JPH0129989B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水力機械、特にフランシス型機械の羽
根車の改良に関するものである。

従来のフランシス型羽根車は、同心状のバンド
あるいはリング部を備えた頂部と、その頂部およ
びハブとの間に延びてそれらをリングにより互い
に連結する一群の羽根とから構成され、それら一
群の羽根の隣接する各対の羽根間に形成される複
数の履路を通過する水の作用によつて頂部の中心
軸周りに回転される。各羽根は、回転軸方向前方
の吸入面と後方の加圧面との間の境界線を規定す
る水流分割縁部を有する。羽根は通常、羽根車が
流出口から頂部へ向けて該羽根車の回転方向に進
むように傾斜して規則正しく配列されている。

このような従来の羽根車の設計に固有の問題の
一つは、特に水流の方向における水流分割縁部の
すぐ下流で、バンドあるいはリング部と羽根の吸
入面との間の結合部を形成するフイレツトにおい
て、あるいはその近くで、羽根車がキヤビテーシ
ヨンにより破損しやすいことである。そのような
キヤビテーシヨンは現場での修理や、場合によつ
ては羽根の変更を要するような重大な破損を羽根
に生じさせることが知られており、そのような修
理や羽根の変更は大変費用がかかり実行するのも
難しい。

そのようなキヤビテーシヨンはまた、流動液体
の速度分布が悪くて本来装置の水力効率を低下さ
せることを示すものである。従つて、そのような
水力損失をできるだけ減少させることが明らかに
有利である（例えば、カナダ特許第748229号−
Sproule外、発行日1966年12月13日参照）。

一般的に、タービン羽根はキヤビテーシヨンを
最小にして効率を最大にするような形状に設計さ
れている。時には、羽根の所々を、特に羽根とバ
ンドあるいはリング部との間の結合部を形成する
フイレツト部を、例えばステンレス鋼使用により
表面仕上げする必要があるが、このような方法は
また費用がかさむのでその使用も一般には最小に
抑えられている。

そこで本発明の目的は、特に羽根および羽根車
の吸入側結合部を形成するフイレツトにおいて、
あるいはその近くにおいてキヤビテーシヨンを減
少しうる、改良されたフランシス型水力タービン
羽根車を提供することである。

広義的には、本発明は、回転軸の周りに回転で
き、一つの軸方向端部を形成する頂部と、前記回
転軸上で前記頂部と同心状のバンドと、前記頂部
および前記バンド間に延びる一群の羽根とを有す
るフランシス型水力タービン羽根車であつて、そ
の羽根車の前記頂部から軸方向に離隔した端部は
流出端まで延び、前記各羽根はポンプと反対のタ
ービンとしての前記羽根車の回転方向前方の吸入
面と加圧面とを有し、それら吸入面および加圧面
はそれらの外周部において前記バンドおよび前記
頂部間で結合されて水流分割縁部を形成し、また
前記吸入面および加圧面は前記一群の羽根の隣接
するもの同志の間に流路を画成する略滑らかな流
線形の面を形成し、前記各羽根の吸入面の一部は
前記流出端部の方へ軸方向に見たときに露出され
て、前記バンドから前記頂部へ延びる前記吸入面
の少なくとも一部が前記羽根車の回転方向に後方
へ傾斜するように該吸入面を形成してなるフラン
シス型水力タービン羽根車に関する。

本発明の説明中において、吸入面および加圧面
を記述するために用いられた「流線形」という用
語はそれらの面に先行する部分から急激な角度を
以つて離れるような面を含まないものと理解さ
れ、従つて本発明を実施するときには、互に隣接
する羽根の表面により画成される流路の急激な角
度変化は無く、即ちカナダ特許第31031号
（Morin外、1889年３月14日発行）に開示されて
いるように、二枚の羽根が互いに結合されて羽根
車の羽根を形成する際に結合部で生ずるような急
激な変化は何ら起らない。そのような角度をもつ
た変化があると、二次的な流れが必然的に発生し
て本発明の利点は大幅に損われる。しかし、「流
線形」という用語は、羽根の曲率が必らずしも一
定であることを意味するのではなく、流体力学の
技術、特に水力タービンで用いられる連続的に曲
がつた作動流路の設計に通じた当業者には特定の
意味を持つもので、従つてそれは本発明の教示に
従えば当業者の技術範囲内に入るものである。

また「フランシス型タービンあるいは機械」と
いう用語は従来のフランシス型タービンおよびフ
ランシス型ポンプタービンの両方を含むよう意図
されており、このタービンあるいは機械は、本明
細書中ではフランシス型ポンプタービンのポンプ
モードとは異なるタービンモードで作動する場合
について記載および定義されている。

