水車ステーベーン及び水車
【課題】ステーベーン出口で周方向に均一な流速分布をもつ流れを実現すること。
【解決手段】ランナ翼９，ガイドベーン４，ステーベーン３，渦巻きケーシング２を有する水車において、渦巻きケーシング２の上流部でのステーベーン設置間隔１９を、渦巻きケーシング２の下流部でのステーベーン設置間隔２０よりも狭くし、および／または、渦巻きケーシング２の上流部でのステーベーンの入口角度２３を、渦巻きケーシング２の下流部でのステーベーンの入口角度２４よりも小さくし、ステーベーン間流路幅を渦巻きケーシング２の下流側で広くする。
【解決手段】ランナ翼９，ガイドベーン４，ステーベーン３，渦巻きケーシング２を有する水車において、渦巻きケーシング２の上流部でのステーベーン設置間隔１９を、渦巻きケーシング２の下流部でのステーベーン設置間隔２０よりも狭くし、および／または、渦巻きケーシング２の上流部でのステーベーンの入口角度２３を、渦巻きケーシング２の下流部でのステーベーンの入口角度２４よりも小さくし、ステーベーン間流路幅を渦巻きケーシング２の下流側で広くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車ステーベーン及び水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水車翼全体図を図４に示す。上流から流入する流れ１は、渦巻きケーシング２の内部に沿って流れながら、ステーベーン３，ガイドベーン４の間を通過し（図４中の矢印５および６の方向）、ランナ回転方向７の旋回を与えられる。流れ８は、回転するランナ翼９の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収される。
【０００３】
このような水車を示すものとしては、例えば、特許文献１〜３に記載のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４７０１８号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２５９８号公報
【特許文献３】特開平１１−１１７８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水車に要求される重要な性能指標の一つに効率がある。高い効率を実現するためには、エネルギー散逸の原因となる水車内の流れの剥離や流路閉塞が生じないよう、運転仕様に合わせた適切な翼・流路形状を構成する必要がある。効率低下の主たる原因である流れの剥離は、流れの方向と、水車を構成する翼，ステーベーン，ガイドベーン，ランナの翼方向がずれることによって生じる。したがって、効率の高い水車を実現するためには、翼の方向と流れの方向が一致するように形状を設計する必要がある。
【０００６】
一方、ランナは上流から流入する流れのエネルギーを動力に変換するため、効率に最も大きな影響を与える。効率の高いランナを実現するためにはランナの翼の方向と流れの方向を常に一致させる必要があるが、そのためには、ランナが常に回転していることを考慮すると、ガイドベーンから出た流れの分布が回転周方向に均一になっている必要がある。通常、流量を調整する機能をもつガイドベーンは周方向に均一な翼が使用されるので、ガイドベーンの上流に位置するステーベーン出口において、流速分布が周方向に均一である必要がある。
【０００７】
ステーベーンへの流れは渦巻きケーシング内の流れが強く影響する。渦巻きケーシング内では、上流から流入する流れ１が下流の渦巻きケーシング巻き終い点１２にいたるまで、流量を減少させながら流れていく（図４中の矢印１３および１４の方向）。ここで、上流から下流までの各位置においてステーベーンへ流入する流れの量は、ステーベーンより下流の流路抵抗と渦巻きケーシング流路内の圧力によって決まる。まず、ステーベーンの流路抵抗は、ステーベーン間の流路幅によって決まる。図４のようにステーベーンを周方向に均一に配置している場合、上流部でのステーベーン設置間隔１５と下流部でのステーベーン設置間隔１６が同じになるため、上流部でのステーベーン間流路幅１７と下流部でのステーベーン間流路幅１８も同じになり、ステーベーンの流路抵抗は周方向均一になる。一方、渦巻きケーシング側の圧力に関しては、上流側から下流側への流れを維持するために、上流側での圧力を高くする必要があり、本質的に周方向均一な圧力分布にならない。このため、下流側よりも上流側でより多くの流量がステーベーンへ流れ込むことによりステーベーン出口での流速不均一が発生し、水車効率の低下が引き起こされる。
【０００８】
