JP6370591B2 - 水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、水力機械に関する。

水力機械の一例としてフランシス形水車が従来から知られている。図１３には、フランシス形水車１００の部分的な子午面断面形状の一例が示されている。

このフランシス形水車１００の水車運転時には、ケーシングからの水が、その内周側のステーベーンとガイドベーンとにより構成される静止翼列流路を流れ、回転自在なランナ１０６へと流入する。ランナ１０６に流入した水によって、ランナ１０６が回転駆動され、ランナ１０６に連結された主軸１１０がその回転軸線Ｃを軸中心に回転駆動される。これにより、主軸１１０に固定される発電電動機が駆動され得る。その後、ランナ１０６から流出した水は、吸出し管を経て放水路へ導かれる。

ここで、図１３に示すフランシス形水車１００では、ランナ１０６のバンド外側に、下カバー１１６が設けられており、当該下カバー１１６とランナ１０６との間には、隙間であるランナ側圧室１２０が形成されている。水車運転時には、当該ランナ側圧室１２０にも水が流入する。これにより、損失が生じることが知られている。

すなわち、このようなフランシス形水車１００のランナ１０６において生じる損失は、ランナ流路での損失に加え、前述のようにランナ側圧室１２０へ水が流入してしまう（漏れてしまう）ことによる損失と、このように漏れた水のランナ側圧室１２０内での流れが影響する円板摩擦損失と、がある。

特に、高落差で使用されるフランシス形水車においては、損失のうちの円板摩擦損失が比較的大きく影響するため、当該円板摩擦損失を低減することが望まれる。このため、前述のランナ側圧室１２０の形状等を工夫することで水車の性能を向上させることを図った技術が種々提案されている。

特開２０１１−５８４８１号公報 特開２０１１−１２２４７２号公報 特開２０１０−２４２６９５号公報

ところで、図１３には、ランナ側圧室１２０を形成する、下カバー１１６の内側壁面１１６Ａと、ランナ１０６の外側壁面１０６Ａと、が拡大して示されている。フランシス形水車１００においては、ランナ１０６のバンド外側壁面１０６Ａが、子午面断面視で滑らかに連続する曲線状に形成されている一方、下カバー１１６の内側壁面１１６Ａが、子午面断面視で複数の直線部分をつなげてなる折れ線状に形成されている。しかも、符号Ａ、Ｂで示す領域のように、子午面断面視で流路が上流から下流にかけて急拡大して、ランナ側圧室１２０の流路面積が、水車運転時に水が流れる方向で上流から下流にかけて縮小から拡大に変わる箇所がある。なお、流路面積とは、外側壁面１０６Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１１６の内側壁面１１６Ａに交差する点と、の間に形成される、回転軸線Ｃを中心とした環状の領域の面積のことをいう。

ランナ側圧室１２０の流路面積は、上流から下流に向かってランナの回転軸を中心とした径が小さくなることで、小さくなる傾向にあるが、図１３のように流路の拡大の程度が大きい場合には、上流側の流路面積よりも下流側の流路面積が拡大する場合がある。

しかしながら、この場合、前述のように流路面積が縮小から拡大に変わる箇所の下流側の下カバー１１６の内側壁面１１６Ａにおいて流れが失速することにより、速度勾配が大きくなって円板摩擦損失が増大してしまうことを、本発明者は知見した。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ランナ側圧室に流入した水によって生じる円板摩擦損失を低減することで水車効率を向上させることができる水力機械を提供することを目的とする。

実施の形態による水力機械は、クラウン、バンド、及び前記クラウンと前記バンドとの間に設けられた複数のランナ羽根を有するランナと、前記ランナを外側から覆うカバーと、を備えている。前記バンドの外側壁面と前記カバーの内側壁面との間に、ランナ側圧室が形成されており、前記ランナ側圧室は、水車運転の際の上流側端部から下流側端部にかけて、その流路面積が拡大しないように形成されている。

