JP2023068943A - Fluid machinery and flow rate adjustment mechanism therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態は、流体機械及びその流量調整機構に関する。 An embodiment of the present invention relates to a fluid machine and its flow rate adjustment mechanism.
流体機械の例として、水力発電に用いられるフランシス水車がある。フランシス水車は、渦巻き型のケーシングと、ケーシングの内周側に配置され且つ周方向に並ぶ複数のステーベーンと、ステーベーンの内周側に配置され且つ周方向に並ぶ複数のガイドベーンと、ガイドベーンの内周側に配置されるランナと、を備える。 An example of fluid machinery is the Francis turbine used for hydroelectric power generation. The Francis turbine includes a spiral casing, a plurality of stay vanes arranged on the inner peripheral side of the casing and arranged in the circumferential direction, a plurality of guide vanes arranged on the inner peripheral side of the stay vanes and arranged in the circumferential direction, and the guide vanes. and a runner arranged on the inner peripheral side.
このようなフランシス水車における流水の流路は、固定式の複数のステーベーンが形成する第１の静止翼列と、可動式の複数のガイドベーンが形成する第２の静止翼列と、ランナの複数のランナベーンが形成する回転翼列と、で構成される。 The flow path in such a Francis turbine consists of a first stationary blade row formed by a plurality of fixed stay vanes, a second stationary blade row formed by a plurality of movable guide vanes, and a plurality of runners. and a rotor blade cascade formed by the runner vanes.
上記流路では、例えばケーシングからの流水が第１の静止翼列及び第２の静止翼列を介して回転翼列に到達する場合、回転翼列に到達した流水はランナベーンに圧力を付与する。これにより、ランナが圧力の反動で回転する。 In the above flow path, for example, when water from the casing reaches the rotor cascade via the first and second stationary blade cascades, the water that reaches the rotor cascade applies pressure to the runner vanes. This causes the runner to rotate in reaction to the pressure.
フランシス水車では、上述したようにガイドベーンが可動式である。可動式のガイドベーンは、ガイドベーンスピンドルに接続され、ガイドベーンスピンドルの回転に伴い回転する。 In the Francis turbine, the guide vanes are movable as described above. A movable guide vane is connected to the guide vane spindle and rotates as the guide vane spindle rotates.
このような可動式のガイドベーンは、ガイドベーンスピンドルを軸中心として回転することで、その角度を調整できるとともに、隣のガイドベーンとの間に形成する流路の開度（以下、ガイドベーンの開度と呼ぶ。）を調整できる。 Such a movable guide vane can adjust its angle by rotating around the guide vane spindle, and also the opening of the flow path formed between adjacent guide vanes (hereafter referred to as the guide vane called the degree of opening) can be adjusted.
一般的なフランシス水車では、最も効率的な運転が行われる設計点と呼ばれる状態で運転を行う場合に、ガイドベーンが所定の角度になるように調整され、所定の流量で水を受け入れ、所定の速度でランナを回転させる。 In a typical Francis turbine, the guide vanes are adjusted to a specified angle when operating at a state called the design point where the most efficient operation is performed. Rotate the runner at speed.
図１１は、ガイドベーンの後流の速度三角形を示す図である。図１１には、ランナの周速度Ｃｕ’と、後流の絶対速度Ｃｖ’と、後流の相対速度Ｃｗ’とが示されている。設計点において調整されるガイドベーンの所定の角度は、通常、図１１中の角度βがランナベーンの入口角度γに一致するようになる角度に設定される。角度βは、周速度Ｃｕ’と、相対速度Ｃｗ’とがなす角度である。 FIG. 11 is a diagram showing velocity triangles for guide vane wakes. FIG. 11 shows the circumferential velocity Cu' of the runner, the absolute velocity Cv' of the wake, and the relative velocity Cw' of the wake. The predetermined angle of the guide vanes adjusted at the design point is usually set to an angle such that the angle β in FIG. 11 coincides with the entrance angle γ of the runner vanes. The angle β is the angle between the peripheral velocity Cu' and the relative velocity Cw'.
フランシス水車において設計点から外れた運転をする場合には、通常、ガイドベーンが設計点に対応する角度から回転される。このようなガイドベーンの角度変更は、開度調整の目的で回転され、ランナ側に流れる水の流量を増減させる。 For off-design operation in a Francis turbine, the guide vanes are typically rotated from the angle corresponding to the design point. Such a change in the angle of the guide vane is rotated for the purpose of adjusting the opening, increasing or decreasing the flow rate of water flowing to the runner side.
ここで、通常、図１１に示すガイドベーンの開度ａと、ガイドベーンの角度に支配的なガイドベーンの回転角との関係は一義的に固定されている。言い換えると、ガイドベーンの開度を変えるがガイドベーンの角度を変えない等の柔軟な調整は、通常できない。そのため、設計点で設定すべき所定の角度からガイドベーンを回転させた際には、絶対速度Ｃｖ’とランナの周速度Ｃｕ’との関係が、設計点の状態から変化する場合がある。この場合、周速度Ｃｕ’と相対速度Ｃｗ’とがなす角度βがランナベーンの入口角度γと一致しなくなり、水車効率が低下し得る。 Here, normally, the relationship between the opening degree a of the guide vanes shown in FIG. 11 and the rotation angle of the guide vanes which is dominant to the angle of the guide vanes is fixed uniquely. In other words, flexible adjustment, such as changing the opening of the guide vanes but not changing the angle of the guide vanes, is usually not possible. Therefore, when the guide vanes are rotated from a predetermined angle that should be set at the design point, the relationship between the absolute velocity Cv' and the circumferential velocity Cu' of the runner may change from the state at the design point. In this case, the angle β formed by the peripheral speed Cu′ and the relative speed Cw′ does not match the inlet angle γ of the runner vanes, and the water turbine efficiency may decrease.
