(57)【要約】【課題】ステーベーン間を流れる水流が下側に偏った流速分布をもつことを抑制し、損失を低減させて効率を向上させることができる水力機械を提供する。【解決手段】実施の形態による水力機械１は、上池２から水が流入する渦巻き状のケーシング４と、ケーシング４の内周側に間隔を置いて配置された複数のステーベーン５と、を備えている。ステーベーン５の内周側には、複数のガイドベーン９が設けられている。ガイドベーン９の内周側には、ガイドベーン９からの水流によって回転駆動するランナ１１が設けられている。互いに隣り合う一対のステーベーン５の間に、整流体２０が設けられている。整流体２０は、対応する一方のステーベーン５の側面から、対応する他方のステーベーン５の側面に延びるとともに、上流側から下流側に向って延びている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上池から水が流入する渦巻き状のケーシングと、
前記ケーシングの内周側に間隔を置いて配置され、前記ケーシングからの水流を導く複数のステーベーンと、
前記ステーベーンの内周側に間隔を置いて配置され、前記ステーベーンからの水流を導くとともに流量を調整可能な複数のガイドベーンと、
前記ガイドベーンの内周側に設けられ、前記ガイドベーンからの水流によって回転駆動するランナと、を備え、
互いに隣り合う一対の前記ステーベーンの間に、整流体が設けられ、
前記整流体は、対応する一方の前記ステーベーンの側面から、対応する他方の前記ステーベーンの側面に延びるとともに、上流側から下流側に向かって延びていることを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記整流体の下流縁は、対応する一方の前記ステーベーンの下流端から対応する他方の前記ステーベーンの下流端に向って円周方向に延びるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
【請求項３】
前記整流体の半径方向長さＬ１を、前記ステーベーンの半径方向長さＬ０で無次元化した前記整流体の半径方向長さの無次元量ｘは、
１／８≦ｘ≦３／８、ｘ＝Ｌ１／Ｌ０
であることを特徴とする請求項１または２に記載の水力機械。
【請求項４】
前記整流体は、平坦状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
【請求項５】
前記整流体は、前記ステーベーンの高さ方向において中央に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水力機械の一例として、フランシス形水車が知られている。フランシス形水車の水車運転時においては、上池から水圧管を通って渦巻き状のケーシングに水が流入し、ケーシングに流入した水は、ステーベーンおよびガイドベーンによって構成される静止翼列流路を通ってランナに流入する。このランナへ流入する水によってランナが回転駆動される。ランナが回転駆動されると、ランナに主軸を介して連結された発電電動機が駆動され、発電が行われる。ランナを回転駆動した水は、ランナから吸出し管および放水路を通って下池へ流出する。このような水車運転時には、ガイドベーンの開度を変えることにより、ランナに流入する水量を調整し、発電量を変化させている。
【０００３】
一方、ポンプ運転（揚水運転）時には、ランナは、発電電動機によって回転駆動され、水車運転時とは反対方向に回転する。このことにより、下池の水が放水路および吸出し管を通ってランナに流入する。ランナに流入した水は、ランナから、ガイドベーンおよびステーベーンによって構成された静止翼列流路を通ってケーシングに流れ、水圧管を通って上池に放出される。この際、ガイドベーンの開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。
【０００４】
フランシス形水車の具体的な構成について、以下に図面を用いて説明する。
【０００５】
図８には、ベルマウス型のケーシング４１からランナ４７の入口までの子午面断面図が示されている。図８に示されているように、ステーベーン４２は、上部壁４３と下部壁４４との間に介在されており、これらの上部壁４３と下部壁４４が、下流側（ガイドベーン４５の側）に向ってラッパ状に絞られるように形成されている。このことにより、ケーシング４１からステーベーン４２に流入する水流の流路幅（図８に示す高さ方向の幅）が下流側に向って徐々に小さくなり、水流が増速するようになっている。
【０００６】
