JP2015017593A - 軸流水車ランナ羽根、軸流水車ランナおよび軸流水車 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションの発生を抑制できるともにスムーズに回動することができる軸流水車ランナ羽根を提供する。
【解決手段】実施の形態による軸流水車ランナ羽根２０は、ランナボス１１に間隙４０を介して配置され、羽根正圧面２２と羽根負圧面２３とを有する羽根本体２１と、ランナボス１１の内部から羽根本体２１に延びて羽根本体２１を支持するステム２４と、羽根本体２１の羽根負圧面２３においてランナボス１１の側に設けられ、羽根負圧面２３から突出する突出部３０と、を備えている。羽根本体２１は、上流側領域２１ａと、下流側領域２１ｂと、ランナ羽根２０の回動軸Ｙの方向からみたときに上流側領域２１ａと下流側領域２１ｂとの間に配置され、羽根本体２１とステム２４とが連結される連結領域２１ｃと、を有している。突出部３０は、羽根本体２１の羽根負圧面２３において、羽根本体２１の上流側領域２１ａから連結領域２１ｃに延びている。
【選択図】図３

Description

本発明の実施の形態は、軸流水車ランナ羽根、軸流水車ランナおよび軸流水車に関する。

軸流水車には、カプラン水車、バルブ水車などがある。例えば、カプラン水車においては、上池からケーシングへ流入した水は、ステーベーンを通り、流量を調整するための開閉機能を有するガイドベーンに流入する。ガイドベーンから流出した水は、ランナに流入し、ランナを水車回転軸を中心に回転させる。このことにより、ランナに回転主軸を介して連結された発電機において発電が行われる。ランナから流出した水は吸出し管を通って下池へと放出される。

ランナは、水車回転軸を中心に回転自在なランナボスと、周方向に所定の間隔で配置された複数のランナ羽根と、を有している。このうち各ランナ羽根は、ランナボスに対して羽根回動軸を中心にそれぞれ回動自在になっている。このことにより、ランナに流入する水の流量に応じてランナ羽根の角度を調整し、発電効率の向上を図っている。

ここで、羽根回動軸の方向からみたときのランナ羽根を図９に示す。ランナボスとランナ羽根１００との間には内側間隙が形成されている。この内側間隙を形成することにより、ランナ羽根１００が羽根回動軸を中心にスムーズに回動可能になっている。ランナボス内には、ランナ羽根１００を支持するランナつば１０１が設けられ、ランナつば１０１が、ランナ羽根回動駆動部に、ランナスピンドルを介して連結されている。

ところで、この内側間隙を通る水の漏れ流れには、キャビテーション１０２が発生しやすいという問題がある。すなわち、ランナ羽根１００の羽根負圧面１０３の側の領域の圧力が、ランナ羽根１００の羽根正圧面１０４の側の領域の圧力より低いため、ランナ入口からランナ羽根１００の羽根正圧面１０４の側の領域を通って下流方向に流れる水の流れ（主流）のうちの一部が、内側間隙を通って羽根負圧面１０３の側の領域へ流れて漏れる。このことにより、漏れ流れが、圧力が低い羽根負圧面１０３の側の領域に達すると、キャビテーション１０２が発生し得る。とりわけ、ランナつば１０１より上流側の内側間隙を通った漏れ流れが、羽根負圧面１０３の側の領域においてランナつば１０１の周囲を流れる際にキャビテーション１０２が発生しやすくなっている。発生したキャビテーション１０２は下流側に伝播し、ランナ羽根１００の羽根負圧面１０３のうちランナつば１０１の下流側の部分にキャビテーション壊食が発生し得る。

このようなキャビテーションの発生を抑制するための軸流水車ランナが、例えば特許文献１乃至６によって知られている。これらの文献に示された軸流水車ランナでは、内側間隙に、ランナ羽根からランナボスに向って突出する突出部が設けられている。このことにより、ランナ羽根の羽根正圧面の側の領域の水が、内側間隙を通って羽根負圧面の側の領域に流れて漏れることを抑制している。

米国特許第５９５４４７４号明細書 米国特許第６２５４３３９号明細書 米国特許第６５３３５３６号明細書 米国特許第５９４７６７９号明細書 米国特許第６１６４９０７号明細書 米国特許第６４０２４７７号明細書

