JP2010112336A - フランシス型水力機械およびそのランナ - Google Patents

Abstract

【課題】通常のランナに対して整流板および翼長が短い中間羽根の両方を付加したランナは、ほかの従来型ランナよりも非設計点での効率向上が見込まれるが、水力損失を低減する上でまだ十分とはいえない。
【解決手段】ランナクラウン２と、ランナバンド３と、ランナ羽根４と、ランナクラウン２およびランナバンド３間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根４と交差する整流羽根６と、ランナクラウン、整流羽根６および隣接するランナ羽根４で形成された流路に設けられ、ランナ羽根４よりも翼長が短い短翼ランナ羽根５ａ、５ｂと、を備え、ランナ外周側のランナクラウンと整流羽根との距離をＢ１、ランナクラウンと整流羽根で形成される側のランナ羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ１、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ１１、としたとき、式（１）を満たすようにランナクラウン２と整流羽根６との距離Ｂ１を設定した。
０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１ ・・・ （１）
【選択図】図１

Description

本発明はフランシス型水力機械に係り、特にランナクラウンとランナバンドとの間に整流板を設けたフランシス型水力機械およびそのランナに関する。

フランシス型水力機械には、フランシス型水車、フランシス型ポンプあるいはフランシス型ポンプ水車等がある。

以下、図８を参照してフランシス型水力機械の代表例として、フランシス型水車について説明する。
図８は一般的なフランシス型水車のランナ部分に注目して描いた縦断面図である。
フランシス型水車のランナ１は、主軸１１の下端部に取り付けられ、ほぼ円錐状に形成されたランナクラウン２と、主軸１１の中心線の延長線上にランナクラウン２から離間して配置された円環状のランナバンド３と、これらランナクラウン２およびランナバンド３の間に形成された流路に対して周方向にほぼ等ピッチで配置された翼状の複数枚のランナ羽根４とから形成されている。なお、２Ｃはランナクラウン２の中心部（出口側）に設けられたランナコーンである。

７はこのように構成されたランナ１の流水入口部となる外周部を囲繞するように形成された渦巻状のケーシングであり、このケーシング７の内周部出口の全周に亘ってほぼ等ピッチで放射状にステーベーン８を配置し、さらに、このステーベーン８のさらに内周側、すなわちステーベーン8とランナ１入口との間に開度の調整可能なガイドベーン９を設けている。

フランシス型水車の発電運転時、ケーシング７からステーベーン８およびガイドベーン９を通って流出した水は、ランナ１外周部の流水入口部から中心部のランナコーン２Ｃに向かって流入し、軸方向下流に流出する。このとき流水はランナ羽根４に作用するので、ランナ１は反動力によって回転駆動される。ランナ１を駆動した流水はランナ出口に接続された吸出し管１０を経て図示しない放水路へと流出する。そして、ランナ１は主軸１１により発電機１２を駆動する。

ガイドベーン９は、運転中に開度を変化させることにより、ランナ１に流入する水量を調整し、発電量を変化させている。ところで、ガイドベーン９の開度を調整し水量を変化させると、ランナ１内を流れる流水の分布は図９のように運転状態により大きく変化する。

図９は水量の違いによるランナ１内の子午面流れの模式を示したものであって、図中（ａ）は設計点での子午面流れの模式図、（ｂ）は小流量運転時の子午面流れの模式図、（ｃ）は大流量運転時の子午面流れの模式図である。

図９（ａ）〜（ｃ）において、ランナ１の子午面流れは、流れを内周側に押し込もうとする水流の動圧力１４（ガイドベーン９からランナ１に流入する向きの矢印）と、流れを外周側に押し出そうとするランナ１の回転による遠心力１５（矢印１４と対向する矢印）のバランスにより決まる。

