JP5851876B2 - 水車用ランナおよび水車 - Google Patents

Description

本発明は、フランシス形水車やポンプ水車等に用いられる水車用ランナおよび水車に関する。

従来より、回転軸に連結されたクラウンと、クラウンから離れて、かつ、クラウンと同軸上に配設されたシュラウド（バンドとも呼ぶ）と、クラウンとシュラウドとの間に配置された周方向複数枚のランナ翼とを有する、水車用ランナが知られている（例えば特許文献１参照）。この種の水車用ランナは、各ランナ翼に作用する作動流体の流れにより回転する。したがって、水車効率を最大限に高めるために、ランナから流出する作動流体の流れに回転方向成分が生じないようにすることが好ましい。

特開２００７−２７８３号公報

ランナから流出する作動流体の流れの方向は、ランナ翼の形状によって左右される。したがって、設計点において、ランナから流出する作動流体の流れに回転方向成分が生じないようにするためには、ランナ翼の形状、とくに作動流体の流れ方向出口部近傍におけるランナ翼の形状の精度を高める必要がある。しかしながら、ランナ翼の形状精度を高めることは、製造コストの上昇を招く。

本発明の目的は、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる水車用ランナおよび水車を提供することにある。

本発明の一態様による水車用ランナは、作動流体が作用する複数枚のランナ翼を有する水車用ランナであって、ランナ翼が、作動流体の流れ方向に延在する圧力面および負圧面と、作動流体の上流側端部において圧力面と負圧面とを接続する前縁部と、作動流体の下流側端部において圧力面と負圧面とを接続する後縁部と、圧力面側の後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第１凹凸部と、負圧面側の後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第２凹凸部とを有することを特徴とする。

この構成によれば、圧力面および負圧面に沿った用水の流れがそれぞれ第１凹凸部および第２凹凸部で剥離し、第１凹凸部および第２凹凸部の下流側において圧力面側および負圧面側で互いにほぼ対称な剥離開始状態となる。このため、後縁部の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナを通過した用水の流れを、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることができ、水車効率を高めることができる。したがって、後縁部の形状を精度よく設計値に合わせる必要がなく、ランナの製造コストを抑えることができる。すなわち、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。

本発明の別の態様による水車用ランナでは、第１凹凸部と第２凹凸部とは、ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して互いに対称位置に設けられている。

この構成によれば、圧力面側および負圧面側における流れの剥離の起点が互いに同一となり、ランナ翼の出口における用水の流れ方向を、設計上の相対速度の方向に精度よく一致させることができる。

本発明の別の態様による水車用ランナでは、第１凹凸部と第２凹凸部とは、ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して非対称な関係で設けられていてもよい。

キャンバーラインに対して非対称な関係とは、第１凹凸部と第２凹凸部とがキャンバーラインに対して非対称位置に設けられていること、または第１凹凸部と第２凹凸部とがキャンバーラインに対して非対称形状であることを含む、この構成であっても、圧力面および負圧面に沿った用水の流れがそれぞれ第１凹凸部および第２凹凸部で剥離し、第１凹凸部および第２凹凸部の下流側において圧力面側および負圧面側で互いに安定した（下流の影響をうけにくい）剥離開始状態となる。このため、後縁部の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナを通過した用水の流れを、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることが仕様点において容易に設計できることとなり、水車効率を高めることができる。したがって、後縁部の形状を精度よく設計値に合わせる必要がなく、ランナの製造コストを抑えることができる。すなわち、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。

本発明の別の態様による水車用ランナでは、後縁部が、圧力面側の第１始点から負圧面側の第２始点にかけて曲面状に形成されている。

この構成によれば、後縁部の下流における流れの損失が小さい。また、曲面状の後縁部を有するランナ翼に第１凹凸部および第２凹凸部を設けると、製造コストの低減効果が高い。

本発明の別の態様による水車用ランナでは、第１凹凸部および第２凹凸部が、それぞれ第１始点および第２始点に設けられている。

この構成によれば、圧力面および負圧面に対して用水の流れによるランナを回転させる力が効率よく作用し、第１凹凸部および第２凹凸部を設けたことによる流れの剥離がランナの回転へ悪影響を与えることを防止できる。また、後縁部の始点は、翼面形状が急激に変化して翼面に沿った流れが乱れ始める点であるため、始点に第１凹凸部および第２凹凸部を設けることにより、圧力面側と負圧面側の流れを良好な対称剥離状態とすることができる。

