JPH07103125A - 反動型水車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 反動型の水車において流量が設計流量値の５
０％程度となっても効率を復元して高く維持できるよう
にすること。 【構成】 ケーシングからランナを収納した内部までの
流路にガイドベーンを備える反動型の水車において、ケ
ーシングの内部に送水源側及び放出側流路にそれぞれ連
通する二つのチャンバを設けてこれらの中に出力軸を架
設し、出力軸には二つのチャンバの内部に位置するよう
にランナをそれぞれ取り付け、チャンバ内においてそれ
ぞれのランナに対して最適な流入角を持つガイドベーン
を固定し、ガイドベーンとランナのペアの間の流路を横
切って同軸上でそれぞれ移動可能な流量調整環を備え、
この流量調整環の軸線方向の移動によってガイドベーン
からランナに向かう流路の流路面積を可変とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、反動型のフランシス水
車に関する。フランシス水車，プロペラ水車及び斜流水
車等の反動水車に係り、特に流量の大小に関係なく最適
な効率を維持した運転を可能とした流量調整構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水力発電所で使用されている反動型フラ
ンシス水車は一つのケーシングに一つのランナを備えた
ものが主流である。また、複数のランナと複数のケーシ
ングの組合せや複流ランナと単ケーシングの組合せのも
のも採用されている。

【０００３】このような反動型の水車では、水の取入れ
口からランナとの間に流量調整用の複数のガイドベーン
を設ける。これらのガイドベーンはそれぞれが連動して
姿勢を変え、隣接し合うガイドベーンの間の流路を広げ
たり絞ったりすることでランナへの供給水量が調整され
る。そして、ガイドベーンによる流量調整では、設計流
量に対して決まる流入角にガイドベーンが設定されてい
るときでは、高い効率が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】反動型の水車では、流
量が設計水量の５０％程度まで減少していくと、これに
伴って効率も低下していくことは避けられない。これ
は、ガイドベーンによる流入角度の設定によってのみラ
ンナの回転効率を維持しようとする構造に起因するもの
である。

【０００５】これに対し、本出願人は、基準設計流量に
対して最適な流入角度となるようにガイドベーンの姿勢
を固定し、ガイドベーンの軸線方向に流路を開閉する機
構によって、流量の変動に関係なく高い効率を維持でき
る水車の流量調整構造を特願平４−２８８８０７号によ
って提案した。

【０００６】ところが、流量の変動に関係なく高い効率
を維持できる流量調整構造を採用した水車でも、通常の
ガイドベーン装着水車に較べれば、流量が設計値の５０
％程度まで減少してしまうと、効率が僅かではあるが次
第に下がっていき、更に流量が減少するに連れて効率は
低下する。

【０００７】本発明において解決すべき課題は、反動型
の水車において流量が設計流量値の５０％程度となって
も効率を復元して高く維持できるようにすることにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ケーシングか
らランナを収納した内部までの流路にガイドベーンを備
える反動型の水車において、前記ケーシングの内部であ
って送水源側及び放出側流路にそれぞれ連通する二つの
チャンバと、前記二つのチャンバに亘って架設した出力
軸と、前記二つのチャンバの内部において前記出力軸に
それぞれ取り付けたランナと、前記チャンバ内において
前記それぞれのランナに対して最適な流入角を持つもの
として固定したガイドベーンと、前記ガイドベーンとラ
ンナのペアの間の流路を横切って同軸上でそれぞれ移動
可能な流量調整環とを備え、前記流量調整環の軸線方向
の移動によって前記ガイドベーンからランナに向かう流
路の流路面積を可変としてなることを特徴とする。

【０００９】

【作用】ランナに対して最適流入角を与えるガイドベー
ンは固定され、流路面積は流量調整環の移動によって変
更されるので、流路が任意に変わってもガイドベーンに
よる流入角は変わらない。このため、流量値に関係なく
流入角は最適に保たれ、ガイドベーンの姿勢を変更して
流量調整する従来構造に比べて、高効率の出力が得られ
る。

