(57)【要約】【課題】水車効率の向上を達成し得る水車用ランナと、この水車用ランナを備えた水車の提供を課題とする。【解決手段】水車用ランナとしては、各ランナベーン３４の、壁面近傍部分３３ｘのランナベーン角度αを、これら壁面近傍部分３３ｘの間に位置する中央部分３３ｙよりも小さくする構成を採用した。また、この水車用ランナを備えた水車を採用した。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされている
ことを特徴とする水車用ランナ。
【請求項２】
回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状をなしている
ことを特徴とする水車用ランナ。
【請求項３】
回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して３０°以下の傾きとされている
ことを特徴とする水車用ランナ。
【請求項４】
回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、
少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされ、
なおかつ、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状を有し、
なおかつ、前記入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して３０°以下の傾きとされている
ことを特徴とする水車用ランナ。
【請求項５】
水圧管から導入された流水を導く渦巻きケーシングと、該渦巻きケーシングから流入する流水の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する水車用ランナとを備えた水車において、
前記水車用ランナとして、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水車用ランナが用いられていることを特徴とする水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電などに用いられる水車用ランナ及び水車に関し、特に、水車効率の向上を可能とする水車用ランナ及び水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、従来の水車の一例を示す。同図に示す水車は、流水を導く渦巻きケーシング２と、流水の流入を制御するガイドベーン６と、流水によって回転するランナ１と、ランナ１を通過した流水を放出する吸出し管８と、ランナ１の回転軸である主軸７とを備えている。
ランナ１は、クラウン板１ａ、シュラウド板１ｂ、ランナベーン１ｃ、およびランナコーン（図示せず）により構成されており、クラウン板１ａの上面中央部に、主軸７が固定されている。クラウン板１ａとシュラウド板１ｂとの間には、水路が形成され、この水路中に複数のランナベーン１ｃが配置されている。
【０００３】
このように構成された水車では、図示されない水圧管から導かれた流水が、渦巻きケーシング２に入り、流動しながら案内用のガイドベーン６によって整流及び流量調整がなされる。整流された流水は、ランナ１に流入し、ランナベーン１を流動しながら動力を発生させ、主軸７の軸線回りにランナ１を回転させる。主軸７の上部には図示されない発電機が備えられており、主軸７の回転によって発電機が発電する仕組みになっている。ランナ１を回転させてランナベーン１ｃによってランナ１の鉛直下方に送出された流水は、吸出し管８を通って放水口に放出される。
【０００４】
一方、ランナ１の回転力は、主軸７を介して接続された発電機（図示せず）を回転させ、電力を発生させる。
【０００５】
このときの発電効率（すなわち水車効率）を左右する重要要素の一つとして、前記各ランナベーン１ｃの形状がある。従来のランナベーン１ｃの詳細について、図６及び図７を参照しながら以下に説明する。なお、図６は、従来のランナベーン１ｃを、その下方より見た斜視図である。また、図７において、（ａ）は、同ランナベーン１ｃを、下方より見上げた場合の形状図であり、（ｂ）は、負圧面の形状を示す図である。
【０００６】
図６に示すように、各ランナベーン１ｃは、ランナ１の回転軸線ＣＬ回りに複数枚が環状配置されており、クラウン板１ａ及びシュラウド板１ｂ間（同図では、各ランナベーン１ｃの形状を示すためにシュラウド板１ｂを省略して図示している。）に挟み込まれて流路を形成している。同図の符号１ｃ１が、流水ｗを受ける圧力面、符号１ｃ２が、その裏面である負圧面となっており、流水ｗを受けることで、矢印Ｒ方向に回転されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記説明の従来のランナ１は、以下に説明する問題を有していた。すなわち、各ランナベーン１ｃの羽根形状が、これらの間の流路に流れ込んで出ていく流水ｗと必ずしもマッチしておらず、水車効率の向上を妨げているという問題である。この問題の詳細について、下記（１）から（３）に説明する。
【０００８】
