(57)【要約】      （修正有）【課題】ベーンレス空間、すなわち、ランナとガイドベーンとの間のギャップにおける圧力変動レベルを減少させる。【解決手段】ハイドロタービンは、ステータ１１によって同心的に取り囲まれるランナ１２を有するロータを備え、ランナは、ロータ軸の周りにリング状に配置されて分布される複数のランナブレード１６を備え、各ランナブレードがランナクラウン１７とランナバンド１８との間で延び、ステータは、ロータ軸の周りにリング状に配置されて分布される複数のガイドベーン１５を備え、各ガイドベーンが上側ステータリング１９と下側ステータリング２０との間で延び、少なくともランナバンドと下側ステータリングとの間に所定のクリアランス（Ｃ）が設けられる。前記所定のクリアランスＣを実質的に増大させることによって、ランナブレードとガイドベーン間のベーンレスギャップＶＧにおける圧力脈動の実質的な減少が達成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナクラウン（１７）と、ランナバンド（１８）と、前記ランナクラウン（１７）と前記ランナバンド（１８）との間で延びる複数のランナブレード（１６）とを備えるランナ（１２）と、
前記ランナを取り囲むステータ（１１）であって、上側ステータリング（１９）と、下側ステータリング（２０）と、前記上側ステータリング（１９）と前記下側ステータリング（２０）との間で延びる複数のガイドベーン（１５）とを備える、ステータ（１１）と、
を備えるハイドロタービン（１０）において、
前記ランナ（１２）と前記ステータ（１１）との間のクリアランス（Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、ＣＢ、ＣＣ）が、前記ランナ（１２）の前記ランナブレード（１６）と前記ステータ（１１）の前記ガイドベーン（１５）との間のベーンレスギャップ（ＶＧ）で生じる圧力脈動（２２）を最小にするように配置されることを特徴とするハイドロタービン（１０）。
【請求項２】
前記クリアランスは、
前記ランナクラウン（１７）と前記上側ステータリング（１９）との間の第１のクリアランス（ＣＣ）を備え、前記第１のクリアランス（ＣＣ）と前記ランナクラウン（１７）の半径（ＲＣ）との間で第１の比率（ＣＣ／ＲＣ）が規定されることを特徴とする請求項１記載のハイドロタービン。
【請求項３】
前記第１の比率（ＣＣ／ＲＣ）が０．０２であることを特徴とする請求項２記載のハイドロタービン。
【請求項４】
前記第１のクリアランス（ＣＣ）と前記第１の半径（ＲＣ）との間の前記第１の比率（ＣＣ／ＲＣ）が０．０２未満であることを特徴とする請求項２記載のハイドロタービン。
【請求項５】
前記第１のクリアランス（ＣＣ）と前記第１の半径（ＲＣ）との間の前記第１の比率（ＣＣ／ＲＣ）が０．０２よりも大きいことを特徴とする請求項２記載のハイドロタービン。
【請求項６】
前記クリアランスは、
前記ランナバンド（１８）と前記下側ステータリング（２０）との間の第２のクリアランス（ＣＢ）を備え、前記第２のクリアランス（ＣＢ）と第２の半径（ＲＢ）との間で第２の比率（ＣＢ／ＲＢ）が規定されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載のハイドロタービン。
【請求項７】
前記第２のクリアランス（ＣＢ）と前記第２の半径（ＲＢ）との間の前記第２の比率（ＣＢ／ＲＢ）が０．０２であることを特徴とする請求項６記載のハイドロタービン。
【請求項８】
前記第２の比率（ＣＢ／ＲＢ）が０．０２未満であることを特徴とする請求項６記載のハイドロタービン。
【請求項９】
前記第２の比率（ＣＢ／ＲＢ）が０．０２よりも大きいことを特徴とする請求項６記載のハイドロタービン。
【請求項１０】
前記第１のクリアランス（ＣＣ）と前記第１の半径（ＲＣ）との間の前記第１の比率（ＣＣ／ＲＣ）は、前記第２のクリアランス（ＣＢ）と前記第２の半径（ＲＢ）との間の前記第２の比率（ＣＢ／ＲＢ）にほぼ等しいことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項記載のハイドロタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液圧機械の技術に関する。本発明は、請求項１の前文に係るハイドロタービンを参照する。
