(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを備え、水車の回転部を構成するランナと、
前記ランナバンドの下側を覆う環状の下カバと、
前記ランナバンドと前記下カバの間に環状に形成された側圧室と、
水車の回転部である前記ランナと水車の固定部である前記下カバとの間に形成された環状空間のシール部と、
を備えたフランシス形水力機械のシール構造において、
前記シール部は、
前記ランナ側の回転壁面に設けた段付部と前記下カバ側の静止壁面に設けた段付部とを、それぞれが面するように配置され、
これらの両壁面で挟まれた円環状空間に、小間隙とこの小間隙に繋がった大間隙とを交互に形成した階段形状をなし、
前記静止壁面の段付部における前記大間隙の各段又は所定の段に、前記回転壁面に接触しない範囲で、前記大間隙内を周回するリブを備えるとともに、前記回転壁面にはリブを備えさせず、
前記リブは、円環状又は円板状であり、前記静止壁面の段付部における前記大間隙の各段又は所定の段の水平面上又は垂直面上に設けられたことを特徴とする水力機械のシール構造。
【請求項２】
前記リブは、前記静止壁面の水平面上に、前記水力機械の半径方向内方側に向かって傾斜面を有する傾斜部と、静止壁面の水平面上に垂直でかつ前記傾斜部に鋭角方向に立ち上がった垂直部とからなることを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項３】
前記リブは、前記水力機械の半径方向内方側に向かって、前記静止壁面の水平面上に垂直な垂直部と、この垂直部から半径方向内方側に鋭角に折れ曲がって傾斜面をなす傾斜部とからなることを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項４】
前記リブは、前記静止壁面の水平面上に、前記水力機械の半径方向内方側に向かって、鋭角な傾斜面を構成する第１の傾斜部と、この第１の傾斜部から半径方向内方側に鋭角に折れ曲がって傾斜面をなす第２の傾斜部とからなることを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項５】
前記リブは、前記静止壁面の垂直面上に、前記水力機械の半径方向内方側に向かって傾斜面を有する傾斜部と、静止壁面の垂直面上に垂直でかつ前記傾斜部に鋭角方向に立ち上がった垂直部とからなることを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項６】
前記リブは、前記水力機械の半径方向内方側に向かって、前記静止壁面の垂直面上に垂直な垂直部と、この垂直部から半径方向内方側に鋭角に折れ曲がって傾斜面をなす傾斜部とからなることを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項７】
前記リブは、前記静止壁面の垂直面上に、前記水力機械の半径方向内方側に向かって傾斜面を有する第１の傾斜部と、この第１の傾斜部から鋭角に折れ曲がって傾斜面をなす第２の傾斜部とからなることを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項８】
前記リブは、前記静止壁面の水平面上に、半径の異なる複数の円環状体により周回するように構成され、互いに内周側を他のリブに向け、複数のリブの端部が、回転軸方向から投影して重なり合うように配置されたことを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項９】
前記リブは、前記静止壁面の垂直面上に、半径の異なる複数の円板状体により周回するように構成され、互いに内周側を下方向に向け、複数のリブの端部が、鉛直方向に投影した場合に重なり合うように配置されたことを特徴とする請求項１記載の水力機械のシール構造。
【請求項１０】
前記シール部は、回転壁面側に前記大間隙に繋がった前記小間隙部分に、前記回転壁面から前記小間隙側に突出して前記小間隙の幅を狭める凸部が設けられたことを特徴とする請求項１，５，６，７又は９のいずれか１項に記載の水力機械のシール構造。
【請求項１１】
前記回転壁面の前記リブに対応する位置に、前記リブと略同形同大で前記リブを収納可能な凹部を設けたことを特徴とする請求項１又は７に記載の水力機械のシール構造。
【請求項１２】
鉛直方向の回転軸と前記回転軸に取り付けられ複数の羽根を支持固定し動力伝達するためのランナクラウンとを備え、水車の回転部を構成するランナと、
前記ランナクラウンの上側を覆う環状の上カバと、
前記ランナクラウンと前記上カバの間に環状に形成された側圧室と、
水車の回転部である前記ランナと水車の固定部である前記上カバとの間に形成された環状空間のシール部と、
を備えたフランシス形水力機械のシール構造において、
前記シール部は、
前記ランナ側の回転壁面に設けた段付部と前記上カバ側の静止壁面に設けた段付部とを、それぞれが面するように配置され、
これらの両壁面で挟まれた円環状空間に、小間隙とこの小間隙に繋がった大間隙とを交互に形成した階段形状をなし、
前記静止壁面の段付部における前記大間隙の各段又は所定の段に、前記回転壁面に接触しない範囲で、前記大間隙内を周回するリブを備えるとともに、前記回転壁面にはリブを備えさせず、
前記リブは、円環状又は円板状であり、前記静止壁面の段付部における前記大間隙の各段又は所定の段の水平面上又は垂直面上に設けられたことを特徴とする水力機械のシール構造。
【請求項１３】
