JP2018538478A - 水力発電タービンのブレードコネクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、ブレードを水力発電タービンのロータに固定するように、更に、動作中にブレードを固定して維持するように動作可能である水力発電タービンのブレードコネクタに関する。ブレードコネクタは一対の連動部分を含む。第１の部分は、テーパが付けられたブレード自体の基部である。第２の部分は、ロータに提供されるか又はロータと一体的に形成された本体部であり、ブレードの基部とテーパロックを確立するため、基部を受容するテーパ状チャネルを画定する。【選択図】図１

Description

本発明は、水力発電タービンのブレードコネクタに関し、詳しくは、ブレードの基部（ｒｏｏｔ）とロータとの間において、ブレードを所定位置に固定し、かつ、動作中に受ける大きな力に耐えるインタフェースを提供しつつ、製造のコスト及び複雑性を低減するために、簡単であるが効果的な方法でブレードをタービンのロータに固定する、水力発電タービンのブレードコネクタに関する。

地球上の人口が増えるにつれて、また、技術が我々の生活にとってますます不可欠な部分になるにつれて、我々のエネルギのニーズは絶えず増大しているが、同時に、このエネルギ消費がもたらす環境へのダメージが認識されている。このため、大出力の再生エネルギの形態を求めて、多大な努力がなされている。

潮力は、そのような将来性のあるエネルギ源の１つであるが、潮汐による水力発電タービン発電機が動作しなければならない環境は厳しく過酷であるため、利用するのが最も難しいエネルギ形態の１つでもある。適切な潮汐位置（ｔｉｄａｌ ｓｉｔｅ）において支配的である条件の過酷な性質によって、水力発電タービンの様々なコンポーネントは大きな力にさらされ、これはタービンの機械的コンポーネント及び電気的コンポーネントに大きい応力を加える。そのようなコンポーネントの動作障害の確率は比較的高い。

したがって、様々なコンポーネント、特にブレードのような露出する機械的部品は、このような条件に長期間にわたって耐えるよう設計され、好ましくは、より小さいコンポーネントが機能を停止した場合に備えて、あるレベルの冗長性を組み込んでいる。また、修理のためタービンを海底から回収する必要がある場合に比較的簡単な交換を可能とするため、タービンは、この場合もブレードのような消耗性の高いコンポーネントに特に重点を置いて、最大のモジュラリティで設計されるべきである。

したがって、本発明は、上記の問題に対する解決策を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、水力発電タービンのブレードコネクタであって、協働する第１及び第２のセクションを備え、第１のセクションはタービンブレードの基部の少なくとも一部を備え、第２のセクションはタービンブレードの基部の少なくとも一部を受容するためのチャネルを画定する本体部を備え、チャネルは、開口した第１の端部と、第２の端部と、第１及び第２の端部間に延びる少なくとも一対の側壁と、を備え、チャネルは第１の端部と第２の端部との間で断面積が小さくなり、更に、基部とチャネルとの間にテーパロックを確立するように動作可能なロックシステムを備えた、水力発電タービンのブレードコネクタが提供される。

好ましくは、チャネルは、ブレードの基部がチャネル内に保持された場合にブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなるように向きが定められている。

好ましくは、チャネルは、動作中にブレードが受ける遠心力及び軸方向の少なくとも一方の力が基部とチャネルとの間のテーパロックを維持する作用を起こすように向きが定められている。

好ましくは、チャネル及び基部は、テーパロックが確立された場合にチャネルの第２の端部とブレードの基部の対向する端面との間に隙間を画定するように寸法が定めされている。

好ましくは、ブレードの基部はブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなる。

好ましくは、ロックシステムはブレードの基部をチャネル内へ引き込むように動作可能なテンショナを備える。

好ましくは、テンショナは、ブレードの基部に固定されるとともに基部から突出する第１の部分と、第１の部分と係合可能であるとともに第２の端部に対して係合可能な対応する第２の部分と、を有する少なくとも１つのカップリングを備える。

