JPS6050275A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、ランチ背圧室とランナコーン室とをバランス
ホールにより連通した特に低落差水力発電所に好適な水
力機械に関する。

〔発明の技術的背景と問題点〕

一般に水車およびポンプ水車のランナクラウンと上カバ
ーとの間にはランナ背圧室が形成される一方、ランナバ
ンドと下カバーとの間にはランナ側王室が形成さ扛てい
る。このような水車のランナには、上記ランナ背圧室お
よびランナ側王室内の水圧分布の差およびランナ流路内
における水流の流扛方向の変化に起因する流体力のため
に、不均一な軸方向の水圧力が作用する。特に低落差向
けのランナにおいてはランナ側圧室が軸方向に長くなる
のでランチ側圧室の軸方向の水圧力は小さくなる。この
水圧力はランｆ’ｆｒ締結する主軸に対しても軸方向推
力として作用する。この推力はヌラヌト軸受により支持
さｆるわけであるが、過渡時または経年的な変化による
シール部ギャップの拡大により過大な水力的軸方向推力
が働くことがある。その縮果、スラヌト軸受の破損やラ
ンナと静止部カバーとの接触事故などが発生し水力発電
所の運転に重大な支障をきたすという問題が生ずる。

そこで、この種の低落差向けの水力機械では上記水力的
軸方向推力を低減するために、ランナコーン内側に形成
さ扛たランナコーン室と上記ランナ背圧室との間を複数
個のバランスホールで連絡し、このバランスホールを介
してランチ背圧室からの水流をランナコーン室側へ導き
ランナコーンの下端開口から流出させてランナ背圧室の
水圧分布を調整低減するようにしている。ところが、こ
の種の水力機械は、その構造上の制約からランナ回転中
心から上記バランスホールのランナコーン室側の開口ま
での半径距離が上記回転中心からランナコーン下端の開
口縁までの半径距離よりも太きくなりがちである。この
ためランナコーン室内側の上記バランスホールの開口端
付近の水の圧力が遠心力作用により上昇し、そのために
バランスホールを通過する水流量がシ少しランナ背圧室
の水圧分布を効果的に低減することができないという問
題があった。

〔発明の目的〕

そこで、本発明の目的は、上述の点に鑑み、簡単な構成
によりランナ背圧室からバランスホールを介して充分な
水量をランク室に導くことのできる水力機械を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、第１の発明は、ランナクラ
ウンと上カバーとの間にランナ背圧室を、また上記ラン
ナクラウンの下端に接続するランナコーンの内側にラン
ナコーン室をそれぞｎ形成し、この画室を複数個の上部
バランスホールによシ連通した水力機械において、上記
ランナコーン室とランナ流路とを！Ｗ数個の下部バラン
スホールにより連通し、ランナ回転中心線から上記下部
バランスホールのランナコーン室側の開口中心までの半
径距離Ｒ１を上記回転中心線から上記上部バランスホー
ルのランナコーン室側の開口中心までの半径距離Ｒ２と
はぼ同等堤よとしかつこの半径距離ＲＩヲ上記回転中心
線から上記ランナコーン下端開口縁までの半径距離Ｒ１
より大きく定めると共に、上記下部バランスホールの流
路断面積の合計を上記上部バランスホールの流路断面積
の合計と上記ランナコーン下端の開口部の面積との和と
ほぼ同等以上に定めるようにしたことを特赦とするもの
である。

第２の発明はランナクラウンと上カバーとの間にランナ
背圧室を、また上記ランナクラウンの下端に接続するラ
ンナコーンの内側にランナコーン室をそｎぞれ形成し、
この画室を複数個の上部バランスホールにより連通した
水力機械において、上記ランナコーン室とランナ流路と
を複数個の下部バランスホールにより連通し、上記ラン
ナコーン下端の開口部と上記上部および下部バランスホ
ールとの間に流路が形成されないように上記ランナコー
ン室を仕切る仕切壁を上記ランナコーン室に設けると共
に、ランチ回転中心線から上記上部バランスホールのラ
ンナコーン室側開口端までの半径距離を上記回転中心線
から上記ランナコーン下端までの半径距離よシも大きく
しかつ上記下部バランスホールの流路断面積の合計を上
記上部バランスホールの流路断面積の合計とほぼ同等以
上とすることを特徴とするものであり０ 〔発明の実施例〕 以下本発明の水力機械の一実施例を図面を参照して説明
する。

