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JP2017031923A - Runner and hydraulic machine - Google Patents

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Abstract

【課題】キャビテーション及び/又は剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械の運転範囲を十分に拡大することができるランナを提供する。【解決手段】実施の形態によるランナ4は、羽根本体14と、羽根本体14の入口側の内部に設けられ、その一部を羽根本体14の外部に露出させる入口側羽根形成部材15と、を有するランナ羽根13を備えている。入口側羽根形成部材15のうちの羽根本体14の外部に露出される一部は、羽根本体14の負圧面14nに連続する入口側流水面15nを形成する。入口側羽根形成部材15は、その周囲の圧力変化に応じて、入口側流水面15nの形状を変化させるように形成されている。【選択図】図1The present invention provides a runner that can effectively suppress the generation of cavitation and / or separation vortices and sufficiently expand the operating range of a hydraulic machine. A runner 4 according to an embodiment includes a blade body 14 and an inlet-side blade forming member 15 provided inside the blade body 14 and exposing a part of the blade body 14 to the outside of the blade body 14. A runner blade 13 is provided. A part of the inlet-side blade forming member 15 exposed to the outside of the blade body 14 forms an inlet-side flowing water surface 15n continuous with the negative pressure surface 14n of the blade body 14. The inlet-side blade forming member 15 is formed so as to change the shape of the inlet-side water surface 15n according to a change in pressure around it. [Selection] Figure 1

Description

本発明の実施の形態は、ランナ及び水力機械に関する。   Embodiments described herein relate generally to a runner and a hydraulic machine.

水力機械の一例としてフランシス水車が知られている。一般的なフランシス水車では、水車主軸の下端にランナが固定され、ランナの外周側に形成された平行流路内に複数枚のガイドベーン及びステーベーンの各々が円周上に並んで配置されている。またステーベーンの外周側にケーシングが配置されている。この構成において、水圧鉄管から導かれた水がケーシングを通って複数枚のステーベーンの全周に亘って流入する。ステーベーンから流出する水は、ガイドベーンを通ってランナに導かれ、ランナを回転駆動する。これにより、水車主軸が回転して、水車主軸に連結された発電機が駆動される。一方、ランナを回転させた水は、吸出し管を経て下池に放水される。また水車運転時に、ガイドベーンの開度を変化させることにより、ランナに流入する水の水量を調整することができ、発電量を変化させることができる。   A Francis turbine is known as an example of a hydraulic machine. In a general Francis turbine, a runner is fixed to the lower end of the turbine main shaft, and a plurality of guide vanes and stay vanes are arranged side by side on a circumference in a parallel flow path formed on the outer peripheral side of the runner. . A casing is disposed on the outer peripheral side of the stay vane. In this configuration, water guided from the hydraulic iron pipe flows through the casing over the entire circumference of the plurality of stay vanes. The water flowing out from the stay vane is guided to the runner through the guide vane and rotationally drives the runner. As a result, the turbine main shaft rotates and the generator connected to the water turbine main shaft is driven. On the other hand, the water which rotated the runner is discharged into the lower pond through the suction pipe. Further, by changing the opening of the guide vane during the water turbine operation, the amount of water flowing into the runner can be adjusted, and the amount of power generation can be changed.

フランシス水車のランナにおけるランナ羽根は固定羽根であるため、ガイドベーンからランナへ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根の入口角度βbと一致する場合に、衝突損失が小さく最も効率が良い。しかしながら、フランシス水車は、このような最も効率の良い設計点から外れた色々な運転状態で運転されるため、必ずしも常時、最適な運転状態で運転されるわけではない。   Since the runner blades in the runner of the Francis turbine are fixed blades, when the relative angle β1 of the flow flowing from the guide vane to the runner matches the inlet angle βb of the runner blades, the collision loss is small and the most efficient. However, since the Francis turbine is operated in various operating conditions that deviate from such a most efficient design point, it is not always operated in an optimal operating condition.

図7には設計点から外れた高落差側の運転における流れの様子が示され、図8には設計点から外れた低落差側の運転における流れの様子が示されている。図7及び図8において、Cu1はランナの周速度を、Cv1は流れの絶対速度を、Cw1は流れの相対速度を示している。相対角度β1は、周速度Cu1と相対速度Cw1とから定められる。また、Rdは、ランナの回転方向を示している。   FIG. 7 shows the flow in the operation on the high head side deviating from the design point, and FIG. 8 shows the flow in the operation on the low head side deviating from the design point. 7 and 8, Cu1 represents the peripheral speed of the runner, Cv1 represents the absolute velocity of the flow, and Cw1 represents the relative velocity of the flow. The relative angle β1 is determined from the peripheral speed Cu1 and the relative speed Cw1. Rd indicates the rotation direction of the runner.

例えば、図7に示すように、高落差側の運転点では、ランナのランナ羽根40へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根40の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致が生じる。その結果、ランナ羽根40の負圧面40nの入口側においてキャビテーションcaが発生し易くなる。このようなキャビテーションは、ランナ羽根の流水面の壊食を引き起こし得るため、機器信頼性の観点から問題となる。   For example, as shown in FIG. 7, at the operating point on the high head side, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner blades 40 of the runner becomes larger than the inlet angle βb of the runner blades 40, resulting in a mismatch of the flow angles. As a result, cavitation ca tends to occur on the inlet side of the suction surface 40n of the runner blade 40. Such cavitation can cause erosion of the water surface of the runner blade, which is problematic from the viewpoint of equipment reliability.

また、図8に示すように、低落差側の運転点では、ランナのランナ羽根40へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根40の入口角度βbよりも小さくなり、流れ角度の不一致が生じる。その結果、ランナ羽根40の圧力面40p側から剥離渦whが発生し易くなる。このような剥離渦は、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションとは異なり破裂音を伴う。この剥離渦は発生しても、下流に伸長して例えば他のランナ羽根の流水面に付着しなければ、有害な壊食にはつながらない。そのため、剥離渦は、キャビテーションに比べれば大きな問題とはならない。但し、剥離渦が流水面に付着する場合や騒音を伴う場合には、できるだけ通常の運転範囲内にその発生限界が入らないように適切にランナ設計を行うことが望まれる。   Further, as shown in FIG. 8, at the operating point on the low head side, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner blades 40 of the runner becomes smaller than the inlet angle βb of the runner blades 40, resulting in a mismatch of the flow angles. As a result, the separation vortex wh tends to be generated from the pressure surface 40p side of the runner blade 40. Such a separation vortex is accompanied by a plosive sound, unlike cavitation that can occur in operation on the high head side. Even if this separation vortex occurs, it does not lead to harmful erosion unless it extends downstream and adheres to, for example, the flow surface of another runner blade. Therefore, the separation vortex is not a big problem compared with cavitation. However, when the separation vortex adheres to the surface of the water flow or is accompanied by noise, it is desirable to design the runner appropriately so that the generation limit does not fall within the normal operating range as much as possible.

