JP2011157934A

JP2011157934A - 流体機械

Info

Publication number: JP2011157934A
Application number: JP2010022381A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Nakamura; 裕樹中村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: JP5688907B2

Abstract

【課題】流体機械において、ケーシングと羽根車との間の隙間に高いシール性能を確保する一方で、加工コストの低減を可能とする。
【解決手段】ケーシング１４に流路２１，２２を形成し、このケーシング１４に回転軸１２を回転自在に支持し、回転軸１２と一体に回転可能なランナ１３を流路２１，２２に配置し、ランナ１３の下流側で第１流路２１の内周面１４ａとランナ１３におけるシュラウド１７の外周面１７ａとの間の回転隙間Ｓ１に第１シール装置２３を配置し、第２流路２２の内周面１４ａに形成される凹部３１とシュラウド１７の外周面１７ａに形成される凸部３２とが回転隙間Ｓ１より狭い第１シール隙間Ｓ１１で対向する第１シール部３４と、第１シール部３４より下流側で第２流路２２の内周面１４ａとシュラウド１７の先端部に形成される円筒部３３とが回転隙間Ｓ１より狭い第２シール隙間Ｓ１２で対向する第２シール部３５を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、水車やポンプ水車などとして使用される流体機械に関するものである。

例えば、従来の流体機械としてのポンプ水車は、回転軸の下端部に、シュラウドとクラウンと複数のランナベーンとコーンとからなる羽根車が装着されて構成される。従って、流路を下降する用水により羽根車が回転すると、羽根車の回転軸が回転することで、この回転軸に連結された発電機が駆動して発電を行う。一方、駆動源により回転軸を駆動して羽根車を回転すると、羽根車の回転により流路の用水が吸い上げられ、圧力を上昇して吐出する。

このようなポンプ水車にて、羽根車は、正面側にリング形状をなすシュラウドが位置し、背面側にリング形状をなすクラウンが位置しており、シュラウドとケーシングとの間、並びに、クラウンとケーシングとの間にそれぞれ隙間が設けられることで、羽根車が回転可能となっている。しかし、この羽根車の上流側と下流側では圧力差が生じることから、羽根車の回転時に、この隙間から漏水が発生してしまう。この漏水は羽根車を回転させないので、用水の位置エネルギを電力エネルギに変換することができない。そのため、従来、シュラウドとケーシングの間、クラウンとケーシングとの間に、それぞれシール部を設けることで、この漏水を抑制している。

このようなシール部を有する水車としては、下記特許文献１、２に記載されたものがある。

特開平０９−１３３０９４号公報特開２００２−２３５６５２号公報

上述した従来の水車にて、特許文献１、２に記載されたフランシス水車では、シュラウドと下カバー（ケーシング）との間に、幅の狭い２つの段部からなるシール部（シール用連通路）を設けることで、隙間からの漏水を防止している。

しかし、シュラウドと下カバーとの間に２つの段部からなるシール部を設ける場合、下カバー（ケーシング）、または、シュラウドに２つの段付部を形成しなければならず、加工コストが増加し、製品が高価なものとなってしまう。

本発明は上述した課題を解決するものであり、ケーシングと羽根車との間の隙間に高いシール性能を確保する一方で、加工コストの低減を可能とする流体機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の流体機械は、ケーシングに流路が形成され、回転軸が前記ケーシングに回転自在に支持され、前記回転軸と一体に回転可能な羽根車が前記流路に配置され、前記羽根車の下流側で前記流路の内周面と前記羽根車におけるリング形状をなすシュラウドの外周面との間の隙間にシール装置が配置される流体機械において、前記シール装置は、前記流路の内周面に形成されるリング形状をなす凹部と前記シュラウドの外周面に形成されるリング形状をなす凸部とが前記隙間より狭い所定隙間で対向する第１シール部と、該第１シール部より下流側で前記流路の内周面と前記シュラウドの外周面とが前記隙間より狭い所定隙間で対向する第２シール部とを有する、ことを特徴とするものである。

