JP5460591B2 - 主流からの抽出流れを注入する手段を備える水力機械 - Google Patents

Description

本発明は、水の主流が流入するタイプの、水力機械に関するものであり、上流側端部と下流側端部を有するタービンのブレードプロフィールを、少なくとも１つ備え、ブレードプロフィールの近くには、少なくとも１つの渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域が形成され、この水力機械は、主流から抽出した流れを主流に対して修正せずに、渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域に注入し、主流を局所的に修正又はこの領域の圧力を増加させる、手段を備える。

このような水力機械は、例えば、水力発電プラントで利用されている。この機械は、水流の通路中に設置されるか、又は、１つ以上の水流が流れ込む貯水池から水を供給される。

これらの水力機械には、機械の構造によって、機械に流れ込む主流が乱されて、渦を発生する領域又は減圧を示す領域又はキャビテーション領域が存在する。このような領域は、水力機械内の主流の運動性能を低下させるため、又は、水力機械の作動上の問題を引き起こすため、水力機械の全体性能を悪化させる。

特許文献１は、上述のタイプの水力機械を記載しており、タービンホイールのブレードに沿って形成されるキャビテーション領域において、主流から抽出された流れを注入することができる。

米国特許ＵＳ１ ９４２ ９９５号公報

しかし、抽出された流れの出口オリフィスは、主流の方向に対しておおまかに垂直な方向に流れを注入するように配置されている。このようなオリフィスは、ブレードの後縁で形成されて水力機械の全体性能を妨げる渦領域を、除くことができない。

本発明の目的の１つは、ブレードプロフィールの後縁で形成される渦領域を根絶することができる水力機械を提案することによって、これらの欠点を軽減することである。

従って、本発明は、上述のタイプの水力機械に関し、この水力機械では、注入手段が、主流から流れを抽出して主流の方向の下流側端部に開く、ダクトを備えている。

主流から抽出された流れの、ブレードプロフィールの下流側端部への注入は、ブレードプロフィールのすぐ下流の、ブレードプロフィールの後縁に形成される渦領域において、主流を修正することができる。渦領域は、このようにして除かれ、この領域における主流の仕事の実行不足を効果的に改善させることができ、水力機械の性能と作動とを強化する。

本水力機械の他の特徴として、
−ダクトは、ブレードプロフィールの上流で主流から流れを抽出する入口と、渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域に開口する出口と、を備え、
−注入手段は、抽出された流れの通路に配置された弁を備え、この弁は、抽出された流れを主流から通過させる開いた位置と、抽出された流れの通過を妨げる閉じた位置と、の間を動くことができ、
−弁の動きは、適切な制御手段でコントロールされ、
−ブレードプロフィールは、フランシスタービンホイールの複数のブレードのうち少なくとも１つのブレードであり、このブレードは、ランナのクラウンとランナのバンドとの間に配置されており、流れが、ランナのクラウン又はランナのバンドに形成された開口によってランナのクラウン又はランナのバンドから抽出され、この流れが、少なくとも１つのブレードの下流側の端部に流入する。

本発明の他の特徴と利点とは、以下の説明の中で示され、添付図面に関連して例示され、説明される。

図１は、本発明によるタービンのブレードプロフィールの、上面から見た断面説明図である。 図２は、本発明によるフランシスタービンの、断面説明図である。 図３は、図２のフランシスタービンローターの、上側から見た説明図である。

以下に記載する発明は、特に、フランシスタービンタイプの水力機械に適用される。この機械は公知であるので、本明細書では詳細には記載しない。本発明はまた、渦領域、減圧領域、又はキャビテーション領域の形成の問題を有する他のタイプの水力機械に適用することができる。

本明細書において、用語「上流」と「下流」とは、水力機械に流入する主流Ｅの流れの方向に関して定義されている。

図１を参照すると、水力機械の要素が、ブレードプロフィール１として記載されている。このようなブレードプロフィール１は、例えば固定ガイドベーン、ゲートベーン、又はタービンブレードである。図１に示されているブレードプロフィール１は、固定ガイドベーンのものである。

