JP2007154786A - Francis turbine runner and hydraulic machine - Google Patents

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木 敏 暁 鈴
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Francis turbine runner which improves hydraulic efficiency in a runner blade by suppressing a secondary flow, and improves a cavitation property by eliminating a local pressure drop in the runner blade. <P>SOLUTION: The Francis turbine runner is provided with a crown 10, a band 12, and a plurality of runner blades 1 disposed between the crown 10 and the band 12. When the shape of the runner blade 1 is developed on the meridional plane of the runner blade 1, a virtual circle 20 which is formed so as to internally contact with the band 12 and the crown 10 is interposed between a runner blade inlet end 2 and a runner blade outlet end 13. When the virtual circle contacts with the band 12 at a point other than a cross point Ps where the runner blade inlet end 2 and a band water flowing surface 3 cross, the diameter W of the virtual circle 20 is minimum. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高い水力効率を示し、キャビテーション特性の優れたフランシス形水車ランナおよび水力機械に関する。   The present invention relates to a Francis turbine runner and a hydraulic machine that exhibit high hydraulic efficiency and excellent cavitation characteristics.

水力機械の内部に水が流れる際、運転点によっては二次流れやそれに起因する水力損失が発生し、圧力や速度などの物理量が急激に変化することもあるが、効率向上の点からは、このような物理量をなるべく単調な分布とすることが求められている。このため従来のフランシス形水車ランナでは、できる限り滑らかで単調な形状変化となるように設計されている。   When water flows inside the hydraulic machine, depending on the operating point, a secondary flow or hydraulic loss resulting from it may occur, and physical quantities such as pressure and speed may change suddenly. Such physical quantities are required to have a monotonous distribution as much as possible. For this reason, the conventional Francis turbine runner is designed to be as smooth and monotonous as possible.

図７(a)は、従来のフランシス形水車ランナ形状の子午面上への展開図、すなわち子午面形状図を示している。また図７（ｂ）においては、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからのバンド流水面に沿った子午面距離Ｌを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる前記交点Ｐｓからランナ羽根出口端部１３とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｅまでの子午面距離Ｌｂで割った子午面距離比Ｌ／Ｌｂが横軸に示され、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成されるある仮想円２０の直径（子午面流路幅）Ｗを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおいてバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径（入口子午面流路幅）Ｗｓで割った子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓが縦軸に示されている。   FIG. 7A shows a development view on the meridian surface of the conventional Francis turbine runner shape, that is, a meridional shape diagram. In FIG. 7B, the meridian plane distance L along the band flow surface from the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect is represented by the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3. The meridian plane distance ratio L / Lb divided by the meridional plane distance Lb from the intersection point Ps where the crossing point intersects the intersection point Pe where the runner blade outlet end 13 and the band flow surface 3 intersect is shown on the horizontal axis, and the band 12 and the crown The diameter (meridional surface flow path width) W of an imaginary circle 20 formed so as to be inscribed with the band 10 is equal to the band 12 and the crown 10 at the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect. The meridian channel flow width ratio W / Ws divided by the diameter (inlet meridian channel flow width) Ws of the virtual circle 20 formed so as to contact is shown on the vertical axis.

図７（ｂ）から分かるように、子午面流路幅はランナ羽根入口端部２からランナ羽根出口端部１３にかけて単調に増加する形状となっている。   As can be seen from FIG. 7 (b), the meridian flow path width has a shape that monotonously increases from the runner blade inlet end 2 to the runner blade outlet end 13.

ここで子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対する圧力面１ａと負圧面１ｂにおける圧力係数Ｃｐの変化を示すと、図８のようになる。この圧力係数Ｃｐは、ランナ羽根１表面の静圧を基準圧力と水車有効落差で無次元化したものであるため、圧力分布を反映させたものになっている。   Here, changes in the pressure coefficient Cp on the pressure surface 1a and the suction surface 1b with respect to the meridional surface distance ratio L / Lb are shown in FIG. The pressure coefficient Cp reflects the pressure distribution because the static pressure on the surface of the runner blade 1 is made dimensionless by the reference pressure and the effective head of the turbine.

図８に示すように、従来ランナ羽根１の負圧面１ｂにおける圧力は、ランナ羽根入口端部２付近で一度局所的に低下し（Ａ部）、その下流側で回復（Ｂ部）した後、ランナ羽根出口端部１３にかけて再び低下していく分布になる。この圧力分布の非単調性は二次流れによる水の流れの効率を低下させる原因となり、またＡ部における局所的な圧力降下が大きくなれば入口キャビテーションが発生する場合もある。   As shown in FIG. 8, the pressure on the suction surface 1 b of the conventional runner blade 1 is locally reduced once in the vicinity of the runner blade inlet end portion 2 (A portion) and recovered on the downstream side (B portion). The distribution gradually decreases toward the runner blade outlet end 13. This non-monotonicity of the pressure distribution causes a reduction in the efficiency of the water flow due to the secondary flow, and inlet cavitation may occur if the local pressure drop in the portion A increases.