前記リブは、前記水力機械の半径方向内方側に向かって、前記静止壁面の垂直面上に垂直な垂直部と、この垂直部から半径方向内方側に鋭角に折れ曲がって傾斜面をなす傾斜部とからなることを特徴とする請求項１２記載の水力機械のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水力機械のシール構造に係り、特に回転部と固定部との間隙に、漏水を低減するために設けられたシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水力発電等に用いる水力機械として、フランシス型の水車が広く知られている。このようなフランシス型の水車について、その断面概念図を図１２に示す。同図において、ランナ１は、上流から流れ入る水のエネルギーにより回転してこのときに発生する動力をランナ上部にある発電機に伝達して発電するための原動機である。
【０００３】
ランナ１は、主軸２により図示しない発電機に動力を伝達する。上池（図示せず）からの水は、ケーシング３に導かれステーベン４、ガイドベーン５で整流されランナ１に流入する。ランナ１から流出する水は上部吸出管１３に流入し、この吸出管１３を経て下池へと流出する。
【０００４】
ランナ１は、水流を受ける羽根部が周方向に複数枚並べられ、羽根を主軸２と連結して支持固定し動力伝達するためのランナクラウン１ｂ、羽根を外側で締結するためのランナバンド１ｃ、ランナクラウン１ｂから下部につながるランナコーン１ｄからなる。これらの構成部材をすべて個別に製作し溶接により一体化されることが一般的である。
【０００５】
ランナクラウン１ｂは、内側に主軸２、外側に羽根を固定するために円錐台のような形状で、羽根の大きさに対して内径、外径とも十分な大きさを有している。ランナクラウン１ｂの外周面の径の大きい上部から径の小さい下部に対して水が流れるように構成され、この流水がスムーズに流れ損失が発生しないように滑らかな面を形成し、このランナクラウン１ｂの外側面に沿って羽根が接合される。ランナクラウン１ｂの下端面には、ランナコーンと呼ばれる流路形状を滑らかに延長するための部材を取り付けて、ランナから出た水をスムーズに上部吸出管１３へと導いている。
【０００６】
背圧室６は、ランナクラウンの上面すなわちランナ背面と上カバ８の間に挟まれた環状の空間である。フランシス型水車のなかには、背圧室６が、環状に延びる背圧シール部を境に環状の内側背圧室と環状の外側背圧室に分けられているものもある（図示せず）。なお、ランナバンド１ｃの側面すなわちランナ側面と下カバ９の内面によって囲まれた環状の空間を側圧室７と呼ぶ。
【０００７】
このような水力機械では、ランナクラウン１ｂの外周面を流れる水が、上部及び下部より流出する。例えば、図１２に矢印(1) として示すように、ランナ１の上面と上カバ８との間の上部外側シール部１２から流出する水は、ランナ１の背圧室６に流入し、バランスホール１４を通過して、吸出管１３内へ流出する。また、同矢印(2) として示すように、ランナ１の下面と下カバ９との間の下部外側シール部１１から流出する水は、ランナの側圧室７に流入し、下部内側シール部１０を通過し、吸出管１３内へ流出する。なお、このような水の流出の態様は一例を示すものであり、例えば、上記ランナクラウン１ｂの外周側に設けた上部上側シール部を、ランナクラウン１ｂのより内周側に設けたような実施態様も存在する。
【０００８】
そこで、このような水力機械では、回転部であるランナ１と静止部である上カバ８または下カバ９の間に、漏水防止のためのシール装置が設けられている。つまり、これらの各間隙に流入する水の漏洩量を抑制するために、漏水を減少させるためのランナ入口シール装置及びランナ背圧室シール装置が夫々形成されている。
【０００９】
このようなシール装置を備えた水力機械では、上部外側シール部１２および下部外側シール部１１から流出する漏れ流量が少なければ少ないほどランナ羽根１ａを通過する水の体積効率が向上し、それに伴って水車効率向上が図られることが知られており、シール部からの漏れ流量を減らすことは、水力機械の重要課題である。
【００１０】
このような状況の下、従来のシール装置では、シール効果を高める技術として、シール隙間を小さくしたもの、あるいは隙間を小さくできない場合、シール部分を長くしたものなど、シール部分の形状に様々な工夫を施したものが提案されている。
【００１１】
例えば、このシール部分を長くした技術として、図１３に示すように、例えばシール装置を階段形状で形成したものがある。また、構造上の寸法制約を回避しシール部分を長くしてシール効果を高める技術として、シール部分を斜面にしたものがある。このように従来技術では、シール部分の長さを極力長くするように工夫し、高いシール効果を得るようにしていた。
【００１２】
また、ランナとランナを覆うカバの間隙の途中に、環状の拡大室を形成し、この拡大室を形成するランナ側にランナ軸と同軸の第１リングを片持ち状に設けるとともに、上記拡大室を形成するカバ側にランナ軸と同軸の第２リングを半径方向に所定の間隔で相対向させ、拡大室内に蛇行流路を形成し、これにより、カバとランナとの間の水量の漏れ流量を低減させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【００１３】
さらに、シール部途中に、複数の幅広の空間を形成した膨張室を設け、この膨張室に水が流入することにより、圧力低下を生じさせ、水流の漏れ流量の低下を図った技術が提案されている（特許文献２参照）。
【００１４】
また、シール部分を階段形状に形成した上、この階段形状の中途に形成された拡大室に複数の放射状のリブを円周方向に所定間隔で設けた技術が提案されている（特許文献３参照）。これによれば、水が、シール部に流入する際の摩擦損失、拡大室に流入する際の拡大損失、階段状に形成された次のシール部に流入する際の衝突損失、および、放射状に設けられたリブに旋回流が衝突する際の衝突損失により、シール部分に流れる水流の漏れ流量を低減させ、カバとランナとの間を流れる水流の漏れ流量を低減させ、高い体積効率を得られるようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】実開昭６２−１０８５７４号公報
