(57)【要約】【課題】ダムの貯水池において取水する際の渦の発生を抑制することができる朝顔型取水構造体を提供する。【解決手段】本発明に係る朝顔型取水構造体１０は、先端に向けて流路径が大きくなり、かつ先端において開口した流路を内部に有する筒状体１１と、筒状体１１の先端に配置され、かつ平面視において開口の中央側２１から外周側２２へ延びるように放射状に配置された複数本のピア１とを備える。当該複数本のピア１のそれぞれは、平面視における外周側２２の端面から中央側２１へ向かって幅が広がるような直線状の側面を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に向けて流路径が大きくなり、かつ前記先端において開口した流路を内部に有する筒状体と、
前記筒状体の前記先端に配置され、かつ平面視において前記開口の中央側から外周側へ延びるように放射状に配置された複数本のピアとを備え、
前記複数本のピアのそれぞれは、平面視における外周側の端面から中央側へ向かって幅が広がるような直線状の側面を有している、朝顔型取水構造体。
【請求項２】
前記複数本のピアのそれぞれは板状部材を含み、前記板状部材が前記直線状の側面をなしている、請求項１に記載の朝顔型取水構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦の発生を抑制する朝顔型取水構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所は一般的に、低所へ流れようとする高所の水がもつ位置エネルギーを利用して水車を回転させ、当該水車に接続された発電機を駆動させることにより発電を起こす施設である。
【０００３】
図１０は、水力発電所の仕組みを示す概略図である。図１０に示すダム５１の左側の領域には、たとえば貯水池としての河川の水が貯留している。この河川の水がダム５１にて堰き止められることにより、河川の水が図１０に示すダム５１の右側の領域に溢れることを防止する構造となっている。
【０００４】
ダム５１の左側の領域に貯留する河川などの水は、ダムの下部に設けられた導水路５４を流通することにより水車５２に到達する。導水路５４を流通する水は、ダム５１の左側の領域における水面の高さと導水路５４の高さとの差分の位置エネルギーを有する。このため、導水路５４を流通して水車５２に流れる水のもつ位置エネルギーが、水車５２を回転させる原動力として利用される。
【０００５】
水車５２の回転に伴い、水車５２に接続された発電機５３が回転することにより、発電機５３は発電する。そして発電機５３の発電を水力発電として出力する。なお、水車５２を回転させた水は、水車５２の下流側に配置された放水路５５を流通することにより放水される。
【０００６】
ダム５１の下部に埋設された導水路５４の内部に河川などの水を流通させるために、通常河川などの水の内部には、導水路５４に通ずる取水構造体５０が配置されている。取水構造体５０の取水口が、河川などの水を取水して取水構造体５０の内部に取り込み、これを導水路５４に流通させる。
【０００７】
一般的に取水構造体５０には、河川などの水を導入することが可能な任意の形状を採用することができる。しかしたとえばわが国の河川は勾配が大きく、河川の貯水部の急峻な外壁部分を形成する土砂が、河川の水とともにダム５１の左側（図１０参照）の領域の水底に堆積しやすく、取水構造体５０が土砂に埋没する可能性がある。そこでこれを回避し、取水構造体５０の内部が土砂で充填されることを抑制するため、当該取水構造体５０の形状として図１０に示す朝顔型取水構造体５０のような筒状体が採用されることがある。
【０００８】
図１１は、図１０の朝顔型取水構造体５０の平面視における概略平面図である。なおここで平面視とは、朝顔型取水構造体５０を図１０における上側から見た状態をいう。朝顔型取水構造体５０は、筒状体１１と、複数本のピア９と、蓋状体７とを有している。筒状体１１は鉛直方向に沿った方向（図１０における上下方向）に延びている。筒状体１１は内部に流路１１ａを有しており、その流路１１ａは筒状体１１の上端にて開口している。複数本のピア９は、筒状体１１の先端部（図１０における上側）に放射状に配置されている。当該ピア９は、朝顔型取水構造体５０の中央側２１（内周側）から外周側２２へ放射状に延びる１対の互いに略平行な長軸側面１ｄと、中央側２１および外周側２２の端部の側面である外周曲面１ｃとを有する。蓋状体７は複数本のピア９の上に配置されている。
【０００９】
図１１に示す朝顔型取水構造体５０においては、隣り合うピア９に挟まれた領域である取水口８から、河川などの水が朝顔型取水構造体５０の内部に取り込まれる。そして取水された水は図１０に示す朝顔型取水構造体の筒状体１１の内部の流路１１ａを上側から下側へ流通し、導水路５４へと導かれる。
