JP2011236920A - 水力機械のランナ及び水力機械用ランナの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的羽根枚数の多いフランシス型水車ランナに適用した場合に有用であり、しかも製作性及び水力性能を向上させることのできるランナを提供する。
【解決手段】実施形態の水力機械のランナは、複数の長翼及び複数の短翼を備える。複数の長翼は、ランナ入口側の羽根部分を構成する入口側羽根部と、ランナ出口側の羽根部分を構成しかつ前記入口側羽根部とは個別に製作された出口側羽根部と、からなり、ランナ回転方向に沿って所定の間隔を空けてそれぞれ配置されている。複数の短翼は、前記ランナ回転方向に沿って前記長翼と交互に配置され、前記長翼の前記入口側羽根部と同じ翼形状で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水車などの構成部品として用いられる水力機械のランナ及び水力機械用ランナの製造方法に関する。

一般に、水力発電設備に用いられる水力機械１としては、図９に示すような、いわゆるフランシス型の水車が比較的多く用いられている。そして、このフランシス型の水車は主に、渦巻きケーシング２、スピードリング１０、ステーベーン１２、ガイドベーン９、ランナ３、主軸１６、吸出し管（ドラフトチューブ）１４から構成されている。そして、水力機械１のランナ３は、主軸１６を介して図示しない発電機に連結される一方、上池（図示せず）からの水が、渦巻きケーシング２に導かれ、さらにこの渦巻きケーシング２の内周側の環状のスピードリング１０、ステーベーン１２及びガイドベーン９を通過する過程で増速しつつ角運動が付与されてランナ３内に流入し、ランナ３を回転させる。ランナ３の回転運動は主軸を介して発電機を回転させて電気を発生させる。一方、ランナ３を回転させた水は出口側（内周側）から流出し、吸出し管１４を経て下流の下池（図示せず）へと流れる。

ここで、水力機械に用いられるランナは、上記のように流体と水力機械との間でのエネルギ授受を行う最も重要な構成要素であり、その性能が水力機械全体の性能を大きく左右する。したがって、高性能なランナを開発することは、水力機械の設計における重要な項目となり、ランナについては以前より様々な性能向上施策が提案されている。

近年では、上記の性能向上施策の一つとして、互いに翼長の異なる短翼と長翼とをランナ回転方向に沿って交互に配置した、いわゆるスプリッタランナが実用化されている。ここで、翼長の均一な通常のランナとスプリッタランナとの特性の相違について図１０〜図１２に基づき説明を行う。なお、図１０は、通常のランナ５１及びスプリッタランナ５２を重ね合わせて各翼の子午面に沿った断面でみた図である。また、図１１は、通常のランナ５１の翼５４の配置を翼の子午面における１つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図であり、図１２は、スプリッタランナ５２の長翼６１及び短翼６２の配置を翼の子午面における１つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図である。

図１０〜図１２に示すように、スプリッタランナ５２は、羽根の総数が通常のランナ５１に比べて多くなる一方で、ランナ出口側が長翼６１のみで構成されることから、ランナ出口側の羽根間の間隙ｈが過度に小さくならず、多翼ランナとしての利点を最大限に活かすことが可能であり、優れた水力性能を発揮することが確認されている。

すなわち、スプリッタランナ５２は、多翼ランナであるにもかかわらず、ランナ出口側の羽根枚数を実質的に少なくできるので、羽根（長翼６１）をランナ出口側に向けて長く延ばすことができる。したがって、スプリッタランナ５２では、ランナ出口側で生じ得る旋回流を小さくできるとともに、短翼による長翼流路間の整流効果が得られ、水流ｋ2の流量変化などを小さく抑えることができる。これにより、図１０に示すように、ランナ出口側において、通常のランナ５１では、遠心力の影響を直接的に受けて、ランナバンド５６側への水流ｋ1の偏りが生じるのに対し、上記の長翼及び短翼を有するスプリッタランナ５２では、ランナバンド５６側への水流ｋ2の偏りが解消され水車効率が改善される。