本発明の別の態様による水車用ランナでは、第１凹凸部および第２凹凸部が、ランナ翼の高さ方向にわたって設けられている。

この構成によれば、ランナ翼の出口の全体で圧力面側と負圧面側とを互いにほぼ対称な剥離開始状態とすることができ、水車効率を最大限に高めることができる。

本発明の一態様による水車は、回転軸と、この回転軸に連結された上記水車用ランナとを有することを特徴とする。

この構成によれば、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。

本発明によれば、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る水車用ランナを有するポンプ水車の概略構成図である。 図２は、図１の出口流路側から見たランナの平面図である。 図３は、用水の流れ方向に沿った図１のランナベーンの形状を示す断面図である。 図４は、図３の後縁部近傍の拡大図である。 図５は、ランナベーンの出口の用水の流れを説明する図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係るランナベーンの要部構成を示す拡大図であり、ランナベーンの長さ方向に沿った後縁部近傍の構成を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施形態に係るランナベーンの要部構成を示す拡大図であり、ランナベーンの高さ方向に沿った後縁部近傍の構成を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係るランナベーンの要部構成を示す斜視図である。 図９は、本発明の変形例を示す図である。 図１０は、図９の溝の断面図である。 図１１は、本発明の他の変形例を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、図１〜図７を参照して本発明の第１の実施形態に係る水車用ランナについて説明する。図１は、本実施形態に係る水車用ランナを有するポンプ水車の概略構成図である。

本実施形態に係るポンプ水車は、いわゆるフランシス形ポンプ水車であり、揚水を行うポンプとしての機能を有するとともに、発電を行う水車としての機能を有する。すなわち、図１のポンプ水車１１は、図示しない発電機に基端部が連結された回転軸１２と、この回転軸１２の先端部に固定されて一体に回転するランナ（羽根車）１３とを有する。なお、以下では、便宜上、図示のように回転軸１２の中心を通る軸線Ｌ０の方向を上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。上方とは回転軸１２の基端部側であり、下方とは先端部側である。

ポンプ水車１１は、用水によるランナ１３の回転に伴って回転軸１２が回転することで、発電機で発電を行うことができる。一方、例えば夜間に、この発電機により回転軸１２を介してランナ１３を回転することで、揚水を行うことができる。以下、主にポンプ水車１１を水車として用いる場合について説明する。

回転軸１２は、鉛直方向（上下方向）に沿って配設され、ケーシング１４に軸受１５を介して回転自在に支持されている。ランナ１３は、この回転軸１２の下端部に回転軸１２と一体に固定されており、回転軸１２と一体に軸線Ｌ０を中心に回転する。

ランナ１３は、クラウン１６とシュラウド１７と複数のランナベーン１８とコーン１９により構成されている。クラウン１６は、軸線Ｌ０を中心とした円盤形状をなし、その中心部１６ａが回転軸１２の先端部にキー１２ａにより固定されている。シュラウド１７は、軸線Ｌ０を中心とした湾曲したリング形状をなしている。複数のランナベーン１８は、クラウン１６とシュラウド１７との間に挟まれるように、各端部が両者の端面に固定されており、周方向に均等間隔で配置されている。コーン１９は、軸線Ｌ０を中心として先端部が細くなる円錐形状を呈し、クラウン１６の中心部１６ａに複数のボルト２０により固定されている。シュラウド１７の外周面とケーシング１４の内周面との間には、回転隙間Ｓ１が設けられ、クラウン１６の上端面とケーシング１４の内周面との間には、回転隙間Ｓ２が設けられている。

ケーシング１４は、ランナ１３の側方に水平方向に沿って、すなわち軸線Ｌ０と直交する方向に入口流路２１を形成し、ランナ１３の下方に鉛直方向に沿って、すなわち軸線Ｌ０の方向に出口流路２２を形成する。さらにケーシング１４は、各ランナベーン１８の間に入口流路２１から出口流路２２にかけて内部流路２３を形成する。ここで、入口流路２１は、ランナ１３へ用水が流入する用水流入口として機能し、出口流路２２は、ランナ１３から用水が流出する用水流出口として機能する。

図示は省略するが、ランナ１３の周囲には、ランナ１３を取り囲むように渦巻き形状のスパイラルケーシングが設けられている。スパイラルケーシングを流れた用水は、入口流路２１に流入し、さらにランナ１３の径方向外側の全周から内部流路２３に流入する。この用水は内部流路２３を通過する際にランナベーン１８に回転力を作用し、ランナ１３を回転させる。これにより回転軸１２が回転し、発電を行うことができる。ランナ１３を回転させた用水は、内部流路２３から出口流路２２に流出する。

