(57)【要約】【課題】  翼端部入口付近で発生する渦糸状のキャビテーション及び翼端部出口側で発生するシート状のキャビテーション発生を抑制することで、キャビテーションによる水車性能の低下を最小限に抑えることができる軸流水車を提供する。【解決手段】  この軸流水車は、ランナボス１２と、このランナボス１２の周囲に配置されたランナベーン１と、このランナベーン１の外周端の負圧面側から突出して設けられたフィレット５と、ランナベーン１を包囲して流路を形成するディスチャージリング２とを備え、ランナベーン１の圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１となるように構成されている。【選択図】  図１
2005315216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナボスと、
このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、
このランナベーンの外周端の負圧面側から突出して設けられたフィレットと、
前記ランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングと、
を具備した軸流水車において、
前記ランナベーンの圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１となるようになされていることを特徴とする軸流水車。
【請求項２】
前記ランナベーンの圧力面の外周端とフィレットの外周側の下端部とを結んだ直線と、前記ランナベーンの圧力面の外周端における接線とのなす角度をθとすると、
５°≦θ≦１５°
となることを特徴とする請求項１記載の軸流水車。
【請求項３】
前記ランナベーンの外周面と前記フィレットの外周面で構成される面のうち少なくとも一部を、前記ランナ中心を中心とする半径Ｒ１の球面となるよう形成することを特徴とする請求項１に記載の軸流水車。
【請求項４】
前記フィレットの外周面を、前記ランナベーンに垂直な断面上で、
０．１≦ｒ／Ｒ１≦０．５
となる半径ｒの曲面とすることを特徴とする請求項１記載の軸流水車。
【請求項５】
Ｒ１’＜Ｒ１とする範囲を、ランナベーンの回転軸より上流側とすることを特徴とする請求項１記載の軸流水車。
【請求項６】
ランナボスと、
このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、
前記ランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングと、
を具備する軸流水車において、
前記ランナベーンの外周端の負圧面側のみを面取りすることを特徴とする軸流水車。
【請求項７】
ランナボスと、
このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、
このランナベーンの外周端の負圧面側から突出して設けられたフィレットと、
前記ランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングと、
を具備した軸流水車において、
前記ランナベーンの圧力面からフィレット先端にかけてのランナベーンの外周面に、羽根入口から羽根出口に向かって延びる少なくとも一つ以上の溝を有することを特徴とする軸流水車。
【請求項８】
ランナボスと、
このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、
このランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングと、
を具備する軸流水車において、
前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えたことを特徴とする軸流水車。
【請求項９】
ランナボスと、
このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、
このランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングと、
を具備する軸流水車において、
前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしたことを特徴とする軸流水車。
【請求項１０】
前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えたことを特徴とする請求項１に記載の軸流水車。
【請求項１１】
前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしたことを特徴とする請求項１に記載の軸流水車。
【請求項１２】
前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えたことを特徴とする請求項６に記載の軸流水車。
【請求項１３】
