JP3993371B2 - Runner blade of mixed flow hydraulic machine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜流水車や斜流ポンプ水車などの斜流水力機械のランナ羽根に関する。
【0002】
【従来の技術】
先ず、図1により、斜流水車や斜流ポンプ水車などの斜流水力機械の一般的構造を説明する。
斜流水力機械1は、主軸(主軸の軸線2のみを示す)を有し、この主軸の下端部には、ランナボス4が直結され、このランナボス4には、周方向に列状に複数のランナ羽根6が配置されている。このランナ羽根6は、ランナボス4に回動自在に挿入された羽根軸8と、この羽根軸8に設けられた羽根10から構成されている。これらのランナ羽根6の下方外周側には、所定の隙間11を介してランナ羽根6を囲むように球面加工されたディスチャージリング12が配置されている。このディスチャージリング12の下方には、スロート部14を介して上部吸出し管16が接続して設けられている。また、ランナボス4及びランナ羽根6の水平方向外周には、複数の開度可変のガイドベーン18が配置されている。また、ランナ羽根6の羽根10は、ボス側20、チップ側22、入口端(前縁)24及び出口端(後縁)26を備えている。
【0003】
このような構造の斜流水力機械1を水車として使用する場合には、水圧鉄管(図示せず)からの落水を渦巻きケーシング(図示せず)に導き、ステーベーン(図示せず)及びガイドベーン18を介してランナ羽根6に導き、ランナ羽根6を回転させる。また、ポンプとして使用する場合には、主軸を水車の場合とは逆回転させることにより、上部吸出し管16側から水を上方に押し上げる。
【0004】
一方、特開平8−165979号公報には、関連する従来技術として、斜流水力機械のガイド羽根の一例が示されている。この公報の従来例は、ランナ羽根の羽根の出口端(後縁)のチップ側を上流側に寄せることにより、羽根をスロート部から遠ざけ、これにより、効率を低下させることなくスロートキャビテーションを低減させるようにしたものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した斜流水力機械において、羽根10とディスチャージリング12との間の隙間(チップ隙間)11で、羽根10のチップ側の圧力面と負圧面との間の圧力差により、チップキャビテーションが発生する。このチップキャビテーションが通常の運転条件で過大に発生すると、羽根10のチップ側付近が腐食により損傷し、この損傷の補修が必要となり、そのための余分な時間及びコストが必要となる。このため、チップキャビテーションの抑制が要望されている。
また、臨界キャビテーション特性(効率が低下し始めるキャビテーション係数)の影響で、プラント建設の際にドラフトチューブを地下により深く埋設する必要があり、工事費用が増大していた。
さらに、斜流水力機械において、ランナ羽根のチップ側の入口端の負圧面で局所的な静圧低下が起こり易く、そのため、チップ側の入口端の負圧面に流れの剥離が生じ、それに起因するキャビテーションが発生する場合がある。この現象は、効率が高い比較的大流量側の条件で顕著に発生する。
したがって、このようなチップキャビテーションの抑制及び臨界キャビテーション特性の向上等も要望されている。
【0006】
そこで、本発明は、従来からの要請を満たすためになされたものであり、効率を向上させると共にチップキャビテーションの抑制及び臨界キャビテーション特性の向上等を実現することができる斜流水力機械のランナ羽根を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、ランナボスに回動自在に挿入される羽根軸と、この羽根軸に設けられた羽根とを有する斜流水力機械のランナ羽根において、羽根は、ボス側プロファイルのそりが50度から60度に設定され、チップ側プロファイルのそりが30度から35度に設定され、さらに、羽根が、その入口端が斜流水力機械の主軸の軸線に対して5度傾くように設定されていることを特徴としている。
【0010】
【作用】
上記のように構成された本発明においては、羽根のボス側プロファイルのそりが50度から60度に設定され、チップ側プロファイルのそりが30度から35度に設定されているので、チップ側の圧力面側と負圧面側の圧力差を小さくすることができ、チップキャビテーションの発生を効果的に抑制することができ、さらに、羽根が、その入口端が斜流水力機械の主軸の軸線に対して5度傾くように設定されているので、ランナ羽根の流路内の2次流れを低減することができ、効率が向上する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
先ず、図2乃至図6により、本発明の第1実施形態を説明する。図2は本発明の斜流水力機械のランナ羽根の第1実施形態を示す斜視図であり、図2(a)は従来例を示し、図2(b)は第1実施形態を示している。図3は第1実施形態の羽根を示す部分斜視図である。図4は第1実施形態におけるランナ羽根のボス側プロファイルとチップ側プロファイルを示す図である。図5はランナ羽根のプロファイルのそりを説明するための平面図及び断面図である。図6は第1実施形態におけるランナ羽根のボス側及びチップ側における翼面の圧力分布を示す線図である。なお、図1と同一部分については同一符号を付し説明は省略する。
