(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナボスに回動自在に挿入される羽根軸と、この羽根軸に設けられた羽根とを有する斜流水力機械のランナ羽根において、
上記羽根は、ボス側プロファイルのそりが５０度から６０度に設定され、チップ側プロファイルのそりが３０度から３５度に設定され、さらに、上記羽根が、その入口端が斜流水力機械の主軸の軸線に対して５度傾くように設定されていることを特徴とする斜流水力機械のランナ羽根。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜流水車や斜流ポンプ水車などの斜流水力機械のランナ羽根に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、図１により、斜流水車や斜流ポンプ水車などの斜流水力機械の一般的構造を説明する。
斜流水力機械１は、主軸（主軸の軸線２のみを示す）を有し、この主軸の下端部には、ランナボス４が直結され、このランナボス４には、周方向に列状に複数のランナ羽根６が配置されている。このランナ羽根６は、ランナボス４に回動自在に挿入された羽根軸８と、この羽根軸８に設けられた羽根１０から構成されている。これらのランナ羽根６の下方外周側には、所定の隙間１１を介してランナ羽根６を囲むように球面加工されたディスチャージリング１２が配置されている。このディスチャージリング１２の下方には、スロート部１４を介して上部吸出し管１６が接続して設けられている。また、ランナボス４及びランナ羽根６の水平方向外周には、複数の開度可変のガイドベーン１８が配置されている。また、ランナ羽根６の羽根１０は、ボス側２０、チップ側２２、入口端（前縁）２４及び出口端（後縁）２６を備えている。
【０００３】
このような構造の斜流水力機械１を水車として使用する場合には、水圧鉄管（図示せず）からの落水を渦巻きケーシング（図示せず）に導き、ステーベーン（図示せず）及びガイドベーン１８を介してランナ羽根６に導き、ランナ羽根６を回転させる。また、ポンプとして使用する場合には、主軸を水車の場合とは逆回転させることにより、上部吸出し管１６側から水を上方に押し上げる。
【０００４】
一方、特開平８−１６５９７９号公報には、関連する従来技術として、斜流水力機械のガイド羽根の一例が示されている。この公報の従来例は、ランナ羽根の羽根の出口端（後縁）のチップ側を上流側に寄せることにより、羽根をスロート部から遠ざけ、これにより、効率を低下させることなくスロートキャビテーションを低減させるようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した斜流水力機械において、羽根１０とディスチャージリング１２との間の隙間（チップ隙間）１１で、羽根１０のチップ側の圧力面と負圧面との間の圧力差により、チップキャビテーションが発生する。このチップキャビテーションが通常の運転条件で過大に発生すると、羽根１０のチップ側付近が腐食により損傷し、この損傷の補修が必要となり、そのための余分な時間及びコストが必要となる。このため、チップキャビテーションの抑制が要望されている。
また、臨界キャビテーション特性（効率が低下し始めるキャビテーション係数）の影響で、プラント建設の際にドラフトチューブを地下により深く埋設する必要があり、工事費用が増大していた。
さらに、斜流水力機械において、ランナ羽根のチップ側の入口端の負圧面で局所的な静圧低下が起こり易く、そのため、チップ側の入口端の負圧面に流れの剥離が生じ、それに起因するキャビテーションが発生する場合がある。この現象は、効率が高い比較的大流量側の条件で顕著に発生する。
したがって、このようなチップキャビテーションの抑制及び臨界キャビテーション特性の向上等も要望されている。
【０００６】
