JP6523857B2 - Runner and hydraulic machine - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態は、ランナ及び水力機械に関する。 Embodiments of the present invention relate to a runner and a hydraulic machine.
水力機械の一例としてフランシス水車が知られている。一般的なフランシス水車では、水車主軸の下端にランナが固定され、ランナの外周側に形成された平行流路内に複数枚のガイドベーン及びステーベーンの各々が円周上に並んで配置されている。またステーベーンの外周側にケーシングが配置されている。この構成において、水圧鉄管から導かれた水がケーシングを通って複数枚のステーベーンの全周に亘って流入する。ステーベーンから流出する水は、ガイドベーンを通ってランナに導かれ、ランナを回転駆動する。これにより、水車主軸が回転して、水車主軸に連結された発電機が駆動される。一方、ランナを回転させた水は、吸出し管を経て下池に放水される。また水車運転時に、ガイドベーンの開度を変化させることにより、ランナに流入する水の水量を調整することができ、発電量を変化させることができる。 The Francis turbine is known as an example of a hydraulic machine. In a general Francis turbine, a runner is fixed to the lower end of the water turbine main shaft, and a plurality of guide vanes and stay vanes are circumferentially arranged side by side in a parallel flow path formed on the outer peripheral side of the runner . Moreover, a casing is arrange | positioned at the outer peripheral side of a stay vane. In this configuration, the water led from the hydraulic iron pipe flows through the casing all around the plurality of stay vanes. Water flowing out of the stay vanes is guided to the runner through the guide vanes to rotationally drive the runner. As a result, the water turbine main shaft rotates, and the generator connected to the water turbine main shaft is driven. On the other hand, the water which rotated the runner is discharged to the lower pond through the suction pipe. In addition, by changing the opening degree of the guide vanes at the time of water wheel operation, the amount of water flowing into the runner can be adjusted, and the amount of power generation can be changed.
フランシス水車のランナにおけるランナ羽根は固定羽根であるため、ガイドベーンからランナへ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根の入口角度βbと一致する場合に、衝突損失が小さく最も効率が良い。しかしながら、フランシス水車は、このような最も効率の良い設計点から外れた色々な運転状態で運転されるため、必ずしも常時、最適な運転状態で運転されるわけではない。 Since the runner blades in the runner of the Francis turbine are fixed blades, the collision loss is small and the most efficient when the relative angle β1 of the flow from the guide vane to the runner coincides with the inlet angle βb of the runner blades. However, the Francis turbine is not always operated at the optimal operating condition because it is operated at various operating conditions which deviate from such a most efficient design point.
図7には設計点から外れた高落差側の運転における流れの様子が示され、図8には設計点から外れた低落差側の運転における流れの様子が示されている。図7及び図8において、Cu1はランナの周速度を、Cv1は流れの絶対速度を、Cw1は流れの相対速度を示している。相対角度β1は、周速度Cu1と相対速度Cw1とから定められる。また、Rdは、ランナの回転方向を示している。 FIG. 7 shows the flow in the high-fall operation away from the design point, and FIG. 8 shows the flow in the low-fall operation off the design point. In FIG. 7 and FIG. 8, Cu1 indicates the circumferential velocity of the runner, Cv1 indicates the absolute velocity of the flow, and Cw1 indicates the relative velocity of the flow. The relative angle β1 is determined from the circumferential velocity Cu1 and the relative velocity Cw1. Also, Rd indicates the rotation direction of the runner.