さらに、図１１及び図１２に示すように、スプリッタランナ５２は、ランナ入口側での羽根枚数が多く、ランナ入口側での羽根一枚あたりの翼負荷を小さくできるので、通常のランナ５１の翼５４のランナ入口側の端部における翼回りの循環（翼負荷）γ1に対し、長翼６１及び短翼６２のランナ入口側の端部における翼回りの循環（翼負荷）γ2を低減させることができる。したがって、スプリッタランナ５２では、翼回りの循環γ2が小さくなることで、それに基づく流体に対する偏向力を小さくすることができる。すなわち、流体の絶対流入速度ベクトルｖと、ｍ方向に回転する長翼６１及び短翼６２の周速度ベクトルｕと、から求められる流体流入速度ベクトルｗの角度成分（流入角度）δ2を大きくすることができる。これにより、流入角度δ2と羽根入口角度β2との角度差α2を、通常のランナ５１の流入角度δ1と羽根入口角度β1との角度差α1よりも、実質的に小さく抑えることができる。これにより、スプリッタランナ５２では、長翼６１及び短翼６２のランナ入口側の端部で流れの剥離を防止でき、ランナ入口側のキャビテーション（運転中の水力機械内のある点の圧力が、飽和蒸気圧以下になった場合に気泡が生じる沸騰現象）の発生を抑制することができる。

また、このようなスプリッタランナに関連する技術としては、例えば、９枚以下の羽根枚数の主羽根の間に主羽根の長さ以下の中間羽根を配置し、ポンプ水車の効率及びキャビテーション特性の改善を図ったポンプ水車用の羽根車が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、長翼間のランナ回転方向に沿った中間位置から、短翼を長翼の負圧面側にシフトして配置しキャビテーションの発生を抑制しつつ低出力運転幅を拡張させたフランシス型のポンプ水車ランナなども知られている（例えば特許文献２参照）。

さらに、長翼及びクラウンを一体鋳造した後、短翼、バンドを順次溶接するといった作製手順を採ることで、スプリッタランナにおけるランナ内流路面の仕上げ精度の向上や組立作業性の向上を図れるランナの製法なども提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−５４９４４ 特開２００１−３２９９３７ 特開２００１−３０４０８８

ところで、フランシス型水車に用いられるランナは、一般に主翼（長翼）の羽根枚数が１３〜１７枚で構成され、その主翼間に短翼を配置する場合、２６〜３４枚もの多数の羽根で構成されることになる。この場合のスプリッタランナは、上記文献３のように一体鋳造を利用した製法や、また、長翼、短翼、クラウン、バンドをそれぞれ個別に製作しさらに長翼、短翼をクラウン及びバンドに溶接する製法などが採られる。前者の一体鋳造を利用する場合、研削による羽根形状の整形が要求され、一方、後者の溶接組立の場合も、溶接作業及び溶接部の研削整形など、翼間の狭隘部に対する困難な作業が要求される。

したがって、このようなスプリッタランナの製作の難易性は、スプリッタランナ自体の適用や、スプリッタランナに対しての最適設計の適用を阻害する要因となっている。ここで、上述した文献１、２の技術は、主に、羽根枚数の少ないポンプ水車用ランナの性能を向上させるためのものであり、羽根枚数の多いフランシス型水車ランナの水力性能や製作性を高めることについてはあまり考慮されていない。

そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、比較的羽根枚数の多い例えばフランシス型水車ランナなどに適用した場合に有用であり、しかも製作性及び水力性能を向上させることができる水力機械のランナ及び水力機械用ランナの製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態の水力機械のランナは、複数の長翼及び複数の短翼を備える。複数の長翼は、ランナ入口側の羽根部分を構成する入口側羽根部と、ランナ出口側の羽根部分を構成しかつ前記入口側羽根部とは個別に製作された出口側羽根部と、からなり、ランナ回転方向に沿って所定の間隔を空けてそれぞれ配置されている。複数の短翼は、前記ランナ回転方向に沿って前記長翼と交互に配置され、前記長翼の前記入口側羽根部と同じ翼形状で形成されている。

本発明は、比較的羽根枚数の多い例えばフランシス型水車ランナなどに適用した場合に有用であり、しかも製作性及び水力性能を向上させることが可能な水力機械のランナ及び水力機械用ランナの製造方法を提供することができる。

