(57)【要約】  本発明は流体力学的プロフィールを有する水力タービンのためのロータブレードに関する。当該流体力学的プロフィールには吸引側と圧力側とが配設されており、当該ロータブレードは多数のオーバーフロー溝を含んでおり、当該オーバーフロー溝は前記流体力学的プロフィール内に設けられているとともに前記吸引側と前記圧力側との水力学的結合を作り出しており、当該オーバーフロー溝にはそれぞれ弁装置が配設されている。本発明は、前記弁装置が前記ロータブレードに対する所定の最大負荷閾値を下回るときに閉止され、当該最大負荷閾値を上回るときに開放され、個々のオーバーフロー溝が、前記弁装置の開放位置において、前記ロータブレードの出力係数および／またはスラスト係数を閉止位置に対して減少させることを特徴とする。
2014530987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体力学的プロフィール（３）を有する水力タービン（１０４）のためのロータブレードであって、前記流体力学的プロフィールには吸引側（１０）と圧力側（１１）とが配設されており、当該ロータブレードは多数のオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）を含んでおり、当該オーバーフロー溝は前記流体力学的プロフィール（３）内に設けられているとともに前記吸引側（１０）と前記圧力側（１１）との水力学的結合を作り出しており、当該オーバーフロー溝にはそれぞれ弁装置（１２．１，１２．２）が配設されている、ロータブレードにおいて、
前記弁装置（１２．１，１２．２）は、前記ロータブレードに対する所定の最大負荷閾値を下回るときに閉止され、当該最大負荷閾値を上回るときに開放され、個々のオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）は、前記弁装置（１２．１，１２．２）の開放位置において、前記ロータブレードの出力係数および／またはスラスト係数を閉止位置に対して減少させることを特徴とするロータブレード。
【請求項２】
前記最大負荷閾値は、前記水力タービン（１０４）の所定の回転速度によって、および／または前記水力タービン（１０４）にかかる所定の動圧によって、および／または前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）と前記圧力側（１１）との所定の圧力差によって、設定されている、請求項１に記載のロータブレード。
【請求項３】
前記弁装置（１２．１，１２．２）はメンブレン（７．１，７．２）を含んでおり、当該メンブレンは前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）および／または前記圧力側（１１）に設けられており、当該メンブレンは少なくとも一つのメンブレン開口部（８．１，…，８．８）を有しており、当該メンブレン開口部は前記メンブレン（７．１，７．２）にカバーされるオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）の流入開口部（１９．１，１９．２）および／または流出開口部（１８．１，１８．２）に対してずらされて設けられている請求項１または請求項２に記載のロータブレード。
【請求項４】
前記弁装置（１２．１，１２．２）の前記メンブレン（７．１，７．２）はオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）を開放するために、当該オーバーフロー溝（６．１，…，６．８）にそれぞれ配設されている前記流入開口部（１９．１，１９．２）および／または前記流出開口部（１８．１，１８．２）から持ち上げ可能である、請求項３に記載のロータブレード。
【請求項５】
前記メンブレン（７．１，７．２）は前記流体力学的プロフィール（３）の前記圧力側（１１）と前記吸引側（１１）との圧力差によって、パッシブに移動可能である、請求項３または請求項４に記載のロータブレード。
【請求項６】
前記メンブレン（７．１，７．２）には、移動を行うために作用シリンダ（２３）が配設されている、請求項５または請求項６に記載のロータブレード。
【請求項７】
少なくとも二つのオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）には、共通の弁装置（１２．１，１２．２）が配設されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項８】
前記オーバーフロー溝（６．１，…，６．８）は、前記流体力学的プロフィール（３）の前記圧力側（１１）において圧力側収集空間（２６）に出口を有しており、前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）において吸引側収集空間（２７）に出口を有しており、前記圧力側収集空間（２６）と前記吸引側収集空間（２７）とは中央弁装置（２５）を介して水力学的に結合されている、請求項７に記載のロータブレード。
【請求項９】
