JP3688342B2 - ポンプ水車のランナ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はポンプ水車のランナに係り、特に水車の部分負荷効率性能を改善したランナの羽根形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポンプ水車のランナはその回転方向を変えることにより発電及び揚水運転を行うことができる。
図９はポンプ水車の構造の概略を示しており、発電運転中ケーシング１に流入した水はランナ２に流入し、これを回転駆動して吸出し管３から排出される。逆に揚水運転中、図示しない発電電動機により発電運転時とは逆方向にランナ２が回転駆動され、吸出し管３を通してランナ室内へ導かれた水はランナ２でエネルギを与えられ、ケーシング１を介して上池（図示せず）に揚水される。
【０００３】
この種のポンプ水車のランナ２は円周方向に等配された複数枚のランナ羽根４を有し、これらのランナ羽根４は、主軸５の下端に結合されたランナクラウン６とランナバンド７との間に固定されている。
図１０はランナ２を水車出口側から見た図を示しているが、ランナ羽根の水車流れ方向の出口側先端（以下水車羽根出口端という）８はほぼ半径方向に放射状に延在している。
【０００４】
上述のように、ポンプ水車は１個のランナで発電運転と揚水運転を行うが、両運転時の最高効率点は一致せず、揚水運転時の最高効率点の方が低落差側に位置する。揚水発電所では揚水運転時のポンプ特性が最も重要であることから、ランナはポンプ特性の最高効率点である低い揚程で大流量の条件で設計される。したがって、水車運転範囲は水車最高効率点から離れている。図１１はこの説明のために定性的に表した水車特性を示す。ここで横軸は、単位落差当りのランナ回転速度ｎ_１１を、縦軸は、単位落差当たりの流量Ｑ_１１を表す。図中、２点鎖線は等効率曲線を示し、これは、最高効率点η_ｔｍａｘ点から離れるほど水車効率が低下することを意味する。また、斜線部分は水車運転範囲を示している。以上のことから、水車運転範囲の水車効率は低くなり、特に流量の小さい部分負荷時の効率低下が大きくなる。
【０００５】
発電専用機の場合、この水車特性を改善する方法として、一般にランナ水車羽根入口角度を小さくして、羽根入口角度と流入角度とのアンマッチングにより生ずるエネルギ−損出（以下入口衝突損失という）特性を高回転速度側に移動させ、水車最高効率点を高回転速度側に移動させる方法や、羽根出口角度を小さくして水車出口の旋回成分により吸い出し菅内で生ずるエネルギ損失（以下出口損失という）特性を低流量側に移動させ、部分負荷効率を向上させる方法がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ポンプ水車の場合、ランナ水車羽根入口角度を小さくすると、揚程が小さくなってしまうと言う問題がある。この理由は次の通りである。ランナ水車出口側の流入する流れが、旋回成分を持たないとすると、理論揚程Ｈ_ｔｈは角運動量理論より次式で示される。ここで、Ｕ２はランナ水車羽根入口での周速度、Ｖ_ｍ２は入口の速度の半径方向速度、β２は羽根入口角度を示す。
Ｈ_ｔｈ＝Ｕ_２・Ｖ_ｕ２／ｇ （１）
Ｖ_ｕ２＝Ｕ_２−Ｖ_ｍ２／ｔａｎ（β_２） （２）
上式より、羽根入口角度β_２が小さくなると、Ｖ_ｕ２が小さくなり、理論揚程Ｈ_ｔｈが小さくなり、所定の揚水運転が不可能となる。したがって、水車性能向上のために羽根入口角度をむやみに小さくすることはできない。
【０００７】
次に、水車羽根出口角度を小さくした場合、ポンプ運転時でのキャビテ−ション特性が問題となる。図１２は揚水運転時における図９のＡ−Ａ線に沿った断面の水車羽根出口における流れの速度三角形を示し、流れの絶対速度Ｃは、ランナ周速Ｕ及び相対速度Ｗに分解される。図１２（ａ）は、小流量である高揚程運転時の状態を示している。この状態では、羽根角度β_０に対しランナ周速Ｕと相対速度Ｗとのなす相対流入角βが小さくなる。その結果、羽根裏面４ａで圧力が大きく低下し、そしてこの圧力が蒸気圧以下になるとキャビテーション（一般にこの位置で発生するキャビテーションをＫ_２と呼ぶ）が発生するようになる。このキャビテーションが長時間発生するとキャビテーション発生部付近で壊食が起こるようになる。
【０００８】
これに対して、図１２（ｂ）は、大流量である低揚程運転時の状態を示している。この状態では、水の相対流入角βは羽根角度β_０より大きくなって、羽根表面４ｂで圧力が大きく低下し、高揚程運転時とは逆に羽根表面４ｂ側にキャビテーション（一般にこの位置で発生するキャビテーションをＫ_１という）が発生するようになる。
【０００９】
この羽根角度β_０を単純に小さくした場合、高揚程側のＫ_２キャビテ−ションは発生しにくくなるが、Ｋ_１低揚程側のキャビテ−ションは逆に発生しやすくなり、揚水運転範囲とキャビテ−ション特性との関係が悪くなり、揚水運転範囲が狭くなる。このため、発電運転および揚水運転での運転時間が短くなり、運用効率が悪くなり、また、ダムの有効に利用できない貯水量が多くなり、資源を有効に利用できないと言った問題があった。
