(57)【要約】【課題】ランナコーンの形状を自由に設計可能とするとともに、ホワールの発生・発達を抑制できるランナ構造を提供する。【解決手段】主軸２、ランナ羽根１ａ、ランナクラウン１ｂ、ランナバーン１ｃ及びランナコーン１ｄからなる水力機械のランナ構造において、前記ランナコーン１ｄは前記ランナクラウン１ｂの中心部又は前記主軸２に回転トルクが伝達されない連結手段８により締結されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸、ランナ羽根、ランナクラウン、ランナバーン及びランナコーンからなる水力機械のランナ構造において、前記ランナコーンは前記ランナクラウンの中心部又は前記主軸に回転トルクが伝達されない連結手段により締結されていることを特徴とする水力機械のランナ構造。
【請求項２】
前記ランナコーンの下流側形状が円錐状又は多角形状であることを特徴とする請求項１に記載の水力機械のランナ構造。
【請求項３】
前記ランナコーンの下流側に少なくとも一つの平面部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の水力機械のランナ構造。
【請求項４】
前記ランナコーンの最下端位置は前記ランナバンドの下端位置よりも下流に位置することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の水力機械のランナ構造。
【請求項５】
前記ランナコーンの形状が、流れ方向に沿って、複数段階変化していることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の水力機械のランナ構造。
【請求項６】
前記ランナコーンと上部吸出し管との間に前記ランナコーンを支持する支持部材を複数配置したことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の水力機械のランナ構造。
【請求項７】
前記支持部材の内部を中空構造とし、上部吹き出し管の外部からランナコーン内部に空気を導入可能とするとともに、前記ランナコーンとランナクラウンとの間の間隙から前記空気をランナ下部の流水路内に注入可能としたことを特徴とする請求項６記載の水力機械のランナ構造。
【請求項８】
前記支持部材の断面形状を流線型にしたことを特徴とする請求項６又は７記載の水力機械のランナ構造。
【請求項９】
前記ランナコーンの外壁面の一部に単数または複数枚の整流板を放射状に設けたことを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の水力機械のランナ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力機械のランナ構造に関し、特に、ランナの下流側にランナコーンが取り付けられた水力機械のランナ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械のランナは、上流から流れ入る水のエネルギーにより回転してこのときに発生する動力をランナ上部にある発電機に伝達して発電するための原動機である。高落差から中落差での使用に適している従来のフランシス型水車のランナ構造を図８を用いて説明する（特許文献１）。
【０００３】
フランシス型水車のランナ１は主軸２より発電機に動力を伝達する。図示していない上池からの水はケーシング３に導かれステーベン４、ガイドベーン５で整流されランナ１に流入する。ランナ１から流出する水は上部吸出し管６に流入し、吸出し管を経て下池へと流出する。
【０００４】
このランナ１は、水流を受けるランナ羽根１ａ、ランナ羽根１ａを支持固定し動力伝達するための主軸２を連結するためのランナクラウン１ｂ、ランナ羽根１ａを外側で締結するためのランナバンド１ｃ、ランナクラウン１ｂから下部につながるランナコーン１ｄから構成される。最近ではこれらの構成部材を全て個別に製作し溶接により一体化されることが一般化してきている。
【０００５】
ここで、ランナクラウン１ｂとランナコ−ン１ｄについて、詳しく説明する。
ランナクラウン１ｂは内側に主軸、外側にランナ羽根１ａを固定するために円錐台のような形状で、ランナ羽根１ａの大きさに対して内径・外径とも十分な大きさを有しており、この外側面に沿ってランナ羽根１ａが接合され、径の大きい上部から径の小さい下部に対して水が流れ、この流水がスムーズに流れ損失が発生しないように滑らかに形成される。
【０００６】
