JP5851876B2 - Turbine runner and turbine - Google Patents
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Description
本発明は、フランシス形水車やポンプ水車等に用いられる水車用ランナおよび水車に関する。 The present invention relates to a turbine runner and a turbine used for a Francis type turbine, a pump turbine, and the like.
従来より、回転軸に連結されたクラウンと、クラウンから離れて、かつ、クラウンと同軸上に配設されたシュラウド(バンドとも呼ぶ)と、クラウンとシュラウドとの間に配置された周方向複数枚のランナ翼とを有する、水車用ランナが知られている(例えば特許文献1参照)。この種の水車用ランナは、各ランナ翼に作用する作動流体の流れにより回転する。したがって、水車効率を最大限に高めるために、ランナから流出する作動流体の流れに回転方向成分が生じないようにすることが好ましい。
Conventionally, a crown connected to a rotating shaft, a shroud (also referred to as a band) disposed away from the crown and coaxially with the crown, and a plurality of circumferentially disposed sheets between the crown and the
ランナから流出する作動流体の流れの方向は、ランナ翼の形状によって左右される。したがって、設計点において、ランナから流出する作動流体の流れに回転方向成分が生じないようにするためには、ランナ翼の形状、とくに作動流体の流れ方向出口部近傍におけるランナ翼の形状の精度を高める必要がある。しかしながら、ランナ翼の形状精度を高めることは、製造コストの上昇を招く。 The direction of the working fluid flowing out of the runner depends on the shape of the runner blade. Therefore, at the design point, in order to prevent a rotational direction component from occurring in the flow of the working fluid flowing out from the runner, the accuracy of the shape of the runner blade, particularly the shape of the runner blade in the vicinity of the outlet in the flow direction of the working fluid, should be increased. Need to increase. However, increasing the shape accuracy of the runner blades increases the manufacturing cost.
本発明の目的は、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる水車用ランナおよび水車を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a turbine runner and a turbine capable of maximizing the turbine efficiency with an inexpensive configuration.
本発明の一態様による水車用ランナは、作動流体が作用する複数枚のランナ翼を有する水車用ランナであって、ランナ翼が、作動流体の流れ方向に延在する圧力面および負圧面と、作動流体の上流側端部において圧力面と負圧面とを接続する前縁部と、作動流体の下流側端部において圧力面と負圧面とを接続する後縁部と、圧力面側の後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第1凹凸部と、負圧面側の後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第2凹凸部とを有することを特徴とする。 A runner for a turbine according to an aspect of the present invention is a runner for a turbine having a plurality of runner blades on which a working fluid acts, and the runner blades extend in the flow direction of the working fluid and a suction surface. A leading edge connecting the pressure surface and the suction surface at the upstream end of the working fluid, a trailing edge connecting the pressure surface and the suction surface at the downstream end of the working fluid, and a pressure surface side It has the 1st uneven | corrugated part provided in the uneven | corrugated shape in the vicinity of the rear edge part, and the 2nd uneven | corrugated part provided in the uneven | corrugated form in the vicinity of the rear edge part on the suction surface side.
この構成によれば、圧力面および負圧面に沿った用水の流れがそれぞれ第1凹凸部および第2凹凸部で剥離し、第1凹凸部および第2凹凸部の下流側において圧力面側および負圧面側で互いにほぼ対称な剥離開始状態となる。このため、後縁部の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナを通過した用水の流れを、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることができ、水車効率を高めることができる。したがって、後縁部の形状を精度よく設計値に合わせる必要がなく、ランナの製造コストを抑えることができる。すなわち、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。 According to this configuration, the flow of the water along the pressure surface and the negative pressure surface is separated at the first uneven portion and the second uneven portion, respectively, and the pressure surface side and the negative surface are downstream of the first uneven portion and the second uneven portion. The peeling side is almost symmetrical on the pressure side. For this reason, even when the shape of the trailing edge portion is deviated from the design value, the flow of the service water that has passed through the runner can be made to flow with only the axial component having no rotational direction component, and the turbine efficiency Can be increased. Therefore, it is not necessary to accurately match the shape of the trailing edge with the design value, and the manufacturing cost of the runner can be suppressed. That is, the turbine efficiency can be maximized with an inexpensive configuration.
本発明の別の態様による水車用ランナでは、第1凹凸部と第2凹凸部とは、ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して互いに対称位置に設けられている。 In the water turbine runner according to another aspect of the present invention, the first uneven portion and the second uneven portion are provided symmetrically with respect to the camber line passing through the center of the runner blade.
