JP2011102564A - 軸流水車のランナ - Google Patents

Abstract

【課題】ディスチャージリングおよびランナ羽根間の隙間を利用してランナを分解することが可能な軸流水車のランナを得る。
【解決手段】ランナ羽根８の角度を調節する軸流水車のランナ５において、ランナ羽根８を、取付け部であるランナボス７側からランナ羽根８の外周部（チップ端）Ｔ側に向かう方向の任意の位置で２以上のランナ羽根パーツ８ａ、８ｂ・・・に分割可能に構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸流水車のランナに係り、特に分解・組み立てが容易で水力損失が少ない軸流水車のランナに関する。

軸流水車は、ランナ羽根からの吐出流水が主軸と同心の円筒流路内にある水車であって、これにはカプラン水車やバルブ水車などが含まれる。

図１２はバルブ水車を据え付けた水力発電所の部分断面図である。
図１２において、バルブ水車発電機は筒状のケーシング１で形成した流路の中心にバルブ状のボス２を配置し、このボス２内に発電機３を収納し、この発電機３を直接または増速用歯車４を介して下流に配置した水車５のランナ６と結合するように構成されている。このランナ６はランナボス７とランナ羽根８とから構成されている。

このランナ羽根８の外周部Ｔ（以下、ランナチップ端Ｔという）は、間隙Ｇを隔ててディスチャージリング９によって同心状に包囲されている。なお、このディスチャージリング９のランナチップ端Ｔとの対向面は、球面状に加工されている。この部分を球面加工部１０と称する。

このように構成された水力発電所において、上流よりケーシング１とバルブ２との間の円筒流路内に流入した流水は、ステー１１、ガイドベーン１２を通過したのち、前記水車５のランナ６に到達する。そして、このランナ６に到達した流水は、ランナ６を回転させて主軸１３を介して連結された発電機３に発電させたのち、吸出し管１４を通り下流もしくは下池へと放出される。

バルブ水車の運転中、ランナ６まで到達した流水の大部分は、ランナ羽根８の流水面を円周方向に流れてランナ羽根８に回転エネルギーを与えたあと、吸出し管１４に排出されるが、一部分はランナ羽根８のチップ端Ｔおよびディスチャージリング９間の間隙Ｇにも流れる。この間隙Ｇに流れる流水は、漏れ流れといってランナ羽根８の回転に寄与しないものである。このため、漏れ流れが大きい程、水車５の水力損失は増大することになる。

バルブ水車は、流量を調整するためにランナ羽根８の角度を変えることが可能になっており、この調整角度が大きくなると球面加工部１０とランナチップ端Ｔに形成された球面部分とが沿わなくなるために漏れ流れ損失は増大する。

この漏れ流れ損失を軽減するために図１３で示すようにディスチャージリング９の球面加工部１０を吸出し管１４側だけではなく、流水入口側にも施すことが一般的に知られているが、球面加工部１０を流水入口側にも施した場合、水車の分解作業時にランナ羽根８、ランナボス７を図上方向へ引き抜く際に、ランナ羽根８のランナチップ端Ｔがディスチャージリング９の球面加工部１０に当たってしまい、分解することができないという欠点がある。

また、軸流水車は遠心力の影響によりランナ羽根８の外周のチップ端Ｔへ偏った流れ（偏流）となりやすい。これを抑制するために例えば特許文献１のように、二次流れ防止板を設けて流水を整流させることもできる。ランナ羽根８の外周側は流速が大きく、ランナ羽根の負圧面（流水から見て裏面）での圧力低下を発生させる。そのためランナ羽根８とディスチャージリング９問の間隙Ｇが存在するこの部位ではキャビテーションが発生しやすく、ランナ羽根８の外周のチップ端Ｔやディスチャージリング９が壊食されやすい。このため、キャビテーションを抑制することも性能低下をもたらす損失を低減させることとともに、ランナ羽根の延命化を図る上で重要である（例えば、特許文献２、３、４を参照）。

