JP2014214655A

JP2014214655A - 軸流水車

Info

Publication number: JP2014214655A
Application number: JP2013091729A
Authority: JP
Inventors: 澤貞男黒; Sadao Kurosawa; 村一幸中; Kazuyuki Nakamura; 伯翰柯; Hakukan Ka; 水光一郎清; Koichiro Shimizu
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: US9951745B2; CN104121136A; JP6239258B2; BR102014008438A2; BR102014008438B1; US20140322004A1; CN104121136B

Abstract

【課題】ランナベーンとディスチャージリングとの間の間隙に起因する漏れ流れの低減による水車性能の向上を図るとともに、間隙近傍で発生するキャビテーシン壞食を低減する。
【解決手段】軸流水車は、上流側内周面が円筒面として形成されるとともに下流側内周面が球面として形成されたディスチャージリングと、前記ディスチャージリングの内側に配置されるとともに外周端面が球面として形成されたランナベーンとを備えている。一実施形態において、この軸流水車は、ランナ子午断面で見て、前記ディスチャージリングの前記円筒面と前記球面との境界を通り、水車回転軸に直交する直線をＡとし、直線Ａと前記水車回転軸との交点をＢとし、交点Ｂを中心として、直線Ａを上流側に回転して１０度以下の角度θで傾けた直線をＣとし、直線Ｃと、前記ランナベーンの外周端面との交点をＤとしたとき、前記ランナベーンの前縁の外周端が交点Ｄ上に位置するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、軸流水車のランナの構成に関する。

代表的な軸流水車であるカプラン水車が備え付けられた水力発電所の部分断面図（子午断面図）を図８に示す。上流よりケーシング１へ流入する水流はステーベーン２を通り、流量を調整するための開閉機能を有するガイドベーン３を流れ、発電機と主軸で連結されたランナへと到達する。この流水はランナボス１０及びこれに取り付けられた複数枚のランナベーン４を有するランナを水車回転軸５周りに回転させ、これにより発電機が回転して発電が行われる。ランナを流出した流れは吸出し管を通り、下流もしくは下池へと放出される。カプラン水車のランナベーン４は、流量に応じてベーン回転軸６を中心として回転する。

ランナベーン４とディスチャージリング９との間には間隙が存在するため、当該間隙を通って流れる漏れ流れが存在する。この漏れ流れの分だけランナベーン４に作用する流体力を回収できなくなるため、漏れ流れが大きいと損失は増大する。

また、水車回転軸５に直交する断面でランナベーンを見てランナベーン４同士がオーバーラップしない場合には、特に流速の早い外周側（チップ部側）でランナベーン４に作用しない通り抜け流れが発生する。この通り抜け流れとランナベーン４とディスチャージリング９との間の間隙に由来する漏れ流れの影響により、ランナベーン４出口における流速分布はチップ部側で乱れやすく、また、乱れた流れは吸出し管において十分圧力回復を図ることができず、性能低下をもたらす。なお、図８において、ランナベーン４のチップ部におけるハッチングは、漏れ流れに起因して生じた翼面流の乱れを示している。

図８には、設計点に対応する姿勢のランナベーン４が二点鎖線で示され、大流量運転点に対応する姿勢のランナベーン４が実線で示されている。また、図８には、ベーン回転軸６方向から見たランナベーン４の外周端面７（これは球面である）を、設計点姿勢にあるものを二点鎖線で（参照符号７Ａを付した）、大流量運転点姿勢にあるものを実線で（参照符号７Ｂを付した）、それぞれ示してある。ランナベーン４の分解・組み立て作業性を考慮し、近年では殆どの場合、ディスチャージリング９は、上流側内周面が円筒面、下流側内周面が球面となるように製作される。従って、ランナベーン４とディスチャージリング９との間の間隙Ｇのサイズは、上流側で大きく、また、ランナベーン４が設計点姿勢にあるときよりも大流量運転点姿勢にあるときにより大きくなる。この為、上述した漏れ流れによる損失は大流量運転点で大きくなり、大流量運転点での効率低下の主因となっている。

また、遠心力の影響により流れが外周側（チップ部側）へ偏り易いだけでなく、外周側では流速が大きいので、ランナベーン４の負圧面（裏面）での圧力低下が発生する。そのため、ランナベーン４とディスチャージリング９間の間隙が存在するこの部位ではキャビテーションが発生しやすく、壊食が生じ易い。このキャビテーションを抑制することも、性能低下をもたらす損失を低減させることとともにランナベーン４の延命化を図る上で重要である。

