JP2018538478A - 水力発電タービンのブレードコネクタ - Google Patents
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Abstract
本発明は、ブレードを水力発電タービンのロータに固定するように、更に、動作中にブレードを固定して維持するように動作可能である水力発電タービンのブレードコネクタに関する。ブレードコネクタは一対の連動部分を含む。第1の部分は、テーパが付けられたブレード自体の基部である。第2の部分は、ロータに提供されるか又はロータと一体的に形成された本体部であり、ブレードの基部とテーパロックを確立するため、基部を受容するテーパ状チャネルを画定する。【選択図】図1
Description
本発明は、水力発電タービンのブレードコネクタに関し、詳しくは、ブレードの基部(root)とロータとの間において、ブレードを所定位置に固定し、かつ、動作中に受ける大きな力に耐えるインタフェースを提供しつつ、製造のコスト及び複雑性を低減するために、簡単であるが効果的な方法でブレードをタービンのロータに固定する、水力発電タービンのブレードコネクタに関する。
地球上の人口が増えるにつれて、また、技術が我々の生活にとってますます不可欠な部分になるにつれて、我々のエネルギのニーズは絶えず増大しているが、同時に、このエネルギ消費がもたらす環境へのダメージが認識されている。このため、大出力の再生エネルギの形態を求めて、多大な努力がなされている。
潮力は、そのような将来性のあるエネルギ源の1つであるが、潮汐による水力発電タービン発電機が動作しなければならない環境は厳しく過酷であるため、利用するのが最も難しいエネルギ形態の1つでもある。適切な潮汐位置(tidal site)において支配的である条件の過酷な性質によって、水力発電タービンの様々なコンポーネントは大きな力にさらされ、これはタービンの機械的コンポーネント及び電気的コンポーネントに大きい応力を加える。そのようなコンポーネントの動作障害の確率は比較的高い。
したがって、様々なコンポーネント、特にブレードのような露出する機械的部品は、このような条件に長期間にわたって耐えるよう設計され、好ましくは、より小さいコンポーネントが機能を停止した場合に備えて、あるレベルの冗長性を組み込んでいる。また、修理のためタービンを海底から回収する必要がある場合に比較的簡単な交換を可能とするため、タービンは、この場合もブレードのような消耗性の高いコンポーネントに特に重点を置いて、最大のモジュラリティで設計されるべきである。
したがって、本発明は、上記の問題に対する解決策を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様によれば、水力発電タービンのブレードコネクタであって、協働する第1及び第2のセクションを備え、第1のセクションはタービンブレードの基部の少なくとも一部を備え、第2のセクションはタービンブレードの基部の少なくとも一部を受容するためのチャネルを画定する本体部を備え、チャネルは、開口した第1の端部と、第2の端部と、第1及び第2の端部間に延びる少なくとも一対の側壁と、を備え、チャネルは第1の端部と第2の端部との間で断面積が小さくなり、更に、基部とチャネルとの間にテーパロックを確立するように動作可能なロックシステムを備えた、水力発電タービンのブレードコネクタが提供される。
好ましくは、チャネルは、ブレードの基部がチャネル内に保持された場合にブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなるように向きが定められている。
好ましくは、チャネルは、動作中にブレードが受ける遠心力及び軸方向の少なくとも一方の力が基部とチャネルとの間のテーパロックを維持する作用を起こすように向きが定められている。
好ましくは、チャネル及び基部は、テーパロックが確立された場合にチャネルの第2の端部とブレードの基部の対向する端面との間に隙間を画定するように寸法が定めされている。
好ましくは、ブレードの基部はブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなる。
好ましくは、ロックシステムはブレードの基部をチャネル内へ引き込むように動作可能なテンショナを備える。
好ましくは、テンショナは、ブレードの基部に固定されるとともに基部から突出する第1の部分と、第1の部分と係合可能であるとともに第2の端部に対して係合可能な対応する第2の部分と、を有する少なくとも1つのカップリングを備える。
好ましくは、ブレードの基部は、テンショナの第1の部分が部分的に配置される内部キャビティを画定する。
好ましくは、第2の端部は、テンショナが貫通する少なくとも1つの開口を備える。
好ましくは、ロックシステムは、チャネルの一対の側壁間に延びる1つ以上の結合部を備える。
