JP4776333B2 - 水力機械のガイドベーン及びそのガイドベーンを備えた水力機械 - Google Patents
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Description
本発明は、水力機械のガイドベーン及びそのガイドベーンを備えた水力機械に関する。
一般に、図１１に示すように、水力機械においてはランナ羽根１１の上流側にガイドベーン１が配設され、水車方向流れにおいて上記ガイドベーン１の開度を変化させることでランナへの流量を調整すると同時に、ランナに流入する流れに対して旋回成分すなわち角運動量を付加する働きが行われるようにしてある。ランナ羽根入口および出口における速度ベクトルは図１１に示すように、絶対速度Ｖ・羽根周速度Ｕ・相対速度Ｗとすると、ＶとＵのなす角度（流れ角度）がβの速度三角形を形成する（添え字1：水車入口側、2：水車出口側）。今、絶対速度の旋回方向成分をＶuとすると、ランナで出力として取り出されるヘッド（ランナ入口出口間の角運動量の差に相当）は、
Ｈ＝（Ｕ１・Ｖu１−Ｕ２・Ｖu２）／ｇ
で計算される（非特許文献１参照）。
Ｈ＝（Ｕ１・Ｖu１−Ｕ２・Ｖu２）／ｇ
で計算される（非特許文献１参照）。
同一のランナであれば、入口側の速度分布が決まれば出口側速度分布も一義的に決まり、運転点と速度三角形との間には一対一の対応関係がある。したがってガイドベーンの作用として重要なのは、同一のランナ入口速度三角形を形成する際に、可能な限り小さな損失で実現することである。逆に、同一の損失水頭であっても、流れ角度βを小さくして上式のＶu１を大きくすることができればヘッドが増大して、有効落差に対する損失の割合が低減されるため水車効率が向上することになる。
ガイドベーン出口における流れを制御する技術としては、流量が少ない運転をする際に、複数あるガイドベーンのうちの一部の開度を大きく、残りのガイドベーンを閉鎖もしくは開度を小さくする制御方法がある（特許文献１参照）。これは、ランナ入口での絶対速度をコントロールすることで、ランナ出口での絶対速度の旋回成分を小さくして、流量の大小に関わらず吸出し管における騒音や振動を抑制することを可能とするものである。また、小流量運転時の水力損失を低減するために、ガイドベーン先端部分の形状を翼のキャンバーラインに対して非対称に形成し、低圧力面側（ランナ側）の曲率半径を高圧力面側（ステーベーン側）よりも大きくしたものなどがある（特許文献２参照）。
特開2003-21039号公報
特開平10-184523号公報
平成３年６月２９日 日本工業出版 「ハイドロタービン」
上述した特許文献１に記載の水力機械のガイドベーンおいては、閉鎖したガイドベーン周りでは大きな損失が発生するため効率が低下する問題がある。また特許文献２のガイドベーンでは、水力損失は低減されるもののランナへの旋回成分の付加には効果がない。また前者においても、ランナの入口へは小さな角運動量を付加することを目的としているため、本願で目的とするところとは根本的に異なる。
本発明は、このような点に鑑み、小さな水力損失でランナ入口に大きな角運動量を付加することで、運転範囲全域で高効率の運転が可能な水力機械、およびその水力機械用のガイドベーンを得ることを目的とする。
請求項１に係る発明は、スピンドル軸を回転させて翼の角度を変えることにより、隣接する翼間で形成される開口面積を変化させる水力機械のガイドベーンにおいて、スピンドル軸に直交する任意のガイドベーン翼断面上で、当該ガイドベーンの水車入口端から水車出口端にわたって翼断面の高圧力側翼面と低圧力側断面の双方に外接する円の中心を連ねてなる翼のキャンバーラインに対して、スピンドル軸の中心からおろした垂線と上記キャンバーラインとの交点の最高効率点の５０％流量時の位置と、ランナ回転中心との距離をＲｇ′、前記交点を中心として水車入口端に内接する円弧の半径をＬ１、前記交点を中心として水車出口端に内接する円弧の半径をＬ２、ガイドベーンの枚数をＺｇとしたとき、
1.05π２Ｒｇ′／Ｚｇ≦ Ｌ１ ＋ Ｌ２ ≦1.125π２Ｒｇ′／Ｚｇ を満たすようにＬ１、Ｌ２、Ｚｇ、Ｒｇ′を決めたことを特徴とする。
