JP2006153011A

JP2006153011A - フランシス型水車用のランナ

Info

Publication number: JP2006153011A
Application number: JP2005337985A
Authority: JP
Inventors: Stuart T Coulson; スチュアート・トーマス・コウルソン; Hung Do; ハン・ドュウ
Original assignee: General Electric Canada Co
Current assignee: General Electric Canada Co
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2006-06-15
Also published as: NO20055637D0; EP1662136A2; CA2488714A1; KR20060061278A; US20060115357A1; CN1818373A; EP1662136A3; NO20055637L; RU2005137144A; BRPI0505157A

Abstract

【課題】フランシス型水車用のランナを開示する。
【解決手段】本ランナ（１０）では、各ランナブレード（１３）は、偏向エッジ部分（１１０）を含む出口エッジ（１６）を有する。偏向エッジ部分（１１０）は、ランナ（１０）のバンド（１１）に対する出口エッジ（１６）の接合又は取付けポイント（Ｂ）に隣接して設置されて、該バンド（１１）に隣接してブレード（１３）の応力低減先端延長部分（１３０）を形成する。この先端延長部分（１３０）により、出口エッジ（１６）がランナバンド（１１）に接合する箇所に隣接した応力集中を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水圧機械に関し、具体的にはフランシス型機械用のランナの改良に関する。

従来のフランシス型ランナは、同心のバンド又はリングを備えたクラウンと、クラウン及びリング間で延びかつクラウンをリングと相互結合するブレードのアレイとで構成されている。ランナは、ブレードのアレイにおいて各対の隣接するブレード間に形成された複数の流路を通過する水の作用によってクラウンの軸線の周りで回転する。ブレードの各々は、回転方向に先行する負圧側面と回転方向に追従する背向正圧側面との間に境界線を形成する流れ分割エッジを有する。ブレードの入口におけるこのエッジは通常、ランナの回転方向にバンドからクラウンに向かって前方に延びる傾斜を形成するように配向される。

さらに最近では、１９９８年２月１２日に公開されたＢｉｌｌｄａｌ他の国際特許第９８／０５８６３号には、各ブレードが入口エッジ及び出口エッジを有するようなフランシス型水車用のランナが開示されている。このブレードは、水車の回転方向において、バンドにおける各ブレード入口エッジの接合ポイントがクラウンにおける該ブレードの入口エッジ取付けポイントの前方に位置し、またクラウンにおける各ブレード出口エッジの接合ポイントがバンドにおける該ブレードの出口エッジ取付けポイントの前方に位置していることに特徴がある。ブレードの入口エッジ及び出口エッジ間の捻れた態様のために、このブレードは通常、「Ｘブレード」と呼ばれる。

前述のフランシス型ランナのブレードは、ランナバンドとブレード出口エッジとの接合部に収束点を有する静的及び動的応力集中を受ける。この現象により、バンドに隣接してブレード腐食及び割れが生じることになる。さらに、この現象は、「Ｘブレード」ランナにおいていっそう際だっている。これ迄は、ランナブレードにおける応力集中ポイントを減少させるためには、ブレードは、バンドとの接合部近傍を厚くするか又は該ブレードをバンドに接合するフィレットの寸法を増大させるかの何れかであった。しかしながら、バンドとの接合部近傍のブレードを厚くすることは、応力集中を緩和するために寸法を大きなものにしなければならず、このことは、より費用のかかる解決策となる。溶接フィレット寸法を増大させることも同様に、ランナの製造コストを増やし、被着させる溶接材料の増加によってランナの変形による問題を引き起こすおそれがある。これら両方の従来型の解決策は一般的に、ブレードに一様でない表面輪郭を付加し、この一様でない表面輪郭により、ランナの効率及びキャビテーション現象の両方における水理学的性能にマイナスの影響が生じることになる。
国際特許第９８／０５８６３号

本発明は、フランシス型水車用のランナに関し、本ランナでは、各ランナブレードは、偏向エッジ部分を含む出口エッジを有する。偏向エッジ部分は、ランナのバンドに対する出口エッジの接合又は取付けポイントに隣接して設置されて、該バンドに隣接してブレードの応力低減先端延長部分を形成する。

