JP6132708B2 - 水車ランナおよび水車 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、水車ランナおよび水車に関する。

従来から、フランシス水車が知られている。フランシス水車の水車運転時においては、上池から水圧鉄管を通って渦巻き状のケーシングに水が流入し、ケーシングに流入した水は、ケーシングからステーベーンおよびガイドベーンを通ってランナに流入する。このランナへ流入する水によってランナが回転駆動され、ランナに主軸を介して連結された発電電動機が駆動されて発電が行われる。ランナを回転駆動させた水は、ランナから吸出し管を通って下池または放水路へ流出する。

このような水車運転時には、ガイドベーンの開度を変えることにより、ランナに流入する水の流量を調整し、発電量を変化させている。このため、ガイドベーンからランナに流入する水の流れが運転状態により異なり、ランナに流入する流れの角度が異なる。このことから、設計点（効率が最高となる点）以外では、ランナ内の流れが、クラウン側またはバンド側に偏った流れとなりやすく、設計点よりも効率が低下する傾向にある。しかしながら、近年では、水力発電所の運用効率を向上させるために、設計点のみではなく、流量が大きい場合（過負荷運転時）や流量が小さい場合（部分負荷運転時）においても、ランナ内での損失を低減させることが要求されている。

ここで、従来のフランシス水車のランナ３０を示す子午面断面を図９に示す。図９に示されているように、ランナ３０は、主軸に連結されたクラウン３１と、バンド３２と、クラウン３１とバンド３２との間に設けられた複数のランナ羽根３３と、を備えている。図９に示すランナ３０においては、ランナ羽根３３の入口縁３４のクラウン側端部３５の半径（ランナ３０の回転軸線Ｘを中心とする）をＲｃとし、当該入口縁３４のバンド側端部３６の半径をＲｂとしたときに、Ｒｂ＞Ｒｃとなっている。すなわち、従来のランナ羽根３３の入口縁３４は、クラウン３１の側からバンド３２の側に向って徐々に半径が大きくなっている。また、ランナ羽根の入口縁が、全体的に半径が一定になるように形成されているものもあり、このうち、ランナ羽根の入口縁のバンド側端部を、ランナの回転方向に対して前進させるように形成されたランナ羽根も知られている。

特公平１−２９９８９号公報

図１０に、図９に示すランナ羽根３３の負圧面３７の圧力分布を示す。図１０に示されているように、ランナ羽根３３の負圧面３７のうちバンド３２の側の部分において圧力の歪み（より具体的には圧力が低下する領域）が形成され得る。図１０は、設計点における圧力分布を示しているが、このような圧力分布は、設計点のみではなく、過負荷運転時や部分負荷運転時においても見られる。負圧面３７にこのような圧力分布が形成されると、圧力の高い部分から低い部分に向う２次流れが形成される。このような２次流れは、設計時に想定した流れとは方向が異なり、２次流れによって、バンド３２の側の流れがバンド３２の近傍に偏って損失が増大するという問題がある。また、この場合、局所的にキャビテーションが発生しやすくなるという問題もある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナ羽根の負圧面の圧力分布を均等化して損失の発生を抑制できる水車ランナおよび水車を提供することを目的とする。

実施の形態による水車ランナは、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に設けられた複数のランナ羽根と、を備えている。ランナ羽根の入口縁は、クラウン側端部とバンド側端部とを有している。クラウン側端部の半径Ｒｃと、バンド側端部の半径Ｒｂは、
Ｒｂ＜Ｒｃ
を満たしている。

実施の形態による水車ランナは、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に設けられた複数のランナ羽根と、を備えている。ランナ羽根の入口縁は、クラウン側端部と、バンド側端部と、クラウン側端部とバンド側端部との間に位置する、クラウン側端部とバンド側端部とを結ぶ線分よりも外周側に膨出する膨出部と、を有している。

また、実施の形態による水車は、上述した水車ランナを備えている。

図１は、第１の実施の形態におけるフランシス水車の全体構成を示す図である。 図２は、図１のランナを示す子午面断面図である。 図３は、図２のランナ羽根の負圧面における圧力分布を示す図である。 図４は、図１のランナの変形例を示す子午面断面図である。 図５は、第２の実施の形態におけるランナを示す子午面断面図である。 図６は、図５のランナ羽根の負圧面における圧力分布を示す図である。 図７は、図５のランナの変形例を示す子午面断面図である。 図８は、図５のランナの他の変形例を示す子午面断面図である。 図９は、従来のランナを示す子午面断面図である。 図１０は、図９のランナ羽根の負圧面における圧力分布を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水車ランナおよび水車について説明する。

