(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々がコルク栓抜き構成を有する少なくとも２枚のランナ翼を備え、各対の隣接ランナ翼が流体流路を画成し、前記流体流路は、流体を流路入口にある半径方向及び軸方向の円周方向流れ成分で円周方向にそれぞれの流体流路に入らせる流路入口及び流体を出口からほぼ軸方向に排出させる流路出口を有するようにしたタービンランナを備える水力タービン。
【請求項２】
前記タービンランナがあるランナ直径を有し、前記少なくとも２枚のランナ翼の各々が一つの前縁長さを有する前縁を備え、前縁長さの和の前記ランナ直径に対する比が１．０未満である請求項１に記載の水力タービン。
【請求項３】
前記タービンランナがあるランナ直径及びハブを有し、前記少なくとも２枚のランナ翼が前記ハブに沿って置かれ、前記少なくとも２枚のランナ翼の各々が一つの翼ランニング長さを有し、各翼ランニング長さの前記ランナ直径に対する比が１．０より大きい請求項１に記載の水力タービン。
【請求項４】
前記タービンランナがハブを備え、前記少なくとも２枚のランナ翼が前記ハブに沿って置かれ、前記少なくとも２枚のランナ翼の各々が一つの翼幅及び一つの翼ランニング長さを有し、各翼ランニング長さの前記翼幅に対する比が３．０より大きい請求項１に記載の水力タービン。
【請求項５】
前記タービンランナが軸方向長さ、ランナ直径及びハブを備え、前記少なくとも２枚のランナ翼が前記ハブに沿って置かれ、前記軸方向長さの前記ランナ直径に対するアスペクト比が０．６より大きい請求項１に記載の水力タービン。
【請求項６】
タービンランナが回転軸、前記回転軸の回りに巻かれた２枚のタービン翼を有し、各タービン翼は前縁、後縁及び前縁と後縁の間に伸びる全巻き角を有し、各全巻き角は１８０度と４５０度の間の値に等しい請求項１に記載の水力タービン。
【請求項７】
各々がコルク栓抜き構成を有する少なくとも２枚のランナ翼を備え、各対の隣接ランナ翼が流体流路を画成し、前記流体流路は、流体を流路入口にある半径方向及び軸方向の円周方向流れ成分で円周方向にそれぞれの流体流路に入らせる流路入口及び流体を出口からほぼ軸方向に排出させる流路出口を有するようにしたタービンランナ。
【請求項８】
前記少なくとも２枚のランナ翼の各々が前縁を備え、前記タービンランナが４未満の翼前縁を有する請求項７に記載のタービンランナ。
【請求項９】
前記タービンランナがあるランナ直径を有し、前記少なくとも２枚のランナ翼の各々が一つの前縁長さを有する前縁を備え、前縁長さの和の前記ランナ直径に対する比が１．０未満である請求項７に記載の水力タービン。
【請求項１０】
前縁長さの和のランナ直径に対する比が０．３と０．７に間にある請求項９に記載のタービンランナ。
【請求項１１】
前記タービンランナがあるランナ直径及びハブを有し、前記少なくとも２枚のランナ翼が前記ハブに沿って置かれ、前記少なくとも２枚のランナ翼の各々が一つの翼ランニング長さを有し、各翼ランニング長さの前記ランナ直径に対する比が１．０より大きい請求項７に記載の水力タービン。
【請求項１２】
前記タービンランナがハブを備え、前記少なくとも２枚のランナ翼が前記ハブに沿って置かれ、前記少なくとも２枚のランナ翼の各々が一つの翼幅を有し、各翼ランニング長さの前記翼幅に対する比が３．０より大きい請求項７に記載の水力タービン。
【請求項１３】
前記タービンランナがランナ直径、軸方向長さ及びハブを備え、前記少なくとも２枚のランナ翼が前記ハブに沿って置かれ、前記軸方向長さの前記ランナ直径に対するアスペクト比が０．６より大きい請求項１に記載の水力タービン。
【請求項１４】
タービンランナが回転軸及び２枚のランナ翼を有し、各タービン翼は前縁、後縁及び前縁と後縁の間に伸びる全巻き角を有し、各全巻き角は１８０度と４５０度の間の値に等しい請求項１に記載の水力タービン。
