JP4535378B2 - 地下水に配置された回転水力タービン - Google Patents

Description

この発明は、少なくとも一つのロータと、ロータにより駆動される発電機と水力タービン用の浮き部材を備えて、水力タービンが固定式に係留され、ロータが浸水の流れ方向に整合されている一つの水力タービンによって、流れる浸水の流れエネルギーの変換の下で電気エネルギーを生成する水力発電設備に関する。
この発明の範囲内では、ロータはショベル羽根車や羽根車並びにプロペラ、複数羽根などを意味する。流れる浸水として特に海流や川流が利用できる。

風の流れエネルギーを電気エネルギーに変換し、風のない際に停止時間を我慢しなければならない風力発電設備とは違って、水力発電設備は、流れる浸水が一定運動をするから、中断されずに電気エネルギーを生成できる。前記実施態様の水面に浮遊する水力タービンを有する水力発電設備は公知である。一方では、風景が破壊されるから、美的関係で不満足であり、他方では、ロータは実施態様にて規則的ショベル羽根車として単に部分的に流れる浸水に沈漬されて駆動される（特許文献１参照）から、減少したエネルギー変換を我慢しなければならない。無論、人は地下水動力機構に設置する水力タービンも知っていて、その機構ではショベル羽根車が一つのフレームワークに配置されて、このフレームワークは浸水底内の基礎に設置されている。この種の実施態様では、基礎の掘り下げは費用がかかり、基礎にフレームワークを十分に係留することは全く保証されないので、流れ方向にショベル羽根車を十分に整合することは全く保証されない（特許文献２参照）。エネルギーを得る他の地下水水力タービンの場合には、ロータの回転軸は一つのピンをもつ下端にて軸受内に回転可能に支承されている。この軸受は、一つの複数部材の基礎にあって、その個別の基礎部材は設置箇所で浮遊され、そこで沈漬手段によって浸水底に組立てられなければならない（特許文献３参照）。
ドイツ特許第４１１２７３０号明細書 ドイツ実用新案第２００１１８７４号明細書 ドイツ実用新案第２９９００１２４号明細書

この発明の課題は、設置の水力タービンが見ることができなく、短期間の据付けを可能とし、さらに、組立て技術的且つ保守技術的関係で簡単な構成を特徴とする前記実施態様の水力発電設備を提供することである。

この発明の課題は、この種の水力発電設備の場合に、水力タービンが浸水表面の下部に宙ぶらりん状態に維持されていて、そのために浮き部材が選択的にガス状媒体、例えば圧縮空気を作用でき、場合によっては水により流れ得ることによって、解決される。

この発明の措置は、まず最初に一度、設置の水力タービンが見ることができなく、それ故に風景が得られたままであるから、美的関係ですべての要件を満たすと言う結果を生じる。さらに、ロータはいつもその全周辺にわたり流れる浸水内にあって、それ故に流れエネルギーから電気エネルギーへの最適変換が達成されることが保証される。さらに、構造的関係でかなり簡単な構成が実現され得て、この構成は短期設置と簡単な組立てを保証する。保守や修理作業も、難なく実施され得る、と言うのは水力タービンは例えば浮き部材の圧縮空気作用のようなガス状媒体による作用によって浸水表面に上昇され得るからである。今日は、水力タービンの上昇下降過程が圧縮空気導管にわたり空気供給によって制御され、場合によっては、流れ路にある。浸水の地面に水力タービンを沈降させることが可能である。

