JP5546465B2 - 水力装置用のホイール、該ホイールを含む水力装置、及び該水力装置を装備したエネルギー変換設備 - Google Patents

Description

本発明は、水力装置用のフランシス型のホイールに関し、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。このような水流は、装置がタービンである場合には、ホイールを回転駆動する。このような水流は、装置がポンプである場合には、ポンプの回転の結果として得られる。本発明はまた、このホイールを含む水力装置にも関する。本発明は更に、この水力装置を装備したエネルギー変換設備にも関する。

特許文献１は、ポンプ−タービン型の水力装置用のホイール又は「ランナー」について記載している。このホイールは、軸対称のバンドと、バンドに固定されるか又はバンドと一体であってそのそれぞれが外周前縁及び内側中央後縁を有する複数の湾曲したブレードと、を有する。バンドが１つおきのブレードの内側中央エッジに接続される接続部は、大きな半径の第１の円上に配置され、一方、バンドが前述の１つおきのブレードに隣接したそれぞれのブレードの内側中央エッジに接続される接続部は、より小さな半径の第２の円上に配置されている。ホイールの外周領域において、第１の円上に配置されたそれぞれの内側中央エッジを有するブレードにバンドが接続される接続部は、バンドの周囲に配置され、一方、これらのブレードに隣接した、小さな半径の第２の円上に配置されたそれぞれの中央エッジを有するブレードにバンドが接続される接続部は、バンドの周囲の内側に配置されている。この特許文献１のホイールの形状は、水力装置が定常速度で作動する場合に発生するホイールの周囲のキャビテーションを低減し、定常速度で水力的効率を増加させるように設計されている。

従来の水力装置では、タービンモードの起動後又は停止前に発生する過渡速度で、ホイールを「傾斜」させる傾向を有する回転の非同期の半径方向力が、ホイールに加わる。過渡速度では、ホールに作用するこれらの半径方向の力が、水力装置の要素、例えばシャフトや軸受など、の寸法を決定するような非常に大きな機械的な応力レベルを与える。従って、これらの要素のコストは、半径方向の力のために必然的に増加する。

日本国特許出願公開第２００５−４８６０８号明細書

本発明の特定の目的は、過渡速度における回転の半径方向の力の発生を減少又は回避する形状のホイールを提案することによって、この欠点を改善することにある。

このために、本発明は、強制水流を通過させるように設計された、水力装置のフランシス型のホイールであって、ホイールが、ホイールの回転軸に関して回転対称であるバンドと、複数の湾曲したブレードであって、バンドに固定されるか又はこれと一体であり、そのそれぞれが、外周エッジと、内側中央エッジと、を有する、複数の湾曲したブレードと、を備え、バンドをブレードの内側中央エッジに接続する接続部が、軸上に中心を持つ共通円上に配置され、バンドをブレードの外周エッジに接続する接続部が、軸（Ｚ）上に中心を持つ少なくとも２つの別個の円（Ｃ₂₁、Ｃ₂₂）上に配置されていることを特徴とする、ホイールを提供する。

このようなホイールの形状は、角度に関する非対称性を与え、これによって、過渡速度でホイールに加わる半径方向の力を大幅に低減する。

本発明は、単独で利用でき又は任意の技術的な組合せで利用できる、その他の有利で任意選択の特徴を有し、すなわち、
バンドをブレードの外周エッジに接続する接続部が、軸上に中心を持つ２つの別個の円上に配置され、「長い」ブレードが、第１の円上に配置された接続部を有し、「短い」ブレード（２２）が、第１の円の直径よりも小さな直径の第２の円上に配置された接続部（Ａ₂₂）を有する、ホイールを提供し、
軸を中心とする回転対称であり、バンドに対向して配置された、クラウンを更に有し、ブレードが、クラウンに固定されるか又はクラウンと一体であり、クラウンをブレードの内側中央エッジに接続する接続部が、軸上に中心を持つ共通円上に配置され、クラウンをブレードの外周エッジに接続する接続部が、軸上に中心を持つ少なくとも２つの別個の円上に配置されている、ホイールを提供し、
クラウンをブレードの外周エッジに接続する接続部が、軸上に中心を持つ２つの別個の円上に配置されている、ホイールを提供し、
短いブレードが、軸を中心として均一に分布し、長いブレードが、軸を中心として均一に分布している、ホイールを提供し、
６つの長いブレードと、３つの短いブレードと、を含む９つのブレードを有し、短いブレードが、１２０°の角度間隔でバンド上に配置されている、ホイールを提供し、
偶数のブレードを有し、１つおきのブレードが短いブレードである、ホイールを提供し、
それぞれの短いブレードが、長いブレードの展開長さの５０％から、長いブレードの展開長さの９９％までの範囲の展開長さを有し、長いブレードの展開長さの７０％から、長いブレードの展開長さの８５％までの範囲の展開長さを有することが好ましい、ホイールを提供する。