また、ガイドベーンの開度aを大きくする側にガイドベーンを回転させると、ガイドベーンの後端がランナベーンの入口へ接近する。この場合、ガイドベーンの後流の流速分布が不均一なまま、後流がランナに流入しやすくなる。その結果、ランナに生じる水圧脈動が大きくなることがある。しかし、水圧脈動を抑制するためにガイドベーンの開度を調整しない場合には、運転効率の低下が生じる虞がある。 Further, when the guide vane is rotated to increase the opening degree a of the guide vane, the rear end of the guide vane approaches the inlet of the runner vane. In this case, the wake flows easily into the runner while the flow velocity distribution of the wake of the guide vanes remains uneven. As a result, the hydraulic pulsation generated in the runner may increase. However, if the opening of the guide vanes is not adjusted in order to suppress the hydraulic pulsation, there is a possibility that the operating efficiency will be lowered.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、諸条件において望ましい運転が実施できるようにガイドベーン等の流量調整羽根の角度及び開度を柔軟に調整できる流体機械及びその流量調整機構を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a fluid machine and its flow rate adjusting mechanism that can flexibly adjust the angle and opening of flow rate adjusting blades such as guide vanes so that desirable operation can be carried out under various conditions. It is in.
一実施の形態において、流体機械は、回転羽根車と、前記回転羽根車の外周側に配置され、接続された羽根スピンドルの回転に伴い回転可能な流量調整羽根と、前記羽根スピンドルの軸方向で前記流量調整羽根と重なるように配置される静止部と、前記静止部に回転可能に保持され且つ前記羽根スピンドルを保持する調整スリーブと、を備える。前記調整スリーブは、前記羽根スピンドルを挿入して回転可能に保持するスピンドル保持孔を有する。そして、前記スピンドル保持孔は、前記調整スリーブの回転中心から偏倚した位置に設けられている。 In one embodiment, the fluid machine includes a rotating impeller, a flow rate adjusting vane arranged on the outer peripheral side of the rotating impeller and rotatable with the rotation of the connected vane spindle, and A stationary portion positioned to overlap the flow adjustment vanes, and an adjustment sleeve rotatably retained on the stationary portion and retaining the vane spindle. The adjusting sleeve has a spindle retaining hole into which the vane spindle is inserted and rotatably retained. The spindle holding hole is provided at a position offset from the center of rotation of the adjusting sleeve.
一実施の形態において、流体機械の流量調整機構は、回転羽根車の外周側に配置され、接続された羽根スピンドルの回転に伴い回転可能な流量調整羽根と、前記羽根スピンドルの軸方向で前記流量調整羽根と重なるように配置される静止部に回転可能に保持され且つ前記羽根スピンドルを保持する調整スリーブと、を備える。そして、前記調整スリーブは、その回転中心から偏倚した位置に前記羽根スピンドルを挿入して保持するスピンドル保持孔を有する。 In one embodiment, the flow rate adjusting mechanism of the fluid machine includes a flow rate adjusting blade arranged on the outer peripheral side of the rotating impeller and rotatable with the rotation of the connected blade spindle, and the flow rate adjusting mechanism in the axial direction of the blade spindle. an adjustment sleeve rotatably retained on a stationary portion positioned to overlap the adjustment vane and retaining the vane spindle. The adjusting sleeve has a spindle holding hole into which the blade spindle is inserted and held at a position deviated from its center of rotation.
本発明によれば、諸条件において望ましい運転が実施できるように流量調整羽根の角度及び開度を柔軟に調整できる。 According to the present invention, it is possible to flexibly adjust the angle and opening degree of the flow control vanes so that desirable operation can be performed under various conditions.
以下、添付の図面を参照しつつ各実施の形態を詳細に説明する。 Each embodiment will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態にかかるフランシス水車１のランナ回転軸線Ｃ１に直交する面での断面図である。なお、本実施の形態では流体機械の一例がフランシス水車であるが、本開示にかかる流体機械はこれに限られるものではない。
