JP6935658B2 - How to manufacture a fluid machine - Google Patents

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Description

本発明は、広範囲の流量や落差での高効率運転を可能にする流体機械に関する。 The present invention relates to a fluid machine that enables highly efficient operation over a wide range of flow rates and heads.

近年、地球温暖化等の環境問題が問題視される中で、ＣＯ２の排出量が少ないクリーンな再生可能エネルギーに対する開発推進への関心が国際的にも高まっている。当該再生可能エネルギーとしては、気象変動等により出力が変動し易い太陽光発電や風力発電等に比べ、安定でエネルギー密度の高い水力発電が注目されている。この水力発電に用いられる流体機械として、反動型水車であるフランシス水車が広く利用されており、このフランシス水車は、河川や貯水池等からの用水が、ランナの外周側から半径方向に流入してその中央で軸方向に流出する過程で、発電装置に繋がるランナを回転させた上で、軸方向に延びるドラフトチューブを通じて外部に排水される（例えば、特許文献１参照）。 In recent years, as environmental problems such as global warming have become a problem, interest in promoting the development of clean renewable energy with low CO 2 emissions is increasing internationally. As the renewable energy, hydroelectric power generation, which is stable and has a high energy density, is attracting attention as compared with solar power generation and wind power generation whose output is liable to fluctuate due to weather fluctuations and the like. A Francis turbine, which is a reaction turbine, is widely used as a fluid machine used for this hydroelectric power generation. In this Francis turbine, water from rivers, reservoirs, etc. flows in the radial direction from the outer peripheral side of the runner. In the process of flowing out in the axial direction at the center, the runner connected to the power generation device is rotated and then drained to the outside through a draft tube extending in the axial direction (see, for example, Patent Document 1).

特開２０１６−３７８７５号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-37775

前述のフランシス水車では、その設計点において、出力効率を最大にするために、ランナ出口での絶対流速の周方向成分がほぼゼロとなるように設計される。しかしながら、設計点よりも低流量となる部分負荷運転では、ランナ出口において絶対流速の周方向成分が残り、当該成分によるランナの回転方向と同方向となる出口側の旋回流が、下流にあるドラフトチューブに流入する。ここで、ドラフトチューブは、一般に円筒型の拡大管となっており、旋回流に起因する様々な不安定現象を発生させことがある。つまり、設計点よりも流量の少ない部分負荷運転では、ランナ出口での旋回流がドラフトチューブに流入すると、旋回成分によって強い渦の振れ回りをドラフトチューブ内に誘起し、大きな圧力変動、全圧損失、振動騒音を引き起こす。一方、設計点よりも流量の多い過負荷運転においても同様に、ランナの回転方向とは逆の渦を誘起し、ドラフトチューブ内に渦芯振れ回りによる流動不安定や、条件により管路や電力系統にも異常を及ぼすキャビテーションサージを引き起こす。これらの現象や当該現象による出力変動の影響を少なくするために、実際の水車では、設計点から大きく外れた運転の実施ができず、広範囲な流量、落差の運転が妨げられることになる。この流動不安定を抑制するためには、ドラフトチューブ内に空気を注入する方法が一般的であるが、著しい効率低下を引き起こす不具合がある。このように従来のフランシス水車では、著しい部分負荷や過負荷運転では不安定な運転となるため、広範囲の出力に対応した運転は実施していない。一方、今後、再生可能エネルギーとして水力発電の利用価値を高めるためには、様々な状況に応じて柔軟な出力調整を可能にする新たな流体機械が必要となる。 The above-mentioned Francis turbine is designed so that the circumferential component of the absolute flow velocity at the runner outlet is almost zero in order to maximize the output efficiency at the design point. However, in partial load operation where the flow rate is lower than the design point, the circumferential component of the absolute flow velocity remains at the runner outlet, and the swirling flow on the outlet side in the same direction as the rotation direction of the runner due to the component is a draft downstream. Inflow into the tube. Here, the draft tube is generally a cylindrical expansion tube, and may cause various unstable phenomena due to the swirling flow. In other words, in partial load operation where the flow rate is less than the design point, when the swirling flow at the runner outlet flows into the draft tube, a strong vortex swing is induced in the draft tube by the swirling component, resulting in large pressure fluctuation and total pressure loss. , Causes vibration noise. On the other hand, even in overload operation where the flow rate is higher than the design point, a vortex opposite to the rotation direction of the runner is also induced, flow instability due to vortex core swinging in the draft tube, and the pipeline and power depending on the conditions. Causes a cavitation surge that also causes abnormalities in the system. In order to reduce the effects of these phenomena and output fluctuations due to these phenomena, it is not possible to carry out operation that deviates significantly from the design point in an actual water turbine, and operation with a wide range of flow rates and heads is hindered. In order to suppress this flow instability, a method of injecting air into the draft tube is common, but there is a problem of causing a significant decrease in efficiency. As described above, in the conventional Francis turbine, the operation corresponding to a wide range of output is not carried out because the operation becomes unstable in a remarkable partial load or overload operation. On the other hand, in order to increase the utility value of hydroelectric power generation as renewable energy in the future, a new fluid machine that enables flexible output adjustment according to various situations will be required.

