JP5717882B2 - フィン及びこうしたフィンを備えた水圧エネルギーを変換する装置 - Google Patents

Description

本発明は、水圧エネルギーを電気的又は機械的エネルギーに変換する装置に関し、こうした装置は、水圧のタービンと、強制された水流をタービンに搬送する導管と、この水流がタービンを抜けると水を放出導管と、を有する。

水圧エネルギーから電気的又は機械的なエネルギーを生成するこうした装置において、１つの問題は、水を放出導管に溶解された酸素のレベルを制御することである。環境上の理由により、この酸素のレベルは、装置下流の水環境に配慮するため、最小閾値より小さいものであってはならない。

しかしながら、この酸素のレベルを制御することは、それが季節の移り変わりにおいて変化することから困難である。従って、冬では、通常、溶融した雪から酸素が徐々に来ることから、水は酸素過多の傾向にある。一方、夏では、水が装置の上流で淀むことが多く、通常、最小閾値に対して非常に低い溶解した酸素のレベルを有する。

米国特許出願公開第２３００７４８号及び米国特許出願公開第４１４２８２５号は、タービンから放出された水流を放出する放出管を有する水圧装置に関する。放出管の内部は、中空のリブを備えている。管路は、リブ内で加圧された空気をもたらす。この空気は、リブに孔を開けることによって、タービンからの放出時に水中に注入される。これらの装置は、圧縮空気をリブ内に注入するために、補助的な装置の使用を必要とする。本発明は、特に、水圧機械の放出導管内に突出して取り付けられるように構成されたフィンを提案することによって、この欠点を改善することを目的とする。本発明によれば、フィンは、孔を有する第１面と、中実の第２面とを有する。フィンは、第１面及び第２面間に単独でキャビティを画成し、キャビティは、放出導管の外側を第１面の孔と接続する。

本発明によれば、フィンの角度位置は、水流に面するフィンの側に過圧を生成し、且つ、その反対側に負圧を生成するように決定される。この負圧は、フィンの孔を通して放出導管の外部の空気を自動的に吸引し、圧縮空気を供給する能動的な装置を用いる必要性無しに、吸引された空気を放出された水に注入する。さらに、装置を通過する水流に溶解することが望ましい空気の量を変化させるために、フィンの角度的な配向を修正することができる。

さらに、フィンは、放出導管内の水流を安定化させるようなタービンから放出される水流の回転要素を考慮することによって、通常「揺らぎ（Ｆｌａｒｅ）」として参照される渦又は乱流の形成を減少させるために用いてもよい。有利ではあるが必須ではない本発明の態様によれば、こうした装置は、技術的に許容される以下の組み合わせを考慮し、１つ又は複数の以下の図面に組み込まれている。

− フィンの第１面は平坦である。
− フィンの第２面は平坦である。
− フィンの第１面及び第２面は平行である。
− フィンの第１面及びフィンの第２面は、対向しており、且つ、フィンの中間平面の両側に配置されている。

また、本発明は、水圧エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であって、水圧機械と、強制された水流を水圧機械に搬送する導管と、水圧機械から放出された水流を放出する放出導管と、放出導管の壁部から突出する複数の要素であって、要素の各々が、放出導管の外側を突出する要素に形成された孔と接続するキャビティを画成する要素とを具備する装置に関する。突出する要素が、放出導管内に突出して取り付けられ、放出導管の壁部に対する割線の軸線周りに移動可能である本発明による少なくとも１つフィンを有し、装置が、各フィンの角度位置をその回転の軸線周りに制御する手段を具備する。

有利には、必須ではないが、少なくとも１つのフィンが、放出導管の壁部内に後退可能であり、手段は、フィンの各々が壁部内に後退する程度を調節可能である。

本発明は、単なる例示を前提として、添付した図面を参照しながら、本発明の原理に従う以下の装置の説明を考慮して、より理解され且つ本発明の他の利点がより明確になるであろう。

本発明に係る装置の外形の略断面図である。 図１における装置の部分を形成するフィン及びフィンを保持する手段の断面を示す図１の詳細図ＩＩに対応する拡大図である。 図２のフィンの拡大側面図である。 図１の装置における水流の中のフィンを示す図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。

図１に示された装置Ｉは、フランシス型のタービン１を有し、そのホイール２は、図示しない水堰から来る強制された水流Ｅによって、鉛直軸線Ｘ₂周りに回転されるように構成される。ホイール２に対して固定されるシャフト３は、図示しないネットワークに対して固定周波数で交流電流を伝達する交流電源４に対して連結される。従って、装置Ｉは、水流Ｅの水圧エネルギーを電気的エネルギーに変換する。装置Ｉは、水堰から供給されるいくつかのタービン１を有してもよい。

