(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナクラウンとランナバンドとの間に複数枚のランナ羽根を円周方向に等間隔をおいて固定保持したポンプ水車のランナにおいて、
前記ランナ羽根の水車羽根出口端近くの羽根厚を羽根中央部の羽根厚より局部的に大きく設定することにより羽根裏面および羽根表面の少なくとも一方に膨出部を形成するとともに、
この膨出部の前後を滑らかな曲面で接続することにより、前記ランナ羽根の水車羽根出口端の拡がり角度を、前記膨出部を形成しない場合における前記水車羽根出口端の拡がり角度よりも大きくし、
上記膨出部が水車流れ方向に向かって羽根断面が膨らみ始める位置と水車羽根出口端との間の円周方向の角度をθｓ、隣接する一対のランナ羽根の羽根出口端の間の円周方向のピッチ角度をθ０としたとき、θｓがθｓ≦１．２θ０の関係にあることを特徴とするポンプ水車のランナ。
【請求項２】
ランナクラウンとランナバンドとの間に複数枚のランナ羽根を円周方向に等間隔をおいて固定保持したポンプ水車のランナにおいて、
前記ランナ羽根の水車羽根出口端近くの羽根厚を羽根中央部の羽根厚より局部的に大きく設定することにより羽根裏面および羽根表面の少なくとも一方に膨出部を形成するとともに、
この膨出部の前後を滑らかな曲面で接続することにより、前記ランナ羽根の水車羽根出口端の拡がり角度を、前記膨出部を形成しない場合における前記水車羽根出口端の拡がり角度よりも大きくし、
上記ランナ羽根のうち上記膨出部が水車流れ方向に向かって羽根断面が膨らみ始める位置での羽根厚をＢ０としたとき、水車羽根出口端を中心にしてＢ０／２を半径として描いた仮想円と羽根表面及び羽根裏面と交わってできる交点を通り、かつ羽根表面及び裏面の羽根形状曲線に接する接線をそれぞれ引き、両接線のなす角度をαとした時、αが、３５°≦α≦６０°の関係にあることを特徴とするポンプ水車のランナ。
【請求項３】
上記ランナ羽根の水車羽根出口端における最大羽根厚がランナバンドとランナクラウン間の中央からランナバンドに向けて徐々に増加するように設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のポンプ水車のランナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はポンプ水車のランナに係り、特にキャビテーションに対する性能を改善したランナの羽根形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポンプ水車のランナはその回転方向を変えることにより発電及び揚水運転を行うことができる。
【０００３】
図８はポンプ水車の構造の概略を示しており、発電運転中ケーシング１に流入した水はランナ２に流入し、これを回転駆動して吸出し管３から排出される。逆に揚水運転モード中は図示しない発電電動機により発電運転時とは逆方向にランナ２が回転駆動され、吸出し管３を通してランナ室内へ導かれた水はランナ２でエネルギを与えられ、ケーシング１を介して上池（図示せず）に揚水される。
この種のポンプ水車のランナ２は円周方向に等配された複数枚のランナ羽根４を有し、これらのランナ羽根４は、主軸５の下端に結合されたランナクラウン６とランナバンド７との間に固定されている。
【０００４】
図９はランナ２を水車出口側から見た図を示しているが、ランナ羽根の水車流れ方向の出口側先端（以下水車羽根出口端という）８はほぼ半径方向に放射状に延在している。
この水車羽根出口端８の羽根断面形状は主に揚水運転条件から決定される。図１０（ａ）（ｂ）は揚水運転時における図８のＡ−Ａ断面の水車羽根出口端における流れの速度三角形を示し、流れの絶対速度Ｃはランナ周速Ｕ及び相対速度Ｗに分解される。図１０（ａ）は、小流量である高揚程運転時の状態を示している。この状態では羽根角度β０に対しランナ周速Ｕと相対速度Ｗとのなす相対流入角βが小さくなる。その結果、羽根裏面４ａで圧力が大きく低下し、そしてこの圧力が蒸気圧以下になるとキャビテーション（一般にこの位置で発生するキャビテーションをＫ２という）が発生するようになる。このキャビテーションが長時間発生するとキャビテーション発生部付近で壊食が起こるようになる。
【０００５】