上述のようなキャビテーション及び剥離渦の発生限界は、初生線として水車性能線図上に示すことができ、運転を制限するための目安とされる場合がある。図10には、一般的なフランシス水車の水車性能線図の一例が示されている。この線図において、横軸は落差を示し、縦軸は流量を示している。一点鎖線L11は、ランナ羽根の負圧面の入口側におけるキャビテーションの初生線を示しており、一点鎖線L12は、ランナ羽根の圧力面の入口側における剥離渦の初生線を示している。また、複数の破線は、等効率線を示している。図10に示す線図では、図中でハッチングを付した運転範囲の一部に2つの初生線L11,L12で示される範囲が含まれており、このような運転点ではキャビテーションや剥離渦が生じる恐れがあるため、運転が制限されることがある。   The generation limit of cavitation and separation vortex as described above can be shown on the turbine performance diagram as an initial line, and may be used as a guideline for limiting operation. FIG. 10 shows an example of a turbine performance diagram of a general Francis turbine. In this diagram, the horizontal axis indicates a drop and the vertical axis indicates a flow rate. An alternate long and short dash line L11 indicates an initial line of cavitation on the inlet side of the suction surface of the runner blade, and an alternate long and short dashed line L12 indicates an initial line of separation vortex on the inlet side of the pressure surface of the runner blade. A plurality of broken lines indicate isoefficiency lines. In the diagram shown in FIG. 10, a range indicated by two primary lines L11 and L12 is included in a part of the operating range indicated by hatching in the figure, and cavitation and separation vortex occur at such an operating point. Driving may be restricted due to fears.

フランシス水車は、特に、低落差大流量の高比速度タイプの水車機種である場合や、運用効率を上げるためにダムの水位変化が大きい条件での運転を要求される場合や、出力変化幅を大きくして機器の運転範囲の拡大を要求される場合において、キャビテーション及び剥離渦の発生を抑制することが求められる。   Francis turbines, especially when they are high specific speed type turbine models with a low head and large flow rate, when driving under conditions where dam water level changes are large in order to improve operational efficiency, In the case where it is required to enlarge the operating range of the equipment, it is required to suppress the occurrence of cavitation and separation vortex.

例えば、その対策の一つとして、図9の破線に示すように、ランナ羽根40の負圧面の入口側を通常の形状(図中の実線で示される形状)よりも膨らんだ形状(符号40a)に形成することが挙げられる。このような膨らみ部分に関しては、数値限定して形状を規定することにより、水力損失の低減及び剥離の抑制を図る技術等が従来から提案されている。   For example, as one of the countermeasures, as shown by the broken line in FIG. 9, the inlet side of the suction surface of the runner blade 40 swells more than the normal shape (shape indicated by the solid line in the figure) (reference numeral 40a). Can be formed. With respect to such a bulging portion, a technique for reducing hydraulic loss and suppressing peeling has been conventionally proposed by limiting the numerical value to define the shape.

特開2006−291865号公報JP 2006-291865 A 特許第4094495号公報Japanese Patent No. 40944495

しかしながら、キャビテーション及び剥離渦の発生を抑制するための対策として、上述のようにランナ羽根の負圧面の入口側に膨らみ部分を形成したとしても、最も張り出した部分から下流側で急激に流れが変化するので、キャビテーションが発生する場合がしばしばあり、キャビテーションを完全に抑制することは困難である。特に、高比速度タイプのランナではランナ羽根の入口から出口にかけての羽根長さが短いため、入口で高負荷となり、低比速度タイプのランナよりもキャビテーションの抑制が困難となる。また、膨らみ部分の形状を定義する場合には、ランナのバンド面形状の曲りの影響等も考慮しながら、最適な形状を試行錯誤的に探索しなければならず、設計に手間がかかる。   However, as a measure to suppress the occurrence of cavitation and separation vortices, even if a bulging part is formed on the inlet side of the suction surface of the runner blade as described above, the flow changes rapidly from the most protruding part to the downstream side. Therefore, cavitation often occurs, and it is difficult to completely suppress cavitation. In particular, in a high specific speed type runner, since the blade length from the inlet to the outlet of the runner blade is short, the load is high at the inlet, and cavitation is more difficult to suppress than in the low specific speed type runner. Further, when defining the shape of the bulging portion, it is necessary to search for the optimum shape by trial and error while taking into consideration the influence of the bending of the band surface shape of the runner, which takes time and effort.

また、膨らみ部分がランナ羽根の負圧面の入口側に形成される場合には、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションは抑制できるものの、高落差側のキャビテーション及び低落差側の剥離渦の両方を抑制することは困難である。   In addition, when the bulging part is formed on the inlet side of the suction surface of the runner blade, cavitation that can occur in the operation on the high head side can be suppressed, but both the cavitation on the high head side and the separation vortex on the low head side are prevented. It is difficult to suppress.

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、キャビテーション及び/又は剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械の運転範囲を十分に拡大することができるランナを及び水力機械を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a runner and a hydraulic machine that can effectively suppress the generation of cavitation and / or separation vortex and can sufficiently expand the operating range of the hydraulic machine. The purpose is to provide.

実施の形態によるランナは、水力機械のランナであって、羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備えている。前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面又は圧力面に連続する入口側流水面を形成する。前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている。
また、実施の形態による水力機械は、前記のランナを備える。
The runner according to the embodiment is a runner of a hydraulic machine, and is provided in a blade main body and an inlet side of the blade main body, and an inlet-side blade forming member that exposes a part thereof to the outside of the blade main body, A runner blade having The part of the inlet-side blade forming member exposed to the outside of the blade body forms an inlet-side flowing water surface that is continuous with the negative pressure surface or the pressure surface of the blade body. The inlet-side blade forming member is formed so as to change the shape of the inlet-side water surface in accordance with a change in pressure around the inlet-side blade forming member.
Moreover, the hydraulic machine by embodiment is provided with the said runner.

本発明によれば、キャビテーション及び/又は剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械の運転範囲を十分に拡大することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of a cavitation and / or peeling vortex can be suppressed effectively, and the operating range of a hydraulic machine can fully be expanded.

