JP5208664B2 - 水車ランナ及び水車 - Google Patents

Description

本発明は、ランナベーンの取付角度が調整可能なランナベーン可動式の水車ランナ、及びこの水車ランナを備えた水車に関する。

軸流水車の一種であるカプラン水車では、ランナベーンの取付角度が調整可能なランナベーン可動式の水車ランナを有している。この水車ランナの構造を、図８に示す模式的な構成図を用いて説明する。カプラン水車の水車ランナ９０は、ランナボス９３に対してランナベーン９１の取付角度が調整可能に構成されている。ランナベーン９１の支持部であるステム９２とランナボス９３とで形成される流水面は、ランナベーン９１がランナベーン回転軸９４回りに回動しても流路が滑らかにつながるように、中心Ｑ、半径Ｓの同一の球面に形成され、この球面の中心Ｑを通るようにランナベーン回転軸９４が設定されている。このため、ランナベーン回転軸９４を中心にランナベーン９１を回動してその取付角度を調整しても、ランナボス９３とステム９２とにおける両流水面は、常に同一の球面上に存在することになり、水の流れを乱すことがない。

このようにして設計された従来のランナベーン可動式の水車ランナ９０では、ランナボス９３とランナベーン９１の羽根９５とでコーナー部９６(図１０)が形成され、ランナベーン９１のステム９２とランナベーン９１の羽根９５とでコーナー部９７(図１０)が形成されている。これらのコーナー部のうち、ランナベーン９１のステム９２と羽根９５とのコーナー部９７では、応力集中を避けるために、ステム９２の流水面と羽根９５の面との間に、滑らかな曲面のフィレット９８(図８)が形成されている。

このように、ランナベーン９１の取付角度が調整可能な、ランナベーン可動式の水車ランナ９０について、特許文献１に記載がある。尚、図８中の符号９９は、水車ランナ９０が回転する回転軸(ランナ回転軸)を示す。
特開平１−２０３６６１号公報

上流から球面形状のランナボス９３に沿って流れてきた流体は、図９に示すように、そのランナボス９３の凸の湾曲面により外周側に曲げられるとともに増速する。そして、図１０に示すように、ランナベーン９１の羽根９５とランナボス９３及びステム９２とで形成された前記コーナー部９６、９７の周辺では、羽根９５面に沿って流れる流体がコーナー部９６、９７へ流れ込むことがあるため、コーナー部９６、９７での局所的な流れの増速がより顕著になる。その結果、これらのコーナー部９６、９７、特に羽根９５とステム９２との間のコーナー部９７で摩擦損失が増加し、水車ランナ９０の水力効率が低下してしまう。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、ランナベーンの羽根とステムとの間に形成されるコーナー部での局所的な流れの増速を抑制することで、この流速の増加にともない発生する摩擦損失を低減でき、この結果、水力効率を向上させることができる水車ランナ及び水車を提供することにある。

本発明に係る水車ランナは、ランナ回転軸回りに回転自在に設けられ、中心Ｏ、半径Ｒｏの球面の一部で形成されたランナボス側流水面を備えるランナボスと、このランナボスの周方向に放射状に複数枚配設され、取付角度が調整可能に設けられたランナベーンと、を有する水車ランナであって、上記ランナベーンは、羽根と、この羽根を前記ランナボスに支持するステムとを備えてなり、前記ステムには、前記ランナボス側流水面に連続するステム側流水面が形成され、このステム側流水面上の任意の点をＰとしたとき、前記中心Ｏと前記点Ｐとを結ぶ線分ＯＰの長さと前記半径Ｒｏとの間に、
［数１］
Ｒｏ＞ＯＰ
を満たす前記点Ｐが前記ランナベーンの負圧面側に設定され、前記ランナベーンの圧力面側において前記羽根と前記ステム側流水面との間に形成されたフィレットの半径Ｒｐと、前記ランナベーンの負圧面側において前記羽根と前記ステム側流水面との間に形成されたフィレットの半径Ｒｓとが、
［数２］
Ｒｐ＞Ｒｓ
を満たすことを特徴とするものである。

