(57)【要約】【課題】長翼と端翼を有する水力機械のランナで、水力損失を抑制しつつ優れたポンプキャビテーション特性を実現する。【解決手段】クラウンとバンドにはさまれた環状流路に、複数の長翼１とその長翼よりもポンプ入口端を後退させた複数の短翼２とを周方向に交互に配列した水力機械ランナにおいて、長翼断面の翼主要部の翼厚さをｔＬ、短翼断面の翼主要部の翼厚さをｔＳとしたときに、長翼入口端を中心にした半径ｔＬの円の長翼断面内に含まれる円弧の弦の長さｔＬ１を、短翼入口端を中心にした半径ｔＳの円の短翼断面内に含まれる円弧の弦の長さｔＳ１よりも大きくする。【選択図】図１
2006029229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナ回転中心軸に対してほぼ垂直な円板状のクラウンと、このクラウンに対向して前記ランナ回転中心軸の周りに配置される環状のバンドとを有し、前記クラウンとバンドにはさまれた環状流路に、複数の長翼とその長翼よりもポンプ入口端を後退させた複数の短翼とを周方向に交互に配列した水力機械ランナにおいて、
子午面でみて前記ランナの入口から出口にかけて前記クラウンとバンドの間の前記環状流路の幅を一定の割合で分割する曲線をランナ回転中心軸周りに回転して創成される流水面にて前記長翼および短翼を仮想的に切断して形成した翼断面形状について、長翼断面の翼主要部の翼厚さをｔＬ、短翼断面の翼主要部の翼厚さをｔＳとするときに、長翼入口端を中心にした半径ｔＬの円の長翼断面内に含まれる円弧の弦の長さを、短翼入口端を中心にした半径ｔＳの円の短翼断面内に含まれる円弧の弦の長さよりも大きくしたこと、を特徴とする水力機械ランナ。
【請求項２】
請求項１に記載の水力機械ランナにおいて、前記翼断面形状について、前記長翼の入口端付近に長翼主要部の翼厚さｔＬよりも大きな翼厚さをもつ膨出部が設けられていることを特徴とする水力機械ランナ。
【請求項３】
請求項２に記載の水力機械ランナにおいて、前記翼断面形状について、前記短翼の入口端付近に短翼主要部の翼厚さｔＳよりも大きな翼厚さをもつ膨出部が設けられていることを特徴とする水力機械ランナ。
【請求項４】
請求項２または３に記載の水力機械ランナにおいて、前記翼断面形状について、前記長翼主要部の翼厚さよりも大きな翼厚さをもつ膨出部を当該長翼とその負圧面側に隣接する長翼との間の最小翼間隙間を構成する翼負圧面上の点よりも入口側の範囲内に限定したこと、を特徴とする水力機械ランナ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の水力機械ランナにおいて、前記翼断面形状について、前記長翼断面の翼主要部の翼厚さをｔＬとしたときに、長翼入口端を中心にした半径ｔＬの円の長翼断面内に含まれる円弧の弦の長さを、クラウン側よりもバンド側でより大きくしたこと、を特徴とする水力機械ランナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプやポンプ水車などの水力機械のランナに関し、特に、長翼と短翼とを有する水力機械のランナに関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械を揚水運転する際に運転条件が設計点から外れると、ポンプ入口側においてランナへの流入流れ角度と翼角度との間にずれが生じ、翼入口近傍で局所的な圧力降下が発生するようになる。この現象は運転点が設計点から離れるに伴って顕著になり、圧力降下領域の圧力が飽和蒸気圧にまで低下するとキャビテーションが発生する。キャビテーションが発生すると機器に損傷を与えることから連続的な運転が不可能になり、運転範囲を制限する原因となる。
【０００３】
そのために、特許文献１に記載されているように、単一種類の翼を有する水力機械のランナにおいて、翼入口近くに膨出部を形成して翼圧力面と負圧面とがなす角度（翼面広がり角度）を拡大することで、流れ角度の変化による影響を緩和するような方法が提案されている。この方法によれば、非設計点においても翼面の圧力降下の抑制が可能になり、キャビテーション特性の改善に有効であることが確認されている。
【特許文献１】特開平８−３１２５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、翼厚さが大きな部分では翼により排除される流体量が増大するため流速が増加して損失の増加が生じ得ることから、膨出部は適正な形状で必要最低限の大きさにとどめることが重要である。これは長翼と短翼を有するランナについても同様であり、両翼に対して同一の取り扱いをするのではなく、長翼と短翼におけるフローパターンの違いを考慮した施策を施すことが必要である。