【背景技術】
【０００２】
ハイドロタービンを設計する際には、複数の目的を同時に達成する必要がある。効率が主要な目的であるように思われる。しかしながら、動作範囲を広げて、安定性および安全性に関して機械の良好な挙動を確保することが益々重要になってくる。例えば、顧客は、今現在、タービンピットにおいて低い振動レベルを得ることを求めている。これは、高強度振動が機械を破損させる可能性があるからである。
【０００３】
これらの振動は、ロータ（ランナ）とステータ（ＲＳＩ）との間の相互作用によりもたらされる液圧励振に対する構造体の機械的な応答に起因する。
【０００４】
図１は、フランシス型のハイドロタービンの主要部を一例として示す。図１のハイドロタービン１０は、ランナ１２およびタービンシャフト１２ａを有する垂直ロータを備える。ランナ１２は、ロータ軸の周りにリング状に分布される複数のランナブレード１６を備える。ロータ１２、１２ａはステータ１１によって同心的に取り囲まれ、ステータ１１は、ロータ１２、１２ａと周囲のスクロールケーシング１３との間に配置される。ステータ１１には複数の固定されて移動可能なガイドベーン１５が設けられる。ガイドベーン１５は、スクロールケーシング１３を通じて周方向態様で供給される水の流れをランナブレード１６へと方向付けてランナ１２を回転動作させる。水は、ドラフトチューブ１４を通じて軸方向でランナ１２から出る。
【０００５】
ランナ１２に対するステータ１１の位置（図１の破線の円）が図２に詳しく示される。ステータ１１のガイドベーン１５は、上側ステータリング１９と下側ステータリング２０との間で垂直方向に延びる。ランナブレード１６は、ランナ１２内においてランナクラウン１７とランナバンド１８との間で延びる。ランナバンド１８と周囲の下側ステータリング２０との間には所定のクリアランスＣが存在する。
【０００６】
このとき、ガイドベーン１５の前方のいわゆるベーンレスギャップＶＧにおけるランナブレード１６の通路は、特に高水頭ポンプタービンの場合に局所振動する圧力場を生み出す（図３の圧力脈動２２参照）。この動的な圧力場は、主に、異なる周波数で漸進的に変化するガイドベーン１５およびランナブレード１６のプロファイルの両側の圧力変化に起因する。
【０００７】
ベーンレスギャップＶＧにおけるこの振動する圧力場（または圧力変動レベル）を減少させることは、液圧機械の設計者および製造業者にとって絶え間ない課題であるが、この課題を提起する技術は殆ど存在しない。
【０００８】
文献ＷＯ２００８００４８７７Ａ１は、ロータと周囲のハウジングとを備え、ロータとハウジングとの間にシール手段を伴う、フランシスタービンまたはカプランタービンなどの反応型の水力タービンを開示する。このタイプのタービンでは、損失の大部分がシール漏れと関連するという点において問題がある。単純なラビリンスシールがしばしば使用されるが、それらのシールは、大きなクリアランスを必要とし、そのため、大きな損失を有する。この背景では、とりわけ高水頭フランシスタービンにおいて効率向上を得るために、現在のラビリンスシール形態および他の従来のシール形態よりもかなり小さいクリアランスを可能にする水力タービンシールシステムを設けることが重要であると言われている。提案されたシール手段は、ロータの最大径方向寸法の大きな割合である径方向距離をロータ軸から隔てて位置されるブラシシールを備える。この開示は、革新的で、実施が容易で、低コストな手段を用いて、変動レベルを大幅に減少させることを目的とする。
【０００９】
