(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上カバーと下カバーとで形成した流路に、ランナを収容し、このランナのランナベーンをランナクラウンとランナバンドとで支持させるとともに、上記下カバーに対峙する上記ランナバンドに階段状に形成したシール部に溶射被膜を被着させた水力機械において、上記シール部に複合皮膜層を被着させるとともに、上記ランナバンドの底面部に上記複合皮膜層を被着させた切欠部を形成したことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記シール部は、このエッジあるいはコーナ部に面取り加工部および曲面加工部のうち、いずれか一方を形成したことを特徴とする請求項１記載の水力機械。
【請求項３】
前記面取り加工部または曲面加工部は、寸法を１ｍｍ以上に設定したことを特徴とする請求項２記載の水力機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速水と土砂水とが混合した高速土砂の噴流に基づいて発生する壊食や土砂摩耗に対し、充分に抗することができる水力機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水車あるいはポンプ水車等の水力機械におけるランナ、ガイドベーンおよびステーベーン等の動力水接触部品は、河川中に含まれる土砂による土砂摩耗損傷や部品の形状と動力水の流速との関係から発生するキャビテーションによる壊食等を受けることが多い。特に、土砂を多量に含む河川水を動力水として利用する水力機械では、高速の土砂噴流により大きな損傷を受け、構造部品の剛性低下や水車効率の低下を招くだけでなく、補修のために長期に亘って運転停止を強いられ、著しく稼動率の低下を招いていた。
【０００３】
従来、水力機械の動力水に接する部品の材料は、ランナやランナベーンが１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼や炭素鋼鋳鋼が用いられ、ランナライナ、上カバーライナ、下カバーライナ、ステーベーン、ガイドベーン等が炭素鋼や１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼などで作製され、その硬さもビッカース硬さＨｖ２００〜３５０になっていた。
【０００４】
一方、河川水中に含まれる土砂の硬度は、ビッカーズ硬さＨｖ１１００〜１２００である。したがって、動力水に接する部品の硬さが土砂の硬さよりも低いので、土砂含有量の多い河川水を使用すると、土砂摩耗損傷を受け、その都度、交換を余儀なくされていた。
【０００５】
土砂摩耗損傷やキャビテーションによる壊食等の対処策として、従来、例えば特開平３−４７４７７号公報、特開平８−１９３５６８号公報、および特開平８−２５４１７３号公報等に見られるように、動力水に接する部品にゴム等の樹脂、高硬度材料、セラミックス等のライニングあるいは溶射、肉盛溶接、粉体プラズマ肉盛溶接等の手段が用いられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許公報に開示されている技術には、幾つかの問題点が含まれている。
【０００７】
ゴム等のライニングによる手段では、ランナ等の基材との密着力が低く、特に、高速流域でコーティング部材が短時間で剥離し、効果的な土砂摩耗損傷防止策になっていない。
【０００８】
また、肉盛溶接や粉体プラズマ肉盛溶接などの手段では、熱が水車部品に加わるため、溶接前後に予後熱処理を行い、溶接による割れなどの欠陥防止や溶接後の熱応力を解放しなければならない。このため、肉盛溶接や粉体プラズマ肉盛溶接による土砂摩耗対策やキャビテーション対策を行う場合、予後熱処理ができる炉への水車部品の移動が必要になる。例えば、オーバーホール時、水車部品を発電所内で修理後、肉盛溶接や粉体プラズマ肉盛溶接による土砂摩耗対策やキャビテーション対策を行うと、熱処理ができる炉への移動をしなければならず、運転停止期間が長くなり、著しい稼動率の低下につながる。
【０００９】
最近では、溶接のような基材への熱影響が少なく予後熱処理を必要としない溶射技術が飛躍的に進歩し、超高速ガス炎溶射のように基材のと密着力に非常に優れた溶射プロセスを用いた耐エロージョン、耐キャビテーション対策が行われている。
【００１０】