また、本発明に係る水車は、本発明の水車ランナを備えることを特徴とするものである。

本発明に係る水車ランナ及び水車によれば、ステム側流水面がランナボス側流水面よりも内側(ランナボス側流水面の中心側)に設定されるので、ランナベーンの羽根とステムとの間に形成されるコーナー部の流路断面積を拡大することができる。このため、前記コーナー部での局所的な流れの増速を抑制でき、この流速の増加にともない発生する摩擦損失を低減でき、この結果、水力効率を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図３）
図１は、本発明に係る水車ランナの第１の実施の形態が適用されたカプラン水車の一部を、子午面に沿い模式的に示す構成図である。図２は、図１の水車ランナの一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図である。

軸流水車の一種であるカプラン水車１０は、図１に示すように、流路を構成する静止部であるケーシング１１の中央位置に、回転部である水車ランナ１２が配置され、ケーシング１１における流路の上流側にステーベーン１３、流量調整用のガイドベーン１４が順次配置され、下流側に吸出し管１５が接続されて構成される。

水車ランナ１２は、主軸１６に取り付けられてランナ回転軸１７回りに回転自在に設けられたランナボス１８と、このランナボス１８の外周面であるランナボス側流水面１９に、周方向に放射状に複数枚配設されたランナベーン２０と、を有して構成される。

ランナボス側流水面１９は、図２にも示すように、中心Ｏで半径Ｒｏの球面の一部として形成される。ケーシング１１内を流れる流体は、上記ランナボス側流水面１９に沿って流れる。また、ランナボス１８に結合された主軸１６は、図示しない発電機に連結されている。

ランナベーン２０は、羽根２１と、この羽根２１をランナボス１８に支持するステム２２とを備えてなり、ランナボス１８に対してランナベーン回転軸２３回りに回動可能に構成されて、ランナボス１８に対する取付角度が調整可能に設けられる。ランナボス１８内には、ランナベーン２０をランナベーン回転軸２３回りに回動させるためのリンク機構(不図示)が収納されている。

このようなカプラン水車１０では、図１に示すように、上池からの流体(水)は、ケーシング１１の流路を通りステーベーン１３で加速され、ガイドベーン１４を通って流量が調整されて水車ランナ１２のランナベーン２０へ至り、この水車ランナ１２をランナ回転軸１７回りに回転させた後、吸出し管１５を経て下池へ流出する。水車ランナ１２の回転エネルギーが主軸１６を介して発電機へ伝達されて、電気エネルギーに変換される。

この水車ランナ１２では、ランナベーン２０の取付角度が調整可能に設けられているので、上池と下池の落差や流体の流量の変動に対してランナベーン２０の取付角度を調整して適正化することで、広い運転範囲で高効率な発電特性を得ることが可能となる。

さて、図２，図３に示すように、ランナベーン２０のステム２２には、ランナボス側流水面１９と連続するステム側流水面２４が形成されている。ランナボス側流水面１９に沿って流れた流体は、連続してステム側流水面２４に沿って滑らかに流れる。尚、図２においては、ランナボス側流水面１９の一部を想像線α（２点鎖線）で示している。

上述のように、ランナベーン２０の取付角度が調整可能なランナベーン可動式の水車ランナ１２では、ランナベーン回転軸２３は、ランナボス側流水面１９を形成する球面の中心Ｏ通り、このランナベーン回転軸２３を中心にランナベーン２０が回動できるように、ステム２０は円板形状に形成されている。このため、図３に示すように、ステム側流水面２４とランナボス側流水面１９との境界の形状は円Ｃとなり、この円Ｃの中心Ａはランナベーン回転軸２３上に位置付けられる。

