JP2015209784A

JP2015209784A - Hydraulic machine

Info

Publication number: JP2015209784A
Application number: JP2014090382A
Authority: JP
Inventors: 翔原田; Sho Harada; 一幸中村; Kazuyuki Nakamura; 尚河田; Takashi Kawada; ドゥアンルランシワッタカポン; Duangroedee Rungsiwattakapong
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: JP6370591B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve water turbine efficiency by reducing a disk friction loss caused by water flowing into a runner side pressure chamber.SOLUTION: A hydraulic machine according to an embodiment comprises a crown 7, a band 8, a runner 6 including a plurality of runner blades 9 provided between the crown 7 and the band 8, and a cover 16 that covers the runner 6 from the outside. A runner side pressure chamber 15 is formed between the band 8 and the cover 16, and the runner side pressure chamber 15 is formed in such a manner that a flow passage area thereof does not expand from an upstream side end part 15U to a downstream side end part 15D during water turbine operation.

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.

水力機械の一例としてフランシス形水車が従来から知られている。図１３には、フランシス形水車１００の部分的な子午面断面形状の一例が示されている。 A Francis type turbine is conventionally known as an example of a hydraulic machine. FIG. 13 shows an example of a partial meridional cross-sectional shape of the Francis turbine 100.

このフランシス形水車１００の水車運転時には、ケーシングからの水が、その内周側のステーベーンとガイドベーンとにより構成される静止翼列流路を流れ、回転自在なランナ１０６へと流入する。ランナ１０６に流入した水によって、ランナ１０６が回転駆動され、ランナ１０６に連結された主軸１１０がその回転軸線Ｃを軸中心に回転駆動される。これにより、主軸１１０に固定される発電電動機が駆動され得る。その後、ランナ１０６から流出した水は、吸出し管を経て放水路へ導かれる。 When the Francis turbine 100 is operated, water from the casing flows through the stationary blade row flow path constituted by the stay vanes and the guide vanes on the inner peripheral side thereof and flows into the rotatable runner 106. The runner 106 is rotationally driven by the water flowing into the runner 106, and the main shaft 110 connected to the runner 106 is rotationally driven around the rotational axis C thereof. Thereby, the generator motor fixed to the main shaft 110 can be driven. Thereafter, the water flowing out of the runner 106 is guided to the water discharge channel through the suction pipe.

ここで、図１３に示すフランシス形水車１００では、ランナ１０６のバンド外側に、下カバー１１６が設けられており、当該下カバー１１６とランナ１０６との間には、隙間であるランナ側圧室１２０が形成されている。水車運転時には、当該ランナ側圧室１２０にも水が流入する。これにより、損失が生じることが知られている。 Here, in the Francis turbine 100 shown in FIG. 13, a lower cover 116 is provided outside the band of the runner 106, and a runner side pressure chamber 120, which is a gap, is formed between the lower cover 116 and the runner 106. Is formed. During the operation of the water turbine, water also flows into the runner side pressure chamber 120. This is known to cause loss.

すなわち、このようなフランシス形水車１００のランナ１０６において生じる損失は、ランナ流路での損失に加え、前述のようにランナ側圧室１２０へ水が流入してしまう（漏れてしまう）ことによる損失と、このように漏れた水のランナ側圧室１２０内での流れが影響する円板摩擦損失と、がある。 That is, the loss generated in the runner 106 of the Francis turbine 100 is a loss caused by water flowing into the runner side pressure chamber 120 (leakage) as described above in addition to the loss in the runner flow path. Thus, there is a disc friction loss that is affected by the flow of the leaked water in the runner side pressure chamber 120.

特に、高落差で使用されるフランシス形水車においては、損失のうちの円板摩擦損失が比較的大きく影響するため、当該円板摩擦損失を低減することが望まれる。このため、前述のランナ側圧室１２０の形状等を工夫することで水車の性能を向上させることを図った技術が種々提案されている。 In particular, in a Francis type turbine used at a high head, since the disk friction loss of the loss has a relatively large influence, it is desired to reduce the disk friction loss. For this reason, various techniques for improving the performance of the water turbine by devising the shape of the runner side pressure chamber 120 and the like have been proposed.

特開２０１１−５８４８１号公報JP 2011-58481 A 特開２０１１−１２２４７２号公報JP 2011-122472 A 特開２０１０−２４２６９５号公報JP 2010-242695 A

ところで、図１３には、ランナ側圧室１２０を形成する、下カバー１１６の内側壁面１１６Ａと、ランナ１０６の外側壁面１０６Ａと、が拡大して示されている。フランシス形水車１００においては、ランナ１０６のバンド外側壁面１０６Ａが、子午面断面視で滑らかに連続する曲線状に形成されている一方、下カバー１１６の内側壁面１１６Ａが、子午面断面視で複数の直線部分をつなげてなる折れ線状に形成されている。しかも、符号Ａ、Ｂで示す領域のように、子午面断面視で流路が上流から下流にかけて急拡大して、ランナ側圧室１２０の流路面積が、水車運転時に水が流れる方向で上流から下流にかけて縮小から拡大に変わる箇所がある。なお、流路面積とは、外側壁面１０６Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１１６の内側壁面１１６Ａに交差する点と、の間に形成される、回転軸線Ｃを中心とした環状の領域の面積のことをいう。 In FIG. 13, the inner wall surface 116 A of the lower cover 116 and the outer wall surface 106 A of the runner 106 that form the runner side pressure chamber 120 are shown enlarged. In the Francis turbine 100, the band outer wall surface 106A of the runner 106 is formed in a smoothly continuous curved shape in meridional section view, while the inner wall surface 116A of the lower cover 116 has a plurality of sections in meridional section view. It is formed in the shape of a polygonal line formed by connecting straight portions. Moreover, as in the regions indicated by reference signs A and B, the flow path rapidly expands from upstream to downstream in the meridional cross-sectional view, and the flow area of the runner side pressure chamber 120 increases from the upstream in the direction in which water flows during the water turbine operation. There is a part that changes from reduction to enlargement downstream. The channel area is a rotation formed between a certain point on the outer wall surface 106A and a point where a straight line extending perpendicular to the tangent line of the point intersects the inner wall surface 116A of the lower cover 116. It refers to the area of an annular region centered on the axis C.

