(57)【要約】      （修正有）【課題】ガイドベーンを絞っても、ガイドベーンとランナーとの間の空間に供給された空気で形成された剥離域によって、水流は拡大せず、水流がガイドベーンの壁面に沿うため、損失が少なくキャビテーションの発生を防止又は抑制するクロスフロー水車を提供する。【解決手段】導水管と放流管と導水管からの流入水をガイドする内面形状を有するケーシングとケーシング内に回転可能に支持され、回転軸を横方向に配されたランナーとケーシング内の水流の流量を調整するため、開度を変更可能にケーシング内に配置されたガイドベーンとケーシングから放流管に連通する流路を有するハウジングと、を有するクロスフロー水車において、ガイドベーンとケーシング下側壁の間の空間に空気が供給されることによって、空気により形成された剥離域が生成され、剥離域によって、空間における流入水は、下流側に向かって広がることなく、ガイドベーンの表面に沿って流れる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導水管と、放流管と、前記導水管からの流入水をガイドする内面形状を有するケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に支持され、回転軸を横方向に配されたランナーと、前記ケーシング内の水流の流量を調整するため、開度を変更可能なように、前記ケーシング内に配置されたガイドベーンと、前記ケーシングから前記放流管に連通する流路を有するハウジングとを有するクロスフロー水車であって、
前記ガイドベーンと前記ケーシング下側壁との間の空間に空気が供給されることによって、前記空気により形成された剥離域が生成され、
前記剥離域によって、前記空間における前記流入水は下流側に向かって広がることなく、前記ガイドベーンの表面に沿って流れることを特徴とするクロスフロー水車。
【請求項２】
前記ガイドベーンと前記ランナーとの間にノズル壁が配設され、
前記ノズル壁の一辺は前記ランナーに接近し、
前記ノズル壁には開口部が設けられ、
前記開口部を通して前記空間に前記空気が供給される請求項１に記載のクロスフロー水車。
【請求項３】
流路断面積が上流から下流に向って大きくなる流路を拡大流路とし、
前記剥離域によって、前記ガイドベーンと前記ランナーとの間に前記拡大流路が形成されない請求項１又は２に記載のクロスフロー水車。
【請求項４】
前記ランナーの空洞部分からの前記空気が前記剥離域に流れ込み、前記剥離域の圧力が上昇することによって、キャビテーションの発生を抑制する請求項１乃至３のいずれかに記載のクロスフロー水車。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のクロスフロー水車を使用した発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロスフロー水車に関する。更に詳しくは、ガイドベーンとランナーとの間の空間（間隙）に空気が供給され、剥離域が形成されることによって、流水が広がることなく、ガイドベーンの表面に沿って流れるので、キャビテーション（Cavitation：空洞現象）の発生を防止又は抑制するクロスフロー水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーに対する関心が高まり、太陽光発電、風力発電或いは水力発電が脚光を浴びている。
【０００３】
特に、地球環境保全の一つである温暖化防止の対応として、発電においても二酸化炭素に代表される温室効果ガス排出量の削減が求められており、クリーンエネルギー開発の必要性の高まりとともに、水力発電が再び注目されている。さらに、水力発電は、昼夜、年間を通じて安定した発電が可能である。
【０００４】
そして、ダムを造らずに発電を行う水力発電装置として、水路式の小水力発電が注目されている。この小水力発電には、低落差小流量であっても効率よく発電できる構造が求められている。そして、水力発電装置は、電力系統の安定を図る上で重要な柱となることが期待されている。このため、様々な形式の水車として、小水力用フランシス水車、ポンプ逆転水車、横軸プロペラ水車、クロスフロー水車などについての多面的な研究開発が行われている。
【０００５】
これらの水車を用いた水力発電装置には、その水力発電装置の構成に起因して、その機械を通過する主流が乱される領域や、渦が発生する領域、減圧領域又はキャビテーションが発生する領域が現れる場合がある。特に、キャビテーション領域は、水力発電機械の効率を減少させ、水力発電装置の全体的な性能に影響を与える。
【０００６】
なお、キャビテーションとは、水車の内部で流体が加速されることに起因し、流体の圧力が飽和蒸気圧近くまで低下し、多数の蒸気泡が発生する現象（空洞現象）であり、これらの蒸気泡が消滅する際には、局所的に数万気圧という極めて高い圧力が発生する。キャビテーション（気泡又は蒸気泡）が高速で崩壊又は振動する際に、発生する衝撃圧力が固体表面に作用することによって、固体表面が損傷を被る。このような衝撃圧の繰返しによるエロージョン（Erosion:侵食、壊食）は、キャビテーション・エロージョン（cavitation  erosion）と呼ばれる。
