JPH08247018A - 可変速運転用ポンプ水車 - Google Patents

可変速運転用ポンプ水車

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Publication number
JPH08247018A
JPH08247018A JP7048702A JP4870295A JPH08247018A JP H08247018 A JPH08247018 A JP H08247018A JP 7048702 A JP7048702 A JP 7048702A JP 4870295 A JP4870295 A JP 4870295A JP H08247018 A JPH08247018 A JP H08247018A
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JP
Japan
Prior art keywords
runner
vanes
speed operation
guide vanes
hydraulic turbine
Prior art date
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Pending
Application number
JP7048702A
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English (en)
Inventor
Yasushi Matsumoto
本 靖 松
Shinsaku Sato
藤 晋 作 佐
Yukio Yonetani
谷 幸 男 米
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

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  • Hydraulic Turbines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可変速運転範囲においてもランナが共振する
ことなく、静止部の振動レベルも従来のものより小さい
信頼性の高い可変速運転用ポンプ水車を提供する。 【構成】 7枚のランナベーンを有するランナの外側
に、16枚のガイドベーンを円形翼列状に配置し、さら
に外側に8枚のステーベーンを配置したポンプ水車であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は可変速運転用ポンプ水車
に係り、特にランナ振動応力を低減させ、静止構造物の
振動を減少させた可変速運転用ポンプ水車に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にフランシス形ポンプ水車は、約5
00m以下の落差・揚程に適用される固定羽根構造のポ
ンプ水車である。図4は、この種のフランシス形ポンプ
の構造を示した模式図であって、図示しない発電電動機
と直結する主軸1の下端にはランナ2が結合されてい
る。このランナ2の外周部には、水量を調整するための
複数枚のガイドベーン3が円形翼列状に配置されてい
る。上記ランナ2の上方は上カバー4によって覆われる
とともに、ランナ2の下方は下カバー5によって覆われ
ている。また、前記上カバー4と前記ランナ2との間に
は背圧室6が形成されている。さらに前記ガイドベーン
3の外周部には、ランナ室内へ水流を導くうず巻状のケ
ーシング7が配置され、このケーシング7の内側に複数
枚のステーベーン8が円形翼列状に配置されている。こ
のような構成のフランシス形ポンプ水車を水車運転する
場合、ケーシング7内の高圧水はステーベーン8および
ガイドベーン3を経てランナ2内に導かれ、ランナ2内
の複数枚のランナベーン10に作用してランナ2を水車
方向に回転させた後、吸い出し管9を通って排出され
る。
【0003】ここで、前記したガイドベーン3からの高
圧水が前記ランナベーン10に衝突することから、ラン
ナベーン10はランナ2の回転により規則的に変動する
水力加振力の作用を受け、ランナベーン10には振動応
力が発生する。またこのような回転部と静止部との間の
水圧干渉がある場合、静止部側にも規則的な水圧加振力
が作用する。回転部に作用する加振力の振動数と静止部
側に作用する加振力の振動数との関係は次式で表される
ことが知られている。
【0004】h×Zg ±n=m×Zr h,n,m :任意の整数 Zg :ガイドベーン枚数 Zr :ランナベーン枚数 h×Zg に回転速度相当周波数を掛けたものが回転する
ランナに作用する振動数、m×Zr に回転速度相当周波
数を掛けたものが、静止部側に作用する振動数となり、
nはランナを円盤振動とみた場合の直径節数である。な
お、上記式を満足するいろいろな振動数の中で、nの絶
対値が小さいものほど加振力の大きさは大きくなる。従
来、上記のようなことに基づき、特定の条件下でランナ
ベーン枚数とガイドベーン枚数と組み合わせを設定した
例がある。(特公昭62−44099号公報参照)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ランナに作用する振動
応力が大きくなるとランナは疲労破壊する危険があり、
また、この振動応力の振動数が高いと疲労回数が多くな
りランナの寿命を短くすることになる。さらに静止部側
の振動についても振動が大きくなると配管の破損、リレ
ー類の誤動作、建屋の振動などが大きくなり、振動数が
高くなると疲労寿命を短くし機器の運用に重要な支障を
来すことになる。
【0006】近年、パワーエレクトロニクスの進歩によ
り大容量の周波数変換装置が開発されるに伴ないポンプ
水車に可変速化の適用が実用段階に入っている。この可
変速運転を行うと従来の定速度運転とは違い、回転速度
が変化することでランナに作用する水力加振周波数が変
化することになり、この加振周波数とランナの固有振動
数が一致してランナが共振し、過大な振動応力が作用す
るという問題が生まれた。
【0007】そこで本発明の目的は、可変速運転を行う
ポンプ水車において、可変速運転範囲においてもランナ
が共振することなく、静止部の振動レベルも従来のもの
より小さい信頼性の高い可変速運転用ポンプ水車を提供
することにある。
【0008】
【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、複数枚のランナベーンを有し水のエネル
ギー授受を行うランナの外周部に水流量を調整する複数
枚の可動ガイドベーンを円形翼列状に配置し、さらに前
記ガイドベーンの外周に、水流を導くケーシング及びス
テーリングを支持する複数枚のステーベーンを円形翼列
状に配置し、前記ランナベーンの枚数を7枚とし、前記
ガイドベーンの枚数を16枚とし、前記ステーベーンの
枚数を8枚としたことを特徴とする可変速運転用ポンプ
水車である。
【0009】
【作用】上記のような構成の可変速運転用ポンプ水車で
は、従来のポンプ水車に対してランナ振動応力、水圧脈