図２は、出口流路２２側から見たランナ１３の平面図、すなわち、ランナ１３を軸線Ｌ０に垂直な平面に投影した図である。図３は、用水の流れ方向に沿ったランナベーン１８の断面図であり、例えばシュラウド１７とランナベーン１８との交差部近傍（図２の１８ａ）におけるランナベーン１８の断面形状を示す図である。なお、本実施形態のランナベーン１８は、出口流路２２側の端部（後縁部）近傍に特徴的構成を有するが、図２，図３では、その図示を省略している。

図２に示すように、ランナ１３は、周方向等間隔に配置された６枚のランナベーン１８を有し、入口流路２１から出口流路２２へと流れる用水の圧力により、矢印Ａ方向に回転する。図３に示すようにランナベーン１８は、用水の流れ方向に延在する圧力面３１および負圧面３２と、用水の流入側端部に設けられ、圧力面３１と負圧面３２とを接続する前縁部３３と、用水の流出側端部に設けられ、圧力面３１と負圧面３２とを接続する後縁部３４とを有する。圧力面３１は、入口流路２１から流入した用水の圧力が作用する面である。

圧力面３１と負圧面３２とは、ランナベーン１８の厚さｔの中心を通るキャンバーラインＣＬに対して対称に位置する。以下では、ランナベーン１８のキャンバーラインＣＬに沿った方向を長さ方向Ｌ（図３）と呼び、クラウン１６の内面からシュラウド１７の内面にかけての方向を高さ方向Ｈ（図２）と呼ぶ。前縁部３３および後縁部３４は、円弧あるいは楕円等の曲面形状を呈し、前縁部３３および後縁部３４においてランナベーン１８の表面の曲率が急激に増加するとともに、ランナベーン１８の厚さｔが急激に減少する。

図４は、図３の後縁部３４近傍の拡大図である。圧力面３１および負圧面３２と後縁部３４との境は、後縁部３４の円弧や楕円が開始する始点３５であり、後縁部３４は、圧力面３１側の始点３５から負圧面３２側の始点３５にかけて曲面状（図では楕円状）に形成されている。図４において、回転するランナ１３の回転速度をＵ、回転するランナ１３から見た、ランナベーン１８から流出する用水の相対速度をＶ、ランナベーン１８から流出する用水の絶対速度をＷで表す。

ランナベーン１８から流出する用水の相対速度Ｖは、ランナベーン１８の翼形状によって左右される。本実施形態では、入口流路２１から出口流路２２にかけて所定流量が流れる設計点において、ランナ１３の回転速度Ｕの大きさと、ランナベーン１８から流出する用水の相対速度Ｖの回転方向成分Ｖ１（点線）の大きさとが一致するようにランナベーン１８を構成している。これにより図４に示すように、設計点においてランナ１３を通過した用水の絶対速度Ｗは、回転方向（水平方向）成分を持たない軸方向（上下方向）成分のみの流れとなる。このためランナ１３の径方向外側から流入する用水の角運動量を、ランナ１３の回転エネルギとして効率よく回収することができ、水車効率は最大となる。

ところで、ランナベーン１８に沿った用水の流れは、後縁部３４の実際の形状によって大きく影響を受ける。すなわち、図５の（ｂ）に示すように、後縁部３４が精度よく設計値通りに形成されていれば、後縁部３４の圧力面３１側および負圧面３２側における用水の流れは互いにほぼ対称になるため、ランナベーン１８の翼形状に沿った所望の相対速度Ｖが得られる。このときの相対速度Ｖの水平線に対するなす角はθｂである。

しかしながら、ランナベーン１８の製造誤差等により、例えば図５の（ａ）または（ｃ）に示すように、後縁部３４の負圧面３２側または圧力面３１側が点線で示される設計値に対して小さく形成されていたり、あるいは、図示はしないが設計値に対して大きく形成されていたりすると、後縁部３４の圧力面３１側および負圧面３２側における用水の流れは互いに非対称性が強くなる。これにより、相対速度はＶ’またはＶ”となり、設計上の相対速度Ｖに対して圧力面３１側または負圧面３２側に流れが偏り、設計上の相対速度Ｖに対してずれが生じる。このときの相対速度Ｖ’の水平線に対するなす角θａは、θｂより小さくなり、相対速度Ｖ”の水平線に対するなす角θｃは、θｂより大きくなる。その結果、ランナベーン１８の出口の用水は、回転方向成分を持った旋回流れとなり、水車効率が低下する。この点を考慮して、第１の実施形態では、ランナベーン１８を以下のように構成する。