【請求項１５】
少なくとも２枚のランナ翼の各々が前縁、後縁及び前縁とにある縁帯域を有し、各ランナ翼に沿った圧力変化率が各翼の後縁と前縁にある縁帯域の間で５．６kgf／cm2／sより小さい請求項７に記載のタービンランナ。
【請求項１６】
前記少なくとも２枚のタービンランナ翼の各々が前縁厚さを持った前縁と後縁厚さを持った後縁を有し、前記縁帯域は各後縁において後縁厚さの３倍に等しい寸法を持つ領域によって、前縁において前縁厚さの６倍に等しい寸法を有する領域によって画成されている請求項７に記載のタービンランナ。
【請求項１７】
前記タービンランナは、放水路の水の高さを有する水の中で用いるように構成され、前記少なくとも２枚のタービンランナ翼の各々は、放水路の水の高さにある後縁を有し、タービンランナは少なくとも８０％の効率であり、ランナ内の流体流路に沿って維持される最小絶対圧力は、最良効率点において０．２８kgf／cm2abs
より大きい請求項７に記載のタービンランナ。
【請求項１８】
前記タービンランナがその最良効率点において少なくとも８０％の効率であり、主流に沿った実質上すべての点で５．６kgf／cm2／s
より小さい圧力変化率を達成する請求項７に記載のタービンランナ。
【請求項１９】
少なくとも２枚のランナ翼の各々が前縁、後縁及び前縁と後縁にある縁帯域を有し、各ランナ翼に沿った圧力変化率が各翼の後縁と前縁にある縁帯域の間で５．６kgf／cm2／sより小さい請求項１８に記載のタービンランナ。
【請求項２０】
前記少なくとも２枚のタービンランナ翼の各々が前縁厚さを持った前縁と後縁厚さを持った後縁を有し、前記後縁における前記縁帯域は後縁厚さの３倍の距離において後縁の内方に終わり、前縁厚さの６倍に等しい距離において前縁の内方に終る請求項１９に記載のタービンランナ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、一般的にいえば、タービンランナ及びそのようなタービンランナを組込んだタービンに関し、それらは水力発電に用いる水力タービンとして用いるのによく適している。
水力タービンは、水力エネルギーを機械的エネルギーに効率的に変えるタービン機械の１要素である。水力タービンは、水力電力を発生するために河川のダムに設けられている。
通常のタービン羽根車又は水力発電用のタービンにおいて用いられるランナの種類は多数ある。当業者によく知られている通常の水力タービンランナの二つの例は、図１及び２にそれぞれ略図で示されているフランシスタービンとカプランタービンである。図１及び２に示されているフランシスタービン及びカプランタービンの個別のタービン翼、ランナハブ及びその他の要素は、周知の通常のフランシスタービン又はカプランタービンにおけるものと同じ寸法関係と割合にある。
図１の１０のところに示されているフランシスタービンは渦巻ケーシング１２の中に収容され、タービンハブの円周の周りに間隔をあけている多数の比較的短く不連結な翼１４によって特徴付けられている。この翼は水力エネルギーを図１にＬとして表わされている比較的短い軸方向長さにおいて機械的エネルギーに変換する。軸方向長さＬは、翼の前縁１６の最上部分と翼の後縁１８の最下部分との間の軸方向距離を表わしている。翼は、前縁長さＬＥを持った前縁１６と後縁１８を備えている。図１においてＤで表わされたフランシスタービンの最大直径は、ブレードの最上部分とタービンランナの回転中心との間の半径方向距離の２倍である。軸方向長さＬは、普通は最大直径Ｄの約１／３である。
流体は矢印２０の方向にフランシスタービンを通って流れ、翼１４の前縁１６から後縁１８へ通過する。
