(57)【要約】      （修正有）【課題】ベルマウスタイプのスピードリングで運転を行う場合、ステーベーン内の動力水の剥離を抑制し、高効率にして安定運転が可能なスピードリング、このスピードリングを用いた遠心型ポンプおよびこのスピードリングを用いた水車またはポンプ水車を提供する。【解決手段】主板１３ａ，１３ｂで支持されるとともに、翼高さが内径側から外径側に向って漸次増加するステーベーンを備えた水力機械のスピードリングにおいて、ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、前記ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、ステーベーンの枚数をＺｓとし、ステーベーンのキャンバーラインＣＬ長さをＬとするとき、ステーベーンは、内径側の直径Ｄ１、翼高さＢ１、外径側の直径Ｄ２、翼高さＢ２、キャンバーラインＣＬ長さＬのそれぞれを、ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θの、2007107427.tif 000027の範囲内で設定した。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
主板で支持されるとともに、翼高さが内径側から外径側に向って漸次増加するステーベーンを備えたスピードリングにおいて、前記ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、前記ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、前記ステーベーンの枚数をＺｓとし、前記ステーベーンのキャンバーライン長さをＬとするとき、前記ステーベーンは、内径側の直径Ｄ１、翼高さＢ１、外径側の直径Ｄ２、翼高さＢ２、キャンバーライン長さＬのそれぞれを、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θの、
【数１】
2007107427.tif 000020
の範囲内で設定したことを特徴とするスピードリング。
【請求項２】
主板で支持されるとともに、翼高さが内径側から外径側に向って漸次増加するステーベーンを備えたスピードリングにおいて、前記ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、前記ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、前記ステーベーンの枚数をＺｓとし、前記ステーベーンのキャンバーライン長さをＬとするとき、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θが、
【数２】
2007107427.tif 000021
前記ステーベーンは、外径側の翼高さＢＮ２を、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θの、
【数３】
2007107427.tif 000022
の範囲内で設定したことを特徴とするスピードリング。
【請求項３】
主板で支持されるとともに、翼高さが内径側から外径側に向って漸次増加するステーベーンを備えたスピードリングにおいて、前記ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、前記ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、前記ステーベーンの枚数をＺｓとし、前記ステーベーンのキャンバーライン長さをＬとするとき、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θが、
【数４】
2007107427.tif 000023
前記ステーベーンは、キャンバーライン長さをＬＮとするとき、このキャンバーライン長さＬＮを、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θが、
【数５】
2007107427.tif 000024
の範囲内で設定したことを特徴とするスピードリング。
【請求項４】
前記ステーベーンは、翼上下端のキャンバーライン長さを長くし、翼高さ中央部分で前記翼端のキャンバーライン長さに較べて短く構成したことを特徴とする請求項３記載のスピードリング。
【請求項５】
主板で支持されるとともに、翼高さが内径側から外径側に向って漸次増加するステーベーンを備えたスピードリングにおいて、前記ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、前記ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、前記ステーベーンの枚数をＺｓとし、前記ステーベーンのキャンバーライン長さをＬとするとき、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θが、
【数６】
2007107427.tif 000025
前記ステーベーンで形成する翼間流路に流路面積調整体を設けたことを特徴とするスピードリング。
【請求項６】
