コーン、回転構造体及び流体機械
【課題】簡易な構成で、螺旋渦による脈動を大幅に抑制し、振動及び騒音の発生を抑制する。
【解決手段】回転中心軸Ｐが延びる軸方向一方側に向かって外径を漸減させる支持部材１１に回転翼１２が回転中心軸Ｐ周りに設けられて作動流体の流路１４が構成され、軸方向一方側に向けて流路１４の流体出口１４ｂが開放された回転構造体１０に用いられ、流体出口１４ｂの径方向中心部において軸方向一方側に向けて延在し、作動流体Ｗを外周部１５ａに沿わせて軸方向一方側に案内するコーン１５であって、外周部１５ａには、軸方向一方側から他方側に向けて回転構造体１０の回転方向に沿って溝が設けられ、外周部１５ａのうち軸方向一方側における一端１５ｄ側が径方向外方側に向けて張り出し、外周部１５ａの一端外径Ｄ１が流体出口直径Ｄ２の０．２５倍以上、かつ、軸方向に直交する仮想平面と外周部１５ａの一端１５ｄとの角度が７５°以上であることを特徴とする。
【解決手段】回転中心軸Ｐが延びる軸方向一方側に向かって外径を漸減させる支持部材１１に回転翼１２が回転中心軸Ｐ周りに設けられて作動流体の流路１４が構成され、軸方向一方側に向けて流路１４の流体出口１４ｂが開放された回転構造体１０に用いられ、流体出口１４ｂの径方向中心部において軸方向一方側に向けて延在し、作動流体Ｗを外周部１５ａに沿わせて軸方向一方側に案内するコーン１５であって、外周部１５ａには、軸方向一方側から他方側に向けて回転構造体１０の回転方向に沿って溝が設けられ、外周部１５ａのうち軸方向一方側における一端１５ｄ側が径方向外方側に向けて張り出し、外周部１５ａの一端外径Ｄ１が流体出口直径Ｄ２の０．２５倍以上、かつ、軸方向に直交する仮想平面と外周部１５ａの一端１５ｄとの角度が７５°以上であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーン、回転構造体及び流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水車やポンプ水車、遠心ポンプ等の流体機械においては、主軸に設けられる回転構造体として、回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成されたものがある。
【０００３】
例えば、下記特許文献１においては、ポンプ水車の回転構造体として、シュラウドと、シュラウドの上方に位置するクラウンと、シュラウドとクラウンとの間に挟まれた複数のランナベーンと、回転軸中心に設けられたコーンとを備えたランナを用いている。この回転構造体は、ランナからの流水がコーンによって下方側にスムーズに整流されることにより、下流側の吸出管上部の内壁面に螺旋渦が衝突することによる騒音の発生を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のコーンによれば、騒音の発生を抑制することができるが、その抑制レベルは小幅であったため、さらに騒音や振動を抑制する場合は、さらなる改良が必要であった。
【０００６】
そこで、本発明は、簡易な構成で、螺旋渦による脈動を大幅に抑制し、振動及び騒音の発生を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係るコーンは、回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体に用いられ、前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンであって、前記外周部には、前記軸方向一方側から他方側に向けて前記回転構造体の回転方向に沿って形成された溝が設けられ、前記外周部のうち前記軸方向一方側における一端側が前記径方向外方側に向けて張り出して形成されており、前記外周部の一端外径が前記流体出口直径の０．２５倍以上、かつ、前記軸方向に直交する仮想平面と前記外周部の一端との角度が７５°以上となっていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記外周部の一端が、前記回転翼の軸方向一方側における一端よりも、前記軸方向他方側に位置するように形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記外周部は、前記軸方向に切断した断面において径方向内方側に凹んだ円弧形状をなし、その曲率半径が前記流体出口直径の半分以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記外周部は、前記溝が８〜１６本形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記溝は、前記外周部の一端側において、前記径方向に見た場合に前記仮想平面に対する角度が３０°以上となるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る回転構造体は、回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体であって、前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンとして、上記のうちいずれかに記載のコーンを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る流体機械は、前記回転中心軸上に設けられた主軸と、前記主軸の軸方向一方側の端部に上記の回転構造体とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、コーンの外周部にコーンの回転方向に沿った溝を有するので、コーンの外周部に沿って流れる流体が溝と干渉して剥離渦を発生させることにより、螺旋渦の発達を阻害して渦芯の振れ回りにより生じる脈動を抑制することができ、螺旋渦の発生による振動及び騒音を抑制することができる。
また、コーンの外周部のうち一端側が径方向外方側に向けて張り出して形成されており、Ｄ１≧０．２５Ｄ２、かつ、角度α≧７５°となっているので、コーンの下流側において逆流する流体との干渉を強めて、より強い乱れを生じることにより螺旋渦の発達抑制効果を高めることができる。ここで、Ｄ１は、コーン一端外径、Ｄ２は、流体出口直径（ランナ出口）、αは、回転中心軸に直交する仮想平面とコーン一端とのなす角度を示す。
【００１５】
請求項２のコーンによれば、外周部の一端が、回転翼の一端よりも軸方向他方側に位置することで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１６】
請求項３のコーンによれば、外周部が径方向内方側に凹んだ円弧形状をなし、その曲率半径が流体出口直径の半分以下であることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１７】
請求項４のコーンによれば、外周部に溝が８〜１６本形成されていることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１８】
請求項５のコーンによれば、溝が外周部の一端側において仮想平面に対する角度が３０°以上となるように形成されていることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１９】
請求項６の回転構造体によれば、上記いずれかのコーンを備えることで、螺旋渦の発生による振動及び騒音を抑制することができる。
【００２０】
請求項７の流体機械によれば、上記の回転構造体を備えることで、螺旋渦の発生による振動及び騒音を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係るフランシス水車１の概略構成を示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るフランシス水車１の要部拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るコーン１５の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るコーン１５の側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る模型試験の試験結果を示したものである。