このような好ましくない圧力分布を改善して二次流れやそれによる効率低下を抑制するために、ランナ羽根１の形状を微少範囲内で適正化することは提案されている（例えば特許文献１及び非特許文献１）。
特開２００４−４４４０９ 日本工業出版「ハイドロタービン」 In order to improve such an unfavorable pressure distribution and suppress the secondary flow and the efficiency decrease caused thereby, it has been proposed to optimize the shape of the runner blade 1 within a very small range (for example, Patent Document 1 and Non-patent document 1).
JP 2004-44409 A Nippon Kogyo Publishing "Hydro Turbine"

しかしながらランナ羽根１の形状を微少範囲内で適正化することでは、負圧面１ｂの圧力分布が比較的小さくしか変化しないのに対して、ランナ羽根１の圧力面１ａの圧力分布が大きく変化してしまう傾向がある。このため、ランナ羽根１の負圧面１ｂの圧力分布を適正化するには、ランナ羽根１の形状を大幅に変更する必要があり、設計仕様からずれるなど、新たな問題点が浮上する。   However, by optimizing the shape of the runner blade 1 within a very small range, the pressure distribution on the suction surface 1b changes only relatively small, whereas the pressure distribution on the pressure surface 1a of the runner blade 1 changes greatly. There is a tendency to end up. For this reason, in order to optimize the pressure distribution on the suction surface 1b of the runner blade 1, it is necessary to significantly change the shape of the runner blade 1, and new problems such as deviation from the design specifications emerge.

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、二次流れを抑制してランナ羽根内における水力効率を向上させ、かつランナ羽根内の局所的な圧力降下を解消してキャビテーション特性を改善することができるフランシス形水車ランナを提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such points, and suppresses secondary flow to improve hydraulic efficiency in the runner blades, and eliminates a local pressure drop in the runner blades. An object of the present invention is to provide a Francis turbine runner capable of improving the characteristics.

本発明は、クラウンと、バンドと、前記クラウンと前記バンドとの間に配置された複数枚のランナ羽根とを備えたフランシス形水車ランナにおいて、前記ランナ羽根の形状を前記ランナ羽根の子午面上へ展開して見た場合に、前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される仮想円が、前記ランナ羽根入口端部と前記ランナ羽根出口端部との間であって、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンドに接する際、当該仮想円の直径Ｗが最小となるようにしたことを特徴とするフランシス形水車ランナ。   The present invention provides a Francis type turbine runner having a crown, a band, and a plurality of runner blades disposed between the crown and the band, and the shape of the runner blade is set on the meridian plane of the runner blade. When expanded, the virtual circle formed to be inscribed in the band and the crown is between the runner blade inlet end and the runner blade outlet end, and the runner blade inlet A Francis turbine runner characterized in that the diameter W of the imaginary circle is minimized when contacting the band at a point other than the intersection Ps where the end and the band flow surface intersect.

本発明によれば、二次流れを抑制してランナ羽根内における水力効率を向上させ、かつランナ羽根内の局所的な圧力降下を解消してキャビテーション特性を改善するフランシス形水車ランナ及び水力機械を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a Francis turbine runner and hydraulic machine that suppresses secondary flow to improve hydraulic efficiency in the runner blades and eliminates a local pressure drop in the runner blades to improve cavitation characteristics. Can be provided.

第１の実施の形態
以下、本発明に係るランシス形水車ランナの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１（ａ）（ｂ）乃至図３は本発明の第１の実施の形態を示す図である。このうち図１(a)は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示している。 First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of a ransis type turbine runner according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, FIGS. 1A and 1B to FIG. 3 are views showing a first embodiment of the present invention. Among these, Fig.1 (a) has shown the meridian surface figure of the Francis type turbine runner in this Embodiment.

図１（ａ）に示すように本発明によるフランシス形水車ランナは、クラウン１０と、バンド１２と、これらクラウン１０およびバンド１２間に配置される複数枚のランナ羽根１とを備えている。   As shown in FIG. 1A, the Francis-type turbine runner according to the present invention includes a crown 10, a band 12, and a plurality of runner blades 1 disposed between the crown 10 and the band 12.

