水力発電所
本発明は、
上方の水のレベルと下方の水のレベルを有する流路を備え、
流路内に直列に配置され、かつそれぞれロータ、ハウジングおよび吸出し管を有する２個の水車を備えた
水力発電所に関する。
本発明は、
流れ方向に見て最初の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車であり、
流れ方向に見て二番目の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車である
ことを特徴とする。
上方の水のレベルと下方の水のレベルを有する流路を備え、
流路内に直列に配置され、かつそれぞれロータ、ハウジングおよび吸出し管を有する２個の水車を備えた
水力発電所に関する。
本発明は、
流れ方向に見て最初の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車であり、
流れ方向に見て二番目の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車である
ことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械、特に水車と、この水車によって駆動される発電機とを備えた水力発電所に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所はいろいろな形態が知られている。この水力発電所は例えば河川の流れエネルギーを利用する河川水力発電所を含んでいる。更に、貯水池式水力発電所が知られている。この貯水池式水力発電所は上方の貯水池と下方の貯水池を有する。機械ユニットはこの両貯水池の間に配置され、水車と発電機からなっている。揚水式発電所の場合、水車はエネルギー需要が少ないときにポンプとして運転可能である。その場合、水車は下方の貯水池内の水の一部を上方の貯水池に戻す。
【０００３】
ペルトン水車を除くすべての種類の水車が本発明のために考慮される。従って、例えばフランシス水車、デリア水車またはカプラン水車が考慮される。一般的に、水車のような流体機械のロータと、発電機のロータは、１本の同じ軸を有するがしかし、分離された軸を有していてもよい。
【０００４】
これらのすべての水力発電所において、水車の上流に落下管が設けられている。水車は一般的に、らせん状の入口ハウジングを有する。この入口ハウジングは水を水車ロータの翼に向ける。
【０００５】
水車の下流に吸出し管が配置されている。この吸出し管はらせん状ハウジングに直接取り付けられている。吸出し管は一般的に、流れ方向に漏斗状に拡がっている。吸出し管は下方の水のレベルの下側で開口している。
【０００６】
キャビテーションは流体機械の重大な問題である。キャビテーションは極めて不利である。キャビテーションは機械の効率を低下させ、そして完全に破壊されるまで関与部品の大きな損傷を生じることになる。キャビテーションに関連して、流体機械の設計および位置決めの際、しばしば、エネルギー利用を犠牲にする妥協をしなければならない。
【０００７】
キャビテーションの危険は落差、すなわち上方の水のレベルと下方の水のレベルの間の高さの差と共に増大する。この危険は更に、回転数と共に増大する。
【０００８】
構造的な手段に加えて、流体機械を所定の寸法だけ下方の水のレベルの下方に配置することにより、キャビテーションを弱める試みがなされた。この寸法は「セッティング」と呼ばれる。従って、セッティングは下方の水のレベルと水車ロータ間の間隔である。ロータを低い位置に配置することは、構造的コストを必要とする。ロータが低い位置に配置されればされるほど、発電所建屋のために土を多く掘り出さなければならない。これは地質状態に依存して多大なコスト、例えば爆破作業に伴う多大なコストを必要とする。
【０００９】
従って、セッティングは発電所の投資コスト、ひいてはキロワット時のコストにとってきわめて重要である。
【００１０】
直列に配置された２個の水車を有する水力発電所は公知である。特許文献１と特許文献２参照。しかしながら、これらの水力発電所は欠点を有する。これらの水力発電所は例えばキャビテーションの危険を望ましい程度に低減する機能を発揮しない。更に、複雑で、製作のために多大なコストがかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】スイス国特許出願公開第２８３１８４Ａ号明細書
【特許文献２】スイス国特許出願公開第１２６４６５Ａ号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の根底をなす目的は、キャビテーションの危険が低減され同時に、大きなセッティングに伴う構造的コストが低減されるように、冒頭で述べた種類の水力発電所を形成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は請求項１の特徴によって達成される。
【００１４】
本発明者は次の解決策を見い出した。本発明者は直列に配置した２個の水車を流路内に設けた。流れ方向に見て最初の水車は半径流水車、デリア水車または軸流水車である。流れ方向に見て二番目の水車は半径流水車、デリア水車または軸流水車である。最初の水車は例えばフランシス水車であり、二番目の水車はカプラン水車である。
【００１５】
２個の水車の間に絞りやサージタンクを配置しないで、２個の水車を互いに直接続けて配置すると合目的である。水車のロータの回転軸は同じ測地高さに配置可能である。しかしながら、回転軸の高さがずれていてもよい。更に、２個よりも多い水車を互いに組み合わせることができる。
【００１６】
本発明は、落差が大きい場合および例えば環境保護の理由から小径の水車が有利である用途の場合に、きわめて有利に適用可能である。
【００１７】
