JP7085406B2 - 水力機械のランナおよび水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、水力機械のランナおよび水力機械に関する。

一般に、水力機械のランナは、流体のエネルギを動力に変換させる最も重要な機械要素の一つである。このため、ランナの性能の良否が、水力機械全体の水力効率を大きく左右する。したがって、高効率なランナを開発することが水力設計における重要課題であり、従来から数多くの水力効率の向上策が提案されている。

フランシス水車（例えば、比速度が小さいフランシス水車）では、一般にランナ羽根の枚数が多いほど整流効果が上がり、水力性能が向上する。一方、ランナ羽根の枚数が多くなると水車運転時におけるランナの出口側の翼間流路が狭くなり、製作時の作業性を損なうおそれがある。そこで、近年では、ランナ羽根として長翼と当該長翼よりも翼長が短い短翼とをランナの周方向に交互に配置するスプリッタランナが提案されている。このスプリッタランナによれば、製作時の作業性を損なうことを防止しつつ、水力性能を向上させることができる。

しかしながら、上述したようなスプリッタランナでは、ランナ羽根として短翼を設けているため、水車運転時の出口側におけるランナ羽根の枚数が少なくなる。このため、当該出口側においてランナ羽根にかかる翼負荷が増大して負圧面の圧力が低下し、キャビテーション性能が低下するおそれがある。

特開２００７－１０７４２８号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、キャビテーション性能を向上させることができる水力機械のランナおよび水力機械を提供することを目的とする。

実施の形態による水力機械のランナは、クラウンと、クラウンの外周側に設けられたバンドと、クラウンとバンドとの間に設けられた複数のランナ羽根と、を備えている。複数のランナ羽根は、長翼と、長翼よりも翼長が短い短翼と、を含んでいる。周方向で互いに隣り合う一対の短翼の間に、２つの長翼が配置されている。

また、実施の形態による水力機械は、上述した水力機械のランナを備えている。

本発明によれば、キャビテーション性能を向上させることができる。

図１は、第１の実施の形態におけるフランシス水車の子午面断面図である。 図２は、図１に示すランナを上方から見た概念図である。 図３は、図２に示すランナ羽根の翼面の圧力分布を示す図である。 図４は、第２の実施の形態におけるランナを上方から見た概念図である。 図５は、第３の実施の形態におけるランナを上方から見た概念図である。 図６は、第４の実施の形態におけるランナを上方から見た概念図である。 図７は、第４の実施の形態における開先溶接部の断面を示す概念図である。 図８は、第５の実施の形態におけるランナを水車運転時の下流側から見たときの出口端付近を示す概念図である。 図９は、第５の実施の形態におけるランナを上方から見た概念図である。 図１０は、第６の実施の形態におけるランナを水車運転時の下流側から見たときの出口端付近を示す概念図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態における水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

（第１の実施の形態）
図１～図３を用いて、第１の実施の形態における水力機械のランナおよび水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて水力機械の一例であるフランシス水車について説明する。

図１に示すように、フランシス水車１は、水車運転時に上池から水圧鉄管（いずれも図示せず）を通って水が流入する渦巻き状のケーシング２と、複数のステーベーン３と、複数のガイドベーン４と、ランナ５と、を備えている。

ステーベーン３は、ケーシング２に流入した水をガイドベーン４およびランナ５に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ステーベーン３の間には、水が流れる流路が形成されている。

ガイドベーン４は、流入した水をランナ５に導くためのものであり、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４は、通常、偶数枚数の羽根より構成されている。ガイドベーン４の間には、水が流れる流路が形成されている。各ガイドベーン４は回動可能に構成されており、各ガイドベーン４が回動して開度を変えることにより、ランナ５に流入する水の流量が調整可能になっている。このようにして、後述する発電機７の発電量が調整可能になっている。

ランナ５は、ケーシング２に対して回転軸線Ｘを中心に回転可能に構成され、水車運転時にケーシング２から流入する水によって回転駆動される。すなわち、ランナ５は、ランナ５に流入する水の圧力エネルギを回転エネルギへと変換するためのものである。

