(57)【要約】【課題】小型ランナにバランスホールを適用する場合であっても、バランスホール内の流体に対して、当該流体を背圧室側へ逆流させる遠心力が作用しないランナ形状を採用し、軸スラスト力の軽減効果の減少を抑制可能とする。【解決手段】  背圧室８側とランナクラウン１ｂ下部の流水面との間を連通するバランスホール２０では、当該バランスホール２０の流水面側の開口部を、ランナ１の水の出口端よりも主軸２側に設ける。このバランスホール２０上部に、主軸フランジ部２ａの上面からランナ１に向かって、主軸２と平行に、バランスホール２０の背圧室８側の開口部と連通する連通管３０を設ける。連通管３０は、主軸２方向からみた主軸フランジ部２ａの当該主軸フランジ部２ａ上に、主軸２を基準とした周方向に、所定の間隔で設けられた所定形状の孔３０ａを開口部として、バランスホール２０の背圧室８側の開口部と連通する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根頭部を支持するクラウンと、羽根底部を支持するバンドと、クラウンとバンドの間で主軸の周方向に複数枚配列される羽根と、からなるランナと、前記クラウンに覆設し、上方から圧力を加える背圧室と、前記バンドに覆設し、側方から圧力を加える側圧室と、を備えたフランシス型水力機械であって、
前記背圧室と前記クラウンの流水面との間を連通する連通管流路を設け、
前記連通管流路は、前記主軸と平行に、かつ、前記背圧室と前記クラウンの流水面とを直線状に繋ぎ、
当該連通管流路の前記流水面上の開口部は、水流方向に基づく前記羽根出口端よりも、前記主軸側に位置することを特徴とするフランシス型水力機械。
【請求項２】
前記ランナの主軸固定用のフランジを前記背圧室内に設け、
前記連通管流路は、
前記背圧室側から前記クラウンの流水面に、当該クラウン内を貫通するバランスホールと、
前記背圧室内に設けられた前記フランジを貫通し、前記バランスホールの前記背圧室側の開口部と連通する連通管と、
から構成されることを特徴とする請求項１に記載のフランシス型水力機械。
【請求項３】
前記連通管は、円状の断面形状を有することを特徴とする請求項２に記載のフランシス型水力機械。
【請求項４】
前記連通管断面の直径は、前記バランスホール断面の直径に対して、略１０％大きく又は小さく形成されていることを特徴とする請求項３に記載のフランシス型水力機械。
【請求項５】
前記連通管流路は、
前記背圧室側から前記クラウンの流水面に、当該クラウン内を貫通するバランスホールと、
前記背圧室内に設けられた前記フランジの外周面に主軸方向にかけて凹部が形成され、当該凹部が前記バランスホールの前記背圧室側の開口部と連通する凹部連通管と、
から構成されることを特徴とする請求項１に記載のフランシス型水力機械。
【請求項６】
前記凹部は、半円形状やＵ字形状を含むことを特徴とする請求項５に記載のフランシス型水力機械。
【請求項７】
羽根頭部を支持するクラウンと、羽根底部を支持するバンドと、クラウンとバンドの間で主軸の周方向に複数枚配列される羽根と、からなるランナと、前記クラウンに覆設し、上方から圧力を加える背圧室と、前記バンドに覆設し、側方から圧力を加える側圧室と、を備えたフランシス型水力機械であって、
前記ランナの主軸固定用のフランジを前記背圧室内に設け、
前記背圧室側から前記クラウンの流水面に、当該クラウン内を貫通するバランスホールと、
前記背圧室内に設けられた前記フランジの外周面から前記主軸の半径方向に流路が形成され、当該流路が前記バランスホールの前記背圧室側の開口部と鉛直に連通する鉛直連通管と、を設け、
当該バランスホールの前記流水面上の開口部は、水流方向に基づく前記羽根出口端よりも、前記主軸側に位置することを特徴とするフランシス型水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水車やポンプ水車等の技術に係り、特に、ランナに働く水力軸スラスト力を軽減するバランスホールを設けたフランシス型水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、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、このときに発生した圧力エネルギーをランナ上部に設けられた発電機に伝達することで発電させるための原動機である。
