JP2006214404A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】吸出し管での渦に起因する水圧脈動が効率的且つ容易に低減された水力機械を提供する。
【解決手段】ランナ１の下流に吸出し管２を有する水力機械において、吸出し管２の壁面の同一の高さであって相対向する位置に開口された複数の孔７ａ，７ｂと、相対向する位置の孔７ａ，７ｂを吸出し管２の外側で互いに連通する連通管８とを備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸出し管内の渦に起因する振動と騒音を低減したポンプやポンプ水車等の水力機械に関する。

フランシス形水車におけるランナの羽根は固定されており、出力を変化させる場合には、可動のガイドベーンの開度を変化させて流量調整を行なう。この場合、ランナへの水流の流入角度が変化しても、ランナの羽根は固定されているために水流のエネルギーを全てランナの回転に変換することができず、ランナ出口側へ旋回流れが流出する。特に、小流量の部分負荷運転時にはその現象が顕著であり、ランナ出口の吸出し管内には旋回流れに起因した大きな渦が発生する。この渦の中心部では圧力が著しく低下しており、水蒸気と遊離空気とで満たされた空洞が発生する。この気泡化した渦が吸出し管内部を振れ回ることにより、吸出し管の管壁を激しく叩いたり、この振れ回る渦の周波数が、発電所を構成している装置や部材と共振を起こしたりして、発電所内の振動および騒音の原因となり、安全かつ安定した運転が困難となる場合がしばしば見受けられる。

これまでに、この吸出し管内の渦に起因した振動や騒音を抑制する対策がいくつか考案されている。現在、一般的に行われている対策は、図２２に示すようにランナ１の下流の吸出し管２の内面に設けたフィン３による旋回流れの抑制、あるいは図２３に示すように吸出し管２を貫いて設けた給気管５からの空気注入による旋回流れの安定化である。

更には次のような構成も考案されている。一つは旋回流れを抑えるために吸出し管内壁に突出したフィンを取り付け、このフィン下流から発生する後流が下流の吸出し管曲がり部内周側の壁面に衝突して損傷を与える事がないように、フィンの取り付け位置を周方向特定の角度領域として構成されたものがある（例えば特許文献１参照）。

また、吸出し管に発生する渦の振れ回りを抑制して安定化するために、従来の水車には給気装置が取り付けられている。一般的な構成としては、上カバーあるいは主軸から強制的に給気するようにした構成や、吸出し管内壁に貫通した給気管あるいは中空室から空気を供給するようにした構成等がある。中空室を備えた給気装置は、断面が半円形の環状体から成る囲い体とこの囲い体の吸出し管中央側に設けられた複数の給気孔と、中空室を形成する吸出し管の内周壁を貫通して設置された連通管とから構成されている（例えば特許文献２参照）。部分負荷運転時には、吸出し管内に発生する渦の中心部で局所的な圧力低下を生じているので、中空室の給気孔から空気を吸込み、吸出し管中心部での圧力低下を緩和し渦を安定化する。

更に、吸出し管内へ強制的に給気する一般的な手段としてはコンプレッサが挙げられるが、その他としてケーシングに入る前の鉄管から取水して、この高圧水を利用して空気を吸い込み吸出し管内へ給気するジェットポンプ方式がある。ジェットポンプを用いた給気装置による給気量調整は、単なる給気有無のＯＮ−ＯＦＦ制御、或いはガイドベーン開度と上流下流の水位検出からジェットポンプの水量を調整して給気量制御する方法が開示されている（例えば特許文献３参照）。
特開平２−１４０４６６号公報 特開平１１−１５３０８１号公報 特開平２−２３８１７７号公報

上記特許文献１に開示されているような吸出し管の内壁に設ける旋回抑制フィンの取り付け場所は、フィン形状や運転状態あるいは吸出し管形状およびランナ形状によって変化する可能性があり、特定の場所に限定することは困難である。一方、特許文献２に開示されているような吸出し管内に半円形の環状体によって中空室を設ける構成では、吸出し管内壁面が全周にわたって下流方向へ凸なる領域が形成されることから、壁面での剥離損失が性能上無視できなくなる。また、中空室の給気孔位置は必ずしも吸出し管の最も中央側の位置が適切とは限らず、むしろ半円形壁面の下流側壁面の方が負圧に成り易く給気効果が得られると考えられる。

