JP6685879B2

JP6685879B2 - Hydraulic machine

Info

Publication number: JP6685879B2
Application number: JP2016203981A
Authority: JP
Inventors: 一幸中村; 利昌向; 裕輔中原; 新井　秀忠; 秀忠新井; 勧嗣野中
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-10-18
Also published as: JP2018066284A

Description

本発明の実施形態は、水力機械に関する。 Embodiments of the present invention relate to hydraulic machines.

フランシス型水車の水力機械は、水車主軸の下端に接続されたランナ、ガイドベーン、ステーベーン、ケーシングなどから構成される。特にステーベーンは、ケーシングからランナへ均等に水流を導入するだけでなく、水圧による流路の変形を抑制し、水流を旋回させる役割を持つ。しかしながら、水力機械の性能を向上させる上で、ステーベーンの水力損失が懸念される。 The hydraulic machine of the Francis type turbine is composed of a runner connected to the lower end of the turbine main shaft, a guide vane, a stay vane, a casing, and the like. In particular, the stay vane not only uniformly introduces the water flow from the casing to the runner, but also suppresses the deformation of the flow path due to water pressure and has the role of swirling the water flow. However, in improving the performance of the hydraulic machine, hydraulic loss of the stay vanes is a concern.

上記の懸念に対して、従来の水力機械は、ステーリングの形状や配置を変更させて水力機械の性能を向上させる。しかしながら、形状や配置を変更してもステーベーンでの水力損失は存在する。また、ステーベーンを過度に肉薄に設計すると強度が保てなくなり、水圧による流路の変形を引き起こす。そこで、高効率かつ水圧による流路の変形を抑制した水力機械が求められている。 In response to the above concerns, the conventional hydraulic machine improves the performance of the hydraulic machine by changing the shape and arrangement of the staying. However, even if the shape and arrangement are changed, there is hydraulic loss in the stay vane. Further, if the stay vanes are designed to be excessively thin, the strength cannot be maintained, causing deformation of the flow path due to water pressure. Therefore, there is a demand for a hydraulic machine that is highly efficient and suppresses the deformation of the flow path due to water pressure.

特許第４１６３０９１号Patent No. 4163091 特開２０００−２９７７３５号公報JP, 2000-297735, A

本発明が解決しようとする課題は、高効率かつ水圧による流路の変形を抑制した水力機械を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a hydraulic machine with high efficiency and suppressing deformation of the flow path due to water pressure.

上記の課題を解決するために、本発明の実施形態によれば、軸周りに回動するランナと、前記ランナへ水を導入する流路の上端部と、前記上端部の下方に設けられ、前記上端部と対向する下端部と、前記上端部と前記下端部との間に周方向に離間して配列された複数枚のガイドベーンと、前記ガイドベーンの外側に設けられたケーシングと、前記ケーシングに接続され、前記ケーシングへ水を導入する第一の水管と、前記上端部および前記下端部と前記第一の水管とを接続し、前期第一の水管から前記上端部および前記下端部へ水を導入する第二の水管と、を備え、前記上端部および前記下端部は、前記第二の水管を通る水の水圧によって固定される。 In order to solve the above problems, according to an embodiment of the present invention, a runner that rotates around an axis, an upper end of a flow path that introduces water into the runner, and is provided below the upper end, A lower end portion facing the upper end portion, a plurality of guide vanes arranged in the circumferential direction between the upper end portion and the lower end portion, a casing provided outside the guide vane, A first water pipe connected to a casing for introducing water into the casing, the upper end portion and the lower end portion and the first water pipe are connected to each other, and the first water pipe is connected to the upper end portion and the lower end portion. A second water pipe for introducing water, the upper end portion and the lower end portion being fixed by the water pressure of the water passing through the second water pipe.

