JPH08135557A - 水力機械用ステーベーン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】水の流入角度とベーン入口角度とのずれによる
衝突損失を低減して性能向上を図ることがが比較的簡単
な構成によって実現でき、しかも製作に際しても低コス
ト化が可能な水力機械用ステーベーンを提供することを
目的とする。 【構成】縦軸型水力機械の回転自在なランナの外周側の
平行流路にガイドベーンとともに複数枚固定配置される
ステーベーン４であって、そのベーン上下端部が上下一
対の平行なスピードリング５に接合される。ベーン入口
側縁部がこれを取り囲むケーシング６の流路に突出して
いる。ケーシング６の流路に突出しているベーン入口側
縁部の上下端部付近の厚さをその他の部分の厚さよりも
大きい鈍頭形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フランシス水車等の縦
軸の水力機械等に適用される水力機械用ステーベーンに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フランシス水車等の水力機械は例えば図
９に示すように、回転自在なランナ１の外周側の平行流
路２にガイドベーン３とともにステーベーン４が固定配
置され、ステーベーン４のベーン上下端部が上下一対の
平行なスピードリング５に接合されるとともに、ステー
ベーン４のベーン入口側縁部がこれを取り囲む渦巻ケー
シング６の流路に突出する構成となっている。そして、
水圧鉄管から導かれた水がケーシング６を通って複数枚
のステーベーン４の全周に亘って流入し、この水がガイ
ドベーン３を通ってランナ１へ導かれてランナ１を回転
させる。

【０００３】ステーベーン４は一般に二次元形状で設計
されているが、実際にケーシング６からステーベーン４
に流入する水は、ステーベーン４入口部の上下端部近傍
で巻込み流となるため、図９および図１０に矢印ａで示
すように、三次元的に変化している。この三次元的な流
れはタフト法を用いて観察した実験結果により明らかに
なっている。

【０００４】図１１はタフト法による流れの観察位置を
模式的に示したものである。すなわち、ステーベーン４
の入口部の上端部近傍（Ｉ）、中央部（II）および下端
部近傍（III ）の各位置に、それぞれタフト７を設けて
流れの実験を行った。

【０００５】図１２および図１３は、この実験結果によ
るタフト７の挙動を示したものである。ステーベーン４
の中央部（II）では図１２に示すように、タフト７がス
テーベーン４に沿って不動であった。これにより、水の
流入角度が入口角度に略一致していることが分かった。
これに対し、ステーベーン４の上端部近傍（Ｉ）および
下端部近傍（III ）では図１３に示すように、タフト７
が細かくステーベーン４に接離する方向（矢印ｂ方向）
に振動していた。このことから、水の流入角度が入口角
度に一致せず、流れの剥離が生じていることが分かっ
た。流れの剥離は、ステーベーン４の負圧面側で、より
大きく生じていることも分かった。

【０００６】したがって、水の流入角度とステーベーン
４の入口角度とのずれにより、ステーベーン入口での衝
突損失が大きくなって性能低下をひきおこすとともに、
このことが下流側での流れの乱れの増加原因ともなっ
て、さらに損失を増大させていたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】なお、このようなステ
ーベーン入口の流入角度と入口角度とに着目し、水力機
械の性能向上を図る技術は、例えば実開昭５９−６５９
８４号等でも知られている。この公報記載の技術では、
ステーベーンの入口角度を流入角度に一致するように、
ベーン上下部分の入口角度を中央部分よりも大きくして
いる。

【０００８】しかしながら、上記の技術は理論的には可
能であっても、実際の製作に際しては、ステーベーン入
口部の上下方向すべての部分において流入角度と一致す
る入口角度に設定することは極めて困難であり、またコ
ストも非常に高いものとなる。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、水の流入角度とベーン入口角度とのずれに
よる衝突損失を低減して性能向上を図ることがが比較的
簡単な構成によって実現でき、しかも製作に際しても低
コスト化が可能な水力機械用ステーベーンを提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、縦軸型水力機械の回転自在なランナの外
周側の平行流路にガイドベーンとともに複数枚固定配置
されるステーベーンであって、そのベーン上下端部が上
下一対の平行なスピードリングに接合されるとともに、
ベーン入口側縁部がこれを取り囲むケーシングの流路に
突出している水力機械用ステーベーンにおいて、前記ケ
ーシングの流路に突出しているベーン入口側縁部の上下
端部付近の厚さをその他の部分の厚さよりも大きい鈍頭
形状としたことを特徴とする。