<First embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view of a Francis
図１に示すフランシス水車１は、渦巻き型のケーシング１０と、ケーシング１０の内周側に配置され且つ周方向に並ぶ複数のステーベーン２０と、ステーベーン２０の内周側に配置され且つ周方向に並ぶ複数のガイドベーン３０と、ガイドベーン３０の内周側に配置されるランナ４０と、を備える。
The Francis
ケーシング１０は、ステーベーン２０、ガイドベーン３０及びランナ４０が配置される円形状のスペース周りに渦巻き状の流路部分を形成する。ケーシング１０の流路部分からランナ４０に向かう流水の流路は、固定式の複数のステーベーン２０が形成する第１の静止翼列Ｒ１と、可動式の複数のガイドベーン３０が形成する第２の静止翼列Ｒ２と、ランナ４０の複数のランナベーン４１が形成する回転翼列Ｒ３と、で構成される。
The
図１には、第１の静止翼列Ｒ１、第２の静止翼列Ｒ２及び回転翼列Ｒ３の径方向における範囲がそれぞれ矢印で示されている。なお、ランナ４０は回転羽根車（runnner、impeller）に対応するものであり、ガイドベーン３０は流量調整羽根に対応するものである。
In FIG. 1, arrows indicate the radial ranges of the first stationary blade row R1, the second stationary blade row R2, and the rotary blade row R3. The
このようなフランシス水車１では、流水によってランナ４０を回転させる際、ケーシング１０からの流水が第１の静止翼列Ｒ１及び第２の静止翼列Ｒ２を介して回転翼列Ｒ３に到達する。そして、回転翼列Ｒ３に到達した流水がランナベーン４１に圧力を付与する。これにより、ランナ４０が圧力の反動で回転する。
In such a Francis
図２は、フランシス水車１のランナ回転軸線Ｃ１に沿う面での断面図である。詳しくは、図２は、図１のＩＩーＩＩ線を含み且つランナ回転軸線Ｃ１に沿う面でのフランシス水車１の断面を示している。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the Francis
図２には、ランナ回転軸線Ｃ１の軸方向でガイドベーン３０と重なるように配置される上カバー５１と下カバー５２とが示されている。ガイドベーン３０は、ランナ回転軸線Ｃ１の軸方向の一方側から上カバー５１により覆われ、他方側から下カバー５２により覆われている。第２の静止翼列Ｒ２は上カバー５１及び下カバー５２の間に位置し、流水は、上カバー５１及び下カバー５２の間で第２の静止翼列Ｒ２を通過する。
FIG. 2 shows the
図示しないが、上カバー５１及び下カバー５２は、径方向外側の部分でステーベーン２０を覆い、径方向内側の部分でランナ４０を覆っている。なお、上カバー５１及び下カバー５２は鉛直方向で上下に並ぶように配置される場合もあるが、水平方向に並ぶように配置される場合もある。したがって、上カバー５１及び下カバー５２における「上」及び「下」は、流体機械の向きを限定するものではない。
Although not shown, the
上述したようにガイドベーン３０は可動式であり、ガイドベーンスピンドル３１の回転に伴い回転するように構成されている。図２に示すように、ガイドベーン３０は、翼高さ方向における一方側（図２の上側）の端面から延び出す羽根スピンドルとしてのガイドベーンスピンドル３１と接続している。ガイドベーン３０は、ガイドベーンスピンドル３１の回転に伴いガイドベーンスピンドル３１を軸中心として回転する。これにより、ガイドベーン３０は、その角度を調整できるとともに、隣のガイドベーン３０との間に形成する流路の開度（以下、ガイドベーンの開度と呼ぶ。）を調整できる。
As described above, the
なお、図２における符号Ｃ２は、ガイドベーンスピンドル３１の軸中心上に延びるガイドベーン回転軸線を示している。本実施の形態では、ガイドベーン回転軸線Ｃ２がランナ回転軸線Ｃ１と平行となる。したがって、ガイドベーン３０と、上カバー５１及び下カバー５２とは、ガイドベーンスピンドル３１の軸方向でガイドベーン３０と重なる。なお、ガイドベーン回転軸線Ｃ２は、ランナ回転軸線Ｃ１に対して傾斜してもよい。
2 indicates the guide vane rotation axis extending on the axis of the
本実施の形態では、図２に示すようにガイドベーンスピンドル３１が静止部である上カバー５１に回転可能に保持された調整スリーブ６０に保持されている。調整スリーブ６０は円柱状であり、その中心軸が回転中心となる。図２における符号Ｃ３は、調整スリーブ６０の回転中心となるスリーブ回転軸線を示している。本実施の形態ではスリーブ回転軸線Ｃ３がランナ回転軸線Ｃ１と平行であるが、スリーブ回転軸線Ｃ３はランナ回転軸線Ｃ１に対して傾斜してもよい。
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the
調整スリーブ６０は、詳しくは、流水の流路側を向く上カバー５１の内面とその反対側の外面とを貫通するスリーブ保持孔５１Ａに軸受５１Ｂを介して回転可能に保持されている。軸受５１Ｂは給油式又は無給油式の軸受であるが、調整スリーブ６０は流路に面するため、無給油式であることが望ましい。調整スリーブ６０は、その流路側を向く面が上カバー５１の内面と滑らかに連なるように保持されている。調整スリーブ６０の移動規制機構やシール機構は、一般的なガイドベーンスピンドルとカバーとの間で用いられる機構が適宜用いられてもよい。
More specifically, the adjusting
図３は、ガイドベーンスピンドル３１と、ガイドベーンスピンドル３１を支持する調整スリーブ６０との位置関係を示す図である。図２及び図３を参照し、調整スリーブ６０は、その回転中心（Ｃ３）から径方向に偏倚した位置にガイドベーンスピンドル３１を挿入して保持するスピンドル保持孔６１を有しており、スピンドル保持孔６１は、スリーブ回転軸線Ｃ３と平行に延びる。そして、ガイドベーンスピンドル３１は、スピンドル保持孔６１に回転可能に保持されている。
FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship between the
スピンドル保持孔６１は調整スリーブ６０を貫通しており、ガイドベーンスピンドル３１はスピンドル保持孔６１から外部に露出している。本実施の形態では、ガイドベーンスピンドル３１の外部に露出した部分にガイドベーン用アーム３４が接続されている。このガイドベーン用アーム３４は、上カバー５１等の静止部に保持された駆動源から付与される駆動力に応じてガイドベーンスピンドル３１にトルクを付与することでガイドベーンスピンドル３１を回転させるスピンドル駆動機構３４Ｓを構成している。
The
スピンドル駆動機構３４Ｓは、ガイドベーン用アーム３４、リンク機構、ガイドリング、油圧アクチュエータ（駆動源）等により構成される一般的な機構でもよい。この場合、各ガイドベーンスピンドル３１は連動し、スピンドル駆動機構３４Ｓにより各ガイドベーン３０は互いに同じ角度になるように調整される。一方で、スピンドル駆動機構３４Ｓは各ガイドベーンスピンドル３１に別々に設けられ、各ガイドベーンスピンドル３１を別々に回転駆動するものでもよい。このようなスピンドル駆動機構３４Ｓは、調整スリーブ６０が上カバー５１に対する回転を制限された状態で調整スリーブ６０に対してガイドベーンスピンドル３１を回転させることで、ガイドベーンスピンドル３１を調整スリーブ６０に対して回転させることができる。