このうちランナ羽根１は、図１（ａ）に示すように、水の流入する側に設けられたランナ羽根入口端部２と、水の流出する側に設けられたランナ羽根出口端部１３とを有している。   Among these, as shown in FIG. 1A, the runner blade 1 includes a runner blade inlet end portion 2 provided on the water inflow side, and a runner blade outlet end portion 13 provided on the water outflow side. have.

図１（ａ）（ｂ）に示すように、このランナ羽根１の形状を、ランナ羽根１の子午面上へ展開して見た場合に、仮想円２０がランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点Ｐでバンド１２に接する際に、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径（子午面流路幅）Ｗが、最小となっている。   As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), when the shape of the runner blade 1 is developed on the meridian surface of the runner blade 1, an imaginary circle 20 has the runner blade inlet end 2 and the runner blade. When in contact with the band 12 at a point P between the outlet end 13 and a point Ps other than the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect, the band 12 and the crown 10 are inscribed. The diameter (meridional surface channel width) W of the imaginary circle 20 is the smallest.

具体的には、図１（ａ）において、仮想円２０は、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点Ｐminで、直径が最小値Ｗminとなる仮想円２０ａを形成している。   Specifically, in FIG. 1A, the virtual circle 20 is between the runner blade inlet end 2 and the runner blade outlet end 13, and the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 are connected to each other. A virtual circle 20a having a minimum diameter Wmin is formed at a point Pmin other than the intersecting point Ps.

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。   Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described.

図１（ｂ）において、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからのバンド流水面３に沿った子午面距離Ｌを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからランナ羽根出口端部１３とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｅまでの子午面距離Ｌｂで割った子午面距離比Ｌ／Ｌｂが横軸に示され、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成されるある仮想円２０の直径Ｗを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおいてバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径（入口子午面流路幅）Ｗｓで割った子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓを縦軸に示されている。   In FIG. 1 (b), the meridional surface distance L along the band flow surface 3 from the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect is represented by the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3. The meridional plane distance ratio L / Lb divided by the meridional plane distance Lb from the intersection point Ps where the runner blade outlet end 13 and the band flow surface 3 intersect to the intersection point Pe is shown on the horizontal axis. The diameter W of an imaginary circle 20 formed so as to be inscribed in the area of the imaginary circle 20 formed so as to be inscribed in the band 12 and the crown 10 at the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect. The meridional channel width ratio W / Ws divided by the diameter (inlet meridian channel width) Ws is shown on the vertical axis.

図１（ｂ）に示すように、従来のフランシス形水車ランナにおいては、子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓの値は、子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対して単調に増加していくのに対して、本発明のフランシス形水車ランナにおいては、子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓは、子午面距離比Ｌ／Ｌｂが約０．２となる最小地点Ｐminで最小値Ｗmin/Ｗｓをとっている。すなわち図１（ａ）に示すように、バンド１２は最小地点Ｐmin近傍で大きな曲率を有しており、子午面流路幅Ｗが最も小さくなっている。   As shown in FIG. 1B, in the conventional Francis type turbine runner, the meridional channel width ratio W / Ws monotonically increases with respect to the meridional plane distance ratio L / Lb. On the other hand, in the Francis turbine runner of the present invention, the meridional channel width ratio W / Ws takes the minimum value Wmin / Ws at the minimum point Pmin where the meridional plane distance ratio L / Lb is about 0.2. Yes. That is, as shown in FIG. 1A, the band 12 has a large curvature in the vicinity of the minimum point Pmin, and the meridional flow path width W is the smallest.

このため、最小地点Ｐmin近傍において、バンド１２が大きな曲率を有し、かつ子午面流路幅Ｗが狭くなることによって、ランナ羽根１内を流れる水の速度を速くすることができる。このため、ベルヌーイの定理に従って、最小地点Ｐmin近傍における負圧面１ｂにかかる圧力を低下させることができる。   For this reason, in the vicinity of the minimum point Pmin, the band 12 has a large curvature and the meridional flow path width W becomes narrow, whereby the speed of the water flowing in the runner blade 1 can be increased. For this reason, according to Bernoulli's theorem, the pressure applied to the suction surface 1b in the vicinity of the minimum point Pmin can be reduced.

このため、Ｌmin/Ｌｂ（＝約０．２）近傍において、圧力面１ａと負圧面１ｂとの圧力差に基づくランナ羽根１にかかる負荷が増大し、その代わりに、他の部分において、ランナ羽根１にかかる負荷が減少する。この結果、流水によってランナ羽根１の負圧面１ｂにかかる圧力の分布は、ランナ羽根入口端部２からランナ羽根出口端部１３にかけて滑らかになる。   For this reason, in the vicinity of Lmin / Lb (= about 0.2), the load applied to the runner blade 1 based on the pressure difference between the pressure surface 1a and the negative pressure surface 1b increases. The load on 1 is reduced. As a result, the distribution of pressure applied to the suction surface 1b of the runner blade 1 by flowing water becomes smooth from the runner blade inlet end 2 to the runner blade outlet end 13.

