JP7240303B2 - 水力機械のランナおよび水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、水力機械のランナおよび水力機械に関する。

水力機械の一例として、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機が駆動され、発電が行われる。その後、水はランナから流出し、吸出し管を通って下池または放水路へ放出される。

ところで、一般に、流れの中に置かれた物体の後方には、カルマン渦が発生することが知られている。カルマン渦は、上述した水力機械のランナのランナ羽根後流にも発生し得る。このようなカルマン渦は、ランナ羽根の振動やランナ羽根後流の不安定化を引き起こし得る。これにより、ランナの破損や、水力機械および建屋の揺れ等が生じるおそれがある。また、カルマン渦によって、水の圧力エネルギーが損失し、出力低下に繋がるおそれもある。このため、カルマン渦の発生を抑制することが望まれる。

特開２０１５－２０９７８３号公報

本発明は、カルマン渦の発生を抑制することができる水力機械のランナおよび水力機械を提供することを目的とする。

実施の形態による水力機械のランナは、クラウンと、クラウンの外周側に設けられたバンドと、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、を備える。ランナ羽根は、第１面と、第１面の反対側に設けられた第２面と、第１面に設けられた、ランナ羽根の出口側端縁まで延びる第１の溝と、を有する。

また、実施の形態による水力機械は、上述した水力機械のランナを備えている。

本発明によれば、カルマン渦の発生を抑制することができる。

図１は、第１の実施の形態によるフランシス水車の子午面断面図である。 図２は、図１のランナの部分拡大断面図である。 図３は、図２のランナ羽根の部分拡大断面図である。 図４は、図２のランナ羽根の部分拡大斜視図である。 図５は、図４の平面図である。 図６は、第２の実施の形態によるランナのランナ羽根の部分拡大断面図である。 図７は、第２の実施の形態によるランナのランナ羽根の部分拡大斜視図である。 図８は、図７の平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

（第１の実施の形態）
図１～図５を用いて、第１の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて水力機械の一例である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、フランシス水車ランナ５（以下、単にランナ５と称する）と、を備えている。

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に導くように構成されており、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ステーベーン３の間には、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に導くように構成されており、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ガイドベーン４の間には、水が流れる流路が形成されている。各ガイドベーン４は回動可能に構成されており、各ガイドベーン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を中心に回転可能に構成され、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。すなわち、ランナ５は、ランナ５に流入する水の圧力エネルギーを回転エネルギーへと変換する。

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。発電機７は、水車運転時には、ランナ５の回転エネルギーが伝達されて発電を行うように構成されている。

ランナ５の水車運転時の下流側には、吸出し管８が設けられている。吸出し管８は、図示しない下池または放水路に連結されており、ランナ５を回転駆動させた水が、圧力を回復して、下池または放水路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、電力が供給され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、ポンプ水車としてポンプ運転（揚水運転）することが可能になる。この際、ガイドベーン４の開度は、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。

次に、本実施の形態によるランナ５について説明する。なお、以下では、水車運転時の水の流れに従って説明する。図２における太矢印は、水車運転時の設計点においてランナ５を流れる水の流れ方向（主流方向）を示している。

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９と、クラウン９の外周側に設けられたバンド１０と、クラウン９とバンド１０との間に設けられた複数のランナ羽根１１と、を有している。ランナ羽根１１は、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、クラウン９とバンド１０とにそれぞれ接合されている。ランナ羽根１１の間には、水が流れる流路（翼間流路）が形成されている。

図２に示すように、ランナ羽根１１は、水の入口側に配置された入口側端縁１１Ａと、水の出口側に配置された出口側端縁１１Ｂと、を有している。また、図３に示すように、ランナ羽根１１は、圧力面１１Ｐ（第２面）と、圧力面１１Ｐとは反対側に設けられた負圧面１１Ｎ（第１面）と、を有している。圧力面１１Ｐと負圧面１１Ｎとによって、キャンバーラインＣＬが画定されている。ここで、キャンバーラインＣＬとは、圧力面１１Ｐと負圧面１１Ｎの両方に接する内接円の中心を結んでなる線を意味する。

