JP2008175169A - フランシス型水車 - Google Patents

Abstract

【課題】非設計点で発生する２次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができる。
【解決手段】本発明のフランシス型水車は、クラウン９と、バンド１０と、クラウン９とバンド１０との間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部１８ｐと、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部１８ｑとを有する複数のランナ羽根１８とを備えている。ランナ羽根１８の側面には、ランナ羽根入口端部１８ｐからランナ羽根出口端部１８ｑ側に向かって延在する整流羽根１４が設けられている。ランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈとの関係は、０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非設計点で発生する２次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができるフランシス型水車に関する。

図８に示すように、フランシス型水車は、上池（図示せず）から水が流入するケーシング１と、一端が発電機７に連結され、回転自在に配置された主軸６と、ケーシング１内に配置され、ケーシング１内に流入する水を案内するガイドベーン３と、ケーシング１内であって、ガイドベーン３の上流側に配置されたステーベーン２と、主軸６の先端に連結され、ガイドベーン３からの水を受けて回転するランナ４とを備えている。また、図８に示すように、ケーシング１には、ランナ４を回転させた水を受けて下池（図示せず）へ排出する吸出し管５が連結されている。なお、ランナ４は、図８に示すように、クラウン９と、バンド１０と、クラウン９とバンド１０との間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部１８ｐと、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部１８ｑとを有する複数のランナ羽根１８とを備えている。

上述のような構成において、まず、上池（図示せず）からケーシング１内に、水が流入される。次に、ケーシング１内に流入された水が、ステーベーン２を経て、ガイドベーン３に達し、このガイドベーン３によってランナ４へと案内される。そして、ランナ４へ案内された水は、ランナ羽根１８を主軸６の周りで回転させて、発電機７を駆動し、電気を生成する。最後に、ランナ４を回転させた水は、吸出し管５を介して下池へ排出される。

上述のような水の流れにおいて、ガイドベーン３の開度を調整して、ランナ４内に流入する水の量を調整することによって発電量を調整する。このため、ランナ４内の水の流れは、運転状態（ガイドベーン３の開度）により大きく変化する。

図９（ａ）は、ランナ４内に流入される水量が、設計点（発電効率を最高にしたい点）にある場合におけるランナ４内の子午面流れを模式的に示したものであり、図９（ｂ）は、ランナ４内に流入される水量が、設計点における水量より少ない場合におけるランナ４内の子午面流れを模式的に示したものであり、図９（ｃ）は、ランナ４内に流入される水量が、設計点における水量より多い場合におけるランナ４内の子午面流れを模式的に示したものである。

ランナ４内における子午面流れは、ランナ４内に流入する水によって発生し、水を内周側に押し込もうとする動圧力Ｋと、ランナ４が回転することによって発生し、水を外周側に押し出そうとする遠心力Ｃのバランスにより決まる（図９（ａ）参照）。このため、図９（ｂ）に示すように、ランナ４内に流入される水量が設計点における水量より少ない場合では、遠心力Ｃが動圧力Ｋと比べて大きくなり、水の流れが外周側に偏る。このため、図９（ｂ）に示すように、水の流れない死水領域３３が、ランナ４の内周側に形成される。これに対して、図９（ｃ）に示すように、ランナ４内に流入される水量が設計点における水量より多い場合では、遠心力Ｃが動圧力Ｋと比べて小さくなり、水の流れが内周側に偏る。このため、図９（ｃ）に示すように、水の流れない死水領域３３が、ランナ４の外周側に形成される。このような偏った水の流れは、２次流れと呼ばれ、非設計点において、ランナ４内で発生する水力損失の主な原因となっている。

このような非設計点における２次流れを低減するために、図１０のように、ランナ羽根１８の側面に、ランナ羽根入口端部１８ｐからランナ羽根出口端部１８ｑ側に向かって延在するとともに、ランナ羽根１８の翼弦長より短い翼弦長の整流羽根１４を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１―３参照）。
特開昭５７−１２６５６６号公報 特開平８−２９６５４４号公報 特開２００５−１３３６９８号公報

