JP5118513B2 - 隔壁構造及び水力機械 - Google Patents

Description

本発明は、圧力を受ける液体を仕切る隔壁構造と、渦巻ケーシングを有する水力機械に関する。

液体で満たされた空間を仕切る隔壁には圧力の異なる空間を仕切っているものがある。このように圧力の異なる空間を仕切る隔壁には、隔壁の前後の差圧に基づいた応力が作用したり、差圧の変動によって変動応力が作用したりするので、応力による損傷を避けるだけの強度が求められる。

この種の隔壁の具体例としては、水車やポンプ、ポンプ水車などの水力機械の渦巻ケーシングに用いられる隔壁（バッフルプレート）がある。このバッフルプレートは、渦巻状の流路である渦巻ケーシングの巻き終わり部に設けられた隔壁であり、ランナ（動翼）の回転等によって発生する水の圧力脈動を受けとめている。そのため、バッフルプレートには圧力脈動による変動応力に耐え得る充分な強度が求められている。

特開昭５１−１５２１７４号公報

ところで、隔壁の設置条件によっても異なるが、隔壁が設置されている母材（例えば、水力機械で言うと渦巻ケーシング）の強度を向上させる簡易な方策としては複数の隔壁を間隔を介して設置する方法がある。しかし、例えば、２枚の隔壁を設ける場合には、先に母材に取り付ける隔壁は隅肉溶接等で隔壁の両側から固定することができるが、後に取り付ける隔壁は、先に取り付けたものが邪魔になるため片側からしか溶接することができない。そのため、このように複数の隔壁を設ける方法では、後に取り付ける隔壁の強度が問題となることがある。

本発明の目的は、容易に強度を高めることができる隔壁構造を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、圧力を受ける液体を仕切る隔壁構造において、液体中に固定された第１隔壁と、この第１隔壁と間隔を介して固定された第２隔壁と、前記第１隔壁と前記第２隔壁の間に形成され、液体で満たされた隔室とを備え、前記第１隔壁及び前記第２隔壁のうち、少なくとも液体から相対的に高い圧力を受ける傾向があるものには、前記隔室と連通する通液孔が１つ以上設けられているものとする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１隔壁と前記第２隔壁には、前記隔室と連通する通液孔がそれぞれ１つ以上設ける。

（３）本発明は、上記目的を達成するために、渦巻ケーシングを有する水力機械において、前記渦巻ケーシングが形成する渦状流路を遮断するように前記渦巻ケーシングの巻き終わり部に固定された第１隔壁と、この第１隔壁から前記渦巻流路の上流側に位置するように間隔を介して固定された第２隔壁と、前記第１隔壁と前記第２隔壁の間に形成され、液体で満たされた隔室とを備え、前記第１隔壁及び前記第２隔壁のうち、少なくとも液体から相対的に高い圧力を受ける傾向があるものには、前記隔室と連通する通液孔が１つ以上設けられているものとする。

本発明によれば、隔壁構造の剛性を容易に高めることができるので、隔壁構造の強度を容易に高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

本実施の形態は、本発明を、例えば、水車やポンプ、ポンプ水車といった水力機械に適用した場合の一例である。

図１は本発明の実施の形態に係る水車の概略図であり、図２は図１中の隔壁構造部分の拡大図である。

これらの図に示す遠心水車は、ランナ１と、渦巻ケーシング２と、第１隔壁（バッフルプレート）１１と、第２隔壁（バッフルプレート）１２と、ステーベーン４と、ガイドベーン５を備えている。

ランナ１は、水（作動流体）によって回転され主軸（図示せず）に軸駆動力を伝達するもので、周方向に複数配置されたランナベーン６を有している。ランナ１は、ガイドベーン５を介してランナベーン６に衝突する水流によって回転される。また、ランナベーン６と衝突してランナ１を回転させた水は、ドラフトパイプ（図示せず）を介して外部へ排出されている。