図２に移ると、カプランタービンはランナプレードの位置が調節できるプロペラ形タービンである。３０で一般的に表わされている通常のカプランタービンは渦巻ケーシング３２によってほとんど包囲されている。カプランタービンは各々前縁３６と後縁３８を備える複数の翼３４を備えている。フランシスタービンと同様に、カプランタービンは、翼の前縁３６の最上部分と翼後縁３８の最低先端との間の距離に等しい軸方向翼長さＬ、回転軸と最上翼縁との間の横方向距離の２倍に等しい最大直径Ｄ及び前縁長さＬＥを備えている。図２に示されたカプランタービンにおいては、軸方向長さＬは最大直径Ｄの約１／４である。
図１及び２に示されたフランシスタービンとカプランタービンに関連する幾つかの顕著な物理的属性及び寸法関係は、Ａ）カプラン及びフランシスの両方のタービンにおいて、Ｌ／Ｄに等しい比は０．６より小さく、Ｂ）両方のタービンランナは、前縁の長さの和ΣＬＥの最大直径Ｄに対する比が両方のタービンの前縁について１以上であるように各々前縁長さＬＥを持った非常に多数の翼を備えている。例えば、カプランタービンとフランシスタービンの両方は、少なくとも４枚の翼を備え、フランシスタービンは、１５枚もの翼を備えることがある。
フランシスタービン及びカプランタービンと関連した前述の一般的な物理的属性及び寸法関係はまたその他の従来のタービンランナに存在するということを理解すべきである。カプランタービン及びフランシスタービンは、本明細書においては、フランシスタービン及びカプランタービンが当業者に比較的よく知られているので従来のタービンランナにおける前述の物理的属性及び寸法関係を概括的に強調するために用いられている。
フランシスタービン及びカプランタービンは、普通は、河川において置かれている水力発電所において電力を発生するために用いられることが多い。フランシスタービン及びカプランタービンは、河川の発電所内に置かれて河川の水がそれを通って下流に流れ、それによって必要な水力電力を発生する。
河川発電所内で通常のタービンランナを用いると、河川に沿って河川のダムを通って移動する魚のある程度の大量死を招いた。通常のタービンを通って移動する魚の大量死は以下のもののいずれか一つ又は組合せの結果である。すなわち急激な圧力減少によって生じた内部負傷、キュビテーションの効果、速度勾配のあることによるせん断力からの負傷及び魚のタービンランナ又はその他のタービン構成部品の間の接触から生ずる外傷。
魚への接触傷もまた翼の前縁への衝突の結果である。接触負傷に関係することのあるタービン特性は、翼に対する流れ速度、翼の数、流路の形及び翼の間隔である。比較的多数の翼及びカプランタービン及びフランシスタービン並びにその他の普通のタービンと関連した翼の前縁の合計長さ（ΣＬＥ）は、翼の前縁と魚のとの間の接触の結果として魚の大量死をもたらすことがある。摩耗損傷がタービン翼とその他のタービン構成要素との間の狭い隙間の中に魚を引き入れることから生ずる。
高速度帯域又は高速度勾配（せん断力）が回転構成要素と固定構成要素の間の隙間に存在する。このような高速度せん断帯域は、例えば、翼の縁とスロートリング（図２の部材１００参照）の間に形成される。フランシスタービン及びカプランタービン内の高速度勾配は、翼の前縁と後縁の間の小さな軸方向距離Ｌに関係する。
局部圧力か水蒸気泡を形成させるに十分に低いとき、キャビテーションが生じ、圧力を十分に大きくするとき、これらの泡の下流インプロージョンが起る。このインプロージョンは、魚の負傷を生ずると思われる瞬間的高圧の圧力波を生ずる。キャビテーションに影響を与えることのある条件は、１）全般的又は局所的低圧帯域、２）高速度帯域、３）流れの方向の突然の変化、４）ランナ及び翼の表面粗さ及び５）水の空気含有量を含んでいる。
圧力損傷は、魚が順化していた圧力か急に減ることから生ずる。軸方向長さＬ対最大直径Ｄの比較的小さな比及び既知のタービンにおける翼の前縁と後縁の間の距離が短いことは、突然の圧力減少によって生じた魚の大量死をもたらす。
タービンを通過する魚へのせん断力傷は、異なる速度を持つ水の流れの間の帯域において発生する。魚はそれらの体の異なる部分が異なる速度と引きずる力を受けるとき傷つく。