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、想定される出力流量の範囲内で運転時の安定性を維持し、広範囲における流量や落差での高効率運転を実現可能にする流体機械を提供することにある。 The present invention has been devised by paying attention to such inconveniences, and an object of the present invention is to maintain stability during operation within a range of expected output flow rates, and to maintain high flow rates and heads over a wide range. The purpose is to provide a fluid machine that enables efficient operation.

前記目的を達成するため、本発明は、周方向に沿って配置された多数のランナベーンに沿って所定の流体が通過する際に回転するランナを備えた反動型の流体機械において、前記ランナベーンは、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側での絶対流速の周方向成分が、常時、前記ランナの回転と同一方向の順方向の旋回となる羽根形状をなす、という構成を採っている。 In order to achieve the above object, the present invention presents the present invention in a reaction type fluid machine having a runner that rotates as a predetermined fluid passes along a large number of runner vanes arranged along the circumferential direction. Even if the operating conditions are changed within the assumed operating range, the circumferential component of the absolute flow velocity on the outlet side of the fluid in the runner vane always swirls in the forward direction in the same direction as the rotation of the runner. It has a structure of forming a shape.

また、前記ランナベーンは、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側の絶対流出角が、接線方向に対して常時鋭角となる羽根形状をなす、という構成を採っている。 Further, the runner vane has a blade shape in which the absolute outflow angle of the fluid on the outlet side of the runner vane is always acute with respect to the tangential direction even if the operating conditions are changed within the assumed operating range. It has a structure.

本発明によれば、想定される全運転範囲において、ランナベーンの出口側の絶対流速の周方向成分が、常時、前記ランナの回転と同一方向となる順方向の旋回成分となるため、ランナの下流側を当該順方向の旋回流に対応した構造とすることで、従来のフランシス水車における前述の不都合を回避することができる。つまり、ランナの出口側からの流体の流れを半径方向に導く構造とすることにより、常時、順方向の旋回流を発生させても、ランナの出口側から軸方向に流体の流れを導く従来のフランシス水車での前述の不都合が生じないことになる。従来のフランシス水車では、流量が非設計点となる運転時には、ランナの出口側に、方向の異なる旋回流が生じ、ドラフトチューブ内の流れの挙動が大きく変化し、様々な不安定現象を発生させる。しかしながら、本発明では、前記ランナベーンにおける流体の出口側の絶対流出角を接線方向に対して常時鋭角とし、ランナの出口側における流体の絶対流速の周方向成分を常時前記順方向の旋回流にすることで、非設計点、特に、低流量運転をした際のランナの出口側の不安定な流動を抑制でき、高効率運転が可能になる。また、ランナの出口側のディフューザの延出方向が従来の軸方向から周方向に変わるため、流体機械における軸方向の全体寸法を大幅に低減することができる。 According to the present invention, in the entire assumed operating range, the circumferential component of the absolute flow velocity on the outlet side of the runner vane is always a forward turning component that is in the same direction as the rotation of the runner, and thus is downstream of the runner. By making the side structure corresponding to the swirling flow in the forward direction, the above-mentioned inconvenience in the conventional Francis turbine can be avoided. In other words, by adopting a structure that guides the fluid flow from the runner outlet side in the radial direction, even if a forward swirling flow is always generated, the conventional fluid flow is guided axially from the runner outlet side. The above-mentioned inconveniences in the Francis turbine will not occur. In a conventional Francis turbine, when the flow rate is a non-design point, a swirling flow with different directions is generated on the outlet side of the runner, and the behavior of the flow in the draft tube changes significantly, causing various unstable phenomena. .. However, in the present invention, the absolute outflow angle of the fluid on the outlet side of the runner vane is always sharp with respect to the tangential direction, and the circumferential component of the absolute flow velocity of the fluid on the outlet side of the runner is always swirling in the forward direction. As a result, unstable flow on the outlet side of the runner can be suppressed at non-design points, especially when low flow rate operation is performed, and highly efficient operation becomes possible. Further, since the extension direction of the diffuser on the outlet side of the runner changes from the conventional axial direction to the circumferential direction, the overall axial dimension of the fluid machine can be significantly reduced.