【０００３】
従来のフランシス型のランナを有する水力機械の発電動作をより詳細に説明すると、図７に示す通り、まず、上池（図示しない）からの水が水管を経てケーシング３に導かれ、このケーシング３より水流が主軸２を基準とした回転方向に変換される。そして、このケーシング３に流れる水は、水流を均等にするステーベン４と、開度を制御することで水流量を調整するガイドベーン５と、を介して、整流されることで、ランナ１に流入される。
【０００４】
水が流入することによりランナ１が主軸２を基準として回転し、当該ランナ１に流れ込んだ水は、ベンド管（図示しない）に流れ、その下部に位置する吸出管（図示しない）を経て下池（図示しない）に流出される。このように、流入する水のエネルギーにより、ランナ１が回転することで生じた動力が、当該ランナ１の回転軸である主軸２を通じて発電機に伝達される。
【０００５】
ここで、ランナ１は、水流を受ける複数枚のランナ羽根１ａと、周方向に当該羽根１ａの頭部が支持固定され、動力伝達用の主軸２に連結したランナクラウン１ｂと、この羽根１ａの底部を外側で締結するランナバンド１ｃと、ランナクラウン１ｂの下方先端部に形成されるランナコーン（図示しない）と、から構成される。また、ランナ１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製造されるのが一般的である。
【０００６】
また、図７に示す通り、ランナクラウン１ｂの上面、すなわちランナ１背面と上カバ６との間に挟まれた環状の空間である背圧室８と、ランナバンド１ｃの側面、すなわちランナ１側面と下カバ７で囲まれた環状の空間である側圧室９と、が形成されている。この背圧室８は、ランナクラウン１ｂに対して上方から圧力を加え、一方、側圧室９は、ランナバンド１ｃに対して側方から圧力を加えている。
【０００７】
ところで、フランシス型水車では、ランナクラウン１ｂの上部に設けられた背圧室８と、ランナバンド１ｃの側面に設けられた側圧室９と、の圧力バランスの不均衡により、主軸２方向の軸スラスト力が発生する。この軸スラスト力は、背圧室８の圧力が大きいことに起因するため、一般的には、背圧室８から下方の主軸２方向に軸スラスト力が生じる。この発生した軸スラスト力は、発電機のスラスト軸受（図示しない）で支持されるため、当該軸スラスト力の増加に伴い、コストの高い大型軸受を採用しなければならないといった問題が生じる。
【０００８】
そこで、近年では、軸スラスト力の増加を抑制するために、背圧室８の水圧を、ランナ１に対して作用する圧力の不均衡が相殺する程度に減圧させる手段が構築されている。例えば、図７に示す通り、軸スラスト力を低減させる施策として、ランナ１の上面にある背圧室８とランナクラウン１ｂの流水面とを連通する孔（以下、「バランスホール２０」と称する）を開けることで、背圧室８を減圧し、ランナ１に作用する主軸２方向の圧力をバランスさせ、当該圧力の不均衡を防止する発明が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１５４７０４号公報
【特許文献２】特開２００５−１７１８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、バランスホール２０が適用されたフランシス型ランナ１では、バランスホール出口であるランナクラウン１ｂ下部の流水面の開口端付近において、ランナ羽根１ａ面に沿った水の流れと、背圧室８からバランスホール２０を通過しクラウン１ｂ下部のランナ流水面に流出する水の流れと、が干渉することで、圧力低下に伴うキャビテーションが生じ得る。
【００１１】
このキャビテーションは、ランナクラウン１ｂ下部の流水面であるバランスホール開口端付近やランナ羽根１ａ面に壊食（エロージョン）を発生させる。それ故、ランナ羽根１ａ面にエロージョンが発生した場合には、グラインダー等を用いて壊食部位を補修する必要が生じてしまう。
【００１２】