【０００７】
また、水車において、流路断面積が上流から下流に向って大きくなる流路（以下、「拡大流路」と称する）が発生すれば、水車効率が大きく低下することも知られている。
【０００８】
特開平８−２００１９９号公報（特許文献１）には、横軸円筒カプラン水車設備において、バルブ内の軸受等を点検又は保守をするために作業者が出入する通路として、監査路を形成すること、それに伴い、水の流れ方向に直角な流路断面積を上流から下流に向って等しいか又は小さくなることによって、拡大流路が形成されない技術が開示されている。
【０００９】
特開平１−３１８７６３号公報（特許文献２）には、土砂を含む河川水流体に使用される水車動翼であって、キャビテーション、土砂磨耗及びこれらの複合損傷を受ける部分を、加工硬化性の高いステンレス鋼（例えば、オーステナイト組織を有する鋼等）で構成することによって、耐キャビテーション性及び耐土砂磨耗性に優れた水車動翼が開示されている。
【００１０】
特開平１−１６２７２０号公報（特許文献３）には、水車ランナー、例えばベルトン水車のバケットのリップ近傍領域に熱処理（例えば、レーザビーム照射による焼入れ熱処理）を行うことによって、水車運転中のジェット水の接触による繰り返し応力による疲労に対する疲れ強さを高め、かつ耐磨耗性（例えば、耐キャビテーション壊食性及び耐土砂磨耗侵食性等）を高める方法及びその方法を用いた水車について開示されている。
【００１１】
また、クロスフロー水車は、中程度の落差に使用されていたものが低落差用に改良され、大流量にも適用できるようになってから普及した水車である。一般に、クロスフロー水車は変流量特性に優れ、小流量にも比較的高い効率で運転することができる。例えば、特開昭５８−６７９７２号公報（特許文献４）及び特開昭５９−１３８７７６号公報（特許文献５）には、クロスフロー水車において、ガイドベーンを用いてランナーへ流入する水量を調整できるような構成が開示されている。
【００１２】
次に、従来のクロスフロー水車１１０の外観斜視図を図１に示して説明する。なお、図１においては、クロスフロー水車１１０の構造を判り易くするため、ケーシング１１３及びハウジング１１７の一部を破断して、その内部が見えるように図示している。
【００１３】
まず、図１に示すように、ケーシング（ランナーカバー）１１３の入口には、導水管（給水管）１１２が連通接続されている。ランナー１１４は、ケーシング１１３及びハウジング１１７内に収納されている。そして、ランナー１１４の軸芯と平行で、水平方向に延びる水車軸（回転軸）１１４ｃが回転可能なように架設されている。ケーシング１１３の出口には、ハウジング１１７が配置され、ハウジング１１７の出口は、放流管１１６に接続されている。また、開度に応じて流量を調整するガイドベーン１１５が、ランナー１１４とケーシング１１３との間に配置されている。ガイドベーン式クロスフロー水車１１０において、ランナー１１４は、導水管（入口管）１１２を介して流入する水の運動エネルギーにより回転する。そして、ランナー１１４を回転させた水が、放流管（ドラフト管）１１６を介して排出（排水）される。
【００１４】
次に、ガイドベーン式クロスフロー水車１１０の主要部水平断面の内部構造の模式図を図２に示す。また、ガイドベーン式クロスフロー水車１１０を図２に示す切断線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図であり、当該クロスフロー水車の主要部縦断面の内部構造の模式図を図３に示して説明する。クロスフロー水車１１０における、ケーシング（ランナーカバー）１１３の入口には、導水管（給水管）１１２が連通接続されている。また、ケーシング１１３の出口には、ハウジング１１７の入口が連通接続されている。ハウジング１１７の出口は、放流管１１６の入口に連通接続されている。また、ガイドベーン軸１１５ｃを回転軸として、ガイドベーン１１５ａは、回動する。
【００１５】
また、図２及び図３に示すように、水平方向に延びる水車軸（回転軸）１１４ｃは、ランナー１１４の軸芯と平行で、ランナー１１４が、回転可能に架設されている。そして、ランナー１１４は、環状に配置された多数のランナベーン１１４ａを有しており、好適には、ランナー１１４の外周部に略等ピッチで配列される。そして、ガイドベーン１１５が、ランナー１１４の導水管１１２側に配設される。なお、ガイドべーン１１５には、対応するレバー（図示せず）及びリンク（図示せず）が連結される。そして、駆動システム（図示せず）を用いて、レバー及びリンクをそれぞれ操作することによって、ガイドベーン１１５の開度を調整できるため、ガイドベーン１１５によって、流水の流量が制御される。そして、その流水はランナー１１４に衝撃力又は反動力を付与した後、その流水は、放流管１１６から放流（放水）される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平８−２００１９９号公報
【特許文献２】特開平１−３１８７６３号公報