また、この部位は土砂磨耗の影響を受ける部位でもあり、この部分を交換可能とする形状も知られている（例えば、特許文献５を参照）。

実開平６１−６５２７９号公報 特開平３−１５１５７０号公報 特開平７−５４７５２号公報 特開２００５−３１５２１６号公報 特開平１１−２２６１７号公報

上述したように、ディスチャージリング９の上流側部位にも球面加工部１０を施す場合、そのままでは分解作業時にランナを分解することができず、また、大型水車の場合、ランナ羽根８の加工も難しいという欠点がある。

そこで本発明は、上記の課題を解決するために、ランナ羽根をボス側からランナチップ側に向かう方向の任意の位置で複数個に分割可能な構造とすることにより、ディスチャージリングおよびランナ羽根間の隙間を利用してランナを分解することが可能な軸流水車のランナを得ることを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ランナ羽根の角度を調節する軸流水車のランナにおいて、ランナ羽根を、取付け部であるランナボス側からランナチップ端側に向かう方向の任意の位置で２以上のランナ羽根パーツに分割可能に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、ランナ羽根をボス側からランナチップ側に向かう方向の任意位置で複数個に分割したので、ディスチャージリングとランナ羽根の隙間を利用してランナの分解を容易に行うことができる。

また、別の発明によれば、ランナ羽根の分割部にフランジを設けて偏流防止整流板として機能させたので、ランナ羽根の外周側へ偏る流れを抑制し、漏れ流れを低減することが可能である。

本発明の実施形態１による軸流水車のランナを示す図。 本発明の実施形態２による軸流水車のランナを示す図。 本発明の実施形態２および５による軸流水車のランナの拡大断面図。 本発明の実施形態２によるランナ羽根上の流水の様子を示す図。 本発明の実施形態３によるランナ羽根の一部拡大断面図。 本発明の実施形態４によるランナ羽根上の流水の様子を示す図。 本発明の実施形態６によるランナ羽根に注目して描いた図。 本発明の実施形態７によるランナ羽根上の流水の様子を示す図。 本発明の実施形態８によるランナ羽根の一部を示した図。 本発明の実施形態９による軸流水車のランナの拡大断面図。 本発明の実施形態９による軸流水車のランナのランナ羽根上の流水の様子を示す図。 従来の軸流水車をバルブ水車に適用した場合の部分的断面図。 従来の軸流水車をカプラン水車に適用した場合の部分的断面図。

以下、図面を参照して本発明に係る軸流水車のランナの実施形態について説明する。
なお、本発明に係る軸流水車は、バルブ水車に限定されるものではなく、カプラン水車等にも適用できるものである。

［実施形態１］
以下、図１を参照して実施形態１について説明する。
図１は本実施形態１による軸流水車のランナを示す図であって、特に（ａ）は軸流水車のランナの側面図、（ｂ）は１枚のランナ羽根を矢視方向に見た状態の矢視図、（ｃ）は矢視図（ｂ）をＡ−Ａ線で切断した状態の断面図である。

本実施形態１は、ランナ羽根８の流水面をランナボス７側からランナチップ端Ｔ側に向かう方向の任意の位置で２つのランナ羽根パーツに分割し、且つ、分割されたランナ羽根パーツ同士を分割位置１５で埋め込みボルト等の固着手段１６により接合したことを特徴としている。なお、ランナ羽根８の分割位置を分割部１５とも称する。この分割部１５はランナ羽根パーツの接合部でもある。

本実施形態１において、２分割されたランナ羽根パーツのうち、ランナボス７側の羽根パーツを「ボス端側羽根パーツ」８ａ、チップ端Ｔ側の羽根パーツを「ランナチップ端側羽根パーツ」８ｂと呼称する。

ボス端側羽根パーツ８ａと、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂとの分割部１５は、水車運転中にランナ羽根の流水面に作用する圧力に十分耐え、かつ、ボス端側羽根パーツ８ａの流水面と、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂとの流水面が滑らかに接合されるように、図１（ｃ）のように、互いのパーツの分割部に段差部を形成して接合している。

