JP2004257308A

JP2004257308A - 水力機械

Info

Publication number: JP2004257308A
Application number: JP2003049003A
Authority: JP
Inventors: Norio Otake; 典男大竹; Kaneo Sugishita; 懷夫杉下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】流量等に応じてランナベーン１３の姿勢が変えることができると共に、落差が大きい場所でも設置可能な水力機械を提供すること。
【解決手段】クラウン１２に突起嵌合穴１８が設ける。また、ランナベーン１３におけるクラウン１２側の側端部に、突起嵌合穴１８に挿通されてナット止めされることにより当該ランナベーン１３をクラウン１２に所望する姿勢角度で固定する突起部１５を設ける。そして、突起部１５の軸線Ｍが主軸の軸線Ｌとのなす軸線角θが９０度より小さくなるようにして、ランナベーン１３の姿勢角度を流量等に応じて変えることができるようにすると共に、ランナベーン１３の代表流線Ｓの入口半径ｒ１と出口半径ｒ２とが同じ長さにならないようにする。これにより落差の大きい場所にも設置できるようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水量等に応じて羽根の姿勢角度が調整できるようにすると共に、落差の大きい場所でも設置できるようにした水力機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水力発電プラント等において用いられているカプラン水車型の水力機械は、例えば非特許文献１や非特許文献２に示されている。（非特許文献１，非特許文献２参照）。図８を参照してこれらの力プラン型の水力機構について説明する。
【０００３】
当該水力機械は、図示しない上池からの水を導くケーシング１、該ケーシング１からの水により回転するランナ５、ケーシング１からランナ５に供給される水量を調整するガイドベーン２、ランナ５からの水を図示しない下池に導く吸出管６等を主要構成としている。
【０００４】
このランナ５は、複数の羽根３（ランナベーン）と、ランナボス４とにより形成され、ランナボス４が主軸８に固定されている。この主軸８には、発電機等が連結されており、ランナベーン３が回転することにより発電機が駆動されるようになっている。
【０００５】
このときランナベーン３に流入する水量は、上流側に設けられたガイドベーン２により調整されるが、運転中であっても、最適な回転効率（出力効率）が得られるように水量に応じてランナベーン３の姿勢角度は主軸８の軸線Ｌに直交する軸Ｍの回りに回転して変化させることができるようになっている。
【０００６】
なお、ランナベーン３が軸Ｍの回りに回転して姿勢を変えた際に、当該ランナベーン３の外周端部Ｐ側に形成される静止流路が大きくならないように当該外周端部Ｐ側にディスチャージリング７が設けられている。
【０００７】
このディスチャージリング７は、上側に配置されて分解保守等においてランナ５を上方（図８において上方向）に引抜くことが可能なように円筒形状に形成されたディスチャージリング７ａと、その下側に配置される球面形状のディスチャージリング７ｂとにより形成されている。
【０００８】
このようなカプラン水車を規模の小さい場所に設置するような場合には、コストダウンを図るため上述したようなランナベーン３の姿勢可変機構を放棄して、図９に示したようにランナベーン３にネジ溝３ｂが形成された突起３ａを設けてナット９によりランナボス４に固定する構成が採用されている。
【０００９】
しかし、上述したカプラン水車は、流量に応じてランナベーン３の姿勢角度を変えることにより回転効率の低下を抑制することができるので広い範囲で利用できる利点があるが、下記の理由で落差の大きい場所には設置することが困難であった。
【００１０】
即ち、ランナベーン３は回転して姿勢を変える構成であるためランナベーン３の外周側には静止流路が生じて、落差の大きい場所に設置すると、多量の水がこの静止流路を通りランナベーン３の圧力面側から裏面の負圧面側に流動してキャビテーションを発生させ、これにより回転効率が低下したりランナベーン３が損傷を受けたりする。
【００１１】
また、図９に示すように、ランナベーン３は代表流線（図中の点線Ｓ）の入口側の半径ｒ１と出口側の半径ｒ２が等しい幾何学的条件を持ち、落差の大きい場所に設置された場合には入口と出口との圧力差を大きくなってランナベーン３に加わる負荷が過大になったりしてしまう不都合がある。
【００１２】
このような理由から落差の大きい場所には、図１０に示すような代表流線Ｓの入口側の半径ｒ１が出口側の半径ｒ２より大きいフランシス水車が用いられている。
【００１３】
フランシス水車の場合、ランナベーン３はカプラン水車のランナボス４に相当するクラウン１０に固定された構造となっており、その反対側にはバンド１１が固定されている。
