JP4780468B2

JP4780468B2 - 水車のインレットベーン

Info

Publication number: JP4780468B2
Application number: JP2007004188A
Authority: JP
Inventors: 敏文大木畑
Original assignee: Ishigaki Co Ltd
Current assignee: Ishigaki Co Ltd
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: JP2008169765A

Description

この発明は、河川や貯水池の水位差を利用してランナ入口への流入水の角度調整手段を有する水車のインレットベーンに関し、特に、小流量域でも運転が可能で、入口流路に水流抵抗を増加させることのないインレットベーンの改良に関する。

従来、水車の流入水量を調節するためにランナの上流側にインレットベーンを設置して、流入水に円周方向の予旋回を与え、ランナ羽根前縁の回転と相対的に角度を合致させ、ランナ羽根前縁での相対速度方向が異なることにより発生する衝突損失を低減させて流水を効率的に供給している。例えば、水車のランナの上流側に回動可能なガイドベーンを設け、ガイドベーンアームを移動させてガイドベーンの取付け角度を変えるチュウブラ水車も、特許文献１に記載してあるように公知である。また、ポンプにおいても運転状態を安定させるために、ポンプ吸込口の下方近傍の吸水路に、載頭円錐形の隆起部を形成して流水の流れの剥離と偏流を防止する立軸ポンプも、例えば、特許文献２に記載してあるように公知である。
特開平７−１１９６１１号公報（段落番号０００４、図５及び図６）特開平６−２６４９８号公報（段落番号０００２乃至段落番号０００３、図２）

上記のインレットベーンを設けた水車は、流入水量や落差が変化しても効率的に流水をランナに供給して運転出来る利点がある。近年のエネルギー状況によると、水車の水源を小流量域にまで求められており、小口径の水車がその対象機種として採用されている。この小口径水車を小流量域で運転する際、インレットベーンの設定角度は、ランナ駆動軸の軸心方向となす角度として４５度程度まで要求され、概ね水車流量は、７０〜８０％として運転している。小口径水車のインレットベーンは、ランナ前面に占める比率が大きくなり、設定角度が３０度程度を超えると入口流路が狭くなり水流抵抗が増加して効率を悪くする。また、水車設備の前置スクリーンを通過して吸込ベルに流入してきたし渣等が、狭い入口流路のインレットベーン通過部に閉塞・堆積する恐れがある。そして、小口径水車のインレットベーンの入口流線制御が、形状的に狭隘な空間での機構配置となり、製作と維持管理も難しくなる。インレットベーンは、理想的には形状的な肉厚を有しない形で水流を整流することが求められるが、製作と強度保持上有限となる。この発明は、水車の落差と流水量の変動に対応して、ランナに流入する流水の円周方向速度の調整が可能で、小口径水車でもランナ部分での摩擦抵抗となることのない水車のインレットベーンを提供する

この発明に係わる水車のインレットベーンの要旨は、水車軸に止着したランナをガイドケーシングに垂下して、サイホン形成により吸込ベルから流入した流水でランナを回転させて動力を得た後、吐出ケーシングから排出する水車において、複数の調整板を底板の上面に垂設して調整筒を構成し、調整板と調整板のピッチ円との接線が成す捻り角を、上端部から下端に向かって順次減少させる流入角度とし、吸込ベルの下方近傍から外周近傍に昇降自在に配設した調整筒を、流水量の低下に応じて上昇させ、流水量の増加に応じて下降させたもので、落差及び水量に応じて、調整筒を昇降させて異なる角度を成す捻り角を付与した調整板の位置を調整し、水車への流水角度を最適とすることができる。そして、水車の吸込ベルに下方から上向流で流入しようとする水流を調整筒の底板で阻害し、水車の軸芯と垂直をなす方向から吸込ベルに流入させてランナに流れ込む流線を調整し、水車への流水の吸込効率を高めることができる。また、流入方向を整流化された流水が水車吸込ベルに流入し、予旋回の大きさを調整して、ランナ入口前縁まで円周方向速度成分を自由渦流の状態で維持できる。

