JP5344838B2

JP5344838B2 - 流体機械

Info

Publication number: JP5344838B2
Application number: JP2008084892A
Authority: JP
Inventors: 岳志佐野; 和芳宮川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009236055A

Description

この発明は、流体機械に関し、さらに詳しくは、キャビテーションの発生を効果的に抑制できる流体機械に関する。

近年の流体機械は、複数の主羽根と、これらの主羽根よりも短い翼長を有する複数のスプリッタとが交互に配列されて成るランナを備えている。このような流体機械では、運転時にてキャビテーションの発生を抑制すべき課題がある。

このような課題に関する従来の流体機械として、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の流体機械（スプリッタランナ）は、クラウン、バンド間に、翼長の長い羽根と翼長の短い羽根とが、回転軸を中心とする円周方向に交互に配置されてなるスプリッタランナであって、前記翼長の長い羽根の前記クラウン、バンド間の水車入口側端部の少なくとも一部が、前記翼長の短い羽根の前記クラウン、バンド間の水車入口側端部よりも、前記円周の内径側に位置する。

特開２００５−４８６０８号公報

この発明は、キャビテーションの発生を効果的に抑制できる流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる流体機械は、複数の主羽根と、前記主羽根よりも短い翼長を有する複数のスプリッタとが交互に配列されて成るランナを備える流体機械であって、隣り合う一対の前記主羽根の中間位置に基準線ｏを引くときに、前記スプリッタが基準線ｏよりも前記スプリッタに対して負圧面を向けている前記主羽根側に寄せられて配置され、且つ、前記スプリッタの延長線と前記ランナの外周円とのなす角βが前記主羽根の延長線と前記ランナの外周円とのなす角αよりも大きいことを特徴とする。

この流体機械では、スプリッタが基準線ｏよりもスプリッタに対して負圧面を向けている主羽根側に寄せられて配置されるので、運転時におけるキャビテーションの発生が抑制される利点がある。
また、この流体機械では、スプリッタのポンプ入口角（水車出口角）βと、主羽根のポンプ入口角αとがβ＞αの関係を有する。かかる構成では、運転時にて主羽根の負荷が低減されるので、主羽根とスプリッタとの負荷配分が均等化される。これにより、各翼の負荷が低減されて、キャビテーションの発生が効果的に抑制される利点がある。
また、この発明にかかる流体機械は、前記主羽根および前記スプリッタの少なくとも一方のポンプ運転時における入口側端部が翼厚さ方向の断面視にて異なる曲率半径ｒ１、ｒ２を有する複数の円弧から成ると共に、翼の圧力面側に位置する前記円弧の曲率半径ｒ１と翼の負圧面側に位置する前記円弧の曲率半径ｒ２とがｒ１＜ｒ２の関係を有する。
この流体機械では、低流量での運転時にて水流が負圧面側の翼面に沿って流れるため、静圧が極度に低下することなく、キャビテーションの発生が抑制される利点がある。

また、この発明にかかる流体機械は、隣り合う一対の前記主羽根のうち前記スプリッタに対して負圧面を向けている主羽根から他方の主羽根までの距離Ｌと前記スプリッタまでの距離Ｌ’とが０．４０≦Ｌ’／Ｌ＜０．５０の関係を有する。

この流体機械では、主羽根とスプリッタとの位置関係が適正化されるので、運転時におけるキャビテーションの発生が効果的に抑制される利点がある。

また、この発明にかかる流体機械は、前記主羽根の外径端部が前記スプリッタの外径端部よりも前記ランナの径方向内側にある。

この流体機械では、運転時にて主羽根の負荷が低減されるので、主羽根とスプリッタとの負荷配分が均等化される。これにより、各翼の負荷が低減されて、キャビテーションの発生が効果的に抑制される利点がある。

また、この発明にかかる流体機械は、前記主羽根および前記スプリッタの少なくとも一方のポンプ運転時における入口側端部における翼厚が出口側端部における翼厚よりも小さい。

この流体機械では、翼のポンプ運転時における入口側端部が薄い翼厚を有する。かかる構成では、ポートの径が確保されるので、水車運転時の最大出力性能が適正に確保される利点がある。

