JPH0438916B2 - - Google Patents
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- JPH0438916B2 JPH0438916B2 JP59221478A JP22147884A JPH0438916B2 JP H0438916 B2 JPH0438916 B2 JP H0438916B2 JP 59221478 A JP59221478 A JP 59221478A JP 22147884 A JP22147884 A JP 22147884A JP H0438916 B2 JPH0438916 B2 JP H0438916B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- runner
- exit angle
- crown
- velocity
- angle
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- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
- F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
- F03B3/121—Blades, their form or construction
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
- F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
- F03B3/125—Rotors for radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side, e.g. for Francis-type turbines
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Hydraulic Turbines (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の技術分野〕
本発明は、フランシス水車のランナに係り、ラ
ンナ出口角度を所定値に設定して部分負荷運転時
にも高性能を発揮することができるようにしたフ
ランシス形ランナに関する。
ンナ出口角度を所定値に設定して部分負荷運転時
にも高性能を発揮することができるようにしたフ
ランシス形ランナに関する。
一般的なフランシス形ランナは、第１図および
第２図に示されるように、主軸１に固着されたラ
ンナクラウン２と、これにほぼ対向したランナバ
ンド３との間に複数枚のランナ羽根４が挾持され
ている。これらのランナ羽根４は、横断面が翼形
をなし、上記主軸１を中心とする円周上に等間隔
かつ放射状に配置されている。水車運転時におけ
る流水は、隣接するランナ羽根４，４の間に形成
される流路を矢印Ａで示すように中心で向つて流
入し流出する。
第２図に示されるように、主軸１に固着されたラ
ンナクラウン２と、これにほぼ対向したランナバ
ンド３との間に複数枚のランナ羽根４が挾持され
ている。これらのランナ羽根４は、横断面が翼形
をなし、上記主軸１を中心とする円周上に等間隔
かつ放射状に配置されている。水車運転時におけ
る流水は、隣接するランナ羽根４，４の間に形成
される流路を矢印Ａで示すように中心で向つて流
入し流出する。
この場合、上記ランナ羽根４の内端出口部が回
転円周方向接線となすいわゆる出口角度βは、水
車の設計点特性を決定する重要な因子であつて、
従来は、設計点において最も適切な流れとなるよ
うに、設定されていた。すなわち上記出口角度β
のうち、クラウン側に最も近いクラウン側出口角
度をβc、バンド側に最も近いバンド側出口角度
をβbとしたとき、両出口角度βbとβcとの差Δβ
（Δβ＝βc−βb）が第３図斜線領域A1に入るよう
に出口角度βの値が定められていた。なお、この
第３図は縦軸に角度差Δβをとり、横軸に水車比
速度Nsをとつたものである。
転円周方向接線となすいわゆる出口角度βは、水
車の設計点特性を決定する重要な因子であつて、
従来は、設計点において最も適切な流れとなるよ
