JP2014227916A - Hydraulic machinery - Google Patents

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田 翔 原
Sho Harada
田 翔 原
尻 秀 之 川
Hideyuki Kawajiri
尻 秀 之 川
本 保 之 榎
Yasuyuki Enomoto
本 保 之 榎
村 高 紀 中
Takanori Nakamura
村 高 紀 中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydraulic machinery capable of restricting water flow flowing between stay vanes from showing a flow velocity distribution deflected to the downstream side, reducing loss and improving its efficiency.SOLUTION: A hydraulic machinery 1 constructed in accordance with the preferred embodiment of the present invention comprises: a spiral casing 4 into which water flows from an upper pond 2; and a plurality of stages 5 arranged to be spaced apart at the inner circumference side of the casing 4. The inner circumferential sides of guide vanes 9 are provided with runners 11 rotationally driven by water flow got from the guide vanes 9. A commutation body 20 is installed between a pair of stay vanes 5 adjacent to each other. The commutation body 20 extends from the side surface of one corresponding stay vane 5 to the side surface of the other corresponding stay vane 5 and further extends from the upstream side to the downstream side.

Description

本発明の実施の形態は、水力機械に関する。   Embodiments of the present invention relate to a hydraulic machine.

従来より、水力機械の一例として、フランシス形水車が知られている。フランシス形水車の水車運転時においては、上池から水圧管を通って渦巻き状のケーシングに水が流入し、ケーシングに流入した水は、ステーベーンおよびガイドベーンによって構成される静止翼列流路を通ってランナに流入する。このランナへ流入する水によってランナが回転駆動される。ランナが回転駆動されると、ランナに主軸を介して連結された発電電動機が駆動され、発電が行われる。ランナを回転駆動した水は、ランナから吸出し管および放水路を通って下池へ流出する。このような水車運転時には、ガイドベーンの開度を変えることにより、ランナに流入する水量を調整し、発電量を変化させている。   Conventionally, a Francis type turbine is known as an example of a hydraulic machine. During the turbine operation of the Francis turbine, water flows from the upper pond through the hydraulic pipe into the spiral casing, and the water flowing into the casing passes through the stationary blade row flow path constituted by the stay vanes and guide vanes. Flow into the runner. The runner is rotationally driven by the water flowing into the runner. When the runner is driven to rotate, the generator motor connected to the runner via the main shaft is driven to generate power. The water that rotationally drives the runner flows out from the runner to the lower pond through the suction pipe and the discharge channel. During such a water turbine operation, the amount of power generated is changed by adjusting the amount of water flowing into the runner by changing the opening of the guide vane.

一方、ポンプ運転(揚水運転)時には、ランナは、発電電動機によって回転駆動され、水車運転時とは反対方向に回転する。このことにより、下池の水が放水路および吸出し管を通ってランナに流入する。ランナに流入した水は、ランナから、ガイドベーンおよびステーベーンによって構成された静止翼列流路を通ってケーシングに流れ、水圧管を通って上池に放出される。この際、ガイドベーンの開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。   On the other hand, during the pump operation (pumping operation), the runner is rotationally driven by the generator motor and rotates in the opposite direction to that during the water turbine operation. As a result, the water in the lower pond flows into the runner through the discharge channel and the suction pipe. The water that has flowed into the runner flows from the runner to the casing through the stationary blade cascade formed by the guide vanes and the stay vanes, and is discharged to the upper pond through the hydraulic pipe. At this time, the opening degree of the guide vane is changed so as to obtain an appropriate pumping amount according to the pump head.

フランシス形水車の具体的な構成について、以下に図面を用いて説明する。   A specific configuration of the Francis turbine will be described below with reference to the drawings.

図8には、ベルマウス型のケーシング41からランナ47の入口までの子午面断面図が示されている。図8に示されているように、ステーベーン42は、上部壁43と下部壁44との間に介在されており、これらの上部壁43と下部壁44が、下流側(ガイドベーン45の側)に向ってラッパ状に絞られるように形成されている。このことにより、ケーシング41からステーベーン42に流入する水流の流路幅(図8に示す高さ方向の幅)が下流側に向って徐々に小さくなり、水流が増速するようになっている。   FIG. 8 shows a meridional section view from the bell mouth type casing 41 to the entrance of the runner 47. As shown in FIG. 8, the stay vane 42 is interposed between the upper wall 43 and the lower wall 44, and the upper wall 43 and the lower wall 44 are located downstream (on the guide vane 45 side). It is formed so as to be squeezed into a trumpet shape. Accordingly, the flow width of the water flow flowing from the casing 41 into the stay vane 42 (the width in the height direction shown in FIG. 8) gradually decreases toward the downstream side, and the water flow is accelerated.

図9には、ステーベーン42とガイドベーン45によって構成される静止翼列流路46の水平断面図が示されている。図9に示されているように、複数のステーベーン42が、所定の間隔を置いて円周方向に配置されている。これらのステーベーン42の内周側に、複数のガイドベーン45が、所定の間隔を置いて円周方向に配置されている。   FIG. 9 shows a horizontal cross-sectional view of a stationary blade row channel 46 constituted by stay vanes 42 and guide vanes 45. As shown in FIG. 9, a plurality of stay vanes 42 are arranged in the circumferential direction with a predetermined interval. On the inner peripheral side of these stay vanes 42, a plurality of guide vanes 45 are arranged in the circumferential direction at a predetermined interval.

