JPS5885368A - 水力機械 - Google Patents

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。

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慎の小形化、＾連
化を達成する７ランシス形ポンプ水車および遠心ポンプ
轡の水力機械に関する。

第１図４二上記水力機械の代表例であるフランシス形ボ
／ブ水車を示す。図において、符号１は回転軸を示し、
この回転軸１の下端区二羽根車２が固着され、この羽根
車２はハブ２ｍ＋　シュラウドリング２ｂおよび複数の
羽＄　２　ｃとで形成されている。一方羽根車２の外周
側の固定流路には複数の案内羽＄３が円周方向（−等配
に配列され、水車運転時（Ｔ方向）には案内羽根３から
羽根車２、ポンプ運転時（Ｐ方向）４二は羽根車２から
案内羽根３へ流れを効率良く導くように形成されている
。

ここで、羽根車の羽根枚数Ｚｒと案内羽根の羽根枚数Ｚ
ｇは従来性能面と構造上の容易性の観点から適切（二撰
定ｌされていた。しかし、最近のポンプ水車６：代表さ
れるごとく、経済性の面から主機の高格差化、高速化が
著しく、羽根車と案内羽根間の水圧脈動（二起因し九相
互干渉現象が羽根車の振動強度４＝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工区；おける羽根
車の振、勲強度の信頼性をいかく二して向上させるがが
最近の解決すべき昧題としてクローズアップされている
。

羽根車に作用する水力的加振力を説明する。水車運転時
、案内羽根３からの流水は案内羽根に発生した後流によ
り円周方向５二案内羽根の枚数分に相当する周期的（＝
変動する流れとなる。したがっ゛Ｃ１羽根車のに番目の
羽根（２Ｃ’ｋ）に層目した場合、回転中にＺｇ回の変
動する水力的加振力な受Ｖ−）、その周波数（／ｈ）は
容易（二 ／ｈ　＝　Ｎ−Ｚｇ／６０　　（Ｈｚ）　　’　　　　
（１）となることが判る。また２（−ｃ以外の羽根は２
Ｃｋの羽根４二対しある位相遅れをもって同様の水力を
受け、羽根車全体としてはある位相差をもった複数の加
振力による振動現象が生ずる。

一方羽根車自体の固有振動上−ドは円板のヒ径モードＣ
二よって特徴づけられることが実験によって検証されて
いる。すなわち第２図に一例を示すが、直径モ−ド数（
１）がこのものは周方向に山（＋）と谷（→がそれぞれ
２個発生するモードである。従来の水力機械（＝あって
は、これ等直径モード数を有する羽根車の固有振動数は
式（１）の水力加振力周波数より高いとζろにあり、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
１＝あった。

しかし前述の経済性ζ；よる小形高速機の採用が広く行
われるよう（＝なると、上記振動数の一致による共振現
象の危険性が問題となってきている。

本発明は、この共振条件が発生し九としても前述の水力
加振力の多点加振の現象を適切（二制御することによっ
て羽根車６；発生する振動応力を著しく低下させ、強度
（３）での信頼性を著しく向上させた水力機械を提供す
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
考慮して、式（１）を変形すると、ω＝ｎ−Ｚｇ・Ω　
　　　　（２） となる。ここでΩ＝　Ｎ１５Ｑ　、　　ｎは加振力の高
調波成分でｎ”Ｌ２＋・・・・・・の整数値、ωは加振
力の振動数である。耐３図にＺｒ＝６．　Ｚｇ＝２０の
組合せの場合の配に図を示すが、ここでに１１目の羽根
（２Ｃｋ）の位置へとｉｉ４目の案内羽根（３１）の位
置θ直がすれ違は、羽根車上の任意の角度ψと任意時刻
ｔで、ｚ＋ｃ＝　ａ　ｃｏｓｆ　（ｇ＋−ｇ＞ｋ）ｓｉ
ｎａ＋（ｔ　−（θｔ−９）ｋ）　）　　　　（３）Ω と示せる。ここでａは振巾、ｅは直径節モード、ψにと
θＩは、以下のものを示′ＴＯ （ｋ番目の羽根位置を回転系で示す。）羽根車に配列さ
れたに番目の羽根以外の羽根が受ける振動変位は式（３
）と同様（＝導かれ、全体としてはＺ「個の和として式
（４）のごとく示せるＯ＋島（・・ｌΩ））〕− ＺｒΩ 式（２）　、　（４）のＷを考えると、振動変位２が励
振される条件として、 ω；ｌΩ＝　ｍ　Ｚｒ８　　　　　　　　　（５）が得
られる。ここでｍは任意の整数である。すなわち、式（
２）（二よる加振力の強制振動数ωと羽根車の羽根枚数
Ｚｒが式（５）を満足するとき、羽根車の振動が励振さ
れる。他の振動数（二よる振動は各羽根位置からの振動
が互（二打消し合って、振動が励振されない。式（５）
に式（２）を代入し、Ωで両辺を割ると ｎＺｇ　＋’　／　＝　ｍＺｒ　　　　　　　　　　　
（６１ｆなわち式（６）を満足しないよう（＝Ｚｒ、Ｚ
Ｈの組合せを考えれビよい。