渦巻ケーシング２は、ランナ１を回転させる水が流通する流路で、ランナ１の外周側に設けられている。渦巻ケーシング２が形成する流路（渦巻流路）は、ランナ１を渦巻状に取り囲んでおり、水が流入する入口部１５から下流側の巻き終わり部１６に向かって流路が徐々に狭まるように形成されている。渦巻ケーシング２内は、ランナ１の回転等によって発生する圧力脈動をもつ高圧の水で満たされている。

渦巻ケーシング２の内周側には、複数のステーベーン４が環状に配列されている。ステーベーン４は、渦巻ケーシング２を流通してきた水をランナ１の方向へ導く翼である。環状に配列された複数のステーベーン４の内周側には、複数のガイドベーン５が環状に配列されている。ガイドベーン５は、回転軸（図示せず）を中心に回転し、ステーベーン４からランナ１へ流入する水量を調整するものである。

図２において、第１隔壁１１及び第２隔壁１２（以下、適宜、隔壁１１，１２とする）は、渦巻ケーシング２の上流側と下流側の水流を遮断するためのものであり、渦巻ケーシング２の巻き終わり部１６に設けられている。第１隔壁１１と第２隔壁１２の間には隔室１３が形成されており、隔室１３は液体で満たされている。

第１隔壁１１は、渦巻ケーシング２の入口部１５と巻き終わり部１６とを遮断するように、巻き終わり部１６に配置されたステーベーン４ａと渦巻ケーシング２の内壁に対して固定されている。以下において、第１隔壁１１は、渦巻ケーシング２がランナ１の周囲に形成する渦巻流路の最下流に設けられているものとして説明する。本実施の形態における第１隔壁１１は、ステーベーン４ａと渦巻ケーシング２に対して溶接（隅肉溶接）によって固定されており、応力が集中する溶接部の強度を高めるために、入口部１５側からと巻き終わり部１６側からの両面から溶接されている。

第２隔壁１２は、第１隔壁１１に対して渦巻流路の上流側に位置するように第１隔壁１１と間隔を介して設けられており、ステーベーン４ａ及び渦巻ケーシング２の内壁に固定されている。このような配置が理由で、本実施の形態における第２隔壁１２は、第１隔壁１１と比較して相対的に変動の大きい圧力脈動をランナ１から受ける傾向がある。また、本実施の形態における第２隔壁１２は、渦巻ケーシング２内に第１隔壁を固定した後に溶接されている。そのため、第１隔壁１１と対向する面（隔室１３側の面）は溶接することができず、片面（隔室１３と反対側の面）のみによって溶接されている。

なお、ステーベーン４ａに隔壁１１，１２を溶接する際には、渦巻ケーシング２からの水流の圧力損失を低減するために、図１に示すように、ステーベーン４ａの曲面に合わせて隔壁１１，１２を滑らかに連ねて形成することが好ましい。

隔室１３には、第２隔壁１２が受ける圧力に対抗し得るだけの圧力に保持された液体が満たされている。

第１隔壁１１及び第２隔壁１２に孔（後述する通液孔２１，２２）を設けず、隔室１３を密閉空間とする場合には、隔室１３内の圧力は、第２隔壁１２が受ける圧力と同程度（即ち、第２隔壁１２が受ける圧力と等しい圧力か、その圧力に近い圧力）に設定すれば良い。なお、本実施の形態の第２隔壁１２は圧力脈動によって変動圧力を受けるので、その圧力変動を考慮する必要がある。そのため、例えば、隔室１３内の圧力を、水車の稼働中に第２隔壁１２が受ける圧力の最大値と最小値の平均程度に設定することが好ましい。このように隔室１３を密閉する場合には、隔室１３内に充填するものは、加圧してもほぼ圧縮しない液体であれば良い。

また、渦巻ケーシング２内の圧力と隔室１３内の圧力を容易に同程度に保持するためには、本実施の形態のように、水車の稼働中に第１隔壁１１と比較して相対的に変動の大きい圧力を受ける第２隔壁１２に通液孔２２を設けることが好ましい。通液孔２２は、渦巻ケーシング２の巻き終わり部１６側と隔室１３を連通するもので、第２隔壁１２に１つ以上設けられている。なお、本実施の形態の隔壁１２は、通液孔２２を１つ有するのみであるが、必要であればそれ以上設けても良い。