【００１０】
朝顔型取水構造体５０が筒状体１１を有することにより、取水口８が、河川などの下底部分や外壁部分など、土砂で形成された領域から離れた領域に配置されることになる。このため、河川などの下底部分や外壁部分などを構成する土砂が取水口８から朝顔型取水構造体５０の内部へ導入されることが抑制される。
【００１１】
朝顔型円周堰は、たとえば以下の特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２７８１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、平面視において図１１のような態様を示す朝顔型取水構造体５０においても、取水口８から内部に吸水する際に、取水口８の周囲にて水の動乱に起因する渦が発生することがある。そこで、これを抑制するために、図１１において隣り合うピア９に挟まれた、取水口８が存在する付近の領域に、隣り合うピア９同士を連結する板状の桁を設置することがある。桁の設置により、たとえば取水口８の周辺に渦が発生しても、桁が渦や水の流れに対する抵抗として作用する。このように桁は当該渦の成長を妨げるため、当該渦を衰退または消滅させることができる。
【００１４】
上述した桁の設置は、流量、取水高さ等の条件の時間変化が小さいもとでは有効な方法である。しかしながら、ダム５１の貯水池に用いる河川の水などは、流速、流向、取水を行なう際の取水口の高さと水面の高さとの差などの条件の変化が大きい。このため、上述した桁などを用いても、渦発生を抑制する効果が期待できない。
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、ダムの貯水池において取水する際の渦の発生を抑制することができる朝顔型取水構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る朝顔型取水構造体は、先端に向けて流路径が大きくなり、かつ先端において開口した流路を内部に有する筒状体と、筒状体の先端に配置され、かつ平面視において開口の中央側から外周側へ延びるように放射状に配置された複数本のピアとを備えている。複数本のピアのそれぞれは、平面視における外周側の端面から中央側へ向かって幅が広がるような直線状の側面を有している。
【００１７】
本発明に係る朝顔型取水構造体にすれば、複数本のピアのそれぞれが、平面視における外周側の端面から中央側へ向かって幅が広がるような直線状の側面を有している。一般に複数本のピアの外周側の端面近傍において水の流れがピアから剥離すると回転力（渦）が生じ、当該渦はピアが放射状に延びる方向に対してある角度を有する方向に、成長しながら進行する。そこで上述した渦が進行する方向に沿った方向に直線状の側面を有する形状のピアを備えれば、ピアの外周面（直線状の側面）が、水の流れが進行する方向に沿った方向となる。このようにすれば、水の流れがピア外周面に沿い、ピアから剥離しない。したがってこのような構造とすれば、ピアの側面付近の領域において渦の発生、および成長を抑制することができる。
【００１８】
上記の朝顔型取水構造体において好ましくは、複数本のピアのそれぞれは板状部材を含み、板状部材が直線状の側面をなしている。
【００１９】
このようにすれば当該板状部材の表面が、ピアの直線状の側面と同様に、ピアの側面付近の領域における渦の発生、および成長を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、取水する際の渦の発生を抑制する朝顔型取水構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る朝顔型取水構造体の態様を示す概略図である。
【図２】図１の平面視における概略平面図である。
【図３】図２中の領域ＩＩＩの拡大図である。
【図４】図２中の線分ＩＶ−ＩＶの概略断面図である。
【図５】ピアの周囲に渦が発生する態様を示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る朝顔型取水構造体の平面視における概略平面図である。
【図７】図６中の領域ＶＩＩの拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る朝顔型取水構造体の平面視における概略平面図である。
【図９】図８中の領域ＩＸの拡大図である。
【図１０】水力発電所の仕組みを示す概略図である。
【図１１】図１０の朝顔型取水構造体５０の平面視における概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態１〜３について説明する。
（実施の形態１）