特開２００５−３１５２１６号実開昭６３−１１２２７８号

本発明は、ランナベーンとディスチャージリングとの間の間隙に起因する漏れ流れの低減による水車性能の向上を図るとともに、間隙近傍で発生するキャビテーション壊食を低減することを目的としている。

一実施形態によれば、上流側内周面が円筒面として形成されるとともに下流側内周面が球面として形成されたディスチャージリングと、前記ディスチャージリングの内側に配置されるとともに外周端面が球面として形成されたランナベーンとを備えた軸流水車が提供される。この軸流水車は、ランナ子午断面で見て、前記ディスチャージリングの前記円筒面と前記球面との境界を通り、水車回転軸に直交する直線をＡとし、直線Ａと前記水車回転軸との交点をＢとし、交点Ｂを中心として、直線Ａを上流側に回転して１０度以下の角度θで傾けた直線をＣとし、直線Ｃと、前記ランナベーンの外周端面との交点をＤとしたとき、前記ランナベーンの前縁の外周端が交点Ｄ上に位置するように構成されている。

第１実施形態を示すランナ子午断面図。ランナベーン外周端前縁位置と水力損失の相関を示すグラフ図。第２実施形態を示すランナ子午断面図及びベーン回転軸方向からの矢視図。第２実施形態を示すベーン回転軸方向からの矢視図。ランナベーン外周端周方向移動量と大流量運転点水力損失の相関を示すグラフ図。第３実施形態を示すランナ子午断面図。ランナベーン前縁部位湾曲量と水力損失の相関を示すグラフ図。一般的な軸流水車（カプラン水車）の構成を示す部分断面図。

以下に図面を参照して、軸流水車の実施形態について説明する。なお、各実施形態を示す図面において、図８に示す要素と同一の要素には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。また、太い矢印Ｆは、水流（主流）を示している。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１は、設計点ランナベーン開度におけるランナ子午面形状を示している。ランナの基本構造は従来のもの（図８に示したもの）と同じであるが、本実施形態に係るランナベーン４は、
− ランナ子午断面で見て、
− ディスチャージリング９の内周面のうち上流側の円筒面と下流側の球面との境界９ｉを通り、水車回転軸５に直交する直線（この直線は、水車が縦軸の場合は水平線である）をＡとし、
− 直線Ａと水車回転軸５との交点をＢとし、
− 交点Ｂを中心として、直線Ａを上流側に回転して１０度以下の角度θで傾けた直線をＣとし、
− 直線Ｃと、ランナベーン４の外周端面７（これは球面である）との交点をＤとしたとき、
− ランナベーン４の前縁８の外周端が交点Ｄ上に位置する
ように形成されている。

直線Ａと直線Ｃとが成す角度をθとしたとき、角度θと水力損失の関係を流れ解析により調査した結果を図２に示す。この図２より、角度θが１０度を超えると急激に損失が増加していることがわかる。このような現象が生じるのは、ランナベーン４とディスチャージリング９との間の隙間を通る漏れ流れの流量がある程度大きくなると、漏れ流れが減衰することなくランナ下流部位で新たな流れの乱れを誘発することに起因している、ということが発明者による流れの可視化分析により解明されている。この第１実施形態によれば、角度θを１０度以下に制限することにより、ディスチャージリング９の円筒面とランナベーン外周端面７との間の間隙のサイズを制限し、これによって、漏れ流れに起因した損失を大幅に低減することができ、さらには漏れ流れに起因したキャビテーション発生を低減することが可能となる。

［第２実施形態］
次に、図３〜図５を参照して、第２実施形態について説明する。図３には、上段にランナベーン４及びディスチャージリング９を含むランナの子午断面、下段にランナベーン４のベーン回転軸６方向（矢印Ｒ方向）から見たランナベーン４の外周端面７の形状がそれぞれ示されている。詳細には、図３の下段は、球面であるランナベーン外周端面７を、ベーン回転軸６に垂直な平面に平行投影したものが示されている。

