JP2014084818A - 水車ガイドベーン及び水車 - Google Patents

Abstract

【課題】
最高効率点で流量の少ない仕様をもつフランシス形水車において、高い効率を実現することができ、さらに、流量調整の際に強度上の問題が生じにくい水車ガイドベーン及び水車を提供する。
【解決手段】
長い翼弦長を有する複数の固定ガイドベーンと、固定ガイドベーン間に配置された短い翼弦長を有する複数の可動ガイドベーンとからガイドベーンを構成し、短い翼弦長を有する可動ガイドベーンを回転させることにより全閉を含めた流量調整を行うようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水車ガイドベーン及び水車に関する。

フランシス形水車では、水車へ流入する流れは、渦巻きケーシングの内部に沿って流れながら、ステーベーン、ガイドベーンの間を通過し、ランナ回転方向の旋回を与えられる。そして、流れは、回転するランナのランナ翼の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収され、ランナ下流へ、ドラフトチューブを経由して、旋回の無い流れとして放出される。

水車に要求される重要な性能指標の一つに効率がある。水車効率を大きく左右する要素がランナで、その形状は与えられた設計仕様に対して最も効率が高くなるように設計される。ランナに流入する流れの条件は、ある設計仕様が決まった場合、渦巻きケーシング、ステーベーン、ガイドベーンの形状で決まるため、これらの要素をランナの効率が高くなるような形状に設定することで、水車全体の効率を向上させることができる。

ガイドベーンは流れをランナ入口へ適切な角度をつけて導くと同時に、流量を調整する役割を持ち、開閉可能な可動の翼となっている。また、ガイドベーンは、翼を閉じることによって上流からの流れを完全に遮断した全閉状態を実現できる必要がある。

従来、ガイドベーンについて種々検討されている。例えば、特許文献１や特許文献２に記載のものがある。

特許文献１では、軽負荷運転時の運転性能の改善、水車上カバーの軽量化、ガイドベーン操作機構部品の半減を図るため、可動ガイドベーンの半数を交互に固定部材に置き換えた構造が提案されている。また、特許文献１には、固定部材を一体化したステーベーン間に可動ガイドベーンを配置した構造も提案されている。

特許文献２では、ポンプ水車のポンプ運転時低流領域で、ガイドベーンに生じる旋回失速を抑制し、これに起因する揚程の右上がり不安定特性を改善するため、ガイドベーンを、長ガイドベーンと短ガイドベーンとで構成し、短ガイドベーンそれぞれが、長ガイドベーンの間に挟まれるように配置した構造が提案されている。

特開昭５４−１３７５３２号公報 特開２００４−３５３５７０号公報

小流量・高落差となる領域で使用される水車としては、従来、ぺルトン水車が主に用いられており、フランシス形水車は余り用いられていない。小流量・高落差となる領域では、フランシス形水車の性能向上が必要となる。

水車内の流れは、水車回転数、ヘッド、流量の三つのパラメータで特徴づけられる。水車は、最も高い効率の求められる最高効率点において、流れが翼に沿ってスムーズに流れている状態になっていなければならないが、水車回転数、ヘッド、流量の組み合わせによって適切な翼の形状は大きく変化する。中でもガイドベーンの形状はこれら三つのパラメータの流れの条件のうち、流量に特に大きく影響を受ける。

本発明者等の検討によれば、流量が少ない条件では、ガイドベーン出口での流れ角度（流れが水車回転軸を中心とする円となす角度）を小さくする必要があり、また、このとき、ガイドベーンの翼間の実効流路幅に対して翼厚みの影響が大きくなることから、ランナ入口流れを均一にするためにガイドベーン翼全体を薄くする必要がある（詳細は後述する。）。

一方で、ガイドベーンには流量を調整する機能が求められるので、ガイドベーンを回転することによって流路幅を変化させ全閉状態を実現しなければならない。しかし、薄く長い翼を回転させることは、流れから受ける力によって翼が変形する可能性があるため、強度上の観点から望ましくない。

従来、特許文献１や特許文献２も含めて、最高効率点で流量の少ない仕様をもつフランシス形水車のガイドベーンの形状については検討されていない。

本発明の目的は、最高効率点で流量の少ない仕様をもつフランシス形水車において、高い効率を実現することができ、さらに、流量調整の際に強度上の問題が生じにくい水車ガイドベーン及び水車を提供することを目的とする。

