特許 7269187 フランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-25

(45)【発行日】2023-05-08

(54)【発明の名称】フランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/12 20060101AFI20230426BHJP

   F03B 3/02 20060101ALI20230426BHJP

【ＦＩ】

F03B3/12

F03B3/02

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020000507

(22)【出願日】2020-01-06

(65)【公開番号】P2021110246

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-03-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(74)【代理人】

【識別番号】100164688

【弁理士】

【氏名又は名称】金川 良樹

(72)【発明者】

【氏名】中薗 昌彦

(72)【発明者】

【氏名】向井 健朗

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１５３０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１４６９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１４４９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４１９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－００９３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０３７６４２３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０４４２０６７２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ ３／０２

Ｆ０３Ｂ ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

クラウン、バンド、及び前記クラウンと前記バンドとの間に設けられる羽根を備え、
前記羽根は、入口端部と出口端部とを有するとともに、圧力面及び負圧面のそれぞれにおける前記バンド側に、前記バンドに向けて厚さを次第に増加させて前記バンドに結合する付け根厚肉部を有しており、
前記出口端部は、前記入口端部から前記出口端部に向かう方向へ凸状に湾曲する第１湾曲部と、前記第１湾曲部と前記バンドとを接続し前記出口端部から前記入口端部に向かう方向へ凹状に湾曲する第２湾曲部とを有し、
前記第２湾曲部の底端を形成する極値点が、前記付け根厚肉部の前記クラウン側の端よりも前記バンド側に位置する、フランシス型水車用ランナ。

【請求項2】

前記第１湾曲部と前記第２湾曲部とは変曲点を介して接続されており、
前記変曲点が、前記付け根厚肉部の前記クラウン側の端上又は前記クラウン側の端よりも前記バンド側に位置し、前記極値点が、前記変曲点よりも前記バンド側に位置する、請求項１に記載のフランシス型水車用ランナ。

【請求項3】

前記第２湾曲部の内側及び前記第１湾曲部の前記バンド側を向く部分と前記バンドとの間を埋める翼面形成部材が設けられ、
前記翼面形成部材は、前記第１湾曲部と滑らかに連続して前記バンドに至る出口端部相補部を形成する、請求項１又は２に記載のフランシス型水車用ランナ。

【請求項4】

前記出口端部相補部は、前記出口端部から前記入口端部に向かう方向へ凹状に湾曲する、請求項３に記載のフランシス型水車用ランナ。

【請求項5】

前記出口端部相補部は、前記第１湾曲部と変曲点を介して接続される、請求項４に記載のフランシス型水車用ランナ。

【請求項6】

前記出口端部相補部と前記第１湾曲部との前記変曲点は、前記付け根厚肉部の前記クラウン側の端よりも前記クラウン側に位置する、請求項５に記載のフランシス型水車用ランナ。

【請求項7】

前記第２湾曲部の前記極値点における前記羽根の厚さは、前記付け根厚肉部の前記クラウン側の端における前記羽根の厚さよりも大きい、請求項１乃至６のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナ。

【請求項8】

前記第２湾曲部の前記極値点における前記羽根の厚さは、前記付け根厚肉部の前記クラウン側の端における前記羽根の厚さの３倍以上である、請求項７に記載のフランシス型水車用ランナ。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれかに記載のフランシス型水車用ランナを備える、フランシス型水車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、フランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車に関する。

【背景技術】

【0002】

図６は一般的なフランシス型水車用ランナ１００（以下、ランナ１００）の軸方向に沿う断面図である。図６に示すランナ１００は、水流によるランナ１００の回転を水車主軸に伝えるべく水車主軸に結合される円盤状のクラウン１１と、クラウン１１から軸方向に離れて配置されクラウン１１と向き合う円盤状のバンド１２と、クラウン１１とバンド１２との間に固定される複数の羽根１３とを有し、複数の羽根１３は周方向に間隔を空けて円形状に並んでいる。

【0003】

ランナ１００を回転させる際、水流は、径方向で外側に位置する羽根１３の入口端部１４からクラウン１１とバンド１２との間の空間に進入し、羽根１３の圧力面に圧力エネルギーを付与した後、径方向で内側に位置する羽根１３の出口端部１５から下流側に向かう。この際、羽根１３には水流からの荷重により曲げモーメント等の負荷がかかるため、羽根１３は当該負荷に耐え得るように所定の厚さが必要となる。

