(57)【要約】本発明は、  −その周面に幾つかのペルトンカップを支持する、回転ホィールを有し；  −ペルトンカップへ噴水流をもたらすための２つ以上のノズルボディを有し；  −回転ホィールの各側かつペルトンカップの径方向外側に、回転軸に対してリング形状の、水しぶきを逃がすための案内壁が設けられ；  −案内壁が、それぞれノズルボディを収容するための開口部を有し；  −各ノズルボディの出口が、案内壁の少なくとも内側半径まで延びている、ペルトンタービンに関する。【選択図】
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１．１  その周面に幾つかのペルトンカップ（２）を支持している、回転ホィール（１）を有し；
１．２  前記ペルトンカップ（２）へ噴水流（５．１、５．２、５．３）をもたらすための２つ以上のノズルボディ（３．１、３．２、３．３）を有し；
１．３  前記回転ホィール（１）の少なくとも１つの側かつ前記ペルトンカップ（２）の径方向外側に、水しぶきを逃がすための、回転軸（１．１）に対してリング形状の案内壁（９．１、９．２）が設けられており；
１．４  前記案内壁（９．１、９．２）が、それぞれノズルボディ（３．１、３．２、３．３）を収容するための開口部を有し；
１．５  前記各ノズルボディ（３．１、３．２、３．３）の出口が、前記案内壁（９．１、９．２）の少なくとも内側半径まで延びている、
ペルトンタービン。
【請求項２】
前記案内壁（９．１、９．２）が、前記回転ホィール（１）の回転軸（１．１）に対して同軸に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のペルトンタービン。
【請求項３】
前記案内壁（９．１、９．２）が円錐状または円筒状であって、あるいは前記回転ホィール（１）から離れるにつれてトランペット形状に拡幅することを特徴とする請求項１または２に記載のペルトンタービン。
【請求項４】
前記ペルトンカップ（２）の径方向外側の端部と前記案内壁（９．１、９．２）の径方向内側の端部との間の間隔が、各ペルトンカップ（２）の径方向の延びと少なくとも等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のペルトンタービン。
【請求項５】
前記回転ホィール（１）の各側かつ前記ペルトンカップ（２）の径方向内部に、水しぶきを逃がすための他のリング形状の案内壁（１０．１、１０．２）が設けら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項に記載のペルトンタービン。
【請求項６】
個々の案内壁（９．１、９．２）および／または（１０．１、１０．２）が、周方向に延びるセグメントから構築されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のペルトンタービン。
【請求項７】
２つの互いに隣接するセグメントの互いに向き合った端部の間に、ノズルボディ（３．１、３．２、３．３）を挿通させるための開口部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のペルトンタービン。
【請求項８】
前記ノズルボディ（３．１、３．２、３．３）が、前記案内壁（１０．１、１０．２）との機械的結合を持たないことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のペルトンタービン。
【請求項９】
以下の特徴：
９．１  前記回転ホィール（１）の回転軸（１．１）が、水平に延びており、あるいは水平に対して傾斜されており；
９．２  前記案内壁（９．１、９．２；１０．１、１０．２）の少なくとも１つが、１つのリングセグメントのみからなり、そのリングセグメントが下方の回転ホィール周面の少なくとも１つの実質的な部分を解放している、
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のペルトンタービン。
【請求項１０】
以下の特徴：
１０．１  前記回転ホィール（１）の回転軸（１．１）が、垂直に延びており；
１０．２  前記案内壁（９．１、９．２；１０．１、１０．２）の少なくとも１つが、１つのリングセグメントのみからなり、そのリングセグメントが下方の回転ホィール周面の少なくとも１つの実質的な部分を解放している、
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のペルトンタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幾つかのカップを備えた回転ホィール、カップへ噴射水をもたらすための２つ以上のノズルおよび回転ホィールの両側にそれぞれ回転ホィールに対して同軸の、水しぶきを逃がすための環状の案内壁を有する、ペルトンタービンに関する。特許文献１を参照。
