JP7360357B2 - ランナコーンおよび水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、ランナコーンおよび水力機械に関する。

近年、水力機械の運転において機器安定性が重視されており、水力機械の低振動化が求められている。水力機械における振動は、主に水力機械の流路内での圧力脈動（水圧脈動）によるものである。一般に、水圧脈動は、ランナの下流側で発生した螺旋渦が振れ回ることによって発生することが知られている。水力機械の低振動化のためには、この水圧脈動の低減が望まれる。

特開２０１１－２４７１６０号公報 特開２００９－１１５０６１号公報 特開２０１３－２３４６２１号公報

本発明は、水圧脈動を低減することができるランナコーンおよび水力機械を提供することを目的とする。

実施の形態によるランナコーンは、流入する水によって回転軸線を中心に回転駆動されるランナの中心部に設けられる。ランナコーンは、回転軸線に沿う方向に延びる円筒状に形成された円筒部と、円筒部に設けられた複数のスリットであって、円筒部の下流端から延びる複数のスリットと、を備える。

また、実施の形態による水力機械は、クラウンと、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、を有するランナと、クラウンの中心部に設けられた、上述したランナコーンと、を備える。

本発明によれば、水圧脈動を低減することができる。

図１は、実施の形態によるフランシス水車の子午面断面図である。 図２は、図１のランナコーンの概略正面図である。 図３は、図２のランナコーンの正面断面図である。 図４は、図２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 図５は、一般的なフランシス水車における螺旋渦の発生を説明するための図である。 図６は、図４の変形例（第１変形例）を示す断面図である。 図７は、図２の変形例（第２変形例）を示す正面断面図である。 図８は、図７のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。 図９は、図２の変形例（第３変形例）を示す正面断面図である。

以下、図面を参照して、本実施の形態によるランナコーン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、ランナコーン２０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に導くように構成されており、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に導くように構成されており、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ている。ランナ５は、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軸線Ｘを中心に回転方向Ｒに回転駆動される。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ーを回転エネルギーへと変換する。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。また、クラウン９の中心部には、後述するランナコーン２０が設けられている。

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、ランナ５の回転エネルギー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、図２～図４を用いて、本実施の形態によるランナコーン２０について説明する。

図２に示すように、ランナコーン２０は、円錐台状に形成された円錐台部２２と、円筒状に形成された円筒部２４と、円筒部２４に設けられた複数のスリット２６と、を備えている。

図２に示すように、円錐台部２２は、下流側（図２における下側）に向かって外径が小さくなるような円錐台状に形成されている。円錐台部２２の上流端２２ａは、連結部２１を介して、クラウン９の中心部と連結されている。円錐台部２２は、ボルト等によりクラウン９に固定されている。これにより、ランナ５の回転に伴ってランナコーン２０も回転する。円錐台部２２の下流端２２ｂは、後述する円筒部２４の上流端２４ａと接続されている。

図３に示すように、円錐台部２２は、中空に形成されている。図示するように、円錐台部２２の上流端２２ａにおける内径は、円錐台部２２の下流端２２ｂにおける内径よりも小さくてもよい。この場合、円錐台部２２の内周面は、上流端２２ａからランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びる内壁面２２ｃと、下流端２２ｂからランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びる内壁面２２ｄと、を含んでいてもよい。また、内壁面２２ｃと内壁面２２ｄとが、段差２２ｅにより接続されていてもよい。円錐台部２２は、円錐台部２２の中心線がランナ５の回転軸線Ｘと一致するように、配置されている。

図２に示すように、円筒部２４は、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びている。上述したように、円筒部２４の上流端２４ａは、円錐台部２２の下流端２２ｂと接続されている。すなわち、円筒部２４は、円錐台部２２の下流端２２ｂからランナ５の回転軸線Ｘに沿って下流側に延びている。円筒部２４の上流端２４ａにおける外径は、円錐台部２２の下流端２２ｂにおける外径と等しくてもよい。