先端延長部分は、バンドに隣接する出口エッジに該先端延長部分としてのブレードの形状を有することによって、静的及び動的応力集中の両方を低減する。ブレードのこの先端延長部分は、この先端延長部分が最少のブレードボリュームを付加しかつ著しい応力低減をもたらすので、コーナ部に材料を肉盛りしようとするか又は溶接フィレットを厚くしようとするよりも製造コストが安くつく。先端延長部分は、水理学的設計段階でブレード内に組み込まれるので、溶接フィレット寸法は小さい状態のままであり、水理学的性能又はキャビテーション現象へのマイナスの影響は全くない。さらに、既存のランナブレードでは、ブレード出口エッジ部分とバンドとの間の接合部分においてその形状を変えて、出口エッジがクラウンとバンドとの間で連続的になるように先端延長部分を形成することができると考えられる。

実施形態によると、フランシス型水車用のランナを提供し、本ランナは、バンドと、クラウンと、湾曲した形状を有しかつバンド及びクラウンに取付けられた複数のブレードとを含む。各ブレードは、水車内で上流に面するようになった流れ分割入口エッジと、水車から吸出管に向かって下流に面するようになった出口エッジとを含む。出口エッジは、クラウン及びバンド間で延びる連続形エッジと、バンドに隣接して設置されかつ第１の接合ポイントにおいて該バンドと交わる偏向エッジ部分とを含む。偏向エッジ部分は、バンドに隣接してブレードの応力低減先端延長部分を形成する。第１の接合ポイントは、ランナの回転方向において、偏向エッジ部分を備えていない状態でのバンドと出口エッジとの予測接合ポイントから下流側に位置している。

１つの実施形態では、偏向エッジ部分は、ランナ内をその出口開口から注視した場合に鋭角でバンドと交わる。

１つの実施形態では、偏向エッジ部分は、バンドの出口直径の少なくとも３％である該バンドからの半径方向変位量を有する。

本発明の本質をさらによく理解するために、実施例として添付した概略図面を参照することができる。

図１は、公知の先行技術のランナ１０を概略的に示し、先行技術のランナ１０は、バンド又はリング１１とハブ又はクラウン１２とを有し、これらに対してブレード１３が通常の方法で取付けられる。ランナ１０は、矢印Ｒの方向に回転して、各ブレード１３が回転方向に先行する負圧側面４０と回転方向に追従する正圧側面５０とを形成するようになる。図１のブレード構成において、ブレード１３の各々は、ブレード１３の出口エッジ１６がバンド１１に取付け又は接合された箇所に隣接してコーナ部６０を有することに注目されたい。ブレード１３が上述の静的及び動的応力集中を受けるのは、図１における約９０度のこのコーナ部６０である。

図２〜図４を参照すると、本発明によるランナ１０をさらに、クラウン１２を備えた状態で示す。明確にするために、実際の周囲リング又はバンドは、図２では省略している。ここでは、図２の図示した回転方向Ｒを考慮したとき、ブレード１３の流れ分割入口エッジ１５は、図１の設計と比較して逆の傾きを有している。図２に示すブレード１３は、「Ｘブレード」構成のものである。このような構成では、ブレード出口エッジ１６は、クラウン１２からバンド１１に向かって見たとき、前方に傾斜した状態で延びる。これまでの詳細な説明は、「Ｘブレード」構成を有するブレード１３に関するものであったが、本発明はまた、例えば図１に示すランナような他の構成のブレードにおいても有効であることを理解されたい。

図３に、また図４には部分的に、実施可能な方法として本明細書で説明する特定のブレード形状を特徴付けると考えることができるポイント又は位置を示すための矢印をこのランナ構成内に挿入している。それらのポイントには下記のものがある。
Ａ：バンド１１における流れ分割ブレード入口エッジ１５の接合又は取付けポイント、
Ｂ：バンド１１におけるブレード出口エッジ１６の取付けポイント、
Ｃ：クラウン１２における入口エッジ１５の取付けポイント、及び
Ｄ：クラウン１２における出口エッジ１６の取付けポイント（ポイントＤは図３には図示せず）
図５の概略軸方向断面図は、上述のポイントＡ、Ｂ、Ｃ及びＤがどのようにしてバンド１１、クラウン１２及びブレード１３の構成において定められるかのより完全かつ明確な実例を示す。図５（また、図６）における４つのポイントの各々は、小円を用いて示している。図５はまた、ランナの回転軸線Ａｘを示し、この図においてさらに、２つの寸法、すなわちポイントＤに対する直径ＤｄとポイントＢに対する直径Ｄｂとを示している。図示した実施形態では、軸線Ａｘは垂直方向に延びる。図５において、ランナ１０内におけるブレード１３の配向は、水車の上流部分２１とランナ１０の下流側に設置された吸出管とに対して示している。ここでは、流れ分割入口エッジ１５は水車の上流２１に面し、また出口エッジ１６は吸出管１９に向かって水車の下流に面している。