【0014】
先ず、図1に示すように、羽根10のチップ側22と球面加工されたディスチャージリング12との間には、上述したように、隙間11が存在する。このため、大流量側になるほど羽根10のチップ側22の出口端28がディスチャージリング12の球面部分からはずれてしまい、隙間11が大きくなる。この結果、羽根10の圧力面側と負圧面側との間に存在する圧力差が大きくなり、この大きな圧力差により、ジェット(噴流)が発生し、それにより、上述したチップキャビテーションが発生する。第1実施形態は、このチップキャビテーションの発生を抑制するものであり、以下の構成を有している。
【0015】
図2及び図4に示すように、第1実施形態においては、斜流水力機械1が水車として使用される場合には、回転方向Aの方向に回転し、羽根10のボス側20からチップ側22にかけての仕事分布をチップキャビテーションの発生を抑制できるように調整したものである。
従来において、図2、図4及び図6に示すように、仕事分布は、羽根10のボス側20が小さく、チップ側22が大きな傾向にあり、そのため、チップ側22で翼面の圧力面側30と負圧面側32との圧力差34(図6参照)が大きくなっていた。これに対し、図2、図4及び図6に示すように、第1実施形態においては、羽根10のボス側20のプロファイル(翼型)のそりを従来よりも大きくして羽根10の負荷を増加させると共に、チップ側22のプロファイルのそりを小さくして羽根の負荷を低減し、チップ側22の圧力面側30と負圧面側32との圧力差34を小さくしている。
【0016】
次に、図5により、羽根10のボス側20及びチップ側22のプロファイルのそりを具体的に説明する。羽根10のプロファイルのそりは、翼角β(翼角度とも言う)の最大値で代表して示される。翼角βは、水車として使用されるときの回転方向A(接線方向)と羽根10のボス側20からチップ側22までの任意の断面X−Xの入口端24から出口端26までの任意箇所における角度βとして定義されている。通常は、入口端24から翼長さの20%から30%の位置に翼角βの最大値が存在する。第1実施形態では、このよう定義のもとで、羽根10のボス側20のプロファイルのそり(翼角βの最大値)が、50度乃至60度の範囲にあるのが好ましく、55度であるのが最適である。また、羽根10のチップ側22のプロファイルのそり(翼角βの最大値)が、30度乃至35度の範囲にあるのが好ましく、33度であるのが最適である。
【0017】
第1実施形態によれば、図6に示すように、従来例と比較して、羽根10のボス側20のプロファイル(翼型)のそりを大きくして羽根10の負荷を増加させると共に、チップ側22のプロファイルのそりを小さくして羽根の負荷を低減し、チップ側22の翼面の圧力面側30と負圧面側32との圧力差を小さくしているので、チップキャビテーションの発生を効果的に抑制することができる。
【0018】
さらに、第1実施形態では、図3に示すように、羽根10の入口端(前縁)24が斜流水力機械1の主軸の軸線2に対して0度から5度傾くように設定されている(図3において、角度αで示す)。なお、従来例においては、角度αは、10度乃至15度であった。
このように、角度αを0度乃至5度に設定することにより、従来よりも、ランナ羽根6の流路内の2次流れを低減することができ、その結果、効率を向上させることができる。
【0019】
次に、図7乃至図10により、本発明の第2実施形態を説明する。図7は第2実施形態のランナ羽根を示す斜視図、図8は第2実施形態のランナ羽根を示す平面図、図9のランナ羽根のチップ側の断面を示す断面図、図10は第2実施形態のランナ羽根のチップ部の翼面の圧力分布を示す線図である。
図7及び図8に示すように、第2実施形態のランナ羽根6においては、ランナ羽根6の軸線7の位置が、チップ側においては入口端(前縁)24から羽根長さの30%から40%に位置し、ボス側においては入口端(前縁)24から羽根長さの35%から45%に位置するように設定されている。また、羽根10のチップ側の入口端を立てる、即ち、羽根10のチップ側の入口端の角度を、流れの角度よりも5度乃至8度大きくなるように設定する。
【0020】
一方、図7に示すように、従来のランナ羽根は、羽根のチップ側が下流側によった即ち後退した形状となっていたため、羽根のチップ側の入口端の負圧面側で局所的な静圧低下36(図10参照)が起こり易くなり、そのため、その部分で流れが剥離し、それに起因してキャビテーションが発生していた。このキャビテーションは、効率が高い比較的大流量側の条件で顕著に現われていた。
【0021】
しかしながら、上述した本発明の第2実施形態においては、羽根10のチップ側22の入口端24を従来よりも上流側によせ即ち前進させた形状、より具体的には、ランナ羽根10の軸線7の位置が、チップ側22において入口端(前縁)24から羽根長さの30%から40%に位置するように設定し、さらに、羽根10のチップ側22の入口端の角度を流れの角度よりも5度乃至8度大きくなるように設定したので、上述した羽根10のチップ側22の入口端24の負圧面側32の局所的な静圧低下36の発生を防止することができる。さらに、第2実施形態では、羽根10のチップ側22の入口端24を従来例よりも立てる、即ち、羽根10のチップ側22の入口端の角度を、流れの角度Bよりも5度乃至8度大きくなるように設定しているので、流れが圧力面側30から流入した場合には、流れは羽根10にスムーズに流入し、流れが負圧面側32から流入した場合でも、圧力面側30ではもともと圧力が高いため、流れが剥離し難い。
