(57)【要約】【解決手段】ペルトン水車の羽根は、一般的には、平坦な射出縁部を有しており、単に、所定の事情のもとで、バケット付け根部の領域において、下に向かって面取りされている。この平坦な形状は、もちろん、ペルトン水車の羽根内における噴射流の方向転換を、ペルトン水車の効率に関して最適化するために、最適化の可能性を限定する。本発明は、ここで、かなりの効率利得をもたらす、ペルトン水車の羽根の特別の形状を開示している。
2004522056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルトン羽根車の射出縁部が、少なくとも、部分的に凹状に湾曲されていることを特徴とするペルトン羽根車のペルトン水車の羽根。
【請求項２】
ペルトン水車の羽根の射出縁部は、中央の噴射流円直径の領域において、平坦な射出縁部に比して降下されていることを特徴とする請求項１に記載のペルトン水車の羽根。
【請求項３】
ペルトン水車の羽根の射出縁部は、バケット付け根部の領域において、平坦な射出縁部に比して高くされていることを特徴とする請求項１または２に記載のペルトン水車の羽根。
【請求項４】
羽根前面の領域におけるペルトン水車の羽根の射出縁部は、平坦な射出縁部に比して高くされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のペルトン水車の羽根。
【請求項５】
射出縁部の湾曲は、少なくとも部分的に、凸状に湾曲されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のペルトン水車の羽根。
【請求項６】
凹状及び／または凸状に湾曲された形状は、少なくとも、部分的に多角形輪郭によって、近似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から５のいずれか一つに記載のペルトン水車の羽根。
【請求項７】
ペルトン水車の羽根における流出角度は、射出縁部の形状によって、噴射流の射出速度の半径方向の成分が最小になるように調節可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のペルトン水車の羽根。
【請求項８】
このペルトン水車の羽根における流出角度は、この射出縁部の形状によって、この噴射流の方向転換が、少なくとも部分的に、１８０°に関して最大にされるほどに調節可能である、ように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載のペルトン水車の羽根。
【請求項９】
射出縁部における流出の最適な角度経過は、数値的な、液体動力学的な、及び／または数学的なモデルに基づいて算出可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載のペルトン水車の羽根。
【請求項１０】
射出縁部における流出の最適な角度経過は、モデル実験において決定可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載のペルトン水車の羽根。
【請求項１１】
ペルトン水車の羽根の射出縁部における流出の角度経過は、噴射流が、このペルトン水車の羽根からの射出の際に、少なくともただ部分的にだけ後に続くペルトン水車の羽根に擦過するように調節可能であるように構成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載のペルトン水車の羽根。
【請求項１２】
ペルトン羽根車の射出縁部が、少なくとも、部分的に凹状に湾曲されているように構成されることを特徴とするペルトン水車の羽根を製造するための方法。
【請求項１３】
射出縁部は、中央の噴射流円直径の領域において、平坦な射出縁部に比して降下されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
射出縁部は、バケット付け根部の領域において、平坦な射出縁部に比して高くされることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
羽根前面の領域における射出縁部は、平坦な射出縁部に比して高くされることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１６】
射出縁部は、少なくとも部分的に、凸状に湾曲されることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１７】
最適な射出角度経過は、数値的な、液体動力学的な、及び／または数学的なモデルに基づいて算出されることを特徴とする請求項１２から１６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