【0004】

一方で、損失の低減のためには出口端部１５の厚さはなるべく薄いほうが望ましく、羽根１３は一般に、その厚さが出口端部１５に向けて次第に薄くなるように形成されている。このように羽根１３が形成される場合、出口端部１５のクラウン１１側の端の厚さ及びバンド１２側の端の厚さが薄くなるため、羽根１３とクラウン１１との結合部分及び羽根１３とバンド１２との結合部分における強度不足が懸念されるが、これら出口端部１５の両端側においても適正な強度確保が当然に必要である。

【0005】

上述のようなランナ１００を備えるフランシス型水車の通常の運転の際には、出口端部１５のバンド１２側にかかる負荷よりもクラウン１１側にかかる負荷のほうが大きいことが一般に知られており、これまで出口端部１５とバンド１２との結合部分の強度確保には多くの関心が集まっていなかった。そのため、出口端部１５とバンド１２との間の強度に関連する公知の技術は多いとは言い難いが、例えば、出口端部のバンド側の部分に上流側に向けて凹となる湾曲部を設ける等の構造がこれまでに提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００６－１５３０１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

出口端部のバンド側の部分に上流側に向けて凹となる湾曲部を設ける上述の構造は、通常の運転時には有効であるものの、出口端部のバンド側近傍において生じる突発的な衝撃に対する強度に関しては必ずしも有効であるとは言えないことを本件発明者は知見した。上述の構造では、上記湾曲部のクラウン側の端がバンドから比較的大きく離れた位置に設定されることで、曲げモーメント発生時の出口端部バンド側における応力集中箇所の厚さが一般に小さくなっている。このことが、突発的な衝撃に対する十分な強度を確保し難くしているものと推認される。そのため、本件発明者は出口端部とバンドとの間の部分や出口端部のバンド側の部分に十分な強度を確保する手法を見出すべく鋭意研究を行った。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、羽根の出口端部のバンド側の部分における損傷リスクを低減できるフランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一実施の形態にかかるフランシス型水車用ランナは、クラウン、バンド、及び前記クラウンと前記バンドとの間に設けられる羽根を備える。前記羽根は、入口端部と出口端部とを有するとともに、圧力面及び負圧面のそれぞれにおける前記バンド側に、前記バンドに向けて厚さを次第に増加させて前記バンドに結合する付け根厚肉部を有する。前記出口端部は、前記入口端部から前記出口端部に向かう方向へ凸状に湾曲する第１湾曲部と、前記第１湾曲部と前記バンドとを接続し前記出口端部から前記入口端部に向かう方向へ凹状に湾曲する第２湾曲部とを有する。前記第２湾曲部の底端を形成する極値点は、前記付け根厚肉部の前記クラウン側の端よりも前記バンド側に位置している。

【0010】

また、一実施の形態にかかるフランシス型水車は、前記のフランシス型水車用ランナを備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、羽根の出口端部のバンド側の部分における損傷リスクを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施の形態にかかるフランシス水車の子午面における概略的な断面図である。

【図2】図１の矢印ＩＩの方向に見たフランシス水車のランナの図である。

【図3】図１に示すフランシス水車のランナの羽根の出口端部及びバンドの斜視図である。

【図4】図１に示すフランシス水車のランナの羽根の出口端部及びバンドを羽根の出口端部と向き合う位置から見た図である。

【図5】第２の実施の形態にかかるフランシス水車のランナの羽根出口端部周辺を示す図である。

【図6】一般的なフランシス型水車用ランナの軸方向に沿う断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付の図面を参照して各実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態の構成部分のうちの図６を用いて説明したフランシス型水車用ランナの構成部分と同一のものには、同一の符号が付されている。

【0014】

（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態にかかるフランシス型水車の一形態であるフランシス水車１の子午面における概略的な断面図である。なおフランシス型水車とは、本明細書においてフランシス水車又はフランシス型ポンプ水車のことを意味する。

【0015】

図１に示すフランシス水車１は、クラウン１１、バンド１２、クラウン１１とバンド１２との間に設けられる複数の羽根１３を有するフランシス型水車用ランナ１０（以下、ランナ１０）を備える。図１においては、フランシス水車１の構成部材である水車主軸２と吸出し管３とが二点鎖線で示されている。