図９には、ステーベーン４２とガイドベーン４５によって構成される静止翼列流路４６の水平断面図が示されている。図９に示されているように、複数のステーベーン４２が、所定の間隔を置いて円周方向に配置されている。これらのステーベーン４２の内周側に、複数のガイドベーン４５が、所定の間隔を置いて円周方向に配置されている。
【０００７】
ステーベーン４２は、ケーシング４１から流入する水を、ガイドベーン４５に導くためのものである。すなわち、図９に示されているように、ステーベーン４２に流入する水流の速度ベクトルＶ１がなす角度θ１よりも、ステーベーン４２から流出する水流の速度ベクトルＶ２がなす角度θ２を大きくし、ステーベーン４２を流れる水がガイドベーン４５に導かれている。また、ステーベーン４２は、隣り合うステーベーン４２の間の流路面積を下流側に向って小さくするように形成されている。このことにより、ステーベーン４２の間の水流が増速するようになっている。
【０００８】
各ガイドベーン４５は、ガイドベーン軸中心点４５ａを中心に回動自在になっている。このことにより、ガイドベーン４５は角度（以下、ガイドベーン開度と記す）を変えることができ、隣り合うガイドベーン４５との間に形成される流路面積を変化させることができる。このため、ガイドベーン４５は、ランナ４７に流入する水の流量を変えることができ、これにより、ランナ４７に接続された発電電動機における発電量が調整可能になっている。なお、各ガイドベーン４５のガイドベーン軸中心点４５ａは、ガイドベーンピッチサークル４５ｂ上に配置されている。
【０００９】
このようなフランシス形水車においては、一般に、ステーベーン４２、ガイドベーン４５およびランナ４７のランナ羽根４７ａの形状は、運用時の水流に沿うように設計されるが、流路内で流れが偏る場合がある。このような流れの偏りを改善するために、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１乃至４参照）。
【００１０】
このうち特許文献１乃至３では、ランナにおいて隣り合うランナ羽根の間に整流体を設けたフランシス形水車が開示されている。また、特許文献４では、ステーベーンに流入する水流の上下方向の傾斜を緩めるための整流体が設けられた水車が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−１７５１６９号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４５８号公報
【特許文献３】特開２００５−１３３６９８号公報
【特許文献４】特許第４７８６２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、図１０に示すように、ベルマウス型流路の場合、ケーシング４１の上流側に設けられた水圧管４８が傾斜している。そして、この水圧管４８の傾斜部分４８ａが、水平部分４８ｂを介してケーシング４１に連結されている。このことにより、ケーシング４１に流入する水流は、上側が遅くなり下側が速くなるような流速分布をもつ。このため、ケーシング４１内の水流が下側に偏りやすくなる。そして、上述したように、ケーシング４１からステーベーン４２に流入する水流が増速することから、このような偏った水流がステーベーン４２に流入すると、偏りが増幅される。このため、ステーベーン４２間を流れる水流が下側に偏った流速分布をもち、これにより、２次流れ損失が発生して水車効率が低下し得る。このことは、上述した特許文献１乃至４に示す水車においても存在し得る。
【００１３】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ステーベーン間を流れる水流が下側に偏った流速分布をもつことを抑制し、損失を低減させて効率を向上させることができる水力機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施の形態による水力機械は、上池から水が流入する渦巻き状のケーシングと、ケーシングの内周側に間隔を置いて配置された複数のステーベーンと、を備えている。ステーベーンは、ケーシングからの水流を導くように構成されている。ステーベーンの内周側には、複数のガイドベーンが設けられている。ガイドベーンは、円周方向に間隔を置いて配置され、ステーベーンからの水流を導くとともに流量を調整可能に構成されている。ガイドベーンの内周側には、ガイドベーンからの水流によって回転駆動するランナが設けられている。互いに隣り合う一対のステーベーンの間に、整流体が設けられている。整流体は、対応する一方のステーベーンの側面から、対応する他方のステーベーンの側面に延びるとともに、上流側から下流側に向って延びている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本実施の形態における水力機械の全体構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の水力機械において、整流体を示す水平断面図である。
