JP2015010569A - 水車ガイドベーンおよび水車 - Google Patents

Abstract

【課題】ランナの性能を発揮させるため、クラウン側からシュラウド側まで流れに大きく分布をつけることができ、かつ全閉条件を満足できる水車ガイドベーン及び水車を提供する。【解決手段】クラウン側からシュラウド側まで異なるガイドベーン断面翼形状を持ち、翼コードと水車回転軸に中心を持つ円周とのなす角度が小さい断面での翼コードが、翼コードと円周のなす角度が大きい断面での翼コードよりも小さく、翼コードと円周とのなす角度が小さい断面での翼厚みが、翼コードと円周のなす角度が大きい断面での翼厚みよりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、水車ガイドベーンおよび水車に関する。

水車へ流入する流れは、例えば、フランシス形水車では、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。

中でもガイドベーンの形状は、ランナに流入する流れを直接形成するため、ランナの性能を最大限発揮させるような流れの分布を生成することが重要になる。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においては、クラウン側（上カバー側）からシュラウド側（下カバー側）までで異なる断面形状を持つガイドベーンが提案されており、キャビテーション性能の向上が図られている。

特開２０１２−１７２６０５号公報 特開昭６０−１８２３６１号公報

ランナはガイドベーンで生成された流れの旋回エネルギーを動力として回収する。遠心形のランナにおいては、半径方向に向かって同一半径位置へと流入した流れは、ランナ出口までの間に回転軸の方向へと、流れの向きと通過する半径位置を共に変化させながら流出する。ランナ通過時における流れの向きおよび半径位置の変化は、ランナのクラウン側を通過する流れと、シュラウド側を通過する流れでは大きく異なるため、ランナに最大限の能力を発揮させるためには、ランナへ流入する流れの分布をランナに適正な分布へと合わせる必要がある。クラウン側からシュラウド側までの領域に関して、多くの仕事をする部分にはランナ入口流れの旋回を大きくし、少ない仕事をする部分には流れの旋回を小さくすることによって、そのランナの性能は最適化される。

ランナへ流入する流れの分布はガイドベーンが生成することになるが、ガイドベーン出口にクラウン側からシュラウド側まで流れの分布を大きくつけることは困難である。これは、ガイドベーンが流量調整の役割をもっているため、ガイドベーンを回転させて全閉状態を作る必要があり、その断面形状を自由に決めることができないためである。最も多く用いられる形状は、クラウン側からシュラウド側まで同一の断面形状をした形状で、これは全閉状態を容易に実現できるが、ガイドベーン出口で流れにクラウン側からシュラウド側までの分布をつけることはできない。

これまで、クラウン側からシュラウド側までで流れの分布をつけることのできるガイドベーンは、特許文献１や特許文献２などいくつか提案されている。しかしながら、そのいずれも、全閉条件を満たすために、クラウン側からシュラウド側までの断面形状変化量は小さく、断面翼形状の後半部分のみを若干変化させた形状である。このような翼ではガイドベーン出口の流れ分布を大きく変化させることはできない。

本発明の目的は、ランナの性能を発揮させるため、クラウン側からシュラウド側まで流れに大きく分布をつけることができ、かつ全閉条件を満足できる水車ガイドベーン及び水車を提供することにある。

本発明の水車ガードベーンは、クラウン側からシュラウド側までの断面形状が、ガイドベーンの翼コードと水車回転軸を中心に持つ円周とのなす角度が大きい断面形状では、円周とのなす角度が小さい断面形状よりも、翼のコード長が長く、かつ翼厚みも厚いことを特徴としている。

本発明によれば、ガイドベーンの全閉条件を満足して、ガイドベーンのクラウン側からシュラウド側まで流れに大きく分布をつけることができるので、ランナの性能を最大限発揮させるような流れの分布を生成することが可能な水車ガイドベーン及び水車を実現できる。

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含む水車の一部を拡大した平面図。 本発明の実施例のガイドベーンが適用される水車の一例の平面図。 本発明の実施例のガイドベーンが適用される水車の一例の子午断面図。 本発明の実施例のガイドベーンにおいて翼コードと円周とのなす角度が小さい位置におけるガイドベーンの断面図。 本発明の実施例のガイドベーンにおいて翼コードと円周とのなす角度が大きい位置におけるガイドベーンの断面図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、図２及び図３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２は水車翼全体図を示し、図３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４の間を通過し（図２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３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。

