中心として回転運動するように取り付けられたホイール（２）を有し、このホイールは、強制水流を通過させるように設計されている。ホイール（２）と静止構造物（９）との間には、水の漏洩を制限する少なくとも１つの漏洩制限装置（１００）が配設され、この漏洩制限装置は、ホイールと静止構造物の間に運転隙間（Ｊ）を形成する。この漏洩制限装置（１００）は、ホイールの回転中にホイールの回転軸に関して半径方向（Ｆ₁）に変形することができる又は動くことができる、少なくとも１つの変形可能な又は可動な部材（１０３）を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、静止構造物との関係において静止軸を中心として回転運動するように取り付けられたホイールを有する水力装置に関し、このホイールは、強制水流を通過させるように設計されている。水力装置がタービンである場合には、この強制水流は、ホイールを回転駆動する。水力装置がポンプである場合には、回転された結果、強制水流が得られる。

タービンであるのか、ポンプであるのか、或いは、ポンプタービンであるのかを問わず、水力装置は、一般に、しばしば「ラビリンス」と呼ばれる装置を備えており、この装置は、ホイールの近傍に流入した一定量の水がホイールの周りに漏洩する傾向を有するために発生する、水の漏洩を制限するように設計されている。この漏洩は、水力装置が組み込まれた設備の効率を低下させる。従って、ラビリンスは、水力装置のホイールと静止構造物との間に比較的狭い運転隙間を形成して漏洩を制限することを目的としており、漏洩流路が比較的狭くなり、これによって漏洩流量が制限される。

ラビリンスは、一般に、ホイールの回転軸と同心であるシリンダの形態で設計されており、可能な限り小さな隙間を付与された１つ又は複数のステージを有する。ホイールが回転している間にラビリンスが早急に損耗することを回避するために、運転隙間は、過渡速度におけるホイールの半径方向の運動を考慮し、遠心力の影響下におけるホイールの膨張を考慮して、十分なものでなければならない。このような状況下で、ラビリンスの運転隙間は、最も好ましくない運転条件、即ち、過渡速度を考慮し、また、ホイールの半径方向の運動を考慮することによって決定しなければならない。特に、水力装置がフランシスタービンである場合には、比較的大きな運転隙間が形成され、従って、ホイールの周りに無視できない漏洩をもたらす。

同様の問題は、ポンプ及びタービンポンプの場合にも発生する。

本発明の目的は、漏洩流量を低減するために、漏洩制限装置の運転隙間を最適化することができる水力装置を提案することにより、上述の欠点を改善することにある。

このために、本発明は、静止構造物に関して静止軸を中心として回転運動するように取り付けられたホイールを有する水力装置を備え、このホイールは、強制水流を通過させるように設計されており、ホイールと静止構造物との間には、水の漏洩を制限する少なくとも１つの漏洩制限装置が配設され、この漏洩制限装置は、ホイールと静止構造物との間に運転隙間を形成している。この水力装置は、漏洩制限装置が、ホイールが回転している間、回転軸に関して半径方向に変形でき又は動くことができる、少なくとも１つの変形可能な又は可動な部材を有することを特徴とする。

この変形可能な又は可動な部材によって、水力装置が使用中であっても、即ち、そのホイールが回転中であっても、「ラビリンス」としばしば呼ばれる漏洩制限装置の、運転隙間を調節することができる。この結果、水力装置の様々な運転速度に対応した様々な運転隙間のニーズを考慮することが可能になる。特に、ホイールが比較的大幅に半径方向に運動する可能性がある又は遠心力に起因して膨張する可能性がある水力装置の使用中の、最大の隙間を採用することができる。これは、特に、スタートアップの期間と、過速度の期間と、に当てはまる。逆に、水力装置が発電期間にある場合、例えば、タービンが安定状態において交流発電機に結合されている場合に、ホイールの回転が安定している限り、最小の隙間を採用することができる。この最小隙間は、ホイールの周りにおける水の漏洩を低減させることができ、従って、水力装置の効率を向上させることができる。更に、本発明の漏洩制限装置の部材の可動な特性は、ホイールがその回転軸に関して横方向に運動している場合に、漏洩制限装置の部材がホイールに衝突された後に動くように、配慮することもできる。

本発明の有利な、但し、必須ではない実施形態においては、この水力装置を、任意の技術的に可能な組合せにおいて、以下の特徴のうちの１つ以上を組み込むことができる。

・漏洩制限装置は、運転隙間の第１の値に対応する第１の構成と、運転隙間の第２の値に対応する第２の構成と、の間において、制御流体によって加えられる圧力の影響下で変形するような、変形可能な部材を有することができる。変形可能な部材は、第１の構成から第２の構成に変化するように、半径方向に収縮することによって変形できると、有利である。この変形可能な部材は、ホイールをその全周にわたって取り囲んでいる。

・漏洩制限装置は、複数の可動な部材を有し、この部材は、運転隙間の第１の値に対応する第１の構成と、運転隙間の第２の値に対応する第２の構成と、の間において、ホイールの回転軸に関して半径方向に動くように取り付けられている。