好ましくは、ブレードの基部は、テンショナの第１の部分が部分的に配置される内部キャビティを画定する。

好ましくは、第２の端部は、テンショナが貫通する少なくとも１つの開口を備える。

好ましくは、ロックシステムは、チャネルの一対の側壁間に延びる１つ以上の結合部を備える。

好ましくは、ブレードの基部は、基部がチャネル内に保持された場合に１つ以上の結合部に適合させるための１つ以上のスロットを備える。

好ましくは、本体部は水力発電タービンのロータと一体的に形成されている。

好ましくは、本体部は水力発電タービンのロータに取り付け可能な挿入部を含む。

好ましくは、水力発電タービンのブレードコネクタは、チャネルの側壁とブレードの基部との間に配置可能な１つ以上のスペーサを備える。

好ましくは、チャネル及びブレードの基部の対応する部分は、ロックシステムが動作しない場合にテーパロックがブレードを保持できるように寸法が定められている。

好ましくは、水力発電タービンのブレードコネクタは、チャネルの開放端部を取り囲むフランジを備える。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様に従って、ブレードの配列（ａｒｒａｙ）及びこれに対応するブレードコネクタの配列を備えた水力発電タービンが提供される。

水力発電タービンの一部を形成するロータの斜視図を示す。 図１に示されるロータの外周面の一部の拡大図を示す。 図１及び図２に示されたロータの直径部断面を、ブレードを省略して示す。 図１及び図２に示されたロータの直径部断面を、ブレードを含めて示す。 本発明の好適な実施形態による単一のブレード及びこれに関連付けられたブレードコネクタを示す。 図５に示されたブレードコネクタの拡大図を示す。 図５及び図６に示されたブレードコネクタの一部を形成するロータ挿入部の斜視図を示す。 図１に示されたロータを組み込んだ水力発電タービンの斜視図を示す。

添付図面を参照して本発明について説明する。

添付図面を参照すると、使用時に水力発電タービン４４（図８に示される）の一部を形成するロータ１０が示されている。ロータ１０がこれを回転可能に保持する固定筐体４６（図８）に対して回転運動を起こすために、ロータ１０はブレード１２を横切る潮水流又は他の水流によって駆動される。筐体４６は、タービン４４の電気的コンポーネントが配置される空間を提供することに加えて、ロータ１０を両方向に横切る水を漏斗状に流すベンチュリ管（ｖｅｎｔｕｒｉ）を形成する。ロータ１０は、既知の方法で電力を発生させるために、タービン４４の筐体４６内に配置された固定ステータに対して回転する。発電機の動作コンポーネントは当技術分野では周知であるので、その構成及び動作の少なくとも一方についての更なる説明を省略する。

図示されている実施形態において、ロータ１０は、リム１４から片持ちはりのように取り付けられたブレード１２の配列を備えている。ブレード１２はそれぞれ、ロータ１０の中心に向かって半径方向内方へを延びているが、完全に中心までは延びていない。当然のことながら、本発明の動作に関する以下の説明から、ブレード１２の数、並びに構成及び向きを変更し得ることは理解されよう。

ロータ１０が一部を形成する関連の水力発電タービン４４の通常の動作条件中に受ける著しい負荷に耐えられるように、各ブレード１２をリム１４上にしっかりと保持すべく、本発明は、協働する第１及び第２のセクションを備えたブレードコネクタを提供する。第１のセクションはブレード１２の基部１６の少なくとも一部を含み、第２のセクションは、図示されている実施形態では、挿入部１８の形態である本体部１８を含む。挿入部１８は、リム１４に形成された対応するスロット（ｓｌｏｔ）２０内に配置可能である。スロット２０は、リム１４を外周面２２から内周面２４まで貫通している。

挿入部１８では、挿入部１８の開放端部２８から対向する第２の端部３０まで延びるチャネル２６を画定する。チャネル２６は更に、第１及び第２の端部２８、３０間に延びる一対の対向する側壁３２を備えている。チャネル２６の断面積が第２の端部３０に向かうに従って小さくなるように、側壁３２は第１及び第２の端部２８，３０間で互いの方向へ向けてテーパが付けられている。挿入部１８は、スロット２０内で、開放端部２８が内周面２４に面するとともに第２の端部３０が外周面２２に面するように向きが定められている。挿入部１８は更に、開放端部２８を取り囲むと共にスロット２０の外縁の上に重なっているリップ又はフランジ３３を備えている。フランジ３３は、ブレード１２の取り付け中にチャネル２６の横方向の広がり又はき裂（ｏｐｅｎｉｎｇ）を低減するように作用する。これについては以下で説明する。

