知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ ビーエイチイー ターボマシナリー リミテッド ライアビリティ カンパニーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-21
(45)【発行日】2024-01-04
(54)【発明の名称】改良された可逆ポンプタービン敷設
(51)【国際特許分類】
F03B 3/10 20060101AFI20231222BHJP
E02B 9/00 20060101ALI20231222BHJP
F16K 47/02 20060101ALI20231222BHJP
【ＦＩ】
F03B3/10 Z
E02B9/00 A
F16K47/02 J
【請求項の数】
6
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022099478
(22)【出願日】2022-06-21
(62)【分割の表示】P 2019510408の分割
【原出願日】2018-04-30
(65)【公開番号】P2022132704
(43)【公開日】2022-09-12
【審査請求日】2022-06-21
(31)【優先権主張番号】PCT/US2017/048769
(32)【優先日】2017-08-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/664,849
(32)【優先日】2018-04-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/527,010
(32)【優先日】2017-06-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】523207423
【氏名又は名称】ビーエイチイー ターボマシナリー リミテッド ライアビリティ カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100144451
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 博子
(74)【代理人】
【識別番号】100168871
【弁理士】
【氏名又は名称】岩上 健
(72)【発明者】
【氏名】オバーマイヤー， ヘンリー ケイ．
(72)【発明者】
【氏名】クラウディウ エム． イーアヴォーニック
(72)【発明者】
【氏名】グラント クイン ベイカー
【審査官】古▲瀬▼ 裕介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－２５１５３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５３－１１２３４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５７－０８１１６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５９－０６３３７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５２８５５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００９８７９４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００４４０２７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３７７１９５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１０２６６８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１５９４７２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０２０２２９７５（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０３２７６４６１（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０４００４６０５（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０２２４６４７２（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０３１６３１１８（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０８０７２０８９（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】米国特許第０６４０５９９４（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許第０９１０９５７１（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】米国特許第０７８３７４５０（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】特開２０１５－０２５３９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３５２３７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平６－１０１６２１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０３Ｂ ３／１０