ステーベーン42は、ケーシング41から流入する水を、ガイドベーン45に導くためのものである。すなわち、図9に示されているように、ステーベーン42に流入する水流の速度ベクトルV1がなす角度θ1よりも、ステーベーン42から流出する水流の速度ベクトルV2がなす角度θ2を大きくし、ステーベーン42を流れる水がガイドベーン45に導かれている。また、ステーベーン42は、隣り合うステーベーン42の間の流路面積を下流側に向って小さくするように形成されている。このことにより、ステーベーン42の間の水流が増速するようになっている。   The stay vane 42 is for guiding water flowing from the casing 41 to the guide vane 45. That is, as shown in FIG. 9, the angle θ2 formed by the velocity vector V2 of the water flow flowing out from the stay vane 42 is made larger than the angle θ1 formed by the velocity vector V1 of the water flow flowing into the stay vane 42, and the stay vane 42 is The flowing water is guided to the guide vane 45. Further, the stay vane 42 is formed so that the flow path area between the adjacent stay vanes 42 is reduced toward the downstream side. As a result, the water flow between the stay vanes 42 is increased.

各ガイドベーン45は、ガイドベーン軸中心点45aを中心に回動自在になっている。このことにより、ガイドベーン45は角度(以下、ガイドベーン開度と記す)を変えることができ、隣り合うガイドベーン45との間に形成される流路面積を変化させることができる。このため、ガイドベーン45は、ランナ47に流入する水の流量を変えることができ、これにより、ランナ47に接続された発電電動機における発電量が調整可能になっている。なお、各ガイドベーン45のガイドベーン軸中心点45aは、ガイドベーンピッチサークル45b上に配置されている。   Each guide vane 45 is rotatable about a guide vane shaft center point 45a. Thus, the angle of the guide vane 45 (hereinafter referred to as “guide vane opening degree”) can be changed, and the area of the flow path formed between the adjacent guide vanes 45 can be changed. For this reason, the guide vane 45 can change the flow rate of the water flowing into the runner 47, whereby the power generation amount in the generator motor connected to the runner 47 can be adjusted. The guide vane axis center point 45a of each guide vane 45 is arranged on the guide vane pitch circle 45b.

このようなフランシス形水車においては、一般に、ステーベーン42、ガイドベーン45およびランナ47のランナ羽根47aの形状は、運用時の水流に沿うように設計されるが、流路内で流れが偏る場合がある。このような流れの偏りを改善するために、種々の提案がなされている(例えば、特許文献1乃至4参照)。   In such a Francis type turbine, in general, the shape of the runner blades 47a of the stay vane 42, the guide vane 45, and the runner 47 is designed to follow the water flow during operation, but the flow may be uneven in the flow path. is there. Various proposals have been made to improve such a flow bias (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

このうち特許文献1乃至3では、ランナにおいて隣り合うランナ羽根の間に整流体を設けたフランシス形水車が開示されている。また、特許文献4では、ステーベーンに流入する水流の上下方向の傾斜を緩めるための整流体が設けられた水車が開示されている。   Among these, Patent Documents 1 to 3 disclose a Francis type turbine in which a rectifier is provided between adjacent runner blades in a runner. Further, Patent Document 4 discloses a water wheel provided with a rectifier for relaxing the vertical inclination of the water flow flowing into the stay vanes.

特開2008−175169号公報JP 2008-175169 A 特開2007−32458号公報JP 2007-32458 A 特開2005−133698号公報JP 2005-133698 A 特許第4786235号公報Japanese Patent No. 4786235

ところで、図10に示すように、ベルマウス型流路の場合、ケーシング41の上流側に設けられた水圧管48が傾斜している。そして、この水圧管48の傾斜部分48aが、水平部分48bを介してケーシング41に連結されている。このことにより、ケーシング41に流入する水流は、上側が遅くなり下側が速くなるような流速分布をもつ。このため、ケーシング41内の水流が下側に偏りやすくなる。そして、上述したように、ケーシング41からステーベーン42に流入する水流が増速することから、このような偏った水流がステーベーン42に流入すると、偏りが増幅される。このため、ステーベーン42間を流れる水流が下側に偏った流速分布をもち、これにより、2次流れ損失が発生して水車効率が低下し得る。このことは、上述した特許文献1乃至4に示す水車においても存在し得る。   By the way, as shown in FIG. 10, in the case of a bell mouth type flow path, the water pressure pipe 48 provided on the upstream side of the casing 41 is inclined. And the inclined part 48a of this hydraulic pipe 48 is connected with the casing 41 via the horizontal part 48b. Thus, the water flow flowing into the casing 41 has a flow velocity distribution such that the upper side becomes slower and the lower side becomes faster. For this reason, the water flow in the casing 41 tends to be biased downward. As described above, since the water flow flowing from the casing 41 into the stay vane 42 is accelerated, when such a biased water flow flows into the stay vane 42, the bias is amplified. For this reason, the water flow flowing between the stay vanes 42 has a flow velocity distribution in which the water flow is biased downward. As a result, a secondary flow loss may occur and the turbine efficiency may be reduced. This can exist also in the water wheel shown in patent documents 1 thru / or 4 mentioned above.

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ステーベーン間を流れる水流が下側に偏った流速分布をもつことを抑制し、損失を低減させて効率を向上させることができる水力機械を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such points, and it is possible to suppress the flow of water flowing between the stay vanes from having a flow velocity distribution that is biased downward, thereby reducing the loss and improving the efficiency. The purpose is to provide a hydraulic machine.

