JP7717190B2 - カプラン型タービン - Google Patents

Description

本発明はカプラン型タービンに関する。

最近、すべての分野では、生態学に細心の注意を払う生産及び製造の選択を追求する必要性が高まっており、その結果、環境に対して最大の関心が高まっている。

カプラン型タービンでは、油圧動作状態が変化するにつれて、より優れた性能で動作するために、ブレードの傾斜角度を変えることが可能であることが望ましい。

ブレード運動構造は、概して、ブレードごとに、タービンの回転軸に沿って並進可能なスパイダーを備える「接続ロッド－クランク」タイプの運動含み、スパイダーに対して、ブレードの接続ロッドの全てを蝶着する。

タービンの回転軸に沿ったスパイダーの並進運動は、各々の「接続ロッド－クランク」運動によって、ブレード自体の角運動を生じさせる。

そのような機構は、ブレード間の回転の同期を確実にする。

現在の解決策では、スパイダーは、機械における油力学的サーボモーターによって動かされ、油は回転ジョイントを通って供給され、システム全体がタービン自体によって回転する。

したがって、これらのカプラン型タービンは、広範囲に認識されているが、油力学的サーボまたは回転ジョイントから油漏れがある場合には、環境汚染のリスクに関連するこの欠点がある。

実際に、往復可動部分の駆動で及びその潤滑のために使用される鉱油は、かなり汚染する可能性があり、タービン自体を通って流れる水の集水槽にタービンから漏出する汚染のリスクを回避する必要がある。

本発明の課題は、前述の欠点及び先行技術の限界を克服することが可能であるカプラン型タービンを開発することである。

具体的には、本発明の目的は、タービン自体からの油漏れが原因である環境汚染のリスクをなくすカプラン型タービンを開発することである。

本発明の別の目的は、既知のタイプの同様のカプラン型タービンよりも劣っていない強度及び効率があるカプラン型タービンを開発することである。

その課題及び前述の目的は、請求項１に記載のカプラン型タービンによって実現される。

請求項１に記載のカプラン型タービンのさらなる特性は従属請求項に説明される。

課題及び前述の目的は、以下に言及される利点と一緒に、添付図を参照して、非限定的な例によって与えられる発明の実施形態の説明によって示される。

図２の切断線Ｈ－Ｈによる、本発明に従ったカプラン型タービンの側断面図を表す。 本発明による、タービンの上面図を表す。 図４に示される切断線ＩＩＩ－ＩＩＩによる側断面図を表す。 図１の詳細を表す。 図１の別の詳細を表す。 本発明に従ったタービンが第１の使用の動作配置の状態である、図３の切断線ＶＩ－ＶＩによる断面図を表す。 本発明に従ったタービンが第２の使用の動作配置の状態である、図６と同様の図を表す。 図１のさらなる詳細を表す。 図５の詳細の概略側断面図を表す。

前述の図を参照すると、本発明に従ったカプラン型タービンは全体として番号１０で示される。

このタービン１０は、ステーター部分１１及びローター部分１２を備える。

ステーター部分１１は、図１に概略的に点線で示されるように、
－回転軸Ｘ１を有するインペラ１４に向かうように水流を搬送するように構成された導管１３であって、該回転軸Ｘ１は実質的に垂直であり得る、または別の傾斜角を有し得る、導管１３と、
－発電機のステーター１５と、を備える。

ステーター部分１２は、
－インペラ１４を備え、インペラ１４は、さらには、
－少なくとも３つのブレード、例えば、限定ではないが、３つのブレード１７を伴うオジーブ１６であって、ブレード１７のそれぞれは傾斜軸Ｘ２に対する可変角度の配置を有するタイプであり、図３に明確に見える該傾斜軸Ｘ２は該回転軸Ｘ１に実質的に直角である、オジーブ１６と、
－インペラ１４を支える回転シャフト１８と、
－該オジーブ１６及び該回転シャフト１８の内部に画定されたブレード１７の配置を調整するための調整手段１９と、
－図１に概略的に示されるように、該ステーター１５において、回転シャフト１８に固定された発電機のローター２０と、を備える。

