JP2006291865A - 水力機械のランナおよび水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 水流がランナ羽根の負圧面から剥離することを抑制することで、機器効率の低下や振動、騒音を防止することができ、また、ランナ羽根の負圧面のキャビテーションによる壊食を抑制すること。
【解決手段】 水力機械のランナ１０は、回転軸１１と、この回転軸１１に連結されたランナクラウン１２と、ランナクラウン１２から離間して位置するランナバンド１３と、ランナクラウン１２とランナバンド１３との間であって回転軸１１の周りに複数枚配置されたランナ羽根２０とを備えている。各ランナ羽根２０は、負圧面２３において膨らみ部２５を有している。この膨らみ部２５は、ランナ羽根２０における水車運転時の水流の入口側先端Ｐ_ａの近傍に設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水車運転を行う水力機械のランナに関し、とりわけ水流がランナ羽根の負圧面から剥離することを抑制することができるフランシス水車ランナに関する。

従来より、回転軸と、この回転軸に連結されたランナクラウンと、ランナクラウンから離間して位置するランナバンドと、ランナクラウンとランナバンドとの間であって回転軸の周りに複数枚配置されたランナ羽根とを備えた、ポンプ運転や水車運転を行う水力機械のランナが知られている。
このような水力機械のランナは、ポンプ運転時には例えば発電電動機により回転駆動されたランナによって、下池から水が吸い上げられて上池に運搬されるようになっている。一方、水車運転時には水力機械のランナは上方から供給される水によって回転駆動力を得て回転し、発電を行うことができるようになっている。

上述の水力機械のランナは、常に最高効率点付近の良好な運転条件下で運転されるわけではなく、例えば河川等の流況や電力の需要の大きさによって、当該水力機械に関する落差や流量（出力）が変化する。
ここで、最高効率点から離れた運転条件下で水車運転を行う場合、ランナ羽根における水流の入口側先端において、回転系から見た水流の相対的な向きとランナ羽根の延びる向きとの間にずれが生じたり、ランナ出口において、大きな旋回成分を有する水流が流出したりすることがある。このため、水力機械の運転効率の低下を招くとともに不安定な流動状態に陥りやすくなる。特に流量が小さな部分負荷運転においては、運転条件によってはランナ羽根の入口側先端付近において水流がランナ羽根の表面から剥離してキャビテーションが発生し、機器の振動や騒音、場合によってはランナ羽根の壊食が発生するおそれがある。

このようなランナ羽根の入口側先端付近における水流の剥離やキャビテーションを抑制する方法としては、主にポンプ水車のランナにおいて、ランナ羽根の圧力面における水車運転時の水流の入口側先端の近傍に膨らみ部を設ける方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、ランナ羽根の圧力面とは、ランナ羽根における水流を受ける面のことをいう。
このような方法を用いることにより、水車運転の低落差運転時においても回転系から見た水流の相対的な向きとランナ羽根の圧力面の入口先端付近の向きとの間のずれを小さくすることができ、低落差運転時の水流がランナ羽根の圧力面に沿って流れるようになる。

特開平１１−３４３９５５号公報

一方、専ら水車運転を行う発電専用のフランシス水車ランナにおいては、発電所の運転要項と、これに合うよう選定された水車の水力特性との関係に起因して、高落差側の部分負荷運転では図１０に示すようなランナ羽根の負圧面における水流の剥離（剥離渦）がより一層問題となる。
最高効率点近傍の運転点では、水流の相対的な向きと、ランナ羽根の延びる向きとはほぼ一致して良好な流れとなるのに対して、高落差側の部分負荷運転では図１０に示すように、相対速度Ｗの向きと羽根の角度にずれが生じ、このずれが大きくなると、水流がランナ羽根５０の入口側先端Ｐ_ａで負圧面５３に沿って回り込むことができなくなって水流の剥離が発生する。なお、図１０において、矢印Ｖは水車運転時の水流の静止系から見た速度（絶対速度）のベクトルを示し、矢印Ｕはランナ羽根５０の入口側先端Ｐ_ａの回転による周速度ベクトルを示している。また、相対速度Ｗが周方向、すなわち周速度とのなす角度を流れ角度β、ランナ羽根の延びる向きと周方向とのなす角度を羽根角度αとする。流れ角度βと羽根角度αとの間のずれによって発生する入口側先端Ｐ_ａ付近での剥離は、ランナ羽根５０の下流側においても再付着せずに大きな剥離となって機器効率を大幅に低下させ、またエネルギーの高いランナ入口部分での水流を巻き込むために大きな騒音や振動を発生させてしまうという問題がある。また、この剥離が渦状となって巻き上がり、その中心部での圧力が低下してキャビテーション状になることもあり、発達すると機器に接触して壊食を生じさせることもある。さらに、剥離が生じない場合においても図１１に示すように、水流がランナ羽根５０の先端部付近を回り込む際にキャビテーションが発生し、ランナ羽根５０の負圧面５３側の表面が壊食されてしまうという問題もある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであって、水流がランナ羽根の負圧面から剥離することを抑制することで機器効率の低下や振動、騒音を防止でき、また、ランナ羽根の負圧面のキャビテーションによる壊食を抑制することができる水力機械のランナおよび水力機械を提供することを目的とする。

