JP5977508B2 - 水車ステーベーン及び水車 - Google Patents

Description

本発明は、水車ステーベーン及び水車に関する。

水車へ流入する流れは、渦巻きケーシングの内部に沿って流れながら、ステーベーン、ガイドベーンの間を通過し、ランナ回転方向の旋回を与えられる。そして、流れは、回転するランナのランナ翼の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収され、ランナ下流へ、ドラフトチューブを経由して、旋回の無い流れとして放出される。ランナ翼は上部をクラウンに、下部をシュラウドに固定されており、ステーベーン、ガイドベーン、ランナの上側をクラウン側、下側をシュラウド側と呼ぶ。

特許文献１では、渦巻きケーシングの断面積が巻始まりから巻終わりに向けて徐々に減少するのに合わせてステーベーンの前縁から後縁までの距離も徐々に減少させて、渦巻きケーシングからステーベーン翼列への水の流れを渦巻きケーシングの周方向に均一とし、ランナへの流入も渦巻きケーシングの周方向に均一とすることが提案されている。

また、特許文献２では、ステーベーン設置間隔を渦巻きケーシング下流部よりも渦巻きケーシング上流部で狭くし、ステーベーン入口角度をケーシング下流部よりも渦巻きケーシング上流部で小さくし、ステーベーン間流路幅を渦巻きケーシング下流側で広くして、ステーベーン出口で周方向に均一な流速分布を持つ流れを得ることが提案されている。

なお、ステーベーンは特許文献３に記載のように、その高さ方向（クラウン・シュラウド方向）に同じ断面形状を有している。

特開平１１−１１７８４６号公報 特開２０１１−１１１９５８号公報 特開２００８−２６１２９２号公報

水車に要求される重要な性能指標の一つに効率がある。水車効率を大きく左右する要素がランナで、その形状は与えられた設計仕様に対して最も効率が高くなるように設計される。ランナに流入する流れの条件は、ある設計仕様が決まった場合、渦巻きケーシング、ステーベーン、ガイドベーンの形状で決まるため、これらの要素をランナの効率が高くなるような形状に設定することで、水車全体の効率を向上させることができる。

従来、ステーベーンは、特許文献３に記載のように、クラウン・シュラウド方向に同一形状をしている。クラウン側の形状とシュラウド側の形状が同一であるため、クラウン・シュラウド方向に流れの分布を持たせることができない。この結果、ランナ入口部の流れは、クラウン・シュラウド方向に同一の分布もったまま、ランナに流入することになる。ランナ効率の最大化を考慮した場合、クラウン・シュラウド方向の流量配分が均一であることが必ずしも最適ではなく、より効率が高くなるようなランナ入口流量配分が存在する。

従来、ステーベーンについては、特許文献１や２に記載のように、配置等を工夫することにより周方向の流れを改善することが検討されているが、クラウン・シュラウド方向の流量配分を適正化することについては考慮されていない。

より高い効率の水車を実現するためには、ランナ効率が最も高くなるようなクラウン・シュラウド方向に分布をもつ流れを、ランナ入口部において実現することが重要である。

本発明の目的は、ランナ効率がより高くなるようにランナ入口部においてクラウン・シュラウド方向に流量配分することが可能な水車ステーベーン及び水車を提供することにある。

本発明は、ステーベーンの後縁の出口角度をクラウン側からシュラウド側まで実質的に同一に維持して、翼の厚みをクラウン・シュラウド方向に異ならせたことを特徴とする。

多くの場合、流れがシュラウド側によることから、クラウン側に多く流量配分するように、ステーベーンのシュラウド側の翼の厚みを大きくする。

また、ステーベーンの翼間最小流路を定義する直線の中点が、翼の前縁と後縁を通る水車回転軸を中心とする二つの円の中間の円よりも上流側となるようにする。

本発明によれば、渦巻きケーシングからの流れがステーベーンを通過する際に、クラウン側とシュラウド側での流動抵抗が異なる効果によってステーベーン出口において、流れの流量配分がクラウン・シュラウド方向に変化する。この流量配分がガイドベーンを通過する過程でそのまま維持されることにより、ランナ入口部のクラウン・シュラウド方向の流速に分布を持たせることが可能になる。ステーベーンのクラウン側とシュラウド側の形状の組み合わせを変えることによって、ランナ効率がより高くなるクラウン・シュラウド方向流速分布を生成させれば、ランナ効率が向上し、その結果として水車全体の効率を向上させることができる。