【００１０】また、ケーシングを二つのチャンバに分割
してそれぞれへの送水によってランナから出力軸を回転
させるとき、一方のチャンバでは流量調整環によって下
流側への流路を閉じるように操作し、他方のチャンバで
は流路を全開に設定するような操作が可能である。この
ため、２個のランナを回転させる最大流量から減少して
いってその５０％以下になったときには、一つのランナ
による運転が可能となり、流量の減少に見合った高効率
の運転が維持される。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の反動型フランシス水車の要部
を示す縦断面図、図２は各部材を分解して示す斜視図で
ある。

【００１２】図において、送水管（図示せず）との接続
のためのフランジ１ａを備えたケーシング１の内部は、
仕切り壁１ｂによって第１チャンバ１ｃ及び第２チャン
バ１ｄに区画されている。これらの第１，第２チャンバ
１ｃ，１ｄにはそれぞれドラフトチューブ２，３側へ流
路を接続し、送水管からの給水の排水路を形成する。こ
れらのドラフトチューブ２，３のそれぞれには、プラグ
２ａ，３ａを着脱自在に取り付け、これらを取り外した
ときにそれぞれの内部流路を大気に開放可能とする。ま
た、仕切り壁１ｂを貫通する軸受ユニット４を設け、こ
れによって支持された出力軸５をドラフトチューブ２か
ら外に突き出して配置する。

【００１３】なお、軸受ユニット４や出力軸５が貫通す
るドラフトチューブ２の部分にはメカニカル式等のシー
ル機構を組み込むことは無論である。

【００１４】出力軸５には第１，第２チャンバ１ｃ，１
ｄの中にそれぞれ位置するランナ６，７を設ける。これ
らのランナ６，７はその翼の傾き方向を出力軸５に対し
て同じ向きとしたものである。

【００１５】図３は第１チャンバ１ｃとドラフトチュー
ブ２の部分を拡大して示す縦断面図、図４及び図５はそ
れぞれ図３のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線矢視による縦断面図
である。

【００１６】第１チャンバ１ｃには仕切り壁１ｂに固定
して軸受ユニット４の端面を利用して環状のベース８ａ
を連結し、このベース８ａがドラフトチューブ２側を向
く面にランナ６の周りを包囲する位置に複数のガイドベ
ーン８を設ける。これらのガイドベーン８は図４に示す
姿勢として固定され、この姿勢によって決まる水の流入
角αは、ランナ６に対して最適入射角となる値とする。

【００１７】ケーシング１とドラフトチューブ２との間
にはシールジョイント９を組み込み、これらのケーシン
グ１及びドラフトチューブ２とを連結する。このシール
ジョイント９は、ケーシング１及びドラフトチューブ２
にそれぞれ連結する２枚のフランジ９ａ，９ｂを合計４
本のロッド９ｃによって一体化したもので、ドラフトチ
ューブ２側のフランジ９ｂの内周にはパッキン９ｄを設
けている。

【００１８】シールジョイント９のフランジ９ａには、
第１チャンバ１ｃの中に入り込むシール環１０を連結す
る。このシール環１０は二重管状としてフランジ９ａに
同軸配置され軸線方向の端面をガイドベーン８の先端に
突き当てたもので、その内周及び外周にはパッキン１０
ａ，１０ｂを備えている。

【００１９】シールジョイント９及びシール環１０の間
には、これらと同軸上で移動可能な流量調整環１１を組
み込む。この流量調整環１１は、図２に示すように、中
空円筒状のスリーブ１１ａとその一端側に二重管状に設
けたフランジ１１ｂとを備えたものである。スリーブ１
１ａの外周面はシールジョイント９のパッキン９ｃ及び
シール環１０のパッキン１０ａによってシールされ、軸
線方向に摺動可能である。また、二重管状のフランジ１
１ｂはシール環１０と嵌め合いの関係を持ち、パッキン
１０ｂによってもシールされる。

【００２０】また、フランジ１１ｂの端面には、ガイド
ベーン８が挿入されるスリット１１ｃを設ける。これら
のスリット１１ｃは、図４に示すように、ガイドベーン
８の横断面形状にほぼ等しくしてクリアランスを出来る
だけ小さくした形状とする。このようなスリット１１ｃ
とガイドベーン８との関係によって、流量調整環１１は
固定されたガイドベーン８に対して軸線方向に移動して
その位置を任意に変更することができる。

