JP2007163427A - 水車ランナ羽根面測定方法、ステーベーン羽根面測定方法、ガイドベーン羽根面測定方法、及び水車ランナ羽根面測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水車ランナ羽根の部分的な計測データから羽根面全体を確実に測定することのできる水車ランナ羽根面測定方法を提供する。
【解決手段】計測工程４１は、水車ランナ羽根２の水車ランナ羽根面のうち、外方から視認できる視認可能領域を計測する。計測領域データ作成工程４３は、計測工程４１で計測された前記視認可能領域の形状をデータ化して、計測領域データを作成する。未計測領域データ作成工程４４は、外方から視認できない前記水車ランナ羽根面の視認不可能領域に関し、前記計測領域データに基づいて形成される補間曲線を用いて未計測領域データを作成する。羽根面全域データ作成工程４５は、前記計測領域データ作成工程によって作成された前記計測領域データと、前記未計測領域データ作成工程によって作成された前記未計測領域データとに基づいて、水車ランナ羽根面全体の全域データを作成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、羽根面の部分的な計測データから羽根面全体を測定することができる水車ランナ羽根面測定方法、ステーベーン羽根面測定方法、ガイドベーン羽根面測定方法、及び水車ランナ羽根面測定装置に関する。

従来より、水車ランナ羽根面の形状を測定する方法として、断面ゲージによって水車ランナ羽根の形状を測定する方法や、三次元計測装置を用いて水車ランナ羽根の入口付近と出口付近を測定する方法が知られている。

また、水車ランナ羽根面の測定装置としては、水車ランナ羽根面までの距離を測定する変位センサを用いたもの（例えば特許文献１）が知られている。
特開平２−１８４７１３

しかしながら、一般に水車ランナ羽根は、クラウン及びバンドにより覆われているため、三次元計測装置を用いて水車ランナ羽根面を測定する方法を用いても、水車ランナ羽根面のうち外方から視認できる部分のみしか計測することができず、水車ランナ羽根面全体を測定することは困難である。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、水車ランナ羽根面の部分的な計測データから水車ランナ羽根面全体を確実に測定することのできる水車ランナ羽根面測定方法を提供し、かつ当該測定方法を用いた水車ランナ羽根面測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、水車ランナ羽根の水車ランナ羽根面のうち、外方から視認できる視認可能領域を計測する計測工程と、当該計測工程で計測された前記視認可能領域の形状をデータ化して、計測領域データを作成する計測領域データ作成工程と、外方から視認できない前記水車ランナ羽根面の視認不可能領域に関し、前記計測領域データに基づいて形成される補間曲線を用いて未計測領域データを作成する未計測領域データ作成工程と、前記計測領域データ作成工程によって作成された前記計測領域データと、前記未計測領域データ作成工程によって作成された前記未計測領域データとに基づいて、水車ランナ羽根面全体の全域データを作成する羽根面全域データ作成工程と、を備えたことを特徴とする水車ランナ羽根面測定方法である。

本発明は、ステーベーン羽根のステーベーン羽根面及びガイドベーン羽根のガイドベーン羽根面のうち、外方から視認できる視認可能領域を計測する計測工程と、当該計測工程で計測された前記視認可能領域の形状をデータ化して、計測領域データを作成する計測領域データ作成工程と、外方から視認できない前記ステーベーン羽根面及び前記ガイドベーン羽根面の視認不可能領域に関し、前記計測領域データに基づいて形成される補間曲線を用いて未計測領域データを作成する未計測領域データ作成工程と、前記計測領域データ作成工程によって作成された前記計測領域データと、前記未計測領域データ作成工程によって作成された前記未計測領域データとに基づいて、ステーベーン羽根面全体及びガイドベーン羽根面全体の全域データを作成する羽根面全域データ作成工程と、を備えたことを特徴とするステーベーン羽根面及びガイドベーン羽根面測定方法である。