本発明の目的は、これらの点を考慮し、ステーベーン出口で、より均一な流れを実現することが可能な水車ステーベーン及び水車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ステーベーンの設置する間隔を、渦巻きケーシング内の上流側から下流側へ向かうにつれて大きくすることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、ステーベーンの入口角度を上流側から下流側へ向かうにつれて大きくすることを特徴とする。ここで、ステーベーンの入口角度とは、ステーベーン前縁におけるステーベーン中心曲線キャンバの接線と、ステーベーン前縁における円周の接線とのなす角度である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ステーベーン出口で均一な流れの分布を得ることができ、効率の高い水車を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例における同一ステーベーン形状を用いた水車翼全体を示す図。
【図２】本発明が適用される水車の子午面を示す図。
【図３】本発明の他の実施例における異なるステーベーン形状を用いた水車翼全体を示す図。
【図４】従来技術における水車翼全体を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を用いて本発明の一実施例を用いて説明する。
【００１４】
図１に本発明を適用したステーベーンを有する水車翼全体を示す。また、図２に本発明が適用される水車翼全体図の子午断面形状を示す。
【００１５】
図１及び図２に示すように、上流より流入する流れは、渦巻きケーシング２の内部に沿って流れながら、ステーベーン３，ガイドベーン４の間を通過し、ランナ回転方向の旋回を与えられ、また、回転するランナ翼９の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収され、そして、ランナ下流へドラフトチューブ１０を経由して、旋回の無い流れ１１として放出される。
【００１６】
図１に示す実施例は、同一形状のステーベーン（ステーベーン入口角度が渦巻きケーシング上流部でも下流部でも同一であるステーベーン）を用い、渦巻きケーシング上流部に位置する上流部でのステーベーンの設置間隔１９を、下流部に位置する下流部でのステーベーンの設置間隔２０よりも狭くなるようにステーベーンを設置したものである。
【００１７】
このような形態でステーベーンを設置することによる効果は以下のようになる。まず、ステーベーンの流路抵抗は、ステーベーン間流路幅によって決まる。流路幅が狭くなると同一流量を流すためには大きな圧力が必要になる。これは、狭い流路では流速が速くなり、それに伴って壁面摩擦が増加するため、その摩擦力に打ち勝つだけの流れの駆動力が必要となるからである。ステーベーンの形成する流路幅は流路を構成する二つのステーベーン間の最小距離で決まり、ステーベーンの設置間隔が広くなるほど流路幅も大きくなる。本実施例では、ステーベーンの設置間隔を上流から下流まで徐々に大きくすることによって、上流部から下流部までの流路幅が徐々に大きくなるようにしている。このため、ステーベーンが構成する流路の抵抗は、上流部で大きく、下流部で小さくなる。一方、渦巻きケーシング内の圧力は上流部が高く、下流部が低くなる。これらの条件によって、流路の抵抗と圧力で決まるステーベーンへ流入する流量は、上流部から下流部まで均一にすることができ、ステーベーン出口で周方向に均一な流れを得ることができる。その結果、本実施例では、ランナの損失を低減し効率の高い水車を実現することができる。
【００１８】
本発明における他の実施例を図３に示す。ここでは、図１で示した上流部でのステーベーンの設置間隔１９を下流部でのステーベーンの設置間隔２０よりも狭くするだけでなく、上流部でのステーベーン入口角度２３が下流部でのステーベーン入口角度２４よりも小さくなるようなステーベーン形状にするものである。ステーベーン流路幅はステーベーンの入口角度にも依存し、ステーベーン入口角度が小さいと隣合うステーベーンとの最小距離が小さくなり、ステーベーン入口角度が大きい場合に比べて流路幅が狭くなる。したがって、上流側ステーベーンに関して、図１の実施例と図３の実施例を比較すると、図３において上流部でのステーベーン入口角度２３を小さくした際の上流部でのステーベーン間流路幅２５は、図１において入口角度がより大きい場合の上流部でのステーベーン間流路幅２１よりもさらに小さくなり、上流側での流路抵抗もより大きくなる。