この発明にかかる流体機械では、スプリッタが基準線ｏよりもスプリッタに対して負圧面を向けている主羽根側に寄せられて配置されるので、運転時におけるキャビテーションの発生が抑制される利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

図１は、この発明の実施例にかかる流体機械を示す構成図である。図２は、図１に記載した流体機械のランナを示す平面図である。図３〜図６は、図１に記載したランナの作用を示す説明図である。

［ポンプ水車］
この流体機械は、例えば、ポンプ（軸流ポンプ）、ポンプ水車などに適用され得る。ここでは、一例として、発明がポンプ水車に適用される場合について説明する（図１参照）。

流体機械（ポンプ水車）１は、ランナ２と、主軸３と、カバー４とを備える。ランナ２は、ランナ本体２１の背面側にて主軸３に連結される。カバー４は、このランナ２を収容する部材である。このカバー４を介して、ランナ２の軸方向前方と吸出管１０とが接続され、また、ランナ２の径方向外側とケーシング１１とが接続される。

この流体機械１では、ポンプ運転時には、ランナ２が主軸３から動力を伝達されて回転する。すると、水が吸出管１０から吸い上げられてケーシング１１内に送り出される。一方、水車運転時には、吸出管１０からの水流がランナ２を回転させた後にケーシング１１内に排出される。これにより、ランナ２が回転して動力が主軸３に伝達される。

［ランナのスプリッタ］
また、ランナ２は、ランナ本体２１と、複数の主羽根２２および複数のスプリッタ２３とを有する（図２参照）。スプリッタ２３は、主羽根２２よりも短い翼長を有する。また、複数の主羽根２２と複数のスプリッタ２３とが交互に配列される。かかる構成では、複数のスプリッタ２３の配置により、全体としての翼枚数が増加して各翼２２、２３の負荷が低減される。これにより、静圧の低下が抑制されてキャビテーションの発生が抑制される。

ここで、ランナ２の平面視（翼配置図）にて、隣り合う一対の主羽根２２、２２の中間位置に基準線ｏを引く（図２参照）。このとき、各スプリッタ２３が基準線ｏよりもスプリッタ２３に対して負圧面を向けている主羽根２２側に寄せられて配置される。すなわち、主羽根とスプリッタとが交互かつ等間隔にて配置されるのではなく、各スプリッタ２３が一方の主羽根２２（スプリッタ２３に対して負圧面を向けている主羽根２２）側に寄せられて配置される。

また、隣り合う一対の主羽根２２、２２のうちスプリッタ２３に対して負圧面を向けている主羽根から他方の主羽根までの距離をＬとする。また、スプリッタ２３に対して負圧面を向けている主羽根２２からスプリッタ２３までの距離をＬ’とする。このとき、これらの距離Ｌ、Ｌ’が０．４０≦Ｌ’／Ｌ＜０．５０の関係を有することが好ましく、Ｌ’／Ｌ＝０．４５の関係を有することがより好ましい。なお、Ｌ’／Ｌ＝０．５０のときに、基準線ｏとスプリッタ２３の位置とが一致する。

図３は、主羽根２２とスプリッタ２３との位置関係（比Ｌ’／Ｌ）と揚水運転時におけるキャビテーションの発生量との関係を示すグラフである。同図では、縦軸が低揚程条件（大流量条件）を示し、横軸が高揚程条件（低流量条件）を示している。したがって、グラフが同図の左下の領域にあるほど、低揚程時および高揚程時の双方にてキャビテーションの発生量が少なく、好ましい。同図に示すように、主羽根２２とスプリッタ２３との位置関係が０．４０≦Ｌ’／Ｌ＜０．５０の関係を有するときに、キャビテーションの発生量が広い運転範囲にて抑制されることが分かる。また、比Ｌ’／Ｌ＝０．４５のときに、最も好ましい実験結果が得られている。

［効果］
以上説明したように、この流体機械１では、スプリッタ２３が基準線ｏよりもスプリッタ２３に対して負圧面を向けている主羽根２２側に寄せられて配置されるので（図２参照）、運転時におけるキャビテーションの発生が抑制される利点がある。例えば、主羽根（スプリッタ）の前縁部が円弧形状や楕円形状を有する構成では、低流量での運転時にて、水流が主羽根の前縁部を回り込み、静圧が局所的に低下してキャビテーションが発生し易くなる。

