JP2013170571A - 軸流水車 - Google Patents

Abstract

【課題】ランナベーンに均一な流れの圧力水を導入することができるとともに、漏れ損失を低減し、効率の向上を図ることができる軸流水車を提供する。
【解決手段】実施形態の軸流水車は、周方向から圧力水を供給するケーシング４０と、ケーシング４０の内側に周方向に亘って開度を変更可能に設けられ、ケーシング４０からの圧力水が通過する複数のガイドベーン６０と、複数のランナ羽根３２を有し、ガイドベーン６０を通過した圧力水によって回動駆動されるランナ３０と、ランナ３０の下流に設けられた吸出し管９０とを具備する。そして、ガイドベーン６０が、ランナ３０の中心軸に対して傾斜して配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、軸流水車に関する。

流体機械として、例えば、水車などが存在する。水車の中でも、立軸軸流水車においては、ガイドベーンが水車軸に平行に配置され、整流された圧力水が、水車軸に垂直に設置されたランナ羽根に流入する構造となっている。

このような立軸軸流水車として、例えば、カプラン水車がある。このカプラン水車では、渦巻きケーシングから流入した圧力水は、水車軸に平行に配置されたガイドベーンに流入する。そして、ガイドベーンにおいて流量が調整されるとともに整流された圧力水は、急激に下方に９０度程度曲げられ、水車軸に垂直に設置されたランナ羽根に導かれ、水車主軸を回転させる。

特開平０５−２３１２９５号公報

従来の立軸軸流水車では、上記したように、ガイドベーンとランナ羽根との間で流れ方向が９０度変化する。ガイドベーンとランナ羽根との間の距離は長いため、ガイドベーンによって整流された圧力水の流れがランナベーンに達するまでの間に外側に偏りやすい。これにより、効率が低下するといった問題が生じる。

また、ガイドベーンの後縁が位置する付近で、ディスチャージリングが９０度程度下方に屈曲するため、ガイドベーンの後縁とディスチャージリングとの間の隙間が広がり、漏れ損失が生じる。これにより、効率が低下するといった問題が生じる。

本発明が解決しようとする課題は、ランナベーンに均一な流れの圧力水を導入することができるとともに、漏れ損失を低減し、効率の向上を図ることができる軸流水車を提供することである。

実施形態の軸流水車は、周方向から圧力水を供給するケーシングと、ケーシングの内側に周方向に亘って開度を変更可能に設けられ、前記ケーシングからの圧力水が通過する複数のガイドベーンと、複数のランナ羽根を有し、前記ガイドベーンを通過した圧力水によって回動駆動されるランナと、前記ランナの下流に設けられた吸出し管とを具備する。そして、前記ガイドベーンが、前記ランナの中心軸に対して傾斜して配置されている。

第１の実施の形態の軸流水車の一部を子午断面で示した図である。 第１の実施の形態の軸流水車のガイドベーンが配置された流路の一部を断面として示した図である。 第１の実施の形態の軸流水車のガイドベーンの駆動機構を一部断面として模式的に示した図である。 第２の実施の形態の軸流水車の漏水排出機構を一部断面として模式的に示した図である。

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の実施の形態の軸流水車１０の一部を子午断面で示した図である。図２は、第１の実施の形態の軸流水車１０のガイドベーン６０が配置された流路の一部を断面として示した図である。なお、以下に示す実施の形態において、同一の構成部分には、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。また、ここでは、軸流水車１０としてカプラン水車を例示して説明する。

図１に示すように、軸流水車１０は、直立する発電機（図示しない）に直結された鉛直下方に延びる水車主軸２０を備えている。水車主軸２０の先端には、ランナ３０が取り付けられ、ランナ３０は、ランナボス３１とランナ羽根３２を備えている。

ランナ３０の外周には、ケーシング４０が配設されており、このケーシング４０の内周部には、複数のステーベーン５０が周方向に配列されている。また、これらのステーベーン５０とランナ３０との間には、周方向に亘って複数のガイドベーン６０が配列されている。このガイドベーン６０は、回転軸６１を中心軸として回動可能に設けられ、ガイドベーン６０の開度を変更して、ランナ３０に導く圧力水の流量を調整するとともに、圧力水の流れを整流する。

