JP2010024962A - Runner for hydraulic machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、クラウンとバンドとの間に、長い羽根長さを有する第１羽根と、第１羽根の羽根長さよりも短い羽根長さを有する第２羽根とを有するランナ羽根を備えた水力機械のランナに係り、とりわけ、部分負荷運転効率、キャビテーション性能を向上させるようにした水力機械のランナに関する。 The present invention relates to a hydraulic machine including a runner blade having a first blade having a long blade length and a second blade having a blade length shorter than the blade length of the first blade between the crown and the band. In particular, the present invention relates to a hydraulic machine runner that improves partial load operation efficiency and cavitation performance.
一般に、フランシス水車を設計点（発電効率が最高となる点）運転領域において運転する場合、ランナ内の水の流れはランナの流線に沿った流れとなる。この場合、ランナに主軸を介して連結された発電機により、所望の発電量が効率良く得られる。 In general, when the Francis turbine is operated in a design point (a point where the power generation efficiency is highest), the water flow in the runner follows the runner streamline. In this case, a desired power generation amount can be efficiently obtained by the generator connected to the runner via the main shaft.
このようなフランシス水車において発電量を変化させる場合、ガイドベーンの開度を変化させて、ランナに流入される水の流量が調整される。このことにより、ランナの回転駆動力が変化して、発電機の発電量が変化する。このため、フランシス水車を運転している間、発電機の発電量に応じてランナに流入される水の流量が変化し、ランナ内の水の流れは大きく変化する。 When the power generation amount is changed in such a Francis turbine, the flow rate of water flowing into the runner is adjusted by changing the opening of the guide vane. As a result, the rotational driving force of the runner changes and the amount of power generated by the generator changes. For this reason, while operating the Francis turbine, the flow rate of water flowing into the runner changes according to the amount of power generated by the generator, and the flow of water in the runner changes greatly.
すなわち、ランナに流入される水の流量が設計点流量よりも少ない場合（部分負荷運転領域）、ランナに流入されてランナの出口側へ向かう水の動圧力は、ランナが回転することにより生じる遠心力よりも小さくなる。このため、図８に示すように、クラウン４２とバンド４３とランナ羽根４４とを有するランナ４１において、ランナ４１に流入された水は、ランナ４１のバンド４３側に偏って流れる。
That is, when the flow rate of water flowing into the runner is smaller than the design point flow rate (partial load operation region), the dynamic pressure of water flowing into the runner and going to the outlet side of the runner is generated by the rotation of the runner. Smaller than force. For this reason, as shown in FIG. 8, in the
一方、ランナ４１に流入される水の流量が多い場合（過負荷運転領域）、ランナ４１に流入されてランナ４１の出口側へ向かう水の動圧力が、ランナ４１が回転することにより生じる遠心力よりも大きくなる。このため、ランナ４１に流入された水は、図８に示した上述の水の流れとは逆に、ランナ４１のクラウン４２側に偏って流れる。
On the other hand, when the flow rate of water flowing into the
このように、ランナ４１の流線に沿うことなく、クラウン４２側またはバンド４３側に偏った流れは、二次流れと呼ばれている。この二次流れが発生した場合、ランナ４１に流入された水は、ランナ４１内を偏って流れるため、ランナ４１において損失が発生する。
In this way, a flow that is not along the streamline of the
このランナの損失を低減するために、図９および図１０に示すように、クラウンとバンドとの間に、長い羽根長さを有する多数の長翼３３と、長翼３３よりも短い羽根長さを有する多数の短翼３４とを有するランナ羽根３２が設けられたランナ（スプリッタランナ）３１が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。このスプリッタランナ３１を用いた場合、図１１に示すように、特に非設計点において、このスプリッタランナ３１へ流入された水が、スプリッタランナ３１内を偏って流れることが抑制される。
通常のスプリッタランナは、短翼の羽根長さをクラウン側からバンド側まで長翼の７０％〜４０％程度に短くしたものを用いている。しかし、通常のランナと長翼の羽根枚数が同じ場合、水車出口部分では短翼が無い部分では通常ランナよりも翼負荷が大きくなり、出口キャビテーション性能が悪化する虞がある。 A normal splitter runner uses a short blade whose length is shortened to about 70% to 40% of the long blade from the crown side to the band side. However, when the number of blades of the normal runner and the long blade is the same, the blade load becomes larger than that of the normal runner in the portion where there is no short blade at the turbine exit portion, and the exit cavitation performance may be deteriorated.
