ドラフトチューブ

ドラフトチューブはタービンのランナーの出口に取り付けられた分岐管であり、ランナーの出口の水の運動エネルギーを利用するために使用されます。^[1]

タービンの端にあるこのドラフト チューブは、排出される流体の速度を犠牲にして圧力を高めます。つまり、タービンはテール レースからの逆流を心配することなく、圧力を大幅に下げることができます。

衝動タービンでは、利用可能なヘッドが高く、タービンをテールレースより数メートル上に設置しても、効率に大きな影響はありません。しかし、反動タービンの場合、正味ヘッドが低く、タービンをテールレースより上に設置すると、タービンに動力を供給するために利用可能な圧力ヘッドにかなりの損失が生じる可能性があります。また、テールレース内の流体の圧力がタービンの出口よりも高い場合、タービンへの液体の逆流により、重大な損傷が発生する可能性があります。

タービンの出口にドラフトチューブ（ディフューザーチューブまたはパイプとも呼ばれる）を設置すると、出口速度が低下してタービンの圧力ヘッドが増加し、タービンの全体的な効率と出力の両方が向上します。ドラフトチューブは、タービンランナーの出口での運動エネルギーの一部を有用な圧力エネルギーに変換することによって機能します。^[2]

ドラフトチューブを使用すると、タービン構造をテールレースの上に配置できるため、必要な検査をより簡単に行うことができ、建設に必要な掘削量を削減できるという利点もあります。

ドラフト チューブの効率は、ドラフト チューブ内での運動エネルギーから圧力エネルギーへの実際の変換と、ドラフト チューブ入口で利用可能な運動エネルギーの比として定義されます。

ɳ = 入口管と出口管の損失間の運動エネルギーの差/入口での運動エネルギー。

ɳdt = _:${\displaystyle {\frac {(V_{2}^{2}-V_{3}^{2})-2gh_{d}}{V_{2}^{2}}}}$

V ₂ = ドラフトチューブの入口またはタービンの出口での流体の速度

V ₃ = ドラフトチューブ出口における流体の速度

g = 重力加速度

h _d = ドラフトチューブ内のヘッド損失

ドラフトチューブにより、タービンをテールレースの上に設置することができ、同時に、タービンをテールレースに設置した場合と同じ効率で動作させることが可能となる。^[2]

キャビテーションは、局所的な絶対圧力が水温に対する水の飽和蒸気圧を下回ったときに発生します。^[3]ドラフトチューブの高さは、キャビテーションを回避するための重要なパラメータです。ランナーの出口とドラフトチューブの排出点の間にベルヌーイの式を適用します（ドラフトチューブでのヘッド損失は無視します）。

${\displaystyle z_{2}\,+\,{\frac {p_{2}}{\rho g}}\,+\,{\frac {V_{2}^{2}}{2\,g}}\,=\,z_{3}\,+\,{\frac {p_{3}}{\rho g}}\,+\,{\frac {V_{3}^{2}}{2\,g}},}$

z ₂ = z (ドラフトチューブの高さ)

z ₃ = 基準線として参照されるテールレースの高さ（=0）

p ₂ = ランナー出口の圧力

p ₃ = ゲージ圧

${\displaystyle {\frac {p_{2}}{\rho g}}\,=\,-\,\left[z\,+\,{\frac {V_{2}^{2}-V_{3}^{2}}{2\,g}}\right]\,}$

ドラフトチューブは拡散器であるため、V ₃は常にV ₂より小さく、つまりp ₂は常に負であり、したがってドラフトチューブの高さはキャビテーションを回避するための重要なパラメータである。^[1]

1. 円錐形ディフューザーまたは直線拡散管 - このタイプのドラフトチューブは、流れの分離を防ぐために、通常 10° 未満の半角を持つ円錐形ディフューザーで構成されています。通常、低比速度の垂直軸フランシス水車に使用されます。このタイプのドラフトチューブの効率は 90% です。
2. シンプルなエルボ型ドラフトチューブ – 延長されたエルボ型チューブで構成されています。通常、タービンをテールレースの近くに配置する必要がある場合に使用されます。掘削コストを削減するのに役立ち、ランナーの出口で運動エネルギーを回収するために出口直径をできるだけ大きくする必要があります。このタイプのドラフトチューブの効率はほぼ 60% 未満です。
3. 断面が変化するエルボ - 曲げられた部分が断面が変化することと長方形の出口があることを除いて、曲げられたドラフトチューブに似ています。ドラフトチューブの水平部分は、出口端からの空気の侵入を防ぐために、通常上向きに傾斜しています。^[2]