水力発電に用いられた既存の水力タービンは、タービンを通過する可能性のある魚に対する影響を殆ど考慮しないで設計されていた。結果は、大きな設備における魚の大量死である。これは特に川に沿って一連の水力発電設備があり、累積魚死亡率がより高い幾つかの河川について問題である。
現在の水力タービンランナ及びそれらを用いるタービンにあると知られている限界を示している。従って魚の死亡率を減らす水力タービンランナを提供することは有利であろうことは明らかである。それ故、あとでさらに詳しく説明する特徴を備える適当な代替の水力タービンランナを提供する。
概  要
第１の面によれば、魚がもっと安全に通過できるようにして魚の死亡率を減らすタービンランナである。このタービンランナは、コルク栓抜き形状になっている少なくとも二つのタービンランナを備えている。重要なのは、コルク栓抜き型翼がタービンを通る流体の流れの全方向において非常に長いことである。好ましい実施例によれば、入口からのランナへの流体の流れが混合された流れであり（あとでさらに説明する）、出口における流体の流れが事実上長手方向に向けられている。タービンランナの非常に好ましい二、三の実施例においては、前縁長さの合計のランナの直径に対する比が１．０より小さく、各翼の長さのランナ直径に対する比が１．０より大きく、各翼長のそれぞれの翼巾に対する比が３．０より大きく、軸方向長さのランナ直径に対する比が０．６より大きく及びタービンランナ（最良効率点において）少なくとも８０％の効率であって、ランナ翼のほぼ全長に沿って５．６２kgf／cm2／ｓより少ない圧力変化率を達成し、主な流体流れの経路に沿って保たれた最小絶対圧力は、後縁が放水路の水の高さにあるとき０．２８kgf／cm2  absである。
もう一つの面によれば、タービンが水力発電のために及びその他の上述のようなタービンランナを組込んだ用途に設けられる。ここに開示されるタービン羽根車及びタービンのための追加の用途がこの開示及び幾つかの以下に与えられる好ましい実施例のさらに詳細な説明からみて当業者に明らかであろう。
図面の説明
図１は、従来のフランシスタービンの軸方向断面図、
図２は、従来のカプランタービンの軸方向断面図、
図３は、本発明の好ましい実施例によるタービンを備える河川発電所の部分断面図を含む略図、
図４は、図３に示されたタービンランナの拡大立面図、
図５は、図４タービンランナの斜視図、
図６は、翼のベースのタービンランナハブとの交差部分において作られた直線を用いることによって翼の巻付け方を示す図４のタービンランナの底面から見た図、
図７ａは、圧力変化率の高い翼前縁帯域を示した図４のランナの翼前縁の拡大図、
図７ｂは、圧力変化率の高い翼後縁帯域を示した図４のランナの翼後縁の拡大図である。
幾つかの好ましい実施例
次に図面に移ると、同様の部品はすべての図面において同じ番号によって表わされており、図３〜７ｂは、本明細書で開示されるタービンランナの好ましい実施例を開示している。図３は、本発明の水力タービン５０とタービンランナ５１を備える河川発電所４０に略図で示している。以下の説明を明瞭にする目的で、用語「タービンランナ」及び「タービン羽根車」は部材５１を意味し、用語「タービン」又は「水力タービン」は部材５０を表わすものとする。なお、用語「水」は一般的に水を意味すると共に魚のような連行された物質を含む水を意味するものとする。
本明細書で論じられる好ましい実施例において、タービンランナの向きはほぼ垂直、すなわち、タービンハブの縦軸５２はほぼ垂直である。これは、従来の代表的タービン装置設備一致している。しかし、タービン羽根車の選択的向きは、随意選択的であり、特定のタービン装置設備に適切である可能性があることが当業者には分るであろう。例えば、タービンランナをほぼ水平の向きにしていてもよい。