The spindle drive mechanism 34S may be a general mechanism configured by the guide vane arm 34, a link mechanism, a guide ring, a hydraulic actuator (driving source), and the like. In this case, each
一方で、調整スリーブ６０を静止部である上カバー５１に対して回転させるスリーブ駆動機構６０Ｓは、図２において概略的に示される。スリーブ駆動機構６０Ｓは、例えば一般的なガイドベーン駆動機構と同様の機構でもよく、アームからトルクを調整スリーブ６０に付与して調整スリーブ６０を回転させるものでもよい。また、スリーブ駆動機構６０Ｓはギアとモータとを利用し、対応する調整スリーブ６０を個別に駆動するもの等でもよい。スリーブ駆動機構６０Ｓが、調整スリーブ６０を静止部である上カバー５１に対して回転させた際には、ガイドベーンスピンドル３１も上カバー５１に対して回転、詳しくは偏心回転する。
On the other hand, a
以上のような調整スリーブ６０及びガイドベーンスピンドル３１の構造では、調整スリーブ６０を回転させることで、最大で、調整スリーブ６０の回転中心からスピンドル保持孔６１までの偏芯量ｒｅ（図３）の倍の距離だけランナ４０に対するガイドベーンスピンドル３１の径方向位置を変更させることが可能となる。そして、各ガイドベーンスピンドル３１を或るガイドベーンピッチサークル上に並べた状態で各調整スリーブ６０を同時に回転させることで、ガイドベーンピッチサークルを変更することが可能となる。
In the structure of the adjusting
図４は、ガイドベーンスピンドル３１が最もランナ４０に近づいた状態を示す。図５、はガイドベーンスピンドル３１が最もランナ４０から離れた状態を示す。図４及び図５から明らかなように、調整スリーブ６０を同時に回転させることで、ガイドベーンピッチサークルを例えば最大で偏芯量ｒｅ（図３）の倍だけ変更できる。
FIG. 4 shows the
一方で、本実施の形態では、ガイドベーンスピンドル３１を調整スリーブ６０に対して回転させることで、ガイドベーン３０の角度を変更できる。本実施の形態では、このようなガイドベーンスピンドル３１の調整スリーブ６０に対する回転と、上述したガイドベーンスピンドル３１の径方向位置との調整を組み合わせることで、ガイドベーン３０の状態を柔軟に調整することが可能となる。なお、本実施の形態では、ガイドベーン３０、ガイドベーンスピンドル３１及び調整スリーブ６０が流量調整機構を構成している。
On the other hand, in this embodiment, the angle of the
また、本実施の形態では、或るガイドベーンピッチサークル上で並ぶ各ガイドベーン３０を開き、各ガイドベーン３０の静止部に対する角度を維持したまま調整スリーブ６０だけを回転させたときに、回転前のガイドベーン３０の開度と回転後のガイドベーン３０の開度とが変化する。言い換えると、或るガイドベーンピッチサークル上で並ぶ各ガイドベーン３０を調整スリーブ６０の回転により移動させ、移動前後の各ガイドベーン３０の静止部に対する角度を同じにして移動前後の開度を比較したとき、調整スリーブ６０回転前のガイドベーン３０の開度と回転後のガイドベーン３０の開度とが変化する。これにより、ガイドベーン３０の角度を変更せずに、ガイドベーン３０の開度を変更する調整が可能となっている。すなわち、本実施の形態にかかるフランシス水車１は、ガイドベーン３０の角度を一定に維持した状態における開度調整幅を有している。
Further, in the present embodiment, when each
図６は、本実施の形態にかかるフランシス水車１が備えるガイドベーン３０の回転角と開度との関係の一例、及び、回転角と開度調整率との関係の一例を表すグラフを示している。図６における横軸は、ガイドベーン３０の回転角を示している。回転角が０度であることは、閉じ状態であることを意味する。
FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the rotation angle and the opening of the
また、図６には２本の縦軸が示され、２本の縦軸のうちの一方（左側）の縦軸は、ガイドベーン３０の開度ａ（ｍｍ）を示している。図４及び図５には、開度ａが示される。本例の開度ａは、開いた状態の隣り合うガイドベーン３０の間隔のうちの最も短い間隔により定められる。
6 shows two vertical axes, and one (left) vertical axis of the two vertical axes shows the opening degree a (mm) of the guide vanes 30. As shown in FIG. 4 and 5 show the degree of opening a. The opening degree a in this example is determined by the shortest interval among the intervals between the
２本の縦軸のうちの他方（右側）の縦軸は、回転角に対応するガイドベーン３０の開度調整率（％）を示している。開度調整率は、ガイドベーン３０が或る回転角において調整スリーブ６０を回転させることで、ガイドベーン３０の開度を変更させることが可能な程度を示す指標である。開度調整率（％）は、或る回転角におけるガイドベーン３０の最大の開度から最小の開度を引いた値を、或る回転角におけるガイドベーン３０の最小の開度で割って、１００を掛けたものである。
The other (right) vertical axis of the two vertical axes indicates the opening degree adjustment rate (%) of the
また、図６に示すフランシス水車の例では、ガイドベーンピッチサークルの中間値が３２４５．４ｍｍになるようにフランシス水車１の寸法が定められている。ガイドベーン３０の数は２０個であり、これに対応してガイドベーンスピンドル３１の数及び調整スリーブ６０の数も２０個である。そして、調整スリーブ６０の回転中心に対するガイドベーンスピンドル３１の偏芯量は、１５０ｍｍに設定されている。したがって、図４に示すようにガイドベーンスピンドル３１が最もランナ４０に近づいた場合のガイドベーンピッチサークルは、３０９５．４ｍｍになる。図５に示すようにガイドベーンスピンドル３１が最もランナ４０から離れた場合のガイドベーンピッチサークルは、３３９５．４ｍｍになる。
In the example of the Francis turbine shown in FIG. 6, the dimensions of the
図６の例では、ガイドベーンスピンドル３１が最もランナ４０に近づいた場合のガイドベーン３０の開度ａが最小の値となり、ガイドベーンスピンドル３１が最もランナ４０に近づいた場合のガイドベーン３０の開度ａが最大の値となる。したがって、各ガイドベーン３０の静止部に対する角度を維持したまま調整スリーブ６０だけを回転させたときに、回転前のガイドベーン３０の開度と回転後のガイドベーン３０の開度とが変化しており、ガイドベーン３０の角度を変更せずに、ガイドベーン３０の開度を変更する調整が可能である。