一般（＝、増力機械の場合、水中での減衰が大きく、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（＝よっても検証され工いる、。ま九羽根車の固有振
動モードとしてはｎ＝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にあシ、この範囲
をさければ十分である。さらにＺｒ、Ｚｇｌ：ｌ一つい
ては性能および構造、製作上のＺｒ＝５〜９の整数 Ｚｇ　＝　７〜３２　（７）整ｔｊ！、　　（但Ｌ　Ｚ
ｇ＞Ｚｒ＋１）に制限される。よって、以下の組合せが
式（６）を満足しない条件として撰定される。

Ｚｒ−５（７，）とき　ｚｇ＝　１０．１５，１６，２
０，２４，２５，３０゜Ｚｒ＝６（７）とき　Ｚｇ＝１
１，１２，１３，１７．１８，１９．２３．２４２５　
、２９．３０ ｚｒニアのとき　Ｚｇ＝ＩＯ，１３，１４，１５，２０
，２１，２２，２７９ Ｚｒ＝８１７）と！　　Ｚｇ＝１５．１６．１７，１８
．２３，２４，２５．３１２ Ｚｒ＝９のとき　Ｚｇ＝１７．１８，１９．２６，２７
．２８ＺｒとＺｇの組合せは主機の運転仕様（＝よって
左右される面があり、−例として、ポンプ水車の縦近の
仕様の変化を第４図Ｃ二示す。第４図で横軸はＮ５＝Ｎ
ＪＱＡ１ｐ％で定義されるポンプ比速度で、Ｑ・ｆ（ｐ
はポンプ最高＃ｈ程運転時の流〜蓋および揚程である。

またｋはに＝ＮＪＱで定義される機器の高速化を示す係
数である。第４図より年々高＃ｒ差、高速化が計られて
いることが判る。（○印は実用化中のもの、◇印は計画
中のものである。）最近はｎ　ｓ　＝２０〜４５　ｍ−
ｍ□ｓ　、　Ｈｐ　＞　３００の範囲（二開発が集中し
ておシ、この範囲ではＺｒ＝５〜７が性能上より撰ｄれ
る。これより高比速度側ではＺｒ＝７〜９が適切な羽根
枚数となる。

また第４図より低比速度程ｋを大きくする傾向にある示
、これは以下の理由による。

（１）　　低比速度水力機械では、第５図に示すランナ
人口中伸）とランチ外径（Ｄｏ）の比Ｂ／Ｄｏが相対的
（二小さくなり、ランチ内部の羽根２Ｃの形状を仕上げ
ることが難かしくなる。そこでｋを大きくして、高比速
度形の形状（Ｂが大きくなる）にすることが製作上の容
易性から望ましい０ （２）低比速度水力機械では、ＪＩｓ図のＤｏ／Ｄｅの
比が大きくなり、羽根車外径ＤＯの寸法が大きくなって
、一体での輸送が難かしく、大容量化する場合のネック
となる。

（３）　　ｌ）ｏ／Ｄｅの比が大きくなることはノ・プ
２ｍ、と上カバ４、シュラウドリンク２ｂと下カッ（５
の曲の円ｆｍ摩Ｓ損失が増大し、効率が忌倣に低−ト「
る。

そこＣ高効率化を計るうえで、高比速度形鴫＝するのが
望ましい。

しかし高比速度化を計ると、一般（二羽根車の剛性が低
下して、羽根車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（＝よって水力加
振力の周波数は増加して、羽根車の固有振動数との一致
による共振現象が発生する危険性を有している。（１、
＝＝　３０　ｍ　ｍ”／１％のポンプ水車（二ついて計
算した試算例を第６図に示す。第４図に示ずに＝　２５
００の現状の羽根車では、第６図の０点にあシ、水力加
振力周波数（／ｈａ）　（：対し、羽根車の固有振ｗＪ
ａ（／ｎ）は十分離れてお９安全ｌｌｌ　（二ある。し
かし、同一落差してｎａを上げて高速化を計ると第６図
に示すごとく０点（二て両Ｆｉ動数が一致して共振現象
ｔ−発生する危険性がある。

一方案内羽根の枚数は構造上、据付上の容易性から偶数
を採用することが望ましく　ｓ　”ｓ＜４５の範囲４二
あるフランシス形ポンプ水車では芙用面を考慮して、Ｚ
ｒとＺｇ　（二関し下記の組合せが撰ばれる。

