JP2011069329A - 水車及びこれを用いた海水淡水化プラント - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドベーン流路の閉塞、ガイドベーン出口の流れの不均一化を抑制することができる水車及びこれを用いた海水淡水化プラントを提供する。
【解決手段】圧力水頭をランナに作用させる水車において、複数のランナ翼３を有するランナ１と、このランナ１の径方向外側にランナ１と同心状に複数のガイドベーン１３を配置してなる内側翼列８と、この内側翼列７の径方向外側にランナ１と同心状に内側翼列８より多数のガイドベーン１１，１２を配置してなる外側翼列７とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は圧力水頭をランナに作用させる水車及びこれを用いた海水淡水化プラントに関する。

例えばフランシス水車では、径方向外側から流入する流れはガイドベーンによってランナ回転方向の旋回成分を付与され、回転するランナの翼間流路に流入する。ランナの翼間流路中の流れの旋回エネルギーはランナの回転に変換され、旋回成分を失った流れはランナの回転中心に向かって径方向に流れ、ランナの軸方向に放出される。

特開２００４−２３２５９８号公報

効率は水車に要求される重要な性能指標の一つである。高効率を実現するためには、エネルギー散逸の原因となる水車内の流れの剥離や流路の閉塞が生じないように運転仕様に合わせて翼や流路を適切に構成する必要がある。そして、流体のエネルギーを動力に変換するランナは、効率に最も大きく影響する水車構成要素の一つである。

ランナの翼間の流れはランナ翼に沿ってできるだけ滑らかに流れる必要がある。ガイドベーンから流出する流れとランナ翼の入口部分との間のランナ回転中の相対角度にずれがあると、ランナ翼入口部分における流れの剥離の発生によってエネルギーが散逸し効率が低下してしまう。そのため、高い効率を得るためにはランナ回転中の先の相対角度のずれができるだけ生じないようにランナ翼の入口形状を決めなければならない。

しかし、静止体であるガイドベーンに対してランナは回転するため、ガイドベーン出口部の流れの流出角度が位置によって不均一な場合、ランナの各翼から見て流入する流れの角度が周期的に変動するので、ランナ翼の入口角度が適切であっても流れの剥離が発生してしまう。このことから、フランシス水車の更なる高性能化を図る上で、ガイドベーン出口における旋回流速分布の周方向均一性は重要な要素と考えられる。

特に、作動媒体の流量が少なく落差の大きい（又は圧力の高い）仕様の水車は、ガイドベーン出口で流れに強い旋回成分を付与しなければならない。強い旋回を得るためにはガイドベーン出口の翼角度を回転方向に近付ける必要がある。このとき、ガイドベーン出口の流速分布の均一性を重視する場合、ガイドベーンの数を増やすこと対策することが一般的だが、この場合にはガイドベーンの翼間が狭くなり過ぎ、流路閉塞によって効率が低下する。反面、ガイドベーンの枚数を減らせば流れに対してガイドベーンが十分に作用しなくなり、特にガイドベーン翼の背側付近の領域（ランナ回転方向と反対側の領域）の流れに十分な旋回成分が付与されず、ガイドベーン出口の流れが不均一化してしまう。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、ガイドベーン流路の閉塞、ガイドベーン出口の流れの不均一化を抑制することができる水車及びこれを用いた海水淡水化プラントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数のランナ翼を有するランナと、前記ランナの径方向外側に前記ランナと同心状に複数のガイドベーンを配置してなる内側翼列と、前記内側翼列の径方向外側に前記ランナと同心状に前記内側翼列より多数のガイドベーンを配置してなる外側翼列とを備える。

本発明によれば、ガイドベーン流路の閉塞、ガイドベーン出口の流れの不均一化を抑制することができ、高い効率を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る水車のランナ回転中心軸を含む断面の概略図である。 本発明の一実施形態に係る水車のランナ及びガイドベーンの全体の翼構成を軸方向から見て表した概略図である。 本発明の一実施形態に係る水車の要部拡大である。 従来の水車の一例のランナ及びガイドベーンの全体の翼構成を軸方向から見て表した概略図である。 従来の水車の他の例のランナ及びガイドベーンの全体の翼構成を軸方向から見て表した概略図である。 本発明の水車を動力回収水車に適用した海水淡水化プラントの概略系統図である。