前記弁装置（１２．１，１２．２）は制御スライド弁（２９）を含んでいる、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項１０】
前記制御スライド弁（２９）は前記ロータブレード（１．１，１．２，１．３）に作用する遠心力（Ｆ）によって弾性的な制御要素（３０）の力の作用に抗して移動可能である、請求項９に記載のロータブレード。
【請求項１１】
前記制御スライド弁（２９）には、調整用流体システムが配設されており、当該調整用流体システムには、流入によって生じる動圧によって圧力供給可能である、請求項９に記載のロータブレード。
【請求項１２】
前記弁装置（１２．１，１２．２，２５）は電気的に作動可能である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項１３】
前記流体力学的プロフィール（３）は双方向式プロフィールとして形成されている、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のロータブレード（１．１，１．２，１．３）を有する水力発電所の運転方法であって、前記最大負荷閾値を下回る通常運転段階に対して前記弁装置（１２．１，１２．２）は閉止され、前記最大負荷閾値を上回る強力流入段階に対して前記弁装置（１２．１，１２．２）は開放される、運転方法。
【請求項１５】
前記最大負荷閾値は前記水力タービン（１０４）の所定の回転速度によって、および／または前記水力タービン（１０４）にかかる所定の動圧によって、および／または前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）と前記圧力側（１１）との所定の圧力差によって設定されている、請求項１４に記載の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水力タービン、特に潮力発電所または河川水力発電所のためのロータブレードおよび当該発電所の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水流、特に潮流または海流からエネルギーを得るために、周りを自由に水が流れる水力タービンが知られている。このような設備は河川においてエネルギーを得るためにも用いられ得、ダム構造体を建設するための多岐にわたる水力工学的な手段は省略され得る。その場合、基礎を有する設備であって、ゴンドラがタワーを介して水床に対して支持されている設備であってよい。代替的に、設備には浮力が与えられ、それによって当該設備は浮遊可能であり、この場合アンカー機構が、水力タービンを有するゴンドラを作動位置に保持する。同型式の設備の可能な構成型式として、水平ロータ構成型式におけるロータ状の水力タービンがある。ロータブレードが径方向外側を向いているロータ、あるいはロータブレードが支持リングを起点として径方向内側に向けられているロータが想定可能である。
【０００３】
潮流からエネルギーを得るために設備は、流入方向の周期的な交代に対して適合されなければならない。翼角調整機構または水力タービン全体を追跡するために設備の垂直軸周りに回転する装置が省略される場合、ロータブレードは双方向式に流入可能なプロフィールを備えていなければならない。この目的のためにＳ字ストロークを有するレンズ状のブレード断面またはプロフィールが知られている。特許文献１はこのようなプロフィールの水力学的効率を向上させるために、プロフィールの圧力側と吸引側との間で切り替え可能なオーバーフロー溝を開示している。当該オーバーフロー溝はそれぞれ下流側にあるプロフィール部分の作用を緩和するのに役立つ。さらに特許文献２および特許文献３はスロット付きロータを有する流体機械を説明しており、当該スロット付きロータはプロフィールの圧力側から吸引側へと部分流を搬送するとともに加速することによって、効率を向上させる。さらにオーバーフロー溝であって、プロフィールの圧力側から吸引側に至っており、それによって流体の定量的な排出を介して境界層を誘発し、そのようにして流れの分離を回避するオーバーフロー溝が知られている。これに関しては例えば特許文献４および特許文献５が参照される。
【０００４】
ダム構造体を有さない当該型式の設備は回収コストがかさむために、保守が困難である。この点は特に海中の立地に該当し、それにより基本的な要求は、できる限り頑丈な設計を用いることである。この理由から、できる限り故障しにくいシステムを有する設備が好ましい。その結果、翼角調整機構または設備全体を垂直軸周りに回転させるための装置を有さない、維持にあまり手のかからないコンセプトが生まれている。しかしながら当該アプローチの不利点は、水力タービンが例外的な場合にのみ発生するピーク負荷に耐えるように設計されなければならないことである。流入が大きい際に負荷を低減するための既知の手段は高速運転領域で設備を作動させることであり、当該高速運転領域における作動は水力学的効率とロータブレードに対するスラスト荷重を減少させる。しかしながら無拘束速度に到達すると、ロータブレードの負荷はそれ以上低減され得ず、それによって水力タービンの安全な設計のために高い建設コストが必要となる。さらにロータブレードがひねり強さを有して結合されており、設備を回動させるための機構を有さない簡略化された設備の設計に対しては、安全上の理由から、通常の条件下での効率的な運転に対しては過小に構成されているロータブレードが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許第１０２００９０５７４４９号明細書