そこで、本発明は、従来からの要請を満たすためになされたものであり、効率を向上させると共にチップキャビテーションの抑制及び臨界キャビテーション特性の向上等を実現することができる斜流水力機械のランナ羽根を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、ランナボスに回動自在に挿入される羽根軸と、この羽根軸に設けられた羽根とを有する斜流水力機械のランナ羽根において、羽根は、ボス側プロファイルのそりが５０度から６０度に設定され、チップ側プロファイルのそりが３０度から３５度に設定され、さらに、羽根が、その入口端が斜流水力機械の主軸の軸線に対して５度傾くように設定されていることを特徴としている。
【００１０】
【作用】
上記のように構成された本発明においては、羽根のボス側プロファイルのそりが５０度から６０度に設定され、チップ側プロファイルのそりが３０度から３５度に設定されているので、チップ側の圧力面側と負圧面側の圧力差を小さくすることができ、チップキャビテーションの発生を効果的に抑制することができ、さらに、羽根が、その入口端が斜流水力機械の主軸の軸線に対して５度傾くように設定されているので、ランナ羽根の流路内の２次流れを低減することができ、効率が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
先ず、図２乃至図６により、本発明の第１実施形態を説明する。図２は本発明の斜流水力機械のランナ羽根の第１実施形態を示す斜視図であり、図２（ａ）は従来例を示し、図２（ｂ）は第１実施形態を示している。図３は第１実施形態の羽根を示す部分斜視図である。図４は第１実施形態におけるランナ羽根のボス側プロファイルとチップ側プロファイルを示す図である。図５はランナ羽根のプロファイルのそりを説明するための平面図及び断面図である。図６は第１実施形態におけるランナ羽根のボス側及びチップ側における翼面の圧力分布を示す線図である。なお、図１と同一部分については同一符号を付し説明は省略する。
【００１４】
先ず、図１に示すように、羽根１０のチップ側２２と球面加工されたディスチャージリング１２との間には、上述したように、隙間１１が存在する。このため、大流量側になるほど羽根１０のチップ側２２の出口端２８がディスチャージリング１２の球面部分からはずれてしまい、隙間１１が大きくなる。この結果、羽根１０の圧力面側と負圧面側との間に存在する圧力差が大きくなり、この大きな圧力差により、ジェット（噴流）が発生し、それにより、上述したチップキャビテーションが発生する。第１実施形態は、このチップキャビテーションの発生を抑制するものであり、以下の構成を有している。
【００１５】
図２及び図４に示すように、第１実施形態においては、斜流水力機械１が水車として使用される場合には、回転方向Ａの方向に回転し、羽根１０のボス側２０からチップ側２２にかけての仕事分布をチップキャビテーションの発生を抑制できるように調整したものである。
従来において、図２、図４及び図６に示すように、仕事分布は、羽根１０のボス側２０が小さく、チップ側２２が大きな傾向にあり、そのため、チップ側２２で翼面の圧力面側３０と負圧面側３２との圧力差３４（図６参照）が大きくなっていた。これに対し、図２、図４及び図６に示すように、第１実施形態においては、羽根１０のボス側２０のプロファイル（翼型）のそりを従来よりも大きくして羽根１０の負荷を増加させると共に、チップ側２２のプロファイルのそりを小さくして羽根の負荷を低減し、チップ側２２の圧力面側３０と負圧面側３２との圧力差３４を小さくしている。
【００１６】
次に、図５により、羽根１０のボス側２０及びチップ側２２のプロファイルのそりを具体的に説明する。羽根１０のプロファイルのそりは、翼角β（翼角度とも言う）の最大値で代表して示される。翼角βは、水車として使用されるときの回転方向Ａ（接線方向）と羽根１０のボス側２０からチップ側２２までの任意の断面Ｘ−Ｘの入口端２４から出口端２６までの任意箇所における角度βとして定義されている。通常は、入口端２４から翼長さの２０％から３０％の位置に翼角βの最大値が存在する。第１実施形態では、このよう定義のもとで、羽根１０のボス側２０のプロファイルのそり（翼角βの最大値）が、５０度乃至６０度の範囲にあるのが好ましく、５５度であるのが最適である。また、羽根１０のチップ側２２のプロファイルのそり（翼角βの最大値）が、３０度乃至３５度の範囲にあるのが好ましく、３３度であるのが最適である。
【００１７】
