JP2007032458A

JP2007032458A - フランシス型水車

Info

Publication number: JP2007032458A
Application number: JP2005218473A
Authority: JP
Inventors: Sadao Kurosawa; 貞男黒澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】ランナの羽根外径がクラウン側とバンド側とで異なる高比速度を持つ機種であって、主流の流量「小」のときの運転でも、二次流れを効果的に抑制し、より一層高効率の運転を実現させるフランシス型水車を提供する。
【解決手段】本発明に係るフランシス型水車は、頭部側をクラウン２０で支持され、底部側をバンド２１で支持されるランナ２７の羽根２２と隣接するランナの羽根とで流路２４を形成し、この流路２４の入口側に、前記バンド２１から前記クラウン２０に向う高さ方向に沿って複数の整流羽根２５ａ，２５ｂを備えたフランシス型水車において、前記整流羽根２５ａ，２５ｂを前記ランナ２７の羽根における前縁２６から上流側に向って延設する構成にしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、フランシス型水車に係り、特に一方の羽根と隣接する他方の羽根との間に形成される流路内に改良を加えたフランシス型水車に関する。

自然エネルギの一つである水を有効利用し、効率の高い発電運転を行うフランシス型水車は、従来、図７に示す構成のものが使用されている。

このフランシス型水車は、渦巻状のケーシング１から供給される動力水（以下、主流と記す）の流れに沿って順に、ステーベーン２、ガイドベーン３、ランナ４、吸出管５をそれぞれ備えるとともに、ランナ４の羽根６の高さ方向の頂部側と底部側との両端を環状のクラウン７とバンド８で支持させ、発電運転時、ケーシング１から供給される主流をガイドベーン３で流量制御し、流量制御後の主流でランナ４の羽根６を回転させ、この回転力で発電機１０を駆動している。

ランナ４の羽根６を出た主流は、矢印ＡＲに沿って吸出管５に流れ、ここで圧力（静圧）を回復させて下池（図示せず）に排出される。

また、ポンプ運転時（揚水運転時）には、フランシス型水車は、下池に貯溜させた主流を吸出管５、ランナ４の羽根６、ガイドベーン３、ステーベーン２、渦巻状のケーシング１を介して上池（図示せず）に供給している。

その際、発電機１０は、電動機として機能し、主軸９を発電運転のときと逆方向に回転させている。

また、フランシス型水車は、発電運転時、負荷（出力）の需要増減に応じてガイドベーン３を開閉制御させ、主流の流量制御を行っているが、設計運転（発電効率が最高となる運転）、流量「小」運転（部分負荷運転等）、流量「大」運転（発電最高効率を超えた過流量運転）のそれぞれの運転のとき、図８〜図１０に示すように、主流の流れが著しく変化する。

ここに、図８は、設計運転時、子午断面から見たときの主流の挙動を示すフランシス型水車の概念図であり、図９は、流量「小」運転時、子午断面から見た主流の挙動を示すフランシス型水車の概念図であり、図１０は、流量「大」運転時、子午断面から見た主流の挙動を示すフランシス型水車の概念図である。なお、子午面とは、主軸（回転軸）とそれに直交するランナ径方向の軸とで形成される平面である。

理論上、ランナ４の羽根６を通る水流の流れは、ランナコーン１１側に向う主流の動圧力ＦＰと、ランナ４の羽根６の回転に伴って発生する遠心力ＣＦとの均衡によって力のバランスが維持されている。

このため、設計運転（最高効率運転）では、図８に示すように、ランナコーン１１の出口側に沿って僅かに死水領域ＤＺができるものの、安定流が維持されているのに対し、流量「小」運転では、主流の流量が少ない関係上、主流の動圧力ＦＰに較べて相対的に遠心力ＣＦが大きくなっており、図９に示すように、クラウン７からランナコーン１１の出口側に沿って大きな死水領域ＤＺができ、水車効率の低下の一因となっている。

また、流量「大」運転では、主流の流量が多い関係上、遠心力ＣＦに較べて相対的に主流の動圧力ＦＰが大きくなるので、図１０に示すように、吸出管５側に沿って死水領域ＤＺができ、水車効率の低下の一因になっている。

