JP2014518349A - ポンプタービン設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、タービンランナおよびタービンスパイラルケーシングを有するタービンと、ポンプランナおよびポンプスパイラルケーシングを有するポンプと、
シャフトと駆動連結しているか、または駆動連結させることができる電気機械とを備え、タービンとポンプとの間に流体短絡が作成可能である、ポンプタービン設備に関する。本発明は、タービンは、ポンプよりも高い公称出力を有することと、水力機械の各々のランナおよびケーシングからラビリンスシールが１つずつ形成されており、運転時、ラビリンスシールを冷却および／または潤滑する漏流がラビリンスシールを通って流れることと、ラビリンスシールは、複数の環状チャンバと、該複数の環状チャンバを導通させながらに互いに連結する環状隙間状チャネルとを備えることと、関係する水力機械のランナとケーシングとは、作動位置と非作動位置との間で漏流の方向に相対して移動可能に支承されていることとを特徴とする。

Description

本発明は、タービンランナおよびタービンスパイラルケーシングを有するタービンと、ポンプランナおよびポンプスパイラルケーシングを有するポンプとを備えたポンプタービン設備に関する。ポンプおよびタービンは電気機械と駆動連結しているか、または駆動連結させることができる。

その場合、タービンとしてフランシスタービンまたはペルトンタービンが考慮される。さらに、ポンプもタービンも単段または多段で実施され得るので、単段タービンを多段ポンプと組み合わせたり、多段タービンを単段または多段のポンプと組み合わせたりすることも考えられる。

揚水発電所のポンプタービン設備は、２つの運転モード、すなわちタービン運転とポンプ運転とを有する。後者の運転では、ポンプは下部水槽から上部水槽へ水を汲み上げるが、そのために、ポンプと駆動連結された電気機械によってポンプは駆動される。その場合、電気機械には公共の電力網から給電され、すなわち電力が供給される。

これに対して、タービン運転では、上部水槽から下部水槽へ流れる水がタービンを駆動し、タービンは相応の出力を電機機械に伝達する。電気機械は駆動出力を電力に変換し、この電力を電力網に供給する。したがって、電気機械は発電機の働きをすることもあれば、電動機の働きをすることもある。そのため、この電気機械は電動発電機とも呼ばれる。

上記の種類のポンプタービン設備とは異なり、タービンおよびポンプが共通のランナによって形成されているので、タービン運転では、電力を生成するために上部水槽からの水が共通のランナに当てられ、ポンプ運転では、電気機械によって駆動される可逆ポンプタービン設備も公知になっている。

このような揚水発電所は、電力網における負荷のピークを補償するために用いられるので、電力網をサポートするため、もしくはポンプ出力を迅速に受けて電力網の一次制御に使用するためには、ポンプタービンを、可能な限り速くタービン出力を送出できる状態にしなければならない。それゆえ、揚水発電所のポンプタービンが可能な限り速くタービン運転からポンプ運転へ、そしてその逆方向に移行させられることが望ましい。

このような設備では、タービンに供給された水の体積流量の変化がたびたび起こる。体積流量は上下の極値を有し得る。タービンの効率は、体積流量が最大に近いときに最も良い。体積流量が小さいときにはタービンの効率が比較的低い。これは特に、極端な部分負荷の場合である。部分負荷時、効率が低下するだけでなくキャビテーション挙動も悪化する。

タービン運転からポンプ運転への、そしてその逆方向の切替え時には２つの極端な状態が生じる。１つ目では、タービンのみが作動することができ、ポンプは連動する。この場合には、タービンに水が充填され、ポンプに空気が充填される。このときタービン出力が１００パーセントになる。