ランナ側圧室１２０の流路面積は、上流から下流に向かってランナの回転軸を中心とした径が小さくなることで、小さくなる傾向にあるが、図１３のように流路の拡大の程度が大きい場合には、上流側の流路面積よりも下流側の流路面積が拡大する場合がある。 The flow area of the runner side pressure chamber 120 tends to decrease as the diameter around the rotation axis of the runner decreases from the upstream toward the downstream, but the degree of expansion of the flow path as shown in FIG. If it is larger, the flow area on the downstream side may be larger than the flow area on the upstream side.

しかしながら、この場合、前述のように流路面積が縮小から拡大に変わる箇所の下流側の下カバー１１６の内側壁面１１６Ａにおいて流れが失速することにより、速度勾配が大きくなって円板摩擦損失が増大してしまうことを、本発明者は知見した。 However, in this case, as described above, the flow is stalled on the inner wall surface 116A of the lower cover 116 on the downstream side where the flow path area changes from reduction to enlargement, so that the speed gradient increases and the disk friction loss increases. The present inventors have found out that

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ランナ側圧室に流入した水によって生じる円板摩擦損失を低減することで水車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 view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a hydraulic machine capable of improving turbine efficiency by reducing disc friction loss caused by water flowing into the runner side pressure chamber. And

実施の形態による水力機械は、クラウン、バンド、及び前記クラウンと前記バンドとの間に設けられた複数のランナ羽根を有するランナと、前記ランナを外側から覆うカバーと、を備えている。前記バンドの外側壁面と前記カバーの内側壁面との間に、ランナ側圧室が形成されており、前記ランナ側圧室は、水車運転の際の上流側端部から下流側端部にかけて、その流路面積が拡大しないように形成されている。 A hydraulic machine according to an embodiment includes a runner having a crown, a band, and a plurality of runner blades provided between the crown and the band, and a cover that covers the runner from the outside. A runner-side pressure chamber is formed between the outer wall surface of the band and the inner wall surface of the cover, and the runner-side pressure chamber has a flow path extending from an upstream end to a downstream end during water turbine operation. It is formed so that the area does not expand.

第１の実施の形態によるフランシス形水車の子午面断面図である。It is meridional sectional drawing of the Francis type water turbine by a 1st embodiment. 図１のランナ側圧室の周辺の拡大図である。It is an enlarged view of the periphery of the runner side pressure chamber of FIG. 第１の実施の形態によるフランシス形水車のランナ側圧室内の流水の周方向速度の流速分布を示した図である。It is the figure which showed the flow velocity distribution of the circumferential speed of the flowing water in the runner side pressure chamber of the Francis type turbine by 1st Embodiment. 比較例に係るフランシス形水車のランナ側圧室内の流水の周方向速度の流速分布を示した図である。It is the figure which showed the flow velocity distribution of the circumferential speed of the flowing water in the runner side pressure chamber of the Francis type turbine which concerns on a comparative example. 図３に示したランナ側圧室の流路面積と、図４に示したランナ側圧室の流路面積とを示したグラフを示した図である。FIG. 5 is a graph showing a flow area of the runner side pressure chamber shown in FIG. 3 and a flow area of the runner side pressure chamber shown in FIG. 4. 図３に示したランナ側圧室と、図４に示したランナ側圧室とを重ねて示した図である。FIG. 5 is a diagram in which the runner side pressure chamber shown in FIG. 3 and the runner side pressure chamber shown in FIG. 4 are overlapped. 図６におけるｄ＝Ｌ１よりも下流側のｄ＝Ｌ１’の位置における、図３に示したランナ側圧室内の流水の周方向速度と、図４に示したランナ側圧室内の流水の周方向速度と、を示したグラフを示した図である。The circumferential speed of the running water in the runner side pressure chamber shown in FIG. 3 and the circumferential speed of the running water in the runner side pressure chamber shown in FIG. 4 at the position of d = L1 ′ downstream of d = L1 in FIG. It is the figure which showed the graph which showed. 図３に示したフランシス形水車で生じる損失と図４に示したフランシス形水車で生じる損失とを示したグラフを示した図である。FIG. 5 is a graph showing a loss generated in the Francis turbine shown in FIG. 3 and a loss generated in the Francis turbine shown in FIG. 4. 図３に示したフランシス形水車の水車効率と図４に示したフランシス形水車の水車効率とを示したグラフを示した図である。FIG. 5 is a graph showing the turbine efficiency of the Francis turbine shown in FIG. 3 and the turbine efficiency of the Francis turbine shown in FIG. 4. 第１の実施の形態のランナ側圧室の上流側端部の流路面積と下流側端部の流路面積との比と、水車最高効率と、の関係を示したグラフを示した図である。It is the figure which showed the graph which showed the relationship between the ratio of the flow path area of the upstream edge part of the runner side pressure chamber of 1st Embodiment, and the flow path area of a downstream edge part, and a turbine maximum efficiency. . 第２の実施の形態によるフランシス形水車のランナ側圧室の周辺の子午面断面図である。It is meridional sectional drawing of the periphery of the runner side pressure chamber of the Francis type water turbine by a 2nd embodiment. 図１１に示したフランシス形水車のランナ側圧室の流路面積と、図４に示したランナ側圧室の流路面積とを示したグラフを示した図である。FIG. 12 is a diagram showing a graph showing the flow area of the runner side pressure chamber of the Francis type turbine shown in FIG. 11 and the flow area of the runner side pressure chamber shown in FIG. 4. フランシス形水車の部分的な子午面断面形状の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the partial meridional cross-sectional shape of a Francis type water turbine.