第1の実施の形態に係るフランシス水車の概略図である。It is a schematic diagram of a Francis turbine concerning a 1st embodiment. 第1の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the radial direction of the runner blade | wing in the runner of the Francis turbine which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the radial direction of the runner blade | wing in the runner of the Francis turbine which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the radial direction of the runner blade | wing in the runner of the Francis turbine which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。It is sectional drawing in alignment with the radial direction of the runner blade | wing in the runner of the Francis turbine which concerns on 4th Embodiment. 各実施の形態の作用効果を説明するための水車性能線図である。It is a water turbine performance diagram for demonstrating the effect of each embodiment. 一般的なフランシス水車の高落差側の運転における流れの相対角度と、ランナ羽根の入口角度との関係を説明する図であって、キャビテーションの発生の様子を示した図である。It is a figure explaining the relationship between the relative angle of the flow in the driving | running | working of the high head side of a common Francis turbine, and the inlet angle of a runner blade, Comprising: It is the figure which showed the mode of generation | occurrence | production of cavitation. 一般的なフランシス水車の低落差側の運転における流れの相対角度と、ランナ羽根の入口角度との関係を説明する図であって、剥離渦の発生の様子を示した図である。It is a figure explaining the relationship between the relative angle of the flow in the driving | running | working of the low head side of a common Francis turbine, and the inlet angle of a runner blade, Comprising: It is the figure which showed the mode of generation | occurrence | production of peeling vortex. 負圧面の入口側を膨らんだ形状に形成したランナ羽根を示す図である。It is a figure which shows the runner blade | wing formed in the shape which swelled the inlet side of the suction surface. 一般的なフランシス水車の水車性能線図の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the turbine performance diagram of a general Francis turbine.

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。以下の各実施の形態の説明では、図7乃至図10を用いて説明した一般的なフランシス水車と共通する構成部分や共通する事項について、同一の符号が用いられている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of each embodiment, the same reference numerals are used for components and common items that are common to the general Francis turbine described with reference to FIGS.

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る水力機械としてのフランシス水車100を示している。このフランシス水車100は、図示しない上池から鉄管を通って水が流入する渦巻き状のケーシング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とその内周側に配置されたランナ4との間には図示省略する上カバーと下カバーとからなる平行流路が形成されており、この平行流路内に、複数のステーベーン2と複数のガイドベーン3とが配置されている。ランナ4は、ケーシング1に対して回転軸線C1を中心に回転可能に設けられている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a Francis turbine 100 as a hydraulic machine according to a first embodiment of the present invention. The Francis turbine 100 includes a spiral casing 1 into which water flows from an upper pond (not shown) through an iron pipe, a plurality of stay vanes 2, a plurality of guide vanes 3, and a runner 4. A parallel flow path including an upper cover and a lower cover (not shown) is formed between the casing 1 and the runner 4 disposed on the inner peripheral side thereof. In the parallel flow path, a plurality of stay vanes 2 and A plurality of guide vanes 3 are arranged. The runner 4 is provided to be rotatable about the rotation axis C <b> 1 with respect to the casing 1.

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の内周側において回転軸線C1に対する周方向(以下、周方向と呼ぶ。)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の各々は回転可能であり、そ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することが可能となっている。   The plurality of stay vanes 2 are for guiding water flowing out from the casing 1 to the guide vanes 3, and on the inner peripheral side of the casing 1, a predetermined interval in the circumferential direction with respect to the rotation axis C <b> 1 (hereinafter referred to as the circumferential direction). It is arranged with a gap. The plurality of guide vanes 3 are for guiding the inflowing water to the runner 4, and are arranged at a predetermined interval in the circumferential direction on the inner peripheral side of the stay vane 2. Each of the guide vanes 3 is rotatable, and the amount of water flowing into the runner 4 can be adjusted by changing the opening degree.

ランナ4は、クラウン11と、バンド12と、クラウン11及びバンド12の間に設けられた複数のランナ羽根13と、を有している。複数のランナ羽根13は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。   The runner 4 includes a crown 11, a band 12, and a plurality of runner blades 13 provided between the crown 11 and the band 12. The plurality of runner blades 13 are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction.

ランナ4には、水車主軸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を通って下池に放水される。   A generator 7 is connected to the runner 4 through a turbine main shaft 6, and the generator 7 generates power by being rotated by the runner 4. A suction pipe 5 is provided on the downstream side of the runner 4. The water flowing out of the runner 4 is discharged into the lower pond through the suction pipe 5.

図2に示すように、本実施の形態におけるランナ羽根13は、羽根本体14と、羽根本体14の入口側(すなわち水車運転時の水の流入側)の内部に設けられ、その一部を羽根本体14の外部に露出させる入口側羽根形成部材15と、を有している。本実施の形態では、入口側羽根形成部材15のうちの羽根本体14の外部に露出される一部が、羽根本体14の負圧面14nに連続する入口側流水面15nを形成している。すなわち、ランナ羽根13の負圧面は、羽根本体14の負圧面14nと入口側流水面15nとで構成されている。   As shown in FIG. 2, the runner blade 13 in the present embodiment is provided inside the blade body 14 and the inlet side of the blade body 14 (that is, the water inflow side during water turbine operation). And an inlet-side blade forming member 15 exposed to the outside of the main body 14. In the present embodiment, a part of the inlet-side blade forming member 15 exposed to the outside of the blade body 14 forms an inlet-side flowing water surface 15 n continuous with the negative pressure surface 14 n of the blade body 14. That is, the negative pressure surface of the runner blade 13 is composed of the negative pressure surface 14n of the blade body 14 and the inlet-side flow surface 15n.

一方、入口側羽根形成部材15のうちの入口側流水面15nとは異なる他の部分は、羽根本体14に形成された入口側羽根形成部材15を収容するための収容部14Cの内面に覆われた状態となっている。本実施の形態では、収容部14Cが、ランナ4の径方向に沿う断面視で羽根本体14の流水方向に長手方向が延びる長尺状に形成され、負圧面側に開放している。入口側羽根形成部材15は、収容部14C内に圧入等で固着されており、羽根本体14からの脱落が防止されている。   On the other hand, the other part different from the inlet-side flow surface 15n of the inlet-side blade forming member 15 is covered with the inner surface of the accommodating portion 14C for accommodating the inlet-side blade forming member 15 formed in the blade body 14. It is in the state. In the present embodiment, the accommodating portion 14 </ b> C is formed in a long shape extending in the longitudinal direction in the flowing direction of the blade body 14 in a sectional view along the radial direction of the runner 4, and is open to the suction surface side. The inlet-side blade forming member 15 is fixed in the accommodating portion 14C by press-fitting or the like, and is prevented from falling off from the blade body 14.

