JPS6219589B2 - - Google Patents
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- JPS6219589B2 JPS6219589B2 JP56181062A JP18106281A JPS6219589B2 JP S6219589 B2 JPS6219589 B2 JP S6219589B2 JP 56181062 A JP56181062 A JP 56181062A JP 18106281 A JP18106281 A JP 18106281A JP S6219589 B2 JPS6219589 B2 JP S6219589B2
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- Japan
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- runner
- blades
- turbine
- excitation force
- francis
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- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
- F03B3/02—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side of rotors, e.g. Francis turbines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
- F03B11/04—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator for diminishing cavitation or vibration, e.g. balancing
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Hydraulic Turbines (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、振動強度の信頼性を高め、主機の小
形化、高速化を達成するフランシス水車に関す
る。
形化、高速化を達成するフランシス水車に関す
る。
第１図にフランシス水車の代表例を示す。図に
おいて、符号１は回転軸を示し、この回転軸１の
下端にランナ２が固着され、このランナ２はクラ
ウン２ａ、バンド２ｂおよび複数の羽根２ｃとで
形成されている。一方ランナ２の外周側の固定流
路には複数のガイドベーン３が円周方向に等配に
配列され、水車運転時（Ｔ方向）にはガイドベー
ンからランナへ流れを効率よく導くように形成さ
れている。ここで、ランナ２の羽根枚数Zrとガイ
ドベーンの羽根枚数Zgは従来性能面と構造上の
容易性の観点から適切に撰定されていた。しかし
最近の水車は経済性の面から主機の大容量化、高
速化が著しく、ランナとガイドベーン間の水圧脈
動に起因した相互干渉現象がランナの振動強度に
与える影響度が著しく増大し、このような厳しい
使用条件下におけるランナの振動強度の信頼性を
いかにして向上させるかが最近の解決すべき問題
としてクローズアツプされている。
おいて、符号１は回転軸を示し、この回転軸１の
下端にランナ２が固着され、このランナ２はクラ
ウン２ａ、バンド２ｂおよび複数の羽根２ｃとで
形成されている。一方ランナ２の外周側の固定流
路には複数のガイドベーン３が円周方向に等配に
配列され、水車運転時（Ｔ方向）にはガイドベー
ンからランナへ流れを効率よく導くように形成さ
れている。ここで、ランナ２の羽根枚数Zrとガイ
ドベーンの羽根枚数Zgは従来性能面と構造上の
容易性の観点から適切に撰定されていた。しかし
最近の水車は経済性の面から主機の大容量化、高
速化が著しく、ランナとガイドベーン間の水圧脈
動に起因した相互干渉現象がランナの振動強度に
与える影響度が著しく増大し、このような厳しい
使用条件下におけるランナの振動強度の信頼性を
いかにして向上させるかが最近の解決すべき問題
としてクローズアツプされている。
次にランナに作用する水力的加振力を説明す
る。水車運転時、ガイドベーン３からの流水はガ
イドベーンに発生した後流により、円周方向にガ
イドベーンの枚数分に相当する周期的に変動する