固定ガイドベーンとゲートベーンの機能は、主流Ｅを導くことであり、主流Ｅは、タービンのローター４を横断し、ブレード６に接触して通り抜け、ローター４を垂直軸Ｚ−Ｚ’周りに回転させる。

ブレードプロフィール１は、主流Ｅに接触する側壁１２によって接続された上流側端部８と下流側端部１０とを有する。固定ガイドベーン、ゲートベーン、又はタービンブレードのいずれであっても、渦領域や減圧領域が下流側端部１０の近くで発生し、特に、下流側端部１０のすぐ下流で発生し、水力機械の振動を引き起こす可能性がある。

ブレードプロフィール１は、少なくとも１つのダクト１６を備え、ダクト１６は、入口開口１８と出口開口２０との間で、プロフィールの内部に延びている。入口開口１８は、上流側端部８の近くに配置され、例えばブレードプロフィール１の側壁１２の一方に開口している。側壁１２に接触する主流Ｅの一部Ｅ１は、従って、入口開口１８を通ってダクト１６で抽出され、出口開口２０に運ばれる。別の実施形態によると、ダクト１６は、ブレードプロフィール１の外側で流れＥ１を抽出し、この流れを出口開口２０に運ぶ。

出口開口２０は、下流側端部１０で開口している。従って、主流Ｅからの抽出流れＥ１は、ダクト１６を通り、出口開口２０を介して領域１４に注入される。この効果は、領域１４の流れＥの特性を修正し、これによって振動の発生を防止する。

ブレード６の場合、キャビテーションの発生の問題もあり、キャビテーションは、ローター４のブレード６のプロフィール上において、ブレードの入口端部又は上流側端部８の近くの領域で、又は、ブレードの出口端部又は下流側端部１０の近くの領域で、発生する。この欠点を軽減するために、ブレード６は、図２に示すように、入口開口２２と出口開口２４、２６との間でブレード内に延びる他のダクト（図示せず）を備える。ダクトの入口開口２２は、ブレード６の上流側端部８の近くに配置され、ブレードの上流の主流Ｅから流れを抽出する。ダクトの出口開口２４、２６は、ブレード６の上流側端部８又はブレード６の下流側端部１０の近くでブレード６の側壁上に抽出流れを注入するように配置されている。抽出されて注入された流れの効果は、局所的に主流Ｅを修正し、ブレードのプロフィール上でキャビテーションが発生するのを防止することである。特定のダクトは、従って、上流側端部８の近くでブレード上にキャビテーションを形成する現象を防止するために、上流側端部８の近くでブレード６の側壁につながる出口開口２４を備える。他のダクトは、下流側端部１０の近くでブレード上にキャビテーションを形成する現象を防止するために、下流側端部１０の近くでブレード６の側壁につながる出口開口２６を備える。

様々な実施形態によると、図２の出口開口２４で示すように、入口開口と出口開口は、主流Ｅの方向に対して垂直方向に、ブレード６の上流側端部８と下流側端部１０に沿って一列に配置されてもよい。

特に有利な実施形態によると、出口開口は、主流Ｅの方向に、ブレード６の下流側端部１０に開口するように配置されている。開口は、例えば、ブレード６の基部に開口する。抽出流れの下流側端部への注入は、ブレード６の乱流領域に形成される渦領域を除去することができる。

ローター４のブレード６は、ランナのクラウン２８とランナのバンド３０との間に配置されている。

一実施形態では、図３に示すように、ブレードのキャビテーション現象は、ランナのクラウン２８に設けられた開口３１によって防止される。これらの開口３１は、通路（図示せず）によって、出口開口２４、２６と連通し、又は出口開口２０と連通し、下流側端部１０に開口している。この実施形態では、流れＥ２が、主流Ｅから抽出され、タービンの固定部分と可動ブレード６との間のスペースを通り抜ける。抽出流れＥ２は、ランナのクラウン２８より上にある環状スペース３４で、抽出される。この流れＥ２は、開口３１に入り、次に、出口開口２４、２６や２０へ導かれる。

