JP4703578B2 - Francis turbine - Google Patents
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Description
本発明は、非設計点で発生する2次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができるフランシス型水車に関する。 The present invention relates to a Francis turbine capable of efficiently suppressing the generation of hydraulic power loss due to a secondary flow generated at a non-design point.
図8に示すように、フランシス型水車は、上池(図示せず)から水が流入するケーシング1と、一端が発電機7に連結され、回転自在に配置された主軸6と、ケーシング1内に配置され、ケーシング1内に流入する水を案内するガイドベーン3と、ケーシング1内であって、ガイドベーン3の上流側に配置されたステーベーン2と、主軸6の先端に連結され、ガイドベーン3からの水を受けて回転するランナ4とを備えている。また、図8に示すように、ケーシング1には、ランナ4を回転させた水を受けて下池(図示せず)へ排出する吸出し管5が連結されている。なお、ランナ4は、図8に示すように、クラウン9と、バンド10と、クラウン9とバンド10との間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部18pと、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部18qとを有する複数のランナ羽根18とを備えている。
As shown in FIG. 8, the Francis type turbine includes a casing 1 into which water flows from an upper pond (not shown), a
上述のような構成において、まず、上池(図示せず)からケーシング1内に、水が流入される。次に、ケーシング1内に流入された水が、ステーベーン2を経て、ガイドベーン3に達し、このガイドベーン3によってランナ4へと案内される。そして、ランナ4へ案内された水は、ランナ羽根18を主軸6の周りで回転させて、発電機7を駆動し、電気を生成する。最後に、ランナ4を回転させた水は、吸出し管5を介して下池へ排出される。
In the configuration as described above, first, water flows into the casing 1 from the upper pond (not shown). Next, the water that has flowed into the casing 1 reaches the
上述のような水の流れにおいて、ガイドベーン3の開度を調整して、ランナ4内に流入する水の量を調整することによって発電量を調整する。このため、ランナ4内の水の流れは、運転状態(ガイドベーン3の開度)により大きく変化する。
In the flow of water as described above, the power generation amount is adjusted by adjusting the opening of the
図9(a)は、ランナ4内に流入される水量が、設計点(発電効率を最高にしたい点)にある場合におけるランナ4内の子午面流れを模式的に示したものであり、図9(b)は、ランナ4内に流入される水量が、設計点における水量より少ない場合におけるランナ4内の子午面流れを模式的に示したものであり、図9(c)は、ランナ4内に流入される水量が、設計点における水量より多い場合におけるランナ4内の子午面流れを模式的に示したものである。 FIG. 9A schematically shows the meridional flow in the runner 4 when the amount of water flowing into the runner 4 is at the design point (the point where power generation efficiency is to be maximized). 9 (b) schematically shows the meridian flow in the runner 4 when the amount of water flowing into the runner 4 is smaller than the amount of water at the design point. FIG. 9 (c) The figure shows schematically the meridional surface flow in the runner 4 when the amount of water flowing into the interior is larger than the amount of water at the design point.
ランナ4内における子午面流れは、ランナ4内に流入する水によって発生し、水を内周側に押し込もうとする動圧力Kと、ランナ4が回転することによって発生し、水を外周側に押し出そうとする遠心力Cのバランスにより決まる(図9(a)参照)。このため、図9(b)に示すように、ランナ4内に流入される水量が設計点における水量より少ない場合では、遠心力Cが動圧力Kと比べて大きくなり、水の流れが外周側に偏る。このため、図9(b)に示すように、水の流れない死水領域33が、ランナ4の内周側に形成される。これに対して、図9(c)に示すように、ランナ4内に流入される水量が設計点における水量より多い場合では、遠心力Cが動圧力Kと比べて小さくなり、水の流れが内周側に偏る。このため、図9(c)に示すように、水の流れない死水領域33が、ランナ4の外周側に形成される。このような偏った水の流れは、2次流れと呼ばれ、非設計点において、ランナ4内で発生する水力損失の主な原因となっている。
The meridional flow in the runner 4 is generated by the water flowing into the runner 4, and is generated by the dynamic pressure K trying to push the water into the inner peripheral side and the runner 4 rotating, and the water is moved to the outer peripheral side. It is determined by the balance of the centrifugal force C to be pushed out (see FIG. 9A). For this reason, as shown in FIG. 9B, when the amount of water flowing into the runner 4 is smaller than the amount of water at the design point, the centrifugal force C is larger than the dynamic pressure K, and the water flow is on the outer peripheral side. Biased toward For this reason, as shown in FIG. 9B, a
このような非設計点における2次流れを低減するために、図10のように、ランナ羽根18の側面に、ランナ羽根入口端部18pからランナ羽根出口端部18q側に向かって延在するとともに、ランナ羽根18の翼弦長より短い翼弦長の整流羽根14を設ける構成が提案されている(例えば、特許文献1―3参照)。
しかしながら、整流羽根14をランナ4のバンド10近傍に取り付けたり、整流羽根14の長さが不十分な場合には、水力効率が殆ど改善されず、整流羽根14の取り付けによる製造コストだけが大きくなる事例が報告されている。これは、整流羽根14の長さや整流羽根14の配置位置が適正化されないと、2次流れを効果的に抑え水力損失を低減することは困難であることを示唆するものである。
However, when the rectifying
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、非設計点で発生する2次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができるフランシス型水車を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such points, and an object of the present invention is to provide a Francis-type turbine capable of efficiently suppressing the generation of hydraulic loss due to the secondary flow generated at a non-design point. .
