JP2020094509A - Cross-flow water turbine - Google Patents

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Kiyoshi Kokubu
清 國分
雄基 西川
Yuki Nishikawa
雄基 西川
貴也 北洞
Takaya Kitado
貴也 北洞
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Abstract

To provide a cross-flow water turbine capable of preventing or suppressing occurrence of cavitation with small loss, as water flow moves along a wall surface of a guide vane without expanding, by a separation area formed by air supplied to a space between the guide vane and a runner even when the guide vane is throttled.SOLUTION: In a cross-flow water turbine including a water conduit pipe, a discharge pipe, a casing having an inner surface shape to guide inflow water from the water conduit pipe, a runner which is rotatably supported in the casing and of which a rotating shaft is disposed in a lateral direction, a guide vane disposed in the casing in a manner that its opening can be changed to adjust a flow rate of water flow in the casing, and a housing having a flow channel communicated with the discharge pipe from the casing, a separation area is formed by the air by supplying the air to a space between the guide vane and a casing lower wall, and the inflow water in the space is made to flow along a surface of the guide vane without expanding toward a downstream side by the separation area.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、クロスフロー水車に関する。更に詳しくは、ガイドベーンとランナーとの間の空間(間隙)に空気が供給され、剥離域が形成されることによって、流水が広がることなく、ガイドベーンの表面に沿って流れるので、キャビテーション(Cavitation:空洞現象)の発生を防止又は抑制するクロスフロー水車に関する。 The present invention relates to a cross flow turbine. More specifically, air is supplied to the space (gap) between the guide vane and the runner, and a separation area is formed, so that the running water does not spread and flows along the surface of the guide vane. : Cross-flow turbine for preventing or suppressing the occurrence of cavity phenomenon).

近年、自然エネルギーに対する関心が高まり、太陽光発電、風力発電或いは水力発電が脚光を浴びている。 In recent years, interest in natural energy has increased, and solar power generation, wind power generation, or hydroelectric power generation has been in the spotlight.

特に、地球環境保全の一つである温暖化防止の対応として、発電においても二酸化炭素に代表される温室効果ガス排出量の削減が求められており、クリーンエネルギー開発の必要性の高まりとともに、水力発電が再び注目されている。さらに、水力発電は、昼夜、年間を通じて安定した発電が可能である。 In particular, as a measure to prevent global warming, which is one of the conservation of the global environment, reduction of greenhouse gas emissions represented by carbon dioxide is required in power generation as well. Power generation is receiving attention again. Furthermore, hydropower can generate stable power throughout the day and night.

そして、ダムを造らずに発電を行う水力発電装置として、水路式の小水力発電が注目されている。この小水力発電には、低落差小流量であっても効率よく発電できる構造が求められている。そして、水力発電装置は、電力系統の安定を図る上で重要な柱となることが期待されている。このため、様々な形式の水車として、小水力用フランシス水車、ポンプ逆転水車、横軸プロペラ水車、クロスフロー水車などについての多面的な研究開発が行われている。 As a hydroelectric power generation device that generates electric power without building a dam, attention has been paid to a hydrographic small hydroelectric power generation. This small hydroelectric power generation is required to have a structure capable of efficiently generating power even with a low head and small flow rate. The hydroelectric power generation device is expected to become an important pillar for stabilizing the power system. For this reason, multi-faceted research and development has been conducted on various types of turbines, including Francis turbines for small hydropower, pump reversing turbines, horizontal propeller turbines, and cross-flow turbines.

これらの水車を用いた水力発電装置には、その水力発電装置の構成に起因して、その機械を通過する主流が乱される領域や、渦が発生する領域、減圧領域又はキャビテーションが発生する領域が現れる場合がある。特に、キャビテーション領域は、水力発電機械の効率を減少させ、水力発電装置の全体的な性能に影響を与える。 Due to the configuration of the hydroelectric generator, the hydroelectric generator using these turbines has a region where the main flow passing through the machine is disturbed, a region where vortices are generated, a decompression region or a region where cavitation occurs. May appear. In particular, the cavitation region reduces the efficiency of the hydroelectric machine and affects the overall performance of the hydroelectric generator.

なお、キャビテーションとは、水車の内部で流体が加速されることに起因し、流体の圧力が飽和蒸気圧近くまで低下し、多数の蒸気泡が発生する現象(空洞現象)であり、これらの蒸気泡が消滅する際には、局所的に数万気圧という極めて高い圧力が発生する。キャビテーション(気泡又は蒸気泡)が高速で崩壊又は振動する際に、発生する衝撃圧力が固体表面に作用することによって、固体表面が損傷を被る。このような衝撃圧の繰返しによるエロージョン(Erosion:侵食、壊食)は、キャビテーション・エロージョン(cavitation erosion)と呼ばれる。 Cavitation is a phenomenon (cavity phenomenon) in which a large number of vapor bubbles are generated due to the pressure of the fluid being reduced to near the saturated vapor pressure due to the acceleration of the fluid inside the water turbine. When the bubbles disappear, an extremely high pressure of tens of thousands of atmospheric pressure is locally generated. When the cavitation (air bubbles or vapor bubbles) collapses or vibrates at a high speed, the impact pressure generated acts on the solid surface, thereby damaging the solid surface. Erosion due to the repetition of such impact pressure is called cavitation erosion.

また、水車において、流路断面積が上流から下流に向って大きくなる流路(以下、「拡大流路」と称する)が発生すれば、水車効率が大きく低下することも知られている。 It is also known that if a flow channel (hereinafter, referred to as an “enlarged flow channel”) having a flow channel cross-sectional area that increases from upstream to downstream occurs in the turbine, the turbine efficiency is significantly reduced.

特開平8−200199号公報(特許文献1)には、横軸円筒カプラン水車設備において、バルブ内の軸受等を点検又は保守をするために作業者が出入する通路として、監査路を形成すること、それに伴い、水の流れ方向に直角な流路断面積を上流から下流に向って等しいか又は小さくなることによって、拡大流路が形成されない技術が開示されている。 In Japanese Patent Laid-Open No. 8-200199 (Patent Document 1), in a horizontal shaft cylindrical Kaplan turbine equipment, an inspection path is formed as a passage through which an operator enters and exits in order to inspect or maintain bearings and the like in a valve. Along with this, there is disclosed a technique in which an enlarged flow path is not formed by making the flow path cross-sectional area perpendicular to the flow direction of water equal or smaller from upstream to downstream.

特開平1−318763号公報(特許文献2)には、土砂を含む河川水流体に使用される水車動翼であって、キャビテーション、土砂磨耗及びこれらの複合損傷を受ける部分を、加工硬化性の高いステンレス鋼(例えば、オーステナイト組織を有する鋼等)で構成することによって、耐キャビテーション性及び耐土砂磨耗性に優れた水車動翼が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-318763 (Patent Document 2) discloses a turbine blade used for a river water fluid containing earth and sand, which has a work hardening property for a portion that undergoes cavitation, earth and sand abrasion, and composite damage thereof. A turbine blade is disclosed which is excellent in cavitation resistance and earth and sand abrasion resistance by being made of high stainless steel (for example, steel having an austenite structure).

特開平1−162720号公報(特許文献3)には、水車ランナー、例えばベルトン水車のバケットのリップ近傍領域に熱処理(例えば、レーザビーム照射による焼入れ熱処理)を行うことによって、水車運転中のジェット水の接触による繰り返し応力による疲労に対する疲れ強さを高め、かつ耐磨耗性(例えば、耐キャビテーション壊食性及び耐土砂磨耗侵食性等)を高める方法及びその方法を用いた水車について開示されている。 JP-A-1-162720 (Patent Document 3) discloses that jet water during operation of a water turbine is obtained by performing heat treatment (for example, quenching heat treatment by laser beam irradiation) on an area near a lip of a bucket of a water turbine runner, for example, Berton turbine. It discloses a method for increasing fatigue strength against fatigue due to repeated stress due to contact between the two and also improving wear resistance (for example, cavitation erosion resistance and earth and sand abrasion erosion resistance), and a water turbine using the method.