前記流路面積調整体は、ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、前記ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、前記ステーベーンの枚数をＺｓとし、前記ステーベーンのキャンバーライン長さをＬとし、前記流路面積調整体の幅をｔとするとき、この幅ｔを、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θが、
【数７】
2007107427.tif 000026
の範囲内で設定したことを特徴とするスピードリング。
【請求項７】
前記流路面積調整体は、流路の外径側に設置する短翼であることを特徴とする請求項５記載のスピードリング。
【請求項８】
前記流路面積調整体は、一方のステーベーンと隣のステーベーンとの中央位置に配置することを特徴とする請求項５記載のスピードリング。
【請求項９】
請求項１〜請求項８記載のスピードリングを備えた遠心型ポンプ。
【請求項１０】
請求項１〜請求項８記載のスピードリングを備えた水車またはポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピードリングに係り、特にスピードリングの構成要素の一つであるステーベーンの翼形状に改良を加えたスピードリング、このスピードリングを用いた遠心型ポンプおよびこのスピードリングを用いた水車またはポンプ水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、遠心型ポンプ、フランシス型の水車またはポンプ水車等の水力機械は、図１１に示すように、渦巻状のケーシング１の内径側（渦巻状の巻き終り側）とガイドベーン２との間に介装されたスピードリング（ステーリング）３を備えている。
【０００３】
このスピードリング３は、ケーシング１の出口側に接続され、曲線状に成形加工された環状の主板（胴板）４ａ，４ｂと、これら主板４ａ，４ｂで支持されたステーベーン５とを組み合せた構成になっている。
【０００４】
また、ステーベーン５は、ケーシング１からガイドベーン２に動力水を供給する水車運転時、あるいはガイドベーン２からケーシング１に動力水を供給するポンプ運転時、動力水を整流させるとともに、ケーシング１や上カバー６等に加わる水圧荷重を分担して受け持つ役目を持っている。
【０００５】
このような機能を備えるステーベーン５は、ある程度以上の翼断面の厚み、大きさの確保が必要とされているが、その際、翼設計にあたり、翼効率の向上が重要な課題になっている。
【０００６】
従来、ステーベーン５は、水車運転時、ケーシング１から供給される動力水が一様流に流れるように、外径側から内径側に向って漸次絞り加工を加えた主板４ａ，４ｂに沿って設置された、いわゆるベルマウスタイプのものが多く適用されている。
【０００７】
しかし、このベルマウスタイプのステーベーン５は、ポンプ運転時、ガイドベーン２（内径側）からケーシング１（外径側）に動力水を供給する際、流路の拡開角を考慮して設計していないと、渦を伴った逆流が発生する等、不安定な流れが発生することがあった。
【０００８】
ポンプ運転時、ステーベーン５のように、減速を伴う拡開流れを実現する流路は、ディフューザと称し、ターボ機械における重要な構成要素の一つになっている。このディフューザ効率は、入口と出口間の減速比、つまり流路面積の拡大率に依存し、損失が少なく有効に圧力回復を実現できる流路面積拡大率を求めておく必要がある。
【０００９】
図１３は、非特許文献１から引用したもので、円錐ディフューザにおける拡開角（拡大角）２θと損失係数ξとの関係を示す実験結果である。
【００１０】
損失係数ξは、ディフューザ入口での流速をＶ１、出口での流速をＶ２とすると、損失ヘッドｈ＝ξ×［（Ｖ１−Ｖ２）２／２ｇ］の式に用いられる。
【００１１】
図１３から、拡開角が約１０°のとき、損失係数ξは最小になり、ここから角度の増加に伴って増加し、壁面の動力水の剥離が誘起する。
【００１２】
拡開角が２０°以上になると、動力水の大きな剥離になり、損失係数ξも０．４以上になると同時に、入口、出口間の流路面積拡大率など流路形状の違いによる差が生じ、拡開角のみに着目した取扱いができなくなる。逆に言えば、拡開角２０°以下に抑えておくと、流路形状の違いに依存せず、動力水の剥離の少ない低損失のベルマウスタイプの拡開の流路が実現できる。
【００１３】
上述のように、翼高さが内径側から外径側に向って漸次増加するベルマウスタイプの流路に設置したステーベーン５では、ポンプ運転時、動力水の過度な不安定流になり易く、動力水の流れに乱れが発生することがあった。このため、例えば、最近のポンプ水車等では、図１２に示すように、ガイドベーン２とケーシング１との間に介装されたスピードリング３は、環状の２枚の主板４ａ，４ｂを平行に配置し、平行に配置する主板４ａ，４ｂにケーシング１を接続する、いわゆる平行型のものが多く採用されている。
【００１４】
なお、動力水がステーベーンを流れる際、境界層剥離を抑制する技術として、特許文献１および特許文献２等が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２１９０００号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７７３５号公報