第一の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the hydraulic machine which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る水力機械のガイドベーンを回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。It is the AA sectional view which looked at the guide vane of the hydraulic machine concerning a first embodiment from the direction of an axis of rotation. 第二の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the hydraulic machine which concerns on 2nd embodiment. 第一および第二の実施形態に係る水力機械にステーベーンを設置した場合の回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。It is the AA sectional view seen from the axis of rotation when a stay vane is installed in a hydraulic machine concerning a 1st and 2nd embodiment.

以下、実施形態に係る水力機械について説明する。 Hereinafter, the hydraulic machine according to the embodiment will be described.

（第一の実施形態）
第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。第一の実施形態に係る水力機械は、入口鉄管１と、ケーシング１０と、流路上端部２０と、流路下端部２１と、ステーリング用鉄管２２と、ガイドベーン３０と、ランナ４０から構成され、従来の水力機械に設けられるステーベーンを有しない。 (First embodiment)
The first embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hydraulic machine according to the first embodiment. The hydraulic machine according to the first embodiment includes an inlet iron pipe 1, a casing 10, a flow passage upper end portion 20, a flow passage lower end portion 21, a staying iron pipe 22, a guide vane 30, and a runner 40. And does not have the stay vanes provided in conventional hydraulic machines.

入口鉄管１（第一の水管）は、ケーシング１０に接続され、水をケーシング１０へ導入する。 The inlet iron pipe 1 (first water pipe) is connected to the casing 10 and introduces water into the casing 10.

ケーシング１０は、入口鉄管１から導入された水をランナ４０の外周方向へ充填する。水の外部への漏洩を抑制するため、水圧に耐えうる構造を有する。 The casing 10 fills the water introduced from the inlet iron pipe 1 in the outer peripheral direction of the runner 40. It has a structure that can withstand water pressure in order to suppress leakage of water to the outside.

ステーリング用鉄管２２（第二の水管）は、流路上端部２０および流路下端部２１と、入口鉄管１をそれぞれ結合する。入口鉄管１を通る水の一部が、ステーリング用鉄管２２へ導入される。ステーリング用鉄管２２は、水を循環させる機構を備えておらず、ステーリング用鉄管２２へ導入された水は、ステーリング用鉄管２２に充填される。 The iron pipe 22 for staying (second water pipe) connects the upper end portion 20 and the lower end portion 21 of the flow passage to the inlet iron pipe 1, respectively. A part of the water passing through the inlet iron pipe 1 is introduced into the iron pipe 22 for staying. The staying iron pipe 22 does not include a mechanism for circulating water, and the water introduced into the staying iron pipe 22 is filled in the staying iron pipe 22.

ガイドベーン３０は、ガイドベーンアームを介して図示していないガイドリングに接合され、ランナ４０の外周方向に配置される。図示していない駆動装置によってガイドリングを回転させ、ガイドベーン３０の角度を調整することで、ランナ４０へ導入される水を効率良く旋回させるとともに、水量を調整する。 The guide vane 30 is joined to a guide ring (not shown) via a guide vane arm, and is arranged in the outer peripheral direction of the runner 40. By rotating the guide ring by a drive device (not shown) and adjusting the angle of the guide vane 30, the water introduced into the runner 40 is efficiently swirled and the water amount is adjusted.

ランナ４０は、水がランナ羽根から回転中心方向へ向かう間にランナ羽根を押し、ランナ羽根に回転力を伝えることで、回転駆動する。 The runner 40 is rotationally driven by pushing the runner blade while water travels from the runner blade toward the center of rotation and transmitting a rotational force to the runner blade.

図２は、第一の実施形態に係る水力機械のガイドベーンを回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。ここで、ガイドベーン３０の長手方向の長さをLg、ガイドベーン３０の枚数をZgとする。また、ガイドベーン３０が配置される位置をガイドベーン基準円１００とし、ガイドベーン基準円１００の半径をDgとするとき、以下の数式を満たすようにガイドベーン３０の各パラメータを設定する。
Zg×Lg／（π×Dｇ）≧１．３ FIG. 2 is a cross-sectional view of the guide vane of the hydraulic machine according to the first embodiment taken along the line AA as seen from the rotation axis direction. Here, the length of the guide vanes 30 in the longitudinal direction is Lg, and the number of guide vanes 30 is Zg. Further, when the position where the guide vane 30 is arranged is the guide vane reference circle 100 and the radius of the guide vane reference circle 100 is Dg, the parameters of the guide vane 30 are set so as to satisfy the following formula.
Zg × Lg / (π × Dg) ≧ 1.3

