JP2013024181A - 軸流水車およびそのディスチャージリング - Google Patents

Abstract

【課題】吸出し管の出口での流速をより低減し，エネルギー効率の向上を図った軸流水車およびそのディスチャージリングを提供する。
【解決手段】一実施形態に係る軸流水車のディスチャージリングは，第１の軸を中心として回転可能なランナボスと，このランナボスの外周に配置され，この第１の軸と異なる第２の軸を中心として，このランナボスに対して回転可能であり，球面状の外周面を有するランナベーンと，を備えるランナを覆う，ディスチャージリングであって，前記外周面に対向して配置される，球面状の内周面を有する球面部と，上流側に配置され，かつ前記第１の軸を含む面上で，第１の円弧をなす，第１の内周面と，下流側に配置され，かつ前記面上で，前記第１の円弧の半径より小さい半径の，第２の円弧をなす，第２の内周面と，を有し，前記球面部と吸い出し管とを接続する，スロート部と，を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は，軸流水車およびそのディスチャージリングに関する。

水車発電機での発電のために，軸流水車が用いられている（例えば，特許文献１参照）。軸流水車では，流入した水流によってランナを回転し，吸い出し管から流出させる。吸出し管は徐々に断面積を拡大しながら流れを減速させ，吸出し管の出口での流速を小さくする。廃棄損失（発電に利用されずに捨てられてしまうエネルギー）を低減し，軸流水車のエネルギー効率を向上するためである。

特開昭６２−４１９７１号公報

しかしながら，吸出し管の出口での流速は必ずしも十分に小さいとは限らない。
上記に鑑み，本発明は吸出し管の出口での流速をより低減し，エネルギー効率の向上を図った軸流水車およびそのディスチャージリングを提供することを目的とする。

一実施形態に係る軸流水車のディスチャージリングは，第１の軸を中心として回転可能なランナボスと，このランナボスの外周に配置され，この第１の軸と異なる第２の軸を中心として，このランナボスに対して回転可能であり，球面状の外周面を有するランナベーンと，を備えるランナを覆う，ディスチャージリングであって，前記外周面に対向して配置される，球面状の内周面を有する球面部と，上流側に配置され，かつ前記第１の軸を含む面上で，第１の円弧をなす，第１の内周面と，下流側に配置され，かつ前記面上で，前記第１の円弧の半径より小さい半径の，第２の円弧をなす，第２の内周面と，を有し，前記球面部と吸い出し管とを接続する，スロート部と，を具備する。

本発明によれば，吸出し管の出口での流速をより低減し，エネルギー効率の向上を図った軸流水車およびそのディスチャージリングを提供できる。

一実施形態に係る軸流水車１０を表す模式図である。 軸流水車１０を拡大した状態を表す拡大模式図である。 比較例に係る軸流水車１０ｘを拡大した状態を表す拡大模式図である。 ランナベーンの取付角度を大きくしたときのランナ出口側での漏れ流れ増加を示す図である。 軸流水車１０，軸流水車１０ｘを対比した模式図である。 ランナ中心Ｏからの距離と，流路断面積および平均流速の関係を示す図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は，一実施形態に係る軸流水車１０を表す模式図である。図２は，軸流水車１０を拡大した状態を表す拡大模式図である。図１，図２は，子午面（後述のランナ回転軸Ａ１を含む面）上での軸流水車１０を表している。なお，図１，図２では，軸流水車１０の上半分のみを表し，下半分を省略している。

軸流水車１０は，水流により回転するものであり，水車発電機に用いられる。ここでは，軸流水車１０として横軸バルブ水車を示している。但し，横軸バルブ水車に替えて，立型バルブ水車を含む，バルブ水車一般とすることも可能である。また，軸流水車１０を，バルブ水車一般を含むカプラン水車としても良い。

軸流水車１０は，流路１１に配置され，ケーシング１２，ステーベーン１３，ガイドベーン１４，ランナ２１，ランナコーン２４，ディスチャージリング３１，吸出し管３２を有する。

流路１１は，上池からの水流Ｆを軸流水車１０に供給する供給路である。例えば，鉄管によって，流路１１を形成できる。流路１１を介して，上池から流入した水流Ｆがステーベーン１３，ガイドベーン１４をぬけ，ランナ回転軸Ａ１を中心としてランナ２１を回転させ，吸出し管３２を通って下池に排出される。

ケーシング１２は，その中に発電機を収容する外殻である。
ステーベーン１３は，ランナ２１へ水流Ｆを均等に導くために，ケーシング１２の周方向に複数枚設置された固定羽根である。

