JP2000310176A - 水 車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プライミング水圧脈動を悪化させることなく、
ガイドベーン開度全開未満における衝突損失を減少し、
高効率運転が可能となる水車のガイドベーンを提供する
ことにある。 【解決手段】本発明のガイドベーン翼１０１は開度に関
わらず、ランナ１０３、ガイドベーン間距離がほぼ一定
もしくは低開度ほど、ランナ１０３、ガイドベーン翼１
０１間距離が小さくなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水車やポンプ水車
などの水力機械のガイドベーンに係り、とくにプライミ
ング水圧脈動を増加させることなくポンプ、または水車
運転時の効率を向上させるガイドベーンに関する。

【０００２】

【従来技術】フランシス型ポンプ水車を例に従来技術を
説明する。図５に概略図を示す。ポンプ水車のガイドベ
ーンは翼１０１とそれを上下に貫く軸１０２から構成さ
れる。ガイドベーンの軸１０２の中心は翼そり線のほぼ
中間に位置する。実機での配設図を図６に示す。ランナ
１０３の回転軸を中心とする半径ｒの円周上にランナ１
０３を囲むように複数枚の翼１０１が等間隔で配列され
る。その外側にステーベーン１０４が翼１０１同様、等
間隔で複数枚配列される。

【０００３】上記ガイドベーンを駆動しガイドベーン開
度を変化させた場合、前記軸１０２が前記翼１０１の中
央部にあるので、ガイドベーンの翼１０１とランナ１０
３の間の距離が変化し、ガイドベーン全開時（図６、１
０１）の翼間距離Ｌ２よりもガイドベーン全閉時（図
６、１０１’）の翼間距離Ｌ１の方が大きくなっている

【０００４】。

【発明が解決しようとする課題】水車運転、ポンプ運転
の効率を考えた時、ガイドベーンとステーベーン間隔は
さい方が高効率を得られる事が知られている。それは翼
の後流が下流に行くほど発達し、３次元的な流れになる
ため、翼間距離が大きくなると流入角度のずれが増大
し、衝突損失が増加したり剥離による損失が増加するた
めである。特にポンプ運転時、ランナを通り過ぎる流れ
は減速流となるので水車運転時の翼１０１よりも後流が
発達している。そのため、ガイドベーン翼１０１とラン
ナ１０３の間の距離短縮による効率の向上はポンプ運転
の方が顕著に出ることが分かっている。

【０００５】しかしながら、単純にランナ１０１、ガイ
ドベーン翼１０１間距離を小さくした場合、ガイドベー
ン開度が大きい大流量時にランナ１０３とガイドベーン
翼１０１の干渉によりランナ１０３とガイドベーン翼１
０１の間のプライミング部の水圧脈動が大きくなる。プ
ライミング水圧脈動はガイドベーン翼１０２とランナ１
０３が近づくほど、また、流量が多くなるほど大きくな
る。この水圧脈動は流体騒音、振動を引き起こす。その
ためプライミング水圧脈動の値をプラントが許容できる
値以下になるようにガイドベーン全開時の翼間距離Ｌ２
を確保しなくてはならない。

【０００６】ガイドベーン開度を全開未満にした場合、
全開時に比べ流量が減少し、プライミング水圧脈動は小
さくなる。そのため、ランナ１０３、ガイドベーン翼１
０１の間の距離を小さくし、衝突損失を減少させ、効率
を改善する事ができる。

【０００７】ところが従来型ガイドベーン翼１０１の回
転中心は翼１０１の中央に位置しているため、ガイドベ
ーン開度を小さくするほどガイドベーン翼１０１とラン
ナ１０３の間の距離が大きくなっていた。

【０００８】そこで本発明の目的は、プライミング水圧
脈動を悪化させることなく、ガイドベーン開度全開未満
における衝突損失を減少し、高効率運転が可能となる水
車のガイドベーンを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のガイドベーン翼
１０１は開度に関わらず、ランナ１０３、ガイドベーン
間距離がほぼ一定もしくは低開度ほど、ランナ１０３、
ガイドベーン翼１０１間距離が小さくなるものである。