本発明は、回転軸と、この回転軸に連結されたランナクラウンと、このランナクラウンから離間して位置するランナバンドと、ランナクラウンとランナバンドとの間であって回転軸の周りに複数枚配置されたランナ羽根とを備えた、水車運転を行う水力機械のランナにおいて、各ランナ羽根は、負圧面において水車運転時の水流の入口側先端の近傍に膨らみ部を有することを特徴とする水力機械のランナである。
このような水力機械のランナによれば、各ランナ羽根の負圧面に膨らみ部を設けない場合と比べて、回転系から見た水流の相対的な向きと、ランナ羽根の入口側先端の近傍における負圧面の向きとの間のずれを小さくすることができ、水流がランナ羽根の負圧面から剥離する限界流量を大幅に低減することができる。

本発明の水力機械のランナにおいては、各ランナ羽根の膨らみ部は、ランナ羽根の入口側先端から、ランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置までの範囲内に位置することが好ましい。
このような水力機械のランナによれば、ランナ羽根の厚さが最大となる位置を入口側先端により近づけることができ、膨らみ部の曲率半径をより小さなものとすることができるので、ランナ羽根の入口側先端の近傍における負圧面の向きとの間のずれをより小さくすることができる。

本発明の水力機械のランナにおいては、各ランナ羽根の膨らみ部は、ランナ羽根の入口側先端から水流に沿って延びる凸形状の第１の表面部分と、第１の表面部分に後続する凹形状の第２の表面部分とを有することが好ましい。
このような水力機械のランナによれば、ランナ羽根の負圧面においてキャビテーションが発生した場合であっても、このキャビテーションは第１の表面部分における膨らみ部が最大厚さとなる位置の下流側に発生することとなり、しかも第２の表面部分が凹形状となっているのでこのキャビテーションの発生位置はランナ羽根の負圧面から離間した位置となる。このため、キャビテーションによるランナ羽根の壊食を抑止することができる。また、仮にこの部分で流れが剥離しても、入口端での剥離とは異なり、羽根角度と流れ角度との差は小さく、直ちに再付着するため、大きな効率低下や騒音、振動は生じない。

本発明の水力機械のランナにおいては、各ランナ羽根の膨らみ部の最大厚さをＴ_ｍａｘ、このランナ羽根の入口側先端からランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置における基準厚さをＴ_０としたとき、前記最大厚さＴ_ｍａｘと前記基準厚さＴ_０との比が１．１≦Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０≦１．６となっていることが好ましい。
このような水力機械のランナによれば、水車運転時の水流が膨らみ部に衝突することにより発生する水力損失を小さくすることができるとともに、水流がランナ羽根の負圧面から剥離する限界流量を大幅に低減することができる。

本発明の水力機械のランナにおいては、各ランナ羽根の膨らみ部の最大厚さをＴ_ｍａｘ、このランナ羽根の入口側先端から前記膨らみ部が最大厚さを有する位置までの間の距離をＬ_ｍａｘとしたとき、前記距離Ｌ_ｍａｘと前記最大厚さＴ_ｍａｘとの比が０．５≦Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘ≦０．８となっていることが好ましい。
このような水力機械のランナによれば、水車運転時の水流が膨らみ部に衝突することにより発生する水力損失を小さくすることができるとともに、水流がランナ羽根の負圧面から剥離する限界流量を大幅に低減することができる。