しかし、水車部品には、運転中、ランナ入口からの漏水を少なくさせ、主軸（回転軸）に発生するスラストを安定状態に維持させる封水装置がある。この封水装置は、例えば、図８に示すように、ランナベーン１を支持するランナクラウン２とランナバンド３とのうち、ランナバンド３の下流側に階段状のシール部４を形成し、ランナベーン２と下カバー（図示せず）との隙間から漏水する動力水をシールし、運転中に主軸（図示せず）に発生するスラストを安定状態に維持させている。
【００１１】
このような構造の封水装置に対し、超高速ガス炎溶射をはじめとする溶射プロセスを用いた耐エロージョン、耐キャビテーション対策を行うと、コーナ部（隅部）５は、図９に示すように、溶射皮膜６に吹溜り部６ａを生成したり、あるいは図１０および図１１に示すように、溶射皮膜６が連続せずに成膜不良部６ｂを生成するなどの不都合・不具合があった。
【００１２】
この場合、シール部４は、対峙する下カバー（静止側）との間隙が非常に狭く、このためコーナ部５に溶射皮膜６の吹溜り部６ａが生成されると、研磨加工が必要になり、溶射施工に伴う工期が延び、コストアップの要因になっていた。
【００１３】
また、成膜不良部６ｂが生成された場合、土砂摩耗による損傷、キャビテーションによる壊食を受け、効果的なシールができないことと相俟って強度維持も不充分等の問題点があった。
【００１４】
また、水車の組立、分解の際、ランナは一旦、下カバーに載せる必要があり、ランナベーン１の下流側端面が下カバーに接触する。ところが、シール部４に溶射施工する場合、ランナベーン１の下流側端面にも溶射皮膜６を巻き込んでしまい、ランナベーン１の下流側端面が接触したとき、図１２および図１３に示すように、ランナベーン１の下流側端面に生成された巻込み部６ｃの溶射皮膜６にき裂を発生させ、また溶射皮膜６の剥離を引き起こすこともあった。
【００１５】
このように、超高速ガス炎溶接をはじめとする溶射プロセスは、基材の種類の如何を問わず、また予後熱処理を必要としないため、水車部品の硬質皮膜形成手段に有効であるが、必ずしも水車部品の全てに適用できる訳ではなく、部品の種類やその形状、位置によっては、その適用に苦慮していた。
【００１６】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、部品に施した溶射皮膜にき裂や剥離を発生させることなく、耐エロージョン、耐キャビテーションに優れた水力機械を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
また、本発明に係る水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、上カバーと下カバーとで形成した流路に、ランナを収容し、このランナのランナベーンをランナクラウンとランナバンドとで支持させるとともに、上記下カバーに対峙する上記ランナバンドに階段状に形成したシール部に溶射被膜を被着させた水力機械において、上記シール部に複合皮膜層を被着させるとともに、上記ランナバンドの底面部に上記複合皮膜層を被着させた切欠部を形成したものである。
【００２０】
また、本発明に係る水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記シール部は、このエッジあるいはコーナ部に面取り加工部および曲面加工部のうち、いずれか一方を形成したものである。
【００２１】
また、本発明に係る水力機械は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記面取り加工部または曲面加工部は、寸法を１ｍｍ以上に設定したものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水力機械の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２９】
図１は、本発明に係る水力機械に適用されるフランシスポンプ水車を示す一部切欠部分断面図である。
【００３０】
本実施形態に係るフランシスポンプ水車は、上カバー１０と下カバー１１との間に渦巻ケーシング（図示せず）から供給された動力水Ｗをドラフトチューブ１２に案内する流路１３を形成している。
【００３１】
この流路１３には、渦巻ケーシングから供給された動力水Ｗを負荷に応じて流量制御するガイドベーン１４と、動力水Ｗのエネルギを回転トルクに変えるランナ１５とが設けられている。
【００３２】
ランナ１５は、ランナクラウン１６とランナバンド１７とで一体形成されたランナベーン１８を周方向に沿って複数枚にして環状列に配置している。また、ランナ１５は、ランナクラウン１６を介して主軸（回転軸）１９に接続し、運転中、主軸１９に発生するスラストを軸受２０で調整している。