【非特許文献１】「ハイドロターボ」（ターボ機械協会編：日本工業出版）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
いわゆる平行型のスピードリングは、ステーベーンに発生する曲げモーメントを小さくでき、ステーベーンと主板との接続作業が比較的簡易である等、いわゆるベルマウス型のスピードリングに較べて優れた利点を持っている。
【００１６】
しかし、フランシス型のものにおいては、平行型スピードリングを全て採用している訳でもなく、また発電所建設当初から長年に亘って運転してきた古いフランシス型の水力機械では、ベルマウス型スピードリングが多い。
【００１７】
ベルマウス型スピードリングを備えたものにポンプ運転を求める場合、動力水の流れに対し、ステーベーン５の翼形状を適切に設計していないと、ポンプ運転（揚水運転）時、ステーベーン５内で動力水の剥離や逆流渦等が発生し、エネルギを無駄に消費する運転が行われる。
【００１８】
本発明は、このような問題点に対処してなされたもので、ベルマウスタイプのスピードリングでポンプ運転を行う場合、ステーベーン内の動力水の剥離を抑制し、高効率にして安定運転が可能なスピードリング、このスピードリングを用いた遠心型ポンプおよびこのスピードリングを用いた水車またはポンプ水車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係るスピードリングは、上述の目的を達成するために、主板で支持されるとともに、翼高さが内径側から外径側に向って漸次増加するステーベーンを備えたスピードリングにおいて、前記ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、前記ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、前記ステーベーンの枚数をＺｓとし、前記ステーベーンのキャンバーライン長さをＬとするとき、前記ステーベーンは、内径側の直径Ｄ１、翼高さＢ１、外径側の直径Ｄ２、翼高さＢ２、キャンバーライン長さＬのそれぞれを、前記ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θの、
【数１】
2007107427.tif 000002
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るスピードリングは、ステーベーンの内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、ステーベーンの外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２とし、ステーベーンの枚数をＺｓとし、ステーベーンのキャンバーライン長さをＬとするとき、ステーベーンは、内径側の直径Ｄ１、翼高さＢ１、外径側の直径Ｄ２、翼高さＢ２、キャンバーラインＣＬ長さＬのそれぞれを、ステーベーンで形成する翼間流路の等価拡開角２θの、
【数２】
2007107427.tif 000003
【００２１】
また、本発明に係るスピードリングによれば、ランナから流入する際に流体が乱れることなくケーシングに流れるため、ポンプ運転時の損失や振動を低減することが可能となり、ひいては発電時およびポンプ運転時を含めた総合的な発電効率の向上を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係るスピードリング、このスピードリングを用いた遠心型ポンプおよびこのスピードリングを用いた水車またはポンプ水車の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係るスピードリングの第１実施形態を示す概念図である。
【００２４】
本実施形態に係るスピードリングを用いた、例示としての水車またはポンプ水車等は、渦巻状のケーシング１０とガイドベーン１１との間に介装されたスピードリング１２を備えている。
【００２５】
このスピードリング１２は、曲線状に成形加工された環状の主板（胴板）１３ａ，１３ｂと、これら主板１３ａ，１３ｂで上下から支持されたステーベーン１４とを組み合せて構成されている。
【００２６】
また、ステーベーン１４は、ポンプ運転時、内径側のガイドベーン１１から外径側のケーシング１０に向って動力水が流れるとき、拡開角にして成形加工した、いわゆるベルマウスタイプになっている。
【００２７】
このように、ベルマウス形状に成形加工されたステーベーン１４について、ステーベーン１４の内径側の直径をＤ１、翼高さをＢ１とし、ステーベーン１４の外径側の直径をＤ２、翼高さをＢ２にするとともに、図２に示すように、キャンバーラインＣＬの長さをＬとする。
【００２８】
このときの一つのステーベーン１４と隣接するステーベーン１４との間に形成される流路１５のうち、入口側流路面積ＡＩＮは、ステーベーンの枚数をＺｓとするとき、ＡＩＮ＝πＤ１Ｂ１／Ｚｓと表わすことができる。また、出口側流路面ＡＥＸＩＴは、ＡＥＸＩＴ＝πＤ２Ｂ２／Ｚｓと表わすことができる。
【００２９】
また、入口側流路、出口側流路を、ともに円形断面積と考えたときの入口側等価直径Ｄ１および出口側等価直径Ｄ２は、それぞれ