この構成によれば、圧力面側および負圧面側における流れの剥離の起点が互いに同一となり、ランナ翼の出口における用水の流れ方向を、設計上の相対速度の方向に精度よく一致させることができる。 According to this configuration, the starting points of the flow separation on the pressure surface side and the suction surface side are the same, and the flow direction of the irrigation water at the runner blade outlet can be accurately matched to the design relative speed direction. .
本発明の別の態様による水車用ランナでは、第1凹凸部と第2凹凸部とは、ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して非対称な関係で設けられていてもよい。 In the water turbine runner according to another aspect of the present invention, the first uneven portion and the second uneven portion may be provided in an asymmetric relationship with a camber line passing through the center of the runner blade.
キャンバーラインに対して非対称な関係とは、第1凹凸部と第2凹凸部とがキャンバーラインに対して非対称位置に設けられていること、または第1凹凸部と第2凹凸部とがキャンバーラインに対して非対称形状であることを含む、この構成であっても、圧力面および負圧面に沿った用水の流れがそれぞれ第1凹凸部および第2凹凸部で剥離し、第1凹凸部および第2凹凸部の下流側において圧力面側および負圧面側で互いに安定した(下流の影響をうけにくい)剥離開始状態となる。このため、後縁部の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナを通過した用水の流れを、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることが仕様点において容易に設計できることとなり、水車効率を高めることができる。したがって、後縁部の形状を精度よく設計値に合わせる必要がなく、ランナの製造コストを抑えることができる。すなわち、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。
The asymmetric relationship with respect to the camber line is that the first uneven portion and the second uneven portion are provided at an asymmetric position with respect to the camber line, or the first uneven portion and the second uneven portion are the camber line. Even in this configuration including the asymmetric shape with respect to the pressure surface, the flow of water along the pressure surface and the suction surface peels off at the first uneven portion and the second uneven portion, respectively, and the first uneven portion and the first
本発明の別の態様による水車用ランナでは、後縁部が、圧力面側の第1始点から負圧面側の第2始点にかけて曲面状に形成されている。 In the water turbine runner according to another aspect of the present invention, the rear edge is formed in a curved surface shape from the first starting point on the pressure surface side to the second starting point on the negative pressure surface side.
この構成によれば、後縁部の下流における流れの損失が小さい。また、曲面状の後縁部を有するランナ翼に第1凹凸部および第2凹凸部を設けると、製造コストの低減効果が高い。 According to this configuration, the flow loss downstream of the trailing edge is small. In addition, when the first concavo-convex portion and the second concavo-convex portion are provided on the runner blade having the curved rear edge, the effect of reducing the manufacturing cost is high.
本発明の別の態様による水車用ランナでは、第1凹凸部および第2凹凸部が、それぞれ第1始点および第2始点に設けられている。 In the water turbine runner according to another aspect of the present invention, the first uneven portion and the second uneven portion are provided at the first start point and the second start point, respectively.
この構成によれば、圧力面および負圧面に対して用水の流れによるランナを回転させる力が効率よく作用し、第1凹凸部および第2凹凸部を設けたことによる流れの剥離がランナの回転へ悪影響を与えることを防止できる。また、後縁部の始点は、翼面形状が急激に変化して翼面に沿った流れが乱れ始める点であるため、始点に第1凹凸部および第2凹凸部を設けることにより、圧力面側と負圧面側の流れを良好な対称剥離状態とすることができる。 According to this configuration, the force for rotating the runner due to the flow of the irrigation water efficiently acts on the pressure surface and the suction surface, and the separation of the flow due to the provision of the first uneven portion and the second uneven portion causes rotation of the runner. Can prevent adverse effects. In addition, since the starting point of the trailing edge is a point where the blade surface shape suddenly changes and the flow along the blade surface starts to be disturbed, the pressure surface can be obtained by providing the first uneven portion and the second uneven portion at the starting point. The flow on the side and the suction surface side can be in a favorable symmetrical peeling state.
本発明の別の態様による水車用ランナでは、第1凹凸部および第2凹凸部が、ランナ翼の高さ方向にわたって設けられている。 In the water turbine runner according to another aspect of the present invention, the first uneven portion and the second uneven portion are provided over the height direction of the runner blade.
この構成によれば、ランナ翼の出口の全体で圧力面側と負圧面側とを互いにほぼ対称な剥離開始状態とすることができ、水車効率を最大限に高めることができる。 According to this configuration, the pressure surface side and the suction surface side can be almost symmetrically separated from each other at the entire outlet of the runner blade, and the turbine efficiency can be maximized.
本発明の一態様による水車は、回転軸と、この回転軸に連結された上記水車用ランナとを有することを特徴とする。 A water turbine according to an aspect of the present invention includes a rotating shaft and the turbine runner connected to the rotating shaft.