通液孔２２の大きさは、最大でも、水車の稼働中に隔室１３からの漏水があっても、圧力脈動によって第２隔壁１２が損傷しない程度に隔室１３内の液体の体積が保持される大きさに形成し、かつ、最小でも、渦巻ケーシング２に急激に水が流れ込んで第２隔室１２に急激な圧力が作用するとき（例えば、水車の起動時）であっても、第２隔室１２が損傷しない程度に隔室１３内の圧力が上昇する大きさに形成することが好ましい。

このように通液孔２２を設けると、第２隔壁１２が受ける圧力が変動しても、当該圧力を有する水が隔室１３内に導入されるので、隔室１３の内外に著しい圧力差が発生することなく容易に平衡状態に至らせることができる。これにより、隔室１３内の圧力を常に外部の圧力と同程度に保持することができるので、通液孔２２を設けない上記の場合のように隔室１３内の圧力を考慮する必要がなくなり、構築が容易となる。

さらに、水力機械の作動流体として、河川水等、設備の腐食の原因となるものを含有しているものを利用するときには、本実施の形態のように、第１隔壁１１に通液孔２１を設けることが好ましい。通液孔２１は、隔室１３と渦巻ケーシング２の入口部１５側を連通するもので、第１隔壁１１に１つ以上設けられている。なお、本実施の形態では通液孔２１は１つ設けられている。また、通液孔２１の大きさも、通液孔２２と同様に、隔室１３からの漏水量や流入量を考慮して、隔室１３内の液体の体積がほとんど変わらず保持されるように形成することが好ましい。

このように、通液孔２１及び通液孔２２によって隔室１３と渦巻ケーシング２を連通させると、隔室１３内に水の流れが形成されるので、隔室１３内で腐食が発生することを抑制することができる。

なお、上記のように通液孔２１、又は通液孔２２を設けると、その孔を介して隔室１３内に小型カメラを導入することができる。これにより、隔室１３内の腐食の有無等を観察することができるので、隔室１３内の点検を容易に行うことができる。

次に本実施の形態の効果を図３及び図４を用いて説明する。

図３及び図４は本発明に係る隔壁構造の概念図である。即ち、図３は、上記のように構成した水力機械の隔壁構造を上位概念化したものであり、図４は、図中の矢印が示すように、図３の隔壁構造に第２隔壁３２側から圧力が作用した状態を示す図である。

図３に示す隔壁構造は、液体中に固定された第１隔壁３１と、第１隔壁３１と間隔を介して固定された第２隔壁３２と、第１隔壁３１と第２隔壁３２の間に形成され、第１隔壁３１と第２隔壁３２が受ける圧力に対抗し得るだけの圧力の液体で満たされた隔室３３を備えている。隔室３３から第１隔壁３１側に形成される空間を第１空間４１とし、隔室３３から第２隔壁３２側に形成される空間を第２空間４２とする。第１空間４１と第２空間４２には、圧力または圧力脈動を有する液体が満たされている。ところで、図３の第１隔壁３１は、上記の水力機械における第１隔壁１１に相当し、第２隔壁３２は上記の第２隔壁１２に相当し、隔室３３は上記の隔室１３に相当し、第１空間４１は渦巻流路の入口部１５側の空間に相当し、第２空間４２は渦巻流路の巻き終わり部１６側の空間に相当する。

ここで、例えば、第２空間４２の液体によって第２隔壁３２に圧力が作用すると、第２隔壁３２は図４に示すように変形しようとし、第２隔壁３２には応力が発生する。しかし、このとき、隔室３３内に満たされた液体はほとんど圧縮することなく体積はほとんど変わらないので、第１隔壁３１は、隔室３３内の液体に押されて、第２隔壁３２と同じだけ変形しようとする。これにより、第２隔壁３２に作用する圧力を第２隔壁３２だけでなく第１隔壁３１でも支えることとなるので、液体に満たされた隔室３３を形成しなかった場合と比較して、第２隔壁３２の変形量を低減することができる。すなわち、隔壁３１，３２は隔室３３内に満たされた液体によって接着されてあたかも一体の隔壁のように振る舞うことになるので、液体に満たされた隔室３３を形成しなかった場合と比較して、隔壁３１，３２の剛性を高めることができる。このように、本発明に係る隔壁構造によれば、隔室３３によって実質的に２枚の隔壁で圧力を受けることができるので、２枚の隔壁を取り付ける場合に後から取り付ける隔壁に生じる強度上の問題を容易な手段で解消することができる。