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、キャビテーション性能や水車性能の向上を図った水力機械のランナを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a runner for a hydraulic machine that improves cavitation performance and water turbine performance.
本発明は、主軸に連結されたクラウンと、クラウンから離間して配置されたバンドと、クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、回転中心点と、当該第２羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第２クラウン側線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第１クラウン側線分とのなす角をθ２とし、第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２クラウン側線分を基準とするランナの回転方向をθ２の正方向としたとき、
θ１≧θ２
となるように、θ１およびθ２が設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
The present invention relates to a crown connected to the main shaft, a band spaced apart from the crown, a plurality of first blades having a long blade length interposed between the crown and the band, and a first blade A runner blade having a plurality of second blades having a short blade length and a runner blade having a crown, a band, a first blade and a second blade, The second band side line segment connecting the rotation center point and the intersection where the trailing edge of the second blade intersects the band, the rotation center point, and the second blade when projected onto a plane orthogonal to the main axis on the side The angle between the first band side line connecting the intersection of the trailing edge of the first blade adjacent to the rotation direction and the band is θ1, and the rotation center point and the trailing edge of the second blade intersect with the crown. A second crown side line connecting the intersection points; The angle formed by the first crown side line segment connecting the rolling center point and the intersection point where the trailing edge of the first blade intersects the crown is θ2, and the rotation direction of the runner with respect to the second band side line segment is the positive value of θ1. When the rotation direction of the runner with reference to the second crown side line is the positive direction of θ2,
θ1 ≧ θ2
Thus, the hydraulic machine runner is characterized in that θ1 and θ2 are set.
本発明は、クラウンとバンドとの間に介在されたランナ羽根の枚数をＺｒとしたとき、
１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒ
となるように、θ１が設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
In the present invention, when the number of runner blades interposed between the crown and the band is Zr,
180 ° / Zr ≦ θ1 ≦ 540 ° / Zr
Thus, the hydraulic machine runner is characterized in that θ1 is set.
本発明は、θ１およびθ２は、
θ１≧０、およびθ２≦０
であって、かつ、
θ１＝０のときθ２＜０、およびθ２＝０のときθ１＞０
となるように設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
In the present invention, θ1 and θ2 are
θ1 ≧ 0 and θ2 ≦ 0
And
θ2 <0 when θ1 = 0, and θ1> 0 when θ2 = 0
It is the runner of the hydraulic machine characterized by being set to become.
本発明は、主軸に連結されたクラウンと、クラウンから離間して配置されたバンドと、クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、回転中心点と、当該第２羽根の後縁のうち任意の点とを結ぶ第２後縁線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁のうち、第２羽根の後縁と第２後縁線分との交点と同一半径上にある点とを結ぶ第１後縁線分とのなす角の最小値をθ３とし、第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２後縁線分を基準とするランナの回転方向をθ３の正方向としたとき、
θ１＞θ３
となるように、θ１およびθ３が設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
The present invention relates to a crown connected to the main shaft, a band spaced apart from the crown, a plurality of first blades having a long blade length interposed between the crown and the band, and a first blade A runner blade having a plurality of second blades having a short blade length and a runner blade having a crown, a band, a first blade and a second blade, The second band side line segment connecting the rotation center point and the intersection where the trailing edge of the second blade intersects the band, the rotation center point, and the second blade when projected onto a plane orthogonal to the main axis on the side The angle formed by the first band-side line segment connecting the intersection of the trailing edge of the first blade adjacent to the rotation direction with the band is θ1, and the rotation center point and any of the trailing edges of the second blade A second trailing edge line connecting the points, a rotation center point, Of the trailing edges of the first blade, the minimum value of the angle formed by the first trailing edge line connecting the point on the same radius as the intersection of the trailing edge of the second blade and the second trailing edge line When θ3 is the rotation direction of the runner with reference to the second band side line segment as the positive direction of θ1, and the rotation direction of the runner with reference to the second trailing edge line segment is the positive direction of θ3,
θ1> θ3
Thus, the hydraulic machine runner is characterized in that θ1 and θ3 are set.