図６，図７は、第１の実施形態に係るランナベーン１８の要部構成を示す拡大図である。なお、図６は、ランナベーン１８の長さ方向Ｌに沿った後縁部近傍の構成を、図７は高さ方向Ｈに沿った後縁部近傍の構成をそれぞれ示している。図７の（ａ）は圧力面３１側の構成を、図７の（ｂ）は負圧面３２側の構成をそれぞれ示す。図７において、後縁部３４の始点３５を高さ方向Ｈに結んだことによって得られる直線を始点線３５ａとする。

図６，図７に示すように、ランナベーン１８の圧力面３１側の後縁部３４の始点３５および負圧面３２側の後縁部３４の始点３５には、それぞれ所定深さの円形の凹部４０，４１が高さ方向Ｈにわたって等間隔に複数設けられている。圧力面３１側の凹部４０と負圧面３２側の凹部４１は互いに同一形状であり、凹部４０，４１はキャンバーラインＣＬに対して互いに対称位置に設けられている。したがって、圧力面３１側と負圧面３２側の後縁部近傍の表面形状は互いに同一（対称）である。なお、凹部４０，４１は、楕円形や矩形等、円形以外の形状でもよいし、また、高さ方向Ｈにわたって不等間隔に設けられてもよい。凹部４０，４１の面積は、ランナベーン１８の厚さ方向にわたって一定でもよく、徐々に小さくなってもよい。

後縁部３４の始点３５に凹部４０，４１を設けることにより、圧力面３１および負圧面３２に沿った用水の流れＳ１、Ｓ２は凹部４０，４１で剥離する。すなわち、凹部４０，４１で乱流が促進され、圧力面３１側および負圧面３２側の用水の流れＳ１、Ｓ２が互いに同様に乱される。これにより、凹部４０，４１の下流側において、圧力面３１側および負圧面３２側で互いにほぼ対称な剥離開始状態（乱流）となり、設計上の相対速度Ｖの流れに対する流れの偏りを抑制できる。すなわち、ランナベーン１８の出口の相対流れ方向の水平線に対する角度θを設計上の角度θｂ（図５）に近づけることができる。その結果、後縁部３４の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナベーン１８の出口における用水の圧力面３１側および負圧面３２側への流れの偏りを低減することができ、水車効率を高めることができる。

第１の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）用水が作用する複数枚のランナベーン１８を有するランナ１３において、用水が流れ方向に延在する圧力面３１および負圧面３２と、用水の上流側端部において圧力面３１と負圧面３２とを接続する前縁部３３と、用水の下流側端部において圧力面３１と負圧面３２とを接続する後縁部３４とを有するランナベーン１８に対し、さらに圧力面３１側の後縁部３４の始点３５に凹部４０を設けるとともに、負圧面３２側の後縁部３４の始点３５に凹部４１を設けるようにした。これにより圧力面３１および負圧面３２に沿った用水の流れＳ１、Ｓ２がそれぞれ凹部４０，４１で剥離し、凹部４０，４１の下流側において圧力面３１側および負圧面３２側で互いにほぼ対称な剥離開始状態となる。このため、後縁部３４の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナ１３を通過した用水の流れ（図４の絶対速度Ｗ）を、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることができ、水車効率を高めることができる。したがって、後縁部３４の形状を精度よく設計値に合わせる必要がなく、ランナ１３の製造コストを抑えることができる。

（２）凹部４０および凹部４１を、それぞれ圧力面３１側および負圧面３２側の後縁部３４の始点３５に設けるようにした。すなわち、キャンバーラインＣＬに対して互いにほぼ対称位置に凹部４０，４１設けるようにした。これにより、圧力面３１側および負圧面３２側における流れＳ１、Ｓ２の剥離の起点が互いに同一となり、ランナベーン１８の出口における用水の流れ方向を、設計上の相対速度Ｖの方向に精度よく一致させることができる。