しかしながら、整流羽根１４をランナ４のバンド１０近傍に取り付けたり、整流羽根１４の長さが不十分な場合には、水力効率が殆ど改善されず、整流羽根１４の取り付けによる製造コストだけが大きくなる事例が報告されている。これは、整流羽根１４の長さや整流羽根１４の配置位置が適正化されないと、２次流れを効果的に抑え水力損失を低減することは困難であることを示唆するものである。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、非設計点で発生する２次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができるフランシス型水車を提供することを目的とする。

本発明は、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離ｈとの関係が、０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３となることを特徴とするフランシス型水車である。

本発明は、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長Ｃと、整流羽根の翼弦長ｃとの関係が、０．７≦ｃ／Ｃとなることを特徴とするフランシス型水車である。

本発明によれば、ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離ｈの関係を調整したり、整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長Ｃと、整流羽根の翼弦長ｃとの関係を調整したりすることによって、非設計点で発生する２次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができる。

第１の実施の形態
以下、本発明に係るフランシス型水車の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図５（ａ）（ｂ）は本発明の第１の実施の形態を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態によるフランシス型水車は、上池（図示せず）から水が流入するケーシング１と、一端が発電機７に連結され、回転自在に配置された主軸６と、ケーシング１内に配置され、ケーシング１内に流入する水を案内するガイドベーン３と、ケーシング１内であって、ガイドベーン３の上流側に配置されたステーベーン２と、主軸６の先端に連結され、ガイドベーン３からの水を受けて回転するランナ４とを備えている。

また、図１に示すように、ケーシング１には、ランナ４を回転させた水を受けて下池（図示せず）へ排出する吸出し管５が連結されている。

このうちランナ４は、図１乃至図３に示すように、クラウン９と、バンド１０と、クラウン９とバンド１０との間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部１８ｐと、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部１８ｑとを有する複数のランナ羽根１８と、ランナ羽根１８の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部１８ｐからランナ羽根出口端部１８ｑ側に向かって延在する整流羽根１４とを備えている。なお、図２（ａ）（ｂ）に示すように、整流羽根１４は、互いに隣接するランナ羽根１８の間に設けられている。

なお、図２（ａ）は、本実施の形態によるフランシス型水車におけるランナ４の流線展開図を示し、図２（ｂ）は、本実施の形態によるフランシス型水車におけるランナ４の翼間流路図を示し、図３は、本実施の形態によるフランシス型水車におけるランナ４の子午面断面図を示している。

また、図３において、ランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈとの関係は、０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３となっている。

次に、このような構成からなる本実施の形態のフランシス型水車の作用効果について説明する。

最初に、流入される水の流れに沿って、本実施の形態におけるフランシス型水車の作用効果について説明する。

まず、上池（図示せず）からケーシング１内に、水が流入される（流入工程８１）（図１及び図４参照）。

次に、ケーシング１内に流入された水は、ステーベーン２を経て、ガイドベーン３に達し、このガイドベーン３によってランナ４へと案内される（案内工程８２）（図１及び図４参照）。このとき、操作者が、ガイドベーン３の開度を変化させることにより、ランナ４内に流入する水の量を変化させて、フランシス型水車で生成される電気の量を調整することができる。

そして、ランナ４へ案内された水は、ランナ４のランナ羽根１８を主軸６の周りで回転させる（ランナ回転工程８３）。このとき、主軸６に連結された発電機７が駆動され、電気が生成される（発電工程８４）（図１及び図４参照）。なお、このように水がランナ４内に流入し、ランナ羽根１８を主軸６の周りで回転させる際に（ランナ回転工程８３で）、水の２次流れが発生する。