第１図は、第１の発明の一実施例を示すもので、ランナ
は、ランナ羽根１と、ランナ回転中心Ｏ１にほぼ平行に
延びだランナバンド２と、半径方向に延びたランナクラ
ウン３とから構成さｔｌこのランナは主軸４のフランジ
部４ａにランナクラウン３の取付部８ａが固着されてい
る。ランナバンド２とこ肚に対向する下カバー５との間
にはランナ側圧室６が形成され、ランナクラウン８とこ
れに対向する上カバー７との間にはランナ背圧室８が形
成されている。図示を省略したｇＬ出し管側のランナク
ラウンＢの下端にランナコーン９が取付けらｎ、このラ
ンナコーン９の内側にはランナコーン室１０が形成され
ている。このランナコーン室ｔｏＶｉ、ランナクラウン
８と主軸４とランナコーン９とによって囲まれている。

上記主軸フランジ部４ａとランナクラウン８との接続部
付近のランナクラウン８にはバランスホール１１が同方
向に沿って複数個穿孔されており、これらの上部バラン
スホール１１はランナ背圧室８とランナコーン室１０と
を連通する。また、ランククラウン８とランナコーン９
との接続部付近のランナクラウン８には下部バランスホ
ール１２が周方向に沿って複数個穿孔されており、これ
らの下部バランスホール１２はランナコーン室１０とラ
ンナ流路１３の下流側とを連通する。

ランチ背圧室８からの水流を上部バランスホール１１お
よび下部バランスホール１２を介してランナ（ｏ　）　
ｒｑｒ 流路１３へ流出させて、ランナ背圧室８の水圧分布を調
整低下するために下部バランスホールが充足しなければ
ならない位置的および面積的条件を以下に詳説する。

最初に位置的条件を述べる。

ランナコーン室１０内の水圧は、遠心力作用のためラン
チの回転中心線０１から離詐る程上昇する。

このため下部バランスホール１２のランナコーン室側の
開口１２ａの中心は、上部バランスホール１１のランナ
コーン室側の開口１１１Ｌの中心とほぼ同等の半径位置
かもしくはそれよりランナ回転中心０１から遠方に位置
しなけ扛ばならない。上部バランスホールの開口１１ａ
の中心は、ランナコーン下端開口縁９ａよりも外側に位
置している。したがって、下部バランスホールの開口１
２＆と上部バランスホールの開口１１ａとランナコーン
下端開口縁９ａとの位置関係は、それぞれの中心と回転
中心線との間の半径距離をＪｓ　ＦｔＩｓ　Ｒｍとした
とき、Ｒ１≧Ｒ，）Ｒ，の関係を充足する。ここで、Ｒ
１ｅＪ＊　Ｒｍは、それぞれランチ回転中心！Ｏｔか（
１０） ラ、下部バランスホールのランナコーン室側の開口１２
ａの中心１での半径距離、上部ノくランナコーンのラン
ナコーン室側の開口１１ａの中心棟での半径距離および
ランナコーン下端開口縁９ａ−！！での半径距離である
。

次に面積の条件を述べる。

ランナコーン室ｌＯ内には、ランチ背圧室８から上部バ
ランスホール１１を通ってランナコーン室１０に流入し
下部バランスホール１２へ流出する水の流れと、ランナ
コーン下端開口部１４から流入し下部バランスホール１
２ヲ通ってランナ流路１３へ流出する水の流れとが存在
する。したがって、複数個の下部バランスホールの各通
過水流量の合計ｋＱ＋−複数個の上部バランスホールの
各通過水流量の合計ｖＱｌ　、ランナコーン下端開口部
１４０通過水流量をＱ、とすると、 Ｑ　、　＝＝ｅ　Ｑ、　、　十Ｑ、が成立する。

この式は、下部バランスホールの合計断面積ＡＩ上部バ
ランスホールの合計断面積Ａ！、ランナコーン下端開口
部面積Ａ、を用いて次のように書き直すことかで＾る。

Ｃ８・Ａ１・Ｖ△Ｈ，＝Ｃ，・Ａ、・Ｖ△Ｈ７＋ｃ、　
・Ａ、　−ｙ７０ｎ ここで４　０１１　”！　＋　Ｃｈはそれぞれ下部バラ
ンスホール、上部バランスホール、ランナコーン下端開
口部での流量係数であり５△ＨＩ＋△Ｈ２１ΔＨ８は下
部バランスホール、上部バランスホール、ランナコーン
下端開口部の差圧である。