例えば、図7に示すように、高落差側の運転点では、ランナのランナ羽根40へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根40の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致が生じる。その結果、ランナ羽根40の負圧面40nの入口側においてキャビテーションcaが発生し易くなる。このようなキャビテーションは、ランナ羽根の流水面の壊食を引き起こし得るため、機器信頼性の観点から問題となる。
For example, as shown in FIG. 7, at the high-falling operating point, the relative angle β1 of the flow flowing into the
また、図8に示すように、低落差側の運転点では、ランナのランナ羽根40へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根40の入口角度βbよりも小さくなり、流れ角度の不一致が生じる。その結果、ランナ羽根40の圧力面40p側から剥離渦whが発生し易くなる。このような剥離渦は、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションとは異なり破裂音を伴う。この剥離渦は発生しても、下流に伸長して例えば他のランナ羽根の流水面に付着しなければ、有害な壊食にはつながらない。そのため、剥離渦は、キャビテーションに比べれば大きな問題とはならない。但し、剥離渦が流水面に付着する場合や騒音を伴う場合には、できるだけ通常の運転範囲内にその発生限界が入らないように適切にランナ設計を行うことが望まれる。
Further, as shown in FIG. 8, at the operating point on the low drop side, the relative angle β1 of the flow flowing into the
上述のようなキャビテーション及び剥離渦の発生限界は、初生線として水車性能線図上に示すことができ、運転を制限するための目安とされる場合がある。図10には、一般的なフランシス水車の水車性能線図の一例が示されている。この線図において、横軸は落差を示し、縦軸は流量を示している。一点鎖線L11は、ランナ羽根の負圧面の入口側におけるキャビテーションの初生線を示しており、一点鎖線L12は、ランナ羽根の圧力面の入口側における剥離渦の初生線を示している。また、複数の破線は、等効率線を示している。図10に示す線図では、図中でハッチングを付した運転範囲の一部に2つの初生線L11,L12で示される範囲が含まれており、このような運転点ではキャビテーションや剥離渦が生じる恐れがあるため、運転が制限されることがある。 The generation limit of cavitation and separation vortices as described above can be shown on the water turbine performance chart as an initial line and may be used as a standard for limiting the operation. FIG. 10 shows an example of a typical Francis turbine water turbine performance diagram. In this diagram, the horizontal axis shows a drop and the vertical axis shows a flow rate. An alternate long and short dash line L11 indicates an initial line of cavitation on the inlet side of the negative pressure surface of the runner blade, and an alternate long and short dash line L12 indicates an initial line of separation vortex on the inlet side of the pressure surface of the runner blade. Also, a plurality of broken lines indicate equal efficiency lines. In the diagram shown in FIG. 10, a part of the hatched operating range includes the ranges indicated by two primary lines L11 and L12, and cavitation and peeling vortices occur at such operating points. Driving may be limited due to fear.
フランシス水車は、特に、低落差大流量の高比速度タイプの水車機種である場合や、運用効率を上げるためにダムの水位変化が大きい条件での運転を要求される場合や、出力変化幅を大きくして機器の運転範囲の拡大を要求される場合において、キャビテーション及び剥離渦の発生を抑制することが求められる。 Francis turbines are particularly high-speed, low-head-flow, high-specific-speed type water turbines, when operation is required under conditions where the water level changes in the dam are large to increase operation efficiency, and the output change width It is required to suppress the occurrence of cavitation and peeling vortices when it is required to increase the operating range of the device by enlarging it.
例えば、その対策の一つとして、図9の破線に示すように、ランナ羽根40の負圧面の入口側を通常の形状(図中の実線で示される形状)よりも膨らんだ形状(符号40a)に形成することが挙げられる。このような膨らみ部分に関しては、数値限定して形状を規定することにより、水力損失の低減及び剥離の抑制を図る技術等が従来から提案されている。
For example, as one of the measures, as shown by the broken line in FIG. 9, the inlet side of the negative pressure surface of the
しかしながら、キャビテーション及び剥離渦の発生を抑制するための対策として、上述のようにランナ羽根の負圧面の入口側に膨らみ部分を形成したとしても、最も張り出した部分から下流側で急激に流れが変化するので、キャビテーションが発生する場合がしばしばあり、キャビテーションを完全に抑制することは困難である。特に、高比速度タイプのランナではランナ羽根の入口から出口にかけての羽根長さが短いため、入口で高負荷となり、低比速度タイプのランナよりもキャビテーションの抑制が困難となる。また、膨らみ部分の形状を定義する場合には、ランナのバンド面形状の曲りの影響等も考慮しながら、最適な形状を試行錯誤的に探索しなければならず、設計に手間がかかる。 However, as a measure to suppress the occurrence of cavitation and peeling vortices, even if the swelling portion is formed on the inlet side of the suction surface of the runner blade as described above, the flow changes rapidly downstream from the most overhanging portion Because cavitation often occurs, it is difficult to completely suppress cavitation. In particular, in the high specific velocity type runner, since the blade length from the inlet to the outlet of the runner blade is short, the load is high at the inlet and cavitation suppression becomes more difficult than in the low specific velocity type runner. In addition, when defining the shape of the bulging portion, it is necessary to search for the optimum shape in a trial and error manner taking into consideration the influence of the curvature of the band surface shape of the runner, etc., which takes time for design.
