JP2017190695A - 水力機械のケーシング及び水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】水車運転時における円形翼列への入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制する。【解決手段】ケーシング１は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に直交する半径方向においてランナ４及びその外側の円形翼列ＢＬの外側に配置される。ケーシング１は、直管部１１と、直管部１１の一端部に接続され、ランナ４の回転軸線Ｃ１に対する周方向に沿って延びる曲り管部１２と、直管部１１に設けられ、直管部１１において曲り管部１２に向かう水流を曲り管部１２の内周側へ転向させる転向機構１３と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、水力機械のケーシング及び水力機械に関する。

水力機械の一例として、フランシス水車が知られている。一般的なフランシス水車では、水車運転時に、水がケーシングからステーベーン及びガイドベーンを通ってランナに流れ込み、その水流によってランナが回転駆動され、主軸を介して発電機が駆動される。一方、ランナを駆動した水は、吸出し管を経て放水路へと流出する。本運転時には、ガイドベーンの開度を変化させることにより、ランナに流入する水量を調節することができ、これにより、発電量を変化させることができる。

ところで、このようなフランシス水車では、水車中心軸線、すなわちランナの回転軸線に直交する半径方向において、ランナの外側にケーシングが配置されており、ケーシングからランナに向けて水が流れるため、水車流路においては、ケーシングが最上流部位となる。図８は、一般的なケーシングをランナの回転軸線に対する半径方向に沿って切断した断面図を示している。図８に示すケーシングは、上池からの水を通過させる水圧鉄管に上流側の端部が接続される直管部１１１と、直管部１１１の下流側の端部に接続される曲り管部１１２と、を備えている。直管部１１１から流入する直線的な流れは、曲り管部１１２によって、ステーベーンが構成する水車円形翼列１１３に流入するスパイラル状の流れに変換されるようになっている。

基本的に、上述のスパイラル状の流れの半径方向速度成分は、ケーシングの曲り管部１１２の断面積を水車回転方向に関して直線的に減少させることにより、周方向に関して、ほぼ一様な速度に制御することができる。一方、周方向速度成分は、ほぼ自由渦理論（角運動量変化の無い回転流の場合、周方向速度は半径に反比例）により決まることが知られており、当該理論に基づいて制御することができる。このような半径方向速度成分及び周方向速度成分の制御によって、フランシス水車では、一般に、水車円形翼列１１３への入口流れの角度が制御されている。

しかしながら、図８に示すように、一般的なケーシングでは、曲り管部１１２における直管部１１１との接続部付近の領域１１４において、自由渦流れが十分に形成されていないため、水車円形翼列１１３の入口への流れ方向１１５が、他の部位と比べて周方向側に傾いてしまう。そのため、水車円形翼列１３０の入口において羽根入口角度と流れ角度との偏差に起因した水力損失が発生すると共に、これに伴いランナへ流入する流れも周方向に関してアンバランスになるため、翼列干渉による水圧脈動も過大になっていた。

上述のようなランナへ流入する流れの周方向におけるアンバランスさを低減する技術としては、入口形状の異なった数種類のステーベーンを配置する技術や、ケーシングの断面積の変化を調整する技術等が従来から知られている。

特開平１１−１１７８４６号公報

しかしながら、上述の技術では、ステーベーンの翼面で発生する水力損失が大きくなると共に、原理的に水車円形翼列への入口流れの方向を周方向に一様化することができないという課題がある。

そこで、本発明は、水車運転時における円形翼列への入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる水力機械のケーシング及び水力機械を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態に係る水力機械のケーシングは、ランナの回転軸線に直交する半径方向において前記ランナ及びその外側の円形翼列の外側に配置される水力機械のケーシングである。このケーシングは、直管部と、前記直管部の一端部に接続され、前記ランナの回転軸線に対する周方向に沿って延びる曲り管部と、前記直管部に設けられ、前記直管部において前記曲り管部に向かう水流を前記曲り管部の内周側へ転向させる転向機構と、を備える。

本発明の実施の形態に係る水力機械は、前記の水力機械のケーシングを備える。

本発明によれば、水車運転時における円形翼列への入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる。

第１の実施の形態に係るフランシス水車の子午断面図である。 図１のフランシス水車のケーシングを半径方向に沿って切断した断面図である。 第２の実施の形態に係るフランシス水車のケーシングを半径方向に沿って切断した断面図である。 第３の実施の形態に係るフランシス水車のケーシングを半径方向に沿って切断した断面図である。 第４の実施の形態に係るフランシス水車のケーシングを半径方向に沿って切断した断面図である。 第５の実施の形態に係るフランシス水車のケーシングを半径方向に沿って切断した断面図である。 第６の実施の形態に係るフランシス水車のケーシングを半径方向に沿って切断した断面図である。 一般的なケーシングをランナ回転軸線に対する半径方向に沿って切断した断面図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水力機械の一例としてのフランシス水車１００を示している。このフランシス水車１００では、水車運転時に、水がケーシング１からステーベーン２及びガイドベーン３を通ってランナ４に流れ込み、その水流によってランナ４が回転駆動され、主軸６を介して発電機７が駆動される。一方、ランナ４を駆動した水は、吸出し管５を経て図示しない放水路へと流出する。本運転時には、ガイドベーン３の開度を変化させることにより、ランナ４に流入する水量を調節することができ、これにより、発電量を変化させることができる。

