JPS5885367A - フランシス水車 - Google Patents
フランシス水車Info
- Publication number
- JPS5885367A JPS5885367A JP56181062A JP18106281A JPS5885367A JP S5885367 A JPS5885367 A JP S5885367A JP 56181062 A JP56181062 A JP 56181062A JP 18106281 A JP18106281 A JP 18106281A JP S5885367 A JPS5885367 A JP S5885367A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- runner
- water wheel
- launch
- vibration
- guide vane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
- F03B3/02—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side of rotors, e.g. Francis turbines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
- F03B11/04—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator for diminishing cavitation or vibration, e.g. balancing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Hydraulic Turbines (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、振動強度の信頼性を高め、主機の小形化、高
速化を達成する７ランシス水車（二関する。
速化を達成する７ランシス水車（二関する。
第１図に７ランシス水車の代表例を示す。図５二おいて
、符号１は回転軸を示し、この回転軸ｌの下端に２ンナ
２が固着され、このランナ２はクラウン２１ｍ、バンド
２′ｂおよび複数の羽根２ｃとで形成されている。一方
ランナ２の外周側の固定流路には複数のガイドベーン３
が円周方向■二婢配菖二配列され、水車運転時（τ方向
）にはカイトベーンからランチへ流れを効率良く導くよ
うに形成されている。ここで、ランナ２の羽根枚数Ｚｒ
とガイドベーンの羽根枚数Ｚｆは従来性能面と構造上の
容易性の観点から適切ｇ二撰定されていた。しかし最近
の水車は経済性の面から主機の大容量化、高速化が着し
く、ランチとガイドベーン間の水圧脈動（二起因した相
互干渉現象がランチの振動強度Ｃ二与える影響度が着し
く増大し、このような厳しい使用条件下におけるランチ
の振動強度の信頼性をいかにして向上させるかが最近の
解決すべき１１１ｍとじてローズアップされている。
、符号１は回転軸を示し、この回転軸ｌの下端に２ンナ
２が固着され、このランナ２はクラウン２１ｍ、バンド
２′ｂおよび複数の羽根２ｃとで形成されている。一方
ランナ２の外周側の固定流路には複数のガイドベーン３
が円周方向■二婢配菖二配列され、水車運転時（τ方向
）にはカイトベーンからランチへ流れを効率良く導くよ
うに形成されている。ここで、ランナ２の羽根枚数Ｚｒ
とガイドベーンの羽根枚数Ｚｆは従来性能面と構造上の
容易性の観点から適切ｇ二撰定されていた。しかし最近
の水車は経済性の面から主機の大容量化、高速化が着し
く、ランチとガイドベーン間の水圧脈動（二起因した相
互干渉現象がランチの振動強度Ｃ二与える影響度が着し
く増大し、このような厳しい使用条件下におけるランチ
の振動強度の信頼性をいかにして向上させるかが最近の
解決すべき１１１ｍとじてローズアップされている。
次Ｃニランチに作用する水力的加振力を説明する。
水車運転時、ガイドベーン３からの流水はガイドベーン
に発生した後流１二より、円周方向にガイドベーンの枚
数分Ｉ：相幽する周期的１；変動する流れとなる。した
がって、ランナの４番目の羽根＜２０４）に層目した場
