JP2007046550A - Rotary fluid machine - Google Patents

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Hitachi Ltd
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    • Y02E10/20Hydro energy

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce friction loss of a face in contact with water of a runner of a rotary fluid machine. <P>SOLUTION: This rotary fluid machine has the runner 5 arranged in water, a main shaft 9 connected with the runner 5 and rotating together with the runner 5, and a micro-bubble gushing-out means for gushing out micro-bubbles on the face in contact with water of the runner 5. The micro-bubble gushing-out means includes a flow passage 11 in the main shaft which is formed in the inside of the main shaft 9 and whose one end is opened on a runner connection face, a flow passage 12 in the runner which is formed in the runner 5, whose one end is opened at a position communicating with an opening on the runner connection face in the flow passage 11 in the main shaft, and which is provided with a nozzle 13 opened on a face in contact with water of a crown 7 of the runner 5 at the other end, a flow passage 14 in the runner whose one end is communicated with the flow passage 12 in the runner and which is provided with a nozzle 15 opened on an end face on the upstream side of a blade 6 in an intermediate part, and a flow passage 16 in the runner whose one end is communicated with the flow passage 14 in the runner and which is provided with a nozzle 17 opened on a face in contact with water of a shroud 8 of the runner 5 at the other end. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、水車やポンプ水車などの回転流体機械に係り、特に、摩擦損失の低減に配慮した回転流体機械に関する。   The present invention relates to a rotating fluid machine such as a water turbine or a pump turbine, and more particularly to a rotating fluid machine that takes into account reduction of friction loss.

例えば、水力発電では、ダム等によって貯水された水が水路を通って水車に流入する。水車に流入した水は、水車を構成するケーシング、ステーベーン、ガイドベーンを通過して、動翼であるランナ、すなわち羽根車に導かれ、これにより水の持つ流体エネルギーが羽根車の回転エネルギーに変換される。水力発電ではその回転エネルギーが発電機によって電気エネルギーに変換される。   For example, in hydroelectric power generation, water stored by a dam or the like flows into a water turbine through a water channel. The water that flows into the water turbine passes through the casing, stay vanes, and guide vanes that make up the water turbine, and is guided to a runner that is a moving blade, that is, an impeller, thereby converting the fluid energy of the water into the rotational energy of the impeller. Is done. In hydroelectric power generation, the rotational energy is converted into electrical energy by a generator.

このような水車の効率に影響を及ぼす水力損失として、一般に、摩擦損失、曲り損失、衝突損失、混合損失、拡大損失がある。(例えば、非特許文献1等参照)。   In general, there are friction loss, bending loss, collision loss, mixing loss, and expansion loss as hydraulic loss affecting the efficiency of such a turbine. (For example, refer nonpatent literature 1 etc.).

このなかで、摩擦損失とは、流れと流れが接する固体面(接水面)の摩擦による損失であり、固体面の境界層に由来し、主に、固体表面の粗度、流速により変化する。   Among them, the friction loss is a loss due to the friction of the solid surface (water contact surface) where the flow and the flow come into contact, and is derived from the boundary layer of the solid surface, and mainly changes depending on the roughness of the solid surface and the flow velocity.

水力機械の流体摩擦低減装置として、水の流路を形成する壁面にスリット状の開口部を形成し、そこに多孔板を設け、そこから水の流路に向かって空気を注入する装置がある。注入された空気はマイクロジェット化され、マイクロバブルと呼ばれるマイクロメートルのオーダの粒径を持つ気泡が壁面を被うことによって、壁面での摩擦損失を低減する(例えば、特許文献1等参照)。   As a fluid friction reducing device for a hydraulic machine, there is a device in which a slit-like opening is formed on a wall surface forming a water flow path, a porous plate is provided therein, and air is injected from there to a water flow path . The injected air is turned into a microjet, and bubbles having a particle size on the order of micrometers called microbubbles cover the wall surface, thereby reducing friction loss on the wall surface (see, for example, Patent Document 1).

ポンプ水車は、上記水力発電に用いられる水車と逆に、ポンプ水車のランナ、すなわち羽根車の回転エネルギーを水の流体エネルギーに変換する回転流体機械であるが、そのエネルギー変換の過程で、水車の場合と同様に、流れと流れが接する固体面の摩擦による損失、すなわち摩擦損失が発生する。   The pump turbine is a rotating fluid machine that converts the rotational energy of the pump turbine runner, that is, the impeller, into the fluid energy of water, contrary to the turbine used in the hydroelectric power generation, but in the process of energy conversion, As in the case, a loss due to friction of the solid surface where the flow and the flow contact, that is, a friction loss occurs.

特開平8−177706号公報(第3,4頁、図2)JP-A-8-177706 (pages 3, 4 and 2) 日本機械学会基準「水車及びポンプの性能換算法」JSME S008−1989Japan Society of Mechanical Engineers standard "performance conversion method of water wheel and pump" JSME S008-1989

一般に、水車及びポンプ水車においては、羽根車部で流速が最も大きくなることが知られている。そのため、高流速部である羽根車の羽根面、クラウン面、シュラウド面などでの固体表面摩擦損失は水車効率に大きく影響を及ぼす。また、マイクロバブルは固体表面に付着および滞留することによって、その表面における摩擦損失低減効果が発生する。   In general, in a water turbine and a pump turbine, it is known that the flow velocity is the largest at the impeller. Therefore, the solid surface friction loss on the blade surface, crown surface, shroud surface, etc. of the impeller, which is a high flow velocity portion, greatly affects the turbine efficiency. Further, the microbubbles adhere and stay on the solid surface, thereby generating a friction loss reducing effect on the surface.

