JP4693687B2 - 軸流水車ランナ - Google Patents

Description

本発明は、一方端がスピンドルを中心に回転するボスに取り付けられ、他方端がディスチャージリングに対向して配置されるランナ羽根を有した軸流水車ランナに関する。

カプラン水車やバルブ水車等の軸流水車では上池からの水流は、流量を調整するガイドベーンを通って回転部である軸流水車ランナへと流れ込む。この回転部の軸流水車ランナで水流のエネルギーを回転エネルギーに変換し、軸流水車ランナで回収された回転エネルギーで主軸に回転力を与え、主軸に取り付けられた発電機を回転し電力へと変換される。

軸流水車ランナを通り抜けた水流は、吸出し管を経て下池へ流出する。回転部の軸流水車ランナの外周端と静止部であるディスチャージリングとの間には狭い隙間が設けられており、水車運転時には、この隙間からランナ羽根間を通らない流れが発生してしまう。

このランナ羽根間を通らない流れは、軸流水車ランナに回転エネルギーをもたらすことなく流れてしまうため、水車の効率の低下に繋がってしまう。また、この隙間部での流れは流速が大きいため圧力低下をもたらし、キャビテーションが発生する要因ともなる。このキャビテーションは羽根の壊食や、キャビテーション崩壊時に発生する振動、騒音などにより、水車の運転範囲を制限する要因ともなる。

そこで、このような漏れ流れを低減するために、ランナ羽根の外周端部にフィレットを設置したもの（例えば、特許文献１参照）や、ランナ羽根の翼端部を丸めたものがある（例えば、特許文献２参照）。
実公昭６１−７６１７０号公報 特開平４−２４６２７８号公報

しかし、水車は流量や落差の異なる様々な運転状態で使用されるため、ランナ羽根に流れ込む水流は運転状態により大きく異なってくる。ランナ羽根の水の入口ではランナ羽根角度と流れ角度との不一致による衝突損失の増大やランナ羽根面近傍の圧力低下によりキャビテーションが発生することがある。また、設計落差よりも低落差側で運転される場合には、ランナ羽根の圧力面側では相対的に流速が遅いため、遠心力の影響により流れが外周側に偏り設計流線に沿わない流れ（２次流れ）が大きくなる。従って、損失が発生し水車効率の低下に繋がる。

図１５は従来の軸流水車ランナの子午面図、図１６は図１５のＡ−Ａ線での断面図、図１７は図１５のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線での断面図である。軸流水車ランナ１１は、スピンドルを中心に回転するボス１２にランナ羽根１３の一方端が取り付けられて形成される。ランナ羽根１３の他方端はチップ１４としてディスチャージリング１５に対向して配置される。図１５では左側が水の入口であり、右側が水の出口である場合を示している。

図１６に示すように、ランナ羽根１３の裏面側のチップ１４にフィレット１６が設けられており、ボス１２側でランナ羽根の肉厚が最大になり、チップ１４側にいくに従い徐々にランナ羽根１３の肉厚が減少する形状となっている。これは軸流水車ランナ１１のランナ羽根１３は、ボス１２に取り付けられるスピンドルを中心に回転する機構となっているので、ボス１２側で強度を確保する必要があるためである。

このように、ボス１２側のランナ羽根１３の厚みが相対的に厚くなり、チップ１４側にいくほど徐々に薄くなっているので、図１７に示すように、ランナ羽根１３の水の入口先端は、チップ１４側にいくほど徐々に鋭頭形状となる。従って、図１８に示すように、ランナ羽根１３の水の入口先端の水流に流れの剥離Ｗ１が生じやすいものとなっている。また、図１９に示すように、ランナ羽根１３に流れる水流は外周側に偏る流れＷ’となる。これは、ランナ羽根１３がボス１２側からチップ１４側にいくに従い徐々にランナ羽根１３の肉厚が減少する形状となっているからである。

本発明の目的は、ランナ羽根の外周部での漏れ流れを低減するとともに、ランナ羽根の入口での衝突損失やランナ羽根の圧力面での２次流れ損失を低減できる軸流水車ランナを提供することである。

本発明に係わる軸流水車ランナは、一方端がスピンドルを中心に回転するボスに取り付けられ、他方端のチップがディスチャージリングに対向して配置されるランナ羽根を有した軸流水車ランナにおいて、前記ランナ羽根の最小肉厚点をチップとボスとの間に形成し、チップとボスとの両端に向かってランナ羽根の表面側の肉厚が徐々に厚くなるように形成したことを特徴とする。