前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしたことを特徴とする請求項６に記載の軸流水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランナベーン外周に水車効率を向上させるための改良を施した軸流水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、カプラン水車やバルブ水車などの軸流水車では、回転部であるランナの外周端と静止部であるディスチャージリングとの間に狭い隙間があり、この隙間から流出する漏れ流れが存在する。この漏れ流れが水車性能に及ぼす影響は大きく、高圧水がランナに有効に作用しないで流出してしまうため水力効率の低下を招き、また隙間部でのキャビテーションの発生とも密接な関わりを持つ。ここで、この隙間部で発生するキャビテーションは、水車入口よりやや下流で発生する渦糸状のものと、比較的出口に近いところで圧力面の端部よりシート状に発生するものの２種類に大別することができる。共に発生後、羽根負圧面の下流側低圧部で発達し、水力効率や臨界キャビテーション性能を低下させる。また翼面を壊食することによりランナの寿命を縮め、発生したキャビテーションが崩壊することにより生ずる振動・騒音により水車の運転範囲を狭めてしまうなど、水車性能低下の原因となる。
【０００３】
このような漏れ流れによる影響を低減することを目的として、ランナベーン外周端部にフィレットを設置する方法や、翼端部を丸める方法が在り、以下のような公知技術がある。
【特許文献１】実公昭６１−７６１７０号公報
【特許文献２】実公昭５６−３４０７１号公報
【特許文献３】実公昭５７−１３４３６３号公報
【特許文献４】実公昭６１−１１４０７４号公報
【特許文献５】特開平４−２４６２７８号公報  特許文献１の実公昭６１−７６１７０号公報（発明の名称：軸流水車ランナベーンの壊食防止構造）は、羽根外周端の負圧面側に設置するフィレットに関して、摩擦損失増大による水車効率の低下とキャビテーションの抑止効果の関係より最適なフィレットの高さを定める事を目的としている。
【０００４】
特許文献２の実公昭５６−３４０７１号公報（発明の名称：水力機械のランナベーン）は、羽根圧力面側に導水板を設けることで隙間部に向かう流れの偏りを緩和して漏れ流量を低減することを目的としている。
【０００５】
特許文献３の実公昭５７−１３４３６３号公報（発明の名称：軸流水車のランナ羽根）は、可動翼の回転軸中心より上流側で、翼端部圧力面側を面取りすることによりキャビテーション発生を抑制することを目的としたものである。
【０００６】
特許文献４の実公昭６１−１１４０７４号公報（発明の名称：固定羽根軸流水車）は、固定羽根の軸流水車に関して、ディスチャージリング側をシール形状として、漏れ流量を減少させることを目的としている。
【０００７】
特許文献５の特開平４−２４６２７８号公報（発明の名称：可動羽根水車）は、可動羽根水車に関して、羽根外周端中心部より上流で、外周端を丸めることにより、ランナベーン外周端部に流入する流れに対する衝突損失を低減する。
【０００８】
しかしながら上述した従来の技術は、翼端部で発生するキャビテーションに対し、十分な効果が得られるとは言えない。その理由について以下に述べる。図１６（ａ）（ｂ）は一般的なフィレットを持つ軸流水車のランナベーン１の構成を示した代表例であり、図１６（ａ）は翼に垂直な断面図、図１６（ｂ）は外周側からランナベーン１およびランナボス１２を見た図である。なお、この図において、符号Ｎは水車回転軸である。ランナベーン１の翼端部とフィレット５の外周面は通常、ランナベーンが可動式であったとしてもディスチャージリング２と常に一定の最小隙間Δｄを保つよう同一半径Ｒ１の球面で加工され、同様にディスチャージリング２についても翼端と最小隙間Δｄを保つように半径Ｒ２の球面もしくは円筒状の形状を基本に流水面が形成される（Ｒ２＝Ｒ１＋Δｄ）。ここで水車入口側の翼端部で発生する渦糸状のキャビテーションについて、その現象を図１４（ａ）を用いて説明する。図１４（ａ）はフィレットを持たない場合の翼に垂直な断面図である。圧力面３側から負圧面４側へと流れ出る漏れ流れ６は、大きな圧力勾配と狭い隙間のために強く吹き出す箇所があり、この流れのためにランナベーン１の負圧面４の外周端付近の流れが外周側に引き寄せられて渦８が発生し、この渦を中心に低圧部７ができる。その結果、水の飽和蒸気圧以下になった箇所で渦糸状のキャビテーションが発生することになる。このようなキャビテーションがランナ入口近くで発生した場合、流れと共に翼面に沿って下流に流れて行く過程で発達し、その結果水車性能を低下させる原因となり、また翼面を壊食してしまうことも少なくない（図１４（ｃ））。そこで従来の技術では、漏れ流れの影響を低減するために図１６（ａ）（ｂ）に示すように翼端部にフィレット５を設置することがしばしばある。しかしながら、翼端とフィレット外周面を同一の半径Ｒ１とする従来の技術では、翼圧力面からフィレット下端部にかけて隙間部の半径方向流路幅がほとんど変化しない。そのため図１４（ｂ）に示すようにキャビテーションが発生する箇所を翼面からフィレット下端部へとやや離すことは可能ではあっても、現象そのものを無くすことは困難であり、フィレットが無い場合と同様、フィレット下端部で発生したキャビテーションが翼負圧面にかかってしまう場合は、水車性能の低下及び翼面が壊食されることを防ぐことはできない。
