JP5693242B2 - 先端部形成部材を備えたフランシス型水力タービンホイール及び該ホイールを使用して変動を低減する方法 - Google Patents

Description

本発明は、主にホイールのクラウンを延長させる先端部形成部材を備えた水力装置のフランシス型ホイールに関する。又、本発明は、このホイールと相互作用する流れの変動を低減する方法にも関する。

水力タービン、特に、フランシス型タービンの分野においては、しばしば、「先端部（ｔｉｐ）」と呼ばれる軸対称の部材を有するホイールのクラウンの下流領域の装置が既に開示されており、その外部表面は、下流方向に低減する直径を有するホイールのクラウンのぬれ表面を延長させている。この部材又は「先端部」は、流れの案内をホイールの回転軸近傍にまで延長させている。同様に、タービンポンプ及びその他のパドルタービン内における案内部材又は先端部の使用法も既に開示されている。

既に開示されている水力タービンにおいては、ホイールを横断する流れは、一般に「トーチ（ｔｏｒｃｈ）」と呼ばれる渦巻き又は乱流現象を発生する可能性があり、これは、特定の負荷状態においては、「コルク栓抜き」の形態を有する。トーチの形態を有するこれらの乱流現象は、装置から水を供給されるネットワークの安定性と、装置の機械的出力と、に悪影響を及ぼす可能性のある、圧力又はパワーの変動を発生するという意味において、問題である。

ホイールの回転軸の方向においてそれぞれ収束及び発散する２つの表面を有する先端部の使用法が、特許文献１に既に開示されており、これによれば、乱流現象を大幅に制限することができる。しかしながら、特定の速度においては、乱流現象が依然として存在しており、従って、本発明は、これらの乱流現象を除去するか又は大幅に低減することができる代替解決手段を提案する。

また、垂直軸を有するフランシス型ホイール用の、底部から最上部へのフランシス型ホイールの先端部内で再循環をさせる先端部の形態を有する小直径ボアの構成が、特許文献２に既に開示されている。開口部を介して、所定量の水が、その先端部から排出され、開口部は、タービンを通過する一次流れによって下流方向に向かって偏向された噴流を構成し、先端部の子午線領域を包囲する流れのリングを構成する混合流ゾーンを、先端部の周りに形成する。このタイプの機能は、先端部による「ポンピング」効果が保証できないという意味において、常に有効ではない。

また、円錐形ホイールの先端部の下方における円筒形チューブの構成が特許文献３に既に開示されており、これは、このチューブの内部及び周りにおける水の循環方式に関する正確な知識を伴っていない。このチューブは、ホイール内におけるその通過の後に水を案内するように意図されており、設備の入口コンジット内において相当の高さにわたって延びている。このチューブは、一次流れがホイールを離脱するのに伴って一次流れの処理容積を制限し、この結果、この流れの速度と、その結果として、出力損失が増大する。リブが、チューブを、円錐形の先端部に機械的に接続しているが、これらのリブは、定量化対象である流れの経路に対して影響を与えない。更に、先端部で吊り下げられたチューブは、ホイールの全体サイズを大幅に増大させ、この結果、その使用場所におけるホイールの設置に困難を生じる。

国際特許出願公開第２００５／０３８２４３号（ＷＯ−Ａ−２００５／０３８２４３） 米国特許出願公開第２７５８８１５号（ＵＳ−Ａ−２７５８８１５） 仏国特許出願公開第１，１６２，８７２号（ＦＲ−Ａ−１，１６２，８７２）

本発明は、更に、新しいフランシス型ホイールを提案することにより、これらの欠点に対処することを目的としており、この新しいホイールは、タービン又はタービンポンプを備えることができ、この新しいホイールでは、タービンからの出口における乱流現象が最小化され、この部材の使用の結果として出力損失も増大しない。

以上から、本発明は、タービン又は水力タービンポンプ用のフランシス型ホイールに関し、このホイールは、クラウン上に配置された複数の羽根を有し、半径方向に羽根の内部においてホイールのクラウン又はハブの中央領域に取り付けられた先端部形成部材を備えており、クラウンは、羽根の間を通過する流れを案内するぬれ表面を形成し、先端部形成部材には、羽根の間を通過する流れの一部分をこの部材の内部容積に向かって分流する少なくとも１つの開口部が提供されている。このホイールは、先端部形成部材が、流れの一部分がそれに向かって分流される部材の内部容積を取り囲む円錐台の形態を有する環状スカートを有し、この部材の内部容積の内部に配置されると共に、内部容積に向かって分流される流れの一部分のための部材内の出口開口部を画定するスカートの、エッジまで延びる少なくとも１つのフィンが、流れを分流するための１つ又は複数の開口部を通ってこの内部容積に進入する流れの一部分の経路を、変更することができることを特徴とする。