流れとなる。したがつて、ランナのｋ番目の羽根
２Ckに着目した場合、１回転中にZg回の変動す
る水力的加振力を受け、その周波数ｈは容易に ｈ＝Ｎ・Zg／60（Hz） (1) となることが判る。また２Ck以外の羽根は２Ck
の羽根に対し、ある位相遅れをもつて同様の水力
的加振力を受け、ランナ全体としてはある位相差
をもつた複数の加振力による振動現象が生ずる。
る。水車運転時、ガイドベーン３からの流水はガ
イドベーンに発生した後流により、円周方向にガ
イドベーンの枚数分に相当する周期的に変動する
流れとなる。したがつて、ランナのｋ番目の羽根
２Ckに着目した場合、１回転中にZg回の変動す
る水力的加振力を受け、その周波数ｈは容易に ｈ＝Ｎ・Zg／60（Hz） (1) となることが判る。また２Ck以外の羽根は２Ck
の羽根に対し、ある位相遅れをもつて同様の水力
的加振力を受け、ランナ全体としてはある位相差
をもつた複数の加振力による振動現象が生ずる。
一方ランナ自体の固有振動モードは円板の直径
モードによつて特徴づけられることが実験によつ
て検証されている。すなわち第２図に一例を示す
が、直径節モード数ｌが２のものは周方向に山
（＋）と谷（−）がそれぞれ２個発生するモード
である。従来のフランシス水車にあつては、これ
等直径モード数を有するランナの固有振動数は式
(1)の水力加振力周波数より高いところにあり、両
振動数が一致して共振するという現象は発生しな
い条件にあつたが、前述の経済性による小形高速
機の採用が広く行われるようになると、上記振動
数の一致による共振現象の危険性が問題となつて
きている。
モードによつて特徴づけられることが実験によつ
て検証されている。すなわち第２図に一例を示す
が、直径節モード数ｌが２のものは周方向に山
（＋）と谷（−）がそれぞれ２個発生するモード
である。従来のフランシス水車にあつては、これ
等直径モード数を有するランナの固有振動数は式
(1)の水力加振力周波数より高いところにあり、両
振動数が一致して共振するという現象は発生しな
い条件にあつたが、前述の経済性による小形高速
機の採用が広く行われるようになると、上記振動
数の一致による共振現象の危険性が問題となつて
きている。
本発明は、この共振条件が発生したとしても前
述の水力加振力の多点加振の現象を適切に制御す
ることによつてランナに発生する振動応力を著し
く低下させ、強度面での信頼性を著しく向上させ
たフランシス水車を提供することを目的とする。
述の水力加振力の多点加振の現象を適切に制御す
ることによつてランナに発生する振動応力を著し
く低下させ、強度面での信頼性を著しく向上させ
たフランシス水車を提供することを目的とする。
以下本発明について説明する。水力加振力の高
調波分も考慮して、式(1)を変形すると、 ω＝ｎ・Zg・Ω (2) となる。ここでΩ＝Ｎ／60，ｎは加振力の高調波
成分でｎ＝１，２，…の整数値、ωは加振力の振
動数である。第３図にZr＝６，Zg＝20の組合せ
の場合の配置図を示すが、ここでｋ番目の羽根２
Ckの位置ｋとｉ番目のガイドベーン３ｉの位
置θｉがすれ違つた時に加振力によつて励振され
る振動の変位zkは、ランナ上の任意の角度と
任意時刻ｔで zk＝acosl（−ｋ）sinω ｛ｔ−１／Ω（θｉ−ｋ）｝ (3) と示せる。ここでａは振巾、ｌは直径節モード、
ｋとθｉは、以下のものを示す。
調波分も考慮して、式(1)を変形すると、 ω＝ｎ・Zg・Ω (2) となる。ここでΩ＝Ｎ／60，ｎは加振力の高調波
成分でｎ＝１，２，…の整数値、ωは加振力の振
動数である。第３図にZr＝６，Zg＝20の組合せ
の場合の配置図を示すが、ここでｋ番目の羽根２
Ckの位置ｋとｉ番目のガイドベーン３ｉの位
置θｉがすれ違つた時に加振力によつて励振され
る振動の変位zkは、ランナ上の任意の角度と
任意時刻ｔで zk＝acosl（−ｋ）sinω ｛ｔ−１／Ω（θｉ−ｋ）｝ (3) と示せる。ここでａは振巾、ｌは直径節モード、
ｋとθｉは、以下のものを示す。
ｋ＝２π／Ｚｒ（ｋ−１）：（ｋ番目の羽根位置を
回転系で示す。）
θｉ＝２π／Ｚｇ（ｉ−１）：（ｉ番目の案内羽根位
置を静止系で示す。）
ランナに配列されたｋ番目の羽根以外の羽根が
受ける振動変位は式(3)と同様に導かれ、全体とし
てはZr個の和として式(4)のごとく示せる。
受ける振動変位は式(3)と同様に導かれ、全体とし
てはZr個の和として式(4)のごとく示せる。
