JPH11280634A - 水車及びポンプ水車 - Google Patents

水車及びポンプ水車

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JPH11280634A
JPH11280634A JP10100511A JP10051198A JPH11280634A JP H11280634 A JPH11280634 A JP H11280634A JP 10100511 A JP10100511 A JP 10100511A JP 10051198 A JP10051198 A JP 10051198A JP H11280634 A JPH11280634 A JP H11280634A
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JP
Japan
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fin
fins
turbine
suction pipe
draft
Prior art date
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Application number
JP10100511A
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English (en)
Inventor
Michihiro Nishi
道弘 西
Tadashi Tsukamoto
直史 塚本
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FUJI FUOITO HYDRO KK
Original Assignee
FUJI FUOITO HYDRO KK
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Publication date
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    • 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】 【課題】水車の曲がり吸出し管の上部内壁面に水圧脈動
の抑制のために設置されるフィンの設置本数の削減を図
る。 【解決手段】フィン2の本数を1本とするとともに、そ
の周方向位置を吸出し管1の曲がり方向と反対側の円周
角180°以内に定める。実験によれば、このように定
めることにより、1本であっても4本と同等の脈動抑制
効果が得られ、フィンの設置コストやフィン背後のキャ
ビテーションによる吸出し管の損傷が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、曲がり吸出し管
(以下、単に吸出し管という)を備えたフランシス形な
どの水車及びポンプ水車に関し、特に水圧脈動を低減す
るために吸出し管上部に設置するフィンの配置構成に関
する。
【0002】
【従来の技術】水車及びポンプ水車の部分負荷運転時に
は、吸出し管(ドラフト管)内で水圧脈動が発生する。
この脈動を低減する手段の一つとして、吸出し管上部の
内壁面に軸方向に沿って2〜4本のフィンを設置する方
法が知られている。このフィンの効果については、例え
ば日本機械学会論文集(B編)59巻 558号,論文No.92-
0147「吸出し管内渦振動の吸気とフィンによる抑制」、
あるいは日本機械学会第74期通常総会講演会論文集(II
I),1632「ドラフト管の水圧脈動に及ぼすフィンの影
響」に示されている。
【0003】吸出し管内で発生する水圧脈動は、ら旋渦
心の振れ回り成分と曲がり部からフット部にかけての圧
力回復量の変動による同期成分とに分けられ、キャビテ
ーション係数を減じていく(吸出し管内の圧力を低くす
る)と吸出し管内で激しい水圧脈動が観察される。この
原因は、日本機械学会論文B編60巻 573号, 論文No.93-
142 「キャビテーション状らせん渦心に起因した曲がり
吸出し管不規則水圧脈動の分析」によれば、吸出し管の
固有振動数(水及び気泡を含めた系の固有振動数)と曲
がり部付近における渦心の振れ回り周波数とが一致する
ことによる共振状態にあることが明らかにされている。
吸出し管内のフィンは、吸出し管内のら旋渦心のキャビ
テーション体積を減少させる効果があり、これにより上
記共振状態が回避されるものと考えられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記フィン
は、従来は複数本、例えば2〜4本設置されている。一
方、部分負荷運転時にはフィンの後流にキャビテーショ
ンが発生する。そのため、フィン及び吸出し管内は定期
的に補修する必要があるが、その場合になるべく少ない
本数のフィン、できれば最小限の1本のフィンで水圧脈
動を必要なレベルまで低減できれば、その補修時間を短
縮することができる。また、フィンの本数を減ずること
は、コストの低減にもつながる。更に、フィンの設置に
よる振れ回り周波数の増加も最低限に抑えられる。そこ
で、この発明の課題は、曲がり吸出し管を備えた水車及
びポンプ水車において、最小限の本数のフィンで吸出し