河川発電所は、上流の河川水４３がタービンランナ５１の方へ流れるようにする吸込みチヤネル４２及び河川水をタービンランナから下流の河川水４５へ排出する吸出し管４４を備えている。図３に示された吸出し管４４は、河川水４５の方へ下流に向かう水の流れ、すなわち放水路の水を遅くする働きをし、結果として動的流体圧力の一部分を静圧力として回復する。吸出し管は、ベンドを備えるように示されているが、吸出し管をまたそのようなベンドなしで形成できることを理解すべきである。水力タービンランナ５１を河川発電所内に設置することによって魚の死亡率が上述のタービンランナ１０及び３０のような従来のタービンランナに普通関連した魚の死亡率より低いと思われる。
河川発電所４０の中では、タービンランナ５１は、回転軸４６の一方の端に固定されて、軸の反対端は発電装置４８に接続されている。
図４〜７ｂは、魚が河川発電所を通ってゆくときの魚の死亡率を著しく下げると予想される本発明の水力タービンランナ５１を非常に詳細に示している。
一体型水力タービンランナ５１が、運転中、軸５２の周りを回転でき、円板形ベース５４、そのベースに直角で軸線５２に沿って向いたほぼ円錐形のハブ５６及び第１と第２のコルクの栓抜き形タービン翼５８と６０を備えている。各図に示された好ましい実施例のコルク栓抜き形タービン翼は、入口から出口の方へ向かって減少する総合直径（軸線５２に垂直な平面において測定した）を持ったハブ５６の周りにほぼらせん状に巻かれていることが分る。コルク栓抜き形翼は、大体ら線状流体流路を形成する。このハブは、半球形又は切頭楕円端５７に終っている。第１及び第２のタービン翼は、ハブ５６の軸線５２の周りに二重ら線の形に配置されている。それぞれの翼前縁６２ａ及び６２ｂは、１８０°離れてベース５４に隣接して置かれている。翼の後縁６４ａと６４ｂもまた１８０°離してハブの自由端５７に隣接して置かれている。図４及び５を参照のこと。タービンランナを青銅、鋼及び不銹鋼を含むがそれらに制限されない任意の適当な材料で作ってもよいし、どんな適当な鋳物及び、例えば、機械加工工程を含む任意の適当な製作工程によって形成してもよい。
タービンランナ５１の２枚のタービン翼は、実質上同じで、各々の翼はある翼ランニング長さと全巻き角寸法を備えている。各タービン翼５８、６０は、翼５８に対してＭ１として表わされ翼６０に対してＭ２として表わされている関連の正中曲線に沿って測られる翼ランニング長さを備えている。異なる参照文字Ｍ１及びＭ２は、目で見てはっきり分かるようにら線正中曲線を示すために用いられている。一点鎖線で図４に示されているように、各正中曲線は、ハブ５６と囲い板９９の間を流体流れの主な方向にそれぞれの翼の中間に沿って位置している。
翼の軸線５２の周りの全巻き角は、図６に示されている。翼の全巻き角は、それが翼の前縁から後縁へ円周に沿って伸びる度数として定義されている。全巻き角は図６において翼５８に対してＡ１及び翼６０に対してＡ２として示されている。本発明の図示された好ましい実施例においては、翼の全巻き角又はＡ１及びＡ２は、１８０°と４５０°の間又は好ましくは２７０°と４５０°との間にあってもよく、最も好ましいのは３２５°である。タービンランナが３枚の翼を備えている場合、各翼の全巻き角は、好ましくは約１８０°と３６０°の間である。
各翼は全巻き角の回りの半分のところで測定した流れ方向に垂直な巾Ｗを備えている。説明を進めるときに、他に明確に規定されていなければ、用語「巾」は図４に示された翼の巾Ｗを意味するものとする。
