UIMQEEWZEJ-KTTW

U.D.C.d2l.224.24-253;532.574.2
実物フランシス水車の羽根車出口の水の
流動状態の
崎
山
卓
測定
手
爾*
島
TheMeasurementoftheFlow
ケ⊂
OutgoingtheFrancis
Turbine
By
甘**
友
Runner
TakujiYamazakiand
Tomosuke
Tejima
HitachiResearchLaboratory,Hitachi,Ltd.
Abstract
Thisreportdealswith
the
behavior
the
recentlyinto
of
the
experimentalinvestigation
the
writers
carried
out
water且owreleasedfromthe16,500kWFrancis
turbinerunner･Therehavebeenalotofreportsavailableto
datewhichgivethe
theoreticalanswertothisinterestingproblemofwhatpatternwouldtakethewater
flow
has
afterit
the
come■outof
thosereports,beingbasedonthe
runner･But
presumptionineachresearcher,sownway,equa11yhavebeeninlackofbackingby
this
actualobservation,and
was
a
reason
for
the
writers,experimentdescribed
herein･Whichendedsatisfactoryinrevealingthequalitativetendencyofthenowas
below:
Summarized
(1)Intheloaded
condition
under
which
the
turbine
the
approaches
maximum
e伍ciency,the且owcomingoutoftherunnershowsanalmostentirelyuniform
distribution
of
(2)Whenthe
axialflow.
abovelimit
ofloadingis
the
exceeded
whirlis
the
mingledin
丑ow･SplnnlnglnCOunterdirectiontotherotatingdirectionoftherunner,and
Whentheloadfa11sshortoftheabovelimit,thewhirliscausedbutsplnnlng
in
the
direction
same
both
Centerin
as
therunner
rOtation,increaslngly
cases.
(3)Theincreaseandthedecreaseofthewater
Which
place
neartheturbine
the
turbine
out
for
the
of
maximum
the
turbinewith
e伍ciency
anyloads
arehandledbythe
Whirlunderthelowerpartoftherunnerwhichgrowsordeclinesaccordingly.
(4)The
water且owingalongside
formly,1rreSpeCtive
the
pipe
walltakesaxialdirectionalm｡St
uni_
oftheloadingcondition.
Theseresults,furthermore･Showedagoodagreementwiththoseof
their
previous
Laboratory.
StudyconductedinHitachiHydraulic
は数年前より日立製作所日立研究所の水力実験室でかな
〔Ⅰ〕縛
盲
フランシス71く率の羽祝事より出た水の流れをこ就いては
種々理論的な研究(小(3)があり,また模型水車に就いて
***
日立製作所日立研究所
り詳細な実験的研究(1)を行い相当の成果を収めて来た
が,実物水軍に関する実験的な研究は非常に乏しく,今
井恒三郎氏の実験(5)以外には殆ど見受けられないようで
ある｡これほ周知の如く羽根車の下部には空洞が発生
718
日
昭和一29年4▲月
し,そのうえこの空洞が非常に不安定な旋回をなし
立
評
水
に向い頂部に一つの測圧孔を穿けてある｡横型7jく単に就
第36巻
第4号
の流れは極めて複雑で測定には相当の困難が伴い,また
いての経験から各流速の分布状態ほ水軍中心覿に対しほ
なかなかこの種の試離せする機会が得られないためと考
ゞ対称であるから,測定管の製作を容易にするために,第
えられる｡たまたま
1図( a)のように半径上片方側にのみ制圧孔許を設けた｡
和28年の真に16,500kWフラン
シス水車(0)に就いて大規模な結合的試験が実施せられ,
こゝにB,D,F,E,Ⅰ,J,Kの7断面の側圧孔群ほ円筒型
その一端としてこの試験を行う機会を得た｡その結果,
ピトー管の原理を応用したもので,第1匪(b二)に示すよ
羽供奉をⅢた水の定性的な性質を究明することができ,
うに,上流側に向う半円周上に三OJ筐郡露に直行1･6mm
さらにこの結論ほ実験室の
の渕圧孔を20/以内の誤差で7孔設け,潮定管をドラフ
塾水草による試験の結果と
よく合致した傾向を示し,こゝにフランシス水車の羽根
トパイプに装着Lた場合,列側からながめ右側7k平孔か
頚出口の水の流れの状態を確認するに至った｡
ら逐次上方を通って左側水平孔に向い1,三,3,4,5,6,7孔
と記号した｡この抑圧孔群の水圧詳駄の粧兄を第3図に
〔ⅠⅠ〕試 験
方
法
示す｡
羽根尊直後のⅠ吸付管の上部;こ達るドラフトパイプを利
用し,人孔に隣接して第l図のような直径75mmの円
筒型ピトー管(7卜(9)の原理に基いた測定管を第2図の要
領で差し込んで,水の旋回角度の変り方及び旋回速度と
軸方向速度の分布状態を測定した｡
試験は空気弁を閉じた場合と開いた場合の2つの条件
のもとで,負荷4/4,3/4,2/4,1/4の4種の状態に就き
合計8回の測定を行った｡
今回使用した測定管は第l国(a〕に示すように,ドラフ
トパイプの測定断面を5つの環状等面積に分割L,所謂
5点法(10)に基く測庄位置B,D,F,H,Jに各環状面積の
平均流速を求める渕圧孔群を設け,更に管壁附近の流速
分布を詳細に知るために管壁とJの中間のK,HとJの
中間のⅠにも同様な測圧孔群を設けた｡なおA,C,E,G
の4箇所には速度分布を画くうえの参考用として上流側
中■一三
測
定
Fig.2.