式(2)，(4)のωを考えると、振動変位ｚが励振さ
れる条件として、 ω〓ｌΩ＝mZrΩ (5) が得られる。ここでｍは任意の整数である。すな
わち、式(2)による加振力の強制振動数ωとランナ
の羽根枚数Zrが式(5)を満足するとき、ランナの振
動が励振される。他の振動数による振動は各羽根
位置からの振動が互に打消し合つて、振動が励振
されない。式(5)に式(2)を代入し、Ωで両辺を割る
と nZg〓ｌ＝mZr (6) すなわち、式(6)を満足しないようにZr，Zgの組
合せを考えればよい。
れる条件として、 ω〓ｌΩ＝mZrΩ (5) が得られる。ここでｍは任意の整数である。すな
わち、式(2)による加振力の強制振動数ωとランナ
の羽根枚数Zrが式(5)を満足するとき、ランナの振
動が励振される。他の振動数による振動は各羽根
位置からの振動が互に打消し合つて、振動が励振
されない。式(5)に式(2)を代入し、Ωで両辺を割る
と nZg〓ｌ＝mZr (6) すなわち、式(6)を満足しないようにZr，Zgの組
合せを考えればよい。
一般にフランシス水車の場合、水中での減衰が
大きく、ｎ＝１の基本振動加振力を考慮すれば十
分であり、実測結果によつても検証されている。
またランナの固有振動モードとしてはｌ＝２，
３，４直径節の固有振動数が加振力の振動数と一
致し易い条件にあり、この範囲をさければ十分で
ある。さらにZr，Zgについては性能および構
造、製作上の容易性等を考慮すれば、フランシス
水車について Zr＝11〜19の整数 Zg＝16〜32の整数 （但しZg＞Zr＋１） に制限される。
大きく、ｎ＝１の基本振動加振力を考慮すれば十
分であり、実測結果によつても検証されている。
またランナの固有振動モードとしてはｌ＝２，
３，４直径節の固有振動数が加振力の振動数と一
致し易い条件にあり、この範囲をさければ十分で
ある。さらにZr，Zgについては性能および構
造、製作上の容易性等を考慮すれば、フランシス
水車について Zr＝11〜19の整数 Zg＝16〜32の整数 （但しZg＞Zr＋１） に制限される。
第４図にフランシス水車の使用実績を示すが、
フランシス水車は高落差から低落差へと広範囲に
適用できる機種であり、第５図に示すごとく高落
差機ａと低落差機ｂではランナまわりの形状が大
巾に異なる。本発明で解決しようとしている問題
はランナとガイドベーン間の相互干渉であり、両
者が接近した高落差機ａ程問題となる。またラン
ナに作用する水力加振力はほぼ落差に比例して変
化するためこの面でも高落差機が厳しい。
フランシス水車は高落差から低落差へと広範囲に
適用できる機種であり、第５図に示すごとく高落
差機ａと低落差機ｂではランナまわりの形状が大
巾に異なる。本発明で解決しようとしている問題
はランナとガイドベーン間の相互干渉であり、両
者が接近した高落差機ａ程問題となる。またラン
ナに作用する水力加振力はほぼ落差に比例して変
化するためこの面でも高落差機が厳しい。
一方経済性の面で機器を小形高速化する傾向に
あり、第３図に示すごとく従来のｎS〜Ｈ限界
（ｎS＝２００００／Ｈ＋２０＋30）をｎS≒210以下で
越える傾向 にある。これは同一出力、適用落差で水車比速度
を大きく取れれば、比速度の定義式より回転速度
Ｎをその分大きくでき、小形化が図れることによ
る。
あり、第３図に示すごとく従来のｎS〜Ｈ限界
（ｎS＝２００００／Ｈ＋２０＋30）をｎS≒210以下で
越える傾向 にある。これは同一出力、適用落差で水車比速度
を大きく取れれば、比速度の定義式より回転速度
Ｎをその分大きくでき、小形化が図れることによ
る。
第４図にはｎS〜Ｈ限界の第２の曲線（ｎS＝
2015／√）が描かれているが、従来の実績（Ｏ
印）ではｎS≦170以下でこの限界線を越えるもの
は無い。理由としては主にキヤビテーシヨン性能
の低下およびランナ強度の信頼性の低下が懸念さ
れることに因る。このような技術的すう勢のもと
で、本発明はランナ強度の信頼性向上のためにな
されたものであり、ｎS≦170に限定した理由は上
記の理由と以下に示す小形化メリツトが大きいこ
とに因る。
2015／√）が描かれているが、従来の実績（Ｏ
印）ではｎS≦170以下でこの限界線を越えるもの
は無い。理由としては主にキヤビテーシヨン性能
の低下およびランナ強度の信頼性の低下が懸念さ
れることに因る。このような技術的すう勢のもと
で、本発明はランナ強度の信頼性向上のためにな
されたものであり、ｎS≦170に限定した理由は上