Ｅ０２Ｂ ９／００
Ｆ１６Ｋ ４７／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
揚水システムであって、‐ 上側水貯蔵槽と、
‐ 下側水貯蔵槽と、
‐ 導水路導管によって前記上側水貯蔵槽に接続され、放水導管を用いて前記下側水貯蔵槽にも接続される可逆ポンプタービンと、
‐ 前記可逆ポンプタービンに動作可能に接続される電動発電機と
を備え、
前記可逆ポンプタービンは、複数の段を備え、前記可逆ポンプタービンは、前記下側水貯蔵槽の表面の下方のある深さで垂直の掘削孔内に位置付けられ、前記可逆ポンプタービンは、前記垂直の掘削孔から軸方向に除去可能であり、
前記揚水システムは、動作中に前記垂直の掘削孔の上部に固定される除去可能なマニホールドをさらに備え、前記除去可能なマニホールドは、前記導水路導管内のサージ圧力を前記放水導管に解放するために、圧力逃がし弁を含む、揚水システム。
【請求項2】
前記導水路導管における前記可逆ポンプタービンと前記除去可能なマニホールドとの間の部分、および、前記放水導管における前記可逆ポンプタービンと前記除去可能なマニホールドとの間の部分は、前記可逆ポンプタービンの上方の前記垂直の掘削孔内に同軸に位置付けられる、請求項１に記載の揚水システム。
【請求項3】
前記電動発電機は、前記可逆ポンプタービンの下方に位置付けられる、請求項２に記載の揚水システム。
【請求項4】
前記除去可能なマニホールドは、前記放水導管内の水を前記下側水貯蔵槽に指向させるように適応させられる、請求項３に記載の揚水システム。
【請求項5】
前記垂直の掘削孔内で前記可逆ポンプタービンを選択的に上昇および降下させるために、前記可逆ポンプタービンの下方に位置付けられるホイストピストンをさらに備える、請求項１に記載の揚水システム。
【請求項6】
上側水貯蔵槽と、下側水貯蔵槽と、導水路導管によって前記上側水貯蔵槽に接続され、放水導管を用いて前記下側水貯蔵槽にも接続される可逆ポンプタービンとを有する揚水システムであって、前記可逆ポンプタービンは、前記下側水貯蔵槽の表面の下方のある深さで垂直の掘削孔内に位置付けられ、前記可逆ポンプタービンは、前記垂直の掘削孔から軸方向に除去可能であり、
動作中に前記垂直の掘削孔の上部に固定される除去可能なマニホールドをさらに備え、前記除去可能なマニホールドは、前記導水路導管内のサージ圧力を解放するために、圧力逃がし弁を含み、
前記導水路導管における前記可逆ポンプタービンと前記除去可能なマニホールドとの間の部分、および、前記放水導管における前記可逆ポンプタービンと前記除去可能なマニホールドとの間の部分は、前記垂直の掘削孔内に同軸に位置付けられる、揚水システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
本発明は、電気エネルギーの貯蔵のために使用される、可逆ポンプタービンに関する。図２ａに示されるような従来の揚水設備は、概して、地下発電所を使用し、破壊的なキャビテーションを防止するために、ランナにおいて十分な絶対圧力を提供する。ランナの深さは、例えば、放水部の１００メートル下方にあり得る。そのような地下設備を建設し、維持することは、高価であり、より小さい設備の場合でも、費用は、サイズに準じて減少しない。したがって、北米には、１００ＭＷを下回る非常に少ない揚水設備が、存在する。典型的な従来のポンプタービンの断面立面図が、図２ａに示される。子午面に９０°の曲げ角度を伴う先行技術のポンプタービン流路が、図２ｂに図示され、これは、従来のフランシスタービンの子午面における流路と同様である。本発明は、専用タービンおよびポンプおよび可逆ポンプタービンに関する。先行技術の多段ポンプに関して、子午面におけるインペラと拡散器との間の関係が、図２（記載なし）に示され、図中、ランナ（インペラ）によって加えられる流体への加速は、外向きかつ下向きであり、これは、この場合、拡散器内に生じる最大の水路直径と比較して、不必要に小さいランナ先端直径をもたらす。この不必要に小さい直径は、各段を横断する限定される水頭差、ひいては、より多くの段およびより低い全体的効率をもたらす。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0002】
本発明は、電動発電機を伴う可逆ポンプタービンを、略垂直の掘削孔内の、概して、放水部レベルのかなり下方に位置付けることによって、要求されるプラントキャビテーション係数を確立する。電動発電機を伴う可逆ポンプタービンは、本明細書では、単に、「ポンプタービン」または「機械」と称されるであろう。本明細書では、その中に位置するポンプタービンの回転シャフトとの混同を回避するために、用語「シャフト」ではなく「掘削孔」が、使用される。
【0003】
従来の揚水設備は、ランナを放水部深さのかなり下方に位置付け、機関出力および比速度を高く保ちながらキャビテーションを抑制する。可逆ポンプタービンに関する臨界キャビテーション係数は、水理断面が、揚水と発電との間で損なわれ、いずれに関しても最適化されていないため、タービンまたはポンプのいずれか一方に関するものよりも高い。放水部の下方へのランナの位置付けは、従来、機械サイズおよび定格にかかわらず、深部かつ高価な掘削を要求した。掘削および地下建設の費用は、例えば、１００ＭＷを下回る小規模敷設に関しても、法外な費用がかかった。大規模敷設に好適な用地は、地質、地理、競合する土地使用、および十分な伝送ラインによって限定される。多くの好適なより小規模の用地が、存在するが、たとえサイズおよび定格において規模縮小されても、既存の可逆ポンプタービンが、依然として、法外な掘削および建設のコストを要求する。
【0004】
