JP2007170346A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】水力機械の性能低下を抑制し、且つ強度的にも信頼性が高いステーベーン或いはガイドベーンを有する水力機械を得ること。
【解決手段】スパイラルケーシングの内周側に周方向に配置された複数枚のステーベーンと、そのステーベーンの内周側に周方向に配置された複数枚のガイドベーンと、これらのスパイラルケーシング、ステーベーンおよびガイドベーンを通過した水によって回転駆動されるランナとを備えた水力機械において、前記ステーベーン２の上下端部が接合された環状のステーリング７、８の流水面側に、上記ステーベーン２をステーリング７、８に接合したフィレット状接合部９を遮蔽するフィレット遮蔽部材１５を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力機械に関し、特にそのステーベーン部或いはガイドベーン部の改良に関する。

フランシス形水車等の水力機械は、図２０に示すように、環状に形成されたスパイラルケーシング１の内側に形成された平行流路に周方向に複数枚のステーベーン２が配設固定されており、そのステーベーン２の内周側に周方向に複数枚のガイドベーン３が設けられ、上記ガイドベーン３の列の中央部に、水車主軸４の下端部に固着されたランナ５が配設されている。

しかして、上記のようなフランシス形水車等の水力機械が発電のために運転される場合、上記スパイラルケーシング１からの流水が上記ステーベーン２およびガイドベーン３により整流されランナ５に流れ、水車主軸４を介して図示しない発電機が駆動される。一方、ランナ５を流出した流れは吸出し管６を経て放水路へ導かれる。

上記ステーベーン２は、図２１に示すように、その上下両端部がそれぞれ環状の上部ステーリング７および下部ステーリング８に溶接により接合されている。したがって、スパイラルケーシング１からステーベーン２へと流入する水流は、ステーベーン２が接合されている環状の上部ステーリング７或いは下部ステーリング８とステーベーン２の入口直前における速度分布の周方向不均一性のために、ステーベーン２近傍では高さ方向に偏りの分布を持った流れとなっている。上記ステーリング７、８の壁面近傍の半径方向流速はその壁面との摩擦や上下の流水面形状により、中央付近の流速よりも減速している。それに加えステーベーン２は水車の荷重を支える役割も果たしており、強度を強く持たせる必要がある。しかし、ステーベーン２の肉厚を出来る限り薄くすることができれば、衝突損失、摩擦損失を低減することができ水力性能の向上に寄与する。図２１に示すように一般的なステーベーン２は強度を満足させるために上下のステーリング７、８に隅肉溶接によるフィレット状接合部９が設けられており、流れの均一性を乱す要因となっている。ステーベーン２における性能を向上させる施策としては、特許文献１或いは特許文献２などに記載されたものがある。上記両特許文献記載のものは、ステーベーン２の入口部での入口角度と流入角度とのずれにより生じる衝突損失を低減することを目的としたものである。

一方、ガイドベーン３は、図２２に示すように、ステーベーン２の下流に円周上に配置され、上カバー１０、下カバー１１の間の流水面に垂直に設定され、ガイドベーンスピンドル１２により回転制御される。この回転制御によりガイドベーン３の開度を変更することで流量を調整するとともにランナ５へ流入する流れを整流し、旋回成分を持たせる働きを持つ。このガイドベーン３ではステーベーン２の出口からの後流の影響を受けるため、ステーベーン２から流出する流れは均一性を保っている必要がある。また、ガイドベーン３も肉厚を薄くするほど流れの衝突損失や摩擦損失の低減を図ることができ、水力性能の向上に寄与することが知られているが、肉厚の薄いガイドベーン３は強度的に弱く、強度と水力性能の関係を見極めることが必要である。図２２に示すように、一般的にガイドベーン３は上下端部をフィレット状接合部１３を介してガイドベーンスピンドル１２に接合して応力集中を避け、強度をもたせている。ガイドベーン３の水力性能を向上させる方法を記載したものとしては、特許文献３や特許文献４などが知られている。上記特許文献３記載のものは翼形状の定義方法にて水力損失を低減を図る目的のものであり、また特許文献４記載のものは漏れ損失低減による水力性能向上を図る目的のものである。
特開２０００−２９７７３５号公報 特願平８−１３５５５７号公報 特開平１０−１８４５２３号公報 特開平７−２７９８０９号公報

