JP5367786B2 - Hydraulic machine runner and method for producing hydraulic machine runner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水車などの構成部品として用いられる水力機械のランナ及び水力機械用ランナの製造方法に関する。 The present invention relates to a runner for a hydraulic machine used as a component such as a water turbine and a method for producing a runner for a hydraulic machine.
一般に、水力発電設備に用いられる水力機械1としては、図9に示すような、いわゆるフランシス型の水車が比較的多く用いられている。そして、このフランシス型の水車は主に、渦巻きケーシング2、スピードリング10、ステーベーン12、ガイドベーン9、ランナ3、主軸16、吸出し管(ドラフトチューブ)14から構成されている。そして、水力機械1のランナ3は、主軸16を介して図示しない発電機に連結される一方、上池(図示せず)からの水が、渦巻きケーシング2に導かれ、さらにこの渦巻きケーシング2の内周側の環状のスピードリング10、ステーベーン12及びガイドベーン9を通過する過程で増速しつつ角運動が付与されてランナ3内に流入し、ランナ3を回転させる。ランナ3の回転運動は主軸を介して発電機を回転させて電気を発生させる。一方、ランナ3を回転させた水は出口側(内周側)から流出し、吸出し管14を経て下流の下池(図示せず)へと流れる。
In general, a so-called Francis type turbine as shown in FIG. 9 is used as the hydraulic machine 1 used in the hydroelectric power generation facility. The Francis-type water turbine mainly includes a
ここで、水力機械に用いられるランナは、上記のように流体と水力機械との間でのエネルギ授受を行う最も重要な構成要素であり、その性能が水力機械全体の性能を大きく左右する。したがって、高性能なランナを開発することは、水力機械の設計における重要な項目となり、ランナについては以前より様々な性能向上施策が提案されている。 Here, the runner used in the hydraulic machine is the most important component for transferring energy between the fluid and the hydraulic machine as described above, and its performance greatly affects the performance of the entire hydraulic machine. Therefore, developing a high-performance runner is an important item in the design of hydraulic machines, and various performance improvement measures have been proposed for the runner.
近年では、上記の性能向上施策の一つとして、互いに翼長の異なる短翼と長翼とをランナ回転方向に沿って交互に配置した、いわゆるスプリッタランナが実用化されている。ここで、翼長の均一な通常のランナとスプリッタランナとの特性の相違について図10〜図12に基づき説明を行う。なお、図10は、通常のランナ51及びスプリッタランナ52を重ね合わせて各翼の子午面に沿った断面でみた図である。また、図11は、通常のランナ51の翼54の配置を翼の子午面における1つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図であり、図12は、スプリッタランナ52の長翼61及び短翼62の配置を翼の子午面における1つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図である。
In recent years, as one of the performance improvement measures, a so-called splitter runner in which short blades and long blades having different blade lengths are alternately arranged along the runner rotation direction has been put into practical use. Here, a difference in characteristics between a normal runner having a uniform blade length and a splitter runner will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the meridian plane of each wing with the
図10〜図12に示すように、スプリッタランナ52は、羽根の総数が通常のランナ51に比べて多くなる一方で、ランナ出口側が長翼61のみで構成されることから、ランナ出口側の羽根間の間隙hが過度に小さくならず、多翼ランナとしての利点を最大限に活かすことが可能であり、優れた水力性能を発揮することが確認されている。
As shown in FIGS. 10 to 12, the splitter runner 52 has a larger number of blades than the
すなわち、スプリッタランナ52は、多翼ランナであるにもかかわらず、ランナ出口側の羽根枚数を実質的に少なくできるので、羽根(長翼61)をランナ出口側に向けて長く延ばすことができる。したがって、スプリッタランナ52では、ランナ出口側で生じ得る旋回流を小さくできるとともに、短翼による長翼流路間の整流効果が得られ、水流k2の流量変化などを小さく抑えることができる。これにより、図10に示すように、ランナ出口側において、通常のランナ51では、遠心力の影響を直接的に受けて、ランナバンド56側への水流k1の偏りが生じるのに対し、上記の長翼及び短翼を有するスプリッタランナ52では、ランナバンド56側への水流k2の偏りが解消され水車効率が改善される。
That is, although the splitter runner 52 is a multi-blade runner, the number of blades on the runner outlet side can be substantially reduced, so that the blades (long blades 61) can be extended toward the runner outlet side. Therefore, the splitter runner 52 can reduce the swirling flow that can occur on the runner outlet side, and can also provide a rectifying effect between the long blade flow paths by the short blades, and can suppress a change in the flow rate of the water flow k2. As a result, as shown in FIG. 10, on the runner outlet side, the