（３）圧力面３１側の始点３５から負圧面３２側の始点３５にかけて曲面状に後縁部３４を形成しているので、後縁部３４の下流における流れの損失が小さい。また、曲面状の後縁部３４を有するランナベーン１８に凹部４０，４１の構成を適用したので、製造コストの低減効果が高い。すなわち、後縁部３４が曲面形状であると、後縁部３４の形状を精度よく設計値に合わせることが困難であり、製造コストの大幅な上昇を招く。これに対し、後縁部３４の始点３５に凹部４０，４１を設けると、後縁部３４の形状が流れに与える影響は小さくなるため、換言すると、後縁部３４の感度が下がるため、後縁部３４を精度よく形成する必要がない。

（４）圧力面３１側および負圧面３２側の後縁部３４の始点３５に凹部４０，４１を設け、圧力面３１および負圧面３２は凹凸のない滑らかな形状とした。このため、圧力面３１および負圧面３２に対して用水の流れＳ１、Ｓ２によるランナ１３を回転させる力が効率よく作用し、凹部４０，４１を設けたことによる流れＳ１、Ｓ２の剥離がランナ１３の回転へ悪影響を与えることを防止できる。また、後縁部３４の始点３５は、翼面形状が急激に変化して翼面に沿った流れが乱れ始める点であるため、始点３５に凹部４０，４１を設けることにより、圧力面３１側と負圧面３２側の流れＳ１、Ｓ２を良好な対称剥離状態とすることができる。

（５）後縁部３４の始点３５が設けられる始点線３５ａに沿って複数の凹部４０，４１を設けるようにした。すなわち、ランナベーン１８の高さ方向にわたって複数の凹部４０，４１を設けるようにしたので、ランナベーン１８の出口の全体で圧力面３１側と負圧面３２側とを互いにほぼ対称な剥離開始状態とすることができ、水車効率を最大限に高めることができる。

（第２の実施形態）
図８を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態が第１の実施形態と異なるのは、ランナベーン１８の後縁部近傍の形状である。以下では、第１の実施形態との相違点を主に説明する。

図８は、第２の実施形態に係るランナベーン１８の要部構成を示す斜視図である。図８に示すように、圧力面３１側および負圧面３２側の後縁部３４の始点３５には、それぞれ高さ方向にわたって凸部４２，４３が延設されている。凸部４２，４３の高さ（ランナベーン１８の厚さ方向の長さ）は、ランナベーン１８の高さ方向Ｈにわたって一定である。これら凸部４２，４３は、例えば断面形状が長手方向に一定であるワイヤを、圧力面３１側および負圧面３２側の始点３５にそれぞれ溶接することにより構成できる。

このように圧力面３１側および負圧面３２側の始点３５にそれぞれ凸部４２，４３を設けると、凸部４２，４３を起点として用水の流れＳ１、Ｓ２が乱され、凸部４２，４３の下流における圧力面３１側および負圧面３２側の用水の流れＳ１、Ｓ２が互いにほぼ対称な剥離開始状態となる。このため、第１の実施形態と同様、後縁部３４の形状を精度よく設計値に合わせなくても、ランナ１３を通過した用水の流れ（絶対速度Ｗ）を、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることができ、ランナ１３の製造コストを抑えることができる。ワイヤを溶接することによって凸部４２，４３を設けるようにすれば、凸部４２，４３を安価に構成できる。

（変形例）
上記実施形態では、後縁部３４の圧力面３１側および負圧面３２側の始点３５に凹部４０，４１または凸部４２，４３を設けるようにしたが、後縁部３４の近傍であれば、始点３５以外に凹凸部を設けてもよい。例えば始点３５よりも用水の流れ方向上流側または下流側に凹凸部を設けるようにしてもよい。このように凹凸部が始点３５からずれている場合であっても、凹凸部が後縁部３４の近傍に設けられていれば、圧力面３１および負圧面３２に用水の流れを作用させてランナ１３に回転力を与えつつ、ランナベーン１８の出口で圧力面３１側および負圧面３２側においてほぼ対称な剥離開始状態を生じさせることができる。すなわち、凹凸部が始点３５の近傍から流れの上流側に離れると、ランナベーン１８に回転力を付与するような用水の作用する範囲が狭くなり、ランナ１３に十分な回転力を与えることができないが、凹凸部が始点３５の近傍であれば、ランナ１３に十分な回転力を与えることができる。なお、この場合の凹凸部とは、凹部のみ、または凸部のみ、あるいは凹部と凸部の両方を設けることにより、圧力面３１側および負圧面３２側の表面形状を凹凸状に形成するものをいう。