下流側では逆に、図３において下流部でのステーベーン入口角度２４を大きくした際の下流部でのステーベーン間流路幅２６は、図１において入口角度がより小さい場合の下流部でのステーベーン間流路幅１８よりもさらに大きくなり、下流側での流路抵抗はより小さくなる。これらの効果により、上流側から下流側へステーベーン流路抵抗が小さくなる変化をつけることができ、ステーベーンへの流入流量分布をより均一化してステーベーン出口における流速分布を均一化することできる。その結果、本実施例においてもランナの損失を低減し効率の高い水車を実現することができる。尚、ステーベーンの設置間隔を同一とし、ステーベーンの入口角度だけを上流から下流に向けて大きくするようにしても効果は得られる。
【符号の説明】
【００１９】
１ 流れ（上流から流入する流れ）
２ 渦巻きケーシング
３ ステーベーン
４ ガイドベーン
５ 流れ（ステーベーン翼間の流れ）
６ 流れ（ガイドベーン翼間の流れ）
７ ランナ回転方向
８ 流れ（ランナ翼間の流れ）
９ ランナ翼
１０ ドラフトチューブ
１１ 流れ（下流へ流出する流れ）
１２ 渦巻きケーシング巻き終い点
１３ 流れ（渦巻きケーシング内上流部の流れ）
１４ 流れ（渦巻きケーシング内下流部の流れ）
１５，１９ 上流部でのステーベーン設置間隔
１６，２０ 下流部でのステーベーン設置間隔
１７，２１ 上流部でのステーベーン間流路幅
１８，２２ 下流部でのステーベーン間流路幅
２３ 上流部でのステーベーン入口角度
２４ 下流部でのステーベーン入口角度
２５ ステーベーン入口角度を小さくした際の上流部でのステーベーン間流路幅
２６ ステーベーン入口角度を大きくした際の下流部でのステーベーン間流路幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車ステーベーン及び水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水車翼全体図を図４に示す。上流から流入する流れ１は、渦巻きケーシング２の内部に沿って流れながら、ステーベーン３，ガイドベーン４の間を通過し（図４中の矢印５および６の方向）、ランナ回転方向７の旋回を与えられる。流れ８は、回転するランナ翼９の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収される。
【０００３】
このような水車を示すものとしては、例えば、特許文献１〜３に記載のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４７０１８号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２５９８号公報
【特許文献３】特開平１１−１１７８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水車に要求される重要な性能指標の一つに効率がある。高い効率を実現するためには、エネルギー散逸の原因となる水車内の流れの剥離や流路閉塞が生じないよう、運転仕様に合わせた適切な翼・流路形状を構成する必要がある。効率低下の主たる原因である流れの剥離は、流れの方向と、水車を構成する翼，ステーベーン，ガイドベーン，ランナの翼方向がずれることによって生じる。したがって、効率の高い水車を実現するためには、翼の方向と流れの方向が一致するように形状を設計する必要がある。
【０００６】
一方、ランナは上流から流入する流れのエネルギーを動力に変換するため、効率に最も大きな影響を与える。効率の高いランナを実現するためにはランナの翼の方向と流れの方向を常に一致させる必要があるが、そのためには、ランナが常に回転していることを考慮すると、ガイドベーンから出た流れの分布が回転周方向に均一になっている必要がある。通常、流量を調整する機能をもつガイドベーンは周方向に均一な翼が使用されるので、ガイドベーンの上流に位置するステーベーン出口において、流速分布が周方向に均一である必要がある。
【０００７】