本発明に従ったカプラン型タービン１０の特性について、ブレード１７の配置を調整するための調整手段１９は、ブレード１７ごとに、
－図３に明確に見えるように、ブレード１７が伸びている耐荷重ディスク２１であって、耐荷重ディスク２１が該傾斜軸Ｘ２の周りでオジーブ１６上で回転するように拘束される、耐荷重ディスク２１と、
－該耐荷重ディスク２１に固定され、オジーブ１６の内側に伸びるレバー２３であって、具体的には、レバー２３は傾斜軸Ｘ２に対して半径方向に伸びる、レバー２３と、
－該レバー２３に対して第１の端２４ａで、及び駆動スライダー２５に対して第２の反対端２４ｂで旋回する操縦ロッド２４と、
を備えるという事実がある。

該ブレード１７の配置を調整するための手段１９は、また、該オジーブ１６の内部で、
－該操縦ロッド２４の第２の端２４ｂが旋回する、既に上述した駆動スライダー２５と、
－該駆動スライダー２５のための軸方向並進システム２６であって、ナット２７及びウォームねじ２８のタイプであり、ナット２７は駆動スライダー２５に固定され、ウォームねじ２８は、該回転シャフト１８の内側で動作するように位置付けられた駆動軸２９と同軸上に固定される、該軸方向並進システム２６と、を備える。

該ブレード１７の配置を調整するための手段１９は、また、駆動軸２９のための空気式回転アクチュエーター３０を備える。

空気式回転アクチュエーター３０は、
－回転シャフト１８に乗るように搭載され、駆動軸２９を該回転シャフト１８に対して回転させるように構成された空気モーター３１と、
－固定支持構造に固定された、図９に明確に見える外部ステーター本体３３と、該空気モーター３１を往復して圧縮空気を伝送するように構成された内部回転体３４とを備える空気式回転ジョイント３２と、を備える。

回転シャフト１８の内部は中空である。

駆動軸２９は回転シャフト１８と同軸である。

駆動軸２９は、それと同軸上にある回転シャフト１８を通過する。

ウォームねじ２８は、例えば、限定ではないが、再循環ボールねじである。

オジーブ１６は、回転シャフト１８と同軸の中央カラー３８を支える内部中空球状体３７を備える。

オジーブ１６は、球状体３７に固定される底部３９を含む。

オジーブ１６は、ハブ４０によって回転シャフト１８に堅く接続される。

駆動軸２９は、第１の端で空気モーター３１に接続され、反対の第２の端でウォームねじ２８に接続される。

駆動軸２９は、ジョイント４２を用いて、ウォームねじ２８に接続される。

ウォームねじ２８へのジョイント４２のロックは、好ましくは、「スーパーボルト」タイプのクランプ及び引張システムで実行される。

ジョイント４２において、ウォームねじ２８用のベアリング４３を伴う支持体も存在する。

ウォームねじ２８は中央カラー３８を通過する。

ウォームねじ２８は、中央カラー３８と接触しないで、中央カラー３８を通過する。

ウォームねじ２８は、摩擦低減構成要素、例えばブッシング４５によって、底部３９に回転可能に拘束される。

中央カラー３８は、球状体３７により、レバー２３が操縦ロッド２４の各々とともに収容される隙間を画定する。

本発明の非限定例として、本明細書に説明される実施形態では、レバー２３のそれぞれは、ディスク２１に固定されるピン２２によって支持される。さらなる例として、ピン２２のそれぞれは、ディスク２１の各々を伴う単体を形成する。

中央カラー３８は、球状体３７の内側でカンチレバーのように伸びる。

中央カラー３８の自由端３８ａと、底部３９との間で、スライダー２５と、スライダー２５に固定されたナット２７とののための運動空間が画定される。

ディスク２１のそれぞれは、ブッシング４４の介在、または別の同様でかつ技術的に同等の摩擦低減構成要素の介在によって、球状体３７で画定された対応する座部で回転する。

上述したように、そして図３に見えるように、ディスク２１のそれぞれは、ディスク２１自体から伸びるラジアルピン２２を備え、ラジアルピン２２が中央カラー３８で画定されたカウンター型穴５１で静止するまで、ラジアルピン２２は伸びる。

