(57)【要約】【課題】ランナを通過する水が旋回することを抑制することによって、振動、騒音及び摩擦損失を低減することができる水車のランナを提供する。【解決手段】実施の形態によるランナ２のランナ羽根８は、キャンバーラインを形成する羽根本体８Ａと、羽根本体８Ａよりも出口側に設けられた出口側端部８Ｂと、を有する。出口側端部８Ｂは、当該出口側端部８Ｂの負圧面側に設けられた、羽根本体８Ａの負圧面を出口側に延長した延長面よりもキャンバーラインの側に入り込む負圧面側入り込み面１０と、当該出口側端部８Ｂの圧力面側に設けられた、羽根本体８Ａの圧力面を出口側に延長した延長面よりもキャンバーラインの側に入り込む圧力面側入り込み面１１と、を含む。負圧面側入り込み面１０は、出口側端部８Ｂのうちのバンド７側に設けられ、圧力面側入り込み面１１は、出口側端部８Ｂのうちのクラウン６側に設けられている。【選択図】図２
2015209783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラウンと、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、を有する水車のランナであって、
前記ランナ羽根は、キャンバーラインを形成する羽根本体と、前記羽根本体よりも出口側に設けられた出口側端部と、を有し、
前記出口側端部は、当該出口側端部の負圧面側に設けられた、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む負圧面側入り込み面と、当該出口側端部の圧力面側に設けられた、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む圧力面側入り込み面と、を含み、
前記負圧面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの前記バンド側に設けられ、前記圧力面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの前記クラウン側に設けられている
ことを特徴とする水車のランナ。
【請求項２】
前記出口側端部のうちの前記バンド側における圧力面側は、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面に沿って延びており、前記出口側端部のうちの前記クラウン側における負圧面側は、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面に沿って延びている
ことを特徴とする請求項１に記載の水車のランナ。
【請求項３】
クラウンと、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、を有する水車のランナであって、
前記ランナ羽根は、キャンバーラインを形成する羽根本体と、前記羽根本体よりも出口側に設けられた出口側端部と、を有し、
前記出口側端部は、当該出口側端部の負圧面側に設けられた、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む負圧面側入り込み面を含み、
前記負圧面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの少なくとも前記バンド側及び前記クラウン側に設けられ、
前記バンド側において、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面と、前記負圧面側入り込み面と、がなす角度をθｓｂとし、
前記クラウン側において、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面と、前記負圧面側入り込み面と、がなす角度をθｓｃとしたとき、
θｓｂ＞θｓｃ
となることを特徴とする水車のランナ。
【請求項４】
前記負圧面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの前記バンド側から前記クラウン側にわたって連続して設けられている
ことを特徴とする請求項３に記載の水車のランナ。
【請求項５】
前記出口側端部の圧力面側は、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面に沿って延びている
ことを特徴とする請求項３または４に記載の水車のランナ。
【請求項６】
クラウンと、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、を有する水車のランナであって、
前記ランナ羽根は、キャンバーラインを形成する羽根本体と、前記羽根本体よりも出口側に設けられた出口側端部と、を有し、