本発明によれば、上述したθ１およびθ２が、θ１≧θ２となるように設定されることにより、第２羽根の羽根長さのうち、クラウン側の羽根長さが、バンド側の羽根長さよりも短くなる。このことにより、第１羽根と、この第１羽根に隣接する第２羽根との間に形成される羽根出口のうち、クラウン側の羽根出口の流路面積が大きくなる。このため、過負荷運転領域において、クラウン側に偏って流れる水を効率良く流すことができる。この結果、過負荷運転領域において、ランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナの効率をより一層向上させることができる。 According to the present invention, the above-described θ1 and θ2 are set such that θ1 ≧ θ2, so that among the blade lengths of the second blade, the crown-side blade length is greater than the band-side blade length. Will also be shorter. This increases the flow area of the crown-side blade outlet among the blade outlets formed between the first blade and the second blade adjacent to the first blade. For this reason, in the overload operation region, it is possible to efficiently flow water that is biased toward the crown. As a result, increase in runner loss can be suppressed in the overload operation region, and the efficiency of the runner of the hydraulic machine can be further improved.
また本発明によれば、上述したθ１およびθ３が、θ１＞θ３となるように設定されていることにより、第２羽根の後縁が凹状になるように第２羽根が形成される。このため、第１羽根と、この第１羽根に隣接する第２羽根との間に形成される羽根出口のうち、クラウンとバンドとの中間部付近における羽根出口の流路面積が大きくなる。このため、過負荷運転領域において、クラウン側に偏って流れる水を効率良く流すことができる。また、第２羽根の羽根長さのうち、バンド側の羽根長さが短くなることなく第２羽根が形成される。このため、部分負荷運転領域において、バンド側に偏って流れる水が整流され、羽根出口における圧力最低値が大きくなる。この結果、過負荷運転領域および部分負荷領域においてランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナの効率をより一層向上させることができる。 Further, according to the present invention, the second blade is formed so that the trailing edge of the second blade is concave by setting the above-described θ1 and θ3 to be θ1> θ3. For this reason, among the blade outlets formed between the first blade and the second blade adjacent to the first blade, the passage area of the blade outlet near the intermediate portion between the crown and the band is increased. For this reason, in the overload operation region, it is possible to efficiently flow water that is biased toward the crown. Moreover, the 2nd blade | wing is formed, without the blade | wing length of a band side shortening among the blade | wing lengths of a 2nd blade | wing. For this reason, in the partial load operation region, the water flowing biased toward the band side is rectified, and the minimum pressure value at the blade outlet increases. As a result, it is possible to suppress increase in runner loss in the overload operation region and the partial load region, and to further improve the efficiency of the runner of the hydraulic machine.
第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１乃至図４は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを示す図である。このうち図１は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを含むフランシス水車の全体構成を示す図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナの断面構成を示す図であり、図３は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図であり、図４は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナにおいて、過負荷運転時におけるθ２とランナ損失との関係を示す図である。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS First Embodiment Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. Here, FIG. 1 thru | or FIG. 4 is a figure which shows the runner of the hydraulic machine in the 1st Embodiment of this invention. Among these, FIG. 1 is a figure which shows the whole structure of the Francis turbine including the runner of the hydraulic machine in the 1st Embodiment of this invention, FIG. 2 is the figure of the hydraulic machine in the 1st Embodiment of this invention. FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the runner, FIG. 3 is a view of the runner of the hydraulic machine according to the first embodiment of the present invention as viewed from the outlet side, and FIG. 4 is a diagram of the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship between (theta) 2 and a runner loss at the time of an overload driving | operation in the runner of the hydraulic machine in a form.