Arrangment
管
取
of
付
要
領
Measurjng
Pipe
壁
脚
J
/＼＼
第2図
l
此
Ⅷ‡
重量差書冠zン
l
________♂___仁__汐_￡:′∈_歴_
l
(b)
第1図
測
Fig.1.Measuring
定
管
Pipe
第3図
測圧孔群の水圧試験の模様
Fig.3.
View
a
Group
of
Water
of
Pressure
Measuring
Test
Holes
for
719
実物フランシス水車の羽二駐車出口の水の盲充動状態の測定
B,D,F,H,Ⅰ,J,Kの7断面に設けた測圧孔群に就い
て,各測圧孔の指京圧力と孔の位置をi亘交座標軸上に点
まることになる｡但しドラフトパイプ内ほ真空圧である
ヒ
から求まった曲線は中凹みのものとなり,中門みの谷底
41〇離れた場所が静圧を示すものとすればB,D,F,
H,Ⅰ,J,Kの番場所の旋回流の方向,旋回速度及び軸方
向速度も一応推定することができる｡
〔ⅠⅠⅠ〕試験結果及び検討
(り
空気弁を閉ぢた場合の結果
+
但耳E堅∼冊聖賢
榊忘竺出磐
に相当する位置が流れの方向を示し,この谷底の位置よ
正巳中品置≡
記すれば,円筒型ピトー管の矧全曲線と類似の曲線が求
算5図
空気弁を閉ぢた場合の涜回角度の変り方
Fig.5.
WhirlAngle
Valve
先づ空気弁を閉じて4/4,ごノ′4,2ノ4,1/4の4種の負
Distribution
at
Air
Closed
荷に就いてB,D,F,H,Ⅰ,J,Kの各渕圧孔群の水圧を達
道管水銀柱マノメ←タにより5回づゝ読みとり,その算
術平均値を求めてB,D,F,H,Ⅰ,J,Kの各々に就き,測
圧孔の位置と指示水頭を点記すると,第4図にその一例を
示すような曲線ができる｡この巾凹み曲線の谷底に相当
する位置を求めると旋回角度∝がわかり,こメLを取纏め
ると第5図のような旋回角度の変り方をなしている｡更
に中凹み曲線の谷底から410離れた場所が静圧を示すも
のとすると,その指示圧と谷底の指示庄との指差賞勒を
水銀柱で読み,水柱ガに換算して更に流
むを算出し,
この流速むと旋回角度αとから軸方向速度乙･rこ〔=ぴCOS∝〕
と旋回速度ひ比ノ(=むSin王)を計算し,各流速分布を画く
と第占図及び第7図となる｡
(2)空気弁を閲し､た場合の結果
と全
ノ､ヽ
次に空気弁を除いて〔1〕
同
第6図
空気弁を閉ぢた場合の軸方向速度分布
Fig.6.
AxialVelocity
Valve
な試験を行って第
Distributionat
Closed
8図∼第10図(次頁参照)の結果を得た｡
仰‥‥〝
川〉
■≠
〃
胞
､｢ぷ亘
三
世
.柑β.｢
.=ノ
`遅プ√久･7ト
｣//ン/,･･ノ
ノ〟`クト
-
｡.7/′
/
餅
/J
.ひ∪
.ケ
｣.