【００１０】本発明のガイドベーン翼１０１はランナ側
クラウン、シュラウド部が延長され、そこに回転軸１０
２の中心があるものである。上記ガイドベーンにおいて
回転軸の他に軸を持ち、回転軸１０２にねじれによる破
損が起きにくくなったものである。上記ガイドベーンに
おいて溝２０６を覆うプレート１０１ａが翼に付加され
たものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図１は本発明の第一の実施例を示すポン
プ水車のガイドベーンを回転軸と垂直な方向から見た図
である。前記ガイドベーンは翼１０１、前記翼１０１を
上下に貫く軸１０２で構成されている。前記軸１０２は
軸中心が前記翼１０１の後端近傍に設けられている。こ
こで言う後端とはガイドベーンを実機に備え付けた場合
のランナ１０３側の端である。

【００１２】図７に本発明ガイドベーンの配設図を示
す。前記した従来ガイドベーン同様、前記ランナ１０３
の回転軸を中心とする半径ｒの円周上にランナ１０３を
囲むように複数枚の翼１０１が等間隔で配列される。そ
の外側にステーベーン１０４が翼１０１同様、等間隔で
複数枚配列される。

【００１３】図７で翼１０１の状態がガイドベーン開度
１００％の全開状態である。また翼１０１’の状態がガ
イドベーン開度０％の全閉状態である。翼１０１とステ
ーベーン１０４の取付位置の関係はガイドベーン全開時
の翼１０１の先端とステーベーン１０４の先端が接触し
ない程度の位置になるように決められる。

【００１４】次にガイドベーンの翼１０１とランナ１０
３の位置関係について述べる、ガイドベーンの軸１０２
の中心とランナの回転中心間距離をｒとすると両者の位
置関係はｒにより決まる。前記したように翼１０１とラ
ンナ１０３の距離は短いほど衝突損失の低減などにより
ランナの効率は高くなる。

【００１５】しかしながら、翼１０１とランナ１０３の
距離Ｌを短くすると回転するランナ１０３とガイドベー
ンの翼１０１との干渉によりランナ１０３と翼１０１の
間のプライミング部に水圧脈動が生じる。プライミング
水圧脈動は騒音、振動などを伴い、時として致命的なダ
メージをプラントに及ぼす。

【００１６】そのため、プラント設計時にはプライミン
グ水圧脈動の圧力変動幅をある安全率を考慮した値以下
になるよう設計する必要がある。プライミング水圧脈動
はガイドベーン翼１０２とランナ１０３が近づくほど、
また、流量が多くなるほど大きくなるので、ガイドベー
ン全開の大流量時に最も大きくなる。それ故、ガイドベ
ーン開度が大きい大流量時のプライミング水圧脈動がプ
ラントに許容される値となるようにガイドベーンの軸１
０２の中心とランナ１０３の回転軸中心間距離ｒが決め
られる。

【００１７】次に図９によりガイドベーンの回転駆動機
構を説明する。前記軸１０２の一端にはガイドベーンア
ーム２０１が固定されていて、もう一端は図示しない軸
受けにより図示しない下カバーに固定されている。ガイ
ドベーンアーム２０１は連結リング２０３が連結ピン２
０２により連結されている。ガイドベーンアーム２０１
と連結リング２０３は連結ピン２０２を軸として互いに
自由に運動することができる。

【００１８】また、ランナ１０３の回転軸を回転中心と
するガイドリング２０５が回転可能に配設されている。
ガイドリング２０５には連結ピン２０４が固定されてい
て、その一端には前記連結リング２０３が回転可能に連
結されている。前記連結ピン２０４は前記ランナ１０３
の回転軸を中心とする同一半径上にあり互いに等間隔で
配列さている。ガイドリング２０５には別の連結ピン２
０６が固定されており、その一端には連結リング２０７
が連結ピン２０６の軸を中心に回転可能に備え付けられ
ている。前記連結リング２０７のもう一端は連結ピン２
０８によりサーボモータ２１０の一端から出ているサー
ボモータアーム２０９と互いに回転可能に連結されてい
る。なお、連結リング２０３、連結リング２０７、ガイ
ドベーンアーム２０１、サーボモータアーム２０９、サ
ーボモータ２１０は互いに干渉しない位置関係である。