ランナ５には、主軸６を介して発電機７が連結されている。発電機７は、水車運転時には、ランナ５の回転エネルギが伝達されて発電を行うように構成されている。

ランナ５の水車運転時の下流側には、吸出し管８が設けられている。吸出し管８は、図示しない下池または放水路に連結されており、ランナ５を回転駆動させた水が、圧力を回復して、下池または放水路に放出されるようになっている。

なお、発電機７は、電動機としての機能をも有し、電力が供給されることによりランナ５を回転駆動するように構成されていてもよい。この場合、吸出し管８を介して下池の水を吸い上げて上池に放出させることができ、フランシス水車１を、ポンプ水車としてポンプ運転（揚水運転）することが可能になる。この際、ガイドベーン４の開度は、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。

次に、本実施の形態によるランナ５について説明する。

図１に示すように、ランナ５は、主軸６に連結されたクラウン９と、クラウン９の外周側に設けられたバンド１０と、クラウン９とバンド１０との間に設けられた複数のランナ羽根１１と、を有している。ランナ羽根１１は、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、クラウン９とバンド１０とにそれぞれ溶接接合されている。ランナ羽根１１の間には、水が流れる流路（翼間流路）が形成されている。

図２に示すように、ランナ羽根１１は、水車運転時の水の入口側に配置された入口端１１Ａと、水車運転時の水の出口側に配置された出口端１１Ｂと、を有している。また、ランナ羽根１１は、水車運転時の圧力面１１Ｐと、水車運転時の負圧面１１Ｎと、を有している。圧力面１１Ｐと負圧面１１Ｎとによって、キャンバーラインＣＬが画定されている。ここで、キャンバーラインＣＬとは、圧力面１１Ｐと負圧面１１Ｎの両方に接する内接円の中心を結んでなる線を意味する。キャンバーラインＣＬは、入口端１１Ａおよび出口端１１Ｂを通っている。

図２に示すように、本実施の形態では、複数のランナ羽根１１は、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢと、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢと、を含んでいる。短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの翼長は、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの翼長よりも短くなっている。ここで、翼長とは、キャンバーラインＣＬに沿った入口端１１Ａから出口端１１Ｂまでの翼（ランナ羽根１１）の長さを意味する。

長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａと、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの入口端１１Ａは、同じ半径方向位置に配置されている。言い換えると、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａと、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの入口端１１Ａは、ランナ５の回転中心（回転軸線Ｘ）からの半径方向距離が等しくなっている。このため、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口端１１Ｂの半径方向位置は、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂの半径方向位置よりも、ランナ５の半径方向内側に配置されている。図２に示す形態では、各長翼１１ＬＡ、１１ＬＢは互いに同一形状を有しており、また各短翼１１ＳＡ、１１ＳＢも互いに同一形状を有している。

周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ，１１ＳＢの間には、２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢが配置されている。このようにして、ランナ５は、周方向に１つの短翼１１ＳＡ、１１ＳＢと２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢとが交互に並んで配置された構成となっている。本実施の形態では、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢと長翼１１ＬＡ、１１ＬＢとの合計枚数は奇数になっている。より具体的には、ランナ５は、３枚の短翼と、６枚の長翼とを有しており、合計で９枚のランナ羽根１１を有している。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態によるフランシス水車１において水車運転を行う場合、図示しない上池から水圧鉄管、ケーシング２及びステーベーン３を介して水がガイドベーン４に流入し、ガイドベーン４からランナ５に水が流入する。このランナ５に流入された水によって、ランナ５が回転駆動される。回転駆動されるランナ５は、連結された主軸６を介して発電機７に回転エネルギを伝達し、発電機７による発電が行われる。ランナ５に流入した水は、ランナ５から吸出し管８を通って、図示しない下池に放出される。

ランナ５に流入した水は、ランナ羽根１１に沿って水車運転時の入口側から出口側に向かって流れる。この間、水の流れによってランナ羽根１１の圧力面１１Ｐの圧力が高められ、ランナ５を、図２に示す回転方向Ｄに回転させる。