上述した水力機械のステーベーン或いはガイドベーンにおいては、高性能を目的としてステーベーン或いはガイドベーンの肉厚を薄く設計することが命題であるが、その分強度を満足させるためには大きなフィレット部を設ける必要がある。しかし、その大きなフィレット部においては流れの衝突損失、摩擦損失が増加し、水力機械の性能低下につながる等の問題がある。また、フィレット部を小さくするためにはその肉厚を厚くして強度的に満足させる必要があり、水力性能が悪化するという懸念がある。

本発明は、このような点に鑑み、水力機械の性能低下を抑制し、且つ強度的にも信頼性が高いステーベーン或いはガイドベーンを有する水力機械を得ることを目的とする。

第１の発明は、スパイラルケーシングの内周側に周方向に配置された複数枚のステーベーンと、そのステーベーンの内周側に周方向に配置された複数枚のガイドベーンと、これらのスパイラルケーシング、ステーベーンおよびガイドベーンを通過した水によって回転駆動されるランナとを備えた水力機械において、前記ステーベーンの上下端部が接合された環状のステーリングの流水面側に、上記ステーベーンをステーリングに接合した接合部に形成されたフィレット状接合部を遮蔽するフィレット遮蔽部材を設けたことを特徴とする。

また、第２の発明は、スパイラルケーシングの内周側に周方向に配置された複数枚のステーベーンと、そのステーベーンの内周側に周方向に配置された複数枚のガイドベーンと、これらのスパイラルケーシング、ステーベーンおよびガイドベーンを通過した水によって回転駆動されるランナとを備えた水力機械において、前記ガイドベーンの上下端部が接合されたガイドベーンスピンドルの流水面側に、上記ガイドベーンをガイドベーンスピンドルに接合した接合部に形成されたフィレット状接合部を遮蔽するフィレット遮蔽部材を設けたことを特徴とする。

本発明は、上述のように、前記ステーベーンの上下端部と環状のステーリングの接合部に形成されたフィレット状接合部を遮蔽するフィレット遮蔽部を設け、或いは前記ガイドベーンの上下端部ガイドベーンスピンドルとのフィレット状接合部を遮蔽するフィレット遮蔽部材を設けたので、上記フィレット状接合部或いはフィレット状部付近における流れの乱れがなくなるとともに、均一な流速分布をもたらし、当該部分における衝突損失、摩擦損失の低減と、流れの乱れの抑制効果により水力機械の性能低下を抑制することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図であり、環状の上部ステーリング７および下部ステーリング８間にステーベーン２が配設され、そのステーベーン２の上下端部が上部ステーリング７および下部ステーリング８に接合されている。上記上部ステーリング７および下部ステーリング８の流水面側には、隅肉溶接により形成されたフィレット状接合部９を遮蔽する、流水面側に向かって傾斜し上記フィレット状接合部９を覆う遮蔽部１５ａを有するカバーライナ１５が装着されている。

図２は、上記カバーライナ１５部を示す斜視図であり、上記カバーライナ１５がステーベーン２の流水方向に延びる軸線に沿って線１５ｂにより左右に分割されており、上記カバーライナ１５がステーベーン２の両側から装着され互いに溶接により連結されている。

しかして、この実施の形態によれば、翼形状であるステーベーン２のうちフィレット状接合部９を除く部位と遮蔽部材を構成する上下のカバーライナ１５の表面が流水面となり、この流水面においてはカバーライナ１５によりステーベーン２のフィレット状接合部９が流水面に現れていないため、上下接合面付近における流れの乱れが無くなるとともに均一な流速分布をもたらす。したがって、ステーベーン２で発生する流れの衝突損失、摩擦損失の低減と流れの乱れ抑制効果により水力機械の性能低下を抑制することができる。

図３は第１の実施の形態の１つの実施例を示す図であり、ステーベーン２が溶接される環状の上部ステーリング７および下部ステーリング８の流水面側にカバーライナ１５が設けられており、そのカバーライナ１５によりフィレット状接合部９を遮蔽するようにしてある。そして、上記カバーライナ１５が上部ステーリング７或いは下部ステーリング８に対して両ステーリングの外周および内周側１６で溶接されている。しかして、この実施例においても図１に示すものと同様の効果を奏する。

また、図４は本発明の第１の実施の形態の他の実施例を示す図であり、ステーベーン２が溶接される環状の上部ステーリング７および下部ステーリング８の流水面側にカバーライナ１５がフィレット状接合部９を遮蔽するように設置されている。そして、上記カバーライナ１５が上部ステーリング７或いは下部ステーリング８にボルト１７により固定されている。しかして、この実施例においても図１に示すものと同様の効果を奏する。