本実施の形態においては、図３に示すように、ランナ羽根１１は、圧力側面１１ＰＳ（第２本体面）と、圧力側面１１ＰＳとは反対側に設けられた負圧側面１１ＮＳ（第１本体面）と、を有する羽根本体１１Ｓと、負圧側面１１ＮＳに設けられたコーティング層１３Ｎ（第１のコーティング層）と、を含んでいる。本実施の形態においては、圧力面１１Ｐは、羽根本体１１Ｓの圧力側面１１ＰＳによって構成されている。一方、負圧面１１Ｎは、羽根本体１１Ｓの負圧側面１１ＮＳのうちコーティング層１３Ｎが設けられていない部分と、コーティング層１３Ｎの表面１３ＮＳとによって構成されている。

また、ランナ羽根１１は、負圧面１１Ｎに設けられた後述する溝１２Ｎ（第１の溝）を有している。本実施の形態においては、溝１２Ｎは、コーティング層１３Ｎに形成されている。以下、このことについて説明する。

上述したように、本実施の形態においては、ランナ羽根１１は、羽根本体１１Ｓの負圧側面１１ＮＳに設けられたコーティング層１３Ｎを有している。コーティング層１３Ｎは、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂの近傍の領域に形成されている。より具体的には、コーティング層１３Ｎは、ランナ羽根１１のうちの下流側の領域に形成され、入口端１３ＮＡと出口端１３ＮＢとを有しており、圧力面１１Ｐと負圧面１１Ｎとの間の中間面ＩＳに垂直な方向で（図３における上側から）見たときにコーティング層１３Ｎの出口端１３ＮＢとランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂとが重なっている。ここで、中間面ＩＳは、主流方向に沿ったランナ羽根１１の断面であって、ランナ５の半径方向または回転軸線方向の任意の位置における断面のキャンバーラインＣＬを結んでなる面により構成される。

コーティング層１３Ｎは、塗料により形成されている。コーティング層１３Ｎは、負圧側面１１ＮＳに塗料が塗布されて硬化させることにより形成され得る。塗料として、例えばフッ素樹脂を含む塗料やシリコン樹脂を含む塗料等が用いられてもよい。また、塗料として、例えば加水分解型船底塗料が用いられてもよい。コーティング層１３Ｎは、出口側端縁１１Ｂに向かって厚くなるように形成されていてもよい。このようなコーティング層１３Ｎは、例えば、既存のランナ羽根１１の負圧面１１Ｎの出口側端縁１１Ｂの近傍の領域を切削加工等により薄くして、図３に示す負圧側面１１ＮＳのうちコーティング層１３Ｎが設けられていない部分を形成し、当該部分に形成されてもよい。上述したように、このコーティング層１３Ｎの表面１３ＮＳと負圧側面１１ＮＳのうちコーティング層１３Ｎが設けられていない部分とによって、負圧面１１Ｎが構成される。コーティング層１３Ｎの表面１３ＮＳと負圧側面１１ＮＳのコーティング層１３Ｎが設けられていない部分とは、滑らかに接続されている。

本実施の形態においては、図４および図５に示すように、このコーティング層１３Ｎに、溝１２Ｎが形成されている。溝１２Ｎは、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂまで延びている。溝１２Ｎは、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂにおいて下流側に開口している。図５に示す例においては、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎは、直線状に形成されており、コーティング層１３Ｎの入口端１３ＮＡから出口端１３ＮＢまで延びるように形成されている。

図５に示すように、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎは、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂでの設計点における主流方向１４とは異なる方向に延びていてもよい。図示された例においては、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎは、設計点における主流方向１４に対して反時計回りに角度θ１傾いた方向に延びている。これにより、溝１２Ｎ内を流れた水が出口側端縁１１Ｂを通過するときの水の流れ方向１５Ｎを、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、設計点における主流方向１４とは異なる方向に転向することができる。角度θ１は、例えば１０度以上４５度以下であってもよい。なお、溝１２Ｎは、設計点における主流方向１４に対して時計回りに傾いた方向に延びていてもよい。

