JP2012092712A - 遠心型ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心型ターボ機械の羽根車に作用する軸スラスト力を低減するために、バランスパイプにより背圧室の圧力を低減することで軸スラスト力を減少させる効果を一層高める。
【解決手段】ケーシング１２と羽根車１０のハブ背面によって形成された背圧室２０と吸込み管２２とを連通する軸スラスト力低減用のバランスパイプ２４を設けるとともに、吸込み管２２の壁面に開口するバランスパイプ開口部の近傍で、流体の流れの流速を局所的に増速させる整流装置２６を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、遠心型ターボ機械に関する。

ポンプやフランシス水車などの片吸込み形の遠心型ターボ機械では、羽根車を吸込み管（吸出し管）側へ向かって押す力と反対向きの力の不平衡により、軸方向のスラスト力が発生する。
このような軸スラスト力は、回転軸の自重分による影響を除いては、回転軸が垂直方向に延在する場合でも、回転軸が水平方向に延在する場合でも同様に発生するものであるが、本明細書では力の方向を明確にするために、回転軸が垂直方向に延在し、吸込み管が下向きに接続されている遠心型ターボ機械を図８に挙げて説明する。この場合、「吸込み管側へ向かって押す力」は下向きとなり、「反対向きの力」は上向きとなる。

図８において、参照番号１０は羽根車、１２は羽根車１０を収容するケーシングである。羽根車１０は、回転軸１３と、この回転軸１３に連結されたハブ１４と、一端がハブ１４に固着された複数の羽根１５と、この羽根１５の他端に連結されたシュラウド１６とを有している。図８に示されるように、ケーシング１１とバブ１４の背面１４ａとの間の空間が背圧室２０となっている。

通常運転においては、図８のフランシス水車の例で示すように、羽根車１０を下向きに押す力が、羽根車１０を上向きに押す力よりも大きくなるため、全体として下向きの軸スラスト力が発生する。この軸スラスト力がその大きさに見合うだけの容量をもったスラスト軸受で支持されることで、水車の安定した連続運転が可能になる。

このため、下向きの大きな軸スラスト力が発生する場合、スラスト軸受でのロスが大きくなるという性能上の問題点のほか、大型のスラスト軸が必要になるなどコスト上の問題が生じる。特に、既設機器の改修にあたって既存のスラスト軸受をそのまま流用する場合においては、軸スラスト力が過度に増大すると連続運転に支障をきたす虞がある。

軸スラスト力の大きさに最も影響を与えるのは、羽根車１０を下向きに押す力の原因となる、ケーシング１１とハブ１４の背面１４ａとの間の空間、すなわち背圧室２０内での圧力である。この背圧室２０内の圧力を小さくすることができれば、結果として下向きの軸スラスト力は減少することになる。

従来から、背圧室２０の圧力を低減するための方策として、羽根車１０の出口付近でハブ１４の背面１４ａと流水面とを連通するバランスパイプを設ける方法、背圧室２０と吸込み管とを連通するバランスパイプを設ける方法、ハブ１４の背面１４ａに放射状の裏羽根を設ける方法、ケーシング１２のハブ１４の背面１４ａに対向する表面に、旋回抑制板、隔壁、旋回抑制溝またはフランジを設ける方法などが提案されている。

特開２００３−１３８３６号公報 特開２００９−８０２１号公報

背圧室２０の圧力を低減するためにバランスパイプを設ける場合、水車を収容する建屋の構造上の制約を受け、バランスパイプの口径に上限があることから、背圧室２０の圧力の低減効果を高めることにも限界があった。

また、バランスパイプはコンクリートに埋設されているため、既設の水車を改修してバランスパイプの本数を増やすことが困難であった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、前記従来技術の有する問題点を解消し、バランスパイプにより背圧室の圧力を低減することで軸スラスト力を減少させる効果を一層高めることが可能な遠心型ターボ機械を提供することである。