このように、第2実施形態によれば、羽根10のチップ側22の入口端24の負圧面側32での流れの剥離を抑制すると共に、流れの剥離に起因するキャビテーションの発生を抑制することができる。
【0022】
次に、図11及び図12により、本発明の第3実施形態を説明する。図11は本発明の第3実施形態を示す正面図であり、図12は第3実施形態による羽根のチップ側の翼面の圧力分布を示す線図である。
先ず、図11に示すように、ランアボス4と静止部40との間には隙間(シールクリアランス)42があり、この隙間42が存在する位置をシール直径44と呼ぶ。このシール直径44が大きくなるほど斜流水力機械(水車として使用)1の主軸にかかる下向きのスラスト力が増加し、スラスト軸受(図示せず)への負担が大きくなる。このため、コストダウンを図るため、シール直径44を小さくする必要がある。そこで、ランナ羽根6は、その開度を運転条件ごとに変化させることができる可動翼であるため、プラント運転上考えられる最大開度46において、シール直径44まで差しかからないように、羽根10のボス側20のプロファイルの寸法を決定する必要がある。さらに、ランナボス4のボス側20に施された球面加工部分50に対して、羽根10のボス側20のプロファイルの入口端又は出口端がはみ出ないようにする方が、羽根10を部分的に切り落とす必要が無いので、性能的に有利となる。
【0023】
このような観点から、第3実施形態では、羽根10のボス側プロファイルのそり(第1実施形態と同じ意味)を第1実施形態よりもさらに大きくとり、即ち、羽根10のボス側プロファイルのそりを60度乃至70度(最適値は65度)に設定することにより、ボス側のプロファイルの翼長(コード長)を短くしている。
一方、チップ側22では、ガイドベーン18とランナ羽根6との間の流水部の水圧脈動に注意する注意する必要がある以外に制限がないため、羽根10のチップ側プロファイルのそりをほとんどなくして平板気味の設計とし、即ち、羽根のチップ側22のプロファイルのそりは20度から30度(最適値は25度)に設定する。その結果、羽根10のチップ側22では、チップ側プロファイルの翼長(コード長)を増した形状とすることができる。
【0024】
このようにして、第3実施形態によれば、ボス側プロファイルの翼長を短くでき、シール直径44を小さくすることができ、スラストも小さくすることができる。また、チップ側プロファイルのそりをほとんどなくして翼長を長くしたので、負荷が低減し、第1実施形態よりも、翼面の圧力面側30及び負圧面側32の圧力差34を小さくすることができるので、その分、チップキャビテーションをより有効に抑制することができる。さらに、チップ側22の負圧面側32の出口付近での最少圧力52を比較的大きくすることができるので、臨界キャビテーション特性も改善することができる。
【0025】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の斜流水力機械のランナ羽根によれば、効率を向上させると共にチップキャビテーションの抑制及び臨界キャビテーション特性の向上等を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】斜流水車や斜流ポンプ水車などの斜流水力機械の一般的構造を示す正面図である。
【図2】本発明の斜流水力機械のランナ羽根の第1実施形態を示す斜視図であり、図2(a)は従来例を示し、図2(b)は第1実施形態を示している。
【図3】第1実施形態の羽根を示す部分斜視図である。
【図4】第1実施形態におけるランナ羽根のボス側プロファイルとチップ側プロファイルを示す図である。
【図5】ランナ羽根のプロファイルのそりを説明するための平面図及び断面図である。
【図6】第1実施形態におけるランナ羽根のボス側及びチップ側における翼面の圧力分布を示す線図である。
【図7】本発明の第2実施形態のランナ羽根を示す斜視図である。
【図8】第2実施形態のランナ羽根を示す平面図である。
【図9】ランナ羽根のチップ側の断面を示す断面図である。
【図10】第2実施形態のランナ羽根のチップ部の翼面の圧力分布を示す線図である。
【図11】本発明の第3実施形態を示す正面図である。
【図12】第3実施形態による羽根のチップ側の翼面の圧力分布を示す線図である。
【符号の説明】
1 斜流水力機械
2 主軸の軸線
4 ランナボス
6 ランナ羽根
7 ナンナ羽根の軸線
8 羽根軸
10 羽根
12 ディスチャージリング
14 スロート部
16 上部吸出管
18 ガイドベーン
20 ボス側
22 チップ側
24 入口端(前縁)
26 出口端(後縁)
28 チップ側の出口端
30 圧力面
32 負圧面
34 圧力差
36 局部的な圧力低下
40 静止部
42 隙間
44 シール直径
46 最大開度
48 最少開度
50 球面加工部
52 最少圧力[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a runner blade of a mixed flow hydraulic machine such as a mixed flow turbine or mixed flow pump turbine.
[0002]
[Prior art]
