(57)【要約】  本発明は、ねじりに対して剛性を有するロータブレードを備えた水力タービンと、水力タービンに連結されて、少なくとも間接的に発電機を駆動する駆動系と、を具備し、水流発電プラントが設計された流入速度に関して、水力タービンは、λｓ≧１となる所定の自動再始動先端速度比λｓよりも小さい先端速度比λに関して、非自動再始動となるように形成されていることを特徴とする水流発電プラントに関する。
2013525660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流発電プラントであって、
ねじりに対して剛性を有するロータブレード（３．１，３．２，３．３）を備えた水力タービン（２）と、
該水力タービン（２）に連結されて、少なくとも間接的に発電機を駆動する駆動系と、
を具備し、
前記水流発電プラントが設計された流入速度ｖにおいて、前記水力タービン（２）は、λｓ≧１となる所定の自動再始動先端速度比λｓよりも小さい先端速度比λに関して、非自動再始動となるように形成されていることを特徴とする水流発電プラント。
【請求項２】
自動再始動先端速度比に関してλｓ≧１．５が、好適にλｓ≧２が適用されることを特徴とする請求項１に記載の水流発電プラント。
【請求項３】
前記水力タービン（２）の出力最適先端速度比λｏｐｔから開始して、前記自動再始動先端速度比はλｓ≧（λｏｐｔ／６）、好適にλｓ≧（λｏｐｔ／３）、特に好適にλｓ≧（λｏｐｔ／２）が適用されることを特徴とする請求項１または２に記載の水流発電プラント。
【請求項４】
前記水力タービン（２）はゼロ交差先端速度比λ０に対応して負の出力係数ｃｐを有し、前記ゼロ交差先端速度比は前記自動再始動先端速度比λｓよりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水流発電プラント。
【請求項５】
前記ゼロ交差先端速度比に関してλ０≧１が、好適にλ０≧１．５が適用されることを特徴とする請求項４に記載の水流発電プラント。
【請求項６】
前記水力タービン（２）の各ロータブレード（３．１，３．２，３．３）は第１ラジアルセクション（１４）と第２ラジアルセクション（１５）とを具備し、前記第１ラジアルセクション（１４）に関するプロファイル挙動と設定角度挙動とは前記自動再始動先端速度比λｓよりも低い先端速度比λに適合され、前記第２ラジアルセクションに関しては、前記自動再始動先端速度比λｓよりも高い先端速度比λに適合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水流発電プラント。
【請求項７】
水流は前記水力タービン（２）に双方向に供給され得ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の水流発電プラント。
【請求項８】
前記水流タービン（２）のタービンブレード（３．１，３．２，３．３）は、少なくとも径方向の範囲の一部にわたって湾曲し且つ点対称のプロファイルを備えていることを特徴とする請求項７に記載の水流発電プラント。
【請求項９】
ねじりに対して剛性を有するロータブレード（３．１，３．２，３．３）を備えた水力タービン（２）と、該水力タービン（２）に連結されて、少なくとも間接的に発電機を駆動する駆動系と、を具備した水流発電プラントの作動方法であって、
前記水力タービン（２）の先端速度比λが所定の自動再始動先端速度比λｓ≧１であるλｓを超えるまで、モータ作動発電機の補助とともに、停止した前記水力タービン（２）を始動して水流発電プラントを始動するステップと、
前記先端速度比λが前記自動再始動先端速度比λｓよりも低く低下し、且つこれに続いて前記水力タービン（２）が自動的に制動されて停止するまで、前記水力タービン（２）の部分的制動によって前記水流発電プラントを遮断するステップと、
を含んでいることを特徴とする作動方法。
【請求項１０】
前記遮断ステップの間に、前記発電機によって発生した発電機のモーメントの増加は前記水力タービン（２）の先端速度比λを前記自動再始動先端速度比λｓよりも低く減少する子ことに使用され、前記水力タービン（２）と前記発電機とは、直接駆動するように接続されていることを特徴とする請求項９に記載の作動方法。
【請求項１１】
前記遮断ステップの間に、前記駆動系のベアリングの摩擦のモーメントは増加し、前記水力タービン（２）の先端速度比λを前記自動再始動先端速度比λｓよりも低く減少させることを特徴とする請求項１０に記載の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水流発電プラント、特に潮流からエネルギを得るプラント、およびその作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダム構造無しに、周囲流れ内に自立した水流発電プラントの作動は、潮流からエネルギを得ることに関して特に適している。言い換えると、流水内で使用して、部分的に後方に建設されたダムにおいて発電することが可能である。一般的な水流発電プラントはロータ形状の水力タービンを具備しており、ロータは、支持構造体を利用することによって水域の底部に浮揚または支持された筐体上を回転する。