図１および図２に示すように、朝顔型取水構造体１０は、筒状体１１と、複数本のピア１と、蓋状体７とを有している。筒状体１１は、内部に流路１１ａを有している。流路１１ａは、筒状体１１の先端（図１における上端面）に開口している。流路１１ａは、先端側ほど流路径Ｄが大きくなっている。この筒状体１１は、取水口８から筒状体１１の流路１１ａに滑らかに水を流通するようにするため、下方から上方の先端に向かうほど径が大きくなる、いわゆる朝顔型の形状を有している。
【００２３】
複数本のピア１は、筒状体１１の先端に配置され、かつ平面視（図２）において放射状に配置されている。つまり、複数本のピア１のそれぞれが、流路１１ａの開口の平面形状における径方向（矢印Ｆ方向）の中央側（内周側）２１から外周側２２へ延びるように配置されており、かつ互いに分離している。互いに隣り合うピア１に挟まれた領域が、筒状体１１の流路１１ａへ水を取り込むための取水口８となっている。
【００２４】
蓋状体７は、複数本のピア１上に配置されており、かつ上記流路１１ａの開口の中央部を覆うように配置されている。蓋状体７を設けることにより、朝顔型取水構造体１０の上側から無制限に吸水することを抑制し、図１に示すように取水口８から所定量の水を取り込むことができる。
【００２５】
なお、朝顔型取水構造体１０の各構成要素であるピア１、蓋状体７、筒状体１１はたとえばコンクリートから構成される。また、朝顔型取水構造体１０はピア１をたとえば８本備えている。しかし当該ピア１の本数はたとえば６本、４本、１０本など、取水口８を確保することができる任意の本数とすることができる。
【００２６】
図２に示すように、朝顔型取水構造体１０の複数本のピア１のそれぞれは、平面視における外周側２２の端面にあたる外周曲面１ｃから中央側２１へ向かって幅が広がるような直線状の側面である外側側面１ａを有している。より具体的には、図３に示すピア１は、図中上側が図２における外周側２２であり、図中下側が図２における中央側２１である。外周側２２にあるピア１の１対の平面である外側側面１ａは、外周側２２から中央側２１へ向かってピア１の幅Ｗが広くなるように平面視において直線状の形状を有している。比較用に図３中に、図１１に示す従来から用いられる朝顔型取水構造体５０のピア９の平面視における長手方向の側面である長軸側面１ｄを一点鎖線で示す。図３より、本実施の形態のピア１の１対の外側側面１ａは、互いに略平行であるピア９（図１１参照）の１対の長軸側面１ｄに比べて外周側２２から中央側２１へ向かってピア１の幅Ｗが広がる構造を有していることがわかる。ピア９の略平行な１対の長軸側面１ｄに対して、ピア１の１対の外側側面１ａは、角度αをもって外周側２２から中央側２１へ向かって幅Ｗが広がる構造を有している。また、ピア１の１対の外側側面１ｂは、外周側２２から中央側２１へ向かってピア１の幅Ｗが狭まる構造を有している。そして中央側２１の端面にも外周曲面１ｃが存在する。
【００２７】
ピア１の中央側２１および外周側２２の端面のそれぞれは、図２および図３に示すようにたとえば円周形状を有する外周曲面１ｃを形成する構造となっていることが好ましい。  
【００２８】
放射状に配置された各ピア１に挟まれた領域である取水口８から、朝顔型取水構造体１０が設置されている河川などの貯水池の水が図１に矢印で示す方向に取り込まれる。この取水口８に取り込まれる水の流速はたとえば１ｍ／ｓ以下である。取水口８から朝顔型取水構造体１０に取り込まれた水は、筒状体１１の流路１１ａ（図４参照）の内部を図４の矢印に示すように上側から下側へ向かって流通する。そして図１において図示しない導水路５４（図１０参照）に達する。
【００２９】
次に、本実施の形態の取水構造体の作用効果について説明する。図５はたとえば図３と同様に、従来から用いられる朝顔型取水構造体５０の１つのピア９の平面視における態様を示す概略図である。図５においても図３と同様に、図の上側が図１１における外周側２２であり、図の下側が図１１における中央側２１である。
【００３０】
図５を参照して、従来のピア１の形状では、ピア１の外周側から矢印Ｘ１方向に沿ってピア１の外周曲面１ｃに衝突した水は、外周曲面１ｃと長軸側面１ｄとの接続点６付近でピア１の表面から剥離して、たとえば接続点６から延びる仮想の直線１２に沿って内周側へ引き込まれていく。この際、水の流速は直線１２よりもピア１から離れた領域Ｒ１では比較的速くなるものの、直線１２よりもピア１に近い領域Ｒ２では比較的遅くなる。これにより、直線１２を境にした両側で流速の差が生じ、この流速の差に起因して、水の流れに回転力が生じるため、直線１２に沿って渦が生じる。このようにして発生した渦は、領域Ｒ１のＶ１方向の流れと領域Ｒ２のＶ２方向の流れとにより発生するせん断力によって、中央側２１へ（Ｖ方向へ）引き込まれるにつれて成長する。
【００３１】
