(57)【要約】【課題】ランナに設けられたバランスホールで発生するキャビテーションがランナ羽根に与える影響を抑制する。【解決手段】クラウン３とバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるフランシス型ランナである。クラウン３を押す背圧室の圧力による力とバンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するようにクラウン３を貫通するバランスホール５が設けられ、バランスホール５の羽根２側の開口部位置が羽根２のキャンバーライン２０の回転中心側に向かう内側延長線上にある。【選択図】図１
2007154704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるフランシス型ランナにおいて、
前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、前記バランスホールの前記羽根側の開口部位置が前記羽根のキャンバーラインの回転中心側に向かう内側延長線上にあること、を特徴とするフランシス型ランナ。
【請求項２】
前記バランスホールは、回転中心側に向かって細くなるように開口幅が変化していることを特徴とする請求項１に記載のフランシス型ランナ。
【請求項３】
クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるフランシス型ランナにおいて、
前記複数の羽根のうちの一部が他の羽根よりも短い短羽根であって、前記短羽根の内側端部が他の羽根の内側端部よりも外側に位置し、
前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、そのバランスホールが、前記短羽根の内側端部の近傍の内側に配置されていること、
を特徴とするフランシス型ランナ。
【請求項４】
前記バランスホールは、前記短羽根以外の羽根のクラウン側内側端よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のフランシス型ランナ。
【請求項５】
前記短羽根が複数枚あって、これらの短羽根が周方向に連続して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のフランシス型ランナ。
【請求項６】
前記バランスホールが複数個あることを特徴とする請求項３または請求項５に記載のフランシス型ランナ。
【請求項７】
前記バランスホールが周方向に長い長円形であることを特徴とする請求項３または請求項５に記載のフランシス型ランナ。
【請求項８】
前記バランスホールは、
前記短羽根の内側端部の近傍の内側に配置されている第１のバランスホールと、
前記短羽根以外の羽根の内側端部の近傍の内側であって、前記第１のバランスホールが配置されている半径位置と異なる半径位置に配置されている第２のバランスホールと、
を含むことを特徴とする請求項３に記載のフランシス型ランナ。
【請求項９】
前記第１および第２のバランスホールは互いに異なる形状であることを特徴とする請求項８に記載のフランシス型ランナ。
【請求項１０】
クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるランナを有するフランシス型水力機械において、
前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、前記バランスホールの前記羽根側の開口部位置が前記羽根のキャンバーラインの回転中心側に向かう内側延長線上にあること、を特徴とするフランシス型水力機械。
【請求項１１】
クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるランナを有するフランシス型水力機械において、
前記複数の羽根のうちの一部が他の羽根よりも短い短羽根であって、前記短羽根の内側端部が他の羽根の内側端部よりも外側に位置し、
前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、そのバランスホールが、前記短羽根の内側端部の近傍の内側に配置されていること、
を特徴とするフランシス型水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はフランシス型ランナおよびそのランナを有する水力機械に関し、特に、ランナに働く水力軸スラストの軽減のためのバランスホールを有するランナおよび水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
フランシス水車の水車運転時は、背圧室と側圧室の水圧のバランスにより主軸方向のスラスト力が生じることになる。この軸方向の力は、背圧室部の方が側圧室部よりも軸方向に作用する面積が大きいため、一般的には下向きの力となる。このスラスト力を調整するためにランナクラウン背圧室側から流水面側に貫通するバランスホールを設け、ランナ背圧室の圧力を低減し、下方向のスラスト力を低減させる技術が知られている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