【図６】本発明の実施形態に係るコーン１５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動時間波形を示すグラフである。
【図７】従来コーン６５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動時間波形を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係るコーン１５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図９】従来コーン６５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態に係るコーン１５の第一の作用説明図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るコーン１５の第二の作用説明図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る９つの解析モデルＭ１〜Ｍ９の解析結果を整理したものであって、統計学的評価法である実験計画法を用いて各パラメータの圧力脈動に対する影響度合を評価したものである。
【図１３】本発明の実施形態に係るコーン１５について流動解析ＣＦＤを行った解析結果を示す図であってガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施形態に係るコーン２５について流動解析ＣＦＤを行った解析結果を示す図であってガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施形態に係るコーン１５の変形例であるコーン１５´の概略構成断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るフランシス水車（流体機械）１の概略構成を示す概略構成断面図である。このフランシス水車１は、所謂中比速度水車（比速度Ｎｓ=１４０ｍ・ｋＷ・ｒｐｍ前後）として構成されたものである。
【００２３】
フランシス水車１は、図１に示すように、所謂縦軸機と称されるものであり、回転中心軸Ｐを重力方向（図１における左右方向、図２における上下方向）に向けた回転シャフト２と、回転シャフト２の下端部（端部）に設けられたランナ（回転構造体）１０と、ランナ１０の径方向外方側に設けられて作動流体である用水Ｗをランナ１０に送り込むスパイラルケーシング３と、スパイラルケーシング３とランナ１０とを接続するスピードリング４と、ランナ１０に流入する用水Ｗの流量を調整するガイドベーン７と、ランナ１０の下方に配置されてランナ１０から放出された用水Ｗを放水するドラフトチューブ５とを備えている。
なお、本明細書における説明においては、特に言及しない限り、「物の位置を特定する際の上・下」は「重力方向における上・下」をいうものとする。
【００２４】
回転シャフト２は、フランシス水車１の主軸として機能するものである。この回転シャフト２は、図１に示すように、下端部にランナ１０が固定されており、上端部に発電機（不図示）が連結されている。
【００２５】
スパイラルケーシング３は、平面視で渦巻き状に配設されており、図１に示すように、軸方向に切断した断面において略円管状に形成されている。このスパイラルケーシング３は、その内部が、用水Ｗが流れる案内流路３ａとなっており、周方向下流側へ向かうにつれて案内流路３ａの断面積が小さくなるように形成されている。
スパイラルケーシング３には、外部と接続された図示しない用水取込口が設けられていると共に、径方向内方側において環状に開口してスピードリング４と接続された用水送出口３ｂが設けられている。すなわち、案内流路３ａに流入した用水Ｗは、スパイラルケーシング３内を一周する間に、用水送出口３ｂからランナ１０（スピードリング４）へ向けて送り出される。
【００２６】
スピードリング４は、略環状で、内部を案内流路４ａとしており、流通する用水Ｗを整流するためのステーベーン６が設けられている。これら複数のステーベーン６は、放射状に等ピッチで配設され、流入する用水Ｗの流れ角度に合わせて旋回方向に傾くように配設されている。
【００２７】
ガイドベーン７は、スピードリング４と、径方向内方側のランナ１０との間において、周方向に沿って複数枚配列されている。各ガイドベーン７は、当該ガイドベーン７に設けられた回転軸７ａを中心として開放位置と閉塞位置との間で回動可能に構成されている。すなわち、各ガイドベーン７が回動することで、スパイラルケーシング３の内部から（スピードリング４を介して）ランナ１０に流入する用水Ｗの流量を調整することが可能となっている。
【００２８】
ドラフトチューブ５は、流路断面を徐々に大きくすることで用水Ｗの流速を減少させつつ整流し、用水Ｗを外部の放水路に放水する。
【００２９】
図２は、フランシス水車１の要部拡大図である。
図１及び図２に示すように、ランナ１０は、クラウン（支持部材）１１と、複数のランナベーン（回転翼）１２と、シュラウド１３と、コーン１５とを備えている。以下の説明においては、ランナ１０の概略について説明した後に細部について説明する。
【００３０】
クラウン１１は、図１に示すように、略円盤状に構成されており、回転シャフト２と同軸に回転シャフト２の下端部に固定されている。このクラウン１１は、図２に示すように、軸方向一方に進むに従って外径を漸減させるクラウン外周部１１ａと、回転中心軸Ｐと直交する先端部１１ｂとを有している。
【００３１】
複数（本実施形態では１７枚）のランナベーン１２は、クラウン外周部１１ａにおいて回転中心軸Ｐ周りに等ピッチに配設されて、軸方向に見て放射状に配設されている。これら複数のランナベーン１２は、ランナ１０に流入する用水Ｗの流れ角度に合わせて径方向外方側で旋回方向に傾くように配設されていると共に、径方向内方側に向かうに従って次第に旋回方向への傾きが強くなるように配設されている。
【００３２】
シュラウド１３は、略環状に形成されており、クラウン１１と対向配置されて複数のランナベーン１２と接続されている。
【００３３】
コーン１５は、円錐台状に形成されており、回転中心軸Ｐと同軸に且つ下方側が細くなるように、先端部１１ｂにボルト止めされている。すなわち、このコーン１５は、流体出口１４ｂの中心部において下方に向けて延在し、用水Ｗを外周部１５ａに沿わせて下方に案内する。
【００３４】
このような構成により、ランナ１０には、クラウン１１（およびコーン１５）と、隣り合う二つのランナベーン１２と、シュラウド１３とによって画定された流路１４を複数有している。すなわち、各流路１４は、径方向外方側に向けて開放された部分が流体入口１４ａとされ、軸方向一方側（下方側）に向けて開放された部分が流体出口１４ｂとなっており、径方向外方側から径方向内方側に向かうに従って次第に旋回方向に傾くように形成されている。
流路１４において、用水Ｗは流体入口１４ａに流入すると、径方向内方側かつ上下方向下方側に流れながらランナベーン１２に圧力を作用させてランナ１０を回転させる。そして、流体出口１４ｂから下方に放出されてドラフトチューブ（図１参照）５へと流入する。
【００３５】
ところで、ランナ１０に流入する用水Ｗの流量は、複数のガイドベーン７の開度（以下、「ガイドベーン開度」という。）によって調節可能となっているが、例えば、最適な流量（ガイドベーン開度８０％時）よりも少ない流量でフランシス水車１の運転を行った場合、いわゆる、部分負荷運転を行った場合、ランナ１０からドラフトチューブ５に用水Ｗが流入すると、ドラフトチューブ５内に螺旋渦Ｅ（図１１参照）が発生する。同様に、最適な流量よりも多い流量でフランシス水車１の運転を行った場合、いわゆる、過負荷運転を行った場合も、ドラフトチューブ５内に螺旋渦Ｅが発生する。
【００３６】
具体的には、部分負荷運転を行うと、ドラフトチューブ５内において、死水領域Ａ（図１１参照）が形成され、この死水領域Ａの周りを螺旋渦Ｅが振れ回り、これがドラフトチューブ５壁面に接触することで、振動や騒音が発生する。そこで、この問題を解消すべく、本実施形態では、以下の構成を採用している。