・この１つ又は複数の部材は、静止構造物上に取り付けられ、その半径方向内側表面が、ホイールの半径方向外側表面に対向しており、運転隙間が、これらの半径方向内側及び外側表面の間に形成されている。

・水力装置は、第１及び第２の構成のそれぞれにおいて、ホイールの回転軸に関して１つ又は複数の部材をセンタリングする手段を有する。

・１つの部材又はそれぞれの部材は、静止構造物の一部分とともに、可変容積のチャンバを形成しており、このチャンバには、加圧制御流体が供給され、この容積は、１つ又は複数の部材がとる構成の関数として変化する。この場合、可変容積のチャンバへの加圧制御流体の供給を制御する手段を設けることができる。

・一変形例においては、水力装置は、可動な部材がとることができる２つの構成の間における可動な部材の運動を制御するアクチュエータを有する。

・別の変形例においては、水力装置は、可動な部材に対して、可動な部材がとり得る２つの構成のうちの１つに戻すように弾性復元力を加える、少なくとも１つの手段を有する。

・水力装置は、ホイールの、回転軸を中心とした回転中に、前述の１つの又はそれぞれの部材を回転しないように保持する手段を有する。

・制御流体は、強制水流を形成するように水をホイールに供給する供給ダクトから抽出された水である。一変形例においては、制御流体はガスでもよく、空気、或いは、油であってもよい。

本発明は、水力エネルギーを電気エネルギーに変換する、又はこの逆の変換をする設備を更に提供し、この設備は、前述の水力装置を含む。この設備は、従来の設備よりも効率が良い。

最後に、本発明は、漏洩制限装置の運転隙間を最適化するように、前述の水力装置と共に実装することができる調節方法を更に提供する。この方法によれば、調節は、少なくとも過渡速度を含むホイールの回転の特定の期間においては、運転隙間の第１の値を、そして、少なくとも１つの安定した速度を含むホイールの回転のその他の特定の期間においては、運転隙間の第２の値を採用することにより、ホイールがその軸を中心として回転している場合に、実行される。

有利には、運転隙間の値のうちの１つは、漏洩制限装置に供給される制御流体の圧力又は量を制御することによって採用される。

本発明の原理に準拠した水力装置及び設備の６つの実施形態に関する以下の説明から、本発明について更に理解することができ、本発明のその他の利点が更に明らかとなろう。以下の説明は、添付の図面を参照して行われるが、以下の説明は、例示を目的としたものであり、これに限定するものではない。

本発明のフランシスタービンを備える本発明の高水頭エネルギー変換設備の、第１の運転状態における原理を示す断面図である。 図１の部分ＩＩの拡大詳細図である。 タービンが第２の運転状態にある場合の、図２に類似した図である。 図１の部分ＩＶの拡大詳細図である。 水力装置が第２の運転状態にある場合の、図４に類似した図である。 本発明の第２の実施形態の低水頭設備及びフランシスタービンの、図１の右半分の部分に類似した図である。 図６の部分ＶＩＩの拡大詳細図である。 水力装置が第２の運転状態にある場合の、図７に類似した図である。 図６の部分ＩＸの拡大詳細図である。 水力装置が第２の運転状態にある場合の、図９に類似した図である。 本発明の第３の実施形態のフランシスタービンの原理を示す、軸方向に見た部分断面図である。 図１１の直線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける部分断面図である。 本発明の第４の実施形態における、タービンの図１１に類似した断面図である。 本発明の第５の実施形態における、タービンの図１１に類似した断面図である。 本発明の第６の実施形態における、タービンの図１１に類似した断面図である。

図１から図５に示されている設備Ｉは、フランシスタービン１を含み、このフランシスタービンのホイール又は「ランナ」２は、ケーシング３から水を供給され、このケーシングの内部には、強制水流ダクト４が開口している。ホイール２の垂直回転軸は、静止しており、参照符号Ｘ₂によって示されている。タービン１は、シャフト１１を介して、交流発電機５に結合されている。ケーシング３とホイール２との間には、２つの一連のステーベーン及びガイドベーン（図示せず）が配設されており、これらの機能は、ダクト４から流入してホイール２を通過し、排出コンジット８に向かう水流Ｅを案内するものである。

ホイール２には、ランナクラウン２２とランナバンド２３との間に延びるブレード２１が設けられている。これらのブレードは、互いに、ランナクラウン２２及びランナバンド２３とともに、ブレード間空間ＩＡを形成しており、水流Ｅは、ホイール２を通って流れる場合に、これらを通過する。

ホイール２は、シャフト１１に設けられたねじ穴１２内に締結されたねじ２４を利用して、シャフト１１の底部に固定されている。

ケーシング３、ダクト４、及びコンジット８は、静止構造物９の一部分であり、この静止構造物は、図面には、断片的にのみ示されており、タービン１の回転部分、特に、シャフト１１及びホイール２を支持している。