本発明は、長い翼弦長を有する複数の固定ガイドベーンと、固定ガイドベーン間に配置された短い翼弦長を有する複数の可動ガイドベーンとからガイドベーンを構成し、短い翼弦長を有する可動ガイドベーンを回転させることにより全閉を含めた流量調整を行うようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、回転させるガイドベーンの翼弦長が、その厚みに対して相対的に短いので、翼弦長が長い場合よりも曲げ強度が強く、回転に対する強度上の問題を回避することができる。その結果、最高効率点で流量の少ない仕様をもつ水車において、流量調整の際の強度上の問題の発生を抑えながら、翼厚みが薄いガイドベーンを用いることができ、ランナ入口流れの均一化が図られ、高い効率を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例のガイドベーンを適用した水車の一例の平面図。 本発明の実施例が適用される水車の一例の子午断面図。 本発明に至る過程で検討したガイドベーンを含む水車翼を示す平面図。 本発明に至る過程で検討した他のガイドベーンを含む水車翼を示す平面図。 本発明の一実施例のガイドベーンの全閉状態を説明する図。 本発明の他の一実施例のガイドベーンを含む水車翼の平面図。 本発明の他の一実施例のガイドベーンの全閉状態を説明する図。 本発明の他の一実施例のガイドベーンを含む水車翼の一部を拡大した平面図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、図１及び図２を参照して本発明のガイドベーンが適用される水車を説明する。図１は水車翼全体図を示し、図２はその子午断面形状を示している。

上流から流入する流れ１は、渦巻きケーシング２の内部に沿って流れながら、ステーベーン３、ガイドベーン４１，４２（詳細な構成は後述する）の間を通過し（図１中の矢印５および６の方向）、ランナ回転方向７の旋回を与えられる。ランナ翼間の流れ８は、ランナ翼９の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収される。ランナ翼９の間を流下した流れは、図２中のドラフトチューブ１０を経由して、旋回の無い下流へ流出する流れ１１として放出される。ランナ翼は上部をクラウン１２に、下部をシュラウド１３に固定されており、ステーベーン、ガイドベーン、ランナの上側をクラウン側１４、下側をシュラウド側１５と呼ぶ。

ステーベーンは水車の構造部材で、その上部をクラウン側に、下部をシュラウド側に、スピードリング（図示省略）を介して固定されている。

ガイドベーンは、流れをランナ入口へ適切な角度をつけて導くと同時に、流量を調整する役割を持ち、開閉可能な可動の翼となっている。また、ガイドベーンは、翼を閉じることによって上流からの流れを完全に遮断した全閉状態を実現できる必要がある。

次に、本発明に至った経緯について説明する。

図３及び図４は、本発明に至る過程で検討したガイドベーンを含む水車翼を示す平面図を示す。ガイドベーン形状の特徴の一つとして、図３に示すガイドベーン出口翼角度２１がある。これは、ガイドベーン両側の翼面の中間点で定義されるキャンバ面が、水車回転軸を中心とする円の接線となす角度である。ガイドベーン出口付近では流れはガイドベーンに沿って流れるため、ガイドベーン出口翼角度は、ガイドベーン出口での流速が、水車回転軸を中心とする円の接線となす角度でもある。

流量が少ない条件では、流れの水車回転軸に向かう方向の流速成分２２が小さくなるので、流れと水車回転軸を中心とする円の接線となす角度（以降、「流れの角度」と呼ぶ）が小さくなる。従って、最高効率点で流量の少ない仕様をもつ水車で効率を高くするためには、ガイドベーン出口翼角度は、図４に示すガイドベーン出口翼角度２３のように、図３に示すガイドベーン出口翼角度２１に比べて小さくなっている必要がある。

また、水車最高効率点において流量が小さい場合には、ガイドベーン出口翼角度が小さいことに加え、水車効率をできるだけ高くするためにランナへ流入する流れができるだけ均一であること（ガイドベーン出口流速分布の均一化）も同時に求められる。ランナへの流れの均一性は、ガイドベーン間の流路幅２４とガイドベーン厚み２５の関係で決まり、流路幅に対してガイドベーン厚みが小さければ小さいほど流れは均一になる。ところが流量が小さくなるとガイドベーン間の流路幅も小さくなるので、ランナへの流れの均一性を維持するためには、小流量仕様である図４のガイドベーン厚みは、図３のガイドベーン厚みに比べて小さくする必要がある。さらに、ガイドベーンでは翼を回転させることにより全閉条件をつくる必要があるため、同じ翼枚数を用いる場合、その翼弦長を短くすることはできない。従って、翼を薄くすると、その長さに比べた厚みは相対的に小さくなり、翼は相対的に細長い形状になる。なお、翼枚数を増やして翼弦長を短くすることも考えられるが、ガイドベーンの可動機構を考慮すると、翼枚数を増やさない方が良い。すなわち、最高効率点における流量が小さい仕様の水車では、水車の効率を高くするためには、ガイドベーンの厚みは薄くかつその翼弦長は長くする必要がある。

