(57)【要約】【課題】二次流れを抑制してランナ羽根内における水力効率を向上させ、かつランナ羽根内の局所的な圧力降下を解消してキャビテーション特性を改善するフランシス形水車ランナを提供すること。【解決手段】本発明のフランシス形水車ランナは、クラウン１０と、バンド１２と、クラウン１０とバンド１２との間に配置された複数枚のランナ羽根１とを備えている。ランナ羽根１の形状をランナ羽根１の子午面上へ展開して見た場合に、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０が、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンド１２に接する際、当該仮想円２０の直径Ｗが最小となっている。【選択図】図１
2007154786.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配置された複数枚のランナ羽根とを備えたフランシス形水車ランナにおいて、
前記ランナ羽根の形状を前記ランナ羽根の子午面上へ展開して見た場合に、
前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される仮想円が、前記ランナ羽根入口端部と前記ランナ羽根出口端部との間であって、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンドに接する際、当該仮想円の直径Ｗが最小となるようにしたことを特徴とするフランシス形水車ランナ。
【請求項２】
前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される前記仮想円の直径Ｗの最小値Ｗminと、
前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓにおいて前記バンドに接する前記仮想円の直径Ｗｓは、
０．９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１．０の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。
【請求項３】
前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓから、前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される前記仮想円の直径Ｗが最小となる点Ｐminまでの子午面距離Ｌminと、
前記ランナ羽根入口端部とバンドとが交わる交点Ｐｓから、前記ランナ羽根の前記ランナ羽根出口端部と前記バンド表面とが交わる交点Ｐｅまでの子午面距離Ｌｂは、
０．１≦Ｌmin/Ｌｂ≦０．３の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。
【請求項４】
前記バンドの前記バンド流水面は、水平方向に延在する直線部と、当該直線部に連結部を介して設けられた曲線部とを有し、
前記クラウンの中心部を垂直方向に通る水車軸を有し、当該水車軸から前記連結部までの距離Ｒ１が、当該水車軸から前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓよりも小さくなっていることを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。
【請求項５】
前記水車軸から前記バンドの前記バンド流水面までの最小距離Ｒminと、
前記水車軸から前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓと、
前記水車軸から前記連結部までの距離Ｒ１は、
０.５≦（Ｒｓ−Ｒ１）/（Ｒｓ−Ｒmin）≦０.８の関係を満たすことを特徴とする請求項４記載のフランシス形水車ランナ。
【請求項６】
前記フランシス形水車ランナのランナ中心高さから前記バンド流水面までの垂直方向の距離Ｚ１は、水が流入する側の前記ランナ羽根の前記ランナ羽根入口端部と、水の流出する側の前記ランナ羽根の前記ランナ羽根出口端部との間であって、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓ以外の点で最小となることを特徴とする請求項１記載のフランシス形水車ランナ。
【請求項７】
フランシス形水車ランナのランナ中心高さから、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓまでの垂直方向の距離Ｚｓと、
フランシス形水車ランナのランナ中心高さから前記バンド流水面までの垂直方向の最小距離Ｚminと、
前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓにおける前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される前記仮想円の直径Ｗｓは、
０＜Ｚｓ−Ｚmin≦０.１×Ｗｓの関係を満たすことを特徴とする請求項６又は７のいずれかに記載のフランシス形水車ランナ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のフランシス水車ランナを備えた水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い水力効率を示し、キャビテーション特性の優れたフランシス形水車ランナおよび水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械の内部に水が流れる際、運転点によっては二次流れやそれに起因する水力損失が発生し、圧力や速度などの物理量が急激に変化することもあるが、効率向上の点からは、このような物理量をなるべく単調な分布とすることが求められている。このため従来のフランシス形水車ランナでは、できる限り滑らかで単調な形状変化となるように設計されている。
【０００３】
図７(a)は、従来のフランシス形水車ランナ形状の子午面上への展開図、すなわち子午面形状図を示している。また図７（ｂ）においては、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからのバンド流水面に沿った子午面距離Ｌを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる前記交点Ｐｓからランナ羽根出口端部１３とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｅまでの子午面距離Ｌｂで割った子午面距離比Ｌ／Ｌｂが横軸に示され、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成されるある仮想円２０の直径（子午面流路幅）Ｗを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおいてバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径（入口子午面流路幅）Ｗｓで割った子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓが縦軸に示されている。