このため、図９（ａ）の設計点すなわち、発電効率を最高にしたい点で運転する場合は、ランナクラウン２の先端部のランナコーン２Ｃの直下にわずかな死水領域１６ができるものの、安定流が維持されている。これに対して、設計点よりも水量が少ない運転点では遠心力１５が相対的に大きくなって水の流れが外周側に偏るため、図９（ｂ）のようにランナクラウン２からランナコーン２Ｃの直下に沿って大きな死水領域１６ができる。逆に、設計点よりも水量が多い運転点図９（ｃ）では遠心力１５が相対的に小さくなり水の流れが内周側に偏り、吸出管１０側に沿って死水領域１６ができる。

上述した水の流れの偏りは２次流れと称され、非設計点において、ランナ１内で発生する水力損失の主因となっている。このような、非設計点の２次流れを低減する方法として、従来、図１０で示すように、ランナクラウン２とランナバンド３との間の入口側流路に、ランナ羽根４の翼弦長より短い整流羽根６を設ける方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、図１１で示すように、隣接する通常のランナ羽根４の間に通常のランナ羽根４よりも翼長が短いランナ羽根５を周方向に設ける方法も提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。

さらに、図示はしないが、ランナクラウンおよびランナバンドとの間の入口側流路にランナ羽根の翼弦長より短い整流板（整流羽根）を設けるとともに、隣接するランナ羽根の間に翼長が短い中間羽根を周方向に設ける方法も提案されている（例えば、特許文献５参照）。
特開平８−２９６５４４号公報、 特開２００５−１３３６９８号公報、 特許第３７８２７５２号公報、 特開２００３−６５１９８号公報 特開昭５７−１２６５６６号公報、

しかしながら、特許文献１および２のように、ランナクラウンとランナバンドの間に整流羽根を設けたランナや、特許文献３および４のように、ランナ羽根と短翼ランナ羽根とを交互に設けたランナを適用した場合でも、非設計点での２次流れ損失を低減するには限界がある。

さらに、特許文献５のように、通常のランナに対して整流板および翼長が短い中間羽根の両方を付加したランナは、ほかの従来型ランナよりも非設計点での効率向上が見込まれるが、水力損失を低減する上でまだ十分とはいえない。例えば、中間羽根や整流板の位置の最適な範囲を規定するとか、あるいは水車運転時に過負荷を重視するか、部分負荷を重視するかでランナ羽根、短翼ランナ羽根の枚数を適正化することにより更なる効率向上の余地はあるものと考えられる。

そこで、本発明は、ランナクラウンとランナバンドの間の流路にランナ羽根を円周方向に所定ピッチで設け、ランナクラウンおよびランナバンドにほぼ平行な整流羽根を設け、さらに、隣接するランナ羽根間に翼長の短い短翼ランナ羽根を設けたフランシス型水力機械のランナにおいて、整流羽根の位置の最適化や、ランナ羽根、短翼ランナ羽根の枚数の適正化を図ることにより、水力損失をさらに低減することが可能なフランシス型水力機械およびそのランナを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、主軸に取付けられたランナクラウンと、主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、前記ランナクラウン、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、ランナ外周側のランナクラウンと整流羽根との距離をＢ１、ランナクラウンと整流羽根で形成される側のランナ羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ１、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ１１、としたとき、０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１・・・（１）を満たすようにランナクラウンと整流羽根との距離Ｂ１を設定したことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、主軸に取付けられたランナクラウンと、主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、前記ランナバンド、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、ランナ外周側の整流羽根とランナバンドとの距離をＢ２、ランナバンドと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ２、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ２２としたとき、０．８×Ｌ２２≦Ｂ２≦１．２×Ｌ２２・・・（２）を満たすように整流羽根とランナバンドとの距離Ｂ２を設定したことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、主軸に取付けられたランナクラウンと、主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、前記ランナクラウン、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、ランナクラウンと整流羽根で形成される側のランナ羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ１、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ１１としたとき、０．４×Ｌ１≦Ｌ１１≦０．６×Ｌ１・・・（３）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ１１で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、主軸に取付けられたランナクラウンと、主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、前記ランナバンド、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、ランナバンドと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ２、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ２２としたとき、０．４×Ｌ２≦Ｌ２２≦０．６×Ｌ２・・・（４）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ２２で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とする。