第２実施形態は、第１実施形態の構成を全て備えている。これに加えて第２実施形態では、図３の下段及び図４において実線で示すように、ランナベーン外周端面７が、ランナベーン４の圧力面側にずれた位置に配置されている。一般的な従来のランナベーンでは、ランナベーンのベーン回転軸６方向で見て、ランナベーン回転軸６が、図３の下段及び図４において破線で示すランナベーン外周端面７の翼型におけるキャンバ線ＣＬ’（図４参照）上に位置している。この場合、ランナベーンを設計点姿勢（設計点に対応する角度位置）から大流量運転点姿勢（大流量運転点に対応する角度位置）までランナベーン回転軸６を中心として回転させると（図３の下段を参照）、ランナベーン４の前縁８の外周端が図３の下段において符号１２ａで示す位置から符号１２ｂで示す位置まで上流側に向けて移動する。前述したようにランナベーン４の外周端面７が球面でディスチャージリング９上流側内周面が円筒面であるため、このようなランナベーン４の前縁８の外周端の移動に伴い、ディスチャージリング９とランナベーン４の前縁８の外周端との間の隙間のサイズは増大する。従って、大流量運転点のときに漏れ流れが増大することになる。

一方、この第２実施形態によれば、図３の下段及び図４において実線で示すように、ランナベーン４の外周端面７をベーン回転軸６に対してランナ圧力面側（図３の下段及び図４における上方）に移動量Ｔ（図４を参照）だけずらした位置に配置している。すなわち、図４に示すように、ベーン回転軸６方向で見て、ランナベーン４の外周端面７の翼型のキャンバ線ＣＬが、ベーン回転軸６よりもランナベーン４の圧力面側にずれた位置に位置している。このようにすることにより、図３の下段及び図４の図面上において、設計点姿勢にあるランナベーン４の前縁８の外周端（１１ａ、１１ｂ）とベーン回転軸６とを結ぶ直線と、流れ方向に延びる直線（図３の下段では水車回転軸５に対応する直線）とが成す角度（以下、角度φと呼ぶ）が小さくなる。ランナベーン４を設計点に対応する角度位置から大流量運転点に対応する角度位置までランナベーン回転軸６を中心として回転させたとき、ランナベーン４の前縁８の外周端はランナベーン回転軸６を中心とする円１３に沿って図中１１ａで示す位置から１１ｂで示す位置まで移動するが、この第２実施形態では従来例と比較して前記角度φが小さい（図示例ではゼロ度付近で変動）するため、「COS（φ＋Δφ）−COSφ」で決まるランナベーン４の前縁８の外周端の流れ方向に関する移動量は非常に小さい。このため、ランナベーン４が設計点の姿勢から大流量運転点の姿勢に移行しても、ランナベーン４とディスチャージリング９との間の上流側における隙間寸法が極端に増加することはない。従って、この第２実施形態によれば、より広い運転流量範囲において、漏れ流れに起因した損失とキャビテーションをより効果的に低減することができる。

なお、移動量Ｔが大きすぎると、大流量運転時にランナベーン４とディスチャージリング９との間の下流側における隙間寸法が過大となり、損失が逆に増加してしまう。このため、上記第２実施形態の効果を確実に発現させるためには、ランナベーン４の移動量Ｔを適切な範囲に収める必要がある。以下、この点について図４及び図５を参照して説明する。

先に説明したように図４には、第２実施形態に係るランナベーン４が設計点姿勢にあるときの外周端面７を、ベーン回転軸６に垂直な平面に平行投影したものが実線で示されている。図４の平面（投影平面）上において、ランナベーン４の外周端面７の翼型におけるキャンバ線ＣＬと、ベーン回転軸６を通り水車回転軸５と直交する直線との交点をＰとし、この点Ｐとランナベーン回転軸６との距離を、ランナベーン４の移動量Ｔと定義する。また、水車回転軸５の方向に沿って測定したランナベーン４の外周端面７の翼型の前縁１１ａ（これはランナベーン４の前縁８の外周端に対応する）から点Ｐまでの距離をＬ１とする。そして、移動量Ｔを前記距離Ｌ１により除することにより無次元化した移動量Ｔ／Ｌ１と大流量運転点における水力損失の関係を、流れ解析により調査した。その結果が図５に示されており、この図５より、Ｔ／Ｌ１＜１．５とすることが最適であることがわかる。なお、図４において、翼型の前縁１１ａが水車回転軸５上に位置するように描かれているが、水車回転軸５から外れた位置にあっても構わない。

［第３実施形態］
次に、図６を参照して、第３実施形態について説明する。図６は、ランナベーン４が設計点姿勢にあるときのランナ子午断面を示している。この第３実施形態は、第１実施形態の構成を全て備えているが、ランナベーン４の前縁８が下流側に向けて凹となるように湾曲している点が、第１実施形態と異なっている。第１実施形態のように（図２を参照）、ランナベーン４の前縁８の外終端を下流側に後退させ、かつ、ランナベーン４の前縁８が直線状である場合、翼後退角効果によりランナベーン４の前縁８に沿った外向き流れ１４（図６（ａ）を参照）が発生し、これが前述した漏れ流れを乱して、これにより損失が増加しうる。