’ｔｒ＝５　　：　　Ｚｇ＝１０＃１６ｔ２０＃２４ｚ
ｒ＝　６　　：　　Ｚｇ−＝　１２−ＩＬ２４Ｚｒ＝　
７　　：　　Ｚｇ＝　１０．１４−２０＊２２また、遠
心ポンプとしては案内羽根ζ二固定羽根を使用する例が
多く、ｚｇは奇数を用いることもあり、また相対的（”
−Ｚｇの枚数は少い。そこで、以下の組合せを用いるこ
とが好ましい。

１ｒ＝５　：　ｚｇ＝１０ｔｌＬ１Ｇ Ｚｒ−＝６　：　Ｚｇ＝　１１．１２．１３Ｚｒ　＝　
７　：　Ｚｇ＝　１０．１３．１４．１５Ｚｒ　＝８　
：　Ｚｇ＝　１５．１６−１７．１８Ｚｒ＝　９　：　
Ｚｇ＝　１７．１８．１９以上述べたごとく本発明は今
後増々高＃ｒ差、高速化する水力機械の羽根車の振動強
度面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、性能向上による省エネルギー面での効果、小
形化ζ二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こと磨く提供しうる効果を有
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は７ランシス形ポンプ水車を示す平面図および縦
断面図、第２図は羽根車の固有モードの代表例を示す説
明図、第３図は多点加振境象の説明図、第４図は最近の
７ランシス形ポンプ水車の適用範囲を示す特性−１第５
図は水力機械の部分断面図、第６図は水力加振周波数と
羽根車固南振動数との関係を示す線図である。 １・・・回転軸　　　　　２・・・羽根車２Ｆ・ハブ　
　　　　　２ｂ、・・シュラウド２ｃｍ・・羽根リング
　　　３・・案内羽根４・・・上カバ　　　　　５川下
カバ （７３１７）　　代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（
はが１名）第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１複数枚の羽根とこの羽根の上下向を囲む）・プお
   よびシュラウドリングとより形成される羽根車と、この
   羽根車に隣設した固定流路側（二設けられた案内羽根と
   を有するもの響二おいて、羽根車の羽根枚数をＺｒ、案
   内羽根の枚数をＺｇとした場合、ＺｒとＺｇを夫々以下
   に定める組合せのうちいずれか−の組合せ（−て設定し
   九ことを特徴とする水力機械。 Ｚｒ＝５　：　Ｚｇ＝１０＋１５ｓｌｔｉｓ２０ｓ２４
   ＊２５＋３０’Ｌｒ＝６　：　ｚｇ−１１−１２−１３
   −１７−１８−１９−２３−２４−２５４９−０ Ｚｒ＝７　：　Ｚｇ＝１０．１３，１４，１５．２０ｓ
   ２１．２２．−２７．２９Ｚｒ＝８　：　Ｚｇ”’１５
   ＋１６ｅ１７ｔｌＬ２３ｓ２４＊２５．３１ｅ３−２Ｚ
   ｒ＝９　　：　　Ｚｇ＝１７１１８−１９＊２６−２Ｌ
   ２Ｂ（２）　　ポンプ最高揚程運転時の流量をＱ（□Ｓ
   ）、揚程を）ｉｐ（ｍ）　、回転数をＮ　（ｒ、ｐ、ｍ
   ）としたとき、ポンプ比速度ｎｓ　（＝ＮＪＱ／ＨＩ）
   ’　）がｎｍ≦４５であり、かつ係数ｋ　（＝ＮＪＱ）
   かに≧３０００であり、８　ｂ　＋ニーＺｒとＺｇを夫
   々以下に定める組合せのうちいずれか−の組合せにて設
   定したフランシス形ポンプ水車であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の水力機械。 Ｚｒ＝＝５　：　Ｚｇ＝１０＋１６．２０＋２４Ｚｒ−
   ６：　Ｚｇ＝１２．１８．２４ Ｚｒ＝７　　二　Ｚｇ＝１０．１４．２Ｑ、２２（３）
   　　ｋａ３０００であり　カッＺｒ　（！：　Ｚｇ　を
   夫ｈ　以下ニ定める組合せのうちいずれか−の組合せ（
   二で設定した遠心ポンプであることを特徴とする特許請
   求の範囲！１項記載の水力機械。 Ｚｒ　＝５　：　Ｚｇ＝１０．１５．１６Ｚｒ＝６　：
   　Ｚｇ＝ＩＬ１２ｅ１３ Ｚｒ”’７　：　Ｚｇ＝１０．１３，１４．１５Ｚｒ＝
   ８　：　Ｚｇ＝１５．１６，１７．１８Ｚｒ＝９　　：
   　　Ｚｇ＝１７．１８．１９