【特許文献２】国際公開第２００９／１４３８４６号
【特許文献３】米国特許出願公開第１５５３６２７号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第５３５５０４号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１１８７５５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は大きな負荷ピークに耐える水力タービンのためのロータブレードと、当該ロータブレードによって実施される運転方法を記載することを課題とする。このとき当該ロータブレードは通常の作動条件下で生じる流入に対して高い効率を有しているべきである。当該ロータブレードはさらに、周りを自由に水が流れる水力タービンと、特に双方向式の流入からエネルギーを得ることに適しているべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の解決すべき課題は独立請求項の特徴によって解決される。好適な構成は従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明に係るロータブレードは少なくともブレードの延伸の部分にわたって、複数のオーバーフロー溝を有しており、当該オーバーフロー溝はプロフィールの吸引側と圧力側との水力学的結合を作り出している。オーバーフロー溝には少なくとも一つの弁装置が配設されており、当該弁装置は所定の最大負荷閾値を下回るときに閉止され、当該最大負荷閾値を上回るときに開放されるように構成されている。最大負荷閾値は好適に水力タービンの所定の回転速度によって設定される。さらなる好適な構成は、流入によって生じる水力タービンにかかる所定の動圧、あるいは、プロフィールの吸引側と圧力側との所定の圧力差によって最大負荷閾値を規定している。この場合、パッシブに作用するとともに、最大負荷閾値に到達した際、自動的に閉止する弁装置が用いられ得る。代替的な実施に対して、最大負荷閾値の到達は制御装置によって検知され、当該制御装置は、流入速度、ロータ回転速度、または設備の保持構造にかかる負荷などのセンサによるデータを処理し、制御装置は修正信号を弁装置に出力する。
【０００９】
弁装置が配設されているオーバーフロー溝は過負荷保護部として役立つ。これに対応して当該オーバーフロー溝は、開放されたオーバーフロー溝がロータブレードの出力係数および／またはスラスト係数を減少させるように構成されている。従ってオーバーフロー溝は、開放位置における当該オーバーフロー溝の数密度と断面に関して以下のように構成されている。すなわち、吸引側と圧力側との圧力差が十分に低減され、弁装置が開放されている場合、オーバーフロー溝を有するプロフィール部分の作用が低減され、それによってロータブレードの負荷が減少するように構成されている。これにより必然的に、オーバーフロー溝を介して十分な流量がガイドされ得、それによって境界層の誘発が生じないばかりか、過負荷保護を備えるプロフィール部分における浮力は著しく低減される。出力係数および／またはスラスト係数を効果的に減少させるためのさらなる好適な手段は、オーバーフロー溝において、流入と流出とがプロフィール周りの流れに逆らうように、オーバーフロー溝を構成することである。この目的のために、オーバーフロー溝は好適に、当該オーバーフロー溝が中心線に対する垂直線に関して斜めの状態で設けられており、それによって圧力側におけるオーバーフロー溝への流入と、吸引側における流出とは、プロフィール流れに抗する方向成分を有するように形成される。付加的に弁装置の部分は開放位置においてプロフィール輪郭を変化させ、それによって水力学的効率は減少する。本発明に係るロータブレードは中間負荷領域に対して構成され得、従って過負荷保護部を有さないロータブレードに比べて大きい寸法を有し得る。その結果、通常の流入条件下の運転に対して、設備全体の効率が著しく増大する。
【００１０】
一の好適な構成では、過負荷の場合に開放されるオーバーフロー溝を有する過負荷保護部は、プロフィールの限定された部分領域にのみ設けられており、ブレード先端付近の領域に設けることが好適である。このときオーバーフロー溝をロータブレードの全面積の三分の一よりも小さい面積に収容することが好適である。
【００１１】
