JP2007255316A - Francis turbine for hydraulic power generation - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Francis turbine for hydraulic power generation for reducing manufacturing cost, by simplifying its structure, by reducing the number of part items for constituting a guide vane opening-closing means. <P>SOLUTION: This Francis turbine has the guide vane opening-closing means for adjusting water port opening of a plurality of guide vanes 17 introduced to a runner, by accelerating flowing water taken in from a casing. The guide vane opening-closing means is composed of an external gear 22 installed on the plurality of guide vanes 17, a guide ring 23 arranged so as to revolve around the plurality of guide vanes and an internal gear 24 meshing with the external gear installed on the inner periphery of the guide ring. The water port opening of the plurality of guide vanes can be varied by rotatably displacing the guide ring. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水力発電用のフランシス水車に関し、より詳細には、フランシス水車に設けられた複数のガイドベーンの水口開度を調整するためのガイドベーン開閉手段に関する。   The present invention relates to a Francis turbine for hydroelectric power generation, and more particularly, to a guide vane opening / closing means for adjusting the opening of a plurality of guide vanes provided in the Francis turbine.

従来より、水力発電装置では、低落差の場合にはプロペラ水車が用いられ、一方、中高落差の場合にはフランシス水車が用いられている。   Conventionally, in a hydroelectric generator, a propeller turbine is used for a low head, while a Francis turbine is used for a medium to high head.

以下に、プロペラ水車が中高落差の水力発電装置に適用できない理由を説明する。水力発電用として適用される水車の形式は、水車の回転速度N,水車出力P,および適用落差Hのパラメータに基づいて求められる比速度Nsによって決定される(数1参照)。   Hereinafter, the reason why the propeller turbine cannot be applied to the medium to high drop hydroelectric generator will be described. The type of the turbine used for hydropower generation is determined by the specific speed Ns determined based on the rotation speed N of the turbine, the turbine output P, and the applied head H parameter (see Equation 1).

Figure 2007255316
一般に、フランシス水車の適用範囲は、Ns=60〜300であるのに対し、プロペラ水車の適用範囲は、Ns=300以上とされている。仮に、回転速度N=1500[min−1]の中高落差用のフランシス水車と同じ水車出力Pを、プロペラ水車で得られるようにするには、比速度Nsが大きくなるように回転速度Nを大きくすればよいが、この回転速度Nは、一般的には1500[min−1]までとされている。
Figure 2007255316
In general, the application range of Francis turbines is Ns = 60 to 300, while the application range of propeller turbines is Ns = 300 or more. For example, in order to obtain the same turbine output P as that of the Francis turbine for medium and high heads in the rotational speed N = 1500 [min −1 ] with the propeller turbine, the rotational speed N is increased so that the specific speed Ns is increased. However, the rotational speed N is generally set to 1500 [min −1 ].

したがって、中高落差の水力発電にプロペラ水車を適用する場合には、適用落差Hを分割するために、複数の水車を導水管上に併設する必要があるとともに、各水車に発電機を設ける必要があるため、設置スペースが大きくなり、かつ、製造コストが嵩んでしまうという問題があった。このような理由から、中高落差の水力発電には、プロペラ水車よりも高効率で発電可能なフランシス水車が適している。   Therefore, when a propeller turbine is applied to medium-high head hydropower generation, in order to divide the applicable head H, it is necessary to install a plurality of turbines on the water conduit and to provide a generator for each turbine. Therefore, there are problems that the installation space becomes large and the manufacturing cost increases. For this reason, Francis turbines that can generate power more efficiently than propeller turbines are suitable for medium- and high-head hydropower generation.

また、一般に、プロペラ水車のランナベーンおよびガイドベーンが共に可動である場合には、そのランナベーン駆動機構は、プロペラ水車の内部に設置される。したがって、プロペラ水車が小流量地点に配される場合には、水車寸法が小さくなるため、ランナベーン駆動機構の収納が困難であった。   In general, when both the runner vane and the guide vane of the propeller turbine are movable, the runner vane drive mechanism is installed inside the propeller turbine. Therefore, when the propeller water turbine is arranged at a small flow rate point, the size of the water turbine is small, so that it is difficult to store the runner vane drive mechanism.

