JP2013234621A - フランシス水車のランナ、フランシス水車 - Google Patents

Abstract

【課題】水圧脈動の発生を抑制することによって騒音の発生を抑制できる、フランシス水車のランナなどを提供する
【解決手段】本実施形態のフランシス水車のランナは、ランナクラウンとランナバンドとの間に複数のランナ羽根が設けられている。ランナクラウンにおいて複数のランナ羽根が設けられた面の中心部分には、ランナコーンが設置されている。ランナコーンは、水車運転時に水が流入する上流側の外径が下流側の外径よりも小さい円錐形状であって、外周面に段差が形成されている。段差には、下流側に向いた面が、ランナの回転方向に沿ってリング状に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、フランシス水車のランナ、フランシス水車に関する。

水力機械において、フランシス水車は、ランナを備えている。フランシス水車のランナは、水車運転時には、外周に設置されたケーシングからステーベーンおよびガイドベーンを介して水が供給されることにより回転する。そして、フランシス水車では、ランナの回転によって発電機が駆動する。ランナに供給された水は、ランナの出口に設置された吸出管に排出される。

フランシス水車のランナは、ランナバンドとランナクラウンとの間にランナ羽根が固定されている。このため、フランシス水車では、ガイドベーンの開度を調整することによって、出力の調整が行われる。

フランシス水車のランナにおいては、供給された水のエネルギーの一部が回転エネルギーに変換されずに、ランナの出口に設けられた吸出管において渦が発生する場合がある。特に、水の流量が定格負荷運転の場合よりも少ない部分負荷運転を行うときには、大きい渦が発生するため、水圧脈動が発生する場合がある。

フランシス水車において水圧脈動の発生を抑制するために、さまざまな方法が提案されている。たとえば、吸出管の内壁にフィンを設ける方法、吸出管へ給気する方法が提案されている（たとえば、特許文献１から３参照）。

渦は、ランナに供給する水の流量に応じて、断面形状が円形状である渦が発生する場合の他に、断面形状が楕円形状である渦が発生する場合がある（たとえば、非特許文献１参照）。

特許２５９８１２０号明細書 特許２５９２５０８号明細書 特開２００１−１６５０２４号公報

F. Avellant et al., "On the upper part load vortex rope in Francis turbine",25th IAHR SYPOSIUM Proceeding, September 2010, Romania

しかしながら、吸出管の内壁にフィンを設ける方法や吸出管へ給気する方法などの上記の方法では、水圧脈動の発生を十分に抑制できない場合がある。特に、断面形状が楕円形である渦の発生について十分に抑制することが困難である。断面形状が楕円形である渦は、螺旋状に自転する際に、径方向に伸縮するので、水圧脈動が大きく、騒音が発生する場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、水圧脈動の発生を抑制できる、フランシス水車のランナ、フランシス水車を提供することである。

本実施形態のフランシス水車のランナは、ランナクラウンとランナバンドとの間に複数のランナ羽根が設けられている。ランナクラウンにおいて複数のランナ羽根が設けられた面の中心部分には、ランナコーンが設置されている。ランナコーンは、水車運転時に水が流入する上流側の外径が下流側の外径よりも小さい円錐形状であって、外周面に段差が形成されている。段差には、下流側に向いた面が、ランナの回転方向に沿ってリング状に設けられている。

本発明によれば、水圧脈動の発生を抑制できる、フランシス水車のランナ、フランシス水車を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係るフランシス水車を示す断面図である。 図２は、第１実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す側面図である。 図３は、第１実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す下面図である。 図４は、ランナコーンの外周面に段差が形成されていない比較例の場合において、ランナに供給する水の流量と、ランナの出口において水圧によって発生する水圧脈動の脈動値との関係を示す図である。 図５は、比較例のランナコーンについて拡大して示す側面図である。 図６は、第１実施形態に係るフランシス水車において、ランナに供給する水の流量と、ランナの出口において水圧によって発生する水圧脈動の脈動値との関係を示す図である。 図７は、第１実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンの側面を拡大して示す側面図である。 図８は、第２実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す側面図である。 図９は、第３実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す側面図である。 図１０は、第４実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す側面図である。 図１１は、第４実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンの側面を拡大して示す側面図である。 図１２は、第５実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す側面図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るフランシス水車を示す断面図である。