変形例において、シャフト３は、機械的な組立体に連結されてもよく、この場合において、装置Ｉは、水流Ｅの水圧エネルギーを機械的エネルギーに変換する。

供給管路５は、水流Ｅをホイール２にもたらし、水堰と水流Ｅを調整する羽根６１を備えたタンク６との間を延在する。

導管８は、水流Ｅを放出してそれを水堰が供給される川又は水路の底に戻すために、タービン１の下流に設けられる。この放出導管８は、吸引管と呼ばれることもある。

制御ユニット１０は、特に、交流電源４から供給されるネットワークの電気的な要件及び水流Ｅに利用可能な水の流量に応じて、タービン１を制御するために設けられている。これを行うため、制御ユニット１０は、機械内に入る水の流量、ひいては電気的ネットワークの要件を満たすために交流電源４によって回復された出力を調節するための制御信号Ｓ１を羽根６１に送信する。

導管８は、截頭円錐形でホイール２の回転軸線Ｘ₂を中心とした略鉛直な上流部８１を有する。また、導管８は、略水平な軸線Ｘ₈₂を中心とした下流部８２を有する。この軸線Ｘ₈₂は、水平面に対して２０度より小さい角度を形成する点において、略水平である。実際には、軸線Ｘ₈₂は、水流Ｅの方向に僅かばかり上りであってもよい。９０度の曲管８３が、導管８の上流部８１及び下流部８２を接続する。

導管８は、その上流部８１において、軸線Ｘ₂の方向に上流部８１の壁部８４から突出するいくつかのフィン２０を有している。これらのフィン２０は、壁部８４に沿って、ホイール２から現れるように流れる水流Ｅの部分によって一掃されるように構成される。フィン２０は、取り付けられており、言い換えると、それらは、導管８の部分を形成せず、導管８に接続されている。

軸線Ｘ₂を含む鉛直面における断面図である図１は、２つのフィン２０を示しているが、実際には、フィン２０の数は、２より大きくてもよい。この数は、上流部８１の径及び水流Ｅのために提供される流量に応じて選択される。

図２及び図４によってより具体的に示されるように、各フィン２０は、中空であり、且つ、２つの平行で対向する側面２０１及び側面２０２を有し、これら側面は、側面２０１及び側面２０２間に位置する中間平面Ｐ２０の両側に配置される。中間平面Ｐ２０は、フィン２０を二等分する平面である。各フィン２０の第１の側面２０１は、側面２０１及び側面２０２間においてフィン２０内に画成されたキャビディＣ₂₀と連通するいくつかの孔２００開けられている。各フィンの第２の側面２０２は、中実であり、すなわち孔を有さない。

各フィン２０は、単独でキャビティＣ₂₀を画成し、言い換えると、各キャビティＣ₂₀は、フィン２０によって完全に形成されている。例えば、キャビティＣ₂₀は、放出導管８の一部によって形成されていない。

図２から特により明らかなように、各フィン２０は、壁部８４に対して垂直な軸線Ｘ₂₂を中心とした、円形の基部を備えた円筒形の本体２２内に取り付けられたピストン２１に対して固定されている。ピストン２１は、シール２１１及びシール２１２を備え、円板状のプレート２４を貫通するロッド２３に対して固定され、矢印Ｆ１及び矢印Ｆ２によって示されるように、軸線Ｘ₂₂に沿ってこのプレートに対してスライド可能である。ピストン２１及びロッド２３は、軸線Ｘ₂₂を中心とした長手経路Ｃ₂₁によって孔が開けられており、長手経路Ｃ₂₁は、放出導管８の外側に対してキャビティＣ₂₀を接続する。従って、孔２００は、外部の大気と連通する。

プレート２４は、シール２４１及びシール２４２を備え、シール２４１及びシール２４２は、シール２１１及び２１２と共に、プレート２４及びピストン２１間で且つロッド２３周囲において、本体２２内で径方向に設けられたチャンバーＣ２２の外側に対して流体的な隔離を提供する。

プレート２４は、軸線によって示されたネジによって本体２２に対して固定されている。

チャンバーＣ２２には、供給管路５から来る水が、図示しない導管を通して供給される。これによって、チャンバーＣ２２を加圧することを可能にし、その結果、矢印Ｆ２の方向にピストン２１を押圧し、且つ、壁部８４に対して軸線Ｘ₂の方向にフィン２０を突出させる効果を奏する。