本発明による手段により、セッティングをゼロに抑えることができ、それによってロータを下方の水のレベルの高さに配置することができる。場合によっては、ロータを下方の水のレベルの上方に配置することができる。流れの抵抗によって、回転数を自由に選定することができる。
【００１８】
本発明は勿論、揚水式発電所にも適用可能である。
【００１９】
本発明は次の他の効果を奏する。
発電機として、市販の標準製品を使用することができる。この標準製品は２０メガワット範囲の段階、例えば４０，６０，８０メガワット等を有するかまたは他の出力を有する。
水力発電所のコンセプトを標準化することにより、関与機器を低コスト供給可能であるだけでなく、迅速に供給可能である。
複雑な排水系が不要である。なぜなら、漏れと排出流れが自由に流出可能であるからである。
掘り出しが少ししか必要でないかまたは全く必要でないので、コストのかかる地質的な鑑定や検査が不要である。
発電所建屋と機械ユニットのための基礎が非常に簡単で低コストである。
【００２０】
本発明を図に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】フランシス水車と下流に配置されたカプラン水車を有する水力発電所を概略的に示す。
【図２】水平軸を有するフランシス水車と下流に配置された他の水車の軸方向断面図である。
【図３】垂直軸を有するフランシス水車と下流に配置された他の水車を概略的に示す。
【図４】垂直軸を有するカプラン水車と下流に配置された他の水車を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の基本原理を示している。図１に示した水力発電所は上方の水１０を有する。この上方の水は圧力管路２０と遮断要素３０を経てフランシス水車１に供給される。フランシス水車１は発電機４０を駆動する。水は水車を通過した後で、第２水車５０を通って下方の水６０へ流れる。
【００２３】
図２は水平軸を有するフランシス水車１を示している。この水車は次の重要な要素を備えている。
複数の翼２．１を有するロータ２、ロータ２を取り囲むらせんハウジング３、ロータ２に相対回転しないように連結されかつ水平に配置された軸４、曲管を拡張する排出管５．２を有する吸出し管５。
【００２４】
水車は運転時に（図示していない）発電機を駆動する。そのロータは同様に軸４上に装着されている。
【００２５】
他の水車はここには示していない。この他の水車は排出管内に配置可能である。
【００２６】
フランシス水車１は図３に再度示してある。この水車は垂直軸４を備えている。吸出し管５内に配置された図示していない第２水車は、フランシス水車１の下流に配置されている。
【００２７】
図４に示した水車はカプラン水車である。このカプラン水車は垂直軸４を有する。
【００２８】
この水車の下流に（図示していない）第２水車が配置されている。
【００２９】
水力発電所が直列に接続された２個以上の水車を有する場合には、この水車は同じ測地レベル、例えば低い水位の高さに配置可能である。上方または下方へのある程度の偏差は可能である。すべての流体機械の測地高さを選定すると、セッティングが最小限に抑えられるように、そして同時に上流の流体機械に対する十分な背圧が下流の流体機械によって生じるように、下流の各流体機械が配置される。
【００３０】
２個の流体機械または場合によってはすべての流体機械は共通の軸を備えていてもよいし、それぞれ別個の軸を備えていてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１ 水車
２ ロータ
２．１ 翼
３ ハウジング
４ 軸
５ 吸出し管
５．１ 曲管
５．２ 排出管
１０ 上方の水
２０ 圧力管路
３０ 遮断要素
４０ 発電機
５０ 水車
６０ 下方の水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械、特に水車と、この水車によって駆動される発電機とを備えた水力発電所に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所はいろいろな形態が知られている。この水力発電所は例えば河川の流れエネルギーを利用する河川水力発電所を含んでいる。更に、貯水池式水力発電所が知られている。この貯水池式水力発電所は上方の貯水池と下方の貯水池を有する。機械ユニットはこの両貯水池の間に配置され、水車と発電機からなっている。揚水式発電所の場合、水車はエネルギー需要が少ないときにポンプとして運転可能である。その場合、水車は下方の貯水池内の水の一部を上方の貯水池に戻す。
【０００３】
ペルトン水車を除くすべての種類の水車が本発明のために考慮される。従って、例えばフランシス水車、デリア水車またはカプラン水車が考慮される。一般的に、水車のような流体機械のロータと、発電機のロータは、１本の同じ軸を有するがしかし、分離された軸を有していてもよい。
【０００４】
これらのすべての水力発電所において、水車の上流に落下管が設けられている。水車は一般的に、らせん状の入口ハウジングを有する。この入口ハウジングは水を水車ロータの翼に向ける。
【０００５】
水車の下流に吸出し管が配置されている。この吸出し管はらせん状ハウジングに直接取り付けられている。吸出し管は一般的に、流れ方向に漏斗状に拡がっている。吸出し管は下方の水のレベルの下側で開口している。
【０００６】
キャビテーションは流体機械の重大な問題である。キャビテーションは極めて不利である。キャビテーションは機械の効率を低下させ、そして完全に破壊されるまで関与部品の大きな損傷を生じることになる。キャビテーションに関連して、流体機械の設計および位置決めの際、しばしば、エネルギー利用を犠牲にする妥協をしなければならない。
【０００７】
キャビテーションの危険は落差、すなわち上方の水のレベルと下方の水のレベルの間の高さの差と共に増大する。この危険は更に、回転数と共に増大する。
【０００８】