上記従来技術においては、静止部分の壁面からマイクロバブルを流体中に注入する。したがって上記従来技術では、マイクロバブルは静止部分の壁面に付着滞留し、静止部分での摩擦損失低減効果が発生する。しかしながら、回転駆動する羽根車にマイクロバブルが流れ込む際は、必ず、静止壁面と回転面の間に存在するシールギャップを通過することになる。シールギャップを通過する際に、静止壁面に沿って流れていたマイクロバブルが壁面から剥れる可能性がある。したがって、上記従来技術においては、回転駆動する羽根車の壁面にマイクロバブルを付着および滞留させることは困難である。   In the above prior art, microbubbles are injected into the fluid from the wall surface of the stationary part. Therefore, in the above prior art, the microbubbles adhere and stay on the wall surface of the stationary part, and the friction loss reducing effect in the stationary part occurs. However, when the microbubbles flow into the rotationally driven impeller, they always pass through the seal gap that exists between the stationary wall surface and the rotating surface. When passing through the seal gap, the microbubbles flowing along the stationary wall surface may peel off from the wall surface. Therefore, in the above prior art, it is difficult to attach and retain microbubbles on the wall surface of the impeller that is rotationally driven.

さらに、上記従来技術においては、羽根車の上流側で注入されたマイクロバブルが、羽根車内に流れ込む際に、羽根車の羽根面に集中して付着滞留しているとは言いがたい。したがって、上記従来技術では、注入したマイクロバブルを効率よく羽根車壁面に付着滞留させることは困難であり、羽根車の壁面における摩擦損失の低減効果は期待できない。   Furthermore, in the above prior art, it is difficult to say that the microbubbles injected on the upstream side of the impeller concentrate and stay on the blade surface of the impeller when flowing into the impeller. Therefore, in the above prior art, it is difficult to efficiently deposit and retain the injected microbubbles on the impeller wall surface, and the effect of reducing the friction loss on the impeller wall surface cannot be expected.

本発明の課題は、水車及びポンプ水車で代表される回転流体機械の羽根車の表面における摩擦損失を低減させることである。   The subject of this invention is reducing the friction loss in the surface of the impeller of the rotary fluid machine represented by the water wheel and the pump water wheel.

上記課題は、水中に配置される羽根車と、この羽根車に結合されて羽根車とともに回転する主軸とを有してなる回転流体機械に、前記羽根車の接水面にマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段を備えることにより解決される。   An object of the present invention is to provide a rotating fluid machine having an impeller disposed in water and a main shaft that is coupled to the impeller and rotates together with the impeller. This can be solved by providing bubble discharge means.

羽根車の接水面に直接、マイクロバブルを放出することにより、マイクロバブルが水流に沿って移動しながら接水面を覆う段階でシールギャップを超える必要がなく、羽根車の接水面が放出されたマイクロバブルにより覆われやすくなる。羽根車の接水面が放出されたマイクロバブルにより覆われることで摩擦損失が確実に低減される。   By discharging microbubbles directly onto the water contact surface of the impeller, the microbubbles released from the water contact surface of the impeller do not need to exceed the seal gap at the stage of covering the water contact surface while moving along the water flow. It becomes easy to be covered with bubbles. Friction loss is reliably reduced by covering the wetted surface of the impeller with the discharged microbubbles.

前記マイクロバブル放出手段は、前記主軸内部に形成され、一端が羽根車結合面に開口した主軸内流路と、前記羽根車内に形成され、一端が主軸内流路の羽根車結合面の前記開口に連通する位置に開口し、他端及び中間が当該羽根車の接水面に開口する羽根車内流路とを有して構成される。   The micro-bubble releasing means is formed in the main shaft, one end of which is opened in the impeller coupling surface, and the opening in the impeller coupling surface of the main shaft is formed in the impeller. And the other end and the middle of the impeller have a flow path in the impeller that opens on the water contact surface of the impeller.

すなわち、回転する羽根車からマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段は、具体的には、マイクロバブルの元となる空気またはマイクロバブルを含む水を、前記主軸内、つまり羽根車の回転軸内に形成された主軸内流路を通して前記羽根車に供給する。さらに、羽根車に供給されたマイクロバブルの元となる空気またはマイクロバブルを含む水を、前記羽根車内に形成された羽根車内流路を通してその接水面に供給する。ここでいう接水面は、クラウン面、羽根面、およびシュラウド面であり、特に、クラウンのシュラウドに対向する面の上流端、シュラウドのクラウンに対向する面の上流端、羽根面の上流側端面に形成された、羽根車内流路に連通する開口を通して空気またはマイクロバブルを含む水を接水面に供給することが望ましい。   In other words, the microbubble discharge means for discharging the microbubbles from the rotating impeller specifically supplies the air that is the source of the microbubbles or the water containing the microbubbles into the main shaft, that is, the rotating shaft of the impeller. The impeller is supplied through the formed main shaft flow path. Further, the air that is the source of the microbubbles supplied to the impeller or water containing the microbubbles is supplied to the water contact surface through the flow passage in the impeller formed in the impeller. The water contact surfaces here are a crown surface, a blade surface, and a shroud surface, and in particular, an upstream end of a surface facing the shroud of the crown, an upstream end of a surface facing the crown of the shroud, and an upstream end surface of the blade surface. It is desirable to supply water containing air or microbubbles to the water contact surface through the formed opening communicating with the flow path in the impeller.

