JP2013072294A - 軸流水車およびそのランナ - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションの抑制を図った軸流水車およびそのランナを提供する。
【解決手段】一実施形態に係る軸流水車のランナは，軸を中心に回転可能であり，この軸上の点を中心とする第１の球面の一部に対応する第１の面を含む周面を有する，ランナボスと，前記軸の内周側に配置され，前記第１の球面の一部に対応する第２の面を含む内周面と，前記軸の外周側に配置され，前記点を中心とする第２の球面の一部に対応する第２の面を含む外周面と，前記内周面と前記外周面の間に配置され，水流により負圧が印加される負圧面と，前記内周面側の前記負圧面上に配置される，凹面形状または平面形状の領域と，を有するランナベーンと，を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は，軸流水車およびそのランナに関する。

水車発電機での発電のために，軸流水車が用いられている（例えば，特許文献１，２参照）。軸流水車では，流入した水流によってランナ（ランナボスおよびランナボスの周面に配置されるランナベーンを有する）を回転し，発電機で発電させる。

ここで，ランナボスに対して，ランナベーンを回転可能とし，その取り付け角を調節可能とすることがある。この場合，ランナベーンの取り付け角が変化しても，ランナボス上の水流（流路）の滑らかさが保たれ，高効率な運転が可能となるように，ランナボスの外周が球面形状に形成される。

しかしながら，ランナボスの外周を球面形状としたことで，ランナベーンの付け根に凸部（球面形状）が配置されることになる。この結果，この凸部において，水流が増速され，静圧が低下するため，キャビテーションが発生する可能性がある。

特開平０１−２０３６６１号公報 特開２０１０−９０８４４号公報

上記に鑑み，本発明はキャビテーションの抑制を図った軸流水車およびそのランナを提供することを目的とする。

一実施形態に係る軸流水車のランナは，軸を中心に回転可能であり，この軸上の点を中心とする第１の球面の一部に対応する第１の面を含む周面を有する，ランナボスと，前記軸の内周側に配置され，前記第１の球面の一部に対応する第２の面を含む内周面と，前記軸の外周側に配置され，前記点を中心とする第２の球面の一部に対応する第２の面を含む外周面と，前記内周面と前記外周面の間に配置され，水流により負圧が印加される負圧面と，前記内周面側の前記負圧面上に配置される，凹面形状または平面形状の領域と，を有するランナベーンと，を具備する。

本発明によれば，キャビテーションの抑制を図った軸流水車およびそのランナを提供できる。

第１の実施形態に係る軸流水車１０を表す模式図である。 ランナ２１を拡大して表す一部断面図である。 ランナベーン２３の翼部２５を拡大して表す平面図である。 ランナベーン２３の翼部２５の断面を拡大して表す断面図である。 比較例に係る軸流水車１０ｘの翼部２５ｘの断面を拡大して表す断面図である。 比較例に係る軸流水車１０ｘのランナボス２２での水流を表す模式図である。 比較例に係る軸流水車１０ｘの翼部２５の根本付近で発生するキャビテーションを表す模式図である。 第２の実施形態に係るランナベーン２３ａの翼部２５ａの断面を拡大して表す断面図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は，第１の実施形態に係る軸流水車１０を表す模式図である。図１は，子午面（後述のランナ回転軸Ａ１を含む面）上での軸流水車１０を表している。なお，図１では，軸流水車１０の上半分のみを表し，下半分を省略している。

軸流水車１０は，水流により回転するものであり，水車発電機に用いられる。ここでは，軸流水車１０として横軸バルブ水車を示している。但し，横軸バルブ水車に替えて，立型バルブ水車を含む，バルブ水車一般とすることも可能である。また，軸流水車１０を，バルブ水車一般を含むカプラン水車としても良い。

軸流水車１０は，流路１１に配置され，ケーシング１２，ステーベーン１３，ガイドベーン１４，ランナ２１，ランナコーン２４，ディスチャージリング３１，吸出し管３２を有する。