【特許文献３】特開平１−１６２７２０号公報
【特許文献４】特開昭５８−６７９７２号公報
【特許文献５】特開昭５９−１３８７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図１に示すような一般的なクロスフロー水車では、ガイドベーンの開度を絞ると、ガイドベーンとケーシング下側壁との間には、流路断面積が上流から下流に向って拡大する流路、すなわち拡大流路が形成される。そして、ガイドベーンの開度が絞られるにつれて、拡大流路内で水流の剥離やキャビテーションが生じ、これによる損失のため水車効率（η/ηmax）が急激に低下する。また、これによりランナ入口流れが変化するため、ランナベーンの剥離又は損失が生じ易くなることでも水車効率が低下することになる。
【００１８】
まず、特許文献１に記載された発明は、コンクリートに囲まれた水の流路に設置され、発電機、水車軸、軸受等を収納するバルブを備えるような横軸円筒カプラン水車設備に関するものであり、特許文献１には、クロスフロー水車においてキャビテーションの発生を防止又は抑制するために適用されるような技術は、開示されていない。
【００１９】
次に、特許文献２に記載された水車動翼では、耐キャビテーション性及び耐土砂磨耗性を向上させているものの、加工硬化性の高いステンレス鋼を用いているため、高価なものになり、経済的な水車とは言えない。また、特許文献３に記載された水車は、耐キャビテーション壊食性を高めているものの、水車のバケットのリップに対し、レーザビーム照射による焼入れ熱処理を行うため、維持管理が必要で、経済的な水車とは言えない。
【００２０】
次に、特許文献４又は５に記載された一般的なクロスフロー水車に関しては、ガイドベーンを設けてランナーへ流入させる水量を調整するように構成されているものの、流量を小さくするためにガイドベーンの開度を低くしたとき、ガイドベーンとケーシング壁との間に拡大流路が形成された場合に対して、キャビテーションの防止又は低減するような構造又は機能を備えてはいない。
【００２１】
本発明は上記のような事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、ガイドベーンとケーシング壁との間の空間、すなわち流水路に供給された空気で形成された剥離域によって、流水の流路は拡大せず、流水の方向はガイドベーンの表面に沿うため、キャビテーションを発生させないクロスフロー水車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の上記目的は、導水管と、放流管と、前記導水管からの流入水をガイドする内面形状を有するケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に支持され、回転軸を横方向に配されたランナーと、前記ケーシング内の水流の流量を調整するため、開度を変更可能なように、前記ケーシング内に配置されたガイドベーンと、前記ケーシングから前記放流管に連通する流路を有するハウジングとを有するクロスフロー水車であって、前記ガイドベーンと前記ケーシング下側壁との間の空間に空気が供給されることによって、前記空気により形成された剥離域が生成され、前記剥離域によって、前記空間における前記流入水は下流側に向かって広がることなく、前記ガイドベーンの表面に沿って流れることによって達成される。
【００２３】
また、本発明の上記目的は、前記ガイドベーンと前記ランナーとの間にノズル壁が配設され、前記ノズル壁の一辺は前記ランナーに接近し、前記ノズル壁には開口部が設けられ、前記開口部を通して前記空間に前記空気が供給されることにより、或いは流路断面積が上流から下流に向って大きくなる流路を拡大流路とし、前記剥離域によって、前記ガイドベーンと前記ランナーとの間に前記拡大流路が形成されないことにより、或いは前記ランナーの空洞部分からの前記空気が前記剥離域に流れ込み、前記剥離域の圧力が上昇することによって、キャビテーションの発生を抑制することにより、より効果的に達成される。
【００２４】
また、上記いずれかのクロスフロー水車を使用した発電設備により、上記目的は達成される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るクロスフロー水車によれば、ガイドベーンとケーシング下側壁との間の空間、すなわち流水路に供給された空気で形成された剥離域によって、流水の断面積は拡大せず、流水の方向はガイドベーンの表面に沿うため、キャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。
【００２６】
また、拡大流路のケーシング下側壁（例えば、ノズル壁）に孔を設けて、該孔から空気を供給して流水がケーシング下側壁から剥離するように、空気で満たされた剥離域をケーシング下側壁側に形成することによって、流水の乱れや摩擦を抑え、且つキャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。本発明に係るクロスフロー水車を用いた発電設備は、高落差領域への適用の拡大、装置寿命の延長及び維持管理の簡素化に貢献することができる。