このため図２に示すように、ランナ羽根１の負圧面１ｂにおける圧力係数Ｃｐは、ランナ羽根入口端部２からランナ羽根出口端部１３にかけて緩やかに変化する。   For this reason, as shown in FIG. 2, the pressure coefficient Cp at the suction surface 1 b of the runner blade 1 gradually changes from the runner blade inlet end 2 to the runner blade outlet end 13.

この結果、フランシス形水車ランナ内において二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。   As a result, the secondary flow is suppressed in the Francis turbine runner, and the hydraulic efficiency in the runner blade 1 can be improved. Further, since the local pressure drop in the vicinity of the runner blade inlet end portion 2 is eliminated and the pressure in the vicinity of the runner blade outlet end portion 13 is increased, cavitation characteristics can be improved.

なおバンド１２をこのような形状にするには、ランナ羽根入口端部２近傍におけるクラウン１０の曲率を小さくし、かつランナ羽根入口端部２近傍におけるバンド１２の曲率を大きくする必要がある。   In order to form the band 12 in such a shape, it is necessary to reduce the curvature of the crown 10 in the vicinity of the runner blade inlet end 2 and to increase the curvature of the band 12 in the vicinity of the runner blade inlet end 2.

また、子午面流路幅を極端に狭くすると、流速が増加することによって摩擦損失が増大し、かつ幾何学的形状の不均衡による水力損失が増大するため、水力効率が低下する。   Further, if the meridional channel width is extremely narrow, the frictional loss increases due to the increase in the flow velocity, and the hydraulic loss due to geometric imbalance increases, resulting in a decrease in hydraulic efficiency.

すなわち図３に示すように、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される最小の仮想円２０ａの直径Ｗminを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおいてバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径Ｗｓで割った値Ｗmin／Ｗｓが０．９より小さくなると、摩擦や幾何学的形状の不均衡による水力損失が増大してしまう。このためＷmin／Ｗｓは、水力損失がほぼ一定の値で維持される０．９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１．０の関係を満たすようにバンド１２の外面形状とクラウン１０の内面形状を定めることが好ましい。   That is, as shown in FIG. 3, the diameter Wmin of the smallest virtual circle 20a formed so as to be inscribed in the band 12 and the crown 10 is the band 12 at the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect. If the value Wmin / Ws divided by the diameter Ws of the virtual circle 20 formed so as to be inscribed in contact with the crown 10 is smaller than 0.9, hydraulic loss due to friction and geometrical imbalance increases. For this reason, Wmin / Ws can determine the outer surface shape of the band 12 and the inner surface shape of the crown 10 so as to satisfy the relationship of 0.9 ≦ Wmin / Ws <1.0 where the hydraulic loss is maintained at a substantially constant value. preferable.

また従来のフランシス形水車ランナにおいて、ランナ羽根入口端部２近傍における負圧面１ｂ側の圧力が一旦上昇する領域（図２及び図８のＢ地点近傍）は、通常は０．１≦Ｌ／Ｌｂ≦０．３を中心とした領域となる。   Further, in the conventional Francis type turbine runner, the region where the pressure on the suction surface 1b side in the vicinity of the runner blade inlet end 2 temporarily rises (near point B in FIGS. 2 and 8) is usually 0.1 ≦ L / Lb. The region is centered on ≦ 0.3.

このため、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径Ｗが最小となる点Ｐminのランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからの子午面距離Ｌminを、ランナ羽根１のランナ羽根出口端部１３とバンド流水面３表面とが交わる交点Ｐｅのランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからの子午面距離Ｌｂで割った値Ｌmin/Ｌｂが、０．１≦Ｌmin/Ｌｂ≦０．３の関係になるようバンド１２の外面形状とクラウン１０の内面形状を定めることによって、圧力分布の適正化をより効果的に行うことができる。   For this reason, the meridional plane distance from the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect at the point Pmin where the diameter W of the virtual circle 20 formed so as to be inscribed in the band 12 and the crown 10 is minimum. Lmin was divided by the meridional surface distance Lb from the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect at the intersection Pe where the runner blade outlet end 13 of the runner blade 1 and the surface of the band flow surface 3 intersect. By determining the outer surface shape of the band 12 and the inner surface shape of the crown 10 so that the value Lmin / Lb has a relationship of 0.1 ≦ Lmin / Lb ≦ 0.3, the pressure distribution can be optimized more effectively. Can do.

