JP2007016711A - ステーリングおよびステーリングを有する水車 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステーリングを改造することにより水車を高効率な水車に改造する。
【解決手段】 ステーリングは、リング状の上壁１と、上壁１の下方に配置されたリング状の下壁２と、上壁１と下壁２とにはさまれたリング状流路内に周方向に配列されて上壁１および下壁２に固定された複数のステーベーン３と、を有し、水車の渦巻き状のケーシング４の内側に配置されてケーシング４からの水流をガイドベーンに導く。上壁１および下壁２の水車入口側端部付近は水車出口側に向かってリング状流路の上下方向の幅がせばまるように上下方向に傾斜しており、上壁１および下壁２の水車入口側端部付近の内面側に沿って、ステーリング内の水流の上下方向の傾斜を緩めるための整流体５をリング状に配置した。
【選択図】 図１

Description

この発明は水車（ポンプ水車を含む。以下同様）のステーリングおよびそのステーリングを有する水車に関する。

一般の水車は主に、水圧鉄管、ケーシング、ステーリング、ガイドベーン、ランナ、吸出し管、発電機から構成される。水車運転時には上池からの水は水圧鉄管を経てケーシングにより回転方向に水の流れを変換され、ケーシングとガイドベーンをつなぐステーリングを通って、流量を調整するガイドベーンを経てランナで回転エネルギーに変換され、吸出し管を経て下池へと流出される。ランナで回収された回転エネルギーは発電機により電力へと変換される。

上述したステーリングは上下のリング状のステーリングとそれらをつなぐステーベーンとで構成される。ステーベーンはケーシングからの流れを整流する役割と、ステーリングをつなぐ強度部材としての役割を持っている。

このステーリングの形状は、ケーシング側とガイドベーン側とで高さの異なるベルマウス型と高さの異ならない平行型とに大きく分類される。従来はケーシングの壁面とステーリングの上下壁面が滑らかに繋がるベルマウス型が多く適用されていた。平行型ステーリングの場合、ステーベーンの外周に平行な部分が存在する。このためケーシングからステーリングに入り込む流れは周方向の位置によりその角度は異なるが、同じ周方向位置では高さ方向にはほぼ同じ流れ角度となる。このためステーベーン入口形状が流れ角度とほぼ同じ角度を有していれば損失は小さい。

しかし、数十年前に建設された水車で、ベルマウス型ステーリングを採用しているものが、現在でも多数存在する。数十年前に建設された水車ではステーリングの形状が適切でないものが多く、ステーリング部で大きな損失を発生しているものが多い。ベルマウス型のステーリングでは上下壁面が斜めであるため、上下壁面付近では水車中心軸に対して斜めの流れとなることから、上下壁面付近と中央付近では流れの角度が異なる。このためステーベーンが高さ方向に同一の形状をしている場合、ステーベーンに流れ込む角度とステーベーン入口の幾何学的角度とが異なる部分が存在し、入口部での損失が発生することがある。これに対して入口形状を高さ方向に変えるステーベーン形状として、水力機械用ステーリングのステーベーン（特許文献１参照）がある。
特開２０００−２９７７３５号公報

上述したようにステーベーンは強度部材としての役割も持っている。このため、既設のステーベーンを修正する場合には強度のことを考える必要があり、大幅に形状の修正、特にステーベーンを削るような改造は避けるべきである。しかし、ベルマウス型ステーリングの上下壁面形状の形状変化割合が適正でない場合、ステーベーン入口部での高さ方向の流れ角度の差が非常に大きくなり、ステーベーン入口部の修正のみではその効果を十分に引き出すことが難しい場合がある。

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、ステーリングを改造することにより水車を高効率な水車に改造することができるステーリングおよびこのようなステーリングを有する水車を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するものであって、リング状の上壁と、この上壁の下方に配置されたリング状の下壁と、前記上壁と下壁とにはさまれたリング状流路内に周方向に配列されて前記上壁および下壁に固定された複数のステーベーンと、を有し、水車の渦巻き状のケーシングの内側に配置されて前記ケーシングからの水流をガイドベーンに導くステーリングにおいて、前記上壁および下壁の少なくとも水車入口側端部付近は水車出口側に向かって前記リング状流路の上下方向の幅がせばまるように上下方向に傾斜しており、前記上壁および下壁の少なくとも水車入口側端部付近の内面側に沿って、ステーリング内の水流の上下方向の傾斜を緩めるための整流体をリング状に配置したこと、を特徴とする。

