フランシス型水車ランナおよびその製造方法

【課題】作業員のより一層の労力の軽減化と接合強度の十分な確保を求めてランナの構造に改善を加えたフランシス型水車ランナを提供する。
【解決手段】本発明に係るフランシス型水車ランナは、主軸２９に接続する環状のクラウン２７と、このクラウン２７に対峙し、前記主軸２９と同軸に配置して流路３９を形成するバンド２８と、前記流路３９に列状に配置するランナ羽根２６と、列状に配置した前記ランナ羽根２６の高さ方向中間位置に設けられ、前記ランナ羽根２６を上側ランナ羽根２６ａと下側ランナ羽根２６ｂとに区分ける整流羽根３１と、この整流羽根３１を境に前記上側ランナ羽根２６ａと前記下側ランナ羽根２６ｂとを円周方向にずらして配置する構成にした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フランシス型水車ランナに係り、特に、一方のランナ羽根と隣接する他方のランナ羽根との間に形成される流路内に改良を加えたフランシス型水車ランナおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギの一つである水を利用して効率の高い発電運転を行うフランシス型水車ランナは、図７に示す構成のものが実施されている。
【０００３】
このフランシス型水車ランナは、渦巻状のケーシング１から供給される動力水（以下、主流と記す）の流れに沿って順に、ステーベーン２、ガイドベーン３、ランナ４、吸出し管５のそれぞれを備えるとともに、ランナ４のランナ羽根６の高さ方向の頂部側と根元側との両端部を環状のクラウン７とバンド８で支持させ、支持させたクラウンに主軸（回転軸）９を介装して発電機１０を接続させ、発電運転時、ケーシング１から供給される主流をガイドベーン３で流量制御し、流量制御後の主流によりランナ４のランナ羽根６を回転させ、この回転力で主軸９を介して発電機１０を駆動している。
【０００４】
ランナ４のランナ羽根６を出た主流は、矢印ＡＲに向って吸出し管５に流れ、ここで圧力を回復させて下池（図示せず）に排出される。
【０００５】
また、ポンプ運転時（揚水運転時）、フランシス型水車ランナは、下池に貯溜させていた主流を吸出し管５、ランナ４、ランナ羽根６、ガイドベーン３、ステーベーン２、渦巻状のケーシング１を介して上池（図示せず）に供給している。
【０００６】
その際、発電機１０は、電動機として機能させ、主軸９を発電運転のときと逆方向に回転させている。
【０００７】
また、フランシス型水車ランナは、発電運転時、負荷（出力）の需要増減に応じてガイドベーン３を開閉制御させ、主流の流量コントロールを行っているが、設計運転（発電効率が最高となる最高効率運転）、流量「小」運転（部分負荷運転等）、流量「大」運転（発電最高効率を超えた流量運転等）のそれぞれの運転のとき、図８〜図１０で示すように、主流の流れが著しく変化してくる。
【０００８】
ここに、図８は、設計運転時、子午面かに見たときの主流の挙動を示すフランシス型水車の概念図であり、図９は、流量「小」運転時、子午面から見た主流の挙動を示すフランシス型水車の概念図であり、図１０は、流量「大」運転時、子午面から見た主流の挙動を示すフランシス型水車の概念図である。なお、子午面とは、主軸（回転軸）を通る平面である。
【０００９】
理論上、ランナ４のランナ羽根６を通る主流の流れは、ランナコーン１１側に向う主流の動圧力ＦＰと、ランナ４のランナ羽根６の回転に伴って発生する遠心力ＣＦとの均衡によって力のバランスが維持されている。
【００１０】
このため、設計運転（最高効率運転）では、図８に示すように、ランナコーン１１の出口側に沿って僅かな死水領域ＤＺができるものの、安定流が維持されているのに対し、流量「小」運転では、主流の流量が少ない関係上、主流の動圧力ＦＰに較べて相対的に遠心力ＣＦが大きくなっており、また、図９に示すように、クラウン７からランナコーン１１の出口側に沿って大きな死水領域ＤＺができ、水車効率の低下の一因になっている。
