JP2010090720A - 水力機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】二次流れの発生を防止することで広い水量範囲で水車効率を向上させること。
【解決手段】中心側にクラウン51、外周側にバンド52を有し、回転軸C周りに形成された水車ランナ50と、回転軸Cの周方向に沿って複数配置され、その中心側をクラウン51、その外周側をバンド52に支持された長翼53と、その中心側をクラウン51、その外周側をバンド52に支持されるとともに、複数の長翼53間にそれぞれ配置され、回転軸Cに垂直な投影平面にて、その後縁54aが水車運転時の水車ランナ50の回転方向に向かって凸に形成されている短翼54とを備えている。
【選択図】 図2

Description

本発明は、フランシス水車である水車ランナを有する水力機械に関し、特にスプリッタランナの羽根形状の改良により水車性能の向上を図る技術に関する。
水力機械に組み込まれたフランシス水車は、図13に示すように、回転体状のランナ101に、その周方向に沿って等間隔にランナ羽根102を配置している。なお、図13中103はクラウン、104はバンドを示しており、ランナ羽根102を支持している。また、図中矢印Fは水流、一点鎖線Cは回転軸を示している。
このような水力機械において、水車運転時にはガイドべーン(不図示)の開度を変化させることにより、ランナ101に流入する水量を調整し、発電量を変化させる。このためランナ101内の流れは水量により大きく変化し、設計点ではガイドべーンから入ってきた水流Fは、ランナ101の流線に沿った流れとなる。
しかし、流量が小さくなるとランナ内部の流れはランナの回転による遠心力によりバンド104側に偏った流れとなる。一方、流量を大きくすると、ガイドべーンからランナ101の中心方向に向かうエネルギーが大きくなり、ランナ101の回転力による遠心力よりも大きくなるため、クラウン103側に偏った流れとなる。この流線に沿わない流れを二次流れと呼び、この二次流れが発生すると、ランナ101では損失が発生することになる。この二次流れを大流量側、小流量側で発生することが抑制できれば、広い範囲でランナ損失の小さいランナ101を提供することができる。
このような二次流れを防止する方法として図14に示すように通常のランナ羽根である長翼111の間に短いランナ羽根である短翼112を取り付けたスプリッタランナ110が知られている。また、図中矢印Rは水車運転時の回転方向を示している。このスプリッタランナ110では、短翼112によって、特に非設計点での流れの偏りが抑制され損失が低減されることが知られており、図15に示すような部分負荷運転でバンド側への偏り流れを抑制することができる。
このようなスプリッタランナ110の長翼111の後縁111aと短翼112の後縁112aは図16に示すように、バンド104からクラウン103にかけて直線状の形状となっており、回転軸Cに向かって放射状に形成されている。
なお、スプリッタランナに関する技術として、特に短翼後縁形状に関する技術が知られている。例えば、短翼のポンプ運転の前縁をポンプ運転時の回転方向に対してクラウン側よりもバンド側を後退させたものであり、ポンプ運転でのキャビテーション性能の向上を図るものが知られている。(例えば、特許文献1参照)。また、水車運転時の短翼後縁のバンド側をクラウン側に対して水車運転時の回転方向に対して後退させたものであり、水車運転時またはポンプ運転時のキャビテーション性能の向上を図るものが知られている(例えば、特許文献2参照)である。
特許3782752号公報 特開2003−65198号公報
上述したスプリッタランナを備えた水力機械では、次のような問題があった。すなわち、大流量又は小流量の際の二次流れの発生を抑制することはできるが、広い水量範囲で水車効率の向上を図ることができない。
そこで本発明は、二次流れの発生を防止することで広い水量範囲で水車効率を向上させることができる水力機械を提供することを目的としている。
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の水力機械は次のように構成されている。
(1)中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持された長翼と、その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置され、前記回転軸に垂直な投影平面にて、その後縁が水車運転時の前記ランナの回転方向に向かって凸に形成されている短翼とを備えていることを特徴とする。
(2)中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側縁を前記クラウン、その外周側縁を前記バンドに支持された長翼と、その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置され、前記回転軸に垂直な投影平面にて、その後縁が前記回転軸の回転方向に向かって凸に形成され、前記後縁と前記バンドとの交点と前記回転軸とを結ぶ直線と前記後縁のクラウン側端部からバンド側端部までの長さの中点と前記回転軸とを結ぶ直線とのなす角度をθbとし、θbの正の方向を水車運転時の前記ランナの回転方向とした時、θb>0°である短翼とを備えていることを特徴とする。