【００２７】
そして、発電設備のクロスフロー水車の流量を小さくするためガイドベーンの開度を低くし又は絞って、運転することが可能になれば、水車発電設備の小型化を図れるばかりではなく、クロスフロー水車の適用範囲の拡大を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のクロスフロー水車の外観斜視図である。
【図２】図１のクロスフロー水車のＶ方向矢示図（平断面図）であり、当該クロスフロー水車の主要部平断面の内部構造の模式図である。
【図３】図１に示すクロスフロー水車を図２に示す切断線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図であり、当該クロスフロー水車の主要部縦断面の内部構造の模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るクロスフロー水車の一例を示す縦断面図であって、ガイドベーンの開度が低い場合の水流の様子を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るクロスフロー水車において、ガイドベーン全閉時におけるノズル壁近傍の拡大図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るクロスフロー水車における流水路を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るクロスフロー水車を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るクロスフロー水車における、ガイドベーン及びランナーに挟まれた部分の拡大図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るクロスフロー水車を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施形態に係るクロスフロー水車では、ガイドベーンとランナーとの間の空間に空気を供給することで形成した剥離域が、流下水を広げることなく、水流をガイドベーンの表面に沿って流し、キャビテーションの発生を抑制又は防止することができる。
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。
【００３１】
（原理説明）
最初に、本発明の基本的な原理について説明する。
本発明に係るクロスフロー水車は、一般的なクロスフロー水車のケーシング下側壁に穴を開け、ランナー側であるハウジング内の空気をガイドベーン側広がり流路に流入させることを可能とするものである。
【００３２】
吸出し管を付けたクロスフロー水車は、ランナーの軸に水流がぶつかることで流れが乱れ、効率が低下することを防ぐために、ハウジング内に外の大気（空気）を供給している。
【００３３】
ランナー室内の圧力は吸出し管の効果により大気圧よりも低くなっている。このため、ハウジングの壁に穴を開けることでこの空気はハウジング内に自然給気される。適切な負圧やハウジング内水位になるよう、この空気流量はバルブなどで調整される。
【００３４】
したがって、ランナーの水噴流が流れていない領域や、ケーシング下側壁とランナー間の空間は空気で占められている。ガイドベーンを絞ったときに、ガイドベーンとケーシング下側壁の間にできる拡大流路を通った水流は、出口でランナー内の空気相と接するため、ここでの水流の圧力はこの空気相の圧力とほぼ等しくなる。またランナー内とハウジング内の空気の圧力はほぼ等しい。
【００３５】
その結果、拡大流路上流の狭窄部では圧力がハウジング内よりも低下する。
このため、上記の穴を開けただけで、ハウジング側の空気が拡大流路に流入する。空気は密度が低いため慣性力が少なく、粘度も低いため粘性力も少ないので、圧力差の影響が支配的で、狭窄部近傍の低圧領域に留まることになる。
これにより水流のケーシング壁からの剥離が促進され、さらに空気の供給が続けば気相領域（空気相領域）が成長して拡大流路出口に達し、ランナー内の気相（空気相）とつながることになる。
【００３６】
すると空気は出口側から多量に剥離域へ流入することになり、気相剥離域もランナー室の気相圧力でほぼ一定となる。このため、水流の慣性により流速はほぼ一定となり、水流の断面積がほぼ一定となるため、気相（空気相）の剥離域は安定する。
【００３７】
ハウジング内の空気圧まで狭窄部の圧力が近づいて高くなるので、キャビテーションが防止できる。空気を供給せず水流のみが流れている場合には、拡大流路により水流による剥離が起きると、損失が生じて水車効率が低下するが、本発明のクロスフロー水車により水流の剥離が無くなれば、これによる効率の低下は無くなる。
【００３８】
空気が流入しやすいように、穴は圧力が低くなる狭窄部付近に開けることが良いが、ガイドベーンを全閉にした際に、開けた穴から水が流れ出さないように、穴は全閉時にガイドベーンとケーシング下流壁が接する位置よりも下流側に開ける必要がある。