０１　”ｆ■巴″０２　ｆπ■２　’ｑ　ＯＨＭとした
とき、 上式は、Ａ、ΦＡ、　十Ａ、となる。

これより、下部バランスホール１２の流路断面積（７）
　合ｔｌ’　Ａ　Ｉは、上部バランスホール１１の流路
断面積の合計Ａ、とランナコーン下端開口部１４の面積
Ａ、との和にほぼ等しいか、それ以上であることが必要
となる。

下部バランスホール１２ト上部バランスホール１１とラ
ンナコーン下端開口部１４との関係を以上のように選定
することにより、ランチ背圧室８から水流を両バランス
ホール１１，１２ｉ介して円滑にランナ流路１３へ導く
ことができる。

第２図は下部バランスホール１２をランナクラウン８と
ランナコーン９との接続部付近のランナコーン９に穿孔
した例を示しており、第８図は上部バランスホール１１
全ランナクラウン８と主軸４との接続部付近の主軸フラ
ンジ部４ａに穿孔した例である。

また、上部および下部バランスホールの断面形状は円形
、だ円形、矩形など任意の形状に設定できる。

第４図は、第２の発明の一実施例を示すもので、複数個
の上部バランスホール１１がランナクラウン８に穿孔さ
れ、ランチ背圧室８とランナコーン室ｌＯとを連通し、
複数個の下部バランスホール１２がランナコーン９に穿
孔され、ランナコーン室ｌＯとランナ流路１３とを連通
ずる点は上述の第１発明とほぼ同様である。それとの相
違点は、ランナコーン室ｌＯがランナ回転中心線Ｏ１Ｏ
方に凹面を向けた円筒状仕切壁１５によって外側ランナ
コーン室１０Ａと内側ランナコーン室１０Ｂとに二分さ
れてｈることである。この仕切壁１５は、上部および下
部バランスホールの開口１１ａ、１２ａが共に外側ラン
ナコーン室１０Ａ内に位置するように、ｅ＠されており
、ランナコーン下端開口部１４と上部および下部バラン
スホール１１，１２との間に流路が形成されないように
ランナコーン室１０ヲ分断している。

このように仕切壁１５は、ランナコーン下端開口部１４
からランナコーン室１０内に流入した水流を遮断し、そ
の水流が外側ランナコーン室１０Ａに流入することを阻
止する。したがって、外側ランナコーン室１０Ａから下
部バランスホール１２ヲ通ってランチ流路１３へ流出す
る水流としては、ランチ背圧室８から上部バランスホー
ル１１ヲ介して外側ランナコーン室１０Ａに流入した水
流のみであって、ランナコーン下端開口部１４からの水
流は実質的に無ｂ０このため、下部バランスホール１２
の流路断面積の合計は第１発明の場合と異り、上部バラ
ンスホール１１の流路断面積の合計とほぼ同等かそれ以
上であればよい。

もちろん、ランナ回転中心線０．から上部バランスホー
ルの開口１１ａの中心寸での半径距離Ｒ２は、ランナ回
転中心線Ｏ５からランナコーン下端開口縁９ａ−１での
半径距ｒｓ、Ｒ３よりも大きい。

次に仕切壁１５を設けた時と、設は斤込時におけるラン
ナコーン室の水圧の差異を第５図により説明する。

第５図において、実線は仕切壁を設けたときの水圧の分
布状態を表わし、破線は設けない時の水圧の分布状態を
表わしている。軸中心即ちランチ回転中心から仕切壁設
置位１１までの圧力分布状態は両者とも等しい。しかし
それより外１＃ｌＩでは、仕切壁が無い場合水圧は遠心
力作用により連続的に増大するが、仕切壁を設けるとそ
れが遠心力を分断するので、水圧は著しく低下する。こ
のように、仕切壁により上部バランスホ・−ルの開口１
１ａの水圧が低下するため、この上部バランスホールの
入口側の開口部１１ｂと出口側の開口１１ａとの水圧差
で増大し通過流量全槽し、背圧室８の水圧を一層低下さ
せることができる。また上述したように仕切壁１５はラ
ンナコーン下端開口部１４からの水流全遮断するので、
この水流が上部バランスホールから下部バランスホール
へ流れる水流ヲ乱すことが無くなり、背圧室８からの水
流は円滑に両バランスホール１１，１２ｉ介してランナ
流路１３に流出する。