上記実施形態では、後縁部３４の圧力面３１側の始点３５（第１始点）および負圧面３２側の始点３５（第２始点）にそれぞれ凹部４０，４１あるいは凸部４２，４３を設けるようにしたが、ランナベーン１８の圧力面３１側に凹凸状に設けられる第１凹凸部の構成、および負圧面３２側に凹凸状に設けられる第２凹凸部の構成は上述したものに限らない。例えば上記実施形態（図７）では、ランナベーン１８の高さ方向Ｈにわたって複数の凹部４０，４１を設けるようにしたが、これら凹部４０、４１を所定の範囲（例えば高さ方向Ｈ全体）にわたって繋げて溝としてもよい。上記実施形態（図８）では、圧力面３１側および負圧面３２側にそれぞれ一本の凸部４２，４３を設けるようにしたが、これら凸部４２，４３を高さ方向Ｈにおいて複数の凸部に分割してもよい。凹部４０，４１のみ、あるいは凸部４２，４３のみでなく、凹部４０，４１と凸部４２，４３をそれぞれ圧力面３１側および負圧面３２側に設けるようにしてもよい。凹凸部において用水の流れの剥離を積極的に生じさせることができるのであれば、後縁部３４の近傍の表面粗度を粗くすることにより凹凸部を構成してもよい。すなわち、圧力面３１側の後縁部３４における用水の流れＳ１の剥離（乱流）を促進するのであれば、第１凹凸部はいかなる構成でもよく、負圧面３２側の後縁部３４における用水の流れＳ２の剥離（乱流）を促進するのであれば、第２凹凸部もいかなる構成でもよい。

図９に示すように、後縁部３４の圧力面３１側の始点３５（始点線３５ａ）および負圧面３２側の始点３５（始点線３５ａ）を起点として、用水の流れ方向下流側にかけてそれぞれ溝４４，４５を設けるようにしてもよい。各溝４４、４５は、ランナベーン１８の高さ方向Ｈに所定間隔で複数設けるようにすることが好ましい。溝４４と溝４５を図９のようにランナベーン１８の翼面に沿って繋げてもよいし、あるいは、互いに分割されていてもよい。また、図示はしないがランナベーン１８の厚さ方向に貫通するように溝４４と溝４５を繋げてもよい。図１０は、溝４４，４５の断面形状の一例を示す図である。図１０の（ａ）に示すように、溝４４，４５は、ランナベーン１８の後縁部３４の表面に対して垂直に設けてもよく、図１０の（ｂ）に示すように後縁部３４の表面に対して斜めに設けてもよい。図１０の（ａ）の例では、溝４４，４５を容易に形成することができる。図１０の（ｂ）の例では、後縁部３４において乱流を引き起こしやすい。

上記実施形態（図６〜図８）では、凹部４０，４１および凸部４２，４３をランナベーン１８の高さ方向Ｈにわたって一列のみ設けるようにしたが、複数列設けるようにしてもよい。例えば図１１に示すように始点線３５ａに沿って凹部４０，４１を設けるとともに、始点線３５ａよりも下流側の後縁部３４にも凹部４０，４１を設け、凹部４０，４１を２列としてもよい。この場合、各列の凹部４０，４１を長さ方向Ｌの同一直線上に配置してもよいが、図１１に示すように、各列の凹部４０，４１を高さ方向Ｈにずらして交互に、すなわち千鳥状に配置してもよい。

上記実施形態（図６〜図８）では、凹部４０と凹部４１および凸部４２と凸部４３をキャンバーラインＣＬに対して互いに対称位置に設けるとともに、互いに対称形状としたが、用水の流れの剥離の形態が互いに等しくなるのであれば、これらは対称位置でなくてもよく、または対称形状でなくてもよい。すなわち、圧力面３１側および負圧面３２側にそれぞれ凹凸部を設けることにより、ランナベーン１８の出口の用水の相対速度が設計上の相対速度Ｖ（図５）に近づくのであれば、凹凸部の位置は互いにずれてキャンバーラインＣＬに対して非対称な関係であってもよく、凹凸部の形状が互いに異なっていてもよい。そして、凹凸部の位置をキャンバーラインＣＬに対して非対称位置とし、この凹凸部を後縁部３４の始点３５に設ける場合、圧力面３１側の始点３５と負圧面３２側の始点３５とは、キャンバーラインＣＬに対して非対称な関係にある。

