JPH0718399B2 - 水車の流量調整構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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】発電等に利用される水車は、反動式と衝
動式の２種に大別される。衝動式の水車としては、ペル
トン水車，ターゴインパルス水車及びクロスフロー水車
があり、その利点としてはランナに水の噴流が直接作用
するので、ほぼ全水量を有効に利用でき、流量が減少し
ても効率はさほど低下しないことが挙げられる。

【０００３】これに対し、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では、衝動水車に比較する
と、水力エネルギの変換効率がかなり高く、比速度も大
きいので小型化が可能である。また、ランナが水中で回
転するので、水車の設置面から放水面までの落差をラン
ナの下流の吸出管から回収でき、水の落差を有効に利用
することができる。そして、衝動式の場合では、立軸構
造とできない場合があるのに対し、反動式では立軸型と
横軸型のいずれの構造も採用することができる等の点は
大きく相違している。

【０００４】このように、反動式と衝動式の水車の間に
は、効率や構造の面で互いに長所と短所とを持ち合わせ
た関係がある。たとえば、設計流量値を決めて設計した
場合では、効率の面では反動水車のほうが衝動水車より
も高い値を持つのに対し、設計流量値から外れた流量で
運転すると逆に衝動水車のほうが反動水車よりも効率が
高い等である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】反動式の水車では、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。

【０００６】ところが、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。これに対
し、設計流量よりも小さい流量のときには流路が絞られ
るようにガイドベーンの姿勢を変えるので、水の流入角
も小さくなる。このため、ガイドベーンによる流入角が
設計値から外れてしまい、ランナへの水の流入角度が変
わってしまうことから、効率が大幅に低下する。また、
流量が設計流量よりも大きいときには、流入角が大きく
なるような姿勢にガイドベーンを設定するので、同様に
設計流量時の効率に比べるとその値が低下する。

【０００７】また、ガイドベーンをケーシングに組み込
む際には、ケーシングの内壁とガイドベーンの端面との
間にクリアランスを持たせてガイドベーンが動けるよう
にすることが必要である。

【０００８】ところが、このクリアランスから水がラン
ナへ向けて供給されることになり、ガイドベーンによっ
て設定された流入角による供給水の流れを乱してしま
う。このため、設定流量に対するランナへの最適な入射
角の水の流れに影響を与え、効率低下の原因となる。特
に、低流量の場合であれば、クリアランスからランナに
向かう水量が全体流量の中で占める割合が高くなること
から、効率の低下は著しい。

【０００９】このように、反動式及び衝動式の水車で
は、流量の変化に対して高い効率を維持した運転を可能
とするには、不十分な点が多い。

【００１０】本発明において解決すべき課題は、供給水
量が変化してもこれに対応して常に高い効率で運転でき
る流量調整構造を提供することにある。

【００１１】

【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
えた反動式の水車において、前記ガイドベーンを前記ラ
ンナに対して最適な流入角を持つものとして流路の内壁
に一体固定し、前記ガイドベーンとランナとの間の流路
を横切る流量調整環を前記ランナと同軸上で移動可能に
配置し、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
変としたことを特徴とする。

【００１２】

【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。

【００１３】また、ガイドベーンを流路の内壁に一体化
することで、ベーンと内壁との間の隙間がなくなり、ガ
イドベーンによる流線を乱す流れの発生が防止される。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の流量調整構造を備えたフラン
シス水車の要部を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線
矢視による横断面図である。また、図３はケーシングを
除いて各部材を分解して示す斜視図である。

【００１５】図において、上カバー１と下カバー２との
間に渦巻き型のケーシング３が組み込まれ、これらの上
カバー１，下カバー２及びケーシング３がそれぞれ同軸
上で一体に連結されている。そして、上，下カバー１，
２によって形成された内部空間にはランナ４を回転自在
に配置し、その出力軸４ａを上カバー１から外に突き出
している。

【００１６】ケーシング３はその内部流路を上，下カバ
ー１，２の中に連通させて一体化され、ランナ４の位置
に対応するように複数のステーベーン３ａを設けたもの
である。