別の場合には、ポンプにのみ水が充填され、タービンに空気が充填される。このときポンプ出力が１００パーセントになる。

これらの２つの極端な状態間に中間状態がある。

これらすべての場合において、当該水力機械のランナとケーシングとの間の隙間の封止が重要な役割をする。

特許文献１には、一時的に作動媒体、すなわち水なしで動かされるポンプタービン設備を運転する方法および装置が記載されている。ポンプおよびタービンのランナと吸引管との間の漏流を封止するために段付けしたラビリンスが提案され、これに対して、ランナと残りのケーシングとの間を封止するために段の無い（ｇｌａｔｔ）ラビリンスがそれぞれ使用される。ポンプタービン設備の出力損失を低減するために、ポンプの単独運転時にポンプのラビリンスシールの隙間幅が最小化される一方で、タービンの隙間幅は最大化される。次いで、タービンのランナが空気で回転する。それとは逆に、タービン運転では、タービンのラビリンスシールの隙間幅が最小化され、ポンプの隙間幅が最大化され、そのとき、同様に、ポンプランナが空気で回転する。ポンプ運転からタービン運転へ、またはその逆方向に移行するとき、そのために、タービンシャフト全体がポンプランナおよびタービンランナと共に軸方向に移動される。

独国特許発明第１８０７４４３号明細書

本発明は、部分負荷と結びついた問題が回避されるようにポンプタービン設備を形成するという課題にもとづく。それとともに、少なくとも１つのタービンと少なくとも１つのポンプとを含む機械類一組の効率が、公知の機械類一組よりも大きい運転範囲にわたって最適であるべきである。それとともに、極端な部分負荷の場合でもなお受け入れ可能な効率であるべきである。キャビテーション挙動は改善されるべきである。同時に、切替えと結びついた問題は回避されるべきである。すなわち、出力損失が低減され、かつ関与するシールの冷却が最適化されるべきである。

上記課題は、請求項１の特徴によって解決される。

本発明の本質的思想は、タービンの定格出力がポンプの定格出力よりも大きくなるようにすることである。さらに、タービンとポンプとの間に流体短絡（ｈｙｄｒａｕｌｉｓｃｈｅｒ Ｋｕｒｚｓｃｈｌｕｓｓ）が作成可能であるべきである。

このことは、供給された水の体積流量が小さい場合でもタービンを最適範囲で運転することができるという利点を有する。タービンが発生する出力は小さいが、効率は公知の設備がそうであったよりもはるかに良い。

さらに、上記の運転範囲の拡大のために、例えば安定化空気を供給することによる回転の安定化などの装置または措置を追加する必要はない。それでも、このような追加措置を適用することもできる。

タービンとポンプの定格出力の差は、特定の部分負荷の場合のタービンの効率と流体短絡の効率とが最適になるように選択するのが最も良い。

タービンは、ポンプの定格出力の１倍から２倍の、例えば１．１倍、１．２倍、１．３倍等々で２倍までの定格出力を有することができる。

両方の水力機械、したがってタービンとポンプに制御可能なステータ（Ｌｅｉｔｒａｄ）をそれぞれ装備することが目的にかなっている。これは、タービン運転での流体短絡運転から、そしてその逆方向の制御された切替えを可能にする。

タービンランナまたはポンプランナ、あるいはこれら両方の上流に遮断器をそれぞれ接続するとよい（いわゆるリングゲートまたは円筒開閉板（Ｚｙｌｉｎｄｅｒｓｃｈｕｅｔｚｅ））。遮断器は、ランナとトラバースリング（Ｔｒａｖｅｒｓｅｎｒｉｎｇ）との間、またはランナと案内器具との間に設けるとよい。最も良いのは、ランナの直ぐ上流に接続することである。

さらに、タービンランナまたはポンプランナの下流に遮断器を接続するとよく、最も良いのは、絞り弁を、しかも吸引管の前方または後方に、極端な場合には吸引管内で接続することである。

本発明の別の本質的思想は、回転部材に相対して軸方向に環状隙間状チャネルの隙間幅を調整するために、固定部材を作動位置と非作動位置との間で漏流の方向に移動可能に支承することである。言い換えると、固定部材を水力機械の回転軸に対して平行に、回転部材に相対して移動させる。