【特許文献２】実開昭５６−５９９８３号公報
【特許文献３】実開昭６２−１０８５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、シール部分に階段形状を形成したシール装置において、水流の漏れ流量はシール部での全圧損失に反比例するため、シール部での全圧損失を増加させると、漏れ流量は低減できることとなる。
【００１７】
このシール部での全圧損失は、シール部を流下する流体と壁面との摩擦損失、及び流路断面積が小さい小間隙から流路断面積が急拡大する大間隙での流路急拡大による損失（以下、排気損失と記す）の総和で表される。さらに、シール部での摩擦損失は、シール部を流下する流体と回転壁面であるランナ側の壁面との摩擦損失（回転壁面側の摩擦損失）と、シール部を流下する流体と静止壁面である水車カバ側の壁面との摩擦損失（静止壁面側の摩擦損失）がある。
【００１８】
ここで、回転壁面側の摩擦損失、静止壁面側の摩擦損失、排気損失のうち、回転壁面側の摩擦損失に関しては、ランナ上下面に発生する円板摩擦などの機械損失の上昇につながり、水車効率を低下させてしまうため、できるだけ抑制する必要がある。しかしながら、特許文献１及び２に開示されたような従来のシール装置は、いずれも回転壁面側又は回転壁面側と静止壁面側の双方に摩擦損失を生じさせる構成を採用しており、このような構成においては、水車効率の低下が否めなかった。
【００１９】
また、特許文献３の技術では、静止壁面側にのみリブを設ける実施態様が開示されているが、この技術では、従来のような水がシール部に流入する際の摩擦損失、拡大室に流入する際の拡大損失、階段状に形成された次のシール部に流入する際の衝突損失に加え、放射状に設けられたリブに旋回流が衝突する際の衝突損失により、シール部分に流れる水流の漏れ流量を低減させるものであるところ、このリブに旋回流が衝突する際の衝突損失は、当該文献にも記載のとおり、他の摩擦損失や衝突損失に比べて大きいため、その分、回転壁面側に与える影響も大きく、やはり水車効率の低下を防ぐことが難しかった。
【００２０】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、ランナと水車カバとの間隙に形成するシール装置を流れる漏水に対するシール性能の維持とシール部の漏れ流量低減とを両立した水力機械のシール構造及びそれを備えた水力機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するため、本発明は、鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを備え、水車の回転部を構成するランナと、前記ランナバンドの下側を覆う環状の下カバと、前記ランナバンドと前記下カバの間に環状に形成された側圧室と、水車の回転部である前記ランナと水車の固定部である前記下カバとの間に形成された環状空間のシール部と、を備えたフランシス形水力機械のシール構造において、前記シール部は、前記ランナ側の回転壁面に設けた段付部と前記下カバ側の静止壁面に設けた段付部とを、それぞれが面するように配置され、これらの両壁面で挟まれた円環状空間に、小間隙とこの小間隙に繋がった大間隙とを交互に形成した階段形状をなし、前記静止壁面の段付部における前記大間隙の各段又は所定の段に、前記回転壁面に接触しない範囲で、前記大間隙内を周回するリブを備えるとともに、前記回転壁面にはリブを備えさせず、前記リブは、円環状又は円板状であり、前記静止壁面の段付部における前記大間隙の各段又は所定の段の水平面上又は垂直面上に設けられたことを特徴とする。
【００２２】
以上のような本発明では、静止部側に取り付けた周回するリブにより、流れの経路が増加するため、静止部側で発生する摩擦損失が増加する。一方、回転部側には特に部材を設けないため、流れの経路に大きな変化はなく、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。また、取り付けたリブと回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。よって、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。
【発明の効果】
【００２３】
以上のような本発明によれば、ランナと水車カバとの間隙に形成するシール装置を流れる漏水に対するシール性能の維持とシール部の漏れ流量低減とを両立した水力機械のシール構造及びそれを備えた水力機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図２】本発明の第２実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図３】本発明の第３実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図４】本発明の第４実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図５】本発明の第５実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図６】本発明の第６実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図７】本発明の第７実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図８】本発明の第８実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図９】本発明の第９実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図１０】本発明の第１０実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図１１】本発明の第１１実施形態における水力機器のシール構造を示す模式図。