【００１１】
また、流量「大」運転では、主流の流量が多い関係上、遠心力ＣＦに較べて相対的に主流の動圧力ＦＰが大きくなるので、図１０に示すように、吸出し管５側に沿って死水領域ＤＺができ、水車効率の低下の一因になっている。
【００１２】
他方、水車効率の低下の要因は、死水領域ＤＺの生成のみならず、二次流れによる場合にも影響を受けていた。
【００１３】
図１１は、ランナ４のランナ羽根６の頂部を支持するクラウン７とランナ羽根６の根元部を支持するバンド８とで形成する流路１２を流れる主流の流線ＳＬと交差する方向線Ａ−Ａに沿って主流の流れに基づく二次流れを模式化したものである。
【００１４】
この二次流れは、図１２に示すように、一方のランナ羽根６ａの正圧面１３と隣接する他方のランナ羽根６ｂの負圧面１４とで形成する流路１２内において、クラウン７側およびバンド８側のそれぞれに主流の流線ＳＬに対し交差する交差流れ線ＣＬとして誘起している。
【００１５】
このような交差流れ線ＣＬが誘起するのは、一方のランナ羽根６ａの正圧面１３と隣接する他方のランナ羽根６ｂの負圧面１４との間に圧力差（圧力勾配）が生起していることに基づいている。この交差流れ線ＣＬは、主流の流線ＳＬを乱すとともに、クラウン７およびバンド８のそれぞれに発達する境界層を剥離させ水車効率低下の要因になっている。
【００１６】
水車効率を低下させる要因となる二次流れを抑制する技術には、例えば、特許文献１、特許文献２等数多く提案されている。
【特許文献１】特開昭５１−１２６５６６号公報
【特許文献２】特開平８−２９６５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献１に開示された二次流れを抑制する技術は、図１３および図１４に示すように、主流の流線ＳＬに沿い、かつ一方のランナ羽根６ａと隣接する他方のランナ羽根６ｂとの流路１２の入口からクラウンおよびバンドのそれぞれの主軸を通る半径方向長さよりも短い整流羽根１５を設けたものである。
【００１８】
しかし、この整流羽根１５は、ランナ羽根６ａ，６ｂとクラウン７およびバンド８で画成された流路１２に設けるため、作業場所に余裕がなく、作業員の労力により多くの負担が加わっていた。
【００１９】
また、作業場所に余裕がないため、ランナ羽根６ａ，６ｂに整流羽根１５を溶接接続させる際、接合強度を十分に確保させることが難しく、長年の使用の結果、事故発生の要因になっていた。
【００２０】
また、特許文献２も、特許文献１のものと同様に、ランナ羽根６ａ，６ｂ間に整流羽根１５を設けたものであり、特許文献１のものと同様に、取付作業の改善、接合強度の十分なる確保等が求められていた。
【００２１】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、作業員のより一層の労力の負担を軽減化させるとともに、接合強度の十分な確保を求めてランナの構造に改善を加えたフランシス型水車ランナおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係るフランシス型水車ランナは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、回転軸に接続される環状のクラウンと、このクラウンに対峙し、前記回転軸と同軸に配置される環状のバンドと、これらクラウンおよびバンド間に形成された流路に対して周方向に列状に配置された複数枚のランナ羽根と、前記クラウンおよび前記バンドに対してほぼ平行に配置された整流羽根とからなるフランシス水車型ランナにおいて、前記ランナ羽根は、当該ランナ羽根の高さ方向の中間位置で前記整流羽根によって上側ランナ羽根と下側ランナ羽根とに分割されるとともに、当該分割された上側ランナ羽根と下側ランナ羽根との相対位置が周方向にずれていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