そこで、本発明の目的は、揚程特性やポンプキャビテ−ション特性に影響を与えずに水車部分負荷効率を向上させることができるポンプ水車ランナを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明は、
ランナクラウンとランナバンドとの間に複数枚のランナ羽根をランナ円周方向に等間隔をおいて固定保持するとともに、前記ランナ羽根の水車流れ方向における羽根出口端が半径方向に放射状に延在しているポンプ水車のランナにおいて、
前記ランナ羽根のうち前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端の前記ランナバンドに近い部分を、水車流れの下流方向に向かって延長することにより、その羽根出口端が曲線状の輪郭をなすように形成してなるポンプ水車のランナであって、
前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根を延長する距離は、前記ランナバンドに接近するに従い漸次長くなり、
かつ前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根の延長を開始する位置における、前記ランナ羽根の羽根厚中心を結んでできるそり線がランナ円周方向となす角度をβ_０とするとともに、
前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端における前記ランナ羽根の羽根厚中心を結んでできるそり線がランナ円周方向となす角度をβ _１ としたときに、
β _１ ＜β _０ となるように前記ランナ羽根が延長されていることを特徴としている。
【００１１】
この構成にあっては、前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根の延長を開始する位置と前記ランナバンドの内面のランナ出口端との間の半径方向の距離をＨとし、前記ランナバンドの内面の出口端の直径をＤとしたとき、前記Ｈが、０．０２≦Ｈ／Ｄ≦０．１０の関係にあることが望ましい。
また、前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根の延長を開始する位置と前記ランナバンドの内面のランナ出口端との間の半径方向の距離をＨとし、水車出口方向から見たときに前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端が前記ランナバンド上で終端する位置と前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端との間のランナ円周方向の距離をＬとしたとき、前記Ｌが、０．５≦Ｌ／Ｈ≦２．３の関係にあることが望ましい。
【００１２】
【作用】
本発明のポンプ水車ランナでは、バンド付近の水車羽根角度のみを小さくすることにより、揚水運転時において吸出し管壁面の境界層の発達により、ランナに流入する相対流入角度が小さくなることから、低揚程側のキャビテ−ションに対する性能は低下せず、発電運転時は、羽根出口側角度が小さくなるため、ランナ出口渦損失特性が部分負荷側に移動するため部分負荷効率が向上する。
【００１３】
【実施例】
以下本発明によるポンプ水車のランナの一実施例を図１乃至３を参照して説明する。
図１はランナクラウン６とランナバンド７との間に挟持された１枚のランナ羽根４を示している。図２はランナ２の水車出口方向から見た複数枚のランナ羽根４の構成を示している。また、図３は図１のランナバンド７の近くに設定されたＡ−Ａ線に沿って切断して示した隣り合った一対のランナ羽根を断面で示している。本発明によれば、図１および図２から明らかなように、ランナ羽根４の水車羽根出口端８のランナバンド７に近い領域が、水車流れ方向下流側に向かって曲線状の輪郭を成すようにして延長されている。図１における点Ｇは、水車羽根出口端８が水車方向出口に向かって延長を開始する点を示しており、この点Ｇ位置における水車羽根出口端８の輪郭形状は、図３中破線で示されている。その部分における羽根先端部の羽根厚中心を結んでできるそり線Ｔ_０の円周方向からの角度を羽根出口角度β_０と定義する。本発明によれば、点Ｇからランナバンド７に向かう部分の羽根先端部が、実線で示したように水車流れ方向下流側に向かって延長され、そのそり線Ｔ_１と円周方向となす羽根出口角度をβ_１とすると、β_１＜β_０となるように延長されている。
【００１４】
また、図１から明らかなように、上記ランナ羽根の水車羽根出口端の延長量は、ランナバンド７に向かうに従い大きくなっている。