前記出口側端部は、当該出口側端部の圧力面側に設けられた、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む圧力面側入り込み面を含み、
前記圧力面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの少なくとも前記バンド側及び前記クラウン側に設けられ、
前記クラウン側において、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面と、前記圧力面側入り込み面と、がなす角度をθｐｃとし、
前記バンド側において、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面と、前記圧力面側入り込み面と、がなす角度をθｐｂとしたとき、
θｐｃ＞θｐｂ
となることを特徴とする水車のランナ。
【請求項７】
前記圧力面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの前記バンド側から前記クラウン側にわたって連続して設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載の水車のランナ。
【請求項８】
前記出口側端部の負圧面側は、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面に沿って延びている
ことを特徴とする請求項６または７に記載の水車のランナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水車のランナに関する。
【背景技術】
【０００２】
水車には、フランシス水車や軸流水車等の種々の機種が存在する。このような水車の一例として、図１３にフランシス水車を示す。図１３に示すフランシス水車１００は、ランナ１０１と、ランナ１０１の外周側に配置され、図示しない水圧鉄管及びケーシングを介してランナ１０１に流入する水の流量調整を行うガイドベーン１０２と、ランナ１０１を通過した水を流出させる吸出し管１０３と、を備えている。ランナ１０１は、主軸１１０に連結されたクラウン１１１と、バンド１１２と、クラウン１１１とバンド１１２との間に設けられた複数のランナ羽根１１３と、を有している。
【０００３】
このようなフランシス水車１００では、ガイドベーン１０２を介して水がランナ１０１に流入し、水の圧力エネルギーがランナ１０１内で回転エネルギーに変換されて主軸１１０が回転する。これにより、主軸１１０に結合される発電機が回転され得ることで、発電が行われ得る。
【０００４】
ところで、一般的に、流れの中に置かれた物体の後方には、カルマン渦と呼ばれる周期的な渦が発生することが知られている。流体機器においてカルマン渦が発生すると、高周波の振動や騒音等が発生し、流体機器の運転に支障をきたす場合がある。このようなカルマン渦は、上述したフランシス水車においても発生し得る。そのため、フランシス水車の分野では、カルマン渦の発生を抑制するための技術が従来から種々提案されている。
【０００５】
例えば、長翼（ランナ羽根の長さが比較的長いランナ羽根）と短翼（ランナ羽根の長さが比較的短いランナ羽根）とが交互に配置されたスプリッタランナとして、短翼の出口側端部で発生し得るカルマン渦の発生を抑制するために、前記短翼の出口側端部において圧力面と負圧面とが非平行に形成されたスプリッタランナが知られている。
【０００６】
また、ランナ羽根の出口側端部におけるバンド側及びクラウン側の近傍で発生し得るカルマン渦の発生を抑制するために、ランナ羽根の前記出口側端部におけるバンド側及びクラウン側に先細り状の張出し部（ストレーキ）が設けられたランナが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１２７５５４号公報
【特許文献２】特開平１０−３０５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図１３に示すフランシス水車１００は、発電時等において一定の回転数で回転している場合、設計点付近では、ランナ１０１から吸出し管１０３に流れる水が、ほぼ無旋回に近い流れとなる。
【０００９】
しかしながら、設計点よりも小流量側の運転では、一定の回転数でのランナ１０１の回転の影響が水の流れに対して相対的に大きく作用するため、水の流れは、バンド１１２側に偏り、ランナ回転方向に強く旋回した流れとなって、ランナ１０１から流出する場合がある。図１４は、設計点よりも小流量側の運転の際の、ランナ１０１を流れる水の流れの様子、及び、ランナ１０１から吸出し管１０３に向かう水の流れの径方向における軸方向速度分布及び周方向速度分布を示した図である。図１４に示すように、水の流れは、バンド１１２側に偏り、ランナ回転方向に強く旋回した流れとなる。
