(57)【要約】【課題】落差変動の影響を低減し、水車の最適な稼動状況を保持することが可能な水車ランナを提供する。【解決手段】実施形態によれば、水車ランナは、複数枚の第１の羽根を有する内側ランナと、前記内側ランナに対し着脱可能で、複数枚の第２の羽根を有する外側ランナとを備える。さらに、前記内側ランナは、前記第２の羽根の形状が異なる２種類以上の前記外側ランナと着脱可能である。さらに、前記２種類以上の前記外側ランナは、流入する水の落差が最低のときに使用するよう設計された第１の外側ランナと、前記水の落差が最高のときに使用するよう設計された第２の外側ランナとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の第１の羽根を有する内側ランナと、
前記内側ランナに対し着脱可能で、複数枚の第２の羽根を有する外側ランナとを備え、
前記内側ランナは、前記第２の羽根の形状が異なる２種類以上の前記外側ランナと着脱可能であり、
前記２種類以上の前記外側ランナは、流入する水の落差が最低のときに使用するよう設計された第１の外側ランナと、前記水の落差が最高のときに使用するよう設計された第２の外側ランナとを含む、水車ランナ。
【請求項２】
前記第２の外側ランナの水平断面では、前記水車ランナの回転軸と前記第２の羽根の内端とを結ぶ第１の直線と、前記第２の羽根の内端と前記第２の羽根の外端とを結ぶ第２の直線との間の角度が、前記第１の外側ランナの同じ高さの水平断面における前記角度よりも小さい、
請求項１に記載の水車ランナ。
【請求項３】
前記内側ランナと前記外側ランナとの境界面の形状は、前記水車ランナの回転軸を中心とした円筒形または円錐形である、
請求項１または２に記載の水車ランナ。
【請求項４】
複数枚の第１の羽根を有する内側ランナと、前記内側ランナに対し着脱可能で、複数枚の第２の羽根を有する外側ランナと、を含む水車ランナと、
前記水車ランナの回転に伴い回転する水車軸と、
前記水車軸の回転により駆動される発電機とを備え、
前記内側ランナは、前記第２の羽根の形状が異なる２種類以上の前記外側ランナと着脱可能であり、
前記２種類以上の前記外側ランナは、第１の外側ランナと、前記第１の外側ランナよりも水の落差が高いときに使用するよう設計された第２の外側ランナとを含む、水力機械。
【請求項５】
水力機械に流入する水の落差が最低の場合には、内側ランナと、前記水の落差が最低のときに使用するよう設計された第１の外側ランナとを接合した水車ランナを使用して、前記水力機械による発電を行い、
前記水力機械に流入する前記水の落差が最高の場合には、前記内側ランナと、前記水の落差が最高のときに使用するよう設計された第２の外側ランナとを接合した前記水車ランナを使用して、前記水力機械による発電を行う、
水力機械の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水車ランナ、水力機械、および水力機械の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、水力機械の例である一般的なフランシス水車の構造を示す垂直断面図である。
【０００３】
フランシス水車では、上池からの水が、ケーシング１からステーリング２およびガイドベーン３を通って水車ランナ４に流入する。水車ランナ４は、この水流のエネルギーにより回転し、水車軸（主軸）６を回転させ、この回転により発電機７を駆動させる。こうして、発電機７による発電が行われる。水車ランナ４から流出した水は、吸出し管５を経て放水路へと放出される。
【０００４】
水車ランナ４は、水車軸６を中心として均等に設置された複数枚の羽根１１と、これらの羽根１１を挟むクラウン１２とバンド１３を備えている。図９、図１０はそれぞれ、一般的な水車ランナ４の構造を示す放射断面図と水平断面図である。図１０は、図９に示すＡ−Ａ方向から見た水車ランナ４の断面を示している。
【０００５】
ここで、従来のフランシス水車の問題点について説明する。
【０００６】
水力発電所の水量は季節によって変わるため、水車に流入する水の有効落差は、一年を通じて変動する。そのため、水車運転において水車特性に季節変動が生じ、水車が常に最適な状況で稼動しているとは言えない状況となる。その結果、水車運転における水車損失が大きくなり、水車効率が低減されてしまう。
【０００７】