本発明によれば、流れを分流する開口部を介して流れの一部分を案内することができ、この部分は、この部材又は先端部の内部に向かってホイールと相互作用することにより、トーチ又は乱流現象がその内部に形成される傾向を示すタービンの中央ゾーンに向かって、流れのこの一部分を再誘導できるようにする。換言すれば、フランシス型タービンホイールに取り付けられた場合に、先端部形成部材は、一次流れと同一の速度で運動していない所定量の水が、装置の中央ゾーン内に注入されるようにし、この注入によれば、乱流現象がその内部に生じる傾向を有するゾーンを「充填」することができる。１つ又は複数のフィンは、この部材の内部容積内に進入する流れの一部分に対して、出口開口部の直近まで継続的に働きかけることにより、効果的に経路を変更するが、その理由は、これらのフィンが、この開口部を画定するスカートの下側エッジまで延びているためである。流れのこの一部分に対するフィン及びスカートの作用の組合せにより、ホイールの回転軸に平行に観察した場合のスカートの高さを、部材が吸引チューブの内部のホイールのバンドの下側エッジを超えて延長できない地点に対して、相対的に低くすることができる。但し、水の一次流れが大きく乱されることはなく、タービンの出力も不都合なほどに低下することもない。又、この部材の形状は、この部材から排出される二次流れが、軸方向となり、その下流において、ホイールの回転軸の近傍に形成される傾向を有する乱流現象又は渦巻きに対して、効果的に作用することを確実にしている。

有利な、但し、必須ではない態様によれば、本発明によるホイールは、任意の技術的に許容可能な組合せにおいて、請求項２〜１７の特徴的な機能のうちの１つ以上を内蔵することができる。

本発明は、また、水力装置のホイールと相互作用する流れの変動を低減する方法に関する。この方法によれば、この流れの一部分は、流れを分流するための１つ又は複数の前述の開口部を介して、前述のホイールに属する先端部形成部材の内部容積内に進入し、この流れの一部分の経路は、この部材のフィンによって変更され、流れのこの一部分は、この流れの一部分がこの部材から排出されるのに伴ってホイールの回転軸に対して平行な軸を有する略円筒形の容積の内部に案内されるように、この部材から軸方向の開口部を介して排出される。

本発明による部材の３つの実施例及び本発明によるフランシス型ホイールの２つの実施例は、例示を目的としたものであり、これに限定するものではないが、添付の図面を参照する以下の説明によって、本発明について更に十分に理解することができ、本発明のその他の関連する利点についても更に明らかとなろう。

本発明によるタービンホイールの軸方向の断面図である。 図１に示されているホイールの先端部を拡大した斜視図である。 異なる角度から観察した図２に示されている先端部の斜視図である。 図２及び図３に示されている先端部を縮小した平面図であり、ラインＩ−Ｉは、図１の先端部の断面を表している。 図４のセクションＶ−Ｖに沿った片側断面図である。 図４の矢印ＶＩの方向に見た図である。 図６のラインＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面図である。 第２の実施例による、先端部の図７に類似した断面図である。 第３の実施例による、先端部を備えた本発明による第２のタービンホイールの軸方向断面図である。 図９に示されているホイールの先端部の斜視図である。 図１０に示されている部材の平面図である。 図１１のラインＸＩＩ−ＸＩＩに沿った断面図である。

図１に示されているフランシス型タービンホイール１は、ホイール１の回転の中心軸Ｘ₁の周りに均等に離隔した羽根２を有する。クラウン３が、ホイール１の内部の上部及び半径方向の部分に提供され、バンド４が、羽根２の外部の下部及び半径方向の部分において境界をなしている。流路が、２つの隣接する羽根２のそれぞれのペアの間に生成されており、この流路は、クラウン３のぬれ表面３１とバンド４のぬれ表面４１によって画定されている。従って、流れＥは、図示されてはいない交流発電機などのエネルギー変換装置に接続している図示されてはいないシャフトを駆動するように、ホイール１を通過し、これにより、ホイールの羽根２に作用して軸Ｘ₁を中心としてホイール１を回転させることができる。

「先端部」を形成する部材１０がクラウン３の下流領域３２上に取り付けられている。この部材は、このクラウン３の内部容積Ｖ₃に対する下流からのアクセスを部分的に遮断しているが、この容積は、一般に、部材１０を定位置に配置する前には、ホイール１の取り付けのために、特に、前述のシャフトへの装着のために、アクセス可能な状態に留まることが必要とされる。

部材又は先端部１０は、それ自体が部材１０の中心軸を構成している軸Ｘ₁₁にその中心を有するスカート１１を有する。軸Ｘ₁及びＸ₁₁は、先端部１０がホイール１上に取り付けられた場合に、一致する。実際に、スカート１１は、円錐台の形状であり、軸Ｘ₁₁を中心として回転対称である。

