(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラウンとシュラウド間に跨る長い翼長を有する羽根とクラウンとシュラウド間に跨る短い翼長を有する羽根が周方向に所定の間隔をおいて交互に配置されたランナを備えているポンプ水車において、
前記短い翼長を有する羽根の羽根角度を、前記ランナ外径のほぼ８５％からランナ外径の範囲においては、前記長い翼長を有する羽根の羽根角度より小さく形成するようにしたことを特徴とするポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプ水車の改良に係わり、特に翼長の異なる羽根を有するランナを備えたポンプ水車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に採用されているこの種のポンプ水車は、翼長が同一に形成された羽根を周方向に所定の間隔をおいて配置したランナを備えているのが普通であるが、最近になり、振動や騒音を低減させる目的から２種類の羽根、すなわち長い翼長を有する羽根と短い翼長を有する羽根を設け、かつこの長い翼長を有する羽根と短い翼長を有する羽根とを周方向に所定の間隔をおいて交互に配置するようにしたものが実用化されつつある。
【０００３】
なお、この種ポンプ水車に関連するものとしては、例えば特開昭５７−１２６５６６号公報，実開昭５９−１１１７０号公報あるいは特開平７−２７９８０８号公報などが挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように形成されたランナを有するポンプ水車であると、たしかに水車入り口側での整流効果が高められ、水車出口側の流れに対する入り口側の流れの乱れの影響を減少させることができ、水流乱れに基因する振動や騒音を低減させることが可能であるが、しかしながら最近の揚水発電所のようにダムの利用水深範囲が大きく設定されるようになってくると、このようなポンプ水車であっても、新たな問題が生じてきたのである。
【０００５】
すなわち、このようにダムの利用水深範囲が大きく設定された場合には、ポンプ水車はより広い落差変動範囲（最高揚程と最低有効落差との比）で運転されることになり、揚程変化に対する揚水量変化が大きくなる。すなわち、ポンプ入口部において揚水量変化に伴う流体の羽根に対する流入角度変化が大きくなり、広い揚水運転範囲においてはキャビテーション特性が大きく悪化する場合があるということである。
【０００６】
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、ランナの体格や外形を変えることなく揚水運転範囲が変化してもキャビテーション特性が悪化することがなく、広変落差に対応，すなわち落差変動範囲を広くすることが可能なこの種のポンプ水車を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、長い翼長を有する羽根と短い翼長を有する羽根が周方向に所定の間隔をおいて交互に配置されたランナを備えているポンプ水車において、前記短い翼長を有する羽根の水車入り口側端位置を、前記長い翼長を有する羽根の水車入り口側がなす円筒面と、長い翼長を有する羽根によって形成される水車入り口部最小開口面積となる面との間に位置するように形成し所期の目的を達成するようにしたものである。
【０００８】
また本発明は、長い翼長を有する羽根と短い翼長を有する羽根が周方向に所定の間隔をおいて交互に配置されたランナを備えているポンプ水車において、前記短い翼長を有する羽根の水車入り口側端位置を、前記長い翼長を有する羽根の水車入り口側端より水車出口側へこむようにずらして配置するとともに、このずらし量を、前記長い翼長を有する羽根の子午面上に投影された子午面流線長さの０％より１０％の範囲としたものである。
【０００９】
また、長い翼長を有する羽根と短い翼長を有する羽根が周方向に所定の間隔をおいて交互に配置されたランナを備えているポンプ水車において、前記短い翼長を有する羽根の羽根角度を、前記ランナ外径のほぼ８５％からランナ外径の範囲においては、前記長い翼長を有する羽根の羽根角度より小さく形成するようにしたものである。