以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

本発明はフランシス水車等の圧力水頭をランナの回転に変換する反動水車にあって、ガイドベーン流路の閉塞を抑制しつつガイドベーン出口の旋回流速分布の周方向均一性を向上させることで、少水量高落差（又は少量高圧）の条件でも高効率で駆動し得るものである。また本発明の水車は、発電用途の他、ポンプ等の負荷機器の原動機としても有用である。例えば、海水淡水化プラントの動力回収用の水車に適用する場合も、本発明は好適である。

図４は従来の水車の一例のランナ及びガイドベーンの全体の翼構成を軸方向から見て表した概略図である。

上流から流れ込む流れＦ１は、ガイドベーン１１３によってランナ回転方向Ｒの旋回成分を与えられ、回転するランナ１０１のランナ翼１０３の間の流路に流入する。ランナ翼間流れＦ２の旋回エネルギーはランナ１０１の回転動力として回収され、ランナ１０１の回転中心に向かって旋回成分のない流れＦ３となってランナ軸方向に放出される。

前述した通り、水車に要求される重要な性能指標の一つに効率がある。高い効率を実現するためには、エネルギー散逸の原因となる水車内の流れの剥離や流路閉塞が生じないよう、運転仕様に合わせた適切な翼・流路形状を構成する必要がある。

ランナ１０１は上流から流入する流れのエネルギーを動力に変換するため、効率に最も大きな影響を与える水車構成要素の一つである。ランナ翼１０３間の流れはランナ翼１０３に沿ってできるだけ滑らかに流れる必要がある。ランナ翼１０３の方向とガイドベーン１１３からの流れの方向がずれると、ランナ翼１０３の入口部分に流れの剥離が発生し、エネルギー散逸によって効率が低下する。そのため、高い効率を得るためには、回転中にランナ翼１０３がガイドベーン１１３からの流れＦ１の方向に相対的に合うようにランナ入口の翼形状を決めなければならない。

ところが、ガイドベーン１１３は静止しておりランナ１０１は回転するため、ガイドベーン１１３の出口部で流れＦ１の流出角度に不均一がある場合には、ランナ１０１へ流入する流れの角度が周期的に変動するため、ランナ入口の翼角度に関わらず流れの剥離が発生し効率が低下する。したがって、ガイドベーン１１３の出口部における旋回流速分布の周方向均一性が、高性能水車の実現のための重要な要素と考えられる。

流量が少なく高い落差（又は圧力）の作動媒体で動作する仕様の水車は、ガイドベーン１１３の出口部で流れに強い旋回を持たせなければならない。図４に示した水車の場合、強い旋回を得るためにはガイドベーン１１３の出口角度α’を小さくする必要がある。このとき、ガイドベーン１１３の出口部の流速分布の均一性を重視してガイドベーン１１３の枚数を多くすると、ガイドベーン１１３の翼間の流路幅Ｗ’が必要以上に狭くなり、流路が閉塞し効率が低下する。

図５は従来の水車の他の例のランナ及びガイドベーンの全体の翼構成を軸方向から見て表した概略図である。

図５に示した水車のように、ガイドベーン１１３の翼間流路の閉塞を解消するためにガイドベーン１１３の枚数を減らした場合、ガイドベーン１１３の流路幅Ｗ”は図４の水車に比べて大きくなるため流路の閉塞は解消される。しかし、流れＦ１に対するガイドベーン１１３の作用が小さくなる。その結果、特にガイドベーン１１３の背側（ランナ回転方向Ｒ後方側）の領域Ａ’付近の流れに十分な旋回成分が付与されず、ガイドベーン１１３の出口の流れの不均一性が強くなりランナ効率が低下してしまう。

本発明はこうした事情に鑑みてなされたもので、例えばフランシス水車等の圧力水頭をランナの回転に変換する反動水車に好適に適用することができ、ガイドベーン流路の閉塞、水量が少なく落差（又は圧力）が大きな流れを作動媒体とする場合でも、ガイドベーン流路の閉塞を抑制しつつガイドベーン出口の旋回流速分布の周方向均一性を向上させることで、高い効率を得ることができるものである。

図１は本発明の一実施形態に係る水車のランナ回転中心軸を含む断面の概略図である。

図１に示した水車は、渦巻き型のケーシング（図示せず）内に回転自在に設けたランナ１と、ケーシングの渦巻流路（図示せず）とランナ１との間に設けたガイドベーン機構２とを備えている。ランナ１は、環状に配列された複数のランナ翼３と、これらランナ翼３を固定するハブ４及びシュラウド５とを有している。