実施の形態による水力機械は、上池から水が流入する渦巻き状のケーシングと、ケーシングの内周側に間隔を置いて配置された複数のステーベーンと、を備えている。ステーベーンは、ケーシングからの水流を導くように構成されている。ステーベーンの内周側には、複数のガイドベーンが設けられている。ガイドベーンは、円周方向に間隔を置いて配置され、ステーベーンからの水流を導くとともに流量を調整可能に構成されている。ガイドベーンの内周側には、ガイドベーンからの水流によって回転駆動するランナが設けられている。互いに隣り合う一対のステーベーンの間に、整流体が設けられている。整流体は、対応する一方のステーベーンの側面から、対応する他方のステーベーンの側面に延びるとともに、上流側から下流側に向って延びている。   The hydraulic machine according to the embodiment includes a spiral casing into which water flows from the upper pond, and a plurality of stay vanes arranged at intervals on the inner peripheral side of the casing. The stay vanes are configured to direct water flow from the casing. A plurality of guide vanes are provided on the inner peripheral side of the stay vanes. The guide vanes are arranged at intervals in the circumferential direction, and are configured to guide the water flow from the stay vanes and adjust the flow rate. A runner that is rotationally driven by a water flow from the guide vane is provided on the inner peripheral side of the guide vane. A rectifier is provided between a pair of adjacent stay vanes. The rectifying body extends from the side surface of the corresponding one of the stay vanes to the side surface of the corresponding other stay vane and extends from the upstream side toward the downstream side.

図1は、本実施の形態における水力機械の全体構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a hydraulic machine in the present embodiment. 図2は、図1の水力機械において、整流体を示す水平断面図である。FIG. 2 is a horizontal sectional view showing a rectifier in the hydraulic machine of FIG. 図3は、図1の水力機械において、整流体を示す子午面断面図である。FIG. 3 is a meridional cross-sectional view showing a rectifier in the hydraulic machine of FIG. 1. 図4は、図1の水力機械において、ステーベーン間を流れる水流の流速分布を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a flow velocity distribution of a water flow flowing between the stay vanes in the hydraulic machine of FIG. 図5は、図1の水力機械において、整流体の半径方向長さの無次元量と各種損失との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the dimensionless amount of the radial length of the rectifier and various losses in the hydraulic machine of FIG. 1. 図6は、図1の水力機械において、ガイドベーン開度と静止翼列流路損失との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the guide vane opening degree and the stationary blade row flow path loss in the hydraulic machine of FIG. 1. 図7は、図1の水力機械において、ガイドベーン開度と水車効率との関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the guide vane opening degree and the turbine efficiency in the hydraulic machine of FIG. 図8は、従来の水力機械において、ケーシングからガイドベーンまでの構成を示す子午面断面図である。FIG. 8 is a meridional section view showing a configuration from a casing to a guide vane in a conventional hydraulic machine. 図9は、従来の水力機械において、ステーベーンおよびガイドベーンを示す水平断面図である。FIG. 9 is a horizontal sectional view showing a stay vane and a guide vane in a conventional hydraulic machine. 図10は、従来の水力機械において、水圧管からガイドベーンに流れる水流の流速分布を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a flow velocity distribution of a water flow flowing from a hydraulic pipe to a guide vane in a conventional hydraulic machine.

図1乃至図7を用いて、本発明の実施の形態における水力機械について説明する。   A hydraulic machine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

まず、図1を用いて、水力機械の一例としてのフランシス形水車について説明する。   First, a Francis turbine as an example of a hydraulic machine will be described with reference to FIG.

図1に示すように、フランシス形水車1は、水車運転時に上池2から水圧管3を通って水が流入する渦巻き状のケーシング4と、ケーシング4の内周側に設けられ、ケーシング4からの水流を後述するガイドベーン9に導く複数のステーベーン5と、を備えている。このうち、水圧管3は、上池2側に設けられた傾斜部分3aと、傾斜部分3aの下流側に設けられた水平部分3bとを有している。この水平部分3bには、入口弁6が設けられている。   As shown in FIG. 1, the Francis turbine 1 is provided on a spiral casing 4 into which water flows from the upper pond 2 through the hydraulic pipe 3 during the water turbine operation, and on the inner peripheral side of the casing 4. And a plurality of stay vanes 5 for guiding the water flow to guide vanes 9 to be described later. Of these, the hydraulic pipe 3 has an inclined portion 3a provided on the upper pond 2 side and a horizontal portion 3b provided on the downstream side of the inclined portion 3a. An inlet valve 6 is provided in the horizontal portion 3b.

図2に示すように、複数のステーベーン5は、円周方向に間隔を置いて配置されている。互いに隣り合うステーベーン5の間に流路が形成され、各流路を、ケーシング4から流入した水が流れるようになっている。   As shown in FIG. 2, the plurality of stay vanes 5 are arranged at intervals in the circumferential direction. A flow path is formed between adjacent stay vanes 5, and water flowing from the casing 4 flows through each flow path.

