JP6556486B2 - ランナ及び水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、ランナ及び水力機械に関する。

図６は一般的なフランシス型水車の子午面断面図を示している。図６に示すようなフランシス型水車では、発電運転時に、水がケーシング１からステーベーン２及びガイドベーン３を通ってランナ４に流れ込む。ガイドベーン３からの水流によってランナ４が回転駆動され、主軸６を介して発電機７が駆動される。一方、ランナ４を駆動した水は、吸出し管５を経て放水路へと流出する。また、この発電運転時には、ガイドベーン３の開度を変化させることにより、ランナ４に流入する水の水量を調整して発電量を変化させることができる。また、ランナ４は、主軸６の回転中心Ｃ１を中心軸とした軸対称形状を有するクラウン８及びバンド９と、ランナ羽根１０と、を有している。ランナ羽根１０は、クラウン８とバンド９との間において周方向に間隔を空けて複数設けられている。

このような水力機械は、再生可能エネルギの有効活用の観点から、高性能化が求められている。そのため、様々な手法により流路形状の最適化が進められている。

図６に示すようなフランシス型水車では、特に、流路構成部位のうちのランナ４が、流速が最も高くなる部位であると共に、入口の旋回流れを出口でほぼ無旋回にして回転エネルギを発生させる重要な部材である。このようなランナ４において、流路損失の大半が発生する。したがって、ランナ４の性能を向上させることは、重要な研究課題となっている。

図６において、破線で示すラインＬ１は、理想的な流線を示している。流線Ｌ１に沿って水が流れる場合、理想的な運転がなされる。しかし、実際の運転時には、矢印Ｘに示すように、二次流れ（偏流）が生じ、流線Ｌ１から外れて水が流れる場合がよくある。このような二次流れの抑制は、フランシス型水車におけるランナ４の高性能化において有効である。

また、図６において、ラインＬ１は２つ示されるが、これら２つのラインＬ１は、図６に示す子午面流路におけるクラウン８からバンド９にかけての流路を等断面積に複数に分割（この例では３等分）する仮想分割線でもある。図７は、仮想分割線Ｌ１のうちの一方に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を示した図である。また、図８は、図６において二点鎖線で示すラインＬ２に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させたランナ４の翼間流路図を示している。

図７及び図８には、ランナ羽根１０の圧力面１０ｐ付近の領域が符号１１で示され、ランナ羽根１０の負圧面１０ｎ付近の領域が符号１２で示されている。図７の矢印Ｙ，Ｚに示すように、フランシス型水車では、圧力面１０ｐ付近の領域１１における水の流速に比較して、負圧面１０ｎ付近の領域１２における水の流速が早くなる傾向がある。このような流れの偏りを抑制することも、フランシス型水車におけるランナ４の高性能化において有効である。

このようなフランシス型水車の分野では、羽根形状の最適化、補助翼の追加配置、及び羽根配置位置の工夫等によりランナの高性能化を図る技術が従来から種々提案されている。

特許第４０９４４９５号公報 特許第３５２４９５５号公報 特許第３７８２７５３号公報

しかしながら、軸対称形状を有するクラウン及びバンドと、ランナ羽根とから構成される従来のフランシス型水車のランナでは、現状、性能が限界性能に近づきつつある。そのため、更なる高性能化を容易に達成できないという課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、ランナ羽根の圧力面付近の水の流速に比較してランナ羽根の負圧面付近の水の流速が早くなることにより生じ得る流れの偏りを抑制することにより、水力損失を低減できるランナ及び水力機械を提供することを目的とする。

実施の形態によるランナは、クラウンと、バンドと、前記クラウン及び前記バンドの間に設けられる複数のランナ羽根と、を備える。前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の負圧面側の領域の一部又は全部には、当該一部又は全部と周方向で隣り合う、前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の圧力面との付け根部分よりも反流路側にへこむ凹部が設けられている。

他の実施の形態によるランナは、クラウンと、バンドと、前記クラウン及び前記バンドの間に設けられる複数のランナ羽根と、を備える。前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の圧力面側の領域の一部又は全部には、当該一部又は全部と周方向で隣り合う、前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の負圧面との付け根部分よりも流路側に突出する凸部が設けられている。

さらに他の実施の形態によるランナは、クラウンと、バンドと、前記クラウン及び前記バンドの間に設けられる複数のランナ羽根と、を備える。前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の負圧面側の領域の一部又は全部には、当該一部又は全部と周方向で隣り合う、前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の圧力面との付け根部分よりも反流路側にへこむ凹部が設けられている。

