(57)【要約】【課題】運転範囲を拡大しつつキャビテーション性能の向上を図ることができる斜流水車および軸流水車のランナベーンを提供する。【解決手段】ランナボスの円周方向に所定の間隔を開けて複数枚の主羽根を設けるとともに、ランナボスの回転軸線方向における羽根長さが主羽根のそれよりも短い補助羽根を主羽根の間にそれぞれ設け、ランナの出口面積を大きく取る。また、補助羽根の入口端あるいは出口端を主羽根の圧力面あるいは負圧面に寄せることにより、主羽根の圧力面と負圧面の間の圧力差を緩和して主羽根のキャビテーション性能を向上させる。【選択図】図２
2009257184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
斜流水車および軸流水車のランナベーンであって、ランナボスの円周方向に所定の間隔を開けて複数枚の主羽根を設けるとともに、前記ランナボスの回転軸線方向における羽根長さが前記主羽根のそれよりも短い補助羽根を前記主羽根の間にそれぞれ設けたことを特徴とする斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【請求項２】
前記補助羽根は、その径方向の長さが前記主羽根のそれと同等であることを特徴とする請求項１に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【請求項３】
前記補助羽根は、前記ランナボスの円周方向におけるそれらの間隔が異なるように配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【請求項４】
前記補助羽根は、その出口端が前記主羽根の圧力面側に寄せて配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【請求項５】
前記補助羽根は、その出口角度が前記主羽根の出口角度よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項４に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【請求項６】
前記補助羽根は、その入口端が前記主羽根の負圧面側に寄せて配設されていることを特徴とする請求項１に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【請求項７】
前記補助羽根は、その入口角度が前記主羽根の入口角度よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項６に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【請求項８】
前記補助羽根は、その入口端の厚みが前記主羽根のそれよりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、斜流水車および軸流水車のランナベーンに関し、より詳しくは、運転範囲を拡大させながらキャビテーション性能を向上させることができるように改良する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水力発電所においては、図１２に示したように、上流よりケーシング１内に流入した流水がステーべーン２、および流量を調整するための開閉機能を有したガイドベーン３を通過し、図示されない発電機と一体に回転するランナボス４の周囲に至る。
そして、この流水は、ランナボス４の円周方向に所定の間隔を開けて配設されている複数枚のランナベーン（主羽根）５に作用し、ランナボス４を回転させることにより発電機を回転させて発電した後、吸出管６を通って下流あるいは下池へと放出される。
【０００３】
ところで、ランナベーン５の枚数を増やすと、ランナベーン５の各１枚にかかる負荷が低減するのでキャビテーション特性は良好となるが、ランナベーン５の枚数を増加させるとランナベーン出口面積が減少するため発電出力の減少を伴う。
これにより、発電出力を増大させる、すなわち流水量の大きい領域まで運転範囲を拡大し、かつキャビテーション特性をよくするには、ランナベーン５の羽根枚数を増やしつつ、ランナベーン出口面積を大きくすることが効果的である。
【０００４】
このとき、ランナベーン出口面積を増大させるにはランナベーン５の出口羽根角度を大きくする必要があるが、ランナベーン５の出口羽根角度を大きくすると吸出管６へと流出するランナベーン出口の流れの旋回成分が増加し、吸出管性能が悪化する恐れがある。
また、流れ方向の断面積変化において、ランナベーン出口羽根角度を大きくすることで羽根間の適正な断面積変化を保てず、流れが乱れる可能性もある。
【０００５】
また、キャビテーション性能向上を図る施策としては、特許第２９５４３０８号の「流体機械の翼」に記載されている羽根先端の形状を定義する方法や、特開平７−５４７５２号公報「軸流水車のランナ羽根」に記載されているランナの形状を定義する方法などが知られている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２９５４３０８号公報
【特許文献２】特開平７−５４７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１および特許文献２に記載されている技術は、キャビテーションによる水車性能の低下を抑制するためにランナベーンの形状に特徴を加えたものであり、キャビテーションの発生を抑制することはできるが、運転範囲を拡大させることは難しい。
【０００８】