【００１０】
また、この場合、前記短い翼長を有する羽根の水車出口側端位置を、前記長い翼長を有する羽根によって形成される水車出口部最小開口面積となる面より水車入り口側寄りに位置させるか、あるいは水車入り口より前記長い翼長を有する羽根の子午面上に投影された子午面流線長さの３０〜６０％水車出口側寄りに形成するようにしたものである。
【００１１】
すなわちこのように形成されたポンプ水車であると、短い翼長を有する羽根の水車入り口側端位置が、長い翼長を有する羽根の水車入り口側がなす円筒面と、長い翼長を有する羽根によって形成される水車入り口部最小開口面積となる面との間に位置するように形成されているので、短い翼長を有する羽根の外周側近傍では周速が低下することになり、この周速低下によりそれとほぼ等しい相対流量も低下することになり、短い翼長を有する羽根の外周側での圧力低下が緩和され、たとえダムの利用水深範囲が大きく設定されても、発電運転時の短い翼長を有する羽根の外周側におけるキャビテーション特性が悪化することなく、広変落差に対応，すなわち落差変動範囲を広くすることが可能となるのである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図示した参考例と実施例について詳細に説明する。図１にはそのポンプ水車（フランシス型ポンプ水車）およびこのポンプ水車に用いられるランナが示されている。１が回転軸であり、２がランナ、３がガイドベーン、４がケーシング、１０１が主翼（翼長の長い羽根）、１０２が中間翼（翼長の短い羽根）である。なお、５は発電電動機である。
【００１３】
回転軸１の下端にはランナ２が固定されており、このランナ２の外周側の固定部流路には、流量調整用のガイドベーン３が周方向に所定の間隔をおいて配置されている。ランナ２は、クラウン１０３とシュラウド１０４を備えており、そしてそのクラウン１０３とシュラウド１０４との間に、図１（ｂ）および図２に示されているように、翼長の長い主翼１０１と翼長の短い中間翼１０２が周方向に所定の間隔をおいて交互に配置されている。
【００１４】
この場合、特に翼長の短い中間翼１０２の水車入り口側端位置１０２ａは、翼長の長い主翼１０１の水車入り口側がなす円筒面２ａと、主翼１０１によって形成される水車入り口部最小開口面積（詳細後述する）となる面２ｂとの間に位置するように形成されている。
【００１５】
すなわち、図３はポンプ水車ランナの子午面形状を示したものであり，主翼１０１の子午面形状は、子午面２０１−２０２−２０３−２０４である。なお、線分２０１−２０４は水車入口（流水入り口）であり、線分２０２−２０３は水車出口（流水出口）である。子午線群２１１は、クラウン１０３とシュラウド１０４に挟まれる複数の回転面によって定義される子午線である。
【００１６】
線分２０５−２０６は、水車入り口側の線分２０１−２０４を起点とし、子午線群２１１に沿って、子午線群２１１の長さの１０％位置に相当する。線分２０７−２０８は、水車入り口側の線分２０１−２０４を起点とし、子午線群２１１に沿って、子午線群２１１の長さの３０％位置に相当する。線分２０９−２１０は、水車入り口側の線分２０１−２０４を起点とし、子午線群２１１に沿って、子午線群２１１の長さの６０％位置に相当する。
【００１７】
領域２１２（ハッチング部）は、線分２０１−２０５、線分２０５−２０６、線分２０６−２０４および線分２０４−２０１によって囲まれる範囲を有する。領域２１３（ハッチング部）は、線分２０７−２０９、線分２０９−２１０、線分２１０−２０８および線分２０８−２０７によって囲まれる範囲を有する。
【００１８】
図４は、図３に示す子午線群２１１に沿って、ポンプ水車ランナの円形翼列を２次元直線翼列に展開して表したものである。この図において、羽根そり線３０１ａおよび３０１ｂは主翼１０１の羽根そり線であり、羽根そり線３０２は中間翼１０２の羽根そり線である。クリアランス３０５は、主翼１０１の水車出口側羽根端から隣合う主翼１０１までの最短距離である。また、クリアランス３０６は、主翼１０１の水車入口側羽根端から隣合う主翼１０１までの最短距離である。