本発明によれば、ランナ羽根の最小肉厚点をチップとボスとの間に形成し、チップとボスとの両端に向かってランナ羽根の表面側の肉厚が徐々に厚くなるように形成したので、ランナ羽根の外周部での漏れ流れを低減するとともに、ランナ羽根の入口での衝突損失やランナ羽根の圧力面での２次流れ損失を低減できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる軸流水車ランナの子午面図、図２は図１のＡ−Ａ線での断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線での断面図である。図１では左側が水の入口であり、右側が水の出口である場合を示しており、軸流水車ランナ１１は、スピンドルを中心に回転するボス１２にランナ羽根１３の一方端が取り付けられて形成される。ランナ羽根１３の他方端はチップ１４としてディスチャージリング１５に対向して配置される。

図２に示すように、本発明の実施の形態のランナ羽根１３はランナ羽根１３の肉厚最小位置がチップ１４とボス１２との中央部付近にあり、中央部からチップ１４およびボス１２にかけて、ランナ羽根１３の表面側の肉厚が徐々に増大している。また、ランナ羽根１３の裏面側のチップ１４にフィレット１６が設けられている。さらに、図３に示すように、Ｂ−Ｂ断面とＣ−Ｃ断面での形状を比較すると、Ｂ−Ｂ断面つまりチップ１４側でランナ羽根１３の先端が鈍頭形状となり、チップ１４端の羽根厚みが厚くなっている。

図４は本発明の実施の形態における軸流水車ランナのランナ羽根１３のチップ側での先端形状の説明図である。ランナ羽根１３に流れる水流は外周側に偏る流れＷ”は、図１９に示した従来のランナ羽根１３の流跡線図と比較すると、ランナ羽根１３の外周側に偏る流れが抑制されていることが分かる。これはランナ羽根１３の表面が中央付近からチップ１４にかけて厚くなったことにより、ランナ羽根１３が凹状になり中央付近からチップ側へ流れにくくなったものである。これにより２次流れ損失が低減し水車効率の向上が可能となる。

また、本発明の実施の形態による軸流ランナは、チップ端でのランナ羽根１３の厚さが従来に比べ厚くなっているので、ランナ羽根１３のチップ端とディスチャージリング１５との隙間の間隔は従来と変わらないが、対向する面積が増えることによりシール効果が増大し、漏れ流れが低減され水車効率の向上が可能となる。さらに、ランナ羽根１３のチップ側での先端形状が鈍頭形状になっているので、図５に示すように、ランナ羽根１３に流れる水流Ｗは流れ角度の変化に対する感度が小さくなる。

図６は、本発明の実施の形態におけるランナ羽根面の圧力分布図である。縦軸は羽根面圧力係数Ｃｐ、横軸は羽根長さＬ／Ｌ０である。Ｌはランナ羽根１３の入口から出口方向のある点までの長さ、Ｌ０はランナ羽根１３の全長である。また、曲線Ｓは本発明の実施の形態のランナ羽根１３による圧力分布曲線、Ｓ’は従来のランナ羽根１３による圧力分布曲線である。図６に示すように、ランナ羽根１３の入口での流れ角度の不一致による圧力低下が緩和される。従って、キャビテーション性能が向上する。

次に、本発明の実施の形態におけるランナ羽根１３の肉厚形状について説明する。図７は本発明の実施の形態におけるランナ羽根１３の肉厚最小の位置の決め方の説明図である。ランナ羽根１３のチップ１４からボス１２までの長さをＨ０、チップ１４からランナ羽根１３の肉厚が最小となる点までの長さをＨ１としたとき、０．３≦Ｈ１／Ｈ０≦０．６を満たすような肉厚形状とする。

図８は同一運転状態における水車効率η／η０とランナ羽根１３の肉厚最小の位置Ｈ／Ｈ０との関係を示す特性図である。なお、ηは実際の水車効率、η０は定格運転時の水車効率である。肉厚最小位置Ｈ１／Ｈ０が０．３〜０．６の範囲では水車効率η／η０の損失の低減効果が大きいことが分かる。