本発明の実施形態は、主軸に連結されたハブに固着された羽根を有する羽根車と、前記羽根車が内部に設置されたケーシングと、前記羽根車の下側に位置する吸込み管と、を有する遠心型ターボ機械である。前記ケーシングと羽根車のハブ背面によって形成された背圧室と前記吸込み管とを連通する軸スラスト力低減用のバランスパイプが設けられる。そして、前記吸込み管の壁面に開口する前記バランスパイプ開口部の近傍には、流体の流れの流速を局所的に増速させる整流装置が設けられる。

本発明の実施形態による遠心型ターボ機械であるフランシス水車を示す断面図。 図１のＡ部を拡大して示す断面図。 本発明の実施形態による遠心型ターボ機械に適用される整流装置の第２の構成例を示す断面図。 本発明の実施形態による遠心型ターボ機械に適用される整流装置の第３の構成例を示す断面図。 本発明の実施形態による遠心型ターボ機械に適用される整流装置の第４の構成例を示す断面図。 本発明の実施形態による遠心型ターボ機械に適用される整流装置の第５の構成例を示す断面図。 本発明の実施形態による遠心型ターボ機械に適用される整流装置の第６の構成例を示す断面図。 フランシス水車における軸スラスト力の原因となる圧力分布の説明図。

以下、本発明による遠心型ターボ機械の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態
図１は、本発明を遠心型ターボ機械の一つであるフランシス水車に適用した実施形態を示す。

図１において、参照番号１０は羽根車、１２は羽根車１０を収容するケーシングである。羽根車１０は、回転軸１３と、回転軸１３に連結されたハブ１４と、一端がハブ１４に固着された複数の羽根１５と、羽根１５の他端に連結されたシュラウド１６とを有している。図１に示されるように、ケーシング１２とハブ１４の背面１４ａとの間の空間が背圧室２０となっている。

羽根車１０の下流には下方に吸込み管２２が延びている。そして背圧室２０と吸込み管２２の内部とを連通させる管としてバランスパイプ２４が埋設されている。このバランスパイプ２４の下端は、吸込み管２２の壁面に開口するようになっている。
本実施形態では、吸込み管２２の壁面におけるバランスパイプ２４の開口部の付近には、次のような整流装置２６が設けられている。
図２は、整流装置２６が設置される図１におけるＡ部を拡大して示す図である。整流装置２６は、吸込み管２２の壁面におけるバランスパイプ２４の開口部２４ａの近傍で、流れの流速を局所的に増速させる絞り流路を形成するために設けられている。

整流装置２６は、吸込み管２２の壁面との間に絞り流路を形成する案内部材２８と、この案内部材２８を支持する支持部材２９とから構成されている。案内部材２８は、この実施形態では、１枚の板を曲げて吸込み管２２の壁面の形状に沿って反るような形態になっている。このため、絞り流路では、入口から徐々に流路断面積が狭くなりバランスパイプ２４の開口部２４ａの位置で、流路断面積が最小になっている。そして、流路断面積は出口に向かって徐々に拡がるようになっている。支持部材２９は、複数本の棒状の部材からなり、流路入口と流路出口に近い位置で、案内部材２８を支持するようになっている。

本実施形態は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
図１において、フランシス水車の通常運転においては、羽根車１０を下向きに押す力が、羽根車１０を上向きに押す力よりも大きくなるため、全体として下向きの軸スラスト力が発生する。

このような軸スラスト力の大きさに最も影響を与えているのは、羽根車１０を下向きに押す力の原因となる、背圧室２０内の圧力である。下向きの軸スラスト力の大きさを減少させるためには、背圧室２０の圧力を下げることが必要である。

バランスパイプ２４は、背圧室２０と吸込み管２２の管内を連通させるように配管されているところ、吸込み管２２の管内の圧力が下がれば背圧室２０の圧力も下がることになる。