合、１回転中１−２２回の変動する水力的加振力を受け
、その周波数げｈ）は容易Ｃ／ｈｍＮ−ｚ、／６ｏ（Ｈ
ｌｌ） （１）となることが判る。また２
０４以外の羽根は２０４ ｆ）羽根Ｃ二対し、ある位相
遅れをもって同様の水力的加振力を受け、ランチ全体と
してはある位相差をもった複数の加振力ｇ二よる振動現
象が生ずる。
に発生した後流１二より、円周方向にガイドベーンの枚
数分Ｉ：相幽する周期的１；変動する流れとなる。した
がって、ランナの４番目の羽根＜２０４）に層目した場
合、１回転中１−２２回の変動する水力的加振力を受け
、その周波数げｈ）は容易Ｃ／ｈｍＮ−ｚ、／６ｏ（Ｈ
ｌｌ） （１）となることが判る。また２
０４以外の羽根は２０４ ｆ）羽根Ｃ二対し、ある位相
遅れをもって同様の水力的加振力を受け、ランチ全体と
してはある位相差をもった複数の加振力ｇ二よる振動現
象が生ずる。
一方ランナ自体の同有振動モードは円板の直径モードに
よって特徴づけられることが実験によって検赴されてい
る。すなわち第２図に一例を示すが、直径節モード数（
１）が、２のものは周方向に山…と谷Ｈがそれぞれ２個
宛′生讐るモードである。
よって特徴づけられることが実験によって検赴されてい
る。すなわち第２図に一例を示すが、直径節モード数（
１）が、２のものは周方向に山…と谷Ｈがそれぞれ２個
宛′生讐るモードである。
従来のフランシス水車にあっては、これ等直径モード数
を有するランチの固有振動数は式（１）の水力加振力周
波数より高いところＣ二あり、両振動数が一致して共振
するという現象は発生しない条件にあったが、前述の経
済性による小形筒速機の採用が広く行われるようになる
と、上記振動数の一致Ｃ二よる共振現象の危険性が問題
となってきている。
を有するランチの固有振動数は式（１）の水力加振力周
波数より高いところＣ二あり、両振動数が一致して共振
するという現象は発生しない条件にあったが、前述の経
済性による小形筒速機の採用が広く行われるようになる
と、上記振動数の一致Ｃ二よる共振現象の危険性が問題
となってきている。
本発明に、この共振条件が発生したとしても前述の水力
加振力の多点加振の現象を適切に制御することＣ二よっ
てランナに発生する振動応力を着しく低下させ、強度面
での信頼性を著しく向□上させた７２ンシス水車を提供
することを目的とする。
加振力の多点加振の現象を適切に制御することＣ二よっ
てランナに発生する振動応力を着しく低下させ、強度面
での信頼性を著しく向□上させた７２ンシス水車を提供
することを目的とする。
以下本発明について説明する。水力加振力の高調渡分も
考鳳して、式（１）を変形すると、ω±ｎ−Ｚｐ・Ω
（２）となる・。ここでｎ＝ Ｎ
／ ６ｇ 、 ｎは加振力の高調波成分でｎ＝１．２．
・・・の１ｉ数値、ωは加振力の振動数である０第３図
にｚｒ＝６．ｚｔ＝〜２０のの組合せの場合の配置図を
示すが、ここで４番目の羽根（２０４）の位置ψ４と１
番目のガイドベーン（３Ｌ）の位置０↓がすれ違った時
に加振力によって励振される振動の変位、）Ａは、ラン
チ上の任意の角度ψと任意時刻ｔで １４＝６ａｓＬ （９’−９４）ｍ（ａ）（ｔ−” （
＃４−ψＪ）） （１１１Ω と示せる。ここでａは振巾、１は直径節モード。
考鳳して、式（１）を変形すると、ω±ｎ−Ｚｐ・Ω
（２）となる・。ここでｎ＝ Ｎ
／ ６ｇ 、 ｎは加振力の高調波成分でｎ＝１．２．
・・・の１ｉ数値、ωは加振力の振動数である０第３図
にｚｒ＝６．ｚｔ＝〜２０のの組合せの場合の配置図を
示すが、ここで４番目の羽根（２０４）の位置ψ４と１
番目のガイドベーン（３Ｌ）の位置０↓がすれ違った時
に加振力によって励振される振動の変位、）Ａは、ラン
チ上の任意の角度ψと任意時刻ｔで １４＝６ａｓＬ （９’−９４）ｍ（ａ）（ｔ−” （
＃４−ψＪ）） （１１１Ω と示せる。ここでａは振巾、１は直径節モード。
ψ４とθ↓は、以下のものを示す。
９１ａ ＝−” （Ａ−１） ： （４番目の羽根位置
を回ｒ 転系で示す。） を静止系で示す。） ランナシー配列さｂ表Ａ番目の羽根以外の羽根が受ける
伝動変位は式（釦と同様Ｃ二導かれ、全体としてｔｉＺ
ｒ個の和として式（４）のごとく示せる０（４） 式（２）、（４）のωを考えると、振動変位Ｊが励振さ