図３、図４及び図５は、上述の４つのポイントＡ、Ｂ、Ｃ及びＤが回転軸線に関して角度的にどのように位置しているかを示す。この軸線は、図６の概略図では原点によって表されている。従って、図６は、図５を軸方向に見たときのブレード３を示す。回転方向は再度、矢印Ｒを用いて図６に示す。

ポイントＡは、回転方向Ｒに見たときに、ポイントＣの前方に位置し、またポイントＢは、回転方向Ｒに見たときに、ポイントＤを先行している。これは、ブレード１３の「Ｘブレード」構成の特定のかつ調整したねじれ形状に影響を与える構成となる。バンド１１における流れ分割ブレード入口エッジ１５の接合又は取付けポイントＡは、クラウン１２における入口エッジ接合又は取付けポイントＣの前方に位置する。同様に、バンド１１におけるブレード出口エッジ１６の取付けポイントＢは、ランナの回転方向Ｒに見たときに、クラウン１２における出口エッジ取付けポイントＤの前方に位置する。

図２、図４、図６及び図７で分かるように、本発明は、静的及び動的応力集中の両方を低減するための、ランナ出口においてバンド１１に隣接したブレード１３の出口エッジ１６の形状に関する。ブレード１３は、バンド１１に隣接して尖った形状のポインテッド先端延長部分１３０を含む。図示した実施形態では、先端延長部分１３０は、凸形偏向エッジ部分１１０内に延びる緩やかに湾曲した凹形輪郭を有する非偏向エッジ部分１００を含む出口エッジ１６によって得られる。凸形偏向エッジ部分１１０は、バンド１１に対する出口エッジ１６の接合又は取付けポイントＢに隣接して設置され、先端延長部分１３０を形成する。図５において、先端延長部分１３０は、ランナ１０内をその出口開口１１５から注視した場合に、偏向エッジ部分１１０がバンド１１と交わる鋭角αを形成する。凸形偏向エッジ部分１１０は、バンド１１の出口直径ＤＥ（図３）の少なくとも３％である該バンド１１からの半径方向変位量ｄＲ（図７）を有する。非偏向エッジ部分１００及び凸形偏向エッジ部分１１０は、偏向ポイント１２０で交わる。偏向ポイント１２０は、半径方向変位量ｄＲだけバンド１１から位置ずれしている。ランナ出口開口内を注視した場合に、凸形偏向エッジ部分１１０により、ブレード１３の出口エッジ１６とバンド１１との間に形成される角度の減少がもたらされ、この角度は、そうでなければ、「Ｘブレード」設計では鈍角になることになる。

図８ａ〜図８ｃを参照すると、偏向ブレード部分１１０の様々な長さ形状を示している。図８ａは、バンド１１に隣接した偏向ポイント１２０を有する出口エッジ１６を示し、ここでは偏向エッジ部分１１０は上述のように凸形長さを有する。図８ｂにおいては、偏向エッジ部分１１０の別の実施形態を示し、ここでは偏向部分１１０は直線長さである。図８ｃは、さらに別の実施形態を示し、ここでは偏向エッジ部分１１０は凹形／凸形すなわち蛇行形長さを有する。図８ａ〜図８ｃの実施形態の各々において、出口ブレード１６の非偏向エッジ部分１００は、鋭角コーナ部又はエッジがない状態で、偏向ポイント１２０において連続形偏向エッジ部分１１０に緩やかに曲がり込んだ滑らかなすなわち漸進的な輪郭を有する。従って、出口エッジ１６は、クラウン１２とバンド１１との間に連続したエッジを有する。