管内の水圧脈動を低減することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、曲がり吸出し管の上部内壁面に軸方向
に沿って1本のフィンを設置するとともに、このフィン
の周方向位置を前記曲がり吸出し管の曲がり方向と反対
側の円周角180°以内に定めるものとする。このよう
な手段によれば、フィンの本数を最小限の1本に留めな
がら、後述するようにフィンを4本とした場合と遜色の
ない効果を得ることができる。
【0006】水車を部分負荷運転領域で運転すると、吸
出し管内に旋回流と関連した大きな水圧脈動がしばしば
発生する。この脈動は吸出し管上部内壁面にフィンを取
り付けることで抑制できることは知られているが、その
メカニズム、流れに及ぼすフィンの影響、その選定法な
どは十分明らかになっていない。そこで、発明者らはフ
ィンの取付枚数や取付位置が吸出し管の水圧脈動にどの
ような影響を及ぼすかについて実験的に調べ、上記した
この発明をするに至ったものである。以下にその実験内
容について説明する。
【0007】1.実験パラメータ 吸出し管の試験では、旋回水流試験装置を利用し、実験
条件を表すパラメータとして、理論旋回度mth(水車の
流量比に対応する)とキャビテーション係数Kiを用い
る。ここで、
【0008】
【数1】mth=Ω/(Ri / M) ただし、Ω:単位時間当たりの角運動量,Ri : 吸出し
管入口径,M:単位時間当たりの軸方向運動量である。
【0009】
【数2】Ki=( Ha −Hs ’−Hv )/( ui 2/2g) ただし、Ha : 吸出し管出口水面に働く絶対圧力,
s ':吸出し管入口までの吸出し高さ, Hv : 蒸気圧
(ヘッド), ui : 吸出し管入口断面平均軸流速度,
g:重力加速度である。また、水圧脈動振幅として、無
次元振幅Δψrms を採用した。ここで、
【0010】
【数3】Δψrms =ΔHrms /(ui 2/2g) ただし、ΔHrms :脈動振幅のrms(2乗平均)値であ
る。
【0011】2.吸出し管及びフィン この実験に用いた透明アクリル樹脂製吸出し管を図3
((A)は平面図、(B)は側面図)に示す。この供試
吸出し管1は、入口径 2Ri =125mm ,入口円錐角9
°,出入口面積比4の形状を有している。図中に示すL1
〜L4は測定孔である。フィン2は、周方向に4本まで取
り付けることができ、フィン2の先端が吸出し管1の入
口より下流側に21mmの軸方向位置にくるように取り付け
た。なお、周方向取付位置を示すために、入口円錐部測
定孔L1とL2の中間に置いたフィン2をNo.1とし、残り3
箇所を旋回方向である時計回りにNo.2〜No.4とする。使
用したフィン2の形状及び寸法を図4((A)は平面
図、(B)は側面図、(C)は右正面図)に示す。フィ
ン2は二等辺三角形の断面形状となっている。
【0012】3.実験方法及び可視化方法 実験は、ランナの代わりに固定静止案内羽根で流れに旋
回を与え、旋回度mth=1.0 のもとでキャビテーション
係数Kiを変化させて進めた。運転点に設定した後、各
孔L1〜L4に取り付けた圧力センサを用いて壁面静圧を同
時測定した。可視化では、測定孔L1,L2を含む入口円錐
断面に光(スポットライト500W)をスリット(スリット
幅1mm)を通して照射し、測定孔L4より内視鏡を管内に
挿入して入口円錐部のB−B断面(図3参照)における
キャビテーション状渦心の振れ回り挙動を観察した。運
動解析を行うためCCDカメラを光ファイバを介して内
視鏡と接続し、画像をビデオテープに収録した。
【0013】4.実験結果及び考察 4−1 フィン枚数と脈動振幅 フィン枚数を変えて調べた、水圧脈動無次元振幅Δψ
rms のキャビテーション特性をまとめて図5に示す。フ
ィンがない場合には、キャビテーション係数Kiが12以
下になるとその低下とともに振幅が急激に増大するいう
性質がいずれの結果にも認められる。図5によれば、実
用されることの多い4枚のフィンを設けることで、激し
い水圧脈動をもたらす共振現象を抑制できたことがわか
る。この運転条件(mth=1.0 )では、枚数を減らして
2枚(No.1,No.3)、更に1枚(No.2)とした場合でも、十
分な脈動低減へのフィンの設置効果が見られた。
【0014】4−2 フィン周方向位置と脈動振幅 1枚のフィンによっても脈動を抑える効果があったの
で、その周方向設置位置の脈動特性に及ぼす影響を調べ
た。図6がその結果であり、フィン周方向位置によって
その効果に違いが見られる。すなわち、No.1及びNo.2の
効果が大きく、No.3がそれに次ぎ、No.4が最も効果が小
さい。
【0015】4−3 入口円錐断面での渦心の振れ回り フィンを取り付けることで管内の流れが受ける影響を明
らかにするために、Ki=12付近でらせん渦心内のキャ
ビテーションによって流れを可視化してB−B断面にお
ける渦心の挙動を調べた。記録された50枚の画像を重ね
合わせ処理した結果を図7に示す。下流側から撮影して
いるので、図中における旋回方向は反時計回りとなる。
管内の黒い部分がキャビテーションの存在した領域(渦
心の軌道)に対応するので、これから時間平均的な渦心
の振れ回り挙動が推測される。なお、管壁に接する三角
はフィンを表し、その背後にもキャビテーションが発生
したことが知れる(注:投光法の影響で2枚分しか検出