また、前記開口に空気を微粒化するための例えば多孔材を充填することが望ましい。   Moreover, it is desirable to fill the opening with, for example, a porous material for atomizing air.

本発明によれば、水中に配置されて回転する羽根車の表面に直接マイクロバブルを放出することができるので、無駄なマイクロバブル放出が少なくなり、効率的に羽根車表面での摩擦損失を低減することができる。   According to the present invention, microbubbles can be discharged directly to the surface of a rotating impeller that is placed in water, so that unnecessary microbubble emission is reduced and friction loss on the impeller surface is efficiently reduced. can do.

<第1の実施の形態>
以下、本発明に係る回転流体機械の第1の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。本実施の形態は、水中に配置されて回転する羽根車(以下、ランナという)表面に対してランナから直接マイクロバブルを放出するものである。また、本実施の形態は、本発明を一般の水力発電用水車に適用した場合の例であるが、本発明は、揚水発電等で用いられるいわゆるポンプ水車に用いられるものを始めとするその他の水車にも勿論適用可能である。
<First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of a rotary fluid machine according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, microbubbles are directly emitted from the runner to the surface of an impeller (hereinafter referred to as a runner) that is disposed in water and rotates. In addition, the present embodiment is an example in the case where the present invention is applied to a general hydroelectric turbine, but the present invention is not limited to what is used for so-called pump turbines used in pumped-storage power generation. Of course, it is applicable also to a water turbine.

図1は、遠心型水車の全体構成を表す水平断面図であり、図2は、図1に示す遠心型水車の主軸と羽根車部分の縦断面図である。図1,図2に示すように、遠心型水車は、回転する羽根車(以下、ランナという)5と、ランナ5に結合されて回転する主軸9と、ランナ5の外周部上下に環状に配置されたスピードリング2と、スピードリング2の外周に渦巻き流路を形成するケーシング1と、前記上下に環状に配置されたスピードリング2の間に挟まれて配置された静翼であるステーベーン3及びガイドベーン4を備えて構成されている。   FIG. 1 is a horizontal sectional view showing the overall configuration of the centrifugal water turbine, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a main shaft and an impeller portion of the centrifugal water turbine shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the centrifugal water wheel is arranged in a ring shape above and below the outer peripheral portion of the runner 5, a rotating impeller (hereinafter referred to as a runner) 5, a main shaft 9 coupled to the runner 5 and rotating. A stay vane 3 which is a stationary vane disposed between the speed ring 2 formed, a casing 1 forming a spiral flow path on the outer periphery of the speed ring 2, and the speed ring 2 disposed in a ring shape above and below, and A guide vane 4 is provided.

そして上記ランナ5は、図上、上側に配置され中心部で前記主軸9に結合されたクラウン7と、クラウン7の下側にクラウン7に対向して前記主軸9と同心状に配置されたシュラウド8と、クラウン7の下面とシュラウド8の上面の間に、両者を連結して配置される複数枚の羽根6を有して構成されている。   The runner 5 includes a crown 7 disposed on the upper side and coupled to the main shaft 9 at the center, and a shroud disposed concentrically with the main shaft 9 on the lower side of the crown 7 so as to face the crown 7. 8 and a plurality of blades 6 disposed between the lower surface of the crown 7 and the upper surface of the shroud 8 so as to be connected to each other.

水車運転時は、例えば、上池(上ダム、図示せず)からの水がケーシング1の渦巻き流路に流入し、スピードリング2の間に挟まれているステーベーン3の間を通過する。ステーベーン3の間を通過した水は、次いでガイドベーン4の間を通過してランナ5に導かれ、羽根6に当たる。この水の流れによってランナ5が回転する。この回転動力は、ランナ5と主軸9を介して、主軸9に結合された発電機(図示せず)に伝達され、電気エネルギーに変換される。   During water turbine operation, for example, water from the upper pond (upper dam, not shown) flows into the spiral flow path of the casing 1 and passes between the stay vanes 3 sandwiched between the speed rings 2. The water that has passed between the stay vanes 3 then passes between the guide vanes 4, is guided to the runner 5, and hits the blades 6. The runner 5 rotates by this water flow. This rotational power is transmitted to a generator (not shown) coupled to the main shaft 9 via the runner 5 and the main shaft 9 and converted into electric energy.