本発明の水力機械のランナにおいては、各ランナ羽根において入口側先端から膨らみ部が最大厚さを有する位置までの間の距離をＬ_ｍａｘ、前記膨らみ部が最大厚さを有する位置から下流側に最も近い位置であって、ランナ羽根の入口側先端からランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置における基準厚さＴ_０と同じ厚さとなる位置と、前記入口側先端との間の距離をＬ_Ｒとしたとき、１．５≦Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘ≦５．５となっていることが好ましい。
このような水力機械のランナによれば、水車運転時の水流が膨らみ部に衝突することにより発生する水力損失を小さくすることができるとともに、水流がランナ羽根の負圧面から剥離する限界流量を大幅に低減することができる。

本発明の水力機械のランナにおいては、各ランナ羽根の膨らみ部は、ランナクラウンの入口側端部から、前記回転軸が延びる方向における当該ランナクラウンの入口側端部とランナバンドの入口側端部との間の距離Ｂ_０の０．４〜０．７倍の距離Ｂ_ｍの位置までの範囲内におけるランナ羽根の入口側先端の近傍に位置することが好ましい。
このような水力機械のランナによれば、剥離限界流量を大幅に低減させることができ、ランナ羽根の負圧面からの水流の剥離を効率よく抑制することができる。

本発明は、上述の水力機械のランナを備えた水力機械である。

本発明の水力機械のランナおよび水力機械によれば、各ランナ羽根の負圧面に膨らみ部を設けない場合と比べて、回転系から見た水流の相対的な向きと、ランナ羽根の入口側先端の近傍における負圧面の向きとの間のずれを小さくすることができる。このため、水流がランナ羽根の負圧面から剥離することを抑制して機器効率の低下や振動、騒音を防止することができ、また、ランナ羽根の負圧面のキャビテーションによる壊食を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図９は、本発明による水力機械のランナの実施の形態を示す図である。このうち、図１は、本実施の形態の水力機械のランナの構成を示す断面図であり、図２は、図１の水力機械のランナのランナ羽根の構成を示す横断面図であり、図３は、図２のランナ羽根の入口側先端の拡大図であり、図４は、図１の水力機械のランナの鎖線部分の拡大図であり、図５は、図１の水力機械に関する落差Ｈと流量Ｑとの関係を示すグラフである。
また、図６は、図３のランナ羽根の最大厚さＴ_ｍａｘと基準厚さＴ_０との比Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０と、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ示すグラフであり、図７は、図３のランナ羽根の距離Ｌ_ｍａｘと最大厚さＴ_ｍａｘとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘと、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ示すグラフであり、図８は、図３のランナ羽根の距離Ｌ_Ｒと距離Ｌ_ｍａｘとの比Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘと、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ示すグラフであり、図９は、図４のランナにおける距離Ｂ_ｍと距離Ｂ_０との比Ｂ_ｍ／Ｂ_０と、剥離限界流量指数との関係を示すグラフである。

図１に示す水力機械のランナ（羽根車）１０は、フランシス水車ランナからなるものであり、上方において発電機（図示せず）に接続された回転軸１１と、回転軸１１に連結されたランナクラウン１２と、ランナクラウン１２の外方に位置するランナバンド１３と、ランナクラウン１２とランナバンド１３との間であって回転軸１１の周りに複数枚配置されたランナ羽根２０とを備えている。また、このようなランナ１０が設けられた水力機械には、ケーシング３と、ステーベーン４と、ガイドベーン５と、吸出し管６とが更に設けられており、水車運転時に、上池（図示せず）からの水がケーシング３に導かれ、ステーベーン４の間を通り、ガイドベーン５で整流され、主流は矢印Ｆに示すようにランナ１０に外側から流入するようになっている。矢印Ｆで示される主流はランナ１０からその下方の吸出し管６を経て、放水路等の下池（図示せず）に放出されるようになっている。