しかしながらランナクラウン１ｂの終点である最下端部では、流路が寸断され急激な流路形状が変化することから、流路急拡大に伴う流水の損失が増大することになる。一般的には、この損失を防ぐために、ランナクラウン１ｂの下端面にランナコーン１ｄと呼ばれる流路形状を滑らかに延長するための部材を取り付けて、ランナ１から出た水をスムーズに上部吸出し管へと導いている。
【０００７】
このランナコーン１ｄはある程度の長さを持ち、その先端は限りなく主軸中心部まで伸ばすことがランナ１内を流れる水の損失を低減する有効策となるが、ランナコーン１ｂはランナ１と一緒に回転運動をすることから、その形状・長さは制約を受け、特に、長さについては長ければ長いほど回転体としての安定性の観点からは高リスクとなる。このため、ランナコーン１ｂは、回転運動に支障をきたさないように下部に平面部を設けた円錐台が一般的であり（特許文献１）、性能と製造コストとの兼ね合いで適度な長さ、適切な形状が選択される。
【特許文献１】特開平４−７２４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来のフランシス型水車のランナ１に発生する現象と問題点について説明する。
一般的にフランシス型水車は、設計点から離れた運転点となる部分負荷運転点及び過負荷運転点ではランナ１の中心部にホワールと呼ばれるロープ状の渦が発生する。このホワールはランナ１の回転にあわせて振れまわり、吸出し管内部の圧力に変動を起こしたり、このホワールが下流へと伸びて吸出し管壁面に衝突した際に騒音・振動などを発生させ水車の運転に支障をきたすことがよくあり、この現象を回避するための対策を講じることが重要となる。
【０００９】
このホワールの発生メカニズムについて説明する。
ランナ１から出た水は、設計点では回転方向の速度を持たないいわゆる無旋回流として上部吸出し管内へと流れるようにランナ羽根の形状が設計される。一方、非設計点ではこのランナ１の回転速度とランナ１内の水の速度のバランスが崩れ、ランナ出口の旋回速度成分が支配的となるためにホワールが発生する。このホワールの大きさは旋回速度成分の大きさに依存し、設計点から離れるほど旋回速度成分が増加することから振れまわりが大きくなる。
【００１０】
また、部分負荷のような運転点では設計点に対して相対的にランナ１内を流れる水量が減少することから、ランナ１の回転による遠心力作用により、ランナ１の内側に対して外側を流れる水の量が増加するために、このホワールは太い頑強な形相を示す。このホワールはランナ１の羽根出口であるランナクラウン１ｂの下端部がその基点となる。
【００１１】
したがって、ランナコーン１ｄの大きさ、ランナコーン１ｄの流水面形状がホワールの発達を左右することになる。特殊な水車として、一台のランナ１の上部にさらにもう一台のランナを有するタンデム型水車の場合は、ランナとランナの間に貫通主軸が存在するが、この場合はホワールが発達しないことが知見されており、ランナ１の中心部の形状によりホワールの発達が回避されることを示している。
【００１２】
このようにランナコーン１ｄの形状によってホワール発達を抑制できることは可能であるが、従来のランナ構造では、ランナコーン１ｄはランナ１と共に高速で回転運動をすることから、その形状は自由に設計できるものではなく、ランナコーン１ｄそのものの形状でホワール増幅を抑制する対策を講じることは困難であった。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ランナコーンの形状を自由に設計することを可能とするとともに、ホワールの発生・発達を抑制できるランナ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る水力機械のランナ構造は、主軸、ランナ羽根、ランナクラウン、ランナバーン及びランナコーンからなる水力機械のランナ構造において、前記ランナコーンは前記ランナクラウンの中心部又は前記主軸に回転トルクが伝達されない連結手段により締結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ランナコーンをランナクラウンの中心部又は主軸に回転トルクが伝達されない連結手段により締結することにより、ランナコーンの形状を自由に設計することが可能となり、これによりホワールの発生、発達を抑制するとともに、ホワールによる振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができるランナ構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る水力機械のランナ構造の実施形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るランナ構造の全体構成図である。