本発明は、水車ランナ羽根の水車ランナ羽根面のうち、外方から視認できる視認可能領域を計測する計測手段を有する三次元計測装置と、当該三次元計測装置に接続され、前記計測手段で計測された前記視認可能領域の形状をデータ化して、計測領域データを作成する計測領域データ作成手段と、外方から視認できない前記水車ランナ羽根面の視認不可能領域に関し、前記計測領域データに基づいて形成される補間曲線を用いて未計測領域データを作成する未計測領域データ作成手段と、前記計測領域データ作成手段によって作成された前記計測領域データと、前記未計測領域データ作成手段によって作成された前記未計測領域データとに基づいて、水車ランナ羽根面全体の全域データを作成する羽根面全域データ作成手段とを有する羽根面生成装置と、を備えたことを特徴とする水車ランナ羽根面測定装置である。

本発明によれば、水車ランナ羽根面の部分的な計測データに基づいて、水車ランナ羽根面全域を確実に測定することができる水車ランナ羽根面測定方法を提供することができ、更に当該測定方法を用いた水車ランナ羽根面測定装置を提供することができる。

実施の形態
以下、本発明に係る水車ランナ羽根面測定方法の一実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図１０は本発明の一実施の形態を示す図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、フランシス水車ランナ１は、クラウン４と、バンド３と、クラウン４とバンド３との間に等間隔に複数枚（本実施の形態では１５枚）配置された水車ランナ羽根２とを備えている。また、水車ランナ羽根２は、水車ランナ羽根面２ａおよび水車ランナ羽根面２ｂで表される表面形状をしている。さらに、水車ランナ羽根面２ａ，２ｂは、それより外方である、例えばα点から視認できる視認可能領域ｍ１、同様にβ点から視認できる視認可能領域ｍ２、γ点から視認できる視認可能領域ｍ３およびｍ４と、それらの点から視認できない視認不可能領域ｎ１，ｎ２とからなっている。ここで、フランシス水車ランナ１の中心部を上下方向に通過する軸（回転中心軸）を水車中心軸Ｚとする。なお、図１（ａ）は、フランシス水車ランナ１の外形を示した斜視図であり、図１（ｂ）はフランシス水車ランナ１の前記中心軸Ｚに垂直な平面で切ったある断面を、中心軸Ｚ方向から見た平面図である。

図２に示すように、水車ランナ羽根面測定装置３０は、三次元計測装置５と、三次元計測装置５に接続された羽根面生成装置６とを備えている。なお、羽根面生成装置６には、少なくともキーボードやマウスで代表される入力装置６１、三次元計測装置５で得られたデータを処理するための演算装置６２、生成した羽根面を確認するための表示装置６３およびそれらの結果やプログラムを格納するための記憶装置６４を備えるものである。

このうち三次元計測装置５は、例えばＣＣＤカメラやレーザ光等を用いて、水車ランナ羽根面２ａ，２ｂのうち、外方から視認できる視認可能領域ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４を計測する計測手段を有している（図１（ｂ）参照）。

また羽根面生成装置６の前記演算装置６４には、計測手段で計測された視認可能領域ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４の形状をデータ化して、計測領域データを作成する計測領域データ作成手段と、外方から視認できない水車ランナ羽根面２ａ，２ｂの視認不可能領域ｎ１，ｎ２に関し、計測領域データに基づいて形成される補間曲線ＣＵ_ｉ，ＣＶ_ｉ，Ｔ_ｉを用いて未計測領域データを作成する未計測領域データ作成手段と、計測領域データ作成手段によって作成された計測領域データと、未計測領域データ作成手段によって作成された未計測領域データとに基づいて、水車ランナ羽根面全体の全域データを作成する羽根面全域データ作成手段とを有している。