記の理由と以下に示す小形化メリツトが大きいこ
とに因る。
(1) ｎS≦170では第５図ａに示すごとく、ランナ
出口径Deに対し、ランナ入口径Doが大きく、
ｎSを大きくすることによつてDoを大巾に小さ
く出来て、主機全体の小形化が計れることと、
輸送上の制限が緩和されて、一体ランナでより
大容量化が可能となり、主機の信頼性が向上す
る。
出口径Deに対し、ランナ入口径Doが大きく、
ｎSを大きくすることによつてDoを大巾に小さ
く出来て、主機全体の小形化が計れることと、
輸送上の制限が緩和されて、一体ランナでより
大容量化が可能となり、主機の信頼性が向上す
る。
(2) フランシス水車はｎS＝170附近にて水車効率
が最高となる特性を有しているので、ｎS≦170
以下で高比速度化を計ると水車効率を高くする
ことが出来、省エネルギーの面で効果的であ
る。
が最高となる特性を有しているので、ｎS≦170
以下で高比速度化を計ると水車効率を高くする
ことが出来、省エネルギーの面で効果的であ
る。
しかし、主機を高速・高比速度化すると、一
般にランナの剛性が低下して、ランナの固有振
動数が低下する。一方式(1)から判るごとく高速
化によつて水力加振力の周波数は増加してラン
ナ固有振動数と一致による共振現象が発生する
危険性を有している。
般にランナの剛性が低下して、ランナの固有振
動数が低下する。一方式(1)から判るごとく高速
化によつて水力加振力の周波数は増加してラン
ナ固有振動数と一致による共振現象が発生する
危険性を有している。
ｎS＝100m−KWのフランシス水車について検
討した試算例を第６図に示す。第４図に示すｎS
＜2015√の現状のランナでは第６図の点にあ
り、点の水力加振力周波数ｈaに対し、ラン
ナ固有振動数ｎは十分離れており安全側にあ
る。しかし、同一落差にてｎSを上げて高速化を
計ると第６図に示すごとく点にて両振動数が一
致して共振現象が発生する危険性がある。
討した試算例を第６図に示す。第４図に示すｎS
＜2015√の現状のランナでは第６図の点にあ
り、点の水力加振力周波数ｈaに対し、ラン
ナ固有振動数ｎは十分離れており安全側にあ
る。しかし、同一落差にてｎSを上げて高速化を
計ると第６図に示すごとく点にて両振動数が一
致して共振現象が発生する危険性がある。
一方ガイドベーンの枚数は構造上、据付上の容
易性から偶数を採用することが望ましく、ランナ
羽根の枚数は性能上の面でｎS≦170の範囲ではZr
≧15が使用される。
易性から偶数を採用することが望ましく、ランナ
羽根の枚数は性能上の面でｎS≦170の範囲ではZr
≧15が使用される。
よつて、本発明の効果を実用に供するに際し
て、式(6)の条件を満足しないことと、前述の考察
から以下のZrとZgの組合せが撰定される。すな
わち Zr＝15のとき Zg＝20，22，24，30 Zr＝16のとき Zg＝22，24，26，32 Zr＝17のとき Zg＝22，24，26，28 Zr＝18のとき Zg＝24，26，28，30 Zr＝19のとき Zg＝24，26，28，30，32 の組合せのうち、いずれか一つの組合せにて、Zr
とZgを決定する。
て、式(6)の条件を満足しないことと、前述の考察
から以下のZrとZgの組合せが撰定される。すな
わち Zr＝15のとき Zg＝20，22，24，30 Zr＝16のとき Zg＝22，24，26，32 Zr＝17のとき Zg＝22，24，26，28 Zr＝18のとき Zg＝24，26，28，30 Zr＝19のとき Zg＝24，26，28，30，32 の組合せのうち、いずれか一つの組合せにて、Zr
とZgを決定する。
以上述べたごとく本発明は今後増々高速化する
フランシス水車のランナの振動強度面での問題点
を解決し、信頼性の高い一体ランナでの大容量
化、性能向上による省エネルギー面での効果、小
形化による経済的効果等数々のメリツトを発揮し
うる機器を信頼性をそこなうことなく提供しうる
効果を有している。
フランシス水車のランナの振動強度面での問題点
を解決し、信頼性の高い一体ランナでの大容量
化、性能向上による省エネルギー面での効果、小
形化による経済的効果等数々のメリツトを発揮し
うる機器を信頼性をそこなうことなく提供しうる
効果を有している。
第１図はフランシス水車を示す平面図および縦
断面図、第２図はランナの固有モードの代表例を
示す説明図、第３図は多点加振現象の説明図、第
４図は最近のフランシス水車の適用範囲を示す特