チャンバーＣ２２内に供給された圧力によって、ピストン２１及びフィン２０の軸線Ｃ２２に沿って位置を制御することが可能となる。従って、ピストン２１及びフィン２０は、図２において、矢印Ｆ１及び矢印Ｆ２の方向に、軸線２２に沿って平行に移動可能である。フィン２０が、導管８の方へ向かうピストン２１の面２１３上の水圧のために、導管８の外側で壁部８４に対して後退し又は前進するように、圧力下でチャンバーＣ２２に水を供給しないようにすることができる。

部品２０から２５によって形成された部品組立体は、壁部８４に対して固定されたリング２７に固定されたカバー２６内に、軸線Ｘ₂₂周りに回転可能に取り付けられている。従って、ピストン２１及びフィン２０は、軸線Ｘ₂₂周りに回転移動可能である。ベアリングを形成するシールは、本体２２及びプレート２４周りに径方向に付加的に配置され、前述の部品組立体がカバー２６に対して回転することを可能にしている。

カバー２２に対して、軸線Ｘ₂₂に沿って軸方向に突出するその部分において、プレート２４は、電気的なサーボモータ３０の出力軸３０１によって駆動されるピニオン２９と噛合する外側にある径方向の歯２４３を備えている。このサーボモータは、電気的な信号Ｓ３を用いて制御ユニット１０によって制御される。

従って、サーボモータ３０は、制御ユニット１０から受信した制御信号Ｓ３に応じて、軸線Ｘ₂₂周りに部品２０から２５によって形成された部品組立体を回転させる。この回転は、軸線Ｘ₂₂周りのフィン２０の角度位置を変化させる。

図３から明らかなように、各フィン２０の角度位置は、軸線Ｘ₂₂上で、フィン２０の中間平面Ｐ２０と、軸線Ｘ₂₂を含む水平面Ｐ２２との間に取られる角度αによって測定可能である。フィン２０の側面２０１及び側面２０２が鉛直の場合には、角度αは９０度に等しい。

運転中において、溶解した酸素のレベルを増大させる目的で、放出導管８によって放出された水流Ｅ内の空気を溶解することが望まれる場合には、フィン２０が、壁部８４に対して軸線Ｘ₂の方向に突出するように、矢印Ｆ２の方向に、放出導管８内へフィン２０をもたらす必要がある。この運動は、制御ユニット１０によって制御される。

各フィン２０の角度位置αは、図４に示されるように、中間平面Ｐ２０が水流Ｅに対して傾斜させ、フィン２０の第２面２０２が水流Ｅに面するように調整される。角度位置αは、過圧下で第２面２０２に近接するゾーンＺ１と、負圧下で第１面２０１に近接するゾーンＺ２とを生成するために、サーボモータ３０に対して信号Ｓ３を送信する制御ユニット１０によって制御される。

ゾーンＺ２における負圧のために、図２から図４において矢印Ａによって示されるように、外部の空気は、自動的にキャビティＣ₂₀内に吸引され、孔２００を介して、水流Ｅ内へ注入される。

フィン２０の角度位置αは、ゾーンＺ２において生成された負圧の強さに影響を与え従って、水流Ｅ内に注入された空気の量に影響を与える。

孔２００の寸法及び数は、水流Ｅ内に溶解することが望ましい気泡の寸法及び量に応じて決定される。

有利には、フィン２０は、圧力変動及び放出導管８において稼働中に現れる乱流の揺らぎを減少させるために用いられ得る。これを行うために、フィン２０の角度αは、例えば仏国特許出願公開第２９４２２７４号に教示されているように、水流Ｅを修正するように調節され得る。

変形例において、その回転の軸線Ｘ₂₂に沿った各フィン２０の位置は、水が供給される圧力チャンバー以外の手段によって制御され得る。

側面２０１及び側面２０１の形状並びに側面２０２に対する側面２０１の構成に応じて、中間平面Ｐ２０は、必ずしも平坦でなくてもよい。例えば、側面２０１及び側面２０２が、円形断面を備えた円筒形の一部の形状であり、側面２０１及び側面２０２の凹面側が、同じ側に向いている場合には、中間平面は、側面２０１の半径と側面２０２の半径との間にある半径を有する円形断面を備えた円筒形の一部である。例えば、電気的なサーボモータ、又は、水圧的、機械的、或いは、電気的なジャッキを用いることもできる。

変形例において、少なくとも１つのフィン２０が、後退可能でなくてもよい。この場合、水流Ｅ内に酸素を溶解することが望ましいときに、これら後退不可能なフィン２０の側面２０１及び側面２０２は、水流を阻害しないために、水流Ｅに対して平行に方向づけられている。