特許文献３に開示されているようなジェットポンプを用いて給気する構成ではコンプレッサ程に大掛かりにはならないが、給気量制御などを主機運転のシーケンスに新たに組み込む必要があること及びジェット水流によって吸出し管内の流れが乱される可能性があることなどの問題点が挙げられる。旋回流防止のフィンを取り付ける場合には、水車に見合うだけの大きさが必要であるため、大型水車へ適用する際、フィンも大型化することから、製造および脱落防止を考慮した設置方法が問題となる。
そこで本発明は、吸出し管での渦に起因する水圧脈動が効率的且つ容易に低減された水力機械を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、ランナの下流に吸出し管を有する水力機械において、前記吸出し管の壁面の同一の高さであって相対向する位置に開口された複数の孔と、前記相対向する位置の孔を吸出し管の外側で互いに連通する連通管とを備えている構成とする。

請求項４の発明は、ランナの下流に吸出し管を有する水力機械において、前記吸出し管の壁面の同一の高さであって周方向に沿って偶数個開口された孔と、前記孔を吸出し管の外側で対を成して連通する連通管とを備えている構成とする。

請求項５の発明は、ランナの下流に吸出し管を有する水力機械において、前記吸出し管の壁面同一の高さであって周方向に沿って３個以上開口された孔と、前記３個以上の孔を吸出し管の外側で連通する連通管とを備えている構成とする。

本発明によれば、吸出し管での渦に起因する水圧脈動が効率的且つ容易に低減された水力機械を提供することができる。

以下、本発明に係る水力機械の第１ないし第４の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１から図８を参照して説明する。本実施の形態の水力機械の基本構成は、図１、図２に示すように、ランナ１下流の吸出し管２の壁面には、相対向して同一高さ位置に内外貫通する孔７ａ、７ｂが開口されており、この２つの孔７ａ、７ｂは吸出し管２の外側で連通管８によって連通されている。実機では、この様な構成が図３に示すように異なる高さ位置に複数設置されており、本構成が設置される高さはランナ下端の吸出し管円錐部入口から吸出し管曲がり部入口までの範囲内である。

なお、それぞれの孔および連通管の設置高さは、水車の部分負荷運転時において吸出し管の水圧脈動が最も大きい運転条件下における吸出し管内の渦の形態、或いは模型水車試験における水圧脈動測定結果、或いは吸出し管の流れ解析に基づいて決定される。上記設置位置の検討ができない場合には、単に複数適当な間隔で上記構成を設置してもよい。

水車運転時、特に流量の少ない部分負荷運転時には、ランナ１からの流れは旋回流れとなっており、吸出し管２内にはこの旋回流れに起因する渦が発生し、強い水圧変動や振動が生じる場合がある。図４は部分負荷運転時の吸出し管２に発生する渦の観察結果であり、ランナ出口の中心付近から螺旋状の渦芯９が発生し、この渦芯９が下流の吸出し管に延びている。この螺旋状の渦芯９が吸出し管壁に最も近接する際に壁面の圧力が低下し、逆に相対する側、即ち渦芯９が遠ざかっているところの管壁の圧力は最も高くなる。同じ運転状態であれば、渦芯９はある一定の周期で吸出し管２内を振れ回るので、この圧力変化の繰り返しにより周期的な水圧変動が生じる。

発明者らは図４、図５に示す吸出し管の位置Ａ点とＢ点にて圧力センサ１０で水圧変動を測定した結果、図６に示す周期的な圧力波形を得た。Ａ点とＢ点は相対向する位置であり、圧力波形に１８０度位相差があることを確認した。このような水圧変動があまりに大きいと主機に深刻な振動をもたらす場合があり、時にはこの周期的な水圧変動の発生周波数が入口鉄管の固有振動数と一致して共振現象を引き起こす場合もある。

本実施の形態では、上記の渦芯９の振れまわり現象の観察と水圧脈動の測定結果に基づき、吸出し管２の壁面に対を成した孔７ａ、７ｂを開口し、相対向する位置における圧力の差を緩和して水圧脈動を低減する。具体的には、図２に示す１８０度位置の異なる壁面では圧力差が最も大きくなるので、この位置を連通管８にて連通させることでバランスさせることが可能であり、簡単に圧力差を減少させられる。また、渦芯９は螺旋状に下流に延びていることから、吸出し管２の高さ方向に渦芯９が管壁に接近する位置が幾つか存在する。図７は、この渦芯９が接近する複数の位置に本実施の形態の構造を設置したもので、高さ方向に延びる渦芯９による圧力差を個々に緩和することが可能である。