【００１７】
本第１の実施形態に係るランナコーン１ｄは、円錐形状をしており、その下端側の断面形状は真円形状である。本実施形態では、ランナクラウン１ｂとランナコーン１ｄの締結を従来の溶接もしくはボルト締結のような両者を一体構造化するのではなく、ランナクラウン１ｂの中心部もしくは主軸２の端部からランナコーン１ｄを支持するものである。
【００１８】
ランナクラウン１ｂの中心部にはランナ１で発生した動力を上部の発電機に伝達するための主軸２が接続される。このランナクラウン１ｂの中心部下部あるいは主軸２の下端部と、ランナコーン１ｄとを、例えば、自在継ぎ手７を有する連結金具８からなる連結手段によって締結する。この連結手段は、軸方向力は伝達するが回転力は伝達しないものであり、一般的なスラスト軸受けのようなものであって、ランナコーン１ｄの重量を支えるだけの容量が必要である。
【００１９】
また、ランナクラウン１ｂの下端とランナコーン１ｄの上端部には両者が接触しないような十分な隙間９を設けている。
【００２０】
この構成により、ランナ１が水の力により回転運動した際に、ランナコーン１ｄにはこの回転運動が伝わらない。すなわち、ランナコーン１ｄは、ランナ１と一緒に回転運動をすることがないことから、ランナコーン１ｄは自由度の高い設計が可能となり、また、ランナコーン１ｄの回転に起因するホワールの加速・増幅を抑制することができる。
【００２１】
本第１の実施形態によれば、ランナ１の回転運動に対してランナコーン１ｄは同調せず、非回転体となることから、ランナコーン１ｄの形状を自由に設計することが可能となるとともに、従来のように、ランナ１の中心部で発生したホワールをランナコーン１ｄの回転によって加速・増幅することがなくなり、ホワールによる振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができる。
【００２２】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るランナ構造を図２、３を用いて説明する。
本第２の実施形態に係るランナコーン１ｄは、その下端側の断面形状を真円ではなく、例えば多角形からなる非円形状としている。
【００２３】
また、この変形例として、図３に示すように、図１又は図２に示すランナコーン１ｄの下流側の両側面を切り落とし、両側に平面部を形成した非円形状のランナコーン１ｄとしてもよい。
非円形形状のランナコーン１ｄの作用について説明する。
【００２４】
ホワールはランナ１から流出する流れによって発生するものであり、その挙動は運転条件により変化するものであるが、運転中のランナ１から流出する流れは周期性があり安定したものと捉えることができる。つまり、運転条件が変化しなければホワールもある周期を持って安定した回転運動をしながら下流に流れ去るものである。
【００２５】
そこで、ランナコーン１ｄの形状を非円形とし抵抗体のような役割を担わせることでホワールの振れまわり力を抑制するものである。
【００２６】
図２の例ではランナコーンの下端付近の断面形状を六角形としたものであるが、製造面、施工性を考慮して六角形以外の多角形としてもよい。
【００２７】
また、図３に示すように、ランナコーン１ｄの両側を切り落として平面部を設けることで抵抗体としての効力を高めることでホワールの増幅を防止することも有効である。
【００２８】
本第２の実施形態によれば、ランナコーン１ｄは、ランナ１の回転運動に対して同調せず、非回転体であり、かつ、ランナコーン１ｄの形状が非円形であることから、ホワールが発生してもこの振れまわり力を増幅することがないためにホワールによる振動騒音・圧力脈動の発生をさらに低減することができる。
【００２９】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係るランナ構造を図４、図５を用いて説明する。
本第３の実施形態に係るランナコーン１ｄは、ランナコーン１ｄの最下端位置Ｌｋをランナバンド１ｃの下端位置Ｌより十分に下流まで延長したものである。すなわち、ランナコーン１ｄと上部吸出し管６との間に形成される流路の面積をスムーズに変化させるために、ランナコーン１ｄの最底部位置を少なくともランナバンド１ｃの下端位置より下流に延長させ、このランナコーン１ｄの外形形状を上部吸出し管の形状にあわせて調整する。