そして、互いのパーツの段差部が組み合わさった状態で、円周方向の複数個所に通しの埋め込みボルト１６をねじ込み、ボス端側羽根パーツ８ａと、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂとを一体化する。

なお、固着手段として採用した埋め込みボルト１６は、ボルト頭部やナットがランナ羽根の流水面から突出することはないので、分割部（接合部）１５で特に水力損失が増えるということはない。

ランナ６を分解する時は、埋め込みボルト１６を取り外してランナ羽根８のボス端側羽根パーツ８ａと、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂとを分離したあと、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂのみを間隙Ｇ分だけディスチャージリング９側に移動させる。その後ランナボス７を含むランナ内周側を紙面上側から抜き取り、さらに、ランナボス７を含むランナ内周側が除去された空間部にディスチャージリング９を移動させて紙面上側から抜き取る。

以上述べたように本実施形態１によれば、ランナ羽根８をランナボス７側からランナチップ端Ｔ側に向かう方向の任意の位置で２つのランナ羽根パーツに分割する構成を採用し、ランナ羽根パーツ８とディスチャージリング９との間の間隙Ｇを利用してランナ羽根８を分解するようにしたので、ディスチャージリング９の上流側部位大きい球面加工部１０を施した軸流水車の場合でも、容易にランナ６の組立、分解を行うことができる。

また、ディスチャージリング９には、羽根入口から出口まで球面加工部１０を形成することができるので、ランナ６外周側での漏れ流れを低減することが可能となる。

［実施形態１の変形例］
以上述べた実施形態１では、ランナ羽根８をボス端側羽根パーツ８ａと、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂとに２分割する場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、３分割以上の多分割の場合にも適用できるものである。

［実施形態２］
以下、図２乃至図４を参照して実施形態２について説明する。なお、実施形態１と同一部品には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図２は本実施形態２による軸流水車のランナを示す図であって、特に（ａ）は軸流水車のランナの側面図、（ｂ）は１枚のランナ羽根を矢視方向に見た状態の矢視図である。図３（ａ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）はボス端側羽根パーツからランナチップ端側羽根パーツを分離した状態の断面図である。そして、図４はランナ羽根上の流水の様子を示す図である。

本実施形態２は、ボス端側羽根パーツ８ａと、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂとの分割部（接合部）１５を流水の流れを阻害しないように円弧状とし、しかも、両パーツ８ａ、８ｂの分割部１５には、それぞれ流水面から突出するようにフランジ部Ｆａ、Ｆｂを設け、この突出したフランジ部Ｆａ、Ｆｂ同士を突き合わせて図示しない埋め込みボルト等で一体化したものである。

このフランジＦａ、Ｆｂは、図４で示すように、流水面上に突出しているので、流水のランナ羽根８の外周側へ偏る流れを抑制する偏流防止整流板として機能する。なお、本実施形態２の場合、流水面上にフランジＦａ、Ｆｂを突設したことによって、流水とフランジＦａ、Ｆｂとの摩擦損失が新たに発生するが、この新たに発生した摩擦損失よりもフランジＦａ、Ｆｂによる偏流の損失を低減する効果の方が大きいため、水力損失全体としては低減することができる。

以上述べたように、本実施形態２によれば、前述した実施形態１と同様の作用効果に加えて、分割部（接合部）１５から流水面に突出して設けたフランジＦａ、Ｆｂの整流作用によって、ランナ羽根８に流れる流水の偏流を抑制することができ、水力損失を低減させることができるという特徴を有する。

［実施形態３］
次に、図５を参照して実施形態３について説明する。なお、実施形態１および２と同一部品には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図５（ａ）、（ｂ）は本実施形態３によるランナ羽根の一部拡大断面図である。
図５（ａ）は、ボス端側羽根パーツ８ａとランナチップ端側羽根パーツ８ｂとを接合するフランジＦａ、Ｆｂの厚みｄを、ランナ羽根８の中央部付近から前縁および後縁に向かって滑らかに漸減するように構成し、さらに、フランジＦａ、Ｆｂの高さｈを、ランナ羽根の中央部付近から前縁および後縁に向かって滑らかな直線状で漸減するように構成したものである。

