特開 2022-77917 水力機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022077917

(43)【公開日】2022-05-24

(54)【発明の名称】水力機械

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/02 20060101AFI20220517BHJP

【ＦＩ】

F03B3/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020188992

(22)【出願日】2020-11-12

(71)【出願人】

【識別番号】511238158

【氏名又は名称】日立三菱水力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 克年

(72)【発明者】

【氏名】田村 悠太

【テーマコード（参考）】

3H072

【Ｆターム（参考）】

3H072AA07

3H072AA27

3H072BB15

3H072BB19

3H072CC01

3H072CC43

(57)【要約】

【課題】Ｓ字特性の発生を抑制することができる水力機械を得ること。
【解決手段】水力機械１は、ランナ２と、第１のカバー３と、第２のカバー４とを備える。第１のカバー３と第２のカバー４との間には、ランナ２を収容するランナ収容室９が形成されている。ランナ２は、複数の羽根２１と、クラウン２２と、バンド２３とを備える。ランナ収容室９は、クラウン２２とバンド２３との間に形成されて羽根２１が配置される流路９１と、クラウン２２と第１のカバー３との間に形成された第１の背圧室９２と、流路９１と第１の背圧室９２とを連通する第１の連通路９３と、バンド２３と第２のカバー４との間に形成された第２の背圧室９４と、流路９１と第２の背圧室９４とを連通する第２の連通路９５とを含む。第１の連通路９３および第２の連通路９５のうちいずれか一方の流路断面積は、他方の流路断面積よりも大きい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線を中心に回転するランナと、
前記ランナに対して前記軸線の軸方向の一方に配置された第１のカバーと、
前記ランナに対して前記軸線の軸方向の他方に配置された第２のカバーと、
を備える水力機械であって、
前記第１のカバーと前記第２のカバーとの間には、前記ランナを収容するランナ収容室が形成されており、
前記ランナは、
複数の羽根と、
前記羽根に対して前記軸線の軸方向の一方に配置されたクラウンと、
前記羽根に対して前記軸線の軸方向の他方に配置されたバンドと、
を備え、
前記ランナ収容室は、
前記クラウンと前記バンドとの間に形成されて前記羽根が配置される流路と、
前記クラウンと前記第１のカバーとの間に形成された第１の背圧室と、
前記流路と前記第１の背圧室とを連通する第１の連通路と、
前記バンドと前記第２のカバーとの間に形成された第２の背圧室と、
前記流路と前記第２の背圧室とを連通する第２の連通路と、
を含み、
前記第１の連通路および前記第２の連通路のうちいずれか一方の流路断面積は、他方の流路断面積よりも大きいことを特徴とする水力機械。

【請求項2】

前記第１の連通路および前記第２の連通路は、環状の流路であり、
前記第１の連通路および前記第２の連通路のうちいずれか一方の内壁には、内向きに突出するリブが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。

【請求項3】

前記リブは、互いに間隔を空けて複数配置されていることを特徴とする請求項２に記載の水力機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ランナを備える水力機械に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、ランナを備える水力機械が知られている。このような水力機械は、特許文献１に開示されているように、水力機械よりも上流に設けられた給水源から導水管を通って水が流入するケーシングと、ケーシングとランナとの間に回転可能に配置されて回転して開度を変えることによりランナに流入する水の流量を調整するガイドベーンとを備える。ランナは、クラウンと、クラウンと離れて配置されたバンドと、クラウンとバンドとの間に配置された複数の羽根とを備える。

【0003】

地震、雷などによって水力機械の負荷遮断が発生したときに、ガイドベーンの開度が小さくなることでランナへの水の流量が徐々に少なくなり、最終的にガイドベーンが全閉することでランナへの水の流れが止まることによって過渡現象が起こり、ケーシング内の水圧が上昇することが知られている。一般的に、このケーシング内の水圧の上昇はランナの回転の加速過程で発生し、水撃による過渡現象は数秒でケーシング内の水圧が変動する比較的緩やかな現象である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１９６７１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、水力機械の中には、ガイドベーンの開度が小さくてランナへの水の流量が少ない運転条件において、ランナの回転速度とランナへの水の流量との関係を表す特性曲線がＳ字形状となる、所謂Ｓ字特性を持つ水力機械が存在する。このようなＳ字特性と呼ばれる不安定特性を持つ水力機械においては、水撃による水圧変動以外に、比較的短い時間間隔でスパイク状の水圧変動が発生する。そのため、水力機械の負荷遮断時に、ガイドベーンの開度が小さくてランナへの水の流量が少ない運転条件になると、流量の急変による激しい水圧変動がケーシング内に発生する。