ステーベーンへの流れは渦巻きケーシング内の流れが強く影響する。渦巻きケーシング内では、上流から流入する流れ１が下流の渦巻きケーシング巻き終い点１２にいたるまで、流量を減少させながら流れていく（図４中の矢印１３および１４の方向）。ここで、上流から下流までの各位置においてステーベーンへ流入する流れの量は、ステーベーンより下流の流路抵抗と渦巻きケーシング流路内の圧力によって決まる。まず、ステーベーンの流路抵抗は、ステーベーン間の流路幅によって決まる。図４のようにステーベーンを周方向に均一に配置している場合、上流部でのステーベーン設置間隔１５と下流部でのステーベーン設置間隔１６が同じになるため、上流部でのステーベーン間流路幅１７と下流部でのステーベーン間流路幅１８も同じになり、ステーベーンの流路抵抗は周方向均一になる。一方、渦巻きケーシング側の圧力に関しては、上流側から下流側への流れを維持するために、上流側での圧力を高くする必要があり、本質的に周方向均一な圧力分布にならない。このため、下流側よりも上流側でより多くの流量がステーベーンへ流れ込むことによりステーベーン出口での流速不均一が発生し、水車効率の低下が引き起こされる。
【０００８】
本発明の目的は、これらの点を考慮し、ステーベーン出口で、より均一な流れを実現することが可能な水車ステーベーン及び水車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ステーベーンの設置する間隔を、渦巻きケーシング内の上流側から下流側へ向かうにつれて大きくすることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、ステーベーンの入口角度を上流側から下流側へ向かうにつれて大きくすることを特徴とする。ここで、ステーベーンの入口角度とは、ステーベーン前縁におけるステーベーン中心曲線キャンバの接線と、ステーベーン前縁における円周の接線とのなす角度である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ステーベーン出口で均一な流れの分布を得ることができ、効率の高い水車を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例における同一ステーベーン形状を用いた水車翼全体を示す図。
【図２】本発明が適用される水車の子午面を示す図。
【図３】本発明の他の実施例における異なるステーベーン形状を用いた水車翼全体を示す図。
【図４】従来技術における水車翼全体を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を用いて本発明の一実施例を用いて説明する。
【００１４】
図１に本発明を適用したステーベーンを有する水車翼全体を示す。また、図２に本発明が適用される水車翼全体図の子午断面形状を示す。
【００１５】
図１及び図２に示すように、上流より流入する流れは、渦巻きケーシング２の内部に沿って流れながら、ステーベーン３，ガイドベーン４の間を通過し、ランナ回転方向の旋回を与えられ、また、回転するランナ翼９の間の流路に流入することによって、その旋回エネルギーが動力として回収され、そして、ランナ下流へドラフトチューブ１０を経由して、旋回の無い流れ１１として放出される。
【００１６】
図１に示す実施例は、同一形状のステーベーン（ステーベーン入口角度が渦巻きケーシング上流部でも下流部でも同一であるステーベーン）を用い、渦巻きケーシング上流部に位置する上流部でのステーベーンの設置間隔１９を、下流部に位置する下流部でのステーベーンの設置間隔２０よりも狭くなるようにステーベーンを設置したものである。
【００１７】
このような形態でステーベーンを設置することによる効果は以下のようになる。まず、ステーベーンの流路抵抗は、ステーベーン間流路幅によって決まる。流路幅が狭くなると同一流量を流すためには大きな圧力が必要になる。これは、狭い流路では流速が速くなり、それに伴って壁面摩擦が増加するため、その摩擦力に打ち勝つだけの流れの駆動力が必要となるからである。ステーベーンの形成する流路幅は流路を構成する二つのステーベーン間の最小距離で決まり、ステーベーンの設置間隔が広くなるほど流路幅も大きくなる。本実施例では、ステーベーンの設置間隔を上流から下流まで徐々に大きくすることによって、上流部から下流部までの流路幅が徐々に大きくなるようにしている。このため、ステーベーンが構成する流路の抵抗は、上流部で大きく、下流部で小さくなる。一方、渦巻きケーシング内の圧力は上流部が高く、下流部が低くなる。これらの条件によって、流路の抵抗と圧力で決まるステーベーンへ流入する流量は、上流部から下流部まで均一にすることができ、ステーベーン出口で周方向に均一な流れを得ることができる。その結果、本実施例では、ランナの損失を低減し効率の高い水車を実現することができる。
【００１８】
