JP2009115061A - コーンおよび水車 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、螺旋渦による脈動を大幅に低減し、振動および騒音の発生を抑制することができるコーンを提供することを課題とする。
【解決手段】流入口から流れ込む用水により回転可能な水車のランナの回転軸の中心に配設されたコーン７であって、その側面に、基端側から先端側にかけて、ランナの回転方向とは反対方向に沿った溝３５を設けたことを特徴とする。この場合、コーン７は、ランナに連なるコーン基端部３１と、コーン基端部３１に連なるコーン先端部３２とを備え、溝３５は、少なくともコーン先端部３２の側面に形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流入口から流れ込む用水により回転可能な水車のランナに設けられたコーンおよび水車に関するものである。

従来のコーンが設けられた水車ランナとして、シュラウドと、シュラウドの上方に位置するクラウンと、シュラウドとクラウンとの間に挟まれた複数の羽根（ランナベーン）と、回転軸中心に設けられたコーンと、を備えた羽根車（水車のランナ）が知られている（特許文献１参照）。このとき、羽根車のコーンの先端部は、シュラウド下端よりも飛び出ている。このコーンによりランナからの流水が下方側にスムーズに整流されることにより、吸出し管上部の内壁面に螺旋渦が衝突することによる騒音の発生を抑制している。

特開２００３−２１０３６号公報

従来の羽根車の構成によれば、騒音の発生を抑制することができるが、その抑制レベルは小幅であったため、さらに騒音や振動を抑制する場合は、さらなる改良が必要であった。

そこで、本発明は、簡易な構成で、螺旋渦による脈動を大幅に低減し、振動および騒音の発生を抑制することができるコーンおよび水車を提供することを課題とする。

本発明のコーンは、流入口から流れ込む用水により回転可能な水車のランナの回転軸の中心に配設されたコーンであって、その側面に、基端側から先端側にかけて、ランナの回転方向とは反対方向に沿った溝を設けたことを特徴とする。

この場合、ランナに連なるコーン基端部と、コーン基端部に連なるコーン先端部とを備え、溝は、少なくともコーン先端部の側面に形成されていることが、好ましい。

これらの場合、溝は、断面Ｖ字状に形成されていることが、好ましい。

また、これらの場合、溝の深さは、コーンの最外径に対して０．００５倍以上となっていることが、好ましい。

また、これらの場合、溝は、複数形成され、ランナは、コーンの周囲を取り囲む複数のランナベーンを有しており、溝数は、ランナベーン数の２倍以下となっていることが、好ましい。

この場合、各ランナベーンは、ランナの周方向に対し、その先端出口側をランナの内周側に傾けて配設され、各溝は、各ランナベーンの先端出口側の延長線上に沿うようにして形成されると共に、複数の溝は、コーンの回転軸の中心に向かって、螺旋状に形成されていることが、好ましい。

これらの場合、基端側には、ランナの回転方向とは反対方向に沿ったフィンが設けられていることが、好ましい。

この場合、フィンの高さは、ランナの流出口における流路高さに対して、１／２倍以下に形成されていることが、好ましい。

これらの場合、フィンは、複数配設され、ランナは、コーンの周囲を取り囲む複数のランナベーンを有しており、フィン数は、ランナベーン数の１／２倍以上となっていることが、好ましい。

この場合、各ランナベーンは、ランナの周方向に対し、その先端出口側をランナの内周側に傾けて配設され、各フィンは、各ランナベーンの先端出口側の延長線上に沿うようにして配設されると共に、複数のフィンは、コーンの回転軸の中心に向かって、螺旋状に配設されていることが、好ましい。

本発明の水車は、流入口から流れ込む用水により回転可能なランナと、ランナの回転軸の中心に配設されたコーンと、を備えた水車であって、コーンは、上記に記載されたコーンであることを特徴とする。