しかしながら、特許文献１乃至６に示す軸流水車においては、上述した突出部は、ランナボスに接触している。このことにより、ランナ羽根を回動させる際、突出部とランナボスとの間に生じる摩擦により、ランナ羽根の回動が困難になり得る。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、キャビテーションの発生を抑制できるともにランナ羽根をスムーズに回動させることができる軸流水車ランナ羽根、軸流水車ランナおよび軸流水車を提供することを目的とする。

実施の形態による軸流水車ランナ羽根は、回転主軸に連結されたランナボスに対して回動自在になっている。軸流水車ランナ羽根は、ランナボスに間隙を介して配置され、羽根正圧面と羽根負圧面とを有する羽根本体と、ランナボスの内部から羽根本体に延びて羽根本体を支持するステムと、羽根本体の羽根負圧面においてランナボスの側に設けられ、羽根負圧面から突出する突出部と、を備えている。羽根本体は、上流側領域と、下流側領域と、ランナ羽根の回動軸の方向からみたときに上流側領域と下流側領域との間に配置され、羽根本体とステムとが連結される連結領域と、を有している。突出部は、羽根本体の羽根負圧面において、羽根本体の上流側領域から連結領域に延びている。

実施の形態による軸流水車ランナは、ランナボスと、上述した軸流水車ランナ羽根と、を備えている。

実施の形態による軸流水車は、上述した軸流水車ランナを備えている。

図１は、第１の実施の形態における軸流水車の構成を示す図である。 図２は、図１の軸流水車におけるランナ羽根を示す図である。 図３は、図２のランナ羽根を羽根回動軸の方向からみた図である。 図４は、図２のＡ−Ａ線断面に相当する図である。 図５は、図２のＢ−Ｂ線断面に相当する図である。 図６は、フィンが設けられていないランナ羽根を羽根回動軸の方向からみたときの羽根負圧面の側の領域における圧力分布の概略を示す図である。 図７は、図３のランナ羽根の変形例を示す図である。 図８は、図１のランナ羽根の他の変形例を示す図である。 図９は、従来のランナ羽根を、羽根回動軸の方向からみた図である。

図面を用いて、本発明の実施の形態における軸流水車ランナ羽根、軸流水車ランナおよび軸流水車について説明する。

まず、軸流水車について説明する。ここでは、軸流水車の一例としてカプラン水車を例にとって説明する。

図１に示すように、カプラン水車１は、図示しない上池から水が流入するケーシング２と、ケーシング２に対して回転自在に設けられ、ケーシング２からステーベーン３およびガイドベーン４を通って流入する水により回転駆動される軸流水車ランナ（以下、単にランナと記す）１０と、を備えている。

ステーベーン３は、ケーシング２からランナ１０への流路を形成するためのものであり、ケーシング２より内周側に配置されている。ガイドベーン４は、ランナ１０に流入される水の流量を調整するためのものであり、ステーベーン３より内周側に配置されている。ガイドベーン４の開度を変えることにより、ケーシング２からランナ１０に流入する水量を調整し、発電量を変化させるように構成されている。

ランナ１０は、ガイドベーン４より内周側に、かつ下側に配置されている。ケーシング２から流入する流水の主流方向は、ステーベーン３およびガイドベーン４においては略半径方向を向いているが、ランナ１０においては水車回転軸Ｘの方向（鉛直方向）を向くようになっている。また、ランナ１０は、その外周側に設けられたディスチャージリング７によって囲まれている。

ランナ１０には、回転主軸６を介して発電機８が連結されている。流入した水によりランナ１０が回転駆動されると、発電機８において発電が行われる。

ランナ１０の下流側には、吸出し管９が設けられている。この吸出し管９は、図示しない下池に連結されており、ランナ１０を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。

次に、本実施の形態によるランナ１０について説明する。

図１および図２に示すように、ランナ１０は、水車回転軸Ｘを中心に回転自在なランナボス１１と、ランナボス１１に対して羽根回動軸Ｙを中心に回動自在な複数の軸流水車ランナ羽根（以下、単にランナ羽根と記す）２０と、を有している。このうち、ランナ羽根２０は、周方向に所定の間隔で配置されており、各ランナ羽根２０が回動することにより、ランナ１０に流入する水の流量に応じてランナ羽根２０の角度が調整され、発電効率の向上が図られている。なお、ランナボス１１は、上述した回転主軸６に連結され、ランナボス１１の回転が、回転主軸６を介して発電機８に伝達されるようになっている。