In the example of FIG. 6, the opening degree a of the guide vanes 30 is the minimum value when the
より具体的には、少なくとも回転角が３度から１５度の範囲における開度調整率は、６％程度になっている。各ガイドベーンスピンドル３１が対応する調整スリーブ６０の回転によって径方向の外側に移動される場合、ガイドベーン３０は径方向の移動とともに、隣り合うガイドベーン３０との間の周方向での距離は大きくなる。したがって、図６のグラフには回転角が１５度よりも大きくなる場合の開度及び開度調整率が示されていないが、回転角が１５度よりも大きくなる場合及び３度よりも小さくなる場合においても、３度から１５度の場合と同様の傾向となる。
More specifically, the opening degree adjustment rate is about 6% at least when the rotation angle is in the range of 3 degrees to 15 degrees. When each guide
なお、開度調整率の値は、調整スリーブ６０の回転中心に対するガイドベーンスピンドル３１の偏芯量や、ガイドベーン３０の数等に応じて変化し得る値である。開度調整率の値は特に限られるものではないが、例えば５％以上であることが好ましい。
The value of the opening degree adjustment rate is a value that can change according to the eccentricity of the
次に、本実施の形態の作用について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
最も効率的な運転が行われる設計点で運転を行う場合、ガイドベーン３０が所定の角度になるように調整される。このとき、図１１に示したように、ガイドベーン３０の後流において、周速度Ｃｕ’と相対速度Ｃｗ’とがなす角度βが、ランナベーン４１の入口角度に一致又は概ね一致する。
When operating at the design point where the most efficient operation is performed, the
上述のような設計点における運転から例えば部分負荷運転に移行する場合、通常、ガイドベーン３０の開度を小さくするための調整が行われる。このとき、本実施の形態では、選択的に、調整スリーブ６０を回転させることでガイドベーン３０の角度を変化させずにガイドベーン３０の開度を調整できる。
When shifting from operation at the design point as described above to, for example, partial load operation, adjustment is normally made to reduce the opening of the guide vanes 30 . At this time, in the present embodiment, the opening degree of the
また、例えば過負荷運転時等においてガイドベーン３０の開度が大きくなるようにガイドベーン３０の角度を変更させた場合、ガイドベーン３０の後端がランナベーン４１の入口へ接近し、ガイドベーン３０の後流の流速分布が不均一なまま、後流がランナ４０に流入しやすくなり、その結果、水圧脈動が大きくなる場合がある。このとき、本実施の形態では、調整スリーブ６０を回転させてガイドベーン３０をランナ４０から遠ざけることが可能であり、水圧脈動を抑制できる。
For example, when the angle of the
以上のようにして本実施の形態にかかるフランシス水車１によれば、諸条件において望ましい運転が実施できるようにガイドベーン３０の角度及び開度を柔軟に調整できる。なお、上述の調整スリーブ６０等による調整操作は一例であり、本実施の形態にかかるフランシス水車１では、上述の調整操作とは異なる種々の調整が可能である。
As described above, according to the
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について図７を参照しつつ説明する。図７は、第２の実施の形態にかかるフランシス水車のランナ回転軸線に沿う面での部分的な断面図である。本実施の形態の構成部分のうち第１の実施の形態と同一のものについては同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a partial cross-sectional view along the runner rotation axis of the Francis turbine according to the second embodiment. Components of the present embodiment that are the same as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
図７に示す第２の実施の形態では、ガイドベーン３０が、翼高さ方向における他方側（図２の上側）の端面から延び出す下側ガイドベーンスピンドル３２と接続している。ガイドベーンスピンドル３１と下側ガイドベーンスピンドル３２は同軸状に位置する。
In the second embodiment shown in FIG. 7, a
そして、下側ガイドベーンスピンドル３２は、静止部である下カバー５２に回転可能に保持された下側調整スリーブ６２に保持されている。詳しくは、下側ガイドベーンスピンドル３２は、下側調整スリーブ６２に設けられた下側スピンドル保持孔６３に挿入され、回転可能に保持されている。また、下側調整スリーブ６２は、下カバー５２に設けられた下側スリーブ保持孔５２Ａに下側軸受５２Ｂを介して回転可能に保持されている。下側ガイドベーンスピンドル３２は、スリーブ駆動機構６０Ｓによって調整スリーブ６０が回転する際に、ガイドベーンスピンドル３１、ガイドベーン３０及び下側ガイドベーンスピンドル３２からトルクを受けることで回転する。
The lower
以上に説明した第２の実施の形態の構成では、上カバー５１と下カバー５２とでガイドベーン３０に加わる荷重を受けることが可能となる。これにより、大型の流体機械でもガイドベーンである流量調整羽根を安定的に支持できる。
In the configuration of the second embodiment described above, the load applied to the