文献ＥＰ０５６５８０５Ａ１は、反応ハイドロタービンにおける出力および液圧のパルスを制御するためのシステムを開示する。システムは、ディフューザエルボーで付加的な制御される脈動水流を導入するための手段を備え、この手段は、一緒にまたは代わりに、ａ）ディフューザの内側で第１の引き込み位置と第２の伸長位置との間を移動できる少なくとも１つの可動体と、ｂ）ディフューザと著しく平行であるとともにそれ自体の入口開口および出口開口により前記ディフューザに接続される少なくとも１つの補助ダクトとから成り、入口開口は、バルブにより制御されるディフューザエルボーの端部に位置され、また、出口開口は、ピエゾボウル（ｐｉｅｚｏｍｅｔｒｉｃ  ｂａｓｉｎ）に隣接して位置され、前記可動体およびバルブは、ディフューザの容積を変化させてディフューザ内の圧力のパルスを最小限まで減少させるとともにタービンのロータの流量、ギャップ、トルク、および、出力を一定に維持するように制御される。
【００１０】
文献ＵＳ２００４／０３７６９８Ａ１は、フランシスのための出口ステイ装置（Ｅｘｉｔ  Ｓｔａｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ）およびプロペラハイドロタービンについて記載する。装置の目的は、最大効率の著しい減少を伴うことなく最適条件以外の全てのタービン動作形態においてタービン効率の損失と軸方向円形渦により引き起こされるドラフトチューブ内の強力な脈動とを排除することである。出口ステイ装置は、クラウンと、このクラウンに固定される出口ステイベーンとを有する。出口ステイクラウンは、タービン内に設置されると、ランナクラウンの直後に位置され、ランナクラウンは、タービンの中心軸に対して垂直な平面によって底部で先端が断ち切られる。出口ステイクラウンは、先端が断ち切られたランナクラウンと共に、ランナブレードクラウンプロファイル出口の後で水路を形成する。出口ステイベーンは、タービン軸の周りに円形配列を成して配置され、ランナブレードの後に位置されるとともに、外周がドラフトチューブコーンに対してまたはタービン排出リングとドラフトチューブコーンとに固定される出口ステイフランジに対して取り付けられる。
【００１１】
文献ＷＯ２００８／０６０１５８Ａ２は、ランナと、ランナの下流側のドラフトチューブと、ドラフトチューブ内の圧力変動を減少させるためにドラフトチューブ内へ水を導入するための注入手段とを備え、ドラフトチューブ壁の１つ以上の開口が注入水をドラフトチューブの軸方向および／または周方向でほぼ均一に分配するようになっているハイドロ反応タービンに関する。
【００１２】
従来技術に係るハイドロタービンシステムの更なる例は、以下の特許文献、すなわち、タービンを小型化する方法を開示するＪＰ５５０６０６６６、水推力を減少させるためにタービンに開口を設けることを開示するＪＰ５５０５１９６４、摩擦損失を減少させようとするシステムを開示するＪＰ０６０７４１３８、および、ランナバンドおよびクラウンの厚さと関連付けられるとともに、構造的事柄に関して剛性と関連付けられるＵＳ５２９０１４８において見出されてもよい。
【００１３】
本発明の目的は、ベーンレス空間、すなわち、ランナとガイドベーンとの間のギャップにおける圧力変動レベルを簡単な効果的方法で減少させることである。
【発明の概要】
【００１４】
本発明の一態様によれば、ランナクラウンと、ランナバンドと、ランナクラウンとランナバンドとの間で延びる複数のランナブレードとを備えてもよいランナを備えるハイドロタービンが提供される。ハイドロタービンは、好ましくはランナを取り囲むステータを備えてもよい。ステータは、上側ステータリングと、下側ステータリングと、上側ステータリングと下側ステータリングとの間で延びる複数のガイドベーンとを備えてもよい。
【００１５】
本発明は、ランナとステータとの間にクリアランスが設けられ、このクリアランスが、好ましくは、ランナのランナブレードとステータのガイドベーンとの間のベーンレスギャップで生じる圧力脈動を最小にするように配置されるという点において特徴付けられてもよい。
【００１６】
クリアランスは、局所振動する圧力場が好ましくは減少されるように寸法付けられてもよい。クリアランスのサイズおよび位置は、ステータおよびロータの寸法および形状に依存してもよい。
【００１７】