（１）各ランナベーン１ｃの外周側端縁ｅが、図６に示すように、クラウン板１ａの垂直方向に対して（すなわち回転軸線ＣＬ方向に対して）大きく傾いた「ノ」の字形状になっているため、クラウン側からシュラウド側にかけて、翼表面で大きな圧力差を生じてしまい、ここに入り込んだ流水ｗが、この羽根の傾きに沿って圧力面１ｃ１から対向する負圧面１ｃ２に向かう二次流れを形成してしまう。この二次流れは、圧力面１ｃ１側からこれに対向する負圧面１ｃ２に向かう流れであり、水車効率を下げてしまう。
【０００９】
（２）半径方向の各ランナベーン１ｃの羽根形状は、図７（ａ）に示すように、回転軸線ＣＬ（不図示）を中心として略真っ直ぐに延在する単純な放射形状をなしている。このため、流水ｗは、流路入口側部分に対して斜め急角度で流れ込んでくることになる。すると、この流路入口側部分に負荷が集中し、やはり、図７（ａ），（ｂ）に示すような強い二次流れを発生させる原因となる。このような強い二次流れは、極力低減させることが望まれる。
【００１０】
（３）各ランナベーン１ｃの外周側端縁ｅは、上述のように単純な曲線をなす「ノ」の字形状になっている。この場合、図８に示すように、各ランナベーン１ｃの幅方向位置において、その壁面近傍部分（すなわち、クラウン板１ａ側の壁面近傍部分ａと、シュラウド板１ｂ側の壁面近傍部分ｂ）では、境界層の存在によって中央部分よりも流速が遅くなっているため、運転条件によっては、圧力面１ｃ１側に流れの剥離が発生し、その結果、キャビテーションを生じる恐れがある。このキャビテーションの発生は、流水ｗの流れに損失を発生させるため、水車効率の低下を招くことになる。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水車効率の向上を達成し得る水車用ランナと、この水車用ランナを備えた水車の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされていることを特徴とする。
上記請求項１に記載の水車用ランナによれば、中央部分に比較して流速の遅い壁面近傍部分の流れを、スムーズに流路内に取り込めるようになる。
【００１３】
請求項２に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状をなしていることを特徴とする。
上記請求項２に記載の水車用ランナによれば、各ランナベーンの、流水流れ方向の長さ寸法を、従来の単純な放射形状に比較して長くすることができる。これにより、流水を受ける圧力面上の、流水流れ方向の負荷分布が分散されるので、これらに対面する負圧面に負荷集中が生じない。
【００１４】
請求項３に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して３０°以下の傾きとされていることを特徴とする。
上記請求項３に記載の水車用ランナによれば、従来であれば３０°よりも大きな傾きであったものを、３０°以下の小さな傾きにすることにより、流水を受ける圧力面に沿って流れが滑りながら対向する負圧面に向かう二次流れを低減させることができるようになる。なお、この傾きとしては、小さいほど好ましく、例えば５°から１０°の間の角度を採用するのがより好ましい。
【００１５】
請求項４に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされ、なおかつ、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状を有し、なおかつ、前記入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して３０°以下の傾きとされていることを特徴とする。
上記請求項４に記載の水車用ランナによれば、流れの剥離による損失を低減させることができ、なおかつ、二次流れを低減させることもできるようになる。
【００１６】
請求項５に記載の水車は、水圧管から導入された流水を導く渦巻きケーシングと、該渦巻きケーシングから流入する流水の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する水車用ランナとを備えた水車において、前記水車用ランナとして、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水車用ランナが用いられていることを特徴とする。
上記請求項５に記載の水車によれば、水車効率の向上が達成できるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の水車用ランナ及び水車の一実施形態を、図１から図４を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれに限定解釈されるものでないことは勿論である。なお、図１は、本実施形態の水車用ランナを示す図であって、下方より見上げた場合の分解斜視図である。また、図２は、同水車用ランナを示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）はその部分拡大図である。また、図３は、同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、回転軸線に垂直をなす断面で見た場合の断面図である。また、図４は、同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、下方より見上げた場合の形状図である。