このような主流の流れの偏りは、二次流れと称され、非設計点において、ランナ４内で発生する水力損失の主因になっている。

非設計点における二次流れを抑制する技術には、例えば、特開昭５７−１２６５６６号公報（特許文献１）、特開平８−２９６５４４号公報（特許文献２）および特開２００５−１３３６９８号公報（特許文献３）等が開示されている。
特開昭５７−１２６５６６号公報特開平８−２９６５４４号公報特開２００５−１３３６９８号公報

特許文献１〜３に開示された二次流れを抑制する技術は、図１１〜図１３に示すように、主流の流線ＳＬに沿い、かつ一方の羽根６ａと隣接する他方の羽根６ｂとで形成する流路１２の入口側に、クラウン７およびバンド８のそれぞれの主軸９を通る半径方向長さよりも短い整流羽根１５ａ，１５ｂを設けるとともに、整理羽根１５ａ，１５ｂをバンド８側からクラウン７側に向う高さ方向に沿って棚状に配置したものである。

しかし、特許文献１〜３に開示された技術には、幾つかの問題点を抱えており、その一つに、図１４〜図１６に示すように、高比速度型のフランシス型水車における特に流量「小」運転時のランナ４内でのフローパターンの偏りがある。

すなわち、高比速度型のフランシス型水車のランナ４の羽根６（６ａ、６ｂ）では、図１４に示すように、発電運転時の入口側となる羽根６のバンド８側の外径と、クラウン７側の外径とは異なるものとなる。このとき、ステーベーン２を介してガイドベーン３からの主流は、主軸９に対してほぼ直行する方向からランナ４方向に流れて行く。しかし、ランナ４の羽根６の入口側外径が異なっているため、羽根６のバンド側８と羽根６のクラウン７側とでは、実際に主流が羽根６内に流入するタイミングが異なり、偏流が生じてしまう。

これを図解したのが図１５、図１６である。

ここに、図１５は、絶対速度ベクトルをＶ_０、回転速度ベクトル（周速度）をＵ_０、相対速度ベクトルをＷ_０とするとき、羽根６ａのバンド８側に入射する主流を速度三角形で表わしたバンド側流面フローパターンを示す図である。

また、図１６は、絶対速度ベクトルをＶ₁、回転速度ベクトル（周速度）をＵ₁、相対速度ベクトルをＷ_１とするとき、羽根６ａのクラウン７側に入射する主流を速度三角形で表わしたクラウン側流面フローパターンを示す図である。

ここで、絶対速度ベクトルＶ_０、Ｖ_１は、主流がガイドベーンから羽根６（６ａ、６ｂ）に流入する際の速度を表しており、Ｖ_０とＶ_１は略等しい。一方、回転速度ベクトル（周速度）Ｕ_０、Ｕ_１は、羽根６（６ａ、６ｂ）の主流入口部での周速度である。周速度は同じ回転数であれば半径に比例するため、バンド８側周速度Ｕ_０＞クラウン７側周速度Ｕ_１となる。これらのベクトルを合成したのが、実際に主流が羽根６（６ａ、６ｂ）に流入する際のベクトル、すなわち、相対速度ベクトルＷ_０、Ｗ_１である。そして、この相対速度ベクトルの方向が羽根６（６ａ、６ｂ）を設計した際の流体流入角度と一致していれば、設計時の性能が発揮されるわ訳である。

そこで、図１５と図１６を比較してみると、図１５のように相対速度ベクトルＷ_０は羽根６ａの向きに対してほぼ一致しているが、図１６では明らかに羽根の向きに対して相対速度ベクトルＷ_１は異なった方向に向いている。そのため、羽根６ａの圧力面１３には死水域１４が生じている。このことは、羽根６ａ、６ｂ間の流路１２内は、バンド８側とクラウン７側とでは、バンド８側に偏った流れとなっていることを示しており、いわゆる二次流れを抑制できない事象が発生していた。

このため、二次流れに伴う水力損失を低減することができず、さらなる改善が求められていた。

本発明は、このような問題点に対処してなされたもので、ランナの羽根外径がクラウン側とバンド側とで異なる高比速度を持つ機種であって、主流の流量「小」のときの運転でも、二次流れを効果的に抑制し、より一層高効率の運転を実現させるフランシス型水車を提供することを目的とする。

