JPH10318117A - 流体機械の羽根車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水車、ポンプ水車、軸流タービン等の流体機
械において、部分負荷運転時の作動流体の流れを安定さ
せ、運転範囲の拡大を図るとともにキャビテーション特
性を改善すること。 【解決手段】 水車等のランナベーンにおける水車とし
て運転される時の作動流体入口側前縁の少なくともバン
ド側付け根に、設計時に想定した運転状態における作動
流体の入口角にほぼ一致する迎え角を有し、鋭い後退角
を持った先細状の張り出し部を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水車、ポンプ水
車、或はタービン等の流体機械の羽根車に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は一般的なフランシス水車の縦断
面であって、水車主軸１の下端には羽根車２が固着され
ている。この羽根車２はランナクラウン３とバンド４
と、これらの間に周方向に列状に配列され上記ランナク
ラウン３とバンド４に固着された複数枚のランナベーン
５とによって構成されている。そして、この羽根車２の
上側は上カバー６によって覆われ、下側は下カバー７に
よって覆われている。

【０００３】また、上記羽根車２の半径方向外方には水
口開度を変える複数枚の可動ガイドベーン８が配設さ
れ、さらにその外側には複数枚のステーベーン９が配設
されている。このステーベーン９の外側には水圧鉄管
（図示せず）に連なるうず巻ケーシング１０が配設され
ている。一方、上記下カバー７には吸出し管１１が接続
され、水車運転時に羽根車２を通過した水を放水路に導
くようになっている。

【０００４】しかして、可動ガイドベーン８が開かれる
と、うず巻ケーシング１０から上記羽根車２が配設され
ているランナ室内に水が流入し、上記羽根車２のランナ
ベーン５間を流れて羽根車２を回転させる。そして、上
記羽根車２を通過した水は吸出し管１１を経て放水路に
導出される。

【０００５】ところで、図１２は上記フランシス水車の
羽根車２の断面図であって、ほぼ円板状のクラウン３と
円筒状のバンド４との間には複数枚のランナベーン５が
周方向に列状に配列され、上記クラウン３とバンド４に
一体的に固着されている。なお、図中符号３ａは整流用
のランナコーンである。

【０００６】したがって、通常水車の運転中は図中矢印
の方向から作動流体である高圧水が各ランナベーン５間
に流入し、羽根車２はその圧力を解放することによって
エネルギーを回転力に変換する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
水車に限らず、ポンプ水車及びタービン等の流体機械に
おいては、作動流体の流量、水頭（圧力）、回転速度を
設計点として最も効率良く作動流体のエネルギーを吸収
するように作られているので、その設計点を外れた運転
状態では効率が低下していく。さらに、水車用高比速度
ランナは設計点を外れた運転状態では流れが剥離するな
どしてバンド近傍のランナベーン付け根部で非定常の負
圧分布が生じて、振動やキャビテーションを生じ、さら
には壊食に発展するケースがみられる。

【０００８】より詳細に述べると、水車を含む固有の回
転速度をもつタービンにおいて、その運転状態が設計点
より低負荷、低流量側の場合にはランナベーン間に流入
する作動流体の流量が相対的に低下すると同時に入射角
が大きくなり、ランナベーンの負圧面で流れが剥離する
などして圧力分布が乱れ、効率が低下していく。また同
時に境界層が大幅に発達し、ランナベーン前縁付近で流
れが剥離して旋回失速やサージングを生じたりして、機
械全体に振動を引き起こすことがある。

【０００９】図１３は上記ランナベーンにおけるバンド
側入口側の流れを示す図であり、正常負荷運転時には図
１３の（ａ）に示すように作動流体の流れがランナベー
ンに対して所定の設計された入射角で流入し、ランナベ
ーンの表面に対してスムーズな流れが生じる。しかし、
水車の部分負荷運転時には、ガイドベーン８で流路が絞
られるのでランナベーン間に流入する水の流量が相対的
に低下する一方、羽根車自体の入口面積や回転速度は一
定なので、ランナベーンに対する水の入射角が大きくな
る。したがって、水の流れ自体が安定性を失い、図１３
の（ｂ）に示すようにランナベーン５の負圧面側に流れ
の剥離域が発生し、振動やキャビテーションの原因とな
る。

