JP2004044409A - 水車用ランナ及び水車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水車用ランナとしては、各ランナベーン34の、壁面近傍部分33xのランナベーン角度αを、これら壁面近傍部分33xの間に位置する中央部分33yよりも小さくする構成を採用した。また、この水車用ランナを備えた水車を採用した。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電などに用いられる水車用ランナ及び水車に関し、特に、水車効率の向上を可能とする水車用ランナ及び水車に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5に、従来の水車の一例を示す。同図に示す水車は、流水を導く渦巻きケーシング2と、流水の流入を制御するガイドベーン6と、流水によって回転するランナ1と、ランナ1を通過した流水を放出する吸出し管8と、ランナ1の回転軸である主軸7とを備えている。
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(図示せず)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7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。
【0003】
このように構成された水車では、図示されない水圧管から導かれた流水が、渦巻きケーシング2に入り、流動しながら案内用のガイドベーン6によって整流及び流量調整がなされる。整流された流水は、ランナ1に流入し、ランナベーン1を流動しながら動力を発生させ、主軸7の軸線回りにランナ1を回転させる。主軸7の上部には図示されない発電機が備えられており、主軸7の回転によって発電機が発電する仕組みになっている。ランナ1を回転させてランナベーン1cによってランナ1の鉛直下方に送出された流水は、吸出し管8を通って放水口に放出される。
【0004】
一方、ランナ1の回転力は、主軸7を介して接続された発電機(図示せず)を回転させ、電力を発生させる。
【0005】
このときの発電効率(すなわち水車効率)を左右する重要要素の一つとして、前記各ランナベーン1cの形状がある。従来のランナベーン1cの詳細について、図6及び図7を参照しながら以下に説明する。なお、図6は、従来のランナベーン1cを、その下方より見た斜視図である。また、図7において、(a)は、同ランナベーン1cを、下方より見上げた場合の形状図であり、(b)は、負圧面の形状を示す図である。
【0006】
図6に示すように、各ランナベーン1cは、ランナ1の回転軸線CL回りに複数枚が環状配置されており、クラウン板1a及びシュラウド板1b間(同図では、各ランナベーン1cの形状を示すためにシュラウド板1bを省略して図示している。)に挟み込まれて流路を形成している。同図の符号1c1が、流水wを受ける圧力面、符号1c2が、その裏面である負圧面となっており、流水wを受けることで、矢印R方向に回転されるようになっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記説明の従来のランナ1は、以下に説明する問題を有していた。すなわち、各ランナベーン1cの羽根形状が、これらの間の流路に流れ込んで出ていく流水wと必ずしもマッチしておらず、水車効率の向上を妨げているという問題である。この問題の詳細について、下記(1)から(3)に説明する。
【0008】
(1)各ランナベーン1cの外周側端縁eが、図6に示すように、クラウン板1aの垂直方向に対して(すなわち回転軸線CL方向に対して)大きく傾いた「ノ」の字形状になっているため、クラウン側からシュラウド側にかけて、翼表面で大きな圧力差を生じてしまい、ここに入り込んだ流水wが、この羽根の傾きに沿って圧力面1c1から対向する負圧面1c2に向かう二次流れを形成してしまう。この二次流れは、圧力面1c1側からこれに対向する負圧面1c2に向かう流れであり、水車効率を下げてしまう。
【0009】
(2)半径方向の各ランナベーン1cの羽根形状は、図7(a)に示すように、回転軸線CL(不図示)を中心として略真っ直ぐに延在する単純な放射形状をなしている。このため、流水wは、流路入口側部分に対して斜め急角度で流れ込んでくることになる。すると、この流路入口側部分に負荷が集中し、やはり、図7(a),(b)に示すような強い二次流れを発生させる原因となる。このような強い二次流れは、極力低減させることが望まれる。
【0010】
(3)各ランナベーン1cの外周側端縁eは、上述のように単純な曲線をなす「ノ」の字形状になっている。この場合、図8に示すように、各ランナベーン1cの幅方向位置において、その壁面近傍部分(すなわち、クラウン板1a側の壁面近傍部分aと、シュラウド板1b側の壁面近傍部分b)では、境界層の存在によって中央部分よりも流速が遅くなっているため、運転条件によっては、圧力面1c1側に流れの剥離が発生し、その結果、キャビテーションを生じる恐れがある。このキャビテーションの発生は、流水wの流れに損失を発生させるため、水車効率の低下を招くことになる。
【0011】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水車効率の向上を達成し得る水車用ランナと、この水車用ランナを備えた水車の提供を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項1に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされていることを特徴とする。