フランシス水車は、図１に示すように、ランナ１、主軸２、上カバー３、下カバー４、ステーリング５、ケーシング６、吸出管７、および、発電機８を備える。

ランナ１は、ランナ羽根１１とランナバンド１２とランナクラウン１３とランナコーン１４とを有し、主軸２を回転軸Ｃとして回転する。ランナ１は、複数のランナ羽根１１がランナバンド１２の上面とランナクラウン１３の下面との間において、回転軸Ｃの周りに配置されている。そして、ランナクラウン１３においては、複数のランナ羽根１１が設けられた下面の中心部分に、ランナコーン１４が設置されている。

主軸２は、ランナ１の上面に設けられている。主軸２は、下端にフランジが設けられており、フランジがランナクラウン１３の上面に連結されている。主軸２は、長手方向が鉛直方向に沿っている。

上カバー３は、ランナ１の上方に設けられている。上カバー３は、中央部分に主軸２が貫通しており、主軸２の外周面の側部において、ランナクラウン１３の上面を覆っている。

下カバー４は、ランナ１の下方に設けられている。下カバー４は、下方に吸出管７が設置されており、吸出管７の外周部においてランナバンド１２の下面を覆っている。

ステーリング５は、ランナ１の外周に設置されており、上カバー３と下カバー４との外側面に連結されている。ステーリング５は、内部にステーベーン５１が設けられている。そして、ステーリング５の内周側に、ガイドベーン５２が設けられている。

ケーシング６は、ステーリング５の外周に設置されている。

吸出管７は、ランナ１の下方に設けられており、下カバー４に連結されている。

発電機８は、主軸２の上方に設けられており、主軸２に連結されている。

上記のフランシス水車は、水車運転（発電運転）時には、ケーシング６からステーベーン５１とガイドベーン５２とを介して、流体Ｆ１（水）がランナ１の外周（側部）から内部へ流れる。これにより、ランナ１が主軸２を回転軸Ｃとして回転する。そして、その主軸２の回転によって、発電機８が駆動する。

水車運転時にランナ１の外周から流入した流体Ｆ１は、ランナ１においてランナバンド１２とランナクラウン１３との間を流れた後に、ランナコーン１４の外周面に沿って上方から下方へ流れ、吸出管７へ排出される。

本実施形態に係るフランシス水車の詳細な構成について説明する。

図２，図３は、第１実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す図である。図２は、図１に示したランナコーン１４の側面を拡大して示している。図３は、ランナコーン１４の下面を拡大して示している。

図２，図３に示すように、ランナコーン１４は、円錐台形状であって、外周面が回転軸Ｃに対して傾斜しており、水車運転時に流体Ｆ１が流入する上流側の端部の外径が、流体Ｆ１が流出する下流側の端部の外径よりも小さい。ランナコーン１４は、外周面において、回転軸Ｃに沿った方向の中央部分に、段差１４Ａが形成されている。

具体的には、ランナコーン１４は、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２とを有する。ランナコーン１４は、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２とが流体Ｆ１の流れ方向に沿って並んでおり、両者が一体に形成されている。本実施形態では、ランナコーン１４は、外径が流体Ｆ１の流れ方向に沿って減少する割合が変化する部分を含む。ランナコーン１４は、外径が流体Ｆ１の流れ方向に沿って減少する割合が、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２との間の境界部分で一定値から変化している。つまり、ランナコーン１４の外周において、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２との間の境界部分に、段差１４Ａが形成されている。

ランナコーン１４のうち、第１コーン部１４１は、水車運転時に流体Ｆ１が流入する上流側に設けられている。第１コーン部１４１は、円錐台形状であって、外周面が回転軸Ｃに対して傾斜しており、中心軸が回転軸Ｃに一致している。第１コーン部１４１は、水車運転時に流体Ｆ１が入る上流側の外径よりも、流体Ｆ１が出る下流側の外径が小さい。つまり、第１コーン部１４１は、上部から下部に向かうに伴って、外径が一定の割合で小さくなっている。

