[发明专利]水力机械及其运转方法

说明书

技术领域

本发明的实施方式涉及水力机械及其运转方法。

背景技术

图7是表示以往的水力机械的结构的剖视图。图7的水力机械相当于法兰西斯水轮机。

在图7的水力机械中，由蜗壳1、固定导叶2和座环3形成流路的一部分，该蜗壳1用于引导来自上游的压力水，该固定导叶2配置在蜗壳1的内周侧且对来自蜗壳1的水进行整流，该座环3从上下夹持固定导叶2。另外，图7的水力机械构成为，将在该流路中流动的水流向导叶4和转轮5引导，该导叶4配置在座环3的内周侧，作为流量调整用可动叶，该转轮5将压力水所具有的能量转换为旋转能量。

转轮5具有：多个叶片5a，配置为环状；上冠5b，从上侧与上述叶片5a连接，具有环形形状，并与主轴9连接；下环5c，从下侧与上述叶片5a连接，具有环形形状；以及泄水锥5d，设置在上冠5b的下端。转轮5容纳在上罩（cover）6和下罩7之间。对转轮5进行了驱动的水被向位于转轮5的下游的吸出管8排出，并且经由吸出管8被向排水路排出。另外，主轴9与发电机10的转子轴连接，通过将转轮5的旋转能量传递给发电机10，来向发电机10供给用于发电的驱动力。

通常，转轮5的叶片5a被固定，在使水力机械的输出变化时，使可动的导叶4的开度变化来进行流量调整。因此，即便由于水坝的水位降低等而使向转轮5流入的水流的流入角度变化，也由于不能够使转轮5的叶片5a可动，所以会产生转轮5无法将水流的能量全部都转换的状况，结果，向转轮5的出口侧流出回旋流。尤其，在小流量的部分负载运转时，此现象显著，在转轮5的出口附近的吸出管8内产生因回旋流引起的大的螺旋状漩涡11。在该漩涡11的中心部压力显著下降，出现被水蒸气和游离空气充满的空心。该气泡化的漩涡11在吸出管8内部来回震动，从而产生水压波动。

图8示出这样的水压波动和流量的关系。图8是表示以往的水力机械的水压波动特性的坐标图。根据图8可知，在小于额定流量的区域存在水压波动变大的2个区域12、13。因此，如果由于水坝的水位降低等而使流量变为低于额定流量，成为区域12、13内的流量，则产生大的水压波动。

区域12的水压波动的大小依存于漩涡11的强度，根据成为漩涡11的原因的回旋流的特性可知，在额定流量的大约一半的流量附近变为最大。

相对于此，根据至今的可视化研究可知，如图9所示，区域13的水压波动是漩涡11的截面形状为椭圆14且相对螺旋轴自转的自转模式和漩涡11的产生区域整体在上下方向上伸缩的伸缩模式的合成。图9是用于说明自转模式和伸缩模式的俯视图和剖视图。

另外，通过最近的基于液流分析的现象分析推定出，成为区域13的水压波动的原因的椭圆截面的螺旋漩涡11形成为图10所示的形态的椭圆截面的螺旋漩涡11。图10是用于说明椭圆截面的螺旋漩涡11的生成原理的剖视图和侧视图。图10（b）是图10（a）的区域15的侧视图，示出泄水锥5d的筒状的壁面。

如图10（b）所示，在泄水锥5d的壁面附近的流动位置，泄水锥5d的壁面的倾斜所引起的离心力16和主流方向的动压力17成为主要的流体力，但是，在上述的区域13，两流体力平衡，形成局部的再循环区域18。再循环区域18以在泄水锥5d的壁面附近被主流按压的状态来形成，因此，成为椭圆状的再循环区域18。该再循环区域18向转轮5的下游区流下，成为椭圆截面的螺旋漩涡11。

另外，如图11所示，漩涡11的产生区域整体在上下方向伸缩的伸缩模式是由于因转轮5的出口流的动压而要使漩涡11向下游侧伸展的力19与因吸出管8的压力恢复效果而要使漩涡11向上游侧返回的力20的平衡作用而引起的。图11是用于说明伸缩模式的生成原理的剖视图。

现有技術文献

专利文献

专利文献1：特许第2598120号公报

专利文献2：特许第2592508号公报

专利文献3：特开2001-165024号公报

作为抑制区域12的水压波动的方法，提出过为了抑制回旋流而在吸出管8的内壁安装突起的凸片的方法，或者为了使漩涡11稳定化而向吸出管8内供气的方法。作为供气的方法的例子，列举出从上罩6强制地供气的方法、从贯通吸出管8的内壁的供气管供气的方法、使主轴9内中空而从主轴9内向转轮5的下方供气的方法等。另一方面，关于区域13的水压波动，在通过最近的可视化研究也发现过，但是没有提出有效抑制水压波动的方法。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够抑制在转轮的下游侧产生的因漩涡的自转模式和伸缩模式而引起的水压波动的水力机械及其运转方法。