本実施の形態は相対向する位置で対を成し内外貫通する孔７ａ、７ｂを高さ方向に複数対設置するが、この設置範囲は吸出し管円錐部入口から曲がり部入口までに限られる。渦芯９の形状は運転状態によって種々変化するが、図４に示すように概ね曲がり部入口までの範囲内で最も螺旋形状が大きくなっており、それより下流では徐々に螺旋が弱まり先細りになる傾向を示す。このことから、本実施の形態では相対する孔７ａ、７ｂの設置位置を曲がり部入口までの範囲内とし、螺旋状の渦芯９が複数の高さ位置で管壁に開口された孔７ａ、７ｂに接近するので、広い範囲での相対する位置の圧力バランスを達成することができる。高さ方向に複数の対を成した孔７ａ、７ｂを形成することで、運転状態によって渦芯９の螺旋の仕方が異なり下方に螺旋部分が形成される場合にでも圧力をバランスさせることができる。

本実施の形態による吸出し管での水圧脈動特性を図８に従来例と比較して示す。図の横軸は水車出力、縦軸は吸出し管壁で測定された水圧脈動を落差に対する割合で示した値である。図中の破線は従来例、実線は本実施の形態である。なお、従来例は水圧脈動の低減手段を適用しない場合の結果である。このように本実施の形態では、渦芯が接近する部位の吸出し管壁の圧力と相対する位置の圧力をバランスさせて周期的な圧力変動を抑えることにより、部分負荷運転での振れ回る渦芯が従来よりも安定化し水圧脈動が低減される。

以上のように、本実施の形態は相対する位置での吸出し管２内の圧力差をバランスさせることにより簡単且つ効果的に水圧脈動が低減されるので、給気装置等の大掛かりな装置を必要とすることなく、部分負荷運転時の渦芯９が安定化し機器に損傷を与える可能性のある深刻な水圧脈動を低減することが可能である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図９〜図１３を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施の形態は、基本的な構成は第１の実施の形態と同様であるが、図９、図１０に示すように、吸出し管２の高さ方向に複数設置され対を成して連通される孔７ｃ、７ｄが周方向にずれて交互に設置されている。対を成している孔７ｃと７ｄのそれぞれは吸出し管２の外側で半割形連通管８ａ、８ｂにより連通される。

半割形連通管８ａ、８ｂは断面が円形の管を半割したもの、或いは断面が半円形となるように板材を曲げ加工したものを吸出し管２の外壁に帯状に溶接して形成される。吸出し管２の外壁と半割形連通管８ａ、８ｂとで形成される環状の中空室１１を形成して、連通する孔における圧力をバランスさせるように構成されている。半割形連通管８ａ、８ｂは、管材を曲げて吸出し管２の外壁に溶接固着してもよく、矩形或いは三角形の中空室断面を形成する環状の部材でもよい。即ち環状の中空室を形成する部材を吸出し管２の外壁に接合すればよい。

吸出し管２内で振れ回る螺旋状の渦芯９のある時間での一瞬の形態は、例えば図１２に示すように最初の渦芯が吸出し管壁の点Ａに接近した際、その渦芯の下流側に延びた部分は周方向にずれた点Ｂの付近で管壁に接近しており、更にその下流側は点Ａの相対する側の点Ｃ付近で接近している。渦芯９は時間と共に常に周方向に動き続けるが、ある一瞬一瞬では上記のように吸出し管２の管壁の同じ位置に接近・離隔を繰返している。本実施の形態によれば、周方向に高さを異ならせて相対向する位置に開口された対を成す孔７ｃ、７ｄを設けることによって、同時に異なる高さ位置での圧力差を緩和する作用がある。

図１３に本実施の形態と従来例の水圧変動特性を比較して示す。本実施の形態では高さ方向に複数の対を成した孔を設け且つ交互に周方向へずらして設けることで、運転点に応じて形態が変化する渦芯９を水車部分負荷の広い範囲で抑制することができ、従来特性よりも水圧変動を低減している。また、相対向する孔を連通する連通管は、第１の実施の形態では吸出し管２から離れた連通管８を通じて連結されていたが、本実施の形態では半割形連通管８ａ、８ｂを吸出し管２の外壁に溶接して固着させているので、この溶接された半割形連通管８ａ、８ｂが吸出し管２を補強する強度部材の役割も果たしている。