図４にまた示されているように、タービンランナ５１には軸方向長さＬと最大ランナ直径Ｄがある。用語「ランナ直径」又は「最大ランナ直径」は他に明らかに規定されていなければ、タービンランナの最大直径を意味するものとし、好ましい実施例のタービンランナにおいては、ランナの入口における直径である。最大ランナ直径Ｄは、タービンランナの回転軸５２からタービン翼５８と６０の前縁６２ａ、６２ｂの最外側部分までの距離の２倍として定義されいいる。半径は図４に示されており、Ｒとして表わされている。軸方向長さＬは翼前縁６２ａ、６２ｂの最上部分と後縁６４ａ、６４ｂの最下側チップの間の距離として定義されている。半径は図４に示され、Ｒとして表わされている。軸方向長さＬは、翼前縁６２ａ、６２ｂの最上部分と後縁６４ａ、６４ｂの最下部分との間の距離として定義されている。
タービンランナの好ましい実施例において、コルク栓抜き形翼は、以下の物理的属性及び寸法関係の一つ以上を備えており、それぞれの正中曲線Ｍ１又はＭ２（図４に示されている）に対するランナ直径Ｄによって定義されている各翼５８、６０のランニング長さの比は、１．８に等しいがＭ１／Ｄ又はＭ２／Ｄ＝１．８）、すべての場合には、１より大きい必要があり、各翼のランニング長さ（Ｍ１，Ｍ２）対上述の翼の全巻き角の回りの半分のところで測定された各翼の巾Ｗの比が約９に等しく（Ｍ１／Ｗ又はＭ２／Ｗ＝９）、すべての場合には３．０より大きい必要がある。
タービンランナ５１において、当業者にアスペクト比として知られているＬ／Ｄの比は、０．６と１．０の間であるのが好ましく、さらに好ましいのは、約０．７５である。ランナ５１の好ましい実施例のそのようなＬ／Ｄ比は、従来のタービンランナのアスペクト比より著しく大きい。ランナ直径Ｄに対して軸方向寸法Ｌを伸ばすことによって翼の前縁と翼の後縁との間の距離は大きくなり、圧力をより長い距離と間にわたって減らすことができるので、それによってそうでなければ急激な圧力減少からタービンランナを通る流れの中に生ずるであろう魚の死亡率を小さくする。
ここに開示された発明によるタービンランナの特定の性能特性、従って、そのようなタービンランナを組入れた本発明によるタービンの接触特性は、それらを用いる用途の水力条件によって大きく変わる。ここに説明される好ましい実施例のために、タービンランナ５１が設計された水力条件すなわち「設計点」は、以下の通りである。すなわち水頭一約２５．８ｍ、流量−約２．８ｍ３／ｓ、及び据付−タービンランナ後縁高さがほぼ放水路の水の高さにある。異なるが類似の条件のもとにあるこれらの水力条件に対して設計されたタービンランナを用いると、異なるが対応して有益な結果を与えるであろう。同様にしてここに開示された設計原理に従って異なる水力条件（例えば、異なる水頭、流量など）に対して設計された発明の別の実施例を用いると、そのような異なる水力条件に対して対応する有益な結果を与えるであろう。また、水力条件が上に挙げたようなものであると仮定すると、各図に示された実施例の翼５８及び６０はランナを通る主な流れの中の実質上すべての点において０．２８ないし０．３５kgf／cm2  abs以上、さらに好ましくは０．５６kgf／cm2  abs以下で、ランナを通る主な流れの中の実質上すべての点において、５．６kgf／cm2／ｓより少ない圧力変化率を達成し、ランナを通る主な流れの中の実質上すべての点においてどのせん断帯域を横切る速度変化も１８０cm／ｓ／cm以下であることを達成し、ランナを通る流路の大きさを大きくし、そして翼の前縁の合計長さと数を少なくすることである。
ここに開示された好ましい実施例においては、５．６kgf／cm2／ｓより小さい圧力変化の割合がランナを通る主な流れの中の実質上すべての点において達成されている。圧力変化の割合が所望の割合内にない前縁及び後縁に近い不連続な高い圧力変化割合の帯域がある。これらの帯域は図７ａ及び７ｂに示されている。