（Ａ）は、本実施形態に係る流体機械を横方向から見た概略斜視図であり、（Ｂ）は、前記流体機械を上方から見た概略斜視図である。(A) is a schematic perspective view of the fluid machine according to the present embodiment as viewed from the side, and (B) is a schematic perspective view of the fluid machine as viewed from above. 前記流体機械の概略縦断面図である。It is a schematic vertical sectional view of the fluid machine. 前記流体機械の概略分解斜視図である。It is a schematic exploded perspective view of the said fluid machine. 図３に対し別の角度から見た前記流体機械の概略分解斜視図である。It is a schematic exploded perspective view of the fluid machine seen from another angle with respect to FIG. （Ａ）は、バンドを外した状態のランナの概略斜視図であり、（Ｂ）は、前記ランナの概略平面図であり、（Ｃ）は、前記ランナの概略正面図である。(A) is a schematic perspective view of the runner with the band removed, (B) is a schematic plan view of the runner, and (C) is a schematic front view of the runner. ランナベーンの設計条件を速度三角形により説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for explaining the design condition of a runner vane by a velocity triangle. ランナベーンの前縁から後縁までの距離に対する羽根角度の関係を従来のランナと比較して表したグラフである。It is a graph which showed the relationship of the blade angle with respect to the distance from the leading edge to the trailing edge of a runner vane in comparison with a conventional runner. 従来のランナベーンの概略斜視図である。It is a schematic perspective view of a conventional runner vane. 平行ディフューザの概略断面図である。It is a schematic cross-sectional view of a parallel diffuser. ボリュートディフューザの概略断面図である。It is a schematic cross-sectional view of a volute diffuser. 前記流体機械の設置例を表す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the installation example of the said fluid machine.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１（Ａ）には、本実施形態に係る流体機械を横方向から見た概略斜視図が示され、同図（Ｂ）には、前記流体機械を上方から見た概略斜視図が示されている。図２には、前記流体機械の概略縦断面図が示されている。図３には、前記流体機械の概略分解斜視図が示されており、図４には、前記流体機械を図３と別の角度から見た前記流体機械の概略分解斜視図が示されている。これらの図において、前記流体機械１０は、貯水池、河川、上下水道、所定の配管等の取水部から供給された流体としての用水の圧力を図示しない発電装置の動力に変換する反動型の水力機械である水車として機能する。 FIG. 1 (A) shows a schematic perspective view of the fluid machine according to the present embodiment as viewed from the side, and FIG. 1 (B) shows a schematic perspective view of the fluid machine as viewed from above. ing. FIG. 2 shows a schematic vertical sectional view of the fluid machine. FIG. 3 shows a schematic disassembled perspective view of the fluid machine, and FIG. 4 shows a schematic disassembled perspective view of the fluid machine when the fluid machine is viewed from a different angle from that of FIG. .. In these figures, the fluid machine 10 is a reaction type hydraulic machine that converts the pressure of water as a fluid supplied from intake parts such as a reservoir, a river, water and sewage, and a predetermined pipe into the power of a power generation device (not shown). Functions as a water wheel.

この流体機械１０は、図１（Ａ）中上側に位置し、前記取水部から取水された用水を動力に変換する動力変換部１１と、同図中下側に位置し、動力変換部１１から流出された用水の速度を圧力に回復させるディフューザ部１２とにより構成される。 The fluid machine 10 is located on the upper middle side of FIG. 1 (A) and is located on the lower side in the figure and is located on the lower side of the power conversion unit 11 and is located on the lower side in the figure. It is composed of a diffuser unit 12 that restores the speed of the spilled water to pressure.

前記動力変換部１１は、図２〜図４に示されるように、前記取水部からの用水が流通するケーシング１４と、ケーシング１４を通過した用水が流入するステーベーン１５と、ステーベーン１５を支持するステーリング１６と、ステーベーン１５を通過した用水が流入するガイドベーン１７と、ガイドベーン１７を支持するガイドベーンリング１８と、ガイドベーン１７を通過した用水が流入するランナ２０とにより構成される。なお、ステーベーン１５、ステーリング１６、ガイドベーン１７及びガイドベーンリング１８を省略した構成を採ることもできる。 As shown in FIGS. 2 to 4, the power conversion unit 11 includes a casing 14 through which the irrigation water from the intake unit flows, a stay vane 15 into which the irrigation water passing through the casing 14 flows in, and a stay supporting the stay vane 15. It is composed of a ring 16, a guide vane 17 into which the irrigation water that has passed through the stay vane 15 flows in, a guide vane ring 18 that supports the guide vane 17, and a runner 20 in which the irrigation water that has passed through the guide vane 17 flows in. It is also possible to adopt a configuration in which the stay vane 15, the stay ring 16, the guide vane 17, and the guide vane ring 18 are omitted.

