JP2010090844A - Waterwheel runner and waterwheel - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waterwheel runner and waterwheel which suppresses increase in the rate of a local flow at a corner formed between the blade of a runner vane and the stem to reduce a friction loss occurring with the increase in the flow rate, and thereby improving hydraulic power efficiency. <P>SOLUTION: The waterwheel runner 12 having: a runner boss 18 rotatably mounted around a runner rotation shaft 17 and provided with a runner boss side running water surface 19 formed by a part of a spherical surface with the center O and the radius Ro; and a plurality of runner vanes 20 disposed radially to the circumference of the runner boss and mounted with adjustable mounting angles, wherein the runner vane comprise a blade 21 and a stem 22 supporting the blade to the runner boss, a stem side running water surface 24 continuing to a runner boss side running water surface 19 is formed on the stem, and when an arbitrary point on the stem side running water surface is designated as P, the point P exists which satisfies the relational expression of Ro>OP between the length of the line segment OP connecting the center O and the point P and the radius Ro. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to a runner vane movable turbine wheel runner in which a runner vane mounting angle can be adjusted, and a turbine equipped with the turbine runner.

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。   A Kaplan turbine, which is a type of axial flow turbine, has a runner vane movable turbine runner in which the runner vane mounting angle can be adjusted. The structure of the water turbine runner will be described with reference to a schematic configuration diagram shown in FIG. The water turbine runner 90 of the Kaplan water turbine is configured such that the mounting angle of the runner vane 91 can be adjusted with respect to the runner boss 93. The water surface formed by the stem 92 and the runner boss 93 that are the support portions of the runner vane 91 has a center Q and a radius S so that the flow path is smoothly connected even if the runner vane 91 rotates about the runner vane rotation shaft 94. The runner vane rotating shaft 94 is set so as to have the same spherical surface and pass through the center Q of the spherical surface. For this reason, even if the runner vane 91 is rotated around the runner vane rotation shaft 94 and the mounting angle thereof is adjusted, the water surfaces of the runner boss 93 and the stem 92 are always present on the same spherical surface. Does not disturb the flow of water.

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。   In the conventional runner vane movable turbine runner 90 designed as described above, a corner portion 96 (FIG. 10) is formed by the runner boss 93 and the vane 95 of the runner vane 91, and the stem 92 of the runner vane 91 and the vane 95 of the runner vane 91 are formed. As a result, a corner 97 (FIG. 10) is formed. Among these corner portions, the corner portion 97 of the stem 92 and the blade 95 of the runner vane 91 has a smooth curved fillet 98 between the water surface of the stem 92 and the surface of the blade 95 in order to avoid stress concentration. (FIG. 8) is formed.

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
As described above, Patent Document 1 describes the runner vane movable turbine runner 90 in which the mounting angle of the runner vane 91 can be adjusted. In addition, the code | symbol 99 in FIG. 8 shows the rotating shaft (runner rotating shaft) which the water turbine runner 90 rotates.
JP-A-1-203661

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。   As shown in FIG. 9, the fluid flowing from the upstream along the spherical runner boss 93 is bent and accelerated by the convex curved surface of the runner boss 93. As shown in FIG. 10, around the corner portions 96 and 97 formed by the blades 95 of the runner vanes 91, the runner bosses 93, and the stems 92, fluid flowing along the surfaces of the blades 95 is directed to the corner portions 96 and 97. Since the air may flow, local flow speed increases at the corners 96 and 97 become more prominent. As a result, the friction loss increases at the corner portions 96 and 97, particularly the corner portion 97 between the blade 95 and the stem 92, and the hydraulic efficiency of the water turbine runner 90 decreases.

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。   The object of the present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and this flow velocity is suppressed by suppressing local flow acceleration at the corner portion formed between the runner vane blade and the stem. It is an object of the present invention to provide a turbine runner and a turbine that can reduce friction loss caused by an increase in the hydraulic power, and as a result, can improve hydraulic efficiency.

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が存在することを特徴とするものである。
A water turbine runner according to the present invention is provided so as to be rotatable about a runner rotation axis, and includes a runner boss having a runner boss side water surface formed by a part of a spherical surface having a center O and a radius Ro, and a radial direction in the circumferential direction of the runner boss. A runner vane having a plurality of runner vanes provided with adjustable mounting angles, the runner vane comprising blades and a stem for supporting the blades on the runner boss, the stem Is formed with a stem-side water surface continuous with the runner boss-side water surface, and when an arbitrary point on the stem-side water surface is P, the length of the line segment OP connecting the center O and the point P is And the radius Ro,
[Equation 1]
Ro> OP
The point P that satisfies the above condition exists.