次に、本実施の形態によるランナ羽根２０について説明する。

図２乃至図４に示すように、ランナ羽根２０は、羽根正圧面２２と羽根負圧面２３とを含む羽根本体２１と、ランナボス１１の内部から羽根本体２１に延び、羽根本体２１を支持するランナつば２４（ステム）と、を有している。このうち羽根本体２１は、ランナボス１１の外周側であって、ディスチャージリング７の内周側に設けられている。すなわち、羽根本体２１は、ランナボス１１とディスチャージリング７との間に配置されている。

図２に示すように、羽根本体２１は、ランナボス１１の外周面に内側間隙４０を介して配置されている。言い換えると、羽根本体２１とランナボス１１との間には、内側間隙４０が形成されている。また、羽根本体２１とディスチャージリング７の球面部７ａとの間には、外側間隙４１が形成されている。このことにより、ランナ羽根２０は、ランナボス１１に対してスムーズに回動可能になっている。

羽根本体２１の羽根正圧面２２（または羽根圧力面）は、ランナ１０に流入した主流の圧力を受ける面であり、この羽根正圧面２２の側の領域５０では、流水の圧力が高くなっている。羽根負圧面２３は、羽根正圧面２２の反対側に位置する面であり、この羽根負圧面２３の側の領域５１では、流水の圧力が低くなっている。

図４に示すように、ランナつば２４は、ランナ羽根回動駆動部（例えば、サーボモータ）２５に、ランナスピンドル２６を介して連結されている。このようにして、ランナ羽根回動駆動部２５が駆動されることにより、ランナスピンドル２６およびランナつば２４を介して羽根本体２１が回動し、羽根本体２１の角度が調整されるようになっている。

ランナつば２４は、ランナボス１１の内部に配置された円板状のつば本体部分２４ａと、ランナボス１１の外周側に設けられ、つば本体部分２４ａと羽根本体２１とを連結するつば連結部分２４ｂと、を有している。このうちつば連結部分２４ｂは、つば本体部分２４ａと羽根本体２１とを滑らかな形状で連結するように、円錐状に形成されている。つば連結部分２４ｂを円錐状に形成することによって、ランナ羽根２０の強度を向上させている。

図３に示すように、羽根本体２１は、上流側に配置される上流側領域２１ａと、下流側に配置される下流側領域２１ｂと、ランナ羽根２０の羽根回動軸Ｙの方向からみたときに上流側領域２１ａと下流側領域２１ｂとの間に配置され、羽根本体２１とランナつば２４のつば連結部分２４ｂとが連結される連結領域２１ｃと、を有している。なお、連結領域２１ｃは、より具体的には、羽根本体２１のランナボス１１の側の端縁２１ｄが、つば連結部分２４ｂと連結される領域と言うことができる。

図３および図４に示すように、羽根本体２１の羽根負圧面２３においてランナボス１１の側にフィン３０（突出部）が設けられている。より具体的には、フィン３０は、ランナ羽根２０のランナボス１１の側の端部に配置されており、羽根負圧面２３から突出し、ランナボス１１の外周面に沿って延びるように形成されている。このようにして、フィン３０は、内側間隙４０を通った水の漏れ流れを羽根本体２１の羽根負圧面２３から遠ざける方向に案内するようになっている。なお、フィン３０の主流方向に沿った断面（図２の紙面に垂直な方向からみた断面）は、内側間隙４０を通った漏れ流れを羽根本体２１の羽根負圧面２３から遠ざける方向に案内可能であれば、特に限られることはない。

フィン３０は、図３に示すように、羽根本体２１の羽根負圧面２３において、羽根本体２１の上流側領域２１ａから連結領域２１ｃを通って下流側領域２１ｂに延びている。なお、本実施の形態においては、フィン３０は、ランナ羽根２０の羽根本体２１の全長にわたって延びておらず、フィン３０の上流側端部３０ａは、羽根本体２１の上流側端部２１ｅより下流側に位置するとともに、フィン３０の下流側端部３０ｂは、羽根本体２１の下流側端部２１ｆより上流側に位置している。

