(57)【要約】【課題】空転運転時における冷却性能を損なうことなく、しかも側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を抑制し得るような、側圧シール部の冷却水給水構造を持つ水力機械を提供することを目的とする。【解決手段】ランナ４と、前記ランナの側圧室下端部に複数段の側圧シール部を形成し、かつ前記側圧シール部の段間に拡大室１９を形成するように、前記ランナの外周に設けられたシールライナ１１と、前記側圧シール部の各段毎に設けられた給水管とを有する水力機械において、最上段のものを除く前記給水管５ｂの開口を、前記拡大室の側壁に設けた水力機械。あるいは、最上段を除く前記給水管の端部が、前記ランナの周面に向かって拡開するか、または、ランナバンド２０の下端面の内周縁と前記シールライナの上面の内周縁との隙間Ｈ２を、前記ランナバンドの下端面外周縁と前記シールライナの上面外周縁との隙間Ｈ１より大きくする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナと、前記ランナの側圧室下端部に複数段の側圧シール部を形成し、かつ前記側圧シール部の段間に拡大室を形成するように、前記ランナの外周に設けられたシールライナと、前記側圧シール部の各段毎に設けられた給水管とを有する水力機械において、
最上段のものを除く前記給水管の開口を、前記拡大室の側壁に設けたことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
請求項１記載の水力機械において、
前記ランナは、その外径が前記拡大室から下方に向かって大きくなるように形成された水力機械。
【請求項３】
請求項１記載の水力機械において、
前記シールライナにおける前記拡大室の底面を構成する部分が削ぎ落とされるとともに、この削ぎ落とされた底面に向くように前記給水管が形成された水力機械。
【請求項４】
ランナと、前記ランナの側圧室下端部に複数段の側圧シール部を形成し、かつ前記側圧シール部の段間に拡大室を形成するように、前記ランナの外周に設けられたシールライナと、前記側圧シール部の各段毎に設けられた給水管とを有する水力機械において、
最上段を除く前記給水管の端部が、前記ランナの周面に向かって拡開した水力機械。
【請求項５】
外周にランナバンドを有するランナと、前記ランナの側圧室下端部に複数段の側圧シール部を形成し、かつ前記側圧シール部の段間に拡大室を形成するように、前記ランナの外周に設けられたシールライナと、前記ランナおよび前記シールライナを経た水が流入する吸出し管と、前記側圧シール部の各段毎に設けられた給水管とを有する水力機械において、
前記ランナバンドの下端面の内周縁と前記シールライナの上面の内周縁との隙間を、前記ランナバンドの下端面外周縁と前記シールライナの上面外周縁との隙間と比べて大きくしたことを特徴とする水力機械。
【請求項６】
請求項５記載の水力機械において、
前記ランナバンドの下端面内周縁と前記シールライナの上面内周縁との隙間をＨ２、前記ランナバンドの下端面外周縁と前記シールライナの上面外周縁との隙間をＨ１としたとき、（Ｈ２／Ｈ１）＞１．３としたことを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水車、ポンプ水車などの水力機械に係り、とくに調相運転のような空転運転時にランナ冷却に使用されるランナの側圧室下端部のシール部給水構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の水力機械では、調相運転時などに空転運転が行われる。この場合、図１２に示すような、ランナ４と微小な隙間を介在して設置されている主軸封水部１、背圧シール部２、側圧シール部３では、隙間内のせん断摩擦流れにより大きな熱量が発生する。このため、熱膨張によるランナ４との接触を避けるため、空転運転時には給水管５，１６ａ，１６ｂにより、これらの部位に冷却水が供給される構造となっている。
【０００３】
そして、上記両シール部のうち、側圧シール部３については、近年の水車の高効率化に伴い、図１３に示すように、複数段のシール構造を採用することが一般的となっている。この場合のシール冷却水は、貯水槽６からポンプ７で汲み上げた水を、分岐型の給水管５を介して各段毎にシールライナ１１の側壁面から供給している。また、ポンプ７の下流側にはバルブ８が設けられており、バルブ８の開閉操作により、空転運転時に冷却水が供給されるように制御されている。
【０００４】
【特許文献１】
実開平７−２２０７１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１４８４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造の水力機械では、充水による実運転時に、給水管５ａ，５ｂを通る水の流れが生じ、これによるキャビテーション壊食が生じる。
【０００６】