本発明による水車ランナ羽根面測定方法について、以下説明する。

計測工程４１（ステップ１）
まず図３に示すように、フランシス水車ランナ１の水車ランナ羽根面２ａ，２ｂのうち、外方から視認できる視認可能領域ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４を非接触又は接触式の三次元計測装置５を用いて計測する（図１及び図２参照）。

ここで図１（ａ）、（ｂ）に示すように、フランシス水車ランナ１の水車ランナ羽根２は、バンド３とクラウン４により覆われているため、外方から視認可能領域ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４のみを視認することができる。

すなわち図１（ｂ）及び図５（ａ）に示すように、水車ランナ羽根２の裏面２ｂにおいて、水車ランナ羽根２の入口端１１から中央にかけての領域ｍ２と、水車ランナ羽根２の中央から出口端１２にかけての領域ｍ３とは視認することができるが、領域ｍ２と、領域ｍ３との間に挟まれた領域（視認不可能領域）ｎ２は外方から視認することができない。

また図１（ｂ）及び図５（ｂ）（ｃ）に示すように、水車ランナ羽根２の表面２ａについては、水車ランナ羽根２の入口端１１から中央にかけての領域ｍ１は視認することができるが、領域ｍ１より出口端１２側の領域（視認不可能領域）ｎ１は外方から視認することができない。

なお、水車ランナ羽根２の表面２ａの出口端１２側は、隣接する水車ランナ羽根２に挟まれているため、外方から視認することができない。このため、図５（ｃ）に示すように、水車ランナ羽根２の裏面２ｂ側から水車ランナ羽根２の出口端１２における側面領域ｍ４の厚みｄ_ｉを数箇所測定する。

データ取込工程４２（ステップ２）
次に図３に示すように、三次元計測装置５で計測された画像を羽根面生成装置６に転送して取り込む（図２参照）。

計測領域データ作成工程４３（ステップ３）
次に図３に示すように、羽根面生成装置６において、三次元計測装置５から入力された画像を三次元座標値に変換して計測領域データを作成する。

未計測領域データ作成工程４４（ステップ４）
次に、図４に示すように、フランシス水車ランナ１の水車中心軸Ｚとその水車中心軸Ｚに直交する軸Ｘからなる断面上において、バンド３とクラウン４間に複数の流線を生成し、この流線を水車中心軸Ｚ周りに回転させて回転面Ｒ_ｉを形成する（図１参照）。なお、この流線は、クラウン内面（すなわちランナ羽根側の面）の曲線形状とバンド内面（すなわちランナ羽根側の面）の曲線形状から算出される。

次に、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、視認可能領域ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４に関して、三次元座標値に変換された計測領域データに基づいて第一補間曲線ＣＵ_ｉを定義する。

次に、この第一補間曲線ＣＵ_ｉと一つの回転面Ｒ_ｉとの交点Ｐ_ｉを求め、求めた各交点Ｐ_ｉを結ぶことによって流線に沿った第二補間曲線ＣＶ_ｋを生成する。なお、これらの補間曲線は、高次の最小二乗法による曲線、スプライン曲線、等を用いることが可能である。

ここで、水車ランナ羽根２の表面２ａに関する未計測領域データを作成する方法について説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、水車ランナ羽根２の表面２ａにおける視認可能領域ｍ１の出口端１２側の端点Ｐ_１における第二補間曲線ＣＶ_ｋの接線ベクトルＶ_ｋ１を求める。

次に、図６（ａ）に示すように、水車ランナ羽根２の裏面２ｂにおける出口端１２の第一補間曲線ＣＵ_ｎを、厚みｄ_ｉだけ水車ランナ羽根２の表面２ａ方向にシフトさせた第一補間曲線ＣＵ_ｎ’と回転面Ｒｋとの交点Ｐ_２における第二補間曲線ＣＶ_ｋの接線ベクトルＶ_ｋ２を求める。

次に、図７（ａ）に示すように、接線ベクトルＶ_ｋ１と接線ベクトルＶ_ｋ２を滑らかに繋ぎ、水車ランナ羽根２の表面２ａにおける視認不可能領域ｎ１に関する第三補間曲線Ｔｋを生成する。