本発明（実施形態１）におけるステーベーン形状の斜視図。 本発明（実施形態１）におけるステーベーン形状の平面図。 本発明の実施例が適用される水車翼全体図の一例を示す図。 本発明の実施例が適用される水車の一例の子午断面図。 本発明（実施形態２）におけるステーベーン形状の斜視図。 本発明（実施形態２）におけるステーベーン形状の平面図。 従来技術におけるステーベーンの断面形状を示す図。 本発明（実施形態１）におけるステーベーンのシュラウド側断面形状を示す図。 本発明（実施形態２）におけるステーベーンのシュラウド側断面形状を示す図。 本発明（実施形態３）におけるステーベーンのシュラウド側断面形状を示す図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、図２及び図３を参照して本発明のステーベーンが適用される水車を説明する。図２は水車翼全体図を示し、図３はその子午断面形状を示している。

上流から流入する流れ１は、渦巻きケーシング２の内部に沿って流れながら、ステーベーン３、ガイドベーン４の間を通過し（図２中の矢印５および６の方向）、ランナ回転方向７の旋回を与えられる。ランナ翼間の流れ８は、ランナ翼９の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収される。ランナ翼９の間を流下した流れは、図３中のドラフトチューブ１０を経由して、旋回の無い下流へ流出する流れ１１として放出される。ランナ翼は上部をクラウン１２に、下部をシュラウド１３に固定されており、ステーベーン、ガイドベーン、ランナの上側をクラウン側１４、下側をシュラウド側１５と呼ぶ。ステーベーン３は上下（クラウン側とシュラウド側）をスピードリング（図示省略）により固定されている。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の実施形態１におけるステーベーンを示す図であり、図１（ａ）は下流側から見た斜視図を示し、図１（ｂ）はクラウン側から見た平面図を示している。本実施例では、ステーベーンのクラウン側断面２１とステーベーンのシュラウド側断面２２が異なり、シュラウド側における翼の厚みが、クラウン側における翼の厚みよりも大きい。後述のように、ステーベーンの後縁２４のステーベーン出口角度をクラウン側からシュラウド側まで同一に維持にするため、ステーベーン後縁からの法線がクラウン・シュラウド方向において重なるように形成されている。また、本実施例では、前縁と後縁を結ぶキャンバーラインの中間点よりも上流側での厚みが最も異なるようにして、ステーベーンの後縁２４に向けて翼の厚みが漸次同じになるようにステーベーンを形成している。尚、本実施例ではステーベーンの前縁２３においてもクラウン側からシュラウド側まで同一の断面としている。後縁と同様に前縁も翼の厚みを同一にした方が望ましいが、前縁についてはクラウン側からシュラウド側まで同一の断面にしなくても良い。また、ステーベーン出口角度がクラウン側からシュラウド側まで同一とは厳密に同一であることを意味するものではなく、発明の効果に影響がない程度に実質的に同一であることを意味する。

本実施例のような形態のステーベーンが流れに与える影響を以下に述べる。まず、流れに対する流動抵抗は流路幅によって決まることに注意する。流路幅が狭くなると同一流量を流すためには大きな圧力が必要になる。これは、狭い流路では流速が速くなり、それに伴って壁面摩擦が増加するため、その摩擦力に打ち勝つだけの流れの駆動力が必要となるからである。したがって、流路出入口間の圧力が同一の場合には、流路幅が狭い流路では少ない流量が、流路幅が広い流路では多い流量が流れることになる。

ステーベーンによって形成される流路の幅は、流路を構成する隣接する二つのステーベーン間の最小距離で決まる。図５に、従来において、隣接する二つのステーベーンの同一高さにおける断面形状を示す。この断面形状はクラウン側からシュラウド側までのどの断面でも同じである。ステーベーンへ流入するステーベーン入口の流れ４１は、ステーベーンから影響を受けた後、流入する流速とは異なる流速でステーベーン出口の流れ４２としてステーベーン出口より流出する。流出する流れの流速の大きさはステーベーン間最小流路幅４３によって決まり、その方向はステーベーン出口角度４４によって決まる。ステーベーン出口角度４４は、ステーベーン後縁４５からの法線４６と、ステーベーン後縁を通り水車回転軸から等距離にある円４７の接線４８とのなす角度として定義される。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す本実施例のステーベーンでは、ステーベーンの厚みがクラウン側に比べてシュラウド側で大きくなっている。また、クラウン側断面２１の形状は従来技術におけるステーベーンと同一で、その断面形状は図５と同一になっている。但し、クラウン側断面の形状は、その翼間流路幅がシュラウド側よりも大きければ、必ずしも従来形状と同一でなくてもよい。

