水力発電機事例

ペルトンタービンランナのノズルからの噴流を実験する装置


水路内に設置する型式の水力発電所の3次元計画図です。

ノズル形状を各種変更できるようにして実験を行います。
写真のノズルは末広ノズルを試しているものです。

先細ノズルや可変ノズルも実験します。
羽根からの跳ね返りも充分に目視観察出来るようにしています。

ブレード可変機構設計例


ブレード可変ピッチ機構の設計例です。

強大なトルクと遠心力がピッチ変更機構にかかるので、頑丈な構造で滑らかに動く配慮をした設計にしています。

このようなブレードピッチ変更機構を色々な用途のブレード全般に性能改善の為に付け加えていきます。
可変ピッチブレードの優れた点は、ブレードに流入する流体の速度が変化しても常にブレードに入る相対速度に
ピッタリな羽根迎え角度に合わせられるため、ブレード回転動力を無駄にしない高効率エネルギー使用状況を
維持出来る点です。

それはつまりモーター駆動プロペラなら駆動可能時間を大幅に伸ばせる、液体燃料エンジン機関なら少ない燃料 で滞空時間が長くなることを示していますから、優れた機動力を発揮出来ます。

プロペラの性能を上げることが最近の重要課題


ブレード可変ピッチ機構の設計例です。

上写真は、水力タービンとしての直径500mmのプロペラであり、ブレードは全削り出しで造っているため流体形状 精度は高くなり、滑らかで摩擦損失も少ない性能は優秀な羽根です。
しかし最近では、プロペラ水力タービン効率も90%以上を目指さなければならない状況となり、性能アップのため の多大な努力を日々行っています。

具体的な性能アップ作業の内容としては、これまでに性能83%以上のプロペラの解析結果から、各部分翼断面へ の流入と流出状況を見て、部分断面翼型に設計意図どおりに流れが入り、出る時にはエネルギー損失となる旋回 成分がないか、そして出口速度が設計時の想定どおりかをまず確認します。

入口の翼への相対速度の流れ込み状況が、設計時想定迎え角になっているか、入口丸みで剥離が起こっていな いか、それらによる翼間流れに偏った部分はないか、入口から出口に向かって想定どおりの相対速度加速が起こっているかなど見ます。
出口では、相対速度流出角度は翼の出口角度どおりにならず、すべりが生じますので、すべりに対する出口角度 修正を加えるべきかなどです。

以上のようなプロペラブレードを見るだけではなく、ブレード上流のガイドベーンのからの流出角度が性能に大きく関係するのです。

よって、ガイドベーンは可変であれば全閉状態を造れなければならないのに、目的とするガイドベーン出口旋回成 分分布もきっちり押さえなければならないので、設計はかなり難しいのです。

あまりに3次元的なひねったガイドベーンとすれば全閉が難しくなり、平たいガイドベーンにするとプロペラブレード 側のひねりが大きい羽根になったりします。

更に、これらを全て考慮しながら流量も設計点流量が、最高な入口出口状態での流量とならなければならないの で、厳密にこれら作業を行って全流量域で高性能化のためには、設計・解析作業が3ヶ月ぐらいかかったりします。

まあ、プロペラタービンの高性能化設計は大変ということです。

落差に対して流量が少ないクロスフロー水車3次元設計途中


落差に対して流量が少ないクロスフロー水車の3次元設計途中の3次元CAD画面ショットです。

基本的な流体部構成部品であるクロスフローランナ、可変ガイドベーン、下部ノズルが2次元計画図から
3次元化されています。
これから上部ノズル、本体ケーシングと進みます。

落差が大きいと半衝動水車であるクロスフロー水車のランナには繰り返しの大きめの衝動力が生じますので、
ランナブレードは丈夫に造らなければなりません。
そして、ランナ溶接部も繰り返し疲労に対して充分に強度が必要です。
ランナの羽根枚数は多いほど効率が高くなる傾向がありますが、このような小型の羽根で羽根枚数を増やしすぎる と羽根1枚が薄くなりすぎ強度が落ちることと、ゴミがブレード間に詰まりやすくなるので仕方なくランナブレード
枚数を少し減らしています。

オープンクロスフロー水車の部品が完成


オープンクロスフロー水車の部品が完成しましたので何点か部品写真を載せてみます。
最初は、オープンクロスフロー水車のランナ(羽根)であり直径は800mmぐらいあるのですが、
大変上手に製缶してもらっていて感激です。

次は、動力伝達機構の最大トルクがかかるべベルギアボックスと伝達軸ケーシング部分ですが、やっぱりべベル ギアボックスがでかいのです。
しかしデカくないとクロスフローランナが発生する強大なトルクを吸収出来ないわけです。

最後は導水側板です。
この導水側板は流れをスムーズにランナに導く役目をするステンレス構造物です。

組立完成時に全体写真を改めてご紹介します。