【００１０】特に、フランシス水車の羽根車において
は、バンド４とランナベーン５の結合部はそれぞれの曲
面のもつ曲率同士の幾何学的な干渉で大きな曲率をもつ
流水面を形成してしまう上に、バンド４側のほぼ垂直に
流下する急な曲がり流路形状のため、バンド４部近傍の
ランナベーン５の入射角が相対的に他の部分より大きく
なってしまい、流れが不安定になりやすい。

【００１１】また、過負荷運転時には、図１３の（ｃ）
に示すように、作動流体のランナベーンへの入射角は部
分負荷時と逆に設計時に想定した入射角より浅くなるの
で、圧力面側に流れの剥離やキャビテーションが発生し
がちとなる。

【００１２】図１４に、従来の羽根車の部分負荷運転時
のバンド側入口部の流れの剥離状態を示す。

【００１３】本発明は、このような点に鑑み、水車、ポ
ンプ水車、軸流タービン等の流体機械において主に部分
負荷運転時の作動流体の流れを安定させ、運転範囲の拡
大を図るとともにキャビテーション特性を改善した羽根
車を得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、複数枚の
ランナベーンをクラウンとバンドとの間に周方向に列状
に固定したフランシス型水車またはフランシス型ポンプ
水車におけるランナベーンの、水車として運転される時
の作動流体入口側前縁の少なくともバンド側付け根に、
設計時に想定した運転状態における作動流体の入射角に
ほぼ一致する迎え角を有し、鋭い後退角を持った先細状
の張り出し部を設けたことを特徴とする。

【００１５】第２の発明は、複数枚のランナベーンをボ
スの回りに放射状に配設したカプラン型水車またはチュ
ーブラ水車における可動式ランナベーンの作動流体入口
側前縁のボス側付け根およびケーシング側先端部に、第
１の発明と同様な張り出し部を設けたことを特徴とす
る。

【００１６】また、第３の発明は、複数枚のランナベー
ンをボスの回りに放射状に配設した斜流水車における可
動式ランナベーンの作動流体入口側前縁のボス側付け根
およびケーシング側先端部に、第１の発明と同様な張り
出し部を設けたことを特徴とする。

【００１７】さらに第４の発明は、複数枚の動翼を回転
軸の回りに放射状に配設したラジアル型タービンにおけ
る上記動翼の作動流体入口側前縁の少なくともチップ側
に、第１の発明と同様な張り出し部を設けたことを特徴
とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図１０を参照して
本発明の実施の形態について説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施の形態を示すフラン
シス水車の羽根車の縦断面図であり、ランナクラウン３
とバンド４との間に周方向に複数のランナベーン５が列
状に配設され、その各ランナベーン５がランナクラウン
３とバンド４に固着されている。上記ランナベーン５に
は、水車の入口側前縁のクラウン側付け根及びバンド側
付け根に、平面的には鋭い後退角を有し、作動流体のブ
レードへの設計時に想定した入射角に等しい迎え角を有
する側面視が三角形若しくはそれに準ずる先細形状の張
り出し部２０が設けられている。すなわち、上記張り出
し部２０はクラウン側付け根部或はバンド側付け根部か
ら離れるにしたがって張り出し量が少なくなるように形
成されている。

【００２０】図２は、上述のようにランナベーン５に張
り出し部２０を設けたものにおける上記張り出し部近傍
における作動流体の流れの状態を示す図であり、（ａ）
のように設計的に付近の流れ時においては、上記張り出
し部２０は作動流体の流れに対して基本的に平行であ
り、ランナベーン５の張り出し部２０の下流側において
剥離渦が発生することはなく、設計時に意図した流れに
は殆んど影響を及ぼすことがなく、その鋭い形状によっ
て作動流体の衝突による翼付け根部の局部的で急激な圧
力上昇が緩和され、圧力損失が低減される。

【００２１】一方、（ｂ）に示すように、部分負荷運転
時には作動流体の入射角の変化によって上記張り出し部
２０がボルテックスジエネレータとして機能し、流れを
巻き上げるような渦管状の前縁剥離渦が上記張り出し部
が形成されている個所の近傍におけるランナベーン負圧
面側に発生される。この渦管は作動流体の主流に沿って
流下し、局部的で急激な圧力変動を抑止するため、ラン
ナベーンの付け根に付着して崩壊するキャビテーション
による壊食も軽減される。