図3に示すように、ステーベーン5は、上部壁7と下部壁8との間に介在されている。すなわち、ステーベーン5の上縁部は、上部壁7に固定され、ステーベーン5の下縁部は、下部壁8に固定されている。これらの上部壁7と下部壁8は、下流側(ガイドベーン9の側)に向ってラッパ状に絞られるように形成されている。このことにより、ステーベーン5に流入した水流の流路幅(図8参照)が下流側に向って徐々に小さくなり、水流が増速するようになっている。   As shown in FIG. 3, the stay vane 5 is interposed between the upper wall 7 and the lower wall 8. That is, the upper edge portion of the stay vane 5 is fixed to the upper wall 7, and the lower edge portion of the stay vane 5 is fixed to the lower wall 8. These upper wall 7 and lower wall 8 are formed so as to be squeezed in a trumpet shape toward the downstream side (guide vane 9 side). As a result, the flow width of the water flow flowing into the stay vanes 5 (see FIG. 8) gradually decreases toward the downstream side, and the water flow speeds up.

図1に示すように、ステーベーン5の内周側には、複数のガイドベーン9が設けられている。このガイドベーン9と上述したステーベーン5とにより、静止翼列流路10が構成されている。   As shown in FIG. 1, a plurality of guide vanes 9 are provided on the inner peripheral side of the stay vane 5. The guide vane 9 and the above-described stay vane 5 constitute a stationary blade row channel 10.

図2に示すように、複数のガイドベーン9は、円周方向に間隔を置いて配置されている。互いに隣り合うガイドベーン9の間に流路が形成され、各流路をステーベーン5から流入した水が流れるようになっている。   As shown in FIG. 2, the plurality of guide vanes 9 are arranged at intervals in the circumferential direction. A flow path is formed between the guide vanes 9 adjacent to each other, and water flowing from the stay vane 5 flows through each flow path.

ガイドベーン9は、ステーベーン5からの水流をランナ11に導くためのものである。また、ガイドベーン9は、水の流量を調整可能になっている。すなわち、ガイドベーン9は、ガイドベーンピッチサークル9b上に配置されたガイドベーン軸中心点9aを中心に回動自在に構成されており、その角度(ガイドベーン開度)を変えることができる。このことにより、隣り合うガイドベーン9の間に形成される流路の流路面積を変化させ、水車運転時にはケーシング4からランナ11に流入する水の流量を調整することができる。この場合、後述する発電電動機13により発電される発電量を変化させることができる。なお、ポンプ運転時には、ガイドベーン9は、揚水量を変化させることができる。   The guide vane 9 is for guiding the water flow from the stay vane 5 to the runner 11. Further, the guide vane 9 can adjust the flow rate of water. That is, the guide vane 9 is configured to be rotatable around a guide vane shaft center point 9a disposed on the guide vane pitch circle 9b, and the angle (guide vane opening degree) can be changed. Thus, the flow area of the flow path formed between the adjacent guide vanes 9 can be changed, and the flow rate of water flowing from the casing 4 into the runner 11 can be adjusted during the water turbine operation. In this case, the amount of power generated by the generator motor 13 described later can be changed. During the pump operation, the guide vane 9 can change the amount of pumped water.

図1に示すように、ガイドベーン9の内周側には、ランナ11が設けられている。ランナ11は、回転軸線Xを中心に回転自在に構成されており、ケーシング4からの水流によって回転駆動されるようになっている。   As shown in FIG. 1, a runner 11 is provided on the inner peripheral side of the guide vane 9. The runner 11 is configured to be rotatable about the rotation axis X and is driven to rotate by a water flow from the casing 4.

ランナ11には、主軸12を介して発電電動機13が連結されている。この発電電動機13は、水車運転時には発電を行うように構成されている。また、ランナ11の水車運転時の下流側には、吸出し管14が設けられている。この吸出し管14は、放水路15を介して図示しない下池に連結されており、ランナ11を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。   A generator motor 13 is connected to the runner 11 via a main shaft 12. The generator motor 13 is configured to generate power during the operation of the water turbine. A suction pipe 14 is provided on the downstream side of the runner 11 when the water turbine is operated. The suction pipe 14 is connected to a lower pond (not shown) via a water discharge channel 15 so that water obtained by rotationally driving the runner 11 is discharged to the lower pond.

ポンプ運転時(揚水運転時)には、発電電動機13がランナ11を回転駆動することにより、吸出し管14内の水を吸い上げて揚水する。ランナ11に吸い上げられた水は、ガイドベーン9およびステーベーン5を通って、ケーシング4に流入し、ケーシング4から水圧管3を通って上池2に放出される。ガイドベーン9およびステーベーン5は、ランナ11から流入する水をケーシング4に導く。この際、ガイドベーン9の開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。   During pump operation (during pumping operation), the generator motor 13 rotates the runner 11 to suck up the water in the suction pipe 14 and pump it up. The water sucked up by the runner 11 flows into the casing 4 through the guide vane 9 and the stay vane 5, and is discharged from the casing 4 through the hydraulic pipe 3 to the upper pond 2. The guide vane 9 and the stay vane 5 guide the water flowing from the runner 11 to the casing 4. At this time, the opening degree of the guide vane 9 is changed so as to obtain an appropriate pumping amount according to the pump head.

次に、整流体20について説明する。   Next, the rectifier 20 will be described.