【０００９】
次に図１５（ａ）（ｂ）を用いて、翼端部下流側に見られる圧力面の端部からシート状に発生するキャビテーションについて説明する。図１５（ａ）は羽根に垂直な断面図であり、図１５（ｂ）は圧力面の端部よりキャビテーションが発生する様子を示す図である。図１５（ａ）に示すように、羽根圧力面に沿う流れがディスチャージリングに沿って隙間を流れる漏れ流れの影響で急激に翼端部の角を曲がる。そこで局所的に低圧部ができるためキャビテーションが発生し、これがシート状に幅を持って負圧面の低圧部で発達しながら下流に流れていき、臨界キャビテーション性能の低下や翼面の壊食の原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明は、翼端部入口付近で発生する渦糸状のキャビテーション及び翼端部出口側で発生するシート状のキャビテーション発生を抑制することで、キャビテーションによる水車性能の低下を最小限に抑えることができる軸流水車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】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、ランナボスと、このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、このランナベーンの外周端の負圧面側から突出して設けられたフィレットと、前記ランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングとを具備した軸流水車において、前記ランナベーンの圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１となるようになされていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記ランナベーンの圧力面の外周端とフィレットの外周側の下端部とを結んだ直線と、前記ランナベーンの圧力面の外周端における接線とのなす角度をθとすると、５°≦θ≦１５°となることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記ランナベーンの外周面と前記フィレットの外周面で構成される面のうち少なくとも一部を、前記ランナ中心を中心とする半径Ｒ１の球面となるよう形成することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記フィレットの外周面を前記ランナベーンに垂直な断面上で、０．１≦ｒ／Ｒ１≦０．５となる半径ｒの曲面とすることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、Ｒ１’＜Ｒ１とする範囲を、ランナベーンの回転軸より上流側とすることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、ランナボスと、このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、前記ランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングとを具備する軸流水車において、前記ランナベーンの外周端の負圧面側のみを面取りすることを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、ランナボスと、このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、このランナベーンの外周端の負圧面側から突出して設けられたフィレットと、前記ランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングとを具備した軸流水車において、前記ランナベーンの圧力面からフィレット先端にかけてのランナベーンの外周面に、羽根入口から羽根出口に向かって延びる少なくとも一つ以上の溝を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、ランナボスと、このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、このランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングとを具備する軸流水車において、