さらに、図11及び図12に示すように、スプリッタランナ52は、ランナ入口側での羽根枚数が多く、ランナ入口側での羽根一枚あたりの翼負荷を小さくできるので、通常のランナ51の翼54のランナ入口側の端部における翼回りの循環(翼負荷)γ1に対し、長翼61及び短翼62のランナ入口側の端部における翼回りの循環(翼負荷)γ2を低減させることができる。したがって、スプリッタランナ52では、翼回りの循環γ2が小さくなることで、それに基づく流体に対する偏向力を小さくすることができる。すなわち、流体の絶対流入速度ベクトルvと、m方向に回転する長翼61及び短翼62の周速度ベクトルuと、から求められる流体流入速度ベクトルwの角度成分(流入角度)δ2を大きくすることができる。これにより、流入角度δ2と羽根入口角度β2との角度差α2を、通常のランナ51の流入角度δ1と羽根入口角度β1との角度差α1よりも、実質的に小さく抑えることができる。これにより、スプリッタランナ52では、長翼61及び短翼62のランナ入口側の端部で流れの剥離を防止でき、ランナ入口側のキャビテーション(運転中の水力機械内のある点の圧力が、飽和蒸気圧以下になった場合に気泡が生じる沸騰現象)の発生を抑制することができる。
Furthermore, as shown in FIGS. 11 and 12, the splitter runner 52 has a large number of blades on the runner inlet side and can reduce the blade load per blade on the runner inlet side. It is possible to reduce the circulation (blade load) γ2 around the blades at the end portions on the runner inlet side of the
また、このようなスプリッタランナに関連する技術としては、例えば、9枚以下の羽根枚数の主羽根の間に主羽根の長さ以下の中間羽根を配置し、ポンプ水車の効率及びキャビテーション特性の改善を図ったポンプ水車用の羽根車が提案されている(例えば特許文献1参照)。また、長翼間のランナ回転方向に沿った中間位置から、短翼を長翼の負圧面側にシフトして配置しキャビテーションの発生を抑制しつつ低出力運転幅を拡張させたフランシス型のポンプ水車ランナなども知られている(例えば特許文献2参照)。 Further, as a technique related to such a splitter runner, for example, an intermediate blade having a length equal to or less than the length of the main blade is arranged between the main blades having the number of blades of nine or less, thereby improving the efficiency and cavitation characteristics of the pump turbine. There has been proposed an impeller for a pump turbine (see, for example, Patent Document 1). In addition, a Francis-type pump that extends the low-power operation range while suppressing the occurrence of cavitation by shifting the short blade to the suction surface side of the long blade from the intermediate position along the runner rotation direction between the long blades A water turbine runner is also known (see, for example, Patent Document 2).
さらに、長翼及びクラウンを一体鋳造した後、短翼、バンドを順次溶接するといった作製手順を採ることで、スプリッタランナにおけるランナ内流路面の仕上げ精度の向上や組立作業性の向上を図れるランナの製法なども提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Furthermore, after the long blade and the crown are integrally cast, the production procedure of welding the short blade and the band in sequence is adopted to improve the finish accuracy of the runner flow path surface in the splitter runner and the assembly workability. A manufacturing method has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).
ところで、フランシス型水車に用いられるランナは、一般に主翼(長翼)の羽根枚数が13〜17枚で構成され、その主翼間に短翼を配置する場合、26〜34枚もの多数の羽根で構成されることになる。この場合のスプリッタランナは、上記文献3のように一体鋳造を利用した製法や、また、長翼、短翼、クラウン、バンドをそれぞれ個別に製作しさらに長翼、短翼をクラウン及びバンドに溶接する製法などが採られる。前者の一体鋳造を利用する場合、研削による羽根形状の整形が要求され、一方、後者の溶接組立の場合も、溶接作業及び溶接部の研削整形など、翼間の狭隘部に対する困難な作業が要求される。
By the way, a runner used for a Francis type turbine is generally composed of 13 to 17 blades of main wings (long blades), and is composed of 26 to 34 blades when short blades are arranged between the main wings. Will be. In this case, the splitter runner is manufactured by using integral casting as described in
したがって、このようなスプリッタランナの製作の難易性は、スプリッタランナ自体の適用や、スプリッタランナに対しての最適設計の適用を阻害する要因となっている。ここで、上述した文献1、2の技術は、主に、羽根枚数の少ないポンプ水車用ランナの性能を向上させるためのものであり、羽根枚数の多いフランシス型水車ランナの水力性能や製作性を高めることについてはあまり考慮されていない。
Therefore, the difficulty of manufacturing such a splitter runner is a factor that hinders the application of the splitter runner itself and the application of the optimum design to the splitter runner. Here, the techniques of the above-mentioned
そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、比較的羽根枚数の多い例えばフランシス型水車ランナなどに適用した場合に有用であり、しかも製作性及び水力性能を向上させることができる水力機械のランナ及び水力機械用ランナの製造方法の提供を目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and is useful when applied to, for example, a Francis type turbine runner having a relatively large number of blades, and also improves manufacturability and hydraulic performance. It is an object of the present invention to provide a hydraulic machine runner capable of producing a hydraulic machine and a method for producing a hydraulic machine runner.