また、図５（ｂ）は、ボス端側羽根パーツ８ａとランナチップ端側羽根パーツ８ｂとを接合するフランジＦａ、Ｆｂの厚みを変えずに、高さｈのみをランナ羽根の前縁および後縁に向かって滑らかな曲線で漸減するように構成したものである（なお、滑らかな直線で漸減するようにしてもよい。）。

本実施形態３の図５（ａ）、（ｂ）のいずれの場合も、前述した実施形態２の作用効果に加えて、ランナ羽根８の前縁は水の衝突損失の低減、後縁は後流を抑制することができ、フランジＦａ、Ｆｂの影響で発生する水力損失を低減することが可能である。

［実施形態４］
次に、図６を参照して実施形態４について説明する。なお、実施形態１および２と同一部品には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図６は本実施形態４によるランナの羽根上の流水の様子を示す図である。
本実施形態４は、実施形態１および２の軸流水車のランナ羽根において、前縁位置のフランジＦａ、Ｆｂよりも、後縁位置のフランジＦａ、Ｆｂの方がランナボス７側に近くなる構造となっている。すなわち、ランナ羽根前縁におけるランナボス端からフランジＦａ、Ｆｂが位置する距離Ｌ１と、ランナ羽根後縁におけるランナボス７端からフランジＦａ、Ｆｂが位置する距離Ｌ２とを比べると、ランナ羽根後縁におけるランナボス７端からフランジＦａ、Ｆｂまでの距離Ｌ２の方が短い構造となっている（Ｌ１＞Ｌ２）。

通常、ランナ羽根８に流入した流水はランナ羽根８の遠心力の影響により、ランナ羽根面を流れるにつれてランナ羽根８外周側へ偏る流れとなる。つまりランナボス７端よりもランナチップ端Ｔへ流れが偏るが、本実施形態４は、フランジＦａ、Ｆｂの前縁位置よりも後縁位置の方がランナボス側に近くなるように構成したので、ランナ羽根の外周側へ偏る流水を抑制し、ランナ羽根面全てで満遍なく仕事をさせることにより水車の性能向上を図ることができ、またランナ羽根外周側へ偏ったことに起因する漏れ流れも抑制することが可能となる。

［実施形態５］
次に、本発明に係る軸流水車のランナの実施形態５について説明する。
本実施形態４特有の図は省略したので、前述した実施形態２の図２乃至４を参照して説明する。
本実施形態５は、ランナ羽根８の分割部１５に設けたフランジＦａ、Ｆｂをランナ羽根８の片面にのみに設けることを特徴とするものである。

本実施形態５は、機械的強度上、ランナ羽根８の両面でフランジＦａ、Ｆｂによる接合を必要としない場合、ランナ羽根８の片面にのみフランジＦａ、Ｆｂを設けて接合することにより、前述した実施形態２におけるランナ羽根８の両面分で発生するフランジによる水力損失を、ランナ羽根８の片面のみに低減することができるばかりでなく、片面のみでもランナ外周側へ偏る流れを抑制することで水車性能の向上を図ることができる。

［実施形態６］
次に、図７を参照して実施形態６について説明する。なお、実施形態１および２と同一部品には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図７は、本実施形態６によるランナ羽根に注目して描いた図である。
本実施形態６は、ランナ羽根８が全閉するとき、ランナ羽根８の圧力面および負圧面に突設したフランジＦａ、Ｆｂが、ランナ羽根８の全閉に支障が生じないようにしたもので、図７で示すように、圧力面および負圧面の双方に対してフランジＦａ、Ｆｂの前縁側に位置する部分、および後縁側に位置する部分を削除したことを特徴とする。破線で示したフランジが削除した部分である。

