(57)【要約】【課題】ランナ羽根の出口側の速度分布を一様にし、動力水に安定流を与えて水力効率を向上させるフランシス形水力機械を提供する。【解決手段】本発明に係るフランシス形水力機械は、羽根高さ方向に向って底部側をバンド２４で支持され、頭部側をクラウン２３で支持されるランナ羽根２２を主軸の周方向に沿って配置するランナ２１と、前記クラウン２３に覆設して背圧室２６を形成する上カバー２５と、前記バンド２４に覆設して側圧室２９を形成する下カバー２８とを備えるフランシス形水力機械において、前記クラウン２３に設けられ、前記ランナ羽根２２の出口側から前記背圧室２６に連通させる動力水抽水通路３０を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根高さ方向に向って底部側をバンドで支持され、頭部側をクラウンで支持されるランナ羽根を主軸の周方向に沿って配置するランナと、前記クラウンに覆設して背圧室を形成する上カバーと、前記バンドに覆設して側圧室を形成する下カバーとを備えるフランシス形水力機械において、前記クラウンに設けられ、前記ランナ羽根の出口側から前記背圧室に連通させる動力水抽水通路を備えたことを特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項２】
前記動力水抽水通路は、ランナ羽根の出口側からランナ羽根の入口側に向って傾斜させて形成することを特徴とする請求項１記載のフランシス形水力機械。
【請求項３】
前記動力水抽水通路は、直線状に真直ぐ延ばして形成することを特徴とする請求項１記載のフランシス形水力機械。
【請求項４】
羽根高さ方向に向って底部側をバンドで支持され、頭部側をクラウンで支持されるランナ羽根を主軸の周方向に沿って配置するランナと、前記クラウンに覆設して背圧室を形成する上カバーと、前記バンドに覆設して側圧室を形成する下カバーとを備えるフランシス形水力機械において、前記クラウンに設けられ、前記ランナ羽根の出口側から前記背圧室に連通させる複数の動力水抽水口を備えたことを特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項５】
前記複数の動力水抽水口は、途中から一つまとめる動力水抽水通路に接続する構成にしたことを特徴とする請求項３記載のフランシス形水力機械。
【請求項６】
前記動力水抽水通路は、抽水入口をランナ羽根入口側に向わせる構成にしたことを特徴とする請求項１記載のフランシス形水力機械。
【請求項７】
前記動力水抽水通路は、主軸側のクラウン端部の湾曲面空間を利用して前記クラウンに設けたことを特徴とする請求項１記載のフランシス形水力機械。
【請求項８】
請求項１〜７記載のものは、水車およびポンプ水車のうち、少なくともいずれか一方に適用することを特徴とするフランシス形水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部分負荷運転時等動力水（流水）が少なくなったとき、ランナ内の流れに偏流が発生し、この偏流に起因して発生する水力損失や振動増加等を効果的に低減させるフランシス形水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のフランシス形水力機械は、環境保護の立場から発電運転と揚水運転の両運転ができる構造のものが多く、その構成として図８に示すものがある。
【０００３】
このフランシス形水力機械は、発電運転時、上池および水圧鉄管（ともに図示せず）から渦巻状のケーシング１に供給する動力水（流水）をステーベーン２、ガイドベーン３を介してランナ４に案内して、ここでランナ羽根５を回転させ、その際に発生する動力（回転トルク）を主軸（回転軸）６を介して発電電動機７に与えて電力を発生させている。
【０００４】
また、揚水運転時、フランシス形水力機械は、発電電動機７の駆動力により、発電運転と逆方向にランナ羽根５を回転駆動し、下池に連通する吸出し管８からの動力水をランナ４に案内し、ここでランナ４から動力水にエネルギが与えられ、エネルギを得た動力水がガイドベーン３、ステーベーン２、ケーシング１を介して上池に戻される。
【０００５】
また、ガイドベーン３は、発電運転時、ケーシング１から供給される動力水の流量をコントロールし、電力需要の増減に応じて弁体を開閉させる制御を行っている。
【０００６】
また、ランナ４は、主軸６に装着するランナ羽根５を、主軸６の周方向に沿って等ピッチで配置するとともに、高さ方向に向ってその両端をクラウン９とバンド１０とで支持させ、ランナ羽根５，５間に流路を形成している。