この構成によれば、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。 According to this configuration, the turbine efficiency can be maximized with an inexpensive configuration.
本発明によれば、安価な構成で水車効率を最大限に高めることができる。 According to the present invention, the turbine efficiency can be maximized with an inexpensive configuration.
(第1の実施形態)
以下、図1〜図7を参照して本発明の第1の実施形態に係る水車用ランナについて説明する。図1は、本実施形態に係る水車用ランナを有するポンプ水車の概略構成図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a runner for a turbine according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pump turbine having a turbine runner according to the present embodiment.
本実施形態に係るポンプ水車は、いわゆるフランシス形ポンプ水車であり、揚水を行うポンプとしての機能を有するとともに、発電を行う水車としての機能を有する。すなわち、図1のポンプ水車11は、図示しない発電機に基端部が連結された回転軸12と、この回転軸12の先端部に固定されて一体に回転するランナ(羽根車)13とを有する。なお、以下では、便宜上、図示のように回転軸12の中心を通る軸線L0の方向を上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。上方とは回転軸12の基端部側であり、下方とは先端部側である。
The pump turbine according to the present embodiment is a so-called Francis-type pump turbine, and has a function as a pump that performs pumping and a function as a turbine that generates power. That is, the
ポンプ水車11は、用水によるランナ13の回転に伴って回転軸12が回転することで、発電機で発電を行うことができる。一方、例えば夜間に、この発電機により回転軸12を介してランナ13を回転することで、揚水を行うことができる。以下、主にポンプ水車11を水車として用いる場合について説明する。
The
回転軸12は、鉛直方向(上下方向)に沿って配設され、ケーシング14に軸受15を介して回転自在に支持されている。ランナ13は、この回転軸12の下端部に回転軸12と一体に固定されており、回転軸12と一体に軸線L0を中心に回転する。
The rotating
ランナ13は、クラウン16とシュラウド17と複数のランナベーン18とコーン19により構成されている。クラウン16は、軸線L0を中心とした円盤形状をなし、その中心部16aが回転軸12の先端部にキー12aにより固定されている。シュラウド17は、軸線L0を中心とした湾曲したリング形状をなしている。複数のランナベーン18は、クラウン16とシュラウド17との間に挟まれるように、各端部が両者の端面に固定されており、周方向に均等間隔で配置されている。コーン19は、軸線L0を中心として先端部が細くなる円錐形状を呈し、クラウン16の中心部16aに複数のボルト20により固定されている。シュラウド17の外周面とケーシング14の内周面との間には、回転隙間S1が設けられ、クラウン16の上端面とケーシング14の内周面との間には、回転隙間S2が設けられている。
The
ケーシング14は、ランナ13の側方に水平方向に沿って、すなわち軸線L0と直交する方向に入口流路21を形成し、ランナ13の下方に鉛直方向に沿って、すなわち軸線L0の方向に出口流路22を形成する。さらにケーシング14は、各ランナベーン18の間に入口流路21から出口流路22にかけて内部流路23を形成する。ここで、入口流路21は、ランナ13へ用水が流入する用水流入口として機能し、出口流路22は、ランナ13から用水が流出する用水流出口として機能する。
The
図示は省略するが、ランナ13の周囲には、ランナ13を取り囲むように渦巻き形状のスパイラルケーシングが設けられている。スパイラルケーシングを流れた用水は、入口流路21に流入し、さらにランナ13の径方向外側の全周から内部流路23に流入する。この用水は内部流路23を通過する際にランナベーン18に回転力を作用し、ランナ13を回転させる。これにより回転軸12が回転し、発電を行うことができる。ランナ13を回転させた用水は、内部流路23から出口流路22に流出する。
Although not shown, a spiral spiral casing is provided around the