まず、図１によりフランシス水車２０の全体構成について説明する。図１に示すように、フランシス水車２０は、水が流入するケーシング２５と、回動自在に設けられ、ケーシング２５内から流入する水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのランナ１とを備えている。またケーシング２５内周側には、ランナ１へ向けた水の流路を形成するステーベーン２６が設けられ、このステーベーン２６の出口側に、ランナ１へ流入する水量を変化させるガイドベーン２７が設けられている。また、ランナ１は、多数のランナ羽根４を有し（図２および図３参照）、このランナ１に、主軸２８を介して発電機２９が連結されている。
First, the overall configuration of the Francis
図１において、フランシス水車２０を運転する場合、まず、水は、図示しない上池から図示しない水圧鉄管を通りフランシス水車２０のケーシング２５内に流れ込む。ケーシング２５内に流れ込んできた水は、ステーベーン２６およびガイドベーン２７を通ってランナ１に流入される。ランナ羽根４がランナ１に流入された水の流れを受けて、ランナ１が回転駆動され、主軸２８を介して発電機２９が駆動される。一方、ランナ１を回転駆動させた水は、吸出し管３０を経て図示しない放水路へと流出する。
In FIG. 1, when the Francis
次に、本発明による水力機械のランナ１について、図２および図３を用いて説明する。図２に示すように、水力機械のランナ１は、主軸９に連結されたクラウン２と、クラウン２から離間して配置されたバンド３と、クラウン２とバンド３との間に介在されたランナ羽根４とを備えている。このうちランナ羽根４は、長い羽根長さを有する多数の第１羽根５と、第１羽根５よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根７とを有している。このランナ羽根４の第１羽根５と第２羽根７は、クラウン２とバンド３との間に交互に配置されるとともに、互いに円周方向に等間隔に配置されている。
Next, a
次に、図３を用いて、第１羽根５および第２羽根７の出口側形状について詳述する。図３に示すように、第２羽根７の後縁８の一端は、クラウン２に、クラウン２との交点Ｐ２ａにおいて交わり、第２羽根７の後縁８の他端は、バンド３に、バンド３との交点Ｐ２ｂにおいて交わっている。また、第２羽根７に、水力機械のランナ１の回転方向に隣接する第１羽根５の後縁６の一端は、クラウン２に、クラウン２との交点Ｐ１ａにおいて交わり、第１羽根５の後縁６の他端は、バンド３に、バンド３との交点Ｐ１ｂにおいて交わっている。
Next, the shape of the outlet side of the
また、図３において、クラウン２と、バンド３と、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とが、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影して示されている。図３により、第１羽根５および第２羽根７の形状について更に説明する。まず、図３において、回転中心点Ｐｏと、第２羽根７の後縁８がバンド３と交わる交点Ｐ２ｂとを結ぶ第２バンド側線分Ｌ２ｂと、回転中心点Ｐｏと、第１羽根５の後縁６がバンド３と交わる交点Ｐ１ｂとを結ぶ第１バンド側線分Ｌ１ｂとのなす角θ１が示されている。
In FIG. 3, the
また、図３において、回転中心点Ｐｏと、当該第２羽根７の後縁８がクラウン２と交わる交点Ｐ２ａとを結ぶ第２クラウン側線分Ｌ２ａと、回転中心点Ｐｏと、当該第１羽根５の後縁６がクラウン２と交わる交点Ｐ１ａとを結ぶ第１クラウン側線分Ｌ１ａとのなす角θ２が示されている。
In FIG. 3, the second crown side line segment L2a connecting the rotation center point Po and the intersection point P2a where the trailing
この場合、第２バンド側線分Ｌ２ｂを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ１の正方向とし、第２クラウン側線分Ｌ２ａを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ２の正方向としたとき、
θ１≧θ２
となるように、θ１およびθ２が設定され、第１羽根５および第２羽根７が形成されている。
In this case, the rotation direction of the
θ1 ≧ θ2
Θ1 and θ2 are set so that the
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。 Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described.