提案される構成は、おそらく、直径１～３メートルの単純かつ安価な掘削孔を使用し、高比速度出力の可逆ポンプタービンを放水部深さの十分に下方に位置付け、キャビテーションを抑制する。そのような掘削孔は、合理的な価格で汎用建設業務として日常的に穿孔される。例えば、揚水用の鋼製ライナおよび導管、電気ケーブルおよび制御ケーブルが、掘削孔内の定位置に配索され得る。このタイプの敷設に適合されたポンプタービンは、単段機械として構成され得る、または多段水中ポンプ上で使用されるものに機能が類似する、特別に構成される「拡散器鉢」を利用する、多段機械として構成され得る。これらのポンプタービンは、通常は、従来の渦巻ケーシングを使用しないであろう。したがって、これらのポンプタービンの段は、標準的な水圧式設計が、広範囲の水頭条件にわたって使用されることを可能にするようにスタック可能であり得る。標準的なポンプタービン段の使用はさらに、要求されるプラントキャビテーション係数が、単に、要求される垂直の掘削孔深度を確立することによって達成されることができるという事実によって促進される。従来の地下発電所のポンプタービン敷設と比較して、大部分の場所における小さい揚水発電設備の敷設と併せて法外な費用がかかるであろう、用地特有の機械を設計かつ製造する必要性の頻度はより少なくなり、導水路導管も放水路も並外れた深部まで搬送する必要はない。標準的な構成要素の使用は、低減されたコストで同様部分の増加された数量をもたらす。低減されたコストは、ひいては、より大きい数のプロジェクトが、増加された部分の数量を用いて建設されることを可能にする。
【0005】
可逆ポンプタービンへのおよびそれからの水流は、ポンプタービンアセンブリの上方のシャフト内に位置付けられる、同軸の導水路を通してもよい。関連付けられる電動発電機は、浸水可能であり、ある好ましい実施形態では、ポンプタービンの下方に位置してもよい。電動発電機をポンプタービンの下方に位置付けることは、所与の掘削孔サイズに関して、より大きな直径、したがって、より経済的な電動発電機を可能にする。実質的に全ての掘削孔横断面積を、電動発電機のための空間へではなく（上方および下方への）水運搬に割り当てることは、掘削孔の所与の直径に関する最大電力定格を可能にする。
【0006】
発電機は、代替として、水路の外側に位置し、シャフトを用いてランナに接続されてもよい。そのような配列は、容易に利用可能な空冷発電機の使用を可能にしながら、渦巻ケーシングを組み込むために十分に大きい地下発電所を提供するよりも安価であり得る。
【0007】
好ましい実施形態では、除去可能なマニホールドが、内部パイプを放水部に接続し、外部パイプを引水部につながる導水路に接続するために使用され得る。概して、より小さい直径のポンプ入口／タービン出口を同軸パイプのより小さいものに接続する一方で、より大きいポンプ出口／タービン入口を２つの同軸パイプのより大きいものに接続することが、より効率的である。本発明の代替実施形態は、複数のポンプタービンが、例えば、一般的な掘削孔内の隔壁上に敷設され得るときに該当し得るように、別の配列を利用し得る。除去可能なマニホールドは、一体型の空気圧制御式圧力逃がし弁を含み得る。この一体型の圧力逃がし弁は、それ自体、調圧立坑の必要性を排除することによって、かつ導水路サージ圧力および導水路コストを低減させることによって、土木工事コストを低減させるであろう。加えて、または代替として、エアクッションが、掘削孔のカバーの下に残されてもよい。マニホールドの除去は、掘削孔からの機械類の除去を可能にする。専用の揚水機器は、限局空間作業の必要性のない敷設、点検、および保守を促進するであろう。可逆ポンプタービンの底部に取り付けられる水圧作動ピストンが、上昇および降下させるために使用され得る。ピストンと機械との間のスペーサが、機械が、上昇され、掘削孔を完全に乗り越えることを可能にするために使用され得る。
【0008】
可変速度動作が、風力産業のために開発された電力制御電子機器の入手しやすさによって促進される。風力タービンパワーコンバータの場合におけるように、フルパワーコンバータは、永久磁石電動発電機と併用されてもよく、部分的パワーコンバータは、（概して、より大きな）二重給電誘導発電機と併用されてもよい。
【0009】
可逆ポンプタービンが敷設される掘削孔は、保守および修理のための機器を水圧を用いて揚上し、機器を動作位置に制御可能に降下させるための主掘削孔と別個である導管を通して、シャフトの底部への加圧水の送達のための供給部を含み得る。電力接続は、好ましくは、機械が降下されると、自動的に係合し、かつ機械が上昇されると、自動的に係合解除するように構成される。そのようなコネクタは、従来の「湿潤噛合」海洋電気コネクタ技術を使用してもよい、または圧縮ガス、絶縁油、および膨張可能シールの組み合わせを使用し、例えば、接地電位から絶縁されるロバストな電気接続を確立してもよい。
【0010】
機器が位置する掘削孔は、上側ポータル、下側ポータル、または任意の便宜的な中間場所において終端し得る。既存のパイプラインと併せての敷設の場合、垂直シャフトは、動作、負荷遮断、および他の考慮点から結果として生じる、所望される圧力プロファイルに従って位置し得る。シャフトカバーは、圧力逃がし弁を組み込んでもよく、空気を含有する調圧立坑を覆うために使用されてもよい。
【0011】
複数の機械が、単一のシャフト内に、例えば、一般的な隔壁上に敷設されてもよい。本発明による可逆ポンプタービンは、例えば、要求される場合、低い動力レベルで発電を促進するために、ペルトンタービンと併用されてもよい。可逆ポンプタービンは、その一次目的が、高い流動周期の間に貯水リザーバまで水を上昇させ、貯蔵された水が下流に要求されると、水を戻しながらエネルギーを回収することである、操業外季節変動貯水リザーバと併用されてもよい。