図2は、出口流路22側から見たランナ13の平面図、すなわち、ランナ13を軸線L0に垂直な平面に投影した図である。図3は、用水の流れ方向に沿ったランナベーン18の断面図であり、例えばシュラウド17とランナベーン18との交差部近傍(図2の18a)におけるランナベーン18の断面形状を示す図である。なお、本実施形態のランナベーン18は、出口流路22側の端部(後縁部)近傍に特徴的構成を有するが、図2,図3では、その図示を省略している。
FIG. 2 is a plan view of the
図2に示すように、ランナ13は、周方向等間隔に配置された6枚のランナベーン18を有し、入口流路21から出口流路22へと流れる用水の圧力により、矢印A方向に回転する。図3に示すようにランナベーン18は、用水の流れ方向に延在する圧力面31および負圧面32と、用水の流入側端部に設けられ、圧力面31と負圧面32とを接続する前縁部33と、用水の流出側端部に設けられ、圧力面31と負圧面32とを接続する後縁部34とを有する。圧力面31は、入口流路21から流入した用水の圧力が作用する面である。
As shown in FIG. 2, the
圧力面31と負圧面32とは、ランナベーン18の厚さtの中心を通るキャンバーラインCLに対して対称に位置する。以下では、ランナベーン18のキャンバーラインCLに沿った方向を長さ方向L(図3)と呼び、クラウン16の内面からシュラウド17の内面にかけての方向を高さ方向H(図2)と呼ぶ。前縁部33および後縁部34は、円弧あるいは楕円等の曲面形状を呈し、前縁部33および後縁部34においてランナベーン18の表面の曲率が急激に増加するとともに、ランナベーン18の厚さtが急激に減少する。
The
図4は、図3の後縁部34近傍の拡大図である。圧力面31および負圧面32と後縁部34との境は、後縁部34の円弧や楕円が開始する始点35であり、後縁部34は、圧力面31側の始点35から負圧面32側の始点35にかけて曲面状(図では楕円状)に形成されている。図4において、回転するランナ13の回転速度をU、回転するランナ13から見た、ランナベーン18から流出する用水の相対速度をV、ランナベーン18から流出する用水の絶対速度をWで表す。
4 is an enlarged view of the vicinity of the
ランナベーン18から流出する用水の相対速度Vは、ランナベーン18の翼形状によって左右される。本実施形態では、入口流路21から出口流路22にかけて所定流量が流れる設計点において、ランナ13の回転速度Uの大きさと、ランナベーン18から流出する用水の相対速度Vの回転方向成分V1(点線)の大きさとが一致するようにランナベーン18を構成している。これにより図4に示すように、設計点においてランナ13を通過した用水の絶対速度Wは、回転方向(水平方向)成分を持たない軸方向(上下方向)成分のみの流れとなる。このためランナ13の径方向外側から流入する用水の角運動量を、ランナ13の回転エネルギとして効率よく回収することができ、水車効率は最大となる。
The relative speed V of the water flowing out of the
ところで、ランナベーン18に沿った用水の流れは、後縁部34の実際の形状によって大きく影響を受ける。すなわち、図5の(b)に示すように、後縁部34が精度よく設計値通りに形成されていれば、後縁部34の圧力面31側および負圧面32側における用水の流れは互いにほぼ対称になるため、ランナベーン18の翼形状に沿った所望の相対速度Vが得られる。このときの相対速度Vの水平線に対するなす角はθbである。
By the way, the flow of irrigation water along the runner vanes 18 is greatly affected by the actual shape of the trailing
しかしながら、ランナベーン18の製造誤差等により、例えば図5の(a)または(c)に示すように、後縁部34の負圧面32側または圧力面31側が点線で示される設計値に対して小さく形成されていたり、あるいは、図示はしないが設計値に対して大きく形成されていたりすると、後縁部34の圧力面31側および負圧面32側における用水の流れは互いに非対称性が強くなる。これにより、相対速度はV’またはV”となり、設計上の相対速度Vに対して圧力面31側または負圧面32側に流れが偏り、設計上の相対速度Vに対してずれが生じる。このときの相対速度V’の水平線に対するなす角θaは、θbより小さくなり、相対速度V”の水平線に対するなす角θcは、θbより大きくなる。その結果、ランナベーン18の出口の用水は、回転方向成分を持った旋回流れとなり、水車効率が低下する。この点を考慮して、第1の実施形態では、ランナベーン18を以下のように構成する。
However, due to manufacturing errors of the
図6,図7は、第1の実施形態に係るランナベーン18の要部構成を示す拡大図である。なお、図6は、ランナベーン18の長さ方向Lに沿った後縁部近傍の構成を、図7は高さ方向Hに沿った後縁部近傍の構成をそれぞれ示している。図7の(a)は圧力面31側の構成を、図7の(b)は負圧面32側の構成をそれぞれ示す。図7において、後縁部34の始点35を高さ方向Hに結んだことによって得られる直線を始点線35aとする。
6 and 7 are enlarged views showing the main configuration of the