ラジアルピン２２はレバー２３を支持する。

レバー２３は、ディスク２１に固定するための固定基部２３ａと、操縦ロッド２４に蝶着されたヘッド２３ｂとを備える。

操縦ロッド２４は、例えば対称的な２つのバーを備え、２つのバーは、レバー２３に対して一方の側に、そしてスライダー２５に対して反対側に蝶着されたフォークを画定する。

例えば、スライダー２５はディスク形本体から成る。

図６及び図７に見えるように、スライダー２５は、操縦ロッド２４の対応する端２４ｂにそれぞれ蝶着されるように構成された小穴５５を含む。

ナット２７は再循環ボールタイプである。

図３、図４、及び図７によく分かるように例示されたストローク上端の配置と、図６に例示されたストローク下端の配置との間で、スライダー２５は自由に並進する。

したがって、ストローク上端の配置を規定するストローク要素の上端４６、及びストローク下端の配置を規定するストローク要素の下端４７は、オジーブ１６の内部で画定される。

好ましくは、ストローク要素の上端４６及びストローク要素の下端４７は、スライダー２５に触れるように構成され及び位置付けられる。

本発明の非限定的な実施形態では、ストローク要素の上端４６は、スライダー２５に固定された環状体から成り、中央カラー３８の自由端３８ａの下縁に触れるように構成される。

同様に、例として、ストローク要素の下端４７は、スライダー２５に触れ、ナット２７に触れないように構成された１つ以上の静止突起４７ａを伴うディスクから成る。

ストローク要素の下端４７は、ウォームねじ２８の下端に固定される。

具体的には、また例として、ストローク要素の下端４７は、「スーパーボルト」タイプクランプ及び引張システムを用いて、ウォームねじ２８に固定される。

空気式回転アクチュエーター３０は、また、回転シャフト１８と一体になり、回転シャフト１８と同軸上にあるチューブ状支持体６０を備える。

空気モーター３１は、このチューブ状支持体６０の内側で固定される。

図９に明確に見えるように、空気式回転ジョイント３２の内部回転体３４は、回転シャフト１８と同軸上で回転するように、チューブ状支持体６０のカバー６１に固定される。

内部回転体３４は、チューブ状支持体６０の外側に固定される。

カバー６１は、圧縮空気のための２つの貫通チャネル６２及び６３、すなわち、第１のチャネル６２及び第２のチャネル６３を有する。

これらの第１のチャネル６２及び第２のチャネル６３は、空気式回転ジョイント３２の内部回転体３４で画定された入口導管６２ａ及び出口導管６３ａの各々と接続される。

これらの第１のチャネル６２及び第２のチャネル６３は、空気モーター３１の対応する入口継手６４及び対応する出口継手６５と接続される。

第１のチャネル６２及び第２のチャネル６３は、交互に動作し、一方が外側チャネルとして、他方が戻りチャネルとして動作し、その逆の場合も同様に動作する。

空気式回転ジョイント３２の外部ステーター本体３３は、簡略化するために図示されない固定構造要素、すなわち静止構造要素によって支持される。

空気式回転ジョイント３２は、さらには、明らかに既知のタイプであることが意図されるエアコンプレッサに接続される。

このエアコンプレッサは、例えば、６ｂａｒの圧力で、空気式回転ジョイント３２を通って空気を循環するように構成される。

タービン（１０）は、また、ブレード１７の角度位置を検出するための検出手段７０も備える。

本発明自体の例示的で非限定である本発明の本明細書に説明される実施形態では、検出手段７０は、
－移動体８０と、
－該ブレード１７の回転角に比例して、該移動体８０を変位させるように構成された変位手段８１と、
－該移動体８０の変位を検出するように構成されたセンサー８２と、
を備える。

例えば、移動体８０は、チューブ状支持体６０を囲むように設置された環状体８０ａを備える。

環状体８０ａは、１つ以上の回転可能ねじ式ステム８３に拘束され、ステム８３の回転により、回転軸Ｘ１の方向において第１の方向または第２の反対方向に、同じ環状体８０ａを変位させる。