流路１１は，上池からの水流Ｆを軸流水車１０に供給する供給路である。例えば，鉄管によって，流路１１を形成できる。流路１１を介して，上池から流入した水流Ｆがステーベーン１３，ガイドベーン１４をぬけ，ランナ回転軸Ａ１を中心としてランナ２１を回転させ，吸出し管３２を通って下池に排出される。

ケーシング１２は，その中に発電機を収容する外殻である。
ステーベーン１３は，ランナ２１へ水流Ｆを均等に導くために，ケーシング１２の周方向に複数枚設置された固定羽根である。

ガイドベーン１４は，ランナ２１に供給される水流Ｆの量（水量）を調節するために，ケーシング１２の周方向に複数枚設置された可動羽根である。

ランナ２１は，ランナボス２２，複数枚のランナベーン２３とで構成され，水流Ｆによって，回転する回転部（タービン）である。

ランナボス２２は，ランナ回転軸Ａ１を中心に回転し，ケーシング１２内に設置されている発電機と，主軸によってカップリング（接続）されて，回転力を伝達する。

複数枚のランナベーン２３が，ランナボス２２の周方向に，ランナ回転軸Ａ１を中心とする放射状に取り付けられる。ランナベーン２３は，ランナボス２２に対して，ランナベーン回転軸Ａ２を中心に回転できる。ランナ回転軸Ａ１とランナベーン回転軸Ａ２の交点が，ランナ中心Ｏである。

ランナベーン２３とランナボス２２を接続し，この回転を可能とするリンク機構がランナボス２２内に納められている。ランナベーン２３を回転することで，ランナボス２２に対するランナベーン２３の取り付け角度を調節できる。水の落差や水量の変動に応じて，ランナベーン２３の取付角度を適正化し，広い運転範囲で高効率な発電特性を得るためである。

なお，ランナベーン回転軸Ａ２は，紙面の上下方向としている。ランナ２１を回転することで，ランナベーン回転軸Ａ２は，ランナ回転軸Ａ１に対して回転し，紙面上から外れる。ここでは，ランナベーン回転軸Ａ２が紙面の上下方向となるように，ランナ２１の回転角度が設定されているとする。

図２は，ランナ２１を拡大して表す一部断面図である。図３は，ランナベーン２３の翼部２５を拡大して表す平面図である。図４は，ランナベーン２３の翼部２５の断面を拡大して表す断面図である。

なお，図２では，ランナボス２２に対するランナベーン２３の角度が図１の状態と異なる。また，図４での切断面は，平面ではなく，図３での球面Ｓに対応する。これは，後述の図５，図８でも同様である。

図２に示されるように，ランナベーン２３は，翼部２５，支持部２６に区分できる。支持部２６がランナボス２２の凹部にはめ込まれて一体となり，翼部２５の根元にランナ中心Ｏ，半径Ｒｉの球面Ｓｉが形成される。このように，翼部２５の根元を球面Ｓｉとするのは，ランナベーン２３が回転しても，支持部２６とランナボス２２とで形成される流水面において，流路が滑らかにつながるようにするためである。即ち，ランナベーン回転軸Ａ２を中心にランナベーン２３が回転しても，ランナボス２２および支持部２６の流水面が同一球面Ｓｉ上で，滑らかに繋がっている。このため，ランナベーン２３の取り付け角度によらず，水の流れを乱すことなく高効率な運転ができる。

このように，ランナベーン２３は，ランナ中心Ｏを中心とし，半径Ｒｉの球面Ｓｉの一部に対応する第２の面を含む内周面を有する。また，ランナベーン２３は，ランナ中心Ｏを中心とし，半径Ｒｏの球面Ｓｏの一部に対応する第３の面を含む外周面を有する。翼部２５は，ランナベーン２３中，この球面Ｓｏ，Ｓｉの間の部位として，観念することができる。