図6,図7に示すように、ランナベーン18の圧力面31側の後縁部34の始点35および負圧面32側の後縁部34の始点35には、それぞれ所定深さの円形の凹部40,41が高さ方向Hにわたって等間隔に複数設けられている。圧力面31側の凹部40と負圧面32側の凹部41は互いに同一形状であり、凹部40,41はキャンバーラインCLに対して互いに対称位置に設けられている。したがって、圧力面31側と負圧面32側の後縁部近傍の表面形状は互いに同一(対称)である。なお、凹部40,41は、楕円形や矩形等、円形以外の形状でもよいし、また、高さ方向Hにわたって不等間隔に設けられてもよい。凹部40,41の面積は、ランナベーン18の厚さ方向にわたって一定でもよく、徐々に小さくなってもよい。
As shown in FIGS. 6 and 7, a
後縁部34の始点35に凹部40,41を設けることにより、圧力面31および負圧面32に沿った用水の流れS1、S2は凹部40,41で剥離する。すなわち、凹部40,41で乱流が促進され、圧力面31側および負圧面32側の用水の流れS1、S2が互いに同様に乱される。これにより、凹部40,41の下流側において、圧力面31側および負圧面32側で互いにほぼ対称な剥離開始状態(乱流)となり、設計上の相対速度Vの流れに対する流れの偏りを抑制できる。すなわち、ランナベーン18の出口の相対流れ方向の水平線に対する角度θを設計上の角度θb(図5)に近づけることができる。その結果、後縁部34の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナベーン18の出口における用水の圧力面31側および負圧面32側への流れの偏りを低減することができ、水車効率を高めることができる。
By providing the
第1の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)用水が作用する複数枚のランナベーン18を有するランナ13において、用水が流れ方向に延在する圧力面31および負圧面32と、用水の上流側端部において圧力面31と負圧面32とを接続する前縁部33と、用水の下流側端部において圧力面31と負圧面32とを接続する後縁部34とを有するランナベーン18に対し、さらに圧力面31側の後縁部34の始点35に凹部40を設けるとともに、負圧面32側の後縁部34の始点35に凹部41を設けるようにした。これにより圧力面31および負圧面32に沿った用水の流れS1、S2がそれぞれ凹部40,41で剥離し、凹部40,41の下流側において圧力面31側および負圧面32側で互いにほぼ対称な剥離開始状態となる。このため、後縁部34の形状が設計値からずれている場合であっても、ランナ13を通過した用水の流れ(図4の絶対速度W)を、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることができ、水車効率を高めることができる。したがって、後縁部34の形状を精度よく設計値に合わせる必要がなく、ランナ13の製造コストを抑えることができる。
According to 1st Embodiment, there can exist the following effects.
(1) In the
(2)凹部40および凹部41を、それぞれ圧力面31側および負圧面32側の後縁部34の始点35に設けるようにした。すなわち、キャンバーラインCLに対して互いにほぼ対称位置に凹部40,41設けるようにした。これにより、圧力面31側および負圧面32側における流れS1、S2の剥離の起点が互いに同一となり、ランナベーン18の出口における用水の流れ方向を、設計上の相対速度Vの方向に精度よく一致させることができる。
(2) The
(3)圧力面31側の始点35から負圧面32側の始点35にかけて曲面状に後縁部34を形成しているので、後縁部34の下流における流れの損失が小さい。また、曲面状の後縁部34を有するランナベーン18に凹部40,41の構成を適用したので、製造コストの低減効果が高い。すなわち、後縁部34が曲面形状であると、後縁部34の形状を精度よく設計値に合わせることが困難であり、製造コストの大幅な上昇を招く。これに対し、後縁部34の始点35に凹部40,41を設けると、後縁部34の形状が流れに与える影響は小さくなるため、換言すると、後縁部34の感度が下がるため、後縁部34を精度よく形成する必要がない。
(3) Since the trailing
(4)圧力面31側および負圧面32側の後縁部34の始点35に凹部40,41を設け、圧力面31および負圧面32は凹凸のない滑らかな形状とした。このため、圧力面31および負圧面32に対して用水の流れS1、S2によるランナ13を回転させる力が効率よく作用し、凹部40,41を設けたことによる流れS1、S2の剥離がランナ13の回転へ悪影響を与えることを防止できる。また、後縁部34の始点35は、翼面形状が急激に変化して翼面に沿った流れが乱れ始める点であるため、始点35に凹部40,41を設けることにより、圧力面31側と負圧面32側の流れS1、S2を良好な対称剥離状態とすることができる。
(4)
(5)後縁部34の始点35が設けられる始点線35aに沿って複数の凹部40,41を設けるようにした。すなわち、ランナベーン18の高さ方向にわたって複数の凹部40,41を設けるようにしたので、ランナベーン18の出口の全体で圧力面31側と負圧面32側とを互いにほぼ対称な剥離開始状態とすることができ、水車効率を最大限に高めることができる。