本実施形態６によれば、フランジＦａ、Ｆｂによりランナ羽根角度の最小値が制限されている水車に対してランナ羽根全閉まで角度を調整することができ、小出力での運転が可能となる。

［実施形態７］
次に、図８を参照して実施形態７について説明する。なお、既に述べた実施形態と同一部品には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図８は、本実施形態７のランナ羽根上の流水の様子を示す図である。
本実施形態７は、図８のようにフランジＦａ、Ｆｂをランナ羽根の入口端近傍もしくは出口端近傍を除いた部分に突設し、入口端近傍もしくは出口端近傍のフランジＦａ、Ｆｂを削除するように構成したものである。

本実施形態７によれば、フランジＦａ、Ｆｂの長さを、既に述べた実施形態２あるいは４の場合よりも短くすることにより、フランジＦａ、Ｆｂを設けたことで発生する摩擦損失を抑制することができる。

また、羽根入口端にフランジＦａ、Ｆｂを設けない場合は特に、僅かな水流の流れ角度と羽根入口角度不一致により発生する入口キャビテーションをフランジＦａ、Ｆｂの影響で発生することの無いようにすることができる。

従って、本実施形態７によれば、フランジＦａ、Ｆｂによるキャビテーションの影響を考えないで済む分割型ランナを提供することが可能となる。

［実施形態８］
次に、図９を参照して実施形態８について説明する。なお、実施形態１および２と同一部品には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図９は本実施形態８のランナ羽根上の流水の様子を示す図であり、（ａ）、（ｂ）とも上からランナ羽根の負圧面（裏と表示）、ランナ羽根の圧力面（表と表示）をそれぞれ示す。

本実施形態８は、図９（ａ）の場合、圧力面（表）については入口端（前縁）から出口端（後縁）までの全領域にかけてフランジＦａ、Ｆｂを形成するが、負圧面（裏）については入口端（前縁）から中央付近までフランジＦａ、Ｆｂを形成する。

図９（ｂ）の場合、圧力面（表）については入口端（前縁）から中央付近までフランジＦａ、Ｆｂを形成するが、負圧面（裏）については入口端（前縁）から出口端（後縁）までの全領域にかけてフランジＦａ、Ｆｂを形成する。

本実施形態８によれば、ランナ羽根入口端から出口端にかけて強度を保つ必要がある時に適用でき、かつフランジＦａ、Ｆｂによる摩擦損失を極力抑制することが可能となると共にランナ羽根外周側へ偏る流れを抑制することが可能となる。

［実施形態９］
次に、図１０および図１１を参照して実施形態９について説明する。なお、実施形態１および２と同一部品には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図１０は本実施形態９による軸流水車の拡大断面図であり、（ａ）はランナの組立後の状態を示す断面図、（ｂ）はランナの分解中（あるいは組立途中）の状態を示す図、図１１は本実施形態９による軸流水車のランナ羽根上の流水の様子を示す図である。

本実施形態９は、ランナ羽根８の流水面をランナ羽根８の取付け部であるランナボス７側からランナチップ端Ｔ側に向かう方向の任意の位置で、ボス端側羽根パーツ８ａ、中間ランナ羽根パーツ８ｃおよびランナチップ端側羽根パーツ８ｂに３分割し、且つ、分割部１５_１、１５_２にそれぞれフランジＦａ、Ｆｂを突設し、対向するフランジＦａ、Ｆｂ同士を図示しない埋め込みボルト等の固着手段で接合したことを特徴としている。

本実施形態９では、フランジＦａ、Ｆｂによる偏流防止整流板の列が２列形成される。
ランナ６を分解する時は、まず、ボス端側羽根パーツ８ａおよび中間ランナ羽根パーツ８ｃ間の固着手段を取り外して、ボス端側羽根パーツ８ａおよび中間ランナ羽根パーツ８ｃを分離する。そして、中間ランナ羽根パーツ８ｃおよびランナチップ端側羽根パーツ８ｂを間隙Ｇ分だけディスチャージリング９側に移動させ、その後ランナボス７を含むランナ内周側を紙面上側から抜き取る。