また、ランナボス１８とランナベーン２０の羽根２１との間にコーナー部２５が形成され、更に、ランナベーン２０のステム２２と羽根２１との間に、コーナー部２５に連続するコーナー部２６が形成される。このうち、ステム２４と羽根２１とのコーナー部２６には、応力集中を回避するために、ステム２２のステム側流水面２４と羽根２１の羽根面との間に、適切な半径で滑らかな曲面のフレット２７（図２）が形成されている。

更に、ランナベーン２０では、ステム側流水面２４上の任意の点をＰとしたとき、ランナボス側流水面１９の球面の中心Ｏと上記点Ｐとを結ぶ線分ＯＰの長さと、ランナボス側流水面１９の球面の半径Ｒｏとの間に、
［数２］
Ｒｏ＞ＯＰ
を満たす点Ｐが存在するように、ステム２２のステム側流水面２４が形成される。即ち、ステム側流水面２４はランナボス側流水面１９よりも、このランナボス側流水面１９の中心Ｏ側に設定される。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）を奏する。

（１）ステム側流水面２４上の任意の点Ｐとランナボス側流水面１９の球面の中心Ｏとを結ぶ線分ＯＰの長さと、ランナボス側流水面１９の球面の半径Ｒｏとの間に、Ｒｏ＞ＯＰを満たす点Ｐが存在するようにステム側流水面２４が形成されて、このステム側流水面２４がランナボス側流水面１９よりも、このランナボス側流水面１９の中心Ｏ側に設定されている。従って、ランナベーン２０のステム２２と羽根２１との間で形成されるコーナー部２６の流路断面積を、従来の水車ランナ９０（図８）の場合に比べて拡大できるので、このコーナー部２６での局所的な流れの増速を抑制でき、この流速の増加に伴い発生する摩擦損失を低減できる。この結果、カプラン水車１０の水力効率を向上させることができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図４）
図４は、本発明に係る水車ランナの第２の実施の形態の一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態のカプラン水車３０の水車ランナ３１が前記第１の実施の形態と異なる点は、ランナベーン３２におけるステム３３のステム側流水面３４の形状である。

つまり、このステム側流水面３４は、ランナボス側流水面１９との境界に形成された円をＣとするとき、この円Ｃを含み、且つランナ回転軸１７に平行で、ランナベーン回転軸２３に直交する平面により形成される。これにより、ランナベーン３２の羽根２１とランナベーン３２のステム３３とで形成されるコーナー部２６の流路断面積が拡大される。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（２）を奏する。

（２）ランナベーン３２におけるステム３３のステム側流水面３４が、ランナボス側流水面１９との境界の円Ｃを含む平面に形成されたので、ランナベーン３２における羽根２１とステム３３とのコーナー部２６における流路断面積の拡大を簡便な方法で実現できる。

［Ｃ］第３の実施の形態（図５、図６）
図５は、本発明に係る水車ランナの第３の実施の形態の一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態のカプラン水車４０の水車ランナ４１が前記第１の実施の形態と異なる点は、ランナベーン４２におけるステム４３のステム側流水面４４上に設定された、前記第１の実施の形態における任意の点Ｐが、ランナベーン４２の負圧面側にのみ設定されたことである。

通常、水車の流路内では、圧力が低下し飽和蒸気圧以下に達した箇所で、しばしばキャビテーションと呼ばれる現象が発生する。このキャビテーションは振動や騒音、水車効率の低下、壊食など様々な問題を引き起こし、振動が原因となって水車の運転範囲を制限したり、壊食によってランナベーンの損傷が進み、更新の間隔を短縮するなど深刻な事態の原因ともなっている。

ここで、図６に示すように、一般的なカプラン水車１００では、ランナボス１０２に対するランナベーン１０３の取付角度が調整可能なランナベーン可動式の水車ランナ１０１の回転場において、ランナボス１０２からランナベーン１０３の負圧面へ流体が流れたとき、このランナベーン１０３の負圧面側で局所的に圧力が低下してキャビテーションが発生することがある。

