JP2000249035A

JP2000249035A - 水車及びその運転方法

Info

Publication number: JP2000249035A
Application number: JP11047564A
Authority: JP
Inventors: Takanori Shibata; 貴範柴田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2000-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、渦巻きケーシングを有する水
車において、ランナに流入する水流の周方向の不均一を
改善し、広い運転範囲で十分に高い効率を実現できる水
車及びその運転方法を提供することにある。【解決手段】渦巻き状のケーシング１と、ケーシング１
の内側に同一円周上に配置された複数のステーベーン３
と、ステーベーン３の内側に同一円周上に配置された複
数の可動なガイドベーン４と、ケーシング１，ステーベ
ーン３及びガイドベーン４を順次通過した水によって回
転駆動されるランナとを備えた水車において、ケーシン
グ１の巻き始め位置（ψ＝０度）から巻き終り位置にか
けて、大部分のガイドベーン開度が次第に大きくなるよ
うに制御する制御手段を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水車及びポンプ水車
（以下、単に水車という）に係り、特に回転するランナ
の上流部又は下流部に可動なガイドベーンを有する水車
に関する。

【０００２】

【従来の技術】可動なガイドベーンを有する従来の水車
は、例えば特開昭56−56975 号公報に記載されたものが
ある。この従来例の構造を、図７を用いて説明する。図
７で、水車を運転した場合、水流１１は、渦巻きケーシ
ング１、円周状に配置されたステーベーン３及び可動な
ガイドベーン４を通過して、ランナ（図示せず）に流入
する。ガイドベーン４は運転条件にあわせてガイドベー
ン開度を変えられる構造になっており、設定したガイド
ベーン開度に応じてガイドベーン４を構成する全ての翼
が同じ角度になるように制御される。

【０００３】このような渦巻きケーシング１を有する水
車では、ケーシングの曲がりによる渦流（二次流れ）が
発生する。この二次流れの強さは流路の曲がる角度と相
関があり、ケーシングの曲がりが小さいケーシング巻き
始め位置と、ケーシングの曲がりが大きいケーシング巻
き終り位置とでは、二次流れの強さが異なる。このた
め、ステーベーン３入口の周方向に流れの不均一が生
じ、部分的にステーベーン３の角度と流れ角度が大きく
ずれる領域が現れ、水車の効率が低下する。

【０００４】このようなステーベーン入口に発生する周
方向の流れの不均一を改善して水車の効率を改善するた
めに、上記従来例では、図７に示すように、ステーベー
ン３の翼列とケーシング巻き終り部外殻との交点Ａの外
方の流入流路を、ケーシング渦巻きと同じ方向に湾曲さ
せている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】渦巻きケーシング内に
は円管でよく発生する二次流れ１２（図２参照）が発生
する。ケーシングの巻き角をψ（図１参照）とすると、
この二次流れはケーシング流路の曲がりの影響が十分に
発達したψ＝９０度付近で最も強くなる。このため、ス
テーベーン入口の周方向に流れの不均一が生じ、渦巻き
ケーシングは、ケーシング巻き始めから巻き終りにかけ
て半径方向の流量が減少していく傾向を持つことにな
る。

【０００６】従来の水車のように、渦巻きケーシングの
形状のみに着目して流れを最適化するだけでは、流れの
周方向不均一を完全に除去することはできないし、ケー
シングが大きくなる問題を有していた。また、従来の水
車では、ケーシング出口において流れの不均一が残って
いるため、ステーベーン角度と流れ角とが大きくずれる
部分が現れ、流体損失を十分に低減することはできなか
った。更に、周方向に異なった流量がランナへ流れ込む
ため、ランナでの効率低下や半径方向の流体力の増加が
問題となっていた。これらの現象は、ケーシング内の二
次流れの影響が強くなる水車設計点を離れた運転時に顕
著になり、高効率が得られる運転範囲が狭いという問題
も有していた。

【０００７】本発明の目的は、渦巻きケーシングを有す
る水車において、ランナに流入する水流の周方向の不均
一を改善し、広い運転範囲で十分に高い効率を実現でき
る水車及びその運転方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、渦巻き状のケーシングと、該ケーシング
の内側に同一円周上に配置された複数のステーベーン
と、該ステーベーンの内側に同一円周上に配置された複
数の可動なガイドベーンと、これらのケーシング、ステ
ーベーン及びガイドベーンを順次通過した水によって回
転駆動されるランナとを備えた水車において、前記ケー
シングの巻き始め位置から巻き終り位置にかけて、大部
分のガイドベーンの開度が次第に大きくなるように制御
する。