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。   Moreover, the water wheel according to the present invention includes the water wheel runner according to the present invention.

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。   According to the turbine runner and the turbine according to the present invention, the stem-side flow surface is set on the inner side of the runner-boss side flow surface (the center side of the runner-boss-side flow surface), and thus formed between the runner vane blades and the stem. The cross-sectional area of the corner portion can be enlarged. For this reason, local increase in flow rate at the corner portion can be suppressed, and friction loss generated as the flow rate increases can be reduced. As a result, hydraulic efficiency can be improved.

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。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments.

[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。
[A] First embodiment (FIGS. 1 to 3)
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a part of a Kaplan water turbine to which a first embodiment of a water turbine runner according to the present invention is applied, along a meridian plane. FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing a part of the water turbine runner of FIG. 1 along a plane including a runner vane rotation axis.

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。   As shown in FIG. 1, a Kaplan turbine 10 that is a kind of axial flow turbine is provided with a turbine runner 12 that is a rotating portion at a central position of a casing 11 that is a stationary portion that constitutes a flow path. A stay vane 13 and a flow rate adjusting guide vane 14 are sequentially arranged on the upstream side of the path, and a suction pipe 15 is connected to the downstream side.

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。   A plurality of turbine runners 12 are radially arranged in a circumferential direction on a runner boss 18 attached to a main shaft 16 and rotatably provided around a runner rotation shaft 17 and a runner boss side flowing water surface 19 which is an outer peripheral surface of the runner boss 18. And a runner vane 20 provided.

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。   As shown in FIG. 2, the runner boss side flowing water surface 19 is formed as a part of a spherical surface having a radius Ro at the center O. The fluid flowing in the casing 11 flows along the runner boss side flowing water surface 19. The main shaft 16 coupled to the runner boss 18 is coupled to a generator (not shown).

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。   The runner vane 20 includes a blade 21 and a stem 22 that supports the blade 21 on the runner boss 18. The runner vane 20 is configured to be rotatable about the runner vane rotation shaft 23 with respect to the runner boss 18. Adjustable. In the runner boss 18, a link mechanism (not shown) for rotating the runner vane 20 about the runner vane rotating shaft 23 is accommodated.

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。   In such a Kaplan turbine 10, as shown in FIG. 1, the fluid (water) from the upper pond passes through the flow path of the casing 11 and is accelerated by the stay vane 13, and the flow rate is adjusted through the guide vane 14. After reaching the runner vane 20 of the runner 12 and rotating the turbine runner 12 around the runner rotating shaft 17, the runner 12 flows out into the lower pond via the suction pipe 15. The rotational energy of the water turbine runner 12 is transmitted to the generator via the main shaft 16 and converted into electric energy.

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。   In this water wheel runner 12, since the mounting angle of the runner vane 20 is provided so as to be adjustable, the mounting angle of the runner vane 20 is adjusted and optimized with respect to the drop between the upper pond and the lower pond and the fluctuation of the fluid flow rate. It is possible to obtain highly efficient power generation characteristics over a wide operating range.

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。   As shown in FIGS. 2 and 3, the stem 22 of the runner vane 20 is formed with a stem-side flow surface 24 continuous with the runner boss-side flow surface 19. The fluid that has flowed along the runner boss side flow surface 19 continuously flows smoothly along the stem side flow surface 24. In FIG. 2, a part of the runner boss side water surface 19 is indicated by an imaginary line α (two-dot chain line).

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。   As described above, in the runner vane movable turbine wheel runner 12 in which the mounting angle of the runner vane 20 can be adjusted, the runner vane rotation shaft 23 passes through the center O of the spherical surface forming the runner boss side flowing water surface 19, and the runner vane rotation shaft 23 is the center. The stem 20 is formed in a disc shape so that the runner vane 20 can rotate. For this reason, as shown in FIG. 3, the shape of the boundary between the stem-side flow surface 24 and the runner boss-side flow surface 19 is a circle C, and the center A of this circle C is positioned on the runner vane rotating shaft 23.

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。   Further, a corner portion 25 is formed between the runner boss 18 and the vane 21 of the runner vane 20, and further, a corner portion 26 continuous with the corner portion 25 is formed between the stem 22 of the runner vane 20 and the vane 21. Among these, the corner portion 26 between the stem 24 and the blade 21 has a smooth curved surface with an appropriate radius between the stem-side water surface 24 of the stem 22 and the blade surface of the blade 21 in order to avoid stress concentration. Fret 27 (FIG. 2) is formed.