以上のように、本実施の形態は吸出し管２に発生する渦芯９の挙動が運転状態によって変化することを考慮に入れた高さ位置に、吸出し管２の壁面圧力を相対向する位置間でバランスさせることが可能な構造を複数設置しているので、広い部分負荷運転範囲において、機器に有害な吸出し管旋回流れを抑制することができ、安定した部分負荷運転が可能となる。

水力機械の運用範囲が渦芯による水圧脈動で制限されている水力発電所においては、本実施の形態の適用により従来よりも低出力側まで運転範囲を拡大でき、発電所全体の運用効率も向上するという効果がある。圧力バランス用に吸出し管の外側に溶接固着されている半割形の帯状の連通管構造を採用しているので、給気管構造のように配管スペースを特別に確保する必要がない。また、この連通管は強度部材となるので従来の吸出し管壁に適用されている部材よりも本実施の形態を適用する管壁部材は薄肉化が可能となり製作コストを低減できる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図１４〜図１７を参照して説明する。なお、第１、第２の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施の形態は、図１４〜図１６に示すように、吸出し管２の同一の高さで相対する位置に孔１３、１４を開口して、それぞれを連通管１２ａ、１２ｂにより連通する。同一の高さ位置に４つの孔１３、１４が吸出し管壁面に開口されており、周方向にずれて構成されている。図１５は図１４の部分的な説明図で、図１６は図１５のXVI− XVI矢視図を示している。

Ａ点とＡ’点、Ｂ点とＢ’点は吸出し管２の外側で互いの位置に於ける圧力をバランスするために、断面が半割形の連通管１２ａ、１２ｂが帯状に吸出し管外壁に溶接固着され中空室を形成した構造となっている。また、渦芯９は高さ方向に延びているので、本実施の形態では対を成した孔１３、１４が複数、吸出し管の高さ方向に設けられている。なお、本実施の形態では２対の孔１３、１４が同一の高さ位置に開口されているが、複数対の孔を開口してもよい。但し、同一高さに開口する孔の個数は偶数個である。

吸出し管内では渦芯が螺旋に近い形態をとって振れ回り、周方向での渦芯位置が周期的に変化している（図６参照）。本実施の形態はこの測定結果に基づき発明されたもので、渦芯９が吸出し管内を周方向に１回転する間に４箇所の位置で圧力バランスするように同一高さで４つの孔１３、１４が開口されている。

図１７に本実施の形態による水圧脈動特性を従来と比較して示す。本実施の形態は圧力バランスする頻度が多いため水圧脈動の大きさが効率よく低減されることが示されている。また、同一高さの４つの孔１３、１４が異なる高さで複数対形成されているので、各々の高さ位置において圧力バランスが頻繁に行われる結果、広範囲での渦芯の振れ回りが抑制され水圧脈動が低減される。

以上のように、本実施の形態は部分負荷などの非設計点において吸出し管２に発生する渦の挙動を簡単な構造により抑えることができる。特に吸出し管２内での同一高さ位置において周方向の複数箇所で圧力の不均衡を解消することができる。これにより水力機械の運用上問題となる水圧脈動による水車構成部品の振動や、発電運転時の電力揺動の発生を抑制することができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態を図１８〜図２１を参照して説明する。なお、第１ないし第３の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１８は吸出し管の側面図を、図１９は図１８におけるＺ１〜Ｚ４までの各断面を、図２０は図１９のＺ２断面の高さに於けるXX−XX矢視図をそれぞれ示している。本実施の形態は、吸出し管２の同一の高さ位置には周方向に３個の孔１６が開口されており、これら３個の孔１６は図１９に示すように吸出し管２の外側で連通管１５によって全て連通されている。連通管１５は円筒の配管部材を吸出し管２外壁面の周方向に沿って曲げ、溶接して接合している。このように構成された構成が吸出し管２の異なる高さ位置に複数設けられている。また、それぞれの高さ位置における孔１６の周方向位置は、図１９に示すように上下の孔１６の開口位置に対して周方向にずれて設置されている。

吸出し管２の同一高さ位置に開口されている孔の圧力がバランスされる作用は第１ないし第３の実施の形態と同様であるが、本実施の形態の場合は、同一高さに開口されている３個の孔１６全てが連通されているので、周方向に隣接する孔と孔の距離が相対向する位置の孔を連通する距離よりも短くなることから、圧力の伝播が速くなり、圧力バランスの進行が促進される。また、本実施の形態では上記作用が複数の高さ位置で同時に作用するので効率よく水圧脈動が低減される。図２１に水圧脈動特性を示すが、本実施の形態では水力機械の出力の広い範囲で且つ全体的に従来例よりも水圧脈動が下がっている。従来例において最も水圧脈動が小さい運転状態でも、水圧の変動は生じており、部分負荷運転時よりも安定したこのような運転条件でも水圧脈動を低減することができる。

