(57)【要約】【課題】ステーベーン部に変更を施すことなく、ステーベーンで発生する損失の低減を可能とする技術を提供する。【解決手段】実施形態は、ケーシング（２）と、ケーシングの内周部に周方向に沿って配置された複数のステーベーン（３）と、ケーシングの内側に周方向に沿って配置され、前記ステーベーンを通過した水が導入される複数のガイドベーン（４）と、ガイドベーンを通過した水により回転駆動されるランナ（５）とを備えた水車に関する。ガイドベーンの回転軸に垂直であって、ガイドベーンを通る平面をＰとし、この平面Ｐによってケーシングを２つの領域に分割したとき、少なくとも一方の領域におけるケーシングの壁面に、ケーシングからステーベーンに流入する流れをステーベーンに流入する前に転向する複数の転向板（１）を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、前記ケーシングの内周部に周方向に沿って配置された複数のステーベーンと、前記ケーシングの内側に周方向に沿って配置され、前記ステーベーンを通過した水が導入される複数のガイドベーンと、前記ガイドベーンを通過した水により回転駆動されるランナとを備えた水車において、
前記ガイドベーンの回転軸に垂直であって、前記ガイドベーンを通る平面をＰとし、この平面Ｐによって前記ケーシングを２つの領域に分割したとき、少なくとも一方の領域における前記ケーシングの壁面に、前記ケーシングから前記ステーベーンに流入する流れを前記ステーベーンに流入する前に転向する複数の転向板を設けたことを特徴とする水車。
【請求項２】
前記転向板（１）が翼形状を有していることを特徴とする、請求項１記載の水車。
【請求項３】
前記ステーベーンの入口高さをＨとするとき、前記転向板の高さｈを「０＜ｈ≦０．１５Ｈ」とすることを特徴とする、請求項１記載の水車。
【請求項４】
前記転向板の根元における前記転向板の高さ方向に垂直な前記転向板の断面において、上流側端Ａ（０）を始点として下流側端を終点とするベクトルＡＢ（０）と、点Ａ（０）を通りランナ５の回転方向を向いたベクトルをベクトルＵ（０）とが成す角度をγ（０）とし、
前記転向板の根元から所定距離ｘだけ前記転向板の高さ方向に離れた位置における前記転向板の高さ方向に垂直な前記転向板の断面において、上流側端Ａ（ｘ）を始点として下流側端Ｂ（ｘ）を終点とするベクトルＡＢ（ｘ）と、点Ａ（ｘ）を通りランナ５の回転方向を向いたベクトルをベクトルＵ（ｘ）とが成す角度をγ（ｘ）としたとき、
角度γ（０）が角度γ（ｘ）より大きいように前記転向板が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の水車。
【請求項５】
ケーシングと、前記ケーシングの内周部に周方向に沿って配置された複数のステーベーンと、前記ケーシングの内側に周方向に沿って配置され、前記ステーベーンを通過した水が導入される複数のガイドベーンと、前記ガイドベーンを通過した水により回転駆動されるランナとを備え、前記ステーベーンが設けられている部分の流路が平行形流路として形成され、この平行形流路の入口側に整流部材が設けられている水車において、
前記ガイドベーンの回転軸に垂直であって、前記ガイドベーンを通る平面をＰとし、この平面Ｐによって前記ケーシングを２つの領域に分割したとき、少なくとも一方の領域における前記ケーシングの壁面に、前記ケーシングから前記ステーベーンに流入する流れを転向する複数の転向板を設けたことを特徴とする水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の実施形態は、水車のケーシングからステーベーンに流入する流れを適正化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
渦巻き型のケーシングを持つ水車としてはフランシス水車やカプラン水車等があり、図１０にはそのような水車の一例としてのフランシス水車の子午断面が模式的に示されている。上池より鉄管を通って圧力水がケーシング２に導入され、ケーシング２の内周部に設けられたステーベーン３を通過する。ステーベーン３を通過した流水は、流量調整を行うための開度調整可能なガイドベーン４に導入される。ガイドベーン４を通過した流水は、ランナ５へ導入され、ランナ５は流水により回転軸８を中心に回転駆動される。すなわち、流水の圧力エネルギーはランナ５内で回転エネルギーへと変換され、主軸７とカップリングされた発電機（図示せず）が回転することにより発電が行われる。その後、水は吸出し管６を通って下流の下池へと排出される。
【０００３】