【００１９】次にガイドベーン駆動機構の動作を説明す
る。前記サーボモータ２１０により前記サーボモータア
ーム２０９が伸縮運動を行い、連結リング２０７を介し
てガイドリング２０５をランナ１０３の回転軸を中心に
回転させる。それにより連結リング２０３を介してガイ
ドベーンアーム２０１が図示しない軸受けにより固定さ
れた軸１０２を中心に回転運動を行う事で翼１０１が回
転する。ランナ１０３の回転軸を中心とした同一半径上
に配列された各ガイドベーンの翼１０１は前記の機構に
より同期して軸１０２を回転軸とし回転運動を行う。ま
た、ガイドベーン全開、全閉の位置では図示しないスト
ッパーによりガイドリンク２０５の回転が制限されてい
る。図９（ａ）は全閉時、図９（ｂ）は全開時を示す。

【００２０】図７にガイドベーン全開時の翼１０１とガ
イドベーン全閉時の翼翼１０１’を示す。前記軸１０２
がガイドベーン後端、すなわちランナ寄りにあるため、
ガイドベーン開度を変えてもランナ、ガイドベーン間距
離Ｌ１、Ｌ２は変わらない。これはガイドベーン開度が
大きい大流量時のプライミング水圧脈動をプラントが許
容しうる範囲におさまるＬ２を確保し、なおかつガイド
ベーンを閉じていった時にもその値が維持されるため、
ランナ１０３と翼１０２の距離が保たれる。この結果、
ガイドベーン全開未満ではランナ１０３と翼２の距離が
大きくなっていた従来型よりも衝突損失を小さく押さえ
ることができ、結果として高い効率を得ることがでる。

【００２１】図２に第２の実施例を示す。ガイドベーン
が翼１０１と軸１０２から構成されるのは実施例１と同
じであるが、本実施例ではガイドベーン翼１０１のラン
ナ側クラウン、シュラウド部が延長され、そこに回転軸
１０２の中心がある。駆動機構については実施例１と同
じである。

【００２２】次に図８を用いて動作を説明する。ガイド
ベーン全開時を図８（ａ）、ガイドベーン全閉時を図８
（ｂ）に示す。実施例１と同様にガイドベーン全開の大
流量時の水圧脈動を考慮しｒが決められる。この時のラ
ンナ１０３とガイドベーン翼１０２の後端の距離をＬ２
とする。この状態からガイドベーンを閉じていくと翼端
の外側に軸１０２があるので、ガイドベーン翼１０２の
翼端とランナとの距離Ｌ１はＬ２よりも小さくなってい
く。この時、流量は小さくなるため、ランナ１０３と翼
１０１の干渉によるプライミング水圧脈動も小さくなる
ので、ランナ１０３と翼１０１の間の距離が小さくなる
事は問題にならない。むしろランナ１０３と翼１０１が
近づく事により、プライミング部における流れの乱れに
よる衝突損失が小さくなるので、高い効率を実現する事
ができる。

【００２３】図３に第３の実施例を示す。軸１０２が翼
後端に回転軸として接合されている。また、軸１０５が
接合されている。図１１に断面図、図１０に駆動機構を
示す。主軸２１４とランナ１０３は連結されており、ラ
ンナ１０３は主軸２１４を軸として回転する。ランナの
半径方向外側にはガイドベーン翼１０１が設けられい
る。ガイドベーン翼１０１は軸１０２が上カバー２１２
と下カバー２１１の図示しない軸受けにより支持され、
軸１０２を中心に回転運動をするようになっている。
軸１０５は軸１０２を中心に円弧を画く運動をするた
め、ガイドベーンの運動範囲にあわせて上カバー２１２
としたカバー２１１には図１０に示す長穴２０６が設け
られている。前記までの実施例と異なり、軸１０５は上
下の軸ともに同期して駆動されるようになっている。軸
１０５にはガイドベーンアーム２０１が回転可能に連結
されている。ガイドベーンアーム２０１のもう一端は連
結ピン２０２によりガイドリング２０５に回転可能に連
結される。