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

図１は、本発明の第１の実施の形態による水力機械としてのフランシス形水車１を示している。このフランシス形水車１は、水車運転とポンプ運転との両方を行うことができるようになっている。図１に示すように、フランシス形水車１は、図示しない上池から水圧鉄管を通って水が流入する渦巻き状のケーシング３と、複数のステーベーン４と、複数のガイドベーン５と、ランナ６と、を備えている。このうちステーベーン４は、ケーシング３に流入した水をガイドベーン５およびランナ６に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。 FIG. 1 shows a Francis turbine 1 as a hydraulic machine according to a first embodiment of the present invention. The Francis-type water turbine 1 can perform both the water turbine operation and the pump operation. As shown in FIG. 1, the Francis turbine 1 includes a spiral casing 3 into which water flows from a not-shown upper pond through a hydraulic iron pipe, a plurality of stay vanes 4, a plurality of guide vanes 5, and a runner 6. It is equipped with. Among these, the stay vane 4 is for guiding the water flowing into the casing 3 to the guide vane 5 and the runner 6, and is arranged at a predetermined interval in the circumferential direction.

ガイドベーン５は、流入した水をランナ６に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。また、各ガイドベーン５は、回動自在に設けられており、回転して開度を変えることにより、ランナ６に流入する水の流量が調整可能に構成されている。 The guide vanes 5 are for guiding the inflowing water to the runner 6 and are arranged at a predetermined interval in the circumferential direction. Moreover, each guide vane 5 is rotatably provided, and it is comprised so that the flow volume of the water which flows into the runner 6 can be adjusted by rotating and changing an opening degree.

ランナ６は、ケーシング３に対して回転軸線Ｃを中心に回転自在に構成され、ケーシング３から流入する水によって回転駆動される。また、ランナ６は、クラウン７と、バンド８と、クラウン７とバンド８との間に設けられた複数のランナ羽根９と、を有している。このうちランナ羽根９は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。 The runner 6 is configured to be rotatable about the rotation axis C with respect to the casing 3 and is rotationally driven by water flowing from the casing 3. The runner 6 has a crown 7, a band 8, and a plurality of runner blades 9 provided between the crown 7 and the band 8. Of these, the runner blades 9 are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction.

ランナ６には、主軸１０を介して発電電動機Ｇが連結されている。この発電電動機Ｇは、水車運転時にランナ６の回転によって発電を行うように構成されていると共に、ポンプ運転時にランナ６を回転させるように構成されている。ランナ６の下流側には、ランナ６を流出した水流の圧力を回復させるための吸出し管１２が設けられている。この吸出し管１２は、図示しない下池に連結されており、ランナ６を回転駆動させた水は下池に放出されるようになっている。 A generator motor G is connected to the runner 6 via a main shaft 10. The generator motor G is configured to generate power by rotation of the runner 6 during water turbine operation, and is configured to rotate the runner 6 during pump operation. On the downstream side of the runner 6, a suction pipe 12 for recovering the pressure of the water flow that has flowed out of the runner 6 is provided. The suction pipe 12 is connected to a lower pond (not shown), and the water that rotates the runner 6 is discharged to the lower pond.

また、フランシス形水車１は、クラウン７の外側（図１における上側、または、軸方向において吸出し管１２側とは反対側）を覆う上カバー１４と、バンド８の外側（図１における左右外側、または、半径方向外側）を覆う下カバー１６と、を有している。 The Francis turbine 1 includes an upper cover 14 that covers the outer side of the crown 7 (the upper side in FIG. 1 or the side opposite to the suction pipe 12 side in the axial direction), and the outer side of the band 8 (the left and right outer sides in FIG. Or the lower cover 16 which covers a radial direction outer side).

ここで、クラウン７と上カバー１４との間には、隙間であるランナ背圧室１３が形成されており、バンド８と下カバー１６との間には、隙間であるランナ側圧室１５が形成されている。ランナ背圧室１３およびランナ側圧室１５には、ガイドベーン５を通った水の一部が漏れ流れとして流入するようになっている。 Here, a runner back pressure chamber 13 that is a gap is formed between the crown 7 and the upper cover 14, and a runner side pressure chamber 15 that is a gap is formed between the band 8 and the lower cover 16. Has been. A part of the water that has passed through the guide vanes 5 flows into the runner back pressure chamber 13 and the runner side pressure chamber 15 as a leakage flow.