図２および図３に示す水力機械のランナ１において、上述したように、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とを、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影した場合において、上述したθ１およびθ２が、θ１≧θ２となるように設定されている。この場合、第２羽根７の後縁８がクラウン２と交わる交点Ｐ２ａは、第２羽根７の後縁８がバンド３と交わる交点Ｐ２ｂに対して、流線方向位置が入口側となる位置に配置される。すなわち、第２羽根７の羽根長さのうち、クラウン２側の流線方向の羽根長さが、バンド３側の流線方向の羽根長さよりも短くなる。このため、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口（スロート）のうち、クラウン２側の羽根出口の流路面積が大きくなる。
2 and 3, the
ここで、過負荷運転領域において水力機械を運転する場合、水力機械のランナ１内を流れる水の流量は、設計点領域において水力機械を運転する場合よりも多い。このことにより、水力機械のランナ１内の水の流れは、一般にクラウン２側に偏った流れとなる。この場合、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口の流路面積が小さいと、羽根出口を流れる水の流速が増大して摩擦損失が増加し、ランナの損失は増大する。
Here, when the hydraulic machine is operated in the overload operation region, the flow rate of the water flowing in the
これに対して本発明によれば、上述したように、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口のうち、クラウン２側の羽根出口の流路面積が大きくなっている。このことにより、クラウン２側の羽根出口に、クラウン２側に偏って流れていた水が流れる。このため、羽根出口を流れる水の流速が増大することを抑制して、羽根出口における摩擦損失が増加することを抑制し、ランナの損失が増大することを抑制することができる。
On the other hand, according to the present invention, as described above, the blade on the
また、本実施の形態においては、ランナ羽根４の第１羽根５と第２羽根７は、クラウン２とバンド３との間に交互に配置されているため、上述した第２羽根７の形状による作用を確実に発揮することができる。すなわち、ランナの損失が増大することを確実に抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the
次に、図４を用いて、過負荷運転領域におけるθ２と、ランナの損失との関係について説明する。図４において、θ２が小さくなるに従い、ランナの損失が低減されることが示されている。とりわけθ２がθ２≦θ１となっている場合、ランナの損失が大幅に低減されることがわかる。 Next, the relationship between θ2 in the overload operation region and the runner loss will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows that the runner loss is reduced as θ2 becomes smaller. In particular, when θ2 is θ2 ≦ θ1, it can be seen that the runner loss is greatly reduced.
このように本実施の形態によれば、θ１およびθ２が、θ１≧θ２となるように設定されることにより、第２羽根７の羽根長さのうち、クラウン２側の羽根長さが、バンド３側の羽根長さよりも短くなる。このことにより、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口のうち、クラウン２側の羽根出口の流路面積が大きくなる。このため、過負荷運転領域において、クラウン２側に偏って流れる比較的多量の水を効率良く流すことができる。この結果、過負荷運転領域において、ランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナ１の効率をより一層向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, θ1 and θ2 are set so that θ1 ≧ θ2, so that among the blade lengths of the
第２の実施の形態
次に、図５により、本発明の第２の実施の形態における水力機械のランナについて説明する。ここで図５は、本発明の第２の実施の形態における水力機械のランナにおいて、θ１と羽根出口における圧力最低値との関係を示す図である。
Second Embodiment Next, referring to FIG. 5, a runner of a hydraulic machine according to a second embodiment of the present invention will be described. Here, FIG. 5 is a diagram showing the relationship between θ1 and the minimum pressure value at the blade outlet in the runner of the hydraulic machine according to the second embodiment of the present invention.
図５に示す第２の形態における水力機械のランナにおいて、θ１とランナ羽根の枚数との関係が更に設定されている点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。 The hydraulic machine runner according to the second embodiment shown in FIG. 5 is different only in that the relationship between θ1 and the number of runner blades is further set, and other configurations are the same as those shown in FIGS. This is substantially the same as the first embodiment. In FIG. 5, the same parts as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施の形態における水力機械のランナ１において、クラウン２とバンド３との間に介在され、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４の枚数をＺｒとしたとき、θ１は、
１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒ
となるように設定されている。
In the
180 ° / Zr ≦ θ1 ≦ 540 ° / Zr
It is set to become.