上記請求項1に記載の水車用ランナによれば、中央部分に比較して流速の遅い壁面近傍部分の流れを、スムーズに流路内に取り込めるようになる。
【0013】
請求項2に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状をなしていることを特徴とする。
上記請求項2に記載の水車用ランナによれば、各ランナベーンの、流水流れ方向の長さ寸法を、従来の単純な放射形状に比較して長くすることができる。これにより、流水を受ける圧力面上の、流水流れ方向の負荷分布が分散されるので、これらに対面する負圧面に負荷集中が生じない。
【0014】
請求項3に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して30°以下の傾きとされていることを特徴とする。
上記請求項3に記載の水車用ランナによれば、従来であれば30°よりも大きな傾きであったものを、30°以下の小さな傾きにすることにより、流水を受ける圧力面に沿って流れが滑りながら対向する負圧面に向かう二次流れを低減させることができるようになる。なお、この傾きとしては、小さいほど好ましく、例えば5°から10°の間の角度を採用するのがより好ましい。
【0015】
請求項4に記載の水車用ランナは、回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、前記各ランナベーンの、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされ、なおかつ、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状を有し、なおかつ、前記入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して30°以下の傾きとされていることを特徴とする。
上記請求項4に記載の水車用ランナによれば、流れの剥離による損失を低減させることができ、なおかつ、二次流れを低減させることもできるようになる。
【0016】
請求項5に記載の水車は、水圧管から導入された流水を導く渦巻きケーシングと、該渦巻きケーシングから流入する流水の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する水車用ランナとを備えた水車において、前記水車用ランナとして、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の水車用ランナが用いられていることを特徴とする。
上記請求項5に記載の水車によれば、水車効率の向上が達成できるようになる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の水車用ランナ及び水車の一実施形態を、図1から図4を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれに限定解釈されるものでないことは勿論である。なお、図1は、本実施形態の水車用ランナを示す図であって、下方より見上げた場合の分解斜視図である。また、図2は、同水車用ランナを示す図であって、(a)は側面図、(b)はその部分拡大図である。また、図3は、同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、回転軸線に垂直をなす断面で見た場合の断面図である。また、図4は、同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、下方より見上げた場合の形状図である。
【0018】
本実施形態の水車は、水圧管から導入された流水を導く渦巻きケーシングと、該渦巻きケーシングから流入する流水の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する水車用ランナとを備えており、この水車用ランナが特に特徴的となっているので、水車用ランナ(以下、ランナ31と称する)を中心に説明を行い、その他は従来の技術において説明したものと同様であるとして説明を省略する。
【0019】
図1に示すように、本実施形態のランナ31は、円盤形状のクラウン板32と、環状のシュラウド板33と、これらクラウン板32及びシュラウド板33間に、回転軸線CL回りに配置された複数枚のランナベーン34と、これらランナベーン34の中心に位置するように、クラウン板32の下面に固定されたランナコーン35とを備えて構成されている。クラウン板32の上面中央部には、前記主軸7(図5参照)が固定されている。クラウン板32とシュラウド板33との間には、各ランナベーン34で仕切られた水路が形成されるようになっている。すなわち、クラウン板32の下面32aと、シュラウド板33の内周面33aとが、各ランナベーン34を間に挟む一対の流路形成壁面となっている。
【0020】
シュラウド板33は、回転軸線CLの下方に向かって先細りとなる環状部品であり、その内周面に、各ランナベーン34の下端縁34a(図1の斜線部分)が接合されることで、前記水路が形成される。このシュラウド板33を、各ランナベーン34に接合させた状態を、図2に示す。
