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