本発明は、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法Hと、ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離hとの関係が、0.1≦h/H≦0.3となることを特徴とするフランシス型水車である。 The present invention includes a crown, a band, a runner blade inlet end provided on the side from which water flows in, and a runner blade outlet provided on the side from which water flows out. In a Francis type turbine having a plurality of runner blades having end portions and rectifying blades provided on side surfaces of the runner blades and extending from the runner blade inlet end portion toward the runner blade outlet end portion side, the runner blades The relationship between the dimension H in the height direction of the runner blade at the inlet end and the distance h in the height direction from the crown of the rectifying blade at the inlet end of the runner is 0.1 ≦ h / H ≦ 0.3. It is a Francis type water wheel characterized by becoming.
本発明は、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長Cと、整流羽根の翼弦長cとの関係が、0.7≦c/Cとなることを特徴とするフランシス型水車である。 The present invention includes a crown, a band, a runner blade inlet end provided on the side from which water flows in, and a runner blade outlet provided on the side from which water flows out. In a Francis type turbine having a plurality of runner blades having end portions, and rectifying blades provided on side surfaces of the runner blades and extending from the runner blade inlet end portion toward the runner blade outlet end portion side, The Francis type turbine is characterized in that the relationship between the chord length C of the runner blade and the chord length c of the rectifying blade is 0.7 ≦ c / C.
本発明によれば、ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法Hと、ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離hの関係を調整したり、整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長Cと、整流羽根の翼弦長cとの関係を調整したりすることによって、非設計点で発生する2次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができる。 According to the present invention, the relationship between the height direction dimension H of the runner blade at the runner blade inlet end and the distance h in the height direction from the crown of the flow straightening blade at the runner blade inlet end is adjusted. By efficiently adjusting the relationship between the chord length C of the runner blades and the chord length c of the rectifying blades at the mounting position, it is possible to efficiently suppress the generation of hydraulic loss due to the secondary flow generated at the non-design point. Can do.
第1の実施の形態
以下、本発明に係るフランシス型水車の第1の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図1乃至図5(a)(b)は本発明の第1の実施の形態を示す図である。
First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of a Francis type turbine according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, FIG. 1 thru | or FIG. 5 (a) (b) is a figure which shows the 1st Embodiment of this invention.
図1に示すように、本実施の形態によるフランシス型水車は、上池(図示せず)から水が流入するケーシング1と、一端が発電機7に連結され、回転自在に配置された主軸6と、ケーシング1内に配置され、ケーシング1内に流入する水を案内するガイドベーン3と、ケーシング1内であって、ガイドベーン3の上流側に配置されたステーベーン2と、主軸6の先端に連結され、ガイドベーン3からの水を受けて回転するランナ4とを備えている。
As shown in FIG. 1, the Francis type turbine according to the present embodiment includes a casing 1 into which water flows from an upper pond (not shown), and a
また、図1に示すように、ケーシング1には、ランナ4を回転させた水を受けて下池(図示せず)へ排出する吸出し管5が連結されている。
As shown in FIG. 1, the casing 1 is connected to a
このうちランナ4は、図1乃至図3に示すように、クラウン9と、バンド10と、クラウン9とバンド10との間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部18pと、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部18qとを有する複数のランナ羽根18と、ランナ羽根18の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部18pからランナ羽根出口端部18q側に向かって延在する整流羽根14とを備えている。なお、図2(a)(b)に示すように、整流羽根14は、互いに隣接するランナ羽根18の間に設けられている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the runner 4 is disposed between the
なお、図2(a)は、本実施の形態によるフランシス型水車におけるランナ4の流線展開図を示し、図2(b)は、本実施の形態によるフランシス型水車におけるランナ4の翼間流路図を示し、図3は、本実施の形態によるフランシス型水車におけるランナ4の子午面断面図を示している。 2A shows a streamline development view of the runner 4 in the Francis turbine according to the present embodiment, and FIG. 2B shows an inter-blade flow of the runner 4 in the Francis turbine according to the present embodiment. A road map is shown, and FIG. 3 shows a meridional section of the runner 4 in the Francis type turbine according to the present embodiment.