【0012】
本発明のある実施形態によると、ガス圧平衡圧力逃し弁が、水撃からの過剰圧力を限定するために使用されてもよい。
【0013】
作動可能シールを伴う屈曲部が、動作の間にドラフトチューブを放水路に接続するために使用されてもよい。膨張可能シールが、屈曲部をその動作位置にシールしながら、それが揚上および降下動作の間に自由に移動することを可能にするために使用されてもよい。膨張可能シールまたは支持部はまた、機械を動作の間に定位置に固定し、それが保守のために上昇されることを可能にするように解放するように使用されてもよい。
【0014】
本発明のさらなる側面によると、流動に上向きの速度成分を加える可逆ポンプタービンランナまたはポンプインペラが、提供される。この上向きの速度成分は、流動が、拡散器、または可逆ポンプタービンの場合、案内羽根と拡散器との組み合わせを通して真上に、または多段ポンプの場合、直接的に拡散器（固定子）の段に進行しながら、最大水路径に対するインペラの先端径の比率を最大限にすることを可能にする。本発明の場合、この比率は１．００であってもよい。これは、段毎の水頭を最大限にし、より大きい水頭が、単段機械を用いて達成されることを可能にする。図１９ａ、１９ｂ、および１９ｃは、子午面における流動および後端に向かって見られたときのインペラの羽根のＸ形状の外観を図示する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
上側水貯蔵槽と、下側水貯蔵槽と、導水路導管によって前記上側水貯蔵槽に接続され、また、放水導管を用いて前記下側水貯蔵槽に接続される、可逆ポンプタービンとを有する、揚水システムであって、前記ポンプタービンは、前記下側水貯蔵槽の表面の下方のある深さに垂直シャフト内に位置付けられ、前記ポンプタービンは、前記垂直シャフトから軸方向に除去可能である、揚水システム。
（項目２）
前記ポンプタービンは、複数の段を備える、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記導水路導管および前記放水導管は、前記ポンプタービンの上方の前記垂直シャフト内に同軸に位置付けられる、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記ポンプタービンに動作可能に接続される電動発電機をさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記電動発電機は、前記ポンプタービンの下方に位置付けられる、項目４に記載のシステム。
（項目６）
前記電動発電機は、ポンプ発電機の上方にあり、かつ垂直駆動シャフトを用いてそれに動作可能に接続される、項目４に記載のシステム。
（項目７）
同軸導管は、内部導管と、外部導管とを備え、前記内部導管内の水を前記下側水貯蔵槽に指向させるために、および、水を前記上側水貯蔵槽から前記導水路導管に指向させるために、除去可能なマニホールドをさらに備える、項目３に記載のシステム。
（項目８）
前記マニホールドは、前記導水路導管内のサージ圧力を低減させるために、空気圧制御式圧力逃がし弁をさらに備える、項目７に記載のシステム。
（項目９）
前記垂直シャフト内で前記ポンプタービンを選択的に上昇および降下させるために、前記ポンプタービンの下方に位置付けられるホイストピストンをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目１０）
上側水貯蔵槽と、下側水貯蔵槽と、導水路導管によって前記上側水貯蔵槽に接続され、また、放水導管を用いて前記下側水貯蔵槽に接続される、可逆ポンプタービンとを有する、揚水システムであって、前記ポンプタービンは、前記下側水貯蔵槽の表面の下方のある深さに垂直シャフト内に位置付けられ、前記ポンプタービンは、前記垂直シャフトから軸方向に除去可能であり、前記導管は、前記垂直シャフトと同軸に位置付けられる、揚水システム。
（項目１１）
垂直シャフト内に位置する可逆ポンプタービンであって、前記可逆ポンプタービンは、前記垂直シャフトから除去可能である、可逆ポンプタービン。
（項目１２）
水中電動発電機をさらに備える、項目１１に記載の装置。
（項目１３）
前記電動発電機は、１つ以上のポンプタービンステージの真下に位置する、項目１２に記載の装置。
（項目１４）
動作の間に、前記シャフトの上部に固定される除去可能なマニホールドをさらに備える、項目１１に記載の装置。
（項目１５）
前記除去可能なマニホールドは、過剰な引水圧力を前記放水導管に解放するために、圧力逃がし弁を含む、項目１４に記載の装置。
（項目１６）
前記圧力逃がし弁は、引水圧力を含有する１つ以上のオリフィスに対して制御されるガス圧力によって保持される弾性振動板から成る、項目１５に記載の装置。
（項目１７）
前記電動発電機は、前記引水を前記垂直シャフトに接続する取水口の上方に位置する、項目１１に記載の装置。
（項目１８）
前記ポンプタービンは、複数の段から成る、項目１１に記載の装置。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
上側水貯蔵槽と、下側水貯蔵槽と、導水路導管によって前記上側水貯蔵槽に接続され、また、放水導管を用いて前記下側水貯蔵槽に接続される、可逆ポンプタービンとを有する、揚水システムであって、前記ポンプタービンは、前記下側水貯蔵槽の表面の下方のある深さに垂直シャフト内に位置付けられ、前記ポンプタービンは、前記垂直シャフトから軸方向に除去可能である、揚水システム。
（項目２）