【００２２】また、過負荷運転時においては、（ｃ）に
示すように、作動流体の翼列への入射角が部分負荷運転
時と逆に設計時に想定した入射角より浅くなるので、ラ
ンナベーンの圧力面側に流れの剥離やキャビテーション
等が発生するが、前記張り出し部によって生じた剥離渦
がランナベーンの圧力面側に沿って流下するため、流れ
の剥離、二次流れ、キャビテーションやそれに伴う壊食
が抑止され、効率を損うことなく水車の運転領域が拡大
される。

【００２３】図３に、張り出し部を設けたランナベーン
における部分負荷運転時のバンド側入口部の渦管状の剥
離渦の発生状態を示す。

【００２４】図４は従来型水車模型試験による等効率曲
線（目玉カーブ）であり、横軸は実物水車の運転落差に
対応する模型水車の運転状態を示す単位落差当りの回転
速度であり、縦軸は単位落差当りの流量であり、各線は
各ガイドベーン開度の特性曲線である。一方、図５は本
発明を適用した水車の等効率曲線である。

【００２５】しかして、両図の等効率曲線を比較する
と、本発明を適用した場合の方が等効率を生ずる範囲が
広く、運転範囲が拡大されることが判る。

【００２６】図６は、水車の模型試験による検証結果を
示す図であって一つのガイドベーン開度の性能曲線を示
す。ここで、横軸は実物水車の運転落差に対応する模型
水車の運転状態を表わす単位落差当りの回転速度であ
り、縦軸は効率η（％）であって、点線が従来型、実線
が本発明を適用した水車の効率を示す。

【００２７】したがって、このグラフからも張り出し部
を設けることによって部分負荷運転時の特性改善が行わ
れることが判る。当然この効果は全てのガイドベーン開
度においてもたらされ、また最高効率点も若干上昇す
る。

【００２８】図７は、フランシス型ポンプ水車の水車側
入口のランナベーン前縁のクラウン側及びバンド側付け
根部に張り出し部２０を設けたものを示す。ポンプ水車
ランナの基本構造は水車専用機と共通であるが、設計時
においてポンプ性能を優先するためランナベーンのキャ
ンバーライン（反り線）が水車運転時において水車専用
機とは逆に負圧面側が凹面となってしまうので、水車側
入口のランナベーン前縁部の負圧面側に流体損失やキャ
ビテーション壊食が生じ、それによって運転範囲も限ら
れていたが、上記張り出し部２０を設けることによっ
て、図１に示すものと同様な効果を発揮する。さらに、
この張り出し部はポンプ運転時においても翼列からの流
体の流出時に航空機の胴体と翼との結合部のフィレット
と同様な流線形状の効果を発揮し、圧力損失や流れの剥
離を低減し、ポンプ性能をも向上させる。

【００２９】図８は、本発明の他の実施の形態を示す図
であり、カプラン水車のランナに本発明を適用したもの
である。すなわち、上記カプラン水車ランナにおける可
動ランナベーン１２には、その前縁部のチップ側とボス
１３への取り付け部に図１に示すものと同様な張り出し
部２０が形成されている。しかして、この張り出し部２
０は図１に示す実施の形態におけると同様な効果を奏
し、ランナベーン１２の各開度における運転範囲を拡大
することができる。

【００３０】また、図９は可動ランナベーンを備えた斜
流水車に本発明を適用したものを示す図であり、この場
合も、各ランナベーン１２の前縁部のチップ側とボス１
３への付け根部に前述と同様の張り出し部２０が形成さ
れている。しかしてこの場合も前記各実施の形態と同様
の効果を奏する。

【００３１】ところで、上記各実施の形態においては、
水車或はポンプ水車に適用したものを示したが、図１０
に示すように、蒸気タービン等に用いられる大口径反動
ラジアルタービンにも適用することができる。

【００３２】すなわち、図１０において、符号１４はラ
ジアルタービンのロータ軸１５に放射状に設けられた動
翼であって、その動翼１４の前縁部におけるチップ部と
ロータ軸１５側に、前述と同様の張り出し部２０が形成
されている。