また、上述の落差変動は、水車ランナ４の入口部に入水する水流の流れ方向を一年を通じて変化させ、入口キャビテーションを発生させる原因ともなる。このような入口キャビテーションも、水車効率の低減の一因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平３−２０６３６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２７８３号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９６５４６号公報
【特許文献４】特開平８−２３２８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、落差変動の影響を低減し、水車の最適な稼動状況を保持することが可能な水車ランナ、水力機械、および水力機械の運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一の実施形態によれば、水車ランナは、複数枚の第１の羽根を有する内側ランナと、前記内側ランナに対し着脱可能で、複数枚の第２の羽根を有する外側ランナとを備える。さらに、前記内側ランナは、前記第２の羽根の形状が異なる２種類以上の前記外側ランナと着脱可能である。さらに、前記２種類以上の前記外側ランナは、流入する水の落差が最低のときに使用するよう設計された第１の外側ランナと、前記水の落差が最高のときに使用するよう設計された第２の外側ランナとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の水車ランナの構造を示す放射断面図である。
【図２】第１実施形態の水車ランナの構造を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態の内側ランナと外側ランナの接合方法を示した斜視図である。
【図４】内側ランナと第１の外側ランナを接合した水車ランナの水平断面を示す断面図である。
【図５】内側ランナと第２の外側ランナを接合した水車ランナの水平断面を示す断面図である。
【図６】第１実施形態の内側ランナと外側ランナの接合方法の変形例を示した斜視図である。
【図７】第２実施形態の水車ランナの構造を示す放射断面図である。
【図８】一般的なフランシス水車の構造を示す垂直断面図である。
【図９】一般的な水車ランナの構造を示す放射断面図である。
【図１０】一般的な水車ランナの構造を示す水平断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の水車ランナ４の構造を示す放射断面図である。
【００１４】
図１の水車ランナ４は、水車軸を中心として均等に設置された複数枚の羽根１１と、これらの羽根１１を挟むクラウン１２とバンド１３を備えている。羽根１１の外周側が水車入口部であり、羽根１１の内径側が水車出口部である。図１の水車ランナ４は、例えば、図９の水車ランナ４と同様に、図８のフランシス水車に取り付けられて使用される。
【００１５】
また、図１の水車ランナ４は、境界面Ｓにおいて、内側ランナ２１と、内側ランナ２１に対し着脱可能な外側ランナ２２とに分割されている。本実施形態では、これらのランナ２１、２２をボルト２３等で接合することで、一体の水車ランナ４が構成されている。本実施形態では、境界面Ｓの形状は、水車軸を中心とした円筒形となっている。
【００１６】
図１に示す符号３１、３２はそれぞれ、内側ランナ２１、外側ランナ２２の羽根を示している。内側ランナ２１と外側ランナ２２は、同一枚数の羽根３１、３２を有しており、これらの羽根３１、３２同士が接合されるようボルト２３で固定されている。羽根３１、３２はそれぞれ、第１、第２の羽根の例である。
【００１７】
図２は、図１の水車ランナ４の構造を示す斜視図である。また、図３は、図１の内側ランナ２１と外側ランナ２２の接合方法を示す斜視図である。本実施形態では、図３に示すように、内側ランナ２１の周囲に環状の外側ランナ２２をはめ込み、両者をボルト２３等で接合することで、図２に示すような水車ランナ４が得られる。
【００１８】
次に、内側ランナ２１と外側ランナ２２について、より詳細に説明する。
【００１９】
本実施形態では、水車ランナ４の羽根１１を設計する際に、対象となる水力発電所向けの要綱に準じて設計を行う。この際、外側ランナ２２として、羽根３２の形状が異なる２種類の外側ランナ２２を設計する。１つは、流入する水の落差が低い低落差時に使用する外側ランナ２２であり、もう１つは、流入する水の落差が高い高落差時に使用する外側ランナ２２である。
【００２０】
本実施形態では、前者の外側ランナ２２を、第１の外側ランナ２２ａ（図４参照）と呼ぶことにする。図４は、内側ランナ２１と第１の外側ランナ２２ａを接合した水車ランナ４の水平断面を示す断面図である。また、本実施形態では、後者の外側ランナ２２を、第２の外側ランナ２２ｂ（図５参照）と呼ぶことにする。図５は、内側ランナ２１と第２の外側ランナ２２ｂを接合した水車ランナ４の水平断面を示す断面図である。