第６図は、仕切壁１５を下方に向って拡がる円錐台状と
すると共に、下部バランスホール１２をランナクラウン
８に穿孔した例である。また本発明にあっても、上部バ
ランスホールを主軸フランジ部４ａに穿孔してもよく、
上部および下部バランスホールの断面形状は全く任意に
選定できる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、第１および第２発明と
も、ランナコーン室とランナ流路とを連通する下部バラ
ンスホールを複数個穿孔することにより、ランナ背圧室
から上部バランスホール全弁してランナコーン室に流入
した水流を下部バランスホール全弁して円滑にランナ流
路に流出するので、ランナ背圧室の水圧分布を調整低減
できランナ主軸に作用する水力的軸方向推力を大幅に低
下できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１の発明の水力機械の一実施例を示す断面
図、第２図および第８図はそれぞれ上記実施例を一部変
形した変形例を示す断面図、第４図は第２の発明による
水力機構の一実施例を示す断面図、第５図は、ランナコ
ーン室の水圧分布を示すグラフ、第６図は上記実施例の
変形例を示す断面図である。 １・・・ランナ羽根、２・・・ランナバンド、８・・・
ランナクラウン、４・・・主軸、７・・・上カガー、８
・・・ランナ背圧室、９・・・ランナコーン、１０・・
・ランナコーン室、１１・・・上部バランスホール、１
２・・・下部バランスホール、１３・・・ランナ流路、
１４・・・ランナコーン下端開口部。 出願人代理人　猪　股　清 第１図 １ 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 しランナクラウンと上カバーとの間にランチ背圧室を、
   また上記ランチクラウンの下端に接続するランナコーン
   の内側にランナコーン室をそれぞ扛形成し、この両室を
   複数個の上部バランスホールにより連通した水力機械に
   おいて、上記ランナコーン室とランチ流路とを複数個の
   下部バランスホールにより連通し、ランナ回転中心線か
   ら上記下部バランヌホールのランナコーン室側の開口中
   心までの半径距離Ｒ，ヲ上記回転中心線から上記上部バ
   ランヌホールのランナコーン室側の開口中心までの半径
   距離Ｒ３とほぼ同等以上、とじかつこの半径距離Ｒ１を
   上記回転中心線から上記ランナコーン下端開口縁までの
   半径距離Ｒ１より大きく定めると共に、上記下部バラン
   スホールの流路断面積の合計を上記上部バランヌホール
   の流路断面桜の合計と上記ランナコーン下端の開口部の
   面積との和とほぼ同等以上に定めるようにしたことを特
   徴とする水力機械。 ＆上記上部バランヌホールは、上記ランチクラウンとこ
   れに接続する主軸フランジ部との接続部付近において、
   上記ランナクラウンと主軸フランジとの一方に穿孔され
   ており、上記下部バランヌホールは、上記ランナクラウ
   ンとランナコーンとの接続部付近において、上記ランチ
   クラウンとランナコーンとの一方に穿孔されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の水力機械。 ８、ランナクラウンと上カバーとの間にランナ背圧室を
   、また上記ランナクラウンの下端に接続するランナコー
   ンの内側にランナコーン室をそれぞれ形成し、この画室
   を複数個の上部バランヌホールにより連通した水力機械
   において、上記ランナコーン室とランチ流路とを複数個
   の下部バランヌホールによシ連通し、上記ランナコ−ン
   下端の開口部と上記上部および下部バランスホールとの
   間に流路が形成さＶ、ないように上記ランナコーン室を
   仕切る仕切壁を上記ランナコーン室に設けると共に、ラ
   ンナ回転中心線から上記上部バランスホールのランナコ
   ーン室側開口端までの半径距離を上記回転中心線から上
   記ランナコーン下端までの半径距離よりも大きくしかつ
   上記下部バランスホールの流路断面積の合計を上記上部
   バランスホールの流路断面積のの合計とほぼ同等以上と
   するようにしたことをｒｌｔする水力機械。 先上記仕切壁は上記ランナ回転中心線の方に凹面を向け
   た円筒状又は円錐台状の一方であることを特徴とする特
   許請求の範囲第８項に記載の水力機械。 ５、上記上部バランスホールは、上記ランナクラウンと
   これに接続する主軸フランジ部との接続部付近において
   、上記ランナクラウンと主軸フランジ部との一方に穿孔
   さ扛ており、上記下部バランスホールは、上記ランナク
   ラウンとランナコーンとの接続部付近において、上記ラ
   ンナクラウンとランナコーンとの一方に穿孔さ扛ている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の水力機
   械。