JP2009091992A - フランシス水車ランナ - Google Patents

Abstract

【課題】運転効率を低下させることなく運転可能な落差幅改善量が増大することにより、運転可能領域を拡大することができるフランシス水車ランナを提供する。
【解決手段】本発明によるフランシス水車ランナは、クラウン１と、バンド２と、クラウン１とバンド２との間に介在された複数のランナ羽根３とを備えている。各ランナ羽根３は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分４と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分６との間に位置し、厚みが最大となるランナ羽根中間部分５を有している。さらに、ランナ羽根中間部分５は、クラウン側中間部分５ａとバンド側中間部分５ｂとの間に位置する中央側中間部分５ｃを含んでいる。このうちクラウン側中間部分５ａおよびバンド側中間部分５ｂの厚みは、中央側中間部分５ｃの厚みよりも厚く形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、水力発電用水車または揚水発電用水車に使用され、流入される水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのフランシス水車ランナに関する。

図１２は一般的なフランシス水車の全体構成を示す図である。フランシス水車は、水が流入するケーシング７と、回動自在に設けられ、ケーシング７内から流入する水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのランナ１０とを備えている。またケーシング７内周側には、ランナ１０へ向けた水の流路を形成させるためのステーベーン８と、水量を変化させるガイドベーン９とを有している。また、ランナ１０は、複数のランナ羽根２２を有し、主軸１２を介して発電機１３と連結されている。

図１２において、フランシス水車の運転時には、水は図示しない上池から図示しない水圧鉄管を通りフランシス水車のケーシング７内に流れ込む。ケーシング７内に流れ込んできた水は、ステーベーン８およびガイドベーン９を介してランナ１０に流入される。ランナ１０に水が流入した場合、ランナ羽根２２が水の流れを受けてランナ１０が回転駆動され、主軸１２を介して発電機１３が駆動される。一方、ランナ１０を回転駆動させた水は、吸出し管１１を経て図示しない放水路へと流出される。

また、ガイドベーン９の開度を変化させることにより、ランナ１０に流入される水量が調整される。これによりランナ１０の回転駆動力が調整され、発電機１３の発電量を変化させることができる。このようにフランシス水車の運転時において、ランナ１０に流入される水量が変化し、ランナ１０内の水の流れは大きく変化する。

ところで、設計落差で運転する場合には、ランナ羽根２２の入口での水の相対流れの角度とランナ羽根２２の入口形状の角度との差が小さいため、ガイドベーン９からランナ羽根２２に流入される水の流れはランナ羽根２２の入口に沿った流れとなる。

一方、設計落差から離れた落差領域で運転する場合には、ランナ羽根２２の入口での水の相対流れの角度とランナ羽根２２の入口形状の角度との差が大きくなる。この場合は、ランナ羽根２２の入口で水の流れが剥離し、渦またはキャビテーションが発生する。これらの剥離による渦またはキャビテーションは運転中に機器の振動や騒音をもたらすだけでなく、ランナ羽根２２の表面に壊食をもたらすこともある。

例えば、設計落差よりも低落差領域で運転する時には、ランナ羽根２２の入口での水の相対流れの角度がランナ羽根２２の入口形状の角度に対して小さくなる。これにより、ランナ羽根２２の入口での水の相対流れの角度とランナ羽根２２の入口形状の角度との差が大きくなる。このため、ランナ羽根２２の入口の圧力面２２ａ（図３（ｂ）参照）で剥離による渦またはキャビテーションが発生する。

このようなランナ羽根２２の入口の圧力面２２ａで剥離による渦またはキャビテーションが発生することを抑制する方法として、ランナ羽根２２の入口の圧力面２２ａに滑らかな膨らみ部を設けたものがある（特開平１１−３４３９５５）。これによれば、ランナ羽根２２の入口の圧力面２２ａに膨らみ部を設けることにより、ランナ羽根２２の入口での水の相対流れの角度とランナ羽根２２の入口形状の角度との差は小さくなる。これにより、ランナ羽根２２に流入される水の相対流れは、ランナ羽根２２の入口形状に沿うものとなり、ランナ羽根２２の入口の圧力面２２ａで剥離による渦またはキャビテーションが発生することを抑制することができる。

しかしながら、上述のランナ羽根２２の形状では、ランナ羽根２２の入口部分の厚みが厚くなることにより、フランシス水車運転時におけるランナ羽根２２の入口部分において衝突損失が大きくなる。このため、フランシス水車の運転効率が低下することがある。

また、上述のランナ羽根２２の形状では、設計落差よりも高落差領域で運転する時には、ランナ羽根２２の入口での水の相対流れの角度がランナ羽根２２の入口形状の角度に対して大きくなる。これにより、ランナ羽根２２の入口での水の相対流れの角度とランナ羽根２２の入口形状の角度との差が大きくなる。このため、ランナ羽根２２の入口の負圧面２２ｂに剥離による渦またはキャビテーションが発生する。

