JP2006029198A - フランシス型水力機械のランナの組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フランシス形ランナの溶接組立方法にあたり、充分な作業スペースを確保する。
【解決手段】クラウン２とバンド３の間に挟まれた環状の空間内に複数の羽根を並べて構成するランナの組立方法であって、羽根は、互いに隣接しない第１の羽根６、８、１０と、第１の羽根同士の間に周方向にはさまれて配置される第２の羽根５、７、９とを有し、第２の羽根はそれぞれ半径方向に複数に分割された羽根分割片から構成されており、当該組立方法は、クラウンおよびバンドと、第１の羽根とを溶接する第１の工程と、第２の羽根を構成する羽根分割片を、クラウンおよびバンドに対して、半径方向に順次溶接する第２の工程と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水車またはポンプ水車あるいはポンプのフランシス形水力機械のランナの溶接による組立方法に係り、特に、羽根同士の間隔が狭いランナに好適な組立方法に関する。

従来の水車のフランシス形ランナの例を、図７を参照しながら説明する（たとえば、特許文献１参照）。フランシス形ランナ１は、鉛直回転軸２０の周りに回転可能に構成され、上部に広がるクラウン２と、下部に広がるバンド３と、これらの間に挟まれた放射状流路４を形成する羽根５とから構成される。

従来、フランシス形ランナ１は、一体鋳造方法、あるいは溶接組立方法により製作される。一体鋳造方法による場合は、クラウン２、バンド３および羽根５を砂型等の鋳型で作り、その鋳型内に溶解した金属を流し込み、金属が冷却後に鋳型より取り出す。その後、機械加工、材料の健全性を確認するための非破壊検査、欠陥部の溶接補修、流路４の整形などを行なってフランシス形ランナとして完成させる。

また、溶接組立方法による場合は、クラウン２、バンド３および羽根５を個々に鋳型で作り、溶解した金属を鋳込み後、機械加工、材料の健全性を確認するための非破壊検査、欠陥部の溶接補修等を行なって素材単品として完成させる。その後、各々の素材を一体に組み立て、クラウン２と羽根５の溶接およびバンド３と羽根５の溶接を行なう。溶接後に溶接部の非破壊検査、機械加工、溶接補修および流路４の整形等を行なって、フランシス形ランナとして完成させる。

この溶接組立方法の場合には、初めにクラウン２あるいはバンド３のいずれかの素材の流路４に羽根５の素材の全数組立を行ない、次に残りのバンド３あるいはクラウン２の素材を組み立てた上で一体にする方法も多く採用されている。
特公昭６０−４１２３３号公報

しかしながら、経済性の観点から水車を高落差化した場合には、ランナの比速度が小さく且つより小型化されることから、羽根流路間が狭くなり、あるいはより高性能化を図るために羽根枚数を増やした場合にも羽根流路間が狭くなる。このため、人間系による溶接や整形が困難なランナについては、鋳造のままの形状として、性能をある程度犠牲にしたランナとするか、あるいは人間が入れなくとも可能な特殊な治具を用いて、溶接、グラインダ整形および検査等を長時間かけてしなければならなくなる。このような事情から、品質の面からも、製作はきわめて困難であった。

流路が狭隘化された場合には、特に溶接作業では手溶接への依存度が高くなる一方、作業条件の悪い場所で、不自然な体勢での連続作業を作業者に強いることになり、作業者の疲労度が増して作業効率も低下する。また、溶接部は欠陥を発生させないように細心の注意と管理を行なう必要がある。

したがって従来は、高落差化によるランナの小型化あるいは羽根枚数の増加等により、人間が入って作業できないような狭さの流路となる場合には、人間が作業できる大きさとなるまで水車出力を増大したランナに設計変更して製作せざるをえなかった。