好ましくは、ブレードの基部は、基部がチャネル内に保持された場合に1つ以上の結合部に適合させるための1つ以上のスロットを備える。
好ましくは、本体部は水力発電タービンのロータと一体的に形成されている。
好ましくは、本体部は水力発電タービンのロータに取り付け可能な挿入部を含む。
好ましくは、水力発電タービンのブレードコネクタは、チャネルの側壁とブレードの基部との間に配置可能な1つ以上のスペーサを備える。
好ましくは、チャネル及びブレードの基部の対応する部分は、ロックシステムが動作しない場合にテーパロックがブレードを保持できるように寸法が定められている。
好ましくは、水力発電タービンのブレードコネクタは、チャネルの開放端部を取り囲むフランジを備える。
本発明の第2の態様によれば、本発明の第1の態様に従って、ブレードの配列(array)及びこれに対応するブレードコネクタの配列を備えた水力発電タービンが提供される。
添付図面を参照して本発明について説明する。
添付図面を参照すると、使用時に水力発電タービン44(図8に示される)の一部を形成するロータ10が示されている。ロータ10がこれを回転可能に保持する固定筐体46(図8)に対して回転運動を起こすために、ロータ10はブレード12を横切る潮水流又は他の水流によって駆動される。筐体46は、タービン44の電気的コンポーネントが配置される空間を提供することに加えて、ロータ10を両方向に横切る水を漏斗状に流すベンチュリ管(venturi)を形成する。ロータ10は、既知の方法で電力を発生させるために、タービン44の筐体46内に配置された固定ステータに対して回転する。発電機の動作コンポーネントは当技術分野では周知であるので、その構成及び動作の少なくとも一方についての更なる説明を省略する。
図示されている実施形態において、ロータ10は、リム14から片持ちはりのように取り付けられたブレード12の配列を備えている。ブレード12はそれぞれ、ロータ10の中心に向かって半径方向内方へを延びているが、完全に中心までは延びていない。当然のことながら、本発明の動作に関する以下の説明から、ブレード12の数、並びに構成及び向きを変更し得ることは理解されよう。
ロータ10が一部を形成する関連の水力発電タービン44の通常の動作条件中に受ける著しい負荷に耐えられるように、各ブレード12をリム14上にしっかりと保持すべく、本発明は、協働する第1及び第2のセクションを備えたブレードコネクタを提供する。第1のセクションはブレード12の基部16の少なくとも一部を含み、第2のセクションは、図示されている実施形態では、挿入部18の形態である本体部18を含む。挿入部18は、リム14に形成された対応するスロット(slot)20内に配置可能である。スロット20は、リム14を外周面22から内周面24まで貫通している。
挿入部18では、挿入部18の開放端部28から対向する第2の端部30まで延びるチャネル26を画定する。チャネル26は更に、第1及び第2の端部28、30間に延びる一対の対向する側壁32を備えている。チャネル26の断面積が第2の端部30に向かうに従って小さくなるように、側壁32は第1及び第2の端部28,30間で互いの方向へ向けてテーパが付けられている。挿入部18は、スロット20内で、開放端部28が内周面24に面するとともに第2の端部30が外周面22に面するように向きが定められている。挿入部18は更に、開放端部28を取り囲むと共にスロット20の外縁の上に重なっているリップ又はフランジ33を備えている。フランジ33は、ブレード12の取り付け中にチャネル26の横方向の広がり又はき裂(opening)を低減するように作用する。これについては以下で説明する。
ブレード12の基部16は、少なくとも部分的にチャネル26内に受容され保持されるように寸法が定められている。このため、ブレード12の基部16は、基部16とチャネル26との間でテーパロックを確立してブレード12をリム14上の所定位置で固定できるように、先端部36の反対側であるブレード12の後端部34へ向かうに従って狭くなる対応したテーパを組み込んでいる。この結果、基部16は後端部34の方向に向かうに従って断面積が小さくなる。しかしながら、後端部34の断面積はチャネル26の第2の端部30における断面積よりもわずかに大きい。これによって、基部16がチャネル26内へ完全に挿入された場合に、基部16はチャネル26内で底部に到達することができず、このため、後端部34と第2の端部30との間にギャップを画定するような、後端部34を第2の端部30から離間させた状態に維持することが保証される。このギャップによって、使用時にロータ10の回転中にブレード12に対して作用する遠心力が、基部16を更にチャネル26内へ押し、基部16とチャネル26の側壁32との間に確立されたテーパロックを維持するか又は増大させることができる。このように、テーパの付いた基部16及び対応するテーパの付いた側壁32は協働してロックシステムを形成し、これは、ブレード12をリム14上に保持するために、基部16とチャネル26との間に上記のテーパロックを確立するように動作可能である。任意の構成として、図6で示されるように、基部16と側壁32との間のチャネル26内に多数のスペーサ27を配置してもよい。そのようなスペーサが使用される場合、後端部34の断面積がチャネル26の第2の端部30における断面積よりも大きいことは必須ではない。これは、スペーサ27によって後端部34がチャネル26内で底部に到達するのを防止し、基部16がチャネル26内へ完全に挿入された場合に後端部34を第2の端部30から離間させた状態に維持することが保証されるからである。