さらに、設計落差よりも低落差領域または高落差領域で運転する時に、ランナ羽根２２の入口の圧力面２２ａまたは負圧面２２ｂで発生する剥離による渦またはキャビテーションは、一般にランナ羽根２２のバンド側およびクラウン側で発生しやすい。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、設計落差よりも低落差領域で運転する場合だけでなく、高落差領域で運転する場合においてもランナ羽根の入口での水の流れの剥離による渦またはキャビテーションの発生を防止するとともに、運転効率が低下することを防止することができるフランシス水車ランナを提供することを目的とする。

本発明は、水力発電用水車または揚水発電用水車に使用され、流入される水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのフランシス水車ランナにおいて、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に介在された複数のランナ羽根と、を備え、各ランナ羽根は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分と、ランナ羽根入口部分とランナ羽根出口部分との間に位置し、厚みが最大となるランナ羽根中間部分とを有し、ランナ羽根中間部分は、クラウン側に位置するクラウン側中間部分と、バンド側に位置するバンド側中間部分と、クラウン側中間部分とバンド側中間部分との間に位置する中央側中間部分とを含み、クラウン側中間部分およびバンド側中間部分の厚みは、中央側中間部分の厚みよりも厚く形成されていることを特徴とするフランシス水車ランナである。

本発明は、水力発電用水車または揚水発電用水車に使用され、流入される水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのフランシス水車ランナにおいて、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に介在された複数のランナ羽根と、を備え、各ランナ羽根は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分と、ランナ羽根入口部分とランナ羽根出口部分との間に位置し、厚みが最大となるランナ羽根中間部分とを有し、ランナ羽根入口部分は、クラウン側に位置するクラウン側入口部分と、バンド側に位置するバンド側入口部分と、クラウン側入口部分とバンド側入口部分との間に位置する中央側入口部分とを含み、クラウン側入口部分およびバンド側入口部分の厚みは、中央側入口部分の厚みよりも厚く形成されていることを特徴とするフランシス水車ランナである。

本発明は、クラウン側中間部分の厚みをＴＣとし、バンド側中間部分の厚みをＴＢとし、中央側中間部分の厚みをＴＭとしたとき、
ＴＣ≧ＴＭ×１．１
ＴＢ≧ＴＭ×１．１
となるように、ＴＣ、ＴＢ、およびＴＭが設定されていることを特徴とするフランシス水車ランナである。

本発明は、クラウン側入口部分の厚みをＴＩＣとし、バンド側入口部分の厚みをＴＩＢとし、中央側入口部分の厚みをＴＩＭとしたとき、
ＴＩＣ≧ＴＩＭ×１．１
ＴＩＢ≧ＴＩＭ×１．１
となるように、ＴＩＣ、ＴＩＢ、およびＴＩＭが設定されていることを特徴とするフランシス水車ランナである。

本発明は、クラウン側入口部分であって中央側入口部分の厚みよりも厚く形成されている範囲の幅をＢＣとし、バンド側入口部分であって中央側入口部分の厚みよりも厚く形成されている範囲の幅をＢＢとし、ランナ羽根入口部分全範囲の幅をＢ０としたとき、
ＢＣ／Ｂ０≦０．３
ＢＢ／Ｂ０≦０．３
となるように、ＢＣ、ＢＢ、およびＢ０が設定されていることを特徴とするフランシス水車ランナである。

本発明によれば、設計落差よりも低落差領域および高落差領域での運転時においても、フランシス水車の運転効率が低下することなく、剥離による渦またはキャビテーションが発生することを防止することができる。このため、フランシス水車の運転可能領域を拡大することができる。

第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１乃至図６は、本発明によるフランシス水車ランナの第１の実施の形態を示す図である。このうち図１は、ランナを示す構成図であり、図２は、ランナ羽根の流路方向断面図および図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、図３は、低落差領域での運転時におけるランナ羽根の入口の水の流れによる作用を示す模式図であり、図４は、高落差領域での運転時におけるランナ羽根の入口の水の流れによる作用を示す模式図であり、図５は、ランナ羽根の入口における剥離による渦またはキャビテーションが発生しない運転可能領域の限界を示す図であり、図６は、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図である。

まず、図１により、ランナ１０の全体構成について説明する。ランナ１０は、主軸１２側（図１２参照）に位置するクラウン１と、外周側に位置するバンド２と、クラウン１とバンド２との間に介在され、圧力面３ａと負圧面３ｂとを有する複数のランナ羽根３とを備えている。

このうち、各ランナ羽根３は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分４と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分６と、ランナ羽根入口部分４とランナ羽根出口部分６との間に位置するランナ羽根中間部分５とを有している。

また、ランナ羽根中間部分５は、クラウン１側に位置するクラウン側中間部分５ａと、バンド２側に位置するバンド側中間部分５ｂと、クラウン側中間部分５ａとバンド側中間部分５ｂとの間に位置する中央側中間部分５ｃとを含んでいる。