図2に示すように、整流体20は、互いに隣り合う一対のステーベーン5の間に設けられており、対応する一方のステーベーン5の側面(翼圧力面5a)から、他方のステーベーン5の側面(翼負圧面5b)に延びるように形成されている。また、整流体20は、上流側から下流側に向って延びている。より具体的には、整流体20は、半径方向または水平方向に延びるように形成されている。このような整流体20によって、対応する一対のステーベーン5の間に形成される流路が、上下方向に分割され、整流体20の上側および下側において水が流れるようになっている。なお、整流体20は、平坦状に形成されていることが好適である。   As shown in FIG. 2, the rectifying body 20 is provided between a pair of adjacent stay vanes 5. From the corresponding side surface (blade pressure surface 5 a) of one stay vane 5, the side surface ( It is formed so as to extend to the blade suction surface 5b). The rectifying body 20 extends from the upstream side toward the downstream side. More specifically, the rectifier 20 is formed to extend in the radial direction or the horizontal direction. The flow path formed between the corresponding pair of stay vanes 5 is divided in the vertical direction by such a rectifier 20 so that water flows on the upper side and the lower side of the rectifier 20. Note that the rectifier 20 is preferably formed in a flat shape.

図2に示すように、整流体20の下流縁20aは、対応する一方のステーベーン5の下流端(出口端)5cから他方のステーベーン5の下流端5cに向って、円周方向に延びるように形成されている。言い換えると、整流体20の下流縁20aは、ステーベーン出口端径30と同一の曲率を有するように形成されている。ここで、ステーベーン出口端径30とは、各ステーベーン5の下流端5cに接する円であって、ランナ11の回転軸中心を中心とする円の直径を意味している。また、同一との文言は、厳密な意味に縛られることはなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含むものとして用いている。   As shown in FIG. 2, the downstream edge 20 a of the rectifying body 20 extends in the circumferential direction from the downstream end (exit end) 5 c of the corresponding one of the stay vanes 5 toward the downstream end 5 c of the other stay vane 5. Is formed. In other words, the downstream edge 20 a of the rectifier 20 is formed to have the same curvature as the stay vane outlet end diameter 30. Here, the stay vane outlet end diameter 30 is a circle in contact with the downstream end 5 c of each stay vane 5, and means the diameter of a circle centered on the rotation axis center of the runner 11. Moreover, the wording of the same is not restricted to a strict meaning, but is used as including a range where a similar function can be expected.

一方、整流体20の上流縁20bは、対応する一方のステーベーン5の上流端(入口端)5dから他方のステーベーン5の上流端5dに向う円周方向に延びる円弧よりも下流側に配置されている。言い換えると、整流体20の上流縁20bは、ステーベーン入口端径31よりも小さな曲率を有するように形成されている。ここで、ステーベーン入口端径31とは、各ステーベーン5の上流端5dに接する円であって、ランナ11の回転軸中心を中心とする円の直径を意味している。   On the other hand, the upstream edge 20b of the rectifying body 20 is disposed downstream of an arc extending in the circumferential direction from the upstream end (inlet end) 5d of the corresponding one of the stay vanes 5 toward the upstream end 5d of the other stay vane 5. Yes. In other words, the upstream edge 20 b of the rectifier 20 is formed to have a smaller curvature than the stay vane inlet end diameter 31. Here, the stay vane inlet end diameter 31 is a circle in contact with the upstream end 5 d of each stay vane 5 and means the diameter of a circle centered on the rotation axis center of the runner 11.

また、図2および図3に示すように、整流体20の半径方向長さは、ステーベーンの半径方向長さよりも短いことが好適である。なお、半径方向とは、ランナ11の回転軸中心から、回転軸線Xに垂直な方向を意味している。   Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the length of the rectifying body 20 in the radial direction is preferably shorter than the length of the stay vane in the radial direction. The radial direction means a direction perpendicular to the rotation axis X from the rotation axis center of the runner 11.

より具体的には、整流体20の半径方向長さをL1、ステーベーン5の半径方向長さL0としたとき、整流体20の半径方向長さの無次元量xは、
x=L1/L0
で表され、この無次元量xが、
1/8≦x≦3/8
であることが好適である。
More specifically, when the radial length of the rectifying body 20 is L1, and the radial length L0 of the stay vane 5, the dimensionless amount x of the radial length of the rectifying body 20 is
x = L1 / L0
This dimensionless quantity x is expressed as
1/8 ≦ x ≦ 3/8
It is preferable that

また、図3に示すように、整流体20は、上流縁20bから下流縁20aにわたって、ステーベーン5の高さ方向において中央に配置されていることが好適である。より具体的には、整流体20と上部壁7との距離が、整流体20と下部壁8との距離に等しいことが好適である。   In addition, as shown in FIG. 3, the rectifying body 20 is preferably arranged in the center in the height direction of the stay vane 5 from the upstream edge 20b to the downstream edge 20a. More specifically, it is preferable that the distance between the rectifying body 20 and the upper wall 7 is equal to the distance between the rectifying body 20 and the lower wall 8.

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。   Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described.

本実施の形態によるフランシス形水車1において水車運転を行う場合、上池2から水圧管3を通ってケーシング4に水が流入する。ケーシング4に流入した水は、ケーシング4からステーベーン5およびガイドベーン9を通ってランナ11に流入する。このランナ11へ流入した水によって、ランナ11が回転駆動される。このことにより、ランナ11に連結された発電電動機13が駆動され、発電が行われる。ランナ11に流入した水は、ランナ11から吸出し管14および放水路15を通って、下池へ放出される。   When the turbine operation is performed in the Francis turbine 1 according to the present embodiment, water flows into the casing 4 from the upper pond 2 through the hydraulic pipe 3. The water flowing into the casing 4 flows from the casing 4 through the stay vane 5 and the guide vane 9 into the runner 11. The runner 11 is rotationally driven by the water flowing into the runner 11. As a result, the generator motor 13 connected to the runner 11 is driven to generate power. The water flowing into the runner 11 is discharged from the runner 11 through the suction pipe 14 and the water discharge channel 15 to the lower pond.