また、かかる構成では、翼形状（主羽根２２およびスプリッタ２３の形状）を変更することなくキャビテーションの発生を抑制できるので、運転出力が適性に維持される利点がある。例えば、主羽根の負圧面側が局所的に肉盛りされる構成では、上記の回り込み流れが緩和されるものの水車ポンプの出口角（ポンプの入口角）が実質的に寝てしまう。このため、ポンプの最高効率点が低流量側にずれるという問題がある。また、水車運転時にて、ランナ出口の順旋回傾向が強まり、最大出力点などの過負荷運転の効率が低下するという問題がある。

また、この流体機械１では、隣り合う一対の主羽根２２、２２のうちスプリッタ２３に対して負圧面を向けている主羽根２２から他方の主羽根２２までの距離Ｌとスプリッタ２３までの距離Ｌ’とが０．４０≦Ｌ’／Ｌ＜０．５０の関係を有する（図２参照）。かかる構成では、主羽根２２、２２とスプリッタ２３との位置関係が適正化されるので、運転時におけるキャビテーションの発生が効果的に抑制される利点がある。例えば、Ｌ’／Ｌ＜０．４０では、主羽根２２とスプリッタ２３との間隔が狭いため運転出力が低下する。また、０．５０≦Ｌ’／Ｌでは、キャビテーションの低減効果が十分に得られない（図３参照）。

［付加的事項］
また、この流体機械１では、主羽根２２の外径端部（ランナ２の径方向に対して外側にある端部）がスプリッタ２３の外径端部よりもランナ２の径方向内側にあることが好ましい（図２参照）。かかる構成では、運転時にて主羽根２２の負荷が低減されるので、主羽根２２とスプリッタ２３との負荷配分が均等化される。これにより、結果的に主羽根２２の負荷が低減されて、キャビテーションの発生が効果的に抑制される利点がある。

例えば、この実施例では、主羽根２２の外径端部がカットされており、スプリッタ２３の外径端部よりもランナ２の径方向内側に位置している（図２参照）。なお、主羽根２２の翼長さは、スプリッタ２３の翼長さよりも長い。また、各主羽根２２同士の翼長さは、同一に設定されている。

また、この流体機械１では、スプリッタ２３の延長線ｍとランナ２の外周円とのなす角βが主羽根２２の延長線ｌとランナ２の外周円とのなす角αよりも大きい（β＞α）ことが好ましい（図４参照）。すなわち、スプリッタ２３のポンプ出口角（水車入口角）βと、主羽根２２のポンプ出口角αとがβ＞αの関係を有することが好ましい。かかる構成では、運転時にて主羽根２２の負荷が低減されるので、主羽根２２とスプリッタ２３との負荷配分が均等化される。これにより、各翼２２、２３の負荷が低減されて、キャビテーションの発生が効果的に抑制される利点がある。

例えば、この実施例では、主羽根２２の外径端部からスプリッタ２３に引いた垂線の足を点Ｐとするときに、スプリッタ２３のポンプ出口角βが点Ｐよりも外径端部側の領域にてβ＞αの関係に設定されている（図４参照）。具体的には、外径端部から翼長の約２０％の領域にて、スプリッタ２３のポンプ入口角βがβ＞αの関係に設定されている。これにより、キャビテーションの発生がより効果的に抑制されている。例えば、β＞αの関係となる領域が大き過ぎると、翼端部にて水流の剥離が生じてキャビテーションの抑制効果が低下する。

また、この流体機械１では、主羽根２２およびスプリッタ２３の少なくとも一方のポンプ運転時における入口側端部が、翼厚さ方向の断面視にて異なる曲率半径ｒ１、ｒ２を有する複数の円弧から成る。このとき、翼２２（２３）の圧力面側に位置する円弧の曲率半径ｒ１と負圧面側に位置する円弧の曲率半径ｒ２とが、ｒ１＜ｒ２の関係を有することが好ましい。すなわち、翼２２（２３）の入口側端部が負圧面側にて大きな曲率半径ｒ２（＞ｒ１）を有することが好ましい。かかる構成では、低流量での運転時にて水流が負圧面側の翼面に沿って流れるため、静圧が適性に維持されてポンプ運転時のキャビテーションの発生が抑制される利点がある。