従って、ケーシング側にリング形状をなす凹部を形成する一方、シュラウド側にリング形状をなす凸部を形成すると共に、ケーシング側に対向するようにシュラウドを延出するだけで、複数のシール部を設けることができ、ケーシングと羽根車との間の隙間に高いシール性能を確保することができる一方で、加工コストの低減を可能とすることができる。

本発明の流体機械では、前記第２シール部は、前記第１シール部の下流側に所定間隔をもって配置されることを特徴としている。

従って、羽根車とケーシングとの間に所定間隔で２つのシール部を設けることとなり、構造の簡素化、低コスト化を可能とすることができる。

本発明の流体機械では、前記シュラウドは、先端部が前記流路の内周面に沿って下流側に延出することで前記第２シール部を構成することを特徴としている。

従って、シュラウドの先端部を流路の内周面、つまり、ケーシングに沿って延出するだけで第２シール部を設けることができ、更なる構造の簡素化、低コスト化を可能とすることができる。

本発明の流体機械では、前記第２シール部を構成する円筒部は、前記シュラウドの先端部に別部材として固定されることを特徴としている。

従って、第１シール部のみ設けられる既存の流体機械であっても、シュラウドの先端部に別部材としての円筒部を固定するだけで第２シール部を構成することができ、容易にケーシングと羽根車との間のシール性能を向上することができる。

本発明の流体機械によれば、ケーシングと羽根車のシュラウドとの間の隙間にシール装置を配置し、このシール装置を、流路の内周面に形成される凹部とシュラウドの外周面に形成される凸部とが狭い所定隙間で対向する第１シール部と、第１シール部より下流側で流路の内周面とシュラウドの外周面とが狭い所定隙間で対向する第２シール部とで構成したので、ケーシングと羽根車との間の隙間に高いシール性能を確保することができる一方で、加工コストの低減を可能とすることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る流体機械としてのポンプ水車を表す概略図である。図２は、実施例１のポンプ水車におけるシール部を表す概略図である。図３は、実施例１のポンプ水車における流量に対する効率を表すグラフである。図４は、本発明の実施例２に係る流体機械としてのポンプ水車におけるシール部を表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る流体機械の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る流体機械としてのポンプ水車を表す概略図、図２は、実施例１のポンプ水車におけるシール部を表す概略図、図３は、実施例１のポンプ水車における流量に対する効率を表すグラフである。

実施例１では、本発明の流体機械を、ポンプ水車に適用して説明する。本実施例のポンプ水車は、所謂、フランシス形ポンプ水車であり、揚水を行うポンプとしての機能を有すると共に、発電を行う水車としての機能を有している。即ち、実施例１のポンプ水車は、取水口から導水路及び水圧鉄管を介して用水を取り込むポンプとして機能すると共に、取り込んだ用水により発電を行って放水路を介して用水を排水口へ排出する水車として機能する。

以下、実施例１のポンプ水車について詳細に説明する。図１に示すように、ポンプ水車１１は、図示しない発電機に基端部（図１にて上端部）が連結された回転軸１２と、この回転軸１２の先端部（図１にて下端部）に固定されて一体に回転するランナ（羽根車）１３とを有している。そして、用水によるランナ１３の回転に伴って回転軸１２が回転することで、発電機が発電を行うことができ、一方、例えば、夜間に、この発電機により回転軸１２を介してランナ１３を回転することで、揚水を行うことができる。

回転軸１２は、鉛直方向に沿って配設され、ケーシング１４に軸受１５を介して回転自在に支持されている。ランナ１３は、この回転軸１２の下端部に一体回転可能に固結されている。