〝む
♂9
♂
ノ
匹ヒま誓忘置≡
〃
峠∴〟■し/｢
彗口巴盟
〟〃
吉
｣
/ノ
巨ド匹ぺ拙讐ドr
跳
葛J蒜甲声二ぎ
〃
＼11､
へ巨岩簡モLざ
常
軌
測圧〒L打化
第4図
測圧孔の位置と碓示水頭の関係菌線の一例
∫jg.4.
One
Example
between
Measuring
of
Position
Holes
Relation
and
Curves
Head
for
第7図
空気弁を閉ぢた場合の旗国速度分布
Fig.7.
WhirlVelocity
Valve
Closed
DistributionatAir
Air
720
日
立
評
第36巻
(3〕検
討
第8図をみると4/4,3/4,2/4の3種の負荷状態で,
水軍羽根車の中心より最も遠い管壁附近では水は殆ど旋
回していない｡4一/4負荷では水車中心に移行するにつれ
て羽根車の回転と反対方向の旋回が次第に激しくなり,
3/4負
庄ド宗堅刃衝撃冨
醐忘〓』醤
圧笹匝刃㈲撃買
短
第4号
では半径方向何れの場所も同じ旋回角度で,そ
の値は非常に小さい｡更に負荷を減じて2/4,負荷にな
ると管壁から水車中心に移行するにつれて,
水車干也
棍軍 の 回
転と同方回の旋回が著しくなる傾向を示している｡回[f-一
第8区I
空気弁を開いた場合の旋回角度の変り方
角度を意味している｡.
Fig.8.
WhirlAngle
員号の角度で示すものは羽根車の匡転と反対方向の旋回
Valve
Distribution
at
Air
次に旋回流
分布を示す第10囲をみると上記の事柄は
Opened
附近の負荷では殆ど旋
一層明瞭になり,7k革の最高効
同流はなく,この負荷より大きい負荷でほ水草中心に移
行するにつれ羽限碑の回転と反対方向の旋回流が次第に
(㌔℃ざ)空
麒著となり,またこの負荷より小さい負荷でほ羽根車の
ガ
回転と同一方向の旋回流が著しく成長して
ることがわ
似照匹匠雷
かる｡なお管壁附近では水ほ殆ど旋回しないで流れるか
ら,フランシス7k申を出た水は最高効率附近の負荷では
〃
殆ど完全に軸方向だけの流れをなし,この負荷状態から
遠ぎかるi･こ従って水中半径方向の旋回流は中心に近い程
増大し,或る限界点以内では水が流れなくなり空洞が生
′
ずるものと推定される｡
〟/J〝
水車千把
側圧断面のイエ贋
次に第9図の軸方向速度の分布図から管壁附近は負荷
の大小にかゝわらず一様な値を元し,最高効率附近では
空気弁を開いた場合の軸方向速度分布
Fig.9.
AxialVelocityDistributionat
半径方向に一様な速度分布iこなることが明らかとなつ
第9図
Valve
Air
Opened
たっ
以上ほ空気弁を開いた場合に就いて論じたのである･
が,空気弁を閉じた場合にも,ほゞ手似した傾向を示し
ている｡しかし第5図∼第7図と第8図∼第10図を比較
対照してみるとわかるように,空気弁を開いた場合和明
丁.⊥..
圧匠匹叫冊聖賢
瞭な性質を示していないところをみると,フランシスカこ
革の羽根車の出口に空気を吸込ませると安定した流れに
なるものと推定せられる｡
こゝに述べた今回の測定ほ専らその傾向のみを知るに
加えたい､..
即ち円筒型ピトー管による測定ではその
圧の測定に
は余り誤差はないが,静圧の測定値にはまだまだ多くの
問題(1り､(13)が残されており,この点が解明せられない限
り,流速の絶対値を正確に知ることほ無理である｡なお
列車中也
恒峠豆腐奄㈲聖恵
塑鶴〓盟担
とゞめ,流速の絶対値に就いてほ確信のないことを附け
円筒型ピトー管に就いての種々の研究は,すべて細い管
に就いての
第10因
空気弁を開いた場合の旋回速度分布
Fig.10.
