JP2008057412A - 水力機械及び水力機械用ステーリング - Google Patents

Abstract

【課題】複数個のステーベーンと相対向する上ステーリングと下ステーリングからなる流路で、しかも上ステーリングと下ステーリングによる流路の子午面形状が非平行である流路において、流路の急縮小または急拡大を緩和し、流れの乱れを少なくすることにより、効率向上を図る。
【解決手段】複数個のステーベーン２と相対向する上ステーリング３と下ステーリング４からなる流路で、しかも上ステーリング３と下ステーリング４による流路の子午面形状が非平行である流路において、流路の急縮小または急拡大を緩和させるために一部のステーベーン間において上ステーリング３または下ステーリング４または両方にフローガイド１２ａ又は１２ｂを設ける。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、水力機械及び水力機械用ステーリングに係り、特に、水車やポンプ水車などの水力機械における、ステーベーンおよび上ステーリングおよび下ステーリングから形成される流路での流れが過増速または過減速となる水力機械及び水力機械用ステーリングに関する。

近年、既設水力発電所の改修により発電効率または揚水効率の向上が重要な課題となっている。なかでも、改修費用を低く抑えながらも効率を向上させることが大きな課題のひとつとなっている。

水車やポンプ水車などの水力機械における、ステーベーンおよび上ステーリングおよび下ステーリングから形成される流路の流れを改善するものとして、特許文献１に記載のように、ステーベーンからの流れの剥離を防止する板を、ステーベーン間の上ステーリングおよび下ステーリングの対向内面に設けたものがある。

実公昭６３−２７０９７号公報

既設の発電所では、例えば、図１に示すようなフランシス型ポンプ水車が用いられている。この既設のポンプ水車では、上ステーリング３と下ステーリング４との間には複数個のステーベーン２が設けられ、上下ステーリング３，４と隣り合うステーベーン２によって流路が形成される。この流路は、発電運転の場合は流れを増速させるインデューサとして、揚水運転の場合は流れを減速させるディフューザとしての働きが要求される。

そこで、インデューサまたはディフューザとしての機能を与えるため、図２に示すように、上ステーリング３と下ステーリング４からなる流路の子午面形状について、ステーベーン高さ９がステーベーン高さ１０より大きくした形状が採用されている。また、図３に示すように、ステーベーン２ａ及びステーベーン２ｂに挟まれた流路の翼間クリアランス１１ａが翼間クリアランス１１ｂより大きくすることにより、ステーベーン間で縮小流路または拡大流路となる形状が採用されている。

一般に、流れが縮小または拡大した場合、流れは増速または減速するが、縮小または拡大が急激に行われた場合、その部分で流れが乱れ効率低下を招くことになる。

上ステーリング３と下ステーリング４からなる流路の子午面形状について、図２に示すようなベルマウス型が採用されている場合、流路が急縮小または急拡大となっていることが多く、流れが乱れ、効率低下の原因となっている。

しかし、既設発電所のケーシングやステーリング等はコンクリート等により周囲が覆われていることから、既設発電所の水車におけるステーベーンと上ステーリングと下ステーリングからなる流路の流れを改善しようとすることは従来考えられていなかった。

なお、特許文献１では、ステーベーンおよび上ステーリングおよび下ステーリングから形成される流路での流れが過増速または過減速となる水力機械における流れの改善を図ることを目的としていない。

本発明の目的は、ステーベーンおよび上ステーリングおよび下ステーリングから形成される流路での流れが過増速または過減速となる既設の水力機械における流れの改善を図り、効率向上を図ることを目的とする。

本発明は、複数個のステーベーンと相対向する上ステーリングと下ステーリングからなる流路で、しかも上ステーリングと下ステーリングによる流路の子午面形状が非平行である流路（流れが過増速または過減速となる流路。例えば、ベルマウス型の流路。）を有する既設の水力機械において、一部のステーベーン間における上ステーリングまたは下ステーリングまたは両方に、流路の急縮小または急拡大を緩和するフローガイドを追設したものである。

本発明のフローガイドを、上ステーリング及び下ステーリング及びステーベーンにより形成される流路に追設することにより、流体の通過断面積の変化が緩やかになる。その結果、流れの急縮小または急拡大が緩和され、流れの乱れが減少し、水力効率が向上する。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明が適用される水力機械の一例として、フランシス型ポンプ水車の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、図示しない上池から導水する鉄管に接続されたケーシング１の内周部には上ステーリング３と下ステーリング４が設けられている。上ステーリング３と下ステーリング４の間には円形翼列をなすように配設されたステーベーン２が設けられている。このステーベーン２の内周側には、上カバー６と下カバー７との間の流路に挟持されたガイドベーン５が設けられている。また、主軸の下端部に取付けられたランナ８と、ランナ８からの水流を図示しない下池に導く吸出し管等で設けられている。また、ケーシングやステーリング等はコンクリート等により周囲が覆われている。

このような水車では、発電方向の運転の場合、ケーシングに導水された高圧水はステーベーンを経て、流量調節するガイドベーンを通してランナに向かって流れ、エネルギ授受を行ったのち、吸出し管へ流出される。また揚水運転の場合、水流は吸出し管からランナによって揚水をし、流量調節するガイドベーンを通して、ステーベーンを経てケーシングに流れ出る。

ここで、上記のようなケーシングからランナへ流入する、もしくはランナからケーシングへ流出する流体に対して増速もしくは減速させるために、複数のステーベーン及び上ステーリング及び下ステーリングにより形成される流路が設けられている。一般的には、図２に示すようなベルマウス型の流路が採用されている。この流路部において、図２に示すように、ステーベーン高さ９がステーベーン高さ１０より大きい場合、増速もしくは減速が特に大きくなり、流れが乱れ易く、流れが乱れた場合には水力効率が低下することになる。本発明では、以下に述べるような構成により、既設発電所の水車等の流れを改善し、水車効率を向上させるものである。