水力機械が備えるランナの長翼及び短翼を翼の１つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図。 図１のランナのランナクラウン及びランナバンドに対し長翼の入口側羽根部及び短翼が接合される直前の状態を示す図。 図２Ａのランナクラウン及びランナバンドに対し入口側羽根部と短翼とが接合された後、さらに長翼の出口側羽根部が接合される直前の状態を示す図。 図２Ｂの入口側羽根部と短翼とが接合されたランナクラウン及びランナバンドに対し、長翼の出口側羽根部が接合されてランナが形成された状態を示す図。 図１のランナの長翼に対する短翼の長さ比の変化に対応する長翼及び短翼の翼負荷の変化を表す図。 図１のランナの長翼及び短翼の翼回りの翼面圧力分布を表す図。 図１のランナの長翼に対する短翼の相対位置の変化に応じた長翼及び短翼の翼負荷の変化を表す図。 図１のランナの長翼及び短翼のランナ入口側のキャビテーション特性を表す図。 本発明の第２の実施形態に係るランナの長翼及び短翼の翼の１つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図。 図７のランナが備える長翼の出口側羽根部の取付位置の変化に応じた各羽根部分の翼負荷の変化を表す図。 従来のフランシス型ポンプ水車を示す縦断面図。 従来のスプリッタランナ及び通常のランナを重ね合わせてそれぞれの子午面に沿った断面で見た図。 図１０の通常のランナの翼の配置を図１０のＸ−Ｘ線（翼の子午面における１つの流線）を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図。 図１０のスプリッタランナの長翼及び短翼の配置を図１０のＸ−Ｘ線（翼の子午面における１つの流線）を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図。

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。
［第１の実施の形態］
図１は、水力機械が備えるランナ３の長翼７及び短翼８を翼の子午面における１つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図である。なお、図１では、図面の煩雑化を回避するために長翼７及び短翼８を２ピッチ分のみ図示している。

ランナ３は、図１に示すように、翼長（キャンバーラインの長さ）の長い複数の長翼７と、この長翼７よりも翼長の短い複数の短翼（中間翼とも称する）８と、が主軸１６の回転方向、つまりランナ回転方向ｍに沿って交互に配置されたスプリッタランナである。また、ランナ３は、長翼７及び短翼８がそのランナ本体内に例えば１３枚〜１７枚ずつそれぞれ配置されており、合計羽根枚数が２６枚〜３４枚となる。すなわち、ランナ３は、フランシス型水車ランナとして好適な多翼ランナとして構成されている。

次に、ランナベーンとして上記長翼７及び短翼８を有するランナ３の特徴的な構造について、図１に加え、図２Ａ〜図２Ｃに基づき説明を行う。ここで、図２Ａ〜図２Ｃは、ランナ３の構造及びその製造方法を説明するための図であって、図２Ａは、ランナクラウン５及びランナバンド６に対し長翼７の入口側羽根部７ａ及び短翼８が接合される直前の状態を示す図である。また、図２Ｂは、図２Ａのランナクラウン５及びランナバンド６に対し入口側羽根部７ａと短翼８とが接合された後、さらに長翼７の出口側羽根部７ｂが接合される直前の状態を示す図である。さらに、図２Ｃは、図２Ｂの入口側羽根部７ｂと短翼８とが接合されたランナクラウン５及びランナバンド６に対し、長翼７の出口側羽根部７ｂが接合されてランナ３が形成された状態を示す図である。

すなわち、図１及び図２Ａ〜図２Ｃに示すように、ランナ３の各長翼７は、ランナ入口側の羽根部分を構成する入口側羽根部７ａとランナ出口側の羽根部分を構成する出口側羽根部７ｂとからなる２ピース構造で形成されている。ここで、ランナ入口側とは、水車運転時（発電運転時）に上池から下池へ向かう水が、ランナ３内に導入される側、つまり渦巻きケーシング側（ガイドベーン側）である。一方、ランナ出口側とは、水車運転時に上池から下池へ向かう水が、ランナ３内から外部に流れ出す側、すなわち、吸出し管側である。

入口側羽根部７ａは、長翼７のランナ入口側の端部２３と長翼７のランナ出口側の端部２６とを当該長翼７が延びている方向に沿って結んだキャンバーライン７ｄの長さＬn（長翼７の全翼長）の６０％〜８０％（６０％以上、８０％以下）の長さで構成されている。一方、出口側羽根部７ｂは、長翼７の全翼長から入口側羽根部７ａの長さを除いた翼長で形成された羽根部分とこの羽根部分のランナ入口側の端部２５を入口側羽根部７ａのランナ出口側の端部２４に接合した溶接部分７ｃとで構成される。また、短翼８は、長翼７のランナ入口側の入口側羽根部７ａと同一の部材で形成されている。したがって、入口側羽根部７ａと同じ翼形状（及び同一サイズ）である短翼８のそのランナ入口側の端部８ａと、当該短翼８のランナ出口側の端部８ｂと、を当該短翼８が延びている方向に沿って結んだキャンバーライン８ｆの長さＬsは、入口側羽根部７ａと同じ長さ、つまり、長翼７の全翼長Ｌnの６０％〜８０％の長さで構成されている。また、互いに同じ翼形状で形成された入口側羽根部７ａと短翼８とは、ランナ入口側の端部２３、８ａ及びランナ出口側の端部２４、８ｂを除き、一定の厚さ（等肉厚）ｔ1で形成されている。