以上のように、請求項１のコーンおよび請求項１１の水車によれば、その側面に、水車のランナの回転方向とは反対方向に沿った溝を設けることにより、コーンの側面を流れる用水が、コーンの側面に設けた溝と干渉する。このため、コーンの側面において、剥離渦が発生することにより、螺旋渦の発達を阻害することができ、渦芯が振れ回る事によって生じる脈動を低減することができる。これにより、本発明にかかるコーンは、簡易な構成で、振動および騒音の発生を抑制することができるという効果を奏する。なお、水車としては、通常の水車のみならず、水車の機能を有するポンプ水車を含む。

請求項２のコーンによれば、コーンの少なくともコーン先端部の側面に溝を形成すれば、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を低減することができるため、コーン先端部のみに溝を設け、コーンの溝加工コストを削減してもよい。

請求項３のコーンによれば、溝を断面Ｖ字状に形成することで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく低減することができる。

請求項４のコーンによれば、溝の深さをコーンの最外径に対して０．００５倍以上とすることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく低減することができる。

請求項５のコーンによれば、溝数を、ランナベーン数の２倍以下とすることで、さらに渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく低減することができる。

請求項６のコーンによれば、各ランナベーンの先端出口側の延長線上に沿うようにして、複数の溝を螺旋状に形成することで、さらに渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく低減することができる。

請求項７のコーンによれば、コーンの基端側に、水車ランナの回転方向とは反対方向に沿ったフィンを設けることで、特定の運転領域において、さらに渦芯の振れ回りにより生じる脈動を低減することができる。

請求項８のコーンによれば、フィンの高さを、水車ランナの流出口における流路高さに対して、１／２倍以下に形成することで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく低減することができる。

請求項９のコーンによれば、フィン数を、ランナベーン数の１／２倍以上とすることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく低減することができる。

請求項１０のコーンによれば、各ランナベーンの先端出口側の延長線上に沿うようにして、複数のフィンを螺旋状に形成することで、さらに渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく低減することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明にかかるコーンについて説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

ここで、図１は、ポンプ水車の概略構成図であり、図２は、コーンの外観斜視図である。また、図３は、コーンの正面図であり、図４は、コーンの下面図である。さらに、図５は、コーンのＡ−Ａ’断面図であり、図６は、従来のコーンにおける脈動と実施例１のコーンにおける脈動とを比較したグラフである。

先ず、図１を参照して、本実施例にかかるコーンを備えたポンプ水車（水車）について説明する。このポンプ水車１は、いわゆるフランシス形ポンプ水車であり、揚水を行うポンプとしての機能を有すると共に、発電を行う水車としての機能を有している。以下の説明では、主として、水車としての機能について説明する。図示は省略するが、ポンプ水車１は、取水口から導水路および水圧鉄管を介してポンプ水車１に用水を取り込むと共に、取り込んだ用水によりポンプ水車１で発電を行い、放水路を介して用水を排水口へ排出する。

ポンプ水車１は、図示しない発電機に基端部を連結した主軸５と、主軸５の先端部に固定され、主軸と一体に回転するランナ６とを備えている。そして、ランナ６の回転に伴って、主軸５が回転することにより、発電機により発電が行われる。

ランナ６は、主軸５の先端部に固定される円盤状のクラウン１１と、クラウン１１と同軸上に配設されたリング状のシュラウド１２と、クラウン１１とシュラウド１２との間に挟まれた６枚のランナベーン１３とにより構成されている。

ランナ６へ用水が流入する用水流入口１６は、ランナ６の外周となっており、また、ランナ６から用水が流出する用水流出口１７は、ランナ６の回転軸方向となっている。そして、詳細は後述するが、ランナ６の用水流出口１７の回転軸中心には、コーン７が配設されている。

クラウン１１の回転軸の中心部分には、上記したコーン７を取り付けるためのコーン取付部１４が形成されており、コーン７は、ボルトを介してコーン取付部１４に取り付けられる。

６枚のランナベーン１３は、ランナ６の周方向に沿って等間隔に配設されており、各ランナベーン１３は、その先端出口側をランナ６の内周側に傾けて配置されている（図４参照）。つまり、各ランナベーン１３は、ランナ６の外周から流入した用水を、ランナ６の回転軸へ導いている。