図７ａは前縁６２ａ及び６２ｂにある高い圧力変化率の帯域を示し、図７ｂは、後縁６４ａ及び６４ｂにある高い圧力変化率の帯域を示し、そのような高い圧力変化率の帯域は、本明細書では個々に又はある場合には集合的に「縁帯域」又は「縁帯域（複数）」といわれている。図７ａに移ると、各前縁は厚さＰＬを備え、流れに沿って前縁６２ａ、６２ｂから少なくとも６ＴＬの事実上すべての点において圧力変化率が５．６kgf／cm2／ｓより小さいのが有効であり、前縁から少なくとも１０ＴＬのところにある流れに沿った実施質上すべての点において、圧力変化率は２．８kgf／cm2／ｓより小さいということが測定された。好ましい実施例において、縁帯域は好ましくは１０ＴＬより小さく、さらに好ましくは６ＴＬより小さいことである。
図７ｂに移ると、各後縁には厚さＴＴがあってそれは後縁から少なくとも３ＴＴのところの流れに沿った実質上すべての点において、圧力変化率は、５．６kgf／cm2／ｓより小さいのが有利であり、後縁から少なくとも５ＴＴのところの流れに沿った事実上すべての点において圧力変化率は、２．８kgf／cm2／ｓより小さい。従って、タービンランナ５１の動作中、図７ａ及び７ｂにおける高い圧力変化率の二つのより小さく限定された縁帯域の外側の圧力変化率は、５．６kgf／cm2／ｓ未満であり、高い圧力変化率の二つのより大きく限定された帯域の外側では、圧力変化率は２．８kgf／cm2／ｓ未満である。
図３における流線によって示されているように、流体は、渦巻ケーシング又はその他の適当なプレナムに入りランナの円周の周りにほぼ一様に内向きに流れ、タービンランナから吸出し管の中にほぼ軸方向に排出される。水がランナ流れチャネルに円周方向に入るので、タービンランナ５１は、混合流れ部材であり、実際に軸方向、半径方向及び円周方向の成分を入口において持っている。流れがランナを通って進むにつれて、その軸方向の成分は大きくなり、流れは事実上軸方向にランナを去ってゆく。すなわち水が通路を通って移動するにつれて、翼の除々に変るピッチとハブの向きは、流体の流れの方向を軸方向に除々に変える。
図６に示されているように、各翼５８と６０は、前縁６２ａ、６２ｂからそれぞれ後縁６４ａ、６４ｂへ軸線５２の周りに円周方向に１８０°より多く伸びている。図４に最も明瞭に示されているように、翼の前縁６２ａ、６２ｂは、軸線５２にほぼ垂直に向けられている。各前縁は、図４にＬＥとして表わされた前縁長さを持っている。翼は、それが軸線５２の周りを巻いてゆくにつれて、翼の長さに沿ってほぼ垂直な前縁からほぼ水平な後縁に除々に移る。２枚のら線翼を示して説明するが、３枚又はそれ以上のら線翼もまたハブに沿って設けることができると考えられる。
図５に示されているように、翼は、軸線５２の周りに前縁から後縁にら線形を描いている。翼５８と６０は、各々凸形の側面６６ａ、６６ｂ及び凹形側面６８ａ及び６８ｂをそれぞれ備えている。凸形及び凹形側面は図５及び６に最も明瞭に示されている。ここに開示され図３に示されたように用いられるタービンランナにおいて、各翼の凸側は、翼の高圧側である。従って、高圧側は、凸側に湾曲しており、高圧側はタービンランナ５１の回転方向からそれている。動作中は、タービンランナ５１は、図５及び６に示された方向矢印２００、２０１の方向に反時計回りに軸線５２の周りを回転する。しかし、代りの実施例においてタービンランナ翼は、タービンランナ５１の鏡像として向けられてもよく、そのような実施例においては、鏡像ランナは、軸線５２の周りに時計回りに回される。高圧側すなわち凸側は、再び回転方向からそれている。従って、翼の直立は逆さまにされて、タービンランナ５１の回転方向を逆にしてもよい。
前縁６２ａ、６２ｂの長さの合計は、最大ランナ直径Ｄより小さい（ΣＬＥ／Ｄ＜１．０）。好ましい実施例において、前縁の長さの合計は、ランナ５１の最大直径Ｄの４０％より小さい。合計前縁長さを減らすことによって魚がタービンランナ５１を通過するとき、前縁と接触する可能性を少なくして、衝突による大量死の可能性を少なくする。