うに、設定されていた。すなわち上記出口角度β
のうち、クラウン側に最も近いクラウン側出口角
度をβc、バンド側に最も近いバンド側出口角度
をβbとしたとき、両出口角度βbとβcとの差Δβ
（Δβ＝βc−βb）が第３図斜線領域A1に入るよう
に出口角度βの値が定められていた。なお、この
第３図は縦軸に角度差Δβをとり、横軸に水車比
速度Nsをとつたものである。
ここで、Ns＝Ｎ・√／H5/4（ｍ−kw）であ
り、Ｎは主機回転数、Ｈは基準落差、Ｐは基準落
差時の最大出力である。
り、Ｎは主機回転数、Ｈは基準落差、Ｐは基準落
差時の最大出力である。
角度差Δβが上述の範囲内に収まるようにラン
ナ羽根の出口角度を定めると、設計点出力での水
車性能は良好である。しかしながら、設計点出力
の60％以下の部分負荷運転時には、ランナ下流の
吸出し管に大きな旋回渦損失が発生し、また旋回
流によりロープ状の渦芯が発達しこれにより水圧
脈動が増大して振動や騒音が発生するなど水車性
能が著しく低下してしまうという欠点があつた。
この欠点は近年AFC運転および小水力発電所等
での部分負荷運転の増大に伴い、看過できない問
題となつてきている。
ナ羽根の出口角度を定めると、設計点出力での水
車性能は良好である。しかしながら、設計点出力
の60％以下の部分負荷運転時には、ランナ下流の
吸出し管に大きな旋回渦損失が発生し、また旋回
流によりロープ状の渦芯が発達しこれにより水圧
脈動が増大して振動や騒音が発生するなど水車性
能が著しく低下してしまうという欠点があつた。
この欠点は近年AFC運転および小水力発電所等
での部分負荷運転の増大に伴い、看過できない問
題となつてきている。
本発明の目的は、上記の点に鑑みて、部分負荷
運転時の性能をも向上させるようにしたフランシ
ス形ランナを提供することにある。
運転時の性能をも向上させるようにしたフランシ
ス形ランナを提供することにある。
この目的を達成するために、本発明はランナ羽
根の出口角度のうちの、クラウン側出口角度βc
とバンド側出口角度βbとの角度差Δβが次の関係、 0.08Ns＋10≦Δβ≦0.13Ns＋12 （ここでNs＝Ｎ・√／H5/4（ｍ−kw）、Ｎは
主機の回転速度、Ｈは基準落差、Ｐは基準落差時
の最大出力である。）を満たすように、ランナ羽
根の出口角度を定めることを特徴とし、バンド側
出口角度βbを通常設計よりやや小さくすること
によつてバンド側の相対流速を増大させるととも
に、クラウン側出口角度βcを通常設計よりやや
大きくすることによつてクラウン側の相対流速を
減少させるようにしている。
根の出口角度のうちの、クラウン側出口角度βc
とバンド側出口角度βbとの角度差Δβが次の関係、 0.08Ns＋10≦Δβ≦0.13Ns＋12 （ここでNs＝Ｎ・√／H5/4（ｍ−kw）、Ｎは
主機の回転速度、Ｈは基準落差、Ｐは基準落差時
の最大出力である。）を満たすように、ランナ羽
根の出口角度を定めることを特徴とし、バンド側
出口角度βbを通常設計よりやや小さくすること
によつてバンド側の相対流速を増大させるととも
に、クラウン側出口角度βcを通常設計よりやや
大きくすることによつてクラウン側の相対流速を
減少させるようにしている。
以下に本発明を更に詳細に説明する。
従来のフランシス形ランナにおいて部分負荷運
転時に上述の旋回渦損失の増大等が発生する原因
を探究してみると、次の事実が判明した。即ち、
第２図に示されるようにランナ羽根４の出口流れ
の絶対速度Ｖと、回転による周速度Ｕと相対速度
Ｗとから形成される出口速度三角形は、設計点出
力にあつては直角三角形となる。このため、羽根
流下後の水の旋回速度成分Cuは零（Vcos90゜＝
０）となる。しかし部分負荷運転時には流量の減
少により、第４図実線で示されるように相対速度
W′が上記Ｗより減少し、絶対速度V′と周速度Ｕ
とのなす角αがα＜90゜となりV1′cosαで表される
旋回速度成分Cu′が発生して上記旋回渦損失の増
大等が生じ、水車性能が低下することが判明し
た。
転時に上述の旋回渦損失の増大等が発生する原因
を探究してみると、次の事実が判明した。即ち、
第２図に示されるようにランナ羽根４の出口流れ
の絶対速度Ｖと、回転による周速度Ｕと相対速度
Ｗとから形成される出口速度三角形は、設計点出
力にあつては直角三角形となる。このため、羽根