一般に、長い羽根長さを有する第１羽根５と、この第１羽根５の羽根長さよりも短い羽根長さを有する第２羽根６とを有するランナ羽根４において、第２羽根７の羽根長さは、第１羽根５の羽根長さの７割以下となっていることが多い。この場合、第２羽根７の羽根長さが第１羽根５の羽根長さに比べて短いために、第１羽根および第２羽根における単位長さあたりの翼負荷が増大する。このことにより、羽根出口における水の流れが整流されることなく、羽根出口における圧力最低値が低下し、キャビテーションが発生して、ランナの損失が増大する。
In general, in a
これに対して本発明によれば、上述したように、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４の枚数をＺｒとしたとき、１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒとなるように、θ１が更に設定されている。すなわち、θ１≧１８０°／Ｚｒとなるようにθ１を大きくすると、第２羽根７の羽根長さが、従来よりも長くなる。このことにより、第２羽根７の羽根長さが長くなり、第１羽根５および第２羽根７における単位長さあたりの翼負荷が減少する。このため、羽根出口における圧力最低値が大きくなる。
On the other hand, according to the present invention, as described above, when the number of
しかしながらθ１を過度に大きくすると、第２羽根７と第２羽根７に水力機械のランナ１の回転方向と逆方向に隣接する第１羽根５との間に形成される羽根出口の流路面積が減少する。このことにより、摩擦損失が増大し、水車効率が低下する。
However, if θ1 is excessively increased, the flow area of the blade outlet formed between the
次に、図５を用いて、θ１と羽根出口における圧力最低値との関係について説明する。すなわち、図５に示すように、θ１が、１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒとなるように設定されている領域では、羽根出口における圧力最低値が大きくなっていることがわかる。このことにより、羽根出口においてキャビテーションが発生することを抑制することができる。 Next, the relationship between θ1 and the minimum pressure value at the blade outlet will be described with reference to FIG. That is, as shown in FIG. 5, it can be seen that in the region where θ1 is set to satisfy 180 ° / Zr ≦ θ1 ≦ 540 ° / Zr, the minimum pressure value at the blade outlet is large. This can suppress the occurrence of cavitation at the blade outlet.
ここで、設計点よりも負荷が小さい部分負荷運転領域において水力機械を運転する場合、水力機械のランナ１内を流れる水の流量は、設計点領域において水力機械を運転する場合よりも少ない。このため、水力機械のランナ１内の水の流れは、水力機械のランナ１が回転することにより生じる遠心力を受けて、一般にバンド３側に偏った流れとなり、ランナの損失が増大する。
Here, when operating a hydraulic machine in the partial load operation area | region where load is smaller than a design point, the flow volume of the water which flows through the
これに対して本発明によれば、第２羽根７の羽根長さのうち、バンド３側の羽根長さが長くなるように第２羽根７が形成されている。このことにより、水力機械のランナ１内に流れる水が整流され、水の流れがバンド３側に偏ることが抑制される。このため、部分負荷運転領域において、ランナの損失が増大することを抑制することができる。
On the other hand, according to this invention, the 2nd blade |
このように本実施の形態によれば、θ１を１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒとなるように設定することにより、第２羽根７の羽根長さが長くなる。このため、羽根出口における水の流れが整流され、羽根出口における圧力最低値が低減することを抑制し、キャビテーションが発生することを抑制することができる。この結果、水力機械のランナ１の効率をより一層向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the blade length of the
第３の実施の形態
次に、図６により、本発明の第３の実施の形態における水力機械のランナについて説明する。ここで図６は、本発明の第３の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図である。
Third Embodiment Next, a runner of a hydraulic machine in a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 6 is a view of the runner of the hydraulic machine according to the third embodiment of the present invention as seen from the outlet side.
図６に示す第３の実施の形態における水力機械のランナにおいて、θ１とθ２との関係が更に設定されている点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。 The runner of the hydraulic machine in the third embodiment shown in FIG. 6 is different only in that the relationship between θ1 and θ2 is further set. Other configurations are the same as those in the first embodiment shown in FIGS. This is substantially the same as the embodiment. In FIG. 6, the same parts as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図６において、クラウン２と、バンド３と、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とが、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影して示されている。図６に示す水力機械のランナ１において、θ１およびθ２は、
θ１≧０、およびθ２≦０
であって、かつ、
θ１＝０のときθ２＜０、およびθ２＝０のときθ１＞０
となるように設定されている。
In FIG. 6, the
θ1 ≧ 0 and θ2 ≦ 0
And
θ2 <0 when θ1 = 0, and θ1> 0 when θ2 = 0
It is set to become.
