JP2010043609A - Runner structure of hydraulic machinery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水力機械のランナ構造に関し、特に、ランナの下流側にランナコーンが取り付けられた水力機械のランナ構造に関する。 The present invention relates to a runner structure of a hydraulic machine, and more particularly to a runner structure of a hydraulic machine in which a runner cone is attached to the downstream side of the runner.
水力機械のランナは、上流から流れ入る水のエネルギーにより回転してこのときに発生する動力をランナ上部にある発電機に伝達して発電するための原動機である。高落差から中落差での使用に適している従来のフランシス型水車のランナ構造を図8を用いて説明する(特許文献1)。 The runner of the hydraulic machine is a prime mover for generating electric power by rotating the energy generated by the water flowing in from upstream and transmitting the power generated at this time to the generator at the top of the runner. A runner structure of a conventional Francis type turbine suitable for use from a high head to a medium head will be described with reference to FIG. 8 (Patent Document 1).
フランシス型水車のランナ1は主軸2より発電機に動力を伝達する。図示していない上池からの水はケーシング3に導かれステーベン4、ガイドベーン5で整流されランナ1に流入する。ランナ1から流出する水は上部吸出し管6に流入し、吸出し管を経て下池へと流出する。
The
このランナ1は、水流を受けるランナ羽根1a、ランナ羽根1aを支持固定し動力伝達するための主軸2を連結するためのランナクラウン1b、ランナ羽根1aを外側で締結するためのランナバンド1c、ランナクラウン1bから下部につながるランナコーン1dから構成される。最近ではこれらの構成部材を全て個別に製作し溶接により一体化されることが一般化してきている。
The
ここで、ランナクラウン1bとランナコ−ン1dについて、詳しく説明する。
ランナクラウン1bは内側に主軸、外側にランナ羽根1aを固定するために円錐台のような形状で、ランナ羽根1aの大きさに対して内径・外径とも十分な大きさを有しており、この外側面に沿ってランナ羽根1aが接合され、径の大きい上部から径の小さい下部に対して水が流れ、この流水がスムーズに流れ損失が発生しないように滑らかに形成される。
Here, the
The
しかしながらランナクラウン1bの終点である最下端部では、流路が寸断され急激な流路形状が変化することから、流路急拡大に伴う流水の損失が増大することになる。一般的には、この損失を防ぐために、ランナクラウン1bの下端面にランナコーン1dと呼ばれる流路形状を滑らかに延長するための部材を取り付けて、ランナ1から出た水をスムーズに上部吸出し管へと導いている。
However, at the lowermost end, which is the end point of the
このランナコーン1dはある程度の長さを持ち、その先端は限りなく主軸中心部まで伸ばすことがランナ1内を流れる水の損失を低減する有効策となるが、ランナコーン1bはランナ1と一緒に回転運動をすることから、その形状・長さは制約を受け、特に、長さについては長ければ長いほど回転体としての安定性の観点からは高リスクとなる。このため、ランナコーン1bは、回転運動に支障をきたさないように下部に平面部を設けた円錐台が一般的であり(特許文献1)、性能と製造コストとの兼ね合いで適度な長さ、適切な形状が選択される。
上述した従来のフランシス型水車のランナ1に発生する現象と問題点について説明する。
一般的にフランシス型水車は、設計点から離れた運転点となる部分負荷運転点及び過負荷運転点ではランナ1の中心部にホワールと呼ばれるロープ状の渦が発生する。このホワールはランナ1の回転にあわせて振れまわり、吸出し管内部の圧力に変動を起こしたり、このホワールが下流へと伸びて吸出し管壁面に衝突した際に騒音・振動などを発生させ水車の運転に支障をきたすことがよくあり、この現象を回避するための対策を講じることが重要となる。
A phenomenon and problems occurring in the
In general, in a Francis type turbine, a rope-like vortex called a whirl is generated at the center of the
このホワールの発生メカニズムについて説明する。
ランナ1から出た水は、設計点では回転方向の速度を持たないいわゆる無旋回流として上部吸出し管内へと流れるようにランナ羽根の形状が設計される。一方、非設計点ではこのランナ1の回転速度とランナ1内の水の速度のバランスが崩れ、ランナ出口の旋回速度成分が支配的となるためにホワールが発生する。このホワールの大きさは旋回速度成分の大きさに依存し、設計点から離れるほど旋回速度成分が増加することから振れまわりが大きくなる。
The generation mechanism of this whirl will be described.
