JP2024030232A - fluid machinery - Google Patents

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pressure chamber
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秀之 川尻
忠之 橋立
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Toshiba Corp
Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
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Toshiba Corp
Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
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Abstract

Figure 2024030232000001

【課題】円板摩擦損失を抑制することができる流体機械を提供することである。
【解決手段】実施形態の流体機械は、互いに対向する上カバーおよび下カバーの間にラン
ナが回転可能に収容される流体機械であって、前記上カバーと前記ランナとの間に形成さ
れる背圧室と、前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と、前記背圧室およ
び前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入する水流の上流側端
部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する整流装置と、を備
える。
【選択図】図1

Figure 2024030232000001

An object of the present invention is to provide a fluid machine that can suppress disk friction loss.
A fluid machine according to an embodiment is a fluid machine in which a runner is rotatably housed between an upper cover and a lower cover that face each other, and a backbone formed between the upper cover and the runner. A pressure chamber, a side pressure chamber formed between the lower cover and the runner, and a wing provided in at least one of the back pressure chamber and the side pressure chamber, and the upstream end of the water flow flowing into the wing. and a flow straightening device whose blade surface is inclined in the rotational direction of the runner toward the downstream end.
[Selection diagram] Figure 1

Description

本発明の実施形態は、流体機械に関する。 Embodiments of the present invention relate to fluid machines.

遠心型の流体機械の一例であるフランシス水車のランナは、複数枚の羽根がシュラウド
とハブとに挟まれるように構成され、ランナに流入する作動流体の流れを受けて回転する
A runner of a Francis turbine, which is an example of a centrifugal fluid machine, is configured such that a plurality of blades are sandwiched between a shroud and a hub, and is rotated by the flow of working fluid flowing into the runner.

ランナの上方は、上カバーによって覆われ、ランナのハブと上カバーとで囲まれた環状
の空間である背圧室には、ランナへ流れる高圧の作動流体の一部が流入し、上カバー側に
沿ってランナの回転軸線に対する内径方向に流れるとともに、ハブ側に沿って外径方向に
流れる。その作動流体は、吸出し管に導かれた後、ランナを通過した作動流体とともに下
池へと導かれる。ランナは高速で回転しているため、この作動流体とハブとの接触面にお
ける摩擦により、円板摩擦損失と呼ばれるエネルギー損失が生じる。
The upper part of the runner is covered by the upper cover, and a part of the high-pressure working fluid flowing to the runner flows into the back pressure chamber, which is an annular space surrounded by the runner hub and the upper cover. It flows in the inner radial direction with respect to the rotational axis of the runner along the runner, and flows in the outer radial direction along the hub side. The working fluid is led to the suction pipe and then to the lower reservoir together with the working fluid that has passed through the runner. Since the runner rotates at high speed, friction at the contact surface between the working fluid and the hub causes an energy loss called disk friction loss.

特開2019-85960号公報JP2019-85960A

このような流体機械において、背圧室における作動流体のランナの回転軸線を中心とし
た周速度に対してランナ周速度が大きいほど、円板摩擦損失が増大する傾向がある。この
円板摩擦損失は、流体機械の効率を低下させる一因である。
In such a fluid machine, the disk friction loss tends to increase as the peripheral speed of the runner increases relative to the peripheral speed of the working fluid in the back pressure chamber around the axis of rotation of the runner. This disk friction loss is one of the causes of reducing the efficiency of fluid machinery.

本発明が解決しようとする課題は、円板摩擦損失を抑制することができる流体機械を提
供することである。
The problem to be solved by the present invention is to provide a fluid machine that can suppress disk friction loss.

上記課題を解決するために、実施形態の流体機械は、互いに対向する上カバーおよび下
カバーの間にランナが回転可能に収容される流体機械であって、前記上カバーと前記ラン
ナとの間に形成される背圧室と、前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と
、前記背圧室および前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入す
る水流の上流側端部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する
整流装置と、を備える。
In order to solve the above problems, a fluid machine according to an embodiment is a fluid machine in which a runner is rotatably housed between an upper cover and a lower cover that face each other, and a runner is rotatably housed between the upper cover and the runner. A back pressure chamber is formed, a side pressure chamber is formed between the lower cover and the runner, and a blade is provided in at least one of the back pressure chamber and the side pressure chamber. A flow straightening device is provided, the blade surface of which is inclined in the rotational direction of the runner from the upstream end toward the downstream end.

