JP2007064115A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸出し管渦損失を低減することができるようにしたフランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車を得ること。
【解決手段】 フランシス形水車またはポンプ水車において、ランナ側圧室からランナ下部シールを経て吸出し管へ流出する水の流出速度を低減し、部分負荷運転時に発生する吸出し管内旋回流の旋回成分を低減せしめるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水力機械に係り、特に部分負荷運転時の損失を低減するようにしたフランシス形水車またはポンプ水車に関する。

図４（ａ）は、例えば下記特許文献１に示されるような一般的なフランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車の概略構成を示す縦断面図であり、上カバー１と下カバー２によりランナ室３が形成されており、そのランナ室３内にランナ４が配設されている。上記ランナ室３の外周にはケーシング５が配設されており、そのケーシング５とランナ室３を結ぶ流路６にガイドベーン７が設けられている。一方、上記下カバー２の下方部に吸出し管８が設けられている。

しかして、水車運転時においては、ケーシング５からガイドベーン７を通って水車のランナ室３に流入する水の大部分は、ランナ４を経て吸出し管８に流出し、この間にランナ４に回転力が与えられ回転のエネルギーに変換される。また、ケーシング５からランナ室３に流入する水の一部はランナ４のランナバンド４ａと下カバー２に挟まれたランナ側圧室３ａを通り吸出し管８内に水平方向に速度（Ｖ）で流出する。このランナ側圧室３ａから吸出し管８に流出する流出水は、ランナ４の回転の影響で、図４（ｂ）に示すように、ランナ４の回転方向と同方向の旋回成分（Ｖθ）をもって流出する。

図５は、フランシス形水車の等効率曲線（目玉カーブ）の一例を示す図であり、縦軸は単位落差当たりの流量Ｑ、横軸は単位落差当たりの回転速度Ｎを表す。図中、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆで囲まれた範囲が一般的な運転範囲を示し、Ａ−Ｆは最高落差時の運転、Ｂ−Ｅが基準落差時の運転、Ｃ−Ｄが最低落差時の運転で、Ａ、Ｂ、Ｃ点はそれぞれの落差時の最大出力運転点となる。

一方、ア−ア線、イ−イ線で囲まれた範囲は正規運転状態にあり、図６の（ａ）及び（ｂ）に示すようにランナ４のランナ羽根４ｂから吸出し管８に流出する方向は、流出絶対速度旋回成分がほぼ０、すなわちメリディアン方向（Ｖ２）となるが、ア−ア線の外側の範囲では、図７の（ａ）及び（ｂ）に示すようにランナの回転方向と逆方向の旋回成分（Ｖ２θ’）をもって速度（Ｖ２’）で流出する。また、イ−イ線の外側では図８の（ａ）及び（ｂ）に示すようにランナの回転方向と同方向の旋回成分（Ｖ２θ”）をもって（Ｖ２”）の速度で流出する。

すなわち、水車の最大出力近傍での運転時は一般的にはア−ア線、イ−イ線で囲まれた範囲での運転となるが、ウ−ウ線で示されるような部分運転時にはイ−イ線の外側の運転となるため吸出し管内は旋回流となり、旋回成分（Ｖ２θ”）の二乗に比例した吸出し管渦損失が発生する。この渦損失は運転出力が小さくなる程大きくなる。また、フランシス形ポンプ水車の水車運転時も、ポンプ運転との協調から運転範囲は図５に示した範囲と多少異なるが、上述と同様の運転特性をもっている。

一方、ランナ側圧室３ａからランナバンド４ａと下カバー２間に形成されているランナ下部シールを経て水が吸出し管８に流出するが、この流出速度の上記旋回成分（Ｖθ）が上記吸出し管８の旋回流を加速し、結果として吸出し管渦損失が増大する。
特開平１１−１２５１６８号公報