本実施の形態では、入口側羽根形成部材15が、中空の弾性体からなり、収容部14Cに整合するように、ランナ4の径方向に沿う断面視で羽根本体14の流水方向に長手方向が延びる略長方形状に形成され、且つ内部空間16を有している。この内部空間16は密閉され、その圧力が第1の所定値に設定されている。   In the present embodiment, the inlet-side blade forming member 15 is made of a hollow elastic body and has a longitudinal direction in the flowing direction of the blade body 14 in a sectional view along the radial direction of the runner 4 so as to be aligned with the accommodating portion 14C. It is formed in a substantially rectangular shape that extends and has an internal space 16. The internal space 16 is sealed and its pressure is set to a first predetermined value.

上述の第1の所定値は、一例として、ランナ4へ流入する流れの相対角度がランナ羽根13の入口角度と一致する最も効率の良い設計点(設計落差及び設計流量)でフランシス水車100が運転されている際に負圧面14n側を流れる水の圧力の値と同等の値となっている。本実施の形態では、このような第1の所定値に内部空間16の圧力を設定するために、内部空間16に圧力が調整された流体(空気や高圧水等)が予め封入されている。なお、ランナ4においては、内部空間16の圧力を任意の値に調整するための制御機構が設けられてもよい。   The first predetermined value described above is, for example, the operation of the Francis turbine 100 at the most efficient design point (design head and design flow rate) where the relative angle of the flow flowing into the runner 4 matches the inlet angle of the runner blade 13. In this case, the pressure is equivalent to the pressure of the water flowing on the suction surface 14n side. In the present embodiment, in order to set the pressure of the internal space 16 to such a first predetermined value, fluid (air, high-pressure water, etc.) whose pressure is adjusted is enclosed in the internal space 16 in advance. The runner 4 may be provided with a control mechanism for adjusting the pressure in the internal space 16 to an arbitrary value.

このような入口側羽根形成部材15は、その周囲の圧力変化に応じて、入口側流水面15nの形状を変化させるように形成されている。具体的に、入口側羽根形成部材15は、周囲の圧力条件と内部空間16の圧力条件との関係(相違)により、主流の水に接する側の入口側流水面15nの形状を例えば図2の破線に示す状態に変化させることが可能となっている。なお、本実施の形態の入口側流水面15nと羽根本体14の負圧面14nとは、設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際に、図2の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。   Such an inlet side blade | wing formation member 15 is formed so that the shape of the inlet side water surface 15n may be changed according to the pressure change of the circumference | surroundings. Specifically, the inlet-side blade forming member 15 has a shape of the inlet-side flowing water surface 15n on the side in contact with the mainstream water depending on the relationship (difference) between the surrounding pressure condition and the pressure condition of the internal space 16, for example, as shown in FIG. It is possible to change to the state shown by the broken line. It should be noted that the inlet-side flow surface 15n and the suction surface 14n of the blade body 14 of the present embodiment are smooth as shown by the solid line in FIG. 2 when the Francis turbine 100 is operated with a design drop and a design flow rate. It is comprised so that a streamline may be made continuously.

本実施の形態の作用について説明する。   The operation of the present embodiment will be described.

本実施の形態に係るフランシス水車1においては、上池から導かれた水が鉄管を通ってケーシング1に導かれる。水は、ケーシング1により流れが周方向に均一化され、ケーシング1の内周側に配置されたステーベーン2及びガイドベーン3を通ってランナ4へ流入する。ランナ4は、通過する水の圧力エネルギーにより回転し、水車主軸6を介して連結する発電機7を駆動する。これにより、発電機7において発電が行われる。ランナ4から流出する水は、吸出し管5を通って下池に放出される。   In the Francis turbine 1 according to the present embodiment, water guided from the upper pond is guided to the casing 1 through an iron pipe. The water is made uniform in the circumferential direction by the casing 1 and flows into the runner 4 through the stay vane 2 and the guide vane 3 arranged on the inner circumferential side of the casing 1. The runner 4 is rotated by the pressure energy of the passing water, and drives a generator 7 connected via a turbine main shaft 6. As a result, the generator 7 generates power. Water flowing out of the runner 4 is discharged to the lower pond through the suction pipe 5.

設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際には、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力と、負圧面14n側を流れる水の圧力とがつり合うことで、図2の実線で示すように、入口側流水面15nと羽根本体14の負圧面14nとは、滑らかに連続して流線形をなす。   When the Francis turbine 100 is operated with the design head and the design flow rate, the pressure of the internal space 16 of the inlet blade formation member 15 and the pressure of the water flowing on the negative pressure surface 14n side are balanced, so that FIG. As indicated by the solid line, the inlet-side flow surface 15n and the suction surface 14n of the blade body 14 are smoothly and continuously streamed.

一方、高落差側の運転点となった際には、図2に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根13において負圧面14nの入口側、すなわち入口側流水面15nの周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力は、入口側流水面15nの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15nは、図2の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15nの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。   On the other hand, when the operating point is on the high head side, as shown in FIG. 2, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner vane 13 becomes larger than the inlet angle βb of the runner vane 13, and the flow angles do not match. As a result, the pressure on the inlet side of the negative pressure surface 14n, that is, the pressure around the inlet-side flowing water surface 15n in the runner blade 13 decreases. At this time, the pressure in the internal space 16 of the inlet-side blade forming member 15 is higher than the pressure around the inlet-side water surface 15n, so that the inlet-side water surface 15n has a mainstream water as shown by a broken line in FIG. Project to the side. At the time of protrusion, the shape of the inlet-side water surface 15n is deformed so as to follow the surrounding flow.

これにより、本実施の形態によれば、ランナ羽根13の入口角度βbが図中矢印A1に示すように相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。また、入口側流水面15nの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15nの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和され、これにより、特に入口側流水面15nの下流側でのキャビテーションの発生が抑制される。   As a result, according to the present embodiment, the inlet angle βb of the runner blade 13 approaches the relative angle β1 as indicated by the arrow A1 in the figure, thereby suppressing the occurrence of cavitation due to the mismatch of the flow angles. Further, the shape of the inlet-side flow surface 15n is deformed so as to follow the flow around it, so that sudden pressure changes before and after the inlet-side flow surface 15n are alleviated. The occurrence of cavitation on the downstream side of 15n is suppressed.

したがって、本実施の形態によれば、キャビテーションの発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。図6は、本実施の形態の作用効果を説明するための水車性能線図を示している。図6において、一点鎖線L11は、入口側羽根形成部材15が設けられていない場合のキャビテーションの初生線を示しており、一点鎖線L12は剥離渦の初生線を示している。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L11を、図中の実線の初生線L1のように、高落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印αに示すように、より広範囲に拡大することができる。   Therefore, according to this Embodiment, generation | occurrence | production of cavitation can be suppressed effectively and the operation range of Francis turbine 100 which is a hydraulic machine can fully be expanded. FIG. 6 shows a water turbine performance diagram for explaining the operation and effect of the present embodiment. In FIG. 6, an alternate long and short dash line L11 indicates an initial line of cavitation when the inlet-side blade forming member 15 is not provided, and an alternate long and short dash line L12 indicates an initial line of a separation vortex. Specifically, according to the present embodiment, the initial line L11 in FIG. 6 can be separated to the high head side like the solid initial line L1 in the drawing. As a result, the operating range can be expanded over a wider range as indicated by the arrow α in the figure.