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、ランナボスと、このランナボスの周囲に配置されたランナベーンと、このランナベーンを包囲して流路を形成するディスチャージリングとを具備する軸流水車において、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、前記ランナベーンの圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１となるようになされ、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、前記ランナベーンの圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１となるようになされ、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、前記ランナベーンの外周端の負圧面側のみを面取りするとともに、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項１３に記載の発明は、前記ランナベーンの外周端の負圧面側のみを面取りするとともに、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明によれば、前記ランナベーンの圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１となるようになされているから、漏れ流れが圧力面から負圧面側に行くに従って流路面積が拡大する。このため、漏れ流れの方向とは逆の逆圧力勾配となり漏れ流れが減速される。従って、漏れ流れによって誘起される渦の規模が小さくなり、キャビテーションの発生が抑制される。
【００２５】
請求項２に記載の発明によれば、前記ランナベーンの圧力面の外周端とフィレットの外周側の下端部とを結んだ直線と、前記ランナベーンの圧力面の外周端における接線とのなす角度をθとすると、５°≦θ≦１５°としているから、この範囲において、キャビテーションの発生を抑え水車効率を向上させることができる。
【００２６】
請求項３に記載の発明によれば、前記ランナベーンの外周面と前記フィレットの外周面で構成される面のうち少なくとも一部を、前記ランナ中心を中心とする半径Ｒ１の球面となるよう形成しているから、ランナベーン圧力面の外周端部から周方向に所定の区間ディスチャージリングとの間隔を狭くとることができる。従って、シール効果が働いて漏れ流量を低減させることができ、水力効率の向上を図ることもできる。
【００２７】
請求項４に記載の発明によれば、前記フィレットの外周面を前記ランナベーンに垂直な断面上で、０．１≦ｒ／Ｒ１≦０．５となる半径ｒの曲面としているから、滑らかに漏れ流れの面積を拡大することができ、圧力面から負圧面側に行くに従って曲率半径が減少してフィレットの下端が内径側に回りこむ。従って、仮にキャビテーションが発生したとしても翼面への干渉を最小限にすることができる。
【００２８】
請求項５に記載の発明によれば、Ｒ１’＜Ｒ１とする範囲を、ランナベーンの回転軸より上流側としているから、回転軸より下流側の部分ではフィレットによるシール効果が増大する。従って、漏れ流量を低減することができ、水力効率の向上も図ることができる。
【００２９】
請求項６に記載の発明によれば、前記ランナベーンの外周端の負圧面側のみを面取りしているから、面取り面とディスチャージリングとの間隔が、漏れ流れが負圧面側に行くにしたがい拡大する。このため、流路面積が拡大して、漏れ流れの方向とは逆の逆圧力勾配となり漏れ流れが減速される。従って、フィレットを設置しない簡素な構造にもかかわらず、漏れ流れによって誘起される渦の規模が小さくなり、キャビテーションの発生が抑制される。
【００３０】
請求項７に記載の発明によれば、前記ランナベーンの圧力面からフィレット先端にかけてのランナベーンの外周面に、羽根入口から羽根出口に向かって延びる少なくとも一つ以上の溝を有しているから、フィレット外周面に形成された溝によってシール効果が得られ、漏れ流量を低減でき、水力効率の向上を図ることができる。
【００３１】
