JP2012127260A

JP2012127260A - 水力機械のランナ

Info

Publication number: JP2012127260A
Application number: JP2010279365A
Authority: JP
Inventors: Sadao Kurosawa; 貞男黒澤; Naritoshi Nakagawa; 斉年中川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: JP5687482B2

Abstract

【課題】ランナの内径側の狭隘部や羽根入口部に対し溶射等によるコーティングを容易に施工可能とするとともに、羽根面全面へのコーティングも容易に施工可能とする。
【解決手段】外側ランナ１と中間ランナ２と内側ランナ３とからなる水力機械のランナであって、前記外側ランナ１と中間ランナ２を分離可能に締結する締結部材７、８と、前記中間ランナ２と内側ランナ３を分離可能に締結する締結部材９、１０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は水車等の水力機械に用いられるランナに関し、特に、加工及びメンテナンスが容易なランナに関する。

一般に、水力発電設備に用いられる水力機械１としては、いわゆるフランシス型の水車が比較的多く用いられている。フランシス型の水車は、図６に示すように、主に、渦巻きケーシング３２、ランナ３３、クラウン３５、ランナバンド３６、羽根３７、３８、ガイドベーン３９、スピードリング４０、ステーベーン４２、吸出し管（ドラフトチューブ）４４、主軸４６、から構成されている。そして、ランナ３３は、主軸４６を介して図示しない発電機に連結される一方、上池（図示せず）からの水が、渦巻きケーシング３２に導かれ、さらにこの渦巻きケーシング３２の内周側の環状のスピードリング４０、ステーベーン４２及びガイドベーン３９を通過する過程で増速しつつ角運動が付与されてランナ３３内に流入し、ランナ３３を回転させる。ランナ３３の回転運動は主軸４６を介して発電機を回転させて電気を発生させる。一方、ランナ３３を回転させた水は出口側（内周側）から流出し、吸出し管４４を経て下流の下池（図示せず）へと流れる。

ところで、水車等の水力機械は動作流体に土砂などの固体を含む河川水を使用するため、ランナ部において土砂摩耗による損傷が生じやすい。特に、フランシス型水車のようなランナ形状では、流水がランナに流入する羽根入口部や、羽根の厚さが薄くなり摩耗による影響が大きい羽根出口部の損傷が大きな問題となっている。

このような土砂摩耗等による損傷の対策として、従来から羽根表面に塗装や溶接、溶射等のコーティングによる土砂摩耗対策が施工されている。近年では、フレーム溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxygen Fuel）によるコーティング技術が開発され、タングステンカーバイド（ＷＣ）材料等の高硬度材料が耐土砂摩耗に有効であることが知られている。

しかしながら、フレーム溶射(以下、「溶射」という)を行う際、フランシス水車のようなランナの形状の場合は、機材の寸法による制約から土砂摩耗の著しい内径側（羽根出口側）の狭隘部や羽根入口部位への施工が困難であることから、各部材に溶射を施工した後にクラウン、バンド及び羽根を溶接組立する方法が提案されている（特許文献１）。

特開平８−１９３５６８号公報

上述した従来のランナに対する溶射等によるコーティング方法では、コーティング後に溶接組立を実施するが、母材とコーティング材とが異材で熱膨張率が異なることから、高温になるとコーティング材の割れ、剥離等が生じる危険性があるため、必要な応力除去のための焼鈍処理ができないという課題があった。
また、長期運用を開始した後に発生したコーティング損傷部に対しては、溶射コーティングによる再補修ができない等の課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、ランナの内径側の狭隘部や羽根入口部に対する溶射等によるコーティングを容易に施工可能とするとともに、羽根面全面へのコーティングも容易に施工可能とし、かつ、溶射後の各部材の溶接施工を不要とする水力機械のランナを提供することを目的とする。

