JP2013072304A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ステーベーンを更新することなく、水を最適な流入角度でステーベーンやガイドベーンに流入させて、効率の向上を図ることができる水力機械を提供する。
【解決手段】実施形態の水車１０は、周方向から水を導出するケーシング２４と、ケーシング２４の内周部に、周方向に亘って配置された複数のステーベーン２５と、各ステーベーン２５の上流側に配置され、各ステーベーン２５に流入する水の流入方向を定める複数の流入方向調整ベーン２６とを備える。さらに、水車１０は、ケーシング２４の内側に周方向に亘って配置され、ステーベーン２５を通過した水が導かれる複数のガイドベーン２７と、複数のランナベーン２１を有し、ガイドベーン２７を通過した水によって回動駆動されるランナ２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水力機械に関する。

水力機械として、例えば、水車やポンプ水車などがある。図５は、従来の水車２００の縦断面を模式的に示した図である。図６は、従来の水車２００が示された図５のＸ−Ｘ断面を示す図である。なお、図６では、ステーベーン２０５およびガイドベーン２０６のみの配置構成を示している。

図５に示すように、水車２００の主軸２０１の下端に、周方向にランナベーン２０２を備えたランナ２０３が連結されている。ランナ２０３の外周には、ケーシング２０４が配設されている。

このケーシング２０４の内周部には、ランナ２０３側へ均等に水を導くために、図６に示すように、複数のステーベーン２０５が周方向に設けられている。また、これらのステーベーン２０５とランナ２０３との間には、水の流量を調整するために、図６に示すように、周方向に複数のガイドベーン２０６が配列されている。ランナ２０３の下方には、吸出し管２０７が配設されている。

このような構成の水車２００において、ケーシング２０４に導入された水は、ステーベーン２０５、ガイドベーン２０６を通過して、ランナ２０３に導入される。この際、ステーベーン２０５の入口（前縁部）の設置方向が水の流入方向に対して最適でない場合には、大きな入口衝突損失が発生し、水車性能が大幅に低下する。特に、数値解析などを用いて最適な設計がなされていない旧式の既存の水車では、ステーベーン２０５の入口（前縁部）の設置方向が水の流入方向に対して最適に設定されていないことが多い。

そこで、ステーベーン２０５に発生する入口衝突損失を低減するために、様々な検討がなされている。

特公平３−３９１９６号公報

既設の水車を改造する場合、ランナのみの更新が行われるケース、ランナおよびガイドベーンの更新が行われるケース、ランナ、ガイドベーンおよびステーベーンの更新が行われるケースがある。ここで、ステーベーンの最適な入口取り付け角度は、ステーベーンの入口部への最適な水の流入角度に基づいて定まるものである。

上記したケースのうち、ステーベーンの更新を伴わないケースでは、ステーベーン、ガイドベーン、ランナに対する水の流入角度が最適な角度にならないことがある。そこで、ステーベーンの入口部を切削加工などして、入口取り付け角度を変更する方法も考えられるが、ステーベーンの機械的強度の低下や、作業効率の低下などを伴うため、最適な方法とは言い難い。

本発明が解決しようとする課題は、ステーベーンを更新することなく、水を最適な流入角度でステーベーンやガイドベーンに流入させて、効率の向上を図ることができる水力機械を提供することである。

実施形態の水力機械は、周方向から水を導出するケーシングと、前記ケーシングの内周部に、周方向に亘って配置された複数のステーベーンと、各前記ステーベーンの上流側に配置され、各前記ステーベーンに流入する水の流入方向を定める複数の流入方向調整ベーンとを備える。さらに、水力機械は、前記ケーシングの内側に周方向に亘って配置され、前記ステーベーンを通過した水が導かれる複数のガイドベーンと、複数のランナベーンを有し、前記ガイドベーンを通過した水によって回動駆動されるランナとを備える。

第１の実施の形態の水車の縦断面の一部を模式的に示した図である。 第１の実施の形態の水車を示した図１のＡ−Ａ断面の一部を模式的に示した図である。 第１の実施の形態の水車に備えられる流入方向調整ベーンの断面を示している。 第２の実施の形態の水車における、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面の一部を模式的に示した図である。 従来の水車の縦断面を模式的に示した図である。 従来の水車が示された図５のＸ−Ｘ断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の水車１０の縦断面の一部を模式的に示した図である。ここでは、水力機械として機能する水車１０を例示し、この水車１０としてフランシス型の水車を例示して説明する。

