JP5314685B2 - 主流から取り出された水流を注入する手段を備える水力機械 - Google Patents

Description

本発明は、水の主流が通過する型のフランシス型水力機械に関する。水力機械は、水車の羽根車であって、その羽根車の近傍に渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域のうち少なくとも一つが発生する羽根車を備え、その羽根車は天井部と帯部との間に配置された複数の羽根を備えている。水力機械は、前記主流から取り出された水流を、主流に関連して変化させることなく、前記渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域に注入する手段を備え、それによって主流を局部的に変化させるか、又はこの領域において圧力を増加させる。

このような水力機械は、例えば、水力電気を発生する施設で使用されている。水力機械は流路に設置されるか、又は一つ以上の水路が出ている貯水槽から水が供給される。

これらの水力機械には、その水力機械の構成に起因して、その機械を通過する主流が乱される領域や、渦が発生する領域、又は減圧やキャビテーション領域が現れる領域がある。そのような領域は水力機械内の主流の作用効率を減少させ、水力機械の作動の問題を引き起こすので、それら領域は水力機械の全体的な性能に影響を与える。

特許文献１は、上述した型の水力機械であって、主流から取り出された水流を、水車の羽根車の羽根に沿って発生するキャビテーション領域に注入することを可能にする水力機械を記載している。

米国特許第１，９４２，９９５号明細書

しかしながら、特許文献１に記載された水力機械では、減圧領域が発生した複数の羽根の間に延在する空間の圧力を効果的に増加させることができないか、又は羽根の間にさらに発生した渦領域を取り除くことができない。

本発明は、渦領域、減圧領域及びキャビテーション領域を単純な方法により同時に除去することを可能にする水力機械を提供し、これにより上述の障害を軽減することを目的とする。

従って、本発明は上述した型の水力機械に関し、天井部から又は帯部から取り出された水流を、天井部又は帯部に形成された開口部により、注入する前記手段を備える水力機械に関する。

天井部から又は帯部から、取り出された水流を注入することで、これらの領域において、主流の作用に関する性能の欠如を補い、水力機械の性能や調子を改良することが可能になる。また、キャビテーション領域及び減圧領域又は渦領域を除去するために、取り出された水流が注入されるべき場所を正確に選択することが可能になる。

水力機械の他の特徴によれば、注入手段は、ロータの上流側において主流から水流を取り出す入口と、渦又は減圧又はキャビテーションの領域に向けて開口する出口とを備えた、少なくとも一つの管路を備えている。注入手段は、取り出された水流の通路に配置された弁であって、取り出された水流が主流から通過することを可能にする開位置と、取り出された水流の通過を妨げる閉位置との間を移動可能な弁を備えている。弁の動作は制御手段によって制御されている。天井部又は帯部に形成された開口は、複数の羽根の間の空間に通じている。取り出された水流は、ロータの羽根に対向する天井部又は帯部に形成された開口部を通過し、前記羽根の上流側端部及び／又は下流側端部の近傍において前記羽根の側壁に配置されたオリフィスを経由して、前記羽根の側面に注入される。取り出された水流は、ロータの羽根に対向する天井部又は帯部に形成された開口部を通過して、羽根の下流側端部に注入される。

本発明の他の態様及び利点は、実施例を示すと共に添付の図面を参照ながら、以下の記述によって明らかにされるであろう。

本発明によるフランシス水車の断面であって部分的な概略図である。 図１のフランシス水車のロータを上方から見た概略図である。

以下に記述される本発明は、フランシス水車型の水力機械に適用される。この水力機械は公知であるので、本明細書では詳細に記述しない。さらに、本発明は、渦、減圧又はキャビテーションの領域が発生することにより問題が生じる他の型の水力機械に対しても適用される。