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態について図８Ａ及び図８Ｂを参照しつつ説明する。図８Ａは、第３の実施の形態にかかるフランシス水車のランナ回転軸線に沿う面での部分的な断面図である。図８Ｂは、図８ＡのＢ－Ｂ線に沿う概略的な断面図である。本実施の形態の構成部分のうち第１及び第２の実施の形態と同一のものについては同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. 8A and 8B. FIG. 8A is a partial cross-sectional view along the runner rotation axis of the Francis turbine according to the third embodiment. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view along line BB of FIG. 8A. The same components as those in the first and second embodiments among the components of the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
第３の実施の形態では、調整スリーブ６０を上カバー５１に対して回転させるスリーブ駆動機構６０Ｓが遊星ギア機構により構成される。
In the third embodiment, a
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、遊星ギア機構により構成されるスリーブ駆動機構６０Ｓは、スピンドル保持孔６１と同軸の状態で調整スリーブ６０に設けられるリングギア７０と、リングギア７０の内側でリングギア７０と同軸に配置される太陽ギア７１と、太陽ギア７１とリングギア７０との間に配置され、太陽ギア７１と噛み合い且つリングギア７０と噛み合い、ガイドベーンスピンドル３１をキャリアとしてガイドベーンスピンドル３１に回転可能に保持される遊星ギア７２と、を有している。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the
太陽ギア７１は、モータ等で構成される駆動部７３の駆動軸７３ａに固定されており、駆動部７３は、ガイドベーンスピンドル３１の一方側（図２の上側）の端部に固定されている。すなわち、駆動部７３は、ガイドベーンスピンドル３１に対して相対回転しない状態で設けられている。また、本実施の形態におけるガイドベーンスピンドル３１は、その中間部分に太陽ギア７１及び遊星ギア７２の配置スペースＳを形成し、配置スペースＳに対して一方側に位置する第１部分３１Ｕと、他方側に位置する第２部分３１Ｄと、配置スペースＳ内に位置し、第２部分３１Ｄから延びて第１部分３１Ｕと接続する複数のシャフト部３１Ｓと、を有している。
The
第１部分３１Ｕは中空状であり、駆動軸７３ａは第１部分３１Ｕの中空部を介して配置スペースＳに露出する。第１部分３１Ｕには、第１の実施の形態と同様のスピンドル駆動機構３４Ｓのガイドベーン用アーム３４が接続されている。また、シャフト部３１Ｓは一例として３つ設けられ、各シャフト部３１Ｓには遊星ギア７２が回転可能に設けられている。
The
第３の実施の形態では、静止部に保持された駆動源からの駆動力に応じてスピンドル駆動機構３４Ｓのガイドベーン用アーム３４からガイドベーンスピンドル３１にトルクを付与することで、ガイドベーンスピンドル３１を調整スリーブ６０に対して回転させることが可能となる。一方で、遊星ギア機構により構成されるスリーブ駆動機構６０Ｓは、スピンドル駆動機構３４Ｓがガイドベーンスピンドル３１の調整スリーブ６０に対する回転を制限する状態において太陽ギア７１を回転させてガイドベーンスピンドル３１に対して調整スリーブ６０が回転する力を発生させることにより、調整スリーブ６０を上カバー５１に対して回転させることが可能となる。
In the third embodiment, the
以上のような第３の実施の形態の構成では、スリーブ駆動機構６０Ｓのサイズを抑制できる。
With the configuration of the third embodiment as described above, the size of the
＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態について図９を参照しつつ説明する。図９は、第４の実施の形態にかかるフランシス水車のランナ回転軸線に沿う面での部分的な断面図である。本実施の形態の構成部分のうち第１乃至第３の実施の形態と同一のものについては同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<Fourth Embodiment>
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the Francis turbine according to the fourth embodiment along the runner rotation axis. Components of this embodiment that are the same as those of the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
第４の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、下側ガイドベーンスピンドル３２が、静止部である下カバー５２に回転可能に保持された下側調整スリーブ６２に保持されている。そして、スリーブ駆動機構６０Ｓは、第３の実施の形態で説明したリングギア７０、太陽ギア７１及び遊星ギア７２からなる調整スリーブ６０側の遊星ギア機構と、これと連動する下側調整スリーブ６２側の下側遊星ギア機構ＤＧと、で構成されている。
In the fourth embodiment, as in the second embodiment, the lower
下側遊星ギア機構ＤＧは、下側スピンドル保持孔６３と同軸の状態で下側調整スリーブ６２に設けられる下側リングギア７４と、下側リングギア７４の内側で下側リングギア７４と同軸に配置される下側太陽ギア７５と、下側太陽ギア７５と下側リングギア７４との間に配置され、下側太陽ギア７５と噛み合い且つ下側リングギア７４と噛み合い、下側ガイドベーンスピンドル３２をキャリアとして下側ガイドベーンスピンドル３２に回転可能に保持される下側遊星ギア７６と、を有している。
The lower planetary gear mechanism DG includes a
本実施の形態では、ガイドベーンスピンドル３１の第２部分３１Ｄも中空状であり、ガイドベーン３０には、第２部分３１Ｄの中空部に連なる連絡孔３０ａが設けられている。さらに、下側ガイドベーンスピンドル３２も中空状である。
In the present embodiment, the
そして、駆動部７３の駆動軸７３ａは、第１部分３１Ｕの中空部、配置スペースＳ、第２部分３１Ｄの中空部、連絡孔３０ａ、下側ガイドベーンスピンドル３２の中空部を通過して、下側リングギア７４の内側まで延びる。そして、駆動軸７３ａは、下側リングギア７４の内側に位置する部分に下側太陽ギア７５を取り付けている。
Then, the
第４の実施の形態では、駆動軸７３ａが回転した際に、太陽ギア７１と下側太陽ギア７５とが同期して回転する。これにより、スリーブ駆動機構６０Ｓは、スピンドル駆動機構３４Ｓがガイドベーンスピンドル３１の調整スリーブ６０に対する回転を制限する状態において太陽ギア７１及び下側太陽ギア７５を回転させてガイドベーンスピンドル３１に対して調整スリーブ６０及び下側調整スリーブ６２が回転する力を発生させることにより、調整スリーブ６０の上カバー５１に対する回転と、下側調整スリーブ６２の下カバー５２に対する回転とを連動させることが可能となる。