図２は、図１の拡大図であって、ランナ側圧室１５の周辺を拡大して示した図である。図２に示すように、バンド８の半径方向外側（水車運転時に水が流れる方向で上流側）には、側圧室側間隙部２０が設けられており、この側圧室側間隙部２０を通ってランナ側圧室１５に水が流入する。また、ランナ側圧室１５内の流水は、バンド８の半径方向内側（水車運転時に水が流れる方向で下流側）に設けられた下流側間隙部２４を通って、吸出し管１２内に向って流れる。 FIG. 2 is an enlarged view of FIG. 1, and is an enlarged view of the periphery of the runner side pressure chamber 15. As shown in FIG. 2, a lateral pressure chamber side gap portion 20 is provided on the radially outer side of the band 8 (upstream side in the direction in which water flows during water turbine operation). Water flows into the runner side pressure chamber 15. In addition, the flowing water in the runner side pressure chamber 15 flows toward the inside of the suction pipe 12 through the downstream gap portion 24 provided on the radially inner side of the band 8 (downstream side in the direction in which water flows during the water turbine operation). .

ここで、ランナ側圧室１５と下流側間隙部２４との間には、側圧室側シール部２２が設けられており、この側圧室側シール部２２は、バンド８と、下カバー１６との間の隙間が最も狭くなって水が流れ難くなるように形成されている。このことにより、ガイドベーン５からランナ側圧室１５への水の流入量を抑制している。この側圧室側シール部２２は、ラビリンスシールによって構成され得る。 Here, a side pressure chamber side seal portion 22 is provided between the runner side pressure chamber 15 and the downstream gap portion 24, and this side pressure chamber side seal portion 22 is provided between the band 8 and the lower cover 16. The gap is the narrowest so that water does not flow easily. As a result, the amount of water flowing from the guide vane 5 into the runner side pressure chamber 15 is suppressed. The side pressure chamber side seal portion 22 can be constituted by a labyrinth seal.

ランナ側圧室１５は、バンド８と下カバー１６との間の隙間のうちの、側圧室側シール部２２よりも上流側の隙間である。本実施の形態においてランナ側圧室１５は、バンド８の外側壁面８Ａと、下カバー１６の内側壁面１６Ａと、の間に形成されている。本実施の形態において、外側壁面８Ａおよび内側壁面１６Ａはともに、子午面断面視で滑らかに連続する曲線状に形成されている。 The runner side pressure chamber 15 is a gap on the upstream side of the side pressure chamber side seal portion 22 in the gap between the band 8 and the lower cover 16. In the present embodiment, the runner side pressure chamber 15 is formed between the outer wall surface 8 A of the band 8 and the inner wall surface 16 A of the lower cover 16. In the present embodiment, both the outer wall surface 8A and the inner wall surface 16A are formed in a curved line that is smoothly continuous in meridional section view.

図２において、符号１５Ｕは、ランナ側圧室１５の上流側端部を示し、符号１５Ｄは、ランナ側圧室１５の下流側端部を示している。本実施の形態においては、バンド８の外側壁面８Ａの最上流点８Ｕと、当該最上流点８Ｕの接線に対して直交して延びる直線（すなわち、その法線）が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点である上流側端点１６Ｕと、の間に形成される領域に、前述の上流側端部１５Ｕが規定されている。 In FIG. 2, reference numeral 15 U indicates an upstream end portion of the runner side pressure chamber 15, and reference numeral 15 D indicates a downstream end portion of the runner side pressure chamber 15. In the present embodiment, the most upstream point 8U of the outer wall surface 8A of the band 8 and a straight line (that is, a normal line) extending perpendicular to the tangent line of the most upstream point 8U are the inner wall surface 16A of the lower cover 16. The upstream end portion 15U is defined in a region formed between the upstream end point 16U, which is a point intersecting with the above.

また、本実施の形態においては、バンド８の最下流点８Ｄと、下カバー１６の内側壁面１６Ａにおいて滑らかに連続する曲面状（子午面断面視で曲線状）の部位、換言すれば、曲面状の外側壁面８Ａに沿って延びる部位、のうち最も下流側に位置する点である下流側端点１６Ｄと、の間に形成される領域に、前述の下流側端部１５Ｄが規定されている。本実施の形態において、最下流点８Ｄは、外側壁面８Ａにおける点のうち、その接線に対して直交して延びる直線（すなわち、その法線）が下流側端点１６Ｄに交差するようになっている点のことをいう。 Further, in the present embodiment, a curved surface portion (curved shape in meridional section view) that is smoothly continuous between the most downstream point 8D of the band 8 and the inner wall surface 16A of the lower cover 16, in other words, a curved surface shape. The downstream end portion 15D is defined in a region formed between the downstream end point 16D, which is the most downstream point, of the portion extending along the outer wall surface 8A. In the present embodiment, the most downstream point 8D is configured such that, of the points on the outer wall surface 8A, a straight line (that is, a normal line) extending perpendicular to the tangent line intersects the downstream end point 16D. It means a point.

そして、本実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路面積が、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて拡大しないように形成されている（図５参照）。詳しくは、ランナ側圧室１５の流路面積は、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて、徐々に減少するようになっている。 In the present embodiment, the flow passage area of the runner side pressure chamber 15 is formed so as not to increase from the upstream end 15U to the downstream end 15D (see FIG. 5). Specifically, the flow passage area of the runner side pressure chamber 15 gradually decreases from the upstream end 15U to the downstream end 15D.

なお、本実施の形態において「流路面積」とは、バンド８の外側壁面８Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、の間に形成される、回転軸線Ｃを中心とした環状の領域の面積のことをいう。また、本実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路幅が、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されている。流路幅とは、子午面断面視で、バンド８の外側壁面８Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、を結んだ線分の長さのことをいう。 In the present embodiment, the “flow channel area” is a point where a certain point on the outer wall surface 8A of the band 8 and a straight line extending perpendicular to the tangent line of the point intersect the inner wall surface 16A of the lower cover 16. And the area of an annular region formed around the rotation axis C. Further, in the present embodiment, the flow passage width of the runner side pressure chamber 15 is formed so as not to increase from the upstream side to the downstream side. The channel width is a point on the outer wall surface 8A of the band 8 and a point where a straight line extending perpendicular to the tangent line of the point intersects the inner wall surface 16A of the lower cover 16 in a meridional section view. The length of the connected line segment.