水流は、ブレード２１の前縁２１ａの近傍に到達すると、ブレード間空間ＩＡに進入することができる。水流はまた、環状のスロットｆ₁を通って、ランナクラウン２２と静止構造物９の一部分９１との間に形成された環状の容積Ｖ₁内にも進入することができる。又、水流Ｅは、環状のスロットｆ₂を通って、ランナバンド２３と静止構造物９の別の一部分９２との間に形成された環状の容積Ｖ₂内にも進入することができる。

容積Ｖ₁及びＶ₂内への望ましくない水の流れは、図２から図５の矢印Ｅ₁及びＥ₂によって示されている。大量の漏洩と、タービン１の効率の大幅な低下と、をもたらす前述の望ましくない水流Ｅ₁及びＥ₂を回避するために、ホイール２と静止構造物９の一部分９１及び９２との間には、漏洩制限装置１００及び２００が挿入されている。

漏洩制限装置１００は、容積Ｖ₁から容積Ｖ’₁への漏洩を制限することを目的としており、容積Ｖ’₁は、容積Ｖ₁と軸Ｘ₂との間の半径方向に、ランナクラウン２２の上方に位置している。漏洩制限装置２００は、容積Ｖ₂からコンジット８の内部容積V’₂への漏洩を、制限することを目的としている。従って、望ましくない水流Ｅ₁及びＥ₂は、ホイール２の入口領域から、前縁２１ａの近傍に流れ、また、それぞれ、スロットｆ₁及びｆ₂と、容積Ｖ₁及びＶ₂と、を通って、容積Ｖ’₁及びＶ’₂に向かって流れる。

漏洩制限装置１００は、２つの半体シェル１０１Ａ及び１０１Ｂから構成されたハウジング１０１を有する。ハウジング１０１は、ねじ１０２を利用して静止構造物９の一部分９１に静止状態に保持されおり、このねじは、２つの半体シェル１０１Ａ及び１０１Ｂを貫通し、一部分９１に設けられたねじ穴９１Ａに締結されている。半体シェル１０１Ａ及び１０１Ｂは、軸Ｘ₂を中心とする円形である。ハウジング１０１を静止部分９１に対して効果的に固定できるように、十分な数のねじ１０２が備えられている。

ハウジング１０１内には、リング１０３が取り付けられており、ハウジングとともに可変容積のチャンバＣ₁を形成しており、チャンバＣ₁は、リング１０３の上部面及び下部面のそれぞれに設けられた溝１０３Ａ及び１０３Ｂ内に取り付けられた２つのシール１０４Ａ及び１０４Ｂによって、外部と隔離されている。

スタッド１０５が、軸Ｘ₂を中心とした回転中に、リング１０３をハウジング１０１に対して回転しないように保持するために、それぞれ、ハウジング１０１及びリング１０３に設けられた凹部１０１Ｆ及び１０３Ｆ内に係合している。

半体シェル１０１Ａは、半体シェル１０１Ｂに対向する壁１０１Ｃを有する。同様に、半体シェル１０１Ｂは、半体シェル１０１Ａに対向し、壁１０１Ｃに対向する、壁１０１Ｄを有する。壁１０１Ｃと１０１Ｄとの間には、開口部Ｏ₁が形成されており、リング１０３には、壁１０１Ｃと１０１Ｄとの間に配置されたノーズ部１０３Ｃが設けられている。

リング１０３は、例えば、鋼又は複合材料などの弾性変形可能な材料でできている。このリングは、その半径方向外側表面１０３Ｄに加えられた力の影響下で、図２及び図３の矢印Ｆ₁によって示された方向に、軸Ｘ₂に向かって収縮することができる。軸Ｘ₂に向かうリング１０３の収縮は、チャンバＣ₁に加圧水を注入することによって制御される。

この水は、取水口３００によって強制水流ダクト４から抽出され、取水口３００は、パイプ３０１の入口を構成し、２次水流Ｅ_Sをフィルタ３０２に向かって、次に、ポンプ３０３に向かって送り、ポンプ３０３は、水流Ｅ_Sの圧力を増加させる。このポンプは、アキュムレータタンク３０８に水を送っており、このタンクは、パイプ３０９を介してトーラス形状のダクト３０４に接続されており、トーラス形状のダクト３０４は、ハウジング１０１に開口した取水口３０５を介して、チャンバＣ₁に接続されている。前述の取水口３０５は、ねじ１０２を受け入れる領域に関して平面内の角度をずらせて、軸Ｘ₂の周りに分布している。

更に、ホイール２のランナクラウン２２は、円形フィン２２１を備えており、このフィンは、ランナクラウンと一体に形成され、ランナクラウンの上部表面に関して上方に延びている。一変形例においては、フィン２２１は、取り外すことができる。

タービン１が組立てられた状態にある場合には、フィン２２１は、外側表面２２１Ａが、漏洩制限装置１００に対向して配置されている。更に厳密には、表面２２１Ａは、リング１０３の半径方向内側表面１０３Ｅの一部分に対向して配置され、この表面は、開口部Ｏ₁を通って表面２２１Ａに近づくことができるノーズ部１０３Ｃの表面である。