前記ポンプタービンは、複数の段を備える、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記導水路導管および前記放水導管は、前記ポンプタービンの上方の前記垂直シャフト内に同軸に位置付けられる、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記ポンプタービンに動作可能に接続される電動発電機をさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記電動発電機は、前記ポンプタービンの下方に位置付けられる、項目４に記載のシステム。
（項目６）
前記電動発電機は、ポンプ発電機の上方にあり、かつ垂直駆動シャフトを用いてそれに動作可能に接続される、項目４に記載のシステム。
（項目７）
同軸導管は、内部導管と、外部導管とを備え、前記内部導管内の水を前記下側水貯蔵槽に指向させるために、および、水を前記上側水貯蔵槽から前記導水路導管に指向させるために、除去可能なマニホールドをさらに備える、項目３に記載のシステム。
（項目８）
前記マニホールドは、前記導水路導管内のサージ圧力を低減させるために、空気圧制御式圧力逃がし弁をさらに備える、項目７に記載のシステム。
（項目９）
前記垂直シャフト内で前記ポンプタービンを選択的に上昇および降下させるために、前記ポンプタービンの下方に位置付けられるホイストピストンをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目１０）
上側水貯蔵槽と、下側水貯蔵槽と、導水路導管によって前記上側水貯蔵槽に接続され、また、放水導管を用いて前記下側水貯蔵槽に接続される、可逆ポンプタービンとを有する、揚水システムであって、前記ポンプタービンは、前記下側水貯蔵槽の表面の下方のある深さに垂直シャフト内に位置付けられ、前記ポンプタービンは、前記垂直シャフトから軸方向に除去可能であり、前記導管は、前記垂直シャフトと同軸に位置付けられる、揚水システム。
（項目１１）
垂直シャフト内に位置する可逆ポンプタービンであって、前記可逆ポンプタービンは、前記垂直シャフトから除去可能である、可逆ポンプタービン。
（項目１２）
水中電動発電機をさらに備える、項目１１に記載の装置。
（項目１３）
前記電動発電機は、１つ以上のポンプタービンステージの真下に位置する、項目１２に記載の装置。
（項目１４）
動作の間に、前記シャフトの上部に固定される除去可能なマニホールドをさらに備える、項目１１に記載の装置。
（項目１５）
前記除去可能なマニホールドは、過剰な引水圧力を前記放水導管に解放するために、圧力逃がし弁を含む、項目１４に記載の装置。
（項目１６）
前記圧力逃がし弁は、引水圧力を含有する１つ以上のオリフィスに対して制御されるガス圧力によって保持される弾性振動板から成る、項目１５に記載の装置。
（項目１７）
前記電動発電機は、前記引水を前記垂直シャフトに接続する取水口の上方に位置する、項目１１に記載の装置。
（項目１８）
前記ポンプタービンは、複数の段から成る、項目１１に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図2a】図２ａおよび２ｂは、従来のポンプタービンの断面立面図である。
【図2b】図２ａおよび２ｂは、従来のポンプタービンの断面立面図である。
【図14】図１４は、調節可能な圧力逃し要素としての役割も果たす膨張可能シールを組み込む、本発明による、放水路接続屈曲部を図示する。膨張可能シール（６３）は、動作の間に振動を低減させるための流動分離制御フィン５１を特徴とする。
【図45a】（記載なし）
【図45b】（記載なし）
【図46】（記載なし）
【発明を実施するための形態】
【0016】
図１ａ、２ａ、および２ｂを参照すると、可逆ポンプタービンを伴う従来の揚水プラントが、示される。そのような従来の敷設において、いくつかのとりわけ高価な特徴が、存在する。これらは、以下を含む。
１）典型的には、負荷遮断から生じ得る水撃を緩和させるために必要とされる、調圧立坑。
２）放水部レベルの下方の地下発電所。そのような発電所は、建設するために高価であり、人的過誤または構成要素故障に起因する洪水のリスクがある。地下発電所の洪水は、設備自体およびそのオペレータへの危険である。
３）導水路および放水路導管が、多額の費用をかけて、発電所自体と同一の低い高さに経路指定されなければならない。
１）典型的には、負荷遮断から生じ得る水撃を緩和させるために必要とされる、調圧立坑。
２）放水部レベルの下方の地下発電所。そのような発電所は、建設するために高価であり、人的過誤または構成要素故障に起因する洪水のリスクがある。地下発電所の洪水は、設備自体およびそのオペレータへの危険である。
３）導水路および放水路導管が、多額の費用をかけて、発電所自体と同一の低い高さに経路指定されなければならない。
【0017】
図２（記載なし）は、本発明による、揚水設備の概略図である。図３は、先行技術の多段ポンプの子午面を通した断面図である。図３ａおよび図３ｂを参照すると、本発明による可逆ポンプタービン敷設が、示される。地下発電所は、要求されない。代わりに、垂直の掘削孔またはシャフト４が、ポンプタービンおよび電動発電機アセンブリ１が敷設され、必要に応じて保守のために除去され、再敷設される一方で、放水部の下方に３単位分の所望される低い高さ設定を提供することを可能にする。高さ設定は、プラントキャビテーション係数（プラントシグマ）が臨界キャビテーション係数（クリティカルシグマ）を上回るように実質的に低くなければならず、キャビテーション係数は、水温における水蒸気圧によって除算されるランナの低圧側の絶対圧力の比率として定義される。シャフト１６は、水中電動発電機８をポンプタービンの段９、１０、１１、および１２に接続する。垂直の放水導管５は、拡散器１４を導水路２の進入点の上方に接続する。圧力逃がし弁７は、好ましくは、除去可能なマニホールド６に搭載される。除去可能なマニホールド６は、基礎１３にボルトで留められ、フランジ１５ａにおいて放水路導管３に接続する。放水路導管３は、示されていない下側リザーバにつながる。段数が、水頭、高度設定、速度、敷設定格、および他の因子に従って調節され得ることに留意されたい。導水路２は、上側リザーバ７０に接続する。放水路導管３は、下側リザーバ７１に接続する。水が、掘削孔４の外環１７を通して、ポンプとしての上側リザーバ７０に向かって、そしてポンプタービン４３に向かって流動する。
