(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シュラウド板とクラウン板と、これらシュラウド板とクラウン板との間に挟まれたランナベーンとが設けられ、前記ランナベーンの径方向先端が、前記シュラウド板およびクラウン板の外周端より内側に位置しているポンプ水車のランナにおいて、
前記シュラウド板またはクラウン板の少なくともいずれか一方の径方向外周端部には、径方向外周端面と軸方向外側面との間に除去部が設けられて、
該除去部の径方向内周端の径方向位置は、前記ランナベーンの径方向先端の近傍であり、ランナ周方向において、隣り合う前記ランナベーンの間にのみ設けられていることを特徴とするポンプ水車のランナ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプ水車のランナにおいて、
前記除去部は、径方向外側に傾斜する傾斜面を備えた面取り部であることを特徴とするポンプ水車のランナ。
【請求項３】
請求項２に記載のポンプ水車のランナにおいて、
前記面取り部は、ランナの中心軸を含む断面における断面視形状が、略４５°の傾斜をなしていることを特徴とするポンプ水車のランナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電などに使用されるポンプ水車のランナの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１(a)に示したものは、従来のフランシス型ポンプ水車である。図において、符号１はランナ、３はガイドベーン、４はガイドベーンアーム、５はリンク、６はガイドリング、７はステーベーン、８はステーベーン７を水圧から支持するスピードリング、９はケーシング、１０はランナ１の主軸、１１は主軸受、１２は上カバー、１３は下カバー、１４は吸出し管である。
ランナ１は、クラウン板１ａ、シュラウド板１ｂ、ランナベーン１ｃ、およびランナコーン１ｄにより構成されており、クラウン板１ａの上面中央部に主軸１０が固定されている。クラウン板１ａとシュラウド板１ｂとの間には水路が形成され、この水路中に複数のランナベーン１ｃが配置されている。
クラウン板１ａの上方には上カバー１２が配置されてクラウン板１ａを覆っている。シュラウド板１ｂの下方には下カバー１３が配置されており、ケーシング９とともにコンクリート１５に固定されている。
このように構成されたポンプ水車では、ポンプ運転の場合にはランナ１が回転することにより、吸出し管１４から水を吸い上げて送り出すことができ、また、水車運転の場合は水流によってランナ１が回転された後吸出し管１４を経て水が排出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ポンプ水車が大きな高低差の揚水に用いられる場合が多くなり、高回転数化が顕著である。従来では、ランナ１の水中における固有振動数が、ガイドベーン１ｃ枚数と回転数により決まる加振周波数に対して大きかったため、その共振が問題となることはなかった。しかしながら、高い回転数で使用されるようになってくると、加振周波数がランナ１の固有振動数とほぼ一致してしまうため、共振が発生してしまい、疲労強度の観点から問題となっていた。
共振を防ぐにはランナ１の質量を変化させることで固有振動数を加振周波数の上または下に設定すればよいが、そのためにはランナ１各部の板厚を大幅に増加、または減少させなければならず、容易ではなかった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、容易に共振を防止することができるポンプ水車のランナを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記実状に鑑みてランナの形状について鋭意検討したところ、シュラウド板またはクラウン板の少なくともいずれか一方の径方向外周端面と軸方向外側面との間に除去部を設けることにより、固有振動数を容易に増加させることができることを知見した。
固有振動数の調整は、ランナ各部の板厚を変化させてランナの質量を変化させることによっても行うことができる。しかし、本発明のように除去部を設けると、その質量変化に起因する固有振動数の変化よりも大きな固有振動数の増加を実現できることができることがわかった。これは、以下の理由によると考えられる。
