JP2011017260A - フランシス型ランナ及びフランシス型水車 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードの入口先端の形状を容易に変更することができるフランシス型ランナを提供すること。
【解決手段】ブレード２をランナ径方向において分割して得られる部分であって、ブレード２におけるランナ径方向の外側端部を含むブレード入口部２１と、クラウン４及びバンド５におけるブレード入口部２１の設置部分に設けられた溝部４１，５１と、ブレード入口部２１におけるクラウン４側及びバンド５側に設けられ、溝部４１，５１に嵌め合わされてクラウン４及びバンド５の一部となる取付部２４，２５を備え、ブレード入口部２１を、取付部２４，２５とともにランナ１から着脱可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明はフランシス型ランナ及びフランシス型水車に関する。

フランシス型水車におけるランナ（フランシス型ランナ）では、ランナの回転系からみた水流の向きとブレード（動翼）の入口先端の向きとの間にずれが生じた場合、ブレードの入口先端付近において水流がブレードの表面から剥離してキャビテーションが発生することがある。キャビテーションが長時間発生し続けると、ブレードに壊食と呼ばれる損傷が起こり、水車の性能低下や、壊食の修理に伴う水車の稼働率の低下及びメンテナス費用の増大という問題が生じる。そのため、通常、運転条件下ではキャビテーションが発生しないようにランナを設計する。

しかし、長期間運転していると運転条件が変わる場合があり、固定式のブレードを有するランナでは、設計段階でそれを加味して設計することが難しい。そのため、キャビテーションによる壊食の対策が必要となる。壊食の対策としては、所定の成分を有する高靱性１３Ｃｒ５Ｎｉ系ステンレス鋼より成る鋳物によってランナを形成し、キャビテーションによる壊食及び土砂による磨耗に対するブレードの耐食性向上を図った技術がある（特許文献１等参照）。

特開平８−９２７０４号公報

ところで、壊食が発生したランナには、一般的に、グラインダー整形や溶接補修が施される。しかし、グラインダー加工では強度的な問題があり、溶接補修では熱管理の問題がある。さらに、これらの方法による補修は大幅な形状変更が難しく、補修前と同位置に壊食が再び発生することが予想される。すなわち、壊食の根本的な解決にはキャビテーションの抑制が必要であり、キャビテーションの抑制のためには回転系からみた水流の向きに合わせてブレードの入口先端の向きを変更する必要がある。そこで、従来、壊食が著しい場合には、ブレードの入口先端の向きを変更してキャビテーションを抑制するためにランナを作り直していた。しかし、このようにランナを作り直していては、経済的にも時間的にも大きな損失となる。

本発明の目的は、ブレードの入口先端の形状を容易に変更することができるフランシス型ランナを提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、ランナ周方向に複数設置されたブレードと、このブレードをランナ軸方向から挟むクラウン及びバンドとを備えるフランシス型ランナにおいて、前記ブレードをランナ径方向において分割して得られる部分であって、前記ブレードにおけるランナ径方向の外側端部を含むブレード入口部と、前記クラウン及び前記バンドにおける前記ブレード入口部の設置部分に設けられた溝部と、前記ブレード入口部における前記クラウン側及び前記バンド側に設けられ、前記溝部に嵌め合わされて前記クラウン及び前記バンドの一部となる取付部とを備え、前記溝部の一方は、ランナ軸方向にへこんだ凹部であり、前記ブレード入口部は、前記取付部とともに前記フランシス型ランナから着脱可能であるものとする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記溝部の他方は、前記クラウン又は前記バンドをランナ軸方向に貫通する切り欠き部であるものとする。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記溝部の少なくとも一方には、前記フランシス型ランナが回転して前記ブレード入口部に遠心力が作用する際に、前記ブレード入口部をランナ径方向の外側から支持する抜け止め部が形成されているものとする。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記溝部の少なくとも一方は、ランナ軸方向からみたとき、凸形に形成されており、当該凸形の先端部分はランナ径方向の外側に向いているものとする。

（５）上記（３）において、好ましくは、前記溝部の少なくとも一方は、ランナ軸方向からみたとき、ランナ径方向に高さを有する略台形状に形成されており、当該台形におけるランナ径方向の内側の辺は、ランナ径方向の外側の辺よりも長いものとする。