【0018】
除去可能な部分が、便宜的に分離可能なサブアセンブリ６、７、１４、および５にさらに分割され得ることに留意されたい。例えば、マニホールド６が、最初に持ち上げられる場合があり、放水路導管５の垂直部分が、次いで持ち上げられる場合があり、ポンプタービン段９、１０、１１、および１２が、電動発電機８とともに最後に持ち上げられる場合がある。上部の電動発電機の場合では、固定子が、定位置に残されながら、回転部、シャフト、およびアセンブリの残りが、最後に持ち上げられる場合がある。
【0019】
図４ａおよび４ｂを参照すると、本発明との併用に好適な圧力逃がし弁の断面図が、それぞれ、その開放位置および閉鎖位置に示される。拡散器１４が、リブ２５に接続される。リブ２５、リング２３、およびリング２４がともに、その膨張圧力が、シャフト１７内の圧力を上回るとき、ブラダ１８をその内径表面上に半径方向に支持する。膨張可能なブラダ１８は、フランジ２６によって下方から、かつエンクロージャ７によってその外径上に支持される。ブラダ１８内の空気圧は、シャフト１７からマニホールド６への（放水圧力での）漏出を停止させるようにのみ精密に調節され得る。
【0020】
図５ａおよび５ｂを参照すると、本発明によるポンプタービンの断面立面図が、示される。ランナ２７が、水が子午面において約１８０°方向を逆転するトロイダル型の流路の周囲に設計される。改札型ゲート２８が、軸方向の流動分散器を構成する。タービン拡散器２９が、タービンランナ退出エネルギーを回収する。固定羽根３０が、分散器ハブ３１、タービン拡散器２９、および改札型ゲートサーボシステム３２に機械的支持を提供する。発電機３３は、好ましくは、タービンの下方に位置する。ホイストピストン３４は、水圧を使用して、接続されるドラフトチューブ区画、圧力逃がし弁、および屈曲部を伴うポンプタービンアセンブリ全体を上昇および降下させるために使用され得る。ホイストピストン３４は、上側シールリング３５および下側シールリング３６を組み込み、シールを維持しながら放水路接続を横断して通過し得る。
【0021】
中空のシャフト７２が、コンデンサとしての役割を果たすランナ２７と併せてヒートパイプの蒸発器として使用され得る。機械が降下されると、電気コネクタ７３が、電気コンセントアセンブリ７４に係合する。偏移リング７５および７６が、改札型ゲート２８を作動させるためのトルクを提供する。
【0022】
掘削孔４は、岩面７７、グラウト７８、および鋼製ライナ７９と関連付けられる。
【0023】
シャフトシールアセンブリ８０は、発電機エンクロージャを乾燥した状態に保つ。
【0024】
図６を参照すると、ピストンアセンブリ３４は、上昇および降下する間に発電機３３およびポンプタービン３７を支持する。弁３８は、導水路３９からの水を遮断するために使用され得る。放水路導管４０は、放水部に接続する。カバーアセンブリ４１は、除去可能である。
【0025】
図６を参照すると、弁４２が、取り付けられたパイプ、屈曲部、および圧力解放アセンブリ４４を伴うポンプタービン電動発電機アセンブリ４３の水圧を用いた上昇と降下の間に、垂直シャフト４を充填するために使用され得、下側ポータル４５が、建設段階の間にＴＢＭを起動する役割を果たし、かつ揚水入口作業所としての役割を果たす。頭首工４７が、建設の間に上側ポータルとして、かつ保守の間に点検プラットフォームとしての役割を果たす。クレーン４８が、保守のために、ポンプタービンから、ドラフトチューブ区画、屈曲部アセンブリ、および圧力逃がし弁を分解するために使用されてもよい。
【0026】
図７を参照すると、屈曲部アセンブリ４９が、示される。膨張可能シール５０が、上端をシールする。膨張可能シール５１は、下端を閉鎖させる。屈曲部５２が、流動を放水路導管に指向させる。スプール５３が、保守の移動の間に、ポンプタービンとともに進行する。
【0027】
図８を参照すると、機械シャフト５４が頭首工５５の下に位置する敷設が、示される。
【0028】
図９を参照すると、機械シャフト５４が、放水路ポータル５６の下方に位置する。
【0029】
図１０を参照すると、機械シャフト５４が、頭首工５５と放水路ポータル５６との間に位置する。
【0030】
図１１を参照すると、機械シャフト５４が、加圧されるリザーバ５８および放水路トンネル５９に接続を提供する。
【0031】
図１２を参照すると、加圧水リザーバ５８が、加圧空気カラム５９と併せて示される。ポンプまたはポンプ／タービン６０は、本発明によるもの、または従来のものであってもよい。空気５９が、ガスタービン発電機セット６１に給送されてもよい。
【0032】
図１３を参照すると、圧縮されている空気の噴霧冷却が、等温空気圧縮を提供するために使用されてもよい。
【0033】
図６、７、１６、および１７は、多くの可能性として考えられる建設シーケンスのうちの１つを描写する。
【0034】
図１７を参照すると、膨張可能シール６３が圧力逃がし弁としての役割もまた果たし得る、別の実施形態が、示される。
【0035】
図１８を参照すると、機械シャフト５４内に位置付けられた組み合わせられたシールおよびＰＲＶ６３が、屈曲部５２および放水路導管４０と併せて示される。機械シャフトライナ６４が、示される。
【0036】