【0006】

また、Ｓ字特性を持つ水力機械においては、ランナの同一回転速度に対して複数の流量条件が定まる運転特性が存在するため、水力機械の起動時、停止時、低出力運転時等において運転条件が一点に定まらず、水力機械の全体システムに不安定な状況を引き起こす場合がある。そのため、水力機械のＳ字特性の発生を抑制したいという要望があった。

【0007】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、Ｓ字特性の発生を抑制することができる水力機械を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ガイドベーンとランナとの間に対称性を持つ双子渦が現れて、ランナからガイドベーンへ向かう逆流が発生することによって、水力機械のＳ字特性が発生することを見出した。そこで、水の流れの対称性を崩すことで対称性を持つ双子渦の発生を抑えて、ランナからガイドベーンへ向かう逆流の発生を抑制することにより、水力機械のＳ字特性の発生を抑制することができる本発明を完成するに至った。

【0009】

上記目的を達成するために、本発明に係る水力機械は、軸線を中心に回転するランナと、ランナに対して軸線の軸方向の一方に配置された第１のカバーと、ランナに対して軸線の軸方向の他方に配置された第２のカバーと、を備える水力機械である。第１のカバーと第２のカバーとの間には、ランナを収容するランナ収容室が形成されている。ランナは、複数の羽根と、羽根に対して軸線の軸方向の一方に配置されたクラウンと、羽根に対して軸線の軸方向の他方に配置されたバンドと、を備える。ランナ収容室は、クラウンとバンドとの間に形成されて羽根が配置される流路と、クラウンと第１のカバーとの間に形成された第１の背圧室と、流路と第１の背圧室とを連通する第１の連通路と、バンドと第２のカバーとの間に形成された第２の背圧室と、流路と第２の背圧室とを連通する第２の連通路と、を含む。第１の連通路および第２の連通路のうちいずれか一方の流路断面積は、他方の流路断面積よりも大きい。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る水力機械では、Ｓ字特性の発生を抑制することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施例１に係る水力機械を示す断面図

【図2】本発明の実施例１に係る水力機械のクラウン、第１のカバー、第１の背圧室および第１の連通路を示す断面斜視図であって、クラウン、第１のカバー、第１の背圧室および第１の連通路を軸方向に沿って半分に切った状態を示す図

【図3】比較例に係る水力機械を示す断面図

【図4】比較例に係るクラウン、第１のカバー、第１の背圧室および第１の連通路を示す断面斜視図であって、クラウン、第１のカバー、第１の背圧室および第１の連通路を軸方向に沿って半分に切った状態を示す図

【図5】本発明の実施例２に係る水力機械を示す断面図

【図6】本発明の実施例３に係る水力機械のクラウン、第１のカバー、第１の背圧室および第１の連通路を示す断面斜視図であって、クラウン、第１のカバー、第１の背圧室および第１の連通路を軸方向に沿って半分に切った状態を示す図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明に係る水力機械の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施例では、水力機械がフランシス水車である場合を例にして説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

【実施例0013】

図１は、本発明の実施例１に係る水力機械１を示す断面図である。図２は、本発明の実施例１に係る水力機械１のクラウン２２、第１のカバー３、第１の背圧室９２および第１の連通路９３を示す断面斜視図であって、クラウン２２、第１のカバー３、第１の背圧室９２および第１の連通路９３を軸方向に沿って半分に切った状態を示す図である。図１に示すように、水力機械１は、ランナ２と、第１のカバー３と、第２のカバー４と、主軸５と、ケーシング６と、ガイドベーン７と、吸出管８とを備える。以下、水力機械１の各構成要素について方向を説明するときには、ランナ２の軸線Ｃと平行な方向を軸方向、ランナ２の軸線Ｃと直交する方向を径方向、ランナ２の軸線Ｃを中心とする回転方向を周方向とする。本実施例に係る水力機械１は、ランナ２の軸線Ｃの軸方向と鉛直方向（上下方向）とが一致する縦軸型の水力機械であるが、ランナ２の軸線Ｃの軸方向と水平方向とが一致する横軸型の水力機械でもよい。なお、図１の矢印Ｘは、水の主流方向を示している。

【0014】

第１のカバー３と第２のカバー４との間には、ランナ２を収容する環状のランナ収容室９が形成されている。ランナ収容室９の径方向外側には、中空形状のケーシング６が配置されている。ケーシング６内には、ケーシング６内の水の流れを整流するステーベーン６１が設けられている。ランナ収容室９とケーシング６とを連通する流路には、ランナ２に流入する水の流量を調整するガイドベーン７が配置されている。ガイドベーン７の開度が大きいほどランナ２に流入する水の流量が多くなり、ガイドベーン７の開度が小さいほどランナ２に流入する水の流量が少なくなる。ランナ収容室９の下流側の開口には、円筒形状の吸出管８が接続されている。