【００３０】
なお、ランナコーン１ｄの全体長を長くすることによりランナコーン全体が不安定になることが予想されるが、この場合は図５に示すようにランナコーン１ｄの下流側部分から上部吸出し管に向かって複数の支持部材１０を取り付けることでその機能性を失わずに安定性を向上させることが可能である。このランナコーン１ｄの支持部材１０はランナコーン１ｄの振れまわり防止が主目的であり、３本以上が望ましい。
【００３１】
このようにランナコーン１ｄを回転させない構造とすることで、ランナコーン１ｄを長いものとすることが可能となる。一方、ランナ１で損失を発生させる要因として大きな比率を占めるのはランナ１から流れ出た直後であるランナコーン１ｄと上部吸出し管６で囲まれる領域の面積変化である。この面積がスムーズに変化することが重要であるが、従来のようなランナコーン１ｄが回転するランナ構造では、ランナコーン１ｄにより流路面積を調整することは不可能であり損失増大を引き起こしていた。
【００３２】
そこで、本実施形態では、非回転体であるランナコーン１ｄの形状によって面積変化を調整できるようにランナコーン１ｄの長さＬｋを最低でもランナバンド１ｃの高さＬ値より大きくするようにしたものである。
【００３３】
図４に示す例では、ランナコーン１ｄの形状がＤＲ部を境界に２段階に変化しているが、これに限定されず、ランナバンド１ｃ及び上部吸出し管６の位置形状を踏まえて、適切な面積変化を達成するような種々の形状のランナコーン１ｄを設計することが可能である。
【００３４】
本第３の実施形態によれば、ランナコーン１ｄの最底部位置を少なくともランナバンド１ｃの下端位置より下流に延長させるとともに、支持部材１０により安定的に支持し、ランナコーン１ｄの形状を適切に調整することにより、ランナ出口から吸出し管６までの面積変化を適切なものにすることができるので、ランナ内の流れに発生する損失を低減することができる。
【００３５】
また、運転中にはこのランナコーン１ｄが完全にホワール内に納まるのでホワールの振れまわり抑制に対しても十分に効果が発揮できるために、高効率で安定した水車運転が実現できる。
【００３６】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係るランナ構造を図６（ａ）を用いて説明する。
本第４の実施形態は、ランナコーン１ｄを支える支持部材１０内部を中空構造として、上部吸出し管６の外部と連通するものである。具体的には、中空の支持部材１０を上部吸出し管６の外部に設けた配管と連通し、外部からの空気をこの中空支持部材１０の内部の中空部１１を通してランナコーン１ｄ内部へと導き、さらにランナクラウン１ｂとランナコーン１ｄの境界部の隙間９からランナ下流の流水路にこの空気を注入するものである。
【００３７】
また、上部吸出し管６の外側の配管にバルブ１２を設け、必要に応じてこのバルブ１２を開閉することにより、ランナコーン１ｄへ空気を供給する。バルブ１２は、水車の運転条件に連動させた自動制御方式、又は水車運転中は常時開とする制御方式、等により、その開閉が制御される。
【００３８】
本第４の実施形態の作用について説明する。
ランナ中心部にはホワールが発生しこのホワールは運転条件によって大きく振れまわったり小さく振れまわったりする。注入される空気の密度が小さいこと、及びホワールの発生しているランナ中心部の圧力は周囲の圧力よりも低いことから、ランナ中心付近で注入された空気は中心部に集まり、次第にホワール内部に浸透しホワール内の圧力を高める作用が生じる。これにより強い旋回力で振れまわっていたホワールは傘型の安定した形相に変化する。
【００３９】
ところで、ホワールに空気を注入する場合、本発明のようにランナコーン１ｄの内部から空気を注入するのではなく、上部吸出し管６から突き出した給気管等を用いて外部から空気を注入する場合は、各々の発電所の吸出し高さに影響されるために、給気管先端部における吸気特性が劣り、そのため高圧空気を作り出すための装置であるコンプレッサー等の装備を必要とする場合がある。
【００４０】
これに対して、本第４の実施形態では、コンプレッサー等の装備を必要とすることなく、ホワールが発生している箇所にピンポイントでかつタイムリーに空気を注入することができる。