（第１の実施の形態）
図１乃至図３を用いて、本発明の第１の実施の形態における水車ランナおよび水車について説明する。

ここでは、まず、水車の一例として、水車ランナを備えたフランシス水車について説明する。

図１に示すように、フランシス水車１は、水車運転時に上池から水圧鉄管（いずれも図示せず）を通って水が流入する渦巻き状のケーシング２と、複数のステーベーン３と、複数のガイドベーン４と、水車ランナ（以下、単にランナと記す）５と、を備えている。このうちステーベーン３は、ケーシング２に流入した水をガイドベーン４およびランナ５に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ステーベーン３の間に水が流れる流路が形成されている。ガイドベーン４は、流入した水をランナ５に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ガイドベーン４の間に水が流れる流路が形成されている。また、ガイドベーン４は回動自在に構成されており、ガイドベーン４が回動して開度を変えることにより、ランナ５に流入する水の流量が調整可能になっている。このようにして、後述する発電機７の発電量が調整可能になっている。

ランナ５は、ケーシング２に対して回転軸線Ｘを中心に回転自在に構成され、水車運転時にケーシング２から流入する水によって回転駆動される。

ランナ５には、主軸６を介して発電機７が連結されている。この発電機７は、水車運転時にはランナ５の回転によって発電を行うように構成されている。また、ランナ５の下流側には、ランナ５を流出した水流の圧力を回復させるための吸出し管８が設けられている。この吸出し管８は、図示しない下池に連結されており、ランナ５を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。なお、発電機７は、電動機としての機能をも有し、電力を供給することによりランナ５を回転駆動するように構成されていてもよい。この場合、吸出し管８を介して下池の水を吸い上げて上池に放出させることができ、フランシス水車１をポンプ運転（揚水運転）することが可能になる。

次に、上述したランナ５について、より詳細に説明する。

図２に示すように、ランナ５は、主軸６に連結されたクラウン１０と、クラウン１０に離間して設けられたバンド１１と、クラウン１０とバンド１１との間に設けられた複数のランナ羽根１２と、を有している。ランナ羽根１２は、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、ランナ羽根１２の間に、水が流れる流路が形成されている。ランナ羽根１２は、図示しない正圧面（圧力面）と負圧面１３とを含んでいる。

ランナ羽根１２は、上流側（ガイドベーン４の側）に形成された入口縁１４を有している。入口縁１４は、クラウン１０からバンド１１に向って延びるように形成されており、各ランナ羽根１２の入口縁１４によってランナ入口が確定される。このランナ入口を通ってランナ５内に水が流入されるようになっている。なお、ランナ羽根１２の下流側（吸出し管８の側）には、出口縁１５が形成されており、各ランナ羽根１２の出口縁１５によってランナ出口が画定され、このランナ出口を通ってランナ５から水が流出される。

ランナ羽根１２の入口縁１４は、クラウン側端部１６とバンド側端部１７とを含んでいる。このうちクラウン側端部１６は、入口縁１４のうちクラウン１０の側に位置する端部であり、バンド側端部１７は、入口縁１４のうちバンド１１の側に位置する端部である。ランナ羽根１２のクラウン側端部１６の（回転軸線Ｘを中心とする）半径をＲｃとし、バンド側端部１７の半径をＲｂとしたとき、ＲｃとＲｂは、
Ｒｂ＜Ｒｃ
を満たしている。なお、本実施の形態においては、ランナ羽根１２の入口縁１４は、直線状に形成されていてもよい。

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説明する。

本実施の形態によるフランシス水車１において水車運転を行う場合、図示しない上池から水圧鉄管を通ってケーシング２に水が流入する。ケーシング２に流入した水は、ケーシング２からステーベーン３およびガイドベーン４を通ってランナ５に流入する。このランナ５へ流入した水によって、ランナ５が回転駆動される。このことにより、ランナ５に連結された発電機７が駆動されて発電が行われる。ランナ５に流入した水は、ランナ５から吸出し管８を通って、図示しない下池へ放出される。