調整筒の底板は、笠型状に形成すれば、流水の渦流発生の防止ができる。また、調整筒の周部にスクリーンを張設してもよいもので、し渣等の除塵機能を発揮できる。そして、調整筒の昇降手段が、調整筒をガイド杆に沿って摺動可能に配設し、調整筒の上端部に嵌着した環状部材を昇降機に巻き掛けた昇降ロープに連結したもので、落差と流量の変動に対応してランナに流入する流水の円周方向速度を調整し、吸込ベルの外周壁の下方近傍の流水を吸込ベルの吸込口に集束させることができ、小口径水車でもランナ部分での摩擦抵抗となることはない。

この発明に係る水車のインレットベーンは上記のように構成してあり、水車の落差と流量の変動に応じて調整筒を昇降させれば、ランナに流入する流水の円周方向速度の調整が可能となる。調整板を通過する流速と流量は、通過位置により順次異なる周方向速度を有する流入水が得られ、ランナ入口部に流れ込む流線を調節することができて、入口流線制御が容易となる。そして、複数の調整板を配列した調整筒は、水車の内部の流路に配設する必要がなく、小口径水車でもランナ部分での摩擦抵抗となることがなく、制御と製作が容易となる。

本発明の実施の形態を図面に基づき詳述すると、図１はインレットベーンを配設した自己サイホン形水車発電装置の側面図であって、高水位側の貯水池Ａと低水位側の放流水路Ｂの間に貯留水を越流させて放水する放流堰１が配設してあり、放流堰１を跨設させた吸出し管２の管頂部２ａを水車３に連結してある。水車３を貯水池Ａに垂設し、吸出し管２の垂下部２ｂを放流水路Ｂに垂下して吐出口２ｃを水没させて、水車３と吸出し管２をサイホン管状に形成してある。放流堰１に跨設した吸出し管２の下方にエジェクター管４が併設してあり、エジェクター管４は始端部４ａの吸水口４ｂを放流堰１から放水する越流水の高さの貯水池Ａ側に開口し、後端部４ｃを放流水路Ｂに垂下させてある。エジェクター管４に公知の吸気エジェクター５が配設してあり、吸気エジェクター５に接続した抽気管６を、吸出し管２の管頂部２ａに設けた排気用の逆止弁７の吸込側に連結してある。

図２は自己サイホン形水車発電装置に使用する水車の縦断面図であって、水車３は、ガイドケーシング８に垂下した水車軸９の下端部を軸受１０に支架させて、水車軸９の下端にランナ１１を嵌着してある。ガイドケーシング８の下部に吸込口１２ａを拡開した吸込ベル１２を連結し、ガイドケーシング８の上部に上昇してきた水を案内する中間ケーシング１３と、中間ケーシング１３からの上昇水を上部側壁の吐出口１４ａから吸出し管２に排出する吐出ケーシング１４が連結してあり、水車３を軸流型に形成してある。吐出ケーシング１４の上部に載置した発電機架台１５に発電機１６が搭載してあり、発電機１６に吐出ケーシング１４の内部に垂下した水車軸９が連結してある。

図１のように構成した自己サイホン形水車発電装置は、貯水池Ａの水位が上昇して貯留水が放流堰１を越流し始めると、越流水がエジェクター管４に流入して、放流水路Ｂに垂下した後端部４ｃから排出させる。流下水によりエジェクター管４は負圧となり、吸出し管２の管頂部２ａに溜まる空気を吸気エジェクター５に吸引して、エジェクター管４から排出させる。同時に、吸出し管２に連結した水車３の内部の空気も吸引されて水車３に貯留水が流入し、吐出ケーシング１４から吸出し管２に流出させて放流水路Ｂに排出する。吸出し管２にサイホン作用を発生させて、水車３の吸込ベル１２に貯留水を吸引し、吸込ベル１２に流入する水力によりランナ１１を回転させて、水車軸９に連結した発電機１６を駆動する。

図１に示す自己サイホン形水車発電装置には、貯水池Ａの落差と水量の変動により、流入水の流線を調節する調整筒１７が水車３の下方近傍に配設してある。図３は調整筒の側面図であって、調整筒１７は、複数の調整板１８・・・を底板１９と上端部を環状部材２０に嵌着してある。上向流で水車３の吸込ベル１２に流入しようとする水流を底板１９で阻害し、水車３の吸込ベル１２の直下の空間を底板１９で拘束し、調整筒１７の側面の調整板１８を経由して流入させるようにしてある。図４は調整筒を構成する複数の調整板の流入角を示す平面図であって、底板１９の上面に水車軸９を中心とするピッチ円１８ａに調整板１８を等間隔に垂設し、調整板１８とピッチ円１８ａとの接線αが成す捻り角βを、上端部から下端部に向かって異なる角度を成す捻り角βの調整板１８としてある。図５は水車に対設した調整板の形状を示す概念図であって、調整板１８は、上端１８ｂを水車３に直交させて、図３及び図４の調整筒と調整板に付記した一点鎖線で示す符号ａ乃至ｅに対応して、捻り角βを上端部から下端部に向かって順次減少させる形状としてある。

