JP2005315108A - 水力機械の吸出し管 - Google Patents

Abstract

【課題】水平面に対して上方へ振り上げ角度を持って傾斜し、放水路側に向けて流路断面積が増大する水平拡大部を有する水力機械の吸出し管において、吸出し管の損失を減らし、水力性能の低下を抑制すると共に、発電所の建設工期並びに建設コストを削減する。
【解決手段】吸出し管５の曲がり部５ｂと、水平面７に対して上方へ振り上げ角度αを持って傾斜し、放水路側に向けて流路断面積が増大する水平拡大部５ｃとの間に、流水を一旦水平方向に流す水平助走部５ｄを接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は水車またはポンプ水車などの水力機械の吸出し管に係り、特に曲がり部を持つ吸出し管に関するものである。

水車またはポンプ水車などの水力機械の吸出し管は、羽根車の出口と放水路との間を接続し、羽根車出口からの流水を放水路へ導き、羽根車出口における流水の持つ位置エネルギーを有効に活用すると共に、放水路へ向けての流水路を徐々に拡大し、流水の速度を減少させつつ整流する事により、羽根車出口部での流水の速度エネルギーを効率よく回収する働きをもつ（例えば非特許文献１参照）。

図１０に従来の水力機械の一種である一般的なフランシス型水車の吸出し管の構成を示す。
図１０において、１はケーシングで、このケーシング１内に高圧の水２が流入して羽根車３に作用し、回転させる。その羽根車３の回転力を発電機の主軸４に伝達し、主軸４を回転させ、図示しない発電機を駆動して発電を行う。

作用を終えた水２は流水となって羽根車３の出口から流出し、ケーシング１に接続された筒状の吸出し管５を通って図示しない外部の放水路に流出する。
この吸出し管５は流水の流れに沿って、羽根車３側から吸出し管上部５ａと、それに繋がる曲がり部５ｂと、放水路に向かって底面が水平面に対して上方へ振り上げ角度αを持って傾斜し、放水路に向けて流路断面積が増大する水平拡大部５ｃとから構成されている。

吸出し管５の中での水２の流れは、通常、図１１に矢印で示すように、羽根車３の出口から流出した水２が吸出し管上部５ａを下方に向けてほぼ垂直に通過し、それに繋がる曲がり部５ｂにより流れの方向を水平方向に変えた後、水平拡大部５ｃへと流れる。
これにより、羽根車３の出口から流出した水２の静圧を回復させながら徐々に流速を落とし、水平拡大部５ｃから図示しない放水路へ流出する。

このような水力機械の吸出し管においては、羽根車３の出口から流出する水２の流れの旋回方向成分を有効に打ち消すとともに、水平拡大部５ｃにおける急激な流路断面積の増加を防ぐことにより水２の流れの整流効果を生じさせ、吸出し管５の損失を低減し、効率的に圧力回復を図る手段が採られる。

このための具体的手段として従来、吸出し管５の水平拡大部５ｃの流路断面積が広すぎる場合、吸出し管５の各々の部位において、その管路の軸線（中心線）方向に垂直な面で切断した断面の中心点を結ぶことにより得られる吸出し管中心線６と水平線７が接する接点の内、最も水車回転中心８との距離が近い接点９を含む垂直断面Ａ付近より、水平拡大部５ｃ内の水の流れを分流させ、流路断面積を狭くするためのセンタピアを設け、羽根車３の出口より流出する水２の流れの旋回方向成分を有効に打ち消すとともに急激な流路断面積の増加を防ぐことにより流れの整流効果を生じさせ、損失を低減し、効率的に圧力回復を図るようにした従来技術が考えられている。

一般に、このような水力機械の吸出し管５は通常、地中に埋設されるため、水力機械の据え付け施工時に吸出し管５の形状に応じて地面を掘削する作業が必要となる。

前記したように、垂直断面Ａにおける吸出し管５の最底部Ａ０と水平面７との接点を始点として放水路側に向かって吸出し管５の底面が水平面に対して上方へ振り上げ角度αを持って傾斜し、水平方向を向き、放水路側に向けて断面積が増大する水平拡大部５ｃを有する吸出し管は、水平拡大部５ｃの傾斜部分の下側の部分だけ土木掘削量が少なくなり、発電所建設工期の短縮と、建設コストを低減できるという利点がある。
「ハイドロタービン」日本工業出版、Ｐ１０９

