JPS5982580A - フランシス型水力タ−ビン羽根車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水力機械、特にフラノ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１ｑｌ一連結する一群の
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流路を通過する水の作用に
よって頂部の中心軸部りに回転される。各羽根は１回転
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（で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
を形成するフィレットにおいて、あるいはその近くで１
羽根車がキャビテーションにより破損しゃすいことであ
る。

そのようなキャビテーションは現場での修理や、揚台に
よっ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
の変更は大変費用かがかり実行するのも難かしい。

そのようなキャビテーションはまた、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ぜることを示ず
ものである。従って、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７４８．２２９号−８ｐｒＯｕｌｅ外１発行日１
９６６年１２月１３日参照）。

一般的に、タービン羽根はキャビテーションタ最小にし
て効率を最大にするような形状に設ｄ１されている。時
には、羽根の所々を１行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ィレット部を、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
は最小限に抑えられている。

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ィレットにおいて、あるいはその近
くにおいてキャビテーションを減少しつる、改良された
７ランシス型水力タ一ヒン羽根車を提供することである
。

広義的には、本発明は、回転軸の罰りに回転でき、一つ
の軸方向端部な形成する頂部と、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ノシス型水力タービン
羽根車であって、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ｉ
ｔ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（（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って離れるような面
を含まないものと理解され、従っ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３］０３１
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１；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った変化があ
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ｈる
連続的に曲がっ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、従っ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
は従来のフラノ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ボ／
ブターヒノのポツ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ノブス羽根車ｌＯを示しており
、この羽根車１０は、従来のよう（で略円錐形のハブ（
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とノくノドあるい（
ま１）／グ１４間に介在される複数枚の羽根１６とを翁
する。全体を１８で示した流路を通って、水ｃ′！。

略半径方向に羽根車１０内に入ってその羽根車１０を滑
らかに通過して、頂部１２かも軸方向に離れた第１図の
羽根車■０の端部の流出端４０へ流れる。これら流路１
８は隣接する対の羽根１６　間Ｋ　形成さＪする。ノ（
ノド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ｌＯの羽根］６（以下にさら（・
で詳細ｆ、’Ｃ説明するよ５Ｋ　）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ｅこま
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１；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
面に泪５水流を促進するよ５になっている。

従来技術では、これら各縁部２０および実際に流出口４
０から頂部１２の方に上方へ延びる羽根１６全体が、流
路１８を流れる水流によって羽根車１０が回転される方
向に前方へ傾斜し７ているのが理解されるであろう。こ
の羽根車ｌＯの回転方向は矢印２６によって示される。

本１発明では、第２図に示すように、フラノシス型ター
ビ７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９羽根車１００の回転軸上で頂部
１２０と同心状の・くノドあるいはリング１４０と、一
群の羽根１６０とを備えている。しかし、この場合１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仲端］９〇に至る、
羽根１６００間に形成された流路１８０を変形させてお
り、羽根車］、　＋１０がその軸心駒りに矢印２００で
示す方向に回転すると、水がそれら流路１８０を通るよ
うになっている。

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１
６０の外周部に形成さ、＋１ろ水流分割縁部２２０によ
り、各羽根１６０の吸入面２２２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へ延びる各羽根口５゜の
本体の少なくとも一部は回転方向Ｕこ後方へ傾斜してい
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４Ｊｊ　
］　６０が、回転軸に平行な線上で頂部１２０から流出
Ｑ　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
続される隠れた而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とリング１４０（図示せず）との結合部２３
０およびその縁部２２０にすぐ近くの吸入面２２２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２２２０
更に一部の上方にあり、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２２２０更に一部分の上にあ
る。このように５羽根は、少なくともバンド１４０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はり／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２２２０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
フトド１０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、従来技術によって形成した羽根を同じ方向から見
たときに現わＪする状態を第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２ｏ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ィ
レットが通常設けられるが、そのようなフィレットは１
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
羽根の吸入側はフィレットと解釈すべきではない。