また、バランスホール２０を適用する場合では、バランスホール２０の両端の開口部の位置にズレが生じているので、当該バランスホール２０内の流体に対して、背圧室８側へ逆流するような遠心力が作用（遠心効果）し、それに起因して、軸スラスト力軽減効果が減少する可能性がある。すなわち、図７に示す通り、バランスホール２０のランナクラウン１ｂ下部であるランナ１流水面側と背圧室８側の開口部に、主軸２を基準とした半径方向のズレが生じ、これに起因した水流の遠心効果が、軸スラスト力の軽減を抑制する。
【００１３】
さらに、従来のバランスホール２０をランナ径の小さい小型ランナに適用する場合には、主軸フランジ部２ａが、背圧室８側の当該バランスホール２０の開口部と干渉しないようにするために、この背圧室８側の開口部の位置を、半径方向に大きくする必要がある。これにより、バランスホール２０の傾きは大きくなってしまうので、前記のように、水流の遠心効果によって軸スラスト力の軽減効果が減少するといった問題が生じる。
【００１４】
本発明は、上記のような課題を解消するために提案されたものであって、その目的は、小型ランナにバランスホールを適用する場合であっても、バランスホール内の流体に対して、当該流体を背圧室側へ逆流させる遠心力が作用しないランナ形状を採用し、軸スラスト力の軽減効果の減少を抑制可能なフランシス型水力機械を提供することにある。また、本発明は、ランナ羽根面のエロージョンを抑制する形状のランナを備えたフランシス型水力機械を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成するために、本発明は、羽根頭部を支持するクラウンと、羽根底部を支持するバンドと、クラウンとバンドの間で主軸の周方向に複数枚配列される羽根と、からなるランナと、前記クラウンに覆設し、上方から圧力を加える背圧室と、前記バンドに覆設し、側方から圧力を加える側圧室と、を備えたフランシス型水力機械であって、前記背圧室と前記クラウンの流水面との間を連通する連通管流路を設け、前記連通管流路は、前記主軸と平行に、かつ、前記背圧室と前記クラウンの流水面とを直線状に繋ぎ、当該連通管流路の前記流水面上の開口部は、水流方向に基づく前記羽根出口端よりも、前記主軸側に位置することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記ランナの主軸固定用のフランジを前記背圧室内に設け、前記連通管流路が、前記背圧室側から前記クラウンの流水面に、当該クラウン内を貫通するバランスホールと、前記背圧室内に設けられた前記フランジを貫通し、前記バランスホールの前記背圧室側の開口部と連通する連通管と、から構成される点も一態様として包含する。
【発明の効果】
【００１７】
以上のような本発明によれば、主軸に固定用のフランジがバランスホールのランナ背圧室側における開口部を干渉するような小型ランナであっても、このフランジに対し、バランスホールと連通する孔を開け、背圧室側とクラウン流水面を連絡する連通流路管を形成することにより、バランスホール内の流体が背圧室側へ逆流するような遠心効果を抑制可能なフランシス型水力機械を提案することができる。それ故に、バランスホールによる軸スラスト力の軽減効果の減少を防止することが可能となる。
【００１８】
また、クラウン流水面側のバランスホールの開口部を、ランナ出口端よりも主軸側に設けることにより、キャビテーションによる壊食の部位はランナ出口端より主軸側となるため、ランナ羽根面に与える壊食の影響を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るフランシス型水力機械の全体構成を示す縦断面図
【図２】本発明の第１の実施形態に係るフランシス型水力機械の主軸フランジ部を主軸方向から見た上面図（１）
【図３】本発明の第１の実施形態に係るフランシス型水力機械の主軸フランジ部を主軸方向から見た上面図（２）
【図４】本発明の第２の実施形態に係るフランシス型水力機械の主軸フランジ部を主軸方向から見た上面図
【図５】本発明の第２の実施形態に係るフランシス型水力機械の全体構成を示す縦断面図
【図６】本発明の第３の実施形態に係るフランシス型水力機械の全体構成を示す縦断面図
【図７】従来のフランシス型水力機械の全体構成を示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［１．第１の実施形態］