一方で、吸出し管５の水平拡大部５ｃに振り上げ角度αを持たせた場合の吸出し管５内の水の流れについては図１１に示すようになる。
すなわち、水平拡大部５ｃの振り上げ角度αを大きくすると垂直断面Ａにおいて曲がり部５ｂからの水２の流れ方向が急激に変化するため、垂直断面Ａの上部及び水平拡大部５ｃ上部近傍において水の流れの剥離１０が発生する。

吸出し管５内で水の流れの剥離１０が発生すると、羽根車３の出口部での速度エネルギーを効率よく回収することができず、結果として水力機械の吸出し管５としての損失が増え、圧力回復率が悪く、水力性能の低下を引き起こす恐れがある。
また、吸出し管５の水平拡大部５ｃに振り上げ角度αをつけない場合には、水力性能の低下は防げるが、土木掘削体積が多くなり発電所建設工期並びに建設コストが増大する。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、損失を低減して水力性能の低下を抑制し、土木掘削量の低減を図り、発電所建設工期の短縮と建設コストを低減した水力機械の吸出し管を得ることを目的とする。

以上の目的を達成するために本願発明は、一端が流水の上流側である羽根車の出口側と接続し、前記羽根車出口から流出した流水を下流側の放水路に導く水力機械の吸出し管において、前記吸出し管が、少なくとも前記羽根車出口からの流水の流れを下流側に向けて水平方向に変える曲がり部と、前記曲がり部に接続され、流水を水平方向に流す水平助走部と、前記水平助走部に接続され、下流側に向かって底面が水平面に対して上方へ振り上げ角度を持って傾斜し、下流側に向けて流路断面積が増大する水平拡大部とから構成したことを特徴とする。

本発明による水力機械の吸出し管であると、損失を低減して水力性能の低下を抑制し、土木掘削量の低減を図り、発電所建設工期の短縮と建設コストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
なお、以下の実施の形態の説明において、図１０および図１１に示す従来のものと同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
また、説明の都合上、吸出し管５内の水の流れに沿った羽根車２側を上流側と称し、放水路側を下流側と称する。

図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態を示す図で、５は羽根車３の出口と図示しない放水路とを接続する吸出し管で、次の四つの部分から構成されている。
すなわちまず第１は、流水の上流側である羽根車３の出口側のケーシング１に接続された吸出し管上部５ａ、
第２は前記吸出し管上部５ａの下流側に接続され、流水の流れを下流側に向けて水平方向に変える曲がり部５ｂ、
第３に前記曲がり部５ｂの下流側に接続され、吸出し管中心線６が水平を保ち、吸出し管中心線６と水平線７とが接する接点のうち最も水車回転中心８との距離が近い接点９をを始点として、下流側に向かって長さＬ１に亘って形成された水平助走部５ｄ、
第４は前記水平助走部５ｄの下流側に接続され、水平方向を向き、長さＬ１の終端を始点とし、下流側に向かって底面が水平面に対して上方へ振り上げ角度αを持って傾斜し、下流側に向けて流路断面積が増大する水平拡大部５ｃとから構成されている。

次に本発明の第1の実施の形態の作用について説明する。
羽根車３の出口から流出した水２は流水として吸い出し管上部５ａ内を下方に向けてほぼ垂直に流下し、それに繋がる曲がり部５ｂにより流れの方向を水平方向に変えた後、水平助走部５ｄへと流れる。

曲がり部５ｂから水平助走部５ｄ内へ流入した水は、水平助走部５ｄ内を一旦水平方向の流れとして長さＬ１だけ流れ、この間に徐々に助走をつけて流速を早め、その後水平拡大部５ｃ内に流れ込み、下流側の放水路へと流出する。

本発明の第１の実施の形態によれば、吸出し管５の曲がり部５ｂと水平拡大部５ｃとの間に、振り上げ角度を持たない水平助走部５ｄが形成されているので、水平拡大部５ｃの振り上げ角度αを大きく採った場合においても、曲がり部５ｂから水平拡大部５ｃへ流入する水は、水平助走部５ｄにより一旦水平方向の流れとして徐々に助走をつけた後水平拡大部５ｃ内に流れ込むので、水の流れ方向が急激に変化することが無く、水の流れの剥離の発生を防ぎ、水力機械の吸出し管としての水力性能を向上することができる。