次に、図２により、ランナ羽根３の流路方向の断面形状および図１におけるＡ−Ａ線断面形状について説明する。ここで、図２（ａ）は、ランナ羽根３の流路方向断面図であり、図２（ｂ）は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）に示すように、ランナ羽根３の形状は、ランナ羽根入口部分４からランナ羽根中間部分５に向けて徐々にランナ羽根３の厚みが厚くなり、このランナ羽根中間部分５においてランナ羽根３の厚みが最大となる。その後、ランナ羽根中間部分５からランナ羽根出口部分６に向けてランナ羽根３の厚みは徐々に薄くなっていく。一般に、ランナ羽根３のランナ羽根中間部分５のうち厚みが最大となる場所は、ランナ羽根３の入口端を始点として、ランナ羽根３の流路方向長さの２割乃至５割程度まで進んだ場所にある。また、このランナ羽根３のランナ羽根中間部分５における最大となる厚みは機械的強度の面から決められる。

次に、ランナ羽根３の厚みが最大となるランナ羽根中間部分５におけるクラウン側中間部分５ａとバンド側中間部分５ｂとの間の形状について説明する。一般的には、クラウン側中間部分５ａからバンド側中間部分５ｂに向けてランナ羽根３の厚みが等しく形成されている場合、またはバンド側中間部分５ｂからクラウン側中間部分５ａに向けてランナ羽根３の厚みが徐々に厚くなるように形成されている場合がある。

本発明におけるランナ羽根３においては、図２（ｂ）に示すように、クラウン側中間部分５ａおよびバンド側中間部分５ｂの厚みは、中央側中間部分５ｃの厚みよりも厚く形成されている。具体的には、クラウン側中間部分５ａとバンド側中間部分５ｂとの間におけるランナ羽根３の厚みの最小位置は中央側中間部分５ｃにある。また、中央側中間部分５ｃからクラウン側中間部分５ａに向けてランナ羽根３の厚みが徐々に厚くなり、同様に中央側中間部分５ｃからバンド側中間部分５ｂに向けてランナ羽根３の厚みも徐々に厚くなるように形成されている。

ここで、クラウン側中間部分５ａの厚みをＴＣとし、バンド側中間部分５ｂの厚みをＴＢとし、中央側中間部分５ｃの厚みをＴＭとしたとき、
ＴＣ≧ＴＭ×１．１
ＴＢ≧ＴＭ×１．１
となるように、ＴＣ、ＴＢ、およびＴＭが設定されている。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
まず、図３および図４により、設計落差よりも低落差領域および高落差領域での運転時におけるランナ羽根３、２２の入口の水の流れによるランナ羽根３、２２への作用について説明する。ここで、図３（ａ）は、本発明によるランナ羽根３を用いた場合において低落差領域での運転時におけるランナ羽根３の入口の水の流れによる作用を示す模式図であり、図３（ｂ）は、比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合において低落差領域での運転時におけるランナ羽根２２の入口の水の流れによる作用を示す模式図である。また、図４（ａ）は、本発明によるランナ羽根３を用いた場合において高落差領域での運転時におけるランナ羽根３の入口の水の流れによる作用を示す模式図であり、図４（ｂ）は、比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合において高落差領域での運転時におけるランナ羽根２２の入口の水の流れによる作用を示す模式図である。また、図３（ａ）、（ｂ）および図４（ａ）、（ｂ）において、３は本発明におけるランナ羽根を示し、２２は比較例としてのランナ羽根を示す。また、ｕはランナ１０の周速度、ｖは水の絶対流入速度、およびｗは水の相対流入速度を示している。また、図３（ａ）および図４（ａ）において、実線は本発明によるランナ羽根３のクラウン１側およびバンド２側における流路方向の断面形状を示し、破線は本発明によるランナ羽根３の中央側における流路方向の断面形状を示している。

前述したように、設計落差よりも低落差領域または高落差領域で運転した場合、ランナ羽根３、２２の入口での水の相対流れ角度は大きく変化する。ここで低落差領域での水の流れを図３（ａ）、（ｂ）に示し、高落差領域での水の流れを図４（ａ）、（ｂ）に示す。このため、ランナ羽根３、２２の入口での水の相対流れの角度とランナ羽根３、２２の入口形状の角度との差が大きくなる。

このことにより、図３（ｂ）に示す比較例では、低落差領域においてランナ羽根２２の入口で水の流れが剥離し、ランナ羽根２２の圧力面２２ａに渦またはキャビテーション２３が発生することが考えられる。この剥離による渦またはキャビテーション２３が発生する位置は、ランナ羽根２２の圧力面２２ａうち主にクラウン１側およびバンド２側である。

また、図４（ｂ）に示す比較例では、高落差領域においてランナ羽根２２の入口では、ランナ羽根２２の負圧面２２ｂに渦またはキャビテーション２４が発生することが考えられる。この剥離による渦またはキャビテーション２４が発生する位置は、ランナ羽根２２の負圧面２２ｂうち主にクラウン１側およびバンド２側である。

そのため、水の相対流れの角度の変化に対してランナ羽根３、２２のクラウン１側およびバンド２側における入口形状の角度との差を小さくする必要がある。

本発明によれば、クラウン側中間部分５ａおよびバンド側中間部分５ｂにおいてランナ羽根３の厚みを、中央側中間部分５ｃの厚みよりも厚くしている。これにより、図３（ａ）に示すように、設計落差より低落差領域で運転をした場合においても、水の相対流れの角度とランナ羽根３の入口形状の角度との差が小さくなる。このため、水の流れの剥離による渦またはキャビテーション２３が発生することを防止することができる。

