JP3600449B2 - 羽根車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚水発電などにより発電を行う水力発電設備のポンプ水車に用いられる羽根車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
揚水発電により発電を行う水力発電設備は、高所に位置する上池と、この上池と相対的に低所に位置する下池と、ポンプ水車と、発電電動機などを備えた大規模なエネルギ貯蔵システムをなしている。
【０００３】
前記水力発電設備は、主に夜間の剰余電力を利用して水を下池から上池に汲み上げ位置エネルギとして貯蔵し、昼間の電力需要の多い時にポンプ水車及び発電電動機などを用いて発電する。ポンプ水車は瞬時予備動力としてや電力系統の安定化のためにも用いられる。
【０００４】
前記ポンプ水車は、前記水力発電設備の最も重要な構成要素の一つで、水車として駆動される際には、水の持つ位置及び運動エネルギを軸動力に変換するとともに、ポンプとして駆動される際には、軸動力を水の位置及び運動エネルギに変換するようになっている。
【０００５】
前述したポンプ水車の一例として、図９に示すフランシス形ポンプ水車５１が用いられる。フランシス形ポンプ水車５１は、その効率などの性能の特性を左右する重要な要素として、羽根車５４を備えている。この羽根車５４は、図１０に示すように、羽根６０を複数備えている。
【０００６】
なお、図９は、羽根６０の子午面に沿ったポンプ水車５１の一部を示す断面図である。図１０は、図９中のＸ−Ｘ線に沿う羽根車５４の断面図を示している。羽根車５４は、前述した発電電動機などに接続しており、図示中の一点鎖線Ｐ１回りに回転自在となっている。羽根車５４は、ポンプとして駆動する際は図１０中の矢印Ｊ１に沿って回転するとともに、水車として駆動する際は図１０中の矢印Ｋ１に沿って回転するようになっている。
【０００７】
図１０に例示された羽根車５４の羽根６０は、互いに、水車流れでの上流側に位置する縁６０ａから下流側に位置する縁６０ｂに亘るキャンバラインの曲率及び長さが互いに等しいなどの略同形状に形成されている。
【０００８】
羽根６０は、それぞれ、羽根車５４が矢印Ｊ１，Ｋ１に沿って回転する際に、その表面に沿って流れる水等の流体が低圧力となる低圧面６２と、高圧力となる高圧面６３とを有している。さらに、前記羽根６０は、羽根車５４の周方向に略等間隔に配され、互いに、前述した縁６０ａの間の周方向に沿った間隔λ２が略一定となるように配されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記ポンプ水車５１は、水車流れ時及びポンプ流れ時それぞれの場合において、発電設備の仕様に基づく範囲内で運転されるようになっており、この範囲内においては効率が高いとともに、キャビテーションが生じないなどのキャビテーション特性が良好であることが要求される。
【００１０】
前述したポンプ水車５１の特性を図１１ないし図１３に示す。図１１は、水車流れ時の羽根車５４を備えたポンプ水車５１の流量係数Ｑの変化に対する効率ηの変化を示している。図１２は、ポンプ流れ時の羽根車５４を備えたポンプ水車５１の流量係数Ｑの変化に対する効率ηの変化を示している。図１１及び図１２中横軸は流量係数Ｑを示し縦軸は効率ηを示している。
【００１１】
図１３は、ポンプ流れ時の前述した縁６０ｂにおけるキャビテーション初生曲線Ｑ５を示している。図１３中横軸は流量係数Ｑを示し縦軸はキャビテーション係数Ｈを示している。図１３において、実線で示すキャビテーション初生曲線Ｑ５より上の領域Ｏ１は、キャビテーションが生じない領域となっており、キャビテーション初生曲線Ｑ５より下の領域Ｏ２は、キャビテーションが生じる領域となっている。このため、前記羽根車５４を備えたポンプ水車５１は、キャビテーション初生曲線Ｑ５より上の領域Ｏ１で運転される必要がある。