第２の実施の形態
次に図４により本発明の第２の実施の形態について説明する。なお図４に示す第２の実施の形態において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。ここで図４は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示したものである。 Second Embodiment Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment shown in FIG. 4, the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Here, FIG. 4 shows a meridian shape diagram of the Francis type turbine runner in the present embodiment.

図４に示す第２の実施の形態のバンド１２のバンド流水面３は、ランナ羽根入口端部２近傍において、水平方向に延在した直線部３ａと、当該直線部３ａに連結部３ｂを介して設けられた曲線部３ｃとを有している。また、フランシス形水車ランナは、クラウン１０の中心部を垂直方向に通る水車軸２１を有し、当該水車軸２１から連結部３ｂまでの距離Ｒ１が、水車軸２１からランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓよりも小さくなっている。他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。   The band flowing water surface 3 of the band 12 of the second embodiment shown in FIG. 4 has a straight portion 3a extending in the horizontal direction in the vicinity of the runner blade inlet end portion 2, and a connecting portion 3b connected to the straight portion 3a. And a curved portion 3c provided. The Francis-type water turbine runner has a water wheel shaft 21 that passes through the center of the crown 10 in the vertical direction, and a distance R1 from the water wheel shaft 21 to the connecting portion 3b is the distance from the water wheel shaft 21 to the runner blade inlet end 2. It is smaller than the distance Rs to the intersection Ps where the band flow surface 3 intersects. Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIGS.

図４に示すように、第２の実施の形態におけるフランシス形水車ランナは、第１の実施の形態と同様、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０が、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンド流水面３に内接する際に、仮想円２０の直径Ｗが最小となっている。   As shown in FIG. 4, in the Francis turbine runner in the second embodiment, the virtual circle 20 formed so as to be inscribed in the band 12 and the crown 10 is similar to the first embodiment. When inscribed in the band flow surface 3 between the end portion 2 and the runner blade outlet end portion 13 at a point other than the intersection Ps where the runner blade inlet end portion 2 and the band flow surface 3 intersect, the virtual circle 20 Has a minimum diameter W.

このため、第１の実施の形態と同様、二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。   For this reason, as in the first embodiment, the secondary flow is suppressed and the hydraulic efficiency in the runner blade 1 can be improved. Further, since the local pressure drop in the vicinity of the runner blade inlet end portion 2 is eliminated and the pressure in the vicinity of the runner blade outlet end portion 13 is increased, cavitation characteristics can be improved.

また、水車軸２１からバンド流水面３までの最小距離Ｒminと、水車軸２１からランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓと、連結部３ｂの水車軸２１からの距離Ｒ１とが、０.５≦（Ｒｓ−Ｒ１）/（Ｒｓ−Ｒmin）≦０.８の関係を満たすようにすることで、第１の実施の形態で述べた０.９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１.０の関係を満たすことができるため、圧力分布の適正化をより効果的に行うことができる。   Further, the minimum distance Rmin from the water wheel shaft 21 to the band flow surface 3, the distance Rs from the water wheel shaft 21 to the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect, and the water wheel shaft 21 of the connecting portion 3b. Is set to satisfy the relationship of 0.5 ≦ (Rs−R1) / (Rs−Rmin) ≦ 0.8 and 0.9 ≦ Wmin described in the first embodiment. Since the relationship of /Ws<1.0 can be satisfied, the pressure distribution can be optimized more effectively.

第３の実施の形態
次に図５により本発明の第３の実施の形態について説明する。なお図５に示す第３の実施の形態において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。ここで図５は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示したものである。 Third Embodiment Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment shown in FIG. 5, the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Here, FIG. 5 shows a meridional shape diagram of the Francis type turbine runner in the present embodiment.

図５に示す第３の実施の形態は、フランシス形水車ランナのランナ中心高さ５からバンド流水面３まで垂直方向の距離が、水が流入する側のランナ羽根１のランナ羽根入口端部２と、水の流出する側のランナ羽根１のランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点Ｐｈで最小となっているものであり、他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。ここでランナ中心高さとは、クラウン流水面最外径位置Ｐciと、バンド流水面最外径位置Ｐbiとの垂直距離Ｚbciを２等分する高さ位置のことである。   In the third embodiment shown in FIG. 5, the runner blade inlet end portion 2 of the runner blade 1 on the side into which the water flows in has a vertical distance from the runner center height 5 of the Francis turbine runner to the band flow surface 3. And at a point Ph other than the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect with each other. Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIGS. Here, the runner center height is a height position that bisects the vertical distance Zbci between the crown water surface outermost diameter position Pci and the band water surface outermost diameter position Pbi.