本発明はまた、上述で定義したホイールを含むことを特徴とする水力装置をも提供する。

従って、本発明の水力装置の要素は、機械的応力がより小さく、より低コストで、同等の効率を維持することができるように、寸法を設定することができる。

本発明はまた、上述で定義した少なくとも１つの水力装置を装備したエネルギー変換設備をも提供する。

従って、本発明のエネルギー変換設備は、従来の設備よりも廉価で、同等の効率を提供することができる。

非限定的な例として示される以下の説明及び添付の図面を参照することにより、本発明を、更に理解することができ、本発明のその他の利点も明らかとなろう。

本発明のホイールを含む本発明の水力装置を装備した本発明のエネルギー変換設備の原理を示す断面図である。 図１の一点鎖線ＩＩ上における、ホイールの概略断面図である。 図１の一点鎖線ＩＩＩ上における、ホイールの概略断面図である。 図２のホイールの、部分斜視図である。

図１に示す設備ｉは、可逆型水力装置Ｍを含み、可逆型水力装置Ｍは、フランシス型のポンプタービンであり、ホイールすなわち「ランナー」Ｒには、ケーシング３から水が供給され、このケーシングの内側には、強制水流ダクト４が開口している。運転中は、ホイールＲは、垂直の回転軸Ｚを中心として回転する。タービンモードで発電するために、装置Ｍは、軸Ｚを中心として回転するシャフト５０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Ｒとの間には、静止案内翼６及び可動案内翼７が配設されており、これらの機能は、水流を案内し、ダクト４から到来して排出コンジット８に向かってホイールＲを通過する水Ｅの流量を調節することにある。

図２は、軸Ｚを中心として回転対称であるバンド１を含むホイールＲの一部を示している。バンド１は、直径Ｄ₁₀の外周エッジ１０を有する。図３は、中心穴１１を形成するクラウン１２を含むホイールＲの一部を示している。クラウン１２も、軸Ｚを中心として回転対称であり、バンド１に対向して配置されている。クラウン１２の外周エッジの直径は、Ｄ₁₂によって表されている。外周エッジ１０及び中心穴１１は、軸Ｚ上に中心を有する。図１及び図４に示されているように、バンド１及びクラウン１２の表面は、軸Ｚを中心に、軸Ｚから離れた位置で湾曲セグメントを回転させることによって形成される、傾斜形状を有する。従来のフランシス型のホイールのバンド及びクラウンは、すべて、本発明のホイールのバンド及びクラウンの表面を形成するように、利用することができる。

ホイールＲは、図４に示されているように、９つのブレード２１及び２２をも含み、９つのブレード２１及び２２は、バンド１に固定されるか又はバンド１と一体であり、また、クラウン１２に固定されるか又はクラウン１２と一体であり、軸Ｚを中心としてバンド１とクラウン１２の間に延びている。各ブレード２１又は２２は、湾曲した形状を有し、渦巻きの一部の形状を有する。従来のブレードの湾曲は、どれでも、ブレード２１又は２２の湾曲を形成するのに適用できる。各ブレード２１又は２２は、バンド１の周囲に配置された周囲エッジ２１２及び２２２と、軸Ｚに対向している中央エッジ２１１及び２２１と、を有する。この実施例では、軸Ｚから離れた物体を表す形容詞である「周囲」に対して、物体が軸Ｚの近傍に配置されている場合に、「中央」に配置されたと表現している。

ホイールＲがタービンモードで作動している場合には、外周エッジ２１２又は２２２は、ブレード２１又は２２の前縁を形成し、内側中央エッジ２１１又は２２１は、後縁を形成する。タービンモードについての以下の説明では、これらの「前縁」及び「後縁」という表現を使用しており、ホイールがポンプモードで作動する場合には、これらの表現を相互に交換することにより、言い換えることができる。

ホイールＲの９つのブレード２１及び２２の中で、３つのブレード２２は、その他の６つのブレード２１の展開長さ未満の展開長さを有する。従って、ブレード２２は、「短い」と表現可能であり、ブレード２１は、「長い」と表現することができる。