れる条件として、 ω壬１０＝＝ｍＺｒΩ （６）が得
られる。ここでｍは任意の整数である。すなわち、式（
２）による加振力の強制振動数ωとランナの羽根枚数Ｚ
ｒが式（６）を満足するとき、ランチの振動が励振され
る。他の振動数Ｃ二よる振動は各羽根位置からの振動が
互に打消し合って、振動が励振δれない。式（６ｌ：式
（２）を代入し、Ωで両辺を割るとｎＺｐ工ｊ ＝ ｍ
Ｚｒ （６）すなわち、式（６）
を満足しないようにＺｒ、２ｆｊの組合せを考えればよ
い。
を回ｒ 転系で示す。） を静止系で示す。） ランナシー配列さｂ表Ａ番目の羽根以外の羽根が受ける
伝動変位は式（釦と同様Ｃ二導かれ、全体としてｔｉＺ
ｒ個の和として式（４）のごとく示せる０（４） 式（２）、（４）のωを考えると、振動変位Ｊが励振さ
れる条件として、 ω壬１０＝＝ｍＺｒΩ （６）が得
られる。ここでｍは任意の整数である。すなわち、式（
２）による加振力の強制振動数ωとランナの羽根枚数Ｚ
ｒが式（６）を満足するとき、ランチの振動が励振され
る。他の振動数Ｃ二よる振動は各羽根位置からの振動が
互に打消し合って、振動が励振δれない。式（６ｌ：式
（２）を代入し、Ωで両辺を割るとｎＺｐ工ｊ ＝ ｍ
Ｚｒ （６）すなわち、式（６）
を満足しないようにＺｒ、２ｆｊの組合せを考えればよ
い。
一般５ニアランシス水車の場合、水中での減衰が太き（
、ｎ＝１の基本振動加振力を考慮すれば十分であり、実
測結果署＝よっても検証されている。
、ｎ＝１の基本振動加振力を考慮すれば十分であり、実
測結果署＝よっても検証されている。
またランチの固有振動モードとして１ｉｊ＝２．３゜４
直径節の固有振動数が加振力の振動数と一致し易い条件
喜二ろり、この範囲をさければ十分である。
直径節の固有振動数が加振力の振動数と一致し易い条件
喜二ろり、この範囲をさければ十分である。
さらにｚｒ、ｚＩ一ついては性能および構造、製作上の
容易性等を考慮すれば、７ランシス水車について Ｚｒ＝１１〜１９ の整数 Ｚｇ ” １６〜３２ の整数 （但しＺｔ＞Ｚｒ＋１
）に制限される。
容易性等を考慮すれば、７ランシス水車について Ｚｒ＝１１〜１９ の整数 Ｚｇ ” １６〜３２ の整数 （但しＺｔ＞Ｚｒ＋１
）に制限される。
第４図嘱：フランシス水車の使用実績を示すが、−７ラ
ンシス水車は高落差から低落差へと広範囲−二適用でき
る機種であり、第５図６−示すごとく高落差機（ａ）と
低落差１ＦＲ（ｂ）ではランチまわりの形状が大巾に異
なる。本発明で解決しようとしている問題はランチとガ
イドベーン間の相互干渉であり、両者が接近したｉＡ落
差機（α）程問題となる。またランナに作用する水力加
振力はほぼ落差に比例して変化するためこの面でも高落
差機が厳しい〇一方経済性の面で機器を小形高速化する
傾向Ｃあり、第５図稟二示すごとく年々同一適用落差ｇ
＝おいて水車比速度を大きく取る傾向にあり、と＜響：
ｎ−≦１７０の範囲で以下に示す理由によりそのメリッ
トが大きい０ （１） ｎｓ ＜ １７０では第６図（ｇ）響二示す
ごとく、ランナ出口径（Ｄｏ）に対し、ランチ入口径（
Ｄｏ）が大きく、ｎ、を大きくすることによってＤｏを
大巾４二小さく出来て、主機全体の小形化が計れること
と、容量化が可能と々す、主機の信頼性が向上する。
ンシス水車は高落差から低落差へと広範囲−二適用でき
る機種であり、第５図６−示すごとく高落差機（ａ）と
低落差１ＦＲ（ｂ）ではランチまわりの形状が大巾に異
なる。本発明で解決しようとしている問題はランチとガ
イドベーン間の相互干渉であり、両者が接近したｉＡ落
差機（α）程問題となる。またランナに作用する水力加
振力はほぼ落差に比例して変化するためこの面でも高落
差機が厳しい〇一方経済性の面で機器を小形高速化する
傾向Ｃあり、第５図稟二示すごとく年々同一適用落差ｇ
＝おいて水車比速度を大きく取る傾向にあり、と＜響：
ｎ−≦１７０の範囲で以下に示す理由によりそのメリッ
トが大きい０ （１） ｎｓ ＜ １７０では第６図（ｇ）響二示す
ごとく、ランナ出口径（Ｄｏ）に対し、ランチ入口径（
Ｄｏ）が大きく、ｎ、を大きくすることによってＤｏを
大巾４二小さく出来て、主機全体の小形化が計れること
と、容量化が可能と々す、主機の信頼性が向上する。
