JP2005171869A

JP2005171869A - ポンプ水車ランナ

Info

Publication number: JP2005171869A
Application number: JP2003412670A
Authority: JP
Inventors: Kei Katayama; 慶片山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】
羽根摩擦損失の低減と羽根入口キャビテーション発生の抑制が同時に可能となるポンプ水車ランナを提供する。
【解決手段】
クラウン１とバンド２とクラウンとバンドとの間に複数枚の羽根３から構成されるポンプ水車ランナにおいて、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃと回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｃと回転中心０を結ぶ直線Ｉｃ−０とが成す角度θｃとランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂと回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０とランナ内周側バンド側の羽根付け根Ｉｂと回転中心０とを結ぶ直線Ｉｂ−０とが成す角度θｂの関係が、θｃ＞θｂとなる。
【選択図】図２

Description

本発明はポンプ水車ランナに関する。

揚水式発電所に用いられるフランシス形ポンプ水車ランナは、製作および設計の制約により、揚水運転時、つまりランナがポンプとして作用する場合、羽根入口側の先端位置はランナ回転軸を中心とした同一角度の放射状にあることが普通である。

揚水発電所の経済性を向上させるためには、ランナの損失を減らし効率を向上させることが重要である。また揚水発電所の設備を有効に利用するためには、揚水式発電所に用いられるポンプ水車の運転可能範囲を拡大することが必要となる。一般にポンプ水車では水車運転部分負荷運転時に発生する流体関連振動，水車運転時の落差変動時や部分負荷運転時にランナ羽根に発生するキャビテーション，揚水運転時の揚程変動時にランナ羽根に発生するキャビテーションなどの流体力学的特性により、ポンプ水車の運転可能範囲が制限される。

特に、ランナ羽根に発生するキャビテーションはランナ羽根壊食の原因となり、ランナの寿命短縮につながるため、通常はキャビテーションが発生しない範囲と運転可能範囲が限定される。

尚、羽根入口キャビテーション発生を抑制し、運転範囲を拡大することを図ったポンプ水車ランナとしては特許文献１に記載のようなものがある。

特開２０００−１３６７６６号公報

前述の従来のポンプ水車ランナにおいて、揚水運転時、つまりランナがポンプとして作用する場合、半径の大きいバンド側のランナ周方向速度と半径の小さいクラウン側のランナ周方向速度に差が生じる。つまりクラウン側とバンド側において流体の流入角度に差が生じる。つまり、図３において、半径ｒｃ,ｒｂの位置における周方向速度Ｖｒｃ,Ｖｒｂはそれぞれ角速度ωを用いて、次式で表すことが出来る。

Ｖｒｃ＝ｒｃ×ω
Ｖｒｂ＝ｒｂ×ω
流入角度αは周方向速度ベクトルと流入速度ベクトルのなす角度で決まるため、流入速度Ｖｍが同一の場合、クラウン側の流入角度αｃとバンド側の流入角度αｂは異なる（図４）。

一方、ポンプ運転時の羽根先端における入口キャビテーションは図５および図６のように流れのランナ流入角度と羽根前縁の角度との差異が主要因となる。図５のように流入流速に対しランナ周方向速度が大きい場合は羽根反作用面入口部分にキャビテーションが生じる。これは特に高揚程小流量の運転時バンド側において顕著になる。また図６のように流入速度に対しランナ周方向速度が小さい場合は羽根作用面入口部分にキャビテーションが生じる。これは、特に低揚程大流量の運転じクラウン側において顕著になる。

すなわち、従来の揚水運転羽根入口形状では羽根に発生するキャビテーションにより制限され、運転範囲は高揚程小流量バンド側キャビテーションと低揚程大流量時のクラウン側キャビテーションが発生しない範囲となる。従来のポンプ水車ランナの形状ではこの運転範囲を高揚程底流量寄り、または低揚程大流量寄りへ移行するだけで運転範囲の拡大は出来ない。