また、クロスフロー水車は、中程度の落差に使用されていたものが低落差用に改良され、大流量にも適用できるようになってから普及した水車である。一般に、クロスフロー水車は変流量特性に優れ、小流量にも比較的高い効率で運転することができる。例えば、特開昭58−67972号公報(特許文献4)及び特開昭59−138776号公報(特許文献5)には、クロスフロー水車において、ガイドベーンを用いてランナーへ流入する水量を調整できるような構成が開示されている。 In addition, the cross-flow turbine is a turbine that has been popular since it was used for medium heads but was improved for low heads so that it can be applied to large flows. Generally, a cross-flow turbine has excellent variable flow characteristics and can operate at a relatively high efficiency even at a small flow rate. For example, in JP-A-58-67972 (Patent Document 4) and JP-A-59-138767 (Patent Document 5), in a cross-flow turbine, the amount of water flowing into a runner can be adjusted using guide vanes. Such a configuration is disclosed.

次に、従来のクロスフロー水車110の外観斜視図を図1に示して説明する。なお、図1においては、クロスフロー水車110の構造を判り易くするため、ケーシング113及びハウジング117の一部を破断して、その内部が見えるように図示している。 Next, an external perspective view of the conventional cross flow turbine 110 will be described with reference to FIG. Note that, in FIG. 1, in order to make the structure of the cross-flow turbine 110 easy to understand, a part of the casing 113 and the housing 117 is broken so that the inside can be seen.

まず、図1に示すように、ケーシング(ランナーカバー)113の入口には、導水管(給水管)112が連通接続されている。ランナー114は、ケーシング113及びハウジング117内に収納されている。そして、ランナー114の軸芯と平行で、水平方向に延びる水車軸(回転軸)114cが回転可能なように架設されている。ケーシング113の出口には、ハウジング117が配置され、ハウジング117の出口は、放流管116に接続されている。また、開度に応じて流量を調整するガイドベーン115が、ランナー114とケーシング113との間に配置されている。ガイドベーン式クロスフロー水車110において、ランナー114は、導水管(入口管)112を介して流入する水の運動エネルギーにより回転する。そして、ランナー114を回転させた水が、放流管(ドラフト管)116を介して排出(排水)される。 First, as shown in FIG. 1, a water conduit (water supply pipe) 112 is communicatively connected to an inlet of a casing (runner cover) 113. The runner 114 is housed in the casing 113 and the housing 117. A water wheel shaft (rotating shaft) 114c that extends in the horizontal direction and is parallel to the axis of the runner 114 is rotatably installed. A housing 117 is arranged at the outlet of the casing 113, and the outlet of the housing 117 is connected to the discharge pipe 116. In addition, a guide vane 115 that adjusts the flow rate according to the opening degree is arranged between the runner 114 and the casing 113. In the guide vane type cross flow turbine 110, the runner 114 is rotated by the kinetic energy of water flowing in via the water conduit (inlet tube) 112. Then, the water obtained by rotating the runner 114 is discharged (drained) through the discharge pipe (draft pipe) 116.

次に、ガイドベーン式クロスフロー水車110の主要部水平断面の内部構造の模式図を図2に示す。また、ガイドベーン式クロスフロー水車110を図2に示す切断線A−Aに沿って切断した縦断面図であり、当該クロスフロー水車の主要部縦断面の内部構造の模式図を図3に示して説明する。クロスフロー水車110における、ケーシング(ランナーカバー)113の入口には、導水管(給水管)112が連通接続されている。また、ケーシング113の出口には、ハウジング117の入口が連通接続されている。ハウジング117の出口は、放流管116の入口に連通接続されている。また、ガイドベーン軸115cを回転軸として、ガイドベーン115aは、回動する。 Next, FIG. 2 shows a schematic diagram of an internal structure of a horizontal cross section of a main part of the guide vane type cross flow turbine 110. FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the guide vane type cross-flow turbine 110 taken along the cutting line AA shown in FIG. 2, and a schematic view of the internal structure of the main-section vertical cross-section of the cross-flow turbine is shown in FIG. Explain. A water conduit (water supply pipe) 112 is communicatively connected to an inlet of a casing (runner cover) 113 of the cross flow turbine 110. Further, the inlet of the housing 117 is connected to the outlet of the casing 113. The outlet of the housing 117 is communicatively connected to the inlet of the discharge pipe 116. Further, the guide vane 115a rotates about the guide vane shaft 115c as a rotation axis.

また、図2及び図3に示すように、水平方向に延びる水車軸(回転軸)114cは、ランナー114の軸芯と平行で、ランナー114が、回転可能に架設されている。そして、ランナー114は、環状に配置された多数のランナベーン114aを有しており、好適には、ランナー114の外周部に略等ピッチで配列される。そして、ガイドベーン115が、ランナー114の導水管112側に配設される。なお、ガイドべーン115には、対応するレバー(図示せず)及びリンク(図示せず)が連結される。そして、駆動システム(図示せず)を用いて、レバー及びリンクをそれぞれ操作することによって、ガイドベーン115の開度を調整できるため、ガイドベーン115によって、流水の流量が制御される。そして、その流水はランナー114に衝撃力又は反動力を付与した後、その流水は、放流管116から放流(放水)される。 Further, as shown in FIGS. 2 and 3, a water wheel shaft (rotating shaft) 114c extending in the horizontal direction is parallel to the axis of the runner 114, and the runner 114 is rotatably installed. The runner 114 has a large number of runner vanes 114a arranged in an annular shape, and is preferably arranged on the outer peripheral portion of the runner 114 at substantially equal pitches. Then, the guide vanes 115 are arranged on the water conduit 112 side of the runner 114. The guide vanes 115 are connected with corresponding levers (not shown) and links (not shown). The opening of the guide vane 115 can be adjusted by operating the lever and the link using a drive system (not shown), so that the guide vane 115 controls the flow rate of the running water. Then, after the running water imparts an impact force or a reaction force to the runner 114, the running water is discharged (discharged) from the discharge pipe 116.

特開平8−200199号公報JP-A-8-200199 特開平1−318763号公報JP-A-1-318763 特開平1−162720号公報JP-A-1-162720 特開昭58−67972号公報JP 58-67972 A 特開昭59−138776号公報JP-A-59-138777

図1に示すような一般的なクロスフロー水車では、ガイドベーンの開度を絞ると、ガイドベーンとケーシング下側壁との間には、流路断面積が上流から下流に向って拡大する流路、すなわち拡大流路が形成される。そして、ガイドベーンの開度が絞られるにつれて、拡大流路内で水流の剥離やキャビテーションが生じ、これによる損失のため水車効率(η/ηmax)が急激に低下する。また、これによりランナ入口流れが変化するため、ランナベーンの剥離又は損失が生じ易くなることでも水車効率が低下することになる。 In a general cross-flow turbine as shown in FIG. 1, when the opening of the guide vane is narrowed, the flow passage cross-sectional area between the guide vane and the casing lower side wall expands from upstream to downstream. That is, an enlarged flow path is formed. Then, as the opening of the guide vanes is reduced, water flow separation and cavitation occur in the enlarged flow path, and due to the loss due to this, the turbine efficiency (η/ηmax) sharply decreases. Further, as a result, the flow at the inlet of the runner changes, so that separation or loss of the runner vanes is likely to occur, but the efficiency of the water turbine also decreases.

まず、特許文献1に記載された発明は、コンクリートに囲まれた水の流路に設置され、発電機、水車軸、軸受等を収納するバルブを備えるような横軸円筒カプラン水車設備に関するものであり、特許文献1には、クロスフロー水車においてキャビテーションの発生を防止又は抑制するために適用されるような技術は、開示されていない。 First, the invention described in Patent Document 1 relates to a horizontal axis cylindrical Kaplan turbine equipment installed in a water flow path surrounded by concrete and equipped with a valve for accommodating a generator, a turbine shaft, a bearing and the like. However, Patent Document 1 does not disclose a technique applied to prevent or suppress the occurrence of cavitation in a cross-flow turbine.