上記実施形態では、後縁部３４が円弧あるいは楕円等の曲面形状を呈しているとしたが、凹凸部を設けることにより、凹凸部の下流における圧力面３１側および負圧面３２側の用水の流れＳ１、Ｓ２が互いにほぼ対称な剥離開始状態となるため、後縁部３４が曲面状でなくてもよい。この場合、後縁部３４は、例えば、先端が平坦面状に形成されていたり、あるいは、圧力面３１側および負圧面３２側において始点３５から傾斜する各平坦面により先端が尖って形成されていたりする（ただし、先端は丸く形成されていてもよい）。

上記実施形態では、ランナベーン１８の高さ方向Ｈの全体にわたって凹凸部（凹部４０，４１、凸部４２，４３）を設けるようにしたが、高さ方向Ｈの一部のみに凹凸部を設けるようにしてもよい。例えばシュラウド１７側のみ、クラウン１６側のみ、あるいはランナベーン１８の高さ方向Ｈ中央部のみに、凹凸部を設けるようにしてもよい。

上記実施の形態では、ランナベーン（ランナ翼）１８の枚数を６枚としたが、圧力面と負圧面と前縁部と後縁部とを有するのであれば、ランナベーン１８の枚数や後縁部近傍を除くランナベーン１８全体の翼形状は上述したものに限らない。以上の実施形態は、ポンプ水車に適用したが、回転軸と回転軸に連結されたランナとを有する他の水車にも、本発明を同様に適用することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１１ ポンプ水車
１２ 回転軸
１３ ランナ
１８ ランナベーン（ランナ翼）
３１ 圧力面
３２ 負圧面
３３ 前縁部
３４ 後縁部
３５ 始点（第１始点、第２始点）
４０ 凹部（第１凹凸部）
４１ 凹部（第２凹凸部）
４２ 凸部（第１凹凸部）
４３ 凸部（第２凹凸部）
４４ 溝（第１凹凸部）
４５ 溝（第２凹凸部）
ＣＬ キャンバーライン

Claims (7)

1. 回転軸の軸線を中心として前記回転軸に固定された円盤形状のクラウンと、前記回転軸の軸線を中心としたリング形状のシュラウドと、前記クラウンと前記シュラウドとの間に挟まれるように固定されて前記回転軸の軸線を中心とした周方向に配置された複数枚のランナ翼と、を有し、前記クラウンと前記シュラウドとの間の径方向外側から流入し前記シュラウドのリング形状の中央から流出する作動流体が複数枚の前記ランナ翼に作用して前記回転軸と一体に前記軸線を中心に回転する水車用ランナであって、
   前記ランナ翼は、
   前記作動流体の流れ方向に延在する圧力面および負圧面と、
   前記作動流体の上流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部と、
   前記作動流体の下流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する後縁部と、
   前記圧力面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第１凹凸部と、
   前記負圧面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第２凹凸部と、を有することを特徴とする水車用ランナ。
2. 作動流体が作用する複数枚のランナ翼を有する水車用ランナであって、
   前記ランナ翼は、
   前記作動流体の流れ方向に延在する圧力面および負圧面と、
   前記作動流体の上流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部と、
   前記作動流体の下流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する後縁部と、
   前記圧力面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第１凹凸部と、
   前記負圧面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第２凹凸部と、を有する水車用ランナにおいて、
   前記後縁部は、前記圧力面側の第１始点から前記負圧面側の第２始点にかけて曲面状に形成されており、
   前記第１凹凸部および前記第２凹凸部は、それぞれ前記第１始点および前記第２始点に設けられていることを特徴とする水車用ランナ。
3. 請求項１に記載の水車用ランナにおいて、
   前記後縁部は、前記圧力面側の第１始点から前記負圧面側の第２始点にかけて曲面状に形成されていることを特徴とする水車用ランナ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水車用ランナにおいて、
   前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、前記ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して互いに対称位置に設けられていることを特徴とする水車用ランナ。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水車用ランナにおいて、
   前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、前記ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して非対称な関係で設けられていることを特徴とする水車用ランナ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の水車用ランナにおいて、
   前記第１凹凸部および前記第２凹凸部は、前記ランナ翼の高さ方向にわたって設けられていることを特徴とする水車用ランナ。
7. 回転軸と、
   該回転軸に連結された請求項１〜６のいずれか１項に記載の水車用ランナと、を有することを特徴とする水車。

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