これに対して、図１０（ｂ）は、大流量である低揚程運転時の状態を示している。この状態では、水の相対流入角βは羽根角度β０より大きくなって、羽根表面４ｂで圧力が大きく低下し、高揚程運転時とは逆に羽根表面４ｂ側にキャビテーション（一般にこの位置で発生するキャビテーションをＫ１という）が発生するようになる。
キャビテーション発生をある程度抑制するために、図１１に示したように、水車羽根出口端部の羽根形状を実線で示した流線形にすることが知られている。このように羽根先端広がり角度αを大きめにし、かつ滑らかな流線形曲面にすると、破線で示した形状に比べ先端付近の圧力低下が小さく、キャビテーションが発生しにくくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにポンプ水車は発電水車運転及び揚水ポンプ運転を同一ランナを用いて行うため、ランナ内を通過する水は運転モードにより流れの方向が可逆となることから、従来のランナ羽根は両者の性能を考慮し、ランナ羽根の厚さは水車入口及び出口側の両先端部を除き流れ方向に沿ってほぼ等厚で、各先端部は先端に向かい羽根厚が単調に薄くなる形状となっている。
その上、ポンプ水車ランナの羽根の羽根厚は比較的薄いので、上述の羽根先端広がり角度αを大きくすることができないため、キャビテーション性能を大きく改善することができないという問題を有している。
【０００７】
揚水発電所におけるポンプ水車の最高揚程から最低揚程までの揚程変化幅（水車運転から見て落差変化幅）はキャビテーションに対する性能から制限を受けることになる。従って、従来のポンプ水車のランナでは揚程もしくは落差の変化幅を大きくすることができない。このため、発電運転もしくは揚水運転での運転時間が短くなり、運用効率が悪くなる。また、ダムの有効に利用できない貯水量が多くなり、資源を有効に活用することができないといった問題がある。
そこで、本発明の目的は、揚水運転時にポンプ水車のランナに発生するキャビテーション性能を向上させ、運転可能な揚程、落差変化幅を拡大することができるポンプ水車のランナを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、ランナクラウンとランナバンドとの間に複数枚のランナ羽根を円周方向に等間隔をおいて固定保持したポンプ水車のランナにおいて、前記ランナ羽根の水車羽根出口端近くの羽根厚を羽根中央部の羽根厚より局部的に大きく設定することにより羽根裏面および羽根表面の少なくとも一方に膨出部を形成するとともに、この膨出部の前後を滑らかな曲面で接続することにより、前記ランナ羽根の水車羽根出口端の拡がり角度を、前記膨出部を形成しない場合における前記水車羽根出口端の拡がり角度よりも大きくしたことを特徴とするものである。
【０００９】
この構成にあっては、上記膨出部が水車流れ方向に向かって羽根断面が膨らみ始める位置と水車羽根出口端との間の円周方向の角度をθｓ、隣接する一対のランナ羽根の羽根出口端の間の円周方向のピッチ角度をθ０としたとき、θｓがθｓ≦１．２θｏの関係にあることが望ましい。
【００１０】
また、上記ランナ羽根のうち上記膨出部が水車流れ方向に向かって羽根断面が膨らみ始める位置での羽根厚をＢ０としたとき、水車羽根出口端を中心にしてＢ０／２を半径として描いた仮想円と羽根表面及び羽根裏面と交わってできる交点を通り、かつ羽根表面及び裏面の羽根形状曲線に接する接線をそれぞれ引き、両接線のなす角度をαとした時、αが、３５°≦α≦６０°の関係にあることが望ましい。
また、上記ランナ羽根の水車羽根出口端における最大羽根厚がランナバンドとランナクラウン間の中央からランナバンドに向けて徐々に増加するように設定することが望ましい。
【００１１】
【作用】
本発明によるポンプ水車ランナでは、ランナ羽根先端近傍の羽根厚が厚くなるのでランナ羽根先端広がり角度を大きく、かつ滑らかな流線形状とすることができるため、羽根先端部の圧力低下を抑制することができ、従って、揚水運転時のキャビテーションに対する性能を向上させることができる。
【００１２】
【実施例】
以下本発明によるポンプ水車のランナの実施例を図１を参照して説明する。
図１は図８のＡ−Ａ線に沿って切断して示した隣り合った一対のランナ羽根の縦断面形状を示している。
図１において、ランナ羽根４の水車羽根出口端８に近い羽根裏面４ａには、膨出部１０が形成され、角度θｓの範囲が滑らかな曲線で接続されている。言い換えれば、ランナ羽根４の中央部の羽根厚Ｂ０に対して、水車羽根出口端付近の羽根厚Ｂ１の方が厚く形成されており、ランナ羽根の先端広がり角度αは大きく設定されている。