ランナコーン１４のうち、第２コーン部１４２は、第１コーン部１４１よりも下流側に設けられ、上流側の面が第１コーン部１４１の下流側の面に連結されている。第２コーン部１４２は、第１コーン部１４１と同様に、円錐台形状であって、外周面が回転軸Ｃに対して傾斜しており、第１コーン部１４１と同様に中心軸が回転軸Ｃに一致している。第２コーン部１４２は、上流側の外径よりも下流側の外径が小さい。また、第２コーン部１４２の外周面が回転軸Ｃに対して傾斜した傾斜角度θ２は、第１コーン部１４１の傾斜角度θ１と同じである。つまり、第２コーン部１４２は、上部から下部に向かうに伴って、第１コーン部１４１と同じ一定の割合で外径が小さくなっている。

ランナコーン１４においては、第１コーン部１４１の下流側の外径が、第２コーン部１４２の上流側の外径よりも大きい。このため、第１コーン部１４１の下流側の部分と第２コーン部１４２の上流側の部分との間には、外周面に段差１４Ａが設けられている。

ランナコーン１４の外周面において段差１４Ａが設けられた部分では、第１コーン部１４１の下流側の面の一部が、第２コーン部１４２の上流側の面の外周部分において外側へ張り出しており、下流側に向いた面１４１Ｓが設けられている。

図２に示すように、ランナコーン１４の外周面において下流側に向いた面１４１Ｓは、回転軸Ｃに対して直交している。また、ランナコーン１４の外周面において下流側に向いた面１４１Ｓは、図３に示すように、回転方向Ｒに沿ったリング形状であって、回転軸Ｃの周りを囲っている。

上記のランナコーン１４の作用について、外周面に段差が形成されていないランナコーン１４Jを比較例として用いて説明する。

図４は、ランナコーン１４Ｊの外周面に段差が形成されていない比較例の場合において、ランナに流体Ｆ１として供給する水の流量Ｑと、ランナの出口において水圧によって発生する水圧脈動の脈動値ΔＰとの関係を示す図である。図５は、比較例のランナコーン１４Ｊについて拡大して示す側面図であり、比較例の動作を併せて示している。

図５に示すように、本実施形態と異なり、ランナコーン１４Ｊの外周面に段差が形成されていない場合には、図４に示すように、定格運転時の流量Ｑｒよりも流量Ｑ１，Ｑ２が少ない部分負荷運転のときに、脈動値ΔＰが大きくなる場合がある。

具体的には、図４に示すように、定格運転時の流量Ｑｒに対してほぼ半分の流量Ｑ１のときに、脈動値ΔＰ１Ｊが大きくなる。これは、ランナの出口において流れが旋回することによって、断面形状が円形である渦が発生することに起因する。

これに対して、定格運転時の流量Ｑｒに対してほぼ半分の流量Ｑ１よりも大きい流量Ｑ２のときに、脈動値ΔＰ２Ｊが更に大きくなる。これは、ランナの出口において、断面形状が楕円形である渦が発生することに起因する。

図５では、外周面に段差が形成されていないランナコーン１４Ｊの場合において、断面形状が楕円形である渦の発生メカニズムについて示している。

図５に示すように、ランナコーン１４Ｊの外周面の周りでは、水車運転時に、外周面に沿って上方から下方に向かう流体Ｆ１によって動圧力が加わる。

この他に、ランナコーン１４Ｊの外周面の近傍では、ランナコーン１４Ｊの外周面を沿って下方から上方に向かう流体Ｆ２による動圧力が加わる。流体Ｆ２は、径方向の外側に向かう。流体Ｆ２は、ランナコーン１４Ｊの外径が上流側から下流側へ向かうに伴って小さくなっていることに起因して、ランナコーン１４Ｊの回転により生じる遠心力が上部と下部との間で相違するために生ずる。