ところで、図６（ａ）は、上記図１で示したランナ側圧室３ａを経由した水が吸出し管８に流出する部分の詳細を示す図であり、ランナ側圧室３ａからの水はランナバンド４ａの下流側端部とそれに相対する下カバー２との間隙により形成されているランナ下部シール１０を通過後、ランナバンド４ａの下流側端面とそれに相対する下カバー２との間隙１１を通って、図６（ｂ）に示すように、ランナ４の回転と同方向の旋回成分（Ｖθ）をもって水平方向に速度（Ｖ）で吸出し管８内に流出する。しかして、この旋回成分（Ｖθ）が前記部分負荷運転時の吸出し管内の旋回流を加速することになり、吸出し管渦損失が増大する結果となる。

本発明は、このような点に鑑み、上記吸出し管渦損失を低減することができるようにしたフランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車を得ることを目的とする。

請求項１に係る発明は、フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車からなる水力機械であって、ランナ側圧室からランナ下部シールを経て吸出し管へ流出する水の流出速度を低減し、部分負荷運転時に発生する吸出し管内旋回流の旋回成分を低減せしめるようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車のランナバンドの下流側端面と、それに相対する下カバーまたはディスチャージリングとの間隙を内径方向に向かって拡大させたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車のランナバンドの下流側端面と、それに相対する下カバーまたはディスチャージリングとの間隙を内径方向斜め下流方向に傾斜させたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車のランナバンドの下流側端面に相対する下カバーまたはディスチャージリングに、ランナ側圧室からランナ下部シールを経て吸出し管へ流出する水の流出方向が極力メリディアン方向となるようにするそらせ板を設けたことを特徴とする。

本発明は、上述のように、ランナ側圧室からランナ下部シールを経て吸出し管へ流出する水の流出速度を低減し、部分負荷運転時に発生する吸出し管内旋回流の旋回成分を低減せしめるようにしたので、部分負荷時の吸出し管内旋回流の加速が最小限または皆無となり、吸出し管渦損失を低減することができ、水車効率を向上することができる。

以下、図１乃至図３を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態を示す図であり、ランナバンド４ａの下流側端部の外周面には周方向に延びる切り欠き段部１２が形成されており、一方、下カバー２には上記切り欠き段部１２と相対する部分に上記切り欠き段部１２に対向する段部１３が形成され、ランナバンド４ａの外周面と下カバー２の内周面との間隙、及び上記切り欠き段部１２と段部１３との間隙によりランナ下部シール１０が形成されている。

上記下カバー２におけるランナバンド４ａの下流側端面４ｃと対向する部分には、内径方向斜め下流方向に傾斜した傾斜面１４が形成され、ランナバンド４ａの下流側端面４ｃとそれに相対する下カバー２との間隙が内径方向に拡大されている。したがって、上記ランナバンド４ａの下流側端面４ｃとそれに相対する下カバー２との間隙の吸出し管８への開口面積が従来のものに比し大幅に大きくなっている。この結果、図１（ｂ）に示すように、ランナバンド４ａの下流側端面とそれに相対する下カバー２の傾斜面１４との間隙を通って吸出し管８に流出する水の流速（Ｖ’）が、従来の装置における流速（Ｖ）より低減し、その旋回成分（Ｖθ’）が従来のものにおける旋回成分（Ｖθ）より大幅に小さくなる。したがって、部分負荷運転時の吸出し管内旋回流に対する加速度合いが低くなり、吸出し管渦損失を低減することができる。

図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、ランナバンド４ａの下流側端面とそれに相対する下カバー２との間隙１５が内径方向斜め下流方向に形成されている。したがって、ランナバンド４ａの下流側端面とそれに相対する下カバー２との間隙１５を通って吸出し管８に流出する水の流速の大きさは従来のものと同一であるが流出方向が斜め下流方向になる。したがって、図２（ｂ）に示すように、その旋回成分（Ｖθ’）は従来のものにおける旋回成分（Ｖθ）より大幅に小さくなり、部分負荷運転時の吸出し管内旋回流に対する加速度合いが軽減され、吸出し管渦損失を低減することができる。