この説明においては、「高い」及び「低い」、「上部」及び「下部」という表現は、ホイール１が、垂直軸を有するタービン又はタービンポンプ内において使用される構成である場合のホイール１の各部分の向きに対応している。従って、「上部」部分は、「下部」部分の上方に位置する。

スカート１１は、天井１３に隣接した円形断面の円筒形壁を通って上方に延びており、天井１３は、先端部１０の内部容積Ｖ₁₀を上向きの方向において閉じている。これらの要素１１、１２、及び１３は、単一片として鋳造され、例えば、鋼などの金属によって、又は複合材料によって製造されている。

または、この代わりに、壁１２は、円錐形であってもよく、基部に向かって収束又は発散することもできる。

天井１３は、ホイール１のクラウン３上には示されていない固定手段が通過することができる開口部１３１によって貫通されている。この固定手段は、有利には、ボルト又はその均等物の形態を有する。図示されてはいない本発明の一態様によれば、天井１３は、空気の通過のために又はホイール１をそのシャフトに装着するためのボルトへのアクセスのために、１つ又は複数のオリフィスによって貫通することができる。

壁１２は、４つの開口部１２１によって貫通されており、これらの開口部により、流れＥの一部分が先端部１０の内部容積Ｖ₁₀に向かって分流できる。開口部１２１のエッジが参照符号１２１Ａによって示されており、このエッジと壁１２の外部半径方向表面１２２の間の接合部のエッジが参照符号１２１Ｂによって示されている。エッジ１２１Ａは、壁１２と仮想的なシリンダの交差によって形成されている。または、この代わりに、このエッジ１２１Ａは、壁１２と仮想的な円錐の交差によって形成することもできる。

開口部１２１の中心軸、即ち、エッジ１２１Ｂの幾何学的重心を通過すると共にシリンダの又は前述の仮想的な円錐の胴部の軸に対して平行に方向付けされた軸が参照符号Ｘ₁₂₁によって示されている。

エッジ１２１Ｂによって画定される開口部１２１の入口領域が参照符号Ｓ₁₂₁によって示されている。この入口領域は、壁１２の外部半径方向表面１２２内に配置されている。図１の右手の開口部１２１の入口領域Ｓ₁₂₁の経路は、この図示には、真っ直ぐな破線によって表されている。

又、図１の面内の直線が参照符号Ｄ₃₁によって示されており、これは、ホイールがタービンの一部として機能している場合に、軸Ｘ₁の方向において、即ち、下流の方向において、ぬれ表面３１を延長させている。直線Ｄ₃₁は、クラウン３の下流領域３２の近傍において表面３１に正接している。

直線Ｄ₃₁と図１の面内における中心軸Ｘ₁₂₁の子午線投影の間の角度が参照符号θによって示されている。角度θは、軸Ｘ₁との関係において、直線Ｄ₃₁と図１の軸Ｘ₁₂₁の経路の間の交点Ｐの半径方向外側において直線Ｄ₃₁と図１の軸Ｘ₁₂₁の経路によって画定された扇形として測定される。

この角度θは、厳密に９０°未満の値を有するという意味において鋭角である。実際に、角度θは、８０°未満の、好ましくは、６０°未満の値を有する。約２５°に等しい角度θにより、満足のゆく結果が得られた。

直線Ｄ₃₁との関係における開口部１２１の中心軸Ｘ₁₂₁の位置及び向きのおかげで、ぬれ表面３１に沿って運動する流れＥの一部分は、部材１０の内部容積Ｖ₁₀に向かって自然に流れる。

壁の外部半径方向表面１２２は、図１に示されている直線Ｄ₃₁に対して平行になってはおらず、この結果、図１の面内の開口部１２１の入口領域Ｓ₁₂₁の経路は、直線Ｄ₃₁との間に非ゼロの角度φを形成する。

角度θ及びφの値を考慮することにより、容積Ｖ₁₀に向かう二次流れＥ₁の形態のこの流れＥの一部分の分流が円滑に実行され、これにより、流れＥ₁の速度が大きなものになるように、それぞれの開口部１２１の入口領域Ｓ₁₂₁は、表面３１をかすめる流れのＥの一部分の経路上に存在することになる。

従って、開口部１２１は、二次流れＥ₁の形態の流れＥの一部分を容積Ｖ₁₀に向かって分流するための開口部を構成している。

二次流れＥ₁は、この流れＥ₁が、羽根２との相互作用によってホイール１の回転に既に寄与したと見なすことができるように、羽根２の後縁２１の下流において流れＥから採取されている。換言すれば、流れＥ₁が容積Ｖ₁₀内に進入するという事実は、ホイール１の全体出力を低下させることがない。