性図、第５図はフランシス水車の形状と比速度の
関係を示す断面図、第６図は水力加振力周波数と
ランナ固有振動数との関係を示す線図である。 １……回転軸、２……ランナ、２ａ……クラウ
ン、２ｂ……バンド、２ｃ……羽根、３……ガイ
ドベーン。
断面図、第２図はランナの固有モードの代表例を
示す説明図、第３図は多点加振現象の説明図、第
４図は最近のフランシス水車の適用範囲を示す特
性図、第５図はフランシス水車の形状と比速度の
関係を示す断面図、第６図は水力加振力周波数と
ランナ固有振動数との関係を示す線図である。 １……回転軸、２……ランナ、２ａ……クラウ
ン、２ｂ……バンド、２ｃ……羽根、３……ガイ
ドベーン。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 複数枚の羽根とこの羽根の上下面を囲むクラ
ウンおよびバンドとより形成されるランナと、こ
のランナに隣設した固定流路側に設けられたガイ
ドベーンとを有するものにおいて、ランナの羽根
枚数をZr、ガイドベーンの枚数をZg、水車最高
落差をＨ（ｍ）、水車最高出力をＰ（kw）、回転
速度をＮ（rpm）としたとき、水車比速度ｎS
（＝Ｎ√／Ｈ5/4）がｎS≦170（ｍ−kw）及び
ｎS≧2015／√（ｍ−kw）であるとともに、Zr
とZgを以下に定める組合せのうちいずれか一の
組合せにて設定したことを特徴とするフランシス
水車。 Zr＝15：Zg＝20，22，24，30 Zr＝16：Zg＝22，24，26，32 Zr＝17：Zg＝22，24，26，28 Zr＝18：Zg＝24，26，28，30 Zr＝19：Zg＝24，26，28，30，32
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56181062A JPS5885367A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | フランシス水車 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56181062A JPS5885367A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | フランシス水車 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5885367A JPS5885367A (ja) | 1983-05-21 |
| JPS6219589B2 true JPS6219589B2 (ja) | 1987-04-30 |
Family
ID=16094115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56181062A Granted JPS5885367A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | フランシス水車 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5885367A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0740950Y2 (ja) * | 1989-07-03 | 1995-09-20 | 松下冷機株式会社 | 冷蔵庫 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103032249A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-04-10 | 华北水利水电学院 | 无固定导叶的冷却塔专用超低比速混流式水轮机 |
-
1981
- 1981-11-13 JP JP56181062A patent/JPS5885367A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0740950Y2 (ja) * | 1989-07-03 | 1995-09-20 | 松下冷機株式会社 | 冷蔵庫 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5885367A (ja) | 1983-05-21 |
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