(57)【要約】  本発明は、水流方向(２３)に延びる共通の回転軸（３０）に沿って水流方向(２３)に関して前ホイール（１１、３１）、後ホイール（１２、３２）として続けてタービン・チューブ・セクション（１０、２１）内に配置された２つのブレード付きホイール（１１、１２、３１、３２）を含んでなり、ホイール（１１、１２、３１、３２）が、水流によって駆動され、互いに反対方向に回転するように構成されている水力発電用のタービンおよび対応する水力発電装置に関する。水力発電用のタービン特性を特に低ヘッド発電を考慮して改善するために、本発明は、第１の歯車（４６）および第２の歯車（４７）が、回転軸（３０）に沿って配置され、各歯車が、ホイール（１１、１２、３１、３２）に連結され、また、係合歯車伝導装置（４８）介して相互に連結されており、前ホイール（１１、３１）および後ホイール（１２、３２）が、回転速度に関して互いに対となっており、係合歯車伝導装置（４８）が発電機に連結可能であることを提案する。
2014512489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流方向(２３)に延びている共通の回転軸（３０）に沿って水流方向(２３)に関して前ホイール（１１、３１）および後ホイール（１２、３２）としてタービン・チューブ・セクション（１０、２１）内に続けて配置された２つのブレード付きホイール（１１、１２、３１、３２）を含んでなり、これらのホイール（１１、１２、３１、３２）が、水流によって駆動されて互いに反対の方向に回転するように構成されている水力発電のためのタービンにおいて、第１の歯車（４６）および第２の歯車（４７）が、回転軸（３０）に沿って配置されており、第１の歯車（４６）が前ホイール（１１、３１）に連結され、第２の歯車（４７）が後ホイール（１２、３２）に連結されており、第１および第２の歯車（４６、４７）の各々が、それぞれのホイール（１１、１２、３１、３２）によって駆動され、回転軸（３０）のまわりに回転するように構成されており、第１の歯車（４６）および第２の歯車（４７）が係合歯車伝導装置（４８）を介して連結されており、前ホイール（１１、３１）および後ホイール（１２、３２）が、回転速度に関して互いに対になっており、係合歯車伝導装置（４８）が発電機に連結可能であることを特徴とするタービン。
【請求項２】
第１の歯車（４６）が、第１のシャフト（５６）を介して前ホイール（１１、３１）に連結されており、第２の歯車（４７）が、第２のシャフト（５７）を介して後ホイール（１２、３２）に連結されており、シャフト（５６、５７）のうちの１つが、中空シャフトであり、他のシャフトが、中空シャフトを貫いて回転軸（３０）に沿って同心に延びていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
係合歯車伝導装置（４８）が、それを発電機に連結するためのトランスミッション・シャフト（５１）に固定されており、トランスミッション・シャフト（５１）が、タービン・チューブ・セクション（２１）の外壁面（１９）またはタービン・チューブ・セクションの前または背後のチューブ・セクション（２０、２２）の外壁面（１９）を貫いて延びていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
【請求項４】
タービン・チューブ・セクション（２１）および／またはホイール（１１、１２、３１、３２）の幾何学的形状が、前ホイール（１１、３１）および後ホイール（１２、３２）が、水流によって、ほぼ同じ回転速度で駆動されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項５】
タービン・チューブ・セクション（２１）が、水流方向(２３)に増大する内径を備えることを特徴とする請求項１〜４のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項６】
タービン・チューブ・セクション（２１）の内径が、水流が前ホイール（１１、３１）に入る位置から水流が後ホイール（１２、３２）を出る位置まで連続的に増大する勾配にしたがって増大することを特徴とする請求項５に記載のタービン。
【請求項７】
タービン・チューブ・セクション（２１）の内径の変化が、水流が前ホイール（１１、３１）に入る断面積と比較して、水流が後ホイール（１２、３２）を出る断面積のところで、水流速度が少なくとも６％、より好ましくは、少なくとも２０％だけ減らされるように選択されることを特徴とする請求項５または６に記載のタービン。
【請求項８】
前ホイール（１１、３１）または後ホイール（１２、３２）または両方が、水流がホイール（１１、１２、３１、３２）に入る前縁（３９、４０）のところで、水流がそれぞれのホイール（１１、１２、３１、３２）を出る排出縁（４０、４２）のところでの直径と比べてより小さい直径を有することを特徴とする請求項１〜７のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項９】
後ホイール（１２、３２）の排出縁直径と前縁直径との差が、前ホイール（１２、３２）の排出縁直径と前縁直径の差に比べてより大きいことを特徴とする請求項８に記載のタービン。
【請求項１０】
水流が前ホイール（１１、３１）に入るところでの前ホイール（１１、３１）の前縁直径が、水流が後ホイール（１２、３２）を出るところでの後ホイール（１２、３２）の排出縁直径のせいぜい９７％、より好ましくはせいぜい９０％、最も好ましくはせいぜい８０％であることを特徴とする請求項１〜９のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項１１】
前ホイール（１１、３１）および後ホイール（１２、３２）が、互いに密接して配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項１２】
後ホイール（１２、３２）の水流方向(２３)における長さが、前ホイール（１１、３１）の水流方向(２３)の長さと異なっていることを特徴とする請求項１〜１１のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項１３】
ホイール・ブレード（３５、３５ａ〜ｄ、３６、３６ａ〜ｃ）のピッチ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）が、水流方向(２３)において、減少することを特徴とする請求項１〜１２のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項１４】
ホイール・ブレード（３５、３５ａ〜ｄ、３６、３６ａ〜ｃ）のピッチ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の対応する半径（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）が、水流方向(２３)において増大することを特徴とする請求項１３に記載のタービン。
【請求項１５】