上記目的を達成するために、実施形態の水力機械のランナは、複数の長翼及び複数の短翼を備える。複数の長翼は、ランナ入口側の羽根部分を構成する入口側羽根部と、ランナ出口側の羽根部分を構成しかつ前記入口側羽根部とは個別に製作された出口側羽根部と、からなり、ランナ回転方向に沿って所定の間隔を空けてそれぞれ配置されている。複数の短翼は、前記ランナ回転方向に沿って前記長翼と交互に配置され、前記長翼の前記入口側羽根部と同じ翼形状で形成されている。さらに、この実施形態の水力機械のランナは、前記短翼のランナ出口側の端部と該短翼の正圧面側に隣り合う入口側羽根部のランナ出口側の端部との間の前記ランナ回転方向に沿ったピッチをλ1、該短翼のランナ出口側の端部と該短翼の負圧面側に隣り合う入口側羽根部のランナ出口側の端部との間の前記ランナ回転方向に沿ったピッチをλ2、とした場合、5[%]≦(λ2−λ1)×100/(λ1+λ2)≦15[%]を満たしている。 In order to achieve the above object, a runner of a hydraulic machine according to an embodiment includes a plurality of long blades and a plurality of short blades. The plurality of long blades includes an inlet-side blade portion that constitutes a blade portion on the runner inlet side, and an outlet-side blade portion that constitutes a blade portion on the runner outlet side and is manufactured separately from the inlet-side blade portion. And arranged at predetermined intervals along the runner rotation direction. The plurality of short blades are alternately arranged with the long blades along the runner rotation direction, and are formed in the same blade shape as the inlet blade portion of the long blade. Furthermore, the runner of the hydraulic machine according to this embodiment includes the runner between the end portion on the runner outlet side of the short blade and the end portion on the runner outlet side of the inlet blade portion adjacent to the pressure surface side of the short blade. The pitch along the rotation direction is λ1, in the runner rotation direction between the end on the runner outlet side of the short blade and the end on the runner outlet side of the inlet blade adjacent to the suction surface side of the short blade When the pitch along the line is λ2, 5 [%] ≦ (λ2−λ1) × 100 / (λ1 + λ2) ≦ 15 [%] is satisfied.
本発明は、比較的羽根枚数の多い例えばフランシス型水車ランナなどに適用した場合に有用であり、しかも製作性及び水力性能を向上させることが可能な水力機械のランナ及び水力機械用ランナの製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful when applied to, for example, a Francis type turbine runner having a relatively large number of blades, and is capable of improving manufacturability and hydraulic performance, and a hydraulic machine runner manufacturing method. Can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、水力機械が備えるランナ3の長翼7及び短翼8を翼の子午面における1つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図である。なお、図1では、図面の煩雑化を回避するために長翼7及び短翼8を2ピッチ分のみ図示している。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
ランナ3は、図1に示すように、翼長(キャンバーラインの長さ)の長い複数の長翼7と、この長翼7よりも翼長の短い複数の短翼(中間翼とも称する)8と、が主軸16の回転方向、つまりランナ回転方向mに沿って交互に配置されたスプリッタランナである。また、ランナ3は、長翼7及び短翼8がそのランナ本体内に例えば13枚〜17枚ずつそれぞれ配置されており、合計羽根枚数が26枚〜34枚となる。すなわち、ランナ3は、フランシス型水車ランナとして好適な多翼ランナとして構成されている。
As shown in FIG. 1, the