【００１３】
このように、本発明によれば、水車羽根出口端８付近の羽根厚Ｂ１が羽根中央部の羽根厚Ｂ０より局部的に大きく設定したため、羽根の先端広がり角度αを従来より更に大きく設定することが可能となり、キャビテーションの発生を大幅に抑制することができる。
【００１４】
次に図２を参照して上述した本発明の実施例による効果を従来例と対比して説明する。  図２に示したグラフの横軸は設計点の揚水量Ｑ０ に対する揚水量Ｑの比を示し、縦軸はキャビテーションが発生し始める時のキャビテーション係数（初生キャビテーション係数という）σｉ を表している。実線は本発明の実施例を示し、破線は従来例の場合を示しており、各々曲線より下側の領域でキャビテーションが発生することを意味する。また、Ｋ１は羽根表面側に発生するキャビテーションを示し、Ｋ２は羽根裏面側に発生するキャビテーションを示している。このグラフからわかるように、例えばキャビテーション係数０．１４でのキャビテーションの発生しない揚水量範囲ΔＱｉ で比較すると、本発明の実施例によれば従来例に比べキャビテーションの発生しない運転範囲を約２倍に拡大することができる。
【００１５】
次に図１および図３を参照して、ランナ羽根４の肉厚を増大させる範囲とキャビテーション係数の変化の態様について考察する。
図１において、ランナ羽根の肉厚が中央付近の羽根厚Ｂ０から厚くなり始める位置（下、羽根厚増加開始点Ｓと呼ぶ）の羽根先端８から円周方向への角度θｓと、羽根間ピッチ角度θ０との関係は、好ましくは、θｓが下記の範囲を満足するように選定される。
θｓ≦１．２θ０
【００１６】
図１に示すように、このθｓを小さく設定すると、羽根裏面４ａの曲面形状は羽根先端側では凸形状に、そして水車上流側では凹形状となるため、凸形状から凹形状に変わる位置付近で圧力が低下し、キャビテーション（以下Ｋ３という）が発生しやすくなる。
しかし、逆にθｓを大きくすると、羽根間の流路幅ａが狭くなるため羽根間における水流の流速が速くなり、羽根表面４ｂの羽根先端付近の圧力が低下し、キャビテーション（Ｋ１）が発生しやすくなる。
【００１７】
図３は羽根厚増加の開始点の位置と初生キャビテーション係数の変化の態様を示したグラフであり、横軸は羽根間ピッチ角度θ０で無次元化した羽根厚増加開始点の角度θｓを表し、縦軸は大流量の低揚程側で揚水量一定の下で、θｓ＝θ０でのＫ１初生キャビテーション係数を基準とした時のＫ１初生キャビテーション係数の変化ΔσｉＫ１を表す。
このグラフからわかるように、θｓ＞１．２θ０でＫ１初生キャビテーション係数の変化ΔσｉＫ１が急激に大きくなっている。本実施例によれば、Ｋ１初生キャビテーション性能の低下を大幅に抑制することができる。
【００１８】
次に図４を参照して本発明の他の実施例を説明する。
ランナ羽根４の水車羽根出口端８の近くの羽根裏面４ａと羽根表面４ｂとの両方の対称位置に膨出部１０、１０を形成した例を示している。図４中、羽根先端８を中心に羽根厚増加点Ｓでの羽根厚Ｂ０の１／２倍の長さを半径とする円を描き、ランナ羽根の羽根裏面４ａ及び表面４ｂの羽根曲線と交わる交点を各々Ｘａ及びＸｂとする。そして、Ｘａ及びＸｂ点から各羽根曲線に接する接線を引き、両接線のなす角度を羽根先端広がり角度αと定義する。
【００１９】
本実施例では、この羽根先端広がり角度αは下記の範囲を満足するように選定される。
【００２０】
３５≦α≦６０°
【００２１】
このαが大きい方が、Ｋ１及びＫ２のキャビテーションに対する性能が向上するが、一方でこのαが大きくなると、羽根裏面４ａ側の凸形状の曲率が大きくなり、凸部から凹部に変化する付近の圧力低下が更に大きくなり、Ｋ３キャビテーションが発生しやすくなる。
【００２２】
図５は羽根先端広がり角度αとキャビテーション無発生幅との関係を示したグラフである。横軸は羽根先端広がり角度αを表し、縦軸は図２で示すように、キャビテーション係数一定の下で、設計点揚水量Ｑ０で無次元化したキャビテーションの発生しない揚水量範囲ΔＱｉを表し、Ｋ１〜Ｋ２はＫ１とＫ２初生キャビテーション曲線間を、そしてＫ１〜Ｋ３はＫ１とＫ３初生キャビテーション曲線間のキャビテーションの発生しない揚水量範囲を表す。
【００２３】
このグラフからわかるように、α＝３５°付近からキャビテーションの発生しない範囲が大幅に拡大するが、α＝６０°付近からＫ３キャビテーション性能が悪くなり、キャビテーションの発生しない揚水量範囲は大きくは拡大しなくなる。