ホイール（３１、３２）が、回転軸（３０）に沿って水流方向(２３)に関して歯車（４６、４７）の前か後に配置されていることを特徴とする請求項１〜１４のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項１６】
異なった数のブレード（３５、３５ａ〜ｄ、３６、３６ａ〜ｃ）が後ホイール（１２、３２）と比べて前ホイール（１１、３１）に設けてあることを特徴とする請求項１〜１５のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項１７】
水流が後ホイール（１２、３２）を出る位置で、タービン・チューブ・セクション（１０、２１）に続けて吸出しチューブ・セクション（２２）が設けてあり、この吸出しチューブ・セクション（２２）が、水流方向(２３)において増大する内径と、タービン（１７）の下流側の水流速度をタービン（１７）の上流側の水流速度のレベルまで回復させるようになっている長さとを備えていることを特徴とする請求項１〜１６のうち少なくとも１項に記載のタービン。
【請求項１８】
吸出しチューブ・セクション（２２）の長さが、水流がホイールに入る前縁（３９）のところでの前ホイール（１１、３１）の直径のせいぜい４倍の値に相当することを特徴とする請求項１７に記載のタービン。
【請求項１９】
流れているか落下している水と、請求項１〜１８のうち少なくとも１項に記載の少なくとも１つのタービン（１７）とを含んでなる水力発電装置であって、流れているか落下している水が、タービン・チューブ・セクションを通して導かれる水力発電装置。
【請求項２０】
流れているか落下している水が、タービン・チューブ・セクションに入る前に、せいぜい４ｍ、より好ましくは、せいぜい２．５ｍ、最も好ましくは、せいぜい０．８ｍの水力ヘッドを呈することを特徴とする請求項１９に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水流方向に延びる共通の回転軸に沿って水流方向に関して前ホイールおよび後ホイールとしてタービン・チューブ・セクション内に続けて配置した２つのブレード付きホイール（羽根車）を含んでなる水力発電用のタービンに関する。これらのホイールは、水流によって駆動されて互いに反対方向に回転するように構成してある。本発明は、また、このようなタービンを含んでなる、流れる水または落下する水内に配置した水力発電装置（hydroelectric power plant）に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力タービンは、重力で落下するまたは流れる水から得られる水流のエネルギを変換することによって電力を生成するのに用いられる。水力ヘッドおよび水流の速度は、パラメータを決定している。現存の低ヘッド形水力タービンは、電力生成のために２０メートル未満（しばしば５メートル未満）の水流落差を使用する。
【０００３】
低ヘッド形水力利用による環境への影響については懸念がある。低ヘッド・ダム、堰、落差構造の大型構造サイズならびに浸食制御を確保するための大型水エネルギ減勢装置（water energy dissipaters）および水流速度コントローラは、自然で水遊びにも安全な河川環境および魚類の回遊の妨げの原因となる。実際には、別体の魚梯構造を必要とせず、水力発電装置を通しての掃流土砂移送用の主水流の分割も必要とせずに低ヘッド水力を利用して、魚類および残余の水がタービンに沿って通過できるようにすると非常に望ましいであろう。
【０００４】
仏国特許出願ＦＲ２７８７５２２は、空気力学流動および液体流動を使用する発電機に言及している。そのために、流れが横切るハウジング内に少なくとも１つのブレード付きロータ・ホイールが配置されている。ハウジング入口のところでの流れ速度の１／√３に相当する、ハウジング出口での流れ速度を達成するために、調整式の機械ブレーキまたは電気ブレーキまたはフラップ・ゲートのような外部調整手段によってホイールに一定の回転速度が与えられる。一実施形態において、互いに反対の回転方向を持つ２つのロータ・ホイールが、ハウジング内に続けて配置され、各ロータ・ホイールは、別体のブレーキを含んでなり、互いから独立して作動する。しかしながら、ホイールの回転速度の外部調整によって空気力学的な動力が失われる。
【０００５】
国際特許出願公開第ＷＯ２００６／０１６３６０号Ａ２は、電力生成のために使用され得るロータおよびステータを互いに反対方向に回転することを可能にするデバイスを記載している。このために、ロータおよびステータが独立して回転できるように回転軸に沿ってロータとステータとの間に発電機が配置されている。この配置は、水流方向に狭くなっている断面積を有するダムの底にコンクリートで形成された水流パイプ内にある。このデバイスは、低ヘッド水力用途にはあまり適していない。
【０００６】
英国特許出願ＧＢ１、１３２、１１７は、軸流式水力タービンのための増速機を開示している。このために、動力タービン（出力タービン）・ホイールが、周囲ハウジングの内径よりも半径方向に短くて、タービンハウジングとの間に環状通路を提供する内側シュラウドを備えるブレードを有する。比較的高い増速率を必要とする場合には、自由に互いに逆方向に回転する（二重反転の）ブレード付きホイール対がタービンハウジング内に設けられる。このような配置によれば、構造サイズが大きくなり、タービン・ブレードを短くしたことによるタービン効率の犠牲を完全に回避することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】仏国特許出願ＦＲ２７８７５２２
【特許文献２】国際特許出願公開第ＷＯ２００６／０１６３６０号Ａ２
【特許文献３】英国特許出願ＧＢ１、１３２、１１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の欠陥のうちの少なくとも１つを改善し、水力発電のための改良特性を備える冒頭で述べたタービンを提供することが本発明の一目的である。このようなタービンのために必要とされ、および／または、少なくとも１つのこのようなタービンを含んでなる対応する水力発電装置のために必要とされる構造サイズの低減を可能にするのが本発明の別の目的である。比較的低いか非常に低いヘッドで作動する水力発電装置において使用されるような能力を備えるタービンを提供することが本願発明のさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらの目的のうち少なくとも１つは、特許請求の範囲の請求項１に記載のタービンおよび請求項１９に記載の水力発電装置により達成される。従属請求項は、好ましい実施形態を規定している。
【００１０】
したがって、本発明によるタービンにおいては、第１の歯車および第２の歯車が回転軸に沿って配置され、第１の歯車が、前ホイールに連結され、第２の歯車が後ホイールに連結され、第１、第２の歯車の各々が、それぞれのホイールによって駆動され回転軸のまわりを回転するように構成されている。第１の歯車および第２の歯車は、前ホイールおよび後ホイールがこれらの歯車の回転速度に関して互いに対となるように係合歯車伝導装置を介して連結され、ここで、係合歯車伝導装置は発電機に連結可能である。
【００１１】