本実施例におけるステーベーンのシュラウド側断面形状は、図６に示すように、図５に示す従来技術におけるステーベーンとは異なっている。シュラウド側ではクラウン側に比べて翼厚みが大きいため、シュラウド側のステーベーン間最小流路幅５１は、クラウン側最小流路幅（図５に示すステーベーン間の最小流路幅４３と同じ最小流路幅）よりも小さくなる。この結果、ステーベーン間流路の流動抵抗は、クラウン側よりもシュラウド側が大きくなり、クラウン側よりもシュラウド側で流れが流れにくくなる。ステーベーン前後での圧力分布はクラウン側からシュラウド側までほぼ均一なので、流れは流れにくいシュラウド側から流れ易いクラウン側へ回り込み、結果としてクラウン側へ多くの流量が配分される。シュラウド側のステーベーン出口角度５２をクラウン側のステーベーン出口角度（図５に示すステーベーン出口角度４４と同じ出口角度）と一致させておけば、シュラウド側のステーベーン出口の流れ５３は、その流出方向がクラウン側のステーベーン出口の流れ（図５に示すステーベーン出口の流れ４２と同じ方向のステーベーン出口の流れ）と同一で、流速の小さな流れとなる。ステーベーン出口の流れの角度がクラウン側からシュラウド側まで変わらないので、ステーベーンの下流に設置するガイドベーンとしては、従来技術におけるクラウン側からシュラウド側まで同一形状のガイドベーンをそのまま使用することができる。なお、クラウン側からシュラウド側まで同一形状のガイドベーンとは実質的に同一形状であることを意味する。

ガイドベーン間流路ではクラウン側からシュラウド側まで流路幅が同一（実質的に同一）であり、ガイドベーン間を流れが通過する際にクラウン側からシュラウド側までの流路配分は変化しない。この結果、ガイドベーン出口、すなわちランナ入口におけるクラウン側からシュラウド側の流量配分は、ステーベーン出口における流量配分がそのまま維持されることになり、ランナ入口におけるクラウン側からシュラウド側に分布をもつ流れ場を実現することができる。図５に示す従来のステーベーンを用いた水車では、多くの場合、流れがシュラウド側による傾向にある。このことから、本実施例のように、クラウン側に多く流量配分するように、ステーベーンのシュラウド側の翼の厚みを大きくすることによって、ランナ入口におけるクラウン側からシュラウド側までの流量配分を、ランナに最適な分布にすることができ、より高い効率のランナを実現し水車の効率を向上させることができる。

尚、ランナ入口におけるクラウン側からシュラウド側までの流量配分について、中央部に多く流量配分した方がより高い効率のランナになる場合もある。この場合、ステーベーンの後縁の出口角度をクラウン側からシュラウド側まで同一に維持して、クラウン・シュラウド方向の中央部分の翼の厚みが小さくなるようにステーベーンを形成する。

以上のような仕組みを用いることによって、ランナ入口におけるクラウン側からシュラウド側までの流量配分を、ランナに最適な分布にすることができ、より高い効率のランナを実現し水車の効率を向上させることができる。特に、既存水車のステーベーンを本実施例のようなステーベーンに置き換えることにより、ランナ構造を変えることなく、水車の効率を向上させることができる。

また、ランナ入口におけるクラウン側からシュラウド側までの流量配分を変える方法として、ガイドベーンの形状を異ならせることも考えられる。しかし、ガイドベーンの場合、ガイドベーンの全閉時の閉め切り性能が重要であり、ガイドベーンをクラウン・シュラウド方向に形状を異ならせた場合、閉め切り性能を確保するのが難しく、特殊な構造とする必要がある。本実施例では、ステーベーンの構成を、クラウン・シュラウド方向に形状を異ならせると共に、ステーベーン出口の流れの角度がクラウン側からシュラウド側まで変わらないようにして、ランナ入口におけるクラウン側からシュラウド側までの流量配分を変えるようにしているので、ステーベーンの下流に設置するガイドベーンとしては、従来技術におけるクラウン側からシュラウド側まで同一形状のガイドベーンをそのまま使用することができる。