特に好適な構成では、過負荷保護部はパッシブに作動する。従って最大負荷閾値に到達した際、弁装置は設備にかかる負荷に基づいて切り替えられ、別箇の制御装置を必要としない。一の好適な構成では、弁装置はメンブレンを含んでおり、当該メンブレンはプロフィールの吸引側に、少なくとも一つのオーバーフロー溝をカバーするために設けられている。メンブレンは少なくとも一つのメンブレン開口部を有しており、当該メンブレン開口部は対応するオーバーフロー溝の流入開口部および／または流出開口部に対してずらされて設けられている。対応するオーバーフロー溝の流入開口部および／または流出開口部からメンブレンを持ち上げることにより、プロフィールの圧力側と吸引側との間に水力学的結合が生じる。メンブレンの応力に抗して弁装置を開放することは、過負荷時に十分な大きさを有するプロフィールの圧力側と吸引側との圧力差によって、パッシブに生じさせられ得る。さらなる構成を行ってアクティブな装置にする場合、メンブレンの背面側に設けられた作用シリンダが用いられ得、当該作用シリンダは操出位置において、メンブレンをオーバーフロー溝のそれぞれの流入開口部および／または流出開口部から持ち上げる。このような作用シリンダは電気的に作動されるユニットとして形成されていてよい。このとき特にソレノイド・コイルを有する装置が考慮される。作動を行う要素を有するアクティブな構成に対して、メンブレンはロータブレードプロフィールの吸引側および／または圧力側に取り付けられ得る。当該実施ではさらに、メンブレンの選択は、当該メンブレンが制御要素によるスポット状の負荷に耐えるように行われるべきである。このとき少なくとも負荷を受けている領域において、金属シートまたは補強されたプラスチックプレートを受容しているか、あるいは全面的にこれらの材料から形成されている実施の形態が想定可能である。さらに、作用シリンダがメンブレンに当接する点に、スライド面を形成する要素、例えばＰＴＦＥシートが取り付けられる。
【００１２】
代替的な構成として、アクティブに切り替えられる弁装置と対応する制御装置とが、最大負荷閾値を決定するために設けられる。このとき複数のオーバーフロー溝に対して、中央弁装置が設けられている。一の好適な実施では、このように結束されたオーバーフロー溝は、プロフィールの圧力側において圧力側収集空間へとガイドされている。これに対応してプロフィールの吸引側には吸引側収集空間が設けられており、当該吸引側収集空間内にオーバーフロー溝の吸引側部分が出口を有している。圧力側収集空間と吸引側収集空間とは中央弁装置を介して結合されている。オーバーフロー溝がそれぞれ領域ごとに統合され、対応する中央弁装置を介して切り替え可能である構成が想定可能である。このとき多数の中央弁装置を用いることも可能である。
【００１３】
オーバーフロー溝を開放もしくは遮断するための弁装置は、アクティブな構成に対して電気式または油圧式に駆動され得る。電気的な制御要素の場合、エネルギー供給は好適に、無接触式に作動する、出力伝達のための誘導システムを介して、ロータハブの領域において行われる。油圧式構成では、圧力媒体が設備の固定された部分とロータとの移行部において環状溝を用いて供給される。制御装置の作動のために用いられる油圧が、水力タービンの回動ユニットの領域に設けられている圧力発生装置から生じている構成も想定可能である。代替的な構成では、設備の部分に作用する動圧が弁装置の制御要素を作動させるために用いられ得る。
【００１４】
さらなる好適な構成では、制御スライド弁を有する少なくとも一つの弁装置が用いられ、当該制御スライド弁は、概ねブレードの長手軸方向に向けられている制御移動を実施する。このとき制御スライド弁は弾性的な制御要素の力の作用に抗して、開放位置にガイドされ得る。このような構成では、回転速度が増大するにつれて大きくなる遠心力の作用によって、制御スライド弁は弁装置が開くまで制御要素に抗して移動される。これに対応して所定の最大負荷閾値は、回転速度であって当該回転速度に対して過負荷保護部が作動開始する回転速度に対する限度によって設定される。
【００１５】
以下に本発明を実施の形態に基づいて、図面の表示に関連させて説明する。図面はそれぞれ、以下の表示を行っている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】複数のオーバーフロー溝と対応する弁装置とを含む過負荷保護部を有する本発明に係るロータブレードのプロフィール断面を示す図である。
【図２】図１のプロフィールの部分を表示する図であり、過負荷保護部はオーバーフロー溝を介して張設されるメンブレンを有する弁装置を含んでいる。
【図３】図２に示す実施のさらなる構成を示す図であり、メンブレンは作用シリンダを用いて持ち上げ可能である。
【図４】圧力側収集空間と吸引側収集空間と、その間に設けられた中央弁装置とを有する本発明に係るロータブレードの部分領域のプロフィール断面に基づく代替的な構成を示す図である。
【図５】複数のオーバーフロー溝を集束させるとともに、当該複数のオーバーフロー溝に対してブレードの長手方向に設けられた制御スライド弁が配設されている弁装置を有する代替的な構成を示す図である。
【図６】ロータブレードの部分断面において、オーバーフロー溝の弁装置のための、ブレードの長手方向に設けられた制御スライド弁を示す図である。