そこで本発明は、フランシス形ランナの小型化あるいは羽根枚数の増加等に対応できる溶接組立方法をとることにより、充分な作業スペースを確保し、作業者の疲労度の軽減、溶接部の高品質化、ランナ製作日程の短縮化、ロボット化等を可能とすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、上部壁を構成するクラウンと、環状の下部壁を構成するバンドと、これらクラウンおよびバンドの間に挟まれた環状の空間内に互いに間隔をあけて周方向に並べて配置されて半径方向に延びる少なくとも４枚の羽根と、を有し、軸周りに回転するように構成されたフランシス型水力機械のランナの組立方法であって、前記羽根は、互いに隣接しない複数枚の第１の羽根と、前記第１の羽根同士の間に周方向にはさまれて配置される複数枚の第２の羽根とを有し、前記第２の羽根はそれぞれ半径方向に複数に分割された羽根分割片から構成されており、当該組立方法は、前記クラウンおよびバンドと、前記第１の羽根とを溶接する第１の工程と、前記第１の工程の後に、前記羽根分割片を、前記クラウンおよびバンドに対して、半径方向に順次溶接する第２の工程と、を有すること、を特徴とする。
請求項１の発明によれば、ランナの溶接組立作業等の際に、充分に広い作業スペースを確保でき、作業性が向上する。

また、請求項２に記載の発明は、上部壁を構成するクラウンと、環状の下部壁を構成するバンドと、これらクラウンおよびバンドの間に挟まれた環状の空間内に互いに間隔をあけて周方向に並べて配置されて半径方向に延びる少なくとも４枚の羽根と、を有し、軸周りに回転するように構成されたフランシス型水力機械のランナの組立方法であって、前記羽根は、互いに隣接しない複数枚の第１の羽根と、前記第１の羽根同士の間に周方向にはさまれて配置される複数枚の第２の羽根とを有し、前記第２の羽根はそれぞれ半径方向に複数に分割された羽根分割片から構成されており、当該組立方法は、前記クラウンおよびバンドと、前記第１の羽根および、前記第２の羽根を構成する羽根分割片のうちの外径側の羽根分割片のみとを溶接する第１の工程と、前記第１の工程の後に、前記外径側の羽根分割片を除く残りの前記羽根分割片を他の羽根分割片に順次隣接させて、前記クラウンおよびバンドに対して溶接する第２の工程と、を有すること、を特徴とする。
請求項２の発明によれば、ランナの溶接組立作業等の際に、充分に広い作業スペースを確保でき、作業性が向上する。

また、請求項３に記載の発明は、上部壁を構成するクラウンと、環状の下部壁を構成するバンドと、これらクラウンおよびバンドの間に挟まれた環状の空間内に互いに間隔をあけて周方向に並べて配置されて半径方向に延びる複数枚の羽根と、を有し、軸周りに回転するように構成されたフランシス型水力機械のランナの組立方法であって、前記複数枚の羽根は、それぞれ半径方向に複数に分割された羽根分割片から構成されており、当該組立方法は、前記クラウンおよびバンドと、前記各羽根分割片のうちの外径側の部分のみとを溶接する第１の工程と、前記第１の工程の後に、前記外径側の部分を除く残りの前記羽根分割片を他の羽根分割片に順次隣接させて、前記クラウンおよびバンドに対して溶接する第２の工程と、を有すること、を特徴とする。
請求項３の発明によれば、ランナの溶接組立作業等の際に、充分に広い作業スペースを確保でき、作業性が向上する。

本発明による溶接組立ランナの羽根組立方法によれば、フランシス形ランナの小型化あるいは羽根枚数の増加等に対応して、充分な作業スペースを確保でき、作業者の疲労度を軽減、溶接部の高品質化、ランナ製作日程の短縮化、ロボット化等をも可能になる。

以下、本発明による溶接組立ランナの羽根組立方法についての最良の実施の形態を図１〜図６を参照して説明する。ただし、従来技術と、または互いに、共通もしくは類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は適宜省略する。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態として、周方向にほぼ等間隔に配置される６枚の羽根を有するフランシス形ポンプ水車ランナの一例を、図１および図２を用いて説明する。これらの図は、個別に鋳造や鍛造あるいは板等によって製作されたクラウン２、羽根５〜１０およびバンド３を一体に溶接組立するフランシス形ランナ（以下、単に「ランナ」と呼ぶ）の組立完了後の形状を示す。