ランナ４は、羽根８、クラウン９及びバンド１０を有し、羽根８で水流の圧力エネルギーを受けて回転軸線Ｃ１を中心に回転する。回転軸線Ｃ１に直交する半径方向において、ランナ４の外側にガイドベーン３が配置され、ガイドベーン３の外側にステーベーン２が配置され、ステーベーン２の外側にケーシング１が配置されている。ガイドベーン３は内径側の円形翼列を構成し、ステーベーン２は外径側の円形翼列を構成する。図２は、ケーシング１を半径方向に沿って切断した断面図を示し、図２には、ステーベーン２が構成する円形翼列ＢＬが示されている。

図２に示すように、ケーシング１は、上流側の端部を図示しない水圧鉄管に接続して、上池からの水流を供給される直管部１１と、直管部１１の下流側の端部に接続され、ランナ４の回転軸線Ｃ１に対する周方向に沿って湾曲して延びる曲り管部１２と、直管部１１に設けられ、直管部１１において曲り管部１２に向かう水流を曲り管部１２の内周側へ転向させる転向機構１３と、を備えている。

直管部１１は、直線状に延びる筒状体であり、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、ステーベーン２が構成する円形翼列ＢＬの外側で円形翼列ＢＬの接線方向に沿って延びるように配置されている。曲り管部１２は、直管部１１との接続部分から湾曲して延びる部分であって、直管部１１との接続部分から周方向に沿って湾曲して延びるに従い、その断面積が漸減するように構成されている。図示の例では、直管部１１と曲り管部１２とが、別体で形成されており、ボルト等の締結部材によって互いに接続されている。

本実施の形態における転向機構１３は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の外周部分１１Ａに設けられるとともに水流側に突出する凸部１４によって、構成されている。図示の例において、凸部１４の内面は、その周囲の外周部分１１Ａの内面に対して突出し、凸部１４の外面は、その周囲の外周部分１１Ａの外面に対してへこんでいる。凸部１４は、本実施の形態において、直管部１１を反水流側から水流側に向けてへこませることにより、形成されている。凸部１４の内面は、直管部１１内の流路側を向く面であり、水力損失を低減するべく滑らかな曲面状となっている。なお、直管部１１の外周部分１１Ａとは、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１のうちのランナ４側とは反対の側に位置する部分を意味する。

以上のような構成を備える本実施の形態では、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、ケーシング１における直管部１１の外周部分１１Ａに凸部１４が設けられ、この凸部１４が水流側に突出する。このような凸部１４が無い場合、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れは、その流れ方向が他の部分における流れ（矢印Ｘ）の流れ方向と比較して周方向に向くようになる。これに対し、本実施の形態では、凸部１４によって、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れを、図２の矢印Ｙに示すように、曲り管部１２の内周側に転向することができる。これにより、円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさが抑制され、その結果、水車運転時における円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態の構成部分のうちの第１の実施の形態と同様の部分については、同一の符号を付して、説明は省略する。図３は、第２の実施の形態に係るフランシス水車のケーシング１を半径方向に沿って切断した断面図である。本実施の形態における転向機構１３は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の内周部分１１Ｂに設けられるとともに反水流側にへこむ凹部２４によって、構成されている。図示の例において、凹部２４の内面は、その周囲の内周部分１１Ｂの内面に対してへこみ、凹部２４の外面は、その周囲の内周部分１１Ｂの外面に対して突出している。凹部２４は、本実施の形態において、直管部１１を水流側から反水流側に向けてへこませることにより、形成されている。凹部２４の内面は、直管部１１内の流路側を向く面であり、水力損失を低減するべく滑らかな曲面状となっている。なお、直管部１１の内周部分１１Ｂとは、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１のうちのランナ４側に位置する部分を意味する。

以上のような構成を備える本実施の形態では、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、ケーシング１における直管部１１の内周部分１１Ｂに凹部２４が設けられ、この凹部２４が反水流側にへこむ。このような凹部２４が無い場合、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れは、その流れ方向が他の部分における流れ（矢印Ｘ）の流れ方向と比較して周方向に向くようになる。これに対して、本実施の形態では、凹部２４によって、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れを、図３の矢印Ｙに示すように、曲り管部１２の内周側に転向することができる。これにより、円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさが抑制され、その結果、水車運転時における円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる。

