フランシス水車
グランドクーリーダムのフランシス入江スクロール
垂直フランシス水車の側面断面図。水は、水車の回転ランナーの外側に巻き付けられた螺旋状のパイプ（スパイラルケース）に水平に流入し、水車の中心を通って垂直に流出します。

フランシス水車は水車の一種です。内向き流反動型水車であり、放射流と軸流の概念を組み合わせたものです。フランシス水車は最も一般的に使用されている水車であり、95%以上の効率を達成できます。[ 1 ]

現代のフランシス・ランナーの設計に至るまでには、1848年から1920年頃までかかりました。[ 1 ] 1920年頃にはフランシス水車として知られるようになり、1848年に新しい水車設計を考案したイギリス系アメリカ人技術者のジェームズ・B・フランシスにちなんで名付けられました。 [ 1 ]

フランシス水車は主に発電に使用されます。発電機の出力は、通常、数キロワットから1000 MWまでの範囲ですが、小型水力発電設備ではそれより低い場合もあります。最高の性能は、落差が100～300メートル（330～980フィート）のときに得られます。 [ 2 ]水圧管の直径は1～10メートル（3.3～32.8フィート）です。各タービンユニットの回転速度は70～1000  rpmです。タービンの回転ランナーの外側にあるウィケットゲートが、タービンを通過する水の流量を制御し、さまざまな発電量を実現します。フランシス水車は通常、発電機から水を分離するために垂直シャフトに取り付けられます。これにより、設置とメンテナンスも容易になります。[ 3 ]

開発

フランシス水車部品
マサチューセッツ州ローウェルのポータケット・ゲートハウス。最初のフランシス水車が建てられた場所
フランシス・ランナー、グランドクーリーダム
ラクーンマウンテン揚水発電所のフランシス水車

様々な種類の水車は、1000年以上もの間、あらゆる種類の製粉所の動力源として使用されてきましたが、効率は比較的低かったのです。19世紀に水力タービンの効率が向上したことで、ほぼすべての水車に取って代わり、水力発電が利用可能な地域では蒸気機関と競合できるようになりました。 1800年代後半に発電機が開発されると、水力発電の可能性がある地域では、タービンは自然な発電電力源となりました。

1826年、フランスの技術者ブノワ・フルネロンは、高効率（80%）の外向き流水車を開発しました。水は水車ランナーを接線方向に通過し、ランナーを回転させました。別のフランス人技術者、ジャン＝ヴィクトル・ポンスレは、1820年頃に同じ原理を用いた内向き流水車を設計しました。SBハウドは1838年に同様の設計で米国特許を取得しました。

1848年、マサチューセッツ州ローウェル（水車動力の繊維工場都市）の閘門・運河会社の主任技師として働いていたジェームズ・B・フランシスは[ 4 ]、これらの設計を改良し、より効率的なタービンを開発しました。彼は科学的原理と試験方法を応用し、非常に効率的なタービン設計を生み出しました。さらに重要なのは、彼の数学的かつグラフィカルな計算手法がタービンの設計とエンジニアリングを革新したことです。彼の解析手法により、現場の水流と圧力（水頭）に正確に適合する高効率タービンの設計が可能になりました。

構成要素

フランシス水車は以下の主要部品で構成されています。

スパイラルケーシング：水車のランナーを取り囲むスパイラルケーシングは、渦巻ケーシングまたはスクロールケースとして知られています。全長にわたって、作動流体がランナーのブレードに衝突できるように、一定の間隔で多数の開口部が設けられています。これらの開口部は、流体がブレードに衝突する直前に、流体の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換します。このケーシングの断面積は円周に沿って均一に減少するため、流体がブレードに入るための多数の開口部が設けられているにもかかわらず、一定の速度が維持されます

ガイドベーンとステーベーン：ガイドベーンとステーベーンの主な機能は、流体の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換することです。また、流れを設計角度でランナーブレードに導く役割も果たします。