図１７を参照すると、膨張可能シール６３が圧力逃がし弁としての役割もまた果たし得る、別の実施形態が、示される。
【0037】
図１８を参照すると、屈曲部５２内に羽根６５を伴う、別の実施形態が、示される。
【0038】
図１９ａおよび１９ｂを参照すると、ポンプまたは可逆ポンプタービンのためのランナが、示され、流動は、子午面内の平滑な正弦波経路に沿って指向される。ブレード（羽根）は、円周方向の加速ベクトルおよび子午面内の加速ベクトルを加え、水を水通路を通して誘導する。ブレードシーケンスは、ベクトル和に対して法線方向であってもよい。インペラは、大きいほど、より効率的であり、段毎のより高い水頭を提供する。インペラは、３次元印刷によって最も良好に作製され得る。図１９ｃは、図１９ｂのインペラの放出縁の中が見える、端面図である。
【0039】
図２１－２３を参照すると、種々の圧力逃がし弁構成が、示される。
【0040】
図２４を参照すると、中間羽根が、使用される。
【0041】
図２７を参照すると、複数のポンプタービンが、共通導水路２および放水路導管３を共有して示される。
【0042】
図２７Ａおよび２７ｂを参照すると、同一の機械シャフト５４内にともに敷設された複数の水中ポンプタービン６２ａ－６２ｆが、示される。
【0043】
図２８から３０は、共通機械シャフト内の隔壁上への敷設のために構成される、ポンプタービンを示す。
【0044】
図３１を参照すると、中／高電圧永久磁石モータ／発電機９５およびバッテリ貯蔵アレイ９８が、単一のカスケードマルチレベルパワーコンバータを介して電力系統９０に接続される。パワーコンバータは、位相偏移入力変圧器９２と、回生可能フロントエンドを組み込むパワーセル９３と、絶縁されたＤＣバス９５と、負荷側インバータ９４とを備える。各パワーセルのＤＣバスは、接続解除スイッチ９７を介してバッテリバンク９８に接続される。
【0045】
個々のＤＣバス９６の電圧は、動作の間に能動的に管理され、モータ／発電機９５による電力消費または発電から独立して、バッテリバンク９８を充電または放電する。
【0046】
図３２を参照すると、低電圧永久磁石モータ／発電機９５およびバッテリ貯蔵アレイ９８が、単一の２レベルパワーコンバータを介して電力系統９０に接続される。パワーコンバータは、ライン側リアクタを伴うアクティブフロントエンド９３と、中間ＤＣバス９６と、モータ側２レベルインバータ９４とを備える。パワーコンバータは、接続解除器１００および昇圧変圧器９９を通して電力系統に接続される。パワーコンバータＤＣバス９６は、接続解除スイッチ９７を通してバッテリアレイ９８に取り付けられる。ＤＣバス９６の電圧は、動作の間に能動的に管理され、モータ／発電機９５による電力消費または発電から独立して、バッテリアレイ９８を充電または放電する。
【0047】
図３３を参照すると、永久磁石モータ／発電機９５およびバッテリ貯蔵アレイ９８が、並列かつ独立したパワーコンバータを使用して電力系統９０に接続される。コンバータは、保護機能を組み込む個々の接続解除器９１を使用して接続され得る。モータ／発電機９５が、回生ＡＣ／ＡＣパワーコンバータ１０２を使用して接続される。バッテリアレイ９８が、ＤＣバス接続解除器９７を通してグリッドタイインバータ１０１に接続される。昇圧変圧器９９が、インバータ１０１の出力をグリッド電圧まで増加させる。随意に、接続解除器１００が、変圧器９９とバッテリインバータ１０１との間に設置される。
【0048】
図３４を参照すると、中／高電圧二重給電誘導機１０３およびバッテリ貯蔵アレイ９８が、電力系統９０に接続される。発電機の回転子巻線が、図３１に説明されるように接続されたバッテリ貯蔵部を伴うカスケードマルチレベルＡＣ／ＡＣ駆動部に接続される。発電機の固定子巻線が、接続解除器１０４を通して電力系統に接続される。
【0049】
図３５を参照すると、中／高電圧二重給電誘導機１０３およびバッテリ貯蔵アレイ９８が、電力系統９０に接続される。発電機の回転子巻線が、図３２に説明されるように接続されたバッテリ貯蔵部を伴う低電圧２レベルＡＣ／ＡＣ駆動部に接続される。発電機の固定子巻線が、接続解除器１０４を通して電力系統に接続される。
【0050】
図３６を参照すると、中／高電圧二重給電誘導機１０３およびバッテリ貯蔵アレイ９８が、電力系統９０に接続される。発電機の回転子巻線が、回生ＡＣ／ＡＣ駆動部１０２に接続される。発電機の回転子巻線が、接続解除器１０４を通して電力系統に接続される。バッテリ貯蔵アレイが、図３３に説明されるような別個かつ独立したＤＣ／ＡＣインバータ１０１に接続される。
【0051】
図３７を参照すると、複数の中／高電圧永久磁石モータ／発電機９５が、同時閉鎖を防止するために連動される、直接オンライン接触子１０５と順方向／逆方向選択接触子１０６／１０７を併用して、いずれか一方の直接同期接続を可能にする配列で電力系統９０に接続される。回生パワーコンバータ１０２が、発電機を揚水モードまたは発電モードのいずれか一方において同期速度に到達させる、または同期速度ではなく可変速度で動作させるために使用されることができる。位相偏移入力変圧器９２が、コンバータ１０２のアクティブフロントエンドを接続解除器９１を介して電力系統に接続する。接続解除器１０８の行列が、発電機のいずれかがパワーコンバータのいずれかを使用して動作または開始されることを可能にする。
【0052】
先述の内容から容易に理解することができるように、本発明の基本概念は、種々の方法で具現化され得る。それは、水制御およびアクチュエータ技法ならびに適切な水制御または作動を遂行するためのデバイスの両方を伴う。本願では、水制御技法は、説明される種々のデバイスによって達成されることが示される結果の一部として、および利用に固有であるステップとして開示される。それらは単純に、意図および説明される通りにデバイスを利用することの自然な結果である。加えて、いくつかのデバイスが開示されるが、これらは、ある方法を達成するだけでなく、いくつかの点で変動されることができると理解されたい。重要なこととして、前述の内容の全てに関して、これらの様相の全ては、本開示によって包含されると理解されるべきである。