すなわち、ランナ４を収容するランナ室内に充水した実運転状態では、バルブ８が全閉となって側圧シール部の上段部と下段部とが給水管５により連通するため、図１４（ａ）に示されるように、給水管５を介して上段部から下段部に水が流れ込むことになる。
【０００７】
そして、図１４（ａ），（ｂ）における下段の給水管５の開口部下流域（図１４（ａ）の丸で囲んだＡ部）では、本流れと給水管５ｂからのシール部隙間流れとが合流するため、局所的な流速増加による圧力低下部９ａが発生する。そして、この圧力低下部９ａでは、微細なキャビテーション気泡１０が発生し、この気泡１０がシールライナ１１の下端面１２や出口側面１３、…等の低圧部位９ｂ，９ｃで成長し、著しいキャビテーション壊食が発生するという問題がある。
【０００８】
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、空転運転時における冷却性能を損なうことなく、しかも側圧シール部のキャビテーション壊食発生を抑制し得るような、側圧シール部の冷却水給水構造を持つ水力機械を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、請求項１、４および５記載の発明を提供する。
【００１０】
請求項１記載の発明においては、ランナと、前記ランナの側圧室下端部に複数段の側圧シール部を形成し、かつ前記側圧シール部の段間に拡大室を形成するように、前記ランナの外周に設けられたシールライナと、前記側圧シール部の各段毎に設けられた給水管とを有する水力機械において、最上段のものを除く前記給水管の開口を、前記拡大室の側壁に設けたことを特徴とする水力機械、を提供する。
【００１１】
この請求項１記載の発明は、側圧シール部位のキャビテーション壊食の原因となる微細な気泡が、下段シール隙間部の給水管開口部下流域で発生していることに着目したものである。これより明らかなように、最上段部位を除く給水管開口位置を前段シールの拡大室側壁とすることで、給水管を介した上段からの流れが拡大室に供給されるので、シール隙間部で発生していた局所的流量増加による圧力低下部位が消滅し、同部位における微細気泡の生成を防がれ、側圧シール部位のキャビテーション壊食発生を抑制することができる。
【００１２】
また、請求項４記載の発明においては、ランナと、前記ランナの側圧室下端部に複数段の側圧シール部を形成し、かつ前記側圧シール部の段間に拡大室を形成するように、前記ランナの外周に設けられたシールライナと、前記側圧シール部の各段毎に設けられた給水管とを有する水力機械において、最上段を除く前記給水管の端部が、前記ランナの周面に向かって拡開した水力機械、を提供する。
【００１３】
この請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明と同様の効果を得ようとするもので、給水管開口位置を拡大室とする替わりに、給水管の端部を拡開している。
【００１４】
さらに、請求項５記載の発明においては、外周にランナバンドを有するランナと、前記ランナの側圧室下端部に複数段の側圧シール部を形成し、かつ前記側圧シール部の段間に拡大室を形成するように、前記ランナの外周に設けられたシールライナと、前記側圧シール部の各段毎に設けられた給水管とを有する水力機械において、前記ランナバンドの下端面の内周縁と前記シールライナの上面の内周縁との隙間を、前記ランナバンドの下端面外周縁と前記シールライナの上面外周縁との隙間より大きくしたことを特徴とする水力機械、を提供する。
【００１５】
この請求項５記載の発明は、側圧シール部位のキャビテーション壊食が、シール隙間部で発生した微細な気泡が、シールライナの下端面や出口側面の低圧部位で成長・破裂することで発生していることに着目したものである。これより明らかなように、最下段部拡大室のバンド下端面内周縁とシールライナ上面内周縁との隙間を、最下段部拡大室のバンド下端面外周縁とシールライナ上面外周縁との隙間より大きくすることにより、シールライナの下端面や出口側面における同部位の子午面流速が低下し圧力を回復することができるので、微細気泡の成長が防がれ、側圧シール部位のキャビテーション壊食の発生を抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２により、本発明に係る第１の実施の形態を説明する。まず図１は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、充水による実運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。側圧シール部の構成部位は、従来構造と同じであるが、この実施の形態においては、下段シール２２の給水管５ｂの開口位置を上段部にある拡大室１９の側壁にしている。
【００１７】
これにより、給水管５を介した上段からの流れが拡大室１９に吐出されるので、シール隙間部で発生していた局所的流量増加による圧力低下部位が消滅し、同部位における微細気泡の生成を防ぐことができる。したがって、側圧シール部位のキャビテーション壊食の発生を抑制することができる。