【００１１】本発明において望ましくは、ベーン入口側
縁部の鈍頭形状部分をベーン負圧側に片寄る形状とす
る。

【００１２】また、本発明において望ましくは、ベーン
入口側縁部の鈍頭形状部分を上下スピードリングの外周
縁部まで延在させるとともに、その各スピードリングの
外周縁側への連設部を滑らかに形成する。

【００１３】さらに、本発明において望ましくは、上下
スピードリングの外周縁部を円弧状の断面形状を有する
ものとし、その各スピードリングの円弧状外周縁部とベ
ーン入口側縁部の鈍頭形状部分とを滑らかにつながる形
状とする。

【００１４】

【作用】本発明に係る水力機械用ステーベーンによれ
ば、ベーン入口部で水の流入角度が変化していても、ス
テーベーンに沿って滑らかに流入するようになるので、
入口衝突損失が低減され、性能が向上する。すなわち、
水の流入角度とステーベーンの入口角度とのずれによる
衝突損失を低減して、ステーベーンの性能向上を図るこ
とがが比較的簡単な構成によって実現でき、しかも製作
に際しても低コスト化が可能となる。

【００１５】また、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分
を、ベーン負圧側に片寄る形状とした場合には、従来の
ステーベーンにおいて負圧側で顕著に現れていた流れの
剥離が低減され、ベーン入口部で水の流入角度が変化し
ていても、ステーベーンに沿って滑らかに流入するよう
になり、入口衝突損失が低減され、性能が向上する。

【００１６】また、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分を
上下スピードリングの外周縁部まで延在させてベーン負
圧側に片寄る形状とした場合には、さらに流れの剥離が
効果的に低減され、ベーン入口部で水の流入角度が変化
していてもステーベーンに沿って滑らかに流入するよう
になり、入口衝突損失が一層低減されて性能が大幅に向
上する。

【００１７】さらに、スピードリングの外周縁部を流線
形状とし、各スピードリングの円弧状外周縁部とベーン
入口側縁部の鈍頭形状部分とが滑らかにつながる形状と
した場合には、ベーン入口部で水の流入角度が変化して
いてもスピードリングおよびステーベーンに沿って滑ら
かに流入するようになり、さらに一層の流れの剥離が効
果的に低減され、入口衝突損失が低減されて性能が大幅
に向上する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係る水力機械用ステーベーン
４の実施例を図１〜図８を参照して説明する。なお、以
下の実施例では水力機械として縦軸型フランシス水車を
適用しており、その全体構成は図９に示したものと同一
であるから、図９も本実施例の説明に使用する。

【００１９】図１〜図４は第１実施例を示している。図
１はステーベーン４全体およびケーシング６を示す縦断
面図、図２は要部を拡大して示す説明図でステーベーン
４入口側縁部をケーシング６側から見た図、図３はステ
ーベーン４の横断面図、図４は本実施例による性能を従
来例との比較で示した特性図である。

【００２０】図１および図９に示すように、本実施例の
水力機械用ステーベーン４は、回転自在なランナ１の外
周側の平行流路２にガイドベーン３とともに複数枚固定
配置されている。各ステーベーン４のベーン上下端部
は、上下一対の平行なスピードリング５に接合されると
ともに、ベーン入口側縁部がこれを取り囲むケーシング
６の流路に突出している。

【００２１】このものにおいて、ケーシング６の流路に
突出しているステーベーン４のベーン入口側縁部の上下
端部付近の厚さが、その他の部分の厚さよりも大きい鈍
頭形状とされている。そして、この鈍頭形状のステーベ
ーン４の入口側の上下端部付近におけるスピードリング
５の外周縁側への連設部が、滑らかに立ち上がる形状と
されている。