【００１２】
図１１ないし図１３において、ぞれぞれ流量係数ＱＴ１，ＱＰ１，ＱＰ２となる点ＨＴ１，ＨＰ１，ＬＰ１及びこれらの点の近傍では、効率ηが向上するとともにキャビテーション係数Ｈが低くなってキャビテーションが生じにくくなっている。
【００１３】
しかし、前述した点ＨＴ１，ＨＰ１，ＬＰ１の近傍から離れるのにしたがって、効率ηが低くなるとともに、キャビテーション係数Ｈが上昇してキャビテーションが生じやすくなっている。なお、キャビテーション特性においては、点ＬＰ１より流量係数が小さい小流量側では、低圧面６２において縁６０ｂの近傍７２にキャビテーションが生じやすく、点ＬＰ１より流量係数が大きな大流量側では、高圧面６３において縁６０ｂの近傍にキャビテーションが生じやすくなっている。
【００１４】
一方、前述した水力発電設備は、現在、狭矮な峡谷などにも設置される必要がある。前述した狭矮な峡谷に保持される水の量を有効に使うためには、その運転中に上池及び下池のそれぞれの水位幅を非常に大きくとることが必要となる。
【００１５】
この場合、前記ポンプ水車５１は、その運転中において、図１１において横軸とした流量係数Ｑの変化が非常に大きくなってしまう。このため、前述した狭矮な峡谷に設置される水力発電設備に前記ポンプ水車５１を用いると、必ずしもその運転中に常に高い効率を維持できるなくなるとともに、キャビテーション係数Ｈが増加して、キャビテーションが生じやすくなる。
【００１６】
前記ポンプ水車５１は、有限な水資源を有効に利用するために高い効率が求められるとともに、上池及び下池の水位変動が大きい場合においても運転が可能であるように流量係数の変動の広い範囲での運転が望まれる。
【００１７】
また、前記ポンプ水車５１は、水車流れ時及びポンプ流れ時とも、羽根６０の表面である低圧面６２及び高圧面６３の近傍流れの速度が、下流に向うにしたがって減速する場合がある。この流れの減速は前記低圧面６２及び高圧面６３に境界層という流速の遅い領域を作ったり、あるいは大きな減速の場合には流れが前記低圧面６２及び高圧面６３から剥離してしまうこともある。これらの境界層の成長や流れの剥離は、羽根車５４の中で大きな損失をつくって、ポンプ水車５１の効率の低下させる要因となる。
【００１８】
したがって、本発明の第１の目的は、ポンプ水車に用いられる羽根車であって、上池及び下池の水位変動が大きな場合でも効率の向上を図ることができる羽根車を提供することにある。第２の目的は、ポンプ水車に用いられる羽根車であって、上池及び下池の水位変動が大きな場合でもキャビテーション特性の改善を図ることができる羽根車を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的および第２の目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の羽根車は、正回転と逆回転の２方向に回転を反転させることにより水車とポンプの両方の運転が可能な複数の主羽根と、互いに隣接する主羽根の間に設けられ、かつ、主羽根よりも短くもしくは主羽根と等しい長さに形成された中間羽根とを有する羽根車において、前記主羽根を９枚以下有し、前記中間羽根は、前記主羽根の長さをＬ０とし、該中間羽根の長さをＬ１としたとき、０．５０≦Ｌ１／Ｌ０＜１．０となる長さに形成され、かつ当該中間羽根を、互いに隣接する主羽根の間に、１枚、互いに隣接する主羽根の羽根車の外周端部に位置する縁の周方向に沿った間隔をλ０とし、中間羽根の羽根車の外周端部に位置する縁とこの中間羽根に低圧面を相対させる主羽根の羽根車の外周端部に位置する縁との周方向に沿った間隔をλ１としたとき、０．３５≦λ１／λ０＜０．５０に位置して、前記羽根車の外周端部から、隣接する主羽根に沿って形成したことを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
