JP2018066284A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率かつ水圧による流路の変形を抑制した水力機械を提供すること。
【解決手段】
本発明の実施形態によれば、軸周りに回動するランナと、前記ランナへ水を導入する流路の上端部と、前記上端部の下方に設けられ、前記上端部と対向する下端部と、前記上端部と前記下端部との間に周方向に離間して配列された複数枚のガイドベーンと、前記ガイドベーンの外側に設けられたケーシングと、前記ケーシングに接続され、前記ケーシングへ水を導入する第一の水管と、前記上端部および前記下端部と前記第一の水管とを接続し、前期第一の水管から前記上端部および前記下端部へ水を導入する第二の水管と、を備え、前記上端部および前記下端部は、前記第二の水管を通る水の水圧によって固定される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水力機械に関する。

フランシス型水車の水力機械は、水車主軸の下端に接続されたランナ、ガイドベーン、ステーベーン、ケーシングなどから構成される。特にステーベーンは、ケーシングからランナへ均等に水流を導入するだけでなく、水圧による流路の変形を抑制し、水流を旋回させる役割を持つ。しかしながら、水力機械の性能を向上させる上で、ステーベーンの水力損失が懸念される。

上記の懸念に対して、従来の水力機械は、ステーリングの形状や配置を変更させて水力機械の性能を向上させる。しかしながら、形状や配置を変更してもステーベーンでの水力損失は存在する。また、ステーベーンを過度に肉薄に設計すると強度が保てなくなり、水圧による流路の変形を引き起こす。そこで、高効率かつ水圧による流路の変形を抑制した水力機械が求められている。

特許第４１６３０６１号 特開２０００−２９７７３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、高効率かつ水圧による流路の変形を抑制した水力機械を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の実施形態によれば、軸周りに回動するランナと、前記ランナへ水を導入する流路の上端部と、前記上端部の下方に設けられ、前記上端部と対向する下端部と、前記上端部と前記下端部との間に周方向に離間して配列された複数枚のガイドベーンと、前記ガイドベーンの外側に設けられたケーシングと、前記ケーシングに接続され、前記ケーシングへ水を導入する第一の水管と、前記上端部および前記下端部と前記第一の水管とを接続し、前期第一の水管から前記上端部および前記下端部へ水を導入する第二の水管と、を備え、前記上端部および前記下端部は、前記第二の水管を通る水の水圧によって固定される。

第一の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。 第一の実施形態に係る水力機械のガイドベーンを回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。 第二の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。 第一および第二の実施形態に係る水力機械にステーベーンを設置した場合の回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。

以下、実施形態に係る水力機械について説明する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。第一の実施形態に係る水力機械は、入口鉄管１と、ケーシング１０と、流路上端部２０と、流路下端部２１と、ステーリング用鉄管２２と、ガイドベーン３０と、ランナ４０から構成され、従来の水力機械に設けられるステーベーンを有しない。

入口鉄管１（第一の水管）は、ケーシング１０に接続され、水をケーシング１０へ導入する。

ケーシング１０は、入口鉄管１から導入された水をランナ４０の外周方向へ充填する。水の外部への漏洩を抑制するため、水圧に耐えうる構造を有する。

ステーリング用鉄管２２（第二の水管）は、流路上端部２０および流路下端部２１と、入口鉄管１をそれぞれ結合する。入口鉄管１を通る水の一部が、ステーリング用鉄管２２へ導入される。ステーリング用鉄管２２は、水を循環させる機構を備えておらず、ステーリング用鉄管２２へ導入された水は、ステーリング用鉄管２２に充填される。

ガイドベーン３０は、ガイドベーンアームを介して図示していないガイドリングに接合され、ランナ４０の外周方向に配置される。図示していない駆動装置によってガイドリングを回転させ、ガイドベーン３０の角度を調整することで、ランナ４０へ導入される水を効率良く旋回させるとともに、水量を調整する。

ランナ４０は、水がランナ羽根から回転中心方向へ向かう間にランナ羽根を押し、ランナ羽根に回転力を伝えることで、回転駆動する。

図２は、第一の実施形態に係る水力機械のガイドベーンを回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。ここで、ガイドベーン３０の長手方向の長さをLg、ガイドベーン３０の枚数をZgとする。また、ガイドベーン３０が配置される位置をガイドベーン基準円１００とし、ガイドベーン基準円１００の半径をDgとするとき、以下の数式を満たすようにガイドベーン３０の各パラメータを設定する。
Zg×Lg／（π×Dｇ）≧１．３

上式を満たすようにガイドベーンの長手方向の長さLgを長くするか、ガイドベーン３０の枚数Zgを増やすように設計することで、ガイドベーンによる水の旋回を効率的に発生させる。

次に、第一の実施形態に係る水力機械の動作方法を説明する。入口鉄管１（第一の水管）を通過した水は、ケーシング１０へ導入される。ケーシング１０へ導入された水が流路を通過すると、ガイドベーン３０において水は旋回され、水量を調整される。ガイドベーン３０を通過した水は、ランナ４０へ導入され、水圧によってランナ４０を回転させる。ランナ４０が回転すると、シャフトを介して図示していない発電機が回転し、発電を行う。

ここで、ケーシング１０からランナ４０へ水が導入される際に、水圧によっては流路が変形する場合がある。そこで、入口鉄管１を通過する水の一部がステーリング用鉄管２２へ導入され、流路上端部２０上端部および流路下端部２１下端部に水圧を加える。ステーリング用鉄管２２へ導入された水の水圧によって、流路全体にかかる圧力を緩和し、流路の変形を抑制する。

