(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端をクラウンとバンドで支持され、ランナの周方向に沿って長翼と短翼とを交互に配置するスプリッタランナを備えるポンプ水車において、
前記短翼のポンプ運転時の前縁における縁線は、前記縁線と前記バンドとの接続点側が、前記スプリッタランナの回転中心から前記縁線と前記クラウンとの接続点とを通る直線を基準に、ポンプ運転時の前記スプリッタランナの回転方向と逆方向に位置するように形成されるとともに、
前記スプリッタランナの回転中心から前記縁線と前記クラウンとの接続点とを通る直線と、前記スプリッタランナの回転中心から前記縁線と前記バンドとの接続点とを結ぶ直線とが前記回転中心に垂直な平面への投影線図上でなす角θｋ１が、
５°≦θｋ１≦１０°
であること
を特徴とするスプリッタランナを備えるポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長翼と短翼を周方向に沿って交互に配置するスプリッタランナを備えるポンプ水車に係り、特に短翼のポンプ運転時における入口側の縁部の形状に改良を加えるスプリッタランナを備えるポンプ水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にポンプ水車は、ランナの回転方向を変えることにより、発電運転およびポンプ運転のいずれにも自由に切り替えることができるようになっている。
【０００３】
ポンプ水車は、発電運転中、渦巻状のケーシングに流入する流水をガイドベーンを介してランナに案内し、ここでランナを回転駆動させ、その際に発生する回転トルクを主軸を介して発電機に与えるようになっている。
【０００４】
また、ポンプ運転中、ポンプ水車は、ランナを発電電動機の駆動力により、発電運転とは逆方向に回転駆動させ、吸出管の流水をランナ室に案内させ、ここでランナから流水にエネルギが与えられ、ガイドベーンおよび渦巻状のケーシングを介して上池（図示せず）に揚水させるようになっている。
【０００５】
このように、発電運転およびポンプ運転の両運転を自由に切り替えることのできるポンプ水車のランナは、周方向に沿って等ピッチで配置されるランナベーンを複数枚備えており、これらのランナベーンがそれぞれの上下を、主軸（回転軸）側に設けるクラウンと吸出管側に設けるバンドとの間に支持された構成となっている。
【０００６】
このような構成のランナを備えるポンプ水車は、図６に示すようにクラウン８に固設する同一長さのランナベーン７をランナ３の周方向に沿って６枚〜７枚設置するのが一般的であり（特開２０００−１３６７６６公報）、その使用実績も数多くなっている。
【０００７】
しかし、最近のポンプ水車では、水車運転時に落差や流量が変化した場合にも高効率な運転を可能とするためや、水車運転時、またはポンプ運転時にランナベーン７の入口側で発生するキャビテーションを抑制する等の目的で、例えば図７および図８に示すように、クラウン８に固設する長翼１０のランナベーン７と隣の長翼１０のランナベーン７との間に短翼１１のランナベーン７を配置する、いわゆるスプリッタランナが提案されている（特開２００１−９０６５０公報）。
【０００８】
なお、図８は、このようなスプリッタランナを回転軸に垂直な平面に投影し、吸出管側から見たランナの投影線図で、実線が長翼１０のランナベーン７であり、破線が短翼１１のランナベーン７である。
【０００９】
図８に示したように、こういったスプリッタランナにおいては、回転軸に垂直な平面への投影図上で、回転軸である主軸の中心点Ｏから、長翼１０とクラウン８端部の接続点Ｐ１を通る半径方向放射線ＲＬ１と、ポンプ運転時の長翼１０の前縁（長翼ポンプ入口端縁曲線）１２とが一致していることが多く、主軸の中心点Ｏ、長翼１０とクラウン８端部との接続点Ｐ１、および長翼１０とバンド９端部との接続点Ｑ１が半径方向放射線ＲＬ１上に配置されるように構成されている。そして、短翼１１についてもこの点は同様であり、回転軸に垂直な平面への投影図上で、回転軸である主軸の中心点Ｏから、短翼１１とクラウン８端部の接続点Ｐ２を通る半径方向放射線ＲＬ２と、ポンプ運転時の短翼１１の前縁（短翼ポンプ入口端縁曲線）１３とが一致していることが多く、主軸の中心点Ｏ、短翼１１とクラウン８端部との接続点Ｐ２、および短翼１１とバンド９端部との接続点Ｑ２が半径方向放射線ＲＬ２上に配置されるように構成されている。
【００１０】