しかしながら、ランナ羽根１１として長翼と短翼とを用いたスプリッタランナでは、ランナ５の出口側においてランナ５の入口側よりもランナ羽根１１の枚数が減少する。例えば、周方向に長翼と短翼とを１枚ずつ交互に配置したスプリッタランナの場合、ランナ５の出口側におけるランナ羽根１１の枚数は、ランナ５の入口側におけるランナ羽根１１の枚数の半分に減少する。この場合、ランナ５の出口側においてキャビテーションの問題が生じ得る。

ここで、一般に、ランナ羽根１１の枚数が多いほど、水車運転時に各ランナ羽根１１にかかる翼負荷が軽減され、キャビテーション性能が向上する。このことについて、図３を用いて以下に説明する。

図３には、ランナ羽根１１の入口端１１Ａから出口端１１Ｂにわたる圧力面１１Ｐおよび負圧面１１Ｎの圧力分布の一例が示されている。図３では、同一落差条件で、ランナ羽根１１の枚数が相対的に少ない場合の圧力分布を実線で示し、ランナ羽根１１の枚数が相対的に多い場合の圧力分布を破線で示している。また、図３において、上方に示す実線と破線はランナ羽根１１の圧力面１１Ｐの圧力分布を示し、下方に示す実線と破線はランナ羽根１１の負圧面１１Ｎの圧力分布を示している。図３の横軸は、翼面（圧力面１１Ｐまたは負圧面１１Ｎ）に沿った入口端１１Ａからの距離であって、翼長を１とした場合の入口端１１Ａからの距離を示している。そして、この圧力面１１Ｐの圧力と負圧面１１Ｎの圧力との差がランナ羽根１１にかかる翼負荷（翼の仕事）となる。ランナ羽根１１の枚数が少ない場合の翼負荷を実線の矢印で示し、ランナ羽根の枚数が多い場合の翼負荷を破線の矢印で示す。

図３の矢印に示すように、ランナ羽根１１の枚数が多い方が１枚のランナ羽根１１にかかる負荷が小さくなり、負圧面１１Ｎの圧力が高くなっている。よって、ランナ羽根１１の枚数が多い方が、負圧面１１Ｎにおけるキャビテーションが発生しづらくなり、キャビテーション性能が向上する。すなわち、キャビテーション性能を向上させるためには、ランナ羽根１１の枚数が多い方が有利であると言える。

本実施の形態によるランナ５では、一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢが配置されている。このため、上述したような長翼と短翼とを１枚ずつ交互に配置したスプリッタランナよりも出口側におけるランナ羽根１１の枚数を多くすることができる。本実施の形態では、出口側におけるランナ羽根１１の枚数は、入口側におけるランナ羽根１１の枚数の２／３を確保することができる。このため、キャビテーション性能の向上を図ることができる。

このように本実施の形態によれば、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間には、２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢが配置されている。このことにより、出口側においてランナ羽根１１の枚数を多くすることができる。このため、各ランナ羽根１１の翼負荷を軽減して、負圧面１１Ｎの圧力の低下を抑制することができる。この結果、キャビテーション性能を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢと長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの合計枚数が奇数になっている。一般に、ランナ羽根１１がガイドベーン４付近を通過したとき、当該ランナ羽根１１と当該ガイドベーン４との間の領域が高圧になる。この高圧部は、ランナ５の回転に伴い周方向に移動し、振動を発生させるおそれがある。この高圧部が同時に発生する数や振動の大きさは、ランナ羽根１１の枚数とガイドベーン４の枚数との組み合わせによって定まる。ランナ羽根１１とガイドベーン４の枚数が共に偶数である場合、上述した高圧部が複数の箇所でほぼ同時に発生し、振動が大きくなるおそれがある。これに対して、ランナ羽根１１の枚数を奇数とすることで、振動を抑制することができる場合がある。具体的には、ガイドベーン４の枚数が２０枚の場合、ランナ羽根１１の枚数を１０枚とすると、すべてのランナ羽根１１において同時に高圧部が発生し、振動が大きくなるおそれがある。ここで、ランナ羽根１１の枚数を９枚や１１枚などとすることで、すべてのランナ羽根１１において同時に高圧部が発生することを防止することができるため、振動を抑制することができる。特に、既設の水車のランナ５を改修する場合などにおいては、ガイドベーン４は既設のものをそのまま流用することがあるため、ランナ羽根１１の枚数を変更して対策を行うことが有効である。このように本実施の形態では、上述したようにランナ羽根１１の枚数を奇数としていることにより、振動を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａと、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの入口端１１Ａは、同じ半径方向位置に配置されている。このことにより、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢよりも翼長が短い短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂを、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口端１１Ｂよりも半径方向外側に配置することができる。このため、ランナ５のうち比較的スペースが小さい出口側（半径方向内側）において、ランナ羽根１１の溶接作業のスペースを確保することができ、製作時の作業性を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、ランナ５は、周方向に１つの短翼１１ＳＡ、１１ＳＢと２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢとが交互に並んで配置されている。このことにより、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置される長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの枚数を２枚にすることができる。このため、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの溶接時の作業性の低下を防止することができる。また、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢと長翼１１ＬＡ、１１ＬＢとを周方向で規則的に配置することができ、振動を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図４を用いて、第２の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