（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態の構成部分のうちの第１及び第２の実施の形態と同様の部分については、同一の符号を付して、説明は省略する。図４は、第３の実施の形態に係るフランシス水車のケーシング１を半径方向に沿って切断した断面図である。本実施の形態における転向機構１３は、直管部１１内に設けられた板部材３４によって、構成されている。板部材３４は平板状であり、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、曲り管部１２側に向けて延びるに従い直管部１１の内周部分１１Ｂ側に向けて延びている。図示の例において、板部材３４は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の中心軸線よりも外周部分１１Ａ側に配置されている。板部材３４は、例えば回転軸線Ｃ１方向における両端部を直管部１１の内面に固着されることで保持されてもよい。

以上のような構成を備える本実施の形態では、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１内に平板状の板部材３４が設けられ、板部材３４は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、曲り管部１２側に向けて延びるに従い直管部１１の内周部分１１Ｂ側に向けて延びている。このような板部材３４が無い場合、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れは、その流れ方向が他の部分における流れ（矢印Ｘ）の流れ方向と比較して周方向に向くようになる。これに対して、本実施の形態では、板部材３４によって、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れを、図４の矢印Ｙに示すように、曲り管部１２の内周側に転向することができる。これにより、円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさが抑制され、その結果、水車運転時における円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる。また板部材３４を用いることで直管部１１の形状を変更せずに転向機構１３を構成できるため、転向機構１３を容易に構成することができる。

（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態の構成部分のうちの第１乃至第３の実施の形態と同様の部分については、同一の符号を付して、説明は省略する。図５は、第４の実施の形態に係るフランシス水車のケーシング１を半径方向に沿って切断した断面図である。本実施の形態における転向機構１３は、直管部１１内に設けられた板部材４４によって、構成されている。板部材４４は翼形状を有し、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、曲り管部１２側に向けて延びるに従い直管部１１の内周部分１１Ｂ側に向けて延びている。図示の例において、板部材４４は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の中心軸線よりも外周部分１１Ａ側に配置されている。より詳しくは、板部材３４の前縁は直管部１１の中心軸線よりも外周部分１１Ａ側に位置し、板部材３４の後縁は直管部１１の中心軸線上或いはその近傍に位置している。板部材４４は、例えば回転軸線Ｃ１方向における両端部を直管部１１の内面に固着されることで保持されてもよい。

以上のような構成を備える本実施の形態では、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１内に翼形状の板部材４４が設けられ、板部材４４は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、曲り管部１２側に向けて延びるに従い直管部１１の内周部分１１Ｂ側に向けて延びている。このような板部材４４が無い場合、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れは、その流れ方向が他の部分における流れ（矢印Ｘ）の流れ方向と比較して周方向に向くようになる。これに対して、本実施の形態では、板部材４４によって、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れを、図５の矢印Ｙに示すように、曲り管部１２の内周側に転向することができる。これにより、円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさが抑制され、その結果、水車運転時における円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる。また板部材４４を用いることで直管部１１の形状を変更せずに転向機構１３を構成できるため、転向機構１３を容易に構成することができる。

（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態の構成部分のうちの第１乃至第４の実施の形態と同様の部分については、同一の符号を付して、説明は省略する。図６は、第５の実施の形態に係るフランシス水車のケーシング１を半径方向に沿って切断した断面図である。本実施の形態における転向機構１３は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の外周部分１１Ａに設けられるとともに直管部１１の内部に水を注入する注水管５４Ａを含む注水機構５４によって、構成されている。本実施の形態における注水機構５４は、注水管５４Ａと水圧鉄管Ｔとを接続する配管５４Ｂと、配管５４Ｂ上に設けられた流量調節弁５４Ｃとをさらに含んでいる。水圧鉄管Ｔは、直管部１１の上流側の端部と上池とを接続しており、流量調節弁５４Ｃは、その開度を調節することで水圧鉄管Ｔから注水管５４Ａへの水の流量を調節することができる。注水管５４Ａは、外周部分１１Ａから曲り管部１２の内周側部分における直管部１１との接続部付近を向いており、水圧鉄管Ｔからの水を下流側に向けて斜めに注入するようになっている。

以上のような構成を備える本実施の形態では、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の外周部分１１Ａに直管部１１の内部に水を注入する注水管５４Ａが設けられている。このような注水管５４Ａが無く水が注入されない場合、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れは、その流れ方向が他の部分における流れ（矢印Ｘ）の流れ方向と比較して周方向に向くようになる。これに対して、本実施の形態では、注水管５４Ａから直管部１１の内部に水を注入することによって、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れを、図６の矢印Ｙに示すように、曲り管部１２の内周側に転向することができる。これにより、円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさが抑制され、その結果、水車運転時における円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる。また上池の水を注水管５４Ａから注入することで、配管構造を簡素化できる。