吸込み管２２の壁面におけるバラランスパイプ２４の開口部２４ａを取り囲むように、整流装置２６によって絞り流路が形成されており、この整流装置２６は、次のように開口部２４ａの近傍の圧力を低下させる働きをする。

図２において、整流装置２６の案内部材２８と吸込み管２２の内壁面によって形成される流路において、流路入口の断面積をＡ1、最小の断面積をＡ2、流路出口の断面積をＡ3とする。この整流装置２６では、絞り流路における断面積は、入口から徐々に連続的に減少し、開口部２４ａの位置で最小になり、出口に向かって連続的に増加する。

ここで、断面積Ａi（ｉ＝１，２）における流体の静圧及び流速をｐi、νi、また流体は非圧縮性流体とすると、ベルヌーイの定理により、

（１）式より、ν1＜ν2であることから、（２）式より、ｐ2＜ｐ1であることがわかる。

すなわち、吸込み管２２の壁面と案内部材２８とによって形成される絞り流路では、流体の流れは流路入口から最小断面積Ａ2の部分にかけて加速され、これに伴って圧力が低下することになる。

このような絞り流路での圧力低下現象を利用すべく、バランスパイプ２４の開口部２４ａは、絞り流路が最小断面積Ａ2になっている位置に開口しているため、開口部２４の近傍では流体の圧力は低下することになる。

他方、バランスパイプ２４によって背圧室２０と絞り流路とは連通しているので、背圧室２０の圧力を効果的に低減することができ、その結果、バランスパイプ２４の働きを十二分に活用して、羽根車１０を下向きに押す原因となる軸スラスト力を低減させることができる。

第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について、図３を参照して説明する。
図３は、第１実施形態と同様に遠心型ターボ機械の一つであるフランシス水車における吸込み管２２に取り付けた整流装置３０を示す。なお、図２と同一の構成要素には、同一の参照符合を付して説明する。

この整流装置３０では、吸込み管２２の壁面との間に絞り流路を形成する案内部材３２には、一枚の平らな板が用いられている。流路の流れ方向に平行な案内部材３２の両側面には、それぞれ板からなる支持部材３４が取り付けられ、この支持部材３４によって案内部材３２が支持されている。
この実施形態では、整流装置３０は、吸込み管２２の曲がり部に固定されている。図３において、整流装置３０によって形成される絞り流路の流路入口の断面積をＡ1、最小の断面積をＡ2、流路出口の断面積をＡ3とする。この整流装置３０では、吸込み管２２の曲がり部の形状を利用することで、絞り流路における断面積は、入口から徐々に連続的に減少し、開口部２４ａの位置で最小のＡ2になり、出口に向かって連続的に増加するようになっている。

以上のように構成される第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、流体の流れは流路入口から最小断面積Ａ2の部分にかけて加速され、これに伴って圧力が低下することになる。

このような絞り流路での圧力低下現象を利用すべく、バランスパイプ２４の開口部２４ａは、絞り流路が最小断面積Ａ2になっている位置に開口しているため、開口部２４ａの近傍では流体の圧力は低下することになる。他方、バランスパイプ２４によって背圧室２０と絞り流路とは連通しているので、背圧室２０の圧力を低下させ、軸スラスト力を効果的に低減させることができる。このように、第２実施形態では、整流装置３０の案内部材３２に曲率を持たせる替わりに、吸込み管２２の曲がり部に整流装置３０を取り付けることで、第１実施形態と同様の整流効果を得ることができる。

また、整流装置３０では、支持部材３４を板状の部材から構成しているので、棒状の部材を支持部材３０としている第１実施形態の図２の整流装置２６よりも、流体に接する面積が増えることから整流効果が高まり、よりバランスパイプ２４の開口部２４ａ近傍の圧力低下効果を高めることができる。また、支持部材３４による支持面積が大きくなることから強度が向上する利点もある。

第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４は、第１実施形態と同様に遠心型ターボ機械の一つであるフランシス水車における吸込み管２２に取り付けた整流装置３６を示す。なお、図２と同一の構成要素には、同一の参照符合を付して説明する。

