JP5590969B2 - フランシス型ランナ - Google Patents

Description

本発明はフランシス型水車のランナに関する。

水力発電では、ダム等で貯水された水が水路を通って水車に流入する。水車に流入した水は、水車を構成するケーシング、ステーベーン、ガイドベーンを通過して、動翼であるランナ、すなわち羽根車に導かれ、これにより水の持つ流体エネルギーが羽根車の回転エネルギーに変換される。水力発電ではその回転エネルギーが発電機によって電気エネルギーに変換される。

フランシス型水車には、クラウンプレートを有するランナ（フランシス型ランナ）と、このクラウンプレートに対してランナ軸方向に間隔を介して設置された上カバーが備えられており、このクラウンプレートと上カバーによってランナ背圧室が形成されている。クラウンプレートには、ランナに働く水圧力の軸方向成分である水力軸スラストを軽減するために、ランナ背圧室側の面とランナ流水面とを連絡する貫通孔（バランスホール）が設けられることがある。このバランスホールによるスラスト軽減の向上を図った技術には、ランナ背圧室内における作動流体の周方向の流れを遮るせき部をバランスホールのランナ背圧室側に設けたものがある（特許文献１参照）。

実開昭５９−７９５６６号公報

ランナ背圧室には、水車の回転部と固定部の隙間から漏れた流水が流れ込むが、その際に土砂等の異物が同時に流れ込む場合がある。このようにランナ背圧室内に混入した異物が水車運転中に撹拌されると、ランナ背圧室を画定するクラウンプレートの表面や主軸封水部の表面が壊食され、これらの補修が必要となることがある。そのため、ランナ背圧室からの異物の排出特性を改善することでランナ背圧室や主軸封水部での壊食を低減し、補修周期を延長することで時間と費用を抑えることが好ましい。

上記特許文献１のようにバランスホールにせき部を設ける技術は、水車運転中におけるランナ背圧室内の水をランナ流水面側に積極的に排出することを図ったものであるため、ランナ背圧室から異物を排出する点についてもある程度の効果が得られると推定されるが、ランナ背圧室からの異物排出という観点に基づいて積極的に設計されたものではない。そのため、異物排出特性を向上させる観点からは改善の余地がある。例えば、特許文献１の技術では、水車運転中における作動流体の流れのうちランナ周方向成分をせき部に衝突させることでランナ背圧室からの排水特性の向上を図っているが、水車運転中や水車抜水時における異物の流れについては考慮されていない。そのため、起動停止を繰り返すことでランナ背圧室内の土砂濃度が高くなる可能性がある。

本発明の目的はランナ背圧室からの異物排出特性が良好なフランシス型ランナを提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、クラウンプレートとバンドプレートの間に架け渡された複数の動翼と、前記クラウンプレートにおけるランナ背圧室側の面にランナ周方向の全周にわたって設けられた溝と、前記クラウンプレートに設けられた貫通孔であって、前記溝の底面と前記クラウンプレートのランナ流水面側とを連絡するバランスホールとを備えるものとする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記バランスホールにおけるランナ背圧室側の径は、ランナ流水面側の径よりも大きいものとする。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記溝のランナ径方向の幅は、ランナ背圧室側から当該溝の底面に向かって縮小しているものとする。

（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、好ましくは、前記溝は、前記バランスホールに向かって下る傾斜部を備えるものとする。

（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、好ましくは、前記バランスホールは、ランナ流水面側において、前記複数の動翼の翼間に開口しているものとする。

本発明によれば、水車運転時及び水車抜水時に異物がバランスホールに誘導され易くなるので、フランシス型ランナの異物排出特性を向上できる。

本発明の第１の実施の形態に係るフランシス型水車の概略図。 図１におけるバランスホール６周辺の拡大図。 図１中のIII-III断面における断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る水車運転中のランナ背圧室４内の水及び異物の流れを示す図。 本発明の第２の実施の形態に係るランナにおけるバランスホール６Ａ周辺の拡大図。 本発明の第２の実施の形態に係るフランシス型水車の比較例の概略図。 本発明の第３の実施の形態に係るランナにおける溝１０Ａ周辺の拡大図。 本発明の第４の実施の形態に係るフランシス型水車を図３のIII-III断面に相当する面で切断したときの断面図。 図８中のIX-IX断面における断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るフランシス型水車の概略図であり、図２は図１におけるバランスホール６周辺の拡大図であり、図３は図１中のIII-III断面における断面図である。

これらの図に示すフランシス型水車は、水（作動流体）によって回転されるランナ（フランシス型ランナ）１と、ランナ１と連結された主軸７と、ランナ１に対してランナ軸方向に間隔を介して固定された上カバー３と、ランナ１の上面（クラウンプレート２（後述））と上カバー３によって画定される空間であるランナ背圧室４と、主軸７が上カバー３を貫通する部分に設置されランナ背圧室４からの漏水を防止する主軸封水装置９を備えている。