【０００４】
図７（ｂ）から分かるように、子午面流路幅はランナ羽根入口端部２からランナ羽根出口端部１３にかけて単調に増加する形状となっている。
【０００５】
ここで子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対する圧力面１ａと負圧面１ｂにおける圧力係数Ｃｐの変化を示すと、図８のようになる。この圧力係数Ｃｐは、ランナ羽根１表面の静圧を基準圧力と水車有効落差で無次元化したものであるため、圧力分布を反映させたものになっている。
【０００６】
図８に示すように、従来ランナ羽根１の負圧面１ｂにおける圧力は、ランナ羽根入口端部２付近で一度局所的に低下し（Ａ部）、その下流側で回復（Ｂ部）した後、ランナ羽根出口端部１３にかけて再び低下していく分布になる。この圧力分布の非単調性は二次流れによる水の流れの効率を低下させる原因となり、またＡ部における局所的な圧力降下が大きくなれば入口キャビテーションが発生する場合もある。
【０００７】
このような好ましくない圧力分布を改善して二次流れやそれによる効率低下を抑制するために、ランナ羽根１の形状を微少範囲内で適正化することは提案されている（例えば特許文献１及び非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−４４４０９
【非特許文献１】日本工業出版「ハイドロタービン」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながらランナ羽根１の形状を微少範囲内で適正化することでは、負圧面１ｂの圧力分布が比較的小さくしか変化しないのに対して、ランナ羽根１の圧力面１ａの圧力分布が大きく変化してしまう傾向がある。このため、ランナ羽根１の負圧面１ｂの圧力分布を適正化するには、ランナ羽根１の形状を大幅に変更する必要があり、設計仕様からずれるなど、新たな問題点が浮上する。
【０００９】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、二次流れを抑制してランナ羽根内における水力効率を向上させ、かつランナ羽根内の局所的な圧力降下を解消してキャビテーション特性を改善することができるフランシス形水車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】
【００１０】
本発明は、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配置された複数枚のランナ羽根とを備えたフランシス形水車ランナにおいて、前記ランナ羽根の形状を前記ランナ羽根の子午面上へ展開して見た場合に、前記バンドと前記クラウンとに内接するよう形成される仮想円が、前記ランナ羽根入口端部と前記ランナ羽根出口端部との間であって、前記ランナ羽根入口端部と前記バンド流水面とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンドに接する際、当該仮想円の直径Ｗが最小となるようにしたことを特徴とするフランシス形水車ランナ。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二次流れを抑制してランナ羽根内における水力効率を向上させ、かつランナ羽根内の局所的な圧力降下を解消してキャビテーション特性を改善するフランシス形水車ランナ及び水力機械を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の実施の形態
以下、本発明に係るランシス形水車ランナの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１（ａ）（ｂ）乃至図３は本発明の第１の実施の形態を示す図である。このうち図１(a)は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示している。
【００１３】
図１（ａ）に示すように本発明によるフランシス形水車ランナは、クラウン１０と、バンド１２と、これらクラウン１０およびバンド１２間に配置される複数枚のランナ羽根１とを備えている。
【００１４】
このうちランナ羽根１は、図１（ａ）に示すように、水の流入する側に設けられたランナ羽根入口端部２と、水の流出する側に設けられたランナ羽根出口端部１３とを有している。
【００１５】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、このランナ羽根１の形状を、ランナ羽根１の子午面上へ展開して見た場合に、仮想円２０がランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点Ｐでバンド１２に接する際に、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径（子午面流路幅）Ｗが、最小となっている。
【００１６】
具体的には、図１（ａ）において、仮想円２０は、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点Ｐminで、直径が最小値Ｗminとなる仮想円２０ａを形成している。
【００１７】
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述べる。
【００１８】
図１（ｂ）において、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからのバンド流水面３に沿った子午面距離Ｌを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからランナ羽根出口端部１３とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｅまでの子午面距離Ｌｂで割った子午面距離比Ｌ／Ｌｂが横軸に示され、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成されるある仮想円２０の直径Ｗを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおいてバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径（入口子午面流路幅）Ｗｓで割った子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓを縦軸に示されている。