1.05π２Ｒｇ′／Ｚｇ≦ Ｌ１ ＋ Ｌ２ ≦1.125π２Ｒｇ′／Ｚｇ を満たすようにＬ１、Ｌ２、Ｚｇ、Ｒｇ′を決めたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、水力機械において、請求項１に係るガイドベーンを備えたことを特徴とする。
本願の各発明は上述のように構成したので、ガイドベーン出口部での旋回成分を増大させることができ、運転範囲全域で高効率の運転を可能とすることができる。
以下、本発明に係る水力機械のガイドベーンの一実施形態および各参考例について、図面を参照して説明する。
第１参考例
まず、図１〜図３を用いて第１参考例を説明する。図１において、ガイドベーン１はスピンドル中心２がピッチサークル３上に配置され、そのスピンドル中心２周りに回転可能としてある。そこで、ガイドベーン１を上記スピンドル中心２の回りに回転させ、その姿勢を変化させると、隣接するガイドベーンとの間で形成される開口面積が変わり、これを調整することで水車の運転点を制御することができる。そのため、ガイドベーン開度がゼロとなるには隣接するガイドベーン１のスピンドル中心２間の距離よりもガイドベーン１の長さの方を長くする必要がある。
まず、図１〜図３を用いて第１参考例を説明する。図１において、ガイドベーン１はスピンドル中心２がピッチサークル３上に配置され、そのスピンドル中心２周りに回転可能としてある。そこで、ガイドベーン１を上記スピンドル中心２の回りに回転させ、その姿勢を変化させると、隣接するガイドベーンとの間で形成される開口面積が変わり、これを調整することで水車の運転点を制御することができる。そのため、ガイドベーン開度がゼロとなるには隣接するガイドベーン１のスピンドル中心２間の距離よりもガイドベーン１の長さの方を長くする必要がある。
ところで、上記ガイドベーン１の長さを長くするとガイドベーン部での摩擦損失が大きくなる等の問題があるため、従来のガイドベーンでは比較的短めのものが採用されていた。しかし、ガイドベーン１の長さを短く、すなわちガイドベーンのオーバーラップ量を小さくした場合には、ガイドベーン出口での流れ角度を小さくすることが困難で高効率の運転が望めない等の問題がある。
そこで、本発明の第１参考例では、ガイドベーン枚数をZg、ピッチサークル径をDg、スピンドル中心からガイドベーン入口端および出口端までの距離をそれぞれL1、L2としたとき、1.05πDg／Zg ≦ L１ ＋ L２ ≦ 1.125πDg／Zg を満たすような各パラメータの値を選定したものである。
図２は、隣接するガイドベーンのスピンドル中心間の距離 πDg／Zg に対するガイドベーンの長さ（L１＋L２）の比であるガイドベーンオーバーラップ量比率に対するガイドベーン回りの損失を示す図であり、上記ガイドベーンオーバーラップ量比率が1.10程度の時にガイドベーン周りの損失は最低値を示し、1.05以下や1.125を超える範囲では急激に損失が増大する。そこで、本発明においては上記ガイドベーンオーバーラップ量比率を1,05と1.125の範囲となるようにしたものである。
このように構成された本発明のガイドベーンにおいては、ガイドベーン出口での流れ角度に対するガイドベーン周りの損失水頭を、図３に実線で示すようにすることができ、破線で示す従来のガイドベーンと同一の損失水頭でもガイドベーン出口での流れ角度を小さく、すなわちランナ入口で大きな絶対速度の旋回方向成分を付加することが可能となり、このことは逆に、同一の流れ角度においては損失水頭が低減することができる。前述したとおり、流れ角度が決まればランナ入口で形成される速度三角形が決まり運転状態が決定されることから、本発明によるガイドベーンを用いることで、運転範囲全域で水車効率の向上を図ることが可能となる。
一実施形態
図４（ａ）は本発明の一実施形態を示すガイドベーンを示す図、（ｂ）はそのガイドベーン配置図であり、スピンドル軸に直交する任意のガイドベーン翼断面上で、当該ガイドベーンの水車入口端から水車出口端にわたって翼断面の高圧力側翼面と低圧力側断面の双方に外接する円の中心を連ねてなる翼のキャンバーライン４に対して、スピンドル中心２をそのキャンバーライン４よりも高圧力面側に偏心させたことが形状の上での特徴となっているガイドベーンである。このようなガイドベーン１では、ガイドベーン開度が図４（ｂ）において破線で示す位置に変化した時、スピンドル中心２からキャンバーライン４へおろした垂線とキャンバーライン４との交点の位置５が見かけ上のピッチサークル上の位置５′の位置に移動する。そこで、最高効率点の50％流量時（破線で示すガイドベーン）における、スピンドル中心２からキャンバーライン４へおろした垂線とキャンバーライン４との交点５′とランナ回転中心との距離をRg’とすると、