ブレードのキャビテーション現象に加えて、ブレード６の間のスペース３３で、渦を形成する現象も存在する。これらの現象は、ダクトによって軽減することができ、ダクトの入口出口オリフィスが、ブレードの上流側端部と下流側端部との間に配置され、ブレード間のスペース３３に開口している。一実施形態によれば、図２に示すように、ブレード６の間で渦を形成する問題は、ランナのクラウン２８に設けられたオリフィス３２によって解決される。

この実施形態では、図３に示すように、環状スペース３４でブレード６の上流で抽出される流れＥ２は、開口３２に流れ込み、ブレード６の間のスペース３３に導かれる。開口３２は、各ブレード６を離間させているスペース３３に面したクラウン２８に配置されている。従って、抽出された流れＥ２は、ブレード６の間に注入され、ブレード６の間で渦を形成する現象を防止するように、流れＥの特性を修正する。

変形した実施形態として、ランナのクラウン２８を介して流れる代わりに、又は、クラウン２８を介する流れに加えて、抽出流れＥ２は、ランナのバンド３０に設けられた開口（図示せず）によって、ランナのバンド３０を介して流れることができる。

上述のすべての注入手段に適用することができる実施形態によると、図２に示すように、この注入手段は、抽出された流れの通路に配置される弁７２を備える。弁７２は、抽出流れを通過させる開いた位置と、抽出流れの通過を妨げる閉じた位置との間を、動くことができる。弁７２は、例えば、注入手段の各入口開口の近くに配置され、手動で、又は、自動で、抽出流れの注入をコントロールすることができる。フランシスタービンの場合、弁７２は、ランナのクラウン２８に配列された各開口３２の近くに、設けられる。

弁７２の動きは、公知の機械的又は電気的な制御手段（図示せず）によってコントロールされる。従って、渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域を形成している水力機械の運転状態の間、自動システム又は機械のオペレーターが、弁を開位置に切り替え、先に述べたようにこの領域に抽出流れを注入して、渦又は減圧又はキャビテーションの形成を防止することができる。

抽出流れが主流Ｅに対して修正されるのではない点に留意する必要がある。すなわち、水は、抽出流れとして流れる間、その性質を修正するような作用を受けない。

Claims (4)

1. 複数のブレード（６）を有するホイール（４）を備えるフランシスタービン型の水力機械であって、
   前記ブレードがクラウン（２８）とバンド（３０）との間に配置され、前記ホイールに水の主流（Ｅ）が流入し、各ブレード（６）が、上流側端部(８)と下流側端部(１０)とを有し、
   上流側端部(８)と下流側端部(１０)の近くでは、少なくとも１つの渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域(１４)が形成され、
   前記水力機械が、主流（Ｅ）を局所的に修正し又はこの領域（１４）の圧力を増加させるために、前記主流（Ｅ）から抽出された流れ（Ｅ２）を主流（Ｅ）に対して修正す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(１４)に注入する手段を備え、
   前記抽出された流れ（Ｅ２）を注入する手段が、実質的に前記主流（Ｅ）の方向において前記ブレード（６）の下流側端部(１０)に開口しているダクト(１６)を備え、前記抽出された流れ（Ｅ２）が、前記クラウン（２８）又は前記バンド（３０）に形成された開口（３１、３２）によって、前記クラウン（２８）又は前記バンド（３０）から抽出される、
   水力機械。
2. ブレードプロフィールのダクト(１６)が、ブレードプロフィール(１)の上流の主流（Ｅ）から流れ（Ｅ２）を抽出する入口開口（１８、３１、３２）と、渦領域又は減圧領域又はキャビテーション領域(１４)に開口している出口開口と、を含む、請求項１に記載の水力機械。
3. 前記注入する手段が、抽出された流れ（Ｅ２）の通路に配置された弁（７２）を備え、前記弁（７２）が、前記抽出された流れ（Ｅ２）を前記主流（Ｅ）から通過させる開位置と、前記抽出された流れ（Ｅ２）の通過を妨げる閉位置と、の間を動くことができる、請求項２に記載の水力機械。
4. 前記弁（７２）の動きが、適切な制御手段でコントロールされる、請求項３に記載の水力機械。

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