【００２４】
図１にその一部の断面を拡大して示すフランシス形ポンプ水車１は、揚水発電により発電を行う水力発電設備などに用いられる。前記水力発電設備は、高所に位置する上池と、この上池と相対的に低所に位置する下池と、前記ポンプ水車１と、発電電動機などを備えている。
【００２５】
前記水力発電設備は、主に夜間の剰余電力を利用して水を下池から上池に汲み上げ位置エネルギとして貯蔵し、昼間の電力需要の多い時にポンプ水車１を水車として運転して発電電動機を用いて発電を行う。ポンプ水車１は、瞬時予備動力としてや電力系統の安定化のためにも用いられる。
【００２６】
ポンプ水車１は、水車として駆動される際には、水の持つ位置及び運動エネルギを軸動力に変換するとともに、ポンプとして駆動される際には、軸動力を水の位置及び運動エネルギに変換するようになっている。ポンプ水車１は、その効率などの性能の特性を左右する重要な要素として、羽根車４を備えている。
【００２７】
羽根車４は、図示しない前述した発電電動機の駆動軸に接続しており、発電電動機または流路６内を通る流体によって、図中一点鎖線Ｐで示す軸線回りに回転するようになっている。
【００２８】
羽根車４は、ポンプとして駆動する際は、図２中の矢印Ｊに沿って回転するとともに、水車として駆動する際は図２中の矢印Ｋに沿って回転するようになっている。そして、前記流路６内を通る流体は、羽根車４がポンプとして駆動すると吸出し管５から上下カバー２に向って流れるとともに、羽根車４が水車として駆動すると上下カバー２から吸出し管５に向って流れるようになっている。
【００２９】
羽根車４は、複数の主羽根１０と、これらの主羽根１０のうち互いに隣接するものの間に設けられた中間羽根１１と、を備えている。主羽根１０は、互いに、羽根車４が矢印Ｋに沿って回転する水車流れ時の上流側に位置する縁１０ａから下流側に位置する縁１０ｂに亘るキャンバライン（Ｃａｍｂｅｒ Ｌｉｎｅ ）に沿う長さＬ０及びこのキャンバラインの曲率などが互いに等しいなどの略同形状に形成されている。
【００３０】
主羽根１０は、それぞれ、羽根車４が前記矢印Ｊ，Ｋに沿って回転する際に、その表面に沿って流れる流体が低圧力となる低圧面１２と、この低圧面１２の反対側に位置し前述した表面に沿って流れる流体が高圧力となる高圧面１３と、を備えている。
【００３１】
また、主羽根１０は、羽根車４の周方向に沿って等間隔となる位置に、互いの低圧面１２に対し高圧面１３を相対させた状態で配されている。主羽根１０は、互いに隣接する主羽根１０の周方向に沿った縁１０ａの間の間隔λ０が、略一定となるように配されている。なお、前記主羽根１０は、９枚以下設けられるのが望ましい。
【００３２】
中間羽根１１は、水車流れ時の上流側に位置する縁１１ａから下流側に位置する縁１１ｂに亘るキャンバラインに沿う長さＬ１が主羽根１０のキャンバラインに沿う長さＬ０以下の長さに形成されている。中間羽根１１は、水車流れ時の上流側に位置する縁１１ａにおいては、前記主羽根１０の縁１０ａにおける径と略同等の径を有するように形成されている。なお、前記主羽根１０の縁１０ａ及び中間羽根１１の縁１１ａは、本明細書に記した羽根車４の外周端部に位置する縁をなしている。
【００３３】
中間羽根１１は、羽根車４が前記矢印Ｊ，Ｋに沿って回転する際に、その表面に沿って流れる流体が低圧力となる低圧面１４と、この低圧面１４の反対側に位置し前述した表面に沿って流れる流体が高圧力となる高圧面１５と、を備えている。
【００３４】