図４ａに本発明の一実施例を示す。図４ａの実施例では、ステーベーン２及び上ステーリング３及び下ステーリング４により形成される流路において、拡大もしくは縮小を低減するために、上ステーリング３にフローガイド１２ａを設けたものである。フローガイド１２ａによりステーベーン高さ９は、修正ステーベーン高さ１３に縮小されるが、修正ステーベーン高さ１３はステーベーン高さ１０より小さくならないようにしている（他の実施例でも同様）。

この実施例によれば、流路の拡大もしくは縮小は低減され、流れの増速もしくは減速が抑えられる。その結果、流れが乱れにくくなり、水力効率が向上する。

図４ｂに本発明の他の実施例を示す。この実施例では、下ステーリング４にフローガイド１２ｂを設けることにより、図４ａに記載の実施例と同じ効果を得るようにしたものである。

図４ｃに本発明の他の実施例を示す。この実施例では、フローガイド１２ａ及びフローガイド１２ｂの両方をそれぞれ上ステーリング３及び下ステーリング４に設けることにより、図４ａまたは図４ｂに記載の実施例よりも効果的に流路の拡大もしくは縮小は低減させ、流れの増速もしくは減速を抑えることができるようにしたものである。

上述の実施例において、フローガイドは、図５に示すように、ステーベーン間包絡線
（内側包絡線）１４ａ及びステーベーン間包絡線（外側包絡線）１４ｂ及び互いに隣合うステーベーンにより囲まれた翼間領域１５に設けられる。図７は、一例として、翼間領域１５の全域にフローガイド１２ｂが設けられている様子を示すものである。

また、上述の実施例において、フローガイドを設置するステーベーン間は一箇所のみならず、任意の複数箇所であっても良い。即ち、図５に示す例では、フローガイドを４番目の翼列間に設置している例を示しているが、このように、ステーベーンの翼列間の一部にフローガイドを設置しても良いし全体に設置しても良い。一般に、ケーシングからランナへ若しくはランナからケーシングへの流れには偏りがあることから、全周で各流路を流れる水流が均一とはなっていないので、流速を計測若しくは流れ解析等により流水の偏りを分析して、より均一となるようにフローガイドを設置する翼列間を決めるのが望ましい。また、上ステーリングと下ステーリングによる流路の子午面形状が全周に渡り同一ではないと言える。

図６及び図７に、フローガイドの固定方法の一例を示す。ケーシング１の外周側に設けられているメンテナンス用のマンホール（図示省略）から作業員が入り、フローガイドを追設する。フローガイドはステーリングおよびステーベーンと溶接またはボルトにて固定される。ステーベーンがステーリングと溶接にて接続されている場合であって、フローガイドを溶接する場合、フローガイド取付の溶接線がステーベーンとステーリングとの間の溶接線と交差しないようにしている。

フローガイド、ステーリングおよびステーベーンにより形成される部分が空間となる場合、フローガイドおよび取付部周辺の損傷やフローガイドの流出を防止するため、空間部分にセメントや樹脂を充填するのが望ましい。

本発明が適用される水力機械の一例であるフランシス型ポンプ水車の概略構成を表す図。 上下ステーリングより形成される流路の子午断面形状を示す図。 ステーベーンの翼間クリアランスを表す図。 本発明の一実施例のフローガイドの設置例を示す図。 本発明の一実施例のフローガイドの設置例を示す図。 本発明の一実施例のフローガイドの設置例を示す図。 本発明の一実施例のフローガイドの設置例を示す図。 本発明の一実施例のフローガイドの取り付け方法を示す図。 本発明の一実施例のフローガイドの取り付け方法を示す斜視図。

符号の説明

１…ケーシング、２、２ａ，２ｂ…ステーベーン、３…上ステーリング、４…下ステーリング、５…ガイドベーン、６…上カバー、７…下カバー、８…ランナ、１１ａ，１１ｂ…翼間クリアランス、１２ａ，１２ｂ…フローガイド、１３…修正ステーベーン高さ、１４ａ，１４ｂ…ステーベーン間包絡線、１５…翼間領域（フローガイド設置範囲）。

Claims (4)

1. ケーシング、ステーリング、ガイドベーン、ランナ、上下カバー、該上下カバーにより形成される流路、該流路に設けられたガイドベーンを有する水力機械において、
   前記ステーリングは、複数個のステーベーン、上ステーリング、下ステーリングにより構成され、隣り合うステーベーンと上下ステーリングで形成される流路の原形状がベルマウス型の形状で構成されており、
   前記流路における流体の通過断面積の変化が緩やかになるようなフローガイドを前記上ステーリング又は前記下ステーリングに追設したことを特徴とする水力機械。
2. 互いに隣合うステーベーンと相対向する上ステーリングと下ステーリングからなる流路を有する水力機械用ステーリングであって、前記上ステーリングと前記下ステーリングによる流路の子午面形状が非平行である流路を有する水力機械用ステーリングにおいて、前記ステーベーン間において前記上ステーリングまたは前記下ステーリングまたは両方にフローガイドを設けたことを特徴とする水力機械用ステーリング。
3. 請求項２において、前記フローガイドが配置される領域は、前記複数のステーベーンからなる内側包絡線及び外側包絡線と互いに隣合う前記ステーベーンにより囲まれた領域であることを特徴とする水力機械用ステーリング。
4. 請求項２又は３において、前記フローガイドの設置数は複数であることを特徴とする水力機械用ステーリング。
   

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