さらに、請求項５に係る発明は、主軸に取付けられたランナクラウンと、主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、前記ランナクラウン、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、ランナ外周側のランナクラウンと整流羽根との距離をＢ１、ランナクラウンと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ１、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ１１、としたとき、０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１・・・（１）を満たすようにランナクラウンと整流羽根との距離Ｂ１を設定し、かつ、０．４×Ｌ１≦Ｌ１１≦０．６×Ｌ１・・・（３）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ１１で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とする。

さらにまた、請求項６に係る発明は、主軸に取付けられたランナクラウンと、主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、前記ランナバンド、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、ランナ外周側の整流羽根とランナバンドとの距離をＢ２、ランナバンドと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ２、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ２２としたとき、０．８×Ｌ２２≦Ｂ２≦１．２×Ｌ２２・・・（２）を満たすように整流羽根とランナバンドとの距離Ｂ２を設定し、かつ、０．４×Ｌ２≦Ｌ２２≦０．６×Ｌ２・・・（４）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ２２で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とする。

本発明によれば、ランナクラウンとランナバンドの間の流路にランナ羽根を円周方向に所定ピッチで設け、ランナクラウンおよびランナバンドにほぼ平行な整流羽根を設け、さらに、隣接するランナ羽根間に翼長の短い短翼ランナ羽根を設けたフランシス型水力機械のランナにおいて、整流羽根の位置の最適化あるいは、ランナ羽根、短翼ランナ羽根の枚数の適正化を図ることにより、水力損失をさらに低減することが可能なフランシス型水力機械およびそのランナを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明に係るフランシス型水力機械の実施形態について説明する。
なお、各図に共通する部分には同一符号または同一符号に添字を付けることにより重複する説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態によるフランシス型水力機械のランナの模式断面図であり、図１（ａ）はフランシス型水車の子午断面、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ矢視図である。

図１（ａ）、（ｂ）において、本実施形態のフランシス型水力機械のランナ（以下、単にランナと称する）１は、図示しない主軸の下端部に取り付けられ、かつ、ほぼ円錐台状に形成されたランナクラウン２と、主軸中心線の延長線上に前記ランナクラウン２の流路面から所定距離だけ離間するように配置された円環状のランナバンド３と、これらランナクラウン２およびランナバンド３の間の流路に周方向にほぼ等ピッチで配置された複数枚のランナ羽根４とを備えている。

そして、ランナクラウン２およびランナバンド３の流路面にほぼ平行し、かつ、複数枚の各ランナ羽根４と交差するように整流羽根６を設け、さらに、ランナクラウン２、隣接するランナ羽根４および整流羽根６で形成した流路にランナ羽根４よりも翼長の短い短翼ランナ羽根５ａを設け、ランナバンド３、隣接するランナ羽根４および整流羽根６で形成した流路中にランナ羽根４よりも翼長の短い短翼ランナ羽根５ｂを備えている。なお、以下では、説明の便宜上、ランナ羽根４すなわち、通常の翼長を有するランナ羽根４を長翼４と称し、通常の翼長のランナ羽根４よりも翼長の短い短翼ランナ羽根５ａ、５ｂを短翼５ａ、５ｂと称する。

本実施形態は、以上のように構成されたフランシス型水力機械のランナにおいて、整流羽根６を次の式（１）または式（２）を満たす範囲に配置したことを特徴とするものである。
０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１ ・・・ （１）
０．８×Ｌ２２≦Ｂ２≦１．２×Ｌ２２ ・・・ （２）
ここで、
Ｂ；ランナ１入口側（ランナ１外周側）の羽根高さ、
Ｂ１；ランナクラウン２と整流羽根６との間の距離、
Ｂ２；整流羽根６とランナバンド３との間の距離、
Ｌ１；ランナクラウン２と整流羽根６で形成される側の羽根入口部での隣接する長翼４間の距離、
Ｌ２；ランナバンド３と整流羽根６で形成される側の羽根入口部での長翼４間の距離、
Ｌ１１；ランナ１の回転方向と反対方向に向かって長翼４の圧力面側から隣接する短翼５ａの負圧面までの距離、
Ｌ２２；ランナの回転と反対方向に向かって長翼４の圧力面から短翼５ａの負圧面までの距離、
とする。