また、図４（ａ）に示すように、設計落差より高落差領域で運転をした場合においても、水の相対流れの角度とランナ羽根３の入口形状の角度との差が小さくなる。このため、水の流れの剥離による渦またはキャビテーション２４が発生することを防止することができる。

一般的には、ランナ羽根３、２２の厚みを厚くした場合、衝突損失が大きくなる。しかし、本発明によれば、ランナ羽根３の厚みを厚くする位置がクラウン側中間部分５ａおよびバンド側中間部分５ｂのみであり、中央側中間部分５ｃにおいてはランナ羽根３の厚みを厚くしていない。これにより、衝突損失が大きくなることが抑制される。このため、フランシス水車の運転効率が低下することを防止することができる。

次に、図５により、フランシス水車の運転時における落差と、ランナ羽根３、２２の入口における剥離による渦２３またはキャビテーション２４が発生しない運転可能領域の限界との関係について説明する。ここで、図５において、実線は本発明によるランナ羽根３を用いた場合における剥離による渦２３およびキャビテーション２４が発生しない運転可能領域の限界線をそれぞれ示している。また、破線は比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合における剥離による渦２３およびキャビテーション２４が発生しない運転可能領域の限界線をそれぞれ示している。

図５に示すように、低落差領域においては、本発明によるランナ羽根３を用いた場合の方が、比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合よりも剥離による渦２３が発生しない運転可能領域の限界の落差が低くなることがわかる。また、高落差領域においては、本発明によるランナ羽根３を用いた場合の方が、比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合よりもキャビテーション２４が発生しない運転可能領域の限界の落差が高くなることがわかる。

ここで最高効率点での流量をＱａとすると、最高効率点での流量Ｑａにおいては、剥離による渦２３またはキャビテーション２４が発生しない運転可能な落差の幅は、比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合にはＨ１であったのに対して、本発明によるランナ羽根３を用いた場合にはＨ２となることがわかる。このため、本発明によれば、比較例の場合よりも広い落差領域にわたって剥離による渦２３またはキャビテーション２４が発生することを防止することができる。

次に、図６（ａ）、（ｂ）により、クラウン側中間部分５ａの厚みおよびバンド側中間部分５ｂの厚みと、水車最高効率比および運転可能な落差幅改善量との関係について説明する。ここで、図６（ａ）は、クラウン側中間部分５ａの厚みと、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図であり、図６（ｂ）は、バンド側中間部分５ｂの厚みと、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図である。さらに、水車最高効率比はη／η０で表され、このうちη０は比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合の水車最高効率、ηは本発明によるランナ羽根３を用いた場合の水車最高効率を示す。また、運転可能な落差幅改善量はΔＨ／Ｈ１で表され、このうちΔＨは運転可能な落差幅改善量を示し、ΔＨ＝Ｈ２−Ｈ１で表される。

図６（ａ）に示すように、クラウン側中間部分５ａの厚みＴＣと中央側中間部分５ｃの厚みＴＭとが同一の場合よりも、クラウン側中間部分５ａの厚みＴＣを中央側中間部分５ｃの厚みＴＭの１．１倍にした場合の方が、運転可能な落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１が増大していることがわかる。さらに、この場合においても、水車最高効率比η／η０が低下していないことがわかる。このため、比較例としてのランナ羽根２２に対し、その形状を種々変化させた本発明におけるランナ羽根３によれば、水車最高効率ηを低下させることなく落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１を大幅に上昇させることができる。

同様に、図６（ｂ）に示すように、バンド側中間部分５ｂの厚みＴＢと中央側中間部分５ｃの厚みＴＭとが同一の場合よりも、バンド側中間部分５ｂの厚みＴＢを中央側中間部分５ｃの厚みＴＭの１．１倍にした場合の方が、運転可能な落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１が増大していることがわかる。さらに、この場合においても、水車最高効率比η／η０が低下していないことがわかる。このため、比較例としてのランナ羽根２２に対し、その形状を種々変化させた本発明におけるランナ羽根３によれば、水車最高効率ηを低下させることなく落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１を大幅に上昇させることができる。

このように、本実施の形態によれば、フランシス水車の運転効率を低下させることなく運転可能な落差幅改善量が増大することにより、フランシス水車の運転可能領域を拡大することができる。なお、上記したようにクラウン側中間部分５ａの厚みＴＣと中央側中間部分５ｃの厚みＴＭとの比、およびバンド側中間部分５ｂの厚みＴＢと中央側中間部分５ｃの厚みＴＭとの比は、それぞれ１．１以上であれば良いが、あまりクラウン側中間部分５ａの厚みＴＣおよびバンド側中間部分５ｂの厚みＴＢを厚くすると、設計落差よりも低落差領域および高落差領域においてキャビテーションが発生する可能性が高くなるため、最大でも２．０以下が望ましい。