【００３９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るクロスフロー水車１０の主要部縦断面の内部構造の模式図を、従来例を示す図３に対応させて、図４として示す。即ち、図４は、図３同様に、図１に示すクロスフロー水車を図２に示す切断線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。図４が示すように、クロスフロー水車１０は、導水管１２を介して、水源（例えば、河川やダム）からの水流を引き入れる。
【００４０】
図４が示すように、第１の実施形態に係るクロスフロー水車１０は、図３に示すような従来のクロスフロー水車１１０に対して、ハウジング１３の下側にノズル壁１８を設けた点で相違するが、その余の点で略同じである。なお、第１の実施形態に係るクロスフロー水車１０と、図２及び３に示すような従来のクロスフロー水車とで共通する構成要素については説明を省略するが、第１の実施形態に係るクロスフロー水車１０の構成要素は、従来のクロスフロー水車の構成要素と明確に区別するため、異なる符号を付している。
【００４１】
まず、図４に示すように、ガイドベーン１５の開度を高くした場合、導水管１２及びケーシング１３内における、ガイドベーン１５の上側水路１１ａ及びガイドベーン１５の下側水路１１ｂの水流の水量は、ガイドベーン１５の開度に応じて、制御される。そして、図４が示すように、第１の実施形態に係るクロスフロー水車１０におけるノズル壁１８は、ランナー１４とガードベーン１５とに挟まれるように、且つハウジング１３に固定されるように設置される。ノズル壁１８に関して、ランナー１４とガードベーン１５とに挟まれた部分には、空気吸気孔（以下、単に「孔」とも称する）１８ａが穿設されている。そして、空気吸気孔１８ａを通して、ランナー１４内の空気が、ランナー１４とガードベーン１５とに挟まれた空間、すなわち流水路Ｇに供給される。なお、ガイドベーン軸１５ｃを回転軸として、ガイドベーン１５ａ及びリリース弁１５ａは、回動する。
【００４２】
次に、第１の実施形態に係るクロスフロー水車１０におけるノズル壁１８近傍を拡大した様子を図５に示す。なお、図５は、ガイドベーン１５の接触点Ｓが、ノズル壁１８のガイドベーン全閉点Ｐに接している様子を示している。そして、ガイドベーン１５は全閉の状態であるため、水はケーシング１３内部に進入して来ない。
【００４３】
また、空気吸気孔１８ａの位置に関しては、ガイドベーン全閉点Ｐからノズル壁１８に沿って、下流方向距離（空気吸気孔１８ａの中心とガイドベーン全閉点Ｐとの距離）Ｌに配置される。
【００４４】
次に、ガイドベーン１５は全閉時の開度からガイドベーン１５の開度を上げた場合における、ケーシング１３内の流水及び空気層の分布を図６を用いて説明する。
【００４５】
図６は、ガイドベーン１５の接触点Ｓと、ノズル壁１８のガイドベーン全閉点Ｐとが離れることによって、流水路Ｇが形成された様子を示している。そして、図６が示すように、ノズル壁１８とガイドベーン１５の下部で挟まれた流水路Ｇが生じることによって、流水路Ｇの上流から下流に広がった拡大流路が形成される。
【００４６】
従来、拡大流路では、流水の圧力が飽和蒸気圧近くまで低下して、水が気化し始める。こうして、拡大流路において多数の蒸気泡が発生することによって、キャビテーションが発生することが知られている。
【００４７】
しかしながら、図６で示されるように、第１の実施形態のクロスフロー水車では、ガイドベーン１５とランナー１４との拡大流路は、流水域Ｆと気相（空気層）による剥離域Ｈとに分離されるため、キャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。その理由を以下に説明する。なお、図６において、流水域Ｆと剥離域Ｈとの境界は分離線Ｄとして表わされる。
【００４８】
まず、ガイドベーン１５の開度が高くなると、流水路Ｇが形成される。そして、流水路Ｇが形成されると、流水ｆ１が流水路Ｇに進入し、流水路Ｇから流れ出した流水ｆ２が、ランナベーン１４ａに衝突して、ランナー１４を回転させる。なお、ランナー１４の回転を必要とせずに、ランナー１４内の空気は、通路内と通路外との圧力差によって、剥離域Ｈに供給される。
【００４９】
そうすると、空気吸気孔１８ａから供給された空気が、ガイドベーン１５とランナー１４とに挟まれた拡大流路における圧力を高めるように作用する。それに伴い、流水域Ｆの流水の低圧化、すなわち水の気化（沸騰）が防止されるため、流水域Ｆにおけるキャビテーションを防止することができる。
【００５０】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るクロスフロー水車のブロック図を図７に示して説明する。
第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０は、第１の実施形態に係るクロスフロー水車１０に対して、バルブ１８ｂを備えている点が異なっているが、その他の構成は略同じである。よって、第１の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