【0016】

ランナ１０には図示しないケーシングからの水流が矢印Ａの方向に沿って進入し、ランナ１０はこの水流によって中心軸線Ｃを中心に回転する。以下の説明においては、単に軸方向と言う場合、その方向はランナ１０の中心軸線Ｃ上を延びる方向又は中心軸線Ｃに平行な方向を意味する。また、単に径方向と言う場合、その方向は、中心軸線Ｃに直交するいずれかの方向を意味する。また、周方向と言う場合、その方向は、中心軸線Ｃを中心とするランナ１０の回転方向に沿う方向を意味する。

【0017】

クラウン１１は、ランナ１０の回転を水車主軸２に伝えるべく水車主軸２に結合される円盤状の部材であり、バンド１２は、クラウン１１から軸方向に離れて配置されクラウン１１と向き合う円盤状の部材である。正確には、バンド１２は中空の円盤状であり、また吸出し管３側（下流側）に向けて先細りとなる筒状をなすとも言える。複数の羽根１３は周方向に間隔を空けて円形状に並んでおり、各羽根１３は、径方向で外側に位置する入口端部１４と、径方向で内側に位置する出口端部１５とを有している。

【0018】

図２は図１の矢印ＩＩの方向に見たランナ１０の図であり、羽根１３の出口端部１５のバンド１２側の周辺の領域Ｒの拡大図を併せて示している。図３は羽根１３の出口端部１５及びバンド１２の斜視図である。図４は羽根１３の出口端部１５及びバンド１２を、出口端部１５と向き合う位置から見た図である。

【0019】

図２乃至図４に示すように、本実施の形態における羽根１３の出口端部１５は、入口端部１４から出口端部１５に向かう方向へ凸状に湾曲する第１湾曲部１５１と、第１湾曲部１５１とバンド１２とを接続し出口端部１５から入口端部１４に向かう方向へ凹状に湾曲する第２湾曲部１５２とを有している。また羽根１３は、その圧力面１３Ｐのバンド１２側にバンド１２に向けて厚さを次第に増加させてバンド１２に結合する付け根厚肉部１６Ｐを有するとともに、その負圧面１３Ｎのバンド１２側にバンド１２に向けて厚さを次第に増加させてバンド１２に結合する付け根厚肉部１６Ｎを有する。付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎは入口端部１４から出口端部１５にかけて長尺に延び、入口端部１４側に近づくに従い及び出口端部１５側に近づくに従い厚さを漸減させるように形成されている。

【0020】

ここで図２乃至図４における符号１５Ｂは第２湾曲部１５２の底端を形成する極値点を示しており、本実施の形態ではこの極値点１５Ｂが付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端よりもバンド１２側に位置する。なお、極値点は、バンド１２の羽根１３側の面側に進むに従い入口端部１４側に近づく方向への傾きと、バンド１２の羽根１３側の面側に進むに従い出口端部１５側に近づく方向への傾きとの切り替え点である。また符号２０は第１湾曲部１５１と第２湾曲部１５２との接続位置に設定される湾曲部接続変曲点を示しており、第１湾曲部１５１と第２湾曲部１５２は湾曲部接続変曲点２０を介して連続する。本実施の形態ではこの湾曲部接続変曲点２０が付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端上又はクラウン１１側の端よりもバンド１２側（本例では、クラウン１１側の端上）に位置しており、上記の極値点１５Ｂは湾曲部接続変曲点２０よりもさらにバンド１２側に位置する。

【0021】

以上のように極値点１５Ｂ及び湾曲部接続変曲点２０がバンド１２に近い側に配置されることで、本実施の形態では、図４に示すように第２湾曲部１５２の極値点１５Ｂにおける羽根１３の厚さＴ１が付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端における羽根１３の厚さＴ２よりも大きくなる。

【0022】

詳しくは、第２湾曲部１５２の極値点１５Ｂは付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端よりもバンド１２側に位置しており、厚さＴ１は付け根厚肉部１６Ｐ、１６Ｎの例えば中腹部の表面間の厚さになり、これにより厚さＴ１は付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端又はこの周辺における羽根１３の厚さＴ２よりも大きくなる。なお、厚さＴ１は厚さＴ２の３倍以上であることが好ましい。羽根１３は詳しくは、クラウン１１及びバンド１２間に設けられる板状の羽根本体部分と、羽根本体部分のバンド１２側に設けられる付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎとを有するものである。図３の破線部分は、付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎに覆われた羽根本体部分のバンド１２側の部分を示している。上記厚さＴ１は、極値点１５Ｂを通り且つ羽根本体部分の厚さ方向に平行な直線が、付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎの表面と交差する２点の間の距離である。