タービン１が運転されている場合には、フィン２２１は、ホイール２と共に、軸Ｘ₂を中心として回転するが、漏洩制限装置１００は、静止構造物９の一部分９１に取り付けられているため、静止している。従って、フィン２２１と、漏洩制限装置１００の対向する部分である半体シェル１０１Ｂ及びリング１０３と、の間に、運転隙間Ｊを形成しなければならない。

この運転隙間Ｊがあるために、容積Ｖ₁内に進入する水流Ｅ₁は、図２の矢印Ｅ₁によって示されているように、容積Ｖ’₁に向かって流れることができる。

図２の構成では、チャンバＣ₁には、ダクト３０４から加圧水が供給されておらず、チャンバＣ₁内の水の圧力Ｐ₁は、低いか、又はゼロであり、この結果、リング１０３は、その弾性力のために、比較的応力を受けず、表面１０３Ｅは、壁１０１Ｃ及び１０１Ｄから突出さない。従って、表面１０３Ｅと２２１Ａとの間の隙間Ｊ₁は、十分大きく、フィン２２１と漏洩制限装置１００との間の衝突を避け、或いは、ホイール２が軸Ｘ₂上にミスアライメントされたり、ホイール２が遠心力の影響下で膨張した場合の、接触力を小さくする。

タービン１が安定した運転速度に到達すると、ホイール２が軸Ｘ₂に関してミスアライメントされるリスクは最小となり、この結果、ノーズ部１０３Ｃをハウジング１０１からフィン２２１に向かって突出させつつ、隙間Ｊを、値Ｊ₁よりも小さい値Ｊ₂に低減することができる。これは、チャンバＣ₁内の水の圧力をＰ₂に増加させることにより、実現され、水の圧力をＰ₂に増加させることは、チャンバＣ₁を、ダクト３０４及び取水口３０５を介してアキュムレータタンク３０８と連通状態にさせることによって得られる。圧力Ｐ₂は、図３の矢印Ｆ₂によって示すように、分布荷重をリング１０３の表面１０３Ｄに加え、この分布荷重は、リング１０３を、軸Ｘ₂に向かって半径方向に収縮させ、この結果、表面１０３Ｅが、表面２２１Ａに向かって移動し、水流Ｅ₁を発生する可能性のある通過断面積を低減する。従って、容積Ｖ₁から容積Ｖ’₁への水の漏洩が制限される。

ポンプ３０３とダクト３０４との間でダクト３０１に取り付けられた、電磁弁３０６により、アキュムレータタンク３０８及びチャンバＣ₁を相互に連通させる制御を、行うことができる。この電磁弁は、電子制御ユニット３０７によって制御される。一変形例においては、チャンバへの加圧水の供給を制御するために、ダクト３０４とチャンバＣ₁との間の取水口３０５に、電磁弁を設置することができる。

更に、電磁弁（図示せず）により、チャンバＣ₁を、排水ライン（図示せず）と連通させ、コンジット８又は排水受け（図示せず）に排出することもできる。

タービン１が突然の過渡速度に直面した場合には、特に、過速度の場合には、リング１０３とフィン２２１との間の偶発的な接触のリスクを低減することができる図２の構成に、リング１０３が弾性的に復元できるように、電磁弁３０６を閉鎖すると共にその他の電磁弁を開放し、チャンバＣ₁を迅速に空にすることがすることができる。

図２及び図３の断面内において、ハウジング１０１は、図２及び図３に示すリング１０３の断面の、４つの凸状の角部１０３Ｇ、１０３Ｈ、１０３Ｉ、及び１０３Ｊのそれぞれに対して相補的な、４つの凹状の隅部１０１Ｇ、１０１Ｈ、１０１Ｉ、及び１０１Ｊを形成している。

角部と隅部１０１Ｇ、１０１Ｈ、１０３Ｇ、及び１０３Ｈは、図２の構成において、軸Ｘ₂に関してリング１０３をセンタリングするために、ともに動く形状を利用してセンタリングする手段を構成している。同様に、角部と隅部１０１Ｉ、１０１Ｊ、１０３Ｉ、及び１０３Ｊも、図３の構成において、リング１０３をセンタリングするために、ともに動く形状を利用してセンタリングする手段を構成している。

ダクト３０４からチャンバＣ₁への水の供給圧力と、電磁弁３０６の開放時間と、を変化させることにより、図２及び図３にそれぞれ示されている構成の間の中間の構成を、リング１０３にとらせることができ、タービン１の特定の運転速度に適合することができる。

漏洩制限装置１００の構成要素に類似した漏洩制限装置２００の構成要素には、同様の参照符号プラス１００が付与されている。漏洩制限装置２００は、静止構造物９の一部分９２に取り付けられ、ねじ２０２を利用して１つに組み立てられた２つの半体シェル２０１Ａ及び２０１Ｂから構成されたハウジング２０１を有する。ハウジング２０１には、弾性変形可能なリング２０３が配設され、ハウジング２０１とリング２０３とによって形成される可変容積のチャンバＣ₂内には、圧力が加えられている。