さらに、長期運用を開始した後のコーティング損傷部の補修に対しても、内径側と外径側を分割することにより容易にコーティング部を再補修可能とする水力機械のランナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る水力機械のランナは、外側ランナと中間ランナと内側ランナとからなる水力機械のランナであって、前記外側ランナと中間ランナを分離可能に締結する締結部材と、前記中間ランナと内側ランナを分離可能に締結する締結部材を有することを特徴とする。

本発明によれば、ランナの内径側の狭隘部や羽根入口部に対し溶射等によるコーティングを容易に施工可能とするとともに、羽根面全面へのコーティングも容易に施工でき、かつ、溶射後の各部材の溶接施工を不要とすることができる。また、長期運用を開始した後のコーティング損傷部の補修に対しても、ランナを分割構造としたことによりコーティングの再補修を簡便に実施することが可能となる。

第１の実施形態に係るランナの構成図。（ａ）は第２の実施形態に係るランナの構成図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図。（ａ）は第３の実施形態に係るランナの構成図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図。（ａ）は第４の実施形態に係るランナの構成図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図。第５の実施形態に係るランナの平面図従来のランナの全体構成図。

以下、本発明に係る水力機械のランナの実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るランナを図１により説明する。
（構成）
本第１の実施形態のランナは、外側ランナ１、中間ランナ２及び内側ランナ３から構成されている。外側ランナ１と中間ランナ２は締結ホルダー４、５を介してボルト等の締結部材７、８により分離可能に締結されている。又、中間ランナ２と内側ランナ３は、ボルト等の締結部材９、１０により分離可能に締結されている。

このような締結構造を採用することにより、従来のランナと同等の構造及び同等の水力性能を実現している。また、これらの締結構造により一体となったランナはボルト等からなるランナ締結部材１１によって水車の主軸１２と締結され、主軸１２は図示しない発電機または発電電動機等に直結されている。

外側ランナ１は外側ランナ羽根１ａおよびそれと溶接により一体化された外側ランナクラウン１ｂ、外側ランナバンド１ｃから構成されている。又、中間ランナ２は中間ランナ羽根２ａおよびそれと溶接により一体化された中間ランナクラウン２ｂ、中間ランナバンド２ｃから構成されており、内側ランナ３は内側ランナ羽根３ａおよびそれと溶接により一体化された内側ランナクラウン３ｂ、内側ランナバンド３ｃから構成さている。また、中間ランナ２と内側ランナ３との間にはノックピン等の位置決め部材１３が挿入されている。

（作用）
このように構成された第１の実施形態において、外側ランナ１と内側ランナ３は中間ランナ２に対して分離可能であり、また再組立時には位置決め部材１３やホルダー５に設けた段差による嵌め合い構造の作用により組立時の状態を容易に再現できる。

また、ランナを外中内に３分割することにより、羽根幅が短い内径側の狭隘部に対し両側からのコーティング施工が可能となり、また、外径側も内径側部分が無いことにより作業性が向上する。これにより、羽根およびクラウンやバンド部全面のコーティングを容易に実施することができる。

また、羽根内径側の狭隘部への溶射等によるコーティング作業を溶接組立および応力除去焼鈍後に施工できるため、従来のランナの材料強度を保持したまま、ランナの耐摩耗特性を向上させることができる。

さらに、コーティングの損傷部の補修時に、土砂摩耗の著しい外側ランナ１と内側ランナ３を分解することにより溶射等によるコーティングの再補修が容易に実施可能となり、再組立時にも位置決め部材や嵌め合い構造により当初の組立状態を容易に再現できるため、当初のランナ構造、および水力性能を確実かつ簡便に復元することが可能となる。

（効果）
以上説明したように、本第１の実施形態によれば、外側ランナと内側ランナを簡単に分離及び再組立可能としたことにより溶射等によるコーティング作業の作業性が向上し、ランナの材料強度を保持したまま、耐摩耗特性を向上させることができる。また、コーティングの損傷部の補修も外側ランナと内側ランナを分解可能としたことにより簡便に行うことができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るランナを図２（ａ）、（ｂ）により説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本第２の実施形態に係る水力機械のランナは、外側ランナ１に締結部材挿入孔１４、１５を設け、この挿入孔１４、１５に挿入されたボルト等の締結部材７、８により中間ランナ２と外側ランナ１を接合することを特徴としている。

