(57)【要約】  【課題】  ランナとガイドベーンを備えた水力機械におけるランナ振動の問題を解決する。  【解決手段】  ランナ１は複数のベーン２を有し、その外周に対峙するように複数のガイドベーン１０が配置されている。ベーン２のピッチから規則性を排除する。すなわち３６０゜にわたりあらゆる規則性を排除した形でベーン間のピッチを設定する。規則性を排除するのはガイドベーン１０のピッチであってもよく、ベーン２のピッチとガイドベーン１０のピッチの両方であってもよい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナのベーンピッチから規則性を排除したことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
ガイドベーンのベーンピッチから規則性を排除したことを特徴とする水力機械。
【請求項３】
ランナのベーンピッチとガイドベーンのベーンピッチの両方から規則性を排除したことを特徴とする水力機械。
【請求項４】
ランナのシュラウドに圧力バランス用透孔を形成したことを特徴とする水力機械。
【請求項５】
ランナのバンドに圧力バランス用透孔を形成したことを特徴とする水力機械。
【請求項６】
ランナのシュラウドとバンドの両方に圧力バランス用透孔を形成したことを特徴とする水力機械。
【請求項７】
ガイドベーンの出口端に、ガイドベーン内部から水を噴出させる水噴射口を形成したことを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はポンプ水車等の水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械、例えば揚水発電に用いられるポンプ水車にあってはランナの外周にガイドベーンが対峙している。このような水力機械では翼列干渉によるランナ振動が問題になる。特許文献１にはガイドベーンの枚数を奇数枚にして有害な振動モードを回避する構造が開示されている。
【０００３】
またガイドベーンを備えた水力機械ではガイドベーンの後流による圧力変動で振動が発生することがある。特許文献２には、ガイドベーンの後縁側でかつベーンの頂部側および底部側の少なくとも一方に、ベーンの厚さを小さくするようにした切欠部を形成し、後流の速度歪みを小さくして騒音、振動を抑える構造が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２３２５９８号公報（第４頁−第７頁、図１−図８）
【特許文献２】特開２００３−９０２７９号公報（第３頁−第４頁、図１−図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ランナ振動の問題に対処する手段は上記のように種々存在するが、例えば特許文献１記載の方法だとガイドベーンの枚数が奇数に限定されることになってしまう。本発明は、従来手段の有していたデメリットのない、新規な手段でランナ振動の問題を解決した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】
【０００５】
（１）上記目的を達成するために本発明は、水力機械において、ランナのベーンピッチから規則性を排除したことを特徴としている。
【０００６】
この構成によると、翼列干渉によるランナの共振の条件が満たされなくなり、ランナの振動が回避される。
【０００７】
（２）また本発明は、水力機械において、ガイドベーンのベーンピッチから規則性を排除したことを特徴としている。
【０００８】
この構成によると、翼列干渉によるランナの共振の条件が満たされなくなり、ランナの振動が回避される。
【０００９】
（３）また本発明は、水力機械において、ランナのベーンピッチとガイドベーンのベーンピッチの両方から規則性を排除したことを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、翼列干渉によるランナの共振の条件が一層満たされなくなり、ランナの振動が回避される。
【００１１】
（４）また本発明は、水力機械において、ランナのシュラウドに圧力バランス用透孔を形成したことを特徴としている。
【００１２】
この構成によると、ランナの流路内の圧力変動が低減され、共振による振動応力が抑制される。
【００１３】
（５）また本発明は、水力機械において、ランナのバンドに圧力バランス用透孔を形成したことを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、ランナの流路内の圧力変動が低減され、共振による振動応力が抑制される。
【００１５】