また、図3において、ランナ羽根入口端部18pにおけるランナ羽根18の高さ方向の寸法Hと、ランナ羽根入口端部18pにおける整流羽根14のクラウン9からの高さ方向の距離hとの関係は、0.1≦h/H≦0.3となっている。
Further, in FIG. 3, the relationship between the dimension H in the height direction of the
次に、このような構成からなる本実施の形態のフランシス型水車の作用効果について説明する。 Next, the function and effect of the Francis turbine according to the present embodiment having such a configuration will be described.
最初に、流入される水の流れに沿って、本実施の形態におけるフランシス型水車の作用効果について説明する。 Initially, the effect of the Francis type turbine in this Embodiment is demonstrated along the flow of the inflowing water.
まず、上池(図示せず)からケーシング1内に、水が流入される(流入工程81)(図1及び図4参照)。 First, water is introduced from the upper pond (not shown) into the casing 1 (inflow process 81) (see FIGS. 1 and 4).
次に、ケーシング1内に流入された水は、ステーベーン2を経て、ガイドベーン3に達し、このガイドベーン3によってランナ4へと案内される(案内工程82)(図1及び図4参照)。このとき、操作者が、ガイドベーン3の開度を変化させることにより、ランナ4内に流入する水の量を変化させて、フランシス型水車で生成される電気の量を調整することができる。
Next, the water that has flowed into the casing 1 reaches the
そして、ランナ4へ案内された水は、ランナ4のランナ羽根18を主軸6の周りで回転させる(ランナ回転工程83)。このとき、主軸6に連結された発電機7が駆動され、電気が生成される(発電工程84)(図1及び図4参照)。なお、このように水がランナ4内に流入し、ランナ羽根18を主軸6の周りで回転させる際に(ランナ回転工程83で)、水の2次流れが発生する。
The water guided to the runner 4 rotates the
最後に、ランナ4を回転させた水は、吸出し管5を介して下池(図示せず)へ排出される(排出工程84)(図1及び図4参照)。 Finally, the water which rotated the runner 4 is discharged | emitted to the lower pond (not shown) through the suction pipe 5 (discharge process 84) (refer FIG.1 and FIG.4).
次に、上述したように、ランナ羽根18を主軸6の周りで回転させる際に(ランナ回転工程83で)発生する2次流れを低減するための構成について説明する。
Next, as described above, a configuration for reducing the secondary flow generated when the
ランナ羽根18を主軸6の周りで回転させる際に(ランナ回転工程83で)発生する2次流れのうち、外周側の2次流れは、整流羽根14をランナ羽根18のバンド10側に配置することによって低減することができる。他方、内周側の2次流れは、整流羽根14をランナ羽根18のクラウン9側に配置することによって低減することができる。このように、整流羽根14をランナ羽根18のいずれの位置に配置するかによって、2次流を低減する効果が異なるため、ランナ羽根入口端部18pにおける整流羽根14のクラウン9からの高さ方向の距離hを、ランナ羽根入口端部18pにおけるランナ羽根18の高さ方向の寸法Hで割ったh/Hには、適正値が存在することがわかる。
Of the secondary flows generated when the
図5(a)に、整流羽根14を備えたフランシス型水車と、整流羽根14を備えていないフランシス型水車に関して、ランナ4内に流入する水量と、水力損失との関係を示す。また、図5(b)に、代表的水量運転点(60%水量運転点、80%水量運転点、100%水量運転点)に関して、ランナ羽根入口端部18pにおける整流羽根14のクラウン9からの高さ方向の距離hをランナ羽根入口端部18pにおけるランナ羽根18の高さ方向の寸法Hで割ったh/Hと、水力損失低下量ΔLとの関係を示す。
FIG. 5A shows the relationship between the amount of water flowing into the runner 4 and hydraulic loss with respect to the Francis turbine with the rectifying
なお、水力損失低下量ΔLは、整流羽根14を備えていないフランシス型水車における水力損失L0から、整流羽根14を備えたフランシス型水車における水力損失L1を引いたL0―L1で定義される。すなわち、ΔL=L0―L1となる。
The hydraulic loss reduction amount ΔL is defined as L0−L1 obtained by subtracting the hydraulic loss L1 in the Francis turbine having the rectifying