したがって、第１の歯車と第２の歯車との、係合歯車伝導装置を介する連結により、前ホイールと後ホイールとの間の駆動固定連結が確立され得る。この場合、ホイールの相対的な回転速度が所定比に従って同期する。こうして、タービンのより信頼性の高いランニング性能が達成され得る。この場合、好ましいことには係合歯車伝導装置を介してホイール間の有利なフィードバックがある程度まで提供される。
【００１２】
さらなる利点として、所望の電力出力を引き出すためにホイールの基準回転速度を効果的に減らすことができる。したがって、より開いた内側チューブ構造と組み合わせることのできるより穏やかに変化する水圧により、生きている水中生物に対する優しさをより高めることができる。
【００１３】
さらに、タービンからの有利な動力抽出が得られ、このとき、両方のホイールは発電に等しく貢献できる。さらにまた、係合歯車伝導装置により、両方のホイールから抽出された動力を単一の発電機に供給することが可能になる。したがって、特に、単一のホイールから供給される小さな出力を第２のホイールの貢献によって高めて発電機に充分に供給できるという点で有利である。
【００１４】
ここで、本特許出願の文脈において、「水流」という用語が流れている水および落下している水の動きを指しているということに留意されたい。
【００１５】
動力抽出のために、係合歯車伝導装置は、係合歯車伝導装置を発電機に連結するためのトランスミッション・シャフトに固定されると好ましい。ここで、トランスミッション・シャフトは、タービン・チューブ・セクション、または、タービン・チューブ・セクションの前か後のチューブ・セクションの外壁を貫いて延びる。こうして、水流に対して任意の側方距離を保ってあらゆる種類の発電機をそれぞれのサイズに係わらず外部に配置できる。しかしながら、タービン・チューブ・セクションを含んでなる水流チューブの前または後に発電機を設けることも考えられる。さらに、タービン・チューブ・セクションまたはさらに上流側もしくは下流側のチューブ・セクションの内部に発電機およびその係合歯車伝導装置への連結部を設けることも考えられる。
【００１６】
歯車配置を駆動するために、第１の歯車は、好ましくは、第１のシャフトを介して前ホイールに連結され、第２の歯車は、好ましくは、第２のシャフトを介して後ホイールに連結される。ここで、シャフトのうちの一方は中空シャフトであり、他方のシャフトは回転軸に沿って中空シャフトを貫いて同心に延びている。こうすれば、歯車を回転軸に沿って任意の位置に設けることができるという点で有利であり、水流への妨害を最小限に抑えるようにホイールならびに歯車の設計および位置を選ぶことができる。このために、第１の歯車および第２の歯車は、両ホイールの位置に対して下流側に配置されると好ましい。ホイールの位置に関して上流側の歯車配置も考えられる。さらにホイール間の歯車位置も考えられる。その場合、両方のシャフトは相互に対向して配置され得、中空シャフトは必要ない。好ましくは、歯車は、回転軸に沿って相次いで配置される。より好ましくは、歯車は、回転軸上に相互に対向して配置される。
【００１７】
好ましい実施形態によれば、係合歯車伝導装置は、好ましくは第１の歯車と第２の歯車の間に配置された単一の歯車、特に円錐歯車によって構成される。これにより、タービンからの直接的な動力抽出が可能になり、損失を最小限に抑えることができる。別の好ましい実施形態によれば、係合歯車伝導装置は、いくつかの歯車を含んでなる歯車伝導装置アセンブリによって構成される。これは、たとえば、ホイールの回転速度が互いに異なる値に、すなわち、１ではない回転速度比に同期するタービンからの動力抽出に使用され得る。これは、また、回転速度の所望の変換比を発電機に与えるのにも使用され得る。
【００１８】
ホイールの同期稼働を可能とするために、タービン・チューブ・セクションおよび／またはホイールの幾何学的形状は、好ましくは、ホイールの望ましい相対回転速度比を発生するようになっている。好ましい実施形態では、タービン・チューブ・セクションおよび／またはホイールは、前ホイールおよび後ホイールがほぼ同じ回転速度で水流によって駆動され得るように構成される。こうすることで、ホイールの安定した稼働および良好な動力抽出が達成され得る。しかしながら、他の回転速度比も考えられる。さらに、それ相応にタービン・チューブ・セクションおよび／またはホイールを適応させる種々の方法が考えられる。いくつかの好ましい方法を以下に概説する。
【００１９】
好ましくは、タービン・チューブ・セクションは、水流方向に増大する内径を備える。こうすることで、ブレード付きホイールが設けられるタービン・チューブ・セクション内で既に水の運動エネルギを低下させ得る。その結果、タービン・チューブ・セクションの背後で水流速度を低下させるのに必要とされる吸出しチューブ（draft tube）・セクションの寸法を効果的に減らすことができる。さらに、チューブ直径の増加により、後ホイールを通る流れ面積を前ホイールを通る流れ面積に関して大きくすると好ましい。それぞれの流れ面積の増大によって、後ホイールの回転速度が、前ホイールの所望回転速度に近づき、出力動力またはタービン効率の犠牲を回避できる。
【００２０】
好ましくは、タービン・チューブ・セクションの内径の変化は、水流が前ホイールに入るときの断面（断面積）と比較して、水流が後ホイールを出るところの断面積で水流速度が少なくとも６％、より好ましくは少なくとも２０％まで低下するように選ばれる。特に、水流が前ホイールに入る断面積に比べて、水流が後ホイールを出る断面積のところで、４０％〜６０％の水流速度の低下が達成されるようにタービン・チューブ・セクションの内径の変化を含んでなる好ましい構成において、最適タービン性能が立証され得た。水流速度は、好ましくは、それぞれの断面積を通過する水の速度プロフィールの平均として定義される。
【００２１】
水流が前ホイールに入る位置から水流が後ホイールを出る位置まで連続的に増大する勾配にしたがってタービン・チューブ・セクションの内径が増大するときに、ホイール回転速度の同期と組み合わされるタービン・チューブ・セクション内の水速度の特に効率的な低下が達成され得る。好ましくは、タービン・チューブ・セクションの内側壁が、断面積が水流方向において広がる凸曲率を呈する。
【００２２】
好ましくは、ホイール・ブレードのサイズおよび形状は、タービン・チューブ・セクションの内壁面形状寸法に適合させられ、したがって、ブレードの外側縁がタービン・チューブ・セクションの内壁面にほぼ直接隣接する。したがって、タービン効率が最大化され得る。
【００２３】
好ましくは、前ホイールまたは後ホイールまたは両方は、水流がホイールに入る前縁のところで、水流がそれぞれのホイールを出る排出縁のところの直径に比べて小さい直径を有する。これは、さらに、ホイール回転速度の同期に貢献する。好ましくは、後ホイールの排出縁直径と前縁直径の差異は、前ホイールの排出縁直径と前縁直径の差異に比べて大きい。
【００２４】
好ましくは、前ホイールの直径は、ホイール回転速度の同期を達成するために後ホイールの直径の６０％〜９７％の値を含んでなる。好ましい構成によれば、前ホイールの前縁直径は、後ホイールの排出縁直径のせいぜい９７％、より好ましくはせいぜい９０％、最も好ましくはせいぜい８０％である。特殊な例によれば、６５％〜７５％の前ホイールの前縁に比べて、後ホイールの排出縁の直径を増大させた好ましい構成で最適タービン性能が示され得る。