６枚の羽根５〜１０のうち、１枚おきの羽根（分割羽根）５、７、９は、それぞれ、分割線１１により流水方向（半径方向）に複数に分割された羽根分割片（部分羽根）から構成されている。本実施の形態では羽根５は羽根分割片５ａ、５ｂ、５ｃからなり、羽根７は羽根分割片７ａ、７ｂ、７ｃからなり、羽根９は羽根分割片９ａ、９ｂ、９ｃからなる。他の羽根（一体羽根）６、８、１０はそれぞれ一体でできている。

このランナを製作する場合は、初めに、たとえばクラウン２と、それぞれ一体羽根６、８、１０を適正配置した上で溶接組立し、その後にバンド３を適正配置した上で溶接組立して一体にするとともに、流路等の研削整形作業を行なう。

次に、分割羽根５、７、９各々の羽根分割片５ａ、５ｂ、５ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃおよび９ａ、９ｂ、９ｃのうち、外径側の５ａ、７ａ、９ａを、すでに溶接組立済みの一体羽根（６、８、１０）にはさまれた流路間の適正位置に組込みして溶接組立するとともに、流路等の研削整形作業を行なう。この溶接作業に際しては、羽根５、７、９各々における内径側の羽根分割片５ｂ、７ｂ、９ｂおよび５ｃ、７ｃ、９ｃはまだ組み込まれていないため、作業者が内径側に入る充分な作業スペ−スが確保されて、問題なく溶接作業や研削整形作業を行なえる。

外径側の５ａ、７ａ、９ａの溶接組立および研削整形作業後に、その内径側に隣接の羽根分割片５ｂ、７ｂ、９ｂを、羽根外径側を先頭にランナ内径側より適正位置に組込みの上、外径側に隣接する５ａ、７ａ、９ａおよびクラウン２、バンド３との溶接組立等の作業を行なう。さらにその内径側に隣接する羽根分割片５ｃ、７ｃ、９ｃも同様の方法で組込みの上、溶接組立等の作業を行なう。

従来、流路が狭隘化した一体鋳造方法のランナや溶接組立方法のランナでは、溶接作業、非破壊検査作業、鋳造欠陥・溶接欠陥部等の溶接補修作業および研削整形作業等が困難になる等、多くの支障を来していたが、この実施の形態によれば、従来方法に増して広い作業スペ−スを確保した状態の下で溶接組立作業等を行なうことが可能である。したがって、溶接作業等の作業性が向上するとともに、溶接部の高品質化やランナ製作日程の短縮化が可能である。

なお、上記説明では、羽根分割片の溶接順序として、初めに最外径側羽根分割片５ａ、７ａ、９ａを溶接し、その後、順次内径側羽根分割片を溶接して最後に最内径側の羽根分割片５ｃ、７ｃ、９ｃを溶接することとした。しかし、この順序は逆に、初めに最内径側の羽根分割片を溶接して最後に最外径側羽根分割片を溶接してもよい。

さらに、初めに中間部の羽根分割片５ｂ、７ｂ、９ｂを溶接し、その後、外径側羽根分割片と内径側の羽根分割片を溶接片を溶接してもよい。要は、最外径側からまたは最内径側から人が手を延ばすなどによって溶接作業をするときに、手前の羽根分割片がすでに溶接されていて邪魔になることが避けられればよい。

図３は第１の実施の形態の変形例として、７枚（奇数枚）の羽根を有するランナの場合の例を示す。この場合には、羽根分割片５ａ、５ｂ、５ｃからなる分割羽根５に周方向に隣接する羽根１２も、羽根分割片１２ａ、１２ｂ、１２ｃに分割されており、これらは、クラウン２と一体羽根６、８、１０とが溶接され、さらにバンド３が溶接された後に溶接される。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態における一体羽根６、８、１０をクラウン２とバンド３とに同一工程で溶接組立するものである。分割羽根５、７、９については第１の実施の形態と同様に、たとえば外径側の羽根分割片５ａ、７ａ、９ａから順次挿入しながら溶接組立する。この場合、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態のランナは、図４に示すように、分割羽根５、７、９の外径側の羽根分割片５ａ、７ａ、９ａ各々の出口端（内径側端部）と周方向に隣接する一体羽根６、８、１０との開度（以下、羽根間開度）１３が、一般的に人間が入って手溶接やその後の研削整形作業等の作業を行なうことが可能と考えられる最小の２３０ｍｍ程度として構成されている。