【００１４】
このような構成であるため、ランナベーン３の圧力面側から負圧面側への回込みが抑制できると共に、負荷に対しても強い構造となるため大きい落差の場所にも設置可能となっている。
【００１５】
【非特許文献１】
ターボ機械協会編、「ハイドロタービン」、初版、日本工業出版株式会社、１９９１年６月２９日、ｐ．３８，ｐ．４２〜ｐ．４３
【００１６】
【非特許文献２】
日本機械学会編、「機械工学便覧」、改定第６版、社団法人日本機械学会、１９７９年７月２０日、ｐ．９−１７〜ｐ．９−１８
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したフランシス水車におけるランナベーン３は、クラウン１０やバンド１１に固定される構成であるため流量等に応じてその姿勢角度を変えることができず、任意の場所に設置することが困難であった。
【００１８】
そこで、本発明は、流量等に応じてランナベーンの姿勢が変えることができると共に、落差が大きい場所でも設置可能な水力機械を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、主軸に連結され該主軸を中心に回転するクラウンと、該クラウンに等間隔にその一方の側端部が固定された複数枚のランナベーンと、該ランナベーンの他方の側端部が全て接続されてクラウンとの間に流路を形成させるバンドとを一体としてなり、流路に流入した水がランナベーンに作用することで主軸を中心に回転するランナを有する水力機械において、クラウンに突起挿嵌穴が設けられ、かつ、ランナベーンのクラウン側の側端部に、突起挿嵌穴に挿通されて固定されることにより、当該ランナベーンのクラウンへの固定角度を可変とする突起部が設けられたことを特徴とする。
【００２０】
請求項２にかかる発明は、ランナ内の代表流線は、ランナ入口側における主軸の軸線からの半径が出口側における主軸の軸線からの半径よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項３にかかる発明は、ランナベーンとクラウンとが当接する取付面、もしくはランナベーンとバンドとが当接する取付面の少なくとも一方が、突起部の軸線と主軸の軸線との交点を中心とする球面として構成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項４にかかる発明は、バンドは、少なくともその外周の一部が円筒面に形成され、当該円筒面を静止部とのシール部として用いることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。なお、従来と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００２４】
図１は第１の実施の形態の説明に適用されるランナの概略断面図で、ランナ２２はクラウン１２、ランナベーン１３、バンド１４により構成されている。
【００２５】
このランナベーン１３には、突起部１５が設けられ、その先端にはナット１６が螺合するネジ溝１７が形成されている。
【００２６】
そして、クラウン１２には突起部１５が挿嵌される突起挿嵌穴１８が形成されて、突起部１５を突起挿嵌穴１８に挿入し、ナット１６をネジ溝１７に螺合させてランナベーン１３をクラウン１２に固定する。
【００２７】
また、バンド１４は、複数のバンド固定ボルト１９をボルト穴２０に挿通してランナベーン１３に取付けられる。
【００２８】
なお、突起部１５や突起挿嵌穴１８における、突起部１５の軸線Ｍに垂直な断面形状は、図２に示すように円形であっても良く、図３に示すように正多角形であっても良い。図２（ａ）及び図３（ａ）は、ランナ２２の概略断面図を示し、図２（ｂ）及び図３（ｂ）はクラウン１２の上面図を示している。
【００２９】
図２に示すように円形とした場合には、流量に最適な姿勢角度でランナベーン１３を固定することができる利点がある。
【００３０】
また、図３に示す正多角形した場合には、ランナベーン１３の姿勢は正多角形で決る位置に規定される（図３の場合は正８角形であるので、４５度づつに規制される）が、ナット１６を強固に絞めなくてもランナベーン１３が水流により姿勢を変えてしまうようなことがなく、また複数のランナベーン１３の間で姿勢角度がばらつくこともないので施工が容易になる利点がある。
【００３１】
なお、クラウン１２には図示しない発電機と連結されている主軸８が主軸固定ボルト２１により取付けられている。
【００３２】
このとき突起部１５の軸線Ｍと主軸８の軸線Ｌとのなす軸線角θは、９０度以下の角度に設定されている（θ＜９０度）。これによりランナベーン１３を通る代表流線Ｓの入口半径ｒ１と出口半径ｒ２とはｒ１＞ｒ２の関係を満たすようになる。
【００３３】
なお、バンド１４をランナベーン１３にバンド固定ボルト１９によりボルト止めする際には、ランナベーン１３の姿勢角度に応じてボルト穴２０を穿孔するが、予めランナベーン１３が姿勢を変えることができる範囲の長穴等を設けておくことも可能である。