【０００７】
また、ランナ羽根５の両端を支持させたクラウン９およびバンド１０のうち、クラウン９には上カバー１１が設けられ、この上カバー１１との間に背圧室１３を備える一方、バンド１０には、下カバー１２が設けられ、この下カバー１２との間に側圧室１４を備えている。
【０００８】
一方、クラウン９の外径側（ガイドベーン３側）と上カバー１１の外径側との間には、図９に示すように、隙間Ｇが形成されているため、破線で示す流線としての動力水がランナ４を通過する際、その一部が隙間Ｇを介して背圧室１３に流れ、背圧室１３の室内の圧力が、図示のように、外径側に向って高くなる。
【０００９】
また、バンド１０の外径側（ガイドベーン３側）と下カバー１２の外径側との間にも隙間Ｇが形成されているため、上述と同様に、側圧室１４も外径側の圧力が高くなる。
【００１０】
このように、背圧室１３および側圧室１４は、ともに、室内、特に外径側の圧力が高くなっているが、背圧室１３の開口面積の方が側圧室１４の開口面積に較べて大きいので、双方の圧力にアンバランスが生じ、スラストＦが吸出し管８側に向って発生する。
【００１１】
このスラストＦは、一部を主軸６に設けたスラスト軸受（図示せず）に負担させるとともに、残りをバランス管１５に分担させている。すなわち、バランス管１５は、図１０に示すように、背圧室１３と比較的圧力の低い吸出し管８とを互いに接続させ、背圧室１３に溜まる動力水を引き抜いて吸出し管８に排出させ、背圧室１３の圧力を低く抑えて上述スラストＦの発生を抑制している。
【００１２】
ところで、フランシス形水力機械は、常に設計点で運転していれば、図１０に示すように、ランナ羽根５，５間で形成される流路を流れる動力水が破線で示す流線に沿って流れ、安定流に維持されるものの、実際には負荷の需要に対応させて動力水の増加、減少等の流量調整が行われる。特に、部分負荷運転のように、動力水の流量が少なく調整されると、動力水は、遠心力の影響を受け、図１１に示すように、バンド１０側に偏った流れになる。
【００１３】
動力水がバンド１０側に偏った流れになると、クラウン９側に沿って流れている動力水に剥離が生じ、ランナ損失になるとともに、吸出し管８側の流速分布が不均一になり、吸出し管効率も悪くなる。
【００１４】
さらに、動力水のバンド１０側に偏った流れは、ランナ中心廻りの死水領域ＤＺがより広く拡大し、この死水領域ＤＺの拡大に伴って、図８に示すように、吸出し管８に向ってホワールＷを発生させていた。
【００１５】
このホワールＷの振れ周りは、動力水の揺動の要因となり、動力水の揺動によって振動を発生させていた。
【００１６】
このように、部分負荷運転時、動力水の偏流に伴って発生するホワールＷによる振動を抑制する手段には、例えば、特許文献１が開示されている。
【００１７】
この特許文献１に開示された技術は、ランナ羽根を支持するクラウンとバンドとにおいて、クラウン側出口ポート径をバンド側出口ポート径に対して大きく設定し、部分負荷運転時に発生するホワールを抑制したものである。
【００１８】
このように、フランシス形水力機械では、部分負荷運転時の振動対策、水力機械効率の低下対策として特許文献１の例を見るまでもなく、数多くの研究開発が進められている。
【特許文献１】特開２００３−２１０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
特許文献１に開示された技術は、ランナ羽根の出口のうち、クラウン側出口ポート径を拡げ、部分負荷運転時の流量減少に伴うクラウン側における動力水の剥離を防止し、ランナ羽根出口側の速度分布を均一化させる点で優れているものである。
【００２０】
しかし、この技術は、動力水の流量が過量になると、広い範囲に亘って境界層が発生し、境界層の影響を受けて水力効率が低下する等の不安がある。
【００２１】
このため、動力水の流量の過少、過多の影響を受けることなく流れを安定化させ、高い水力効率を維持させるとともに、ホワール等の抑制を図ったフランシス形水力機械の出現が望まれている。
【００２２】
本発明は、このような背景技術の課題に着目してなされたものであり、動力水の流れの安定化を図って高い水力効率を維持させるフランシス形水力機械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】
【００２３】
