JP2021110245A - フランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根の出口端部のバンド側の部分における損傷リスクを低減できるフランシス型水車用ランナの提供。【解決手段】実施の形態にかかるフランシス型水車用ランナ１０は、クラウン１１、バンド１２、及びクラウン１１とバンド１２との間に設けられる羽根１３を備える。羽根１３は、入口端部１４と出口端部１５とを有するとともに、出口端部１５側で且つバンド１２側の位置に出口端部１５から入口端部１４側に延びる切欠き２０を有する。そして、切欠き２０との境界に定められる出口端部１５のバンド１２側の端１５Ｅは切欠き２０を介してバンド１２から離れるように形成される。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、フランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車に関する。

図８は一般的なフランシス型水車用ランナ１００（以下、ランナ１００）の軸方向に沿う断面図である。図８に示すランナ１００は、水流によるランナ１００の回転を水車主軸に伝えるべく水車主軸に結合される円盤状のクラウン１１と、クラウン１１から軸方向に離れて配置されクラウン１１と向き合う円盤状のバンド１２と、クラウン１１とバンド１２との間に固定される複数の羽根１３とを有し、複数の羽根１３は周方向に間隔を空けて円形状に並んでいる。

ランナ１００を回転させる際、水流は、径方向で外側に位置する羽根１３の入口端部１４からクラウン１１とバンド１２との間の空間に進入し、羽根１３の圧力面に圧力エネルギーを付与した後、径方向で内側に位置する羽根１３の出口端部１５から下流側に向かう。この際、羽根１３には水流からの荷重により曲げモーメント等の負荷がかかるため、羽根１３は当該負荷に耐え得るように所定の厚さが必要となる。

一方で、損失の低減のためには出口端部１５の厚さはなるべく薄いほうが望ましく、羽根１３は一般に、その厚さが出口端部１５に向けて次第に薄くなるように形成されている。このように羽根１３が形成される場合、出口端部１５のクラウン１１側の端の厚さ及びバンド１２側の端の厚さが薄くなるため、羽根１３とクラウン１１との結合部分及び羽根１３とバンド１２との結合部分における強度不足が懸念されるが、これら出口端部１５の両端側においても適正な強度確保が当然に必要である。

上述のようなランナ１００を備えるフランシス型水車の通常の運転の際には、出口端部１５のバンド１２側にかかる負荷よりもクラウン１１側にかかる負荷のほうが大きいことが一般に知られており、これまで出口端部１５とバンド１２との結合部分の強度確保には多くの関心が集まっていなかった。そのため、出口端部１５とバンド１２との間の強度に関連する公知の技術は多いとは言い難いが、例えば、出口端部のバンド側の部分に上流側に向けて凹となる湾曲部を設ける等の構造がこれまでに提案されている。

特開２００６−１５３０１１号公報

出口端部のバンド側の部分に上流側に向けて凹となる湾曲部を設ける上述の構造は通常の運転時には有効であるものの、出口端部のバンド側近傍において生じる突発的な衝撃に対する強度に関しては必ずしも有効であるとは言えないことを本件発明者は知見した。そのため、本件発明者は出口端部とバンドとの間の部分や出口端部のバンド側の部分に十分な強度を確保する手法を見出すべく鋭意研究を行った。

本発明が解決しようとする課題は、羽根の出口端部のバンド側の部分における損傷リスクを低減できるフランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車を提供することである。

一実施の形態にかかるフランシス型水車用ランナは、クラウン、バンド、及び前記クラウンと前記バンドとの間に設けられる羽根を備える。前記羽根は、入口端部と出口端部とを有するとともに、前記出口端部側で且つ前記バンド側の位置に前記出口端部から前記入口端部側に延びる切欠きを有する。そして前記切欠きとの境界に定められる前記出口端部の前記バンド側の端は、前記切欠きを介して前記バンドから離れるように形成される。