Ｈ１／Ｈ０＜０．３では２次流れを抑制する領域が小さくなってしまい損失低減量が小さい。また、Ｈ１／Ｈ０＞０．６においては、チップ１４側のランナ羽根１３の厚さを同一とした場合、ランナ羽根１３の厚み最小位置からチップ端側へのランナ羽根１３の表面の曲率が相対的に大きくなり、２次流れの抑制効果が相対的に小さくなってしまう。これらのことから、０．３≦Ｈ１／Ｈ０≦０．６を満たす位置に羽根肉厚の最小点を設ける。これにより、水車効率η／η０の損失の低減を図ることが可能となる。

図９は本発明の実施の形態におけるランナ羽根１３の最小肉厚の決め方の説明図である。羽根最小肉厚をｔ０、チップ端近傍のフィレット１６を除いたランナ羽根１３の厚みの距離をｔ１としたとき、１．５≦ｔ１／ｔ０≦２．０を満たすような肉厚形状とする。また、チップ１４のフィレット１６を含めたチップ端厚みをｔ２としたとき、１．５≦ｔ２／ｔ１≦３．０を満たすような肉厚形状とする。

チップ端のランナ羽根１３の肉厚が厚くなると中央付近からチップ１４側への２次流れが抑制されるとともに漏れ損失が小さくなるが、過度にチップ１４端の厚みが厚くなるとランナ羽根１３の先端での厚みが大きくなる。従って、ランナ羽根１３の入口のキャビテーション性能は向上するが衝突損失が大きくなってしまう。また、チップ端のフィレット１６の厚みｔ２はチップ端近傍の羽根厚みが厚くなったことに伴い、１．５≦ｔ２／ｔ１≦３．０の範囲でも十分に漏れ損失の低減ができることになる。

図１０は同一運転状態における水車効率η／η０とランナ羽根１３の肉厚最小幅比ｔ１／ｔ０との関係を示す特性図である。肉厚最小幅比ｔ１／ｔ０が１．５〜２．０の範囲では水車効率η／η０の損失の低減効果が大きいことが分かる。このことから、１．５≦ｔ１／ｔ０≦２．０を満たすようにランナ羽根１２の最小肉厚を選定することにより、水車効率η／η０の損失の低減を図ることが可能となる。

図１１は本発明の実施の形態におけるランナ羽根１３の肉厚形状の曲率の決め方の説明図である。ランナ羽根１３の表面形状はランナ羽根１３の最小肉厚部からチップ端にかけて徐々に厚肉化しているが、その形状は直線や曲線、またはその組み合わせによって形成されている。また、曲線で形成されている時の平均曲率半径をＲ、ランナ羽根１３のボス１２からチップ端への長さをＨ０としたとき、Ｒ≦２Ｈ０を満たすような肉厚形状とする。

図１２は水車効率η／η０と曲率半径比Ｒ／Ｈ０との関係を示す特性図である。平均曲率半径Ｒが２Ｈ０よりも小さいときは、水車効率η／η０の損失の低減効果が大きいことが分かる。曲率半径Ｒが大きいと、つまり曲率半径比Ｒ／Ｈ０が２より大きくなると、ランナ羽根の圧力面の２次流れ損失の低減効果は小さくなってしまう。このことから、Ｒ≦２Ｈ０を満たすような曲率半径Ｒとすることにより、水車効率η／η０の損失の低減を図ることが可能となる。

図１３は、本発明の実施の形態におけるランナ羽根の肉厚形状を適用する範囲の決め方の説明図である。ランナ羽根１３の長さをＬ０、本発明を適用するランナ羽根１３の入口からの長さをＬ１としたとき、０．５≦Ｌ１／Ｌ０≦０．８を満たす範囲とする。つまり、ランナ羽根１３の入口側だけに適用する。

図１４は水車効率η／η０と適用範囲Ｌ１／Ｌ０との関係を示す特性図である。図１４に示すように、適用範囲Ｌ１／Ｌ０が０．５〜０．８で水車効率η／η０の損失の低減効果が大きいことが分かる。

