JP2009257094A - 軸流水力機械のランナベーン - Google Patents

Abstract

【課題】ランナベーンの形状を適正化することによってフィレットと同様の効果を得ることができるばかりでなく、ランナベーン出口の流速分布を適正化して性能向上を図る。
【解決手段】ランナベーンの径方向断面図形のキャンバーラインのうちチップ側の部分をランナベーンの表面に向かって凸となる曲線で形成し、かつランナベーンの表面の曲率半径をρ_ｐ、裏面の曲率半径をρ_ｓとしたときに、ρ_ｓ＜ρ_ｐとなるように構成する。これにより、チップ端へ偏る流れが抑制されるため、旋回方向速度の変化が従来よりも緩やかになる結果、吸出管の圧力回復を妨げることがなく損失を低減できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、軸流水力機械のランナベーンに関し、より詳しくは、ランナベーンの形状を適正化することによって性能向上を図る技術に関する。

従来、軸流水力機械にはカプラン水車、バルブ水車などがあるが、これらの軸流水車を設けた水力発電所においては、図１４にその要部を断面で示したように、上流からケーシング１内に流入した流水はステー２を通り、流量を調整するための開閉機能を有したガイドベーン３を流れ、発電機と主軸で連結されたランナベーン４へと到達する。
するとこの流水は、ランナベーン４に作用してボス５を回転させることにより発電機を回転させて発電した後、ランナベーン４から流出して吸出管６を通り、下流もしくは下池へと放出される。

このとき、図１５に示したランナベーン４のチップ端７と、ディスチャージリング８との間に隙間が存在するため、流水はランナベーン４とディスチャージリング８の間に漏れて流れる。そして、この漏れ流れが大きいと、ランナベーン４に作用する流体力を回収しきれなくなって損失が増大する。

一方、ランナ回転軸Ｃに直交する断面でランナベーン４を見た時、ランナベーン４同士がオーバーラップしない場合には、特に流速の早い外周側（ランナベーン４のチップ端７）においてランナベーン４に作用しない通り抜け流れが発生する。
この通り抜け流れとランナベーン４およびディスチャージリング８の間の隙間の影響により、ランナベーン出口における流速分布はチップ端７側において乱れやすく、乱れた流れは吸出管６において十分圧力回復を図ることができずに性能低下をもたらす。

また、遠心力の影響により外周側（チップ端７）へ偏った流れとなり易いだけでなく、外周側は流速が大きくランナベーン４の負圧面（裏面）での圧力低下を発生させる。
そのためランナベーン４とディスチャージリング８間の間隙が存在するこの部位は、キャビテーションが発生しやすく壊食されやすいため、このキャビテーションを抑制することは、性能低下をもたらす損失を低減させることと合わせて、ランナベーン４の延命化を図る上で重要である（例えば、下記特許文献１、２、３を参照）

特開平３−１５１５７０号 特開平７−５４７５２号 特開２００５−３１５２１６号

ところで、上記特許文献３に記載されている軸流水車は、キャビテーションによる水車性能の低下を抑制するため、ランナベーンの外周部にフィレットを設けたものである。
しかしながら、フィレットを設けることによりキャビテーションの発生を抑制することはできるが、ランナベーン出口の流速分布を適正化することはできず、また別途フィレットを溶接する必要があって製作性も悪化する。

そこで、本発明の目的は、ランナベーンの形状を適正化することによってフィレットと同様の効果を得ることができるばかりでなく、ランナベーン出口の流速分布を適正化して性能向上を図ることのできる軸流水力機械のランナベーンを提供することにある。

上記の課題を解決するための請求項１に記載した手段は、軸流水力機械のランナベーンであって、
ランナ回転軸と同軸な複数の円筒面によって前記ランナベーンをボス部からチップ部にかけてそれぞれ周方向に切断して複数の周方向断面図形を得るとともに、
これらの周方向断面図形のうち前記ランナベーンの表面および裏面をそれぞれ表す流線を前記ランナベーンの入口端から出口端にかけて周方向に等しい長さに等分し、
各流線のうち周方向に等分された位置同士を径方向に結んだ線に沿って前記ランナベーンを径方向に切断したときに現れる径方向断面図形を見たときに、
前記径方向断面図形のキャンバーラインのうちチップ部側の部分を前記ランナベーンの表面に向かって凸となる曲線で形成し、
かつ前記ランナベーンの表面の曲率半径をρ_ｐ、裏面の曲率半径をρ_ｓとしたときに、
ρ_ｓ＜ρ_ｐ
となるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、ランナベーンの形状を適正化することによりフィレットと同様の効果を得ることができるばかりでなく、ランナベーン出口の流速分布を適正化して性能向上を図ることのできる軸流水力機械のランナベーンを提供することができる。