好ましい実施形態において、クリアランスは、ランナクラウンと上側ステータリングとの間の第１のクリアランスを備えてもよい。第１のクリアランスとランナクラウンの半径との間で第１の比率が規定されてもよい。好ましくは、第１の比率が０．０２の範囲内であってもよい。あるいは、第１の比率は、０．０２より小さくてもよく、または、０．０２より大きくてもよい。
【００１８】
更なる実施形態において、クリアランスは、ランナバンドと下側ステータリングとの間の第２のクリアランスを備えてもよい。第２のクリアランスと第２の半径との間で第２の比率が規定されてもよい。好ましくは、第２の比率が０．０２の範囲内であってもよい。あるいは、第２の比率は、０．０２より小さくてもよく、または、０．０２より大きくてもよい。
【００１９】
第１の比率が第２の比率にほぼ等しくてもよい。あるいは、比率が異なっていてもよい。
【００２０】
なお、従来技術は、振動する圧力場を減少させる方法の問題を考慮しない。また、ランナとステータとの間にクリアランスを設け、このクリアランスがベーンレスギャップで生じる圧力脈動を最小にするように配置されるという特徴が従来技術に開示されていない。
【００２１】
ＪＰ５５０６０６６６は、ランナの内径および幅に関する幾何学的データを取得して操作する例を提供する。本発明の好ましい実施形態では、クリアランスが従来技術で見出されるよりも大きい。実際に、ＪＰ５５０６０６６６の教示内容は、ランナとステータとの間の任意のクリアランスを減少させることであり、これは圧力脈動に有害な影響を与える。他の改変が従来技術で行なわれるが、圧力脈動を最小にするようにクリアランスを調整する影響が考慮されない。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、ステータによって同心的に取り囲まれるランナを有するロータを好ましくは備えるハイドロタービンが提供される。好ましくは、ランナは、ロータ軸の周りにリング状に配置されて分布される複数のランナブレードを備える。各ランナブレードはランナクラウンとランナバンドとの間で延びてもよい。ステータは、ロータ軸の周りにリング状に配置されて分布される複数のガイドベーンを備えてもよい。各ガイドベーンは上側ステータリングと下側ステータリングとの間で延びてもよい。少なくともランナバンドと下側ステータリングとの間に所定のクリアランスが設けられてもよい。
【００２３】
本発明は、前記ランナの前記ランナブレードと前記ステータの前記ガイドベーンとの間のベーンレスギャップで生じる圧力脈動を抑制するために前記所定のクリアランスが従来技術に対して実質的に増大されてもよいという点において特徴付けられてもよい。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ランナクラウンが第１の半径を有してもよく、前記ランナバンドが第２の半径を有してもよく、この場合、前記ランナクラウンと前記上側ステータリングとの間に第１のクリアランスが設けられてもよく、また、前記ランナバンドと前記下側ステータリングとの間の第２のクリアランスが設けられてもよく、ここで、前記第１のクリアランスと前記第１の半径との間の比率および前記第２のクリアランスと前記第２の半径との間の比率はそれぞれ、０．０２より高くてもよい。
【００２５】
具体的には、前記第１のクリアランスと前記第１の半径との間の比率は、前記第２のクリアランスと前記第２の半径との間の比率に等しくてもよい。
【００２６】
本発明の他の実施形態によれば、前記ランナクラウンが第１の半径を有してもよく、前記ランナバンドが第２の半径を有してもよく、この場合、前記ランナクラウンと前記上側ステータリングとの間に第１のクリアランスが設けられてもよく、また、前記ランナバンドと前記下側ステータリングとの間の第２のクリアランスが設けられてもよく、ここで、前記第１のクリアランスと前記第１の半径との間の比率が≦０．０２であってもよく、また、前記第２のクリアランスと前記第２の半径との間の比率が≧０．０２であってもよい。
【００２７】