一般に、長い羽根長さを有する第１羽根５と、この第１羽根５の羽根長さよりも短い羽根長さを有する第２羽根７とを有するランナ羽根４において、第２羽根７の羽根長さが短い場合、各第１羽根５の後縁６の間に羽根出口が形成される。この場合、各第１羽根５の後縁６の間に、第２羽根７の後縁８が介在することなく、この羽根出口の流路面積は比較的大きくなる。
In general, in a
一方、第１羽根５の後縁６の間に、第２羽根７の後縁８が介在する場合、第１羽根５の後縁６と第２羽根７の後縁８との間に羽根出口が形成され、この羽根出口の流路面積は比較的小さくなる。この場合、羽根出口における水の流速が増大し、摩擦損失が増加して、ランナの損失が増大する。
On the other hand, when the trailing
これに対して本発明によれば、θ２が、θ２≦０となるように設定されることにより、第２羽根７の羽根長さのうち、クラウン２側における羽根長さが短くなる。このため、クラウン２側において、各第１羽根５の後縁６の間に第２羽根７の後縁８が介在することがないように第２羽根７が形成され、特に過負荷運転領域において、クラウン２側に偏って流れる水は、クラウン２側の羽根出口を流れる。このことにより、過負荷運転領域において、羽根出口における水の流速が増大することを抑制して、摩擦損失が増加することを抑制する。このため、ランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナ１の効率をより一層向上させることができる。
On the other hand, according to the present invention, by setting θ2 to satisfy θ2 ≦ 0, the blade length on the
第４の実施の形態
次に、図７により、本発明の第４の実施の形態における水力機械のランナについて説明する。ここで図７は、本発明の第４の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図である。
Fourth Embodiment Next, referring to FIG. 7, a runner of a hydraulic machine according to a fourth embodiment of the present invention will be described. Here, FIG. 7 is a view of the runner of the hydraulic machine according to the fourth embodiment of the present invention as seen from the outlet side.
図７に示す第４の実施の形態における水力機械のランナにおいて、θ１およびθ２がθ１≧θ２となるように設定されている点に代えて、θ１およびθ３がθ１≧θ３となるように設定されている点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。 In the hydraulic machine runner in the fourth embodiment shown in FIG. 7, instead of the points where θ1 and θ2 are set to satisfy θ1 ≧ θ2, θ1 and θ3 are set so that θ1 ≧ θ3. The other configurations are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4. In FIG. 7, the same parts as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図７において、クラウン２と、バンド３と、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とが、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影して示されている。図７により、第１羽根５および第２羽根７の形状について説明する。図７において、回転中心点Ｐｏと、当該第２羽根７の後縁８のうち任意の点Ｐ２ｃとを結ぶ第２後縁線分Ｌ２ｃと、回転中心点Ｐｏと、当該第１羽根５の後縁６のうち、第２羽根７の後縁８と第２後縁線分との交点Ｐ２ｃと同一半径上にある点Ｐ１ｃとを結ぶ第１後縁線分Ｌ１ｃとのなす角の最小値θ３が示されている。
In FIG. 7, the
この場合、第２バンド側線分Ｌ２ｂを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ１の正方向とし、第２後縁線分Ｌ２ａを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ３の正方向としたとき、
θ１＞θ３
となるように、θ１およびθ３が設定されている。
In this case, the rotation direction of the
θ1> θ3
Θ1 and θ3 are set so that
一般に、ランナ羽根４の枚数が多い場合、羽根出口の流路面積が小さくなる。この場合、この羽根出口における水の流速が増大し、摩擦損失が増加して、ランナ損失が増大する。
Generally, when the number of
これに対して本発明によれば、上述したようにθ１およびθ３が、θ１＞θ３となるように設定されている。このことにより、第２羽根７の後縁８が凹状になるように第２羽根７が形成される。このため、クラウン２とバンド３との中間部付近において、第１羽根５と第２羽根７と間の距離が大きくなり、第１羽根５の後縁６と第２羽根７の後縁８との間に形成される羽根出口の流路面積が増大する。この結果、過負荷運転領域において、クラウン２側に偏って流れる水を効率良く流すことができ、ランナの損失が増大することを抑制することができる。
On the other hand, according to the present invention, as described above, θ1 and θ3 are set such that θ1> θ3. As a result, the
一方、バンド３側において、第２羽根７の長さが短くなることがなく、第２羽根７が形成されている。このことにより、部分負荷運転領域においてバンド３側に偏って流れる水が整流され、羽根出口における圧力最低値が大きくなる。このため、羽根出口におけるキャビテーションが発生することを抑制することができる。
On the other hand, the
１ 水力機械のランナ
２ クラウン
３ バンド
４ ランナ羽根
５ 第１羽根
６ 後縁
７ 第２羽根
８ 後縁
９ 主軸
２０ フランシス水車
２５ ケーシング
２６ ステーベーン
２７ ガイドベーン
２８ 主軸
２９ 発電機
３０ 吸出し管
３１ スプリッタランナ
３２ ランナ羽根
３３ 長翼
３４ 短翼
４１ ランナ
４２ クラウン
４３ バンド
４４ ランナ羽根
DESCRIPTION OF
Claims (5)
クラウンから離間して配置されたバンドと、
クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、
クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、
回転中心点と、当該第２羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第２クラウン側線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第１クラウン側線分とのなす角をθ２とし、
第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２クラウン側線分を基準とするランナの回転方向をθ２の正方向としたとき、
θ１≧θ２
となるように、θ１およびθ２が設定されていることを特徴とする水力機械のランナ。 A crown connected to the main shaft;
A band spaced apart from the crown;
Hydropower comprising a plurality of first blades having a long blade length, and a runner blade having a plurality of second blades having a blade length shorter than the first blade, interposed between the crown and the band In the machine runner,