請求項８に記載の発明によれば、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えているから、比較的出口近くの隙間部でシート状に発生する圧力面に沿って隙間に漏れる流れが、フィレットによって遮られる。その結果、流れが翼端の圧力面から外周面への角を曲がることによってできる低圧部がなくなり、キャビテーションの発生を防止できる。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしているから、比較的出口近くの隙間部でシート状に発生するキャビテーションの原因となる圧力面に沿って漏れる流れが、翼端部の面取り部に沿って緩やかに曲がることになる。そのため、圧力の低下を緩和することができ、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明によれば、前記ランナベーンの圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１としているとともに、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えている。したがって、漏れ流れが圧力面から負圧面側に行くに従って流路面積が拡大し、漏れ流れの方向とは逆の逆圧力勾配となり漏れ流れが減速される。よって、漏れ流れによって誘起される渦の規模が小さくなり、キャビテーションの発生が抑制される。また、圧力面に沿って隙間に漏れる流れがフィレットによって遮られ、その結果、翼端の圧力面から外周面への角に低圧部が形成されることを防止できる。従って、翼端部全域でのキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００３４】
請求項１１に記載の発明によれば、前記ランナベーンの圧力面の外周端とランナ中心との距離をＲ１とし、前記フィレットの外周側の下端部とランナ中心との距離をＲ１’とするとき、Ｒ１’＜Ｒ１としているとともに、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしている。従って、漏れ流れが圧力面から負圧面側に行くに従って流路面積が拡大し、漏れ流れの方向とは逆の逆圧力勾配となり漏れ流れが減速される。よって、漏れ流れによって誘起される渦の規模が小さくなり、キャビテーションの発生が抑制される。また、比較的出口近くの隙間部でシート状に発生するキャビテーションの原因となる圧力面に沿って漏れる流れが、翼端部の面取り部に沿って緩やかに曲がることになる。そのため、圧力の低下を緩和することができ、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００３５】
請求項１２に記載の発明によれば、前記ランナベーンの外周端の負圧面側のみを面取りしているとともに、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲にのみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側から突出したフィレットを備えている。従って、流路面積が拡大して漏れ流れの方向とは逆の逆圧力勾配となり漏れ流れが減速される。よって、漏れ流れによって誘起される渦の規模が小さくなり、キャビテーションの発生が抑制される。また、比較的出口近くの隙間部でシート状に発生する圧力面に沿って隙間に漏れる流れが、フィレットによって遮られ、その結果、流れが翼端の圧力面から外周面への角を曲がることによってできる低圧部がなくなり、キャビテーションの発生を防止できる。
【００３６】
請求項１３に記載の発明によれば、前記ランナベーンの外周端の負圧面側のみを面取りしているとともに、前記ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみ、前記ランナベーンの翼端部の圧力面側を面取りしている。したがって、流路面積が拡大して、漏れ流れの方向とは逆の逆圧力勾配となり漏れ流れが減速される。よって、漏れ流れによって誘起される渦の規模が小さくなり、キャビテーションの発生が抑制される。また、比較的出口近くの隙間部でシート状に発生するキャビテーションの原因となる圧力面に沿って漏れる流れが、翼端部の面取り部に沿って緩やかに曲がることになる。そのため、圧力の低下を緩和することができ、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図１ないし図１３を参照して説明する。
【００３８】
図１（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態を示す図であって、翼に垂直な断面図である。これらの図において、符号１はランナベーン示す。このランナベーン１は、ランナボス１２の外周に複数個設けられており回転するようになっている。このランナベーン１の外周側翼端部には、フィレット５が下方に突出して設けられている。このようなランナベーン１の圧力面側の翼端部Ｐは、ランナ中心から半径Ｒ１に球面加工されている。また、フィレット５の外周面の下端部Ｅは、ランナ中心から半径Ｒ１’（Ｒ１＞Ｒ１’）となるように形成されている。従って、ランナベーン１の圧力面側の翼端部もしくはフィレット５の外周面は、ディスチャージリング２との隙間が漏れ流路の下流側に行くに従い広がるように構成されている。
【００３９】
このように構成されているので、図１（ｂ）に示すように、漏れ流れ６が圧力面から負圧面側に流れて行くに従って流路面積が拡大する。このため、漏れ流れ６の方向とは逆の圧力勾配となり、漏れ流れ６が減速される。従って、漏れ流れによって誘起される渦の規模が小さくなり、圧力の低下が緩和され、キャビテーションの発生が抑制される。よって、翼端部で発生するキャビテーションによる水車性能の低下や翼面の壊食を最小限に抑えることができる。