【図１２】従来の水力機器のシール構造を示す模式図。
【図１３】従来の水力機器のシール構造を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の水力機械のシール構造及びそれを備えた水力機械を実施するための代表的な形態（以下、「実施形態」という。）について、図１〜図１１を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明では、本発明の水力機械のシール構造を、水力機器のランナバンドと下カバとの間に適用した例を主として説明するが、本発明の水力機械のシール構造は、従来技術の項における水力機械のシール部の構成において述べたのと同様、ランナクラウンと上カバとの間の外周側（上部外側シール部）又はこの外周側よりもより内周側に適用した場合においても、適宜採用することが可能なものである。また、従来技術と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【００２６】
［１．第１実施形態］
本発明の第１実施形態の水力機器のシール構造について、図１を用いて説明する。
［１−１．構成］
まず、本実施形態におけるシール構造の前提となる水力機器の構成を説明する。本実施形態の前提となる水力機器は、従来技術の項において説明したのと同様、図１２に示すように、鉛直方向の主軸２と、主軸２の下方に取り付けられ、複数の羽根１ｅおよびそれらの羽根１ｅの端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンド１ｃを有するランナ１とを備える。また、ランナバンド１ｃの下側を覆う環状の下カバ９と、ランナバンド１ｃと下カバ９の間に環状に形成された側圧室７と、水車の回転部であるランナ１と水車の固定部である下カバ９との間に形成された環状空間のシール部１０と、を備える。
【００２７】
本実施形態のシール構造は、このシール部１０の構成に特徴を有するものである。図１は、本実施形態のシール部１０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図（ａ）と、リブの構成を示す斜視図（ｂ）である。図１（ａ）に示すように、本実施形態のシール部１０は、概略、ランナ１側の壁面（回転壁面Ａ）に設けた段付部が、カバ８，９側の壁面（静止壁面Ｂ）Ｂに設けた段付部に夫々面するように配置され、これらの両壁面で挟まれた円環状空間に、流路断面積が小さい絞り部（小間隙）Ｓから流路断面積が急拡大するラビリンス部（大間隙）Ｌが複数段にわたり連続して繋がるように形成され階段形状をなす。
【００２８】
このような階段形状に形成されるシール部１０において、本実施形態においては、大間隙の各段（又は特定の段）に、円環状のリブＲ１（図１（ｂ）参照）を、静止壁面Ｂの水平面上に回転壁面Ａに接触しない範囲で設置したものである。すなわち、円環状のリブＲ１により、静止壁面Ｂと回転壁面Ａの流路断面積を局所的に狭めたシール構造を構成したものである。
【００２９】
［１−２．作用効果］
以上のような本実施形態の水力機械のシール構造によれば、円環状のリブＲ１を、水が流入する大間隙Ｌに設けたことにより、大間隙Ｌを通過する水が、この円環状のリブＲ１に沿うため、流れの経路が増加する。これにより、大間隙Ｌにおいて発生する摩擦損失が増加する。
【００３０】
また、このリブＲ１を、回転部壁面Ａ側ではなく、静止壁面Ｂ側に回転壁面Ａに接触しない範囲で設けたことにより、静止部側で発生する摩擦損失が増加するとともに、回転部側については、流れの経路に大きな変化はないため、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。また、取り付けたリブと回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。よって、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。
【００３１】
以上のような本実施形態の水力機械のシール構造によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００３２】
［２．第２実施形態］
本発明の第２実施形態の水力機器のシール構造について、図２を用いて説明する。第２実施形態の水力機器のシール構造は、第１実施形態のシール部１０のリブＲ１並びに大間隙Ｌの構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１実施形態と同様であるので適宜説明を省略する。
【００３３】
［２−１．構成］
図２は、本実施形態のシール部２０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図（ａ）と、リブの構成を示す斜視図（ｂ）である。このような階段形状のシール部２０の大間隙Ｌの各段（又は特定の段）に、円板状のリブＲ２（図２（ｂ）参照）を、静止壁面Ｂの垂直部上に回転壁面Ａに接触しない範囲で設置したものである。すなわち、円板状のリブＲ２により、静止壁面Ｂと回転壁面Ａの流路断面積を局所的に狭めたシール構造を構成したものである。
【００３４】
また、本実施形態のシール部２０では、大間隙Ｌを連通する小間隙Ｓ部分の回転壁面Ａ側に、この回転壁面Ａから小間隙Ｓ側に突出して小間隙Ｓの幅を狭める凸部Ｃが設けられている。
【００３５】