図３に示すように、円筒部２４は、中空に形成されている。図示するように、円筒部２４の上流端２４ａにおける内径は、円筒部２４の下流端２４ｂにおける内径と等しくてもよい。この場合、円筒部２４の内周面２４ｄは、上流端２４ａから下流端２４ｂまでランナ５の回転軸線Ｘに沿って延びていてもよい。また、円筒部２４の上流端２４ａにおける内径は、円錐台部２２の下流端２２ｂにおける内径と等しくてもよい。円筒部２４は、円筒部２４の中心線がランナ５の回転軸線Ｘと一致するように、配置されている。

なお、円錐台部２２と円筒部２４は、溶接等により接合されていてもよいが、一体的に継ぎ目なく形成されていてもよい。

図２に示すように、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向における円筒部２４の寸法Ｌは、ランナ５の出口径Ｅ（図１参照）の０．０４倍以上０．３８倍以下であってもよい。また、円筒部２４の外径（直径）Ｄは、ランナの出口径Ｅの０．１６倍以上０．３８倍以下であってもよい。

図２～図４に示すように、複数のスリット２６が、円筒部２４に設けられている。スリット２６は、円筒部２４の下流端２４ｂから延びている。図２および図３に示すように、スリット２６は、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びていてもよい。また、各スリット２６は、互いに平行になるように延びていていもよい。図４に示すように、スリット２６は、円筒部２４の外周面２４ｃから内周面２４ｄまで貫通している。図４に示すように、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向で見たときに、スリット２６は、径方向を向いていてもよい。すなわち、スリット２６の中心線が、径方向に延びていてもよい。また、スリット２６は、周方向において等間隔に離間して配置されていてもよい。

図２に示すように、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向におけるスリット２６の寸法Ｓは、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向における円筒部２４の寸法Ｌの０．３倍以上１．０倍以下であってもよい。また、図２および図４に示すように、円筒部２４の外周面２４ｃの周方向におけるスリット２６の寸法Ｔは、円筒部２４の外周面２４ｃの周長の０．０５倍以上０．３倍以下であってもよい。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用効果について説明する。

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に流入した水によって、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に回転エネルギーを伝達し、発電機７による発電が行われる。その後、水はランナ５から流入し、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の圧力面の圧力が高められ、ランナ５を、回転方向Ｒに回転させる。このランナ５の回転に伴って、ランナコーン２０も回転方向Ｒに回転する。

ここで、ランナ羽根１１は、クラウン９とバンド１０とに固定されているため、流量を調整するためにガイドベーン４の開度を変化させた場合、ランナ羽根１１への水の流入角度が変化する。この場合、水流の流体エネルギーの一部は回転エネルギーに変換されず、その結果、ランナ５の下流側において旋回流れが生じることがある。

一般的なフランシス水車においては、この旋回流れに起因して、ランナ５の下流側に螺旋渦が発生する場合がある。より具体的には、設計点における流量よりも少ない流量での運転、すなわち部分負荷運転を行う場合、流量が少ないため、ランナ５の下流側では、図５に示すように、遠心力により流路外側の外側領域Ａに流れが偏り、流水は外側領域Ａを高速で旋回しながら流れる。このとき、流路中央部の中央領域Ｂはほぼ死水域となる。このため、外側領域Ａと中央領域Ｂとの間の速度差により生じるせん断力により螺旋渦が発生し得る。この螺旋渦は、ランナ５の回転方向Ｒと同じ方向に振れ回る。

一方、設計点における流量よりも多い流量での運転、すなわち過負荷運転を行う場合も、流量が多いため、流速が速く、ランナ５の下流側で螺旋渦が発生し易い。とりわけ高落差水車の場合、過負荷運転であっても相対的に流量が少ないため、ランナ５の下流側では、図５に示すように、外側領域Ａに流れが偏る。このため、中央領域Ｂに螺旋渦の渦芯が発生し、渦芯内での圧力勾配の発達により、より大きな螺旋渦が発生し得る。この螺旋渦は、ランナ５の回転方向Ｒとは反対の方向に振れ回る。