前記ケーシング１４は、前記取水部側となる入口１４Ａ（図３参照）から内径が次第に減少する渦巻き状に設けられた円管により構成され、その内部空間が用水の流路となる。また、ケーシング１４は、その中央に形成された平面視円形の空間部分にステーベーン１５が収容され、入口１４Ａからの用水がステーベーン１５の外周全域に用水を流出させるための出口１４Ｂが形成される。 The casing 14 is formed of a spiral pipe whose inner diameter gradually decreases from the inlet 14A (see FIG. 3) on the water intake side, and the internal space thereof serves as a flow path for water. Further, the casing 14 is accommodated in a space portion having a circular shape in a plan view formed in the center thereof, and an outlet 14B for allowing the irrigation water from the inlet 14A to flow out to the entire outer periphery of the stavene 15 is formed.

前記ステーベーン１５は、ケーシング１４からランナ２０に流れる用水を整流するための固定羽根として機能し、図３中上下両側に設けられたステーリング１６に挟み込まれるように固定される。このステーベーン１５は、各ステーリング１６の面に周方向に沿って規則的に多数配置され、ステーベーン１５及びステーリング１６の中央には、図４に示されるように、同図中上下方向に貫通する空間が形成され、当該空間に、ガイドベーン１７、ガイドベーンリング１８及びランナ２０が収容されるようになっている。 The staling 15 functions as a fixing blade for rectifying the water flowing from the casing 14 to the runner 20, and is fixed so as to be sandwiched between the stalings 16 provided on both the upper and lower sides in FIG. A large number of the stay vanes 15 are regularly arranged along the circumferential direction on the surface of each staying 16, and penetrate the center of the stay vanes 15 and the staying 16 in the vertical direction in the figure as shown in FIG. A space to be used is formed, and a guide vane 17, a guide vane ring 18, and a runner 20 are accommodated in the space.

前記ガイドベーン１７は、ケーシング１４からランナ２０に流入する用水の流量を調整可能に揺動する可動羽根として機能し、図４中上下両側に設けられたガイドベーンリング１８に挟み込まれるように取り付けられる。このガイドベーン１７は、各ガイドベーンリング１８の面に周方向に沿って規則的に多数配置される。 The guide vanes 17 function as movable blades that oscillate the flow rate of the water flowing from the casing 14 into the runner 20 in an adjustable manner, and are attached so as to be sandwiched between the guide vanes rings 18 provided on both the upper and lower sides in FIG. .. A large number of guide vanes 17 are regularly arranged along the circumferential direction on the surface of each guide vane ring 18.

なお、本実施形態では、ステーリング１６とガイドベーンリング１８を別体としているが、一体化することも可能である。 In the present embodiment, the staple ring 16 and the guide vane ring 18 are separate bodies, but they can also be integrated.

以上のケーシング１４、ステーベーン１５、ステーリング１６、ガイドベーン１７及びガイドベーンリング１８は、従来のフランシス水車に適用されているものと同等のものが用いられており、本発明の本質部分ではないため、詳細な説明を省略する。 As the casing 14, the stay vane 15, the stay ring 16, the guide vane 17, and the guide vane ring 18 are the same as those applied to the conventional Francis turbine, they are not the essential parts of the present invention. , Detailed description is omitted.

前記ランナ２０は、その軸線Ｌ（図２等参照）を中心として回転可能に配置された羽根車であり、その回転動力が、図示省略した回転軸部材に伝達され、図示しない発電装置等の動力源となる。つまり、ランナ２０は、ステーベーン１５及びガイドベーン１７を通過した用水が、外周側から内周側に向かって半径方向に流れる過程での水圧の変化を利用して回転するようになっている。 The runner 20 is an impeller rotatably arranged around its axis L (see FIG. 2 and the like), and its rotational power is transmitted to a rotary shaft member (not shown) to power a power generator or the like (not shown). Become a source. That is, the runner 20 rotates by utilizing the change in water pressure in the process in which the irrigation water that has passed through the stay vane 15 and the guide vane 17 flows in the radial direction from the outer peripheral side to the inner peripheral side.