さらに、ブロペラ水車の効率特性は、ランナベーンおよびガイドベーンが可動な場合には、全流領域においてフラットな効率特性を有するが、ランナベーンが固定の場合には、尖った特性となり、変流量に追随しにくいという欠点を有する。一方、フランシス水車の変流量(特に低流量)特性は、ランナベーンおよびガイドベーンが可動のプロペラ水車に比べると劣るが、ランナベーンが固定のプロペラ水車より優れている。このような点から、フランシス水車は、中高落差の水力発電における変流量地点に設置する水車として適している。   In addition, the efficiency characteristics of the propeller turbine have a flat efficiency characteristic in the entire flow region when the runner vane and the guide vane are movable, but when the runner vane is fixed, it becomes a sharp characteristic and follows the variable flow rate. It has the disadvantage of being difficult. On the other hand, the variable flow rate (particularly low flow rate) characteristics of Francis turbines are inferior to those of propeller turbines in which runner vanes and guide vanes are movable, but are superior to propeller turbines in which runner vanes are fixed. From this point of view, the Francis turbine is suitable as a turbine installed at a variable flow point in a medium to high drop hydroelectric power generation.

このようなフランシス水車は、例えば特許文献1に開示され、図9は、従来のフランシス水車を示す要部断面図である。同図において、フランシス水車101は、水車主軸102の一端(図9左側)に固着されたランナ103と、該ランナ103の外周に配されたガイドベーン104と、該ガイドベーン104の外周を取り囲むように配された渦巻状のケーシング105とを備え、水車主軸102の他端(図9右側)には、発電機(図示せず)が連結されている。   Such a Francis turbine is disclosed in, for example, Patent Document 1, and FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part showing a conventional Francis turbine. In the figure, a Francis turbine 101 includes a runner 103 fixed to one end (left side of FIG. 9) of a turbine main shaft 102, a guide vane 104 disposed on the outer periphery of the runner 103, and an outer periphery of the guide vane 104. And a generator (not shown) is connected to the other end (right side of FIG. 9) of the water turbine main shaft 102.

導水管により水車入口まで導かれた流水wは、渦巻状のケーシング105を通ってガイドベーン104で加速され、水車主軸102に対して垂直な方向でランナ103に流入する。この流入した水は、ランナ103の羽根の間を充満して流れながらランナ103に水動力を伝達する。ランナ103を通過して水車主軸102の軸方向に流出された水は、ドラフト管106で流速を減速されて放水口へと導かれる。   The running water w guided to the water turbine inlet by the water guide pipe is accelerated by the guide vane 104 through the spiral casing 105 and flows into the runner 103 in a direction perpendicular to the water turbine main shaft 102. The inflowing water transmits water power to the runner 103 while filling and flowing between the blades of the runner 103. The water that has passed through the runner 103 and has flowed out in the axial direction of the turbine main shaft 102 is reduced in flow velocity by the draft pipe 106 and guided to the water outlet.

また、フランシス水車101は、複数のガイドベーン104の水口開度を一斉に調整可能なガイドベーン開閉装置107を備えている。図10は、図9のガイドベーン開閉装置107を白矢印方向から見た矢視図である。以下、図9および図10を参照にしながら、従来のガイドベーン開閉装置107の構成について説明する。   The Francis turbine 101 includes a guide vane opening / closing device 107 that can simultaneously adjust the opening of the water ports of the plurality of guide vanes 104. FIG. 10 is a view of the guide vane opening / closing device 107 of FIG. 9 as seen from the direction of the white arrow. Hereinafter, the configuration of the conventional guide vane opening / closing device 107 will be described with reference to FIGS. 9 and 10.

このガイドベーン開閉装置107は、調速機など指令に基づいて駆動するサーボ機構の動きをコネクティングロッド108を介して伝達され、円周方向に回動変位するガイドリング109を備えている。このガイドリング109の円周方向には、ガイドリングピン110を介してリンク(メガネリンク)111が連結され、該リンク110の他端には、アームピン112を介してアーム113の一端が連結されている。このアーム113の他端部には、キー114が形成されており、該キー114によって、ガイドベーン104のガイド軸104aがアーム113に締結されている。   The guide vane opening / closing device 107 is provided with a guide ring 109 that transmits the movement of a servo mechanism that is driven based on a command such as a speed governor via a connecting rod 108 and that is rotationally displaced in the circumferential direction. In the circumferential direction of the guide ring 109, a link (glasses link) 111 is connected via a guide ring pin 110, and one end of an arm 113 is connected to the other end of the link 110 via an arm pin 112. Yes. A key 114 is formed at the other end of the arm 113, and the guide shaft 104 a of the guide vane 104 is fastened to the arm 113 by the key 114.

