JPS61101680A - フランシス形ランナ - Google Patents

フランシス形ランナ

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JPS61101680A
JPS61101680A JP59221478A JP22147884A JPS61101680A JP S61101680 A JPS61101680 A JP S61101680A JP 59221478 A JP59221478 A JP 59221478A JP 22147884 A JP22147884 A JP 22147884A JP S61101680 A JPS61101680 A JP S61101680A
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JP
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outlet angle
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JP59221478A
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Yutaka Takigawa
滝川 裕
Tomotake Nagafuji
長藤 友建
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/121Blades, their form or construction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/125Rotors for radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side, e.g. for Francis-type turbines
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

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  • 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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、フランシス水車のランナに係り、ランナ出口
角度を所定値に設定して部分負荷運転時にも高性能を発
揮することができるようにしたフランシス形ランナに関
する。
〔発明の技術的背慎とその問題点〕
一般的なフランシス形ランナは、第1図および第2図に
示されるように、主@1に固着されたランナクラウン2
と、これにほぼ対向したランナバンド3との間に複数枚
のランナ羽根4が挾持されている。これらのランナ羽根
4は、横断面が翼形をなし、上記主軸1を中心とする円
周上に等間隔かつ放射状に配置されている。水車運転時
における流水は、隣接するランナ羽根4,4の間に形成
される流路を矢印へで示Jように中心で向って流入し流
出する。
この場合、上記ランナ羽根4の内端出口部が回転円周方
向接線となすいわゆる出口角度βは、水車の設計点特性
を決定する重要な因子であって、従来は、設81点にお
いて最も適切な流れと4【るように、設定されCいた。
すなわら上記出口角度βのうち、クラウン側に最も近い
クラウン側出口角度をβC、バンド側に最も近いバンド
側出口角度をβbとしたどき、両出口角度βbとβCと
の差Δβ(Δβ=βC−βb)が第3図斜線領域A1に
入るように出口角度βの圃が定められていた。
なお、この第3図は縦軸に角度差Δβをとり、横軸に水
車比速度Nsをとったものである。
ここで、N S = N −J l’シフト4 (m−
kw)であり、Nは主は回転数、ト1は基準落差、Pは
基準落差時の最大出力である。
角度差Δβが上述の範囲内に収まるようにランナ羽根の
出口角度を定めると、設計点出力での水車性能は良好で
ある。しかしながら、設計点出力の60%以下の部分負
荷運転時には、ランナ下流の吸出し管に大きな旋回渦損
失が発生し、また旋回流によりローブ状の渦芯が発達し
これにより水圧脈動が増大して振動やll!音が発生す
るなど水車性能が著しく低下してしまうという欠点があ
った。
この欠点は近年AFC運転および小水力発電所等での部
分負荷運転の増大に伴い、看過できない問題となってき
ている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記の点に鑑みて、部分負荷運転時の
性能をも向上させうるようにしたフランシス形ランナを
提供することにある。
〔発明の概要〕
この目的を達成するために、本発明はランナ羽根の出口
角度のうちの、クラウン側出口角度βCとバンド側出口
角度βbとの角度差Δβが次の関係、 0.08Ns+10≦Δβ≦0.13Ns+12(ここ
でN5=N−yP)H’  (m−kw)、Nは主機の
回転速度、Hは基準落差、Pは基準落差時の最大出力で
ある。)を満たすように、ランナ羽根の出口角度を定め
ることを特徴とし、バンド側出口角度βbを通常設計よ
りやや小さくすることによってバンド側の相対流速を増
大させるとともに、クラウン側出口角度βCを通常設計
よりやや大きくすることによってクラウン側の相対流速
を減少させるようにしている。
〔発明の実施例) 以下に本発明を更に詳細に説明する。
従来のフランシス形ランナにおいて部分負荷運転時に上
述の旋回渦損失の増大等が発生する原因を探求してみる
と、次の事実が判明した。即ち、第2図に示されるよう
にランナ羽根4の出口流れの絶対速度Vと、回転による
周速度Uと相対速度Wとから形成される出口速度三角形
は、設計点出力にあっては直角三角形となる。このため
、羽根流下後の水の旋回速度成分CUは零(VCO39
0’ =O)となる。しかし部分負荷運転時には流量の
減少にJ、す、第4図実線で示されるように相対速度W
′が上記Wより減少し、絶対速度V′と周速度Uとのな
り角αがαく90°となりV1’cosαで表される旋
回速度成分Cu’ が発生して上記旋回渦損失の増大等
が生じ、水中性能が低下することが判明した。