本願発明はこのように構成されているから、揚水運転時、図９に示したように、吸出し管３から導かれた水がランナ２に流入するが、このランナに流入する水は境界層が発達し、ランナバンド７の側の流速は遅くなる。
【００１５】
図４は、境界層がなく一様絶対速度Ｃであるとして求めた相対流入角度βと、境界層が完全に発達した場合の絶対速度分布を使って同様に求めた流入角度βとの差Δβの分布を示している。
横軸は図１に示すように、ランナ出口径Ｄで無次元化したランナバンド７の出口端から羽根出口端８の延長開始点Ｇまでの半径方向長さＨを表し、縦軸は上記Δβを表す。このグラフからわかるように、ランナバンド７の付近のΔβが大きくなっており、これは実際の流入角度βは小さくなっていることを意味する。したがって、Ｋ_１キャビテーションに対する性能を低下させずにランナバンド７の付近のランナ羽根表面側の羽根角度を小さくすることが可能である。
この時、上述のように本発明の実施例の羽根出口角度β_１は揚水運転条件から決まる羽根出口角度β_０に比べ小さく設定してあるため、羽根裏面４ａの先端角度は揚水運転条件から決められた角度とほぼ同一となり、Ｋ_２キャビテーションに対する性能はほとんど変わらない。
【００１６】
次に、発電運転における部分負荷時のランナバンド７に近い水車羽根出口端部８の流れを図５に示す。破線は従来の水車羽根出口端の形状および速度三角形を示し、実線は本発明の場合を示している。
従来の場合は、羽根出口角度が大きいため、ランナ出口の流れは、ランナ回転方向Ｎ側に大きな周方向速度成分Ｖ _w を持つ。これに対して、本発明の場合は羽根出口角度が小さいため、ランナ出口の流れは従来の場合に比べ周方向速度成分Ｖ _ｗ ’は小さくなる。この差は流量が小さくなるに従い大きくなる。
したがって、本発明の場合は、従来に比べ、ランナ出口の旋回によって生じる出口渦損失特性が低流量側に移動し、部分負荷側の水車効率が向上する。
【００１７】
図６は、上述の実施例による効果を検証するための模型試験結果を示したグラフである。横軸は、設計点流量Ｑ０ で無次元化した水車流量Ｑを表し、縦軸は、羽根出口端の延長の無い場合の水車最高効率η０ で無次元化した水車効率ηを表す。
このグラフから、破線で示した水車羽根出口端に延長の無い場合の効率に比べ、実線で示した羽根先端延長のある場合の方が水車効率が向上し、特に部分負荷側の効率が大幅に向上していることがわかる。
この実施例によれば、揚水運転時のキャビテ−ションに対する性能を低下させずに、水車効率を向上できる。
【００１８】
本発明の好ましい実施例によれば、図１でランナバンド出口端直径Ｄに対し、羽根出口端延長部の半径方向長さをＨとした時、Ｈは下記の範囲を満足するように選定される。
Ｈ＝（０．０２〜０．１０）Ｄ
【００１９】
図７は、羽根出口端８のランナバンド上の水車下流側への延長距離を一定にした状態で延長部の半径方向長さＨを変化させた時の水車効率への影響を実験的に調べた結果を示している。左側の縦軸は延長のない場合の水車最高効率η０ で無次元化した、流量比Ｑ／Ｑ０ ＝０．８での羽根先端延長のある場合とない場合との水車効率差Δηを表す。また、右側の縦軸は、羽根先端延長のある場合と無い場合とのＫ_１キャビテ−ション係数差Δσ_ｉＫ１を表している。
【００２０】
これにより、Ｈ／Ｄ＜０．０２では水車効率への影響は大きいが、Ｈ／Ｄ＞０．０２になると、水車効率の変化は、比較的小さくなり高い効率が得られることがわかる。部分負荷運転の場合、水の流れがランナバンド７の側に偏るようになるため、ランナバンド７に近い部分の羽根形状が効率性能に与える影響が大きくなる。
【００２１】
一方、図４から明らかなように、Ｈ／Ｄ＞０．１では境界層の影響が小さくなるため、Ｋ_１キャビテーションが発生しやすくなる。従って、本実施例によれば、揚水運転時のキャビテーションに対する性能を低下させずに水車効率を最大限に向上できる。
図１に示すランナ羽根先端延長部の半径方向長さＨに対し、ランナバンド上の延長開始点Ｇから円周方向への距離をＬとした時、Ｌは下記の範囲を満足するように選定される。Ｌ＝（０．５〜２．３）Ｈ
【００２２】
次に本実施例の作用を図８を参照して説明する。このグラフは羽根先端延長距離Ｌを種々変えた時の水車効率及びＫ１キャビテーションに対する性能への影響を実験的に調査したものである。横軸は羽根先端突出し高さＨで無次元化した先端突出し長さＬを表し、縦軸の左側は突出しのない場合の水車最高効率η_０で無次元化した、流量比Ｑ／Ｑ_０＝０．８での羽根先端突出しのある場合とない場合との水車効率差Δηを表し、右側は図１で示したように、羽根先端突出しのない場合とある場合とのＫ_１キャビテーション係数の差Δσ_ｉＫ１を表す。
【００２３】
図１２に示すように、羽根先端延長距離Ｌが大きくなるに従い、羽根表面の出口角度が相対的に小さくなるため、第２の実施例と同様に、部分負荷での効率が上昇し、Ｌ／Ｈ≧０．５で水車効率上昇が比較的小さくなる。一方、Ｌが大きくなると、逆に羽根先端表面側の羽根角度が小さくなるためＫ_１キャビテーションが発生しやすくなり、Ｌ＞２．３Ｈでその影響が大きくなる。