水車運転の間、ランナ５に流入した水は、ランナ羽根１２の間に形成された流路を通って流れる。

本実施の形態においては、ランナ羽根１２の入口縁１４のクラウン側端部１６の半径Ｒｃが、バンド側端部１７の半径Ｒｂより大きくなっている。このことにより、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域における羽根長さを長くすることができる。一方、バンド側端部１７の半径Ｒｂがクラウン側端部１６の半径Ｒｃより小さくなっていることから、ランナ羽根１２のうちバンド１１の側の領域における羽根長さを短くすることができる。このため、ランナ羽根１２の負圧面１３における圧力分布を均等化させることができ、ランナ５内に２次流れが形成されることを抑制し、２次流れなどによる損失が発生することを抑制できる。

図３には、図２に示すランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布が示されている。図３の圧力分布は、流れ解析結果から得られたものである。図３に示すように、図１０に示すような圧力の歪みが改善され、ランナ羽根１２の負圧面１３における圧力分布が均等化されていることがわかる。すなわち、等圧線をランナ羽根１２の入口縁１４または出口縁１５に沿って形成させることができ、主流方向に直交する方向において圧力を均等化できる。このため、２次流れが形成されることを抑制できる。なお、図３は、設計点における圧力分布を示しているが、設計点において圧力分布を均等化させることができるため、設計点以外の過負荷運転時や部分負荷運転時においても、圧力分布を均等化させることができるといえる。

このように本実施の形態によれば、ランナ羽根１２の入口縁１４のクラウン側端部１６の半径Ｒｃと、バンド側端部１７の半径Ｒｂとが、Ｒｂ＜Ｒｃを満たしている。このことにより、ランナ羽根１２の負圧面１３における圧力分布を均等化させることができる。このため、ランナ５内において、２次流れなどによる損失が発生することを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、既設の水車においてランナ５のランナ羽根１２を改修することにより、ランナ５内での損失発生を抑制し、水車の性能を向上させることができる。このため、ランナ５の外周側に設けられた部材（例えば、上カバ、下カバなど）を改修することなく流用して、既設の水車の性能を向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態において、例えば、図４に示すように、ランナ羽根１２の入口縁１４が、クラウン側端部１６とバンド側端部１７との間に位置する膨出部１８を更に有し、膨出部１８が、クラウン側端部１６とバンド側端部１７とを結ぶ線分Ｌよりも外周側（半径方向外側）に膨出するようにしてもよい。この場合、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域とバンド１１の側の領域との間の領域における羽根長さを長くすることができる。このことにより、後述する図６にも示されているように、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布を均等化させることができる。なお、膨出部１８は、クラウン側端部１６とバンド側端部１７との間に位置していれば特に限られることはないが、クラウン側端部１６とバンド側端部１７との間の略中央に位置していることが好適である。また、図４においては、ランナ羽根１２の入口縁１４が、曲線状に形成されている例を示している。

図４に示す形態では、ランナ羽根１２の入口縁１４の膨出部１８の半径Ｒｍは、
Ｒｃ＜Ｒｍ、かつ、Ｒｂ＜Ｒｍ
を満たしている。すなわち、膨出部１８の半径Ｒｍを、クラウン側端部１６の半径Ｒｃより大きくし、膨出部１８が、入口縁１４の最大半径を画定する部分となっている。このことにより、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域とバンド１１の側の領域との間の領域における羽根長さをより一層長くすることができる。このため、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布をより一層均等化させることができる。

なお、図４に示す形態では、ランナ羽根１２の入口縁１４の膨出部１８の半径Ｒｍが、
Ｒｂ＜Ｒｍ＜Ｒｃ
を満たすようにしてもよい。すなわち、膨出部１８の半径Ｒｍを、クラウン側端部１６の半径Ｒｃより小さくして、クラウン側端部１６が入口縁１４の最大半径を画定する部分となるようにしてもよい。この場合においても、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域とバンド１１の側の領域との間の領域における羽根長さを長くすることができ、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布をより一層均等化させることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図５および図６を用いて、本発明の第２の実施の形態における水車ランナおよび水車について説明する。

