クロスフロータービン

クロスフロー水車、バンキ・ミッシェル水車、またはオスバーガー水車^[1]は、オーストラリアのアンソニー・ミッシェル、ハンガリーのドナート・バンキ、ドイツのフリッツ・オスバーガーによって開発された水車です。ミッシェルは1903年に水車設計の特許を取得し、製造会社ウェイマスが長年にわたり製造しました。オスバーガーの最初の特許は1933年に取得され (「フリージェット水車」1922年、帝国特許番号361593、「クロスフロー水車」1933年、帝国特許番号615445)、彼はこの水車を標準製品として製造しました。今日、オスバーガーが設立した彼の名前を冠した会社は、このタイプの水車の主要な製造会社です。

軸方向または半径方向の流れを持つほとんどの水車とは異なり、クロスフロー水車では、水は水車を横切って、つまり水車ブレードを横切って通過します。水車と同様に、水は水車の端から入ります。ランナーの内側を通過した後、反対側から外側に向かって出ていきます。ランナーを 2 回通過することで、さらに効率が向上します。水がランナーを出るとき、小さな破片や汚染物質を除去するのにも役立ちます。クロスフロー水車は、低速の機械で、落差は低いが流量が多い場所に適しています。

図ではわかりやすくするためにノズルを 1 つ示していますが、実際のクロスフロー タービンのほとんどは、水の流れが干渉しないようにノズルを 2 つ配置しています。

クロスフロー タービンは、多くの場合、同じシャフトを共有する、容量の異なる 2 つのタービンとして構築されます。タービン ホイールは同じ直径ですが、同じ圧力で異なる容量を処理するために長さが異なります。分割されたホイールは通常、1:2 の比率で容量が構築されます。分割された調整ユニット、つまりタービンの上流セクションにあるガイド ベーン システムは、流量に応じて 33、66、または 100 % の出力で柔軟な操作を提供します。タービンの構造が比較的単純なため、運用コストが低く抑えられます。

タービンは、水平軸を備えた円筒形の水車またはランナーで構成され、多数のブレード (最大 37 枚) が放射状および接線状に配置されています。ブレードの端は、水の流れに対する抵抗を減らすために鋭くなっています。ブレードは、部分的に円形の断面 (全長にわたって切断されたパイプ) で作られています。ブレードの端は、ハムスターのケージのようなケージを形成するためにディスクに溶接されており、「リスケージ タービン」と呼ばれることもあります。タービンには、バーの代わりにトラフ型の鋼製ブレードがあります。

水は、まずタービンの外側から内側に流れます。羽根または舌のような形をした調整ユニットが、流れの断面を変えます。水流は、ノズルによって円筒状のランナーに向けられます。水は約 45/120 度の角度でランナーに入り、水の運動エネルギーの一部をアクティブな円筒状のブレードに伝えます。

調整装置は、必要な電力と利用可能な水に基づいて流量を制御します。比率は、水の (0～100%) が 0～100%×30/4 ブレードに流入します。2 つのノズルへの水の流入は、2 つの形状ガイドベーンによって絞られます。これらは、水がどの開口部幅でもスムーズにランナーに入るように、流れを分割して方向付けます。ガイドベーンは、水位が低いときに給水を遮断できるように、タービン ケーシングの端に密着している必要があります。したがって、ガイドベーンは、水圧管とタービンの間のバルブとして機能します。両方のガイドベーンは、自動または手動制御を接続できる制御レバーによって設定できます。

タービンの形状 (ノズル - ランナー - シャフト) により、ウォーター ジェットが効果的になります。水はランナーに 2 回作用しますが、ほとんどの力は水がランナーに入る最初のパスで伝達されます。水がタービンから出るときにランナーに伝達される力は 1 ⁄ 3だけです。

水は、ブレード チャネルを 2 つの方向に流れます。外側から内側へ、内側から外側へです。ほとんどのタービンは 2 つのジェットで作動し、ランナー内の 2 つの水ジェットが互いに影響を及ぼさないように配置されています。ただし、タービン、ヘッド、タービン速度が調和していることが不可欠です。

クロスフロータービンはインパルス型なので、ランナーでの圧力は一定に保たれます。

クロスフロー タービンのピーク効率は、カプラン タービン、フランシス タービン、ペルトンタービンよりもやや低くなります。ただし、クロスフロー タービンは、負荷が変動しても効率曲線が平坦です。分割ランナーとタービン チャンバーにより、タービンは流量と負荷が 1/6 から最大まで変動しても効率を維持します。

クロスフロータービンは価格が安く、調整が良好なため、主に1,000kW未満、落差200m（660フィート）未満の小型水力発電ユニットやマイクロ水力発電ユニットで使用されます 。

特に小規模な流れ込み式発電所では、小さな川の水量は月によっては通常少なくなるため、平坦な効率曲線によって他のタービン システムよりも年間パフォーマンスが向上します。タービンの効率によって、川の水量が少ない期間に電力が生産されるかどうかが決まります。使用するタービンのピーク効率が高くても、部分負荷での動作が悪い場合は、平坦な効率曲線を持つタービンよりも年間パフォーマンスが低くなります。

クロスフロー タービンは、部分負荷での優れた動作により、無人発電に最適です。構造がシンプルなため、他のタービン タイプよりもメンテナンスが容易です。メンテナンスが必要なベアリングは 2 つだけで、回転要素は 3 つだけです。機械システムはシンプルなので、修理は地元の整備士が行うことができます。

もう 1 つの利点は、多くの場合、自己洗浄できることです。水がランナーから流れ出ると、葉や草などがランナー内に残らないため、損失が防止されます。したがって、タービンの効率は多少低くなりますが、他のタイプよりも信頼性が高くなります。通常、流れの反転や速度の変化などによるランナーの洗浄は必要ありません。他のタイプのタービンは詰まりやすく、結果として、公称効率が高くても電力損失が発生します。

• 水力タービン
• 垂直軸風力タービンは、流れがローターを横切って通過するため、クロスフロータービンと呼ばれることもあります。
• ゴルロフ螺旋タービンでは、ローター軸も流れに対して垂直に配置されています。