また、上記の実施の形態のように水力機械に適用した場合には、本発明は下記のような効果も奏する。すなわち、水力機械を製造する場合には、ランナ１が発生させる圧力脈動によってバッフルプレート（隔壁）が共振しないように設計するが、設置場所等の制約によりバッフルプレートの仕様（厚み、大きさ、材質等）に制限がかかり、共振を回避するために他の部分の大幅な設計変更の必要性に迫られる場合がある。このような場合、本実施の形態のように隔室１３を形成して、その隔室１３の容積（すなわち、隔室１３内の液体の質量）を調節すると、隔壁１１，１２の強度を保持しながら隔壁１１，１２の固有振動数を変更することができる。すなわち、本実施の形態によれば、上記のような場合にも他の部分に大幅な変更を加えることなく隔壁１１，１２の固有振動数を変更することができるので、容易に共振を回避することができる。

なお、上記では、第２空間４２から圧力を受ける場合について説明したが、第１空間４１から圧力を受ける場合についても本発明は同様の効果を奏する。

また、水力機械の例でも説明したが、図５に示すように第２隔壁３２に通液孔５２を設ければ、隔室３３内の圧力を第２空間４２の圧力の変化に追従させることができるので、隔室３３内の圧力を管理する手間を低減することができる。なお、第２空間４２の液体に比して第１空間４１の液体が高圧の場合には、上記と逆に、第１隔壁３１に通液孔５１を設ければ良いのは言うまでもない。

また、図５に示すように隔壁３１，３２の両方に通液孔５１，５２を設ければ、隔室３３内に液体の流れを形成できるので、隔室３３内の腐食を抑制することができる。

以上では、水車やポンプ、ポンプ水車といった水力機械に適用した場合を例に挙げて説明したが、この他にも、圧力を受ける液体を仕切る隔壁構造を有するものであれば、本発明を適用することができる。

本発明の実施の形態に係る水車の概略図。 図１中の隔壁構造部分の拡大図。 本発明の実施の形態に係る水車の隔壁構造の概念図。 図３に示した隔壁構造に圧力が作用した状態を示す図。 図３に示した隔壁構造の変形図。

符号の説明

２ 渦巻ケーシング
４ ステーベーン
１１ 第１隔壁
１２ 第２隔壁
１３ 隔室
１５ 入口部
１６ 巻き終わり部
２１ 通液孔
２２ 通液孔

Claims (3)

1. 圧力を受ける液体を仕切る隔壁構造において、
   液体中に固定された第１隔壁と、
   この第１隔壁と間隔を介して固定された第２隔壁と、
   前記第１隔壁と前記第２隔壁の間に形成され、液体で満たされた隔室とを備え、
   前記第１隔壁及び前記第２隔壁のうち、少なくとも液体から相対的に高い圧力を受ける傾向があるものには、前記隔室と連通する通液孔が１つ以上設けられていることを特徴とする隔壁構造。
2. 請求項１記載の隔壁構造において、
   前記第１隔壁と前記第２隔壁には、前記隔室と連通する通液孔がそれぞれ１つ以上設けられていることを特徴とする隔壁構造。
3. 渦巻ケーシングを有する水力機械において、
   前記渦巻ケーシングが形成する渦状流路を遮断するように前記渦巻ケーシングの巻き終わり部に固定された第１隔壁と、
   この第１隔壁から前記渦巻流路の上流側に位置するように間隔を介して固定された第２隔壁と、
   前記第１隔壁と前記第２隔壁の間に形成され、液体で満たされた隔室とを備え、
   前記第１隔壁及び前記第２隔壁のうち、少なくとも液体から相対的に高い圧力を受ける傾向があるものには、前記隔室と連通する通液孔が１つ以上設けられていることを特徴とする水力機械。

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