【０００９】ここで、ガイドベーン開度とは、ガイドベ
ーン角度を表す百分率のことである。図８(ａ)に示すよ
うに、隣接するガイドベーン４の隙間が０になったとき
のガイドベーン角度（ガイドベーンが配列されている円
周の接線となす角度）をα０、図８(ｂ)に示すように、
基準となるガイドベーンの設計点におけるガイドベーン
角度をαｄとする。ガイドベーン角度がαのときのガイ
ドベーン開度は、100×(α−α０)／(αｄ−α０)で与
えられる。

【００１０】軸対称形状のランナ，ステーベーン，ガイ
ドベーンが設置されている水車では、ケーシング形状の
非軸対称性のために、ステーベーン入口部での半径方向
の流量や入口角度を全周に渡って均一にすることはでき
ない。前述したように、一般の渦巻きケーシングでは、
ケーシング巻き始め位置から巻き終わり位置に向かって
半径方向の流量が減少していく傾向を持つ。

【００１１】そこで、本発明では、ガイドベーン開度が
全周一定のままでは半径方向の流量が大きくなってしま
う位置のガイドベーン開度は小さく、逆に半径方向の流
量が小さくなる位置のガイドベーン開度は大きくなるよ
うに制御して、周方向にほぼ均一な流量を得ることがで
きる。

【００１２】このようにして半径方向の流量を全周に渡
ってほぼ均一にできるので、ケーシング断面積を、巻き
始め位置から巻き終わり位置に向かって一定の割合で減
少させれば、ステーベーン入口での周方向速度が一定に
保たれる。従って、ステーベーン入口における水の流れ
角が全周でほぼ一定となるので、通常の取付け角が全周
で一定であるステーベーンにおいても、局所的な衝突損
失の増大を招くことなく、高効率を得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例である水
車を図１〜図３により説明する。図１は水車ランナの回
転軸に垂直な平面における断面図、図２は回転軸を含む
平面における断面図、図３は水車全体の斜視図である。

【００１４】渦巻きケーシング１には上下の主板２が接
続され、それら主板の間には主軸６を中心軸とする同一
円周上にステーベーン３が配置され、その内側に可動の
ガイドベーン４が夫々支持されている。複数枚のランナ
羽根５ａから構成されるランナ５は、主軸６に連結され
ている。渦巻きケーシング１からの圧力水は、ステーベ
ーン３とガイドベーン４とを順次通過してランナ５を回
転駆動する。

【００１５】本発明の水車は、可動なガイドベーンの開
度を互いに異なるように制御する機構を備えており、本
実施例ではシャフト７に接続されたガイドベーンアーム
８，リンク９およびガイドリング１０がそれに当たる。
本構成を備えることにより、図９に示すように、水車設
計点および部分負荷運転時において、渦巻きケーシング
の巻き始め位置（ψ＝０度）から巻き終わり位置に向か
って大部分のガイドベーン開度を次第に大きくなるよう
に制御することができる。

【００１６】また、図４（ｂ）に示すように、ガイドベ
ーン開度の連続性の観点から、ケーシング巻き始め位置
またはその近傍でガイドベーン開度を最小にし、巻き終
わり位置またはその近傍でガイドベーン開度を最大とし
て、この開度最小位置から開度最大位置までの開度を急
激な変化がないように且つ単調に増加させ、その後、開
度最大位置から開度最小位置までの開度を単調に減少さ
せる運転方法も適用できる。

【００１７】すなわち、ガイドベーンの開度を、図１中
の４ａで最小に、４ｂで最大にして、その間を開度が単
調に変化するようにガイドベーンを制御して運転する方
法である。本運転方法を採用することにより、図９のケ
ーシング巻き始め位置と巻き終り位置のガイドベーン開
度の不連続による損失増加を抑制し、より効率の高い水
車を実現できる。

【００１８】本発明の水車およびその運転方法によれ
ば、流量が渦巻きケーシングの巻き始め位置に偏りがち
な水車設計点および部分負荷状態において、半径方向流
量をケーシングの周方向に均一化することができ、半径
方向流量の周方向不均一によって生じていた半径方向の
流体力の増大や水車の効率低下を抑制することができ
る。

【００１９】本発明の水車では、半径方向流量が全周一
定であるので、ケーシングの巻き始めから巻き終りにか
けて、ケーシング断面積を一定の割合で減少させていけ
ば、ステーベーン入口での周方向速度が一定に保たれ
る。その結果、ステーベーン入口における水の流れ角が
全周一定となり、通常の取付け角が全周一定となったス
テーベーンにおいても、局所的な衝突損失の増大を招く
ことなく、高効率を得ることができる。

