(57)【要約】【課題】本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、ガイドベーンとランナで生じる有害な振動モードを回避し、振動の発生を抑制する信頼性の高い水力機械を提供することであり、又、ステーベーンとガイドベーンの相対的な位置関係を良好にすると共に製作性、保守性の優れた水力機械を提供することにある。【解決手段】長翼５と短翼６を交互に配したフランシス型のポンプ水車において、ランナ２の外周側に配設されているガイドベーン７の枚数を奇数枚例えば１９枚に構成したものである。。【選択図】    図２
2004232598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の長翼と、該長翼よりも翼長が短くかつ前記複数の長翼の間にそれぞれ配置された短翼とを備えて全体として偶数の翼を有するフランシス型のランナと、前記ランナの外周側の固定流路に円周方向に沿って等配に配列されて前記ランナと対峙する複数のガイドベーンを備える水力機械において、前記ガイドベーンの枚数を奇数としたことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記ガイドベーンの外周側に円周方向に配設されて該ガイドベーンと対峙する複数枚のステーベーンを設けるとともに、前記ステーベーンの枚数を前記ガイドベーンの枚数と等しくしたことを特徴とする請求項１記載の水力機械。
【請求項３】
前記ガイドベーンの外周側に円周方向に配設されて該ガイドベーンと対峙する複数枚のステーベーンを設けるとともに、前記ステーベーンの枚数をＺｓ、前記ガイドベーンの枚数をＺｇとした場合に（１）式を満足することを特徴とする請求項１記載の水力機械。
【数１】
2004232598.tif 000005
【請求項４】
前記ステーベーンの外周側を取り囲み、巻き始め部から巻き終い部にかけて流路断面積が徐々に減少するように構成されたケーシングを設け、前記ステーベーンは前記ガイドベーンの円周方向位置に対応する位置に配置されるとともに、前記ケーシングの巻き始め部側では前記ガイドベーンの円周方向位置に対応する位置に１つおきに配置され、かつ巻き終い部側では前記ガイドベーンの円周方向位置に対応する位置にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項３記載の水力機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の翼長の長い長翼の間に、翼長の短い短翼を配置したフランシス型のランナと、ランナの外周側にあって前記ランナと対峙するガイドベーンを有するポンプ水車を備えた水力機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ポンプ水車は出力応答性の俊敏さから昼間に生じる電力変動の調節という役割を担うようになってきている。そのためポンプ水車では過負荷側の運転点から部分負荷運転点まで幅広い出力に対応した運転範囲を持つことが要求されている。
【０００３】
しかし、従来の複数枚の同じ翼長の羽根を円周方向に等間隔に配置したフランシス型ポンプ水車のランナは低出力運転時にランナ内部の流れが遠心力の影響を受け、ランナバンド側に偏ってしまい水力損失が増加し部分負荷側で効率が低くなるという欠点があった。
【０００４】
これを改善するためにランナ羽根枚数を増加させ低出力運転時の整流効果を高めるという方法があるが、羽根枚数を単純に増加させるとランナ出口部での流路が狭くなり、過負荷側で効率の低下が生じてしまう。
【０００５】
このような問題点を改善するため、図９に示すようにランナ（羽根車）２１の複数の翼長の長い長翼（羽根：主翼）２２が等間隔を存して配設され、各長翼２２の間であって羽根車２１の外周側に、長翼２２より翼長の短い短翼（中間羽根）２３を配設したポンプ水車が特許文献１、特許文献２または特許文献３等に開示されている。図９は、このうちの特許文献１を説明するための図である。
【０００６】
図９のように、長翼２２と短翼２３とをランナ２１の外周方向に交互に配置することにより、ランナ出口での流路が狭くならないようにして過負荷側の効率低下を回避し、さらに多翼の整流効果を持ち合わせることで部分負荷側から過負荷側までの広い運転範囲にわたって効率向上を図ることが可能となる。
【０００７】
一方、近年では運転範囲の拡大に加えて、揚水発電所の経済性メリットの追求から高落差化する傾向にある。高落差化するに伴って従来の使用条件に比べ機器に生じる内部圧力、応力値、振動、水圧脈動は相対的に大きくなり、さらに、ガイドベーンとランナベーンによって生じる翼列干渉によるランナ振動も増大し大きな問題となってくる。
【０００８】
一般にランナとガイドベーンの翼列干渉では、ガイドベーン枚数をＺｇ、ランナベーン枚数をＺｒ、任意の整数をｎ、ｍ、直径節モード（直径節モード数）をｋとすると、下記の（２）式で示される直径節モードにより励振されることが広く知られている。（例えば、非特許文献１参照）
ｎＺｇ±ｋ＝ｍＺｒ          …（２）