水中におけるランナの固有振動数は、水の付加質量の効果によって、以下の式で表すことができる。
ランナ質量をｍｒ、ランナのばね定数をｋとおくと、空中では
固有振動数ｆ∝（ｋ／ｍｒ）0.5
である。一方、水中では水の付加質量ｍｗが作用するため、見かけ上、ランナ質量はｍｒ→ｍｒ＋ｍｗとなる。すなわち、水の付加質量の効果により、下記の水中低下率の分、固有振動数が低下する。
水中低下率α＝（ｍｒ／（ｍｒ＋ｍｗ））0.5
ｍｒ：ランナ質量、ｍｗ：水の付加質量
水の付加質量ｍｗはランナ質量ｍｒの３〜５倍に達し、固有振動数の水中低下率αに対して大きな影響を与える一方、ランナ質量ｍｒの水中低下率αに対する影響力は大きくない。
ランナ各部の板厚を変化させた場合はランナ質量ｍｒおよびばね定数ｋのみが変化するため水中低下率αはあまり変化しない。しかし、除去部を設けると、上カバーまたは下カバーとランナとの間の隙間流れが改善され、水の付加質量ｍｗが小さくなる。このため、水中低下率αが小さくなり、固有振動数が高くなるものと考えられる。
【０００６】
すなわち、本発明の請求項１に記載の発明は、シュラウド板とクラウン板と、これらシュラウド板とクラウン板との間に挟まれたランナベーンとが設けられ、前記ランナベーンの径方向先端が、前記シュラウド板およびクラウン板の外周端より内側に位置しているポンプ水車のランナにおいて、前記シュラウド板またはクラウン板の少なくともいずれか一方の径方向外周端部には、径方向外周端面と軸方向外側面との間に除去部が設けられ、該除去部の径方向内周端の径方向位置は、前記ランナベーンの径方向先端の近傍であり、ランナ周方向において、隣り合う前記ランナベーンの間にのみ設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の参考例は、前記除去部の径方向内周端の径方向位置は、前記ランナベーンの径方向先端の近傍であることを特徴とする。
【０００８】
除去部の径方向内周端がランナの径方向内側に位置しているほどランナのベーン付け根部の剛性が低下してしまい、ベーン付け根部の変形が大きくなり応力が高くなるおそれがある。そこで本発明のように除去部の径方向内周端の径方向位置をあまりランナの径方向内側に設定しないことにより、ランナの強度が確保される。
なお、除去部の径方向内周端の径方向位置は、ランナベーンの径方向先端と略一致しているか、径方向外側に位置している方がより高い強度が得られる。
【０００９】
本発明の参考例は、前記除去部は、ランナ周方向において、隣り合う前記ランナベーンの間に位置して設けられていることを特徴とする。
【００１０】
この発明の参考例においては、ランナベーンを避けて除去部が設けられていることにより、ランナの強度低下が防止される。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のポンプ水車のランナにおいて、前記除去部は、径方向外側に傾斜する傾斜面を備えた面取り部であることを特徴とする。
【００１２】
この発明においては、より効果的に固有振動数を増加させることができる。また、除去部としての面取り部を容易に加工することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のポンプ水車のランナにおいて、前記面取り部は、ランナの中心軸を含む断面における断面視形状が、略４５°の傾斜をなしていることを特徴とする。
【００１４】
この発明においては、より効果的に固有振動数を増加させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明および参考例の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１(b)に示したものは、本発明および参考例の一実施形態として示したフランシス型ポンプ水車である。図において、符号１はランナ、３はガイドベーン、４はガイドベーンアーム、５はリンク、６はガイドリング、７はステーベーン、８はステーベーン７を水圧から支持するスピードリング、９はケーシング、１０はランナ１の主軸、１１は主軸受、１２は上カバー、１３は下カバー、１４は吸出し管である。
ランナ１は、クラウン板１ａ、シュラウド板１ｂ、ランナベーン１ｃ、およびランナコーン１ｄにより構成されており、クラウン板１ａの上面中央部に主軸１０が固定されている。クラウン板１ｂとシュラウド板１ｂとの間には水路が形成され、この水路中に複数のランナベーン１ｃが配置されている。