上述した手順を各回転面Ｒ_ｉに対して繰り返し行うことによって、各回転面Ｒ_ｉに対応する第三補間曲線Ｔ_ｉを各々求めることができ、水車ランナ羽根２の表面２ａに関する未計測領域データを作成することができる。

次に、水車ランナ羽根２の裏面２ｂに関する未計測領域データを作成する方法について説明する。

まず、図６（ｂ）に示すように、視認可能領域ｍ２の出口端１２側の端点Ｐ_４における第二補間曲線ＣＶ_ｌの接線ベクトルＶ_ｌ１と、視認可能領域ｍ３の入口端１１側の端点Ｐ_５における第二補間曲線ＣＶ_ｌの接線ベクトルＶ_ｌ２を求める。

次に、図７（ｂ）に示すように、接線ベクトルＶ_ｌ１と接線ベクトルＶ_ｌ２を滑らかに繋ぎ、水車ランナ羽根２の裏面２ｂにおける視認不可能領域ｎ２に関する第三補間曲線Ｔ_ｌを生成する。

上述した手順を各回転面Ｒ_ｉに対して繰り返し行うことによって、各回転面Ｒ_ｉに対応する第三補間曲線Ｔ_ｉを各々求めることができ、水車ランナ羽根２の表面２ａに関する未計測領域データを作成することができる。

羽根面全域データ作成工程４５（ステップ５）
次に図３及び図９（ａ）、（ｂ）に示すように、計測領域データ作成工程４３によって作成された計測領域データと、未計測領域データ作成工程４４によって作成された未計測領域データとに基づいて、水車ランナ羽根面２ａ，２ｂ全体の全域データを作成する。

この際、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、計測工程４１で求められた水車ランナ羽根２の表面２ａの入口角度Ｔ_ｉａ’を満たすように各第三補間曲線Ｔ_ｉａを修正する。また同様に、裏面２ｂの入口角度Ｔ_ｉｂ’を満たすように各第三補間曲線Ｔ_ｉｂを修正する。なお入口角度Ｔ_ｉａ’， Ｔ_ｉｂ’の代わりに出口角度（図示せず）を用いて、第三補間曲線Ｔ_ｉａ，Ｔ_ｉｂを修正することもできる。

また図１（ｂ）及び図８（ａ）、（ｃ）に示すように、計測工程４１で求められた水車ランナ羽根２の出口開度Ｄを考慮して、裏面２ｂの各第三補間曲線Ｔ_ｉｂを修正する。

すなわち図８（ａ）に示すように、まず、計測工程４１で求められた水車ランナ羽根２の表面端部２ａ_ｉを、当該表面端部２ａ_ｉに対応する側面領域ｍ４の厚みｄ_ｉだけシフトさせて、水車ランナ羽根２の裏面端部２ｂ_ｉを求める。その後、当該裏面端部２ｂ_ｉから、計測工程４１で計測された出口開度Ｄだけシフトさせた点Ｐ_３を通るように、裏面２ｂの各第三補間曲線Ｔ_ｉｂを第三補間曲線Ｔ_ｉｂ”に修正する。

水車性能解析工程４６（ステップ６）
次に図３に示すように、羽根面全域データ作成工程において作成された水車ランナ羽根面２ａ，２ｂ全体の全域データに基づいて水車ランナ羽根の水車性能を解析する。

この場合、水車性能としては、水車ランナ羽根面２ａ，２ｂ形状からシミュレーションを行って得られる水車効率、あるいはキャビテーション係数が考えられる。

評価工程４７（ステップ７）
次に図３に示すように、水車性能解析工程４６で解析された水車性能、すなわち水車ランナ羽根面２ａ，２ｂ形状から得られた水車効率あるいはキャビテーション係数が、所定の基準値を満たしているか否かについて評価する。