【００１０】
このような状態では、吸出し管１０３においてランナ回転方向に旋回する水の流れによりホワールと呼ばれる渦が発生し、振動や騒音が発生し得るとともに、摩擦損失が増加し得る。また、ランナ１０１の回転方向と同一方向に回転する流れの角運動量は、ランナ１０１で回収し切れずに捨てられてしまう。
【００１１】
一方、設計点よりも大流量側の運転では、一定の回転数でのランナ１０１の回転の影響が水の流れに対して相対的に小さくなるため、水の流れは、クラウン１１１側に偏り、ランナ回転方向と逆方向に旋回した流れとなって、ランナ１０１から流出する場合がある。図１５は、設計点よりも大流量側の運転の際の、ランナ１０１を流れる水の流れの様子、及び、ランナ１０１から吸出し管１０３に向かう水の流れの径方向における軸方向速度分布及び周方向速度分布を示した図である。図１５に示すように、水の流れは、クラウン１１１側に偏り、ランナ回転方向と逆方向に旋回した流れとなる。
【００１２】
このような状態では、吸出し管１０３においてランナ回転方向とは逆方向に旋回する水の流れにより、前述と同様にホワールが発生し、前述と同様に、振動や騒音が発生し得るとともに、摩擦損失が増加し得る。また、ランナ１０１の回転方向とは逆方向に回転している流れの角運動量は、ランナ１０１から水に与えられるエネルギーによって生じるため、ランナ１０１の角運動量に損失が生じてしまう。
【００１３】
上述した、カルマン渦の発生の抑制を図ったランナにおいても、小流量側の運転及び大流量側の運転において、上述したようなホワールが発生され得る。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、カルマン渦の発生を効果的に抑制しつつ、ランナを通過する水の流れが旋回することを抑制することによってランナ出口側での旋回する水の流れによる振動、騒音及び摩擦損失を低減することができるとともに、エネルギーを有効に活用して出力増大を図ることができる水車の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】
【００１５】
実施の形態による水車のランナは、クラウンと、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、を有する水車のランナであって、前記ランナ羽根は、キャンバーラインを形成する羽根本体と、前記羽根本体よりも出口側に設けられた出口側端部と、を有している。前記出口側端部は、当該出口側端部の負圧面側に設けられた、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む負圧面側入り込み面と、当該出口側端部の圧力面側に設けられた、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む圧力面側入り込み面と、を含んでいる。前記負圧面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの前記バンド側に設けられ、前記圧力面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの前記クラウン側に設けられている。
【００１６】
他の実施の形態による水車のランナは、クラウンと、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、を有する水車のランナであって、前記ランナ羽根は、キャンバーラインを形成する羽根本体と、前記羽根本体よりも出口側に設けられた出口側端部と、を有している。前記出口側端部は、当該出口側端部の負圧面側に設けられた、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む負圧面側入り込み面を含んでいる。前記負圧面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの少なくとも前記バンド側及び前記クラウン側に設けられている。前記バンド側において、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面と、前記負圧面側入り込み面と、がなす角度をθｓｂとし、前記クラウン側において、前記羽根本体の負圧面を出口側に延長した延長面と、前記負圧面側入り込み面と、がなす角度をθｓｃとしたとき、θｓｂ＞θｓｃとなる。
【００１７】