次に、中間ランナ羽根パーツ８ｃおよびランナチップ端側羽根パーツ８ｂ間の固着手段を取り外して、中間ランナ羽根パーツ８ｃおよびランナチップ端側羽根パーツ８ｂを分離したのち、中間ランナ羽根パーツ８ｃをランナボス７を含むランナ内周側が除去された空間部側に移動して紙面上側から抜き取る。

最後に、ランナチップ端側羽根パーツ８ｂをランナボス７を含むランナ内周側が除去された空間部側に移動して紙面上側から抜き取る。

以上述べたように、本実施形態９によれば、ランナ羽根８をパーツ８ａ、８ｂおよび８ｃに３分割したことでランナ６の分解、組立が容易になり、かつ、図１１のように２つの分割部１５_１、１５_２にフランジＦａ、Ｆｂによる偏流防止整流板が２列平行して突設するので、偏流防止整流板を１列しか設けていない実施形態２乃至７の場合に比べてランナ羽根外周側への偏流抑制効果を高めることが可能である。

また、フランジが持つ強度が充分である場合は、ランナ羽根の両面にフランジＦａ、Ｆｂを突設する必要はなく、例えば、一方の接合部１５_１にはランナ羽根８の片面のみにフランジを突設し、他方の接合部１５_２にはランナ羽根８の両面にフランジを突設するようにしてもよい。このような場合には、余分な摩擦損失を抑制することができる。

１…ケーシング、２…バルブ、３…発電機、４…増速歯車、５…水車、６…ランナ、７…ランナボス、８…ランナ羽根、８ａ…ボス端側羽根パーツ、８ｂ…ランナチップ端側羽根パーツ、８ｃ…中間ランナ羽根パーツ、９…ディスチャージリング、１０…球面加工部、１１…ステー、１２…ガイドベーン、１３…主軸、１４…吸出し管、１５、１５_１、１５_２…分割部（接合部）、１６…埋め込みボルト、Ｆａ、Ｆｂ…フランジ、Ｇ…間隙、Ｔ…ランナチップ端。

Claims (10)

1. ランナ羽根の角度を調節する軸流水車のランナにおいて、ランナ羽根を、取付け部であるランナボス側からランナチップ端側に向かう方向の任意の位置で２以上のランナ羽根パーツに分割可能に構成したことを特徴とする軸流水車のランナ。
2. 前記ランナ羽根は、ランナ羽根パーツの分割部にフランジを設け、当該フランジを流水面から突設させて、偏流防止整流板として機能させることを特徴とする請求項１に記載の軸流水車のランナ。
3. 前記フランジの先端部に、流水の衝突により生じる損失を低減する衝突損失低減部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の軸流水車のランナ。
4. 前記ランナ羽根の前縁部のフランジ位置よりもランナ羽根の後縁部のフランジ位置をランナボス側に近づけたことを特徴とする請求項２または３に記載の軸流水車のランナ。
5. 前記フランジをランナ羽根の片面にのみ設けたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の軸流水車のランナ。
6. 前記フランジは、前記ランナ羽根が全閉状態で、任意のランナ羽根の出口側表面と、このランナ羽根に隣接するランナ羽根入口側裏面とが重なり合う範囲以外の部位に設けたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の軸流水車のランナ。
7. 前記フランジは、ランナ羽根の入口端または出口端以外の部位に設けたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の軸流水車のランナ。
8. ランナ羽根表面の入口端から出口端にかけて、かつ、ランナ羽根裏面の入口端から中央付近にかけてフランジを形成したことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の軸流水車のランナ。
9. ランナ羽根表面の入口端から中央付近にかけて、かつ、ランナ羽根裏面の入口端から出口端にかけてフランジを形成したことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の軸流水車のランナ。
10. ランナ羽根を、３以上のランナ羽根パーツに分割可能に構成したとき、ランナ羽根の表面と裏面とで前記フランジの列数が異なることを特徴とする請求項２に記載の軸流水車のランナ。

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