JP2007218099A - 水車ランナおよび水車ランナシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水車ランナ6は、内筒4に取り付けられた中空のランナボス6bと、ランナボス6bに固着され、流路の流れを受ける複数のランナベーン6aと、を備えている。各ランナベーン6aの回転方向末尾側端部を除く流水面に給気孔14aが設けられている。各ランナベーン6aの内部に、給気孔14aおよびランナボス6bの内部空間6cに両端が連通する給気路14が設けられている。ケーシング3の外部の空気がランナボス6bの内部空間まで送られ、このランナボス6bの内部空間の空気が給気路14を介して給気孔14aから各ランナベーン6aの流水面上に送られる。
【選択図】図3
Description
図20に示すように、水力発電装置を備えた水路において、上池1より上部導水管2を介して送られた水は、水力発電装置の直管型のケーシング3に流入する。そして、このケーシング3内の流路の流れの運動エネルギーが水力発電装置により電気エネルギーに変換される。一方、ケーシング3内の水は吸出し管7から流出し、下部導水管8を介して下池9に送られる。
従来の水力発電装置は、図21に示すように、水流の流路を形成する前述のケーシング3と、ケーシング3内に設けられ流路の流れ方向に延びる内筒4とを備えており、ケーシング3と内筒4との間には、流路における流れの運動エネルギーを回収するランナベーン6aおよびランナボス6bが設けられている。また、この水力発電設備は、ランナベーン6aおよびランナボス6bにより回収された流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機12を有している。また、内筒4の外周面に、ケーシング3に向かって放射状に延びる複数のガイドベーン5が取り付けられている。このガイドベーン5は、ケーシング3と内筒4との間の流路に送られた流体を整流するものである。
ケーシング3と内筒4との間の流路に水が流れる際、この水流がランナベーン6aの圧力面に衝突し、圧力面と反対側の負圧面(流路の下流側に向く面)の近傍に水の中の圧力の低い部分が発生する。このため、ランナベーン6aの負圧面周辺に水蒸気の気泡が発生し、この気泡が破裂してランナベーン6aを壊食するという問題が発生する。また、ランナベーン6aとケーシング3との間に間隙が構成されるが、この間隙部でも同様に負圧面側で圧力低下が生じ、キャビテーションが発生してランナベーン6aやケーシング3を壊食するという問題がある。
しかしながら、図20の流路において吸出し高さHsを小さくすると標高の低い下池9に近づくため、洪水時など下池9の水位が上昇しても水力発電装置が冠水しないような処置を講ずる必要があり、また、一般に設置性が悪くなる。
また、ランナベーン6a近傍におけるキャビテーションの発生を抑止する方法としては、ガイドベーン5の後縁に複数の給気孔を設け、外部からこの給気孔に空気を導入することによりランナベーン6aに送られる水に空気を含有させる方法(例えば特許文献2)が知られている。
とりわけ、ガイドベーン5により整流された水は、ランナベーン6aの回転方向先頭側の圧力面に衝突し、この回転方向先頭側における圧力面と反対側の負圧面の近傍に水蒸気の気泡が発生することが多い。このため、ランナベーン6aの回転方向先頭側の負圧面の近傍にキャビテーションが発生することを抑止する必要がある。
ここで、ランナベーンの流水面とは流路の上流側に向く圧力面と、流路の下流側に向く負圧面と、ケーシング側に向く外周端縁とを含むランナベーンの外表面であって、流路の流体が流れる面のことをいう。
このような水車ランナによれば、ケーシングの外部の空気がランナボスの内部空間まで送られ、このランナボスの内部空間の空気が給気路を介して給気孔から各ランナベーンの回転方向末尾側端部を除く流水面上に送られるようになっている。このため、流路の流れがランナベーンの圧力面に衝突することによりこの圧力面と反対側にある負圧面に発生する気泡を、給気孔からランナベーンの流水面上に放出された空気と混合させることにより、発生した気泡がランナベーンの負圧面付近で破裂することが防止され、キャビテーションによるランナベーンの負圧面の壊食を抑止することができる。
一般的に水車ランナの各ランナベーンにおいてこれらのランナベーンの回転方向先頭側の負圧面の圧力が大きく低下し、この回転方向先頭側の負圧面付近でキャビテーションが発生しがちであるが、本発明の水車ランナによれば、ランナボスの内部空間の空気が給気孔から各ランナベーンの回転方向先頭側の負圧面上に送られるようになっているので、ランナベーンの回転方向先頭側の負圧面付近でキャビテーションが発生することを確実に防止することができる。また、ランナベーンの回転方向先頭側の負圧面にかかる圧力が大気圧よりも小さくなることを利用して、ケーシングの外部の空気をランナボスの内部空間まで自動的に送ることができる。