また、膨らみ部分がランナ羽根の負圧面の入口側に形成される場合には、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションは抑制できるものの、高落差側のキャビテーション及び低落差側の剥離渦の両方を抑制することは困難である。 In addition, when the bulging portion is formed on the inlet side of the suction surface of the runner blade, although cavitation that may occur in the high-fall operation can be suppressed, both cavitation on the high-fall side and peeling vortices on the low-fall side It is difficult to suppress.
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、キャビテーション及び/又は剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械の運転範囲を十分に拡大することができるランナを及び水力機械を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a runner and a hydraulic machine capable of sufficiently expanding the operating range of a hydraulic machine by effectively suppressing the occurrence of cavitation and / or peeling vortices. Intended to provide.
実施の形態によるランナは、水力機械のランナであって、羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備えている。前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面又は圧力面に連続する入口側流水面を形成する。前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている。
また、実施の形態による水力機械は、前記のランナを備える。
The runner according to the embodiment is a runner of a hydraulic machine, and is a blade body, and an inlet-side blade forming member provided inside the inlet side of the blade body and exposing a part of the blade body to the outside. And a runner blade having The part of the inlet-side blade forming member exposed to the outside of the blade main body forms an inlet side water surface continuous with a negative pressure surface or a pressure surface of the blade main body. The inlet-side blade forming member is formed to change the shape of the inlet-side water surface in response to a change in pressure around it.
Moreover, the hydraulic machine by embodiment is provided with the said runner.
本発明によれば、キャビテーション及び/又は剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械の運転範囲を十分に拡大することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of cavitation and / or peeling vortices can be suppressed effectively and the operating range of a hydraulic machine can fully be expanded.
以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施の形態の説明では、図7乃至図10を用いて説明した一般的なフランシス水車と共通する構成部分や共通する事項について、同一の符号が用いられている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the respective embodiments, the same reference numerals are used for the same components as the common Francis turbine described with reference to FIGS. 7 to 10 and the common matters.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る水力機械としてのフランシス水車100を示している。このフランシス水車100は、図示しない上池から鉄管を通って水が流入する渦巻き状のケーシング1と、複数のステーベーン2と、複数のガイドベーン3と、ランナ4と、を備えている。ケーシング1とその内周側に配置されたランナ4との間には図示省略する上カバーと下カバーとからなる平行流路が形成されており、この平行流路内に、複数のステーベーン2と複数のガイドベーン3とが配置されている。ランナ4は、ケーシング1に対して回転軸線C1を中心に回転可能に設けられている。