【００２５】
好ましくは、両方のホイールは、水流方向に関して歯車の前か後で回転軸に沿って配置される。前ホイールおよび後ホイールは、特に前ホイールの排出縁に後ホイールの前縁が直接的に追従するように互いに密接に近接して配置されると好ましい。こうすることで、タービン効率がさらに向上させられ得、ホイール間の中間体積部または中間分断部のところでの誤経路流れ（misrouted currents）または漏出流れ(leakage currents)が回避され得る。好ましくは、前ホイールの排出縁直径は、後ホイールの前縁直径にほぼ一致する。
【００２６】
好ましい構成によれば、後ホイール上のブレードの数と等しい数のブレードが前ホイールに設けられる。別の好ましい構成によれば、後ホイールと異なった数のブレードが前ホイールに設けられる。好ましくは、前ホイール上のブレード数は後ホイール上のブレード数よりも多い。特殊な例によれば、１つの付加的なブレードが前ホイールに設けられると好ましい。特に、４つのブレードが前ホイールに設けられると好ましく、全部で３つのブレードが後ホイールに設けられると好ましい。
【００２７】
好ましくは、後ホイールの水流方向における長さは、前ホイールの水流方向における長さとは異なっている。こうすることで、後ホイールの回転速度を、所望の出力動力またはタービン効率に従う前ホイールの所望の回転速度に近づけることができる。好ましくは、後ホイールの長さは、前ホイールの長さとは、少なくとも５％、より好ましくは、少なくとも１０％だけ異なる。それによって、異なったホイール構成が考えられる。
【００２８】
好ましい構成によれば、前ホイールは、水流方向において後ホイールより大きい長さを呈する。このようなホイール構成は、水流から伝えられる前後のホイールのエネルギを所望値、特に等しい値に平衡させるのに有利である。このようなホイール構成は、好ましくは、後ホイールと同数のブレードを前ホイールに設けるときに使用される。
【００２９】
別の好ましい構成によれば、後ホイールは、水流方向において前ホイールより長くなっている。このようなホイール構成は、後ホイールの排出縁ところで回転軸に対して垂直なラインに関してホイール・ブレードの所望ピッチ値を得るために後ホイールの長さを延ばすのに有利であり得る。このようなホイール構成は、好ましくは後ホイールよりも多い数のブレードを前ホイールに設けるときに使用される。
【００３０】
好ましくは、ホイール・ブレードのピッチ、特に水流の定まった流線に関するピッチは、水流方向において減少する。それによって、ホイールの回転平面に関する連続的に減少するピッチ角が水流方向において提供されるということが好ましい。好ましくは、ホイール・ブレードのピッチに対応する半径、特に水流の定まった流線に関する半径は、水流方向において増大する。それによって、水流方向において増大する直径および／または水流方向において減少するピッチ角を備える螺旋の部分周回に対応する、特に水流の定まった流線に沿ったホイール・ブレードの形状が好ましい。これらの方策は、ホイールの回転速度の同期のためにも使用され得る。
【００３１】
好ましくは、前ホイールのハブのまわりのホイール・ブレードのコースは、特にブレードのピッチおよび／または対応するピッチ半径に関する後ホイールのハブのまわりのホイール・ブレードのコースによってそれ相応に続けられる。
【００３２】
上記の方策のうちの２つまたはそれ以上の有利な組み合わせは、好ましくは、タービン・チューブ・セクションおよび／またはその内部のホイールに適用され、ホイールの回転速度の同期、ホイールの安定稼働および動力出力および／またはタービン効率の最適化を同時に可能とする。
【００３３】
本発明によるタービンは、エネルギ生成のための水流速度の変化を利用可能にしながら水流方向に延びるホイールの回転軸を含んでなる「軸流タービン」としても説明され得る。今まで、衝動タービンからは水ジェットの速度変化に基づく作動原理のみが知られていたが、衝動タービンでは、ホイールの回転軸は水流に対して直角に配置されなければならない。一方、反動タービンにおいては現在のところ水流方向に延びるホイールの回転軸のみが使われているが、反動タービンは、水流の速度が不変であるという異なった作動原則に基づいている。
【００３４】
タービン・チューブ・セクションの上流端は、好ましくは、水流が前ホイールに入る位置またはさらに上流側の位置として規定される。上流端の前では、タービン・チューブ・セクションは、好ましくは、水流がタービン・チューブ・セクションに給送される入口チューブ・セクションに隣接し、ここで、入口チューブ・セクションは、好ましくは、水流方向において縮小する直径を有し、水流の運動エネルギを増大させる。
【００３５】
タービン・チューブ・セクションの下流端は、好ましくは、水流が後ホイールを出る位置として規定される。下流端で、タービン・チューブ・セクションは、好ましくは、運動エネルギを回復するのに用いられる吸出しチューブ・セクションに隣接する。このために、吸出しチューブ・セクションは、好ましくは、水流方向において増大する内径と、タービンの下流側の水流速度をタービンの上流側の水流速度レベルに回復するようになっている長さとを備える。
【００３６】
好ましい構成によれば、吸出しチューブ・セクションの長さは、水流がホイールに入る前縁のところで前ホイールの直径のせいぜい４倍の値に相当する。したがって、本発明によるタービンの上記技術的特徴は、水流の運動エネルギのほぼ完全な回復を達成するのに吸出しチューブ・セクションにとって必要であるサイズを減らすのに効果的に利用され得る。
【００３７】
本発明による水力発電装置は、流れているか落下している水と、前述したタービンの少なくとも１つとを含んでなり、そこにおいて、流れているか落下している水はタービン・チューブ・セクションを通して導かれる。好ましくは、この水力発電装置は、流れている水（特に自然または人工の河川環境）内に据え付けられる。
【００３８】
この発電装置の好ましい構成では、流れているか落下している水は、タービン・チューブ・セクションに入る前にせいぜい４ｍ、より好ましくはせいぜい２．５ｍ、最も好ましくはせいぜい０．８ｍの水頭を有する。より好ましくは、実質的に１ｍより低い可能性のある水頭を使用することを可能にする本発明によるタービンの上述した技術特徴により、発電装置では別体の魚梯構造および主流の分割が不要となる。さらに、このような発電装置は、好ましくは、主として残余水流によって不用物を取り除くちりよけ格子を備える。したがって、この水力発電装置は、別体の機械的なちりよけ格子なしで構成され得るという点で有利である。
【００３９】
