JP2021011865A - 流体機械の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】想定される出力流量の範囲内で運転時の安定性を維持し、広範囲における流量や落差での高効率運転を実現可能にすること。【解決手段】流体機械１０は、周方向に沿って配置された多数のランナベーン２２に沿って所定の流体が通過する際に回転するランナ２０と、ランナ２０から流出した流体が流入するディフューザ部１２とを備えている。ランナベーン２２は、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、ランナベーン２２における流体の出口側での絶対流速の周方向成分が、ランナ２０の回転と同一方向の順方向の旋回となる羽根形状をなす。ディフューザ部１２は、ランナ２０からの流体が流入する円盤状の平行ディフューザ２６と、平行ディフューザ２６からの流体を巻き方向に沿って外部に排出する渦巻き状のボリュートディフューザ２７とからなる。【選択図】 図２

Description

本発明は、広範囲の流量や落差での高効率運転を可能にする流体機械に関する。

近年、地球温暖化等の環境問題が問題視される中で、ＣＯ_２の排出量が少ないクリーンな再生可能エネルギーに対する開発推進への関心が国際的にも高まっている。当該再生可能エネルギーとしては、気象変動等により出力が変動し易い太陽光発電や風力発電等に比べ、安定でエネルギー密度の高い水力発電が注目されている。この水力発電に用いられる流体機械として、反動型水車であるフランシス水車が広く利用されており、このフランシス水車は、河川や貯水池等からの用水が、ランナの外周側から半径方向に流入してその中央で軸方向に流出する過程で、発電装置に繋がるランナを回転させた上で、軸方向に延びるドラフトチューブを通じて外部に排水される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−３７８７５号公報

前述のフランシス水車では、その設計点において、出力効率を最大にするために、ランナ出口での絶対流速の周方向成分がほぼゼロとなるように設計される。しかしながら、設計点よりも低流量となる部分負荷運転では、ランナ出口において絶対流速の周方向成分が残り、当該成分によるランナの回転方向と同方向となる出口側の旋回流が、下流にあるドラフトチューブに流入する。ここで、ドラフトチューブは、一般に円筒型の拡大管となっており、旋回流に起因する様々な不安定現象を発生させことがある。つまり、設計点よりも流量の少ない部分負荷運転では、ランナ出口での旋回流がドラフトチューブに流入すると、旋回成分によって強い渦の振れ回りをドラフトチューブ内に誘起し、大きな圧力変動、全圧損失、振動騒音を引き起こす。一方、設計点よりも流量の多い過負荷運転においても同様に、ランナの回転方向とは逆の渦を誘起し、ドラフトチューブ内に渦芯振れ回りによる流動不安定や、条件により管路や電力系統にも異常を及ぼすキャビテーションサージを引き起こす。これらの現象や当該現象による出力変動の影響を少なくするために、実際の水車では、設計点から大きく外れた運転の実施ができず、広範囲な流量、落差の運転が妨げられることになる。この流動不安定を抑制するためには、ドラフトチューブ内に空気を注入する方法が一般的であるが、著しい効率低下を引き起こす不具合がある。このように従来のフランシス水車では、著しい部分負荷や過負荷運転では不安定な運転となるため、広範囲の出力に対応した運転は実施していない。一方、今後、再生可能エネルギーとして水力発電の利用価値を高めるためには、様々な状況に応じて柔軟な出力調整を可能にする新たな流体機械が必要となる。

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、想定される出力流量の範囲内で運転時の安定性を維持し、広範囲における流量や落差での高効率運転を実現可能にする流体機械を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、周方向に沿って配置された多数のランナベーンに沿って所定の流体が通過する際に回転するランナを備えた反動型の流体機械において、前記ランナベーンは、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側での絶対流速の周方向成分が、常時、前記ランナの回転と同一方向の順方向の旋回となる羽根形状をなす、という構成を採っている。

また、前記ランナベーンは、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側の絶対流出角が、接線方向に対して常時鋭角となる羽根形状をなす、という構成を採っている。