【００１８】
次に、図２は、空転運転時における水の流れを模式的に示したものである。この図２において、下段シール２２の給水管５ｂから出た冷却水は下段バンド２０の側壁に衝突し、その半分が下段シール２２に流れ込み、残りが上段シール２１の下端面２３に当る。上段シール２１の下端面２３に当った冷却水は、上段シール２１の下端面２３の遠心力効果により外周側に流れてシールライナ１１の上段側壁に当り、その半分が上段シール２１に流れ込み、残りが下段シール２２へ流れ込む。
【００１９】
この結果、下段シール２２に流入する冷却水量は、設計値より２５％低下した量となるが、この低下量は給水ポンプ７の吐出量変更でまかなうことが可能なため、シール冷却上は問題ない。
【００２０】
図３は、本発明に係る第２の実施の形態を示す。この図３は、本発明を２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、空転運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。
【００２１】
そして、この第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、最上段部位を除くシール部を、ランナ４の径方向外側に向けて斜めに配置し、次いで吸出し管に向くように配置したものである。これにより、下段シール２２の隙間部分の内径を下側へ向かうにつれて大きくしている。
【００２２】
これにより、ランナ４が回転すると、遠心力が働いて下段シール隙間内の流体を下向きに流すポンプ効果が発生するので、第１の実施の形態と比較して、空転運転時においてはより多くの冷却水が下段シール２２に供給され、側圧シール部の冷却性能を改善することができる。
【００２３】
なお、第１の実施の形態と同様に、実運転時に下段シール２２における微細気泡の生成を防いで側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を抑制することができる。
【００２４】
図４は、本発明に係る第３の実施の形態を示す。この図４は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、空転運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。この第３の実施の形態は、第１の実施の形態における、上段拡大室１９におけるシールライナ１１の底面内周側を斜め下に削ぎ落すとともに、これに合わせて拡大室１９の側壁に設けた下段シール給水管５ｂの接続方向を斜め下側に向けたものである。
【００２５】
これにより、下段シール給水管５ｂから出た冷却水は、下段バンドの側壁に斜め下方向かって衝突するので、第１の実施の形態と比較して、空転運転時においてはより多くの冷却水が下段シール２２に供給され、側圧シール部の冷却性能を改善することができる。
【００２６】
なお、第１の実施の形態と同様に、実運転時に下段シール２２における微細気泡の生成を防いで側圧シール部位のキャビテーション壊食の発生を抑制することができる。
【００２７】
図５は、本発明に係る第４の実施の形態を示す。この図５は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、実運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。側圧シール部の構成部位は、従来構造と同じであるが、この第４の実施の形態においては、下段シールライナの側壁における給水管５ｂの開口部位置に楔型断面を有する溝２７を設けている。
【００２８】
この楔形断面を有する溝２７の断面形状は、図示のように楔を寝かせた形状としてもよいし、もう少し左右対称に近い形にしてもよいが、冷却水の流れを円滑にできるようにすることが必要である。
【００２９】
これにより、給水管５ｂの開口部付近の隙間が広がり、同部の圧力が回復される。このため、シール隙間部で発生していた局所的流量増加による圧力低下部が消滅し、同部における微細気泡の生成が防止でき、側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を抑制することができる。
【００３０】
なお、上段シール給水管５ａ、下段シール給水管５ｂの開口位置は従来と同様で、溝形状もランナ４の回転方向に沿って隙間が狭くなる楔型断面形状をしているので、冷却水は下段シール部２２において円滑に供給される。このため、空転運転時におけるシール冷却性能は従来と異なることはない。
【００３１】
図６は、本発明に係る第５の実施の形態を示す。この図６は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、発電運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。
【００３２】