係るフランシス型水車ランナは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、回転軸に接続される環状のクラウンと、このクラウンに対峙し、前記回転軸と同軸に配置される環状のバンドと、これらクラウンおよびバンド側に形成された流路に対して周方向に列状に配置された複数枚のランナ羽根と、前記クラウンおよび前記バンドに対してほぼ平行に配置された整流羽根とからなるフランシス水車型ランナにおいて、前記ランナ羽根と整流羽根とを十字状に一体構造にして周方向に列状に配置し、前記ランナ羽根の高さ方向頂部側端部と根元側端部とをそれぞれ前記クラウンおよび前記バンドに固定するとともに、隣接する前記整流羽根の端部相互間を当接させる構成としたものである。
【００２４】
また、本発明に係るフランシス型水車ランナの製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、クラウンと当該クラウンからランナ羽根の高さ方向の中間部までの部分である上側ランナ羽根とを一体に作製し、バンドと当該バンドからランナ羽根の高さ方向の中間部までの部分である下側ランナ羽根とを一体に作製し、次に、前記上側ランナ羽根と、前記下側ランナ羽根とが周方向に１／２ピッチずれるように前記クラウンおよび前記バンドを保持した状態で、前記上側ランナ羽根と下側ランナ羽根との分割面間に整流羽根を配置し、しかる後に、整流羽根を上側ランナ羽根と下側ランナ羽根に固定する方法である。
【００２５】
また、本発明に係るフランシス型水車ランナの製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、クラウンおよびバンドとを別々に作製し、高さ方向に頂部および根元部を有するランナ羽根と、当該ランナ羽根の圧力面側および負圧面側からそれぞれ横方向に延びる整流羽根とを十字状にして一体的に作製し、前記ランナ羽根の高さ方向頂部側、根元部側とをそれぞれ前記クラウンおよびバンドに固定し、前記整流羽根の横方向に延びる端部相互を当接させる方法である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るフランシス型水車ランナおよびその製造方法は、クラウンとバンドとで形成された流路に列状に配置するランナ羽根を、上側ランナ羽根と下側ランナ羽根とに区分けする整流羽根を設け、区分けされた上側ランナ羽根と下側ランナ羽根とを円周方向にずらして配置し、作業場所の空間をより広く確保させたので、狭い場所であっても区分けした上側ランナ羽根と下側ランナ羽根を指定した位置に正確に取り付けることができる。その際、作業場所空間をより広く確保させたので、作業員の労力負担をより一層軽減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係るフランシス型水車ランナおよびその製造方法の実施形態を、図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２８】
図１は、本発明に係るフランシス型水車ランナの第１実施形態を示す概念図である。
【００２９】
本実施形態に係るフランシス型水車ランナは、渦巻状のケーシング２１から供給される動力水（以下、主流と記す）の流れに沿って順に、ステーベーン２２、ガイドベーン２３、ランナ２４、吸出し管２５のそれぞれを備えるとともに、ランナ２４のランナ羽根２６の高さ方向の頂部側と根元側との両端部を環状のクラウン２７とこれに対峙するバンド２８とで支持させて流路３９を形成する一方、支持させたクラウン２７に主軸（回転軸）２９を介装して発電機（図示せず）を接続させ、発電運転時、ケーシング２１から供給される主流をガイドベーン２３で流量制御し、流量制御後の主流によりランナ２４のランナ羽根２６を回転させ、この回転力で主軸２９を介して発電機を駆動している。