水車運転の間、上池2からの水は、水圧管3の傾斜部分3aを流れる。このことにより、ケーシング4に流入した水は、下側に偏る流れとなる傾向にある(図10参照)。しかしながら、このような下側に偏った水流は、ステーベーン5に流入すると、整流体20によって整流される。   During the water turbine operation, water from the upper pond 2 flows through the inclined portion 3 a of the water pressure pipe 3. As a result, the water flowing into the casing 4 tends to flow downward (see FIG. 10). However, such a downwardly biased water flow is rectified by the rectifier 20 when it flows into the stay vane 5.

すなわち、水圧管3の傾斜部分3aを水が流れることにより、ケーシング4内の水流は、下流側(ガイドベーン9の側)に向う水平方向の速度成分に加えて、下向きの速度成分を有している。このことにより、ケーシング4内の水流は、下側に偏る流れとなる。しかしながら、このような下向きの流速成分は、整流体20によって、下流側に向う水平方向に強制される。このことにより、一対のステーベーン5の間に形成された流路のうち整流体20の上方の流路を流れる水の流速を増大させることができる。このため、図4に示すように、ステーベーン5間の流路において、下側への流速分布の偏りを低減して、高さ方向において平準化することができる。   That is, when water flows through the inclined portion 3 a of the hydraulic pipe 3, the water flow in the casing 4 has a downward speed component in addition to the horizontal speed component toward the downstream side (the guide vane 9 side). ing. Thereby, the water flow in the casing 4 becomes a flow biased downward. However, such downward flow velocity component is forced by the rectifier 20 in the horizontal direction toward the downstream side. Thereby, the flow velocity of the water flowing through the flow path above the rectifier 20 among the flow paths formed between the pair of stay vanes 5 can be increased. For this reason, as shown in FIG. 4, in the flow path between the stay vanes 5, it is possible to reduce the deviation of the flow velocity distribution to the lower side and level the height direction.

次に、図5乃至図7を用いて、整流体20の作用について説明する。   Next, the effect | action of the rectifier 20 is demonstrated using FIG. 5 thru | or FIG.

図5には、整流体20の半径方向長さの無次元量xと、ステーベーン5間の流路における各種損失との関係が示されている。上述したように、整流体20を設けることにより、ステーベーン5間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制して、高さ方向に平準化することができる。このため、図5に示すように、ステーベーン5において2次流れ損失が低減される。また、図5によれば、整流体20の半径方向長さを長くすることにより、2次流れ損失がより一層低減されることがわかる。   FIG. 5 shows the relationship between the dimensionless amount x of the radial length of the rectifier 20 and various losses in the flow path between the stay vanes 5. As described above, by providing the rectifying body 20, it is possible to suppress the water flow flowing between the stay vanes 5 from having a flow velocity distribution that is biased downward, and to level the height. For this reason, as shown in FIG. 5, the secondary flow loss is reduced in the stay vanes 5. 5 that the secondary flow loss is further reduced by increasing the radial length of the rectifier 20.

一方で、整流体20の半径方向長さを長くすることにより、摩擦損失が増大し得る。しかしながら、上述したように2次流れ損失が低減される。このため、図5にも示されているように、2次流れ損失と摩擦損失との合計である総合損失を、低減することができる。より具体的には、整流体20の半径方向長さの無次元量xの所定の範囲において、総合損失を、整流体20が設けられていない場合(x=0)の総合損失よりも低減することができる。例えば、整流体20の半径方向長さの無次元量xを1/8以上3/8以下とした場合、総合損失を、整流体20が設けられていない場合の総合損失の1/2以下となる。   On the other hand, increasing the radial length of the rectifier 20 can increase the friction loss. However, as described above, the secondary flow loss is reduced. For this reason, as also shown in FIG. 5, the total loss, which is the sum of the secondary flow loss and the friction loss, can be reduced. More specifically, in the predetermined range of the dimensionless amount x of the length in the radial direction of the rectifying body 20, the total loss is reduced more than the total loss when the rectifying body 20 is not provided (x = 0). be able to. For example, when the dimensionless amount x of the radial length of the rectifier 20 is 1/8 or more and 3/8 or less, the total loss is 1/2 or less of the total loss when the rectifier 20 is not provided. Become.