ランナ６の用水流入口１６から用水が流入すると、用水は、各ランナベーン１３間を通過する。すると、ランナ６は、用水を各ランナベーン１３に受けることで回転し、この後、用水は、用水流出口１７から流出する。

ランナ６の周囲には、これを取り囲むように渦巻形状のスパイラルケーシング２１が配設されている。スパイラルケーシング２１は、ランナ６の用水流入口１６へ用水を送り込んでおり、その断面は円筒状に形成され、内部が流水路となっている。流水路は下流側へ向かうにつれて、その断面積が小さく、つまり、円筒の径が小さくなっている。

図示は省略するが、スパイラルケーシング２１には、取水口から導水路および水圧鉄管を介して取水した用水を取り込む用水取込口が設けられている。また、スパイラルケーシング２１の内周側には、用水送出口２６が形成されており、ここから、ランナ６の外周へ向けて用水を送り出す。

用水取込口を介してスパイラルケーシング２１の内部に用水が流入すると、用水は、流水路に案内されて、ランナ６の周方向に沿って流れる。そして、用水は、スパイラルケーシング２１内を一周する間に、用水送出口２６からランナ６の用水流入口１６へ向けて送り出される。

スパイラルケーシング２１の内周側には、スピードリング２２が配設されており、スピードリング２２には、その周方向に沿って、スパイラルケーシング２１内に流れ込んだ用水を整流するための複数枚のステーベーン２３が設けられている。

また、スピードリング２２の内周側とランナ６の外周側との間には、複数枚のガイドベーン２４がランナ６の外周に沿って配設されている。各ガイドベーン２４は、図示しない動力源により回動軸を中心として開放位置と閉塞位置との間で回動自在に移動するよう構成され、スパイラルケーシング２１内からステーベーン２３を介してランナ６に流入する用水の流量を調節している。

さらに、ランナ６の軸方向の流出側（図示下方）には、ランナ６の用水流出口１７から流し出された用水を放水路に放出するためのドラフトチューブ２５が配設されている。

取水口から取り込んだ用水が、用水取込口を介してスパイラルケーシング２１内に流れ込むと、用水は、スパイラルケーシング２１を周方向に移動しつつ、用水送出口２６からランナ６の用水流入口１６へ向かって流れる。このとき、用水は、各ステーベーン２３間を通過することで整流され、また、各ガイドベーン２４間を通過することで流量が調節される。この状態でランナ６の用水流入口１６から用水が流れ込むと、ランナ６は、各ランナベーン１３に用水を受けて回転すると共に、主軸５を介して発電機を作動させる。この後、ランナ６に流入した用水は、ランナ６の用水流出口１７を介して、下方のドラフトチューブ２５へ向けて流れ込み、放水路を介して排水口から排水される。

ところで、ランナ６に流入する用水の流量は、複数のガイドベーン２４により調節可能となっているが、例えば、最適な流量よりも少ない流量でポンプ水車１の運転を行った場合、いわゆる、部分負荷運転を行った場合、ランナ６からドラフトチューブ２５に用水が流入すると、ドラフトチューブ２５内に螺旋渦が発生する。同様に、最適な流量よりも多い流量でポンプ水車１の運転を行った場合、いわゆる、過負荷運転を行った場合も、ドラフトチューブ２５内に螺旋渦が発生する。

具体的には、部分負荷運転を行うと、ドラフトチューブ２５内において、死水領域が形成され、この死水領域の周りを、形成された螺旋渦が振れ回り、これがドラフトチューブ２５壁面に接触することで、振動や騒音が発生する。そこで、この問題を解消すべく、本実施例では、コーン７の表面に断面Ｖ字状に形成された溝（Ｖ溝）３５を複数形成することで渦芯が振れ回る事によって生じる脈動を抑制している。