本発明によれば、比較的簡単な改造工事により、既存のベルマウス型ステーリングを有する水車を高効率な水車に改造することができる。

以下、本発明に係る水車のステーリングについての実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、図１において、本実施の形態の水車のステーリングは、ベルマウス型ステーリングの上壁１、下壁２、ステーベーン３、ケーシング４、ステーリングに取り付ける整流板（整流体）５を有する。ケーシング４は渦巻き状で、その内側にステーリングが配置されている。また、ステーリングの内側（図１の左側）には図示しないガイドベーンやランナが配置されていて、水車運転の水流が、ケーシング４から図１の左向きに、ステーリング、ガイドベーンを通ってランナに送られるようになっている。

上壁１および下壁２は上下方向に互いにほぼ対称のリング形状であって、水車中心軸に向かって、上壁１は下方に下壁２は上方に傾斜し、水車下流に向かって上下方向流路幅がせばまるように形成されている。上壁１と下壁２の間に、複数枚のステーベーン３が周方向にほぼ等間隔に配置されている。

整流板５は、上壁１の下側と下壁２の上側にそれぞれ沿って配置され、ケーシング４からの水流がステーリングに入る前に（上流側で）上下方向に流路をせばめ、ステーリング内の流れの向きをほぼ水平にする働きをする。整流板５はその内側の水流の向きを調整するためものであるから、整流板５と上壁１または下壁２の間の隙間は淀み域としてもよいし、この部分の水を排除するように、板状の整流板５に代えてブロック状の整流体を配置してもよい。

このように構成された本実施の形態においては、整流板５によりステーリングのステーベーン３間の流路では整流板を取り付けない場合に比べ、高さ方向の速度成分が小さくなる。

図２は従来のベルマウス型ステーリングのステーベーン３入口での速度を示したものである。図２（ａ）は水流の半径方向速度成分の鉛直方向分布を、図２（ｂ）は水車中心と壁面付近の二つの断面での流れのようすを比較したものである。Ｖｒは半径方向速度を、Ｖθは周方向速度を、Ｖは絶対速度を示し、添え字のＡ、ＢはそれぞれＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面での速度であることを示す。

図２（ａ）に示すように、ベルマウス型ステーリングでは半径方向の速度が中央付近に比べ壁面側での速度が小さい。しかし、周方向の速度は高さ方向にほとんど変わらないことから、図２（ｂ）に示すように水車中心高さＡ−Ａ断面と、壁面近傍のＢ−Ｂ断面でのステーベーン入口での流れを見ると、水車中心（Ａ−Ａ断面）に対し、壁面近傍（Ｂ−Ｂ断面）では流入角度が小さくなっていることがわかる。このことから、ステーベーン３入口角度が高さ方向に同一の場合、ステーベーン入口での衝突損失が発生する。また、ステーリングの壁面の曲率が適正でない場合は、ステーベーン部でも高さ方向の速度成分により２次流れによる損失等が発生する場合がある。

一方、整流板５を取り付けた場合は、図３（ａ）に示すように半径方向の速度のステーベーン３高さ方向に対する変化率が小さくなり、図３（ｂ）に示すようにステーベーン３に入る流れは高さ方向にほとんど変化しないことがわかる。これにより、ステーベーン３入口の幾何学的角度と流れ角度が近い場合は入口部での衝突損失が低減される。

また、高さ方向の速度成分が小さくなることから、ステーベーン３部以降の２次流れによる損失も低減される。また、十数年前の既設水車の場合、ステーベーン入３口角度が本来の流れ角度に比べ大きく設計されていることが多い。この場合、本実施の形態のようにステーリングの流路幅を小さくすると、半径方向の速度成分が大きくなり、流れ角度は実施前よりも大きくなる。これにより、ステーベーン３入口の形状を変更せずに入口部の衝突損失が低減されることもある。本実施の形態によれば、ベルマウス型ステーリングを有する水車に対して、大幅な効率の向上を図ることが可能となる。

次に、本実施の形態の詳細を、図４を用いて説明する。図４（ａ）はケーシング４を上方から見た図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面のステーリング付近を示した図である。

図４で、整流板５の最外半径をＲ１、整流板の最小高さＢ１、ステーベーン水車入口部外半径をＲｓ１、ステーリングの水車出口側の最小高さをＢｓ２、ケーシングの巻き始め部（内側）の半径をＲｓとしたとき、整流板５は
Ｂ１≧Ｂｓ２ … （１）
かつ
Ｒ１−Ｒｓ１≦０．２×Ｒｓ … （２）
の範囲内に設置されている。