上記した式（１）または式（２）を満たす場合、図１（ｂ）で示すＸ矢視図のように、ランナクラウン２、整流羽根６、ランナバンド３および隣接する長翼４の圧力面と短翼５ａ，５ｂの負圧面で形成される四角形状の流路は、縦横比が１：１に近い形状になる。

図４は、ランナ１入口部におけるランナクラウン２および整流羽根６間の距離Ｂ１を変化させた時の過負荷運転時（設計点よりも流量の多い運転時）における、ランナクラウン２、整流羽根６、長翼４の圧力面と短翼５ａの負圧面間で形成される領域で発生する２次流れ損失の変化を示した図である。

ここで、２次流れは整流羽根６側からランナクラウン２側に向かう２次流れによる損失成分と、長翼４の圧力面から負圧面に向かう２次流れ成分による損失、およびこれら２つの損失成分を合成した損失を示している。

一般に、過負荷運転状態ではランナバンド３側からランナクラウン２側に向かう２次流れ成分が増大し、水力損失が増大する。この２次流れは整流羽根６を設けることにより低減することが可能となるが、更に長翼４の相互間に短翼５ａを設けることにより羽根の圧力面から負圧面に向かう２次流れ成分も低減することが可能となる。

ランナクラウン２と整流羽根６間の距離Ｂ１が大きくなると、ランナクラウン２側から整流羽根６方向の２次流れ損失が増加し、逆に距離Ｂ１が小さい場合は、相対的に長翼４の圧力面から短翼５ａの負圧面方向への２次流れ損失が大きくなる。これらの２次流れ損失を足し合わせると、ランナクラウン２と整流羽根６間の距離Ｂ１は、前掲の式（１）を満たす範囲で損失が小さくなっていることがわかる。

図５はランナ１入口部における整流羽根６およびランナバンド３間の距離Ｂ２を変化させた時の部分負荷運転時（設計点よりも流量の少ない運転時）における、ランナバンド３、整流羽根６、長翼４の圧力面と短翼５ｂの負圧面間で形成される領域で発生する２次流れ損失の変化を示した図である。

一般に部分負荷運転時では、ランナクラウン２側からランナバンド３側に向かう２次流れ損失が増大することになるが、これも整流羽根６を配置することにより低減することが可能となる。また、長翼４の相互間に短翼５ｂを設けることにより長翼４の羽根圧力面から短翼５ｂの負圧面に向かう２次流れも低減することが可能となる。

整流羽根６とランナバンド３と間の距離Ｂ２が大きくなると、整流羽根６側からランナバンド３方向の２次流れ損失が増加し、逆に距離Ｂ２が小さい場合は、相対的に長翼４の圧力面から短翼５ｂの負圧面方向への２次流れ損失が大きくなる。これらの２次流れ損失を足し合わせると、整流羽根６とランナバンド３と間の距離Ｂ２は、前掲の式（２）を満たす範囲で損失が小さくなっていることがわかる。

したがって、整流羽根６の位置を、式（１）のＬ１１または式（２）のＬ２２を満たす範囲に配置すると、過負荷運転または部分負荷運転で水力損失の発生を効果的に抑制することが可能となる。

以上は、整流羽根６の位置を、上記式（１）または式（２）を満たすように配置した場合、過負荷運転時または部分負荷運転時に水力損失の発生を効果的に抑制できることを説明したが、以下は、長翼４および短翼５ａ、５ｂの枚数を調整することで、水力損失を更に効果的に抑制できることを説明する。