このような螺旋渦が、強い水圧脈動を発生させて、吸出し管８の壁面を激しく叩き、発電所の他の機器や構造物と共振を引き起こすことがある。これにより、発電所内の振動および騒音が発生し、その結果、安定した運転に影響を及ぼすことがある。

これに対して本実施の形態によれば、ランナ５の中心部に設けられるランナコーン２０が、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びる円筒状に形成された円筒部２４を備えている。このことにより、ランナコーン２０の円筒部２４が死水域である中央領域Ｂに入り込むことができる。このため、部分負荷運転時においては、ランナコーン２０の回転により、中央領域Ｂに旋回速度成分を付与することができ、外側領域Ａと中央領域Ｂとの間の速度差を小さくすることができる。この結果、螺旋渦の発生を抑制することができる。また、過負荷運転時においては、中央領域Ｂに旋回速度成分を付与することにより、螺旋渦の渦芯内の圧力勾配の発達を抑制することができる。この結果、螺旋渦の発生を抑制することができる。このように、部分負荷運転から過負荷運転までの運転範囲において、螺旋渦の発生を抑制し、水圧脈動を低減することができる。

とりわけ本実施の形態によれば、円筒部２４に、下流端２４ｂから延びる複数のスリット２６が設けられている。このことにより、水がスリット２６内に入り込むことにより、回転時のランナコーン２０の抵抗を増大させることができる。このため、部分負荷運転時においては、中央領域Ｂにより大きな旋回速度成分を付与することができ、外側領域Ａと中央領域Ｂとの間の速度差をより一層小さくすることができる。この結果、螺旋渦の発生をより効果的に抑制することができる。また、過負荷運転時においては、中央領域Ｂにより大きな旋回速度成分を付与することにより、螺旋渦の渦芯内の圧力勾配の発達をより効果的に抑制することができる。この結果、螺旋渦の発生をより効果的に抑制することができる。また、円筒部２４に複数のスリット２６が設けられていることによって、各スリット２６を起点に小規模な渦が先行して誘起されるが、これらの渦は各々の回転方向が同じであるため互いに打ち消し合い、大規模な渦への発達を抑制することができる。このように、部分負荷運転から過負荷運転までの運転範囲において、螺旋渦の発生をより効果的に抑制し、水圧脈動をより一層低減することができる。

また、本実施の形態によれば、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向における円筒部２４の寸法Ｌが、ランナ５の出口径Ｅの０．０４倍以上０．３８倍以下であり、円筒部２４の直径Ｄが、ランナ５の出口径Ｅの０．１６倍以上０．３８倍以下である。円筒部２４の寸法Ｌおよび直径Ｄをこのような範囲内に設定することにより、中央領域Ｂにより効果的に旋回速度成分を付与することができる。このため、螺旋渦の発生をより効果的に抑制し、水圧脈動をより一層低減することができる。

また、本実施の形態によれば、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向におけるスリット２６の寸法Ｓが、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向における円筒部２４の寸法Ｌの０．３倍以上１．０倍以下である。スリット２６の寸法Ｓをこのような範囲内に設定することにより、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向における広い範囲で、中央領域Ｂにより大きな旋回速度成分を付与することができる。また、円筒部２４の外周面２４ｃの周方向におけるスリット２６の寸法Ｔが、円筒部２４の外周面２４ｃの周長の０．０５倍以上０．３倍以下である。スリット２６の寸法Ｔをこのような範囲内に設定することにより、中央領域Ｂにより効果的に旋回速度成分を付与することができる。

（第１変形例）
上述した実施の形態においては、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向で見たときに、スリット２６が、径方向を向いている例を示した（図４参照）。しかしながら、このことに限定されることはなく、図６に示すように、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向で見たときに、スリット２６が、径方向に対して傾斜していてもよい。