【0053】
本願に含まれる議論は、基本的説明としての機能を果たすことを意図されている。読者は、具体的な議論が全ての可能な実施形態を明示的に説明するわけではない場合があり、多くの代替案が暗示的であることを認識するべきである。これはまた、本発明の一般的性質を完全には説明しない場合があり、各特徴または要素がどのようにして、より広義の機能または多種多様の代替的あるいは同等要素を実際に表すことができるかを明示的に示さない場合がある。再度、これらは、本開示に暗示的に含まれる。本発明がデバイス指向の用語で説明される場合、デバイスの各要素は、暗示的に機能を果たす。装置の請求項が、説明されるデバイスについて含まれ得るだけでなく、方法またはプロセスの請求項も、本発明および各要素が果たす機能に対処するように含まれ得る。説明も用語も、本特許出願に含まれるであろう請求項の範囲を限定することを意図していない。
【0054】
また、本発明の本質から逸脱することなく、種々の変更が行われ得ることも理解されたい。そのような変更もまた、説明に暗示的に含まれる。それらは、依然として、本発明の範囲内に入る。示される明示的な実施形態と、多種多様の暗示的な代替実施形態の両方を包含する、広義の開示、および広義の方法またはプロセスおよび同等物が、本開示によって包含され、本特許出願のための請求項に依拠され得る。そのような言い回しが、変化し、広義の請求項が、本出願において遂行されることを理解されたい。本特許出願は、出願人の権利の中であると見なされる程度に広義の請求項の基礎の考察を求め、独立しておよび全体的なシステムとしての両方で、本発明の多数の側面を網羅する特許をもたらすように設計されるであろう。
【0055】
さらに、本発明および請求項の種々の要素のそれぞれはまた、種々の様式で達成され得る。本開示は、任意の装置の実施形態、方法またはプロセスの実施形態の変形例であろうと、さらに単にこれらの任意の要素の変形例であろうと、それぞれのそのような変形例を包含すると理解されるべきである。特に、本開示が本発明の要素に関するため、各要素のための言葉は、たとえ機能または結果のみが同一であっても、同等の装置の用語または方法の用語によって表され得ることを理解されたい。そのような同等、より広義、またはさらにより一般的な用語は、各要素または措置の説明に包含されると見なされるべきである。そのような用語は、本発明が権利を得る暗示的に広義の請求範囲を明示的にすることが所望される場合に、置換することができる。一実施例のみとして、全ての措置が、全ての措置を講じるための手段として、またはその措置を引き起こす要素として表され得ることを理解されたい。同様に、開示される各物理的要素は、その物理的要素が促進する措置の開示を包含すると理解されるべきである。この最後の側面に関して、一例のみとして、「作動させるための手段」または「アクチュエータ」の開示は、明示的に議論されていようとなかろうと、「作動する」行為の開示を包含すると理解されるべきであり、逆に、事実上、「作動させる」作用の開示が存在する場合、そのような開示は、「アクチュエータ」およびさらに「作動させるための手段」の開示を包含すると理解されるべきである。そのような変更および代替的な用語は、説明に明示的に含まれると理解されるものである。
【0056】
本特許出願において言及されるいかなる法律、法令、条例、または規則の行為、または本特許出願において言及されるいかなる特許、公開文書、または他の参考文献も、参照することによって本明細書によって組み込まれる。加えて、使用される各用語に関して、本願でのその利用がそのような解釈と矛盾しない限り、参照することにより本明細書に組み込まれる、Ｔｈｅ Ｒａｎｄｏｍ Ｈｏｕｓｅ Ｗｅｂｓｔｅｒ’ｓ Ｕｎａｂｒｉｄｇｅｄ Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ（第２版）等に含まれる、一般的な辞書定義が、各用語、全ての定義、代替的な用語、および同義語に関して組み込まれるものとして理解されるべきであることを理解されたい。最後に、本特許出願に従って参照することによって組み込まれる参考文献のリストに列挙される全ての参考文献、または本願で申請される他の情報の記述は、本明細書に添付され、参照することにより本明細書に組み込まれるが、しかしながら、上記のそれぞれに関して、参照することにより組み込まれるそのような情報または記述が、この／これらの発明の特許と矛盾すると見なされ得る限りでは、そのような記述は、出願人によって行われたと明示的に見なされるものではない。
【表1】
【表2-1】
【表2-2】
【表3】
【表4-1】
【表4-2】
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図3a】
【図3b】
【図4a】
【図4b】
【図5a】
【図5b】
【図5c】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19a】
【図19b】
【図20】
【図21】
【図22a】
【図22b】
【図23】
【図24a】
【図24b】
【図25a】
【図25b】
【図26a】
【図26b】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42a】
【図42b】
【図43】
【図44a】
【図44b】
【図45a】
【図45b】
【図46】