以下、本実施の形態の水力機械のランナ１０の各ランナ羽根２０の構成について図２乃至図４を用いて詳述する。
各ランナ羽根２０は、図２に示すように、水車運転時の水流（図２の矢印Ｖ参照）を受ける圧力面２２と、この圧力面２２の反対側に設けられた負圧面２３とを備え、図４に示すように、ランナクラウン１２およびランナバンド１３に両端縁が接続されている。図２および図４において、ランナ羽根２０における水車運転時の水流の入口側の先端はＰ_ａで示され、この水流の出口側の末端はＰ_ｂで表される。
図２において、ベクトルＶは水車運転時の水流の絶対速度（静止系から見た速度）を示している。また、ベクトルＵはランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａの回転による周速度を示している。さらに、ベクトルＷは水車運転時の水流の相対速度（回転系から見た速度）を示している。

図２および図４に示すように、各ランナ羽根２０は、負圧面２３において水流の入口側先端Ｐ_ａの近傍に膨らみ部２５を有している（図４の斜線部分参照）。この膨らみ部２５は、図３に示すように、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａから、ランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置Ｐ_０までの範囲内に位置するようになっている。ここで、ランナ出口径Ｄとは、図１に示すようにランナ１０の出口におけるランナバンド１３の直径をいう。

また、図３に示すように、各ランナ羽根２０の膨らみ部２５は、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａから水流に沿って延びる凸形状の第１の表面部分２５ａと、第１の表面部分２５ａに後続する凹形状の第２の表面部分２５ｂとを有している。
ここで、この第１の表面部分２５ａにおける各ランナ羽根２０の膨らみ部２５の最大厚さをＴ_ｍａｘ、このランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａから前述のランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置Ｐ_０における基準厚さをＴ_０としたとき、最大厚さＴ_ｍａｘと基準厚さＴ_０との比が１．１≦Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０≦１．６となっている（図３参照）。

また、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａから膨らみ部２５が最大厚さを有する位置Ｐ_ｍａｘまでの距離（最短距離）をＬ_ｍａｘとしたときに、この距離Ｌ_ｍａｘと前述の最大厚さＴ_ｍａｘとの比が０．５≦Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘ≦０．８となっている。
さらに、ランナ羽根２０の膨らみ部２５が最大厚さを有する位置Ｐ_ｍａｘから下流側に最も近い位置であって、ランナ羽根２０の厚さが前述の基準厚さＴ_０と同じ厚さ（Ｔ_Ｒ）となる位置をＰ_Ｒとする（図３参照）。ここで、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａと前述の位置Ｐ_Ｒとの間の距離（最短距離）をＬ_Ｒとしたときに、距離Ｌ_Ｒと前述の距離Ｌ_ｍａｘとの比が１．５≦Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘ≦５．５となっている。

また、図４に示すように、ランナ羽根２０の膨らみ部２５は、ランナクラウン１２の入口側端部１２ａから、回転軸１１が延びる方向（図４の上下方向）における当該ランナクラウン１２の入口側端部１２ａとランナバンド１３の入口側端部１３ａとの間の距離Ｂ_０の０．４〜０．７倍の距離Ｂ_ｍの位置Ｐ_ｍまでの範囲内におけるランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａの近傍に位置している。ここで、ランナクラウン１２の入口側端部１２ａおよびランナバンド１３の入口側端部１３ａは、それぞれ水車運転時の水流の入口側にあるランナクラウン１２およびランナバンド１３の端部のことをいう。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
水力機械のランナの水車運転時において、図１に示すように、最初に上池（図示せず）からの水がケーシング３に導かれ、ステーベーン４の間を通り、ガイドベーン５で整流され、主流が矢印Ｆに示すようにランナ１０に外側から流入する。矢印Ｆで示される主流はランナ１０からその下方の吸出し管６を経て、放水路等の下池（図示せず）に放出されるようになっている。

ランナ１０に水流が流入する際に、このランナ１０の各ランナ羽根２０に対して水流が図２の絶対速度Ｖで流入し、ランナ羽根２０の圧力面２２がこの水流を受ける。このことにより、各ランナ羽根２０が回転軸１１を中心として回転し、各ランナ羽根２０の水流の入口側先端Ｐ_ａは図２の周速度Ｕで回転する。このため、回転系から見た水流の相対速度は図２のベクトルＷで示すようになる。すなわち、ランナ羽根２０に対して水流は相対速度Ｗで流入することになる。