第1実施形態に係るフランシス水車の子午面断面図。FIG. 1 is a meridional cross-sectional view of the Francis turbine according to the first embodiment. 第1実施形態に係るフランシス水車の領域Aの拡大図。FIG. 2 is an enlarged view of area A of the Francis turbine according to the first embodiment. (a)は第1実施形態に係る整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図、(b)は第1実施形態の変形例に係る整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図。(a) is a sectional view of the rectifier according to the first embodiment as seen from the upper wall side of the upper cover, and (b) is a sectional view of the rectifier according to a modification of the first embodiment as seen from the upper wall side of the upper cover. Cross-sectional view. (a)は一般的なフランシス水車の背圧室内における水の回転方向の速度を示す図、(b)は第1実施形態に係るフランシス水車の背圧室内における水の回転方向の速度を示す図。(a) is a diagram showing the speed of water in the rotation direction in the back pressure chamber of a general Francis turbine, and (b) is a diagram showing the speed of water in the rotation direction in the back pressure chamber of the Francis turbine according to the first embodiment. . 第1実施形態の変形例に係るフランシス水車の部分拡大図。FIG. 3 is a partially enlarged view of a Francis turbine according to a modification of the first embodiment. 第1実施形態の変形例に係る水車運転時の整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図、(b)は第1実施形態の変形例に係るポンプ運転時の整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図。A cross-sectional view of a rectifier during operation of a water turbine according to a modification of the first embodiment, viewed from the upper wall side of the upper cover, and (b) is a sectional view of the rectifier during operation of a pump according to a modification of the first embodiment, shown on the upper cover. A sectional view seen from the upper wall side. 第1実施形態の変形例に係るフランシス水車の部分拡大図。FIG. 3 is a partially enlarged view of a Francis turbine according to a modification of the first embodiment. 第1実施形態の変形例に係るフランシス水車の部分拡大図。FIG. 3 is a partially enlarged view of a Francis turbine according to a modification of the first embodiment. 第2実施形態に係るフランシス水車の部分拡大図。FIG. 6 is a partially enlarged view of a Francis turbine according to a second embodiment. 第2実施形態に係る整流装置をランナの主軸側からランナの径方向外側の向きに見た概略図。FIG. 7 is a schematic diagram of a flow rectifier according to a second embodiment viewed from the main shaft side of the runner toward the outside in the radial direction of the runner.

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。 Embodiments for carrying out the invention will be described below.

(第1実施形態)
第1実施形態について、図1から図8を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る
フランシス水車の子午面断面図である。ここでは、遠心型の流体機械の一例としてフラン
シス水車について説明する。フランシス水車1は、ケーシング10と、ステーベーン20
と、ガイドベーン30と、ランナ40と、上カバー50と、下カバー60とを備える。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 8. FIG. 1 is a meridional cross-sectional view of a Francis turbine according to this embodiment. Here, a Francis turbine will be explained as an example of a centrifugal fluid machine. The Francis turbine 1 includes a casing 10 and a stay vane 20.
, a guide vane 30 , a runner 40 , an upper cover 50 , and a lower cover 60 .

ケーシング10は、後述するランナ40の外周側に渦巻き状に設けられ、上池から鉄管
(共に図示省略)を通り流入した作動流体である水を、ステーベーン20およびガイドベ
ーン30(共に後述する)を介してランナ40に供給する。なお、ケーシング10は、通
常、巻き始めから巻き終わりにかけてその断面直径が徐々に小さくなるように形成されて
いる。
The casing 10 is provided in a spiral shape on the outer circumferential side of a runner 40, which will be described later, and allows water, which is a working fluid that has flowed from an upper reservoir through an iron pipe (not shown), to stay vanes 20 and guide vanes 30 (both described later). It is supplied to the runner 40 via the runner 40. Note that the casing 10 is normally formed so that its cross-sectional diameter gradually decreases from the start of winding to the end of winding.

ステーベーン20は、ケーシング10よりも内周側、かつ後述する主軸42の回転軸線
Cに対する周方向(以下、周方向と呼称する)に所定の間隔をあけて複数配置される。隣
り合うステーベーン20の間には、水が流れる流路が形成されている。
A plurality of stay vanes 20 are arranged at predetermined intervals on the inner circumferential side of the casing 10 and in the circumferential direction (hereinafter referred to as the circumferential direction) with respect to the rotational axis C of the main shaft 42 described later. A channel through which water flows is formed between adjacent stay vanes 20.

ガイドベーン30は、ステーベーン20の内周側かつ周方向に所定の間隔をあけて複数
配置される。ガイドベーン30は、各々が回転可能でありその開度を制御することにより
、隣り合うガイドベーン30の間に形成される流路の流路面積を変化させることができる
。したがって、ガイドベーン30はその開度を制御することにより、水車内を流れる水の
水量を調整することができる。
A plurality of guide vanes 30 are arranged on the inner peripheral side of the stay vane 20 at predetermined intervals in the circumferential direction. Each of the guide vanes 30 is rotatable, and by controlling the degree of opening thereof, the area of the flow path formed between adjacent guide vanes 30 can be changed. Therefore, by controlling the opening degree of the guide vane 30, the amount of water flowing inside the water turbine can be adjusted.

ランナ40は、主軸42に連結されたハブ44と、ハブ44に対向するよう設けられた
シュラウド46と、ハブ44およびシュラウド46の間に設けられた複数のランナ羽根4
8と、を備える。ランナ40は、ガイドベーン30の内周側に、回転軸線Cを中心に回転
するように設けられ、主軸42を介して発電機(図示省略)と連結している。なお、以降
の説明において、回転軸線Cのうち発電機側をC軸上方向、ランナ40よりも下流側に設
けられる吸出し管(図示省略)側をC軸下方向とする。
The runner 40 includes a hub 44 connected to a main shaft 42, a shroud 46 provided to face the hub 44, and a plurality of runner blades 4 provided between the hub 44 and the shroud 46.
8. The runner 40 is provided on the inner peripheral side of the guide vane 30 so as to rotate about the rotation axis C, and is connected to a generator (not shown) via a main shaft 42. In the following description, the generator side of the rotational axis C will be referred to as the upper direction of the C-axis, and the side of the suction pipe (not shown) provided downstream of the runner 40 will be referred to as the lower direction of the C-axis.

