JP2014530977A - フランシスタービンのランナーのためのコンパクトブレード、及びランナーを構成するための方法 - Google Patents

Abstract

スロート直径（Ｄｔｈ）を有するフランシスタービンのランナーのためのブレードであって、このブレードは、０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さを有し、そして４５度以上の最大傾き角度を有するリーディングエッジを含み、傾き角度は垂直線及びリーディングエッジによって規定されている。【選択図】図４

Description

発明の背景

本発明はフランシス水力タービンのためのブレードの形状に関し、特にブレードの入口角度及び厚さに関する。

フランシスタービンは、一般に用いられる水力タービンである。フランシスタービンは、例えば１０メートル〜６５０メートルの圧力水頭での稼働に適している。これらのタービンは、例えば１０〜７５０メガワットの範囲の電力を産生するための発電機を駆動するためにしばしば使用される。フランシスタービンの例は、米国特許第７，１９８，４７０号、第７，１９５，４６０号、第７，１９５，４５９号、第７，１２８，５３４号及び第６，１３５，７１６号の各明細書に開示されている。フランシスタービンの基準直径（reference diameter）、例えばランナー直径は１〜１０メートルである。タービンは１分間あたり８０〜１０００回転（rpm）の回転速度で稼働する。大型及び中型サイズのフランシスタービンは垂直シャフトの周りを回転することが多く、一方、小型のタービンは水平シャフトの周りを回転する。従来のフランシスタービンのこの一般的な説明は、本明細書におけるブレード形状の開示内容を提供するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

ランナーは、タービンブレードを含むフランシスタービンの一部である。新しいランナーは、フランシスタービンの復旧のときに取り付けられる。新しいランナーの寸法は、既存のランナーのためのチャンバーの寸法によって制約される。新しいランナーはハウジングに適合するように設計される。既存のハウジングの制約により、新しいランナーの設計は、タービンに対して最大のピーク効率及びキャビテーション挙動を提供するために最適でないことがある。一般的に、ランナーはよりコンパクトになるように制約され、例えば、最適であろうと思われるものよりも小さいランナー入口直径を有する。ランナーはコンパクトであるので、タービンの効率及びその性能、例えばキャビテーションに関して問題が発生する。これらの問題は、例えば１００メートル以上の大きな圧力水頭下で稼働するフランシスタービンにおいて、ランナーが使用される場合に、特に懸案事項となる傾向がある。

与えられた圧力水頭、ブレードの数、及び分配器の中心線に対する固定されたブレード出口の高さにおいて、コンパクトな入口直径は全体的なブレード負荷を増大させるはずである。それ故に、ブレード入口は臨界的な低い圧力レベルに達し、稼働している水頭に依存して、圧力サイド又は吸い込みサイドのいずれかにキャビテーションをもたらす。

発明の簡単な説明

新規なフランシスタービンが発明され、特にフランシスタービンのランナーのための新規なブレード形状が発明された。新規なブレードは、例えば、既存のランナーを取り換えるために使用されるコンパクトランナーのために適している。コンパクトランナーは既存のハウジングに適合するように設計され、それゆえコンパクトブレードを有するように制約される。

コンパクトブレードは、キャビテーション問題及びタービン効率に関して改善された性能を有するユニークな入口形状を有する。例えば、ブレード入口の傾きが４５度より大きいなど顕著である。ブレードは、分配器の中心線及び与えられた入口直径に対して一定のブレード出口の高さを有する。顕著な傾き角度は、特にタービンに向かう最大速度において（at the maximum rate head for the turbine）、吸い込みサイドのキャビテーションを制御するのに役立つ。ブレード入口の顕著な傾きは、ハブに対して、シュラウドから中間ブレード（mid-blade）までである。入口ブレードの顕著な傾きは、ブレードの入口エリアの表面を損傷させることがあるキャビテーションを抑制する傾向がある。

ブレードは、フランシスタービンにおけるランナーの従来のブレードと比較して相対的に薄い。ブレードはブレードの入口領域において相対的に薄い。ブレードは、ランナーへの入口の入口高さに沿って（along the enter height of the inlet to the runner）相対的に薄い。