【図７】水力タービンを有する潮力発電所の立面を示す図であり、当該水力タービンのロータブレードは本発明に係る過負荷保護部を含んでいる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図７は当該型式のエネルギー発生設備を概略的に簡潔に示している。表示されているのは、水床１０２に固定されている基盤１０１を有する潮力発電所１００である。当該基盤にタワー１０３が支持されており、当該タワーは機械ゴンドラを担持しており、当該ゴンドラは当該ゴンドラ上で回動するとともに、周りを自由に水が流れる水力タービン１０４を有しており、当該水力タービンは水平ロータ構成型式で形成されている。水力タービン１０４は３つのロータブレード１．１，１．２，１．３を含んでおり、当該ロータブレードの頂点は回転面を画成している。
【００１８】
個々のロータブレード１．１，１．２，１．３は本発明により、過負荷保護部２．１，２．２，２．３を含んでおり、当該過負荷保護部は個々のブレード先端部領域に形成されている。過負荷保護部２．１，２．２，２．３がロータブレード１．１，１．２，１．３の径方向外側部分に設けられていることは、高い効率のほかに、以下の理由から有利である。すなわち、ロータブレード１．１，１．２，１．３は、特に鋳物または鋼鉄で実施されている場合、比較的薄いブレード先端部領域において中実な材料から成り、それによって過負荷保護部２．１，２．２，２．３のオーバーフロー溝は、製造技術的に簡略化された状態で孔として実施され得るという理由から有利である。
【００１９】
過負荷保護部２．１の一の構成が図１に表示されている。図に示されているのは図７に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面である。双方向式に流入可能な流体力学的プロフィール３が概略的に示されており、当該プロフィールは二重に対称であるプロフィールとして形成されている。当該実施の形態では、流体力学的プロフィール３の翼弦線と中心線４は一致している。さらに中心線４と回転線５との間の迎角αが示されており、当該迎角はロータブレード１．１，１．２，１．３の取り付け位置を明らかにしている。
【００２０】
図１において概略的に示されている作動条件に対して有効流入Ｖｅｆｆ１が想定され、当該有効流入は流入速度Ｖ１と負の循環速度Ｕ１とのベクトル加算から得られる。このとき所定の最大負荷閾値を上回る強い流入の場合があるものとする。想定される有効流入Ｖｅｆｆ１に対して、圧力側１１は中心線４の上方にあり、流体力学的プロフィール３の吸引側１０は中心線４の上方にある。圧力側１１と吸引側１０の間でオーバーフロー溝６．１，…，６．８は切り替え可能な水力的結合を作り出している。
【００２１】
オーバーフロー溝６．１，…，６．８の開放状態と閉鎖状態とを設定するために、弁装置１２．１，１２．２が用いられる。本実施の形態において当該弁装置は、オーバーフロー溝６．１，…，６．８の流入開口部または流出開口部にわたって張設されているメンブレン７．１，７．２によって実現される。この目的のために保持ウェブ９．１，…，９．６が設けられており、当該保持ウェブはメンブレン７．１，７．２を流体力学的プロフィール３の窪みに応力をかけて押しつけている。これによりメンブレン７．１，７．２の部分が生じ、当該部分は本実施の形態では、それぞれ二つのオーバーフロー溝６．１，…，６．８を流出の領域においてカバーしている。
【００２２】
メンブレン７．１，７．２は多数のメンブレン開口部８．１，…，８．８を含んでおり、当該メンブレン開口部はそれぞれ対応するオーバーフロー溝６．１，…，６．８の流出開口部に対してずらされて設けられており、それによって通常の条件下で、すなわち最大負荷閾値を下回る設備の運転時に、オーバーフロー溝６．１，…，６．８の十分なシールが実現される。これに対応してメンブレン７．１，７．２の拘束、材料の選択と、流出開口部の幾何学形状とは作動中に作用する力に適合されている。この場合、メンブレンは繊維強化材料から成っていてよい。
【００２３】
想定される流入Ｖｅｆｆ１の場合、メンブレン７．１に対してプロフィールの吸引側１０で浮力が作用し、流体力学的プロフィール３の吸引側１０と圧力側１１との圧力差の結果、メンブレン７．１が膨らまされる、すなわち弁装置１２．１が開放位置にあることになる。プロフィールの下流側部分におけるオーバーフロー溝６．５，…，６．８のために圧力側１１に設けられているメンブレン７．２は、流入Ｖｅｆｆ１に対して閉鎖されている。すなわちメンブレン７．２はプロフィール輪郭に当接しているとともに、ずらされているメンブレン開口部８．５，…，８．８は、オーバーフロー溝６．５，…，６．８の流出開口部と重なり合わない。オーバーフロー溝６．５，…，６．８の開放は、十分な大きさであり、かつ逆の有効流入Ｖｅｆｆ２に対してのみ生じ得る。
【００２４】
図２はオーバーフロー溝６．１，６．２を有する図１の一部を示している。当該オーバーフロー溝は流体力学的プロフィール３の吸引側１０において、メンブレン７．１の部分によって保持ウェブ９．１および９．２間で架橋されている。図に示す作動状況で、弁装置１２．１は開放位置にある。本実施の形態においてそれは、メンブレン７．１の部分がプロフィールカバー２１に対して、オーバーフロー溝６．１，６．２の流出開口部１８．１，１８．２の領域内で持ち上げられていることを意味する。これにより流出開口部１８．１，１８．２に対してずらされて設けられているメンブレン開口部８．１，８．２への流路が作り出される。これにより流体力学的プロフィール３の圧力側１１と吸引側１０との間に水力的結合が創出され、当該水力的結合は圧力平準化を生じさせ、当該圧力平準化は流体力学的プロフィール３の当該部分領域によって作り出される、出力係数および／またはスラスト係数に対する寄与が減少するように行われている。ロータの水力学的作用は低減される。従ってロータブレード先端部に過負荷保護部２．１，２．２，２．３が設けられている場合、過負荷時に成立する水力タービンは、当該水力タービンの作用が比較的小さな半径を有するロータに対応する水力タービンである。