図6には、ガイドベーン開度と静止翼列流路損失(ΔHsg/H)との関係が示されている。ここでは、図5に示す総合損失が、整流体20が設けられていない場合の総合損失の1/2となるような整流体20が設けられている場合の関係を示している。図6に示されているように、ガイドベーン開度に関わることなく、整流体20が設けられた静止翼列流路10における損失が、整流体20が設けられていない従来の静止翼列流路10における損失よりも低減されていることがわかる。なお、静止翼列流路損失とは、ステーベーン5とガイドベーン9とにより構成される静止翼列流路10における損失であって、ここでは、図5に示すステーベーン5間の流路における総合損失と、ガイドベーン9間の流路における損失とを合計した損失を示している。ΔHsgは、ステーベーン5間の流路およびガイドベーン9間の流路における損失ヘッドを示し、Hは、有効落差を示している。   FIG. 6 shows the relationship between the guide vane opening and the stationary blade row flow path loss (ΔHsg / H). Here, the relationship in the case where the rectifier 20 is provided so that the total loss shown in FIG. 5 is ½ of the total loss when the rectifier 20 is not provided is shown. As shown in FIG. 6, the loss in the stationary blade cascade channel 10 provided with the rectifier 20 is not related to the opening degree of the guide vane, and the conventional stationary blade cascade flow without the rectifier 20 is provided. It can be seen that the loss is reduced more than the loss in the road 10. The stationary blade row flow path loss is a loss in the stationary blade row flow path 10 constituted by the stay vanes 5 and the guide vanes 9, and here, the total loss in the flow path between the stay vanes 5 shown in FIG. And the total loss in the flow path between the guide vanes 9 is shown. ΔHsg indicates a loss head in the flow path between the stay vanes 5 and the flow path between the guide vanes 9, and H indicates an effective head.

図7には、ガイドベーン開度と水車効率(ηt)との関係が示されている。ここにおいても、図5に示す総合損失が、整流体20が設けられていない場合の総合損失の1/2となるような整流体20が設けられている場合の関係を示している。図7に示されているように、ガイドベーン開度に関わることなく、整流体20が設けられたフランシス形水車1の水車効率が、整流体20が設けられていない従来のフランシス形水車1の水車効率より増大していることがわかる。   FIG. 7 shows the relationship between the guide vane opening and the turbine efficiency (ηt). Here, the relationship in the case where the rectifier 20 is provided is such that the total loss shown in FIG. 5 is ½ of the total loss when the rectifier 20 is not provided. As shown in FIG. 7, the turbine efficiency of the Francis turbine 1 provided with the rectifier 20 is not related to the opening degree of the guide vane, and the turbine efficiency of the conventional Francis turbine 1 provided with no rectifier 20 is the same. It can be seen that the efficiency is higher than the turbine efficiency.

このように本実施の形態によれば、互いに隣り合う一対のステーベーン5の間に、整流体20が設けられていることにより、ケーシング4内の水流が下側に偏った流速分布を有している場合においても、ステーベーン5間を流れる水流が下側に偏った流速分布をもつことを抑制することができる。このため、ステーベーン5間を流れる水流に生じる2次流れ損失を低減し、フランシス形水車1の水車効率を向上させることができる。また、この際、ガイドベーン9およびランナ11に流入される水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制できる。この点においても、水車効率を向上させることに寄与することができる。   As described above, according to the present embodiment, since the rectifying body 20 is provided between the pair of adjacent stay vanes 5, the water flow in the casing 4 has a flow velocity distribution that is biased downward. Even in such a case, it is possible to suppress the flow of water flowing between the stay vanes 5 from having a flow velocity distribution that is biased downward. For this reason, the secondary flow loss generated in the water flow flowing between the stay vanes 5 can be reduced, and the turbine efficiency of the Francis turbine 1 can be improved. At this time, it is possible to suppress the water flow flowing into the guide vane 9 and the runner 11 from having a flow velocity distribution biased downward. In this respect as well, it can contribute to improving the turbine efficiency.

また、本実施の形態によれば、整流体20の下流縁20aは、対応する一方のステーベーン5の下流端5cから他方のステーベーン5の下流端5cに向って円周方向に延びるように形成されている。このことにより、ステーベーン5間の流路の出口において、水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制することができる。このため、ガイドベーン9およびランナ11に流入される水流が、下側に偏った流速分布をもつことをより一層抑制することができる。   Further, according to the present embodiment, the downstream edge 20a of the rectifier 20 is formed to extend in the circumferential direction from the downstream end 5c of the corresponding one of the stay vanes 5 toward the downstream end 5c of the other stay vane 5. ing. Accordingly, it is possible to suppress the water flow from having a flow velocity distribution biased downward at the outlet of the flow path between the stay vanes 5. For this reason, it can further suppress that the water flow which flows in into the guide vane 9 and the runner 11 has the flow velocity distribution biased downward.

また、本実施の形態のように、整流体20の半径方向長さの無次元量xを、1/8以上3/8以下とした場合、ステーベーン5間の流路における2次流れ損失と摩擦損失とを合計した総合損失を、整流体20が設けられていない場合の総合損失の1/2以下とすることができる。すなわち、整流体20を設けることによって摩擦損失が生じ得るが、摩擦損失を吸収可能な程度に2次流れ損失を大きく低減することができる。このため、ステーベーン5間の流路における総合損失を確実に低減することができる。   Further, as in the present embodiment, when the dimensionless amount x of the radial length of the rectifying body 20 is set to 1/8 or more and 3/8 or less, the secondary flow loss and friction in the flow path between the stay vanes 5 The total loss including the total loss can be reduced to ½ or less of the total loss when the rectifier 20 is not provided. That is, although the friction loss can be caused by providing the rectifying body 20, the secondary flow loss can be greatly reduced to such an extent that the friction loss can be absorbed. For this reason, the total loss in the flow path between the stay vanes 5 can be reliably reduced.

また、本実施の形態によれば、整流体20が平坦状に形成されている。このことにより、ステーベーン5間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことをより一層抑制することができる。   Moreover, according to this Embodiment, the rectifier 20 is formed in flat shape. Thereby, it is possible to further suppress the water flow flowing between the stay vanes 5 from having a flow velocity distribution biased downward.