本発明によれば、想定される全運転範囲において、ランナベーンの出口側の絶対流速の周方向成分が、常時、前記ランナの回転と同一方向となる順方向の旋回成分となるため、ランナの下流側を当該順方向の旋回流に対応した構造とすることで、従来のフランシス水車における前述の不都合を回避することができる。つまり、ランナの出口側からの流体の流れを半径方向に導く構造とすることにより、常時、順方向の旋回流を発生させても、ランナの出口側から軸方向に流体の流れを導く従来のフランシス水車での前述の不都合が生じないことになる。従来のフランシス水車では、流量が非設計点となる運転時には、ランナの出口側に、方向の異なる旋回流が生じ、ドラフトチューブ内の流れの挙動が大きく変化し、様々な不安定現象を発生させる。しかしながら、本発明では、前記ランナベーンにおける流体の出口側の絶対流出角を接線方向に対して常時鋭角とし、ランナの出口側における流体の絶対流速の周方向成分を常時前記順方向の旋回流にすることで、非設計点、特に、低流量運転をした際のランナの出口側の不安定な流動を抑制でき、高効率運転が可能になる。また、ランナの出口側のディフューザの延出方向が従来の軸方向から周方向に変わるため、流体機械における軸方向の全体寸法を大幅に低減することができる。

（Ａ）は、本実施形態に係る流体機械を横方向から見た概略斜視図であり、（Ｂ）は、前記流体機械を上方から見た概略斜視図である。 前記流体機械の概略縦断面図である。 前記流体機械の概略分解斜視図である。 図３に対し別の角度から見た前記流体機械の概略分解斜視図である。 （Ａ）は、バンドを外した状態のランナの概略斜視図であり、（Ｂ）は、前記ランナの概略平面図であり、（Ｃ）は、前記ランナの概略正面図である。 ランナベーンの設計条件を速度三角形により説明するための概念図である。 ランナベーンの前縁から後縁までの距離に対する羽根角度の関係を従来のランナと比較して表したグラフである。 従来のランナベーンの概略斜視図である。 平行ディフューザの概略断面図である。 ボリュートディフューザの概略断面図である。 前記流体機械の設置例を表す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）には、本実施形態に係る流体機械を横方向から見た概略斜視図が示され、同図（Ｂ）には、前記流体機械を上方から見た概略斜視図が示されている。図２には、前記流体機械の概略縦断面図が示されている。図３には、前記流体機械の概略分解斜視図が示されており、図４には、前記流体機械を図３と別の角度から見た前記流体機械の概略分解斜視図が示されている。これらの図において、前記流体機械１０は、貯水池、河川、上下水道、所定の配管等の取水部から供給された流体としての用水の圧力を図示しない発電装置の動力に変換する反動型の水力機械である水車として機能する。

この流体機械１０は、図１（Ａ）中上側に位置し、前記取水部から取水された用水を動力に変換する動力変換部１１と、同図中下側に位置し、動力変換部１１から流出された用水の速度を圧力に回復させるディフューザ部１２とにより構成される。

前記動力変換部１１は、図２〜図４に示されるように、前記取水部からの用水が流通するケーシング１４と、ケーシング１４を通過した用水が流入するステーベーン１５と、ステーベーン１５を支持するステーリング１６と、ステーベーン１５を通過した用水が流入するガイドベーン１７と、ガイドベーン１７を支持するガイドベーンリング１８と、ガイドベーン１７を通過した用水が流入するランナ２０とにより構成される。なお、ステーベーン１５、ステーリング１６、ガイドベーン１７及びガイドベーンリング１８を省略した構成を採ることもできる。

前記ケーシング１４は、前記取水部側となる入口１４Ａ（図３参照）から内径が次第に減少する渦巻き状に設けられた円管により構成され、その内部空間が用水の流路となる。また、ケーシング１４は、その中央に形成された平面視円形の空間部分にステーベーン１５が収容され、入口１４Ａからの用水がステーベーン１５の外周全域に用水を流出させるための出口１４Ｂが形成される。

前記ステーベーン１５は、ケーシング１４からランナ２０に流れる用水を整流するための固定羽根として機能し、図３中上下両側に設けられたステーリング１６に挟み込まれるように固定される。このステーベーン１５は、各ステーリング１６の面に周方向に沿って規則的に多数配置され、ステーベーン１５及びステーリング１６の中央には、図４に示されるように、同図中上下方向に貫通する空間が形成され、当該空間に、ガイドベーン１７、ガイドベーンリング１８及びランナ２０が収容されるようになっている。

前記ガイドベーン１７は、ケーシング１４からランナ２０に流入する用水の流量を調整可能に揺動する可動羽根として機能し、図４中上下両側に設けられたガイドベーンリング１８に挟み込まれるように取り付けられる。このガイドベーン１７は、各ガイドベーンリング１８の面に周方向に沿って規則的に多数配置される。