本発明の更なる実施形態によれば、前記ランナクラウンが第１の半径を有してもよく、前記ランナバンドが第２の半径を有してもよく、この場合、前記ランナクラウンと前記上側ステータリングとの間に第１のクリアランスが設けられてもよく、また、前記ランナバンドと前記下側ステータリングとの間の第２のクリアランスが設けられてもよく、ここで、前記第１のクリアランスと前記第１の半径との間の比率が≧０．０２であってもよく、また、前記第２のクリアランスと前記第２の半径との間の比率が≦０．０２であってもよい。
【００２８】
当業者に容易に明らかなように、本発明の前述の態様または実施態様のいずれかの態様、実施形態、および、特徴のうちの１つ以上が容易に組み合わされてもよいことが理解されるべきである。
【００２９】
ここで、添付図面を参照して、本発明を異なる実施形態によって更に詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】フランシス型の典型的なハイドロタービンを示す。
【図２】図１に係るタービンのランナとステータとの間のギャップを拡大した細部として示す。
【図３】従来技術の形態に関する図２のギャップにおける圧力場および圧力脈動を示す。
【図４】本発明の一実施形態に係る増大されたギャップに関する図２のギャップにおける圧力場および圧力脈動を−図３と対照的に−示す。
【図５】本発明の一実施形態に係るクリアランス増大を定めるために使用される様々な幾何学的パラメータを示す。
【図６】提案されたクリアランス増大に起因する圧力脈動振幅の典型的な減少を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
圧力変動を減少させるための公知の解決策は、本質的には、ベーンレスギャップ（ＶＧ）領域付近の構成要素の形態および形状に焦点を合わせる。
【００３２】
圧力変動を減少させる最も知られた特定の方法としては、
・ブレード数および／またはガイドベーン数を変えること、
・ランナブレード直径、ガイドベーンの内径、および／または、ピッチ直径を変えること、
・タービン入口のランナの形態、例えば、先端の形状（放物線形状または直線形状）、ブレードの厚さ、および／または、ブレードの曲率を変えること、
が挙げられる。
【００３３】
これらの解決策のうちの幾つかは、以下の刊行物、すなわち、Ｚｈｉｇａｎｇ等の「高水頭ポンプタービンのベーンレス空間における圧力変動−概説。再生可能で持続可能なエネルギー概説。４１（２０１５）９６５−９７４において特定される。
【００３４】
前述の方法は、水力効率の低下、水力学的不安定性の増大のような逆効果を有し、したがって、トレードオフが最小の圧力脈動レベルに達すると見なされるべきである。
【００３５】
本発明は、好適には、従来技術の標準的なものと比べてロータとステータ（ランナおよびリング）との間の機械的なクリアランスをかなり増大させる。２つの非常に異なるランナに関して２つのプロジェクト中に行なわれた試験は、従来技術のシステムに対してクリアランスが増大されるときに目覚ましい結果を示した。クリアランスの増大は、圧力脈動のためのダンパーとして作用し、それにより、圧力脈動の全体のレベルが低下する。
【００３６】
主要な利点のうちの１つは、この解決策を容易に成すことができることであるとともに、それが殆ど欠点を有さないことである。
【００３７】
実質的なクリアランス増大の減衰効果が図３および図４に示される。
【００３８】
図３では、従来技術のやり方にしたがって、ランナ（ランナバンド１８）とステータ（下側ステータリング２０）との間のクリアランスＣ１が小さい。ガイドベーン１５とランナブレード１６との間の相対的な動きは、ガイドベーン１５によりもたらされる圧力脈動２２を伴う圧力場と、ランナブレード１６によりもたらされる圧力場とを生み出す（図３（ａ）の矢印）。両方の圧力場の相互作用は、適切な圧力センサ２１により測定され得る圧力（図３（ｂ）のＰ（ｔ））を増大させる。
【００３９】
径方向クリアランスＣ１−＞Ｃ２（図４（ａ））をかなり増大させると、減衰効果が得られる。これは、広げられたクリアランスＣ２を通じて脈動がベーンレスギャップ（ＶＧ）から容易に逃げることができるからである。その結果、測定される圧力脈動が大幅に減少される。