本発明のさらに別の実施形態は、同じ回転軸上で互いに反対方向に回転し、前ホイール、後ホイールとして水流中に設置され、互いに流れに影響を与えてその機能を最適化する２つの複数ブレード付きホイールを有する水力機械を含む。好ましくは、前ホイールは、後ホイールよりも多いかまたは等しい数のブレードを有する。好ましくは、前ホイールは、後ホイールよりも小さな直径を有する。好ましくは、前ホイールは、後ホイールとは異なったピッチおよび／またはピッチ直径を有する。好ましくは、ホイールの少なくとも１つまたは両方は、前縁直径が小さく、排出縁直径が大きくなっている。好ましくは、前ホイールの排出縁直径は、後ホイールの前縁直径に等しい。好ましくは、２つの複数ブレード付きホイールは、互いの間に駆動可能な固定連結部を有する。好ましくは、本機械は、シャフトで機械的なエネルギを水流の外へ伝送する。好ましくは、本機械は、水流速度が後チューブ領域と共にブレード付きホイール領域でも低減されるようにチューブ内に据え付けられる。
【００４０】
本発明のさらなる特性および利点を示す図面を参照しながら好ましい実施形態によって本発明を以下により詳しく説明する。図面、明細書および特許請求の範囲は、当業者が単独で予想でき、さらに適切な組み合わせで使用できる数多くの特徴を組み合わせで含んでなる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
図面において、：
【図１】図１は、従来の水力タービン装置の縦断面図である。
【図２】図２は、本発明によるタービンの概略図である。
【図３】図３は、本発明によるタービンの透視図である。
【図４】図４は、本発明によるタービンの縦断面図である。
【図５】図５は、図３および図４に示すタービンの前ホイールの正面図である。
【図６】図６は、図３および図４に示すタービンの後ホイールの正面図である。
【図７】図７は、図５に示す前ホイールの側面図である。
【図８】図８は、図６に示す後ホイールの側面図である。
【図９】図９は、本発明による好ましいホイール幾何学的形状を示しているホイール・ハブの正面図である。
【図１０】図１０は、図９に示すホイール・ハブの側面図である。
【図１１】図１１は、図２〜４に示すタービンのホイールの４つの異なった位置での絶対速度、相対速度およびブレード速度を示しているベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、従来の水力発電装置の部分図を概略的に示す。この水力発電装置は、バー・スクリーン５によって保護された入口を有する取水通路２を含んでなる。スクリーン洗浄システム（図示せず）もバー・スクリーン５の詰まりを防ぐために設けてある。取水通路２は、一般的に、軸Ｄのタービン４のホイール３に向かって水を案内する先細形状を有する。分配器６が、タービン４の上流で取水通路２内に設けてあり、水流をタービン４のホイール３のブレード７に正しく向ける。水力発電装置のタービン４は、一般的に、カプラン・タービンであり、螺旋の形状を有し、一般的に調節可能なブレード７を含んでなる。吸出しチューブ８が、タービン４の出口から放水路９に向かって水を案内する。一般的に可動案内羽根を備えている分配器６を閉じることによってタービン４を停止させることができる。
【００４３】
図１の例において、タービン４の軸Ｄはほぼ水平であるが、垂直であってもよい。流れの中に位置するバルブ状（球状）のカータ（carter）１内に発電機（図示せず）が配置されている。発電機は流れの外に設置されていてもよい。
【００４４】
カプラン式タービンは、一般的に、ホイール３の固有回転速度について最適な効率を有する。取水通路２は、ホイール３の最適効率回転速度に合わせた速度まで水流を加速することを目的とする。ホイール３から来る水の速度は水力発電装置の上流側の流速よりも高い。吸出しチューブ８は、ホイール３から来る流れを遅くすることを目的としており、したがって、タービン４から来る流れに残っている運動エネルギをできるだけ多く回収するのを可能にする。通常、吸出しチューブ８長さは、ホイール３の直径の４．６倍より大きい。
【００４５】
一般的に、所与の水力発電装置タイプのタービン４を特徴づける比Ｋは、定まっており、ホイール３から来る流れの運動エネルギとヘッドの可能性あるエネルギとの比に一致する。％で表される比Ｋは、以下の関係によって与えられる：
Ｋ＝１００＊Ｖ２／２ｇＨ
ここで、Ｖはホイール３から来る流れの平均速度であり、ｇは重力定数であり、Ｈはヘッド高さである。比Ｋは、ホイール３から来るときの動力学的形態で流れになお含まれるエネルギをタービンに利用できるエネルギで割った値で表され、したがって、吸出しチューブ８によって回収されるべきエネルギを表す。
【００４６】
比Ｋが高ければ高いほど、より大きい減速が得られることになる。従来の低ヘッド・カプラン・タービンについて、ジョシム  ラーブ（Joachim Raabe）氏は、その「水力発電（Hydro Power）」というタイトルの論文で、比Ｋは、７０メートル、１５メートル、２メートルのヘッドに対してそれぞれ３０％、５０％、８０％であると指摘している。ホイール３の出口で非常に低いヘッドのタービンにおいて回収されるべき高い運動エネルギは、リキッドベイン（liquid vein）の分離のリスクによって、そのダイバージェンス（divergence）が制限されるので、吸出しチューブの構造が非常に大きくなる原因となる。
【００４７】
したがって、水力発電装置の取水通路２および吸出しチューブ８の形成には、大きい土木工学構造の形成が必要である。このような構造のコストは非常に高く、水力発電装置のコスト全体にかなり負担を掛けるので、低ヘッドおよび係数Ｋが特に高い極低ヘッドに基づく水力発電装置の構造に大きな制限を掛けてきた。
【００４８】
本発明による逆転二重タービン（二重反転タービン：counter rotating double turbine）は、以下にさらに説明するように、特に極低ヘッド・タービンとして効果的に使用され得る。公知のカプラン・タービンの主な問題は、低ヘッドの場合、タービン直径が急激に大きくなるということである。たとえば〜（約）３５ｋＷのタービン動力は、Ｑ＝１ｍ３／ｓの流量およびＨ＝４ｍのヘッド、またはＱ＝４ｍ３／ｓおよびＨ＝１ｍで達成され得るが、同時に、標準のカプラン・タービン直径が〜４７ｃｍから〜１３３ｃｍに増大する。あるいは、ちょうど〜９ｋＷのタービン動力では、Ｑ＝１ｍ３／ｓおよびＨ＝１ｍで、直径は〜６７ｃｍに増大する。タービン直径を増大させる理由は、水速度を減らしてタービンのキャビテーションを減らすことにある。本発明による逆回転二重タービンの場合、直径を初期サイズの２／３〜３／４まで減らすことができる。
【００４９】
タービン直径は、周囲すべての構造を調整する主ファクタでもあるから、水力プロジェクトが実行可能かどうかを決定するキー寸法である。通常、土木工事コストは、３ｍ以下のヘッドに比べて１.５ｍ以下のヘッドで５倍高いことがわかっている。極低ヘッドでは、タービン直径は容易にヘッド高さを超え、タービン全体をＣＡ特許第２，５４６，５０８号に示されるように再配置しなければならない。あるいは、この問題は、米国特許第６,２８１,５９７号に示されるようなタービン・マトリックスで解決される。
【００５０】
現存するカプラン式、フランシス式水力タービンの別の公知の問題は、流れが計画した最適条件にないときにそれらのタービンの効率曲線が比較的急速に低下するということである。この現象は、可変ピッチ・プロペラおよび案内羽根によって減らすことができるが、投資コストを増加させるし、そのようなシステムは常にプロセス監視を行うことも必要である。ここに説明した発明は最適発生の渦流状水流、すなわち従来のカプラン・タービンにおけるような水流に基づいておらず、その代わりに軸方向対称の水流に基づいているので、その効率曲線は最適水流に依存することは少ない。これは、本発明に大きな流れ変化が発生するという利点を与える。