また、水平助走部５ｄを設けることにより、水平拡大部５ｃにさらに大きな振り上げ角度αを持たせることも可能となり、その分だけ図１斜線部Ｖ１の土木掘削量を低減することが可能となる。
従って、吸出し管５の水力性能を維持したまま水力機械の吸出し管埋設に必要な土木掘削量を低減し、発電所建設工期の短縮と建設コストを低減することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図２および図３を参照して説明する。
本発明の第２の実施の形態においては、水平助走部５ｄをその中心線６を水平に保つように配置すると共に、水平助走部５ｄの流水出口の流路断面積の大きさに応じて、水平助走部５ｄの流水入口の流路断面積の大きさを変化させている。

図２において、水平助走部５ｄの流水入口の垂直断面Ａ１の流路断面積をＡｉｎとし、同じく水平助走部５ｄの流水出口の垂直断面Ａ２の流路断面積をＡｏｕｔとした場合、図３は、縦軸に吸出し管５にて発生する損失を、Ａｉｎ／Ａｏｕｔ＝１.０における吸出し管５にて発生する損失により無次元化した損失無次元量Ｐ１を表し、横軸は水平助走部５ｄの流水入口と流水出口における垂直断面の流路断面積の比Ａｉｎ／Ａｏｕｔを表した特性図である。

本実施の形態によれば、図３に示すよう、
１.００≦Ａｉｎ／Ａｏｕｔ≦１.２５
の範囲において損失無次元量Ｐ１が1以下となり、吸出し管５の水力性能の低下を抑制する効果が得られることがわかる。

これは、上記範囲内の流路断面積比で水平助走部５ｄを設けた場合、流水方向に対して水平助走部５ｄの流水出口の流路断面積Ａｏｕｔを流水入口の流路断面積Ａｉｎより減少させることにより流速が加速され、流れを整流することが可能となり、流れの剥離を抑制することができるからである。

また、流水方向に対して水平助走部５ｄの流水出口の流路断面積Ａｏｕｔを流水入口の流路断面積Ａｉｎより減少させることにより、埋設する水平助走部５ｄの体積を小さくすることができ、水平助走部５ｄ下側の土木掘削量を低減することも可能となる。

仮に、Ａｉｎ／Ａｏｕｔ＞１.２５の水平助走部５ｄを設けた場合には、整流する効果よりも流速が急激に増加することによる吸出し管５の内側壁面と流体との摩擦損失の方が大きくなり、結果として吸出し管５の水力性能は低下する。

また、Ａｉｎ／Ａｏｕｔ＜１.００の水平助走部５ｄを設けた場合には、垂直断面１Ａ近傍において流路断面積が急激に拡大するため流れの剥離が発生し、その結果、吸出し管５の水力性能は低下する。

従って、水平助走部５ｄの流水入口と流水出口における垂直断面Ａ１、Ａ２の流路断面積比が１.００≦Ａｉｎ／Ａｏｕｔ≦１.２５の範囲の水平助走部５ｄを設けることにより、水力機械の吸出し管の水力性能の低下を抑制するとともに吸出し管埋設に必要な土木掘削量を低減させることができる。
これにより、吸出し管５の水力性能を維持したまま水力機械の吸出し管埋設に必要な土木掘削量を低減し、発電所建設工期の短縮と建設コストを低減することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について図４（ａ）、（ｂ）および図５を参照して説明する。
本発明の第３の実施の形態においては、水平助走部５ｄを吸出し管中心線６が傾斜し、下流側に向かって底面が水平面に対して上方へ傾斜角度β（β＜α）を持って傾斜させるように配置している。

図５は、縦軸に吸出し管５にて発生する損失を、α＝βにおける吸出し管５にて発生する損失により無次元化した損失無次元量Ｐ２を表し、横軸はα／βの値を表した特性図である。
本実施の形態によれば、図５に示すように、ほぼ
α／β≧１.２５
の範囲において損失無次元量Ｐ２がほぼ１以下となり、吸出し管５の水力性能の低下を抑制する効果が得られることがわかる。

これは、上記範囲内の傾斜角度βで水平助走部５ｄを設けた場合、水平助走部５ｄと水平拡大部５ｃとの境界において流れ方向が急激に変化することが無く、流れを整流することが可能となり、流れの剥離を抑制することができるからである。

また、水平助走部５ｄを吸出し管中心線６が傾斜し、下流側に向かって底面が水平面に対して上方へ傾斜角度βを持って傾斜させることにより、図４（ｂ）の斜線部Ｖ２で示すように傾斜角度β＝Ｏの場合に比べ土木掘削量を低減することも可能となる。