First Embodiment
FIG. 1 shows a Francis
複数のステーベーン2は、ケーシング1から流出する水をガイドベーン3に導くためのものであり、ケーシング1の内周側において回転軸線C1に対する周方向(以下、周方向と呼ぶ。)に所定の間隔をあけて配置されている。複数のガイドベーン3は、流入した水をランナ4に導くためのものであり、ステーベーン2の内周側において周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ガイドベーン3の各々は回転可能であり、その開度を変化させることにより、ランナ4に流入する水の水量を調整することが可能となっている。
The plurality of
ランナ4は、クラウン11と、バンド12と、クラウン11及びバンド12の間に設けられた複数のランナ羽根13と、を有している。複数のランナ羽根13は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。
The runner 4 has a
ランナ4には、水車主軸6を介して発電機7が連結されており、発電機7は、ランナ4によって回転されることで発電を行う。また、ランナ4の下流側には、吸出し管5が設けられている。ランナ4を流出した水は、吸出し管5を通って下池に放水される。
A generator 7 is connected to the runner 4 via a water wheel
図2に示すように、本実施の形態におけるランナ羽根13は、羽根本体14と、羽根本体14の入口側(すなわち水車運転時の水の流入側)の内部に設けられ、その一部を羽根本体14の外部に露出させる入口側羽根形成部材15と、を有している。本実施の形態では、入口側羽根形成部材15のうちの羽根本体14の外部に露出される一部が、羽根本体14の負圧面14nに連続する入口側流水面15nを形成している。すなわち、ランナ羽根13の負圧面は、羽根本体14の負圧面14nと入口側流水面15nとで構成されている。
As shown in FIG. 2, the
一方、入口側羽根形成部材15のうちの入口側流水面15nとは異なる他の部分は、羽根本体14に形成された入口側羽根形成部材15を収容するための収容部14Cの内面に覆われた状態となっている。本実施の形態では、収容部14Cが、ランナ4の径方向に沿う断面視で羽根本体14の流水方向に長手方向が延びる長尺状に形成され、負圧面側に開放している。入口側羽根形成部材15は、収容部14C内に圧入等で固着されており、羽根本体14からの脱落が防止されている。
On the other hand, the other part of the inlet-side
本実施の形態では、入口側羽根形成部材15が、中空の弾性体からなり、収容部14Cに整合するように、ランナ4の径方向に沿う断面視で羽根本体14の流水方向に長手方向が延びる略長方形状に形成され、且つ内部空間16を有している。この内部空間16は密閉され、その圧力が第1の所定値に設定されている。
In the present embodiment, the inlet-side
上述の第1の所定値は、一例として、ランナ4へ流入する流れの相対角度がランナ羽根13の入口角度と一致する最も効率の良い設計点(設計落差及び設計流量)でフランシス水車100が運転されている際に負圧面14n側を流れる水の圧力の値と同等の値となっている。本実施の形態では、このような第1の所定値に内部空間16の圧力を設定するために、内部空間16に圧力が調整された流体(空気や高圧水等)が予め封入されている。なお、ランナ4においては、内部空間16の圧力を任意の値に調整するための制御機構が設けられてもよい。
As an example, the first predetermined value described above is operated by the
このような入口側羽根形成部材15は、その周囲の圧力変化に応じて、入口側流水面15nの形状を変化させるように形成されている。具体的に、入口側羽根形成部材15は、周囲の圧力条件と内部空間16の圧力条件との関係(相違)により、主流の水に接する側の入口側流水面15nの形状を例えば図2の破線に示す状態に変化させることが可能となっている。なお、本実施の形態の入口側流水面15nと羽根本体14の負圧面14nとは、設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際に、図2の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
Such an inlet side
本実施の形態の作用について説明する。 The operation of the present embodiment will be described.