［２−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、円板状のリブＲ２により、静止壁面Ｂと回転壁面Ａの流路断面積を局所的に狭めたシール構造を形成し、さらに、大間隙Ｌを連通する小間隙Ｓ部分の回転壁面Ａ側に、凸部を設けたことにより、大間隙から小間隙へ流下する際に、リブＲ２と静止壁面Ｂと凸部Ｃからなる空間内の流れを発生させる。これによりリブと静止壁面Ｂ（静止部側）の摩擦損失を増加させることができる。
【００３６】
以上のような本実施形態によれば、第１実施形態と同様、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００３７】
［３．第３実施形態］
本発明の第３実施形態の水力機器のシール構造について、図３を用いて説明する。第３実施形態の水力機器のシール構造は、第１実施形態のシール部１０のリブＲ１の構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００３８】
［３−１．構成］
図３は、本実施形態のシール部３０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図である。このような階段形状のシール部３０の大間隙Ｌの各段（又は特定の段）において、静止壁面Ｂの水平面上に、半径方向内方側に向かって傾斜面を有するリブＲ３を設置したものである。リブＲ３は、図３に示すように、半径方向内方側に向かって傾斜面を有する傾斜部３１と、この傾斜部３１から折れ曲がって、静止壁面Ｂの水平面上に垂直でかつ傾斜部３１に対して鋭角方向に立ち上がった垂直部３２とから構成される。この鋭角傾斜角を有するリブＲ３により、大間隙Ｌの流路幅が漸減し、大間隙Ｌに、流路幅縮小部Ｌ１と拡大部Ｌ２を形成したシール構造を構成する。
【００３９】
［３−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部３０の大間隙Ｌをなす静止壁面Ｂの水平面上に、半径方向内方側に向かって大間隙Ｌの流路幅が漸減するような鋭角傾斜角のリブＲ３を設置することにより、第１実施形態の場合と同様に静止壁面Ｂ側の流れの経路が増加するため、静止部側で発生する摩擦損失が増加する。一方で、回転壁面Ａについては、流れの経路に大きな変化はないため、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。
【００４０】
また、取り付けたリブＲ３と回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。よって、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部３０を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。このように、本実施形態のシール構造では、第１実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００４１】
以上のように、本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００４２】
［４．第４実施形態］
本発明の第４実施形態の水力機器のシール構造について、図４を用いて説明する。第４実施形態の水力機器のシール構造は、第３実施形態のシール部３０のリブＲ３の構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００４３】
［４−１．構成］
図４は、本実施形態のシール部４０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図である。このような階段形状のシール部４０の大間隙Ｌの各段（又は特定の段）において、静止壁面Ｂの水平面上に、半径方向内方側に向かって傾斜面を有するリブＲ４を設置したものである。リブＲ４は、図４に示すように、半径方向内方側に向かって、静止壁面Ｂの水平面上に垂直に立ち上がった垂直部４１と、この垂直部４１から半径方向内方側に鋭角に折れ曲がって傾斜面をなす傾斜部４２とから構成される。この鋭角傾斜角を有するリブＲ４により、大間隙Ｌの流路幅が漸増するようなことにより、大間隙Ｌに流路幅縮小部Ｌ１と拡大部Ｌ２を形成したシール構造を構成する。
【００４４】
［４−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部４０の大間隙Ｌをなす静止壁面Ｂの水平面上に、半径方向内方側に向かって大間隙Ｌの流路幅が漸増するような鋭角傾斜角のリブＲ４を設置することにより、第１実施形態の場合と静止壁面Ｂ側の流れの経路が増加するため、静止部側で発生する摩擦損失が増加する。一方、回転部については、流れの経路に大きな変化はないため、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。
【００４５】
また、取り付けたリブＲ４と回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。よって、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。このように、本実施形態のリブＲ４を設置することにより、第１実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００４７】
［５．第５実施形態］
本発明の第５実施形態の水力機器のシール構造について、図５を用いて説明する。第５実施形態の水力機器のシール構造は、第１実施形態のシール部１０のリブＲ１の構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００４８】
［５−１．構成］