０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さ、及び４５度以上の最大傾き角度を有するフランシスタービンのランナーのためのブレードが発明され、これはブレード及びランナーがコンパクトになることを可能にする。コンパクトランナーは、古いランナーを、水のエネルギーを機械力に効率的に変換し、ブレード表面上のキャビテーションを抑制する高性能ブレードを有するランナーと交換することによって、既存のフランシスタービンアセンブリを復旧するために使用される。

スロート直径（Ｄｔｈ）を有するフランシスタービンのランナーのためのブレードが発明され、このブレードは、０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さを有し、そして４５度以上の最大傾き角度を有するリーディングエッジを含み、傾き角度は垂直線及びリーディングエッジによって規定されている。このブレードは、フランシスタービンのランナーのための標準サイズのブレードと比較して相対的に短い。ブレードのリーディングエッジは垂直軸に平行であり、ランナーは垂直軸の周りを回転する。ブレードのトレーリングエッジは一般に下方向に面する。

ブレードはランナーに設置された環状列のブレードで配置され、それぞれのブレードの上部エッジは、ランナーのハブ又はクラウンの反転円錐部分に固定されている。それぞれのブレードは、ランナーバンドに固定されている下部サイドエッジを有する。

フランシスタービンにおけるランナーを交換するための方法が発明され、この方法は、
フランシスタービンのためのチャンバーから既存のランナーを除去する工程、及び
チャンバーに別のランナーを取り付ける工程を含み、
ランナーは、スロート直径（Ｄｔｈ）及び一列のブレードを有し、
それぞれのブレードは、０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さを有し、そして４５度以上の最大傾き角度を有するリーディングエッジを含み、
傾き角度は、垂直線及びリーディングエッジによって規定されている。
この方法は、他のランナーを取り付けるために、チャンバーの内径を拡大し、チャンバーを実質的に改変することを回避することができる。

図１は、フランシス水力タービンアセンブリの側面図を示す概略図である。

図２及び図３は、フランシスタービンのための従来のランナーの斜視図である。

図４は、フランシスタービンのためのランナーのブレードの斜視図である。

図５は、従来のブレードとコンパクトブレードとを比較するブレードのアウトラインのチャートである。

図６は、コンパクトブレードの例示的な断面を示す。

発明の詳細な説明

図１は、従来のフランシス水力タービンアセンブリ１０の側面図である。このアセンブリはダム１２内、例えばダムの背後の水源の表面の１０〜６５０メートル下に設置されている。環状のハウジング１３は、ダムの壁内に形成されている。ハウジングは、ダム内のチャンバー、及びタービンアセンブリを受け入れ支持するための設置ブラケットを含むことがある。

水路は、ダムを通って、タービンアセンブリを取り囲む螺旋水路１４に延びる。その螺旋からの水は、環状分配器１６へ半径方向内側に流れ、次にランナー１８に流れる。ランナーは一列のブレード２０を含む。水がブレードを越えて流れると、ランナーを駆動し回転させる。ランナーは発電機２４に連結された垂直シャフト２２を駆動する。ランナーからの水は出口通路２６を通って下方向に流れるが、この出口通路２６はタービンアセンブリの下からの水をダムの下流に排出する。

分配器１６は、１つ又は複数の環状列の案内羽根を含むことがある。環状列の少なくとも１つは調節可能な案内羽根であり、水の流れに対する案内羽根の角度が変えられ得る。典型的には、調節可能な案内羽根は最内側列であり、ランナーのすぐ上流である。

垂直に配向されたフランシス水力タービンは、シャフト２６に位置合わせされた垂直中心線（ＣＬタービン）、及び分配器に位置合わせされた水平中心線（ＣＬ分配器）を有する。もしフランシス水力タービンが水平に配向されたならば、シャフトに位置合わせされた中心線は水平であり、分配器に位置合わせされた中心線は垂直である。