【００２１】
水力発電所における水の落差は、一般に、乾季において最低落差となり、雨季において最高落差となる。本実施形態では、最低落差時を含む低落差時には、内側ランナ２１に第１の外側ランナ２２ａを接合した水車ランナ４を使用して発電を行う。また、最高落差時を含む高落差時には、内側ランナ２１に第２の外側ランナ２２ｂを接合した水車ランナ４を使用して発電を行う。
【００２２】
（１）第１、第２の外側ランナの羽根の形状と作用
図４に示す符号３２ａは、第１の外側ランナ２２ａの羽根を示す。また、図５に示す符号３２ｂは、第２の外側ランナ２２ｂの羽根を示す。以下、これらの羽根３２ａ、３２ｂの形状と作用について説明する。
【００２３】
図４において、Ｚは、水車軸の中心を通る水車ランナ４の回転軸を示す。また、図４に示すＰ1、Ｐ2はそれぞれ、第１の外側ランナ２２ａの羽根３１ａの内端と外端を示す。さらに、図４の水平断面において、Ｌ1は、回転軸Ｚと内端Ｐ1とを通る直線を示し、Ｌ2は、内端Ｐ1と外端Ｐ2とを通る直線を示す。そして、θaは、直線Ｌ1と直線Ｌ2との間の角度を示す。角度θaは、第１の外側ランナ２２ａの羽根３１ａの傾き具合を表す。
【００２４】
同様に、図５に示すＰ1、Ｐ2はそれぞれ、第２の外側ランナ２２ｂの羽根３１ｂの内端と外端を示す。さらに、図５の水平断面において、Ｌ1は、回転軸Ｚと内端Ｐ1とを通る直線を示し、Ｌ2は、内端Ｐ1と外端Ｐ2とを通る直線を示す。そして、θbは、直線Ｌ1と直線Ｌ2との間の角度を示す。角度θbは、第２の外側ランナ２２ｂの羽根３１ｂの傾き具合を表す。
【００２５】
図４と図５は、水車ランナ４の同じ高さの水平断面を示す。本実施形態では、これらの水平断面において、角度θbを、角度θaよりも小さく設定する。よって、第１の外側ランナ２２ａの羽根３１ａは、水車ランナ４の回転方向に対して寝かせた形状となっており、第２の外側ランナ２２ｂの羽根３１ｂは、水車ランナ４の回転方向に対して立てた形状となっている。
【００２６】
次に、第１、第２の外側ランナ２２ａ、２２ｂの羽根３１ａ、３１ｂの作用について説明する。
【００２７】
図４に示すＷ1は、低落差時において水車ランナ４の入口部に流入する水の水流方向を示し、ｔ1は、水車ランナ４の回転方向に対する水流Ｗ1の流入角度を示す。また、図５に示すＷ2は、高落差時において水車ランナ４の入口部に流入する水の水流方向を示し、ｔ2は、水車ランナ４の回転方向に対する水流Ｗ2の流入角度を示す。ただし、図４と図５におけるガイドベーン３の開度は同じである。
【００２８】
図４に示す低落差時には、水流Ｗ1の流入角度ｔ1が小さくなる。そのため、低落差時に高落差用の第２の外側ランナ２２ｂを使用すると、水流Ｗ1が、羽根３２ｂの圧力面４１ｂから剥離してしまう。これは、流れ損失の一因になると共に、圧力面４１ｂにおいてキャビテーションが発生する原因となる。
【００２９】
そこで、図４に示す低落下時には、低落差用の第１の外側ランナ２２ａを使用する。本実施形態では、流入角度ｔ1に沿うよう羽根３２ａを傾けた第１の外側ランナ２２ａを設計、製造して使用する。その結果、低落差時には、水流Ｗ1が、羽根３２ａの圧力面４１ａから剥離することなく流れる。これにより、流れ損失を低減すると共に、圧力面４１ａにおけるキャビテーションの発生を抑制することができ、効率のよい水車運転を行うことができる。
【００３０】
一方、図５に示す高落差時には、水流Ｗ2の流入角度ｔ2が大きくなる。そのため、高落差時に低落差用の第１の外側ランナ２２ａを使用すると、水流Ｗ2が、羽根３２ａの負圧力面４２ａから剥離してしまう。これは、流れ損失の一因になると共に、負圧力面４２ａにおいてキャビテーションが発生する原因となる。
【００３１】
そこで、図５に示す高落下時には、高落差用の第２の外側ランナ２２ｂを使用する。本実施形態では、流入角度ｔ2に沿うよう羽根３２ｂを傾けた第２の外側ランナ２２ｂを設計、製造して使用する。その結果、高落差時には、水流Ｗ2が、羽根３２ｂの負圧力面４２ｂから剥離することなく流れる。これにより、流れ損失を低減すると共に、負圧力面４２ｂにおけるキャビテーションの発生を抑制することができ、効率のよい水車運転を行うことができる。
【００３２】
このように、本実施形態では、落差変動に応じて変化する水流に対し、低落差用の第１の外側ランナ２２ａと、低落差用の第２の外側ランナ２２ｂを使い分ける。よって、本実施形態によれば、年間を通じて水車効率のよい水車運転を行うことができる。
【００３３】
（２）第１実施形態の効果