【００１９】
図１（ｂ）に示すように、従来のフランシス形水車ランナにおいては、子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓの値は、子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対して単調に増加していくのに対して、本発明のフランシス形水車ランナにおいては、子午面流路幅比Ｗ／Ｗｓは、子午面距離比Ｌ／Ｌｂが約０．２となる最小地点Ｐminで最小値Ｗmin/Ｗｓをとっている。すなわち図１（ａ）に示すように、バンド１２は最小地点Ｐmin近傍で大きな曲率を有しており、子午面流路幅Ｗが最も小さくなっている。
【００２０】
このため、最小地点Ｐmin近傍において、バンド１２が大きな曲率を有し、かつ子午面流路幅Ｗが狭くなることによって、ランナ羽根１内を流れる水の速度を速くすることができる。このため、ベルヌーイの定理に従って、最小地点Ｐmin近傍における負圧面１ｂにかかる圧力を低下させることができる。
【００２１】
このため、Ｌmin/Ｌｂ（＝約０．２）近傍において、圧力面１ａと負圧面１ｂとの圧力差に基づくランナ羽根１にかかる負荷が増大し、その代わりに、他の部分において、ランナ羽根１にかかる負荷が減少する。この結果、流水によってランナ羽根１の負圧面１ｂにかかる圧力の分布は、ランナ羽根入口端部２からランナ羽根出口端部１３にかけて滑らかになる。
【００２２】
このため図２に示すように、ランナ羽根１の負圧面１ｂにおける圧力係数Ｃｐは、ランナ羽根入口端部２からランナ羽根出口端部１３にかけて緩やかに変化する。
【００２３】
この結果、フランシス形水車ランナ内において二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。
【００２４】
なおバンド１２をこのような形状にするには、ランナ羽根入口端部２近傍におけるクラウン１０の曲率を小さくし、かつランナ羽根入口端部２近傍におけるバンド１２の曲率を大きくする必要がある。
【００２５】
また、子午面流路幅を極端に狭くすると、流速が増加することによって摩擦損失が増大し、かつ幾何学的形状の不均衡による水力損失が増大するため、水力効率が低下する。
【００２６】
すなわち図３に示すように、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される最小の仮想円２０ａの直径Ｗminを、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおいてバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径Ｗｓで割った値Ｗmin／Ｗｓが０．９より小さくなると、摩擦や幾何学的形状の不均衡による水力損失が増大してしまう。このためＷmin／Ｗｓは、水力損失がほぼ一定の値で維持される０．９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１．０の関係を満たすようにバンド１２の外面形状とクラウン１０の内面形状を定めることが好ましい。
【００２７】
また従来のフランシス形水車ランナにおいて、ランナ羽根入口端部２近傍における負圧面１ｂ側の圧力が一旦上昇する領域（図２及び図８のＢ地点近傍）は、通常は０．１≦Ｌ／Ｌｂ≦０．３を中心とした領域となる。
【００２８】
このため、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径Ｗが最小となる点Ｐminのランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからの子午面距離Ｌminを、ランナ羽根１のランナ羽根出口端部１３とバンド流水面３表面とが交わる交点Ｐｅのランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓからの子午面距離Ｌｂで割った値Ｌmin/Ｌｂが、０．１≦Ｌmin/Ｌｂ≦０．３の関係になるようバンド１２の外面形状とクラウン１０の内面形状を定めることによって、圧力分布の適正化をより効果的に行うことができる。
【００２９】
第２の実施の形態
次に図４により本発明の第２の実施の形態について説明する。なお図４に示す第２の実施の形態において、図１乃至図３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。ここで図４は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示したものである。
【００３０】
図４に示す第２の実施の形態のバンド１２のバンド流水面３は、ランナ羽根入口端部２近傍において、水平方向に延在した直線部３ａと、当該直線部３ａに連結部３ｂを介して設けられた曲線部３ｃとを有している。また、フランシス形水車ランナは、クラウン１０の中心部を垂直方向に通る水車軸２１を有し、当該水車軸２１から連結部３ｂまでの距離Ｒ１が、水車軸２１からランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓよりも小さくなっている。他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００３１】
図４に示すように、第２の実施の形態におけるフランシス形水車ランナは、第１の実施の形態と同様、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０が、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンド流水面３に内接する際に、仮想円２０の直径Ｗが最小となっている。
【００３２】
このため、第１の実施の形態と同様、二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。
【００３３】
また、水車軸２１からバンド流水面３までの最小距離Ｒminと、水車軸２１からランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓまでの距離Ｒｓと、連結部３ｂの水車軸２１からの距離Ｒ１とが、０.５≦（Ｒｓ−Ｒ１）/（Ｒｓ−Ｒmin）≦０.８の関係を満たすようにすることで、第１の実施の形態で述べた０.９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１.０の関係を満たすことができるため、圧力分布の適正化をより効果的に行うことができる。