最後に、ランナ４を回転させた水は、吸出し管５を介して下池（図示せず）へ排出される（排出工程８４）（図１及び図４参照）。

次に、上述したように、ランナ羽根１８を主軸６の周りで回転させる際に（ランナ回転工程８３で）発生する２次流れを低減するための構成について説明する。

ランナ羽根１８を主軸６の周りで回転させる際に（ランナ回転工程８３で）発生する２次流れのうち、外周側の２次流れは、整流羽根１４をランナ羽根１８のバンド１０側に配置することによって低減することができる。他方、内周側の２次流れは、整流羽根１４をランナ羽根１８のクラウン９側に配置することによって低減することができる。このように、整流羽根１４をランナ羽根１８のいずれの位置に配置するかによって、２次流を低減する効果が異なるため、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈを、ランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈで割ったｈ／Ｈには、適正値が存在することがわかる。

図５（ａ）に、整流羽根１４を備えたフランシス型水車と、整流羽根１４を備えていないフランシス型水車に関して、ランナ４内に流入する水量と、水力損失との関係を示す。また、図５（ｂ）に、代表的水量運転点（６０％水量運転点、８０％水量運転点、１００％水量運転点）に関して、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈをランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈで割ったｈ／Ｈと、水力損失低下量ΔＬとの関係を示す。

なお、水力損失低下量ΔＬは、整流羽根１４を備えていないフランシス型水車における水力損失Ｌ０から、整流羽根１４を備えたフランシス型水車における水力損失Ｌ１を引いたＬ０―Ｌ１で定義される。すなわち、ΔＬ＝Ｌ０―Ｌ１となる。

図５（ｂ）より、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈを、ランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈで割ったｈ／Ｈが、０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３の関係を満たすときに、水力損失低下量ΔＬが大きくなっていることがわかる。このため、本実施の形態のように、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈを、ランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈで割ったｈ／Ｈが、０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３となるような整流羽根１４を、ランナ羽根１８の側面に設けることによって、非設計点で発生する２次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができる。

なお、図５（ｂ）から、数値限定の内（０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３）と、数値限定の外（ｈ／Ｈ＜０．１及びｈ／Ｈ＞０．３）で量的に顕著な差異があることは明らかである。

第２の実施の形態
次に図６及び図７（ａ）（ｂ）により本発明の第２の実施の形態について説明する。図６及び図７（ａ）（ｂ）に示す第２の実施の形態は、ランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈとの関係が、０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３となるような整流羽根１４を、ランナ羽根１８の側面に設ける代わりに、整流羽根１４の取付位置におけるランナ羽根１８の翼弦長Ｃと、整流羽根１４の翼弦長ｃとの関係が、０．７≦ｃ／Ｃとなるような整流羽根１４を、ランナ羽根１８の側面に設けたものであり、他は図１乃至図５（ａ）（ｂ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図６及び図７（ａ）（ｂ）に示す第２の実施の形態において、図１乃至図５（ａ）（ｂ）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は省略する。なお、図６は、本実施の形態によるフランシス型水車の子午面断面図を示している。

一般的に、ランナ羽根１８の翼弦長Ｃに対して整流羽根１４の翼弦長ｃが小さいと、整流羽根１４がランナ羽根１８に対してアンバランスになり、このようなアンバランスによって発生する水力損失が、整流羽根１４による整流作用によって低減される水力損失と比べて大きくなってしまう。このため、ランナ４内における子午面流れの偏りを十分に低減することできず、水の２次流れが発生してしまう。従って、整流羽根１４の翼弦長ｃは、ランナ羽根１８の翼弦長Ｃに対して、ある程度大きくなっている必要がある。

図７（ａ）に、整流羽根１４を備えたフランシス型水車と、整流羽根１４を備えていないフランシス型水車に関して、ランナ４内に流入する水量と、水力損失との関係を示す。また、図７（ｂ）に、代表的水量運転点（６０％水量運転点、８０％水量運転点、１００％水量運転点）に関して、整流羽根１４の翼弦長ｃを、整流羽根１４の取付位置におけるランナ羽根１８の翼弦長Ｃで割ったｃ／Ｃと、水力損失低下量ΔＬとの関係を示す。