上記の流れの過程において、上池から流入する高圧水は、渦巻き型のケーシング２により適当な旋回流れとなり、ステーベーン３へと流入する。ステーベーン３は、高圧下で膨らもうとする流路の壁部材同士を連結する強度部材としての役割を有しているだけでなく、ケーシング２からガイドベーン４へ向かう流れを整流する整流部材としての役割を有しており、そこでの水力的な損失低減も求められている。ステーベーン３は、通常は、ランナ回転軸８に垂直な断面が翼長方向位置に関わらず一定である２次元翼として設計される。ステーベーン３の下流に位置するガイドベーン４も、通常、同じく２次元翼として設計されるため、下流側との関係性においてはステーベーン３を２次元翼として設計することは妥当と考えられる。しかしながら、ケーシング２からステーベーン３に流入する流れは必ずしも２次元的ではないため、２次元翼として設計されたステーベーン３では十分な損失低減が図られているとは言い難い。
【０００４】
ステーベーンで発生する損失低減を図るため、ステーベーンを３次元形状とすることも行われている。すなわち、ステーベーンに流入する流れは、流路の壁面付近における流入角が流路の中央部における流入角よりも大きいので、これにあわせて、ステーベーンを、入口角度が流路の中央部で小さく壁面近傍で大きい３次元形状に形成するというものである。このような技術は、新設プラントの場合は適用できるが、近年増加している既設水車の改修案件において強度部材であるステーベーンを改造するリスクを取りたくない場合には適用することはできない。
【０００５】
ステーベーンで発生する損失低減を図るため、隣接するステーベーンの間に高さが限定された補助翼を設けることが知られている。しかし、このようにステーベーン間に追加の補助翼を設置すると、流路が非常に狭くなるため、流速増大による摩擦損失の増加が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭５９−２１０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ステーベーン部に変更を施すことなく、ステーベーンで発生する損失の低減を可能とする技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の水車は、ケーシングと、ケーシングの内周部に周方向に沿って配置された複数のステーベーンと、ケーシングの内側に周方向に沿って配置されてステーベーンを通過した水が導入される複数のガイドベーンと、ガイドベーンを通過した水により回転駆動されるランナとを備えている。この水車においては、ガイドベーンの回転軸に垂直であって、ガイドベーンを通る平面をＰとし、この平面Ｐによって前記ケーシングを２つの領域に分割したとき、少なくとも一方の領域におけるケーシングの壁面に、ケーシングからステーベーンに流入する流れをステーベーンに流入する前に転向する複数の転向板が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る水車の概略子午断面図。
【図２】転向板を設けないときのステーベーンに流入する流れを説明する図。
【図３】転向板を設けたときのステーベーンに流入する流れを説明する図。
【図４】転向板を翼型断面としたときのステーベーンに流入する流れを説明する図。
【図５】転向板の有無による流入角度分布の変化を説明するグラフ図。
【図６】転向板の好適な形態の一例について説明する図。
【図７】複数の転向板の好適な関係の一例について説明する図。
【図８】ケーシングの周方向位置とステーベーンへの流入角度との関係を説明するグラフ図。
【図９】第２実施形態に係る水車の概略子午断面図。
【図１０】従来の水車の一例としてのフランシス型水車の概略子午断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、実施形態に係る水車について、添付図面を参照して説明する。
【００１１】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る水車の子午断面を概略的に示す図である。図１に示すように、ガイドベーン４の回転軸９に垂直であって、ガイドベーンを通る平面をＰとし、この平面Ｐによってケーシング２を２つの領域に分割したとき、少なくとも一方の領域（図示例では上側及び下側の両方の領域）におけるケーシング２の壁面に、ケーシング２からステーベーン３に流入する流れを転向する複数の転向板１が設けられている。
【００１２】
図５のグラフには、水車（転向板１無し）において流れ解析を実施した結果を元に求めたステーベーン３の入口における流入角度の分布が実線で示されている。このグラフに示すように、主流部（ステーベーン３の翼長方向中央部に対応する流路中央部）における流入角度よりも流路の壁面近傍における流入角度が大きくなっていることがわかる。
【００１３】
従って、図２に示すように主流部の流れ（流入角度α１）に対してステーベーン３が適正化されている場合、流入角度が大きくなる（流入角度α２）壁面近傍では、流入角度とステーベーン入口角度との不一致から剥離が発生し、水力損失の増大が生じうる。なお、ここで「流入角度」とは、ステーベーン３の前縁（上流側端）を始点としてランナ回転方向を向いたベクトルと、ステーベーン３（転向板１が有る場合には転向板１）の前縁に流入する流水の流れ方向を向いたベクトルとが成す角度を意味している。
【００１４】
