(57)【要約】【課題】キャビテーション性能や水車性能の向上を図った水力機械のランナを提供する。【解決手段】本発明による水力機械のランナ１において、ランナ羽根４を、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点Ｐｏと、第２羽根７の後縁８がバンド３と交わる交点Ｐ２ｂとを結ぶ第２バンド側線分Ｌ２ｂと、回転中心点Ｐｏと、第１羽根５の後縁６がバンド３と交わる交点Ｐ１ｂとを結ぶ第１バンド側線分Ｌ１ｂとのなす角をθ１とする。また、回転中心点Ｐｏと、第２羽根７の後縁８がクラウン２と交わる交点Ｐ２ａとを結ぶ第２クラウン側線分Ｌ２ａと、回転中心点Ｐｏと、第１羽根５の後縁６がクラウン２と交わる交点Ｐ１ａとを結ぶ第１クラウン側線分Ｌ１ａとのなす角をθ２とする。このとき、θ１≧θ２となるように、θ１およびθ２が設定されている。【選択図】図３
2010024962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に連結されたクラウンと、
クラウンから離間して配置されたバンドと、
クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、
クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、
回転中心点と、当該第２羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第２クラウン側線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第１クラウン側線分とのなす角をθ２とし、
第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２クラウン側線分を基準とするランナの回転方向をθ２の正方向としたとき、
θ１≧θ２
となるように、θ１およびθ２が設定されていることを特徴とする水力機械のランナ。
【請求項２】
クラウンとバンドとの間に介在されたランナ羽根の枚数をＺｒとしたとき、
１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒ
となるように、θ１が設定されてい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。
【請求項３】
θ１およびθ２は、
θ１≧０、およびθ２≦０
であって、かつ、
θ１＝０のときθ２＜０、およびθ２＝０のときθ１＞０
となるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力機械のランナ。
【請求項４】
主軸に連結されたクラウンと、
クラウンから離間して配置されたバンドと、
クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、
クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、
回転中心点と、当該第２羽根の後縁のうち任意の点とを結ぶ第２後縁線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁のうち、第２羽根の後縁と第２後縁線分との交点と同一半径上にある点とを結ぶ第１後縁線分とのなす角の最小値をθ３とし、
第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２後縁線分を基準とするランナの回転方向をθ３の正方向としたとき、
θ１＞θ３
となるように、θ１およびθ３が設定されていることを特徴とする水力機械のランナ。
【請求項５】
ランナ羽根の第１羽根と第２羽根は、クラウンとバンドとの間に交互に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水力機械のランナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラウンとバンドとの間に、長い羽根長さを有する第１羽根と、第１羽根の羽根長さよりも短い羽根長さを有する第２羽根とを有するランナ羽根を備えた水力機械のランナに係り、とりわけ、部分負荷運転効率、キャビテーション性能を向上させるようにした水力機械のランナに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、フランシス水車を設計点（発電効率が最高となる点）運転領域において運転する場合、ランナ内の水の流れはランナの流線に沿った流れとなる。この場合、ランナに主軸を介して連結された発電機により、所望の発電量が効率良く得られる。
【０００３】
このようなフランシス水車において発電量を変化させる場合、ガイドベーンの開度を変化させて、ランナに流入される水の流量が調整される。このことにより、ランナの回転駆動力が変化して、発電機の発電量が変化する。このため、フランシス水車を運転している間、発電機の発電量に応じてランナに流入される水の流量が変化し、ランナ内の水の流れは大きく変化する。
【０００４】
すなわち、ランナに流入される水の流量が設計点流量よりも少ない場合（部分負荷運転領域）、ランナに流入されてランナの出口側へ向かう水の動圧力は、ランナが回転することにより生じる遠心力よりも小さくなる。このため、図８に示すように、クラウン４２とバンド４３とランナ羽根４４とを有するランナ４１において、ランナ４１に流入された水は、ランナ４１のバンド４３側に偏って流れる。