回転する主軸9の中に主軸内流路11が形成され、主軸内流路11と連通するランナ内流路12がランナ5のクラウン7の中に半径方向に形成されている。マイクロバブルを発生させるためのノズル13が前記ランナ内流路12に連通してクラウン7の外周側端部下面に開口し、羽根6それぞれの外周側内部に前記ランナ内流路12に連通するランナ内流路14が上下方向に形成されている。ランナ内流路14に連通するノズル15が羽根6の外周側端面に開口し、シュラウド8の外周側端部内に前記ランナ内流路14に連通してランナ内流路16が形成されている。シュラウド8の外周側端部上面に前記ランナ内流路16に連通するノズル17が開口している。   A main shaft flow path 11 is formed in the rotating main shaft 9, and a runner inner flow path 12 communicating with the main shaft flow path 11 is formed in the crown 7 of the runner 5 in the radial direction. A nozzle 13 for generating microbubbles communicates with the runner channel 12 and opens at the lower surface of the outer peripheral side end of the crown 7, and the runner communicates with the runner channel 12 inside the outer periphery of each blade 6. The inner flow path 14 is formed in the vertical direction. A nozzle 15 communicating with the runner internal flow path 14 opens at the outer peripheral side end face of the blade 6, and the runner internal flow path 16 is formed in the outer peripheral end of the shroud 8 communicating with the runner internal flow path 14. A nozzle 17 communicating with the in-runner channel 16 is opened on the upper surface of the outer peripheral end of the shroud 8.

主軸9の主軸内流路11には、図示されていない回転軸流路接続手段を介して外部の圧縮空気管が接続され、この圧縮空気管に空気槽及び圧縮機が接続されている。   An external compressed air pipe is connected to the main shaft flow path 11 of the main shaft 9 via a rotary shaft flow path connecting means (not shown), and an air tank and a compressor are connected to the compressed air pipe.

上記主軸内流路11、ランナ内流路12,14,16、及びノズル13,15,17が、回転するランナからマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段を構成している。   The main shaft flow path 11, the runner flow paths 12, 14, 16 and the nozzles 13, 15, 17 constitute microbubble discharge means for discharging microbubbles from the rotating runner.

ノズル13は、クラウン7全周にわたるように複数個、間隔を置いて分散配置されているが、円周状に形成されてもよい。ノズル15は、羽根6の先端付近に、複数個縦方向に間隔を置いて分散配置されているが、羽根先端形状に合わせて縦長の形状としてもよい。ノズル17は、シュラウド8の外周側端部上面に、全周にわたるように複数個、間隔を置いて分散配置されているが、円周状に形成されてもよい。   A plurality of nozzles 13 are dispersedly arranged at intervals so as to extend over the entire circumference of the crown 7, but may be formed in a circumferential shape. The plurality of nozzles 15 are distributed in the vicinity of the tips of the blades 6 at intervals in the vertical direction, but may have a vertically long shape in accordance with the shape of the blade tips. A plurality of nozzles 17 are dispersedly arranged on the outer peripheral side end upper surface of the shroud 8 so as to extend over the entire circumference, but may be formed in a circumferential shape.

なお、特に図示していないが、ノズル13、ノズル15、ノズル17は、いずれも空気をマイクロメートルオーダのマイクロバブルに微粒化するために、開口端に多孔材あるいはスリット等を備えており、水車内部の流れを妨げないような構造をしている。   Although not particularly illustrated, each of the nozzle 13, the nozzle 15 and the nozzle 17 is provided with a porous material or a slit at the opening end in order to atomize the air into micro bubbles on the order of micrometers. It has a structure that does not obstruct the internal flow.

上記構成の水車においては、水車運転時に、水がランナ5を通過する際にクラウン7のシュラウド8に対向する表面(接水面)や、羽根6の表面(接水面)、シュラウド8のクラウン7に対向する表面(接水面)で生じる摩擦損失が小さくなるように、ノズル13、ノズル15、ノズル17を通してマイクロバブルを注入する。なお、図示しないが、マイクロバブルの空気は、コンプレッサ等の圧縮空気源によって主軸9上流から主軸内流路11を経て供給される。この圧縮空気源および圧縮空気源と主軸を接続する圧縮空気管をマイクロバブル放出手段に含めてもよい。   In the water wheel having the above-described structure, when the water passes through the runner 5, the surface of the crown 7 facing the shroud 8 (water contact surface), the surface of the blade 6 (water contact surface), and the crown 7 of the shroud 8 when the water wheel is operated. Microbubbles are injected through the nozzle 13, the nozzle 15, and the nozzle 17 so as to reduce the friction loss generated on the opposing surface (water contact surface). Although not shown, the microbubble air is supplied from the upstream side of the main shaft 9 via the main shaft flow path 11 by a compressed air source such as a compressor. You may include in this microbubble discharge | release means the compressed air source which connects this compressed air source and a compressed air source, and a main axis | shaft.

上記構成では、ノズル13、ノズル15、ノズル17には、圧縮空気が供給されるが、前記圧縮空気管に水を吸込むエジェクタを介装し、水と圧縮空気を混合した状態でノズル13、ノズル15、ノズル17に供給するようにしてもよい。   In the above configuration, compressed air is supplied to the nozzle 13, the nozzle 15, and the nozzle 17, but an ejector that sucks water into the compressed air pipe is interposed, and the nozzle 13 and the nozzle 13 are mixed with water and compressed air. 15 may be supplied to the nozzle 17.