（６）上記（１）〜（５）いずれかにおいて、好ましくは、前記ブレードは、そのランナ径方向の外側端部から前記ブレードの全翼長の５〜１０％に相当する距離だけ離れた領域において分割されているものとする。

（７）上記（１）〜（６）いずれかにおいて、好ましくは、前記取付部の少なくとも一方は、ボルト又は溶接によって前記クラウン又は前記バンドに固定されているものとする。

本発明によれば、ブレードの入口先端の向きを容易に変更できるので、キャビテーションの発生を容易に抑制することができる。

本発明の実施の形態に係るフランシス型ランナの概略図。 本発明の実施の形態に係るフランシス型ランナの縦断面図。 本発明の実施の形態に係るフランシス型ランナからブレード入口部を取り外した状態を示す図。 本発明の実施の形態におけるブレード入口部の斜視図。 本発明の実施の形態におけるブレード入口部をランナ軸方向からみた上面図。 本発明の実施の形態におけるバンド側溝部の第１変形例を示す図。 本発明の実施の形態におけるバンド側溝部の第２変形例を示す図。 本発明の実施の形態におけるバンド側取付部をボルト締結したときの上面図。 本発明の実施の形態におけるバンド側取付部を溶接接合したときの上面図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態であるフランシス型ランナの概略図であり、図２はその縦断面図であり、図３は図１に示すフランシス型ランナからブレード入口部２１（後述）を取り外した状態を示す図である。

これらの図に示すフランシス型ランナ（以下、ランナと称する）１は、ランナ周方向に複数設置されたブレード（動翼）２と、ブレード２をランナ軸方向から挟むクラウン４とバンド５を備えており、回転軸Ｓ（図２参照）を中心に回転する。

ブレード２は、ランナ径方向において２つに分割されており、ブレード入口部２１とブレード本体部２２によって形成されている。ブレード入口部２１は、ブレード２を分割して得られる部分のうち、ブレード２におけるランナ径方向の外側端部が含まれている部分である。ブレード入口部２１は、ランナ１から着脱可能に形成されており、ブレード２の入口先端の向き（ランナ径方向の外側端部におけるブレード２の向き）が異なる他のブレード入口部と交換可能になっている（図３にランナ１からブレード入口部２１を分離した状態を示す）。一方、ブレード本体部２２は、ブレード２を分割して得られる部分のうち、ブレード２におけるランナ径方向の内側端部が含まれている部分である。

バンド５には、図３に示すように、ブレード入口部２１の設置部分に合わせて複数の溝部（バンド側溝部）５１が設けられている。本実施の形態におけるバンド側溝部５１は、ランナ軸方向にへこんだ凹部である。すなわち、バンド側溝部５１は、ブレード入口部２１の設置位置においてバンド５の一部が残るように形成されている。バンド側溝部５１におけるランナ径方向の外側端部は、バンド５の外周部（ランナ径方向の外側端部）に開口している。

また、本実施の形態におけるバンド側溝部５１は、ランナ軸方向からみると略凸形に形成されており、当該凸形の先端部分はランナ径方向の外側に向いている。このようにバンド側溝部５１を凸形に形成すると、ランナ１が回転してブレード入口部２１に遠心力が作用する際に、ブレード入口部２１をランナ径方向の外側から支持する抜け止め部６１を形成することができる。これを本実施の形態におけるバンド側溝部５１で具体的に示すと、図３に示すように、バンド側溝部５１を形成する複数の面のうち、回転軸Ｓからランナ径方向に伸ばした直線と略直交する面が抜け止め部６１となる。

クラウン４には、図３に示すように、ブレード入口部２１の設置位置に合わせて複数の溝部（クラウン側溝部）４１が設けられている。本実施の形態におけるクラウン側溝部４１は、クラウン４をランナ軸方向に貫通する切り欠き部であり、クラウン４の外周部からランナ径方向の内側に向かってクラウン４を切り欠いて形成した切り欠き部４１ａを有している。