【図３】図３は、図１の水力機械において、整流体を示す子午面断面図である。
【図４】図４は、図１の水力機械において、ステーベーン間を流れる水流の流速分布を示す図である。
【図５】図５は、図１の水力機械において、整流体の半径方向長さの無次元量と各種損失との関係を示す図である。
【図６】図６は、図１の水力機械において、ガイドベーン開度と静止翼列流路損失との関係を示す図である。
【図７】図７は、図１の水力機械において、ガイドベーン開度と水車効率との関係を示す図である。
【図８】図８は、従来の水力機械において、ケーシングからガイドベーンまでの構成を示す子午面断面図である。
【図９】図９は、従来の水力機械において、ステーベーンおよびガイドベーンを示す水平断面図である。
【図１０】図１０は、従来の水力機械において、水圧管からガイドベーンに流れる水流の流速分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１乃至図７を用いて、本発明の実施の形態における水力機械について説明する。
【００１７】
まず、図１を用いて、水力機械の一例としてのフランシス形水車について説明する。
【００１８】
図１に示すように、フランシス形水車１は、水車運転時に上池２から水圧管３を通って水が流入する渦巻き状のケーシング４と、ケーシング４の内周側に設けられ、ケーシング４からの水流を後述するガイドベーン９に導く複数のステーベーン５と、を備えている。このうち、水圧管３は、上池２側に設けられた傾斜部分３ａと、傾斜部分３ａの下流側に設けられた水平部分３ｂとを有している。この水平部分３ｂには、入口弁６が設けられている。
【００１９】
図２に示すように、複数のステーベーン５は、円周方向に間隔を置いて配置されている。互いに隣り合うステーベーン５の間に流路が形成され、各流路を、ケーシング４から流入した水が流れるようになっている。
【００２０】
図３に示すように、ステーベーン５は、上部壁７と下部壁８との間に介在されている。すなわち、ステーベーン５の上縁部は、上部壁７に固定され、ステーベーン５の下縁部は、下部壁８に固定されている。これらの上部壁７と下部壁８は、下流側（ガイドベーン９の側）に向ってラッパ状に絞られるように形成されている。このことにより、ステーベーン５に流入した水流の流路幅（図８参照）が下流側に向って徐々に小さくなり、水流が増速するようになっている。
【００２１】
図１に示すように、ステーベーン５の内周側には、複数のガイドベーン９が設けられている。このガイドベーン９と上述したステーベーン５とにより、静止翼列流路１０が構成されている。
【００２２】
図２に示すように、複数のガイドベーン９は、円周方向に間隔を置いて配置されている。互いに隣り合うガイドベーン９の間に流路が形成され、各流路をステーベーン５から流入した水が流れるようになっている。
【００２３】
ガイドベーン９は、ステーベーン５からの水流をランナ１１に導くためのものである。また、ガイドベーン９は、水の流量を調整可能になっている。すなわち、ガイドベーン９は、ガイドベーンピッチサークル９ｂ上に配置されたガイドベーン軸中心点９ａを中心に回動自在に構成されており、その角度（ガイドベーン開度）を変えることができる。このことにより、隣り合うガイドベーン９の間に形成される流路の流路面積を変化させ、水車運転時にはケーシング４からランナ１１に流入する水の流量を調整することができる。この場合、後述する発電電動機１３により発電される発電量を変化させることができる。なお、ポンプ運転時には、ガイドベーン９は、揚水量を変化させることができる。
【００２４】
図１に示すように、ガイドベーン９の内周側には、ランナ１１が設けられている。ランナ１１は、回転軸線Ｘを中心に回転自在に構成されており、ケーシング４からの水流によって回転駆動されるようになっている。
【００２５】
ランナ１１には、主軸１２を介して発電電動機１３が連結されている。この発電電動機１３は、水車運転時には発電を行うように構成されている。また、ランナ１１の水車運転時の下流側には、吸出し管１４が設けられている。この吸出し管１４は、放水路１５を介して図示しない下池に連結されており、ランナ１１を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。
【００２６】
ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電電動機１３がランナ１１を回転駆動することにより、吸出し管１４内の水を吸い上げて揚水する。ランナ１１に吸い上げられた水は、ガイドベーン９およびステーベーン５を通って、ケーシング４に流入し、ケーシング４から水圧管３を通って上池２に放出される。ガイドベーン９およびステーベーン５は、ランナ１１から流入する水をケーシング４に導く。この際、ガイドベーン９の開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。
【００２７】
次に、整流体２０について説明する。
【００２８】
図２に示すように、整流体２０は、互いに隣り合う一対のステーベーン５の間に設けられており、対応する一方のステーベーン５の側面（翼圧力面５ａ）から、他方のステーベーン５の側面（翼負圧面５ｂ）に延びるように形成されている。また、整流体２０は、上流側から下流側に向って延びている。より具体的には、整流体２０は、半径方向または水平方向に延びるように形成されている。このような整流体２０によって、対応する一対のステーベーン５の間に形成される流路が、上下方向に分割され、整流体２０の上側および下側において水が流れるようになっている。なお、整流体２０は、平坦状に形成されていることが好適である。
【００２９】
図２に示すように、整流体２０の下流縁２０ａは、対応する一方のステーベーン５の下流端（出口端）５ｃから他方のステーベーン５の下流端５ｃに向って、円周方向に延びるように形成されている。言い換えると、整流体２０の下流縁２０ａは、ステーベーン出口端径３０と同一の曲率を有するように形成されている。ここで、ステーベーン出口端径３０とは、各ステーベーン５の下流端５ｃに接する円であって、ランナ１１の回転軸中心を中心とする円の直径を意味している。また、同一との文言は、厳密な意味に縛られることはなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含むものとして用いている。
【００３０】
一方、整流体２０の上流縁２０ｂは、対応する一方のステーベーン５の上流端（入口端）５ｄから他方のステーベーン５の上流端５ｄに向う円周方向に延びる円弧よりも下流側に配置されている。言い換えると、整流体２０の上流縁２０ｂは、ステーベーン入口端径３１よりも小さな曲率を有するように形成されている。ここで、ステーベーン入口端径３１とは、各ステーベーン５の上流端５ｄに接する円であって、ランナ１１の回転軸中心を中心とする円の直径を意味している。
【００３１】
また、図２および図３に示すように、整流体２０の半径方向長さは、ステーベーンの半径方向長さよりも短いことが好適である。なお、半径方向とは、ランナ１１の回転軸中心から、回転軸線Ｘに垂直な方向を意味している。
【００３２】
より具体的には、整流体２０の半径方向長さをＬ１、ステーベーン５の半径方向長さＬ０としたとき、整流体２０の半径方向長さの無次元量ｘは、
ｘ＝Ｌ１／Ｌ０
で表され、この無次元量ｘが、
１／８≦ｘ≦３／８
であることが好適である。
【００３３】
また、図３に示すように、整流体２０は、上流縁２０ｂから下流縁２０ａにわたって、ステーベーン５の高さ方向において中央に配置されていることが好適である。より具体的には、整流体２０と上部壁７との距離が、整流体２０と下部壁８との距離に等しいことが好適である。
【００３４】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００３５】
本実施の形態によるフランシス形水車１において水車運転を行う場合、上池２から水圧管３を通ってケーシング４に水が流入する。ケーシング４に流入した水は、ケーシング４からステーベーン５およびガイドベーン９を通ってランナ１１に流入する。このランナ１１へ流入した水によって、ランナ１１が回転駆動される。このことにより、ランナ１１に連結された発電電動機１３が駆動され、発電が行われる。ランナ１１に流入した水は、ランナ１１から吸出し管１４および放水路１５を通って、下池へ放出される。
【００３６】
水車運転の間、上池２からの水は、水圧管３の傾斜部分３ａを流れる。このことにより、ケーシング４に流入した水は、下側に偏る流れとなる傾向にある（図１０参照）。しかしながら、このような下側に偏った水流は、ステーベーン５に流入すると、整流体２０によって整流される。
【００３７】
すなわち、水圧管３の傾斜部分３ａを水が流れることにより、ケーシング４内の水流は、下流側（ガイドベーン９の側）に向う水平方向の速度成分に加えて、下向きの速度成分を有している。このことにより、ケーシング４内の水流は、下側に偏る流れとなる。しかしながら、このような下向きの流速成分は、整流体２０によって、下流側に向う水平方向に強制される。このことにより、一対のステーベーン５の間に形成された流路のうち整流体２０の上方の流路を流れる水の流速を増大させることができる。このため、図４に示すように、ステーベーン５間の流路において、下側への流速分布の偏りを低減して、高さ方向において平準化することができる。