このような構成からなる従来のガイドベーン開閉装置107では、ガイドリング108が図10の矢印のように円周方向へ回動することにより、その回動変位がガイドリングピン110、リンク111、アームピン112を介してアーム113に伝達され、アーム113がその軸心に対して右回りまたは左回りに揺動する。そして、この揺動に伴って、ガイドベーン104が水口を開閉するように揺動し、流水wの流量を調整するようになっている。   In the conventional guide vane opening / closing device 107 having such a configuration, the guide ring 108 rotates in the circumferential direction as indicated by an arrow in FIG. 10, so that the rotational displacement is the guide ring pin 110, the link 111, and the arm pin. 112 is transmitted to the arm 113 via the arm 112, and the arm 113 swings clockwise or counterclockwise with respect to the axis. With this swing, the guide vane 104 swings so as to open and close the water port, and the flow rate of the running water w is adjusted.

特開2003―021065号公報JP 2003-021065 A

しかしながら、従来のガイドベーン開閉装置107では、ガイドリング108の回動変位をガイドベーン104に伝達するリンク機構を構成するのに必要な部品点数が多く、そのリンク機構の構造も複雑であった。したがって、組立調整が容易でないことから製作コストが嵩んでしまい、ガイドベーン開閉装置107を備える水車のコスト低減を図るのが困難である、という問題があった。   However, in the conventional guide vane opening / closing device 107, the number of parts required for configuring the link mechanism that transmits the rotational displacement of the guide ring 108 to the guide vane 104 is large, and the structure of the link mechanism is also complicated. Therefore, since the assembly adjustment is not easy, there is a problem that the manufacturing cost increases, and it is difficult to reduce the cost of the water turbine provided with the guide vane opening / closing device 107.

また、従来のガイドベーン開閉装置107では、ガイドリングピン110やアームピン112など、経年摩耗を伴う部品が備えられていたため、部品交換等の保守管理が面倒であり、装置寿命の面でも問題があった。   In addition, since the conventional guide vane opening / closing device 107 is provided with parts with aged wear such as the guide ring pin 110 and the arm pin 112, maintenance management such as replacement of parts is troublesome, and there is a problem in terms of the life of the apparatus. It was.

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的は、ガイドベーン開閉手段を構成する部品の点数を削減するとともに、その構造を簡素化し、製造コストの低減を図った水力発電用フランシス水車を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to reduce the number of parts constituting the guide vane opening / closing means, simplify the structure, and reduce the manufacturing cost. It is to provide a Francis turbine for power generation.

本発明の上記目的は、ケーシングより取り入れた流水を加速して前記ランナに導入する複数のガイドベーンの水口開度を調整するガイドベーン開閉手段を備えた水力発電用フランシス水車において、前記ガイドベーン開閉手段が、前記複数のガイドベーンに取り付けられた外歯車と、前記複数のガイドベーンを囲周するように配されたガイドリングと、該ガイドリングの内周に取り付けられた前記外歯車と噛合する内歯車とからなり、前記ガイドリングを回動変位することにより、前記複数のガイドベーンの水口開度を可変することにより、達成される。   The above object of the present invention is to provide a hydroelectric power generation Francis turbine having guide vane opening / closing means for adjusting the opening degree of a plurality of guide vanes that accelerates flowing water introduced from a casing and introduces it into the runner. Means meshes with an external gear attached to the plurality of guide vanes, a guide ring arranged to surround the plurality of guide vanes, and the external gear attached to the inner periphery of the guide ring This is achieved by varying the opening of the plurality of guide vanes by rotating and displacing the guide ring.

以上のように構成された本発明に係る水力発電用フランシス水車のガイドベーン開閉手段によると、複数のガイドベーンを囲周するように配されたガイドリングを円周方向に回動変位し、その回動変位が内歯車および外歯車を介して各ガイドベーンに伝達されることにより、各ガイドベーンの開閉操作が一斉に行われるようにした。これにより、ガイドベーン開閉手段の構造が簡素化され、フランシス水車の製造コストの低減を図ることができる。   According to the guide vane opening and closing means of the Francis turbine for hydroelectric power generation according to the present invention configured as described above, the guide ring arranged to surround the plurality of guide vanes is rotationally displaced in the circumferential direction, The rotational displacement is transmitted to each guide vane via the internal gear and the external gear, so that the opening and closing operations of the guide vanes are performed simultaneously. As a result, the structure of the guide vane opening / closing means is simplified, and the manufacturing cost of the Francis turbine can be reduced.

また、ガイドリングの回動変位を伝達する構造を、内歯車と外歯車とからなるギヤ構造としたことにより、装置寿命を低下させる要因の一つとなっていたアームやピンを用いる必要がなくなり、装置寿命の向上を図ることができる。   In addition, the structure that transmits the rotational displacement of the guide ring is a gear structure composed of an internal gear and an external gear, so there is no need to use an arm or pin that has been one of the factors that reduce the life of the device. The life of the apparatus can be improved.