このような水車ランナによれば、給気孔に送られた空気を、ランナベーンの回転方向先頭側の負圧面に発生した圧力低下領域に確実に送ることができる。このため、この圧力低下領域で発生する気泡を、給気孔から放出された空気と確実に混合させることができ、キャビテーションによるランナベーンの負圧面の壊食をより確実に抑止することができる。
ここで、ランナベーンの外周端縁とは、前述のようにケーシング側に向くランナベーンの外表面のことであり、この外周端縁は圧力面と負圧面との間に形成されている。
一般的に水車ランナの各ランナベーンとケーシングとの間には間隙が構成されているので、この間隙近傍でも同様にランナベーンの負圧面側で圧力低下が生じてキャビテーションが発生しがちであるが、本発明の水車ランナによれば、ランナボスの内部空間の空気が各ランナベーンの外周端縁にある給気孔から当該ランナベーンとケーシングとの間の間隙に送られるようになっているので、当該間隙近傍でキャビテーションが発生することを防止することができる。
一般的に水車ランナの各ランナベーンにおいてこれらのランナベーンの負圧面における回転方向の先頭側端部と末尾側端部との間の中央近傍から下流側の領域の圧力が大きく低下し、この負圧面における中央近傍から下流側の領域でキャビテーションが発生しがちであるが、本発明の水車ランナによれば、ランナボスの内部空間の空気が給気孔から各ランナベーンの負圧面における回転方向の先頭側端部と末尾側端部との間の中央近傍に送られるようになっているので、ランナベーンの負圧面における中央近傍から下流側の領域でキャビテーションが発生することを防止することができる。また、ランナベーンの負圧面における中央近傍から下流側の領域にかかる圧力が大気圧よりも小さくなることを利用して、ケーシングの外部の空気をランナボスの内部空間まで自動的に送ることができる。
このような水車ランナによれば、ランナボスの内部空間の空気はまず主幹通気路に送られ、この空気はほぼ均等に分岐して各従幹通気路に送られる。このため、各給気孔から放出される空気のそれぞれの量をほぼ同一とすることができ、より効率良くランナベーンの負圧面で発生した気泡を混合させることができるので、キャビテーションによるランナベーンの負圧面の壊食をより確実に抑止することができる。
このような水車ランナによれば、主幹通気路内の空気は、各々の従幹通気路に一部の空気が分岐するたびに通過すべき主幹通気路の断面積が小さくなる。このため、主幹通気路に送られた空気をより確実に各従幹通気路に均等に分配することができる。
このような水車ランナシステムによれば、ケーシングと内筒との間に、ケーシングの外部の空気をランナボスの内部空間に送るための外部接続給気管を設置することを省略することができる。
このような水車ランナシステムによれば、ケーシングと内筒との間の流路内の水が給気孔から給気路を介してランナボスの内部空間に入った場合であっても、このランナボスの内部空間に送られた水が主軸の内部にある空気連通路を逆流することを抑止することができる。
このような水車ランナシステムによれば、主軸が回転している場合であっても、空気連通路内の空気をランナボスの内部空間に確実に送ることができる。
このような水車ランナシステムによれば、ケーシングと内筒との間に、ケーシングの外部の空気をランナボスの内部空間に送るための外部接続給気管を設置することを省略することができる。
このような水車ランナシステムによれば、ランナボスの内部空間に安定して高圧の空気を送ることができ、このことによりランナベーンの流水面にかかる圧力が一時的に大気圧よりも大きくなった場合であっても各給気孔からランナベーンの流水面上に安定して一定圧力の空気を送ることができる。このため、流路における流量の変化などの水力発電装置の運転状況が変化した場合であっても、キャビテーションによるランナベーンの負圧面の壊食を確実に抑止することができる。
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態について説明する。
図1乃至図8は、本発明の第1の実施の形態による水力発電装置を示す図である。このうち、図1は、本実施の形態による水力発電装置を示す断面図であり、図2は、図1の水力発電装置のランナベーンを示す拡大断面図であり、図3は、図1の水力発電装置のランナベーンを負圧面側から見た平面図である。また、図4は、図3のランナベーンのA−A矢視断面図であり、図5は、図3のランナベーンのB−B矢視図である。
また、図6は、図1の水力発電装置のランナベーンの圧力面および負圧面にかかる圧力の分布を示すグラフである。