側圧シール部の構成部位は、従来構造と同じであるが、この第５の実施の形態においては、下段シール２２における拡大室２５の、ランナバンド２０の下端面内周縁とシールライナ１１の上面内周縁との隙間Ｈ２を、下段シール２２における拡大室２５のランナバンド２０の下端面外周縁とシールライナ１１の上面外周縁との隙間Ｈ１に対して大きくし、上段シール２１における拡大室１９の内周側の隙間を拡開している。ここで、内周縁、外周縁とは、水車の径方向内周側縁部あるいは外周側縁部をいう。
【００３３】
この隙間を拡開することで、シールライナ下端面１２や出口側面１３における子午面流速が低下し、従来、キャビテーション壊食が発生していた部位の圧力を増加することができる。
【００３４】
したがって、下段シール２２の給水管５ｂの開口部付近で微細気泡が発生しても、微細気泡を成長させる低圧部位の圧力が回復される。このため、側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を抑制することができる。
【００３５】
また、本発明に係る第５の実施の形態は、下段部拡大室２５のバンド下端面内周縁とシールライナ１１の上面内周縁との隙間Ｈ２と、下段部拡大室２５のバンド下端面外周縁とシールライナ１１の上面外周縁との隙間Ｈ１との比率（Ｈ２／Ｈ１）を限定したものである。
【００３６】
図７は、第５の実施の形態における、側圧シール部位の流れ解析により算定した（Ｈ２／Ｈ１）と、飽和蒸気圧Ｐ０で無次元化した下段部拡大室部位２５の絶対静圧最小値Ｐ１との関係を示す。キャビテーション気泡は、飽和蒸気圧以上では成長しないので、図７より、（Ｐ０／Ｐ１）＞１．０の領域、即ち、（Ｈ２／Ｈ１）＞１．３の領域では、下段シール給水管５ｂ開口部付近で発生した微細気泡の成長を完全に防止できることが分かる。
【００３７】
したがって、（Ｈ２／Ｈ１）＞１．３の範囲では、微細気泡を成長させる低圧部位の圧力が飽和蒸気圧以上に回復される。そして、側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を完全に防止することができる。
【００３８】
図８は、本発明に係る第６の実施の形態を示す。この図８は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、発電運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。側圧シール部の構成部位は、従来構造と同じであるが、この実施の形態においては、下段シール拡大室２５のシールライナ下端面１２の内周側を斜め下に向かって削ぎ落とし、ランナバンド下端面２６との隙間を広げている。
【００３９】
また、第６の実施の形態に関して説明したように、下段シール給水管５ｂの開口部付近で発生した微細気泡の成長を完全に防ぐため、下段部拡大室１９のバンド下端面内周縁とシールライナ１１の上面内周縁との隙間Ｈ２と、下段部拡大室１９のバンド下端面外周縁とシールライナ１１の上面外周縁との隙間Ｈ１との比率（Ｈ２／Ｈ１）は、１．３以上にしてある。
【００４０】
これにより、下段シール２２における給水管５ｂの開口部付近で微細気泡が発生しても、微細気泡を成長させる低圧部位の圧力が飽和蒸気圧以上に回復される。そして、側圧シール部位のキャビテーション壊食の発生を完全に防止することができる。
【００４１】
図９は、本発明に係る第７の実施の形態を示す。この図９は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、実運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。側圧シール部の構成部位は、従来構造と同じであるが、この第７の実施の形態においては、下段シール拡大室２５のシールライナ下端面１２の内周側縁を丸め、ランナバンド下端面２６との隙間を広げている。
【００４２】
また、第７の実施の形態に関して説明したように、下段シール給水管５ｂの開口部付近で発生した微細気泡の成長を完全に防ぐため、下段部拡大室１９のバンド下端面内周縁とシールライナ１１の上面内周縁との隙間Ｈ２と、下段部拡大室１９のバンド下端面外周縁とシールライナ１１の上面外周縁との隙間Ｈ１との比率（Ｈ２／Ｈ１）は、１．３以上にしてある。
【００４３】
これにより、下段シール２２の給水管５ｂの開口部付近で微細気泡が発生しても、微細気泡を成長させる低圧部位の圧力が飽和蒸気圧以上に回復されると共に、シールライナ下端面１２の内周側縁を丸めた効果により、出口側面１３の剥離領域の大きさも低減される。この結果、側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を完全に防止することができる。
【００４４】
