JP2019199801A - ランナベーンおよび軸流水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ流を抑制し、かつ水力機械の性能を向上させるランナベーンおよび軸流水力機械を提供すること。【解決手段】本発明の実施形態によれば、ランナボスの外周に設けられたランナベーンであって、前記ランナベーンの外周を囲むディスチャージリングに対向する前記ランナベーンの外周面に凹部を備える。上述の構成を有することにより、ディスチャージリングとランナベーンとの間に流入した水が、凹部を経てランナベーンの圧力面に導かれ、主流と共に流れるようにする。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、ランナベーンおよび軸流水力機械に関する。

従来の軸流水力機械において、ランナベーンとディスチャージリングとの間には、互い
の接触を避けるために隙間が設けられている。

特開昭６０−１５３４７８号公報

しかしながら、軸流水力機械の運転時には、ランナベーンの回転に寄与せず、圧力面側
からこの隙間を通過して負圧面側に流れる漏れ流が存在する。この漏れ流は、ランナベー
ン出口側で乱流になりやすく、キャビテーションの発生など軸流水力機械の性能低下を引
き起こす。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、漏れ流を抑制し、かつ水力機械の性能を向
上させるランナベーンおよび軸流水力機械を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態のランナベーンによれば、ランナボスの外周に
設けられたランナベーンであって、前記ランナベーンの外周を囲むディスチャージリング
に対向する前記ランナベーンの外周面に凹部を備える。

第一から第三のいずれかの実施形態に係る軸流水力機械の概要図である。 第一の実施形態に係るランナベーンを含む軸流水力機械のランナを示す斜視図である。 第一の実施形態に係るランナベーンの拡大図である。 第二の実施形態に係るランナベーンの拡大図である。 第二の実施形態の変形例に係るランナベーンの拡大図である。 第三の実施形態に係るランナベーンを含む軸流水力機械のランナを示す斜視図である。

本発明の第一から第三の実施形態について説明する。各実施形態では、後述するランナ
ベーンの外周面に凹部が設けられることで、ランナベーンの圧力面側から負圧面側に流れ
る漏れ流を抑制する。各実施形態では、凹部へ水を流入させる機構や、凹部に流入した水
を流出させる機構の有無に違いがある。以降では、各実施形態について詳細に説明する。

各実施形態に共通する軸流水力機械の構成について、図１を用いて説明する。図１は、
第一から第三のいずれかの実施形態に係る軸流水力機械の概要図である。ここでは、軸流
水力機械としてカプラン水車を例示して説明するが、軸流水力機械はこれに限定されず、
例えばプロペラ水車やバルブ水車でもよい。また、以降の説明では水車運転における水流
を例示し、水車運転における水の上流側を単に上流側、水車運転における水の下流側を単
に下流側という。

図１に示すように、軸流水力機械１は、上池（図示していない）から水が流入するケー
シング２と、ステーベーン３と、ガイドベーン４と、回転主軸５と、発電機６と、吸出し
管７と、ランナ１０と、ディスチャージリング３０から構成される。

ステーベーン３は、ケーシング２よりも内周側に配置され、ケーシング２からランナ２
０への流路を形成する。ガイドベーン４は、ステーベーン３より内周側に配置され、ガイ
ドベーン４の開度を変えることにより、ケーシング２からランナ１０に流入する水の流量
を調整する。

ランナ１０は、ランナボス１１と、ランナベーン２０を有し、ガイドベーン４よりも内
周側かつ下流側に配置される。ランナボス１１は、回転主軸５を介して発電機６に連結さ
れる。ランナベーン２０は、ランナボス１１の外周に放射状に設けられ、その外周がディ
スチャージリング３０に囲われている。

ケーシング２からステーベーン３、ガイドベーン４を順次経てランナ１０に流入した水
は、主に後述するランナベーン２０の圧力面２０ａを通過し、ランナベーン２０およびラ
ンナボス１１（つまり、ランナ１０）を回転させる。ランナボス１１が回転することで、
回転主軸５を介してランナボス１１に連結された発電機６が回転駆動し、発電が行われる
。ランナ１０の下流側には吸出し管７が設けられ、ランナ１０から流出した水が、吸出し
管７を経て下池（図示していない）に放出される。

一方、上流側からランナ１０に流入した水の一部は、圧力面２０ａを通らず、後述する
ランナベーン２０の外周面２０ｃとディスチャージリング３０との間に流入する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態に係るランナベーンおよび軸流水力機械について、図２および図３を用
いて説明する。図２は、第一の実施形態に係るランナベーンを含む軸流水力機械のランナ
を示す斜視図であり、図３は、第一の実施形態に係るランナベーンの拡大図である。図２
の圧力面２０ａを通過する矢印は主流の一例を、外周面２０ｃを通過する矢印は、漏れ流
の一例を、凹部２１に流入した後に圧力面２０ａ側に向かう矢印は、凹部２１に流入する
水流の一例をそれぞれ表す。また、図３のドットで示す箇所は、凹部２１の底面である。

