JP2014525547A - フランシスタービンまたはフランシスポンプまたはフランシスポンプタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、案内羽根を備えた羽根車；羽根車を包囲するスパイラルハウジング；幾つかのトラバースを有するトラバースリング；トラバースリングの後段に接続された、より大きいトラバースを備えた内側の案内羽根リングを有する、フランシスタービンまたは、フランシス原理に従って構築されたその他の機械に関する。本発明は、以下の特徴を有する：トラバースリングの前段に接続された、外側の案内羽根リングが設けられており；トラバースリングの一部が、より大きいトラバースをもって、スパイラルの始端から始まって、羽根車の周面の一部にわたって延びており、かつトラバースリングの一部が、より小さいトラバースをもって、スパイラルの終端まで、羽根車の他の周面にわたって延びている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フランシスタービンまたはフランシスポンプまたはフランシスポンプタービン、特に羽根車へ水を供給するために用いられる、この種のタービンの案内装置、に関する。

フランシスタービンのような水タービンには、効率およびできる限り拡大された作業領域に関してますます高くなる要請が課される。望ましいのは、極端な部分負荷タービンから過負荷タービンまで、水の通過量に関して可変に使用できることである。すべての負荷領域において、同時にタービンの振動のない運転において、できる限り高い効率を得ようとしている。

フランシスタービンは、案内羽根の調節によって、様々な駆動条件に適合される。それにもかかわらず、特に部分負荷のもとでは、定まらない流れ状況が生じ、それが、機械の著しい振動をもたらす。結果としての材料損傷は、特に構成部品の固有周波数がこの振動と一致した場合に、生じることがあり得る。タービン振動の他のマイナスの結果は、特に大型の機械にとって、この振動が電流網へもたらす影響である。同期むらが、ジェネレータを介して電流網内へ結合されて、そこで不快な出力変動として認識される。そこから、タービン駆動領域の好ましくない制限が生じる。すなわち問題のある部分負荷領域はタービンが立ち上がる場合に特に迅速に通過されなければならず、かつ連続駆動において回避されなければならない。さらに、水を案内するシステムの望ましくない相互の影響が生じる。

フランシスタービンの最適な駆動においては、水は、流入スパイラスから径方向に対称に羽根車内へ流入し、そこで回転羽根によって、ほぼ軸方向に吸い込みパイプ内へ流入し、そこで下掛け水として導き出されるように、方向変換される。このように理想的な駆動においては、吸い込みパイプ内の流れは、ほぼねじれなしである。最良点の外部のタービンの駆動状態においては、案内羽根の後方のこのねじれのない流出は、もはや与えられない。原因となる、吸い込みパイプ内の流れの回転成分と機械振動の間の関係は、知られている。吸い込みパイプ内の流れを安定させて、ねじれを抑圧するために、今日の技術の状態によれば、吸い込みパイプに沿って案内プレートが取り付けられる。この種の案内プレートは、軸方向に方向付けされた、フィンとして形成することができる。この形状は、吸い込みパイプ内のねじれの抑圧をもたらすが、効率の減少という欠点と結びついている。

この問題を解決するために、可変の案内プレートが開発され、それは、駆動条件に従って機械軸に対して平行な軸を中心に揺動することができる。案内プレートの他の構造形式は、吸い込みパイプの壁面に対して平行に方向付けされ、従って案内プレートと吸い込みパイプ壁の間の流れを安定させるおことによって流れ領域の剥離を阻止する。上述したフィン構造のように、この構造もタービンのエネルギ収量を減少させる。さらに、この種の静的または可変の構造は、タービンの製造と保守のコストを高め、従ってコスト的に重要なファクターとなる。

他の措置も知られているが、それらは複雑であるか、あるいは機械の効率を悪化させる。特許文献１を参照。

これまで認識されていない問題は、以下のことにある：トラバースリングの全トラバースが、これまでは同一の幾何学配置を有している。しかし、スパイラルハウジングは、理想的に回転対称ではない。それによって、まさに様々な貫流を有するポンプタービンにおいて、この非対称性がさらに強化される。

独国公開公報DE10213774A1

本発明の課題は、冒頭で挙げた種類のハイドロ機械を、流れの非対称性が減少され、従ってトラバースリングの領域において流れが均一になるように形成することである。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。

本発明の核心となる考えは、トラバースリングの他に、さらに外側の案内羽根リングを設けることにある。従って流れは、スパイラルハウジングから来て外側の案内羽根リングを通過して、その後トラバースリングを通り、最終的に内側の案内羽根リングを通る。

より大きいトラバースを有するトラバースリングの一部が、スパイラルの始端から始まって、羽根車の周面の一部にわたって延びており、かつより小さいトラバースを有するトラバースリングの一部が、スパイラルの終端まで、羽根車の他の周面にわたって延びている。従ってトラバースの大きさが、スパイラルの終端まで減少する。減少は、連続的な減少であってよい。

好ましい実施形態は、外側の（従って最初に貫流される）案内羽根リングの案内羽根を、スパイラルの終端まで配置し、しかしスパイラルの始端には配置しない、ことにある。

他の考えは、引っ張り負荷はスパイラルの終端へ向かって減少するので、トラバースリングのトラバースを周方向においてスパイラルの終端へ向かって一般的により弱く形成することにある。軸垂直の横断面で見て、トラバースは、スパイラル終端近傍の領域内では、その前の領域におけるよりも短く寸法設計される。それによって、外側の案内羽根リングのための空間が形成される。