【背景技術】
【０００２】
ペルトンタービンにおいては、有用落差がノズル内で運動エネルギに変換される。カップは、一般にダブルカップであって、その２つの羽根は鋭いエッジによって互いに分離されている。噴射水は、カップ内でほぼ１８０度方向変換される。それによって噴射水のほぼ全部の運動エネルギが回転ホィール周面において機械エネルギに変換される。方向変換された噴射水内の残りの残留エネルギは、さらに約２から４％ある。方向変換された噴射水は、水しぶきとして回転ホィールの平面から実質的に軸方向に離れるように移動して、タービンハウジングないし下水通路の自由な表面へぶつかる。
【０００３】
上述した案内壁によって水しぶきが逃がされる。それによって、水平の軸を有するペルトンタービンにおいていわゆるフリーハング、従って回転ホィール軸と下水の水面との間の間隔、を減少させることが可能である。それによって落下高さが獲得される。水しぶきを良好に逃がすことによって、より大きい数のノズルも設けられる。それによってエネルギ密度が増大される。
【０００４】
上述した文献の既知の実施形態において、噴水流をもたらすためのノズルボディは、水しぶきを逃がす案内壁の径方向外側に配置されている。従って案内壁には孔が設けられており、それを噴水流が通り抜ける。噴水流は知られているように、それぞれ水量に応じて異なる大きさの直径を有する。孔は、最大の直径を有する噴水流を収容することができるようにするための内法幅を有している。従って、噴水流が孔の内側面と接触することが、回避される。というのはそれによってタービンの効率を減少させる摩擦エネルギが生じるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第WO2006/066691A1号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、請求項１の前文に記載されたペルトンタービンを、特にノズルと案内壁の領域内の措置によって、効率がさらに改良されるように形成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者は、案内壁内の孔の直径が大きすぎても、噴水流と孔の内側面との間に空気で満たされた空間が残って好ましくないことを、認識した。
【発明の効果】
【０００８】
従って、案内壁には、噴水流だけでなく、直径のずっと大きいノズルヘッドも収容することができる開口部が設けられる。さらに、ノズルが対応する案内壁に挿通されるので、その出口は案内壁の径方向内側のしぶきに接触する面に配置される。また、出口は、案内壁の水しぶきと接触する面を越えてさらに径方向内側へ突出してもよい。従ってこの種のコンフィグレーションにおいては、噴水流は案内壁の孔を直接通り抜けるのではなく、まったく案内されない自由水流としてノズルの出口から流出して、直接カップへ達する。
【０００９】
発明者は、さらに、従来技術において水しぶきは噴水流がペルトンカップへ衝突した後に、孔内へ吹き戻されて、水流をじゃますることを、認識した。発明に基づく実施形態において、この種の不具合は生じない。
【００１０】
それによって既知の実施形態に比較して効率が改良されたことが、明らかにされた。噴水流と孔の内側面との間の接触は、回避される。
【００１１】
従来技術と本発明を、図面を用いて詳細に説明する。その中で詳細には以下のものが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術に基づく実施形態を、特に上で挙げた特許文献１に従って、示している。
【図２】図１に示すペルトンタービンを軸垂直の断面で示している。
【図３】本発明に基づくタービンを軸断面で示している。
【図４】図３に示すタービンを、軸垂直の断面で示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１と２に示すペルトンタービンは、水平の回転軸１．１を備えた回転ホィール１を有している。回転ホィール１の周面に、多数のペルトンカップ２が固定されている。
【００１４】
３つのノズルが示されている。これらは、それぞれノズルボディ３．１、３．２、３．３を有している。各ノズルボディは、その自由端部にそれぞれノズルヘッド、すなわち４．１ないし４．２ないし４．３を支持している。
【００１５】
ノズルからは、ペルトンカップ２へ向けられた噴水流５．１、５．２および５．３が流出する。図２から認識されるように、それぞれ他のノズルヘッドを収容するために、他の２つの収容開口部が設けられている。