リング２０３の上部面及び下部面内にそれぞれ設けられた溝２０３Ａ及び２０３Ｂの各内部に、２つのＯリングシール２０４Ａ及び２０４Ｂが配設されている。

軸Ｘ₂を中心とした回転中に、ハウジング２０１に対してリング２０３を係留するために、スタッド２０５が設けられている。

上述の内容と同様に、図４及び図５のプレーン内においてハウジング２０１によって形成されている凹状コーナー及びリング２０３によって形成されている凸状コーナーにより、これらの図面にそれぞれ示されている２つの構成において軸Ｘ₂に関してリングをセンタリングすることができる。

リング２０３の半径方向内側表面２０３Ｅは、階段状になっており、表面２０３Ｅは、３つの部分２０３Ｅ₁、２０３Ｅ₂、及び２０３Ｅ₃を有し、この各々は、円形のベースを有する円筒形の表面によって形成され、部分２０３Ｅ₂の直径は、部分２０３Ｅ₁の直径よりも大きく、部分２０３Ｅ₃の直径よりも小さい。

これに対応して、ランナバンド２３の下流エッジ２３１の半径方向内側表面２３１Ａは、直径が増加する３つの部分２３１Ａ₁、２３１Ａ₂、及び２３１Ａ₃から構成されている。

表面２０３Ｅ及び２３１Ｅは、これらの間に、図４の矢印Ｅ₂によって示されているように、漏洩水流が流れることができる曲がりくねった通路を形成している。上述の内容と同様に、ランナバンド２３におけるタービン１の運転隙間Ｊ’は、表面２０３Ｅと２３１Ａとの間の最小距離として形成される。

隙間Ｊ’が最大でなければならない構成では、特に、漏洩制限装置１００に関して上述した過渡速度の場合には、隙間Ｊ’は、チャンバＣ₂内の水圧が低い値か又はゼロである値Ｐ₁に維持されている限り、図４の構成に対応した最大値Ｊ’₁に維持される。

チャンバＣ₂には、チャンバＣ₁に水を供給するのに利用される手段と全体的に類似する手段（図示せず）によって加圧水が供給され、この手段は、取水口５０５を介してチャンバＣ₂に接続されたダクト５０４を有する。ダクト５０４は、ポンプ３０３又はその他の加圧された水の供給源に結合することができる。ダクトを介した水の供給は、例えば、電磁弁３０６に類似した電磁弁により、或いは、チャンバＣ₁及びＣ₂内の圧力を同時に変化させるようにした場合には、同一の電磁弁３０６により、制御される。

タービン１が、安定した速度において使用されている場合には、隙間Ｊ’は、図５に示す値Ｊ’₂に低減することができる。このために、チャンバＣ₂内の水の圧力は、値Ｐ₁を上回る値Ｐ₂に変更される。この効果は、表面２０３Ｅを表面２３１Ａに近づけ、これにより、容積Ｖ₂から容積Ｖ’₂への水流Ｅ₂の通過断面積を制限するものである。図５においては、矢印Ｆ₂は、軸Ｘ₂に向かうリング２０３の半径方向の圧縮力を示しており、この力は、チャンバＣ₂内の水の圧力Ｐ₂に起因し、リング２０３の半径方向外側表面２０３Ｄに対して加えられる。

図１から図５に示されているタービンは、漏洩制限装置１００及び２００の場所が最適化されている高水頭タービンである。

本発明はまた、第２の実施形態の図６から図１０に示すように、低水頭タービンにも適用することができ、この第２の実施形態においては、第１の実施形態の要素に類似した要素に対して、類似の参照符号が付与されている。

この実施形態においては、漏洩制限装置１００は、設備Ｉの静止構造物９に属するプレート９１上に取り付けられており、ホイール２のランナクラウン２２の半径方向外側エッジ２２２との間に運転隙間を生成する。漏洩制限装置１００は、ねじ１０２によってプレート９１に静止状態に保持されたプレート１０１を有する。又、プレート９１には、エッジ２２２の近傍に、凹部が提供されており、これは、弾性変形可能なリング１０３を受け入れるためであり、このリングの上部及び下部エッジには、個々のシール１０４Ａ及び１０４Ｂが備えられており、これらのシールは、この目的のために設けられた溝１０３Ａ及び１０３Ｂ内に係合している。

シール１０６が、プレート１０１と静止構造物９の一部分９１との組立間をシールするために設けられている。

複数のスタッドが備えられ、ホイールの回転軸Ｘ₂を中心とした回転中に、静止構造物９の一部分９１に対してリング１０３を係留することができるが、図７及び図８には参照符号１０５によって１つのみが示されている。

リング１０３は、エッジ２２２の半径方向外側表面２２２Ａに対向して配設された半径方向外側表面１０３Ｅを有し、ホイール２が固定部分８１に関して運動できるようにする運転隙間Ｊを形成している。望ましくない水流Ｅ₁は、表面１０３Ｅ及び２２２Ａによって形成された環状の空間内において、強制水流Ｅがホイール２の注入口において流れる容積Ｖ₁から、ランナクラウン２２の近傍において、ランナクラウン２２と部分９１の間に設けられた容積Ｖ’₁に向かって、ホイール２の上方を流れる。