図６は、短翼５ａの周方向の位置を変化させた時の整流羽根６とランナクラウン２と、長翼４で形成される領域での周方向の２次流れ損失分布を示した図である。
図６において、長翼４の圧力面から短翼５ａの負圧面への２次流れ損失は、初めのＬ１１ゼロから０．４Ｌ１を少し超えた距離まではＬ１１の増加に伴って緩やかな勾配で増加するが、０．５Ｌ１あたりから急な勾配で増加する。これに対して、短翼５ａの圧力面から長翼４の負圧面への２次流れ損失は、Ｌ１１がゼロの位置で最大で、Ｌ１１の増加に伴って逆比例的に減少し、Ｌ１になるとゼロとなる。そして、これらの二つの損失を足し合わせた損失合計を見ると、ランナ１の回転方向と反対方向に向かって長翼４の圧力面側から隣接する短翼５ａの負圧面までの距離Ｌ１１が０．４Ｌ１から０．６Ｌ１の範囲にあるとき、損失合計が小さくなることがわかる。

以上の関係から、次の（３）式が導かれる。
０．４×Ｌ１≦Ｌ１１≦０．６×Ｌ１ ・・・ （３）
この（３）式が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ１１で分割して得られた値に近い整数を長翼４および短翼５ａの羽根枚数にすれば、ランナクラウン２、整流羽根６、長翼４負圧面と短翼５ａ圧力面間で形成される領域でも水力損失を効果的に抑制することができる。

一方、図７は短翼５ｂの周方向の位置を変化させた時の整流羽根６とランナバンド３と長翼４で形成される領域での周方向の２次流れ損失分布を示した図である。
図７において、長翼４の圧力面から短翼５ｂの負圧面への２次流れ損失は、初めのＬ２２がゼロから０．４Ｌ２を少し超えた距離まではＬ２２の増加に伴って緩やかな勾配で増加するが、０．５Ｌ２あたりから急な勾配で増加する。これに対して、短翼５ｂの圧力面から長翼４の負圧面への２次流れ損失は、Ｌ２２がゼロの位置で最大で、Ｌ２２の増加に伴って逆比例的に減少し、Ｌ２になるとゼロとなる。そして、これらの二つの損失を足し合わせた損失合計を見ると、Ｌ２２が０．４Ｌ２から０．６Ｌ２の範囲にあるとき、損失合計が小さくなることがわかる。

以上の関係から、次の（４）式が導かれる。
０．４×Ｌ２≦Ｌ２２≦０．６×Ｌ２ ・・・ （４）
この（４）式が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ２２で分割して得られた値に近い整数を長翼４および短翼５ｂの羽根枚数にすれば、ランナバンド３、整流羽根６、長翼４負圧面と短翼５ａ圧力面間で形成される領域でも水力損失を効果的に抑制することができる。

以上述べたように、第１の実施形態によれば、ランナクラウンとランナバンドの間の流路にランナ羽根を円周方向に所定ピッチで設け、ランナクラウンおよびランナバンドにほぼ平行な整流羽根を設け、さらに、隣接するランナ羽根間に翼長の短い短翼ランナ羽根を設けたフランシス型水力機械のランナにおいて、整流羽根の位置の最適化し、さらに、長翼、短翼の枚数の適正化を図ることにより、特に非設計点での水力損失を低減することができる。

（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態を示すフランシス型水力機械のランナの模式断面図であり、図２（ａ）はフランシス型水力機械の子午断面、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ矢視図である。

本実施形態のフランシス型水力機械のランナが第１の実施形態のフランシス型水力機械のランナと異なるのは、図２（ａ）、（ｂ）で示したように、ランナクラウン２と整流羽根６との間の短翼５ａのみを残して、ランナバンド３と整流羽根６との間の短翼５ｂを省いた構成としたことであり、その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

したがって、本実施形態の場合、図４および図６を参照して２次流れ損失の低減を説明することができ、整流羽根６の位置調整については前掲した式（１）を、また、長翼４および短翼５ａの枚数調整については前掲した式（３）を適用することができる。
０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１ ・・・ （１）
０．４×Ｌ１≦Ｌ１１≦０．６×Ｌ１ ・・・ （３）