【００１８】
本実施形態の水車は、水圧管から導入された流水を導く渦巻きケーシングと、該渦巻きケーシングから流入する流水の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する水車用ランナとを備えており、この水車用ランナが特に特徴的となっているので、水車用ランナ（以下、ランナ３１と称する）を中心に説明を行い、その他は従来の技術において説明したものと同様であるとして説明を省略する。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態のランナ３１は、円盤形状のクラウン板３２と、環状のシュラウド板３３と、これらクラウン板３２及びシュラウド板３３間に、回転軸線ＣＬ回りに配置された複数枚のランナベーン３４と、これらランナベーン３４の中心に位置するように、クラウン板３２の下面に固定されたランナコーン３５とを備えて構成されている。クラウン板３２の上面中央部には、前記主軸７（図５参照）が固定されている。クラウン板３２とシュラウド板３３との間には、各ランナベーン３４で仕切られた水路が形成されるようになっている。すなわち、クラウン板３２の下面３２ａと、シュラウド板３３の内周面３３ａとが、各ランナベーン３４を間に挟む一対の流路形成壁面となっている。
【００２０】
シュラウド板３３は、回転軸線ＣＬの下方に向かって先細りとなる環状部品であり、その内周面に、各ランナベーン３４の下端縁３４ａ（図１の斜線部分）が接合されることで、前記水路が形成される。このシュラウド板３３を、各ランナベーン３４に接合させた状態を、図２に示す。
これら図１及び図２（ａ）に示すように、ランナ３１には、その周囲より、回転軸線ＣＬに向かう旋回流が流れ込み、ランナ３１をその回転軸線ＣＬを中心とするＲ方向に回転させる。そして、このランナ３１の回転力は、前記主軸１０を介して接続された発電機（図示せず）を回転させ、電力を発生させる。一方、ランナ３１を通過した後の流水は、前記吸出し管１４を通って図示されない放水口に放出される。
【００２１】
図３において、実線は、各ランナベーン３４の、前記流路形成壁面（すなわち、クラウン板３２の下面３２ａ、もしくは、シュラウド板３３の内周面３３ａ）に近接する壁面近傍部分３３ｘを示し、破線は、これらの間に位置する中央部分３３ｙを示している。また、符号３３ｐは、流水ｗを受ける圧力面を示し、符号３３ｑは、その裏面である負圧面を示している。
同図に示すように、本実施形態の各ランナベーン３４は、流水ｗが流れ込む入口部分で、各壁面近傍部分３３ｘのランナベーン角度αが、中央部分３３ｙよりも小さく、より、ねかせた形状になっている。なお、ここで言うランナベーン角度αとは、各ランナベーン３４の外周端縁の接線に対して、各ランナベーン３４がなす羽根角度である。ちなみに、従来の前記ランナベーン１ｃでは、同図の二点鎖線に示すように、本実施形態よりも立った（ランナベーン角度が大きい）ものとなっている。
【００２２】
このような幅方向のランナベーン角度αの差により、各ランナベーン３４の入口形状は、図１及び図２（ａ），（ｂ）の太線に示すようなＭ字形状（またはコ字形状）となっている。
従来の技術の（３）において説明したように、一般に、各ランナベーンの幅方向位置において、各壁面近傍部分では、境界層の存在によって中央部分よりも流速が遅くなって流れの剥離が生じやすい。これに対し、本実施形態では、各壁面近傍部分３３ｘをねかせた形状にしているため、流速の遅い壁面近傍部分の流れをスムーズに流路内に取り込めるようになっている。すなわち、従来の技術で述べた（３）の問題を解決している。
【００２３】
さらに、本実施形態の各ランナベーン３４は、図３及び図４に示すように、流水ｗが流れ出る出口部分の断面形状が、反回転方向Ｒに向かって凸となる湾曲形状をなしている。
従来の技術の（２）において説明したように、従来は、運転条件により、流路入口側部分に負荷が集中して強い二次流れを生じる恐れがあった。これに対し、本実施形態では、各ランナベーン３４の形状に湾曲形状を採用しているので、各ランナベーン３４の、流水流れ方向の長さ寸法を、従来の単純な放射形状に比較して長くすることができるようになっている。これにより、流水ｗを受ける圧力面３３ｐ上の、流水流れ方向の負荷分布が均等に分散されるので、これらに対面する負圧面３３ｑに、負荷集中が生じないようになっている。すなわち、従来の技術で述べた（２）の問題を解決している。
【００２４】
さらに、本実施形態の各ランナベーン３４は、図２（ｂ）に示すように、流水が流れ込む入口部分で、その幅方向の向きが、側面視した場合に、回転軸線ＣＬの方向に対して３０°以下（幅方向が軸線ＣＬとなす角度βが３０°以下）の傾きとされている。この角度βとしては、３０°以下であれば良いが、さらには、５°から１０°の範囲内より選択するのがより好ましい。