【００３７】
以下、コーン１５の詳細について説明する。図３は、コーン１５の斜視図であり、図４は、コーン１５の側面図である。
図３及び図４に示すように、コーン１５は、筒状かつ円錐台状に形成されており、クラウン１１の下方に進むに従って外径を漸減させた外周部１５ａを備えており、クラウン外周部１１ａと滑らかに繋がっている。このコーン１５は、上方に位置する基端１５ｂが外周部１５ａに形成されたボルト孔１５ｘを介してクラウン１１の先端部１１ｂにボルト止めされており、先端１５ｃが基端１５ｂよりも小径に形成されている。なお、ボルト孔１５ｘは必ずしも外周部１５ａに形成する必要はない。
【００３８】
コーン１５の外周部１５ａには、断面Ｖ字状の１２本のＶ溝１５ｖが形成されている。各Ｖ溝１５ｖは、コーン１５の回転中心軸Ｐを中心にして、外周部１５ａの軸方向一方側の一端１５ｄから軸方向他方側の他端１５ｅへかけて、コーン１５の回転方向に沿って螺旋状に形成されている。また、１２本のＶ溝１５ｖは、それぞれ等間隔となるように形成されている。なお、各ランナベーン１２のクラウン１１側における先端の出口側の傾きと、各Ｖ溝１５ｖの基端１５ｂ側の傾きとは、ほぼ同じ傾きとなっている。一方、各Ｖ溝１５ｖの先端１５ｃ側の傾きは、図４に示すように、径方向に見た場合に、軸方向に直交すると共に先端１５ｃと同一平面内に延在する仮想平面Ｓに対する角度βが４８°程度となっている。
【００３９】
また、各Ｖ溝１５ｖの深さは、コーン１５の最外径である基端１５ｂの直径に対し、０．００５倍以上となっている。例えば、コーン１５の最外径が２ｍであれば、各Ｖ溝１５ｖの深さは１ｃｍ以上であれば良い。
【００４０】
さらに、コーン１５の外周部１５ａに形成されるＶ溝１５ｖの本数は、ランナベーン１２の枚数によって決定されており、最大でランナベーン１２の数量の２倍以下となっている。つまり、例えば、ランナベーン１２の枚数が１７枚のとき、Ｖ溝１５ｖの本数は３４本以下であれば良いため、場合によっては１本でもよい。
【００４１】
図２に示すように、コーン１５は、外周部１５ａのうち一端１５ｄ側が径方向外方側に向けて張り出して形成されている（図２中において従来のコーン６５の形状を破線で示す）。具体的には、図４に示すように、外周部１５ａの一端１５ｄの外径Ｄ１が、流体出口１４ｂの直径Ｄ２（図２参照）の０．２５倍以上となっている。より具体的には、Ｄ１≒０．２７８Ｄ２（Ｄ１＝２５０ｍｍ、Ｄ２＝９００ｍｍ）となっている。
また、図４に示すように、軸方向に直交すると共に先端１５ｃと同一平面内に延在する仮想平面Ｓと外周部１５ａの一端１５ｄにおける子午面断面形状との角度αが７５°以上となっている。具体的には、α＝８０°に形成されている。
【００４２】
さらに、図４に示すように、外周部１５ａの曲率半径ρは、流路１４の流体出口１４ｂの直径Ｄ２（図２参照）の半分以下となっている。具体的には、ρ≒０．４６７Ｄ２（ρ＝４２０ｍｍ、Ｄ２＝９００ｍｍ）となっている。
また、図４に示すように、基端１５ｂから先端１５ｃまでのコーン高さＨが１３０ｍｍとなっており、図２に示すように、外周部１５ａの一端１５ｄがランナベーン１２出口の下端（一端）１２ａよりも上方に位置している。より具体的には、０．０７×Ｄ２だけ上方に位置している。
【００４３】
続いて、上記コーン１５の作用効果について説明する。本実施形態においては、上記コーン１５の作用効果について確認をするために、本発明に係るコーン１５と比較例とについて模型試験を行った。
比較例となる従来コーン６５は、従来の構成と同等のものである（図２参照）。具体的には、軸方向に切断した断面において外周部が直線状（ρ＝∞）になっていて一端が径方向外方に張り出しておらず、また、Ｖ溝も設けられていない。この従来コーン６５は、コーン１５の外径Ｄ１、角度α，コーン高さＨに相当する部位が１６０ｍｍ，６５°，１８０ｍｍとなっている。
本模型試験においては、この従来コーン６５をフランシス水車１と同様のフランシス水車５０に組み込んだものを比較例としている。
【００４４】
フランシス水車１及びフランシス水車５０の実機仕様条件は、以下の通りである。
有効落差…９２．９ｍ、出力…４２９０ｋＷ、回転数…６００ｒｐｍ、比速度（Ｎｓ）…１３６〔ｍ・ｋＷ・ｒｐｍ〕＝｛６００・（４２９０）１／２／（９２．９５／４｝、実機ランナ入口径Ｄ３…９３０ｍｍ（図２参照）
【００４５】
本模型試験においては、フランシス水車１，５０に対応する模型試験水車をそれぞれ用意して、同一の基準落差相当の条件において、ガイドベーン開度を変更しながらランナ（１０）下流のドラフトチューブ（５）壁面での圧力変動を計測した。
【００４６】
図５は、この模型試験の試験結果を示したものであり、横軸がガイドベーン（７）開度（％）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。なお、縦軸は、フランシス水車５０に組み込まれた従来コーン６５における最大振幅を１とした相対表示としている。
また、図６及び図７は、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動時間波形を示すグラフであって、図６がコーン１５の実験結果であり、図７が従来コーン６５の実験結果である。なお、図６及び図７においては、横軸が時間（ｔ／ｔｎ）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。
また、図８及び図９は、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフであって、図８がコーン１５の実験結果であり、図９が従来コーン６５の実験結果である。なお、図８及び図９においては、横軸が周波数（ｆ／ｆｎ）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。ここで、ｔは時間（ｓ）、ｔｎはランナ１回転に要する時間（ｓ）である。
【００４７】
図５に示されるように、従来コーン６５において、ガイドベーン開度８０％の場合には、最適な運転がなされているため、螺旋渦Ｅによる圧力脈動が抑制されている。しかしながら、ガイドベーン開度が１００％に近づくにつれ、言い換えれば、過負荷運転を行うと螺旋渦Ｅによる圧力脈動は徐々に上昇していく。同様に、ガイドベーン開度８０％から小さくしていくと、螺旋渦Ｅによる圧力脈動が徐々に上昇していき、ガイドベーン開度４０％あたりで螺旋渦Ｅによる圧力脈動が最大となる。なお、この渦芯の振れ回りは可視化試験で確認することができる。
【００４８】
本実施形態のコーン１５も、ガイドベーン開度が８０％のときにおいて最適な運転が行われるように設計されており、従来コーン６５とほぼ同様の圧力脈動となっている。しかしながら、部分負荷運転領域、つまり、ガイドベーン開度が４０％〜５０％の間において、コーン１５を用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動は、従来コーン６５を用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動に比して、大幅に抑制している。
図５〜図９に示すように、ガイドベーン開度が４０％の時において、コーン１５の圧力脈動が従来コーン６５に比して約７５％程度抑制されている。
【００４９】
また、図５に示されるように、過負荷運転時、つまり、ガイドベーン開度が９０％のときにおいても、本実施形態のコーン１５を用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動は、従来コーン６５を用いた場合の圧力脈動に比して抑制している。
【００５０】
図５〜図９のコーン１５、６５を用いた模型試験に相当する非定常の流動解析ＣＦＤを実施したが、圧力脈動時間波形や圧力脈動周波数分析結果において模型試験結果と同様の傾向を確認することができた。
【００５１】
以上説明したように、コーン１５によれば、外周部１５ａにＶ溝１５ｖを有するので、渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動を抑制することができ、螺旋渦Ｅの発生による振動及び騒音を抑制することができる。