The shape of the runner blades is designed so that the water discharged from the
また、部分負荷のような運転点では設計点に対して相対的にランナ1内を流れる水量が減少することから、ランナ1の回転による遠心力作用により、ランナ1の内側に対して外側を流れる水の量が増加するために、このホワールは太い頑強な形相を示す。このホワールはランナ1の羽根出口であるランナクラウン1bの下端部がその基点となる。
In addition, since the amount of water flowing in the
したがって、ランナコーン1dの大きさ、ランナコーン1dの流水面形状がホワールの発達を左右することになる。特殊な水車として、一台のランナ1の上部にさらにもう一台のランナを有するタンデム型水車の場合は、ランナとランナの間に貫通主軸が存在するが、この場合はホワールが発達しないことが知見されており、ランナ1の中心部の形状によりホワールの発達が回避されることを示している。
Accordingly, the size of the
このようにランナコーン1dの形状によってホワール発達を抑制できることは可能であるが、従来のランナ構造では、ランナコーン1dはランナ1と共に高速で回転運動をすることから、その形状は自由に設計できるものではなく、ランナコーン1dそのものの形状でホワール増幅を抑制する対策を講じることは困難であった。
Although it is possible to suppress the development of the whirl by the shape of the
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ランナコーンの形状を自由に設計することを可能とするとともに、ホワールの発生・発達を抑制できるランナ構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a runner structure that can freely design the shape of a runner cone and can suppress the generation and development of a whirl.
上記目的を達成するために、本発明に係る水力機械のランナ構造は、主軸、ランナ羽根、ランナクラウン、ランナバーン及びランナコーンからなる水力機械のランナ構造において、前記ランナコーンは前記ランナクラウンの中心部又は前記主軸に回転トルクが伝達されない連結手段により締結されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the runner structure of a hydraulic machine according to the present invention is a runner structure of a hydraulic machine comprising a main shaft, a runner blade, a runner crown, a runner barn, and a runner cone, wherein the runner cone is a central portion of the runner crown or the runner crown The main shaft is fastened by a connecting means that does not transmit rotational torque.
本発明によれば、ランナコーンをランナクラウンの中心部又は主軸に回転トルクが伝達されない連結手段により締結することにより、ランナコーンの形状を自由に設計することが可能となり、これによりホワールの発生、発達を抑制するとともに、ホワールによる振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができるランナ構造を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to freely design the shape of the runner cone by fastening the runner cone to the central portion or the main shaft of the runner crown by a connecting means that does not transmit rotational torque. It is possible to provide a runner structure that can suppress the generation of vibration noise and pressure pulsation due to the whirl.
本発明に係る水力機械のランナ構造の実施形態を、図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るランナ構造の全体構成図である。
An embodiment of a runner structure for a hydraulic machine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a runner structure according to a first embodiment of the present invention.