【０００５】
一方、ランナ４１に流入される水の流量が多い場合（過負荷運転領域）、ランナ４１に流入されてランナ４１の出口側へ向かう水の動圧力が、ランナ４１が回転することにより生じる遠心力よりも大きくなる。このため、ランナ４１に流入された水は、図８に示した上述の水の流れとは逆に、ランナ４１のクラウン４２側に偏って流れる。
【０００６】
このように、ランナ４１の流線に沿うことなく、クラウン４２側またはバンド４３側に偏った流れは、二次流れと呼ばれている。この二次流れが発生した場合、ランナ４１に流入された水は、ランナ４１内を偏って流れるため、ランナ４１において損失が発生する。
【０００７】
このランナの損失を低減するために、図９および図１０に示すように、クラウンとバンドとの間に、長い羽根長さを有する多数の長翼３３と、長翼３３よりも短い羽根長さを有する多数の短翼３４とを有するランナ羽根３２が設けられたランナ（スプリッタランナ）３１が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。このスプリッタランナ３１を用いた場合、図１１に示すように、特に非設計点において、このスプリッタランナ３１へ流入された水が、スプリッタランナ３１内を偏って流れることが抑制される。
【特許文献１】特開２０００−５４９４４号公報
【特許文献２】特開２０００−２０５１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
通常のスプリッタランナは、短翼の羽根長さをクラウン側からバンド側まで長翼の７０％〜４０％程度に短くしたものを用いている。しかし、通常のランナと長翼の羽根枚数が同じ場合、水車出口部分では短翼が無い部分では通常ランナよりも翼負荷が大きくなり、出口キャビテーション性能が悪化する虞がある。
【０００９】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、キャビテーション性能や水車性能の向上を図った水力機械のランナを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、主軸に連結されたクラウンと、クラウンから離間して配置されたバンドと、クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、回転中心点と、当該第２羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第２クラウン側線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁がクラウンと交わる交点とを結ぶ第１クラウン側線分とのなす角をθ２とし、第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２クラウン側線分を基準とするランナの回転方向をθ２の正方向としたとき、
θ１≧θ２
となるように、θ１およびθ２が設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
【００１１】
本発明は、クラウンとバンドとの間に介在されたランナ羽根の枚数をＺｒとしたとき、
１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒ
となるように、θ１が設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
【００１２】
本発明は、θ１およびθ２は、
θ１≧０、およびθ２≦０
であって、かつ、
θ１＝０のときθ２＜０、およびθ２＝０のときθ１＞０
となるように設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
【００１３】
本発明は、主軸に連結されたクラウンと、クラウンから離間して配置されたバンドと、クラウンとバンドとの間に介在され、長い羽根長さを有する多数の第１羽根と、第１羽根よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根とを有するランナ羽根と、を備えた水力機械のランナにおいて、クラウンと、バンドと、第１羽根と第２羽根とを有するランナ羽根とを、出口側において主軸に対して直交する平面に投影した場合に、回転中心点と、第２羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第２バンド側線分と、回転中心点と、当該第２羽根に、回転方向に隣接する第１羽根の後縁がバンドと交わる交点とを結ぶ第１バンド側線分とのなす角をθ１とし、回転中心点と、当該第２羽根の後縁のうち任意の点とを結ぶ第２後縁線分と、回転中心点と、当該第１羽根の後縁のうち、第２羽根の後縁と第２後縁線分との交点と同一半径上にある点とを結ぶ第１後縁線分とのなす角の最小値をθ３とし、第２バンド側線分を基準とするランナの回転方向をθ１の正方向とし、第２後縁線分を基準とするランナの回転方向をθ３の正方向としたとき、
θ１＞θ３