特にガイドベーンとポンプ水車のランナベーンの翼列干渉によって、ｋ＝０となる０直径節モードでランナが励振した場合、ランナ自体が上下に振動することが最近、試験により明らかになっている。このランナの上下振動により主軸を介して発電機が振動し、また背圧室、側圧室の圧力変動により上カバー等の静止部が振動を起こし機器に障害を与えることになる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−８２２７３号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−５４９４４号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開２０００−２０５１０１号公報
【００１２】
【非特許文献１】
久保田裕一ほか「静止側の分布励震源による羽根付回転円盤の振動」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、日本機械学会、１９８３年３月、第４９巻、第４３９号、ｐ．３０７−ｐ．３１３
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、ガイドベーンとランナで生じる有害な振動モードを回避し、振動の発生を抑制する信頼性の高い水力機械を提供することであり、又、ステーベーンとガイドベーンの相対的な位置関係を良好にすると共に製作性、保守性の優れた水力機械を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、複数の長翼と、該長翼よりも翼長が短くかつ前記複数の長翼の間にそれぞれ配置された短翼とを備えて全体として偶数の翼を有するフランシス型のランナと、前記ランナの外周側の固定流路に円周方向に沿って等配に配列されて前記ランナと対峙する複数のガイドベーンを備える水力機械において、前記ガイドベーンの枚数を奇数としたことを特徴とする水力機械である。
【００１５】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、前記ガイドベーンの外周側に円周方向に配設されて該ガイドベーンと対峙する複数枚のステーベーンを設けるとともに、前記ステーベーンの枚数を前記ガイドベーンの枚数と等しくしたことを特徴とする請求項１記載の水力機械である。
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、前記ガイドベーンの外周側に円周方向に配設されて該ガイドベーンと対峙する複数枚のステーベーンを設けるとともに、前記ステーベーンの枚数をＺｓ、前記ガイドベーンの枚数をＺｇとした場合に（２）式を満足することを特徴とする請求項１記載の水力機械である。
【００１７】
【数２】
2004232598.tif 000003
【００１８】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、前記ステーベーンの外周側を取り囲み、巻き始め部から巻き終い部にかけて流路断面積が徐々に減少するように構成されたケーシングを設け、前記ステーベーンは前記ガイドベーンの円周方向位置に対応する位置に配置されるとともに、前記ケーシングの巻き始め部側では前記ガイドベーンの円周方向位置に対応する位置に１つおきに配置され、かつ巻き終い部側では前記ガイドベーンの円周方向位置に対応する位置にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項３記載の水力機械である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明のポンプ水車は、主軸（回転軸）１の下端部にランナ（羽根車）２が固着され、ランナ２はランナクラウン（ハブ）３、ランナバンド（シュラウドリング）４及び複数の長翼５と、長翼５の間に交互に配設された短翼６と、さらには羽根リング１０で構成されている。ランナ２の外周側の固定流路には、ランナ２と対峙するように円周方向に沿って複数のガイドベーン（案内羽根）７が等配に配列され、ガイドベーン７の外周側に円周方向に配設されて該ガイドベーン７と対峙する複数のステーベーン９を設けられると共に、該ステーベーン９の外周を取り囲むようにケーシング８が配設されている。なお、図中１１は上カバ―であり、１２は下カバーを示している。
【００２０】
このような構成のものおいて、水車運転の場合、流水はケーシング８を通ってステーベーン９、ガイドベーン７を流れ、ランナ２に流入しランナ２を回転させる。
【００２１】
図２に示すように、長翼５と短翼６を交互に配したフランシス型のポンプ水車において、ランナ２の外周側に配設されているガイドベーン７の枚数を奇数枚例えば１９枚に構成したものである。
【００２２】
このように構成することにより、次のような作用効果が得られる。水車運転の場合、ガイドベーン５からの流水はガイドベーン７で生じる後流により円周方向に速度の異なる分布となる。この円周方向の不均一な流水が回転しているポンプ水車のランナ２と干渉しランナ２を特定のパターンで加振していく。従って、この加振パターンはランナベーンの枚数とガイドベーン７の枚数で決定されることになる。