以下、図１〜図１３を参照し、本発明に係る軸流水力機械のランナベーンの各実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、同一の部分に同一の符号を用いて重複した説明を省略する。

第１実施形態
まず最初に図１〜図６を参照し、第１実施形態のランナベーンについて説明する。

図１に示した軸流水力機械１００は、本第１実施形態のランナベーン１０を備えたもので、それ以外の部分は図１４に示した従来の軸流水力機械と同一構造となっている。

本第１実施形態のランナベーン１０においては、図２に示したように、ボス端１１からチップ端１２にかけてランナ回転軸Ｃと同軸な等間隔の複数の円筒面でそれぞれ周方向に切断することにより、図３に示したような複数の周方向断面図形（Ａ−Ａ断面）を得る。
そして、これらの周方向断面図形のうち、ランナベーン１０の表面１０ａおよび裏面１０ｂをそれぞれ表す曲線をＡ−Ａ断面の流線とする。
なお、参照符号１３で表す流線をボス側流線、同１４で表す流線を中央流線、同１５で表す流線をチップ側流線とする。

また、図２に示したように、ランナベーン１０の入口端１６から出口端１７にかけて各流線を周方向に等分するとともに、各流線のうち周方向に等分された位置同士を径方向に結んだ線に沿ってランナベーン１０を切断したときに現れる径方向断面図形（Ｂ−Ｂ断面）を得る。
そして、この径方向断面図形を見たときに、ランナベーン１０のキャンバーラインＣａのうちチップ部１２側の部分をランナベーン１０の表面１０ａに向かって凸となる曲線で形成する。
さらに、ランナベーン１０の表面１０ａおよび裏面１０ｂにおいて、ボス側流線１３、中央流線１４、チップ側流線１５の３点を結ぶことで得られる表面１０ａの曲率半径をρ_ｐ、裏面１０ｂの曲率半径をρ_ｓとしたときに、
ρ_ｓ＜ρ_ｐ （式 １）
となるように構成する。

このとき、図１５に示した通常羽根４の場合には、図５に示したように、ランナベーン出口端における流速分布の旋回方向速度成分は、チップ側の漏れ流れ、通り抜け流れ、および遠心力によってチップ端側へ偏る傾向のある流速分布となる。

これに対して、本第１実施形態のランナベーン１０においては、図５に示したように、その裏面１０ｂのチップ端側８の湾曲が、ボス側１１からチップ端１２側に向かってランナベーン表面１０ａに凸となっている。
これにより、チップ端１２側へ偏る流れが抑制されるため、旋回方向速度の変化が従来よりも緩やかになる。
その結果、流れの剥離に伴う吸出管６での圧力回復を妨げることがないから、損失を低減することが可能である。

なお、図６に示した変形例のランナベーン１０’のように、キャンバーラインＣａのうち、中央流線１４とチップ側流線１５との間に変極点１８，１８を設けることによっても同様の効果を得ることができる。

第２実施形態
次に図７および図８を参照し、第２実施形態のランナベーンについて説明する。

図７に示した本第２実施形態２のランナベーン２０は、上述した第１実施形態のランナベーン１０において、ランナ回転軸Ｃよりボス端１１までの距離をＲＢ、ランナ回転軸Ｃよりチップ部１２までの距離をＲＴとしたとき、キャンバーラインＣａのうちランナベーン表面に向かって凸となる湾曲を持つ部分のランナ回転軸Ｃからの位置Ｌを、
Ｌ−ＲＢ≧０．５×（ＲＴ−ＲＢ） （式 ２）
となるように構成したものである。

すなわち、軸流水力機械のランナベーンにおいて流速分布が乱れやすいのは、ランナベーン１０の径方向の中央部からチップ端の範囲である。
このとき、本第２実施形態のランナベーン２０は、式２で規定する径方向の範囲において第１実施形態のランナベーン１０で説明した形態を実施するものであるから、流速分布の適正化を図ることができ、図８に示したように損失の低減を図ることが可能となる。