本発明に係るフランシス型水車は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、回転軸と、これに接続されるクラウンと、前記回転軸と同軸に前記クラウン下部に設けられるバンドと、前記クラウンと前記バンドの間に挟持され前記回転軸周方向に複数枚設けられるランナ羽根と、前記複数のランナ羽根のうち一のランナ羽根の負圧面側と相隣合う他のランナ羽根の正圧面側とを接続するとともに前記ランナ羽根の高さ方向に略平行に複数設けられた整流羽根と、からなるフランシス型水車において、前記複数の整流羽根の発電運転時における前縁を、前記ランナ羽根の発電運転時における前縁より上流側になるように設けることを特徴とするものである。

また、本発明に係るフランシス型水車は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、回転軸と、これに接続されるクラウンと、前記回転軸と同軸に前記クラウン下部に設けられるバンドと、前記クラウンと前記バンドの間に挟持され前記回転軸周方向に複数枚設けられるランナ羽根と、前記複数のランナ羽根のうち一のランナ羽根の負圧面側と相隣合う他のランナ羽根の正圧面側とを接続するとともに前記ランナ羽根の高さ方向に略平行に複数設けられた整流羽根と、からなるフランシス型水車において、少なくとも１枚の整流板を前記ランナ羽根の発電運転時における上流側で、かつガイドベーンの発電運転時における下流側に設けることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るフランシス型水車は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、回転軸と、これに接続されるクラウンと、前記回転軸と同軸に前記クラウン下部に設けられるバンドと、前記クラウンと前記バンドの間に挟持され前記回転軸周方向に複数枚設けられるランナ羽根と、前記複数のランナ羽根のうち一のランナ羽根の負圧面側と相隣合う他のランナ羽根の正圧面側とを接続するとともに前記ランナ羽根の高さ方向に略平行に複数設けられた整流羽根と、からなるフランシス型水車において、前記複数の整流羽根の発電運転時における前縁を前記ランナ羽根の発電運転時における前縁より上流側になるように設けるとともに、整流板を前記ランナ羽根の発電運転時における上流側で、かつガイドベーンの発電運転時における下流側に設けることを特徴とするものである。

また、本発明に係るフランシス型水車は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記整流羽根の前縁における前記回転軸からの半径をＲ_１とし、前記ランナ羽根のバンド側根元部における前記回転軸からの半径をＲ_２としたときに、これらの半径の比率Ｒ_１／Ｒ_２を
［数１］
１．０５＜Ｒ_１／Ｒ_２＜１．２
の範囲に設定することを特徴とするものである。

加えて、本発明に係るフランシス型水車は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記整流板の長さをLとし、前記ランナ羽根のバンド側根元部における前記回転軸からの半径をＲ_２としたときに、これらの比率L／Ｒ_２を
［数２］
Ｌ／Ｒ_２＜０．２
の範囲に設定することを特徴とするものである。

本発明に係るフランシス型水車は、ランナの羽根間で形成する流路間にバンド側からクラウン側に向う高さ方向に沿って棚状に配置した整流羽根を設けるとともに、整流羽根の前縁をランナの羽根の前縁よりも上流側にする構成にしたので、上流側から流れてくる主流の流れを乱すことなくランナの羽根に案内することができ、主流の二次流れを抑制して流量「小」の運転でも水力効率をより一層向上させることができる。

以下、本発明に係るフランシス型水車の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。なお、以下の説明において、「前縁」および「上流」とは、本発明のフランシス型水車が「発電運転」を行っている時の主流の流れに基づいた方向で定義したものである。

図１は、本発明に係るフランシス型水車の第１の実施形態をランナ子午断面に表した概念図である。

本実施の形態に係るフランシス型水車は、発電機（図示せず）に接続される主軸（回転軸）２３と、この主軸（回転軸）２３に接続されたクラウン２０と、このクラウン２０の下部にクラウン２０と同軸に設けられたバンド２１とを有し、このクラウン２０とハンド２１に挟持され、主軸（回転軸）２３の回転方向に予め決められたピッチで複数枚配設された羽根２２からなるランナ２７とから構成されている。そして、隣接する羽根２２の間に形成される流路２４には、隣接する羽根２２同士を周方向につなぐように、羽根２２の高さ方向（羽根２２におけるバンド２１からクラウン２０に向う方向）に複数枚棚状に設けられた整流羽根２５（２５ａ、２５ｂ）が設置されている。そして、これらの整流羽根２５（２５ａ、２５ｂ）は、その前縁がランナ２７の羽根２２の前縁２６よりもさらに上流側に突き出すように構成したものである。