すなわち、図１０に示すように、一般に圧力脈動は螺旋渦Ｅがランナ出口で発達し振れまわることにより生じると考えられるが、螺旋渦Ｅはコーン１５の下方の死水領域Ａ周りのせん断層Ｚで発達し死水領域Ａ周りを振れまわることが流動解析や可視化観察から確認されている。ここで、死水領域Ａでは下方から上方にコーン１５の先端１５ｃに向かう旋回を伴う逆流Ｃが生じているが、コーン１５によれば、コーン１５に衝突する逆流Ｃと渦芯付け根付近がＶ溝１５ｖで干渉し、Ｖ溝１５ｖからの剥離渦等の小規模な乱れが発生するので、安定した渦芯の発達を抑制すると考えられる。
【００５２】
つまり、外周部１５ａにランナ１０の回転方向、すなわち、図１０の死水領域Ａ内を下から上に逆流する用水Ｗの流れ方向に交差する方向に沿ったＶ溝１５ｖを設けることにより、コーン１５の外周部１５ａに沿って流れる用水Ｗが、Ｖ溝１５ｖと干渉する。このため、コーン１５の外周部１５ａにおいて、剥離渦が発生することにより、螺旋渦Ｅの発達を阻害することができ、渦芯が振れ回る事によって生じる圧力脈動を抑制することができる。
【００５３】
また、外周部１５ａのうち一端１５ｄ側が径方向外方側に向けて張り出して形成されており、Ｄ１≧０．２５Ｄ２、かつ、角度α≧７５°となっているので、逆流Ｃとの干渉を強めて、より強い乱れを生じることにより螺旋渦Ｅの発達抑制効果を高めることができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、コーン１５の外周部１５ａの一端１５ｄから他端１５ｅに亘ってＶ溝１５ｖを形成したが、外周部１５ａの下端１５ｄ側を含む少なくとも一部にＶ溝１５ｖを形成すればよい。この構成によれば、加エコストを削減することができる。また、本実施形態では、断面Ｖ字状のＶ溝１５ｖを形成したが、Ｕ溝等にしてもよい。さらに、本実施形態において、ランナ１０及びコーン１５は別体としたが、一体に形成しても良い。
【実施例１】
【００５５】
続いて、本発明の実施例１について説明する。
本実施例１は、表１に示すように、複数のコーンモデルＭ１〜Ｍ９について流動解析ＣＦＤを行って、コーン形状を規定する四つのパラメータ（コーン高さＨ、溝本数ｎ、溝角度β及び外周部曲率半径ρ）の圧力脈動抑制効果への影響を確認したものである。解析モデルは、コーン高さＨ、溝本数ｎ、溝角度β及び外周部曲率半径ρを三種類ふって九種類の組み合わせでコーンモデルＭ１〜Ｍ９を規定して、流動解析ＣＦＤにより圧力脈動振幅を求めた。コーンモデルＭ１〜Ｍ９の各パラメータは、以下のようになっている。なお、従来コーン６５の外周部にＶ溝１５ｖを形成したコーンモデルＭ４が、各コーンモデルの基準となっている。
【表１】
【００５６】
図１２は、９つの解析モデルＭ１〜Ｍ９の解析結果を整理したものであって、統計学的評価法である実験計画法を用いて各パラメータの圧力脈動に対する影響度合を評価したものである。
図１２に示すように、コーン高さＨは小さくなるにつれて圧力脈動抑制効果が高く、溝本数ｎは１２本から少なくなるにつれて圧力脈動抑制効果が低くなる傾向であることがわかった。
外周部曲率半径ρは小さくなるにつれて圧力脈動抑制効果が高くなるが、外周部曲率半径ρが極端に小さ過ぎると損失が増加して定格時の水車効率が低下してしまう。このため、水車効率に影響を与えず、部分負荷運転時に大きな圧力脈動抑制効果を示す上述したＤ１≧０．２５Ｄ２、かつ、角度α≧７５°の条件が最適であることがわかった。
【実施例２】
【００５７】
続いて、本発明の実施例２について説明する。本実施例２に係るコーン２５は、基本構成はコーン１５と同様であるが、Ｖ溝１５ｖを１６本形成している点でコーン１５と相違している。
【００５８】
図１３及び図１４は、コーン１５及びコーン２５についてそれぞれの同等の流動解析ＣＦＤを行った解析結果を示すグラフであって、図１３が１２本のＶ溝１５ｖを設けたコーン１５の解析結果であり、図１４が１６本のＶ溝１５ｖを設けたコーン２５の解析結果である。なお、図１３及び図１４においては、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示しており、横軸が周波数（ｆ／ｆｎ）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。
【００５９】
上述した実施例１においては、Ｖ溝１５ｖの溝本数が１２本から減少するほど圧力脈動抑制効果が低下する傾向にあったが、コーン２５のようにＶ溝１５ｖを１６本に増やしても圧力脈動抑制効果が低下している。
すなわち、図１３と図１４とをそれぞれ比較すると、コーン１５の方がコーン２５よりも圧力脈動抑制効果が高くなっている。よって、ランナベーン枚数１７枚程度の中比速度のフランシス水車においては、溝本数ｎは１２本が最適であることがわかった。
【００６０】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態においては、フランシス水車１に本発明を適用した場合を説明したが、他のポンプ水車や水車、遠心ポンプなど様々な流体機械に適用可能である。
また、上述した実施の形態においては、シュラウド１３を設ける構成にしたが、シュラウド１３を省略してもよい。
また、上述した実施の形態においては、コーン１５の外周部１５ａの一端１５ｄ側を径方向外方側に張り出すようにしたが、例えば、図１５に示すコーン１５´のように、一方端１５ｄの張り出しを強くし、仮想平面Ｓと外周部１５ａの一端１５ｄにおける子午面断面形状との角度αが９０°以上になるように径方向外方側に張り出すようにしてもよい。
また、上述した実施の形態においては、回転中心軸Ｐを重力方向に向けた縦軸機に本発明を適用したが、回転中心軸Ｐを水平方向に向けた横軸機に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１…フランシス水車（流体機械）
２…回転シャフト（主軸）
１０…ランナ（回転構造体）
１１…クラウン（支持部材）
１２…ランナベーン（回転翼）
１２ａ…ランナベーンの下端（回転翼の一端）
１４…流路
１４ａ…流体入口
１４ｂ…流体出口
１５…コーン
１５ａ…外周部
１５ｄ…一端
１５ｅ…他端
１５ｖ…Ｖ溝（溝）
２５…コーン
Ｐ…回転中心軸
Ｓ…仮想平面
Ｗ…用水(作動流体)
Ｄ１…一端１５ｄの外径（先端１５ｃの外径）
Ｄ２…流体出口１４ｂの直径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーン、回転構造体及び流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水車やポンプ水車、遠心ポンプ等の流体機械においては、主軸に設けられる回転構造体として、回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成されたものがある。
【０００３】
例えば、下記特許文献１においては、ポンプ水車の回転構造体として、シュラウドと、シュラウドの上方に位置するクラウンと、シュラウドとクラウンとの間に挟まれた複数のランナベーンと、回転軸中心に設けられたコーンとを備えたランナを用いている。この回転構造体は、ランナからの流水がコーンによって下方側にスムーズに整流されることにより、下流側の吸出管上部の内壁面に螺旋渦が衝突することによる騒音の発生を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のコーンによれば、騒音の発生を抑制することができるが、その抑制レベルは小幅であったため、さらに騒音や振動を抑制する場合は、さらなる改良が必要であった。
【０００６】