【０００３】
自立プラントデザインは、広範囲のダムの建設に関して不適切とされた場所において潮汐エネルギを蓄積する構造を可能にしている。しかしながら、このタイプのプラントは、任意の構造的設備無しに可能な最長のメンテナンス期間において水無しでの作業のためのアクセスに関して設計されなければならない。さらに、可能な限り頑丈なプラントが、嵐等のの天候状態における負荷ピークに打ち勝つために、海洋において使用されるために供給されなければならない。
【０００４】
さらに、プラントをいつでも安全に停止できて、且つ停止状態のプラントを固定できるために、事前注意がなされなければならない。これは、例えば水力タービンを備えた筐体が持ち上げられて、メンテナンスを実施する場合に必要である。解決策として、水力タービンのロータブレードを回転可能にハブに固定し、ロータブレードがプラントの制動のための翼位置に回転することが提案された。さらに、一般的なプラントには、すべての環境下でロータが停止され得ることを確実にするために、ロックブレーキが設けられている。
【０００５】
回転可能にヒンジ結合されたロータブレードは水力タービンの始動挙動を確実に向上させるが、それらは高価な構造に帰結する。次にこのことはプラントの破損の可能性の増大に関連する。水力タービンのためのまたは回転ユニットの他の部品のためのロックブレーキは追加の部品を形成し、これはプラントの複雑さを増大し、トリガシステムまたはエネルギ供給システムが設けられることを必要とする。特に時々のみ作動されるブレーキ機構に関しては、特に塩水環境における海上での汚染または腐食の問題が存在している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、前述の先行技術の欠点を克服し、水流発電プラント、特に潮力プラント、およびその作動方法を提供することであり、構造的に簡素なプラントのための水力タービンの安全な停止を確実にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の基礎を形成する目的は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は従属請求項から得られる。
【０００８】
本発明は一般的な自立した水流発電プラントのための水力タービンを出発点とし、タービンはねじりに対して剛性を有するロータブレードを備えたロータの形状に形成されている。多様な形状がこれに関して実現可能であり、ハブにロータブレードを固定し、ロータブレードが径方向外向きに伸びることが可能である。このことは前方向または後方向にロータブレードの掃出しの可能性を誘起している。外側支持リングおよび径方向内向きに向けられたロータブレードは、代替の形状として実現可能である。さらに、ロータは少なくとも間接的に発電機を駆動する駆動系に連結されている。水力タービンと発電機との連結を伴った直接駆動は回転速度に対して剛性を有し、特に好適である。代替的に、発電機は機械的もしくは流体的トランスミッションを介して間接的に水力タービンに連結されているか、または力の間接的な伝達が介入した流体回路を利用して達成され得る。
【０００９】
安全な遮断のために、本発明によるプラントの水力タービンは広い作動範囲において非自動再始動として設計されており、その範囲では、自動再始動の抑制が、先端速度比λを構造的に確定された自動再始動先端速度比λｓ≧１であるλｓよりも低くなるように発生している。先端速度比λは循環速度ｕの比、すなわち流入速度ｖ（λ＝ｕ／ｖ）に対する水力タービンのロータブレード先端における接線速度として定義されており、ロータ表面上に関する周囲流れの平均は、流入速度に関して想定される。
【００１０】
自動再始動先端速度比λｓは最大先端速度比λとしてこの場合定義されており、流入速度ｖが、プラントが設計された、選択された位置において理論的に想定される特定の最大流入速度ｖｍａｘとなり、水力タービンのベアリングの制動力と、駆動系の他の回転部品の制動力と、の和が水力タービンによって発生する駆動モーメントよりも大きくなる。発電機内において発生する電磁モーメントは、ここでは考慮されない。
【００１１】