このように、整流羽根２５（２５ａ、２５ｂ）の前縁がランナ２７の羽根２２の前縁２６より上流側に突き出して構成されているため、ガイドベーン（図示せず）から流入する主流、すなわち主軸２３とほぼ垂直な方向からランナ２７に向って流入する流れは、ランナ２７の羽根２２に流入する前に、予め整流羽根２５ａ、２５ｂにより、羽根２２のクラウン２０側、すなわちクラウン２０と整流羽根２５ａの間、羽根２２の中央部分、すなわち整流羽根２５ａと整流羽根２５ｂの間、および羽根２２のバンド２１側、すなわち整流羽根２５ｂとバンド２１との間、にそれぞれ分流されて羽根２２内を通過することになる。

そのため、ガイドベーンからの主流の流量を考慮してこの整流羽根２５（２５ａ、２５ｂ）の間隔を予め決めておけば、ランナ２７の羽根２２の各領域に流れる流量のバランスが良くなるように、羽根２２に流入する前に制御できることになる。

そして、このように各領域に流れる流量をバランス良く制御することにより、羽根２２の前縁２６における主流の流体流入角度（相対速度ベクトルの方向）を、羽根２２の高さ方向の全領域において設計時とほぼ同等に保つことができる。

したがって、本実施の形態では、整流羽根２５（２５ａ、２５ｂ）の前縁がランナ２７の羽根２２の前縁２６より上流側に突き出して構成されているため、主流の流量が「小」の運転時であっても、ランナ２７の羽根２２に主流が流入する前に整流羽根２５（２５ａ、２５ｂ）で主流の流量を羽根２２の各領域にバランス良く導けるようになるため、羽根２２に対する流体流入角を設計時とほぼ同等に保つことができ、二次流れを抑制し、水力効率をより一層向上させることができる。

なお、整流羽根２５（２５ａ、２５ｂ）の前縁（すなわち、主流入口側先端）の流路面（すなわち、流体が流れる面）での接線を、主軸２３とほぼ垂直とすることにより、より一層主流をランナ２７の羽根２２に導くことができる。

また、本実施形態では、より一層高い水力効率を実現させるために、図２に示すように、整流羽根２５ａ，２５ｂの主軸２３からの半径Ｒ_１とランナ２７の羽根２２の最外径Ｒ₂との半径比率を適正に設定することが必要とされる。

すなわち、整流羽根２５ａ，２５ｂの半径Ｒ_１を羽根２２の前縁２６から上流側に向ってより長く突き出させれば、流路内の流量バランスが良くなり、二次流れを抑制することができるものの、整流羽根２５ａ，２５ｂの半径を余り長くすると、整流羽根面に円板摩擦が増加し、却って水力効率が低下する。

図３は、流れ解析で算出した案内羽根２５ａ，２５ｂの主軸２３からの半径Ｒ_１とランナ２７の羽根２２の最外径（羽根２２のバンド側根元部）Ｒ₂との半径比率Ｒ_１／Ｒ₂と１／２定格流量運転における水力損失を示す水力損失線図である。

この水力損失線図から、１／２定格流量運転において、半径比率Ｒ_１／Ｒ₂は、
［数３］
１．０５＜Ｒ_１／Ｒ₂＜１．２
の範囲に設定すれば、水力損失が少なくなることがわかった。

このように、本実施形態は、半径比率を、
［数４］
１．０５＜Ｒ_１／Ｒ₂＜１．２
の範囲に設定するので、流量「小」の運転でも、円板摩擦の影響を受けることがなく、水力損失をより一層少なくさせた安定運転を実現することができる。