First, the general structure of a mixed flow hydraulic machine such as a mixed flow turbine or mixed flow pump turbine will be described with reference to FIG.
The mixed-flow
[0003]
When the mixed-flow
[0004]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-165579 discloses an example of a guide blade of a mixed flow hydraulic machine as a related art. In the conventional example of this publication, the tip side of the exit end (rear edge) of the runner blade is moved upstream, thereby moving the blade away from the throat portion, thereby reducing the throat cavitation without reducing the efficiency. It is what I did.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the mixed flow hydraulic machine described above, chip cavitation is generated in the gap (tip gap) 11 between the
In addition, due to the influence of critical cavitation characteristics (cavitation coefficient at which efficiency begins to decline), it was necessary to embed the draft tube deeper underground when constructing the plant, which increased the construction cost.
Furthermore, in a mixed flow hydraulic machine, local static pressure drop tends to occur on the suction surface of the runner blade tip side on the tip side, and therefore flow separation occurs on the suction surface on the tip side of the tip end, resulting from this. Cavitation may occur. This phenomenon occurs remarkably under relatively high flow rate conditions with high efficiency.
Accordingly, there is a demand for suppression of such chip cavitation and improvement of critical cavitation characteristics.
[0006]
Therefore, the present invention has been made to satisfy the conventional demands, and the runner blade of a mixed flow hydraulic machine capable of improving efficiency and suppressing chip cavitation and improving critical cavitation characteristics is provided. It is intended to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a runner blade of a mixed flow hydraulic machine having a blade shaft rotatably inserted into a runner boss and a blade provided on the blade shaft. The side profile warp is set from 50 degrees to 60 degrees, the tip side profile warpage is set from 30 degrees to 35 degrees, and the blades have an inlet end at 5 with respect to the axis of the main shaft of the mixed-flow hydraulic machine. It is characterized in that it is set to be inclined degrees.