【数３】
2007107427.tif 000004
【００３０】
そして、ポンプ運転時、動力水の流れに対するステーベーン１４，１４間で形成する流路１５を円錐ディフューザと考えたときの等価拡開角２θは、
【数４】
2007107427.tif 000005
【００３１】
ところで、図１３で示したように、円錐ディフューザは、拡開角２θが約１０°のとき、損失係数ξが最も小さく、ここから拡開角２θが増加するに連れ動力水の壁面からの剥離が誘起し、拡開角２θが２０°以上になると剥離はますます多くなる。
【００３２】
この事象は、隣り合うステーベーン１４間に形成される流路１５においても同様と考えることができる。
【００３３】
したがって、ステーベーン１４，１４の等価拡開角２θが２θ≦２０°になるように、内外径側の直径Ｄ１，Ｄ２、その翼高さＢ１，Ｂ２およびキャンバーラインＣＬの長さＬを設定すればよい。
【００３４】
すなわち、ステーベーン１４の内外径側の直径Ｄ１，Ｄ２、各径の位置における翼高さＢ１，Ｂ２およびキャンバーラインＣＬの長さＬは、ステーベーン１４の枚数をＺｓとするとき、
【数５】
2007107427.tif 000006
【００３５】
このように、本実施形態は、ステーベーン１４の内外径側の直径Ｄ１，Ｄ２、各径の位置における翼高さＢ１，Ｂ２のキャンバーラインＣＬの長さＬを設定するに当り、ステーベーン１４の流路１５における等価拡開角２θの
【数６】
2007107427.tif 000007
【００３６】
［第２実施形態］
図３は、本発明に係るスピードリングの第２実施形態を示す概念図である。
【００３７】
本実施形態に係るスピードリングは、ベルマウスタイプのステーベーン１４の外径側の翼高さに変更を加えたものである。
【００３８】
すなわち、ベルマウスタイプのステーベーン１４は、その内外径側の直径をＤ１，Ｄ２とし、その翼高さをＢ１，Ｂ２とし、ステーベーン１４の枚数をＺｓとするとともに、図４に示すように、キャンバーラインＣＬの長さＬとするとき、等価拡開角２θを、第１実施形態と同様に、
【数７】
2007107427.tif 000008
【００３９】
このように、既設の装置において、等価拡開角２θが２θ＞２０°になっているとき、ステーベーン１４を支持する主板１３ａ，１３ｂの形状に改良を加えるとともに、改良を加えた主板１３ａ，１３ｂの形状にステーベーン１４の形状を合わせる必要がある。
【００４０】
本実施形態に係るステーベーン１４は、図３に示すように、外径側の翼高さを原形状寸法Ｂ２から新形状寸法ＢＮ２にし、この新形状寸法ＢＮ２を、等価拡開角２θの、
【数８】
2007107427.tif 000009
【００４１】
このように、本実施形態は、ステーベーン１４の外径側の翼高さＢＮ２を設定するに当り、ステーベーン１４，１４の流路１５の等価拡開角２θの、
【数９】
2007107427.tif 000010
【００４２】
［第３実施形態］
図５は、本発明に係るスピードリングの第３実施形態を示す概念図である。
【００４３】
本実施形態に係るスピードリングは、ベルマウスタイプのステーベーン１４のキャンバーラインＣＬの長さＬに変更を加えたものである。
【００４４】
すなわち、ベルマウスタイプのステーベーン１４は、その内外径側の直径をＤ１，Ｄ２とし、その翼高さをＢ１，Ｂ２とし、ステーベーン１４の枚数をＺｓとするとともに、図６に示すように、キャンバーラインＣＬの長さＬとするとき、等価拡開角２θを、第１実施形態と同様に、
【数１０】
2007107427.tif 000011
【００４５】
このように、既設の装置において、等価拡開角２θが２θ＞２０°になっているとき、ステーベーン１４の翼型形状を変更する必要がある。
【００４６】
本実施形態に係るステーベーン１４は、図６に示すように、破線で表わしたステーベーン１４におけるキャンバーラインＣＬの原形状寸法長さＬから実線で表わした新形状寸法長さＬＮにし、このキャンバーラインＣＬＮの新形状寸法ＬＮを、等価拡開角２θの、
【数１１】
2007107427.tif 000012
【００４７】
このように、本実施形態は、ステーベーン１４のキャンバーラインＣＬＮの新形状寸法ＬＮを設定するに当り、ステーベーン１４，１４の流路１５の等価拡開角２θの、
【数１２】
2007107427.tif 000013
【００４８】
［第４実施形態］
図７は、本発明に係るスピードリングの第４実施形態を示す概念図である。
【００４９】
本実施形態に係るスピードリングは、ステーベーン１４のキャンバーラインＣＬの長さＬのうち、翼高さ中央部分のキャンバーラインＣＬの長さＬに較べて主板１３ａ，１３ｂで構成する流路両端側のキャンバーラインの長さを長く設定したものである。
【００５０】
一般に、ディフューザを流れる動力水において、流路壁面に沿う流れと、翼高さ中央部を通る流れとは、三次元的な捩れ境界層のために同一ではなく、流路壁面に沿う流れが周方向に対し、小さな流れ角度で流れていることが知見されている。
【００５１】
本実施形態は、このような事象に着目してなされたものである。
【００５２】