そこで、本発明は、簡易な構成で、螺旋渦による脈動を大幅に抑制し、振動及び騒音の発生を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係るコーンは、回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体に用いられ、前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンであって、前記外周部には、前記軸方向一方側から他方側に向けて前記回転構造体の回転方向に沿って形成された溝が設けられ、前記外周部のうち前記軸方向一方側における一端側が前記径方向外方側に向けて張り出して形成されており、前記外周部の一端外径が前記流体出口直径の０．２５倍以上、かつ、前記軸方向に直交する仮想平面と前記外周部の一端との角度が７５°以上となっていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記外周部の一端が、前記回転翼の軸方向一方側における一端よりも、前記軸方向他方側に位置するように形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記外周部は、前記軸方向に切断した断面において径方向内方側に凹んだ円弧形状をなし、その曲率半径が前記流体出口直径の半分以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記外周部は、前記溝が８〜１６本形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記溝は、前記外周部の一端側において、前記径方向に見た場合に前記仮想平面に対する角度が３０°以上となるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る回転構造体は、回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体であって、前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンとして、上記のうちいずれかに記載のコーンを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る流体機械は、前記回転中心軸上に設けられた主軸と、前記主軸の軸方向一方側の端部に上記の回転構造体とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、コーンの外周部にコーンの回転方向に沿った溝を有するので、コーンの外周部に沿って流れる流体が溝と干渉して剥離渦を発生させることにより、螺旋渦の発達を阻害して渦芯の振れ回りにより生じる脈動を抑制することができ、螺旋渦の発生による振動及び騒音を抑制することができる。
また、コーンの外周部のうち一端側が径方向外方側に向けて張り出して形成されており、Ｄ１≧０．２５Ｄ２、かつ、角度α≧７５°となっているので、コーンの下流側において逆流する流体との干渉を強めて、より強い乱れを生じることにより螺旋渦の発達抑制効果を高めることができる。ここで、Ｄ１は、コーン一端外径、Ｄ２は、流体出口直径（ランナ出口）、αは、回転中心軸に直交する仮想平面とコーン一端とのなす角度を示す。
【００１５】
請求項２のコーンによれば、外周部の一端が、回転翼の一端よりも軸方向他方側に位置することで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１６】
請求項３のコーンによれば、外周部が径方向内方側に凹んだ円弧形状をなし、その曲率半径が流体出口直径の半分以下であることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１７】
請求項４のコーンによれば、外周部に溝が８〜１６本形成されていることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１８】
請求項５のコーンによれば、溝が外周部の一端側において仮想平面に対する角度が３０°以上となるように形成されていることで、渦芯の振れ回りにより生じる脈動を効率よく抑制することができる。
【００１９】
請求項６の回転構造体によれば、上記いずれかのコーンを備えることで、螺旋渦の発生による振動及び騒音を抑制することができる。
【００２０】
請求項７の流体機械によれば、上記の回転構造体を備えることで、螺旋渦の発生による振動及び騒音を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係るフランシス水車１の概略構成を示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るフランシス水車１の要部拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るコーン１５の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るコーン１５の側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る模型試験の試験結果を示したものである。
【図６】本発明の実施形態に係るコーン１５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動時間波形を示すグラフである。
【図７】従来コーン６５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動時間波形を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係るコーン１５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図９】従来コーン６５の実験結果であって、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態に係るコーン１５の第一の作用説明図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るコーン１５の第二の作用説明図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る９つの解析モデルＭ１〜Ｍ９の解析結果を整理したものであって、統計学的評価法である実験計画法を用いて各パラメータの圧力脈動に対する影響度合を評価したものである。
【図１３】本発明の実施形態に係るコーン１５について流動解析ＣＦＤを行った解析結果を示す図であってガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施形態に係るコーン２５について流動解析ＣＦＤを行った解析結果を示す図であってガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施形態に係るコーン１５の変形例であるコーン１５´の概略構成断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るフランシス水車（流体機械）１の概略構成を示す概略構成断面図である。このフランシス水車１は、所謂中比速度水車（比速度Ｎｓ=１４０ｍ・ｋＷ・ｒｐｍ前後）として構成されたものである。
【００２３】
フランシス水車１は、図１に示すように、所謂縦軸機と称されるものであり、回転中心軸Ｐを重力方向（図１における左右方向、図２における上下方向）に向けた回転シャフト２と、回転シャフト２の下端部（端部）に設けられたランナ（回転構造体）１０と、ランナ１０の径方向外方側に設けられて作動流体である用水Ｗをランナ１０に送り込むスパイラルケーシング３と、スパイラルケーシング３とランナ１０とを接続するスピードリング４と、ランナ１０に流入する用水Ｗの流量を調整するガイドベーン７と、ランナ１０の下方に配置されてランナ１０から放出された用水Ｗを放水するドラフトチューブ５とを備えている。
なお、本明細書における説明においては、特に言及しない限り、「物の位置を特定する際の上・下」は「重力方向における上・下」をいうものとする。
【００２４】
回転シャフト２は、フランシス水車１の主軸として機能するものである。この回転シャフト２は、図１に示すように、下端部にランナ１０が固定されており、上端部に発電機（不図示）が連結されている。
【００２５】
スパイラルケーシング３は、平面視で渦巻き状に配設されており、図１に示すように、軸方向に切断した断面において略円管状に形成されている。このスパイラルケーシング３は、その内部が、用水Ｗが流れる案内流路３ａとなっており、周方向下流側へ向かうにつれて案内流路３ａの断面積が小さくなるように形成されている。