天井１３とは反対側のスカート１１の自由端１１２は、部材１０からの出口開口部１４を画定しており、この出口開口部は、軸Ｘ₁₁に中心を有し、この結果、垂直に横断する流れがこの軸に対して略平行になるという意味において「軸方向である」と表現することができる。開口部１４は、軸Ｘ₁₁に対して垂直の円板の形態を有する。

開口部１４は、横断する流れが半径方向の成分をも保持するという意味において、部分的に「半径方向である」と表現することもできる。

部材１０の内部容積Ｖ₁₀は、最上部に向かって天井１３によって閉じられたスカート１１の内部半径方向容積であり、開口部１４により、その側部エッジ１１２において画定されている。

軸Ｘ₁₁の周りに均等に離隔した４つのフィン１５が容積Ｖ₁₀の内部に配置されている。それぞれのフィン１５は、平らであり、軸Ｘ₁との関係において半径方向面内において容積Ｘ₁₀の内部に配置されている。換言すれば、図４及び図７の表現において、それぞれのフィン１５は、軸Ｘ₁₁との関係において略半径方向Ｄ₁₅に延びている。

それぞれのフィン１５は、壁１２内を半径方向に通過することにより、スカート１１を天井１３に接続している。

それぞれのフィン１５は、天井１３からエッジ１１２まで延びており、直線状であると共に軸Ｘ₁₁に対して垂直である直線状の後縁１５２によって終端されている。このエッジは、軸Ｘ₁₁の方向において、即ち、部材１０がホイール上に取り付けられた場合の軸Ｘ₁の方向において、エッジ１１２から延びている。

それぞれのフィン１５は、スカート１１及び壁１２から、軸Ｘ₁₁の方向において、直線状であると共に軸Ｘ₁₁に対して平行であるエッジ１５３まで延びている。異なるフィン１５のエッジ１５３は、二次流れＥ₁を分流するための部材を伴わないゾーンが容積Ｖ₁₀の中心に配置されるように、相互に離隔している。

フィン１５は、容積Ｖ₁₀の内部において流れＥ₁に対して影響を及ぼす唯一の部材である。具体的には、容積Ｖ₁₀の中心ゾーンを占有する円錐形又は円形の部分が存在しておらず、これはまた、流れＥ₁をこの中心ゾーンにおいて循環させる。

スカート１１の外部半径方向表面が参照符号１１３によって示されている。表面１１３は、表面１２２を下方に延長させており、流れＥを、ホイール１が属する設備の下流領域に向かって、具体的には、図示されてはいない入口コンジットに向かって案内するという役割を果たす。

壁１２に開口部１２１があるので、羽根２と表面３１及び４１の間を通過する流れＥの一部分は、前述のように、容積Ｖ₁₀に進入し、次に、略軸Ｘ₁に平行な方向に流れることができ、この結果、開口部１４を介して部材１０から排出される。従って、開口部１２１は、表面１２２及び１３３の近傍において流れＥが通過するゾーンＺ₁が容積Ｖ₁₀との連通状態にしている。

流れＥ₁は、部材１０を離脱するのに伴って、ホイール１の羽根２の下流に、バンド４の下側エッジ４２の近くに位置する軸Ｘ₁の近くのゾーンＺ₂の充填すなわち「スタッフィング（ｓｔｕｆｆｉｎｇ）」をさせる。このゾーンＺ₂は、図１には、灰色のシェーディングが施された領域として表現されている。流れＥ₁は、部材１０を離脱するのに伴って、方位成分を伴って略軸Ｘ₁に平行な方向に誘導される。ゾーンＺ₂は、垂直軸を有する略円筒形の容積を構成しており、流れＥ₁は、部材１０を離脱するのに伴って、この内部を通過する。流れＥ₁は、ゾーンＺ₂内において発生する傾向を有すると共に乱流現象を生成する能力を有する流量不足（ｆｌｏｗ ｄｅｆｉｃｉｔ）を補う。流れＥ₁の速度は、図１の軸方向の断面内における軸Ｘ₁₂₁と直線Ｄ₃₁との相対的な向きのために、流れＥのものとの関係において相対的に大きいため、ゾーンＺ₂内における乱流現象を埋め合わせる効果が大きい。

部材１０の内部容積Ｖ₁₀内におけるその通過、特に、フィン１５の作用を考慮することにより、流れＥ₁は、一次流れＥとは異なる速度を有し、この結果、乱流現象の抑圧効果が改善される。

それぞれの開口部１２１のエッジ１２１Ａは、その軸Ｘ₁₂₁上に中心を有し、その最大寸法が、垂直軸との関係において、即ち、先端部が設置された構成における軸Ｘ₁及びＸ₁₁との関係において、２０°に等しい角度αだけ傾斜した直線Ｄ₁₂₁に沿ってアライメントされた状態において、細長くなっている。角度αは、ホイール１の回転の公称比速度の関数として選択され、その値は、−９０°〜９０°、好ましくは、−７５°〜−５°及び５°〜７５°の範囲であってよい。