以下、図２ないし図５を参照して、コーン７について詳細に説明する。このコーン７は、筒状に形成されており、クラウン１１のコーン取付部に取り付けられるコーン基端部３１と、コーン基端部３１に連なるコーン先端部３２とから構成されている。コーン基端部３１およびコーン先端部３２は、それぞれ円錐台状に形成されている。回転軸の直交方向に対するコーン基端部３１の側面の勾配θ１は、回転軸の直交方向に対するコーン先端部３２の側面の勾配θ２に比して、小さく（緩やかと）なっている（図３参照）。このため、コーン基端部３１とコーン先端部３２との境界部分は軸心側へ屈曲した形状となっている。

コーン７の側面、つまり、コーン基端部３１の側面およびコーン先端部３２の側面には、６本のＶ溝３５が形成されている。各Ｖ溝３５は、コーン７の回転軸を中心にして、コーン７の基端側縁部から先端側縁部へかけて、コーン７の回転方向と逆方向（反対方向）となるような螺旋状に形成されている。また、６本のＶ溝３５は、それぞれ等間隔となるように形成されている。

このとき、図４に示すように、各Ｖ溝３５は、その延在方向が各ランナベーン１３の先端出口側の延長線上となるように形成されている。すなわち、各ランナベーン１３の先端出口側の傾きと、各Ｖ溝３５の基端部側の傾きとが、ほぼ同じ傾きとなっており、各ランナベーン１３から各Ｖ溝３５へかけて連続する流線となっている。

また、各Ｖ溝３５の深さは、コーン７の最外径であるコーン基端部３１側の端面（上端面）の直径に対し、０．００５倍以上となっている。つまり、例えば、コーン７の最外径が２ｍであれば、各Ｖ溝３５の深さは１ｃｍ以上であれば良い。なお、図５に示すように、本実施例では、コーン７の最外径が２ｍのときに、各Ｖ溝３５の深さが３ｃｍであることが好ましく、これにより、渦芯が振れ回る事によって生じる脈動を抑制する効果を最適とすることができる。

さらに、コーン７の側面に形成されるＶ溝３５の本数は、ランナベーン１３の枚数によって決定されており、Ｖ溝３５の本数は、ランナベーン１３枚数の２倍以下となっている。つまり、例えば、ランナベーン１３の枚数が６枚のとき、Ｖ溝３５の本数は１２本以下であれば良いため、場合によっては１本でもよい。なお、図４に示すように、本実施例では、Ｖ溝３５の本数は、ランナベーン１３枚数と同数となることが好ましく、この場合も、渦芯が振れ回る事によって生じる脈動を抑制する効果を最適とすることができる。

ここで、図６を参照して、Ｖ溝３５が形成されていない従来のコーンを用いた場合における渦芯の振れ回りにより生じる脈動、および本実施例にかかるコーン７を用いた場合における渦芯の振れ回りにより生じる脈動について、それぞれ比較する。図６は、その縦軸が、ピーク周波数時における螺旋渦の圧力脈動となっており、その横軸が、各ガイドベーン２４の開度となっている。なお、縦軸において、従来のコーンにおける最大脈動を１００％としている。また、横軸において、ガイドベーン開度が約４０％〜５０％の範囲におけるポンプ水車１の運転が部分負荷運転領域となっており、また、ガイドベーン開度が８０％のときに、ポンプ水車１が最適な運転を行うよう設計されている。さらに、黒○印は従来のコーンにおける脈動であり、黒□印は実施例１のコーン７における脈動である。

この図を見るに、従来のコーンにおいて、ガイドベーン開度が８０％のときには、最適な運転がなされているため、螺旋渦による脈動は抑制されている。しかし、ガイドベーン開度が１００％に近づくにつれ、言い換えれば、過負荷運転を行うと螺旋渦による脈動は徐々に上昇してゆく。同様に、ガイドベーン開度が８０％から小さくしてゆくと、螺旋渦による脈動は徐々に上昇してゆき、ガイドベーン開度が５０％あたりで、螺旋渦による脈動が最大となる。ここからさらにガイドベーン開度を小さくしてゆくと、今度は、螺旋渦による脈動が徐々に下降してゆく。