そして、図５に示すように、外周面を沿って上方から下方に向かう流体Ｆ１と、下方から上方に向かう流体Ｆ２との両者によって、楕円状に再循環する再循環領域ＲＣが局所的に形成される。そして、楕円状の再循環領域ＲＣが下流側へ旋回しながら流れることによって、断面が楕円形状である渦Ｖが発生する。

渦Ｖは、中心部の圧力が著しく低下しているので、水蒸気と遊離空気とで満たされた空洞が発生した状態になり、吸出管７（図１参照）の内部で回転する。このため、吸出管７において水圧によって水圧脈動が発生する。

図６は、第１実施形態に係るフランシス水車において、ランナに流体Ｆ１として供給する水の流量Ｑと、ランナの出口において水圧によって発生する水圧脈動の脈動値ΔＰとの関係を示す図である。図６では、上記の比較例の結果を破線で示し、本実施形態の結果を実線で示している。図７は、第１実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンの側面を拡大して示す側面図である。図７では、本実施形態の動作を併せて示している。

図６に示すように、本実施形態の場合（図６中の実線部分）には、比較例（破線部分）よりも、脈動値ΔＰが小さくなる。

具体的には、定格運転時の流量Ｑｒに対してほぼ半分の流量Ｑ１よりも大きい流量Ｑ２のとき、本実施形態の脈動値ΔＰ２は、比較例の脈動値ΔＰ２Ｊよりも小さい。つまり、本実施形態では、ランナ１（図１参照）の出口において、断面形状が楕円形である渦の発生を抑制することができる。

図７では、本実施形態の場合において、断面形状が楕円形である渦の発生が抑制されるメカニズムについて示している。

図７に示すように、本実施形態では、ランナコーン１４の外周面において段差１４Ａが設けられている。段差１４Ａが設けられた部分では、第１コーン部１４１の下流側の面が、第２コーン部１４２の上流側の面の外周部分において外側へ張り出しており、下流側に向いた面１４１Ｓが設けられている。このため、ランナコーン１４の近傍においては、第２コーン部１４２の外周面を沿って下方から上方に向かう流体Ｆ２が、下流側に向いた面１４１Ｓに衝突することによって向きが反転するので、上方から下方に向かう流体Ｆ２１が生ずる。つまり、循環流が生ずる。

流体Ｆ２１は、再循環領域ＲＣの渦の巻き方向に対して反対であり、水車運転時にランナに供給された水により生じた流体Ｆ１と流れ方向が同じである。したがって、本実施形態では、再循環領域ＲＣの形成を抑制することができるので、断面が楕円形状である渦の発生を抑制できる。

なお、断面形状が円形状である渦の発生に関しては、吸出管の内壁にフィンを設ける方法、吸出管へ給気する方法などの他の方法によって、効果的に抑制することができる。

以上のように、本実施形態のフランシス水車のランナ１は、ランナクラウン１３において複数のランナ羽根１１が設けられた面の中心部分にランナコーン１４が設置されている（図１参照）。ランナコーン１４は、水車運転時に流体Ｆ１（水）が流入する上流側の外径が下流側の外径よりも小さい円錐形状であって、外周面に段差１４Ａが形成されている。そして、段差１４Ａには、下流側に向いた面１４１Ｓが、ランナ１の回転方向Ｒに沿ってリング状に設けられている（図２，図３参照）。下流側に向いた面１４１Ｓでは、ランナコーン１４の近傍において第２コーン部１４２の外周面を沿って下方から上方に向かう流体Ｆ２が反転する（図７参照）。

したがって、本実施形態では、上述したように、断面が楕円形状である渦の発生を抑制できる。その結果、騒音の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態では、ランナコーン１４の外周面の段差１４Ａにおいて下流側に向いた面１４１Ｓは、回転軸Ｃに対して直交しており、下流側に向いた面１４１Ｓと第２コーン部１４２の外周面とが交わった部分の角度α（図２参照）が鈍角である場合について示したが、これに限らない。ランナコーン１４の外周面の段差１４Ａにおいて下流側に向いた面１４１Ｓと、第２コーン部１４２の外周面とが交わった部分の角度αが、直角または鋭角であってもよい。角度αが直角または鋭角である場合には、下方から上方に向かう流体Ｆ２が、下流側に向いた面１４１Ｓに衝突後に反転しやすくなるので、上方から下方に向かう流体Ｆ２１の発生を促進できるため、好適である（図７参照）。

＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す図である。図８は、図７と同様に、ランナコーンの側面を拡大して示しており、本実施形態の動作を併せて示している。

本実施形態は、図８に示すように、ランナコーン１４ｂの形態が、第１実施形態と異なる。本実施形態は、この点、および、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略している。

図８に示すように、ランナコーン１４ｂは、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２の他に、第３コーン部１４３を有し、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２と第３コーン部１４３とが一体に形成されている。

第３コーン部１４３は、図８に示すように、第２コーン部１４２よりも水車運転時に流体Ｆ１が流入する下流側に設けられており、第２コーン部１４２に連結されている。第３コーン部１４３は、第１コーン部１４１および第２コーン部１４２と同様に中心軸が回転軸Ｃに一致している。第３コーン部１４３は、円錐台形状であって、外周面が回転軸Ｃに対して傾斜しており、水車運転時に流体Ｆ１が流入する上流側の外径よりも下流側の外径が小さい。第３コーン部１４３は、上流側の外径が、第１コーン部１４１の下流側の外径よりも小さく、第２コーン部１４２の下流側の外径と同じである。

ランナコーン１４ｂは、図８に示すように、第１コーン部１４１の傾斜角度θ１が、第２コーン部１４２の傾斜角度θ２よりも大きい。また、第１コーン部１４１の傾斜角度θ１と第３コーン部１４３の傾斜角度θ３との両者が同じである。

本実施形態は、第１実施形態の場合と同様に、第１コーン部１４１の下流側の外径が、第２コーン部１４２の上流側の外径よりも大きく、ランナコーン１４の外周面には段差１４Ａが設けられている。

ランナコーン１４の外周面において段差１４Ａが設けられた部分では、第１コーン部１４１の下流側の面の一部が、第２コーン部１４２の上流側の面の外周部分において外側へ張り出しており、下流側に向いた面１４１Ｓが設けられている。このため、第１実施形態の場合と同様に、ランナコーン１４の近傍においては、第２コーン部１４２の外周面を沿って下方から上方に向かう流体Ｆ２が、下流側に向いた面１４１Ｓに衝突することによって向きが反転するので、上方から下方に向かう流体Ｆ２１が生ずる。

したがって、本実施形態は、再循環領域ＲＣの形成を抑制することができるので、断面が楕円形状である渦の発生を抑制できる。

＜第３実施形態＞
図９は、第３実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す図である。図９は、図８と同様に、ランナコーンの側面を拡大して示しており、本実施形態の動作を併せて示している。

本実施形態は、図９に示すように、ランナコーン１４ｃの形態が、第２実施形態と異なる。本実施形態は、この点、および、関連する点を除き、第２実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略している。

図９に示すように、ランナコーン１４ｃは、第２実施形態の場合と同様に、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２の他に、第３コーン部１４３を有し、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２と第３コーン部１４３とが一体に形成されている。

しかしながら、ランナコーン１４ｃにおいては、第１コーン部１４１の傾斜角度θ１と、第２コーン部１４２の傾斜角度θ２と、第３コーン部１４３の傾斜角度θ３とが、互いに同じである。

第３コーン部１４３は、図９に示すように、第２実施形態の場合と異なり、第２コーン部１４２の下流側の外径よりも小さく、ランナコーン１４の外周面には、段差１４Ａの下流側に段差１４Ｂが更に設けられている。

具体的には、ランナコーン１４ｃの外周面において段差１４Ａが設けられた部分では、第１コーン部１４１の下流側の面の一部が、第２コーン部１４２の上流側の面の外周部分において外側へ張り出しており、下流側に向いた面１４１Ｓが設けられている。