本第1の実施形態に係るランナコーン1dは、円錐形状をしており、その下端側の断面形状は真円形状である。本実施形態では、ランナクラウン1bとランナコーン1dの締結を従来の溶接もしくはボルト締結のような両者を一体構造化するのではなく、ランナクラウン1bの中心部もしくは主軸2の端部からランナコーン1dを支持するものである。
The
ランナクラウン1bの中心部にはランナ1で発生した動力を上部の発電機に伝達するための主軸2が接続される。このランナクラウン1bの中心部下部あるいは主軸2の下端部と、ランナコーン1dとを、例えば、自在継ぎ手7を有する連結金具8からなる連結手段によって締結する。この連結手段は、軸方向力は伝達するが回転力は伝達しないものであり、一般的なスラスト軸受けのようなものであって、ランナコーン1dの重量を支えるだけの容量が必要である。
A
また、ランナクラウン1bの下端とランナコーン1dの上端部には両者が接触しないような十分な隙間9を設けている。
A
この構成により、ランナ1が水の力により回転運動した際に、ランナコーン1dにはこの回転運動が伝わらない。すなわち、ランナコーン1dは、ランナ1と一緒に回転運動をすることがないことから、ランナコーン1dは自由度の高い設計が可能となり、また、ランナコーン1dの回転に起因するホワールの加速・増幅を抑制することができる。
With this configuration, when the
本第1の実施形態によれば、ランナ1の回転運動に対してランナコーン1dは同調せず、非回転体となることから、ランナコーン1dの形状を自由に設計することが可能となるとともに、従来のように、ランナ1の中心部で発生したホワールをランナコーン1dの回転によって加速・増幅することがなくなり、ホワールによる振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができる。
According to the first embodiment, the
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態に係るランナ構造を図2、3を用いて説明する。
本第2の実施形態に係るランナコーン1dは、その下端側の断面形状を真円ではなく、例えば多角形からなる非円形状としている。
[Second Embodiment]
Next, a runner structure according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the
また、この変形例として、図3に示すように、図1又は図2に示すランナコーン1dの下流側の両側面を切り落とし、両側に平面部を形成した非円形状のランナコーン1dとしてもよい。
非円形形状のランナコーン1dの作用について説明する。
As a modification, as shown in FIG. 3, a
The operation of the
ホワールはランナ1から流出する流れによって発生するものであり、その挙動は運転条件により変化するものであるが、運転中のランナ1から流出する流れは周期性があり安定したものと捉えることができる。つまり、運転条件が変化しなければホワールもある周期を持って安定した回転運動をしながら下流に流れ去るものである。
The whirl is generated by the flow flowing out of the
そこで、ランナコーン1dの形状を非円形とし抵抗体のような役割を担わせることでホワールの振れまわり力を抑制するものである。
Therefore, the whirling force of the whirl is suppressed by making the shape of the
図2の例ではランナコーンの下端付近の断面形状を六角形としたものであるが、製造面、施工性を考慮して六角形以外の多角形としてもよい。 In the example of FIG. 2, the cross-sectional shape near the lower end of the runner cone is a hexagon, but a polygon other than a hexagon may be used in consideration of the manufacturing surface and workability.
また、図3に示すように、ランナコーン1dの両側を切り落として平面部を設けることで抵抗体としての効力を高めることでホワールの増幅を防止することも有効である。
Further, as shown in FIG. 3, it is also effective to prevent the amplification of the whirl by increasing the effectiveness as a resistor by cutting off both sides of the
本第2の実施形態によれば、ランナコーン1dは、ランナ1の回転運動に対して同調せず、非回転体であり、かつ、ランナコーン1dの形状が非円形であることから、ホワールが発生してもこの振れまわり力を増幅することがないためにホワールによる振動騒音・圧力脈動の発生をさらに低減することができる。
According to the second embodiment, the
[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態に係るランナ構造を図4、図5を用いて説明する。
本第3の実施形態に係るランナコーン1dは、ランナコーン1dの最下端位置Lkをランナバンド1cの下端位置Lより十分に下流まで延長したものである。すなわち、ランナコーン1dと上部吸出し管6との間に形成される流路の面積をスムーズに変化させるために、ランナコーン1dの最底部位置を少なくともランナバンド1cの下端位置より下流に延長させ、このランナコーン1dの外形形状を上部吸出し管の形状にあわせて調整する。
[Third Embodiment]