さらに他の実施の形態によるランナは、クラウンと、バンドと、前記クラウン及び前記バンドの間に設けられる複数のランナ羽根と、を備える。前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の圧力面側の領域の一部又は全部には、当該一部又は全部と周方向で隣り合う、前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の負圧面との付け根部分よりも流路側に突出する凸部が設けられている。
また、実施の形態のよる水力機械は、上記のいずれかのランナを備えている。

本発明によれば、ランナ羽根の圧力面付近の水の流速に比較してランナ羽根の負圧面付近の水の流速が早くなることにより生じ得る流れの偏りを抑制することにより、水力損失を低減できる。

第１の実施の形態に係るフランシス型水車の子午面断面図である。 （Ａ）は、図１の要部の拡大図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。 （Ａ）は、第２の実施の形態に係るフランシス型水車の子午面断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。 （Ａ）は、第３の実施の形態に係るフランシス型水車の子午面断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。 （Ａ）は、第４の実施の形態に係るフランシス型水車の子午面断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＶ−Ｖ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。 一般的なフランシス型水車の子午面断面図である。 図６に示す子午面流路におけるクラウンからバンドにかけての流路を等断面積に複数に分割する仮想分割線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を示した図である。 図６において二点鎖線で示すラインＬ２に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。以下の説明する図面において、図６で説明した一般的なフランシス型水車と同様の構成要素については、同一符号が示されている。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る水力機械としてのフランシス型水車１００を示している。このフランシス型水車１００は、図示しない上池から鉄管を通って水が流入するケーシング１と、複数のステーベーン２と、複数のガイドベーン３と、ランナ４と、を備えている。ケーシング１は、上池から流入した水を等流速化させてステーベーン２に供給する。複数のステーベーン２は、ケーシング１から流出する水をガイドベーン３に導くためのものであり、ケーシング１の内周側において周方向に所定の間隔をあけて配置されている。

複数のガイドベーン３は、流入した水をランナ４に導くためのものであり、ステーベーン２の内周側において周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ガイドベーン３の各々は、回転することによって開度を調整することができる。これにより、ランナ４に流入する水の水量を調整して発電量を変化させることができる。

ランナ４は、ケーシング１に対して回転中心Ｃ１を中心に回転可能に構成され、ガイドベーン３から流出する水によって回転する。ランナ４は、クラウン８と、バンド９と、クラウン８及びバンド９の間に設けられる複数のランナ羽根１０と、を有している。複数のランナ羽根１０は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。

ランナ４には、主軸６を介して発電機７が連結されており、発電機７は、ランナ４によって回転されることで発電を行う。また、ランナ４の下流側には、吸出し管５が設けられている。ランナ４を流出した水は、吸出し管５を経て放水路に放出される。

図２（Ａ）は、図１の要部の拡大図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。図２（Ｂ）においては、ランナ羽根１０の圧力面１０ｐと負圧面１０ｎとが示されている。また、図中の符号Ｆは、クラウン８とバンド９との間に形成される流路を示している。

図２（Ｂ）の翼間流路図において、バンド９の流水面９０におけるランナ羽根１０の負圧面１０ｎ側の部分には、当該部分と周方向で隣り合う、流水面９０における他のランナ羽根１０の圧力面１０ｐとの付け根部分９１（以下、圧力面側付け根部分９１と呼ぶ。）よりも反流路側にへこむ凹部９０Ａが設けられている。図２（Ｂ）における破線は、圧力面側付け根部分９１の表面位置を示している。

本実施の形態では、このような凹部９０Ａが、バンド９の流水面９０におけるランナ羽根１０の負圧面１０ｎ側の領域の全部に、流線方向に沿って設けられている。なお、凹部９０Ａは、流水面９０における負圧面１０ｎ側の領域の一部に設けられてもよい。この場合、凹部９０Ａは、流水面９０の下流側に部分的に設けられることが好ましい。

本実施の形態の作用について説明する。ランナ４においては、ランナ羽根１０の負圧面１０ｎ付近のクラウン８とバンド９との間の距離が、圧力面１０ｐ付近と比較して、相対的に長くなる。これにより、流路Ｆにおける負圧面１０ｎ付近の断面積が圧力面１０ｐ付近の断面積よりも拡大することによって、負圧面１０ｎ付近の水の流速を低減させることができる。これにより、負圧面１０ｎ付近と圧力面１０ｐ付近との水の流速差を低減させることができる。