これと共に、ランナコーン１４ｃの外周面において段差１４Ａの下流側に設けられた段差１４Ｂの部分においては、第２コーン部１４２の下流側の面の一部が、第３コーン部１４３の上流側の面の外周部分において外側へ張り出しており、下流側に向いた面１４２Ｓが設けられている。ランナコーン１４ｃの段差１４Ｂにおいて下流側に向いた面１４２Ｓは、回転軸Ｃに対して直交している。下面図については図示を省略しているが、下流側に向いた面１４２Ｓは、リング状であって、回転軸Ｃの周りを囲っている。

このように、本実施形態では、ランナコーン１４ｃの外周面に複数の段差１４Ａ，１４Ｂが形成されており、複数の段差１４Ａ，１４Ｂには、下流側に向いた面１４２Ｓが設けられている。

このため、上流側に形成された段差１４Ａにおいては、第２コーン部１４２の外周面を沿って下方から上方に向かう流体Ｆ２が、下流側に向いた面１４１Ｓに衝突することによって向きが反転するので、上方から下方に流体Ｆ２１が向かう。

この他に、下流側に形成された他の段差１４Ｂにおいても、第３コーン部１４３の外周面を沿って下方から上方に向かう流体Ｆ２が、下流側に向いた面１４２Ｓに衝突することによって向きが反転するので、上方から下方に流体Ｆ２１が向かう。

したがって、本実施形態では、再循環領域ＲＣの形成を抑制することができるので、断面が楕円形状である渦の発生を抑制できる。

＜第４実施形態＞
図１０は、第４実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す図である。図１０は、図９と同様に、ランナコーンの側面を拡大して示している。

本実施形態は、図１０に示すように、ランナコーン１４ｄの形態が、第３実施形態と異なる。本実施形態は、この点、および、関連する点を除き、第３実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略している。

図１０に示すように、ランナコーン１４ｄは、第３実施形態の場合と同様に、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２の他に、第３コーン部１４３を有し、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２と第３コーン部１４３とが一体に形成されている。ランナコーン１４ｄでは、第１コーン部１４１の傾斜角度θ１と、第２コーン部１４２の傾斜角度θ２と、第３コーン部１４３の傾斜角度θ３とが、互いに同じである。

ランナコーン１４ｄにおいては、第１コーン部１４１の下流側の外径が第２コーン部１４２の上流側の外径と異なっていると共に、第３コーン部１４３の上流側の外径が第２コーン部１４２の下流側の外径と異なっている。このため、本実施形態では、ランナコーン１４ｄの外周面に、複数の段差１４Ａ，１４Ｂが設けられている。

複数の段差１４Ａ，１４Ｂのうち、上流側に設けられた段差１４Ａでは、第３実施形態と同様に、外周面が形成されている。つまり、上流側に設けられた段差１４Ａでは、第１コーン部１４１の下流側の面の一部が、第２コーン部１４２の上流側の面の外周部分において外側へ張り出しており、下流側に向いた面１４１Ｓが設けられている。

しかしながら、複数の段差１４Ａ，１４Ｂのうち、下流側に設けられた段差１４Ｂでは、外周面が第３実施形態と異なっている。

第３コーン部１４３は、上流側の外径が、第２コーン部１４２の下流側の外径よりも大きい。このため、下流側に設けられた段差１４Ｂにおいては、第３コーン部１４３の上流側の面の一部が、第２コーン部１４２の下流側の面の外周部分において外側へ張り出しており、上流側に向いた面１４３Ｓが設けられている。上流側に向いた面１４３Ｓは、回転軸Ｃに対して直交している。下面図については図示を省略しているが、上流側に向いた面１４３Ｓは、リング状であって、回転軸Ｃの周りを囲っている。

下流側に向いた面１４１Ｓと上流側に向いた面１４３Ｓとの両者は、互いに対面している。下流側に向いた面１４１Ｓと上流側に向いた面１４３Ｓとによって、ランナコーン１４ｄの外周面には溝１４Ｔ（凹部）が構成されている。溝１４Ｔは、リング状であって、ランナコーン１４ｄの外周面において回転軸Ｃに沿った方向の中央部分に形成されている。