なお、本実施の形態では、負圧面側に入口側羽根形成部材15が設けられることで、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションを抑制できるが、羽根本体14の形状を低落差側の運転で生じ得る剥離渦を抑制できる形状に形成して、このような羽根本体14に入口側羽根形成部材15を組み合わせてもよい。この場合には、高落差側で生じ得るキャビテーション及び低落差側で生じ得る剥離渦の発生を抑制することが可能となり、より広範囲に運転範囲を拡大することができる。   In the present embodiment, by providing the inlet blade forming member 15 on the suction surface side, it is possible to suppress cavitation that can occur in the operation on the high head side, but the shape of the blade body 14 can be reduced in the operation on the low head side. The inlet side blade forming member 15 may be combined with such a blade body 14 by forming in a shape that can suppress the separation vortex that may occur. In this case, it becomes possible to suppress the occurrence of cavitation that can occur on the high head side and separation vortices that can occur on the low head side, and the operating range can be expanded in a wider range.

(第2の実施の形態)
次に第2の実施の形態について説明する。本実施の形態における第1の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また第1の実施の形態と同様の作用及び効果についても、一部の説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The same components as those of the first embodiment in the present embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. A part of the description of the same operations and effects as those of the first embodiment is also omitted.

図3に示すように、本実施の形態では、羽根本体14の圧力面14pのうちの入口側羽根形成部材15に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間16を連通する連通路18が、羽根本体14及び入口側羽根形成部材15に跨がって形成されている。言い換えると、羽根本体14の圧力面14pのうちの入口側羽根形成部材15に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間16まで延び、圧力面14pと内部空間16との間の水の流通を許容する連通路18が、羽根本体14及び入口側羽根形成部材15に跨がって形成されている。   As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the communication path 18 that communicates the internal space 16 from the portion of the pressure surface 14p of the blade body 14 that faces the inlet-side blade forming member 15 in the blade thickness direction, It is formed across the blade body 14 and the inlet side blade forming member 15. In other words, the pressure surface 14p of the blade body 14 extends from the portion facing the inlet-side blade forming member 15 in the blade thickness direction to the internal space 16, and the flow of water between the pressure surface 14p and the internal space 16 is increased. An allowable communication path 18 is formed across the blade body 14 and the inlet-side blade forming member 15.

連通路18は、圧力面14pから収容部14Cまで延びる第1孔部18Aと、入口側羽根形成部材15のうちの圧力面14p側を向く面に形成された第2孔部18Bと、で構成されている。第1孔部18Aと第2孔部18Bとは互いに連なっている。   The communication path 18 includes a first hole portion 18A extending from the pressure surface 14p to the accommodating portion 14C, and a second hole portion 18B formed on the surface facing the pressure surface 14p side of the inlet-side blade forming member 15. Has been. The first hole 18A and the second hole 18B are connected to each other.

したがって、内部空間16は密閉されておらず、圧力面14p側に開放している。これにより、フランシス水車100が運転されている際には、羽根本体14の圧力面14p側の水が、内部空間16に流入する。また、本実施の形態の入口側流水面15nと羽根本体14の負圧面14nとは、設計落差及び設計流量におけるフランシス水車100の運転時に圧力面14p側の水が内部空間16に流入する状態において、図3の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。   Therefore, the internal space 16 is not sealed and is open to the pressure surface 14p side. Thereby, when the Francis turbine 100 is operated, the water on the pressure surface 14 p side of the blade body 14 flows into the internal space 16. Further, the inlet-side flow surface 15n and the negative pressure surface 14n of the blade body 14 of the present embodiment are in a state in which water on the pressure surface 14p side flows into the internal space 16 when the Francis turbine 100 is operated at the design drop and the design flow rate. As shown by the solid line in FIG. 3, it is configured to smoothly and continuously form a streamline.

本実施の形態の作用について説明する。   The operation of the present embodiment will be described.

本実施の形態では、高落差側の運転点となった際に、図3に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根13において負圧面14nの入口側、すなわち入口側流水面15nの周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16に流入している水の圧力は、入口側流水面15nの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15nは、図3の破線で示すように、主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15nの形状は、第1の実施の形態と同様に、その周囲の流れに沿うように変形する。   In the present embodiment, when the operating point is on the high head side, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner blade 13 becomes larger than the inlet angle βb of the runner blade 13 as shown in FIG. Due to the angle mismatch, the pressure on the inlet side of the suction surface 14n, that is, the pressure around the inlet-side water flow surface 15n in the runner blade 13 decreases. At this time, since the pressure of the water flowing into the internal space 16 of the inlet-side blade forming member 15 becomes higher than the pressure around the inlet-side water surface 15n, the inlet-side water surface 15n is indicated by a broken line in FIG. As shown, project to the mainstream water side. At the time of protrusion, the shape of the inlet-side water surface 15n is deformed so as to follow the surrounding flow, as in the first embodiment.

これにより、本実施の形態によれば、高落差側の運転であっても、ランナ羽根13の入口角度βbが相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。また、入口側流水面15nの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15nの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和され、これにより、特に入口側流水面15nの下流側でのキャビテーションの発生が抑制される。   Thereby, according to this Embodiment, even if it is a driving | running | working by the side of a high head, generation | occurrence | production of the cavitation by the mismatch of a flow angle is suppressed because the inlet angle (beta) b of the runner blade 13 approaches relative angle (beta) 1. Further, the shape of the inlet-side flow surface 15n is deformed so as to follow the flow around it, so that sudden pressure changes before and after the inlet-side flow surface 15n are alleviated. The occurrence of cavitation on the downstream side of 15n is suppressed.

一方、低落差側の運転点となった際には、図8で示したように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根13において圧力面14pの入口側で剥離して、圧力面14pの入口側の周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16に流入している水の圧力も低下し、入口側流水面15nの周囲の圧力が、内部空間16の水の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15nは圧力面14p側に向けてへこむ状態となる。   On the other hand, when the operating point is on the low head side, as shown in FIG. 8, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner blade 13 becomes smaller than the inlet angle βb of the runner blade 13, and the flow angle Due to the mismatch, the flow is separated at the inlet side of the pressure surface 14p in the runner blade 13, and the pressure around the inlet side of the pressure surface 14p is rapidly reduced. At this time, the pressure of the water flowing into the internal space 16 of the inlet-side blade forming member 15 also decreases, and the pressure around the inlet-side flow surface 15n becomes higher than the water pressure of the internal space 16, so that the inlet The side water surface 15n is recessed toward the pressure surface 14p.