（第６の実施の形態）
次に第６の実施の形態について説明する。第６の実施の形態の構成部分のうちの第１乃至第５の実施の形態と同様の部分については、同一の符号を付して、説明は省略する。図７は、第６の実施の形態に係るフランシス水車のケーシング１を半径方向に沿って切断した断面図である。本実施の形態における転向機構１３は、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の内周部分１１Ｂに設けられるとともに直管部１１の内部の流水を排水する排水管６４Ａを含む排水機構６４によって、構成されている。本実施の形態における排水機構６４は、排水管６４Ａと吸出し管５とを接続する配管６４Ｂと、配管６４Ｂ上に設けられた流量調節弁６４Ｃとをさらに含んでいる。流量調節弁６４Ｃは、その開度を調節することで排水管６４Ａから吸出し管５への水の流量を調節することができる。排水管６４Ａは、内周部分１１Ｂから水流の下流側に向かうに従い内周部分１１Ｂから離れるように延びている。これにより、直管部１１の内部の水流が排水管６４Ａへ比較的スムーズに流れることで、排水によって過度の水圧損失が生じることを抑制できる。

以上のような構成を備える本実施の形態では、ランナ４の回転軸線Ｃ１に沿って見た場合に、直管部１１の内周部分１１Ｂに直管部１１の内部の水を排水する排水管６４Ａが設けられている。このような排水管６４Ａが無く水が排水されない場合、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れは、その流れ方向が他の部分における流れ（矢印Ｘ）の流れ方向と比較して周方向に向くようになる。これに対して、本実施の形態では、排水管６４Ａから直管部１１の内部の水を排水することによって、曲り管部１２における直管部１１との接続部付近の円形翼列ＢＬへの入口流れを、図７の矢印Ｙに示すように、曲り管部１２の内周側に転向することができる。これにより、円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさが抑制され、その結果、水車運転時における円形翼列ＢＬへの入口流れの周方向におけるアンバランスさに起因した水力損失及び水圧脈動を抑制することができる。

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。

例えば、上述の各実施の形態では、本発明がフランシス水車に適用された例を説明したが、本発明は、フランシス型ポンプ水車、カプラン水車等の水力機械においても適用することができる。

１…ケーシング、２…ステーベーン、３…ガイドベーン、４…ランナ、５…吸出し管、６…主軸、７…発電機、８…羽根、９…クラウン、１０…バンド、１１…直管部、１１Ａ…外周部分、１１Ｂ…内周部分、１２…曲り管部、１３…転向機構、１４…凸部、２４…凹部、３４, ４４…板部材、５４…注水機構、５４Ａ…注水管、５４Ｂ…配管、５４Ｃ…流量調節弁、６４…排水機構、６４Ａ…排水管、６４Ｂ…配管、６４Ｃ…流量調節弁、１００…フランシス水車、Ｃ１…回転軸線、ＢＬ…円形翼列、Ｔ…水圧鉄管。

Claims (7)

1. ランナの回転軸線に直交する半径方向において前記ランナ及びその外側の円形翼列の外側に配置される水力機械のケーシングであって、
   直管部と、
   前記直管部の一端部に接続され、前記ランナの回転軸線に対する周方向に沿って延びる曲り管部と、
   前記直管部に設けられ、前記直管部において前記曲り管部に向かう水流を前記曲り管部の内周側へ転向させる転向機構と、を備えている、ことを特徴とする水力機械のケーシング。
2. 前記転向機構は、前記ランナの回転軸線に沿って見た場合に、前記直管部の外周部分に設けられるとともに水流側に突出する凸部によって、構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のケーシング。
3. 前記転向機構は、前記ランナの回転軸線に沿って見た場合に、前記直管部の内周部分に設けられるとともに反水流側にへこむ凹部によって、構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のケーシング。
4. 前記転向機構は、前記直管部内に設けられた板部材によって構成され、
   前記板部材は、前記ランナの回転軸線に沿って見た場合に、前記曲り管部側に向けて延びるに従い前記直管部の内周部分側に向けて延びる、ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のケーシング。
5. 前記転向機構は、前記ランナの回転軸線に沿って見た場合に、前記直管部の外周部分に設けられるとともに前記直管部の内部に水を注入する注水管を含む注水機構によって、構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のケーシング。
6. 前記転向機構は、前記ランナの回転軸線に沿って見た場合に、前記直管部の内周部分に設けられるとともに前記直管部の内部の流水を排水する排水管を含む排水機構によって、構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のケーシング。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の水力機械のケーシングを備える、水力機械。

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