ここで、このような構造のランナ３の製造方法を概略的に説明すると、まず、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ランナクラウン５及びランナバンド６に対し長翼７の入口側羽根部７ａと短翼８とをそれぞれ溶接により接合する。次に、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、入口側羽根部７ａと短翼８とがそれぞれ接合されたランナクラウン５及びランナバンド６、並びに当該入口側羽根部７ａ（のランナ出口側の端部２４）に対し、出口側羽根部７ｂを溶接にて接合する。さらにこの後、溶接部分の研削整形などを経てランナ３が製作される。

一般に、スプリッタランナの製作上、最も難易性の高い作業は、ランナ出口側の長翼間からアクセスする短翼のランナ出口側の溶接作業及び研削作業である。上述した本実施形態のランナ３の製造方法では、出口側羽根部７ｂを取り付ける前の状態で、ランナクラウン５及びランナバンド６に対し入口側羽根部７ａと短翼８との溶接及び研削を容易に行うことができる。つまり、上記ランナ３の長翼７が２ピース構造で構成されていることで、溶接作業、及び翼間の狭隘部分や溶接部分の研削整形などの作業を容易に行うことができる。これにより、ランナ３がフランシス水車用の多翼ランナであるにもかかわらず、溶接部分の接合の信頼性及び羽根形状の仕上げ精度を向上させることができる。また、入口側羽根部７ａと短翼８とは、同じ翼形状で構成され、しかもほぼ全体が等肉厚で構成されているので、翼形状の機械加工を排除した板材によるプレス成形が可能となり、ランナの製作コストの低減に大きく寄与することができる。

なお、上記のランナ３を製造する場合においては、ランナクラウン５並びに入口側羽根部７ａ及び短翼８を一体で鋳造しておき、このユニットに対してランナバンド６を溶接しさらに、出口側羽根部７ｂを溶接することでランナ３を製作してもよい。また、これに代えて、ランナクラウン５に対し入口側羽根部７ａ及び短翼８を接合した後、短翼８を接合し、さらにこの後、このユニットに対しランナバンド６を接合してランナ３を製作するようにしてもよい。

次に、ランナ３の水力特性に関係する長翼７及び短翼８の形状及びその配置関係について図１に加え、図３〜図６に基づきその説明を行う。ここで、図３は、長翼に対する短翼の長さ比の変化に対応する長翼及び短翼の翼負荷の変化を表す図であり、また、図４は、ランナ３の長翼及び短翼の翼回りの翼面圧力分布を表す図である。さらに、図５は、長翼に対する短翼の相対位置の変化に応じた長翼及び短翼の翼負荷の変化を表す図であり、また、図６は、短翼及び長翼のランナ入口側のキャビテーション特性を表す図である。

つまり、上述した図３は、詳細には、短翼８の翼長を長さ０〜長翼７の全翼長と同じ長さ（長さ比１．００）になるまで延ばしていった場合の長翼７の翼負荷と短翼８の翼負荷の変化を、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）などの流れ解析の結果にて示すものである。縦軸の相対翼負荷は、短翼８がない場合（短翼８の長さ比が０．００の場合）の長翼１枚当りの翼負荷を１とした相対値で表わしている。この図３において、短翼７の長さが１．００、すなわち、長翼７の羽根枚数が２倍になると、羽根１枚当りの翼負荷は１／２となる。また、短翼８の羽根長さが短くなると、羽根長さの減少以上に短翼８の翼負荷が減少し、短翼８の羽根長さが長翼７の５０％（短翼８の長さ比０．５０）以下では、短翼８は、ほとんど翼負荷を分担せず、翼としての作用を持たなくなる。