そこで、本発明は、第4図点線で示すように部分負荷運
転時のランナ出口相対速度WをW′のように増大させて
、角度αを90℃に近すけ絶対速度V′の旋回速度成分
Cu′を小さいものとする。
この相対速度Wの増大のためには、バンド側出口角度β
bを設計点特性から決まる値よりも小さくすることが以
下に述べる理由により効果的である。
即ち、第5図に示されるように、過負荷運転時には、水
流は破線のようにしてクラウン2がらバンド3までほぼ
一様に分布して流れるが、しかし、部分負荷運転時には
水流は流量の減少と遠心力作用によって実線のようにバ
ンド側に集中した流れとなる。したが1て、このバンド
側の出口角度βbを小さくすることにより、相対速度W
を効果的に増大する。
すなわち、第6図は部分負荷時におけるバンド側出口部
の速度三角形を示し、実線は従来からの通常設計による
もの、破線は本発明によるものをそれぞれ表している。
本図から明らかなように、バンド測用[1角度βbをβ
b′の、」、うに小さくりれば、相対速度W1はW1′
まで増大して絶対速度■ はv ′となり、その旋回速
度成分CLJ 1はCu ′まで減少される。
ところが、バンド側出口角度βbのみを小さくすると、
逆に過負荷運転時の性能が低下してしまう。すなわち、
第7図は過負荷運転時にお【)るバンド側出口部の速度
三角形を示し、バンド側出口角度βbをβb′のように
小さり1゛れば、相対速度W2はW2′まで増大して絶
対速度v2はv ′となり、その旋回速度成分Cu2は
、CU  ’ まで増大される。
そこで、この過負荷運転時の性能低下をできるだけ抑え
るために、過負荷運転時には、上述のように水流は、ク
ラウン側からバンド側までほぼ一様に流れることに着目
してクラウン側出口角度βCを設計点特性から決まる値
よりも大きく定める。すなわら、第8図は過負荷時にお
けるクラウン側出口部の速度三角形を示し、実線は通常
設計によるもの、破線は本発明によるものをそれぞれ表
している。本図のように、クラウン側出口角度βCをβ
C′のように大きくすれば相対速度W3はW 3 ’ 
まで増大して絶対速度v3はv3′となりその旋回速度
成分CU3はCU3′まで減少される。
一方、第9図に示すように、部分負荷時のクラウン側出
口部におりる旋回速度成分CU4は、CU ′まで増大
させられることとなる。しかし上述のように、部分負荷
時には、クラウン側の流量が大幅に減少することから、
上記旋回速度成分の増大による性能劣化分は極めて小さ
い。
また、上述のようにクラウン側出口角度βCとバンド側
出口角度βbとを定めた結果、山角度の差Δβ(Δβ−
βC−βb)は、従来に比して大きくなる。そこで、こ
の角度差Δβがどの程度大きくなると、換言すれば、こ
の角度差Δβと水車比速度NSとがいかなる関係にあれ
ば、過負荷運転時の性能低下を抑えながら、部分運転時
の性能   □を改善できるかについて種々実験を試み
た。この結果、角度差Δβが第3図の実線より上方の破
線領域A2に存在すれば、過負荷運転時の性能低下を抑
えつつ、部分負荷運転時性能を改善するこ件が判明した
。これを具体的に数式で表わすと下式になる。
0、 08Ns+10  ≦ Δ β ≦ 0. 13
Ns  −112このように定めたときの中止速度水車
の効果を第10図に示り一0第10図中、縦軸は最大効
率η0を基準とした相対効率η/ηOCあり、横軸は最
大効率点出力POを基準とした出力比P/Poである。
実線が、本発明によるランナの効率特性を示し、破線が
従来のランナ効率特性を示り゛。この実線と破線を比べ
ると、本発明のランナは、P/PO≦0.8の運転範囲
において従来のものとC,tは同等効率であり、P/P
o<0.8の部分負荷運転範囲では、従来ランプに比べ
、かなり性能が改り;−されていることが分る。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ラン
ナ出口角度の角度差Δβが0.08NS+10≦△β≦
0.13Ns+、12を充足するようにランナ出口角度
を定めるようにしたから、過負荷運転時の性能をほとん
ど低下させることなく、部分負荷運転時の性能を向上で
き、また、振動や騒音の発生も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のフランシス形ランナを示?1′断面図、
第2図は第1図の■ ■線に沿った円周方向断面図、第
3図は従来のフランシス形ランナと本発明によるフラン
シス形ランナについて、ランナ出口角度と水車比速度と
の関係を示す線図、第4図はランナ出口速度三角形を示
す図、第5図はランナ内のフローパターンを示1図、第
6図、第7図、第8図および第9図はバンド側およびク
ラウン側の各出口速度三角形を示す図、第10図は本発
明と従来のフランシス形ランナの効率を比較するグラフ
である。 1・・・水車主軸、2・・・ランナクラウン、3・・・
ランナバンド、4・・・ランナ羽根。 b 1 図 燃 2 図 Ns[m−KWI 飄IO圀 肥 4 口 も 5 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 ランナクラウンとランナバンドとの間に複数枚のランナ
    羽根を挾持するようにしたフランシス形ランナにおいて
    ;ランナ羽根の出口端が回転円周方向接線となす出口角
    度βのうち、ランナクラウン側に最も近いクラウン側出
    口角度βcとランナバンド側に最も近いバンド側出口角
    度βbとの角度差Δβ=βc−βbが 0.08Ns+10≦Δβ≦0.13Ns+12(Ns
    =N・√P/H^4、Nは主機回転速度、Hは基準落差
    、Pは基準落差時の最大出力。)なる関係を満すように
    ランナ羽根の出口角度を定めるようにしたことを特徴と
    するフランシス形ランナ。
JP59221478A 1984-10-22 1984-10-22 フランシス形ランナ Granted JPS61101680A (ja)

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JPH0438916B2 JPH0438916B2 (ja) 1992-06-25

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