内筒4の外周面に、ケーシング3に向かって放射状に延びる複数のガイドベーン5が取り付けられている。このガイドベーン5は、ケーシング3と内筒4との間の流路に送られた流体を整流するものである。
ランナボス6bの外周面に、ケーシング3に向かって放射状に延びる複数のランナベーン6aが取り付けられている。各ランナベーン6aはガイドベーン5により整流された流路の流れを受け、このことにより、各ランナベーン6aおよびランナボス6bは内筒4の軸を中心として回転するようになっている。
この複数のランナベーン6aおよびランナボス6bにより、ケーシング3と内筒4との間の流路における流れの運動エネルギーを回収する水車ランナ6が構成されている。また、ケーシング3と、内筒4と、ランナベーン6aと、ランナボス6bとにより水車ランナシステムが構成されている。
なお、図1および図2には、単純に両端がケーシング3の外部およびランナボス6bの内部空間6cに連通する外部接続給気管13が概略的に示されているが、実際には、この外部接続給気管13は、例えばケーシング3と内筒4との間に流路を横切るよう設けられた流路内部分と、内筒4内に設けられた内筒内部分と、ランナボス6b内に設けられ、このランナボス6bが回転しても常に内筒内部分に連通するよう主軸10を中心として略円環状となっているランナボス内部分とから構成されている。
これらのスプロケット11a、11a、ベルト11b、変速機11cおよびベルト収納部11dにより、ベルト伝動型の動力伝達装置11が構成されている。
また、水力発電装置において、発電機12をケーシング3の外部に設けて動力伝達装置11により主軸10の回転を発電機12に伝達する代わりに、発電機12が内筒4の内部に設けられており、動力伝達装置11が省略されて主軸10が発電機12に直列に連結されるものであってもよい。
ランナベーン6aにおいて、複数の給気孔14aが回転方向の末尾側端部6eを除く流水面に設けられている。ランナベーン6aの流水面とは、流路の上流側に向く圧力面と、流路の下流側に向く負圧面と、ケーシング3側に向く外周端縁とを含むランナベーン6aの外表面であって、流路の流体が流れる面のことをいう。
図3および図4に示すように、各ランナベーン6aの負圧面において、給気孔14aとランナベーン6aの回転方向の先頭側端部6dとの間の距離Lhは、ランナベーン6aの回転方向の先頭側端部6dと末尾側端部6eとの間の距離Lrの1/10以下の範囲となっている。
また、図3および図5に示すように、主幹通気路14cは、ランナボス6bの内部空間6cからケーシング3に向かって延びるにつれてその断面積が小さくなっている。
まず、ケーシング3と内筒4との間の流路に送られた流体は各ガイドベーン5により整流され、各ランナベーン6aの圧力面に送られる。そして、この水流が各ランナベーン6aの圧力面に衝突することにより、各ランナベーン6aおよびランナボス6bからなるランナ水車6が当該ランナボス6bの軸を中心として図3の矢印方向に回転する。
ここで、圧力係数とは、大気圧に対する相対的な圧力の大きさのことをいい、ランナベーン6aのある領域面にかかる圧力が大気圧と同一の大きさであるときに、この圧力係数の大きさが0となるよう規定されている。
この圧力低下領域は、図6に示すように、ランナベーン6aの負圧面の先頭側端部6dから、回転方向と逆方向に距離Lrの1/10の距離Lhにある位置までの範囲内に発生する。
このことにより、各ガイドベーン5により整流された水流がランナベーン6aの圧力面における回転方向の先頭側端部6d付近に衝突することによりこのランナベーン6aの負圧面に発生する気泡(水蒸気の泡)を、給気孔14aから放出された空気と混合させることができ、発生した気泡がランナベーン6aの負圧面付近で破裂することを防止することができる。
次に本実施の形態による水車ランナ6の変形例について、図7および図8を用いて説明する。図7および図8において、図1乃至図5に示す実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
このような水車ランナ6においては、ランナボス6b内の内部空間6cから空気が均等に各部分通気路14eに配分され、この部分通気路6eに送られた空気が給気孔14aからランナベーン6aの回転方向先頭側の負圧面上に送られるようになっている。
しかしながら、図9に示すランナベーン6aを有する水車ランナ6を用いることにより、ランナボス6bの中空部分6cの空気が各ランナベーン6aの外周端縁にある給気孔14aから当該ランナベーン6aとケーシング3との間の間隙に送られるので、当該間隙近傍でキャビテーションが発生することを防止することができる。
しかしながら、図10および図11に示すランナベーン6aを有する水車ランナ6を用いることにより、ランナボス6bの中空部分6cの空気が給気孔14aから各ランナベーン6aの負圧面における回転方向の先頭側端部6dと末尾側端部6eとの間の中央近傍に送られるので、ランナベーン6aの負圧面における中央近傍から下流側の領域でキャビテーションが発生することを防止することができる。