(5) The plurality of
(第2の実施形態)
図8を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、ランナベーン18の後縁部近傍の形状である。以下では、第1の実施形態との相違点を主に説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment differs from the first embodiment in the shape near the rear edge of the
図8は、第2の実施形態に係るランナベーン18の要部構成を示す斜視図である。図8に示すように、圧力面31側および負圧面32側の後縁部34の始点35には、それぞれ高さ方向にわたって凸部42,43が延設されている。凸部42,43の高さ(ランナベーン18の厚さ方向の長さ)は、ランナベーン18の高さ方向Hにわたって一定である。これら凸部42,43は、例えば断面形状が長手方向に一定であるワイヤを、圧力面31側および負圧面32側の始点35にそれぞれ溶接することにより構成できる。
FIG. 8 is a perspective view showing a main configuration of the
このように圧力面31側および負圧面32側の始点35にそれぞれ凸部42,43を設けると、凸部42,43を起点として用水の流れS1、S2が乱され、凸部42,43の下流における圧力面31側および負圧面32側の用水の流れS1、S2が互いにほぼ対称な剥離開始状態となる。このため、第1の実施形態と同様、後縁部34の形状を精度よく設計値に合わせなくても、ランナ13を通過した用水の流れ(絶対速度W)を、回転方向成分を持たない軸方向成分のみの流れとすることができ、ランナ13の製造コストを抑えることができる。ワイヤを溶接することによって凸部42,43を設けるようにすれば、凸部42,43を安価に構成できる。
As described above, when the
(変形例)
上記実施形態では、後縁部34の圧力面31側および負圧面32側の始点35に凹部40,41または凸部42,43を設けるようにしたが、後縁部34の近傍であれば、始点35以外に凹凸部を設けてもよい。例えば始点35よりも用水の流れ方向上流側または下流側に凹凸部を設けるようにしてもよい。このように凹凸部が始点35からずれている場合であっても、凹凸部が後縁部34の近傍に設けられていれば、圧力面31および負圧面32に用水の流れを作用させてランナ13に回転力を与えつつ、ランナベーン18の出口で圧力面31側および負圧面32側においてほぼ対称な剥離開始状態を生じさせることができる。すなわち、凹凸部が始点35の近傍から流れの上流側に離れると、ランナベーン18に回転力を付与するような用水の作用する範囲が狭くなり、ランナ13に十分な回転力を与えることができないが、凹凸部が始点35の近傍であれば、ランナ13に十分な回転力を与えることができる。なお、この場合の凹凸部とは、凹部のみ、または凸部のみ、あるいは凹部と凸部の両方を設けることにより、圧力面31側および負圧面32側の表面形状を凹凸状に形成するものをいう。
(Modification)
In the above embodiment, the
上記実施形態では、後縁部34の圧力面31側の始点35(第1始点)および負圧面32側の始点35(第2始点)にそれぞれ凹部40,41あるいは凸部42,43を設けるようにしたが、ランナベーン18の圧力面31側に凹凸状に設けられる第1凹凸部の構成、および負圧面32側に凹凸状に設けられる第2凹凸部の構成は上述したものに限らない。例えば上記実施形態(図7)では、ランナベーン18の高さ方向Hにわたって複数の凹部40,41を設けるようにしたが、これら凹部40、41を所定の範囲(例えば高さ方向H全体)にわたって繋げて溝としてもよい。上記実施形態(図8)では、圧力面31側および負圧面32側にそれぞれ一本の凸部42,43を設けるようにしたが、これら凸部42,43を高さ方向Hにおいて複数の凸部に分割してもよい。凹部40,41のみ、あるいは凸部42,43のみでなく、凹部40,41と凸部42,43をそれぞれ圧力面31側および負圧面32側に設けるようにしてもよい。凹凸部において用水の流れの剥離を積極的に生じさせることができるのであれば、後縁部34の近傍の表面粗度を粗くすることにより凹凸部を構成してもよい。すなわち、圧力面31側の後縁部34における用水の流れS1の剥離(乱流)を促進するのであれば、第1凹凸部はいかなる構成でもよく、負圧面32側の後縁部34における用水の流れS2の剥離(乱流)を促進するのであれば、第2凹凸部もいかなる構成でもよい。
In the above embodiment, the