図２及び図３は、米国特許第６，１３５，７１６号明細書にも開示されている従来のランナー２８及び３０を示す。図２に示されるランナー２８は、断面が円環であり、タービンブレード３４の上部エッジに面する反転円錐表面を有するハブ又はクラウン３２を含む。その円錐表面は、タービンブレード３４のための上部支持表面を形成する。ブレードのリーディングエッジ３５は、ランナーの半径方向外縁に位置合わせされ、それぞれのブレードはタービンのシャフト中心線に一般に平行である。ブレード３４のリーディングエッジ３５は、ランナーの回転方向（Ｒ）及び水平面に対して入口角度３６を有するように配向されている。ランナーの下部部分は、ブレードの出口エッジ４０の縁の周りに延びるリング３８によって規定される。

ランナーの円錐台セクション４２は、ブレードの外側エッジの部分を取り囲むバンド（図１参照）を含むことがある。円錐台セクションは、リング３８とブレードのリーディングエッジ３５の下部コーナーとの間にある。

図３に示されるランナー３０も、ブレード４４の環状列を支持するハブ又はクラウン４２を有する。図３に示されるランナーは、図２に示されるランナー２８とは異なり、図２に示されるものよりボトムアップの視点から示されている。

ランナー３０のブレード４４のリーディングエッジ４６は、ランナー２８の角度３６より反対の方向にある入口角度４８を有する。ブレードのトレーリングエッジ５０は、半径方向外側の頂部５２から延び、半径方向内側及び上側方向で、ブレードの半径方向内側周辺５４に延びている湾曲を有する。

フランシスタービンのランナーは、発電所における既存の環状ハウジングに着座するように設計されている。ハウジングによって提供される、ランナーのためのチャンバーは、高効率のブレードを有する最新のランナーに適合するものより小さく、例えば直径がより小さい。チャンバーを、より大きなランナー、例えばより大きな直径のランナーを収容するために拡大することは現実的でない。

図４は、相対的に小さいランナーのためのコンパクトブレード６０の斜視図である。このコンパクトブレードは、発電所における相対的に小さいチャンバーに着座させるために設計されたコンパクトランナーのために適する。コンパクトブレード６０は、リーディングエッジ６２及びトレーリングエッジ６４を有する。ブレードの上部エッジ６６は、ランナーのクラウン又はハブの下部表面に合体する（join）。ブレードのサイドエッジ６８は、ランナーバンドの円錐台内側表面に合体する。ブレード６０の環状列はランナーに配置され、それによって、ハブ又はクラウンがブレードの上部端にあり、バンドがブレードの下部サイド領域の周りに延び、ランナーの下部リングがそれぞれのブレードの下部コーナー７０によって規定される。

リーディングエッジ６２は、ランナーのシャフトの軸に対して一般に平行であるように配向されている。リーディングエッジは、図４に示されるように垂直方向に対して一般に大きな湾曲を有する。リーディングエッジは、相対的に大きく、例えば４５度（４５°）に等しいか又はより大きい傾き角度（θ）７２を形成する。図４に示されるように、傾き角度７２はリーディングエッジ６２の下部エッジ７４にある。リーディングエッジ６２の上部エッジ７６において、傾き角度は相対的に小さく、例えば１０度以下又は０度である。ブレードの極度の傾きは、例えば極度の傾きがないものより短くなるなど、ブレードがコンパクトになることを可能にする。

図５は、コンパクトブレードのリーディングエッジ８０を非コンパクトブレードのリーディングエッジ８２と比較したチャートである。非コンパクトブレードのリーディングエッジ８２は、コンパクトブレードのリーディングエッジ８０よりもさらに半径方向外側に延びている。したがって、コンパクトブレードのランナーの直径（Ｄ１）は、直径（Ｄ２）より狭い。両ブレードは、それらのトレーリングエッジ８４、クラウン又はハブの反転円錐表面８８に合体する上部エッジ８６、及びランナーバンドの内側表面９２に合体するサイドエッジ９０について同様なプロファイルを有する。スロート直径（Ｄｔｈ）はバンドの内側表面９２の直径であり、ランナーを通る最も狭い水路を通常規定する。図５は、水平分配器中心線（ＣＬ分配器）及びランナーの回転軸の垂直中心線（ＣＬタービン）に対するブレードの配向も示す。