図１に示すように、水車１０の主軸２０の下端に、ランナベーン２１を備えたランナ２２が連結されている。主軸２０の頂部には、図示しない発電機が連結されている。

ランナ２２の外周には、ケーシング２４が配設されており、このケーシング２４の内周部には、複数のステーベーン２５が周方向に配置されている。また、各ステーベーン２５の上流側には、各ステーベーン２５に流入する水の流入方向を定める複数の流入方向調整ベーン２６が周方向に配置されている。

ステーベーン２５とランナ２２との間には、周方向に亘って複数のガイドベーン２７が配列されている。このガイドベーン２７の開度を調整することで、ランナ側へ導かれる水の流量が調整される。

ランナ２２の上方には上カバー２８が設けられ、ランナ２２の下方には下カバー２９が設けられている。さらに、ランナ２２の出口下方には、下カバー２９に接続された吸出し管３０が配設されている。なお、ケーシング２４には、上池に連通する図示しない鉄管が接続されている。

ここで、ステーベーン２５、流入方向調整ベーン２６およびガイドベーン２７の配列について詳しく説明する。

図２は、第１の実施の形態の水車１０を示した図１のＡ−Ａ断面の一部を模式的に示した図である。図３は、第１の実施の形態の水車１０に備えられる流入方向調整ベーン２６の断面を示している。なお、図２には、ステーベーン２５、流入方向調整ベーン２６およびガイドベーン２７について示し、他の構成を省略している。また、図２において、水の流線を矢印で示している。図３には、流入方向調整ベーン２６の翼幅方向の端部の断面（破線）と、翼幅方向の中央部の断面（実線）とを重ねて示し、いずれも翼幅方向に垂直な断面である。

図２に示すように、ガイドベーン２７は、周方向に亘って均等に配置されている。ステーベーン２５は、周方向に配置されたガイドベーン２７の１つ置きごとに配置されている。

なお、ここでは、周方向に配置されたガイドベーン２７の１つ置きごとにステーベーン２５を配置した一例を示しているが、ステーベーン２５は、周方向に配置されたガイドベーン２７の少なくとも１つ置きごとに配置されていればよい。また、ガイドベーン２７の１つ置きごとにステーベーン２５を配置する構成に限らず、ステーベーン２５を各ガイドベーン２７ごとに配置してもよい。

各ステーベーン２５の上流側には、ステーベーン２５とは別体として、流入方向調整ベーン２６が配置されている。流入方向調整ベーン２６は、翼形状を有し、ケーシング２４からステーベーン２５への水の流入方向が最適となるように配置位置や配置方向が設定されている。

流入方向調整ベーン２６の配置位置や配置方向は、例えば、流れの数値解析の結果に基づいて設定される。これにより、ステーベーン２５に発生する入口衝突損失や流れの剥離を抑制することができる。例えば、ケーシング２４が、渦巻きケーシングなどの場合、各ステーベーン２５に流入する水の流入角などが異なるため、各ステーベーン２５ごとに流入方向調整ベーン２６の配置位置や配置方向などが設定される。

流入方向調整ベーン２６において、図３に示すように、翼幅方向（図１では上下方向、図２では紙面に垂直な方向）の両端部における入口角を、翼幅方向の中央部における入口角よりも小さくすることが好ましい。

ここで、入口角について、図３を参照して、翼幅方向の中央部の断面（実線）において説明する。流入方向調整ベーン２６のキャンバーラインＬと、流入方向調整ベーン２６の半径方向の最外円周Ｍとが交わる点を点Ｏとする。この点ＯにおけるキャンバーラインＬの接線Ｎと、点Ｏにおける最外円周Ｍの接線Ｐとのなす角θを入口角と定義している。

通常、ケーシング２４からの水の流れ角度は、ステーベーン２５の翼幅方向の中央部よりも、翼幅方向の両端部の方が小さくなる。これは、翼幅方向の両端部側では、壁面との摩擦により、半径方向の流速が減少するために生じる。そこで、上記したように、流入方向調整ベーン２６において、翼幅方向の両端部における入口角を、翼幅方向の中央部における入口角よりも小さくすることで、水の流れ角度に適合し、損失を低減することができる。