例えば、上池（図示せず）から落下する水がケーシングの渦巻き流路に流入すると、ケーシングに流入した流れＦは、ガイドベーン機構２を通過する際に旋回成分を付与される。旋回成分を付与された流れは、径方向外側からランナ１に流入し、その流れの持つ流体エネルギー（圧力水頭）はランナ翼３によってランナ１の回転運動に変換される。ランナ１の回転運動は、例えばランナ１に駆動軸が連結されたポンプに伝達されて当該ポンプを駆動する。また、ランナ１に発電機（図示せず）の駆動軸を接続すれば、ランナ１の回転動力を発電機によって電気エネルギーに変換することもできる。そして、ランナ１を駆動させた流れはランナ１の翼間流路を流れる際に転向し、軸方向（下向き）にランナ１を出てドラフトチューブ６を介して放出される。

図２は本発明の一実施形態に係る水車のランナ及びガイドベーンの全体の翼構成を軸方向から見て表した概略図である。

図２に示したように、ガイドベーン機構２は、流れＦの流れ方向の上流側に位置する外側翼列７、及び流れＦの流れ方向の下流側に位置する内側翼列８からなる２列のガイドベーンの環状翼列である。

内側翼列８は、ランナ１の径方向外側にランナ１と同心状に複数のガイドベーン１３を配置してなる環状翼列であり、外側翼列７は、内側翼列８の径方向外側にランナ１と同心状に形状の異なるガイドベーン１１，１２を複数配置してなる環状翼列である。外側翼列７のガイドベーン１１，１２の総数は、内側翼列８のガイドベーン１３の総数より多く（本例では２倍以上）、外側翼列７を構成するガイドベーン１１，１２の翼形状は相違している。

図３は本発明の一実施形態に係る水車の要部拡大である。

まず、図３の説明の便宜上、次のように（１）−（４）の語句を定義する。

（１）ピッチ領域
内側翼列８の一のガイドベーン１３（図３中では左側のガイドベーン１３−１）の入口側端部１３ａとランナ１の中心軸Ｏとを含む面をＳ１、一のガイドベーン１３−１にランナ回転方向Ｒに隣接する内側翼列８の他のガイドベーン１３（図３中では左側のガイドベーン１３−２）の入口側端部１３ａとランナ１の中心軸Ｏとを含む面をＳ２としたとき、これらの面Ｓ１，Ｓ２の間の領域をピッチ領域ＰＡとする。

（２）ガイドベーン群
外側翼列７に配置されたガイドベーン１１，１２のうち、出口側端部１１ｂ，１２ｂが同一のピッチ領域ＰＡに属する複数のガイドベーン１１，１２を１つのガイドベーン群Ｇとする。

（３）出口角度
ガイドベーン１１−１３の出口側端部１１ｂ−１３ｂにそれぞれ接する円であってランナ１の回転中心Ｏを中心とする仮想円の接線Ｌ１に対し、ガイドベーンの出口側部分がなす角度をガイドベーンの出口角度αとする。

（４）入口角度
ガイドベーン１１−１３の入口側端部１１ａ−１３ａにそれぞれ接する円であってランナ１の回転中心Ｏを中心とする仮想円の接線Ｌ２に対し、ガイドベーンの入口側部分がなす角度をガイドベーンの入口角度βとする。

以上を踏まえて図３の構成を説明する。

まず、内側翼列８のガイドベーン１３の翼枚数は、翼間流路が閉塞しない十分な流路幅Ｗが確保されるように仕様に応じて決定されている。しかし、内側翼列８のガイドベーン１３は流れに旋回成分を付与する目的で出口角度α３を小さくしてあるので、流路閉塞の回避のためにガイドベーン１３を十分な枚数設置できなくなると、ガイドベーン１３によって十分な旋回成分を与えられない領域Ａが翼間に生じてしまい、ガイドベーン１３の出口において流れが周方向に不均一となる。

そこで本実施形態では、内側翼列８の外側に外側翼列７を設け、そのピッチ領域ＰＡのランナ回転方向Ｒ後方側の部分（図３の場合、ピッチ領域ＰＡ中の左側部分）に上記領域Ａへの流れＦＡに旋回成分を付与するためのガイドベーン１１を配置し、ピッチ領域ＰＡのランナ回転方向Ｒ前方側の部分（図３の場合、ピッチ領域ＰＡ中の右側部分）に内側翼列８に流れを受け渡すためのガイドベーン１２を配置している。ガイドベーン１１，１２の枚数は特に限定されないが、双方とも１つのピッチ領域ＰＡ当たり少なくとも１枚必要であるため、外側翼列７のガイドベーン１１，１２の総数は、内側翼列８のガイドベーン１３の総数の２倍以上になる。また、外側翼列７を構成する各ガイドベーン１１，１２の入口角度β１，β２は、内側翼列８を構成する各ガイドベーン１３の入口角度β３よりも大きく設定してある。