次に、特許文献2に記載された水車動翼では、耐キャビテーション性及び耐土砂磨耗性を向上させているものの、加工硬化性の高いステンレス鋼を用いているため、高価なものになり、経済的な水車とは言えない。また、特許文献3に記載された水車は、耐キャビテーション壊食性を高めているものの、水車のバケットのリップに対し、レーザビーム照射による焼入れ熱処理を行うため、維持管理が必要で、経済的な水車とは言えない。 Next, in the water turbine blade described in Patent Document 2, although cavitation resistance and earth and sand abrasion resistance are improved, stainless steel with high work hardening is used, so that it becomes expensive and economical. It is not a typical water wheel. Further, the water turbine described in Patent Document 3 has improved cavitation erosion resistance, but since the quenching heat treatment by laser beam irradiation is performed on the lip of the bucket of the water turbine, maintenance is required, which is an economical water turbine. It can not be said.

次に、特許文献4又は5に記載された一般的なクロスフロー水車に関しては、ガイドベーンを設けてランナーへ流入させる水量を調整するように構成されているものの、流量を小さくするためにガイドベーンの開度を低くしたとき、ガイドベーンとケーシング壁との間に拡大流路が形成された場合に対して、キャビテーションの防止又は低減するような構造又は機能を備えてはいない。 Next, regarding the general cross-flow turbine described in Patent Document 4 or 5, although a guide vane is provided to adjust the amount of water flowing into the runner, the guide vane is used to reduce the flow rate. It does not have a structure or a function for preventing or reducing cavitation when the enlarged flow path is formed between the guide vane and the casing wall when the opening degree of is reduced.

本発明は上記のような事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、ガイドベーンとケーシング壁との間の空間、すなわち流水路に供給された空気で形成された剥離域によって、流水の流路は拡大せず、流水の方向はガイドベーンの表面に沿うため、キャビテーションを発生させないクロスフロー水車を提供することにある。 The present invention has been made based on the above circumstances, the object of the present invention, the space between the guide vanes and the casing wall, that is, by the separation area formed by the air supplied to the flow passage, The flow path of the flowing water does not expand, and the direction of the flowing water is along the surface of the guide vane. Therefore, it is an object to provide a cross-flow turbine that does not generate cavitation.

本発明の上記目的は、導水管と、放流管と、前記導水管からの流入水をガイドする内面形状を有するケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に支持され、回転軸を横方向に配されたランナーと、前記ケーシング内の水流の流量を調整するため、開度を変更可能なように、前記ケーシング内に配置されたガイドベーンと、前記ケーシングから前記放流管に連通する流路を有するハウジングとを有するクロスフロー水車であって、前記ガイドベーンと前記ケーシング下側壁との間の空間に空気が供給されることによって、前記空気により形成された剥離域が生成され、前記剥離域によって、前記空間における前記流入水は下流側に向かって広がることなく、前記ガイドベーンの表面に沿って流れることによって達成される。 The above object of the present invention is to provide a water conduit, a discharge pipe, a casing having an inner surface shape for guiding inflow water from the water conduit, a rotatably supported inside the casing, and a rotation axis arranged in a lateral direction. A housing having a runner, a guide vane arranged in the casing so that the opening can be changed in order to adjust the flow rate of the water flow in the casing, and a flow path communicating from the casing to the discharge pipe. A cross-flow turbine having and, by supplying air to a space between the guide vane and the casing lower side wall, a separation area formed by the air is generated, and by the separation area, The inflow water in the space is achieved by flowing along the surface of the guide vane without spreading toward the downstream side.

また、本発明の上記目的は、前記ガイドベーンと前記ランナーとの間にノズル壁が配設され、前記ノズル壁の一辺は前記ランナーに接近し、前記ノズル壁には開口部が設けられ、前記開口部を通して前記空間に前記空気が供給されることにより、或いは流路断面積が上流から下流に向って大きくなる流路を拡大流路とし、前記剥離域によって、前記ガイドベーンと前記ランナーとの間に前記拡大流路が形成されないことにより、或いは前記ランナーの空洞部分からの前記空気が前記剥離域に流れ込み、前記剥離域の圧力が上昇することによって、キャビテーションの発生を抑制することにより、より効果的に達成される。 Further, the above object of the present invention is that a nozzle wall is arranged between the guide vane and the runner, one side of the nozzle wall approaches the runner, and an opening is provided in the nozzle wall, When the air is supplied to the space through the opening, or the flow passage whose cross-sectional area increases from the upstream to the downstream is an enlarged flow passage, and the separation area causes the guide vane and the runner to By not forming the enlarged flow path in between, or by the air from the cavity portion of the runner flowing into the separation area, the pressure in the separation area rises, by suppressing the occurrence of cavitation, more Effectively achieved.

また、上記いずれかのクロスフロー水車を使用した発電設備により、上記目的は達成される。 Further, the above-mentioned object can be achieved by a power generation facility using any one of the above cross-flow turbines.

本発明に係るクロスフロー水車によれば、ガイドベーンとケーシング下側壁との間の空間、すなわち流水路に供給された空気で形成された剥離域によって、流水の断面積は拡大せず、流水の方向はガイドベーンの表面に沿うため、キャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。 According to the cross-flow turbine of the present invention, the cross-sectional area of the flowing water does not expand due to the space between the guide vanes and the lower wall of the casing, that is, the separation area formed by the air supplied to the flowing water channel. Since the direction is along the surface of the guide vane, the occurrence of cavitation can be prevented or suppressed.

また、拡大流路のケーシング下側壁(例えば、ノズル壁)に孔を設けて、該孔から空気を供給して流水がケーシング下側壁から剥離するように、空気で満たされた剥離域をケーシング下側壁側に形成することによって、流水の乱れや摩擦を抑え、且つキャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。本発明に係るクロスフロー水車を用いた発電設備は、高落差領域への適用の拡大、装置寿命の延長及び維持管理の簡素化に貢献することができる。 In addition, a hole is provided in the casing lower side wall (for example, the nozzle wall) of the enlarged flow passage, and air is supplied from the hole so that a separating region filled with air is separated from the lower side wall of the casing so that flowing water separates from the casing lower side wall. By forming it on the side wall side, it is possible to suppress turbulence and friction of running water and prevent or suppress the occurrence of cavitation. The power generation facility using the cross-flow turbine according to the present invention can contribute to the expansion of the application to the high head region, the extension of the life of the device, and the simplification of the maintenance.

そして、発電設備のクロスフロー水車の流量を小さくするためガイドベーンの開度を低くし又は絞って、運転することが可能になれば、水車発電設備の小型化を図れるばかりではなく、クロスフロー水車の適用範囲の拡大を期待することができる。 And if it becomes possible to operate by narrowing or narrowing the opening of the guide vanes in order to reduce the flow rate of the cross flow turbine of the power generation equipment, not only can the turbine power generation equipment be downsized, but also the cross flow turbine. Can be expected to expand the scope of application.

従来のクロスフロー水車の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the conventional cross flow turbine. 図1のクロスフロー水車のV方向矢示図(平断面図)であり、当該クロスフロー水車の主要部平断面の内部構造の模式図である。It is a V-direction arrow view (plan sectional view) of the cross-flow turbine of FIG. 1, and is a schematic diagram of an internal structure of a main-section plane cross section of the cross-flow turbine. 図1に示すクロスフロー水車を図2に示す切断線A−Aに沿って切断した縦断面図であり、当該クロスフロー水車の主要部縦断面の内部構造の模式図である。FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the cross-flow turbine shown in FIG. 1 taken along the cutting line AA shown in FIG. 2, and is a schematic diagram of an internal structure of a main-section vertical cross-section of the cross-flow turbine. 本発明の第1の実施形態に係るクロスフロー水車の一例を示す縦断面図であって、ガイドベーンの開度が低い場合の水流の様子を示す図である。It is a longitudinal cross-sectional view showing an example of the cross-flow water turbine according to the first embodiment of the present invention, and is a view showing a state of water flow when the opening of the guide vane is low. 本発明の第1の実施形態に係るクロスフロー水車において、ガイドベーン全閉時におけるノズル壁近傍の拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity of the nozzle wall when the guide vanes are fully closed in the cross-flow turbine according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るクロスフロー水車における流水路を示す図である。It is a figure which shows the flowing water channel in the cross-flow turbine which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るクロスフロー水車を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the cross-flow turbine which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るクロスフロー水車における、ガイドベーン及びランナーに挟まれた部分の拡大図である。It is an enlarged view of the part pinched|interposed by the guide vane and the runner in the cross-flow turbine which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るクロスフロー水車を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the cross-flow turbine which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

本発明の実施形態に係るクロスフロー水車では、ガイドベーンとランナーとの間の空間に空気を供給することで形成した剥離域が、流下水を広げることなく、水流をガイドベーンの表面に沿って流し、キャビテーションの発生を抑制又は防止することができる。 In the cross-flow turbine according to the embodiment of the present invention, the separation area formed by supplying air to the space between the guide vanes and the runners allows the water flow along the surface of the guide vanes without spreading the flowing water. It is possible to prevent or prevent cavitation from flowing.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形(各実施例を組み合わせる等)して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiments described below are merely examples, and are not intended to exclude various modifications and application of techniques not explicitly shown below. That is, the present invention can be implemented by variously modifying (combining the embodiments) without departing from the spirit of the present invention. Further, in the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. The drawings are schematic and do not necessarily match actual dimensions and proportions. The drawings may include portions having different dimensional relationships and ratios.