また、図４に示すように、溝１２Ｎは、出口側端縁１１Ｂに向かって深くなっていてもよい。図示された例においては、溝１２Ｎの深さは、コーティング層１３Ｎの厚みと一致している。すなわち、溝１２Ｎの底部では、負圧側面１１ＮＳが露出しており、溝１２Ｎは、露出した負圧側面１１ＮＳを底面とし、露出したコーティング層１３Ｎの壁面部分を側壁面としている。この場合、コーティング層１３Ｎが、出口側端縁１１Ｂに向かって厚くなるように形成されているため、溝１２Ｎも、出口側端縁１１Ｂに向かって深くなる。出口側端縁１１Ｂにおける溝１２Ｎの深さは、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であってもよい。なお、溝１２Ｎの深さが、コーティング層１３Ｎの厚みと一致していなくてもよく、例えばコーティング層１３Ｎの厚みよりも小さくてもよい。この場合、溝１２Ｎの底部では、負圧側面１１ＮＳは露出せず、溝１２Ｎは、露出したコーティング層１３Ｎの底面部分を底面とし、露出したコーティング層１３Ｎの壁面部分を側壁面とする。

このような溝１２Ｎが、負圧面１１Ｎに、出口側端縁１１Ｂに沿う方向に複数配列されていてもよい。図５に示すように、各溝１２Ｎは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、互いに平行になるように、同じ方向に延びていてもよい。しかしながら、このことに限定されることはなく、各溝１２Ｎは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂでの設計点における主流方向１４とは異なる方向に延びていれば、互いに異なる方向に延びていてもよい。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用効果について説明する。

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、ケーシング２及びステーベーン３を介して水がガイドベーン４に流入し、ガイドベーン４からランナ５に水が流入する。このランナ５に流入した水によって、ランナ５が回転駆動される。回転駆動されるランナ５は、連結された主軸６を介して発電機７に回転エネルギーを伝達し、発電機７による発電が行われる。その後、水はランナ５から流入し、吸出し管８を通って、図示しない下池に放出される。

ランナ５に流入した水は、ランナ羽根１１の圧力面１１Ｐおよび負圧面１１Ｎのそれぞれの側において入口側端縁１１Ａから出口側端縁１１Ｂに向かって流れる。この間、水の流れによってランナ羽根１１の圧力面１１Ｐと負圧面１１Ｎとの間に差圧が生じ、ランナ５を、回転軸線Ｘを中心に回転させる。

ここで、圧力面１１Ｐを流れる水は、圧力側面１１ＰＳに沿って流れて、出口側端縁１１Ｂを通過し、ランナ羽根１１の下流側に流出する。設計点と同じ条件で水車運転を行った場合、圧力面１１Ｐにおける出口側端縁１１Ｂでの水の流れ方向１５Ｐは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、設計点における主流方向１４とほぼ一致する。

一方、負圧面１１Ｎを流れる水の一部は、負圧側面１１ＮＳに沿って流れた後、出口側端縁１１Ｂの近傍の領域に設けられた溝１２Ｎに入り込み、溝１２Ｎが延びる方向に沿って流れる。その後、水は、出口側端縁１１Ｂを通過し、ランナ羽根１１の下流側に流出する。ここで、上述したように、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎは、出口側端縁１１Ｂでの設計点における主流方向１４とは異なる方向に延びている。このため、設計点と同じ条件で水車運転を行った場合でも、溝１２Ｎ内を流れた水が出口側端縁１１Ｂを通過するときの水の流れ方向１５Ｎは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、設計点における主流方向１４とは異なる方向になる。

一般に、水がランナ羽根１１を通過する際、ランナ羽根１１の下流側にカルマン渦が発生し得る。とりわけ、カルマン渦は、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとが対称になっている場合に、発生しやすい。

これに対して本実施の形態によれば、負圧面１１Ｎに、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂまで延びる溝１２Ｎが設けられている。このことにより、負圧面１１Ｎを流れる水の一部は、溝１２Ｎ内に入り込み、溝１２Ｎ内を流れる。一方、圧力面１１Ｐには溝が設けられていない。このため、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。この結果、カルマン渦の発生を抑制することができる。