この図では、水流の相対速度Ｗの向きとランナ羽根２０の延びる向き（図１０の矢印Ｓ参照）とは一致していないが、これは高落差側の部分負荷に特徴的なフローパタンであり、通常の水車ランナにおいては、図１０に示すように水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離してしまうおそれがある。このような剥離は、図４に示すように、ランナ羽根２０の負圧面２３の入口側先端Ｐ_ａにおいてランナクラウン１２側で発生することが多い。しかしながら、図２のように各ランナ羽根２０が負圧面２３において水流の入口側先端Ｐ_ａのランナクラウン１２側の近傍に膨らみ部２５を有することにより、前述の水流の相対速度Ｗの向きとランナ羽根２０の膨らみ部２５の表面の延びる向きとの間のずれが小さくなり、水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離することを抑制することができる。

ランナ羽根２０の負圧面２３において膨らみ部２５を設けることにより水流のランナ羽根２０の負圧面２３からの剥離が抑制されることについて、図５のグラフを用いて更に詳細に説明する。図５のグラフの横軸は水力機械に対する水流の落差Ｈを表し、縦軸は水流の流量Ｑを表している。また、図５のグラフにおける点線の多重楕円はランナ１０の等効率曲線を示し、グラフにおいて実線で囲まれた斜線部分は水力機械のランナ１０の水車運転時における発電所固有の運転条件の範囲を示す。さらに、グラフにおける鎖線Ａ、Ｂは、それぞれ膨らみ部２５をランナ羽根２０に設けなかった場合と設けた場合の剥離限界流量を各々表している。ここで、剥離限界流量とは、水流の実際の流量がこの剥離限界流量よりも小さいときに水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離してしまう流量のことをいう。

図５に示すように、水力機械の落差Ｈが最高落差である場合において、膨らみ部２５をランナ羽根２０に設けなかった場合（鎖線Ａ参照）には剥離限界流量は図５に示すＱ_０の大きさとなる。一方、膨らみ部２５をランナ羽根２０に設けた場合（鎖線Ｂ参照）には剥離限界流量は前述のＱ_０に比べて△Ｑ分だけ小さくなる。このように、膨らみ部２５をランナ羽根２０に設けることにより、水車運転時の水流の剥離限界流量を低減させることができ、膨らみ部２５をランナ羽根２０に設けなかった場合と比べて水流の流量がより少ない場合であっても当該水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離することがなくなる。

また、ランナ羽根２０の膨らみ部２５は、入口側先端Ｐ_ａから水流に沿って延びる凸形状の第１の表面部分２５ａと、第１の表面部分２５ａに後続する凹形状の第２の表面部分２５ｂとを有している。このため、ランナ羽根２０の負圧面２３においてキャビテーションが発生した場合であっても、図３に示すようにこのキャビテーションは第１の表面部分２５ａにおける膨らみ部２５が最大厚さＴ_ｍａｘとなる位置Ｐ_ｍａｘの下流側に発生することとなり、しかも第２の表面部分２５ｂが凹形状となっているのでこのキャビテーションの発生位置はランナ羽根２０の負圧面２３から離間した位置となる。このため、キャビテーションによるランナ羽根２０の壊食を抑止することができる。
さらに、膨らみ部２５の第２の表面部分２５ｂで水流が負圧面２３から剥離した場合であっても、負圧面２３の延びる向きと位置Ｐ_ｍａｘの下流側における水流の向きとの間のずれは小さく、水流は負圧面２３に直ちに再付着するようになり、大幅な効率低下などは発生しない。