そこで本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、運転範囲を拡大しながらキャビテーション性能の向上を図ることができる斜流水車および軸流水車のランナベーンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決する請求項１に記載した手段は、斜流水車および軸流水車のランナベーンであって、ランナボスの円周方向に所定の間隔を開けて複数枚の主羽根を設けるとともに、前記ランナボスの回転軸線方向における羽根長さが前記主羽根のそれよりも短い補助羽根を前記主羽根の間にそれぞれ設けることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載した手段は、請求項１に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーンにおいて、前記補助羽根の径方向の長さが前記主羽根のそれと同等であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載した手段は、請求項１または２に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーンにおいて、前記補助羽根が、前記ランナボスの円周方向におけるそれらの間隔が異なるように配設されることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載した手段は、請求項１または２に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーンにおいて、前記補助羽根が、その出口端が前記主羽根の圧力面側に寄せて配設されることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載した手段は、請求項４に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーンにおいて、前記補助羽根が、その出口角度が前記主羽根の出口角度よりも大きく設定されることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載した手段は、請求項１に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーンにおいて、前記補助羽根が、その入口端が前記主羽根の負圧面側に寄せて配設されることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載した手段は、請求項６に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーンにおいて、前記補助羽根が、その入口角度が前記主羽根の入口角度よりも大きく設定されることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載した手段は、請求項１または２に記載した斜流水車および軸流水車のランナベーンにおいて、前記補助羽根が、その入口端の厚みが前記主羽根のそれよりも大きくなるように設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、運転範囲を拡大しながらキャビテーション性能の向上を図ることができる斜流水車および軸流水車のランナベーンを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１乃至図１１を参照し、本発明に係る斜流水車および軸流水車のランナベーンの各実施形態について詳細に説明する。
なお、以下の説明においては、前述した従来技術を含めて同一の部分には同一の符号を用いて重複した説明を省略する。
【００１９】
第１実施形態
まず最初に図１〜図４を参照し、第１実施形態のランナベーンについて説明する。
【００２０】
図１に示したように、本第１実施形態のランナベーン１０を備える軸流水車は、図１２に示した従来の軸流水車におけるランナベーンを変更したもので、それ以外の部分は同一構造となっている。
【００２１】
このランナベーン１０は、ランナボス４の円周方向に所定の間隔を開けて複数枚の主羽根１１を設けるとともに、ランナボス４の回転軸線方向における羽根長さが主羽根１１のそれよりも短い補助羽根１２を主羽根１１の間にそれぞれ設けたものである。
具体的に説明すると、図１中に示した矢印Ｂ方向からランナベーン１０を見たときの展開図である図２に示したように、ランナボス４の回転軸線方向における主羽根１１の羽根長さがＬ１であるのに対して、補助羽根１２の羽根長さはＬ２であり、Ｌ１＞Ｌ２となっている。
なお、補助羽根１２は円周方向に隣接する一対の主羽根１１，１１の間にそれぞれ１枚ずつ設けられており、それらの円周方向の間隔は同一となっている。
【００２２】
これにより、本第１実施形態のランナベーン１０においては、図２中に円形領域Ａ１を用いて模式的に示したように、ランナの出口面積を大きく取ることができる。
これに対して、図３に示したように、主羽根５と同じ羽根長さＬ１を有する補助羽根７を設けた場合には、図３中に円形領域Ａ２を用いて模式的に示したように、ランナの出口面積はかなり小さいものとなる。
したがって、本第１実施形態のランナベーン１０によれば、流水量を増大させて運転範囲を拡大することができる。
【００２３】
また、本第１実施形態のランナベーン１０は主羽根１１に補助羽根１２を加えたものであって羽根の枚数が増加しているから、主羽根１１のみのランナに比較すると羽根１枚にかかる翼負荷が減少し、羽根負圧面側での急激な圧力低下が弱まるから、キャビテーション性能を向上させることができる。
さらに、補助羽根１２の径方向長さが主羽根１１のそれと同等である場合は、補助羽根１２の羽根としての効果が大きくなって整流効果を更に高めることができる。
【００２４】
第１変形例
図４に示した第１変形例のランナベーン２０においては、円周方向に隣接する一対の主羽根２１，２１の間に２枚の補助羽根２２，２２が設けられている。
この場合も、図４中に円形領域Ａ３を用いて模式的に示したようにランナの出口面積を大きく取ることができるから、第１実施形態のランナベーン１０と同様の効果を得ることができる。
なお、円周方向に隣接する一対の主羽根２１，２１の間により多くの枚数の補助羽根２２を設けることもできる。
【００２５】
第２実施形態
図５に示した第２実施形態のランナベーン３０は、円周方向に隣接する一対の主羽根３１，３１の間にそれぞれ２枚の補助羽根３２，３２を設けたものであるが、これらの補助羽根３２の円周方向の間隔は一定ではなく、Ｗ１＞Ｗ２となるように異なっている。