【００３０】
また、ポンプ運転時（揚水運転時）、フランシス型水車ランナは、発電運転時、吸出し管２５から排出され、下池（図示せず）に貯溜させていた主流を吸出し管２５、ランナ２４のランナ羽根２６、ガイドベーン２３、ステーベーン２２、渦巻状のケーシング２１を介して上池（図示せず）に供給し、発電運転に備えている。
【００３１】
一方、ランナ２４のランナ羽根２６は、バンド２８からクラウン２７に向かう高さ方向の中間位置において図２で示すように上側ランナ羽根２６ａと、下側ランナ羽根２６ｂとに分割されている。そして分割された当該上側ランナ羽根２６ａと、下側ランナ羽根２６ｂとは相対位置が周方向に１／２ピッチずれるように配置され、しかも当該上側ランナ羽根２６ａと，下側ランナ羽根２６ｂの上下の分割面間に挟むように整流羽根３１を配置している。
【００３２】
この整流羽根３１は、ランナ羽根２６の入口から出口に向かって流れる流線ＳＬに沿うように前記クラウン２７およびバンド２８に対してほぼ平行に設けられている。
【００３３】
整流羽根３１は、ボルト等の締結具３２によって上側ランナ羽根２６ａ、下側ランナ羽根２６ｂに対して固定されている。この際、締結具３２の頭部が流路内に突出しないように整流羽根３１に締結具収容穴３３があけてある。
【００３４】
次に、このような構成を備えたフランシス水車型ランナの製造方法について説明する。
【００３５】
まず、クラウン２７と上側ランナ羽根２６ａとを精密鋳造等により一体に作製し、同様にして、バンド２８と下側ランナ羽根２６ｂとを精密鋳造等により一体に作製する。
【００３６】
次に、上側ランナ羽根２６ａおよび下側ランナ羽根２６ｂの分割面にボルト孔をあける。
【００３７】
次に、上側ランナ羽根２６ａと、下側ランナ羽根２６ｂとを周方向に１／２ピッチずらした状態で保持する。
【００３８】
次に、締結具収容穴３３を予め設けた整流羽根３１を前記上側ランナ羽根２６ａと下側ランナ羽根２６ｂとの分割面間に配置する。
【００３９】
しかる後、締結具３２を締結具収容穴３３に挿入して、整流羽根３１を上側ランナ羽根２６ａおよび下側ランナ羽根２６ｂに固定する。
【００４０】
これにより、フランシス水車型ランナが完成する。
【００４１】
このように、本実施形態は、ランナ羽根２６を整流羽根３１で上側ランナ羽根２６ａと下側ランナ羽根２６ｂとに区分けし、区分けした上側ランナ羽根２６ａと下側ランナ羽根２６ｂとを円周方向にずらして配置するとともに、上側ランナ羽根２６ａおよび下側ランナ羽根２６ｂを整流羽根３１に対し、締結具３２で接続させたので、円周方向にずらすことによる作業空間をより広く確保して作業員の労力負担をより一層軽減させるとともに、整流羽根３１への上側ランナ羽根２６ａおよび下側ランナ羽根２６ｂの着脱作業を容易に行わせて、接続強度を十分に確保することができる。
【００４２】
なお、本実施形態は、上側ランナ羽根２６ａと下側ランナ羽根２６ｂとを整流羽根３１に取り付ける際、締結具３２を用いたが、この例に限らず、例えば、図２に示すように、上側ランナ羽根２６ａおよび下側ランナ羽根２６ｂを整流羽根３１に取り付けるとき、溶接部３４で溶接接続させてもよく、また、例えば、図４に示すように、整流羽根３１に楔状溝３５を設け、この楔状溝３５に楔状に形成した端部の上側ランナ羽根２６ａ、下側ランナ羽根２６ｂのそれぞれを装着させ、溶接部３４で溶接接続させてもよく、さらに、例えば、図５に示すように、整流羽根３１に台形状溝３６を設け、この台形状溝３６に上側ランナ羽根２６ａ、下側ランナ羽根２６ｂを装着させ、溶接部３４で溶接接続させてもよい。
【００４３】
図６は、本発明に係るフランシス型水車ランナの第５実施形態を示す概念図である。
【００４４】
本実施形態に係るフランシス型水車ランナは、ランナ羽根２６として頂部側をクラウン２７で支持させ、根元部側をバンド２８で支持させる十字形状の整流羽根一体構造ランナ羽根３７を備えたものである。
【００４５】