（６）また本発明は、水力機械において、ランナのシュラウドとバンドの両方に圧力バランス用透孔を形成したことを特徴としている。
【００１６】
この構成によると、シュラウドとバンドの両方に透孔があるので水の出入りがスムーズであり、ランナの流路内の圧力変動が一層良く低減されて共振による振動応力が抑制される。
【００１７】
（７）また本発明は、水力機械において、ガイドベーンの出口端に、ガイドベーン内部から水を噴出させる水噴射口を形成したことを特徴としている。
【００１８】
この構成によると、ガイドベーンの後流が低減され、後流との干渉によって生じる振動応答が低減される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、翼列干渉によるランナの共振の条件が満たされなくなるようにランナ及び／又はガイドベーンのベーンピッチを設定することにより、ランナ振動を効果的に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本明細書では水力機械としてポンプ水車を例にとり説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るランナ部の概略断面図である。図において、１はランナであり、所定のベーンピッチで配置された複数のベーン２を備える。ランナ１の外周にはベーン２に対峙する複数のガイドベーン１０が所定ピッチで配置されている。ベーン２もガイドベーン１０も枚数は１２である。水車として使用するときはガイドベーン１０からランナ１に水が流入し、ポンプとして使用するときはランナ１からガイドベーン１０に水が流入する。
【００２１】
一般にランナの共振は、励振周波数とランナ固有振動数の一致に加えて、以下の条件式が満たされる場合に発生する。
Ｈ±ｋ＝ｍＺr          …（１）
ここで
Ｈ：励振源の周方向ハーモニック数
ｋ：ランナ振動モードの直径数
ｍ：任意の整数（＝０，1，２，・・・・）
Ｚr：ランナ枚数
従って、ランナ１の共振を回避するには、式（１）の条件が満たされないようにすれば良いことになる。
【００２２】
式（１）の条件が満たされないようにするために、第１実施形態では次のようにする。ガイドベーン１０は等ピッチで規則正しく配置する。他方、ランナ１のベーン２のピッチからは規則性を排除する。すなわち不等ピッチで配置する。
【００２３】
「規則性を排除する」の意味は次のようなことである。４枚のベーン２の間の３個のピッチが「大」「中」「小」となっている場合、この３個のピッチだけに着目すれば、ベーン２は不等ピッチで並んでいる。しかしながらこのピッチの並び自体が一定ピッチで繰り返されれば、そこに規則性が生じることになる。そうならないよう、３６０゜にわたりあらゆる規則性を排除した形でベーン間のピッチを設定するものとする。
【００２４】
このようにベーン２の周期対称性を崩すと、式（１）のｋに影響が及び、式（１）の条件が完全には満たされなくなり、ランナ１の共振が回避される。
【００２５】
本発明の第２実施形態を図２に示す。図２は図１と同様のランナ部の概略断面図である。
【００２６】
第２実施形態においては、ランナ１のベーン２は等ピッチで規則正しく配置されている。他方、ガイドベーン１０のピッチからは規則性が排除されている。「規則性を排除」の意味は第１実施形態と同じである。
【００２７】
このようにガイドベーン１０の周期対称性を崩すと、式（１）のＨに影響が及び、式（１）の条件が完全には満たされなくなり、ランナ１の共振が回避される。
【００２８】
本発明の第３実施形態を図３に示す。図３は図１と同様のランナ部の概略断面図である。
【００２９】
第３実施形態においては、ランナ１のベーン２のピッチからもガイドベーン１０のピッチからも規則性が排除されている。
【００３０】
このようにすると、ベーン２もガイドベーン１０も周期対称性が崩れ、式（１）のｋとＨの両方に影響が及び、式（１）の条件が一層満たされなくなり、ランナ１の共振が回避される。
【００３１】
本発明の第４実施形態を図４、５に示す。図４はポンプ水車の垂直断面図、図５はランナのシュラウドとバンドの挙動を示す模型図である。
【００３２】
ランナ１は主軸２０に取り付けられ、ケーシング２１に入れられる。ケーシング２１の中には、ガイドベーン１０を囲むようにステーベーン２２が配置されている。ランナ１はシュラウド３とバンド４を有し、その間に水の流路であるプロファイル部５が形成されてる。シュラウド３には適所に圧力バランス用透孔６が形成されている。
【００３３】
プロファイル部５内の圧力が高まれば水は圧力バランス用透孔６からシュラウド３の裏側に逃げる。プロファイル部５内の圧力が低下すれば圧力バランス用透孔６からプロファイル部５に水が戻る。このように圧力バランス用透孔６が存在することによりプロファイル部５の圧力変動が低減される。
【００３４】
プロファイル部５の圧力が高まると、図５において、シュラウド３は上方に変位し、バンド４は下方に変位する。プロファイル部５の圧力が低下すると、シュラウド３は下方に変位し、バンド４は上方に変位する。すなわちプロファイル部５の圧力変動によりシュラウド３とバンド４は逆位相で動く。ランナ１が共振したときにシュラウド３とバンド４が逆位相で動くと大きな振動応力が発生し、特定部位に破損が生じかねない。圧力バランス用透孔６があれば振動応力を抑制し、破損を回避できる。
【００３５】
本発明の第５実施形態を図６に示す。図６は図４と同様のポンプ水車の垂直断面図である。
【００３６】
第５実施形態では、バンド４の適所に圧力バランス用透孔７が形成されている。プロファイル部５内の圧力が高まれば水は圧力バランス用透孔７からバンド４の裏側に逃げる。プロファイル部５内の圧力が低下すれば圧力バランス用透孔７からプロファイル部５に水が戻る。このように圧力バランス用透孔７が存在することによりプロファイル部５の圧力変動が低減される。
【００３７】
本発明の第６実施形態を図７に示す。図７は図４と同様のポンプ水車の垂直断面図である。
【００３８】
第６実施形態では、シュラウド３に圧力バランス用透孔６が形成される一方、バンド４にも圧力バランス用透孔７が形成されている。プロファイル部５内の圧力が高まれば水は圧力バランス用透孔６、７から逃げ、プロファイル部５内の圧力が低下すれば圧力バランス用透孔６、７からプロファイル部５に水が戻る。このように圧力バランス用透孔６、７が存在することによりプロファイル部５の圧力変動が低減される。シュラウド３とバンド４の両方に透孔があるので水の出入りがスムーズであり、プロファイル部５の圧力変動に対する応答性が高い。
【００３９】
本発明の第７実施形態を図８、９に示す。図８はガイドベーンの斜視図、図９はガイドベーンの概略平面図である。
【００４０】
一般的にガイドベーン１０の下流側には、図１０に見られるように後流（ウェーク）が発生する。この後流がランナ１のベーン２に干渉するとそれに応答して振動が生じる。第７実施形態はこの振動を軽減しようとするものである。
【００４１】
第７実施形態では、ガイドベーン１０の出口端、すなわち水の流れから見て最下流の位置に水噴射口１１を形成する。水噴射口１１には、ガイドベーン１０の内部に形成された給水路１２を通じ、図示しない給水源より水が供給される。給水源は、例えばポンプとすることができる。
【００４２】
給水路１２より供給された水は水噴射口１１から後流（ウェーク）１３の中に噴出する。噴出した水により後流１３が低減され、後流１３との干渉によって生じる振動応答が低減される。
【００４３】
以上本発明の各実施形態につき説明したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明はランナとガイドベーンを備えた水力機械に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るランナ部の概略断面図
【図２】本発明の第２実施形態に係るランナ部の概略断面図
【図３】本発明の第３実施形態に係るランナ部の概略断面図
【図４】本発明の第４実施形態に係るポンプ水車の垂直断面図
【図５】ランナのシュラウドとバンドの挙動を示す模型図
【図６】本発明の第５実施形態に係るポンプ水車の垂直断面図
【図７】本発明の第６実施形態に係るポンプ水車の垂直断面図
【図８】本発明の第７実施形態に係るガイドベーンの斜視図
【図９】図８のガイドベーンの概略平面図
【図１０】従来構造のガイドベーンの概略平面図
【符号の説明】
【００４６】
１    ランナ
２    ベーン
３    シュラウド
４    バンド
５    プロファイル部
６、７  圧力バランス用透孔
１０  ガイドベーン
１１  水噴射口
１２  給水路
【図１】
2007023844.tif 000003
【図２】
2007023844.tif 000004
【図３】
2007023844.tif 000005
【図４】
2007023844.tif 000006
【図５】
2007023844.tif 000007
【図６】
2007023844.tif 000008
【図７】
2007023844.tif 000009
【図８】
2007023844.tif 000010
【図９】
2007023844.tif 000011
【図１０】
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