【００５１】
図２に概略的に示すように、本発明によれば、以下の構成要素からなる水力タービンが提供される。すなわち、互いに反対方向に回転する、流れチューブ１０に設けた２つのプロペラ形タービン・ホイール１１、１２である。タービンは、歯車で相互に駆動連結されて動きを同期させるようになっている。歯車は、水流チューブ外側の、回転する機械的エネルギを電気エネルギに変換する。
【００５２】
図３は、本発明によるタービン１７の透視図である。タービン２０は、ほぼ円筒形の外壁１９を有する水流チューブ１８を含んでなる。流れ方向２３の流れる水は、上流側チューブ端２４で流れチューブ２１に送り込まれる。流れチューブ１８は、上流側チューブ端２４で始まる入口チューブ・セクション２０、中間タービン・チューブ・セクション２１および下流側チューブ端２５に続く吸出しチューブ・セクション２２からなる。
【００５３】
入口チューブ・セクション２０は、流れ方向２３において減少する内径を有する内壁面２６を備え、流れている水の運動エネルギを増大させる。タービン・チューブ・セクション２１は、以下にさらに詳しく説明する理由のために、流れ方向２３において増大する内径を有する内壁面２７を備える。したがって、流れる水の運動エネルギは、タービン・チューブ・セクション２１において既に低下している。吸出しチューブ・セクション２２は、流れ方向２３においてさらに増大する内径を有する内壁面２８を備え、流れる水の運動エネルギを流れる水が流れチューブ１８に入る前の上流側エネルギ・レベルまでさらに低下させる。
【００５４】
水流方向２３に関して、最初は前ホイール３１、それに引き続いて後ホイール３２が互いに密接した状態でタービン・チューブ・セクション２１内に配置され、その結果、ホイール３１、３２は、水流方向２３に延びる共通の回転軸３０に沿って回転できる。ホイール３１、３２は、プロペラ・タービンのホイールのタイプである。しかしながら、ホイール３１、３２がカプラン・タービンのホイールのタイプであることも考えられる。
【００５５】
ホイール３１、３２は、各々、ハブ３３、３４といくつかのブレード３５、３６からなる。ブレード３５、３６は、ホイール３１、３２が水流方向２３の水流によって駆動され、逆方向、すなわち、互いに反対方向に回転するように形成される。前ホイール３１は４つのブレード３５を有し、後ホイール３２は３つのブレード３６を有する。ブレード３５、３６の外縁３７、３８の形状は、ブレード３５、３６が、タービン・チューブ・セクション２１の内壁面２７に密接した状態で回転できるようにタービン・チューブ・セクション２１の内壁面２７の幾何学的形状に合わせてある。
【００５６】
水流がホイール３１、３２に入る位置は、ホイール３１、３２のそれぞれの前縁３９、４０として続けて示してある。水流がホイール３１、３２を出る位置は、ホイール３１、３２のそれぞれの排出縁４１、４２として続けて示してある。前ホイール３１の排出縁４１の直径は、後ホイール３２の前縁４０の直径に一致している。タービン・チューブ・セクション２１は、後ホイール３２の排出縁４２のところで終わり、吸出しチューブ・セクション２２が続く。前ホイール３１の前縁３９のところで、流体力学ノーズ構造２９が、ハブ３３の上流側延長部として設けてあり、流体力学特性を改善する。吸出しチューブ・セクション２２の長さは、前ホイール３１の前縁直径３９のほぼ３倍となっている。
【００５７】
吸出しチューブ・セクション２２内、すなわち後ホイール３２の排出縁４２に関してさらに上流側には、歯車装置４５が設けてある。歯車装置４５は、互いに対面して互いに反対方向に回転軸線３０のまわりに続けて配置される第１の歯車４６および第２の歯車４７を含んでなる。歯車４６、４７は、円錐歯車である。回転軸３０の上方でそれに対面して係合歯車伝導装置４８が設けてあり、両方の歯車４６、４７とかみ合っている。このために、第１の歯車４６および第２の歯車４７は、それぞれ、係合歯車伝導装置４８の下流側端、上流側端に配置される。係合歯車伝導装置４８は、円錐歯車によって構成されている。ホイール３１、３２は、さらに以下に説明するように、各々、それぞれのシャフト５６、５７を介して歯車４６、４７に連結されている。
【００５８】
係合歯車伝導装置４８は、その外面でトランスミッション・シャフト５１に固定されている。トランスミッション・シャフト５１は、外壁１９に直交して歯車伝導装置４８から流れチューブ１８外側の領域まで延びている。このために、貫通孔５２が、流れチューブ１８の外壁１９に設けてある。貫通孔５２の位置のまわりには、取り付け用ブロック５３が設けてあり、それによって、外側シリンダ５４が外壁面１９に固定される。トランスミッション・シャフト５１は、外側シリンダ５４の中心軸に沿ってその上端まで延びており、ここで、トランスミッション・シャフト５１は駆動クランク５５を備える。駆動クランク５５またはトランスミッション・シャフト５１は、発電機に連結されていて電気エネルギを生成する。発電機は、たとえば、外側シリンダ５４の内部または上方または外側シリンダ５４の代わりに据え付けることができる。
【００５９】
タービン１７の詳細な断面図を示している図４からわかるように、前ホイール３１は第１のシャフト５６を介して第１の歯車４６に連結され、後ホイール３２は第２のシャフト５７を介して第２の歯車４７に連結されている。それぞれの歯車４６、４７は、ホイール３１および後ホイール３２と比べると、水流方向２３に関して逆に配置されている。すなわち、第１の歯車４６が回転軸３０に沿って第２の歯車４７の後に配置されている。
【００６０】
シャフト５６、５７は、回転軸３０に沿って延びている。第２のシャフト５７は、第１のシャフト５６が同心に延びる中空シャフトである。シャフト５６、５７を介して、歯車４６、４７は駆動され、水流により駆動されるそれぞれのホイール３１、３２と同じ方向に回転する。こうして、歯車４６、４７の逆方向回転が水流を介して達成され、歯車４６、４７が互に逆の方向に回転する。これは係合歯車伝導装置４８を駆動するのに必要である。さらに、係合歯車伝導装置４８の駆動には歯車４６、４７の等しい回転速度が本質的である。こうすることで、ホイール３１、３２の回転速度が、係合歯車伝導装置４８によって相互につながる。ホイール３１、３２の回転速度を所望の等しい値で提供するために、タービン・チューブ・セクション２１およびホイール３１、３２の幾何学的形状は、それに応じて調節される。
【００６１】
さらに図４から明らかになるように、タービン・チューブ・セクション２１の内壁面２１は、凸曲率を有し、それに沿ってタービン・チューブ・セクション２１の断面積が水流方向２３において広がる。こうして、タービン・チューブ・セクション２１の内径が勾配を高めながら増大し、内壁面２７の流れプロファイルが提供され、それに沿って平均流体速度が減速する。内壁面２７の凸曲率は、前ホイール３１の前縁３９に対する前方距離のところの位置から後ホイール３２の排出縁４２の位置まで延びている。この幾何学的形状は、ホイール３１、３２の回転速度を同期させるのに使用される。