フィン３０のランナボス１１の側の面は、羽根本体２１のランナボス１１の側の端縁２１ｄより、ランナボス１１の側に配置されていることが好適である。より具体的には、図４および図５に示すように、フィン３０のランナボス１１の側の面とランナボス１１の外周面との間の距離Ｌ１（図４参照）は、羽根本体２１のランナボス１１の側の端縁２１ｄとランナボス１１の外周面との間の距離Ｌ０（図５参照）より、小さいことが好適である。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態によるカプラン水車１において運転を行う場合、図示しない上池からケーシング２（図１参照）に水が流入する。ケーシング２に流入した水は、ケーシング２からステーベーン３およびガイドベーン４を通ってランナ１０に流入する。このランナ１０へ流入した水によって、ランナ１０が回転駆動される。このことにより、ランナ１０に連結された発電機８が駆動され、発電が行われる。ランナ１０に流入した水は、ランナ１０から吸出し管９を通って、図示しない下池へ放出される。

ランナ１０に流入した水は、ランナ羽根２０の羽根本体２１に沿う方向（主流方向）に流れる（図１および２参照）。ここで、羽根本体２１の羽根負圧面２３の側の領域５１の圧力は、羽根本体２１の羽根正圧面２２の側の領域５０の圧力より低いため、ランナ１０の入口から羽根正圧面２２の側の領域５０を通って下流方向に流れる水の流れ（主流）のうちの一部が、ランナボス１１と羽根本体２１との間に形成された内側間隙４０から漏れて羽根負圧面２３の側の領域５１へ流れて漏れる（図３および４の矢印Ｐ参照）。このことにより、上述したフィン３０が設けられていない場合には、内側間隙４０を通った漏れ流れが、圧力が低い羽根負圧面２３に向かい、羽根負圧面２３の近傍においてキャビテーショが発生し得る。とりわけ、図６に示すように、フィン３０が設けられていない場合、羽根負圧面２３の側の領域５１のうち、ランナつば２４のつば連結部分２４ｂの近傍の領域が、圧力が低くなる傾向にある。このため、内側間隙４０を通った漏れ流れが、つば連結部分２４ｂの近傍の領域に達すると、キャビテーションが発生する可能性が高くなる。

これに対して本実施の形態においては、羽根本体２１の羽根負圧面２３においてランナボス１１の側に、当該羽根負圧面２３から突出するフィン３０が設けられている。このフィン３０によって、内側間隙４０を通った漏れ流れは、羽根負圧面２３から遠ざかる方向に案内され（図３および４の矢印Ｑ参照）、当該漏れ流れが、羽根負圧面２３に向うことが抑制される。このことにより、羽根負圧面２３の近傍において、キャビテーションが発生することを抑制できる。

このように本実施の形態によれば、羽根本体２１の羽根負圧面２３においてランナボス１１の側に、羽根負圧面２３から突出するフィン３０が設けられている。このことにより、羽根本体２１の羽根正圧面２２の側の領域５０から、羽根本体２１とランナボス１１との間に形成された内側間隙４０を通った水の漏れ流れを、羽根負圧面２３から遠ざける方向に案内することができる。このため、当該内側間隙４０を通った漏れ流れが、羽根負圧面２３に向うことを抑制でき、羽根負圧面２３の近傍においてキャビテーションが発生することを抑制できる。また、羽根本体２１とランナボス１１との間には、内側間隙４０が形成されているため、ランナ羽根２０をランナボス１１に対してスムーズに回動させることができる。この結果、キャビテーションの発生を抑制できるとともに、ランナ羽根２０をスムーズに回動させることができるランナ羽根２０、ランナ１０およびカプラン水車１を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、フィン３０は、羽根本体２１の上流側領域２１ａから連結領域を通って下流側領域２１ｂに延びている。このことにより、内側間隙４０を通った漏れ流れが、羽根本体２１の羽根負圧面２３の側の領域５１のうち、ランナつば２４のつば連結部分２４ｂの周囲の領域に向うことをより一層抑制できる。このため、羽根負圧面２３の近傍において、キャビテーションが発生することをより一層抑制できる。

また、本実施の形態において、フィン３０のランナボス１１の側の面が羽根本体２１のランナボス１１の側の端縁２１ｄよりランナボス１１の側に配置されている場合、フィン３０とランナボス１１との距離を縮めて、フィン３０とランナボス１１との間を流れる漏れ流れの圧力を高めることができる。このことにより、フィン３０の出口領域における圧力を高めることができ、キャビテーションが発生することを抑制できる。