なお、本実施形態では、ステーリング１６とガイドベーンリング１８を別体としているが、一体化することも可能である。

以上のケーシング１４、ステーベーン１５、ステーリング１６、ガイドベーン１７及びガイドベーンリング１８は、従来のフランシス水車に適用されているものと同等のものが用いられており、本発明の本質部分ではないため、詳細な説明を省略する。

前記ランナ２０は、その軸線Ｌ（図２等参照）を中心として回転可能に配置された羽根車であり、その回転動力が、図示省略した回転軸部材に伝達され、図示しない発電装置等の動力源となる。つまり、ランナ２０は、ステーベーン１５及びガイドベーン１７を通過した用水が、外周側から内周側に向かって半径方向に流れる過程での水圧の変化を利用して回転するようになっている。

前記ランナ２０は、図２〜図５に示されるように、周方向に沿って所定間隔毎に規則的に配置された多数のランナベーン２２と、前記回転軸部材が取り付けられるとともに、ランナベーン２２を支持するクラウン２３（図２等参照）と、ランナベーン２２を外側から保護するとともに、ランナベーン２２間における用水の漏出を阻止するバンド２４（図２〜図４参照）とを備えている。なお、以下の説明において、クラウン２３の外周面をクラウンＣ（図２等参照）と記し、バンド２４の内周面をバンドＢ（図２参照）と記す。

前記ランナベーン２２は、バンド２４を図示省略した図５（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、クラウンＣの表面に対して起立するように取り付けられている。ここで、各ランナベーン２２は、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、ランナベーン２２の出口側の絶対流速の周方向成分が、常時、ランナ２０の回転方向と同一方向の旋回方向（以下、「順旋回方向」と称する）となるように設計されている。具体的に、図６に示されるように、ランナベーン２２から流体が流出する同図下側の出口側で、ランナ２０の接線方向に対応する周方向の速度である周方向速度Ｕ、前記出口側の流体における相対速度Ｗ、及び前記出口側の流体における絶対速度Ｖによる速度三角形を作成したときに、周方向速度Ｕのベクトルと絶対速度Ｖのベクトルとの間でなす角度である接線方向に対する絶対流出角α_ｏｕｔが、変流量運転で想定される最大流量時において鋭角になるように設計される。ここで、ランナ２０の動力が伝達される発電装置等の機器の条件から、ランナ２０への負荷は変動しても、ガイドベーン１７の開度制御によりランナ２０が一般的に定速回転に維持されるため、周方向速度Ｕは常に一定となる。このため、速度三角形における子午面速度成分Ｖ_ｍｏｕｔが最大流量（図６中最も左の部分）以下となる部分負荷運転時においても、絶対流出角α_ｏｕｔが常時鋭角となる。この結果、最大流量以下の運転時には、ランナベーン２２の出口側における絶対流速の周方向成分Ｖ_ｕｏｕｔが、常時、ランナベーン２２の回転方向ＲＴと同一の順旋回方向となる。

このランナベーン２２の形状は、図７中実線で示されるように、上流側となるランナ２０の前縁側から、下流側となる同後縁側に向かって、羽根の中立線（キャンバー線）と軸回りの円弧との間でなす角度である接線方向からの羽根角度β_Ｂが次第に減少する。これに対し、図８に示される従来のフランシス水車のランナ５０のランナベーン５１は、図７中破線で示されるように、前記羽根角度β_Ｂが設計されている。すなわち、本実施形態に係るランナベーン２２は、前縁側から後縁側までの各位置において、従来のランナベーン５１よりも前記羽根角度β_Ｂが大きく設計されている。なお、図７は、クラウンＣ側からバンドＢ側までの間の中間部分、すなわち羽根の高さ方向の中間部分となるミッド部分における羽根角度分布を表してるが、クラウンＣ側からバンドＢ側まで同様の傾向により、従来のフランシス水車のランナベーン５１よりも全域で前記羽根角度β_Ｂが大きくなるように設計される。

なお、ランナベーン２２の出口側の絶対流速の周方向成分が常時順旋回方向となることから、ランナベーン２２の入口側の角運動量を従来よりも増大することで、理論ヘッドを低下させないように、ガイドベーン１７の羽根角度が設定される。