とりわけ、本実施の形態によれば、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎが、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂでの設計点における主流方向１４とは異なる方向に延びている。このことにより、溝１２Ｎ内を流れた水が出口側端縁１１Ｂを通過するときの水の流れ方向１５Ｎを、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、設計点における主流方向１４とは異なる方向に転向することができる。一方、圧力面１１Ｐには溝が設けられていないため、圧力面１１Ｐにおける出口側端縁１１Ｂでの水の流れ方向１５Ｐは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、設計点における主流方向１４とほぼ一致する。これにより、負圧面１１Ｎを流れる水の流れ方向１５Ｎと圧力面１１Ｐを流れる水の流れ方向１５Ｐとを異ならせることができる。このため、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。この結果、カルマン渦の発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、溝１２Ｎが、出口側端縁１１Ｂに向かって深くなっている。このことにより、負圧面１１Ｎを流れる水が、滑らかに溝１２Ｎ内に誘導され、滑らかに溝１２Ｎ内を流れることができる。このため、水の圧力エネルギーの損失を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、負圧面１１Ｎに、複数の溝１２Ｎが設けられている。このことにより、出口側端縁１１Ｂに沿って複数の溝１２Ｎを配置することができ、設計点における主流方向１４に直交する方向においてより広い領域で、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。このため、カルマン渦の発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、溝１２Ｎが、塗料により形成されたコーティング層１３Ｎに形成されている、このことにより、負圧側面１１ＮＳに直接、溝１２Ｎを形成することを不要にすることができ、溝１２Ｎの形成を容易化することができる。このため、ランナ５の製造コストの増大を抑制することができる。

なお、上述した実施の形態において、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎが、出口側端縁１１Ｂでの設計点における主流方向１４とは異なる方向に延びている例を示した。しかしながら、このことに限定されることはなく、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎが、出口側端縁１１Ｂでの設計点における主流方向１４と同じ方向に延びていてもよい。このような場合であっても、負圧面１１Ｎを流れる水の一部は、溝１２Ｎ内に入り込み、溝１２Ｎ内を流れる。一方、圧力面１１Ｐには溝が設けられていない。このため、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。この結果、カルマン渦の発生を抑制することができる。

また、上述した実施の形態において、負圧側面１１ＮＳにコーティング層１３Ｎが設けられ、コーティング層１３Ｎに溝１２Ｎが形成されている例を示した。しかしながら、このことに限定されることはなく、負圧側面１１ＮＳにコーティング層１３Ｎが設けられず、負圧側面１１ＮＳに直接、溝１２Ｎが形成されていてもよい。例えば、既存のランナ羽根１１の負圧面１１Ｎに対して切削加工を行うことにより、溝１２Ｎを形成してもよい。この場合、既存のランナ羽根１１の負圧面１１Ｎの出口側端縁１１Ｂの近傍の領域を切削加工等により薄くしなくてもよい。このような場合であっても、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。このため、カルマン渦の発生を抑制することができる。

また、上述した実施の形態において、ランナ羽根１１の第１面が負圧面１１Ｎにより構成され、負圧面１１Ｎに溝１２Ｎが形成されている例を示した。しかしながら、このことに限定されることはなく、ランナ羽根１１の第１面が圧力面１１Ｐにより構成され、圧力面１１Ｐに溝が形成されていてもよい。この場合、ランナ羽根１１の第２面が負圧面１１Ｎにより構成され、負圧面１１Ｎには溝１２Ｎが形成されていなくてもよい。このような場合であっても、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。このため、カルマン渦の発生を抑制することができる。

また、上述した実施の形態において、負圧面１１Ｎに溝１２Ｎが形成されているが、圧力面１１Ｐには溝が形成されていない例を示した。しかしながら、このことに限定されることはなく、圧力面１１Ｐおよび負圧面１１Ｎの両方に溝が形成されていてもよい。この場合、圧力面１１Ｐおよび負圧面１１Ｎのそれぞれの側において、水の一部が、溝内に入り込み、溝内を流れる。これにより、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れが、それぞれの溝によって複雑化される。このため、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。この結果、カルマン渦の発生を抑制することができる。

また、この場合において、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、圧力面１１Ｐに設けられた溝と負圧面１１Ｎに設けられた溝とが、同じ方向に延びていてもよい。更に、この場合において、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、圧力面１１Ｐに設けられた溝と負圧面１１Ｎに設けられた溝とが、互いに異なる位置に配置されていてもよい。すなわち、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、圧力面１１Ｐに設けられた溝と負圧面１１Ｎに設けられた溝とが、重ならないように、または、部分的にのみ重なるように配置されていてもよい。この場合、キャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとをより一層非対称にすることができる。この結果、カルマン渦の発生を効果的に抑制することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図６～図８を用いて、第２の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

図６～図８に示す第２の実施の形態においては、ランナ羽根が、第２面に設けられた、出口側端縁まで延びる第２の溝を有し、中間面に垂直な方向で見たときに、第１の溝と第２の溝とが、互いに異なる方向に延びている点が主に異なり、他の構成は、図１～図５に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６～図８において、図１～図５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。