主軸42は、ランナ40とともに回転軸線Cを中心に回転可能に設けられる。主軸42
には、発電機が連結され、ランナ40の回転エネルギーが主軸42を介して発電機に伝達
されて発電する。
The main shaft 42 is provided rotatably about the rotation axis C together with the runner 40 . Main shaft 42
A generator is connected to the runner 40, and the rotational energy of the runner 40 is transmitted to the generator via the main shaft 42 to generate electricity.

ランナ羽根48は、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、隣り合うランナ羽根
48の間に水が流れる流路が形成されている。
The runner blades 48 are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction, and a flow path through which water flows is formed between adjacent runner blades 48.

なお、主軸42を介しランナ40に連結される発電機は、電動機としての機能も備え、
電力が供給されることによりランナ40を回転駆動するように構成されても良い。この場
合には、吸出し管を介して下池(いずれも図示省略)の水を吸い上げて上池に放出させる
ことができ、ポンプ水車として揚水運転することが可能になる。
Note that the generator connected to the runner 40 via the main shaft 42 also has a function as an electric motor,
The runner 40 may be configured to be rotated by being supplied with electric power. In this case, water from the lower pond (both not shown) can be sucked up and discharged into the upper pond through the suction pipe, making it possible to perform water pumping operation as a pump-turbine.

上カバー50は、ハブ44の上方(C軸上方向)に静止部材として設けられる。ハブ4
4と上カバー50との間には、環状の隙間である背圧室70が形成されている。背圧室7
0には、水車運転時にガイドベーン30の流路を流れた水の一部が漏れ流れとして流入す
る。背圧室70に流入した水は、多くはランナ40のハブ44に空けられたバランスホー
ルや上カバー50に設置された配管を通してランナ40から流出した水とともに吸出し管
へと流出し、一部は主軸42に沿って上カバー上部に漏出する。
The upper cover 50 is provided above the hub 44 (in the C-axis upward direction) as a stationary member. hub 4
4 and the upper cover 50, a back pressure chamber 70, which is an annular gap, is formed. Back pressure chamber 7
A part of the water that has flowed through the flow path of the guide vane 30 during operation of the water turbine flows into the water turbine 0 as a leakage flow. Most of the water that has flowed into the back pressure chamber 70 flows out into the suction pipe together with the water that flowed out from the runner 40 through the balance hole made in the hub 44 of the runner 40 and the piping installed in the upper cover 50, and some It leaks along the main axis 42 to the top of the top cover.

下カバー60は、ランナ40のシュラウド46の下方(C軸下方向)に静止部材として
設けられる。シュラウド46と下カバー60との間には側圧室72と称する環状の隙間が
形成されている。側圧室72には、水車運転時にガイドベーン30の流路を流れた水の一
部が漏れ流れとして流入する。側圧室72に流入した水は、ランナ40から流出した水と
ともに吸出し管へと流出する。
The lower cover 60 is provided below the shroud 46 of the runner 40 (in the C-axis downward direction) as a stationary member. An annular gap called a lateral pressure chamber 72 is formed between the shroud 46 and the lower cover 60. A portion of the water that has flowed through the flow path of the guide vane 30 during operation of the water turbine flows into the side pressure chamber 72 as a leakage flow. The water flowing into the side pressure chamber 72 flows out into the suction pipe together with the water flowing out from the runner 40.

これら上カバー50および下カバー60は互いに対向して設けられ、その間にはランナ
40が収容される。
The upper cover 50 and the lower cover 60 are provided facing each other, and the runner 40 is accommodated therebetween.

次に、本実施形態に係る上カバー50について図2および図3を参照して説明する。図
2は、図1において点線で囲われた領域Aの拡大図である。図3は、整流装置56を上部
壁面54側からC軸下方向に見た断面図である。
Next, the upper cover 50 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is an enlarged view of area A surrounded by dotted lines in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the rectifying device 56 viewed from the upper wall surface 54 side in the C-axis downward direction.

上カバー50は、主軸42と対向するように径方向内側を向いて形成された壁面である
側部壁面52と、側部壁面52に接続されると共に、ハブ44と対向するようにC軸下方
向を向いて形成された壁面である上部壁面54と、上部壁面54に設けられた整流装置5
6とを備える。なお、以降の説明において、径方向とは回転軸線Cを中心としたときの半
径方向を指す。
The upper cover 50 has a side wall surface 52 that is a wall surface facing inward in the radial direction so as to face the main shaft 42 , and a side wall surface 52 that is connected to the side wall surface 52 and is located below the C-axis so as to face the hub 44 . An upper wall surface 54, which is a wall surface formed to face the direction, and a rectifier 5 provided on the upper wall surface 54.
6. In addition, in the following description, the radial direction refers to the radial direction when the rotation axis C is the center.