【００１９】
直線３０７は、主翼１０１水車入口から、主翼１０１の子午線群２１１の長さの１０％水車出口側位置、すなわち図３中の線分２０５−２０６に相当する。領域３０８（ハッチング部）は、水車入口３０３、クリアランス３０６および主翼羽根そり線３０１ｂによって形成される領域と、水車入口３０３と直線３０７によって形成される領域の共通部分である。
【００２０】
直線３０９は、水車回転中心より距離が一定（以下、半径Ｒと称す）となる位置に相当する。羽根角度３１０は、半径Ｒにおける主翼１０１の羽根角度であり、羽根角度３１１は、半径Ｒにおける中間翼１０２の羽根角度である。
【００２１】
前述したように、中間翼１０２の水車入口側羽根端の位置は、翼長の長い主翼１０１の水車入り口側がなす円筒面と、主翼１０１によって形成される水車入り口部最小開口面積となる面との間に配置されるわけであるが、その位置とは、このハッチングした領域３０８内となるように形成されるのである。また、中間翼１０２の子午面形状では、水車入口は図３中の領域２１２に存在するのである。
【００２２】
一方、中間翼１０２の水車出口側羽根端位置は、図３中の領域２１３に存在し、クリアランス３０５より水車入口側となるように形成される。すなわち、主翼によって形成される水車出口部最小開口面積となる面より水車入り口側寄りに位置するように形成される。なお、この位置を主翼１０１の子午面上に投影された子午面流線長さとの関係でみてみると、主翼の子午面上に投影された子午面流線長さの３０〜６０％水車出口側寄りに位置することになる。
【００２３】
図９は、本発明の実施例を示したもので、この場合には、中間翼１０２の羽根角度３１１を、ランナ外径のほぼ８５％（仮線３０９）からランナ外径の範囲においては、主翼１０１の羽根角度より小さく形成するようにしたものである。
【００２４】
すなわち、中間翼１０２が主翼１０１よりも翼長が短いため、水車運転時、中間翼１０２に加わる翼負荷は、主翼１０１に加わる翼負荷より大きくなる。したがって、中間翼１０２の水車入口部の翼面圧力は、主翼１０１の水車入口部の翼面圧力より低下する傾向がある。そこで、中間翼１０２に加わる翼負荷を減じるために、図８に示されているように羽根最大外径のほぼ８５％から羽根最大外径の範囲に於いて、半径Ｒにおける中間翼の羽根角度３１１を主翼の羽根角度３１０以下とするようにしたものである。
【００２５】
なお、図８は、横軸は羽根最大外径距離を１００％とした場合の水車回転軸中心からの距離の割合を示している。縦軸は、図９（あるいは図４）における羽根角度３１０および羽根角度３１１を示している。角度分布７０１は主翼１０１の羽根角度３１０の分布を示したものである。角度分布７０２は中間翼１０２の羽根角度３１１の分布を示したものである。
【００２６】
次に、以上説明してきた本発明のポンプ水車と従来のポンプ水車とを、揚水量−揚程特性の関係から比較して見る。図５は、その揚水量−揚程特性を示したもので、特性４０１は従来のポンプ水車の揚水量−揚程特性であり、特性４０２は本発明のポンプ水車の特性である。
【００２７】
本発明のポンプ水車の特性４０２と従来のポンプ水車の特性４０１を比較すると、揚程変化幅ΔＨに対する揚水量変化は、従来のポンプ水車がΔＱ１であるのに対して、本発明のポンプ水車はΔＱ２になっており、本発明のポンプ水車の方が揚水量変化が少なくなっている。すなわち、主翼１０１のポンプ入口における羽根への流入角度変化が小さい。したがって、主翼１０１のポンプ入口翼端部における翼面圧力が低下し難くなり、主翼１０１のポンプ入口翼端部でのキャビテーション特性が向上していることを意味しているのである。
【００２８】
また、図６は、ポンプ水車ランナのポンプ出口部の模式図である。羽根端５０１はポンプ出口部の羽根であり、羽根角度はβである。一般に、ポンプ出口における流体の流出方向は、ポンプ出口羽根角度βに沿った流出方向５０２ではなく、ポンプ出口羽根角度βより若干小さい流出角度αをもつ流出方向５０３となる。これはポンプ出口において羽根の負圧面と圧力面との圧力差が急に無くなるので、圧力面から負圧面に向かう流れ５０４が引き起こされるからである。そのため、揚水運転時の全ヘッドは低下し、揚程が低下する。