となるように、θ１およびθ３が設定されていることを特徴とする水力機械のランナである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上述したθ１およびθ２が、θ１≧θ２となるように設定されることにより、第２羽根の羽根長さのうち、クラウン側の羽根長さが、バンド側の羽根長さよりも短くなる。このことにより、第１羽根と、この第１羽根に隣接する第２羽根との間に形成される羽根出口のうち、クラウン側の羽根出口の流路面積が大きくなる。このため、過負荷運転領域において、クラウン側に偏って流れる水を効率良く流すことができる。この結果、過負荷運転領域において、ランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナの効率をより一層向上させることができる。
【００１５】
また本発明によれば、上述したθ１およびθ３が、θ１＞θ３となるように設定されていることにより、第２羽根の後縁が凹状になるように第２羽根が形成される。このため、第１羽根と、この第１羽根に隣接する第２羽根との間に形成される羽根出口のうち、クラウンとバンドとの中間部付近における羽根出口の流路面積が大きくなる。このため、過負荷運転領域において、クラウン側に偏って流れる水を効率良く流すことができる。また、第２羽根の羽根長さのうち、バンド側の羽根長さが短くなることなく第２羽根が形成される。このため、部分負荷運転領域において、バンド側に偏って流れる水が整流され、羽根出口における圧力最低値が大きくなる。この結果、過負荷運転領域および部分負荷領域においてランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナの効率をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１乃至図４は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを示す図である。このうち図１は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを含むフランシス水車の全体構成を示す図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナの断面構成を示す図であり、図３は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図であり、図４は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナにおいて、過負荷運転時におけるθ２とランナ損失との関係を示す図である。
【００１７】
まず、図１によりフランシス水車２０の全体構成について説明する。図１に示すように、フランシス水車２０は、水が流入するケーシング２５と、回動自在に設けられ、ケーシング２５内から流入する水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのランナ１とを備えている。またケーシング２５内周側には、ランナ１へ向けた水の流路を形成するステーベーン２６が設けられ、このステーベーン２６の出口側に、ランナ１へ流入する水量を変化させるガイドベーン２７が設けられている。また、ランナ１は、多数のランナ羽根４を有し（図２および図３参照）、このランナ１に、主軸２８を介して発電機２９が連結されている。
【００１８】
図１において、フランシス水車２０を運転する場合、まず、水は、図示しない上池から図示しない水圧鉄管を通りフランシス水車２０のケーシング２５内に流れ込む。ケーシング２５内に流れ込んできた水は、ステーベーン２６およびガイドベーン２７を通ってランナ１に流入される。ランナ羽根４がランナ１に流入された水の流れを受けて、ランナ１が回転駆動され、主軸２８を介して発電機２９が駆動される。一方、ランナ１を回転駆動させた水は、吸出し管３０を経て図示しない放水路へと流出する。
【００１９】
次に、本発明による水力機械のランナ１について、図２および図３を用いて説明する。図２に示すように、水力機械のランナ１は、主軸９に連結されたクラウン２と、クラウン２から離間して配置されたバンド３と、クラウン２とバンド３との間に介在されたランナ羽根４とを備えている。このうちランナ羽根４は、長い羽根長さを有する多数の第１羽根５と、第１羽根５よりも短い羽根長さを有する多数の第２羽根７とを有している。このランナ羽根４の第１羽根５と第２羽根７は、クラウン２とバンド３との間に交互に配置されるとともに、互いに円周方向に等間隔に配置されている。
【００２０】
次に、図３を用いて、第１羽根５および第２羽根７の出口側形状について詳述する。図３に示すように、第２羽根７の後縁８の一端は、クラウン２に、クラウン２との交点Ｐ２ａにおいて交わり、第２羽根７の後縁８の他端は、バンド３に、バンド３との交点Ｐ２ｂにおいて交わっている。また、第２羽根７に、水力機械のランナ１の回転方向に隣接する第１羽根５の後縁６の一端は、クラウン２に、クラウン２との交点Ｐ１ａにおいて交わり、第１羽根５の後縁６の他端は、バンド３に、バンド３との交点Ｐ１ｂにおいて交わっている。
【００２１】
また、図３において、クラウン２と、バンド３と、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とが、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影して示されている。図３により、第１羽根５および第２羽根７の形状について更に説明する。まず、図３において、回転中心点Ｐｏと、第２羽根７の後縁８がバンド３と交わる交点Ｐ２ｂとを結ぶ第２バンド側線分Ｌ２ｂと、回転中心点Ｐｏと、第１羽根５の後縁６がバンド３と交わる交点Ｐ１ｂとを結ぶ第１バンド側線分Ｌ１ｂとのなす角θ１が示されている。
【００２２】