本実施の形態に係るフランシス水車1においては、上池から導かれた水が鉄管を通ってケーシング1に導かれる。水は、ケーシング1により流れが周方向に均一化され、ケーシング1の内周側に配置されたステーベーン2及びガイドベーン3を通ってランナ4へ流入する。ランナ4は、通過する水の圧力エネルギーにより回転し、水車主軸6を介して連結する発電機7を駆動する。これにより、発電機7において発電が行われる。ランナ4から流出する水は、吸出し管5を通って下池に放出される。
In the
設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際には、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力と、負圧面14n側を流れる水の圧力とがつり合うことで、図2の実線で示すように、入口側流水面15nと羽根本体14の負圧面14nとは、滑らかに連続して流線形をなす。
When the
一方、高落差側の運転点となった際には、図2に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根13において負圧面14nの入口側、すなわち入口側流水面15nの周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力は、入口側流水面15nの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15nは、図2の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15nの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。
On the other hand, when it becomes the high drop side operation point, as shown in FIG. 2, the relative angle β1 of the flow flowing into the
これにより、本実施の形態によれば、ランナ羽根13の入口角度βbが図中矢印A1に示すように相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。また、入口側流水面15nの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15nの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和され、これにより、特に入口側流水面15nの下流側でのキャビテーションの発生が抑制される。
Thus, according to the present embodiment, when the inlet angle βb of the
したがって、本実施の形態によれば、キャビテーションの発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。図6は、本実施の形態の作用効果を説明するための水車性能線図を示している。図6において、一点鎖線L11は、入口側羽根形成部材15が設けられていない場合のキャビテーションの初生線を示しており、一点鎖線L12は剥離渦の初生線を示している。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L11を、図中の実線の初生線L1のように、高落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印αに示すように、より広範囲に拡大することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the occurrence of cavitation can be effectively suppressed, and the operating range of the
なお、本実施の形態では、負圧面側に入口側羽根形成部材15が設けられることで、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションを抑制できるが、羽根本体14の形状を低落差側の運転で生じ得る剥離渦を抑制できる形状に形成して、このような羽根本体14に入口側羽根形成部材15を組み合わせてもよい。この場合には、高落差側で生じ得るキャビテーション及び低落差側で生じ得る剥離渦の発生を抑制することが可能となり、より広範囲に運転範囲を拡大することができる。
In the present embodiment, by providing the inlet-side
(第2の実施の形態)
次に第2の実施の形態について説明する。本実施の形態における第1の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また第1の実施の形態と同様の作用及び効果についても、一部の説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. The same components as the components of the first embodiment in the present embodiment are assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted. In addition, a part of description of the same operation and effect as the first embodiment is also omitted.
図3に示すように、本実施の形態では、羽根本体14の圧力面14pのうちの入口側羽根形成部材15に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間16を連通する連通路18が、羽根本体14及び入口側羽根形成部材15に跨がって形成されている。言い換えると、羽根本体14の圧力面14pのうちの入口側羽根形成部材15に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間16まで延び、圧力面14pと内部空間16との間の水の流通を許容する連通路18が、羽根本体14及び入口側羽根形成部材15に跨がって形成されている。
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the
連通路18は、圧力面14pから収容部14Cまで延びる第1孔部18Aと、入口側羽根形成部材15のうちの圧力面14p側を向く面に形成された第2孔部18Bと、で構成されている。第1孔部18Aと第2孔部18Bとは互いに連なっている。
The
したがって、内部空間16は密閉されておらず、圧力面14p側に開放している。これにより、フランシス水車100が運転されている際には、羽根本体14の圧力面14p側の水が、内部空間16に流入する。また、本実施の形態の入口側流水面15nと羽根本体14の負圧面14nとは、設計落差及び設計流量におけるフランシス水車100の運転時に圧力面14p側の水が内部空間16に流入する状態において、図3の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
Therefore, the
本実施の形態の作用について説明する。 The operation of the present embodiment will be described.
