(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液圧エネルギを電気的又は機械的エネルギに変換するための設備（２）の液圧機械（２０）に属する回転部分（２０２）であって、該回転部分は、該回転部分の回転軸線（Ｚ２０２；Ｚ２０４）を中心として分配配置され、前縁（２０８０）から後縁（２０８２）まで延在している複数の羽根（２０８）を有している回転部分を製造する方法であって、該方法は、
ａ）前記羽根（２０８）の前記前縁（２０８０）を形成する、各羽根（２０８）の第１部分（２０８Ａ）を鋼で製造するステップと、
ｂ）前記羽根の第２部分（２０８Ｃ）を鋼ではない材料で製造し、前記第２部分を、後縁（２０８２）を形成するように前記羽根の前記第１部分に取り付けるステップと、
を有しており、
前記第２部分は、前記後縁（２０８２）の近くで対称の線形又は準線形形状を有し、前記後縁（２０８２）に向かってその厚さが減少し、前記羽根（２０８）から出るカルマン渦列を減じることを特徴とする、液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換するための設備（２）の液圧機械（２０）に属する回転部分（２０２）を製造する方法。
【請求項２】
前記第２部分（２０８Ｃ）を前記第１部分（２０８Ａ）に、接着剤による接合、又は溶接、又はねじ固定によって取り付ける、請求項１記載の方法。
【請求項３】
液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換するための設備（２）の液圧機械（２０）に属する回転部分（２０２）であって、該回転部分は、水流が該回転部分を通過するときに回転軸線（Ｚ２０２；Ｚ２０４）を中心として回転させられて、前記回転軸線を中心として分配配置され、前縁（２０８０）から後縁（２０８２）まで延在する複数の羽根（２０８）を有している、回転部分において、
前記回転部分の各羽根（２０８）は、前記前縁を形成する第１部分（２０８Ａ）と、延長部（２０８Ｃ）によって形成される第２部分とを有していて、前記延長部は、前記第１部分（２０８Ａ）の取り付け領域（２０８Ａ２）に取り付けられていて、前記羽根の前記後縁（２０８２）を形成しており、
前記第２部分は、前記後縁（２０８２）の近くで対称の線形又は準線形形状を有し、前記後縁（２０８２）に向かってその厚さが減少し、前記羽根（２０８）から出るカルマン渦列を減じることを特徴とする、液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換するための設備（２）の液圧機械（２０）に属する回転部分（２０２）。
【請求項４】
前記延長部（２０８Ｃ）は、前記羽根（２０８）の前記第１部分（２０８Ａ）によって規定された圧力面（２０８４）と背面（２０８６）とをそれぞれ延長する２つの面（Ｓ２０８Ｃ４，Ｓ２０８Ｃ６）を有している、請求項３記載の回転部分（２０２）。
【請求項５】
鋼の弾性限界を超える弾性限界を有し、鋼のクラック伝播傾向よりも低いクラック伝播傾向を有し、又は鋼の弾性率よりも低い弾性率を有する複合材料から前記延長部（２０８Ｃ）は形成されている、請求項３又は４記載の回転部分（２０２）。
【請求項６】
前記延長部（２０８Ｃ）は前記羽根（２０８）を延長し、前記後縁（２０８２）と前記取り付け領域（２０８Ａ２）との間として考えた長さ（Ｌ２０８Ｃ）を有していて、該長さは、前記羽根の平均全長の１％〜２５％に等しい、請求項３から５までのいずれか１項記載の回転部分（２０２）。
【請求項７】
前記延長部（２０８Ｃ）は前記羽根（２０８）を延長し、前記後縁（２０８２）と前記取り付け領域（２０８Ａ２）との間として考えた長さ（Ｌ２０８Ｃ）を有していて、該長さは、前記羽根の平均全長の１０％に等しい、請求項３から５までのいずれか１項記載の回転部分（２０２）。
【請求項８】