これにより、本実施の形態によれば、低落差側の運転であっても、ランナ羽根13の入口角度βbが相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。   Thereby, according to the present embodiment, even when the operation is on the low head side, the separation angle vortex is prevented from being generated due to the mismatch of the flow angles because the inlet angle βb of the runner blade 13 approaches the relative angle β1. .

したがって、本実施の形態においては、キャビテーション及び剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L11を、図中の実線の初生線L1のように、高落差側に離すことができる。また、初生線L12を、図中の実線の初生線L2のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印α及び矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。   Therefore, in this Embodiment, generation | occurrence | production of a cavitation and peeling vortex can be suppressed effectively and the operation range of the Francis turbine 100 which is a hydraulic machine can fully be expanded. Specifically, according to the present embodiment, the initial line L11 in FIG. 6 can be separated to the high head side like the solid initial line L1 in the drawing. In addition, the initial line L12 can be separated to the low head side like the solid initial line L2 in the figure. As a result, the operating range can be expanded over a wider range as indicated by arrows α and β in the figure.

しかも、本実施の形態では、羽根本体14の圧力面14pと内部空間16とが連通しているので、内部空間16の圧力を運転状態によって調整しなくても、適切に入口側流水面15nの形状が変化する。そのため、内部空間16の圧力を調整するための作業や、圧力調整のための機構を設置する必要が無いため、製造コストに関する利点も得ることができる。   In addition, in the present embodiment, the pressure surface 14p of the blade body 14 and the internal space 16 communicate with each other, so that the pressure on the inlet-side flow surface 15n can be appropriately adjusted without adjusting the pressure in the internal space 16 depending on the operating state. The shape changes. Therefore, it is not necessary to install a work for adjusting the pressure in the internal space 16 and a mechanism for adjusting the pressure, and thus an advantage relating to the manufacturing cost can be obtained.

(第3の実施の形態)
次に第3の実施の形態について説明する。本実施の形態における第1及び第2の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. Components similar to those of the first and second embodiments in the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図4に示すように、本実施の形態においても、ランナ羽根13は、羽根本体14と、羽根本体14の入口側の内部に設けられ、その一部を羽根本体14の外部に露出させる入口側羽根形成部材15と、を有するが、入口側羽根形成部材15のうちの羽根本体14の外部に露出される一部が羽根本体14の圧力面14pに連続する入口側流水面15pを形成している。すなわち、ランナ羽根13の圧力面は、羽根本体14の圧力面14pと入口側流水面15pとで構成されている。   As shown in FIG. 4, also in the present embodiment, the runner blade 13 is provided inside the blade body 14 and the inlet side of the blade body 14, and an inlet side that exposes a part of the runner blade 13 to the outside of the blade body 14. A part of the inlet-side blade forming member 15 exposed to the outside of the blade body 14 forms an inlet-side flowing water surface 15p that is continuous with the pressure surface 14p of the blade body 14. Yes. That is, the pressure surface of the runner blade 13 is composed of the pressure surface 14p of the blade body 14 and the inlet-side flowing water surface 15p.

本実施の形態における入口側羽根形成部材15は、中空の弾性体からなり、羽根本体14に形成された収容部14Cに整合するように、ランナ4の径方向に沿う断面視で羽根本体14の流水方向に長手方向が延びる略長方形状に形成され、且つ内部空間16を有している。この内部空間16は密閉され、その圧力が第2の所定値に設定されている。なお、本実施の形態における収容部14Cは、圧力面側に開放している。   The inlet-side blade forming member 15 in the present embodiment is made of a hollow elastic body, and is aligned with the accommodating portion 14C formed in the blade main body 14 in a sectional view along the radial direction of the runner 4 in the blade main body 14. It is formed in a substantially rectangular shape whose longitudinal direction extends in the flowing water direction and has an internal space 16. The internal space 16 is sealed and its pressure is set to a second predetermined value. In addition, 14 C of accommodating parts in this Embodiment are open | released to the pressure surface side.

第2の所定値は、一例として、ランナ4へ流入する流れの相対角度がランナ羽根13の入口角度と一致する最も効率の良い設計点(設計落差及び設計流量)でフランシス水車100が運転されている際に圧力面14p側を流れる水の圧力の値と同等の値となっている。本実施の形態では、このような第2の所定値に内部空間16の圧力を設定するために、第1の実施の形態と同様に、内部空間16に圧力が調整された流体(空気や高圧水等)が予め封入されている。   As an example, the second predetermined value is that the Francis turbine 100 is operated at the most efficient design point (design head and design flow rate) at which the relative angle of the flow flowing into the runner 4 matches the inlet angle of the runner blade 13. It is a value equivalent to the pressure value of the water flowing on the pressure surface 14p side. In the present embodiment, in order to set the pressure in the internal space 16 to such a second predetermined value, a fluid (air or high pressure) in which the pressure is adjusted in the internal space 16 as in the first embodiment. Water, etc.) is enclosed in advance.

本実施の形態における入口側羽根形成部材15は、周囲の圧力条件と内部空間16の圧力条件との関係(相違)により、主流の水に接する側の入口側流水面15pの形状を例えば図4の破線に示す状態に変化させることが可能となっている。なお、本実施の形態の入口側流水面15pと羽根本体14の圧力面14pとは、設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際に、図4で実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。   In the inlet-side blade forming member 15 in the present embodiment, the shape of the inlet-side flowing water surface 15p on the side in contact with the mainstream water is, for example, shown in FIG. 4 depending on the relationship (difference) between the surrounding pressure conditions and the pressure conditions in the internal space 16. It is possible to change to the state shown by the broken line. It should be noted that the inlet-side flow surface 15p and the pressure surface 14p of the blade body 14 of the present embodiment are smooth as shown by the solid line in FIG. 4 when the Francis turbine 100 is operated with a design drop and a design flow rate. It is comprised so that a streamline may be made continuously.

本実施の形態の作用について説明する。   The operation of the present embodiment will be described.

本実施の形態においては、設計落差及び設計流量でフランシス水車100が運転されている際には、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力と、圧力面14p側を流れる水の圧力とがつり合うことで、図4の実線で示すように、入口側流水面15pと羽根本体14の圧力面14pとは、滑らかに連続して流線形をなす。   In the present embodiment, when the Francis turbine 100 is operated with the design head and the design flow rate, the pressure of the internal space 16 of the inlet blade formation member 15 and the pressure of the water flowing on the pressure surface 14p side are the same. By balancing, as shown by the solid line in FIG. 4, the inlet-side water surface 15p and the pressure surface 14p of the blade body 14 are smoothly and continuously streamlined.