更に他の実施の形態による水車のランナは、クラウンと、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、を有する水車のランナであって、前記ランナ羽根は、キャンバーラインを形成する羽根本体と、前記羽根本体よりも出口側に設けられた出口側端部と、を有している。前記出口側端部は、当該出口側端部の圧力面側に設けられた、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面よりも前記キャンバーラインの側に入り込む圧力面側入り込み面を含んでいる。前記圧力面側入り込み面は、前記出口側端部のうちの少なくとも前記バンド側及び前記クラウン側に設けられている。前記クラウン側において、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面と、前記圧力面側入り込み面と、がなす角度をθｐｃとし、前記バンド側において、前記羽根本体の圧力面を出口側に延長した延長面と、前記圧力面側入り込み面と、がなす角度をθｐｂとしたとき、θｐｃ＞θｐｂとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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】図１の要部拡大図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】図１に示すフランシス水車の設計点よりも小流量側の運転におけるバンド側のランナ出口流れの速度三角形を示した図である。
【図６】図１に示すフランシス水車の設計点よりも小流量側の運転の際の、ランナを流れる水の流れの様子を示した図である。
【図７】図１に示すフランシス水車の設計点よりも大流量側の運転におけるクラウン側のランナ出口流れの速度三角形を示した図である。
【図８】図１に示すフランシス水車の設計点よりも大流量側の運転の際の、ランナを流れる水の流れの様子を示した図である。
【図９】第２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１０】（Ａ）は、図９のＸ（Ａ）−Ｘ（Ａ）線に沿う断面図であり、（Ｂ）は、図９のＸ（Ｂ）−Ｘ（Ｂ）線に沿う断面図である。
【図１１】第３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１２】（Ａ）は、図１１のＸＩＩ（Ａ）−ＸＩＩ（Ａ）線に沿う断面図であり、（Ｂ）は、図１１のＸＩＩ（Ｂ）−ＸＩＩ（Ｂ）線に沿う断面図である。
【図１３】フランシス水車の一例の子午面断面図である。
【図１４】図１３に示すフランシス水車の設計点よりも小流量側の運転の際の、ランナを流れる水の流れの様子を示した図である。
【図１５】図１３に示すフランシス水車の設計点よりも大流量側の運転の際の、ランナを流れる水の流れの様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施の形態によるフランシス水車１の子午面断面図である。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Ｃと、複数のステーベーン３Ａと、複数のガイドベーン３Ｂと、ランナ２と、を備えている。
【００２１】
このうち、ステーベーン３Ａは、ケーシングＣに流入した水をガイドベーン３Ｂ及びランナ２に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ステーベーン３Ａの間に水が流れる流路が形成されている。ガイドベーン３Ｂは、流入した水をランナ２に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ガイドベーン３Ｂの間に水が流れる流路が形成されている。また、ガイドベーン３Ｂは回動自在に構成されており、ガイドベーン３Ｂが回動して開度を変えることにより、ランナ２に流入する水の流量が調整可能になっている。
【００２２】
図２は、図１の要部拡大図である。図２に示すように、ランナ２は、主軸５に連結されたクラウン６と、バンド７と、クラウン６とバンド７との間に設けられた複数のランナ羽根８と、を有している。ランナ羽根８は、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、ランナ羽根８の間には、水が流れる流路が形成されている。図１に示すように、主軸５には、発電機Ｇが結合されており、ランナ２の回転によって発電機Ｇが回転され得ることで、発電が行われ得る。図１において、符号Ｘは、主軸５の回転中心である中心軸線を示している。