一部分９１とリングの１０３の半径方向外側表面１０３Ｄの間には、可変容積のチャンバＣ₁が形成されている。このチャンバは、少なくとも１つの取水口３０５を介して、第１の実施形態において前述した供給手段に類似した供給手段に接続されており、設備のケーシング３の供給ダクト上に設けられた取水口から供給を受けるパイプ３０１を有する。このパイプ３０１は、フィルタ３０２、ポンプ３０３、及びアキュムレータタンク３０８に対して連続的に供給している。このアキュムレータタンク３０８は、パイプ３０９を介して、環状のダクト３０４に接続されており、このダクトから、１つ又は複数の取水口３０５が延びている。電子制御ユニット３０７によって制御された電磁弁３０６が、アキュムレータタンク３０８からダクト３０４への２次水流Ｅ_Sを制御している。従って、チャンバＣ₁内に存在する水の圧力を制御することができる。

過渡速度においては、チャンバＣ₁内の水の圧力Ｐ₁は、低い、又はゼロである値を有し、この結果、その弾性の影響下において、リング１０３は、隙間Ｊが比較的大きな第１の値Ｊ₁を有する図７に示されている位置をとることになる。

安定した速度においては、更なる量の水がチャンバＣ₁内に供給され、これにより、このチャンバ内の圧力を、値Ｐ₁を上回る値Ｐ₂に変更する。この効果は、リング３０２を、半径方向において、軸Ｘ₂に向かって、表面２２２Ａに向かって変形させることにあり、この結果、リングは、図８の構成をとることになり、この場合に、隙間Ｊは、図７の隙間値を下回る値Ｊ₂を備えている。この結果、容積Ｖ’₁に向かう望ましくない水流Ｅ₁の通過断面積を制限することができる。

望ましくない水流が、ホイール２の注入口における強制水流が流れる容積Ｖ₂から、ランナバンド２３の近傍を、ランナバンドと固定シリンダ９３の間においてランナバンドの周りに設けられた容積Ｖ’₂に向かって流れる傾向を有する。

この水流Ｅ₂を制限するように、ランナバンド２３の上流エッジ２３２の近傍に漏洩制限装置２００が配設されている。この漏洩制限装置２００は、設備Ｉの静止構造物９に属するプレート９２に固定された２つの部分２０１Ａ及び２０１Ｂから構成されたハウジング２０１を有する。変形可能なリング２０３が、ボックス２０１内に取り付けられており、その上部エッジに、溝２０３Ａ内に取り付けられたＯリングシール２０４Ａを担持している。更に、本体２０１の下部２０１Ｂの溝２０１Ｋ内に、Ｏリングシール２０４Ｂが取り付けられている。

可変容積のチャンバＣ₂には、リング２０３が、チャンバＣ₂内においてそれぞれ優勢である圧力の値Ｐ₁又はＰ₂の関数として、図９及び図１０にそれぞれ示されている構成のうちの１つ又は他方をとるように、取水口５０５を通って加圧水を供給することができる。

チャンバＣ₂は、ダクト３０４に類似した環状のダクト５０４に接続されている。

従って、リング２０３の半径方向内側表面２０３Ｅとエッジ２３２の半径方向外側表面２３２Ａの間の隙間Ｊ’は、図９及び図１０にそれぞれ示されている値Ｊ’₁及びＪ’₂のうちの１つをとることができる。隙間Ｊ’が最小である図１０の構成は、設備Ｉの安定した運転速度用に選択され、図９の構成は、過渡速度と、速度が変化する期間、特に、スタートアップの期間又は過剰な速度の期間に好適である。従って、望ましくない水流Ｅ₂は、設備が安定した速度において運転する場合に、最小にされる。

図１１に断片的に示されている本発明の第３の実施形態においては、第１の実施形態の要素に類似した要素に対して同一の参照符号が付与されている。

水漏洩制限装置１００内には、フランシスタービンホイールのランナクラウン２２の外周エッジ２２２の周りに複数の部材１０３が分布している。それぞれの部材１０３は、上部溝１０３Ａ及び下部溝１０３Ｂを有し、これらの溝内には、シール１０４Ａ又は１０４Ｂが配設されている。

部材１０３は、ホイール２の回転軸Ｘ₂に関して半径方向に互いにオーバーラップしている。更に厳密には、それぞれのリング１０３は、さねはぎ溝１０３Ｎを形成する部分１０３Ｍを有し、このさねはぎ溝の内部において、隣接する部材の対応する部分１０３Ｐが係合することができる。従って、２つの隣接する部材１０３の一部分１０３Ｍ及び１０３Ｐは、互いにオーバーラップしている。