第２の実施の形態
次に、図７および図８により、本発明によるフランシス水車ランナの第２の実施の形態について説明する。ここで、図７は、ランナ構造を示す構成図、ランナ羽根の流路方向断面図、およびＢ−Ｂ線断面図であり、図８は、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図である。
図７および図８に示す第２の実施の形態は、ランナ羽根の流路方向断面形状が異なるものであり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。

本実施の形態において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。ここで、図７（ａ）は、ランナ構造を示す構成図であり、図７（ｂ）は、ランナ羽根１４の流路方向断面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。図７（ａ）に示すように、各ランナ羽根１４は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分１５と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分１７と、ランナ羽根入口部分１５とランナ羽根出口部分１７との間に位置するランナ羽根中間部分１６とを有している。

このうち、ランナ羽根入口部分１５は、クラウン１側に位置するクラウン側入口部分１５ａと、バンド２側に位置するバンド側入口部分１５ｂと、クラウン側入口部分１５ａとバンド側入口部分１５ｂとの間に位置する中央側入口部分１５ｃとを含んでいる。

次に、図７（ｂ）により、ランナ羽根１４の流路方向の断面形状について説明する。ランナ羽根１４の形状は、ランナ羽根入口部分１５からランナ羽根中間部分１６に向けて徐々にランナ羽根１４の厚みが厚くなり、このランナ羽根中間部分１６においてランナ羽根１４の厚みが最大となる。その後、ランナ羽根中間部分１６からランナ羽根出口部分１７に向けてランナ羽根１４の厚みは徐々に薄くなっていく。一般に、ランナ羽根１４のランナ羽根中間部分１６のうち厚みが最大となる場所は、ランナ羽根１４の入口端を始点として、ランナ羽根１４の流路方向長さの２割乃至５割程度まで進んだ場所にある。また、このランナ羽根１４のランナ羽根中間部分１６における最大となる厚みは機械的強度の面から決められる。

次に、ランナ羽根入口部分１５におけるクラウン側入口部分１５ａとバンド側入口部分１５ｂとの間の形状について説明する。図７（ｃ）に示すように、クラウン側入口部分１５ａおよびバンド側入口部分１５ｂの厚みは、中央側入口部分１５ｃの厚みよりも厚く形成されている。具体的には、クラウン側入口部分１５ａとバンド側入口部分１５ｂとの間におけるランナ羽根１４の厚みの最小位置は中央側入口部分１５ｃにある。また、中央側入口部分１５ｃからクラウン側入口部分１５ａに向けてランナ羽根１４の厚みが徐々に厚くなり、同様に中央側入口部分１５ｃからバンド側入口部分１５ｂに向けてランナ羽根１４の厚みも徐々に厚くなるように形成されている。

ここで、クラウン側入口部分１５ａの厚みをＴＩＣとし、バンド側入口部分１５ｂの厚みをＴＩＢとし、中央側入口部分１５ｃの厚みをＴＩＭとしたとき、
ＴＩＣ≧ＴＩＭ×１．１
ＴＩＢ≧ＴＩＭ×１．１
となるように、ＴＩＣ、ＴＩＢ、およびＴＩＭが設定されている。

本実施の形態によれば、クラウン側入口部分１５ａおよびバンド側入口部分１５ｂにおいてランナ羽根１４の厚みを、中央側入口部分１５ｃの厚みよりも厚くしている。これにより、図３（ａ）に示すように、設計落差よりも低落差領域で運転をした場合においても、水の相対流れの角度とランナ羽根１４の入口形状の角度との差が小さくなる。このため、水の流れの剥離による渦またはキャビテーション２３が発生することを防止することができる。

また、図４（ａ）に示すように、設計落差よりも高落差領域で運転をした場合においても、水の相対流れの角度とランナ羽根１４の入口形状の角度との差が小さくなる。このため、水の流れの剥離による渦またはキャビテーション２４が発生することを防止することができる。

また、ランナ羽根１４の厚みを厚くする位置がクラウン側入口部分１５ａおよびバンド側入口部分１５ｂのみであり、中央側入口部分１５ｃにおいてはランナ羽根１４の厚みを厚くしていない。これにより、衝突損失が大きくなることが抑制される。このため、フランシス水車の運転効率が低下することを防止することができる。

次に、図８（ａ）、（ｂ）により、クラウン側入口部分１５ａの厚みおよびバンド側入口部分１５ｂの厚みと、水車最高効率比および運転可能な落差幅改善量との関係について説明する。ここで、図８（ａ）は、クラウン側入口部分１５ａの厚みと、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図であり、図８（ｂ）は、バンド側入口部分１５ｂの厚みと、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図である。さらに、水車最高効率比はη／η０で表され、このうちη０は比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合の水車最高効率、ηは本発明によるランナ羽根１４を用いた場合の水車最高効率を示す。また、運転可能な落差幅改善量はΔＨ／Ｈ１で表され、このうちΔＨは運転可能な落差幅改善量を示し、ΔＨ＝Ｈ２−Ｈ１で表される。