すなわち、図６に示すように、スリット２６の中心線Ｃが、径方向に対して傾斜角度αを有していてもよい。この傾斜角度αは、１５度以上４５度以下であってもよい。図示するように、各スリット２６は、径方向に対して同じ傾斜角度αで傾いていてもよい。しかしながら、このことに限定されることはなく、各スリット２６は、上記数値範囲内であれば、それぞれ異なる傾斜角度で傾いていてもよい。また、図６に示す例においては、スリット２６は、ランナ５の回転方向Ｒとは反対の方向（図６における時計回り）に傾斜しているが、スリット２６は、ランナ５の回転方向Ｒ（図６における反時計回り）に傾斜していてもよい。

本変形例によれば、スリット２６が径方向に対して傾斜していることで、死水域である中央領域Ｂに付与する旋回速度成分の強さを調節することができる。すなわち、スリット２６をランナ５の回転方向Ｒとは反対の方向に傾斜させることで、回転時のランナコーン２０の抵抗を増大させることができる。このことにより、中央領域Ｂにより大きな旋回速度成分を付与することができる。このため、螺旋渦の発生をより効果的に抑制し、水圧脈動をより一層低減することができる。また、スリット２６をランナ５の回転方向Ｒに傾斜させることで、回転時のランナコーン２０の抵抗を減少させることができる。このことにより、ランナ５の回転効率の低下を抑制することができる。

（第２変形例）
また、上述した実施の形態の構成に加えて、図７および図８に示すように、ランナコーン２０は、円筒部２４の外周面２４ｃから突出した突出部２７を更に備えていてもよい。本変形例による突出部２７は、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びている。

すなわち、図７および図８に示すように、突出部２７は、円筒部２４の外周面２４ｃから突出するように、円筒部２４の外周面２４ｃ上に設けられている。図７に示すように、突出部２７は、スリット２６と平行になるように延びていてもよい。突出部２７は、下流端２４ｂからスリット２６よりも上流端２４ａの側の部分まで延びていてもよい。図８に示すように、突出部２７は、周方向に２つの主面を有する薄板状に形成されていてもよい。

また、図７および図８に示すように、突出部２７は、円筒部２４の外周面２４ｃに複数設けられていてもよい。図７に示すように、各突出部２７は、互いに平行になるように延びていていもよい。また、図８に示すように、突出部２７は、周方向において等間隔に離間して配置され、各スリット２６の間に一つずつ配置されていてもよい。

本変形例によれば、円筒部２４の外周面２４ｃに突出部２７を設けることで、回転時のランナコーン２０の抵抗を増大させることができる。このことにより、中央領域Ｂにより大きな旋回速度成分を付与することができる。このため、螺旋渦の発生をより効果的に抑制し、水圧脈動をより一層低減することができる。更に、過負荷運転時においては、ランナコーン２０の回転時に突出部２７での流れの剥離により剥離渦が発生し、この剥離渦によって螺旋渦の渦芯の圧力勾配の発達を抑制することができる。このため、とりわけ過負荷運転時において、螺旋渦の発生をより効果的に抑制し、水圧脈動をより一層低減することができる。

（第３変形例）
また、上述した実施の形態の構成に加えて、図９に示すように、ランナコーン２０は、円筒部２４の外周面２４ｃから突出した突出部２８を更に備えていてもよい。本変形例による突出部２８は、円筒部２４の下流端２４ｂに向かってランナ５の回転方向Ｒとは反対の方向に延びる螺旋状に形成されている。

すなわち、図９に示すように、突出部２８は、上流端２４ａから下流端２４ｂにかけて、ランナ５の回転方向Ｒとは反対の方向に巻き付けられるように、円筒部２４の外周面２４ｃ上に設けられている。図９に示すように、ランナコーン２０の正面で見たときに、突出部２８は、径方向（図９の左右方向）に対して１５度以上４５度以下の傾斜角度を有していてもよい。突出部２８は、周方向に２つの主面を有する薄板状に形成されていてもよい。