【００１７】上カバー１には、これらのステーベーン３
ａの内側であってランナ４の周りを包囲する位置に複数
のガイドベーン１ａを設ける。これらのガイドベーン１
ａはいずれも上カバー１に一体化したものであって、図
２に示す姿勢として固定されている。そして、ガイドベ
ーン１ａの姿勢によって決まるケーシング３からの水の
流入角αは、ランナ４に対して最適入射角となる値とす
る。

【００１８】下カバー２は一端にフランジ２ａを備え、
他端面をガイドベーン１ａの先端面に突き当てて配置さ
れる。これにより、ケーシング３からの水は下カバー２
によって区画されたガイドベーン１ａの中を通ってラン
ナ４側に供給する流路構造が得られる。

【００１９】上，下カバー１，２の中には、同軸上で移
動可能な流量調整環５を組み込む。この流量調整環５
は、図３に示すように、中空円筒状のスリーブ５ａとそ
の一端側に二重管状に設けたフランジ５ｂとを備えたも
のである。スリーブ５ａの外周面は下カバー２の内周面
と水密状に連接すると共に軸線方向に摺動可能である。
また、フランジ５ｂの端面には、上カバー１に一体に形
成したガイドベーン１ａが挿入されるスリット５ｃを設
ける。これらのスリット５ｃは、図２に示すように、ガ
イドベーン１ａ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５ｃとガイドベーン１ａとの関係によって、流量
調整環５は固定されたガイドベーン１ａ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。

【００２０】なお、流量調整環５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５ｂには適切な数の
孔５ｅを開ける。これらの孔５ｅによって、流量調整環
５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。更に、フランジ５ｂの外周縁
には、スリーブ５ａと同軸上に外スリーブ５ｆを設け、
この外スリーブ５ｆをケーシング３と下カバー２との間
にパッキン５ｇを介して摺動可能とする。

【００２１】流量調整環５をその軸線方向に移動させる
ため、下カバー２とその下方に設けるドラフトチューブ
６との間にシリンダ７を組み込む。このシリンダ７は、
流量調整環５のスリーブ５ａの周りを包囲してその軸線
方向の両端をそれぞれ下カバー２とドラフトチューブ６
に連結したものである。そして、周壁には外部のたとえ
ばポンプ等を利用した液圧源Ｐに連通する２個のポート
７ａ，７ｂを開け、これらのポート７ａ，７ｂから作動
液を給排可能とする。

【００２２】一方、流量調整環５のスリーブ５ａの外周
には、ロックナット８ｂによってピストン８を固定し、
その外周面に設けたパッキン８ａをシリンダ７の内周面
に密着可能させている。したがって、液圧源Ｐを作動さ
せて、ポート７ａ側に作動液を供給しポート７ｂ側の室
から作動液を抜くように操作すれば、図１の右半分で示
すように、シリンダ７に対してピストン８が上昇し、こ
れによって流量調整環５も上に移動する。また、逆にポ
ート７ｂ側から作動油を供給しポート７ａ側の室から作
動液を抜けば、図１の左半分で示すように流量調整環５
は下降する。

【００２３】以上の構成において、図１の左半分に示す
ようにフランジ５ｂが下ケーシング２の上端に突き当た
るまで下がると、ガイドベーン１ａ周りの流路を全開と
することができ、ケーシング３からランナ４側へ最大流
量の水が供給される。そして、液圧源Ｐを作動させてシ
リンダ７内のピストン８を上昇させると、流量調整環５
が上昇していきスリット５ｃの中にガイドベーン１ａが
入り込むようになる。したがって、ガイドベーン１ａ周
りの流路は流量調整環５のフランジ５ｂによって軸線方
向に絞られ、ケーシング３からの水の供給量が低減され
る。

【００２４】このように、流量調整環５をその軸線方向
に移動させることによって、ケーシング３からランナ４
側への流量を変更することができる。すなわち、従来構
造ではガイドベーン１ａの姿勢を変える操作によって全
体流量を変更していたのに対し、ガイドベーン１ａは固
定されていて常に同じ姿勢を維持し、流量調整環５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。そ
して、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１ａは図２に示
すように予め設計した最適姿勢であるため、ランナ４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１ａ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。