以下、本発明の実施形態について、図1ないし図8を参照にしながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す要部断面図であり、図2および図3は、その側面図および上面図である。図1において、フランシス水車1は、内周壁2Aと該内周壁2Aの外側に配された外周壁2Bとからなる環状の導水管2を備え、該導水管2の内周壁2Aの一端側2Aa(図1左側)は開口になっており、一方、その他端側2Ab(図1右側)は閉口になっている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a Francis turbine for hydroelectric power generation according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are a side view and a top view, respectively. In FIG. 1, a Francis turbine 1 includes an annular water guide pipe 2 composed of an inner peripheral wall 2A and an outer peripheral wall 2B disposed on the outer side of the inner peripheral wall 2A, and one end side 2Aa of the inner peripheral wall 2A of the water guide pipe 2 ( The left side of FIG. 1 is an opening, while the other end side 2Ab (right side of FIG. 1) is closed.

この導水管2の内周壁2Aによって形成された内部空間3には、水車主軸4が、軸受5,6を介して回転自在に支持されている。この水車主軸4の一端には、該水車主軸4と一体に回転するように取り付けられたランナ7が備えられ、該ランナ7は、流水wのエネルギを回転エネルギに変換して水車主軸4に伝達するようになっている。一方、水車主軸4の他端には、水車主軸4の回転を導水管2の上方に配された発電機8に伝達するための動力伝達機構9が備えられている。   A turbine main shaft 4 is rotatably supported via bearings 5 and 6 in the internal space 3 formed by the inner peripheral wall 2A of the water guide pipe 2. One end of the water turbine main shaft 4 is provided with a runner 7 attached so as to rotate integrally with the water turbine main shaft 4. The runner 7 converts the energy of the running water w into rotational energy and transmits it to the water turbine main shaft 4. It is supposed to be. On the other hand, the other end of the water turbine main shaft 4 is provided with a power transmission mechanism 9 for transmitting the rotation of the water turbine main shaft 4 to the generator 8 disposed above the water guide pipe 2.

この動力伝達機構9は、水車主軸と同軸に取り付けられた水車主軸プーリ10と、発電機8の軸8Aと同軸に取り付けられた発電機軸プーリ11と、環状の導水管2の上部に形成された連通孔12(図3参照)を通って水車主軸プーリ10と発電機主軸プーリ11との間に巻回された伝達ベルト13とから構成され、ランナ7から水車主軸4に伝達された流水wによる回転エネルギを、発電機8に伝達するようになっている。なお、本実施形態に係る水力発電用フランシス水車1では、発電機8が導水管2の上方に配されているが、これに限定されず、設置条件などに応じて適宜変更可能である。   The power transmission mechanism 9 is formed on the upper part of the water main shaft pulley 10 attached coaxially with the main shaft of the water turbine, the generator shaft pulley 11 attached coaxially with the shaft 8A of the generator 8, and the annular water conduit 2. It is composed of a transmission belt 13 wound between the turbine spindle pulley 10 and the generator spindle pulley 11 through the communication hole 12 (see FIG. 3), and is based on the flowing water w transmitted from the runner 7 to the turbine spindle 4. Rotational energy is transmitted to the generator 8. In the Francis turbine 1 for hydroelectric power generation according to the present embodiment, the generator 8 is disposed above the water conduit 2, but is not limited to this, and can be appropriately changed according to installation conditions and the like.

また、環状の導水管2の一端側(図1左側)には、導水管2からの流水wをランナ7に流入するために該ランナ7の外周に配されたケーシング14が接続されている。このケーシング14の内周壁14Aと導水管2の内周壁2Aとの接合部(図1中のX領域)には、図4に示すように、Oリング15が介装され、互いの接合面の間には間隙S(約0.5mm)が設けられている。一方、ケーシング14の外周壁14Bと導水管2の外周壁2Bとの接合部(図1中のY領域)は、図5に示すようにインロー接合になっている。すなわち、本実施形態に係るフランシス水車1では、導水管2の内周壁2Aとケーシング14の内周壁14AとをOリング15を介して接合するにより、互いの内周壁2A,14Aの接合面の間に間隙Sを設け、この間隙Sにより、導水管2の外周壁2Bとケーシング14の外周壁14Bとのインロー接合を可能にしている。   Further, a casing 14 disposed on the outer periphery of the runner 7 is connected to one end side (left side in FIG. 1) of the annular conduit 2 in order to allow the running water w from the conduit 2 to flow into the runner 7. As shown in FIG. 4, an O-ring 15 is interposed at a joint portion (X region in FIG. 1) between the inner peripheral wall 14 </ b> A of the casing 14 and the inner peripheral wall 2 </ b> A of the water conduit 2. A gap S (about 0.5 mm) is provided between them. On the other hand, the joint portion (Y region in FIG. 1) between the outer peripheral wall 14B of the casing 14 and the outer peripheral wall 2B of the water conduit 2 is an inlay joint as shown in FIG. That is, in the Francis turbine 1 according to the present embodiment, the inner peripheral wall 2A of the water conduit 2 and the inner peripheral wall 14A of the casing 14 are joined via the O-ring 15 so that the joint surfaces of the inner peripheral walls 2A and 14A are joined. A gap S is provided in the inner wall, and the gap S enables the spigot connection between the outer peripheral wall 2B of the water conduit 2 and the outer peripheral wall 14B of the casing 14.