本発明におけるホイールの回転の公称比速度とは、ホイールが１メートルの落差において稼働しなければならず、１キロワットの出力を提供しなければならない場合におけるそのホイールの回転速度である。

更に、様々な開口部１２１の軸Ｘ₁₂₁は、天井１３に近づくのに伴って、軸Ｘ₁₁との関係において発散し、この軸から自身を離隔させている。図１の面内における角度Ｘ₁₂₁の投影と軸Ｘ₁₁の間の角度βは、４５°である。この値は、部材１０の使用状態、特に、ホイール１の回転の比速度と、クラウン３の形状と、の関数として選択される。この値は、１５°〜６０°の範囲であってよい。

図７から理解されるように、開口部エッジ１２１の軸Ｘ₁₂₁は、軸Ｘ₁₁との関係において純粋に半径方向ではなく、開口部１２１の中心を通過する半径Ｒ₁₂との間に２０°の角度γを形成している。角度γの値は、部材１０の使用状態の関数として、０°〜６０°の間で選択できる。

フィン１５は、ホイール１が回転している最中に流れＥ₁が容積Ｖ₁₀に進入した場合に、この流れの経路を変更させるように備えられており、流れの経路を変更させる。これらのフィンの形状は、部材１０の使用状態に対して適合することができる。具体的には、これらは、必ずしも、平らにする必要はなく、軸Ｘ₁₁との関係において半径方向面上にアライメントする必要はなく、または、固定する必要もない。

流れＥ₁は、開口部１２を通って容積Ｖ₁₀に進入したら、開口部１４に向かって天井１３とエッジ１１２の間において先端部１０の完全な高さにわたって延びているフィン１５によって再誘導される。従って、容積Ｖ₁₀内における流れＥ₁の経路は、フィン１５によって変更され、これらのフィンは、相対的に外部から中心に向かう向きから相対的に軸方向である向きに運動するように、流れＥ₁を出口開口部１４まで案内する。

フィンが開口部１４のレベルまで延びているため、部材１０の軸方向の高さＨ₁₀は、軸Ｘ₁₁に対して平行に見た場合に、部材１０がホイール１を備えたフランシス型タービンの入口コンジット内に突出すことのできない位置に対して、比較的に低いものであってよい。実際に、エッジ１１２は、ホイール１の使用構成において、即ち、軸Ｘ₁が垂直であり、ホイールが図１に示されているように設置された場合に、エッジ４２の上方に位置する。高さＨ₁₀は、好ましくは、エッジ１１２が、バンド４上における羽根２のそれぞれのものの下側の取り付け位置２２の上方に位置するようになっている。

図示されてはいない本発明の一変形によれば、軸Ｘ₁₁に対して平行に観察した場合のスカート１１の高さを低減することができる。

入口領域Ｓ１２１の面積の合計は、開口部１２１の完成前の表面１１３及び１２２の合計面積の大きな比率を占めており、これは、流れＥ₁の速度がゾーンＺ₂内の乱流現象を補うのに十分なものになることを確実にしている。実際に、領域Ｓ₁₂₁の面積の合計は、表面１１３及び１２２の合計面積の２５％以上であり、好ましくは、５０％以上である。

図８に示されている本発明の第２の実施例において、第１の実施例のものに類似した要素は、同一の参照符号を有する。この実施例の部材又は先端部１０も、ホイールを通過する流れを部材１０の内部容積Ｖ₁₀に向かって分流させるための開口部１２１が提供された壁１２を有する。第１の実施例と同一の形状及び同一の機能を有する４つのフィンが提供されている。部材１０は、開口部１２１を完全に又は部分的に閉じると共に、その場合に二次流れＥ１を制御することを目的として、図８に矢印Ｆ₁₆によって示されているように、スカート１１の中心軸Ｘ₁₁を中心として回転する能力を有する４つの閉鎖手段１６を備えている。閉鎖手段１６は、部材１０の天井の近傍において互いに一体であってよく、例えば、カプランタービンのブレードを動作させるための類似の技法を適用することにより、ホイールのクラウンの容積Ｖ₃の内部に配置されたサーボモーターによって軸Ｘ₁₁を中心として回転するように、制御することができる。

または、この代わりに、閉鎖手段１６は、個別に制御することもできる。

具体的には、ホイール１がその公称速度において機能している場合には、閉鎖手段１６によって開口部１２１を閉じることができる。実際に、通常、この速度においては、羽根２の形状により、乱流現象の形成が最小化される。

残りの部分については、この実施例の部材１０は、以前の実施例と同様に機能し、特に、フィン１５の作用に起因したその効率及び軸方向のコンパクトさの観点において、同一の利点を有する。