整流板５の最外径がケーシング４内に過度に入り込むと、ケーシング４内部での流速の増加を招き、ケーシング４部での損失が増加してしまう。また、ステーリングで形成される高さ方向の流路は、整流板５を設置することによりステーベーン３出口側の流路高さよりも小さくなると水車流れの場合拡大流れとなり、損失が発生してしまう。このため、整流板５をベルマウス型ステーリングに取り付け、ステーリングで発生する損失を低減するためには、（１）式および（２）式を満たす範囲内に整流板５を取り付けることが望ましい。

さらに好ましくは、整流板５は
０．０５×Ｒｓ≦Ｒ１−Ｒｓ１≦０．２×Ｒｓ … （３）
を満たす形状とする。水車のベルマウス型ステーリングに整流板５を取り付けた場合、図５に示すように整流板５角部での曲がり流れの影響が下流のステーベーン３入口部まで及ぼすことがある。しかし、整流板５の形状を（３）式の範囲とすることにより、ステーベーン３入口での整流板５角での曲がり流れの影響は小さくなる。また、整流板５を本適用範囲以上とした場合、ケーシング４の断面積が過度に小さくなり、ケーシング４での流速が増加し、ケーシング４部での摩擦損失が増大してしまう。

図６に、整流板５の半径を変化させたときのステーリング部とケーシング４部の損失の割合を解析的に求めた結果を示す。整流板５が（３）式範囲内ではケーシング４と、整流板５のつりあいが良く損失が小さくなっていることがわかる。また、整流板５が大きい場合は修正するときの材料費、修正費用が大きくなってしまう。（３）式の構成によれば、ベルマウス型ステーリングを有する水車に対して、大幅な効率の向上を図り、且つコストを抑えることが可能となる。

上記構成で、さらに好ましくは、
０≦（Ｂ１−Ｂｓ２）／（Ｂｓ１−Ｂｓ２）≦０．３ … （４）
を満たす形状とする。

ベルマウス型ステーリングに整流板５を取り付けると、ベルマウス型ステーリングに対してステーベーン３入口での角度は高さ方向に均一になり、ステーベーン３入口での衝突損失を低減することが可能である。しかし、整流板５を取り付ける高さが、ステーベーン３出口側のステーリングが平行になる部分の高さよりも過度に大きい場合、ステーベーン３入口での衝突損失は低減するものの、整流板５とステーリングの上下壁との繋がり部で流れが不安定になってしまい、損失が発生してしまうことがある。

図７は整流板の取り付け位置に対するステーリング部での損失を解析的に求めたものである。図から、（４）式の範囲で損失が低減していることがわかる。このような構成により、最大限の効率向上を図ることができる。

次に、図８に示すように、ベルマウス型ステーリングと整流板５が接続する水車出口側で水車中心断面と平行である場合を０°、水車出口側から水車入口側に向かって流路が広まる方向の角度を正としたとき、整流板５の水車出口側での設置角度θ２は、
０°≦θ２≦２０° … （５）
となるように整流板５を設置するのが好ましい。

整流板５をベルマウス型ステーリングに取り付けるとき、ステーベーン３付近の整流板５の傾きが過度に大きい場合、ステーベーン３間で高さ方向の速度成分が生じてしまう。高さ方向の速度成分が大きい場合、その流れの影響でステーベーン３で損失が発生してしまうことがある。

図９はベルマウス型ステーリングに設置する整流板の設置角度θ２を変化させたときのステーリング部での損失を解析的に求めた結果である。整流板５を、流路が平行になるように設置したとき（θ２＝０°）で損失は最小となり、θ２が大きくなるにつれ損失も増加し、θ２が２０°以上になると急激に損失が増大している。このように、整流板５の設置角度には適切な値があり、式（５）の範囲すなわち０°〜２０°付近に設置することにより、整流板の効果を大きくすることができる。

次に、図１０に示すように、整流板５の入口側の角部の曲率半径をＲ２とするとき、
０．０５×Ｒｓ≦Ｒ２≦Ｒ１−Ｒｓ１ … （６）
となるように整流板５を形成するのが好ましい。ケーシング４からの水は壁面近くでは整流板５の形状に大きく左右される。特に整流板５の角部では曲がり流れになるため角部の曲率が小さいと図１１のように流れがはく離しやすくなる。しかし整流板５の角部の曲率半径Ｒ２を０．０５×Ｒｓ以上とすると過度部でのはく離が抑制され、角部でのはく離がステーベーンの入口に及ぼす影響が小さくなる。

次に、図１２に示すように、ベルマウス型ステーリングに取り付ける整流板５の子午面形状（鉛直断面形状）は一つ以上の曲率が変わる点を持ち、最も水車出口に近い側に位置する変曲点の半径をＲ３とするとき、
Ｒｓ１≦Ｒ３ … （７）
となるように形成されているのが好ましい。なお、図１２では、最も水車出口に近い側に位置する変曲点を黒点で示している。