図面を用いて従来技術と本発明を詳細に説明する。

従来のフランシスタービンの重要な構成部分を子午線断面で示している。 本発明に基づくフランシスタービンを軸断面で示している。 図２に示すフランシスタービンを軸垂直の断面で示している。

図１に示すフランシスタービンは、羽根車１を有している。羽根車は、多数の羽根１．１を有する。羽根車１は、回転軸２を中心に回転する。

羽根車１は、スパイラルハウジング３によって包囲されている。スパイラルハウジング３は、たとえば円形の横断面である。スパイラルハウジングは、羽根車１へ向かう、一周するスリット形状の開口部を有している。開口スリットは、一周するエッジ３．１、３．２によって画成されている。

エッジ３．１、３．２によって形成される一周するスリットに、トラバースリング４が連続している。このトラバースリングは、２つのトラバースリングデッキ４．１、４．２を有している。トラバース４．３は、タイロッドとして用いられる。

スパイラルハウジングの一周するエッジ３．１、３．２の領域は、トラバースリングデッキ４．１、４．２と溶接されている。

トラバースリングと羽根車との間には、案内羽根５を有する案内装置が設けられている。

流れ方向に見て、羽根車１に吸い込みパイプ６が接続されており、その吸い込みパイプは複数の部分を有している。

見ての通り、スパイラスハウジングは、円形の横断面を有している。一周するエッジの領域は、両方のトラバースリングデッキ４．１、４．２への接続箇所において、垂直に対して傾斜している。これは、スパイラルハウジングのエッジ領域が、羽根車１の回転軸２に対して平行に延びていないことを、意味している。図１の角度αを参照。この角度は、大体において１５から４０度である。

図２と３に示す、本発明に基づくフランシスタービンも、ここには示されない羽根車を有しているが、その回転軸２は示されている。羽根車は、スパイラルハウジング３を有している。トラバースリング４が認識される。これは、幾つかの「大きい」トラバース４．４と「小さい」トラバース４．５を有している。図３を参照。

２つの図２と２から明らかなように、大きいトラバース４．４を有するトラバースリング部分は、スパイラルの始点で始まって、回転羽根の周面のほぼ半分まで延びている。その後、小さいスパイラル４．５を有するトラバースリングの部分が続く。トラバースリングのこの部分は、スパイラルの終点まで延びている。

案内羽根５．１を有する従来の内側の案内羽根リングが認識される。この案内羽根リングは、図示されない羽根車の周面全体の回りに延びている。

さらに、案内羽根５．２を有する第２の外側の案内羽根リングが認識される。この第２の外側の案内羽根リングは、周面の一部のみにわたって延びている。それは、小さいトラバース４．５を有するトラバースリングが始まるところで、始まっている。

本発明に基づく構成は、以下の考えから出ている：

スパイラルハウジングをその径方向内側の領域内で締めてまとめるために必要な引っ張り力は、スパイラルハウジングの周方向に減少する。従ってトラバースは、周方向においてスパイラルの始点から終点まで、たとえば、図３に見られるように、その長さを減少させることによって、だんだんと弱くすることができる。それによって空間が獲得される。獲得された空間は、径方向外側の案内羽根５．２を配置するために利用される。

１ 羽根車
１．１ 羽根
２． 回転軸
３． スパイラルハウジング
３．１ スパイラルハウジングの一周するエッジ
３．２ スパイラルハウジングの一周するエッジ
３．３ より大きい直径の第１の円弧
３．４ より小さい直径の第２の円弧
３．５ より小さい直径の第３の円弧
４． トラバースリング
４．１ トラバースリングデッキ
４．２ トラバースリングデッキ
４．３ トラバース
４．４ 大きいトラバース
４．５ 小さいトラバース
５． 案内羽根
５．１ 内側の案内羽根
５．２ 外側の案内羽根
６． 吸い込みパイプ

Claims (3)

1. １．１ 案内羽根（１．１）を備えた、羽根車（１）、
   １．２ 羽根車（１）を包囲する、スパイラルハウジング（３）、
   １．３ 幾つかのトラバース（４．４、４．５）を有する、トラバースリング（４）、
   １．４ トラバースリングの後段に接続された、内側の案内羽根リング、
   を有する、フランシスタービンまたは、フランシス原理に従って構築されたその他の機械において、
   １．５ トラバースリング（４）の前段に接続された、外側の案内羽根リングが設けられており；
   １．６ より大きいトラバース（４．４）を有するトラバースリング（４）の部分が、スパイラルの始端で始まって、羽根車（１）の周面の一部にわたって延びており、より小さいトラバースを有するトラバースリング（４）の部分が、羽根車（１）の他の周面にわたってスパイラルの終端まで延びている、
   ことを特徴とするフランシスタービンまたは、フランシス原理に従って構築されたその他の機械。
2. トラバースの厚みおよび／または間隔および／または長さが−軸断面で見て−、スパイラルの始端で始まって、スパイラルの終端で終わるようにして、羽根車（１）の周面にわたって連続的に、あるいは急激に減少する、ことを特徴とする請求項１に記載の機械。
3. 案内羽根の少なくとも幾つかが、調節可能である、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の機械。

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