さらにこの発明の特徴は、次に明記されている。この発明は、ロータが浸水の流れ方向に整合されたロータ軸上に支承されていて、そのロータブレードが調整機構によって流れ方向に或いはその反対に調整でき、例えば所定程度を超過する流れ圧の際に出力減少を阻止できることを教える。それは、共通にロータブレードの羽根調整と、従って、流入面の減少とによってうまくゆく。さらに、この発明は、ロータ軸が中空軸として形成されて浮き部材を形成することを企図する。そのような中空軸は高い撓み性を特徴として、流れる浸水の流れ方向におけるロータの整合を支援する。この発明によると、ロータ軸上に回転しなく支承されたロータのロータブレードは流れ方向において転向できて、ばね作用によって流れ圧に逆らって直立に保持され、所定度合だけの流れ圧の超過の際に連続的に流れ方向において流入面の減少の下で転向される。その点で、ロータブレードのかなり簡単で且つ機能正確な調整機構が達成される。ロータブレードがその流れの反対を向いた側面にて支持突起によって拡張された板ばねに逆らって支持されるときに、特に適用される、その板ばねはロータ軸の周辺にわたり分布されてロータ軸上に固定されている。この板ばねのばね力は、ロータブレードが直立に保持される流れ圧を定義する。流れ圧が板ばねのばね力を超過するときに初めて、ロータブレードは共通羽根調整で転向される。

この発明の他の実施態様によると、ロータ軸上に推力軸受が配置されており、ロータブレードには案内レバーが連接されていて、案内レバーはロータ軸上で軸長手方向に移動可能な支持リングに連接されており、さらに推力軸受と支持リングの間にロータ軸を包囲する圧縮ばねが螺旋状ばねの実施態様に配置されていて、この螺旋状ばねはロータブレードに案内レバーにわたり且つ浸水の流れ方向に逆らって作用する。この場合には、有効な流れ圧が圧縮ばねのばね力を超過するときに、ロータブレードは転向される。ロータ軸は少なくとも前後軸端にはスピンドル軸として形成されており、推力軸受及び／又はロータブレード用軸受はスピンドル軸上で調整可能で且つ係留可能なスピンドルナットとして形成されて、圧縮ばねを所定度合だけ緊張できるか、或いはばね圧を変更できる。この発明の変形された実施態様によると、支持リングとロータブレード用軸受との間にスピンドル軸を包囲するコイル螺旋状圧縮ばね或いは引張ばねが配置されており、支持リング並びにロータブレード用軸受はスピンドルナットとして形成されている。この場合に、支持リングとロータブレード用軸受との間に配置されたばねが圧縮ばね或いは引張ばねとして作動するか否かは、流れ方向と、従って、一方或いは他方の方向からのロータブレードの作用とに依存している。

さらに、この発明は、ロータ軸上で多数のロータがそれぞれ調整機構により所定間隔に配置されていることを教える。この実施態様では、流れ圧が流れる浸水から多数のロータブレードに分配されるので、僅かな流れ速度さえが十分なエネルギー変換を可能とする。同時に、流れ圧の減少は個々のロータブレードへの分配によって達成される。特に、それは、ロータ、或いはそのロータブレードの外径が浸水の流れ方向において所定段階だけ増加して、先に配置されたロータを超過するときに、適用される。

特に、ロータ軸は浸水の流れ方向において円錐状に拡張する中空軸として形成され、それにより好ましい流れの構造を特徴とするばかりでなく、むしろ同時にフランジになった発電機に作用する外力と特に曲げ力も減少させる。中空軸は目的に適ってそれぞれ一つのロータを備える中空室を形成する軸方向部片から構成され、長手方向に移動でき、これら軸方向部片はガス気密或いは空気気密で水密封なフランジ結合部によって互いに接続できる。それによってロータ軸は十分な安定性と遊泳能力により選択的に延長される。この関係において、ロータ軸を所定間隔に案内軸受によって支持する可能性も生じる。さらに、ロータ軸の流れ方向における後端は案内機構を有するので、ロータ軸とその上にあるロータとの申し分のない整合が保証されている。