【００３３】ところで、この種のタービンにおいても部
分負荷運転時にはチップ部において遠心力や境界層の干
渉で流れが渦巻いて圧力損失が生ずるけれども、上記張
り出し部２０を形成することによって前縁剥離渦を発生
させ、前述と同様な効果を奏せしめることができる。ま
た、ロータ軸側においても上記張り出し部２０によって
狭隘部の圧力損失、衝突損失の低減を実現させることが
できる。

【００３４】

【発明の効果】本発明は、上述のように部分負荷運転時
や過負荷運転時において流れの剥離や二次流れが発生し
やすい水車のランナベーンの付け根部やラジアルタービ
ンの動翼のチップ側等に張り出し部を設けたので、その
張り出し部によって渦管が発生され、当該部における流
れの剥離が遅らせられ、急激な圧力の変化が緩和され、
振動その他の悪影響が抑えられる。さらに周囲の主流の
二次流れも抑制され安定化されるため運転可能範囲を効
率を損なうことなく大幅に拡大することができる等の効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示すフランシス型
水車の羽根車の縦断面図。

【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ設計点付
近、部分負荷運転時、及び過負荷運転時における本発明
の羽根車のバンド側入口部の作動流体の流れの状態を示
す図。

【図３】本発明における羽根車の部分負荷運転時におけ
るランナベーンのバンド側入口部の流体の剥離状態を示
す模式図。

【図４】従来のフランシス型水車の等効率線図。

【図５】本発明のフランシス型水車の等効率線図。

【図６】模型試験における性能曲線図。

【図７】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図８】本発明のさらに他の実施の形態を示す図。

【図９】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図１０】本発明のさらに他の実施の形態を示す図。

【図１１】従来のフランシス型水車の概略構成を示す断
面図。

【図１２】図１１に示すフランシス型水車の羽根車の縦
断部分図。

【図１３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれランナベ
ーンのバンド側入口部の作動流体の流れの状態を示す
図。

【図１４】従来の羽根車の部分負荷時におけるランナベ
ーンのバンド側入口部の流体の剥離状態を示す模式図。

【符号の説明】

３ ランナクラウン ４ バンド ５ ランナベーン ６ 上カバー ７ 下カバー ８ 可動ガイドベーン １１ 吸出し管 １２ ランナベーン １３ ボス ２０ 張り出し部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数枚のランナベーンをクラウンとバンド
   との間に周方向に列状に固定したフランシス型水車また
   はフランシス型ポンプ水車におけるランナベーンの、水
   車として運転される時の作動流体入口側前縁の少なくと
   もバンド側付け根に、設計時に想定した運転状態におけ
   る作動流体の入射角にほぼ一致する迎え角を有し、鋭い
   後退角を持った先細状の張り出し部を設けたことを特徴
   とする、流体機械の羽根車。
2. 【請求項２】複数枚のランナベーンをボスの回りに放射
   状に配設したカプラン型水車またはチューブラ水車にお
   ける可動式ランナベーンの作動流体入口側前縁のボス側
   付け根およびケーシング側先端部に、設計時に想定した
   運転状態における作動流体の入射角にほぼ一致する迎え
   角を有し、鋭い後退角を持った先細状の張り出し部を設
   けたことを特徴とする、流体機械の羽根車。
3. 【請求項３】複数枚のランナベーンをボスの回りに放射
   状に配設した斜流水車における可動式ランナベーンの作
   動流体入口側前縁のボス側付け根およびケーシング側先
   端部に、設計時に想定した運転状態における作動流体の
   入射角にほぼ一致する迎え角を有し、鋭い後退角を持っ
   た先細状の張り出し部を設けたことを特徴とする、流体
   機械の羽根車。
4. 【請求項４】複数枚の動翼を回転軸の回りに放射状に配
   設したラジアル型タービンにおける上記動翼の作動流体
   入口側前縁の少なくともチップ側に、設計時に想定した
   運転状態における作動流体の入射角にほぼ一致する迎え
   角を有し、鋭い後退角を持った先細状の張り出し部を設
   けたことを特徴とする、流体機械の羽根車。