本実施の形態においては、ランナ羽根１１は、圧力面１１Ｐ（第２面）に設けられた溝１２Ｐ（第２の溝）を有している。溝１２Ｐは、後述するコーティング層１３Ｐ（第２のコーティング層）に形成されている。

本実施の形態においては、図６に示すように、ランナ羽根１１は、圧力側面１１ＰＳ（第２本体面）に設けられたコーティング層１３Ｐを有している。コーティング層１３Ｐは、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂの近傍の領域に形成されている。より具体的には、コーティング層１３Ｐは、ランナ羽根１１の下流側の領域に形成され、入口端１３ＰＡと出口端１３ＰＢとを有しており、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときにコーティング層１３Ｐの出口端１３ＰＢとランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂとが重なっている。コーティング層１３Ｐは、負圧側面１１ＮＳに設けられたコーティング層１３Ｎと対応する位置に設けられていてもよい。すなわち、コーティング層１３Ｐは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、負圧側面１１ＮＳに設けられたコーティング層１３Ｎと重なる位置に設けられていてもよい。しかしながら、このことに限定されることはなく、コーティング層１３Ｐは、負圧側面１１ＮＳに設けられたコーティング層１３Ｎと部分的に重なっていなくてもよい。例えば、コーティング層１３Ｐの入口端１３ＰＡが、負圧側面１１ＮＳに設けられたコーティング層１３Ｎの入口端１３ＮＡよりも上流側または下流側に位置していてもよい。

コーティング層１３Ｐは、塗料により形成されている。コーティング層１３Ｐは、圧力側面１１ＰＳに塗料が塗布されて硬化させることにより形成され得る。塗料としては、負圧側面１１ＮＳに設けられたコーティング層１３Ｎと同じ材料が用いられてもよい。コーティング層１３Ｐは、出口側端縁１１Ｂに向かって厚くなるように形成されていてもよい。このようなコーティング層１３Ｐは、例えば、既存のランナ羽根１１の圧力面１１Ｐの出口側端縁１１Ｂの近傍の領域を切削加工等により薄くして、図６に示す圧力側面１１ＰＳのうちコーティング層１３Ｐが設けられていない部分を形成し、当該部分に形成されてもよい。このコーティング層１３Ｐの表面１３ＰＳと圧力側面１１ＰＳのうちコーティング層１３Ｐが設けられていない部分とによって、圧力面１１Ｐが構成される。コーティング層１３Ｐの表面１３ＰＳと圧力側面１１ＰＳのコーティング層１３Ｐが設けられていない部分とは、滑らかに接続されている。

本実施の形態においては、図７および図８に示すように、このコーティング層１３Ｐに、溝１２Ｐが形成されている。溝１２Ｐは、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂまで延びている。溝１２Ｐは、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂにおいて下流側に開口している。図８に示す例においては、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｐは、直線状に形成されており、コーティング層１３Ｐの入口端１３ＰＡから出口端１３ＰＢまで延びるように形成されている。

図８に示すように、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、負圧面１１Ｎに設けられた溝１２Ｎと圧力面１１Ｐに設けられた溝１２Ｐとが、互いに異なる方向に延びていてもよい。図示された例においては、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、圧力面１１Ｐに設けられた溝１２Ｐは、負圧面１１Ｎに設けられた溝１２Ｎが延びる方向とは反対側に、すなわち設計点における主流方向１４に対して時計回りに、角度θ２傾いた方向に延びている。これにより、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、負圧面１１Ｎに設けられた溝１２Ｎを流れた水が出口側端縁１１Ｂを通過するときの水の流れ方向１５Ｎと、圧力面１１Ｐに設けられた溝１２Ｐを流れた水が出口側端縁１１Ｂを通過するときの水の流れ方向１５Ｐとを異ならせることができる。角度θ２は、例えば１０度以上４５度以下であってもよく、角度θ１と等しくてもよい。なお、負圧面１１Ｎに設けられた溝１２Ｎが、設計点における主流方向１４に対して時計回りに傾いた方向に延びている場合、圧力面１１Ｐに設けられた溝１２Ｐは、設計点における主流方向１４に対して反時計回りに傾いていてもよい。

