JP2011247160A - コーン、回転構造体及び流体機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回転中心軸Pが延びる軸方向一方側に向かって外径を漸減させる支持部材11に回転翼12が回転中心軸P周りに設けられて作動流体の流路14が構成され、軸方向一方側に向けて流路14の流体出口14bが開放された回転構造体10に用いられ、流体出口14bの径方向中心部において軸方向一方側に向けて延在し、作動流体Wを外周部15aに沿わせて軸方向一方側に案内するコーン15であって、外周部15aには、軸方向一方側から他方側に向けて回転構造体10の回転方向に沿って溝が設けられ、外周部15aのうち軸方向一方側における一端15d側が径方向外方側に向けて張り出し、外周部15aの一端外径D1が流体出口直径D2の0.25倍以上、かつ、軸方向に直交する仮想平面と外周部15aの一端15dとの角度が75°以上であることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
すなわち、本発明に係るコーンは、回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体に用いられ、前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンであって、前記外周部には、前記軸方向一方側から他方側に向けて前記回転構造体の回転方向に沿って形成された溝が設けられ、前記外周部のうち前記軸方向一方側における一端側が前記径方向外方側に向けて張り出して形成されており、前記外周部の一端外径が前記流体出口直径の0.25倍以上、かつ、前記軸方向に直交する仮想平面と前記外周部の一端との角度が75°以上となっていることを特徴とする。
また、コーンの外周部のうち一端側が径方向外方側に向けて張り出して形成されており、D1≧0.25D2、かつ、角度α≧75°となっているので、コーンの下流側において逆流する流体との干渉を強めて、より強い乱れを生じることにより螺旋渦の発達抑制効果を高めることができる。ここで、D1は、コーン一端外径、D2は、流体出口直径(ランナ出口)、αは、回転中心軸に直交する仮想平面とコーン一端とのなす角度を示す。
図1は、本発明の実施形態に係るフランシス水車(流体機械)1の概略構成を示す概略構成断面図である。このフランシス水車1は、所謂中比速度水車(比速度Ns=140m・kW・rpm前後)として構成されたものである。
なお、本明細書における説明においては、特に言及しない限り、「物の位置を特定する際の上・下」は「重力方向における上・下」をいうものとする。
スパイラルケーシング3には、外部と接続された図示しない用水取込口が設けられていると共に、径方向内方側において環状に開口してスピードリング4と接続された用水送出口3bが設けられている。すなわち、案内流路3aに流入した用水Wは、スパイラルケーシング3内を一周する間に、用水送出口3bからランナ10(スピードリング4)へ向けて送り出される。
図1及び図2に示すように、ランナ10は、クラウン(支持部材)11と、複数のランナベーン(回転翼)12と、シュラウド13と、コーン15とを備えている。以下の説明においては、ランナ10の概略について説明した後に細部について説明する。
流路14において、用水Wは流体入口14aに流入すると、径方向内方側かつ上下方向下方側に流れながらランナベーン12に圧力を作用させてランナ10を回転させる。そして、流体出口14bから下方に放出されてドラフトチューブ(図1参照)5へと流入する。
図3及び図4に示すように、コーン15は、筒状かつ円錐台状に形成されており、クラウン11の下方に進むに従って外径を漸減させた外周部15aを備えており、クラウン外周部11aと滑らかに繋がっている。このコーン15は、上方に位置する基端15bが外周部15aに形成されたボルト孔15xを介してクラウン11の先端部11bにボルト止めされており、先端15cが基端15bよりも小径に形成されている。なお、ボルト孔15xは必ずしも外周部15aに形成する必要はない。
また、図4に示すように、軸方向に直交すると共に先端15cと同一平面内に延在する仮想平面Sと外周部15aの一端15dにおける子午面断面形状との角度αが75°以上となっている。具体的には、α=80°に形成されている。
また、図4に示すように、基端15bから先端15cまでのコーン高さHが130mmとなっており、図2に示すように、外周部15aの一端15dがランナベーン12出口の下端(一端)12aよりも上方に位置している。より具体的には、0.07×D2だけ上方に位置している。
比較例となる従来コーン65は、従来の構成と同等のものである(図2参照)。具体的には、軸方向に切断した断面において外周部が直線状(ρ=∞)になっていて一端が径方向外方に張り出しておらず、また、V溝も設けられていない。この従来コーン65は、コーン15の外径D1、角度α,コーン高さHに相当する部位が160mm,65°,180mmとなっている。
本模型試験においては、この従来コーン65をフランシス水車1と同様のフランシス水車50に組み込んだものを比較例としている。
有効落差…92.9m、出力…4290kW、回転数…600rpm、比速度(Ns)…136〔m・kW・rpm〕={600・(4290)1/2/(92.95/4}、実機ランナ入口径D3…930mm(図2参照)
また、図6及び図7は、ガイドベーン開度が40%の場合における圧力脈動時間波形を示すグラフであって、図6がコーン15の実験結果であり、図7が従来コーン65の実験結果である。なお、図6及び図7においては、横軸が時間(t/tn)、縦軸が圧力脈動振幅となっている。
また、図8及び図9は、ガイドベーン開度が40%の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフであって、図8がコーン15の実験結果であり、図9が従来コーン65の実験結果である。なお、図8及び図9においては、横軸が周波数(f/fn)、縦軸が圧力脈動振幅となっている。ここで、tは時間(s)、tnはランナ1回転に要する時間(s)である。
