JP4846139B2 - 水力機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランナの周方向に配置する長翼の間に短翼を配置する水力機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水力機械、例えばフランシス形ポンプ水車は、図１２に示すように、ランナ１に、その周方向に向って等間隔にランナベーン２を配置している。
【０００３】
このようなランナベーン２の配置に対し、最近では、流れの整流効果による水車部分負荷特性の改善およびポンプ流れにおける滑りの減少に伴うポンプ特性の改善を目的として、例えば図１３に示すように、長翼３と短翼４を周方向に交互に配置する、いわゆる中間翼付ランナ５が提案されている。
【０００４】
また、この種のランナには、例えば特開昭６０−５０２７４号公報が知られている。このランナは、等角度間隔の内周側ランナベーンの外周側に、内周側ランナベーンの整数倍となっている外周側ランナベーンを持つ構造になっている。
【０００５】
また、この種と同じ別のランナには、例えば特開昭５７−１２６５６６号公報が知られている。このランナは、ランナクラウンとランナバンドとの間の入口側流路に複数枚のランナベーンを円周方向に予め定められたピッチで配置し、ランナベーンの翼長よりも短く、かつランナベーンとほぼ平行な１枚以上の中間ベーンを配置したものである。
【０００６】
このようなランナでは、従来のベーン枚数の少ないランナにおける入口側の３次元的な水流の乱れを抑制することができ、また、ベーン１枚当たりの翼負荷を少なくさせるとともに、整流効果を向上させて翼負圧面の圧力低下を防ぎ、動力水から動力への変換効率およびキャビテーション性能向上を図ることができるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１３に示した長翼３と短翼４を交互に配置する中間翼付ランナ５は、短翼４が長翼３に対して翼長が短いことを除けば長翼３とほぼ同じ形状であると考えられる。このため、図１４に示すように、長翼３と短翼４では翼長が異なり、翼面まわりの循環の強さΓａ，Γｂも異なる。すなわち、長翼３と短翼４では、作用面の圧力と反作用面の圧力との差によって決定される翼負荷が異なるため、翼面周りに生じる渦度分布が異なる。したがって、ランナへ流入する水流Ｗの流れが同一であっても、翼近傍の局所的な水流Ｗ１，Ｗ２の翼への流入角度αａ，αｂは長翼３と短翼４によって当然異なる。特に、短翼では翼長が短いために作用面に十分な圧力が作用しないことが考えられ、これによって循環Γｂが弱くなるために短翼４の入口近傍での局所的な水流Ｗ２の流入角度αｂが長翼３の入口近傍での局所的な水流Ｗ１の流入角度αａよりも小さくなることが考えられる。そして翼への流入角度が小さい場合、作用面側の翼入口近傍でキャビテーションＣＡＶが発生し易くなり、これが著しい場合、翼入口で大きな流れの剥離が生じ、性能低下の原因にもなりうる。
【０００８】
図１５は従来の中間翼付きランナ５をランナ出口下方側から鉛直上向きに見たものである。なお、以下で単に「ランナ入口」もしくは「ランナ出口」等と記すときは水車運転時の入口、出口をそれぞれ示すものとする。すなわち、「ランナ入口側」、「ランナ出口側」はポンプ運転時にはそれぞれ水流の出口側、入口側となる。中間翼付きランナ５の短翼４のクラウン６側とバンド７側を繋ぐ出口縁辺８ａは、長翼３の出口縁辺８ｂと同様に、内周側から外周側に中間翼付きランナ５の回転中心となる回転軸９の中心Ｏから放射状に延びている。このため、短翼４の翼長は、クラウン６側からバンド７側にかけて長翼３に対して一律短くなっている。つまり、長翼３と短翼４のそれぞれの出口縁辺８ａ，８ｂの延長線は図１５における中心Ｏで角度θをもって交わるように構成されており、換言すれば、中間翼付ランナ５の回転軸に垂直な投影面上では、中間翼付きランナ５の回転中心と長翼３、短翼４出口のクラウン６側端部とを結んだ直線上にそれぞれの翼の出口縁辺８ａ，８ｂが配置されている。この場合、長翼３の翼長に対する短翼４の翼長の比は、クラウン６側よりもバンド７側の方が小さくなる。短翼４の翼長は、相対的にクラウン６側よりもバンド７側で短くなり、このことによって水車運転時には、特にバンド７側では図１４で示した短翼入口部でのキャビテーションＣＡＶが発生しやすくなる。またポンプ運転時には、短翼４の翼長が相対的に短いために長翼３のバンド７側でかなりの負荷がかかる。
【０００９】
また、従来、フランシス形ポンプ水車ランナは、強度面、製作面およびコストの観点から、その翼厚は入口側から出口側まで等肉厚になっている。これに合わせて中間翼付ランナ５の短翼４も長翼３と同じ等肉厚構造になっていることもある。通常のランナよりも翼の枚数が多くなる中間翼付ランナ５では、翼枚数の増加や等翼肉厚構造に伴って翼間流路が狭くなる。翼間流路が狭くなると、最高効率点よりも過負荷側で運転を行う際には水の流速が大きくなることによって摩擦増加等によって効率が低下する、いわゆる水車過負荷側特性の低下が起き、また流路の狭まりにより製作面・保守点検面で、その作業性に種々不都合・不具合を来している。
【００１０】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、ランナの運転中に発生するキャビテーションを抑制するとともに、製作面および保守点検面でもその作業の容易化を図る水力機械を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る水力機械は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、周方向に沿って長翼と短翼を交互に配置する中間翼付ランナを備えた水力機械において、前記短翼の出口縁辺は、該出口縁辺とバンドとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る短翼低部側仮想線が該出口縁辺とクラウンとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る短翼頂部側仮想線よりも前記中間翼付ランナの回転軸に垂直な投影面上で前記短翼の出口側になるように設けてなり、前記長翼のクラウン側とバンド側をつなぐ出口縁辺は、内周側から外周側に前記中間翼付ランナの回転中心から放射状に延びているものである。
【００１２】