第１の実施の形態によるフランシス形水車の子午面断面図である。 図１のランナ側圧室の周辺の拡大図である。 第１の実施の形態によるフランシス形水車のランナ側圧室内の流水の周方向速度の流速分布を示した図である。 比較例に係るフランシス形水車のランナ側圧室内の流水の周方向速度の流速分布を示した図である。 図３に示したランナ側圧室の流路面積と、図４に示したランナ側圧室の流路面積とを示したグラフを示した図である。 図３に示したランナ側圧室と、図４に示したランナ側圧室とを重ねて示した図である。 図６におけるｄ＝Ｌ１よりも下流側のｄ＝Ｌ１’の位置における、図３に示したランナ側圧室内の流水の周方向速度と、図４に示したランナ側圧室内の流水の周方向速度と、を示したグラフを示した図である。 図３に示したフランシス形水車で生じる損失と図４に示したフランシス形水車で生じる損失とを示したグラフを示した図である。 図３に示したフランシス形水車の水車効率と図４に示したフランシス形水車の水車効率とを示したグラフを示した図である。 第１の実施の形態のランナ側圧室の上流側端部の流路面積と下流側端部の流路面積との比と、水車最高効率と、の関係を示したグラフを示した図である。 第２の実施の形態によるフランシス形水車のランナ側圧室の周辺の子午面断面図である。 図１１に示したフランシス形水車のランナ側圧室の流路面積と、図４に示したランナ側圧室の流路面積とを示したグラフを示した図である。 フランシス形水車の部分的な子午面断面形状の一例を示した図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による水力機械としてのフランシス形水車１を示している。このフランシス形水車１は、水車運転とポンプ運転との両方を行うことができるようになっている。図１に示すように、フランシス形水車１は、図示しない上池から水圧鉄管を通って水が流入する渦巻き状のケーシング３と、複数のステーベーン４と、複数のガイドベーン５と、ランナ６と、を備えている。このうちステーベーン４は、ケーシング３に流入した水をガイドベーン５およびランナ６に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。

ガイドベーン５は、流入した水をランナ６に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。また、各ガイドベーン５は、回動自在に設けられており、回転して開度を変えることにより、ランナ６に流入する水の流量が調整可能に構成されている。

ランナ６は、ケーシング３に対して回転軸線Ｃを中心に回転自在に構成され、ケーシング３から流入する水によって回転駆動される。また、ランナ６は、クラウン７と、バンド８と、クラウン７とバンド８との間に設けられた複数のランナ羽根９と、を有している。このうちランナ羽根９は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。

ランナ６には、主軸１０を介して発電電動機Ｇが連結されている。この発電電動機Ｇは、水車運転時にランナ６の回転によって発電を行うように構成されていると共に、ポンプ運転時にランナ６を回転させるように構成されている。ランナ６の下流側には、ランナ６を流出した水流の圧力を回復させるための吸出し管１２が設けられている。この吸出し管１２は、図示しない下池に連結されており、ランナ６を回転駆動させた水は下池に放出されるようになっている。

また、フランシス形水車１は、クラウン７の外側（図１における上側、または、軸方向において吸出し管１２側とは反対側）を覆う上カバー１４と、バンド８の外側（図１における左右外側、または、半径方向外側）を覆う下カバー１６と、を有している。

ここで、クラウン７と上カバー１４との間には、隙間であるランナ背圧室１３が形成されており、バンド８と下カバー１６との間には、隙間であるランナ側圧室１５が形成されている。ランナ背圧室１３およびランナ側圧室１５には、ガイドベーン５を通った水の一部が漏れ流れとして流入するようになっている。

図２は、図１の拡大図であって、ランナ側圧室１５の周辺を拡大して示した図である。図２に示すように、バンド８の半径方向外側（水車運転時に水が流れる方向で上流側）には、側圧室側間隙部２０が設けられており、この側圧室側間隙部２０を通ってランナ側圧室１５に水が流入する。また、ランナ側圧室１５内の流水は、バンド８の半径方向内側（水車運転時に水が流れる方向で下流側）に設けられた下流側間隙部２４を通って、吸出し管１２内に向って流れる。

ここで、ランナ側圧室１５と下流側間隙部２４との間には、側圧室側シール部２２が設けられており、この側圧室側シール部２２は、バンド８と、下カバー１６との間の隙間が最も狭くなって水が流れ難くなるように形成されている。このことにより、ガイドベーン５からランナ側圧室１５への水の流入量を抑制している。この側圧室側シール部２２は、ラビリンスシールによって構成され得る。

ランナ側圧室１５は、バンド８と下カバー１６との間の隙間のうちの、側圧室側シール部２２よりも上流側の隙間である。本実施の形態においてランナ側圧室１５は、バンド８の外側壁面８Ａと、下カバー１６の内側壁面１６Ａと、の間に形成されている。本実施の形態において、外側壁面８Ａおよび内側壁面１６Ａはともに、子午面断面視で滑らかに連続する曲線状に形成されている。