上述した第一の実施形態によれば、ステーリング用鉄管２２へ導入される水によって、流路上端部２０および流路下端部２１に水圧をかけて流路の変形を抑制する。水を利用して流路の変形を抑制できるため、ステーベーンを取り除くことができる。ステーベーンを取り除くことができるため、ステーベーンで生じる水力損失を抑制し、高効率な水力機械を提供することが可能となる。

なお、ステーリング用鉄管２２は、上下以外の流路端部にも配置して、流路の変形を抑制してもよい。例えば、流路の進行方向に垂直な断面が円形の場合は、円の中心から放射状にステーリング用鉄管２２を結合してもよい。

（第二の実施形態）
次に、第二の実施形態について説明する。図３は、第二の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。なお、第一の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。また、ガイドベーンの回転軸方向からみた断面図は、図２と同様である。第二の実施形態に係る水力機械は、ケーシング１０と、ガイドベーン３０と、貫通固定軸３１と、ランナ４０から構成される。

ケーシング１０は、ケーシング上端突起部１１とケーシング下端突起部１２を有し、水圧程度の応力によっては変形しない。

ガイドベーン３０は、ガイドベーン軸と共に中空部を有する。

貫通固定軸３１は、ガイドベーン３０およびガイドベーン軸の中空部を貫通し、中空部で接触しないように設置される。貫通固定軸３１は、ケーシング上端突起部１１およびケーシング下端突起部１２によって固定され、ケーシング１０の水圧による変形を抑制する。一方、ガイドベーン軸は、貫通固定軸３１とは異なる固定部材によって固定される。

また、ガイドベーン３０の長手方向の長さLg、ガイドベーン基準円１００の半径Dg、ガイドベーン３０の枚数Zgについては、第一の実施形態と同様の数式を満たすように設計する。

上述した第二の実施形態によれば、ガイドベーンが中空部を有し、貫通固定軸とガイドベーン軸をそれぞれ固定することによって、ガイドベーンが回転しつつも、水圧による流路の変形を抑制することが可能となる。また、ガイドベーンの中空部分を利用してケーシングを固定するため、ステーベーンを取り除くことができ、第一の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、貫通固定軸３１は従来の水力機械の空間内に収容可能であるため、水力機械を小型に設計できる。

なお、上述した第二の実施形態では、貫通固定軸３１によってケーシングを固定したが、ガイドベーン軸にフランジを設け、軸受などの部材によって流路上端部２０および流路下端部２１を固定してもよい。その場合のケーシング１０は、ケーシング上端突起部１１とケーシング下端突起部１２を有しない。

さらに、上述した第一および第二の実施形態においては、ステーベーンがない場合を想定したが、水の旋回をより効率よく行うために、ガイドベーン３０の外周方向にステーベーンを設置してもよい。ステーベーンを設置した場合について、図４を用いて説明する。図４は、第一および第二の実施形態に係る水力機械にステーベーンを設置した場合の回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。ただし、この場合のステーベーン（ステーベーン５０）とは、水の旋回の機能のみを有することとする。ステーベーン５０を設置した場合のステーベーン５０の厚さは、旋回の機能を有すればよいため、ガイドベーン３０の厚さの半分以下に設計する。また、ステーベーン５０の枚数はガイドベーン３０の枚数以下とし、流路上端部および流路下端部の少なくとも一方の端面に接続されていればよい。

ステーベーンを設置する場合においても、ステーリング用鉄管２２や貫通固定軸３１によって流路の変形を抑制できるため、ステーベーンの強度の設計精度を上げずともよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣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。これら実施形態やその変形は、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。

１．入口鉄管
１０．ケーシング
１１．ケーシング上端突起部
１２．ケーシング下端突起部
２０．流路上端部
２１．流路下端部
２２．ステーリング用鉄管
３０．ガイドベーン
３１．貫通固定軸
３２．軸固定部材
４０．ランナ
１００．ガイドベーン基準円

Claims (5)

1. 軸周りに回動するランナと、
   前記ランナへ水を導入する流路の上端部と、
   前記上端部の下方に設けられ、前記上端部と対向する下端部と、
   前記上端部と前記下端部との間に周方向に離間して配列された複数枚のガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの外側に設けられたケーシングと、
   前記ケーシングに接続され、前記ケーシングへ水を導入する第一の水管と、
   前記上端部および前記下端部と前記第一の水管とを接続し、前期第一の水管から前記上端部および前記下端部へ水を導入する第二の水管と、
   を備え、
   前記上端部および前記下端部は、前記第二の水管を通る水の水圧によって固定される水力機械。
2. 軸周りに回動するランナと、
   前記ランナへ水を導入する流路の上端部と、
   前記上端部の下方に設けられ、前記上端部と対向する下端部と、
   前記上端部と前記下端部との間に周方向に離間して配列された複数枚のガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの外側に設けられたケーシングと、
   前記ガイドベーンの中空部と接触せずに介在し、前記上端部および前記下端部と前記ケーシングの突起部とを接続して固定する固定軸と、
   を備える水力機械。
3. 前記ガイドベーンの長手方向の長さをLg、前記ガイドベーンの基準円の半径をDg、ガイドベーンの枚数をZgとしたとき、
   Zg×Lg／（π×Dｇ）≧１．３
   を満たすようにLg、Dg、Zgを設計する請求項１または２に記載の水力機械。
4. 前記ガイドベーンの外側に周方向へ離間して配列され、水を旋回させる複数のステーベーンを更に備えた請求項１から３のいずれかに記載の水力機械。
5. 前記ステーベーンは、
   厚さが前記ガイドベーンの厚さの半分以下になることと、
   枚数が前記ガイドベーンの枚数以下になることと、
   の少なくとも１つを備える請求項４に記載の水力機械。

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