本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、羽根高さ方向に向って底部側をバンドで支持され、頭部側をクラウンで支持されるランナ羽根を主軸の周方向に沿って配置するランナと、前記クラウンに覆設して背圧室を形成する上カバーと、前記バンドに覆設して側圧室を形成する下カバーとを備えるフランシス形水力機械において、前記クラウンに設けられ、前記ランナ羽根の出口側から前記背圧室に連通させる動力水抽水通路を備えたものである。
【００２４】
また、本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、動力水抽水通路は、ランナ羽根の出口側からランナ羽根の入口側に向って傾斜させて形成するものである。
【００２５】
また、本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記動力水抽水通路は、直線状に真直ぐ延ばして形成するものである。
【００２６】
また、本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、羽根高さ方向に向って底部側をバンドで支持され、頭部側をクラウンで支持されるランナ羽根を主軸の周方向に沿って配置するランナと、前記クラウンに覆設して背圧室を形成する上カバーと、前記バンドに覆設して側圧室を形成する下カバーとを備えるフランシス形水力機械において、前記クラウンに設けられ、前記ランナ羽根の出口側から前記背圧室に連通させる複数の動力水抽水口を備えたものである。
【００２７】
また、本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、複数の動力水抽水口は、途中から一つまとめる動力水抽水通路に接続する構成にしたものである。
【００２８】
また、本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、動力水抽水通路は、抽水入口をランナ羽根入口側に向わせる構成にしたものである。
【００２９】
また、本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、動力水抽水通路は、主軸側のクラウン端部の湾曲面空間を利用して前記クラウンに設けたものである。
【００３０】
また、本発明に係るフランシス形水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、請求項１〜７記載のものは、水車およびポンプ水車のうち、少なくともいずれか一方に適用するものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係るフランシス形水力機械は、クラウンに設けられ、ランナ羽根の出口側から背圧室に向って動力水抽水通路を備え、クラウン側に沿って流れる動力水を動力水抽水通路を介して引き抜く構成にするので、動力水の流量の過少、過多に影響を受けることなく、ランナ羽根の出口側の速度分布を一様にし、動力水に安定流を与えて水力効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係るフランシス形水力機械の実施例を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３３】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係るフランシス形水力機械の第１実施形態を示す概念図である。
【００３４】
本実施形態に係るフランシス形水力機械は、主軸２０の端部にランナ２１を装着する。
【００３５】
このランナ２１は、発電運転時、ガイドベーン側（図示せず）の入口ＩＮから吸出し管側（図示せず）の出口ＥＸに向って流れる動力水（流水）のエネルギを回転動力に変えるランナ羽根２２と、このランナ羽根２２の頭部側および底部側のそれぞれを支持するクラウン２３およびバンド２４を備えている。
【００３６】
クラウン２３は、動力水の入口ＩＮから出口ＥＸに向って徐々に厚みを増す円盤状に形成するとともに、厚みを増した端部を湾曲面に形成してランナコーン（図示せず）を設け、主軸２０の下端領域が空間Ｅになるように成形加工されている。
【００３７】
また、クラウン２３は、頭部側を上カバー２５で覆設して背圧室２６を形成し、この背圧室２６に集まったクラウン入口隙間Ｇからの動力水を吸出し管（図示せず）に排出させるバランス管２７を設けている。
【００３８】