【００２５】
図２において概略的に示されるオーバーフロー溝６．１，６．２は直径Ｄを有しており、当該直径は流体力学的プロフィール３の圧力側１１と吸引側１０との間で有効な圧力の平準化が生じるような寸法になっている。これに対応して開放位置にある弁装置１２．１の開放断面の寸法が定められる。オーバーフロー溝６．１，６．２はさらに、オーバーフロー溝６．１，６．２の流出開口部１８．１，１８．２の領域における流出１６と、流入開口部１９．１，１９．２の領域における流入１７とが、吸引側のプロフィール流れ１４および圧力側のプロフィール流れ１５に逆らう向きになるように設けられている。このためにオーバーフロー溝６．１の溝軸１３と流体力学的プロフィール３の中心線との間のボーリング角βは、垂線に対して偏差を有している。この結果生じる斜めの位置は、流出１８．１が吸引側のプロフィール周りの流れ１４に逆らう方向成分を有するように向けられている。
【００２６】
オーバーフロー溝６．１の流出開口部１８．１に対して、対応するメンブレン開口部８．１が上流側にずれていることも、所望の流出方向に寄与している。これに対応してオーバーフロー溝６．１，６．２の流入開口部１９．１，１９．２の幾何形状は、背面側のプロフィール周りの流れに逆らうように形成されている。
【００２７】
過負荷保護部２．１，２．２，２．３の作動時に、開放位置において場所を取る弁装置１２．１，１２．２、本実施の形態ではメンブレン７．１，７．２を有する構成では、流体力学的プロフィールの変化が生じる。プロフィールの変化は好適に、失速がより速やかに生じ、それによって浮力の作用がより効果的に低減されるように行われる。
【００２８】
図２において概略的に示される構成はさらに、流入開口部１９．１，１９．２をカバーするためのフィルター２０．１，２０．２を示しており、当該フィルターはオーバーフロー溝６．１，６．２に沈降物が流入するのを防ぐ。付加的にメンブレン開口部８．１，８．２も異物の侵入に対して保護されていてよい。この点は詳しく表示されていない。
【００２９】
さらに好適に、オーバーフロー溝６．１，６．２には植生に対する保護装置が配設されており、それによって海洋植物に対抗する手段が取られている。このために保護コーティングが設けられていてよい。代替的に加熱要素が用いられ、それによって周期的な加熱サイクルを介してオーバーフロー溝６．１，６．２を通過可能に保つ。この目的のために電気的加熱要素が用いられ得、当該電気的加熱要素には、設備が電力網に供給され得ない出力を発生させる運転状況において、電力が供給される。オーバーフロー溝６．１，６．２の通過可能性を保つためのさらなる手段は、起振である。このとき過負荷保護部２．１，２．２，２．３を有するブレード先端部領域が共鳴振動させられるか、あるいは、特に超音波を発生させるための局所的な振動発生装置が用いられる。
【００３０】
図３はメンブレン７．１を含む弁装置１２．１を有する図１および図２に示す実施のさらなる構成を示している。上記において説明された構成と一致する構成要素には、同一の参照符号が付されている。この場合も弁装置１２．１を開放するためには、メンブレン７．１をプロフィールカバー２１に対して、オーバーフロー溝６．１，６．２の流出開口部１８．１，１８．２の領域内で持ち上げることが必要である。そのために必要とされるメンブレン７．１の緊張力に抗する持ち上げ力は、本構成の場合少なくとも部分的に、ソレノイド・コイルと復元力を有するバネ要素２４とを有する作用シリンダ２３の形式のアクチュエータ２２によって生じさせられる。本構成の有利点は、弁装置１２．１の切り替え作用が正確に決定され得ることである。従ってオーバーフロー溝６．１，６．２の完全に閉鎖された位置と開放された位置との間に、滑らかな移行はない。さらにオーバーフロー溝６．１，６．２において流れの加速によって生じるメンブレン７．１の制御されないばたつきが回避される。
【００３１】
図３に示す構成に関するさらなる有利点は、作用シリンダ２３を用いてメンブレン７．１が最大負荷閾値を下回る場合でも持ち上げられ得ることである。これにより通常運転時にオーバーフロー溝６．１，６．２を水洗することが実現され得る。さらに過負荷保護部の機能性が定期的に検査され得る。
【００３２】
電気的アクチュエータを有する実施に対して用いられるメンブレン７．１，７．２は、作用シリンダ２３による点状の負荷に耐えなければならない。十分な伸展性を有する金属シートまたは繊維補強されたプラスチックプレートを用いることが考えられる。さらに作用シリンダ２３の当接点の領域における剛性を有する要素は、メンブレン７．１を形成するための伸展性を有する要素とともに用いられ得る。さらに、メンブレン７．１，７．２が比較的硬質な実施である場合、メンブレン開口部８．１，…，８．８は好適に縮小された状態で孔として構成される。