図２において、符号１５Ｕは、ランナ側圧室１５の上流側端部を示し、符号１５Ｄは、ランナ側圧室１５の下流側端部を示している。本実施の形態においては、バンド８の外側壁面８Ａの最上流点８Ｕと、当該最上流点８Ｕの接線に対して直交して延びる直線（すなわち、その法線）が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点である上流側端点１６Ｕと、の間に形成される領域に、前述の上流側端部１５Ｕが規定されている。

また、本実施の形態においては、バンド８の最下流点８Ｄと、下カバー１６の内側壁面１６Ａにおいて滑らかに連続する曲面状（子午面断面視で曲線状）の部位、換言すれば、曲面状の外側壁面８Ａに沿って延びる部位、のうち最も下流側に位置する点である下流側端点１６Ｄと、の間に形成される領域に、前述の下流側端部１５Ｄが規定されている。本実施の形態において、最下流点８Ｄは、外側壁面８Ａにおける点のうち、その接線に対して直交して延びる直線（すなわち、その法線）が下流側端点１６Ｄに交差するようになっている点のことをいう。

そして、本実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路面積が、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて拡大しないように形成されている（図５参照）。詳しくは、ランナ側圧室１５の流路面積は、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて、徐々に減少するようになっている。

なお、本実施の形態において「流路面積」とは、バンド８の外側壁面８Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、の間に形成される、回転軸線Ｃを中心とした環状の領域の面積のことをいう。また、本実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路幅が、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されている。流路幅とは、子午面断面視で、バンド８の外側壁面８Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、を結んだ線分の長さのことをいう。

次に、本実施の形態の作用について、図３乃至図１０を参照しつつ説明する。

図３は、本実施の形態によるフランシス形水車１のランナ側圧室１５における流水の、バンド８の外側壁面８Ａから下カバー１６の内側壁面１６Ａにかけての周方向速度の流速分布を示した図である。一方、図４は、比較例に係るフランシス形水車のランナ側圧室１５’における流水の周方向速度の流速分布を示した図である。図４のフランシス形水車では、下カバー１５の内側壁面１６Ａ’が、子午面断面視で折れ線状に形成されている。なお、図４に示す比較例において、ランナ側圧室１５’および内側壁面１６Ａ’以外の構成部分であって本実施の形態と共通する部分については、本実施の形態と同一の符号が付されている。また、図３及び図４において示される周方向速度の流速分布は、本来、各矢印が周方向に沿って延びるように記載されるが、便宜上、図面において半径方向内側に向いた状態で示されている。

図３及び図４においては、バンド８の外側壁面８Ａの最上流点８Ｕから最下流点８Ｄまでの長さがＤで示されており、最上流点８Ｕからバンド８の外側壁面８Ａ上におけるある点までの距離がｄで示されている。図３及び図４には、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２それぞれの位置の上流側と下流側との流速分布がそれぞれ示されている。

また、距離ｄにおける流路面積は、外側壁面８Ａにおける距離ｄに対応する点と、当該点の接線に直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、の間に形成される、回転軸線Ｃを中心とした環状の領域の面積よって規定される。このように規定された流路面積と距離ｄとの関係が図５に示されている。ここで、図５は、図３に示したランナ側圧室１５の流路面積と、図４に示したランナ側圧室１５’の流路面積とを示したグラフを示した図となっている。図５のグラフにおいて、横軸は、無次元距離ｄ／Ｄを示し、縦軸は、ｄ／Ｄに対応する流路面積を示している。

図３及び図４に示すように、フランシス形水車の運転時においてランナは高速で回転しているため、ランナ側圧室内の流水の周方向速度は、ランナのバンドの外側壁面８Ａ側で大きく、下カバーの内側壁面１６Ａ側に近づくに従い小さくなる分布となる。

ここで、図４及び図５に示すように、ランナ側圧室１５’には、その流路面積が、水車運転時に水が流れる方向で上流から下流にかけて縮小から拡大に変わる箇所がある。具体的に、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の位置において流路面積が縮小傾向から増大傾向に変わっている。