また、ランナベーン6aの負圧面における中央近傍から下流側の領域にかかる圧力が大気圧よりも小さくなることを利用して、ケーシング3の外部の空気をランナボス6bの中空部分6cまで自動的に送ることができる(図6の自然給気可能領域参照)。
以下、図面を参照して本発明の第2の実施の形態について説明する。図12は、第2の実施の形態による水力発電装置を示す断面図であり、図13は、図12の水力発電装置の主軸および動力伝達装置を示す拡大断面図であり、図14は、図12の水力発電装置のランナボスおよびランナベーンを示す拡大断面図であり、図15は、図14のランナボスおよびランナベーンのC−C矢視断面図である。
図12乃至図15に示す第2の実施の形態おいて、図1乃至図5に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
この水車ランナシステムについて図12乃至図15を用いて以下に説明する。
本実施の形態では、ケーシング3の外部の空気が外部接続給気管13を介してランナボス6bの内部空間6c内に送られる代わりに、図13に示すように、このケーシング3の外部の空気はベルト収納部11d内の中空部分を通って逆止弁16を介して主軸10内の空気連通路15aに送られる。この空気連通路15aに送られた空気は、さらに図14の矢印に示すようにランナボス6b側に送られ、空気連通路15aのランナボス6b側の端部に送られた空気は、図15に示すように導入部材17の複数の導入路17aを通ってランナボス6bの内部空間6cに送られる。
以下、図面を参照して本発明の第3の実施の形態について説明する。図16は、第3の実施の形態による水力発電装置を示す断面図であり、図17は、図16の水力発電装置のランナボスおよびランナベーンを示す拡大断面図である。
図16および図17に示す第3の実施の形態おいて、図1乃至図5に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
この水車ランナシステムについて図16および図17を用いて以下に説明する。
また、空気連通路15bの他端は動力伝達装置11のベルト収納部11dの内部に連通している。
本実施の形態では、ケーシング3の外部の空気が外部接続給気管13を介してランナボス6bの内部空間6c内に送られる代わりに、図16および図17に示すように、このケーシング3の外部の空気はベルト収納部11d内の中空部分を通って逆止弁を介して内筒4内の空気連通路15bに送られる。この空気連通路15bに送られた空気は、さらに図17の矢印に示すようにランナボス6bの内部空間6cに送られる。
以下、図面を参照して本発明の第4の実施の形態について説明する。図18は、第4の実施の形態による水力発電装置を示す断面図である。
図18に示す第4の実施の形態おいて、図1乃至図5に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
この水車ランナシステムについて図18を用いて以下に説明する。
次に本実施の形態による水車ランナシステムの変形例につき、図19により説明する。図19において、図18に示す実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
2 上部導水管
3 ケーシング
4 内筒
5 ガイドベーン
6 水車ランナ
6a ランナベーン
6b ランナボス
6c 中空部分
6d 先頭側端部
6e 末尾側端部
7 吸出し管
8 下部導水管
9 下池
10 主軸
11 動力伝達装置
11a スプロケット
11b ベルト(またはチェーン)
11c 変速機
11d ベルト収納部
12 発電機
12a 回転軸
12b 冷却装置
13 外部接続給気管
14 給気路
14a 給気孔
14c 主幹通気路
14d 従幹通気路
14e 部分通気路
15a 空気連通路
15b 空気連通路
16 逆止弁
17 導入部材
17a 導入路
18 空気供給装置
Claims (12)
- 流路を形成するケーシングと、ケーシング内に設けられ流路の流れ方向に延びる内筒とを有する水力発電装置に用いられる水車ランナにおいて、
内筒に取り付けられ、この内筒の軸を中心として回転する中空のランナボスと、
ランナボスからケーシングに向かって放射状に延びるようこのランナボスに固着され、流路の流れを受ける複数のランナベーンと、を備え、
各ランナベーンの回転方向末尾側端部を除く流水面に給気孔が設けられるとともに、各ランナベーンの内部に、給気孔およびランナボスの内部空間に両端が連通する給気路が設けられ、