このオーバーラップは、部材１０３の一部分１０３Ｍの半径方向外側表面１０３Ｑと別の部材１０３の隣接する部分１０３Ｓの対向する表面１０３Ｒの間に横方向隙間Ｅ_Lを提供することによって実現される。同様に、部材１０３の一部分１０３Ｐと別の部材１０３の対向する一部分１０３Ｘによってそれぞれ形成されている２つの半径方向表面１０３Ｐ及び１０３Ｔの間にも、横方向隙間Ｅ’_Lが提供されている。

部材１０３は、ハウジング１０１内に配設され、このハウジングに対してシール１０４Ａ及び１０４Ｂが配置されており、ハウジングは、部材１０３の外側半径方向表面１０３Ｄと協働し、軸Ｘ₂に関して半径方向に、可変容積のチャンバＣ₁を形成している。

上述の内容と同様に、図１１及び図１２の矢印Ｆ₁によって示されている半径方向における部材１０３の運動を制御するように、１つ又は複数の取水口３０５を介してチャンバＣ₁内に注入される所定量の水の圧力を制御することができる。この結果、様々な部材１０３の半径方向内側表面１０３Ｅとエッジ２２の半径方向外側表面２２２Ａの間の半径方向隙間Ｊの値を制御することができる。

横方向隙間Ｅ_L、Ｅ’_Lは、部材１０３が軸Ｘ₂に向かって移動している場合に、部材１０３を互いに接近するように動くことができるようにする。

軸Ｘ₂に対して平行にシール１０７が配設されており、これらのシールは、チャンバＣ₁と部材１０３の表面１０３Ｔ及び１０３Ｖの間に存在する隙間の間をシールしている。

第１の実施形態と同様に、ハウジング１０１には、軸Ｘ₂に向かう部材１０３の運動を制限する壁１０１Ｃ及び１０１Ｄが提供されている。

図１３に示されている本発明の第４の実施形態においては、図１１及び図１２の実施形態と同様に、漏洩制限装置１００内において、複数の部材１０３が使用されており、これらの部材は、部分的に互いにオーバーラップし、シール１０４Ａ（又は、等価なシール）及び１０７を有する。

この実施形態は、部材１０３の半径方向の配置が、これらの部材の半径方向外側に配置されたチャンバ内の圧力を変化させることによって制御されるのではなく、水圧又は空圧的に制御することができる複動型（ｄｏｕｂｌｅ−ａｃｔｉｎｇ）アクチュエータ４００を使用することによって制御されるという点が前述の実施形態と異なっている。

一変形例においては、使用されるアクチュエータは、単動型（ｓｉｎｇｌｅ−ａｃｔｉｎｇ）アクチュエータであり、この場合には、隙間Ｊが増大した離隔構成に向かって前述の部材を押し戻すために、部材１０３とエッジ２２２の間の水流の圧力を使用する。

図１４に示されている実施形態においては、漏洩制限装置１００内において、様々な部材１０３が使用されている。これらの部材は、図１１から図１３の実施形態と同様に、互いにオーバーラップしている。この実施形態においては、部材１０３の周りにスプリング５００が分布しており、これらに起因し、軸Ｘ₂に向かって方向付けされたスプリング力Ｆ₅を印加し、これにより、部材１０３の半径方向内側表面１０３Ｅとタービンホイールのランナクラウンのエッジ２２２の半径方向外側表面２２２Ａの間の隙間Ｊに既定の値を付与することができる。

ホイール２は、バランスしていない場合に、部材１０３のうちの１つのものに衝突する可能性があるが、その場合には、その部材は、タービンのランナクラウンに大きな損傷を付与することなしに、印加されている力Ｆ₅に対抗して押し戻されることになる。この衝撃を緩衝する傾向は、衝突した場合には、チャンバＣ₁に起因し、リング１０３及び２０３及び部材１０３が半径方向外側に移動することができるため、図１から図１３の実施形態の水力装置にも存在する。これらのチャンバは、アキュムレータタンク３０８（並びに、等価なリザーバ）に接続されており、これにより、リング又は部材が衝撃の影響下において半径方向外側に移動した場合に、制御液体の一部を除去することができる。

図１５に示されている変形例においては、漏洩制限装置内の部材１０３の周りに配設されてホイール２の回転軸Ｘ₂に向かって方向付けされたスプリング力Ｆ₅を作用させ、様々な部材１０３にわたって分布する単一のスプリング６００により、スプリング５００を置換することができる。

図１４及び図１５の実施形態においては、それぞれ部材１０３は、軸Ｘ₂に向かって半径方向Ｆ₁に摺動することができ、力Ｆ₅は、隙間Ｊが最小である構成に部材を押し戻す傾向を有する。

本発明は、フランシスタービンに実装されるものとして説明したが、本発明は、その他のタイプのタービン、ポンプ、及びポンプタービンと共に適用することができる。

前述の実施形態の技術的な特徴は、本発明の範囲内において互いに組み合わせることができる。

第３、第４、第５、及び第６の実施形態において検討した部材１０３の位置を制御する様々なモードは、互いに組み合わせることができる。特に、図１１から図１３の実施形態においてスプリングを備えることができる。