スパイラルケーシング３には、外部と接続された図示しない用水取込口が設けられていると共に、径方向内方側において環状に開口してスピードリング４と接続された用水送出口３ｂが設けられている。すなわち、案内流路３ａに流入した用水Ｗは、スパイラルケーシング３内を一周する間に、用水送出口３ｂからランナ１０（スピードリング４）へ向けて送り出される。
【００２６】
スピードリング４は、略環状で、内部を案内流路４ａとしており、流通する用水Ｗを整流するためのステーベーン６が設けられている。これら複数のステーベーン６は、放射状に等ピッチで配設され、流入する用水Ｗの流れ角度に合わせて旋回方向に傾くように配設されている。
【００２７】
ガイドベーン７は、スピードリング４と、径方向内方側のランナ１０との間において、周方向に沿って複数枚配列されている。各ガイドベーン７は、当該ガイドベーン７に設けられた回転軸７ａを中心として開放位置と閉塞位置との間で回動可能に構成されている。すなわち、各ガイドベーン７が回動することで、スパイラルケーシング３の内部から（スピードリング４を介して）ランナ１０に流入する用水Ｗの流量を調整することが可能となっている。
【００２８】
ドラフトチューブ５は、流路断面を徐々に大きくすることで用水Ｗの流速を減少させつつ整流し、用水Ｗを外部の放水路に放水する。
【００２９】
図２は、フランシス水車１の要部拡大図である。
図１及び図２に示すように、ランナ１０は、クラウン（支持部材）１１と、複数のランナベーン（回転翼）１２と、シュラウド１３と、コーン１５とを備えている。以下の説明においては、ランナ１０の概略について説明した後に細部について説明する。
【００３０】
クラウン１１は、図１に示すように、略円盤状に構成されており、回転シャフト２と同軸に回転シャフト２の下端部に固定されている。このクラウン１１は、図２に示すように、軸方向一方に進むに従って外径を漸減させるクラウン外周部１１ａと、回転中心軸Ｐと直交する先端部１１ｂとを有している。
【００３１】
複数（本実施形態では１７枚）のランナベーン１２は、クラウン外周部１１ａにおいて回転中心軸Ｐ周りに等ピッチに配設されて、軸方向に見て放射状に配設されている。これら複数のランナベーン１２は、ランナ１０に流入する用水Ｗの流れ角度に合わせて径方向外方側で旋回方向に傾くように配設されていると共に、径方向内方側に向かうに従って次第に旋回方向への傾きが強くなるように配設されている。
【００３２】
シュラウド１３は、略環状に形成されており、クラウン１１と対向配置されて複数のランナベーン１２と接続されている。
【００３３】
コーン１５は、円錐台状に形成されており、回転中心軸Ｐと同軸に且つ下方側が細くなるように、先端部１１ｂにボルト止めされている。すなわち、このコーン１５は、流体出口１４ｂの中心部において下方に向けて延在し、用水Ｗを外周部１５ａに沿わせて下方に案内する。
【００３４】
このような構成により、ランナ１０には、クラウン１１（およびコーン１５）と、隣り合う二つのランナベーン１２と、シュラウド１３とによって画定された流路１４を複数有している。すなわち、各流路１４は、径方向外方側に向けて開放された部分が流体入口１４ａとされ、軸方向一方側（下方側）に向けて開放された部分が流体出口１４ｂとなっており、径方向外方側から径方向内方側に向かうに従って次第に旋回方向に傾くように形成されている。
流路１４において、用水Ｗは流体入口１４ａに流入すると、径方向内方側かつ上下方向下方側に流れながらランナベーン１２に圧力を作用させてランナ１０を回転させる。そして、流体出口１４ｂから下方に放出されてドラフトチューブ（図１参照）５へと流入する。
【００３５】
ところで、ランナ１０に流入する用水Ｗの流量は、複数のガイドベーン７の開度（以下、「ガイドベーン開度」という。）によって調節可能となっているが、例えば、最適な流量（ガイドベーン開度８０％時）よりも少ない流量でフランシス水車１の運転を行った場合、いわゆる、部分負荷運転を行った場合、ランナ１０からドラフトチューブ５に用水Ｗが流入すると、ドラフトチューブ５内に螺旋渦Ｅ（図１１参照）が発生する。同様に、最適な流量よりも多い流量でフランシス水車１の運転を行った場合、いわゆる、過負荷運転を行った場合も、ドラフトチューブ５内に螺旋渦Ｅが発生する。
【００３６】
具体的には、部分負荷運転を行うと、ドラフトチューブ５内において、死水領域Ａ（図１１参照）が形成され、この死水領域Ａの周りを螺旋渦Ｅが振れ回り、これがドラフトチューブ５壁面に接触することで、振動や騒音が発生する。そこで、この問題を解消すべく、本実施形態では、以下の構成を採用している。
【００３７】
以下、コーン１５の詳細について説明する。図３は、コーン１５の斜視図であり、図４は、コーン１５の側面図である。
図３及び図４に示すように、コーン１５は、筒状かつ円錐台状に形成されており、クラウン１１の下方に進むに従って外径を漸減させた外周部１５ａを備えており、クラウン外周部１１ａと滑らかに繋がっている。このコーン１５は、上方に位置する基端１５ｂが外周部１５ａに形成されたボルト孔１５ｘを介してクラウン１１の先端部１１ｂにボルト止めされており、先端１５ｃが基端１５ｂよりも小径に形成されている。なお、ボルト孔１５ｘは必ずしも外周部１５ａに形成する必要はない。
【００３８】
コーン１５の外周部１５ａには、断面Ｖ字状の１２本のＶ溝１５ｖが形成されている。各Ｖ溝１５ｖは、コーン１５の回転中心軸Ｐを中心にして、外周部１５ａの軸方向一方側の一端１５ｄから軸方向他方側の他端１５ｅへかけて、コーン１５の回転方向に沿って螺旋状に形成されている。また、１２本のＶ溝１５ｖは、それぞれ等間隔となるように形成されている。なお、各ランナベーン１２のクラウン１１側における先端の出口側の傾きと、各Ｖ溝１５ｖの基端１５ｂ側の傾きとは、ほぼ同じ傾きとなっている。一方、各Ｖ溝１５ｖの先端１５ｃ側の傾きは、図４に示すように、径方向に見た場合に、軸方向に直交すると共に先端１５ｃと同一平面内に延在する仮想平面Ｓに対する角度βが４８°程度となっている。
【００３９】
また、各Ｖ溝１５ｖの深さは、コーン１５の最外径である基端１５ｂの直径に対し、０．００５倍以上となっている。例えば、コーン１５の最外径が２ｍであれば、各Ｖ溝１５ｖの深さは１ｃｍ以上であれば良い。
【００４０】
さらに、コーン１５の外周部１５ａに形成されるＶ溝１５ｖの本数は、ランナベーン１２の枚数によって決定されており、最大でランナベーン１２の数量の２倍以下となっている。つまり、例えば、ランナベーン１２の枚数が１７枚のとき、Ｖ溝１５ｖの本数は３４本以下であれば良いため、場合によっては１本でもよい。
【００４１】
図２に示すように、コーン１５は、外周部１５ａのうち一端１５ｄ側が径方向外方側に向けて張り出して形成されている（図２中において従来のコーン６５の形状を破線で示す）。具体的には、図４に示すように、外周部１５ａの一端１５ｄの外径Ｄ１が、流体出口１４ｂの直径Ｄ２（図２参照）の０．２５倍以上となっている。より具体的には、Ｄ１≒０．２７８Ｄ２（Ｄ１＝２５０ｍｍ、Ｄ２＝９００ｍｍ）となっている。
また、図４に示すように、軸方向に直交すると共に先端１５ｃと同一平面内に延在する仮想平面Ｓと外周部１５ａの一端１５ｄにおける子午面断面形状との角度αが７５°以上となっている。具体的には、α＝８０°に形成されている。
【００４２】
さらに、図４に示すように、外周部１５ａの曲率半径ρは、流路１４の流体出口１４ｂの直径Ｄ２（図２参照）の半分以下となっている。具体的には、ρ≒０．４６７Ｄ２（ρ＝４２０ｍｍ、Ｄ２＝９００ｍｍ）となっている。
また、図４に示すように、基端１５ｂから先端１５ｃまでのコーン高さＨが１３０ｍｍとなっており、図２に示すように、外周部１５ａの一端１５ｄがランナベーン１２出口の下端（一端）１２ａよりも上方に位置している。より具体的には、０．０７×Ｄ２だけ上方に位置している。
【００４３】
続いて、上記コーン１５の作用効果について説明する。本実施形態においては、上記コーン１５の作用効果について確認をするために、本発明に係るコーン１５と比較例とについて模型試験を行った。