(原理説明)
最初に、本発明の基本的な原理について説明する。
本発明に係るクロスフロー水車は、一般的なクロスフロー水車のケーシング下側壁に穴を開け、ランナー側であるハウジング内の空気をガイドベーン側広がり流路に流入させることを可能とするものである。
(Principle explanation)
First, the basic principle of the present invention will be described.
The cross-flow turbine according to the present invention has a hole formed in the lower side wall of the casing of a general cross-flow turbine to allow the air in the housing on the runner side to flow into the guide vane side spreading passage. ..

吸出し管を付けたクロスフロー水車は、ランナーの軸に水流がぶつかることで流れが乱れ、効率が低下することを防ぐために、ハウジング内に外の大気(空気)を供給している。 A cross-flow turbine equipped with a suction pipe supplies outside air (air) to the inside of the housing in order to prevent the flow from being disturbed by the impingement of the flow of water on the shaft of the runner and to reduce the efficiency.

ランナー室内の圧力は吸出し管の効果により大気圧よりも低くなっている。このため、ハウジングの壁に穴を開けることでこの空気はハウジング内に自然給気される。適切な負圧やハウジング内水位になるよう、この空気流量はバルブなどで調整される。 The pressure in the runner chamber is lower than atmospheric pressure due to the effect of the suction pipe. Therefore, by making a hole in the wall of the housing, this air is naturally supplied into the housing. This air flow rate is adjusted with a valve etc. so that an appropriate negative pressure and water level in the housing can be achieved.

したがって、ランナーの水噴流が流れていない領域や、ケーシング下側壁とランナー間の空間は空気で占められている。ガイドベーンを絞ったときに、ガイドベーンとケーシング下側壁の間にできる拡大流路を通った水流は、出口でランナー内の空気相と接するため、ここでの水流の圧力はこの空気相の圧力とほぼ等しくなる。またランナー内とハウジング内の空気の圧力はほぼ等しい。 Therefore, the area where the water jet of the runner does not flow and the space between the lower side wall of the casing and the runner are occupied by air. When the guide vanes are squeezed, the water flow through the enlarged flow path formed between the guide vanes and the casing lower side wall contacts the air phase in the runner at the outlet, so the pressure of the water flow here is the pressure of this air phase. Is almost equal to. Also, the air pressures in the runner and the housing are almost equal.

その結果、拡大流路上流の狭窄部では圧力がハウジング内よりも低下する。
このため、上記の穴を開けただけで、ハウジング側の空気が拡大流路に流入する。空気は密度が低いため慣性力が少なく、粘度も低いため粘性力も少ないので、圧力差の影響が支配的で、狭窄部近傍の低圧領域に留まることになる。
これにより水流のケーシング壁からの剥離が促進され、さらに空気の供給が続けば気相領域(空気相領域)が成長して拡大流路出口に達し、ランナー内の気相(空気相)とつながることになる。
As a result, the pressure in the narrowed portion upstream of the enlarged flow channel is lower than that in the housing.
Therefore, the air on the housing side flows into the enlarged flow path only by opening the hole. Since the air has a low density, the inertial force is small, and the viscosity is also low, so that the viscous force is also small. Therefore, the influence of the pressure difference is dominant, and the air remains in the low-pressure region near the constriction.
This promotes the separation of the water flow from the casing wall, and if the air supply continues, the gas phase region (air phase region) grows and reaches the outlet of the enlarged flow path, and connects with the gas phase (air phase) in the runner. It will be.

すると空気は出口側から多量に剥離域へ流入することになり、気相剥離域もランナー室の気相圧力でほぼ一定となる。このため、水流の慣性により流速はほぼ一定となり、水流の断面積がほぼ一定となるため、気相(空気相)の剥離域は安定する。 Then, a large amount of air flows into the separation area from the outlet side, and the gas separation area becomes almost constant due to the gas phase pressure in the runner chamber. Therefore, the flow velocity becomes almost constant due to the inertia of the water flow, and the cross-sectional area of the water flow becomes almost constant, so that the separation region of the gas phase (air phase) becomes stable.

ハウジング内の空気圧まで狭窄部の圧力が近づいて高くなるので、キャビテーションが防止できる。空気を供給せず水流のみが流れている場合には、拡大流路により水流による剥離が起きると、損失が生じて水車効率が低下するが、本発明のクロスフロー水車により水流の剥離が無くなれば、これによる効率の低下は無くなる。 Cavitation can be prevented because the pressure in the narrowed portion approaches the air pressure in the housing and increases. In the case where only water flow is flowing without supplying air, if separation occurs due to the water flow due to the enlarged flow path, loss occurs and turbine efficiency decreases, but if the cross flow turbine of the present invention eliminates separation of water flow , This will eliminate the decrease in efficiency.

空気が流入しやすいように、穴は圧力が低くなる狭窄部付近に開けることが良いが、ガイドベーンを全閉にした際に、開けた穴から水が流れ出さないように、穴は全閉時にガイドベーンとケーシング下流壁が接する位置よりも下流側に開ける必要がある。 It is better to open the hole near the narrowed part where the pressure becomes low so that air can easily flow in, but when the guide vane is fully closed, the hole should be fully closed so that water does not flow out from the opened hole. At times, it is necessary to open the guide vane on the downstream side of the position where the guide vane contacts the casing downstream wall.

(第1の実施形態)
第1の実施形態に係るクロスフロー水車10の主要部縦断面の内部構造の模式図を、従来例を示す図3に対応させて、図4として示す。即ち、図4は、図3同様に、図1に示すクロスフロー水車を図2に示す切断線A−Aに沿って切断した縦断面図である。図4が示すように、クロスフロー水車10は、導水管12を介して、水源(例えば、河川やダム)からの水流を引き入れる。
(First embodiment)
A schematic diagram of an internal structure of a longitudinal cross section of a main part of the cross-flow turbine 10 according to the first embodiment is shown as FIG. 4 corresponding to FIG. 3 showing a conventional example. That is, similarly to FIG. 3, FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the cross-flow turbine shown in FIG. 1 taken along the cutting line AA shown in FIG. As shown in FIG. 4, the cross flow turbine 10 draws in a water flow from a water source (for example, a river or a dam) via a water conduit 12.

図4が示すように、第1の実施形態に係るクロスフロー水車10は、図3に示すような従来のクロスフロー水車110に対して、ハウジング13の下側にノズル壁18を設けた点で相違するが、その余の点で略同じである。なお、第1の実施形態に係るクロスフロー水車10と、図2及び3に示すような従来のクロスフロー水車とで共通する構成要素については説明を省略するが、第1の実施形態に係るクロスフロー水車10の構成要素は、従来のクロスフロー水車の構成要素と明確に区別するため、異なる符号を付している。 As shown in FIG. 4, the cross-flow turbine 10 according to the first embodiment is different from the conventional cross-flow turbine 110 shown in FIG. 3 in that a nozzle wall 18 is provided below the housing 13. Although different, they are almost the same in other respects. It should be noted that description of the components common to the cross-flow turbine 10 according to the first embodiment and the conventional cross-flow turbine as shown in FIGS. 2 and 3 will be omitted, but the cross according to the first embodiment will be omitted. The components of the flow turbine 10 are given different reference numerals to clearly distinguish them from the components of the conventional cross flow turbine.