本発明の実施の形態におけるランナ羽根の肉厚形状の適用範囲を短くした場合、ランナ羽根３の入口でのキャビテーション性能の向上効果は得られるものの、２次流れの抑制効果と漏れ流れの低減効果とは減少してしまう。一方、ランナ羽根１３の出口端まで適用した場合にはランナ羽根１３の出口端が相対的に厚くなってしまうため、後流による損失が大きくなってしまう。そこで、０．５≦Ｌ１／Ｌ０≦０．８の範囲で本発明の実施の形態におけるランナ羽根の肉厚形状を適用する。これにより水車効率η／η０の損失の低減を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態によれば、ランナ羽根の最小肉厚点をチップとボスとの間に形成し、チップとボスとの両端に向かって所定の範囲内でランナ羽根の表面側の肉厚が徐々に厚くなるように形成するので、ランナ羽根の外周部での漏れ流れを低減するとともに、ランナ羽根の入口での衝突損失やランナ羽根の圧力面での２次流れ損失を低減でき、水車効率損失の低減を図ることができる。

本発明の実施の形態に係わる軸流水車ランナの子午面図。 図１のＡ−Ａ線での断面図。 図１のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線での断面図。 本発明の実施の形態における軸流水車ランナのランナ羽根のチップ側での先端形状の説明図。 本発明の実施の形態に係わる軸流水車ランナのランナ羽根のチップ側での先端形状の説明図。 本発明の実施の形態におけるランナ羽根面の圧力分布図。 本発明の実施の形態におけるランナ羽根の肉厚最小の位置の決め方の説明図。 同一運転状態における水車効率η／η０とランナ羽根の肉厚最小の位置Ｈ／Ｈ０との関係を示す特性図。 本発明の実施の形態におけるランナ羽根１３の最小肉厚の決め方の説明図。 同一運転状態における水車効率η／η０とランナ羽根１３の肉厚最小幅比ｔ１／ｔ０との関係を示す特性図。 本発明の実施の形態におけるランナ羽根１３の肉厚形状の曲率の決め方の説明図。 水車効率η／η０と曲率半径比Ｒ／Ｈ０との関係を示す特性図。 従来の軸流水車ランナを説明する模式図 従来の軸流水車ランナにおける羽根表面の流跡線図 従来の軸流水車ランナの子午面図 図１５のＡ−Ａ線での断面図。 図１５のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線での断面図。 従来の軸流水車ランナのランナ羽根のチップ側での先端形状の説明図。 従来の軸流水車ランナの水車運転時の羽根圧力面での流跡線図。

符号の説明

１１…軸流水車ランナ、１２…ボス、１３…ランナ羽根、１４…チップ、１５…ディスチャージリング、１６…フィレット

Claims (8)

1. 一方端がスピンドルを中心に回転するボスに取り付けられ、他方端のチップがディスチャージリングに対向して配置されるランナ羽根を有した軸流水車ランナにおいて、前記ランナ羽根の最小肉厚点をチップとボスとの間に形成し、チップとボスとの両端に向かってランナ羽根の表面側の肉厚が徐々に厚くなるように形成したことを特徴とする軸流水車ランナ。
2. 前記ランナ羽根のチップからボスまでの長さをＨ０、チップから羽根肉厚が最小となる点までの長さをＨ１としたとき、０．３≦Ｈ１／Ｈ０≦０．６であることを特徴とする請求項１記載の軸流水車ランナ。
3. 前記ランナ羽根の羽根最小肉厚をｔ０、チップ端近傍の羽根表面と裏面との長さをｔ１としたとき、１．５≦ｔ１／ｔ０≦２．０であることを特徴とする請求項１記載の軸流水車ランナ。
4. 前記ランナ羽根のチップ端近傍の羽根表面と裏面の長さをｔ１、チップ端フィレットの長さをｔ２としたとき、１．５≦ｔ２／ｔ１≦３．０であることを特徴とする請求項１記載の軸流水車ランナ。
5. 前記ランナ羽根の肉厚が最小となる所とチップにかけての羽根表面の形状は、直線または曲線またはそれらの組み合わせにより形成される特徴とする請求項１記載の軸流水車ランナ。
6. 前記ランナ羽根の表面の曲線の平均曲率半径をＲ、ランナ羽根のボスからチップ端までの長さをＨ０としたとき、Ｒ≦２Ｈ０であることを特徴とする請求項５記載の軸流水車ランナ。
7. 前記ランナ羽根の入口側の所定範囲に対し、請求項１乃至６のいずれか１項の形状を適用したことを特徴とする軸流水車ランナ。
8. 前記ランナ羽根の入口側の所定範囲は、前記ランナ羽根の長さをＬ０とし、ランナ羽根の入口からの長さをＬ１としたとき、０．５≦Ｌ１／Ｌ０≦０．８であることを特徴とする請求項７記載の軸流水車ランナ。
   

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