上記の成長した渦によって、水は空気を巻き込みながら筒状体１１の流路１１ａの内に流れ込む。これにより、流路１１ａ内に取り込まれた水には、渦によって気泡が取り込まれることになる。
【００３２】
このような気泡は導水路５４の途中で集合し、次第に大きな空気塊となる。この空気塊が所定の大きさになると急浮上を開始し、それにより水に衝撃的な空気圧が与えられる。これはエアハンマーと呼ばれる現象であり、このエアハンマーによって発電施設に損傷が与えられる。
【００３３】
また水中に取り込まれた気泡が水車５２に達するとキャビテーションと呼ばれる問題が促進される。つまり、水車５２などの表面は水に対して高速で移動するため水の圧力の低い部分が気化して気泡が生じ、またその気泡がつぶれて消滅するというキャビテーション現象が生じ、その現象が渦になって取り込まれた気泡によって促進される。この水が急に気化するということは、水中で小さな爆発が起こっているのと同じであるため、振動、ノイズなどの不具合を招く。また、気泡の消滅の際に瞬間的に非常に高い圧力が発生して、発電施設の表面にへこみや傷を付ける、いわゆる壊食も生じる。
【００３４】
これに対して、本実施の形態のピア１は、図３に示すように外周側２２から中央側２１へ向かってピア１の幅が広がるような直線状の外側側面１ａを有している。これにより、ピア１の外周側から矢印Ｘ２方向に沿ってピア１の外周曲面１ｃに衝突した水は接続点６から外側側面１ａに沿って流れて内周側（中央側２１の方向）へ引き込まれることになる。このため、外側側面１ａの部分で水の流れは外側側面１ａから剥離しにくくなる。よって、剥離した流れに起因した渦の発生を抑制できるため、流路１１ａに吸い込まれる水に空気が取り込まれにくくなり、上述のエアハンマーおよびキャビテーションによる不具合の発生を抑えることが可能となる。
【００３５】
なお、図３におけるピア１の放射状に延びる全長Ａ、ピア１の外側側面長さＢ、ピア１の外側側面幅Ｃ、外側側面縦幅Ｅの寸法の比は、外側側面１ａおよび接続点６が渦の発生や成長を妨げる作用を奏するに足る任意の比率を用いることができる。ただし、特に外側側面１ａが渦の発生や成長を抑制する作用を奏するためには、外側側面長さＢは全長Ａの５０％以上の長さを有することが好ましい。また外側側面１ａの長軸側面１ｄの方向に対する角度αは１０°以上２０°以下であることが好ましい。
【００３６】
なお、ピア１においては中央側２１の端部において、１対の外側側面１ａの幅Ｗが最も大きくなった領域における当該幅（これをＷ１とする）よりも当該幅Ｗが小さくなる構造となっている。しかし中央側２１において複数本のピアが干渉して取水口８が塞がれるなどの不具合が発生しない限り、中央側２１における幅Ｗは幅Ｗ１に等しく、長軸側面１ｄに平行な、幅Ｗの広い側面を形成してもよい。また、ピア１においては中央側２１の端面に外周曲面１ｃを構成している。しかし中央側２１については当該外周曲面１ｃの代わりに、たとえば外側側面１ａ、１ｂや長軸側面１ｄと同様の平面形状の側面を設けた直方体状の形状としてもよい。
【００３７】
（実施の形態２）
図６を参照して、本実施の形態２の朝顔型取水構造体２０の構成は、実施の形態１の構成と比較して、ピア２の中央側２１の形状において異なっている。本実施の形態のピア２においては、外側側面１ａよりも中央側２１に位置する１対の長軸側面１ｄが互いに平行になっている。また、中央側２１の長軸側面１ｄと外周側２２の外側側面１ａとの間には段部２３が設けられている。より具体的には、図７に示すようにピア２の平面視における外周側２２（図７における上側）には外側側面１ａが、中央側２１（図７における下側）には長軸側面１ｄが形成されている。したがってピア２は、ピア１とピア９とを合体した構造となっている。この点において、本実施の形態２は実施の形態１と異なる。
【００３８】
１対の外側側面１ａは、ピア１と同様に接続点６において外周曲面１ｃと接続している。またピア２における１対の外側側面１ａの幅Ｗは外周側２２から中央側２１へ向かって広がるような構成となっている。ただし、上述したように渦を発生させるのは接続点６の近傍であり、渦を成長させるのは外側側面１ａの方向（図５における直線１２の方向）である。したがって、接続点６から一定の外側側面長さＢだけ直線１２の方向に延びる外側側面１ａが存在すれば、当該ピア２は、ピア１と同様に、渦の発生や成長を抑制することができる。したがって、ピア２の中央側２１においては従来の朝顔型取水構造体５０のピア９と同様の構成を有していてもよい。
【００３９】
したがって、図３に示すピア１においては中央側２１にも１対の外側側面１ｂを設けているが、図７におけるピア２においては中央側２１には外側側面１ｂの代わりに長軸側面１ｄを設けている。
【００４０】