［１．１．構成］
次に、本発明の第１の実施形態に係るフランシス型水力機械の構成について、図１〜３を参照して、以下に説明する。なお、図１は、第１の実施形態に係るフランシス型水力機械の構成を示す模式縦断面図である。
【００２１】
図１に示す通り、第１の実施形態に係るフランシス型水力機械も、［背景技術］で示したものと同様に、下記のような構成を有する。
すなわち、フランシス型水力機械は、フランシス型ランナ１と、ランナ１が回転することで生じた圧力エネルギーを当該ランナ１上部に設けられた発電機（図示しない）に伝達させる主軸２と、上池（図示しない）からの水を主軸２を基準とした回転方向に変換し、ランナ１に流入させるらせん状に形成されるケースであるケーシング３と、このケーシング３における水流を均等にするステーベン４と、開度を制御することで、ランナ１に流入させる際の水流量を調整するガイドベーン５と、から構成されている。
【００２２】
なお、ランナ１を主軸２に対して固定するために主軸フランジ部２ａが設けられ、後述する背圧室８内のランナクラウン１ｂに接続されている。また、ランナ１には、回転するランナ１からは流出される水が排出されるベンド管（図示しない）と、このベンド管の下部に取り付けられ、圧力を下げることで水を吸出する吸出管（図示しない）と、が接続されている。
【００２３】
ランナ１を上方及び下方から収納するための上カバ６及び下カバ７が設けられ、ランナ１、上カバ６及び下カバ７によりランナ室が形成される。より詳細には、当該ランナ室は、ランナ１が格納される他、図１に示す通り、後述するランナクラウン１ｂの上面、すなわちランナ１の背面と上カバ６の間に挟まれた環状の空間である背圧室８と、ランナバンド１ｃの側面、すなわちランナ１の側面と下カバ７の内面によって囲まれた環状の空間である側圧室９を備えている。
【００２４】
次に、ランナ１の具体的な構成について説明する。
ランナ１は、水流を受ける複数枚のランナ羽根１ａと、主軸を基準とした周方向に当該羽根１ａの頭部が支持固定され、かつ、動力伝達用の主軸２に連結したランナクラウン１ｂと、この羽根１ａの底部を外側で締結するランナバンド１ｃと、ランナクラウン１ｂの下方先端部に形成されるランナコーン（図示しない）と、から構成される。
【００２５】
ランナクラウン１ｂは、図１に示す通り、上部に主軸２が、下部に周方向に並ぶ複数のランナ羽根１ａが固定されるため、上部に外径、下部に内径を有する円錐台のような形状から構成されており、径の大きい上部から径の小さい下部に対して水がスムーズに流れ、かつ損失が生じないように、複数枚のランナ羽根１ａが接合される外側面は滑らかに形成されている。
【００２６】
このランナクラウン１ｂの下端面には、図示しないが、水流路の形状を滑らかに延長するための部材であるランナコーンが装着され、ランナ１から流出される水をスムーズにベンド管へと導いている。ランナバンド１ｃは、複数のランナ羽根１ａの先端部を締結するようリング状に形成される。
【００２７】
次に、第１の実施形態特有の構成について詳述する。
第１の実施形態では、背圧室８とランナクラウン１ｂ下部の流水面との間を連通するバランスホール２０を設けるが、当該バランスホール２０のランナクラウン１ｂの流水面側の開口部を、ランナ１の水の出口径（ランナ１出口端）よりも主軸２側に設けている点に特徴を有する。すなわち、バランスホール２０は、ランナクラウン１ｂの背面側と流水面側の開口部を繋ぎ、かつ、当該開口部がランナ１出口端よりも主軸２側に位置するよう構成されている。ここで、当該バランスホール２０は、主軸２と平行に、ランナクラウン１ｂの背面側と流水面側を連通している。
【００２８】
また、図１に示す通り、このバランスホール２０上部に、主軸フランジ部２ａの上面からランナ１に向かって、バランスホール２０の背圧室８側の開口部と連通する連通管３０を設けている。具体的には、この連通管３０は、主軸２方向からみた主軸フランジ部２ａの断面図である図２に示す通り、当該主軸フランジ部２ａ上に、主軸２を基準とした周方向に、所定の間隔で設けられた所定形状の孔３０ａ（図２では、円形状）を開口部として、バランスホール２０の背圧室８側の開口部と連通する。