これに対して、図３に示すように、ステーベーン３の上流側においてケーシング２の壁面に転向板１を取り付けて流れを転向させることにより、転向板１が無ければステーベーン３に流入角度α２で流入することになる流れを、主流部（流路中央部）におけるステーベーン３への流入角度α１に近づけた流入角度α２’でステーベーン３に流入させることが可能となる。
【００１５】
図５のグラフには、転向板１を設けた場合のステーベーン３の入口における流入角度の分布が破線で示されている。このグラフより明らかなように、本実施形態によれば、壁面付近と主流部付近で異なるステーベーン３に流入する流れを、ステーベーン３の入口角度に合わせて適正化することができ、その結果、ステーベーン３で発生する水力損失の低減を図ることが可能となる。なお、転向板１を設置することによる損失の増大が見込まれるが、本実施形態における転向板１の設置位置においてはステーベーン３の部分に比べて流速が小さいため、転向板１を設けることに起因する損失の増大は僅かであり、トータルでの損失を低減することができる。なお、本実施形態では、主流部（流路中央部）には転向板１が存在しないため、転向板１で発生する損失を小さくすることができ、転向板１の施工も容易に行うことができる。
【００１６】
上記実施形態において、図４に示すように転向板１の形状を翼形状とすることが好ましい。そうすることにより、転向板１で発生する損失を極小とすることができる。また、翼形状を適正化することで、ステーベーン３へ流入する流れの転向も容易となる。その結果、さらにステーベーン３で発生する水力損失の低減を図ることが可能となる。
【００１７】
また、上記実施形態において、ステーベーン３の入口高さをＨ（図１を参照）とするとき、転向板１の高さｈを「０＜ｈ≦０．１５Ｈ」とすることが好ましい。ここで転向板１の高さｈとは、子午断面図上において、図１に示すように転向板１の上縁上の点からケーシング２の壁面の接線に向かって引いた垂線の長さの最大値を意味する。
【００１８】
再度図５のグラフを参照してこのことについて説明する。グラフの縦軸は、ガイドベーン４の回転軸９の方向に測定したステーベーン３の入口における下端からの距離を、ステーベーン３の入口高さＨで除して無次元化した無次元流路高さを示している。図５において、ステーベーン３の入口の上端から下方に（ガイドベーン４の回転軸９方向に）０．１５（０．１５Ｈ）離れた位置、並びにステーベーン３の入口の下端から上方に０．１５（０．１５Ｈ）離れた位置というのは、転向板１が無い場合において、ステーベーン３の入口における流入角度が平均流入角度αＡＶＥとなる位置である。流入角度が平均流入角度αＡＶＥを上回る範囲において、前述した流れの剥離による損失が特に大きくなるため、この範囲に相当する高さあるいはそれ以下の高さに転向板１の高さｈを設定することにより、ステーベーン３で発生する損失を確実に低減することができる。また、流れの転向による効果が効率良く発揮される範囲に転向板１の高さｈを制限することにより、転向板１で発生する損失をより低減することができ、転向板１の施工もより容易に行うことができる。
【００１９】
また、図５のグラフに示すように、流路の壁面近傍においては流入角度が流路の壁面からの距離の変化に応じて大きく変化するため、上記実施形態において転向板１の向きを流路の壁面からの距離に応じて変化させることが好ましい。
【００２０】
図６はこのことについて説明する図である。図６において括弧内の「０（ゼロ）」及び「ｘ」は、転向板１の根元から転向板１の高さ方向に測定した距離を意味している。従って、断面Ｓ（０）は転向板１の根元における転向板１の高さ方向（前記の高さｈの方向）に垂直な転向板１の断面を示しており、断面Ｓ（ｘ）は転向板１の根元から転向板１の高さ方向（壁面から離れる方向）に距離ｘだけ離れた位置における転向板１の高さ方向に垂直な転向板１の断面を示している。転向板１の根元における断面Ｓ（０）において、前縁（上流側端）Ａ（０）を始点として後縁（下流側端）Ｂ（０）を終点とするベクトルＡＢ（０）と、点Ａ（０）を通りランナ５の回転方向を向いたベクトルをベクトルＵ（０）とが成す角度をγ（０）とする。同様に、転向板１の根元から所定距離ｘだけ転向板の高さ方向に離れた位置における断面Ｓ（ｘ）において、前縁（上流側端）Ａ（ｘ）を始点として後縁（下流側端）Ｂ（ｘ）を終点とするベクトルＡＢ（ｘ）と、点Ａ（ｘ）を通りランナ５の回転方向を向いたベクトルをベクトルＵ（ｘ）とが成す角度をγ（ｘ）とする。このとき図６に示すように、角度γ（０）は角度γ（ｘ）より大きいことが好ましい。
【００２１】
このように、流路の壁面からの距離ｘに応じて変化する流入角度の変化に応じて、転向板１の角度を変更することにより、ステーベーン３へ流入する流れをより適正に転向することができる。その結果、さらにステーベーン３で発生する水力損失の低減を図ることが可能となる。
【００２２】
なお、流路の壁面からの距離ｘの増加に対して角度γ（ｘ）が単調減少（連続的な減少）するように転向板１を湾曲させて形成してもよい。また、転向板１を高さ方向に複数の区画に分割して、流路の壁面からの距離ｘがより遠い区画における角度γがより小さくなるよう（段階的な減少）に、転向板１を形成してもよい。