In the fourth embodiment, when the
以上のような第４の実施の形態の構成では、調整スリーブ６０と下側調整スリーブ６２とをスムーズに連動させることができる。
With the configuration of the fourth embodiment as described above, the
＜第５の実施の形態＞
次に、第５の実施の形態について図１０を参照しつつ説明する。図１０は、第５の実施の形態にかかるフランシス水車のランナ回転軸線に沿う面での部分的な断面図である。本実施の形態の構成部分のうち第１乃至第４の実施の形態と同一のものについては同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<Fifth Embodiment>
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the Francis turbine according to the fifth embodiment along the runner rotation axis. Components of this embodiment that are the same as those of the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
第５の実施の形態は、調整スリーブ６０に接続されたスリーブ用アーム６６によって調整スリーブ６０が上カバー５１に対して回転させられ、ガイドベーンスピンドル３１にはガイドベーン用アーム３４が接続されていない点で、第４の実施の形態と異なる。図示省略するが、スリーブ用アーム６６を移動させる駆動源は静止部に保持される。
In the fifth embodiment, the
このような第５の実施の形態では、静止部に保持された駆動源（図示省略）からの駆動力に応じてスリーブ用アーム６６から調整スリーブ６０にトルクを付与することで、調整スリーブ６０を上カバー５１に対して回転させることが可能となる。また、調整スリーブ６０の回転に連動して下側調整スリーブ６２を下カバー５２に対して回転させることが可能となる。
In such a fifth embodiment, torque is applied from the sleeve arm 66 to the
一方で、本実施の形態では、スピンドル駆動機構３４Ｓが上述の遊星ギア機構により構成される。このスピンドル駆動機構３４Ｓは、スリーブ用アーム６６を有するスリーブ駆動機構が調整スリーブ６０の上カバー５１に対する回転を制限する状態において太陽ギア７１及び下側太陽ギア７５を回転させることで、調整スリーブ６０及び下側調整スリーブ６２に対してガイドベーン３０を回転させることが可能となる。
On the other hand, in the present embodiment, the spindle drive mechanism 34S is configured by the planetary gear mechanism described above. The spindle drive mechanism 34S rotates the
なお、スリーブ用アーム６６を有するスリーブ駆動機構は、第３の実施の形態において適用されてもよい。この場合、第３の実施の形態における遊星ギア機構はスピンドル駆動機構として機能する。 The sleeve driving mechanism having the sleeve arm 66 may be applied in the third embodiment. In this case, the planetary gear mechanism in the third embodiment functions as a spindle drive mechanism.
以上、本発明の各実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施す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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。 Although each embodiment of the present invention has been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
１…フランシス水車、１０…ケーシング、２０…ステーベーン、３０…ガイドベーン、３０ａ…連絡孔、３１…ガイドベーンスピンドル、３１Ｕ…第１部分、３１Ｄ…第２部分、３１Ｓ…シャフト部、３２…下側ガイドベーンスピンドル、３４…ガイドベーン用アーム、３４Ｓ…スピンドル駆動機構、４０…ランナ、４１…ランナベーン、５１…上カバー、５１Ａ…スリーブ保持孔、５１Ｂ…軸受、５２…下カバー、５２Ａ…下側スリーブ保持孔、５２Ｂ…下側軸受、６０…調整スリーブ、６１…スピンドル保持孔、６２…下側調整スリーブ、６０Ｓ…スリーブ駆動機構、６３…下側スピンドル保持孔、６６…スリーブ用アーム、７０…リングギア、７１…太陽ギア、７２…遊星ギア、７３…駆動部、７３ａ…駆動軸、７４…下側リングギア、７５…下側太陽ギア、７６…下側遊星ギア、Ｃ１…ランナ回転軸線、Ｃ２…ガイドベーン回転軸線、Ｃ３…スリーブ回転軸線、Ｒ１…第１の静止翼列、Ｒ２…第２の静止翼例、Ｒ３…回転翼列、Ｓ…配置スペース、ＤＧ…下側遊星ギア機構
Claims (9)
前記回転羽根車の外周側に配置され、接続された羽根スピンドルの回転に伴い回転可能な流量調整羽根と、
前記羽根スピンドルの軸方向で前記流量調整羽根と重なるように配置される静止部と、
前記静止部に回転可能に保持され且つ前記羽根スピンドルを保持する調整スリーブと、を備え、
前記調整スリーブは、前記羽根スピンドルを挿入して回転可能に保持するスピンドル保持孔を有し、前記スピンドル保持孔は、前記調整スリーブの回転中心から偏倚した位置に設けられている、流体機械。 a rotating impeller;
a flow control blade arranged on the outer peripheral side of the rotating impeller and rotatable with the rotation of the connected blade spindle;
a stationary portion arranged so as to overlap with the flow control blade in the axial direction of the blade spindle;
an adjustment sleeve rotatably retained on the stationary portion and retaining the vane spindle;
The fluid machine, wherein the adjusting sleeve has a spindle holding hole into which the blade spindle is inserted and rotatably held, and the spindle holding hole is provided at a position deviated from the center of rotation of the adjusting sleeve.