また、溝１２Ｐは、溝１２Ｎと同様に、出口側端縁１１Ｂに向かって深くなっていてもよい。同様に、溝１２Ｐの深さは、コーティング層１３Ｐの厚みと一致していてもよい。この場合、コーティング層１３Ｐが、出口側端縁１１Ｂに向かって厚くなるように形成されているため、溝１２Ｐも、出口側端縁１１Ｂに向かって深くなる。出口側端縁１１Ｂにおける溝１２Ｐの深さは、溝１２Ｎの深さと同程度であってもよい。なお、溝１２Ｐの深さが、コーティング層１３Ｐの厚みと一致していなくてもよく、例えばコーティング層１３Ｐの厚みよりも小さくてもよい。

このような溝１２Ｐが、圧力面１１Ｐに、出口側端縁１１Ｂに沿う方向に複数配列されていてもよい。図８に示すように、各溝１２Ｐは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、互いに平行になるように、同じ方向に延びていてもよい。しかしながら、このことに限定されることはなく、各溝１２Ｐは、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、負圧面１１Ｎに設けられた溝１２Ｎが延びる方向とは異なる方向に延びていれば、互いに異なる方向に延びていてもよい。

圧力面１１Ｐを流れる水の一部は、圧力側面１１ＰＳに沿って流れた後、出口側端縁１１Ｂの近傍の領域に設けられた溝１２Ｐに入り込み、溝１２Ｐが延びる方向に沿って流れる。その後、水は、出口側端縁１１Ｂを通過し、溝１２Ｐが延びる方向に沿ってランナ羽根１１の下流側に流出する。

一方、負圧面１１Ｎを流れる水の一部は、負圧側面１１ＮＳに沿って流れた後、出口側端縁１１Ｂの近傍の領域に設けられた溝１２Ｎに入り込み、溝１２Ｎが延びる方向に沿って流れる。その後、水は、出口側端縁１１Ｂを通過し、溝１２Ｎが延びる方向に沿ってランナ羽根１１の下流側に流出する。

ここで、上述したように、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、負圧面１１Ｎに設けられた溝１２Ｎと圧力面１１Ｐに設けられた溝１２Ｐとが、互いに異なる方向に延びている。このため、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、負圧面１１Ｎに設けられた溝１２Ｎを流れた水が出口側端縁１１Ｂを通過するときの水の流れ方向１５Ｎと、圧力面１１Ｐに設けられた溝１２Ｐを流れた水が出口側端縁１１Ｂを通過するときの水の流れ方向１５Ｐとは、異なる方向になる。

このように本実施の形態によれば、圧力面１１Ｐに、ランナ羽根１１の出口側端縁１１Ｂまで延びる溝１２Ｐが設けられ、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、溝１２Ｎと溝１２Ｐとが、互いに異なる方向に延びている。このことにより、中間面ＩＳに垂直な方向で見たときに、負圧面１１Ｎを流れる水の流れ方向１５Ｎと圧力面１１Ｐを流れる水の流れ方向１５Ｐとを異ならせることができる。このため、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。この結果、カルマン渦の発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、溝１２Ｐが、出口側端縁１１Ｂに向かって深くなっている。このことにより、圧力面１１Ｐを流れる水が、滑らかに溝１２Ｐ内に誘導され、滑らかに溝１２Ｐ内を流れることができる。このため、水の圧力エネルギーの損失を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、圧力面１１Ｐに、複数の溝１２Ｐが設けられている。このことにより、出口側端縁１１Ｂに沿って複数の溝１２Ｐを配置することができ、設計点における主流方向１４に直交する方向においてより広い領域で、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。このため、カルマン渦の発生をより一層効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、溝１２Ｐが、塗料により形成されたコーティング層１３Ｐに形成されている、このことにより、圧力側面１１ＰＳに直接、溝１２Ｐを形成することを不要にすることができ、溝１２Ｐの形成を容易化することができる。このため、ランナ５の製造コストの増大を抑制することができる。

なお、上述した実施の形態において、圧力側面１１ＰＳにコーティング層１３Ｐが設けられ、コーティング層１３Ｐに溝１２Ｐが形成されている例を示した。しかしながら、このことに限定されることがなく、圧力側面１１ＰＳにコーティング層１３Ｐが設けられず、圧力側面１１ＰＳに直接、溝１２Ｐが形成されていてもよい。例えば、既存のランナ羽根１１の圧力面１１Ｐに対して切削加工を行うことにより、溝１２Ｐを形成してもよい。この場合、既存のランナ羽根１１の圧力面１１Ｐの出口側端縁１１Ｂの近傍の領域を切削加工等により薄くしなくてもよい。このような場合であっても、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。このため、カルマン渦の発生を抑制することができる。