ランナーブレード：ランナーブレードはあらゆるタービンの心臓部です。流体が衝突する中心点であり、衝突時の接線方向の力によってトルクが発生し、タービンシャフトが回転します。入口と出口のブレード角度は発電量に大きく影響するため、設計には細心の注意が必要です。

ドラフトチューブ：ドラフトチューブは、ランナー出口と水車から水が排出される放水路（テールレース）を接続する導管です。その主な機能は、排出水の速度を下げ、出口における運動エネルギーの損失を最小限に抑えることです。これにより、利用可能な落差をあまり大きくすることなく、水車を放水路より上に設置することができます。

動作原理

中国、長江の三峡ダムフランシス水車ランナー

フランシス水車は反動水車の一種で、作動流体が高圧力下でタービンに流入し、タービンブレードによって作動流体からエネルギーが抽出されるタービンの一種です。エネルギーの一部は、タービンブレードに生じる圧力変化によって流体から放出され、反動度という表現で定量化されます。残りのエネルギーは、タービンの渦巻ケーシングによって抽出されます。出口では、水は回転するカップ状のランナーに作用し、低速かつ低旋回で排出されます。運動エネルギーや位置エネルギーはほとんど残りません。タービンの出口管は、水流を減速させ、圧力を回復させる形状になっています。

  • 発電機に接続されたフランシス水車（外観）
    発電機に接続されたフランシス水車（外観）
  • 最小流量設定のウィケットゲート（黄色）を備えた断面図
    最小流量設定のウィケットゲート（黄色）を備えた断面図
  • ウィケットゲート（黄色）がフルフロー設定の断面図
    ウィケットゲート（黄色）がフルフロー設定の断面図

ブレード効率

理想的な速度線図。理想的な場合、出口速度の旋回成分はゼロであり、流れは完全に軸方向であることを示しています

通常、流速（接線方向に垂直な速度）は一定であり、すなわちV f1 = V f2で、ドラフトチューブ入口における流速と等しくなります。オイラータービン方程式を用いると、 E / m = e = V w1 U 1となります。ここで、eは流体の単位質量あたりのローターへのエネルギー伝達量です。入口速度三角形から、

Vw1＝Vf1ベビーベッド⁡α1{\displaystyle V_{w1}=V_{f1}\cot \alpha _{1}}

そして

U1＝Vf1（ベビーベッド⁡α1＋ベビーベッド⁡β1）、{\displaystyle U_{1}=V_{f1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}),}

したがって

e＝Vf12ベビーベッド⁡α1（ベビーベッド⁡α1＋ベビーベッド⁡β1）.{\displaystyle e=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}).}

出口における単位質量あたりの運動エネルギー損失はV f2 2 /2です。したがって、摩擦を無視すると、ブレード効率は次のようになります

ηb＝e（e＋Vf22/2）、{\displaystyle \eta_{b}={e\over(e+V_{f2}^{2}/2)},}

すなわち

ηb＝2Vf12（ベビーベッド⁡α1（ベビーベッド⁡α1＋ベビーベッド⁡β1））Vf22＋2Vf12（ベビーベッド⁡α1（ベビーベッド⁡α1＋ベビーベッド⁡β1））.{\displaystyle \eta_{b}={\frac {2V_{f1}^{2}(\cot\alpha_{1}(\cot\alpha_{1}+\cot\beta_{1}))}{V_{f2}^{2}+2V_{f1}^{2}(\cot\alpha_{1}(\cot\alpha_{1}+\cot\beta_{1}))}}\,.}