【００２０】一般に、ガイドベーンとしては、前縁・後
縁半径の大きな楕円翼に近い翼型が使われることが多
く、ガイドベーンの性能は、平板翼型に近いステーベー
ンに比べ流入角度の変化に対して鈍感である。そのた
め、ケーシングの周方向に渡ってガイドベーン角度に対
して流入角度にばらつきがあったとしても、水車の効率
を低下させることはない。

【００２１】図４の(ａ)及び(ｂ)は、本発明の水車およ
びその運転方法を利用したときの、ステーベーン入口に
おける半径方向流量分布及びガイドベーン開度分布の様
子を示している。また、図４(ａ)には、ガイドベーン開
度を周方向一定にしたときの半径方向流量分布も同時に
示している。

【００２２】図４(ａ)に示すように、ガイドベーン開度
が全周一定のままでは半径方向流量が大きくなってしま
う３０度＜ψ＜１２０度の範囲のガイドベーン開度を小
さくし、逆に流量が小さくなってしまう２１０度＜ψ＜
３３０度の範囲のガイドベーン開度を大きくすること
で、半径方向流量の周方向均一化を図っている。すなわ
ち、本発明の水車は、設計点あるいは部分負荷運転時
に、ガイドベーン開度が、３０度＜ψ＜１２０度の範囲
で最小値となり、２１０度＜ψ＜３３０度の範囲で最大
値となるよう運転する。

【００２３】ある運転状態における個々のガイドベーン
の開度のうちの最大値を最大開度，最小値を最小開度と
規定し、低流量時には最大開度を高流量時よりも小さく
し、かつ最大開度と最小開度との開度差を小さくする運
転方法も考えられる。このように流量に応じて、ガイド
ベーン開度および隣接するガイドベーン開度の差を変化
させることにより、より広い運転範囲において、半径方
向流量の周方向均一化を図り、効率の高い水車を実現す
ることができる。

【００２４】また、流量に応じて最大・最小ガイドベー
ン開度の位置を周方向に移動させることにより、渦巻き
ケーシングの流量特性に応じた半径方向流量の均一化を
図ることができる。そうすることにより、なお一層広い
運転範囲で効率の高い水車を実現することができる。

【００２５】本発明の水車では、ガイドベーン開度は各
ガイドベーン毎に異なることになるが、ガイドベーンの
制御を簡略化するため、各ガイドベーンの動きをリンク
機構を使って統括的に制御する方法を考える。そのよう
な機構の一例を、図５及び図６に示す。図５は、同一円
周上に存在する複数枚のガイドベーンのうちの１枚のガ
イドベーンに関する開閉機構の斜視図であり、図６は、
３枚のガイドベーンに関するガイドベーンの開閉機構の
動作を示している。各ガイドベーン４は、シャフト７，
ガイドベーンアーム８，リンク９を介し、ガイドリング
１０に接続されている。

【００２６】図５に示すように、ガイドリング１０が図
中のガイドリング回転方向に移動すると、リンク９はガ
イドリングに引っ張られ、それに伴いリンク９に回転可
能に接続されているガイドアーム８はシャフト７を軸と
した回転運動を行う。ガイドベーン４とシャフト７，シ
ャフト７とガイドベーンアーム８はそれぞれ剛体結合さ
れており、ガイドベーンアーム８の回転運動に応じて、
ガイドベーンはシャフト７を中心に回転し、開度を変化
させる。

【００２７】図６に、ガイドベーン開度を互いに異なる
ように制御するための機構の一例を示す。図中、破線が
ガイドベーン全閉状態を、実線がある運転状態における
ガイドベーンの制御状態を示している。ガイドリング１
０が図中に示される回転方向に回転した場合、ガイドベ
ーン４，ガイドアーム８およびリンク９は、シャフト７
を回転軸として、図中破線の位置から実線の位置へ移動
する。本発明の水車では、各ガイドベーン毎にアーム／
リンク比（＝ガイドベーンアーム長さ／リンク長さ）が
異なっており、設計点におけるガイドベーン開度に合わ
せて調節されている。