図７（ｂ）より、整流羽根１４の翼弦長ｃを、整流羽根１４の取付位置におけるランナ羽根１８の翼弦長Ｃで割ったｃ／Ｃが、０．７≦ｃ／Ｃの関係を満たすときに、水力損失低下量ΔＬが大きくなっていることがわかる。このため、本実施の形態のように、整流羽根１４の翼弦長ｃを、整流羽根１４の取付位置におけるランナ羽根１８の翼弦長Ｃで割ったｃ／Ｃが、０．７≦ｃ／Ｃとなるような翼弦長の整流羽根１４を、ランナ羽根１８に側面に設けることによって、非設計点で発生する２次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができる。

なお、図７（ｂ）から、数値限定の内（０．７≦ｃ／Ｃ）と、数値限定の外（ｃ／Ｃ＜０．７）で量的に顕著な差異があることは明らかである。

なお、上記では、第１の実施の形態と、第２の実施の形態を別個に説明したが、上述した第１の実施の形態で示した態様と、第２の実施の形態で示した態様とを組み合わせたフランシス型水車を用いることもできる。

すなわち、ランナ羽根入口端部１８ｐにおけるランナ羽根１８の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部１８ｐにおける整流羽根１４のクラウン９からの高さ方向の距離ｈとの関係が、０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３となり、かつ整流羽根１４の取付位置におけるランナ羽根１８の翼弦長Ｃと、整流羽根１４の翼弦長ｃとの関係が、０．７≦ｃ／Ｃとなるような整流羽根１４を、ランナ羽根１８の側面に設けることもできる。

このようなフランシス型水車によれば、非設計点で発生する２次流れによる水力損失発生を、さらに効率よく抑制することができる。

本発明によるフランシス型水車の第１の実施の形態を示す縦断面図。 本発明の第１の実施の形態によるフランシス型水車におけるランナを示す流線展開図及び翼間流路図。 本発明の第１の実施の形態によるフランシス型水車におけるランナの子午面断面図。 本発明によるフランシス型水車の作用効果を説明するフロー図。 本発明によるフランシス型水車の第１の実施の形態における水量と水力損失、及びｈ／Ｈと水力損失低下量ΔＬとの関係を示すグラフ図。 本発明の第２の実施の形態によるフランシス型水車におけるランナの子午面断面図。 本発明によるフランシス型水車の第２の実施の形態における水量と水力損失、及びｈ／Ｈと水力損失低下量ΔＬとの関係を示すグラフ図。 従来のフランシス型水車を示す縦断面図。 従来のフランシス型水車において、ランナ内に流入する水量の違いによる子午面流れの違いを示した模式図。 整流羽根を備えた従来のフランシス型水車を示す縦断面図。

符号の説明

１ ケーシング
２ ステーベーン
３ ガイドベーン
４ ランナ
６ 主軸
７ 発電機
９ クラウン
１０ バンド
１４ 整流羽根
１８ ランナ羽根
１８ｐ ランナ羽根入口端部
１８ｑ ランナ羽根出口端部
Ｈ ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法
ｈ ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離
Ｃ 整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長
ｃ 整流羽根の翼弦長
Ｋ ランナ内に流入する水による動圧力
Ｃ ランナが回転することによる遠心力

Claims (3)

1. クラウンと、
   バンドと、
   クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、
   ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、
   ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離ｈとの関係は、
   ０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３
   となることを特徴とするフランシス型水車。
2. クラウンと、
   バンドと、
   クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、
   ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、
   整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長Ｃと、整流羽根の翼弦長ｃとの関係は、
   ０．７≦ｃ／Ｃ
   となることを特徴とするフランシス型水車。
3. ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法Ｈと、ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離ｈとの関係は、
   ０．１≦ｈ／Ｈ≦０．３
   となることを特徴とする請求項２記載のフランシス型水車。

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