図９〜図１２に示されている本発明の実施例において、第１の実施例のものに類似した要素は、同一の参照符号を有する。フランシス型のタービンホイール１は、クラウン３とバンド４の個々のぬれ表面３１及び４１の間に配置された羽根２を有する。この実施例における部材１０も、ホイール１上における固定手段が通過するための開口部１３１によって貫通された天井１３を有する。部材１０には、この場合にも天井１３の反対側において収束する円錐台形状のスカート１１が提供されている。スカート１１の対称軸Ｘ₁₁の周りに９０°で配置された４つのフィン１５が、このスカートを天井１３に対して接続しており、これにより、スカート１１の上部エッジ１１１と円板の形態を有する天井１３の外側半径方向エッジ１３２の間にギャップを維持している。この結果、部材１０の周囲全体について延長する開口部１２１が形成されており、これは、前縁を形成するフィン１５の外部半径方向エッジ１５１によって９０°ごとに中断されている。

第１の実施例と同様に、フィン１５は、部材１０との関係において流れＥ₁の排出のための開口部１４のレベルまで延びている。それぞれのフィン１５は、後縁１５２を有しており、この後縁は、スカート１１の下部自由エッジ１１２から延びており、このスカートは、垂直である軸Ｘ₁₁の方向において半径方向に開口部１４を画定している。フィンのそれぞれのものは、天井１３とエッジ１５２の間に延びる軸Ｘ₁₁に対して平行なエッジ１５３を有する。

以前と同様に、開口部１２１の入口領域は、Ｓ₁₂₁によって示されている。この入口領域は、エッジ１５１のレベルを除いて環状であり、図９及び図１２の面内におけるその経路は、フィン１５のエッジ１５１と一致する。または、この代わりに、領域Ｓ₁₂₁は、円錐台形状であってもよい。

２つのフィン１５の間に形成された開口部１２１の４つの部分のうちの１つのものの中心軸が参照符号Ｘ₁₂₁によって示されている。又、以前の実施例と同様に、下流方向において、即ち、軸Ｘ₁の方向において、図９の軸方向の断面内におけるぬれ表面３１を延長させた直線が参照符号Ｄ₃₁によって示されている。図９の子午線面内における直線Ｄ₃₁と軸Ｘ₁₂₁の投影の間の角度θは、鋭角であり、７０°程度の値を有する。実際に、角度θの値は、３０°〜８０°の間で選択できる。

開口部１２１の入口領域Ｓ₁₂₁は、直線Ｄ₃₁との間に非ゼロの角度φを形成する。

以前の実施例と同様に、スカート１１の外部表面は、参照符号１１３によって示されている。この表面は、主にクラウン３のぬれ表面３１の延長部分内に配置されるように意図されており、これとの関係において下方に変位している。開口部１２１は、角度θ及びφの値から導出されるその向きにより、ホイール１を部材１０の内部容積Ｖ₁₀に向かって通過する流れＥの一部分Ｅ₁の機能を制御できるようにしている。従って、開口部１２１によれば、容積Ｖ₁₀を通過する二次流れＥ₁を形成するように、流れＥの一部分を効果的に分流できる。次に、この二次流れＥ₁は、その内部に乱流現象を形成する可能性が高いゾーンＺ₂に等しいゾーンを充填するように、スカート１１の下側エッジ１１２によって画定された軸方向の開口部１４を通って容積Ｖ₁₀から排出することができる。二次流れＥ₁は、部材１０から排出されるのに伴って、軸Ｘ₁に対して略平行に誘導される。角度φの値も、この結果に寄与する。

二次流れＥ₁が容積Ｖ₁₀内において分流されたら、フィン１５は、第１の実施例とほとんど同様の方式により、このフローに対して作用し、これを出口開口部１４の方向に誘導し、これにより、これに対して方位成分を提供する。

この実施例においては、フィン１５は、平らであり、図１１の面内において、軸Ｘ₁₁との関係において半径方向Ｄ₁₅に方向付けされている。但し、これらは、その他の形状及びその他の向きを有することもできる。

この実施例においては、フィン１５は、第１の実施例における壁１２などの壁を使用することなしに、スカート１１及び天井１３を接続している。二次流れＥ₁を分流するというその機能に加えて、フィン１５は、部材１０の部分１１及び１３の間における接続アームの役割を果たしている。

図示されてはいない本発明の一変形によれば、軸Ｘ₁及び設置構成における部材１０と一致するスカート１１の対称軸Ｘ₁₁に対して平行に観察した場合の開口部１２１の高さＨ₁₂₁は、タービンの動作点の関数として変化できる。従って、スカート１１の上部エッジ１１１と天井１３のエッジ１３２の間の距離は、カプランタービンのブレードを調節するように使用されるものと同一タイプのサーボモーターによって調節することができる。