(3)中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側縁を前記クラウン、その外周側縁を前記バンドに支持された長翼と、その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置され、前記回転軸に垂直な投影平面にて、その後縁が前記回転軸の回転方向に向かって凸に形成され、前記後縁と前記クラウンとの交点と前記回転軸とを結ぶ直線と短翼後縁のクラウン側端部からバンド側端部までの中点と前記回転軸を結ぶ直線とのなす角度をθcとし、θcの正の方向を水車運転時の前記ランナの回転方向とした時、θc>0°である短翼とを備えていることを特徴とする。
(4)中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側縁を前記クラウン、その外周側縁を前記バンドに支持された長翼と、その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置された短翼と、前記長翼及び前記短翼と前記クラウン及び前記バンドとの接合面にはそれぞれ流下方向に三角状のフィレット構造部を有し、前記短翼のフィレット構造部は前記長翼のフィレット構造部よりも大きいことを特徴とする。
本発明によれば、二次流れの発生を防止することで広い水量範囲で水車効率を向上させることが可能となる。
図1は本発明の第1の実施の形態に係るフランシス形の水車ランナ50が組み込まれた水力機械10の構成を示す縦断面図、図2は同水車ランナ50を水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図、図3は同水車ランナ50の効率を示す分布図である。
図1に示すように、水力機械10は、ケーシング20と、このケーシング20の上部に配置された発電機30と、ケーシング20の出口側に配置された吸出し管40とを備えている。ケーシング20は、ステーベーン21と、ガイドベーン22が設けられている。ケーシング20内部には、回転軸C周りに形成された水車ランナ50が回転自在に配置され、発電機30の主軸31に取り付けられている。
水車ランナ50は、中心側にクラウン51、外周側にバンド52を有している。図2に示すように、回転軸Cの周方向に沿って複数配置され、その中心側をクラウン51、その外周側をバンド52に支持された長翼53と、その中心側をクラウン51、その外周側をバンド52に支持されるとともに、長翼53間にそれぞれ配置された短翼54とを供えている。短翼54は、回転軸Cに垂直な投影平面にて、その後縁54aが水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成されている。すなわち、水車ランナ50の短翼54の後縁54aの形状は曲線状であり、クラウン51側及びバンド52側は中央に比べ回転方向Rに対して後退した形状となっている。
短翼54は、投影平面にて、後縁54aとバンド52との交点Pと回転軸Cとを結ぶ直線L1と、後縁54aのクラウン側端部54bからバンド側端部54cまでの長さの中点Qと回転軸Cとを結ぶ直線L2とのなす角度がθbに形成されている。また、後縁54aとクラウン51との交点Sと回転軸Cとを結ぶ直線L3と後縁54aのクラウン側端部54bからバンド側端部54cまでの中点Qと回転軸Cを結ぶ直線L2とのなす角度をθcに形成されている。さらに、θb、θcの正の方向を水車運転時の回転方向Rとした時、3°≦θb≦6°、かつ、4°≦θc≦8°に設定されている。
このように構成された水力機械10では、水車運転時に次のように動作する。すなわち、水圧鉄管を介してケーシング10内に導入された水流は、ステーべーン11及びガイドべーン12を通って水車ランナ50に流れ込み、その水流によって水車ランナ50が回転駆動され、主軸31を介して発電機30が駆動される。一方、水車ランナ50を駆動した水は吸出し管40を経て外部の放水路へと流出する。
このとき、短翼後縁形状を決定するθb及びθcを変化させると、図3に示すように、水車効率の分布が形成される。ここでの水車効率は設計流量、大流量、小流量の各効率を平均したものである。また、図3ではθbが4°、θcが5°付近に効率の最大点(100%)がある。つまり、小流量から大流量までの平均的な水車効率を向上させる為には、短翼出口形状を3°≦θb≦6°、かつ、4°≦θc≦8°の範囲に設定とすることが効果的である。なお、図中の各数値は最大点に対する相対効率を示している。
上述したように、本実施の形態に係る水力機械10では、短翼54の後縁54aを水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成し、さらに所定の条件を満たす形状に設定することで、小流量から大流量までの平均的な水車効率を向上させることが可能となる。