【００４０】
なお、ランナベーン１の翼端部負圧面側にフィレットを設置する場合は、水車の構造によっては、翼端部とディスチャージリングとの距離が最小とならず、フィレットの先端とディスチャージリングとの距離が最小隙間Δｄとなってしまう場合がある。しかしながら、本発明においては、上記Ｒ１＞Ｒ１’となるように構成しているので、フィレットの下端部をより内径側にすることができる。従って、フィレットの外周面をディスチャージリングに沿わせることができ、最小隙間を小さくすることができる。これによって、漏れ流量を低減することによって水車効率の向上も図ることができる。
【００４１】
ここで、図１（ａ）に示すように、ランナベーン１の圧力面３の外周端Ｐにおけるランナ中心Ｏを中心とする円の接線と、ランナベーン１の圧力面の外周端Ｐとフィレット５の外周側下端部Ｅとを結んだ直線と、の間に形成される角度をθとして、θを変えてキャビテーションの発生量を計測する試験を行った。この結果、キャビテーションによって発生する超音波をカウントするＡＥ（アコースティック  エミッション）センサでのカウント数は、図２のグラフに示すようになった。従って、θの値を
５°≦θ≦１５°
とすることにより、キャビテーションの発生を抑え水車効率を向上することができる。
【００４２】
次に、本発明に係る軸流水車の第２の実施形態について説明する。この実施の形態においては、図３に示すように、ランナベーン１の圧力面側の外周端部Ｐからフィレット５の外周面上の点Ｑまでは、ランナ中心からＲ１の球面に形成されている。また、この点Ｑからフィレット５の下端部Ｅまでは、フィレット５の下端部がランナ中心からＲ１’（Ｒ１＞Ｒ１’）となるように形成されている。
【００４３】
このように構成された第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られるばかりでなく、次のような効果が得られる。すなわち、ランナベーン１の圧力面３の外周端部Ｐから点Ｑにかけて半径Ｒ１の球面となっているため、この間においてディスチャージリングとの間隔を狭く採ることができる。従って、シール効果が働いて漏れ流量を低減させることができ、水力効率の向上を図ることもできる。
【００４４】
続いて、本発明に係る第３の形態について図４（ａ）を参照して説明する。この実施形態においては、第１の実施形態のように、ランナベーン１の圧力面側の翼端部Ｐは、ランナ中心から半径Ｒ１に加工され、フィレット５の外周面の下端部Ｅは、ランナ中心から半径Ｒ１’（Ｒ１＞Ｒ１’）となるように形成されている。そして、翼端とフィレットで構成される外周面が、０．１≦ｒ／Ｒ１≦０．５となるような半径ｒで形成されている。
【００４５】
ここで上述の図２に示す場合と同様の手法で、ｒ/Ｒ１を変化させたときのＡＥ（アコースティック  エミッション）センサによるカウント数を測定したところ、図４（ｂ）のグラフに示すような結果になった。
【００４６】
従って、ｒ/Ｒ１の値を
０．１≦ｒ／Ｒ１≦０．５
とすることにより、キャビテーションの発生を抑え水車効率を向上することができる。
【００４７】
このように構成された第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られることに加え、ｒを０．１≦ｒ／Ｒ１≦０．５の範囲とすることで、滑らかに漏れ流れの面積を拡大することができ、圧力面から負圧面側に行くに従って曲率半径が減少してフィレットの下端が内径側に回りこむようになる。従って、仮にキャビテーションが発生したとしても翼面への干渉を最小限に抑えることができる。
【００４８】
次に、本発明に係る第４の実施形態について図５を参照して説明する。この図５はランナベーンを負圧面側から見た図である。この第４の実施形態は、第１の実施形態におけるＲ１＞Ｒ１’とする範囲を、軸流水車においてランナベーンの回転軸Ｓより上流側（水車入口側２１）のみとし、下流側（水車出口側２２）は従来どおり半径Ｒ１で一定の球面としたものである。
【００４９】
このように構成された第４の実施形態によれば、第１の実施形態の効果を得られるとともに、回転軸Ｓより下流側の部分ではフィレット５によるシール効果が増大する。従って、漏れ流量を低減することができ、水力効率の向上も図ることができる。
【００５０】
ついで、第５の実施形態について図６を参照して説明する。図６はランナベーンに垂直な断面図で、この第５の実施形態は、ランナベーン翼端部の負圧面４側のみに面取り面２１を形成した構成となっている。
【００５１】
このように構成された第５の実施形態によれば、面取り面２１とディスチャージリング２との間隔が、図１（ｂ）に示す場合と同様に、漏れ流れ６が負圧面側に行くにしたがい拡大する。このため、流路面積が拡大して漏れ流れ６の方向とは逆の圧力勾配となり漏れ流れ６が減速される。従って、フィレットを設置しない簡素な構造にもかかわらず、第１の実施形態と同等の効果が得ることができる。