最適な射出角度経過は、モデル実験において確認されることを特徴とする請求項１２から１７のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルトン羽根車のペルトン水車の羽根、並びにペルトン水車の羽根を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペルトン水車の羽根は、従来、平坦な射出縁部を有して製造されていた。有利には、小さな噴射流円比の場合、即ちこれら羽根が極めて小さな噴射流円比に間隔を詰めねばならない場合、これら出口縁部は、しばしば単に、バケット付け根部において、下に向かって斜めに傾斜される。何故ならば、さもなければ、これらペルトン水車の羽根の間のバケット付け根部において少なすぎるスペースが流出すべき水のために残存するからである。このことによって、噴射流の方向転換角度は、縮小される。これら平坦な射出縁部によって、不可避的に、これら連続状態の羽根の間の内法幅が減少し、このことによって、僅かなスペースが、流出する水のために残存する。更に、このことによって、方向転換のために必要な軌道長さは、不必要に延長される。これら全ての欠点は、ペルトン水車の効率に対して、不利な影響をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明の課題は、噴射流の方向転換を、特別に形状賦与された羽根によって最適化すること、および従って、ペルトン水車の効率を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この提示された課題は、ペルトン水車の羽根、およびペルトン水車の羽根を製造するための方法に関して、本発明により、ペルトン羽根車のペルトン水車の羽根の射出縁部が、少なくとも、部分的に凹状に湾曲されていることによって解決される。
この射出縁部の形状によって、噴射流の運動エネルギーは、案内の間じゅう、このペルトン水車の羽根内において最適に利用され、且つ、ペルトン水車軸に伝達され、これによって、ペルトン水車の効率の改善が達成される。総じて、上記のことによって、０．３から０．４％の効率利得が得られ、このことは、ペルトン水車における数百ＭＷの慣用の出力の場合に、かなりの利得を意味する。この特別の形状は、噴射流の方向転換の最適化から与えられ、且つ、この噴射流が、正確な方向転換のために必要な軌道長さを越えて案内されないことを保証する。
更に、このペルトン水車の羽根の射出角度が、この形状によって更に閉じられ（geschlossen）、このことは、このペルトン水車の効率に、同様に良い影響を及ぼす。
【発明の効果】
【０００５】
バケットの中央の領域における射出縁部の降下によって、付加的な効果として、前方を走るバケットから傍らを流れ過ぎる水のための多くのスペースが形成され、即ち、内法幅の拡大が得られる。このことからの直接的な帰結として、最適な内法幅の維持のために、ペルトン水車の羽根の射出角度は、この領域内において更に閉じられ、このことは、他方また、ペルトン水車の効率に、良い影響をもたらす。
【０００６】
有利な実施形態において、ペルトン水車の羽根の射出縁部は、バケット付け根部の領域において、平坦な射出縁部に比して高くされており、このことによって、噴射流の方向転換角度が増大可能であり、このことは、運動量保存則に従って、ペルトン水車の効率に有利な影響をもたらす。小さな噴射流円比Ｄ1 ／Ｂ2 、即ちＤ1 ／Ｂ2 ＜３．３の場合、同時に、バケット付け根部の領域における射出縁部の立ち上げと共に、この射出縁部における開口角度は、流出する噴射流が過度に強く後に続く羽根に擦過することを回避するために、この領域において増大される。この羽根内における噴射流のより長い案内によって、特に、効率利得が得られる。
【０００７】
更に有利な実施形態は、羽根前面の領域における射出縁部が平坦な射出縁部に比して高くされている場合に与えられ、このことは、付加的にペルトン水車の羽根の形状の最適化における余地を残す。
【０００８】
羽根形状の可能な限り流動的な移行を保障するために、射出縁部は、ペルトン羽根車の半径方向面に関して、有利には、少なくとも部分的に、凸状に湾曲されている。このことによって、噴射流は、移行状態で、および、ペルトン水車の羽根内における不必要な損失無しに方向転換され、且つ、このペルトン水車の羽根から射出する。
選択的に上記の目的のために、凹状及び／または凸状に湾曲された形状が、少なくとも、部分的に多角形輪郭によって、近似される場合、本発明によるペルトン水車の羽根の製造における簡略化が達せられる。
【０００９】
ペルトン水車の効率は、ペルトン水車の羽根における噴射流の流出角度が、射出縁部の形状によって、この噴射流の射出速度の半径方向の成分が最小になるように調節される場合に、良い影響を及ぼされる。
この効率の付加的な改善は、このペルトン水車の羽根における噴射流の流出角度が、この射出縁部の形状によって、この噴射流の方向転換が、少なくとも部分的に、１８０°に関して最大にされる場合に達せられる。
効率は、更に、ペルトン水車の羽根における流出角度が、噴射流が、このペルトン水車の羽根からの射出の際に、ただ部分的にだけ後に続くペルトン水車の羽根に擦過するように調節されることによって改善される。
【００１０】
良好な最適化結果は、射出角度経過が、先ず第一に、例えば、数値的な、液体動力学的な、及び／または数学的なモデルに基づいて算出され、且つ、微調整が、モデル実験において実施される場合に達成可能である。
【００１１】