まず、図4に示すように、ガイドベーン15の開度を高くした場合、導水管12及びケーシング13内における、ガイドベーン15の上側水路11a及びガイドベーン15の下側水路11bの水流の水量は、ガイドベーン15の開度に応じて、制御される。そして、図4が示すように、第1の実施形態に係るクロスフロー水車10におけるノズル壁18は、ランナー14とガードベーン15とに挟まれるように、且つハウジング13に固定されるように設置される。ノズル壁18に関して、ランナー14とガードベーン15とに挟まれた部分には、空気吸気孔(以下、単に「孔」とも称する)18aが穿設されている。そして、空気吸気孔18aを通して、ランナー14内の空気が、ランナー14とガードベーン15とに挟まれた空間、すなわち流水路Gに供給される。なお、ガイドベーン軸15cを回転軸として、ガイドベーン15a及びリリース弁15aは、回動する。 First, as shown in FIG. 4, when the opening degree of the guide vane 15 is increased, the amount of water in the upper water passage 11a of the guide vane 15 and the lower water passage 11b of the guide vane 15 in the water conduit 12 and the casing 13 becomes , Is controlled according to the opening degree of the guide vane 15. Then, as shown in FIG. 4, the nozzle wall 18 of the cross-flow turbine 10 according to the first embodiment is installed so as to be sandwiched between the runner 14 and the guard vane 15 and fixed to the housing 13. .. An air intake hole (hereinafter, also simply referred to as “hole”) 18a is formed in a portion of the nozzle wall 18 that is sandwiched between the runner 14 and the guard vane 15. Then, the air inside the runner 14 is supplied to the space between the runner 14 and the guard vane 15, that is, the flowing water channel G through the air intake hole 18a. The guide vane 15a and the release valve 15a rotate about the guide vane shaft 15c as a rotation axis.

次に、第1の実施形態に係るクロスフロー水車10におけるノズル壁18近傍を拡大した様子を図5に示す。なお、図5は、ガイドベーン15の接触点Sが、ノズル壁18のガイドベーン全閉点Pに接している様子を示している。そして、ガイドベーン15は全閉の状態であるため、水はケーシング13内部に進入して来ない。 Next, FIG. 5 shows an enlarged view of the vicinity of the nozzle wall 18 in the cross-flow turbine 10 according to the first embodiment. Note that FIG. 5 shows that the contact point S of the guide vane 15 is in contact with the guide vane fully closed point P of the nozzle wall 18. Since the guide vanes 15 are fully closed, water does not enter the inside of the casing 13.

また、空気吸気孔18aの位置に関しては、ガイドベーン全閉点Pからノズル壁18に沿って、下流方向距離(空気吸気孔18aの中心とガイドベーン全閉点Pとの距離)Lに配置される。 As for the position of the air intake hole 18a, the air intake hole 18a is arranged at a distance L from the guide vane fully closed point P along the nozzle wall 18 in the downstream direction (the distance between the center of the air intake hole 18a and the guide vane fully closed point P). It

次に、ガイドベーン15は全閉時の開度からガイドベーン15の開度を上げた場合における、ケーシング13内の流水及び空気層の分布を図6を用いて説明する。 Next, the distribution of the running water and the air layer in the casing 13 when the opening of the guide vane 15 is raised from the fully closed opening will be described with reference to FIG.

図6は、ガイドベーン15の接触点Sと、ノズル壁18のガイドベーン全閉点Pとが離れることによって、流水路Gが形成された様子を示している。そして、図6が示すように、ノズル壁18とガイドベーン15の下部で挟まれた流水路Gが生じることによって、流水路Gの上流から下流に広がった拡大流路が形成される。 FIG. 6 shows a state in which a flowing water channel G is formed by separating the contact point S of the guide vane 15 and the guide vane fully closed point P of the nozzle wall 18. Then, as shown in FIG. 6, by forming the flowing water channel G sandwiched between the nozzle wall 18 and the lower portion of the guide vane 15, an enlarged flow channel spreading from the upstream side to the downstream side of the flowing water channel G is formed.

従来、拡大流路では、流水の圧力が飽和蒸気圧近くまで低下して、水が気化し始める。こうして、拡大流路において多数の蒸気泡が発生することによって、キャビテーションが発生することが知られている。 Conventionally, in the enlarged flow path, the pressure of flowing water is reduced to near the saturated vapor pressure, and the water starts to vaporize. Thus, it is known that cavitation occurs due to the generation of many vapor bubbles in the enlarged flow path.

しかしながら、図6で示されるように、第1の実施形態のクロスフロー水車では、ガイドベーン15とランナー14との拡大流路は、流水域Fと気相(空気層)による剥離域Hとに分離されるため、キャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。その理由を以下に説明する。なお、図6において、流水域Fと剥離域Hとの境界は分離線Dとして表わされる。 However, as shown in FIG. 6, in the cross-flow turbine of the first embodiment, the enlarged flow passage between the guide vane 15 and the runner 14 is located in the flowing water region F and the separation region H due to the gas phase (air layer). Since they are separated, the occurrence of cavitation can be prevented or suppressed. The reason will be described below. In addition, in FIG. 6, the boundary between the flowing water region F and the separation region H is represented as a separation line D.

まず、ガイドベーン15の開度が高くなると、流水路Gが形成される。そして、流水路Gが形成されると、流水f1が流水路Gに進入し、流水路Gから流れ出した流水f2が、ランナベーン14aに衝突して、ランナー14を回転させる。なお、ランナー14の回転を必要とせずに、ランナー14内の空気は、通路内と通路外との圧力差によって、剥離域Hに供給される。 First, when the opening degree of the guide vane 15 is increased, the flowing water channel G is formed. Then, when the flowing water channel G is formed, the flowing water f1 enters the flowing water channel G, and the flowing water f2 flowing out from the flowing water channel G collides with the runner vanes 14a and rotates the runner 14. The air in the runner 14 is supplied to the separation area H by the pressure difference between the inside and the outside of the passage without requiring the rotation of the runner 14.

そうすると、空気吸気孔18aから供給された空気が、ガイドベーン15とランナー14とに挟まれた拡大流路における圧力を高めるように作用する。それに伴い、流水域Fの流水の低圧化、すなわち水の気化(沸騰)が防止されるため、流水域Fにおけるキャビテーションを防止することができる。 Then, the air supplied from the air intake hole 18a acts to increase the pressure in the enlarged flow path sandwiched between the guide vane 15 and the runner 14. Along with this, low pressure of the flowing water in the flowing water region F, that is, vaporization (boiling) of the water is prevented, so that cavitation in the flowing water region F can be prevented.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係るクロスフロー水車のブロック図を図7に示して説明する。
第2の実施形態に係るクロスフロー水車20は、第1の実施形態に係るクロスフロー水車10に対して、バルブ18bを備えている点が異なっているが、その他の構成は略同じである。よって、第1の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, a block diagram of the cross flow turbine according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
The cross-flow turbine 20 according to the second embodiment is different from the cross-flow turbine 10 according to the first embodiment in that a valve 18b is provided, but the other configurations are substantially the same. Therefore, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

そして、第2の実施形態に係るクロスフロー水車20が、ノズル壁18の空気吸入孔18aとランナー14の空気層との間にバルブ18bを設けることによって、ガイドベーン15の実際の開度に基づいて、流水路Gに空気の供給を制御することを、図7に示すブロック図を用いて説明する。 The cross flow turbine 20 according to the second embodiment is provided with the valve 18b between the air intake hole 18a of the nozzle wall 18 and the air layer of the runner 14 so that the actual opening degree of the guide vane 15 is determined. Then, controlling the supply of air to the flowing water channel G will be described with reference to the block diagram shown in FIG. 7.

図7に示すように、第2の実施形態に係るクロスフロー水車20は、バルブ18b、ガイドベーン駆動用サーボモータ21と、実際のガイドベーン15の開度を検出するガイドベーン開度センサ15aと、を有する。 As shown in FIG. 7, the cross flow turbine 20 according to the second embodiment includes a valve 18b, a guide vane driving servomotor 21, a guide vane opening sensor 15a for detecting the actual opening of the guide vane 15, and a guide vane opening sensor 15a. , With.