スプリッタランナにおいては、長翼１０、短翼１１をそれぞれ４〜６枚ずつ交互に設けることで通常のポンプ水車よりもランナベーン７の枚数を多くしてランナベーン７一枚当りの翼負荷を低減させ、かつ、特にポンプ運転時の入口側においてランナベーン７の間の流路が極端に狭くならないようにできる。しかしながら短翼１１の長さが短すぎる場合には、水車運転時に短翼の翼負荷が減少してランナベーン７として有効に作用しなかったり、また、短翼の入口側におけるキャビテーション特性が悪化したりする恐れがあるため、短翼１１の長さは、ポンプ運転時の入口側（すなわち、水車運転時の出口側）において隣り合う長翼１０間で構成される入口ポートに干渉しない範囲で長くすることが望ましく、長翼１１の７０％〜８０％としていることが多い。図９は従来のスプリッタランナのバンド側におけるランナベーン７の配置を外側から見た展開模式図であるが、この図に示すように、短翼１１のポンプ運転時における前縁１３の位置が、長翼１０の前縁１２と隣の長翼１０の前縁１２とを結ぶ仮想前縁線ＩＬＥよりポンプ運転時において下流側に位置している。
【００１１】
このように、長翼１０と短翼１１とをランナ３の周方向に沿って交互に配置するスプリッタタイプのランナ３を備えるポンプ水車は、ランナベーン１枚当りの翼負荷を少なくさせるとともに、流水の整流効果を向上させて翼負圧面の圧力低下を抑制し、流水の持つエネルギの動力（回転トルク）への変換効率およびキャビテーション抑制を高めることのできる利点を持っているので、最近、にわかに注目され、研究開発が進められている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
スプリッタタイプのランナ３を備えるポンプ水車は、図９に示すように、ポンプ運転時、流水が長翼１０に対し、設計時の相対速度Ｗ０のベクトル（破線）で流入するとき、長翼１０の入口取付角度と流水の流入角との食違いが少ないので、キャビテーションを発生させていない。
【００１３】
しかし、運転状態が変り、ポンプ水車が低揚程運転となると、揚水量は増加するため、ポンプ水車には、流水が長翼１０に対し相対速度Ｗ０のベクトル（実線）で流入するようになる。このために長翼１０の圧力面１４のうち前縁１２周辺にキャビテーションＣＡＶが発生し易くなるが、この傾向は特にバンド９側で顕著である。
【００１４】
このような、低揚程でのポンプ運転時にランナベーン７入口のバンド９側圧力面に生じるキャビテーションＣＡＶは、長翼１０のみを備えるポンプ水車、スプリッタランナを備えるポンプ水車に関係なく発生するが、スプリッタランナを備えるポンプ水車では、図９に示したように、長翼１０のランナベーン７と隣の短翼１１のランナベーンとの流路幅ＦＷが狭いために、キャビテーションＣＡＶが発生することによってこの部位における流路が閉塞され易くなる。このため、従来のスプリッタランナを備えるポンプ水車においては、このような低揚程運転時にはポンプ効率が著しく低下することとなり、結果として低揚程側でのポンプ運転の運転範囲が狭くなるという問題があった。
【００１５】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、低揚程運転時、ランナベーンに発生するキャビテーションをより一層効果的に抑制し、結果としてより一層の低揚程運転幅を拡げ、ポンプ効率の向上を図ったスプリッタタイプのランナを備えるポンプ水車を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスプリッタタイプのランナを備えるポンプ水車は、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、両端をクラウンとバンドで支持され、ランナの周方向に沿って長翼と短翼とを交互に配置するスプリッタランナを備えるポンプ水車において、
前記短翼のポンプ運転時の前縁における縁線は、前記縁線と前記バンドとの接続点側が、前記スプリッタランナの回転中心から前記縁線と前記クラウンとの接続点とを通る直線を基準に、ポンプ運転時の前記スプリッタランナの回転方向と逆方向に位置するように形成されるとともに、
前記スプリッタランナの回転中心から前記縁線と前記クラウンとの接続点とを通る直線と、前記スプリッタランナの回転中心から前記縁線と前記バンドとの接続点とを結ぶ直線とが前記回転中心に垂直な平面への投影線図上でなす角θｋ１が、
５°≦θｋ１≦１０°
であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車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。
【００１８】
図１は、本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車の第１実施形態を示す図である。なお、図１は、主軸（回転軸）の中心線に垂直な平面に、吸出管側から見て投影するランナ投影線図である。
【００１９】