一方で、ガイドベーンには流量を調整する機能が求められるので、ガイドベーンを回転することによって流路幅を変化させ全閉状態を実現しなければならない。しかし、薄く長い翼を回転させることは、流れから受ける力によって翼が変形する可能性があるため、強度上の観点から望ましくない。

従って、最高効率点で流量の少ない仕様をもつ水車で高い効率を実現するためには、薄く長いガイドベーンを用いた上で、強度上問題を生じないような流量調整の仕組みをもつガイドベーンが必要になる。

本発明では、例えば、図１に示すように、ガイドベーンとして長さの異なる薄い翼を交互に並べ、それらのうちの短い方の翼のみが可動となっているようなガイドベーンを使用する。長い翼は固定翼とし、流量調整のために回転させるのは短い翼のみである。長い翼は固定翼であるため、薄く形成しても流量調整に伴う強度上の問題は生じない。一方、短い翼を回転させるが、回転させる翼の長さが、その厚みに対して相対的に短いので、長い翼よりも曲げ強度が強く、回転に対する強度上の問題を回避することができる。すなわち、ランナへの流れの均一性を維持するために、翼の厚みはどの翼も薄くすることができる。

このようにガイドベーンを構成することによって、流量が少ない仕様においても、強度上の問題を生じることなく、ランナ入口流れの均一化と、ガイドベーンの流量調整機能を同時に実現することができ、水車の効率を高めることができる。

なお、特許文献１の第４図には、一見すると、本発明に構造的に類似する、固定部材を一体化したステーベーン間に可動ガイドベーンを配置した構造が記載されているが、本発明では、ステーベーンとガイドベーンとを別に設置するものであり、異なるものである。ステーベーンとガイドベーンとは役割が異なるため、別に設置することが望ましく、本発明はステーベーンとガイドベーンとを別に設置することを前提とするものである。

即ち、渦巻きケーシングからの流入する流れは、その流入部から巻仕舞い部まで不均一な流速分布を持つが、ランナの効率を高めるためにはランナへ流入する流れが周方向に均一であることが望ましい。このため、ステーベーンには渦巻きケーシングからの流れの周方向の分布をできるだけ均一化し、ガイドベーンへの流入角度が周方向に一定となるよう流れを整流する役割がある。一方、ガイドベーンは全閉条件を実現するため、周方向に周期的なパターンで配置する必要があるので、ガイドベーンで流れの周方向不均一性を除去することには限界がある。ステーベーンは固定部材であるためその形状の自由度が大きく、渦巻きケーシングから流入する不均一な流れを整流するために周方向の流れ場分布に応じてベーン形状を変えることにより、流れをより均一にすることができる。このため、本発明では、ステーベーンとガイドベーンの一部とを一体化してそれぞれの役割が十分に果たせなくなることがないように、ガイドベーンとステーベーンとを別に設置し、ガイドベーンのみで本発明の目的を達成するようにしたものである。

本発明における第一の実施形態を図１に示す。ガイドベーンが、翼弦長の異なる２種類の翼（固定ガイドベーン４１，可動ガイドベーン４２）で構成され、さらにそれらが交互に配置され、それらのうち短い方の翼のみが可動となっている。流量が少ない条件において高い効率を得るため、ガイドベーン出口の流れの角度が小さくかつ均一になるよう、固定ガイドベーン及び可動ガイドベーンの翼厚みは薄く、かつガイドベーン出口翼角度が小さくなっている。

さらに、本実施例では、隣り合う翼弦長の長い二つの固定ガイドベーン４１は、水車回転軸周りの回転角度の領域で見たとき、重なる領域４３が生じるよう周方向に密に配置されている。重なる領域４３が生じるように固定ガイドベーンを配置するのは、固定ガイドベーン４１と可動ガイドベーン４２との間に流路が形成されるようにするためである。ガイドベーンを全閉する観点では、固定ガイドベーン間に重なる領域４３がなくても、固定ガイドベーン４１と可動ガイドベーン４２との間に重なる領域が生じるように形成しておけば良い。しかしながら、固定ガイドベーンが短いと、固定ガイドベーン４１の入り口側と可動ガイドベーン４２との間に十分な長さの流路が形成されず、流れをランナに案内するために流れを偏向させることが難しくなる。そこで、本実施例では、固定ガイドベーン間に重なる領域４３が生じるように固定ガイドベーンを構成し、固定ガイドベーン４１の入り口側と可動ガイドベーン４２との間に十分な長さの流路が形成されるようにしている。

また、翼弦長の短い方の可動ガイドベーン４２は、翼弦長の長い方の固定ガイドベーン４１間の翼間距離が最小となる領域４４の付近に設置されている。可動ガイドベーン４２を回転させることによって、図５に示すように流路の全閉状態を実現する。