本発明に係る水力機械は、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、周方向に沿って長翼と短翼を交互に配置する中間翼付ランナを備えた水力機械において、前記長翼の出口縁辺は、該出口縁辺とバンドとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る長翼低部側仮想線が該出口縁辺とクラウンとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る長翼頂部側仮想線よりも前記中間翼付ランナの回転軸に垂直な投影面上で前記長翼の出口側になるように設けてなり、前記短翼のクラウン側とバンド側をつなぐ出口縁辺は、内周側から外周側に前記中間翼付ランナの回転中心から放射状に延びているものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水力機械の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００１６】
図１および図２は、フランシス形ポンプ水車を一例に採った本発明に係る水力機械の第１実施形態を示す概略図である。なお、図１は、本発明に係る水力機械における中間翼付ランナを示す概略半分子午断面部分図である。また、図２は、図１のＡ矢視方向から見た一部切欠部分図である。
【００１７】
本実施形態に係る水力機械、例えばフランシス形ポンプ水車は、両端をクラウン１０とバンド１１で支持させ、その周方向に向って長翼１２と短翼１３を交互に配置した中間翼付ランナ１４になっている。
【００１８】
この中間翼付ランナ１４は、短翼１３における出口縁辺１５のバンド１１側およびクラウン１０側のそれぞれの交点を１６，１７としたとき、バンド１１側の交点１６の位置が短翼１３の出口側に移動されており、バンド１１側の交点１６と回転軸（主軸）１８の中心Ｏとを結ぶ短翼低部側仮想線２０がクラウン１０側の交点１７と回転軸１８の中心Ｏとを結ぶ短翼頂部側仮想線１９よりも、回転軸に垂直な投影面上で角度θａだけ短翼１３の出口側になるように構成されている。
【００１９】
すなわち、本実施形態では図２に示すように、この中間翼付ランナ１４をランナ出口下方側から鉛直上向きに見た場合、短翼１３の出口縁辺１５は、ランナ１４の中心から放射状に配置されておらず、出口縁辺１５の延長線が回転軸１８の中心Ｏを通らないようになっている。そして、この出口縁辺１５はそのクラウン１０側の端部となる交点１７側よりも、バンド１１側の端部となる交点１６側が短翼１３の出口側に張り出した形状となっており、図１５に示した従来の中間翼付ランナ５と比較して、短翼１３のバンド１１側が長くなっている。
【００２０】
図３は、図１５に示す従来の中間翼付ランナ５の短翼４と長翼３について、その水車運転時のバンド７側での翼回りの圧力分布を示すグラフである。なお、図中、破線は短翼４の圧力分布を、また、実線は長翼３の圧力分布を、それぞれ示している。ここで、短翼４、長翼３に対して、上側にある線がそれぞれ作用面（すなわち、正圧面）の圧力分布を示しており、下側の線が反作用面（負圧面）の圧力分布を示している。そして、この作用面と反作用面の圧力差を各翼の入口側から出口側にかけて積分したものがこの位置（バンド７側）における短翼、長翼それぞれの翼負荷を示していることになる。
【００２１】
図３によれば、図１５に示す従来の中間翼付ランナ５を水車運転した場合、バンド７側では、その入口側で長翼３と短翼４の圧力差が著しく異なる。また、短翼４の入口部では、作用面の圧力が反作用面の圧力を下回っており、有効な負荷を受けていないことがわかる。特に、入口部の作用面側に低圧部が存在するため、水車の運転状態の変動によって短翼４の作用面の入口部にキャビテーションが発生することも考えられ、短翼４のキャビテーション性能が低下していることがわかる。
【００２２】
一方、図４は図１および図２に示した本実施形態の中間翼付ランナ１４について、図３と同様にその長翼１２と短翼１３の水車運転時のバンド１１側での翼回りの圧力分布を示すグラフである。ここで、図４においても、図３と同様に、実線が長翼１２の圧力分布を示し、破線が短翼１３の圧力分布を示している。
【００２３】
図４と図３とを比較すると、図４では、短翼１３の入口側で作用面と反作用面の圧力差が大きくなり、長翼１２のそれとほぼ同様になっていることがわかる。また、バンド１１側で短翼１３の長さが延びたことによって翼負荷が増し、逆に長翼１２の翼負荷は低減されており、長翼１２、短翼１３ともほぼ等しい翼負荷で有効に仕事をしていることがわかる。さらに、長翼１２の翼負荷が低減されていることから、高揚程側（小流量）でのポンプ運転時に長翼１２の出口側（つまり、ポンプ運転時の水流の入口側）でのキャビテーション性能を改善することもできる。
【００２４】
また、短翼１３が出口側に延長されて、短翼１３の負荷が増したことで、短翼１３の入口側で作用面の圧力が反作用面の圧力を下回るような現象は起こらなくなっている。これは、短翼１３の負荷が増したことで短翼１３周りの循環が強くなり入口側で水が十分な角度で流入するようになっているためと考えられ、これによって短翼１３のキャビテーション特性が良好になっている。
【００２５】
図５は、図１５に示した従来の中間翼付ランナ５と図２に示した本実施形態に係る中間翼付ランナ１４とについて、水車運転時の落差と水車出力による運転範囲を対比して示した図である。ここで、これらの水車においては、落差ＨｔｍｉｎからＨｔｍａｘの間で、その際の最高出力がＰｔｍａｘ以下となるように運転されるものであり、実線および破線で示された曲線は、本実施形態の中間翼付ランナ１４を用いた水車と、図１５として示した従来の中間翼付ランナ５を用いた水車のキャビテーション発生限界をそれぞれ表しており、これらの線で囲まれた範囲で水車の運転ができることを表している。つまり、図５より明らかなように、本実施形態の中間翼付ランナ１４を用いた水車では、運転可能な全ての落差に対してキャビテーション発生限界がより低出力側となっており、運転範囲がより広まっていることが判る。すなわち上述したように、本実施形態を用いると低出力の運転であっても十分な翼負荷を中間翼付ランナ１４の短翼１３に与えるため、十分な強さの翼回りの循環を得ることができ、翼入口での短翼１３への水の局所的な流入角度を大きく取ることができるので、キャビテーションを発生させずに短翼１３に有効な仕事をさせることができる。
【００２６】