ランナ１３は、クラウン１６とシュラウド１７と複数のランナベーン１８とコーン１９により構成されている。クラウン１６は、円盤形状をなし、中心部１６ａが回転軸１２の先端部にキー１２ａにより固定されている。シュラウド１７は、湾曲したリング形状をなし、クラウン１６と同軸上に配設されている。複数のランナベーン１８は、クラウン１６とシュラウド１７との間に挟まれるように、各端部が両者の端面に固定されており、周方向に均等間隔で配置されている。コーン１９は、先端部（図１にて、下端部）が細くなる円錐形状をなし、クラウン１６における中心部１６ａに同軸をなして複数のボルト２０により固定されている。

ケーシング１４は、ランナ１３の下方に鉛直方向に沿って第１流路２１が形成され、ランナ１３の側方に水平方向に沿って第２流路２２が形成されており、この第１流路２１は、ランナ１３を通して第２流路２２に連通している。本実施例のポンプ水車１１が水車として機能する場合、第２流路２２がランナ１３へ用水が流入する用水流入口として機能し、第１流路２１がランナ１３から用水が流出する用水流出口として機能する。一方、ポンプ水車１１がポンプとして機能する場合、第１流路２１がランナ１３により用水が吸入される用水吸入口として機能し、第２流路２２がランナ１３により高圧となった用水が吐出される用水吐出口として機能する。

ランナ１３は、シュラウド１７の外周面１７ａとケーシング１４の流路２１，２２の内周面１４ａとの間に回転隙間Ｓ１が設けられており、この回転隙間Ｓ１に第１シール装置２３が設けられている。また、ランナ１３は、クラウン１６の上端面とケーシング１４の流路２２の内周面との間に回転隙間Ｓ２が設けられており、この回転隙間Ｓ２に第２シール装置２４が配設されている。

この第１シール装置２３において、図１及び図２に示すように、ケーシング１４は、第２流路２２から第１流路２１に至る過程で、内周面１４ａにリング形状をなす凹部３１が用水の流れ方向に沿って形成されている。ランナ１３は、シュラウド１７における少なくともその一部がこの凹部３１内に入り込み、シュラウド１７の外周面１７ａと凹部３１の底面３１ａ（流路内周面１４ａ）との間に回転隙間Ｓ１が確保されている。

また、シュラウド１７は、第１流路２１側（下流側）の端部近傍の外周部にリング形状をなす凸部３２が形成されており、この凸部３２は、少なくともその一部が凹部３１内に入り込み、凸部３２の外周面３２ａ（シュラウド外周面１７ａ）と凹部３１の底面３１ａとの間に回転隙間Ｓ１より狭い第１シール隙間（所定隙間）Ｓ１１が確保されている。更に、シュラウド１７は、この凸部３２より更に先端部側（第１流路２１側）に円筒部３３が形成されており、この円筒部３３は、凹部３１から出てこの凹部３１のない第１流路２１の内周面１４ａに沿って下流側に延設され、円筒部３３の外周面３３ａ（シュラウド外周面１７ａ）と第１流路２１の内周面１４ａとの間に回転隙間Ｓ１より狭い第２シール隙間（所定隙間）Ｓ１２が確保されている。この場合、円筒部３３の外周面３３ａと、第１流路２１の内周面１４ａとは、ほぼ平行をなすように形成されている。また、円筒部３３は下流側の先端に向かって、その肉厚が漸減されるように滑らかに形成されている。

ここで、シュラウド１７における凸部３２の外周面３２ａとケーシング１４における凹部３１の底面３１ａとが対向して形成される第１シール隙間Ｓ１１により、本発明の第１シール部３４が構成される。また、シュラウド１７における円筒部３３の外周面３３ａとケーシング１４における第１流路２１の内周面１４ａとが対向して形成される第２シール隙間Ｓ１２により、本発明の第２シール部３５が構成される。