前記回転部分はフランシス型のランナであって、該ランナはランナクラウン（２０２２）とランナバンド（２０２０）とを有していて、前記ランナクラウン（２０２２）と前記ランナバンド（２０２０）との間に前記羽根（２０８）が延在していて、前記第１部分（２０８Ａ）と前記第２部分（２０８Ｃ）とは、前記ランナクラウンと前記ランナバンドとに取り付けられている、請求項３から７までのいずれか１項記載の回転部分（２０２）。
【請求項９】
前記回転部分は、バルブ型、又はカプラン型、又はプロペラ型、又はデリア型の機械に属するものであって、運転中に軸線（Ｚ２０４）を中心として回転するハブ（２０５）と、該ハブから、前記回転軸線に関して半径方向に延在する羽根（２０８）とを有している、請求項３から７までのいずれか１項記載の回転部分（２０２）。
【請求項１０】
請求項３から９までのいずれか１項記載の回転部分（２０２）を備えた液圧機械（２０）。
【請求項１１】
請求項１０記載の液圧機械（２０）を有する、液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換するための設備（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換するための設備に属する液圧機械の回転部分を製造する方法、並びにこの方法により製造された回転部分、並びにこのような回転部分を備えた液圧機械、並びにこのような機械を備えたエネルギ変換設備に関する。
【０００２】
液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換する分野では、タービン、ポンプ、又はポンプタービンのような液圧機械を使用することが公知である。タービン様式では、この機械は軸を回転させ、これにより液圧エネルギを機械エネルギに変換する。このエネルギ変換は、ランナクラウンとランナバンドと羽根とを備えたランナによって達成され、羽根は、ランナの回転軸線を中心としてランナクラウンとランナバンドとの間で分配配置されている。羽根は、運転中、それぞれ水流のための前縁及び後縁である第１の縁部と第２の縁部との間で、曲線に沿って延在している。タービン様式で運転される場合、水は上流の貯水池から水圧管路を通って流れ、機械のランナを取り囲むケーシングへと到る。次いでケーシングが、ランナの羽根の間に水を分配する。羽根は独特のプロフィールを有しており、このプロフィールによって、低圧領域をランナの内側に形成することができる。これによりランナは回転させられる。水が羽根の後縁に達したとき、水は下流の吸出管に向かって動く。
【０００３】
液圧機械の分野で現在繰り返し生じている問題の１つは、ランナの羽根の後縁近傍及び後縁下流でカルマン渦列が形成されることである。より詳しく言うならば、ランナの羽根の後縁は、極めて流線形というわけではなく、羽根の周りの流れの不安定な分離により生じる渦を周期的なパターンで発生させる。カルマン渦列は、機械の効率を下げ、クラックに通じる恐れのある羽根の動的負荷を表すものである。
【０００４】
羽根の後縁がより厚いほど、カルマン渦列の発生は増大する。そのための第１の解決策は、後縁の厚さを非対称な形式でできるだけ減じることであり、これにより現象の対称性は失われ、現象の強度は阻害される。このような方法は、カルマン渦列を減じることはできるが、使用される鋼の特性により、厚さを必要程度に減じることはできないので、カルマン渦列をなくすことはできない。
【０００５】
液圧機械の回転部分を製造する方法を提供することにより、本発明が特に解消しようとしているのはこれらの欠点であり、この製造法によって、より堅牢で改善されたパフォーマンスを有する液圧機械を製造することができる。
【０００６】
そのために、本発明は、液圧エネルギを電気的又は機械的エネルギに変換するための設備の液圧機械に属する回転部分であって、該回転部分は、該回転部分の回転軸線を中心として分配配置され、前縁から後縁まで延在している複数の羽根を有している回転部分を製造する方法に関する。本発明によれば、この方法は、