【００２５】また、ガイドベーン１ａの軸線方向の上端
は上カバー１に一体化され下端は下カバー２の上面に着
座しているので、ガイドベーン１ａとこれらの上，下カ
バー１，２との間には隙間がない。このため、ケーシン
グ３からの水は、ガイドベーン１ａどうしの間の流路の
みを通過してランナ４側へ向かい、一様な流入角の流線
となる。したがって、従来の可動式のガイドベーンのよ
うにカバーとの間に隙間がある場合では、リークによっ
てガイドベーンによって案内された水の流れに干渉して
効率の低下を招いていたのに対し、このような流れの干
渉の発生がなく、高い効率を維持することができる。

【００２６】なお、この例では、ガイドベーン１ａを上
カバー１に一体としているが、これに代えて、下カバー
２の端面に同様の配列でガイドベーンを設けておき、こ
れらの端面を上カバー１に着座させるようににした組立
て構造とし、流量調整環５によるガイドベーン周りの流
路面積の変更を行うようにしてもよい。

【００２７】図４は流量調整環５の移動を先の例の液圧
駆動に変えてチェインによって手動操作で行う例を示す
要部の縦断面図である。なお、図１〜図３で示したもの
と同じ部材については共通の符号で指示し、その詳細な
説明は省略する。

【００２８】図において、流量調整環５のスリーブ５ａ
の外周面には雄ネジ５ｄを刻み、この雄ネジ５ｄにスプ
ロケット９を螺合する。スプロケット９は外部の駆動装
置又は手動操作のハンドルによって駆動するチェイン９
ａによって回転操作可能としたものである。また、下カ
バー２にはスプロケット９の連接する環状のカラー９ｂ
を組み込み、このカラー９ｂによってスプロケット９を
自由回転可能に支持する。

【００２９】この構成でも、チェイン９ａによってスプ
ロケット９を回転させると、このスプロケット９は図に
おいて上下に移動する。そして、スプロケット９はカラ
ー９ｂによって支持されているので、スプロケット９の
回転は流量調整環５には伝わらず、先の例と同様に流量
調整環５はその軸線方向のみに移動する。したがって、
流量調整環５の位置をケーシング３からの水の流量に合
うように設定すれば、効率の高い運転が行える。

【００３０】図５は反動水車の他の例としてプロペラ又
はカプラン水車に本発明の流量調整構造を適用した要部
の縦断面図である。

【００３１】この例では、図１〜図３で示したものとラ
ンナのみのが異なり、その他の構成は全く同様である。
すなわち、ランナ１０はプロペラ式であり、その周りに
流量調整環５がこのランナ１０と同軸上で上下に移動可
能に設けられ、流量調整環５は液圧源Ｐの作動によって
そのフランジ５ｂ部分がガイドベーン１ａ周りの流路面
積を変更して流量の調整を可能としている。そして、ガ
イドベーン１ａの姿勢は設計段階で最適なものに固定さ
れ、流量の大小に関係なくランナ１０を高い効率で回転
駆動することができる。

【００３２】

【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。

【００３３】また、ガイドベーンは固定式なので、カバ
ーの内壁との間に隙間がなく、ガイドベーンによる流れ
の流線を乱すリークの発生もない。このため、ガイドベ
ーンによる最適流入角の維持との結合により、更に一層
高い効率での運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流量調整構造をフランシス水車に適用
した一例を示す要部の縦断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線矢視による横断面図であって、
ガイドベーンとスリットとの配置を示す図である。

【図３】ケーシングを除く各部材を分解して示す斜視図
である。

【図４】スプロケットとチェインによる流量調整環の操
作構造とした例を示す要部の縦断面図である。

【図５】プロペラ又はカプラン式の水車に本発明の流量
調整構造を適用した例の要部の縦断面図である。

【符号の説明】

１ 上カバー １ａ ガイドベーン ２ 下カバー ２ａ フランジ ３ ケーシング ４ ランナ ５ 流量調整環 ５ａ スリーブ ５ｂ フランジ ５ｃ スリット ６ ドラフトチューブ ７ シリンダ ８ ピストン ９ スプロケット ９ａ チェイン １０ ランナ

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た反動式の水車におい
   て、前記ガイドベーンを前記ランナに対して最適な流入
   角を持つものとして流路の内壁に一体固定し、前記ガイ
   ドベーンとランナとの間の流路を横切る流量調整環を前
   記ランナと同軸上で移動可能に配置し、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たことを特徴とす
   る水車の流量調整構造。