また、ランナ7の上流側には、ケーシング14からランナ7に流入される流水wをランナ7の径方向へ導くスピードリング16と、該スピードリング16を通過した流水wを効率よく加速してランナ7に供給する複数のガイドベーン17とが備えられている。一方、ランナ7の下流側には、ランナ7を通過して軸方向に放出された流水wを減速するためのドラフト管18が備えられている。   Further, on the upstream side of the runner 7, a speed ring 16 that guides the running water w flowing from the casing 14 into the runner 7 in the radial direction of the runner 7, and the running water w that has passed through the speed ring 16 are efficiently accelerated to runners. A plurality of guide vanes 17 to be supplied to 7 are provided. On the other hand, a downstream side of the runner 7 is provided with a draft pipe 18 for decelerating the running water w that has passed through the runner 7 and discharged in the axial direction.

また、ランナ7と水車主軸4との取付部には、水密を維持するためのラビリンスシール19と、該ラビリンスシール19と水車主軸4との間に配された水切部材20とが備えられている。このラビリンスシール19は、水切部材20が水車主軸4に取り付けられた後に、水車主軸4に装着されるようになっている。ここで、水切部材20とラビリンスシール19とのギャップ調整が行われ、その後、ランナ7が水車主軸4の一端に固着される。なお、本実施形態では、水密を維持するためにラビリンスシール19を用いたが、これに限定されず、例えばラビリンスシール19の代わりにメカニカルシールを用いてもよい。   A mounting portion between the runner 7 and the water turbine main shaft 4 is provided with a labyrinth seal 19 for maintaining water tightness, and a draining member 20 disposed between the labyrinth seal 19 and the water wheel main shaft 4. . The labyrinth seal 19 is attached to the water turbine main shaft 4 after the draining member 20 is attached to the water turbine main shaft 4. Here, the gap between the draining member 20 and the labyrinth seal 19 is adjusted, and then the runner 7 is fixed to one end of the water turbine main shaft 4. In the present embodiment, the labyrinth seal 19 is used to maintain water tightness, but the present invention is not limited to this. For example, a mechanical seal may be used instead of the labyrinth seal 19.

図6は、複数のガイドベーン17の水口開度を調整するためのガイドベーン開閉手段21を示す正面図である。図1および図6において、各ガイドベーン17の軸端(図1左側)には、外周に外歯を有する外歯車22が取り付けられている。また、各ガイドベーン17の外歯車22を囲周するように配されたガイドリング23の内周には、各外歯車22と噛合する内歯車24が一体に取り付けられている。ガイドリング23は、図1などに示すように、サーボ機構(図示せず)からの動きを伝達するためのコネクティングロッド25に連結されている。このような構成からなるガイドベーン開閉手段21は、コネクティングロッド25の動きに応じてガイドリング23が円周方向に回動変位し、その回動変位が内歯車24および外歯車22を介して各ガイドベーン17に伝達され、これにより、各ガイドベーン17の開閉操作を一斉に行えるようになっている。   FIG. 6 is a front view showing guide vane opening / closing means 21 for adjusting the water opening of the plurality of guide vanes 17. 1 and 6, an external gear 22 having external teeth on the outer periphery is attached to the shaft end (left side in FIG. 1) of each guide vane 17. Further, an internal gear 24 that meshes with each external gear 22 is integrally attached to the inner periphery of the guide ring 23 that is arranged so as to surround the external gear 22 of each guide vane 17. As shown in FIG. 1 and the like, the guide ring 23 is connected to a connecting rod 25 for transmitting movement from a servo mechanism (not shown). In the guide vane opening / closing means 21 having such a configuration, the guide ring 23 is rotationally displaced in the circumferential direction in accordance with the movement of the connecting rod 25, and the rotational displacement is transmitted through the internal gear 24 and the external gear 22. This is transmitted to the guide vanes 17 so that the opening and closing operations of the guide vanes 17 can be performed simultaneously.