一方、低落差側の運転点となった際には、図4に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βb(図示省略)よりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根13において圧力面14pの入口側で剥離して、圧力面14pの入口側すなわち入口側流水面15pの周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力は、入口側流水面15pの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15pは、図4の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15pの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。   On the other hand, when the operating point is on the low head side, as shown in FIG. 4, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner blade 13 is smaller than the inlet angle βb (not shown) of the runner blade 13, Due to the mismatch of the flow angles, the flow is separated at the inlet side of the pressure surface 14p in the runner blade 13, and the pressure around the inlet side of the pressure surface 14p, that is, the inlet-side flowing water surface 15p rapidly decreases. At this time, the pressure in the internal space 16 of the inlet-side blade forming member 15 is higher than the pressure around the inlet-side water surface 15p, so that the inlet-side water surface 15p has the mainstream water as shown by the broken line in FIG. Project to the side. At the time of protrusion, the shape of the inlet-side water surface 15p is deformed so as to follow the surrounding flow.

これにより、本実施の形態によれば、ランナ羽根13の入口角度βbが図中矢印A2に示すように相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。また、入口側流水面15pの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15pの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和される。   As a result, according to the present embodiment, the entrance angle βb of the runner blade 13 approaches the relative angle β1 as indicated by the arrow A2 in the figure, so that the generation of separation vortices due to the mismatch of the flow angles is suppressed. In addition, the shape of the inlet-side flow surface 15p is deformed so as to follow the surrounding flow, so that sudden pressure changes before and after the inlet-side flow surface 15p are alleviated.

したがって、本実施の形態によれば、剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L12を、図中の実線の初生線L2のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。   Therefore, according to this Embodiment, generation | occurrence | production of peeling vortex can be suppressed effectively and the operation range of Francis turbine 100 which is a hydraulic machine can fully be expanded. Specifically, according to the present embodiment, the initial line L12 in FIG. 6 can be separated to the low head side as the solid initial line L2 in the figure. As a result, the operating range can be expanded over a wider range as indicated by the arrow β in the figure.

(第4の実施の形態)
次に第4の実施の形態について説明する。本実施の形態における第1乃至第3の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また特に第3の実施の形態と同様の作用及び効果についても、一部の説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. Components similar to those of the first to third embodiments in the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In particular, part of the description of the same operations and effects as those of the third embodiment is also omitted.

本実施の形態の入口側羽根形成部材15は、第3の実施の形態と同様の位置に設けられる。一方、図5に示すように、本実施の形態では、羽根本体14の負圧面14nのうちの入口側羽根形成部材15に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間16を連通する連通路18が、羽根本体14及び入口側羽根形成部材15に跨がって形成されている。   The inlet side blade forming member 15 of the present embodiment is provided at the same position as that of the third embodiment. On the other hand, as shown in FIG. 5, in the present embodiment, the communication path 18 that communicates the internal space 16 from the portion of the suction surface 14 n of the blade body 14 that faces the inlet-side blade forming member 15 in the blade thickness direction. Is formed across the blade body 14 and the inlet-side blade forming member 15.

連通路18は、負圧面14nから収容部14Cまで延びる第1孔部18Aと、入口側羽根形成部材15のうちの負圧面14n側を向く面に形成された第2孔部18Bと、で構成されている。第1孔部18Aと第2孔部18Bとは互いに連なっている。   The communication path 18 includes a first hole portion 18A extending from the negative pressure surface 14n to the accommodating portion 14C, and a second hole portion 18B formed on the surface of the inlet side blade forming member 15 facing the negative pressure surface 14n side. Has been. The first hole 18A and the second hole 18B are connected to each other.

したがって、内部空間16は密閉されておらず、負圧面14n側に開放している。これにより、フランシス水車100が運転されている際には、羽根本体14の負圧面14n側の水が、内部空間16に流入する。また、本実施の形態の入口側流水面15pと羽根本体14の圧力面14pとは、設計落差及び設計流量におけるフランシス水車100の運転時に負圧面14n側の水が内部空間16に流入する状態において、図5の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。   Therefore, the internal space 16 is not sealed and is open to the negative pressure surface 14n side. Thereby, when the Francis turbine 100 is operated, the water on the negative pressure surface 14 n side of the blade body 14 flows into the internal space 16. In addition, the inlet-side flow surface 15p and the pressure surface 14p of the blade body 14 of the present embodiment are in a state where water on the negative pressure surface 14n side flows into the internal space 16 during operation of the Francis turbine 100 at the design drop and design flow rate. As shown by the solid line in FIG. 5, it is configured to smoothly and continuously form a streamline.

本実施の形態の作用について説明する。   The operation of the present embodiment will be described.

本実施の形態では、低落差側の運転点となった際に、図5に示すように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βb(図示省略)よりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根13において圧力面14pの入口側で剥離して、圧力面14pの入口側すなわち入口側流水面15pの周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16の圧力は、入口側流水面15pの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15pは、図5の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面15pの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。   In the present embodiment, when the operating point is on the low head side, as shown in FIG. 5, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner blade 13 is larger than the inlet angle βb (not shown) of the runner blade 13. Due to the smaller flow angle, the flow is separated at the inlet side of the pressure surface 14p in the runner blade 13 and the pressure around the inlet side of the pressure surface 14p, that is, the inlet-side flowing water surface 15p rapidly decreases. At this time, since the pressure in the internal space 16 of the inlet-side blade forming member 15 is higher than the pressure around the inlet-side water surface 15p, the inlet-side water surface 15p has a mainstream water as shown by the broken line in FIG. Project to the side. At the time of protrusion, the shape of the inlet-side water surface 15p is deformed so as to follow the surrounding flow.

これにより、本実施の形態によれば、低落差側の運転であっても、第3の実施の形態と同様に、ランナ羽根13の入口角度βbが図中矢印A2に示すように相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。また、入口側流水面15pの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面15pの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和される。   As a result, according to the present embodiment, even in the operation on the low head side, the inlet angle βb of the runner blade 13 is the relative angle β1 as shown by the arrow A2 in the figure, as in the third embodiment. By approaching, generation of separation vortices due to inconsistent flow angles is suppressed. In addition, the shape of the inlet-side flow surface 15p is deformed so as to follow the surrounding flow, so that sudden pressure changes before and after the inlet-side flow surface 15p are alleviated.