そして、第2の実施形態に係るクロスフロー水車20は、ガイドベーン駆動用サーボモータ21を駆動してガイドベーン15の開度を調整することによって、流水量の制御をするとともに、実際のガイドベーン15の開度が設定値以下の場合に、バルブ18bを介して、流水路Gにランナー14からの空気を供給することによって、キャビテーションの発生を防止又は抑制する水車駆動制御部22を備えている。 The cross-flow turbine 20 according to the second embodiment drives the guide vane driving servomotor 21 to adjust the opening of the guide vane 15 to control the amount of flowing water and to actually guide the vane. When the opening degree of 15 is equal to or less than the set value, the turbine drive control unit 22 is provided to prevent or suppress the occurrence of cavitation by supplying the air from the runner 14 to the flowing water channel G via the valve 18b. ..

次に、水車駆動制御部22による、ガイドベーン15の開度の制御例を、以下に説明する。 Next, an example of controlling the opening degree of the guide vanes 15 by the water wheel drive control unit 22 will be described below.

まず、ガイドベーン15には、実際のガイドベーン15の開度を検出するためのガイドベーン開度センサ15aが設けられている。そして、ガイドベーン開度センサ15aは、クロスフロー水車駆動制御部22の制御部22aに実際のガイドベーン15の開度を示す信号を出力する。 First, the guide vane 15 is provided with a guide vane opening sensor 15a for detecting the actual opening of the guide vane 15. Then, the guide vane opening degree sensor 15a outputs a signal indicating the actual opening degree of the guide vane 15 to the control unit 22a of the cross flow turbine drive control unit 22.

更に、制御部22aは、実際のガイドベーン15の開度とガイドベーン開度の設定値との比較結果を駆動部22bに出力する。そして、駆動部22bは、比較結果に基づいて、バルブ18bに開閉を指示する信号を出力する。 Further, the control unit 22a outputs the result of comparison between the actual opening of the guide vane 15 and the set value of the guide vane opening to the drive unit 22b. Then, the drive unit 22b outputs a signal instructing the valve 18b to open and close based on the comparison result.

また、ガイドベーン15の駆動に関しては、制御部22aは、駆動部22bに、実際のガイドベーン15の開度に基づいて制御指令値を演算し、制御指令値に基づいて制御指令値を駆動部22bに出力する。駆動部22bが、ガイドベーン駆動用サーボモータ21に制御信号を出力する。以上のような制御によって、ガイドベーン15の開度を目標の開度に近づける。 Further, regarding the driving of the guide vanes 15, the control unit 22a causes the driving unit 22b to calculate a control command value based on the actual opening degree of the guide vanes 15 and to drive the control command value based on the control command value. 22b. The drive unit 22b outputs a control signal to the guide vane drive servomotor 21. By the control as described above, the opening of the guide vane 15 is brought close to the target opening.

さらに、第2の実施形態に係るクロスフロー水車20における、ガイドベーン15及びランナー14に挟まれた領域を拡大した様子を図8に示して説明する。図8に示すように、第2の実施形態に係るクロスフロー水車20では、ノズル壁18の空気吸気孔18aを延長した先には、バルブ18bが配設される。そして、ガイドベーン15の開度が設定値より低い場合、バルブ18bが開いて、ガイドベーン15とランナー14とに挟まれた流水路Gに向けて、ランナー14内の空気を供給するように作動する。そして、供給された空気によって、流水域Fの流水の低圧化及び流水の気化(沸騰)が防止される。この結果、剥離域H及び流水域Fにおいてキャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。 Further, a state in which the area sandwiched between the guide vanes 15 and the runners 14 in the cross-flow turbine 20 according to the second embodiment is enlarged will be described with reference to FIG. 8. As shown in FIG. 8, in the cross-flow turbine 20 according to the second embodiment, a valve 18b is arranged at the tip of the nozzle wall 18 where the air intake hole 18a is extended. When the opening degree of the guide vane 15 is lower than the set value, the valve 18b is opened to operate so as to supply the air inside the runner 14 toward the running water channel G sandwiched between the guide vane 15 and the runner 14. To do. Then, the supplied air prevents the flowing water in the flowing water region F from becoming low in pressure and vaporizing (boiling) the flowing water. As a result, it is possible to prevent or suppress the occurrence of cavitation in the separation area H and the flowing water area F.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係るクロスフロー水車30を図9に示して説明する。
第3の実施形態に係るクロスフロー水車30は、第2の実施形態に係るクロスフロー水車20に対して、圧力センサ19を備え、圧力センサ19の出力に基づいて、流水路Gに空気を供給する点が異なっているが、その他の構成は略同じである。よって、第1及び第2の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Third Embodiment)
Next, a cross flow turbine 30 according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
The cross-flow turbine 30 according to the third embodiment is provided with a pressure sensor 19 in addition to the cross-flow turbine 20 according to the second embodiment, and supplies air to the running water channel G based on the output of the pressure sensor 19. However, other configurations are almost the same. Therefore, the same components as those of the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

まず、図9に示すように、クロスフロー水車30は、ケーシング13内の流水圧を計測するように、ケーシング13に貫入された圧力センサ19を備える。 First, as shown in FIG. 9, the cross-flow turbine 30 includes a pressure sensor 19 penetrating the casing 13 so as to measure the flowing water pressure in the casing 13.

そして、第3の実施形態に係るクロスフロー水車30は、圧力センサ19に基づいた流水圧が設定値以下の場合又は負圧である場合、ガイドベーン15とランナー14とに挟まれた流水路Gにランナー14内からの空気を供給することによって、キャビテーションを防止する水車駆動制御部32を備えている。すなわち、第3の実施形態に係るクロスフロー水車30では、ガイドベーン15の開度の設定値と実際の開度との比較結果に代えて、圧力センサ19の出力に基づいて、バルブ18bの開閉を制御する点で相違する。 Then, in the cross-flow turbine 30 according to the third embodiment, when the flowing water pressure based on the pressure sensor 19 is equal to or lower than a set value or is a negative pressure, the flowing water channel G sandwiched between the guide vane 15 and the runner 14 is provided. A water turbine drive control unit 32 for preventing cavitation by supplying air from the inside of the runner 14 is provided. That is, in the cross-flow turbine 30 according to the third embodiment, the valve 18b is opened/closed based on the output of the pressure sensor 19 instead of the comparison result between the set value of the opening of the guide vane 15 and the actual opening. The difference is that it controls.

詳細には、水車駆動制御部32は、圧力センサ19の出力に基づいて、ケーシング13内部の圧力を計測し、圧力が設定値以下又は負圧の場合には、バルブ18bを開くように制御する。上記制御によって、ガイドベーン15とランナー14との間のランナー14の側に剥離層Hを形成することができる。 Specifically, the water turbine drive control unit 32 measures the pressure inside the casing 13 based on the output of the pressure sensor 19, and controls to open the valve 18b when the pressure is equal to or lower than a set value or a negative pressure. .. By the above control, the peeling layer H can be formed on the runner 14 side between the guide vane 15 and the runner 14.

また、ケーシング13内部、特にガイドベーン15とランナー14とに挟まれた拡大流路の圧力を検出するための圧力センサ19がケーシング13に貫入されている。そして、圧力センサ19は、電気信号に変換した圧力データ又は信号をクロスフロー水車駆動制御部32の制御部32aに出力する。 Further, a pressure sensor 19 for detecting the pressure inside the casing 13, in particular, in the enlarged flow path sandwiched between the guide vane 15 and the runner 14, is inserted into the casing 13. Then, the pressure sensor 19 outputs the pressure data or the signal converted into the electric signal to the control unit 32 a of the crossflow turbine drive control unit 32.

更に、制御部32aは、測定された圧力データと設定値の圧力データとの比較結果を駆動部32bに出力する。そして、駆動部32bは、比較結果に基づいて、バルブ18bの開閉を指示する信号をバルブ18bに出力する。 Further, the control unit 32a outputs the comparison result of the measured pressure data and the pressure data of the set value to the drive unit 32b. Then, the drive unit 32b outputs a signal instructing opening/closing of the valve 18b to the valve 18b based on the comparison result.