ガイドベーン６０は、ランナ３０の上方に設けられた上カバー７０と、この上カバー７０の外周に設けられたディスチャージリング８０との間に構成される圧力水の流路に配置されている。ガイドベーン６０は、図１に示すように、ランナ３０の中心軸、すなわち、水車主軸２０の中心軸に対して傾斜して配置されている。具体的には、ガイドベーン６０は、ガイドベーン６０の内周側面６０ａ側から外周側面６０ｂ側に向かって下方傾斜するように配置されている。

ガイドベーン６０の回転軸６１と、水車主軸２０の中心軸に平行な直線Ｌとのなす角θは、４０〜７５度に設定されることが好ましい。ここで、角θをこの範囲に設定することが好ましいのは、７５度より大きいと組立が困難となり、４０度より小さいと効果が限定されるからである。

また、ガイドベーン６０が配置された上カバー７０とディスチャージリング８０との間に構成される圧力水の流路も、ガイドベーン６０の傾きに対応して傾いた通路となっている。すなわち、上カバー７０およびディスチャージリング８０も水車主軸２０の中心軸に対して傾斜して配置されている。ここで、上カバー７０の内壁面は、ガイドベーン６０の内周側面６０ａに対向する、流路の壁面として機能し、ディスチャージリング８０の外壁面は、ガイドベーン６０の外周側面６０ｂに対向する、流路の壁面として機能する。

ガイドベーン６０の内周側面６０ａと、この内周側面６０ａに対向する、上カバー７０の内壁面との間の間隙αが、図２に示すように、内周側面６０ａに沿う方向に一定となっている。また、ガイドベーン６０の外周側面６０ｂと、この外周側面６０ｂに対向する、ディスチャージリング８０の内壁面との間の間隙βが、外周側面６０ｂに沿う方向に一定となっている。

例えば、ガイドベーン６０の内周側面６０ａを球面形状に構成し、これに対向する上カバー７０の内壁面を、内周側面６０ａと同心かつ半径が内周側面６０ａの半径から間隙αを減算した長さとなる球面形状に構成することができる。また、ガイドベーン６０の外周側面６０ｂを球面形状に構成し、これに対向するディスチャージリング８０の内壁面を、外周側面６０ｂと同心かつ半径が外周側面６０ｂの半径に間隙βを加算した長さとなる球面形状に構成することができる。

このように構成することで、ガイドベーン６０の開度が変更されたときでも、常に一定の間隙を維持することができ、間隙からの漏水量が減少される。

上記したように傾斜したディスチャージリング８０は、図１に示すように、ガイドベーン６０の下流側、かつランナ羽根３２よりも上流側で屈曲して下方に向かって延設されている。ディスチャージリング８０の下方端部には、吸出し管９０が配設されている。

ランナ羽根３２の外周面３２ｃは、球面形状である。そこで、ランナ羽根３２の上半部３２ａ（上流側半部）に対向するディスチャージリング８０の壁面８１は、ランナ羽根３２の外周面３２ｃと同心であり、かつその半径がランナ羽根３２の外周面３２ｃの半径に間隙γを加算した長さとなる球面形状に構成されている。

一方、ランナ羽根３２の下半部３２ｂ（下流側半部）に対向するディスチャージリング８０の壁面８２は、壁面８１から連続的に下方に延設された平面形状の壁面８２で構成されている。

ディスチャージリング８０の外側および吸出し管９０の一部の外側は、図１に示すように、空洞部１００で構成されている。

この空洞部１００は、ディスチャージリング８０の外側および吸出し管９０の一部の外側の周方向に連通する環状の空間で構成されている。そして、外部から、例えば作業員や運搬車両などがこの空洞部１００に入り込むことができるように、空洞部１００と外部を連通する通路１０１が形成されている。

このように空洞部１００を備え、ランナ羽根３２の外周に位置するディスチャージリング８０の形状を前述したように構成することで、下方からランナ３０の組立作業や分解作業を行うことができる。例えば、ランナ３０を分解する場合、まず、吸出し管９０の一部を取り外してから、ランナ３０を分解することができる。

また、空洞部１００を備えることで、下方からガイドベーン６０の組立作業や分解作業を行うことができる。例えば、ガイドベーン６０を分解する場合、吸出し管９０の一部およびディスチャージリング８０を取り外してから、ガイドベーン６０を分解することができる。