次に本発明を、概略的な、例示的な、および限定的でない図１から４までに基づいて説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ペルトン水車は、ハウジング内において回転軸線を中心にして回転し、且つ、媒体、大抵の場合に水でもって、圧力導管から、１つの噴射流２を介して、または同時に多数の噴射流を介して、中央の噴射流円直径Ｄ1 に対して接線方向に付勢される。この並進的に移動する媒体は、羽根前面の断面を通って、回転するペルトン水車の羽根１内へと流入し、羽根水切り尖端部５において２つに分割され、このペルトン水車の羽根１の両方のバケット内において方向転換され、且つ、図１および２において概略的に図示されているように、両側へと、外側の羽根縁部を経て、このペルトン水車の羽根１から離れる。
運動量保存則により、力Ｆは、停止しているペルトン水車の羽根1に対して、
Ｆ＝（１＋ｃｏｓε3 ）ρＡｃ2 
として与えられる。その際に、ε3 は、この噴射流２の流入軸線に関しての流出角度であり、ρがこの媒体の密度、ｃが噴射流速度、および、Ａが噴射流断面積である。この力に関する関係から明らかなように、この力は、ε3 がゼロに近づく場合、即ちこの媒体が１８０°方向転換される場合に、最大になる。
このペルトン水車軸が、これらペルトン水車の羽根１によって回転するので、従来の、即ち平坦な射出縁部３を有するペルトン水車の場合、この噴射流２の流入軸線に関しての方向転換角度は、ほぼ１３０°から、位相状態に応じておおよそ１８０°までの間で与えられる。
オイラーのタービン方程式、
Ｐ＝ρＱ（ｕ3 ｃ3u−ｕ0 ｃ0u）
により、ペルトン水車の出力Ｐは、この媒体が、円周方向（インデックスｕ）において、羽根車から流出する場合、即ち、如何なる噴射流速度ｃの半径方向の成分（インデックスｒ）も存在せず、且つ、
ｃ3r＝０    ⇒    ｃ3 ＝ｃ3u
が成り立つ場合に最大である。
またその際に、ρは、この媒体の密度を示し、Ｑが容積流量、および、ｕが羽根の周速を示している。インデックス０は、このペルトン水車の羽根１内への噴射流の流入に、および、インデックス３が、このペルトン水車の羽根１からの射出に関している。ペルトン水車の羽根の最適な作動のために、即ち、方向転換角度は、１８０°に関する全体の方向転換位相の間じゅう最大にされ、且つ同時に、射出速度ｃ3 が、ただ円周方向成分ｃ3uだけを有している。
【００１３】
図１において、２つの従来のペルトン水車の羽根１を有するペルトン水車が示されており、このペルトン水車は、１つの噴射流２によって付勢される。この噴射流２は、羽根水切り尖端部５において２つに分割され、バケット内において方向転換され、且つ、流出角度ε3 でもってこのペルトン水車の羽根１から射出する。従来のペルトン水車の羽根の場合、この流出角度ε3 は、ほぼ４０°から５０°までの値である。平坦な射出縁部３によって条件付けられた射出角度経過に基づいて、上記の実施形態から公知の欠点を伴って、半径方向の成分射出速度ｃ3rを有する射出速度ｃ3 が結果として生じる。この流出する水が、過度に強く、後に続くペルトン水車の羽根１に擦過する  −このことは、ペルトン水車の出力に対して不利な影響をもたらす−  ことを回避するために、しばしば、バケット付け根部の領域において、斜めに傾斜された射出縁部４が設けられている。このことによって、この水は、射出の際に、確かにより僅かに、後に続くペルトン水車の羽根１の外側面に擦過するが、しかしながら、流出角度ε3sが更に多く増大し、且つ、結果として生じる射出速度ｃ3sが、このことによって、更により大きな半径方向の成分を有している。上記の実施形態に基づいて、このことによって、このペルトン水車の効率が低下することは直接的に理解しやすい。
【００１４】
図２ａにおいて、平坦な射出縁部３を有する個別の従来のペルトン水車の羽根１が図示されている。この従来のペルトン水車の羽根１に、図２ｂ、および図２ｃにおいて、本発明によるペルトン水車の羽根１が対比されており、これら本発明によるペルトン水車の羽根において、それぞれに、比較として、平坦な射出縁部３が図示されている。図２ｂにおいて、本発明によるペルトン水車の羽根の射出縁部６が、凹状の湾曲部を有していることが認められる。凹状の湾曲部は、ここで定義するならば、その湾曲の曲率中心が図２ａによるこのペルトン水車の羽根１の側面図において射出縁部の上方に位置することになる湾曲（Krummung）と理解される。従って、凸状の射出縁部は、曲率中心を射出縁部６の下方で、即ち、例えばペルトン水車の羽根本体の自体内において備えている。この射出縁部６は、更に、バケットの中央の領域において、即ち、噴射流円直径Ｄ1 の周囲の領域において、平坦な射出縁部３に比して降下されており、且つ、バケット付け根部の領域において、この平坦な射出縁部３に比して高くされており、従って総じて、延在する凹状に湾曲された射出縁部６が与えられる。特に、即ちこの実施例の場合、ペルトン水車の半径方向面に関連して、ある１つの輪郭が与えられ、この輪郭は、羽根前面において延在する凸状に湾曲された形状を有し、および次いで、バケット付け根部に至るまで延在する凹状に湾曲された形状に移行している。もちろん、同様に他の形状も考えられ、且つ可能である。この形状は、射出速度ｃ3 の半径方向の成分ｃ3rの最小限化  −有利には、ｃ3r＝０−  に関しての最適化から与えられる。更に別の要因として、この最適化に、１８０°に関して最大の方向転換角度に関しての流出角度ε3 の最小限化が、および、ペルトン水車の羽根１内における噴射流２の正確な方向転換のために必要な軌道長さが、影響する。