また、本実施の形態におけるクラウン側溝部４１は、ランナ軸方向からみると略凸形に形成されており、当該凸形の先端部分はランナ径方向外側に向いている。このようにクラウン側溝部４１を凸形に形成すると、バンド側溝部５１と同様の抜け止め部６１を形成することができる。さらに、本実施の形態におけるクラウン４の天面には、切り欠き部４１ａと隣接して凹部４１ｂが設けられている。凹部４１ｂは、クラウン側取付部２４（後述）におけるフランジ部２６（後述）が嵌め合わされる部分であり、ランナ軸方向にへこんでいる。

ここで図を用いてブレード入口部２１について詳述する。図４は本発明の実施の形態におけるブレード入口部２１の斜視図であり、図５はブレード入口部２１をランナ軸方向からみた上面図である。なお、図５において斜線を付した部分は、バンド側取付部２５（後述）に相当する。

これらの図に示すように、ブレード入口部２１におけるクラウン４側には、ブレード入口部２１と一体に取付部（クラウン側取付部）２４が設けられており、ブレード入口部２１におけるバンド５側には、ブレード入口部２１と一体に取付部（バンド側取付部）２５が設けられている。

バンド側取付部２５は、図４及び図５に示すようにバンド側溝部５１及びバンド５の形状に合わせて形成されており、バンド側溝部５１に嵌め合わされてバンド５の一部となる部分である。本実施の形態におけるバンド側取付部２５は、バンド側溝部５１の形状に合わせて略凸形に形成されている。

クラウン側取付部２４は、図４に示すようにクラウン側溝部４１及びクラウン４の形状に合わせて形成されており、クラウン側溝部４１に嵌め合わされてクラウン４の一部となる部分である。本実施の形態におけるクラウン側取付部２４は、クラウン側溝部４１の形状に合わせて略凸形に形成されている。また、本実施の形態におけるクラウン側取付部２４には、そのランナ周方向の両側にフランジ部２６が設けられており、フランジ部２６はクラウン側溝部４１における凹部４１ｂに嵌め合わされる。

上記の説明から明らかなように、本実施の形態に係るランナ１は、ブレード２をランナ径方向において分割して得られるブレード入口部２１と、クラウン４及びバンド５におけるブレード入口部２１の設置部分に設けられた溝部４１，５１と、ブレード入口部２１におけるクラウン４側及びバンド５側に設けられ、溝部４１，５１に嵌め合わされてクラウン４及びバンド５の一部となる取付部２４，２５とを備えており、バンド側溝部５１はランナ軸方向にへこんだ凹部であり、クラウン側溝部４１はクラウン４をランナ軸方向に貫通する切り欠き部４１ａを備えている。

このように構成されるランナ１において、ブレード入口部２１を交換する場合には、まず、図１に示した状態からブレード入口部２１をランナ軸方向の上方に向かって引き抜き、ブレード入口部２１をランナ１から取り外す。そして、ランナ１の回転系からみた水流の向きに合った入口先端を有する他のブレード入口部２１を用意し、その交換用のブレード入口部２１を、クラウン４の上方からランナ軸方向の下方に向かって切り欠き部４１ａを介してランナ１内に挿入する。交換用のブレード入口部２１をランナ１内に挿入したら、バンド側溝部５１にバンド側取付部２５を嵌め合わせつつ、クラウン側溝部４１にクラウン側取付部２４を嵌め合わせる。これにより交換用のブレード入口部２１をランナ１に取り付けることができる。すなわち、上記のように構成されるランナ１によれば、ブレード入口部２１の交換の前後においてブレード入口部２１（ブレード２の入口先端の向き）以外のランナ形状を保持したままで、ブレード入口部２１を取付部２４，２５とともにランナ１から容易に着脱することができる。なお、交換用のブレード入口部２１を取り付ける場合には、ブレード入口部２１とブレード本体部２２を接合し、当該接合部の近傍をグラインダーやＮＣ加工（Numerical Control machining）等を利用して整形することが好ましい。このようにブレード２の表面を整形すると、流れの乱れの発生を防止することができるからである。