ここで、図３中に表れているように、短翼８の長さ比が５０％を超えさらに６０％に達する手前で短翼８の翼負荷が急増し（翼負荷の傾きが比較的大きくなり）、さらに、長さ比が６０％以上になると、短翼８の翼負荷の増加する割合が比較的安定する（翼負荷の傾きが比較的小さくなる）ことがわかる。そこで、本実施形態のランナ３では、図１に示すように、ランナ出口側の翼間の間隙をある程度確保して水の流れの安定化を図りつつ、しかも、長翼７の翼負荷を短翼８側に効率的に分担させることができるように、長翼７の全翼長の６０％以上、８０％以下の長さで短翼８を構成している。また、本実施形態のランナ３では、生産性の向上を図るために、短翼８の翼形状を流用している長翼７の入口側羽根部７ａも、長翼７の全翼長の６０％以上、８０％以下の長さで構成している。

また、上述した図４は、隣り合う長翼７間のランナ回転方向に沿ったピッチの中心位置に例えば長翼７の全翼長の７０％の長さの短翼８を配置した場合において、長翼７及び短翼８の羽根表面に沿ったランナ入口端側からの距離に応じた翼面圧力分布を３次元の流れ解析（ＣＦＤ）により求めたものである。ここで、実線が長翼７、破線が短翼８を示すものであって、実線及び破線の上側が長翼７及び短翼８の圧力面側（正圧面側）の圧力を示し、一方、実線及び破線の下側が長翼７及び短翼８の負圧面側の圧力を示している。この図４では、同一の翼の圧力面側の圧力と負圧面側の圧力との差が翼の仕事、すなわち、羽根１枚当りの翼負荷となる。図４の結果より、長翼７の全翼長の７０％の長さで短翼８を構成したことで、特にランナ入口側において、長翼７の翼負荷を効果的に短翼８が分担していることがわかる。

また、上記図５は、短翼８を例えば長翼７の全翼長の７０％の長さとし、ランナ回転方向における長翼７に対する短翼８の配置関係を変化させたときの長翼７と短翼８の翼負荷の変化を流れ解析（ＣＦＤ）の結果で示すものである。ここで、図５では、図１に示したように、この短翼８のランナ出口側の端部８ｂと該短翼８の圧力面８ｃ側に隣り合う（長翼７の）入口側羽根部７ａのランナ出口側の端部２４との間のランナ回転方向（後述する回転軌跡Ｄ２の延びている方向）に沿ったピッチをλ1とし、該短翼８のランナ出口側の端部８ｂと該短翼８の負圧面８ｄ側に隣り合う（長翼７の）入口側羽根部７ａのランナ出口側の端部２４との間のランナ回転方向（上記Ｄ２方向）に沿ったピッチをλ2として定めている。

すなわち、図５は、上記の各ピッチをλ1、λ2と定めた場合において、λ1とλ2との比に相当する（λ2−λ1）／（λ1＋λ2）、つまり、長翼７の（入口側羽根部７ａの端部２４の）負圧面２２側と、短翼８の（端部８ｂ）の圧力面８ｃ側との離間距離（短翼８の傾斜方向の取付姿勢）を変化させたときの長翼７と短翼８の翼負荷の変化を示している。なお、図１において、符号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、ランナ回転方向ｍに沿ってそれぞれ回転する長翼７（入口側羽根部７ａ、出口側羽根部７ｂ）及び短翼８における端部２３及び端部８ａの回転軌跡、端部２４及び端部８ｂの回転軌跡、並びに端部２６の回転軌跡をそれぞれ示している。また、図１において、符号８ｅは、短翼８の端部８ｂが長翼７の負圧面２２側に近接するように配置されていること（つまり長翼７よりも短翼８を寝かせた姿勢で配置していること）を明確に表わすために、短翼８のランナ出口側の端部８ｂに長翼７の出口側羽根部７ｂを仮想的に接合した状態を図示したものである。

この図５からわかるように、短翼８のランナ出口側の端部８ｂの位置を長翼７（入口側羽根部７ａ）の負圧面２２側にシフトさせることによって短翼８の翼負荷が変化し、相対的なピッチの関係が５％〜１０％で短翼８の翼負荷が最大値を示し、ピッチの関係が１５％を超えると、隣り合う長翼７（の端部２４）間のピッチの中心位置に短翼８（の端部８ｂ）を配置した場合（０％の位置）よりも、短翼８の翼負荷が小さくなることがわかる。これは、長翼７の羽根表面において、圧力面２１側よりも負圧面２２側のほうが一般に流速が速く、水の流れを極端に阻害しない程度に、長翼７の負圧面２２側に短翼８を僅かに近付けることで、長翼７の翼負荷を効果的に短翼８に分担できるものと考えられる。

