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).
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
27 Volute diffuser (second diffuser)
Claims (4)
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.
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.
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