一方、高落差側の運転点となった際には、図7で示したように、ランナ羽根13へ流入する流れの相対角度β1がランナ羽根13の入口角度βbよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根13において負圧面14nの入口側の周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材15の内部空間16に流入している水の圧力も低下し、入口側流水面15pの周囲の圧力が、内部空間16の水の圧力よりも高くなるため、入口側流水面15pは負圧面14n側に向けてへこむ状態となる。   On the other hand, when the operating point on the high head side is reached, as shown in FIG. 7, the relative angle β1 of the flow flowing into the runner blade 13 becomes larger than the inlet angle βb of the runner blade 13, and the flow angle Due to the mismatch, the pressure around the inlet side of the suction surface 14n in the runner blade 13 is reduced. At this time, the pressure of the water flowing into the internal space 16 of the inlet-side blade forming member 15 also decreases, and the pressure around the inlet-side flow surface 15p becomes higher than the water pressure of the internal space 16, so that the inlet The side flow surface 15p is recessed toward the negative pressure surface 14n.

これにより、本実施の形態によれば、高落差側の運転であっても、ランナ羽根13の入口角度βbが相対角度β1に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。   Thereby, according to this Embodiment, even if it is a driving | running | working by the side of a high head, generation | occurrence | production of the cavitation by the mismatch of a flow angle is suppressed because the inlet angle (beta) b of the runner blade 13 approaches relative angle (beta) 1.

したがって、本実施の形態によれば、キャビテーション及び剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車100の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図6の初生線L11を、図中の実線の初生線L1のように、高落差側に離すことができる。また、初生線L12を、図中の実線の初生線L2のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印α及び矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。   Therefore, according to this Embodiment, generation | occurrence | production of a cavitation and peeling vortex can be suppressed effectively and the operation range of the Francis turbine 100 which is a hydraulic machine can fully be expanded. Specifically, according to the present embodiment, the initial line L11 in FIG. 6 can be separated to the high head side like the solid initial line L1 in the drawing. In addition, the initial line L12 can be separated to the low head side like the solid initial line L2 in the figure. As a result, the operating range can be expanded over a wider range as indicated by arrows α and β in the figure.

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。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the above embodiment is presented as an example, and is not intended to limit the scope of the invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

例えば、上述の各実施の形態では、入口側羽根形成部材15が内部空間16を有するが、これに代えて、入口側羽根形成部材15は、実質的に内部空間を有さない中実状であって、その周囲の圧力変化に応じて膨張及び収縮する弾性体から形成されていてもよい。このような部材の一例としては、多孔質弾性体等が挙げられる。   For example, in each of the above-described embodiments, the inlet-side blade forming member 15 has the internal space 16, but instead of this, the inlet-side blade forming member 15 has a solid shape that has substantially no internal space. In addition, the elastic body may be formed of an elastic body that expands and contracts in accordance with a change in pressure around the surrounding area. An example of such a member is a porous elastic body.

1 ケーシング、2 ステーベーン、3 ガイドベーン、4 ランナ、5 吸出し管、6 水車主軸、7 発電機、11 クラウン、12 バンド、13 ランナ羽根、14 羽根本体、14C 収容部、14n 負圧面、14p 圧力面、15 入口側羽根形成部材、15n 入口側流水面、15p 入口側流水面、16 内部空間、18 連通路、18A 第1孔部、18B 第2孔部、100 フランシス水車(水力機械)。 1 casing, 2 stay vanes, 3 guide vanes, 4 runners, 5 suction pipes, 6 turbine main shafts, 7 generators, 11 crowns, 12 bands, 13 runner blades, 14 blade bodies, 14C accommodating portions, 14n suction surfaces, 14p pressure surfaces , 15 inlet side blade forming member, 15n inlet side flow surface, 15p inlet side flow surface, 16 internal space, 18 communication passage, 18A first hole, 18B second hole, 100 Francis turbine (hydraulic machine).

Claims (7)

水力機械のランナであって、
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面又は圧力面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。
A hydraulic machine runner,
A runner blade having a blade body and an inlet-side blade forming member provided inside the blade body on the inlet side and exposing a part thereof to the outside of the blade body;
The part of the inlet-side blade forming member that is exposed to the outside of the blade body forms an inlet-side water surface that is continuous with the suction surface or pressure surface of the blade body,
The runner characterized in that the inlet-side blade forming member is formed so as to change the shape of the inlet-side water surface in accordance with a change in pressure around the inlet-side blade forming member.
前記入口側羽根形成部材は、前記入口側流水面が前記羽根本体の負圧面に連続するように設けられており、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記内部空間は密閉され、その圧力が第1の所定値に設定されている、ことを特徴とする請求項1に記載のランナ。
The inlet side blade forming member is provided such that the inlet side flowing water surface is continuous with the negative pressure surface of the blade body,
The inlet side blade forming member has an internal space,
The runner according to claim 1, wherein the internal space is sealed and the pressure is set to a first predetermined value.
前記入口側羽根形成部材は、前記入口側流水面が前記羽根本体の負圧面に連続するように設けられており、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記羽根本体の圧力面から前記内部空間を連通する連通路が、前記羽根本体及び前記入口側羽根形成部材に跨がって形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載のランナ。
The inlet side blade forming member is provided such that the inlet side flowing water surface is continuous with the negative pressure surface of the blade body,
The inlet side blade forming member has an internal space,
2. The runner according to claim 1, wherein a communication passage that communicates the internal space from a pressure surface of the blade body is formed across the blade body and the inlet-side blade forming member.
前記入口側羽根形成部材は、前記入口側流水面が前記羽根本体の圧力面に連続するように設けられており、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記内部空間は密閉され、その圧力が第2の所定値に設定されている、ことを特徴とする請求項1に記載のランナ。
The inlet side blade forming member is provided such that the inlet side flowing water surface is continuous with the pressure surface of the blade body,
The inlet side blade forming member has an internal space,
2. The runner according to claim 1, wherein the internal space is sealed and the pressure is set to a second predetermined value.
前記入口側羽根形成部材は、前記入口側流水面が前記羽根本体の圧力面に連続するように設けられており、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記羽根本体の負圧面から前記内部空間を連通する連通路が、前記羽根本体及び前記入口側羽根形成部材に跨がって形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載のランナ。
The inlet side blade forming member is provided such that the inlet side flowing water surface is continuous with the pressure surface of the blade body,
The inlet side blade forming member has an internal space,
2. The runner according to claim 1, wherein a communication path that communicates the internal space from the suction surface of the blade body is formed across the blade body and the inlet-side blade forming member.
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて膨張及び収縮する中実状の弾性体から形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載のランナ。   The runner according to claim 1, wherein the inlet-side blade forming member is formed of a solid elastic body that expands and contracts in accordance with a change in pressure around the inlet-side blade forming member. 請求項1乃至6のいずれかに記載のランナを備える、水力機械。   A hydraulic machine comprising the runner according to claim 1.
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