図４に示す第２の実施の形態においては、第１の長翼の出口端の角度が、第２の長翼の出口端の角度よりも大きくなる点が主に異なり、他の構成は、図１～図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１～図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置された長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのうち水車運転時の回転方向Ｄの側に位置する長翼（第１の長翼１１ＬＡ）の出口端１１Ｂの角度をβ２Ａとする。また、水車運転時の回転方向Ｄの側とは反対側に位置する長翼（第２の長翼１１ＬＢ）の出口端１１Ｂの角度をβ２Ｂとする。本実施の形態では、角度β２Ａが角度β２Ｂよりも大きくなっている。すなわち、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢが、角度β２Ａ＞角度β２Ｂの関係式を満たすように配置されている。ここで、出口端１１Ｂの角度とは、図４に示す接線Ｔ１と接線Ｔ２とが成す角度を言う。接線Ｔ１は、ランナ５の回転中心を中心として各長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口端１１Ｂを通る円Ｒ１に対する長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口端１１Ｂにおける接線である。接線Ｔ２は、当該長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのキャンバーラインＣＬに対する出口端１１Ｂにおける接線である。

この場合、ランナ５の出口側において、第１の長翼１１ＬＡを、回転方向Ｄの側とは反対側に位置する第２の長翼１１ＬＢから、回転方向Ｄの側に遠ざけることができる。このことにより、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置された第１の長翼１１ＬＡと第２の長翼１１ＬＢとの間の翼間流路の幅ｄ１を拡げることができる。一方、間に１つの短翼１１ＳＡ（または短翼１１ＳＢ）が配置された第２の長翼１１ＬＢと第１の長翼１１ＬＡとの間の翼間流路の幅ｄ２を狭めることができる。このため、幅ｄ１と幅ｄ２との差を縮めることができる。

本実施の形態においては、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置された２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢは、水車運転時における長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａから、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂと同じ半径方向位置まで互いに同一形状となるように形成されていてもよい。一方、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢは、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂと同じ半径方向位置から長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口端１１Ｂまで互いに異なる形状で形成されていてもよい。

このように本実施の形態によれば、第１の長翼１１ＬＡの出口端１１Ｂの角度β２Ａが、第２の長翼１１ＬＢの出口端１１Ｂの角度β２Ｂよりも大きくなっている。このことにより、ランナ５の出口側において、周方向で互いに隣り合う一対の長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの間の翼間流路の幅を、周方向において均一化させることができる。このため、ランナ５の出口側における各翼間流路を流れる水の流量を周方向において均一化させることができる。この結果、水力性能をより一層向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置された２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢは、水車運転時における長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａを含む一部分が互いに同一形状となるように形成されている。このように、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの一部分を互いに同一形状とすることにより、ランナ５の製作を簡易化し、製作コストを低減することができる。特に、本実施の形態においては、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａから、短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂと同じ半径方向位置まで互いに同一形状となるように形成されている。このように、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの大部分を互いに同一形状とすることにより、より一層製作コストを低減することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図５を用いて、第３の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