【００２２】このように構成した本実施例の水力機械用
ステーベーン４によると、ベーン入口部で水の流入角度
が変化していても、ステーベーン４に沿って滑らかに流
入するようになるので、入口衝突損失が低減され、性能
が向上する。すなわち、図４の横軸は流量を従来のステ
ーベーン４における最高効率点流量Ｑ0 で無次元化した
量を表し、縦軸は効率を従来のステーベーン４における
最高効率η0 でに実線で無次元化した量を表している。
この図４に実線で示したように、ステーベーン４のベー
ン入口側縁部の上下端部付近を鈍頭形状とした本実施例
の場合は、従来の形状のステーベーン４に比較してΔη
分の性能の向上が見られた。

【００２３】図５は、本発明の第２実施例による水力機
械用ステーベーン４を示す横断面図である。同図に示す
ように、本実施例のステーベーン４においては、前記第
１実施例のステーベーン４に比較して、ベーン入口側縁
部の鈍頭形状部分が、ベーン負圧側に片寄る形状とされ
ている。

【００２４】このような構成の第２実施例のステーベー
ン４によると、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分をベー
ン負圧側に片寄る形状としたことで、従来のステーベー
ン４において負圧側で顕著に現れていた流れの剥離が低
減され、ベーン入口部で水の流入角度が変化していて
も、ステーベーン４に沿って滑らかに流入するようにな
り、入口衝突損失が低減され、性能が向上する。

【００２５】図６は、本発明の第３実施例による水力機
械用ステーベーン４を示す横断面図である。同図に示す
ように、本実施例のステーベーン４においては、ベーン
入口側縁部の鈍頭形状部分が上下スピードリング５の外
周縁部まで延在するとともに、その各スピードリング５
の外周面との連設部が滑らかに形成されている。

【００２６】このような構成の第３実施例のステーベー
ン４によると、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分を上下
スピードリング５の外周縁部まで延在させてベーン負圧
側に片寄る形状としたことで、さらに流れの剥離が効果
的に低減され、ベーン入口部で水の流入角度が変化して
いてもステーベーン４に沿って滑らかに流入するように
なり、入口衝突損失が一層低減されて性能が大幅に向上
する。

【００２７】図７は、本発明の第４実施例による水力機
械用ステーベーン４を示す横断面図である。同図に示す
ように、本実施例のステーベーン４においては、ベーン
入口側縁部の鈍頭形状部分が上下スピードリング５の外
周縁部まで延在するとともに、その各スピードリング５
の外周面との連設部が滑らかに形成されている。そし
て、さらに上下スピードリング５の外周縁部が流路内外
に向かって湾曲した略略半円弧状の断面形状を有するも
のとされており、その各スピードリング５の円弧状外周
縁部とベーン入口側縁部の鈍頭形状部分とが滑らかにつ
ながる形状となっている。

【００２８】このような構成の第４実施例のステーベー
ン４によると、スピードリング５の外周縁部が流線形状
であるとともに、各スピードリング５の円弧状外周縁部
とベーン入口側縁部の鈍頭形状部分とが滑らかにつなが
る形状となっているので、ベーン入口部で水の流入角度
が変化していてもスピードリング５およびステーベーン
４に沿って滑らかに流入するようになり、さらに一層の
流れの剥離が効果的に低減され、入口衝突損失が低減さ
れて性能が大幅に向上する。

【００２９】図７は、本発明の第５実施例による水力機
械用ステーベーン４を示す横断面図である。同図に示す
ように、本実施例のステーベーン４においては、ベーン
入口側縁部の鈍頭形状部分が上下スピードリング５の外
周縁部まで延在するとともに、その各スピードリング５
の外周面との連設部が滑らかに形成されている。そし
て、さらに上下スピードリング５の外周縁部が流路内側
に向かって略１／４円弧状の断面形状を有するものとさ
れており、その各スピードリング５の円弧状外周縁部と
ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分とが滑らかにつながる
形状となっている。

【００３０】このような構成の第５実施例のステーベー
ン４によっても、スピードリング５の外周縁部が流路内
側に向かって流線形状であるとともに、各スピードリン
グ５の円弧状外周縁部とベーン入口側縁部の鈍頭形状部
分とが滑らかにつながる形状となっているので、ベーン
入口部で水の流入角度が変化していてもスピードリング
５およびステーベーン４に沿って滑らかに流入するよう
になり、さらに一層の流れの剥離が効果的に低減され、
入口衝突損失が低減されて性能が大幅に向上する。