図１において、ランナ１は、クラウンプレート２と、バンドプレート１２と、クラウンプレート２とバンドプレート１２の間に架け渡された複数の動翼（ブレード）１１を備えている。図３に示すように、クラウンプレート２におけるランナ背圧室４側の面には、ランナ周方向の全周にわたって溝１０が設けられている。本実施の形態における溝１０の断面は矩形状に形成されている（図１及び図２参照）。また、溝１０の底面にはクラウンプレート２のランナ流水面５側と連絡する貫通孔であるバランスホール６が設けられている。なお、本実施の形態の溝１０には図３に示すように複数のバランスホール６がランナ周方向に等間隔に配置されており、合計８つのバランスホール６がランナ１に設けられているが、バランスホール６の数はこれだけに限られない。

図２に示すように、溝１０のランナ径方向の幅B［m］は、バランスホール６におけるランナ背圧室４側（溝１０側）の径Dh［m］よりも大きい。また、本実施の形態におけるバランスホール６の径は、ランナ背圧室４側からランナ流水面５側に至るまで一定に保持されており、ランナ背圧室４側の径Dhとランナ流水面側の径D［m］（図２参照）は等しい。なお、ランナ背圧室４からの異物排出特性を向上させる観点からは、溝１０は、その深さをd［m］（図２参照）とすると、Dを用いて表される次の式（１）及び式（２）を同時に満たすように形成することが好ましい。
B≧D×1.6 …式（１）
d≧D×0.5 …式（２）
図４は本発明の第１の実施の形態に係る水車運転中のランナ背圧室４内の水及び異物の流れを示す図である。このようにランナ背圧室４内の流れをランナ１（主軸７）の回転軸を含む断面でみると、遠心力等の影響によって主軸７の周囲に図４に示すような循環流が発生する。すなわち、ランナ背圧室４内における水及び異物は、上カバー３の近くではランナ径方向の外側から内側（主軸７側）に向かって流れて主軸７近傍においてクラウンプレート２に向かって下降し、その後、クラウンプレート２の近くをランナ径方向の内側から外側に向かって流れて上カバー３に向かって上昇する。このようにクラウンプレート２の近傍をランナ径方向の内側から外側に向かって水及び異物が流れるとき、土砂等の水よりも密度が高い異物は、水よりもクラウンプレート２側を流れる傾向が強い。したがって、上記のようにクラウンプレート２上に溝１０を設けると、水と異物が主軸７付近で下降してクラウンプレート２近傍をランナ径方向の外側に向かって流れる際に、溝１０におけるランナ径方向外側の壁面１０ａに異物を衝突させることができるので（図４中の矢印４２）、バランスホール６周辺に異物を集めることができる。これにより、土砂等の異物をバランスホール６を介してランナ１側に排出することが容易になるので、ランナ背圧室４内の異物の濃度を薄めることができる。

また、水車抜水時のランナ背圧室４では、主軸７は停止しているので上記のような循環流は発生しない。そのため、水よりも密度の高い異物は溝１０内及びクラウンプレート２上に堆積する。溝１０内に堆積した異物は、溝１０を除いたクラウンプレート２上の部分に堆積したものよりもバランスホール６を介してランナ１側に排出され易く、溝１０が設けられていないランナよりも積極的に異物が排出される。すなわち、本実施の形態によれば、水車運転時だけでなく水車抜水時にもランナ背圧室４内の異物の濃度を薄めることができる。したがって、本実施の形態によれば、水車運転時及び水車抜水時に異物がバランスホール６に誘導され易くなるので、ランナ１の異物排出特性を向上できる。

なお、このとき、水車運転時のランナ背圧室４への流入流量をQ₁［m³/s］、流出流量をQ₂［m³/s］とし、流入土砂濃度をC₁、流出土砂濃度C₂とし、水車運転時間をT［s］、水車停止時の土砂水の流出量をq₃［m³］、流出土砂濃度C₃とすると、ランナ背圧室４の土砂濃度の上昇を抑制する観点からは、下記式（３）又は式（４）が満たされるようにすることが好ましい。

Q₁C₁ - Q₂C₂ ≒ 0 …式（３）
Q₁C₁T - Q₂C₂T - q₃C₃ ≒ 0 …式（４）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係るランナにおけるバランスホール６Ａ周辺の拡大図である。バランスホール６Ａ以外の構成は第１の実施の形態と同じなので説明は省略する。