【００３３】
一方、ランナバンド１７は、下カバー１１との間に背圧室２１を形成するとともに、背圧室２１に流れ込んだ動力水Ｗの漏水を下流側に設けた階段状に形成したシール部２２で封水している。
【００３４】
このような構成を備えたフランシスポンプ水車において、本実施形態では、図２で示したランナバンド１７の下流側に設けた階段状のシール部２２のエッジあるいはコーナ部に面取り加工部２３と曲面加工部２４とを施工するとともに、階段状のシール部２２に沿って密着性皮膜層２５と耐エロージョン、耐キャビティに優れた保護皮膜層２６とからなる複合皮膜層２７を形成したものである。
【００３５】
密着性皮膜層２５は、耐エロージョン、耐キャビテーションに優れた保護皮膜層２６の基礎となるもので、ランナバンド１７の基材に強固に密着している。
【００３６】
また、保護皮膜層２６は、河川水に含まれる土砂による侵食や高速水中で発生したキャビティが材料表面で衝突、崩壊するときの衝撃圧による侵食を防ぐためのものであ。
【００３７】
密着性皮膜層２５は、ランナバンド１７の基材と強固に密着させる必要があるため、その層を形成する場合の粗面化処理として、たがね、グラインダー、ドリル、ブラスト、エッチングのうち、少なくとも１種類以上の粗面化処理手段を用いて形成される。また、密着性皮膜層２５は、密着力が強いプロセスを使用して形成する必要があることから、ガス炎溶射、高速ガス炎溶射、超高速ガス炎溶射のうち、少なくとも１種類以上のプロセスを用いて形成される。
【００３８】
一方、耐エロージョン、耐キャビテーションに優れた保護皮膜層２６は、土砂摩耗やキャビテーションによる壊食を防ぐため、河川水中の土砂の主成分であるＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３と同等もしくはそれ以上の硬度を有する材料にし、金属材料としてＣｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｗ，Ｃ，Ｆｅ，Ｔｉのうち、少なくとも１種類以上を主成分とする複合した合金材料、セラミックス材料としてＡｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＣ，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，Ｃｒ２Ｏ３，Ｃｒ３Ｃ２，ＭｇＯ２のうち、少なくとも１種類以上を主成分とする複合したセラミックス材料、サーメット材料としてＷＣ，ＮｂＣ，ＶＣのうち、少なくとも１種類以上を主成分とする複合したサーメット材料が選択される。また、上述成分を成膜させることができるプロセスとしてガス炎溶射、高速ガス炎溶射、超高速ガス炎溶射の手段のうち、少なくとも１種類以上の手段が選択される。
【００３９】
図４は、ランナバンド１７に設けられ、階段状に形成したシール部２２のエッジあるいはコーナ部（隅部）における面取り加工部２３の寸法と密着力との関係を示す面取り加工密着力分布線図である。また、表１は、面取り加工部２３の寸法と複合皮膜層２７における成膜不良の発生率を示している。
【００４０】
【表１】
0004117999.tif 000002
【００４１】
図４および表１によれば、シール部２２のエッジあるいはコーナ部における面取り加工部２３は、１ｍｍ以上にすると、密着力を高く確保できる。
【００４２】
また、図５は、ランナバンド１７に設けられ、階段状に形成したシール部２２のエッジあるいはコーナ部における曲面加工部２４の寸法と密着力との関係を示す曲面加工密着力分布線図である。さらに、表２は、曲面加工部２４の寸法と複合皮膜層２７における成膜不良の発生率を示している。
【００４３】
【表２】
0004117999.tif 000003
【００４４】
図５および表２によれば、シール部２２のエッジあるいはコーナ部における曲面加工部２４は、１ｍｍ以上にすると、密着力を高く確保できる。
【００４５】
図４および図５から、面取り加工部２および曲面加工部２４のそれぞれは、その寸法を１ｍｍ以上に設定すると、エッジあるいはコーナ部における複合皮膜層２７とシール部２２の基材との密着力が急激に増加することがわかった。これは、エッジあるいはコーナ部における複合皮膜層２７の付着面積が増えることによるものと考えられる。
【００４６】
