(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上カバー、下カバーにより画成された流路内に可逆回動自在なランナベーンを配置するとともに、それぞれ回動して水口開度を調整可能なガイドベーンを当該ランナベーン外周の該流路内に円周方向に沿って複数配置し、発電運転時、ガイドベーンからランナベーンに向かって動水を流し、また揚水運転時、ランナベーンからガイドベーンに向かって動水を流す構成の水力機械において、前記ランナベーンと前記ガイドベーンの間の前記流路における高さが、当該ランナベーンから当該ガイドベーンにかけて半径方向に漸減するように構成されていることを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、発電運転、揚水運転併用可能な水力機械にかかり、とりわけ、上カバー、下カバーにより画成された流路のうち、ガイドベーンからランナベーンに至る流路形状に改良を加えた水力機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、水力機械は、天然水というエネルギ源を有効に活用する観点から、発電運転時に利用した動水をそのまま放出することなく、一旦、下池に溜め、夜間のように発電運転を必要としないとき、その動水を上池に戻す、いわゆる揚水運転（ポンプ運転）を行う併用タイプのものが数多く使用されている。
【０００３】
この種タイプは、フランシス形状のものが多く、その構成を図６に示す。
この種タイプは、主軸１（回転軸）に固設されたランナベーン２を備えている。ランナベーン２の上下端は、円板状のクラウン２ａ、バンド２ｂにより狭設されている。また、円板状のクラウン２ａ、バンド２ｂは、上カバー４、下カバー５により覆設されている。さらにクラウン２ａ、バンド２ｂを覆設する上カバー４、下カバー５は、長く延び、それぞれ回動自在なガイドベーン３をランナベーン２の外周の円周方向に沿って複数覆設して流路Ｓを形成している。
【０００４】
このような構成の水力機械において、発電運転時、流路Ｓを通る動水は、ガイドベーン３により水口開度が調整され、発電指令の大小により流量調整され、ランナベーン２に回転力を与え、その回転トルクを主軸１に伝え、発電指令に応じた出力を出している。
【０００５】
また、この種タイプは、夜間のように発電力を必要としないときに揚水運転を行っている。
揚水運転時、ランナベーン２は、発電運転時とは異なる逆回転運動をしており、図示しない下池からの動水は、ランナベーン２のポンプ作用により昇圧され、ガイドベーン３を経て図示しない上池に戻されるようになっている。
こうして、一つの水力機械により、発電運転、揚水運転が併用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種水力機械において、揚水運転時、ランナベーン２の端部では、図９に示すように、動水の逆流現象が見られている。
一般に、流路Ｓを通る動水の速度分布は、図７に示すように、流路Ｓの高さＢは一定であり、また主軸回転中心からランナベーン２の端部までの半径ｒ１、主軸回転中心からガイドベーン３の端部までの半径ｒ２もともに一定であるとき、上カバー４側のランナベーン２の端部で負の領域があらわれている。なお、Ｖｍ１０はランナベーン２の高さ方向中心における平均速度であり、Ｖｍ２０はガイドベーン３の高さ方向中心における平均速度である。
【０００７】
このような負の領域を有する速度分布について、今少し図８により考察してみると、ランナベーン２からカイドベーン３を流れる動水の速度三角形は、ランナベ一ン２の出口端で、周方向速度Ｖｕ１、径方向速度Ｖｍ１、動水流出角α１、絶対速度Ｖ１であるに対し、カイドベーン３の入口端で、カイドベーン３の配置角度βｇのとき、その周方向速度はＶｕ２、径方向速度はＶｍ２、動水流入角はα２、絶対速度はＶ２になっている。
【０００８】
双方の速度三角形を見比べてみると、カイドベーン３の入口端の動水流入角α２と径方向速度Ｖｍ２はともに、ランナベーン２の出口端における速度三角形の各要素にくらべ低下している。この時、動水流入角α２は、ガイドベーン３の配置角度βｇよりも小さくなるため、カイドベーン３の前縁部分で動水が剥離し、カイドベーン３に失速領域６が形成される。かかる原因により図７に示す速度分布に負の領域があらわれると考えられている。
【０００９】
動水にこのような異常流れが発生すると、低周波の水圧変動が生じてランナーベーン２、ガイドベーン３等の各構成部分で振動が生起され事故の原因となる。
揚水運転時の特性は、縦軸を揚程Ｈに、横軸を流量Ｑに、それぞれ採ると(図１０のように)、通常、右下りのカーブになるが、その運転途中、カイドベーン３に失速領域があらわれると、図示のような楊程Ｈの急な落ち込みによる右上がり不安定特性を引き起こし、機械効率特性上好ましくない
【００１０】
かかる失速領域の防止手段として、カイドベーン３の配置角度βｇを流路高さ方向に変化させ、一方の配置角度を他方の配置角度よりも小さくすることも考えられるが、この場合、ガイドベーン３は３次元的に形状が変化しているので、ガイドベーン３を全閉にすることができないという不具合がある。
【００１１】
この発明は、かかる問題点に鑑み、揚水運転時、失速領域ならびに速度分布の負の領域をなくし、もって揚水特性効率を高めようとする水力機械を公表することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる水力機械は、上述課題を解決するために、請求項１に記載した如く、上カバー、下カバーにより画成された流路内に可逆回動自在なランナベーンを配置するとともに、それぞれ回動して水口開度を調整可能なガイドベーンを当該ランナベーン外周の該流路内に円周方向に沿って複数配置し、発電運転時、ガイドベーンからランナベーンに向かって動水を流し、また揚水運転時、ランナベーンからガイドベーンに向かって動水を流す構成の水力機械において、前記ランナベーンと前記ガイドベーンの間の前記流路における高さを、当該ランナベーンから当該ガイドベーンにかけて半径方向に漸減するように構成するものである。