【００２１】なお、流量調整環１１を移動させるときの
水の抵抗を小さくするため、フランジ１１ｂには適切な
数の孔１１ｄを開ける。これらの孔１１ｄによって、流
量調整環１１が移動するときに水が出入りするようにな
り、抵抗を小さくすることができる。

【００２２】流量調整環１１をその軸線方向に移動させ
るため、ケーシング１の端面にシフタ１２を設ける。こ
のシフタ１２は回転式のハンドル１２ａの回転をネジ歯
車機構によって二股状のレバー１２ｂの揺動運動に変換
可能としたものである。レバー１２ｂの上端はハンドル
１２ａと一体となって回転するネジ１２ａ−１にブロッ
ク１２ｃを介して連接され、このブロック１２ｃはハウ
ジング１２ｄ内で回転を拘束して摺動可能とすることに
よって図３において左右に移動する。そして、レバー１
２ｂは図５に示すようにその中途をピン１２ｅによって
上端側のロッド９ｃに連接され、下端をスリーブ１１ａ
に枢着したものである。

【００２３】このようなシフタ１２を備えることによっ
て、そのハンドル１２ａを回すと、図３の実線及び一点
鎖線で示す姿勢にレバー１２ｂを設定することができ、
これにより流量調整環１１をその軸線方向にシフトする
ことができる。

【００２４】一方、第２チャンバ１ｄ側においても、ラ
ンナ７の周りに軸受ユニット４の端面を利用してベース
１３ａを固定しこれにガイドベーン１３を配置する。こ
れらのガイドベーン１３のが持つ水の流入角度は第１チ
ャンバ１ｃのガイドベーン８のそれと同じであり、配列
の向きは出力軸５の軸線方向に見たとき一致するように
したものである。

【００２５】そして、このガイドベーン１３からの流量
を調整するための機構は、第１チャンバ１ｃ側のものと
全く同様であり、図１及び図２において同じ部材を共通
の符号で指示する。

【００２６】図１では、第１チャンバ１ｃ側の流量調整
環１１は最も左側に位置し、ガイドベーン８周りの流路
をフランジ１１ｂによって閉じ、流路が完全に遮断され
ている。また、第２チャンバ１ｄ側では流量調整環１１
はベーン１３ａから最大量離れててガイドベーン１３周
りの流路を全開としている。

【００２７】ここで、第１チャンバ１ｃ側の流量調整環
１１をシフタ１２によって右側に最大量移動させると、
第２チャンバ１ｄ側と同様にガイドベーン８周りの流路
が全開に設定される。

【００２８】このように、２個のランナ６，７に対し
て、それぞれのガイドベーン８，１３周りの流路の開度
を自由に調整することができる。そして、ガイドベーン
８，１３は固定されていて常に同じ姿勢を維持し、流量
調整環１１の動きによる流路面積の変更によって全体流
量を変える。このため、流量が最大値でもこれを絞って
いって減らしたときでも、流量値に関係なくガイドベー
ン８，１３は予め設計した最適姿勢であるため、ランナ
６，７側への流入角を設計値通りの最適値とした流線が
得られる。したがって、ガイドベーンの姿勢変更によっ
て流量調整する場合では、流入角の変化によって効率が
下がるのが避けられないのに比べ、常に高い効率での運
転が可能となる。

【００２９】ここで、送水管からの供給水量が設計値に
対して１００％であるときは、図１の状態から流量調整
環１１を右側へ移動させてガイドベーン８周りの流路を
全開に設定する。これにより、２個のランナ６，７が同
時に給水による回転力を受けて出力軸５の出力に変換す
る。

【００３０】供給水量が減少し始めたときは、この減少
した流量に見合うようにシフタ１２によって第１，第２
チャンバ１ｃ，１ｄの流量調整環１１をそれぞれ右及び
左に移動させ、ガイドベーン８，１３周りの流路面積を
絞っていく。この操作により、流量に対応して効率の低
下のない運転が行われる。

【００３１】また、供給水量が５０％以下になったとき
には、図１に示すように、第１チャンバ１ｃ側のガイド
ベーン８周りの流路を流量調整環１１によって遮断する
と共に、第２チャンバ１ｄ側のガイドベーン１３周りの
流路を全開にする。これにより、送水管からの水は第２
チャンバ１ｄのランナ７のみに回転を伝達して出力軸５
の出力に変換する。