そこで、本実施形態のランナ３では、下記の式１を満足するように短翼７及び短翼８がそれぞれ配置されている。

５［％］≦（λ2−λ1）×１００／（λ1＋λ2）≦１５［％］…式１

また、上述した図６は、隣り合う長翼７間のランナ回転方向に沿ったピッチの中心位置に例えば長翼７の全翼長の７０％の長さの短翼８を配置したランナ３において、横軸に水車の有効落差Ｈ、縦軸に流量Ｑをとった水車性能曲線上に、長翼７、短翼８のランナ入口側のキャビテーションの発生限界線を示すものである。具体的には、長翼７の圧力面２１側の発生限界線をＣn1、長翼７の負圧面側の発生限界線をＣn2として示し、また、短翼８の圧力面８ｃ側の発生限界線をＣs1、短翼８の負圧面８ｄ側の発生限界線をＣs2として示している。

ここで、短翼８は、その翼負荷が長翼７の翼負荷に比べて小さく翼周りの循環も小さくなるため、短翼８の入口キャビテーションの発生限界線Ｃs1、Ｃs2は、長翼７の発生限界線Ｃn1、Ｃn2に比べて高落差側にシフトしている。このとき、図１に示すように、短翼８の入口角度（キャンバーライン８ｆを円弧Ｄ１の外周側に延ばした線分と円弧Ｄ１の接線とがなす角度）βsを長翼７の入口角度（キャンバーライン７ｄを円弧Ｄ１の外周側に延ばした線分と円弧Ｄ１の接線とがなす角度）βnよりも小さくすると、短翼８の端部８ａの翼周りの循環に基づく偏向力が生じ、ランナ入口側において短翼８の端部８ａの翼負荷が増加する。これにより、図６の白抜き矢印で示すように、短翼８の入口キャビテーションの発生限界線Ｃs1、Ｃs2を低落差側に移動させることができる。

ここで、水車特性の実機運転範囲は、図６に示すように、入口キャビテーションの発生限界線Ｃs1の低落差側の端部Ｈｍｉｎ、入口キャビテーションの発生限界線Ｃs2の低落差側の端部Ｈｍａｘ、及び最高流量Ｑｍａｘで囲われている図６中の破線内側の領域が使用可能な運転範囲であり、一般には、最高効率点の落差近傍から低落差側の範囲が主に使用される。このため、短翼８の入口キャビテーションの発生限界線Ｃs1、Ｃs2の低落差側への移動は、水車運転範囲の拡大につながる。

そこで、図１に示すように、本実施形態のランナ３では、上記図５に示したλ1、λ2のピッチの関係が５％以上、１５％以下になることを確保しつつ、０°を超えかつ５°以下の範囲の角度分だけ、短翼８の入口角度βSを、長翼７の入口角度βnよりも小さい角度で構成（０°＜βn−βs≦５°を満足するように構成）している。換言すれば、隣り合う長翼７間のランナ回転方向に沿ったピッチの中心位置を基準として、短翼８の端部８ａを長翼７の圧力面２１側に僅かに近付けると共に短翼８の端部８ｂを長翼７の負圧面２２側に僅かに近付けた姿勢で、当該短翼８をそれぞれ配置している。

これにより、本実施形態のランナ３では、短翼８の入口キャビテーションの発生限界線を低落差側に移動させることができるので、キャビテーションの発生を抑制しつつ行われる水車運転範囲を実質的に拡張することができる。

既述したように、本実施形態に係る水力機械のランナ３によれば、フランシス型水車ランナのスプリッタランナとしての水力性能を効果的に引き出すことに有用であり、しかもランナ本体の生産性を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態を図７及び図８に基づき説明する。ここで、図７は、本実施の形態のランナ３３の長翼３７及び短翼３８を翼の子午面における１つの流線を主軸回りに回転させた曲面でみた断面図である。また、図８は、図７のランナ３３が備える長翼３７の出口側羽根部３７ｂの取付位置の変化に応じた各羽根部分の翼負荷の変化を表す図である。なお、図７において、図１に示す第１の実施形態のランナ３が備えていたものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。