図５は、本実施形態のシール部５０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図である。このような階段形状のシール部５０の大間隙の各段（又は特定の段）において、静止壁面Ｂの水平面上に、山型の傾斜部を有するリブＲ５を設置したものである。具体的には、リブＲ５は、半径方向内方側に向かって、大間隙の流路幅が漸減するような鋭角傾斜角の傾斜部５１と、漸増するような鋭角傾斜角の傾斜部５２を設置することにより、大間隙の流路断面積を局所的に狭めたシール構造となっている。
【００４９】
［５−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部５０の大間隙をなす静止壁面Ｂの水平面上に、リブＲ５において、半径方向内方側に向かって前記大間隙の流路幅が漸減するような鋭角傾斜角の傾斜部５１と漸増するような鋭角傾斜角の傾斜部５２を設置することにより、第１実施形態同様、静止壁面Ｂ側の流れの経路が増加するため、静止部側で発生する摩擦損失が増加する。一方、回転部については、流れの経路に大きな変化はないため、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。また、取り付けたリブと回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。
【００５０】
よって、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。このように、本実施形態のリブＲ５を設置することにより、第１実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００５１】
以上のように、本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００５２】
［６．第６実施形態］
本発明の第６実施形態の水力機器のシール構造について、図６を用いて説明する。第６実施形態の水力機器のシール構造は、第２実施形態のシール部２０のリブＲ２の構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１，第２実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００５３】
［６−１．構成］
図６は、本実施形態のシール部６０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図である。このような階段形状のシール部６０の大間隙の各段（又は特定の段）において、静止壁面Ｂの垂直部上に、リブＲ６を設置したものである。リブＲ６は、半径方向内方側に向かって、静止壁面Ｂの垂直部上に、鉛直方向下方側に向かって大間隙の流路幅が漸減するような鋭角傾斜角の傾斜部６１と、この傾斜部６１から鋭角に折れ曲がって、垂直部上に垂直に設けられた垂直部６２とから構成される。このようなリブＲ６により、大間隙に流路幅縮小部と急拡大部を形成するシール構造となっている。
【００５４】
［６−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部６０の大間隙をなす静止壁面Ｂの垂直部上に、鉛直方向下方側に向かって大間隙Ｌの流路幅が漸減するような鋭角傾斜角の傾斜部６１を設置することにより、第２実施形態同様、静止壁面Ｂ側の流れの経路が増加するため、静止面側で発生する摩擦損失が増加する。一方、回転部においては、流れの経路に大きな変化はないため、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。
【００５５】
また、取り付けたリブＲ６と回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。よって、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。このように、本実施形態のリブＲ６を設置することにより、第２実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００５６】
以上のように、本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００５７】
［７．第７実施形態］
本発明の第７実施形態の水力機器のシール構造について、図７を用いて説明する。第７実施形態の水力機器のシール構造は、第２，６実施形態におけるシール部のリブの構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００５８】
［７−１．構成］
図７は、本実施形態のシール部７０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図である。このような階段形状のシール部７０の大間隙の各段（又は特定の段）において、静止壁面Ｂの垂直部上に、リブＲ７を設置したものである。
【００５９】
リブＲ７は、水の浸入方向側において、静止壁面Ｂの垂直部上に、鉛直方向下方側に向かって大間隙の流路幅が漸増するように、垂直に設けられた垂直部７１と、この垂直部７１から鋭角に折れ曲がって、垂直部７１に対して水の流れ方向に傾斜を有する傾斜部７２とから構成される。このリブＲ７を設置することにより、大間隙Ｌに流路幅縮小部Ｌ１と拡大部Ｌ２を形成するシール構造となっている。
【００６０】
［７−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部７０の大間隙をなす静止壁面Ｂの垂直部上に、リブＲ７を形成し、静止壁面Ｂと回転壁面Ａの流路断面積を局所的に狭めたシール構造を形成し、さらに、大間隙Ｌを連通する小間隙Ｓ部分の回転壁面Ａ側に、凸部Ｃを設けたことにより、大間隙から小間隙へ流下する際に、リブＲ２と静止壁面Ｂと凸部Ｃからなる空間内の流れを発生させる。これによりリブと静止壁面Ｂ（静止部側）の摩擦損失を増加させることができる。