【００２６】
すなわち、主羽根３１，３１の間に設置する補助羽根３２を主羽根３１の圧力面３１ａ側に寄せて設置すると、主羽根出口における主羽根圧力面３１ａ、負圧面３１ｂの間の圧力差が緩和されるので、主羽根出口のキャビテーション性能を向上させることができる。
【００２７】
また、補助羽根３２を主羽根３１の負圧面側３１ｂ側に寄せて設置すると、主羽根入口における羽根圧力面３１ａ、負圧面３１ｂの間の圧力差が緩和されるので、主羽根入口に発生する主羽根３１の入口キャビテーション性能を向上させることができる。
【００２８】
したがって、本第２実施形態のランナベーン３０によれば、上述した第１実施形態のランナベーン１０におけるキャビテーション性能をさらに向上させることができる。
【００２９】
第３実施形態
図６に示した第３実施形態のランナベーン４０は、図２に示した第１実施形態のランナベーン１０に対し、補助羽根４１の出口端４１ａを主羽根１１の圧力面１１ａ側へ寄せた構造となっている。
【００３０】
すなわち、本第３実施形態のランナベーン４０においては、補助羽根４１の出口側の端部４１ａが主羽根１１の圧力面１１ａ側に寄っているため、主羽根出口における主羽根１１の圧力面１１ａ，負圧面１１ｂの間の圧力差が緩和され、主羽根出口のキャビテーション性能を向上させることができる。
【００３１】
第２変形例
図７に示した第２変形例のランナベーン５０は、ランナボスの回転軸線に対して垂直に延びる平面に対する補助羽根５１の出口角度β２を、主羽根１１の出口角度β１よりも大きくした構造となっている。
これにより、補助羽根５１の出口端５１ａを主羽根１１の圧力面１１ａ側に寄せることができるから、第３実施形態のランナベーン４０と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
第４実施形態
図８に示した第４実施形態のランナベーン６０は、補助羽根６１の入口端６１ａを主羽根１１の負圧面１１ｂ側に寄せた構造となっている。
【００３３】
すなわち、本第４実施形態のランナベーン６０においては、補助羽根６１の入口端６１ａが主羽根１１の負圧面１１ｂ側に寄っているため、主羽根入口おける主羽根１１の圧力面１１ａ，負圧面１１ｂの間の圧力差が緩和され、主羽根入口キャビテーション性能を向上させることができる。
【００３４】
第３変形例
図９に示した第３変形例のランナベーン７０は、ランナボスの回転軸線に対して垂直に延びる平面に対する補助羽根７１の入口角度α２を、主羽根１１の入口角度α１よりも大きくした構造となっている。
これにより、補助羽根７１の入口端７１ａを主羽根１１の負圧面１１ｂ側に寄せることができるから、第４実施形態のランナベーン６０と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
第５実施形態
図１０に示した第５実施形態のランナベーン８０は、補助羽根８１の入口端８１ａの厚みを、主羽根１１の入口端１１ｃの厚みよりも厚くした構造となっている。
すなわち、補助羽根８１の入口端８１ａの形状を厚くて丸み半径の大きい鈍頭形状としたことにより、流れの剥離が抑制され、補助羽根８１の両面の圧力差を緩和することができるから、補助羽根８１の入口キャビテーション性能を向上させることができる。
【００３６】
なお、主羽根１１の入口キャビテーション性能は、第４実施形態のランナベーン６０と同様に、補助羽根８１の入口端８１ａを主羽根１１の負圧面１１ｂ側に寄せることにより向上させることができる。
したがって、本第５実施形態のランナベーン８０と組み合わせることにより、主羽根１１および補助羽根８１の両方の入口キャビテーション性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態のランナベーンを備えた軸流水車の断面図。
【図２】図１に示した矢印Ｂ方向から見た第１実施形態のランナベーンを示す図。
【図３】軸線方向長さが等しい補助羽根を設けた場合のランナベーンを示す図。
【図４】第１変形例のランナベーンを示す図。
【図５】第２実施形態のランナベーンを示す図。
【図６】第３実施形態のランナベーンを示す図。
【図７】第２変形例のランナベーンを示す図。
【図８】第４実施形態のランナベーンを示す図。
【図９】第３変形例のランナベーンを示す図。
【図１０】第５実施形態のランナベーンを示す図。
【図１１】図１０の要部を拡大して示す図。
【図１２】従来のランナベーンを備えた軸流水車の断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１  ケーシング
２  ステーべ一ン
３  ガイドベーン
４  ランナボス
５  ランナベーン（主羽根）
６  吸出管
７  補助羽根
１０  第１実施形態のランナベーン
１１  主羽根
１２  補助羽根 
２０  第１変形例のランナベーン
２１  主羽根
２２  補助羽根
３０  第２実施形態のランナベーン
３１  主羽根
３２  補助羽根
４０  第３実施形態のランナベーン
４１  補助羽根
５０  第２変形例のランナベーン
５１  補助羽根
６０  第４実施形態のランナベーン
６１  補助羽根
７０  第３変形例のランナベーン
７１  補助羽根
８０  第５実施形態のランナベーン
８１  補助羽根
α１  主羽根入口角度
α２  補助羽根入口角度
β１  主羽根出口角度
β２  補助羽根出口角度
【図１】
2009257184.tif 000003
【図２】
2009257184.tif 000004
【図３】
2009257184.tif 000005
【図４】
2009257184.tif 000006
【図５】
2009257184.tif 000007
【図６】
2009257184.tif 000008
【図７】
2009257184.tif 000009
【図８】
2009257184.tif 000010
【図９】
2009257184.tif 000011
【図１０】
2009257184.tif 000012
【図１１】
2009257184.tif 000013
【図１２】
2009257184.tif 000014