このランナの組立にあたっては、初めの、一体羽根６、８、１０とクラウン２との溶接組立時に、分割羽根のうちの、上記したように羽根間開度１３が２３０ｍｍ程度以上の部分である外径側の羽根分割片５ａ、７ａ、９ａの部分（長さＬ）も、併せてクラウン２に溶接組立する。ここで、隣接する羽根間の開度は、内径側ほど小さくなるのはいうまでもない。

分割羽根５、７、９の内径側の羽根分割片については、バンド３を溶接組立した後に外径側の５ｂ、７ｂ、９ｂから順次挿入しながら溶接組立する。この場合、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態では、第２の実施の形態における初めの、一体羽根６、８、１０とクラウン２およびバンド３との溶接組立時に、第３の実施の形態と同様に分割羽根５、７、９における外径側の羽根分割片５ａ、７ａ、９ａもクラウン２とバンド３とに同一工程で溶接組立するものである。分割羽根５、７、９の内径側の羽根分割片５ｂ、７ｂ、９ｂ、５ｃ、７ｃ、９ｃについては、第３の実施の形態と同様に外径側から順次挿入しながら溶接組立する。この場合、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態を図５を用いて説明する。図５に示すように、外径側の羽根分割片５ａ、７ａ、９ａの出口端における羽根間開度１３は２３０ｍｍ程度とし、その内径側の羽根分割片５ｂ、７ｂ、９ｂの出口端における羽根間開度１４は人間が入っての作業が不可能と考えられる２３０ｍｍ未満として構成している。

このランナを製作する場合は、第３、第４の実施の形態と同様に、まず、初めの、一体羽根６、８、１０とクラウン２およびバンド３との溶接組立時に、分割羽根５、７、９の外径側の羽根分割片５ａ、７ａ、９ａもクラウン２とバンド３とに溶接組立する。この後、残された内径側の羽根分割片を外径側の５ｂ、７ｂ、９ｂから順次挿入しながら溶接組立する。

上記したように、羽根分割片５ｂ、７ｂ、９ｂの出口端（内径側端部）から人間が体を挿入しての作業は不可能なため、この羽根分割片５ｂ、７ｂ、９ｂの長さ（Ｌ２）は、体を挿入せずとも腕を伸ばして作業が可能な７００ｍｍ程度以下に限定したものとする。これにより、体を挿入しての不自然な体勢での作業が軽減されて作業性がさらに向上する。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態を図６を用いて説明する。この実施の形態は、６枚のすべての羽根５〜１０を分割線１１により流水方向（半径方向）に複数（本実施の形態では３片）の羽根分割片に各々分割して分割羽根としたものである。外径側の羽根分割片５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａの出口端（内径側端部）の羽根間開度１３は、一般的に人間が入っての溶接作業等が可能と考えられる最小の２３０ｍｍ程度となるように構成されている。

このランナを製作する場合は、初めに、上記外径側の羽根分割片５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａとクラウン２とを溶接組立の上、バンド３を溶接組立する。残りの内径側の羽根分割片については、バンド３を溶接組立した後に、外径側の羽根分割片５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂから順次挿入しながら溶接組立する。この場合、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。

［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態は、第６の実施の形態における外径側の羽根分割片５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａをクラウン２とバンド３とに同一工程で溶接組立する。残りの内径側の羽根分割片については、第６の実施の形態と同様に、外径側の５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂから順次挿入しながら溶接組立する。この場合、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。