本実施の形態では、高落差側の運転点となった際に、図3に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根13において負圧面14nの入口側、すなわち入口側流水面15nの周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16に流入している水の圧力は、入口側流水面15nの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15nは、図3の破線で示すように、主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15nの形状は、第1の実施の形態と同様に、その周囲の流れに沿うように変形する。
In the present embodiment, when the high drop side operation point is reached, as shown in FIG. 3, the relative angle β1 of the flow flowing into the
これにより、本実施の形態によれば、高落差側の運転であっても、ランナ羽根13の入口角度βbが相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。また、入口側流水面15nの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15nの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和され、これにより、特に入口側流水面15nの下流側でのキャビテーションの発生が抑制される。
Thus, according to the present embodiment, the occurrence of cavitation due to the mismatch of the flow angles is suppressed by the fact that the inlet angle βb of the
一方、低落差側の運転点となった際には、図8で示したように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根13において圧力面14pの入口側で剥離して、圧力面14pの入口側の周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16に流入している水の圧力も低下し、入口側流水面15nの周囲の圧力が、内部空間16の水の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15nは圧力面14p側に向けてへこむ状態となる。
On the other hand, when the operating point on the low head side is reached, as shown in FIG. 8, the relative angle β1 of the flow flowing into the
これにより、本実施の形態によれば、低落差側の運転であっても、ランナ羽根13の入口角度βbが相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。
Thereby, according to the present embodiment, even in the low-fall operation, the generation of the separation vortex due to the mismatch of the flow angles is suppressed by the fact that the inlet angle βb of the
したがって、本実施の形態においては、キャビテーション及び剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L11を、図中の実線の初生線L1のように、高落差側に離すことができる。また、初生線L12を、図中の実線の初生線L2のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印α及び矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。
Therefore, in the present embodiment, the occurrence of cavitation and separation vortices can be effectively suppressed, and the operating range of the
しかも、本実施の形態では、羽根本体14の圧力面14pと内部空間16とが連通しているので、内部空間16の圧力を運転状態によって調整しなくても、適切に入口側流水面15nの形状が変化する。そのため、内部空間16の圧力を調整するための作業や、圧力調整のための機構を設置する必要が無いため、製造コストに関する利点も得ることができる。
Moreover, in the present embodiment, since the
(第3の実施の形態)
次に第3の実施の形態について説明する。本実施の形態における第1及び第2の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
Third Embodiment
Next, a third embodiment will be described. The same components as the components of the first and second embodiments in the present embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図4に示すように、本実施の形態においても、ランナ羽根13は、羽根本体14と、羽根本体14の入口側の内部に設けられ、その一部を羽根本体14の外部に露出させる入口側羽根形成部材15と、を有するが、入口側羽根形成部材15のうちの羽根本体14の外部に露出される一部が羽根本体14の圧力面14pに連続する入口側流水面15pを形成している。すなわち、ランナ羽根13の圧力面は、羽根本体14の圧力面14pと入口側流水面15pとで構成されている。
As shown in FIG. 4, also in the present embodiment, the
本実施の形態における入口側羽根形成部材15は、中空の弾性体からなり、羽根本体14に形成された収容部14Cに整合するように、ランナ4の径方向に沿う断面視で羽根本体14の流水方向に長手方向が延びる略長方形状に形成され、且つ内部空間16を有している。この内部空間16は密閉され、その圧力が第2の所定値に設定されている。なお、本実施の形態における収容部14Cは、圧力面側に開放している。
The inlet-side
第2の所定値は、一例として、ランナ4へ流入する流れの相対角度がランナ羽根13の入口角度と一致する最も効率の良い設計点(設計落差及び設計流量)でフランシス水車100が運転されている際に圧力面14p側を流れる水の圧力の値と同等の値となっている。本実施の形態では、このような第2の所定値に内部空間16の圧力を設定するために、第1の実施の形態と同様に、内部空間16に圧力が調整された流体(空気や高圧水等)が予め封入されている。
As the second predetermined value, as an example, the
本実施の形態における入口側羽根形成部材15は、周囲の圧力条件と内部空間16の圧力条件との関係(相違)により、主流の水に接する側の入口側流水面15pの形状を例えば図4の破線に示す状態に変化させることが可能となっている。なお、本実施の形態の入口側流水面15pと羽根本体14の圧力面14pとは、設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際に、図4で実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
The inlet-side
本実施の形態の作用について説明する。 The operation of the present embodiment will be described.