発電機は水密封性ケーシング、例えば外部側冷却リッブを備える管半部のような半シェルから成るケーシング内に配置されており、その冷却リッブは特にケーシング方向と流れ方向に延びている。さらに、複数の発電機が列に相前後して配置されて互いに並びにロータ軸に接続されて、電気エネルギーへの最適なエネルギー変換を達成する可能性が生じる。流れ技術的理由から、中空の流れ円錐体が、流入側にてケーシングにフランジ取付けされることができ、さらに、発電機範囲内でも浮力を考慮する。次に、浮き部材は特に中空軸により、場合によってはケーシングと流れ円錐体により形成されている。この発明の他の実施態様によると、浮き部材は一つ或いは複数の水力タービン用の中空支持体及び／又は箱を備えるフレーム架台により形成されている。その外に、流れ得る浮き部材には、一つ或いは複数のガス或いは圧力空気導管が配置されることができる。最終的に、この発明は、複数の水力タービンが並んで及び／又はオフセット（versetzter) 配列にて相前後して配置され、場合によっては柔軟或いは弾性結合手段によって互いに接続されて、共通に動力機構を実現することを企図する。水力タービンはチェーン、鋼索などによって岸及び／又は浸水の地面に係留されているので、この場合には係留が見えないままである。

次に、この発明は、単に実施例を図示する図面に基づいて詳細に説明される。

図面には、流れる浸水の流れエネルギーからの変換の下で電気エネルギー或いは電気電流を発生する水力発電設備が図示されている。この水力発電設備は、少なくとも一つのロータ２と、そのロータ２により駆動される発電機３と水力タービン１用の一つの浮き部材４を備える少なくとも一つの水力タービン１を有し、この場合に、水力タービン１は固定式に例えば岸側及び／又は水地面側固定点５に、ロータ２が浸水の流れ方向に整合されるように、係留されている。水力タービン１は浸水表面６の下部に宙ぶらりん状態に維持されている。そのために、浮き部材４は選択的に圧力空気或いは他のガス状媒体を作用でき且つ場合によっては水により流れ得る。そのために必要な弁と制御装置は図示されていない。

ロータ２は浸水の流れ方向に整合されたロータ軸７に支承されている。そのロータブレード８は一つの調整機構によって流れ方向に或いはその反対に調整できる。その外に、ロータブレード８はその長手方向軸を中心に調整角度を変更するように調整できる。若干の実施態様では、ロータ軸７は、同時に浮き部材４を形成する中空軸として形成されている。このロータ軸７に回転しなく支承されたロータ２のロータブレード８は、流れ方向に転向でき且つばね作用によって流れ圧に逆らって直立に維持される。所定度合だけの流れ圧の超過の際に、ロータブレード８は連続的に流れ方向において共通羽根調整における流入面の減少の下で転向される。それは点線で図示されている。個別には、このロータブレード８はその流れと反対を向いた側面に支持突起１０によって拡張された板ばね１１に逆らって支持されて、その板ばね１１はロータ軸７の周辺にわたり分布されてロータ軸７に固定されている。

他の実施態様では、ロータ軸７上に推力軸受１２が配置されている。さらに、ロータブレード８には、案内レバー１３が連接されていて、この案内レバーは同様にロータ軸７上で軸長手方向に移動できる支持リング１４に連接されている。推力軸受１２と支持リング１４との間にロータ軸７を包囲する圧縮ばね１５が配置されていて、この圧力ばねはロータブレード８を案内レバー１３によって浸水の流れ方向に逆らって作用される。このロータ軸７は少なくとも前後軸端にスピンドル軸７ａ，７ｂが形成されることができ、この場合に推力軸受１２及び／又はロータブレード８用軸受１６はスピンドル軸７ａ，７ｂに調整でき且つ係留できるスピンドルナットとして形成されている。変形された実施態様では、支持リング１４とロータブレード８用軸受１６との間にはスピンドル軸７を包囲するコイル螺旋状圧縮ばね１５’が配置されて、この圧力ばねは流れ方向に依存して引張ばねとして作動できる。この支持リング１４並びにロータブレード８用軸受１６はスピンドルナットとして形成されている。