図１，図４及び図５を用いて本発明の実施例におけるガイドベーンを説明する。図１，図４及び図５に示すガイドベーンは、ガイドベーンが完全に閉じられている状態を示している。

本実施例では、一つのガイドベーン翼は、クラウン側からシュラウド側まで（ガイドベーンの高さ方向において）流れに大きく分布をつけることができるように、クラウン側からシュラウド側までその断面形状を変化させている。図１ではガイドベーンの二つの異なる平面による翼断面形状を同時に示している。図４は、翼コードと円周とのなす角度が小さい位置におけるガイドベーンの断面図を示し、図５は翼コードと円周とのなす角度が大きい位置におけるガイドベーンの断面図を示す。

ガイドベーンは、ガイドベーン回転軸２３を中心に回転させることでベーンが開き、ランナへの流量を調整することができる。ガイドベーン回転軸２３は水車回転軸と平行に配置されている。また、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。

本発明によるガイドベーンの各断面形状（ガイドベーン回転軸２３と直交する面で切断した形状）は、各断面において翼前縁（３１，４１）と翼後縁（３２，４２）を結んだ直線として定義される翼コード（３３，４３）、翼コード（３３，４３）に垂直な断面内直線と翼面との二つの交点を結んだ直線の長さのその断面内における最大値として定義される翼厚み（３４，４４）、および水車回転軸を中心にもつ円周２４と翼コード（３３，４３）とのなす角度（３５，４５）の３つの形状特性によって特徴づけられる。

本実施例では、上述したように、一つのガイドベーン翼は、クラウン側からシュラウド側まで流れに大きく分布をつけることができるように、クラウン側からシュラウド側までその断面翼形状を変化させている。言い換えれば、一つのガイドベーン翼は、クラウン側からシュラウド側まで流れに大きく分布をつけることができるように、ガイドベーン断面翼形状に傾きの分布をつけており、クラウン側からシュラウド側までガイドベーンの断面翼形状が異なっている。

ガイドベーン出口における流速の旋回成分（ガイドベーン出口からランナに供給される流れの旋回の強さ）２２は、ガイドベーン出口翼角度（ガイドベーン出口における流れと円周とのなす角度）２１が小さいほど強くなる。本実施例では、ガイドベーン出口翼角度を、翼の後縁部分のみ異ならせて変化させるのではなく、ガイドベーン断面翼形状の全体の傾きを異ならせて変化させている。ガイドベーン断面翼形状の全体の傾き、すなわち、一つの断面におけるガイドベーンの角度は、その断面における翼コードと水車回転軸に中心を持つ円周２４とのなす角度で定義する。

図４及び図５に異なる断面のガイドベーン断面翼形状を示す。図４の断面における翼コード３３と円周２４とのなす角度３５は、図５の断面における翼コード４３と円周２４とのなす角度４５よりも小さい。

本実施例のガイドベーンの特徴は、各断面で翼コードと円周のなす角度が異なる。この特徴により、翼コードと円周とのなす角度が小さい断面では、その角度が大きい断面に比べて、ガイドベーン出口における流れと円周とのなす角度も小さくなり、より強い旋回を持つ流れがランナへ供給されることになる。クラウン側の断面からシュラウド側の断面にかけて翼コードと円周とのなす角度に分布をつければ、クラウン側からシュラウド側にかけてランナへ流入する流れに旋回の強さの分布を大きくつけることができる。クラウン側からシュラウド側までのガイドベーン翼断面の形状の組み合わせをランナの特性に合わせる、すなわち、クラウン側からシュラウド側までのガイドベーン翼断面の形状を異ならせてランナに最適な旋回分布を与えることによって、ランナの性能を最大化し、水車の効率を向上させることができる。

例えば、クラウン側からシュラウド側までの領域に関して、シュラウド側１５における仕事量が多くなるようにランナが設計され構成されている場合、シュラウド側１５の断面における翼コードと円周とのなす角度が小さくなるようにガイドベーンを形成することにより、シュラウド側１５のランナ入口流れの旋回を大きくし、一方、クラウン側１４の断面における翼コードと円周とのなす角度が大きくなるようにガイドベーンを形成することにより、クラウン側１４のランナラン入口流れの旋回を小さくする。このように構成することによって、そのランナの性能は最適化される。