さらに、本実施の形態によれば、整流体20がステーベーン5の高さ方向において中央に配置されている。このことにより、ステーベーン5間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことをより一層抑制することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the rectifying body 20 is arranged in the center in the height direction of the stay vane 5. Thereby, it is possible to further suppress the water flow flowing between the stay vanes 5 from having a flow velocity distribution biased downward.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による水力機械は、上述した実施の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。また、上述した実施の形態では、本発明による水力機械をフランシス形水車に適用した例について説明したが、このことに限られることはなく、フランシス形水車以外の水車に本発明による水力機械を適用することもできる。   The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the hydraulic machine according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Is possible. In the above-described embodiment, the example in which the hydraulic machine according to the present invention is applied to the Francis type turbine has been described. However, the present invention is not limited to this, and the hydraulic machine according to the present invention is applied to a turbine other than the Francis type turbine. You can also

なお、上述した本実施の形態においては、整流体20の下流縁20aが、対応する一方のステーベーン5の下流端5cから他方のステーベーン5の下流端5cに向って、円周方向に延びるように形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、整流体20の下流縁20aの位置は、ステーベーン5間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制可能であれば、任意とすることができる。   In the present embodiment described above, the downstream edge 20a of the rectifying body 20 extends in the circumferential direction from the downstream end 5c of the corresponding one of the stay vanes 5 toward the downstream end 5c of the other stay vane 5. The example which is formed has been described. However, the present invention is not limited to this, and the position of the downstream edge 20a of the rectifying body 20 is arbitrary as long as it is possible to suppress the flow of water flowing between the stay vanes 5 from having a flow velocity distribution biased downward. be able to.

1 フランシス形水車
2 上池
3 水圧管
3a 傾斜部分
3b 水平部分
4 ケーシング
5 ステーベーン
5a 翼圧力面
5b 翼負圧面
5c 下流端
5d 上流端
6 入口弁
7 上部壁
8 下部壁
9 ガイドベーン
10 静止翼列流路
11 ランナ
12 主軸
13 発電電動機
14 吸出し管
15 放水路
20 整流体
20a 下流縁
20b 上流縁
30 ステーベーン出口端径
31 ステーベーン入口端径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Francis type turbine 2 Upper pond 3 Hydraulic pipe 3a Inclined part 3b Horizontal part 4 Casing 5 Stay vane 5a Blade pressure surface 5b Blade negative pressure surface 5c Downstream end 5d Upstream end 6 Inlet valve 7 Upper wall 8 Lower wall 9 Guide vane 10 Stationary blade row Flow path 11 Runner 12 Main shaft 13 Generator motor 14 Suction pipe 15 Water discharge path 20 Rectifier 20a Downstream edge 20b Upstream edge 30 Stay vane outlet end diameter 31 Stay vane inlet end diameter

Claims (5)

上池から水が流入する渦巻き状のケーシングと、
前記ケーシングの内周側に間隔を置いて配置され、前記ケーシングからの水流を導く複数のステーベーンと、
前記ステーベーンの内周側に間隔を置いて配置され、前記ステーベーンからの水流を導くとともに流量を調整可能な複数のガイドベーンと、
前記ガイドベーンの内周側に設けられ、前記ガイドベーンからの水流によって回転駆動するランナと、を備え、
互いに隣り合う一対の前記ステーベーンの間に、整流体が設けられ、
前記整流体は、対応する一方の前記ステーベーンの側面から、対応する他方の前記ステーベーンの側面に延びるとともに、上流側から下流側に向かって延びていることを特徴とする水力機械。
A spiral casing into which water flows from the upper pond;
A plurality of stay vanes arranged at intervals on the inner peripheral side of the casing and guiding the water flow from the casing;
A plurality of guide vanes that are arranged at an interval on the inner peripheral side of the stay vane, guide the water flow from the stay vane and adjust the flow rate;
A runner provided on the inner peripheral side of the guide vane and driven to rotate by a water flow from the guide vane,
A rectifier is provided between a pair of adjacent stay vanes,
The rectifying body extends from the side surface of one corresponding stay vane to the side surface of the other corresponding stay vane and extends from the upstream side toward the downstream side.
前記整流体の下流縁は、対応する一方の前記ステーベーンの下流端から対応する他方の前記ステーベーンの下流端に向って円周方向に延びるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の水力機械。   The downstream edge of the rectifying body is formed so as to extend in a circumferential direction from the downstream end of the corresponding one of the stay vanes toward the downstream end of the other corresponding stay vane. Listed hydraulic machine. 前記整流体の半径方向長さL1を、前記ステーベーンの半径方向長さL0で無次元化した前記整流体の半径方向長さの無次元量xは、
1/8≦x≦3/8、x=L1/L0
であることを特徴とする請求項1または2に記載の水力機械。
The dimensionless amount x of the radial length of the rectifying body obtained by making the radial length L1 of the rectifying body dimensionless with the radial length L0 of the stay vane is:
1/8 ≦ x ≦ 3/8, x = L1 / L0
The hydraulic machine according to claim 1 or 2, wherein:
前記整流体は、平坦状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の水力機械。   The hydraulic machine according to claim 1, wherein the rectifier is formed in a flat shape. 前記整流体は、前記ステーベーンの高さ方向において中央に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の水力機械。   The hydraulic machine according to any one of claims 1 to 4, wherein the rectifying body is disposed in the center in the height direction of the stay vanes.
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