前記遊星ギア機構は、
前記スピンドル保持孔と同軸の状態で前記調整スリーブに設けられるリングギアと、
前記リングギアの内側で前記リングギアと同軸に配置される太陽ギアと、
前記太陽ギアと前記リングギアとの間に配置され、前記太陽ギアと噛み合い且つ前記リングギアと噛み合い、前記羽根スピンドルをキャリアとして前記羽根スピンドルに回転可能に保持される遊星ギアと、を有する、請求項１に記載の流体機械。 further comprising a planetary gear mechanism for rotating the adjustment sleeve relative to the stationary portion or for rotating the vane spindle relative to the adjustment sleeve;
The planetary gear mechanism is
a ring gear provided on the adjusting sleeve coaxially with the spindle holding hole;
a sun gear disposed coaxially with the ring gear inside the ring gear;
a planetary gear disposed between the sun gear and the ring gear, meshing with the sun gear and the ring gear, and rotatably held on the blade spindle with the blade spindle as a carrier; Item 1. The fluid machine according to item 1.
前記遊星ギア機構は、前記スピンドル駆動機構が前記羽根スピンドルの前記調整スリーブに対する回転を制限する状態において前記太陽ギアを回転させて前記羽根スピンドルに対して前記調整スリーブが回転する力を発生させることにより、前記調整スリーブを前記静止部に対して回転させるスリーブ駆動機構を構成する、請求項３に記載の流体機械。 The blade spindle has a blade arm that rotates the blade spindle with respect to the adjustment sleeve by applying torque to the blade spindle in response to a driving force from a drive source held in the stationary portion. Equipped with a mechanism,
The planetary gear mechanism rotates the sun gear in a state in which the spindle drive mechanism limits rotation of the vane spindle relative to the adjustment sleeve to generate a force to rotate the adjustment sleeve relative to the vane spindle. 4. The fluid machine according to claim 3, comprising a sleeve drive mechanism for rotating said adjustment sleeve with respect to said stationary portion.
前記遊星ギア機構は、前記スリーブ駆動機構が前記調整スリーブの前記静止部に対する回転を制限する状態において前記太陽ギアを回転させることで、前記調整スリーブに対して前記羽根スピンドルを回転させるスピンドル駆動機構を構成する、請求項３に記載の流体機械。 The adjustment sleeve includes a sleeve drive mechanism having a sleeve arm that rotates the blade spindle by applying torque to the adjustment sleeve in response to a driving force from a drive source held in the stationary portion,
The planetary gear mechanism comprises a spindle drive mechanism that rotates the vane spindle relative to the adjustment sleeve by rotating the sun gear in a state in which the sleeve drive mechanism restricts rotation of the adjustment sleeve relative to the stationary portion. 4. The fluid machine according to claim 3, comprising:
各前記流量調整羽根は、対応する前記羽根スピンドルにより別々に回転可能である、請求項１乃至６のいずれかに記載の流体機械。 A plurality of the flow rate adjusting vanes are provided,
7. The fluid machine according to any one of claims 1 to 6, wherein each said flow control vane is separately rotatable by said corresponding vane spindle.
前記流量調整羽根は、前記羽根スピンドルの回転に伴い回転することで隣の前記流量調整羽根との間の開度を調整可能であり、
各前記流量調整羽根を開き、各前記流量調整羽根の前記静止部に対する角度を維持して、前記調整スリーブだけを回転させたとき、回転前の前記流量調整羽根の開度と回転後の前記流量調整羽根の開度とが変化するように構成されている、請求項１乃至７のいずれかに記載の流体機械。 A plurality of the flow rate adjusting vanes are provided,
The flow rate adjusting blade rotates with the rotation of the blade spindle to adjust the opening degree between the adjacent flow rate adjusting blades,
When each flow rate adjusting blade is opened, the angle of each flow rate adjusting blade with respect to the stationary portion is maintained, and only the adjusting sleeve is rotated, the opening degree of the flow rate adjusting blade before rotation and the flow rate after rotation are 8. The fluid machine according to any one of claims 1 to 7, wherein the opening of the adjustment vane is variable.
前記羽根スピンドルの軸方向で前記流量調整羽根と重なるように配置される静止部に回転可能に保持され且つ前記羽根スピンドルを保持する調整スリーブと、を備え、
前記調整スリーブは、その回転中心から偏倚した位置に前記羽根スピンドルを挿入して保持するスピンドル保持孔を有する、流体機械の流量調整機構。 a flow control blade arranged on the outer peripheral side of the rotating impeller and rotatable with the rotation of the connected blade spindle;
an adjustment sleeve that is rotatably held by a stationary portion arranged to overlap the flow rate adjustment vanes in the axial direction of the vane spindle and that holds the vane spindle;
A flow rate adjusting mechanism for a fluid machine, wherein the adjusting sleeve has a spindle holding hole for inserting and holding the blade spindle at a position deviated from the center of rotation of the adjusting sleeve.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021180415A JP2023068943A (en) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | Fluid machinery and flow rate adjustment mechanism therefor |
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