図9に示すように、後縁部34の圧力面31側の始点35(始点線35a)および負圧面32側の始点35(始点線35a)を起点として、用水の流れ方向下流側にかけてそれぞれ溝44,45を設けるようにしてもよい。各溝44、45は、ランナベーン18の高さ方向Hに所定間隔で複数設けるようにすることが好ましい。溝44と溝45を図9のようにランナベーン18の翼面に沿って繋げてもよいし、あるいは、互いに分割されていてもよい。また、図示はしないがランナベーン18の厚さ方向に貫通するように溝44と溝45を繋げてもよい。図10は、溝44,45の断面形状の一例を示す図である。図10の(a)に示すように、溝44,45は、ランナベーン18の後縁部34の表面に対して垂直に設けてもよく、図10の(b)に示すように後縁部34の表面に対して斜めに設けてもよい。図10の(a)の例では、溝44,45を容易に形成することができる。図10の(b)の例では、後縁部34において乱流を引き起こしやすい。
As shown in FIG. 9, starting from a starting point 35 (
上記実施形態(図6〜図8)では、凹部40,41および凸部42,43をランナベーン18の高さ方向Hにわたって一列のみ設けるようにしたが、複数列設けるようにしてもよい。例えば図11に示すように始点線35aに沿って凹部40,41を設けるとともに、始点線35aよりも下流側の後縁部34にも凹部40,41を設け、凹部40,41を2列としてもよい。この場合、各列の凹部40,41を長さ方向Lの同一直線上に配置してもよいが、図11に示すように、各列の凹部40,41を高さ方向Hにずらして交互に、すなわち千鳥状に配置してもよい。
In the above embodiment (FIGS. 6 to 8), the
上記実施形態(図6〜図8)では、凹部40と凹部41および凸部42と凸部43をキャンバーラインCLに対して互いに対称位置に設けるとともに、互いに対称形状としたが、用水の流れの剥離の形態が互いに等しくなるのであれば、これらは対称位置でなくてもよく、または対称形状でなくてもよい。すなわち、圧力面31側および負圧面32側にそれぞれ凹凸部を設けることにより、ランナベーン18の出口の用水の相対速度が設計上の相対速度V(図5)に近づくのであれば、凹凸部の位置は互いにずれてキャンバーラインCLに対して非対称な関係であってもよく、凹凸部の形状が互いに異なっていてもよい。そして、凹凸部の位置をキャンバーラインCLに対して非対称位置とし、この凹凸部を後縁部34の始点35に設ける場合、圧力面31側の始点35と負圧面32側の始点35とは、キャンバーラインCLに対して非対称な関係にある。
In the said embodiment (FIGS. 6-8), while providing the recessed
上記実施形態では、後縁部34が円弧あるいは楕円等の曲面形状を呈しているとしたが、凹凸部を設けることにより、凹凸部の下流における圧力面31側および負圧面32側の用水の流れS1、S2が互いにほぼ対称な剥離開始状態となるため、後縁部34が曲面状でなくてもよい。この場合、後縁部34は、例えば、先端が平坦面状に形成されていたり、あるいは、圧力面31側および負圧面32側において始点35から傾斜する各平坦面により先端が尖って形成されていたりする(ただし、先端は丸く形成されていてもよい)。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、ランナベーン18の高さ方向Hの全体にわたって凹凸部(凹部40,41、凸部42,43)を設けるようにしたが、高さ方向Hの一部のみに凹凸部を設けるようにしてもよい。例えばシュラウド17側のみ、クラウン16側のみ、あるいはランナベーン18の高さ方向H中央部のみに、凹凸部を設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the concavo-convex portions (
上記実施の形態では、ランナベーン(ランナ翼)18の枚数を6枚としたが、圧力面と負圧面と前縁部と後縁部とを有するのであれば、ランナベーン18の枚数や後縁部近傍を除くランナベーン18全体の翼形状は上述したものに限らない。以上の実施形態は、ポンプ水車に適用したが、回転軸と回転軸に連結されたランナとを有する他の水車にも、本発明を同様に適用することができる。
In the above embodiment, the number of runner vanes (runner blades) 18 is six. However, the number of
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications unless the characteristics of the present invention are impaired. The constituent elements of the embodiment and the modified examples include those that can be replaced while maintaining the identity of the invention and that are obvious for replacement. That is, other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention. Moreover, it is also possible to arbitrarily combine one or more of the above-described embodiments and modified examples.