【０００５】
一般に損失は、図７に示すように翼間隙間の二乗に反比例するため、翼厚さが増加すると損失が大きく増大することになる。このため、長翼と短翼を交互に配したランナでは、両翼の合計枚数は従来のランナよりも多くなるのが一般的であることから、もともと翼間隙間が狭く、僅かな翼厚さの増加で損失の増大が著しくなるといった問題がある。特に短翼の翼厚さは直接翼間隙間に影響を与えるため、従来の技術とは異なった慎重な取り扱いが不可欠である。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水力機械の揚水運転時の水力損失を抑制しつつ優れたポンプキャビテーション特性をもつ水力機械ランナ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】
【０００７】
本発明は、上記目的に沿うものであって、ランナ回転中心軸に対してほぼ垂直な円板状のクラウンと、このクラウンに対向して前記ランナ回転中心軸の周りに配置される環状のバンドとを有し、前記クラウンとバンドにはさまれた環状流路に、複数の長翼とその長翼よりもポンプ入口端を後退させた複数の短翼とを周方向に交互に配列した水力機械ランナにおいて、子午面でみて前記ランナの入口から出口にかけて前記クラウンとバンドの間の前記環状流路の幅を一定の割合で分割する曲線をランナ回転中心軸周りに回転して創成される流水面にて前記長翼および短翼を仮想的に切断して形成した翼断面形状について、長翼断面の翼主要部の翼厚さをｔＬ、短翼断面の翼主要部の翼厚さをｔＳとするときに、長翼入口端を中心にした半径ｔＬの円の長翼断面内に含まれる円弧の弦の長さを、短翼入口端を中心にした半径ｔＳの円の短翼断面内に含まれる円弧の弦の長さよりも大きくしたこと、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、長翼と短翼とを有する水力機械ランナについて、水力損失を抑制しつつ効果的にポンプキャビテーション特性を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。ここで、相互に共通または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１０】
［第１の実施の形態］
図１および図２は本発明に係る水力機械ランナの第１の実施の形態を示す。図２は、第１の実施の形態の水力機械ランナのランナ子午断面（立断面）を、右半分を中心に部分的に示す。ランナ子午断面は、ランナ回転中心軸を含む平面でランナを切断した断面である。このランナは、鉛直のランナ回転中心軸６の周りに回転できる構造である。上部に円板状のクラウン３が配置され、クラウン３に対向して環状のバンド４が配置され、クラウン３とバンド４にはさまれた環状流路に、複数の長翼１と複数の短翼２が周方向に交互に配列されている。
【００１１】
揚水運転時には、ランナの回転によって、水が翼１、２に沿って、ランナ回転中心軸６付近下方から上方外側に向かって流れる。図示のように、短翼２の入口端は長翼１の入口端よりも後退している。
【００１２】
図１は、図２に示すランナ子午断面において、ランナ入口から出口にかけてクラウン３側とバンド４側を任意の一定比率で分割する曲線すなわち流線５をランナ回転中心軸６周りに回転して得られる曲面にて仮想的に切断した翼断面を平面に展開した図である。
【００１３】
翼主要部（翼の中ほどの翼厚さが一定の部分）の翼厚さを、長翼１はｔＬ、短翼２はｔＳと表すとき、長翼入口端を中心とする半径ｔＬの円が翼断面によって切り取られる円弧の弦の長さ（長翼入口端厚さｔＬ１）が、短翼入口端を中心とする半径ｔＳの円が翼断面によって切り取られる円弧の弦の長さ（短翼入口端厚さｔＳ１）よりも大きくなっている。
【００１４】
この実施の形態によれば、長翼１の翼面広がり角度が短翼２の翼面広がり角度よりも大きくなり、長翼１の入口付近の翼面圧力分布に対する流入流れ角度の変化による影響が相対的に小さくなる。その結果、長翼１のキャビテーション特性が向上して、もともと流入流れ角度の変化が小さい短翼２のキャビテーション特性との差が縮小することから、水力機械全体としてのキャビテーション特性を効果的に向上させることができる。
【００１５】
［第２の実施の形態］