本発明の上記以外の特徴、目的および利点は添
付図面を参照した以下の本発明の好ましい実施例
の詳細な説明から明らかであろう。

第１図は従来技術のフランシス羽根車１０を示
しており、この羽根車１０は、従来のように略円
錐形のハブ（図示せず）を備え、一方の軸方向端
部１５を形成する頂部１２と、羽根車の回転軸上
で頂部１２と同心状のバンドあるいはリング１４
と、頂部１２とバンドあるいはリング１４間に介
在される複数枚の羽根１６とを有する。全体を１
８で示した流路を通つて、水は略半径方向に羽根
車１０内に入つてその羽根車１０を滑らかに通過
して、頂部１２から軸方向に離れた第１図の羽根
車１０の端部の流出端４０へ流れる。これら流路
１８は隣接する対の羽根１６間に形成される。バ
ンド１４および頂部１２間に、タービンモードと
して作動されたときの羽根車１０の羽根１６（以
下にさらに詳細に説明するように）の回転方向前
方の吸入面２２と回転方向後方の加圧面２４との
結合部により形成される羽根１６の外周縁部２０
により、水を各羽根１６の両側の互いに隣接する
流路へ指向させる水流分割縁部２０が形成され、
これら水流分割縁部２０は鋭角状ではなく、滑ら
かな形状に形成されて羽根１６の両面に沿う水流
を促進するようになつている。

従来技術では、これら各縁部２０および実際に
流出口４０から頂部１２の方に上方へ延びる羽根
１６全体が、流路１８を流れる水流によつて羽根
車１０が回転される方向に前方へ傾斜しているの
が理解されるであろう。この羽根車１０の回転方
向は矢印２６によつて示される。

本発明では、第２図に示すように、フランシス
型タービン羽根車１００はまたその一端部１２５
を形成する従来普通の頂部１２０と、羽根車１０
０の回転軸上で頂部１２０と同心状のバンドある
いはリング１４０と、一群の羽根１６０とを備え
ている。しかし、この場合、羽根１６０はかなり
変形されて、羽根１６０の外周部に隣接する略半
径方向の流入口から流出端１９０に至る、羽根１
６０の間に形成された流路１８０を変形させてお
り、羽根車１００がその軸心周りに矢印２００で
示す方向に回転すると、水がそれら流路１８０を
通るようになつている。

上記したように、そして更に詳細に後述するよ
うに、バンドあるいはリング１４０と頂部１２０
との間に羽根１６０の外周部に形成される水流分
割縁部２２０により、各羽根１６０の吸入面２２
２と加圧面２２４との間の結合線が形成される。
第２図の実施例では、水流分割縁部２２０および
頂部１２０へ延びる各羽根１６０の本体の少なく
とも一部は回転方向に後方へ傾斜している。

次に羽根１６０の傾斜について第３および４図
を参照して詳細に説明する。図には、一枚の分離
した羽根１６０が、回転軸に平行な線上で頂部１
２０から流出端１９０の方向へ見た状態で示され
ている。回転方向前方の吸入面２２２とその吸入
面に追随する後方の加圧面２２４との間の境界線
を形成する水流分割縁部２２０および羽根１６０
の頂部１２０に接続される端部２２６が明確に示
され、またバンドあるいはリング１４０に接続さ
れる隠れた面２２８も示されている。（ここで前
記した吸入面に追随するとは、回転軸に垂直な平
面上に所定の半径で配置された加圧面上の点が同
じ平面上に同じ半径で配置された吸入面上の同様
の点を追随することを意味する。） 縁部２２０とバンド１４０との間の結合部２３
０およびその縁部２２０にすぐ近くの吸入面２２
２に配置された羽根の一部Ａは、回転方向に後方
へ傾斜して頂部から流出端１９０（流出端１９０
は頂部から軸方向に離隔している）の方へ軸方向
に見たときに見える露出区域を形成する。図示の
配置では、区域Ａはそこから軸方向に離れた吸入
面２２２の更に一部の区域Ｄの上方にあり、この
関係が第４図に軸線２３１上の点ＢおよびＣによ
り示されており、ここで点Ｂは区域Ａ内にあり、
また点Ｃは流出端１９０から軸方向に見たとき露
出される、吸入面２２２の更に一部の区域Ｄ上に
ある。このように、羽根は、少なくともバンド１
４０に近接した断面で見たとき、略Ｃ字状の外周
形状を呈し、結合部２３０に非常に近接する吸入
面２２２は羽根の残部よりも回転方向前方にあ
る。

区域Ａはリング１４０と頂部１２０の間で縁部
２２０および結合部２３０に隣接している。（即
ち区域Ａは羽根車の回転軸に垂直で各羽根１６０
の縁部２２０の中間点を通る面と結合部２３０と
により区画される吸入面２２２の部分に少なくと
も存在する。） 「軸方向に見て」というのは、羽根車１００
（第２図参照）の回転軸２３２に平行に見てとい
う意味であり、この場合回転軸２３２はまた明ら
かに頂部１２０およびバンド１４０の中心軸と一
直線上にある。