次に、ランナベーンとして上記長翼7及び短翼8を有するランナ3の特徴的な構造について、図1に加え、図2A〜図2Cに基づき説明を行う。ここで、図2A〜図2Cは、ランナ3の構造及びその製造方法を説明するための図であって、図2Aは、ランナクラウン5及びランナバンド6に対し長翼7の入口側羽根部7a及び短翼8が接合される直前の状態を示す図である。また、図2Bは、図2Aのランナクラウン5及びランナバンド6に対し入口側羽根部7aと短翼8とが接合された後、さらに長翼7の出口側羽根部7bが接合される直前の状態を示す図である。さらに、図2Cは、図2Bの入口側羽根部7bと短翼8とが接合されたランナクラウン5及びランナバンド6に対し、長翼7の出口側羽根部7bが接合されてランナ3が形成された状態を示す図である。
Next, the characteristic structure of the
すなわち、図1及び図2A〜図2Cに示すように、ランナ3の各長翼7は、ランナ入口側の羽根部分を構成する入口側羽根部7aとランナ出口側の羽根部分を構成する出口側羽根部7bとからなる2ピース構造で形成されている。ここで、ランナ入口側とは、水車運転時(発電運転時)に上池から下池へ向かう水が、ランナ3内に導入される側、つまり渦巻きケーシング側(ガイドベーン側)である。一方、ランナ出口側とは、水車運転時に上池から下池へ向かう水が、ランナ3内から外部に流れ出す側、すなわち、吸出し管側である。
That is, as shown in FIG. 1 and FIGS. 2A to 2C, each
入口側羽根部7aは、長翼7のランナ入口側の端部23と長翼7のランナ出口側の端部26とを当該長翼7が延びている方向に沿って結んだキャンバーライン7dの長さLn(長翼7の全翼長)の60%〜80%(60%以上、80%以下)の長さで構成されている。一方、出口側羽根部7bは、長翼7の全翼長から入口側羽根部7aの長さを除いた翼長で形成された羽根部分とこの羽根部分のランナ入口側の端部25を入口側羽根部7aのランナ出口側の端部24に接合した溶接部分7cとで構成される。また、短翼8は、長翼7のランナ入口側の入口側羽根部7aと同一の部材で形成されている。したがって、入口側羽根部7aと同じ翼形状(及び同一サイズ)である短翼8のそのランナ入口側の端部8aと、当該短翼8のランナ出口側の端部8bと、を当該短翼8が延びている方向に沿って結んだキャンバーライン8fの長さLsは、入口側羽根部7aと同じ長さ、つまり、長翼7の全翼長Lnの60%〜80%の長さで構成されている。また、互いに同じ翼形状で形成された入口側羽根部7aと短翼8とは、ランナ入口側の端部23、8a及びランナ出口側の端部24、8bを除き、一定の厚さ(等肉厚)t1で形成されている。
The inlet-
ここで、このような構造のランナ3の製造方法を概略的に説明すると、まず、図2A及び図2Bに示すように、ランナクラウン5及びランナバンド6に対し長翼7の入口側羽根部7aと短翼8とをそれぞれ溶接により接合する。次に、図2B及び図2Cに示すように、入口側羽根部7aと短翼8とがそれぞれ接合されたランナクラウン5及びランナバンド6、並びに当該入口側羽根部7a(のランナ出口側の端部24)に対し、出口側羽根部7bを溶接にて接合する。さらにこの後、溶接部分の研削整形などを経てランナ3が製作される。
Here, the manufacturing method of the
一般に、スプリッタランナの製作上、最も難易性の高い作業は、ランナ出口側の長翼間からアクセスする短翼のランナ出口側の溶接作業及び研削作業である。上述した本実施形態のランナ3の製造方法では、出口側羽根部7bを取り付ける前の状態で、ランナクラウン5及びランナバンド6に対し入口側羽根部7aと短翼8との溶接及び研削を容易に行うことができる。つまり、上記ランナ3の長翼7が2ピース構造で構成されていることで、溶接作業、及び翼間の狭隘部分や溶接部分の研削整形などの作業を容易に行うことができる。これにより、ランナ3がフランシス水車用の多翼ランナであるにもかかわらず、溶接部分の接合の信頼性及び羽根形状の仕上げ精度を向上させることができる。また、入口側羽根部7aと短翼8とは、同じ翼形状で構成され、しかもほぼ全体が等肉厚で構成されているので、翼形状の機械加工を排除した板材によるプレス成形が可能となり、ランナの製作コストの低減に大きく寄与することができる。
In general, the most difficult work in manufacturing a splitter runner is welding work and grinding work on the runner outlet side of the short blade accessed from between the long blades on the runner exit side. In the method of manufacturing the
なお、上記のランナ3を製造する場合においては、ランナクラウン5並びに入口側羽根部7a及び短翼8を一体で鋳造しておき、このユニットに対してランナバンド6を溶接しさらに、出口側羽根部7bを溶接することでランナ3を製作してもよい。また、これに代えて、ランナクラウン5に対し入口側羽根部7a及び短翼8を接合した後、短翼8を接合し、さらにこの後、このユニットに対しランナバンド6を接合してランナ3を製作するようにしてもよい。
When the
次に、ランナ3の水力特性に関係する長翼7及び短翼8の形状及びその配置関係について図1に加え、図3〜図6に基づきその説明を行う。ここで、図3は、長翼に対する短翼の長さ比の変化に対応する長翼及び短翼の翼負荷の変化を表す図であり、また、図4は、ランナ3の長翼及び短翼の翼回りの翼面圧力分布を表す図である。さらに、図5は、長翼に対する短翼の相対位置の変化に応じた長翼及び短翼の翼負荷の変化を表す図であり、また、図6は、短翼及び長翼のランナ入口側のキャビテーション特性を表す図である。
Next, the shape of the
つまり、上述した図3は、詳細には、短翼8の翼長を長さ0〜長翼7の全翼長と同じ長さ(長さ比1.00)になるまで延ばしていった場合の長翼7の翼負荷と短翼8の翼負荷の変化を、CFD(Computational Fluid Dynamics)などの流れ解析の結果にて示すものである。縦軸の相対翼負荷は、短翼8がない場合(短翼8の長さ比が0.00の場合)の長翼1枚当りの翼負荷を1とした相対値で表わしている。この図3において、短翼7の長さが1.00、すなわち、長翼7の羽根枚数が2倍になると、羽根1枚当りの翼負荷は1/2となる。また、短翼8の羽根長さが短くなると、羽根長さの減少以上に短翼8の翼負荷が減少し、短翼8の羽根長さが長翼7の50%(短翼8の長さ比0.50)以下では、短翼8は、ほとんど翼負荷を分担せず、翼としての作用を持たなくなる。
