JPS6135380B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発電機または電動揚水機の水車のスピ
ードリングの構造に関し、特に、スピードリング
と上カバーおよび下カバーとの連結部の水車軸心
からの半径方向距離を渦巻きケーシングの入口か
ら巻終い部に向つて次第に小さくすることによ
り、不均衡モーメントの発生を防止しうる水車の
スピードリングを提供するものである。

第１図および第２図は従来の水車のスピードリ
ングを示す図であり、水車軸心１２に同心のスピ
ードリング１４が水車の半径方向外方の水車ピツ
ド壁に固定されている。該スピードリングは上リ
ング部１４Ａおよび下リング部１４Ｂを有し、こ
れらは複数枚のステーベーン１６の上下に溶接さ
れている。

スピードリング１４には渦巻きケーシング１８
の内周部が全周にわたつて溶接されており、その
溶接線２０は第１図に示す如く水車軸心１２に対
し偏心しており、水車軸心から半径方向の距離は
渦巻きケーシングの入口２２のR₁から巻終い部
２４のR₂へ向つて次第に大きくなつている。ま
た、渦巻きケーシング１８の断面積（流路面積）
は入口２２から巻終い部２４に向つて次第に小さ
くなつており、各ステーベーン１６への流入速度
または各ステーベーンからの流出速度を一定にし
水車２６の全周にわたつて単位長さ当りの流水の
運動量がほぼ一定になるようにされている。な
お、前述の如く渦巻きケーシングの内周（溶接
線）２０を水車軸心に対し渦巻き状に偏心させる
理由は、第２図に示す如く、水圧が渦巻きケーシ
ングの胴壁に及ぼす力が入口２２では大きく
（P₁）巻終い部２４では小さくなるため、これを支
えるスピードリング１４の上部リング１４Ａの重
心Ｇまわりに反力モーメントを全周にわたり極力
均衡させてねじれを少なくするためには、渦巻き
ケーシングの内周の溶接接合部とスピードリング
重心Ｇとの距離（モーメントアーム長さ）を入口
のL₁から巻終い部のL₂へ向つて次第に大きくす
る必要があるためである。このことは、渦巻きケ
ーシング１８から下部リング１４Ｂに作用する力
P₁，P₂に対しても全く同様である。

スピードリング１４の上部リング１４Ａには上
〓〓〓〓
カバー２８の外周部が複数本のボルト３０等の締
結具により取付けられており、同様に、下部リン
グ１４Ｂには下カバー３２の外周部が複数本のボ
ルト等の締結具３４により取付けられている。こ
れら上カバーおよび下カバーは、水車２６のラン
ナーの上下を覆つて水車軸外周部まで延圧すると
ともに、各ステーベーン１６に対応して設けられ
る複数本のガイドベーン３６を回動可能に支持し
ている。上カバー２８には上向きの水圧が作用
し、これは外周部の各ボルト３０を介して力Ｐ_U
として上部リング１４Ａに伝わり、同様に、下カ
バー３２に下向きに作用する水圧による力Ｐ_Lが
各ボルト３４を介して下部リング１４Ｂに伝わ
る。

前記上カバー２８を上部リング１４Ａに取付け
るボルト各３０、および下カバー３２を下部リン
グ１４Ｂに取付ける各ボルト３４の水車軸心１２
からの距離（半径）R′およびR″渦巻きケーシン
グの入口２２から巻終い部２４にわたつて同一に
なつている。

また、スピードリング１４は水車軸心１２を中
心とするリング形状を有するので、各断面の重心
Ｇの位置はスピードリング全周にわたつて中心か
ら同一半径の位置にある。

以上、第１図および第２図について説明したよ
うな従来のスピードリングの各断面に作用する重
心まわりのモーメント、すなわち水圧を受ける渦
巻きケーシング１８および上、下カバー２８，３
２から該スピードリングに作用する力の重心まわ
りのモーメントについて以下考察する。

ここで、スピードリングの上部リング１４Ａに
作用する力と下部リング１４Ｂに作用する力とは
水平面に対し実質上対称の関係にあり、同様の力
関係を有するので、以下の説明では重複を避ける
ため上部リング１４Ａについてのみ説明する。

渦巻きケーシングの入口２２の単位長さ当りの
重心まわりのモーメントM₁および巻終い部２４
の単位長さ当りの重心まわりのモーメントM₂
は、第２図から、次式で表わされる。

M₁＝Ｐ_U×Ｌ_U−P₁×L₁ ……(1) M₂＝Ｐ_U×Ｌ_U−P₂×L₂ ……(2) ここで、Ｐ_Uは上カバー２８からスピードリン
グに伝わる単位長さ当りの力であり、Ｌ_Uは重心
ＧからＰ_Uに作用線までの距離である。また、P₁
およびP₂は渦巻きケーシングの入口および巻終い
部からスピードリングに伝わる単位長さ当りの力
であり、L₁およびL₂は重心ＧからP₁およびP₂ま
でのモーメント腕の長さである。