該回転可能ねじ式ステム８３のそれぞれは、環状体８０ａに固定されたねじ式ブッシング８４で回転するように設置される。

ねじ式ステム８３のそれぞれは、その主軸が回転軸Ｘ１に平行な状態になるように回転するように設置される。

ねじ式ステム８３のそれぞれは駆動歯状ホイール８５を有する。

駆動歯状ホイール８５のそれぞれは、駆動軸２９と一体になり、すなわち、駆動軸２９に固定された駆動歯状ホイール８６と噛合する。

ねじ式ステム８３は、回転シャフト１８に固定された支持構造８７によって支持される。

具体的には、本発明の実施形態では、支持構造８７は、回転シャフト１８の上端に固定された基部ディスク８８と、ねじ式ステム８３が回転可能に拘束される環状カバー８９とを備える。

ねじ式ステム８３のそれぞれは、図８に明確に見える対応するブッシング９０によって、環状カバー８９に回転可能に拘束される。

チューブ状支持体６０は環状カバー８９に固定される。

また、空気モーター３１も環状カバー８９に固定される。

図８に明確に見えるように、空気モーター３１の回転シャフト３１ａは、伝送スリーブ９１を用いて駆動軸２９に固定される。

駆動歯状ホイール８６は、明らかに同軸上で、伝送スリーブ９１に固定される。

センサー８２は、例えば赤外線センサーである。

このセンサー８２は、タービン１０の固定構造部分９５、またはタービン１０を収容する区画の固定構造部分９５に固定される。

センサー８２は環状体８０ａに面する。

具体的には、センサー８２は、回転軸Ｘ１に実質的に平行な方向において環状体８０ａに面する。

回転シャフト１８に対する駆動軸２９の回転により、ねじ式ステム８３の同期回転を生じさせる。ねじ式ステム８３の回転により、さらには、センサー８２に向かう、またはセンサー８２から離れる、のいずれかの状態で、環状体８０ａの回転軸Ｘ１の方向に変位を生じさせる。

環状体８０ａのこの変位は、センサー８２によって検出され、電子制御ユニットによって、ブレード１７の傾きの値に変換される。

したがって、センサー８２に対する環状体８０ａの位置は、既定の角度基準に対するブレード１７の傾斜角度に比例する。

したがって、ブレード１７の角度配置を調整するための調整手段１９の動作は下記に説明される。

ブレード１７の配置を変化させることを望む場合、外部圧縮機が活発になることにより、加圧エアフローが、例えば６ｂａｒで、空気式回転ジョイント３２を通って空気モーター３１に入る。

空気モーター３１は、チューブ状支持体６０に固定され、さらにはインペラ１４を支える回転シャフト１８に固定されたステーター部と、駆動軸２９に固定された回転シャフト３１ａとを有する。

次に、空気モーター３１は、一方の回転方向または反対方向で、駆動軸２９の回転を誘起する。

駆動軸２９の回転により、回転方向に応じて、ナット２７の並進、ひいては、ナット２７に固定されたスライダー２５の並進を生じさせ、または、下降、すなわちオジーブ１６の底部３９に向かう、もしくは上昇、すなわち反対方向に向かう。

さらには、スライダー２５の並進により、ロッド２４の各々によって、ブレード１７のレバー２３に対する作用を生じさせる。

例えば、図６では、スライダー２５が下降すると、ロッド２４を通って下向きにレバー２３に対する牽引が生じ、結果として、ブレード１７が固定されるディスク２１の第１の回転方向に、例えば反時計回りに回転が生じることが例示されている。

図７では、スライダー２５が上昇すると、ロッド２４を通って上向きにレバー２３に対する推力が生じ、結果として、ブレード１７が固定されるディスク２１の第２の回転方向に、例えば時計回りに回転が生じることが例示されている。

上述したように、スライダー２５の並進は、ストロークの２つの端の配置、１つの上端と１つの下端との間で行われ、上端及び下端のそれぞれにより、ブレード１７のそれぞれの角度制限位置が規定され、ブレード１７は、その傾斜軸Ｘ２に対して、角度制限位置を越えて回転できない。

回転シャフト１８は、その端で少なくとも２つのベアリング９６ａ及び９６ｂによって支持され、それらのベアリングは、さらには、対応する固定ラジアル支持体９７及び９８に拘束される。