この結果、整流羽根６を０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１・・・（１）に位置させることにより、過負荷運転で水力損失の発生を効果的に抑制することが可能となり、また、０．４×Ｌ１≦Ｌ１１≦０．６×Ｌ１・・・（３）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ１１で分割して得られた値に近い整数を長翼４および短翼５ａの羽根枚数に調整することにより、ランナクラウン２、整流羽根６、長翼４負圧面と短翼５ａ圧力面間で形成される領域でも水力損失の低減が図られることになり、更に水力損失を効果的に抑制することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様、整流羽根の位置の最適化し、さらに、長翼、短翼の枚数の適正化を図ることにより、特に非設計点での水力損失を低減することができる。

（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態を示すフランシス型水力機械のランナの模式断面図であり、図３（ａ）はフランシス型水車の子午断面、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ矢視図である。

本実施形態のフランシス型水力機械のランナが第１の実施形態のフランシス型水力機械のランナと異なるのは、図３（ａ）、（ｂ）に示したように、ランナバンド３と整流羽根６との間の短翼５ｂのみを残して、ランナクラウン２と整流羽根６との間の短翼５ａを省いた構成としたことであり、その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

したがって、本実施形態の場合、図５および図７を参照して２次流れ損失の低減を説明することができ、整流羽根６の位置調整については前掲の式（２）を、また、長翼４および短翼５ｂの枚数調整については前掲の（４）式を適用することができる。
０．８×Ｌ２２≦Ｂ２≦１．２×Ｌ２２ ・・・ （２）
０．４×Ｌ２≦Ｌ２２≦０．６×Ｌ２ ・・・ （４）

この結果、整流羽根６を０．８×Ｌ２２≦B２≦１．２×Ｌ２２・・・（２）に位置させることにより、過負荷運転で水力損失の発生を効果的に抑制することが可能となり、また、０．４×Ｌ２≦Ｌ２２≦０．６×Ｌ２・・・（４）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ２２で分割して得られた値に近い整数を長翼４および短翼５ｂの羽根枚数に調整することにより、ランナバンド３、整流羽根６、長翼４負圧面と短翼５ｂ圧力面間で形成される領域でも水力損失の低減が図られることになり、更に水力損失を効果的に抑制することができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様、整流羽根の位置の最適化し、さらに、長翼、短翼の枚数の適正化を図ることにより、特に非設計点での水力損失を低減することができる。

本発明の第１の実施形態を示すフランシス型水力機械のランナの模式断面図であり、図１（ａ）はフランシス型水力機械のランナの子午断面、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ矢視図。 本発明の第２の実施形態を示すフランシス型水力機械のランナの模式断面図であり、図２（ａ）はフランシス型水力機械のランナの子午断面、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ矢視図。 本発明の第３の実施形態を示すフランシス型水力機械のランナの模式断面図であり、図３（ａ）はフランシス型水力機械のランナの子午断面、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ矢視図。 第１および第２の実施形態における水力損失と整流羽根の位置の相関図。 第１および第３の実施形態における水力損失と整流羽根の位置の相関図。 第１および第２の実施形態における水力損失と短翼位置の相関図。 第１および第３の実施形態における水力損失と短翼位置の相関図。 従来のフランシス型水力機械のランナの模式図。 水量の違いによるランナ内の子午面流れの模式図。 従来のフランシス型水力機械のランナ子午面形状の模式図。 従来の複数の異なる形状の羽根を有するフランシス型水力機械のランナの模式図。

符号の説明

１…ランナ、２…ランナクラウン、３…ランナバンド、４…ランナ羽根（長翼）、５ａ，５ｂ…ランナ羽根（短翼）、６……整流羽根、７…ケーシング、８…ステーベーン、９…ガイドベーン、１０…吸出し管、１１…主軸、１２…発電機、１４…水流の動圧力、１５…ランナ回転遠心力、１６…死水領域。