特に、ランナベーン１０３の負圧面側において、このランナベーン１０３の羽根１０４とランナボス１０２との間で形成されるコーナー部１０６、及びランナベーン１０３の羽根１０４とステム１０５との間で形成され、前記コーナー部１０６に連続するコーナー部１０７、なかでもコーナー部１０７の周辺部分にキャビテーションが発生し易い。これは、水車ランナ１０１の上流側の流れが、ランナボス１０２の曲面に沿って流れることによる増速作用と、ランナベーン１０３の羽根１０４に沿う流れがコーナー部１０６、１０７に流入することによる増速作用と、ランナベーン１０３の羽根１０４の負圧面側の低圧力による増速作用とが相乗して、局所的に著しい圧力低下が生ずるためと推察される。

図５に示す本実施の形態のカプラン水車４０の水車ランナ４１では、ランナベーン４２の負圧面側のみにおいて、ステム４３のステム側流水面４４上に設定された任意の点Ｐと、ランナボス１８におけるランナボス側流水面１９の球面の中心Ｏとを結ぶ線分ＯＰが、ランナボス側流水面１９の球面の半径Ｒｏとの間で
［数３］
Ｒｏ＞ＯＰ
を満たしている。つまり、ステム側流水面４４におけるランナベーン４２の負圧面側のみがランナボス側流水面１９よりも、このランナボス側流水面１９の中心Ｏ側に設定されて構成されている。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（３）及び（４）を奏する。

（３）ランナベーン４２の負圧面側において、ステム側流水面４４がランナボス側流水面１９よりも、このランナボス側流水面１９の中心Ｏ側に設定されたので、ランナベーン４２の負圧面側において、ランナベーン４２の羽根２１とステム４３とで形成されるコーナー部２６の流路断面積を拡大できる。このため前記コーナー部２６における局所的な流れの増速を抑制でき、この流速の増加に伴い発生する摩擦損失を低減でき、この結果カプラン水車４０の水力効率を向上させることができる。

（４）ランナベーン４２の負圧面側において、このランナベーン４２の羽根２１とステム４３とで形成されるコーナー部２６の流路断面積が拡大されて、このコーナー部２６における局所的な流れの増速を抑制できるので、この流速の増加に伴う圧力低下を低減できる。これにより、ランナベーン４２の負圧面側におけるキャビテーションの発生を抑制できる。

［Ｄ］第４の実施の形態（図７）
図７は、本発明に係る水車ランナの第４の実施の形態の一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態のカプラン水車５０の水車ランナ５１が前記第１の実施の形態と異なる点は、ランナベーン５２の負圧面側のみにおいて、ステム５３のステム側流水面５４上の任意の点Ｐが、前記第３の実施の形態と同様に、Ｒｏ＞ＯＰを満たすと共に、ランナベーン５２の圧力面側のフィレット５５と、負圧面側のフィレット５６とが所定の形状に設定された点である。

つまり、ランナベーン５２の負圧面側のみにおいて、ステム側流水面５４上に設定された任意の点Ｐとランナボス側流水面１９の球面の中心Ｏとを結ぶ線分ＯＰが、ランナボス側流水面１９の球面の半径Ｒｏとの間で
［数４］
Ｒｏ＞ＯＰ
を満たしている。即ち、ステム側流水面５４におけるランナベーン５２の負圧面側のみがランナボス側流水面１９よりも、このランナボス側流水面１９の中心Ｏ側に設定されて構成されている。

更に、ランナベーン５２の圧力面側において、羽根２１とステム側流水面５４との間のコーナー部２６に形成されたフィレット５５の半径Ｒｐと、ランナベーン５２の負圧面側において、羽根２１とステム側流水面５４との間のコーナー部２６に形成されたフィレット５６の半径Ｒｓとが、
［数５］
Ｒｐ＞Ｒｓ
を満たして構成される。