次に、本実施の形態の作用について、図３乃至図１０を参照しつつ説明する。 Next, the effect | action of this Embodiment is demonstrated, referring FIG. 3 thru | or FIG.

図３は、本実施の形態によるフランシス形水車１のランナ側圧室１５における流水の、バンド８の外側壁面８Ａから下カバー１６の内側壁面１６Ａにかけての周方向速度の流速分布を示した図である。一方、図４は、比較例に係るフランシス形水車のランナ側圧室１５’における流水の周方向速度の流速分布を示した図である。図４のフランシス形水車では、下カバー１５の内側壁面１６Ａ’が、子午面断面視で折れ線状に形成されている。なお、図４に示す比較例において、ランナ側圧室１５’および内側壁面１６Ａ’以外の構成部分であって本実施の形態と共通する部分については、本実施の形態と同一の符号が付されている。また、図３及び図４において示される周方向速度の流速分布は、本来、各矢印が周方向に沿って延びるように記載されるが、便宜上、図面において半径方向内側に向いた状態で示されている。 FIG. 3 is a diagram showing the flow velocity distribution of the circumferential velocity from the outer wall surface 8A of the band 8 to the inner wall surface 16A of the lower cover 16 in the runner side pressure chamber 15 of the Francis turbine 1 according to the present embodiment. . On the other hand, FIG. 4 is a diagram showing the flow velocity distribution of the circumferential speed of the flowing water in the runner side pressure chamber 15 ′ of the Francis turbine according to the comparative example. In the Francis type turbine of FIG. 4, the inner wall surface 16 A ′ of the lower cover 15 is formed in a polygonal line shape in a meridional section view. In the comparative example shown in FIG. 4, constituent parts other than the runner side pressure chamber 15 ′ and the inner wall surface 16 A ′ that are common to the present embodiment are denoted by the same reference numerals as in the present embodiment. Yes. In addition, the flow velocity distribution of the circumferential velocity shown in FIGS. 3 and 4 is originally described so that each arrow extends along the circumferential direction, but for the sake of convenience, it is shown in a state facing the radially inner side in the drawings. ing.

図３及び図４においては、バンド８の外側壁面８Ａの最上流点８Ｕから最下流点８Ｄまでの長さがＤで示されており、最上流点８Ｕからバンド８の外側壁面８Ａ上におけるある点までの距離がｄで示されている。図３及び図４には、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２それぞれの位置の上流側と下流側との流速分布がそれぞれ示されている。 In FIGS. 3 and 4, the length from the most upstream point 8U to the most downstream point 8D of the outer wall surface 8A of the band 8 is indicated by D, and is on the outer wall surface 8A of the band 8 from the most upstream point 8U. The distance to the point is indicated by d. 3 and 4 show the flow velocity distributions on the upstream side and the downstream side of the positions of d = L1 and d = L2, respectively.

また、距離ｄにおける流路面積は、外側壁面８Ａにおける距離ｄに対応する点と、当該点の接線に直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、の間に形成される、回転軸線Ｃを中心とした環状の領域の面積よって規定される。このように規定された流路面積と距離ｄとの関係が図５に示されている。ここで、図５は、図３に示したランナ側圧室１５の流路面積と、図４に示したランナ側圧室１５’の流路面積とを示したグラフを示した図となっている。図５のグラフにおいて、横軸は、無次元距離ｄ／Ｄを示し、縦軸は、ｄ／Ｄに対応する流路面積を示している。 The flow path area at the distance d is formed between a point corresponding to the distance d on the outer wall surface 8A and a point where a straight line extending perpendicular to the tangent line of the point intersects the inner wall surface 16A of the lower cover 16. Defined by the area of the annular region centered on the rotation axis C. The relationship between the channel area and the distance d defined in this way is shown in FIG. Here, FIG. 5 is a graph showing the flow area of the runner side pressure chamber 15 shown in FIG. 3 and the flow area of the runner side pressure chamber 15 ′ shown in FIG. 4. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis indicates the dimensionless distance d / D, and the vertical axis indicates the flow path area corresponding to d / D.

図３及び図４に示すように、フランシス形水車の運転時においてランナは高速で回転しているため、ランナ側圧室内の流水の周方向速度は、ランナのバンドの外側壁面８Ａ側で大きく、下カバーの内側壁面１６Ａ側に近づくに従い小さくなる分布となる。 As shown in FIGS. 3 and 4, since the runner is rotating at high speed during the operation of the Francis turbine, the circumferential speed of the running water in the runner side pressure chamber is large on the outer wall surface 8A side of the runner band. The distribution becomes smaller as it approaches the inner wall surface 16A side of the cover.

ここで、図４及び図５に示すように、ランナ側圧室１５’には、その流路面積が、水車運転時に水が流れる方向で上流から下流にかけて縮小から拡大に変わる箇所がある。具体的に、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の位置において流路面積が縮小傾向から増大傾向に変わっている。 Here, as shown in FIGS. 4 and 5, the runner side pressure chamber 15 ′ has a portion where the flow passage area changes from reduction to enlargement from upstream to downstream in the direction in which water flows during water turbine operation. Specifically, the flow path area changes from a decreasing tendency to an increasing tendency at the positions of d = L1 and d = L2.