前記ランナ２０は、図２〜図５に示されるように、周方向に沿って所定間隔毎に規則的に配置された多数のランナベーン２２と、前記回転軸部材が取り付けられるとともに、ランナベーン２２を支持するクラウン２３（図２等参照）と、ランナベーン２２を外側から保護するとともに、ランナベーン２２間における用水の漏出を阻止するバンド２４（図２〜図４参照）とを備えている。なお、以下の説明において、クラウン２３の外周面をクラウンＣ（図２等参照）と記し、バンド２４の内周面をバンドＢ（図２参照）と記す。 As shown in FIGS. 2 to 5, the runner 20 is attached with a large number of runner vanes 22 regularly arranged at predetermined intervals along the circumferential direction, the rotary shaft member, and supports the runner vanes 22. It is provided with a crown 23 (see FIG. 2 and the like) and a band 24 (see FIGS. 2 to 4) that protects the runner vane 22 from the outside and prevents water from leaking between the runner vanes 22. In the following description, the outer peripheral surface of the crown 23 will be referred to as a crown C (see FIG. 2 and the like), and the inner peripheral surface of the band 24 will be referred to as a band B (see FIG. 2).

前記ランナベーン２２は、バンド２４を図示省略した図５（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、クラウンＣの表面に対して起立するように取り付けられている。ここで、各ランナベーン２２は、想定される運転範囲内で運転条件を変更しても、ランナベーン２２の出口側の絶対流速の周方向成分が、常時、ランナ２０の回転方向と同一方向の旋回方向（以下、「順旋回方向」と称する）となるように設計されている。具体的に、図６に示されるように、ランナベーン２２から流体が流出する同図下側の出口側で、ランナ２０の接線方向に対応する周方向の速度である周方向速度Ｕ、前記出口側の流体における相対速度Ｗ、及び前記出口側の流体における絶対速度Ｖによる速度三角形を作成したときに、周方向速度Ｕのベクトルと絶対速度Ｖのベクトルとの間でなす角度である接線方向に対する絶対流出角αｏｕｔが、変流量運転で想定される最大流量時において鋭角になるように設計される。ここで、ランナ２０の動力が伝達される発電装置等の機器の条件から、ランナ２０への負荷は変動しても、ガイドベーン１７の開度制御によりランナ２０が一般的に定速回転に維持されるため、周方向速度Ｕは常に一定となる。このため、速度三角形における子午面速度成分Ｖｍｏｕｔが最大流量（図６中最も左の部分）以下となる部分負荷運転時においても、絶対流出角αｏｕｔが常時鋭角となる。この結果、最大流量以下の運転時には、ランナベーン２２の出口側における絶対流速の周方向成分Ｖｕｏｕｔが、常時、ランナベーン２２の回転方向ＲＴと同一の順旋回方向となる。 The runner vane 22 is attached so as to stand up against the surface of the crown C, as shown in FIGS. 5 (A) to 5 (C) in which the band 24 is not shown. Here, even if the operating conditions of each runner vane 22 are changed within the assumed operating range, the circumferential component of the absolute flow velocity on the outlet side of the runner vane 22 is always in the same turning direction as the rotation direction of the runner 20. (Hereinafter referred to as "forward turning direction"). Specifically, as shown in FIG. 6, on the lower exit side of the figure in which the fluid flows out from the runner vane 22, the circumferential velocity U, which is the circumferential velocity corresponding to the tangential direction of the runner 20, and the outlet side. Absolute with respect to the tangential direction, which is the angle formed between the vector of the circumferential velocity U and the vector of the absolute velocity V when the velocity triangle is created by the relative velocity W in the fluid and the absolute velocity V in the fluid on the outlet side. The outflow angle α out is designed to be sharp at the maximum flow rate assumed in variable velocity operation. Here, even if the load on the runner 20 fluctuates due to the conditions of equipment such as a power generator to which the power of the runner 20 is transmitted, the runner 20 is generally maintained at a constant speed rotation by controlling the opening degree of the guide vane 17. Therefore, the circumferential speed U is always constant. Therefore, the absolute outflow angle α out is always acute even during partial load operation in which the meridional velocity component V mout in the velocity triangle is equal to or less than the maximum flow rate (the leftmost part in FIG. 6). As a result, during operation below the maximum flow rate, the circumferential component Vuout of the absolute flow velocity on the outlet side of the runner vane 22 is always in the same forward turning direction as the rotation direction RT of the runner vane 22.