中間羽根１１は、隣接する主羽根１０に沿って形成されている。中間羽根１１は、隣接する主羽根１０の低圧面１２に対しその高圧面１５を相対させるとともに、隣接する主羽根１０の高圧面１３に対しその低圧面１４を相対させた状態で、互いに隣接する主羽根１０，１０の間に１枚配されている。
【００３５】
また、中間羽根１１は、その高圧面１５が低圧面１２に相対する主羽根１０の縁１０ａと、前述した縁１１ａとの周方向に沿った間隔λ１が、前述した間隔λ０との間に以下に示す式１を満たす位置に配されている。
【００３６】
０．３５≦λ１／λ０＜０．５０…………式１
このように、前記中間羽根１１は、互いに隣接する主羽根１０，１０の間において、その高圧面１５が低圧面１２に相対する主羽根１０寄りに配されている。なお、図示例においては、中間羽根１１は、互いに隣接する主羽根１０，１０の間に１枚設けられているが、互いに隣接する主羽根１０，１０の間に複数枚設けられても良い。この場合、必ずしも前述した式１を満たさなくても良い。
【００３７】
前述した構成によれは、中間羽根１１を低圧面１２を相対させる主羽根１０寄りに配置している。このため、主羽根１０及び中間羽根１１の表面である低圧面１２，１４及び高圧面１３，１５の近傍での流速の減速を抑えて、境界層の成長や流れの剥離を抑制することが可能となる。そして、図３中に実線Ｒ１で示す水車流れ時の効率特性が、図中一点鎖線Ｑ１で示す従来の羽根車５４を備えたポンプ水車５１の効率特性に比べて向上する。なお、図３において、横軸は流量係数Ｑを示し、縦軸は効率ηを示している。
【００３８】
また、従来の羽根車５４を備えたポンプ水車５１の水車流れ時において、図３に示した効率特性における最高効率点Ｉａ１をはずれると、羽根車５４へ流入する流体の流れが羽根６０に沿わなくなって、羽根６０の上流側の縁６０ａの近傍で流れの大きな減速が生じ流れの剥離を引き起こす可能性がある。
【００３９】
しかし、前記ポンプ水車１の羽根車４は、中間羽根１１を設けたことによって主羽根１０及び中間羽根１１一枚あたりの負荷が減少するため、前記縁１０ａ，１１ａの近傍における減速が減少する。このため、羽根１０，１１の上流側の縁１０ａ，１１ａの近傍における羽根１０，１１のキャンバラインが流体の流入角度に沿わなくなっても、従来の羽根車５４に比較して損失を抑制することができる。
【００４０】
このように、本実施形態の羽根車４は、水車流れ時における効率特性が上述した理由によって、最高効率点Ｉ１が向上するとともに、この最高効率点Ｉ１での流量より少ない部分流量時及び、最高効率点での流量より多い過大流量時の効率が従来例と比較して高くなり、流量の変化に対する効率の変化が平坦になる。したがって、上池及び下池の水位変動が大きな場合でも、効率の向上を図ることができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態を図４ないし図８を参照して説明する。なお、前述した第１の実施形態と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４２】
本実施形態の羽根車４の中間羽根１１は、図４及び図５に示すように、図中のＶ−Ｖ線に沿うキャンバラインに沿う長さＬ１が、主羽根のキャンバラインに沿う長さＬ０に対し以下の式２を満たすように形成されている。なお、図中のＶ−Ｖ線は、縁１１ａにおける翼幅Ｓに対し、シュラウド面３を基準として１０％高さの部分を示している。
【００４３】
０．５０≦Ｌ１／Ｌ０＜１．０……………式２
また、本実施形態においても、互いに隣接する主羽根１０，１０の間に１枚の中間羽根１１が前述した式１を満たす位置に配されても良く、または互いに隣接する主羽根１０，１０の間に複数枚配されても良い。
【００４４】
前述した構成によれば、図６ないし図８に示す特性が得られる。図６は、水車流れ時の効率ηを示し、横軸は流量係数Ｑを示している。図６中実線Ｒ２は本実施形態の羽根車４を備えたポンプ水車１の特性を示し、図６中一点鎖線Ｑ２は従来の羽根車５４を備えたポンプ水車５１の特性を示している。
