JPH08296544A - 導流壁付き軽負荷改善ランナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガイドベーンを備える反動式の水車において、
供給水量が変化しても、これに対応して、常に高い効率
で運転できるランナ構造を提供すること。 【構成】反動水車のランナ２に、設計点で計画された流
線に沿ってランナ導流壁１を設ける。供給水量の変化に
対してランナ導流壁１の流線保持作用によって、水車運
転範囲の拡大と軽負荷時（小流量時）の効率低下の改善
を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、反動水車、ポンプの運
転に関して、軽負荷時（小流量時）の効率低下を改善
し、振動発生の原因となる翼間流路渦の発生点を下げ、
良好な運転を可能とするランナの構造。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を、（図７、図８）を例にあ
げて箇条書に説明する。 （ィ）従来のフランシスランナは、最高効率点を少しで
も高くするために、設計点を一点に限定し、この点でラ
ンナ内のすべての流線が最適となるようにランナの形状
を定めている。 （ロ）フランシス水車ランナ内の流れ方は、（図７）に
示すように、流線は大流時（重負荷時）にはランナクラ
ウン１０側に片寄り、小流量時（軽負荷時）にはランナ
バンド４側に片寄る。 （ハ）従来のフランシス水車が、軽負荷時（小流量時）
に効率が低下する概略の理由をランナ２について（図
８）を例にあげて説明すると、ランナクラウン１０に沿
う流速が低下し、死水領域（イ）が発生して、流れはラ
ンナクラウン１０から剥離する。これにともない、主流
と剥離領域との境界面に生じるせん断渦が渦系を形成
し、主流とともに流出し効率が低下する。また、主流が
ランナバンド４側に偏った流れでは、小さい比速度の運
転を大きい比速度のランナで運転していることとなり効
率が低下する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
を（図７、図８、図９）を参照し説明する。 （イ）（図７）の概念図に示すように、流量変化による
流線の偏りを最小限にする。 （ロ）（図８）の死水領域（イ）の剥離域と境界面に生
じるせん断渦の発生を最小限にする。また、死水領域は
水流の複雑な運動により、拡大、縮小の振動（運動）を
しているが、その振幅を小さくする。 （ハ）（図９）の死水領域（イ）では、せん断渦とポテ
ンシャル流れによって生じる流線の偏りによる衝突、混
合作用、負圧作用によるポンプ効果等によって、旋回流
が発生していると想定される。したがって、旋回流の低
減をはかる。 本発明において、上記の課題を解決し、全負荷領域で高
効率運転のできるランナを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】いま、その構成を（図
３、図５）を例にとって説明する。 （イ）設計点において計画されたランナ内の流線に沿っ
て、ランナ導流壁１を設ける。 （ロ）ランナ導流壁１は、流線に沿って縦断設計をす
る。 （ハ）ランナ導流壁１の数は、水車、ポンプの運転状態
を考慮するとともに、ランナ２の製作、流路内摩擦損
失、導流壁を境界とする流路内横断旋回流（図５参照）
等の調和を考慮して定める。 以上のごとく、ポテンシャル流れによる水流の流線形状
を設計点流線に、極力保つようにすべく、導流壁を設け
たランナ構造としたことを特徴とする。

【０００５】

【作用】次に本発明の作用を（図５、図７、図８、図
９）を例にあげて述べる。 （イ）従来型水車（図８）の場合には、水車出力を低下
（流量減少）すると（図７）に示すように流線はランナ
バンド４側に偏り、ランナクラウン１０側に死水領域
（イ）が生じる。ポテンシャル流れの理論によると流線
がランナバンド４側に偏るためには、ランナクラウン１
０側の圧力増加（流速低下）を必要とする。したがっ
て、ランナ導流壁１を設けると流線の偏りは阻止され、
ランナクラウン１０側の流速低下を抑制するために死水
領域の発生が遅れる。また、導流壁の整流作用によって
死水領域の拡大が抑えられる。 （ロ）（図９）の新型水車では、流量を減少すると流量
調整環の構造上ランナバンド４側に負圧が発生し、流線
はランナバンド４側に片寄ることになる。ランナバンド
４側の水流の一部分は負圧のために死水領域に入り、旋
回流となって滞留すると想定される。したがって、ラン
ナ導流壁を設けると、流線の片寄りは阻止され死水領域
の旋回流は減少する。 （ハ）（図９）の新型水車の低流量運転では、水流はラ
ンナクラウン１０に押し付けられ、またランナ面に圧力
が作用しランナを回転させる。その場合のランナ内の流
れ状態を（図５）を参照して定性的に説明すると、
（Ａ）ランナ内旋回流と水流衝突表現ベクトルに示すよ
うに、ランナ導流壁１がない場合には、水流は設計点流
線をはずれ、ランナ面を滑るようにランナバンド４側に
旋回しながら死水領域に衝突すると想定できる。したが
って、ランナ導流壁１を設けることによって、前記の衝
突は緩和され混合損失は減少する。