修正工程４８（ステップ８）
評価工程４７において水車性能が予め定めた基準値を満たさないと評価された場合には、図３に示すように、水車ランナ羽根２の入口角度Ｔ_ｉａ，Ｔ_ｉｂ、出口角度及び出口開度Ｄ（図８参照）に関するデータを再設定することによって、水車ランナ羽根面２ａ，２ｂ全体の全域データを修正する。

その後、評価工程４７において、水車性能が予め定めた基準値を満たしていると評価されるまで、図３に示すように、上述した羽根面全域データ作成工程４５、水車性能解析工程４６、評価工程４７を順次繰り返し行う。

一方、評価工程４７において、水車性能が予め定めた基準値を満たすと評価された場合には、水車ランナ羽根面の測定を終了する。

なお、上述した水車ランナ羽根面測定方法を用いることによって、ポンプ水車ランナ（図示せず）及びカプラン水車ランナ（図示せず）の水車ランナ羽根面２ａ，２ｂも測定することができる。

本発明の水車ランナ羽根面測定方法を用いることによって、視認可能領域ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４に関する部分的な計測データから、水車ランナ羽根面２ａ，２ｂ全体の形状を確実に測定することができる。

また、水車性能を解析評価し、フィードバックして測定結果を修正するため、水車ランナ羽根面２ａ，２ｂ全体の形状をより確実に測定することができる。

また、計測された水車ランナ羽根面２ａ、２ｂ全体に関する羽根面全域データを用いて、新たな水車ランナ羽根２や、改修した水車ランナ羽根２を設計することができるため、水車効率の優れ、キャビテーションの起こりにくい水車ランナ羽根２を、効率よく設計することができる。

変形例
なお、図１０（ａ）乃至（ｃ）に示すように、ステーベーン１８及びガイドベーン１９は各々、１０〜３０枚程の羽根から構成されているため、これらの羽根面８，９全体を測定することは容易ではない。しかしながら、発明の水車ランナ羽根面測定方法を用いることによって、容易かつ確実にステーベーン１８及びガイドベーン１９の羽根面８，９全体を測定することができる。

すなわち、ステーベーン１８及びガイドベーン１９を外方例えばδ点およびε点から観察した場合には、図１０（ｃ）に示すように、外方から測定できる測定可能領域は、ステーベーン１８に関してはｒ１となり、ガイドベーン１９に関してはｒ２となる。一方、外方から測定できない測定不可能領域は、ステーベーン１８に関してはｑ１となり、ガイドベーン１９に関してはｑ２となる。

これら測定可能領域ｒ１，ｒ２と、測定不可能領域ｑ１，ｑ２の測定結果に基づいて、上述した本発明の水車ランナ羽根面測定方法を用いることによって、ステーベーン１８の羽根面８及びガイドベーン１９の羽根面９の全体を容易かつ確実に測定することができる。

本発明によるフランシス水車ランナを示す構成図。 本発明による水車ランナ羽根面測定装置を示す概略図。 本発明による回転面Ｒ_ｉを示す概略図。 本発明による水車ランナ羽根面測定方法のフローを示すブロック図。 本発明による視認可能領域と視認不可能領域との関係を示す概略図。 本発明による第一補間曲線ＣＵ_ｉ及び第二補間曲線ＣＶ_ｉの関係を説明するための概略図。 本発明による第二補間曲線ＣＶ_ｉ及び第三補間曲線Ｔ_ｉの関係を説明するための概略図。 本発明による入口角度、出口角度及び出口開度を考慮した補間曲線を説明するための概略図。 本発明による水車ランナ羽根面測定方法によって作成される全域データを示す概略図。 本発明による水車ランナ羽根面測定方法をステーベーンとガイドベーンとに用いた変形例を説明するための概略図。