11 ポンプ水車
12 回転軸
13 ランナ
18 ランナベーン(ランナ翼)
31 圧力面
32 負圧面
33 前縁部
34 後縁部
35 始点(第1始点、第2始点)
40 凹部(第1凹凸部)
41 凹部(第2凹凸部)
42 凸部(第1凹凸部)
43 凸部(第2凹凸部)
44 溝(第1凹凸部)
45 溝(第2凹凸部)
CL キャンバーライン
11
31
40 Concave portion (first uneven portion)
41 Concave portion (second uneven portion)
42 Convex part (first uneven part)
43 Convex part (second uneven part)
44 Groove (first uneven part)
45 Groove (second uneven part)
CL Camber line
Claims (7)
前記ランナ翼は、
前記作動流体の流れ方向に延在する圧力面および負圧面と、
前記作動流体の上流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部と、
前記作動流体の下流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する後縁部と、
前記圧力面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第1凹凸部と、
前記負圧面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第2凹凸部と、を有することを特徴とする水車用ランナ。 A disc-shaped crown fixed to the rotating shaft about the axis of the rotating shaft, a ring-shaped shroud centered on the axis of the rotating shaft, and fixed so as to be sandwiched between the crown and the shroud. A plurality of runner blades arranged in a circumferential direction centering on the axis of the rotating shaft, and flowing from the radially outer side between the crown and the shroud and from the ring-shaped center of the shroud A hydraulic turbine runner in which working fluid flowing out acts on a plurality of the runner blades and rotates about the axis integrally with the rotary shaft ,
The runner wing is
A pressure surface and a suction surface extending in the flow direction of the working fluid;
A leading edge connecting the pressure surface and the suction surface at the upstream end of the working fluid;
A trailing edge connecting the pressure surface and the suction surface at the downstream end of the working fluid;
A first concavo-convex portion provided in a concavo-convex shape in the vicinity of the rear edge portion on the pressure surface side;
A runner for a water turbine, comprising: a second uneven portion provided in an uneven shape in the vicinity of the rear edge portion on the suction surface side.
前記ランナ翼は、
前記作動流体の流れ方向に延在する圧力面および負圧面と、
前記作動流体の上流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する前縁部と、
前記作動流体の下流側端部において前記圧力面と前記負圧面とを接続する後縁部と、
前記圧力面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第1凹凸部と、
前記負圧面側の前記後縁部の近傍に凹凸状に設けられた第2凹凸部と、を有する水車用ランナにおいて、
前記後縁部は、前記圧力面側の第1始点から前記負圧面側の第2始点にかけて曲面状に形成されており、
前記第1凹凸部および前記第2凹凸部は、それぞれ前記第1始点および前記第2始点に設けられていることを特徴とする水車用ランナ。 A turbine runner having a plurality of runner blades on which a working fluid acts,
The runner wing is
A pressure surface and a suction surface extending in the flow direction of the working fluid;
A leading edge connecting the pressure surface and the suction surface at the upstream end of the working fluid;
A trailing edge connecting the pressure surface and the suction surface at the downstream end of the working fluid;
A first concavo-convex portion provided in a concavo-convex shape in the vicinity of the rear edge portion on the pressure surface side;
In a water turbine runner having a second concavo-convex portion provided in a concavo-convex shape in the vicinity of the trailing edge on the suction surface side,
The trailing edge is formed in a curved shape from a first starting point on the pressure surface side to a second starting point on the suction surface side,
The runner for a water turbine, wherein the first uneven portion and the second uneven portion are provided at the first start point and the second start point, respectively.
前記後縁部は、前記圧力面側の第1始点から前記負圧面側の第2始点にかけて曲面状に形成されていることを特徴とする水車用ランナ。 The water turbine runner according to claim 1 ,
The runner for a turbine according to claim 1, wherein the rear edge is formed in a curved shape from a first starting point on the pressure surface side to a second starting point on the suction surface side.
前記第1凹凸部と前記第2凹凸部とは、前記ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して互いに対称位置に設けられていることを特徴とする水車用ランナ。 In the runner for water turbines according to any one of claims 1 to 3 ,
The runner for a water turbine, wherein the first uneven portion and the second uneven portion are provided symmetrically with respect to a camber line passing through a center of the runner blade.
前記第1凹凸部と前記第2凹凸部とは、前記ランナ翼の中心を通るキャンバーラインに対して非対称な関係で設けられていることを特徴とする水車用ランナ。 In the runner for water turbines according to any one of claims 1 to 3 ,
The runner for a water turbine, wherein the first uneven portion and the second uneven portion are provided in an asymmetric relationship with respect to a camber line passing through a center of the runner blade.
前記第1凹凸部および前記第2凹凸部は、前記ランナ翼の高さ方向にわたって設けられていることを特徴とする水車用ランナ。 In the runner for water turbines according to any one of claims 1 to 5,
The runner for a water turbine, wherein the first uneven portion and the second uneven portion are provided over a height direction of the runner blade.
該回転軸に連結された請求項1〜6のいずれか1項に記載の水車用ランナと、を有することを特徴とする水車。 A rotation axis;
A water turbine comprising: the runner for water turbines according to any one of claims 1 to 6 coupled to the rotating shaft.
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