外側翼列７のガイドベーン１１は、領域ＦＡを通過する流れに強い旋回を付与するために出口角度α１が内側翼列８のガイドベーン１３の翼出口角度α３と同程度にしてある（α１≒α３）。それに対し、外側翼列７の残りのガイドベーン１２は、内側翼列８のガイドベーン１３に流れを滑らかに受け渡すことを役割としているため、出口角度α２が内側翼列８のガイドベーン１３の入口角度β３と同程度にしてある（α２≒β３＞α３）。したがって、外側翼列７のガイドベーン１１の出口角度α１はガイドベーン１２の出口角度α２よりも小さくなっている（α１＜α２）。

このとき、外側翼列７には、領域Ａへの流れＦＡに旋回成分を付与する位置に必要数だけ（少なくとも１つ）ガイドベーン１１が設けられていれば足り、その他のガイドベーン１２も他の流れを内側翼列８のガイドベーン１３に受け渡す程度に（少なくとも１つ）設けられていれば良い。また、ガイドベーン１１，１２は、その役割の違いから出口角度α１，α２を含めて形状も異なる。そのため、外側翼列７においては、ガイドベーン１１，１２のピッチを不等間隔にして内側翼列８への流れを適切に調整している。本実施形態の場合は、ガイドベーン１２が、ランナ回転方向Ｒ前方側に隣接するガイドベーン１１（隣のピッチ領域ＰＡのガイドベーン１１）よりも、ランナ回転方向Ｒ後方側に隣接するガイドベーン１１（同一のピッチ領域ＰＡのガイドベーン１１）に近付けて配置してある（図３のピッチＰ１＜Ｐ２）。

本実施形態においては、以上のように形状及び役割の異なるガイドベーン１１，１２で構成した外側翼列７を内側翼列８の上流に設けた。この場合、上流の外側翼列７では流れの一部（領域Ａに向かう流れＦＡ）にしか強い旋回成分を与える必要がないため、ガイドベーン１１，１２の角度は平均して緩く、内側翼列７の倍以上のガイドベーンを設置しても外側翼列７に流路閉塞は生じ難い。そして、外側翼列７を通過した流れは内側翼列８で旋回成分を付与されることとなるが、内側翼列８のガイドベーン１３の枚数を同程度の運転条件の従来の水車のガイドベーンと比べて少なくしても、領域Ａに向かう流れＦＡには予め外側翼列７のガイドベーン１１で旋回成分を与えており、ガイドベーン１２から受け渡される流れ等に旋回成分を与えれば足りるため、役割は十分に果たし得る。

このように、本実施形態によれば、外側翼列７と内側翼列８のコンビネーションで流れをコントロールすることにより、ガイドベーン流路を閉塞させることなく、ガイドベーン出口で強い均一な旋回をもつ流れを生成することができる。

なお、以上において、ガイドベーン１１−１３は固定式（非可動）を想定しているが、外側翼列７と内側翼列８の少なくとも一方のガイドベーンを角度変更又は開閉可能な可動型のものに代えることもできる。また、ステーベーンについて特に説明しなかったが、必要な場合には外側翼列７の外側にステーベーンを配置することもできるし、省略することもできる。また、外側翼列７のガイドベーンの種類はガイドベーン１１，１２の２種類に限定されず、形状の異なる３種類以上のガイドベーンを並設することもあり得る。

図６は本発明の水車を動力回収水車に適用した海水淡水化プラントの概略系統図である。

図６に示した海水淡水化プラントは、取り入れた海水から不純物を除去するフィルター２１と、このフィルター２１で不純物を除去した海水を昇圧するポンプ２２と、このポンプ２２で昇圧された海水を浸透膜２３に通して淡水化する逆浸透膜モジュール２４と、出力軸がポンプ２２の駆動軸に連結された水車２５とを備えている。水車２５が本実施形態に係る水車であり、浸透膜２３を通過せずに逆浸透膜モジュール２４から排出された高圧の海水で駆動し、その回転動力をポンプ２２の動力として回収する。