仮に、α／β＜１.２５の水平助走部を設けた場合には、水平拡大部５ｃの振り上げ角度αと水平助走部５ｄの傾斜角度βの差は更に小さくなるが、曲がり部５ｂから水平助走部５ｄへの流水の流れの方向が急激に変化し、流れの剥離が発生する恐れがある。

従って、α／β≧１.２５の水平助走部５ｄを設けることにより、水力機械の吸出し管としての水力性能の低下を抑制するとともに吸出し管埋設に必要な土木掘削量を低減させることができる。
これにより、吸出し管５の水力性能を維持したまま水力機械の吸出し管埋設に必要な土木掘削量を低減し、発電所建設工期の短縮と建設コストを低減することができる。

なお、前記した本発明の第２の実施の形態で説明した吸出し管において、本発明の第３の実施の形態で説明したように、水平助走部５ｄを傾斜角度βを持って傾斜させるように配置してもよい。
このようにするとより一層吸出し管埋設に必要な土木掘削量を低減し、発電所建設工期の短縮と建設コストを低減することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について図６（ａ）、（ｂ）、図７および図８を参照して説明する。
本発明の第４の実施の形態においては、前記本発明の第１乃至第３の実施の形態において、水平助走部５ｄの流水方向に沿った水平方向の長さＬ１が、水車回転中心８を基点とした水平拡大部５ｃの出口までの水平方向の長さＬ２の０．００％〜２０.０％の長さになるように構成している。

図７は、縦軸に吸出し管５にて発生する損失を水力機械の効率低下、または効率向上分と考えコストに見積り直したものについて、水平助走部５ｄが無い場合の吸出し管５により発生する損失をコストに見積り直したものを用いて無次元化したもの（Ｘ）と、水平助走部５ｄの傾斜角度β＝０の時の水平助走部５ｄにおける土木掘削量を０とし、それに対して傾斜角度βの時における長さＬ１に対応した水平助走部５ｄにおける必要土木掘削量をコストへ見積もり直し、水平助走部５ｄがない場合の吸出し管５により発生する損失をコストに見積り直したものを用いて無次元化したもの（Ｙ）とを合計した必要コストの和（Ｚ）からなるコスト無次元量Ｐ３を表し、横軸はＬ１／Ｌ２を表した特性図である。

本実施の形態によれば、図７に示すように
０．００≦Ｌ１／Ｌ２≦０.２０
の範囲においてコスト無次元量Ｐ３が１以下となり、吸出し管５の水力性能の低下を抑制する効果が得られることがわかる。

これは、上記範囲内の寸法比で水平助走部５ｄを設けることにより前記本発明の第１乃至第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

仮に、上記範囲外で水平助走部５ｄを設けた場合、水平助走部５ｄの長さＬ１を大幅に長くしても前記実施の形態１乃至３の水平助走部５ｄの流水方向垂直断面積は増加しないため、流速を減速させ流れの整流効果を付加することができず、吸出し管５の水力性能の低下を抑制する事ができない上に、水平助走部５ｄにおける流体の摩擦損失が大きくなるため、結果として吸出し管５の水力性能が低下する。
また、水平助走部５ｄの傾斜角度βは水平拡大部５ｃの振り上げ角度αよりも小さいため、土木掘削量を増加させる要因となる。

これについて図８により説明する。水平助走部５ｄの流水出口の位置をＥ１からＥ２へと伸ばし、水平助走部５ｄの長さＬ１を大きくした場合、その時更に必要となる土木掘削部分は斜線部Ｖ３となる。

つまり、Ｌ１／Ｌ２が増大すると水平助走部５ｄの斜線部の水平方向距離が増大し土木掘削量は増加することとなる。この影響について図７を用いて説明すると、Ｌ１／Ｌ２が大きくなると損失は低減するが、Ｌ１／Ｌ２＝約３０％の長さを超えると水平助走部５ｄ内を流れる時の流水の摩擦損失が増加するため、総合的に損失は増加傾向をたどる。またその損失は、Ｌ１／Ｌ２が大きくなるにつれて２次関数的に増加する。

この土木掘削量は図７より、水平助走部５ｄの水平方向の長さＬ１が水車回転中心８を基点とした水平拡大部５ｃの出口までの水平方向長さＬ２の０．００％〜２０.０％の長さであると最も適切であり、これにより吸出し管５の水力性能を維持したまま水力機械の吸出し管埋設に必要な土木掘削量を低減し、発電所建設工期の短縮と建設コストを低減することができる。