図３（ａ）は本発明の第３の実施の形態を示す図であり、上記下カバー２におけるランナバンド４ａの下流側端面４ｃと対向する部分に内径方向斜め下流方向に傾斜した傾斜面１６が形成されるとともに、上記傾斜面１６には複数のそらせ板１７が配列されている。しかして、上記そらせ板１７を最適な角度に配列することにより、図３（ｂ）に示すように、ランナバンド４ａの下流側端面４ｃとそれに相対する下カバー２の傾斜面１６との間隙を通って吸出し管８に流出する水の流出方向がほぼメリディアン方向、すなわち流出絶対速度旋回成分がゼロとなり、或いは僅少となり、部分負荷運転時の吸出し管内旋回流は殆ど加速されず、吸出し管渦損失を低減することができる。

なお、上記実施の形態においては、ランナバンド４ａの下流側端部と下カバー２との間隙を特定構成としたものを示したが、下カバー２にディスチャージリングを設けたものにおいては、ランナバンド４ａの下流側端面とそれに相対するディスチャージリングとの間隙を上記特定構成とすることにより、上記各実施の形態と同様な効果を奏せしめることができる。

（ａ）は本発明の第１の実施の形態を示す図、（ｂ）は上記第１の実施の形態における水の吸出し管内旋回流の旋回成分を示す図。 （ａ）は本発明の第２の実施の形態を示す図、（ｂ）は上記第２の実施の形態における水の吸出し管内旋回流の旋回成分を示す図。 （ａ）は本発明の第３の実施の形態を示す図、（ｂ）は上記第３の実施の形態における水の吸出し管内旋回流の旋回成分を示す図。 （ａ）は従来のフランシス形水車の縦断面図、（ｂ）は従来のフランシス形水車の水の流れ説明図。 フランシス形水車の等効率曲線。 （ａ）は各運転モードにおけるランナから吸出し管に流出する方向の説明図、（ｂ）は正規運転時における水の吸出し管への流出状態を示す図。 （ａ）は部分負荷運転時における旋回成分の説明図、（ｂ）はそのときの水の吸出し管への流出状態を示す図。 （ａ）は部分負荷運転時における旋回成分の説明図、（ｂ）はそのときの水の吸出し管への流出状態を示す図。 （ａ）は従来のフランシス形水車またはポンプ水車のランナ下部シール部の形状を示す図、（ｂ）は従来のフランシス形水車またはポンプ水車における旋回成分を示す図。

符号の説明

１ 上カバー
２ 下カバー
３ ランナ室
４ ランナ
４ａ ランナバンド
４ｃ ランナバンドの下流側端面
８ 吸出し管
１０ ランナ下部シール
１４ 傾斜面
１５ ランナバンドの下流側端面とそれに相対する下カバーとの間隙
１６ 傾斜面
１７ そらせ板

Claims (4)

1. フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車からなる水力機械であって、ランナ側圧室からランナ下部シールを経て吸出し管へ流出する水の流出速度を低減し、部分負荷運転時に発生する吸出し管内旋回流の旋回成分を低減せしめるようにしたことを特徴とする、水力機械。
2. フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車のランナバンドの下流側端面と、それに相対する下カバーまたはディスチャージリングとの間隙を内径方向に向かって拡大させたことを特徴とする、請求項１記載の水力機械。
3. フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車のランナバンドの下流側端面と、それに相対する下カバーまたはディスチャージリングとの間隙を内径方向斜め下流方向に傾斜させたことを特徴とする、請求項１記載の水力機械。
4. フランシス形水車またはフランシス形ポンプ水車のランナバンドの下流側端面に相対する下カバーまたはディスチャージリングに、ランナ側圧室からランナ下部シールを経て吸出し管へ流出する水の流出方向が極力メリディアン方向となるようにするそらせ板を設けたことを特徴とする、請求項１記載の水力機械。

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