一方、ランナ羽根２０の負圧面２３において水流の入口側先端Ｐ_ａの近傍に膨らみ部２５を設けることにより、水車運転時の水流がこの膨らみ部２５に衝突することによる水力損失△ｈが増大してしまう。このため、ランナ羽根２０の膨らみ部２５の形状は、この水力損失△ｈができるだけ小さくなるとともに、剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）ができるだけ小さくなるようなものが求められる。
ここで、剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）とは、図５に示すように、水力機械の落差Ｈが最高落差である場合における、膨らみ部２５をランナ羽根２０に設けなかった場合の剥離限界流量Ｑ_０の大きさと比較した、膨らみ部２５をランナ羽根２０に設けた場合の剥離限界流量の減少量△Ｑに関する指数のことをいい、この剥離限界流量指数が小さくなればなるほどランナ羽根２０の負圧面２３からの水流の剥離をより抑制することができるようになっている。
以下、ランナ羽根２０の膨らみ部２５の形状と、水力損失および剥離限界流量指数との各々の関係について詳述する。

図６に、図３のランナ羽根２０の最大厚さＴ_ｍａｘと基準厚さＴ_０との比Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０と、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ表すグラフを示す。このグラフにおいて、横軸はランナ羽根２０の最大厚さＴ_ｍａｘと基準厚さＴ_０との比Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０を示し、左側縦軸は水力損失△ｈを示し、右側縦軸は剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を示す。
また、図６のグラフにおける実線部分は水力損失の大きさを表し、点線部分は剥離限界流量指数を表している。

図６のグラフに示すように、比Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０が１．６以下である場合には水力損失△ｈが急激に増大することを抑制することができる。一方、比Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０が１．１以上である場合には剥離限界流量指数が急激に増大することを抑制することができる。このように、最大厚さＴ_ｍａｘと基準厚さＴ_０との比が１．１≦Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０≦１．６となっていることにより、水力損失△ｈを小さくすることができるとともに剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を小さくすることができる。

図７に、図３のランナ羽根２０の距離Ｌ_ｍａｘと最大厚さＴ_ｍａｘとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘと、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ表すグラフを示す。このグラフにおいて、横軸はランナ羽根２０の距離Ｌ_ｍａｘと最大厚さＴ_ｍａｘとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘを示し、左側縦軸は水力損失△ｈを示し、右側縦軸は剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を示す。
また、図７のグラフにおける実線部分は水力損失の大きさを表し、点線部分は剥離限界流量指数を表している。

図７のグラフに示すように、比Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘが０．５以上である場合には水力損失△ｈが急激に増大することを抑制することができる。一方、比Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘが０．８以下である場合には剥離限界流量指数が急激に増大することを抑制することができる。このように、距離Ｌ_ｍａｘと最大厚さＴ_ｍａｘとの比が０．５≦Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘ≦０．８となっていることにより、水力損失△ｈを小さくすることができるとともに剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を小さくすることができる。

図８に、図３のランナ羽根２０の距離Ｌ_Ｒと距離Ｌ_ｍａｘとの比Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘと、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ表すグラフを示す。このグラフにおいて、横軸はランナ羽根２０の距離Ｌ_Ｒと距離Ｌ_ｍａｘとの比Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘを示し、左側縦軸は水力損失△ｈを示し、右側縦軸は剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を示す。
また、図８のグラフにおける実線部分は水力損失の大きさを表し、点線部分は剥離限界流量指数を表している。

図８のグラフに示すように、比Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘが５．５以下である場合には水力損失△ｈが急激に増大することを抑制することができる。一方、比Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘが１．５以上である場合には剥離限界流量指数が急激に増大することを抑制することができる。このように、距離Ｌ_Ｒと距離Ｌ_ｍａｘとの比が１．５≦Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘ≦５．５となっていることにより、水力損失△ｈを小さくすることができるとともに剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を小さくすることができる。

図９に、図４のランナ１０における距離Ｂ_ｍと距離Ｂ_０との比Ｂ_ｍ／Ｂ_０と、剥離限界流量指数との関係を表すグラフを示す。このグラフにおいて、横軸はランナ１０における距離Ｂ_ｍと距離Ｂ_０との比Ｂ_ｍ／Ｂ_０を示し、縦軸は剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を示す。
また、図９のグラフにおける実線部分は剥離限界流量指数を表している。