本発明によるプラントを遮断するためのより高い安全マージは、自動再始動先端速度比λｓ≧１．５、特に好適にλｓ≧２となるλｓの使用を伴うのが特に好適である。自動再始動先端速度比λｓの前述の下限は、３≦λ≦６の範囲の先端速度比λに関する出力最適規則において制御されたプラントに関係している。これと異なったプラント設計に関して、関連した出力最適先端速度比λｏｐｔからスタートした自動再始動先端速度比λｓに関する本発明により選択された下限は、λｓ≧λｏｐｔ／６、好適にλｓ≧λｏｐｔ／３、特に好適にλｓ≧λｏｐｔ／２の下限により特定される。
【００１２】
本発明の好適な実施形態に関して、水力タービンは、負の出力係数ｃｐがゼロ交差先端速度比λ０となるまでの低い先端速度比λの範囲内で存在するように構成されている。駆動系のベアリング損失は自動再始動先端速度比λｓを確定するために考慮され、したがってλｓはλ０よりも幾分大きい。本発明の特に有利な実施形態に関して、水力タービンは、ゼロ交差先端速度比λ０がλ０≧０、好適にλ０≧１．５となる状態が満足されるように構成されている。
【００１３】
モータ駆動発電機を利用して始動した場合、本発明による水流発電プラントは、プラントが水力タービン自身の駆動動作によってのみ加速され且つ出力最適作動範囲内で稼働するまで、自動再始動先端速度比λｓとなる広い範囲の先端速度比を通じて稼働しなければならない。したがって、自動再始動することのない循環速度の延長された範囲は、水力タービンが選択された位置において考慮された最大流入速度ｖｍａｘに関して非制御状態において始動されないことを確実にしている。したがって、水力タービンを固定するための別のブレーキを使用する必要がなく、結果的に、構造的に簡素化されたプラントの概念となる。
【００１４】
作動中のプラントが停止される場合、制動工程は水力タービンの循環速度ｕを低下させることによって開始され、先端速度比λは所定の自動再始動先端速度比λｓよりも小さく減少する。短時間作動のために設計されたブレーキシステムはこの目的のために使用されることが可能である。別の可能性は、発電機によって生じた発電機のモーメントを拡大することによって、制動モーメントを引き起こすことである。追加してまたはその代わりに、循環速度ｕの所望の低下はベアリング制動モーメントの短時間の増加によってもたらされる。この目的のために、ベアリングギャップへの介入によるベアリング特性における変化は、水力タービンのための摩擦ベアリングを使用する場合に考慮され得る。制動のためにとられる手段は、ここでは恒久的な作用であってはならない。それらは単に水力タービンの先端速度比λを所定の自動再始動先端速度比λｓよりも下回らせるために使用される。次いで、最終的な停止までのさらなる制動段階は、水力タービンの非自動再始動特性に基づいて自動的に得られる。
【００１５】
ロータ形状に形成された水力タービンが好適に使用され、ロータブレードは、本発明による仕様が自動再始動先端速度比λｓに関してλｓ≧１を達成するように、設定角度およびプロファイル挙動に関して形成されている。本発明の好適な実施形態に関して、局所的に画定されたロータブレードの長さの伸びの少なくとも１つの小区分は、拡張された自動再始動の抑制を確実にするように設計されている。特に、この目的のために低速移動が考慮され得る場合、負荷をかけられる径方向内側セクションはより低速となり、一方で、径方向外側セクションは最適先端速度比λｏｐｔの範囲において有利な後側移動のために特に設計されている。λ≦λｓとなる低い先端速度比の範囲における適応のための、ロータブレードの第１径方向セクションに加えて、結果的に少なくとも第２径方向セクションは、プロファイル挙動と設定角度とが範囲λ＞λｓの範囲において最も高い効率を達成するように選択されるように設けられている。
【００１６】
本発明のさらなる実施形態に関して、水力タービンの延長された自動再始動の抑制は、双方向流入特性と結合されている。特に、曲線を備えた点対称プロファイル、すなわち鏡像のエッジ形状の骨格線を備えたプロファイルが、この目的のために使用されている。λ≦λ０の低速稼働において、所望の負の出力係数はｃｐ≦０に帰結し、λｏｐｔ周辺の作動範囲において先端速度比λは２つの反対向きの方向の主流れ方向からの流入に関して受容可能な効率を導く。
【００１７】
本発明は、例示的な実施形態を参照して且つ図と併せてこれ以降さらに詳細に説明されている。これらの図は以下に詳細に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による水流発電プラントに関する、先端速度比λの関数としての出力係数ｃｐの特性挙動を示した図である。
【図２】図１による出力係数特性を備えたプラントの、可変に選択された先端速度比λとベアリングにおける速度依存制動出力損失Ｐｒとに関する流入速度ｖの関数としての水力タービンによって発生した出力Ｐを示した図である。