図5(b)より、ランナ羽根入口端部18pにおける整流羽根14のクラウン9からの高さ方向の距離hを、ランナ羽根入口端部18pにおけるランナ羽根18の高さ方向の寸法Hで割ったh/Hが、0.1≦h/H≦0.3の関係を満たすときに、水力損失低下量ΔLが大きくなっていることがわかる。このため、本実施の形態のように、ランナ羽根入口端部18pにおける整流羽根14のクラウン9からの高さ方向の距離hを、ランナ羽根入口端部18pにおけるランナ羽根18の高さ方向の寸法Hで割ったh/Hが、0.1≦h/H≦0.3となるような整流羽根14を、ランナ羽根18の側面に設けることによって、非設計点で発生する2次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができる。
From FIG. 5 (b), the distance h in the height direction from the
なお、図5(b)から、数値限定の内(0.1≦h/H≦0.3)と、数値限定の外(h/H<0.1及びh/H>0.3)で量的に顕著な差異があることは明らかである。 From FIG. 5 (b), the numerical value is limited (0.1 ≦ h / H ≦ 0.3) and the numerical value is not limited (h / H <0.1 and h / H> 0.3). It is clear that there are significant differences in quantity.
第2の実施の形態
次に図6及び図7(a)(b)により本発明の第2の実施の形態について説明する。図6及び図7(a)(b)に示す第2の実施の形態は、ランナ羽根入口端部18pにおけるランナ羽根18の高さ方向の寸法Hと、ランナ羽根入口端部18pにおける整流羽根14のクラウン9からの高さ方向の距離hとの関係が、0.1≦h/H≦0.3となるような整流羽根14を、ランナ羽根18の側面に設ける代わりに、整流羽根14の取付位置におけるランナ羽根18の翼弦長Cと、整流羽根14の翼弦長cとの関係が、0.7≦c/Cとなるような整流羽根14を、ランナ羽根18の側面に設けたものであり、他は図1乃至図5(a)(b)に示す第1の実施の形態と略同一である。
Second Embodiment Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7A and 7B. In the second embodiment shown in FIGS. 6 and 7A and 7B, the dimension H in the height direction of the
図6及び図7(a)(b)に示す第2の実施の形態において、図1乃至図5(a)(b)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。なお、図6は、本実施の形態によるフランシス型水車の子午面断面図を示している。 In the second embodiment shown in FIGS. 6 and 7A and 7B, the same reference numerals are given to the same portions as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5A and 5B. Detailed description will be omitted. FIG. 6 shows a meridional section of the Francis type turbine according to the present embodiment.
一般的に、ランナ羽根18の翼弦長Cに対して整流羽根14の翼弦長cが小さいと、整流羽根14がランナ羽根18に対してアンバランスになり、このようなアンバランスによって発生する水力損失が、整流羽根14による整流作用によって低減される水力損失と比べて大きくなってしまう。このため、ランナ4内における子午面流れの偏りを十分に低減することできず、水の2次流れが発生してしまう。従って、整流羽根14の翼弦長cは、ランナ羽根18の翼弦長Cに対して、ある程度大きくなっている必要がある。
In general, when the chord length c of the rectifying
図7(a)に、整流羽根14を備えたフランシス型水車と、整流羽根14を備えていないフランシス型水車に関して、ランナ4内に流入する水量と、水力損失との関係を示す。また、図7(b)に、代表的水量運転点(60%水量運転点、80%水量運転点、100%水量運転点)に関して、整流羽根14の翼弦長cを、整流羽根14の取付位置におけるランナ羽根18の翼弦長Cで割ったc/Cと、水力損失低下量ΔLとの関係を示す。
FIG. 7A shows the relationship between the amount of water flowing into the runner 4 and hydraulic loss for the Francis turbine with the rectifying
図7(b)より、整流羽根14の翼弦長cを、整流羽根14の取付位置におけるランナ羽根18の翼弦長Cで割ったc/Cが、0.7≦c/Cの関係を満たすときに、水力損失低下量ΔLが大きくなっていることがわかる。このため、本実施の形態のように、整流羽根14の翼弦長cを、整流羽根14の取付位置におけるランナ羽根18の翼弦長Cで割ったc/Cが、0.7≦c/Cとなるような翼弦長の整流羽根14を、ランナ羽根18に側面に設けることによって、非設計点で発生する2次流れによる水力損失発生を効率よく抑制することができる。
7 (b), c / C obtained by dividing the chord length c of the rectifying
なお、図7(b)から、数値限定の内(0.7≦c/C)と、数値限定の外(c/C<0.7)で量的に顕著な差異があることは明らかである。 From FIG. 7 (b), it is clear that there is a significant difference between the numerical limitation (0.7 ≦ c / C) and the numerical limitation (c / C <0.7). is there.