図５に示すバランスホール６Ａは、ランナ背圧室４側の径Dhがランナ流水面５側の径Dよりも大きくなっている。具体的には、本実施の形態のバランスホール６Ａのランナ背圧室４側の端部には、ランナ流水面５側に向かってその径が縮小する皿穴部９が設けられている。このようにランナ流水面５側の径Dよりもランナ背圧室４側の径Dhを大きく設定すると、ランナ背圧室４側のバランスホール６Ａの面積比率がランナ背圧室４の底面積に対して大きくなる。したがって、バランスホールの両端の径Dh，Dを同一にした第１の実施の形態の場合と比較して、ランナ背圧室４内の異物を水とともにランナ１側に排出し易くなるので、ランナ流水面５側の径Dを保持したままで排出特性を向上させることができる。

なお、本実施の形態は次のような場合に特に顕著な効果を奏する。一般的に、バランスホール６の径Dh，Dを大きくすると、異物の排出特性を向上させることができる。しかしながら、水車設計上の制約によっては、図６に示すように、バランスホール６におけるランナ流水面５側の端部を、複数の動翼１１Ａの翼間に開口せざるを得ない場合（例えば、ランナ径方向における動翼１１Ａの長さが長い場合等）があり、ランナ流水面５側のバランスホール６の径Dの大きさに制限がかかることがある。ところが、本実施の形態によれば、このような場合にもランナ流水面５側の径Dを保持しながら排水特性を向上させることができる。

また、ランナ背圧室４からの異物排出特性を向上させる観点からは、皿穴部９は、その広がり角をθ（図５参照）とすると、次の式（５）及び式（６）を同時に満たすように形成することが好ましい。
Dh≧D×1.6 …式（５）
2θ≧60° …式（６）
ところで、本実施の形態では、バランスホールにおけるランナ背圧室４側の径Dhがランナ流水面５側の径Dよりも大きい場合の具体例として、皿穴部９を有するバランスホール６Ａについてのみ説明したが、当該条件を満たせば、バランスホールを他の形状に形成しても本実施の形態と同様の効果を発揮することができる。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係るランナにおける溝１０Ａ周辺の拡大図である。溝１０Ａ以外の構成は第１の実施の形態と同じなので説明は省略する。

水車抜水時における異物の排出特性を向上させる観点からは、溝１０は、ランナ径方向の幅Bがランナ背圧室４側から溝１０の底面に向かって縮小するように形成し、溝１０の底面を滑らかにすることが好ましい。図７に示した溝１０Ａは、この条件を受けてその断面形状をお椀型に形成したものである。このように溝１０Ａの底面を滑らかに形成すると、溝１０の断面形状を矩形にした図２の場合と比較して、水車抜水時に溝１０Ａ内に堆積した異物を水流とともにバランスホール６へ誘導し易くなるので、抜水時の異物排出特性を向上させることができる。

次の本発明の第４の実施の形態について説明する。図８は本発明の第４の実施の形態に係るフランシス型水車を図３のIII-III断面に相当する面で切断したときの断面図であり、図９は図８中のIX-IX断面における断面図である。溝１０Ｂ以外の構成は第１の実施の形態と同じなので説明は省略する。

これらの図に示す溝１０Ｂは、バランスホール６に向かって下る傾斜部１３を備えている。本実施の形態における傾斜部１３は、溝１０Ｂ内において２つのバランスホール６の略中間に位置する山部１４と、バランスホール６におけるランナ背圧室４側の開口の略中心に位置する谷部１５とを接続する一定勾配の傾斜で形成されている。このように溝１０Ｂ内に傾斜部１３を設けると、水車抜水時に溝１０Ｂ内に堆積する異物を水とともにランナ１側に排出し易くなるので、水車抜水時における異物の排出特性を向上させることができる。

１…ランナ、２…クラウンプレート、３…上カバー、４…ランナ背圧室、５…ランナ流水面、６…バランスホール、７…主軸、８…主軸封水部、９…皿穴部、１０…溝、１１…動翼、１２…バンドプレート、１３…傾斜部、１４…山部、１５…谷部

Claims (6)

1. クラウンプレートとバンドプレートの間に架け渡された複数の動翼と、
   前記クラウンプレートにおけるランナ背圧室側の面にランナ周方向の全周にわたって設けられた溝と、
   前記クラウンプレートに設けられた貫通孔であって、前記溝の底面と前記クラウンプレートのランナ流水面側とを連絡するバランスホールとを備えることを特徴とするフランシス型ランナ。
2. 請求項１に記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記バランスホールにおけるランナ背圧室側の径は、ランナ流水面側の径よりも大きいことを特徴とするフランシス型ランナ。
3. 請求項１又は２に記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記溝のランナ径方向の幅は、ランナ背圧室側から当該溝の底面に向かって縮小していることを特徴とするフランシス型ランナ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記溝は、前記バランスホールに向かって下る傾斜部を備えることを特徴とするフランシス型ランナ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記バランスホールは、ランナ流水面側において、前記複数の動翼の翼間に開口していることを特徴とするフランシス型ランナ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のフランシス型ランナにおいて、
   前記クラウンプレートは、フランシス型水車の主軸の一端面に連結されていることを特徴とするフランシス型ランナ。

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