図５に示すように、第３の実施の形態におけるフランシス形水車ランナは、第１の実施の形態と同様、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０が、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンド流水面３に内接する際、仮想円２０の直径Ｗが最小となっている。   As shown in FIG. 5, in the Francis turbine runner according to the third embodiment, the virtual circle 20 formed so as to be inscribed in the band 12 and the crown 10 is similar to the first embodiment. When inscribed in the band flow surface 3 between the end portion 2 and the runner blade outlet end portion 13 at a point other than the intersection Ps where the runner blade inlet end portion 2 and the band flow surface 3 intersect, The diameter W is the smallest.

このため、第１の実施の形態と同様、二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。   For this reason, as in the first embodiment, the secondary flow is suppressed and the hydraulic efficiency in the runner blade 1 can be improved. Further, since the local pressure drop in the vicinity of the runner blade inlet end portion 2 is eliminated and the pressure in the vicinity of the runner blade outlet end portion 13 is increased, cavitation characteristics can be improved.

また図５に示すように、ランナ中心高さ５からランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓまでの垂直方向の距離Ｚｓと、ランナ中心高さ５からバンド流水面３まで垂直方向の最小距離Ｚminと、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおけるバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径Ｗｓとが、０＜Ｚｓ−Ｚmin≦０．１×Ｗｓの関係を満たすことで、第１の実施の形態で述べた０．９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１．０の関係を満たすことができるため、圧力分布の適正化をより効果的に行うことができる。   As shown in FIG. 5, the vertical distance Zs from the runner center height 5 to the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect, and from the runner center height 5 to the band flow surface 3. The minimum distance Zmin in the vertical direction and the diameter Ws of the virtual circle 20 formed so as to be inscribed in the band 12 and the crown 10 at the intersection Ps where the runner blade inlet end 2 and the band flow surface 3 intersect each other are 0 <Zs. By satisfying the relationship of −Zmin ≦ 0.1 × Ws, the relationship of 0.9 ≦ Wmin / Ws <1.0 described in the first embodiment can be satisfied. It can be done more effectively.

第４の実施の形態
次に図６（ａ）,（ｂ）により本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、図６（ａ）,（ｂ）に示す第４の実施の形態において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。ここで図６（ａ）は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示したものであり、図６（ｂ）は、フランシス形水車ランナを図６（ａ）のＸ方向から見た側面図である。 Fourth Embodiment Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b). In the fourth embodiment shown in FIGS. 6A and 6B, the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS. To do. Here, FIG. 6A shows a meridional shape of the Francis turbine runner according to the present embodiment, and FIG. 6B shows the Francis turbine runner in the X direction of FIG. 6A. It is the side view seen from.

ランナ羽根１は、図６（ａ）,（ｂ）に示すように、ランナ羽根１内を流れる水によって高い圧力のかかる圧力面１ａと、低い圧力しかかからない負圧面１ｂとを有している。   As shown in FIGS. 6A and 6B, the runner blade 1 has a pressure surface 1 a to which high pressure is applied by water flowing in the runner blade 1 and a negative pressure surface 1 b to which only low pressure is applied.

図６（ａ）,（ｂ）に示す第４の実施の形態は、ランナ中心高さ５からバンド流水面３までの垂直距離を羽根圧力面１ａ側から負圧面１ｂ側にかけて滑らかに小さくしたものであり、他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。   In the fourth embodiment shown in FIGS. 6A and 6B, the vertical distance from the runner center height 5 to the band flow surface 3 is smoothly reduced from the blade pressure surface 1a side to the negative pressure surface 1b side. Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIGS.

図６（ａ）,（ｂ）に示すように、第４の実施の形態におけるフランシス形水車ランナは、第１の実施の形態と同様、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０が、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンド流水面３に内接する際、仮想円２０の直径Ｗが最小となっている。   As shown in FIGS. 6A and 6B, the Francis turbine runner according to the fourth embodiment is virtually formed so as to be inscribed in the band 12 and the crown 10 as in the first embodiment. A circle 20 is between the runner blade inlet end portion 2 and the runner blade outlet end portion 13 and is inside the band flowing water surface 3 at a point other than the intersection Ps where the runner blade inlet end portion 2 and the band flowing water surface 3 intersect. When contacting, the diameter W of the virtual circle 20 is the smallest.