図５に示す第３の実施の形態においては、第１の長翼の入口端の角度が、第２の長翼の入口端の角度よりも小さくなる点が主に異なり、他の構成は、図１～図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５において、図１～図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示すように、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置された長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのうち水車運転時の回転方向Ｄの側に位置する長翼（第１の長翼１１ＬＡ）の入口端１１Ａの角度をβ１Ａとする。また、水車運転時の回転方向Ｄの側とは反対側に位置する長翼（第２の長翼１１ＬＢ）の入口端１１Ａの角度をβ１Ｂとする。本実施の形態では、角度β１Ａが角度β１Ｂよりも小さくなっている。すなわち、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢが、角度β１Ａ＜角度β１Ｂの関係式を満たすように配置されている。ここで、入口端１１Ａの角度とは、図５に示す接線Ｔ３と接線Ｔ４とが成す角度を言う。接線Ｔ３は、ランナ５の回転中心を中心とする各長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａを通る円Ｒ２に対する長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの入口端１１Ａにおける接線である。接線Ｔ４は、当該長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのキャンバーラインＣＬに対する入口端１１Ａにおける接線である。

この場合、ランナ５の入口側において、第１の長翼１１ＬＡを、回転方向Ｄの側とは反対側に位置する第２の長翼１１ＬＢから、回転方向Ｄの側に遠ざけることができる。このことにより、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置された第１の長翼１１ＬＡと第２の長翼１１ＬＢとの間の翼間流路の幅ｄ３を拡げることができる。一方、第１の長翼１１ＬＡと短翼１１ＳＡ（または第２の長翼１１ＬＢと短翼１１ＳＢ）との間の翼間流路の幅ｄ４を狭めることができる。

このように本実施の形態によれば、第１の長翼１１ＬＡの入口端１１Ａの角度β１Ａが、第２の長翼１１ＬＢの入口端１１Ｃの角度β１Ｂよりも小さくなっている。このことにより、ランナ５の入口側において、周方向で互いに隣り合う一対の長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの間の翼間流路の幅ｄ３を拡げることができる。このため、ランナ５の出口側における各翼間流路を流れる水の流量を周方向において均一化させることができる。すなわち、図４に示す翼間流路の幅ｄ１が、翼間流路の幅ｄ２よりも小さくなっているため、幅ｄ１の翼間流路を流れる水の流量が、幅ｄ２の翼間流路を流れる水の流量よりも少なくなる傾向にある。これに対して本実施の形態では、幅ｄ１の翼間流路の入口側における幅ｄ３を拡げることができるとともに、幅ｄ２の翼間流路の入口側における幅ｄ４を狭めることができる。このことにより、幅ｄ３の翼間流路に流入する水の流量を増大させるとともに幅ｄ４の翼間流路に流入する水の流量を低減させることができる。このため、ランナ５の出口側における各翼間流路を流れる水の流量を周方向において均一化させることができる。この結果、水力性能をより一層向上させることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図６および図７を用いて、第４の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

図６および図７に示す第４の実施の形態においては、長翼の開先溶接部が、長翼の出口端から短翼の出口端と同じ半径方向位置まで、当該長翼に隣り合う短翼の側に形成されている点が主に異なり、他の構成は、図１～図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６および図７において、図１～図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６および図７に示すように、水車運転時の回転方向Ｄの側に位置する第１の長翼１１ＬＡは、片開先である開先溶接部１２Ａを介して、クラウン９およびバンド１０に溶接接合されている。より詳細には、クラウン９から突出するスタブ９ｓと、バンド１０から突出するスタブ１０ｓとに、第１の長翼１１ＬＡが開先溶接部１２Ａを介して溶接接合されている。同様に、水車運転時の回転方向Ｄの側とは反対側に位置する第２の長翼１１ＬＢは、片開先である開先溶接部１２Ｂを介して、クラウン９から突出するスタブ９ｓと、バンド１０から突出するスタブ１０ｓとに溶接接合されている。なお、第１の長翼１１ＬＡおよび第２の長翼１１ＬＢは、図７に示すようなスタブ９ｓ、１０ｓを介することなく、クラウン９およびバンド１０に直接、開先溶接部１２Ａ、１２Ｂによって溶接接合されていてもよい。