一方、バンド２４は、リング状に形成するとともに、その外側に下カバー２８を設けて側圧室２９を形成し、バンド入口隙間Ｇからの動力水を吸出し管に案内する構成になっている。
【００３９】
このような構成を備えたフランシス形水力機械において、本実施形態では、クラウン２３に形成し、ランナ羽根２２の出口側から背圧室２６に向う動力水抽水通路３０を設けたものである。
【００４０】
この動力水抽水通路３０は、ランナ羽根２２を通り、クラウン２３に沿って流れる動力水を圧力差を利用して引き抜き、引き抜いた動力水を背圧室２６に案内した後、バランス管２７を介して吸出し管に供給している。
【００４１】
このように、本実施形態は、クラウン２３に形成し、ランナ羽根２２の出口側から背圧室２６に向う動力水抽水通路３０を設けたので、部分負荷運転時のように、動力水の流量が少ないとき、クラウン２３に沿って流れる動力水を抽水することができ、この抽水に伴ってクラウン２３に沿って流れる動力水の剥離を防止し、ランナ羽根２２の出口側の速度分布を一様にし、動力水に安定流を与えることができる。
【００４２】
また、本実施形態は、動力水の過流量運転のとき、動力水抽水通路３０からクラウンに沿って流れる動力水を抽水する構成にしているので、動力水の境界層の発達を抑制することができ、ランナ羽根２２の出口側の速度分布を一様にし、動力水に安定流を与えることができる。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、動力水流量の過少、過多の影響を受けることなく動力水に安定流を与えることができるので、ランナコーン廻りの動力水の死水領域を少なくしてホワールによる振れ廻りを抑制し、水圧脈動を低減させて振動を少なくさせるとともに、水力効率を向上させることができる。
【００４４】
図２は、従来の水力性能と本発明に係る水力性能とを比較する水力性能比較線図である。
【００４５】
この水力性能比較線図は、縦軸に水車効率を示し、横軸に水車出力を示すとともに、実線が本発明による分布線図であり、破線が従来による分布線図である。
【００４６】
この水力性能比較線図から、従来に較べ本発明の方が水車効率および吸出し管水圧脈動共に優れていることがわかった。
【００４７】
［第２実施形態］
図３は、本発明に係るフランシス形水力機械の第２実施形態を示す概念図である。
【００４８】
なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００４９】
本実施形態は、クラウン２３の流水面と背圧室２６との圧力差が充分に確保できない場合を考慮したもので、クラウン２３に形成し、ランナ羽根２２の出口側と背圧室２６とを互いに連通させる動力水抽水通路３０を、ランナ羽根２２の出口側からランナ羽根２２の入口側に向う方向（ランナの回転方向）に傾斜させたものである。
【００５０】
すなわち、クラウン２３の流水面と背圧室２６との圧力差が充分確保されていないと、クラウン２３に沿って流れる動力水の背圧室２６への抽水が難しくなる。
【００５１】
このため、本実施形態は、クラウン２３に設けた動力水抽水通路３０を、ランナ２１の回転方向に向うように傾斜させ、運転中、ランナ２１の回転に伴う遠心力を有効に活用し、クラウン２３の流水面に沿って流れる動力水を抽水して背圧室２６に案内したものである。
【００５２】
このように、本実施形態は、クラウン２３に設けられ、ランナ羽根２２の出口側と背圧室２６とを互いに連通させる動力水抽水通路３０をランナ２１の回転方向に向って傾斜させ、運転中、ランナ２１の遠心力を利用して動力水を抽水させる構成にしたので、動力水の流量の過少、過多に影響を受けることなく確実に動力水を抽水することができ、動力水の抽水の下、ランナ２１の出口側における動力水の速度分布を一様にして水力効率等の向上を図ることができる。
【００５３】
［第３実施形態］
図４および図５は、本発明に係るフランシス形水力機械の第３実施形態を示す概念図である。
【００５４】
なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００５５】
本実施形態は、図５に示すように、ランナ羽根２２の出口側のクラウン２３に数多くの動力水抽水口３１ａ，３１ｂ，…を設け、クラウン２３の流水面に沿って流れる動力水の剥離を確実に防止させたものである。
【００５６】
この場合、動力水抽水口３１ａ，３１ｂ，…は、個々に背圧室に連通させてもよく、また、クラウン２３の強度保証の点から、図４に示すように、数多くの動力水抽水口３１ａ，３１ｂ，…を途中から一つにまとめて背圧室２６に接続させる動力水抽水通路３０にしてもよい。
