2023 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of cavitation erosion characteristics of a cross-flow turbine blade for utilizing undeveloped hydropower
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21K04964
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
飯尾 昭一郎 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (80377647)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | クロスフロー水車 / キャビテーション / 振動 / 模型試験 / CFD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
クロスフロー水車は他機種と比較して部品点数が少なく単純な構造であり，不等分割流路のガイドベーンを独立開閉することにより優れた変流量特性を示す．これらの特徴から流れ込み式の小規模水力発電に利用されている．クロスフロー水車の課題としては，他機種より最高水車効率が劣ること，気液二相流で運転されることから発電容量の割に振動・騒音が大きいことが挙げられる．さらに高落差条件に適用した事例ではキャビテーションによるランナの壊食が報告されている．これらの課題の解決を目指し，本研究では，振動を誘起する圧力変動の発生位置とされているノズル先端部の形状に着目し，先端部形状が振動および水車性能に与える影響，さらにキャビテーションの発生様相について明らかにすることを目指した．ノズル先端部はランナとの同心円壁面（重なり部）が存在する．重なり部の形状は，円弧壁面の周方向長さと翼端隙間の二要素に分けられる．これらの要素をそれぞれランナブレードピッチとランナ直径で無次元化した重なり率（OR）と間隙率（CR）で整理した．まず，水車設計点において，ORとCRがノズル先端部での圧力変動，翼端漏れおよび水車性能に与える影響をCFD解析により評価した．次に，CF水車の模型試験機による水車効率評価試験，ケーシングの振動測定，ランナブレードと重なり部でのキャビテーションの発生様相の観察を実施した．これらについては，ORの影響に加えて，ガイドベーン開度とランナ回転数の影響についても評価した．以上の検討により，ノズル先端部形状が水車の振動，性能，キャビテーションの発生様相に与える影響を明らかにした．
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