また、本実施形態に係るフランシス水車1は、図2および図3に示すように、系統事故等により発電機8の負荷が解列した際、すなわち過度時に、流水w´を環状の導水管2からランナ7を経由せずにドラフト管18に排出するためのバイパス機構26を備えている。このバイパス機構26は、一端が環状の導水管2の外周壁2Bの一部に連結された第1バイパス管27と、該第1バイパス管の他端に導入口28Aが連結されたバイパス弁部28と、一端がバイパス弁部28の排出口28Bに連結されるとともに、他端がドラフト管18の一部に連結された第2バイパス管29とから構成されている。   Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the Francis turbine 1 according to the present embodiment is configured such that when the load of the generator 8 is disconnected due to a system fault or the like, that is, when the load is excessive, the flowing water w ′ is an annular conduit 2. A bypass mechanism 26 for discharging to the draft pipe 18 without passing through the runner 7 is provided. The bypass mechanism 26 includes a first bypass pipe 27 having one end connected to a part of the outer peripheral wall 2B of the annular water guide pipe 2, and a bypass valve portion having an introduction port 28A connected to the other end of the first bypass pipe. 28, and a second bypass pipe 29 having one end connected to the discharge port 28 </ b> B of the bypass valve portion 28 and the other end connected to a part of the draft pipe 18.

図7は、バイパス機構26のバイパス弁部28を示す要部断面図であり、図8は、その上面図である。なお、図7のバイパス弁部28では、説明しやすいように、導水口28Aを仮想的に90度回転して2点鎖線で示している(符号28A´)。図7において、バイパス弁部28は、ハンドル軸30の一端に取り付けられた手動ハンドル31と、ハンドル軸30の他端に取り付けられた吸着板32と、該吸着板32に磁力で吸着する電磁マグネット33と、該電磁マグネット33が一端に取り付けられたバルブ軸34と、該バルブ軸34の他端に取り付けられ、バイパス弁35を封鎖するためのバルブ36とを備えている。   FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part showing the bypass valve portion 28 of the bypass mechanism 26, and FIG. 8 is a top view thereof. In addition, in the bypass valve part 28 of FIG. 7, for easy explanation, the water inlet 28A is virtually rotated 90 degrees and indicated by a two-dot chain line (reference numeral 28A ′). In FIG. 7, the bypass valve unit 28 includes a manual handle 31 attached to one end of the handle shaft 30, a suction plate 32 attached to the other end of the handle shaft 30, and an electromagnetic magnet that is attracted to the suction plate 32 by magnetic force. 33, a valve shaft 34 to which the electromagnetic magnet 33 is attached at one end, and a valve 36 attached to the other end of the valve shaft 34 for blocking the bypass valve 35.

このような構成からなるバイパス弁部28では、系統事故等により発電機8の負荷が解列した際には、電磁マグネット33に供給されている電源が喪失される。この電磁マグネット33の解磁により、吸着板32から電磁マグネット33が切り離され、電磁マグネット33,バルブ軸34,およびバルブ36は、各部材の自重およびバルブ36にかかる水圧荷重によって図7下方に移動する。これにより、バルブ36によって封鎖されていたバイパス弁35が開口され、導水管2から第1バイパス管27を介して導入口28A(28A´)に導入された流水w´は、バイパス弁35を通過し、排出口28Bおよび第2バイパス管29を経由してドラフト管18に排出される。   In the bypass valve portion 28 having such a configuration, when the load of the generator 8 is disconnected due to a system fault or the like, the power supplied to the electromagnetic magnet 33 is lost. Due to the demagnetization of the electromagnetic magnet 33, the electromagnetic magnet 33 is separated from the suction plate 32, and the electromagnetic magnet 33, the valve shaft 34, and the valve 36 move downward in FIG. 7 due to the weight of each member and the hydraulic load applied to the valve 36. To do. Thereby, the bypass valve 35 blocked by the valve 36 is opened, and the running water w ′ introduced from the water guide pipe 2 to the inlet 28A (28A ′) through the first bypass pipe 27 passes through the bypass valve 35. Then, it is discharged to the draft pipe 18 via the discharge port 28B and the second bypass pipe 29.

一方、開口されたバイパス弁35を再度閉口する場合には、電磁マグネット33が励磁された後に、手動ハンドル31の回動により、吸着板32が電磁マグネット33の上面まで下げられる。そして、吸着板32と電磁マグネット33とが吸着したら、手動ハンドル31の回動により、吸着板32,電磁マグネット33,バルブ軸34,およびバルブ36が上方に引き上げられ、バイパス弁35は、バルブ36によって閉口される。   On the other hand, when the opened bypass valve 35 is closed again, the attracting plate 32 is lowered to the upper surface of the electromagnetic magnet 33 by the rotation of the manual handle 31 after the electromagnetic magnet 33 is excited. When the attracting plate 32 and the electromagnetic magnet 33 are attracted, the manual handle 31 is rotated to raise the attracting plate 32, the electromagnetic magnet 33, the valve shaft 34, and the valve 36 upward. Closed by.