この場合、図４に示すように、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の下流側の下カバーの内側壁面１６Ａ側に流路急拡大による失速領域が生じてしまう。このことにより、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の位置それぞれにおいて、Ｌ１、Ｌ２の下流側の流水は、それぞれの上流側の流水よりも、バンドの外側壁面８Ａから内側壁面１６Ａにかけての速度勾配が急になってしまう。このため、円板摩擦損失が大きくなってしまう。

これに対して、図５に示すように、本実施の形態のランナ側圧室１５は、その流路面積が上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて徐々に（連続的に）減少している。この場合、図３に示すように、ｄ＝Ｌ１、ｄ＝Ｌ２の位置それぞれの下流側の流水において、図４のランナ側圧室１５’の場合に生じていたような失速領域の形成が防止され、急な速度勾配の発生が抑制される。

図６は、図３に示したランナ側圧室１５と、図４に示したランナ側圧室１５’とを重ねて示した図である。また、図７は、図６に示すｄ＝Ｌ１よりも下流側のｄ＝Ｌ１’の位置からの法線距離ｙにおいての、ランナ側圧室１５内の流水の周方向速度と、ランナ側圧室１５’内の流水の周方向速度と、を示したグラフである。この図７から明らかなように、本実施の形態のランナ側圧室１５では、図４に示したランナ側圧室１５’において生じる失速領域にも流れが形成されており、図４に示したランナ側圧室１５’に比べて、流水の周方向速度の速度勾配が緩やかとなっている。

このように本実施の形態によれば、ランナ側圧室１５における流水の周方向速度の速度勾配が緩やかになるため、ランナ側圧室１５に流入した水によって生じる円板摩擦損失を低減することができる。そして、以下に詳述するように、水車効率を向上させることができる。

図８は、図３に示したフランシス形水車で生じる損失と図４に示したフランシス形水車で生じる損失とを示したグラフを示している。また、図９は、図３に示したフランシス形水車の水車効率と図４に示したフランシス形水車の水車効率とを示したグラフを示している。

図８のグラフにおいて、実線は図３に示したフランシス形水車の損失を示し、破線は図４に示したフランシス形水車の損失を示しており、横軸に流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）が示され、縦軸にランナ損失ΔＨ_Ｒ／Ｈが示されている。ここで示すランナ損失ΔＨ_Ｒ／Ｈは、ランナ流路での損失に加え、ランナ側圧室に流入する流れの影響による円板摩擦損失と漏れ損失とを加味したものである。また、図９のグラフにおいて、実線は図３に示したフランシス形水車の水車効率を示し、破線は図４に示したフランシス形水車の水車効率を示している。横軸に流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）が示され、縦軸に水車効率ηｔ（％）が示されている。

図８に示すように、図３に示したランナ側圧室１５では、図４に示したランナ側圧室１５’に比べて全運転範囲の流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）におけるランナ損失ΔＨ_Ｒ／Ｈが抑制されている。これは、図３に示したランナ側圧室１５では、図４に示したランナ側圧室１５’に比べて、流水の周方向速度の速度勾配が緩やかになっていることで、流量に関わることなく円板摩擦損失が低減されたからである。したがって、図９に示すように、図３に示したランナ側圧室１５のフランシス形水車では、図４に示したフランシス形水車に比べて、全運転範囲の流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）において水車効率ηｔ（％）が向上される。

また、図９には、水車最高効率ηｔｍａｘが示されている。本発明者は、この水車最高効率ηｔｍａｘが、図２に示した、ランナ側圧室１５の上流側端部１５Ｕの流路面積と下流側端部１５Ｄの流路面積との比に応じて変動することを知見した。

図１０は、ランナ側圧室１５の上流側端部１５Ｕの流路面積と下流側端部１５Ｄとの流路面積の比と、水車最高効率ηｔｍａｘ（％）との関係を示したグラフである。図１０のグラフにおいて、横軸は上流側端部１５Ｕの流路面積Ａ０と下流側端部１５Ｄの流路面積ＡＤとの比ＡＤ／Ａ０（流路面積比）が示されおり、縦軸に水車最高効率ηｔｍａｘ（％）が示されている。

図１０において、流路面積比ＡＤ／Ａ０＝０．５のときに水車最高効率ηｔｍａｘは最も高い値を示し、ＡＤ／Ａ０＝０．１５からＡＤ／Ａ０＝０．８５の範囲での水車最高効率ηｔｍａｘは、ＡＤ／Ａ０＝０．５での最高値である水車最高効率ηｔｍａｘに対し低下量０．１％以内に収まる。したがって、上流側端部１５Ｕと下流側端部１５Ｄとの流路面積を設定する際には、０．１５＜ＡＤ／Ａ０＜０．８５、とすることが好ましく、ＡＤ／Ａ０＝０．５とすることが特に好ましい。

