JPH0599115A - フランシス水車のランナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ランナ羽根の負圧側流水面に発生するキャビテ
ーションの発生空間をランナ羽根の負圧側流水面から隔
離し、キャビテーション壊食を低減させることができ、
水車の稼働率を向上させることができるようにしたもの
である。 【構成】ランナ羽根１５に圧力側と負圧側とを連通する
貫通孔２０ａ〜２０ｎを傾斜させて形成し、この貫通孔
２０ａ〜２０ｎの出口から流出する流体をランナ羽根１
５の負圧側の面１５ｂに沿って案内するようにしてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の目的〕

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フランシス水車のラン
ナに係り、特にランナのランナ羽根に発生するキャビテ
ーションを軽減することのできるフランシス水車のラン
ナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フランシス水車は、ケーシングに立設さ
れた主軸にランナ（羽根車）が取り付けられ、このラン
ナにケーシングに流入した流水が導入される。ケーシン
グ内に入った流水はうず形室で旋回流を与えられつつス
ピードリング（固定翼）および案内羽根を通ってランナ
のランナ羽根に流れ込み、吸出し管を経て放出される。
フランシス水車はこの流水の流入エネルギーによりラン
ナを回転させて主軸を回転駆動させる。

【０００３】ランナは主軸に固定されるランナクラウン
と、このランナクラウンの周方向等間隔に多数設けられ
たランナ羽根と、ランナクラウンとともにランナ羽根を
支持するランナバンドとから構成される。ランナ羽根
は、曲面形状をなし、流水の方向を変えてランナクラウ
ンに動力を伝達する。

【０００４】ランナに流入した流水がランナ羽根を通過
する際、流水はランナ羽根の圧力側（案内羽根側）の流
水面に沿って流動する。この時、ランナ羽根の負圧側
（吸出し管側）の流水面にも流水が流れる。

【０００５】ところが、ランナ羽根の負圧側流水面に
は、局所的な圧力の低下が生じ、キャビテーションが発
生する場合がある。キャビテーションは乱流および圧力
変化による負圧によって発生する。ランナ羽根の場合、
特にランナバンド側の負圧側流水面にキャビテーション
が発生しやすいことが知られている。キャビテーション
が発生すると、ランナ羽根にキャビテーション壊食（浸
食）と呼ばれる損傷が起こり、水車の性能に悪影響を及
ぼす。

【０００６】従来、このキャビテーションを防止するた
め種々のランナが提案されている。例えば、図５に示す
ように、ランナ羽根３の入口側でランナバンド４の近傍
に切欠き部６を設け、流水の方向を矢印方向ＢからＣへ
と変化させ、流体の剥離を防止するランナ（特開昭５７
−３２０７１号公報参照）が知られている。

【０００７】また、図６に示すように、ランナ羽根３ａ
の負圧側流水面に流線方向に沿う突起７を設け、突起の
整流作用により下流側の圧力低下を抑止してキャビテー
ションを防止したランナ（特開昭５７−２６２７７号公
報参照）や、図７に示すように、ランナ羽根３ｂの負圧
側流水面とランナバンド４ｂとのコーナー部に肉盛り部
８を設けたランナも知られている。

【０００８】さらに、図８に示すように、ランナ羽根３
ｃの入口側に負圧側流水面からランナバンド４ｃの外周
側の圧力の低い部分にかけて貫通孔９を形成して、キャ
ビテーションの発生しやすい部分であるランナ羽根３ｃ
とランナバンド４ｃの境界層の吸込みを行い、キャビテ
ーションを防止するようにしたランナが提案されてい
る。

【０００９】また、図９に示すように、フランシス型ポ
ンプ水車では、羽根の内部にポンプ運転時の流水の流入
方向（矢印Ｄ）にほぼ沿って貫通孔１０を設け、ポンプ
運転時に貫通孔１０からキャビテ−ション方向に流体を
流出させ壊食を防止するようにしたランナ（特開昭４８
−１５３０号公報参照）が提案されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、フランシス
水車では、運転範囲が広く、落差による変動が大きい運
転を行う場合、或いはほとんど最高落差の運転を行う場
合など、キャビテーション現象が極めて強力に発生して
しまう。しかもこのキャビテーション現象は、運転状態
に応じてランナ羽根の負圧側流水面で発達状態が変化し
たり発生箇所が移動したりする。