【図３】水力タービンのロータブレードの局所的に限定された適応を伴って、自動再始動の抑制の延長を達成した、本発明の位置実施形態を示した図である。
【図４】図３に示された水力タービンの径方向セクションに関する局所的に割り当てられた出力係数の挙動を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は本発明の好適な例示的実施形態を示しており、先端速度比λの関数として水力タービンの出力係数ｃｐの挙動を表している。出力最適先端速度比λｏｐｔ＝４とされたプラント設計が選択されている。自動再始動の抑制の延長を確実にするために、水力タービンは、低先端速度比λに関して出力係数ｃｐはゼロよりも小さくなるように形成されている。この好適な例示的実施形態に関しては、ゼロ交差先端速度比λ０はλ０＞２となるように選択されており、そのようなλ０に限りｃｐ≦０となる範囲は広がっている。さらに、自動再始動先端速度比λｓは本ケースではλｓ＞２でありそのようなλｓに限り、条件はプラントが設計されたすべての流入速度ｖに関して満足され、回転ユニットに作用する制動モーメントは水力タービンによって発生する駆動モーメントよりも大きくなる。このことは図２を参照してこれ以降に記載されている。このことは、流入速度ｖの関数として、水力タービンによって発生する駆動力Ｐを表している。出力最適化プラントの動作は、この場合、出力最適先端速度比λｏｐｔに関して達成され、本例示に関してはλｏｐｔ＝４である。この範囲において、プラントは、公称出力Ｐｎに到達し且つ出力降下が発生するまで通常操作において制御される。この目的のために、出力設備は先端速度比がλ＞λｏｐｔにおいて操作されることによって作動される。
【００２０】
図２は回転ユニットのベアリング内に発生する出力損失Ｐｒ挙動をさらに示しており、それは流入速度ｖの増加に伴って増大する。典型的に発生する出力損失は公称出力Ｐｎに対して２％よりも小さい範囲にあるので、設備出力損失Ｐｒに関しては誇張して示されている。
【００２１】
λ≦２の低先端速度比に関して、負の出力係数ｃｐが図１による好適な実施形態に存在している。本例示的実施形態に関して、図示のために誇張して示された出力損失Ｐｒを想定することで、自動再始動抑制の範囲は先端速度比λ＝２．５まで延長し、これは自動再始動先端速度比λｓに対応している。これらに関して、すべての流入速度ｖは理論的に予測された最大流入速度ｖｍａｘよりも小さい速度が適用され、条件は、水力タービンによって発生する駆動力Ｐがベアリング内の出力損失Ｐｒよりも大きくならないことを満足する。
【００２２】
図３は本発明による潮力発電プラント１を簡素化した態様の線図で示している。これは、ロータブレード３．１，３．２，３．３を備え、ねじりに対して堅固にハブ４に固定された水力タービン２を具備し、ハブ４は図示された実施形態では径方向外側を概略示している。駆動シャフト５はハブ４に隣接している。回転ユニット１０の他の部品および関連したベアリング部品ならびに発電機は、詳細には示されていない。これらは一般的に支持構造体７に載置された筐体６内に収容されている。
【００２３】
図３に示された発明の実施形態に関して、ロータブレード３．１，３．２，３．３の径方向内側領域は、本発明により選択された再始動抑制の原因となり得る。この目的のために、ロータブレード３．１の例として示されたように、第１ラジアルセクション１４は固定され、第１半径Ｒ１からより大きい第２半径Ｒ２まで広がっている。第２ラジアルセクション１５はＲ３＞Ｒ２とされた第３半径Ｒ３からより大きい第４半径Ｒ４まで広がっており、出力係数ｃｐへのかなりの寄与が先端速度比λ＞λｓに関して得られている。第１ラジアルセクション１４と第２ラジアルセクション１５との出力係数ｃｐへの寄与は、図４に示されている。これは第１の局所的に指定された出力係数Ａ１を示しており、第１ラジアルセクション１４に指定されている。これは先端速度比λ＝２．５である限り負の出力係数ｃｐとなる決定された領域を示す。したがって、第１ラジアルセクション１４は小さい先端速度比λの領域において水力タービンを制動する。この作動範囲において、正の寄与は第２の指定された出力係数Ａ２を通じて広がらず、水力タービンの再始動を引き起こすために、第２ラジアルセクション１５の寄与を反映する。全体の出力係数ｃｐは、概略第２の局所的に指定された出力係数Ａ２の挙動によって、より大きい先端速度比λに関して画定される。
【００２４】