以上のように、本実施形態に係る水力発電用フランシス水車1によると、ランナ7に流入される流水wの経路を、環状の導水管2と、該環状の導水管2の一端側に接続されたケーシング14とから構成した。これにより、従来の渦巻型ケーシングを備えたフランシス水車1よりも、径方向の省スペース化を図ることができる。   As described above, according to the Francis turbine 1 for hydroelectric power generation according to this embodiment, the path of the flowing water w flowing into the runner 7 is connected to the annular conduit 2 and one end side of the annular conduit 2. And a casing 14. Thereby, space saving of radial direction can be achieved rather than the Francis turbine 1 provided with the conventional spiral type casing.

また、本実施形態に係るフランシス水車1によると、環状の導水管2の内部空間3に水車主軸4を備え、該水車主軸4の回転エネルギを、動力伝達機構9を介して導水管2の外側に配された発電機8に伝達する構成にした。この構成により、フランシス水車1の軸方向における省スペース化を図ることができ、かつ、発電機8のサイズ変更や故障などが生じた場合に、簡単に発電機8を交換することができる。   Further, according to the Francis turbine 1 according to the present embodiment, the turbine main shaft 4 is provided in the internal space 3 of the annular water guide tube 2, and the rotational energy of the water turbine main shaft 4 is transferred to the outside of the water guide tube 2 via the power transmission mechanism 9. It was set as the structure transmitted to the generator 8 distribute | arranged to. With this configuration, space saving in the axial direction of the Francis turbine 1 can be achieved, and the generator 8 can be easily replaced when a size change or failure of the generator 8 occurs.

また、本実施形態に係るフランシス水車1によると、導水管2の内周壁2Aとケーシング14の内周壁14Aとの間にOリング15を介装し、この間に間隙Sを設けた。これにより、導水管2の外周壁2Bとケーシング14の外周壁14Bとのインロー接合が可能となり、容易に組み立てることができる。   Further, according to the Francis turbine 1 according to the present embodiment, the O-ring 15 is interposed between the inner peripheral wall 2A of the water conduit 2 and the inner peripheral wall 14A of the casing 14, and the gap S is provided therebetween. Thereby, the spigot joining of the outer peripheral wall 2B of the water conduit 2 and the outer peripheral wall 14B of the casing 14 becomes possible, and can be assembled easily.

また、本実施形態に係るフランシス水車1によると、水車主軸4とランナ7との取付部の構造を、水切部材20が水車主軸23に取り付けられた後に、ラビリンスシール19が水車主軸4に装着されるようにした。これにより、構造が簡素化され、ラビリンスシール19および水切部材20の取付工程が容易化され、製造コストを低減することができる。   Further, according to the Francis turbine 1 according to the present embodiment, the structure of the attachment portion between the turbine main shaft 4 and the runner 7 is configured such that the labyrinth seal 19 is attached to the turbine main shaft 4 after the draining member 20 is attached to the turbine main shaft 23. It was to so. Thereby, a structure is simplified, the attachment process of the labyrinth seal 19 and the draining member 20 is facilitated, and manufacturing cost can be reduced.

また、本実施形態に係るフランシス水車1によると、複数のガイドベーン17の水口開度を調整するためのガイドベーン開閉手段21が、コネクティングロッド25の動きに応じてガイドリング23を円周方向に回動変位し、その回動変位を内歯車24および外歯車22を介して各ガイドベーン17に伝達する構造になっている。これにより、各ガイドベーン17の開閉操作を一斉に行う開閉手段の構成を簡素化することができ、フランシス水車1の製造コストの低減を図ることができる。また、ガイドリング23とガイドベーン17とを連結する部材を省いたことにより、組み立て工数を削減することができるとともに、磨耗部品が削減され、装置寿命の延長化を図ることができる。   Further, according to the Francis turbine 1 according to the present embodiment, the guide vane opening / closing means 21 for adjusting the water opening of the plurality of guide vanes 17 moves the guide ring 23 in the circumferential direction according to the movement of the connecting rod 25. The structure is configured such that the rotational displacement is transmitted to each guide vane 17 via the internal gear 24 and the external gear 22. Thereby, the structure of the opening / closing means which performs the opening / closing operation | movement of each guide vane 17 simultaneously can be simplified, and the reduction of the manufacturing cost of the Francis turbine 1 can be aimed at. Further, since the member for connecting the guide ring 23 and the guide vane 17 is omitted, the number of assembling steps can be reduced, wear parts can be reduced, and the life of the apparatus can be extended.