【００１１】従来の装置では、強力なキャビテーション
現象が発生すると、ランナ羽根の入口側で切欠きや突起
により乱流の発生を抑え、キャビテーションの発生をあ
る程度抑制できても、ランナ羽根の負圧側流水面に生じ
る圧力変化によるキャビテーションを効果的に防止する
ことは困難である。

【００１２】また、貫通孔を羽根の内部に形成し、吸込
み又は吐出によりキャビテーションを抑止する場合で
も、貫通孔そのものをあまり大きく形成できないため、
貫通孔による圧力平衡が実現しにくく、強力なキャビテ
ーション現象が発生すると、キャビテーションの発生そ
のものを抑止することは困難である。

【００１３】キャビテーション現象が長時間継続される
と、ランナ羽根にキャビテーション壊食と呼ばれる損傷
が起こり、水車の性能低下や時には運転自体に支障をき
たすことがある。特に、キャビテーション壊食が短時間
で進行する場合には、ランナを修理する間隔が短くなる
ため、水車の稼働率が低下し、修理するためのメンテナ
ンス費用が増大してしまうという問題点があった。

【００１４】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、ランナ羽根の負圧側流水面に発生するキャビ
テーションの発生空間をランナ羽根の負圧側流水面から
隔離し、キャビテーション壊食を低減させることができ
るフランシス水車のランナをを提供することを目的とす
る。 〔発明の構成〕

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るフランシス
水車のランナは、上述した課題を解決するために、ラン
ナ羽根に圧力側と負圧側とを連通する貫通孔を傾斜させ
て形成し、この貫通孔の出口から流出する流体をランナ
羽根の負圧側の面に沿って案内するようにしたものであ
る。

【００１６】

【作用】本発明に係るフランシス水車のランナは、ラン
ナ羽根に貫通孔を傾斜させて形成し、圧力側と負圧側と
を連通して貫通孔の負圧側出口から流出する流体をラン
ナ羽根の負圧側の面に沿って案内するようにしたことに
より、キャビテーションの発生空間とランナ羽根の負圧
側流水面との間に流水層を形成し、この流水層がキャビ
テーションに対し緩衝作用を果たしてランナ羽根の負圧
側流水面を保護するので、ランナ羽根に対する壊食作用
が減少する。

【００１７】

【実施例】本発明に係るフランシス水車のランナの一実
施例について添付図面を参照して説明する。

【００１８】図１は本発明の一実施例に係るフランシス
水車のランナを示す縦断面図、図２は図１の要部を拡大
して示す要部拡大縦断面図、図３は図２のIII-III 線に
沿った断面図である。なお、図５ないし図９と対応する
箇所には同一の符号を付して説明する。フランシス水車
は、図１に示すように、ケーシング１１に立設された主
軸１２と、この主軸１２に取り付けられたランナ（羽根
車）１３とを有する。

【００１９】ランナ１３はランナクラウン１４とランナ
羽根１５とランナバンド１６とから構成される。ランナ
クラウン１４は、主軸１２の下端部に固定される。ラン
ナクラウン１４には、ランナ羽根１５が周方向に等間隔
で多数設けられる。ランナバンド１６は、ランナクラウ
ン１４とともにランナ羽根１５を支持する。ランナ１３
の入口側には、ケーシング１１にうず形室１６が形成さ
れ、ランナ１３の出口側には、吸出し管（図示せず）が
ケーシング１１と接続される。ランナ１３とうず形室１
６との間には、スピードリング（図示せず）および案内
羽根（以下ガイドベーンという）１７が設けられる。