図１１は、第４実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンの側面を拡大して示す側面図である。図１１では、ランナコーンの右側部分を示しており、本実施形態の動作を併せて示している。

図１１に示すように、ランナコーン１４ｄの外周面において溝１４Ｔを構成する上流側の段差１４Ａには、下流側に向いた面１４１Ｓが設けられている。このため、ランナコーン１４ｄの近傍においては、第２コーン部１４２の外周面を沿って下方から上方に向かう流体Ｆ２が、下流側に向いた面１４１Ｓに衝突することによって向きが反転するので、上方から下方に流体Ｆ２１が向かう。これにより、本実施形態では、再循環領域ＲＣの形成を抑制することができる。

溝１４Ｔを構成する下流側の段差１４Ｂには、上流側に向いた面１４３Ｓが設けられている。上流側に向いた面１４３Ｓの近傍では、ランナコーン１４ｄの回転時に生ずる遠心力によって、径方向の外側へ流体Ｆ３１が向かう。流体Ｆ３１は、ランナコーン１４ｄの外周において再循環領域ＲＣを径方向の外側へ移動させるため、再循環領域ＲＣの流れを分断または不安定化させる。

以上のように、本実施形態のランナコーン１４は、水車運転時に水が流入する上流側の外径が下流側の外径よりも小さい円錐形状であって、外周面に溝１４Ｔが形成されている。溝１４Ｔは、ランナ１の回転方向に沿ってリング状に設けられている。

したがって、本実施形態では、上述したように、断面が楕円形状である渦の発生を抑制できる。

なお、本実施形態では、ランナコーン１４ｄの外周面に、１つの溝１４Ｔを形成しているが、これに限らない。ランナコーン１４ｄの外周面に、複数の溝１４Ｔを形成しても良い。つまり、下流側に向いた面１４２Ｓが設けられた段差１４Ａと、上流側に向いた面１４３Ｓが設けられた段差１４Ｂとの両者の組み合わせを、ランナコーン１４ｄの外周面に、複数組、形成しても良い。溝１４Ｔを複数設けることによって、断面が楕円形状である渦の発生を更に効果的に抑制できる。

＜第５実施形態＞
図１２は、第５実施形態に係るフランシス水車において、ランナコーンを示す図である。図１２では、図７と同様に、ランナコーンの側面を拡大して示しており、本実施形態の動作を併せて示している。

本実施形態は、図１２に示すように、ランナコーン１４ｅの形態が、第１実施形態と異なる。本実施形態は、この点、および、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略している。

図１２に示すように、ランナコーン１４ｅは、第１実施形態と同様に、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２とを有し、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２との両者が一体に形成されている。

ランナコーン１４ｅのうち、第１コーン部１４１は、第１実施形態と同様に、水車運転時に流体Ｆ１が流入する上流側に設けられており、中心軸が回転軸Ｃに一致している。第１コーン部１４１は、円錐台形状であって、外周面が回転軸Ｃに対して傾斜しており、水車運転時に流体Ｆ１が流入する上流側の外径よりも、流体Ｆ１が流出する下流側の外径が小さい。第１コーン部１４１は、上部から下部に向かうに伴って、外径が一定の割合で小さくなっている。

ランナコーン１４ｅのうち、第２コーン部１４２は、第１コーン部１４１よりも下流側に設けられ、第１コーン部１４１と同様に中心軸が回転軸Ｃに一致しており、第１コーン部１４１に連結されている。つまり、第２コーン部１４２は、第１コーン部１４１の下方において第１コーン部に同軸に設けられている。

しかしながら、第２コーン部１４２は、第１実施形態と異なり、上流側の外径が、第１コーン部１４１の下流側の外径と同じである。また、第２コーン部１４２は、第１コーン部１４１と異なり、上流側の外径よりも下流側の外径が大きい。第２コーン部１４２は、外周面が曲面であり、上流側から下流側に向かうに伴って外径が大きくなっている。