構造的な手段に加えて、流体機械を所定の寸法だけ下方の水のレベルの下方に配置することにより、キャビテーションを弱める試みがなされた。この寸法は「セッティング」と呼ばれる。従って、セッティングは下方の水のレベルと水車ロータ間の間隔である。ロータを低い位置に配置することは、構造的コストを必要とする。ロータが低い位置に配置されればされるほど、発電所建屋のために土を多く掘り出さなければならない。これは地質状態に依存して多大なコスト、例えば爆破作業に伴う多大なコストを必要とする。
【０００９】
従って、セッティングは発電所の投資コスト、ひいてはキロワット時のコストにとってきわめて重要である。
【００１０】
直列に配置された２個の水車を有する水力発電所は公知である。特許文献１と特許文献２参照。しかしながら、これらの水力発電所は欠点を有する。これらの水力発電所は例えばキャビテーションの危険を望ましい程度に低減する機能を発揮しない。更に、複雑で、製作のために多大なコストがかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】スイス国特許出願公開第２８３１８４Ａ号明細書
【特許文献２】スイス国特許出願公開第１２６４６５Ａ号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の根底をなす目的は、キャビテーションの危険が低減され同時に、大きなセッティングに伴う構造的コストが低減されるように、冒頭で述べた種類の水力発電所を形成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は請求項１の特徴によって達成される。
【００１４】
本発明者は次の解決策を見い出した。本発明者は直列に配置した２個の水車を流路内に設けた。流れ方向に見て最初の水車は半径流水車、デリア水車または軸流水車である。流れ方向に見て二番目の水車は半径流水車、デリア水車または軸流水車である。最初の水車は例えばフランシス水車であり、二番目の水車はカプラン水車である。
【００１５】
２個の水車の間に絞りやサージタンクを配置しないで、２個の水車を互いに直接続けて配置すると合目的である。水車のロータの回転軸は同じ測地高さに配置可能である。しかしながら、回転軸の高さがずれていてもよい。更に、２個よりも多い水車を互いに組み合わせることができる。
【００１６】
本発明は、落差が大きい場合および例えば環境保護の理由から小径の水車が有利である用途の場合に、きわめて有利に適用可能である。
【００１７】
本発明による手段により、セッティングをゼロに抑えることができ、それによってロータを下方の水のレベルの高さに配置することができる。場合によっては、ロータを下方の水のレベルの上方に配置することができる。流れの抵抗によって、回転数を自由に選定することができる。
【００１８】
本発明は勿論、揚水式発電所にも適用可能である。
【００１９】
本発明は次の他の効果を奏する。
発電機として、市販の標準製品を使用することができる。この標準製品は２０メガワット範囲の段階、例えば４０，６０，８０メガワット等を有するかまたは他の出力を有する。
水力発電所のコンセプトを標準化することにより、関与機器を低コスト供給可能であるだけでなく、迅速に供給可能である。
複雑な排水系が不要である。なぜなら、漏れと排出流れが自由に流出可能であるからである。
掘り出しが少ししか必要でないかまたは全く必要でないので、コストのかかる地質的な鑑定や検査が不要である。
発電所建屋と機械ユニットのための基礎が非常に簡単で低コストである。
【００２０】
本発明を図に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】フランシス水車と下流に配置されたカプラン水車を有する水力発電所を概略的に示す。
【図２】水平軸を有するフランシス水車と下流に配置された他の水車の軸方向断面図である。
【図３】垂直軸を有するフランシス水車と下流に配置された他の水車を概略的に示す。
【図４】垂直軸を有するカプラン水車と下流に配置された他の水車を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の基本原理を示している。図１に示した水力発電所は上方の水１０を有する。この上方の水は圧力管路２０と遮断要素３０を経てフランシス水車１に供給される。フランシス水車１は発電機４０を駆動する。水は水車を通過した後で、第２水車５０を通って下方の水６０へ流れる。
【００２３】
図２は水平軸を有するフランシス水車１を示している。この水車は次の重要な要素を備えている。
複数の翼２．１を有するロータ２、ロータ２を取り囲むらせんハウジング３、ロータ２に相対回転しないように連結されかつ水平に配置された軸４、曲管を拡張する排出管５．２を有する吸出し管５。
【００２４】
水車は運転時に（図示していない）発電機を駆動する。そのロータは同様に軸４上に装着されている。
【００２５】
他の水車はここには示していない。この他の水車は排出管内に配置可能である。
【００２６】
フランシス水車１は図３に再度示してある。この水車は垂直軸４を備えている。吸出し管５内に配置された図示していない第２水車は、フランシス水車１の下流に配置されている。
【００２７】
図４に示した水車はカプラン水車である。このカプラン水車は垂直軸４を有する。
【００２８】
この水車の下流に（図示していない）第２水車が配置されている。
【００２９】
水力発電所が直列に接続された２個以上の水車を有する場合には、この水車は同じ測地レベル、例えば低い水位の高さに配置可能である。上方または下方へのある程度の偏差は可能である。すべての流体機械の測地高さを選定すると、セッティングが最小限に抑えられるように、そして同時に上流の流体機械に対する十分な背圧が下流の流体機械によって生じるように、下流の各流体機械が配置される。
【００３０】