この整流羽根一体構造ランナ羽根３７は、ランナ羽根２６に、その横断方向に向って延びる整流羽根３１を精密鋳造等で一体として作製する一方、整流羽根３１の両端を、いわゆる肩上がりの傾斜面３８ａに形成するとともに、隣りの相手側の整流羽根一体構造ランナ羽根３７ａの整流羽根３１の端部を、いわゆる肩下がりの傾斜面３８ｂに形成したものである。
【００４６】
次に、本実施形態に係るフランシス型水車ランナの製造方法を説明する。
【００４７】
本実施形態に係るフランシス型水車ランナの製造方法は、まず、縦断方向に延びるランナ羽根２６と横断方向に延びる整流羽根３１とを十字状にして精密鋳造等で一体形状に作製する。
【００４８】
次に、精密鋳造等で作製した十字状に一体形状にしたランナ羽根２６と整流羽根３１とのうち、ランナ羽根２６の頂部側および根元部側のそれぞれをクラウン２７およびバンド２８に固定後、整流羽根３１の両端部は、傾斜面３８，３８ａを形成するために機械加工が行われる。
【００４９】
整流羽根３１の両端部に傾斜面３８ａ，３８ｂが成形加工されると、本実施形態は、クラウン２７とバンド２８とで形成された流路３９に揚重機等で搬送、挿通させ、相手側の整流羽根３１の傾斜面に当接させる。
【００５０】
このように、本実施形態は、精密鋳造等でランナ羽根２６と整流羽根３１とを十字状に一体製作した整流羽根一体構造ランナ羽根３７を、クラウン２７とバンド２８との間に形成する流路３９に設けるとともに、整流羽根３１の両端を傾斜面３８ａにし、隣接する相手側の整流羽根一体構造ランナ羽根３７ａにおける整流羽根３１の両端を傾斜面３８ｂにし、接触面積をより多く確保させたので、ランナ羽根２６と整流羽根３１との一体構造の下、正確な位置に設置することができ、接続強度を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係るフランシス型水車ランナの第１実施形態を示す概念図。
【図２】図１のＣ−Ｃ矢視方向から見た正面図。
【図３】本発明に係るフランシス型水車ランナの第２実施形態を示す概念図。
【図４】本発明に係るフランシス型水車ランナの第３実施形態を示す概念図。
【図５】本発明に係るフランシス型水車ランナの第４実施形態を示す概念図。
【図６】本発明に係るフランシス型水車ランナの第５実施形態を示す概念図。
【図７】従来のフランシス型水車ランナを示す概念図。
【図８】設計運転時、主流の挙動を示すフランシス型水車ランナの概念図。
【図９】流量「小」運転時、主流の挙動を示すフランシス型水車ランナの概念図。
【図１０】流量「大」運転時、主流の挙動を示すフランシス型水車ランナの概念図。
【図１１】フランシス型水車ランナに発生する二次流れを模式的に表わして説明する図。
【図１２】図１１のＡ−Ａ矢視方向から見た正面図。
【図１３】ランナ羽根に整流羽根を設けた従来のフランシス型水車ランナの概念図。
【図１４】図１３のＢ−Ｂ矢視方向から見た正面図。
【符号の説明】
【００５２】
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
６，６ａ，６ｂランナ羽根
７クラウン
８バンド
９主軸
１０発電機
１１ランナコーン
１２流路
１３正圧面
１４負圧面
１５整流羽根
２１ケーシング
２２ステーベーン
２３ガイドベーン
２４ランナ
２５吸出し管
２６ランナ羽根
２６ａ上側ランナ羽根
２６ｂ下側ランナ羽根
２７クラウン
２８バンド
２９主軸
３１整流羽根
３２締結具
３３締結具収容穴
３４溶接部
３５楔状溝
３６台形状溝
３７，３７ａ整流羽根一体構造ランナ羽根
３８ａ，３８ｂ傾斜面
３９流路

【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に接続される環状のクラウンと、このクラウンに対峙し、前記回転軸と同軸に配置される環状のバンドと、これらクラウンおよびバンド間に形成された流路に対して周方向に列状に配置された複数枚のランナ羽根と、前記クラウンおよび前記バンドに対してほぼ平行に配置された整流羽根とからなるフランシス水車型ランナにおいて、