本発明に係る溶接組立ランナの羽根組立方法の第１または第２の実施の形態によって組み立てられた溶接組立ランナの模式的立断面図。 図１の溶接組立ランナの流れ方向に沿う模式的平断面図。 図１の溶接組立ランナの、図２とは異なる変形例の流れ方向に沿う模式的平断面図。 本発明に係る溶接組立ランナの羽根組立方法の第３または第４の実施の形態によって組み立てられた溶接組立ランナの流れ方向に沿う模式的平断面図。 本発明に係る溶接組立ランナの羽根組立方法の第５の実施の形態によって組み立てられた溶接組立ランナの流れ方向に沿う模式的平断面図。 本発明に係る溶接組立ランナの羽根組立方法の第６または第７の実施の形態によって組み立てられた溶接組立ランナの流れ方向に沿う模式的平断面図。 従来の溶接組立ランナの模式的立断面図。

符号の説明

１…フランシス形ランナ、２…クラウン、３…バンド、４…流路、５〜１０…羽根、５ａ〜１０ａ，５ｂ〜１０ｂ，５ｃ〜１０ｃ…羽根分割片、１２…羽根、１１…分割線、２０…回転軸。

Claims (3)

1. 上部壁を構成するクラウンと、環状の下部壁を構成するバンドと、これらクラウンおよびバンドの間に挟まれた環状の空間内に互いに間隔をあけて周方向に並べて配置されて半径方向に延びる少なくとも４枚の羽根と、を有し、軸周りに回転するように構成されたフランシス型水力機械のランナの組立方法であって、
   前記羽根は、互いに隣接しない複数枚の第１の羽根と、前記第１の羽根同士の間に周方向にはさまれて配置される複数枚の第２の羽根とを有し、前記第２の羽根はそれぞれ半径方向に複数に分割された羽根分割片から構成されており、
   当該組立方法は、
   前記クラウンおよびバンドと、前記第１の羽根とを溶接する第１の工程と、
   前記第１の工程の後に、前記羽根分割片を、前記クラウンおよびバンドに対して、半径方向に順次溶接する第２の工程と、
   を有すること、を特徴とするフランシス型水力機械のランナの組立方法。
2. 上部壁を構成するクラウンと、環状の下部壁を構成するバンドと、これらクラウンおよびバンドの間に挟まれた環状の空間内に互いに間隔をあけて周方向に並べて配置されて半径方向に延びる少なくとも４枚の羽根と、を有し、軸周りに回転するように構成されたフランシス型水力機械のランナの組立方法であって、
   前記羽根は、互いに隣接しない複数枚の第１の羽根と、前記第１の羽根同士の間に周方向にはさまれて配置される複数枚の第２の羽根とを有し、前記第２の羽根はそれぞれ半径方向に複数に分割された羽根分割片から構成されており、
   当該組立方法は、
   前記クラウンおよびバンドと、前記第１の羽根および、前記第２の羽根を構成する羽根分割片のうちの外径側の羽根分割片のみとを溶接する第１の工程と、
   前記第１の工程の後に、前記外径側の羽根分割片を除く残りの前記羽根分割片を他の羽根分割片に順次隣接させて、前記クラウンおよびバンドに対して溶接する第２の工程と、
   を有すること、を特徴とするフランシス型水力機械のランナの組立方法。
3. 上部壁を構成するクラウンと、環状の下部壁を構成するバンドと、これらクラウンおよびバンドの間に挟まれた環状の空間内に互いに間隔をあけて周方向に並べて配置されて半径方向に延びる複数枚の羽根と、を有し、軸周りに回転するように構成されたフランシス型水力機械のランナの組立方法であって、
   前記複数枚の羽根は、それぞれ半径方向に複数に分割された羽根分割片から構成されており、
   当該組立方法は、
   前記クラウンおよびバンドと、前記各羽根分割片のうちの外径側の部分のみとを溶接する第１の工程と、
   前記第１の工程の後に、前記外径側の部分を除く残りの前記羽根分割片を他の羽根分割片に順次隣接させて、前記クラウンおよびバンドに対して溶接する第２の工程と、
   を有すること、を特徴とするフランシス型水力機械のランナの組立方法。
   
   

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