【００２３】
図２に示すように、ランナ羽根８は、キャンバーラインＣＬ（図３、図４参照）を形成する羽根本体８Ａと、羽根本体８Ａよりも出口側（水車運転時の水の出口側、すなわち）に設けられた出口側端部８Ｂと、を有している。このうち、羽根本体８Ａは、ランナ羽根８の主要部分を構成する部分であり、水の圧力エネルギーをランナ２の回転エネルギーに効率良く変換可能に構成された部分である。
【００２４】
また、図２において、符号８Ｓは、ランナ羽根８の負圧面を示しており、符号８Ｐは、ランナ羽根８の圧力面を示している。圧力面８Ｐは、図２においてランナ羽根８の紙面奥側を向く面であるため、図２において破線で示されている。ここで、前述したキャンバーラインＣＬとは、羽根本体８Ａにおける圧力面８Ｐと負圧面８Ｓからの距離が等しい点を順々に結んで描かれる線のことをいう。
【００２５】
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図であり、図４は、図２のＩＶ―ＩＶ線に沿う断面図である。
【００２６】
図３及び図４に示すように、本実施の形態では、出口側端部８Ｂが、当該出口側端部８Ｂの負圧面側に設けられた、羽根本体８Ａの負圧面を出口側に延長した負圧面側延長面８ＳＥよりもキャンバーラインＣＬの側に入り込む負圧面側入り込み面１０と、当該出口側端部８Ｂの圧力面側に設けられた、羽根本体８Ａの圧力面を出口側に延長した圧力面側延長面８ＰＥよりもキャンバーラインＣＬの側に入り込む圧力面側入り込み面１１と、を含んでいる。
【００２７】
図２乃至図４に示すように、負圧面側入り込み面１０は、出口側端部８Ｂのうちのバンド７側に設けられており、圧力面側入り込み面１１は、出口側端部８Ｂのうちのクラウン側６に設けられている。図２において符号Ａ１で示す領域は、本実施の形態において負圧面側入り込み面１０が設けられる領域を示しており、符号Ａ２で示す領域は、本実施の形態において圧力面側入り込み面１１が設けられる領域を示している。
【００２８】
詳しくは、負圧面側入り込み面１０は、領域Ａ１に示すように、出口側端部８Ｂにおけるバンド７側の端部から、出口側端部８Ｂの略中間領域まで形成されている。また、圧力面側入り込み面１１は、領域Ａ２に示すように、出口側端部８Ｂにおけるクラウン６側の端部から、出口側端部８Ｂの略中間領域まで形成されている。
【００２９】
本実施の形態においては、出口側端部８Ｂの前記略中間領域に、負圧面側入り込み面１０と圧力面側入り込み面１１との両方が含まれる領域が形成されている。この領域を、以下では、ラップ領域１２と呼ぶ。
【００３０】
また、図３に示すように、出口側端部８Ｂのうちのバンド７側における圧力面側、詳しくは、出口側端部８Ｂにおいて負圧面側入り込み面１０が形成された部分のうちの、ラップ領域１２を除く部分の圧力面側は、羽根本体８Ａの圧力面を出口側に延長した延長面に沿って延びている。また、図４に示すように、出口側端部８Ｂのうちのクラウン６側における負圧面側、詳しくは、出口側端部８Ｂにおいて圧力面側入り込み面１１が形成された部分のうちの、ラップ領域１２を除く部分の負圧面側は、羽根本体８Ａの負圧面を出口側に延長した延長面に沿って延びている。これにより、出口側端部８Ｂのバンド７側の断面形状は、羽根本体８ＡのキャンバーラインＣＬの延長線を基準として非対称となっている。同様に、出口側端部８Ｂのクラウン６側の断面形状は、キャンバーラインＣＬの延長線を基準として非対称となっている。
【００３１】
次に、第１の実施の形態の作用について説明する。
【００３２】
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Ｃ及びステーベーン３Ａを介して水がガイドベーン３Ｂに流入し、ガイドベーン３Ｂからランナ２に水が流入する。このランナ２に流入された水によって、ランナ２が回転駆動され、その後、ランナ２に流入した水は、ランナ２から吸出し管４を通って、図示しない下池に放出される。
【００３３】
フランシス水車１に設定された設計点よりも小流量側の運転の場合、ランナ２に流入した水は、バンド７側に偏って流れ、ランナ２から吸出し管４に向かう水の流れは、ランナ２の回転方向と同一方向に旋回した流れとなり易い。しかしながら、本実施の形態では、出口側端部８Ｂのバンド７側に負圧面側入り込み面１０が形成されていることによって、水のランナ２の回転方向と同一方向に旋回した流れの周方向速度が、負圧面側入り込み面１０が形成されていない場合に比べて抑制される。
【００３４】