【００５７】
このように、本実施形態は、ランナ羽根２２の出口側のクラウン２３に数多くの動力水抽水口３１ａ，３１ｂ，…を設けたので、動力水の流量の過少、過多に影響を受けることなくクラウン２３の流水面に沿って流れる動力水を背圧室２６に確実に抽水することができ、ランナ羽根２２の出口側の速度分布を一様化させて動力水に安定流を与えることができる。
【００５８】
［第４実施形態］
図６は、本発明に係るフランシス形水力機械の第４実施形態を示す概念図である。
【００５９】
なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００６０】
本実施形態は、クラウン２３に形成し、ランナ羽根２２の出口側と背圧室２６とを互いに連通させる動力水抽水通路３０を設けるとともに、この動力水抽水通路３０のうち、入口を動力水の上流側に向う方向に設けた抽水入口３２と、途中から鉛直方向に転向させて背圧室２６に接続する通路直線部３３とを組み合せたものである。
【００６１】
このように、本実施形態は、動力水抽水通路３０のうち、抽水入口３２を動力水の上流側に向う方向に形成したので、クラウン２３の流水面に沿って流れる動力水を確実に抽水して背圧室２６に案内することができ、動力水の剥離や境界層の発達をより一層抑制することができる。
【００６２】
［第５実施形態］
図７は、本発明に係るフランシス形水力機械の第５実施形態を示す概念図である。
【００６３】
なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００６４】
本実施形態は、主軸２０側のクラウン２３の端部に形成し、ランナ２１の入口側に向う湾曲面３４を利用して動力水抽水通路３０を設け、ランナ羽根２２と背圧室２６とを互いに連通させたものである。
【００６５】
このように、本実施形態は、クラウン２３の端部に形成する湾曲面３４を利用して動力水抽水通路３０を設け、湾曲面３４の空間を有効活用する構成にしたので、クラウン２３の強度を高く維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係るフランシス形水力機械の第１実施形態を示す概念図。
【図２】従来の水力性能と本発明に係る水力性能とを比較する水力性能比較線図。
【図３】本発明に係るフランシス形水力機械の第２実施形態を示す概念図。
【図４】本発明に係るフランシス形水力機械の第３実施形態を示す概念図。
【図５】図４のＡ矢視方向から見た展開平面図。
【図６】本発明に係るフランシス形水力機械の第４実施形態を示す概念図。
【図７】本発明に係るフランシス形水力機械の第５実施形態を示す概念図。
【図８】従来のフランシス形水力機械を示す概念図。
【図９】従来のフランシス形水力機械において、背圧室の圧力分布を示す圧力分布線図。
【図１０】従来のフランシス形水力機械において、部分負荷運転時、動力水の流線を示す図。
【図１１】従来のフランシス形水力機械において、部分負荷運転時、死水領域の発達を示す図。
【符号の説明】
【００６７】
１  ケーシング
２  ステーベーン
３  ガイドベーン
４  ランナ
５  ランナ羽根
６  主軸
７  発電電動機
８  吸出し管
９  クラウン
１０  バンド
１１  上カバー
１２  下カバー
１３  背圧室
１４  側圧室
１５  バランス管
２０  主軸
２１  ランナ
２２  ランナ羽根
２３  クラウン
２４  バンド
２５  上カバー
２６  背圧室
２７  バランス管
２８  下カバー
２９  側圧室
３０  動力水抽水通路
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，…  動力水抽水口
３２  抽水入口
３３  通路直線部
３４  湾曲面
【図１】
2007154667.tif 000003
【図２】
2007154667.tif 000004
【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】
2007154667.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007154667.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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