以上に説明したように本実施の形態によれば、水車運転の際の上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて、その流路面積が拡大しないようにランナ側圧室１５が形成されていることにより、ランナ側圧室１５内に流入した水の速度勾配を小さくすることができる。このことにより、ランナ側圧室１５に流入した水によって生じる円板摩擦損失を低減することで水車効率を向上させることができる。また、本実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路幅が、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されていることで、損失を一層低減することができる。

次に、第２の実施の形態について図１１を参照して説明する。図１１は第２の実施の形態によるフランシス形水車のランナ側圧室の周辺の子午面断面図であり、図１２は図１１に示したフランシス形水車のランナ側圧室の流路面積と、図４に示した比較例のランナ側圧室の流路面積とを示したグラフを示している。なお、第２の実施の形態における第１の実施の形態と同一の構成部分には、同一の符号を示している。

図１１に示すように、本実施の形態では、下カバー１６の内側壁面１６Ａは、子午面断面視で、複数の直線部分をつなげてなる折れ線状に形成されている。詳しくは、図１１に示すように、内側壁面１６Ａは、最上流点８Ｕからの距離ｄがＬ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６の位置に対応する位置で折れ曲がるように形成されている。また、図１２に示すように、ランナ側圧室１５の流路面積が下流側に向けて徐々に減少するようになっている。しかも、図１１から明らかなように、ランナ側圧室１５の流路幅は、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されている。なお、流路幅とは、子午面断面視で、バンド８の外側壁面８Ａにおけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が下カバー１６の内側壁面１６Ａに交差する点と、を結んだ線分の長さのことをいう。

このような第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られると共に、製造時において下カバー１６の内側壁面１６Ａの機械加工が比較的容易となりコストを抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路面積が、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて、徐々に減少するようになっている例を説明したが、子午面断面視におけるランナ側圧室１５の流路面積は、上流側端部１５Ｕから下流側端部１５Ｄにかけて少なくとも部分的に一定であってもよい。

また、上述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、ランナ側圧室１５の流路幅は、上流側から下流側にかけて拡大しないように形成されているが、流路面積が上流側端部から下流側端部にかけて拡大しないのであれば、流路幅は、上流側から下流側において部分的に拡大しても構わない。

１ フランシス形水車
３ ケーシング
４ ステーベーン
５ ガイドベーン
６ ランナ
７ クラウン
８ バンド
８Ａ 外側壁面
８Ｕ 最上流点
８Ｄ 最下流点
９ ランナ羽根
１０ 主軸
１２ 吸出し管
１３ ランナ背圧室
１４ 上カバー
１５ ランナ側圧室
１５Ｕ 上流側端部
１５Ｄ 下流側端部
１６ 下カバー
１６Ａ 内側壁面
１６Ｕ 上流側端点
１６Ｄ 下流側端点
２０ 側圧室側間隙部
２２ 側圧室側シール部
Ｃ 回転軸線
Ｇ 発電電動機

Claims (2)

1. クラウン、バンド、及び前記クラウンと前記バンドとの間に設けられた複数のランナ羽根を有するランナと、
   前記ランナを外側から覆うカバーと、を備え、
   前記バンドの外側壁面と前記カバーの内側壁面との間に、ランナ側圧室が形成されており、
   前記ランナ側圧室は、水車運転の際の上流側端部から下流側端部にかけて、その流路面積が徐々に減少するとともに子午面断面視で、その流路幅が拡大しないように形成され、前記流路幅は、前記バンドの外側壁面におけるある点と、当該点の接線に対して直交して延びる直線が前記カバーの内側壁面に交差する点と、を結んだ線分の長さで定まるものであり、
   前記カバーの内側壁面は、子午面断面視で、複数の直線部分をつなげてなる折れ線状に形成されている
   ことを特徴とする水力機械。
2. 前記ランナ側圧室の前記上流側端部における流路面積をＡ０とし、前記ランナ側圧室の前記下流側端部における流路面積をＡＤとしたときに、
   ０．１５＜ＡＤ／Ａ０＜０．８５、である
   ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械。

Images