【００２３】
一方、高落差化したポンプ水車のランナ２は、図４（ａ）に示すように平たい円板状の形をしており、このようなランナの固有振動モードは図３に示すような円板の直径節モードｋによって特徴づけられることが実験的に検証されている。この図はランナ外周に発生する振動モードを示しており、例えば直径節モードｋが２の場合には周方向に山（＋）と谷（−）がそれぞれ２個発生するモードである。なお、これ以外に直径節モードｋが１、３、４、０の場合は周方向に山（＋）と谷（−）がそれぞれ１、３、４、０個発生するモードである。
【００２４】
また、一般に円板に近似できるランナ２とガイドベーン７によって位相差をもって加振される場合には、前述の（２）式で示される励振条件を満足する特定の直径節モードだけが円板に励振されることが広く知られている。これまでの研究では直径節モードが０の場合は翼列干渉による共振でランナ自体に生じる変動応力は小さいことがわかっている。
【００２５】
しかし、この場合ランナ２自体には局所的に大きな変動応力を生じないが、図４（ｂ）に示すようなにランナ２の外周と中心部が逆方向に振動するモードが生じることが最近実験によって確認されている。従って、０直径節（図３のｋが０のとき）では、ランナ２は軸方向に振動し、主軸１を介して発電機も振動させる。また、このようなランナの振動により背圧室、側圧室にも圧力変動が生じ、上カバー１１、下カバー１２等の静止部を大きく振動させ、機器の構造を損傷する恐れがある。さらにはこの振動は建屋全体をも揺らすことになり、発電所全体に影響を与えかねない。
【００２６】
一般に水力機械の場合、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、このことは実測結果によっても検証されている。従って、長翼５と短翼を交互に配した前記ランナの場合には長翼枚数によらず必ずランナベーンの枚数６は偶数になるので、ガイドベーン７を奇数枚とすることで、発電機及びその他の機器に影響を及ぼすような振動が生じる０直径節モードを確実に避けることができる。
【００２７】
以上述べたガイドベーン７の枚数が１３枚以下ではガイドベーン７の枚数が少なく十分な整流効果を与えることができ性能の低下を及ぼすこと、ガイドベーン７の枚数が３１枚以上では流路幅が狭くなり、摩擦損失の増大により性能の低下が生じることからガイドベーン７の枚数は１５枚以上、２９枚以下の範囲が適切である。
【００２８】
また、長翼５の間に中間翼を備えたフランシス型ポンプ水車のランナについては、長翼５の枚数が３枚以下であると整流効果が十分得られないこと、長翼５の枚数が７枚以上であると羽根枚数の増加により摩擦損失が増大し性能の低下を生じることから長翼の枚数は４枚以上、６枚以下が適切であると考えられる。
【００２９】
図５は本発明に係るポンプ水車の第２の実施形態を説明するための図である。図５（ａ）に示すように長翼５と短翼６を交互に配したフランシス型ポンプ水車のランナの外周部にガイドベーン５が奇数枚配置されている。さらにガイドベーン２の外周にガイドベーン７と同数のステーベーン６が、ガイドベーン７の円周方向位置に対応する位置となるように配置されている。
【００３０】
このように構成することにより、前述した第１の実施形態の作用に加えガイドベーン７とステーベーン９の枚数を等しくすることで、水車運転時にステーベーン９の出口流れとガイドベーン７とのつながりを適切にすることでステ一べ一ン９とガイドベーン７間に発生する損失を低減し、性能が向上する。
【００３１】
図５（ｂ）に示すように、長翼５と短翼６を交互に配したフランシス型のポンプ水車のランナ２の外周側にガイドベーン７が奇数枚配置されている。
【００３２】
そして、本図においても、ステーベーン９が設置される円周方向位置はガイドベーン７の円周方向位置に対応するような構成とされているが、図５（ａ）と比較してステーベーン９の枚数がガイドベーン７の枚数に対して略半数となっている。上述のように本実施形態においてガイドベーン７の枚数は奇数であるため、以下の（４）式に示されるように、ガイドベーン７の枚数Ｚｇに１を加減した枚数を２で除し、さらに１を加えた枚数をステーベーン９の枚数Ｚｓとしている。
【００３３】
【数３】
2004232598.tif 000004
【００３４】
即ち、図５（ｂ）においては、ガイドベーン７の外周側にガイドベーン７の枚数の半分に０．５または１．５を加えた枚数のステーベーン９が配設されている。
【００３５】
このようにステーベーン９の枚数を選定することでステーベーン９の流路幅が広がり、製作性、保守性が向上する。また、高落差機では流水の圧力が高くなることから強度上ステーベーンの厚みを厚くする必要がある。この場合、ステーベーンで形成される流路幅は相対的に狭くなることから、摩擦損失の増大による効率低下や、保守性の低下が懸念される。この対策としてステーベーン９の枚数を減少させるが、この減少させる方法を本発明は効果的に決定することができる。図６は本発明に係るポンプ水車の第３の実施形態を説明するための図である。
【００３６】