また、図７に示すようにポンプ入口の羽根の角度（クラウン側羽根角度γｃ，バンド側羽根角度γｂ）はランナ外周側揚水運転時羽根出口先端と回転中心を結ぶ直線とランナ揚水運転時羽根入口先端と回転中心を結ぶ直線の成す角度θ（以下、巻角θ）により拘束される。このため、高揚程小流量運転時のキャビテーションを発生させないようポンプ入口の羽根角度（γｃ，γｂ）を小さくするためには、巻角θを大きくする必要がある。巻角θを大きくすると、低揚程大流量運転時のキャビテーションが発生してしまうことになる。

また、巻角θを大きくすることは、羽根長さを長くする、つまり、羽根表面積を大きくすることとなり、羽根面の摩擦損失が大きくなりポンプ水車の効率低下を招く。

このように従来のポンプ水車ランナではポンプ運転時の羽根入口キャビテーションにより運転可能範囲を制限される、また、入口キャビテーションの最適化を行うにあたり羽根面の摩擦損失によりポンプ水車の効率低下を招く。

また、従来から羽根先端形状に膨出部を形成しキャビテーションを低減する方法が考案されているが、これではキャビテーションは低減できるが羽根先端が鈍端化するため衝突損失が増大する。

他に、羽根先端に突出部分を設けキャビテーションの低減を考案している方法もあるが、この解決手段は突出部分により剥離渦を形成し、渦によるキャビテーション低減効果を狙っており、渦発生に伴い損失が増大する。

本発明の目的は、羽根摩擦損失の低減と羽根入口キャビテーション発生の抑制が同時に可能となるポンプ水車ランナを提供することにある。

本発明のポンプ水車ランナは、上記目的を達成するために、クラウンとバンドとクラウンとバンドとの間にある複数枚の羽根から構成されるポンプ水車ランナにおいて、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｉｃ−０とが成す角度θｃとランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０とランナ内周側バンド側の羽根付け根Ｉｂとランナの回転中心０とを結ぶ直線Ｉｂ−０とが成す角度θｂの関係が、θｃ＞θｂとなることを特徴としている。

さらに、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナの回転中心０を結ぶ直線
Ｏｃ−０とランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０の成す角度θｏと、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｉｃ−０とが成す角度θｃとランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０とランナ内周側バンド側の羽根付け根Ｉｂとランナの回転中心０とを結ぶ直線Ｉｂ−０とが成す角度θｂの関係がθｃ＞θｂ＋θｏとなることを特徴としている。

本発明によるポンプ水車のランナは、羽根入口キャビテーション発生の抑制と羽根摩擦損失の低減が同時に可能となる。

以下図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

本発明のポンプ水車ランナはクラウンとバンドおよびクラウンとバンドとの間の複数枚の羽根で構成され、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根と回転中心を結ぶ直線とランナ内周側クラウン側の羽根付け根と回転中心を結ぶ直線とが成す角度θｃとランナ外周側バンド側の羽根付け根と回転中心を結ぶ直線とランナ内周側バンド側の羽根付け根と回転中心とを結ぶ直線とが成す角度θｂの関係が、θｃ＞θｂとなる。

図１はポンプ水車ランナの回転軸０を含む断面を表しており、クラウン１，バンド２，複数枚の羽根３を示す。また、羽根の揚水運転時出口側つまり外周側の先端とクラウン１との交点（羽根付け根）をＯｃ、外周側の先端とバンド２との交点（羽根付け根）をＯｂ、羽根の揚水運転時入口側つまり内周側の先端とクラウン１との交点（羽根付け根）を
Ｉｃ、内周側の先端とバンド２との交点（羽根付け根）をＩｂで表している。

図２は揚水運転時流入側すなわちポンプ入口からポンプ水車ランナを見た場合の羽根の形状を表している。回転軸を０とし、Ｏｂ，Ｏｃ，Ｉｂ，Ｉｃは図１と同じ位置を示す。さらに、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｉｃ−０とが成す角度をθｃ、ランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０とランナ内周側バンド側の羽根付け根Ｉｂとランナの回転中心０とを結ぶ直線Ｉｂ−０とが成す角度をθｂと表している。