さらに、中間翼付ランナ１４全体として、従来の中間翼付ランナとその翼負荷を同一にするならば、翼負荷のバランスを考えると短翼１２のクラウン１０側を従来の中間翼付ランナよりも短くすることもでき、製作面・保守点検面での作業性を向上させることができる。
【００２７】
なお、図２に示した本実施形態に係る中間翼付ランナ１４では、短翼１３の出口縁辺１５をバンド１１側からクラウン１０側に亘って直線にしているが、滑らかな曲線にしてもよい。短翼１３の出口縁辺１５を滑らかな曲線にし、さらにθａの角度を調整すると、短翼１３の翼負荷を微調整ができ、キャビテーション性能などを最適に設定することができる。また、このようにすると、長翼１２と短翼１３とで形成される流路幅がバンド１１側からクラウン１０側に亘って微調整できるので、水車運転時の中間翼付ランナ１４の出口流れを均一化できる利点がある。
【００２８】
このように、本実施形態は、短翼１３の出口縁辺１５のクラウン１０側の交点１７と回転軸１８の中心Ｏを結ぶ短翼頂部側仮想線１９に対して、短翼１３の出口縁辺１５のバンド１１側の交点１６と回転軸１８の中心Ｏを結ぶ短翼低部側仮想線２０が、ランナの回転軸に垂直な投影面上で角度θａだけ短翼１３の出口側に張り出すように短翼１３の出口縁辺１５を設けているので、キャビテーション性能を向上させ、長翼１２と短翼１３の負荷の均一化を図ることができる。また、このような構成とすることで、長翼１２と短翼１３の間の流路幅を微調整できるので、保守点検等の作業を容易にすることも可能となる。
【００２９】
図６は、フランシス形ポンプ水車を一例に採った本発明に係る水力機械の第２実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。
【００３０】
本実施形態に係る水力機械、例えばフランシス形ポンプ水車の中間翼付ランナ１４は、長翼１２における出口縁辺２１のバンド１１側およびクラウン１０側のそれぞれの交点２２，２３としたとき、バンド１１側の交点２３の位置が長翼１２の出口側に移動されており、バンド１１側の交点２２と回転軸（主軸）１８の中心Ｏとを結ぶ長翼低部側仮想線２４が、クラウン１０側の交点２３と回転軸１８の中心Ｏとを結ぶ長翼頂部側仮想線２５よりも、回転軸に垂直な投影面上で角度θｂだけ長翼１２の出口側になるように構成されている。
【００３１】
すなわち、本実施形態では図６に示すように、この中間翼付ランナ１４をランナ出口下方がわから鉛直上向きに見た場合、長翼１２の出口縁辺２１は、ランナ１４の中心から放射状には配置されておらず、出口縁辺２１の延長線が回転軸１８の中心Ｏを通らないようになっている。そして、この出口縁辺２１はそのクラウン１０側の端部となる交点２３側よりも、バンド１１側の端部となる交点２２側が長翼１２の出口側に張り出した形状となっており、図１５に示した従来の中間翼付ランナ５と比較して、長翼１２のバンド１１側が長くなっている。
【００３２】
図７は、図１５に示す従来の中間翼付ランナ５の長翼３と本実施形態の中間翼付ランナ１４の長翼１２と短翼１３について、ポンプ運転時のバンド７側での翼回りの圧力分布を示すグラフである。なお、図中、実線は本実施形態を適用した長翼１２の圧力分布を、破線は短翼１３の圧力分布を示し、一点鎖線は図１５に示す従来の中間翼付ランナ５の長翼３の圧力分布を示している。ここで、本図においても図３および図４と同様に、各翼の圧力分布に対して、上側にある線が作用面（正圧面）の圧力分布を示し、下側にある線が反作用面（負圧面）の圧力分布を示しており、作用面と反作用面の圧力差を入口側から出口側まで積分したものがこの位置（バンド１１側）における翼負荷を示していることになる。
【００３３】
図７に示したように、本実施形態の長翼１２では、従来の長翼よりもバンド１１側の翼長が出口側（ポンプ運転時の水流の入口側）に延長されているために、出口部（ポンプ運転時の水流の入口部）での翼負荷を従来の長翼よりも低減できることがわかる。そしてこのことによって、高揚程でのポンプ運転特性を向上させることができ、ポンプ運転時の逆流限界を小流量側に移行させて運転の安定化を図ることができる。
【００３４】
図８は、フランシス形ポンプ水車を例に採った本発明に係る水力機械の第３の実施形態を示す一部切欠部分断面図である。
【００３５】
本実施形態に係る中間翼付ランナ１４は、短翼１３の翼厚みＴｂが最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置を短翼１３の入口ＩＮから出口ＥＸまでの翼長Ｌの半分Ｌ／２よりも入口ＩＮ側に設定したものである。そして、短翼１３は最大翼厚Ｔｂｍａｘの位置から入口ＩＮ側、出口ＥＸ側に滑らかにその翼厚みＴｂが減少するように構成されている。ここで、最大翼厚Ｔｂｍａｘの位置から入口ＩＮ側にかけては、翼厚みＴｂを最大翼厚Ｔｂｍａｘのままとすることもできる。
【００３６】
長翼１２、および短翼１３の厚みは、それぞれ作用面と反作用面の圧力差で決まる翼負荷によって受ける力に耐えられるように決定されるが、短翼１３に作用する翼負荷は長翼１２のそれよりも小さくなるため、短翼１３の翼厚みＴｂを長翼１２の翼厚みと同一にしなくてもよい場合が多い。そして、このとき、本実施形態のような構成とすることで、短翼１３の出口ＥＸ側において、長翼１２と短翼１３とで形成される翼間流路２６の幅を広く取ることができる。
【００３７】
一般に、流路による摩擦損失はその流路を流れる水の流速の２乗に比例することが知られており、本実施形態によって翼間流路２６の幅を広く取ると翼間流路２６での水の流速が小さくなり、翼間流路２６での摩擦損失を低減することができるので、効率を向上させることができる。
【００３８】
このように、本実施形態は、中間翼付ランナ１４の短翼１３の翼厚Ｔｂが最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置を、短翼１３の入口ＩＮから出口ＥＸまでの翼長Ｌの半分Ｌ／２よりも入口ＩＮ側に設定するので、長翼１２と短翼１３とで形成される翼間流路２６の幅を広くすることができ、翼間流路２６での摩擦損失を低減させることができる。
【００３９】
図９は、フランシス形ポンプ水車を一例に採った本発明に係る水力機械の第４の実施形態を示す一部切欠部分断面図である。
【００４０】
本実施形態に係る中間翼付ランナ１４は、短翼１３と短翼１３の作用面側（正圧面側）に隣り合う長翼１２とが翼長方向に重なり合うＡからＢまでの重なり間Ａ−Ｂにおいて、短翼１３の翼厚みＴｂを長翼１２の翼厚みＴａよりも小さくなるようにしたものである。この場合、さらに短翼１３の出口ＥＸ側に向かってはその翼厚Ｔｂを漸次小さくするとよい。