That is, in FIG. 3 described above, in detail, when the blade length of the
ここで、図3中に表れているように、短翼8の長さ比が50%を超えさらに60%に達する手前で短翼8の翼負荷が急増し(翼負荷の傾きが比較的大きくなり)、さらに、長さ比が60%以上になると、短翼8の翼負荷の増加する割合が比較的安定する(翼負荷の傾きが比較的小さくなる)ことがわかる。そこで、本実施形態のランナ3では、図1に示すように、ランナ出口側の翼間の間隙をある程度確保して水の流れの安定化を図りつつ、しかも、長翼7の翼負荷を短翼8側に効率的に分担させることができるように、長翼7の全翼長の60%以上、80%以下の長さで短翼8を構成している。また、本実施形態のランナ3では、生産性の向上を図るために、短翼8の翼形状を流用している長翼7の入口側羽根部7aも、長翼7の全翼長の60%以上、80%以下の長さで構成している。
Here, as shown in FIG. 3, the blade load of the
また、上述した図4は、隣り合う長翼7間のランナ回転方向に沿ったピッチの中心位置に例えば長翼7の全翼長の70%の長さの短翼8を配置した場合において、長翼7及び短翼8の羽根表面に沿ったランナ入口端側からの距離に応じた翼面圧力分布を3次元の流れ解析(CFD)により求めたものである。ここで、実線が長翼7、破線が短翼8を示すものであって、実線及び破線の上側が長翼7及び短翼8の圧力面側(正圧面側)の圧力を示し、一方、実線及び破線の下側が長翼7及び短翼8の負圧面側の圧力を示している。この図4では、同一の翼の圧力面側の圧力と負圧面側の圧力との差が翼の仕事、すなわち、羽根1枚当りの翼負荷となる。図4の結果より、長翼7の全翼長の70%の長さで短翼8を構成したことで、特にランナ入口側において、長翼7の翼負荷を効果的に短翼8が分担していることがわかる。
FIG. 4 described above shows a case where, for example, the
また、上記図5は、短翼8を例えば長翼7の全翼長の70%の長さとし、ランナ回転方向における長翼7に対する短翼8の配置関係を変化させたときの長翼7と短翼8の翼負荷の変化を流れ解析(CFD)の結果で示すものである。ここで、図5では、図1に示したように、この短翼8のランナ出口側の端部8bと該短翼8の圧力面8c側に隣り合う(長翼7の)入口側羽根部7aのランナ出口側の端部24との間のランナ回転方向(後述する回転軌跡D2の延びている方向)に沿ったピッチをλ1とし、該短翼8のランナ出口側の端部8bと該短翼8の負圧面8d側に隣り合う(長翼7の)入口側羽根部7aのランナ出口側の端部24との間のランナ回転方向(上記D2方向)に沿ったピッチをλ2として定めている。
FIG. 5 shows that the
すなわち、図5は、上記の各ピッチをλ1、λ2と定めた場合において、λ1とλ2との比に相当する(λ2−λ1)/(λ1+λ2)、つまり、長翼7の(入口側羽根部7aの端部24の)負圧面22側と、短翼8の(端部8b)の圧力面8c側との離間距離(短翼8の傾斜方向の取付姿勢)を変化させたときの長翼7と短翼8の翼負荷の変化を示している。なお、図1において、符号D1、D2、D3は、ランナ回転方向mに沿ってそれぞれ回転する長翼7(入口側羽根部7a、出口側羽根部7b)及び短翼8における端部23及び端部8aの回転軌跡、端部24及び端部8bの回転軌跡、並びに端部26の回転軌跡をそれぞれ示している。また、図1において、符号8eは、短翼8の端部8bが長翼7の負圧面22側に近接するように配置されていること(つまり長翼7よりも短翼8を寝かせた姿勢で配置していること)を明確に表わすために、短翼8のランナ出口側の端部8bに長翼7の出口側羽根部7bを仮想的に接合した状態を図示したものである。
That is, FIG. 5 shows (λ2−λ1) / (λ1 + λ2) corresponding to the ratio of λ1 and λ2 when the above pitches are defined as λ1 and λ2, that is, (the inlet blade portion of the long blade 7). The long blade when the separation distance (mounting posture in the inclined direction of the short blade 8) between the
この図5からわかるように、短翼8のランナ出口側の端部8bの位置を長翼7(入口側羽根部7a)の負圧面22側にシフトさせることによって短翼8の翼負荷が変化し、相対的なピッチの関係が5%〜10%で短翼8の翼負荷が最大値を示し、ピッチの関係が15%を超えると、隣り合う長翼7(の端部24)間のピッチの中心位置に短翼8(の端部8b)を配置した場合(0%の位置)よりも、短翼8の翼負荷が小さくなることがわかる。これは、長翼7の羽根表面において、圧力面21側よりも負圧面22側のほうが一般に流速が速く、水の流れを極端に阻害しない程度に、長翼7の負圧面22側に短翼8を僅かに近付けることで、長翼7の翼負荷を効果的に短翼8に分担できるものと考えられる。
As can be seen from FIG. 5, the blade load of the
そこで、本実施形態のランナ3では、下記の式1を満足するように短翼7及び短翼8がそれぞれ配置されている。
Therefore, in the
5[%]≦(λ2−λ1)×100/(λ1+λ2)≦15[%]…式1 5 [%] ≦ (λ2−λ1) × 100 / (λ1 + λ2) ≦ 15 [%] Formula 1
また、上述した図6は、隣り合う長翼7間のランナ回転方向に沿ったピッチの中心位置に例えば長翼7の全翼長の70%の長さの短翼8を配置したランナ3において、横軸に水車の有効落差H、縦軸に流量Qをとった水車性能曲線上に、長翼7、短翼8のランナ入口側のキャビテーションの発生限界線を示すものである。具体的には、長翼7の圧力面21側の発生限界線をCn1、長翼7の負圧面側の発生限界線をCn2として示し、また、短翼8の圧力面8c側の発生限界線をCs1、短翼8の負圧面8d側の発生限界線をCs2として示している。
Further, FIG. 6 described above is a