本発明と従来のものとの形状の相違をもつと明
確に示すため、従来技術によつて形成した羽根を
同じ方向から見たときに現われる状態を第３図に
太い点線で示した。従来の羽根の一枚を第３図に
示すように分離して考えると、羽根の吸入側は頂
部から軸方向に見たときには全く露出されず、ま
たその逆に、流出端から軸方向に見たときには吸
入面の略全体が露出される。第３図に点線で示す
ように、水流分割縁部２０は結合部２３０から羽
根を頂部に連結する取付端部２２６′の方へ前方
に延び、頂部に隣接する羽根の半径方向先端が羽
根の残部よりも回転方向前方にある。

上記のように、羽根をバンドおよび頂部に連結
するフイレツトが通常設けられるが、そのような
フイレツトは、本発明を定義するためには、羽根
即ちトリム羽根の一部とは考えられておらず、特
に羽根の吸入側はフイレツトと解釈すべきではな
い。

実験例 比較的精密な仕上げを行なわなかつた本発明の
実施例であるタービンモデルとキヤビテーシヨン
を減らすため非常に精密に仕上げた従来のタービ
ンモデルとについて比較実験した結果、本発明モ
デルでは、前方縁部のキヤビテーシヨンが発生す
る直前の軸の回転速度が従来モデルに較べて３％
だけ低くてすんだ。ところで、前方縁部のキヤビ
テーシヨンは、典型的には所定のヘツドに対して
軸の回転速度の減少とともに次第に増大する。軸
の同期回転速度、すなわち発電機が系統周波数電
流を発生する速度は、通常タービンの最大効率作
動点あるいはその近くにあり、したがつて前方縁
部のキヤビテーシヨンが同期速度よりも小さな回
転速度で開始するのが望ましいが、必ずしも常に
そうなるとはかぎらない。このため、キヤビテー
シヨンの発生するときの軸速度が３％減少するこ
とは、従来のものよりも重大な利点となる。実
際、モデルのシミユレーシヨンによればモデル速
度のこのような３％の変化は、所定のヘツド条件
で作動している従来の羽根車でキヤビテーシヨン
が発生するならば、同じ条件の下で本発明を用い
ればそのようなキヤビテーシヨンを取除く、ある
いは著しく減少させることができることを示して
いる。

以上本発明について説明したが、特許請求の範
囲に記載した本発明の精神から逸脱することなく
本発明を様々に変形しうることは当業者にとつて
明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は羽根の典型的な形状および方向を示す
従来のフランシス型タービンの斜視図；第２図は
羽根の方向および曲率を変更した、本発明による
フランシス型タービンの斜視図；第３図は一枚の
羽根を分離してその頂部から流出端の方向に見
た、タービンの軸方向部分図で、本発明の羽根を
実線で、また従来の典型的な羽根を太い点線でそ
れぞれ示しており；第４図は第３図の４―４線に
沿う断面図で、本発明による羽根の典型的な曲率
を表わしている。 １００…羽根車、１２０…頂部、１２５…一端
部、１４０…バンド、１６０…羽根、１８０…流
路、１９０…流出端、２２０…水流分割縁部、２
２２…吸入面、２２４…加圧面、２３０…結合
部、２３２…回転軸、Ａ…羽根の一部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸のまわりに回転可能で、該回転軸が実
   質的に垂直方向にあるとき上部軸端部を形成する
   頂部と、回転軸上で該頂部と同心であるバンド
   と、バンドと頂部との間の一群の羽根とを有する
   フランシス型水力タービン羽根車であつて、羽根
   車はその最下端で流出端に終つており、前記羽根
   のそれぞれは吸入面と該吸入面に回転方向に追随
   する加圧面とを有し、それら吸入面および加圧面
   は前記バンドおよび前記頂部間において前記各羽
   根の外周縁部で会合して水流分割縁部を形成し、
   また前記吸入面および加圧面は前記一群の羽根の
   隣接するもの同士の間に流路を画成する略滑らか
   な流線形の面を形成し、前記水流分割縁部のそれ
   ぞれが、前記バンドの上縁に近い結合部でバンド
   と会合して終つており、前記結合部と前記水流分
   割縁部とにすぐ隣接して位置する各羽根の前記吸
   入面の第１の部分が、これを前記流出面に向つて
   軸方向に見たとき、前記バンドから前記頂部に延
   びて羽根の回転方向に後方へ傾斜しているように
   露出して見え、前記第１の部分から間隔を置いて
   位置している前記吸入面の第２の部分は、これを
   前記流出端から軸方向に見たとき露出して見え、
   前記結合部の下に位置しているフランシス型水力
   タービン羽根車。 ２ 少なくとも前記各羽根の前記第１の部分の領
   域が、それぞれの羽根の前記第２の部分の領域と
   は軸方向に離隔して配置されている特許請求の範
   囲第１項記載のフランシス型水力タービン羽根
   車。 ３ 前記結合部から延びる前記水流分割縁部は、
   前記頂部の方へ向う少なくとも一部が、前記回転
   方向に後方へ傾斜している特許請求の範囲第１項
   記載のフランシス型水力タービン羽根車。