また、上記のように交換用のブレード入口部２１をランナ１に取り付ける際、ブレード入口部２１のランナ軸方向における位置は、バンド５におけるブレード２側の面に凹形に形成されたバンド側溝部５１によって規定されるので、ブレード入口部２１を容易に取り付けることができる。さらに、このとき、バンド側溝部５１にバンド側取付部２５を嵌め合わせ、クラウン側溝部４１にクラウン側取付部２４を嵌め合わせることで、ランナ１に対するブレード入口部２１の取り付け姿勢も容易に規定される。このように、本実施の形態のランナ１によれば、ブレード２の入口先端の向きを容易に変更できるので、キャビテーションの発生を容易に抑制することができる。

なお、本実施の形態では、バンド側溝部５１を凹形にすることでランナ軸方向におけるブレード入口部２１の位置決めを容易にしたが、溝部４１，５１の一方を凹形に形成すれば同様の効果が得られる。すなわち、バンド側溝部５１に代えて、クラウン側溝部４１を凹形に形成しても良い。

また、本実施の形態では、バンド側溝部５１を凹形に形成し、クラウン側溝部４１に切り欠き部４１ａを形成したが、これとは反対に、バンド側溝部５１に切り欠き部を形成して、クラウン側溝部４１を凹形に形成しても良い。しかし、水車回転軸が略鉛直に保持されるいわゆる縦軸水車を実施の対象とする場合には、本実施の形態のランナ１のように、クラウン４の下方に位置するバンド５に凹形の溝部５１を設けることが好ましい。このようにすれば、ブレード入口部２１に作用する重力をバンド５で支持することができるので、縦軸水車におけるブレード入口部２１の交換作業が容易になるからである。

さらに、上記において、ブレード２は、ブレード２のランナ径方向の外側端部から翼中心線に沿ってブレード２の全翼長の５〜１０％に相当する距離だけ離れた部分で分割することが好ましい。すなわち、ブレード入口部２１とブレード本体部２２との翼長の比が１：９〜１：１９となる位置で分割することが好ましい。このようにブレード２を分割すると、キャビテーションによる壊食が生じる領域をブレード入口部２１側に充分含めることができるので、壊食が生じてもブレード入口部２１のみを交換すればブレード２を容易に補修することができる。

ところで、本実施の形態におけるクラウン側溝部４１及びバンド側溝部５１には、抜け止め部６１が形成されている。このようにクラウン側取付部２４及びバンド側取付部２５を形成すると、ランナ１が回転して遠心力が作用しても、抜け止め部６１を介してブレード入口部２１を支持できるので、ブレード入口部２１がランナ１から脱落することを抑制できる。なお、上記の例では、クラウン側溝部４１とバンド側溝部５１の双方に抜け止め部６１を形成したが、いずれか一方に形成すれば、上記したブレード入口部２１の脱落防止効果が発揮されることは言うまでもない。上記では、溝部４１，５１を凸形に形成することで抜け止め部６１を形成したが、抜け止め部６１の他の形状としては例えば下記のものがある。

図６は、ブレード入口部２１をランナ軸側からみた上面図であり、本発明の実施の形態におけるバンド側溝部の第１変形例を示す図である。図７は、図６同様の上面図であり、本発明の実施の形態におけるバンド側溝部の第２変形例を示す図である。なお、これらの図において斜線を付した部分はブレード入口部２１におけるバンド側取付部２５Ａ，２５Ｂに相当する。

図６に示したバンド側溝部５１Ａは、ランナ軸方向からみたとき、ランナ径方向に高さを有する略台形状に形成されており、当該台形におけるランナ径方向の内側の辺（下底）７１は、ランナ径方向の外側の辺（上底）７２よりも長くなっている。この場合には、当該台形の斜辺となる２つの面が抜け止め部６１になる。このようにバンド側溝部５１Ａを形成すると、図５のように凸形に形成した場合と比較して抜け止め部６１の面積を大きくすることができるので、ランナ１の回転速度が速く遠心力が大きい場合にもブレード入口部２１の脱落を防止することができる。

図７に示したバンド側溝部５１Ｂは、ランナ軸方向からみたとき、ランナ径方向に高さを有する複数の台形をランナ径方向に連ねた形状に形成されている。このようにバンド側溝部５１Ｂを形成すると、図６の場合よりもさらに抜け止め部６１の面積を大きくすることができるので、ブレード入口部２１の脱落防止効果をさらに向上させることができる。