図９のグラフに示すように、ランナ１０における距離Ｂ_ｍと距離Ｂ_０との比Ｂ_ｍ／Ｂ_０が０．４よりも小さい場合においては、当該ランナ羽根２０の膨らみ部２５の範囲を規定する距離Ｂ_ｍの大きさを変化させても剥離限界流量指数の大きさはそれほど変化しない。同様に、ランナ１０における距離Ｂ_ｍと距離Ｂ_０との比Ｂ_ｍ／Ｂ_０が０．７よりも大きい場合においては、当該ランナ羽根２０の膨らみ部２５の範囲を規定する距離Ｂ_ｍの大きさを変化させても剥離限界流量指数の大きさはそれほど変化しない。このように、ランナ１０における距離Ｂ_ｍと距離Ｂ_０との比Ｂ_ｍ／Ｂ_０を０．４〜０．７の範囲内に規定することにより、剥離限界流量指数を大幅に低減させることができ、水流の剥離を効率良く抑制することができる。

以上のように本実施の形態によれば、各ランナ羽根２０は負圧面２３において水車運転時の水流の入口側先端Ｐ_ａの近傍に膨らみ部２５を有しているので、高落差側の部分負荷運転において各ランナ羽根２０に膨らみ部２５を設けない場合と比べて、回転系から見た水流の相対速度Ｗの向きと、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａの近傍における負圧面２３の延びる向きとの間のずれを小さくすることができ、水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離することを抑制することができる。

また、各ランナ羽根２０の膨らみ部２５は、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａから、ランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置Ｐ_０までの範囲内に位置することにより、ランナ羽根２０の厚さが最大となる位置Ｐ_ｍａｘを入口側先端Ｐ_ａにより近づけることができ、負圧面の角度を高落差側の部分負荷運転時の相対速度の角度に近づけることができるので、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａの近傍における負圧面２３の延びる向きとの間のずれをより小さくすることができる。

また、各ランナ羽根２０の膨らみ部２５は、ランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａから水流に沿って延びる凸形状の第１の表面部分２５ａと、第１の表面部分２５ａに後続する凹形状の第２の表面部分２５ｂとを有することにより、ランナ羽根２０の負圧面２３においてキャビテーションが発生した場合であっても、このキャビテーションは第１の表面部分２５ａにおける膨らみ部２５が最大厚さＴ_ｍａｘとなる位置Ｐ_ｍａｘの下流側に発生することとなり、しかも第２の表面部分２５ｂが凹形状となっているのでこのキャビテーションの発生位置はランナ羽根２０の負圧面２３から離間した位置となる。このため、キャビテーションによるランナ羽根２０の壊食を抑止することができる。

また、ランナ羽根２０の膨らみ部２５において最大厚さＴ_ｍａｘと基準厚さＴ_０との比が１．１≦Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０≦１．６となっていることにより、水車運転時の水流が膨らみ部２５に衝突することにより発生する水力損失△ｈを小さくすることができるとともに、剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を小さくすることができ、水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離することをより確実に抑制することができる。

また、ランナ羽根２０の膨らみ部２５において距離Ｌ_ｍａｘと前記最大厚さＴ_ｍａｘとの比が０．５≦Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘ≦０．８となっていることにより、水車運転時の水流が膨らみ部２５に衝突することにより発生する水力損失△ｈを小さくすることができるとともに、剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を小さくすることができ、水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離することをより確実に抑制することができる。

また、ランナ羽根２０の膨らみ部２５において距離Ｌ_Ｒと距離Ｌ_ｍａｘとの比が１．５≦Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘ≦５．５となっていることにより、水車運転時の水流が膨らみ部２５に衝突することにより発生する水力損失△ｈを小さくすることができるとともに、剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を小さくすることができ、水流がランナ羽根２０の負圧面２３から剥離することをより確実に抑制することができる。

また、各ランナ羽根２０の膨らみ部２５は、ランナクラウン１２の入口側端部１２ａから、回転軸１１が延びる方向における当該ランナクラウン１２の入口側端部１２ａとランナバンド１３の入口側端部１３ａとの間の距離Ｂ_０の０．４〜０．７倍の距離Ｂ_ｍの位置までの範囲内におけるランナ羽根２０の入口側先端Ｐ_ａの近傍に位置することにより、剥離限界流量指数（１−△Ｑ／Ｑ_０）を大幅に低減させることができ、ランナ羽根２０の負圧面２３からの水流の剥離を効率良く抑制することができる。