流入方向調整ベーン２６は、例えば溶接によって、ケーシング２４に固定される。また、複数に分割された部材を翼幅方向に積層し、それぞれを例えば溶接によって固定して流入方向調整ベーン２６を構成してもよい。このように分割部材を溶接して流入方向調整ベーン２６を構成する場合、翼幅方向で形状が変化する翼部材を一体で製造し、据付段取りをして溶接するよりも、分割した翼部材を個々に溶接する方が作業性が向上する。

次に、第１の実施の形態の水車１０の動作について説明する。

上池の水は、鉄管（図示しない）を通り、ケーシング２４に流入し、図２に示すように、流入方向調整ベーン２６によって流入方向が定められ、ステーベーン２５に流れ込む。ステーベーン２５に流れ込んだ水は、ガイドベーン２７を通ってランナ２２に流れ込み、ランナ２２を回転駆動させる。これによって、主軸２０を介して発電機（図示しない）が駆動される。ランナ２２を通過した水は、吸出し管３０を通り、下池へ流出する。

上記したように、第１の実施の形態の水車１０によれば、ステーベーン２５に流れ込む水の流入方向を最適化することができるため、ステーベーン２５に発生する入口衝突損失や流れの剥離を抑制することができる。そのため、水車効率の向上を図ることができる。

また、既設水車の更新に際し、流入方向調整ベーン２６を設けることで、ステーベーン２５を更新することなく、水車効率の向上や更新期間の短縮を図ることができる。

（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態の水車１１における、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面の一部を模式的に示した図である。なお、図４には、ステーベーン２５、流入方向調整ベーン２６、ガイドベーン２７について示し、他の構成を省略している。また、図４において、水の流線を矢印で示している。また、第１の実施の形態の水車１０の構成と同じ構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

ステーベーン２５、流入方向調整ベーン２６およびガイドベーン２７の配列について説明する。図４に示すように、ガイドベーン２７は、周方向に亘って均等に配置されている。ステーベーン２５は、周方向に配置されたガイドベーン２７の１つ置きごとに、ガイドベーン２７の上流側に配置されている。なお、ここでは、周方向に配置されたガイドベーン２７の１つ置きごとにステーベーン２５を配置した一例を示しているが、ステーベーン２５は、周方向に配置されたガイドベーン２７の少なくとも１つ置きごとに配置されていればよい。

隣り合うステーベーン２５との間には、ガイドベーンに流入する水の流入方向を定める流入方向調整ベーン２６が配置されている。すなわち、ステーベーン２５とステーベーン２５との各間に、それぞれ流入方向調整ベーン２６が配置されている。ここでは、周方向に配置されたガイドベーン２７の１つ置きごとにステーベーン２５を配置しているため、流入方向調整ベーン２６は、ステーベーン２５が配置されていないガイドベーン２７の上流側に配置される。

流入方向調整ベーン２６の翼弦長Ｓは、ステーベーン２５の翼弦長Ｔよりも短く設定されている。このように、流入方向調整ベーンの翼弦長Ｓをステーベーン２５の翼弦長Ｔよりも短くすることで、流入方向調整ベーン２６を、例えば溶接接合する際の溶接範囲を少なくすることができる。これによって、熱変形などを防止することができる。

また、流入方向調整ベーン２６の半径方向の最外周は、ステーベーン２５の半径方向の最外周と同一円周上に位置することが好ましい。これによって、ステーベーン２５と流入方向調整ベーン２６との間に、周方向から流入する水を乱すことなく導くことができる。

なお、第１の実施の形態の水車１０と同様に、流入方向調整ベーン２６において、翼幅方向の両端部における入口角を、翼幅方向の中央部における入口角よりも小さくすることが好ましい。また、流入方向調整ベーン２６の配置位置や配置方向は、第１の実施の形態の水車１０と同様に、例えば、流れの数値解析の結果に基づいて設定される。

