(57)【要約】【課題】セミスパイラルケーシングのステーベーンの入口に設置する整流羽根を水車構成要素とし、整流効果を上げながら構造が簡単で容易かつ低コストに製作する。【解決手段】セミスパイラルケーシング１の半渦巻き部領域にあるステーベーン３への流れを整流する整流羽根７１を設置したセミスパイラル型水車において、整流羽根７１は、ステーベーン３の前縁を底部とする扇形である。セミスパイラルケーシング１の半渦巻き部領域に複数の整流羽根７１を設置し、セミスパイラルケーシング１の壁面から、整流羽根７１の扇形の半径を徐々に小さくしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セミスパイラルケーシングの半渦巻き部領域にあるステーベーンへの流れを整流する整流羽根を設置したセミスパイラル型水車において、
前記整流羽根は、前記ステーベーンの前縁を底部とする扇形であることを特徴とするセミスパイラル型水車。
【請求項２】
前記セミスパイラルケーシングの半渦巻き部領域に複数の整流羽根を設置し、前記セミスパイラルケーシングの壁面から、前記整流羽根の扇形の半径を徐々に小さくしたことを特徴とする請求項１に記載のセミスパイラル型水車。
【請求項３】
前記整流羽根の扇形の最大半径は、前記ステーベーンの前縁から後縁までの距離をＬｓとしたとき、（１．２〜１．３）×Ｌｓであることを特徴とする請求項２に記載のセミスパイラル型水車。
【請求項４】
前記整流羽根は一定厚みを有する板材であり、先端を厚み方向に滑らかな形状に成形したことを特徴とする請求項１ないし３に記載のセミスパイラル型水車。
【請求項５】
前記整流羽根は、前記ステーベーン、前記ステーベーンを支持するステーリング、又はセミスパイラルケーシング上下壁面の傾斜部に固着したことを特徴とする請求項１ないし４に記載のセミスパイラル型水車。
【請求項６】
前記整流羽根は、セミスパイラルケーシング上下壁面の傾斜部に装着される金属製ライナを介して固着したことを特徴とする請求項５に記載のセミスパイラル型水車。
【請求項７】
前記整流羽根の間でセミスパイラルケーシング上下壁面に接してフローガイドを配置したことを特徴とする請求項１ないし６に記載のセミスパイラル型水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セミスパイラル型水車、特に整流羽根を有するセミスパイラル型水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
セミスパイラル型水車は、低落差大容量に適用され、例えばカプラン水車として汎用されている。
図６は、従来のセミスパイラル型のカプラン水車を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【０００３】
水流は、図示しない上ダムからセミスパイラルケーシング１を通り、水車強度部材であり流れを整流する目的で設置されたステーベーン３、及び流量調整装置であるガイドベーン４により整流されてランナ５を回転させ、吸出し管６ヘと流れる。この間ランナ５で得た回転エネルギを発電機（図示しない）に伝達して電気的出力を発生させる。ステーベーン３はステーリング２に支持されている。ケーシング上流には強度部材としてピア８が設置される。図６（ａ）においてセミスパイラルケーシング１の右半分は渦巻き部であり、左半分は半渦巻き部である。
【０００４】
このセミスパイラルケーシング１は、垂直断面で見るとスパイラルケーシングの真円形状とは異なり箱型をしており、断面積はスパイラルケーシングに対して著しく大きく、土木構造物で形成される。また、ケーシング入口断面ではその形状が水車全体幅と同等幅を持つ長方形断面であることも大きな特徴である。
【０００５】
渦巻き部のステーベーン３付近は、スパイラルケーシングと同様に周方向の速度Ｖｕと半径方向速度Ｖｍのバランスからステーベーン３の取り付け角度を定めることで、流れとステーベーン角度が一致するようにすることができるために損失は最小限に収めることができる。
【０００６】
図７は、従来のカプラン水車の半渦巻き部における拡大図である。
半渦巻き部では、図７に示すようにステーベーン３の取り付け角度とケーシング内の流れに大きな乖離が生じるため、流体の剥離領域が生じることもあり、衝突損失・摩擦損失等が発生する。
【０００７】
このため、図６（ａ）に示したように流れの方向をステーベーン角度にマッチングするような整流羽根７０に相当したものを取り付けることが一般的に知られている。例えば、半渦巻き部において特許文献１においては、ステーベーンの外側に導水板を取り付けている。また、特許文献２においては、ステーベーンを外側に延長して長翼としている。
【０００８】
また、このほかに、ピア８の下流側形状を湾曲させたりして流れを変更させ、ステーベーン２に流入させる技術も知られている。
【特許文献１】特公昭６２−２８３１５号公報
【特許文献２】特開昭６２−４５９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、整流羽根、ピアは、水車メーカの供給範囲外となり工事も大規模となることから採用するには容易ではないという問題がある。また、整流効果も十分ではなかった。