（２）７ランシス水車はｎａ＝１７０ミニ１７０附近≦
ユが最高となる特性を有しているのでｓ ｎａ＜１７
０以下で高比速度化を計ると水車効率を高くすることが
出来、省エネルギーの面で効果的である。
ユが最高となる特性を有しているのでｓ ｎａ＜１７
０以下で高比速度化を計ると水車効率を高くすることが
出来、省エネルギーの面で効果的である。
しかし、主機を高速・高比速度化すると、一般区二ラン
チの剛性が低下して、ランナの固有振動数が低下する。
チの剛性が低下して、ランナの固有振動数が低下する。
一方式（１）から判るごとく高速化によって水力加振力
の周波数は増加してランチ固有振動数と一致による共振
現象が発生する危険性を有している。
の周波数は増加してランチ固有振動数と一致による共振
現象が発生する危険性を有している。
ｎ、 ＝ １００ｍ−ＫＷの７ランシス水車について検
討した試算例を第６図に示す。第４図（−示す よｎ
６≦２０１５／徂の現状のランチでは第６図の０点１：
あり、水力加振力周波数げｈａ）に対し、ランチ同有振
動数げｎ）は十分離れており安全側（−ある。
討した試算例を第６図に示す。第４図（−示す よｎ
６≦２０１５／徂の現状のランチでは第６図の０点１：
あり、水力加振力周波数げｈａ）に対し、ランチ同有振
動数げｎ）は十分離れており安全側（−ある。
しかし、同一落差にてｎ、を上げて高速化を計ると第６
図に示すととく０点にて再振動数が一致して共振現象が
発生する危険性がある。
図に示すととく０点にて再振動数が一致して共振現象が
発生する危険性がある。
一方ガイドベーンの枚数は構造上、据付上の容易性から
偶数を採用することが望ましく、ランナ羽根の枚数は性
能上の面でｎ−≦１７０の範囲ではＺｒ≧１５が使用さ
れる。
偶数を採用することが望ましく、ランナ羽根の枚数は性
能上の面でｎ−≦１７０の範囲ではＺｒ≧１５が使用さ
れる。
よって、本発明の効果を実用区：供するに際して、式（
６）の条件を満足しないことと、前・述の考察から以下
のＺｒとＺｐの組合せが撰定される。すなわちＺｒ ＝
１５のとき Ｚｐ ” ２Ｌ ２２ｅ ２４ｅ ３０
ｚｒ−１６のとき Ｚｐ冨２２．２４．２６．３２Ｚｒ
＝ １７のとき Ｚｙ −２２ｍ ２４．２６．２８
Ｚｒ ＝ １８のと’＠ Ｚｙ冨２４．２６．２８．
３０ｚｒＷ １９のとき Ｚｐ −２４，２６，２８，
３０，３２の組合せのうち、いずれか一つの組合せにて
、ＺｒとＺｐを決定する。
６）の条件を満足しないことと、前・述の考察から以下
のＺｒとＺｐの組合せが撰定される。すなわちＺｒ ＝
１５のとき Ｚｐ ” ２Ｌ ２２ｅ ２４ｅ ３０
ｚｒ−１６のとき Ｚｐ冨２２．２４．２６．３２Ｚｒ
＝ １７のとき Ｚｙ −２２ｍ ２４．２６．２８
Ｚｒ ＝ １８のと’＠ Ｚｙ冨２４．２６．２８．
３０ｚｒＷ １９のとき Ｚｐ −２４，２６，２８，
３０，３２の組合せのうち、いずれか一つの組合せにて
、ＺｒとＺｐを決定する。
以上述べたごとく本発明は今後増々高速化するフランシ
ス水車のランナの撫動強１ｉｔＴｋＪでの問題点を解決
し、信頼性の高い一体ランチでの大容量化、性能向上ｄ
二よる省エネルギー面での効果、小形化による経済的効
果等数々のメリットを発揮しうる機器を信頼性をそこな
う仁となく彎供しうる効果を有している。
ス水車のランナの撫動強１ｉｔＴｋＪでの問題点を解決
し、信頼性の高い一体ランチでの大容量化、性能向上ｄ
二よる省エネルギー面での効果、小形化による経済的効
果等数々のメリットを発揮しうる機器を信頼性をそこな
う仁となく彎供しうる効果を有している。
第１図は７ランシス水車を示す平面図および縦−１面図
、第２図はランチの固有モードの代表例を示す説明図、
第３図は多点加振現象の説明図、第４図は最近の７ラン
シス水車の適用範囲を示す特 。 性図、第５図はフランシス水車の形状と比速度の関係を
示す断面図、第６図は水力加振力周波数とランチ固有振
動数との関係を示す線図である。 １・・・回転軸 ２・・・ランナ２ａ・・・ク
ラウン ２ｂ・・・バンド２ｃ・・・羽根、
３・・・ガイドベーン−メ （７３１７）代理人 弁理士 則 近 憲 佑 （ほか
１名）第１図 丁 第２図 ！、２ ノ・３ ノ“４第３図 第 ４ 図 Ｎ５（ｒｎ−ＫｖＪ） 第５図 （ｂ）