一方、フランシス水車１に設定された設計点よりも大流量側の運転の場合、ランナ２に流入した水は、クラウン６側に偏って流れ、ランナ２から吸出し管４に向かう水の流れは、ランナ２の回転方向とは逆方向に旋回した流れとなり易い。しかしながら、本実施の形態では、出口側端部８Ｂのクラウン６側に圧力面側入り込み面１１が形成されていることによって、水のランナ２の回転方向とは逆方向に旋回した流れの周方向速度が、圧力面側入り込み面１１が形成されていない場合に比べて抑制される。
【００３５】
しかも、本実施の形態では、負圧面側入り込み面１０及び圧力面側入り込み面１１によって、出口側端部８Ｂの下流側でカルマン渦が発生することも抑制される。
【００３６】
このことについて、以下に詳述する。
【００３７】
図５は、設計点よりも小流量側の運転におけるバンド７側のランナ出口流れの速度三角形を示した図である。また、図６は、設計点よりも小流量側の運転の際の、ランナ２を流れる水の流れの様子、及び、ランナ２から吸出し管４に向かう水の流れの径方向における周方向速度分布を示した図である。
【００３８】
図５において、実線の矢印で示されるＶ２、Ｗ２、Ｖｔｈ２は、負圧面側入り込み面１０が形成されていない場合、すなわち、ランナ羽根８の出口側端部８Ｂの負圧面側が負圧面側延長面８ＳＥのように形成されている場合の、絶対速度、相対速度、絶対場の周方向速度をそれぞれ示している。一方、破線の矢印で示されるＶ２’、Ｗ２’、Ｖｔｈ２’は、負圧面側入り込み面１０が形成されている場合の、絶対速度、相対速度、絶対場の周方向速度をそれぞれ示している。なお、ランナ２の周速度は、Ｕ２で示している。
【００３９】
図５から明らかなように、負圧面側入り込み面１０が形成されている場合、負圧面側入り込み面１０に水が沿うように流れることで、当該水は、周方向速度の成分が、負圧面側入り込み面１０が形成されていない場合に比べて減るように出口側端部８Ｂから流出する。これにより、絶対場の周方向速度Ｖｔｈ２’の絶対値が周方向速度Ｖｔｈ２に比べて小さくなる。このため、小流量側の運転において主流となるバンド７側の流れのランナ２の回転方向の周方向速度が抑制される。
【００４０】
ここで、図６には、負圧面側入り込み面１０が形成されていない場合の周方向速度の分布を示すラインＬ２と、負圧面側入り込み面１０が形成された場合の周方向速度の分布を示すラインＬ２’と、が示されている。なお、図６のバンド７側においてドットを付して示した領域は、負圧面側入り込み面１０が設けられる領域を示している。ラインＬ２とラインＬ２’とを比較して明らかなように、負圧面側入り込み面１０が形成されている場合には、形成されない場合に比べて、流れのランナ２の回転方向と同一方向の周方向速度が抑制される。このことにより、本実施の形態では、ホワール（旋回流れ）の周方向速度を低減できるため、振動、騒音及び摩擦損失を低減することができる。また、負圧面側入り込み面１０が形成されていない場合にランナ２で回収し切れずに捨てられていたエネルギーが有効に活用されるため、ランナ２の角運動量の増加による出力増大を図ることができる。
【００４１】
また、出口側端部８Ｂのバンド７側の断面形状は、その負圧面側に負圧面側入り込み面１０が設けられることによって（圧力面側に入り込み面がないことにより）、羽根本体８ＡのキャンバーラインＣＬの延長線を基準として非対称となっている。このため、バンド７側の下流でのカルマン渦の発生も抑制することができる。
【００４２】
次に、図７は、設計点よりも大流量側の運転におけるクラウン６側のランナ出口流れの速度三角形を示した図である。また、図８は、設計点よりも大流量側の運転の際の、ランナ２を流れる水の流れの様子、及び、ランナ２から吸出し管４に向かう水の流れの径方向における周方向速度分布を示した図である。
【００４３】
図７において、実線の矢印で示される、Ｖ３、Ｗ３、Ｖｔｈ３は、圧力面側入り込み面１１が形成されていない場合、すなわち、ランナ羽根８の出口側端部８Ｂの圧力面側が圧力面側延長面８ＰＥのように形成されている場合の、絶対速度、相対速度、絶対場の周方向速度をそれぞれ示している。一方、破線の矢印で示されるＶ３’、Ｗ３’、Ｖｔｈ３’は、圧力面側入り込み面１１が形成されている場合の、絶対速度、相対速度、絶対場の周方向速度をそれぞれ示している。なお、ランナ２の周速度は、Ｕ３で示している。
【００４４】
図７から明らかなように、圧力面側入り込み面１１が形成されている場合、圧力面側入り込み面１１に水が沿うように流れることで、当該水は、周方向速度の成分が、圧力面側入り込み面１１が形成されていない場合に比べて減るように出口側端部８Ｂから流出する。これにより、絶対場の周方向速度Ｖｔｈ３’の絶対値が周方向速度Ｖｔｈ３に比べて小さくなる。このため、大流量側の運転において主流となるクラウン６側の流れのランナ２の回転方向とは逆方向の周方向速度が抑制される。