図３は本発明に係る水力機械ランナの第２の実施の形態を示す。基本的な構成については第１の実施の形態と同様であるが、長翼１入口側に長翼主要部の翼厚さｔＬよりも大きな翼厚さをもつ膨出部２０を設けたことにより、長翼入口端厚さｔＬ１が膨出部２０を設けない場合と比べて大きくなっている点が特徴である。
【００１６】
本実施の形態によれば、長翼１の翼面広がり角度がより大きくなって、キャビテーション特性が向上し、水力機械全体としてのキャビテーション特性を効果的に向上させることができる。
【００１７】
［第３の実施の形態］
通常の揚水運転であれば、前述したように短翼２には長翼１で整流された流れが流入するため、運転点の変化による流入流れ角度の変化幅は小さく、キャビテーションが発生することはほとんどない。しかし運転揚程範囲つまり運転流量範囲が極端に大きな仕様条件では、短翼２においても流入流れ角度の変化幅が大きくなり、場合によってはキャビテーションの発生を抑制する施策が必要になる。
【００１８】
図４は、上記の点を考慮して改良されたもので、本発明に係る水力機械ランナの第３の実施の形態を示す。基本的な構成については第２の実施の形態と同様であるが、短翼２入口側に短翼主要部の翼厚さｔＳよりも大きな翼厚さをもつ膨出部２２を設けたことにより、短翼入口端厚さｔＳ１が膨出部２２を設けない場合と比べて大きくなっている点が特徴である。本実施の形態によれば、短翼２の翼面広がり角度が大きくなってキャビテーション特性が向上し、短翼２での特性がネックとなる場合に水力機械全体としてのキャビテーション特性を向上させることができる。
【００１９】
［第４の実施の形態］
図５は本発明に係る水力機械ランナの第４の実施の形態を示す。基本的な構成については第２の実施の形態（図３）と同様に長翼１入口側に膨出部２０を設けてあるが、その膨出部２０の範囲が当該長翼１とその負圧面側に隣接する長翼１との間の最小翼間隙間ａを構成する翼負圧面上の点７よりも入口側に限定されている。本実施の形態によれば、膨出部２０が隣接する長翼１間の最小翼間隙間に干渉しないため、設計点が変化せず、水力特性に与える影響を抑制しながら長翼のキャビテーション特性を向上させることが可能になる。
【００２０】
［第５の実施の形態］
図６は本発明に係る水力機械ランナの第５の実施の形態について、クラウン３からバンド４にかけての長翼１の入口端厚さ分布の例を示す。この図では、長翼入口端曲線に沿ったクラウン３側からの無次元距離Ｌ／Ｌ０に対して、クラウン３側の入口端厚さを１とした無次元長翼入口端厚さｔＬ１０の分布を表している。
【００２１】
一般に、揚水運転ではバンド４側でのキャビテーションが厳しく、クラウン３側よりも翼面広がり角度が大きいほうが望ましい。本実施の形態によれば、バンド４側で入口端厚さが大きいことから翼面広がり角度を大きくとることが可能となり、クラウン３からバンド４にかけてのキャビテーション特性を均一化して効果的に長翼のキャビテーション特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る水力機械ランナの第１の実施の形態の翼入口付近を流線に沿って展開した部分展開図。
【図２】本発明に係る水力機械ランナの第１の実施の形態の右半分を中心として示す部分立断面図。
【図３】本発明に係る水力機械ランナの第２の実施の形態の翼入口付近を流線に沿って展開した部分展開図。
【図４】本発明に係る水力機械ランナの第３の実施の形態の翼入口付近を流線に沿って展開した部分展開図。
【図５】本発明に係る水力機械ランナの第４の実施の形態の翼入口付近を流線に沿って展開した部分展開図。
【図６】本発明に係る水力機械ランナの第５の実施の形態における、クラウン側からの距離に対する長翼入口端厚さ分布を示すグラフ。
【図７】翼間隙間に対する損失の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２３】
１…長翼、２…短翼、３…クラウン、４…バンド、５…流線、６…ランナ回転中心軸、７…隣接する長翼間の最小翼間隙間を構成する負圧面上の点、２０…膨出部、２２…膨出部、ｔＬ…長翼翼主要部厚さ、ｔＳ…短翼翼主要部厚さ、ｔＬ１…長翼入口端厚さ、ｔＳ１…短翼入口端厚さ、ａ…隣接する長翼間の最小翼間隙間、ｔＬ１０…無次元長翼入口端厚さ（クラウン側を１とする）、Ｌ…長翼入口端曲線に沿ったクラウンからの距離、Ｌ０…長翼入口端曲線に沿ったクラウンからバンドまでの距離。
【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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