このため、第１の実施の形態と同様、二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。   For this reason, as in the first embodiment, the secondary flow is suppressed and the hydraulic efficiency in the runner blade 1 can be improved. Further, since the local pressure drop in the vicinity of the runner blade inlet end portion 2 is eliminated and the pressure in the vicinity of the runner blade outlet end portion 13 is increased, cavitation characteristics can be improved.

また図６（ａ）,（ｂ）に示すように、ランナ中心高さ５からバンド流水面３までの垂直距離が羽根圧力面１ａ側から負圧面１ｂ側にかけて変化しているため、この変化を調整することによって、ランナ羽根１の負圧面１ｂ側の圧力分布をより適正なものに調整することができる。   Further, as shown in FIGS. 6A and 6B, the vertical distance from the runner center height 5 to the band flow surface 3 changes from the blade pressure surface 1a side to the suction surface 1b side. By adjusting, the pressure distribution on the suction surface 1b side of the runner blade 1 can be adjusted to a more appropriate one.

本発明によるフランシス形水車ランナの第１の実施の形態を示す概略図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Schematic which shows 1st Embodiment of the Francis type turbine runner by this invention. 本発明による子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対する圧力係数Ｃｐの変化を示す説明図。Explanatory drawing which shows the change of the pressure coefficient Cp with respect to meridional surface distance ratio L / Lb by this invention. 本発明による子午面流量比Ｗ／Ｗｓに対する水力損失の変化を示す説明図。Explanatory drawing which shows the change of the hydraulic loss with respect to meridional surface flow ratio W / Ws by this invention. 本発明によるフランシス形水車ランナの第２の実施の形態を示す子午面形状図。The meridian surface figure which shows 2nd Embodiment of the Francis type turbine runner by this invention. 本発明によるフランシス形水車ランナの第３の実施の形態を示す子午面形状図。The meridian surface shape figure which shows 3rd Embodiment of the Francis type turbine runner by this invention. 本発明によるフランシス形水車ランナの第４の実施の形態を示す概略図。Schematic which shows 4th Embodiment of the Francis type turbine runner by this invention. 従来のフランシス形水車ランナを示す概略図。Schematic which shows the conventional Francis type turbine runner. 従来のフランシス形水車ランナにおける子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対する圧力係数Ｃｐの変化を示す説明図。Explanatory drawing which shows the change of the pressure coefficient Cp with respect to the meridian plane distance ratio L / Lb in the conventional Francis type turbine runner.

符号の説明Explanation of symbols

１ ランナ羽根
１ａ 圧力面
１ｂ 負圧面
２ ランナ羽根入口端部
３ バンド流水面
３ａ 直線部
３ｂ 連結部
３ｃ 曲線部
３Ｐ 内径側
３ｓ 外径側
５ ランナ中心高さ
１０ クラウン
１２ バンド
１３ ランナ羽根出口端部
２０ 仮想円
２１ 水車軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Runner blade | blade 1a Pressure surface 1b Negative pressure surface 2 Runner blade | wing inlet end part 3 Band flow water surface 3a Straight line part 3b Connection part 3c Curved part 3P Inner diameter side
3s outer diameter side 5 runner center height 10 crown 12 band 13 runner blade outlet end 20 virtual circle 21 water wheel shaft

Claims (8)