本実施の形態によれば、回転する水車の、ランナを通過する水流の最も上流になる位置にマイクロバブルを送り出すノズル13,15,17が配置されており、これらのノズルから送り出されたマイクロバブルは、水流に乗ってランナのクラウン7のシュラウド8に対向する表面(接水面)や、羽根6の表面(接水面)、シュラウド8のクラウン7に対向する表面(接水面)に沿って流れ、それら表面(接水面)を覆う。ノズル13,15,17から送り出されたマイクロバブルは、静止部と回転部の間のシールギャップを通過することなく、直接回転部の表面(接水面)に送り出されるから、シールギャップを通過して壁面から剥離することがなく、回転部の表面(接水面)を覆って摩擦損失を低減する。   According to the present embodiment, the nozzles 13, 15, and 17 for sending out the microbubbles are arranged at the most upstream position of the water flow passing through the runner of the rotating water turbine, and the microbubbles sent out from these nozzles. Flows along the surface of the runner crown 7 facing the shroud 8 (water contact surface), the surface of the blade 6 (water contact surface), the surface of the shroud 8 facing the crown 7 (water contact surface), Cover the surface (water contact surface). The microbubbles sent out from the nozzles 13, 15 and 17 are sent directly to the surface (water contact surface) of the rotating part without passing through the seal gap between the stationary part and the rotating part. Without peeling from the wall surface, the surface of the rotating part (water contact surface) is covered to reduce friction loss.

<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態に係る水車の主軸とランナ部分の縦断面図を図3に示す。本実施の形態が前記図2に示す実施の形態と異なるのは、ランナ内流路12の途中で分岐しクラウン7の上面のシール部に向かって延びるランナ内流路19、ランナ内流路19に連通して設けられクラウン7の上面で外周側に向かって開口するノズル22、ランナ内流路12に連通して設けられクラウン7の半径方向外周縁上面で開口するノズル21、ランナ内流路16の半径方向外周端に連通して設けられシュラウド8の下面に向かって開口するノズル23、ランナ内流路14に連通してシュラウド8内に半径方向内周側に向かって形成されシュラウド8の内周側端部に至るランナ内流路18、及びランナ内流路18の内周側端部に連通し、シュラウド8の外周面に開口するノズル24を有する点である。なお、ノズル22,24は、それぞれ上下に2段に形成されている。
<Second Embodiment>
FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of the main shaft and the runner portion of the water turbine according to the second embodiment of the present invention. The present embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that the runner inner channel 19 and the runner inner channel 19 branch in the runner inner channel 12 and extend toward the seal portion on the upper surface of the crown 7. Nozzle 22 that communicates with the upper surface of the crown 7 and opens toward the outer peripheral side, and nozzle 21 that communicates with the runner inner passage 12 and opens at the upper surface of the outer peripheral edge of the crown 7 in the radial direction. The nozzle 23 is provided in communication with the outer peripheral end of the radial direction 16 and opens toward the lower surface of the shroud 8. The nozzle 23 communicates with the flow path 14 in the runner and is formed in the shroud 8 toward the inner peripheral side in the radial direction. The runner internal flow path 18 reaching the inner peripheral side end, and the nozzle 24 that communicates with the inner peripheral end of the runner internal flow path 18 and opens on the outer peripheral surface of the shroud 8 are provided. The nozzles 22 and 24 are each formed in two stages in the vertical direction.

他の構成は前記第1の実施の形態と同じであるので、図示と説明を省略する。また、特に図示はしていないが、前記第1の実施の形態の場合と同様に、ノズル21、ノズル22、ノズル23、ノズル24は、空気をマイクロメートルオーダのマイクロバブルに微粒化するために、先端に多孔材、あるいは、スリット等を備えており、水車内部の流れを妨げないような構造をしている。   Since other configurations are the same as those of the first embodiment, illustration and description thereof are omitted. Although not specifically shown, the nozzle 21, the nozzle 22, the nozzle 23, and the nozzle 24 are used to atomize air into micro bubbles on the order of micrometers, as in the case of the first embodiment. The tip is provided with a porous material, a slit, or the like, and has a structure that does not hinder the flow inside the water turbine.

上記構成の本実施の形態の水車において、水車運転時、例えば、上池(上ダム、図示せず)からの水がケーシング1の渦巻き流路に流入し、スピードリング2の間に挟まれているステーベーン3、ガイドベーン4の間を通過してランナ5に導かれ、この水の流れによってランナ5が回転する。その際、同時に羽根6とは反対側に位置するクラウン7の上側、シュラウド8の外側に水が漏れ流れとして流れる。クラウン7の上側、シュラウド8の外側に形成される隙間領域では、漏れ流れ静止部(特に図示しない)と回転部であるランナ5の間に円盤摩擦損失が発生している。   In the water wheel of the present embodiment having the above-described configuration, for example, water from the upper pond (upper dam, not shown) flows into the spiral flow path of the casing 1 and is sandwiched between the speed rings 2 during the water wheel operation. It passes between the stay vane 3 and the guide vane 4 and is guided to the runner 5, and the runner 5 is rotated by this water flow. At the same time, water flows as a leakage flow on the upper side of the crown 7 located on the opposite side of the blade 6 and on the outer side of the shroud 8. In a gap region formed on the upper side of the crown 7 and on the outer side of the shroud 8, a disk friction loss is generated between the leak flow stationary part (not shown in particular) and the runner 5 that is the rotating part.