上式を満たすようにガイドベーンの長手方向の長さLgを長くするか、ガイドベーン３０の枚数Zgを増やすように設計することで、ガイドベーンによる水の旋回を効率的に発生させる。 By designing the length Lg of the guide vanes in the longitudinal direction so as to satisfy the above formula or increasing the number Zg of the guide vanes 30, the swirling of water by the guide vanes is efficiently generated.

次に、第一の実施形態に係る水力機械の動作方法を説明する。入口鉄管１（第一の水管）を通過した水は、ケーシング１０へ導入される。ケーシング１０へ導入された水が流路を通過すると、ガイドベーン３０において水は旋回され、水量を調整される。ガイドベーン３０を通過した水は、ランナ４０へ導入され、水圧によってランナ４０を回転させる。ランナ４０が回転すると、シャフトを介して図示していない発電機が回転し、発電を行う。 Next, a method of operating the hydraulic machine according to the first embodiment will be described. Water that has passed through the inlet iron pipe 1 (first water pipe) is introduced into the casing 10. When the water introduced into the casing 10 passes through the flow path, the water is swirled in the guide vanes 30 and the amount of water is adjusted. The water that has passed through the guide vanes 30 is introduced into the runner 40, and the runner 40 is rotated by the water pressure. When the runner 40 rotates, a generator (not shown) rotates via the shaft to generate power.

ここで、ケーシング１０からランナ４０へ水が導入される際に、水圧によっては流路が変形する場合がある。そこで、入口鉄管１を通過する水の一部がステーリング用鉄管２２へ導入され、流路上端部２０上端部および流路下端部２１下端部に水圧を加える。ステーリング用鉄管２２へ導入された水の水圧によって、流路全体にかかる圧力を緩和し、流路の変形を抑制する。 Here, when water is introduced from the casing 10 to the runner 40, the flow path may be deformed depending on the water pressure. Therefore, a part of the water passing through the inlet iron pipe 1 is introduced into the ironing pipe 22 for staying, and water pressure is applied to the upper end portion 20 of the flow passage and the lower end portion of the flow passage lower end 21. The water pressure of the water introduced into the iron pipe 22 for stalling relieves the pressure applied to the entire flow path, and suppresses the deformation of the flow path.

上述した第一の実施形態によれば、ステーリング用鉄管２２へ導入される水によって、流路上端部２０および流路下端部２１に水圧をかけて流路の変形を抑制する。水を利用して流路の変形を抑制できるため、ステーベーンを取り除くことができる。ステーベーンを取り除くことができるため、ステーベーンで生じる水力損失を抑制し、高効率な水力機械を提供することが可能となる。 According to the above-described first embodiment, water introduced into the iron pipe 22 for staying applies water pressure to the flow path upper end portion 20 and the flow path lower end portion 21 to suppress deformation of the flow path. Since the deformation of the flow path can be suppressed by using water, the stay vane can be removed. Since the stay vanes can be removed, it is possible to suppress the hydraulic power loss that occurs in the stay vanes and provide a highly efficient hydraulic machine.

なお、ステーリング用鉄管２２は、上下以外の流路端部にも配置して、流路の変形を抑制してもよい。例えば、流路の進行方向に垂直な断面が円形の場合は、円の中心から放射状にステーリング用鉄管２２を結合してもよい。 The staying iron pipe 22 may be arranged at the end portions of the flow passage other than the upper and lower sides to suppress the deformation of the flow passage. For example, when the cross section perpendicular to the traveling direction of the flow path is circular, the iron pipes 22 for staying may be radially connected from the center of the circle.