すなわち、ベルマウスタイプのステーベーン１４は、図７に示すように、その内外径側の直径をＤ１，Ｄ２とし、その翼高さをＢ１，Ｂ２とし、ステーベーン１４の枚数をＺｓとするとともに、図８に示すように、破線で示す原形状のキャンバーラインＣＬの長さをＬとするとき、流路１５の等価拡開角２θを、第１実施形態と同様に、
【数１３】
2007107427.tif 000014
【００５３】
このように、既設の装置において、等価拡開角２θが、２θ＞２０°になっているとき、ステーベーン１４の翼形形状を変更する必要がある。
【００５４】
本実施形態に係るステーベーン１４は、図８に示すように、破線（原形状）で表わしたステーベーン１４におけるキャンバーラインＣＬの原形状寸法長さＬから一点鎖線（翼高さ中央部新形状）で表わしたステーベーン１４の翼高さ中央部分におけるキャンバーラインＣＬ１の新原形状寸法長さＬＮ１および実線（両翼端壁面新形状）で表わしたステーベーン１４の翼両端部におけるキャンバーラインＣＬ２の新原形状寸法長さＬＮ２にし、この翼両端部におけるキャンバーラインＣＬ２の新原形状寸法長さＬＮ２を、等価拡開角２θの、
【数１４】
2007107427.tif 000015
【００５５】
このように、本実施形態は、ステーベーン１４の翼両端におけるキャンバーラインＣＬ２のＬＮ２を設定するにあたり、ステーベーン１４間で形成する流路１５の等価拡開角２θの、
【数１５】
2007107427.tif 000016
【００５６】
［第５実施形態］
図９は、本発明に係るスピードリングの第５実施形態を示す概念図である。
【００５７】
ベルマウスタイプのステーベーン１４において、その内径側の直径をＤ１、その翼高さをＢ１とし、その外径側の直径をＤ２、その翼高さをＢ２とし、ステーベーン１４の枚数をＺｓとするとともに、図１０に示すように、キャンバーラインＣＬの長さをＬとするとき、流路１５の等価拡開角２θは、第１実施形態と同様に、
【数１６】
2007107427.tif 000017
【００５８】
このように、既設の装置において、等価拡開角２θが、２θ＞２０°になっているとき、本実施形態では、流路１５の出口側に、幅ｔで、例えば、出口側から入口側に向って先細の三角形状、あるいは短翼型形状の流路面積調整体１６を設けたものである。
【００５９】
また、流路１５の出口側に流路面積調整体１６を設けたとき、流路１５の出口側の周方向面積は、流路面積調整体１６の出口側の幅ｔだけ減少する。このとき、等価拡開角２θは、
【数１７】
2007107427.tif 000018
【００６０】
このように、本実施形態は、ステーベーン１４，１４間に形成する流路１５の中央位置に流路面積調整体１６を設けるとともに、この流路面積調整体１６の幅ｔを等価拡開角２θの、
【数１８】
2007107427.tif 000019
【００６１】
以上説明した第１ないし第５実施形態を採用したスピードリングによれば、ランナから流入する流体が乱れることなくケーシングに流れるため、動力水の流れの損失や振動を低減させることが可能となり、ひいてはこれを採用した発電設備の発電時およびポンプ運転時等を含めた総合的な効率の向上を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係るスピードリングの第１実施形態を示す概念図。
【図２】図１で示したステーベーンの翼間流路を示す図。
【図３】本発明に係るスピードリングの第２実施形態を示す概念図。
【図４】図３で示したステーベーンの翼間流路を示す図。
【図５】本発明に係るスピードリングの第３実施形態を示す概念図。
【図６】図５で示したステーベーンの翼間流路を示すもので、原形状のステーベーンと新形状のステーベーンとを比較する図。
【図７】本発明に係るスピードリングの第４実施形態を示す概念図。
【図８】図７で示したステーベーンの翼間流路を示すもので、原形状のステーベーンと新形状のステーベーンとを比較する図。
【図９】本発明に係るスピードリングの第５実施形態を示す概念図。
【図１０】図９で示したステーベーンの翼間流路を示す図。
【図１１】従来のスピードリングを示す概念図。
【図１２】従来の他のスピードリングを示す概念図。
【図１３】入口から出口に向って拡開するディフューザの損失係数を示す線図。
【符号の説明】
【００６３】
１  ケーシング
２  ガイドベーン
３  スピードリング（ステーリング）
４ａ，４ｂ  主板
５  ステーベーン
６  上カバー
１０  ケーシング
１１  ガイドベーン
１２  スピードリング（ステーリング）
１３ａ，１３ｂ  主板
１４  ステーベーン
１５  流路
１６  流路面積調整体
【図１】
2007107427.tif 000028
【図２】
2007107427.tif 000029
【図３】
2007107427.tif 000030
【図４】
2007107427.tif 000031
【図５】
2007107427.tif 000032
【図６】
2007107427.tif 000033
【図７】
2007107427.tif 000034
【図８】
2007107427.tif 000035
【図９】
2007107427.tif 000036
【図１０】
2007107427.tif 000037
【図１１】
2007107427.tif 000038
【図１２】
2007107427.tif 000039
【図１３】
2007107427.tif 000040