【００６２】
後ホイール３２の排出縁４２の位置の後でタービン・チューブ・セクション２１に続く吸出しチューブ・セクション２２は、水流方向２３において、さらに増大する直径を有する。吸出しチューブ・セクション２２の内壁面２８の形状は、わずかな凹面曲率またはほぼ一定の勾配を呈する。吸出しチューブ・セクション２２の内壁面２８の幾何学的形状および長さは、水流の運動エネルギの回収ができるように設計される。それにもかかわらず、タービン・チューブ・セクション２１の内壁面２７の幾何学的形状も、ホイール３１、３２の内側配置と共に、運動エネルギの回収に大きく貢献する。このことは、吸出しチューブ・セクション２８にとって必要な長さの有効な低減に通じる。
【００６３】
図５は、前ホイール３１の正面図を示す。前ホイール３１は、同一の形状を有し、ハブ３３のまわりに等距離に配置された４つのブレード３５ａ〜３５ｄを含んでなる。
【００６４】
図６は、後ホイール３２の正面図を示す。後ホイール３２は、同一の形状を有し、ハブ３４のまわりに等距離に配置された３つのブレード３６ａ〜３６ｃを含んでなる。ブレード３６ａ〜３６ｃは、ブレード３５ａ〜３５ｄと比べてより大きい表面を有する。前ホイール３１の直径は、その排出縁４１のところで、後ホイール３２の前縁４０のところの直径にほぼ一致する。前ホイール３１の直径は、その前縁３９のところで、後ホイール３２の排出縁４２のところの直径からほぼ２５％〜３０％だけ異なっている。
【００６５】
図７は、前ホイール３１の側面図を示す。この図面には、ブレード３５の外縁３７と回転軸３０に直交する平面６１と間のブレード角度αが示されている。ブレード角αは、回転軸３０に沿った直交平面６１の長手方向位置と共に変わる。ブレード角αのこの長手方向変化は、それに沿ってブレード３５がハブ３３のまわりに延びるブレード３５のコース５８によって、水流２３によって駆動される前ホイール３１の所望の回転方向によって、また、タービン・チューブ・セクション２１の内壁面２７の形状によって影響を受け、その結果、ブレード３５の外縁３７が内壁面２７へ継ぎ目なく接する。ハブ３３に沿ったブレード３５のコース５８は、以下にさらに説明するように、ハブ３３のまわりの部分螺旋巻きとして説明し得る。
【００６６】
図８は、後ホイール３２の対応する側面図を示す。この図面には、ブレードがブレード３６の外縁３８と回転軸３０に直交する平面６１との間のブレード角βが示してある。ブレード角βも長手方向に変化する。その変化量は、ハブ３４に沿ったブレード３６のコース５９によって、水流２３により駆動される後ホイール３２の所望の回転方向によって、また、ブレード３６の外縁３８が内壁面２７に継ぎ目なしに接するようなタービン・チューブ・セクション２１の内壁面２７の形状によって影響を受ける。ブレード３６のコース５９は、ハブ３３のまわりのコース５８に沿った部分螺旋巻きの続きと言える。ホイール３１、３２のハブ３３、３４のまわりのブレード３５、３６の螺旋状コース５８、５９を、図９、１０に示す概略図に基づいて以下により詳しく説明する。
【００６７】
ブレード３６が延びている水流方向２３における後ホイール３２の長さは、ブレード３５が延びている前ホイール３１の対応する長さを超える。こうすることで、ブレード３６の螺旋状コース５９の所望のピッチが、後ホイール３２の排出縁４２のところで達成され得る。ブレードの幾何学的形状は、前ホイール３１上のブレード３５の数に比べて少ない後ホイール３２上のブレード３６の選定数を補ってホイールの回転速度を同期させることを可能にする。
【００６８】
図９は、シリンダ状ボディ６６を有するタービン・チューブ・セクション２１内部の、その中心での断面６３を通る正面図を概略的に示す。シリンダ６６は、回転軸３０に沿って延びている。水流方向２３において増大する直径を備える螺旋６４は、シリンダ６６のまわりに巻いている。
【００６９】
図１０は、シリンダ６６および螺旋６４の対応側面図を示す。断面６３に関してさらに上流側の断面６１も示されている。さらに、タービン・チューブ・セクション２１の内壁面２７内部の水流の種々の流線６７、６８が示されている。流線６７、６８間の距離は、水流方向２３において勾配を増しながら広がる。螺旋６４は、最外方の流線６８のまわりに巻いている。
【００７０】
シリンダ６６は、前ホイール３１のハブ３３、または後ホイール３２のハブ３４、または前ホイール３１および後ホイール３２が水流方向２３に沿って順々に直接配置される両方のハブ３３、３４の組み合わせの概略説明に役立っている。螺旋６４は、外側流線６８の位置でのブレード３５、３６の対応する形状を示すのに役立っている。
【００７１】
より正確に言うと、螺旋６４は、ピッチ・ライン、すなわち、外側流線６８の位置のところでのブレード３５、３６の前縁３９、４０および排出縁４１、４２を通るラインを規定している。従って、ブレード３５、３６の形状は、内側流線６７のところで変化する。先に述べたように、前ホイール３１および後ホイール３２のハブ３３、３４に沿ったブレード３５、３６のコース５８、５９の長さは、シリンダ６６のまわりの部分螺旋周回に対応する。
【００７２】
流れ方向２３における３つの相次ぐ長手方向距離Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が図１０に示してあり、その各々は螺旋６４の１周回に相当する。螺旋周回の長手方向距離Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は流れ方向２３において、減少する。それぞれの螺旋周回の対応する半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、流れ方向２３において、増大する。螺旋６４と断面６１の間の対応する角度γ１、γ２、γ３は、流れ方向２３において連続的に減少する。
【００７３】
長手方向距離Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、外側流線６８のところでのブレード３５、３６のピッチを定める。ピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、ブレード３５、３６の一完全周回後にカバーされた、所与の半径方向位置Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の動きにおける軸方向変動の大きさ（measure）である。半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、以下、ピッチ半径と呼ぶ。角度γ１、γ２、γ３は、外側流線６８でのブレード３５、３６のピッチ角を規定する。ピッチ角γ１、γ２、γ３は、回転平面６１に関するピッチ線６４に沿ったブレード３５、３６の圧力面の大きさである。
【００７４】