また、図７におけるピア２の外側側面１ａの長さＢは、外側側面１ａの延びる方向における渦の発生や成長を妨げるのに十分な長さを有していればよい。したがって、たとえば図７における全長Ａ、外周側２２の端面から一定の距離の箇所における１対の外側側面１ａの距離である幅Ｗが一定であっても、たとえばピア２の外側側面長さＢや外側側面幅Ｃが、ピア１の外側側面長さＢや外側側面幅Ｃの５０％であってもよい。ただし、Ｂ（Ｃ）を短くしすぎると、渦の成長を妨げることができる外側側面１ａの領域が不足することになる。このため、ピア２の外側側面長さＢ（外側側面幅Ｃ）はピア１の外側側面長さＢ（外側側面幅Ｃ）の５０％以上であることが好ましい。したがって、ピア２の外側側面長さＢは全長Ａの２５％以上であることが好ましい。
【００４１】
本発明の実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。
【００４２】
（実施の形態３）
図８に示す本実施の形態３の朝顔型取水構造体３０は、本実施の形態１の朝顔型取水構造体１０と基本的に同様の形態を備えている。しかし朝顔型取水構造体３０に備えられる複数本のピア３は、それぞれが板状部材４を含んでおり、当該板状部材４が直線状の側面をなしている。なお、図９においても上側が朝顔型取水構造体３０の外周側２２に、下側が中央側２１に相当する。
【００４３】
ピア３は、従来より用いられる朝顔型取水構造体５０に用いられるピア９に、たとえばコンクリートで形成された板状部材４をさらに備えた構成となっている。図９におけるピア３は、全長Ａや幅Ｗなどの寸法が図３に示すピア１と同様であるとする。このとき図９のピア３における接続点６は、図３のピア１における接続点６と略同じ位置に配置されており、板状部材４は長軸側面１ｄとなす角度がαとなるように配置されている。また板状部材４の外側側面長さＢや外側側面幅Ｃ、外側側面縦幅Ｅは、図３のピア１における当該Ｂ、Ｃ、Ｅと略等しくなるように配置されている。すなわち、板状部材４の外側を向いた主表面は、図３における外側側面１ａと同様の役割を有するものである。したがってピア３は、互いに略平行である１対の長軸側面１ｄを有するピア９と同様の構造体と、当該長軸側面１ｄとのなす角度がαである板状部材４との間に、周方向に沿って隙間２４を有する。
【００４４】
したがって、以上のような構造を有するピア３においてもピア１と同様に、板状部材４が接続点６の近傍を起点とする渦の発生や成長を抑制する役割を有する。このため、朝顔型取水構造体３０についても、朝顔型取水構造体１０、２０と同様に、渦の発生や成長を抑制することができる。
【００４５】
なお、ピア３においては板状部材４は接続点６の近傍においてのみ、ピア３の中核をなすピア９と同様形状の部材に固着されている。しかし、たとえば板状部材４の、接続点６が存在する側と反対側の（図９における下側の）端部と、ピア９と同様形状の部材の長軸側面１ｄとを接続するたとえば桁のような構造物を備えていてもよい。当該桁のような構造物が、板状部材４とピア９と同様形状の部材とを接続し、当該接続された部分は、上述したピア２における段部２３に相当する。このようにすれば、板状部材４は接続点６と、接続点６と反対側の端部との２箇所において長軸側面１ｄと接続され、より強固な構造とすることができる。
【００４６】
本発明の実施の形態３は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態３について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。
【００４７】
以上のように本発明の各実施の形態について説明を行なったが、今回開示した各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、朝顔型取水構造体において、取水する際の渦の発生を抑制する技術として、特に優れている。
【符号の説明】
【００４９】
１，２，３，９  ピア、１ａ，１ｂ  外側側面、１ｃ  外周曲面、１ｄ  長軸側面、４  板状部材、６  接続点、７  蓋状体、８  取水口、１０，２０，３０，５０  朝顔型取水構造体、１１  筒状体、１１ａ  流路、１２  直線、２１  中央側、２２  外周側、２３  段部、２４  隙間、５１  ダム、５２  水車、５３  発電機、５４  導水路、５５  放水路。
【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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【図１０】
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【図１１】
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