【００６１】
一方、回転部については、流れの経路に大きな変化はないため、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。また、取り付けたリブＲ７と回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。
【００６２】
これにより、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。このように、本実施形態のリブＲ７を設置することにより、第２実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００６３】
以上のように、本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００６４】
［８．第８実施形態］
本発明の第８実施形態の水力機器のシール構造について、図８を用いて説明する。第８実施形態の水力機器のシール構造は、第２，６，７実施形態におけるシール部のリブの構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００６５】
［８−１．構成］
図８は、本実施形態のシール部８０について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図である。このような階段形状のシール部８０の大間隙の各段（又は特定の段）において、静止壁面Ｂの垂直部上に、リブＲ８を設置したものである。
【００６６】
リブＲ８は、水の浸入方向側において、静止壁面Ｂの垂直部上に、鉛直方向下方側に向かって大間隙の流路幅が漸減するような鋭角傾斜角の傾斜部８１と、この傾斜部８１から鋭角に折れ曲がって、傾斜部８１に対して水の流れ方向に傾斜部８１と同様の傾斜を有する傾斜部７２とから構成される。このリブＲ８を設置することにより、大間隙の流路断面積を局所的に狭めたことを特徴とするシール構造を構成している。
【００６７】
［８−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部８０において、大間隙Ｌをなす静止壁面Ｂの垂直部上に、鉛直方向下方側に向かって大間隙の流路幅が漸減するような鋭角傾斜角の傾斜部と漸増するような鋭角傾斜角の傾斜部８１を備えたリブＲ８を設置することにより、第２実施形態と同様に、静止壁面Ｂ側の流れの経路が増加するため、静止部側で発生する摩擦損失が増加する。
【００６８】
一方、回転部については、流れの経路に大きな変化はないため、回転部側で発生する摩擦損失はほとんど変化しない。また、取り付けたリブＲ８と回転部との間で流路の閉塞部が形成されるため、閉塞部を通り抜けた流れが急拡大する際に新たな排気損失も発生する。よって、回転部側での摩擦損失を増加させることなく、シール装置全体で発生する全圧損失が増加するため、シール部を通る漏れ流れを抑制することができ、漏れ流量が減少する。このように、本実施形態のリブＲ８を設置することにより、第２実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００６９】
以上のように、本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００７０】
［９．第９実施形態］
本発明の第９実施形態の水力機器のシール構造について、図９を用いて説明する。第９実施形態の水力機器のシール構造は、第１実施形態におけるシール部のリブの構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００７１】
［９−１．構成］
図９は、本実施形態のシール構造について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図（ａ）と、シール部９０におけるリブＲ９の水平方向断面図（ｂ）である。
【００７２】
本実施形態のシール構造は、階段形状のシール部９０の大間隙Ｌの各段（又は特定の段）における静止壁面Ｂの水平面上に、半径が異なる円環状のリブＲ９を複数（ここでは、半円環状体を２つ）配置したものである。そして、この２つのリブＲ９は、図９（ｂ）に示すように、円環状で、互いに内周側を他のリブに向け、かつ２枚のリブの相対位置が、回転軸方向に相重なり合うように配置され、シール構造を構成したものである。
【００７３】
［９−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部９０の大間隙Ｌをなす静止壁面Ｂの水平面上に、複数枚のリブＲ９を設置することにより、第１実施形態と同様に、静止壁面Ｂ側の流れの経路が増加し、静止部側の摩擦損失を増加させることができる。
【００７４】
また、本実施形態では、図９（ｂ）に示すように、リブＲ９を、半径が異なる半円環状で形成され、それらが互いに内周側を他のリブに向け、かつ２枚のリブの相対位置が、回転軸方向に相重なり合うように配置されていることにより、２枚のリブＲ９の間に間隙が形成される。そのため、この部分で流路拡大による排気損失を発生させることができる。このように、本実施形態のリブＲ９により、第１実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００７５】
以上のように、本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００７６】
［１０．第１０実施形態］