WhirlVelocity
Air
Valve
Distribution
Opened
究であって,今匠使用したような太い管に
就いての研究ほ見当らない｡これらの
at
究に待たなければならないご
問題は今後の研二
また円筒型ピトー管のピ1､
-管係数ほその測定部近くに管壁のある場合大きく変化
ヽ
実物フランシス水草の羽根車出口の水の流動状態の測定
することが報告冊)されており,この点に就いても相当な
疑問がある｡
721
また今回の試験の結果から羽根車下部iこ空気を吸込ま
せると水の流れは安定するであろうことが容易に推定さ
本試験に当ってほ,これらの事情はすべて仮定してい
るものであってピトー管係数ほ1とし,管壁の影響はな
れる｡
以上
ベた事柄は従来推定に過ぎなかったものが多い
いものとし,流れの方向と41〇かたむいた場所が静圧を示
が,今回実物水車に就いて実験的に究明し,更に模型水
すものとして測定しているから,如何i･こ正確な実験が行
斡こよる結果ともよく合致し,こゝに確信を得るに到つ･
われたものとしても,その絶対値とは程遠いことを覚悟
た次第である｡
せねばならない｡以上の考えから本結果の水達並びに水
量の絶対値は論ずることを避け,それiこはふれなかった｡
終りに臨み本試験の計画実施に当り終始絶大なる御支
援を賜った新
気局田中次長を始め,発
所各位に
深く感謝の意を表する次第である｡
〔ⅠⅤ〕績
口
参
実物フランシス水草の羽祝事出口の水の流れの状態を
考
文
測定L,その傾向を明らかにし,この結果から次の事項
(1)宮城:機械学会誌27793(大13)
がわかった｡
(2)宮城:東北大学工学部報告4
(1)水専の最高効
附近の負荷状態では羽限車を出
献
(3)宮城:日立評論1087(昭2)
た水は完全に軸方向に流れ,しかも半径方向の朝方
(4)山崎,田尻:日立評論351437(昭28〕
向流速分布ほ-
(5〕今井:日立評論9775(大15)
(2)最高効
であり,旋回流れほない｡
以上の負荷に対してほ羽棍草の回転と
(6)田中,吉山:日立評論341367(昭27)
反対方向の旋回,それ以下の負荷では羽棍軍の回転
(7)沼知:機械学会誌34171(昭6)
と同一方向の旋回流がある｡
(8)沼知:横板学会誌34175(昭6)
(3)管壁附近の水は負荷の大小に無関係にほゞ一定
の軸方向の流速をもっている｡
(4〕最高効
戎外の負荷状態では水の増減により羽
棍季下部の空洞が成衰する｡
こゝに述べた
項目は先般来当水力実験室で模型水車
に就いて,かなり詳細に実験して得た結果(4)とよく合致
した傾向を示し,模型水草の実験で得た結論を今回実物
7k車に就いても確証するに到った｡
(9)沼知,潤沢:磯城学会論文集117(昭13)
(10)J.E.C.-117,49(1948)
(11)井伊谷:名古屋大学工学部研究報告ⅠⅠト1,5
(昭25)
(12)井伊谷:名古屋大学工学部研究報告ⅠⅠト2,95
(昭25)
(13)井伊谷,木村:磯城の研究3600(昭26)
き㌢
芋寺
吉事
芦】章犀
最近登録された日立製作所の特許及び実用新案
(その2)
(第6頁から
実用新案
409616
油
409617
面
計
装
日立工場
鈴
同期変流椒の交流自己起動装置
日立工場
木梅 田沢 真信 吉義
409618
主軸按手に放けるナット締付及び緩め装置
日立工場
高
4096ニ0
耐
409632
強
409636
磁
409637
取
付
線
磁
制 送
式
油
力
気
内 鉄
塾
選
圧
変
別
機
離
分
置
離
分
の
輪
日立工場
器
日立工場
機
日立工場
胴
日立工場
阿
木
春
夫
士
息
治
部
春
雄
日立工場
40;)643
巻線型回転子接続線輪抑え装置
日立工場
小野崎
滑 川
409644
回
置
日立工場
小野崎
40;)646
刷
置
ヨ立工場
菅
40;)647
電
置
日立工場
甲桑
置
日立工場
409648
刷
409649
高 速度
409650
水
40:)651
保
子
磯
子
装
装
持
接
輪
装
続
持
保
線
子
続
装
導電動機回転子線輪冷却装置
切
平
付
接
輪
線
型
断
断
相
路
器
鎖
路
島≡ 装
日立二工場
器= ミ巨立工場:
一
勝一
磁力選鉱機用電磁石密閉装置
子
城
橋
40;〉638
転
正
男清
立沼 川田 竹明 雄雄
政
日立工場
善
日立工場
409654
日立工場
菊
地
弥十郎
409625
笠戸工場
小
森
野
脇
栄
男
斌
男
岸
野
倹
雄
40〕635
409563
面
レ/
巻取舵張力自動調整装置の着脱装置
亀有工場
亀有工場
9･1･14
碓
40;帽52
409614
塞2
清
沢
川崎工場
(第30頁へ