これら図1及び図2(a)に示すように、ランナ31には、その周囲より、回転軸線CLに向かう旋回流が流れ込み、ランナ31をその回転軸線CLを中心とするR方向に回転させる。そして、このランナ31の回転力は、前記主軸10を介して接続された発電機(図示せず)を回転させ、電力を発生させる。一方、ランナ31を通過した後の流水は、前記吸出し管14を通って図示されない放水口に放出される。
【0021】
図3において、実線は、各ランナベーン34の、前記流路形成壁面(すなわち、クラウン板32の下面32a、もしくは、シュラウド板33の内周面33a)に近接する壁面近傍部分33xを示し、破線は、これらの間に位置する中央部分33yを示している。また、符号33pは、流水wを受ける圧力面を示し、符号33qは、その裏面である負圧面を示している。
同図に示すように、本実施形態の各ランナベーン34は、流水wが流れ込む入口部分で、各壁面近傍部分33xのランナベーン角度αが、中央部分33yよりも小さく、より、ねかせた形状になっている。なお、ここで言うランナベーン角度αとは、各ランナベーン34の外周端縁の接線に対して、各ランナベーン34がなす羽根角度である。ちなみに、従来の前記ランナベーン1cでは、同図の二点鎖線に示すように、本実施形態よりも立った(ランナベーン角度が大きい)ものとなっている。
【0022】
このような幅方向のランナベーン角度αの差により、各ランナベーン34の入口形状は、図1及び図2(a),(b)の太線に示すようなM字形状(またはコ字形状)となっている。
従来の技術の(3)において説明したように、一般に、各ランナベーンの幅方向位置において、各壁面近傍部分では、境界層の存在によって中央部分よりも流速が遅くなって流れの剥離が生じやすい。これに対し、本実施形態では、各壁面近傍部分33xをねかせた形状にしているため、流速の遅い壁面近傍部分の流れをスムーズに流路内に取り込めるようになっている。すなわち、従来の技術で述べた(3)の問題を解決している。
【0023】
さらに、本実施形態の各ランナベーン34は、図3及び図4に示すように、流水wが流れ出る出口部分の断面形状が、反回転方向Rに向かって凸となる湾曲形状をなしている。
従来の技術の(2)において説明したように、従来は、運転条件により、流路入口側部分に負荷が集中して強い二次流れを生じる恐れがあった。これに対し、本実施形態では、各ランナベーン34の形状に湾曲形状を採用しているので、各ランナベーン34の、流水流れ方向の長さ寸法を、従来の単純な放射形状に比較して長くすることができるようになっている。これにより、流水wを受ける圧力面33p上の、流水流れ方向の負荷分布が均等に分散されるので、これらに対面する負圧面33qに、負荷集中が生じないようになっている。すなわち、従来の技術で述べた(2)の問題を解決している。
【0024】
さらに、本実施形態の各ランナベーン34は、図2(b)に示すように、流水が流れ込む入口部分で、その幅方向の向きが、側面視した場合に、回転軸線CLの方向に対して30°以下(幅方向が軸線CLとなす角度βが30°以下)の傾きとされている。この角度βとしては、30°以下であれば良いが、さらには、5°から10°の範囲内より選択するのがより好ましい。
この角度βが大きいと、従来の技術の(1)において説明したように、入り込んだ流水wが、負圧面に向かう二次流れを形成してしまう。これに対し、本実施形態では、30°以下の小さな傾きを採用しているため前記負圧面33qに向かう二次流れを低減させることができるようになっている。すなわち、従来の技術で述べた(1)の問題を解決している。
【0025】
以上説明の本実施形態のランナ31によれば、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分33xのランナベーン角度αを、これら壁面近傍部分33xの間に位置する中央部分33yよりも小さくしたことにより、流れの剥離による損失を低減させることが可能となる。
さらには、各ランナベーン34の、回転軸線CLに垂直をなす断面形状を、反回転方向Rに向かって凸となる湾曲形状とすることで、負圧面33qでの負荷集中を防止することができるので、二次流れを低減させることが可能となる。
さらには、各ランナベーン34の幅方向の向きを、回転軸線方向に対して30°以下の傾きとしたことからも、二次流れを低減させることが可能となる。
したがって、本実施形態のランナ31を水車に備えることにより、水車効率の向上が達成可能となる。
【0026】
【発明の効果】
本発明の請求項1に記載の水車用ランナによれば、各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度を、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくしたことにより、流れの剥離による損失を低減させることができるので、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【0027】
本発明の請求項2に記載の水車用ランナによれば、各ランナベーンの、回転軸線に垂直をなす断面形状を、反回転方向に凸となる湾曲形状とすることで、流水を受ける圧力面上の、流水流れ方向での負荷集中を防止することができるので、二次流れを低減させることができる。したがって、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【0028】