前記ランナ羽根は、当該ランナ羽根の高さ方向の中間位置で前記整流羽根によって上側ランナ羽根と下側ランナ羽根とに分割されるとともに、当該分割された上側ランナ羽根と下側ランナ羽根との相対位置が周方向にずれていることを特徴とするフランシス型水車ランナ。
【請求項２】
円周方向にずらして配置する上側ランナ羽根および下側ランナ羽根は、整流羽根に対し、着脱自在に取り付ける締結具を備えたことを特徴とする請求項１記載のフランシス型水車ランナ。
【請求項３】
整流羽根は、締結具を収容する締結具収容穴を備えたことを特徴とする請求項２記載のフランシス型水車ランナ。
【請求項４】
円周方向にずらして配置する上側ランナ羽根および下側ランナ羽根は整流羽根に対し、溶接接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載のフランシス型水車ランナ。
【請求項５】
円周方向にずらして配置する上側ランナ羽根および下側ランナ羽根を装着する整流羽根は、楔状溝を備え、この楔状溝に前記上側ランナ羽根および前記下側ランナ羽根を装着後、溶接接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載のフランシス型水車ランナ。
【請求項６】
円周方向にずらして配置する上側ランナ羽根および下側ランナ羽根を装着する整流羽根は、台形状溝を備え、この台形状溝に前記上側ランナ羽根および前記下側ランナ羽根を装着後、溶接接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載のフランシス型水車ランナ。
【請求項７】
円周方向にずらして配置する上側ランナ羽根と下側ランナ羽根とは、相対位置が周方向に１／２ピッチずらしていることを特徴とする請求項１〜６記載のフランシス型水車ランナ。
【請求項８】
回転軸に接続される環状のクラウンと、このクラウンに対峙し、前記回転軸と同軸に配置される環状のバンドと、これらクラウンおよびバンド側に形成された流路に対して周方向に列状に配置された複数枚のランナ羽根と、前記クラウンおよび前記ンドに対してほぼ平行に配置された整流羽根とからなるフランシス水車型ランナにおいて、
前記ランナ羽根と整流羽根とを十字状に一体構造にして周方向に列状に配置し、前記ランナ羽根の高さ方向頂部側端部と根元側端部とをそれぞれ前記クラウンおよび前記バンドに固定するとともに、隣接する前記整流羽根の端部相互間を当接させる構成としたことを特徴とするフランシス水車型ランナ。
【請求項９】
整流羽根とランナ羽根とで十字状に一体形成する整流羽根一体構造ランナ羽根は、前記整流羽根の端部を傾斜面に形成したことを特徴とする請求項７記載のフランシス型水車ランナ。
【請求項１０】
クラウンと当該クラウンからランナ羽根の高さ方向の中間部までの部分である上側ランナ羽根とを一体に作製し、バンドと当該バンドからランナ羽根の高さ方向の中間部までの部分である下側ランナ羽根とを一体に作製し、
次に、前記上側ランナ羽根と、前記下側ランナ羽根とが周方向に１／２ピッチずれるように前記クラウンおよび前記バンドを保持した状態で、前記上側ランナ羽根と下側ランナ羽根との分割面間に整流羽根を配置し、
しかる後に、整流羽根を上側ランナ羽根と下側ランナ羽根に固定することを特徴とするフランシス水車型ランナの製造方法。
【請求項１１】
クラウンおよびバンドとを別々に作製し、
高さ方向に頂部および根元部を有するランナ羽根と、当該ランナ羽根の圧力面側および負圧面側からそれぞれ横方向に延びる整流羽根とを十字状にして一体的に作製し、
前記ランナ羽根の高さ方向頂部側、根元部側とをそれぞれ前記クラウンおよびバンドに固定し、
前記整流羽根の横方向に延びる端部相互を当接させることを特徴とするフランシス水車型ランナの製造方法。

【図１】