【００１５】
湾曲された射出縁部の最適化は、演算モデル、例えば、数値的な、液体動力学的な、または数学的なモデルによって実施され、且つ、引き続いてのモデル実験、及び／またはシミュレーションにおいて検証される。もちろん、この形状をただモデル実験だけによって最適化することも可能である。上記の目的のために、実務経験から、以下の数値範囲が有利であることが判明した。
図２ｄにおいて、２つの点Ｘ１およびＸ２が示されており、これらの点は、バケットの内側面との湾曲された射出縁部６の交点から与えられる。ペルトン水車軸線を中心とする半径ＲG を有する基礎円は、その場合に、線Ｘ１−Ｘ２の延長部と接する円として与えられる。ペルトン水車のために、当業者達にとって公知であるように、噴射流円比Ｄ1 ／Ｂ2 ≒６の場合、半径は、ＲG ＝０．２５Ｂ2 からＲG ＝０．８５Ｂ2 までの値であり、Ｄ1 ／Ｂ2 ≒３の場合、半径が、ＲG ＝０．５５Ｂ2 からＲG ＝１．２Ｂ2 までの値である。噴射流円直径Ｄ1 の領域における、湾曲された射出縁部６の深さＴBRは、その場合に、ＴBR＝０．０３Ｂ2 からＴBR＝０．１７Ｂ2 までの範囲にある。Ｂ2 は、その場合に、図４において図示されているように、ペルトン水車の羽根１の幅を示している。
【００１６】
図２ｃにおいて、湾曲された射出縁部が、多角形輪郭７によって近似されている。
更に、付加的に、更にこの射出縁部７が、羽根前面の領域において、平坦な射出縁部３に比して高くされていることが認識される。この持ち上げは、もちろん、同様に湾曲された射出縁部６の場合にも可能である。
【００１７】
図３は、凹状に湾曲された射出縁部６を有する、２つのペルトン水車の羽根１によって示されたペルトン水車を図示しており、このペルトン水車が、１つの噴射流２によって付勢されている。方向転換から結果として生じる流出角度ε3 は、この実施例において、射出速度ｃ3 の半径方向の成分ｃ3rが最適に消滅し、且つ、もはや円周方向成分しか残ってなく、従って、ｃ3 ＝ｃ3uが成り立つほどに与えられる。比較として、より大きな流出角度（射出角度Austrittswinkel）ε3Sに基づいて半径方向の成分を有する、従来のペルトン水車の羽根１の射出速度ｃ3sが示されている。
【００１８】
図４において、ペルトン水車の羽根長さＢL に渡っての射出角度経過は、３つの位置において、その都度の射出角度β2 によって、示されている。これら射出角度β2 は、方向転換された噴射流が、過度に強く、後に続くペルトン水車の羽根の外側面に擦過しないように調節される。その際に、それぞれの噴射流円比Ｄ1 ／Ｂ2 のために、最適な射出角度経過が存在する。この射出角度経過は、数値的な、液体動力学的な、及び／または数学的なモデルによって算出、及び／またはシミュレーションされ、またはモデル実験において確認される。もちろん、同様に最適な射出角度経過を決定するための方法の適宜の組み合わせも、利用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】平坦な射出縁部を有するペルトン水車の羽根における、噴射流の流出の図である。
【図２ａ】本発明によるペルトン水車の羽根との、平坦な射出縁部を有するペルトン水車の羽根の比較の図である。
【図２ｂ】本発明によるペルトン水車の羽根との、平坦な射出縁部を有するペルトン水車の羽根の比較の図である。
【図２ｃ】本発明によるペルトン水車の羽根との、平坦な射出縁部を有するペルトン水車の羽根の比較の図である。
【図２ｄ】本発明によるペルトン水車の羽根との、平坦な射出縁部を有するペルトン水車の羽根の比較の図である。
【図３】本発明によるペルトン水車の羽根における、噴射流の流出の図である。
【図４】本発明によるペルトン水車の羽根の平面図である。
【国際公開パンフレット】
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2004522056.tif 000006
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2004522056.tif 000009
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2004522056.tif 000011
2004522056.tif 000012
2004522056.tif 000013
2004522056.tif 000014
【国際調査報告】
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2004522056.tif 000016
2004522056.tif 000017
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