この第３の実施形態は、一枚の板をコ字形に曲げることにより、絞り流路を形成する整流装置３６を構成した実施の形態であり、案内部３７と支持部３８は一体である。そして、図３の第２実施形態と同様に、吸込み管２２の曲がり部に整流装置３０を取り付けることにより、吸込み管２２の曲がり部の形状を利用して、流路の断面積に変化を与えている。

図４において、整流装置３６によって形成される絞り流路の流路入口の断面積をＡ1、最小の断面積をＡ2、流路出口の断面積をＡ3とする。この整流装置３６では、吸込み管２２の曲がり部の形状を利用することで、絞り流路における断面積は、入口から徐々に連続的に減少し、開口部２４ａの位置で最小のＡ2になり、出口に向かって連続的に増加するようになっている。

以上のように構成される第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、流体の流れは流路入口から最小断面積Ａ2の部分にかけて加速され、これに伴って圧力が低下することになる。バランスパイプ２４の開口部２４ａは、絞り流路が最小断面積Ａ2になっている位置に開口しているため、開口部２４ａの近傍では流体の圧力は最も低下することになる。これにより、背圧室２０の圧力を低下させ、軸スラスト力を効果的に低減させることができる。

しかも、整流装置３６は、一枚の板を曲げて構成されているため、絞り流路には入口から出口まで流体の漏れがないことから、より高い整流効果が得られ、バランスパイプ２４による軸スラスト力低減効果を一層高めることができる。

第４の実施形態
次に、本発明の第４の実施形態について、図５を参照して説明する。
図５は、第１実施形態と同様に遠心型ターボ機械の一つであるフランシス水車における吸込み管２２に取り付けた整流装置を示す。なお、図２と同一の構成要素には、同一の参照符合を付して説明する。

この第４の実施形態は、整流装置４０の案内部材４２を環状の部材から構成し、棒材からなる支持部材４４により吸込み管２２の曲がり部に固定した実施の形態である。

この第４実施形態では、環状の案内部材４２によって、吸込み管２２の壁面との間に絞り流路を形成しているので、図５に示されるように、複数本のバランスパイプ２４、２４を吸込み管２２に接続することができる。

バランスパイプ２４、２４の末端の開口部２４ａが吸込み管２２の壁面に開口している位置では、吸込み管２２の壁面の形状を利用して流路断面積が最小になっていることは、第１乃至第３実施形態と同様である。

以上のように構成される第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に、流体の流れは流路入口から最小断面積の部分にかけて加速され、これに伴って圧力が低下することになる。バランスパイプ２４の開口部２４ａは、絞り流路が最小断面積になっている位置に開口しているため、開口部２４ａの近傍では流体の圧力は最も低下することになる。これにより、バランスパイプ２４は、背圧室２０の圧力を低下させ、軸スラスト力を効果的に低減させることができる。

しかも、整流装置４０の案内部材４２は環状をなしていることから、一枚の板からなるものよりも、周方向に面積が大きく増えることになり、バランスパイプ２４の開口部２４ａを複数設けることができるだけでなく、その開口部２４自体の口径が大きい場合に有効である。

また、案内部材４２は環状になっていて、第１乃至第３実施形態の案内部材と異なって側面をもたないため、吸込み管２２を流れる主流が旋回方向成分をもつような非設計点においても整流装置４０の案内部材４２に流れがスムーズに流入するという利点がある。

第５の実施形態
次に、本発明の第５の実施形態について、図６、図７を参照して説明する。
図６、図７は、第１実施形態と同様に遠心型ターボ機械の一つであるフランシス水車における吸込み管２２に取り付けた整流装置を示す。
図６の第５実施形態は、第１実施形態の整流装置２６を支持部材３０で吸込み管２２の壁面に固定する替わりに、吸込み管２２内に外部の空気を供給する給気装置の給気管５０を利用して整流装置２６を固定するようにした実施の形態である。