この場合、第２シール部３５を構成する第２シール隙間Ｓ１２は、第１シール部３４を構成する第１シール隙間Ｓ１１の下流側に所定間隔をもって配置されている。即ち、ケーシング１４の凹部３１内にて、第２流路２２から第１流路２１にかけて、回転隙間Ｓ１が確保され、凹部３１の端部側（下流側）近傍で、凸部３２により第１シール隙間Ｓ１１が確保され、再び、回転隙間Ｓ１が確保された後、凹部３１のない第１流路２１の内周面１４ａに沿った円筒部３３により第２シール隙間Ｓ１２が確保されている。

また、第２シール装置２４において、図１に示すように、ケーシング１４は、第２流路２２の上方側にも凹部３６が形成され、クラウン１６のフランジ部１６ｂにおける少なくともその一部がこの凹部３６内に入り込み、両者の間に回転隙間Ｓ２が確保されている。また、ケーシング１４は、凹部３６に連続して複数の段付き凹部が形成される一方、クラウン１６は、フランジ部１６ｂに連続して複数の段付き凸部が形成され、この複数の段付き凸部が複数の段付き凹部に対向し、両者の間に回転隙間Ｓ２より狭い複数のシール隙間が確保されている。このクラウン１６の段付き凸部とケーシング１４における段付き凹部とが対向して形成されるシール隙間により第２シール装置２４が構成される。

このように構成された実施例１のポンプ水車１１では、このポンプ水車１１が水車として機能する場合、図１に矢印Ａで表すように、用水が第２流路２２からランナ１３に流れ込み、この用水がランナ１３を回転することで、ランナ１３と共に回転軸１２が回転し、発電を行うことができる。そして、ランナ１３を回転させた用水は、第１流路２１に流れる。

一方、ポンプ水車１１がポンプとして機能する場合、図８に矢印Ｂで表すように、回転軸１２と共にランナ１３が回転することで、第１流路２１の用水がランナ１３により吸い上げられ、第２流路２２に吐出し、揚水を行うことができる。

このとき、ランナ１３より上流側の第２流路２２では、第１流路２１より高圧となることから、第２流路２２の用水がシュラウド１７とケーシング１４（流路２１，２２の内周面１４ａ）との回転隙間Ｓ１に入り込み、第１流路２１側に流れる。ところが、実施例１では、この回転隙間Ｓ１に第１シール装置２３が配設されている。そのため、回転隙間Ｓ１に流れ込んだ用水は、第１シール装置２３における第１シール部３４及び第２シール部３５によりその流れが抑止される。即ち、回転隙間Ｓ１の用水は、第１シール部３４から回転隙間Ｓ１を通して第２シール部３５に至ることで、急縮流れ、急拡流れ、急縮流れが繰り返されるため、シュラウド１７とケーシング１４との間における用水の漏れ量が低減される。また、シュラウド１７とケーシング１４との間から漏れた用水は、第１流路２１の内周面１４ａに沿って、即ち、主流の流れ方向と平行に流出して主流と合流することとなる。

また、前述と同様に、第２流路２２の用水がクラウン１６のフランジ部１６ｂとケーシング１４（流路２２の内周面）との回転隙間Ｓ２に入り込み、クラウン１６の中心部１６ａ側に流れやすくなる。ところが、この回転隙間Ｓ２に第２シール装置２４が配設されているため、第２シール装置２４によりその流れが抑止される。

実施例１のポンプ水車１１は、上記のように構成したことで、図３に示すように、従来のポンプ水車に比べて、発電効率の向上を図ることができる。特に、低流量運転から所定の定常運転で使用される領域にて、大幅な効率の向上を可能とすることができる。

このように実施例１のポンプ水車にあっては、ケーシング１４に流路２１，２２を形成し、このケーシング１４に回転軸１２を回転自在に支持し、回転軸１２と一体に回転可能なランナ１３を流路２１，２２に配置し、ランナ１３の下流側で第１流路２１の内周面１４ａとランナ１３におけるシュラウド１７の外周面１７ａとの間の回転隙間Ｓ１に第１シール装置２３を配置し、この第１シール装置２３として、第２流路２２の内周面１４ａに形成される凹部３１とシュラウド１７の外周面１７ａに形成される凸部３２とが回転隙間Ｓ１より狭い第１シール隙間Ｓ１１で対向する第１シール部３４と、第１シール部３４より下流側で第２流路２２の内周面１４ａとシュラウド１７の先端部に形成される円筒部３３とが回転隙間Ｓ１より狭い第２シール隙間Ｓ１２で対向する第２シール部３５を設ける。