本発明の他の実施例（実施形態２）を図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。本実施例では、実施形態１と同様に、ステーベーンのシュラウド側断面２２の翼の厚みがステーベーンのクラウン側断面２１の翼の厚みよりも大きい。本実施例では、さらに、シュラウド側における翼厚みは翼の上流側（前縁側）で特に大きくなっている。その他は、実施形態１と同様である。

この翼のシュラウド側断面を図７に示す。ステーベーンのクラウン側断面２１の形状は実施形態１と同様に従来技術におけるステーベーンと同一で、その断面形状は図５と同一になっている。ステーベーン間最小流路幅５４は、クラウン側最小流路幅（図５に示すステーベーン間の最小流路幅４３と同じ最小流路幅）よりも小さくなっている。ステーベーン出口角度５５は、クラウン側のステーベーン出口角度（図５に示すステーベーン出口角度４４と同じ出口角度）と同じである。

本実施例のステーベーンの流れに対する作用は、基本的に実施形態１のステーベーンと同様である。本実施例のステーベーン形状は、ステーベーン間最小流路幅を定義する直線の中点５６が、ステーベーン前縁５７を通る水車回転軸を中心とする円５８と、翼後縁を通る円４７の中間の円５９よりも上流側に存在することを特徴としている。

翼間最小流路の位置ができるだけ上流側にあれば、最小流路位置から翼出口までの距離が長くなり、流れの整流効果がそれだけ増加する。このことにより、ステーベーン出口における流れの周方向均一性が向上し、ステーベーン後縁における流れの剥離が抑制されるため、水車効率を向上させる上で好ましい効果を与えることができる。

本発明の他の実施例（実施形態３）を図８に示す。本実施例では、周方向に異なる翼形状のステーベーンを用いている。シュラウド側断面形状は図８に示すようになる。この他は、実施形態２と同様である。この場合でも、シュラウド側のステーベーン間最小流路幅６０が、クラウン側のステーベーン間最小流路幅（図５に示すステーベーン間の最小流路幅４３と同じ最小流路幅）よりも小さくなっていれば、クラウン側からシュラウド側への流量配分に関しては、前述した効果を得ることができる。

上述したように、本発明の各実施例では、ステーベーンの厚みをクラウン側からシュラウド側まで変化させ、ステーベーン翼間流路内で、クラウン側からシュラウド側までの流速に分布を生じさせて、クラウン・シュラウド方向の流量配分を調整し、この流量配分がガイドベーンを通過する過程でそのまま維持されることにより、ランナ入口部のクラウン・シュラウド方向の流速に分布を持たせることが可能になる。そして、ランナ入口部でのクラウン・シュラウド方向の流速に分布をつけ、ランナ効率がより高くなる条件を実現することで、効率の高い水車を提供することができる。

上流から流入する流れ、
渦巻きケーシング
ステーベーン
ガイドベーン
ステーベーン翼間の流れ
ガイドベーン翼間の流れ
ランナ回転方向
ランナ翼間の流れ
ランナ翼
ドラフトチューブ
下流へ流出する流れ
クラウン
シュラウド
クラウン側
シュラウド側
ステーベーンのクラウン側断面
ステーベーンのシュラウド側断面
ステーベーンの前縁
ステーベーンの後縁

Claims (6)

1. 翼の後縁の出口角度がクラウン側からシュラウド側まで実質的に同一に維持されており、シュラウド側断面の翼の厚みがクラウン側断面の翼の厚みよりも大きくなっていることを特徴とする水車ステーベーン。
2. 請求項１において、シュラウド側断面のステーベーンの翼間最小流路を定義する直線の中点が、翼の前縁と後縁を通る水車回転軸を中心とする二つの円の中間の円よりも上流側にあることを特徴とする水車ステーベーン。
3. 翼の後縁の出口角度がクラウン側からシュラウド側まで実質的に同一に維持されており、翼の厚みがクラウン・シュラウド方向に異なっており、ステーベーンの翼間最小流路を定義する直線の中点が、翼の前縁と後縁を通る水車回転軸を中心とする二つの円の中間の円よりも上流側にあることを特徴とする水車ステーベーン。
4. 渦巻きケーシング、ステーベーン、ガイドベーン、ランナを有する水車であって、前記ステーベーンとして、請求項１〜３の何れかに記載の水車ステーベーンを用いたことを特徴とする水車。
5. 請求項４において、前記ガイドベーンは、クラウン側からシュラウド側までガイドベーン間流路幅が実質的に同一であることを特徴とする水車。
6. 請求項４において、前記渦巻きケーシング、前記ガイドベーン、前記ランナは既存のものであることを特徴とする水車。

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