バンド１の中央領域で、バンド１が個々のブレード２１及び２２の後縁２１１及び２２１に接続される接続部は、それぞれ、Ｂ₂₁及びＢ₂₂によって表されている。接続部Ｂ₂₁及びＢ₂₂は、軸Ｚ上に中心を持つ直径Ｄ₂₀の共通中心円上に配置されている。従って、ブレード２１及び２２は、いずれも、直径Ｄ₂₀の中心円Ｃ₂₀に向かって延びている。

バンド１の周囲領域で、バンド１が長いブレード２１の前縁２１２に接続される接続部は、Ａ₂₁によって表されている。接続部Ａ₂₁は、軸Ｚ上に中心を持つ直径Ｄ₂₁の第１の円Ｃ₂₁上に配置されている。同様に、バンド１が短いブレード２２の前縁２２２に接続される接続部は、Ａ₂₂によって表されている。接続部Ａ₂₂は、軸Ｚ上に中心を持つと共に第１の円の直径Ｄ₂₁未満の直径Ｄ₂₂を有する第２の円Ｃ₂₂上に配置されている。従って、接続部Ａ₂₁は、接続部Ａ₂₂よりも、バンド１のエッジ１０に近接している。第１及び第２の円Ｃ₂₁及びＣ₂₂の個々の直径Ｄ₂₁及びＤ₂₂と、中心円Ｃ₂₀の直径Ｄ₂₀と、は、エッジ１０の直径Ｄ₁₀より小さい。

換言すれば、短いブレード２２は、長いブレード２１ほどには、バンド１のエッジ１０に向かって遠くまで延びていない。このため、短いブレード２２の展開長さは、長いブレード２１の展開長さ未満である。従って、ブレード２１及び２２の個々の接続部Ａ₂₁及びＡ₂₂は、軸Ｚ上に中心を持ち、異なる個々の直径Ｄ₂₁及びＤ₂₂を有する、２つの別個の円Ｃ₂₁及びＣ₂₂上に配置されている。

図示していない本発明の一変形では、バンドが前縁に接続される接続部は、２つ以上の別個の円、例えば、３つの円の上に、配置することができる。

図３は、ホイールＲのクラウン１２の上のブレード２１及び２２の配置を示している。ブレード２１及び２２に対するバンド１の接続と同様に、クラウン１２の中央領域で、クラウン１２が個々のブレード２１及び２２の後縁２１１及び２２１に接続される接続部は、それぞれ、Ｇ₂₁及びＧ₂₂によって表されている。接続部Ｇ₂₁及びＧ₂₂は、直径Ｄ₄₀を有し、軸Ｚ上に中心を持つ、共通中心円Ｃ₄₀上に配置されている。従って、ブレード２１及び２２は、いずれも、直径Ｄ₄₀の共通中心円Ｃ₄₀に向かって延びている。

クラウン１２の周囲領域で、クラウン１２がそれぞれの長いブレード２１の前縁２１２に接続される接続部は、Ｆ₂₁によって表されている。接続部Ｆ₂₁は、直径Ｄ₄₁を有し、軸Ｚ上に中心を持つ、第３の円Ｃ₄₁上に配置されている。同様に、クラウン１２がそれぞれの短いブレード２２の前縁２２２に接続される接続部は、Ｆ₂₂によって表されている。接続部Ｆ₂₂は、軸Ｚ上に中心を持ち、第３の円の直径Ｄ₄₁未満の直径Ｄ₄₂を有する、第４の円Ｃ₄₂上に配置されている。

実際には、ホイールＲを装備した水力装置における所望の出力に応じて、バンド１のエッジ１０の直径Ｄ₁₀は、０．４ｍ〜１０ｍの範囲にあってよい。バンド１のために選択された寸法に応じて、第１の円の直径Ｄ₂₁は、直径Ｄ₁₀の９０％〜直径Ｄ₁₀の１００％の範囲にあってよく、第２の円の直径Ｄ₂₂は、直径Ｄ₂₁の７０％〜直径Ｄ₂₁の９９％の範囲にあってよく、直径Ｄ₂₁の８０％〜直径Ｄ₂₁の９５％の範囲にあることが好ましい。クラウン１２のために選択された寸法に応じて、第３の円の直径Ｄ₄₁は、直径Ｄ₁₂の９０％〜直径Ｄ₁₂の１００％の範囲にあってよく、第４の円の直径Ｄ₄₂は、直径Ｄ₄₁の７０％〜直径Ｄ₄₁の９９％の範囲にあってよく、直径Ｄ₄₁の８０％〜直径Ｄ₄₁の９５％の範囲にあることが好ましい。