反応度

実際の速度図。出口速度の渦成分がゼロではないことを示しています。

反作用度は、流体の全エネルギー変化に対するブレードの圧力エネルギー変化の比として定義できます。[ 5 ]これは、タービンのブレードで発生する流体の圧力エネルギーの総変化の割合を示す比率であることを意味します。残りの変化は、タービンのステータブレードと、断面積が変化する渦巻きケーシングで発生します。たとえば、反作用度が50％とされている場合、流体の全エネルギー変化の半分はローターブレードで発生し、残りの半分はステータブレードで発生することを意味します。反作用度がゼロの場合、ローターブレードによるエネルギー変化はゼロであることを意味し、ペルトン水車と呼ばれる別のタービン設計につながります。

R＝1−V12−V222e＝1−V12−Vf222e{\displaystyle R=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}{2e}}=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}}{2e}}}

フランシス水車の場合、流量は放射状であるため、上記の2番目の等式は成立する。ここで、上記の「e」の値を代入し、(as ) を用いてV12−Vf22＝Vf12ベビーベッド⁡α2{\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}Vf2＝Vf1{\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}

R＝1−ベビーベッド⁡α12（ベビーベッド⁡α1＋ベビーベッド⁡β1）{\displaystyle R=1-{\frac {\cot \alpha _{1}}{2(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1})}}}

用途

スイス製小型フランシス水車

フランシス水車は、幅広い落差と流量に合わせて設計できます。この汎用性と高い効率性により、フランシス水車は世界で最も広く使用されている水車となっています。フランシス型ユニットは40～600m（130～2,000フィート）の落差範囲をカバーし、接続された発電機の出力はわずか数キロワットから最大1000MWまで変化します。大型フランシス水車は、各施設ごとに個別に設計され、所定の水量と水頭で可能な限り最高の効率、通常は90%以上（最大99% [ 6 ]） で運転します

ペルトン水車とは対照的に、フランシス水車は常に満水状態で最適な運転状態となります。水車と排水路は湖面または海面よりも低い位置に設置できるため、キャビテーションの発生を抑えることができます。

発電に加えて、揚水発電にも利用されます。揚水発電では、電力需要が低い時期には、発電機（大型電動機として機能）で駆動されるタービン（ポンプとして機能）によって貯水池に水が貯められ、その後、需要がピークに達すると逆回転して発電に利用されます。これらの揚水発電貯水池は、高架貯水池に水の形で「余剰」電気エネルギーを貯蔵する大規模なエネルギー貯蔵源として機能します。これは、一時的に余剰の電力容量を貯蔵し、後で利用できるようにするための数少ない方法の一つです。

参照

ウィキメディア・コモンズには、フランシス・タービンに関連するメディアがあります

引用

  1. ^ a b c Lewis, BJ; Cimbala, JM; Wouden, AM (2014-03-01). 「水車とフランシス水力タービンの設計における主要な歴史的発展」 . IOPカンファレンスシリーズ：地球と環境科学. 22 (1) 012020. Bibcode : 2014E&ES...22a2020L . doi : 10.1088/1755-1315/22/1/012020 . ISSN  1755-1315 .この記事には、 CC BY 3.0ライセンス の下で利用可能なこのソースからのテキストが組み込まれています。
  2. ^ポール・ブリーズ著『発電技術（第3版）』、2019年
  3. ^ 「設計概要」Harlaw Hydro . 2015年11月13日. 2024年7月2日閲覧。
  4. ^ 「ローウェル・ノート – ジェームズ・B・フランシス」(PDF) .国立公園局. 2016年3月10日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  5. ^ Bansal, RK (2010).流体力学と油圧機械の教科書（改訂第9版）. インド: Laxmi publications. pp.  880– 883.
  6. ^ L. Suo、... H. Xie、「包括的再生可能エネルギー」、2012年

一般参考文献

  • レイトン、エドウィン・T. 『経験則から科学工学へ：ジェームズ・B・フランシスとフランシス水車の発明』 NLAモノグラフシリーズ。ニューヨーク州ストーニーブルック：ニューヨーク州立大学研究財団、1992年。OCLC 1073565482 
  • SM Yahya、ページ番号13、図1.14。
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