このように本発明によれば、運転可能範囲の拡大に寄与する羽根先端広がり角度αを与えることができる。
【００２４】
次に、ランナ水車羽根出口端８近傍の最大羽根厚変化を示した図６を参照して説明する。
横軸は、ランナクラウンからランナバンド間の水車羽根出口端８に沿った距離ｌ０で無次元化したランナクラウンからの距離ｌを表し、縦軸はランナバンド上の最大羽根厚Ｂ１Ｂで無次元化した最大羽根厚Ｂ１を表す。本実施例では、ランナクラウンから出口端中央付近までは最大羽根厚はほぼ同一であるが、中央付近からランナバンドにかけて最大羽根厚が徐々に増大している。
この作用を図７を参照して説明する。一般に、羽根入口付近の圧力低下は次式で表される。
【００２５】
Δｐ＝λ１・Ｃ２／２ｇ＋λ２・Ｗ２／２ｇ
【００２６】
ここで、λ１及びλ２は係数で、およそλ１〜１．２、λ２〜０．３の値をとる。
図７（ａ）はランナバンド側の速度三角形を示すが、ランナバンド側は半径が大きいので周速ＵＢが速くなるため、相対速度ＷＢも速くなる。従って、ランナバンド側では相対的に圧力低下Δｐは大きくなり、キャビテーションが発生しやすくなる。
逆に図７（ｂ）はランナクラウン側の速度三角形を示すが、絶対速度Ｃはランナバンド側とほぼ同一であるが、半径が小さくなるためた周速Ｕｃが遅くなり、かつ相対速度Ｗｃも遅くなる。従って、ランナクラウン側では相対的に圧力低下Δｐは小さくなり、キャビテーションは比較的発生しにくい。
従って、本実施例によれば、キャビテーションの発生しやすいバンド側で羽根先端付近の最大羽根厚を増大することにより、ランナクラウンからランナバンドまでのキャビテーション性能をバランス良くすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、ポンプ水車のランナ羽根の羽根先端近傍の羽根断面が膨らみをもち、かつ滑らかな流線形状とするため、揚水運転時、羽根先端部の裏面及び表面での大きな圧力低下を抑制することができる。これによって、キャビテーション性能を向上でき、最高揚程と最低揚程間の運転可能範囲を大幅に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるポンプ水車のランナの一実施例を概略的に示したランナ羽根断面図。
【図２】  本発明の効果を実証するために揚水量比と初生キャビテーション係数との関係を従来例と対比して示したグラフ。
【図３】  羽根厚増加開始点位置比と初生キャビテーション係数変化との関係を示したグラフ。
【図４】  本発明によるポンプ水車のランナの他の実施例を概略的に示したランナ羽根断面図。
【図５】  ランナ羽根先端広がり角度とキャビテーション無発生幅との関係について示したグラフ。
【図６】  クラウンから水車羽根出口端に沿った距離と羽根出口端最大厚みとの関係を示したグラフ。
【図７】（ａ）ランナバンド側の速度三角形を示した概略図。（ｂ）ランナクラウン側の速度三角形を示した概略図。
【図８】  従来のポンプ水車の構造を概略的に示した断面図。
【図９】  従来のランナを水車出口側から見た羽根構成図。
【図１０】（ａ）高揚程運転時のランナ羽根流入状態を速度三角形で模式的に示した概略図。（ｂ）低揚程運転時のランナ羽根流入状態を速度三角形で模式的に示した概略図。
【図１１】（ａ）従来のランナ羽根の先端形状を示した断面図。（ｂ）羽根面圧力分布の状態を模式的に示した概略図。
【符号の説明】
１  ケーシング
２  ランナ
３  吸出し管
４  ランナ羽根
４ａ  ランナ羽根裏面
４ｂ  ランナ羽根表面
６  ランナクラウン
７  ランナバンド
８  水車羽根出口端
１０  膨出部
【図１】
0003762453.tif 000002
【図２】
0003762453.tif 000003
【図３】
0003762453.tif 000004
【図４】
0003762453.tif 000005
【図５】
0003762453.tif 000006
【図６】
0003762453.tif 000007
【図７】
0003762453.tif 000008
【図８】
0003762453.tif 000009
【図９】
0003762453.tif 000010
【図１０】
0003762453.tif 000011
【図１１】
0003762453.tif 000012