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。本実施例のガイドベーンは、図４に示すような翼コードと円周とのなす角度が小さい断面における翼前縁３１が、図５に示すような翼コードと円周とのなす角度が大きい断面における翼前縁４１よりも小さい半径位置にあり、図４に示す翼コードと円周とのなす角度が小さい断面における翼後縁３２が、図５に示す翼コードと円周とのなす角度が大きい断面における翼後縁４２よりも大きい半径位置にある。図４と図５の前後縁の位置関係を同時に示したのが図１である。このようにガイドベーンの構成することによって、ガイドベーンの前縁側の内周側と後縁側の外周側は、隣り合う一つガイドベーンの後縁側の外周側及び隣り合う他のガイドベーンの前縁側の内周側とそれぞれ各断面において同時に全閉状態を実現するように接触する。そして、本実施例では、クラウン側からシュラウド側までの接触位置を結んだ線が回転軸２３と平行となるように、言い換えれば、図１に示すように、上から見た場合、同じ位置で接触するようにガイドベーンが形成されている。

また、各断面間で翼コードと円周とのなす角度に分布をつけると同時に、各断面で同時に全閉状態を実現することを可能とするために、本実施例では、ガイドベーンは、翼コードと円周とのなす角度が大きい断面では、翼コードと円周とのなす角度が小さい断面に比べて、翼コードが長く、かつ、翼厚みが大きく形成されているとも言える。

上述のようにガイドベーンを形成することによって、本実施例では、ガイドベーンによる流路の全閉状態を実現可能とすると同時に、クラウン側からシュラウド側にかけてランナへ流入する流れに旋回の強さの分布をつけて、ランナの効率を向上させることができ、高い効率の水車を提供することができる。

なお、クラウン側からシュラウド側までの接触線が回転軸２３と平行となるようにしなくても良い。また、ガイドベーンは、製造などを考慮すると、隣り合うガイドベーンは同一のガイドベーン形状を有する。しかしながら、隣り合うガイドベーンとの接触を確保できれば、接触以外の箇所の形状は任意である。

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。

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…ガイドベーン出口における流速の旋回成分、２３…ガイドベーン回転軸、２４…水車回転軸に中心をもつ円周、３１，４１…前縁、３２，４２…後縁、３３，４３…翼コード、３４，４４…翼厚み、３５，４５…翼コードと円周のなす角。

Claims (4)

1. 水車に用いられる水車ガイドベーンであって、
   水車回転軸を中心に持つ円周に対するガイドベーン断面翼形状の傾きが、水車のクラウン側からシュラウド側までの間で変化するように形成されており、
   前記水車ガイドベーンの翼コードと前記円周とのなす角度が小さい断面における前記翼コードが、前記水車ガイドベーンの翼コードと前記円周とのなす角度が大きい断面における翼コードよりも小さく、前記翼コードと前記円周とのなす角度が小さい断面における翼厚みが、前記翼コードと前記円周とのなす角度が大きい断面における翼厚みよりも小さい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であって、
   前記翼コードと前記円周とのなす角度が小さい断面での翼前縁の位置が、前記翼コードと前記円周とのなす角度が大きい断面での翼前縁の位置よりも小さい半径位置にあり、かつ、前記翼コードと前記円周とのなす角度が小さい断面での翼後縁の位置が、前記翼コードと前記円周とのなす角度が大きい断面での翼後縁の位置よりも大きい半径位置にあることを特徴とする水車ガイドベーン。
3. 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、前記ガイドベーンとして、請求項１〜２の何れかに記載の水車ガイドベーンが用いられ、前記水車のクラウン側からシュラウド側までの領域に関して、前記ランナの仕事量が多くなる領域に対応する断面における前記翼コードと前記円周とのなす角度が、前記仕事量が多くなる領域以外の領域に対応する断面よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする水車。
4. 請求項３に記載の水車であって、
   前記ランナは、前記シュラウド側における仕事量が多くなるように構成されており、
   前記ガイドベーンは、前記シュラウド側の断面における前記翼コードと前記円周とのなす角度が、前記クラウン側の断面よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする水車。

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