第３実施形態
次に図９および図１０を参照し、第３実施形態のランナベーンについて説明する。

図９は、第３実施形態のランナベーン３０の図２におけるＡ−Ａ断面の流線に沿った断面を示している。
このとき、本第３実施形態のランナベーン３０においては、第１実施形態のランナベーン１０において説明したような、そのキャンバーラインＣａがランナベーン表面１０ａに向かって凸となる湾曲を持つ部分のランナベーン３０の入口端１６からの距離ｌを、
ｌ≦０．８×ｌｓ （式 ３）
となるように構成したものである。

すなわち、第１実施形態のランナベーン１０において、そのキャンバーラインＣａがランナベーン表面１０ａに向かって凸となる湾曲を持つ部分の周方向の範囲を、ランナベーン入口端１６から出口端１７に至る全範囲とすると、図１０に示したように、ランナベーン出口端から流れ出る後流が大きくなって損失が増大する。

これに対し、本第３実施形態のランナベーン３０は、第１実施形態のランナベーン１０において説明したような、そのキャンバーラインＣａがランナベーン表面１０ａに向かって凸となる湾曲を持つ部分の周方向の範囲を、上記の式３で規定される範囲としたものであるから、後流発生による損失を抑制することが可能となる。

第４実施形態
次に図１１を参照し、第４実施形態のランナベーンについて説明する。

本第４実施形態のランナベーン４０は、第１実施形態のランナベーン１０において、中央流線１４におけるランナベーン厚みをＴＣとし、チップ端１２におけるランナベーン厚みをＴＴとした時、
１．２ＴＣ≦ＴＴ≦１．６ＴＣ （式 ４）
となるように構成したものである。

すなわち、図１１に示したように、第１実施形態のランナベーン１０においてその効果を得ることができるのは、１．２ＴＣ≦ＴＴのときであり、１．６ＴＣ≦ＴＴとなると衝突損失が増大するととともに翼面負荷分布が不適正となって損失が増大する。

これに対し、本第４実施形態のランナベーン４０においては、ＴＴの値を上記の式４で規定される範囲とするので、ランナベーン４０の裏面においてチップ側へ偏る流れが抑制されて旋回方向速度の変化が従来よりも緩やかになる。
その結果、流れの剥離に伴う吸出管６における圧力回復を妨げることがないから、損失を低減することが可能である。

第５実施形態
次に図１２および図１３を参照し、第５実施形態のランナベーンについて説明する。

本第５実施形態のランナベーン５０は、第３実施形態のランナベーン３０において、
Ｌ−ＲＢ≧０．８×（ＲＴ−ＲＢ） （式 ５）
で規定される位置Ｌからチップ端側の最大厚み部１９までの曲率半径をρ_ｓＴとしたときに、
０．５≦（ＲＴ−Ｌ）／ρ_ｓＴ＜１．０ （式 ６）
となるように構成されている。

すなわち、本第５実施形態のランナベーン５０においては、式６で規定される範囲外のときに、チップ側におけるキャビテーション抑制効果および漏れ流れの抑制効果を得ることはできるが、羽根形状として意味を成さず、出口の流速分布適正化を図ることができなくなる。
したがって、式６で規定される式範囲内において、本発明の十分な効果を得ることができる。

第１実施形態のランナベーンを備えた軸流水力機械の部分断面図。 第１実施形態のランナベーンの形状を示す図 図２のＡ−Ａ破断線に沿った断面図。 図２のＢ−Ｂ破断線に沿った断面図。 第１実施形態のランナベーンの効果を示す図。 第１実施形態の変形例のランナベーンを示す図。 第２実施形態のランナベーンを示す図。 第２実施形態のランナベーンの効果を示す図。 第３実施形態のランナベーンを示す図。 第３実施形態のランナベーンの効果を示す図。 第４実施形態のランナベーンの効果を示す図。 第５実施形態のランナベーンを示す図。 第５実施形態のランナベーンの効果を示す図。 軸流水力機械の部分断面図。 従来のランナベーンの断面形状を示す図。