本実施の形態においては、設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際には、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力と、圧力面14p側を流れる水の圧力とがつり合うことで、図4の実線で示すように、入口側流水面15pと羽根本体14の圧力面14pとは、滑らかに連続して流線形をなす。
In the present embodiment, when the
一方、低落差側の運転点となった際には、図4に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βb(図示省略)よりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根13において圧力面14pの入口側で剥離して、圧力面14pの入口側すなわち入口側流水面15pの周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力は、入口側流水面15pの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15pは、図4の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15pの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。
On the other hand, when the operating point is on the low head side, as shown in FIG. 4, the relative angle β1 of the flow flowing into the
これにより、本実施の形態によれば、ランナ羽根13の入口角度βbが図中矢印A2に示すように相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。また、入口側流水面15pの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15pの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和される。
Thereby, according to the present embodiment, the generation of the separation vortex due to the mismatch of the flow angles is suppressed by the fact that the inlet angle βb of the
したがって、本実施の形態によれば、剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L12を、図中の実線の初生線L2のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to effectively suppress the generation of the separation vortex and sufficiently expand the operating range of the
(第4の実施の形態)
次に第4の実施の形態について説明する。本実施の形態における第1乃至第3の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また特に第3の実施の形態と同様の作用及び効果についても、一部の説明を省略する。
Fourth Embodiment
Next, a fourth embodiment will be described. The same components as the components of the first to third embodiments in the present embodiment are assigned the same reference numerals and explanation thereof is omitted. In addition, a part of the description will be omitted also regarding the same operation and effect as the third embodiment.
本実施の形態の入口側羽根形成部材15は、第3の実施の形態と同様の位置に設けられる。一方、図5に示すように、本実施の形態では、羽根本体14の負圧面14nのうちの入口側羽根形成部材15に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間16を連通する連通路18が、羽根本体14及び入口側羽根形成部材15に跨がって形成されている。
The inlet-side
連通路18は、負圧面14nから収容部14Cまで延びる第1孔部18Aと、入口側羽根形成部材15のうちの負圧面14n側を向く面に形成された第2孔部18Bと、で構成されている。第1孔部18Aと第2孔部18Bとは互いに連なっている。
The
したがって、内部空間16は密閉されておらず、負圧面14n側に開放している。これにより、フランシス水車100が運転されている際には、羽根本体14の負圧面14n側の水が、内部空間16に流入する。また、本実施の形態の入口側流水面15pと羽根本体14の圧力面14pとは、設計落差及び設計流量におけるフランシス水車100の運転時に負圧面14n側の水が内部空間16に流入する状態において、図5の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
Therefore, the
本実施の形態の作用について説明する。 The operation of the present embodiment will be described.
本実施の形態では、低落差側の運転点となった際に、図5に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βb(図示省略)よりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根13において圧力面14pの入口側で剥離して、圧力面14pの入口側すなわち入口側流水面15pの周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力は、入口側流水面15pの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15pは、図5の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15pの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。
In the present embodiment, when the operating point on the low head side is reached, as shown in FIG. 5, the relative angle β1 of the flow flowing into the
これにより、本実施の形態によれば、低落差側の運転であっても、第3の実施の形態と同様に、ランナ羽根13の入口角度βbが図中矢印A2に示すように相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。また、入口側流水面15pの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15pの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和される。
Thus, according to the present embodiment, even in the low-drop operation, as in the third embodiment, the inlet angle βb of the
一方、高落差側の運転点となった際には、図7で示したように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根13において負圧面14nの入口側の周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16に流入している水の圧力も低下し、入口側流水面15pの周囲の圧力が、内部空間16の水の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15pは負圧面14n側に向けてへこむ状態となる。
On the other hand, when it becomes the high drop side operation point, as shown in FIG. 7, the relative angle β1 of the flow flowing into the
これにより、本実施の形態によれば、高落差側の運転であっても、ランナ羽根13の入口角度βbが相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。
Thus, according to the present embodiment, the occurrence of cavitation due to the mismatch of the flow angles is suppressed by the fact that the inlet angle βb of the
したがって、本実施の形態によれば、キャビテーション及び剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L11を、図中の実線の初生線L1のように、高落差側に離すことができる。また、初生線L12を、図中の実線の初生線L2のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印α及び矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the occurrence of cavitation and separation vortices can be effectively suppressed, and the operating range of the
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, said embodiment is shown as an example, and it is not intending limiting the range of invention. This novel embodiment can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements and changes can be made without departing from the scope of the invention. While this embodiment and its modification are included in the range and subject matter of invention, they are included in the invention indicated to the claim, and the equivalent range.