ホイールＲの特性に応じて、具体的には、その寸法と、それが定常速度で回転するように設計されている回転数と、に応じて、それぞれの短いブレード２２は、長いブレード２１の展開長さの５０％から、長いブレードの展開長さの９９％の範囲の、展開長さを有することができる。長いブレード２１の展開長さは、接続部Ａ₂₁及びＢ₂₁の間又は接続部Ｆ₂₁及びＧ₂₁の間で、測定することができる。同様に、短いブレード２２の展開長さは、接続部Ａ₂₂及びＢ₂₂の間又は接続部Ｆ₂₂及びＧ₂₂の間で測定することができる。短いブレード２２の展開長さは、長いブレード２１の展開長さの７０％から、長いブレードの展開長さの８５％の範囲、であることが好ましい。従って、長いブレード２１が１ｍの展開長さを有する場合には、短いブレード２２は、例えば、０．８ｍの展開長さを有することができる。

ホイールＲの良好な動的バランスを保証するために、短いブレード２２及び長いブレード２１は、いずれも、ホイールＲの回転軸Ｚを中心として均一に分布している。この例では、３つの短いブレード２２は、これらの間に１２０℃の角度間隔α₂₂を伴って、バンド１上に配設されている。２つの長いブレード２１は、２つの短いブレード２２の間に規則的な間隔で配設されており、２つの隣接する長いブレード２１に対しては４０度の角度間隔で、間に短いブレード２２が配置される２つの長いブレード２１に対しては、８０度の角度間隔で、配設されている。

短い及び長いブレードのその他の分布も可能である。従って、偶数の数、例えば、１０の、ブレードを提供し、１つおきのブレードが短いブレードで、それらの間のブレードが長いブレードで、短いブレードと長いブレードとの両方が、ホイールの回転軸を中心として均一に分布しているということも可能である。

本発明のホイールは、従来のブレードを有するホイールにおいて、特に、タービンモードでの起動時又は停止時の過渡速度で発生する、半径方向の力を減衰させ、又は、回避することができる。本発明のホイールは、過渡速度でホイールに加わる半径方向の力の大きさを低減することができることが観察された。使用状況に応じてホイールのブレード形状を最適化することにより、半径方向の力の大きさを更に低減することも可能である。

従って、本発明の水力装置は、ホイールとシャフトの半径方向の変位を低減し、又は、ゼロとすることができる。従って、水力装置は、寸法小さくすることができ、水力装置のコストを低減することができる。

以上、ポンプ−タービン型の可逆型水力装置を参照して本発明について説明した。しかし、本発明は、「単純」なタービン型の水力装置にも適用することができる。

Claims (14)