【００４５】
図８には、圧力面側入り込み面１１が形成されていない場合の周方向速度の分布を示すラインＬ３と、圧力面側入り込み面１１が形成された場合の周方向速度の分布を示すラインＬ３’と、が示されている。なお、図８のクラウン６側においてドットを付して示した領域は、圧力面側入り込み面１１が設けられる領域を示している。ラインＬ３とラインＬ３’とを比較して明らかなように、圧力面側入り込み面１１が形成されている場合には、形成されない場合に比べて、水のランナ２の回転方向とは逆方向の周方向速度が抑制される。このことにより、本実施の形態では、ホワール（旋回流れ）の周方向速度を低減できるため、振動、騒音及び摩擦損失を低減することができる。また、圧力面側入り込み面１１が形成されていない場合にはランナ２から流れに与えられていたエネルギーが減少されるため、エネルギーが有効に活用され、ランナ２の角運動量の増加による出力増大を図ることができる。
【００４６】
また、出口側端部８Ｂのクラウン６側の断面形状は、その圧力面側に圧力面側入り込み面１１が設けられることによって（負圧面側に入り込み面がないことにより）、羽根本体８ＡのキャンバーラインＣＬの延長線を基準として非対称となっている。このため、クラウン６側の下流でのカルマン渦の発生も抑制することができる。
【００４７】
以上に記載したように本実施の形態によれば、ランナ２を通過する水の流れが旋回することを抑制することによってランナ出口側での旋回する水の流れによる振動、騒音及び摩擦損失を低減することができるとともに、エネルギーを有効に活用して出力増大を図ることができる。また、小流量側と大流量側の運転で、流れが偏るランナ羽根８のバンド７側、クラウン６側それぞれにおいて、出口側端部８Ｂが非対称となっているため、カルマン渦の発生を効果的に抑制することができる。
【００４８】
次に、第２の実施の形態による水車のランナについて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。
【００４９】
図９は、第２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９に示すように、本実施の形態のランナ２’における負圧面側入り込み面１０は、出口側端部８Ｂの負圧面側においてバンド７側からクラウン６側にわたって連続して設けられている。一方、出口側端部８Ｂの圧力面側には、第１の実施の形態で説明したような圧力面側入り込み面１１は形成されていない。なお、図９においてドットを付して示した領域は、本実施の形態において負圧面側入り込み面１０が設けられる領域を示している。
【００５０】
また、図１０（Ａ）は、図９のＸ（Ａ）−Ｘ（Ａ）線に沿う断面図であり、図１０（Ｂ）は、図９のＸ（Ｂ）−Ｘ（Ｂ）線に沿う断面図である。ここで、図１０においては、説明の便宜のため、羽根本体８Ａのバンド７側の部分を符号８Ａｂ、出口側端部８Ｂのバンド７側の部分を符号８Ｂｂで示し、羽根本体８Ａのクラウン６側の部分を符号８Ａｃ、出口側端部８Ｂのクラウン６側の部分を符号８Ｂｃで示している。本実施の形態では、図１０に示すように、バンド７側において、羽根本体８Ａｂの負圧面を出口側に延長した延長面８ＳＥと、負圧面側入り込み面１０と、がなす角度をθｓｂとし、クラウン６側において、羽根本体８Ａｃの負圧面を出口側に延長した延長面８ＳＥ’と、負圧面側入り込み面１０と、がなす角度をθｓｃとしたとき、θｓｂ＞θｓｃ、の関係となっている。
【００５１】
本実施の形態によれば、θｓｂ＞θｓｃの関係となっていることで、負圧面側入り込み面１０によるクラウン６側の出口流れの変化が、バンド７側の出口流れの変化に比べて小さくなる。そして、このように負圧面側入り込み面１０を通過するクラウン６側の出口流れの変化を小さくしつつ、すなわち緩和しつつ、第１の実施の形態と同様に、クラウン６側の負圧面側入り込み面１０よりも角度の大きいバンド７側の負圧面側入り込み面１０によっては、小流量側の運転において、バンド７側の流れのランナ２’の回転方向と同一方向の周方向速度が効果的に抑制される。このことにより、ランナ出口側における流れの周方向速度を低減できるため、振動、騒音及び摩擦損失を低減することができるとともに、ランナ２’の角運動量の増加による出力増大を図ることができる。
【００５２】
また、第１の実施の形態と同様に、出口側端部８Ｂの断面形状の大部分（本実施の形態では全部）が、羽根本体８ＡのキャンバーラインＣＬの延長線を基準として非対称となっているため、カルマン渦の発生も効果的に抑制することができる。しかも、負圧面側入り込み面１０は、クラウン６側においては必要以上に形成されないため、出口側端部８Ｂのクラウン６側での厚さを確保して剛性を確保することができる。