ここで、短翼8は、その翼負荷が長翼7の翼負荷に比べて小さく翼周りの循環も小さくなるため、短翼8の入口キャビテーションの発生限界線Cs1、Cs2は、長翼7の発生限界線Cn1、Cn2に比べて高落差側にシフトしている。このとき、図1に示すように、短翼8の入口角度(キャンバーライン8fを円弧D1の外周側に延ばした線分と円弧D1の接線とがなす角度)βsを長翼7の入口角度(キャンバーライン7dを円弧D1の外周側に延ばした線分と円弧D1の接線とがなす角度)βnよりも小さくすると、短翼8の端部8aの翼周りの循環に基づく偏向力が生じ、ランナ入口側において短翼8の端部8aの翼負荷が増加する。これにより、図6の白抜き矢印で示すように、短翼8の入口キャビテーションの発生限界線Cs1、Cs2を低落差側に移動させることができる。
Here, since the blade load of the
ここで、水車特性の実機運転範囲は、図6に示すように、入口キャビテーションの発生限界線Cs1の低落差側の端部Hmin、入口キャビテーションの発生限界線Cs2の低落差側の端部Hmax、及び最高流量Qmaxで囲われている図6中の破線内側の領域が使用可能な運転範囲であり、一般には、最高効率点の落差近傍から低落差側の範囲が主に使用される。このため、短翼8の入口キャビテーションの発生限界線Cs1、Cs2の低落差側への移動は、水車運転範囲の拡大につながる。
Here, as shown in FIG. 6, the actual operation range of the turbine characteristics is as follows. The end Hmin of the inlet cavitation generation limit line Cs1 on the low head side, the end Hmax of the inlet cavitation generation limit line Cs2 on the low head side, 6 is a usable operating range, and generally, the range from the vicinity of the head of the highest efficiency point to the side of the lower head is mainly used. For this reason, the movement of the
そこで、図1に示すように、本実施形態のランナ3では、上記図5に示したλ1、λ2のピッチの関係が5%以上、15%以下になることを確保しつつ、0°を超えかつ5°以下の範囲の角度分だけ、短翼8の入口角度βSを、長翼7の入口角度βnよりも小さい角度で構成(0°<βn−βs≦5°を満足するように構成)している。換言すれば、隣り合う長翼7間のランナ回転方向に沿ったピッチの中心位置を基準として、短翼8の端部8aを長翼7の圧力面21側に僅かに近付けると共に短翼8の端部8bを長翼7の負圧面22側に僅かに近付けた姿勢で、当該短翼8をそれぞれ配置している。
Therefore, as shown in FIG. 1, in the
これにより、本実施形態のランナ3では、短翼8の入口キャビテーションの発生限界線を低落差側に移動させることができるので、キャビテーションの発生を抑制しつつ行われる水車運転範囲を実質的に拡張することができる。
Thereby, in the
既述したように、本実施形態に係る水力機械のランナ3によれば、フランシス型水車ランナのスプリッタランナとしての水力性能を効果的に引き出すことに有用であり、しかもランナ本体の生産性を向上させることができる。
As described above, according to the
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施形態を図7及び図8に基づき説明する。ここで、図7は、本実施の形態のランナ33の長翼37及び短翼38を翼の子午面における1つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図である。また、図8は、図7のランナ33が備える長翼37の出口側羽根部37bの取付位置の変化に応じた各羽根部分の翼負荷の変化を表す図である。なお、図7において、図1に示す第1の実施形態のランナ3が備えていたものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 7 is a cross-sectional view of the
図7に示すように、この実施形態のランナ33は、第1の実施形態のランナ3が備えていた長翼7及び短翼8に代えて、長翼37及び短翼38を備えて構成される。長翼37は、図1に示した長翼7が備える出口側羽根部7bに代えて出口側羽根部37bを備える。また、短翼38は、入口側羽根部7aと同一の翼形状(及び同一サイズ)で形成されている一方で、長翼との間での相対的な配置関係が図1に示した短翼8と異なる。すなわち、ランナ33は、図7に示すように、ランナ回転方向mに沿って交互に配置される長翼37の入口側羽根部7aと短翼38とにおける少なくともランナ出口側の端部24、38b間が、ランナ回転方向m(回転軌跡D1の延びている方向)に沿ってそれぞれ等しいピッチλ3となるように構成されている。
As shown in FIG. 7, the runner 33 of this embodiment includes
また、長翼37の出口側羽根部37bは、図1に示した出口側羽根部7bと同一形状で形成されているものの、入口側羽根部7aから離間した位置に配置されている。つまり、長翼37では、入口側羽根部7aのランナ出口側の端部24における負圧面22側に、出口側羽根部37bのランナ入口側の端部35における圧力面(正圧面)39側を近接させた状態で、入口側羽根部7aと出口側羽根部37bとがそれぞれ配置されている。詳述すると、ランナ33は、各入口側羽根部7aのランナ出口側の端部24とこれら入口側羽根部7aにそれぞれ対の出口側羽根部37bにおけるランナ入口側の端部35との間のランナ回転方向mに沿ったピッチλ4が各々λ3/2(λ3÷2)となるように構成されている。
Moreover, although the exit side blade |
また、短翼38及び入口側羽根部7aは、入口側羽根部7a及び出口側羽根部37bそれぞれのキャンバーラインの長さを合計した翼長(長翼37の全翼長)の60%以上、80%以下の長さで構成されている。