また、一実施の形態にかかるフランシス型水車は、前記のフランシス型水車用ランナを備える。

本発明によれば、羽根の出口端部のバンド側の部分における損傷リスクを低減できる。

第１の実施の形態にかかるフランシス水車の子午面における概略的な断面図である。 図１の矢印ＩＩの方向に見たフランシス水車のランナの図である。 図１に示すフランシス水車のランナの羽根の出口端部及びバンドを羽根の出口端部と向き合う位置から見た図である。 第２の実施の形態にかかるフランシス水車のランナの羽根出口端部周辺を示す図である。 第３の実施の形態にかかるフランシス水車のランナの羽根出口端部周辺を示す図である。 第４の実施の形態にかかるフランシス水車のランナの羽根出口端部周辺を示す図である。 第５の実施の形態にかかるフランシス水車のランナの羽根出口端部周辺を示す図である。 一般的なフランシス型水車用ランナの軸方向に沿う断面図である。

以下、添付の図面を参照して各実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態の構成部分のうちの図８を用いて説明したフランシス型水車用ランナの構成部分と同一のものには、同一の符号が付されている。

（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態にかかるフランシス型水車の一形態であるフランシス水車１の子午面における概略的な断面図である。なおフランシス型水車とは、本明細書においてフランシス水車又はフランシス型ポンプ水車のことを意味する。

図１に示すフランシス水車１は、クラウン１１、バンド１２、クラウン１１とバンド１２との間に設けられる複数の羽根１３を有するフランシス型水車用ランナ１０（以下、ランナ１０）を備える。図１においては、フランシス水車１の構成部材である水車主軸２と吸出し管３とが二点鎖線で示されている。

ランナ１０には図示しないケーシングからの水流が矢印Ａの方向に沿って進入し、ランナ１０はこの水流によって中心軸線Ｃを中心に回転する。以下の説明においては、単に軸方向と言う場合、その方向はランナ１０の中心軸線Ｃ上を延びる方向又は中心軸線Ｃに平行な方向を意味する。また、単に径方向と言う場合、その方向は、中心軸線Ｃに直交するいずれかの方向を意味する。また、周方向と言う場合、その方向は、中心軸線Ｃを中心とするランナ１０の回転方向に沿う方向を意味する。

クラウン１１は、ランナ１０の回転を水車主軸２に伝えるべく水車主軸２に結合される円盤状の部材であり、バンド１２は、クラウン１１から軸方向に離れて配置されクラウン１１と向き合う円盤状の部材である。正確には、バンド１２は中空の円盤状であり、また吸出し管３側（下流側）に向けて先細りとなる筒状をなすとも言える。複数の羽根１３は周方向に間隔を空けて円形状に並んでおり、各羽根１３は、径方向で外側に位置する入口端部１４と、径方向で内側に位置する出口端部１５とを有している。

図２は図１の矢印ＩＩの方向に見たランナ１０の図であり、羽根１３の出口端部１５のバンド１２側の周辺の領域Ｒの拡大図を併せて示している。本実施の形態における羽根１３は、その出口端部１５側で且つバンド１２側の位置に出口端部１５から入口端部１４側に延びる切欠き２０を有している。これにより、切欠き２０との境界に定められる出口端部１５のバンド１２側の端１５Ｅが、切欠き２０を介してバンド１２から離れるように形成される。ここで、出口端部１５はクラウン１１からバンド１２に向けて滑らかに連続する形状又は直線形状のことであり、本実施の形態では下流側に凸となる湾曲状である。そして本実施の形態における切欠き２０は、出口端部１５のバンド１２側の端１５Ｅから折れ曲がるように延びる部分のことを指す。

本実施の形態における切欠き２０は、バンド１２の羽根１３側の面１２Ｆに直接的に対向してバンド１２との間に空間を形成し、入口端部１４側に、上記バンド１２の面１２Ｆに次第に近づくように湾曲する湾曲部２０Ｒを有する。そして、湾曲部２０Ｒのバンド１２側の側端２０ＲＥが上記バンド１２の面１２Ｆに接続されている。