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。
Further, in the runner vane 20, when an arbitrary point on the stem-side flow surface 24 is P, the length of the line segment OP connecting the center O of the spherical surface of the runner-boss flow surface 19 and the point P, and the runner-boss flow surface Between 19 spherical radii Ro,
[Equation 2]
Ro> OP
The stem side flowing water surface 24 of the stem 22 is formed such that there is a point P that satisfies the above. That is, the stem-side water surface 24 is set closer to the center O side of the runner boss side water surface 19 than the runner boss side water surface 19.

従って、本実施の形態によれば、次の効果(1)を奏する。   Therefore, according to the present embodiment, the following effect (1) is obtained.

(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。   (1) Between the length of a line segment OP connecting an arbitrary point P on the stem side water surface 24 and the center O of the spherical surface of the runner boss side water surface 19, and the radius Ro of the spherical surface of the runner boss side water surface 19; The stem side water surface 24 is formed so that there is a point P that satisfies Ro> OP, and the stem side water surface 24 is set closer to the center O side of the runner boss side water surface 19 than the runner boss side water surface 19. ing. Therefore, the flow path cross-sectional area of the corner portion 26 formed between the stem 22 of the runner vane 20 and the blades 21 can be enlarged as compared with the conventional water turbine runner 90 (FIG. 8). The local flow speed increase can be suppressed, and the friction loss generated with the increase in the flow velocity can be reduced. As a result, the hydraulic efficiency of the Kaplan turbine 10 can be improved.

[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。
[B] Second embodiment (FIG. 4)
FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing a part of the second embodiment of the water turbine runner according to the present invention along a plane including the runner vane rotating shaft. In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified or omitted.

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。   The difference between the turbine runner 31 of the Kaplan turbine 30 of the present embodiment and the first embodiment is the shape of the stem-side flow surface 34 of the stem 33 in the runner vane 32.

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。   That is, the stem side water surface 34 includes this circle C and is parallel to the runner rotating shaft 17 and orthogonal to the runner vane rotating shaft 23 when a circle formed at the boundary with the runner boss side water surface 19 is C. Formed by a flat surface. Thereby, the flow path cross-sectional area of the corner part 26 formed by the blade 21 of the runner vane 32 and the stem 33 of the runner vane 32 is enlarged.

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。   Therefore, according to the present embodiment, in addition to the same effect as the effect (1) of the first embodiment, the following effect (2) is achieved.

(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。   (2) Since the stem side flow surface 34 of the stem 33 in the runner vane 32 is formed in a plane including the circle C at the boundary with the runner boss side flow surface 19, in the corner portion 26 between the blade 21 and the stem 33 in the runner vane 32. Enlarging the channel cross-sectional area can be realized by a simple method.

[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。
[C] Third embodiment (FIGS. 5 and 6)
FIG. 5 is a configuration diagram schematically showing a part of the third embodiment of the water turbine runner according to the present invention along a plane including the runner vane rotating shaft. In the third embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified or omitted.

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。   The difference between the turbine runner 41 of the Kaplan turbine 40 of the present embodiment and the first embodiment is that the runner vane 42 is set on the stem-side flow surface 44 of the stem 43 in the runner vane 42. An arbitrary point P is set only on the suction surface side of the runner vane 42.

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。   Usually, a phenomenon called cavitation often occurs in a passage of a water turbine at a location where the pressure drops and reaches a saturation vapor pressure or less. This cavitation causes various problems, such as vibration, noise, reduced turbine efficiency, and erosion, and the range of operation of the turbine is limited due to vibration, and the runner vane is damaged by erosion and the update interval is shortened. It is also the cause of serious situations.

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。   Here, as shown in FIG. 6, in a general Kaplan turbine 100, the suction surface of the runner vane 102 to the runner vane 103 in the rotating field of the runner vane movable turbine runner 101 that can adjust the mounting angle of the runner vane 103 with respect to the runner boss 102. When the fluid flows to the bottom, the pressure locally decreases on the suction surface side of the runner vane 103, and cavitation may occur.