例えば、上述の各実施の形態では、入口側羽根形成部材15が内部空間16を有するが、これに代えて、入口側羽根形成部材15は、実質的に内部空間を有さない中実状であって、その周囲の圧力変化に応じて膨張及び収縮する弾性体から形成されていてもよい。このような部材の一例としては、多孔質弾性体等が挙げられる。
For example, in each of the embodiments described above, the inlet-side
1 ケーシング、2 ステーベーン、3 ガイドベーン、4 ランナ、5 吸出し管、6 水車主軸、7 発電機、11 クラウン、12 バンド、13 ランナ羽根、14 羽根本体、14C 収容部、14n 負圧面、14p 圧力面、15 入口側羽根形成部材、15n 入口側流水面、15p 入口側流水面、16 内部空間、18 連通路、18A 第1孔部、18B 第2孔部、100 フランシス水車(水力機械)。
Claims (5)
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は密閉された内部空間を有し、前記内部空間の圧力が所定値に設定されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。 It is a runner of a hydraulic machine,
A runner blade having a blade body, and an inlet-side blade forming member provided inside the inlet side of the blade body and exposing a part of the blade body to the outside;
Wherein the portion that is exposed to the outside of the blade body of said inlet-side blade formation member forms an inlet-side flow water surface continuous to the negative pressure surface of the blade body,
The inlet-side blade forming member has a sealed internal space, and the pressure of the internal space is set to a predetermined value,
The inlet side blade forming member is formed to change a shape of the inlet side water surface according to a pressure change around the inlet side blade forming member.
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記羽根本体の圧力面から前記内部空間を連通する連通路が、前記羽根本体及び前記入口側羽根形成部材に跨がって形成されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。 It is a runner of a hydraulic machine,
A runner blade having a blade body, and an inlet-side blade forming member provided inside the inlet side of the blade body and exposing a part of the blade body to the outside;
Wherein the portion that is exposed to the outside of the blade body of said inlet-side blade formation member forms an inlet-side flow water surface continuous to the negative pressure surface of the blade body,
The inlet side vane forming member has an internal space,
A communication passage communicating the internal space from the pressure surface of the blade body is formed straddling the blade body and the inlet-side blade forming member,
The inlet side blade forming member is formed to change a shape of the inlet side water surface according to a pressure change around the inlet side blade forming member .
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の圧力面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は密閉された内部空間を有し、前記内部空間の圧力が所定値に設定されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。 It is a runner of a hydraulic machine,
A runner blade having a blade body, and an inlet-side blade forming member provided inside the inlet side of the blade body and exposing a part of the blade body to the outside;
The part of the inlet-side blade forming member exposed to the outside of the blade main body forms an inlet side water surface continuous with the pressure surface of the blade main body,
The inlet-side blade forming member has a sealed internal space, and the pressure of the internal space is set to a predetermined value,
The inlet side blade forming member is formed to change a shape of the inlet side water surface according to a pressure change around the inlet side blade forming member .
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の圧力面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記羽根本体の負圧面から前記内部空間を連通する連通路が、前記羽根本体及び前記入口側羽根形成部材に跨がって形成されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。
ことを特徴とする請求項1に記載のランナ。 It is a runner of a hydraulic machine,
A runner blade having a blade body, and an inlet-side blade forming member provided inside the inlet side of the blade body and exposing a part of the blade body to the outside;
The part of the inlet-side blade forming member exposed to the outside of the blade main body forms an inlet side water surface continuous with the pressure surface of the blade main body,
The inlet side vane forming member has an internal space,
A communication passage communicating the internal space from the suction surface of the blade main body is formed straddling the blade main body and the inlet side blade forming member,
The inlet side blade forming member is formed to change a shape of the inlet side water surface according to a pressure change around the inlet side blade forming member .
The runner according to claim 1, characterized in that.
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