このバランスホールは背圧室の圧力を低減させることが目的であることから、下側は圧力の下がった羽根出口側に設けるのが一般的であり、周方向に数個設置している。このバランスホール出口では、ランナ流水面と羽根面との間を通ってきた主流と、背圧室からバランスホールを通ってランナ流水面に流れ出る流れとの干渉により、流れが乱れて圧力の低下を招き、キャビテーションが発生することがある。このキャビテーションがランナ面近傍で崩壊すると、その崩壊エネルギーによりランナ面が壊食されることになる。従来、このキャビテーションにより壊食された部位は、その状況に応じてグラインダーなどにより補修することで対応している。
【特許文献１】特開２００１−１６５０２４号公報
【特許文献２】特開２００５−１７１８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、既設水車の更新時の設計制約条件、高効率化、運転範囲拡大の要求に対応した設計等により、バランスホール出口位置が制約を受け、バランスホール出口がランナ羽根出口クラウン位置よりも外側に設置せざるを得ない状況になる場合がある。このような場合、バランスホールで発生するキャビテーションがランナ羽根に干渉し、ランナ羽根を壊食してしまうことがある。ランナ羽根出口部は高い応力が作用しているため、キャビテーションにより壊食されると、その部分からクラック等が発生し、ランナ羽根の破壊に繋がり、ランナ寿命を極端に短くしてしまう恐れがある。
【０００５】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、ランナに設けられたバランスホールで発生するキャビテーションがランナ羽根に与える影響を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係るフランシス型ランナは、クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるフランシス型ランナにおいて、前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、前記バランスホールの前記羽根側の開口部位置が前記羽根のキャンバーラインの回転中心側に向かう内側延長線上にあること、を特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るフランシス型ランナは、クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるフランシス型ランナにおいて、前記複数の羽根のうちの一部が他の羽根よりも短い短羽根であって、前記短羽根の内側端部が他の羽根の内側端部よりも外側に位置し、前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、そのバランスホールが、前記短羽根の内側端部の近傍の内側に配置されていること、を特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るフランシス型水力機械は、クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるランナを有するフランシス型水力機械において、前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、前記バランスホールの前記羽根側の開口部位置が前記羽根のキャンバーラインの回転中心側に向かう内側延長線上にあること、を特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るフランシス型水力機械は、クラウンとバンドの間でほぼ放射状に延びる羽根を複数枚配列して構成されるランナを有するフランシス型水力機械において、前記複数の羽根のうちの一部が他の羽根よりも短い短羽根であって、前記短羽根の内側端部が他の羽根の内側端部よりも外側に位置し、前記クラウンを押す背圧室の圧力による力と前記バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するように前記クラウンを貫通するバランスホールが設けられ、そのバランスホールが、前記短羽根の内側端部の近傍の内側に配置されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ランナに設けられたバランスホールで発生するキャビテーションがランナ羽根に与える影響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】
【００１１】
以下、本発明に係るフランシス型水力機械およびそのランナについての実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
［第１の実施形態］