図６に示すように長翼５と短翼６を交互に配したフランシス型のポンプ水車のランナ２の外周部にガイドベーン７が奇数枚配置されている。さらにガイドベーン７の外周側にガイドベーン７の枚数の半数に０．５を足した枚数のステーベーン９が設置されている。ステーベーン９の外周側に以下に述べるようなケーシング８が設けられている。具体的には、ケーシング８は、ステーベーン９の外周側を取り囲み、巻き始め部から巻き終い部にかけて流路断面積が徐々に減少するように構成されている。
【００３７】
このようにケーシング８の巻き終い以外で、周方向に均等にステーベーン９を配置することで、周方向で等しい整流効果を与えることができ、周方向での不均一流れが原因となり発生する振動及び性能の低下を防ぐことができる。
【００３８】
図８に巻き始めから巻き終いまでのステーベーンに流入する流れ角度の分布を示す。この図からステーベーンに流入する流れの角度は巻き始めから約２７０度の位置まではほとんど一定である。従って、この領域で流れに乱れが少なく整流されていることが分かる。しかし、巻き始めから約２７０度から巻き終いまでの間で流入角度は大きく変化し、この領域での流れが乱れていることが予測できる。この結果、本実施形態のように巻き終い付近にステーベーン９を密に配置することで、整流効果を高め性能の向上を図ることができる。
【００３９】
図７は本発明に係るポンプ水車の第４の実施形態を説明するための図である。
【００４０】
図７に示すように、長翼５と短翼６を交互に配したフランシス型ポンプ水車のランナ２の外周側にガイドベーン７が奇数枚配置されている。さらにガイドベーン７の外周側にガイドベーン７の枚数の半数に１．５を足した枚数のステーベーン９が設置されている。
【００４１】
図８に示す巻き始めから巻き終いまでのステーベーンに流入する流れ角度の分布からもわかるように巻き角が約２７０度から巻き終いまでの間は流入角度の変化は大きく、流れが乱れていることが分かる。従って、巻き終いのステーベーン９から２つ隣と３つ隣のステーベーン９の間にステーベーン９を１枚配置することで、巻き終い付近に生じる流れを整流し乱れを抑制することできる。これにより、損失が減少し性能が向上する。
【００４２】
第３の実施形態および第４の実施形態は、図５（ｂ）に示したようにステーベーン９の枚数をガイドベーン７の枚数の略半数として構成したものであるが、図７および図８に示したように、これらのステーベーン９を円周方向に等配に配置するのではなく、ガイドベーン７の円周方向配置に対応する位置に配置することで、ケーシング８からランナヘと流れる水流について、ステーベーン９の出口流れとガイドベーンヘ７とのつながりを適切にできるため、水流の乱れを少なくすることが可能となっている。
【００４３】
更に、ガイドベーン７の枚数が奇数であるところ、上述の（１）式で表されるようにステーベーン９の枚数をガイドベーン７の枚数の半数に０．５或いは１．５を加えた枚数とし、ケーシング８の巻き始め部側においてはガイドベーン７の円周方向位置に対して１つおきにステーベーン９を配置し、ケーシング８の巻き終い部側においてガイドベーン７の円周方向位置に対応する位置にそれぞれ配置するようにしたことにより、ケーシング８の巻き終い部側に生じる流れを整流し乱れを抑制することができる。
【００４４】
なお、本発明は長翼５の間に短翼を配置したフランシス型のランナのみに限らず、フランシス型のランナで羽根枚数が偶数枚のランナにも適用可能であり、本発明と同様な作用及び効果を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、ガイドベーンとランナで生じる有害な振動モードを回避し、振動の発生を抑制する信頼性の高い水力機械を提供することができ、又、ステーベーンとガイドベーンの相対的な位置関係を良好にすると共に製作性、保守性の優れた水力機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフランシス型のポンプ水車の第１実施形態を説明するため縦断面側面図。
【図２】図１のフランシス型のポンプ水車のランナ部を示す平面図。
【図３】本発明の第１の実施形態の作用効果を説明するめのランナの固有振動−ドを説明するための図。
【図４】本発明の第１の実施形態のランナの直径節モードの代表例を示す説明図。
【図５】本発明の第２の実施形態のランナ部を示す平面図。
【図６】本発明の第３の実施形態のランナ部を示す平面図。
【図７】本発明の第４の実施形態のランナ部を示す平面図。
【図８】本発明の第３及び第４の実施形態おけるケーシングからステーベーンに流入する流れの角度の分布図。
【図９】従来の長翼と短翼を周方向に交互に配置したフランシス型のポンプ水車のランナの平面図。
【符号の説明】
１…主軸、２…ランナ、３…ハブ、４…ランナバンド、５…長翼、６…短翼、７…ガイドベーン、８…ケーシング、９…ステーベーン、１０…羽根リング、１１…上カバー、１２…下カバー。
【図１】
2004232598.tif 000006
【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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