図４は、本発明に係るフランシス型水車の第２実施形態をランナ子午断面に表わした概念図である。

なお、第１実施形態の構成要素と同一構成には、同一符号を付す。

本実施形態に係るフランシス型水車は、ランナ２７の羽根２２と上流側に位置するガイドベーン２８との間に、主流の流れを整流する整流板２９を設けたものである。

このように、本実施形態は、整流羽根２５ａ，２５ｂを備えたランナ２７の羽根２２よりも上流側でかつガイドベーン２８の下流側に整流板２９を設け、この整流板２９を、例えばガイドベーン２８から延長した支柱３０で支持させる構成にしたものである。

これにより、主流をランナ２７の羽根２２に流入する前に、羽根２２の高さ方向の流れを制御し、クラウン２０と整流板２９の間の流れと整流板２９とバンド２１の間の流れにそれぞれ分流させたものである。

そのため、ガイドベーンからの主流の流量を考慮してこの整流板２９とクラウン２０との間隔を予め決めておけば、ランナ２７の羽根２２の各領域に流れる流量のバランスが良くなるように、羽根２２に流入する前に制御できることになる。

そして、このように各領域に流れる流量をバランス良く制御することにより、羽根２２の前縁２６における主流の流体流入角度を、羽根２２の高さ方向の全領域において設計時とほぼ同等に保つことができる。

したがって、本実施の形態では、整流板２９をランナ２７の羽根２２よりも上流側でかつガイドベーン２８の下流側に設けた構成にしたので、主流の流量が「小」の運転時であっても、ランナ２７の羽根２２に主流が流入する前に整流板２９で主流の流量を羽根２２の各領域にバランス良く導けるようになるため、羽根２２に対する流体流入角度（相対速度ベクトルの方向）を設計時とほぼ同等に保つことができ、二次流れを抑制し、水力効率をより一層向上させることができる。

なお、整流板２９の前縁（すなわち、ガイドベーン２８側先端）の流路面（すなわち、流体が流れる面）での接線を、主軸２３とほぼ垂直とすることにより、より一層主流をランナ２７の羽根２２に導くことができる。

また、本実施形態では、より一層高い水力効率を実現させるために、図５に示すように、整流板２９の主流に沿う方向の長さをＬとし、ランナ２７の羽根２２の主軸２３からの最外径（羽根２２のバンド側根元部）をＲ_２との長さ半径比率Ｌ／Ｒ_２を適正に設定することが必要とされる。

すなわち、整流板２９の長さＬが短いと、ランナ２７の羽根２２の高さ方向の主流の入射角度のアンバランスが整流板２９の整流効果に較べて相対的に大きいため、ランナ入口領域における主流の子午断面での偏流を充分に低減させることができず、水力効率を低下させる。

図６は、流れ解析で算出した整流板２９の長さＬとランナ２７の羽根２２の主軸２３からの最外径（羽根２２のバンド側根元部まで）Ｒ_２との長さ半径比率Ｌ／Ｒ_２と１／２定格流量運転における水力損失を示す水力損失線図である。

この水力損失線図から、１／２定格流量運転において、長さ半径比率Ｌ／Ｒ_２は、
［数５］
Ｌ／Ｒ_２＞０．１
の範囲に設定すれば、水力損失が少なくなることがわかった。

このように、本実施形態は、長さ半径比率Ｌ／Ｒ_２を、
［数６］
Ｌ／Ｒ_２＞０．１
の範囲に設定するので、流量「小」の運転でも主流の流体流入角度のアンバランスもなく、水力損失をより一層少なくさせた安定運転を実現することができる。