本明細書において、用語「上流」及び「下流」は、水力機械を通過する主流Ｅの流れの方向に対して定義される。

図１は、羽根車４を備えるフランシス水車２を示しており、羽根車４は天井部２８と帯部３０との間に配置された複数の羽根６を備えている。

羽根６について説明すると、羽根６の入口側縁部又は上流側端部８の近傍の領域、及び／又は、出口側縁部又は下流側端部１０の近傍の領域には、ロータ４の羽根６の側面にキャビテーションが発生する問題があった。この障害を軽減するために、図１に示すように、羽根６は、入口側オリフィス２２と出口側オリフィス２４、２６との間であって、羽根の内部に延びる複数の管路（図示しない）を備えている。管路の入口側オリフィス２２は、羽根６の上流側端部８の近傍に配置されており、羽根の上流側において主流Ｅから水流を取り出すようになっている。管路の出口側オリフィス２４、２６は、羽根６の上流側端部８及び／又は下流側端部１０の近傍であって羽根６の側壁に、取り出された水流を注入するよう配置されている。取り出されて注入される水流の効果は、主流Ｅを局部的に変化させることであり、それによって、上流側端部８の近傍において羽根にキャビテーションが発生する現象を防止する。そのため、ある管路は、上流側端部８の近傍において羽根にキャビテーションが発生する現象を防止するために、上流側端部８の近傍において羽根６の側壁に通じる出口側オリフィス２４を備えている。別の管路は、下流側端部１０の近傍における羽根にキャビテーションが発生する現象を防止するために、下流側端部１０の近傍に羽根６の側壁に向けて開口する出口側オリフィス２６を備えている。

種々の実施形態によれば、入口側及び出口側開口部は、図１の出口側開口部２４によって示されるように、主流Ｅの方向に対して垂直な方向に、羽根６の上流側端部８及び下流側端部１０に沿って連続して配置されてよい。

特に有利な実施形態によれば、出口側開口部は、主流Ｅの方向において、羽根６の下流側端部１０に向けて開口するよう配置されている。下流側端部への取り出された水流の注入により、羽根６が通過した跡に発生する渦領域を除去することが可能になる。例えば、取り出された水流は羽根６の下流側端部１０の底に注入される。

ロータ４の複数の羽根６は、天井部２８と帯部３０との間に配置されている。

本発明によれば、羽根上のキャビテーション現象は、図２に示すように羽根６に対向する天井部２８に形成された複数の開口部３１によって防止される。これらの開口部３１は、図示しない流路によって、出口側開口部２４、２６と下流側端部１０に向けて開口する出口側開口部とに連通している。水流Ｅ_２は、フランシス水車２に供給される羽根６の上流において主流Ｅから取り出される。水流Ｅ_２は、フランシス水車２を移動する羽根と固定部分との間を通過して、次いで天井部２８の上方に位置する環状の空間３４に流れ込む。取り出された水流Ｅ_２は、例えば、図示しない複数の管路により運ばれてよい。この水流Ｅ_２は開口部３１に流れ込み、次いで出口側開口部２４、２６に誘導される。

羽根上のキャビテーション現象に加えて、複数の羽根６の間の空間３３において、さらに渦流が発生する現象があり得る。これらの現象は、入口側及び出口側のオリフィスが羽根の下流側端部と上流側端部との間に配置されて、羽根の間の空間３３に向けて開口する管路によって軽減され得る。一つの実施形態によれば、羽根６の間に渦流が発生する現象は、図１に示すように、天井部２８に形成された開口部３２によって解決される。

本実施形態において、図１及び図２に示すように、環状の空間３４内の取り出された水流Ｅ_２は開口部３２に移動し、羽根６の間の空間３３に流れ込む。開口部３２は、羽根６を分ける空間３３に面する天井部２８において分散して配置されている。それにより、取り出された水流Ｅ_２は、複数の羽根６の間に発生した渦流の現象を防止するよう、羽根６の間に注入されて、主流Ｅの性質を変化させる。

変更態様として、取り出された水流Ｅ_２は、天井部２８を介して移動することの代わりに又は移動することに加えて、帯部に形成された開口部（図示しない）により帯部３０を通過して移動することができる。