【0015】

ランナ２は、ケーシング６から流入する水によって軸線Ｃを中心に回転する。ランナ２は、ケーシング６からランナ２に流入する水の圧力エネルギーを回転エネルギーに変換する。ランナ２には、主軸５が連結されている。主軸５は、図示しない発電機の回転子に回転エネルギーを伝達する。矢印Ｘに示すように水が、ケーシング６からガイドベーン７およびランナ２を経て吸出管８に向かって流れて、ランナ２および主軸５が回転する。ランナ２および主軸５が回転することによって、発電機の回転子を回転させて発電することができる。

【0016】

第１のカバー３、第２のカバー４、ランナ２およびランナ収容室９についてさらに詳しく説明する。第１のカバー３は、ランナ２に対して軸線Ｃの軸方向の一方に配置されている。第１のカバー３は、本実施例ではランナ２の上方に配置されている。

【0017】

第２のカバー４は、ランナ２に対して軸線Ｃの軸方向の他方に配置されている。第２のカバー４は、本実施例ではランナ２の下方に配置されている。第１のカバー３と第２のカバー４とは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。

【0018】

ランナ２は、複数の羽根２１と、羽根２１に対して軸線Ｃの軸方向の一方に配置されたクラウン２２と、羽根２１に対して軸線Ｃの軸方向の他方に配置されたバンド２３とを備える。複数の羽根２１は、クラウン２２とバンド２３とにそれぞれ連結されている。図示は省略するが、複数の羽根２１は、周方向に互いに等角度離隔して配置されている。

【0019】

クラウン２２は、主軸５に連結されている。クラウン２２は、円板状に形成されている。クラウン２２は、本実施例では第１のカバー３の下方に配置されている。第１のカバー３の一部は、クラウン２２の径方向外側に位置している。

【0020】

クラウン２２とバンド２３とは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。バンド２３は、円筒形状に形成されている。バンド２３は、本実施例では第２のカバー４の上方に配置されている。第２のカバー４の一部は、バンド２３の径方向外側に位置している。

【0021】

ランナ収容室９は、クラウン２２とバンド２３との間に形成されて羽根２１が配置される流路９１と、クラウン２２と第１のカバー３との間に形成された第１の背圧室９２と、流路９１と第１の背圧室９２とを連通する第１の連通路９３とを含んでいる。また、ランナ収容室９は、バンド２３と第２のカバー４との間に形成された第２の背圧室９４と、流路９１と第２の背圧室９４とを連通する第２の連通路９５とを含んでいる。

【0022】

ガイドベーン７を通過した水の多くは、流路９１、羽根２１、吸出管８の順に通過する。ガイドベーン７を通過した水の一部は、第１の連通路９３を通過して、第１の背圧室９２に流入する。また、ガイドベーン７を通過した水の一部は、第２の連通路９５を通過して、第２の背圧室９４に流入する。なお、第１の背圧室９２に流入した水は、クラウン２２に設けられた図示しない排出孔を通過して、吸出管８に導かれるようになっている。また、第２の背圧室９４に流入した水は、排出路９６を通過して、吸出管８に導かれるようになっている。

【0023】

流路９１は、周方向に延びる環状の流路である。流路９１の下流側の開口は、吸出管８に連通している。

【0024】

第１の背圧室９２は、クラウン２２を挟んで流路９１に対して軸線Ｃの軸方向の一方（本実施例では上方）に設けられている。第１の連通路９３は、流路９１の上流側に連通している。図２に示すように、第１の背圧室９２は、周方向に延びる環状の空間である。第１の連通路９３は、周方向に延びる環状の流路である。第１の連通路９３は、クラウン２２の外周面と第１のカバー３の内周面との間に形成された隙間である。

【0025】

図１に示すように、第２の背圧室９４は、バンド２３を挟んで流路９１に対して軸線Ｃの軸方向の他方（本実施例では下方）に設けられている。第２の連通路９５は、流路９１の上流側に連通している。第２の背圧室９４は、周方向に延びる環状の空間である。第２の連通路９５は、周方向に延びる環状の流路である。第２の連通路９５は、バンド２３の外周面と第２のカバー４の内周面との間に形成された隙間である。

【0026】

第１の連通路９３の流路断面積は、第２の連通路９５の流路断面積よりも大きい。つまり、第１の連通路９３は、第２の連通路９５よりも広い流路になっている。逆に言うと、第２の連通路９５は、第１の連通路９３よりも狭い流路になっている。これにより、水は、第１の連通路９３に流入しやすくなり、第２の連通路９５に流入しにくくなる。