【００２９】
ここで、連通管３０の断面形状を所定形状の孔３０ａとしているが、これに限定するものではなく、例えば、図３に示すような主軸フランジ部２ａの円周上に凹部３０ｂを設ける構成も採用する。具体的には、この凹部３０ｂとして、主軸フランジ部２ａの円周上に所定の間隔で、半円やＵ字型を切欠が形成される。
【００３０】
なお、加工容易性の観点から言えば、主軸フランジ部２ａの円周上に凹部３０ｂを形成するよりも、所定形状の孔３０ａを形成する方が好ましく、特に、円形状の孔３０ａであることが好ましい。
【００３１】
また、この連通管３０は、主軸２と平行に、所定形状の孔３０ａ（又は凹部３０ｂ）である開口部とバランスホール２０の背圧室８側の開口部を繋いでいる。そのため、連通管３０とバランスホール２０が連通することにより、背圧室８とランナクラウン１ｂの流水面を連絡する直線状、かつ、主軸方向２と平行の連通管流路が形成される。
【００３２】
［１．２．作用効果］
次に、上記のような構成を有するフランシス型水力機械の動作を説明する。すなわち、上池（図示しない）からの水が、まず、水管を経てケーシング３に導かれ、このケーシング３より水流が主軸を基準とした回転方向に変換される。そして、このケーシング３に流れる水は、水流を均等にするステーベン４と、開度を制御することで水流量を調整するガイドベーン５と、を介して、整流されることで、ランナ１に流入される。
【００３３】
これにより、ランナ１は主軸２を基準として回転し、当該ランナ１に流れ込んだ水は、ベンド管に流入し、その下部に位置する吸出管を経て下池（図示しない）に流出される。このように、流入される水のエネルギーにより、ランナ１が回転することで生じた動力が、当該ランナ１の回転軸である主軸２を通じて発電機に伝達される。
【００３４】
以上のような第１の実施形態によれば、バランスホール２０のランナクラウン１ｂ下部の流水面側の開口部が主軸２側に位置することにより、キャビテーションによる壊食の部位はランナ１出口端より主軸２側となるため、ランナ羽根１ａ面に与える壊食の影響を抑制することが可能となる。
【００３５】
また、連通管３０とバランスホール２０が、主軸２と平行に、かつ、背圧室８からランナクラウン１ｂ下部の流水面を直線的に貫いているので、背圧室８側と流水面側の開口部の位置は径方向で一定であり、バランスホール２０や連通管３０内の流体に対して、遠心力は均一であるから、前述した遠心効果は働かず、軸スラスト力の軽減作用の減少を防止することが可能となる。
【００３６】
［２．第２の実施形態］
［２．１．構成］
次に、本発明の第２の実施形態に係るフランシス型水力機械の構成について、図４及び５を参照して、以下に説明する。なお、第１の実施形態に係るフランシス型水力機械と共通する構成については、説明を省略し同じ符号を付するものとする。
【００３７】
第２の実施形態では、主軸フランジ２ａの断面図である図４に示すように、主軸フランジ部２ａ上において、連通管３０の断面形状を円状とし、かつ、その直径を、機械加工誤差を見込んで、バランスホール２０のランナ背面における直径に対して１０％程度、小さく又は大きく構成する点に特徴を有する。
【００３８】
すなわち、第２の実施形態では、連通管３０である第１の実施形態における主軸フランジ部２ａに設ける孔３０ａを加工容易性の観点から円形状とし、かつ、当該円形状の大きさをバランスホール２０の断面形状との直径比で１０％程度小さく、あるいは大きくすることで、連通管３０の寸法を規定している。
【００３９】
このような連通管３０の形状に特徴を有する水力機械の縦断面図を示せば、図５の通りである。なお、図５では、連通管３０がバランスホール２０と直径比で１０％程度小さい場合の構成例を示しており、当該連通管３０以外の開口部を主軸側に設ける等の構成は第１の実施形態と共通にしている。
【００４０】
［２．２．作用効果］