整流装置56は、図3(a)に示すように、上部壁面54に対して突起する翼であり、
周方向に所定の間隔をあけて上部壁面54に複数設けられる。整流装置56は、水流が流
入する端部である上流側端部56aと、水流が流出する端部である下流側端部56bとを
備え、下流側端部56bが上流側端部56aよりもランナ40の回転方向R10に向かっ
て傾斜している。なお、図3においては、径方向外側が上流側であり、径方向内側が下流
側であるので、整流装置56は、回転軸線Cを中心とした径方向外側から径方向内側に向
かって、その翼面が回転方向R10に傾斜している。つまり、整流装置56は、圧力面が
回転方向R10に沿って凹となると共に、下流側端部56bが上流側端部56aよりも回
転方向R10の下流側に位置するように配置されている。
As shown in FIG. 3(a), the flow straightening device 56 is a wing that protrudes from the upper wall surface 54,
A plurality of them are provided on the upper wall surface 54 at predetermined intervals in the circumferential direction. The rectifying device 56 includes an upstream end 56a, which is an end into which the water flow flows, and a downstream end 56b, which is an end where the water flow flows out. It is inclined toward the rotation direction R10 of the runner 40. In FIG. 3, the radially outer side is the upstream side, and the radially inner side is the downstream side, so the flow straightening device 56 moves from the radially outer side to the radially inner side about the rotation axis C. The blade surface is inclined in the rotation direction R10. That is, the flow straightening device 56 is arranged such that the pressure surface is concave along the rotational direction R10, and the downstream end 56b is located further downstream in the rotational direction R10 than the upstream end 56a.

なお、本実施形態では整流装置56が上部壁面54に直接固定して設けられる構成を例
示して説明するが、例えば複数の整流装置56を環状の基礎(図示省略)に固定して一体
とし、整流装置56が固定された基礎を上部壁面54に設ける構成としても良い。また、
本実施形態では整流装置56が回転方向R10に沿って凹となる場合を例示したが、例え
ば整流装置56は回転方向R10と逆方向に凸となる反動翼の形状であってよいし、上流
側端部56aおよび下流側端部56bに向かって先細りとなる流線形状であってもよい。
加えて、本実施形態の他の変形例として、例えば図3(b)に示すように、整流装置56
が、上部壁面54および側部壁面52に接するように設けられ、側部壁面52と整流装置
56との間に隙間がない構成であっても良い。
In this embodiment, a configuration in which the rectifier 56 is directly fixed to the upper wall surface 54 will be described as an example, but for example, a plurality of rectifiers 56 may be fixed to an annular foundation (not shown) and integrated. A configuration may also be adopted in which a foundation to which the rectifying device 56 is fixed is provided on the upper wall surface 54. Also,
In this embodiment, the case where the flow straightening device 56 is concave along the rotation direction R10 is illustrated, but for example, the flow straightening device 56 may have the shape of a reaction blade that is convex in the opposite direction to the rotation direction R10, or the upstream side It may have a streamlined shape that tapers toward the end 56a and the downstream end 56b.
In addition, as another modification of this embodiment, for example, as shown in FIG. 3(b), a rectifier 56
However, it may be provided so as to be in contact with the upper wall surface 54 and the side wall surface 52, and there may be no gap between the side wall surface 52 and the rectifying device 56.

次に、図2、図3(a)、および図4を用いて本実施形態における作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be explained using FIG. 2, FIG. 3(a), and FIG. 4.

水車運転時には、上池からの水がケーシング10、ステーベーン20、およびガイドベ
ーン30を順次通過してランナ40に供給され、この水の仕事を受けてランナ40が回転
駆動すると、その回転エネルギーが回転軸50を介して発電機に伝達されて発電する。ラ
ンナ40で仕事をした後の水は、吸出し管を流れ下池に排出される。
During operation of the water turbine, water from the upper pond passes through the casing 10, the stay vane 20, and the guide vane 30 in order and is supplied to the runner 40. When the runner 40 receives work from this water and is driven to rotate, its rotational energy is used to rotate the water turbine. The power is transmitted to the generator via the shaft 50 to generate electricity. The water after working in the runner 40 flows through the suction pipe and is discharged to the lower pond.

このとき、ガイドベーン30を通過した水の大部分(以降、主流という)はランナ40
を回転させるべくランナ40に向かって径方向内向きに流れるが、主流として流れない水
の一部は背圧室70に流入する。図2の矢印(ハブ44と側部壁面52との間に、C軸方
向上側を向いて記載された矢印)で示すように、背圧室に流入した水は、側部壁面52に
沿って上部壁面54側へ流れた後、上部壁面54に沿って径方向内側へ流れる。上部壁面
54には整流装置56が設けられるため、整流装置56に流入した水は、図3(a)に示
す整流装置56の上流側端部56aから下流側端部56bへの方向にガイドされ、回転方
向R10に傾斜した方向に径方向外側から内側へ水が流れる。つまり、背圧室70を流れ
る水は、整流装置56において回転方向R10の速度成分を付与されながら、上部壁面5
4に沿って径方向内側に流れる。
At this time, most of the water that has passed through the guide vane 30 (hereinafter referred to as the mainstream) flows to the runner 40.
The water flows radially inward toward the runner 40 to rotate the water, but a portion of the water that does not flow as the main stream flows into the back pressure chamber 70. As shown by the arrow in FIG. 2 (the arrow drawn between the hub 44 and the side wall 52, pointing upward in the C-axis direction), the water flowing into the back pressure chamber flows along the side wall 52. After flowing toward the upper wall surface 54, it flows radially inward along the upper wall surface 54. Since the rectifier 56 is provided on the upper wall surface 54, the water flowing into the rectifier 56 is guided in the direction from the upstream end 56a of the rectifier 56 to the downstream end 56b as shown in FIG. 3(a). , water flows from the outside in the radial direction to the inside in a direction inclined to the rotation direction R10. In other words, the water flowing through the back pressure chamber 70 is given a velocity component in the rotation direction R10 by the rectifier 56, while the water flows through the upper wall surface 5.
4 in the radial direction.