また、図３において、回転中心点Ｐｏと、当該第２羽根７の後縁８がクラウン２と交わる交点Ｐ２ａとを結ぶ第２クラウン側線分Ｌ２ａと、回転中心点Ｐｏと、当該第１羽根５の後縁６がクラウン２と交わる交点Ｐ１ａとを結ぶ第１クラウン側線分Ｌ１ａとのなす角θ２が示されている。
【００２３】
この場合、第２バンド側線分Ｌ２ｂを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ１の正方向とし、第２クラウン側線分Ｌ２ａを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ２の正方向としたとき、
θ１≧θ２
となるように、θ１およびθ２が設定され、第１羽根５および第２羽根７が形成されている。
【００２４】
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。
【００２５】
図２および図３に示す水力機械のランナ１において、上述したように、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とを、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影した場合において、上述したθ１およびθ２が、θ１≧θ２となるように設定されている。この場合、第２羽根７の後縁８がクラウン２と交わる交点Ｐ２ａは、第２羽根７の後縁８がバンド３と交わる交点Ｐ２ｂに対して、流線方向位置が入口側となる位置に配置される。すなわち、第２羽根７の羽根長さのうち、クラウン２側の流線方向の羽根長さが、バンド３側の流線方向の羽根長さよりも短くなる。このため、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口（スロート）のうち、クラウン２側の羽根出口の流路面積が大きくなる。
【００２６】
ここで、過負荷運転領域において水力機械を運転する場合、水力機械のランナ１内を流れる水の流量は、設計点領域において水力機械を運転する場合よりも多い。このことにより、水力機械のランナ１内の水の流れは、一般にクラウン２側に偏った流れとなる。この場合、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口の流路面積が小さいと、羽根出口を流れる水の流速が増大して摩擦損失が増加し、ランナの損失は増大する。
【００２７】
これに対して本発明によれば、上述したように、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口のうち、クラウン２側の羽根出口の流路面積が大きくなっている。このことにより、クラウン２側の羽根出口に、クラウン２側に偏って流れていた水が流れる。このため、羽根出口を流れる水の流速が増大することを抑制して、羽根出口における摩擦損失が増加することを抑制し、ランナの損失が増大することを抑制することができる。
【００２８】
また、本実施の形態においては、ランナ羽根４の第１羽根５と第２羽根７は、クラウン２とバンド３との間に交互に配置されているため、上述した第２羽根７の形状による作用を確実に発揮することができる。すなわち、ランナの損失が増大することを確実に抑制することができる。
【００２９】
次に、図４を用いて、過負荷運転領域におけるθ２と、ランナの損失との関係について説明する。図４において、θ２が小さくなるに従い、ランナの損失が低減されることが示されている。とりわけθ２がθ２≦θ１となっている場合、ランナの損失が大幅に低減されることがわかる。
【００３０】
このように本実施の形態によれば、θ１およびθ２が、θ１≧θ２となるように設定されることにより、第２羽根７の羽根長さのうち、クラウン２側の羽根長さが、バンド３側の羽根長さよりも短くなる。このことにより、第１羽根５と、この第１羽根５に隣接する第２羽根７との間に形成される羽根出口のうち、クラウン２側の羽根出口の流路面積が大きくなる。このため、過負荷運転領域において、クラウン２側に偏って流れる比較的多量の水を効率良く流すことができる。この結果、過負荷運転領域において、ランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナ１の効率をより一層向上させることができる。
【００３１】
第２の実施の形態
次に、図５により、本発明の第２の実施の形態における水力機械のランナについて説明する。ここで図５は、本発明の第２の実施の形態における水力機械のランナにおいて、θ１と羽根出口における圧力最低値との関係を示す図である。
【００３２】
図５に示す第２の形態における水力機械のランナにおいて、θ１とランナ羽根の枚数との関係が更に設定されている点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５において、図１乃至図４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。
【００３３】
本実施の形態における水力機械のランナ１において、クラウン２とバンド３との間に介在され、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４の枚数をＺｒとしたとき、θ１は、
１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒ
となるように設定されている。
【００３４】