符号の説明

１ フランシス水車ランナ
２ 水車ランナ羽根
２ａ 水車ランナ羽根表面
２ｂ 水車ランナ羽根裏面
５ 三次元計測装置
６ 羽根面生成装置
８ ステーベーン
９ ガイドベーン
９ａ ガイドベーン羽根
３０ 水車ランナ羽根測定装置
４１ 計測工程
４３ 計測領域データ作成工程
４４ 未計測領域データ作成工程
４５ 羽根面全域データ作成工程
４６ 水車性能解析工程
４７ 評価工程
４８ 修正工程

Claims (6)

1. 水車ランナ羽根の水車ランナ羽根面のうち、外方から視認できる視認可能領域を計測する計測工程と、
   当該計測工程で計測された前記視認可能領域の形状をデータ化して、計測領域データを作成する計測領域データ作成工程と、
   外方から視認できない前記水車ランナ羽根面の視認不可能領域に関し、前記計測領域データに基づいて形成される補間曲線を用いて未計測領域データを作成する未計測領域データ作成工程と、
   前記計測領域データ作成工程によって作成された前記計測領域データと、前記未計測領域データ作成工程によって作成された前記未計測領域データとに基づいて、水車ランナ羽根面全体の全域データを作成する羽根面全域データ作成工程と、
   を備えたことを特徴とする水車ランナ羽根面測定方法。
2. 前記補間曲線は、前記計測工程で計測された水車ランナ羽根の出口開度を考慮して定められることを特徴とする請求項１記載の水車ランナ羽根面測定方法。
3. 前記補間曲線は、前記計測工程で計測された出口角度及び入口角度を考慮して定められることを特徴とする請求項１記載の水車ランナ羽根面測定方法。
4. 前記羽根面全域データ作成工程において作成された前記水車ランナ羽根面全体の全域データに基づいて、水車ランナ羽根の水車性能を解析する水車性能解析工程と、
   当該水車性能解析工程で解析された水車性能が、予め定めた基準を満たすかを評価する評価工程と、
   前記評価工程において水車性能が予め定めた基準を満たさないと評価された場合には、前記水車ランナ羽根面全体の全域データを修正する修正工程と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の水車ランナ羽根面測定方法。
5. ステーベーン羽根のステーベーン羽根面及びガイドベーン羽根のガイドベーン羽根面のうち、外方から視認できる視認可能領域を計測する計測工程と、
   当該計測工程で計測された前記視認可能領域の形状をデータ化して、計測領域データを作成する計測領域データ作成工程と、
   外方から視認できない前記ステーベーン羽根面及び前記ガイドベーン羽根面の視認不可能領域に関し、前記計測領域データに基づいて形成される補間曲線を用いて未計測領域データを作成する未計測領域データ作成工程と、
   前記計測領域データ作成工程によって作成された前記計測領域データと、前記未計測領域データ作成工程によって作成された前記未計測領域データとに基づいて、ステーベーン羽根面全体及びガイドベーン羽根面全体の全域データを作成する羽根面全域データ作成工程と、
   を備えたことを特徴とするステーベーン羽根面及びガイドベーン羽根面測定方法。
6. 水車ランナ羽根の水車ランナ羽根面のうち、外方から視認できる視認可能領域を計測する計測手段を有する三次元計測装置と、
   当該三次元計測装置に接続され、前記計測手段で計測された前記視認可能領域の形状をデータ化して、計測領域データを作成する計測領域データ作成手段と、外方から視認できない前記水車ランナ羽根面の視認不可能領域に関し、前記計測領域データに基づいて形成される補間曲線を用いて未計測領域データを作成する未計測領域データ作成手段と、前記計測領域データ作成手段によって作成された前記計測領域データと、前記未計測領域データ作成手段によって作成された前記未計測領域データとに基づいて、水車ランナ羽根面全体の全域データを作成する羽根面全域データ作成手段とを有する羽根面生成装置と、
   を備えたことを特徴とする水車ランナ羽根面測定装置。

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