そして、第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０が、ノズル壁１８の空気吸入孔１８ａとランナー１４の空気層との間にバルブ１８ｂを設けることによって、ガイドベーン１５の実際の開度に基づいて、流水路Ｇに空気の供給を制御することを、図７に示すブロック図を用いて説明する。
【００５２】
図７に示すように、第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０は、バルブ１８ｂ、ガイドベーン駆動用サーボモータ２１と、実際のガイドベーン１５の開度を検出するガイドベーン開度センサ１５ａと、を有する。
【００５３】
そして、第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０は、ガイドベーン駆動用サーボモータ２１を駆動してガイドベーン１５の開度を調整することによって、流水量の制御をするとともに、実際のガイドベーン１５の開度が設定値以下の場合に、バルブ１８ｂを介して、流水路Ｇにランナー１４からの空気を供給することによって、キャビテーションの発生を防止又は抑制する水車駆動制御部２２を備えている。
【００５４】
次に、水車駆動制御部２２による、ガイドベーン１５の開度の制御例を、以下に説明する。
【００５５】
まず、ガイドベーン１５には、実際のガイドベーン１５の開度を検出するためのガイドベーン開度センサ１５ａが設けられている。そして、ガイドベーン開度センサ１５ａは、クロスフロー水車駆動制御部２２の制御部２２ａに実際のガイドベーン１５の開度を示す信号を出力する。
【００５６】
更に、制御部２２ａは、実際のガイドベーン１５の開度とガイドベーン開度の設定値との比較結果を駆動部２２ｂに出力する。そして、駆動部２２ｂは、比較結果に基づいて、バルブ１８ｂに開閉を指示する信号を出力する。
【００５７】
また、ガイドベーン１５の駆動に関しては、制御部２２ａは、駆動部２２ｂに、実際のガイドベーン１５の開度に基づいて制御指令値を演算し、制御指令値に基づいて制御指令値を駆動部２２ｂに出力する。駆動部２２ｂが、ガイドベーン駆動用サーボモータ２１に制御信号を出力する。以上のような制御によって、ガイドベーン１５の開度を目標の開度に近づける。
【００５８】
さらに、第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０における、ガイドベーン１５及びランナー１４に挟まれた領域を拡大した様子を図８に示して説明する。図８に示すように、第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０では、ノズル壁１８の空気吸気孔１８ａを延長した先には、バルブ１８ｂが配設される。そして、ガイドベーン１５の開度が設定値より低い場合、バルブ１８ｂが開いて、ガイドベーン１５とランナー１４とに挟まれた流水路Ｇに向けて、ランナー１４内の空気を供給するように作動する。そして、供給された空気によって、流水域Ｆの流水の低圧化及び流水の気化（沸騰）が防止される。この結果、剥離域Ｈ及び流水域Ｆにおいてキャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。
【００５９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るクロスフロー水車３０を図９に示して説明する。
第３の実施形態に係るクロスフロー水車３０は、第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０に対して、圧力センサ１９を備え、圧力センサ１９の出力に基づいて、流水路Ｇに空気を供給する点が異なっているが、その他の構成は略同じである。よって、第１及び第２の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６０】
まず、図９に示すように、クロスフロー水車３０は、ケーシング１３内の流水圧を計測するように、ケーシング１３に貫入された圧力センサ１９を備える。
【００６１】
そして、第３の実施形態に係るクロスフロー水車３０は、圧力センサ１９に基づいた流水圧が設定値以下の場合又は負圧である場合、ガイドベーン１５とランナー１４とに挟まれた流水路Ｇにランナー１４内からの空気を供給することによって、キャビテーションを防止する水車駆動制御部３２を備えている。すなわち、第３の実施形態に係るクロスフロー水車３０では、ガイドベーン１５の開度の設定値と実際の開度との比較結果に代えて、圧力センサ１９の出力に基づいて、バルブ１８ｂの開閉を制御する点で相違する。
【００６２】
詳細には、水車駆動制御部３２は、圧力センサ１９の出力に基づいて、ケーシング１３内部の圧力を計測し、圧力が設定値以下又は負圧の場合には、バルブ１８ｂを開くように制御する。上記制御によって、ガイドベーン１５とランナー１４との間のランナー１４の側に剥離層Ｈを形成することができる。
【００６３】