図１および図２は本発明に係る縦軸フランシス水車（またはポンプ水車。以下同様）の第１の実施形態を示すもので、図１はランナクラウン面の形状図であり、図２は全体の模式的縦断面図である。フランシス水車の水車運転時には、図示しない上池からの水は、水圧鉄管を経て、図２に示すケーシング１０により回転方向に水の流れを変換され、ケーシング１０とガイドベーン８をつなぐステーベーン９、流量を調整するガイドベーン８を経てランナ１に流れ込む。ランナ１は水流のエネルギーを回転エネルギーに変換し、ランナ１を通り抜けた水は、吸出し管１３を経て図示しない下池へと流出される。ランナ１で回収された回転エネルギーは主軸１１により発電機１２へと伝達され、発電機により電力へと変換される。
【００１３】
ランナ１の上側には上カバ１５が、下側には下カバ１６があり、ランナ１を収納するランナ室を形成している。ランナ１は円盤状のクラウン（ランナクラウン）３、リング状のバンド４とランナ羽根２で形成されている。クラウン３の背面と上カバ１５の間に囲まれた領域を背圧室７といい、バンド４と下カバ１６に囲まれた領域を側圧室６という。背圧室７はランナクラウン３外周と上カバ１５との間に隙間があり、側圧室６はバンド４外周と下カバ１６との間に隙間があるため、それぞれのランナ１入口に近い位置に高い圧力が作用することになる。
【００１４】
水車運転時にはこの背圧室７と側圧室６の水圧のバランスにより主軸方向のスラスト力が生じる。背圧室７の方が側圧室６よりも軸方向に作用する面積が大きいため、一般的には下向きのスラスト力が生じることになる。このスラスト荷重を調整するために、ランナクラウン背圧室７側から流水面側に貫通するバランスホール５が設けられ、ランナ背圧室７の圧力を低減し、下方向のスラスト力を低減させている。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態におけるバランスホール５のクラウン流水面位置は、ランナ羽根２のキャンバーライン２０の回転中心側延長線上に位置している。図１に示す例では、バランスホール５はほぼ円形の貫通孔である。
【００１６】
また、図３に示すバランスホール５の例では、キャンバーライン２０に沿って開口幅が異なり、その形状はおよそ三角形状であり、その三角形状を形成する三辺は、隣り合うランナ羽根負圧面２１に平行な辺５１、ランナ回転中心からの距離が一定の辺５２、ランナ回転中心方向に向かう辺５３から形成されている。
【００１７】
一般に、ランナ背圧室７からクラウン面に貫通するバランスホール５を設置するとき、クラウン形状等の制約からクラウン面のバランスホール５位置がクラウン側のランナ羽根２の出口端の半径位置付近まで外周側に設置せざるを得ない場合、隣り合う羽根出口端の中間付近にバランスホール５を設置するとバランスホール５とランナ負圧面２１側の羽根２との距離が小さくなり、バランスホール５で発生するキャビテーションが羽根負圧面２１に干渉することがある。また、羽根負圧面２１は相対的に圧力が低いため、羽根２の影響によりバランスホール５の周辺の圧力の低下や、逆にバランスホール５のキャビテーションの発生により羽根負圧面２１の圧力の低下が助長され、バランスホール５の周りや羽根２付近のキャビテーション発生量が増大することがある。
【００１８】
図４に、代表的なランナ形状に対して実施した流れ解析結果から得られるクラウン面上の圧力分布を示す。羽根２の出口端（内周側端部）付近の同一半径位置で圧力を比較すると、羽根出口の延長線上の圧力は他の位置の圧力よりも高いことがわかる。このため上述したようなランナ羽根キャンバーライン２０の延長線上にバランスホール５を設置した場合、相対的に他の周方向位置にバランスホール５を設置した時よりもキャビテーションの発生が抑制される。また、隣り合う羽根２の負圧面２１からの距離も確保され、バランスホール５のキャビテーションが羽根負圧面２１に及ぼす影響が小さくなる。また、上述したようにバランスホール５の形状を円形でなく、三角形状のものとすると、円形の場合と同じ面積を確保しようとした場合に相対的にバランスホール５が設置される最外径位置を小さくすることができる。また、バランスホール５の辺５１を隣り合う羽根負圧面２１の形状に沿わせることで、隣り合う羽根負圧面２１に対する影響の増大を回避できる。
【００１９】
［第２の実施形態］
次に、図５〜図９を参照して本発明に係る縦軸フランシス水車の第２の実施形態を説明する。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。図５は、第２の実施形態のランナクラウン面の形状図である。本実施形態ではバランスホール５が設置される位置に近い羽根は通常の羽根２よりも短い短羽根１４となっている。短羽根１４のクラウン３側の出口端は、通常の羽根よりも外周寄りにある。
【００２０】
図６は本実施形態の子午面形状の模式図であって、バランスホール５近くの短羽根１４は他の羽根２に比べてクラウン３側のみが短くなっている。しかし、設計によっては、バンド４付近まで全体に羽根を短くすることもできる。バランスホール５の設置位置の制約からバランスホール５を通常の羽根２の出口クラウン端付近もしくは外側に設置せざるを得ない場合、通常の羽根２のみであるとバランスホール５から発生するキャビテーションが羽根２に干渉する影響を回避できないことがある。このような場合には、バランスホール５を設置する付近の短羽根１４のみをクラウン側で短くすることにより、バランスホール５を通常羽根の負圧面２１からより遠くの位置に設置することが可能となり、バランスホール５からのキャビテーションが羽根に影響することを抑制することが可能となる。