流下後の水の旋回速度成分Cuは零（Vcos90゜＝
０）となる。しかし部分負荷運転時には流量の減
少により、第４図実線で示されるように相対速度
W′が上記Ｗより減少し、絶対速度V′と周速度Ｕ
とのなす角αがα＜90゜となりV1′cosαで表される
旋回速度成分Cu′が発生して上記旋回渦損失の増
大等が生じ、水車性能が低下することが判明し
た。
そこで、本発明は、第４図点線で示ように部分
負荷運転時のランナ出口相対速度ＷをW′のよう
に増大させて、角度αを90℃に近ずけ絶対速度
V′の旋回速度成分Cu′を小さいものとする。この
相対速度Ｗの増大のためには、バンド側出口角度
βbを設計点特性から決まる値よりも小さくする
ことが以下に述べる理由により効果的である。即
ち、第５図に示されるように、過負荷運転時に
は、水流は破線のようにしてクラウン２からバン
ド３までほぼ一様に分布して流れるが、しかし、
部分負荷運転時には水流は流量の減少と遠心力作
用によつて実線のようにバンド側に集中した流れ
となる。したがつて、このバンド側の出口角度
βbを小さくすることにより、相対速度Ｗを効果
的に増大する。
負荷運転時のランナ出口相対速度ＷをW′のよう
に増大させて、角度αを90℃に近ずけ絶対速度
V′の旋回速度成分Cu′を小さいものとする。この
相対速度Ｗの増大のためには、バンド側出口角度
βbを設計点特性から決まる値よりも小さくする
ことが以下に述べる理由により効果的である。即
ち、第５図に示されるように、過負荷運転時に
は、水流は破線のようにしてクラウン２からバン
ド３までほぼ一様に分布して流れるが、しかし、
部分負荷運転時には水流は流量の減少と遠心力作
用によつて実線のようにバンド側に集中した流れ
となる。したがつて、このバンド側の出口角度
βbを小さくすることにより、相対速度Ｗを効果
的に増大する。
すなわち、第６図は部分負荷時におけるバンド
側出口部の速度三角形を示し、実線は従来からの
通常設計によるもの、破線は本発明によるものを
それぞれ表している。本図から明らかなように、
バンド側出口角度βbをβb′のように小さくすれ
ば、相対速度W1はW1′まで増大して絶対速度V1
はV1′となり、その旋回速度成分Cu1はCu1′まで減
少される。
側出口部の速度三角形を示し、実線は従来からの
通常設計によるもの、破線は本発明によるものを
それぞれ表している。本図から明らかなように、
バンド側出口角度βbをβb′のように小さくすれ
ば、相対速度W1はW1′まで増大して絶対速度V1
はV1′となり、その旋回速度成分Cu1はCu1′まで減
少される。
ところが、バンド側出口角度βbのみを小さく
すると、逆に過負荷運転時の性能が低下してしま
う。すなわち、第７図は過負荷運転時におけるバ
ンド側出口部の速度三角形を示し、バンド側出口
角度βbをβb′のように小さくすれば、相対速度W2
はW2′まで増大して絶対速度V2はV2′となり、そ
の旋回速度成分Cu2は、Cu2′まで増大される。
すると、逆に過負荷運転時の性能が低下してしま
う。すなわち、第７図は過負荷運転時におけるバ
ンド側出口部の速度三角形を示し、バンド側出口
角度βbをβb′のように小さくすれば、相対速度W2
はW2′まで増大して絶対速度V2はV2′となり、そ
の旋回速度成分Cu2は、Cu2′まで増大される。
そこで、この過負荷運転時の性能低下をできる
だけ抑えるために、過負荷運転時には、上述のよ
うに水流は、クラウン側からバンド側までほぼ一
様に流れることに着目してクラウン側出口角度
βcを設計点特性から決まる値よりも大きく定め
る。すなわち、第８図は過負荷時におけるクラウ
ン側出口部の速度三角形を示し、実線は通常設計
によるもの、破線は本発明によるものをそれぞれ
表している。本図のように、クラウン側出口角度
βcをβc′のように大きすれば相対速度W3はW3′ま
で増大して絶対速度V3はV3′となりその旋回速度
成分Cu3はCu3′まで減少される。
だけ抑えるために、過負荷運転時には、上述のよ
うに水流は、クラウン側からバンド側までほぼ一
様に流れることに着目してクラウン側出口角度
βcを設計点特性から決まる値よりも大きく定め
る。すなわち、第８図は過負荷時におけるクラウ
ン側出口部の速度三角形を示し、実線は通常設計
によるもの、破線は本発明によるものをそれぞれ
表している。本図のように、クラウン側出口角度