ガイドベーン１４は，ランナ２１に供給される水流Ｆの量（水量）を調節するために，ケーシング１２の周方向に複数枚設置された可動羽根である。

ランナ２１は，ランナボス２２，複数枚のランナベーン２３とで構成され，水流Ｆによって，回転する回転部（タービン）である。

ランナボス２２は，ランナ回転軸Ａ１を中心に回転し，ケーシング１２内に設置されている発電機と，主軸によってカップリング（接続）されて，回転力を伝達する。

複数枚のランナベーン２３が，ランナボス２２の周方向に，ランナ回転軸Ａ１を中心とする放射状に取り付けられる。ランナベーン２３は，ランナボス２２に対して，ランナベーン回転軸Ａ２を中心に回転できる。ランナ回転軸Ａ１とランナベーン回転軸Ａ２は，ランナ中心Ｏを交点として交わる。

ランナベーン２３とランナボス２２を接続し，この回転を可能とするリンク機構がランナボス２２内に納められている。ランナベーン２３を回転することで，ランナボス２２に対するランナベーン２３の取り付け角度を調節できる。水の落差や水量の変動に応じて，ランナベーン２３の取付角度を適正化し，広い運転範囲で高効率な発電特性を得るためである。

ランナベーン２３は，半径（Ｒ−ΔＲ）の球面の外周部２３ａを有する。外周部２３ａは，後述の，ディスチャージリング３１の球面部３１ａと対向する。

なお，ランナベーン回転軸Ａ２は，紙面の上下方向としている。ランナ２１を回転することで，ランナベーン回転軸Ａ２は，ランナ回転軸Ａ１に対して回転し，紙面上から外れる。ここでは，ランナベーン回転軸Ａ２が紙面の上下方向となるように，ランナ２１の回転角度が設定されているとする。

ディスチャージリング３１は，ランナ２１の外周部２３ａを極小隙間（ΔＲ）で覆うように構成され，水流によって回転しない静止部である。図２に示すように，ディスチャージリング３１は，一定半径Ｒの球面で形成されランナベーン２３と対向する球面部３１ａと，吸出し管３２と滑らかに接続されるスロート部３１ｂとに区分できる。

既述のように，ランナベーン２３の外周部２３ａは，半径（Ｒ−ΔＲ）の球面で形成される。即ち，ランナベーン２３の外周部２３ａと，ディスチャージリング３１の球面部３１ａは，一定の隙間（ΔＲ）を有して配置される，同一中心（ランナ中心Ｏ）の２つの球面に対応する。このため，ランナ回転軸Ａ１およびランナベーン回転軸Ａ２のいずれ（ランナ中心Ｏ）を中心として，ランナベーン２３が回転しても，ディスチャージリング３１との隙間（ΔＲ）を一定に保つことができる。この結果，静止部（ディスチャージリング３１）と回転部（ランナベーン２３）との隙間（ΔＲ）から流れ出て，羽根（ランナベーン２３）に作用しない漏れ流れの量を極小化した状態で，軸流水車１０を運転できる。

球面部３１ａとスロート部３１ｂの境界が境界Ｂである。スロート部３１ｂと吸出し管３２の境界が，吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃである。スロート部３１ｂは，ランナ回転軸Ａ１との距離が最小の箇所（スロートＳ）を有する。スロートＳでのスロート部３１ｂの内径（直径）がスロート径Ｄｓである。後述の領域３１ｃ，３１ｄの境界がスロートＳとなる。

次に示すように，スロートＳの位置（ランナ中心ＯからスロートＳまでの距離Ｙｓ），スロート径Ｄｓは，ランナベーン２３との関係によって決定される。即ち，水車出力を上昇させるために，ランナベーン２３の取付角度を大きくすることを考える。このとき，図３に示すように，大出力運転時に，ランナベーン２３の出口側がディスチャージリング３１の球面部３１ａから下流のスロート部３１ｂにはみ出る可能性がある。この場合，スロート部３１ｂ（下流側にはみ出た範囲）とランナベーン２３の外周側の隙間Ｇが大きくなり，漏れ流れ（ランナベーン２３とディスチャージリング３１間を通過する水流）が増加し，水車効率の低下を招く可能性がある。そのため，大出力側の運転でこのような効率低下が発生しないよう，ランナ中心Ｏからスロート部３１ｂのスロートＳまでの距離Ｙｓとスロート径Ｄｓが決められる。

吸出し管３２は，ランナ２１の下流に位置しディスチャージリング３１と滑らかに接続される。吸出し管３２は徐々に断面積を拡大しながら流れを減速させる一種のディフューザである。吸出し管出口Ｅ（ランナ中心Ｏから距離Ｙｅ）での流速を小さくすることで，吸出し管出口Ｅでの動圧を小さくし，廃棄損失（発電に利用されずに捨てられてしまうエネルギー）を低減できる。廃棄損失が極力小さくなるよう，吸出し管出口Ｅにおける断面積（出口断面積）は大きい方が望ましい。