前記ディフューザ部１２は、ランナ２０からの用水の流れを半径方向に転向させながら減速した上で周方向又は接線方向に集めて圧力回復させる構造となっている。すなわち、ディフューザ部１２は、図２〜図４に示されるように、ランナ２０からの用水が流入する円盤状の平行ディフューザ２６（第１のディフューザ）と、平行ディフューザ２６からの用水を流体機械１０の外部に排出する渦巻き状のボリュートディフューザ２７（第２のディフューザ）とからなる。

前記平行ディフューザ２６は、ランナ２０の図２中下端側に繋がっており、ランナ２０から排出された用水を流入可能とする流路２６Ａが全周に形成されており、ランナ２０からの用水の流れを半径方向に転向させ、且つ、減速させる流路形状となっている。この平行ディフューザ２６は、図９に示されるように、相互に内径の異なる二枚の円形の平板２６Ｂの中央部分をそれぞれ凹ませることで形成され、それら２枚の平板２６Ｂの間に形成される隙間が、ランナ２０からの用水をボリュートディフューザ２７に導く流路２６Ａとなる。

前記ボリュートディフューザ２７は、図１０にも示されるように、中央から外周側に向かって渦巻き状に延びながら周方向又は接線方向に次第に内径が拡がる円管により形成されており、その内部の流路２７Ａを用水が通過する過程で、ランナ２０からの用水の圧力を回復させるように機能する。また、ボリュートディフューザ２７は、図３及び図４等にも示されるように、その中央部分に平行ディフューザ２６が収容される平面視円形の空間部分が形成され、平行ディフューザ２６の外周部分全域から排出された用水を流入させる入口２７Ｂが形成されている。また、入口２７Ｂが全周に形成された中央部分から渦巻き状に延びる円管の端部は、外部に開放しており、当該開放部分が用水を流体機械１０の外部に排出する出口２７Ｃとなる。このように構成されたボリュートディフューザ２７は、ランナ２０からの前記順旋回方向に沿う巻き方向に設けられており、流路２７Ａに平行ディフューザ２６からの半径方向の流れの用水が流入する際に、当該用水の流れを軸回りの流れ方向に変換し、ボリュートディフューザ２７を通過する用水は、流速が低下しながら出口２７Ｃから河川等に排出される。

以上の構成の流体機械１０の設置例としては、図１１に示されるように、貯水池や河川（図示省略）からの用水が建屋Ｔ内に設けられた流体機械１０を通過し、流体機械１０に繋がる発電装置（図示省略）の動力源となり、流体機械１０からの用水が建屋Ｔに隣接する河川Ｒや図示しない貯水池等に排水される。

前記実施形態では、本発明を水車に適用した例を図示説明したが、本発明はこれに限らず、用水の流れ方向が前述と逆になるポンプ等、他の水力機械や空力機械等の様々な流体機械に適用することができる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ 流体機械
１２ ディフューザ部
２０ ランナ
２２ ランナベーン
２６ 平行ディフューザ（第１のディフューザ）
２７ ボリュートディフューザ（第２のディフューザ）

Claims (5)

1. 周方向に沿って配置された多数のランナベーンに沿って所定の流体が通過する際に回転するランナを備えた反動型の流体機械において、
   前記ランナベーンは、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側での絶対流速の周方向成分が、常時、前記ランナの回転と同一方向の順方向の旋回となる羽根形状をなすことを特徴とする流体機械。
2. 周方向に沿って配置された多数のランナベーンに沿って所定の流体が通過する際に回転するランナを備えた反動型の流体機械において、
   前記ランナベーンは、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側の絶対流出角が、接線方向に対して常時鋭角となる羽根形状をなすことを特徴とする流体機械。
3. 前記ランナから流出した前記流体が流入するディフューザ部を更に備え、
   前記ディフューザ部は、前記ランナからの前記流体の流れを半径方向に転向させながら減速した上で周方向又は接線方向に集めて圧力回復させることを特徴とする請求項１又は２記載の流体機械。
4. 前記ランナから流出した前記流体が流入するディフューザ部を更に備え、
   前記ディフューザ部は、前記ランナからの前記流体が流入する円盤状の第１のディフューザと、当該第１のディフューザからの前記流体を巻き方向に沿って外部に排出する渦巻き状の第２のディフューザとからなることを特徴とする請求項１又は２記載の流体機械。
5. 前記第２のディフューザは、中央から外周側に向かって渦巻き状に延びながら周方向又は接線方向に次第に内径が拡がる円管により形成されていることを特徴とする請求項４記載の流体機械。