図示の湾曲部２０Ｒは、バンド１２の面１２Ｆ側に進むに従い入口端部１４側に近づく方向への傾きと、バンド１２の面１２Ｆ側に進むに従い出口端部１５側に近づく方向への傾きとの極値をとる点（以下、極値点）を有しており、当該極値点が切欠き２０の入口端部１４側の端（以下、底端２０Ｂ）を形成する。ただし、このような切欠き２０の形状は一例であり、例えば湾曲部２０Ｒは上記のような極値点を有さずに、入口端部１４側の底端２０Ｂと湾曲部２０Ｒのバンド１２側の側端２０ＲＥとが一致する形状であってもよい。

また図３は羽根１３の出口端部１５及びバンド１２を、出口端部１５と向き合う位置から見た図である。図２及び図３を併せて参照し、本実施の形態では切欠き２０の入口端部１４側の底端２０Ｂにおける羽根１３の厚さＴ１が、出口端部１５のバンド１２側の端１５Ｅにおける羽根１３の厚さＴ２よりも大きくなっている。

詳しくは図３に示すように、羽根１３はその圧力面１３Ｐのバンド１２側にバンド１２に向けて厚さを次第に増加させてバンド１２に結合する付け根厚肉部１６Ｐを有するとともに、その負圧面１３Ｎのバンド１２側にバンド１２に向けて厚さを次第に増加させてバンド１２に結合する付け根厚肉部１６Ｎを有する。付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎは入口端部１４から出口端部１５にかけて長尺に延び、入口端部１４側に近づくに従い及び出口端部１５側に近づくに従い厚さを漸減させるように形成されている。上記切欠き２０の底端２０Ｂは付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端よりもバンド１２側に位置しており、厚さＴ１は付け根厚肉部１６Ｐ、１６Ｎの表面間の厚さになることから、厚さＴ１は、出口端部１５の厚さＴ２よりも大きくなる。なお、厚さＴ１は厚さＴ２の３倍以上であることが好ましい。羽根１３は詳しくは、クラウン１１及びバンド１２間に設けられる板状の羽根本体部分と、羽根本体部分のバンド１２側に設けられる付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎとを有するものである。図３の破線部分は、付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎに覆われた羽根本体部分のバンド１２側の部分を示している。上記厚さＴ１は、底端２０Ｂを通り且つ羽根本体部分の厚さ方向に平行な直線が、付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎの表面と交差する２点の間の距離である。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

フランシス水車１では、水流が羽根１３の入口端部１４からクラウン１１とバンド１２との間の空間に進入し、羽根１３の圧力面に圧力エネルギーを付与することでランナ１０が回転する。このような運転の際、羽根１３には水流からの荷重により曲げモーメント等の負荷がかかり、また突発的な荷重による曲げモーメントが羽根１３にかかる場合もある。

ここで本実施の形態では、羽根１３が出口端部１５側で且つバンド１２側の位置に出口端部１５から入口端部１４側に延びる切欠き２０を有し、出口端部１５のバンド１２側の端１５Ｅが切欠き２０を介してバンド１２から離れるように形成される。これにより、切欠き２０の入口端部１４側の底端２０Ｂにおける羽根１３の厚さＴ１は、出口端部１５のバンド１２側の端１５Ｅにおける羽根１３の厚さＴ２よりも大きくなる。

そのため、上記曲げモーメントが生じた場合には、切欠き２０の入口端部１４側の底端２０Ｂの周辺部分に応力集中が生じ得るが、当該底端２０Ｂの周辺部分では厚さを大きく確保し得るため、曲げモーメントによる応力集中に耐え得る強度を確保し易くなる。すなわち、一般的な構成においては、出口端部の端とバンドとが結合されるが、このような構成よりも、本実施の形態の構成では曲げモーメント発生時の応力集中に耐え得る強度を確保し易くなる。

したがって、本実施の形態にかかるランナ１０によれば、羽根１３の出口端部１５のバンド１２側の部分における損傷リスクを低減できる。

また本実施の形態では、切欠き２０がバンド１２の羽根１３側の面１２Ｆに対向してバンド１２との間に空間を形成するとともに、切欠き２０は、入口端部１４側にバンド１２の羽根１３側の面に次第に近づくように湾曲する湾曲部２０Ｒを有する。そして湾曲部２０Ｒのバンド１２側の側端２０ＲＥがバンド１２に接続される。この場合、切欠き２０の形状がシンプルであるため、切欠き２０を有するランナ１０の生産性を向上できる。