従って、本実施例によれば、揚水運転時のキャビテーション性能を低下させずに水車効率を最大限に向上できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ランナ羽根の水車羽根出口端のランナバンド付近に羽根先端延長部を設けたので、揚水運転時のキャビテーション性能を低下させずに水車出口流れ渦損失特性を低流量側に移動させることができ、これによって、水車運転時の水車効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例によるによるポンプ水車のランナを示した部分断面図。
【図２】 図１に示したランナ羽根を水車出口側から見た部分正面図。
【図３】 図１のＡ−Ａ線に沿って切断して示した一対のランナ羽根を示した断面図。
【図４】 羽根出口のランナバンド側からの半径方向によるランナ流入角度の変化を示したグラフ。
【図５】 発電運転の部分負荷時におけるランナバンド付近の羽根出口の流れを速度三角形で模式的に示した説明図。
【図６】 相対流量と相対効率との関係を示したグラフ。
【図７】 羽根先端延長部の半径方向長さと水車効率およびキャビテ−ション性能への影響について示したグラフ。
【図８】 ランナバンド上の羽根延長部の円周方向距離と水車効率および揚水運転時の羽根先端表面に発生するキャビテ−ションに対する性能への影響について示したグラフ。
【図９】 従来のポンプ水車の構造を概略的に示した断面図。
【図１０】 従来のポンプ水車のランナ羽根を水車出口側から見た部分正面図。
【図１１】 単位落差当りの回転速度と単位落差当りの流量との関係を示した水車特性図。
【図１２】 （ａ） 高揚程運転時のランナ羽根流入状態を速度三角形で模式的に示した概略図。（ｂ） 低揚程運転時のランナ羽根流入状態を速度三角形で模式的に示した概略図。
【符号の説明】
１ ケーシング
２ ランナ
３ 吸出し管
４ ランナ羽根
４ａ ランナ羽根裏面
４ｂ ランナ羽根表面
６ ランナクラウン
７ ランナバンド
８ 水車羽根出口端

Claims (3)

1. ランナクラウンとランナバンドとの間に複数枚のランナ羽根をランナ円周方向に等間隔をおいて固定保持するとともに、前記ランナ羽根の水車流れ方向における羽根出口端が半径方向に放射状に延在しているポンプ水車のランナにおいて、
   前記ランナ羽根のうち前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端の前記ランナバンドに近い部分を、水車流れの下流方向に向かって延長することにより、その羽根出口端が曲線状の輪郭をなすように形成してなるポンプ水車のランナであって、
   前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根を延長する距離は、前記ランナバンドに接近するに従い漸次長くなり、
   かつ前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根の延長を開始する位置における、前記ランナ羽根の羽根厚中心を結んでできるそり線がランナ円周方向となす角度をβ_０とするとともに、
   前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端における前記ランナ羽根の羽根厚中心を結んでできるそり線がランナ円周方向となす角度をβ _１ としたときに、
   β _１ ＜β _０ となるように前記ランナ羽根が延長されていることを特徴とするポンプ水車のランナ。
2. 前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根の延長を開始する位置と前記ランナバンドの内面のランナ出口端との間のランナ半径方向の距離をＨとし、
   前記ランナバンドの内面の出口端の直径をＤとしたとき、
   前記Ｈが、０．０２≦Ｈ／Ｄ≦０．１０の関係にあることを特徴とする請求項１に記載のポンプ水車のランナ。
3. 前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端から前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端へと前記ランナ羽根の延長を開始する位置と前記ランナバンドの内面のランナ出口端との間のランナ半径方向の距離をＨとし、
   水車出口方向から見たときに、前記曲線状の輪郭をなす羽根出口端が前記ランナバンド上で終端する位置と前記半径方向に放射状に延在している羽根出口端との間のランナ円周方向の距離をＬとしたとき、
   前記Ｌが、０．５≦Ｌ／Ｈ≦２．３の関係にあることを特徴とする請求項１に記載のポンプ水車のランナ。

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