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。   In particular, on the suction surface side of the runner vane 103, the corner portion 106 formed between the vane 104 of the runner vane 103 and the runner boss 102, and between the vane 104 of the runner vane 103 and the stem 105, the corner portion 106 is formed. Cavitation is likely to occur in the corner portion 107 that is continuous to the corner portion 107, particularly in the peripheral portion of the corner portion 107. This is because the upstream flow of the water turbine runner 101 flows along the curved surface of the runner boss 102 and the increased speed operation due to the flow along the blades 104 of the runner vanes 103 flowing into the corner portions 106 and 107. This is presumed to be due to the synergistic effect of the speed increasing action due to the low pressure on the suction surface side of the vane 104 of the runner vane 103 and a significant pressure drop locally.

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。
In the turbine runner 41 of the Kaplan turbine 40 of the present embodiment shown in FIG. 5, an arbitrary point P set on the stem-side flow surface 44 of the stem 43 and the runner boss 18 in the runner boss 18 only on the negative pressure surface side of the runner vane 42. The line segment OP connecting the spherical surface center O of the side water surface 19 is between the radius Ro of the spherical surface of the runner boss side water surface 19 [Equation 3]
Ro> OP
Meet. That is, only the negative pressure surface side of the runner vane 42 on the stem side flow surface 44 is set to be closer to the center O side of the runner boss side flow surface 19 than the runner boss side flow surface 19.

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。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects (3) and (4) are achieved.

(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。   (3) Since the stem side water surface 44 is set closer to the center O side of the runner boss side water surface 19 than the runner boss side water surface 19 on the negative pressure surface side of the runner vane 42, the runner vane 42 on the negative pressure surface side of the runner vane 42. The channel cross-sectional area of the corner portion 26 formed by the 42 blades 21 and the stem 43 can be enlarged. For this reason, the local flow speed increase in the corner portion 26 can be suppressed, and the friction loss caused by the increase in the flow velocity can be reduced. As a result, the hydraulic efficiency of the Kaplan turbine 40 can be improved.

(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。   (4) On the suction surface side of the runner vane 42, the flow path cross-sectional area of the corner portion 26 formed by the vane 21 and the stem 43 of the runner vane 42 is enlarged, and the local flow acceleration at the corner portion 26 is increased. Therefore, it is possible to reduce the pressure drop caused by the increase in the flow velocity. Thereby, generation | occurrence | production of the cavitation in the suction surface side of the runner vane 42 can be suppressed.

[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。
[D] Fourth embodiment (FIG. 7)
FIG. 7 is a configuration diagram schematically showing a part of the fourth embodiment of the water turbine runner according to the present invention along a plane including the runner vane rotating shaft. In the fourth embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified or omitted.

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。   The turbine runner 51 of the Kaplan turbine 50 according to the present embodiment is different from the first embodiment in that an arbitrary point P on the stem-side flow surface 54 of the stem 53 is only on the negative pressure surface side of the runner vane 52. Similar to the third embodiment, Ro> OP is satisfied, and the fillet 55 on the pressure surface side and the fillet 56 on the suction surface side of the runner vane 52 are set in a predetermined shape.

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。
That is, only on the suction surface side of the runner vane 52, a line segment OP connecting an arbitrary point P set on the stem-side water surface 54 and the center O of the spherical surface of the runner boss-side water surface 19 is formed on the runner boss-side water surface 19. Between the radius Ro of the sphere [Formula 4]
Ro> OP
Meet. In other words, only the negative pressure surface side of the runner vane 52 on the stem side flow surface 54 is set to be closer to the center O side of the runner boss side flow surface 19 than the runner boss side flow surface 19.

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。
Further, on the pressure surface side of the runner vane 52, the radius Rp of the fillet 55 formed at the corner portion 26 between the blade 21 and the stem-side flow surface 54, and on the negative pressure surface side of the runner vane 52, the blade 21 and the stem-side flow water. The radius Rs of the fillet 56 formed in the corner portion 26 between the surface 54 and
[Equation 5]
Rp> Rs
It is configured to satisfy.

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。   At this time, the radius Rs of the fillet 56 is such that stress concentration does not occur between the blade 21 and the stem flow surface 54 on the suction surface side of the runner vane 52, and the stem 53 has a minimum thickness that does not hinder the strength. Is set as follows. Then, by setting the radius Rp of the fillet 55 on the pressure surface side of the runner vane 52 to be larger than the radius Rs of the fillet 56 on the suction surface side of the runner vane 52, the thickness on the suction surface side of the runner vane 52 in the stem 53 is set. The reduced thickness can be compensated by securing the thickness of the runner vane 52 on the pressure surface side.