本発明の請求項3に記載の水車用ランナによれば、各ランナベーンの幅方向の向きを、回転軸線方向に対して30°以下の傾きとしたことにより、二次流れを低減させることができるようになるので、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【0029】
本発明の請求項4に記載の水車用ランナによれば、流れの剥離による損失を低減させることができ、なおかつ、二次流れを低減させることもできるようになるので、水車効率の向上を達成することが可能となる。
【0030】
本発明の請求項5に記載の水車によれば、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の水車用ランナを用いることにより、水車効率の向上が達成可能となる。したがって、このような水車を例えば発電設備に適用した場合には、発電効率の向上が達成可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水車用ランナの一実施形態を示す図であって、下方より見上げた場合の分解斜視図である。
【図2】同水車用ランナを示す図であって、(a)は側面図、(b)はその部分拡大図である。
【図3】同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、回転軸線に垂直をなす断面で見た場合の断面図である。
【図4】同水車用ランナのランナベーンを示す図であって、下方より見上げた場合の形状図である。
【図5】水車の一実施形態を示す図であって、回転軸線を含む断面で見た場合の断面図である。
【図6】従来のランナベーンの一例を示す図であって、下方より見上げた場合の斜視図である。
【図7】同ランナベーンを示す図であって、(a)は下方より見上げた場合の形状図であり、(b)は、負圧面の形状を示す形状図である。
【図8】同ランナベーンの入口幅方向における流水流入角分布を示す図であって、横軸がランナベーンの幅方向位置、縦軸がランナベーンに対する流水流入角度である。
【符号の説明】
2・・・渦巻きケーシング
31・・・ランナ(水車用ランナ)
32a・・・下面(流路形成壁面)
33a・・・内周面(流路形成壁面)
33y・・・中央部分
33x・・・壁面近傍部分
34・・・ランナベーン
α・・・ランナベーン角度
CL・・・回転軸線
w・・・流水
Claims (5)
- 回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされている
ことを特徴とする水車用ランナ。 - 回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状をなしている
ことを特徴とする水車用ランナ。 - 回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して30°以下の傾きとされている
ことを特徴とする水車用ランナ。 - 回転軸線回りに環状配置された複数枚のランナベーンと、これらランナベーンを間に挟む一対の流路形成壁面とを有する水車用ランナにおいて、
前記各ランナベーンは、
少なくとも、流水が流れ込む入口部分で、前記各流路形成壁面に隣接する壁面近傍部分のランナベーン角度が、これら壁面近傍部分の間に位置する中央部分よりも小さくされ、
なおかつ、少なくとも、流水が流れ出る出口部分で、前記回転軸線に垂直をなす断面形状が、反回転方向に凸となる湾曲形状を有し、
なおかつ、前記入口部分で、その幅方向の向きが、前記回転軸線方向に対して30°以下の傾きとされている
ことを特徴とする水車用ランナ。 - 水圧管から導入された流水を導く渦巻きケーシングと、該渦巻きケーシングから流入する流水の流体エネルギーを回転エネルギーに変換する水車用ランナとを備えた水車において、
前記水車用ランナとして、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の水車用ランナが用いられていることを特徴とする水車。
Priority Applications (1)
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JP2002199886A JP2004044409A (ja) | 2002-07-09 | 2002-07-09 | 水車用ランナ及び水車 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010168903A (ja) * | 2009-01-20 | 2010-08-05 | Hitachi Ltd | 遠心型水力機械 |
CN110410259A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-11-05 | 东方电气集团东方电机有限公司 | 一种叶片头部悬伸式转轮 |
WO2021147604A1 (zh) * | 2020-01-20 | 2021-07-29 | 珠海格力电器股份有限公司 | 叶轮、混流风机以及空调器 |
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2002
- 2002-07-09 JP JP2002199886A patent/JP2004044409A/ja active Pending
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