【００３４】
また、ランナベーン１３の幅Ｋをクラウン１２とバンド１４とを結ぶ方向の長さより長めにに適宜設定しておくならば、バンド１４の端部に合わせて当該ランナベーン１３を切落してこれらが密着するようにできて静止流路の発生が防止できる利点がある。
【００３５】
例えば、図１に示すようにランナベーン１３の姿勢角度を変えた際に、ランナベーン１３のクラウン側端部コーナとクラウン１２との緩衝を防止するために切削等して切欠部２５が形成されているが、同様の緩衝はランナベーン１３のバンド側端部コーナとバンド１４との間にも生じる。
【００３６】
しかし、バンド１４との間の緩衝を避けるために、かかる切欠を形成すると当該切欠が静止流路となって、ここを通過する水量が増えてしまう。このような場合には、ランナベーン１３の姿勢角度に対応して当該バンド側端部コーナをバンド１４に合わせて加工する。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００３８】
第１の実施の形態においては、ランナベーン１３のクラウン側端部コーナとの間に切欠部２５が生じることを容認し、またバンド側端部コーナに隙間が生じないようにランナベーン１３をバンド１４に合わせて加工する場合について説明した。
【００３９】
これに対して、本実施の形態では、図４に示すようにランナベーン１３の姿勢角度を変えても常にクラウン１２及びバンド１４がランナベーン１３と密接するようにしたものである。
【００４０】
即ち、ランナベーン１３とクラウン１２とが当接する双方の取付面が、突起部１５の軸線Ｍと主軸８と軸線Ｌの交点Ｏを球面中心とする半径ｒｂの球面に形成されている。
【００４１】
同様に、ランナベーン１３とバンド１４とが当接する双方の取付面が、突起部１５の軸線Ｍと主軸８と軸線Ｌの交点Ｏを球面中心とする半径ｒｃの球面に形成されている。
【００４２】
そして、クラウン１２に形成された突起挿嵌穴１８に突起部１５を挿嵌してナット１６をネジ溝１７に螺合させてランナベーン１３をクラウン１２に固定する。また、バンド１４はバンド固定ボルト１９によりランナベーン１３に取付ける。
【００４３】
これにより、ランナベーン１３の姿勢角度に応じて当該ランナベーン１３を加工したりすることなく、常にクラウン１２及びバンド１４がランナベーン１３と密接するようになって、これらの間で静止流路が生じた場合に発生する回転効率の低下を抑制することが可能となる。
【００４４】
なお、図４においては、２本（又は複数本）のバンド固定ボルト１９を用いてバンド１４をランナベーン１３に取付けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図５に示すように１本のバンド固定ボルト１９を用いて取付けるようにしても良い。
【００４５】
１本のバンド固定ボルト１９を用いて取付ける場合には、その位置を軸線Ｍと一致させるならば、予めバンド１４にバンド固定ボルト１９が挿通するボルト穴２０を形成することが可能になり、作業性が向上する利点がある。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００４７】
一般に、ランナ２２の上部側及び下部側には上カバー及び下カバー２６が設けられて当該ランナ２２を囲み、下カバー２６は吸出管６と連結された構成となっていて、ガイドベーン２からランナ２２に流入した水は、当該ランナベーン１３を回転させて吸出管６から下池へと放水されるようになっている。
【００４８】
バンド１４はランナベーン１３に固着されて当該ランナベーン１３と共に回転するので、バンド１４と下カバー２６との隙間Ｆにランナベーン１３を回転させた水が回込み、下カバー２６と吸出管６との接続部分等から漏水が生じたり、当該隙間Ｆにキャビテーションが発生して回転効率の低下等を生じる不都合があった。
【００４９】
このような漏水やキャビテーションの発生は、落差の大きな場所に設置したときに生じやすい傾向がある。
【００５０】
そこで、本実施の形態では、図６に示すように、バンド１４の下流側端部及び当該バンド１４の下流側端部に対向する下カバー２６の部分を、主軸８と同じ軸心を持つ円筒部１４ｂ，２６ａを形成して、これらの対向面でランナ２２からの水がバンド１４と下カバー２６との隙間Ｆに回込まないようにするシール部を形成している。
【００５１】
これにより、ランナ２２からの水は、当該隙間Ｆに回込むことなく吸出管６に流入するようになり、漏水やキャビテーションの発生が抑制できて、落差の大きな場所に設置したときでも回転効率の低下等を防止できるようになる。
【００５２】
次に、本発明の第４の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００５３】
これまで説明した各実施の形態においては、フランシス型水車におけるランナベーン１３の姿勢角度を変えることができるようにして水量や落差等の条件によらず設置できるようにした。