また、表１および表２から、面取り加工部２３および曲面加工部２４のそれぞれの寸法を１ｍｍ以上に設定すると、複合皮膜層２７の成膜不良や吹溜りの生成が見られないこともわかった。
【００４７】
なお、図４および図５と表１および表２とは、検証試験によって得たデータである。
【００４８】
このように、本実施形態は、ランナバンド１７に設けられ、階段状に形成したシール部２２に密着性皮膜層２５と保護皮膜層２６とからなる複合皮膜層２７を設ける際、シール部２２のエッジあるいはコーナ部に適切な寸法で面取り加工部２３および曲面加工部２４を形成するとともに、適切な材料および適切なプロセスで複合皮膜層２７を施工したので、土砂摩耗やキャビテーションによる壊食に充分に対処することができる。
【００４９】
図６および図７は、本発明に係る水力機械の第２実施形態を示す部分図である。なお、図６は、本発明に係る水力機械に適用されるフランシスポンプ水車のランナを示し、図７はランナを支持するランナバンドの一部分を示している。なお、第１実施形態で示した構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５０】
本実施形態に係るランナバンド１７は、階段状に形成したシール部２２に密着性皮膜層２５と保護皮膜層２６とからなる複合皮膜層２７を設けるともに、シール部２２の下流側の底面部２８に切欠部２９を形成し、この切欠部２９に複合皮膜層２７を被着させたものである。
【００５１】
このように、本実施形態は、ランナバンド１７の底面部２８に、複合皮膜層２７を被着させた切欠部２９を設けたので、ポンプ水車の組立、分解の際、ランナ下端面を下にして置いた場合でも複合皮膜層２７にき裂や剥離を与えることがなく、複合皮膜層２７を確実に保護することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る水力機械は、ランナバンドに設けられ、階段状に形成したシール部のエッジあるいはコーナ部に面取り加工部および曲面加工部を施工し、面取り加工部および曲面加工部を含めてシール部に複合皮膜層を被着させるとともに、ランナバンドの底面に切欠部を形成したので、複合皮膜層を確実に保護することができ、土砂摩耗およびキャビテーションによる壊食に対して充分に対処させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水力機械に適用されるフランシスポンプ水車を示す一部切欠部分断面図。
【図２】図１から抜き出したランナの断面図。
【図３】図２に示したＡ部の拡大図。
【図４】本発明に係る水力機械に適用される面取り加工密着力分布線図。
【図５】本発明に係る水力機械に適用される曲面加工密着力分布線図。
【図６】本発明に係る水力機械に適用されるランナの第２実施形態を示す断面図。
【図７】図６に示したＢ部の拡大図。
【図８】従来のランナを示す断面図。
【図９】図８に示したＸ部の拡大図。
【図１０】従来の別のランナを示す断面図。
【図１１】図１０に示したＹ部の拡大図。
【図１２】従来のさらに別のランナを示す断面図。
【図１３】図１２に示したＺ部の拡大図。
【符号の説明】
１  ランナベーン
２  ランナクラウン
３  ランナバンド
４  シール部
５  コーナ部
６  溶射皮膜
６ａ  吹溜り部
６ｂ  成膜不良部
６ｃ  巻込み部
１０  上カバー
１１  下カバー
１２  ドラフトチューブ
１３  流路
１４  ガイドベーン
１５  ランナ
１６  ランナクラウン
１７  ランナバンド
１８  ランナベーン
１９  主軸
２０  軸受
２１  背圧室
２２  シール部
２３  面取り加工部
２４  曲面加工部
２５  密着性皮膜層
２６  保護皮膜層
２７  複合皮膜層
２８  底面部
２９  切欠部
【図１】
0004117999.tif 000004
【図２】
0004117999.tif 000005
【図３】
0004117999.tif 000006
【図４】
0004117999.tif 000007
【図５】
0004117999.tif 000008
【図６】
0004117999.tif 000009
【図７】
0004117999.tif 000010
【図８】
0004117999.tif 000011
【図９】
0004117999.tif 000012
【図１０】
0004117999.tif 000013
【図１１】
0004117999.tif 000014
【図１２】
0004117999.tif 000015
【図１３】
0004117999.tif 000016