Further, the
ここで、上記した図8は、長翼37の全翼長の70%の長さの入口側羽根部7a及び短翼8を配置(出口側羽根部37bは長翼37の全翼長の30%の長さのものを配置)した場合において、上記λ3を1ピッチとしてλ4を0〜1ピッチまで変化させたときの、入口側羽根部7a、短翼38及び出口側羽根部37bの各翼負荷並びにこれらの翼負荷の合計となる全翼負荷の変化を流れ解析(CFD)の結果で示すものである。なお、入口側羽根部7a、短翼38及び出口側羽根部37bの各翼負荷は、これらの羽根部分の合計した全翼負荷に対する相対値として示されている。
Here, in FIG. 8 described above, the inlet
すなわち、図8に示すように、入口側羽根部7aと出口側羽根部37bとの互いのキャンバーラインがつながるように連結した状態(λ4がλ3/2未満の状態)から、出口側羽根部37bの短部35の圧力面39側を、入口側羽根部7aの端部24の負圧面22側に移動させて行くことで(λ4がλ3/2に近付くにつれて)、入口側羽根部7aの翼負荷が減少すると共に、短翼38の翼負荷が増加して行くことがわかる。さらに、入口側羽根部7aの端部24の負圧面22側から、出口側羽根部37bの短部35の圧力面39側が遠ざかって行くことで(λ4がλ3/2を超えると、つまり図8中のピッチ0.5を超えると)、短翼38の翼負荷が入口側羽根部7aより大きくなって行く。この結果は、入口側羽根部7aと短翼38とのランナベーンとしての機能の関係が、実質的に置き換わったものと考えることができる。
That is, as shown in FIG. 8, from the state where the camber lines of the inlet
また、入口側羽根部7aの負圧面22側の水流の速度が圧力面21側より速いため、出口側羽根部37bの短部35が、入口側羽根部7aの圧力面21側に近接する場合よりも負圧面22側に近接する場合のほうが、出口側羽根部37bの翼負荷は、多少大きくなる傾向にある。
Moreover, since the speed of the water flow on the
そこで、本実施形態のランナ33では、上記したピッチλ4がλ3/2になるように、長翼37の入口側羽根部7a及び出口側羽根部37b並びに短翼38をそれぞれ配置したことで、入口側羽根部7aと短翼38との翼負荷をほぼ等しくすることができ、これにより、長翼37と短翼38との翼負荷のアンバランスにより生じ得る入口キャビテーションの発生を抑制することができる。
Therefore, in the runner 33 of the present embodiment, the
このように、本実施形態に係るランナ33によれば、同一形状の羽根、つまり長翼37の入口側羽根部7aと短翼38とを等ピッチで配置できることによりランナ33本体の製作性を高めることができると共に、スプリッタランナとしての水力性能の向上を図ることができる。
As described above, according to the runner 33 according to the present embodiment, it is possible to arrange the blades of the same shape, that is, the
以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施形態では、長翼7の入口側羽根部7aと短翼8とは、両端部を除いて等肉厚で形成されていたが、互いに異なる肉厚(羽根厚)で形成されていてもよい。また、上述した実施形態では、出口側羽根部7b、37bを含めた長翼7、37全体の翼形状については、特に説明しなかったが、長翼7、37全体の形状を、キャンバーラインの長さだけを(短翼と)変えるようにして、長翼と短翼とを同一の翼形状で構成してもよい。さらに、第1の実施形態では、同一形状の羽根部材を流用して入口側羽根部7aと短翼8とを構成していたため、上記式1と「0°<βn−βs≦5°」とを共に満足するランナについて例示したが、本発明では、入口側羽根部7aと短翼8とを互いに異なる翼形状とすることで、式1と「0°<βn−βs≦5」とを個別に満足するランナを構成することもできる。
The present invention has been specifically described above with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the above-described embodiment, the inlet-
1…水力機械、2…渦巻きケーシング、3,33…ランナ、5…ランナクラウン、6…ランナバンド、7,37…長翼、7a…入口側羽根部、7b,37b…出口側羽根部、7c…溶接部、8,38…短翼、21,8c,39…圧力面(正圧面)、22,8d…負圧面。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydraulic machine, 2 ... Spiral casing, 3,33 ... Runner, 5 ... Runner crown, 6 ... Runner band, 7, 37 ... Long blade, 7a ... Inlet side blade part, 7b, 37b ... Outlet side blade part, 7c ... welded part, 8, 38 ... short blade, 21, 8c, 39 ... pressure surface (positive pressure surface), 22, 8d ... negative pressure surface.
Claims (8)
前記ランナ回転方向に沿って前記長翼と交互に配置され、前記長翼の前記入口側羽根部と同じ翼形状で形成された複数の短翼と、
を具備し、
前記短翼のランナ出口側の端部と該短翼の正圧面側に隣り合う入口側羽根部のランナ出口側の端部との間の前記ランナ回転方向に沿ったピッチをλ1、該短翼のランナ出口側の端部と該短翼の負圧面側に隣り合う入口側羽根部のランナ出口側の端部との間の前記ランナ回転方向に沿ったピッチをλ2、とした場合、
5[%]≦(λ2−λ1)×100/(λ1+λ2)≦15[%]