最後に、第１実施形態の効果について説明する。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、水車ランナ４を、内側ランナ２１と、内側ランナ２１に対し着脱可能な外側ランナ２２で構成する。さらに、本実施形態では、外側ランナ２２として、低落差時に使用するよう設計された第１の外側ランナ２２ａと、高落差時に使用するよう設計された第２の外側ランナ２２ｂを用意し、これらの外側ランナ２２ａ、２２ｂを使い分ける。
【００３５】
よって、本実施形態によれば、落差変動の影響を低減した最適な状況で、水車を効率よく稼動させることが可能となる。
【００３６】
なお、本実施形態では、外側ランナ２２として、羽根３２の形状が異なる３種類以上の外側ランナ２２を使用してもよい。例えば、最低落差時を含む低落差時に使用する第１の外側ランナ２２ａと、最高落差時を含む高落差時に使用する第２の外側ランナ２２ｂと、これらの中間の落差時に使用する第３の外側ランナとを使い分けるようにしてもよい。
【００３７】
また、本実施形態では、図６に示すように、各外側ランナ２２を、２つ以上の分割部分で構成してもよい。図６は、内側ランナ３１と外側ランナ３２の接合方法の変形例を示した斜視図である。このような構成には、例えば、内側ランナ２１に対する外側ランナ２２の着脱が容易になるという利点がある。
【００３８】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の水車ランナの構造を示す放射断面図である。
【００３９】
図７の水車ランナ４は、図１の水車ランナ４と同様に、境界面Ｓにおいて内側ランナ２１と外側ランナ２２とに分割されている。ただし、図７では、境界面Ｓの形状が、水車軸を中心とした円筒形ではなく、水車軸を中心とした円錐形となっている。
【００４０】
図７に示す境界面Ｓの形状としては、様々な円錐形を採用可能である。例えば、境界面Ｓの傾斜角度は、どのような角度に設定してもよい。また、図７に示す境界面Ｓは、高さが低くなるほど半径が広がる円錐形となっているが、高さが低くなるほど半径が狭まる円錐形としてもよい。
【００４１】
そして、本実施形態では、第１実施形態と同様に、外側ランナ２２として、低落差時に使用する第１の外側ランナ２２ａと、高落差時に使用する第２の外側ランナ２２ｂを用意し、これらの外側ランナ２２ａ、２２ｂを使い分ける。
【００４２】
よって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、落差変動の影響を低減した最適な状況で、水車を効率よく稼動させることが可能となる。
【００４３】
なお、境界面Ｓの形状は、円筒形や円錐形以外の形状としてもよい。このような形状の例としては、正多角形の水平断面を有する角筒形や角錐形などが挙げられる。これらの場合には、正多角形の頂点数は、例えば、水車ランナ４の羽根１１の枚数と一致させることが考えられる。
【００４４】
以上、第１及び第２実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施することができる。また、これらの実施形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことにより、様々な変形例を得ることもできる。これらの形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれており、特許請求の範囲及びこれに均等な範囲には、これらの形態や変形例が含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１：ケーシング、２：ステーリング、３：ガイドベーン、４：水車ランナ、
５：吸出し管、６：水車軸、７：発電機、
１１：羽根、１２：クラウン、１３：バンド、
２１：内側ランナ、２２：外側ランナ、
２２ａ：第１の外側ランナ、２２ｂ：第２の外側ランナ、２３：ボルト、
３１：内側ランナの羽根（第１の羽根）、３２：外側ランナの羽根（第２の羽根）、
３２ａ：第１の外側ランナの羽根、３２ｂ：第２の外側ランナの羽根、
４１ａ、４１ｂ：圧力面、４２ａ、４２ｂ：負圧力面
【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】
2013072340.tif 000009
【図８】
2013072340.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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