1.05π2Rg’／Zg ≦ L１ ＋ L２ ≦ 1.125π2Rg’／Zg
を満たすように各パラメータの値を選定したものである。その結果、第１参考例の場合と同様に、最高効率点の50％流量時を中心としてガイドベーン出口での流れ角度βを小さくすることができ、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
図４（ａ）は本発明の一実施形態を示すガイドベーンを示す図、（ｂ）はそのガイドベーン配置図であり、スピンドル軸に直交する任意のガイドベーン翼断面上で、当該ガイドベーンの水車入口端から水車出口端にわたって翼断面の高圧力側翼面と低圧力側断面の双方に外接する円の中心を連ねてなる翼のキャンバーライン４に対して、スピンドル中心２をそのキャンバーライン４よりも高圧力面側に偏心させたことが形状の上での特徴となっているガイドベーンである。このようなガイドベーン１では、ガイドベーン開度が図４（ｂ）において破線で示す位置に変化した時、スピンドル中心２からキャンバーライン４へおろした垂線とキャンバーライン４との交点の位置５が見かけ上のピッチサークル上の位置５′の位置に移動する。そこで、最高効率点の50％流量時（破線で示すガイドベーン）における、スピンドル中心２からキャンバーライン４へおろした垂線とキャンバーライン４との交点５′とランナ回転中心との距離をRg’とすると、
1.05π2Rg’／Zg ≦ L１ ＋ L２ ≦ 1.125π2Rg’／Zg
を満たすように各パラメータの値を選定したものである。その結果、第１参考例の場合と同様に、最高効率点の50％流量時を中心としてガイドベーン出口での流れ角度βを小さくすることができ、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
第２参考例
図５（ａ）は従来のガイドベーンの速度三角形を示す図、（ｂ）は本発明の第２参考例のガイドベーン、及びそのガイドベーンの速度三角形を示す図であり、本第２参考例では、図５（ｂ）に示すように、ガイドベーン１のスピンドル中心２よりも出口側のキャンバーライン４の一部が高圧力面側に凹形状となっている。したがって、図５（ａ）に示すキャンバーラインが凹となっていない従来のガイドベーンの流れ角度β１に比し、ガイドベーン出口で絶対速度の流れ角度β２が小さくなり、有効に旋回成分を付加することができる。その結果、第１参考例と同様に流れ角度を小さくでき、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
図５（ａ）は従来のガイドベーンの速度三角形を示す図、（ｂ）は本発明の第２参考例のガイドベーン、及びそのガイドベーンの速度三角形を示す図であり、本第２参考例では、図５（ｂ）に示すように、ガイドベーン１のスピンドル中心２よりも出口側のキャンバーライン４の一部が高圧力面側に凹形状となっている。したがって、図５（ａ）に示すキャンバーラインが凹となっていない従来のガイドベーンの流れ角度β１に比し、ガイドベーン出口で絶対速度の流れ角度β２が小さくなり、有効に旋回成分を付加することができる。その結果、第１参考例と同様に流れ角度を小さくでき、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
第３参考例
図６は本発明の第３参考例を示す図であり、ガイドベーン１の水車出口高圧力面側の翼面が凹形状に形成されている。しかして、この場合も第２参考例と同様に水の流出方向が上記翼面の凹曲面により水車の回転方向側に偏向され、上記第２参考例と類似の作用及び効果を得ることができる。
図６は本発明の第３参考例を示す図であり、ガイドベーン１の水車出口高圧力面側の翼面が凹形状に形成されている。しかして、この場合も第２参考例と同様に水の流出方向が上記翼面の凹曲面により水車の回転方向側に偏向され、上記第２参考例と類似の作用及び効果を得ることができる。