この場合、図４に示すように、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の下流側の下カバーの内側壁面１６Ａ側に流路急拡大による失速領域が生じてしまう。このことにより、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の位置それぞれにおいて、Ｌ１、Ｌ２の下流側の流水は、それぞれの上流側の流水よりも、バンドの外側壁面８Ａから内側壁面１６Ａにかけての速度勾配が急になってしまう。このため、円板摩擦損失が大きくなってしまう。 In this case, as shown in FIG. 4, a stall region due to the rapid expansion of the flow path occurs on the inner wall surface 16A side of the lower cover on the downstream side of d = L1 and d = L2. As a result, at each of the positions d = L1 and d = L2, the flowing water on the downstream side of L1 and L2 has a steep velocity gradient from the outer wall surface 8A of the band to the inner wall surface 16A than the flowing water on the upstream side. Become. For this reason, disk friction loss will become large.

これに対して、図５に示すように、本実施の形態のランナ側圧室１５は、その流路面積が上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて徐々に（連続的に）減少している。この場合、図３に示すように、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の位置それぞれの下流側の流水において、図４のランナ側圧室１５’の場合に生じていたような失速領域の形成が防止され、急な速度勾配の発生が抑制される。 On the other hand, as shown in FIG. 5, the runner side pressure chamber 15 of the present embodiment has its flow area gradually decreased (continuously) from the upstream end 15U to the downstream end 15D. Yes. In this case, as shown in FIG. 3, the formation of the stalled region as occurred in the case of the runner side pressure chamber 15 ′ in FIG. 4 is prevented in the downstream flowing water at the positions of d = L 1 and d = L 2. The generation of a steep velocity gradient is suppressed.

図６は、図３に示したランナ側圧室１５と、図４に示したランナ側圧室１５’とを重ねて示した図である。また、図７は、図６に示すｄ＝Ｌ１よりも下流側のｄ＝Ｌ１’の位置からの法線距離ｙにおいての、ランナ側圧室１５内の流水の周方向速度と、ランナ側圧室１５’内の流水の周方向速度と、を示したグラフである。この図７から明らかなように、本実施の形態のランナ側圧室１５では、図４に示したランナ側圧室１５’において生じる失速領域にも流れが形成されており、図４に示したランナ側圧室１５’に比べて、流水の周方向速度の速度勾配が緩やかとなっている。 FIG. 6 is a diagram in which the runner side pressure chamber 15 shown in FIG. 3 and the runner side pressure chamber 15 ′ shown in FIG. 4 are overlapped. 7 shows the circumferential speed of the running water in the runner side pressure chamber 15 and the runner side pressure chamber 15 at the normal distance y from the position of d = L1 ′ downstream of d = L1 shown in FIG. It is the graph which showed the circumferential direction speed of flowing water in. As is apparent from FIG. 7, in the runner side pressure chamber 15 of the present embodiment, a flow is also formed in the stall region generated in the runner side pressure chamber 15 ′ shown in FIG. 4, and the runner side pressure shown in FIG. Compared with the chamber 15 ', the velocity gradient of the circumferential speed of running water is gentle.

このように本実施の形態によれば、ランナ側圧室１５における流水の周方向速度の速度勾配が緩やかになるため、ランナ側圧室１５に流入した水によって生じる円板摩擦損失を低減することができる。そして、以下に詳述するように、水車効率を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the velocity gradient of the circumferential speed of the flowing water in the runner side pressure chamber 15 becomes gentle, so that the disk friction loss caused by the water flowing into the runner side pressure chamber 15 can be reduced. . As described in detail below, the turbine efficiency can be improved.

図８は、図３に示したフランシス形水車で生じる損失と図４に示したフランシス形水車で生じる損失とを示したグラフを示している。また、図９は、図３に示したフランシス形水車の水車効率と図４に示したフランシス形水車の水車効率とを示したグラフを示している。 FIG. 8 is a graph showing the loss caused by the Francis turbine shown in FIG. 3 and the loss caused by the Francis turbine shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the turbine efficiency of the Francis turbine shown in FIG. 3 and the turbine efficiency of the Francis turbine shown in FIG.

図８のグラフにおいて、実線は図３に示したフランシス形水車の損失を示し、破線は図４に示したフランシス形水車の損失を示しており、横軸に流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）が示され、縦軸にランナ損失ΔＨ_Ｒ／Ｈが示されている。ここで示すランナ損失ΔＨ_Ｒ／Ｈは、ランナ流路での損失に加え、ランナ側圧室に流入する流れの影響による円板摩擦損失と漏れ損失とを加味したものである。また、図９のグラフにおいて、実線は図３に示したフランシス形水車の水車効率を示し、破線は図４に示したフランシス形水車の水車効率を示している。横軸に流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）が示され、縦軸に水車効率ηｔ（％）が示されている。 In the graph of FIG. 8, the solid line shows the loss of the Francis turbine shown in FIG. 3, the broken line shows the loss of the Francis turbine shown in FIG. 4, and the horizontal axis indicates the flow rate Q (m ³ / s). The runner loss ΔH _R / H is shown on the vertical axis. The runner loss ΔH _R / H shown here takes into account the disc friction loss and leakage loss due to the influence of the flow flowing into the runner side pressure chamber in addition to the loss in the runner flow path. In the graph of FIG. 9, the solid line indicates the turbine efficiency of the Francis turbine shown in FIG. 3, and the broken line indicates the turbine efficiency of the Francis turbine shown in FIG. The horizontal axis represents the flow rate Q (m ³ / s), and the vertical axis represents the turbine efficiency ηt (%).