図８（ａ）に示すように、クラウン側入口部分１５ａの厚みＴＩＣと中央側入口部分１５ｃの厚みＴＩＭとが同一の場合よりも、クラウン側入口部分１５ａの厚みＴＩＣを中央側入口部分１５ｃの厚みＴＩＭの１．１倍にした場合の方が、運転可能な落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１が増大していることがわかる。さらに、この場合においても、水車最高効率比η／η０が低下していないことがわかる。このため、比較例としてのランナ羽根２２に対し、その形状を種々変化させた本発明におけるランナ羽根１４によれば、水車最高効率ηを低下させることなく落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１を大幅に上昇させることができる。

同様に、図６（ｂ）に示すように、バンド側入口部分１５ｂの厚みＴＩＢと中央側入口部分１５ｃの厚みＴＩＭとが同一の場合よりも、バンド側入口部分１５ｂの厚みＴＩＢを中央側入口部分１５ｃの厚みＴＩＭの１．１倍にした場合の方が、運転可能な落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１が増大していることがわかる。さらに、この場合においても、水車最高効率比η／η０が低下していないことがわかる。このため、比較例としてのランナ羽根２２に対し、その形状を種々変化させた本発明におけるランナ羽根１４によれば、水車最高効率ηを低下させることなく落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１を大幅に上昇させることができる。なお、上記したようにクラウン側入口部分１５ａの厚みＴＩＣと中央側入口部分１５ｃの厚みＴＩＭとの比、およびバンド側入口部分１５ｂの厚みＴＩＢと中央側入口部分１５ｃの厚みＴＩＭとの比は、それぞれ１．１以上であれば良いが、あまりクラウン側入口部分１５ａの厚みＴＩＣおよびバンド側入口部分１５ｂの厚みＴＩＢを厚くすると、設計落差よりも低落差領域および高落差領域においてキャビテーションが発生する可能性が高くなるため、最大でも２．０以下が望ましい。

このように、本実施の形態によれば、フランシス水車の運転効率を低下させることなく運転可能な落差幅改善量が増大することにより、フランシス水車の運転可能領域を拡大することができる。

第３の実施の形態
次に、図９乃至図１１により、本発明によるフランシス水車ランナの第３の実施の形態について説明する。ここで、図９は、ランナを示す構成図であり、図１０は、ランナ羽根の流路方向断面図および図９におけるＣ−Ｃ線断面図であり、図１１は、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図である。
図９乃至図１１に示す第３の実施の形態は、ランナ羽根の流路方向断面形状が異なるものであり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。

本実施の形態において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。図９に示すように、各ランナ羽根１８は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分１９と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分２１と、ランナ羽根入口部分１９とランナ羽根出口部分２１との間に位置するランナ羽根中間部分２０とを有している。

このうち、ランナ羽根入口部分１９は、クラウン１側に位置するクラウン側入口部分１９ａと、バンド２側に位置するバンド側入口部分１９ｂと、クラウン側入口部分１９ａとバンド側入口部分１９ｂとの間に位置する中央側入口部分１９ｃとを含んでいる。

次に、図１０により、ランナ羽根１８の流路方向の断面形状および図９におけるＣ−Ｃ線断面形状について説明する。ここで、図１０（ａ）は、ランナ羽根１８の流路方向断面図であり、図１０（ｂ）は、図９におけるＣ−Ｃ線断面図であり、図１０（ａ）において、実線は本発明によるランナ羽根１８の流路方向の断面形状を示し、破線は比較例としてのランナ羽根２２の流路方向の断面形状を示している。図１０（ａ）に示すように、ランナ羽根１８の形状は、ランナ羽根入口部分１９のランナ羽根１８の厚みが最大となるように形成されている。このランナ羽根入口部分１９からランナ羽根中間部分２０に向けてランナ羽根１８の厚みは急激に薄くなり、比較例としてのランナ羽根２２と同じ厚みになる。その後、ランナ羽根中間部分２０からランナ羽根出口部分２１に向けてランナ羽根１８の厚みは、比較例としてのランナ羽根２２と同様に徐々に薄くなっていく。すなわち、このランナ羽根入口部分１９のランナ羽根１８の局所的に最大となる厚みが、ランナ羽根中間部分２０におけるランナ羽根１８の厚みよりも厚く形成されている。

次に、ランナ羽根１８の厚みが局所的に最大となるランナ羽根入口部分１９におけるクラウン側入口部分１９ａとバンド側入口部分１９ｂとの間の形状について説明する。図１０（ｂ）に示すように、クラウン側入口部分１９ａおよびバンド側入口部分１９ｂの厚みは、中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されている。具体的には、ランナ羽根入口部分１９のランナ羽根１８の厚みが局所的に厚く形成されている範囲は、クラウン側入口部分１９ａおよびバンド側入口部分１９ｂである。クラウン側入口部分１９ａとバンド側入口部分１９ｂとの間におけるランナ羽根１８の厚みの最小位置は、中央側入口部分１９ｃにある。また、中央側入口部分１９ｃからクラウン側入口部分１９ａに向けてランナ羽根１８の厚みは急激に厚くなり、同様に中央側入口部分１９ｃからバンド側入口部分１９ｂに向けてランナ羽根１８の厚みは急激に厚くなるように形成されている。