一般に、長い羽根長さを有する第１羽根５と、この第１羽根５の羽根長さよりも短い羽根長さを有する第２羽根６とを有するランナ羽根４において、第２羽根７の羽根長さは、第１羽根５の羽根長さの７割以下となっていることが多い。この場合、第２羽根７の羽根長さが第１羽根５の羽根長さに比べて短いために、第１羽根および第２羽根における単位長さあたりの翼負荷が増大する。このことにより、羽根出口における水の流れが整流されることなく、羽根出口における圧力最低値が低下し、キャビテーションが発生して、ランナの損失が増大する。
【００３５】
これに対して本発明によれば、上述したように、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４の枚数をＺｒとしたとき、１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒとなるように、θ１が更に設定されている。すなわち、θ１≧１８０°／Ｚｒとなるようにθ１を大きくすると、第２羽根７の羽根長さが、従来よりも長くなる。このことにより、第２羽根７の羽根長さが長くなり、第１羽根５および第２羽根７における単位長さあたりの翼負荷が減少する。このため、羽根出口における圧力最低値が大きくなる。
【００３６】
しかしながらθ１を過度に大きくすると、第２羽根７と第２羽根７に水力機械のランナ１の回転方向と逆方向に隣接する第１羽根５との間に形成される羽根出口の流路面積が減少する。このことにより、摩擦損失が増大し、水車効率が低下する。
【００３７】
次に、図５を用いて、θ１と羽根出口における圧力最低値との関係について説明する。すなわち、図５に示すように、θ１が、１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒとなるように設定されている領域では、羽根出口における圧力最低値が大きくなっていることがわかる。このことにより、羽根出口においてキャビテーションが発生することを抑制することができる。
【００３８】
ここで、設計点よりも負荷が小さい部分負荷運転領域において水力機械を運転する場合、水力機械のランナ１内を流れる水の流量は、設計点領域において水力機械を運転する場合よりも少ない。このため、水力機械のランナ１内の水の流れは、水力機械のランナ１が回転することにより生じる遠心力を受けて、一般にバンド３側に偏った流れとなり、ランナの損失が増大する。
【００３９】
これに対して本発明によれば、第２羽根７の羽根長さのうち、バンド３側の羽根長さが長くなるように第２羽根７が形成されている。このことにより、水力機械のランナ１内に流れる水が整流され、水の流れがバンド３側に偏ることが抑制される。このため、部分負荷運転領域において、ランナの損失が増大することを抑制することができる。
【００４０】
このように本実施の形態によれば、θ１を１８０°／Ｚｒ≦θ１≦５４０°／Ｚｒとなるように設定することにより、第２羽根７の羽根長さが長くなる。このため、羽根出口における水の流れが整流され、羽根出口における圧力最低値が低減することを抑制し、キャビテーションが発生することを抑制することができる。この結果、水力機械のランナ１の効率をより一層向上させることができる。
【００４１】
第３の実施の形態
次に、図６により、本発明の第３の実施の形態における水力機械のランナについて説明する。ここで図６は、本発明の第３の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図である。
【００４２】
図６に示す第３の実施の形態における水力機械のランナにおいて、θ１とθ２との関係が更に設定されている点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図１乃至図４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。
【００４３】
図６において、クラウン２と、バンド３と、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とが、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影して示されている。図６に示す水力機械のランナ１において、θ１およびθ２は、
θ１≧０、およびθ２≦０
であって、かつ、
θ１＝０のときθ２＜０、およびθ２＝０のときθ１＞０
となるように設定されている。
【００４４】
一般に、長い羽根長さを有する第１羽根５と、この第１羽根５の羽根長さよりも短い羽根長さを有する第２羽根７とを有するランナ羽根４において、第２羽根７の羽根長さが短い場合、各第１羽根５の後縁６の間に羽根出口が形成される。この場合、各第１羽根５の後縁６の間に、第２羽根７の後縁８が介在することなく、この羽根出口の流路面積は比較的大きくなる。
【００４５】
一方、第１羽根５の後縁６の間に、第２羽根７の後縁８が介在する場合、第１羽根５の後縁６と第２羽根７の後縁８との間に羽根出口が形成され、この羽根出口の流路面積は比較的小さくなる。この場合、羽根出口における水の流速が増大し、摩擦損失が増加して、ランナの損失が増大する。
【００４６】
これに対して本発明によれば、θ２が、θ２≦０となるように設定されることにより、第２羽根７の羽根長さのうち、クラウン２側における羽根長さが短くなる。このため、クラウン２側において、各第１羽根５の後縁６の間に第２羽根７の後縁８が介在することがないように第２羽根７が形成され、特に過負荷運転領域において、クラウン２側に偏って流れる水は、クラウン２側の羽根出口を流れる。このことにより、過負荷運転領域において、羽根出口における水の流速が増大することを抑制して、摩擦損失が増加することを抑制する。このため、ランナの損失が増大することを抑制し、水力機械のランナ１の効率をより一層向上させることができる。