図６及び図８ａ〜図８ｃを参照すると、先端延長部分１３０により、第１の接合ポイントＢは、ランナ１０の回転方向Ｒにおいて、非偏向エッジ部分１００の輪郭が点線で示すように連続しているとした場合或いはそれに代えて出口エッジ１６が偏向エッジ部分１１０を持たなかった場合におけるバンド１１と出口エッジ１６との予測接合ポイントＢ’から下流側に位置することになることが分かる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には明らかであろう。

従来のブレード構成を有するフランシス型ランナの斜視図。本発明によるランナの実施形態の実例を示す、幾らか異なる簡略斜視図。図２のランナの正面図。ランナ内をその出口開口から注視した、図３のランナを示す図。単一ブレードの概略軸方向断面（子午線断面）を示す図。本発明によるランナのブレードの負圧側面を軸方向に見たときの対応するブレードを示す図。単一ブレードの下方からの平面図。バンドに隣接するブレードの偏向エッジ部分の湾曲を示す、ランナの出口開口内を注視した場合の１つのブレードの図。バンドに隣接するブレードの偏向エッジ部分の湾曲を示す、ランナの出口開口内を注視した場合の１つのブレードの図。バンドに隣接するブレードの偏向エッジ部分の湾曲を示す、ランナの出口開口内を注視した場合の１つのブレードの図。

符号の説明

１０ランナ
１１バンド
１２クラウン
１３ブレード
１５流れ分割入口エッジ
１６ブレード出口エッジ
１００非偏向エッジ部分
１１０偏向エッジ部分
１１５ランナ出口開口
１２０偏向ポイント
１３０先端延長部分

Claims

フランシス型水車用のランナであって、
バンド（１１）と、クラウン（１２）と、湾曲した形状を有しかつ前記バンド（１１）及びクラウン（１２）に取付けられた複数のブレード（１３）とを含み、
各ブレード（１３）が、水車内で上流に面するようになった流れ分割入口エッジ（１５）と、水車から吸出管（１９）に向かって下流に面するようになった出口エッジ（１６）とを含み、
前記出口エッジ（１６）が、前記クラウン（１２）及びバンド（１１）間で延びる連続形エッジと、前記バンド（１１）に隣接して設置されかつ第１の接合ポイント（Ｂ）において該バンド（１１）と交わる偏向エッジ部分（１１０）とを含み、
前記偏向エッジ部分（１１０）が、前記バンド（１１）に隣接して前記ブレード（１３）の応力低減先端延長部分（１３０）を形成し、
前記第１の接合ポイント（Ｂ）が、該ランナ（１０）の回転方向（Ｒ）において、前記偏向エッジ部分（１１０）を備えていない状態での前記バンド（１１）と出口エッジ（１６）との予測接合ポイント（Ｂ’）から下流側に位置していることを特徴とするランナ。
該ランナの回転方向（Ｒ）に見たときに、前記バンド（１１）における前記ブレード入口エッジ（１５）の第２の接合ポイント（Ａ）が、前記クラウンにおける入口エッジ接合ポイント（Ｃ）の前方に位置し、また前記バンド（１１）における前記ブレード出口エッジ（１６）の第１の接合ポイント（Ｂ）が、前記クラウン（１２）における出口エッジ取付けポイント（Ｄ）の前方に位置していることを特徴とする請求項１記載のランナ。
前記ブレード（１３）の先端延長部分（１３０）が、該ブレードと一体形に形成されていることを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項記載のランナ。
前記偏向エッジ部分（１１０）が、直線形、凸形及び蛇行形の群から選択された長さ形状を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載のランナ。
該ランナ内をその出口開口（１１５）から注視した場合に、前記先端延長部分（１３０）が、前記偏向エッジ部分（１１０）が前記バンド（１１）と交わる鋭角（α）を形成していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項記載のランナ。
前記偏向エッジ部分（１１０）が、前記バンド（１１）の出口直径（ＤＥ）の少なくとも３％である該バンド（１１）からの半径方向変位量（ｄＲ）を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載のランナ。
前記ブレードの出口エッジが、湾曲した非偏向エッジ部分（１００）を含み、前記偏向エッジ部分（１１０）が、偏向ポイント（１２０）において前記湾曲した非偏向エッジ部分（１００）から連続していることを特徴とする請求項６記載のランナ。
前記偏向ポイント（１２０）が、前記半径方向変位量（ｄＲ）だけ前記バンド（１１）から位置ずれしていることを特徴とする請求項７記載のランナ。