JP6132736B2 - カプラン水車 - Google Patents

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Description

本発明の実施の形態は、カプラン水車に関する。
水力発電所に設置された軸流水車の代表機種であるカプラン水車の部分断面図を図９に示す。
図９に示すように上流よりケーシング１へ流入する水流はステーベーン２を通り、流量を調整するための開閉機能を有するガイドベーン３を流れ、導水カバー１０により軸方向に流れを転向した後に、発電機と主軸で連結された回転可能なランナベーン４へと到達する。この流水はランナベーン４を回転させ発電機を回転させることにより発電され、ランナベーン４を流出した流れは吸出し管７を通り、下流もしくは下池へと放出される。
水車の作動流体は水であるため、飽和蒸気圧より低圧となる部位では、水が蒸気化してキャビテーション壊食が発生する。キャビテーション壊食は、主に高速回転するランナベーン４で発生しやすく、特に流れの角運動量変化が大きい外周側でキャビテーションが発生しやすい。
次に図１０（ａ）（ｂ）によりキャビテーションの発生について述べる。図１０（ａ）に示す様に、キャビテーションの発生は、ガイドベーン３とランナベーン４の間に介在する流路の曲率変化により、外周側の子午面流速が内周側と比較して相対的に大きくなることに依存している。又、ランナベーン４の入口側で発生するものと出口側で発生するものがあり、前者は入口キャビテーションと称され後者は出口キャビテーションと称されている。一般的に、入口キャビテーションについては流れの入射角度が大きい場合に発生するため、ランナベーン４の入口角度や先端形状を適正化することにより、キャビテーションの発生を回避している。出口キャビテーションについては、基本的にはランナ入口から出口にかけての角運動量変化が大きい場合に発生するため、羽根枚数・羽根長さ・羽根角度変化等を適正化することにより、キャビテーションの発生を回避している。（例えば、特許文献１、２）
特許第２９５４３０８号 特開平７−５４７５２号
上述した特許文献１、２は、キャビテーションによる水車性能低下を抑制するためランナベーン形状に特徴を加えた構造を示している。これにより、キャビテーション発生を抑制することはできるが、近年の高速小型化や運転範囲拡大の要求にこたえることは難しい。
本実施の形態は、このような点を考慮してなされたものであり、カプラン水車のステーベーンおよびガイドベーンからなる上流側静止部流路構造を工夫することで、キャビテーション性能向上を図ることを目的とする。
本実施の形態によるカプラン水車は、ステーベーンと、前記ステーベーンの出口側に設けられたガイドベーンと、前記ガイドベーンの出口側からの円周方向の流れを軸方向に転向する導水カバーとを備え、前記ガイドベーンの羽根高さ下側断面におけるガイドベーン出口角度は、羽根高さ上側断面におけるガイドベーン出口角度と比較して小さくなることを特徴とする。
図１（ａ）はカプラン水車の第１の実施の形態を示す概略図、図１（ｂ）はガイドベーンの形状を示す水平断面図。 図２は第１の実施の形態におけるガイドベーン出口の流れを示す図。 図３はカプラン水車の第２の実施の形態を示す概略図。 図４（ａ）は第２の実施の形態におけるステーベーンの切断面を示す図、図４（ｂ）はステーベーンの流路を示す水平断面図。 図５はカプラン水車の第３の実施の形態を示す概略図。 図６は第３の実施の形態におけるステーベーン入口の流れを示す図。 図７（ａ）はカプラン水車の第４の実施の形態を示す概略図、図７（ｂ）はステーベーンの形状を示す水平断面図。 図８は第４の実施の形態におけるステーベーンの流路を示す水平断面図。 図９はカプラン水車を示す概略図。 図１０（ａ）（ｂ）はカプラン水車のランナの入口の流れを示す図。
第１の実施の形態
以下、カプラン水車の第１の実施の形態について、、図面を参照して説明する。
図１（ａ）（ｂ）および図２は、カプラン水車の第１の実施の形態を示す図である。
ここで、図１（ａ）はカプラン水車の第１の実施の形態を示す概略図、図１（ｂ）はガイドベーンの形状を示す水平断面図である。
図１（ａ）（ｂ）および図２に示すように、カプラン水車１は水力発電所に設置されており、このようなカプラン水車はケーシング１と、ケーシング１内に回転自在に配置されたランナベーン４と、ランナベーン４の入口側に上流側から順に配置されたステーベーン２およびガイドベーン３とを備えている。このうちステーベーン２は出口端２Ａと入口端２Ｂを有し、ガイドベーン３も出口端３Ａと入口端３Ｂを有する。
またガイドベーン３とランナベーン４との間には、ガイドベーン３の出口側からの流れを軸方向に転向する導水カバー１０が設けられている。