【００２３】
また、図８のグラフに示すように、流水のステーベーン３への流入角度は、ケーシング２の流入部に近い巻き始めから巻き終いにかけて大きくなる。このようなケーシング２上における周方向位置に依存する流入角度の変化に合わせて転向板１の向きを変化させることが好ましい。
【００２４】
図７はこのことについて説明する図である。ケーシング２の壁面にＮ枚の転向板１が設けられているとして、これらＮ枚の転向板１に各々を特定する番号ｎを、ケーシングの流入部に最も近いものを１として下流側に向けて１ずつ増やしてゆく（２，３，４，・・・，Ｎ）ように付与するものとする。図７は、ケーシング２をガイドベーン４の回転軸９（または水車の回転軸８）に垂直な平面で切断した断面図であり、この図７には、周方向に隣接するｎ番目とｎ＋１番目の２枚の転向板１と、これらの転向板に対応するステーベーン３が示されている。この図７においては、同じ高さ位置（ケーシング２の壁面からの距離が同じ高さ位置、例えば根元部）における２枚の転向板１の断面が表示されているものとする。ガイドベーン４及びランナ５は図面の簡略化のため図７には図示していない。ここで、先に説明した図６と同様の考え方で、ｎ番目の転向板１において、前縁（上流側端）Ａｎを始点として後縁（下流側端）Ｂｎを終点とするベクトルＡＢｎと、点Ａｎを通りランナ５の回転方向を向いたベクトルＵｎを定義し、これらのベクトルＡＢｎとベクトルＵｎとが成す角度をγｎとする。また、同様にｎ＋１番目の転向板１において、前縁（上流側端）Ａｎ＋１を始点として後縁（下流側端）Ｂｎ＋１を終点とするベクトルＡＢｎ＋１と、点Ａｎ＋１を通りランナ５の回転方向を向いたベクトルＵｎ＋１を定義し、これらのベクトルＡＢｎ＋１とベクトルＵｎ＋１とが成す角度をγｎ＋１とする。このとき、γｎ  ≦γｎ＋１（但し１ ≦ ｎ ≦ Ｎ−１）」という関係が成立するように複数の転向板１が形成されている。
【００２５】
このようにケーシング２の流入部に近い巻き始めから巻き終いにかけて大きくなる流入角度にあわせて角度γを設定することにより、各周方向位置における転向板１の姿勢が最適化され、その結果、全周にわたって、ステーベーン３で発生する水力損失の低減を図ることが可能となる。
【００２６】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。上記第１実施形態では、転向板１をケーシング２の壁面に設けていたが、この第２実施形態では、図９に示すように、平行型流路（図１に示すようなベルマウス型流路ではない）の入口に設けられた整流部材１０（「整流リップ」などとも呼ばれる）上に転向板を設けている。この第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、ステーベーン３で発生する水力損失の低減を図ることが可能となる。なお、第２実施形態も、第１実施形態において説明した好適な特徴である（１）転向板１を翼形状にすること、（２）転向板１の高さｈを「０＜ｈ≦０．１５Ｈ」とすること、（３）γ（０）>γ（ｘ）とすること、（４）γｎ  ≦γｎ＋１とすること、を適宜採用することができる。なお、上記特徴（２）〜（４）を適用するにあたっては、転向板１の高さ（高さ位置）の起算点は整流部材１０の表面とすればよい。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、実施形態は例示的なものであり、本発明の範囲は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。なお、上記の実施形態の特徴は、ケーシング内に生じる旋回流れがケーシングの内周部に設けられたステーベーンに流入する任意の形式の水車（例えば、渦巻き型のケーシングを持つ水車であるフランシス水車、カプラン水車等）に好適に適用することができる。また、上記の実施形態は、ステーベーンが２次元翼として設計されている既設水車の改修時にとりわけ有利な効果を発揮するが、これに限定されるものではなく、転向板１は、新設水車に適用してもよいし、ステーベーンが３次元翼として設計されている場合にさらに水力損失を低減するために適用してもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１  転向板
２  ケーシング
３  ステーベーン
４  ガイドベーン
５  ランナ
６  吸出し管
７  主軸
８  ランナ回転軸
９  ガイドベーン回転軸
１０  整流部材
【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】
2014227890.tif 000009
【図８】
2014227890.tif 000010
【図９】
2014227890.tif 000011
【図１０】
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