通常、ステーベーン２５の枚数がガイドベーン２７の枚数よりも少ない既存の水車では、効率を向上させるために、ステーベーン２５の入口（前縁部）の形状をケーシング２４からの流れに沿うように変更したり、ガイドベーン２７を更新する。ステーベーン２５の下流に位置するガイドベーン２７では、水の流れがある程度ステーベーン２５に沿って流出する。そのため、上流側にステーベーン２５がないガイドベーン２７に流入する流れは、ステーベーン２５に沿って流れる流れよりも適正化が図れずに、損失が増加することがある。この対策として、既存のステーベーン２５の形状を改造するよりも、ガイドベーン２７への水の流入を最適化する方が有効である。

そこで、第２の実施の形態の水車１１のように、隣り合うステーベーン２５との間に、流入方向調整ベーン２６を配置することで、ガイドベーン２７への水の流入を最適化することができる。

次に、第２の実施の形態の水車１１の動作について説明する。

上池の水は、鉄管（図示しない）を通り、ケーシング２４に流入し、図４に示すように、ステーベーン２５と流入方向調整ベーン２６との間に流れ込む。ステーベーン２５と流入方向調整ベーン２６との間に流れ込んだ水は、ステーベーン２５および流入方向調整ベーン２６によって流入方向が定められ、ガイドベーン２７に流れ込む。ガイドベーン２７に流れ込んだ水は、ランナ２２に流れ込み、ランナ２２を回転駆動させる。これによって、主軸２０を介して発電機（図示しない）が駆動される。ランナ２２を通過した水は、吸出し管３０を通り、下池へ流出する。

上記したように、第２の実施の形態の水車１１によれば、ガイドベーン２７に流れ込む水の流入方向を最適化することができるため、ガイドベーン２７に発生する入口衝突損失や流れの剥離を抑制することができる。そのため、水車効率の向上を図ることができる。

また、既設水車の更新に際し、流入方向調整ベーン２６を設けることで、ステーベーン２５を更新することなく、水車効率の向上や更新期間の短縮を図ることができる。

また、本実施の形態の構成は、フランシス型の水車に適用されることに限られない。例えば、カプラン形の水車などにも本実施の形態の構成を適用することができる。

以上説明した実施形態によれば、ステーベーンを更新することなく、水を最適な流入角度でステーベーンやガイドベーンに流入させて、効率の向上を図ることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１１…水車、２０…主軸、２１…ランナベーン、２２…ランナ、２４…ケーシング、２５…ステーベーン、２６…流入方向調整ベーン、２７…ガイドベーン、２８…上カバー、２９…下カバー、３０…吸出し管。

Claims (7)

1. 周方向から水を導出するケーシングと、
   前記ケーシングの内周部に、周方向に亘って配置された複数のステーベーンと、
   各前記ステーベーンの上流側に配置され、各前記ステーベーンに流入する水の流入方向を定める複数の流入方向調整ベーンと、
   前記ケーシングの内側に周方向に亘って配置され、前記ステーベーンを通過した水が導かれる複数のガイドベーンと、
   複数のランナベーンを有し、前記ガイドベーンを通過した水によって回動駆動されるランナと
   を具備することを特徴とする水力機械。
2. 周方向から水を導出するケーシングと、
   前記ケーシングの内周部に、周方向に亘って配置された複数のステーベーンと、
   前記ケーシングの内側に周方向に亘って配置され、前記ステーベーンを通過した水が導かれる複数のガイドベーンと、
   隣り合う前記ステーベーンとの間にそれぞれ配置され、前記ガイドベーンに流入する水の流入方向を定める複数の流入方向調整ベーンと、
   複数のランナベーンを有し、前記ガイドベーンを通過した水によって回動駆動されるランナと
   を具備することを特徴とする水力機械。
3. 前記流入方向調整ベーンの翼弦長が、前記ステーベーンの翼弦長よりも短いことを特徴とする請求項２記載の水力機械。
4. 前記流入方向調整ベーンの半径方向の最外周が、前記ステーベーンの半径方向の最外周と同一円周上に位置することを特徴とする請求項２または３記載の水力機械。
5. 前記ステーベーンが、周方向に配置された前記ガイドベーンの少なくとも１つ置きごとに配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の水力機械。
6. 前記ステーベーンが、各前記ガイドベーンごとに配置されていることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
7. 前記流入方向調整ベーンにおいて、翼幅方向の両端部における入口角が、翼幅方向の中央部における入口角よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の水力機械。

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