図７に示すように、この実施形態のランナ３３は、第１の実施形態のランナ３が備えていた長翼７及び短翼８に代えて、長翼３７及び短翼３８を備えて構成される。長翼３７は、図１に示した長翼７が備える出口側羽根部７ｂに代えて出口側羽根部３７ｂを備える。また、短翼３８は、入口側羽根部７ａと同一の翼形状（及び同一サイズ）で形成されている一方で、長翼との間での相対的な配置関係が図１に示した短翼８と異なる。すなわち、ランナ３３は、図７に示すように、ランナ回転方向ｍに沿って交互に配置される長翼３７の入口側羽根部７ａと短翼３８とにおける少なくともランナ出口側の端部２４、３８ｂ間が、ランナ回転方向ｍ（回転軌跡Ｄ１の延びている方向）に沿ってそれぞれ等しいピッチλ3となるように構成されている。

また、長翼３７の出口側羽根部３７ｂは、図１に示した出口側羽根部７ｂと同一形状で形成されているものの、入口側羽根部７ａから離間した位置に配置されている。つまり、長翼３７では、入口側羽根部７ａのランナ出口側の端部２４における負圧面２２側に、出口側羽根部３７ｂのランナ入口側の端部３５における圧力面（正圧面）３９側を近接させた状態で、入口側羽根部７ａと出口側羽根部３７ｂとがそれぞれ配置されている。詳述すると、ランナ３３は、各入口側羽根部７ａのランナ出口側の端部２４とこれら入口側羽根部７ａにそれぞれ対の出口側羽根部３７ｂにおけるランナ入口側の端部３５との間のランナ回転方向ｍに沿ったピッチλ4が各々λ3／２（λ3÷２）となるように構成されている。

また、短翼３８及び入口側羽根部７ａは、入口側羽根部７ａ及び出口側羽根部３７ｂそれぞれのキャンバーラインの長さを合計した翼長（長翼３７の全翼長）の６０％以上、８０％以下の長さで構成されている。

ここで、上記した図８は、長翼３７の全翼長の７０％の長さの入口側羽根部７ａ及び短翼８を配置（出口側羽根部３７ｂは長翼３７の全翼長の３０％の長さのものを配置）した場合において、上記λ3を１ピッチとしてλ4を０〜１ピッチまで変化させたときの、入口側羽根部７ａ、短翼３８及び出口側羽根部３７ｂの各翼負荷並びにこれらの翼負荷の合計となる全翼負荷の変化を流れ解析（ＣＦＤ）の結果で示すものである。なお、入口側羽根部７ａ、短翼３８及び出口側羽根部３７ｂの各翼負荷は、これらの羽根部分の合計した全翼負荷に対する相対値として示されている。

すなわち、図８に示すように、入口側羽根部７ａと出口側羽根部３７ｂとの互いのキャンバーラインがつながるように連結した状態（λ4がλ3／２未満の状態）から、出口側羽根部３７ｂの短部３５の圧力面３９側を、入口側羽根部７ａの端部２４の負圧面２２側に移動させて行くことで（λ4がλ3／２に近付くにつれて）、入口側羽根部７ａの翼負荷が減少すると共に、短翼３８の翼負荷が増加して行くことがわかる。さらに、入口側羽根部７ａの端部２４の負圧面２２側から、出口側羽根部３７ｂの短部３５の圧力面３９側が遠ざかって行くことで（λ4がλ3／２を超えると、つまり図８中のピッチ０．５を超えると）、短翼３８の翼負荷が入口側羽根部７ａより大きくなって行く。この結果は、入口側羽根部７ａと短翼３８とのランナベーンとしての機能の関係が、実質的に置き換わったものと考えることができる。

また、入口側羽根部７ａの負圧面２２側の水流の速度が圧力面２１側より速いため、出口側羽根部３７ｂの短部３５が、入口側羽根部７ａの圧力面２１側に近接する場合よりも負圧面２２側に近接する場合のほうが、出口側羽根部３７ｂの翼負荷は、多少大きくなる傾向にある。

そこで、本実施形態のランナ３３では、上記したピッチλ4がλ3／２になるように、長翼３７の入口側羽根部７ａ及び出口側羽根部３７ｂ並びに短翼３８をそれぞれ配置したことで、入口側羽根部７ａと短翼３８との翼負荷をほぼ等しくすることができ、これにより、長翼３７と短翼３８との翼負荷のアンバランスにより生じ得る入口キャビテーションの発生を抑制することができる。