本発明における他の実施例を図３に示す。ここでは、図１で示した上流部でのステーベーンの設置間隔１９を下流部でのステーベーンの設置間隔２０よりも狭くするだけでなく、上流部でのステーベーン入口角度２３が下流部でのステーベーン入口角度２４よりも小さくなるようなステーベーン形状にするものである。ステーベーン流路幅はステーベーンの入口角度にも依存し、ステーベーン入口角度が小さいと隣合うステーベーンとの最小距離が小さくなり、ステーベーン入口角度が大きい場合に比べて流路幅が狭くなる。したがって、上流側ステーベーンに関して、図１の実施例と図３の実施例を比較すると、図３において上流部でのステーベーン入口角度２３を小さくした際の上流部でのステーベーン間流路幅２５は、図１において入口角度がより大きい場合の上流部でのステーベーン間流路幅２１よりもさらに小さくなり、上流側での流路抵抗もより大きくなる。下流側では逆に、図３において下流部でのステーベーン入口角度２４を大きくした際の下流部でのステーベーン間流路幅２６は、図１において入口角度がより小さい場合の下流部でのステーベーン間流路幅１８よりもさらに大きくなり、下流側での流路抵抗はより小さくなる。これらの効果により、上流側から下流側へステーベーン流路抵抗が小さくなる変化をつけることができ、ステーベーンへの流入流量分布をより均一化してステーベーン出口における流速分布を均一化することできる。その結果、本実施例においてもランナの損失を低減し効率の高い水車を実現することができる。尚、ステーベーンの設置間隔を同一とし、ステーベーンの入口角度だけを上流から下流に向けて大きくするようにしても効果は得られる。
【符号の説明】
【００１９】
１ 流れ（上流から流入する流れ）
２ 渦巻きケーシング
３ ステーベーン
４ ガイドベーン
５ 流れ（ステーベーン翼間の流れ）
６ 流れ（ガイドベーン翼間の流れ）
７ ランナ回転方向
８ 流れ（ランナ翼間の流れ）
９ ランナ翼
１０ ドラフトチューブ
１１ 流れ（下流へ流出する流れ）
１２ 渦巻きケーシング巻き終い点
１３ 流れ（渦巻きケーシング内上流部の流れ）
１４ 流れ（渦巻きケーシング内下流部の流れ）
１５，１９ 上流部でのステーベーン設置間隔
１６，２０ 下流部でのステーベーン設置間隔
１７，２１ 上流部でのステーベーン間流路幅
１８，２２ 下流部でのステーベーン間流路幅
２３ 上流部でのステーベーン入口角度
２４ 下流部でのステーベーン入口角度
２５ ステーベーン入口角度を小さくした際の上流部でのステーベーン間流路幅
２６ ステーベーン入口角度を大きくした際の下流部でのステーベーン間流路幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
渦巻きケーシング上流側のステーベーン設置間隔が、下流側のステーベーン設置間隔よりも狭いことを特徴とする水車ステーベーン。
【請求項２】
渦巻きケーシング上流側のステーベーンの入口角度が、下流側のステーベーン入口角度よりも小さいことを特徴とする水車ステーベーン。
【請求項３】
請求項１に記載の水車ステーベーンにおいて、渦巻きケーシング上流側のステーベーンの入口角度が、下流側のステーベーン入口角度よりも小さいことを特徴とする水車ステーベーン。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかの水車ステーベーンと、前記水車ステーベーンを内包する渦巻きケーシングと、前記水車ステーベーンの内周側に設けられ、周方向に均一に設けられたガイドベーンと、前記ガイドベーンの内周側に設けられたランナとを有する水車。
【請求項１】
渦巻きケーシング上流側のステーベーン設置間隔が、下流側のステーベーン設置間隔よりも狭いことを特徴とする水車ステーベーン。
【請求項２】
渦巻きケーシング上流側のステーベーンの入口角度が、下流側のステーベーン入口角度よりも小さいことを特徴とする水車ステーベーン。
【請求項３】
請求項１に記載の水車ステーベーンにおいて、渦巻きケーシング上流側のステーベーンの入口角度が、下流側のステーベーン入口角度よりも小さいことを特徴とする水車ステーベーン。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかの水車ステーベーンと、前記水車ステーベーンを内包する渦巻きケーシングと、前記水車ステーベーンの内周側に設けられ、周方向に均一に設けられたガイドベーンと、前記ガイドベーンの内周側に設けられたランナとを有する水車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１１１９５８（Ｐ２０１１−１１１９５８Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６８２７１（Ｐ２００９−２６８２７１）
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]