第１、第２、及び第３の実施形態においては、ダクト４から到来する水以外の流体を使用して部材１０３又は２０３の位置を制御することができる。特に、加圧油又は空気を使用することができる。

Claims (15)

1. 静止構造物（９）に関して静止軸（Ｘ₂）を中心として回転運動するように取り付けられた、ホイール（２）を有する水力装置（１）であって、前記ホイールが、強制水流（Ｅ）を通過させるように設計されており、前記ホイールと前記静止構造物との間には、水の漏洩（Ｅ₁、Ｅ₂）を制限する少なくとも１つの漏洩制限装置（１００、２００）が配設され、前記漏洩制限装置が、前記ホイールと前記静止構造物との間の運転隙間（Ｊ、Ｊ’）を形成する、水力装置であって、前記漏洩制限装置が、前記ホイールの回転中に前記回転軸（Ｘ₂）に関して半径方向（Ｆ₁）に変形することができる、又は動くことができる、少なくとも１つの変形可能な又は可動な部材（１０３、２０３）を有することを特徴とする、装置。
2. 前記漏洩制限装置が、前記運転隙間の第１の値（Ｊ₁、Ｊ’₁）に対応する第１の構成と前記運転隙間の第２の値（Ｊ₂、Ｊ’₂）に対応する第２の構成との間において、制御流体によって加えられる圧力（Ｐ₁、Ｐ₂）の影響下で変形することができる、変形可能な部材（１０３、２０３）を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記変形可能な部材（１０３、２０３）が、半径方向に収縮して前記部材の第１の構成から前記部材の第２の構成に変形することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記漏洩制限装置が、複数の可動な部材（１０３）を有し、前記複数の可動な部材（１０３）が、前記運転隙間（Ｊ）の第１の値に対応する第１の構成と前記運転隙間の第２の値に対応する第２の構成との間において、前記ホイールの前記回転軸に関して半径方向（Ｆ₁）に動くように取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記１つ又は複数の部材が、前記静止構造物（９）に、前記部材の半径方向内側表面（１０３Ｅ、２０３Ｅ）が前記ホイールの半径方向外側表面（２２１Ａ、２２２Ａ、２３１Ａ、２３２Ａ）に対向するように取り付けられ、前記運転隙間（Ｊ、Ｊ’）が、前記半径方向内側表面と前記半径方向外側表面との間に形成されることを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記第１と第２の構成のそれぞれにおいて前記ホイールの前記回転軸（Ｘ₂）に関して前記１つ又は複数の部材（１０３）をセンタリングする手段（１０１Ｇから１０１Ｊ、１０３Ｇから１０３Ｊ）を有することを特徴とする、請求項２から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記１つの部材又はそれぞれの部材（１０３、２０３）が、前記静止構造物の一部分（９１、１０１）とともに、可変容積のチャンバ（Ｃ₁、Ｃ₂）を形成し、前記チャンバには、加圧制御流体が供給され、前記容積が、前記１つ又は複数の部材がとる前記構成の関数として変化することを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記可変容積のチャンバ（Ｃ₁、Ｃ₂）への加圧制御流体の供給を制御する手段（３０６、３０７、３０８）を有することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記２つの構成の間における前記可動な部材の動きを制御するアクチュエータ（４００）を有することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
10. 前記可動な部材（１０３）を、前記２つの構成のうちの１つに戻すように、前記可動な部材（１０３）に弾性復元力（Ｆ₅）を加える少なくとも１つの手段（５００、６００）を有することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
11. 前記ホイール（２）の前記回転軸（Ｘ₂）を中心とした回転中に前記１つの又はそれぞれの部材（１０３、２０３）を回転しないように保持する手段（１０５、２０５）を有することを特徴とする、請求項２から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記制御液体が、前記強制水流（Ｅ）を形成するために前記ホイール（２）に水を供給する、供給ダクト（４）から抽出した水である、ことを特徴とする、請求項２から７及び請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 水力エネルギーを電気エネルギーに変換する、又はこの逆の変換をする設備（Ｉ）であって、請求項１から１２のいずれか１項に記載の水力装置（１）を含む、設備。
14. 調節可能な隙間を有し、請求項１から１２のいずれか１項に記載の水力装置（１）の一部分である漏洩制限装置（１００、２００）の、前記運転隙間（Ｊ、Ｊ’）を調節する方法であって、
    前記調節が、
    前記ホイール（２）が前記ホイールの軸（Ｘ₂）を中心として回転している間、少なくとも過渡速度を含む前記ホイールの回転の所定の期間には、前記運転隙間の第１の値（Ｊ₁、Ｊ’₁）をとるように実行され、
    少なくとも１つの安定速度を含む前記ホイールの回転のその他の所定の期間には、前記運転隙間の第２の値（Ｊ₂、Ｊ’₂）をとるように実行されることを特徴とする、方法。
15. 前記運転隙間の前記値（Ｊ₁、Ｊ’₁、Ｊ₂、Ｊ’₂）のうちの１つを、前記漏洩制限装置（１００、２００）に供給される制御流体（Ｅ_S）の圧力又は量を制御することによってとることができる、ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

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