このため、水車の設計範囲にあり、適用性が高く、有効な整流効果を得られる整流羽根の採用が大変重要となる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、セミスパイラルケーシングのステーベーンの入口に設置する整流羽根を水車構成要素とし、整流効果を上げながら構造が簡単で容易かつ低コストに製作することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明のセミスパイラル型水車は、セミスパイラルケーシングの半渦巻き部にステーベーンへの流れを整流する整流羽根を設置したセミスパイラル型水車において、
前記整流羽根は、前記ステーベーンの前縁を底部とする扇形であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明において、整流羽根をステーベーンの前縁を底部とする扇形形状とすることにより、整流羽根を水車構成要素として供給でき、整流効果を上げながら構造が簡単で容易かつ低コストに製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係るセミスパイラルケーシングの整流羽根について、図面を参照して説明する。
【００１４】
[実施形態１]
まず、図１から図４を用いて実施形態１について説明する。
本実施形態は、セミスパイラルケーシングの半渦巻き部の流れを整流しステーベーン前縁角度と流れ角との乖離をなくす目的で設置した整流羽根について、この整流羽根の流れ方向に対する取り付け範囲と形状を具体化したものである。
【００１５】
図１は、実施形態１に係るセミスパイラル型カプラン水車を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。従来の技術と共通の部分については同じ符号を用いている。
【００１６】
一般的に水車の強度部材であるステーベーン３は、ステーリング２の周方向にほぼ同一形状をしたものを配列する。これはステーベーン出口の流れ、つまりガイドベーン４に流入する流れを周方向に全領域均一にする必要があることから、ステーベーン３それぞれの形状を大幅に変化させることがない。このために前述したように半渦巻き部領域の流れは、ステーベーン角度と流れの大幅な乖離が生じることになり、ステーベーン上流に整流羽根７１を装着することが有効な手段となる。
【００１７】
本発明によれば、この整流羽根７１を従来のようにセミスパイラルケーシング１に取り付けるような大寸法の整流羽根ではなく、ステーベーン外周先端付近に取り付けるものである。その形状はセミスパイラルケーシング１の垂直断面内でステーベーン３の前縁を底部として内部に（上流に）延在する扇形であり、その先端形状はほぼ同一の半径を有する円弧形状もし<はこれに近似の、例えば楕円のような他の曲線形状としたものである。
【００１８】
セミスパイラルケーシング１の流れについて説明する。元来セミスパイラルケーシング内部の流速はスパイラルケーシングに比べて１／５〜１／７程度の低流速という特徴がある。これは、そもそものコンセプトが大流量を流す機械であることから、流速をなるべく遅くして流路内で発生する損失を抑制することに起因するものである。この低流速は半渦巻き部についても同様である。一般的に流体機械では、流れの方向を変化させるためにはその上流に流れを転向させる部材を設けることが有効とされ使用されるが、対象物の流速に応じてその部材の長さを決定するものである。このセミスパイラルケーシング１においては、流速が遅いことから長い整流区間を有する整流羽根は必要としない。むしろ長い整流羽根は摩擦損失を増大させかねないことから適切な長さを選定する必要がある。
【００１９】
実施形態１で示したようにステーベーン前縁から整流羽根先端までの距離が十分にあれば整流作用が可能であると考えられる。このことから、本実施形態では整流羽根の大きさを、ステーベーン３の前縁から後縁までの長さをＬｓとし、ステーベーン３の前縁と水平軸の交点をＸとして、このＸを中心点として形成した扇形の整流羽根７１の半径Ｒは最も大寸法の整流羽根であってもＬｓに対して１．２〜１．３倍程度としたものである。この長さは今までの実績と流れ解析結果によるものである。最も大寸法となる整流羽根７１は、半渦巻き部のケーシング壁面に近い領域にあり、整流羽根７１の半径Ｒはケーシング中心に向かって徐々に小寸法化するものであり、模型試験、流れ解析等でその領域と大きさは特定可能である。これにより整流羽根７１を支持する部材に制約がなくなるために容易に取り付けることができるという利点がある。
【００２０】
図２は、整流羽根の断面形状について説明する図であり、図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
整流羽根７１の断面形状を単純な等肉厚Ｔの汎用品の板材としたものである。整流羽根７１の目的は、ステーベーン３に流れ込む水流をステーベーン３にマッチングさせることであるが、特に複雑な三次元形状は必要とせずとも十分な効果が期待できる。このために適宜湾曲させたものであり、先端を厚み方向に滑らかに、例えば半径ｒをＴ／２に整形する程度の製造手法とすることでコスト低減化に貢献できる。