このランナベーン２２の形状は、図７中実線で示されるように、上流側となるランナ２０の前縁側から、下流側となる同後縁側に向かって、羽根の中立線（キャンバー線）と軸回りの円弧との間でなす角度である接線方向からの羽根角度βＢが次第に減少する。これに対し、図８に示される従来のフランシス水車のランナ５０のランナベーン５１は、図７中破線で示されるように、前記羽根角度βＢが設計されている。すなわち、本実施形態に係るランナベーン２２は、前縁側から後縁側までの各位置において、従来のランナベーン５１よりも前記羽根角度βＢが大きく設計されている。なお、図７は、クラウンＣ側からバンドＢ側までの間の中間部分、すなわち羽根の高さ方向の中間部分となるミッド部分における羽根角度分布を表してるが、クラウンＣ側からバンドＢ側まで同様の傾向により、従来のフランシス水車のランナベーン５１よりも全域で前記羽根角度βＢが大きくなるように設計される。 As shown by the solid line in FIG. 7, the shape of the runner vane 22 is around the neutral line (camber line) of the blade and the axis from the front edge side of the runner 20 on the upstream side to the trailing edge side on the downstream side. The blade angle β B from the tangential direction, which is the angle formed with the arc of, gradually decreases. On the other hand, in the runner vane 51 of the runner 50 of the conventional Francis turbine shown in FIG. 8, the blade angle β B is designed as shown by the broken line in FIG. 7. That is, the runner vane 22 according to the present embodiment is designed so that the blade angle β B is larger than that of the conventional runner vane 51 at each position from the front edge side to the trailing edge side. Note that FIG. 7 shows the blade angle distribution in the intermediate portion between the crown C side and the band B side, that is, the mid portion which is the intermediate portion in the height direction of the blades, from the crown C side to the band B side. Due to the same tendency, the blade angle β B is designed to be larger in the entire area than the runner vane 51 of the conventional Francis turbine.

なお、ランナベーン２２の出口側の絶対流速の周方向成分が常時順旋回方向となることから、ランナベーン２２の入口側の角運動量を従来よりも増大することで、理論ヘッドを低下させないように、ガイドベーン１７の羽根角度が設定される。 Since the circumferential component of the absolute flow velocity on the outlet side of the runner vane 22 is always in the forward turning direction, the guide is not lowered by increasing the angular momentum on the inlet side of the runner vane 22 as compared with the conventional one. The blade angle of the vane 17 is set.

前記ディフューザ部１２は、ランナ２０からの用水の流れを半径方向に転向させながら減速した上で周方向又は接線方向に集めて圧力回復させる構造となっている。すなわち、ディフューザ部１２は、図２〜図４に示されるように、ランナ２０からの用水が流入する円盤状の平行ディフューザ２６（第１のディフューザ）と、平行ディフューザ２６からの用水を流体機械１０の外部に排出する渦巻き状のボリュートディフューザ２７（第２のディフューザ）とからなる。 The diffuser portion 12 has a structure in which the flow of water from the runner 20 is decelerated while being redirected in the radial direction, and then collected in the circumferential direction or the tangential direction to recover the pressure. That is, as shown in FIGS. 2 to 4, the diffuser portion 12 uses the disk-shaped parallel diffuser 26 (first diffuser) into which the water from the runner 20 flows in and the water from the parallel diffuser 26 into the fluid machine 10. It is composed of a spiral volume diffuser 27 (second diffuser) that discharges to the outside of the.

前記平行ディフューザ２６は、ランナ２０の図２中下端側に繋がっており、ランナ２０から排出された用水を流入可能とする流路２６Ａが全周に形成されており、ランナ２０からの用水の流れを半径方向に転向させ、且つ、減速させる流路形状となっている。この平行ディフューザ２６は、図９に示されるように、相互に内径の異なる二枚の円形の平板２６Ｂの中央部分をそれぞれ凹ませることで形成され、それら２枚の平板２６Ｂの間に形成される隙間が、ランナ２０からの用水をボリュートディフューザ２７に導く流路２６Ａとなる。 The parallel diffuser 26 is connected to the lower middle end side of FIG. 2 of the runner 20, and a flow path 26A that allows the irrigation water discharged from the runner 20 to flow in is formed on the entire circumference, and the flow of irrigation water from the runner 20. Has a flow path shape that rotates and decelerates in the radial direction. As shown in FIG. 9, the parallel diffuser 26 is formed by denting the central portions of two circular flat plates 26B having different inner diameters, and is formed between the two flat plates 26B. The gap serves as a flow path 26A that guides the water from the runner 20 to the volute diffuser 27.