【００１３】
【作用】
揚水運転時、動水が流路を通過中、その速度分布に負の領域があらわれたり、ガイドベーンに失速領域があらわれたりするのは、動水流速が同一横断面積上でも高低変化していると考えられる。つまり、流路横断面積の中心軸上では流速が高く、またその中心軸上からはなれるにしたがって流速が低くなっている。
【００１４】
かかる事象に対し、動水の流速が低い部分を増速すれば、流路横断面積上、その流速はほぼ均一になると考えられる。
この発明はかかる点に着目したもので、上カバー、下カバーにより画成された流路のうち、、ランナベーンとガイドベーンの間の流路高さを、ランナベーンからガイドベーンにかけて半径方向に漸減するように構成したものである。
かかる構成により、流速の低い動水は増速され、その増速に相殺されるので、流路を通過する動水の速度分布が負となる領域や、あるいはガイドベーンに生じる失速領域は著しく抑制される。
【００１５】
【実施例】
以下、この発明にかかる水力機械の実施例を添付図を参照して説明する。
図１は、この発明にかかる水力機械の一実施例を示す略示図である。
この水力機械は、主軸１（回転軸）に固設するランナベーン２を備えるとともに、その半径方向の前方にガイドベーン３を配置している。ランナベーン２、ガイドベーン３は、上カバー４、下カバー５により覆設されている。また、ランナベーン２、ガイドベーン３を覆設する上カバー４、下カバー５は、流路Ｓを画成している。
【００１６】
上カバー４、下カバー５により画成された流路Ｓのうち、ランナベーン２の端部からガイドベーン３の端部に至る間には、角度θｕを有する傾斜部分４ａが設けられ、ガイドベーン３の端部の開口横断面積は、ランナベーン２の端部の開口横断面積にくらべ狭口横断面積になっている。つまり、本実施例においてはランナベーン２とガイドベーン２の間の流路Ｓの高さを、ランナベーン２からガイドベーン３にかけて半径方向に漸減するような構成としている。
【００１７】
かかる構成において、ランナベーン２からガイドベーン３に向かって流れる動水は、当該傾斜部分４ａにて流路Ｓの高さが漸減することにより増速され、増速の結果、速度分布は、図２に示すように、ランナベーン２の端部、ランナベーン２とガイドベーン３との中間位置、ガイドベーン３の端部のいずれの位置でも負の領域のないほぼ一様になっている。なお、図中、Ｂ１はランナベーン２の高さ、Ｂ２はガイドベーン３の高さ、Ｖｍ１０はランナベーン２の中心線軸上の平均流速、Ｖｍ２０はガイドベーン３の中心線軸上の平均流速、ｒ１は主軸（図示せず）の中心軸線からランナベーン２の端部までの半径距離、ｒ２は主軸の中心軸線からガイドベーン３の端部までの半径距離をそれぞれ示している。
【００１８】
また、上カバー４に傾斜部分４ａを設けた場合、ランナベーン２およびカイドベーン３における速度三角形は、図３に示す結果が得られている。この図３からも理解されるように、カイドベーン３の端部における速度三角形のうち、径方向速度Ｖｍ２は従来にくらべて大幅に増加し、カイドベーン３の端部における動水流入角α２はガイドベーン３の配置角度βｇとほぼ等しくなるので、動水は滑らかにガイドベーン３に流入するようになる。
【００１９】
したがって、揚水運転時、揚程Ｈ・流量Ｑの特性カーブは、図４の破線で示すように、右上りカーブがほとんどなくなり、これにより機械効率も高まる。
図５は、この発明にかかる水力機械の他の実施例を示す略示図である。この実施例は、流路Ｓを画成する上カバー４、下カバー５の両方にそれぞれ角度θｕ１ 、θｌ１を有する傾斜部分４ａ、５ａを設けたものである。かかる構成により、ランナベーン２の端部、ランナベーン２とカイドベーン３との中間位置、カイドベーン３の端部におけるそれぞれの速度分布は負の領域がなく、上述した実施例と同等の効果を発揮することができる。
この場合、図９に示すランナベーン２の下端部分に動水の逆流が生起したときなどでは効果的に対処することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、この発明にかかる水力機械は、上カバーと下カバーにより画成される流路のうち、ランナベーンとガイドベーンの間の流路高さを、ランナベーンからガイドベーンにかけて半径方向に漸減するように構成したものであり、揚水運転時にランナベーンからカイドベーンに向かう動水が増速されるため、安定した速度分布を得、またカイドベーンの失速領域も抑制され、揚水運転時の機械効率も向上する等、従来よりもすぐれた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる水力機械の一例を示す略示図。
【図２】この発明にかかる水力機械の動水の速度分布を示す図。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視切断断面を平面展開した図であって、動水のランナベーン端部、ガイドベーン端部のそれぞれの速度三角形を示す図。
【図４】この発明によって得た揚程Ｈ−流量Ｑ特性カーブを示すグラフ。
【図５】この発明にかかる水力機械の他の実施例を示す略示図。
【図６】従来の実施例を示す水力機械の略示図。
【図７】従来の水力機械における動水の速度分布を示す図。
【図８】図７のＡ０−Ａ０矢視切断断面を平面展開した図であって、動水のランナベーン端部、ガイドベーン端部のそれぞれの速度三角形を示す図。
【図９】ランナベーンを通過する動水の逆流挙動を示す図。
【図１０】従来の揚程Ｈ−流量Ｑ特性カーブを示すグラフ。
【符号の説明】
１  主軸（回転軸）
２  ランナベーン
３  ガイドベーン
４  上カバー
４ａ，５ａ  傾斜部分
５  下カバー
Ｓ  流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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