２個の流体機械または場合によってはすべての流体機械は共通の軸を備えていてもよいし、それぞれ別個の軸を備えていてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１ 水車
２ ロータ
２．１ 翼
３ ハウジング
４ 軸
５ 吸出し管
５．１ 曲管
５．２ 排出管
１０ 上方の水
２０ 圧力管路
３０ 遮断要素
４０ 発電機
５０ 水車
６０ 下方の水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方の水のレベルと下方の水のレベルを有する流路を備え、
流路内に直列に配置され、かつそれぞれロータ（２）、ハウジング（３）および吸出し管（５）を有する２個の水車を備えた
水力発電所において、
流れ方向に見て最初の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車であり、
流れ方向に見て二番目の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車であることを特徴とする水力発電所。
【請求項２】
最初の水車がフランシス水車であり、二番目の水車がカプラン水車であることを特徴とする請求項１記載の水力発電所。
【請求項３】
ロータ（２）の重心が上方の水のレベルと下方の水のレベルの間あるいは下方の水のレベルの上方または下方に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電所。
【請求項４】
流体機械が異なる構造の水車（１）または同一構造の水車（１）であることを特徴とする請求項３記載の水力発電所。
【請求項５】
少なくとも１個の流体機械および／または少なくとも１個の二番目の流体機械が、最初の流体機械の下流に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の垂直発電所。
【請求項６】
最初の流体機械が下方の水のレベルの高さあるいは下方の水のレベルの上方または下方の高さに配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の水力発電所。
【請求項７】
二番目の流体機械が下方の水のレベルの高さあるいは下方の水のレベルの上方または下方の高さに配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の水力発電所。
【請求項１】
上方の水のレベルと下方の水のレベルを有する流路を備え、
流路内に直列に配置され、かつそれぞれロータ（２）、ハウジング（３）および吸出し管（５）を有する２個の水車を備えた
水力発電所において、
流れ方向に見て最初の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車であり、
流れ方向に見て二番目の機械が半径流水車、デリア水車または軸流水車であることを特徴とする水力発電所。
【請求項２】
最初の水車がフランシス水車であり、二番目の水車がカプラン水車であることを特徴とする請求項１記載の水力発電所。
【請求項３】
ロータ（２）の重心が上方の水のレベルと下方の水のレベルの間あるいは下方の水のレベルの上方または下方に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電所。
【請求項４】
流体機械が異なる構造の水車（１）または同一構造の水車（１）であることを特徴とする請求項３記載の水力発電所。
【請求項５】
少なくとも１個の流体機械および／または少なくとも１個の二番目の流体機械が、最初の流体機械の下流に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の垂直発電所。
【請求項６】
最初の流体機械が下方の水のレベルの高さあるいは下方の水のレベルの上方または下方の高さに配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の水力発電所。
【請求項７】
二番目の流体機械が下方の水のレベルの高さあるいは下方の水のレベルの上方または下方の高さに配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の水力発電所。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１０−５２９３４８（Ｐ２０１０−５２９３４８Ａ）
【公表日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１０６７７（Ｐ２０１０−５１０６７７）
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００４２６８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８４９７
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【出願人】（５９５０１３０４７）フォイト パテント ゲーエムベーハー (22)
【氏名又は名称原語表記】Ｖｏｉｔｈ Ｐａｔｅｎｔ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００４２６８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８４９７
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【出願人】（５９５０１３０４７）フォイト パテント ゲーエムベーハー (22)
【氏名又は名称原語表記】Ｖｏｉｔｈ Ｐａｔｅｎｔ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
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