図4は本発明の第2の実施の形態に係る水車ランナ60を水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図、図5は同水車ランナ60の効果を示す説明図、図6は水車ランナ60における小流量側でのランナ内部流れを示す模式図である。なお、これらの図において、図1及び図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
水車ランナ60では、長翼53の代わりに長翼63、短翼54の代わりに短翼64が配置されている。短翼64は、回転軸Cに垂直な投影平面にて、その後縁64aが水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成されている。さらに詳しく説明すると、短翼64は、投影平面にて、後縁64aとバンド52との交点Pと回転軸Cとを結ぶ直線L1と後縁64aのクラウン側端部64bからバンド側端部64cまでの長さの中点Qと回転軸Cとを結ぶ直線L2とのなす角度をθbに形成されている。このとき、θbの正の方向を水車運転時のランナ回転方向とした時、θb>0°に設定されている。
このように構成された水力機械10では、水車運転時には前述したと同様に動作する。このとき、θbの値によって水車効率が変化する。図5はθbを変化させた時の設計点、小流量点、大流量点における水車効率の相対値を流れ解析により比較したものである。小流量の運転状態ではθbが大きくなると水車効率が向上するが、一方で大流量側の運転状態ではθbが大きくなると水車効率が低下する。また、設計点ではθbに対する効率の変化量は小流量側や大流量側に比べ小さくなっている。つまり、小流量側の効率を重視する場合はθbを大きくとる、つまりθb>0°と設定することにより効率向上を図ることが可能となる。
図6はθbを3°にした時の小流量運転時の流れの模式図を示している。実線矢印Fは本実施の形態における水流、破線矢印Wは比較例としてθbが0°のときの水流を示している。比較例の水流Wがバンド52側に偏っているのに対し、水流Fはその偏りが抑制されていることが判る。この偏り流れの抑制により水車効率が向上することが可能となる。
上述したように、本実施の形態に係る水力機械10では、短翼64の後縁64aを水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成し、さらに所定の条件を満たす形状に設定することで、小流量における水車効率を向上させることが可能となる。
図7は本発明の第3の実施の形態に係る水車ランナ70を水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図、図8は同実施の効果を示す説明図、図9は小流量側でのランナ内部流れを示す模式図である。なお、これらの図において、図1及び図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
水車ランナ60では、長翼53の代わりに長翼73、短翼54の代わりに短翼74が配置されている。短翼74は、回転軸Cに垂直な投影平面にて、その後縁74aが水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成されている。さらに詳しく説明すると、後縁74aとクラウン51との交点Sと回転軸Cとを結ぶ直線L3と後縁74aのクラウン側端部74bからバンド側端部74cまでの中点Qと回転軸Cを結ぶ直線L2とのなす角度をθcに形成されている。このとき、θcの正の方向を水車運転時のランナ回転方向とした時、θc>0°に設定されている。
このように構成された水力機械10では、水車運転時には前述したと同様に動作する。このとき、θcの値によって水車効率が変化する。
図8はθcを変化させた時の設計点、小流量点、大流量点における水車効率の相対値を流れ解析により比較したものである。大流量の運転状態ではθcが大きくなると水車効率が向上するが、一方で小流量側の運転状態ではθcが大きくなると水車効率が低下する。また、設計点ではθcに対する効率の変化量は小流量側や大流量側に比べ小さくなっている。つまり、大流量側の効率を重視する場合はθcを大きくとる、つまりθc>0°と設定することにより効率向上を図ることが可能となる。
図9はθcを4°にした時の大流量運転時の流れの模式図を示している。実線矢印Fは本実施の形態における水流、破線矢印Gは比較例としてθcが0°のときの水流を示している。比較例の水流Gがバンド52側に偏っているのに対し、水流Fはその偏りが抑制されていることが判る。この偏り流れの抑制により水車効率が向上することが可能となる。
上述したように、本実施の形態に係る水力機械10では、短翼74の後縁74aを水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成し、さらに所定の条件を満たす形状に設定することで、大流量における水車効率を向上させることが可能となる。