[0010]
[Action]
In the present invention configured as described above, the warpage of the boss side profile of the blade is set from 50 degrees to 60 degrees, and the warpage of the tip side profile is set from 30 degrees to 35 degrees. The pressure difference between the pressure surface side and the suction surface side can be reduced, and the occurrence of chip cavitation can be effectively suppressed . Further, the blade has an inlet end that is opposite to the axis of the main shaft of the mixed flow hydraulic machine. Therefore, the secondary flow in the flow path of the runner blade can be reduced , and the efficiency is improved.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view showing a first embodiment of a runner blade of a mixed-flow hydraulic machine according to the present invention, FIG. 2 (a) shows a conventional example, and FIG. 2 (b) shows the first embodiment. . FIG. 3 is a partial perspective view showing the blade of the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing a boss side profile and a tip side profile of a runner blade in the first embodiment. FIGS. 5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view for explaining warpage of the runner blade profile. FIG. 6 is a diagram showing the pressure distribution on the blade surface on the boss side and tip side of the runner blade in the first embodiment. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0014]
First, as shown in FIG. 1, the
[0015]
As shown in FIGS. 2 and 4, in the first embodiment, when the mixed-flow
Conventionally, as shown in FIGS. 2, 4, and 6, the work distribution tends to be small on the
[0016]
Next, the warping of the profile on the
[0017]
According to the first embodiment, as shown in FIG. 6, as compared with the conventional example, the warpage of the profile (airfoil type) on the
[0018]
Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the inlet end (front edge) 24 of the
Thus, by setting the angle α to 0 degrees to 5 degrees, it is possible to reduce the secondary flow in the flow path of the
[0019]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 is a perspective view showing a runner blade of the second embodiment, FIG. 8 is a plan view showing the runner blade of the second embodiment, a cross-sectional view showing a cross section of the runner blade of FIG. 9 on the tip side, and FIG. It is a diagram which shows the pressure distribution of the blade surface of the tip part of the runner blade | wing of embodiment.
As shown in FIGS. 7 and 8, in the
[0020]
On the other hand, as shown in FIG. 7, the conventional runner blade has a shape in which the tip side of the blade is downstream, that is, retreated, so that the local static pressure on the suction surface side of the inlet end on the tip side of the blade. The decrease 36 (see FIG. 10) is likely to occur, so that the flow is separated at that portion, and cavitation is generated due to the separation. This cavitation was conspicuous under conditions of relatively high flow rate with high efficiency.
[0021]
However, in the above-described second embodiment of the present invention, the shape of the
Thus, according to the second embodiment, flow separation on the
[0022]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a front view showing a third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a diagram showing the pressure distribution on the blade surface on the tip side of the blade according to the third embodiment.
First, as shown in FIG. 11, there is a gap (seal clearance) 42 between the
[0023]
From this point of view, in the third embodiment, the warpage of the boss side profile of the blade 10 (same meaning as in the first embodiment) is made larger than that of the first embodiment, that is, the warp of the boss side profile of the
On the other hand, on the
[0024]
Thus, according to the third embodiment, the blade length of the boss side profile can be shortened, the
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the runner blade of the mixed-flow hydraulic machine of the present invention, it is possible to improve efficiency, suppress chip cavitation, improve critical cavitation characteristics, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing a general structure of a mixed flow hydraulic machine such as a mixed flow turbine or a mixed flow pump turbine.
FIG. 2 is a perspective view showing a first embodiment of a runner blade of a mixed-flow hydraulic machine according to the present invention, FIG. 2 (a) shows a conventional example, and FIG. 2 (b) shows the first embodiment. Yes.
FIG. 3 is a partial perspective view showing a blade of the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a boss side profile and a tip side profile of a runner blade in the first embodiment.
FIGS. 5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view for explaining warpage of a runner blade profile. FIGS.
FIG. 6 is a diagram showing a pressure distribution on a blade surface on a boss side and a tip side of a runner blade in the first embodiment.
FIG. 7 is a perspective view showing a runner blade according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing a runner blade according to a second embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cross section of the runner blade on the tip side.
FIG. 10 is a diagram showing the pressure distribution on the blade surface of the tip portion of the runner blade according to the second embodiment.
FIG. 11 is a front view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing the pressure distribution on the blade surface on the tip side of the blade according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
26 Exit end (rear edge)
28
Claims (1)
上記羽根は、ボス側プロファイルのそりが50度から60度に設定され、チップ側プロファイルのそりが30度から35度に設定され、さらに、上記羽根が、その入口端が斜流水力機械の主軸の軸線に対して5度傾くように設定されていることを特徴とする斜流水力機械のランナ羽根。In a runner blade of a mixed flow hydraulic machine having a blade shaft rotatably inserted into a runner boss and a blade provided on the blade shaft,
The blade has a boss-side profile warpage set from 50 degrees to 60 degrees, a tip-side profile warpage set from 30 degrees to 35 degrees, and the blade has an inlet end at the main shaft of the mixed-flow hydraulic machine. A runner blade of a mixed-flow hydraulic machine, which is set to be inclined at 5 degrees with respect to the axis of
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