【００４１】
このように、本実施形態は、長翼１２と短翼１３との翼長方向の重なり間Ａ−Ｂで短翼１３の翼厚みＴｂを長翼１２の厚みＴａよりも小さくして翼間流路２６の幅を広げるので、翼間流路２６での摩擦損失を低減させることができる。さらに翼間流路２６の拡大により中間翼付ランナ１４の製作時や保守点検時の作業性も向上する。
【００４２】
第３の実施形態および第４の実施形態では、短翼１３の翼厚みＴｂが最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置から短翼１３の出口ＥＸにかけて漸次小さくなるように構成しているが、短翼１３の翼厚みＴｂの大きさは次のようするとよい。
【００４３】
図１０は本発明に係る水力機械の第３の実施形態もしくは第４の実施形態における中間翼付ランナ１４の水車運転時の中央流線上での翼面圧力分布を示す線図である。また、図１１はこの中間翼付ランナ１４の中央流線上の長翼１２と短翼１３の翼厚みを説明するために用いた一部切欠部分断面図である。
【００４４】
図１０および図１１に示したように、長翼１２の入口ＩＮ側から距離Ｌだけ離れた位置における作用面（正圧面）と反作用面（負圧面）との圧力差ΔＰａと、短翼１３の入口ＩＮ側から同様に距離Ｌだけ離れた位置における同様な圧力差ΔＰｂとを比較すると、どの位置においても短翼１３の圧力差ΔＰｂが長翼１２の圧力差ΔＰａよりも小さいことがわかる。すなわち、各位置において短翼１３に作用する力は同じ位置で長翼１２に作用する力より小さくなるため、この圧力差ΔＰａ，ΔＰｂと長翼１２の翼厚みＴａに基づいて短翼１３の翼厚みＴｂとの間にはある関係が存在する。すなわち、この場合、短翼１３の翼厚みＴｂが例えば次式を満たすとよい。
【００４５】
【数１】
Ｔｂ≧α×（ΔＰｂ／ΔＰａ）×Ｔａ …（１）
ここで、αは落差や応力等の強度面から決定される係数である。
【００４６】
このようにすると、短翼１３の翼厚みＴｂが、その翼負荷ΔＰｂに基づいて最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置から短翼１３の出口ＥＸにかけて漸次小さくなるような形状となる。
【００４７】
ここで、（１）式を用いて積極的に翼厚みＴｂを決定するのであれば、圧力差ΔＰａ，ΔＰｂについては、ある形状の長翼１２、短翼１３についての値を用い、このときの短翼１３の形状から（１）式を用いて翼厚みＴｂを修正するなどとすれば、よりよい短翼１３の形状を得ることが可能になる。このようにして翼厚みＴｂを積極的に決定しようとする場合、翼厚みＴｂを修正することによって圧力差ΔＰｂ，ΔＰａも多少変化するが、電子計算機を用いた数値シミュレーションによって圧力差ΔＰａ，ΔＰｂを求め、これから得られた翼厚みＴｂを用いて再度圧力差ΔＰａ，ΔＰｂを算出するなどして反復計算を行い、翼厚みＴｂを決定すれば最適な翼形状を得ることも可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る水力機械は、中間翼付ランナの長翼と短翼との翼幅を長くすることにより、長翼と短翼との翼負荷の差を少なくさせることができ、短翼の水車入口キャビテーションと流れの剥離を抑制する一方、長翼のポンプ高揚程運転時、逆流限界を小流量側に移行させて安定運転を維持することができる。
【００４９】
また、本発明に係る水力機械は、中間翼付ランナの長翼と短翼との流路幅を拡げることにより、水力効率をより一層向上させることができ、さらに製作面・保守点検面でその作業性を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る水力機械における中間翼付ランナを示す概略半分子午断面部分図。
【図２】 図１のＡ矢視方向から見た一部切欠部分図。
【図３】 従来の中間翼付ランナの長翼および短翼のそれぞれの作用面および反作用面に加わる圧力分布線図。
【図４】 本発明に係る水力機械における中間翼付ランナの長翼および短翼のそれぞれの作用面および反作用面に加わる圧力分布線図。
【図５】 従来の中間翼付ランナと本発明に係る中間翼付ランナとの各入口におけるキャビテーション特性を対比させた線図。
【図６】 本発明に係る水力機械の第２実施形態を示す概略図。
【図７】 従来の中間翼付ランナの長翼の作用面および反作用面に加わる圧力分布と、本発明に係る中間翼付ランナの長翼の作用面および反作用面に加わる圧力分布とを対比させた線図。
【図８】 本発明に係る水力機械の第３実施形態を示す一部切欠部分断面図。
【図９】 本発明に係る水力機械の第４実施形態を示す一部切欠部分断面図。
【図１０】 本発明に係る水力機械の第５実施形態において、中間翼付ランナの水車運転時、中央流線上の翼面圧力分布を示す線図。
【図１１】 本発明に係る水力機械の第５実施形態において、中間翼付ランナの中央流線上の長翼と短翼の翼厚みを説明するために用いた一部切欠部分断面図。
【図１２】 従来の中間翼無しランナを示す概略図。
【図１３】 従来の中間翼付ランナを示す概略図。
【図１４】 従来の中間翼付ランナの入口付近における水流の流れを説明するために用いた図。
【図１５】 従来の中間翼付ランナをランナ出口下方側から鉛直上向きに見た図。
【符号の説明】
１ ランナ
２ ランナベーン
３ 長翼
４ 短翼
５ 中間翼付ランナ
６ クラウン
７ バンド
８ａ，８ｂ 出口縁辺
９ 回転軸
１０ クラウン
１１ バンド
１２ 長翼
１３ 短翼
１４ 中間翼付ランナ
１５ 出口縁辺
１６，１７ 交点
１８ 回転軸
１９ 短翼低部側仮想線
２０ 長翼低部側仮想線
２１ 出口縁辺
２２，２３ 交点
２４ 長翼頂部側仮想線
２５ 短翼頂部側仮想線
２６ 流路
２７，２７ａ，２７ｂ 作用面
２８，２８ａ，２８ｂ 反作用面
２９ 入口
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランナの周方向に配置する長翼の間に短翼を配置する水力機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水力機械、例えばフランシス形ポンプ水車は、図１２に示すように、ランナ１に、その周方向に向って等間隔にランナベーン２を配置している。
【０００３】
このようなランナベーン２の配置に対し、最近では、流れの整流効果による水車部分負荷特性の改善およびポンプ流れにおける滑りの減少に伴うポンプ特性の改善を目的として、例えば図１３に示すように、長翼３と短翼４を周方向に交互に配置する、いわゆる中間翼付ランナ５が提案されている。