本実施形態では，スロート部３１ｂが半径Ｒ１の円弧の領域３１ｃと，半径Ｒ２の円弧の領域３１ｄに区分される。これらの領域３１ｃ，３１ｄの境界がスロートＳである。

領域３１ｃは，上流側に位置し，紙面上で，中心Ｏ１，半径Ｒ１の円弧をなす。領域３１ｄは，下流側に位置し，紙面上で，中心Ｏ２，半径Ｒ２の円弧をなす。

スロート部３１ｂの内周（領域３１ｃ，領域３１ｄ）は，ランナ回転軸Ａ１を回転中心とする回転対称性を有する。スロート部３１ｂの内周の径が，半径Ｒ１の円弧，半径Ｒ２の円弧に従って，上流から下流に向かって変化する。また，中心Ｏ１，Ｏ２はそれぞれ，立体的に見れば，ランナ回転軸Ａ１上の点を中心とする２つの円周の一部である。ランナ回転軸Ａ１およびランナベーン回転軸Ａ２を含む面（図２の紙面）と，これら２つの円周と，が交わる２つの点が，中心Ｏ１，Ｏ２である。

球面部３１ａ，スロート部３１ｂ（領域３１ｃ，領域３１ｄ），吸出し管３２は，境界Ｂ，スロートＳ，吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃにおいて，滑らかに接続される。即ち，境界Ｂにおいて，球面部３１ａと領域３１ｃの接線の傾きは互いに略等しい。スロートＳにおいて，領域３１ｃ，３１ｄの接線の傾きは互いに略等しい。吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃにおいて，領域３１ｄと吸出し管３２の接線の傾きは互いに略等しい。

境界Ｂでの接続を滑らかにするために，ランナ中心Ｏ，境界Ｂ，中心Ｏ１が略直線上に配置される。即ち，ランナ中心Ｏ，境界Ｂを結ぶ直線の延長上に中心Ｏ１が配置される。

スロートＳでの接続を滑らかにするために，中心Ｏ１，Ｏ２を結ぶ直線が，ランナ回転軸Ａ１と略垂直に交わる（ランナベーン回転軸Ａ２と略平行）。

吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃでの接続を滑らかにするために，中心Ｏ２と吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃを結ぶ線分が，中心Ｏ１，Ｏ２を結ぶ線分となす角度θ２が，拡大角θと略等しく設定される。吸出し管３２の接線の傾きは，拡大角θで表されるためである。

半径Ｒ２は半径Ｒ１より小さく設定される（Ｒ１＞Ｒ２）。このようにすることで，次のことが可能となる。
（１）後述の比較例に対して，吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃをより上流側に配置される（ランナ中心Ｏから吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃまでの距離Ｙｃがより小さくなる）。
（２）後述の比較例に対して，吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃでの吸出し管３２の内径が大きくなる。

この結果，比較例に係る軸流水車１０ｘに比べて，吸出し管３２における損失を増大させることなく，吸出し管出口Ｅでの断面積を拡大し，水車出口における流速を小さくすることができる。即ち，吸出し管３２の適正な拡大角θを保って吸出し管３２での損失の増加を抑制しつつ，吸出し管出口Ｅでの断面積を拡大できる。その結果，廃棄損失を低減し，水力発電で利用できるエネルギーが増大される。

（比較例）

図４は，比較例に係る軸流水車１０ｘを拡大した状態を表す拡大模式図である。軸流水車１０ｘは，ディスチャージリング３１ｘ，吸出し管３２ｘを有する。ディスチャージリング３１ｘは，球面部３１ａ，スロート部３１ｂｘを有する。

スロート部３１ｂｘは，実施形態のスロート部３１ｂと異なり，中心Ｏ０，半径Ｒ０の１の円弧のみから形成される。吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃ０での接続を滑らかにするため，中心Ｏ０と吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃ０を結ぶ線分が，中心Ｏ０とスロートＳを結ぶ線分となす角度θ０が，拡大角θと略等しく設定される。

既述のように，吸出し管出口Ｅでの流速が十分に小さくないと，その分の動圧が廃棄損失となり，発電で利用できるエネルギーが減少してしまう。
仮に，拡大角θを大きくしたり，吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃ０（ランナ中心Ｏからの距離Ｙｃ０）をより上流側としたりできれば，吸出し管出口Ｅでの流速ｖｓを低減できる。

しかしながら，これらは困難である。即ち，吸出し管出口Ｅでの断面積が大きくなるように拡大角θを過大にしてしまうと，吸出し管３２の壁面で流れが剥離し，吸出し管３２内の損失が増大してしまう。流れが剥離しない程度の適正な拡大角θを設定し，吸出し管３２ｘの面積を緩やかに拡大する必要がある。