第１実施形態によれば、図６に示すように、従来例と比較して、羽根１０のボス側２０のプロファイル（翼型）のそりを大きくして羽根１０の負荷を増加させると共に、チップ側２２のプロファイルのそりを小さくして羽根の負荷を低減し、チップ側２２の翼面の圧力面側３０と負圧面側３２との圧力差を小さくしているので、チップキャビテーションの発生を効果的に抑制することができる。
【００１８】
さらに、第１実施形態では、図３に示すように、羽根１０の入口端（前縁）２４が斜流水力機械１の主軸の軸線２に対して０度から５度傾くように設定されている（図３において、角度αで示す）。なお、従来例においては、角度αは、１０度乃至１５度であった。
このように、角度αを０度乃至５度に設定することにより、従来よりも、ランナ羽根６の流路内の２次流れを低減することができ、その結果、効率を向上させることができる。
【００１９】
次に、図７乃至図１０により、本発明の第２実施形態を説明する。図７は第２実施形態のランナ羽根を示す斜視図、図８は第２実施形態のランナ羽根を示す平面図、図９のランナ羽根のチップ側の断面を示す断面図、図１０は第２実施形態のランナ羽根のチップ部の翼面の圧力分布を示す線図である。
図７及び図８に示すように、第２実施形態のランナ羽根６においては、ランナ羽根６の軸線７の位置が、チップ側においては入口端（前縁）２４から羽根長さの３０％から４０％に位置し、ボス側においては入口端（前縁）２４から羽根長さの３５％から４５％に位置するように設定されている。また、羽根１０のチップ側の入口端を立てる、即ち、羽根１０のチップ側の入口端の角度を、流れの角度よりも５度乃至８度大きくなるように設定する。
【００２０】
一方、図７に示すように、従来のランナ羽根は、羽根のチップ側が下流側によった即ち後退した形状となっていたため、羽根のチップ側の入口端の負圧面側で局所的な静圧低下３６（図１０参照）が起こり易くなり、そのため、その部分で流れが剥離し、それに起因してキャビテーションが発生していた。このキャビテーションは、効率が高い比較的大流量側の条件で顕著に現われていた。
【００２１】
しかしながら、上述した本発明の第２実施形態においては、羽根１０のチップ側２２の入口端２４を従来よりも上流側によせ即ち前進させた形状、より具体的には、ランナ羽根１０の軸線７の位置が、チップ側２２において入口端（前縁）２４から羽根長さの３０％から４０％に位置するように設定し、さらに、羽根１０のチップ側２２の入口端の角度を流れの角度よりも５度乃至８度大きくなるように設定したので、上述した羽根１０のチップ側２２の入口端２４の負圧面側３２の局所的な静圧低下３６の発生を防止することができる。さらに、第２実施形態では、羽根１０のチップ側２２の入口端２４を従来例よりも立てる、即ち、羽根１０のチップ側２２の入口端の角度を、流れの角度Ｂよりも５度乃至８度大きくなるように設定しているので、流れが圧力面側３０から流入した場合には、流れは羽根１０にスムーズに流入し、流れが負圧面側３２から流入した場合でも、圧力面側３０ではもともと圧力が高いため、流れが剥離し難い。
このように、第２実施形態によれば、羽根１０のチップ側２２の入口端２４の負圧面側３２での流れの剥離を抑制すると共に、流れの剥離に起因するキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００２２】
次に、図１１及び図１２により、本発明の第３実施形態を説明する。図１１は本発明の第３実施形態を示す正面図であり、図１２は第３実施形態による羽根のチップ側の翼面の圧力分布を示す線図である。
先ず、図１１に示すように、ランアボス４と静止部４０との間には隙間（シールクリアランス）４２があり、この隙間４２が存在する位置をシール直径４４と呼ぶ。このシール直径４４が大きくなるほど斜流水力機械（水車として使用）１の主軸にかかる下向きのスラスト力が増加し、スラスト軸受（図示せず）への負担が大きくなる。このため、コストダウンを図るため、シール直径４４を小さくする必要がある。そこで、ランナ羽根６は、その開度を運転条件ごとに変化させることができる可動翼であるため、プラント運転上考えられる最大開度４６において、シール直径４４まで差しかからないように、羽根１０のボス側２０のプロファイルの寸法を決定する必要がある。さらに、ランナボス４のボス側２０に施された球面加工部分５０に対して、羽根１０のボス側２０のプロファイルの入口端又は出口端がはみ出ないようにする方が、羽根１０を部分的に切り落とす必要が無いので、性能的に有利となる。