【０００４】
また、この種のランナには、例えば特開昭６０−５０２７４号公報が知られている。このランナは、等角度間隔の内周側ランナベーンの外周側に、内周側ランナベーンの整数倍となっている外周側ランナベーンを持つ構造になっている。
【０００５】
また、この種と同じ別のランナには、例えば特開昭５７−１２６５６６号公報が知られている。このランナは、ランナクラウンとランナバンドとの間の入口側流路に複数枚のランナベーンを円周方向に予め定められたピッチで配置し、ランナベーンの翼長よりも短く、かつランナベーンとほぼ平行な１枚以上の中間ベーンを配置したものである。
【０００６】
このようなランナでは、従来のベーン枚数の少ないランナにおける入口側の３次元的な水流の乱れを抑制することができ、また、ベーン１枚当たりの翼負荷を少なくさせるとともに、整流効果を向上させて翼負圧面の圧力低下を防ぎ、動力水から動力への変換効率およびキャビテーション性能向上を図ることができるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１３に示した長翼３と短翼４を交互に配置する中間翼付ランナ５は、短翼４が長翼３に対して翼長が短いことを除けば長翼３とほぼ同じ形状であると考えられる。このため、図１４に示すように、長翼３と短翼４では翼長が異なり、翼面まわりの循環の強さΓａ，Γｂも異なる。すなわち、長翼３と短翼４では、作用面の圧力と反作用面の圧力との差によって決定される翼負荷が異なるため、翼面周りに生じる渦度分布が異なる。したがって、ランナへ流入する水流Ｗの流れが同一であっても、翼近傍の局所的な水流Ｗ１，Ｗ２の翼への流入角度αａ，αｂは長翼３と短翼４によって当然異なる。特に、短翼では翼長が短いために作用面に十分な圧力が作用しないことが考えられ、これによって循環Γｂが弱くなるために短翼４の入口近傍での局所的な水流Ｗ２の流入角度αｂが長翼３の入口近傍での局所的な水流Ｗ１の流入角度αａよりも小さくなることが考えられる。そして翼への流入角度が小さい場合、作用面側の翼入口近傍でキャビテーションＣＡＶが発生し易くなり、これが著しい場合、翼入口で大きな流れの剥離が生じ、性能低下の原因にもなりうる。
【０００８】
図１５は従来の中間翼付きランナ５をランナ出口下方側から鉛直上向きに見たものである。なお、以下で単に「ランナ入口」もしくは「ランナ出口」等と記すときは水車運転時の入口、出口をそれぞれ示すものとする。すなわち、「ランナ入口側」、「ランナ出口側」はポンプ運転時にはそれぞれ水流の出口側、入口側となる。中間翼付きランナ５の短翼４のクラウン６側とバンド７側を繋ぐ出口縁辺８ａは、長翼３の出口縁辺８ｂと同様に、内周側から外周側に中間翼付きランナ５の回転中心となる回転軸９の中心Ｏから放射状に延びている。このため、短翼４の翼長は、クラウン６側からバンド７側にかけて長翼３に対して一律短くなっている。つまり、長翼３と短翼４のそれぞれの出口縁辺８ａ，８ｂの延長線は図１５における中心Ｏで角度θをもって交わるように構成されており、換言すれば、中間翼付ランナ５の回転軸に垂直な投影面上では、中間翼付きランナ５の回転中心と長翼３、短翼４出口のクラウン６側端部とを結んだ直線上にそれぞれの翼の出口縁辺８ａ，８ｂが配置されている。この場合、長翼３の翼長に対する短翼４の翼長の比は、クラウン６側よりもバンド７側の方が小さくなる。短翼４の翼長は、相対的にクラウン６側よりもバンド７側で短くなり、このことによって水車運転時には、特にバンド７側では図１４で示した短翼入口部でのキャビテーションＣＡＶが発生しやすくなる。またポンプ運転時には、短翼４の翼長が相対的に短いために長翼３のバンド７側でかなりの負荷がかかる。
【０００９】
また、従来、フランシス形ポンプ水車ランナは、強度面、製作面およびコストの観点から、その翼厚は入口側から出口側まで等肉厚になっている。これに合わせて中間翼付ランナ５の短翼４も長翼３と同じ等肉厚構造になっていることもある。通常のランナよりも翼の枚数が多くなる中間翼付ランナ５では、翼枚数の増加や等翼肉厚構造に伴って翼間流路が狭くなる。翼間流路が狭くなると、最高効率点よりも過負荷側で運転を行う際には水の流速が大きくなることによって摩擦増加等によって効率が低下する、いわゆる水車過負荷側特性の低下が起き、また流路の狭まりにより製作面・保守点検面で、その作業性に種々不都合・不具合を来している。
【００１０】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、ランナの運転中に発生するキャビテーションを抑制するとともに、製作面および保守点検面でもその作業の容易化を図る水力機械を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る水力機械は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、周方向に沿って長翼と短翼を交互に配置する中間翼付ランナを備えた水力機械において、前記短翼の出口縁辺は、該出口縁辺とバンドとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る短翼低部側仮想線が該出口縁辺とクラウンとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る短翼頂部側仮想線よりも前記中間翼付ランナの回転軸に垂直な投影面上で前記短翼の出口側になるように設けてなり、前記長翼のクラウン側とバンド側をつなぐ出口縁辺は、内周側から外周側に前記中間翼付ランナの回転中心から放射状に延びているものである。
【００１２】
本発明に係る水力機械は、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、周方向に沿って長翼と短翼を交互に配置する中間翼付ランナを備えた水力機械において、前記長翼の出口縁辺は、該出口縁辺とバンドとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る長翼低部側仮想線が該出口縁辺とクラウンとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る長翼頂部側仮想線よりも前記中間翼付ランナの回転軸に垂直な投影面上で前記長翼の出口側になるように設けてなり、前記短翼のクラウン側とバンド側をつなぐ出口縁辺は、内周側から外周側に前記中間翼付ランナの回転中心から放射状に延びているものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水力機械の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００１６】
