JP5230568B2 - ランナ及び流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、遠心型のフランシス水車やポンプなどに取り付けられるランナ及びこれを備える流体機械に関する。

フランシス水車や遠心ポンプなどでは、効率向上のために、流路を形成するベーンについて様々な改善が試みられている。例えば、ポンプ水車のランナについて、ベーンの前縁部に後面に沿って流れる水流の剥離を防止するための膨らみ部を設けた構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このランナでは、上記膨らみ部によって、流体の剥離の発生を防止して水力効率の向上を図ることが可能であるとされている。

特開平１１−３４３９５５号公報

しかしながら、特許文献１のようなベーンでは、膨らみ部のような局所的に変化するような部材形状が必ず要求されるので、最適な部材を決定するのが困難であり、また、目標とする部材形状に加工、寸法管理することも困難であった。また、局所的な流れの改善であるため、水車等の特性への影響は限定的であった。このため、局所的に変化するような部材形状が要求されることなく、損失を抑えて効率向上が図れるベーン形状の開発が望まれていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ベーン間を流れる流体の損失を抑えて効率向上を図ることが可能なランナ及び流体機械を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明は、回転軸に固定される略円盤状のクラウンと、該クラウンの一面に放射上に複数設けられたベーンとを有し、前記クラウンと隣り合う二つの前記ベーンとによって径方向に沿って流路が複数形成されたランナであって、前記ベーンは、前記流路の入口側となる一端部から中央に向かって次第に厚肉となって最大厚さとなるとともに、最大厚さとなる位置から前記流路の出口側となる他端部に向かって次第に薄肉となるように形成され、最大厚さとなる位置での厚さが平均厚さに対して１．５倍以上となるように設定されていることを特徴とする。
また、上記のランナにおいて、前記最大厚さとなる位置は、前記一端部からの距離が、ベーン全長に対して２０％以上６０％以下となる範囲に設定されていることが好ましい。

この構成によれば、ベーンの厚さが、流路の入口側となる一端部から中央に向かって次第に厚肉となって平均厚さの１．５倍以上となる最大厚さとなることで、ベーン間の流路面積は、入口よりも最大厚さとなる位置と対応する位置で小さくなる。これにより、流路に入口から流入する流体の流れは、入口からベーンが最大厚さとなる位置と対応する位置に向かって増速流れとなる。このため、入口近傍から出口に向かって発達する境界層を抑制することができ、これにより効率向上を図ることができる。

また、上記のランナにおいて、前記流路は、入口からの距離が流路全長に対して３５％となる位置での流路面積が、入口での流路面積に対して８５％以下となるように設定されていることが好ましい。

この構成によれば、ベーン間の流路が、入口からの距離が流路全長に対して３５％となる位置で、入口に対して８５％以下となる流路面積であることで、入口から出口に向かっての境界層発達をより効果的に抑制することができる。

また、上記のランナにおいて、前記ベーンが中空に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、ベーンが中央で厚肉となっても、中空に形成されていることで、軽量化を図ることができ、ランナ全体の重量低減、製作・組立コストの低減を図ることができる。

また、本発明の流体機械は、上記のランナと、該ランナが取り付けられた回転軸とを備えることを特徴としている。

この構成によれば、上記ランナによって損失を抑えて流路に流体を流通させることができ、効率の向上を図ることができる。

本発明のランナによれば、ベーン間を流れる流体の損失を抑えて効率向上を図ることができる。
また、本発明の流体機械によれば、効率良く稼動させることができる。

本発明の実施形態の水車の側断面図である。 本発明の実施形態のランナの詳細を示す正断面図である。 本発明の実施形態のランナにおいて、ベーン形状の詳細を示す拡大した正断面図である。 本発明の実施形態のランナにおいて、流路形状の詳細を示す拡大した正断面図である。 比較例のランナの詳細を示す正断面図である。 実施例及び比較例のランナにおいて、ベーンの厚さ分布を表わすグラフである。 実施例及び比較例のランナにおいて、流路面積分布を表わすグラフである。

本発明に係る実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
図１は、流体機械の一例としてフランシス形の水車を示している。図１に示すように、水車１は、主軸となる回転軸２と、回転軸２の先端に設けられたランナ１０と、ランナ１０の外周側に設けられて流体である用水Ｗを送り込むスパイラルケーシング３と、スパイラルケーシング３とランナ１０とを接続するスピードリング４と、回転軸２の先端側に同軸配置されてランナ１０から放出された用水Ｗを導水するドラフトチューブ５とを備える。回転軸２の基端には、図示しないが発電機が設けられており、回転軸２の回転により発電することが可能となっている。