ブレード１２の基部１６は、少なくとも部分的にチャネル２６内に受容され保持されるように寸法が定められている。このため、ブレード１２の基部１６は、基部１６とチャネル２６との間でテーパロックを確立してブレード１２をリム１４上の所定位置で固定できるように、先端部３６の反対側であるブレード１２の後端部３４へ向かうに従って狭くなる対応したテーパを組み込んでいる。この結果、基部１６は後端部３４の方向に向かうに従って断面積が小さくなる。しかしながら、後端部３４の断面積はチャネル２６の第２の端部３０における断面積よりもわずかに大きい。これによって、基部１６がチャネル２６内へ完全に挿入された場合に、基部１６はチャネル２６内で底部に到達することができず、このため、後端部３４と第２の端部３０との間にギャップを画定するような、後端部３４を第２の端部３０から離間させた状態に維持することが保証される。このギャップによって、使用時にロータ１０の回転中にブレード１２に対して作用する遠心力が、基部１６を更にチャネル２６内へ押し、基部１６とチャネル２６の側壁３２との間に確立されたテーパロックを維持するか又は増大させることができる。このように、テーパの付いた基部１６及び対応するテーパの付いた側壁３２は協働してロックシステムを形成し、これは、ブレード１２をリム１４上に保持するために、基部１６とチャネル２６との間に上記のテーパロックを確立するように動作可能である。任意の構成として、図６で示されるように、基部１６と側壁３２との間のチャネル２６内に多数のスペーサ２７を配置してもよい。そのようなスペーサが使用される場合、後端部３４の断面積がチャネル２６の第２の端部３０における断面積よりも大きいことは必須ではない。これは、スペーサ２７によって後端部３４がチャネル２６内で底部に到達するのを防止し、基部１６がチャネル２６内へ完全に挿入された場合に後端部３４を第２の端部３０から離間させた状態に維持することが保証されるからである。

ロックシステムは、１つ以上のボルト４０の形態で、好適にはボルト４０の配列形態で、テンショナ３８を更に備えていることが好ましい。ボルト４０は、少なくとも部分的に基部１６内に埋め込まれ、後端部３４から突出して第２の端部３０の対応する開口を貫通するので、ボルト４０の自由端部はリム１４の外周面２２からアクセス可能となる。テンショナ３８は更に、対応する数のナット４２を備えている。ナット４２は、外周面２２からボルト４０に装着されるので、ブレード１２の基部１６をチャネル２６内に確実に引き込んで基部１６とチャネル２６との間にテーパロックを確立すべく、第２の端部３０の外側を締め付けることが可能である。その結果、ブレード１２を所定位置にしっかりと保持するために、クランプ力を、テンショナ３８によって加えられた張力と組み合わせることができる。

ボルト４０及びナット４２は、基部１６をチャネル２６内へ引っ張る他の任意の適切な手段に置き換え可能であることが理解されよう。また、半径方向距離の増大と共に断面積が小さくなるというチャネル２６の向きにより、テンショナ３８の１つ以上が損傷又は他の原因で機能を停止した場合であっても、各ブレード１２が動作中に受ける遠心力がテーパロックを維持するように、おそらく増大させるように作用するので、テンショナ３８に対する冗長性が与えられることが理解されよう。

上記のように、挿入部１８の開放端部２８の周りにフランジ３３を組み込むことは、基部１６がテンショナ３８によってチャネル２６内へ引き込まれる際にチャネル２６の横方向の広がり又はき裂若しくは変形を最小限に抑えるのに役立つ。これよりも程度は小さいが、フランジ３３は、特にタービン４４の動作中、著しい負荷がブレード１２に加わり、基部１６を介して挿入部１８へ伝達される場合に、挿入部１８が所定位置に保持されると共にスロット２０内で移動しないことも保証できる。このため挿入部１８は、好ましくは、リム１４の各スロット２０において所定位置に接合（ｂｏｎｄ）されるか又は他の方法で固定（ａｆｆｉｘ）される。

図示されている実施形態では、本体部１８はスロット２０の１つに配置できる挿入部の形態であるが、本体部１８はリム１４と一体的に形成され得ることも想定される。

テンショナ３８の代わりに又はテンショナ３８に加えて、ロックシステムは変形可能な側壁３２を含み得る。この場合、基部１６の挿入に先立って側壁３２を相互に引き離すことによってチャネル２６を横方向に変形させるか又は広げることができる。そして、変形した側壁３２の間に基部１６が配置されると、側壁３２が基部１６をクランプしてこれとテーパロックを確立するために、基部１６に対して内側に弾性的に変形できるように、側壁３２を変形させる力が解放される。側壁３２を変形させるため、例えば１つ以上の水圧式又は空圧式ジャッキ（図示省略）を使用してもよい。