ロータ軸７上には、それぞれ調整機構９を備える多数のロータ２が所定間隔に配置されている。この場合には、ロータ２或いはそのロータブレード８の外径は浸水の流れ方向において所定段階だけ増加して前に配置されたロータを超過し、それによって共通に示された流れ円錐体が形成される。この実施態様では、ロータ軸７の構成は浸水の流れ方向において円錐状に拡張する中空軸として推奨され、その中空軸はその先細になった端によって一つの発電機３に接続されている。この中空軸は中空室１７を形成する軸方向部片１８からそれぞれ一つのロータ２と調整機構９を備えて構成され、従って、多数の軸方向部片１８だけ延長できる。そのために、軸方向部片１８はガス気密或いは空気気密で水密封性フランジ結合部１９によって互いに接続できる。通常には、ロータ軸７を所定間隔に案内軸受２０によって支持する可能性が生じる。一つの実施態様では、ロータ軸７の流れ方向において後端は案内機構２１を有し、それによって流れ方向への水力タービン１の整合は安定化されている。

発電機３は一つのケーシング２２内に、例えば外部側冷却リッブを備える半シェルから成るケーシング２２内に配置されている。複数の発電機３を列に相前後して配置して互いに並びにロータ軸７に接続する可能性が生じる。この場合にも、複数の発電機３は据付けできる。特に、流入側ではより中空の流れ円錐体２４がケーシング２２にフランジ取付けされている。

一つの実施態様では、浮き部材４は中空軸７、場合によってはケーシング２２と流れ円錐体２４により形成されている。一つの別の実施態様では、浮き部材４は一つ或いは複数の流体機械１用の中空支持体２６及び／又は箱を備えるフレームワーク２５により形成されている。このフレームワーク２５は設置するためにすべり木２７を備えている。

流れ得る浮き部材４には、一つ或いは複数の圧縮空気導管２８が接続されている。水力発電所を実現するために、複数の水力タービン１が列に並んで及び／又は置換配列で相前後して配置されて、場合によっては柔軟或いは曲げ弾性結合手段２９によって互いに接続できる。水力タービン１はチェーン、鋼索３０などによって岸３１及び／又は浸水の地面３２で固定点５に係留されている。浸水の地面３２に係留する際に人は費用のかかる基礎を放棄して打撃或いは穿孔杭３３を取り付けできる。

この発明の水力タービンを概略側面図を示す。 図１による対象を前面図で示す。 複数の列に配置された水力タービンを備えるこの発明の水力発電設備を前面図で示す。 発電機方向に転向できるロータブレードを備える図１による対象の断面を示す。 反対方向に転向できるロータブレードを備える図４による対象を示す。 ケーシング内に収納された発電機を備える図１による対象の変形された実施態様を示す。 図６による対象の変形された実施態様を示す。 図１による対象の変形された別の実施態様を示す。 図８による対象の変形された実施態様を示す。 図７による対象の変形された別の実施態様を示す。 図３による対象に関する平面図を断面的に示す。

符号の説明

１．．．．．水力タービン
２．．．．．ロータ
３．．．．．発電機
４．．．．．浮き部材
５．．．．．地面側固定点
６．．．．．水面
７．．．．．ロータ軸
８．．．．．ロータブレード
９．．．．．調整機構
１０．．．．支持突起
１１．．．．板ばね
１２．．．．受台
１３．．．．案内レバー
１４．．．．支持リング
１５．．．．圧力ばね
１６．．．．ロータブレード用軸受
１７．．．．中空室
１８．．．．軸方向部片
１９．．．．フランジ結合部
２０．．．．案内軸受
２１．．．．案内機構
２２．．．．ケーシング
２４．．．．流れ円錐体
２５．．．．フレーム架台
２６．．．．中空支持体
２７．．．．すべり木
２８．．．．圧縮空気導管
２９．．．．弾性結合手段
３０．．．．鋼索
３１．．．．岸
３２．．．．地面
３３．．．．杭

Claims (15)