図１０は、本発明に係る第８の実施の形態を示す。この図１０は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、実運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。側圧シール部の構成部位は、従来構造と同じであるが、この第９の実施の形態においては、ランナバンド下端面２６の内周側を斜め上に向かって削ぎ落とし、シールライナ下端面１２との隙間を広げている。
【００４５】
これにより、下段シール２２の給水管５ｂの開口部付近で微細気泡が発生しても、微細気泡を成長させる低圧部位の圧力が飽和蒸気圧以上に回復されるので、側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を完全に防止することができる。
【００４６】
図１１は、本発明に係る第９の実施の形態を示す。この図１１は、２段側圧シールを具備するフランシス水車に適用した場合の、発電運転時における側圧シール部廻りの流れを模式的に示したものである。側圧シール部の構成部位は、従来構造と同じであるが、この第９の実施の形態においては、ランナバンド下端面２６の内周側を丸め、シールライナ下端面１２との隙間を広げている。
【００４７】
これにより、下段シール２２の給水管５ｂの開口部付近で微細気泡が発生しても、微細気泡を成長させる低圧部位の圧力が飽和蒸気圧以上に回復される。このため、側圧シール部位のキャビテーション壊食の発生を完全に防止することができる。
【００４８】
上述した各実施の形態では、キャビテーション壊食を防止するために、圧力低下部が発生しないように、給水管を拡大室に接続するか、給水管端部を拡開するか、冷却水流路の端部を拡開するようにしている。これらは、それぞれ圧力低下部の発生防止に効果のあるものであるが、これらを組み合わせることもでき、例えば図１に示したように給水管を拡大室に接続するとともに、図５に示すように給水管の端部を拡開する構造を併せ持つことができる。
【００４９】
なお、上述した各実施の形態における上段シール給水管５ａ、下段シール給水管５ｂの開口位置は従来と同様なので、空転運転時におけるシール冷却性能は従来と異なることはない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は上述のように、側圧シール部における冷却水給水管の構造を圧力低下部が生じないようにしたため、空転運転時における冷却性能を損なうことなく、側圧シール部のキャビテーション壊食の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の実運転状態を示す子午断面図。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態の空転運転状態を示す子午断面図。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態を示す子午断面図。
【図４】本発明に係る第３の実施の形態を示す子午断面図。
【図５】図５（ａ）は本発明に係る第４の実施の形態を示す子午断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図６】本発明に係る第５の実施の形態の実運転状態を示す子午断面図。
【図７】図７（ａ）は、図６に示した子午断面図に相当する説明図、図７（ｂ）は図６に示した第５の実施の形態の流れ解析結果図。
【図８】本発明に係る第７の実施の形態の実運転状態を示す子午断面図。
【図９】本発明に係る第８の実施の形態の実運転状態を示す子午断面図。
【図１０】本発明に係る第９の実施の形態の空転運転状態を示す子午断面図。
【図１１】本発明に係る第１０の実施の形態の空転運転状態を示す子午断面図。
【図１２】従来のフランシス水車の空転運転状態を示す縦断面図。
【図１３】従来の水車の空転運転時における側圧シール廻りの流れを示す模式図。
【図１４】図１４（ａ）は従来の水車における実運転時の側圧シール廻りの流れを示す模式図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ部拡大説明図。
【符号の説明】
１  主軸封水部、２  背圧シール部、３  側圧シール部、４  ランナ、５  給水管、６  貯水槽、７  ポンプ、８  バルブ、９  局所的圧力低下部位、１０  微細なキャビテーション気泡、１１  シールライナ、１２  シールライナ下端面、１３  シールライナ出口側面、１４  主軸、１５  ガイドベーン、１６  給水管、１７  ケーシング、１８  吸出し管、１９  拡大室、２０  ランナバンド、２１  上段シール、２２  下段シール、２３  上段シール下端面、２４  下カバー、２５  下段シール拡大室、２６  ランナバンド下端面
【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】
2004293518.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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