本実施の形態においては、例えば水車運転時に、クラウン7の上側、シュラウド8の外側に形成される隙間領域で生じる円盤摩擦損失が小さくなるように、ノズル21、ノズル22、ノズル23、ノズル24を通して前記隙間領域に接するクラウン7の上側接水面、シュラウド8の外側接水面にそれぞれマイクロバブルを放出する。放出されたマイクロバブルは、ランナ5の回転に伴い、接水面に沿って広がる。   In the present embodiment, for example, during the operation of the water turbine, through the nozzle 21, the nozzle 22, the nozzle 23, and the nozzle 24 so that the disk friction loss generated in the gap region formed on the upper side of the crown 7 and the outer side of the shroud 8 is reduced. Microbubbles are discharged to the upper water-contacting surface of the crown 7 and the outer water-contacting surface of the shroud 8 that are in contact with the gap region. The discharged microbubbles spread along the water contact surface as the runner 5 rotates.

この結果、前記隙間領域に接するクラウン7の上側接水面、シュラウド8の外側接水面はマイクロバブルで覆われ、漏れ流れ静止部とクラウン7の上側接水面、シュラウド8の外側接水面の間の摩擦損失が低減される。   As a result, the upper wetted surface of the crown 7 in contact with the gap region and the outer wetted surface of the shroud 8 are covered with microbubbles, and the friction between the leakage flow stationary portion and the upper wetted surface of the crown 7 and the outer wetted surface of the shroud 8 is covered. Loss is reduced.

また、単位面積あたりのノズルの数や、単位面積あたりのノズルの面積は、マイクロバブルの流量を調節するために、適宜、調整するのが望ましい。また、羽根6の面に設置するノズル15の位置、数であるが、羽根6のいずれの部分にいくつ設けるかは、適宜、設定すればよい。   Further, it is desirable to adjust the number of nozzles per unit area and the area of the nozzles per unit area as appropriate in order to adjust the flow rate of the microbubbles. In addition, the position and number of the nozzles 15 installed on the surface of the blade 6 may be set as appropriate depending on the number of the nozzles 15 provided on the surface of the blade 6.

本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態による効果に加えて、クラウン7の上側、シュラウド8の外側に形成される隙間領域で生じる円盤摩擦損失が小さくなるという効果が得られる。
<第3の実施の形態>
本発明の第3の実施の形態を、図4を参照して説明する。本実施の形態は、クラウン7、シュラウド8及び羽根6を含んでなる羽根車、すなわちランナ5を主軸9で回転させて水を半径方向外側に送り出すポンプ水車を対象としたものである。
According to the present embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, an effect that the disk friction loss generated in the gap region formed on the upper side of the crown 7 and the outer side of the shroud 8 is reduced can be obtained.
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment is intended for an impeller including a crown 7, a shroud 8, and a blade 6, that is, a pump turbine that rotates a runner 5 with a main shaft 9 to send water outward in the radial direction.

本実施の形態において、回転するランナからマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段は、主軸9内に形成された主軸内流路11と、主軸内流路11に連通してクラウン7内に形成されたランナ内流路25と、ランナ内流路25に連通し、羽根6内にクラウン7とシュラウド8を接続する方向に形成されたランナ内流路27と、ランナ内流路27に連通してシュラウド8内に羽根6の上流端側よりも上流側になる位置にまで形成されたランナ内流路30と、ランナ内流路25に連通し、羽根6の上流端側よりも上流側になる位置でクラウン7のシュラウド8に対向する接水面に開口したノズル26と、ランナ内流路27に連通して羽根6の上流側端面に開口したノズル28と、ランナ内流路30に連通してシュラウド8のクラウン7に対向する接水面に開口したノズル29とを含んで構成されている。   In the present embodiment, the microbubble discharge means for discharging the microbubbles from the rotating runner is formed in the crown 7 so as to communicate with the flow path 11 within the main shaft 9 and the flow path 11 within the main shaft. The runner passage 25, the runner passage 25, the runner passage 27 formed in the blade 6 in the direction of connecting the crown 7 and the shroud 8, and the runner passage 27 are communicated. The runner passage 30 is formed in the shroud 8 up to a position upstream of the upstream end of the blade 6 and the runner passage 25 and is upstream of the upstream end of the blade 6. The nozzle 26 opened on the water contact surface facing the shroud 8 of the crown 7 at the position, the nozzle 28 opened to the upstream end face of the blade 6 in communication with the runner inner passage 27, and the runner passage 30. Shroud 8 crown 7 And a nozzle 29 opened in the opposite contact surface of the water is constituted.

また、特に図示はしていないが、前記第1の実施の形態の場合と同様に、ノズル26、ノズル28、ノズル29は、空気をマイクロメートルオーダのマイクロバブルに微粒化するために、先端に多孔材、あるいは、スリット等を備えており、水車内部の流れを妨げないような構造をしている。   Although not specifically shown, the nozzle 26, the nozzle 28, and the nozzle 29 are arranged at the tip in order to atomize the air into micro bubbles on the order of micrometers, as in the case of the first embodiment. A porous material or a slit is provided, and the structure does not hinder the flow inside the water turbine.