【００２４】ところで翼１０１の端部は翼１０１中央部
に比べ薄くなっている。それゆえ、軸１０２の太さが同
じでも翼端に接合した場合、接合面積は小さくなる。さ
らに軸１０２が翼１０１中央部に接合されている時より
も大きなモーメントが働き、強度的に弱くなる欠点があ
る。次に示す実施例３ではその欠点を克服している。

【００２５】次に動作を示す。図１０（ａ）は全閉時で
あり、図１０（ｂ）は全開時である。ガイドベーンの開
閉は前記実施例同様サーボモータ２１０により、ガイド
リング２０５が回転することにより行われる。ガイドリ
ングが回転すると軸１０５はガイドベーンアーム２０１
を介して溝２０６に沿って運動する。本実施例では翼端
に回転軸が１つだけしかない場合に比べ、回転軸１０２
が受けるねじりモーメントは小さくなり、結果としてね
じりによる破断が起きにくくなる。

【００２６】実施例３では上カバー２１２と下カバー２
１１に設けられている溝２０６が損失の原因となる。そ
こで実施例４としてガイドベーンが回転しても常に溝を
覆う事のできるプレート１０１ａを備えたガイドベーン
を図４に示す。これにより溝２０６に起因する損失を抑
制できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の水車、ポンプ水車のガイドベー
ンは回転軸中心がランナ側先端付近にあるため、ランナ
とガイドベーン間距離がガイドベーン開度が低下するほ
ど小さくなるかもしくは同等なので、ガイドベーン全開
時のプライミング水圧脈動を悪化させることなく、その
他の開度における衝突損失等を低減し、ポンプ、水車の
運転効率を改善する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のガイドベーンを示す概略
図

【図２】本発明の第２実施例のガイドベーンを示す概略
図。

【図３】本発明の第３実施例のガイドベーンを示す概略
図。

【図４】本発明の第４実施例のガイドベーンを示す概略
斜視図。

【図５】従来のガイドベーンを示す概略図。

【図６】従来のガイドベーンを動作を示す模式図。

【図７】本発明実施例１のガイドベーンの動作を示す模
式図。

【図８】本発明実施例２のガイドベーンの動作を示す模
式図。

【図９】従来と本発明の実施例１、２におけるガイドベ
ーン駆動機構を示す模式図。

【図１０】本発明の実施例３、４におけるガイドベーン
の駆動機構を示す模式図。

【図１１】本発明の実施例３、４におけるガイドベーン
断面図。

【符号の説明】

１０１…ガイドベーン翼または全開時ガイドベーン翼の
位置、１０１’…全閉時ガイドベーン翼の位置、１０１
ａ…プレート部、１０２…ガイドベーン回転軸、１０３
…ランナ、１０４…ステーベーン、１０５…ガイドベー
ンスライド軸、Ｌ１…全閉時ガイドベーン後端とランナ
間距離、Ｌ２…全開時ガイドベーン後端とランナ間距
離、ｒ…ランナ回転中心とガイドベーン回転軸中心間距
離、２０１…ガイドベーンアーム、２０２…連結ピン、
２０３…連結リング、２０４…連結ピン、２０５…ガイ
ドベーンリング、２０６…連結ピン、２０７…連結リン
グ、２０８…連結ピン、２０９…サーボモータアーム、
２１０…サーボモータ、２１１…下カバー、２１２…上
カバー、２１３…ケーシング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガイドベーン翼１０１は開度に関わら
   ず、ランナ１０３、ガイドベーン間距離がほぼ一定もし
   くは低開度ほど、ランナ１０３、ガイドベーン翼１０１
   間距離が小さくすることを特徴とする水車。