動を大幅に低減させることができるとともに、振動周波
数も低減させることができるため、疲労強度を向上さ
せ、可変速運転範囲における共振現象も回避できる。
【0010】
【実施例】以下、本発明による可変速運転用ポンプ水車
の実施例を説明する。図1は本発明を適用するフランシ
ス形ポンプ水車のランナまわりのランナベーンとガイド
ベーンとステーベーンとの配列状態を平面的に示した説
明図であり、ランナ2のランナベーン10は周方向に等
しい間隔をおいて7枚配設されている。このランナ2の
外周部には水流量調整用のガイドベーン3が円周方向に
等しい間隔をおいて16枚配列されている。さらにガイ
ドベーン3の外周部にはケーシング及びステーリングを
支持する固定のステーベーン8が円周方向に等間隔をお
いて8枚配置されている。
【0011】このような7枚のランナベーン10、16
枚のガイドベーン3、8枚のステーベーン16を有する
フランシス形ポンプ水車の模型を製作し、実物の振動状
態を検証できる実落差模型試験装置を使用して、ランナ
ベーン10に作用する振動応力、ランナ室まわりの水圧
脈動を測定した。また、これと対比するために、従来一
般的に使われているベーンの構成例の一つとしてランナ
ベーン枚数6枚、ガイドベーン枚数20枚、ステーベー
ン枚数10枚を有するフランシス形ポンプ水車の模型を
製作し同一条件下で模型試験を実施した。これらの試験
結果の一例を図2および図3に示す。
【0012】図2はランナベーン10の入り口先端ベー
ン付け根部の振動応力の回転速度に対する変化を示した
ものであり、図3はランナ室の一部である外側背圧室の
水圧脈動の回転速度に対する変化を示したものである。
これにより従来の一般的な組み合わせのものは使用回転
速度付近に1次と2次の共振点が存在し、その両者の共
振点間の回転速度の幅は比較的狭い。一定速度で運転さ
れる従来の定速度ポンプ水車ではランナ形状を調整して
共振点を移動させ使用回転速度(1つの値で示すことが
できる)を1次と2次の共振点から十分に離して安全な
離調率を確保できる。ここで離調率とは使用回転速度と
共振点相当回転速度との離れ具合を示すもので、
【数1】 で表される。通常この離調率は10%程度確保する。
【0013】しかしながら、可変速ポンプ水車の場合
は、使用回転速度範囲が通常±10%(基準は定速度と
した場合)前後の範囲で変化するため、その回転速度の
下限及び上限と1次及び2次の共振点との離調率を確保
することが困難となる。この1次と2次の共振点間の幅
が可変速運転の回転速度範囲の幅よりも十分広いものと
するには、ガイドベーンの枚数が16枚、ランナベーン
の枚数が7枚の組み合わせが最適であることを信頼のお
ける実験で確認した。上記ガイドベーン、ランナベーン
枚数の組み合わせにより、かなり広い可変速運転回転速
度範囲(±10%以上)のものでもランナベーンの共振
現象の発生を回避することができるとともに、振動応力
レベルを従来のものに対して2〜3割低減させることが
できる。また外側背圧室の水圧脈動も従来レベルに対し
て3〜4割低減させることができる。
【0014】以上から可変速運転を行う場合でも、共振
現象がないことから幅広い範囲で振動応力が低く、水圧
脈動も小さい運転が可能である。ランナ室まわりの水圧
脈動が小さいということはランナ室まわりの静止部構造
物への加振力が小さいことを意味し、結局静止部構造物
の振動も低減した運転が可能である。また、回転速度相
当周波数のh×Zg 倍がランナベーンに作用する水圧加
振力の周波数であるから、ガイドベーン枚数が16枚の
方が20枚と比較してランナベーンの振動応力の周波数
を2割低減できるので、ランナベーンの疲労強度に対す
る余裕を増加させることができる。
【0015】さらに静止部側の振動周波数については従
来技術の項で示したように、m×Zr に回転速度相当周
波数Nを掛けた周波数の信号を誘起する。Zg =20、
r=6の組み合わせでは直径節数nがもともと少ない
3×Zr ×N=18Nの振動数の振動レベルがもっとも
顕著に誘起されるが、本発明のZg =16、Zr =7の
組み合わせでは、m×Zr ×N=14Nの振動数の振動
レベルとなり、2割以上振動数を低減させることがで
き、静止部側構造物の疲労強度に対する余裕を増加させ
ることができ、かつ静止部構造部の固有振動数から振動
周波数を離すことができる。なお、ランナの1次と2次
の共振点を離すだけならばZg =20、Zr =7の組み
合わせでもZg =20、Zr =6の組み合わせよりもい
くらか改善できるが、この場合、静止部側の振動レベル
の振動数は回転速度周波数の3×7=21倍となって著
しく振動数が上昇し、疲労強度上不利なものとなる。よ
って、回転部、静止部の両者の振動状態を考慮すると、
g =16、Zr =7の組み合わせがバランスのとれた
ものである。
【0016】Zg =16とした場合、水力設計的にはス
テーベーン枚数Zs として16枚と8枚の二通りが考え
られる。Zg =16に対してZs =16は通常考えられ
る設計であるが、Zs =8とした場合の方がステーベー
ン部における水流による摩擦損失が少くなり、また従来
のZg =20、Zs =10の組み合わせのものよりもや
はり水流による摩擦損失を減らすことで高い効率の性能
が得られる。そこでZs =8についてランナベーンとス
テーベーンとの水圧干渉を考えた場合、ステーベーンは
ランナベーンからはガイドベーン以上に離れているた
め、ランナベーン及ぼす加振力はまったく問題とならな
いが、もし仮に何らかの影響があったとしてもランナベ
ーンに発生する振動周波数は8Nとガイドベーンとの組
み合わせよりも更に小さく疲労強度上は問題とならな
い。また静止部に発生する振動の周波数は、m=1とし
て7Nとなり、ガイドベーンとの組み合わせの半分の周
波数で全く問題とするものではない。このようにZs
8においてもランナベーンステーベーンの水圧干渉によ
る悪影響はないので、水力性能的に効率が他の組み合わ
せよりも優れていることから、Zs =8の組み合わせが
最適である。
【0017】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、7枚のベーンを有するランナベーンと、1枚
のベーンを有するガイドベーン、8枚のベーンを有する
ステーベーンとを組合せたことにより、ランナベーンに
発生する振動応力を低減し、共振現象を回避し、静止部
振動レベルを低減した強度上も安全で信頼性の高い幅広
い可変速運転が可能な水車を提供することができる。さ
らにZs =8とすることで、高い効率性能を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用するフランシス形ポンプ水車のラ
ンナベーン、ガイドベーンおよびステーベーンの配置状
態を示した平面図。
【図2】ランナベーン入り口先端における振動応力の試
験結果を示した線図。
【図3】ランナ外側背圧室における水圧脈動の試験結果
を示した線図。
【図4】フランシス形水車の構造の概略を示した縦断面
図。
【符号の説明】
2 ランナ 3 ガイドベーン 8 ステーベーン