実際には、本発明は、意図された課題及び目的を達成していることが実証されている。

具体的には、本発明を用いて、油または他の液体のいずれかを使用しないで機能するブレードの角度配置を調整するための手段により、タービン自体からの油漏れが原因である環境汚染のリスクをなくすことを可能にするカプラン型タービンが開発されている。

さらに、本発明を用いて、既知のタイプの同様のカプランタービンと同じ程度のロバスト性及び効率を備えたカプラン型タービンが開発されている。

このように着想された発明は、多くの修正及び変形が可能であり、全てが同じ発明概念の範囲内に含まれる。さらに、全ての詳細は、他の等価技術要素に置き換えることができる。

実際には、使用される構成要素ならびに材料だけでなく、及び寸法ならびに付随する形状は、それらが特定用途と適合する限り、当技術分野の要件及び最先端技術に従ったいずれかのものであり得る。

いずれかの請求項に言及される特性及び技術が参照記号に従う場合、そのような参照記号は、請求項の理解度を高める目的のためだけに付けられることが意図され、その結果、そのような参照記号は、そのような参照記号によって、例として識別される各要素の解釈に対する影響を限定しない。

Claims (12)

1. ステーター部分（１１）及びローター部分（１２）を含むカプラン型タービン（１０）であって、
   前記ステーター部分（１１）は、
   －回転軸（Ｘ１）を有するインペラ（１４）に向かうように水流を搬送するように構成された導管（１３）と、
   －発電機のステーター（１５）と、を備え、
   前記ローター部分（１２）は、
   －インペラ（１４）を備え、前記インペラ（１４）は、さらには、
   －前記回転軸（Ｘ１）に実質的に直角な傾斜軸（Ｘ２）に対する可変角度の配置を有する少なくとも３つのブレード（１７）を伴う、オジーブ（１６）と、
   －前記インペラ（１４）を支える回転シャフト（１８）と、
   －前記オジーブ（１６）及び前記回転シャフト（１８）の内部に画定された前記ブレード（１７）の前記配置を調整するための調整手段（１９）と、
   －前記ステーター（１５）において前記回転シャフト（１８）に固定された前記発電機のローター（２０）と、を備え、
   前記ブレード（１７）の前記配置を調整するための前記手段（１９）は、前記ブレード（１７）ごとに、
   －前記ブレード（１７）の１つが伸びている耐荷重ディスク（２１）であって、前記耐荷重ディスク（２１）が前記傾斜軸（Ｘ２）の周りで前記オジーブ（１６）上で回転するように拘束される、耐荷重ディスク（２１）と、
   －前記耐荷重ディスク（２１）に固定され、前記オジーブ（１６）の内側で伸びるレバー（２３）と、
   －前記レバー（２３）に対して第１の端（２４ａ）で、及び駆動スライダー（２５）に対して第２の反対端（２４ｂ）で旋回する操縦ロッド（２４）と、を備え、
   －前記ブレード（１７）の前記配置を調整するための前記手段（１９）は、また、前記オジーブ（１６）の内部で、
   －前記操縦ロッド（２４）の前記第２の端（２４ｂ）が旋回する駆動スライダー（２５）と、
   －前記駆動スライダー（２５）のための軸方向並進システム（２６）であって、ナット（２７）及びウォームねじ（２８）のタイプであり、前記ナット（２７）は前記駆動スライダー（２５）に固定され、前記ウォームねじ（２８）は、前記回転シャフト（１８）の内部で動作するように位置付けられた駆動軸（２９）と同軸上に固定される、軸方向並進システム（２６）と、を備え、
   前記ブレード（１７）の前記配置を調整するための前記手段（１９）は、また、前記駆動軸（２９）のための空気式回転アクチュエーター（３０）を備えることを特徴とする、カプラン型タービン（１０）。
2. 前記空気式回転アクチュエーター（３０）は、
   －前記回転シャフト（１８）に乗るように搭載され、前記駆動軸（２９）を前記回転シャフト（１８）に対して回転させるように構成された空気モーター（３１）と、