ノズル26はクラウン7のシュラウド8に対向する接水面に、円周状に分散配置され、ノズル29はシュラウド8のクラウン7に対向する接水面に、同じく円周状に分散配置されている。また、ノズル29は、各羽根6の上流側端面に、クラウン7とシュラウド8を結ぶ方向に並んで分散配置されている。各ノズルは連続した溝状に形成されてもよいが、その場合は、前記多孔材が連続して充填されていることが望ましい。   The nozzles 26 are circumferentially distributed on the water contact surface of the crown 7 facing the shroud 8, and the nozzles 29 are similarly distributed on the water contact surface of the shroud 8 facing the crown 7. Further, the nozzles 29 are distributed and arranged on the upstream end face of each blade 6 in a direction connecting the crown 7 and the shroud 8. Each nozzle may be formed in a continuous groove shape. In that case, it is desirable that the porous material is continuously filled.

主軸内流路11には、図示されていない回転軸流路接続手段を介して外部の圧縮空気管が接続され、この圧縮空気管に空気槽及び圧縮機が接続されている。   An external compressed air pipe is connected to the main shaft flow path 11 via a rotary shaft flow path connecting means (not shown), and an air tank and a compressor are connected to the compressed air pipe.

上記構成のポンプ水車が運転されるときは、ノズル26、ノズル28、ノズル29には、圧縮空気が供給されるが、前記圧縮空気管に水を吸込むエジェクタを介装し、水と圧縮空気を混合した状態でノズル26、ノズル28、ノズル29に供給するようにしてもよい。   When the pump turbine having the above-described configuration is operated, compressed air is supplied to the nozzle 26, the nozzle 28, and the nozzle 29, and an ejector that sucks water into the compressed air pipe is interposed to supply water and compressed air. You may make it supply to the nozzle 26, the nozzle 28, and the nozzle 29 in the mixed state.

上記構成のポンプ水車においては、運転時に、図示しない圧縮機により、主軸9上流からマイクロバブル形成のための空気が、主軸内流路11、ランナ内流路25、27及び30を経てノズル26、ノズル28、ノズル29に供給される。ノズル26、ノズル28、ノズル29は、それぞれクラウン7のシュラウド8に対向する接水面や、羽根6の接水面、シュラウド8のクラウン7に対向する接水面の上流端に配置されているから、ノズル26、ノズル28、ノズル29に供給された空気は、各ノズルを出るときにマイクロバブルとなって水中に送り出され、前記各接水面に沿って下流側に広がる。   In the pump turbine of the above configuration, during operation, air for forming microbubbles from the upstream side of the main shaft 9 passes through the main shaft passage 11, the runner passages 25, 27, and 30 by the compressor (not shown). It is supplied to the nozzle 28 and the nozzle 29. The nozzle 26, the nozzle 28, and the nozzle 29 are disposed at the upstream end of the water contact surface facing the shroud 8 of the crown 7, the water contact surface of the blade 6, and the water contact surface facing the crown 7 of the shroud 8. The air supplied to the nozzle 26, the nozzle 28, and the nozzle 29 becomes microbubbles when leaving each nozzle and is sent out into the water and spreads downstream along the respective water contact surfaces.

その結果、クラウン7のシュラウド8に対向する接水面や、羽根6の接水面、シュラウド8のクラウン7に対向する接水面はマイクロバブルで覆われ、水がランナ5を通過する際にクラウン7のシュラウド8に対向する接水面や、羽根6の接水面、シュラウド8のクラウン7に対向する接水面で生じる摩擦損失が小さくなる。   As a result, the water contact surface facing the shroud 8 of the crown 7, the water contact surface of the blade 6, and the water contact surface facing the crown 7 of the shroud 8 are covered with microbubbles, and when the water passes through the runner 5, Friction loss generated on the water contact surface facing the shroud 8, the water contact surface of the blade 6 and the water contact surface facing the crown 7 of the shroud 8 is reduced.

本実施の形態によれば、ランナのクラウン7のシュラウド8に対向する接水面や、羽根6の接水面、シュラウド8のクラウン7に対向する接水面を通過する水流の最も上流になる位置に、マイクロバブルを送り出すノズル26,28,29が配置されており、これらのノズルから送り出されたマイクロバブルは、水流に乗ってランナのクラウン7のシュラウド8に対向する接水面や、羽根6の接水面、シュラウド8のクラウン7に対向する接水面に沿って流れ、それら接水面を覆う。ノズル26,28,29から送り出されたマイクロバブルは、静止部と回転部の間のシールギャップを通過することなく、直接回転部の接水面に送り出されるから、シールギャップを通過して壁面から剥離することがなく、回転部の接水面を覆って摩擦損失を低減する。   According to the present embodiment, at the most upstream position of the water flow passing through the water contact surface facing the shroud 8 of the runner crown 7, the water contact surface of the blade 6, and the water contact surface facing the crown 7 of the shroud 8, Nozzles 26, 28 and 29 for sending out microbubbles are arranged, and the microbubbles sent out from these nozzles are in contact with the water surface facing the shroud 8 of the runner crown 7 and the water contact surface of the blade 6. The shroud 8 flows along the water contact surface facing the crown 7 and covers the water contact surfaces. The microbubbles sent out from the nozzles 26, 28 and 29 are sent directly to the water contact surface of the rotating part without passing through the seal gap between the stationary part and the rotating part, and thus peel off from the wall surface through the seal gap. The friction loss is reduced by covering the water contact surface of the rotating part.