図２〜図４に示すように，翼部２５は，球面Ｓｉ（内周面），球面Ｓｏ（外周面）の間に，圧力面Ｓ＋，負圧面Ｓ−を有する。圧力面Ｓ＋，負圧面Ｓ−はそれぞれ，水流Ｆにより正圧，負圧が印加される面である。圧力面Ｓ＋，負圧面Ｓ−での圧力差により，ランナ回転軸Ａ１を中心に，ランナベーン２３（ランナ２１）が回転方向Ｄｒで回転する。

本実施形態では，図２〜図４に示すように，翼部２５の負圧面Ｓ−上（特に，内周面（球面Ｓｉ）側）に凹面形状の領域２７が形成される。

次に負圧面Ｓ−上に凹面形状の領域２７を形成する理由を説明する。
図５は，比較例に係る軸流水車１０ｘの翼部２５ｘの断面を拡大して表す断面図である。この翼部２５ｘは，本実施形態の凹面形状の領域２７に対応する領域を有しない。この結果，軸流水車１０ｘの負圧面Ｓ−において，局所的な圧力低下領域Ｍができ，キャビテーション発生による性能低下を招く可能性がある（図３参照）。既述のように，図３自体は，本実施形態に係る翼部２５を表すものであるが，判り易さのために，比較例に係る翼部２５ｘで発生する圧力低下領域Ｍを重ね合わせて表している（実施形態の軸流水車１０と，比較例の軸流水車１０は，凹面形状の領域２７の有無を除き，事実上同一）。なお，圧力低下領域Ｍは，図６，図７に示す圧力低下領域Ｍ１，Ｍ２と対応する。

軸流水車１０ｘ（軸流水車１０も）では，球面Ｓｉ（ランナボス２２の周面の一部および支持部２６の内周面）が凸面状の膨らみとなる。特に，比較例に係る軸流水車１０ｘでは，図７に示すように，翼部２５ｘの負圧面Ｓ−と，球面Ｓｉ（ランナボス２２の周面の一部および支持部２６の内周面）とによって，一種のコーナ部が形成される。

このため，ランナボス２２の周面に沿って，上流から流れてきた水流Ｆは，凸面状の膨らみ（球面Ｓｉ）により，外周側に曲げられるとともに，膨らみ（球面Ｓｉ）の頂上に向かうにつれて増速する（図６参照）。また，球面Ｓｉと共に，コーナー部を形成する翼部２５ｘの負圧面Ｓ−に沿って流れる水流Ｆも増速され，その圧力が低下傾向を示す（図５参照）。図２に示すように，ランナボス２２から翼部２５（翼部２５ｘも）に至る周面は，水流が剥離しないよう滑らかな凸面上の曲面で構成され，ランナボス２２から翼部２５に至る水流がある。

これらの影響により，ランナベーン２３とランナボス２２とで構成されたコーナー部周辺では，局所的な流れの増速がより顕著となる。このため，流れの動圧が大きくなる分相対的に静圧が低くなり，キャビテーションが発生し易くなる（図７参照）。即ち，比較例に係る軸流水車１０ｘでは，図３，図６，図７に示す圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２が発生し易い。そして，圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２において，キャビテーションが発生する可能性がある。

本実施形態では，このような圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２の発生を低減するため，ランナベーン２３の負圧面Ｓ−の一部を凹面状とする（凹面形状の領域２７を形成する）。

本実施形態の軸流水車１０のランナ２１では，比較例に係るランナ２１ｘに比べて，球面Ｓｉ（ランナボス２２の周面の一部および支持部２６の内周面）と，翼部２５の負圧面Ｓ−とで形成されるコーナー部（翼部２５の根元近傍，特に，圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２）での流路断面積を拡大できる。そのため，コーナー部における局所的な流れの増速を緩和できる。

翼部２５の根元近傍（球面Ｓｉ側，ランナボス２２側）に圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２が発生し易いことから，凹面形状の領域２７は，負圧面Ｓ−上の球面Ｓｉ側（球面Ｓｏより球面Ｓｉに近い側）とするのが好ましい。