【００４７】
第４の実施の形態
次に、図７により、本発明の第４の実施の形態における水力機械のランナについて説明する。ここで図７は、本発明の第４の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図である。
【００４８】
図７に示す第４の実施の形態における水力機械のランナにおいて、θ１およびθ２がθ１≧θ２となるように設定されている点に代えて、θ１およびθ３がθ１≧θ３となるように設定されている点が異なるのみであり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図１乃至図４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。
【００４９】
図７において、クラウン２と、バンド３と、第１羽根５と第２羽根７とを有するランナ羽根４とが、出口側において主軸９に対して直交する平面に投影して示されている。図７により、第１羽根５および第２羽根７の形状について説明する。図７において、回転中心点Ｐｏと、当該第２羽根７の後縁８のうち任意の点Ｐ２ｃとを結ぶ第２後縁線分Ｌ２ｃと、回転中心点Ｐｏと、当該第１羽根５の後縁６のうち、第２羽根７の後縁８と第２後縁線分との交点Ｐ２ｃと同一半径上にある点Ｐ１ｃとを結ぶ第１後縁線分Ｌ１ｃとのなす角の最小値θ３が示されている。
【００５０】
この場合、第２バンド側線分Ｌ２ｂを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ１の正方向とし、第２後縁線分Ｌ２ａを基準とする水力機械のランナ１の回転方向をθ３の正方向としたとき、
θ１＞θ３
となるように、θ１およびθ３が設定されている。
【００５１】
一般に、ランナ羽根４の枚数が多い場合、羽根出口の流路面積が小さくなる。この場合、この羽根出口における水の流速が増大し、摩擦損失が増加して、ランナ損失が増大する。
【００５２】
これに対して本発明によれば、上述したようにθ１およびθ３が、θ１＞θ３となるように設定されている。このことにより、第２羽根７の後縁８が凹状になるように第２羽根７が形成される。このため、クラウン２とバンド３との中間部付近において、第１羽根５と第２羽根７と間の距離が大きくなり、第１羽根５の後縁６と第２羽根７の後縁８との間に形成される羽根出口の流路面積が増大する。この結果、過負荷運転領域において、クラウン２側に偏って流れる水を効率良く流すことができ、ランナの損失が増大することを抑制することができる。
【００５３】
一方、バンド３側において、第２羽根７の長さが短くなることがなく、第２羽根７が形成されている。このことにより、部分負荷運転領域においてバンド３側に偏って流れる水が整流され、羽根出口における圧力最低値が大きくなる。このため、羽根出口におけるキャビテーションが発生することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを含むフランシス水車の全体構成を示す図。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナの断面構成を示す図。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態における水力機械のランナにおいて、過負荷運転時におけるθ２とランナ損失との関係を示す図。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態における水力機械のランナにおいて、θ１と羽根出口における圧力最低値との関係を示す図。
【図６】図６は、本発明の第３の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図。
【図７】図７は、本発明の第４の実施の形態における水力機械のランナを出口側から見た図
【図８】図８は、従来のフランシス水車ランナ内において、部分負荷運転領域における水の流れを示す模式図。
【図９】図９は、従来のスプリッタランナを出口側から見た図。
【図１０】図１０は、従来のスプリッタランナのランナ羽根形状を示す図。
【図１１】図１１は、従来のスプリッタランナ内において、部分負荷運転領域における水の流れを示す模式図。
【符号の説明】
【００５５】
１      水力機械のランナ
２      クラウン
３      バンド
４      ランナ羽根
５      第１羽根
６      後縁
７      第２羽根
８      後縁
９      主軸
２０    フランシス水車
２５    ケーシング
２６    ステーベーン
２７    ガイドベーン
２８    主軸
２９    発電機
３０    吸出し管
３１    スプリッタランナ
３２    ランナ羽根
３３    長翼
３４    短翼
４１    ランナ
４２    クラウン
４３    バンド
４４    ランナ羽根
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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