本発明の第１０実施形態の水力機器のシール構造について、図１０を用いて説明する。第１０実施形態の水力機器のシール構造は、第２実施形態におけるシール部のリブの構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１，第２実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００７７】
［１０−１．構成］
図１０は、本実施形態のシール構造について、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図（ａ）と、シール部１００におけるリブＲ１０の鉛直方向断面図（ｂ）である。
【００７８】
本実施形態のシール構造は、図１０（ａ）に示すように、階段形状のシール部１００の大間隙Ｌの各段（又は特定の段）に、半径の異なる円板状のリブＲ１０を静止壁面Ｂの垂直部上に複数（ここでは、半円板状体を２つ）配置したものである。そして、この２つのリブＲ１０は、図１０（ｂ）に示すように、その内周側を互いに下方向に向け、これらの相対位置が、鉛直方向に投影すると、鉛直断面方向に相重なり合う部分を有するシール構造を構成する。
【００７９】
［１０−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、階段形状のシール部１００の大間隙Ｌをなす静止壁面Ｂの垂直部上に、複数枚のリブＲ１０を設置することにより、第１実施形態と同様、静止壁面Ｂ側の流れの経路が増加し、静止部側の摩擦損失を増加させることができる。また、本実施形態では、図１０（ｂ）に示すように、半径が異なる半円板状のリブＲ１０を２つ配置することで間隙が形成されるため、この部分で流路拡大による排気損失を発生させることができる。このような本実施形態のリブＲ１０を設置することにより、第２実施形態の構造と比べさらに高いシール効果が得られる。
【００８０】
以上のような本実施形態によれば、回転部との摩擦損失増加による機械効率の低下を抑制しつつ、シール部の漏れ流れ損失が低減することにより体積効率の向上が可能となる。
【００８１】
［１１．第１１実施形態］
本発明の第１１実施形態の水力機器のシール構造について、図１１を用いて説明する。第１１施形態の水力機器のシール構造は、第１及び第９実施形態におけるシール部のリブの構成に改良を加えたもので、その他の前提となる水力機器の構成については、第１及び第９実施形態と同様であるので、適宜説明を省略する。
【００８２】
［１１−１．構成］
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態のシール部１１０ａ及び１１０ｂについて、ランナ側圧室７に階段形状により形成した構成を示す縦断面図である。図１１（ａ）に示すように、本実施形態の一態様は、階段形状のシール部１１０ａの大間隙の各段（又は特定の段）において、第１実施形態と同様に、静止壁面Ｂの水平面上に、リブＲ１１ａを設置するとともに、このリブＲ１１ａの直上の大間隙部分の回転壁側であるランナ部材に、リブＲ１１ａと同様の大きさからなる凹部１１１を設けたものである。
【００８３】
また、図１１（ｂ）に示す本実施形態のもう一態様では、階段形状のシール部１１０ｂの大間隙の各段（又は特定の段）において、第９実施形態と同様に、静止壁面Ｂの水平面上に、複数のリブＲ１１ｂを設置するとともに、このリブＲ１１ｂの直上の大間隙部分の回転壁側であるランナ部材に、リブＲ１１ｂと同様の大きさからなる凹部１１２，１１３を、リブＲ１１ｂと同様複数設けたものである。
【００８４】
以上のようなリブＲ１１ａ及びＲ１１ｂに対応させて、ランナ部材に凹部１１１，１１２及び１１３を設けたことにより、ランナ部材の凹部１１１，１１２及び１１３が、静止壁面Ｂに配置したリブを収納し得る空間となるシール構造を構成する。
【００８５】
［１１−２．作用効果］
以上のような本実施形態における水力機械のシール構造では、ランナ部材に凹部１１１，１１２及び１１３を設けたことにより、水車を組立作業時、特に主軸とランナ取付け作業を行う際に、ランナを静止壁面Ｂ上に置くことが可能となる。
【００８６】
したがって、本発明のようにリブをシール部に配置した場合でも、水車を組立作業時にリブを損傷することを防ぐことが可能となる。
【符号の説明】
【００８７】
１…ランナ
１ａ…ランナ羽根
１ｂ…ランナクラウン
１ｃ…ランナバンド
１ｄ…ランナコーン
１ｅ…羽根
２…主軸
３…ケーシング
４…ステーベン
６…背圧室
７…側圧室
８…上カバ
９…下カバ
１０…下部内側シール部
１１…下部外側シール部
１２…上部外側シール部
１３…吸出管
１４…バランスホール
２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１１０ａ,１１０ｂ…シール部
３１，４２，５１，５２，６１，７２…傾斜部
３２，４１，６２，７１，８１…垂直部
１１１，１１２,１１３…凹部
Ａ…回転壁面
Ｂ…静止壁面
Ｃ…凸部
Ｌ…大間隙
Ｌ１…流路幅縮小部
Ｌ２…拡大部
Ｒ１〜Ｒ１１ａ，Ｒ１１ｂ…リブ
Ｓ…小間隙
【図１】
0005404273.tif 000002
【図２】
0005404273.tif 000003
【図３】
0005404273.tif 000004
【図４】
0005404273.tif 000005
【図５】
0005404273.tif 000006
【図６】
0005404273.tif 000007
【図７】
0005404273.tif 000008
【図８】
0005404273.tif 000009
【図９】
0005404273.tif 000010
【図１０】
0005404273.tif 000011
【図１１】
0005404273.tif 000012
【図１２】
0005404273.tif 000013
【図１３】
0005404273.tif 000014