本実施の形態では、開先溶接部１２Ａは、第１の長翼１１ＬＡの出口端１１Ｂから短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂと同じ半径方向位置まで、当該第１の長翼１１ＬＡに隣り合う短翼１１ＳＡの側に形成されている。すなわち、開先溶接部１２Ａは、第１の長翼１１ＬＡの負圧面１１Ｎで開口するように、片開先形状で形成されている。また、開先溶接部１２Ｂは、第２の長翼１１ＬＢの出口端１１Ｂから短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂと同じ半径方向位置まで、当該第２の長翼１１ＬＢに隣り合う短翼１１ＳＢの側に形成されている。すなわち、開先溶接部１２Ｂは、第２の長翼１１ＬＢの圧力面１１Ｐで開口するように、片開先形状で形成されている。

この場合、ランナ５のうち比較的スペースが小さい出口側において、第１の長翼１１ＬＡの圧力面１１Ｐの側および負圧面１１Ｎの側のうち比較的スペースが確保されている負圧面１１Ｎの側からアクセスして開先溶接部１２Ａを形成することができる。このため、開先溶接部１２Ａの周囲に溶接作業のスペースを確保することができる。また、ランナ５の出口側において、第２の長翼１１ＬＢの圧力面１１Ｐの側および負圧面１１Ｎの側のうち比較的スペースが確保されている圧力面１１Ｐの側からアクセスして開先溶接部１２Ｂを形成することができる。このため、開先溶接部１２Ｂの周囲に溶接作業のスペースを確保することができる。

なお、第１の長翼１１ＬＡの入口端１１Ａから短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂと同じ半径方向位置までの部分は、上述した開先溶接部１２Ａと同様に片開先溶接構造でクラウン９およびバンド１０に溶接接合されていてもよいが、圧力面１１Ｐおよび負圧面１１Ｎの両側に開先溶接部をそれぞれ形成するようにしてもよい。第２の長翼１１ＬＢについても同様である。

このように本実施の形態によれば、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの開先溶接部１２Ａ、１２Ｂが、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口端１１Ｂから短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの出口端１１Ｂと同じ半径方向位置まで、当該長翼１１ＬＡ、１１ＬＢに隣り合う短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの側に形成されている。このことにより、ランナ５のうち比較的スペースが小さい出口側において、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの溶接作業のスペースを確保することができる。このため、製作時の作業性を向上させることができる。

（第５の実施の形態）
次に、図８および図９を用いて、第５の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

図８および図９に示す第５の実施の形態においては、ランナを水車運転時の下流側から見たときに、長翼の出口縁線とバンドとの接続点が、出口縁線とクラウンとの接続点とランナの回転中心とを通る線よりも回転方向の側に位置している点が主に異なり、他の構成は、図１～図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８および図９において、図１～図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示すように、周方向で互いに隣り合う一対の短翼１１ＳＡ、１１ＳＢの間に配置された２つの長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのうち水車運転時の回転方向Ｄの側とは反対側に位置する第２の長翼１１ＬＢの出口縁線１３とバンド１０とが接続点１４で接続されている。また、出口縁線１３とクラウン９とが接続点１５で接続されている。本実施の形態では、接続点１４が、接続点１５とランナ５の回転中心Ｏとを通る線１６よりも回転方向Ｄの側に位置するように、第２の長翼１１ＬＢが形成されている。