【００３１】

【発明の効果】以上の実施例で詳述したように、本発明
に係る水力機械用ステーベーンによれば、ベーン入口部
で水の流入角度が変化していても、ステーベーンに沿っ
て滑らかに流入するようになるので、入口衝突損失が低
減され、性能が向上する。すなわち、水の流入角度とス
テーベーンの入口角度とのずれによる衝突損失を低減し
て、ステーベーンの性能向上を図ることがが比較的簡単
な構成によって実現でき、しかも製作に際しても低コス
ト化が可能となる。

【００３２】また、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分
を、ベーン負圧側に片寄る形状とした場合には、従来の
ステーベーンにおいて負圧側で顕著に現れていた流れの
剥離が低減され、ベーン入口部で水の流入角度が変化し
ていても、ステーベーンに沿って滑らかに流入するよう
になり、入口衝突損失が低減され、性能が向上する。

【００３３】また、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分を
上下スピードリングの外周縁部まで延在させてベーン負
圧側に片寄る形状とした場合には、さらに流れの剥離が
効果的に低減され、ベーン入口部で水の流入角度が変化
していてもステーベーンに沿って滑らかに流入するよう
になり、入口衝突損失が一層低減されて性能が大幅に向
上する。

【００３４】さらに、スピードリングの外周縁部を流線
形状とし、各スピードリングの円弧状外周縁部とベーン
入口側縁部の鈍頭形状部分とが滑らかにつながる形状と
した場合には、ベーン入口部で水の流入角度が変化して
いてもスピードリングおよびステーベーンに沿って滑ら
かに流入するようになり、さらに一層の流れの剥離が効
果的に低減され、入口衝突損失が低減されて性能が大幅
に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るステーベーンの第１実施例を示す
縦断面図。

【図２】第１実施例における要部を拡大して示す説明図
でステーベーン入口側縁部をケーシング側から見た図。

【図３】第１実施例における要部を拡大して示す説明図
でステーベーンの横断面図。

【図４】第１実施例による性能を従来例との比較で示し
た特性図。

【図５】本発明に係るステーベーンの第２実施例を示す
横断面図。

【図６】本発明に係るステーベーンの第３実施例を示す
横断面図。

【図７】本発明に係るステーベーンの第４実施例を示す
横断面図。

【図８】本発明に係るステーベーンの第５実施例を示す
横断面図。

【図９】水力機械の一例としてフランシス水車の構成を
示す縦断面図。

【図１０】従来のステーベーンを示す図で、図９におけ
る水車のステーベーンをケーシング側から見た図。

【図１１】模型試験におけるタフト法を用いた観察のタ
フト位置を示す図。

【図１２】図１１におけるタフト位置IIのステーベーン
を示す横断面図。

【図１３】図１１におけるタフト位置III のステーベー
ンを示す横断面図。

【符号の説明】

１ ランナ ２ 平行流路 ３ ガイドベーン ４ ステーベーン ５ スピードリング ６ ケーシング

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縦軸型水力機械の回転自在なランナの外
   周側の平行流路にガイドベーンとともに複数枚固定配置
   されるステーベーンであって、そのベーン上下端部が上
   下一対の平行なスピードリングに接合されるとともに、
   ベーン入口側縁部がこれを取り囲むケーシングの流路に
   突出している水力機械用ステーベーンにおいて、前記ケ
   ーシングの流路に突出しているベーン入口側縁部の上下
   端部付近の厚さをその他の部分の厚さよりも大きい鈍頭
   形状としたことを特徴とする水力機械用ステーベーン。
2. 【請求項２】 請求項１記載の水力機械用ステーベーン
   において、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分をベーン負
   圧側に片寄る形状としたことを特徴とする水力機械用ス
   テーベーン。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の水力機械用ステ
   ーベーンにおいて、ベーン入口側縁部の鈍頭形状部分を
   上下スピードリングの外周縁部まで延在させるととも
   に、その各スピードリングの外周縁側への連設部を滑ら
   かに形成したことを特徴とする水力機械用ステーベー
   ン。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の水
   力機械用ステーベーンにおいて、上下スピードリングの
   外周縁部を円弧状の断面形状を有するものとし、その各
   スピードリングの円弧状外周縁部とベーン入口側縁部の
   鈍頭形状部分とを滑らかにつながる形状としたことを特
   徴とする水力機械用ステーベーン。