ａ）前記羽根の前記前縁を形成する、各羽根の第１部分を鋼で製造するステップと、
ｂ）前記羽根の第２部分を鋼ではない材料で製造し、前記第２部分を、後縁を形成するように前記羽根の前記第１部分に取り付けるステップと、を有する。
【０００７】
本発明の利点により、羽根の第２部分は鋼ではない材料から形成されている、２部分から成る羽根を使用することにより、ランナの機械的強度や装置の寿命を損なうことなく、後縁の厚さをゼロに近い厚さまで減じることができる。このことは羽根の後縁に生じるカルマン渦列を減じることを意味する。
【０００８】
本発明の有利ではあるが、必須ではない一態様によれば、前記第２部分は前記第１部分に、接着剤による接合、又は溶接、又はねじ込みによって取り付けられる。
【０００９】
本発明はさらに、液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換するための設備の液圧機械に属する回転部分であって、該回転部分は、水流が該回転部分を通過するときに回転軸線を中心として回転させられて、前記回転軸線を中心として分配配置され、前縁から後縁まで延在する複数の羽根を有している、回転部分に関する。本発明によれば、前記回転部分の各羽根は、前記前縁を形成する第１部分と、延長部によって形成される第２部分とを有していて、前記延長部は、前記第１部分の取り付け領域に取り付けられていて、前記羽根の前記後縁を形成している。
【００１０】
本発明の有利ではあるが必須ではない一態様によれば、液圧機械に属する回転部分は、技術的に可能な任意の組み合わせで、以下の特徴の１つ以上を有していて良い：
−前記延長部は、前記羽根の前記第１部分によって規定された圧力面と背面とをそれぞれ延長する２つの面を有している。
−鋼の弾性限界を超える弾性限界を有し、鋼のクラック伝搬傾向よりも低いクラック伝搬傾向を有し、又は鋼の弾性率よりも低い弾性率を有する材料、例えば複合材料から前記延長部は形成されている。
−前記延長部は前記羽根を延長し、前記後縁と前記取り付け領域との間として考えた長さを有していて、該長さは、前記羽根の平均全長の１％〜２５％であって、特に１０％に等しい。
−前記回転部分はフランシス型のランナであって、該ランナはランナクラウンとランナバンドとを有していて、前記ランナクラウンと前記ランナバンドとの間に前記羽根が延在していて、前記第１部分と前記第２部分とは、前記ランナクラウンと前記ランナバンドとに取り付けられている。
−前記延長部は、対称的な先端の形の断面を有している。
−前記回転部分は、バルブ（bulb）型、又はカプラン型、又はプロペラ型、又はデリア型の機械に属するものであって、運転中に軸線を中心として回転するハブと、該ハブから、前記回転軸線に関して半径方向に延在する羽根とを有している。
【００１１】
本発明はさらに、上記のように規定した回転部分を備えた液圧機械に関する。
【００１２】
最後に、本発明は、上記のように規定した液圧機械を有する、液圧エネルギを機械的又は電気的エネルギに変換するための設備に関する。
【００１３】
添付の図面につき、本発明の原理による、液圧機械に属する回転部分を製造する方法の態様を単なる例として以下に説明することにより、本発明はより理解しやすいものとなり、本発明のさらなる利点がより明白になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によりフランシスタービンを組み込んだ、本発明によるエネルギ変換設備を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１のタービンのランナを示す側面図である。
【図３】図２のランナに設けられた１つの羽根、特に図２の左から見て５番目の羽根を詳しく示した図である。
【図４】図３の羽根の横断面図である。
【図５】図４に示したＶの部分を拡大して示した図である。
【図６】本発明の第２の態様によりプロペラ型タービンを組み込んだ、本発明によるエネルギ変換設備を概略的に示す縦断面図である。