本第４の実施形態によれば、非回転体であるランナコーン１ｄの支持部材１０を中空構造とするだけで、水車運転領域内に発生するホワールに対して大規模な給気注入装置を備えなくてもバルブコントロールにより効率的に空気を注入することができるので、仮にホワールが発生しても振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができ安定した水車運転が可能となる。
【００４１】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係るランナ構造を図６（ｂ）を用いて説明する。
本第５の実施形態は、上記第３及び第４の実施形態の支持部材１０の断面形状を流線型にしたものである。支持部材１０はランナ１から流れ出た流水に対して直角に対向するものであることから、流体抵抗を低減する目的でこの整流板の上流端部の肉厚ｔ１と下流端部の肉厚ｔ２を中心部付近の最大肉厚ｔｍａｘよりも薄くして水流に対して抵抗とならない形状にするものである。内部に連通口１１を設けた場合でもこの形状が適用できることはもちろんである。
【００４２】
本第５の実施形態によれば、ランナ１から流れ出た流体に対して、流体抵抗を最小限に抑制することができるために支持部材１０の固定強度を確保できることができるとともに、支持部材１０による著しい損失増加を防ぐことができるために、安定した水車運転と高効率運転が可能となる。
【００４３】
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係るランナ構造を図７を用いて説明する。
本第６の実施形態は、上記第３の実施形態において、ランナコーン１ｄの外壁面に整流板１３を放射状に少なくとも一つ設けるものである。図７において、複数の整流板１３が、ランナコーン１ｄの外壁面に流水方向と平行に、放射状に取り付けられている。
【００４４】
水車運転中、ランナコーン１ｄの周りにはホワールが発生し、このホワールは運転条件によって大きく振れまわったり小さく振れまわったりするが、この整流板１３によりこの振れまわり力を抑制するものである。また、ホワールが発生しない運転状態では流れを整流するという役目も担うものである。
【００４５】
本第６の実施形態によれば、ランナコーン１ｄの外壁面に整流板１３を設けることにより、水車運転領域内に発生するホワールに対してこのホワールの振れまわり力を抑えることができるとともに、ホワール発達による振動騒音・圧力脈動の発生を抑制することができる。さらに、ランナ内の流れを整流する効果もあることから安定した水車運転と高効率運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るランナ構造図、（ｂ）はランナコーンを下端側からみた図。
【図２】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るランナ構造図、（ｂ）はランナコーンを下端側からみた図。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るランナ構造図の変形例、（ｂ）はランナコーンを下端側からみた図、（ｃ）はランナコーンの側面図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るランナ構造図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る支持部材を有するランナ構造図。
【図６】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係るランナ構造図、（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る支持部材の断面図。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る支持部材を有するランナ構造図。
【図８】従来のランナ構造図。
【符号の説明】
【００４７】
１…ランナ、１ａ…ランナ羽根、１ｂ…ランナクラウン、１ｃ…ランナバンド、１ｄ…ランナコーン、２…主軸、３…ケーシング、４…ステーベン、５…ガイドベーン、６…上部吸出し管、７…自在継ぎ手、８…連結金具、９…ランナクラウンとランナコーン隙間、１０…支持部材、１１…連通口、１２…バルブ、ＤＲ…ランナコーン中間部直径、Ｌ…ランナバンド下端位置、Ｌｋ…ランナコーン下端位置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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