【００５３】
次に、第３の実施の形態による水車のランナについて説明する。
【００５４】
図１１は、第３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１１に示すように、本実施の形態のランナ２’’における圧力面側入り込み面１１は、出口側端部８Ｂの圧力面側においてクラウン６側からバンド７側にわたって連続して設けられている。一方、出口側端部８Ｂの負圧面側には、第１の実施の形態で説明したような負圧面側入り込み面は形成されていない。なお、図１１においてドットを付して示した領域は、本実施の形態において圧力面側入り込み面１１が設けられる領域を示している。
【００５５】
また、図１２（Ａ）は、図１１のＸＩＩ（Ａ）−ＸＩＩ（Ａ）線に沿う断面図であり、図１２（Ｂ）は、図１１のＸＩＩ（Ｂ）−ＸＩＩ（Ｂ）線に沿う断面図である。ここで、図１２においては、前述の図１０と同様に、説明の便宜のため、羽根本体８Ａのバンド７側の部分を符号８Ａｂ、出口側端部８Ｂのバンド７側の部分を符号８Ｂｂで示し、羽根本体８Ａのクラウン６側の部分を符号８Ａｃ、出口側端部８Ｂのクラウン６側の部分を符号８Ｂｃで示している。本実施の形態では、図１２に示すように、クラウン６側において、羽根本体８Ａｃの圧力面を出口側に延長した延長面８ＰＥと、圧力面側入り込み面１１と、がなす角度をθｐｃとし、バンド７側において、羽根本体８Ａｂの圧力面を出口側に延長した延長面８ＰＥ’と、圧力面側入り込み面１１と、がなす角度をθｐｂとしたとき、θｐｃ＞θｐｂ、の関係となっている。
【００５６】
本実施の形態によれば、θｐｃ＞θｐｂの関係となっていることで、圧力面側入り込み面１１によるバンド７側の出口流れの変化が、クラウン６側の出口流れの変化に比べて小さくなる。そして、このように圧力面側入り込み面１１を通過するバンド７側の出口流れの変化を小さくしつつ、すなわち緩和しつつ、第１の実施の形態と同様に、バンド７側の圧力面側入り込み面１１よりも角度の大きいクラウン６側の圧力面側入り込み面１１によっては、大流量側の運転において、クラウン６側の流れのランナ２’’の回転方向とは逆方向の周方向速度が効果的に抑制される。このことにより、ランナ出口側における流れの周方向速度を低減できるため、振動、騒音及び摩擦損失を低減することができるとともに、ランナ２’’の角運動量の増加による出力増大を図ることができる。
【００５７】
また、第１の実施の形態と同様に、出口側端部８Ｂの断面形状の大部分（本実施の形態では全部）が、羽根本体８ＡのキャンバーラインＣＬの延長線を基準として非対称となっているため、カルマン渦の発生も効果的に抑制することができる。しかも、圧力面側入り込み面１１は、バンド７側においては必要以上に形成されないため、出口側端部８Ｂのバンド７側での厚さを確保して剛性を確保することができる。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、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。
【００５９】
例えば、第１の実施の形態においては、出口側端部８Ｂの略中間領域に、負圧面側入り込み面１０及び圧力面側入り込み面１１の両方が含まれるラップ領域１２が形成されているが、前記略中央領域は、負圧面側入り込み面１０及び圧力面側入り込み面１１のうちのいずれかのみが含まれる領域であってもよい。また、第２の実施の形態において、負圧面側入り込み面１０は連続して設けられているが、クラウン６側とバンド７側とで部分的に設けられていてもよい。また、第３の実施の形態において、圧力面側入り込み面１１は連続して設けられているが、クラウン６側とバンド７側とで部分的に設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１  フランシス水車
２  ２’  ２’’  ランナ
３Ａ  ステーベーン
３Ｂ  ガイドベーン
４  吸出し管
５  主軸
６  クラウン
７  バンド
８  ランナ羽根
８Ａ  羽根本体
８Ｂ  出口側端部
８Ｓ  負圧面
８Ｐ  圧力面
８ＳＥ,８ＳＥ’  負圧面側延長面
８ＰＥ,８ＰＥ’  圧力面側延長面
１０  負圧面側入り込み面
１１  圧力面側入り込み面
１２  ラップ領域
Ｃ  ケーシング
Ｇ  発電機
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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