領域Ｓ₁₂₁の面積は、２×π×Ｒ₁₁₁×Ｈ₁₂₁に略等しく、ここで、Ｒ₁₁₁は、エッジ１１１の半径である。この面積は、スカート１１の外部表面１１３の面積の約５０％を占めており、この割合は、高さＨ₁₂₁が調節可能である場合には、必要に応じて変化させることができる。この割合は、部材１０の設計選択肢の関数として、２０％〜８０％の間に位置する。

図示されてはおらず、すべての実施例と関係する本発明の別の態様によれば、フィン１５のうちの１つ以上をスカート１１との関係において運動させることができる。この結果、これらの動作をホイール１の動作点において流れＥ₁に対して適合させることができる。

検討対象の実施例とは無関係に、フィン１５の数は、先端部１０の使用状態の関数として選択することができる。これは、１及び４を下回る又は４を上回るものであってよい。

図示されてはおらず、すべての実施例に適用可能な本発明の別の変形によれば、フィン１５は、部材１０の内部容積Ｖ₁₀の中心部分内において隣接することができる。換言すれば、フィンは、相互に接触でき、この結果、これらのエッジ１５３は、一致させることができる。この場合には、これらは、開口部１４に向かう二次流れＥ₁の循環のための平行流路を形成する。

以上において参照した様々な実施例の技術的な特徴は、１つに組み合わせることができる。

本発明による部材は、タービンポンプに装備されたホイール上に取り付けることができる。ポンプモードにおいて使用される場合には、流れは、図面に矢印Ｅ及びＥ₁によって表されているものとは反対の方向に発生し、第２の実施例を参照して説明したように、ホイールが最適な稼働状態にある場合に開口部１２１を閉鎖できることが重要である。

本発明は、ホイール１上における取り付けのために天井１３が提供された部材１０によって示されている。この種の天井は、必須ではなく、開放しているか又は開放していないかを問わず、例えば、フランジなどの、ホイールのクラウン又はハブ上におけるその他の接続部品によって置換することができる。

本発明は、ホイールのクラウン３にボルトによって締結された部材１０によって示されている。この部材は、例えば、溶接などの異なる手段によってホイールに装着することもできる。

本発明は、ホイール１のクラウンに装着されるように意図された部材１０によって示されている。これは、先端部形成部材がホイール１と一体の部分をなし、それが延長させているクラウン３と一体である場合にも、適用できる。

最後に、本発明は、特許文献１の技術的記述内容と組み合わせることができる。

又、本発明は、バンドを伴わない特殊なフランシス型ホイールと見なすことができ、その内部において羽根が固定ケーシングとの関係において回転するプロペラ型のホイールに適用することもできる。

Claims (19)