【００５２】
次に、第６の実施形態を図７を用いて説明する。図７はランナベーンに垂直な断面を示す。この実施形態は、圧力面３からフィレット５下端部までの外周面に、翼端の入口から出口方向にかけて少なくとも一つ以上の溝１１を形成した構成となっている。
【００５３】
このように構成された本発明の実施形態によれば、フィレット外周面に形成された溝１１によってシール効果が得られる。従って、漏れ流量を低減でき、水力効率の向上を図ることができる。
【００５４】
続いて、第７の実施形態について図８（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００５５】
図８（ａ）は圧力面３側から見た図であり、図８（ｂ）はランナベーンに垂直な断面図である。図８（ａ），（ｂ）に示すように、ランナベーン１の回転軸Ｓより下流側の範囲のみにおいて、翼端の圧力面３側にフィレット１５を設けた構成となっている。
【００５６】
このように構成された本発明の実施形態によれば、図１５（ａ），（ｂ）に示すような、比較的出口近くの隙間部でシート状に発生するキャビテーションの原因となる圧力面に沿って隙間に漏れる流れが、フィレット１５によって遮られる。その結果、図１５（ａ）に示すような、流れが翼端の圧力面から外周面への角を急激に曲がることによってできる低圧部がなくなる。従って、キャビテーションが発生しなくなるため、水車性能の低下や翼面の壊食を最小限に抑えることができる。また、回転軸よりも上流側からフィレットを設置した場合に比べてフィレットが短いため摩擦損失を低減でき、水力効率の低下を最小限に留めることができる。
【００５７】
次に、第８の実施形態について図９（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００５８】
図９（ａ）はランナベーンに垂直な断面図であり、図９（ｂ）はランナベーンを圧力面３側から見た図である。この第８の実施形態は、図９（ａ），（ｂ）に示すように、ランナベーンの回転軸Ｓより下流側（水車出口側２２）の範囲のみにおいて、翼端部の圧力面側をアール部２３を形成している。
【００５９】
このように構成された第８の実施形態によれば、図１５（ｂ）に示す比較的出口近くの隙間部でシート状に発生するキャビテーションの原因となる圧力面に沿って漏れる流れが、翼端部のアール部２３に沿って緩やかに曲がることになる。このため、圧力の低下を緩和することができ、キャビテーションの発生を抑制することができる。従って、翼端部で発生するキャビテーションによる水車性能の低下や翼面の壊食を最小限に抑えることができる。
【００６０】
次いで、第９の実施形態について図１０を用いて説明する。図１０はランナベーンを外周側から見た図である。この第９の実施の形態は、図１に示す第１の実施形態と同様に、ランナベーン１の圧力面側の翼端部は、ランナ中心から半径Ｒ１に球面加工されているのに対し、フィレット５の外周面の下端部は、ランナ中心から半径Ｒ１’（Ｒ１＞Ｒ１’）となるように形成されている。そして、この第９の実施形態は、これに加えて、ランナベーンの回転軸Ｓより下流側の範囲のみにおいて、翼端の圧力面側にフィレット１５が設けられている。
【００６１】
このように構成された本発明の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、ランナベーンの回転軸Ｓより下流側の範囲のみに、翼端の圧力面側にフィレット１５が設けられている効果を奏する。すなわち、圧力面に沿って隙間に漏れる流れがフィレット１５によって遮られ、その結果、翼端の圧力面から外周面への角に低圧部が形成されることを防止できる。従って、翼端部全域でのキャビテーションの発生を抑制することができ、水車性能の低下や翼面の壊食を最小限に抑えることができる。
【００６２】
続いて、第１０の実施形態について、図１１を参照して説明する。図１１はランナベーンを外周側から見た図である。この第１０の実施形態も、図１に示す第１の実施形態と同様に、ランナベーン１の圧力面側の翼端部は、ランナ中心から半径Ｒ１に球面加工されているのに対し、フィレット５の外周面の下端部は、ランナ中心から半径Ｒ１’（Ｒ１＞Ｒ１’）となるように形成されている。そして、この第１０の実施形態は、ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみにおいて、翼端部の圧力面側に面取り面２３を形成している。
【００６３】
このように構成された第１０の実施形態によれば、第１の実施形態の効果を奏するとともに、ランナベーンの回転軸Ｓより下流側の範囲で翼端部の圧力面側にアール部２３を形成することによる効果を奏し、翼端部全域でのキャビテーション発生を抑制することができ、水車性能の低下や翼面の壊食を最小限に抑えることができる軸流水車を提供することが可能となる。