【図７】図６のVII-VII線に沿って断面した部分拡大図である。
【図８】従来技術のランナに設けられた羽根の断面を図５と同様に示した図である。
【００１５】
図１には、本発明によるエネルギ変換設備２が示されている。このエネルギ変換設備２は液圧機械２０を有しており、この液圧機械２０は、この例ではフランシスタービンである。従って、タービン２０の回転部分はフランシス型ランナ２０２である。このランナ２０２は垂直軸線Ｚ２０２を中心として回転し、駆動軸２０４を回す。この場合、駆動軸２０４は、電気を生成するためにオルタネータ２０６に接続されている。しかしながら、別の装置を駆動するために生成される機械エネルギを使用することもできる。水は、上流で貯水池（図示せず）に貯えられる。次いでこの水は、貯水池とタービン２０との間の高低差により規定されたヘッドを備えた水圧管路２２を介して液圧タービン２０に供給される。水圧管路２２は、ランナ２０２を取り囲むケーシング２４内へと開口しており、このケーシング２４によって水を、軸線Ｚ２０２を中心としてほぼ規則的にランナ２０２の内側で分配することができる。より正確には、水は、ランナ２０２のランナクラウン２０２２とランナバンド２０２０との間に位置する羽根２０８の間で流れる。これらの羽根２０８はそれぞれ、ケーシング２４から水が到達する前縁２０８０と、吸出管２６に向かって水が出て行く後縁２０８２とを有している。羽根２０８は、圧力面２０８４と背面２０８６とを備えた非対称のプロフィールを有している。弦２０８８は、圧力面２０８４と背面２０８６との間に等距離に位置し、前縁２０８０と後縁２０８２とを通る線として規定される。タービン２０を通る水の流れ方向は図１に矢印Ｅによって示されている。
【００１６】
図２には、本発明によるランナ２０２が示されている。より正確に言うならば、羽根２０８の後縁２０８２は流れＥにとって特に危険な領域であるので、この後縁２０８２に流れＥが達する時点が重要である。実際、この時点は、羽根２０８からの流れＥの分離を表す。このようなわけで、製造法の主題は羽根２０８である。
【００１７】
図８には、従来技術のランナに設けられた羽根２０８´の後縁２０８２´が示されている。この場合、羽根２０８は後縁２０８２´の近くで非対称形状を有していて、この後縁に向かって羽根の厚さは減少している。従って、厚さが減じられている後縁が形成されている。しかしながら、鋼の特性は、厚さが小さくなりすぎたとき、必要な寿命を保証できるようなものではなく、特にクラックの危険を有しているので、後縁２０８２´はなお所定の厚さを保持している。
【００１８】
以下で重要であるのは、本発明によるランナ２０２の羽根２０８の後縁２０８２と流れＥとの間の境界面である。このことはランナ２０２のその他の羽根２０８にもあてはまる。
【００１９】
図３〜図５には、本発明の方法により製造された羽根２０８が示されている。図５に示されたように、羽根２０８は、製造法の第１段階で製造された鋼製の第１部分２０８Ａと、この第１部分２０８Ａの取り付け領域２０８Ａ２に取り付けられた延長部である第２部分２０８Ｃとを有し、この第２部分２０８Ｃは、複合材料のような柔軟な材料から成っている。取り付け領域２０８Ａ２は弦２０８８に対して垂直である。延長部２０８Ｃは、図３〜図５の平面と同様の平面で横断面を有しており、その厚さは徐々に減少して鋭利な先端の形状に収束している。この先端形状は対称であり、線形の又は準線形の後縁２０８２を規定している。これにより、羽根２０８から出るときのカルマン渦列は大幅に減じられ、羽根から離れる流れはより安定したものとなる。
【００２０】
カルマン渦列は、羽根２０８に動的負荷をもたらす。従って、回転部分２０２がこの方法により製造された場合、クラックにつながる恐れのある振動のリスクは大幅に減じられ、これにより機械の寿命は長くなる。
【００２１】