   －固定支持構造に固定された外部ステーター本体（３３）と、前記空気モーター（３１）を往復して圧縮空気を伝送するように構成された内部回転体（３４）とを備える空気式回転ジョイント（３２）と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービン（１０）。
3. 前記回転シャフト（１８）の内部は中空であり、前記駆動軸（２９）は前記回転シャフト（１８）と同軸であることを特徴とする、請求項１～２のうちの１つ以上に記載のタービン（１０）。
4. 前記ウォームねじ（２８）は再循環ボールねじであることを特徴とする、請求項１に記載のタービン（１０）。
5. 前記オジーブ（１６）は、前記回転シャフト（１８）と同軸の中央カラー（３８）を支える内部中空球状体（３７）を備え、前記オジーブ（１６）は前記球状体（３７）に固定される底部（３９）を含み、前記オジーブ（１６）は、ハブ（４０）を用いて前記回転シャフト（１８）に堅く接続されることを特徴とする、請求項１に記載のタービン（１０）。
6. 前記駆動軸（２９）は、第１の端で、前記空気モーター（３１）に接続され、反対側の第２の端で、前記ウォームねじ（２８）に接続され、前記駆動軸（２９）はジョイント（４２）を用いて前記ウォームねじ（２８）に接続されることを特徴とする、請求項２に記載のタービン（１０）。
7. 前記ウォームねじ（２８）は前記中央カラー（３８）を通過し、摩擦低減構成要素、例えばブッシング（４５）によって、前記底部（３９）に拘束されることを特徴とする、請求項５に記載のタービン（１０）。
8. 前記中央カラー（３８）は前記球状体（３７）の内側でカンチレバーのように伸び、前記中央カラー（３８）の自由端（３８ａ）と前記底部（３９）との間に、前記スライダー（２５）、及び前記スライダー（２５）に固定された前記ナット（２７）のための運動空間が画定され、前記スライダー（２５）は、ストローク上端の配置とストローク下端の配置との間で自由に並進し、前記オジーブ（１６）の内側に、前記ストローク上端の配置を規定するストローク要素の上端（４６）、及び前記ストローク下端の配置を規定するストローク要素の下端（４７）が画定されることを特徴とする、請求項５または７に記載のタービン（１０）。
9. 前記空気式回転アクチュエーター（３０）は、前記回転シャフト（１８）と一体になり、前記回転シャフト（１８）と同軸であるチューブ状支持体（６０）を備え、前記空気モーター（３１）は前記チューブ状支持体（６０）の内側に固定され、前記空気式回転ジョイント（３２）の前記内部回転体（３４）は、前記回転シャフト（１８）と同軸上で回転するように、前記チューブ状支持体（６０）のカバー（６１）に固定されることを特徴とする、請求項２に記載のタービン（１０）。
10. 前記タービン（１０）は、前記ブレード（１７）の角度位置を検出するための検出手段（７０）を備えることを特徴とする、請求項９に記載のタービン（１０）。
11. 前記検出手段（７０）は、
    －移動体（８０）と、
    －前記ブレード（１７）の回転角に比例して、前記移動体（８０）を変位させるように構成された変位手段（８１）と、
    －前記移動体（８０）の前記変位を検出するように構成されたセンサー（８２）と、
    を備えることを特徴とする、請求項１０に記載のタービン（１０）。
12. 前記移動体（８０）は前記チューブ状支持体（６０）を囲むように設置された環状本体（８０ａ）を備え、前記環状本体（８０ａ）は１つ以上の回転可能ねじ式ステム（８３）に拘束され、前記回転可能ねじ式ステム（８３）の回転により、第１の方向に、または前記回転軸（Ｘ１）の方向の第２の反対方向に、前記同じ環状本体（８０ａ）の変位を生じさせ、前記回転可能ねじ式ステム（８３）のそれぞれは、前記環状本体（８０ａ）に固定されたねじ式ブッシング（８４）上で回転するように設置され、前記ねじ式ステム（８３）のそれぞれは、前記ねじ式ステム（８３）の主軸が前記回転軸（Ｘ１）に平行な状態で回転するように設置され、前記ねじ式ステム（８３）のそれぞれは駆動歯状ホイール（８５）を有し、駆動歯状ホイール（８５）のそれぞれは前記駆動軸（２９）と一体になる駆動歯状ホイール（８６）と噛合することを特徴とする、請求項１１に記載のタービン（１０）。