第２の実施形態に係るフランシス型水力機械の作用は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略し、以下では当該第２の実施形態で奏する効果を示す。すなわち、第２の実施形態によれば、ランナ１の製作に際して機械加工誤差が生じた場合であっても、主軸フランジ部２ａに設ける連通管３０の径をバランスホール２０の径より、大きく又は小さく製作しておくことにより、ランナ羽根１ａ面に沿った水の流れと、背圧室８からバランスホールを通過しランナクラウン１ｂ下部の流水面に流出する水の流れとの干渉を防止することができ、軸スラスト力の低減効果に貢献する。
【００４１】
つまり、ランナ１の製作に当たり、当該ランナ１に対するバランスホール２０と主軸フランジ部２ａに設ける連通管３０は合わせ加工ができないので、予め機械加工誤差を見込んで当該連通管３０の径をバランスホール２０の径より、大きく又は小さく製作しておくことにより、設計値である連通管３０の最小断面積を保持でき、機械加工誤差が生じた場合であっても軸スラスト力を低減できることから、水流の干渉を防止することが可能となる。
【００４２】
また、第１の実施形態と同様に、バランスホール２０のランナクラウン１ｂ下部の流水面側の開口部が主軸２側に位置することにより、キャビテーションによる壊食の部位はランナ１出口端より主軸２側となるため、ランナ羽根１ａ面に与える壊食の影響を抑制することが可能となる。
【００４３】
［３．第３の実施形態］
［３．１．構成］
次に、本発明の第３の実施形態に係るフランシス型水力機械の構成について、図６を参照して、以下に説明する。なお、第１の実施形態に係るフランシス型水力機械と共通する構成については、説明を省略し同じ符号を付するものとする。
【００４４】
第３の実施形態では、図６に示す通り、主軸フランジ部２ａの外周側面から、バランスホール２０の背圧室８側の開口部と連通するような連通管４０を設ける点を特徴とする。具体的には、この連通管４０は、主軸フランジ部２ａの外周側面からランナクラウン１ｂ背面と平行に主軸２に向かう方向（主軸２の半径方向）に設けられ、この連通管４０の主軸２側端部が、バランスホール２０のランナ１背面側の開口部と鉛直に繋がるよう構成されている。これにより、主軸２の半径方向に形成された連通管４０と主軸２と平行に形成されたバランスホール２０とで、背圧室８側とランナクラウン１ｂ側の流水面を連絡するＬ字型の連通管流路が形成される。
【００４５】
［３．２．作用効果］
第３の実施形態に係るフランシス型水車の作用は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略し、以下では当該第３の実施形態で奏する効果を示す。すなわち、第３の実施形態によれば、実機水車の強度上、大型のフランジを採用する場合であっても、主軸フランジ部２ａの外周側面から、主軸２方向に向かう連通管４０を形成することにより、主軸フランジ部２ａの外径に依存せずに、バランスホール２０の背圧室８側の開口部と連通したＬ字型の連通管流路を構成することが可能となる。
【００４６】
これにより、相対的に圧力の高い背圧室８とバランスホール２０とを連通させることができるので、両者の圧力差を縮小することが可能となり、それ故に、ランナ羽根１ａ面に沿った水の流れと、背圧室８からバランスホールを通過しランナクラウン１ｂ下部のランナ流水面に流出する水の流れとの干渉を防止することができ、第２の実施形態と同様に、軸スラスト力の低減効果に貢献する。
【００４７】
また、第１及び２の実施形態と同様に、バランスホール２０のランナクラウン１ｂ下部の流水面側の開口部が主軸２側に位置することにより、キャビテーションによる壊食の部位はランナ１出口端より主軸２側となるため、ランナ羽根１ａ面に与える壊食の影響を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
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
２…主軸
２ａ…主軸フランジ部
３…ケーシング
４…ステーベン
５…ガイドベーン
６…上カバ
７…下カバ
８…背圧室
９…側圧室
２０…バランスホール
３０…連通管
３０ａ…孔
３０ｂ…凹部
４０…連通管
５０…ボルト孔
【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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