さらに、本実施形態に係るフランシス水車1は、系統事故等により発電機8の負荷が解列した際に、流水w´を環状の導水管2からランナ7を経由せずにドラフト管18に排出するためのバイパス機構26を備えている。これにより、ランナ7の回転上昇に伴ってランナ7に流れ込む流水wが減少する現象が生じても、導水管2の流水w´をバイパス機構26を介してドラフト管18に逃がすことができるので、ランナ7の上流側の水圧上昇および断水の発生を防止することができる。   Further, the Francis turbine 1 according to the present embodiment discharges the running water w ′ from the annular conduit 2 to the draft tube 18 without passing through the runner 7 when the load of the generator 8 is disconnected due to a system fault or the like. A bypass mechanism 26 is provided. Thereby, even if the phenomenon that the flowing water w flowing into the runner 7 decreases with the rotation increase of the runner 7, the flowing water w ′ of the water guide pipe 2 can be released to the draft pipe 18 through the bypass mechanism 26. It is possible to prevent an increase in water pressure on the upstream side of the runner 7 and generation of water outage.

以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the meaning, it can change suitably.

本発明に係るフランシス水車は、水力発電に適用することができ、特に中高落差の水力発電の場合に有用である。   The Francis turbine according to the present invention can be applied to hydroelectric power generation, and is particularly useful in the case of medium to high-head hydroelectric power generation.

本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the Francis turbine for hydraulic power generation which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す側面図である。1 is a side view showing a Francis turbine for hydroelectric power generation according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す上面図である。1 is a top view showing a Francis turbine for hydroelectric power generation according to an embodiment of the present invention. 図1中のX領域を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows X area | region in FIG. 図1中のY領域を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the Y area | region in FIG. 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車のガイドベーン開閉手段を示す正面図である。It is a front view which shows the guide vane opening / closing means of the Francis turbine for hydropower generation which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車のバイパス機構のバイパス弁部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the bypass valve part of the bypass mechanism of the Francis turbine for hydropower generation concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車のバイパス機構のバイパス弁部を示す上面図である。It is a top view which shows the bypass valve part of the bypass mechanism of the Francis turbine for hydropower generation concerning the embodiment of the present invention. 従来のフランシス水車を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the conventional Francis turbine. 図9のガイドベーン開閉装置107を白矢印方向から見た矢視図である。It is the arrow directional view which looked at the guide vane opening / closing apparatus 107 of FIG. 9 from the white arrow direction.

符号の説明Explanation of symbols

1 フランシス水車
2 導水管
2A 内周壁
2B 外周壁
3 内部空間
4 水車主軸
5 軸受
6 軸受
7 ランナ
8 発電機
9 動力伝達機構
14 ケーシング
17 ガイドベーン
19 ラビリンスシール
20 水切部材
21 ガイドベーン開閉手段
22 外歯車
23 ガイドリング
24 内歯車
26 バイパス機構
27 第1バイパス管
28 バイパス弁部
29 第2バイパス管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Francis turbine 2 Water guide pipe 2A Inner peripheral wall 2B Outer peripheral wall 3 Internal space 4 Turbine spindle 5 Bearing 6 Bearing 7 Runner 8 Generator 9 Power transmission mechanism 14 Casing 17 Guide vane 19 Labyrinth seal 20 Drain member 21 Guide vane opening / closing means 22 External gear 23 Guide ring 24 Internal gear 26 Bypass mechanism 27 First bypass pipe 28 Bypass valve section 29 Second bypass pipe

Claims (1)

ケーシングより取り入れた流水を加速して前記ランナに導入する複数のガイドベーンの水口開度を調整するガイドベーン開閉手段を備えた水力発電用フランシス水車であって、
前記ガイドベーン開閉手段は、前記複数のガイドベーンに取り付けられた外歯車と、前記複数のガイドベーンを囲周するように配されたガイドリングと、該ガイドリングの内周に取り付けられた前記外歯車と噛合する内歯車とからなり、前記ガイドリングを回動変位することにより、前記複数のガイドベーンの水口開度を可変することを特徴とする水力発電用フランシス水車。
A Francis turbine for hydroelectric power generation comprising guide vane opening and closing means for adjusting the opening of a plurality of guide vanes that accelerates flowing water introduced from a casing and introduces it into the runner,
The guide vane opening / closing means includes an external gear attached to the plurality of guide vanes, a guide ring arranged so as to surround the plurality of guide vanes, and the outer ring attached to the inner periphery of the guide ring. A Francis turbine for hydroelectric power generation comprising an internal gear meshing with a gear, wherein the opening of the plurality of guide vanes is varied by rotationally displacing the guide ring.
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