図５および図６に示す第２の実施の形態においては、ランナ羽根の入口縁のクラウン側端部の半径Ｒｃとバンド側端部の半径ＲｂがＲｃ＜Ｒｂを満たしているとともに、ランナ羽根の入口縁が、クラウン側端部とバンド側端部とを結ぶ線分よりも外周側に膨出している膨出部を有している点が主に異なり、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。なお、図５および図６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。

図５に示すように、ランナ羽根１２の入口縁１４のクラウン側端部１６の半径Ｒｃと、バンド側端部１７の半径Ｒｂは、
Ｒｃ＜Ｒｂ
を満たしている。

また、ランナ羽根１２の入口縁１４は、クラウン側端部１６とバンド側端部１７との間に位置する膨出部１８を含み、この膨出部１８が、クラウン側端部１６とバンド側端部１７とを結ぶ線分Ｌよりも外周側に膨出している。なお、膨出部１８は、クラウン側端部１６とバンド側端部１７との間に位置していれば特に限られることはないが、クラウン側端部１６とバンド側端部１７との間の略中央に位置していることが好適である。また、図５においては、ランナ羽根１２の入口縁１４は、曲線状に形成されている例を示している。

図５に示す形態では、ランナ羽根１２の入口縁１４の膨出部１８の半径Ｒｍは、
Ｒｂ＜Ｒｍ
を満たしている。すなわち、本実施の形態では、膨出部１８の半径Ｒｍを、バンド側端部１７の半径Ｒｂより大きくし、膨出部１８が、入口縁１４の最大半径を画定する部分となっている。なお、上述したようにＲｃ＜Ｒｂとなっているため、ＲｃとＲｍは、
Ｒｃ＜Ｒｍ
を満たしている。

本実施の形態においては、ランナ羽根１２の入口縁１４の膨出部１８の半径Ｒｍが、クラウン側端部１６の半径Ｒｃおよびバンド側端部１７の半径Ｒｂより大きくなっている。このことにより、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域とバンド１１の側の領域との間の領域における羽根長さを長くすることができる。このため、ランナ羽根１２の負圧面１３における圧力分布を均等化させることができ、ランナ５内に２次流れが形成されることを抑制し、２次流れなどによる損失が発生することを抑制できる。

図６には、図５に示すランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布が示されている。図６の圧力分布は、流れ解析結果から得られたものである。図６に示すように、図１０に示すような圧力の歪みが改善され、ランナ羽根１２の負圧面１３における圧力分布が均等化されていることがわかる。すなわち、等圧線をランナ羽根１２の入口縁１４または出口縁１５に沿って形成させることができる。このため、２次流れが形成されることを抑制できる。なお、図６は、設計点における圧力分布を示しているが、設計点において圧力分布を均等化させることができるため、設計点以外の過負荷運転時や部分負荷運転時においても、圧力分布を均等化させることができるといえる。

このように本実施の形態によれば、ランナ羽根１２の入口縁１４がクラウン側端部１６とバンド側端部１７とを結ぶ線分Ｌよりも外周側に膨出する膨出部１８を有している。このことにより、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布を均等化させることができる。このため、ランナ５内において、２次流れなどによる損失が発生することを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、ランナ羽根１２の入口縁１４のクラウン側端部１６の半径Ｒｃと、バンド側端部１７の半径Ｒｂと、膨出部１８の半径Ｒｍが、Ｒｂ＜Ｒｍ、かつ、Ｒｃ＜Ｒｍを満たしている。このことにより、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布をより一層均等化させることができる。このため、ランナ５内において、２次流れが形成されて損失が発生することをより一層抑制できる。

