JPH02157480A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水車・ポンプ水車に係り、特に、流水中に土砂
や固形物等が混入したことによるランナ部の摩耗を軽減
するのに好適な流体機械に関する。

〔従来の技術〕

第６図は一般的なフランシス水車の断面を示し、ケーシ
ング１１からの流体はステーベーン１０゜ガイドベーン
１を経てランナ９に流入する。流体中に土砂や固形物等
が混入していると、これら流路部は全般にわたって摩耗
する。実物の流体機械の摩耗調査で、ランナの入口部に
局部的な摩耗が観察された。すなわち、第７図に示すラ
ンナベーン３の入口部のシュラウド５１．及び、クラウ
ン４の近くに円形状、または、罪状にえぐられた摩耗１
２、また、第８図に示すように、ランナベーン３の入口
部のシュラウド５、及び、クラウン４との付根に食い込
むような摩耗１３が確認された。

これら摩耗の原因は次の理由による。すなわち、第９図
において、ある側壁１５から隙間Ｓを隔てた位置に翼１
４が存在するとき、この隙間Ｓがあることによって、翼
１４の端面付近から旋回を併う渦１６が発生することは
知られている。この渦が水車に発生した場合の様子を第
１０図に示す。

渦１７はガイドベーンの上下端から発生し、主流と共に
流下し、ランナベーンに突入する。しかし、渦１７は前
述のようにかなり強い旋回流であるため、この中に土砂
等が混入していると衝突面は旋回作用でえぐられたよう
な摩耗となる。このため。

第１０図に示すようにランナベーン３の入口部には局部
的な摩耗痕１２を生じることになる。第１１図は第１０
図の水平断面を示したもので、ガイドベーン１の後端か
らの渦１７は速度三角形のように、相対速度Ｗでランナ
ベーン３に旋回しながら衝突し、摩耗１２を形成させる
。

なお、土砂やキャビテーション等による摩耗防止方法と
して、ランナベーンやガイドベーン部の摩耗予測位置に
セラミック等の耐摩耗材をコーティングする特開昭６１
−１９２８６０号公報がある。

また、従来のランナ外周直径Ｄｒ　とガイドベーン軸取
付は直径Ｄ１１　　（第６図参照）との関係の公表例（
文献基；ウォーターパワ　アンド　ダムコンストラクシ
ョン　８月（１９７６年）ｊＪ２８項から第３５項（Ｗ
ａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　＆　ＤａｍＣｏｎｓｔｒｕｃｔ
ｉｏｎ　Ａｕｇｕｓｔ（１９７６）　ｐ　ｐ　２８−３
５　）は第２図の二点鎖線で示すようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記摩耗による補修はその部分に母材と同一の材料で肉
盛溶接や部分埋込み等で行われるが、摩耗痕の深さが大
であると肉盛溶接等ではかなり工数もかかり、長い時間
熱を加えることになるので変形等が考えられる。また、
前述の公知例によれば、完全なコーティングが可能かど
うかは不明で。

もし、出来たとしても、コーテイング材の厚さ１まそれ
ほど厚く出来ないため、摩耗は母材にまで及び可能性が
ある。

この摩耗は機器へ悪影響を与え、摩耗している状態でラ
ンナが回転すると、騒音や振動発生の原因となり、また
、摩耗部での衝突損失によって全体効率が低下すること
が考えられる。

本発明の目的は、局部的なランナベーンの入口部の摩耗
を軽減し、補修周期を長くした流体機械を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、ランナベーン入口端とガイドベーン後端と
の距離を水車の比較回転速度に対して、ある特定の関係
に保つことにより達成される。

〔作用〕

上記手段によると、ガイドベーンの後端から発生する渦
の旋回速度をランナベーンに敗るまでにかなり軽減でき
る。このため、ランナベーンに衝突する渦の旋回作用は
弱められるので、流水中に土砂等が混入していても短時
間での局部的な摩耗を大幅に軽減できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図しこ基づいて述べる。

本図はガイドベーン１．ガイドベーン軸２゜ガイドベー
ンを挾持する上、下カバー６．７、ランナベーン３．ラ
ンナベーン３を挾持するクラウン４及びシュラウド５よ
り構成される。上、下カバー６．７間の水平中心位置で
示されるランナベーン３の先端の直径をり４、ガイドベ
ーン１のガイドベーン軸２のランナ中心からの取付直径
をＤｓ、また、水車の形状を表示する比較回転速度をＮ
Ｓ′　（＝０．０１×ＮｘＪ１／Ｈ丁ここに、Ｎ：ラン
ナ回転数、Ｐ：出力、Ｉ（；落差）とするとき、Ｄｇ／
　Ｄｒ＝０　、２２　Ｎｇ’　＋　Ｂ　（ここに、Ｂは
定数でその範囲は：１．１＜Ｂ＜１．２で、Ｎ　ｓ　’
　　の範囲は０　、５　＜　Ｎ　ｓ　’　＜　３　、５
　）の関係としたものである。

第２図に、本発明のＮ　ｓ　’　　に対するＤ　ｓ　／
　Ｄ　、の関係式と従来との比較を示す。

第３図は従来と本発明とによるガイドベーン後端からの
流線がランナベーン１に敗るまでの様子を比較したもの
である。ガイドベーン１の後端からの流線は一般に対数
ら線で示される。本発明のＤ　ｔ　／　Ｄ　ｒの関係に
すると流線の長さｉｌｌは従来の長さＲａの約二倍（Ｎ
ｇ’　＝２）となる。これらの比率はＮ　ｓ　’　　が
変化しても±５％以内であり、Ｎｓ’　　変化による差
はあまりない。