従って、ケーシング１４（流路２１，２２の内周面１４ａ）にリング形状をなす凹部３１を形成する一方、シュラウド１７の外周面１７ａにリング形状をなす凸部３２を形成すると共に、ケーシング１４（流路２１の内周面１４ａ）にシュラウド１７の円筒部３３の外周面３３ａを対向させるだけで、２つのシール部３４，３５を設けることができる。そのため、ケーシング１４の加工が容易となり、加工コストの低減を可能とすることができる。また、シール部３４，３５によりランナ１３とケーシング１４との間の隙間に高いシール性能を確保することができ、発電効率、または、水車効率を向上することができる。

また、実施例１のポンプ水車では、第２シール部３５を第１シール部３４の下流側に所定間隔をもって配置している。従って、ランナ１３とケーシング１４との間に所定間隔で２つのシール部３４，３５を設けることとなり、ここでの流れは、急縮流れ、急拡流れ、急縮流れとなり、シュラウド１７とケーシング１４との間における用水の漏れ量を低減することができると共に、構造の簡素化、低コスト化を可能とすることができる。

また、実施例１のポンプ水車では、シュラウド１７の先端部を第１流路２１の内周面１４ａに沿って下流側に延出する円筒部３３を設けることで、第２シール部３５を構成することを特徴としている。従って、シュラウド１７の先端部を第１流路２１の内周面１４ａ、つまり、ケーシング１４に沿って下流側に延出するだけで第２シール部３５を設けることができ、更なる構造の簡素化、低コスト化を可能とすることができる。

図４は、本発明の実施例２に係る流体機械としてのポンプ水車におけるシール部を表す概略図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２のポンプ水車において、図４に示すように、ランナ１３を構成するシュラウド４１は、湾曲したリング形状をなし、複数のランナベーン１８の端部に固定されている。ケーシング１４は、第１流路２１に至る過程で、内周面１４ａにリング形状をなす凹部３１が用水の流れ方向に沿って形成されている。ランナ１３は、シュラウド４１における少なくともその一部がこの凹部３１内に入り込み、シュラウド４１の外周面４１ａと凹部３１の底面３１ａとの間に回転隙間Ｓ１が確保されている。そして、シュラウド４１は、第１流路２１側の端部近傍の外周部にリング形状をなす凸部４２が形成されており、この凸部４２は、少なくともその一部が凹部３１内に入り込み、凸部４２の外周面４２ａ（シュラウド外周面４１ａ）と凹部３１の底面３１ａとの間に回転隙間Ｓ１より狭い第１シール隙間（所定隙間）Ｓ１１が確保されている。

また、シュラウド４１は、この凸部４２より更に先端部側（第１流路２１側）に別部材としての円筒部４３が固定されている。即ち、この円筒部４３は、凹部３１の外側で、基端部がシュラウド４１の先端部に溶接により固定され、先端部が凹部３１のない第１流路２１の内周面１４ａに沿って下流側に延設されることで、円筒部４３の外周面４３ａ（シュラウド外周面４１ａ）と第１流路２１の内周面１４ａとの間に回転隙間Ｓ１より狭い第２シール隙間（所定隙間）Ｓ１２が確保されている。この場合、円筒部４３の外周面４３ａと、第１流路２１の内周面１４ａとは、ほぼ平行をなすように形成されている。また、円筒部４３は下流側の先端に向かって、その肉厚が漸減されるように滑らかに形成されている。また、円筒部４３の内周面４３ｂは、シュラウド４１の内周面４１ｂと滑らかに繋がって主流の流路を形成するように、シュラウド４１に溶接固定された後にグラインダー等で仕上げ加工される。なお、流路を滑らかに形成できれば溶接でなくてもよく、ロウ付やボルトなどを用いて固定してもよい。