図８に示すように、図３に示したランナ側圧室１５では、図４に示したランナ側圧室１５’に比べて全運転範囲の流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）におけるランナ損失ΔＨ_Ｒ／Ｈが抑制されている。これは、図３に示したランナ側圧室１５では、図４に示したランナ側圧室１５’に比べて、流水の周方向速度の速度勾配が緩やかになっていることで、流量に関わることなく円板摩擦損失が低減されたからである。したがって、図９に示すように、図３に示したランナ側圧室１５のフランシス形水車では、図４に示したフランシス形水車に比べて、全運転範囲の流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）において水車効率ηｔ（％）が向上される。 As shown in FIG. 8, in the runner side pressure chamber 15 shown in FIG. 3, the runner loss ΔH _R / H at the flow rate Q (m ³ / s) in the entire operation range as compared with the runner side pressure chamber 15 ′ shown in FIG. Is suppressed. This is because, in the runner side pressure chamber 15 shown in FIG. 3, the speed gradient of the circumferential speed of flowing water is gentler than that of the runner side pressure chamber 15 ′ shown in FIG. This is because the disc friction loss is reduced. Therefore, as shown in FIG. 9, in the Francis type turbine of the runner side pressure chamber 15 shown in FIG. 3, compared to the Francis type turbine shown in FIG. 4, the turbine is at a flow rate Q (m ³ / s) in the entire operation range. Efficiency ηt (%) is improved.

また、図９には、水車最高効率ηｔｍａｘが示されている。本発明者は、この水車最高効率ηｔｍａｘが、図２に示した、ランナ側圧室１５の上流側端部１５Ｕの流路面積と下流側端部１５Ｄの流路面積との比に応じて変動することを知見した。 Further, FIG. 9 shows the maximum efficiency ηtmax of the turbine. The inventor of the present invention varies the maximum efficiency ηtmax of the turbine according to the ratio of the flow area of the upstream end 15U and the flow area of the downstream end 15D of the runner side pressure chamber 15 shown in FIG. I found out.

図１０は、ランナ側圧室１５の上流側端部１５Ｕの流路面積と下流側端部１５Ｄとの流路面積の比と、水車最高効率ηｔｍａｘ（％）との関係を示したグラフである。図１０のグラフにおいて、横軸は上流側端部１５Ｕの流路面積Ａ０と下流側端部１５Ｄの流路面積ＡＤとの比ＡＤ／Ａ０（流路面積比）が示されおり、縦軸に水車最高効率ηｔｍａｘ（％）が示されている。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the ratio of the flow path area between the upstream end 15U and the downstream end 15D of the runner side pressure chamber 15 and the maximum turbine efficiency ηtmax (%). In the graph of FIG. 10, the horizontal axis indicates the ratio AD / A0 (flow path area ratio) between the flow path area A0 of the upstream end 15U and the flow path area AD of the downstream end 15D. The maximum turbine efficiency ηtmax (%) is shown.

図１０において、流路面積比ＡＤ／Ａ０＝０．５のときに水車最高効率ηｔｍａｘは最も高い値を示し、ＡＤ／Ａ０＝０．１５からＡＤ／Ａ０＝０．８５の範囲での水車最高効率ηｔｍａｘは、ＡＤ／Ａ０＝０．５での最高値である水車最高効率ηｔｍａｘに対し低下量０．１％以内に収まる。したがって、上流側端部１５Ｕと下流側端部１５Ｄとの流路面積を設定する際には、０．１５＜ＡＤ／Ａ０＜０．８５、とすることが好ましく、ＡＤ／Ａ０＝０．５とすることが特に好ましい。 In FIG. 10, when the channel area ratio AD / A0 = 0.5, the turbine maximum efficiency ηtmax shows the highest value, and the turbine turbine maximum in the range of AD / A0 = 0.15 to AD / A0 = 0.85. The efficiency ηtmax falls within 0.1% of the reduction amount with respect to the turbine maximum efficiency ηtmax that is the maximum value at AD / A0 = 0.5. Therefore, when setting the flow path area between the upstream end 15U and the downstream end 15D, it is preferable that 0.15 <AD / A0 <0.85, and AD / A0 = 0.5. It is particularly preferable that

以上に説明したように本実施の形態によれば、水車運転の際の上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて、その流路面積が拡大しないようにランナ側圧室１５が形成されていることにより、ランナ側圧室１５内に流入した水の速度勾配を小さくすることができる。このことにより、ランナ側圧室１５に流入した水によって生じる円板摩擦損失を低減することで水車効率を向上させることができる。また、本実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路幅が、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されていることで、損失を一層低減することができる。 As described above, according to the present embodiment, the runner side pressure chamber 15 is formed from the upstream end 15U to the downstream end 15D during the water turbine operation so that the flow passage area does not increase. As a result, the velocity gradient of the water flowing into the runner side pressure chamber 15 can be reduced. Thus, the turbine efficiency can be improved by reducing the disc friction loss caused by the water flowing into the runner side pressure chamber 15. Further, in the present embodiment, since the flow passage width of the runner side pressure chamber 15 is formed so as not to increase from the upstream side to the downstream side, the loss can be further reduced.

次に、第２の実施の形態について図１１を参照して説明する。図１１は第２の実施の形態によるフランシス形水車のランナ側圧室の周辺の子午面断面図であり、図１２は図１１に示したフランシス形水車のランナ側圧室の流路面積と、図４に示した比較例のランナ側圧室の流路面積とを示したグラフを示している。なお、第２の実施の形態における第１の実施の形態と同一の構成部分には、同一の符号を示している。 Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a meridional sectional view of the periphery of the runner side pressure chamber of the Francis turbine according to the second embodiment, and FIG. 12 shows the flow path area of the runner side pressure chamber of the Francis turbine shown in FIG. The graph which showed the flow-path area of the runner side pressure chamber of the comparative example shown in FIG. In addition, the same code | symbol is shown to the component same as 1st Embodiment in 2nd Embodiment.