比較例となる従来コーン６５は、従来の構成と同等のものである（図２参照）。具体的には、軸方向に切断した断面において外周部が直線状（ρ＝∞）になっていて一端が径方向外方に張り出しておらず、また、Ｖ溝も設けられていない。この従来コーン６５は、コーン１５の外径Ｄ１、角度α，コーン高さＨに相当する部位が１６０ｍｍ，６５°，１８０ｍｍとなっている。
本模型試験においては、この従来コーン６５をフランシス水車１と同様のフランシス水車５０に組み込んだものを比較例としている。
【００４４】
フランシス水車１及びフランシス水車５０の実機仕様条件は、以下の通りである。
有効落差…９２．９ｍ、出力…４２９０ｋＷ、回転数…６００ｒｐｍ、比速度（Ｎｓ）…１３６〔ｍ・ｋＷ・ｒｐｍ〕＝｛６００・（４２９０）１／２／（９２．９５／４｝、実機ランナ入口径Ｄ３…９３０ｍｍ（図２参照）
【００４５】
本模型試験においては、フランシス水車１，５０に対応する模型試験水車をそれぞれ用意して、同一の基準落差相当の条件において、ガイドベーン開度を変更しながらランナ（１０）下流のドラフトチューブ（５）壁面での圧力変動を計測した。
【００４６】
図５は、この模型試験の試験結果を示したものであり、横軸がガイドベーン（７）開度（％）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。なお、縦軸は、フランシス水車５０に組み込まれた従来コーン６５における最大振幅を１とした相対表示としている。
また、図６及び図７は、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動時間波形を示すグラフであって、図６がコーン１５の実験結果であり、図７が従来コーン６５の実験結果である。なお、図６及び図７においては、横軸が時間（ｔ／ｔｎ）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。
また、図８及び図９は、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示すグラフであって、図８がコーン１５の実験結果であり、図９が従来コーン６５の実験結果である。なお、図８及び図９においては、横軸が周波数（ｆ／ｆｎ）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。ここで、ｔは時間（ｓ）、ｔｎはランナ１回転に要する時間（ｓ）である。
【００４７】
図５に示されるように、従来コーン６５において、ガイドベーン開度８０％の場合には、最適な運転がなされているため、螺旋渦Ｅによる圧力脈動が抑制されている。しかしながら、ガイドベーン開度が１００％に近づくにつれ、言い換えれば、過負荷運転を行うと螺旋渦Ｅによる圧力脈動は徐々に上昇していく。同様に、ガイドベーン開度８０％から小さくしていくと、螺旋渦Ｅによる圧力脈動が徐々に上昇していき、ガイドベーン開度４０％あたりで螺旋渦Ｅによる圧力脈動が最大となる。なお、この渦芯の振れ回りは可視化試験で確認することができる。
【００４８】
本実施形態のコーン１５も、ガイドベーン開度が８０％のときにおいて最適な運転が行われるように設計されており、従来コーン６５とほぼ同様の圧力脈動となっている。しかしながら、部分負荷運転領域、つまり、ガイドベーン開度が４０％〜５０％の間において、コーン１５を用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動は、従来コーン６５を用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動に比して、大幅に抑制している。
図５〜図９に示すように、ガイドベーン開度が４０％の時において、コーン１５の圧力脈動が従来コーン６５に比して約７５％程度抑制されている。
【００４９】
また、図５に示されるように、過負荷運転時、つまり、ガイドベーン開度が９０％のときにおいても、本実施形態のコーン１５を用いた場合の渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動は、従来コーン６５を用いた場合の圧力脈動に比して抑制している。
【００５０】
図５〜図９のコーン１５、６５を用いた模型試験に相当する非定常の流動解析ＣＦＤを実施したが、圧力脈動時間波形や圧力脈動周波数分析結果において模型試験結果と同様の傾向を確認することができた。
【００５１】
以上説明したように、コーン１５によれば、外周部１５ａにＶ溝１５ｖを有するので、渦芯の振れ回りにより生じる圧力脈動を抑制することができ、螺旋渦Ｅの発生による振動及び騒音を抑制することができる。
すなわち、図１０に示すように、一般に圧力脈動は螺旋渦Ｅがランナ出口で発達し振れまわることにより生じると考えられるが、螺旋渦Ｅはコーン１５の下方の死水領域Ａ周りのせん断層Ｚで発達し死水領域Ａ周りを振れまわることが流動解析や可視化観察から確認されている。ここで、死水領域Ａでは下方から上方にコーン１５の先端１５ｃに向かう旋回を伴う逆流Ｃが生じているが、コーン１５によれば、コーン１５に衝突する逆流Ｃと渦芯付け根付近がＶ溝１５ｖで干渉し、Ｖ溝１５ｖからの剥離渦等の小規模な乱れが発生するので、安定した渦芯の発達を抑制すると考えられる。
【００５２】
つまり、外周部１５ａにランナ１０の回転方向、すなわち、図１０の死水領域Ａ内を下から上に逆流する用水Ｗの流れ方向に交差する方向に沿ったＶ溝１５ｖを設けることにより、コーン１５の外周部１５ａに沿って流れる用水Ｗが、Ｖ溝１５ｖと干渉する。このため、コーン１５の外周部１５ａにおいて、剥離渦が発生することにより、螺旋渦Ｅの発達を阻害することができ、渦芯が振れ回る事によって生じる圧力脈動を抑制することができる。
【００５３】
また、外周部１５ａのうち一端１５ｄ側が径方向外方側に向けて張り出して形成されており、Ｄ１≧０．２５Ｄ２、かつ、角度α≧７５°となっているので、逆流Ｃとの干渉を強めて、より強い乱れを生じることにより螺旋渦Ｅの発達抑制効果を高めることができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、コーン１５の外周部１５ａの一端１５ｄから他端１５ｅに亘ってＶ溝１５ｖを形成したが、外周部１５ａの下端１５ｄ側を含む少なくとも一部にＶ溝１５ｖを形成すればよい。この構成によれば、加エコストを削減することができる。また、本実施形態では、断面Ｖ字状のＶ溝１５ｖを形成したが、Ｕ溝等にしてもよい。さらに、本実施形態において、ランナ１０及びコーン１５は別体としたが、一体に形成しても良い。
【実施例１】
【００５５】
続いて、本発明の実施例１について説明する。
本実施例１は、表１に示すように、複数のコーンモデルＭ１〜Ｍ９について流動解析ＣＦＤを行って、コーン形状を規定する四つのパラメータ（コーン高さＨ、溝本数ｎ、溝角度β及び外周部曲率半径ρ）の圧力脈動抑制効果への影響を確認したものである。解析モデルは、コーン高さＨ、溝本数ｎ、溝角度β及び外周部曲率半径ρを三種類ふって九種類の組み合わせでコーンモデルＭ１〜Ｍ９を規定して、流動解析ＣＦＤにより圧力脈動振幅を求めた。コーンモデルＭ１〜Ｍ９の各パラメータは、以下のようになっている。なお、従来コーン６５の外周部にＶ溝１５ｖを形成したコーンモデルＭ４が、各コーンモデルの基準となっている。
【表１】
【００５６】
図１２は、９つの解析モデルＭ１〜Ｍ９の解析結果を整理したものであって、統計学的評価法である実験計画法を用いて各パラメータの圧力脈動に対する影響度合を評価したものである。
図１２に示すように、コーン高さＨは小さくなるにつれて圧力脈動抑制効果が高く、溝本数ｎは１２本から少なくなるにつれて圧力脈動抑制効果が低くなる傾向であることがわかった。
外周部曲率半径ρは小さくなるにつれて圧力脈動抑制効果が高くなるが、外周部曲率半径ρが極端に小さ過ぎると損失が増加して定格時の水車効率が低下してしまう。このため、水車効率に影響を与えず、部分負荷運転時に大きな圧力脈動抑制効果を示す上述したＤ１≧０．２５Ｄ２、かつ、角度α≧７５°の条件が最適であることがわかった。
【実施例２】
【００５７】
続いて、本発明の実施例２について説明する。本実施例２に係るコーン２５は、基本構成はコーン１５と同様であるが、Ｖ溝１５ｖを１６本形成している点でコーン１５と相違している。