【００３３】
図４は代替的な構成を示しており、過負荷保護部２．１は中央弁装置２５を含んでいる。当該中央弁装置は好適に、作用シリンダ２３を有する電気的アクチュエータとして形成されており、当該電気的アクチュエータは、圧力側収集空間２６から吸引側収集空間２７に至るオーバーフロー溝６を切り替える。これらの収集空間はそれぞれ、孔あきシート２８．１，２８．２によってカバーされ、孔あきシート２８．１，２８．２における貫通部は、ボーリング角βを有する上記の斜め位置を有している。
【００３４】
図５は二つの中央弁装置２５．１，２５．２を有する本発明のさらなる実施の形態を示しており、当該中央弁装置は一方でオーバーフロー溝６．１−６．４を結束し、他方でオーバーフロー溝６．５−６．８を結束する。中央弁装置２５．１，２５．２は制御スライド弁２９．１，２９．２を含んでおり、当該制御スライド弁は概ねロータブレード１の長手軸方向に設けられている。本実施の形態においてこれは、紙面に対する垂線である。制御スライド弁の作用は図２において概略的に簡略化して示されている。制御スライド弁２９が示されており、当該制御スライド弁は軸方向において概ねロータブレード１の長手軸に平行に向けられている。これに対応して水力タービンの回動時に、半径流式の設計のために遠心力Ｆが制御スライド弁２９に作用し、当該遠心力は弾性的な復元要素３０に抗して作用する。最大負荷閾値を規定する所定の回転速度以降、制御スライド弁２９は弾性的な復元要素３０に抗して移動し、例として記載されているオーバーフロー溝６の開放位置に至る。この場合、プロフィールの吸引側１０の流出開口部１８．１，１８．２と流体力学的プロフィール３の見ることのできない圧力側の流入開口部１９．１，１９．２との間に流体的結合が作り出される。ここに過負荷保護部の作用が生じる。以下の特許請求の範囲の枠内でさらなる構成が想定可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１．１，１．２，１．３  ロータブレード
２．１，２．２，２．３  過負荷保護部
３  流体力学的プロフィール
４  中心線
５  回転面
６，６．１，…，６．８  オーバーフロー溝
７．１，７．２  メンブレン
８．１，…，８．８  メンブレン開口部
９．１，…，９．６  保持ウェブ
１０  吸引側
１１  圧力側
１２．１，１２．２  弁装置
１３  溝軸
１４  吸引側のプロフィール周りの流れ
１５  圧力側のプロフィール周りの流れ
１６  流出
１７  流入
１８．１，１８．２  流出開口部
１９．１，１９．２  流入開口部
２０．１，２０．２  フィルター
２１  プロフィールカバー
２２  電気的アクチュエータ
２３  作用シリンダ
２４  ソレノイド・コイル
２５，２５．１，２５．２  中央弁装置
２６  圧力側収集空間
２７  吸引側収集空間
２８．１，２８．２  孔あきシート
２９，２９．１，２９．２  制御スライド弁
３０  弾性的な復元要素
３１  ブレード先端部
１００  潮力発電所
１０１  基盤
１０２  水床
１０３  タワー
１０４  水力タービン
１０５  水面
Ｕ１，Ｕ２  負の回転速度
Ｖ１，Ｖ２  流入速度
Ｖｅｆｆ１，Ｖｅｆｆ２  有効流入速度
α  ブレード迎角
β  ボーリング角
Ｄ  直径
Ｆ  遠心力
【図１】
2014530987.tif 000003
【図２】
2014530987.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014530987.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月26日(2014.6.26)
【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】
流体力学的プロフィール（３）を有する水力タービン（１０４）のためのロータであって、前記流体力学的プロフィールには吸引側（１０）と圧力側（１１）とが配設されており、当該ロータは多数のオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）を含んでおり、当該オーバーフロー溝は前記流体力学的プロフィール（３）内に設けられているとともに前記吸引側（１０）と前記圧力側（１１）との水力学的結合を作り出しており、当該オーバーフロー溝にはそれぞれ弁装置（１２．１，１２．２）が配設されている、ロータにおいて、