延長部２０８Ｃは、取り付け領域２０８Ａ２に接着剤により接合されている。この処置中、延長部２０８Ｃは、取り付け領域２０８Ａ２の湾曲形状に沿うように変形される。延長部２０８Ｃを製造するのに使用される材料は柔軟であるので、このような変形は取り付け工にとって比較的容易なものである。延長部２０８Ｃをランナクラウン２０２２とランナバンド２０２０に取り付けることができる。選択的に、延長部２０８Ｃをこれらの部材から取り外すことができる。
【００２２】
羽根２０８の圧力面２０８４側にある延長部２０８Ｃの面はＳ２０８Ｃ４と記載され、羽根２０８の背面２０８６側にある延長部２０８Ｃの面はＳ２０８Ｃ６と記載される。面Ｓ２０８Ｃ４とＳ２０８Ｃ６とはそれぞれ圧力面２０８４と背面２０８６とから延在していて、後縁２０８２に向かって収束する。これにより、第１部分２０８Ａと第２部分２０８Ｃとの間で流れが乱されることはない。
【００２３】
延長部２０８Ｃは、取り付け領域２０８Ａ２の面全体にわたって延在している。換言すると、延長部２０８Ｃは後縁２０８２全体を形成している。
【００２４】
実際、延長部２０８Ｃは、取り付け領域２０８Ａ２に対して垂直方向で考えて、この取り付け領域２０８Ａ２と後縁２０８２との間である長さＬ２０８Ｃを有しており、この長さは、前縁２０８０と後縁２０８２の間の弦２０８８の長さの１％〜２５％であって、特に１０％に等しい。
【００２５】
図６及び図７には、本発明の第２の態様が適用されている別の型の液圧機械が示されている。この液圧機械はプロペラ型タービンである。このタービンは、鉛直の回転軸線Ｚ２０４を中心として回転する軸２０４に取り付けられたハブ２０５を有している。羽根２０８はハブ２０５の周りに配置されている。このプロペラ型タービンには水圧管路２２を介して水が供給される。従って水は、プロペラの羽根２０８の間を流れる。この流れは、図６に矢印Ｅで示されている。ハブ２０５と羽根２０８とは一緒に、タービンの回転部分２０２を形成している。
【００２６】
本発明によれば、プロペラタービンの羽根２０８は２つの部分から形成されている。第１部分２０８Ａは、流れＥによって示されているように、各羽根の前縁２０８０を形成している。この第１部分２０８Ａには延長部２０８Ｃが取り付けられていて、羽根２０８の第２部分を形成している。この延長部２０８Ｃは、第１部分２０８Ａに取り付けられる前に、第１部分２０８Ａとは別個に製造される。延長部２０８Ｃは複合材料から成っている。図７に示したように、延長部２０８Ｃは線形の後縁２０８２を形成する鋭利な先端の形の横断面を有している。これにより、タービン２０の効率を減じるカルマン渦列を減じることができる。
【００２７】
図７には、羽根２０８の後縁２０８２がより詳しく示されている。この図面に示したように、延長部２０８Ｃは、第１部分２０８Ａの取り付け領域２０８Ａ２に接着剤により接合されている。延長部２０８Ｃはさらに、それぞれ羽根２０８の圧力面２０８４と背面２０８６とを延長する２つの面Ｓ２０８Ｃ４とＳ２０８Ｃ６とを有している。従って、第１部分２０８Ａと第２部分２０８Ｃとの間で流れが乱されることはない。
【００２８】
図示されていない変化実施例では、フランシスタービン又はプロペラタービンとは異なる型のタービン、特にカプラン型タービン、バルブ（bulb）型タービン、デリア型タービンでも本発明は適用される。
【００２９】
図示されていない変化実施例及びいずれの態様でも、延長部２０８Ｃは、既存の羽根の領域２０８Ａ２にねじ固定又は溶接される。
【００３０】
全ての態様に適用可能な変化実施例では、鋼の弾性限界を超える弾性限界を有し、鋼のクラック伝搬傾向よりも低いクラック伝搬傾向を有し、鋼の弾性率よりも低い弾性率を有する材料、特に複合材料又はその他任意の適当な材料から延長部２０８Ｃは形成されている。
【００３１】
上述した変化実施例及び態様は、本発明の新たな態様を得るために組み合わされて良い。
【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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