【００６４】
次に、第１１の実施形態について図１２を用いて説明する。図１２はランナベーンを外周側から見た図である。この第１１の実施形態は、第５の実施形態の構成に加えて、ランナベーンの回転軸より下流側の範囲のみにおいて、翼端の圧力面側にフィレット１５を具備する構成となっている。
【００６５】
このように構成された第１１の実施形態によれば、第５の実施形態の効果に加えて、ランナベーンの回転軸Ｓより下流側の範囲のみにおいて、翼端の圧力面側にフィレット１５を有することによる効果も得られるため、翼端部全域でのキャビテーション発生を抑制することができ、水車性能の低下や翼面の壊食を最小限に抑えることができる軸流水車を提供することが可能となる。
【００６６】
次いで、第１２の実施形態を図１３を用いて説明する。図１３はランナベーンを外周側から見た図である。この第１２の実施形態は、第５の実施形態の構成に加えて、ランナベーンの回転軸Ｓより下流側の範囲のみにおいて、翼端部の圧力面側に面取り面２３を形成している。
【００６７】
このように構成された第１２の実施形態によれば、第５の実施形態の効果に加えて、第８の実施形態の効果も得られるため、フィレットを具備しない簡素な構成にもかかわらず、翼端部全域でのキャビテーション発生を抑制することができ、水車性能の低下や翼面の壊食を最小限に抑えることができる軸流水車を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す、翼に垂直な方向の断面図であって、（ａ）はその寸法関係を示す図、（ｂ）はその作用効果を示す図。
【図２】図１（ａ）に示す第１の実施形態において、角度θとＡＥカウント数との関係を示す図。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す翼に垂直な方向の断面図。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す図であって、（ａ）は翼に垂直な方向の断面を示す図、（ｂ）は図４（ａ）におけるｒ/Ｒ１とＡＥセンサカウント数との関係を示す図。
【図５】本発明の第４の実施形態を示すランナベーンを負圧面側から見た図。
【図６】本発明の第５の実施形態を示す翼に垂直な方向の断面図。
【図７】本発明の第６の実施形態を示す翼に垂直な方向の断面図。
【図８】本発明の第７の実施形態を示す図であって、（ａ）はランナベーンを圧力面側から見た図、（ｂ）は翼に垂直な方向の断面図。
【図９】本発明の第８の実施形態を示す図であって、（ａ）は翼に垂直な方向の断面図、（ｂ）はランナベーンを圧力面側から見た図。
【図１０】本発明の第９の実施形態を示すランナベーンを外周側から見た図。
【図１１】本発明の第１０の実施形態を示すランナベーンを外周側から見た図。
【図１２】本発明の第１１の実施形態を示すランナベーンを外周側から見た図。
【図１３】本発明の第１２の実施形態を示すランナベーンを外周側から見た図。
【図１４】翼端の水車入口近くで起こる渦糸状のキャビテーションを示す図であって、（ａ）はフィレットがない場合を示す翼に垂直な方向の断面図、（ｂ）はフィレットがある場合を示す翼に垂直な方向の断面図、（ｃ）はフィレットがある場合を示すランナベーンを負圧面側から見た図。
【図１５】翼端の水車出口側で起こるシート状のキャビテーションを示す図であって、（ａ）は翼に垂直な方向の断面図、（ｂ）は翼端を示す斜視図。
【図１６】従来のフィレットが設けられたランナベーン示す図であって、（ａ）は翼に垂直な方向の断面図、（ｂ）はランナベーンを外周側から見た図。
【符号の説明】
【００６９】
１  ランナベーン
２  ディスチャージリング
３  圧力面
４  負圧面
５  フィレット
１１  溝
１２  ランナボス
１５  フィレット
２１  面取り面
２３  アール部
Ｓ  ランナベーンの回転軸
【図１】
2005315216.tif 000003
【図２】
2005315216.tif 000004
【図３】
2005315216.tif 000005
【図４】
2005315216.tif 000006
【図５】
2005315216.tif 000007
【図６】
2005315216.tif 000008
【図７】
2005315216.tif 000009
【図８】
2005315216.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005315216.tif 000012
【図１１】
2005315216.tif 000013
【図１２】
2005315216.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2005315216.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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