図１および図２で示されθｃ＞θｂとなる形状の羽根をもつポンプ水車ランナについて、θｃとθｂの間のポンプ入口先端すなわちＩｃとＩｂを結ぶ線は直線であっても、曲線であってもよい。

これは、θｃとθｂの間の位置においてポンプ入口の羽根の角度γと巻角θとの関係で決まるため、必ずしも直線とは限らない。

本発明のように巻角をθｃ＞θｂとすることにより、巻角θｃ＝θｂの場合に比べポンプ入口の羽根の角度γはクラウン側の羽根角度γｃを小さく、バンド側の羽根角度γｂを大きくすることが出来るため、程揚程運転時のバンド側のキャビテーションを犠牲にすることなく、高揚程運転時のクラウン側のキャビテーションを低減できる。また、羽根全体の巻角θを長くしないで済むので羽根全体の表面積を最小限にすることができ、羽根表面で生じる摩擦損失を最小限にすることが出来る。

さらに、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃと回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂと回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０の成す角度θｏと、前述の角度θｃ，θｂの関係をθｃ＞θｂ＋θｏとすることで、揚水運転時にランナから流出する流れにより生じる静動翼干渉による振動の発生を低減することが出来る。

つまり、揚水運転時にランナから流出する流れとランナの外周にある静翼の干渉を低減するために、ランナから流出する流れの分布を決めるランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂの位置を変えた効果を期待している。

本発明の実施例を示すもので、ポンプ水車ランナの縦断面図を示す。本発明の実施例を示すもので、ポンプ水車をポンプ入口から見た図である。ポンプ入口において、クラウン側とバンド側で周方向速度Ｖが違うことを説明した図である。ポンプ入口において、クラウン側とバンド側で入口角度αが違うことを説明した図である。揚水運転高揚程小流量時における運転状況とキャビテーション発生部分の関係を示した図である。揚水運転低揚程大流量時における運転状況とキャビテーション発生部分の関係を示した図である。羽根巻角と羽根入口角度の関係を示した図である。

符号の説明

１…クラウン、２…バンド、３…羽根、０…回転中心（軸）、Ｏｃ…羽根外周クラウン側付け根、Ｏｂ…羽根外周バンド側付け根、Ｉｃ…羽根内周クラウン側付け根、Ｉｂ…羽根内周バンド側付け根、θｃ…ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃと回転中心０を結ぶ直線とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｃと回転中心０を結ぶ直線とが成す角度、θｂ…ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｂと回転中心０を結ぶ直線とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｂと回転中心０を結ぶ直線とが成す角度、ｒｃ…羽根クラウン付け根の半径、ｒｂ：羽根バンド付け根の半径、ω…角速度、Ｖｒｃ…羽根クラウン付け根における回転方向速度ベクトル（周方向速度）、Ｖｒｂ…羽根バンド付け根における回転方向速度ベクトル（周方向速度）、Ｖｍ…流入速度、αｃ…羽根クラウン付け根における流入角度、αｂ…羽根バンド付け根における流入角度、γｃ…羽根クラウン付け根における羽根角度、γｂ…羽根バンド付け根における羽根角度。

Claims

クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間にある複数枚の羽根から構成されるポンプ水車ランナにおいて、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｉｃ−０とが成す角度θｃとランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０とランナ内周側バンド側の羽根付け根Ｉｂとランナの回転中心０とを結ぶ直線Ｉｂ−０とが成す角度θｂの関係が、θｃ＞θｂとなることを特徴とするポンプ水車ランナ。
請求項１において、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０の成す角度θｏと、ランナ外周側クラウン側の羽根付け根Ｏｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｃ−０とランナ内周側クラウン側の羽根付け根Ｉｃとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｉｃ−０とが成す角度θｃとランナ外周側バンド側の羽根付け根Ｏｂとランナの回転中心０を結ぶ直線Ｏｂ−０とランナ内周側バンド側の羽根付け根Ｉｂとランナの回転中心０とを結ぶ直線Ｉｂ−０とが成す角度θｂの関係がθｃ＞θｂ＋θｏとなることを特徴とするポンプ水車ランナ。