本発明の第1の実施の形態に係る遠心型水車の全体構成を表す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing the whole composition of the centrifugal water turbine concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る遠心型水車の主軸と羽根車部分を表す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view showing the main axis | shaft and impeller part of the centrifugal water turbine which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る遠心型水車の主軸と羽根車部分を表す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view showing the main axis | shaft and impeller part of the centrifugal water turbine which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る遠心型水車の主軸と羽根車部分を表す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view showing the main axis | shaft and impeller part of the centrifugal water turbine which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ケーシング
2 スピードリング
3 ステーベーン
4 ガイドベーン
5 ランナ
6 羽根
7 クラウン
8 シュラウド
9 主軸
11 主軸内流路
12 ランナ内流路
13 ノズル
14 ランナ内流路
15 ノズル
16 ランナ内流路
17 ノズル
18,19 ランナ内流路
21,22,23,24 ノズル
25 ランナ内流路
26 ノズル
27 ランナ内流路
28,29 ノズル
30 ランナ内流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Casing 2 Speed ring 3 Stay vane 4 Guide vane 5 Runner 6 Blade 7 Crown 8 Shroud 9 Main shaft 11 Main shaft flow path 12 Runner internal flow path 13 Nozzle 14 Runner internal flow path 15 Nozzle 16 Runner internal flow path 17 Nozzle 18, 19 Runner Inner channels 21, 22, 23, 24 Nozzle 25 Runner inner channel 26 Nozzle 27 Runner inner channel 28, 29 Nozzle 30 Runner inner channel

Claims (6)

水中に配置される羽根車と、この羽根車に結合されて羽根車とともに回転する主軸とを有してなる回転流体機械であって、前記羽根車の接水面にマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段を含んでなる回転流体機械。   A rotating fluid machine having an impeller disposed in water and a main shaft coupled to the impeller and rotating together with the impeller, the microbubble discharge for discharging microbubbles to a water contact surface of the impeller A rotating fluid machine comprising means. 請求項1に記載の回転流体機械において、前記マイクロバブル放出手段は、前記主軸内部に形成され、一端が羽根車結合面に開口した主軸内流路と、前記羽根車内に形成され、一端が主軸内流路の羽根車結合面の前記開口に連通する位置に開口し、他端及び中間部が当該羽根車の接水面に開口する羽根車内流路とを有してなることを特徴とする回転流体機械。   2. The rotary fluid machine according to claim 1, wherein the microbubble discharge means is formed in the main shaft, one end is formed in the impeller coupling surface, and one end is formed in the impeller. A rotation characterized by having an impeller inner passage opening at a position communicating with the opening of the impeller coupling surface of the inner passage and having the other end and an intermediate portion opening on a water contact surface of the impeller. Fluid machinery. 請求項2に記載の回転流体機械において、前記羽根車は、前記主軸に連結され、羽根車の軸方向の一方の端面をなすクラウンと、このクラウンに対向して配置され、羽根車の軸方向他方の端面をなすシュラウドと、前記クラウンと前記シュラウドの間に両者を互いに結合してシュラウドを支持する複数の羽根とを含んで構成され、前記接水面の開口は、前記クラウンの上流側端部の前記シュラウドに対向する面、前記シュラウドの上流側端部の前記クラウンに対向する面、前記羽根の上流側端面のいずれか一つ以上に形成されていることを特徴とする回転流体機械。   3. The rotating fluid machine according to claim 2, wherein the impeller is connected to the main shaft and is disposed opposite to the crown that forms one end face in the axial direction of the impeller, and the axial direction of the impeller. A shroud that forms the other end surface, and a plurality of blades that support the shroud by coupling the crown and the shroud to each other, and the opening of the water contact surface is an upstream end portion of the crown The rotary fluid machine is formed on any one or more of a surface facing the shroud, a surface facing the crown at the upstream end of the shroud, and an upstream end surface of the blade. 請求項3に記載の回転流体機械において、前記接水面の開口は、さらに、前記シュラウドの前記クラウンに対向する面と反対側の面、前記クラウンの前記シュラウドに対向する面と反対側の面のいずれか若しくは双方に形成されていることを特徴とする回転流体機械。   4. The rotary fluid machine according to claim 3, wherein the opening of the water contact surface further includes a surface of the shroud opposite to a surface facing the crown, and a surface of the crown opposite to the surface facing the shroud. A rotating fluid machine characterized by being formed in one or both of them. 請求項2乃至4に記載の回転流体機械において、前記羽根車内流路の接水面の開口に多孔材が充填され、羽根車内流路は前記多孔材を介して羽根車外部と連通していることを特徴とする回転流体機械。   5. The rotary fluid machine according to claim 2, wherein a porous material is filled in an opening on a water contact surface of the flow path in the impeller, and the flow path in the impeller communicates with the outside of the impeller through the porous material. Rotating fluid machine characterized by. 請求項2乃至5のいずれかに記載の回転流体機械において、主軸内流路の他端は主軸表面に開口し、前記マイクロバブル放出手段は、前記開口に、主軸表面に気密シールを介して結合された回転軸流路接続手段を介して接続された圧縮空気源を含んでなることを特徴とする回転流体機械。
6. The rotary fluid machine according to claim 2, wherein the other end of the flow path in the main shaft opens to the surface of the main shaft, and the microbubble discharge means is coupled to the opening to the surface of the main shaft through an airtight seal. A rotary fluid machine comprising a compressed air source connected via a rotary shaft channel connecting means.
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