When a runner blade having a crown, a band, and a first blade and a second blade is projected on a plane orthogonal to the main axis on the outlet side, the rotation center point and the trailing edge of the second blade are the band. A second band side line segment that connects the intersection point that intersects with the band, a rotation center point, and a first band side line segment that connects the second blade with the intersection point where the trailing edge of the first blade adjacent to the rotation direction intersects the band. The angle formed is θ1,
The first crown connecting the rotation center point and the intersection where the trailing edge of the second blade intersects the crown, and the first crown connecting the rotation center point and the intersection where the trailing edge of the first blade intersects the crown The angle between the side line segment is θ2,
When the rotation direction of the runner with reference to the second band side line segment is the positive direction of θ1, and the rotation direction of the runner with reference to the second crown side line segment is the positive direction of θ2,
θ1 ≧ θ2
The hydraulic machine runner is characterized in that θ1 and θ2 are set so that
１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒ
となるように、θ１が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の水力機械のランナ。 When the number of runner blades interposed between the crown and the band is Zr,
180 ° / Zr ≦ θ1 ≦ 540 ° / Zr
The hydraulic machine runner according to claim 1, wherein θ1 is set so that
θ１≧０、およびθ２≦０
であって、かつ、
θ１＝０のときθ２＜０、およびθ２＝０のときθ１＞０
となるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力機械のランナ。 θ1 and θ2 are
θ1 ≧ 0 and θ2 ≦ 0
And
θ2 <0 when θ1 = 0, and θ1> 0 when θ2 = 0
The runner for a hydraulic machine according to claim 1 or 2, wherein the runner is set to be.
クラウンから離間して配置されたバンドと、
クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、
クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、
回転中心点と、当該第２羽根の後縁のうち任意の点とを結ぶ第２後縁線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁のうち、第２羽根の後縁と第２後縁線分との交点と同一半径上にある点とを結ぶ第１後縁線分とのなす角の最小値をθ３とし、
第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２後縁線分を基準とするランナの回転方向をθ３の正方向としたとき、
θ１＞θ３
となるように、θ１およびθ３が設定されていることを特徴とする水力機械のランナ。 A crown connected to the main shaft;
A band spaced apart from the crown;
Hydropower comprising a plurality of first blades having a long blade length, and a runner blade having a plurality of second blades having a blade length shorter than the first blade, interposed between the crown and the band In the machine runner,
When a runner blade having a crown, a band, and a first blade and a second blade is projected on a plane orthogonal to the main axis on the outlet side, the rotation center point and the trailing edge of the second blade are the band. A second band side line segment that connects the intersection point that intersects with the band, a rotation center point, and a first band side line segment that connects the second blade with the intersection point where the trailing edge of the first blade adjacent to the rotation direction intersects the band. The angle formed is θ1,
A second trailing edge line segment connecting a rotation center point and an arbitrary point among the trailing edges of the second blade, a rotation center point, and a trailing edge of the second blade among the trailing edges of the first blade. The minimum value of the angle formed by the first trailing edge line segment connecting the intersection point with the second trailing edge line segment and a point on the same radius is defined as θ3,
When the rotation direction of the runner with reference to the second band side line segment is the positive direction of θ1, and the rotation direction of the runner with reference to the second trailing edge line segment is the positive direction of θ3,
θ1> θ3
The hydraulic machine runner is characterized in that θ1 and θ3 are set so that
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