このように、天井部２８及び／又は帯部３０に形成された開口部３１、３２は、単純な手段により、羽根上のキャビテーション領域の発生と、羽根の間の渦流の発生と、羽根の下流における渦とに起因する問題全てについて克服することを可能にする。

上述した全ての注入手段を適用可能な一実施形態によれば、注入手段は、図１に示すように、取り出された水流の通路に配置される弁７２を備えている。弁７２は、取り出された水流が通過することを可能にする開位置と、取り出された水流の通過を妨げる閉位置との間を移動可能である。弁７２は、例えば、注入手段の各入口側開口部の近傍に配置されており、取り出された水流の注入を手動で又は自動的に制御することを可能にする。フランシス水車の場合、弁７２は天井部２８に配置された各開口部３２の近傍に設けられている。

弁７２の動作は、機械的又は電気的な制御手段（図示しない）であり、それ自体は公知の手段である制御手段によって制御される。従って、渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域が発生した水力機械の状態を操作する間ずっと、水力機械の自動システム又は操作者は、上述したように、一つ又は複数の弁を、これらの領域に取り出された水流を注入することが可能な開位置に切り換え、これらの領域の発生を妨げる。

取り出された水流は主流Ｅに関連して変化することはない、すなわち、水は水流として取り出されている間は、その構成を変化させるいかなる作用を受けないことに注意すべきである。

Claims (7)

1. 水の主流（Ｅ）が通過するフランシス型の水力機械において、
   水車の羽根車（４）であって、前記羽根車の近傍に渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域（８、１０、３３）のうち少なくとも一つが発生する羽根車（４）を備え、
   前記羽根車は、天井部（２８）と帯部（３０）との間に配置された複数の羽根（６）を備え、
   前記水力機械は、前記主流から取り出された、前記主流（Ｅ）に関連して変化しない水流（Ｅ_２）を、前記渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域（８、１０、３３）に注入して、前記主流（Ｅ）を局部的に変化させるか、又は前記領域（８、１０、３３）において圧力を増加させる注入手段を備え、
   前記手段は、前記取り出された水流（Ｅ_２）を、前記天井部（２８）から又は前記帯部（３０）から、前記天井部（２８）又は前記帯部（３０）に形成された開口部（３１、３２）により、注入することを特徴とする、水力機械。
2. 前記注入手段は、前記主流（Ｅ）から水流（Ｅ_２）を取り出す入口と、前記渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域（８、１０、３３）に向けて開口する出口と、を備える少なくとも一つの管路を備えることを特徴とする、請求項１に記載の水力機械。
3. 前記注入手段は、前記取り出された水流（Ｅ_２）の通路に配置された弁（７２）を備え、前記弁（７２）は、前記主流（Ｅ）から取り出された前記水流（Ｅ_２）が通過することを可能にする開位置と、前記取り出された水流（Ｅ_２）の通過を妨げる閉位置との間を移動可能であることを特徴とする、請求項２に記載の水力機械。
4. 前記弁（７２）の動作は制御手段によって制御されることを特徴とする、請求項３に記載の水力機械。
5. 前記天井部（２８）又は前記帯部（３０）に形成された前記開口部（３２）が、複数の前記羽根（６）の間の空間（３３）に通じていることを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載の水力機械。
6. 前記取り出された水流（Ｅ_２）は、前記ロータ（４）の前記羽根（６）に対向する前記天井部（２８）又は前記帯部（３０）に形成された開口部（３１）を通過し、前記羽根の上流側端部（８）及び／又は下流側端部（１０）の近傍にある、前記羽根（６）の側壁（１２）に配置されたオリフィス（２４、２６）を介して前記羽根（６）の側面に注入されることを特徴とする、請求項１から５の何れか一項に記載の水力機械。
7. 前記取り出された水流（Ｅ_２）は、前記羽根車（４）の複数の羽根（６）に面する前記天井部（２８）又は前記帯部（３０）に形成された開口部（３１）を通過し、前記羽根（６）の下流側端部に注入されることを特徴とする、請求項１から６の何れか一項に記載の水力機械。

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