また、図７の第５実施形態は、第４実施形態の整流装置４０の案内部材４２を支持部材４４で吸込み管２２の壁面に固定する替わりに、給気管５０を利用して固定するようにした実施の形態である。

吸込み管２２の内部の圧力が低下したときには気泡化した渦が発生し、振動、騒音が激しくなる。これを防止するため、給気管５０を通って外部の空気が吸込み管２２内に供給される。この給気管５０は、吸込み管２２を横断するように配管されるので、整流装置２６、４０を支持するには都合良く、支持部材による新たな流路抵抗が増えないことから、整流作用の効率低下を招かずに軸スラスト力を低減できるという利点がある。

以上説明したこれらの実施形態によれば、バランスパイプにより背圧室の圧力を低減することで軸スラスト力を減少させる効果を一層高め、遠心型ターボ機械の安定した運転を実現することができる。

以上、発明の実施形態をしたが、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されるものではない。

１０…羽根車、１２…ケーシング、１３…回転軸、１４…ハブ、１５…羽根、１６…シュラウド、２０…背圧室、２２…吸込み管、２４…バランスパイプ、２６…整流装置、２８…案内部材、２９…支持部材、５０…給気管

Claims (9)

1. 主軸に連結されたハブに固着された羽根を有する羽根車と、前記羽根車が内部に設置されたケーシングと、前記羽根車の下側に位置する吸込み管と、を有する遠心型ターボ機械において、
   前記ケーシングと羽根車のハブ背面によって形成された背圧室と前記吸込み管とを連通する軸スラスト力低減用のバランスパイプを設けるとともに、前記吸込み管の壁面に開口する前記バランスパイプ開口部の近傍で、流体の流れの流速を局所的に増速させる整流装置を設けたことを特徴とする遠心型ターボ機械。
2. 前記整流装置は、前記吸込み管の壁面との間に、流体の流れを局所的に増速させる絞り流路を形成する案内部材と、前記案内部材を前記吸込み間の壁面に固定する支持部材と、からなることを特徴とする請求項１に記載の遠心型ターボ機械。
3. 前記整流装置の案内部材は、前記絞り流路の入口から徐々に流路面積を狭く、最低流路断面になる部分から出口に向かって流路面積が拡がるように、前記吸込み管の壁面に沿って曲がった板からなることを特徴とする請求項２に記載の遠心型ターボ機械。
4. 前記整流装置の案内部材は、平らな板からなり、前記吸込み間の壁面の形状変化を利用し、前記絞り流路の入口から徐々に流路面積を狭く、最低流路断面になる部分から出口に向かって流路面積が拡がるよう流路断面に変化をつけるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の遠心型ターボ機械。
5. 前記整流装置の案内部材は、コ字形に曲折した１枚の板からなり、板の側部を前記支持部材として前記吸込み管の壁面に固定するとともに、前記壁面の形状変化を利用し、前記絞り流路の入口から徐々に流路面積を狭く、最低流路断面になる部分から出口に向かって流路面積が拡がるよう流路断面が変化するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の遠心型ターボ機械。
6. 前記整流装置の案内部材は、環状に閉じた環状案内部材からなり、前記環状案内部材の外周面と前記吸込み間の壁面との間に前記絞り流路を形成したことを特徴とする請求項２に記載の遠心型ターボ機械。
7. 前記整流装置の支持部材は、前記絞り流路の入口および出口の位置で前記案内部材を支持する棒状の部材からなることを特徴とする請求項３、４、６の何れかの項に記載の遠心型ターボ機械。
8. 前記整流装置の支持部材は、前記案内部材の長手方向の側部に取り付けられた板状の支持部材からなることを特徴とする請求項３または４に記載の遠心型ターボ機械。
9. 前記整流装置の支持部材は、前記吸込み管の内部に外気を供給する給気管からなることを特徴とする請求項３、４、６のいずれかの項に記載の遠心型ターボ機械。

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