【００２３】
このような観点から、第３実施形態では、羽根１０のボス側プロファイルのそり（第１実施形態と同じ意味）を第１実施形態よりもさらに大きくとり、即ち、羽根１０のボス側プロファイルのそりを６０度乃至７０度（最適値は６５度）に設定することにより、ボス側のプロファイルの翼長（コード長）を短くしている。
一方、チップ側２２では、ガイドベーン１８とランナ羽根６との間の流水部の水圧脈動に注意する注意する必要がある以外に制限がないため、羽根１０のチップ側プロファイルのそりをほとんどなくして平板気味の設計とし、即ち、羽根のチップ側２２のプロファイルのそりは２０度から３０度（最適値は２５度）に設定する。その結果、羽根１０のチップ側２２では、チップ側プロファイルの翼長（コード長）を増した形状とすることができる。
【００２４】
このようにして、第３実施形態によれば、ボス側プロファイルの翼長を短くでき、シール直径４４を小さくすることができ、スラストも小さくすることができる。また、チップ側プロファイルのそりをほとんどなくして翼長を長くしたので、負荷が低減し、第１実施形態よりも、翼面の圧力面側３０及び負圧面側３２の圧力差３４を小さくすることができるので、その分、チップキャビテーションをより有効に抑制することができる。さらに、チップ側２２の負圧面側３２の出口付近での最少圧力５２を比較的大きくすることができるので、臨界キャビテーション特性も改善することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の斜流水力機械のランナ羽根によれば、効率を向上させると共にチップキャビテーションの抑制及び臨界キャビテーション特性の向上等を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】斜流水車や斜流ポンプ水車などの斜流水力機械の一般的構造を示す正面図である。
【図２】本発明の斜流水力機械のランナ羽根の第１実施形態を示す斜視図であり、図２（ａ）は従来例を示し、図２（ｂ）は第１実施形態を示している。
【図３】第１実施形態の羽根を示す部分斜視図である。
【図４】第１実施形態におけるランナ羽根のボス側プロファイルとチップ側プロファイルを示す図である。
【図５】ランナ羽根のプロファイルのそりを説明するための平面図及び断面図である。
【図６】第１実施形態におけるランナ羽根のボス側及びチップ側における翼面の圧力分布を示す線図である。
【図７】本発明の第２実施形態のランナ羽根を示す斜視図である。
【図８】第２実施形態のランナ羽根を示す平面図である。
【図９】ランナ羽根のチップ側の断面を示す断面図である。
【図１０】第２実施形態のランナ羽根のチップ部の翼面の圧力分布を示す線図である。
【図１１】本発明の第３実施形態を示す正面図である。
【図１２】第３実施形態による羽根のチップ側の翼面の圧力分布を示す線図である。
【符号の説明】
１  斜流水力機械
２  主軸の軸線
４  ランナボス
６  ランナ羽根
７  ナンナ羽根の軸線
８  羽根軸
１０  羽根
１２  ディスチャージリング
１４  スロート部
１６  上部吸出管
１８  ガイドベーン
２０  ボス側
２２  チップ側
２４  入口端（前縁）
２６  出口端（後縁）
２８  チップ側の出口端
３０  圧力面
３２  負圧面
３４  圧力差
３６  局部的な圧力低下
４０  静止部
４２  隙間
４４  シール直径
４６  最大開度
４８  最少開度
５０  球面加工部
５２  最少圧力
【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】
0003993371.tif 000012
【図１２】
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