この場合、第２の長翼１１ＬＢのバンド１０の側の部分１１ＬＢ－ｂにおける翼長を、クラウン９の側の部分１１ＬＢ－ｃにおける翼長よりも短くすることができる。

フランシス水車１をポンプ水車としてポンプ運転したとき、図９に示すように、設計運転点において、ランナ羽根１１に対して速度ベクトルＷ０（破線）の水が流入する。このとき、水車運転時の出口端１１Ｂ（ポンプ運転時の入口端）の角度と水の速度ベクトルＷ０とが成す角度差は小さいため、キャビテーションの問題は生じにくい。一方、低揚程の運転点においては、流水量が相対的に増加し、ランナ羽根１１に対して速度ベクトルＷ（実線）の水が流入する。このとき、ランナ羽根１１において水車運転時の回転方向Ｄの側とは反対側の面（第２の長翼１１ＬＢの側の面）にキャビテーションＣが発生するおそれがある。このキャビテーションは、ランナ羽根１１のバンド１０の側の部分において比較的発生しやすい傾向にある。キャビテーションが発生すると第１の長翼１１ＬＡと第２の長翼１１ＬＢとの間の翼間流路が閉塞されるおそれがある。

本実施の形態においては、上述したように、長翼１１ＬＢのバンド１０の側の部分１１ＬＢ－ｂにおける翼長を、クラウン９の側の部分１１ＬＢ－ｃにおける翼長よりも短くすることができる。このことにより、比較的キャビテーションが発生しやすい傾向にあるランナ羽根１１のバンド１０の側の部分において、第１の長翼１１ＬＡと第２の長翼１１ＬＢとの間の翼間流路を拡げることができる。このため、キャビテーションによる翼間流路の閉塞を抑制することができる。

このように本実施の形態によれば、ランナ５を水車運転時の下流側から見たときに、第２の長翼１１ＬＢの出口縁線１３とバンド１０との接続点１４が、出口縁線１３とクラウン９との接続点１５とランナ５の回転中心Ｏとを通る線１６よりも回転方向Ｄの側に位置している。このことにより、比較的キャビテーションが発生しやすい傾向にあるランナ羽根１１のバンド１０の側の部分において、第１の長翼１１ＬＡと第２の長翼１１ＬＢとの間の翼間流路を拡げることができる。このため、キャビテーションによる翼間流路の閉塞を抑制し、キャビテーション性能を向上させることができる。

（第６の実施の形態）
次に、図１０を用いて、第６の実施の形態による水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

図１０に示す第６の実施の形態においては、ランナを水車運転時の下流側から見たときに、長翼の出口縁線とクラウンとの接続点が、出口縁線とバンドとの接続点とランナの回転中心とを通る線よりも回転方向の側に位置している点が主に異なり、他の構成は、図１～図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０において、図１～図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口縁線１３とクラウン９とが接続点１５で接続されている。また、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口縁線１３とバンド１０とが接続点１４されている。本実施の形態では、接続点１５が、接続点１４とランナ５の回転中心Ｏとを通る線１６よりも回転方向Ｄの側に位置するように、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢが形成されている。

この場合、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのクラウン９の側の部分における翼長を短くすることができる。このことにより、ランナ５のうち比較的スペースが小さい出口側において、第１の長翼１１ＬＡと第２の長翼１１ＬＢとの間の翼間流路を拡げることができる。このため、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの溶接作業のスペースを確保することができ、製作時の作業性を向上させることができる。

ここで一般に、ランナ羽根１１の翼長が短くなると、１枚のランナ羽根１１にかかる翼負荷が増大する。そして、第１の実施の形態でも述べたように、１枚のランナ羽根１１にかかる翼負荷が増大すると、負圧面１１Ｎの圧力が低下し、キャビテーションの問題が生じ得る。また一般に、キャビテーションは、ランナ羽根１１のバンド１０の側の部分において比較的発生しやすい傾向にある。

これに対して本実施の形態では、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのバンド１０の側の部分における翼長は長い状態に維持されている。このことにより、比較的キャビテーションが発生しやすい傾向にある長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのバンド１０の側の部分において、翼負荷の増大を抑制することができる。このため、負圧面１１Ｎの圧力の低下を抑制することができる。よって、キャビテーション性能の低下を防止することができる。