βcをβc′のように大きすれば相対速度W3はW3′ま
で増大して絶対速度V3はV3′となりその旋回速度
成分Cu3はCu3′まで減少される。
一方、第９図に示すように、部分負荷時のクラ
ウン側出口部における旋回速度成分Cu4は、
Cu4′まで増大させられることとなる。しかし上述
のように、部分負荷時には、クラウン側の流量が
大幅に減少することから、上記旋回速度成分の増
大による性能劣化分は極めて小さい。
ウン側出口部における旋回速度成分Cu4は、
Cu4′まで増大させられることとなる。しかし上述
のように、部分負荷時には、クラウン側の流量が
大幅に減少することから、上記旋回速度成分の増
大による性能劣化分は極めて小さい。
また、上述のようにクラウン側出口角度βcと
バンド側出口角度βbとを定めた結果、両角度の
差Δβ（Δβ＝βc−βb）は、従来に比して大きくな
る。そこで、この角度差Δβがどの程度大きくな
ると、換言すれば、この角度差Δβと水車比速度
Nsとがいかなる関係にあれば、過負荷運転時の
性能低下を抑えながら、部分運転時の性能を改善
できるかについて種々実験を試みた。この結果、
角度差Δβが第３図の実線より上方の破線領域A2
に存在すれば、過負荷運転時の性能低下を抑えつ
つ、部分負荷運転時性能を改善することが判明し
た。これを具体的に数式で表わすと下式になる。
バンド側出口角度βbとを定めた結果、両角度の
差Δβ（Δβ＝βc−βb）は、従来に比して大きくな
る。そこで、この角度差Δβがどの程度大きくな
ると、換言すれば、この角度差Δβと水車比速度
Nsとがいかなる関係にあれば、過負荷運転時の
性能低下を抑えながら、部分運転時の性能を改善
できるかについて種々実験を試みた。この結果、
角度差Δβが第３図の実線より上方の破線領域A2
に存在すれば、過負荷運転時の性能低下を抑えつ
つ、部分負荷運転時性能を改善することが判明し
た。これを具体的に数式で表わすと下式になる。
0.08Ns＋10≦Δβ≦0.13Ns＋12
このように定めたときの中比速度水車の効果を
第１０図に示す。第１０図中、縦軸は最大効率
ηoを基準とした相対効率η／ηoであり、横軸は
最大効率点出力Poを基準とした出力比Ｐ／Poで
ある。実線が、本発明によるランナの効率特性を
示し、破線が従来のランナ効率特性を示す。この
実線と破線を比べると、本発明のランナは、Ｐ／
Po≦0.8の運転範囲において従来のものとほぼ同
等効率であり、Ｐ／Po＜0.8の部分負荷運転範囲
では、従来ランナに比べ、かなり性能が改善され
ていることが分る。
第１０図に示す。第１０図中、縦軸は最大効率
ηoを基準とした相対効率η／ηoであり、横軸は
最大効率点出力Poを基準とした出力比Ｐ／Poで
ある。実線が、本発明によるランナの効率特性を
示し、破線が従来のランナ効率特性を示す。この
実線と破線を比べると、本発明のランナは、Ｐ／
Po≦0.8の運転範囲において従来のものとほぼ同
等効率であり、Ｐ／Po＜0.8の部分負荷運転範囲
では、従来ランナに比べ、かなり性能が改善され
ていることが分る。
以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、ランナ出口角度の角度差Δβが0.08Ns＋10≦
Δβ≦0.13Ns＋12を充足するようにランナ出口角
度を定めるようにしたから、過負荷運転時の性能
をほとんど低下させることなく、部分負荷運転時
の性能を向上でき、また、振動や騒音の発生も抑
制できる。
ば、ランナ出口角度の角度差Δβが0.08Ns＋10≦
Δβ≦0.13Ns＋12を充足するようにランナ出口角
度を定めるようにしたから、過負荷運転時の性能
をほとんど低下させることなく、部分負荷運転時
の性能を向上でき、また、振動や騒音の発生も抑
制できる。
第１図は従来のフランシス形ランナを示す断面
図、第２図は第１図の−線に沿つた円周方向
断面図、第３図は従来のフランシス形ランナと本
発明によるフランシス形ランナについて、ランナ
出口角度と水車比速度との関係を示す線図、第４
図はランナ出口速度三角形を示す図、第５図はラ
ンナ内のフローパターンを示す図、第６図、第７
図、第８図および第９図はバンド側およびクラウ
ン側の各出口速度三角形を示す図、第１０図は本
発明と従来のフランシス形ランナの効率を比較す