【００３４】
第３の実施の形態
次に図５により本発明の第３の実施の形態について説明する。なお図５に示す第３の実施の形態において、図１乃至図３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。ここで図５は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示したものである。
【００３５】
図５に示す第３の実施の形態は、フランシス形水車ランナのランナ中心高さ５からバンド流水面３まで垂直方向の距離が、水が流入する側のランナ羽根１のランナ羽根入口端部２と、水の流出する側のランナ羽根１のランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点Ｐｈで最小となっているものであり、他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。ここでランナ中心高さとは、クラウン流水面最外径位置Ｐciと、バンド流水面最外径位置Ｐbiとの垂直距離Ｚbciを２等分する高さ位置のことである。
【００３６】
図５に示すように、第３の実施の形態におけるフランシス形水車ランナは、第１の実施の形態と同様、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０が、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンド流水面３に内接する際、仮想円２０の直径Ｗが最小となっている。
【００３７】
このため、第１の実施の形態と同様、二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。
【００３８】
また図５に示すように、ランナ中心高さ５からランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓまでの垂直方向の距離Ｚｓと、ランナ中心高さ５からバンド流水面３まで垂直方向の最小距離Ｚminと、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓにおけるバンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０の直径Ｗｓとが、０＜Ｚｓ−Ｚmin≦０．１×Ｗｓの関係を満たすことで、第１の実施の形態で述べた０．９≦Ｗmin/Ｗｓ＜１．０の関係を満たすことができるため、圧力分布の適正化をより効果的に行うことができる。
【００３９】
第４の実施の形態
次に図６（ａ）,（ｂ）により本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、図６（ａ）,（ｂ）に示す第４の実施の形態において、図１乃至図３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。ここで図６（ａ）は、本実施の形態におけるフランシス形水車ランナの子午面形状図を示したものであり、図６（ｂ）は、フランシス形水車ランナを図６（ａ）のＸ方向から見た側面図である。
【００４０】
ランナ羽根１は、図６（ａ）,（ｂ）に示すように、ランナ羽根１内を流れる水によって高い圧力のかかる圧力面１ａと、低い圧力しかかからない負圧面１ｂとを有している。
【００４１】
図６（ａ）,（ｂ）に示す第４の実施の形態は、ランナ中心高さ５からバンド流水面３までの垂直距離を羽根圧力面１ａ側から負圧面１ｂ側にかけて滑らかに小さくしたものであり、他の構成は図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００４２】
図６（ａ）,（ｂ）に示すように、第４の実施の形態におけるフランシス形水車ランナは、第１の実施の形態と同様、バンド１２とクラウン１０とに内接するよう形成される仮想円２０が、ランナ羽根入口端部２とランナ羽根出口端部１３との間であって、ランナ羽根入口端部２とバンド流水面３とが交わる交点Ｐｓ以外の点でバンド流水面３に内接する際、仮想円２０の直径Ｗが最小となっている。
【００４３】
このため、第１の実施の形態と同様、二次流れが抑制されてランナ羽根１内における水力効率を向上させることができる。また、ランナ羽根入口端部２近傍での局所的な圧力降下が解消され、かつランナ羽根出口端部１３近傍での圧力が上昇するため、キャビテーション特性を改善することができる。
【００４４】
また図６（ａ）,（ｂ）に示すように、ランナ中心高さ５からバンド流水面３までの垂直距離が羽根圧力面１ａ側から負圧面１ｂ側にかけて変化しているため、この変化を調整することによって、ランナ羽根１の負圧面１ｂ側の圧力分布をより適正なものに調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明によるフランシス形水車ランナの第１の実施の形態を示す概略図。
【図２】本発明による子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対する圧力係数Ｃｐの変化を示す説明図。
【図３】本発明による子午面流量比Ｗ／Ｗｓに対する水力損失の変化を示す説明図。
【図４】本発明によるフランシス形水車ランナの第２の実施の形態を示す子午面形状図。
【図５】本発明によるフランシス形水車ランナの第３の実施の形態を示す子午面形状図。
【図６】本発明によるフランシス形水車ランナの第４の実施の形態を示す概略図。
【図７】従来のフランシス形水車ランナを示す概略図。
【図８】従来のフランシス形水車ランナにおける子午面距離比Ｌ／Ｌｂに対する圧力係数Ｃｐの変化を示す説明図。
【符号の説明】
【００４６】
１     ランナ羽根
１ａ   圧力面
１ｂ   負圧面
２     ランナ羽根入口端部
３     バンド流水面
３ａ   直線部
３ｂ   連結部
３ｃ   曲線部
３Ｐ   内径側 
３ｓ   外径側
５     ランナ中心高さ
１０   クラウン
１２   バンド
１３   ランナ羽根出口端部
２０   仮想円
２１   水車軸
【図１】
2007154786.tif 000003
【図２】
2007154786.tif 000004
【図３】
2007154786.tif 000005
【図４】
2007154786.tif 000006
【図５】
2007154786.tif 000007
【図６】
2007154786.tif 000008
【図７】
2007154786.tif 000009
【図８】
2007154786.tif 000010