翼弦長の短い方の可動ガイドベーン４２は、翼弦長の長い方の固定ガイドベーン４１と比較して、その厚みは同等程度に薄いが、その長さが大幅に短くなっていることを特徴としている。このため、流れからの圧力が加わった状態で翼を回転させても、翼が変形してしまうといった強度の上の問題は発生しない。

本発明における他の実施形態を図６〜図８に示す。この実施形態では図１における実施形態と同様、翼弦長の異なる薄いガイドベーンが交互に配置され、そのうち短い方の翼のみが可動となっている。そして、本実施形態では、図１における実施形態と比較して、短い方の翼が流路のより上流側に設置されていることを特徴とする。即ち、図８に示すように、翼弦長の短い可動ガイドベーン４２の後端４５が、隣合う翼弦長の長い固定ガイドベーン４１の構成する流路において、その翼間距離が最小となる位置４６よりも上流側に位置していることを特徴とする。

第一の実施形態のように、翼弦長の長い固定ガイドベーン間の距離が最小となる位置４６の付近に翼弦長の短い可動ガイドベーンを設置すると、可動ガイドベーンの翼弦長を極端に短くしてもガイドベーン間流路を全閉にすることができるため、ガイドベーンに対する強度上の観点からは有利な条件である。

しかし、小流量条件では流れの角度が小さいため、流路幅に対する翼厚みの比が大きく、ガイドベーン出口の流れの均一性を得にくい条件となる。このような条件では、流れの均一性の観点からガイドベーン出口付近には流れを乱す物体はできるだけない方がよい。この点において、第一の実施形態で、可動ガイドベーンを配置した、固定ガイドベーン間の距離が最小となる位置は、それら固定ガイドベーンのうち片方の翼の後端に相当しており、この位置に可動ガイドベーンを置くことは流れ場の均一性の観点からは好ましくない。そこで、第二の実施形態では、翼弦長の短い方の可動ガイドベーンを、その後端４５が翼弦長の長い方の固定ガイドベーン間の距離が最小となる位置４６よりも上流側になるよう配置する。

このようにすると、図７のように翼弦長の短い可動ガイドベーン４２で流路を全閉させるためには、可動ガイドベーンの翼弦長が第一の実施形態に比べて長くなるが、ランナ入口の流れ場の均一性は向上するので、第一の実施形態よりも高い水車効率を実現することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

例えば、上述の実施例では、翼弦長の長い固定ガイドベーンと翼弦長の短い可動ガイドベーンを交互に配置しているが、翼弦長の長い固定ガイドベーン間に翼弦長の短い可動ガイドベーンを二つ配置するようにしても良い。この場合、構造的な複雑性が増すが、可動ガイドベーンの翼弦長を更に短くすることができるため、翼厚みがより薄い可動ガイドベーンとすることができ、流れの均一性の向上が期待できる。

２…渦巻きケーシング、３…ステーベーン、４…ガイドベーン、９…ランナ翼、１０…ドラフトチューブ、１２…クラウン、１３…シュラウド、２１…ガイドベーン出口翼角度、２２…水車回転軸に向かう方向の流速成分、２３…小流量仕様のガイドベーン出口翼角度、２４…ガイドベーン間流路幅、２５…ガイドベーンの厚み、４１…固定ガイドベーン、４２…可動ガイドベーン、４３…固定ガイドベーンの角度の重なり、４４…二つの固定ガイドベーンの翼間距離が最小となる位置の近傍、４５…可動ガイドベーンの後端、４６…二つ固定ガイドベーンの翼間距離が最小となる位置。

Claims (5)

1. 長い翼弦長を有する複数の固定ガイドベーンと、前記固定ガイドベーン間に配置された短い翼弦長を有する複数の可動ガイドベーンとを有することを特徴とする水車ガイドベーン。
2. 請求項１に記載の水車ガイドベーンにおいて、前記固定ガイドベーンと前記可動ガイドベーンは交互に並べられていることを特徴とする水車ガイドベーン。
3. 請求項２に記載の水車ガイドベーンにおいて、前記固定ガイドベーンは、隣り合う固定ガイドベーンとの間で、水車回転方向角度の領域で重なりを持つことを特徴とする水車ガイドベーン。
4. 請求項１に記載の水車ガイドベーンにおいて、前記可動ガイドベーンの後端が、前記固定ガイドベーン間の距離が最小となる位置よりも上流側に位置することを特徴とする水車ガイドベーン。
5. 渦巻きケーシング、ステーベーン、ガイドベーン、ランナを有する水車であって、前記ガイドベーンは、前記ステーベーンとは別に設置され、前記ガイドベーンとして、請求項１〜４の何れかに記載の水車ガイドベーンを用いたことを特徴とする水車。

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