、第２図はランチの固有モードの代表例を示す説明図、
第３図は多点加振現象の説明図、第４図は最近の７ラン
シス水車の適用範囲を示す特 。 性図、第５図はフランシス水車の形状と比速度の関係を
示す断面図、第６図は水力加振力周波数とランチ固有振
動数との関係を示す線図である。 １・・・回転軸 ２・・・ランナ２ａ・・・ク
ラウン ２ｂ・・・バンド２ｃ・・・羽根、
３・・・ガイドベーン−メ （７３１７）代理人 弁理士 則 近 憲 佑 （ほか
１名）第１図 丁 第２図 ！、２ ノ・３ ノ“４第３図 第 ４ 図 Ｎ５（ｒｎ−ＫｖＪ） 第５図 （ｂ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 如数枚の羽根とこの羽根の上下面を囲むハブおよびシュ
ラウドリングとより形成されるランチと、このランチに
隣設した固定流路側に設けられたガイドベーンとを有す
るものにおいて、ランチの羽根枚数をＺｒ％がドベーン
の枚数なＺｌｓ水車最＾落差をＨ（ｍ）、水車最高出力
なｐ （ｋｗ） 、回転速度なＮ（ｒｐ、ｍ）としたと
き、水車比速度ｎｓ （＝ Ｎｕ ／Ｈ’ ）がｎ−≦
１７０（ｍ−ｋｗ）及びｎ＃≧２０１５／＠ （ｍ−ｋ
ｖ）であるとともに％ ＺｒとＺＪＦを以下Ｃ二定める
組合せのうちいずれか−の組合せＩ：て設定したことを
特徴とする７ランシス水車。 Ｚｒ ＝１５ ： Ｚｙ ＝ ２０．２２１２４．３０
Ｚｒ −１６： ｚ７ ＝ ２２．２４２６＊ ３２Ｚ
ｒ ＝ １７ ： Ｚｙ ＝ ２２．２４．２６．２８
Ｚｒ ”” １８ ： Ｚｙ ＝２４＋ ２６＊ ２８
ｅ ３ＧＺｒ ＝ １９ ： Ｚｇ ＝ ２４．２６．
２８．３０．３２
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56181062A JPS5885367A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | フランシス水車 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56181062A JPS5885367A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | フランシス水車 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5885367A true JPS5885367A (ja) | 1983-05-21 |
| JPS6219589B2 JPS6219589B2 (ja) | 1987-04-30 |
Family
ID=16094115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56181062A Granted JPS5885367A (ja) | 1981-11-13 | 1981-11-13 | フランシス水車 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5885367A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103032249A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-04-10 | 华北水利水电学院 | 无固定导叶的冷却塔专用超低比速混流式水轮机 |
-
1981
- 1981-11-13 JP JP56181062A patent/JPS5885367A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103032249A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-04-10 | 华北水利水电学院 | 无固定导叶的冷却塔专用超低比速混流式水轮机 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6219589B2 (ja) | 1987-04-30 |
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