径方向内側に流れた水は、主軸42に沿ってC軸上方向に流れる水と、C軸下方向に流
れる水とに分岐される。このうち、C軸上方向に流れた水は、上カバー50の上部で、排
水ポンプ(図示省略)によって外部へと排水される。一方、C軸下方向に流れた水は、ハ
ブ44に沿って径方向外側に流れ、ハブ44に形成されたバランスホール(図示省略)を
介してランナ40の下流側に流出する。
The water flowing inward in the radial direction is branched along the main axis 42 into water flowing upward on the C-axis and water flowing downward on the C-axis. Of this water, the water flowing upward along the C-axis is drained to the outside by a drain pump (not shown) at the upper part of the upper cover 50. On the other hand, the water flowing in the C-axis downward direction flows radially outward along the hub 44 and flows out to the downstream side of the runner 40 via a balance hole (not shown) formed in the hub 44.

一般的なフランシス水車は、水車運転時にはランナ40が高速で回転している。したが
って、図4(a)の矢印に示すように、背圧室70内を流れる水の回転方向R10の速度
成分は、回転しているランナ40のハブ44側で大きくなり、静止している上カバー50
(上部壁面54側)に近づくにつれて回転方向R10の速度成分が小さくなる。
In a typical Francis turbine, the runner 40 rotates at high speed when the turbine is operating. Therefore, as shown by the arrow in FIG. 4(a), the velocity component of the water flowing in the back pressure chamber 70 in the rotational direction R10 becomes larger on the hub 44 side of the rotating runner 40, and cover 50
The velocity component in the rotation direction R10 becomes smaller as it approaches (the upper wall surface 54 side).

一方、上述した本実施形態においては、上部壁面54に整流装置56が設けられ、背圧
室70を流れる水が、整流装置56から回転方向R10の速度成分を付与される。その結
果、図4(b)の矢印に示すように、ハブ44と上部壁面54との間の中間地点における
回転方向R10の速度成分が全体的に大きくなることに加え、ハブ44近傍における速度
成分の変化量が緩やかになる。これにより、背圧室70内を流れる水とランナ40との回
転方向R10の周速度の差が低減されるので、背圧室70における円板摩擦損失を抑制す
ることができ、フランシス水車1の効率を向上させることができる。
On the other hand, in the present embodiment described above, the rectifier 56 is provided on the upper wall surface 54, and the water flowing in the back pressure chamber 70 is given a velocity component in the rotation direction R10 by the rectifier 56. As a result, as shown by the arrow in FIG. 4(b), in addition to the overall speed component in the rotational direction R10 at the intermediate point between the hub 44 and the upper wall surface 54 increasing, the speed component near the hub 44 also increases. The amount of change becomes gradual. As a result, the difference in circumferential speed in the rotation direction R10 between the water flowing in the back pressure chamber 70 and the runner 40 is reduced, so that disc friction loss in the back pressure chamber 70 can be suppressed, and the Efficiency can be improved.

なお、本実施形態の変形例として、例えば図6に示すように、整流装置56に回転軸と
してのスピンドル58を設け、整流装置56がスピンドル58を中心に回転可能な構成と
しても良い。このとき、制御装置から駆動装置(いずれも図示省略)へ制御信号を出力し
、駆動装置によって整流装置56を回転させても良い。ランナ40の回転方向は、水車運
転時とポンプ運転時とで逆方向となるので、水車運転時には、図6(a)に示すように上
流側端部56aよりも下流側端部56bが回転方向R10の下流側に、揚水運転時には、
図6(b)に示すように上流側端部56aよりも下流側端部56bが回転方向R20の下
流側に傾斜するように、それぞれ整流装置56を回転させることができる。この変形例の
構成を備えることにより、第1実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、背圧室70
内の水の流れに応じて整流装置56の角度を変化させることで、円板摩擦損失をより効果
的に低減することができる。その結果、フランシス水車1の効率をさらに向上させること
ができる。
As a modification of this embodiment, for example, as shown in FIG. 6, the rectifier 56 may be provided with a spindle 58 as a rotating shaft, and the rectifier 56 may be configured to be rotatable around the spindle 58. At this time, a control signal may be output from the control device to a drive device (both not shown), and the rectifier 56 may be rotated by the drive device. The rotational direction of the runner 40 is opposite when the water turbine is operating and when the pump is operating, so when the water turbine is operating, the rotation direction of the runner 40 is lower than the upstream end 56a than the downstream end 56a. On the downstream side of R10, during pumping operation,
As shown in FIG. 6(b), each of the flow straightening devices 56 can be rotated such that the downstream end 56b is inclined more downstream in the rotation direction R20 than the upstream end 56a. By providing the configuration of this modified example, not only the same effects as the first embodiment can be obtained, but also the back pressure chamber 70
By changing the angle of the rectifying device 56 according to the flow of water within, disk friction loss can be reduced more effectively. As a result, the efficiency of the Francis turbine 1 can be further improved.