このときのフィレット５６の半径Ｒｓは、ランナベーン５２の負圧面側において、羽根２１とステム流水面５４との間に応力集中が起きず、且つステム５３が強度上支障のない最小限の厚みとなるように設定される。そして、ランナベーン５２の圧力面側のフィレット５５の半径Ｒｐを、ランナベーン５２の負圧面側のフィレット５６の半径Ｒｓよりも大きく設定することで、ステム５３において、ランナベーン５２の負圧面側の厚さが薄くなった分を、ランナベーン５２の圧力面側の厚さを確保することで補うことが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、前記第３の実施の形態の効果（３）及び（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。

（５）ランナベーン５２の圧力面側のフィレット５５の半径Ｒｐが、ランナベーン５２の負圧面側のフィレット５６の半径Ｒｓよりも大きく設定されたことから（Ｒｐ＞Ｒｓ）、ステム５３におけるランナベーン５２の圧力面側の厚さを十分に保持できるので、ステム５３の強度を十分に確保できる。

本発明に係る水車ランナの第１の実施の形態が適用されたカプラン水車の一部を、子午面に沿い模式的に示す構成図。 図１の水車ランナの一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図。 図２の水車ランナをランナベーン回転軸方向から目視したIII矢視図。 本発明に係る水車ランナの第２の実施の形態の一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図。 本発明に係る水車ランナの第３の実施の形態の一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図。 ランナベーンの負圧面において、ランナベーンの羽根とステム、ランナボスとで形成されるコーナー部に発生するキャビテーションを説明する説明図。 本発明に係る水車ランナの第４の実施の形態の一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図。 従来のカプラン水車の水車ランナの一部を、ランナベーン回転軸を含む面に沿い模式的に示す構成図。 図８の水車ランナにおいて、ランナボスに沿う流れを説明する説明図。 図８の水車ランナにおいて、ランナベーンのステム周辺部の流れを説明する説明図。

符号の説明

１０ カプラン水車
１２ 水車ランナ
１７ ランナ回転軸
１８ ランナボス
１９ ランナボス側流水面
２０ ランナベーン
２１ 羽根
２２ ステム
２４ ステム側流水面
３０ カプラン水車
３１ 水車ランナ
３２ ランナベーン
３３ ステム
３４ ステム側流水面
４０ カプラン水車
４１ 水車ランナ
４２ ランナベーン
４３ ステム
４４ ステム側流水面
５０ カプラン水車
５１ 水車ランナ
５２ ランナベーン
５３ ステム
５４ ステム側流水面
５５、５６ フィレット
Ｃ 円
Ｏ 中心
Ｐ 点
ＯＰ 線分
Ｒｏ、Ｒｐ、Ｒｓ 半径

Claims (2)

1. ランナ回転軸回りに回転自在に設けられ、中心Ｏ、半径Ｒｏの球面の一部で形成されたランナボス側流水面を備えるランナボスと、
   このランナボスの周方向に放射状に複数枚配設され、取付角度が調整可能に設けられたランナベーンと、を有する水車ランナであって、
   上記ランナベーンは、羽根と、この羽根を前記ランナボスに支持するステムとを備えてなり、
   前記ステムには、前記ランナボス側流水面に連続するステム側流水面が形成され、このステム側流水面上の任意の点をＰとしたとき、前記中心Ｏと前記点Ｐとを結ぶ線分ＯＰの長さと前記半径Ｒｏとの間に、
   ［数１］
   Ｒｏ＞ＯＰ
   を満たす前記点Ｐが前記ランナベーンの負圧面側に設定され、
   前記ランナベーンの圧力面側において前記羽根と前記ステム側流水面との間に形成されたフィレットの半径Ｒｐと、前記ランナベーンの負圧面側において前記羽根と前記ステム側流水面との間に形成されたフィレットの半径Ｒｓとが、
   ［数２］
   Ｒｐ＞Ｒｓ
   を満たすことを特徴とする水車ランナ。
2. 請求項１に記載の水車ランナを備えることを特徴とする水車。

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