クラウン板１ａの上方には上カバー１２が配置されてクラウン板１ａを覆っている。シュラウド板１ｂの下方には下カバー１３が配置されており、ケーシング９とともにコンクリート１５に固定されている。
【００１６】
さて、ランナ１の外周端部を図２に示した。図は、ランナ１の回転中心軸を含む平面による断面図である。
図において、破線Ａで示したものが従来のランナ外周端部の形状であり、実線Ｂで示したものが本例のランナ外周端部の形状である。図のように、ランナ１の外周端部には、クラウン板１ａとシュラウド板１ｂとの双方に面取り部（除去部）２０が設けられている。この面取り部２０は、クラウン板１ａおよびシュラウド板１ｂの端面１８ａ、１８ｂと、側面１９ａ、１９ｂの間の稜部に設けられ、これらに連続する面である。この面は、本断面において略４５度の傾斜をなし、高さ方向は約４５〜５０ｍｍ（ランナ径は３５００ｍｍ〜５０００ｍｍ）となっている。また、径方向内周端２１の径方向位置は、ランナベーン１ｃの先端部２２近傍となっている。
【００１７】
このように構成されたポンプ水車では、ランナ１が回転することにより、吸出し管１４から水を吸い上げて送り出すことができる。
ここで、本例のポンプ水車と従来のポンプ水車とで、ランナ振動応力を比較したものを図３に示した。図において、グラフのピークが共振点である。図のように、定格回転数付近で共振していた従来のポンプ水車（曲線Ｌ１）に比べ、本例（曲線Ｌ２）では固有振動数を１０％程度上昇することができ、定格回転数付近での共振を避けることができる。
【００１８】
このように、本例のポンプ水車のランナ１では、面取り部２０を設けることで、板厚に大きな変更を加えることなく、極めて容易に固有振動数を増加させることができる。
また、面取り部２０の内周端２１の径方向位置は、ランナベーン１ｃの先端部２２近傍に位置しているため、ランナの強度低下が抑えられる。
【００１９】
なお、図４に示すように、ランナの周方向において、ランナベーン１ｃとランナベーン１ｃとの間にのみ除去部２０’を設け、ランナベーン１ｃを避けるように構成してもよい。これにより、ランナ１’の強度低下をさらに防止することができる。
また、面取り部２０の角度は４５°に限定されるものではなく、他の角度であってもよい。
さらにまた、除去部としては、上記例における面取り部２０に限定されず、断面視曲面（凹面または凸面のＲ形状）や階段状であってもよい。また、除去部を設けるのは、クラウン側１ａとシュラウド側１ｂとのいずれか一方側でもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明および参考例のポンプ水車のランナにおいては、以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、固有振動数を容易に増加することができるため、共振の発生を防止することができる。
本発明の参考例によれば、除去部によるランナベーンの強度低下を防止することができる。
本発明の参考例によれば、除去部がランナベーンを避けて設けられているから、ランナベーンの強度低下を防ぐことができる。
請求項２に記載の発明によれば、除去部として面取り部を設けることにより、効果的に固有振動数を増加させることができる。また、容易に加工することができる。
請求項３に記載の発明によれば、より効果的に固有振動数を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ポンプ水車の側断面図であり、(a)は従来のランナを備えた水車ポンプ、(b)は本発明の一実施形態として示したランナを備えた水車ポンプである。
【図２】  本発明および参考例の一実施形態として示したランナの部分拡大側断面図である。
【図３】  同水車ポンプのランナによる固有振動数の変化を示したグラフである。
【図４】  本発明および参考例の他の例として示したランナの上面図である。
【符号の説明】
１、１’  ランナ
１ａ  クラウン板
１ｂ  シュラウド板
１ｃ  ランナベーン
２０、２０’  面取り部（除去部）
２１  面取り部の径方向内周端
２２  ランナベーンの径方向先端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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