また、本実施形態の別の変形例として、例えば図7に示すように、ハブ44の回転軸線
Cを中心とする外径Rcのうち、0.9Rc以上の領域に位置するように整流装置56を
設ける構成としても良い。一般に、ランナ40が一定速度で回転している場合、上部壁面
54と対向するハブ44の面の回転速度は、半径に比例して大きくなる。これに伴い、円
板摩擦損失はハブ44の外径側ほど増大するため、外径側を流れる水の回転方向R10の
速度成分を増加させることで円板摩擦損失を効果的に低減することができる。したがって
、整流装置56の設置位置を0.9Rc以上の領域に設けることで、本実施形態よりも円
板摩擦損失を低減し、フランシス水車1の効率を向上させることができる。
Further, as another modification of the present embodiment, for example, as shown in FIG. It is also possible to have a configuration in which Generally, when the runner 40 is rotating at a constant speed, the rotation speed of the surface of the hub 44 that faces the upper wall surface 54 increases in proportion to the radius. Along with this, the disc friction loss increases as the outer diameter side of the hub 44 increases, so it is possible to effectively reduce the disc friction loss by increasing the velocity component of the water flowing on the outer diameter side in the rotation direction R10. can. Therefore, by installing the rectifier 56 in a region of 0.9Rc or more, it is possible to reduce disk friction loss and improve the efficiency of the Francis turbine 1 compared to the present embodiment.

また、本実施形態の別の変形例として、図8に示すように、上部壁面54を径方向外側
に向かってC軸上方向に傾斜した傾斜壁面54aとし、この傾斜壁面54aに整流装置5
6を設ける構成としても良い。つまり、上流側端部56aとハブ44とのC軸方向の距離
が、下流側端部56bとハブ44とのC軸方向の距離よりも大きくなるように整流装置5
6を配置すし、整流装置56に流入した水が回転方向R10の速度成分を付与された状態
でハブ44に向かって流出する構成としても良い。一般に、円板摩擦損失は、ハブ44と
ハブ44付近を流れる水との回転方向R10の周速度の差が大きいほど増加する。したが
って、回転方向R10の速度成分を付与された水がハブ44に向かって流出することで、
ハブ44とハブ44近傍を流れる水との周速度の差が本実施形態よりも小さくなり、円板
摩擦損失をより低減することができる。その結果、フランシス水車1の効率をさらに向上
させることができる。
As another modification of this embodiment, as shown in FIG. 8, the upper wall surface 54 is formed into an inclined wall surface 54a that is inclined toward the C-axis upward toward the outside in the radial direction.
6 may be provided. That is, the rectifier 5 is arranged such that the distance between the upstream end 56a and the hub 44 in the C-axis direction is larger than the distance between the downstream end 56b and the hub 44 in the C-axis direction.
6, and the water flowing into the straightening device 56 may be configured to flow out toward the hub 44 while being given a velocity component in the rotational direction R10. Generally, the disc friction loss increases as the difference in circumferential speed in the rotational direction R10 between the hub 44 and the water flowing around the hub 44 increases. Therefore, water imparted with a velocity component in the rotational direction R10 flows out toward the hub 44, so that
The difference in circumferential speed between the hub 44 and the water flowing near the hub 44 is smaller than in the present embodiment, and disc friction loss can be further reduced. As a result, the efficiency of the Francis turbine 1 can be further improved.

なお、上述したような整流装置56は、シュラウド46と下カバー60との間に形成さ
れる側圧室72に設けても良く、背圧室72においても本実施形態と同様の効果が得られ
る。つまり、側圧室72に設けた整流装置によって側圧室72を流れる水の回転方向R1
0への速度成分を増加させることで、この水とシュラウド46との周速度の差が小さくな
り、円板摩擦損失を低減することができる。その結果、フランシス水車1の効率を向上さ
せることができる。
Note that the above-described rectifier 56 may be provided in the side pressure chamber 72 formed between the shroud 46 and the lower cover 60, and the same effects as in this embodiment can be obtained in the back pressure chamber 72 as well. That is, the rotation direction R1 of water flowing through the side pressure chamber 72 by the rectifier provided in the side pressure chamber 72 is
By increasing the velocity component toward 0, the difference in circumferential velocity between this water and the shroud 46 becomes smaller, and disc friction loss can be reduced. As a result, the efficiency of the Francis turbine 1 can be improved.

これら上述した本実施形態の各変形例については、第2実施形態以降においても同様に
成り立つこととする。
It is assumed that each of the above-described modifications of the present embodiment applies similarly to the second embodiment and subsequent embodiments.

(第2実施形態)
第2実施形態について、図9および図10を参照して説明する。図9は、本実施形態に
係るフランシス水車1の部分拡大図であり、図10は、整流装置156を主軸42側から
径方向外側の向きに見た図である。なお、第1実施形態と同一部分には同一符号を付し、
詳細な説明は省略する。本実施形態と第1実施形態との主な相違点は、整流装置156が
上カバー50の側部壁面52に設けられる点である。
(Second embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9 is a partially enlarged view of the Francis turbine 1 according to the present embodiment, and FIG. 10 is a view of the rectifier 156 viewed from the main shaft 42 side toward the outside in the radial direction. Note that the same parts as in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
Detailed explanation will be omitted. The main difference between this embodiment and the first embodiment is that the rectifier 156 is provided on the side wall surface 52 of the upper cover 50.