次に、本発明の第５の実施の形態について図９（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
本発明の第５の実施の形態においては、前記本発明の第１乃至第４の実施の形態において、図９に示すように、水平拡大部５ｃ内の水の流れを分流させ、流路断面積を狭くするためのセンタピア１１をその先端が水平助走部５ｄ内に位置するように設ける。

このようにすると、羽根車３の出口より流出する水２の流れの旋回方向成分を有効に打ち消すとともに急激な流路断面積の増加を防ぐことにより流れの整流効果を生じさせ、流れの剥離の発生を抑制し、吸出し管５の水力性能の低下を抑制することができる。

なお、前記実施の形態の説明において、吸出し管５を吸出し管上部５ａ、曲がり部５ｂ、水平拡大部５ｃ、水平助走部５ｄの四つの部分から構成されているとして説明したが、これらの構成部分は必ずしも別体のものではなく、これらの部分から一つの吸出し管５を一体的に構成しているものである。

本発明の第1の実施の形態による水力機械の吸出し管を示す図で、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図。 本発明の第２の実施の形態による水力機械の吸出し管を示す斜視図。 本発明の第２の実施の形態による水力機械の吸出し管の効果を示した特性図。 本発明の第３の実施の形態による水力機械の吸出し管を示す図で、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図。 本発明の第３の実施の形態による水力機械の吸出し管の効果を示した特性図。 本発明の第４の実施の形態による水力機械の吸出し管を示す図で、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図。 本発明の第４の実施の形態による水力機械の吸出し管の効果を示した特性図。 本発明の第４の実施の形態による水力機械の吸出し管を説明するための概略側面図。 本発明の第５の実施の形態による水力機械の吸出し管を示す図で、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図。 従来のフランシス型水車の部分的縦断側面図。 吸出し管内の流水の流れを模式的に示す概略側面図。

符号の説明

１…ケーシング、２…水、３…羽根車、４…主軸、５…吸出し管、５ａ…吸出し管上部、５ｂ…曲がり部、５ｃ…水平拡大部、５ｄ…水平助走部、６…吸出し管中心線、７…水平線、８…水車回転中心、９…接点、１０…流れの剥離、１１…センタピア、Ａ…垂直断面、Ａ０…垂直断面の最低部、α…水平拡大部の振り上げ角度、β…水平助走部の傾斜角度、Ａｉｎ…水平助走部の流水入口の流路断面積、Ａｏｕｔ…水平助走部の流水出口の流路断面積、Ｌ１…水平助走部の長さ、Ｌ２…水車回転中心から水平拡大部出口までの長さ。

Claims (8)

1. 一端が流水の上流側である羽根車の出口側と接続し、前記羽根車出口から流出した流水を下流側の放水路に導く水力機械の吸出し管において、前記吸出し管が、少なくとも前記羽根車出口からの流水の流れを下流側に向けて水平方向に変える曲がり部と、前記曲がり部に接続され、流水を水平方向に流す水平助走部と、前記水平助走部に接続され、下流側に向かって底面が水平面に対して上方へ振り上げ角度を持って傾斜し、放水路側に向けて流路断面積が増大する水平拡大部とから構成されることを特徴とする水力機械の吸出し管。
2. 前記水平助走部の管路の軸線に対して垂直な面で切断した断面の中心点を結ぶことにより得られる前記水平助走部の中心線が水平であることを特徴とする請求項１記載の水力機械の吸出し管。
3. 前記水平助走部の管路の軸線に対して垂直な面で切断した断面の中心点を結ぶことにより得られる前記水平助走部の中心線が、下流側に向かって水平面に対して上方へ傾斜角度を持って傾斜したことを特徴とする請求項1記載の水力機械の吸出し管。
4. 前記水平助走部の流水入口の流路断面積が流水出口の流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械の吸出し管。
5. 前記水平助走部の流水入口の流路断面積をＡｉｎ、流水出口の流路断面積をＡｏｕｔとした場合、
   １．００≦Ａｉｎ／Ａｏｕｔ≦１.２５
   であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水力機械の吸出し管。
6. 前記水平助走部の流水方向に沿った水平方向の長さをＬ１、水車回転中心を起点とした前記水平拡大部の流水出口までの水平方向の長さをＬ２とした場合
   ０．００≦Ｌ１／Ｌ２≦０．２０
   であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水力機械の吸出し管。
7. 先端が前記水平助走部内に位置するように前記水平拡大部内にセンタピアを設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水力機械の吸出し管。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の吸出し管を有する水力機械。
   

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