（第二の実施形態）
次に、第二の実施形態について説明する。図３は、第二の実施形態に係る水力機械の概略構成図である。なお、第一の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。また、ガイドベーンの回転軸方向からみた断面図は、図２と同様である。第二の実施形態に係る水力機械は、ケーシング１０と、ガイドベーン３０と、貫通固定軸３１と、ランナ４０から構成される。 (Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a hydraulic machine according to the second embodiment. Note that description of portions similar to those in the first embodiment will be omitted. A cross-sectional view of the guide vane viewed from the rotation axis direction is the same as FIG. The hydraulic machine according to the second embodiment includes a casing 10, a guide vane 30, a penetrating fixed shaft 31, and a runner 40.

ケーシング１０は、ケーシング上端突起部１１とケーシング下端突起部１２を有し、水圧程度の応力によっては変形しない。 The casing 10 has a casing upper end protruding portion 11 and a casing lower end protruding portion 12, and is not deformed by stress such as water pressure.

ガイドベーン３０は、ガイドベーン軸と共に中空部を有する。 The guide vane 30 has a hollow portion together with the guide vane shaft.

貫通固定軸３１は、ガイドベーン３０およびガイドベーン軸の中空部を貫通し、中空部で接触しないように設置される。貫通固定軸３１は、ケーシング上端突起部１１およびケーシング下端突起部１２によって固定され、ケーシング１０の水圧による変形を抑制する。一方、ガイドベーン軸は、貫通固定軸３１とは異なる固定部材によって固定される。 The penetrating fixed shaft 31 penetrates the guide vane 30 and the hollow portion of the guide vane shaft, and is installed so as not to contact the hollow portion. The penetrating fixed shaft 31 is fixed by the casing upper end protrusion 11 and the casing lower end protrusion 12, and suppresses deformation of the casing 10 due to water pressure. On the other hand, the guide vane shaft is fixed by a fixing member different from the penetrating fixed shaft 31.

また、ガイドベーン３０の長手方向の長さLg、ガイドベーン基準円１００の半径Dg、ガイドベーン３０の枚数Zgについては、第一の実施形態と同様の数式を満たすように設計する。 Further, the length Lg of the guide vane 30 in the longitudinal direction, the radius Dg of the guide vane reference circle 100, and the number Zg of the guide vanes 30 are designed so as to satisfy the same mathematical expressions as in the first embodiment.

上述した第二の実施形態によれば、ガイドベーンが中空部を有し、貫通固定軸とガイドベーン軸をそれぞれ固定することによって、ガイドベーンが回転しつつも、水圧による流路の変形を抑制することが可能となる。また、ガイドベーンの中空部分を利用してケーシングを固定するため、ステーベーンを取り除くことができ、第一の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、貫通固定軸３１は従来の水力機械の空間内に収容可能であるため、水力機械を小型に設計できる。 According to the above-described second embodiment, the guide vane has a hollow portion, and fixing the penetrating fixed shaft and the guide vane shaft respectively suppresses deformation of the flow path due to water pressure while the guide vane rotates. It becomes possible to do. Further, since the casing is fixed by utilizing the hollow portion of the guide vane, the stay vane can be removed, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, since the penetrating fixed shaft 31 can be housed in the space of the conventional hydraulic machine, the hydraulic machine can be designed in a small size.

なお、上述した第二の実施形態では、貫通固定軸３１によってケーシングを固定したが、ガイドベーン軸にフランジを設け、軸受などの部材によって流路上端部２０および流路下端部２１を固定してもよい。その場合のケーシング１０は、ケーシング上端突起部１１とケーシング下端突起部１２を有しない。 In the above-described second embodiment, the casing is fixed by the penetrating fixed shaft 31, but a flange is provided on the guide vane shaft, and the flow passage upper end portion 20 and the flow passage lower end portion 21 are fixed by members such as bearings. Good. In that case, the casing 10 does not have the casing upper end protrusion 11 and the casing lower end protrusion 12.