さて、スピードリング１４に作用する捩れおよ
び曲げをなくし、該スピードリングに溶接された
ステーベーン１６に作用する力をなくするか最小
にするためには、式(1)および(2)で表わされるM₁
およびM₂を０にし、渦巻きケーシングの入口か
ら巻終い部まで全周にわたつて重心Ｇまわりのモ
ーメントを０にする必要がある。すなわち、Ｐ_U
×Ｌ_U＝P₁×L₁＝P₂×L₂の関係を実現させる必要
がある。

しかるに、前述の如き従来の水車のスピードリ
ングでは、このような関係を実現させることが非
常に困難であり、実際上不可能である。その理由
を次に述べる。

渦巻きケーシングの入口２２では、通常P₁およ
びＰ_Uとも重心Ｇからの距離が小さく、モーメン
トをほとんど０にすることもできる。そこで、Ｌ
_UおよびL₁を０と仮定すれば、入口２２ではM₁が
０になり、モーメントが生じない。しかし、巻終
い部２２ではL₂が存在するためP₂×L₂の不均衡
モーメントが発生し、ステーベーン６に悪影響を
及ぼすことになる。

また、Ｌ_Uが存在する場合、Ｐ_U×Ｌ_Uは一定で
あるので、P₂が大きくなつたとき、L₂を小さく
する必要がある。

いずれにしても、従来の水車のスピードリング
では、巻終い部２４における渦巻きケーシングの
内周（スピードリングとの溶接部）の水車軸心１
２からの距離を短縮しなければならない。このこ
とは、巻終い部２４またはこれに近い区間で、ス
テーベーン１６が渦巻きケーシング１８内部へ異
常に突出することを意味する。このような異常突
出は、渦巻きケーシング内の流れを乱し効率低下
を招くという点で問題がある。

また、巻終い部２４における渦巻きケーシング
内周の溶接部の半径方向位置を水車軸心１２に近
ずけるということは、当該溶接部の半径方向位置
を入口２２から巻終い部２４に向つて次第に遠ざ
かるように偏心（渦巻き状にすること）させると
いう本来の特長をなくすことを意味する。

したがつて、前記式(1)および(2)のM₁およびM₂
〓〓〓〓
を極力小さくすることは、渦巻きケーシング１８
のスピードリング１４への溶接位置を入口２２か
ら巻終い部２４へ向つて次第に外側へ拡大させる
だけでは、その実現が極めて困難なことであり、
一定の限界がある。換言すれば、式(1)および(2)中
の変動可能な要素はL₂のみであり、設計上の融
通性が極めて小さく、スピードリングに作用する
曲げおよび捩れをなくすことは実際上不可能であ
つた。

本発明の目的は以上のような従来の欠点を解消
し、渦巻きケーシングおよび上、下カバーからス
ピードリングに作用する力の重心まわりのモーメ
ントを全周にわたつて容易に均衡させることがで
き、もつて、スピードリングおよびステーベーン
の異常応力発生を防止し安定性を向上させた水車
のスピードリングを提供することである。

本発明は、スピードリングへの上カバーおよび
下カバーの取付け位置の水車軸心からの半径方向
距離を渦巻きケーシングの入口から巻終い部に向
つて次第に小さくすることにより、スピードリン
グ全周にわたつて該スピードリングに作用する力
の重心まわりのモーメントを容易に均合せうるよ
うにした水車のスピードリングを提供するもので
ある。

以下、第３図〜第５図を参照して本発明の実施
例を説明する。

第３図および第４図は本発明のスピードリング
の第一実施例を示す図であり、第１図および第２
図に対応する部分はそれぞれ同一参照番号で表示
されている。

第３図および第４図において、上カバー２８を
スピードリング１４に取付ける各ボルト３０の水
車軸心からの距離（半径）は、渦巻きケーシング
の入口２２におけるR₁′から巻終い部における
R₂′に向つて次第に小さくされている。したがつ
て、スピードリング断面の重心Ｇと上カバー取付
部との距離は入口２２のＬ_U1から巻終い部２４の
Ｌ_U2に向つて次第に大きくなつている。

同様に、下カバー３２をスピードリングに取付
ける各ボルト３４の水車軸心からの距離も、入口
２２のR₁″から巻終い部２４のR₂″に向つて次第
に小さくされ、スピードリング断面の重心と下カ
バー取付け部との距離は入口２２から巻終い部２
４に向つて次第に大きくなつている。