【００２０】ランナ羽根１５は、曲面形状をなし、流水
の方向を変えてランナクラウン１４に動力を伝達する。
ランナ羽根１５は、流水が導入されるうず形室１６側に
圧力側流水面１５ａと流水が流出する吸出し管側に負圧
側流水面１５ｂとを有する。ところで、ランナ羽根１５
には、図２に示すように、貫通孔２０ａ〜２０ｎが圧力
側流水面１５ａから負圧側流水面１５ｂにかけてランナ
バンド１６に沿って傾斜して複数個穿設される。貫通孔
２０ａ〜２０ｎは、ランナ羽根１５の両面１５ａ，１５
ｂのランナバンド１６側を流れる流水の流線方向（矢印
Ｅ方向）に傾斜して形成される。各貫通孔２０ａ〜２０
ｎは出入口側開口部が流水を導入しやすいように、また
流出しやすいように流れに沿って滑らかに形成される。

【００２１】そして、貫通孔２０ａ〜２０ｎの各出口側
は、キャビテーションが発生しやすいランナバンド１６
とランナ羽根１５との境界部分に向かって位置するとと
もに、流水が負圧側流水面１５ｂに沿って流出するよう
な形状を有している。このため、ランナ１３に流水が導
入されると、貫通孔２０ａ〜２０ｎの入口側から流入し
た流水は、出口側で負圧側流水面１５ｂの表面に沿って
案内され流出する。つぎに、上記実施例の作用について
説明する。

【００２２】フランシス水車が作動すると、ケーシング
１１内に流水が導入され、流水はケーシング１１のうず
形室１６で旋回流を与えられつつガイドベーン１５を通
ってランナ羽根１５に流れ込み、圧力側流水面１５ａに
作用する。圧力側流水面１５ａに作用する流水の流入エ
ネルギーにより、ランナ１３を回転させて主軸１２を回
転駆動させる。この時、負圧側流水面１５ｂのランナバ
ンド１６側では圧力低下が起こり、圧力低下が大きくな
ると、図３に示すようにキャビテーション３０が発生す
る。

【００２３】キャビテーション３０はランナバンド１６
とランナ羽根１５との境界部分にかけて発生する。キャ
ビテーション３０の発生は、キャビテーション３０の後
端（図３の左側下方）に生じる気泡３１の崩壊によりラ
ンナ羽根１５に対して壊食作用（浸食作用）を及ぼすこ
とになる。

【００２４】ところが、ランナ１３に流水が導入される
と、圧力側流水面１５ａの貫通孔２０ａ〜２０ｎの入口
側から流入した流水は、出口側でランナ羽根１５の負圧
側流水面１５ｂの表面に沿って案内されて流出する。

【００２５】このため、キャビテーション３０の発生空
間とランナ羽根１５の負圧側流水面１５ｂとの間に流水
層３２が形成される。この流水層３２がキャビテーショ
ン３０に対して緩衝作用を果たしてランナ羽根１５の負
圧側流水面１５ｂを保護するので、ランナ羽根１５に対
する壊食作用が減少する。

【００２６】また、運転の変動が大きい水車、例えば、
運転範囲が広く落差変動の大きい水車では、運転状態に
応じて、キャビテーション３０の発達状態も変化する。
落差が大きい運転では、キャビテーション３０はランナ
羽根１５の下流側に発達し、落差の小さい運転では、キ
ャビテーション３０は余り発達しない傾向を示す。

【００２７】そのため、運転状態に応じて、キャビテー
ション３０の後端が負圧側流水面１５ｂの上流側と下流
側とにかけてランナバンド１６に沿って変化し、壊食作
用の発生する部位は、特定の箇所に限られない。

【００２８】ところが、貫通孔２０ａ〜２０ｎの各出口
側は、負圧側流水面１５ｂの上流側から下流側にかけ
て、ランナバンド１６に沿って流水の流れ方向（図２の
矢印方向）に多数配設されているので、キャビテーショ
ンが発生する恐れのある部位全体にわたって流水層３２
が形成され、キャビテーション３０による壊食作用から
ランナ羽根１５を保護することができる。