1. 少なくとも一つのロータ（２）と、ロータ（２）により駆動される発電機（３）と水力タービン（１）用の浮き部材（４）を備える一つの水力タービン（１）によって、流れる浸水の流れエネルギーの変換の下で電気エネルギーを生成する水力発電設備において、
   ａ）水力タービン（１）は固定式に係留され、ロータ（２）が浸水の流れ方向に整合されており、
   ｂ）水力タービン（１）は浸水表面の下部に宙ぶらりん状態に維持されており、
   ｃ）そのために浮き部材（４）は選択的にガス状媒体、例えば圧縮空気を作用でき且つ水により流れ得て、
   ｄ）ロータ（２）は浸水の流れ方向に整合されたロータ軸（７）上に支承されており、 ｅ）ロータ（２）のロータブレード（８）は一つの調整機構（９）によって流れ方向に或いはその反対に調整でき、そして
   ｆ）ロータ軸（７）は中空軸として形成されて浮き部材（４）を形成することを特徴とする水力発電設備。
2. ロータ軸（７）上に固定式に支承されたロータ（２）のロータブレード（８）は流れ方向において転向できて、ばね作用によって流れ圧に逆らって直立に維持され、所定程度だけ流れ圧を超過する際に引き続いて流れ方向において流入面の縮小の下で転向されることを特徴とする請求項１に記載の水力発電設備。
3. ロータブレード（８）はその流れと反対を向いた面に支持突起（１０）によって拡張された板ばね（１１）に逆らって支持され、その板ばねはロータ軸（７）にわたり分布されてロータ軸（７）上に固定されていることを特徴とする請求項１或いは２に記載の水力発電設備。
4. ロータ軸（７）上に一つの推力軸受（１２）が配置されており、ロータブレード（８）には操作レバー（１３）がロータ軸（７）上に軸線長手方向に移動できる支持リング（１４）に連接されており、推力軸受（１２）と支持リング（１４）の間にはロータ軸（７）を包囲する圧縮ばね（１５）が配置されていて、その圧縮ばねはロータブレード（８）を操作レバー（１３）を介して且つ浸水の流れ方向に逆らって作用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の水力発電設備。
5. ロータ軸（７）は前後軸線端においてスピンドル軸（７ａ，７ｂ）として形成されており、推力軸受（１２）及び／又はロータブレード（８）用の軸受（１６）はスピンドル軸（７ａ，７ｂ）上に調整でき且つ係留できるスピンドルナットとして形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水力発電設備。
6. 支持リング（１４）とロータブレード（８）用の軸受（１６）との間にはスピンドル軸（７）を包囲する圧縮ばね（１５’）或いは引張ばねが配置されていて、支持リング（１４）並びにロータブレード（８）用軸受（１６）はスピンドルナットとして形成されていることを特徴とする請求項４或いは５に記載の水力発電設備。
7. ロータ軸（７）上に所定間隔に多数のロータ（２）がそれぞれ調整機構（９）を備えて配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の水力発電設備。
8. ロータ（２）或いはそのロータブレード（８）の外径は浸水の流れ方向に所定段階だけ増加して、それぞれ前に配置されたロータ（２）を越えることを特徴とする請求項７に記載の水力発電設備。
9. ロータ軸（７）は浸水の流れ方向に円錐状に拡張する中空軸として形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の水力発電設備。
10. 中空軸（７）は、中空室（１７）を形成してそれぞれ一つのロータ（２）を備える軸方向部片（１８）と調整機構（９）から構成され、より径の大きい軸部片（１８）の周りに延長でき、軸方向部片（１８）はガス或いは空気密封と水密封性フランジ結合部（１９）によって互いに接続できることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の水力発電設備。
11. ロータ軸（７）は、所定間隔に案内軸受（２０）によって支持されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の水力発電設備。
12. ロータ軸（７）の流れ方向における後端は案内機構（２１）を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の水力発電設備。
13. 発電機（３）はケーシング（２２）内に、例えば半シェルから形成されて外側冷却リブ（２３）を備えるケーシング内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の水力発電設備。
14. 複数の発電機（３）は列に前後に配置されて連結され、並びにロータ軸（７）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の水力発電設備。
15. 一つの中空流れ円錐体（２４）が流入側にてケーシング（２２）にフランジ取付けされていることを特徴とする請求項１３或いは１４に記載の水力発電設備。

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