以上説明したように、本発明に係るクロスフロー水車は、拡大流路の壁面(例えば、ノズル壁18)に設けられた孔18aから供給された空気の圧力で、ガイドベーン15とランナー14との間に剥離域Hを形成されることによって、水流の流路は拡大せず、水流がガイドベーンの表面(壁面)に沿って流れるため、水流は水圧の低下を起こすことがないように構成されているので、以下のような格別の効果を奏する。 As described above, the cross-flow turbine according to the present invention uses the pressure of the air supplied from the hole 18a provided in the wall surface (for example, the nozzle wall 18) of the enlarged flow passage to cause the guide vane 15 and the runner 14 to separate. By forming the separation area H between them, the flow path of the water flow does not expand, and the water flow flows along the surface (wall surface) of the guide vane, so that the water flow is configured not to cause a decrease in water pressure. Therefore, the following special effects are achieved.

すなわち、本発明に係るクロスフロー水車及びそれを使用した発電設備(水車発電設備)では、水流の乱れや摩擦を抑え、且つキャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。このため、クロスフロー水車を用いた発電設備は、高落差領域への適用が拡大することができる。また、水車のランナー(羽根)をキャビテーション防止用に特別な加工をする必要がなくなる。よって、キャビテーション・エロージョンに起因する補修が不要となるため、水車の寿命を延ばすことができる。キャビテーション・エロージョンに起因する補修が不要となるため、水車の寿命を延ばすことができる。 That is, in the cross-flow turbine according to the present invention and the power generation equipment (turbine power generation equipment) using the same, it is possible to suppress turbulence and friction of the water flow and prevent or suppress the occurrence of cavitation. Therefore, the power generation equipment using the cross-flow turbine can be applied to a high head region. Further, it is not necessary to specially process the runners (blades) of the water turbine to prevent cavitation. Therefore, repair due to cavitation erosion is unnecessary, and the life of the water turbine can be extended. Since repair due to cavitation erosion is not required, the life of the water turbine can be extended.

そして、発電設備のクロスフロー水車の流量を小さくするためにガイドベーンの開度を低くしても、キャビテーションの発生を抑制するような運転することが可能になれば、水車発電設備の小型化を図れるばかりではなく、水車発電設備の維持管理を一層簡素化できる。その結果、クロスフロー水車を用いた発電設備の適用範囲を拡大させることが可能になる。 Even if the opening of the guide vanes is reduced to reduce the flow rate of the cross-flow turbine of the power generation equipment, if the operation that suppresses the occurrence of cavitation becomes possible, the turbine power generation equipment can be downsized. Not only can this be achieved, but the maintenance and management of the turbine power generation facility can be further simplified. As a result, it is possible to expand the applicable range of power generation equipment using a cross-flow turbine.

以上実施例を用いて本発明の実施形態について説明したが、各実施例は、好ましい一例を示したものであり、同様な効果と特徴を有する他の構造又は構成は、本発明の範疇である。そして、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更をなし得ることはいうまでもない。 Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the examples, each example is a preferred example, and other structures or configurations having similar effects and characteristics are within the scope of the present invention. .. Needless to say, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車において、ノズル壁18に設けられている空気吸気孔18aの断面形状は、ランナーとガイドベーンとの空間が水流域Fと剥離域(空気層)Hとに分離することができるのであれば、丸型、角型、又はそれら以外の形状でも良く、断面形状の寸法(サイズ)に関しても、実験又は数値シミュレーション等の結果を利用して、適宜に設計することができる。空気吸気孔の個数、密度及び分布についても同様に、実験又は数値シミュレーション等の結果を利用して、適宜に設計することができる。 For example, in the cross-flow turbine according to the embodiment of the present invention, the cross-sectional shape of the air intake hole 18a provided in the nozzle wall 18 is such that the space between the runner and the guide vane is the water flow region F and the separation region (air layer) H. Round shape, square shape, or any other shape may be used as long as it can be separated into and, and the dimension (size) of the cross-sectional shape can be appropriately designed by using the results of experiments or numerical simulations. can do. Similarly, the number, density and distribution of the air intake holes can be appropriately designed by utilizing the results of experiments or numerical simulations.

また、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車において、ノズル壁18に設けられている空気吸気孔18aは、空気の流れ方向に沿うような向きに設けることが好適である。更に、空気吸気孔に代えて、長溝状である空気吸気溝を採用すれば、一様に空気が送られるようになり、剥離域Hの安定的な形成の効果は増す。このように、拡大流路内のキャビテーションは、キャビテーションが発生していた箇所の近辺から供給される空気による圧力調整によって、防止される。また、キャビテーションの防止により、水がランナー内へ安定して流し込まれるようになり、ランナーの回転効率が向上すると共に、ガイドベーンとランナーとに挟まれた領域(部分)における水の脈動がなくなり、騒音が低減する。 Further, in the cross-flow turbine according to the embodiment of the present invention, it is preferable that the air intake hole 18a provided in the nozzle wall 18 is provided so as to be along the air flow direction. Further, instead of the air intake hole, if the air intake groove having a long groove shape is adopted, the air can be uniformly sent, and the effect of stable formation of the separation area H is increased. In this way, cavitation in the enlarged flow path is prevented by adjusting the pressure by the air supplied from the vicinity of the location where cavitation had occurred. In addition, the prevention of cavitation allows water to flow stably into the runner, improving the running efficiency of the runner and eliminating the pulsation of water in the area (part) sandwiched between the guide vane and the runner. Noise is reduced.

さらに、第2の実施形態に係るクロスフロー水車20において、実際のガイドベーンの開度と比較する所定の開度が一つと設定したが、実際のガイドベーンの開度と比較する開度の水準を複数個に設定して、それらの比較結果に応じて、バルブ18bを開ける程度(開度)を制御するようにしても良い。 Further, in the cross-flow turbine 20 according to the second embodiment, the predetermined opening to be compared with the actual opening of the guide vane is set to one, but the opening level to be compared with the actual opening of the guide vane is set. May be set to a plurality, and the opening degree (opening degree) of the valve 18b may be controlled according to the comparison result.

また、第3の実施形態に係るクロスフロー水車30においては、ケーシング13内部の圧力を計測するために、圧力センサ19を設けることを示したが、圧力センサが設置される位置は、複数であっても良い。さらに、圧力センサに代えて、ケーシング13内のノイズを測定するためのノイズセンサ又は音センサを設置しても良い。その場合、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車においては、ノイズセンサ又は音センサからの信号の高周波成分が、所定の強度以上になった場合、振動又は騒音を伴うキャビテーションが発生したと判断して、キャビテーションの発生を抑えるため、空気吸気孔から空気を供給するように制御しても良い。 Further, in the cross-flow turbine 30 according to the third embodiment, it has been shown that the pressure sensor 19 is provided to measure the pressure inside the casing 13, but the pressure sensor is installed at a plurality of positions. May be. Further, instead of the pressure sensor, a noise sensor or a sound sensor for measuring noise in the casing 13 may be installed. In that case, in the cross-flow turbine according to the embodiment of the present invention, when the high-frequency component of the signal from the noise sensor or the sound sensor exceeds a predetermined intensity, it is determined that cavitation accompanied by vibration or noise has occurred. Then, in order to suppress the occurrence of cavitation, the air may be controlled to be supplied from the air intake hole.

第3の実施形態に係るクロスフロー水車30においては、圧力センサ19に代えて、ケーシング内の水流の速度及び速度分布を測定又は推定するために、速度センサを設置しても良い。その場合、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車においては、速度センサからの信号に基づいて、流速が所定の強度以上になった場合又は流速の偏り(例えば、流れの一様性の喪失)が許容度以上となった場合、キャビテーションが発生したと判断して、キャビテーションの発生を抑えるため、空気吸気孔から空気を供給するように制御しても良い。また、流速センサとしてピトー管を採用しても良い。 In the cross-flow turbine 30 according to the third embodiment, a speed sensor may be installed instead of the pressure sensor 19 in order to measure or estimate the speed and the speed distribution of the water flow in the casing. In that case, in the cross-flow turbine according to the embodiment of the present invention, based on the signal from the speed sensor, when the flow velocity becomes equal to or higher than a predetermined intensity, or the flow velocity is biased (for example, loss of flow uniformity). When the value exceeds the tolerance, it may be determined that cavitation has occurred, and in order to suppress the occurrence of cavitation, air may be supplied from the air intake hole. A Pitot tube may be used as the flow velocity sensor.