（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、上部ステーリング７および下部ステーリング８に凹部１８が形成されており、その凹部１８内にステーベーン２の端部が挿入されフィレット状接合部９を形成して接合され、上記凹部１８とステーベーン２との間に上記フィレット状接合部９を遮蔽するフィレット遮蔽部材１９が装着され、そのフィレット遮蔽部材１９が上部ステーリング７或いは下部ステーリング８に溶着されている。

しかして、この実施の形態においても、翼形状であるステーベーン２のうちフィレット状接合部９を除く部位、フィレット遮蔽部材１９、上部ステーリング７および下部ステーリング８が流水面となり、上記フィレット遮蔽部材１９によりフィレット状接合部９が遮蔽され流水面に現れていないため、上下接合部付近における流れの乱れが無くなるとともに均一な流速分布をもたらす。したがって、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態を示す図であり、ステーベーン２が溶接される環状の上部ステーリング７および下部ステーリング８の流水面側のステーベーン設置部に、凹部１８が形成されており、その凹部１８内にステーベーン２の端部の接合部に形成されるフィレット状接合部９が位置するように配設され、上記凹部１８の内壁面とステーベーン２との間隙内に遮蔽部材２０が挿入され、その遮蔽部材２０とステーベーン２および上記遮蔽部材２０と上部ステーリング７或いは下部ステーリング８とが流水面側の領域２１、２２において互いに溶接されている。

したがって、この実施の形態においてもステーベーン２のフィレット状接合部９が上記遮蔽部材２０により完全に遮蔽されており、上記ステーベーン２のフィレット状接合部９が流水面に現れることがなく、第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

また、図７は図６示したものの変形例を示す図であり、上部ステーリング７および下部ステーリング８とステーベーン２との間にフィレット状接合部を設けず、ステーベーン２の端部が凹部１８内に挿入され、ステーベーン２と上部ステーリング７および下部ステーリング８とが直接流水面側の領域２３で溶接されている。

したがって、この例においても第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

ところで、例えば図１に示すようにカバーライナ１５を遮蔽部材として設けた場合、そのカバーライナ１５からなるフィレット遮蔽部材とステーベーン２との水平距離である間隙δｓが大きいと流れの乱れは大きくなり、大きな水力損失をもたらす。図８は上記間隙δｓと水力損失の関係を示す図であり、流水面の飲み口高さをＢ（図２２参照）としたとき上記間隙δｓが、２．０×１０^−２×Ｂ 以下の場合に、水力損失が少なく流れの乱れ抑制効果が顕著に現れている。

そこで、上記間隙δｓと流水面の飲み口高さＢとの関係を
δｓ≦２．０×１０^−２×Ｂ
とする。この時、ステーベーン２で発生する流れの衝突損失、摩擦損失の低減と流れの乱れ抑制効果により水力機械の性能低下を抑制することが可能である。

（第４の実施の形態）
次に、図９、図１０を用いて第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、ステーベーン２の下流（発電運転時において）に円周上に配置され、上カバー２４、下カバー２５の間の流水面に垂直に設けられ、ガイドベーンスピンドル２６により回転制御されるガイドベーン３に関するものであり、ガイドベーン３の端部と上記ガイドベーンスピンドル２６との接合部にはフィレット状接合部２７が形成されている。図９はガイドベーン部位を水平方向から見た図、図１０は図９のＡ−Ａ線に沿う水平断面図である。

本実施の形態においては、ガイドベーンスピンドル２６にフィレット状接合部２７を遮蔽し、かつ翼形状に沿うようにフィレット遮蔽部材２８が装着されている。しかして、この場合にも、翼形状であるガイドベーン３のうちフィレット状接合部２７を除く部位と上下のフィレット遮蔽部材２８と、上カバー２４、下カバー２５が流水面となる。そしてこの流水面においてフィレット状接合部２７が現れていないため、上下フィレット状接合部近傍における流れの乱れが無くなるとともに均一な流速分布をもたらす。したがって、ガイドベーン３で発生する流れの衝突損失、摩擦損失の低減と流れの乱れ抑制効果により水力機械の性能低下が抑制される。

図１１は図１０の変形例を示す図であり、ガイドベーンスピンドル２６に形成されたフランジ部２９に前記フィレット遮蔽部材２８がボルト３０により固着されている。その他は図１０に示すものと同一である。したがって、この実施例も図１０に示すものと同一の効果を奏する。