図６（１）乃至図６（５）は、水車軸に対する調整板のａ乃至ｅにおける各水平断面の配列状態を示す概念図であって、図６（１）の調整板１８の捻り角βを、調整板１８の上端１８ｂから図３及び図５の調整板１８に付記した一点鎖線で示す符号ａまでを、水車３に直交させて、流入角β_１＝９０度としてある。図６（２）乃至図６（５）は、水車軸９を中心とするピッチ円１８ａの接線αと調整板１８の水平断面の捻り角βを、図３及び図５の一点鎖線で示す符号ｂ乃至符号ｅに対応して、異なる角度を成す捻り角βの調整板１８を、下端部に向かって順次減少させる流入角度β_２、β_３、β_４、β_５としてある。

図７は水車の吸込ベル１２の下方近傍に配設した調整筒の昇降装置であって、水車３を支架した架台２１に昇降機２２が載置してあり、昇降機２２に巻き掛けた昇降ロープ２３の一端を調整筒１７の上端部の環状部材２０に連結してある。図８は調整筒の平面図であって、調整筒１７の上下両端部に配設した底板１９と環状部材２０に一対のブラケット２４、２５が突設してあり、水車３に沿って垂設したガイド杆２６、２６に摺動可能に外挿してある。昇降機２２の昇降ロープ２３に連結した調整筒１７は、図７に示すように、水車３の吸込ベル１２の下方近傍から、図９に示すように、調整筒１７の中間部を吸込ベル１２の外周近傍まで吸込ベル１２を囲繞するように昇降自在としてある。落差の減少と水量の低下に従って、昇降ロープ２３を巻き上げて調整筒１７を上昇させれば、水車３の吸込ベル１２に流入する流線を、ランナ１１の羽根面に対し直角方向から接線方向に切り替えられるようにしてある。流入角度β_１、β_２、β_３、β_４、β_５を調整すれば、落差と水量に応じて所定の機能を発揮して、ランナ１１の羽根面との合致が可能となる。図９に示すように、調整筒１７の下端部を笠型状の底板１９ａで閉塞し、調整筒１７の周部にスクリーン２７を張設してもよいもので、渦発生防止と、し渣流入防止の機能を発揮する。水車３の狭い入口流路を閉塞する恐れがなく、し渣等がランナ１１に堆積することもない。

上記のように構成した調整筒１７は、貯水池Ａの貯水量が多く落差と水量が多い時には、図７に示すように、調整筒１７を水車３の吸込ベル１２の吸込口１２ａの近傍に配置し、図６（１）に示すように、水車軸９の軸心に直交する流入角度β_１＝９０度とする。水車流量を制限しない場合は、調整筒１７を吸込ベル１２の吸込口１２ａの下方近傍に降下させると、吸込ベル１２下方の空間が大きくなり、吸込ベル１２近傍の流水が調整筒１７の環状部材２０の上側部分を通過する。調整筒１７の通過面積が大きくなり、通過流速も小さくなる。水車３の吸込ベル１２の吸込口１２ａの外周近傍を上昇してくる水流を、軸芯方向に曲折させ、直角方向の流入角度β_１の予旋回を付与して吸込ベル１２の吸込口１２ａに水を流入させて、ランナ１１を回転させ、水車軸９に連結した発電機１６を駆動して電力を得ることができる。流水の大部分が通過する上部は、調整板１８の流入角度β_１が大きく付与される予旋回が小さいため、流水の周方向速度も小さく、ランナ１１入口における周方向成分も小さくなる。