【０００６】

【実施例】本発明の実施方法とその構造について、（図
１、図２、図３、図４、図５、図６）を例にあげて説明
する。（図１）は、本発明の導流壁付き軽負荷改善ラン
ナを、フランシス水車に適用した一例を示す要部の縦断
面図である。（図２）は、導流壁付き軽負荷改善ランナ
の概念図（斜視図）である。 （イ）ランナ２に、設計点の流線に沿って、ランナ導流
壁１を設ける。 （ロ）ランナ導流壁の数は、流路内摩擦損失と軽負荷時
の混合損失、製作の可否を考慮して定める。 （ハ）ランナ導流壁１の流線方向縦断設計は、翼間内横
断旋回流（図５〜（Ａ）ランナ内旋回流と水流衝突表現
ベクトルを参照）の強弱と製作、構造強度を考慮して定
める。 （ラ）ランナ導流壁１の横断面形状（図３のランナ断面
矢視線参照）は、ランナクラウン１０側はランナ２の面
接線に対して垂直、またはランナクラウン側に向って凹
状の円弧とする。ランナバンド４側の断面形状は、ラン
ナ壁頂部を越流する水流を乱さないように、曲率変化の
連続性を保つスムースな曲線でランナ面にすりつける。

【０００７】

【発明の効果】本発明の効果を（図７、図８、図９）を
例にあげて説明する従来の水力発電開発において水車の
設計は、最高効率点の効率を少しでも高くするために設
計点を１点に限定し、この点でランナ内のすべての流線
が最適となるようにランナの形状を定めている。したが
って、軽負荷時（小流量時）には効率の低下、また運転
不可能の状態が生じていた。現在は、環境破壊等の理由
によって省エネルギー、またクリーンエネルギー確保の
重要性が世界的に認識されている。その１つの方法とし
て、水力発電による水流のポテンシャルエネルギーの活
用が有効と考えられている。したがって、全負荷領域で
効率変化の少ない安価な水車が待望されている。以下本
発明の効果を述べる。 （イ）従来水車（図８）の場合には、流線の偏り（図７
を参照）を少なくし、死水領域（イ）の発生を遅らせ、
また死水領域の拡大を抑えるランナ導流壁を設けると、
軽負荷時の水車効率が改善される。 （ロ）新型水車（図９）の場合には、死水領域（イ）内
に向かっての、水流の衝突、混合作用を減少させる。ま
た、新型水車では、ガイドベンが固定構造であるため
に、ランナに流入する入射角は一定となる。したがっ
て、ランナ設計時の入射角が全負荷領域（全運転範囲）
で保たれ、特に低流量時でのランナ２入口部の流水の剥
離は発生しない。そのために、翼間流路渦の発生点は格
段に低下し、ランナ導流壁１との相乗効果によって、軽
負荷時の水車運転下限の拡大、また効率の向上を大幅に
改善することが可能である。 以上の効果により、中小水力発電原価の低減とクリーン
エネルギー確保に、本発明は有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導流壁付き軽負荷改善ランナを、フラ
ンシス水車に適用した一例を示す要部の縦断面図であ
る。

【図２】本発明の導流壁付き軽負荷改善ランナの概念図
（斜視図）である。

【図３】フランシス水車に、導流壁付きランナを適用し
たランナ側面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ線矢視によるランナ横断面図であ
る。

【図５】図３のＢ−Ｂ線矢視によるランナ横断面図であ
る。

【図６】図３のＣ−ｃ線矢視によるランナ横断面図であ
る。

【図７】フランシス水車ランナ内の流れ概念図である。

【図８】従来水車の速度三角形理論を表現する図であ
る。

【図９】新型水車の速度三角形理論を表現する図であ
る。

【符号の説明】

１ ランナ導流壁 ２ ランナ ３ ドラフト
チューブ ４ ランナバンド ５ ケーシング ６ ステーベ
ーン ７ ガイドベーン ８ 上カバー ９ 水車軸 １０ ランナクラウン （図５）の符号で前記に説明のないもの （Ａ）ランナ内旋回流と水流衝突表現ベクトル ２ａ
他のランナベーン （図７） ａ 大流量時流線 ｂ 小流量時流線 ｃ 羽根出
口 ｄ 羽根入口 （図８、図９） （イ）死水領域 （ロ）流量調整環 ７ａ 固定ガ
イドベン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 設計点（効率を最高にしたい点）で、ラ
   ンナ内のすべての流線が、最適となるようにランナ２の
   形状を定め、その流線に沿ってランナ導流壁１を設け
   た、水車、ポンプに用いられるランナの形状。以上を特
   徴とする軽負荷改善ランナの構造。