図６は、断面で示されるコンパクトブレード９６の概略図である。このブレードは、図４に示されるブレードと同一の形状及び寸法を有する。リーディングエッジ９８付近のブレードの厚さ（ｔ）は、フランシスタービンのランナーのための従来のブレードと比べて相対的に薄い。厚さ（ｔ）はブレードの最も厚い部分である。ブレードの厚さは、スロート直径の３パーセント（３％）と等しい（０．０３Ｄｔｈ）か又はそれより小さい。

０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さ及び４５度以上の最大傾き角度を有するフランシスタービンのランナーのためのブレードは、ブレード及びランナーがコンパクトになることを可能にする。コンパクトランナーは、古いランナーを、水エネルギーを機械的な力に効率的に変換し、ブレードの表面でのキャビテーションを抑制する高性能のランナーと交換することによって、既存のフランシスタービンアセンブリを復旧させるために用いられる。

フランシスタービンにおけるランナーを交換するための方法が発明され、この方法は、
フランシスタービンのためのチャンバーから既存のランナーを除去する工程、及び
上記チャンバーに別のランナーを取り付ける工程を含み、
ランナーは、スロート直径（Ｄｔｈ）及び一列のブレードを有し、
それぞれのブレードは、０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さを有し、そして４５度以上の最大傾き角度を有するリーディングエッジを含み、
傾き角度は、垂直線及びリーディングエッジによって規定されるものである。
この方法は、別のランナーを収容するために、チャンバーの内径を拡大し、実質的にチャンバーを改変することなく行われる。

本発明は、最も実用的で好ましい態様であると現在考えられているものとの関係で説明されたが、本発明は開示された実施態様に限定されるべきでなく、逆に、添付の特許請求の範囲内に含まれる種々の変形及び種々の等価な構成を含むことを意図していることを理解されたい。

Claims (9)

1. スロート直径（Ｄｔｈ）を有するフランシスタービンのランナーのためのブレードであって、このブレードは、
   ０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さ、及び
   ４５度以上の最大傾き角度を有するリーディングエッジを含み、
   上記傾き角度が垂直線及びリーディングエッジによって規定されることを特徴とするフランシスタービンのランナーのためのブレード。
2. ブレードが、フランシスタービンのランナーのための標準サイズのブレードと比較して相対的に短い請求項１に記載のブレード。
3. リーディングエッジが、垂直軸に平行であり、ランナーが垂直軸の周りを回転する請求項１又は２に記載のブレード。
4. ブレードが、一般に下方向に面するトレーリングエッジを有する請求項１〜３のいずれかに記載のブレード。
5. ブレードが、ランナーに設置された環状列のブレードで配置され、それぞれのブレードの上部エッジが、ランナーのハブ又はクラウンの反転円錐部分に固定されている請求項１〜４のいずれかに記載のブレード。
6. それぞれのブレードが、ランナーバンドに固定されている下部サイドエッジを有する請求項５に記載のブレード。
7. フランシスタービンにおけるランナーを交換するための方法であって、この方法は、
   フランシスタービンのためのチャンバーから既存のランナーを除去する工程、及び
   チャンバーに別のランナーを取り付ける工程を含み、
   別のランナーはスロート直径（Ｄｔｈ）及び一列のブレードを有し、
   それぞれのブレードは、０．０３Ｄｔｈ以上の最大厚さを有し、そして４５度以上の最大傾き角度を有するリーディングエッジを含み、
   傾き角度は、垂直線及びリーディングエッジによって規定されていることを特徴とするフランシスタービンにおけるランナーを交換するための方法。
8. 除去する工程及び取り付ける工程の間に、チャンバーの内径を拡大することを回避することをさらに含む請求項７に記載の方法。
9. チャンバーの寸法が、既存のランナーを除去するため、又は別のランナーを取り付けるために実質的に改変されない請求項７又は８に記載の方法。
   

Images