貯水池Ａの貯水量が減少している時には、水位の減少に従って、図３の調整筒１７の一点鎖線で示す符号ｂ乃至符号ｄに順次上昇させて、図６（２）乃至図６（４）に示す、吸込ベル１２の吸込口１２ａに対する流入角度β_２、β_３、β_４から水を流入させて、ランナ１１を回転させて電力を得る。貯水池Ａの水位が小水量・低水位となり、水車３の流入流量を制限する場合は、図９に示すように、調整筒１７の下端部を吸込ベル１２の吸込口１２ａの下方近傍まで上昇させる。水車３の吸込ベル１２と上昇させた調整筒１７の底板１９、１９ａの空間が減少して、調整筒１７の下方周面からの流入を促進させ、流水を吸込ベル１２の吸込口１２ａから周方向速度を増加させて流入させる。図６（５）に示す調整板１７の流入角度β_５は、捻り角度が減少して調整筒１７の通過面積が制限され、水車軸９に対して接線方向の流れが形成される。そして、調整筒１７を通過する流線は法線方向に大きな予旋回が付与されて、ランナ１１の入口における周方向成分も大きくなる。水車軸９の回転軸心に近づくに従い、自由渦運動によって周方向速度が大きくなり、通過流速も上昇する。

水源水量が回復した時には、調整筒１７を降下してランナ１１の入口部分での周方向速度成分を減少させて水車３に流入させる。水位の変動に応じて調整筒１７を昇降させることにより予旋回の大きさを調整できる。調整板１８は昇降位置により順次異なる流入角度β_１乃至β_５となり、ランナ１１の羽根入口部に流れ込む流線を調節することができる。調整筒１７を昇降させるだけで、吸込ベル１２への入口流線制御が容易となり、小口径の水車３でも、ランナ１１へのガイドケーシング８と吸込ベル１２の入口流路が狭くなることがなく、水流抵抗が増加して効率を悪くすることもない。複数の調整板１８・・・を水車軸９を中心とするピッチ円１８ａに等間隔に配列する調整筒１７は、水車３の内部の流路に配設する必要がなく、制御と製作が容易となる。尚、流入角度β_１乃至β_５は調整筒１７の昇降位置により、無段階に調整可能である。

従来、小口径水車を小流量域で運転する際、水車の落差と流水量の変動に対応してインレットベーンの設定角度は、ランナ駆動軸の軸心方向となす角度として４５度程度まで要求され、概ね水車流量は、７０〜８０％として運転している。小口径水車のインレットベーンは、ランナ前面に占める比率が大きくなり、設定角度が３０度程度を超えると入口流路が狭くなり水流抵抗が増加して効率が悪くなる。また、水車設備の前置スクリーンを通過して吸込ベルに流入してきたし渣等が、狭い入口流路のインレットベーン通過部に閉塞・堆積する恐れがある。そして、小口径水車のインレットベーンの入口流線制御が、形状的に狭隘な空間での機構配置となり、製作と維持管理も難しくなる。インレットベーンは、理想的には形状的な肉厚を有しない形で水流を整流することが求められるが、製作と強度保持上有限となる。

貯水池の貯水量が多く、落差と水量が多い時の水車ランナ入口の速度成分は下記の通りとなる。図１０は、調整筒を吸込ベルの下方近傍に下降させた時の、ランナの入口部分の大流量におけるランナと調整板の流面展開図である。
（１）大流量時の水流速度と流入角の符号は、
ｕ１ランナ周方向速度
ｗ１相対速度
ｖ１絶対速度
γ１ランナ流入角
η１調整板による受入口角
大流量または落差が大きく、水車流量を制限しない場合は、調整筒の通過流速も小さくて良く、周速度成分比の小さい流入水とすれば、ランナ部衝撃損失が低減され水力効率が改善できることが、ランナと調整板の流面展開図から分かる。

貯水池Ａの貯水量が少なく落差と水量が小さい時の水車ランナ入口の速度成分は下記の通りとなる。図１１は、調整筒を吸込ベルの外周近傍に上昇させた時の、ランナの入口部分の小流量におけるランナと調整板の流面展開図である。
（２）小流量時の水流速度と流入角の符号は、
ｕ１’ ランナ周方向速度
ｗ１’ 相対速度
ｖ１’ 絶対速度
γ１’ ランナ流入角
η１’ 調整板による受入口角
小流量域では、ランナ翼に対して無衝撃で流入するには、ランナ回転方向への周速度成分比が大きい流入が必要となる。小流量または落差が小さく、水車流量を制限する場合は、水車軸に対して接線方向の流れを形成し、調整筒の通過流速を大きくして、周速度成分比の大きい流入水とすれば、ランナ部衝撃損失が低減され水力効率が改善できることが、ランナと調整板の流面展開図から分かる。