また、ランナ１回転時におけるブレード入口部２１の脱落をさらに抑制する場合には、取付部２４，２５の少なくとも一方を、ボルト又は溶接によってクラウン４又はバンド５に固定することが好ましい。

図８はバンド側取付部２５をボルト締結したときのブレード入口部２１の上面図であり、図９はバンド側取付部２５を溶接接合したときのブレード入口部２１の上面図である。

図８に示すバンド側取付部２５は、４つのボルト９によって固定されている。ボルト９は、ランナ１への流れに影響を与えないように、バンド５の下方から取り付けることが好ましい。また、クラウン側取付部２４をボルト締結する場合には、上記で説明したフランジ部２６にボルト孔１０を設けることが好ましい（図４参照）。この場合には、さらに、図３に示すようにクラウン側溝部４１の凹部４１ｂにボルト孔１０を設け、当該ボルト孔１０に対してクラウン４の天面側からボルト９を挿入すれば良い。

このようにボルト９を介して取付部２４，２５を固定すると、溶接接合等のように熱による部材の変形に配慮することなく、ブレード入口部２１をランナ１に簡単に固定することができる。また、このようにボルト９を介して取付部２４，２５を固定すると、溶接接合と比較して、ブレード入口部２１の着脱が容易である点もメリットとなる。

図９に示すバンド側取付部２５は３つの溶接部１１を介してバンド５に溶接接合されている。このように溶接を利用する場合には、熱による部材の変形を防止するとともにブレード入口部２１の着脱を容易にする観点から、ブレード入口部２１がランナ１から外れない範囲で可能な限り溶接量を減らすことが好ましい。

Ｓ ランナ回転軸
１ ランナ
２ ブレード
４ クラウン
５ バンド
９ ボルト
１０ ボルト孔
１１ 溶接部
２１ ブレード入口部
２２ ブレード本体部
２４ クラウン側取付部
２５ バンド側取付部
４１ クラウン側溝部
４１ａ 切り欠き部
４１ｂ 凹部
５１ バンド側溝部
６１ 抜け止め部

Claims (7)

1. ランナ周方向に複数設置されたブレードと、このブレードをランナ軸方向から挟むクラウン及びバンドとを備えるフランシス型ランナにおいて、
   前記ブレードをランナ径方向において分割して得られる部分であって、前記ブレードにおけるランナ径方向の外側端部を含むブレード入口部と、
   前記クラウン及び前記バンドにおける前記ブレード入口部の設置部分に設けられた溝部と、
   前記ブレード入口部における前記クラウン側及び前記バンド側に設けられ、前記溝部に嵌め合わされて前記クラウン及び前記バンドの一部となる取付部とを備え、
   前記溝部の一方は、ランナ軸方向にへこんだ凹部であり、
   前記ブレード入口部は、前記取付部とともに前記フランシス型ランナから着脱可能であることを特徴とするフランシス型ランナ。
2. 請求項１記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記溝部の他方は、前記クラウン又は前記バンドをランナ軸方向に貫通する切り欠き部であることを特徴とするフランシス型ランナ。
3. 請求項２記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記溝部の少なくとも一方には、前記フランシス型ランナが回転して前記ブレード入口部に遠心力が作用する際に、前記ブレード入口部をランナ径方向の外側から支持する抜け止め部が形成されていることを特徴とするフランシス型ランナ。
4. 請求項３記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記溝部の少なくとも一方は、ランナ軸方向からみたとき、凸形に形成されており、
   当該凸形の先端部分はランナ径方向の外側に向いていることを特徴とするフランシス型ランナ。
5. 請求項３記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記溝部の少なくとも一方は、ランナ軸方向からみたとき、ランナ径方向に高さを有する略台形状に形成されており、
   当該台形におけるランナ径方向の内側の辺は、ランナ径方向の外側の辺よりも長いことを特徴とするフランシス型ランナ。
6. 請求項１から５いずれかに記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記ブレードは、そのランナ径方向の外側端部から前記ブレードの全翼長の５〜１０％に相当する距離だけ離れた領域において分割されていることを特徴とするフランシス型ランナ。
7. 請求項１から６いずれかに記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記取付部の少なくとも一方は、ボルト又は溶接によって前記クラウン又は前記バンドに固定されていることを特徴とするフランシス型ランナ。

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