したがって、図７、８に示すホイール３１、３２のブレード３５、３６のピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、水流方向２３において連続的に減少する。ホイール３１、３２のブレード３５、３６のピッチ半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、水流方向２３において、連続的に増大する。ホイール３１、３２のブレード３５、３６のピッチ角γ１、γ２、γ３は、水流方向２３において連続的に減少する。
【００７５】
図１１に示すベクトル図において、前ホイール１１、３１の２つの異なった位置のところおよび後ホイール１２、３２の２つの異なった位置のところでの絶対速度、相対速度およびブレード速度の特別な例が示されている。
【００７６】
前ホイール３１の前縁３９のところでの絶対速度Ｃ１は、前ホイール３１の前縁３９ところでの相対速度Ｗ１とブレード速度Ｕ１との合計である。前ホイール３１の排出縁４１のところでの絶対速度Ｃ２は、前ホイール３１の排出縁４１ところでの相対速度Ｗ２とブレード速度Ｕ２との合計である。後ホイール３２の前縁４０のところでの絶対速度Ｃ３は、後ホイール３２の前縁４０のところでの相対速度Ｗ３とブレード速度Ｕ３との合計である。後ホイール３２の排出縁４２のところでの絶対速度Ｃ４は、後ホイール３２の排出縁４２のところでの相対速度Ｗ４とブレード速度Ｕ４との合計である。ベクトルは、水流方向２３における軸方向ベクトル成分Ｘと直交方向における接線ベクトル成分Ｙを持ってデカルト座標系（直交座標系）に示されている。
【００７７】
絶対速度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、絶対基準フレームにおいて流入する水流の速度の大きさである。Ｃ１ｍは、水流の横断面での平均化された前ホイール３１の前縁３９のところでのメリディアン速度を示す。ブレード速度Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４は、ホイール１１、１２、３１、３２が回転速度ωで回転しているときの、半径方向距離ｒのところでのブレード３５、３６の接線速度ω・ｒの大きさである。相対速度Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４は、ブレード速度Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４に対する動きのフレームにおける水流速度の大きさである。こうして、相対速度Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４は、回転軸３０に直交するライン６１に対するホイール１１、１２、３１、３２のブレード３５、３６のそれぞれの角度により影響される。
【００７８】
普通の軸流タービン、たとえば、カプラン・タービン、フランシス・タービンまたはプロペラ・タービンにおいては、通過する水ジェットの速度は、ほぼ変わらず、水ジェットがタービン・ブレードに作用するので水圧のみが変わる。このようなタイプのタービンは、反動タービンとも呼ばれる。
【００７９】
しかしながら、図１１に示すように、水ジェットの速度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、水ジェットが軸流タービン１７のタービン・チューブ・セクション２１を通過する最中に変化する。したがって、本発明によるタービン１７は、水流の速度の変化もエネルギ生成のために利用され得る「軸方向衝動タービン」と考えられる。
【００８０】
さらに、ホイールの水通過中の軸流タービン損失、したがって、軸流タービン、特に現存のカプラン、フランシスまたはプロペラ式タービンの効率は、一般的に、ブレード速度に対する水流の相対速度Ｗのほぼ二乗に依存する。しかしながら、本発明によるタービン・チューブ・セクション２１を通過する水ジェットの相対速度Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４が絶対速度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の減少により大きく低下するので、本発明による軸流タービン１７の効率は最適化され得る。
【００８１】
続いて、図３〜８に示すタービン１７のいくつかの特徴および本発明の他の実施形態および利点を以下に要約する。
【００８２】
図３に示すタービン駆動部は、発電機（図示せず）の入力軸に直接取り付けられるように示されている。この駆動部は、２つの円錐歯車４６、４７と常時係合する円錐歯車４８を有する駆動シャフト５１を有する逆転機構４５を収容している。歯車４６はプロペラ・シャフト５６により駆動され、歯車４７は、シャフト５６に同心に取り付けられた中空シャフトの形をしたプロペラ・シャフト５７により駆動される。シャフト５６は、１つのプロペラ３１を支え、シャフト５７は、プロペラ３２を支えている。この記載した配置の場合、プロペラ・シャフトは、それぞれ反対の方向に回転することになる。図示の配置は、図３に示すようにプロペラ３１、３２の後にも前にも設置可能である。
【００８３】
後プロペラ３２は、前プロペラ３１より大きな直径を有し、流れチューブ１０、１８は、 両方のプロペラが効果的に機能すると共に、軸方向対称の水流が、プロペラ３１、３２上の最大水速度、圧力低下を与え、維持され得るように、図２、４に概略的に示すように形成しなければならない。
【００８４】
このことは、水の速度が既にタービン１７自体内で有効に低下させられ得るので、最適吸出しチューブ２２の相対長さが標準のタービンの長さよりも小さいことも意味する。流れチューブ１０、１８は、図２〜４に示す実施形態と同様にビルドアップ・チューブ（build up tube）であってもよいし、または、まさに流れを描いている自由水内の仮想チューブであってもよい。
【００８５】
図２〜８に示す実施形態においては、前プロペラ３１の直径は、後プロペラ３２の直径の９３％であるが、たとえばヘッド高さおよび流量のような種々のファクタに依存して、前プロペラ３１の直径は、後プロペラ３２の直径の８０〜９７％または６０〜９７％またはそれ以上でもあり得る。前プロペラ３１は、後プロペラ３２と同じか、またはそれより大きなピッチを有し得る。
【００８６】
図２〜８の実施形態に示すように、前プロペラはより多くのブレード３５（すなわち４個）を有し、一方、後プロペラは、より少ないブレード３６（すなわち３個）を有する。
【００８７】
図２〜８の実施形態に示すように、プロペラ前縁は排出縁より小さな直径を有する。これは、図２〜４に示す最適流れチューブ形態１０を達成するようにタービンの助けとなる。
【００８８】
プロペラ３１、３２のピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、もしブレード縁直径に差異があるならば、ブレード領域で変化する可能性もある。
【００８９】
本発明によるタービンおよび対応する水力発電装置への種々の変更は、特許請求の範囲によってのみ規定される発明の保護範囲から逸脱することなく前述の説明から当業者には明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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