図３に示されるように，凹面形状の領域２７を，球面Ｓｉ（半径Ｒｉ）と，ランナ中心Ｏを中心とし，次の式（１）で規定される半径Ｒｓの球面Ｓｓの間に配置するのが好ましい。
Ｒｓ＝Ｒｉ＋（Ｒｏ−Ｒｉ）／３ …… 式（１）
Ｒｉ： 球面Ｓｉの半径
Ｒｏ： 球面Ｓｏの半径

言い換えれば，半径ｒ（Ｒｉ＜ｒ＜Ｒｓ）の球面Ｓに対応する範囲に，凹面形状の領域２７が配置される。

式（１）で表される半径Ｒｓは，実験結果や流れ解析の結果から見られる圧力低下領域Ｍ（図３参照）に対応させるためのものである。半径Ｒｓを圧力低下領域Ｍの外周に対応させることで，コーナー部（翼部２５の根元）での圧力低下の抑制が図られる。

また，一般に，翼部２５の翼面形状（負圧面Ｓ−の形状）を凹面とすると流れの剥離が発生しやすくなり効率低下を招く可能性がある。しかし，球面Ｓｓ内であれば（翼部２５の根元から大きく離れなければ），図７に示されるように，ボス面（球面Ｓｉ）に沿った流れＦ１がコーナー部（翼部２５の根元）に収束し，負圧面Ｓ−に沿った流れＦ２を負圧面Ｓ−に押し付けようとする力が働く。このため，ランナベーン２３の負圧面Ｓ−の一部を凹面形状としても，水流の剥離が抑制される。

このように，コーナー部（翼部２５の根元付近）に凹面形状の領域２７を設けることで，流路断面積が拡大され，水流の速度が低減される。この結果，当該箇所（圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２）での圧力低下量が低減され，キャビテーションの発生を抑制できる。

図３の例では，半径Ｒｉ，Ｒｓの範囲で連続的に凹面形状の領域２７が配置される。また，半径Ｒｓの範囲を越えて，凹面形状の領域２７が配置される。このように，凹面形状の領域２７を球面Ｓｉ，Ｓｓの間を越えて配置することができる。また，半径Ｒｉ，Ｒｓの範囲の一部のみに凹面形状の領域２７を配置しても良い。即ち，凹面形状の領域２７の少なくとも一部が，球面Ｓｉ，Ｓｓの間に配置されれば良い。このようにしても，コーナー部（翼部２５の根元）での圧力低下を抑制できる。

ここで，図３，図４に示すように，ランナ中心Ｏを通り，ランナ回転軸Ａ１に垂直な平面Ｔが，凹面形状の領域２７と交差することが好ましい。即ち，凹面形状の領域（凹面部）２７と，ランナ中心Ｏを通りランナ回転軸Ａ１と垂直な平面Ｔとの間に交点Ｐが存在する。

図６に示すように，圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２中，最も圧力が低下する部分が凹面形状の領域（凹面部）２７に含まれるようにする。このようにすると，球面Ｓｉ（ランナボス２２の周面の一部および支持部２６の内周面）と，翼部２５の負圧面Ｓ−とで形成されるコーナー部での流路断面積拡大により，圧力低減を有効に抑制できる。そのため，コーナー部における局所的な流れの増速をより確実に緩和できる。その結果，キャビテーションの発生をより確実に抑制できる。

（第２の実施形態）
図８は，第２の実施形態に係るランナベーン２３ａの翼部２５ａの断面を拡大して表す断面図である。第１の実施形態での凹面形状の領域（凹面部）２７に替えて，平面形状の領域（平面部）２７ａが形成されている。

本実施形態の軸流水車１０ａのランナ２１ａによれば，第１の実施形態に係る軸流水車１０と同等の効果をより簡便に得ることができる。即ち，平面形状の領域（平面部）２７ａは，凹面形状の領域（凹面部）２７よりも，作成容易である。