【００４５】
中間羽根１１を設けることによって羽根１０，１１一枚あたりの負荷を減少させることができ、主羽根１０及び中間羽根１１の低圧面１２，１４及び高圧面１３，１５の近傍での流速の減少を抑えることができ、境界層の成長や流れの剥離を抑制することができる。
【００４６】
このため、羽根車４は、図６に示すように、最高効率点Ｉ２の向上と部分流量時及び過大流量時の効率も向上して、従来の羽根車５４に比較して流量の変化に対する効率の変化が平坦になる。
【００４７】
図７は、ポンプ流れ時の効率ηを示し、横軸は流量係数Ｑを示している。図７中実線Ｒ３は本実施形態の羽根車４を備えたポンプ水車１の特性を示し、図７中一点鎖線Ｑ３は従来の羽根車５４を備えたポンプ水車５１の特性を示している。
【００４８】
ポンプ流れにおいても、前述した水車流れ時と同様に、中間羽根１１を設けることによって、主羽根１０及び中間羽根１１の低圧面１２，１４及び高圧面１３，１５の近傍での境界層の成長や流れの剥離を抑制することができる。このため、羽根車４は、図７に示すように、最高効率点Ｉ３の向上と部分流量時及び過大流量時の効率も向上して、従来の羽根車５４に比較して流量の変化に対する効率の変化が平坦になる。
【００４９】
図８は、ポンプ流れ時の上流側に位置する縁１０ｂ，１１ｂにおけるキャビテーションの発生を示すキャビテーション初生曲線を示し、横軸は流量係数Ｑを示し、縦軸はキャビテーション係数Ｈを示している。図８中実線Ｒ４は本実施形態の羽根車４を備えたポンプ水車１の特性を示し、図８中一点鎖線Ｑ４は従来の羽根車５４を備えたポンプ水車５１の特性を示している。
【００５０】
また、前記実線Ｒ４及び一点鎖線Ｑ４において、キャビテーション係数Ｈが最も低くなる点Ｉ４を境に小流量側では、前記低圧面１２において縁１０ｂの近傍２１にキャビテーションが生じ、大流量側では、前記高圧面１３において縁１０ｂの近傍２２にキャビテーションが生じる。このように、キャビテーションは、ポンプ入口角度と流れの角度との差が大きくなると、流れの入ってくる反対側に位置する面で圧力が局所的に低下して生じる。
【００５１】
本実施形態の羽根車４は、中間羽根１１を設けることによって、前述したキャビテーション係数Ｈが最小となる点Ｉ４を境に、大流量側で生じる主羽根１０の高圧面１３において縁１０ｂの近傍２２で生じる局所的な静圧の低下を中間羽根１１との干渉で抑制することができ、キャビテーションの発生を大幅に抑制することができる。したがって、図８中実線Ｒ４で示したように、従来の羽根車５４と比較してキャビテーション係数Ｈを低下させることが可能となる。
【００５２】
このように、本実施形態の羽根車４は、前記式２を満たす中間羽根１１を設けることによって、ポンプ水車１の水車流れ時及びポンプ流れ時での効率を改善することができるとともに、ポンプ流れ時キャビテーション特性を改善することが可能となる。
【００５３】
したがって、上池及び下池の水位変動が大きな場合でも効率の向上を図ることができるとともに、キャビテーションの発生を抑制するなどのキャビテーション特性を改善することができる。
【００５４】
また、前述した第１及び第２の実施形態において、互いに隣接する主羽根１０，１０の間に複数枚の中間羽根１１を設けた場合には、主羽根１０，１０間における流れを中間羽根１１がより整流することとなって、主羽根１０及び中間羽根１１の低圧面１２，１４及び高圧面１３，１５の近傍での境界層の成長や流れの剥離をより一層抑制できる。このため、最高効率点がより一層向上し部分流量時及び過大流量時の効率もより一層向上して、流量の変化に対する効率の変化が平坦になる。