スパイラルケーシング３は、渦巻き状に配設されており、断面略円管状に形成されて、内部が、用水Ｗが流れる案内流路３ａとなっている。案内流路３ａは、周方向に下流側へ向かうにつれて断面積が小さくなるように形成されている。また、スパイラルケーシング３には、外部と接続された図示しない用水取込口が設けられているとともに、内周側で環状に開口しスピードリング４と接続された用水送出口３ｂが設けられている。

また、スピードリング４は、略環状で、内部を案内流路４ａとしており、流通する用水Ｗを整流するためのステーベーン６が設けられている。複数のステーベーン６は、それぞれ、放射状に等ピッチで配設され、流入する用水の流れ角度に合わせて旋回方向に傾くように配設されている。また、スピードリング４と、内周側のランナ１０との間には、複数枚のガイドベーン７が周方向に沿って複数枚配列している。各ガイドベーン７は、当該ガイドベーン７に設けられた回転軸７ａを中心として開放位置と閉塞位置との間で回動可能に構成されている。そして、各ガイドベーン７は、位置調整駆動部７ｂにより開放位置と閉塞位置との間で回動することで、スパイラルケーシング３の内部からランナ１０に流入する用水Ｗの流量を調整することが可能となっている。

また、図１及び図２に示すように、ランナ１０は、回転軸２に同軸として固定される略円盤状のクラウン１１と、該クラウン１１の一面１１ａに複数設けられたベーン１２と、略環状でクラウン１１と対向配置されてベーン１２と接続されたシュラウド１３とを備える。複数のベーン１２は、放射状に等ピッチで配設され、ランナ１０に流入する用水の流れ角度に合わせて外周側で旋回方向に傾くように配設されているとともに、内周側に向かうに従って次第に旋回方向への傾きが強くなるように配設されている。そして、クラウン１１と、隣り合う二つのベーン１２と、シュラウド１３によって囲まれる空間を流路１４として構成している。このため、流路１４は、複数枚のベーン１２によって複数設けられ、径方向に沿って外周側を入口１４ａ、内周側を出口１４ｂとして、外周側から内周側に向かうに従って次第に旋回方向に傾くように形成されている。また、クラウン１１の一面１１ａは、外周側で回転軸２に直交する平面に概略沿うように形成されているとともに、径方向内周側に向かうに従って次第に回転軸２に沿うように湾曲形成され、シュラウド１３も対応して湾曲形成されている。このため、流路１４は、入口１４ａ側となる外周側から、出口１４ｂ側となる内周側に向かうに従って、径方向から軸方向へと向かうように湾曲形成されおり、流路１４を流通する用水Ｗは、ベーン１２に圧力を作用させることでランナ１０を回転させつつ内周側に位置する出口１４ｂから軸方向に沿って放出されて、ドラフトチューブ５へと流入する。なお、ランナ１０の軸方向先端側には、錐状のコーン８が設けられており、該コーン８によって、ランナ１０の流路１４から放出される用水Ｗがドラフトチューブ５へと案内される。

次に、ランナ１０のベーン１２及び流路１４の形状の詳細について説明する。
図３に示すように、ベーン１２は、軸方向視して、円弧状に形成された流路１４の入口１４ａ側となる一端部１２ａ及び出口１４ｂ側となる他端部１２ｂと、一端部１２ａと他端部１２ｂとを連続した曲面で接続し、湾曲形成された正圧面部１２ｃ及び負圧面部１２ｄとを有する。ベーン１２は、正圧面部１２ｃと負圧面部１２ｄとによって規定される厚さが、一端部１２ａから中央に向かって次第に厚肉となって最大厚さＴｍａｘとなるとともに、最大厚さＴｍａｘとなる位置Ｐから流路１４の出口１４ｂ側となる他端部１２ｂに向かって次第に薄肉となるように形成されている。そして、最大厚さＴｍａｘとなる位置Ｐでの厚さが平均厚さＴａに対して１．５倍以上となるように設定されている。また、このようなベーン１２において、上記最大厚さＴｍａｘとなる位置Ｐは、ベーン中心線Ｃ１２に沿って一端部１２ａからの距離が、ベーン全長Ａに対して２０％以上６０％以下となる範囲に設定されていることが好ましい。ここで、ベーン全長Ａとは、ベーン中心線Ｃ１２に沿う一端部１２ａから他端部１２ｂまでの長さのことであり、ベーン中心線Ｃ１２とは、ベーン外縁形状に内接する円の中心を結んだ線のことをいう。また、ベーン中心線Ｃ１２に沿う所定位置におけるベーン１２の厚さＴは、当該位置を中心とするベーン外縁形状に内接する円の直径で表わされる。また、平均厚さＴａは、一例として、ランナ１０に軸方向に作用する最大力Ｆｍａｘ、ベーン１２を形成する材質の許容応力σａ、ベーン全長Ａ、ベーン１２の枚数Ｎから、Ｆｍａｘ／（Ａ・Ｔａ・Ｎ）＜σａとなる厚みとして決定される他、ベーン１２に作用する用水の圧力分布による引張り、曲げ力等が考慮される