以上のように、本実施の形態は容易に且つ簡単な構造により部分負荷から過負荷までの広い出力範囲において効率よく水圧脈動を低減することが可能である。また、複数の環状の連通管１５が吸出し管２外壁面に固着されているので、吸出し管２の強度が改善され水力機械運転の信頼性が向上する。更には周方向の圧力の不均一性が緩和されるので流動損失が低減されて水力機械の性能が向上するという効果もある。

本発明の第１の実施の形態の水力機械の要部の基本構造を示す側面図。 図１のII−II矢視図。 本発明の第１の実施の形態の水力機械の要部の構成を示す側面図。 水車の部分負荷運転時における吸出し管内の流れを説明する図。 図４のＶ−Ｖ矢視断面を示し、吸出し管の水圧脈動測定における圧力センサ取付位置を示す図。 吸出し管における水圧脈動測定結果を示す図。 本発明の第１の実施の形態の水力機械の作用を説明する図。 本発明の第１の実施の形態の水力機械の効果を説明する曲線図。 本発明の第２の実施の形態の水力機械の要部の構成を示す側面図。 図９のＸ−Ｘ矢視断面図。 図１０のXI−XI矢視断面図。 本発明の第２の実施の形態の水力機械の作用を説明する図。 本発明の第２の実施の形態の水力機械の効果を説明する曲線図。 本発明の第３の実施の形態の水力機械の要部の構成および作用を説明する側面図。 本発明の第３の実施の形態の要素構成を示す側面図。 図１５のXVI−XVI矢視断面図。 本発明の第３の実施の形態の水力機械の効果を説明する曲線図。 本発明の第４の実施の形態の水力機械の要部の構成を示す側面図。 図１８の異なる高さ位置Ｚ₁，Ｚ₂，Ｚ₃，Ｚ₄，に於ける断面図。 図１９のXX−XX矢視断面図。 本発明の第４の実施の形態の水力機械の効果を説明する曲線図。 従来の水力機械の第１の例を示す要部断面図。 従来の水力機械の第２の例を示す要部断面図。

符号の説明

１…ランナ、２…吸出し管、３…フィン、４…キャビテーション、５…給気管、６…空気、７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，１３，１４，１６…孔、８，１５…連通管、８ａ，８ｂ，１２ａ，１２ｂ…半割形連通管、９…渦芯、１０…圧力センサ、１１…中空室。

Claims (8)

1. ランナの下流に吸出し管を有する水力機械において、前記吸出し管の壁面の同一の高さであって相対向する位置に開口された複数の孔と、前記相対向する位置の孔を吸出し管の外側で互いに連通する連通管とを備えていることを特徴とする水力機械。
2. 前記相対向する孔および前記連通管は、吸出し管の異なる高さ位置に複数設置されていることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
3. 前記複数対の相対向する孔は吸出し管の高さ位置にしたがって周方向にずれて交互に開口していることを特徴とする請求項２記載の水力機械。
4. ランナの下流に吸出し管を有する水力機械において、前記吸出し管の壁面の同一の高さであって周方向に沿って偶数個開口された孔と、前記孔を吸出し管の外側で対を成して連通する連通管とを備えていることを特徴とする水力機械。
5. ランナの下流に吸出し管を有する水力機械において、前記吸出し管の壁面の同一の高さであって周方向に沿って３個以上開口された孔と、前記３個以上の孔を吸出し管の外側で連通する連通管とを備えていることを特徴とする水力機械。
6. 前記偶数個または３個以上の孔および前記連通管は、吸出し管の異なる高さ位置に複数設置されていることを特徴とする請求項４または５記載の水力機械。
7. 前記偶数個または３個以上の孔および前記連通管は、吸出し管の高さ位置にしたがって周方向にずれて設置されていることを特徴とする請求項６記載の水力機械。
8. 前記吸出し管の壁面に開口する孔は、吸出し管円錐部入口から曲がり部入口までの範囲に設けられていることを特徴とする請求項１または４または５記載の水力機械。
   
   

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