実施例 比較的精密な仕上げを行なわなかった本発明タービンモ
デルと非常に精密に仕上げた従来のターヒンモデルとに
ついて実験した結果、本発明モデルでは、前方縁部のキ
ャビテーションが発生する前に軸の回転速度が従来モデ
ルに較べて３％減少した。ところで、前方縁部のキャビ
テーションは典型的には所定のヘッドに対する軸の回転
速度の減少とともに徐々に増大する。

軸の同期回転速度、即ち発電機が格子周波数電流を発生
する速度は１通常タービンの最大効率作動点あるいはそ
の近くであり、従って前方縁部のキャビテーションが同
期速度よりも小さな軸速度で開始するのが望ましいが、
必与ずしも常にそうなるとはかぎらない。このため、キ
ャビテーンヨンの発生前に軸速度が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、模擬の法則によればモデル速度の３７おの変化は
、所定のヘッド条件で作動している従来の羽根車でキャ
ビテーショ／が発生した場合、同じ条件の下で本発明を
用い」しばそのようなキャビテーションを取除く、ある
いは著しく減少させることができる。

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率することなく本発明を様々
に変形しつることは当業者にとって明らかであろう。

【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、本発明によるフラノシス型タービン
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。 ｌｏ−０・・羽根車、１２０−−頂部、］２５・・一端
部、１４０・・バント、１６０・・羽根、１８０・・流
路、１９０・・流出端、２２０・・水流分割縁部、２２
２・・吸入面、２２４・・加圧面、２３０・・結合部、
２３２・・回転軸、Ａ・・羽根の一部分。 特許出願人 ドミニオン　エンジニアリング　ワークス　リミテッド
代理人 ｌ　　　　）。 ｒダ昇

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　回転軸のまわりに４回転でき、１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５前記頂部および前記バンド間に延びる一部の
   羽根とを有するフラノシス型水力タービン羽根車におい
   て、その羽横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
   の外周部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
   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
   、前記各羽根の前記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
   部の方へ延びる前記吸入面の少なくとも一部分が前記羽
   根の回転方向に後方へ傾斜していることを特徴とするフ
   ラノシス型水力タービン羽根車。 ２　前記吸入面の前記一部分から離隔した更に他の一部
   分が前記流出端から軸方向に見たときに露出されてなる
   特許請求の範囲第１項記載のフラノシス型水力タービン
   羽根車。 ３　前記吸入面の前記一部分および前記更に他の一部分
   が軸方向に互いに離隔して一列に整列さ」ｔてなる特許
   請求の範囲第２項記載のフランシス型水力タービン羽根
   車。 ４　前記吸入面の前記一部分の少なくとも成る部分が、
   前記回転軸に垂直で前記各水流分割　−−縁部の略中間
   点を通る平面と前記バンドとの間に配置されてなる特許
   請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の
   フラノシス型水力タービン羽根車。 ５、　前記水流分割縁部が結合部で前記バンドに結合さ
   れ、また前記吸入面の一部分が前記結合部および前記水
   流分割縁部に隣接して配置さ」ｔでなる特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれか１項に記載のフランシス
   型水力タービン羽根車。 ６　前記水流分割縁部が結合部で前記バンドに結合され
   、また前記結合部から前記頂部の方へ延びる前記水流分
   割縁部の少なくとも一部が、前記回転方向に後方へ傾斜
   してなる特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   １項に記載のフラノシス型水力タービン羽根車。 ７　前記水流分割縁部が結合部で前記バッドに結合され
   、また前記吸入面の一部分の少なくとも成る部分が前記
   回転軸に垂直て前記各羽根の前記水流分割縁部の略中間
   点を通る平面と前記結合部との間に前記水流分割縁部に
   隣接して配置されてなる特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいずれか１項に記載のフランシス型水力タービン
   羽根車。