ランナコーン１４ｅにおいて第２コーン部１４２の外周面の近傍では、第２コーン部１４２の外周面を沿って上方から下方に向かう流体Ｆ４による動圧力が加わる。流体Ｆ４は、径方向の外側へ流れる。流体Ｆ４は、第２コーン部１４２の外径が、上流側から下流側に向かうに伴って大きくなっていることに起因して、ランナコーン１４ｅの回転により生じる遠心力が上部と下部との間で相違するために生ずる。

第２コーン部１４２の外周面の近傍において上方から下方に向かう流体Ｆ４は、再循環領域ＲＣの渦の巻き方向に対して反対であり、水車運転時にランナに供給された水により生じた流体Ｆ１と流れ方向が同じである。

したがって、本実施形態では、再循環領域ＲＣの形成を抑制できるので、断面が楕円形状である渦の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態では、第１コーン部１４１と第２コーン部１４２との組み合わせについて１つ設けた場合について示しているが、これに限らない。第１コーン部１４１と第２コーン部１４２との組み合わせを、複数組、設けても良い。複数組を設けることによって、断面が楕円形状である渦の発生を更に効果的に抑制できる。

また、本実施形態では、第２コーン部１４２は、外周面が曲面であり、上流側から下流側に向かうに伴って外径が大きくなる割合が一定でない場合について示しているが、これに限らない。第２コーン部１４２については、上流側から下流側に向かうに伴って外径が一定の割合で大きくなるように形成してもよい。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ランナ、２…主軸、３…上カバー、４…下カバー、５…ステーリング、６…ケーシング、７…吸出管、８…発電機、１１…ランナ羽根、１２…ランナバンド、１３…ランナクラウン、１４，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ…ランナコーン、１４Ａ，１４Ｂ…段差、１４Ｔ…溝、５１…ステーベーン、５２…ガイドベーン、１４１…第１コーン部、１４２…第２コーン部、１４３…第３コーン部

Claims (7)

1. ランナクラウンとランナバンドとの間に複数のランナ羽根が設けられている、フランシス水車のランナであって、
   前記ランナクラウンにおいて前記複数のランナ羽根が設けられた面の中心部分に設置されたランナコーン
   を備え、
   前記ランナコーンは、水車運転時に水が流入する上流側の外径が下流側の外径よりも小さい円錐形状であって、外周面に段差が形成されており、
   前記段差には、下流側に向いた面が、前記ランナの回転方向に沿ってリング状に設けられていることを特徴とする、
   フランシス水車のランナ。
2. 前記ランナコーンは、前記段差が外周面に複数形成されている、
   請求項１に記載のフランシス水車のランナ。
3. ランナクラウンとランナバンドとの間に複数のランナ羽根が設けられている、フランシス水車のランナであって、
   前記ランナクラウンにおいて前記複数のランナ羽根が設けられた面の中心部分に設置されたランナコーン
   を備え、
   前記ランナコーンは、水車運転時に水が流入する上流側の外径が下流側の外径よりも小さい円錐形状であって、外周面に溝が形成されており、
   前記溝は、前記ランナの回転方向に沿ってリング状に設けられていることを特徴とする、
   フランシス水車のランナ。
4. 前記ランナコーンは、前記溝が外周面に複数形成されている、
   請求項３に記載のフランシス水車のランナ。
5. ランナクラウンとランナバンドとの間に複数のランナ羽根が設けられているフランシス水車のランナであって、
   前記ランナクラウンにおいて前記複数のランナ羽根が設けられた面の中心部分に設置されたランナコーン
   を備え、
   前記ランナコーンは、
   水車運転時に水が流入する上流側の外径よりも下流側の外径が小さい第１コーン部と、
   前記第１コーン部よりも下流側において前記第１コーン部に同軸に設けられている第２コーン部と
   を有し、
   前記第２コーン部は、上流側の外径が前記第１コーン部の下流側の外径と同じであって、上流側の外径よりも下流側の外径が大きいことを特徴とする、
   フランシス水車のランナ。
6. 前記ランナコーンは、前記第１コーン部と前記第２コーン部とが複数設けられている、
   請求項５に記載のフランシス水車のランナ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のフランシス水車のランナを備える、
   フランシス水車。

Images