さらにまた、ガイドベーン３の羽根高さ下側断面９におけるガイドベーン出口角度αは、羽根高さ上側断面８におけるガイドベーン出口角度βと比較して小さくなっている。
ここでガイドベーン３の羽根高さ上側断面８は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面となっており、ガイドベーン３の羽根高さ下側断面９は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面となっている。また図１（ａ）において、ランナ中心６と水車回転軸５が示されている。
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
図１（ａ）に示すように、ケーシング１へ流入する水流はステーベーン２を通り、流量を調整するための開閉機能を有するガイドベーン３を流れ、導水カバー１０により軸方向に流れを転向した後に、発電機と主軸で連結された回転可能なランナベーン４へと到達する。この流水はランナベーン４を回転させ発電機を回転させることにより発電され、ランナベーン４を流出した流れは吸出し管７を通り、下流もしくは下池へと放出される。
この間のガイドベーン３の出口の流れを図２を用いて説明する。ここで図２はガイドベーン３の出口の流れ、すなわちガイドベーン３の出口の速度三角形を示す。
図２に示すように、羽根高さ下側断面９と羽根高さ上側断面８との間のガイドベーン出口角度の違いにより、下側断面９での周方向速度は羽根高さ上側断面８と比較して小さくなっていることが確認される。このように下側断面９における周方向速度が上側断面８と比較して小さくなることにより、ガイドベーン３とランナベーン４の間に介在する流路の曲率変化による外周側流れの増速を打ち消すことができる。
このため、本実施の形態によれば、ランナベーン４の入口部位での半径方向の角運動量分布の均一化が図られるので、これに付随してキャビテーション発生を低減することが可能となる。
第２の実施の形態
次にカプラン水車の第２の実施の形態について、図３および図４（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
図３および図４（ａ）（ｂ）に示す第２の実施の形態は、ランナベーン２の構造が異なるのみであり、他の部分は図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
とりわけ図３および図４（ａ）（ｂ）に示す第２の実施の形態において、ガイドベーン３の構成は図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
図３および図４（ａ）（ｂ）に示す第２の実施の形態において、図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と同一部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図３は、設計点流れにおけるカプラン水車の上流側静止部流路形状を示している。
図３において、ステーベーン２の羽根高さ下側のステーベーン出口端２Ａの位置は羽根高さ上側のステーベーン出口端２Ａの位置と比較して内周側に位置している。
Ｂ−Ｂ断面で示す羽根高さ下側断面９と、Ａ−Ａ断面で示す羽根高さ上側断面８でのステーベーン２の形状を図４（ａ）（ｂ）に示す。図４（ａ）（ｂ）に示すように、ステーベーン出口端２Ａの位置の違いにより、下側断面（Ｂ−Ｂ断面）９ではステーベーン出口端２Ａの位置で翼間距離が小さくなり、同部位流速が上側断面８の流速より低下する構造になっていることが確認される。このように下側断面９における流速が上側断面８と比較して低下するため、ガイドベーン３とランナベーン４の間に介在する流路の曲率変化による外周側流れの増速を打ち消すことができる。
このため、本実施の形態によれば、ランナベーン入口部位での半径方向の角運動量分布の均一化が図られるので、これに付随してキャビテーション発生を低減することが可能となる。
第３の実施の形態
次にカプラン水車の第３の実施の形態について、図５および図６を用いて説明する。
図５および図６に示す第３の実施の形態は、ランナベーン２の構造が異なるのみであり、他の部分は図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
とりわけ図５および図６に示す第３の実施の形態において、ガイドベーン３の構成は図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