本実施例のコーン７も、ガイドベーン開度が８０％のときにおいて最適な運転が行われるように設計されており、従来のコーンとほぼ同様の脈動となっている。ここで、部分負荷運転領域、つまり、ガイドベーン開度が４０％〜５０％の間において、本実施例のコーン７を用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる脈動は、従来のコーンを用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる脈動に比して、低減していることが分かった。具体的には、ガイドベーン開度が５０％の時において、本実施例のコーン７の脈動は、従来のコーンの脈動に比して、約１５％程度低減されている。

同様に、過負荷運転時、つまり、ガイドベーン開度が８０％以上のときにおいても、本実施例のコーン７を用いたときの渦芯の振れ回りにより生じる脈動は、従来のコーンを用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる脈動に比して、低減していることが分かった。これにより、コーン７の側面にＶ溝３５を形成することで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動が抑制可能であることが分かった。

以上の構成によれば、コーン７の側面にＶ溝３５を形成するという簡易な構成で、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を低減することができるため、螺旋渦の発生による振動および騒音を抑制することができる。

なお、本実施例においては、コーン基端部３１の側面およびコーン先端部３２の側面に亘って、Ｖ溝３５を形成したが、少なくともコーン先端部３２の側面にＶ溝３５を形成すればよい。この構成によれば、Ｖ溝３５の加工をコーン先端部３２にのみ行えばよいため、加工コストを削減することができる。また、本実施例では、コーン７の側面にＶ溝を形成したが、これに限らず、Ｕ溝等にしてもよい。さらに、本実施例において、ランナ６およびコーン７は別体としたが、一体に形成しても良い。

次に、図７ないし図９を参照して、実施例２にかかるコーン４０について説明する。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図７は、コーンの外観斜視図であり、図８は、コーンの上面図である。また、図９は、コーンのＢ−Ｂ’断面図である。

実施例１にかかるコーン７では、コーン先端部３２の側面およびコーン基端部３１の側面に亘ってＶ溝を形成したが、実施例２にかかるコーン４０では、コーン先端部３２の側面にＶ溝を形成し、コーン基端部３１の側面に６枚のフィン４１を配設している。すなわち、実施例１のコーン基端部３１に形成された６本のＶ溝３５に代えて、６枚のフィン４１が配設されている。

図８に示すように、６枚のフィン４１は、コーン先端部３２の周囲を取り囲むように等間隔に配設されている。つまり、実施例１においてコーン基端部３１に形成された各Ｖ溝３５上に、各フィン４１が配置されている。このため、６枚のフィン４１も、コーン４０の回転軸を中心に螺旋状に配設されている。同様に、各フィン４１は、その延在方向が各ランナベーン１３の先端出口側の延長線上となるように形成されている。すなわち、各ランナベーン１３の先端出口側の傾きと、各フィン４１の基端部側の傾きとが、ほぼ同じ傾きとなっており、各ランナベーン１３から各フィン４１へかけて連続する流線となっている。

また、図９に示すように、各フィン４１は、正面視三角形状に形成されると共に、コーン基端部３１とコーン先端部３２との境界部分からコーン基端部３１の基端側へかけて、各フィン４１の高さが徐々に高くなるよう形成されている。基端側における各フィン４１の高さは、ランナ６の用水流出口１７におけるクラウン１１およびシュラウド１２の間の流路高さに対して、１／２倍以下に形成されている。

また、フィン４１の枚数は、ランナベーン１３の枚数によって決定されており、フィン４１の枚数は、ランナベーン１３の枚数の１／２倍以上となっている。つまり、例えば、ランナベーン１３の枚数が６枚であれば、フィン４１の枚数は３枚以上であれば良い。なお、本実施例では、フィン４１の枚数は、ランナベーン１３の枚数と同数となっている。

ここで再び、図６を参照して、溝が形成されていない従来のコーンを用いた場合における渦芯の振れ回りにより生じる脈動、および実施例２にかかるコーン４０を用いた場合における渦芯の振れ回りにより生じる脈動について、それぞれ比較する。図６において、黒△印は、実施例２のコーン４０における脈動である。