を満たすことを特徴とする水力機械のランナ。 The inlet side blade part constituting the runner inlet side blade part, and the outlet side blade part constituting the runner outlet side blade part and separately manufactured from the inlet side blade part, in the runner rotation direction A plurality of long wings arranged at predetermined intervals along the
A plurality of short blades alternately arranged with the long blades along the runner rotation direction and formed in the same blade shape as the inlet blade portion of the long blades;
Equipped with,
The pitch along the runner rotation direction between the end on the runner outlet side of the short blade and the end on the runner outlet side of the inlet blade adjacent to the pressure surface side of the short blade is λ1, and the short blade When the pitch along the runner rotation direction between the end on the runner exit side of the runner and the end on the runner exit side of the inlet blade adjacent to the suction surface side of the short blade is λ2,
5 [%] ≦ (λ2−λ1) × 100 / (λ1 + λ2) ≦ 15 [%]
Water Machinery of runners and satisfies the.
前記ランナ回転方向に沿って前記長翼と交互に配置され、前記長翼の前記入口側羽根部と同じ翼形状で形成された複数の短翼と、
を具備し、
前記入口側羽根部と前記出口側羽根部とを互いに離間した状態でそれぞれ配置すると共に、前記入口側羽根部のランナ出口側の端部における負圧面側に、前記出口側羽根部のランナ入口側の端部における正圧面側を近接させたことを特徴とする水力機械のランナ。 The inlet side blade part constituting the runner inlet side blade part, and the outlet side blade part constituting the runner outlet side blade part and separately manufactured from the inlet side blade part, in the runner rotation direction A plurality of long wings arranged at predetermined intervals along the
A plurality of short blades alternately arranged with the long blades along the runner rotation direction and formed in the same blade shape as the inlet blade portion of the long blades;
Comprising
The inlet-side blade portion and the outlet-side blade portion are arranged in a state of being separated from each other, and on the suction surface side of the end-side blade portion of the inlet-side blade portion, the runner inlet side of the outlet-side blade portion water machinery runner you characterized in that the pressure side is brought close at the end of.
前記入口側羽根部と前記短翼とをランナクラウン及びランナバンドにそれぞれ接合する工程と、
前記入口側羽根部と前記短翼とがそれぞれ接合された前記ランナクラウン及び前記ランナバンドに対し、前記出口側羽根部を接合する工程と、
を有することを特徴とする水力機械用ランナの製造方法。 A method for manufacturing a hydraulic machine runner for manufacturing the hydraulic machine runner according to any one of claims 1 to 7,
Bonding the inlet blade portion and the short blade to a runner crown and a runner band,
Joining the outlet-side blade portion to the runner crown and the runner band to which the inlet-side blade portion and the short blade are respectively joined;
The manufacturing method of the runner for hydraulic machines characterized by having.
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