図１および図２は、フランシス形ポンプ水車を一例に採った本発明に係る水力機械の第１実施形態を示す概略図である。なお、図１は、本発明に係る水力機械における中間翼付ランナを示す概略半分子午断面部分図である。また、図２は、図１のＡ矢視方向から見た一部切欠部分図である。
【００１７】
本実施形態に係る水力機械、例えばフランシス形ポンプ水車は、両端をクラウン１０とバンド１１で支持させ、その周方向に向って長翼１２と短翼１３を交互に配置した中間翼付ランナ１４になっている。
【００１８】
この中間翼付ランナ１４は、短翼１３における出口縁辺１５のバンド１１側およびクラウン１０側のそれぞれの交点を１６，１７としたとき、バンド１１側の交点１６の位置が短翼１３の出口側に移動されており、バンド１１側の交点１６と回転軸（主軸）１８の中心Ｏとを結ぶ短翼低部側仮想線２０がクラウン１０側の交点１７と回転軸１８の中心Ｏとを結ぶ短翼頂部側仮想線１９よりも、回転軸に垂直な投影面上で角度θａだけ短翼１３の出口側になるように構成されている。
【００１９】
すなわち、本実施形態では図２に示すように、この中間翼付ランナ１４をランナ出口下方側から鉛直上向きに見た場合、短翼１３の出口縁辺１５は、ランナ１４の中心から放射状に配置されておらず、出口縁辺１５の延長線が回転軸１８の中心Ｏを通らないようになっている。そして、この出口縁辺１５はそのクラウン１０側の端部となる交点１７側よりも、バンド１１側の端部となる交点１６側が短翼１３の出口側に張り出した形状となっており、図１５に示した従来の中間翼付ランナ５と比較して、短翼１３のバンド１１側が長くなっている。
【００２０】
図３は、図１５に示す従来の中間翼付ランナ５の短翼４と長翼３について、その水車運転時のバンド７側での翼回りの圧力分布を示すグラフである。なお、図中、破線は短翼４の圧力分布を、また、実線は長翼３の圧力分布を、それぞれ示している。ここで、短翼４、長翼３に対して、上側にある線がそれぞれ作用面（すなわち、正圧面）の圧力分布を示しており、下側の線が反作用面（負圧面）の圧力分布を示している。そして、この作用面と反作用面の圧力差を各翼の入口側から出口側にかけて積分したものがこの位置（バンド７側）における短翼、長翼それぞれの翼負荷を示していることになる。
【００２１】
図３によれば、図１５に示す従来の中間翼付ランナ５を水車運転した場合、バンド７側では、その入口側で長翼３と短翼４の圧力差が著しく異なる。また、短翼４の入口部では、作用面の圧力が反作用面の圧力を下回っており、有効な負荷を受けていないことがわかる。特に、入口部の作用面側に低圧部が存在するため、水車の運転状態の変動によって短翼４の作用面の入口部にキャビテーションが発生することも考えられ、短翼４のキャビテーション性能が低下していることがわかる。
【００２２】
一方、図４は図１および図２に示した本実施形態の中間翼付ランナ１４について、図３と同様にその長翼１２と短翼１３の水車運転時のバンド１１側での翼回りの圧力分布を示すグラフである。ここで、図４においても、図３と同様に、実線が長翼１２の圧力分布を示し、破線が短翼１３の圧力分布を示している。
【００２３】
図４と図３とを比較すると、図４では、短翼１３の入口側で作用面と反作用面の圧力差が大きくなり、長翼１２のそれとほぼ同様になっていることがわかる。また、バンド１１側で短翼１３の長さが延びたことによって翼負荷が増し、逆に長翼１２の翼負荷は低減されており、長翼１２、短翼１３ともほぼ等しい翼負荷で有効に仕事をしていることがわかる。さらに、長翼１２の翼負荷が低減されていることから、高揚程側（小流量）でのポンプ運転時に長翼１２の出口側（つまり、ポンプ運転時の水流の入口側）でのキャビテーション性能を改善することもできる。
【００２４】
また、短翼１３が出口側に延長されて、短翼１３の負荷が増したことで、短翼１３の入口側で作用面の圧力が反作用面の圧力を下回るような現象は起こらなくなっている。これは、短翼１３の負荷が増したことで短翼１３周りの循環が強くなり入口側で水が十分な角度で流入するようになっているためと考えられ、これによって短翼１３のキャビテーション特性が良好になっている。
【００２５】
図５は、図１５に示した従来の中間翼付ランナ５と図２に示した本実施形態に係る中間翼付ランナ１４とについて、水車運転時の落差と水車出力による運転範囲を対比して示した図である。ここで、これらの水車においては、落差ＨｔｍｉｎからＨｔｍａｘの間で、その際の最高出力がＰｔｍａｘ以下となるように運転されるものであり、実線および破線で示された曲線は、本実施形態の中間翼付ランナ１４を用いた水車と、図１５として示した従来の中間翼付ランナ５を用いた水車のキャビテーション発生限界をそれぞれ表しており、これらの線で囲まれた範囲で水車の運転ができることを表している。つまり、図５より明らかなように、本実施形態の中間翼付ランナ１４を用いた水車では、運転可能な全ての落差に対してキャビテーション発生限界がより低出力側となっており、運転範囲がより広まっていることが判る。すなわち上述したように、本実施形態を用いると低出力の運転であっても十分な翼負荷を中間翼付ランナ１４の短翼１３に与えるため、十分な強さの翼回りの循環を得ることができ、翼入口での短翼１３への水の局所的な流入角度を大きく取ることができるので、キャビテーションを発生させずに短翼１３に有効な仕事をさせることができる。
【００２６】
さらに、中間翼付ランナ１４全体として、従来の中間翼付ランナとその翼負荷を同一にするならば、翼負荷のバランスを考えると短翼１２のクラウン１０側を従来の中間翼付ランナよりも短くすることもでき、製作面・保守点検面での作業性を向上させることができる。
【００２７】
なお、図２に示した本実施形態に係る中間翼付ランナ１４では、短翼１３の出口縁辺１５をバンド１１側からクラウン１０側に亘って直線にしているが、滑らかな曲線にしてもよい。短翼１３の出口縁辺１５を滑らかな曲線にし、さらにθａの角度を調整すると、短翼１３の翼負荷を微調整ができ、キャビテーション性能などを最適に設定することができる。また、このようにすると、長翼１２と短翼１３とで形成される流路幅がバンド１１側からクラウン１０側に亘って微調整できるので、水車運転時の中間翼付ランナ１４の出口流れを均一化できる利点がある。