【００１６】
ペルトンタービンは、ハウジング６を有している。カップ内へ方向変換された水しぶきが、ハウジング６の内壁に対して放出されて、水面７．１を有する下水通路７内へ達する。いわゆるフリーハング８は、回転ホィール１の回転軸１．１と下水水面７．１の間の間隔である。
【００１７】
図１から認識されるように、回転ホィール１の両側かつペルトンカップ２の径方向外側に、２つのリング状の案内壁９．１、９．２が設けられている。さらに、２つの然るべき案内壁１０．１、１０．２が、特にここでも回転ホィール１の両側に、しかしペルトンカップ２の径方向内側に、設けられている。
【００１８】
この案内壁ペアリングは、それぞれ回転ホィール１の片側で、水しぶき排出通路１１．１、１１．２を表し、それを通して水しぶきがペルトンカップ２から離れるように案内される。
【００１９】
特に興味深いのは、ノズルヘッド４．１、４．２、４．３の配置である。すなわちこれらは、案内壁９．１、９．２の実質的に径方向外側に配置されている。案内壁は孔を有しており、そのうちの１つの孔９．１．１のみが見られる。該当するノズルボディから流出する噴射水は、上述した孔を通り抜け、従ってペルトンカップ２へ達する。孔の内法幅は、大きな直径の噴水流も通過させるために、十分に大きい。
【００２０】
他方で、本発明に基づくタービンが見られる。図３と４を参照。ここでは、径方向外側の案内壁９．１、９．２内に、十分に大きい開口部が設けられており、それを通して該当するノズルヘッド４．１、４．２、４．３が、特に径方向内側へ向かって、その出口が案内壁９．１、９．２の径方向内側の端部に位置する距離だけ、案内されている。そして、該当する噴水流は、完全に自由な水流として該当するノズルヘッド４．１、４．２、４．３の出口から流出し、孔９．１．１のような、孔を通り抜ける必要はない。これが、従来技術に基づくペルトンタービン全体の著しい効率向上をもたらす。
【００２１】
案内壁９．１、９．２と１０．１、１０．２の水を案内する面は、この場合において、回転ホィール１の回転軸１．１に対して傾斜を有している。しかしそれは、回転軸に対して他の角度を有することもでき、たとえばそれに対して平行に延びることもできる。
【００２２】
また、内側の案内壁１０．２を省くこともできる。
【００２３】
本発明の他の考えによれば、案内壁９．１、９．２および／または１０．１、１０．２はつながったリングとして形成されておらず、リングセグメントからなり、それが互いにリングを形成する。
【００２４】
セグメントは、円弧形状であることができる。しかしそれらは、直線的に形成することもできる。
【００２５】
案内壁がこのようにセグメント化されている場合に、２つの互いに隣接するセグメントの両端部は、相互に間隔を有することができ、その中にノズルボディ３．１、３．２、３．３が配置される。
【００２６】
ノズルボディは、案内壁と堅固に結合することができる。しかしそれらは案内壁とは別に取り付けて、ハウジング６と堅固に結合することもできる。
【００２７】
上述したセグメント構造は、従来のタービンに後付けする場合に、簡単かつ容易に取り付けられる利点を有している。
【００２８】
外側および／または内側の案内壁は、構造的に合体してもよくあるいは１つの構成部品からなることもできる。これは、つながったリングを有する実施形態に、あるいはセグメント化された実施形態についても言える。
【００２９】
タービンは、垂直または水平の回転軸を有することができる。回転軸は水平に対して傾斜していてもよい。
【００３０】
水平または水平に対して傾斜した回転軸を有するタービンである場合に、回転ホィールの前記上方の領域またはある１つの上方の領域を包囲する、１つの弓形セグメントのみからなる案内壁を使用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１      回転ホィール
１．１  回転ホィールの回転軸
２      ペルトンカップ
３．１  ノズルボディ
３．２  ノズルボディ
３．３  ノズルボディ
４．１  ノズルヘッド
４．２  ノズルヘッド
４．３  ノズルヘッド
５．１  噴水流
５．２  噴水流
５．３  噴水流
６      ハウジング
７      下水通路
７．１  下水水面
８      フリーハング
９．１  案内壁
９．１．１  孔
９．２  案内壁
１０．１  案内壁
１０．２  案内壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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