ディスチャージリング３１のスロート部３１ｂによって，吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃ０は決まってしまう。一定角度θで吸出し管３２の流路を拡大する場合，吸出し管出口Ｅにおける断面積も一意に決定される。

図５は，実施形態，比較例のディスチャージリング３１，３１ｘ，吸い出し管３２，３２ｘを比較した図である。ここでは，スロート部３１ｂでの中心Ｏ１，半径Ｒ１とスロート部３１ｂｘでの中心Ｏ０，半径Ｒ０が一致するとする。このようにすると，ディスチャージリング３１，３１ｘにおいて，球面部３１ａからスロート部３１ｂ（領域３１ｃ），スロート部３１ｂｘの上流側での形状は一致する。

既述のように，半径Ｒ１＝Ｒ０＞半径Ｒ２であることから，比較例での吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃ０に対して，実施形態での吸出し管入口（吸い出し管開始位置）Ｃが上流側となっている。また，吸出し管入口Ｃ，Ｃ０いずれでも吸出し管３２の内径は，吸出し管３２ｘの内径より大きい。

図６はランナ中心Ｏからの距離Ｙと流路断面積ＳＡおよび平均流速ｖｓについて，実施形態と比較例を対比したものである。グラフＧ１１，Ｇ１０が実施形態，比較例での流路断面積ＳＡを，グラフＧ２１，Ｇ２０が実施形態，比較例での平均流速ｖｓを表す。スロートＳでの流路断面積ＳＡがＳＡ０（＝π＊（Ｄｓ／２）^２）である。グラフＧ１１，Ｇ１０，Ｇ２１，Ｇ２０に示されるように，実施形態では比較例に比して，どの距離Ｙにおいても，断面積ＳＡが大きく，平均流速ｖｓが小さい。

その結果，吸出し管３２での損失増加を抑制しつつ，水車出口の動圧によって決まる排気損失を低減でき，水力発電で利用できるエネルギーを増加できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，横軸バルブ水車での例を示している。これに対して，横軸バルブ水車に替えて，立型バルブ水車を含む，バルブ水車一般とすることも可能である。また，軸流水車を，バルブ水車一般を含むカプラン水車としても良い。

１０ 軸流水車
１１ 流路
１２ ケーシング
１３ ステーベーン
１４ ガイドベーン
２１ ランナ
２２ ランナボス
２３ ランナベーン
２３ａ 外周部
２４ ランナコーン
３１ ディスチャージリング
３１ａ 球面部
３１ｂ スロート部
３１ｃ，３１ｄ 領域
３２ 吸い出し管
Ｂ 境界
Ｓ スロート
Ｅ 管出口
Ａ１ ランナ回転軸
Ａ２ ランナベーン回転軸
Ｄｓ スロート径
Ｏ ランナ中心
Ｏ１，Ｏ２ 中心
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２ 半径
θ 拡大角
θ０ 角度，θ１，θ２ 角度

Claims (5)

1. 第１の軸を中心として回転可能なランナボスと，このランナボスの外周に配置され，この第１の軸と異なる第２の軸を中心として，このランナボスに対して回転可能であり，球面状の外周面を有するランナベーンと，を備えるランナを覆う，ディスチャージリングであって，
   前記外周面に対向して配置される，球面状の内周面を有する球面部と，
   上流側に配置され，かつ前記第１の軸を含む面上で，第１の円弧をなす，第１の内周面と，下流側に配置され，かつ前記面上で，前記第１の円弧の半径より小さい半径の，第２の円弧をなす，第２の内周面と，を有し，前記球面部と吸い出し管とを接続する，スロート部と，
   を具備することを特徴とする軸流水車のディスチャージリング。
2. 前記第１，第２の円弧それぞれの第１，第２の中心と，前記第１，第２の内周面の境界と，が略直線上に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の軸流水車のディスチャージリング。
3. 前記第２の内周面と前記吸い出し管の境界と，前記第２の中心と，を結ぶ第１の線分と，前記第１，第２の内周面の境界と，前記第２の中心と，を結ぶ第２の線分と，がなす角度が，前記吸い出し管の拡大角と，略等しい，
   ことを特徴とする請求項２記載の軸流水車のディスチャージリング。
4. 前記第１，第２の内周面の境界において，前記スロート部の内径が，最小である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸流水車のディスチャージリング。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のディスチャージリングと，
   ランナボスと，ランナベーンと，を有し，前記ディスチャージリングによって覆われるランナと，
   前記ディスチャージリングに接続される吸い出し管と，
   を具備することを特徴とする軸流水車。

Images