1. タービン又は水力タービンポンプ用のフランシス型ホイール（１）であって、
   前記ホイールが、クラウン（３）上に配置された複数の羽根（２）を有し、前記ホイールの前記クラウン又はハブの中心領域（３２）であって前記羽根の半径方向内側に取り付けられた先端部形成部材（１０）を備え、
   前記クラウンが、前記羽根の間を通過する流れ（Ｅ）を案内するぬれ表面（３１）を形成し、
   前記先端部形成部材が、前記流れの一部分（Ｅ₁）を前記部材の内部容積（Ｖ₁₀）に向かって分流する少なくとも１つの開口部（１２１）を備える、
   ホイール（１）であって、
   前記先端部形成部材（１０）が、前記部材の前記内部容積を収容すると共に前記流れの前記一部分（Ｅ₁）が前記部材の前記内部容積に向かって分流される、円錐台形状の環状スカート（１１）を有し、
   前記部材の前記内部容積（Ｖ₁₀）内に配置され、前記内部容積（Ｖ₁₀）に向かって分流される前記流れの前記一部分（Ｅ₁）のために前記部材（１０）から出口開口部（１４）を画定する前記スカート（１１）のエッジ（１１２）まで延びる少なくとも１つのフィン（１５）が、前記流れ（Ｅ）を分流する１つ又は複数の前記開口部（１２１）を通ってこの内部容積に進入する前記流れの前記一部分（Ｅ₁）の経路を変更することができ、
   前記流れ（Ｅ）を分流する前記少なくとも１つの開口部（１２１）の形態の、選択的（Ｆ₁₆）な閉鎖手段（１６）を有する、
   ことを特徴とする、ホイール。
2. 前記１つのフィン（１５）又は前記フィンのそれぞれが、後縁（１５２）を備え、前記後縁（１５２）が、前記ホイール（１）の回転軸（Ｘ₁）の方向に前記出口開口部（１４）を画定する前記スカート（１１）の前記エッジ（１１２）から延び、前記後縁（１５２）が、回転軸（Ｘ₁）に対して垂直である、ことを特徴とする、請求項１に記載のホイール。
3. 前記スカート（１１）の前記エッジ（１１２）が、前記ホイールのバンド（４）の下側エッジ（４２）の上方に位置するものであって、前記バンド（４）上の前記羽根（２）の下側の取り付け位置（２２）の上方に位置する、ことを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載のホイール。
4. 前記部材（１０）の前記内部容積（Ｖ₁₀）の内部の前記流れの前記一部分（Ｅ₁）に対して作用する１つ又は複数の部材が、前記１つ又は複数のフィン（１５）によって形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のホイール。
5. 各フィン（１５）が、前記ホイール（１）の前記回転軸（Ｘ₁）に対して平行である自由エッジ（１５３）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のホイール。
6. 前記フィン（１５）が、前記部材（１０）の前記内部容積（Ｖ₁₀）の中心部分に隣接することを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のホイール。
7. 前記ホイールの前記回転軸（Ｘ₁）に関して子午線面内の、前記開口部（１２１）の中心軸（Ｘ₁₂₁）の投影が、前記回転軸（Ｘ₁）と同一の面内の下流方向で、前記回転軸（Ｘ₁）の方向で、前記クラウン（３）の前記ぬれ表面（３１）を延長する直線（Ｄ₃₁）と、鋭角（θ）を形成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のホイール。
8. 前記中心軸（Ｘ₁₂₁）と前記直線（Ｄ₃₁）の間の前記角度（θ）は、８０°未満であることを特徴とする、請求項７に記載のホイール。
9. 前記中心軸（Ｘ₁₂₁）と前記直線（Ｄ₃₁）の間の前記角度（θ）は、６０°未満であることを特徴とする、請求項７に記載のホイール。
10. 前記１つのフィン（１５）又は前記フィンのそれぞれが、前記部材（１０）を前記ホイール（１）の前記クラウン又は前記ハブに接続する部分（１３）に対して、前記スカート（１１）を接続することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のホイール。
11. 前記１つのフィン（１５）又は前記フィンのそれぞれが、前記スカート（１１）の中心軸（Ｘ₁₁）に関して半径方向（Ｄ₁₅）に延びていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のホイール。
12. 分流用の１つの前記開口部（１２１）又は分流用のそれぞれの前記開口部が、前記先端部形成部材（１０）の円筒形又は円錐台形の壁（１２）に形成されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のホイール。
13. 分流用の１つの前記開口部（１２１）又は分流用のそれぞれの前記開口部が、細長くなっており、前記開口部の最大寸法（Ｄ₁₂₁）が、前記先端部形成部材（１０）の中心軸（Ｘ₁₁）に関して−９０°〜９０°の範囲の角度（α）だけ傾斜している、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のホイール。
14. 分流用の１つの前記開口部（１２１）又は分流用のそれぞれの前記開口部が、細長くなっており、前記開口部の最大寸法（Ｄ₁₂₁）が、前記先端部形成部材（１０）の中心軸（Ｘ₁₁）に関して−７５°と−５°の間の範囲又は５°と７５°の間の範囲の角度（α）だけ傾斜している、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のホイール。
15. 前記流れを分流する前記開口部（１２１）が、前記スカート（１１）と、前記部材（１０）を前記ホイールの前記クラウン（３）又は前記ハブと接続する部分（１３）と、の間において、前記部材（１０）の周囲全体にわたって延びていることを特徴とする、請求項１〜１０のうちのいずれか一項に記載のホイール。
16. 前記ホイール（１）の前記クラウン（３）又は前記ハブに対する前記スカート（１１）の位置（Ｈ₁₂₁）が、前記部材（１０）が前記ホイール上に配置された場合に垂直方向に調節できることを特徴とする、請求項１５に記載のホイール。
17. 前記流れを分流する１つ又は複数の前記開口部（１２１）の１つ又は複数の入口領域（Ｓ₁₂₁）の面積の合計が、前記先端部形成部材（１０）の外部表面（１１３、１２２）の面積の２５％以上である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のホイール。
18. 前記流れを分流する１つ又は複数の前記開口部（１２１）の１つ又は複数の入口領域（Ｓ₁₂₁）の面積の合計が、前記先端部形成部材（１０）の外部表面（１１３、１２２）の面積の５０％以上である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のホイール。
19. 水力装置の、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のホイールと相互作用する流れ（Ｅ）の変動を低減する方法であって、前記流れを分流するための１つ又は複数の前記開口部（１２１）を介して、前記流れの一部分（Ｅ₁）をホイール（１）に属する先端部形成部材（１０）の前記内部容積（Ｖ₁₀）内に進入させる工程を伴い、前記流れの経路が、前記部材の前記フィン（１５）によって変更され、前記流れのこの一部分が、軸方向の開口部（１４）を介してこの部材から排出され、前記流れのこの一部分（Ｅ₁）が、この部材から排出されるときに、前記ホイールの回転軸（Ｘ₁）に対して平行な軸を有する円筒形の容積（Ｚ₂）の内部に誘導されることを特徴とする、方法。

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