【００２９】図４は、上記実施例の変形例を示すもの
で、貫通孔２１ａ〜２１ｎのうち、上流側の貫通孔２１
ａは、この貫通孔２１ａより下流側の貫通孔２１ｂ〜２
１ｎと傾斜角度が異なるように設けられる。

【００３０】貫通孔２１ｂ〜２１ｎは、上記実施例と同
様にランナ羽根１５の両面１５ａ，１５ｂのランナバン
ド１６側を流れる流水の流線方向（図２の矢印Ｅ方向）
に傾斜して形成される。そして、貫通孔２１ｂ〜２０ｎ
の各出口側は、キャビテーションが発生しやすいランナ
バンド１６とランナ羽根１５との境界部分に向かって位
置するとともに、流水が負圧側流水面１５ｂに沿って流
出するような形状を有している。ところで、貫通孔２１
ａは、出口側から流出する流水がキャビテーション３０
の発生しやすい空間に向けて流出する角度に傾斜して設
けられる。

【００３１】このため、貫通孔２１ｂ〜２１ｎの出口側
から流出する流水によりキャビテーションが発生する恐
れのある部位全体にわたって流水層３２が形成され、キ
ャビテーション３０による壊食作用からランナ羽根１５
を保護するとともに、貫通孔２１ａの出口側から流出す
る流水がキャビーテーション３０にぶつかり、キャビテ
ーション３０の発生を阻止することができる。図４にお
いて、壊食の可能性がある部分を壊食範囲Ｆで示す。

【００３２】なお、上記各実施例では、貫通孔をランナ
バンドに沿ったランナ羽根に設けているが、これに限ら
れるものではなく、ランナ羽根にキャビテーションによ
り壊食作用の発生しやすい箇所があればその箇所に複数
設けてもよいのは言うまでもない。

【００３３】また、キャビテーションの壊食状況は、各
々のランナ羽根によって異なる。そのためランナの修理
は壊食の激しいランナ羽根の壊食進度に合わせて行う場
合が多い。従って、壊食が軽度のランナ羽根はそのまま
の状態で、壊食の激しいランナ羽根について上記実施例
を適用することにより、ランナの修理間隔を延長するこ
とができ、水車の稼働率を向上させることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係るフラン
シス水車のランナは、ランナ羽根に圧力側と負圧側とを
連通する貫通孔を傾斜させて形成し、この貫通孔の出口
から流出する流体をランナ羽根の負圧側の面に沿って案
内することにより、キャビテーションの発生空間とラン
ナ羽根の負圧側流水面との間に流水層が形成され、この
流水層がキャビテーションに対し緩衝作用を果たしてラ
ンナ羽根の負圧側流水面を保護するので、ランナ羽根に
対する壊食を防止することができる。このため、ランナ
の修理間隔を延長して水車運転の稼働率を向上させ、メ
ンテナンス費用を削減して経済性の向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るフランシス水車のラン
ナを示す縦断面図。

【図２】図１の要部を拡大して示す要部拡大縦断面図。

【図３】図２のIII-III 線に沿った断面図。

【図４】図１の変形例を示すランナ羽根の縦断面図。

【図５】従来のフランシス水車のランナを示す縦断面
図。

【図６】従来のフランシス水車のランナを示す縦断面
図。

【図７】従来のフランシス水車のランナを示す縦断面
図。

【図８】従来のフランシス水車のランナを示す縦断面
図。

【図９】従来のフランシス水車のランナを示す縦断面
図。

【符号の説明】

１３ ランナ ３，３ａ，３ｂ，３ｃ，１５ ランナ羽根 １５ａ 圧力側流水面 １５ｂ 負圧側流水面（負圧側の面） ９，１０，２０ａ〜２０ｎ，２１ａ〜２１ｎ 貫通孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ランナ羽根に圧力側と負圧側とを連通す
   る貫通孔を傾斜させて形成し、この貫通孔の出口から流
   出する流体をランナ羽根の負圧側の面に沿って案内する
   ことを特徴とするフランシス水車のランナ。