囲い板９９は、タービンランナ５１をほとんど囲う。囲い板は前縁と後縁の間のら線のほぼ全長に沿って翼の半径方向最外側部分にある前縁６２ａと６２ｂの下側部分にあるら線翼５８と６０に取付けられる。図３及び４を参照のこと。囲い板は、溶接接続又はその他の適当な接続手段によって翼に取付けられる。このようにして、翼及び囲い板は動作中一緒に回転する。
図３を参照すると、囲い板、ら線翼及びハブは、水が通ってゆく流水路７０ａ及び７０ｂを画成する。従って設立された流水路又は導管はほぼ線状の構成になっている。
囲い板をタービンランナ５１に取付けることによって、回転タービン翼と固定ハウジングの間の隙間はなくされ、それによってタービンと固定タービンハウジングの間で魚が接触、擦傷及び摩砕から外傷を受ける可能性を減らす。タービンランナと固定ハウジングの間に捕えられて傷つくのではなく、魚はら線流水路を通って移動し、可動部分と固定部分の間の隙間にさらされない。
翼の形と配置は、ランナの軸方向長さに沿う許容可能な圧力変化率を作る。なお、穴なし表面における境界層の外側の流れに直角な速度勾配もまた許容可能レベルに保たれる。
また、ここに開示された好ましい実施例において、０．２８〜０．３５kgf／cm2 abs以下の最小絶対圧力がランナを通る主な流れの中の実質上すべての点において保たれ、さらに好ましくは０．５６kgf／cm2 abs以下に保たれるので、圧力減少による魚の負傷を減らし、キャビティションとその悪い影響をほとんどなくす。規定最小絶対圧力は、放水路の水の高さにタービンランナの後縁を設定することに基づいている。ランナ出口が放水路の水のレベルより上にあれば最小圧力は低くなり、その場合にはkgf／cm2 abs単位の規定値は、ランナ出口が放水路の水のレベルより上にある米単位の距離に０．１を乗じた値だけ低くなるのであろう。ランナ出口が放水路の水のレベルより下にあれば最小値は高くなり、その場合にはkgf／cm2 abs単位の規定値は、ランナ出口が放水路の水の高さより下にある米単位の距離に０．１を乗じた値だけ高くなるであろう。用語「主な流れ」は、翼の前縁及び後縁における比較的小さな縁帯域を除いた全流水路のことである。
ランナ流水路を通る任意の点における主な流れに利用できる断面積は、比較的大きく、例えば図４に示されているハブと囲い板における翼の縁に垂直な翼を横切る巾Ｗの２乗ほどになる。この断面積は、ハブと囲い板の間の翼に殆ど直角である平面についていう。主な流れに対する大きな断面積を維持することは、流速及びランナ又は囲い板のいずれかの表面に魚が接触する確率を減らして、魚の負傷を減らす。
従って、ここに論じられた好ましい実施例においては、翼の数、翼の形と向き、及び回転囲い板は魚の死亡率を減らす装置の動作特性及びパラメータを与える。
上に挙げた流量と水頭の条件に対して図３に示した用途における本明細書で説明したタービンランナ５１は、最良効率点において、ランナ５１は８０％効率より多く、０．２８kgf／cm2ほどの最小絶対圧力を達成し、そして８０％効率より多く、上に述べた設計点と類似の設備に対する翼のほぼ全長に沿って５．６kgf／cm2／ｓ未満の圧力変化率を達成する。「最良効率点」は、与えられたタービンランナに対して、ある流れパラメータと条件において、流体から動力を引き出す最大効率点を意味するものとする。
本発明の特定の実施例を図示して説明したが、その発明を前述の構成の細部に限定するつもりはないが、代りに、発明はそのような変化形、改造形及び添付請求の範囲の範囲内に入るそれらの関連のものを包含している。
【図１】
0004211896.tif 000002
【図２】
0004211896.tif 000003
【図３】
0004211896.tif 000004
【図４】
0004211896.tif 000005
【図５】
0004211896.tif 000006
【図６】
0004211896.tif 000007
【図７Ａ】
0004211896.tif 000008
【図７Ｂ】
0004211896.tif 000009