上述したように、ステーベーン３では上下方向の速度成分が存在すると損失が発生しやすく、上下方向の速度成分が小さい状態が望ましい。ステーベーン３の領域で整流板５の子午面形状が曲率を持つ場合、または直線の場合、ステーベーン３の領域で曲率が変わる点が存在するとその点で上下方向の速度成分が発生しやすく、損失の発生の原因となる。このため、曲率が変わる点をステーベーン３の外側になるような整流板５形状とすることにより、効率向上を図ることが可能となる。

本発明に係るステーリングの一実施の形態の右半付近を示す縦断面図。 従来のベルマウス型ステーリングの水流を示す模式図であって、（ａ）はステーリング付近の縦断面における水流の半径方向速度成分の分布を示す図、（ｂ）はステーリング水平断面における一つのステーリング入口での水流の速度を示す図。 本発明に係るステーリングの一実施の形態の水流を示す模式図であって、（ａ）はステーリング付近の縦断面における水流の半径方向速度成分の分布を示す図、（ｂ）はステーリング水平断面における一つのステーリング入口での水流の速度を示す図。 本発明に水車の一実施の形態を示す図であって、（ａ）は水車の平面図、（ｂ）はステーリングの右半付近を示す縦断面図。 本発明の実施の形態のステーリングの右半付近を示す縦断面図であって、作用を説明するための図。 本発明の実施の形態の作用を説明するための損失を表すグラフ。 本発明の実施の形態の作用を説明するための損失を表すグラフ。 本発明に係るステーリングの一実施の形態の右半付近を示す縦断面図。 本発明の実施の形態の作用を説明するための損失を表すグラフ。 本発明に係るステーリングの一実施の形態の右半付近を示す縦断面図。 本発明の実施の形態のステーリングの右半付近を示す縦断面図であって、作用を説明するための図。 本発明に係るステーリングの一実施の形態の右半付近を示す縦断面図。

符号の説明

１…上壁
２…下壁
３…ステーベーン
４…ケーシング
５…整流板（整流体）

Claims (8)

1. リング状の上壁と、この上壁の下方に配置されたリング状の下壁と、前記上壁と下壁とにはさまれたリング状流路内に周方向に配列されて前記上壁および下壁に固定された複数のステーベーンと、を有し、水車の渦巻き状のケーシングの内側に配置されて前記ケーシングからの水流をガイドベーンに導くステーリングにおいて、
   前記上壁および下壁の少なくとも水車入口側端部付近は水車出口側に向かって前記リング状流路の上下方向の幅がせばまるように上下方向に傾斜しており、
   前記上壁および下壁の少なくとも水車入口側端部付近の内面側に沿って、ステーリング内の水流の上下方向の傾斜を緩めるための整流体をリング状に配置したこと、
   を特徴とするステーリング。
2. 前記整流体の最外半径をＲ１、前記整流体の最小高さをＢ１、前記ステーベーンの水車入口部外半径をＲｓ１、前記ステーリングの水車出口側の最小高さをＢｓ２、前記ケーシングの巻き始め部の半径をＲｓとするとき、
   Ｂ１≧Ｂｓ２
   かつ
   Ｒ１−Ｒｓ１≦０．２×Ｒｓ
   の条件を満たすことを特徴とする請求項１記載のステーリング。
3. ０．０５×Ｒｓ≦Ｒ１−Ｒｓ１
   の条件をさらに満たすことを特徴とする請求項２記載のステーリング。
4. （Ｂ１−Ｂｓ２）／（Ｂｓ１−Ｂｓ２）≦０．３
   の条件をさらに満たすことを特徴とする請求項２または３記載のステーリング。
5. 前記整流体の水車出口側端部での上下方向の傾斜角度が２０°以下であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか記載のステーリング。
6. 前記整流体は水車上流側で上下方向の傾斜が変わる角部を形成し、その角部の曲率半径をＲ２とするとき、
   ０．０５×Ｒｓ≦Ｒ２≦Ｒ１−Ｒｓ１
   の条件をさらに満たすことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか記載のステーリング。
7. 前記整流体は、その鉛直断面形状が、少なくとも一つの曲率変化点を持ち、最も水車出口側に位置する曲率変化点の半径をＲ３とするとき、
   Ｒｓ１≦Ｒ３
   の条件を満たすことを特徴とする請求項２ないし６のいずれか記載のステーリング。
8. 請求項１ないし７のいずれか記載のステーリングを有する水車。

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