したがって、本実施の形態によれば、ランナ羽根１０の圧力面付近の水の流速に比較してランナ羽根１０の負圧面付近の水の流速が早くなることにより生じ得る流れの偏りを抑制することにより、水力損失を低減できることになる。

（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は、第２の実施の形態に係るフランシス型水車の子午面断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。なお、本実施の形態における第１の実施の形態と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明は省略する。

図３（Ｂ）の翼間流路図において、バンド９の流水面９０におけるランナ羽根１０の圧力面１０ｐ側の部分には、当該部分と周方向で隣り合う、流水面９０における他のランナ羽根１０の負圧面１０ｎとの付け根部分９２（以下、負圧面側付け根部分９２と呼ぶ。）よりも流路側に突出する凸部９０Ｂが設けられている。図３（Ｂ）における破線は、負圧面側付け根部分９２の表面位置を示している。

本実施の形態では、このような凸部９０Ｂが、バンド９の流水面９０におけるランナ羽根１０の圧力面１０ｐ側の領域の全部に、流線方向に沿って設けられている。なお、凸部９０Ｂは、流水面９０における圧力面１０ｐ側の領域の一部に設けられてもよい。この場合、凸部９０Ｂは、流水面９０の下流側に部分的に設けられることが好ましい。

本実施の形態の作用について説明する。ランナ４においては、ランナ羽根１０の圧力面１０ｐ付近のクラウン８とバンド９との間の距離が、負圧面１０ｎ付近と比較して、相対的に短くなる。これにより、流路Ｆにおける圧力面１０ｐ付近の断面積が負圧面１０ｎ付近の断面積よりも縮小することによって、圧力面１０ｐ付近の水の流速を増加させることができる。これにより、負圧面１０ｎ付近と圧力面１０ｐ付近との水の流速差を低減させることができる。

したがって、本実施の形態によっても、ランナ羽根１０の圧力面付近の水の流速に比較してランナ羽根１０の負圧面付近の水の流速が早くなることにより生じ得る流れの偏りを抑制することにより、水力損失を低減できる。

（第３の実施の形態）
以下、第３の実施の形態について説明する。図４（Ａ）は、第３の実施の形態に係るフランシス型水車の子午面断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。なお、本実施の形態における第１及び第２の実施の形態と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明は省略する。

図４（Ｂ）の翼間流路図において、クラウン８の流水面８０におけるランナ羽根１０の負圧面１０ｎ側の部分には、当該部分と周方向で隣り合う、流水面８０における他のランナ羽根１０の圧力面１０ｐとの付け根部分８１（以下、圧力面側付け根部分８１と呼ぶ。）よりも反流路側にへこむ凹部８０Ａが設けられている。図４（Ｂ）における破線は、圧力面側付け根部分８１の表面位置を示している。

本実施の形態では、このような凹部８０Ａが、クラウン８の流水面８０におけるランナ羽根１０の負圧面１０ｎ側の領域の全部に、流線方向に沿って設けられている。なお、凹部８０Ａは、流水面８０における負圧面１０ｎ側の領域の一部に設けられてもよい。この場合、凹部８０Ａは、流水面８０の下流側に部分的に設けられることが好ましい。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、ランナ４においては、ランナ羽根１０の負圧面１０ｎ付近のクラウン８とバンド９との間の距離が、圧力面１０ｐ付近と比較して、相対的に長くなる。これにより、流路Ｆにおける負圧面１０ｎ付近の断面積が圧力面１０ｐ付近の断面積よりも拡大することによって、負圧面１０ｎ付近の水の流速を低減させることができる。これにより、負圧面１０ｎ付近と圧力面１０ｐ付近との水の流速差を低減させることができる。

したがって、本実施の形態によっても、ランナ羽根１０の圧力面付近の水の流速に比較してランナ羽根１０の負圧面付近の水の流速が早くなることにより生じ得る流れの偏りを抑制することにより、水力損失を低減できる。

（第４の実施の形態）
以下、第４の実施の形態について説明する。図５（Ａ）は、第４の実施の形態に係るフランシス型水車の子午面断面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＶ−Ｖ線に沿う流路断面を全周に連続させた断面の一部を平面的に展開させた翼間流路図である。なお、本実施の形態における第１乃至第３の実施の形態と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明は省略する。