また、ケーシング１３内部、特にガイドベーン１５とランナー１４とに挟まれた拡大流路の圧力を検出するための圧力センサ１９がケーシング１３に貫入されている。そして、圧力センサ１９は、電気信号に変換した圧力データ又は信号をクロスフロー水車駆動制御部３２の制御部３２ａに出力する。
【００６４】
更に、制御部３２ａは、測定された圧力データと設定値の圧力データとの比較結果を駆動部３２ｂに出力する。そして、駆動部３２ｂは、比較結果に基づいて、バルブ１８ｂの開閉を指示する信号をバルブ１８ｂに出力する。
【００６５】
以上説明したように、本発明に係るクロスフロー水車は、拡大流路の壁面（例えば、ノズル壁１８）に設けられた孔１８ａから供給された空気の圧力で、ガイドベーン１５とランナー１４との間に剥離域Ｈを形成されることによって、水流の流路は拡大せず、水流がガイドベーンの表面（壁面）に沿って流れるため、水流は水圧の低下を起こすことがないように構成されているので、以下のような格別の効果を奏する。
【００６６】
すなわち、本発明に係るクロスフロー水車及びそれを使用した発電設備（水車発電設備）では、水流の乱れや摩擦を抑え、且つキャビテーションの発生を防止又は抑制することができる。このため、クロスフロー水車を用いた発電設備は、高落差領域への適用が拡大することができる。また、水車のランナー（羽根）をキャビテーション防止用に特別な加工をする必要がなくなる。よって、キャビテーション・エロージョンに起因する補修が不要となるため、水車の寿命を延ばすことができる。キャビテーション・エロージョンに起因する補修が不要となるため、水車の寿命を延ばすことができる。
【００６７】
そして、発電設備のクロスフロー水車の流量を小さくするためにガイドベーンの開度を低くしても、キャビテーションの発生を抑制するような運転することが可能になれば、水車発電設備の小型化を図れるばかりではなく、水車発電設備の維持管理を一層簡素化できる。その結果、クロスフロー水車を用いた発電設備の適用範囲を拡大させることが可能になる。
【００６８】
以上実施例を用いて本発明の実施形態について説明したが、各実施例は、好ましい一例を示したものであり、同様な効果と特徴を有する他の構造又は構成は、本発明の範疇である。そして、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更をなし得ることはいうまでもない。
【００６９】
例えば、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車において、ノズル壁１８に設けられている空気吸気孔１８ａの断面形状は、ランナーとガイドベーンとの空間が水流域Ｆと剥離域（空気層）Ｈとに分離することができるのであれば、丸型、角型、又はそれら以外の形状でも良く、断面形状の寸法（サイズ）に関しても、実験又は数値シミュレーション等の結果を利用して、適宜に設計することができる。空気吸気孔の個数、密度及び分布についても同様に、実験又は数値シミュレーション等の結果を利用して、適宜に設計することができる。
【００７０】
また、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車において、ノズル壁１８に設けられている空気吸気孔１８ａは、空気の流れ方向に沿うような向きに設けることが好適である。更に、空気吸気孔に代えて、長溝状である空気吸気溝を採用すれば、一様に空気が送られるようになり、剥離域Ｈの安定的な形成の効果は増す。このように、拡大流路内のキャビテーションは、キャビテーションが発生していた箇所の近辺から供給される空気による圧力調整によって、防止される。また、キャビテーションの防止により、水がランナー内へ安定して流し込まれるようになり、ランナーの回転効率が向上すると共に、ガイドベーンとランナーとに挟まれた領域（部分）における水の脈動がなくなり、騒音が低減する。
【００７１】
さらに、第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０において、実際のガイドベーンの開度と比較する所定の開度が一つと設定したが、実際のガイドベーンの開度と比較する開度の水準を複数個に設定して、それらの比較結果に応じて、バルブ１８ｂを開ける程度（開度）を制御するようにしても良い。
【００７２】
また、第３の実施形態に係るクロスフロー水車３０においては、ケーシング１３内部の圧力を計測するために、圧力センサ１９を設けることを示したが、圧力センサが設置される位置は、複数であっても良い。さらに、圧力センサに代えて、ケーシング１３内のノイズを測定するためのノイズセンサ又は音センサを設置しても良い。その場合、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車においては、ノイズセンサ又は音センサからの信号の高周波成分が、所定の強度以上になった場合、振動又は騒音を伴うキャビテーションが発生したと判断して、キャビテーションの発生を抑えるため、空気吸気孔から空気を供給するように制御しても良い。
【００７３】