図5〜図9に示すように、ガイドベーン開度が40%の時において、コーン15の圧力脈動が従来コーン65に比して約75%程度抑制されている。
すなわち、図10に示すように、一般に圧力脈動は螺旋渦Eがランナ出口で発達し振れまわることにより生じると考えられるが、螺旋渦Eはコーン15の下方の死水領域A周りのせん断層Zで発達し死水領域A周りを振れまわることが流動解析や可視化観察から確認されている。ここで、死水領域Aでは下方から上方にコーン15の先端15cに向かう旋回を伴う逆流Cが生じているが、コーン15によれば、コーン15に衝突する逆流Cと渦芯付け根付近がV溝15vで干渉し、V溝15vからの剥離渦等の小規模な乱れが発生するので、安定した渦芯の発達を抑制すると考えられる。
本実施例1は、表1に示すように、複数のコーンモデルM1〜M9について流動解析CFDを行って、コーン形状を規定する四つのパラメータ(コーン高さH、溝本数n、溝角度β及び外周部曲率半径ρ)の圧力脈動抑制効果への影響を確認したものである。解析モデルは、コーン高さH、溝本数n、溝角度β及び外周部曲率半径ρを三種類ふって九種類の組み合わせでコーンモデルM1〜M9を規定して、流動解析CFDにより圧力脈動振幅を求めた。コーンモデルM1〜M9の各パラメータは、以下のようになっている。なお、従来コーン65の外周部にV溝15vを形成したコーンモデルM4が、各コーンモデルの基準となっている。
図12に示すように、コーン高さHは小さくなるにつれて圧力脈動抑制効果が高く、溝本数nは12本から少なくなるにつれて圧力脈動抑制効果が低くなる傾向であることがわかった。
外周部曲率半径ρは小さくなるにつれて圧力脈動抑制効果が高くなるが、外周部曲率半径ρが極端に小さ過ぎると損失が増加して定格時の水車効率が低下してしまう。このため、水車効率に影響を与えず、部分負荷運転時に大きな圧力脈動抑制効果を示す上述したD1≧0.25D2、かつ、角度α≧75°の条件が最適であることがわかった。
すなわち、図13と図14とをそれぞれ比較すると、コーン15の方がコーン25よりも圧力脈動抑制効果が高くなっている。よって、ランナベーン枚数17枚程度の中比速度のフランシス水車においては、溝本数nは12本が最適であることがわかった。
例えば、上述した実施の形態においては、フランシス水車1に本発明を適用した場合を説明したが、他のポンプ水車や水車、遠心ポンプなど様々な流体機械に適用可能である。
また、上述した実施の形態においては、シュラウド13を設ける構成にしたが、シュラウド13を省略してもよい。
また、上述した実施の形態においては、コーン15の外周部15aの一端15d側を径方向外方側に張り出すようにしたが、例えば、図15に示すコーン15´のように、一方端15dの張り出しを強くし、仮想平面Sと外周部15aの一端15dにおける子午面断面形状との角度αが90°以上になるように径方向外方側に張り出すようにしてもよい。
また、上述した実施の形態においては、回転中心軸Pを重力方向に向けた縦軸機に本発明を適用したが、回転中心軸Pを水平方向に向けた横軸機に本発明を適用してもよい。
2…回転シャフト(主軸)
10…ランナ(回転構造体)
11…クラウン(支持部材)
12…ランナベーン(回転翼)
12a…ランナベーンの下端(回転翼の一端)
14…流路
14a…流体入口
14b…流体出口
15…コーン
15a…外周部
15d…一端
15e…他端
15v…V溝(溝)
25…コーン
P…回転中心軸
S…仮想平面
W…用水(作動流体)
D1…一端15dの外径(先端15cの外径)
D2…流体出口14bの直径
Claims (7)
- 回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体に用いられ、
前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンであって、
前記外周部には、前記軸方向一方側から他方側に向けて前記回転構造体の回転方向に沿って形成された溝が設けられ、
前記外周部のうち前記軸方向一方側における一端側が前記径方向外方側に向けて張り出して形成されており、
前記外周部の一端外径が前記流体出口直径の0.25倍以上、かつ、前記軸方向に直交する仮想平面と前記外周部の一端との角度が75°以上となっていることを特徴とするコーン。 - 前記外周部の一端が、前記回転翼の軸方向一方側における一端よりも、前記軸方向他方側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項1に記載のコーン。
- 前記外周部は、前記軸方向に切断した断面において径方向内方側に凹んだ円弧形状をなし、その曲率半径が前記流体出口直径の半分以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のコーン。
- 前記外周部は、前記溝が8〜16本形成されていることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか一項に記載のコーン。
- 前記溝は、前記外周部の一端側において、前記径方向に見た場合に前記仮想平面に対する角度が30°以上となるように形成されていることを特徴とする請求項1から4のうちいずれか一項に記載のコーン。
- 回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体であって、
前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンとして、請求項1から5のうちいずれか一項に記載のコーンを備えることを特徴とする回転構造体。 - 前記回転中心軸上に設けられた主軸と、
前記主軸の軸方向一方側の端部に請求項6に記載の回転構造体とを備えることを特徴とする流体機械。
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