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数枚のランナベーンを有し水のエネルギ
    ー授受を行うランナの外周部に水流量を調整する複数枚
    の可動ガイドベーンを円形翼列状に配置した可変速運転
    を行うポンプ水車において、前記ランナベーンの枚数を
    7枚とし、前記ガイドベーンの枚数を16枚としたこと
    を特徴とする可変速運転用ポンプ水車。
  2. 【請求項2】複数枚のランナベーンを有し水のエネルギ
    ー授受を行うランナの外周部に水流量を調整する複数枚
    の可動ガイドベーンを円形翼列状に配置し、さらに前記
    ガイドベーンの外周に、水流を導くケーシング及びステ
    ーリングを支持する複数枚のステーベーンを円形翼列状
    に配置した可変速運転を行うポンプ水車において、前記
    ランナベーンの枚数を7枚とし、前記ガイドベーンの枚
    数を16枚とし、前記ステーベーンの枚数を8枚とした
    ことを特徴とする可変速運転用ポンプ水車。
JP7048702A 1995-03-08 1995-03-08 可変速運転用ポンプ水車 Pending JPH08247018A (ja)

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JP7048702A JPH08247018A (ja) 1995-03-08 1995-03-08 可変速運転用ポンプ水車

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ID=12810652

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JP (1) JPH08247018A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100917850B1 (ko) * 2007-12-31 2009-09-18 한국수자원공사 선회와류 강도 판단 지수 계산방법
JP2013072304A (ja) * 2011-09-27 2013-04-22 Toshiba Corp 水力機械

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