【００２１】
図３は、整流羽根の固着方法について説明する図である。
従来の整流羽根は大寸法であることから、ケーシング流路にまで到達することになる。そのために、これの支持方法は土木構造物であるコンクリー卜製のケーシング壁面から支持するものである。このために大規模な工事も必要となる点に問題があった。本発明の整流羽根７１の特徴は必要性、役割の観点から必要とされる最小限の大きさのために小型化が達成できることから、整流羽根７１の取り付け位置を、ステーベーン３、ステーベーン３を支持するステーリング２、又はケーシング上下壁面の傾斜部のいずれかに限定することが可能となるものである。ケーシング上下壁面の傾斜部には金属製ライナ部９を装着し、これを介して整流羽根７１は、固着される。整流羽根７１は、他の固着手段でもよいが溶接固着が有効であるが、基本的に強度的な役割を受け持たないことから特別な措置は必要としない。
【００２２】
本実施形態により、半渦巻き部に発生する流れの不均一性、ステーベーン形状との不一致性を解消することができるため、この部位で発生していた衝突損失を始めとした損失低減が可能となり水車性能の向上に貢献できる。
【００２３】
図４は、流れ解析による損失評価を示すグラフである。
これは縦軸に損失の大きさを相対的に示したものである。これによればこの半渦巻き部に発生する損失を従来に比ベて１割程度低減することが可能であり改善効果を示している。また、整流羽根を取り付ける作業においては、小規模な範囲に限定できることから容易に施工が完了するものである。
【００２４】
このように、適切な大きさと形状の整流羽根を取り付けることになるので、従来の整流羽根に比べて効率向上が達成できると共に、施工性が向上する。
【００２５】
[実施形態２]
次に、実施形態２について図５を用いて説明する。
図５は、実施形態２に係るセミスパイラル型カプラン水車を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。実施形態１と共通の部分については同じ符号を用いている。
【００２６】
本実施形態では、整流羽根７１の間でセミスパイラルケーシング上下壁面に接してフローガイド１０を配置したものである。すなわち、整流羽根７１とケーシング壁面間の流れの最も乱れる領域にフローガイド１０を取り付けたものである。このフローガイド１０はステーベーン外周の上下壁面付近に整流羽根７１と同時に取り付けるものである。このフローガイド１０は断面が円形のパイプ状のものであり、一般的にフランシス型水車に用いることでその有効性が知られるが、セミスパイラルケーシング１では整流羽根７１と同時に用いることで壁面付近の流れを適正化するものである。特にセミスパイラルケーシング１の場合、ケーシング底面・上面からステーベーン３までの距離が長いこと、傾斜部で流れが堰き止められることからこのフローガイド１０を取り付けることで壁面付近の流れを改善するものである。
【００２７】
本実施形態により、整流羽根７１とフローガイド１０を同時に取り付けることで半渦巻き部のステーベーン周辺の流れとセミスパイラルケーシング上下壁面付近の流れを改善することができ、ステーベーン３に適切な流れを導くことができる。
【００２８】
そして、半渦巻き部に発生する流れの不均一性、ステーベーン形状との不一致性を解消することができるために、この部位で発生していた衝突損失をはじめとした損失低減が可能となり水車性能の向上に貢献できる。また、整流羽根を取り付ける作業においては、小規模な範囲に限定できることから容易に施工が完了するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態１に係るセミスパイラル型カプラン水車を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図２】整流羽根の断面形状について説明する図であり、図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図。
【図３】整流羽根の固着方法について説明する図。
【図４】流れ解析による損失評価を示すグラフ。
【図５】実施形態２に係るセミスパイラル型カプラン水車を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図６】従来のセミスパイラル型カプラン水車を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図７】従来のカプラン水車の半渦巻き部における拡大図。
【符号の説明】
【００３０】
１…セミスパイラルケーシング、２…ステーリング、３…ステーベーン、４…ガイドベーン、５…ランナ、６…吸出し管、７０，７１…整流羽根、８…ピア、９…金属製ライナ部、１０…フローガイド。
【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】
2010043610.tif 000008
【図７】
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