この角度βが大きいと、従来の技術の（１）において説明したように、入り込んだ流水ｗが、負圧面に向かう二次流れを形成してしまう。これに対し、本実施形態では、３０°以下の小さな傾きを採用しているため前記負圧面３３ｑに向かう二次流れを低減させることができるようになっている。すなわち、従来の技術で述べた（１）の問題を解決している。
【００２５】
以上説明の本実施形態のランナ３１によれば、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分３３ｘのランナベーン角度αを、これら壁面近傍部分３３ｘの間に位置する中央部分３３ｙよりも小さくしたことにより、流れの剥離による損失を低減させることが可能となる。
さらには、各ランナベーン３４の、回転軸線ＣＬに垂直をなす断面形状を、反回転方向Ｒに向かって凸となる湾曲形状とすることで、負圧面３３ｑでの負荷集中を防止することができるので、二次流れを低減させることが可能となる。
さらには、各ランナベーン３４の幅方向の向きを、回転軸線方向に対して３０°以下の傾きとしたことからも、二次流れを低減させることが可能となる。
したがって、本実施形態のランナ３１を水車に備えることにより、水車効率の向上が達成可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の水車用ランナによれば、各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度を、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくしたことにより、流れの剥離による損失を低減させることができるので、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【００２７】
本発明の請求項２に記載の水車用ランナによれば、各ランナベーンの、回転軸線に垂直をなす断面形状を、反回転方向に凸となる湾曲形状とすることで、流水を受ける圧力面上の、流水流れ方向での負荷集中を防止することができるので、二次流れを低減させることができる。したがって、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【００２８】
本発明の請求項３に記載の水車用ランナによれば、各ランナベーンの幅方向の向きを、回転軸線方向に対して３０°以下の傾きとしたことにより、二次流れを低減させることができるようになるので、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【００２９】
本発明の請求項４に記載の水車用ランナによれば、流れの剥離による損失を低減させることができ、なおかつ、二次流れを低減させることもできるようになるので、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【００３０】
本発明の請求項５に記載の水車によれば、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水車用ランナを用いることにより、水車効率の向上が達成可能となる。したがって、このような水車を例えば発電設備に適用した場合には、発電効率の向上が達成可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水車用ランナの一実施形態を示す図であって、下方より見上げた場合の分解斜視図である。
【図２】同水車用ランナを示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）はその部分拡大図である。
【図３】同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、回転軸線に垂直をなす断面で見た場合の断面図である。
【図４】同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、下方より見上げた場合の形状図である。
【図５】水車の一実施形態を示す図であって、回転軸線を含む断面で見た場合の断面図である。
【図６】従来のランナベーンの一例を示す図であって、下方より見上げた場合の斜視図である。
【図７】同ランナベーンを示す図であって、（ａ）は下方より見上げた場合の形状図であり、（ｂ）は、負圧面の形状を示す形状図である。
【図８】同ランナベーンの入口幅方向における流水流入角分布を示す図であって、横軸がランナベーンの幅方向位置、縦軸がランナベーンに対する流水流入角度である。
【符号の説明】
２・・・渦巻きケーシング
３１・・・ランナ（水車用ランナ）
３２ａ・・・下面（流路形成壁面）
３３ａ・・・内周面（流路形成壁面）
３３ｙ・・・中央部分
３３ｘ・・・壁面近傍部分
３４・・・ランナベーン
α・・・ランナベーン角度
ＣＬ・・・回転軸線
ｗ・・・流水
【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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