るグラフである。 １……水車主軸、２……ランナクラウン、３…
…ランナバンド、４……ランナ羽根。
図、第２図は第１図の−線に沿つた円周方向
断面図、第３図は従来のフランシス形ランナと本
発明によるフランシス形ランナについて、ランナ
出口角度と水車比速度との関係を示す線図、第４
図はランナ出口速度三角形を示す図、第５図はラ
ンナ内のフローパターンを示す図、第６図、第７
図、第８図および第９図はバンド側およびクラウ
ン側の各出口速度三角形を示す図、第１０図は本
発明と従来のフランシス形ランナの効率を比較す
るグラフである。 １……水車主軸、２……ランナクラウン、３…
…ランナバンド、４……ランナ羽根。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ランナクラウンとランナバンドとの間に複数
枚のランナ羽根を挾持するようにしたフランシス
形ランナにおいて；ランナ羽根の出口端が回転円
周方向接線となす出口角度βのうち、ランナクラ
ウン側に最も近いクラウン側出口角度βcとラン
ナバンド側に最も近いバンド側出口角度βbとの
角度差Δβ＝βc−βbが 0.08Ns＋10≦Δβ≦0.13Ns＋12 （Ns＝Ｎ・√／H5/4、Ｎは主機回転速度、
Ｈは基準落差、Ｐは基準落差時の最大出力。）な
る関係を満すようにランナ羽根の出口角度を定め
るようにしたことを特徴とするフランシス形ラン
ナ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59221478A JPS61101680A (ja) | 1984-10-22 | 1984-10-22 | フランシス形ランナ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59221478A JPS61101680A (ja) | 1984-10-22 | 1984-10-22 | フランシス形ランナ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61101680A JPS61101680A (ja) | 1986-05-20 |
| JPH0438916B2 true JPH0438916B2 (ja) | 1992-06-25 |
Family
ID=16767337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59221478A Granted JPS61101680A (ja) | 1984-10-22 | 1984-10-22 | フランシス形ランナ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61101680A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1049476C (zh) * | 1993-12-24 | 2000-02-16 | 太平洋机工株式会社 | 透平驱动泵 |
| US5558502A (en) * | 1993-12-24 | 1996-09-24 | Pacific Machinery & Engineering Co., Ltd. | Turbo pump and supply system with the pump |
| FR2844560B1 (fr) * | 2002-09-13 | 2006-01-27 | Alstom Switzerland Ltd | Roue de type francis et machine hydraulique equipee d'une telle roue |
| JP4889308B2 (ja) * | 2005-02-17 | 2012-03-07 | 株式会社クボタ | 水車および水車発電装置ならびに水車発電装置の運転方法 |
-
1984
- 1984-10-22 JP JP59221478A patent/JPS61101680A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61101680A (ja) | 1986-05-20 |
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