図５（Ｂ）の翼間流路図において、クラウン８の流水面８０におけるランナ羽根１０の圧力面１０ｐ側の部分には、当該部分と周方向で隣り合う、流水面８０における他のランナ羽根１０の負圧面１０ｎとの付け根部分８２（以下、負圧面側付け根部分８２と呼ぶ。）よりも流路側に突出する凸部８０Ｂが設けられている。図５（Ｂ）における破線は、負圧面側付け根部分８２の表面位置を示している。

本実施の形態では、このような凸部８０Ｂが、クラウン８の流水面８０におけるランナ羽根１０の圧力面１０ｐ側の領域の全部に、流線方向に沿って設けられている。なお、凸部８０Ｂは、流水面８０における圧力面１０ｐ側の領域の一部に設けられてもよい。この場合、凸部８０Ｂは、流水面８０の下流側に部分的に設けられることが好ましい。

本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、ランナ４においては、ランナ羽根１０の圧力面１０ｐ付近のクラウン８とバンド９との間の距離が、負圧面１０ｎ付近と比較して、相対的に短くなる。これにより、流路Ｆにおける圧力面１０ｐ付近の断面積が負圧面１０ｎ付近の断面積よりも縮小することによって、圧力面１０ｐ付近の水の流速を増加させることができる。これにより、負圧面１０ｎ付近と圧力面１０ｐ付近との水の流速差を低減させることができる。

したがって、本実施の形態によっても、ランナ羽根１０の圧力面付近の水の流速に比較してランナ羽根の負圧面付近の水の流速が早くなることにより生じ得る流れの偏りを抑制することにより、水力損失を低減できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、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。この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。この実施の形態やその変形は、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、第１の実施の形態の変形例として、バンド９の流水面９０におけるランナ羽根１０の圧力面１０ｐ側の領域の一部又は全部に、当該一部又は全部と周方向で隣り合う、バンド９の流水面９０における負圧面側付け根部分９２よりも流路側に突出する凸部９０Ｂが設けられてもよい。

また、上記の変形例において、クラウン８の流水面８０におけるランナ羽根１０の負圧面１０ｎ側の領域の一部又は全部に、当該一部又は全部と周方向で隣り合う、クラウン８の流水面８０における圧力面側付け根部分８１よりも流路側にへこむ凹部８０Ａが設けられてもよい。さらに、この変形例において、上記の凹部８０Ａに加えて、第４の実施の形態で説明した凸部８０Ｂが設けられてもよい。

また、第３の実施の形態の変形例として、クラウン８の流水面８０におけるランナ羽根１０の圧力面１０ｐ側の領域の一部又は全部に、当該一部又は全部と周方向で隣り合う、クラウン８の流水面８０における負圧面側付け根部分８２よりも流路側に突出する凸部８０Ｂが設けられてもよい。

４ ランナ、８ クラウン、８０ 流水面、８０Ａ 凹部、８０Ｂ 凸部、８１，８２ 付け根部分、９ バンド、９０ 流水面、９０Ａ 凹部、９０Ｂ 凸部、 ９１，９２ 付け根部分、１０ ランナ羽根、１０ｐ 圧力面、１０ｎ 負圧面、１００ フランシス型水車、Ｆ 流路。

Claims (3)

1. クラウンと、
   バンドと、
   前記クラウン及び前記バンドの間に設けられる複数のランナ羽根と、
   を備え、
   前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の負圧面側の領域の一部又は全部には、当該負圧面側の領域の一部又は全部と周方向で隣り合う、前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の圧力面との付け根部分よりも反流路側にへこむ凹部が設けられ、
   前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の圧力面側の領域の一部又は全部には、当該圧力面側の領域の一部又は全部と周方向で隣り合う、前記バンドの流水面における前記ランナ羽根の負圧面との付け根部分よりも流路側に突出する凸部が設けられている、ことを特徴とするランナ。
2. クラウンと、
   バンドと、
   前記クラウン及び前記バンドの間に設けられる複数のランナ羽根と、
   を備え、
   前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の負圧面側の領域の一部又は全部には、当該負圧面側の領域の一部又は全部と周方向で隣り合う、前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の圧力面との付け根部分よりも反流路側にへこむ凹部が設けられ、
   前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の圧力面側の領域の一部又は全部には、当該圧力面側の領域の一部又は全部と周方向で隣り合う、前記クラウンの流水面における前記ランナ羽根の負圧面との付け根部分よりも流路側に突出する凸部が設けられている、ことを特徴とするランナ。
3. 請求項１又は２に記載のランナを備える、水力機械。

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