Next, a runner structure according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The
なお、ランナコーン1dの全体長を長くすることによりランナコーン全体が不安定になることが予想されるが、この場合は図5に示すようにランナコーン1dの下流側部分から上部吸出し管に向かって複数の支持部材10を取り付けることでその機能性を失わずに安定性を向上させることが可能である。このランナコーン1dの支持部材10はランナコーン1dの振れまわり防止が主目的であり、3本以上が望ましい。
Note that it is expected that the
このようにランナコーン1dを回転させない構造とすることで、ランナコーン1dを長いものとすることが可能となる。一方、ランナ1で損失を発生させる要因として大きな比率を占めるのはランナ1から流れ出た直後であるランナコーン1dと上部吸出し管6で囲まれる領域の面積変化である。この面積がスムーズに変化することが重要であるが、従来のようなランナコーン1dが回転するランナ構造では、ランナコーン1dにより流路面積を調整することは不可能であり損失増大を引き起こしていた。
By adopting a structure in which the
そこで、本実施形態では、非回転体であるランナコーン1dの形状によって面積変化を調整できるようにランナコーン1dの長さLkを最低でもランナバンド1cの高さL値より大きくするようにしたものである。
Therefore, in the present embodiment, the length Lk of the
図4に示す例では、ランナコーン1dの形状がDR部を境界に2段階に変化しているが、これに限定されず、ランナバンド1c及び上部吸出し管6の位置形状を踏まえて、適切な面積変化を達成するような種々の形状のランナコーン1dを設計することが可能である。
In the example shown in FIG. 4, the shape of the
本第3の実施形態によれば、ランナコーン1dの最底部位置を少なくともランナバンド1cの下端位置より下流に延長させるとともに、支持部材10により安定的に支持し、ランナコーン1dの形状を適切に調整することにより、ランナ出口から吸出し管6までの面積変化を適切なものにすることができるので、ランナ内の流れに発生する損失を低減することができる。
According to the third embodiment, the bottommost position of the
また、運転中にはこのランナコーン1dが完全にホワール内に納まるのでホワールの振れまわり抑制に対しても十分に効果が発揮できるために、高効率で安定した水車運転が実現できる。
Further, since the
[第4の実施形態]
本発明の第4の実施形態に係るランナ構造を図6(a)を用いて説明する。
本第4の実施形態は、ランナコーン1dを支える支持部材10内部を中空構造として、上部吸出し管6の外部と連通するものである。具体的には、中空の支持部材10を上部吸出し管6の外部に設けた配管と連通し、外部からの空気をこの中空支持部材10の内部の中空部11を通してランナコーン1d内部へと導き、さらにランナクラウン1bとランナコーン1dの境界部の隙間9からランナ下流の流水路にこの空気を注入するものである。
[Fourth Embodiment]
A runner structure according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the fourth embodiment, the inside of the
また、上部吸出し管6の外側の配管にバルブ12を設け、必要に応じてこのバルブ12を開閉することにより、ランナコーン1dへ空気を供給する。バルブ12は、水車の運転条件に連動させた自動制御方式、又は水車運転中は常時開とする制御方式、等により、その開閉が制御される。
Further, a
本第4の実施形態の作用について説明する。
ランナ中心部にはホワールが発生しこのホワールは運転条件によって大きく振れまわったり小さく振れまわったりする。注入される空気の密度が小さいこと、及びホワールの発生しているランナ中心部の圧力は周囲の圧力よりも低いことから、ランナ中心付近で注入された空気は中心部に集まり、次第にホワール内部に浸透しホワール内の圧力を高める作用が生じる。これにより強い旋回力で振れまわっていたホワールは傘型の安定した形相に変化する。
The operation of the fourth embodiment will be described.
A whirl is generated in the center of the runner, and this whirl is swung greatly or slightly depending on the driving conditions. Since the density of the injected air is small and the pressure at the center of the runner where the whirl is generated is lower than the surrounding pressure, the air injected near the center of the runner gathers in the center and gradually enters the interior of the whirl. It works to penetrate and increase the pressure in the whirl. As a result, the whirl that was shaken with a strong turning force changes to an umbrella-shaped stable form.