なお、上記では、第1の実施の形態と、第2の実施の形態を別個に説明したが、上述した第1の実施の形態で示した態様と、第2の実施の形態で示した態様とを組み合わせたフランシス型水車を用いることもできる。 In the above, the first embodiment and the second embodiment have been described separately. However, the aspect shown in the first embodiment and the aspect shown in the second embodiment are described above. It is also possible to use a Francis type turbine in combination with
すなわち、ランナ羽根入口端部18pにおけるランナ羽根18の高さ方向の寸法Hと、ランナ羽根入口端部18pにおける整流羽根14のクラウン9からの高さ方向の距離hとの関係が、0.1≦h/H≦0.3となり、かつ整流羽根14の取付位置におけるランナ羽根18の翼弦長Cと、整流羽根14の翼弦長cとの関係が、0.7≦c/Cとなるような整流羽根14を、ランナ羽根18の側面に設けることもできる。
That is, the relationship between the dimension H in the height direction of the
このようなフランシス型水車によれば、非設計点で発生する2次流れによる水力損失発生を、さらに効率よく抑制することができる。 According to such a Francis type turbine, the generation of hydraulic power loss due to the secondary flow generated at the non-design point can be more efficiently suppressed.
1 ケーシング
2 ステーベーン
3 ガイドベーン
4 ランナ
6 主軸
7 発電機
9 クラウン
10 バンド
14 整流羽根
18 ランナ羽根
18p ランナ羽根入口端部
18q ランナ羽根出口端部
H ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法
h ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離
C 整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長
c 整流羽根の翼弦長
K ランナ内に流入する水による動圧力
C ランナが回転することによる遠心力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
バンドと、
クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、
ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、
ランナ羽根入口端部におけるランナ羽根の高さ方向の寸法Hと、ランナ羽根入口端部における整流羽根のクラウンからの高さ方向の距離hとの関係は、
0.1≦h/H≦0.3
となることを特徴とするフランシス型水車。 With the crown,
With the band,
A plurality of runner blades disposed between the crown and the band and having runner blade inlet end portions provided on a water inflow side and runner blade outlet end portions provided on a water outflow side; ,
In the Francis type turbine provided with the rectifying blade provided on the side surface of the runner blade and extending from the runner blade inlet end toward the runner blade outlet end,
The relationship between the dimension H in the height direction of the runner blade at the runner blade inlet end and the distance h in the height direction from the crown of the rectifying blade at the runner blade inlet end is:
0.1 ≦ h / H ≦ 0.3
Francis type water wheel characterized by becoming.
バンドと、
クラウンとバンドとの間に配置されるとともに、水が流入する側に設けられたランナ羽根入口端部と、水が流出する側に設けられたランナ羽根出口端部とを有する複数のランナ羽根と、
ランナ羽根の側面に設けられ、ランナ羽根入口端部からランナ羽根出口端部側に向かって延在する整流羽根とを備えたフランシス型水車において、
整流羽根の取付位置におけるランナ羽根の翼弦長Cと、整流羽根の翼弦長cとの関係は、
0.7≦c/C
となることを特徴とするフランシス型水車。 With the crown,
With the band,
A plurality of runner blades disposed between the crown and the band and having runner blade inlet end portions provided on a water inflow side and runner blade outlet end portions provided on a water outflow side; ,
In the Francis type turbine provided with the rectifying blade provided on the side surface of the runner blade and extending from the runner blade inlet end toward the runner blade outlet end,
The relationship between the chord length C of the runner blade and the chord length c of the rectifying blade at the mounting position of the rectifying blade is
0.7 ≦ c / C
Francis type water wheel characterized by becoming.
0.1≦h/H≦0.3
となることを特徴とする請求項2記載のフランシス型水車。 The relationship between the dimension H in the height direction of the runner blade at the runner blade inlet end and the distance h in the height direction from the crown of the rectifying blade at the runner blade inlet end is:
0.1 ≦ h / H ≦ 0.3
The Francis type turbine according to claim 2, wherein
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