また、このようなベーン１２が複数配列することで、隣り合うベーン１２間に形成される流路１４としては、流路中心線Ｃ１４に沿って入口１４ａからの距離が流路全長Ｂに対して３５％となる位置における流路面積が、入口１４ａでの流路面積に対して８５％以下となるように設定されていることがより好ましい。ここで、流路中心線Ｃ１４、流路１４の入口１４ａ及び出口１４ｂ、並びに、流路全長Ｂは、以下のように定義される。すなわち、流路中心線Ｃ１４とは、向かい合うベーン１２に外接する円の中心を結んだ線として定義される。また、入口１４ａは、流路１４に面する一方側のベーン１２の一端部１２ａと負圧面部１２ｄとの接続位置１２ｅで当該ベーン１２に外接する円Ｄ１の中心位置として定義される。また、出口１４ｂは、流路１４に面する他方側のベーンの他端部１２ｂと正圧面部１２ｃとの接続位置１２ｆで当該ベーン１２に外接する円Ｄ２の中心位置として定義される。そして、流路全長Ｂは、入口１４ａから出口１４ｂまでの流路中心線Ｃ１４に沿う長さとして定義される。また、流路面積とは、向かい合うベーン１２によって規定される流路幅Ｗと、クラウン１１とシュラウド１３とによって規定される流路高さＨ（図１参照）との積から求められる。流路幅Ｗは流路中心線Ｃ１４の外接円の接点をなすベーン１２上の点間距離で表わされ、また、流路高さＨはクラウン１１とシュラウド１３とに外接する円の接点をなすクラウン１１とシュラウド１３上の点間距離で表わされる。

次に、上記のようなランナ１０の実施例について説明する。本実施例では、比較例とともに、３次元粘性流動解析を行った。
図５に示すように、比較例のランナ２０では、ランナ径、ベーン枚数、ベーン全長を同じとしつつ、ベーン２２及び流路２４の形状を実施例と異なるものとした。
具体的には、本実施例のランナ１０のベーン１２では、図６に示すような厚さ分布を有しており、一端部１２ａからの距離がベーン全長Ａに対して４０％となる位置で最大厚さＴｍａｘ１となるように設定されており、その厚さＴｍａｘ１は、当該ベーン１２の平均厚さＴａ１の１．６５倍に設定されている。一方、比較例のランナ２０のベーン２２では、図６に示すような厚さ分布を有しており、同様に一端部２２ａからの距離がベーン全長Ａに対して４０％となる位置で最大厚さＴｍａｘ２となるように設定されている一方、その厚さＴｍａｘ２は当該ベーン２２の平均厚さＴａ２の１．３９倍に設定されている。

また、図７は、実施例及び比較例の各ランナ１０、２０において、ベーン１２（２２）間に形成される流路１４（２４）の流路面積の変化を示している。図７に示すように、実施例のランナ１０では、流路面積減少率（曲線勾配）が、入口１４ａからの距離が流路全長Ｂに対して０％〜４０％程度の範囲で比較的大きく、３５％となる位置で流路面積が入口１４ａの流路面積に対して約８３％まで縮小されている。一方、比較例のランナ２０では、流路面積減少率（曲線勾配）が、入口２４ａからの距離が流路全長Ｂに対して２０％程度となる位置から次第に低下してしまい、３５％となる位置で流路面積が入口２４ａの流路面積に対して約８７％程度となってしまっている。

そして、上記のような実施例のランナ１０及び比較例のランナ２０について、それぞれ３次元粘性流動解析を行った。ここで、流量、ランナ回転数、有効落差、使用する流体などの諸条件は同一としている。
解析結果から、実施例のランナ１０では、比較例のランナ２０と比較して、入口１４ａ（２４ａ）から中央へと向かう流れの増速率が高くなり、増速流れとして境界層の発達が抑制されていることがわかった。そして、入口１４ａ（２４ａ）から流入する用水Ｗの全圧から、出口１４ｂ（２４ｂ）から流出する用水Ｗの全圧及びランナ１０（２０）の回転出力を控除して損失を計算した結果、実施例のランナ１０における損失は、比較例のランナ２０における損失に対して７％低減されていることがわかった。