ところで、ホワールに空気を注入する場合、本発明のようにランナコーン1dの内部から空気を注入するのではなく、上部吸出し管6から突き出した給気管等を用いて外部から空気を注入する場合は、各々の発電所の吸出し高さに影響されるために、給気管先端部における吸気特性が劣り、そのため高圧空気を作り出すための装置であるコンプレッサー等の装備を必要とする場合がある。
By the way, when injecting air into the whirl, instead of injecting air from the inside of the
これに対して、本第4の実施形態では、コンプレッサー等の装備を必要とすることなく、ホワールが発生している箇所にピンポイントでかつタイムリーに空気を注入することができる。
本第4の実施形態によれば、非回転体であるランナコーン1dの支持部材10を中空構造とするだけで、水車運転領域内に発生するホワールに対して大規模な給気注入装置を備えなくてもバルブコントロールにより効率的に空気を注入することができるので、仮にホワールが発生しても振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができ安定した水車運転が可能となる。
On the other hand, in the fourth embodiment, air can be injected in a timely manner at a point where a whirl is generated without requiring equipment such as a compressor.
According to the fourth embodiment, only the
[第5の実施形態]
本発明の第5の実施形態に係るランナ構造を図6(b)を用いて説明する。
本第5の実施形態は、上記第3及び第4の実施形態の支持部材10の断面形状を流線型にしたものである。支持部材10はランナ1から流れ出た流水に対して直角に対向するものであることから、流体抵抗を低減する目的でこの整流板の上流端部の肉厚t1と下流端部の肉厚t2を中心部付近の最大肉厚tmaxよりも薄くして水流に対して抵抗とならない形状にするものである。内部に連通口11を設けた場合でもこの形状が適用できることはもちろんである。
[Fifth Embodiment]
A runner structure according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the fifth embodiment, the cross-sectional shape of the
本第5の実施形態によれば、ランナ1から流れ出た流体に対して、流体抵抗を最小限に抑制することができるために支持部材10の固定強度を確保できることができるとともに、支持部材10による著しい損失増加を防ぐことができるために、安定した水車運転と高効率運転が可能となる。
According to the fifth embodiment, since the fluid resistance can be minimized with respect to the fluid flowing out of the
[第6の実施形態]
本発明の第6の実施形態に係るランナ構造を図7を用いて説明する。
本第6の実施形態は、上記第3の実施形態において、ランナコーン1dの外壁面に整流板13を放射状に少なくとも一つ設けるものである。図7において、複数の整流板13が、ランナコーン1dの外壁面に流水方向と平行に、放射状に取り付けられている。
[Sixth Embodiment]
A runner structure according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the sixth embodiment, at least one rectifying
水車運転中、ランナコーン1dの周りにはホワールが発生し、このホワールは運転条件によって大きく振れまわったり小さく振れまわったりするが、この整流板13によりこの振れまわり力を抑制するものである。また、ホワールが発生しない運転状態では流れを整流するという役目も担うものである。
During the operation of the water wheel, a whirl is generated around the
本第6の実施形態によれば、ランナコーン1dの外壁面に整流板13を設けることにより、水車運転領域内に発生するホワールに対してこのホワールの振れまわり力を抑えることができるとともに、ホワール発達による振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができる。さらに、ランナ内の流れを整流する効果もあることから安定した水車運転と高効率運転が可能となる。
According to the sixth embodiment, by providing the rectifying
1…ランナ、1a…ランナ羽根、1b…ランナクラウン、1c…ランナバンド、1d…ランナコーン、2…主軸、3…ケーシング、4…ステーベン、5…ガイドベーン、6…上部吸出し管、7…自在継ぎ手、8…連結金具、9…ランナクラウンとランナコーン隙間、10…支持部材、11…連通口、12…バルブ、DR…ランナコーン中間部直径、L…ランナバンド下端位置、Lk…ランナコーン下端位置。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008208589A JP2010043609A (en) | 2008-08-13 | 2008-08-13 | Runner structure of hydraulic machinery |
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