このように、例えば、ガイドベーン６０の補修時などにガイドベーン６０を下方より分解することができるため、上カバー７０や発電機（図示しない）を分解する必要がない。そのため、補修コストの削減や、補修時間の短縮を図ることができる。また、空洞部１００と外部を連通する通路１０１を備えることで、搬出作業や搬入作業も容易に行うことがでる。

さらに、空洞部１００を備えることで、図１に示すように、ガイドベーン６０を回動駆動させる駆動機構１１０をディスチャージリング８０の外側に備えることができる。

ここで、図３は、第１の実施の形態の軸流水車１０のガイドベーン６０の駆動機構１１０を一部断面として模式的に示した図である。

図３に示すように、駆動機構１１０は、図示しないサーボモータによって回動可能なガイドリング１１１を備え、このガイドリング１１１は、ディスチャージリング８０の外周に設けられた設置板１１２に、摺動部材１１３を介して設置されている。

ガイドリング１１１は、リンク板１１４を介してアーム１１５に連結され、このアーム１１５は、外側回動軸１１６に固定されている。この外側回動軸１１６は、ディスチャージリング８０に形成された貫通孔８５を介してガイドベーン６０の外周側面６０ｂに嵌合し固定されている。また、上カバー７０に形成された貫通孔７１を介して内側回動軸１１７がガイドベーン６０の内周側面６０ａに嵌合し固定されている。

そして、サーボモータによってガイドリング１１１が回動され、その回動は、リンク板１１４を介してアーム１１５、外側回動軸１１６に伝えられ、ガイドベーン６０が回動される。

なお、外側回動軸１１６と内側回動軸１１７との中心軸を結んだ線が、前述した、ガイドベーン６０の回転軸６１に相当する。また、図示しないが、外側回動軸１１６と貫通孔８５との間、および内側回動軸１１７と貫通孔７１との間からの圧力水の漏れを防止するためのシール処理が施されている。

このように、駆動機構１１０をディスチャージリング８０の外周に設けることで、上カバー７０の外側（上方）に、駆動機構１１０の取付または分解のための作業スペースを設ける必要がなくなる。これによって、発電機と水車との間隔を狭くすることができるため、発電所の高さを低くすることが可能となる。

第１の実施の形態の軸流水車１０の動作について説明する。

上池より鉄管（図示しない）を通って導入される圧力水は、ケーシング４０に導入される。ケーシング４０に導入された圧力水は、周方向からステーベーン５０に流入し、水車主軸２０の中心軸に対して傾斜して配置されたガイドベーン６０に流入する。

ガイドベーン６０に流入した圧力水は、ガイドベーン６０の弁開度によって流量が調整されるとともに、ガイドベーン６０を通過することで整流され、ランナ羽根３２に導かれる。この際、ガイドベーン６０とランナ羽根３２との間の流れの変化が緩やかであり、かつ双方の距離が短いため、流れの偏りが抑制され、ランナ羽根３２には均一な流れの圧力水が導入される。

ランナ羽根３２では、導入された圧力水の圧力エネルギが回転エネルギへと変換され、ランナ３０は、水車主軸２０を回転軸として回転し、水車主軸２０に連結された、図示しない発電機を回転させて発電する。そして、ランナ羽根３２を通過した圧力水は、吸出し管９０を通って下流の下池へと排出される。

上記したように、第１の実施の形態の軸流水車１０によれば、ガイドベーン６０を水車主軸２０の中心軸に対して傾斜して配置することで、ガイドベーン６０を通過した圧力水がランナ羽根３２に流入する際、均一な流れで導入される。そのため、発電効率を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の軸流水車１１は、上カバー７０内に溜まった漏水を排出する漏水排出機構を備えた以外は、第１の実施の形態の軸流水車１０と同じ構成を有しているため、ここでは、漏水排出機構ついて主に説明する。

図４は、第２の実施の形態の軸流水車１１の漏水排出機構を一部断面として模式的に示した図である。漏水排出機構は、図４に示すように、ガイドベーン６０、ガイドベーン６０の内周側面６０ａに対向する上カバー７０、およびガイドベーン６０の外周側面６０ｂに対向するディスチャージリング８０に貫通する排水用貫通路を備えている。