【００２９】
ところで、圧力面と負圧面の圧力差は、羽根枚数が多くなる程小さくなり、流れ５０４は弱くなる。したがって、ポンプ水車ランナを構成する羽根枚数を増やすことにより揚程を増やすことが可能となるが、単にポンプ水車のもつ羽根形状のまま枚数を増やすと水車出口における最小開口面積が減少し、水車出力の低下が避けられない。そこで、翼長が異なる羽根をもつ中間翼付きポンプ水車ランナにより、水車出口における最小開口面積を減少させること無く、ポンプ出口における羽根枚数を増やし揚程を増加させることが可能となるのである。
【００３０】
図７は、図６に示したポンプ出口における速度三角形である。流れ５０４の効果はすべり速度ｋ×ｕ（ｋ：すべり係数、ｕ：周速）で表わされ、すべり係数ｋは流量によらずほぼ一定である。したがって、少流量において、ポンプ出口羽根枚数を増加させすべり係数ｋを小さくした場合の流出角α１＊と、もとの流出角度α１との差は大流量において、羽根枚数を増加させすべり係数ｋが小さくなった場合の流出角α２＊と元の流出角度α２の差より大きくなる。すなわち、ポンプ出口の羽根枚数を増やすことは、大流量における揚程増加量より、少流量時における揚程増加量が大きくなることを意味し、揚水量−揚程特性において、揚程変化に対する揚水量変化が小さくなり変落差特性が向上する。
【００３１】
以上説明してきたように、このように形成されたポンプ水車であると、ランナ出口で羽根枚数が低減されており、そのため同じ水車出力で設計してもランナ出口径を小さくすることが可能であり、またランナ出口径が小さくすることが可能であることから、ポンプ逆流開始点の流量を小さくすることができ、高落差効率向上を図ることができる。
【００３２】
また、短い翼長を有する羽根の水車入り口側端位置が、長い翼長を有する羽根の水車入り口側がなす円筒面と、長い翼長を有する羽根によって形成される水車入り口部最小開口面積となる面との間に位置しているので、短い翼長を有する羽根の外周側近傍での周速低下により、相対流量も低下し、中間翼の外周側での圧力低下が緩和され、たとえダムの利用水深範囲が大きく設定されても、発電運転時のランナ羽根外周側におけるキャビテーション特性が悪化することなく、広変落差に対応することが可能となるのである。
【００３３】
また、このように形成されたポンプ水車で、揚水量が少ない場合、従来のポンプ水車より揚程が高くなるので、同じ最高揚程で設計しても、そのランナ羽根外径は、従来のものより小さくすることが可能となるのである。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、ランナの体格や外形を変えることなく揚水運転範囲が変化してもキャビテーション特性が悪化することがなく、広変落差に対応，すなわち落差変動範囲を広くすることが可能なこの種のポンプ水車を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ポンプ水車の参考例を示す縦断側面図およびその水車ランナの平面図である。
【図２】  図１のポンプ水車に用いられる水車ランナの側面図である。
【図３】  図２に示すポンプ水車ランナの子午面形状である。
【図４】  図２に示すポンプ水車ランナの羽根そり線である。
【図５】  本発明のポンプ水車の揚水量−揚程特性である。
【図６】  ポンプ水車のポンプ出口における流出方向の模式図である。
【図７】  ポンプ水車のポンプ出口における速度三角形図である。
【図８】  ポンプ水車ランナの羽根角度分布図である。
【図９】  本発明のポンプ水車の実施例を示すもので、その水車ランナの平面図である。
【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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