また、図１２は図１０の他の変形例を示す図であり、フィレット遮蔽部材２８がガイドベーン３にも溶接されている。したがって、この場合にはフィレット状接合部２７が完全にフィレット遮蔽部材２８により遮蔽される。

また、図１３は図１２示すものの変形例を示す図であり、ガイドベーンスピンドル２６に凹部３１が形成されており、その凹部３１内にガイドベーン３の端部が埋設され、ガイドベーン３とガイドベーンスピンドル２６とが直接流水面側の領域３２で溶接されている。

したがって、溶接部の切欠きを適度な大きさにすることで強度的にもより信頼性の高いガイドベーンを提供することが可能となり、この例においても第４の実施の形態と同様な効果を奏する。

ところで、例えば図１４に示すようにフィレット遮蔽部材２８設けた場合、そのフィレット遮蔽部材２８とガイドベーン３との水平距離である間隙δｇが大きいと流れの乱れは大きくなり、大きな水力損失をもたらす。図１５は上記間隙δｇと水力損失の関係を示す図であり、流水面の飲み口高さをＢとしたとき上記間隙δｇが、１．０×１０^−２×Ｂ 以下の場合に、水力損失が少なく流れの乱れ抑制効果が顕著に現れている。

そこで、上記間隙δｓと流水面の飲み口高さＢ（図２２参照）との関係を
δｇ≦１．０×１０^−２×Ｂ
とする。この時、ステーベーン２で発生する流れの衝突損失、摩擦損失の低減と流れの乱れ抑制効果により水力機械の性能低下を抑制することが可能である。

また、図１６に示すように、フィレット遮蔽部材２８と上カバー２４、下カバー２５との水平距離であるδｃが大きいと、流れの漏れが大きくなるとともに流れが上カバー２５、下カバー２６の垂直壁面に衝突するため大きな水力損失をもたらす。図１７は上記間隙δｃと水力損失の関係を示す図であり、間隙δｃが大きいと流れの乱れは大きくなり、大きな水力損失をもたらし、流水面の飲み口高さをＢとしたとき上記間隙δｃが、５．０×１０^−３×Ｂ 以下の場合に、水力損失が少なく流れの乱れ抑制効果が顕著に現れている。

そこで、上記間隙δｃと流水面の飲み口高さＢとの関係を
δｃ≦５．０×１０^−３×Ｂ
とする。この時、ステーベーン２で発生する流れの衝突損失、摩擦損失の低減と流れの乱れ抑制効果により水力機械の性能低下を抑制することが可能である。

また、図１４に示すようにフィレット遮蔽部材２８の高さをｈ、フィレット状接合部の最大半径をＲとした場合に、上記ｈが０．７×Ｒより大きいと、図１８に示すように大きな水力損失をもたらす。

そこで、上記高さｈとＲとの関係を
ｈ≦０．７×Ｒ
とする。このときフィレット形状部で発生する流れの衝突損失、摩擦損失の低減と流れの乱れ抑制効果に加え、遮蔽部を設けることによる漏れ損失の低減により水力機械の性能低下の抑制効果を得ることができる。

（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について図１９を用いて説明する。本実施の形態は遮蔽部材１５または２８と、ステーベーン２またはガイドベーン３との間に充填剤３３を注入するものである。

本実施の形態によれば、間隙に充填剤３３を注入することでこの部位における流れの乱れを更に抑制することができる。このときステーベーン２またはガイドベーン３で発生する流れの衝突損失、摩擦損失の低減と流れの乱れ抑制効果により水力機械の性能低下の抑制効果が顕著となる。

本発明の第１の実施の形態を示す図。 図１のカバーライナ１５部を示す斜視図。 第１の実施の形態の１つの実施例を示す図。 第１の実施の形態の他の実施例を示す図。 本発明の第２の実施の形態を示す図。 本発明の第３の実施の形態を示す図。 図６示すものの変形例を示す図。 間隙δｓと損失との関係線図。 本発明の第４の実施の形態を示す図。 図９の平断面図。 第４の実施の形態の１つの実施例を示す図。 図１０の他の変形例を示す図。 図１２示すものの変形例を示す図。 間隙δｇと最大半径Ｒの説明図。 間隙δｓと損失との関係線図。 間隙δｃの説明図。 間隙δｓと損失との関係線図。 遮蔽部材の高さｈと損失との関係線図。 本発明の第５の実施の形態示す図。 従来のフランシス形水車の部分的立断面図。 従来のフランシス形水車ステーベーンを示す図。 従来のフランシス形水車ガイドベーンを示す図。