本実施の形態の水力機械のランナの構成を示す断面図である。 図１の水力機械のランナのランナ羽根の構成を示す横断面図である。 図２のランナ羽根の入口側先端の拡大図である。 図１の水力機械のランナの鎖線部分の拡大図である。 図１の水力機械のランナに係る落差Ｈと流量Ｑとの関係を示すグラフである。 図３のランナ羽根の最大厚さＴ_ｍａｘと基準厚さＴ_０との比Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０と、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ示すグラフである。 図３のランナ羽根の距離Ｌ_ｍａｘと最大厚さＴ_ｍａｘとの比Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘと、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ示すグラフである。 図３のランナ羽根の距離Ｌ_Ｒと距離Ｌ_ｍａｘとの比Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘと、水力損失および剥離限界流量指数との関係をそれぞれ示すグラフである。 図４のランナにおける距離Ｂ_ｍと距離Ｂ_０との比Ｂ_ｍ／Ｂ_０と、剥離限界流量指数との関係を示すグラフである。 従来の水力機械のランナのランナ羽根の構成を示す横断面図である。 図１０のランナ羽根の入口側先端の拡大図である。

符号の説明

３ ケーシング
４ ステーベーン
５ ガイドベーン
６ 吸出し管
１０ 水力機械のランナ
１１ 回転軸
１２ ランナクラウン
１２ａ 入口側端部
１３ ランナバンド
１３ａ 入口側端部
２０ ランナ羽根
２２ 圧力面
２３ 負圧面
２５ 膨らみ部
２５ａ 第１の表面部分
２５ｂ 第２の表面部分
５０ ランナ羽根
５３ 負圧面

Claims (8)

1. 回転軸と、この回転軸に連結されたランナクラウンと、このランナクラウンから離間して位置するランナバンドと、ランナクラウンとランナバンドとの間であって回転軸の周りに複数枚配置されたランナ羽根とを備えた、水車運転を行う水力機械のランナにおいて、
   各ランナ羽根は、負圧面において水車運転時の水流の入口側先端の近傍に膨らみ部を有することを特徴とする水力機械のランナ。
2. 各ランナ羽根の膨らみ部は、ランナ羽根の入口側先端から、ランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置までの範囲内に位置することを特徴とする請求項１記載の水力機械のランナ。
3. 各ランナ羽根の膨らみ部は、ランナ羽根の入口側先端から水流に沿って延びる凸形状の第１の表面部分と、第１の表面部分に後続する凹形状の第２の表面部分とを有することを特徴とする請求項１または２記載の水力機械のランナ。
4. 各ランナ羽根の膨らみ部の最大厚さをＴ_ｍａｘ、このランナ羽根の入口側先端からランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置における基準厚さをＴ_０としたとき、前記最大厚さＴ_ｍａｘと前記基準厚さＴ_０との比が１．１≦Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_０≦１．６となっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械のランナ。
5. 各ランナ羽根の膨らみ部の最大厚さをＴ_ｍａｘ、このランナ羽根の入口側先端から前記膨らみ部が最大厚さを有する位置までの間の距離をＬ_ｍａｘとしたとき、前記距離Ｌ_ｍａｘと前記最大厚さＴ_ｍａｘとの比が０．５≦Ｌ_ｍａｘ／Ｔ_ｍａｘ≦０．８となっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水力機械のランナ。
6. 各ランナ羽根において入口側先端から膨らみ部が最大厚さを有する位置までの間の距離をＬ_ｍａｘ、前記膨らみ部が最大厚さを有する位置から下流側に最も近い位置であって、ランナ羽根の入口側先端からランナ出口径Ｄの１／１０の距離Ｌ_０の位置における基準厚さＴ_０と同じ厚さとなる位置と、前記入口側先端との間の距離をＬ_Ｒとしたとき、１．５≦Ｌ_Ｒ／Ｌ_ｍａｘ≦５．５となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水力機械のランナ。
7. 各ランナ羽根の膨らみ部は、ランナクラウンの入口側端部から、前記回転軸が延びる方向における当該ランナクラウンの入口側端部とランナバンドの入口側端部との間の距離Ｂ_０の０．４〜０．７倍の距離Ｂ_ｍの位置までの範囲内におけるランナ羽根の入口側先端の近傍に位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水力機械のランナ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の水力機械のランナを備えた水力機械。

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