第４参考例
また、図７は本発明の第４参考例を示す図であり、ガイドベーン１の低圧力面側１ａの後端部円弧６’の径が高圧力面側１ｂの後端部円弧６の径よりも大きく形成されている。したがって、この場合にはガイドベーン１の低圧力面側１ａに沿う流れが、破線で示す従来の翼面形状の場合に比し、水車の回転方向側に偏向され、上記第３参考例と同様な作用と効果が生まれて、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
また、図７は本発明の第４参考例を示す図であり、ガイドベーン１の低圧力面側１ａの後端部円弧６’の径が高圧力面側１ｂの後端部円弧６の径よりも大きく形成されている。したがって、この場合にはガイドベーン１の低圧力面側１ａに沿う流れが、破線で示す従来の翼面形状の場合に比し、水車の回転方向側に偏向され、上記第３参考例と同様な作用と効果が生まれて、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
第５参考例
図８は、本発明の第５参考例を示す図であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は端面図であり、ガイドベーン１の上カバー８側端部と下カバー９側端部に、翼形状最大厚み部で翼断面の高圧力面側と低圧力面側の双方に内接する円の中心とガイドベーン先端部円弧の中心を結ぶ直線と、その内接円の中心とガイドベーン後端部円弧の中心を結んだ直線に沿った２つの平板状のサイドギャップ整流板１０が突設されている。サイドギャップ部では通常、高圧力面側から低圧力面側への漏れ流れが生じて、上カバーおよび下カバー壁面近傍の流れ角度が大きくなり、旋回成分が小さくなる傾向にある。これに対して、本実施の形態のように、サイドギャップ整流板１０を設けることで、サイドギャップ部での漏れ流れが減少するとともにサイドギャップ部の流れが整流板１０によって制御されて高圧力面側に偏向され、ガイドベーン出口での旋回成分を増大させることができる。その結果、第１参考例と同様な作用と効果が生まれて、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
図８は、本発明の第５参考例を示す図であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は端面図であり、ガイドベーン１の上カバー８側端部と下カバー９側端部に、翼形状最大厚み部で翼断面の高圧力面側と低圧力面側の双方に内接する円の中心とガイドベーン先端部円弧の中心を結ぶ直線と、その内接円の中心とガイドベーン後端部円弧の中心を結んだ直線に沿った２つの平板状のサイドギャップ整流板１０が突設されている。サイドギャップ部では通常、高圧力面側から低圧力面側への漏れ流れが生じて、上カバーおよび下カバー壁面近傍の流れ角度が大きくなり、旋回成分が小さくなる傾向にある。これに対して、本実施の形態のように、サイドギャップ整流板１０を設けることで、サイドギャップ部での漏れ流れが減少するとともにサイドギャップ部の流れが整流板１０によって制御されて高圧力面側に偏向され、ガイドベーン出口での旋回成分を増大させることができる。その結果、第１参考例と同様な作用と効果が生まれて、運転範囲全域で水車効率を向上させることができる。
図９は図８の変形例を示す図であり、サイドギャップ整流板１０がキャンバーライン４に沿った形状としてある。しかして、この場合には第５参考例と同様な作用効果を奏するとともに、サイドギャップ整流板１０が直線状に構成されたものよりも、より有効に旋回成分を付加することができる。
第６参考例
図１０は本発明の第６参考例を示す図である。この図では、水車入口側のガイドベーン高さをＢ１、出口側のガイドベーン高さをＢ２、上カバー８と下カバー９との距離をＢｓとすると、水車出口側サイドギャップ（上カバー側と下カバー側の和）Ｂｓ−Ｂ２が、水車入口側サイドギャップＢｓ−Ｂ１よりも小さくなるように、スピンドル中心よりも出口側のガイドベーン高さを入口側よりも大きくしたものである。そのため、スピンドル中心よりも出口側の領域においてサイドギャップの漏れ流れが減少して、ガイドベーン出口における流れの旋回方向成分を増大させることができる。その結果、先のサイドギャップ整流板１０の場合と同様な効果が生じて、運転範囲全域で水車効率を向上することができる。