さらに、上述した第一および第二の実施形態においては、ステーベーンがない場合を想定したが、水の旋回をより効率よく行うために、ガイドベーン３０の外周方向にステーベーンを設置してもよい。ステーベーンを設置した場合について、図４を用いて説明する。図４は、第一および第二の実施形態に係る水力機械にステーベーンを設置した場合の回転軸方向から見たＡ−Ａ断面図である。ただし、この場合のステーベーン（ステーベーン５０）とは、水の旋回の機能のみを有することとする。ステーベーン５０を設置した場合のステーベーン５０の厚さは、旋回の機能を有すればよいため、ガイドベーン３０の厚さの半分以下に設計する。また、ステーベーン５０の枚数はガイドベーン３０の枚数以下とし、流路上端部および流路下端部の少なくとも一方の端面に接続されていればよい。 Furthermore, in the above-described first and second embodiments, the case where there is no stay vane is assumed, but in order to swirl the water more efficiently, the stay vane may be installed in the outer peripheral direction of the guide vane 30. The case where the stay vanes are installed will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA of the hydraulic machine according to the first and second embodiments when a stay vane is installed, as seen from the rotation axis direction. However, the stay vane (stay vane 50) in this case has only the function of swirling water. Since the thickness of the stay vane 50 when the stay vane 50 is installed need only have a swiveling function, it is designed to be half the thickness of the guide vane 30 or less. Further, the number of stay vanes 50 is equal to or less than the number of guide vanes 30, and may be connected to at least one end face of the flow path upper end portion and the flow path lower end portion.

ステーベーンを設置する場合においても、ステーリング用鉄管２２や貫通固定軸３１によって流路の変形を抑制できるため、ステーベーンの強度の設計精度を上げずともよい。 Even when the stay vanes are installed, the deformation of the flow path can be suppressed by the staying iron pipe 22 and the penetrating fixed shaft 31, so that the strength design accuracy of the stay vanes does not have to be increased.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣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。これら実施形態やその変形は、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。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the scope equivalent thereto.

１．入口鉄管
１０．ケーシング
１１．ケーシング上端突起部
１２．ケーシング下端突起部
２０．流路上端部
２１．流路下端部
２２．ステーリング用鉄管
３０．ガイドベーン
３１．貫通固定軸
３２．軸固定部材
４０．ランナ
１００．ガイドベーン基準円 1. Inlet iron pipe 10. Casing 11. Casing top projection 12. Casing lower end protrusion 20. Flow path upper end 21. Lower end of flow path 22. Iron pipe for staling 30. Guide vane 31. Penetrating fixed shaft 32. Shaft fixing member 40. Runner 100. Guide vane reference circle

Claims

A runner that rotates around an axis,
An upper end portion of a flow path for introducing water into the runner,
A lower end portion provided below the upper end portion and facing the upper end portion,
A plurality of guide vanes arranged circumferentially apart between the upper end portion and the lower end portion,
A casing provided outside the guide vane,
A first water pipe connected to the casing for introducing water into the casing;
Connected to said first water pipe and the pressed portion between the guide vane and the casing of the pressed portion and the lower portion between the guide vane and the casing of the upper portion, said first comprising a second water tubes of water from a water pipe is introduced, and
The pressed portion of the pressed portion and the lower end of the upper portion is pressed by the pressure of water in the second in the water pipes, hydraulic machinery.

Lg the length in the longitudinal direction of the guide vanes, the guide vanes is a circle passing through the center of rotation of the guide vanes Dg radius of the reference circle, when the Zg the number of the guide vanes,
Zg × Lg / (π × Dg) ≧ 1.3
Satisfying a hydraulic machine according to claim 1.

The hydraulic machine according to claim 1 or 2 , further comprising a plurality of stay vanes that are circumferentially spaced apart from each other on the outer side of the guide vanes and that swirl water.

The stay vanes are
The thickness is less than half the thickness of the guide vanes,
The number of sheets is less than the number of the guide vanes,
The hydraulic machine of claim 3 , comprising at least one of: