(57)【要約】【課題】水車のランナ羽根を特殊な形状にすることなく、ランナ羽根入口端近傍の負圧面側にキャビテーションが発生することを抑制する。【解決手段】水力機械としての水車ランナにおいて、各ランナ羽根８は、水車運転時の水流の入口端８ｉ近傍の負圧面８ｂ側に突起部２０を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
2007002783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、この回転軸に連結されたランナクラウンと、このランナクラウンから離間して位置するランナバンドと、ランナクラウンおよびランナバンドの間にあって回転軸の周りに複数枚配置されたランナ羽根とを備えた水力機械のランナにおいて、
各ランナ羽根は、水車運転時の水流の入口端近傍の負圧面側に突起部を設けたことを特徴とする水力機械のランナ。
【請求項２】
前記突起部は、ランナ羽根の最大厚さをＴ０とし、突起部の設置のランナ羽根入口端からの距離をＬ２としたとき、Ｌ２≦０．２Ｔ０の条件を満たす距離Ｌ２に設置したことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のランナ。
【請求項３】
前記突起部は、ランナ入口の飲み口高さをＢ０とし、ランナバンドからランナクラウンに向けての幅をＢ２としたとき、０．１Ｂ０≦Ｂ２の条件を満たす幅Ｂ２を有することを特徴とする請求項１に記載の水力機械のランナ。
【請求項４】
前記突起部は、ランナ羽根の最大厚さをＴ０とし、ランナ羽根負圧面からの高さをＨ１としたとき、Ｈ１≦０.０５Ｔ０の条件を満たす高さＨ１を有することを特徴とする水力機械のランナ。
【請求項５】
前記突起部は、ランナ羽根最大厚さをＴ０とし、水の流れ方向の長さをＬ３としたとき、Ｌ３≦０．２Ｔ０の条件を満たす長さＬ３を有することを特徴とする請求項１に記載の水力機械のランナ。
【請求項６】
前記突起部は、複数個に分割されて設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の水力機械のランナ。
【請求項７】
前記突起部は、ランナ羽根と一体に製作されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の水力機械のランナ。
【請求項８】
前記突起部は、ランナ羽根とは別々に製作され、後にランナ羽根に接合して一体化したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の水力機械のランナ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の水力機械のランナを備え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、水力機械のランナに係り、特に水車運転時にランナ羽根の負圧面でキャビテーションが発生することを抑制するようにした水力機械のランナおよびランナを備えた水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、図１０を参照して本発明の従来技術について説明する。
図１０において、水力機械としてのフランシス形水車１は、供給される水によって回転駆動力を得て回転するランナ２と、このランナ２の外周囲に配置され当該ランナ２に水流を導く開口比が可変のガイドベーン３と、このガイドベーン３のさらに外周囲に配置され当該ガイドベーン３に水流を導く開口比が固定のステーベーン４と、図示しない水圧鉄管に接続され、これらガイドベーン３、ステーベーン４を囲繞してステーベーン４に向かう流路を形成する渦巻形のケーシング５と、ランナ２に結合され発電機１１を回転駆動する主軸６と、ランナ２の出口から放水面間を接続する吸出し管７とから基本的に構成されている。
【０００３】
なお、かかる水車の運転時には、上池から流下した水は水圧鉄管を経てケーシング５に流入し、ここで回転方向に水の流れを変換され、ステーベーン４、ガイドベーン３を経て半径方向からランナ２内に流入し、軸方向に向きを変えて吸出し管７に流出するときに、ランナ２に回転エネルギーを与えて発電機１１を回転駆動し電力を発生させる。そして吸出し管７を経て下池へと流出される。
【０００４】
ところで、水車１は、給電指令所から発せられる指令等に基づいて発電量を調整すべく、ガイドベーン６の開度を加減することによって出力を調整している。このガイドベーン３の開度の加減によって、ランナ２に入る水の流量を変化させるため、ガイドベーン３からランナ２に入る水の流れは運転状態により大きく変化する。また、水車１は広範囲の落差で使用可能になっており、落差に対応してガイドベーン３の開度を変化する必要がある。ガイドベーン３開度の加減によって、流量が設計点よりも多くなる場合は、ランナ２に入る水の流入角度は相対的に大きくなり、逆に流量が設計点よりも少なくなる場合は、ランナ２に入る水の流入角度は相対的に小さくなる。同様にして、水は落差が設計落差よりも高くなると大きな流入角度でランナに流入し、落差が低くなると小さな流入角度でランナに流入することになる。
【０００５】
図１１は設計点近傍で運転しているときのガイドベーン３からランナ２（図では１枚のランナ羽根８のみを示す）に流れる水流を模式的に示した図であり、Ｖはガイドベーン３出口からの水流の絶対速度（静止側から見た）を示すベクトルであり、Ｕはランナ羽根８の入口側先端８ｉの回転による周速度を示すベクトルであり、Ｗは水車運転時にランナ２に入り込む水流の相対速度（回転側から見て）を示すベクトルである。この図１１から分かるように、設計点近傍で運転しているときは相対速度成分ベクトルＷとランナ羽根の入口角度（ランナ羽根の延長線の方向）とがほぼ一致している。このため、ランナ羽根８の入口端８ｉでは、大きな損失や流れの剥離などは見られない。
【０００６】
一方、図１２は設計点よりも高落差運転時の流れの模式図を示したものである。上池の水位が上昇して設計落差よりも高落差になると、ランナ２（図では１枚のランナ羽根８のみを示す）に流入する相対速度成分Ｗは、ランナ羽根８の入口角度（ランナ羽根の延長線の方向）よりも大きな角度となる。
【０００７】
図１２の場合のように非設計点である高落差における水車運転では、ランナ羽根８の入口角度とガイドベーン３からの水の流れの角度とが異なるようになり、ランナ羽根８の入口端８ｉで損失をもたらすことになる。また、ランナ２に流入する流水の角度とランナ羽根８の入口角度とが大きく異なると、ランナ羽根８入口端８ｉで流れの剥離や、ランナ羽根面の圧力が低下する。
【０００８】
図１３は横軸にランナ羽根の長さＬを、縦軸に羽根面圧力をそれぞれとり、水車を高落差側で運転したときのランナバンド９近傍でのランナ羽根面の圧力分布を示した図である。この図１３から分かるように、流水から圧力を受けるランナ羽根圧力面８ａ側の圧力は、ランナ羽根入口８ｉを最高点とし、ここから出口に向かって徐々に低下するが、ランナ羽根負圧面８ｂ側の圧力は、ランナ羽根入口８ｉを最高点とし、ここからランナ出口に向かって急激に低下し、Ｌ１の位置で飽和蒸気圧よりも低下する。そしてＬ１を過ぎると急激に上昇し、以後なだらかに減少する。
【０００９】
図１３に示したＬ１近傍の圧力低下の範囲は、図１４のランナ羽根負圧面の等圧力線図で見ると、ランナバンド９面からランナクラウン１０の方向にＢ１の高さで且つ羽根入口端からＬ１の範囲で局所的に発生していることが分かる。このＬ１−Ｂ１の位置での圧力が飽和蒸気圧よりも小さい場合にはキャビテーションが発生する。
【００１０】
発生したキャビテーションがランナ羽根８面またはランナバンド９面近傍で崩壊すると、その崩壊エネルギーによりランナ２が壊食される場合がある。万一、ランナ２がキャビテーションにより壊食され、その量が大きくなると、水車効率の低下を招くことになる。また、壊食された個所を補修しないと、その場所の強度が低下し、ランナ２が壊れ運転が出来なくなることもある。このため、キャビテーション発生個所は修復する必要が生じ、修復するために水車発電機の運転を停止する必要が生じてしまう。
【００１１】
このため、キャビテーションが発生しても壊食されにくくするための対策として、ランナ羽根に強度の強い材質（例えばステンレス鋼）を使用し、補修頻度を少なくする方法や、ランナ羽根入口近傍でのキャビテーションの発生を抑制する方法として、ランナ羽根入口端のランナバンド側を回転方向に対して前進させることによりキャビテーションの発生を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平１−２９９８９号公報（２頁、３−４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、ランナ羽根に強度の強い材質を使用する場合は、材料費が嵩み、水車の価格が高くなる欠点があり、また、ランナ羽根入口のランナバンド側をランナ回転方向に対して前進させるように捩った場合は、ランナ羽根が従来の形状に比べて全く異なった特殊な形状になり、製作上支障が生じる場合がある。
【００１３】
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、ランナ羽根を特殊な形状にすることなく、ランナ羽根入口端近傍の負圧面側にキャビテーションが発生することを抑制することのできる水力機械のランナおよび当該ランナを備え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】
【００１４】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る水力機械のランナの発明は、回転軸と、この回転軸に連結されたランナクラウンと、このランナクラウンから離間して位置するランナバンドと、ランナクラウンおよびランナバンドの間であって回転軸の周りに複数枚配置されたランナ羽根とを備えた水力機械のランナにおいて、各ランナ羽根は、水車運転時の水流の入口端近傍の負圧面側に突起部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水力機械のランナによれば、ランナ羽根入口先端部を回転方向に対してランナバンド側を前進させるような特殊な形状のランナを採用せずに、ランナ羽根入口端近傍の負圧面側にキャビテーションが発生することを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る水力機械のランナの実施例について、図面を参照して説明する。なお、各図を通じて同一部分には同一符号を付けて適宜説明を省略する。
【００１７】
（実施例１）
図１は本実施例１に係る水力機械のランナの子午面形状図であり、図２は図１のII−II線に沿って切断し、矢示方向に見た状態のランナ羽根８の断面図である。
【００１８】
図１および２において、本実施例における水力機械としてのフランシス水車１のランナ２は、ランナ羽根負圧面８ｂ側のランナ羽根入口端８ｉの近傍に突起部２０を設けることを特徴とするものである。
【００１９】
背景技術の欄で述べたように、フランシス水車は、設計落差よりも高落差側で運転した場合、ランナ２に流入する水の流れ角度Ｗとランナ羽根入口角度（ランナ羽根の肉厚中心線の延長方向方向との角度）との不一致により、ランナ羽根負圧面８ｂ入口端８ｉ近傍の図１３のＬ１の位置でかつ、ランナ２の飲み口高さ方向にはランナバンド９からＢ１（図１４）の位置で圧力が低下する。
【００２０】
このため、本発明では図１および図２に示すように、ランナ羽根入口端８ｉ近傍で羽根負圧面８ｂ側に、ランナバンド９からランナクラウン１０に向かって幅Ｂ２の位置にあり、かつ水の流下方向に距離Ｌ２の位置を始点とし、距離Ｌ３の位置を終点とする範囲にあり、しかも厚みがＨ１という突起部２０を取り付けたものである。
【００２１】
突起部２０の具体的な取り付け位置は以下のように限定する。  
まず、ランナ羽根の最大厚さをＴ０とし、突起部の設置位置のランナ羽根入口端からの距離をＬ２としたとき、次の（１）式の条件を満たす距離Ｌ２に突起部２０を設置する。
Ｌ２≦０．２Ｔ０    …（１）
【００２２】
また、ランナ入口の飲み口高さすなわち、ランナ入口におけるランナバンド９からランナクラウン１０までの高さをＢ０とし、ランナバンド９からランナクラウン１０に向けての幅をＢ２としたとき、次の（２）式の条件を満たす幅Ｂ０を突起部２０に持たせる。
０．１Ｂ０≦Ｂ２    …（２）
【００２３】
さらに、ランナ羽根の最大厚さをＴ０とし、ランナ羽根負圧面からの高さをＨ１としたとき、次の（３）式の条件を満たす高さＨ１を突起部２０に持たせる。
Ｈ１≦０.０５Ｔ０   …（３）
【００２４】
さらにまた、ランナ羽根の最大厚さをＴ０とし、水の流れ方向の長さをＬ３としたとき、次の（４）式の条件を満たす長さＬ３を突起部２０に持たせる。
Ｌ３≦０．２Ｔ０    …（４）
【００２５】
ランナ羽根入口端８ｉに上記の条件式（１）〜（４）を満たす突起部２０を取り付けた場合の高落差側運転状態における圧力分布を図３に示す。なお、この場合の運転点は突起部２０を取り付けていない図１３で示される圧力分布の場合と同じ運転点にしてある。図３から明らかなように、ランナ羽根入口８ｉから出口方向のＬ２の位置で一度圧力が低下するが、その直後で圧力が回復し、突起部２０のない状態で圧力が最も低下していたＬ１の位置での圧力値は突起部２０を設けることにより大きくなっている。これにより、圧力が飽和蒸気圧まで低下せずにキャビテーションの発生が抑制されている。
【００２６】
このように従来と同一の運転点において、羽根入口端８ｉの近傍でのキャビテーションの発生が抑制されることにより、従来、キャビテーションの発生により運転が抑制されていた運転範囲まで運転することが可能となり、従来よりも有効に水車を運用することが可能となる。
【００２７】
以下、突起部２０の取り付け位置および突起部２０の幅や高さ等を上記（１）式〜（４）式で限定した理由について、次の（i）〜（iv）で説明する。
【００２８】
（ｉ）．突起部２０の取り付け位置を水の流下方向にＬ２≦０．２Ｔ０とした理由。
突起部２０を設けたことによる圧力回復の効果は、当該突起部２０の後流で現れる。このため、突起部２０は圧力を上昇させたい場所よりも上流側に設置することが必要となる。また、突起部２０を設置したところでは一旦圧力が低下するため、突起部２０を取り付けない状態で圧力が低下しているところに設置すると、更に圧力を低下させてしまうため注意が必要である。
【００２９】
図４は突起部２０の設置場所を変えたときに水車入口側の圧力最低値が変化する様子を示したものである。この図４から明らかなように、突起部２０の設置によってランナ羽根入口側圧力最低値が大きく影響されることが分かる。因みに、突起部２０をランナ羽根入口端８ｉから水の流下方向に移動させていった場合、突起部２０の設置位置が０．２Ｔ０の場合すなわち、Ｌ２＝０．２Ｔ０を越えた直後から急激に低下している。このことから、突起部２０の設置位置はＬ２≦０．２Ｔ０がよいことが分かる。
【００３０】
（ii）．突起部２０の取り付け幅をランナ入口の飲み口高さ方向にＢ２≧０．１Ｂ０とした理由。
高落差運転時の入口負圧面８ｂ側での圧力分布は既に図１４で説明したように、圧力の低い領域は、ランナバンド９側からランナ入口の飲み口高さ方向に幅Ｂ１を持っている。
【００３１】
図５は水車の高落差運転時に、突起部２０の幅をランナ入口の飲み口高さ方向に変化させたとき、ランナ羽根負圧面８ｂ側入口における圧力最低値の変化を示したものである。この図５から突起部２０の幅Ｂ２は、約０．１Ｂ０以上であれば圧力低下を抑制していることが分かる。このことから突起部は０．１Ｂ０以上の幅を持たせることにより有効にキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００３２】
（iii）．突起部２０の高さＨ１≦０．０５Ｔ０にした理由。
前述したように突起部２０を設けると、突起部２０の下流では圧力が回復するが、突起部２０の位置では圧力が低下する。このため、突起部２０を過度に高くすると突起部２０で水流に乖離が発生し、この乖離が原因でキャビテーションが発生し、ランナ羽根面を壊食する惧れがある。
【００３３】
図６は突起部２０の羽根面からの高さを変化させたときの高落差運転時のランナ羽根負圧面８ｂ入口での圧力最低値の変化を示したものである。高さＨ１が約０．０２Ｔ０以上から約０.０５Ｔ０未満の範囲の場合、負圧面羽根入口側圧力最低値が大きくなり、０．０２Ｔ０未満でも、０．０５Ｔ０を越えても圧力低下量が大きくなってしまう。このことから、突起部２０の高さは、０．０５Ｔ０以下とする、より好適には０．０２Ｔ０以上かつ０.０５Ｔ０以下とすることにより最も効果的に下流の圧力上昇の効果を得ることができる。
【００３４】
（iv）．突起部２０の流れ方向の長さをＬ３≦０．２Ｔ０とした理由。
突起部２０による効果は突起部２０前縁での圧力低下と後縁での圧力回復の効果による。このため前縁と後縁の距離が大きい場合、突起部２０の効果が低減してしまう。
【００３５】
図７は突起部２０の流れ方向の長さを変化させたとき、ランナ羽根負圧面入口端における圧力最低値の変化の様子を示したものである。図７から突起部の長さＬ３が０．２Ｔ０よりも大きくなるとその効果は殆ど得られなくなることが分かる。
このことから突起部２０の長さＬ３は０．２Ｔ０以下とすることにより、その効果を引き出すことが可能となる。
【００３６】
以上述べたように、本実施例１によれば突起部２０の取り付け位置Ｌ２やその幅Ｂ２、長さＬ３、高さＨが、それぞれ（１）式ないし（４）式を満たすことにより、水車の高落差側での運転時に、ランナ羽根入口端８ｉ近傍の負圧面８ｂ側の圧力を回復することが可能となり、キャビテーション発生を抑制することができる。
【００３７】
（実施例２）
次に、図８を参照して本発明の実施例２について説明する。  
図８は本発明の実施例２に係る水車ランナの子午面形状図である。  
本実施例２は、ランナ羽根負圧面入口端８ｉに１個の突起２０を設ける代わりに、複数個例えば４個の突起部２０１を一列に配置して１個の突起２０と同等の作用効果を奏するようにしたことを特徴としたものである。なお、突起部２０１全体としての長さＬ２、高さＨ１、幅Ｂ２等については実施例１の場合と同等にする。
【００３８】
本実施例２においても、ランナ羽根負圧面８ｂの入口端８ｉの領域をカバーするように複数の突起部２０１を一列に設けることにより、水車の高落差側での運転時に、幅を持った圧力低下領域での圧力を回復することが可能となり、ランナ羽根入口端でのキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００３９】
（実施例３）
次に、図９（ａ）、（ｂ）を参照して実施例３について説明する。  
図９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ水車ランナのランナ羽根の断面図であり、特に、図９（ａ）は、ランナ羽根８と突起部２０とを一体的に形成されるようにしたものであり、図９（ｂ）は、ランナ羽根８と突起部２０を別々に製作してから両者を一体化したものである。
【００４０】
図９（ａ）の実施例は、ランナ羽根８を製作する際に、鋳造等によって予めランナ羽根負圧面側に突起部２０を一体的に形成するとか、１枚の金属板に切削加工を施してランナ羽根８と突起部２０とを一体的に形成するようにしたものである。
【００４１】
このように、予めランナ羽根入口キャビテーションが発生しやすい領域の上流に突起部２０を設けておくことで、水車１の設置時から入口キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００４２】
また、図９（ｂ）の実施例は、既設のランナ羽根８に後から突起部２０を溶接等で接合することにより、羽根負圧面入口に突起形状を有するランナ羽根形状を作るようにしたものである。
【００４３】
このように、既存のランナ２で羽根負圧面８ｂ側の入口端でキャビテーションが発生しているものに対し、新たに突起部２０を設けることより、既設水車ランナ２のランナ羽根負圧面８ｂ側入口端のキャビテーション発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１に係る水車ランナの子午面形状図、
【図２】図１の水車ランナのII−II線切断断面図、
【図３】実施例１のランナ羽根面圧力分布図、
【図４】実施例１のランナ羽根負圧面入口での羽根長さに対する圧力最低値を示す図、
【図５】実施例１のランナ羽根負圧面入口での突起物の幅に対する圧力最低値を示す図。
【図６】実施例１のランナ羽根負圧面入口での突起物の高さに対する圧力最低値を示す図。
【図７】実施例１のランナ羽根負圧面入口での突起物の長さに対する圧力最低値を示す図。
【図８】本発明の実施例２に係る水車ランナの子午面形状図。
【図９】本発明の実施例３に係る水車ランナのランナ羽根の断面図で、特に、図９（ａ）はランナ羽根と突起部とを一体的に形成したものの断面図、図９（ｂ）はランナ羽根と突起部を別々に製作してから一体化したものの断面図。
【図１０】従来のフランシス型水車の断面図。
【図１１】設計運転点でのランナに流入する流れの模式図。
【図１２】高落差運転時のランナに流入する流れの模式図。
【図１３】高落差運転時のランナ羽根面の圧力分布図。
【図１４】高落差運転時のランナ羽根面の等圧力分布図。
【符号の説明】
【００４５】
１…水力機械（水車）、２…ランナ、３…ガイドベーン、４…ステーベーン、５…ケーシング、６…主軸、７…吸出し管、８…ランナ羽根、８ｉ…羽根入口端、８ａ…羽根圧力面、８ｂ…羽根負圧面、９…ランナバンド、１０…ランナクラウン、２０…突起部。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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