ドラフトチューブ完全ガイド：設計、機能、用途

ドラフトチューブとは

ドラフトチューブは、カプラン、フランシス、反動タービンなど、ほとんどのタイプのタービンにおける必須コンポーネントです。このコンポーネントは、ランナーの出口をテールレースに接続する、断面積が徐々に増加するように設計されたパイプのようなものです。その二つの端のうち、一方はランナー出口に接続され、もう一方はテールレースの水位より下に水没しています。このコンポーネントでは、運動エネルギーが静圧に変換されます。

本記事では、ドラフトチューブの定義、用途、機能、図、種類、作動について解説します。また、ドラフトチューブのさまざまな用途における利点と欠点についても説明します。

ドラフトチューブの定義

ドラフトチューブは、タービンの出口または出口付近に一般的に取り付けられる接続パイプで、出口での水の運動エネルギーを静圧に変換するためのものです。このコンポーネントにより、水の運動エネルギーの浪費を防ぎます。ドラフトチューブでは、入口付近の直径が小さく、出口付近で大きくなっています。この出口は常に水中に水没しています。鋳鋼とセメントコンクリートがドラフトチューブの製造材料として使用されます。

前述の通り、ドラフトチューブは一般的に反動、カプラン、フランシスタービンなどの動力タービンで使用されます。システムはランナーの直下に位置し、ランナーから出る流れの速度を減速させます。

ドラフトチューブは、バックフロー（逆流）の問題を避けるためにタービンで使用され、タービン出口とテールレースの間に位置します。ペルトンやインパルスタービンのようなタービンは、タービンに利用可能な水頭が非常に大きいためドラフトチューブを必要としません。これによりタービン出口で大気圧以上の圧力が生じます。タービン出口での水の大気圧以上の圧力により、水のバックフローは決して発生しません。

ドラフトチューブの用途

タービンにおけるドラフトチューブの用途は上記で既に言及されています。低いタービン出口圧力から、流体が排出される周囲の圧力へ圧力を上昇させるために使用されます。ドラフトチューブの主な機能は、水の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換し、水の速度を低下させ、テールレースに合流する前に水圧を上昇させることです。このパイプは、断面積を徐々に増加させるために使用されます。

ドラフトチューブの図：

カプランタービンにおけるドラフトチューブ。

ドラフトチューブの種類

以下にさまざまな種類のドラフトチューブを示します：

円錐形ドラフトチューブ

円錐形ドラフトチューブは、流れ方向が直線的で拡散型です。通常、軟鋼板で作られ、テーパー形状の設計を持ち、入口より大きな外径を持ちます。ドラフトチューブのテーパー角は、流れがドラフトチューブの壁から離れる拡散を誘発しないよう、あまり広くありません。また、角度が短すぎると、運動エネルギーの実質的な損失を提供するためにより長いドラフトチューブが必要になります。

シンプルエルボドラフトチューブ

これらのドラフトチューブはエルボの形状を持ちます。カプランタービンでよく使用されます。断面積はドラフトチューブの全長で一定ですが、入口と出口は円形です。エルボドラフトチューブは低水頭位置で使用され、タービンがテールレースの隣に設置されます。これにより掘削費用を最小限に抑え、出口直径をランナー出口での運動エネルギー回収に十分な幅にできます。

ムーディードラフトチューブ

ムーディードラフトチューブでは、出口が2つのセクションに分割され、入口は1つです。このチューブは円錐形ドラフトチューブに似ています。ムーディードラフトチューブは水の渦運動を低減するのに役立ちます。

可変断面エルボドラフトチューブ

可変断面を持つこれらのドラフトチューブは、シンプルエルボドラフトの改良版です。入口は円形、出口は長方形です。一般的に、ドラフトチューブの水平セクションは空気が出口領域に到達しないよう傾斜しています。ドラフトチューブは入口から出口にかけて断面が変化します。この出口はテールレースの下にあります。