図５および図６に示す第３の実施の形態において、図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と同一部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図５は、設計点流れにおけるカプラン水車の上流側静止部流路形状を示している。
図５および図６において、ステーベーン２の羽根高さ下側のステーベーン入口端２Ｂの位置は羽根高さ上側のステーベーン入口端２Ｂの位置と比較して外周側に位置している。
ステーベーン２の入口付近のフローパターンを図６に示す。図６に示すように、ステーベーン２の入口付近の流れ場では、羽根高さ下側のステーベーン入口端２Ｂの位置を相対的に外周側にだしたことにより、羽根高さ上側と比べて圧力値が相対的に高くなる。羽根高さ下側と羽根高さ上側との間の圧力差により、ステーベーン２の入口付近では、流路下側から流路上側へ向かう流れが形成される。
このようにステーベーン２の入口付近では、流路下側から流路上側へ向う流れが形成されるため、ガイドベーン３とランナベーン４の間に介在する流路の曲率変化による外周側流れの増速を打ち消すことができる。
このため、本実施の形態によれば、ランナベーン入口部位での半径方向の角運動量分布の均一化が図られるので、これに付随してキャビテーション発生を低減することが可能となる。
第４の実施の形態
次にカプラン水車の第４の実施の形態について、図７（ａ）（ｂ）および図８を用いて説明する。
図７（ａ）（ｂ）および図８に示す第４の実施の形態は、ランナベーン２の構造が異なるのみであり、他の部分は図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
とりわけ図７（ａ）（ｂ）及び図８に示す第４の実施の形態において、ガイドベーン３の構成は図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。
図７（ａ）（ｂ）および図８に示す第４の実施の形態において、図１（ａ）（ｂ）および図２に示す第１の実施の形態と同一部分については同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図７は、設計点流れにおけるカプラン水車の上流側静止部流路形状を示している。
図７（ａ）（ｂ）および図８において、ステーベーン２の羽根高さ下側断面（Ｂ−Ｂ断面）９のステーベーン肉厚は羽根高さ上側断面（Ａ−Ａ断面）８のステーベーン肉厚と比較して厚くなっている。
羽根高さ下側断面９と羽根高さ上側断面８でのステーベーン２形状を図８に示す。図８に示すように、ステーベーン２の肉厚の違いにより、下側断面（Ｂ−Ｂ断面）９ではステーベーン出口端２Ａにおいて翼間距離が小さくなり、同部位流速が上流側断面（Ａ−Ａ断面）８の流速より低下する構造になっていることが確認される。このようにステーベーン出口端２Ａにおいて、下側断面９の流速が上側断面８の流速と比較して低下するため、ガイドベーン３とランナベーン４の間に介在する流路の曲率変化による外周側流れの増速を打ち消すことができる。
このため、本実施の形態によれば、ランナベーン入口部位での半径方向の角運動量分布の均一化が図られるので、これに付随したキャビテーション発生を低減することが可能となる。
なお、上記の各実施の形態は例示であり、発明の範囲はそれに限定されない。
１ ケーシング、２ ステーベーン、２Ａ ステーベーン出口端、２Ｂ ステーベーン入口端、３ ガイドベーン、３Ａ ガイドベーン出口端、３Ｂ ガイドベーン入口端、４ ランナベーン、５ 水車回転軸、６ ランナ中心、７ 吸出し管、８ 羽根高さ上側断面、９ 羽根高さ下側断面、１０ 導水カバー

Claims (3)

  1. ステーベーンと、
    前記ステーベーンの出口側に設けられたガイドベーンと、
    前記ガイドベーンの出口側からの円周方向の流れを軸方向に転向する導水カバーとを備え、
    前記ガイドベーンの羽根高さ下側断面におけるガイドベーン出口角度は、羽根高さ上側断面におけるガイドベーン出口角度と比較して小さくなり、
    前記ステーベーンの羽根高さ下側の長さは、羽根高さ上側の長さに比較して長くなり、かつ羽根高さ下側のステーベーン出口端位置は、羽根高さ上側のステーベーン出口端位置と比較して内周側に位置することを特徴とするカプラン水車。
  2. 前記ステーベーンの羽根高さ下側のステーベーン入口端位置は、羽根高さ上側のステーベーン入口端位置と比較して外周側に位置することを特徴とする請求項１記載のカプラン水車。
  3. 前記ステーベーンの羽根高さ下側断面におけるステーベーン肉厚は、羽根高さ上側断面のステーベーン肉厚と比較して厚くなっていることを特徴とする請求項１または２記載のカプラン水車。
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