ここで、シュラウド４１における凸部４２の外周面４２ａとケーシング１４における凹部３１の底面３１ａとが対向して形成される第１シール隙間Ｓ１１により、本発明の第１シール部４４が構成される。また、シュラウド４１における円筒部４３の外周面４３ａとケーシング１４における第１流路２１の内周面１４ａとが対向して形成される第２シール隙間Ｓ１２により、本発明の第２シール部４５が構成される。そして、第１シール部４４と第２シール部４５により第１シール装置４６が構成される。

なお、実施例２における第１シール装置４６の作用については、上述した実施例１と同様であることから、説明は省略する。

このように実施例２のポンプ水車にあっては、ランナ１３におけるシュラウド４１の凸部４２と、ケーシング１４の凹部３１との間に第１シール隙間Ｓ１１を有する第１シール部４４を形成すると共に、シュラウド４１の下流側先端部に別部材として円筒部４３を固定し、この円筒部４３と第１流路２１との間に第２シール隙間Ｓ１２を有する第２シール部４５を形成し、この第１シール部４４と第２シール部４５により第１シール装置４６を構成している。

従って、第１シール部４４のみが設けられる既存のポンプ水車に対して、シュラウド４１の先端部に別部材としての円筒部４３を固定するだけで、第２シール部４５を構成することができ、ケーシング１４側を追加工することなく、容易にランナ１３とケーシング１４との間のシール性能を向上することができる。

なお、上述した各実施例では、シール装置として第１シール部と第２シール部を設けたが、第１シール部と第２シール部との間に凸部と凹部からなる第３シール部を１つ以上設けてもよい。

また、上述した各実施例では、本発明のシール装置を第１シール装置として適用したが、第２シール装置として適用してもよい。

また、上述した各実施例では、本発明の流体機械をポンプ水車に適用したが、単なる水車やポンプ、または、給水ポンプなどの流体機械にも適用可能である。

本発明に係る流体機械は、流路の凹部とシュラウドの凸部と間に第１シール部を設けると共に、流路とシュラウドとの間に第２シール部を設けることで、ケーシングと羽根車との間の隙間に高いシール性能を確保する一方で、加工コストの低減を可能とするものであり、水車、ポンプ水車、給水ポンプなどの流体機械に適用することができる。

１１ポンプ水車
１２回転軸
１３ランナ（羽根車）
１４ケーシング
１６クラウン
１７，４１シュラウド
１８ランナベーン
２１第１通路
２２第２通路
２３，４６第１シール装置
２４第２シール装置
３１，３６凹部
３２，４２凸部
３３，４３円筒部
３４，４４第１シール部
３５，４５第２シール部

Claims

ケーシングに流路が形成され、回転軸が前記ケーシングに回転自在に支持され、前記回転軸と一体に回転可能な羽根車が前記流路に配置され、前記羽根車の下流側で前記流路の内周面と前記羽根車におけるリング形状をなすシュラウドの外周面との間の隙間にシール装置が配置される流体機械において、
前記シール装置は、前記流路の内周面に形成されるリング形状をなす凹部と前記シュラウドの外周面に形成されるリング形状をなす凸部とが前記隙間より狭い所定隙間で対向する第１シール部と、
該第１シール部より下流側で前記流路の内周面と前記シュラウドの外周面とが前記隙間より狭い所定隙間で対向する第２シール部とを有する、
ことを特徴とする流体機械。
前記第１シール部は、前記第２シール部の下流側に所定間隔をもって配置されることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
前記シュラウドは、先端部が前記流路の内周面に沿って下流側に延出することで前記第２シール部を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の流体機械。
前記第２シール部を構成する円筒部は、前記シュラウドの先端部に別部材として固定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の流体機械。