ドラフトチューブの作動

タービンにおけるドラフトチューブの作動は複雑ではなく、容易に理解できます。カプランとフランシスタービンの場合、入口での利用可能水頭が低いため、タービンをテールレースに非常に近く配置する必要があります。これにより最大水頭を得られます。水の圧力の大部分はタービンの機械的エネルギーに変換されます。タービン出口での圧力水頭は大気圧以下です。

タービン出口がテールレース付近にあり、タービン出口での水圧が大気圧より低いため、バックフローが発生する可能性があります。これは水が高圧から低圧へ流れるためで、タービン出口での圧力が大気圧より低く、テールレースでは大気圧であるためです。

このバックフローはタービンとその部品に深刻な損傷を与え、完全な故障を引き起こす可能性があります。このバックフロー問題を避けるため、タービン出口とテールレースの間にドラフトチューブが使用されます。ドラフトチューブは水圧を大気圧まで上昇させます。

ドラフトチューブの作動動画：

ベルヌーイの原理を断面1-1と2-2に適用
[圧力水頭 + 速度水頭 + 高度水頭]₁₋₁ = [圧力水頭 + 速度水頭 + 高度水頭]₂₋₂

ここで
P₁ = 断面1-1（ドラフトチューブ入口）での流体圧力
V₁ = 断面1-1（ドラフトチューブ入口）での流体速度
同様に、
P₂ = 断面2-2（ドラフトチューブ出口）での流体圧力
V₂ = 断面2-2（ドラフトチューブ出口）での流体速度
ρ = 流体密度
g = 重力加速度
h_f = ドラフトチューブでの水頭（エネルギー）損失
H_s = テールレース上のドラフトチューブ垂直高さ
y = ドラフトチューブ底部からテールレースまでの距離
P_a = 流体の大気圧

(P₁/ρg) + (V₁²/2g) + (H_s + y) = (P₂/ρg) + (V₂²/2g) + (0 + h_f)
(P₁/ρg) = (P₂/ρg) - (H_s + y) + (V₂²/2g) - (V₁²/2g) + h_f

断面2-2での圧力水頭は大気圧水頭と距離yに等しい。
(P₂/ρg) = (P_a/ρg) + y
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) + y - H_s - y + (V₂²/2g) - (V₁²/2g) + h_f
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) - H_s + (V₂²/2g) - (V₁²/2g) + h_f

要求に合わせて式を変換（右辺中央で「-」を共通化）
(P₁/ρg) = (P_a/ρg) - H_s - [(V₁²/2g) - (V₂²/2g) - h_f]

上式の[(V₁²/2g) - (V₂²/2g) - h_f]を運動水頭と呼ぶ。
ここで[(V₁²/2g) - (V₂²/2g)]は動水頭。
上式から以下が導ける
(P₁/ρg) < (P_a/ρg)
したがって P₁ < P_a

ドラフトチューブ入口またはタービン出口での圧力水頭は大気圧より小さい。したがって、ドラフトチューブ付きタービンの正味水頭は増加する。

ドラフトチューブの利点と欠点

利点：

ドラフトチューブのさまざまな用途における利点：

• ランナーからの水しぶきを防ぎ、水を直接テールレースへ導く
• テールレースで必要な運動エネルギー量を大幅に低減
• システム性能を向上
• タービン出口とテールレース間の高さが増すことでタービン水頭が上昇

欠点：

ドラフトチューブの唯一の欠点は、システムに追加重量が加わり、ドラフトチューブの初期コストが高いことです。

結論

ドラフトチューブは、カプラン、フランシス、反動タービンなど、ほとんどのタイプのタービンにおける必須コンポーネントです。このコンポーネントは、ランナーの出口をテールレースに接続する、断面積が徐々に増加するように設計されたパイプのようなものです。その目的は、出口での水の運動エネルギーを静圧に変換することです。本記事では、ドラフトチューブの定義、用途、機能、種類、作動について説明しました。

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