【００２８】
このように、本実施形態は、短翼１３の出口縁辺１５のクラウン１０側の交点１７と回転軸１８の中心Ｏを結ぶ短翼頂部側仮想線１９に対して、短翼１３の出口縁辺１５のバンド１１側の交点１６と回転軸１８の中心Ｏを結ぶ短翼低部側仮想線２０が、ランナの回転軸に垂直な投影面上で角度θａだけ短翼１３の出口側に張り出すように短翼１３の出口縁辺１５を設けているので、キャビテーション性能を向上させ、長翼１２と短翼１３の負荷の均一化を図ることができる。また、このような構成とすることで、長翼１２と短翼１３の間の流路幅を微調整できるので、保守点検等の作業を容易にすることも可能となる。
【００２９】
図６は、フランシス形ポンプ水車を一例に採った本発明に係る水力機械の第２実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を付す。
【００３０】
本実施形態に係る水力機械、例えばフランシス形ポンプ水車の中間翼付ランナ１４は、長翼１２における出口縁辺２１のバンド１１側およびクラウン１０側のそれぞれの交点２２，２３としたとき、バンド１１側の交点２３の位置が長翼１２の出口側に移動されており、バンド１１側の交点２２と回転軸（主軸）１８の中心Ｏとを結ぶ長翼低部側仮想線２４が、クラウン１０側の交点２３と回転軸１８の中心Ｏとを結ぶ長翼頂部側仮想線２５よりも、回転軸に垂直な投影面上で角度θｂだけ長翼１２の出口側になるように構成されている。
【００３１】
すなわち、本実施形態では図６に示すように、この中間翼付ランナ１４をランナ出口下方がわから鉛直上向きに見た場合、長翼１２の出口縁辺２１は、ランナ１４の中心から放射状には配置されておらず、出口縁辺２１の延長線が回転軸１８の中心Ｏを通らないようになっている。そして、この出口縁辺２１はそのクラウン１０側の端部となる交点２３側よりも、バンド１１側の端部となる交点２２側が長翼１２の出口側に張り出した形状となっており、図１５に示した従来の中間翼付ランナ５と比較して、長翼１２のバンド１１側が長くなっている。
【００３２】
図７は、図１５に示す従来の中間翼付ランナ５の長翼３と本実施形態の中間翼付ランナ１４の長翼１２と短翼１３について、ポンプ運転時のバンド７側での翼回りの圧力分布を示すグラフである。なお、図中、実線は本実施形態を適用した長翼１２の圧力分布を、破線は短翼１３の圧力分布を示し、一点鎖線は図１５に示す従来の中間翼付ランナ５の長翼３の圧力分布を示している。ここで、本図においても図３および図４と同様に、各翼の圧力分布に対して、上側にある線が作用面（正圧面）の圧力分布を示し、下側にある線が反作用面（負圧面）の圧力分布を示しており、作用面と反作用面の圧力差を入口側から出口側まで積分したものがこの位置（バンド１１側）における翼負荷を示していることになる。
【００３３】
図７に示したように、本実施形態の長翼１２では、従来の長翼よりもバンド１１側の翼長が出口側（ポンプ運転時の水流の入口側）に延長されているために、出口部（ポンプ運転時の水流の入口部）での翼負荷を従来の長翼よりも低減できることがわかる。そしてこのことによって、高揚程でのポンプ運転特性を向上させることができ、ポンプ運転時の逆流限界を小流量側に移行させて運転の安定化を図ることができる。
【００３４】
図８は、フランシス形ポンプ水車を例に採った本発明に係る水力機械の第３の実施形態を示す一部切欠部分断面図である。
【００３５】
本実施形態に係る中間翼付ランナ１４は、短翼１３の翼厚みＴｂが最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置を短翼１３の入口ＩＮから出口ＥＸまでの翼長Ｌの半分Ｌ／２よりも入口ＩＮ側に設定したものである。そして、短翼１３は最大翼厚Ｔｂｍａｘの位置から入口ＩＮ側、出口ＥＸ側に滑らかにその翼厚みＴｂが減少するように構成されている。ここで、最大翼厚Ｔｂｍａｘの位置から入口ＩＮ側にかけては、翼厚みＴｂを最大翼厚Ｔｂｍａｘのままとすることもできる。
【００３６】
長翼１２、および短翼１３の厚みは、それぞれ作用面と反作用面の圧力差で決まる翼負荷によって受ける力に耐えられるように決定されるが、短翼１３に作用する翼負荷は長翼１２のそれよりも小さくなるため、短翼１３の翼厚みＴｂを長翼１２の翼厚みと同一にしなくてもよい場合が多い。そして、このとき、本実施形態のような構成とすることで、短翼１３の出口ＥＸ側において、長翼１２と短翼１３とで形成される翼間流路２６の幅を広く取ることができる。
【００３７】
一般に、流路による摩擦損失はその流路を流れる水の流速の２乗に比例することが知られており、本実施形態によって翼間流路２６の幅を広く取ると翼間流路２６での水の流速が小さくなり、翼間流路２６での摩擦損失を低減することができるので、効率を向上させることができる。
【００３８】
このように、本実施形態は、中間翼付ランナ１４の短翼１３の翼厚Ｔｂが最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置を、短翼１３の入口ＩＮから出口ＥＸまでの翼長Ｌの半分Ｌ／２よりも入口ＩＮ側に設定するので、長翼１２と短翼１３とで形成される翼間流路２６の幅を広くすることができ、翼間流路２６での摩擦損失を低減させることができる。
【００３９】
図９は、フランシス形ポンプ水車を一例に採った本発明に係る水力機械の第４の実施形態を示す一部切欠部分断面図である。
【００４０】
本実施形態に係る中間翼付ランナ１４は、短翼１３と短翼１３の作用面側（正圧面側）に隣り合う長翼１２とが翼長方向に重なり合うＡからＢまでの重なり間Ａ−Ｂにおいて、短翼１３の翼厚みＴｂを長翼１２の翼厚みＴａよりも小さくなるようにしたものである。この場合、さらに短翼１３の出口ＥＸ側に向かってはその翼厚Ｔｂを漸次小さくするとよい。
【００４１】
このように、本実施形態は、長翼１２と短翼１３との翼長方向の重なり間Ａ−Ｂで短翼１３の翼厚みＴｂを長翼１２の厚みＴａよりも小さくして翼間流路２６の幅を広げるので、翼間流路２６での摩擦損失を低減させることができる。さらに翼間流路２６の拡大により中間翼付ランナ１４の製作時や保守点検時の作業性も向上する。
【００４２】
第３の実施形態および第４の実施形態では、短翼１３の翼厚みＴｂが最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置から短翼１３の出口ＥＸにかけて漸次小さくなるように構成しているが、短翼１３の翼厚みＴｂの大きさは次のようするとよい。