この海水淡水化プラントにおいて、海から取り入れられた海水はフィルター２１で不純物を除去された後、ポンプ２２で圧力を高められて逆浸透膜モジュール２４に送り込まれる。逆浸透膜モジュール２４では半分程度の海水が浸透膜２３を通過し、浸透膜２３を通過する際に塩分が除去される。浸透膜２３を通過した水（淡水）は水道施設や消費地等に送水される。一方、逆浸透膜モジュール２３に導かれたうちの半分程度の海水水は浸透膜２３を通過せず、塩分濃度が上昇した高圧の海水として逆浸透膜モジュール２４から排出される。本システムでは、逆浸透膜モジュール２４から排出されて通常は海に放出される高圧海水の流体エネルギーを本実施形態に係る水車２５で回収し、ポンプ２２の動力として利用している。

前述した通り、本実施形態の水車は水量が少なく高圧の作動媒体でも高効率に駆動し得るので、このような逆浸透膜モジュール２４からの排水の流体エネルギーをも高効率に回収し、動力として利用することができる。

１ ランナ
２ ガイドベーン機構
３ ランナ翼
４ ハブ
５ シュラウド
６ ドラフトチューブ
７ 外側翼列
８ 内側翼列
１１−１３ ガイドベーン
１１ａ−１３ａ 入口側端部
１１ｂ−１３ｂ 出口側端部
１３−１，２ ガイドベーン
２１ フィルター
２２ ポンプ
２３ 浸透膜
２４ 逆浸透膜モジュール
２５ 水車
１０１ ランナ
１０３ ランナ翼
１１３ ガイドベーン
Ａ，Ａ’ 領域
Ｆ，Ｆ１−３，ＦＡ 流れ
Ｇ ガイドベーン群
Ｌ１，２ 接線
Ｏ 中心軸
Ｐ１，２ ピッチ
ＰＡ ピッチ領域
Ｒ 回転方向
Ｓ１，Ｓ２ 面
Ｗ，Ｗ’，Ｗ” 流路幅
α１−３，α’ 出口角度
β１−３ 入口角度

Claims (7)

1. 複数のランナ翼を有するランナと、
   前記ランナの径方向外側に前記ランナと同心状に複数のガイドベーンを配置してなる内側翼列と、
   前記内側翼列の径方向外側に前記ランナと同心状に前記内側翼列より多数のガイドベーンを配置してなる外側翼列と
   を備えたことを特徴とする水車。
2. 請求項１の水車において、
   前記内側翼列の一のガイドベーンの入口側端部と前記ランナの中心軸とを含む面、及び前記一のガイドベーンにランナ回転方向に隣接する他のガイドベーンの入口側端部と前記ランナの中心軸とを含む面の間の領域を「ピッチ領域」、
   前記外側翼列に配置されたガイドベーンのうち、出口側端部が同一のピッチ領域に属する複数のガイドベーンを「ガイドベーン群」、
   前記ガイドベーンの出口側部分が、これに接し前記ランナの回転中心を中心とする仮想円の接線に対してなす角度を「出口角度」、とそれぞれ定義したとき、
   同一のガイドベーン群を構成する前記外側翼列の複数のガイドベーンのうち、ランナ回転方向後方側に位置するガイドベーンの出口角度が、ランナ回転方向前方側に位置するガイドベーンの出口角度よりも小さく設定されていることを特徴とする水車。
3. 請求項２の水車において、前記ピッチ領域のランナ回転方向後方側に位置するガイドベーンの出口角度が、前記内側翼列のガイドベーンの出口角度と同程度であることを特徴とする水車。
4. 請求項２又は３の水車において、
   前記ガイドベーンの入口側部分が、これに接し前記ランナの回転中心を中心とする仮想円の接線に対してなす角度を「入口角度」と定義したとき、
   前記ピッチ領域のランナ回転方向前方側に位置するガイドベーンの出口角度が、前記内側翼列のガイドベーンの入口角度と同程度であることを特徴とする水車。
5. 請求項４の水車において、
   前記外側翼列を構成する各ガイドベーンの入口角度が、前記内側翼列を構成する各ガイドベーンの入口角度よりも大きく設定されていることを特徴とする水車。
6. 請求項１−５のいずれかの水車において、前記外側翼列のガイドベーンが不等間隔で設置されていることを特徴とする水車。
7. 取り入れた海水から不純物を除去するフィルターと、
   不純物を除去した海水を昇圧するポンプと、
   昇圧された海水を浸透膜に通して淡水化する逆浸透膜モジュールと、
   前記ポンプに連結され、前記浸透膜を通過せずに前記逆浸透膜モジュールから排出された高圧の海水で駆動する請求項１−６のいずれかの水車と
   を備えたことを特徴とする海水淡水化プラント。

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