以下において、単に水力機械といった場合にはいつも本発明に係る水力タービンまたはポンプタービンのことも意味している。

作動位置は、本発明の意味では、回転部材に対して動かない部材の位置を指し、この位置で、封止および冷却するための漏流がラビリンスシールを流れる。これは、水力機械の運転中、この水力機械の回転羽根上に作動媒体がぶつかる場合である。非作動位置は、ラビリンスシールが作動媒体の流出に対して封止しない位置を指す。これは、例えば、水力機械の作動媒体が空になるか、または吹き出され、それにより水力機械のランナがその作動媒体とは異なる媒体、特に空気で回転する場合である。

隙間幅は、ここでは、作動位置でラビリンスシール、特に環状隙間状チャネルの互いに対向する２つの境界面の（生じる最小の）間隔のことである。言い換えると、これは互いに向き合う境界面間の間隔であり、この間隔は、水力機械の回転軸に沿う軸方向断面において、軸方向で回転軸に対して垂直に測定され得る（半径方向隙間）。これとは異なり、隙間長さは、同じ軸方向断面で見て、互いに対向する環状隙間状チャネルの部分の軸方向の広がり（水力機械の回転軸に対して平行）と解される。

図面をもとにして本発明を詳細に説明する。図面には次のことが詳細に示される。
図１は、一方がタービンで他方がポンプであるフランシス式で実施された２つの水力機械の軸方向断面図を示す。 図２は、シャフトが垂直方向に延びる第１実施形態のポンプタービン設備の模式図を示す。 図３は、シャフトが水平方向に配置されたポンプタービン設備の別の実施形態の模式図を示す。 図４は、２つのスパイラルケーシング間に電気機械が設けられている第３実施形態の模式図を示す。 固定部材が作動位置および非作動位置にあるときのラビリンスシールの異なる実施形態を示す。 固定部材が作動位置および非作動位置にあるときのラビリンスシールの異なる実施形態を示す。

図１に示されたポンプタービン設備は次のように組み立てられている。タービン１は、複数の回転羽根を有するタービンランナ１．１を備えている。タービンランナ１．１は、シャフト３と相対回転不能に構成されており、タービンランナの回転軸７は回転可能に支承されている。タービンランナ１．１は、タービンスパイラルケーシング１．２により包囲されている。さらに、タービンランナ１．１の上流に案内羽根の輪が接続されている。

タービン１はタービン吸引管１．５を有する。これは、回転羽根の下流に接続され、かつ入口ディフューザを備え、これにベンド管が接続し、これにもまた管路が接続しており、流れ断面は水の流れ方向に拡大することができる。

ここでは、ポンプ２はタービン１に直接向けられている。このことは、両方の水力機械が軸方向に隣り合わせて配置され、これらの水力機械間には電動発電機が設けられていないことを意味する。ポンプ２は、ここで、タービン１の下方に配置されている。この配置は逆にすることもでき、ポンプを上に、タービンを下にすることができる。

ポンプ２は、タービン１と類似の構造を備えている。ポンプランナ２．１は、同様に、シャフト３と相対回転不能に構成されており、複数の回転羽根を備えている。ポンプ２は、タービンスパイラルケーシング１．２とは水力的に分離した別個のポンプスパイラルケーシング２．２を備えており、このポンプスパイラルケーシングはポンプランナ２．１を包囲する。ポンプランナの上流にも案内羽根２．２．１の輪が接続されている。

ポンプ２もポンプ吸引管２．５を有し、この吸引管は、タービン１の吸引管のように構成されているとよい。

タービン１は、公称出力Ｎ_Tがポンプ２の公称出力Ｎ_Pよりも大きくなるように設計されている。この場合の差は２．５である。すなわち、タービンの公称出力はポンプの公称出力の２．５倍である。例えば３または４などのさらに大きい差も考えられる。実際のところ、１から・・・４、または５のどの値も考慮される。