図１０は本発明の第６参考例を示す図である。この図では、水車入口側のガイドベーン高さをＢ１、出口側のガイドベーン高さをＢ２、上カバー８と下カバー９との距離をＢｓとすると、水車出口側サイドギャップ（上カバー側と下カバー側の和）Ｂｓ−Ｂ２が、水車入口側サイドギャップＢｓ−Ｂ１よりも小さくなるように、スピンドル中心よりも出口側のガイドベーン高さを入口側よりも大きくしたものである。そのため、スピンドル中心よりも出口側の領域においてサイドギャップの漏れ流れが減少して、ガイドベーン出口における流れの旋回方向成分を増大させることができる。その結果、先のサイドギャップ整流板１０の場合と同様な効果が生じて、運転範囲全域で水車効率を向上することができる。
１ ガイドベーン
２ スピンドル中心
３ ピッチサークル
４ キャンバーライン
５ スピンドル中心からキャンバーラインへおろした垂線とキャンバーラインとの交点
５’ 最高効率点の５０％流量時のスピンドル中心からキャンバーラインへおろした垂線とキャンバーラインとの交点
６ 高圧力面側の後端部円弧
６’ 低圧力面側の後端部円弧
７ スピンドル
８ 上カバー
９ 下カバー
1０ サイドギャップ整流板
1１ ランナ羽根
２ スピンドル中心
３ ピッチサークル
４ キャンバーライン
５ スピンドル中心からキャンバーラインへおろした垂線とキャンバーラインとの交点
５’ 最高効率点の５０％流量時のスピンドル中心からキャンバーラインへおろした垂線とキャンバーラインとの交点
６ 高圧力面側の後端部円弧
６’ 低圧力面側の後端部円弧
７ スピンドル
８ 上カバー
９ 下カバー
1０ サイドギャップ整流板
1１ ランナ羽根
Claims (2)
- スピンドル軸を回転させて翼の角度を変えることにより、隣接する翼間で形成される開口面積を変化させる水力機械のガイドベーンにおいて、スピンドル軸に直交する任意のガイドベーン翼断面上で、当該ガイドベーンの水車入口端から水車出口端にわたって翼断面の高圧力側翼面と低圧力側断面の双方に外接する円の中心を連ねてなる翼のキャンバーラインに対して、スピンドル軸の中心からおろした垂線と上記キャンバーラインとの交点の最高効率点の５０％流量時の位置と、ランナ回転中心との距離をＲｇ′、前記交点を中心として水車入口端に内接する円弧の半径をＬ１、前記交点を中心として水車出口端に内接する円弧の半径をＬ２、ガイドベーンの枚数をＺｇとしたとき、
1.05π２Ｒｇ′／Ｚｇ≦ Ｌ１ ＋ Ｌ２ ≦1.125π２Ｒｇ′／Ｚｇ
を満たすようにＬ１、Ｌ２、Ｚｇ、Ｒｇ′を決めたことを特徴とする、水力機械のガイドベーン。 - 請求項１に係るガイドベーンを備えたことを特徴とする水力機械。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2005308741A JP4776333B2 (ja) | 2005-10-24 | 2005-10-24 | 水力機械のガイドベーン及びそのガイドベーンを備えた水力機械 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2005308741A JP4776333B2 (ja) | 2005-10-24 | 2005-10-24 | 水力機械のガイドベーン及びそのガイドベーンを備えた水力機械 |
Publications (2)
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ID=38095961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2005308741A Active JP4776333B2 (ja) | 2005-10-24 | 2005-10-24 | 水力機械のガイドベーン及びそのガイドベーンを備えた水力機械 |
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