渦の流下速度は下流への距離をＱとすると１７４「に比
例して小となるが、渦の旋回速度も、はぼ、同様であり
、一方、この種の摩耗量は速度の三ないし四乗に比例す
るとされている。これらのことから、旋回を併う渦によ
る摩耗量と距離との関係を試算すると第４図のようにな
る。第４図は従来に対する比率を示し、本発明によれば
、渦の旋回速度を効果的に減衰できるので、摩耗量は従
来の二〜三割にすることが可能である。

さて、上述のガイドベーン後端からの渦とは別に、ガイ
ドベーン表面の境界層によって、ガイドベーン後方には
主流よりも速度の遅い区域、いわゆる、後流が存在する
。この後流部は主流部よりも流れの損失が大である。第
５図はガイドベーン後流部と主流部との流れを周方向に
ついて測定して得られた両者の損失差を、ガイドベーン
後端からの距離に対して示したものである。図の距離は
従来のガイドベーン後端からランナベーン入口までの距
離を基準として表示しである。この結果によれば、ガイ
ドベーンからの主流部と後流部との損失差が最小近くと
なる距離は従来の約二倍の位置であった。ガイドベーン
からの流れに大きな損失差があると、ランナ部での性能
も低下するため、ランナへの流れは出来るだけ安定して
いる方が好ましい。従って、第３図で示した本発明によ
るガイドベーンとランナ間の対数ら線で示される流線距
離を第５図に示す距離と一致させることにより、損失が
少なく、かつ、土砂による摩耗量を大幅に軽減すること
が可能となる。本実施例以上の距離にすると、ランナベ
ーン入口部の土砂による局部摩耗はさらに減少するが、
ガイドベーン後流の改善はそれ以上には望めず、逆に、
コスＩ・面で不利となる。第２図に示す本実施例のＤ　
＊　／　Ｄ　ｒの関係式の常数Ｂの値は、同一のＮｓ’
　　でも水車の仕様によって、ガイドベーン軸中心から
下流長さが異なるため、適宜、選択される。

第１２図はランナベーン３の入口部のクラウン４からシ
ュラウド５間に耐摩耗部材１８を埋込んだ一例を示す。

この例と第２図に示すＤ　ｇ　／　Ｄ　、の関係とを組
合わせて実施すると、さらに、摩耗効果が大となる。第
１２図の耐摩耗部材１８のランナベーン３の先端からラ
ンナを中心方向への幅りは（０，１〜０．１５）Ｄｒ　
とすることが、コスト面や作業面から考慮して適切であ
る。第１３図ないし第１５図は第１２図に示した耐摩耗
部材１８の埋込み方法を同図のＢ−Ｂ断面で示したもの
で、第１３図は耐摩耗部材１８を強力接着剤、または、
溶接等でランナベーン３に固定した例、第１４図はラン
ナベーン３と耐摩耗部材１８とを接着剤で結合後、ピン
１９で固定した例、第１５図はランナベーン３と耐摩耗
部材１８との間に空間部を設け、そこに強力接着剤２０
を充填し、固定した例を示す。

また、ガイドベーン後流をより安定した流れとすること
ができるので、もしも、摩耗が従来と同程度となっても
、従来の摩耗が生じていない初期の性能を維持すること
ができる。それゆえ、本実施例によるＤ　ｓ　／　Ｄ　
ｒの関係とすることで、やや、コスト高になるが、上述
の効果を考慮すると総合的にコスト面で不利とはならな
い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ガイドベーンからの渦の旋回速度を効
果的に減衰することができるので、土砂等の混入による
ランナベーン入口部の局部的摩耗を大幅に軽減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の水車断面図、第２図は本発
明の水車比速度とガイドベーン取付位置との関係線図、
第３図は本発明のガイドベーン下流の流れ線図、第４図
は距離に対する前耗低下率の関係図、第５図は距離とガ
イドベーン後流の損失の関係図、第６図は従来方法を説
明する水車の断面図、第７図、及び、第８図は従来方法
によるときの摩耗側図、第９図は翼面から発生するンｈ
の説明図、第１０図は従来方法による渦と摩耗との説明
図、第１１図は第１０図の水平断面から見た流れ説明図
、第１２図は本発明の他の実施例の水車断面図、第１３
図ないし第１５図は第１２図のＢ−Ｂ断面の実施例図で
ある。 １・・・ガイドベーン、２・・・ガイドベーン軸、３・
・・ランナーン、４・・・クラウン、５・・・シュラウ
ド、６・・・上カバー　７・・・下カバー、８・・・ド
ラフト、９ランナ、１０・・・ステーベーン、１１・・
・ケーシング、１２．１３・・・摩耗、１４・・・翼、
１５・・・側壁、１８第 図 第 図 葛 回 距蝕 猶 図 冨 図 遁 図 第 図 冨 図 第 図 ダ １／ 図 ｔ ７「

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、上・下二枚の環状のカバーと、前記カバーと一定の
   隙間を保つて挾持されている複数枚のガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの下流側に配置されているランナとを
   含む流体機械において、前記ガイドベーンの軸の前記ラ
   ンナの中心からの取付直径をＤ＿ｓ、前記上・下のカバ
   ー間の水平中心位置で示されるランナベーンの外周直径
   をＤ＿ｒ、水車の形状を表わす比較回転速度をＮ＿ｓ′
   とするとき、Ｄ＿ｓ／Ｄ＿ｒ＝０．２２Ｎ＿ｓ′＋Ｂ（
   ただし、１．１＜Ｂ＜１．２、０．５＜Ｎ＿ｓ′＜３．
   ５）の関係にあることを特徴とする流体機械。