設計上、公称出力の差は、ポンプとタービンの大きさを決めることによって、詳しくは、寸法と選択された強度値とに関係する。図は比率を模式的に示すにすぎず、公称出力の差を表すわけではない。

この事例では、２つのスパイラルケーシング１．２および２．２は、互いに間隔をあけて直ぐ上下に位置している。この事例では、これらのケーシングによって形成される中間空間５に電気機械はない。中間空間５は、ここでは、互いに向き合うスパイラルケーシング１．２および２．２によって画定される。２つのスパイラルケーシング１．２および２．２は、支持エレメントを介して互いに支持されているとよい。

この支持エレメントは異なる形であってもよい。この事例では、円錐面１０．１として構成されている。円錐面は、一方ではタービンのトラバースリング１．２．２で支持され、他方ではポンプのトラバースリング２．２．２で支持されている。別の支持部品１０．２も環状であり、スパイラルケーシング１．２および２．２間に位置する。支持部が一方の機械のスパイラルケーシングと他方の機械のトラバースリングとの間にあることも考えられよう。

タービンランナ１．１の上流に遮断器１．２．３が接続され、ポンプランナ２．１の下流に遮断器２．２．３が接続されており、これらの遮断器は、それぞれ、いわゆる「リングゲート」または「円筒状開閉板」である。したがって、円筒状開閉板は、両方の水力機械においてランナとステータとの間に配置されている。

円筒の形態の別の支持部１０．３は、タービンカバーとポンプカバーとの間に位置する。支持部１０．３は、２つの機械間の動力を補償するという利点を有する。一方の機械のトラバースリングと他方の機械のカバーとの間の支持部も考慮に値する。

見て取れるように、シャフト３は軸受９に支承されている。軸受９は支持エレメント１０．１もしくは１０．３に一体化されているとよい。

以下の部材、タービンスパイラルケーシング１．２、ポンプスパイラルケーシング２．２、支持エレメント１０．１、１０．２、１０．３、場合によってはさらにトラバースリング１．２．２および２．２．２、ならびに軸受９は単一の構成単位をなし得る。上記の支持エレメント１０．１、１０．２、１０．３は、３つ全部が設けられてもよいし、これらの支持エレメントの１つのみが設けられてもよいし、あるいは支持エレメントの２つが設けられてもよい。

図２は、本発明に係るポンプタービン設備の第１実施形態を示す。見て取れるように、タービンスパイラルケーシング１．２には圧力管路１．３が接続し、ポンプスパイラルケーシング２．２には圧力管路２．３が接続する。２つの圧力管路１．３、２．３は、共通の遮断器６．１が内設された共通の圧力管路６で合流する。

圧力管路６内の共通の遮断器６．１は常時開放しており、非常時にのみ、または保守の目的で閉鎖されることが好ましい。このことは、２つのスパイラルケーシング１．１および２．２に常時同じ圧力、すなわち上部の水の上部水圧が印加され、したがって、頻繁な負荷の変化にさらされないという利点をもたらす。

２つの吸引管１．５および２．５には対応する吸引管路１．４および２．４がそれぞれ接続する。２つの吸引管路１．４および２．４には、それぞれ１つの別個の遮断器１．６および２．６が内設されている。２つの吸引管路１．４および２．４は共通の吸引管路８で合流する。

電動発電機として構成された電気機械４は、ここではシャフト３と駆動連結されている。電気機械は、タービン１の上方に、したがって中間空間５の外側に、タービン１に対して軸方向に隣接して配置されている。こうすることにより、２つのスパイラルケーシング１．２および２．２によって、かつ支持エレメント１０によって画定された中間空間５内に、例えば案内軸受、またはスラスト軸受と案内軸受との組合せとしてシャフト３を支持するために用いられる軸受９を挿入することが可能である。それによって、シャフト３の回転静寂性がさらに改善される。

図３は、図２に基づいた本発明に係るポンプタービン設備の別の実施形態を示し、その配置は９０度左に回転させたものにすぎないので、回転軸３が水平方向に延び、電気機械４が２つの水力機械１および２の側方に並べて配置されている。その場合、図２に図示されたものと実質的に同じ部材は同じ参照符号で示されている。

図４は、電気機械４が２つのスパイラルケーシング１．２および２．２間に、しかもこれらのスパイラルケーシングに対して同軸的に（ｐｒｏａｘｉａｌ）配置された別の実施形態を示す。２つのスパイラルケーシング１．２および２．２と電気機械４との配置は厳密に対称であるとよい。

好ましくは、２つのスパイラルケーシング１．２および２．２は、シャフト３の位置に依存せずに完全にコンクリートで固定されてもよいし、固定されない状態で配置されてもよい。中間空間５の大きさは、２つの水力機械の保守、あるいは取付けおよび取外しのための点検開口部に問題なく手が届くように形成されるとよい。

本発明は、とりわけ、以下の型式の設備に使用することができる。
−単段タービンで単段ポンプ
−単段タービンで多段ポンプ
−多段タービンで単段ポンプ
−多段タービンで多段ポンプ
図５ａおよび図５ｂから、水力機械の固定部材３０と、その機械の回転部材４０とから形成された本発明に係るラビリンスシールの詳細な構造が見て取れる。２つの部材３０および４０には切欠部が欠設されている。境界面は、環状のチャンバ２０．１と、これらのチャンバを導通させながら（ｌｅｉｔｅｎ）互いに連結する環状隙間状チャネル２０．２とを形成する。

図示５ａおよび５ｂは両方とも非常に狭い隙間を示す。図５ａおよび図５ｂの各々の右側部分のほうが隙間の幅が明らかに広い。２つの部材３０および４０が軸方向に移動することによって変更が実現される。

作動媒体を遮断すると隙間幅は大きくなる。流通する空気によって換気損失が避けられる一方で、この場合、このようにして移動される空気だけでラビリンスシールが冷却される。

１ タービン
１．１ タービンランナ
１．２ タービンスパイラルケーシング
１．２．１ 案内羽根
１．２．２ トラバースリング
１．２．３ 遮断器
１．２．４ タービンカバー吐出側
１．２．５ タービンカバー吸込側
１．３ 圧力管路
１．４ 吸引管路
１．５ タービン吸引管
１．６ 遮断器
２ ポンプ
２．１ ポンプランナ
２．２ ポンプスパイラルケーシング
２．２．１ 案内羽根
２．２．２ トラバースリング
２．２．３ 遮断器
２．２．４ ポンプカバー吸込側
２．２．５ ポンプカバー吐出側
２．３ 圧力管路
２．４ 吸引管路
２．５ ポンプ吸引管
２．６ 遮断器
３ シャフト
４ 電気機械
６ 圧力管路
６．１ 遮断器
７ 回転軸
８ 吸引管路
９ 軸受
１０．１ 支持エレメント
１０．２ 支持エレメント
１０．３ 支持エレメント
２０ ラビリンスシール
２０．１ チャンバ
２０．２ 環状隙間状チャネル
３０ 固定部材
４０ 回転部材

Claims (13)

1. タービンランナ（１．１）およびタービンスパイラルケーシング（１．２）を有するタービン（１）と、
   ポンプランナ（２．１）およびポンプスパイラルケーシング（２．２）を有するポンプ（２）と、
   シャフト（３）と駆動連結しているか、または駆動連結させることができる電気機械（４）とを備え、
   タービン（１）とポンプ（２）との間に流体短絡が作成可能である、ポンプタービン設備であって、
   前記タービン（１）は、前記ポンプ（２）よりも高い公称出力（Ｎ_T）を有し、
   前記水力機械（１；２）の各々のランナ（１．１；１．２）およびケーシング（１．２；２．２）からラビリンスシール（２０）が１つずつ形成されており、運転時、前記ラビリンスシール（２０）を冷却および／または潤滑する漏流が前記ラビリンスシールを通って流れ、
   前記ラビリンスシール（２０）は、複数の環状チャンバ（２１）と、該複数の環状チャンバを、導通させながら互いに連結する環状隙間状のチャネル（２２）とを備え、
   前記関係する水力機械のランナ（１．１；２．１）とケーシング（１．２；２．２）とは、作動位置と非作動位置との間で漏流の方向に相対して移動可能に支承されており、
   前記２つの機械の少なくとも１つであるタービン（１）またはポンプ（２）は、制御可能な案内器具を有し、
   前記タービンの公称出力Ｎ_Tは、前記ポンプの公称出力Ｎ_Pの５倍までの大きさであることを特徴とする、ポンプタービン設備。
2. 前記２つのスパイラルケーシング（１．２、２．２）は、互いに対向して配置されていることと、
   前記２つのスパイラルケーシング（１．２、２．２）の圧力管路（１．３、２．３）は、共通の圧力管路（６）で合流することとを特徴とする、請求項１に記載のポンプタービン設備。
3. 前記電気機械（４）は、前記２つのスパイラルケーシング（１．２、２．２）間の中間空間（５）に設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のポンプタービン設備。
4. 前記電気機械（４）は、前記２つのスパイラルケーシング（１．２、２．２）間の中間空間（５）の外側に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のポンプタービン設備。
5. 前記２つのスパイラルケーシング（１．２、２．２）は、支持エレメントによって、特に円筒状支持リングまたは支持円錐体によって直接支持されていることを特徴とする、請求項２〜４の１項に記載のポンプタービン設備。
6. 前記圧力管路（６）に共通の遮断器（６．１）が配置されていることを特徴とする、請求項２〜５の１項に記載のポンプタービン設備。
7. 前記２つのスパイラルケーシングの圧力管路（１．３、２．３）は、唯一の共通の圧力管路に通じることを特徴とする、請求項３〜６の１項に記載のポンプタービン設備。
8. 固定部材（３０）と回転部材（４０）との間に、両方の部材からなるラビリンスシール（２０）が形成されており、運転時、前記ラビリンスシール（２０）を冷却および／または潤滑する漏流が前記ラビリンスシールを通り抜けて流れることと、
   前記ラビリンスシール（２０）は、複数の環状チャンバ（２０．１）と、該複数の環状チャンバから、導通させながら互いに連結する複数の環状隙間状のチャネル（２０．２）とを備えることと、
   前記固定部材（３０）は、前記回転部材（４０）に相対して軸方向に前記チャネル（２０．２）の隙間幅を調整するために、作動位置と非作動位置との間で漏流の方向に移動可能に支承されていることとを特徴とする、請求項１〜７の１項に記載のポンプタービン設備。
9. 前記チャンバ（２０．１）の軸方向の広がりは、前記固定部材（３０）の移動方向で、前記環状隙間状チャネル（２０．２）の軸方向の広がりよりも大きいことを特徴とする、請求項８に記載のポンプタービン設備。
10. 前記チャンバ（２１）の軸方向の広がりは、前記相対移動方向で、前記環状隙間状のチャネル（２２）の軸方向の広がりよりも大きいことを特徴とする、請求項９に記載のポンプタービン設備。
11. 互いに向き合う、前記ラビリンスシールをなす境界面（１．１、２．１）は、円筒外周面または円錐面に位置し、前記２つの部材（３０、４０）は、互いに同心的に配置されていることを特徴とする、請求項８〜１０の１項に記載のポンプタービン設備。
12. 前記タービンランナ（１．１）および／または前記ポンプランナ（２．１）の上流または下流に遮断器が接続されていることを特徴とする、請求項１〜１０の１項に記載のポンプタービン設備。
13. 前記タービン吸引管（１．５）および／または前記ポンプ吸引管（２．５）に遮断器が割り当てられていることを特徴とする、請求項１〜１１の１項に記載のポンプタービン設備。

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