Claims (7)

1. 主軸に取付けられたランナクラウンと、
   主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、
   これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、
   前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、
   前記ランナクラウン、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、
   ランナ外周側のランナクラウンと整流羽根との距離をＢ１、ランナクラウンと整流羽根で形成される側のランナ羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ１、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ１１としたとき、次の式（１）を満たすようにランナクラウンと整流羽根との距離Ｂ１を設定したことを特徴とするフランシス型水力機械のランナ。
   ０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１ ・・・ （１）
2. 主軸に取付けられたランナクラウンと、
   主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、
   これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、
   前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、
   前記ランナバンド、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、
   ランナ外周側の整流羽根とランナバンドとの距離をＢ２、ランナバンドと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ２、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ２２としたとき、次の式（２）を満たすように整流羽根とランナバンドとの距離Ｂ２を設定したことを特徴とするフランシス型水力機械のランナ。
   ０．８×Ｌ２２≦Ｂ２≦１．２×Ｌ２２ ・・・ （２）
3. 主軸に取付けられたランナクラウンと、
   主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、
   これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、
   前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、
   前記ランナクラウン、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、
   ランナクラウンと整流羽根で形成される側のランナ羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ１、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ１１としたとき、次の式（３）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ１１で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とするフランシス型水力機械のランナ。
   ０．４×Ｌ１≦Ｌ１１≦０．６×Ｌ１ ・・・ （３）
4. 主軸に取付けられたランナクラウンと、
   主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、
   これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、
   前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、
   前記ランナバンド、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、
   ランナバンドと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ２、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ２２としたとき、次の式（４）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ２２で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とするフランシス型水力機械のランナ。
   ０．４×Ｌ２≦Ｌ２２≦０．６×Ｌ２ ・・・ （４）
5. 主軸に取付けられたランナクラウンと、
   主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、
   これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、
   前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、
   前記ランナクラウン、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、
   ランナ外周側のランナクラウンと整流羽根との距離をＢ１、ランナクラウンと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ１、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ１１としたとき、次の式（１）を満たすようにランナクラウンと整流羽根との距離Ｂ１を設定し、かつ、次の式（３）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ１１で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とするフランシス型水力機械のランナ。
   ０．８×Ｌ１１≦Ｂ１≦１．２×Ｌ１１ ・・・ （１）
   ０．４×Ｌ１≦Ｌ１１≦０．６×Ｌ１ ・・・ （３）
6. 主軸に取付けられたランナクラウンと、
   主軸中心線の延長線上の前記ランナクラウンから離間した位置に配置された円環状のランナバンドと、
   これらランナクラウンおよびランナバンド間に形成された流路に対して周方向にほぼ所定ピッチで複数枚配置されたランナ羽根と、
   前記ランナクラウンおよびランナバンド間の流路に沿うように設けられ、かつ、各ランナ羽根と交差する整流羽根と、
   前記ランナバンド、整流羽根および隣接するランナ羽根で形成された流路に設けられ、前記ランナ羽根よりも翼長が短い短翼ランナ羽根と、を備え、
   ランナ外周側の整流羽根とランナバンドとの距離をＢ２、ランナバンドと整流羽根で形成される側の羽根入口部でのランナ羽根間の距離をＬ２、ランナ羽根の圧力面から短翼ランナ羽根の負圧面までの距離をＬ２２としたとき、次の式（２）を満たすように整流羽根とランナバンドとの距離Ｂ２を設定し、かつ、次の式（４）が満たされる条件でランナ外周の長さをＬ２２で分割して得られた値に近い整数をランナ羽根および短翼ランナ羽根の羽根枚数として設定したことを特徴とするフランシス型水力機械のランナ。
   ０．８×Ｌ２２≦Ｂ２≦１．２×Ｌ２２ ・・・ （２）
   ０．４×Ｌ２≦Ｌ２２≦０．６×Ｌ２ ・・・ （４）
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のフランシス型水力機械のランナを備えたフランシス型水力機械。

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