この第３実施形態によれば、ランナベーン４の前縁８を下流側に向けて凹となるように湾曲させた形状にすることにより、ランナベーン４の前縁外周端付近では、翼前進角効果により、図６（ｂ）に示すような内向き流れ１５が発生してランナベーン４の前縁８に沿った外向き流れ１４を打ち消す様に作用する。このため、第１実施形態と比較して、より効果的に漏れ流れに起因した流れの乱れとこれに伴う損失を低減することができる。

なお、前縁８の湾曲量が大きすぎるとランナ中央部で発生する外向き流れ１４と外周部位で発生する内向き流れ１５が強烈になりすぎて、この流れ自体がランナ内部流れを乱して、損失が逆に増加してしまう。このため、上記第３実施形態の発明の効果を確実に発現させるためには、ランナベーン前縁の湾曲量を適正にする必要がある。ここで湾曲量は、ランナベーン４が設計点姿勢にあるときのランナ子午断面である図７（ａ）に示すように、ランナベーンの前縁の内周端と外周端とを結ぶ線分１６（破線で示す）に直交する方向に測定した前記線分からランナベーン４の前縁８までの最大距離ΔＹとして定義される。この最大距離ΔＹを線分１６の長さＬで除して無次元化した湾曲量ΔＹ／Ｌと、損失との関係を流れ解析により調査した結果が図７（ｂ）に示されている。この図７（ｂ）より、「ΔＹ／Ｌ＜０．２」とすることが最適であることがわかる。なお、この第３実施形態に、第２実施形態の特徴を組み込んでも構わない。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、実施形態は例示的なものであり、本発明の範囲は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。なお、上記の実施形態の特徴は、ペルトン水車に限らず、様々な形式の軸流水車に適用可能である。

１ケーシング
２ステーベーン
３ガイドベーン
４ランナベーン
５水車回転軸
６ベーン回転軸
７ランナベーンの外周端面
８ランナベーンの前縁
９ディスチャージリング
１０ランナボス
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂランナベーンの前縁の外周端

Claims

上流側内周面が円筒面として形成されるとともに下流側内周面が球面として形成されたディスチャージリングと、前記ディスチャージリングの内側に配置されるとともに外周端面が球面として形成されたランナベーンとを備えた軸流水車において、
ランナ子午断面で見て、
前記ディスチャージリングの前記円筒面と前記球面との境界を通り、水車回転軸に直交する直線をＡとし、
直線Ａと前記水車回転軸との交点をＢとし、
交点Ｂを中心として、直線Ａを上流側に回転して１０度以下の角度θで傾けた直線をＣとし、
直線Ｃと、前記ランナベーンの外周端面との交点をＤとしたとき、
前記ランナベーンの前縁の外周端が交点Ｄ上に位置する
ことを特徴とする軸流水車。
前記ランナベーンのベーン回転軸方向で見て、
前記ランナベーンの外周端面の翼型のキャンバ線が、ベーン回転軸よりも前記ランナベーンの圧力面側にずれた位置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。
前記ランナベーンのベーン回転軸方向で見て、
水車回転軸方向に直交する方向に前記ベーン回転軸から前記圧力面側に延ばした直線が前記ランナベーンの外周端面の翼型のキャンバ線と交わる点をＰとしたとき、前記ベーン回転軸から点Ｐまでの距離をＴとし、前記水車回転軸方向に沿って測定した前記翼型の前縁から点Ｐまでの距離をＬ１としたとき、
Ｔ／Ｌ１＜１．５
なる関係が成立するように前記ランナベーンを配置したことを特徴とする、請求項２記載の軸流水車。
ランナ子午断面で見て、前記ランナベーンの前縁が下流側に向けて凹となるように湾曲していることを特徴とする、請求項１記載の軸流水車。
ランナ子午断面で見て、前記ランナベーンの前縁が下流側に向けて凹となるように湾曲していることを特徴とする、請求項２または３記載の軸流水車。
ランナ子午断面で見て、
前記ランナベーンの前縁の内周端と外周端とを結ぶ線分の長さをＬとし、
前記線分に直交する方向に測定した前記線分から前記ランナベーンの前縁までの最大距離を△としたとき、
△／Ｌ＜０．２
なる関係が成立するように前記ランナベーンの前縁が湾曲していることを特徴とする、請求項４または５記載の軸流水車。