上記の考察から、水車のインレットベーンとして、垂設方向に異なる角度を成す捻り角βを付与した複数の調整板を底板の上面に垂設して調整筒を構成することとした。水量と落差に応じて調整筒を上下させれば、昇降させる調整筒の位置により流入角が切換わり、上向流で水車の吸込ベルに流入しようとする水流を底板で阻害し、水車の吸込ベルの直下の空間を底板で拘束し、調整筒の側面の調整板を経由して流入させることができる。調整板を通過する流速と流量通過位置の関係から、順次異なる周方向速度を有する流入水が得られる。そして、水車の吸込ベルより一定等距離に配設する調整筒は、小口径水車の吸込ベルへのインレットベーンの入口流線制御が、形状的に狭隘な空間での機構配置となることがなく、水流抵抗も増加しない。水車から独立した調整筒は、製作と維持管理も容易となる。

この発明に係わるサイホン式水車発電装置は、垂設方向に異なる角度を成す捻り角を付与した複数の調整板を底板の上面に垂設して調整筒を構成し、調整筒を吸込ベルの下方近傍から外周壁の近傍に昇降自在としたので、水車の水量と落差により調整筒を上下すれば、調整板は順次異なる角度となり、羽根車の羽根入口部に流れ込む流線を調節することができる。そして、水車の吸込ベルより一定等距離に配設する調整筒は、水流抵抗も増加せず、水車から独立した調整筒は、製作と維持管理も容易となる。従って、水車の吸込口の近傍に設置するインレットベーンとなり、水道設備の送水路や、河川、貯水池等の水位差を利用する水車に最適で、小口径の水車にも利用できる。

この発明に係わる水車にインレットベーンを配設した自己サイホン形水車発電装置の側面図である。同じく、自己サイホン形水車発電装置に使用する水車の縦断面図である。同じく、調整筒の側面図である同じく、調整筒を構成する複数の調整板の配列状態を示す平面図である同じく、水車に対設した調整板の形状を示す概念図である。の（１）乃至（５）は、吸込ベルの吸込口に対する調整板の各水平断面の流入角を示す概念図である。同じく、調整筒を配設した水車の側面図である。同じく、調整筒の平面図である同じく、調整筒をガイドケーシングの外周壁の近傍まで上昇させた状態を示す水車の側面図である。大流量におけるランナと調整板の流面展開図である。小流量におけるランナと調整板の流面展開図である。

３水車
８ガイドケーシング
９水車軸
１１ランナ
１２吸込ベル
１４吐出ケーシング
１７調整筒
１８調整板
１８ａピッチ円
１９、１９ａ底板
２０環状部材
２７スクリーン
α ピッチ円の接線
β 捻り角
β_１、β_２、β_３、β_４、β_５流入角度

Claims

水車軸（９）に止着したランナ（１１）をガイドケーシング（８）に垂下して、サイホン形成により吸込ベル（１２）から流入した流水でランナ（１１）を回転させて動力を得た後、吐出ケーシング（１４）から排出する水車（３）において、複数の調整板（１８・・・）を底板（１９）の上面に垂設して調整筒（１７）を構成し、調整板（１８）と調整板（１８）のピッチ円（１８ａ）との接線（α）が成す捻り角（β）を、上端部から下端に向かって順次減少させる流入角度（β _１、β _２、β _３、β _４、β _５）とし、吸込ベル（１２）の下方近傍から外周近傍に昇降自在に配設した調整筒（１７）を、流水量の低下に応じて上昇させ、流水量の増加に応じて下降させることを特徴とする水車のインレットベーン。
上記底板（１９）を、笠型状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の水車のインレットベーン。
上記調整筒（１７）の周部にスクリーン（２６）を張設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の水車のインレットベーン。
上記調整筒（１７）をガイド杆（２６、２６）に沿って摺動可能に配設し、調整筒（１７）の上端部に嵌着した環状部材（２０）を昇降機（２２）に巻き掛けた昇降ロープ（２３）に連結したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の水車のインレットベーン。