前記ボリュートディフューザ２７は、図１０にも示されるように、中央から外周側に向かって渦巻き状に延びながら周方向又は接線方向に次第に内径が拡がる円管により形成されており、その内部の流路２７Ａを用水が通過する過程で、ランナ２０からの用水の圧力を回復させるように機能する。また、ボリュートディフューザ２７は、図３及び図４等にも示されるように、その中央部分に平行ディフューザ２６が収容される平面視円形の空間部分が形成され、平行ディフューザ２６の外周部分全域から排出された用水を流入させる入口２７Ｂが形成されている。また、入口２７Ｂが全周に形成された中央部分から渦巻き状に延びる円管の端部は、外部に開放しており、当該開放部分が用水を流体機械１０の外部に排出する出口２７Ｃとなる。このように構成されたボリュートディフューザ２７は、ランナ２０からの前記順旋回方向に沿う巻き方向に設けられており、流路２７Ａに平行ディフューザ２６からの半径方向の流れの用水が流入する際に、当該用水の流れを軸回りの流れ方向に変換し、ボリュートディフューザ２７を通過する用水は、流速が低下しながら出口２７Ｃから河川等に排出される。 As shown in FIG. 10, the volute diffuser 27 is formed of a circular tube whose inner diameter gradually expands in the circumferential direction or the tangential direction while spirally extending from the center toward the outer peripheral side, and a flow path inside the volute diffuser 27. In the process of passing the irrigation water through 27A, it functions to restore the pressure of the irrigation water from the runner 20. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the volute diffuser 27 has a circular space portion in a plan view in which the parallel diffuser 26 is housed in the central portion thereof, and is discharged from the entire outer peripheral portion of the parallel diffuser 26. An inlet 27B is formed to allow the water to flow in. Further, the end of the circular pipe whose inlet 27B is formed on the entire circumference and extends in a spiral shape is open to the outside, and the open portion serves as an outlet 27C for discharging the irrigation water to the outside of the fluid machine 10. .. The volute diffuser 27 configured in this way is provided in the winding direction along the forward turning direction from the runner 20, and when the water for the radial flow from the parallel diffuser 26 flows into the flow path 27A, it is generated. The flow of the irrigation water is converted into a flow direction around the axis, and the irrigation water passing through the volute diffuser 27 is discharged from the outlet 27C to a river or the like while the flow velocity decreases.

以上の構成の流体機械１０の設置例としては、図１１に示されるように、貯水池や河川（図示省略）からの用水が建屋Ｔ内に設けられた流体機械１０を通過し、流体機械１０に繋がる発電装置（図示省略）の動力源となり、流体機械１０からの用水が建屋Ｔに隣接する河川Ｒや図示しない貯水池等に排水される。 As an installation example of the fluid machine 10 having the above configuration, as shown in FIG. 11, water from a reservoir or a river (not shown) passes through the hydraulic machine 10 provided in the building T and becomes the hydraulic machine 10. It serves as a power source for the connected power generation device (not shown), and the water from the fluid machine 10 is drained to a river R adjacent to the building T, a reservoir (not shown), or the like.

前記実施形態では、本発明を水車に適用した例を図示説明したが、本発明はこれに限らず、用水の流れ方向が前述と逆になるポンプ等、他の水力機械や空力機械等の様々な流体機械に適用することができる。 In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a water turbine has been illustrated and described, but the present invention is not limited to this, and various other hydraulic machines, aerodynamic machines, etc. It can be applied to various fluid machines.

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。 In addition, the configuration of each part of the device in the present invention is not limited to the illustrated configuration example, and various changes can be made as long as substantially the same operation is obtained.

１０ 流体機械
１２ ディフューザ部
２０ ランナ
２２ ランナベーン
２６ 平行ディフューザ（第１のディフューザ）
２７ ボリュートディフューザ（第２のディフューザ） 10 Fluid machine 12 Diffuser part 20 Runner 22 Runner vane 26 Parallel diffuser (first diffuser)
27 Volute diffuser (second diffuser)

Claims (4)