前記弁装置（１２．１，１２．２）は、ロータブレードに対する所定の最大負荷閾値を下回るときに閉止され、当該最大負荷閾値を上回るときに開放され、個々のオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）は、前記弁装置（１２．１，１２．２）の開放位置において、前記ロータブレードの出力係数および／またはスラスト係数を閉止位置に対して減少させることを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記最大負荷閾値は、前記水力タービン（１０４）の所定の回転速度によって、および／または前記水力タービン（１０４）にかかる所定の動圧によって、および／または前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）と前記圧力側（１１）との所定の圧力差によって、設定されている、請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記弁装置（１２．１，１２．２）はメンブレン（７．１，７．２）を含んでおり、当該メンブレンは前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）および／または前記圧力側（１１）に設けられており、当該メンブレンは少なくとも一つのメンブレン開口部（８．１，…，８．８）を有しており、当該メンブレン開口部は前記メンブレン（７．１，７．２）にカバーされるオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）の流入開口部（１９．１，１９．２）および／または流出開口部（１８．１，１８．２）に対してずらされて設けられている請求項１または請求項２に記載のロータ。
【請求項４】
前記弁装置（１２．１，１２．２）の前記メンブレン（７．１，７．２）はオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）を開放するために、当該オーバーフロー溝（６．１，…，６．８）にそれぞれ配設されている前記流入開口部（１９．１，１９．２）および／または前記流出開口部（１８．１，１８．２）から持ち上げ可能である、請求項３に記載のロータ。
【請求項５】
前記メンブレン（７．１，７．２）は前記流体力学的プロフィール（３）の前記圧力側（１１）と前記吸引側（１１）との圧力差によって、パッシブに移動可能である、請求項３または請求項４に記載のロータ。
【請求項６】
前記メンブレン（７．１，７．２）には、移動を行うために作用シリンダ（２３）が配設されている、請求項５または請求項６に記載のロータ。
【請求項７】
少なくとも二つのオーバーフロー溝（６．１，…，６．８）には、共通の弁装置（１２．１，１２．２）が配設されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項８】
前記オーバーフロー溝（６．１，…，６．８）は、前記流体力学的プロフィール（３）の前記圧力側（１１）において圧力側収集空間（２６）に出口を有しており、前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）において吸引側収集空間（２７）に出口を有しており、前記圧力側収集空間（２６）と前記吸引側収集空間（２７）とは中央弁装置（２５）を介して水力学的に結合されている、請求項７に記載のロータ。
【請求項９】
前記弁装置（１２．１，１２．２）は制御スライド弁（２９）を含んでいる、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項１０】
前記制御スライド弁（２９）は前記ロータブレード（１．１，１．２，１．３）に作用する遠心力（Ｆ）によって弾性的な制御要素（３０）の力の作用に抗して移動可能である、請求項９に記載のロータ。
【請求項１１】
前記制御スライド弁（２９）には、調整用流体システムが配設されており、当該調整用流体システムには、流入によって生じる動圧によって圧力供給可能である、請求項９に記載のロータ。
【請求項１２】
前記弁装置（１２．１，１２．２，２５）は電気的に作動可能である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項１３】
前記流体力学的プロフィール（３）は双方向式プロフィールとして形成されている、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のロータブレード（１．１，１．２，１．３）を有する水力発電所の運転方法であって、前記最大負荷閾値を下回る通常運転段階に対して前記弁装置（１２．１，１２．２）は閉止され、前記最大負荷閾値を上回る強力流入段階に対して前記弁装置（１２．１，１２．２）は開放される、運転方法。
【請求項１５】
前記最大負荷閾値は前記水力タービン（１０４）の所定の回転速度によって、および／または前記水力タービン（１０４）にかかる所定の動圧によって、および／または前記流体力学的プロフィール（３）の前記吸引側（１０）と前記圧力側（１１）との所定の圧力差によって設定されている、請求項１４に記載の運転方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、特に潮力発電所または河川水力発電所のための水力タービンのロータおよび当該発電所の運転方法に関する。
【国際調査報告】
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