【００２１】
また、短羽根１４を設置することにより、図７のようにバランスホール５を通常羽根２のクラウン出口端よりも外側に設置した場合でも、通常羽根２の負圧面２１からの距離は十分確保されるためバランスホール５から発生するキャビテーションが羽根に干渉するのを抑制することができる。
【００２２】
また、図８に示すように短羽根１４を連続して設置すると、バランスホール５と通常羽根２との距離を長くすることがより容易になり、バランスホール５を複数設置することも可能となる。また、図９に示すように、短羽根１４付近に複数のバランスホールを設ける代わりにバランスホール面積を確保するために長穴５５とした場合でも、通常羽根２の負圧面２１との距離を確保することが可能である。
【００２３】
［第３の実施形態］
次に、図１０および図１１を参照して本発明に係る縦軸フランシス水車の第３の実施形態を説明する。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２４】
第２の実施形態として示したようなバランスホール近くの羽根を短くしバランスホールを設置した場合でも目標とするスラスト値が確保できず、バランスホールの大きさをさらに大きくする必要が生じる場合がある。このような場合は、図１０、図１１に示すように、短羽根１４付近の第１のバランスホール５Ａに加え、周方向の異なる位置に第２のバランスホール５Ｂを追加する。
【００２５】
クラウン流水面側は通常羽根２の出口付近の短羽根１４付近に設置していた半径位置とは異なる位置に第２のバランスホール５Ｂを設置することでバランスホール面積を確保できる。また、通常羽根２付近に追加する第２のバランスホール５Ｂの大きさは、短羽根１４付近に設置した第１のバランスホール５Ａと同じ大きさにする必要はないため、比較的バランスホールを設置する領域の確保できる短羽根１４側に大きな第１のバランスホール５Ａを設け、長い羽根２の付近は小さな第２のバランスホール５Ｂとすることで、形状の制約範囲内で目標スラスト値を満たすものを、バランスホールのキャビテーションが羽根に影響を及ぼさないように設置することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るフランシス型ランナの第１の実施形態におけるランナクラウン面を部分的に示す模式的平面図。
【図２】本発明に係るフランシス型水力機械の第１の実施形態の縦断面図。
【図３】本発明に係るフランシス型ランナの第１の実施形態におけるランナクラウン面を部分的に示す模式的平面図であって、図１とは異なる例を示す図。
【図４】本発明に係るフランシス型ランナを説明するランナクラウン面の等圧力面図。
【図５】本発明に係るフランシス型ランナの第２の実施形態におけるランナクラウン面を部分的に示す模式的平面図。
【図６】本発明に係るフランシス型ランナの第２の実施形態の右半縦断面図。
【図７】本発明に係るフランシス型ランナの第２の実施形態におけるランナクラウン面を部分的に示す模式的平面図であって、図５とは異なる例を示す図。
【図８】本発明に係るフランシス型ランナの第２の実施形態におけるランナクラウン面を部分的に示す模式的平面図であって、図５、図７とは異なる例を示す図。
【図９】本発明に係るフランシス型ランナの第２の実施形態におけるランナクラウン面を部分的に示す模式的平面図であって、図５、図７、図８とは異なる例を示す図。
【図１０】本発明に係るフランシス型ランナの第３の実施形態におけるランナクラウン面を部分的に示す模式的平面図。
【図１１】本発明に係るフランシス型ランナの第３の実施形態の右半縦断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１…ランナ
２…羽根（ランナ羽根）
３…クラウン（ランナクラウン）
４…バンド
５…バランスホール
６…側圧室
７…背圧室
８…ガイドベーン
９…ステーベーン
１０…ケーシング
１１…主軸
１２…発電機
１３…吸出し管
１４…ランナ短羽根
１５…上カバ
１６…下カバ
２０…キャンバーライン
２１…ランナ羽根負圧面
５１、５２、５３…辺
５５…長穴
【図１】
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【図２】
2007154704.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】
2007154704.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007154704.tif 000011
【図１０】
2007154704.tif 000012
【図１１】
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