具体的には、排水用貫通路は、ガイドベーン６０を回転駆動可能に支持している外側回動軸１１６、内側回動軸１１７の軸中心に形成された貫通孔１２０、１２２、およびガイドベーン６０に形成されたこれらの貫通孔１２０、１２２に連通する貫通孔１２１を備える。外側回動軸１１６の貫通孔１２０には、漏水導出管１３０が設けられ、この漏水導出管１３０は、回動継手１３１を介して排出配管１３２に接続されている。排出配管１３２は、例えば、水ピット（図示しない）に連通している。

ここで、漏水排出機構は、少なくとも１つのガイドベーン６０に備えられていればよい。例えば、複数のガイドベーン６０に漏水排出機構を備えてもよい。

このような構成を備える漏水排出機構において、上カバー７０内に溜まった主軸填座１４０からの漏水１５０が所定の水量を超えた場合、漏水１５０は、貫通孔１２２、貫通孔１２１、貫通孔１２０を通り、漏水導出管１３０、回動継手１３１を介して排出配管１３２に導かれる。排出配管１３２に導かれた漏水１５０は、水ピット（図示しない）などに排出される。

なお、漏水導出管１３０と排出配管１３２とは、回動継手１３１を介して接続されているため、ガイドベーン６０を回転駆動する際、外側回動軸１１６とともに排出配管１３２が回動しても、排出配管１３２との接続は維持される。

上記したように、第２の実施の形態の軸流水車１１によれば、第１の実施の形態の軸流水車１０と同様の作用効果が得られるとともに、漏水排出機構を備えることで、上カバー７０内に溜まった漏水１５０を、ポンプなどを使用することなく外部に排出することができる。

以上説明した実施形態によれば、ランナベーンに均一な流れの圧力水を導入することができるとともに、漏れ損失を低減し、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…軸流水車、２０…水車主軸、３０…ランナ、３１…ランナボス、３２…ランナ羽根、３２ａ…上半部、３２ｂ…下半部、３２ｃ…外周面、４０…ケーシング、５０…ステーベーン、６０…ガイドベーン、６０ａ…内周側面、６０ｂ…外周側面、６１…回転軸、７０…上カバー、７１，８５，１２０，１２１，１２２…貫通孔、８０…ディスチャージリング、８１，８２…壁面、９０…吸出し管、１００…空洞部、１０１…通路、１１０…駆動機構、１１１…ガイドリング、１１２…設置板、１１３…摺動部材、１１４…リンク板、１１５…アーム、１１６…外側回動軸、１１７…内側回動軸、１３０…漏水導出管、１３１…回動継手、１３２…排出配管、１４０…主軸填座、１５０…漏水。

Claims (8)

1. 周方向から圧力水を供給するケーシングと、
   ケーシングの内側に周方向に亘って開度を変更可能に設けられ、前記ケーシングからの圧力水が通過する複数のガイドベーンと、
   複数のランナ羽根を有し、前記ガイドベーンを通過した圧力水によって回動駆動されるランナと、
   前記ランナの下流に設けられた吸出し管と
   を具備し、
   前記ガイドベーンが、前記ランナの中心軸に対して傾斜して配置されていることを特徴とする軸流水車。
2. 前記ガイドベーンは、前記ガイドベーンの内周側から外周側に向かって下方傾斜するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の軸流水車。
3. 前記ガイドベーンを備える圧力水の流路において、
   前記ガイドベーンの内周側面と、この内周側面に対向する、前記流路の壁面との間の間隙が、内周側面に沿う方向に一定であり、
   前記ガイドベーンの外周側面と、この外周側面に対向する、前記流路の壁面との間の間隙が、外周側面に沿う方向に一定であることを特徴とする請求項１または２記載の軸流水車。
4. 前記ガイドベーンの外周側面に対向する前記壁面を有する壁部および前記吸出し管の外側が、空洞部で構成されていることを特徴とする請求項３記載の軸流水車。
5. 前記ガイドベーンの外周側面に対向する前記壁面を有する壁部の外側に、前記ガイドベーンの開度を変更する駆動機構を備えていることを特徴とする請求項４記載の軸流水車。
6. 前記ランナを下方側から分解することが可能なことを特徴とする請求項４または５記載の軸流水車。
7. 前記ガイドベーンを下方側から分解することが可能なことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項記載の軸流水車。
8. 前記ガイドベーン、前記ガイドベーンの内周側面に対向する前記壁面を有する壁部、および前記ガイドベーンの外周側面に対向する前記壁面を有する壁部に貫通する排水用貫通路を備えたことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項記載の軸流水車。

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