以上のように、本実施形態の水車１のランナ１０では、最大厚さＴｍａｘとなる位置Ｐでの厚さが平均厚さＴａに対して１．５倍以上となるように設定されており、特に最大厚さＴｍａｘとなる位置Ｐが、一端部１２ａからの距離でベーン全長Ａに対して２０％以上６０％以下となる範囲に設定されていることで、ベーン１２間の流路面積は、入口１４ａでの流路面積よりも最大厚さＴｍａｘとなる位置Ｐと対応する位置での流路面積の方が小さくなる。これにより、流路１４に入口１４ａから流入する用水Ｗの流れは、入口１４ａからベーン１２が最大厚さＴｍａｘとなる位置Ｐと対応する位置に向かって強い増速流れとなる。このため、入口１４ａ近傍から出口１４ｂに向かって発達する境界層を抑制することができ、これにより効率向上を図ることができる。また、ベーン１２間の流路１４が、入口１４ａから距離が流路全長Ｂに対して３５％となる位置で、入口１４ａの流路面積に対して８５％以下となる流路面積であることで、入口１４ａから出口１４ｂに向かっての境界層発達をより効果的に抑制し、効率向上をさらに図ることができる。なお、最大厚さ位置Ｐから下流側では、本実施形態では増速が弱められることになるが、流路全長Ｂに対して上流側となる入口１４ａ付近の増速を強めることがランナ１０の全体の境界層発達抑制、損失低減に有効である。

水車１のランナ１０は、設計点落差、流量の運転条件においては、ランナ１０への相対流入角がほぼベーン１２（２２）の入口角度にマッチするように設計する。一方、設計点落差より高落差運転する場合は、流入角度はベーン１２（２２）の入口角度より大きくなり、負圧面側に流れの剥離や乱れが多くなる。逆に設計点落差より低落差運転する場合は、流入角度はベーン１２（２２）の入口角度より小さくなり正圧面側に流れの剥離や乱れが多くなる。このように、一般にフランシス型水車、ポンプ水車では非設計点の運転条件ではランナ入口部での流れのマッチング悪化により損失が増加する。本実施形態では、前項に述べたように入口側の増速を強めることにより設計点でのランナ損失を低減できるほか、非設計点の運転条件では入口端の剥離や乱れを低減できることから、ランナ損失低減に対してより大きな効果がえられる。

実施形態の図２〜図７において説明されたベーン厚さの分布に関しては、ランナ１０のクラウン曲面１１付近の正断面からシュラウド曲面１３付近の正断面までほぼ同様にとることで本発明の効果がえられるが、特にシュラウド曲面１３付近の翼断面を図６に示される翼厚大とすることで、図７に示される流路面積変化をえるときに効果が高い。流動解析結果が示された実施例は、シュラウド曲面付近のベーン厚さ分布を図６の分布とし、クラウン曲面付近のベーン厚さ分布は従来の比較例と同等とし中間断面では内挿補間してベーン厚さを決定し、図７に示す流路面積分布をなしたものである。

なお、上記において、ベーン１２は、中実の部材として説明したが、これに限られるものではなく、内部が中空に形成されるものとしても良い。このようにすることで、ベーン１２が中央で厚肉となっても、中空に形成されていることで、軽量化を図ることができ、ランナ１０全体の重量低減、製作・組立コストの低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、上記実施形態ランナ１０は、水車１に適用されるものとして説明したが、これに限るものではなく、ポンプ水車や遠心ポンプなど様々な流体機械に適用可能である。

１ 水車（流体機械）
２ 回転軸
１０ ランナ
１１ クラウン
１２ ベーン
１２ａ 一端部
１２ｂ 他端部
１４ 流路
１４ａ 入口
１４ｂ 出口
Ａ ベーン全長
Ｂ 流路全長
Ｐ 最大厚さとなる位置
Ｔａ 平均厚さ
Ｔｍａｘ 最大厚さ

Claims (5)

1. 回転軸に固定される略円盤状のクラウンと、該クラウンの一面に放射上に複数設けられたベーンとを有し、前記クラウンと隣り合う二つの前記ベーンとによって径方向に沿って流路が複数形成されたランナであって、
   前記ベーンは、前記流路の入口側となる一端部から中央に向かって次第に厚肉となって最大厚さとなるとともに、最大厚さとなる位置から前記流路の出口側となる他端部に向かって次第に薄肉となるように形成され、最大厚さとなる位置での厚さが平均厚さに対して１．５倍以上となるように設定されていることを特徴とするランナ。
2. 請求項１に記載のランナにおいて、
   前記最大厚さとなる位置は、前記一端部からの距離が、ベーン全長に対して２０％以上６０％以下となる範囲に設定されていることを特徴とするランナ。
3. 請求項１または請求項２に記載のランナにおいて、
   前記流路は、入口からの距離が流路全長に対して３５％となる位置での流路面積が、入口での流路面積に対して８５％以下となるように設定されていることを特徴とするランナ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のランナにおいて、
   前記ベーンが中空に形成されていることを特徴とするランナ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のランナと、
   該ランナが取り付けられた回転軸とを備えることを特徴とする流体機械。

Images