ケーシングの外部の空気がランナボスの内部空間まで送られ、このランナボスの内部空間の空気が給気路を介して給気孔から各ランナベーンの流水面上に送られることを特徴とする水車ランナ。 - 前記給気孔は各ランナベーンの回転方向先頭側の負圧面に設けられていることを特徴とする請求項1記載の水車ランナ。
- 各ランナベーンの負圧面において、給気孔とランナベーンの回転方向の先頭側端部との間の距離は、このランナベーンの回転方向の先頭側端部と末尾側端部との間の距離の1/10以下の範囲となっていることを特徴とする請求項2記載の水車ランナ。
- 前記給気孔は各ランナベーンの外周端縁に設けられていることを特徴とする請求項1記載の水車ランナ。
- 前記給気孔は各ランナベーンの負圧面における回転方向の先頭側端部と末尾側端部との間の中央近傍に設けられていることを特徴とする請求項1記載の水車ランナ。
- 各ランナベーンの流水面に設けられる給気孔の数は複数であり、
各ランナベーンの内部に設けられた給気路は、ランナボスの内部空間に連通し、ケーシングに向かって延びる主幹通気路と、主幹通気路から分岐して各給気孔に連通する複数の従幹通気路とを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の水車ランナ。 - 主幹通気路は、ランナボスの内部空間からケーシングに向かって延びるにつれてその断面積が小さくなることを特徴とする請求項6記載の水車ランナ。
- 流路を形成するケーシングと、ケーシング内に設けられ流路の流れ方向に延びる内筒と、内筒に取り付けられ、この内筒の軸を中心として回転する中空のランナボスと、ランナボスからケーシングに向かって放射状に延びるようこのランナボスに固着され、流路の流れを受ける複数のランナベーンと、を備えた水車ランナシステムにおいて、
各ランナベーンの回転方向末尾側端部を除く流水面に給気孔が設けられるとともに、各ランナベーンの内部に、給気孔およびランナボスの内部空間に両端が連通する給気路が設けられ、
ケーシングの外部の空気がランナボスの内部空間まで送られ、このランナボスの内部空間の空気が給気路を介して給気孔から各ランナベーンの流水面上に送られ、
内筒の内側に、ランナボスに連結された動力伝達用の主軸が設けられ、
動力伝達用の主軸の内部に、ランナボスの内部空間に連通し、ケーシングの外部から空気が送られる空気連通路が設けられていることを特徴とする水車ランナシステム。 - 動力伝達用の主軸の内部にある空気連通路に逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項8記載の水車ランナシステム。
- ランナボスと動力伝達用の主軸との間に、動力伝達用の主軸の内部にある空気連通路からランナボスの内部空間に向かって放射状外方に延びる複数の導入路を有する導入部材が設けられていることを特徴とする請求項8または9記載の水車ランナシステム。
- 流路を形成するケーシングと、ケーシング内に設けられ流路の流れ方向に延びる内筒と、内筒に取り付けられ、この内筒の軸を中心として回転する中空のランナボスと、ランナボスからケーシングに向かって放射状に延びるようこのランナボスに固着され、流路の流れを受ける複数のランナベーンと、を備えた水車ランナシステムにおいて、
各ランナベーンの回転方向末尾側端部を除く流水面に給気孔が設けられるとともに、各ランナベーンの内部に、給気孔およびランナボスの内部空間に両端が連通する給気路が設けられ、
ケーシングの外部の空気がランナボスの内部空間まで送られ、このランナボスの内部空間の空気が給気路を介して給気孔から各ランナベーンの流水面上に送られ、
内筒の内部に、ランナボスの内部空間に連通し、ケーシングの外部から空気が送られる空気連通路が設けられていることを特徴とする水車ランナシステム。 - 流路を形成するケーシングと、ケーシング内に設けられ流路の流れ方向に延びる内筒と、内筒に取り付けられ、この内筒の軸を中心として回転する中空のランナボスと、ランナボスからケーシングに向かって放射状に延びるようこのランナボスに固着され、流路の流れを受ける複数のランナベーンと、を備えた水車ランナシステムにおいて、
各ランナベーンの回転方向末尾側端部を除く流水面に給気孔が設けられるとともに、各ランナベーンの内部に、給気孔およびランナボスの内部空間に両端が連通する給気路が設けられ、
ケーシングの外部の空気がランナボスの内部空間まで送られ、このランナボスの内部空間の空気が給気路を介して給気孔から各ランナベーンの流水面上に送られ、
ケーシングの外部に空気供給装置が設けられ、
ケーシングの外部の空気が空気供給装置により圧縮され、この圧縮された高圧空気が外部接続給気管を介してランナボスの内部空間に送られることを特徴とする水車ランナシステム。
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