整流装置156は、図9に示すように、主軸42と対向する側部壁面52に設けられる
。整流装置156は、図10に示すように、側部壁面52に対して突起する翼であり、周
方向に所定の間隔をあけて側部壁面52に複数設けられる。整流装置156は、水流が流
入する端部である上流側端部156aと、水流が流出する端部である下流側端部156b
とを備え、上流側端部156aから下流側端部156bに向かって、その翼面がランナ4
0の回転方向R10に向かって傾斜している。つまり、整流装置156は、圧力面が回転
方向R10に沿って凹となると共に、下流側端部56bが上流側端部56aよりも回転方
向R10の下流側に位置するように配置されている。なお、図10においては、C軸下方
向の端部が上流側端部156aであり、C軸上方向の端部が下流側端部156bである。
つまり、整流装置156は、C軸下から上方向に向かって、その翼面が回転方向R10に
傾斜している。
The rectifying device 156 is provided on the side wall surface 52 facing the main shaft 42, as shown in FIG. As shown in FIG. 10, the flow straightening devices 156 are blades that protrude from the side wall surface 52, and are provided in plural on the side wall surface 52 at predetermined intervals in the circumferential direction. The rectifying device 156 has an upstream end 156a, which is an end into which the water flow flows, and a downstream end 156b, which is the end where the water flow flows out.
from the upstream end 156a toward the downstream end 156b, the blade surface is connected to the runner 4.
0 in the rotation direction R10. That is, the flow straightening device 156 is arranged such that the pressure surface is concave along the rotational direction R10, and the downstream end 56b is located further downstream in the rotational direction R10 than the upstream end 56a. In FIG. 10, the end in the C-axis downward direction is the upstream end 156a, and the C-axis upward direction is the downstream end 156b.
In other words, the blade surface of the flow straightening device 156 is inclined in the rotation direction R10 from below the C-axis toward the top.

なお、本実施形態では整流装置156が側部壁面52に直接固定して設けられる構成を
例示して説明するが、例えば複数の整流装置156を環状の基礎(図示省略)に固定して
一体とし、整流装置156が固定された基礎を側部壁面52に設ける構成としても良い。
また、本実施形態では整流装置156の圧力面が回転方向R10に沿って凹となる場合を
例示したが、例えば整流装置156は回転方向R10と逆方向に凸となる反動翼の形状で
あってよいし、上流側端部156aおよび下流側端部156bに向かって先細りとなる流
線形状であってもよい。
In this embodiment, a configuration in which the rectifier 156 is directly fixed to the side wall surface 52 will be described as an example, but for example, a plurality of rectifiers 156 may be fixed to an annular foundation (not shown) and integrated. , a foundation to which the rectifier 156 is fixed may be provided on the side wall surface 52.
Further, in this embodiment, the case where the pressure surface of the flow straightening device 156 is concave along the rotation direction R10 is illustrated, but for example, the flow straightening device 156 has a shape of a reaction blade that is convex in the direction opposite to the rotation direction R10. Alternatively, it may have a streamlined shape that tapers toward the upstream end 156a and the downstream end 156b.

次に、図9および図10を用いて本実施形態における作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be explained using FIGS. 9 and 10.

水車運転時に主流として流れない水の一部は、背圧室70に流入する。図9の矢印(ハ
ブ44と側部壁面52との間に、C軸方向上側を向いて記載された矢印)で示すように、
背圧室に流入した水は、図10に示す整流装置156の上流側端部156aから下流側端
部156bへの方向にガイドされ、回転方向Rに傾斜した方向にC軸下から上方向へ水が
流れる。つまり、背圧室70を流れる水は、整流装置156において回転方向R10の速
度成分を付与されながら、側部壁面52に沿ってC軸上方向に流れる。そして、その水は
側部壁面52に沿って上部壁面54側へ流れた後、上部壁面54に沿って径方向内側へ流
れる。
A portion of the water that does not flow as the main flow during operation of the water turbine flows into the back pressure chamber 70. As shown by the arrow in FIG. 9 (the arrow drawn between the hub 44 and the side wall surface 52, pointing upward in the C-axis direction),
The water that has flowed into the back pressure chamber is guided in the direction from the upstream end 156a to the downstream end 156b of the rectifier 156 shown in FIG. Water flows. That is, the water flowing through the back pressure chamber 70 flows upward along the C-axis along the side wall surface 52 while being given a velocity component in the rotation direction R10 by the rectifier 156. Then, the water flows along the side wall surface 52 toward the upper wall surface 54, and then flows radially inward along the upper wall surface 54.

径方向内側に流れた水は、主軸42に沿ってC軸上方向に流れる水と、C軸下方向に流
れる水とに分岐される。このうち、C軸上方向に流れた水は、上カバー50の上部で、排
水ポンプ(図示省略)によって外部へと排水される。一方、C軸下方向に流れた水は、ハ
ブ44に沿って径方向外側に流れ、ハブ44に形成されたバランスホール(図示省略)を
介してランナ40の下流側に流出する。
The water flowing inward in the radial direction is branched along the main axis 42 into water flowing upward on the C-axis and water flowing downward on the C-axis. Of this water, the water flowing upward along the C-axis is drained to the outside by a drain pump (not shown) at the upper part of the upper cover 50. On the other hand, the water flowing in the C-axis downward direction flows radially outward along the hub 44 and flows out to the downstream side of the runner 40 via a balance hole (not shown) formed in the hub 44.