第一の実施形態におけるランナベーン２０は、ディスチャージリング３０の内周面と対
向する外周面２０ｃに、凹部２１が設けられる点が特徴である。図３に示すように、この
凹部２１は、外周面２０ｃから中心軸Ｘの側に窪んでおり、負圧面２０ｂ側（圧力面２０
ａの裏側）から圧力面２０ａ側に向かうにつれて、その深さが浅くなる。すなわち、負圧
面２０ｂの方がより深く窪んでいる。

ランナベーン２０に凹部２１が設けられることにより、上流側からランナベーン２０と
ディスチャージリング３０との隙間に流入した水は、図２に示すように、凹部２１の端面
で一旦塞き止められた後に圧力面２０ａに導かれる。この際に、凹部２１の窪みの深さが
負圧面２０ｂ側から圧力面２０ａ側に向かうにつれて浅くなるため、流入した水は、より
円滑に圧力面２０ａに導かれ、圧力面２０ａに沿って下流側に流れる。つまり、凹部２１
から圧力面２０ａに導かれた水は、上流側からランナ１０に流入した水の主流と共に発電
機６の回転駆動に寄与する。

上述する第一の実施形態によれば、凹部２１に流入した水を塞き止めるため、圧力面２
０ａから負圧面２０ｂに流れる漏れ流を抑えることができる。さらに、凹部２１に流入し
た漏れ流を圧力面２０ａに導き、発電に寄与する流れ成分とすることが可能なので、単に
漏れ流を抑えるだけでなく、水力機械の性能を向上させることができる。

なお、凹部２１は、少なくとも外周面２０ｃの上流側（ランナベーン２０上流側）に設
けられることが好ましい。これは、ランナベーン２０上流側での圧力面２０ａ側と負圧面
２０ｂ側との圧力差が、ランナベーン２０下流側での圧力差よりも大きく、上流側で特に
漏れ流が発生しやすいからである。ただし、凹部２１の数やその配置は限定されず、例え
ば外周面２０ｃの上流側から下流側にかけてこの凹部２１を複数設けてもよい。

また、本実施形態では、凹部２１の形状として、外周面２０ｃから中心軸Ｘの側に窪ん
でおり、負圧面２０ｂ側から圧力面２０ａ側に向かうにつれて、その深さが浅くなる場合
を例示して説明したが、凹部２１の形状は、流入した水を圧力面２０ａに流出し、主流と
共に流すことができる構造であればよい。例えば、凹部２１の深さが均一で、その底面が
負圧面２０ｂ側から圧力面２０ａ側に傾いてもよいし、凹部２１の底面がなだらかな曲面
であってもよい。

（第二の実施形態）
第二の実施形態に係るランナベーンおよび軸流水力機械について、図４を用いて説明す
る。図４は、第二の実施形態に係るランナベーンの拡大図である。以降では、第一の実施
形態と異なる箇所について説明し、それ以外の箇所は第一の実施形態と同じものとして、
ここではその説明を省略する。

第二の実施形態におけるランナベーン２０は、凹部２１に加え、ランナベーン２０とデ
ィスチャージリング３０との隙間に流入した水を凹部２１に導くフィン２２が設けられる
点が特徴である。その他の構成、例えば凹部２１の形状や設置位置については、第一の実
施形態と同様である。

フィン２２は凹部２１の近傍にランナベーン２０と一体に形成され、凹部２１よりも上
流側から凹部２１の側に傾いている。すなわち、フィン２２は、凹部２１から上流側に隆
起している。したがって、ランナベーン２０とディスチャージリング３０との隙間に流入
した水は、フィン２２に沿って凹部２１に導かれる。

上述した第二の実施形態によれば、フィン２２が設けられることにより、第一の実施形
態と同様の効果が得られるだけでなく、ランナベーン２０とディスチャージリング３０と
の隙間に流入した水がフィン２２に沿って凹部２１に導かれるため、圧力面２０ａ側から
負圧面２０ｂ側に流れる漏れ流をより効率的に抑えることができる。