【００２８】リンク９がガイドリング１０に周方向に等
間隔に接続されている場合、ガイドベーン開度はガイド
ベーンアーム長さとリンク長さの比から決定されること
になる。アーム／リンク比が小さい場合は開度が大き
く、逆にアーム／リンク比が大きい場合は開度が小さ
い。図６に示すように、アーム／リンク比の小さいガイ
ドベーン４ｃの方が、アーム／リンク比の大きいガイド
ベーン４ｄに比べ、ガイドベーン開度の変化が大きい。

【００２９】このようなガイドベーン開閉機構を使うこ
とにより、すべてのガイドベーン開度が０となる全閉状
態、および各ガイドベーン毎に開度が異なる水車運転状
態を簡単に実現できる。また、ガイドベーン開度の制御
機構としては、各々のガイドベーンを個別，独立に制御
する方法も考えられる。この場合、ガイドリングを使っ
て統括的に制御するよりも、ガイドベーンの開度分布の
自由度が増し、より広い運転範囲で、効率の高い水車を
実現することができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、渦巻きケーシングを有
する水車において、ランナに流入する水流の周方向の不
均一を改善し、広い運転範囲で十分に高い効率を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である水車のガイドベーン配
置を示す断面図。

【図２】本発明の一実施例である水車を示す断面図。

【図３】本発明の一実施例である水車を示す斜視図。

【図４】本発明の水車のステーベーン入口流量配分およ
びガイドベーン開度分布の一例を示す図。

【図５】本発明の水車のガイドベーン配置を実現するた
めのガイドベーン制御機構の一例を示す模式図。

【図６】本発明の水車のガイドベーン配置を実現するた
めのガイドベーン制御機構の一例を示す模式図。

【図７】従来の水車の一例を示す断面図。

【図８】ガイドベーン開度に関する説明図で、(ａ)は開
度０％の場合、(ｂ)は開度100％の場合を示す。

【図９】本発明の水車のガイドベーン開度分布の一例を
示す図。

【符号の説明】

１…渦巻きケーシング、２…主板、３…ステーベーン、
４，４ｃ，４ｄ…ガイドベーン、４ａ…開度最小のガイ
ドベーン、４ｂ…開度最大のガイドベーン、５…ラン
ナ、５ａ…ランナ羽根、６…主軸、７…シャフト、８…
ガイドベーンアーム、９…リンク、１０…ガイドリン
グ、１１…主流、１２…二次流れ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】渦巻き状のケーシングと、該ケーシングの
内側に同一円周上に配置された複数のステーベーンと、
該ステーベーンの内側に同一円周上に配置された複数の
可動なガイドベーンと、これらのケーシング，ステーベ
ーン及びガイドベーンを順次通過した水によって回転駆
動されるランナとを備えた水車において、前記ケーシングの巻き始め位置から巻き終り位置にかけ
て、大部分のガイドベーン開度が次第に大きくなるよう
に制御する制御手段を備えたことを特徴とする水車。
【請求項２】渦巻き状のケーシングと、該ケーシングの
内側に同一円周上に配置された複数のステーベーンと、
該ステーベーンの内側に同一円周上に配置された複数の
可動なガイドベーンと、これらのケーシング，ステーベ
ーン及びガイドベーンを順次通過した水によって回転駆
動されるランナとを備えた水車の運転方法において、該
水車の運転時に、前記ケーシングの巻き始め位置から巻
き終り位置にかけて、大部分のガイドベーン開度が次第
に大きくなるように制御して運転することを特徴とする
水車の運転方法。
【請求項３】請求項２において、前記ケーシングの巻き
始め位置またはその近傍でガイドベーン開度を最小に
し、前記ケーシングの巻き終り位置またはその近傍でガ
イドベーン開度を最大にして、前記ケーシング内の水の主流方向に、前記ガイドベーン
開度が最小の位置から最大の位置までガイドベーン開度
が単調に増大し、前記ガイドベーン開度が最大の位置か
ら最小の位置までガイドベーン開度が単調に減少するよ
うに制御して運転することを特徴とする水車の運転方
法。
【請求項４】請求項２又は３において、水の流量が少な
いほど、ガイドベーン開度の最大値である最大開度を小
さくし、且つガイドベーン開度の最小値である最小開度
と前記最大開度との開度差を小さくするように制御して
運転することを特徴とする水車の運転方法。
【請求項５】請求項３において、水の流量に応じて、前
記ガイドベーン開度が最大の位置及び最小の位置を周方
向に移動させて運転することを特徴とする水車の運転方
法。
【請求項６】請求項１において、ガイドベーンの周方向
にガイドベーン開度を変化させる機構とし、ガイドベー
ンごとに異なるガイドベーンアーム長さ／リンク長さの
比を有していることを特徴とする水車。