図10は本発明の第4の実施の形態に係る水車ランナ80を水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図、図11は同実施の効果を示す模式図である。なお、これらの図において、図1及び図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
水車ランナ80では、長翼53の代わりに長翼83、短翼54の代わりに短翼84が配置されている。短翼84は、回転軸Cに垂直な投影平面にて、その後縁84aが水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成されている。さらに詳しく説明すると、後縁84aのクラウン側端部84bからバンド側端部84cまでの半径方向の長さをAとし、後縁84aの水車回転方向に向かって凸となる最大位置Tからクラウン側端部84bまでの長さをBとした時、0.25A≦B≦0.75Aに設定されている。
このように構成された水力機械10では、水車運転時には前述したと同様に動作する。このとき、Bの値によって水車効率が変化する。
図11はBの値を変化させた時の小流量、設計点、大流量での水車効率を平均化したときの水車効率の変化を示したものである。0.25Aから0.75Aの範囲で効率が向上していることが判る。つまり、小流量から大流量までの平均的な水車効率を向上させる為には、短翼84の後縁84aの形状が水車運転時の回転方向Rに向かって最も凸となる最大位置Tとクラウン側端部84bまでの長さBを0.25A≦B≦0.75Aの範囲とすることにより広い範囲で水車効率を向上することが可能となる。
上述したように、本実施の形態に係る水力機械10では、短翼84の後縁84aを水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成し、さらに所定の条件を満たす形状に設定することで、小流量から大流量までの平均的な水車効率を向上させることが可能となる。
図12は本発明の第5の実施の形態に係る水車ランナ90を水車出口側から見たときの回転軸Cに垂直な平面への投影図である。なお、これらの図において、図1及び図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
水車ランナ90は、長翼53の代わりに長翼93、短翼54の代わりに短翼94が配置されている。長翼93の後縁93aにおけるクラウン51またはバンド52との接合面、すなわち、クラウン側端部93b及びバンド側端部93cに三角形状をしたフィレット構造部95が取り付けられている。いずれのフィレット構造部95,96も長翼93、短翼94の流下方向に位置することとなる。同様に、短翼94の後縁94aのクラウン側端部94b及びバンド側端部94cに三角形状をしたフィレット構造部96が取り付けられている。このフィレット構造部95,96は長翼93及び短翼94とクラウン51またはバンド52を溶接する時にできる隅肉状のものである。また、短翼94のフィレット構造部96は長翼93のフィレット構造部95よりも大きく形成されている。
長翼93及び短翼94は、最初に径方向に放射状に形成した羽根形状を製作し、次に、クラウン51とバンド52に溶接等により取り付けるときにフィレット構造部95,96を取り付けることにより、回転方向に凸となる形状を作ることができる。このように製作すると、長翼93の後縁93a及び短翼94の後縁94aを曲線状に製作するよりも容易である。
このように構成された水力機械10では、水車運転時には前述したと同様に動作する。なお、短翼94が回転方向に凸となっているため、前述した各実施の形態と同様に水車効率を向上させることができる。なお、その形状を所定に設定することで、小流量側重視の形状や大流量側重視の形状に比較的容易に調整することも可能である。
上述したように、本実施の形態に係る水力機械10では、短翼94の後縁94aを水車運転時の回転方向Rに向かって凸に形成することで水車効率を向上させることができるとともに、その製作が容易となる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の第1の実施の形態に係る水車ランナが組み込まれた水力機械を示す縦断面図。 同水車ランナを水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図。 同水車ランナの効果を示す説明図。 本発明の第2の実施の形態に係る水車ランナを水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図。 同水車ランナの効果を示す説明図。 同水車ランナにおける小流量側でのランナ内部流れを示す模式図。 本発明の第3の実施の形態に係る水車ランナを水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図。 同水車ランナの効果を示す説明図。 同水車ランナにおける大流量側でのランナ内部流れを示す模式図。 本発明の第4の実施の形態に係る水車ランナを水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図。 同水車ランナの効果を示す説明図。 本発明の第5の実施の形態に係る水車ランナを水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図。 水車ランナの一例におけるランナ内部流れを示す模式図。 スプリッタランナの一例を示す平面図。 同スプリッタランナを水車出口側から見たときの回転軸に垂直な平面への投影図。 同スプリッタランナにおけるランナ内部流れを示す模式図。