また羽根１３は、圧力面１３Ｐ及び負圧面１３Ｎのそれぞれにおけるバンド１２側に、バンド１２に向けて厚さを次第に増加させてバンド１２に結合する付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎを有しており、切欠き２０の入口端部１４側の底端２０Ｂは付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端よりもバンド１２側に位置する。この場合、切欠き２０の入口端部１４側の底端２０Ｂの周辺部分の厚さＴ２を、切欠き２０の寸法を抑制しつつ大きく確保できるため、水流の乱れを抑制しつつ損傷リスクの低減効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について図４を参照しつつ説明する。第２の実施の形態における構成部分のうちの第１の実施の形態の構成部分と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図４は第２の実施の形態にかかるランナの羽根出口端部周辺を示す図である。本実施の形態における羽根１３は、第１の実施の形態と同様に、圧力面１３Ｐ及び負圧面１３Ｎのそれぞれにおけるバンド１２側にバンド１２に向けて厚さを次第に増加させてバンド１２に結合する付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎを有する。そして、切欠き２０の入口端部１４側の底端２０Ｂは付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端よりもバンド１２側に位置する。ただし、切欠き２０の全体的な形状は第１の実施の形態と異なっており、切欠き２０はＵ字状に形成されている。

このような第２の実施の形態によれば、切欠き２０の底端２０Ｂの周辺部分の広い範囲で応力を負担できるため、羽根１３に曲げモーメントが生じた際の応力集中を緩和し易くなる。

（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について図５を参照しつつ説明する。第３の実施の形態における構成部分のうちの第１及び第２の実施の形態の構成部分と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図５は第３の実施の形態にかかるランナの羽根出口端部周辺を示す図である。本実施の形態における切欠き２０は、バンド１２の羽根１３側の面１２Ｆに沿って出口端部１５から入口端部１４側に延びる延在部２０１と、延在部２０１の入口端部１４側の端からクラウン１１側に湾曲して延びた後、バンド１２側に湾曲して延びる円弧状の膨出部２０２と、を有する。

このような第３の実施の形態においても、切欠き２０の底端２０Ｂの周辺部分の広い範囲で応力を負担できるため、羽根１３に曲げモーメントが生じた際の応力集中を緩和し易くなる。

（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について図６を参照しつつ説明する。第４の実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第３の実施の形態の構成部分と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

本実施の形態における切欠き２０の形状は第１の実施の形態と同じである。一方で、図６に示すように切欠き２０の内側には翼面形成部材３０が設けられる。この翼面形成部材３０は、羽根１３、バンド１２、クラウン１１とは別体で形成されたものであり、これらとは構造強度上独立したものである。翼面形成部材３０は、出口端部１５と滑らかに連続してバンド１２に至る出口端部相補部３１を形成する。このような翼面形成部材３０を形成する材料は特に限られるものではないが、樹脂等を含む硬化型の充填材等でもよい。

このような第４の実施の形態では、水流の乱れを抑制しつつ、出口端部１５のバンド１２側周辺における損傷リスクを低減できる。なお、翼面形成部材３０は、第２又は第３の実施の形態において用いられてもよい。

（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態について図７を参照しつつ説明する。第５の実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第４の実施の形態の構成部分と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図７は第５の実施の形態にかかるランナの羽根出口端部周辺を示す図である。本実施の形態における切欠き２０は、第１の実施の形態と同様の湾曲部２０Ｒを有するが、湾曲部２０Ｒは第１の実施の形態で説明したような極値点を有さない。一方で、バンド１２の羽根１３側の面１２Ｆには湾曲状の凹部４０が形成される。そして、切欠き２０の湾曲部２０Ｒと凹部４０とが滑らかに連続した連続面を形成している。

このような第５の実施の形態においても、羽根１３に曲げモーメントが生じた際の応力集中を緩和し易くなる。

以上、各実施の形態を説明したが、上記の各実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、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。上述の実施の形態及びその他の変形は、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。