これにより、第１の実施形態と同様に、内径側の狭隘部や羽根入口部に対し溶射等によるコーティングが容易に施工可能となるとともに、羽根面全面へのコーティングも容易に施工できる。また、コーティング損傷部の補修に対しても、ランナを分割構造としたことにより容易にコーティングの再補修が可能となる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係るランナを図３（ａ）、（ｂ）により説明する。なお、上記の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本第３の実施形態に係る水力機械のランナは、外側ランナ１、中間ランナ２及び内側ランナ３のそれぞれの羽根間の接合部に、ノックピン等からなる変形防止部材１６、１７を各接合部につき１本以上挿入した構成にしている。

これにより、水車運転状態での羽根接合部の水圧による変形を抑止することができるとともに、羽根に対する負荷が大きな大流量運転時でも効率が低下することなく、安定した運転が可能となる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係るランナを図４（ａ）、（ｂ）により説明する。なお、上記の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本第４の実施形態に係るランナは、外側ランナ１、中間ランナ２及び内側ランナ３のそれぞれの羽根間の接合部を、図４（ｂ）に示すように、段差構造とし相互に嵌め合うように構成されている。

これにより、第３の実施形態と同様に、水車運転状態での羽根接合部の水圧による変形を抑止することができ、翼負荷の大きな大流量運転時でも効率低下する事なく、安定した運転が可能となる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係るランナを図５により説明する。なお、上記の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本第５の実施形態に係るランナは、ランナを周方向に複数に分割し、分割されたランナのフランジ部１８〜２１をボルト等（図示せず）により締結した構造にしている。
これにより、分割された各ランナのサイズは小さくなり、河川土砂と比較して硬度が格段に高いＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）のコーティング炉に入れることが可能となる。したがって、ランナ構成要素にＤＬＣをコーティングすることにより、補修することなく永久的に土砂摩耗しないランナ構造を実現することができる。
なお、本実施形態では、ランナは４つに分割されているが、これに限定されず、任意の数に分割することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組合せ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…外側ランナ、１ａ…外側ランナ羽根、１ｂ…外側ランナクラウン、１ｃ…外側ランナバンド、２…中間ランナ、２ａ…中間ランナ羽根、２ｂ…中間ランナクラウン、２ｃ…中間ランナバンド、３…内側ランナ、３ａ…内側ランナ羽根、３ｂ…内側ランナクラウン、３ｃ…内側ランナバンド、４、５…締結ホルダー、７，８，９，１０…締結部材、１１…ランナ締結部材、１２…水車主軸、１３…位置決め部材、１４，１５…締結部材、１６，１７…変形防止部材、１８，１９，２０，２１…フランジ。

Claims

外側ランナと中間ランナと内側ランナとからなる水力機械のランナであって、前記外側ランナと中間ランナを分離可能に締結する締結部材と、前記中間ランナと内側ランナを分離可能に締結する締結部材を有することを特徴とする水力機械のランナ。
前記外側ランナと中間ランナを分離可能に締結する締結部材は締結ホルダーを介して前記外側ランナと中間ランナに締結されることを特徴とする請求項１記載の水力機械のランナ。
前記外側ランナに締結部材の挿入孔を設け、前記外側ランナと中間ランナを前記挿入孔に挿入された締結部材によって分離可能に締結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。
前記外側ランナと中間ランナと内側ランナの各ランナ羽根の接合部に位置決め部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の水力機械のランナ。
前記位置決め部材は前記各ランナ羽根を接続するピンであることを特徴とする請求項４いずれかに記載の水力機械のランナ。
前記外側ランナと中間ランナと内側ランナの各ランナ羽根の接合部を段差構造としたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の水力機械のランナ。
前記ランナを周方向に複数に分割したことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の水力機械のランナ。