なお、上述した本実施の形態においては、フィン３０が、羽根本体２１の上流側領域２１ａから連結領域２１ｃを通って下流側領域２１ｂに延びている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、図７に示すように、フィン３０は、羽根本体２１の上流側領域２１ａから連結領域２１ｃまで延びて、当該連結領域２１ｃで終端するようにしてもよい。すなわち、フィン３０の上流側端部３０ａが、上流側領域２１ａに配置され、フィン３０の下流側端部３０ｂが、連結領域２１ｃに配置されるようにしてもよい。この場合においても、内側間隙４０を通った漏れ流れが、羽根本体２１の羽根負圧面２３の側の領域５１のうち、ランナつば２４の周囲の領域に向うことを抑制できる。また、フィン３０の下流側端部３０ｂが連結領域２１ｃに配置されているため、フィン３０の主流方向長さを短くすることができ、羽根負圧面２３の側の領域５１における摩擦損失を抑制できる。

また、上述した本実施の形態においては、図８に示すように、フィン３０の主流方向に沿った断面（図８の紙面に垂直な方向からみた断面）は、翼型形状を有し、フィン３０のランナボス１１の側の面がフィン正圧面（突出部正圧面）３１となり、ディスチャージリング７の側の面がフィン負圧面（突出部負圧面）３２となるようにしてもよい。このことにより、フィン３０のランナボス１１の側の面とランナボス１１の外周面との間を流れる漏れ流れの圧力を高めることができる。このため、フィン３０の出口領域における圧力を高めることができ、キャビテーションが発生することを抑制できる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による軸流水車ランナ羽根、軸流水車ランナおよび軸流水車は、上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、上述した実施の形態では、本発明による軸流水車ランナ羽根、軸流水車ランナおよび軸流水車をカプラン水車に適用した例について説明したが、このことに限られることはなく、カプラン水車以外の水車に本発明による軸流水車ランナ羽根、軸流水車ランナおよび軸流水車を適用することもできる。

１ カプラン水車
６ 回転主軸
１０ ランナ
１１ ランナボス
２０ ランナ羽根
２１ 羽根本体
２１ａ 上流側領域
２１ｂ 下流側領域
２１ｃ 連結領域
２１ｄ 端縁
２２ 羽根正圧面
２３ 羽根負圧面
２４ ランナつば
３０ フィン
３０ａ 上流側端部
３０ｂ 下流側端部
３１ フィン正圧面
３２ フィン負圧面
４０ 内側間隙

Claims (7)

1. 回転主軸に連結されたランナボスに対して回動自在な軸流水車ランナ羽根において、
   前記ランナボスに間隙を介して配置され、羽根正圧面と羽根負圧面とを有する羽根本体と、
   前記ランナボスの内部から前記羽根本体に延びて当該羽根本体を支持するステムと、
   前記羽根本体の前記羽根負圧面において前記ランナボスの側に設けられ、当該羽根負圧面から突出する突出部と、を備え、
   前記羽根本体は、上流側領域と、下流側領域と、前記ランナ羽根の回動軸の方向からみたときに前記上流側領域と前記下流側領域との間に配置され、前記羽根本体と前記ステムとが連結される連結領域と、を有し、
   前記突出部は、前記羽根本体の前記羽根負圧面において、当該羽根本体の前記上流側領域から前記連結領域に延びていることを特徴とする軸流水車ランナ羽根。
2. 前記突出部は、前記羽根本体の前記羽根負圧面において、当該羽根本体の前記上流側領域から前記連結領域を通って前記下流側領域に延びていることを特徴とする請求項１に記載の軸流水車ランナ羽根。
3. 前記突出部の下流側端部は、前記羽根本体の前記連結領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流水車ランナ羽根。
4. 前記突出部の前記ランナボスの側の面は、前記羽根本体の前記ランナボスの側の端縁より、当該ランナボスの側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の軸流水車ランナ羽根。
5. 前記突出部の主流方向に沿った断面は、翼型形状を有し、
   前記突出部の前記ランナボスの側の面が突出部正圧面となり、当該突出部の前記ランナボスの側とは反対側の面が、突出部負圧面となっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の軸流水車ランナ羽根。
6. 前記ランナボスと、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の前記軸流水車ランナ羽根と、を備えたことを特徴とする軸流水車ランナ。
7. 請求項６に記載の前記軸流水車ランナを備えた軸流水車。

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