クラウンと、
バンドと、
前記クラウンと前記バンドとの間に配置された複数枚のランナ羽根とを備えたフランシス形水車ランナにおいて、
前記ランナ羽根の形状を前記ランナ羽根の子午面上へ展開して見た場合に、
前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される仮想円が、前記ランナ羽根入口端部と前記ランナ羽根出口端部との間であって、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンドに接する際、当該仮想円の直径Ｗが最小となるようにしたことを特徴とするフランシス形水車ランナ。 With the crown,
With the band,
In the Francis type turbine runner comprising a plurality of runner blades arranged between the crown and the band,
When the shape of the runner blade is developed on the meridian surface of the runner blade,
An imaginary circle formed inscribed in the band and the crown is between the runner blade inlet end and the runner blade outlet end, and the runner blade inlet end and the band flow water surface A Francis turbine runner characterized in that the diameter W of the virtual circle is minimized when contacting the band at a point other than the intersecting point Ps. 前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される前記仮想円の直径Ｗの最小値Ｗminと、
前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓにおいて前記バンドに接する前記仮想円の直径Ｗｓは、
０．９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１．０の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。 A minimum value Wmin of a diameter W of the virtual circle formed so as to be inscribed in the band and the crown;
The diameter Ws of the imaginary circle in contact with the band at the intersection Ps where the end of the runner blade inlet and the band flow surface intersect is
The Francis turbine runner according to claim 1, wherein a relationship of 0.9 ≦ Wmin / Ws <1.0 is satisfied. 前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓから、前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される前記仮想円の直径Ｗが最小となる点Ｐminまでの子午面距離Ｌminと、
前記ランナ羽根入口端部とバンドとが交わる交点Ｐｓから、前記ランナ羽根の前記ランナ羽根出口端部と前記バンド表面とが交わる交点Ｐｅまでの子午面距離Ｌｂは、
０．１≦Ｌmin/Ｌｂ≦０．３の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。 A meridional plane distance Lmin from an intersection Ps where the end of the runner blade inlet and the band flow surface intersect to a point Pmin where the diameter W of the imaginary circle formed so as to be inscribed in the band and the crown is minimum. ,
The meridional plane distance Lb from the intersection Ps where the runner blade inlet end and the band intersect to the intersection Pe where the runner blade outlet end of the runner blade intersects the band surface is:
The Francis turbine runner according to claim 1, wherein a relationship of 0.1 ≦ Lmin / Lb ≦ 0.3 is satisfied. 前記バンドの前記バンド流水面は、水平方向に延在する直線部と、当該直線部に連結部を介して設けられた曲線部とを有し、
前記クラウンの中心部を垂直方向に通る水車軸を有し、当該水車軸から前記連結部までの距離Ｒ１が、当該水車軸から前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓよりも小さくなっていることを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。 The band flowing water surface of the band has a straight portion extending in the horizontal direction, and a curved portion provided on the straight portion via a connecting portion,
It has a water wheel shaft that passes through the center of the crown in the vertical direction, and the distance R1 from the water wheel shaft to the connecting portion is from the water wheel shaft to the intersection Ps where the runner blade inlet end and the band flow water surface intersect. The Francis turbine runner according to claim 1, wherein the runner is less than the distance Rs. 前記水車軸から前記バンドの前記バンド流水面までの最小距離Ｒminと、
前記水車軸から前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓと、
前記水車軸から前記連結部までの距離Ｒ１は、
０.５≦（Ｒｓ−Ｒ１）/（Ｒｓ−Ｒmin）≦０.８の関係を満たすことを特徴とする請求項４記載のフランシス形水車ランナ。 A minimum distance Rmin from the water wheel shaft to the band flow surface of the band;
A distance Rs from the water wheel shaft to an intersection Ps where the runner blade inlet end and the band water surface intersect;
The distance R1 from the water wheel shaft to the connecting portion is
5. The Francis turbine runner according to claim 4, wherein a relationship of 0.5 ≦ (Rs−R1) / (Rs−Rmin) ≦ 0.8 is satisfied. 前記フランシス形水車ランナのランナ中心高さから前記バンド流水面までの垂直方向の距離Ｚ１は、水が流入する側の前記ランナ羽根の前記ランナ羽根入口端部と、水の流出する側の前記ランナ羽根の前記ランナ羽根出口端部との間であって、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓ以外の点で最小となることを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。 Vertical distance Z 1 from the runner center height of the Francis hydraulic turbine runner to said band stream water surface, said runner blade inlet end of said runner blade on the side where the water flows, said side flowing out of the water 2. The Francis according to claim 1, wherein the Francis is minimum at a point other than the intersection point Ps between the runner blade outlet end portion of the runner blade and the runner blade inlet end portion and the band flow surface. Shaped wheel runner. フランシス形水車ランナのランナ中心高さから、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓまでの垂直方向の距離Ｚｓと、
フランシス形水車ランナのランナ中心高さから前記バンド流水面までの垂直方向の最小距離Ｚminと、
前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓにおける前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される前記仮想円の直径Ｗｓは、
０＜Ｚｓ−Ｚmin≦０.１×Ｗｓの関係を満たすことを特徴とする請求項６又は７のいずれかに記載のフランシス形水車ランナ。 A vertical distance Zs from the runner center height of the Francis turbine runner to the intersection Ps where the runner blade inlet end and the band flow surface intersect,
A minimum vertical distance Zmin from the runner center height of the Francis turbine runner to the band flow surface,
The diameter Ws of the imaginary circle formed so as to be inscribed in the band and the crown at the intersection Ps where the runner blade inlet end and the band flow water surface intersect,
8. The Francis turbine runner according to claim 6, wherein a relationship of 0 <Zs−Zmin ≦ 0.1 × Ws is satisfied. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のフランシス水車ランナを備えた水力機械。   A hydraulic machine comprising the Francis turbine runner according to any one of claims 1 to 7.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11359596B2 (en) * 2020-03-05 2022-06-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Francis-type turbine runner and Francis-type turbine

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