なお、フィン２２は、凹部２１に水を導くことが可能な形状であればよく、例えばラン
ナ１０の回転方向に張り出してもよい。

また、第二の実施形態の変形例として、図５に記載するように、凹部２１及びフィン２
２を含む延長部材２５を別の部材で構成して一般的なランナベーンと接合してもよいし、
図５とは異なる構成として、フィンだけを延長部材として、凹部を有するランナベーン（
つまり、第一の実施形態におけるランナベーン２０）に接合してもよい。このような構成
とすることで、ランナベーンを新規に製造するよりも安価な方法で、第二の実施形態と同
様の効果を得ることが可能である。

（第三の実施形態）
第三の実施形態に係るランナベーンおよび軸流水力機械について、図６を用いて説明す
る。図６は、第三の実施形態に係るランナベーンを含む軸流水力機械のランナを示す斜視
図である。以降では、第一ならびに第二の実施形態およびその変形例と異なる箇所につい
て説明し、それ以外の箇所については、第一ならびに第二の実施形態およびその変形例と
同じものとして、ここではその説明を省略する。

第三の実施形態におけるランナベーン２０は、凹部２１に加え、凹部２１に流入した水
を凹部２１から負圧面２０ｂの下流側に流出させる排水流路２３が設けられる点が特徴で
ある。その他の構成、例えば凹部２１の形状や設置位置については、第一ならびに第二の
実施形態およびその変形例と同様である。

排水流路２３は、一枚のランナベーン２０の内部を貫通して、凹部２１に形成された入
口２３ａと、凹部２１よりも下流側の負圧面２０ｂに形成された出口２３ｂとを連通させ
る。すなわち、排水流路２３は、入口２３ａと出口２３ｂとをつなぐ流路である。入口２
３ａ側と出口２３ｂ側との間には圧力差が存在するため、ランナベーン２０とディスチャ
ージリング３０との隙間に流入した水は凹部２１に吸い込まれ、その一部が排水流路２３
を経て出口２３ｂから流出する。一方、凹部２１に流入したものの排水流路２３を通過し
ない水は、凹部２１を経て圧力面２０ａに導かれて主流と共に発電機６の回転駆動に寄与
する。

上述した第三の実施形態によれば、排水流路２３が設けられることにより、第一の実施
形態と同様の効果が得られるだけでなく、入口２３ａと出口２３ｂとの圧力差を利用して
凹部２１への水の流入を誘発し、圧力面２０ａ側から負圧面２０ｂ側に流れる漏れ流をよ
り効率的に抑えることができる。

なお、本実施形態において、出口２３ｂは、ランナベーン２０の出口近傍に位置するこ
とが好ましい。出口２３ｂがランナベーン２０の出口近傍に位置することで、上述の実施
形態の効果に加え、一般的にランナベーンの出口近傍に発生する流れの剥離を抑えること
もできる。

また、図１、図２、および図６では、ランナ１０を構成するランナベーンが全てランナ
ベーン２０である場合を図示しているが、ランナベーン２０を軸流水力機械に適用する場
合、その枚数は限定されず、少なくとも一枚のランナベーンがランナベーン２０であれば
よい。これは、本発明の他の実施形態においても同様に適用される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣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。これら実施形態やその変形は、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．軸流水力機械、２．ケーシング、３．ステーベーン、４．ガイドベーン、５．回転主
軸、６．発電機、７．吸出し管、１０．ランナ、１１．ランナボス、２０．ランナベーン
、２０ａ．圧力面、２０ｂ．負圧面、２０ｃ．外周面、２１．凹部、２２．フィン、２３
．排水流路、２３ａ．入口、２３ｂ．出口、３０．ディスチャージリング

Claims (7)

1. ランナボスの外周に設けられたランナベーンであって、
   前記ランナベーンの外周を囲むディスチャージリングに対向する前記ランナベーンの外周
   面に凹部を備えるランナベーン。
2. 前記凹部は、前記外周面の水車運転時における上流側に設けられる請求項１に記載され
   たランナベーン。
3. 前記凹部は、負圧面側から圧力面側に向かってその深さが浅くなる請求項１または２に
   記載されたランナベーン。
4. 前記凹部よりも上流からこの凹部に向かって傾斜し、前記ディスチャージリングと前記
   外周面との間に流入した水を前記凹部へ導くフィンを有する請求項１から３のいずれかに
   記載されたランナベーン。
5. 前記凹部及び前記フィンを含む部位が別体の部材で形成される請求項４に記載されたラ
   ンナベーン。
6. 前記ランナベーンに内在し、前記凹部から前記負圧面の下流側に水を排出する排水流路
   を有する請求項１から５のいずれかに記載されたランナベーン。
7. 回転軸に連結したランナボスおよび請求項１から６に記載されたランナベーンを有する
   ランナと、
   前記ランナベーンの外周を囲むディスチャージリングと、
   を備える軸流水力機械。

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