本発明に係るフランシス型水車の第１実施形態をランナ子午断面に表わした概念図。本発明に係るフランシス型水車の第１実施形態において、整流羽根とランナの羽根との半径比率を定める際の概念図。本発明に係るフランシス型水車の第１実施形態に適用する水力損失線図。本発明に係るフランシス型水車の第２実施形態をランナ子午断面に表わした概念図。本発明に係るフランシス型水車の第２実施形態において、整流板とランナの羽根との長さ半径比率を定める際の概念図。本発明に係るフランシス型水車の第２実施形態に適用する水力損失線図。従来のフランシス型水車をランナ子午断面に表わした概念図。設計運転時、子午断面から見たときの主流の挙動を示す、従来のフランシス型水車の概念図。流量「小」運転時、子午断面から見たときの主流の挙動を示す、従来のフランシス型水車の概念図。流量「大」運転時、子午断面から見たときの主流の挙動を示す、従来のフランシス型水車の概念図。既に開示されているフランシス型水車を示す概念図。図１１の流線に沿って展開したフランシス型水車の羽根の展開図。図１２に示したフランシス型水車の羽根の流路入口側から見た正面図。子午断面から見た従来のフランシス型水車における主流のフローパターンを示す図。従来のフランシス型水車において、バンド側流面のフローパターンでの主流の速度三角形を示すベクトル線図。従来のフランシス型水車において、クラウン側流面のフローパターンでの主流の速度三角形を示すベクトル線図。

符号の説明

１ケーシング
２ステーベーン
３ガイドベーン
４ランナ
５吸出管
６羽根
７クラウン
８バンド
９主軸
１０発電機
１１ランナコーン
１２流路
１３圧力面
１４死水領域
１５ａ，１５ｂ整流羽根
２０クラウン
２１バンド
２２羽根
２３主軸
２４流路
２５ａ，２５ｂ整流羽根
２６前縁
２７ランナ
２８ガイドベーン
２９整流板
３０支柱

Claims

回転軸と、
これに接続されるクラウンと、
前記回転軸と同軸に前記クラウン下部に設けられるバンドと、
前記クラウンと前記バンドの間に挟持され前記回転軸周方向に複数枚設けられるランナ羽根と、
前記複数のランナ羽根のうち一のランナ羽根の負圧面側と相隣合う他のランナ羽根の正圧面側とを接続するとともに前記ランナ羽根の高さ方向に略平行に複数設けられた整流羽根と、
からなるフランシス型水車において、
前記複数の整流羽根の発電運転時における前縁を、前記ランナ羽根の発電運転時における前縁より上流側になるように設ける
ことを特徴とするフランシス型水車。
回転軸と、
これに接続されるクラウンと、
前記回転軸と同軸に前記クラウン下部に設けられるバンドと、
前記クラウンと前記バンドの間に挟持され前記回転軸周方向に複数枚設けられるランナ羽根と、
前記複数のランナ羽根のうち一のランナ羽根の負圧面側と相隣合う他のランナ羽根の正圧面側とを接続するとともに前記ランナ羽根の高さ方向に略平行に複数設けられた整流羽根と、
からなるフランシス型水車において、
少なくとも１枚の整流板を前記ランナ羽根の発電運転時における上流側で、かつガイドベーンの発電運転時における下流側に設ける
ことを特徴とするフランシス型水車。
回転軸と、
これに接続されるクラウンと、
前記回転軸と同軸に前記クラウン下部に設けられるバンドと、
前記クラウンと前記バンドの間に挟持され前記回転軸周方向に複数枚設けられるランナ羽根と、
前記複数のランナ羽根のうち一のランナ羽根の負圧面側と相隣合う他のランナ羽根の正圧面側とを接続するとともに前記ランナ羽根の高さ方向に略平行に複数設けられた整流羽根と、
からなるフランシス型水車において、
前記複数の整流羽根の発電運転時における前縁を前記ランナ羽根の発電運転時における前縁より上流側になるように設けるとともに、
整流板を前記ランナ羽根の発電運転時における上流側で、かつガイドベーンの発電運転時における下流側に設ける
ことを特徴とするフランシス型水車。
前記整流羽根の前縁における前記回転軸からの半径をＲ_１とし、前記ランナ羽根のバンド側根元部における前記回転軸からの半径をＲ_２としたときに、これらの半径の比率Ｒ_１／Ｒ_２を
［数１］
１．０５＜Ｒ_１／Ｒ_２＜１．２
の範囲に設定する
ことを特徴とする請求項１または請求項３に記載のフランシス型水車。
前記整流板の長さをLとし、前記ランナ羽根のバンド側根元部における前記回転軸からの半径をＲ_２としたときに、これらの比率L／Ｒ_２を
［数２］
Ｌ／Ｒ_２＜０．２
の範囲に設定する
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のフランシス型水車。