別の代替案として、側壁３２の変形を低減又は防止するため、側壁３２の対の間に１つ以上の結合部（ｔｉｅ）（図示省略）を提供することができる。そのような構成では、基部１６がチャネル２６内へ挿入される際に結合部（図示省略）に適合させるため、基部１６に、後端部３４から内方に延びる、対応する数のスロット（図示省略）を提供することが必要となる。また、この構成は、基部１６をチャネル２６内へ確実に引き込むためテンショナ３８を組み込むことができる。側壁間に延びる結合部（図示省略）は、基部１６とテーパロックを確立する側壁３２の表面積を最大限にするため、例えばテンショナ３８によって基部１６がチャネル２６内へ挿入される際に側壁３２の外向きの変形を最小限に抑える。

したがって、本発明のブレードコネクタは、ブレード１２をロータ１０のリム１４に固定する比較的簡単であるが極めて効果的な手段を提供し、ブレード１２を位置決めするため使用されるテンショナ３８の１つ以上が故障したとしても、動作中に著しい遠心力及び軸方向の負荷を受けた場合、ブレード１２が所定位置に固定された状態に維持されるのを保証することが理解されよう。

Claims (16)

1. 水力発電タービンのブレードコネクタであって、協働する第１のセクション及び第２のセクションを備え、前記第１のセクションは前記水力発電タービンのブレードの基部の少なくとも一部を備え、前記第２のセクションは前記ブレードの基部の少なくとも一部を受容するためのチャネルを画定する本体部を備え、前記チャネルは、開口した第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延びる少なくとも１対の側壁と、を備え、前記チャネルは前記第１の端部と前記第２の端部との間で断面積が小さくなり、更に、前記基部と前記チャネルとの間にテーパロックを確立するように動作可能なロックシステムを備えた、水力発電タービンのブレードコネクタ。
2. 前記チャネルは、前記ブレードの基部が前記チャネル内に保持された場合に前記ブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなるように向きが定められている、請求項１に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
3. 前記チャネルは、動作中に前記ブレードが受ける遠心力及び軸方向の少なくとも一方の力が前記ブレードの基部と前記チャネルとの間の前記テーパロックを維持する作用を起こすように向きが定められている、請求項１又は請求項２に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
4. 前記チャネル及び前記ブレードの基部は、前記テーパロックが確立された場合に、前記チャネルの前記第２の端部と前記ブレードの基部の対向する端面との間に隙間を画定するように寸法が定められている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
5. 前記ブレードの基部は、前記ブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなる、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
6. 前記ロックシステムは、前記ブレードの基部をチャネル内へ引き込むように動作可能なテンショナを備えている、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
7. 前記テンショナは、前記ブレードの基部に固定されるとともに前記ブレードの基部から突出する第１の部分と、該第１の部分と係合可能であるとともに前記第２の端部に対して係合可能な対応する第２の部分と、を有する少なくとも１つのカップリングを備えている、請求項６に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
8. 前記ブレードの基部は、前記テンショナの前記第１の部分が部分的に配置される内部キャビティを画定する、請求項７に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
9. 前記第２の端部は、前記テンショナが貫通する少なくとも１つの開口を備えている、請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
10. 前記ロックシステムは、前記チャネルの前記少なくとも１対の側壁間に延びる１つ以上の結合部を備えている、請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
11. 前記ブレードの基部は、該ブレードの基部が前記チャネル内に保持された場合に、前記１つ以上の結合部に適合させるための１つ以上のスロットを備えている、請求項１０に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
12. 前記本体部は、前記水力発電タービンのロータと一体的に形成されている、請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
13. 前記本体部は、前記水力発電タービンのロータに取り付け可能な挿入部を含む、請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
14. 前記チャネルの前記少なくとも１つの側壁と前記ブレードの基部との間に配置可能な１つ以上のスペーサを更に備えた、請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
15. 前記チャネル及び前記ブレードの基部の対応する部分は、前記ロックシステムが動作しない場合に、前記テーパロックが前記ブレードを保持できるように寸法が定められている、請求項１〜請求項１４のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
16. 前記チャネルの開放端部を取り囲むフランジを更に備えた、請求項１〜請求項１５のいずれか１つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。