本発明の各実施形態では、1枚のガイドベーンを使用するクロスフロー水車を示したが、2枚以上のガイドベーンを設けても良い。そして、2枚のガイドベーンをそれぞれ第1のガイドベーン(図示せず)及び第2のガイドベーン(図示せず)とし、それぞれ対応する第1のランナー(図示せず)及び第2のランナー(図示せず)は、水平方向に延びる水車軸(軸部)と、第1のランナー及び第2のランナーの軸芯(軸中心線)とは平行で、回転可能なようなタンデム方式の構成として架設されることが好適である。 In each of the embodiments of the present invention, the cross-flow turbine using one guide vane is shown, but two or more guide vanes may be provided. The two guide vanes are used as a first guide vane (not shown) and a second guide vane (not shown), respectively, and the corresponding first runner (not shown) and second runner ( (Not shown) is a tandem system configuration in which the water turbine shaft (shaft portion) extending in the horizontal direction and the shaft cores (shaft centerlines) of the first runner and the second runner are parallel and rotatable. It is suitable to be installed.

また、本発明の実施形態に係るガイドベーンの材質としては、特に限定されず、金属製でも合成樹脂製でも構わないが、軽量で薄く強度的に優れたもの、例えば塩ビ板、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック、ボロン繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック等のFRP(Fiber Reinforced Plastics)などの合成樹脂板、アルミニウム又はステンレス等が好適である。 Further, the material of the guide vane according to the embodiment of the present invention is not particularly limited, and may be made of metal or synthetic resin, but is lightweight and thin and excellent in strength, for example, vinyl chloride board, glass fiber reinforced plastic. A synthetic resin plate such as FRP (Fiber Reinforced Plastics) such as carbon fiber reinforced plastic, boron fiber reinforced plastic, or aramid fiber reinforced plastic, aluminum, stainless steel or the like is preferable.

また、本発明の第2の実施形態に係るクロスフロー水車20のガイドベーンの開度を制御するクロスフロー水車駆動制御部22は、目標のガイドベーン及び実際のガイドベーン15の開度に基づいて、ガイドベーン駆動用サーボモータ21を制御するが、PID(比例積分微分)演算制御を用いて、ガイドベーン駆動用サーボモータ21を制御しても良い。 Further, the crossflow turbine drive control unit 22 that controls the opening degree of the guide vanes of the crossflow turbine 20 according to the second embodiment of the present invention is based on the target guide vanes and the actual opening degree of the guide vanes 15. , The guide vane drive servo motor 21 is controlled, but the guide vane drive servo motor 21 may be controlled using PID (proportional integral derivative) calculation control.

例えば、本発明の第2の実施形態に係るクロスフロー水車20において、クロスフロー水車駆動制御部22に、リリース弁駆動用速度制御部を設け、リリース弁駆動用サーボモータ21における制御目標値と、検出された実際の回転速度との偏差を受けて、リリース弁の制御目標値をPID(比例積分微分)演算制御をし、リリース弁駆動用サーボモータ21を制御しても良い。なお、本発明の第2の実施形態に係るクロスフロー水車において、上記PID演算制御に代えて、PI演算制御をしても良く、他の演算制御法を採用しても良い。 For example, in the cross flow turbine 20 according to the second embodiment of the present invention, the cross flow turbine drive control unit 22 is provided with a release valve drive speed control unit, and a control target value in the release valve drive servo motor 21 is provided. In response to the detected deviation from the actual rotation speed, the release valve control target value may be subjected to PID (proportional integral derivative) calculation control to control the release valve driving servomotor 21. In the cross-flow turbine according to the second embodiment of the present invention, PI calculation control may be performed instead of the above PID calculation control, or another calculation control method may be adopted.

10、20、30、110 クロスフロー水車
12、112 導水管
13、113 ケーシング
14、114 ランナー
14a、114a ランナー羽根(ランナベーン)
14c、114c 水車軸(軸部)
15、115、 ガイドベーン
15a ガイドベーン開度センサ
15c、115c ガイドベーン軸
16、116 放流管
17、117 ハウジング
18 ノズル壁
18a 空気吸気孔(孔)
18b バルブ
19 圧力センサ
21 ガイドベーン駆動用サーボモータ
22、32 クロスフロー水車駆動制御部
22a、32a 制御部
22b、32b 駆動部
118 仕切板
S 接触点
P ガイドベーン全閉点
H 剥離域
F 水流域
G 流水路
D 分離線
L 距離
10, 20, 30, 110 Cross-flow turbine 12, 112 Water conduit 13, 113 Casing 14, 114 Runner 14a, 114a Runner blade (runner vane)
14c, 114c Water wheel axle (shaft part)
15, 115, guide vane 15a guide vane opening sensor 15c, 115c guide vane shaft 16, 116 discharge pipe 17, 117 housing 18 nozzle wall 18a air intake hole (hole)
18b valve 19 pressure sensor 21 guide vane drive servomotor 22, 32 cross flow turbine drive control unit 22a, 32a control unit 22b, 32b drive unit 118 partition plate S contact point P guide vane fully closed point H separation area F water flow area G Flowing channel D Separation line L Distance

Claims (5)

導水管と、放流管と、前記導水管からの流入水をガイドする内面形状を有するケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に支持され、回転軸を横方向に配されたランナーと、前記ケーシング内の水流の流量を調整するため、開度を変更可能なように、前記ケーシング内に配置されたガイドベーンと、前記ケーシングから前記放流管に連通する流路を有するハウジングとを有するクロスフロー水車であって、
前記ガイドベーンと前記ケーシング下側壁との間の空間に空気が供給されることによって、前記空気により形成された剥離域が生成され、
前記剥離域によって、前記空間における前記流入水は下流側に向かって広がることなく、前記ガイドベーンの表面に沿って流れることを特徴とするクロスフロー水車。
A water guide pipe, a discharge pipe, a casing having an inner surface shape for guiding inflow water from the water guide pipe, a runner rotatably supported in the casing, and a rotation axis arranged laterally, and the inside of the casing. A cross-flow turbine having a guide vane arranged in the casing and a housing having a flow path communicating with the discharge pipe from the casing so that the opening can be changed in order to adjust the flow rate of the water flow. There
By supplying air to the space between the guide vanes and the lower side wall of the casing, a peeling area formed by the air is generated,
The crossflow turbine, wherein the inflow water in the space flows along the surface of the guide vane without spreading toward the downstream side by the separation area.
前記ガイドベーンと前記ランナーとの間にノズル壁が配設され、
前記ノズル壁の一辺は前記ランナーに接近し、
前記ノズル壁には開口部が設けられ、
前記開口部を通して前記空間に前記空気が供給される請求項1に記載のクロスフロー水車。
A nozzle wall is arranged between the guide vane and the runner,
One side of the nozzle wall approaches the runner,
An opening is provided in the nozzle wall,
The crossflow turbine according to claim 1, wherein the air is supplied to the space through the opening.
流路断面積が上流から下流に向って大きくなる流路を拡大流路とし、
前記剥離域によって、前記ガイドベーンと前記ランナーとの間に前記拡大流路が形成されない請求項1又は2に記載のクロスフロー水車。
A flow passage whose cross-sectional area increases from upstream to downstream is defined as an enlarged flow passage,
The cross flow turbine according to claim 1 or 2, wherein the separation region does not form the enlarged flow path between the guide vane and the runner.
前記ランナーの空洞部分からの前記空気が前記剥離域に流れ込み、前記剥離域の圧力が上昇することによって、キャビテーションの発生を抑制する請求項1乃至3のいずれかに記載のクロスフロー水車。 The crossflow turbine according to any one of claims 1 to 3, wherein the air from the hollow portion of the runner flows into the separation area, and the pressure in the separation area rises to suppress the occurrence of cavitation. 請求項1乃至4のいずれかに記載のクロスフロー水車を使用した発電設備。

A power generation facility using the cross-flow turbine according to any one of claims 1 to 4.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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