【００５８】
図１３及び図１４は、コーン１５及びコーン２５についてそれぞれの同等の流動解析ＣＦＤを行った解析結果を示すグラフであって、図１３が１２本のＶ溝１５ｖを設けたコーン１５の解析結果であり、図１４が１６本のＶ溝１５ｖを設けたコーン２５の解析結果である。なお、図１３及び図１４においては、ガイドベーン開度が４０％の場合における圧力脈動周波数分析結果を示しており、横軸が周波数（ｆ／ｆｎ）、縦軸が圧力脈動振幅となっている。
【００５９】
上述した実施例１においては、Ｖ溝１５ｖの溝本数が１２本から減少するほど圧力脈動抑制効果が低下する傾向にあったが、コーン２５のようにＶ溝１５ｖを１６本に増やしても圧力脈動抑制効果が低下している。
すなわち、図１３と図１４とをそれぞれ比較すると、コーン１５の方がコーン２５よりも圧力脈動抑制効果が高くなっている。よって、ランナベーン枚数１７枚程度の中比速度のフランシス水車においては、溝本数ｎは１２本が最適であることがわかった。
【００６０】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態においては、フランシス水車１に本発明を適用した場合を説明したが、他のポンプ水車や水車、遠心ポンプなど様々な流体機械に適用可能である。
また、上述した実施の形態においては、シュラウド１３を設ける構成にしたが、シュラウド１３を省略してもよい。
また、上述した実施の形態においては、コーン１５の外周部１５ａの一端１５ｄ側を径方向外方側に張り出すようにしたが、例えば、図１５に示すコーン１５´のように、一方端１５ｄの張り出しを強くし、仮想平面Ｓと外周部１５ａの一端１５ｄにおける子午面断面形状との角度αが９０°以上になるように径方向外方側に張り出すようにしてもよい。
また、上述した実施の形態においては、回転中心軸Ｐを重力方向に向けた縦軸機に本発明を適用したが、回転中心軸Ｐを水平方向に向けた横軸機に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１…フランシス水車（流体機械）
２…回転シャフト（主軸）
１０…ランナ（回転構造体）
１１…クラウン（支持部材）
１２…ランナベーン（回転翼）
１２ａ…ランナベーンの下端（回転翼の一端）
１４…流路
１４ａ…流体入口
１４ｂ…流体出口
１５…コーン
１５ａ…外周部
１５ｄ…一端
１５ｅ…他端
１５ｖ…Ｖ溝（溝）
２５…コーン
Ｐ…回転中心軸
Ｓ…仮想平面
Ｗ…用水(作動流体)
Ｄ１…一端１５ｄの外径（先端１５ｃの外径）
Ｄ２…流体出口１４ｂの直径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体に用いられ、
前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンであって、
前記外周部には、前記軸方向一方側から他方側に向けて前記回転構造体の回転方向に沿って形成された溝が設けられ、
前記外周部のうち前記軸方向一方側における一端側が前記径方向外方側に向けて張り出して形成されており、
前記外周部の一端外径が前記流体出口直径の０．２５倍以上、かつ、前記軸方向に直交する仮想平面と前記外周部の一端との角度が７５°以上となっていることを特徴とするコーン。
【請求項２】
前記外周部の一端が、前記回転翼の軸方向一方側における一端よりも、前記軸方向他方側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のコーン。
【請求項３】
前記外周部は、前記軸方向に切断した断面において径方向内方側に凹んだ円弧形状をなし、その曲率半径が前記流体出口直径の半分以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコーン。
【請求項４】
前記外周部は、前記溝が８〜１６本形成されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載のコーン。
【請求項５】
前記溝は、前記外周部の一端側において、前記径方向に見た場合に前記仮想平面に対する角度が３０°以上となるように形成されていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載のコーン。
【請求項６】
回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体であって、
前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンとして、請求項１から５のうちいずれか一項に記載のコーンを備えることを特徴とする回転構造体。
【請求項７】
前記回転中心軸上に設けられた主軸と、
前記主軸の軸方向一方側の端部に請求項６に記載の回転構造体とを備えることを特徴とする流体機械。
【請求項１】
回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体に用いられ、
前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンであって、
前記外周部には、前記軸方向一方側から他方側に向けて前記回転構造体の回転方向に沿って形成された溝が設けられ、
前記外周部のうち前記軸方向一方側における一端側が前記径方向外方側に向けて張り出して形成されており、
前記外周部の一端外径が前記流体出口直径の０．２５倍以上、かつ、前記軸方向に直交する仮想平面と前記外周部の一端との角度が７５°以上となっていることを特徴とするコーン。
【請求項２】
前記外周部の一端が、前記回転翼の軸方向一方側における一端よりも、前記軸方向他方側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のコーン。
【請求項３】
前記外周部は、前記軸方向に切断した断面において径方向内方側に凹んだ円弧形状をなし、その曲率半径が前記流体出口直径の半分以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコーン。
【請求項４】
前記外周部は、前記溝が８〜１６本形成されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載のコーン。
【請求項５】
前記溝は、前記外周部の一端側において、前記径方向に見た場合に前記仮想平面に対する角度が３０°以上となるように形成されていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載のコーン。
【請求項６】
回転中心軸が延びる軸方向の一方側に向かって外径を漸減させる支持部材に複数の回転翼が前記回転中心軸周りに設けられて作動流体の流路が構成され、径方向外方側に向けて前記流路の流体入口が開放されると共に前記軸方向一方側に向けて前記流路の流体出口が開放された回転構造体であって、
前記流体出口の径方向中心部において前記軸方向一方側に向けて延在し、前記作動流体を外周部に沿わせて前記軸方向一方側に案内するコーンとして、請求項１から５のうちいずれか一項に記載のコーンを備えることを特徴とする回転構造体。
【請求項７】
前記回転中心軸上に設けられた主軸と、
前記主軸の軸方向一方側の端部に請求項６に記載の回転構造体とを備えることを特徴とする流体機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２４７１６０（Ｐ２０１１−２４７１６０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２０６５０（Ｐ２０１０−１２０６５０）
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（０００１８０３６８）四国電力株式会社 (95)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（０００１８０３６８）四国電力株式会社 (95)
【Ｆターム（参考）】
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