また、上述した実施の形態において、圧力側面１１ＰＳおよび負圧側面１１ＮＳの両方の面にコーティング層１３Ｐが設けられている例を示した。しかしながら、このことに限定されることはなく、負圧側面１１ＮＳおよび圧力側面１１ＰＳの一方の面にコーティング層が設けられ、他方の面にコーティング層が設けられていなくてもよい。すなわち、例えば、負圧側面１１ＮＳにコーティング層１３Ｎが設けられ、コーティング層１３Ｎに溝１２Ｎが形成されているが、圧力側面１１ＰＳにはコーティング層１３Ｐが設けられず、圧力側面１１ＰＳに直接、溝１２Ｐが形成されていてもよい。あるいは、圧力側面１１ＰＳにコーティング層１３Ｐが設けられ、コーティング層１３Ｐに溝１２Ｐが形成されているが、負圧側面１１ＮＳにはコーティング層１３Ｎが設けられず、負圧側面１１ＮＳに直接、溝１２Ｎが形成されていてもよい。このような場合であっても、ランナ羽根１１のキャンバーラインＣＬを基準として、圧力面１１Ｐの側の水の流れと負圧面１１Ｎの側の水の流れとを非対称にすることができる。このため、カルマン渦の発生を抑制することができる。

以上述べた実施の形態によれば、カルマン渦の発生を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

なお、上述した各実施の形態では、水力機械の一例としてフランシス水車を例にとって説明したが、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力機械にも、本発明を適用することができる。また、ポンプ運転を行わない反動水車にも当然に適用することができる。

１：フランシス水車、５：ランナ、９：クラウン、１０：バンド、１１：ランナ羽根、１１Ｂ：出口側端縁、１１Ｎ：負圧面、１１ＮＳ：負圧側面、１１Ｐ：圧力面、１１ＰＳ：圧力側面、１２Ｎ，１２Ｐ：溝、１３Ｎ，１３Ｐ：コーティング層、１４：設計点における主流方向、ＩＳ：中間面

Claims (10)

1. クラウンと、
   前記クラウンの外周側に設けられたバンドと、
   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、
   前記ランナ羽根は、第１面と、前記第１面の反対側に設けられた第２面と、前記第１面に設けられた、前記ランナ羽根の出口側端縁まで延びる第１の溝と、前記第２面に設けられた、前記出口側端縁まで延びる第２の溝と、を有し、
   前記第１面と前記第２面との間の中間面に垂直な方向で見たときに、前記第１の溝と前記第２の溝とが、互いに異なる方向に延びている、水力機械のランナ。
2. 前記第１面と前記第２面との間の中間面に垂直な方向で見たときに、前記第１の溝が、前記出口側端縁での設計点における主流方向とは異なる方向に延びている、請求項１に記載の水力機械のランナ。
3. 前記第１の溝が、前記出口側端縁に向かって深くなっている、請求項１または２に記載の水力機械のランナ。
4. 前記第１面に、複数の前記第１の溝が設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
5. 前記ランナ羽根が、第１本体面と、前記第１本体面の反対側に設けられた第２本体面と、を有する羽根本体と、前記第１本体面に設けられた、塗料により形成された第１のコーティング層と、を含み、
   前記第１の溝が、前記第１のコーティング層に形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
6. 前記第２の溝が、前記出口側端縁に向かって深くなっている、請求項１から５のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
7. 前記第２面に、複数の前記第２の溝が設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
8. 前記ランナ羽根が、第１本体面と、前記第１本体面の反対側に設けられた第２本体面と、を有する羽根本体と、前記第２本体面に設けられた、塗料により形成された第２のコーティング層と、を含み、
   前記第２の溝が、前記第２のコーティング層に形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
9. 前記ランナ羽根が、前記第１本体面に設けられた、塗料により形成された第１のコーティング層を更に含み、
   前記第１の溝が、前記第１のコーティング層に形成されている、請求項８に記載の水力機械のランナ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の水力機械のランナを備える水力機械。

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