本実施形態に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車は、クラウン２０およびバンド２１と、これらの間にその上下を支持され、周方向に沿って配列された複数のランナベーン１６からなるランナ１５によって構成されている。これらのランナベーン１６は、実線で示す長翼１７と、破線で示す短翼１８とからなり、これらの長翼１７と短翼１８はランナ１５の周方向に沿って交互に配置されている。そして、このように交互に配置された長翼１７と短翼１８のうち短翼１８は、ポンプ運転時の水流の入口側となる前縁（短翼ポンプ入口端縁）１９の縁線ＬＥを、クラウン２０からバンド２１にかけて、主軸（回転軸）の中心点Ｏからの放射方向に対してポンプ運転時のランナ１５の回転方向ＲＶと逆方向（反時計方向）に向うように形成している。
【００２０】
すなわち、本実施形態は、短翼１８のポンプ運転時における前縁（短翼ポンプ入口端縁）１９の縁線ＬＥを、縁線ＬＥとバンド２１との接続点Ｋ１が、主軸（回転軸）の中心点Ｏから短翼１８とクラウン２０との接続点Ｊ１を通り、半径方向に延びる半径方向放射線ＲＬに対してポンプ運転時のランナ回転方向ＲＶと逆方向に位置するように形成している。
【００２１】
このような構成とすることで、本実施形態のスプリッタランナを備えるポンプ水車においては、短翼１８のバンド２１側における翼長が従来よりも短くなっている。図２は、本実施形態に係るランナ１５のバンド２１側におけるランナベーン１６の配置を外側から見た展開模式図であるが、この図に示すように、本実施形態によればバンド２１側において短翼１８のポンプ運転時の入口側で、短翼１８の位置を破線で示した従来の短翼１８ａよりもランナ１５の回転方向と逆方向に移動させていることがわかる。そして、これによって長翼１７の前縁２２付近においては短翼１８が存在しないため、流路幅を十分に取ることができる。
【００２２】
したがって、本実施形態では、運転状態の変化によってポンプ水車が低揚程運転となった場合に、流水が設計時の相対速度Ｗ０から相対速度Ｗで流入するように変化し、長翼１７のバンド２１側における圧力面２３のうち前縁２２周辺にキャビテーションＣＡＶが発生し発達成長しても、この部位における流路幅が十分に確保されているため流路の閉塞が起こりにくい。すなわち、本実施形態によれば、低揚程運転時においても効率の低下が起こりにくく、結果として低揚程側のポンプ運転の運転範囲を広く取り、ポンプ効率を向上させることができる。
【００２３】
また、本実施形態では、短翼１８のポンプ運転時の前縁１９を、バンド２１との接続点を移動させて形成したので、クラウン２０側における翼長は従来の短翼１８ａと大きく変らない。したがって単純に短翼１８の翼長を短くしたものとは異なりクラウン２０側においては比較的翼長を長く取ることができるので、水車運転時の短翼１８の翼負荷やキャビテーション特性に与える影響をできる限り少なくし、ポンプ運転時の効率を向上させている。
【００２４】
ここで、短翼１８における前縁１９の縁線ＬＥとバンド２１との接続点Ｋ１は、主軸（回転軸）の中心点Ｏを原点とし、これと縁線ＬＥとバンド２１との接続点Ｋ１を結ぶ仮想直線が、半径方向放射線ＲＬに対して、主軸（回転軸）に垂直な平面への投影線図上でなす角θｋ１が、
【数１】
0003782752.tif 000002
となるように決定することが望ましい。
【００２５】
この回転角θｋ１の決定にあたっては、低揚程でのポンプ運転時におけるキャビテーション特性改善の効果と、水車運転時の短翼１８の翼負荷分布や水車運転時の入口側に発生するキャビテーション特性に与える影響とを勘案して最適値となるようにするが、経験的には、縁線ＬＥを主軸（回転軸）に垂直な平面への投影線図上で直線状に形成する場合、５°≦θｋ１≦１０°とするときに最もよいバランスとなる。
【００２６】
図３は、本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車の第２実施形態を示しており、図１と同様に主軸（回転軸）の中心線に垂直な平面に投影して吸出管側から見たランナ投影線図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００２７】
本実施形態に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車についても、ランナ１５における短翼１８のポンプ運転時における前縁（短翼ポンプ入口端縁）１９の縁線ＬＥを、縁線ＬＥとバンド２１との接続点Ｋ１が、主軸（回転軸）の中心点Ｏから短翼１８の縁線ＬＥとクラウン２０との接続点Ｊ１を通り、半径方向に延びる半径方向放射線ＲＬに対してポンプ運転時のランナ回転方向ＲＶと逆方向に位置するように形成している点は第１実施形態と同様であるが、本実施形態においては、縁線ＬＥの形状をランナ１５の回転方向ＲＶに凸な曲線としたことを特徴としている。