本発明は、フィン２０の回転の軸線Ｘ₂₂が壁部８４に対して垂直な場合において図面に示されている。これは、必須ではなく、この壁部８４に対して固定された軸線Ｘ₂₂が、この壁部への割線（ｓｅｃａｎｔ）であれば十分である。

本発明は、すべてのフィン２０が方向付け可能、すなわち、軸線の割線周りに回転移動可能であり、特に、放出導管８の壁部８４に対して垂直である場合において示されてきた。変形例において、たったいくつかのフィン２０が方向付け可能であってもよい。さらに、たったいくつかのフィン２０が、孔２００を有してもよい。これら孔の開いていないフィン２００が、乱流の揺らぎの形成を防止するために用いられてもよい。

本発明は、各フィン２０と関連し、個別にフィン２０を制御可能にするサーボモータと共に示されてきた。フィン２０の各々の移動間での同期は、制御ユニット１０及び別々のサーボモータ３０を対象とした別々の信号Ｓ３の操作によって提供される。

変形例において、フィン２０のグループ化された制御を提供する、フィン２０を共に接続する機械的手段を用いることができる。例えば、ガイド羽根６２を制御するために、公知のチェーン又は弁調整リングを用いることができる。他の装置は、フィン２０の個別の又はグループ化された制御でフィンを回転させることが想定され得る。実際には、この回転は、任意の適切なアクチュエータ、例えば、リンクに関連した円形又は線形のジャッキによって提供され得る。ジャッキは、オイル、電流、圧縮空気又は水によって作動され得る。

本発明は、フランシス型のタービンを用いた用途で示されてきた。しかしながら、カプランタービンや、ポンプタービンと同様のスクリュー型のタービンのような、その他の型のタービンに適用してもよい。

Claims (7)

1. 水圧機械（１）の放出導管（８）内に突出して取り付けられるように構成されたフィン（２０）において、当該フィン（２０）が、孔（２００）を有する第１面（２０１）と、中実の第２面（２０２）とを具備し、当該フィン（２０）が、前記第１面（２０１）及び前記第２面（２０２）間に単独でキャビティ（Ｃ₂₀）を形成し、該キャビティが、前記放出導管（８）の外側を前記第１面（２０１）の孔（２００）と接続し、
   前記フィン（２０）の寸法によって、前記放出導管（８）の壁部（８４）に対する割線の軸線（Ｘ ₂₂ ）周りに、前記放出導管（８）に対して当該フィン（２０）の回転を可能にし、
   前記フィン（２０）の角度的な配向を修正して、放出導管（８）を通過する水流に対し自動的に吸引される空気量を調整し、これにより水に溶解された酸素レベルを調整することを特徴とするフィン。
2. 当該フィン（２０）の前記第１面（２０１）が平坦であることを特徴とする請求項１に記載のフィン。
3. 当該フィン（２０）の前記第２面（２０２）が平坦であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィン。
4. 当該フィン（２０）の前記第１面（２０１）及び前記第２面（２０２）が平行であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のフィン。
5. 当該フィン（２０）の前記第１面（２０１）及び当該フィン（２０）の前記第２面（２０２）が、対向しており、且つ、当該フィン（２０）の中間平面（Ｐ２０）の両側に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のフィン。
6. 水圧エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置（Ｉ）であって、水圧機械（１）と、強制された水流（Ｅ）を前記水圧機械（１）に搬送する導管（５）と、前記水圧機械（１）から放出された前記水流（Ｅ）を放出する放出導管（８）と、該放出導管（８）の壁部（８４）から突出する複数の要素であって、該要素の各々が、前記放出導管（８）の外側を当該突出する要素に形成された孔と接続するキャビティ（Ｃ₂₀）を画成する要素とを具備する装置（Ｉ）において、前記突出する要素が、前記放出導管（８）内に突出して取り付けられ、前記放出導管（８）の前記壁部（８４）に対する割線の軸線（Ｘ₂₂）周りに移動可能である請求項１から５のいずれか１つに記載の少なくとも１つフィン（２０）を有し、当該装置（Ｉ）が、各フィン（２０）の角度位置（α）をその回転の軸線（Ｘ₂₂）周りに制御する手段（１０）を具備することを特徴とする装置。
7. 少なくとも１つのフィン（２０）が、前記放出導管（８）の前記壁部（８４）内に後退可能であり、且つ、手段（３０）は、フィン（２０）の各々が前記壁部（８４）内に後退する程度を調節可能であることを特徴とする請求項６に記載の装置。

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