【００４３】
図１０は本発明に係る水力機械の第３の実施形態もしくは第４の実施形態における中間翼付ランナ１４の水車運転時の中央流線上での翼面圧力分布を示す線図である。また、図１１はこの中間翼付ランナ１４の中央流線上の長翼１２と短翼１３の翼厚みを説明するために用いた一部切欠部分断面図である。
【００４４】
図１０および図１１に示したように、長翼１２の入口ＩＮ側から距離Ｌだけ離れた位置における作用面（正圧面）と反作用面（負圧面）との圧力差ΔＰａと、短翼１３の入口ＩＮ側から同様に距離Ｌだけ離れた位置における同様な圧力差ΔＰｂとを比較すると、どの位置においても短翼１３の圧力差ΔＰｂが長翼１２の圧力差ΔＰａよりも小さいことがわかる。すなわち、各位置において短翼１３に作用する力は同じ位置で長翼１２に作用する力より小さくなるため、この圧力差ΔＰａ，ΔＰｂと長翼１２の翼厚みＴａに基づいて短翼１３の翼厚みＴｂとの間にはある関係が存在する。すなわち、この場合、短翼１３の翼厚みＴｂが例えば次式を満たすとよい。
【００４５】
【数１】
Ｔｂ≧α×（ΔＰｂ／ΔＰａ）×Ｔａ …（１）
ここで、αは落差や応力等の強度面から決定される係数である。
【００４６】
このようにすると、短翼１３の翼厚みＴｂが、その翼負荷ΔＰｂに基づいて最大翼厚Ｔｂｍａｘとなる位置から短翼１３の出口ＥＸにかけて漸次小さくなるような形状となる。
【００４７】
ここで、（１）式を用いて積極的に翼厚みＴｂを決定するのであれば、圧力差ΔＰａ，ΔＰｂについては、ある形状の長翼１２、短翼１３についての値を用い、このときの短翼１３の形状から（１）式を用いて翼厚みＴｂを修正するなどとすれば、よりよい短翼１３の形状を得ることが可能になる。このようにして翼厚みＴｂを積極的に決定しようとする場合、翼厚みＴｂを修正することによって圧力差ΔＰｂ，ΔＰａも多少変化するが、電子計算機を用いた数値シミュレーションによって圧力差ΔＰａ，ΔＰｂを求め、これから得られた翼厚みＴｂを用いて再度圧力差ΔＰａ，ΔＰｂを算出するなどして反復計算を行い、翼厚みＴｂを決定すれば最適な翼形状を得ることも可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る水力機械は、中間翼付ランナの長翼と短翼との翼幅を長くすることにより、長翼と短翼との翼負荷の差を少なくさせることができ、短翼の水車入口キャビテーションと流れの剥離を抑制する一方、長翼のポンプ高揚程運転時、逆流限界を小流量側に移行させて安定運転を維持することができる。
【００４９】
また、本発明に係る水力機械は、中間翼付ランナの長翼と短翼との流路幅を拡げることにより、水力効率をより一層向上させることができ、さらに製作面・保守点検面でその作業性を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る水力機械における中間翼付ランナを示す概略半分子午断面部分図。
【図２】 図１のＡ矢視方向から見た一部切欠部分図。
【図３】 従来の中間翼付ランナの長翼および短翼のそれぞれの作用面および反作用面に加わる圧力分布線図。
【図４】 本発明に係る水力機械における中間翼付ランナの長翼および短翼のそれぞれの作用面および反作用面に加わる圧力分布線図。
【図５】 従来の中間翼付ランナと本発明に係る中間翼付ランナとの各入口におけるキャビテーション特性を対比させた線図。
【図６】 本発明に係る水力機械の第２実施形態を示す概略図。
【図７】 従来の中間翼付ランナの長翼の作用面および反作用面に加わる圧力分布と、本発明に係る中間翼付ランナの長翼の作用面および反作用面に加わる圧力分布とを対比させた線図。
【図８】 本発明に係る水力機械の第３実施形態を示す一部切欠部分断面図。
【図９】 本発明に係る水力機械の第４実施形態を示す一部切欠部分断面図。
【図１０】 本発明に係る水力機械の第５実施形態において、中間翼付ランナの水車運転時、中央流線上の翼面圧力分布を示す線図。
【図１１】 本発明に係る水力機械の第５実施形態において、中間翼付ランナの中央流線上の長翼と短翼の翼厚みを説明するために用いた一部切欠部分断面図。
【図１２】 従来の中間翼無しランナを示す概略図。
【図１３】 従来の中間翼付ランナを示す概略図。
【図１４】 従来の中間翼付ランナの入口付近における水流の流れを説明するために用いた図。
【図１５】 従来の中間翼付ランナをランナ出口下方側から鉛直上向きに見た図。
【符号の説明】
１ ランナ
２ ランナベーン
３ 長翼
４ 短翼
５ 中間翼付ランナ
６ クラウン
７ バンド
８ａ，８ｂ 出口縁辺
９ 回転軸
１０ クラウン
１１ バンド
１２ 長翼
１３ 短翼
１４ 中間翼付ランナ
１５ 出口縁辺
１６，１７ 交点
１８ 回転軸
１９ 短翼低部側仮想線
２０ 長翼低部側仮想線
２１ 出口縁辺
２２，２３ 交点
２４ 長翼頂部側仮想線
２５ 短翼頂部側仮想線
２６ 流路
２７，２７ａ，２７ｂ 作用面
２８，２８ａ，２８ｂ 反作用面
２９ 入口
Claims (2)
- 周方向に沿って長翼と短翼を交互に配置する中間翼付ランナを備えた水力機械において、前記短翼の出口縁辺は、該出口縁辺とバンドとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る短翼低部側仮想線が該出口縁辺とクラウンとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る短翼頂部側仮想線よりも前記中間翼付ランナの回転軸に垂直な投影面上で前記短翼の出口側になるように設けてなり、前記長翼のクラウン側とバンド側をつなぐ出口縁辺は、内周側から外周側に前記中間翼付ランナの回転中心から放射状に延びていることを特徴とする水力機械。
- 周方向に沿って長翼と短翼を交互に配置する中間翼付ランナを備えた水力機械において、前記長翼の出口縁辺は、該出口縁辺とバンドとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る長翼低部側仮想線が該出口縁辺とクラウンとの交点と前記中間翼付ランナの回転中心を通る長翼頂部側仮想線よりも前記中間翼付ランナの回転軸に垂直な投影面上で前記長翼の出口側になるように設けてなり、前記短翼のクラウン側とバンド側をつなぐ出口縁辺は、内周側から外周側に前記中間翼付ランナの回転中心から放射状に延びていることを特徴とする水力機械。
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