1. 強制水流（Ｅ）を通過させるように設計された、水力装置（Ｍ）のフランシス型のホイール（Ｒ）であって、前記ホイールが、
   ・前記ホイール（Ｒ）の回転軸（Ｚ）に関して回転対称であるバンド（１）と、
   ・複数の湾曲したブレード（２１、２２）であって、前記バンド（１）に固定されるか又はこれと一体であり、そのそれぞれが、外周エッジ（２１２、２２２）と、内側中央エッジ（２１１、２２１）と、を有する、複数の湾曲したブレード（２１、２２）と、
   を備え、
   前記バンド（１）を前記ブレード（２１、２２）の前記内側中央エッジ（２１１、２２１）に接続する接続部（Ｂ₂₁、Ｂ₂₂）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ共通円（Ｃ₂₀）上に配置され、前記バンド（１）を前記ブレード（２１、２２）の前記外周エッジ（２１２、２２２）に接続する接続部（Ａ₂₁、Ａ₂₂）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ少なくとも２つの別個の円（Ｃ₂₁、Ｃ₂₂）上に配置されていることを特徴とする、ホイール（Ｒ）。
2. 前記バンド（１）を前記ブレード（２１、２２）の前記外周エッジ（２１２、２２２）に接続する前記接続部（Ａ₂₁、Ａ₂₂）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ２つの別個の円（Ｃ₂₁、Ｃ₂₂）上に配置され、「長い」ブレード（２１）が、第１の円（Ｃ₂₁）上に配置された接続部（Ａ₂₁）を有し、「短い」ブレード（２２）が、前記第１の円の直径（Ｄ₂₁）よりも小さな直径（Ｄ₂₂）の第２の円（Ｃ₂₂）上に配置された接続部（Ａ₂₂）を有することを特徴とする、請求項１に記載のホイール（Ｒ）。
3. 前記軸（Ｚ）を中心とする回転対称であり、前記バンド（１）に対向して配置された、クラウン（１２）を更に有し、前記ブレード（２１、２２）が、前記クラウン（１２）に固定されるか又は前記クラウン（１２）と一体であり、前記クラウン（１２）を前記ブレード（２１、２２）の前記内側中央エッジ（２１１、２２１）に接続する接続部（Ｇ₂₁、Ｇ₂₂）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ共通円（Ｃ₄₀）上に配置され、前記クラウン（１２）を前記ブレード（２１、２２）の前記外周エッジ（２１２、２２２）に接続する接続部（Ｆ₂₁、Ｆ₂₂）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ少なくとも２つの別個の円（Ｃ₄₁、Ｃ₄₂）上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のホイール（Ｒ）。
4. 前記軸（Ｚ）を中心とする回転対称であり、前記バンド（１）に対向して配置された、クラウン（１２）を更に有し、前記ブレード（２１、２２）が、前記クラウン（１２）に固定されるか又は前記クラウン（１２）と一体であり、前記クラウン（１２）を前記ブレード（２１、２２）の前記内側中央エッジ（２１１、２２１）に接続する接続部（Ｇ ₂₁ 、Ｇ ₂₂ ）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ共通円（Ｃ ₄₀ ）上に配置され、前記クラウン（１２）を前記ブレード（２１、２２）の前記外周エッジ（２１２、２２２）に接続する接続部（Ｆ ₂₁ 、Ｆ ₂₂ ）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ少なくとも２つの別個の円（Ｃ ₄₁ 、Ｃ ₄₂ ）上に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のホイール（Ｒ）。
5. 前記クラウン（１２）を前記ブレード（２１、２２）の前記外周エッジ（２１２、２２２）に接続する前記接続部（Ｆ₂₁、Ｆ₂₂）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ２つの別個の円（Ｃ₄₁、Ｃ₄₂）上に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のホイール（Ｒ）。
6. 前記クラウン（１２）を前記ブレード（２１、２２）の前記外周エッジ（２１２、２２２）に接続する前記接続部（Ｆ ₂₁ 、Ｆ ₂₂ ）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ２つの別個の円（Ｃ ₄₁ 、Ｃ ₄₂ ）上に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載のホイール（Ｒ）。
7. 前記クラウン（１２）を前記ブレード（２１、２２）の前記外周エッジ（２１２、２２２）に接続する前記接続部（Ｆ ₂₁ 、Ｆ ₂₂ ）が、前記軸（Ｚ）上に中心を持つ２つの別個の円（Ｃ ₄₁ 、Ｃ ₄₂ ）上に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のホイール（Ｒ）。
8. 前記短いブレード（２２）が、前記軸（Ｚ）を中心として均一に分布し、前記長いブレード（２１）が、前記軸（Ｚ）を中心として均一に分布していることを特徴とする、請求項４、５、７の中のいずれか一項に記載のホイール（Ｒ）。
9. ６つの長いブレード（２１）と、３つの短いブレード（２２）と、を含む９つのブレードを有し、前記短いブレード（２２）が、１２０°の角度間隔（α₂₂）で前記バンド（１）上に配置されていることを特徴とする、請求項４、５、７、８の中のいずれか一項に記載のホイール（Ｒ）。
10. 偶数のブレードを有し、１つおきのブレードが短いブレードであることを特徴とする、請求項４、５、７、８の中のいずれか一項に記載のホイール（Ｒ）。
11. それぞれの短いブレード（２２）が、長いブレード（２１）の展開長さの５０％から、長いブレードの展開長さの９９％までの範囲の展開長さを有する、請求項４、５、７、８、９、１０の中のいずれか一項に記載のホイール（Ｒ）。
12. それぞれの短いブレード（２２）が、長いブレード（２１）の展開長さの７０％から、長いブレードの展開長さの８５％までの範囲の展開長さを有する、請求項４、５、７、８、９、１０の中のいずれか一項に記載のホイール（Ｒ）。
13. 前項までの請求項中のいずれか一項に記載のホイール（Ｒ）を備えることを特徴とする、水力装置（Ｍ）。
14. 請求項１３に記載の水力装置（Ｍ）を少なくとも１つ装備することを特徴とする、エネルギー変換設備（ｉ）。

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