ロックシステムは、1つ以上のボルト40の形態で、好適にはボルト40の配列形態で、テンショナ38を更に備えていることが好ましい。ボルト40は、少なくとも部分的に基部16内に埋め込まれ、後端部34から突出して第2の端部30の対応する開口を貫通するので、ボルト40の自由端部はリム14の外周面22からアクセス可能となる。テンショナ38は更に、対応する数のナット42を備えている。ナット42は、外周面22からボルト40に装着されるので、ブレード12の基部16をチャネル26内に確実に引き込んで基部16とチャネル26との間にテーパロックを確立すべく、第2の端部30の外側を締め付けることが可能である。その結果、ブレード12を所定位置にしっかりと保持するために、クランプ力を、テンショナ38によって加えられた張力と組み合わせることができる。
ボルト40及びナット42は、基部16をチャネル26内へ引っ張る他の任意の適切な手段に置き換え可能であることが理解されよう。また、半径方向距離の増大と共に断面積が小さくなるというチャネル26の向きにより、テンショナ38の1つ以上が損傷又は他の原因で機能を停止した場合であっても、各ブレード12が動作中に受ける遠心力がテーパロックを維持するように、おそらく増大させるように作用するので、テンショナ38に対する冗長性が与えられることが理解されよう。
上記のように、挿入部18の開放端部28の周りにフランジ33を組み込むことは、基部16がテンショナ38によってチャネル26内へ引き込まれる際にチャネル26の横方向の広がり又はき裂若しくは変形を最小限に抑えるのに役立つ。これよりも程度は小さいが、フランジ33は、特にタービン44の動作中、著しい負荷がブレード12に加わり、基部16を介して挿入部18へ伝達される場合に、挿入部18が所定位置に保持されると共にスロット20内で移動しないことも保証できる。このため挿入部18は、好ましくは、リム14の各スロット20において所定位置に接合(bond)されるか又は他の方法で固定(affix)される。
図示されている実施形態では、本体部18はスロット20の1つに配置できる挿入部の形態であるが、本体部18はリム14と一体的に形成され得ることも想定される。
テンショナ38の代わりに又はテンショナ38に加えて、ロックシステムは変形可能な側壁32を含み得る。この場合、基部16の挿入に先立って側壁32を相互に引き離すことによってチャネル26を横方向に変形させるか又は広げることができる。そして、変形した側壁32の間に基部16が配置されると、側壁32が基部16をクランプしてこれとテーパロックを確立するために、基部16に対して内側に弾性的に変形できるように、側壁32を変形させる力が解放される。側壁32を変形させるため、例えば1つ以上の水圧式又は空圧式ジャッキ(図示省略)を使用してもよい。
別の代替案として、側壁32の変形を低減又は防止するため、側壁32の対の間に1つ以上の結合部(tie)(図示省略)を提供することができる。そのような構成では、基部16がチャネル26内へ挿入される際に結合部(図示省略)に適合させるため、基部16に、後端部34から内方に延びる、対応する数のスロット(図示省略)を提供することが必要となる。また、この構成は、基部16をチャネル26内へ確実に引き込むためテンショナ38を組み込むことができる。側壁間に延びる結合部(図示省略)は、基部16とテーパロックを確立する側壁32の表面積を最大限にするため、例えばテンショナ38によって基部16がチャネル26内へ挿入される際に側壁32の外向きの変形を最小限に抑える。
したがって、本発明のブレードコネクタは、ブレード12をロータ10のリム14に固定する比較的簡単であるが極めて効果的な手段を提供し、ブレード12を位置決めするため使用されるテンショナ38の1つ以上が故障したとしても、動作中に著しい遠心力及び軸方向の負荷を受けた場合、ブレード12が所定位置に固定された状態に維持されるのを保証することが理解されよう。
Claims (16)