符号の説明

１ ケーシング
２ ステー
３ ガイドベーン
４ ランナベーン
５ ボス
６ 吸出管
７ チップ端
８ ディスチャージリング
１０ 第１実施形態のランナベーン
１０’ 変形例のランナベーン
１０ａ 表面
１０ｂ 裏面
１１ ボス端
１２ チップ端
１３ ボス側流線
１４ 中央流線
１５ チップ側流線
１６ 入口端
１７ 出口端
１８ キャンバーライン変曲点
１９ チップ側最大厚み部
２０ 第２実施形態のランナベーン
３０ 第３実施形態のランナベーン
４０ 第４実施形態のランナベーン
５０ 第５実施形態のランナベーン
Ｃ ランナ回転軸
ρ_ｐ ランナベーン表面の曲率半径
ρ_ｓ ランナベーン裏面の曲率半径
ＴＴ チップ端厚み
ＴＣ 中央厚み
ＲＢ ランナ回転軸からボス側流線までの距離
ＲＴ ランナ回転軸からチップ側流線までの距離
Ｃａ キャンバーライン
Ｌ キャンバーラインが凸となる位置のチップ端からの距離
ｌ キャンバーラインが凸となる位置のランナベーン入口端からの距離
ｌｓ 流線上の羽根長さ

Claims (6)

1. 軸流水力機械のランナベーンであって、
   ランナ回転軸と同軸な複数の円筒面によって前記ランナベーンをボス部からチップ部にかけてそれぞれ周方向に切断して複数の周方向断面図形を得るとともに、
   これらの周方向断面図形のうち前記ランナベーンの表面および裏面をそれぞれ表す流線を前記ランナベーンの入口端から出口端にかけて周方向に等しい長さに等分し、
   各流線のうち周方向に等分された位置同士を径方向に結んだ線に沿って前記ランナベーンを径方向に切断したときに現れる径方向断面図形を見たときに、
   前記径方向断面図形のキャンバーラインのうちチップ部側の部分を前記ランナベーンの表面に向かって凸となる曲線で形成し、
   かつ前記ランナベーンの表面の曲率半径をρ_ｐ、裏面の曲率半径をρ_ｓとしたときに、
   ρ_ｓ＜ρ_ｐ
   となるように構成したことを特徴とする軸流水力機械のランナベーン。
2. 前記径方向断面図形のキャンバーラインは、前記ランナベーンの径方向の中央部とチップ部の間に変曲点を有していることを特徴とする請求項１に記載した軸流水力機械のランナベーン。
3. 前記ランナベーンのうちランナ回転軸よりボス部までの径方向の距離をＲＢ、ランナ回転軸よりチップ部までの径方向の距離をＲＴとしたときに、
   前記キャンバーラインのうち前記ランナベーンの表面に向かって凸となる曲線部分は、ランナ回転軸からの径方向の距離をＬとするときに、
   Ｌ−ＲＢ≧０．５×（ＲＴ−ＲＢ）
   で規定される範囲にあることを特徴とする請求項１に記載した軸流水力機械のランナベーン。
4. 前記ランナベーンの入口端から出口端へと周方向に向かう各流線の長さｌｓに対し、
   前記キャンバーラインのうち前記ランナベーンの表面に向かって凸となる湾曲を持つ部分は、前記ランナベーン入口端からの周方向距離をｌとしたときに、
   ｌ≦０．８×ｌｓ
   で規定される範囲にあることを特徴とする請求項１に記載した軸流水力機械のランナベーン。
5. 前記ランナベーンのうち径方向の中央部における厚みをＴＣとし、チップ部における厚みをＴＴとしたときに、
   １．２ＴＣ≦ＴＴ≦１．６ＴＣ
   であることを特徴とする請求項１に記載した軸流水力機械のランナベーン。
6. 前記ランナベーンのうちランナ回転軸よりボス部までの径方向の距離をＲＢ、ランナ回転軸よりチップ部までの径方向の距離をＲＴとしたときに、
   前記キャンバーラインのうち前記ランナベーンの表面に向かって凸となる曲線部分は、ランナ回転軸からの径方向の距離をＬとするときに、
   Ｌ−ＲＢ≧０．８×（ＲＴ−ＲＢ）
   で規定される範囲にあり、
   かつ前記ランナベーンのうち位置Ｌからチップ側の最大厚み部までの曲率半径をρ_ｓＴとすると、
   ０．５≦（ＲＴ−Ｌ）／ρ_ｓＴ＜１．０
   であることを特徴とする請求項１に記載した軸流水力機械のランナベーン。

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