【0027】

次に、図１から図４を参照して、実施例１に係る水力機械１の効果について説明する。図３は、比較例に係る水力機械１Ｃを示す断面図である。図４は、比較例に係るクラウン２２、第１のカバー３、第１の背圧室９２および第１の連通路９３を示す断面斜視図であって、クラウン２２、第１のカバー３、第１の背圧室９２および第１の連通路９３を軸方向に沿って半分に切った状態を示す図である。

【0028】

図３に示すように、比較例に係る水力機械１Ｃでは、第１の連通路９３の流路断面積と第２の連通路９５の流路断面積とが同じである。このような水力機械１Ｃでは、ランナ収容室９における水の流れが対称性を持つ。一般論として、ランナ２の回転速度が速くなり、ランナ２への水の流量が少なくなるにつれて、ランナ２の出力がゼロとなる無拘束速度条件が発生する。さらに、ランナ２への水の流量が減少してゼロに近づくと、ランナ２の出力がマイナスとなる。このマイナスの出力は、ランナ２が水に対して回転エネルギー（運動エネルギー）を付加するポンプ運転を意味する。このようなポンプ運転状態が生じると、水力機械１Ｃでは、第１の連通路９３と第２の連通路９５とで水の流入量が同じでありランナ収容室９における水の流れが対称性を持つため、ガイドベーン７とランナ２との間に対称性を持つ双子渦１０が発生する。双子渦１０となる水の一部は、第１の連通路９３を通って第１の背圧室９２に流入するとともに、第２の連通路９５を通って第２の背圧室９４に流入する。

【0029】

双子渦１０を構成する一方の渦１１と他方の渦１２とは、流路９１の軸線Ｄを挟んで対称である。軸線Ｄを挟んだクラウン２２側に現れる一方の渦１１の流れは、クラウン２２側でガイドベーン７からランナ２へ向かう順流１１ａであり、クラウン２２とバンド２３との間の中間領域（流路９１の中心部）でランナ２からガイドベーン７へ向かう逆流１１ｂである。また、軸線Ｄを挟んだバンド２３側に現れる他方の渦１２の流れは、バンド２３側でガイドベーン７からランナ２へ向かう順流１２ａであり、クラウン２２とバンド２３との間の中間領域（流路９１の中心部）でランナ２からガイドベーン７へ向かう逆流１２ｂである。逆流１１ｂ，１２ｂは、ランナ２によって付加された回転エネルギーを持っているため、全ヘッドの上昇をもたらし、水力機械１のＳ字特性が発生する。

【0030】

この点、本実施例では、図１に示すように、第１の連通路９３の流路断面積は、第２の連通路９５の流路断面積よりも大きいことにより、第１の連通路９３と第２の連通路９５とで水の流入量が異なり、ランナ収容室９における水の流れの対称性が崩れる。そのため、図３に示される対称性を持つ双子渦１０の発生を抑えて、ランナ２からガイドベーン７へ向かう逆流１１ｂ，１２ｂの発生を抑制することができる。したがって、水力機械１のＳ字特性の発生を抑制することができる。これにより、水力機械１の起動停止時等における全体システムの安定性を確保することができるとともに、水力機械１の負荷遮断時に激しい水圧変動がケーシング６内に発生することを抑制できる。

【実施例0031】

次に、図５を参照して、本発明の実施例２に係る水力機械１Ａについて説明する。図５は、本発明の実施例２に係る水力機械１Ａを示す断面図である。なお、実施例２では、前記した実施例１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

【0032】

図５に示すように、第２の連通路９５の流路断面積は、第１の連通路９３の流路断面積よりも大きい。つまり、第２の連通路９５は、第１の連通路９３よりも広い流路になっている。逆に言うと、第１の連通路９３は、第２の連通路９５よりも狭い流路になっている。これにより、水は、第２の連通路９５に流入しやすくなり、第１の連通路９３に流入しにくくなる。

【0033】

本実施例では、第２の連通路９５の流路断面積は、第１の連通路９３の流路断面積よりも大きいことにより、第１の連通路９３と第２の連通路９５とで水の流入量が異なり、ランナ収容室９における水の流れの対称性が崩れる。そのため、図３に示される対称性を持つ双子渦１０の発生を抑えて、ランナ２からガイドベーン７へ向かう逆流１１ｂ，１２ｂの発生を抑制することができる。したがって、水力機械１ＡのＳ字特性の発生を抑制することができる。すなわち、第１の連通路９３および第２の連通路９５のうちいずれか一方の流路断面積が、他方の流路断面積よりも大きければ、Ｓ字特性の発生を抑制することができる。