したがつて、スピードリングの断面の重心と上
カバーおよび下カバーの取付部との距離を、スピ
ードリング全周にわたつて適当に変化させること
により、該スピードリングに作用する力の重心ま
わりのモーメントを全周にわたる各断面において
０にすることができる。すなわち、上カバー２８
から作用する力Ｐ_Uについては次式が成立するよ
うに設計することができる。

M₁＝Ｐ_U×Ｌ_U1−P₁×L₁＝０ ……(3) M₂＝Ｐ_U×Ｌ_U2−P₂×L₂＝０ ……(4) 下カバー３２から作用する力Ｐ_Lについても同
様に設計することができる。

従来技術では、前述の如く、スピードリングの
断面の重心と上、下カバー取付け部との距離が全
周にわたつて一定（上カバーについてはＬ_U1′＝
Ｌ_U2）であつたので、融通性がなく、上記式(3)お
よび(4)を満足させることができなかつたが、本発
明によれば、上、下カバーの取付部を水車軸心に
関し偏心させ、重心と該取付部との距離を全周に
わたつて変化させるようにしたので、自由度が多
くなり、各断面の重心まわりのモーメントM₁，
M₂を０にすることができる。したがつて、スピ
ードリング１４およびステーベーン１６に不均衡
な応力状態が生ぜず、安全性の高い水車のスピー
ドリングを作ることができる。さらに、ステーベ
ーン１６の渦巻きケーシング１８内への突出量も
増加しないので、乱流発生による効率低下の問題
も解消させることができる。

第５図は本発明の水車のスピードリングの第二
の実施例を示す図であり、第１図〜第４図に対応
する部分はそれぞれ同一参照番号で表示されてい
る。

第３図および第４図の第一実施例と異なる点
は、上カバー２８およびスピードリング１４の水
車軸方向円筒形側壁を水車軸心に関し偏心させ、
上カバー取付部のみならず、スピードリング断面
の重心位置をも入口２２におけるG₁から巻終い
部２４におけるG₂へと水車軸心からの距離が次
第に小さくなるように変化している。

この場合も、スピードリングに作用する力が各
断面の重心まわりに形成するモーメントを０する
ことが容易である。すなわち、次式の関係が成立
するように設計することは容易である。

M₁＝Ｐ_U×Ｌ_U1−P₁×L₁＝０ 〓〓〓〓
M₂＝Ｐ_U×Ｌ_U2−P₂×L₂＝０ 第５図の実施例によれば、第３図および第４図
実施例に加え、上カバー２８およびスピードリン
グ１４の円筒状側壁の周方向長さを短縮すること
ができ、材料節減の効果も得られる。

以上の説明から明らかな如く、本発明によれ
ば、スピードリング全周にわたつて、渦巻きケー
シングおよび、下カバーから該スピードリングに
作用する力がスピードリング断面の重心まわに形
成するモーメントを完全に均衡させて０にするこ
とができるので、該スピードリングおよびステー
ベーンの応力を軽減し、安全性に優れた水車のス
ピードリングを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の水車のスピードリングを示す平
面図、第２図は渦巻きケーシングの入口（実線）
および巻終い部（二点鎖線）を表示した第１図の
スピードリングの拡大部分断面図、第３図は本発
明の水車のスピードリングを示す平面図、第４図
は渦巻きケーシングの入口（実線）および巻終い
部（二点鎖線）を表示した第３図のスピードリン
グの拡大部分断面図、第５図は本発明の他の実施
例に係る水車のスピードリングの第４図と同様の
部分断面図である。 １２……水車軸心、１４……スピードリング、
１６……ステーベーン、１８……渦巻きケーシン
グ、２０……溶接部、２２……渦巻きケーシング
の入口、２４……渦巻きケーシングの巻終い部、
２６……水車、２８……上カバー、３０……取付
けボルト、３２……下カバー、３４……取付ボル
ト、Ｇ，G₁，G₂……スピードリング断面の重心
位置。 〓〓〓〓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水車の半径方向外方で該水車のまわりに固定
   されかつ複数枚のステーベーンの上下に溶接され
   た水車のスピードリングにおいて、該スピードリ
   ングに渦巻きケーシングの内周部を溶接し、該ス
   ピードリングに上カバーおよび下カバーを取付
   け、該スピードリングと該渦巻きケーシングとの
   溶接部の水車軸心からの半径方向距離を渦巻きケ
   ーシングの入口から巻終い部に向つて次第に大き
   くするとともに、スピードリングへの前記上カバ
   ーおよび下カバーの取付け位置の水車軸心からの
   半径方向距離を渦巻きケーシングの入口から巻終
   い部に向つて次第に小さくしたことを特徴とする
   水車のスピードリング。