例えば、この実施例では、主羽根２２およびスプリッタ２３の双方の入口側端部が、翼厚さ方向の断面視にて２つの円弧によりそれぞれ構成されている。また、翼２２（２３）の圧力面側に位置する円弧の曲率半径ｒ１と負圧面側に位置する円弧の曲率半径ｒ２とが、ｒ１＜ｒ２の関係を有している。また、これらの円弧よりも翼長さ方向内側の範囲では、翼厚ｔを膨らませる等の加工が施されていない。したがって、翼２２（２３）の加工範囲が少ないため、翼２２（２３）の加工が容易となっている。

また、例えば、ギャビテーション性能を確保するために翼２２（２３）のポンプ入口角を小さくした（寝かせた）構成では、ポートの径が縮小されるため、水車運転時の最大出力性能が悪化するおそれがある。そこで、この流体機械１では、主羽根２２およびスプリッタ２３の少なくとも一方の入口側端部における翼厚ｔが出口側端部における翼厚ｔよりも小さいことが好ましい（図５および図６参照）。すなわち、翼２２（２３）の入口側端部が薄い翼厚ｔを有する。かかる構成では、ポートの径が確保されるので、水車運転時の最大出力性能が適正に確保される利点がある。

例えば、この実施例では、主羽根２２およびスプリッタ２３の双方にて、ポンプ入口側端部からポート近傍の領域における翼厚ｔがポンプ出口側端部における翼厚ｔよりも小さく設定されている（図６の実施例参照）。具体的には、ポンプ入口側端部から点Ｐ（図４参照）までの領域にて、翼厚ｔの変化率がポンプ出口側端部よりも緩やかに設定されている。これにより、ポンプ入口側端部における翼厚ｔの薄型化が図られている。なお、図６の従来例では、ポンプ入口側端部における翼厚ｔの変化率とポンプ出口側端部における翼厚ｔの変化率とが略同一に設定されている。

以上のように、この発明にかかる流体機械は、キャビテーションの発生を効果的に抑制できる点で有用である。

この発明の実施例にかかる流体機械を示す構成図である。図１に記載した流体機械のランナを示す平面図である。図１に記載したランナの作用を示す説明図である。図１に記載したランナの作用を示す説明図である。図１に記載したランナの作用を示す説明図である。図１に記載したランナの作用を示す説明図である。

符号の説明

１流体機械
２ランナ
２１ランナ本体
２２主羽根
２３スプリッタ
３主軸
４カバー
１０吸出管
１１ケーシング

Claims

複数の主羽根と、前記主羽根よりも短い翼長を有する複数のスプリッタとが交互に配列されて成るランナを備える流体機械であって、
隣り合う一対の前記主羽根の中間位置に基準線ｏを引くときに、前記スプリッタが基準線ｏよりも前記スプリッタに対して負圧面を向けている前記主羽根側に寄せられて配置され、且つ、
前記スプリッタの延長線と前記ランナの外周円とのなす角βが前記主羽根の延長線と前記ランナの外周円とのなす角αよりも大きいことを特徴とする流体機械。
前記主羽根および前記スプリッタの少なくとも一方のポンプ運転時における入口側端部が翼厚さ方向の断面視にて異なる曲率半径ｒ１、ｒ２を有する複数の円弧から成ると共に、翼の圧力面側に位置する前記円弧の曲率半径ｒ１と翼の負圧面側に位置する前記円弧の曲率半径ｒ２とがｒ１＜ｒ２の関係を有する請求項１に記載の流体機械。
隣り合う一対の前記主羽根のうち前記スプリッタに対して負圧面を向けている主羽根から他方の主羽根までの距離Ｌと前記スプリッタまでの距離Ｌ’とが０．４０≦Ｌ’／Ｌ＜０．５０の関係を有する請求項１または２に記載の流体機械。
前記主羽根の外径端部が前記スプリッタの外径端部よりも前記ランナの径方向内側にある請求項１〜３のいずれか一つに記載の流体機械。
前記主羽根および前記スプリッタの少なくとも一方のポンプ運転時における入口側端部における翼厚が出口側端部における翼厚よりも小さい請求項１〜４のいずれか一つに記載の流体機械。