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。   Therefore, according to the present embodiment, in addition to the same effects as the effects (3) and (4) of the third embodiment, the following effect (5) is achieved.

(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。   (5) Since the radius Rp of the fillet 55 on the pressure surface side of the runner vane 52 is set larger than the radius Rs of the fillet 56 on the suction surface side of the runner vane 52 (Rp> Rs), the pressure of the runner vane 52 in the stem 53 Since the thickness on the surface side can be sufficiently maintained, the strength of the stem 53 can be sufficiently ensured.

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。The block diagram which shows typically a part of Kaplan water turbine to which 1st Embodiment of the water turbine runner concerning this invention was applied along a meridian surface. 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。The block diagram which shows typically a part of watermill runner of FIG. 1 along the surface containing a runner vane rotating shaft. 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。FIG. 3 is an III arrow view of the water wheel runner of FIG. 2 viewed from the runner vane rotation axis direction. 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。The block diagram which shows typically a part of 2nd Embodiment of the water turbine runner which concerns on this invention along the surface containing a runner vane rotating shaft. 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。The block diagram which shows typically a part of 3rd Embodiment of the water turbine runner which concerns on this invention along the surface containing a runner vane rotating shaft. 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。Explanatory drawing explaining the cavitation which generate | occur | produces in the corner part formed with the blade | wing of a runner vane, a stem, and a runner boss | hub on the negative pressure surface of a runner vane. 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。The block diagram which shows typically a part of 4th Embodiment of the turbine runner which concerns on this invention along the surface containing a runner vane rotating shaft. 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。The block diagram which shows typically a part of turbine runner of the conventional Kaplan water turbine along the surface containing a runner vane rotating shaft. 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。In the waterwheel runner of FIG. 8, explanatory drawing explaining the flow along a runner boss. 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。FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the flow around the stem of the runner vane in the water turbine runner of FIG. 8.

符号の説明Explanation of symbols

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
10 Kaplan turbine 12 Turbine runner 17 Runner rotation shaft 18 Runner boss 19 Runner boss side flow surface 20 Runner vane 21 Blade 22 Stem 24 Stem side flow surface 30 Kaplan turbine 31 Turbine runner 32 Runner vane 33 Stem 34 Stem side flow surface 40 Kaplan turbine 41 Water turbine runner 42 Runner vane 43 Stem 44 Stem side flow surface 50 Kaplan water wheel 51 Turbine runner 52 Runner vane 53 Stem 54 Stem side flow surface 55, 56 Fillet C Circle O Center P Point OP Line segment Ro, Rp, Rs Radius

Claims (5)

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が存在することを特徴とする水車ランナ。
A runner boss provided with a runner boss side flowing water surface which is provided so as to be rotatable around the runner rotation axis and is formed of a part of a spherical surface having a center O and a radius Ro;
A runner vane that is radially arranged in the circumferential direction of the runner boss and has a runner vane that is provided so that the mounting angle can be adjusted.
The runner vane includes a blade and a stem that supports the blade on the runner boss,
The stem has a stem-side water surface that is continuous with the runner boss-side water surface, and when an arbitrary point on the stem-side water surface is P, a line segment OP connecting the center O and the point P And the radius Ro,
[Equation 1]
Ro> OP
A turbine runner characterized in that the point P satisfying
前記ステム側流水面は、ランナボス側流水面との境界に形成された円をCとしたとき、この円Cを含み、且つランナ回転軸に平行な平面により形成されたことを特徴とする請求項1に記載の水車ランナ。 The stem-side flow surface is formed by a plane including the circle C and parallel to the runner rotation axis, where C is a circle formed at the boundary with the runner boss-side flow surface. 1. The water wheel runner according to 1. 前記ステム側流水面上の任意の点Pは、ランナベーンの負圧面側に設定されたことを特徴とする請求項1に記載の水車ランナ。 The turbine runner according to claim 1, wherein an arbitrary point P on the stem-side flow surface is set on the suction surface side of the runner vane. 前記ランナベーンの圧力面側において羽根とステム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請求項3に記載の水車ランナ。
A fillet radius Rp formed between the vane and the stem flow surface on the pressure surface side of the runner vane, and a fillet radius Rs formed between the blade and the stem flow surface on the suction surface side of the runner vane. And
[Equation 2]
Rp> Rs
The water turbine runner according to claim 3, wherein:
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の水車ランナを備えることを特徴とする水車。 A water wheel comprising the water wheel runner according to any one of claims 1 to 4.
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