符号の説明

１ スパイラルケーシング
２ ステーベーン
３ ガイドベーン
４ ランナ
７ 上部ステーリング
８ 下部ステーリング
９ フィレット状接合部
１５ カバーライナ
１７ ボルト
１８ 凹部
１９ フィレット遮蔽部材
２０ フィレット遮蔽部材
２４ 上カバー
２５ 下カバー
２６ ガイドベーンスピンドル
２７ フィレット状接合部
２８ フィレット遮蔽部材
３１ 凹部
３３ 充填材

Claims (16)

1. スパイラルケーシングの内周側に周方向に配置された複数枚のステーベーンと、そのステーベーンの内周側に周方向に配置された複数枚のガイドベーンと、これらのスパイラルケーシング、ステーベーンおよびガイドベーンを通過した水によって回転駆動されるランナとを備えた水力機械において、前記ステーベーンの上下端部が接合された環状のステーリングの流水面側に、上記ステーベーンをステーリングに接合した接合部に形成されたフィレット状接合部を遮蔽するフィレット遮蔽部材を設けたことを特徴とする水力機械。
2. 前記遮蔽部材はステーリングに溶接されていることを特徴とする、請求項１記載の水力機械。
3. 前記遮蔽部材はステーリングにボルトにより接合されていることを特徴とする、請求項１記載の水力機械。
4. 前記遮蔽部材はステーリングに形成された凹部内に埋設されていることを特徴とする、請求項１記載の水力機械。
5. 前記環状のステーリングに形成された凹部内にステーベーンの端部が埋設されるように構成され、前記ステーリングとステーベーンとの間隙内に遮蔽部材が挿入され、前記ステーリングと遮蔽部材および遮蔽部材とステーベーンとが流水面で溶接され、フィレット状接合部が遮蔽されていることを特徴とする、請求項１記載の水力機械。
6. 前記環状のステーリングに形成された凹部内にステーベーンの端部が埋設されるように構成され、前記ステーリングとステーベーンとが直接流水面で溶接されていることを特徴とする、請求項１記載の水力機械。
7. 前記遮蔽部材とステーベーンとの間隙δｓと飲み口高さＢとの関係を
   δｓ≦２．０×１０^−２×Ｂ
   としたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の水力機械。
8. スパイラルケーシングの内周側に周方向に配置された複数枚のステーベーンと、そのステーベーンの内周側に周方向に配置された複数枚のガイドベーンと、これらのスパイラルケーシング、ステーベーンおよびガイドベーンを通過した水によって回転駆動されるランナとを備えた水力機械において、前記ガイドベーンの上下端部が接合されたガイドベーンスピンドルの流水面側に、上記ガイドベーンをガイドベーンスピンドルに接合した接合部に形成されたフィレット状接合部を遮蔽するフィレット遮蔽部材を設けたことを特徴とする水力機械。
9. 前記フィレット遮蔽部材がガイドベーンスピンドルに溶接されていることを特徴とする、請求項８記載の水力機械。
10. 前記フィレット遮蔽部材がガイドベーンスピンドルにボルトにより接合されていることを特徴とする、請求項８記載の水力機械。
11. 前記フィレット状接合部を遮蔽するフィレット遮蔽部材が前記ガイドベーンスピンドルとガイドベーンとに溶接されていることを特徴とする、請求項８記載の水力機械。
12. 前記ガイドベーンスピンドルに形成された凹部内にガイドベーンの端部が埋設されるように構成され、前記ガイドベーンスピンドルとガイドベーンとが直接流水面で溶接されていることを特徴とする、請求項８記載の水力機械。
13. 前記遮蔽部材とガイドベーン流水面との間隙δｇと飲み口高さＢとの関係を
    δｇ≦１．０×１０^−２×Ｂ
    としたことを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれかに記載の水力機械。
14. 前記遮蔽部材と上下カバーとの間隙δｃと飲み口高さＢとの関係を
    δｃ≦５．０×１０^−３×Ｂ
    としたことを特徴とする、請求項８乃至１３のいずれかに記載の水力機械。
15. 前記遮蔽部材の垂直方向高さｈと前記ガイドベーンのフィレット状接合部またはステーベーンフィレット状接合部の最大半径Ｒとの関係を
    ｈ≦０．７×Ｒ
    としたことを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の水力機械。
16. 前記遮蔽部と前記フィレット状接合部間に充填材が充填されていることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかに記載の水力機械。

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