上述した本実施形態においては、側部壁面52に整流装置156が設けられ、背圧室7
0を流れる水が、整流装置156から回転方向R10の速度成分を付与される。その結果
、第1実施形態と同様に、ハブ44と上部壁面54との間の中間地点における回転方向R
10の速度成分が全体的に大きくなることに加え、ハブ44近傍における速度成分の変化
量が緩やかになる。これにより、背圧室70内を流れる水とランナ40との回転方向R1
0の周速度の差が低減されるので、背圧室70における円板摩擦損失を抑制することがで
き、フランシス水車1の効率を向上させることができる。
In the present embodiment described above, the rectifier 156 is provided on the side wall surface 52, and the back pressure chamber 7
0 is given a velocity component in the rotational direction R10 by the rectifier 156. As a result, similarly to the first embodiment, the rotation direction R at the intermediate point between the hub 44 and the upper wall surface 54
In addition to the overall speed component of No. 10 becoming larger, the amount of change in the speed component near the hub 44 becomes gentler. As a result, the rotation direction R1 of the water flowing inside the back pressure chamber 70 and the runner 40 is
Since the difference in the circumferential speed of zero is reduced, disc friction loss in the back pressure chamber 70 can be suppressed, and the efficiency of the Francis turbine 1 can be improved.

なお、上述したような整流装置156は、シュラウド46と下カバー60との間に形成
される側圧室72に設けても良く、背圧室72においても本実施形態と同様の効果が得ら
れる。つまり、側圧室72に設けた整流装置によって側圧室72を流れる水の回転方向R
10への速度成分を増加させることで、この水とシュラウド46との周速度の差が小さく
なり、円板摩擦損失を低減することができる。その結果、フランシス水車1の効率を向上
させることができる。
Note that the above-described rectifier 156 may be provided in the side pressure chamber 72 formed between the shroud 46 and the lower cover 60, and the same effects as in this embodiment can be obtained in the back pressure chamber 72 as well. In other words, the rotation direction R of the water flowing through the side pressure chamber 72 by the rectifier provided in the side pressure chamber 72
By increasing the velocity component to the shroud 10, the difference in circumferential velocity between this water and the shroud 46 becomes smaller, and disc friction loss can be reduced. As a result, the efficiency of the Francis turbine 1 can be improved.

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
Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

1…フランシス水車、10…ケーシング、20…ステーベーン、30…ガイドベーン、4
0…ランナ、42…主軸、44…ハブ、46…シュラウド、48…ランナ羽根、50…上
カバー、52…側部壁面、54…上部壁面、54a…傾斜壁面、56、156…整流装置
、56a、156a…上流側端部、56b、156b…下流側端部、58…スピンドル、
60…下カバー、70…背圧室、72…側圧室。
1...Francis water turbine, 10...casing, 20...stay vane, 30...guide vane, 4
0...Runner, 42...Main shaft, 44...Hub, 46...Shroud, 48...Runner blade, 50...Top cover, 52...Side wall surface, 54...Top wall surface, 54a...Slanted wall surface, 56, 156...Brighter, 56a , 156a...upstream end, 56b, 156b...downstream end, 58...spindle,
60... Lower cover, 70... Back pressure chamber, 72... Side pressure chamber.

Claims (6)

互いに対向する上カバーおよび下カバーの間にランナが回転可能に収容される流体機械
であって、
前記上カバーと前記ランナとの間に形成される背圧室と、
前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と、
前記背圧室および前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入す
る水流の上流側端部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する
整流装置と、
を備える流体機械。
A fluid machine in which a runner is rotatably housed between an upper cover and a lower cover that face each other,
a back pressure chamber formed between the upper cover and the runner;
a lateral pressure chamber formed between the lower cover and the runner;
A blade provided in at least one of the back pressure chamber and the side pressure chamber, and a rectifier whose blade surface is inclined in the rotation direction of the runner from the upstream end to the downstream end of the water flow flowing into the blade. a device;
A fluid machine equipped with
前記整流装置は、前記ランナのハブと対向する前記上カバーの壁面に設けられる請求項
1に記載の流体機械。
The fluid machine according to claim 1, wherein the rectifying device is provided on a wall surface of the upper cover facing the hub of the runner.
前記整流装置は、前記ランナの主軸と対向する前記上カバーの壁面に設けられる請求項
1に記載の流体機械。
The fluid machine according to claim 1, wherein the rectifying device is provided on a wall surface of the upper cover facing the main axis of the runner.
前記整流装置は、前記翼面を回転可能とするスピンドルをさらに備える請求項1から3
いずれかに記載の流体機械。
Claims 1 to 3, wherein the flow straightening device further includes a spindle that allows the blade surface to rotate.
The fluid machine described in any of the above.
前記整流装置は、回転軸線を中心とした前記ランナの外径Rcに対して、その設置位置
が0.9Rc以上の領域に設けられる請求項1または2に記載の流体機械。
The fluid machine according to claim 1 or 2, wherein the rectifying device is installed in a region of 0.9 Rc or more with respect to an outer diameter Rc of the runner centered on the rotation axis.
前記整流装置は、前記上流側端部から前記下流側端部に向かってその翼面が前記ランナ
のハブへの方向に傾斜する請求項1または2に記載の流体機械。
3. The fluid machine according to claim 1, wherein the flow straightening device has a blade surface that is inclined in a direction toward the hub of the runner from the upstream end toward the downstream end.
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