本実施形態の軸流水車１０ａのランナ２１ａは，図５の比較例に係る水車１０ｘのランナ２１ｘに比べて，球面Ｓｉ（ランナボス２２の周面の一部および支持部２６の内周面）と，翼部２５の負圧面Ｓ−とで形成されるコーナー部の流路断面積を拡大できる。そのため，このコーナー部における局所的な流れの増速を緩和することができる。その結果，第１の実施形態に係る軸流水車１０と同様，速度の減速に伴い当該箇所の圧力低下量が低減されるので，キャビテーションの発生を抑制できる。

ここで，図８に示すように，ランナ中心Ｏを通り，ランナ回転軸Ａ１に垂直な平面Ｔが，平面形状の領域２７ａと交差することが好ましい。即ち，平面形状の領域（平面部）２７ａと，ランナ中心Ｏを通りランナ回転軸Ａ１と垂直な平面Ｔとの間に交点Ｐが存在する。

図６に示すように，圧力低下領域Ｍ，Ｍ１，Ｍ２中，最も圧力が低下する部分が平面形状の領域（平面部）２７ａに含まれるようにする。このようにすると，球面Ｓｉ（ランナボス２２の周面の一部および支持部２６の内周面）と，翼部２５の負圧面Ｓ−とで形成されるコーナー部での流路断面積拡大により，圧力低減を有効に抑制できる。そのため，コーナー部における局所的な流れの増速をより確実に緩和できる。その結果，キャビテーションの発生をより確実に抑制できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

上記実施形態では，横軸バルブ水車での例を示している。これに対して，横軸バルブ水車に替えて，立型バルブ水車を含む，バルブ水車一般とすることも可能である。また，軸流水車を，バルブ水車一般を含むカプラン水車としても良い。

また，上記実施形態では，翼部に凹面形状または平面形状の領域を形成している。これと併せて，支持部に凹面形状または平面形状の領域を形成しても良い。この場合，翼部と支持部の凹面形状または平面形状の領域が連続していることが好ましい。

１０ 軸流水車
１１ 流路
１２ ケーシング
１３ ステーベーン
１４ ガイドベーン
２１ ランナ
２２ ランナボス
２３ ランナベーン
２４ ランナコーン
２５ 翼部
２６ 支持部
２７ 領域
３１ ディスチャージリング
３２ 吸い出し管
Ａ１ ランナ回転軸
Ａ２ ランナベーン回転軸
Ｏ ランナ中心
Ｓ＋ 圧力面
Ｓ− 負圧面
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２ 圧力低下領域
Ｓｏ，Ｓｉ，Ｓｓ，Ｓ 球面
Ｒｉ，Ｒｏ，Ｒｓ，ｒ 半径
Ｔ 平面

Claims (5)

1. 軸を中心に回転可能であり，この軸上の点を中心とする第１の球面の一部に対応する第１の面を含む周面を有する，ランナボスと，
   前記軸の内周側に配置され，前記第１の球面の一部に対応する第２の面を含む内周面と，前記軸の外周側に配置され，前記点を中心とする第２の球面の一部に対応する第３の面を含む外周面と，前記内周面と前記外周面の間に配置され，水流により負圧が印加される負圧面と，前記内周面側の前記負圧面上に配置される，凹面形状または平面形状の領域と，を有するランナベーンと，
   を具備することを特徴とする軸流水車のランナ。
2. 前記領域の少なくとも一部が，前記第１の球面と，前記点を中心とし，次のように定義される半径Ｒｓの球面との間に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の軸流水車のランナ。
   Ｒｓ＝Ｒｉ＋（Ｒｏ−Ｒｉ）／３
   Ｒｉ： 第１の球面の半径
   Ｒｏ： 第２の球面の半径
3. 前記点を通り，前記軸に垂直な平面が，前記領域と交差する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の軸流水車のランナ。
4. 前記ランナベーンが，前記点を通り，前記軸に垂直な第２の軸を中心として，前記ランナボスに対して回転可能である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸流水車のランナ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のランナを具備することを特徴とする軸流水車。

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