できていない)。
【0016】フィンを取り付けていない場合の(a)図
とフィン4枚の(d)図から、渦心は管軸(死水域)回
りをほぼ円運動するものの、死水域はフィンによって狭
められることがわかる。フィンを1枚にした(b)及び
(c)図の結果においても渦心は同心円運動をしている
とみなされるが、その半径位置に違いが見られる。黒い
部分の半径、つまり振れ回り円運動の半径が小さいほど
振動が少ないが、No.2フィン1枚の(c)図の効果はフ
ィン4枚の(d)図の結果と同等であるといえる。
【0017】以上の実験の結果の考察から、フィンを1
枚にしても、その周方向位置を上記実験のNO.1あるいは
NO.2の位置、つまり吸出し管の曲がり方向と反対側の円
周角180°以内とすれば、その水圧脈動抑制効果はフ
ィン4枚と遜色がないものといえる。
【0018】
【発明の実施の形態】図1及び図2は縦軸フランシス水
車におけるこの発明の実施の形態を示すもので、図1の
(a)図は水車の縦断面図、(b)図はそのB−B断面
図、図2の(a)図は図1におけるフィンの平面図、
(b)図はその側面図、(c)図はその右正面図であ
る。フィン2は図2に示すように、断面が二等辺三角形
で上端部(図2の左端部)に勾配が設けられ、鋼板の折
曲げ・溶接により製作されている。このフィン2は1本
のみが図1に示すように、フランシス水車3のランナ出
口部に接続された吸出し管1の上部内壁面に軸方向に沿
って溶接により固着され、その周方向位置は吸出し管1
の曲がり方向(図1の右方向)と反対側の円周角180
°(円弧矢印の範囲)以内に定められている。このよう
なフィン2の設置位置によれば、1本のフィン2によ
り、吸出し管1内の水圧脈動を2〜4本のフィンを持つ
ものと同程度に抑制することができる。なお、図示実施
の形態では縦軸フランシス水車の場合を示したが、この
発明は、縦軸フランシスポンプ水車はもちろん、曲がり
吸出し管を有する横軸フランシス水車・ポンプ水車、斜
流水車などにも適用可能である。
【0019】
【発明の効果】この発明によれば、フィンの設置本数を
最小限の1本としながら十分な水圧脈動抑制効果が得ら
れるので、フィンを取り付けるためのコスト及びフィン
取り付け後のフィンや吸出し管の補修費用の低減が図れ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態を示し、(a)は水車の
縦断面図、(b)はそのB−B断面図である。
【図2】図1におけるフィンを示し、(a)は平面図、
(b)はその側面図、(c)はその右正面図である。
【図3】この発明に至る実験に使用した透明アクリル樹
脂製吸出し管を示し、(a)は平面図、(b)はその側
面図である。
【図4】図3におけるフィンを示し、(a)は平面図、
(b)はその側面図、(c)はその右正面図である。
【図5】図3の吸出し管のフィン枚数を変えて調べた水
圧脈動無次元振幅のキャビテーション特性の実験結果の
線図で、(a)は図3におけるL1位置、(b)は同じく
L2位置、(c)は同じくL3位置のものを示す。
【図6】図3の吸出し管の1本のフィンの周方向位置を
変えて調べた水圧脈動無次元振幅のキャビテーション特
性の実験結果の線図で、(a)は図3におけるL1位置、
(b)は同じくL2位置、(c)は同じくL3位置のものを
示す。
【図7】図3の吸出し管の入口円錐断面での渦心の振れ
回りを記録した画像で、(a)はフィンがない場合、
(b)はフィンがNo.4位置1本の場合、(c)はフィン
がNo.2位置1本の場合、(d)はフィンが4本の場合を
示す。
【符号の説明】
1 吸出し管 2 フィン 3 水車

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】曲がり吸出し管を備えた水車及びポンプ水
    車において、 前記曲がり吸出し管の上部内壁面に軸方向に沿って1本
    のフィンを設置するとともに、このフィンの周方向位置
    を前記曲がり吸出し管の曲がり方向と反対側の円周角1
    80°以内に定めたことを特徴とする水車及びポンプ水
    車。
JP10100511A 1998-03-27 1998-03-27 水車及びポンプ水車 Pending JPH11280634A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102720622A (zh) * 2012-06-21 2012-10-10 河海大学 一种水轮机尾水管涡流发生器
US10425027B2 (en) 2015-02-23 2019-09-24 Kabushiki Kaisha Toshiba Variable-speed operation control apparatus and hydroelectric power generation system
CN110886673A (zh) * 2019-11-26 2020-03-17 清华大学 一种降低水轮机水压脉动与压力梯度的尾水管及其方法
CN114109696A (zh) * 2021-11-05 2022-03-01 西华大学 一种改善混流式水泵水轮机尾水管压力脉动的方法

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