このように本実施の形態によれば、ランナ５を水車運転時の下流側から見たときに、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの出口縁線１３とクラウン９との接続点１５が、出口縁線１３とバンド１０との接続点１４とランナ５の回転中心Ｏとを通る線１６よりも回転方向Ｄの側に位置している。このことにより、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのクラウン９の側の部分においては、第１の長翼１１ＬＡと第２の長翼１１ＬＢとの間の翼間流路を拡げ、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢの溶接作業のスペースを確保することができる。また、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのバンド１０の側の部分においては、翼長を長い状態に維持することにより、長翼１１ＬＡ、１１ＬＢのバンド１０の側の部分における翼負荷の増大を抑制し、負圧面１１Ｎの圧力の低下を抑制することができる。このように本実施の形態によれば、製作時の作業性とキャビテーション性能とをバランス良く向上させることができる。

以上述べた実施の形態によれば、キャビテーション性能を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これら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。これら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。

なお、上述した実施の形態では、水力機械の一例としてのフランシス水車がポンプ運転を行うことができるポンプ水車である例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、フランシス水車は、ポンプ運転を行わないように構成されていてもよい。

１：フランシス水車、５：ランナ、９：クラウン、１０：バンド、１１：ランナ羽根、１１Ａ：入口端、１１Ｂ：出口端、１１ＳＡ、１１ＳＢ：短翼、１１ＬＡ、１１ＬＢ：長翼、１２Ａ、１２Ｂ：開先溶接部、１３：出口縁線

Claims (10)

1. クラウンと、
   前記クラウンの外周側に設けられたバンドと、
   前記クラウンと前記バンドとの間に設けられた複数のランナ羽根と、を備え、
   複数の前記ランナ羽根は、長翼と、前記長翼よりも翼長が短い短翼と、を含み、
   周方向で互いに隣り合う一対の前記短翼の間に、２つの前記長翼が配置され、
   周方向で互いに隣り合う一対の前記短翼の間に配置された２つの前記長翼のうち、水車運転時の回転方向の側に位置する前記長翼を第１の長翼、前記回転方向とは反対側に位置する前記長翼を第２の長翼としたとき、水車運転時における前記第１の長翼の出口端の角度β２Ａは、前記第２の長翼の出口端の角度β２Ｂよりも大きい、水力機械のランナ。
2. 周方向で互いに隣り合う一対の前記短翼の間に配置された２つの前記長翼は、水車運転時における入口端を含む一部分が互いに同一形状で形成されている、請求項１に記載の水力機械のランナ。
3. 水車運転時における前記第１の長翼の入口端の角度β１Ａは、前記第２の長翼の入口端の角度β１Ｂよりも小さい、請求項１に記載の水力機械のランナ。
4. 前記短翼と前記長翼の合計枚数は奇数である、請求項１～３のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
5. 前記長翼は、前記クラウンおよび前記バンドに、片開先である開先溶接部を介してそれぞれ接合され、
   前記長翼の前記開先溶接部は、水車運転時における出口端から前記短翼の出口端と同じ半径方向位置まで、当該長翼に隣り合う前記短翼の側に形成されている、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
6. 前記ランナを水車運転時の下流側から見たときに、周方向で互いに隣り合う一対の前記短翼の間に配置された２つの前記長翼のうち水車運転時の回転方向とは反対側に位置する前記長翼の出口縁線と前記バンドとの接続点が、前記出口縁線と前記クラウンとの接続点と前記ランナの回転中心とを通る線よりも前記回転方向の側に位置している、請求項１～５のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
7. 前記ランナを水車運転時の下流側から見たときに、前記長翼の出口縁線と前記クラウンとの接続点が、前記出口縁線と前記バンドとの接続点と前記ランナの回転中心とを通る線よりも水車運転時の回転方向の側に位置している、請求項１～５のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
8. 前記長翼の水車運転時の入口端と、前記短翼の水車運転時の入口端は、同じ半径方向位置に位置している、請求項１～７のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
9. １つの前記短翼と、２つの前記長翼とが、交互に配置されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の水力機械のランナ。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の水力機械のランナを備える水力機械。

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