【００４０】
それぞれのクリアランス増大は、実際のプロジェクトの開発試験中に行なわれ（３０５ｍの公称水頭）、水頭の全範囲で、特にレベルが２０％から１０％へ減少した部分負荷（ｘ軸上の０．５）において、圧力変動レベルに関して目覚ましい結果を示した（図６参照）。
【００４１】
また、圧力変動のヒルチャートでは、提案されたより大きなクリアランスＣの効果が水頭の全範囲においてのみならず特に中出力（５０％＝１３０ＭＷ）〜低出力にわたっても現れることが分かる。これは、部分負荷から無負荷速度までの非常に低い値を定める用途において特に興味深い。
【００４２】
図５は、上側ステータリング１９とランナクラウン１７との間のクラウンクリアランスＣＣ、および、下側ステータリング２０とランナバンド１８との間のバンドクリアランスＣＢを示す。ＣＣおよびＣＢは、図５では等しいように示されるが、異なっていてもよい。クラウンクリアランスＣＣにはクラウン半径ＲＣが関連付けられる。バンドクリアランスＣＢにはバンド半径ＲＢが関連付けられる。
【００４３】
従来技術の機械では、典型的なＣＣ／ＲＣ比率＝ＣＢ／ＲＢ比率が約０．００７（＜０．０１２）である。本発明によれば、クリアランスの増大は、ＣＣ／ＲＣ比率＝ＣＢ／ＲＢ比率＞０．０２（試験では０．０２２４および０．０２９８）となるように定められる。
【００４４】
しかしながら、両方の比率ＣＣ／ＲＣおよびＣＢ／ＲＢは、等しい必要がなく、異なっていてもよいが、両方の比率は０．０２よりも高い（ＣＣ／ＲＣ≠ＣＢ／ＲＢおよびＣＣ／ＲＣ＞０．０２およびＣＢ／ＲＢ＞０．０２）。
【００４５】
更に、前記第１のクリアランスＣＣと前記第１の半径ＲＣとの間の比率ＣＣ／ＲＣが≦０．０２であってもよく、一方、前記第２のクリアランスＣＢと前記第２の半径ＲＢとの間の比率ＣＢ／ＲＢが≧０．０２であってもよい。
【００４６】
あるいは、前記第１のクリアランスＣＣと前記第１の半径ＲＣとの間の比率ＣＣ／ＲＣが≧０．０２であってもよく、一方、前記第２のクリアランスＣＢと前記第２の半径ＲＢとの間の比率ＣＢ／ＲＢが≦０．０２であってもよい。
【００４７】
本発明の利点としては以下が挙げられる。
【００４８】
・提案された解決策を一般に液圧ポンプ／タービンに適用できる。また、提案された解決策を（主に高水頭機械のための）フランシスタービンにも適用できる。
【００４９】
・提案された解決策は、付加的なコストを伴うことなく当面の利益を与える。
【００５０】
・提案された解決策は容易に成すことができる。それが機械設計において直接に考慮に入れられるため、特定の制約がない。
【００５１】
・設置基盤に関しては、クリアランスギャップをこれが十分であれば増大させるだけで済む（高速で、より安価である）。
【００５２】
・新たなプロジェクトにおいては、ベーンレスギャップにおける圧力変動レベルの減少に専念する設計に関して付加的なプラスの効果がある。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ハイドロタービン（例えばフランシス型）
１１  ステータ
１２  ランナ
１２ａ  タービンシャフト
１３  スクロールケーシング
１４  ドラフトチューブ
１５  ガイドベーン
１６  ランナブレード
１７  ランナクラウン
１８  ランナバンド
１９  上側ステータリング
２０  下側ステータリング
２１  圧力センサ
２２  圧力脈動
２３  ロータ軸
Ｃ  クリアランス（径方向）
Ｃ１、Ｃ２、ＣＢ  バンドクリアランス
ＣＣ  クラウンクリアランス
ＲＣ  クラウン半径
ＲＢ  バンド半径
ＶＧ  ベーンレスギャップ
【図１】
2018017234.tif 000003
【図２】
2018017234.tif 000004
【図３】
2018017234.tif 000005
【図４】
2018017234.tif 000006
【図５】
2018017234.tif 000007
【図６】
2018017234.tif 000008
【外国語明細書】
2018017234000001.pdf