さらに、主羽根１０，１０間における流れがより整流されるので、キャビテーションの発生をより一層抑制することが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の羽根車は、９枚以下設けられた主羽根の互いに間に、これらの主羽根の長さと等しいかまたはこれらの主羽根より短い中間羽根を、１枚配している。このため、主羽根の表面における流速の減速を抑制することができ、これらの表面における境界層の成長や表面からの流れの剥離を防止することができる。したがって、上池及び下池の水位変動が大きな場合でも効率の向上を図ることができる。
【００５６】
また、本発明の羽根車は、中間羽根に低圧面を相対させる主羽根寄りに中間羽根を設けているので、主羽根の表面における流速の減速をより抑制することができ、これらの表面における境界層の成長や表面からの流の剥離をより確実に防止することができる。したがって、上池及び下池の水位変動が大きな場合でも効率の向上を図ることができる。
【００５８】
さらに、本発明の羽根車は、中間羽根をその長さＬ１が主羽根の長さＬ０の５０％以上１００％以下の長さとしているので、境界層の成長及び流れの剥離を抑制できることに加え、主羽根の表面における局所的な静圧の低下を中間羽根との干渉で抑制することができる。したがって、上池及び下池の水位変動が大きな場合でも、キャビテーションの発生を抑制するなどのキャビテーション特性を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の羽根車の羽根の子午面に沿ったポンプ水車の一部を示す断面図。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。
【図３】同実施形態の水車流れ時における効率特性を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態の羽根車の羽根の子午面に沿ったポンプ水車の一部を示す断面図。
【図５】図４中のＶ−Ｖ線に沿う断面図。
【図６】同実施形態の水車流れ時における効率特性を示す図。
【図７】同実施形態のポンプ流れ時における効率特性を示す図。
【図８】同実施形態のポンプ流れ時におけるキャビテーション初生曲線を示す図。
【図９】従来の羽根車の羽根の子午面に沿ったポンプ水車の一部を示す断面図
【図１０】図９中のＸ−Ｘ線に沿う断面図。
【図１１】従来の羽根車の水車流れ時における効率特性を示す図。
【図１２】従来の羽根車のポンプ流れ時における効率特性を示す図。
【図１３】従来の羽根車のポンプ流れ時におけるキャビテーション初生曲線を示す図。
【符号の説明】
１…フランシス形ポンプ水車
４…羽根車
１０…主羽根
１０ａ…縁
１１…中間羽根
１１ａ…縁
１２…低圧面
１３…高圧面

Claims (1)

1. 正回転と逆回転の２方向に回転を反転させることにより水車とポンプの両方の運転が可能な複数の主羽根と、互いに隣接する主羽根の間に設けられ、かつ、主羽根よりも短くもしくは主羽根と等しい長さに形成された中間羽根とを有する羽根車において、
   前記主羽根を９枚以下有し、
   前記中間羽根は、前記主羽根の長さをＬ０とし、該中間羽根の長さをＬ１としたとき、０．５０≦Ｌ１／Ｌ０＜１．０となる長さに形成され、かつ当該中間羽根を、互いに隣接する主羽根の間に、１枚、互いに隣接する主羽根の羽根車の外周端部に位置する縁の周方向に沿った間隔をλ０とし、中間羽根の羽根車の外周端部に位置する縁とこの中間羽根に低圧面を相対させる主羽根の羽根車の外周端部に位置する縁との周方向に沿った間隔をλ１としたとき、０．３５≦λ１／λ０＜０．５０に位置して、前記羽根車の外周端部から隣接する主羽根に沿って形成したことを特徴とする羽根車。

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