【００３２】なお、このときドラフトチューブ２のプラ
グ２ａを抜き取ってその内部流路を大気開放とすること
で、ランナ６は空気中で回転する。したがって、ランナ
６が受ける抵抗は僅かであり、出力の低下等の影響は無
視できる。

【００３３】このように、給水量が設計値の５０％以下
になると、片側の第２チャンバ１ｄのみを使って単一の
ランナ７によって出力軸５の回転を得る。一方、流量が
減少していって５０％以下になっても２台のランナ６，
７を使って出力軸５に回転を伝達する場合では、従来技
術の項でも述べたように効率が大幅に低下してしまう
が、このような１台のランナ７による運転に切り換える
ことで、効率の低下を抑えることができる。

【００３４】図６は２個のランナ６，７による運転時の
流量と効率の関係及びいずれか一方のランナ（ここでは
ランナ７とする）による運転による効率を示す線図であ
る。

【００３５】２個のランナ６，７を用いて出力軸５を回
転させるときの設計最大流量値に対し、１個のランナ７
による運転ではその値の半分が設計最大流量値となる。
したがって、当初ランナ６，７で運転していたときに流
量が減少してその５０％になったときには、１個のラン
ナ７についてはその設計最大流量値の流量となる。この
ため、全体の効率としては、２個のランナ６，７による
運転時では５０％に近づいていくに連れて次第に効率が
低下していき、５０％になった時点でランナ７のみによ
る運転に切り換えると、効率は運転当初の状態に近い程
度に上昇する。そして、流量が更に減少していっても、
その減衰量は２個のランナ６，７による運転時のそれと
同じ程度であり、流量の減少による急速な効率の低下は
生じない。

【００３６】

【発明の効果】本発明では、流量の大小に関係なく、予
めランナとの間に最適流入角を持つ関係としたガイドベ
ーンによって水をランナ側へ供給できる。このため、従
来の反動水車のようにガイドベーンの姿勢を変更して流
量を変える構成では流量が変わることで効率が下がって
いたのに対し、流量値が変化しても高い効率の出力が得
られる。

【００３７】また、流量が設計最大流量の５０％以下に
なると、１個のランナによる運転に切り換えるので、２
個のランナによる運転の継続に比べると、流量が減少し
ていっても効率の低下が少ない。したがって、従来では
運転が不可能であった低流量値での運転も可能となり、
無駄のない出力の回収が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の反動型水車の要部を示す縦断面図であ
る。

【図２】要部部材を分解して示す斜視図である。

【図３】第１チャンバとドラフトチューブ部分の要部を
示す拡大縦断面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ線矢視位置であってガイドベーン
と流量調整環の位置関係を示す縦断面図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ線矢視位置であってシフタと流量
調整環のスリーブとの間の連接構造を示す概略図であ
る。

【図６】２個のランナによる運転時と流量半減時からの
１個のランナによる運転時の場合の流量と効率との関係
を示す線図である。

【符号の説明】

１ ケーシング １ｃ 第１チャンバ １ｄ 第２チャンバ ２ ドラフトチューブ ３ ドラフトチューブ ４ 軸受ユニット ５ 出力軸 ６ ランナ ７ ランナ ８ ガイドベーン ９ シールジョイント １０ シール環 １１ 流量調整環 １２ シフタ １３ ガイドベーン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングからランナを収納した内部ま
   での流路にガイドベーンを備える反動型の水車におい
   て、前記ケーシングの内部であって送水源側及び放出側
   流路にそれぞれ連通する二つのチャンバと、前記二つの
   チャンバに亘って架設した出力軸と、前記二つのチャン
   バの内部において前記出力軸にそれぞれ取り付けたラン
   ナと、前記チャンバ内において前記それぞれのランナに
   対して最適な流入角を持つものとして固定したガイドベ
   ーンと、前記ガイドベーンとランナのペアの間の流路を
   横切って同軸上でそれぞれ移動可能な流量調整環とを備
   え、前記流量調整環の軸線方向の移動によって前記ガイ
   ドベーンからランナに向かう流路の流路面積を可変とし
   てなる反動型水車。