図１１に示すように、本実施の形態では、下カバー１６の内側壁面１６Ａは、子午面断面視で、複数の直線部分をつなげてなる折れ線状に形成されている。詳しくは、図１１に示すように、内側壁面１６Ａは、最上流点８Ｕからの距離ｄがＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６の位置に対応する位置で折れ曲がるように形成されている。また、図１２に示すように、ランナ側圧室１５の流路面積が下流側に向けて徐々に減少するようになっている。しかも、図１１から明らかなように、ランナ側圧室１５の流路幅は、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されている。なお、流路幅とは、子午面断面視で、バンド８の外側壁面８Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、を結んだ線分の長さのことをいう。 As shown in FIG. 11, in the present embodiment, the inner wall surface 16 A of the lower cover 16 is formed in a polygonal line formed by connecting a plurality of linear portions in a meridian plane cross-sectional view. Specifically, as shown in FIG. 11, the inner wall surface 16A is formed such that the distance d from the most upstream point 8U is bent at positions corresponding to the positions of L3, L4, L5, and L6. In addition, as shown in FIG. 12, the flow passage area of the runner side pressure chamber 15 is gradually decreased toward the downstream side. Moreover, as is clear from FIG. 11, the flow passage width of the runner side pressure chamber 15 is formed so as not to increase from the upstream side to the downstream side. The channel width is a point on the outer wall surface 8A of the band 8 and a point where a straight line extending perpendicular to the tangent line of the point intersects the inner wall surface 16A of the lower cover 16 in a meridional section view. The length of the line connecting

このような第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られると共に、製造時において下カバー１６の内側壁面１６Ａの機械加工が比較的容易となりコストを抑えることができる。 According to the second embodiment as described above, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the machining of the inner wall surface 16A of the lower cover 16 can be relatively easily performed at the time of manufacture, thereby reducing the cost. Can do.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、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。この新規な実施の形態は、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。この実施の形態やその変形は、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。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the above embodiment is presented as an example, and is not intended to limit the scope of the invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

例えば、上述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路面積が、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて、徐々に減少するようになっている例を説明したが、子午面断面視におけるランナ側圧室１５の流路面積は、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて少なくとも部分的に一定であってもよい。 For example, in the first embodiment and the second embodiment described above, the flow area of the runner side pressure chamber 15 gradually decreases from the upstream end 15U to the downstream end 15D. However, the flow passage area of the runner side pressure chamber 15 in the meridional section view may be at least partially constant from the upstream end 15U to the downstream end 15D.

また、上述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路幅は、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されているが、流路面積が上流側端部から下流側端部にかけて拡大しないのであれば、流路幅は、上流側から下流側において部分的に拡大しても構わない。 In the first and second embodiments described above, the flow passage width of the runner side pressure chamber 15 is formed so as not to increase from the upstream side to the downstream side. The flow path width may be partially enlarged from the upstream side to the downstream side as long as it does not increase from the side end portion to the downstream end portion.

１フランシス形水車
３ケーシング
４ステーベーン
５ガイドベーン
６ランナ
７クラウン
８バンド
８Ａ外側壁面
８Ｕ最上流点
８Ｄ最下流点
９ランナ羽根
１０主軸
１２吸出し管
１３ランナ背圧室
１４上カバー
１５ランナ側圧室
１５Ｕ上流側端部
１５Ｄ下流側端部
１６下カバー
１６Ａ内側壁面
１６Ｕ上流側端点
１６Ｄ下流側端点
２０側圧室側間隙部
２２側圧室側シール部
Ｃ回転軸線
Ｇ発電電動機 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Francis type turbine 3 Casing 4 Stay vane 5 Guide vane 6 Runner 7 Crown 8 Band 8A Outer wall surface 8U Most upstream point 8D Most downstream point 9 Runner blade 10 Main shaft 12 Suction pipe 13 Runner back pressure chamber 14 Upper cover 15 Runner side pressure chamber 15U Upstream Side end 15D Downstream end 16 Lower cover 16A Inner wall surface 16U Upstream end 16D Downstream end 20 Side pressure chamber side gap 22 Side pressure chamber side seal C Rotating axis G Generator motor

Claims

A runner having a crown, a band, and a plurality of runner blades provided between the crown and the band;
A cover that covers the runner from the outside,
A runner side pressure chamber is formed between the outer wall surface of the band and the inner wall surface of the cover,
The runner-side pressure chamber is formed so as not to increase the flow path area from an upstream end to a downstream end during a water turbine operation.

The hydraulic machine according to claim 1, wherein the flow path area gradually decreases from the upstream end to the downstream end.

3. The hydraulic machine according to claim 1, wherein an inner wall surface of the cover is formed in a curved shape in a meridian plane cross-sectional view.

3. The hydraulic machine according to claim 1, wherein the inner wall surface of the cover is formed in a polygonal line formed by connecting a plurality of straight portions in a meridian plane cross-sectional view.

When the flow area at the upstream end of the runner side pressure chamber is A0 and the flow area at the downstream end of the runner side pressure chamber is AD,
The hydraulic machine according to claim 1, wherein 0.15 <AD / A0 <0.85.

The hydraulic machine according to any one of claims 1 to 5, wherein the runner-side pressure chamber is formed so that the flow path width does not increase from the upstream side to the downstream side in a meridional section view. .