- 水力発電タービンのブレードコネクタであって、協働する第1のセクション及び第2のセクションを備え、前記第1のセクションは前記水力発電タービンのブレードの基部の少なくとも一部を備え、前記第2のセクションは前記ブレードの基部の少なくとも一部を受容するためのチャネルを画定する本体部を備え、前記チャネルは、開口した第1の端部と、第2の端部と、前記第1の端部と前記第2の端部との間に延びる少なくとも1対の側壁と、を備え、前記チャネルは前記第1の端部と前記第2の端部との間で断面積が小さくなり、更に、前記基部と前記チャネルとの間にテーパロックを確立するように動作可能なロックシステムを備えた、水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記チャネルは、前記ブレードの基部が前記チャネル内に保持された場合に前記ブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなるように向きが定められている、請求項1に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記チャネルは、動作中に前記ブレードが受ける遠心力及び軸方向の少なくとも一方の力が前記ブレードの基部と前記チャネルとの間の前記テーパロックを維持する作用を起こすように向きが定められている、請求項1又は請求項2に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記チャネル及び前記ブレードの基部は、前記テーパロックが確立された場合に、前記チャネルの前記第2の端部と前記ブレードの基部の対向する端面との間に隙間を画定するように寸法が定められている、請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記ブレードの基部は、前記ブレードの先端からの距離が増大するに従って断面積が小さくなる、請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記ロックシステムは、前記ブレードの基部をチャネル内へ引き込むように動作可能なテンショナを備えている、請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記テンショナは、前記ブレードの基部に固定されるとともに前記ブレードの基部から突出する第1の部分と、該第1の部分と係合可能であるとともに前記第2の端部に対して係合可能な対応する第2の部分と、を有する少なくとも1つのカップリングを備えている、請求項6に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記ブレードの基部は、前記テンショナの前記第1の部分が部分的に配置される内部キャビティを画定する、請求項7に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記第2の端部は、前記テンショナが貫通する少なくとも1つの開口を備えている、請求項6〜請求項8のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記ロックシステムは、前記チャネルの前記少なくとも1対の側壁間に延びる1つ以上の結合部を備えている、請求項1〜請求項9のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記ブレードの基部は、該ブレードの基部が前記チャネル内に保持された場合に、前記1つ以上の結合部に適合させるための1つ以上のスロットを備えている、請求項10に記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記本体部は、前記水力発電タービンのロータと一体的に形成されている、請求項1〜請求項11のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記本体部は、前記水力発電タービンのロータに取り付け可能な挿入部を含む、請求項1〜請求項12のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記チャネルの前記少なくとも1つの側壁と前記ブレードの基部との間に配置可能な1つ以上のスペーサを更に備えた、請求項1〜請求項13のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記チャネル及び前記ブレードの基部の対応する部分は、前記ロックシステムが動作しない場合に、前記テーパロックが前記ブレードを保持できるように寸法が定められている、請求項1〜請求項14のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
- 前記チャネルの開放端部を取り囲むフランジを更に備えた、請求項1〜請求項15のいずれか1つに記載の水力発電タービンのブレードコネクタ。
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