符号の説明
10…水力機械、20…ケーシング、30…発電機、40…吸出し管、50,60,70,80,90…水車ランナ、51…クラウン、52…バンド、53,63,73,83,93…長翼、54,64,74,84,94…短翼、54a,64a,74a,84a,94a…後縁。

Claims (6)

  1. 中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、
    前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持された長翼と、
    その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置され、前記回転軸に垂直な投影平面にて、その後縁が水車運転時の前記ランナの回転方向に向かって凸に形成されている短翼とを備えていることを特徴とする水力機械。
  2. 前記短翼は、前記投影平面にて、前記後縁と前記バンドとの交点と前記回転軸とを結ぶ直線と前記後縁のクラウン側端部からバンド側端部までの長さの中点と前記回転軸とを結ぶ直線とのなす角度をθb、前記後縁と前記クラウンとの交点と前記回転軸とを結ぶ直線と前記後縁の前記クラウン側端部から前記バンド側端部までの中点と前記回転軸とを結ぶ直線とのなす角度をθcとし、前記θb、θcの正の方向を水車運転時の前記ランナの回転方向とした時、3°≦θb≦6°、かつ、4°≦θc≦8°であることを特徴とする請求項1に記載の水力機械。
  3. 前記短翼は、前記投影平面にて、前記後縁のクラウン側端部からバンド側端部までの半径方向の長さをAとし、前記回転方向に向かって凸となる最大位置から前記クラウン側端部までの長さをBとした時、0.25A≦B≦0.75Aであることを特徴とする請求項1に記載の水力機械。
  4. 中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、
    前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側縁を前記クラウン、その外周側縁を前記バンドに支持された長翼と、
    その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置され、前記回転軸に垂直な投影平面にて、その後縁が前記回転軸の回転方向に向かって凸に形成され、前記後縁と前記バンドとの交点と前記回転軸とを結ぶ直線と前記後縁のクラウン側端部からバンド側端部までの長さの中点と前記回転軸とを結ぶ直線とのなす角度をθbとし、θbの正の方向を水車運転時の前記ランナの回転方向とした時、θb>0°である短翼とを備えていることを特徴とする水力機械。
  5. 中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、
    前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側縁を前記クラウン、その外周側縁を前記バンドに支持された長翼と、
    その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置され、前記回転軸に垂直な投影平面にて、その後縁が前記回転軸の回転方向に向かって凸に形成され、前記後縁と前記クラウンとの交点と前記回転軸とを結ぶ直線と短翼後縁のクラウン側端部からバンド側端部までの中点と前記回転軸を結ぶ直線とのなす角度をθcとし、θcの正の方向を水車運転時の前記ランナの回転方向とした時、θc>0°である短翼とを備えていることを特徴とする水力機械。
  6. 中心側にクラウン、外周側にバンドを有し、回転軸周りに形成されたランナと、
    前記回転軸の周方向に沿って複数配置され、その中心側縁を前記クラウン、その外周側縁を前記バンドに支持された長翼と、
    その中心側を前記クラウン、その外周側を前記バンドに支持されるとともに、前記複数の長翼間にそれぞれ配置された短翼と、
    前記長翼及び前記短翼と前記クラウン及び前記バンドとの接合面にはそれぞれ流下方向に三角状のフィレット構造部を有し、前記短翼のフィレット構造部は前記長翼のフィレット構造部よりも大きいことを特徴とする水力機械。
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