【００２８】
すなわち、本実施形態においては、縁線ＬＥの主軸（回転軸）に垂直な平面上における極座標表示Ｋ（ｒ，θ）が、クラウン２０との接続点Ｊ１（ｒ０＝０，θ０＝０）を基点として、ここからバンド２１との接続点Ｋ１（ｒ１，θ１）にかけて、ランナ１５の回転方向ＲＶをθの正方向としたとき、
【数２】
0003782752.tif 000003
となるように構成している。
【００２９】
このように、本実施形態は、第１実施形態で述べたものよりも、短翼１８のポンプ運転時における前縁１９の縁線ＬＥをランナ１５の回転方向ＲＶ側に膨らんだ形状、すなわちランナ１５の回転方向ＲＶに凸な曲線としている。これによって、特にクラウン２０側において短翼１８の翼長をそれほど短くせずに、かつバンド２１側では隣接する長翼１７との翼間を十分広く取ることができる。つまり、この実施形態によれば、短翼１８の長さを必要以上に短くせずに済むので、水車運転時に短翼１８に作用する負荷分布や水車運転時の入口側キャビテーション特性に与える影響を最小限に抑えながら、かつ、低揚程でのポンプ運転時に長翼１７のバンド２１側前縁圧力面に発生するキャビテーションによって、長翼１７と隣接する短翼１８との間の流路の閉塞を起こりにくくすることができる。そして、その結果として、低揚程でのポンプ運転時においても効率の低下が起こりにくく、結果として低揚程側のポンプ運転の運転範囲を広く取り、ポンプ効率を向上させることができる。
【００３０】
さらに本実施形態はこの例に限らず、例えば、図４に示すように、短翼１８のポンプ運転時における前縁１９の縁線ＬＥを、主軸（回転軸）に垂直な投影面上で、クラウン２０との接続点Ｊ１（ｒ０＝０，θ０＝０）からバンド２１との接続点Ｋ１（ｒ１，θ１）にかけて、その中間点であるＫｍ（ｒｍ，θｍ）までを半径方向放射線ＲＬの直線上に形成し、そこから先をランナ１５の回転方向ＲＶに凸な曲線となるように構成してもよい。
【００３１】
図５は、本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車の第３実施形態を示しており、図１と同様に主軸（回転軸）の中心線に垂直な平面に投影して吸出管側から見たランナ投影線図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００３２】
本実施形態に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車についても、ランナ１５における短翼１８のポンプ運転時における前縁（短翼ポンプ入口端縁）１９の縁線ＬＥを、縁線ＬＥとバンド２１との接続点が、主軸（回転軸）の中心点Ｏから短翼１８の縁線ＬＥとクラウン２０との接続点Ｊ１を通り、半径方向に延びる半径方向放射線ＲＬに対してポンプ運転時のランナ回転方向ＲＶと逆方向に位置するように形成している点は第１実施形態，第２実施形態と同様であるが、本実施形態においては、縁線ＬＥの形状をランナ１５の回転方向ＲＶに凹な曲線としたことを特徴としている。
【００３３】
すなわち、本実施形態においては、縁線ＬＥの主軸（回転軸）に垂直な平面上における極座標表示Ｋ（ｒ，θ）が、クラウン２０との接続点Ｊ１（ｒ０＝０，θ０＝０）からバンド２１との接続点Ｋ１（ｒ１，θ１）にかけてランナ１５の回転方向ＲＶに対して凹な曲線、つまり縁線ＬＥとクラウン２０との接続点Ｊ１を基点として、ランナ１５の回転方向をθの正方向としたとき、
【数３】
0003782752.tif 000004
となるように形成している。
【００３４】
ここで、縁線ＬＥのうち、クラウン２０とバンド２１の中間に位置する点Ｋｍ（ｒｍ，θｍ）を設け、クラウン２０との接続点Ｊ１（ｒ０＝０，θ０＝０）から点Ｋｍ（ｒｍ，θｍ）までをランナ１５の回転方向に対して凹な曲線とし、点Ｋｍからバンド２１との接続点Ｊ２（ｒ１，θ１）までを主軸（回転軸）に垂直な平面への投影図上で直線となるように形成してもよい。
【００３５】