【００５４】
これに対し本実施の形態では、図７に示すように、カプラン型タイプのランナベーン１３を通る代表流線Ｓの入口半径ｒ１と出口半径ｒ２とが等しくならない構成にすることで水量や落差等の条件によらず設置できるようにしたものである。
【００５５】
このためランナベーン１３には、突起部１５が設けられ、その先端にはナット１６が螺合するネジ溝１７が形成されている。
【００５６】
そして、クラウン１２には突起部１５が挿嵌される突起挿嵌穴１８が形成されて、ナット１６をネジ溝１７に螺合させてランナベーン１３をクラウン１２に固定し、バンド１４はバンド固定ボルト１９によりランナベーン１３に取付けられている。
【００５７】
このとき、主軸８の軸線Ｌと突起部１５の軸線Ｍとは直交して取付けられるようになっている。
【００５８】
従来のカプラン型水車では、バンド１４が設けられていないため、このように主軸８の軸線Ｌと突起部１５の軸線Ｍとが直交して取付けられると、代表流線Ｓの入口半径ｒ１と出口半径ｒ２とが等しくなって落差の大きな場所に設置することが困難であった。
【００５９】
しかし、本発明では、ランナベーン１３にバンド１４を設けると共に、当該バンド１４が軸線Ｌと平行にならないように取付けるようにして、入口半径ｒ１と出口半径ｒ２とが等しくならないようにしている（ｒ１≠ｒ２）。
【００６０】
これにより、ランナベーン１３の姿勢角度を変えることができるようになり、最適な回転効率で運転できると共に落差の大きいところでも設置可能になる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、クラウンに突起挿嵌穴が設けられ、かつ、ランナベーンのクラウン側の側端部に、突起挿嵌穴に挿通されて固定されることにより、当該ランナベーンのクラウンへの固定角度を可変とする突起部が設けたので、ランナベーンの姿勢角度を流量等に応じて変えることができるようにすると共に、ランナベーンの代表流線の入口半径と出口半径とが同じ長さにならないようになって、落差の大きい場所にも設置できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用されるランナの概略断面図である。
【図２】突起部が円形断面形状に形成された場合のランナベーンの取付構造を説明する図である。
【図３】突起部が正多角形断面形状に形成された場合のランナベーンの取付構造を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の説明に適用されるランナの概略断面図である。
【図５】バンド固定ボルトが１本の場合の図４に代る図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の説明に適用されるランナの概略断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の説明に適用されるランナの概略断面図である。
【図８】従来の技術の説明に適用される水力機械の概略構成を示す図である。
【図９】カプラン型ランナの概略構成を示す図である。
【図１０】フランシス型ランナのの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
２ガイドベーン
６吸出管
８主軸
１２クラウン
１３ランナベーン
１４バンド
１４ｂ，２６ａ円筒部
１５突起部
１６ナット
１７ネジ溝
１８突起挿嵌穴
１９バンド固定ボルト
２０ボルト穴
２２ランナ
２６下カバー

Claims

主軸に連結され該主軸を中心に回転するクラウンと、該クラウンに等間隔にその一方の側端部が固定された複数枚のランナベーンと、該ランナベーンの他方の側端部が全て接続されて前記クラウンとの間に流路を形成させるバンドとを一体としてなり、前記流路に流入した水が前記ランナベーンに作用することで前記主軸を中心に回転するランナを有する水力機械において、
前記クラウンに突起挿嵌穴が設けられ、かつ、前記ランナベーンの前記クラウン側の側端部に、前記突起挿嵌穴に挿通されて固定されることにより、当該ランナベーンの前記クラウンへの固定角度を可変とする突起部が設けられたことを特徴とする水力機械。
前記ランナ内の代表流線は、前記ランナ入口側における前記主軸の軸線からの半径が出口側における前記主軸の軸線からの半径よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
前記ランナベーンと前記クラウンとが当接する取付面、もしくは前記ランナベーンと前記バンドとが当接する取付面の少なくとも一方が、前記突起部の軸線と前記主軸の軸線との交点を中心とする球面として構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水力機械。
前記バンドは、少なくともその外周の一部が円筒面に形成され、当該円筒面を静止部とのシール部として用いることを特徴とする請求項１又は２記載の水力機械。