第３の実施形態に係るクロスフロー水車３０においては、圧力センサ１９に代えて、ケーシング内の水流の速度及び速度分布を測定又は推定するために、速度センサを設置しても良い。その場合、本発明の実施形態に係るクロスフロー水車においては、速度センサからの信号に基づいて、流速が所定の強度以上になった場合又は流速の偏り（例えば、流れの一様性の喪失）が許容度以上となった場合、キャビテーションが発生したと判断して、キャビテーションの発生を抑えるため、空気吸気孔から空気を供給するように制御しても良い。また、流速センサとしてピトー管を採用しても良い。
【００７４】
本発明の各実施形態では、１枚のガイドベーンを使用するクロスフロー水車を示したが、２枚以上のガイドベーンを設けても良い。そして、２枚のガイドベーンをそれぞれ第１のガイドベーン（図示せず）及び第２のガイドベーン（図示せず）とし、それぞれ対応する第１のランナー（図示せず）及び第２のランナー（図示せず）は、水平方向に延びる水車軸（軸部）と、第１のランナー及び第２のランナーの軸芯（軸中心線）とは平行で、回転可能なようなタンデム方式の構成として架設されることが好適である。
【００７５】
また、本発明の実施形態に係るガイドベーンの材質としては、特に限定されず、金属製でも合成樹脂製でも構わないが、軽量で薄く強度的に優れたもの、例えば塩ビ板、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック、ボロン繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック等のＦＲＰ（Fiber  Reinforced  Plastics）などの合成樹脂板、アルミニウム又はステンレス等が好適である。
【００７６】
また、本発明の第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０のガイドベーンの開度を制御するクロスフロー水車駆動制御部２２は、目標のガイドベーン及び実際のガイドベーン１５の開度に基づいて、ガイドベーン駆動用サーボモータ２１を制御するが、ＰＩＤ（比例積分微分）演算制御を用いて、ガイドベーン駆動用サーボモータ２１を制御しても良い。
【００７７】
例えば、本発明の第２の実施形態に係るクロスフロー水車２０において、クロスフロー水車駆動制御部２２に、リリース弁駆動用速度制御部を設け、リリース弁駆動用サーボモータ２１における制御目標値と、検出された実際の回転速度との偏差を受けて、リリース弁の制御目標値をＰＩＤ（比例積分微分）演算制御をし、リリース弁駆動用サーボモータ２１を制御しても良い。なお、本発明の第２の実施形態に係るクロスフロー水車において、上記ＰＩＤ演算制御に代えて、ＰＩ演算制御をしても良く、他の演算制御法を採用しても良い。
【符号の説明】
【００７８】
１０、２０、３０、１１０        クロスフロー水車
１２、１１２                    導水管
１３、１１３                    ケーシング
１４、１１４                    ランナー
１４ａ、１１４ａ                ランナー羽根（ランナベーン）
１４ｃ、１１４ｃ                水車軸（軸部）
１５、１１５、                  ガイドベーン
１５ａ                          ガイドベーン開度センサ
１５ｃ、１１５ｃ                ガイドベーン軸
１６、１１６                    放流管
１７、１１７                    ハウジング
１８                            ノズル壁
１８ａ                          空気吸気孔（孔）
１８ｂ                          バルブ
１９                            圧力センサ
２１                            ガイドベーン駆動用サーボモータ
２２、３２                      クロスフロー水車駆動制御部
２２ａ、３２ａ                  制御部
２２ｂ、３２ｂ                  駆動部
１１８                          仕切板
Ｓ                              接触点
Ｐ                              ガイドベーン全閉点
Ｈ                              剥離域
Ｆ                              水流域
Ｇ                              流水路
Ｄ                              分離線
Ｌ                              距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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