ここで、図９に示すように、クラウン側入口部分１９ａであって中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されている範囲の幅をＢＣとし、バンド側入口部分１９ｂであって中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されている範囲の幅をＢＢとし、ランナ羽根入口部分１９全範囲の幅をＢ０としたとき、
ＢＣ／Ｂ０≦０．３
ＢＢ／Ｂ０≦０．３
となるように、ＢＣ、ＢＢ、およびＢ０が設定されている。

次に、図１１（ａ）、（ｂ）により、クラウン側入口部分１９ａであって中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されている範囲の幅およびバンド側入口部分１９ｂであって中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されている範囲の幅と、水車最高効率比および運転可能な落差幅改善量との関係について説明する。ここで、図１１（ａ）は、クラウン側入口部分１９ａであって中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されている範囲の幅と、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図であり、図１１（ｂ）は、バンド側入口部分１９ｂであって中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されている範囲の幅と、水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図である。さらに、水車最高効率比はη／η０で表され、このうちη０は比較例としてのランナ羽根２２を用いた場合の水車最高効率、ηは本発明によるランナ羽根１８を用いた場合の水車最高効率を示す。また、運転可能な落差幅改善量はΔＨ／Ｈ１で表され、このうちΔＨは運転可能な落差幅改善量を示し、ΔＨ＝Ｈ２−Ｈ１で表される。

本実施の形態によれば、図１１（ａ）に示すように、クラウン側入口部分１９ａが中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されることがない場合よりも、クラウン側入口部分１９ａが中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成され、かつこの厚く形成されている範囲の幅ＢＣが、ランナ羽根入口部分１９全範囲の幅Ｂ０の３０％を占める場合の方が、運転可能な落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１が増大していることがわかる。さらに、この場合においても、水車最高効率比η／η０が低下していないことがわかる。このため、比較例としてのランナ羽根２２に対し、その形状を種々変化させた本発明におけるランナ羽根１８によれば、水車最高効率ηを低下させることなく落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１を大幅に上昇させることができる。

同様に、図１１（ｂ）に示すように、バンド側入口部分１９ｂが中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成されることがない場合よりも、バンド側入口部分１９ｂが中央側入口部分１９ｃの厚みよりも厚く形成され、かつこの厚く形成されている範囲の幅ＢＢが、ランナ羽根入口部分１９全範囲の幅Ｂ０の３０％を占める場合の方が、運転可能な落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１が増大していることがわかる。さらに、この場合においても、水車最高効率比η／η０が低下していないことがわかる。このため、比較例としてのランナ羽根２２に対し、その形状を種々変化させた本発明におけるランナ羽根１８によれば、水車最高効率ηを低下させることなく落差幅改善量ΔＨ／Ｈ１を大幅に上昇させることができる。

また、本実施の形態によれば、ランナ羽根１８の厚みを厚くする範囲を、局所的に限定することにより、ランナ羽根１８全体としての材料費の増加を抑制することができる。

このように、本実施の形態によれば、フランシス水車の運転効率を低下させることなく運転可能な落差幅改善量が増大することにより、フランシス水車の運転可能領域を拡大することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるランナを示す構成図。 本発明の第１の実施の形態におけるランナ羽根の流路方向断面図および図１におけるＡ−Ａ線断面図。 本発明の第１の実施の形態における低落差領域での運転時におけるランナ羽根の入口の水の流れによる作用を示す模式図。 本発明の第１の実施の形態における高落差領域での運転時におけるランナ羽根の入口の水の流れによる作用を示す模式図。 本発明の第１の実施の形態におけるランナ羽根の入口における剥離による渦またはキャビテーションが発生しない運転可能領域の限界を示す図。 本発明の第１の実施の形態における水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図。 本発明の第２の実施の形態におけるランナを示す構成図、ランナ羽根の流路方向断面図、およびＢ−Ｂ線断面図。 本発明の第２の実施の形態における水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図。 本発明の第３の実施の形態におけるランナを示す構成図。 本発明の第３の実施の形態におけるランナ羽根の流路方向断面図および図９におけるＣ−Ｃ線断面図。 本発明の第３の実施の形態における水車最高効率比と運転可能な落差幅改善量を示す図。 フランシス水車を説明する全体構成図。

符号の説明

１ クラウン
２ バンド
３ ランナ羽根
３ａ 圧力面
３ｂ 負圧面
４ ランナ羽根入口部分
５ ランナ羽根中間部分
５ａ クラウン側中間部分
５ｂ バンド側中間部分
５ｃ 中央側中間部分
６ ランナ羽根出口部分
７ ケーシング
８ ステーベーン
９ ガイドベーン
１０ ランナ
１１ 吸出し管
１２ 主軸
１３ 発電機
１４ ランナ羽根
１５ ランナ羽根入口部分
１５ａ クラウン側入口部分
１５ｂ バンド側入口部分
１５ｃ 中央側入口部分
１６ ランナ羽根中間部分
１７ ランナ羽根出口部分
１８ ランナ羽根
１９ ランナ羽根入口部分
１９ａ クラウン側入口部分
１９ｂ バンド側入口部分
１９ｃ 中央側入口部分
２０ ランナ羽根中間部分
２１ ランナ羽根出口部分
２２ ランナ羽根
２２ａ 圧力面
２２ｂ 負圧面
２３ 渦
２４ キャビテーション