この図を見るに、ガイドベーン開度が５０％の時において、実施例２のコーン４０の脈動は、従来のコーンおよび実施例１のコーン７の脈動に比して、抑制されている。これにより、コーン４０のコーン先端部３２の側面にＶ溝３５を形成し、コーン４０のコーン基端部の側面にフィン４１を配設することで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動をさらに効果的に抑制できることが分かった。

以上の構成によれば、実施例２にかかるコーン４０は、実施例１のコーン７に比して、加工は複雑になるものの、フィン４１を設けることにより、特定のガイドベーン開度において、渦芯の振れ回りにより生じる脈動をさらに低減することができる。このため、螺旋渦の発生による振動および騒音を抑制することができる。

以上のように、本発明にかかるコーンは、ポンプ水車等の水車に有用であり、特に、螺旋渦が発生する場合に適している。

実施例１にかかるコーンを備えたポンプ水車の概略構成図である。 実施例１にかかるコーンの外観斜視図である。 コーンの正面図である。 コーンの下面図である。 コーンのＡ−Ａ’断面図である。 従来のコーンにおける脈動と実施例１のコーンにおける脈動とを比較したグラフである。 実施例２にかかるコーンの外観斜視図である。 コーンの下面図である。 コーンのＢ−Ｂ’断面図である。

符号の説明

１ ポンプ水車
６ ランナ
７ コーン（実施例１）
１３ ランナベーン
２５ ドラフトチューブ
３１ コーン基端部
３２ コーン先端部
３５ Ｖ溝
４０ コーン（実施例２）
４１ フィン

Claims (11)

1. 流入口から流れ込む用水により回転可能な水車のランナの回転軸の中心に配設されたコーンであって、
   その側面に、基端側から先端側にかけて、前記ランナの回転方向とは反対方向に沿った溝を設けたことを特徴とするコーン。
2. 前記ランナに連なるコーン基端部と、前記コーン基端部に連なるコーン先端部とを備え、
   前記溝は、少なくとも前記コーン先端部の側面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のコーン。
3. 前記溝は、断面Ｖ字状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコーン。
4. 前記溝の深さは、前記コーンの最外径に対して０．００５倍以上となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のコーン。
5. 前記溝は、複数形成され、
   前記ランナは、前記コーンの周囲を取り囲む複数のランナベーンを有しており、
   前記溝数は、前記ランナベーン数の２倍以下となっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコーン。
6. 前記各ランナベーンは、前記ランナの周方向に対し、その先端出口側を前記ランナの内周側に傾けて配設され、
   前記各溝は、前記各ランナベーンの先端出口側の延長線上に沿うようにして形成されると共に、前記複数の溝は、前記コーンの回転軸の中心に向かって、螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のコーン。
7. 前記基端側には、前記ランナの回転方向とは反対方向に沿ったフィンが設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のコーン。
8. 前記フィンの高さは、前記ランナの流出口における流路高さに対して、１／２倍以下に形成されていることを特徴とする請求項７に記載のコーン。
9. 前記フィンは、複数配設され、
   前記ランナは、前記コーンの周囲を取り囲む複数のランナベーンを有しており、
   前記フィン数は、前記ランナベーン数の１／２倍以上となっていることを特徴とする請求項７または８に記載のコーン。
10. 前記各ランナベーンは、前記ランナの周方向に対し、その先端出口側を前記ランナの内周側に傾けて配設され、
    前記各フィンは、前記各ランナベーンの先端出口側の延長線上に沿うようにして配設されると共に、前記複数のフィンは、前記コーンの回転軸の中心に向かって、螺旋状に配設されていることを特徴とする請求項９に記載のコーン。
11. 流入口から流れ込む用水により回転可能なランナと、前記ランナの回転軸の中心に配設されたコーンと、を備えた水車であって、
    前記コーンは、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載されたコーンであることを特徴とする水車。

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