このような構成とすることによっても、第２の実施形態と同様に、クラウン２０側においては短翼１８の翼長をそれほど短くせずに、かつバンド２１側では隣接する長翼１７との翼間を十分広く取ることができる。特に、この実施形態によれば、短翼１８の縁線ＬＥを主軸（回転軸）に垂直な平面への投影図上でランナの回転方向ＲＶに対して凹な形状にしたので、ポンプ運転時に長翼１７前縁のバンド２１側だけでなく、クラウン２０側に入った位置（より主軸（回転軸）の中心点Ｏ側）でキャビテーションが発生するような場合であっても、キャビテーション特性を大きく改善することができる。そして、ポンプ運転時にキャビテーションがほとんど発生することのないクラウン２０側においては、短翼１８の長さを長く取っているので、水車運転時に短翼１８に作用する負荷分布や水車運転時の入口側キャビテーション特性に与える影響は比較的小さくすることができる。すなわち、本実施形態によれば、低揚程でのポンプ運転時に長翼１７のバンド２１側前縁圧力面に発生するキャビテーションによって、長翼１７と隣接する短翼１８との間の流路の閉塞を起こりにくくすることができるので、低揚程でのポンプ運転時においてもキャビテーションの発生による効率の低下が起こりにくく、結果として低揚程側のポンプ運転の運転範囲を広く取り、ポンプ効率を向上させることができる。
【００３６】
以上説明した各実施形態は、短翼１８のポンプ運転時の前縁（短翼ポンプ入口端縁）１９の縁線ＬＥを、縁線ＬＥとバンド２１との接続点が、主軸（回転軸）の中心点Ｏから短翼１８とクラウン２０との接続点Ｊ１を通り、半径方向に延びる半径方向放射線ＲＬに対してポンプ運転時のランナ回転方向ＲＶと逆方向に位置するように形成するものであり、この際に縁線ＬＥを、主軸（回転軸）に垂直な平面に対する投影線面上で種々の直線あるいは曲線としているが、この縁線ＬＥの主軸（回転軸）に垂直な平投影面上での形状については、ポンプ水車の立地によって定まる特性によって、直線、回転方向ＲＶに対して凸な曲線、あるいは回転方向ＲＶに対して凹な曲線を選択して適用すればよい。つまり、ポンプ水車の立地から定まる落差、流量等の条件に最適な短翼１８の形状を上述の各実施形態によって適用すれば、水車運転時の特性に与える影響を最小限に抑えて、かつ低揚程でのポンプ運転時においても効率の低下が起こりにくいランナ１５を提供することができる。そして、その結果として低揚程側のポンプ運転の運転範囲を広く取り、ポンプ効率を向上させることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るスプリッタタイプのランナを備えるポンプ水車は、ランナの周方向に沿って長翼と短翼とを交互に配置する際、短翼の前縁の高さ方向の縁線を、ポンプ運転時のランナ回転方向と逆方向に向う位置に配置し、隣りの長翼におけるバンド側の前縁の高さ方向の縁線との距離をより一層拡げているので、長翼の圧力面にキャビテーションが発生しても流水の閉塞をさせにくくして低揚程運転の幅を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車の第１実施形態を示し、ランナを主軸（回転軸）に垂直な平面に投影して吸出管側から見た一部切欠ランナ投影線図。
【図２】図１のランナのバンド側におけるランナベーンの配置を外側から見た展開模式図。
【図３】本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車の第２実施形態を示し、ランナと主軸（回転軸）に垂直な平面に投影して吸出管側から見た一部切欠ランナ投影線図。
【図４】本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車の第２実施形態の変形例を示し、ランナと主軸（回転軸）に垂直な平面に投影して吸出管側から見た一部切欠ランナ投影線図。
【図５】本発明に係るスプリッタランナを備えるポンプ水車の第３実施形態を示し、ランナを主軸（回転軸）に垂直な平面に投影して吸出管側から見た一部切欠ランナ投影線図。
【図６】吸出管側から見てバンドを取り除いた従来のポンプ水車のランナを示す斜視図。
【図７】吸出管側から見てバンドを取り除いた従来のポンプ水車のスプリッタランナを示す平面図。
【図８】従来のスプリッタランナを備えるポンプ水車を示し、主軸（回転軸）に垂直な平面に投影して吸出管側から見た一部切欠ランナ投影線図。
【図９】図８のランナのバンド側におけるランナベーンの配置を外側から見た展開模式図。
【符号の説明】
３  ランナ
７  ランナベーン
８  クラウン
９  バンド
１０  長翼
１１  短翼
１２，１３  前縁
１４  圧力面
１５  ランナ
１６  ランナベーン
１７  長翼
１８，１８ａ  短翼
１９  前縁
２０  クラウン
２１  バンド
２２  前縁
２３  圧力面
【図１】
0003782752.tif 000005
【図２】
0003782752.tif 000006
【図３】
0003782752.tif 000007
【図４】
0003782752.tif 000008
【図５】
0003782752.tif 000009
【図６】
0003782752.tif 000010
【図７】
0003782752.tif 000011
【図８】
0003782752.tif 000012
【図９】
0003782752.tif 000013