例えば上述の各実施の形態ではフランシス水車を説明したが、フランシス型ポンプ水車に上述の各実施の形態で説明した切欠き２０などが設けられてもよい。

また上述の第１の実施の形態では、羽根１３が付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎを有するが、これら付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎが羽根１３に形成されてなくもよい。この場合であっても、羽根１３の厚さは通常、出口端部１５側に向けて小さくなるため、切欠き２０の入口端部１４側の部分の厚さは通常、出口端部１５の厚さよりも大きくなる。したがって、この場合も、羽根１３の出口端部１５のバンド１２側の部分における損傷リスクを低減できる。

１…フランシス水車、２…水車主軸、３…吸出し管、１０…フランシス型水車用ランナ、１１…クラウン、１２…バンド、１２Ｆ…面、１３…羽根、１３Ｐ…圧力面、１３Ｎ…負圧面、１４…入口端部、１５…出口端部、１５Ｅ…端、１６Ｐ，Ｎ…付け根厚肉部、２０…切欠き、２０Ｂ…底端、２０Ｒ…湾曲部、２０ＲＥ…側端、３０…翼面形成部材、３１…出口端部相補部、４０…凹部

Claims (10)

1. クラウン、バンド、及び前記クラウンと前記バンドとの間に設けられる羽根を備え、
   前記羽根は、入口端部と出口端部とを有するとともに、前記出口端部側で且つ前記バンド側の位置に前記出口端部から前記入口端部側に延びる切欠きを有し、
   前記切欠きとの境界に定められる前記出口端部の前記バンド側の端が、前記切欠きを介して前記バンドから離れるように形成される、フランシス型水車用ランナ。
2. 前記切欠きの前記入口端部側の端における前記羽根の厚さは、前記出口端部の前記バンド側の端における前記羽根の厚さよりも大きい、請求項１に記載のフランシス型水車用ランナ。
3. 前記切欠きの前記入口端部側の端における前記羽根の厚さは、前記出口端部の前記バンド側の端における前記羽根の厚さの３倍以上である、請求項２に記載のフランシス型水車用ランナ。
4. 前記出口端部は、前記クラウンから前記バンドに向けて滑らかに連続する形状又は直線形状であり、
   前記切欠きは、前記出口端部の前記バンド側の端から折れ曲がるように延びる、請求項１乃至３のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナ。
5. 前記羽根は、圧力面及び負圧面のそれぞれにおける前記バンド側に、前記バンドに向けて厚さを次第に増加させて前記バンドに結合する付け根厚肉部を有しており、
   前記切欠きの前記入口端部側の端は、前記付け根厚肉部の前記クラウン側の端よりも前記バンド側に位置する、請求項１乃至４のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナ。
6. 前記切欠きは、前記バンドの前記羽根側の面に対向して前記バンドとの間に空間を形成し、前記入口端部側に、前記バンドの前記羽根側の面に次第に近づくように湾曲する湾曲部を有し、
   前記湾曲部の前記バンド側の端が前記バンドに接続される、請求項１乃至５のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナ。
7. 前記切欠きは、前記バンドの前記羽根側の面に沿って前記入口端部側に延びる延在部と、前記延在部の前記入口端部側の端から前記クラウン側に湾曲して延びた後、前記バンド側に湾曲して延びる円弧状の膨出部と、を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナ。
8. 前記切欠きは、前記バンドの前記羽根側の面に対向して前記バンドとの間に空間を形成し、前記入口端部側に、前記バンドの前記羽根側の面に次第に近づくように湾曲する湾曲部を有し、
   前記バンドの前記羽根側の面には、湾曲状の凹部が形成され、
   前記切欠きの前記湾曲部と前記凹部は、滑らかに連続した連続面を形成する、請求項１乃至５のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナ。
9. 前記切欠きの内側に翼面形成部材が設けられ、
   前記翼面形成部材は、前記出口端部と滑らかに連続して前記バンドに至る出口端部相補部を形成する、請求項１乃至８のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナを備える、フランシス型水車。

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