【0023】

次に、本実施の形態の作用について説明する。

【0024】

フランシス水車１では、水流が羽根１３の入口端部１４からクラウン１１とバンド１２との間の空間に進入し、羽根１３の圧力面に圧力エネルギーを付与することでランナ１０が回転する。このような運転の際、羽根１３には水流からの荷重により曲げモーメント等の負荷がかかり、また突発的な荷重による曲げモーメントが羽根１３にかかる場合もある。

【0025】

ここで本実施の形態では、第２湾曲部１５２の底端を形成する極値点１５Ｂが付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端よりもバンド１２側に位置する。これにより第２湾曲部１５２の極値点１５Ｂにおける羽根１３の厚さＴ１は、付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端における羽根１３の厚さＴ２よりも大きくなる。

【0026】

そのため、上記曲げモーメントが生じた場合には、第２湾曲部１５２の極値点１５Ｂである底端の周辺部分に応力集中が生じ得るが、当該底端の周辺部分では厚さを大きく確保し得るため、曲げモーメントによる応力集中に耐え得る強度を確保し易くなる。すなわち、一般的な構成においては、第２湾曲部１５２に相当する湾曲部のクラウン側の端がバンドから比較的大きく離れて位置に設定され、且つ極値点に対応する位置もバンドから大きく離れ、応力集中箇所における厚さが大きく確保されていないことが通常である。このような構成よりも、本実施の形態の構成では曲げモーメント発生時の応力集中に耐え得る強度を確保し易くなる。

【0027】

したがって、本実施の形態にかかるランナ１０によれば、羽根１３の出口端部１５のバンド１２側の部分における損傷リスクを低減できる。

【0028】

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について図５を参照しつつ説明する。第２の実施の形態における構成部分のうちの第１の実施の形態の構成部分と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

【0029】

本実施の形態における羽根１３の出口端部１５の形状は第１の実施の形態と同じである。一方で、図５に示すように羽根１３には、第２湾曲部１５２の内側及び第１湾曲部１５１のバンド１２側を向く部分とバンド１２との間を埋める翼面形成部材３０が設けられている。この翼面形成部材３０は、羽根１３、バンド１２、クラウン１１とは別体で形成されたものであり、これらとは構造強度上独立したものである。翼面形成部材３０は、第１湾曲部１５１と滑らかに連続してバンド１２に至る出口端部相補部３１を形成する。このような翼面形成部材３０を形成する材料は特に限られるものではないが、樹脂等を含む硬化型の充填材等でもよい。

【0030】

また、図示の出口端部相補部３１は出口端部１５から入口端部１４に向かう方向へ凹状に湾曲している。また、出口端部相補部３１は第１湾曲部１５１と変曲点３２を介して第１湾曲部１５１と滑らかに接続される。この変曲点３２は、付け根厚肉部１６Ｐ，１６Ｎのクラウン１１側の端よりもクラウン１１側に位置しており、湾曲部接続変曲点２０よりもクラウン１１側である。

【0031】

このような第２の実施の形態では、水流の乱れを抑制しつつ、出口端部１５のバンド１２側周辺における損傷リスクを低減できる。

【0032】

以上、各実施の形態を説明したが、上記の各実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、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、変更を行うことができる。上述の実施の形態及びその他の変形は、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。

【0033】

例えば上述の各実施の形態ではフランシス水車を説明したが、フランシス型ポンプ水車に上述の各実施の形態で説明した構成が適用されてもよい。

【符号の説明】

【0034】

１…フランシス水車、２…水車主軸、３…吸出し管、１０…フランシス型水車用ランナ、１１…クラウン、１２…バンド、１３…羽根、１４…入口端部、１５…出口端部、１５Ｂ…極値点、１５１…第１湾曲部、１５２…第２湾曲部、１６Ｐ，１６Ｎ…付け根厚肉部、２０…湾曲部接続変曲点、３０…翼面形成部材、３１…出口端部相補部、３２…変曲点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】