また、本実施の形態によれば、ランナ羽根１２の入口縁１４のクラウン側端部１６の半径Ｒｃと、バンド側端部１７の半径Ｒｂとが、Ｒｃ＜Ｒｂを満たしている。このため、本実施の形態を、水車比速度が高い水車にも適用することができる。すなわち、クラウン１０の外径がバンド１１の外径より大きくなると、クラウン１０の背面（流水面）における摩擦損失が増大するという問題があり、水車比速度が高い水車では、一般的に、クラウン１０の外径がバンド１１の外径よりも小さくなっている。このため、本実施の形態では、クラウン側端部１６の半径Ｒｃとバンド側端部１７の半径ＲｂとがＲｂ＜Ｒｃを満たしているため、本実施の形態を水車比速度が高い水車にも適用することができ、このような水車においても、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布を均等化させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、既設の水車においてランナ５のランナ羽根１２を改修することにより、ランナ５内での損失発生を抑制し、水車の性能を向上させることができる。このため、ランナ５の外周側に設けられた部材（例えば、上カバ、下カバなど）を改修することなく流用して、既設の水車の性能を向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、ランナ羽根１２の入口縁１４の膨出部１８の半径Ｒｍが、Ｒｃ＜Ｒｍ、かつ、Ｒｂ＜Ｒｍを満たしている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、膨出部１８の半径Ｒｍが、図７に示すように、Ｒｃ＜Ｒｍ＜Ｒｂを満たすようにしてもよい。すなわち、当該膨出部１８の半径Ｒｍを、バンド側端部１７の半径Ｒｂより小さくして、バンド側端部１７が入口縁１４の最大半径を画定する部分となるようにしてもよい。この場合においても、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域とバンド１１の側の領域との間の領域における羽根長さを長くすることができ、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布を均等化させることができる。

また、上述した本実施の形態において、図８に示すように、クラウン１０の外径をＲｃ０とし、バンド１１の外径をＲｂ０としたとき、Ｒｃ０、Ｒｂ０およびＲｍが、
Ｒｃ０＜Ｒｍ、かつ、Ｒｂ０＜Ｒｍ
を満たしているようにしてもよい。Ｒｃ０はＲｃより大きく、Ｒｂ０はＲｂより大きいため、膨出部１８の半径Ｒｍを、図５に示す形態よりも大きくすることができる。このことにより、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域とバンド１１の側の領域との間の領域における羽根長さをより一層長くすることができ、ランナ羽根１２の負圧面１３の圧力分布をより一層均等化させることができる。

なお、図８に示す形態において、膨出部１８の半径Ｒｍは、
Ｒｃ０＜Ｒｍ、または、Ｒｂ０＜Ｒｍ
を満たすようにしてもよい。すなわち、Ｒｍを、Ｒｃ０またはＲｂ０よりも大きくすることによっても、ランナ羽根１２のうちクラウン１０の側の領域とバンド１１の側の領域との間の領域における羽根長さをより一層長くすることができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による水車ランナおよび水車は、上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。さらに、上述した実施の形態では、本発明による水車ランナおよび水車をフランシス水車に適用した例について説明したが、このことに限られることはなく、フランシス水車以外の水車に本発明による水車ランナおよび水車を適用することもできる。

１ フランシス水車
５ ランナ
１０ クラウン
１１ バンド
１２ ランナ羽根
１４ 入口縁
１６ クラウン側端部
１７ バンド側端部
１８ 膨出部

Claims (3)

1. 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設けられた複数のランナ羽根と、を備え、
   前記ランナ羽根の入口縁は、クラウン側端部とバンド側端部とを有し、
   前記クラウン側端部の半径Ｒｃと、前記バンド側端部の半径Ｒｂは、
   Ｒｂ＜Ｒｃ
   を満たし、
   前記ランナ羽根の前記入口縁は、前記クラウン側端部と前記バンド側端部との間に位置する、当該クラウン側端部と当該バンド側端部とを結ぶ線分よりも外周側に膨出する膨出部を更に有し、
   前記膨出部の半径Ｒｍは、
   Ｒｃ＜Ｒｍ
   を満たし、
   前記ランナ羽根の前記入口縁は、曲線状に形成されていることを特徴とする水車ランナ。
2. 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設けられた複数のランナ羽根と、を備え、
   前記ランナ羽根の入口縁は、クラウン側端部と、バンド側端部と、前記クラウン側端部と前記バンド側端部との間に位置する、前記クラウン側端部と前記バンド側端部とを結ぶ線分よりも外周側に膨出する膨出部と、を有し、
   前記クラウン側端部の半径Ｒｃと、前記バンド側端部の半径Ｒｂと、前記膨出部の半径Ｒｍは、
   Ｒｃ＜Ｒｍ、かつ、Ｒｂ＜Ｒｍ
   を満たし、
   前記ランナ羽根の前記入口縁は、曲線状に形成されていることを特徴とする水車ランナ。
3. 請求項１または２に記載の前記水車ランナを備えたことを特徴とする水車。

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