本変形例によれば、円筒部２４の外周面２４ｃに螺旋状の突出部２８を設けることで、中央領域Ｂに、旋回速度成分に加えて、軸方向の下流側（図９における下側）に向かう速度成分を付与することができる。このことにより、中央領域Ｂに流れを生じさせることができ、死水域を減少させることができる。このため、螺旋渦の発生をより効果的に抑制し、水圧脈動をより一層低減することができる。更に、過負荷運転時においては、ランナコーン２０の回転時に突出部２８の端部で翼端渦が発生し、この翼端渦によって螺旋渦の渦芯の圧力勾配の発達を抑制することができる。このため、とりわけ過負荷運転時において、螺旋渦の発生をより効果的に抑制し、水圧脈動をより一層低減することができる。

（その他の変形例）
また、上述した実施の形態においては、ランナコーン２０が、円錐台状に形成された円錐台部２２を備えている例を示した（図２参照）。しかしながら、このことに限定されることはなく、ランナコーン２０は、上述した円錐台部２２を備えていなくてもよい。この場合、円筒部２４の上流端２４ａが、クラウン９の中心部と連結されていてもよい。

また、上述した実施の形態においては、スリット２６が、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びている例を示した（図２参照）。しかしながら、このことに限定されることはなく、スリット２６は、ランナ５の回転軸線Ｘに対して傾斜していてもよい。すなわち、スリット２６は、ランナ５の回転軸線Ｘと交差する方向に延びていてもよい。

また、上述した第２変形例においては、突出部２７が、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向に延びている例を示した（図７参照）。しかしながら、このことに限定されることはなく、突出部２７は、ランナ５の回転軸線Ｘに対して傾斜していてもよい。すなわち、突出部２７は、ランナ５の回転軸線Ｘと交差する方向に延びていてもよい。

このような場合においても、部分負荷運転から過負荷運転までの運転範囲において、螺旋渦の発生を抑制し、水圧脈動を低減することができる。

以上述べた実施の形態によれば、水圧脈動を低減することができる。

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。

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、２０：ランナコーン、２４：円筒部、２４ｂ：下流端、２６：スリット、２７、２８：突出部、Ｒ：回転方向、Ｘ：回転軸線

Claims (9)

1. 流入する水によって回転軸線を中心に回転駆動されるランナの中心部に設けられるランナコーンであって、
   前記回転軸線に沿う方向に延びる円筒状に形成された円筒部と、
   前記円筒部に設けられた複数のスリットであって、前記円筒部の下流端から延びる複数のスリットと、を備えるランナコーン。
2. 前記スリットは、前記回転軸線に沿う方向に延びている、請求項１に記載のランナコーン。
3. 前記回転軸線に沿う方向における前記円筒部の寸法が、前記ランナの出口径の０．０４倍以上０．３８倍以下であり、前記円筒部の直径が、前記ランナの出口径の０．１６倍以上０．３８倍以下である、請求項１または２に記載のランナコーン。
4. 前記回転軸線に沿う方向における前記スリットの寸法が、前記回転軸線に沿う方向における前記円筒部の寸法の０．３倍以上１．０倍以下であり、前記円筒部の外周面の周方向における前記スリットの寸法が、前記円筒部の外周面の周長の０．０５倍以上０．３倍以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載のランナコーン。
5. 前記回転軸線に沿う方向で見たときに、前記スリットは、径方向に対して傾斜している、請求項１から４のいずれか一項に記載のランナコーン。
6. 前記円筒部の外周面から突出した突出部を更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のランナコーン。
7. 前記突出部は、前記回転軸線に沿う方向に延びている、請求項６に記載のランナコーン。
8. 前記突出部は、前記円筒部の下流端に向かって前記ランナの回転方向とは反対の方向に延びる螺旋状に形成されている、請求項６に記載のランナコーン。
9. クラウンと、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、を有するランナと、
   前記クラウンの中心部に設けられた、請求項１から８のいずれか一項に記載のランナコーンと、を備える水力機械。

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