周方向に沿って配置された多数のランナベーンに沿って所定の流体が通過する際に回転するランナを備えた反動型の流体機械の製造方法において、
前記ランナベーンを、変流量運転で想定される最大流量以下の全運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側での絶対流速の周方向成分が、常時、前記ランナの回転と同一方向の順方向の旋回となる羽根形状にし、
前記ランナから流出した前記流体が流入し、前記ランナの回転と同一方向となる順方向の旋回流に対応して当該ランナからの前記流体の圧力を回復させる構造をなすディフューザ部を更に設け、
前記ディフューザ部は、前記ランナからの前記流体が流入する円盤状の第１のディフューザと、当該第１のディフューザからの前記流体を巻き方向に沿って外部に排出する渦巻き状の第２のディフューザとにより構成し、
前記第１のディフューザは、相互に内径の異なる二枚の円形の平板の中央部分をそれぞれ凹ませることで形成され、当該各平板の間に形成される隙間が、前記ランナからの前記流体を前記第２のディフューザに導く流路とされることを特徴とする流体機械の製造方法。 In a method of manufacturing a recoil type fluid machine having a runner that rotates as a predetermined fluid passes along a number of runner vanes arranged along the circumferential direction.
Even if the operating conditions of the runner vane are changed within the entire operating range below the maximum flow rate assumed in the variable flow rate operation, the circumferential component of the absolute flow velocity on the outlet side of the fluid in the runner vane is always the runner. The blade shape is such that it turns in the same direction as the rotation of
A diffuser portion having a structure for recovering the pressure of the fluid from the runner in response to a forward swirling flow in which the fluid flowing out of the runner flows in and is in the same direction as the rotation of the runner is further provided.
The diffuser portion includes a disk-shaped first diffuser into which the fluid from the runner flows, and a spiral-shaped second diffuser that discharges the fluid from the first diffuser to the outside along the winding direction. Consists of
The first diffuser is formed by denting the central portions of two circular flat plates having different inner diameters, and a gap formed between the flat plates allows the fluid from the runner to flow. A method for manufacturing a fluid machine, which comprises a flow path leading to a second diffuser. 周方向に沿って配置された多数のランナベーンに沿って所定の流体が通過する際に回転するランナを備えた反動型の流体機械の製造方法において、
前記ランナベーンを、変流量運転で想定される最大流量以下の全運転範囲内で運転条件を変更しても、前記ランナベーンにおける前記流体の出口側の絶対流出角が、接線方向に対して常時鋭角となる羽根形状にし、
前記ランナから流出した前記流体が流入し、前記ランナの回転と同一方向となる順方向の旋回流に対応して当該ランナからの前記流体の圧力を回復させる構造をなすディフューザ部を更に設け、
前記ディフューザ部は、前記ランナからの前記流体が流入する円盤状の第１のディフューザと、当該第１のディフューザからの前記流体を巻き方向に沿って外部に排出する渦巻き状の第２のディフューザとにより構成し、
前記第１のディフューザは、相互に内径の異なる二枚の円形の平板の中央部分をそれぞれ凹ませることで形成され、当該各平板の間に形成される隙間が、前記ランナからの前記流体を前記第２のディフューザに導く流路とされることを特徴とする流体機械の製造方法。 In a method of manufacturing a recoil type fluid machine having a runner that rotates as a predetermined fluid passes along a number of runner vanes arranged along the circumferential direction.
Even if the operating conditions of the runner vane are changed within the entire operating range below the maximum flow rate assumed in the variable flow rate operation, the absolute outflow angle of the fluid outlet side in the runner vane is always acute with respect to the tangential direction. In the shape of a blade
A diffuser portion having a structure for recovering the pressure of the fluid from the runner in response to a forward swirling flow in which the fluid flowing out of the runner flows in and is in the same direction as the rotation of the runner is further provided.
The diffuser portion includes a disk-shaped first diffuser into which the fluid from the runner flows, and a spiral-shaped second diffuser that discharges the fluid from the first diffuser to the outside along the winding direction. Consists of
The first diffuser is formed by denting the central portions of two circular flat plates having different inner diameters, and a gap formed between the flat plates allows the fluid from the runner to flow. A method for manufacturing a fluid machine, which comprises a flow path leading to a second diffuser. 前記ディフューザ部を、前記ランナからの前記流体の流れを半径方向に転向させながら減速した上で周方向又は接線方向に集めて圧力回復させるように設けることを特徴とする請求項１又は２記載の流体機械の製造方法。 The front Symbol diffuser unit, according to claim 1, wherein the provision so as to flow the fluid collected on which decelerated while turning radially circumferential or tangential pressure recovery from the runner How to make a fluid machine. 前記第２のディフューザは、中央から外周側に向かって渦巻き状に延びながら周方向又は接線方向に次第に内径が拡がる円管により形成することを特徴とする請求項１又は２記載の流体機械の製造方法。 The production of the fluid machine according to claim 1 or 2, wherein the second diffuser is formed of a circular tube whose inner diameter gradually expands in the circumferential direction or the tangential direction while spirally extending from the center toward the outer peripheral side. Method.
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