図３はロータブレード３．２に関する近位側ハブの断面プロファイル１１の拡大図を示しており、第１半径Ｒ１と第２半径Ｒ２との間の第１ラジアルセクション１４に対応している。双方向流入流れが提供される選択されたプロファイルは、骨格線に関して反り返った追跡端部を備えているが、詳細には示されていない。プロファイルはここでは対称点１２に関して点対称である。プロファイルおよび設定角度を通して、出力係数の特性の挙動は自動再始動の抑制を延長するように画定され得る。図３はプロファイル翼弦１３の回転平面８に対する傾いた位置を示しており、回転平面８は回転ユニット１０の回転軸９によって面の法線が画定され、且つハブ４のロータブレード３．１，３．２，３．３の基点の位置によって画定されている。このことはプロファイル特性に対する設定角度の減少に帰結し、８０°〜９０°の範囲の流入角度におけるプロファイル極性は負の揚力係数を備えている。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態は、以下の保護する請求項から得られる。
【符号の説明】
【００２６】
１  ・・・水流発電プラント
２  ・・・水力タービン
３．１，３．２，３．３  ・・・ロータブレード
４  ・・・ハブ
５  ・・・駆動シャフト
６  ・・・筐体
７  ・・・支持構造体
８  ・・・回転平面
９  ・・・回転軸
１０  ・・・回転ユニット
１１  ・・・プロファイルセクション
１２  ・・・対称点
１３  ・・・プロファイル翼弦
１４  ・・・第１ラジアルセクション
１５  ・・・第２ラジアルセクション
Ａ１  ・・・第１の局所的に指定された出力係数
Ａ２  ・・・第２の局所的に指定された出力係数
ｕ  ・・・循環速度
ｖ  ・・・流入速度
ｖｍａｘ  ・・・最大流入速度
ｃｐ  ・・・出力係数
λ  ・・・先端速度比
λｏｐｔ  ・・・出力最適先端速度比
λｓ  ・・・自動再始動先端速度比
λ０  ・・・ゼロ交差先端速度比
Ｐ  ・・・駆動力
Ｐｎ  ・・・公称出力
Ｐｒ  ・・・出力損失
【図１】
2013525660.tif 000003
【図２】
2013525660.tif 000004
【図３】
2013525660.tif 000005
【図４】
2013525660.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月25日(2012.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流発電プラントであって、
ねじりに対して剛性を有するロータブレード（３．１，３．２，３．３）を備えた水力タービン（２）と、
該水力タービン（２）に連結されて、少なくとも間接的に発電機を駆動する駆動系と、
を具備し、
前記水流発電プラントが設計された流入速度ｖにおいて、前記水力タービン（２）は、λｓ≧１となる所定の自動再始動先端速度比λｓよりも小さい先端速度比λに関して、非自動再始動となるように形成されており、
前記水力タービン（２）は、前記自動再始動先端速度比λｓよりも小さいゼロ交差先端速度比λ０に対応して負の出力係数ｃｐを有することを特徴とする水流発電プラント。
【請求項２】
自動再始動先端速度比に関してλｓ≧１．５が、好適にλｓ≧２が適用されることを特徴とする請求項１に記載の水流発電プラント。
【請求項３】
前記水力タービン（２）の出力最適先端速度比λｏｐｔから開始して、前記自動再始動先端速度比はλｓ≧（λｏｐｔ／６）、好適にλｓ≧（λｏｐｔ／３）、特に好適にλｓ≧（λｏｐｔ／２）が適用されることを特徴とする請求項１または２に記載の水流発電プラント。
【請求項４】
前記ゼロ交差先端速度比に関してλ０≧１が、好適にλ０≧１．５が適用されることを特徴とする請求項１に記載の水流発電プラント。
【請求項５】
前記水力タービン（２）の各ロータブレード（３．１，３．２，３．３）は第１ラジアルセクション（１４）と第２ラジアルセクション（１５）とを具備し、前記第１ラジアルセクション（１４）に関するプロファイル挙動と設定角度挙動とは前記自動再始動先端速度比λｓよりも低い先端速度比λに適合され、前記第２ラジアルセクションに関しては、前記自動再始動先端速度比λｓよりも高い先端速度比λに適合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水流発電プラント。
【請求項６】
流は前記水力タービン（２）に双方向に供給され得ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水流発電プラント。
【請求項７】
前記水流タービン（２）のタービンブレード（３．１，３．２，３．３）は、少なくとも径方向の範囲の一部にわたって湾曲し且つ点対称のプロファイルを備えていることを特徴とする請求項６に記載の水流発電プラント。
【国際調査報告】
2013525660.tif 000007
2013525660.tif 000008
2013525660.tif 000009
2013525660.tif 000010
2013525660.tif 000011
2013525660.tif 000012