このように、本実施形態に係るランナ３３によれば、同一形状の羽根、つまり長翼３７の入口側羽根部７ａと短翼３８とを等ピッチで配置できることによりランナ３３本体の製作性を高めることができると共に、スプリッタランナとしての水力性能の向上を図ることができる。

以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施形態では、長翼７の入口側羽根部７ａと短翼８とは、両端部を除いて等肉厚で形成されていたが、互いに異なる肉厚（羽根厚）で形成されていてもよい。また、上述した実施形態では、出口側羽根部７ｂ、３７ｂを含めた長翼７、３７全体の翼形状については、特に説明しなかったが、長翼７、３７全体の形状を、キャンバーラインの長さだけを（短翼と）変えるようにして、長翼と短翼とを同一の翼形状で構成してもよい。さらに、第１の実施形態では、同一形状の羽根部材を流用して入口側羽根部７ａと短翼８とを構成していたため、上記式１と「０°＜βn−βs≦５°」とを共に満足するランナについて例示したが、本発明では、入口側羽根部７ａと短翼８とを互いに異なる翼形状とすることで、式１と「０°＜βn−βs≦５」とを個別に満足するランナを構成することもできる。

１…水力機械、２…渦巻きケーシング、３，３３…ランナ、５…ランナクラウン、６…ランナバンド、７，３７…長翼、７ａ…入口側羽根部、７ｂ，３７ｂ…出口側羽根部、７ｃ…溶接部、８，３８…短翼、２１，８ｃ，３９…圧力面（正圧面）、２２，８ｄ…負圧面。

Claims (8)

1. ランナ入口側の羽根部分を構成する入口側羽根部と、ランナ出口側の羽根部分を構成しかつ前記入口側羽根部とは個別に製作された出口側羽根部と、からなり、ランナ回転方向に沿って所定の間隔を空けてそれぞれ配置された複数の長翼と、
   前記ランナ回転方向に沿って前記長翼と交互に配置され、前記長翼の前記入口側羽根部2と同じ翼形状で形成された複数の短翼と、
   を具備することを特徴とする水力機械のランナ。
2. 前記入口側羽根部と前記短翼とは、前記ランナ入口側及び前記ランナ出口側の各端部を除き、一定の厚さで形成されていることを特徴とする請求項１記載の水力機械のランナ。
3. 前記短翼のランナ出口側の端部と該短翼の正圧面側に隣り合う入口側羽根部のランナ出口側の端部との間の前記ランナ回転方向に沿ったピッチをλ1、該短翼のランナ出口側の端部と該短翼の負圧面側に隣り合う入口側羽根部のランナ出口側の端部との間の前記ランナ回転方向に沿ったピッチをλ2、とした場合、
   ５［％］≦（λ2−λ1）×１００／（λ1＋λ2）≦１５［％］
   を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載の水力機械のランナ。
4. ０°を超えかつ５°以下の範囲の角度分だけ、前記短翼の入口角度は、前記長翼の入口角度よりも小さい角度で構成され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項に記載の水力機械のランナ。
5. 前記入口側羽根部と前記出口側羽根部とは、溶接により互いに接合され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項に記載の水力機械のランナ。
6. 前記入口側羽根部と前記出口側羽根部とを互いに離間した状態でそれぞれ配置すると共に、前記入口側羽根部のランナ出口側の端部における負圧面側に、前記出口側羽根部のランナ入口側の端部における正圧面側を近接させたことを特徴とする請求項１又は２記載の水力機械のランナ。
7. 前記ランナ回転方向に沿って交互に配置される前記長翼の前記入口側羽根部と前記短翼とにおけるランナ出口側の各端部間が、前記ランナ回転方向に沿ってそれぞれ等しいピッチλ3となるように構成され、かつ前記各入口側羽根部のランナ出口側の端部とこれら入口側羽根部にそれぞれ対の出口側羽根部におけるランナ入口側の端部との間の前記ランナ回転方向に沿ったピッチが各々λ3／２となるように構成されていることを特徴とする請求項６記載の水力機械のランナ。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の水力機械のランナを製造するための水力機械用ランナの製造方法であって、
   前記入口側羽根部と前記短翼とをランナクラウン及びランナバンドにそれぞれ接合する工程と、
   前記入口側羽根部と前記短翼とがそれぞれ接合された前記ランナクラウン及び前記ランナバンドに対し、前記出口側羽根部を接合する工程と、
   を有することを特徴とする水力機械用ランナの製造方法。

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