Claims (7)

1. 水力発電用水車または揚水発電用水車に使用され、流入される水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのフランシス水車ランナにおいて、
   クラウンと、
   バンドと、
   クラウンとバンドとの間に介在された複数のランナ羽根と、を備え、
   各ランナ羽根は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分と、ランナ羽根入口部分とランナ羽根出口部分との間に位置し、厚みが最大となるランナ羽根中間部分とを有し、
   ランナ羽根中間部分は、クラウン側に位置するクラウン側中間部分と、バンド側に位置するバンド側中間部分と、クラウン側中間部分とバンド側中間部分との間に位置する中央側中間部分とを含み、
   クラウン側中間部分およびバンド側中間部分の厚みは、中央側中間部分の厚みよりも厚く形成されていることを特徴とするフランシス水車ランナ。
2. 水力発電用水車または揚水発電用水車に使用され、流入される水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのフランシス水車ランナにおいて、
   クラウンと、
   バンドと、
   クラウンとバンドとの間に介在された複数のランナ羽根と、を備え、
   各ランナ羽根は、水の流れの入口側に位置するランナ羽根入口部分と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分と、ランナ羽根入口部分とランナ羽根出口部分との間に位置し、厚みが最大となるランナ羽根中間部分とを有し、
   ランナ羽根入口部分は、クラウン側に位置するクラウン側入口部分と、バンド側に位置するバンド側入口部分と、クラウン側入口部分とバンド側入口部分との間に位置する中央側入口部分とを含み、
   クラウン側入口部分およびバンド側入口部分の厚みは、中央側入口部分の厚みよりも厚く形成されていることを特徴とするフランシス水車ランナ。
3. 水力発電用水車または揚水発電用水車に使用され、流入される水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのフランシス水車ランナにおいて、
   クラウンと、
   バンドと、
   クラウンとバンドとの間に介在された複数のランナ羽根と、を備え、
   各ランナ羽根は、水の流れの入口側に位置し、厚みが最大となるランナ羽根入口部分と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分と、ランナ羽根入口部分とランナ羽根出口部分との間に位置するランナ羽根中間部分とを有し、
   ランナ羽根入口部分は、クラウン側に位置するクラウン側入口部分と、バンド側に位置するバンド側入口部分と、クラウン側入口部分とバンド側入口部分との間に位置する中央側入口部分とを含み、
   クラウン側入口部分およびバンド側入口部分の厚みは、中央側入口部分の厚みよりも厚く形成されていることを特徴とするフランシス水車ランナ。
4. 水力発電用水車または揚水発電用水車に使用され、流入される水のエネルギを回転駆動力に変換させるためのフランシス水車ランナにおいて、
   クラウンと、
   バンドと、
   クラウンとバンドとの間に介在された複数のランナ羽根と、を備え、
   各ランナ羽根は、水の流れの入口側に位置し、厚みが最大となるランナ羽根入口部分と、水の流れの出口側に位置するランナ羽根出口部分と、ランナ羽根入口部分とランナ羽根出口部分との間に位置するランナ羽根中間部分とを有し、
   ランナ羽根入口部分は、クラウン側に位置するクラウン側入口部分と、バンド側に位置するバンド側入口部分と、クラウン側入口部分とバンド側入口部分との間に位置する中央側入口部分とを含み、
   クラウン側入口部分およびバンド側入口部分は、厚みが最大となるように形成され、中央側入口部分は厚みが最大となることなく形成されていることを特徴とするフランシス水車ランナ。
5. クラウン側中間部分の厚みをＴＣとし、バンド側中間部分の厚みをＴＢとし、中央側中間部分の厚みをＴＭとしたとき、
   ＴＣ≧ＴＭ×１．１
   ＴＢ≧ＴＭ×１．１
   となるように、ＴＣ、ＴＢ、およびＴＭが設定されていることを特徴とする請求項１に記載のフランシス水車ランナ。
6. クラウン側入口部分の厚みをＴＩＣとし、バンド側入口部分の厚みをＴＩＢとし、中央側入口部分の厚みをＴＩＭとしたとき、
   ＴＩＣ≧ＴＩＭ×１．１
   ＴＩＢ≧ＴＩＭ×１．１
   となるように、ＴＩＣ、ＴＩＢ、およびＴＩＭが設定されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のフランシス水車ランナ。
7. クラウン側入口部分であって中央側入口部分の厚みよりも厚く形成されている範囲の幅をＢＣとし、バンド側入口部分であって中央側入口部分の厚みよりも厚く形成されている範囲の幅をＢＢとし、ランナ羽根入口部分全範囲の幅をＢ０としたとき、
   ＢＣ／Ｂ０≦０．３
   ＢＢ／Ｂ０≦０．３
   となるように、ＢＣ、ＢＢ、およびＢ０が設定されていることを特徴とする請求項２乃至４または６のいずれかに記載のフランシス水車ランナ。

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