【００３８】
次に、図５乃至図７を用いて、整流体２０の作用について説明する。
【００３９】
図５には、整流体２０の半径方向長さの無次元量ｘと、ステーベーン５間の流路における各種損失との関係が示されている。上述したように、整流体２０を設けることにより、ステーベーン５間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制して、高さ方向に平準化することができる。このため、図５に示すように、ステーベーン５において２次流れ損失が低減される。また、図５によれば、整流体２０の半径方向長さを長くすることにより、２次流れ損失がより一層低減されることがわかる。
【００４０】
一方で、整流体２０の半径方向長さを長くすることにより、摩擦損失が増大し得る。しかしながら、上述したように２次流れ損失が低減される。このため、図５にも示されているように、２次流れ損失と摩擦損失との合計である総合損失を、低減することができる。より具体的には、整流体２０の半径方向長さの無次元量ｘの所定の範囲において、総合損失を、整流体２０が設けられていない場合（ｘ＝０）の総合損失よりも低減することができる。例えば、整流体２０の半径方向長さの無次元量ｘを１／８以上３／８以下とした場合、総合損失を、整流体２０が設けられていない場合の総合損失の１／２以下となる。
【００４１】
図６には、ガイドベーン開度と静止翼列流路損失（ΔＨｓｇ／Ｈ）との関係が示されている。ここでは、図５に示す総合損失が、整流体２０が設けられていない場合の総合損失の１／２となるような整流体２０が設けられている場合の関係を示している。図６に示されているように、ガイドベーン開度に関わることなく、整流体２０が設けられた静止翼列流路１０における損失が、整流体２０が設けられていない従来の静止翼列流路１０における損失よりも低減されていることがわかる。なお、静止翼列流路損失とは、ステーベーン５とガイドベーン９とにより構成される静止翼列流路１０における損失であって、ここでは、図５に示すステーベーン５間の流路における総合損失と、ガイドベーン９間の流路における損失とを合計した損失を示している。ΔＨｓｇは、ステーベーン５間の流路およびガイドベーン９間の流路における損失ヘッドを示し、Ｈは、有効落差を示している。
【００４２】
図７には、ガイドベーン開度と水車効率（ηｔ）との関係が示されている。ここにおいても、図５に示す総合損失が、整流体２０が設けられていない場合の総合損失の１／２となるような整流体２０が設けられている場合の関係を示している。図７に示されているように、ガイドベーン開度に関わることなく、整流体２０が設けられたフランシス形水車１の水車効率が、整流体２０が設けられていない従来のフランシス形水車１の水車効率より増大していることがわかる。
【００４３】
このように本実施の形態によれば、互いに隣り合う一対のステーベーン５の間に、整流体２０が設けられていることにより、ケーシング４内の水流が下側に偏った流速分布を有している場合においても、ステーベーン５間を流れる水流が下側に偏った流速分布をもつことを抑制することができる。このため、ステーベーン５間を流れる水流に生じる２次流れ損失を低減し、フランシス形水車１の水車効率を向上させることができる。また、この際、ガイドベーン９およびランナ１１に流入される水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制できる。この点においても、水車効率を向上させることに寄与することができる。
【００４４】
また、本実施の形態によれば、整流体２０の下流縁２０ａは、対応する一方のステーベーン５の下流端５ｃから他方のステーベーン５の下流端５ｃに向って円周方向に延びるように形成されている。このことにより、ステーベーン５間の流路の出口において、水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制することができる。このため、ガイドベーン９およびランナ１１に流入される水流が、下側に偏った流速分布をもつことをより一層抑制することができる。
【００４５】
また、本実施の形態のように、整流体２０の半径方向長さの無次元量ｘを、１／８以上３／８以下とした場合、ステーベーン５間の流路における２次流れ損失と摩擦損失とを合計した総合損失を、整流体２０が設けられていない場合の総合損失の１／２以下とすることができる。すなわち、整流体２０を設けることによって摩擦損失が生じ得るが、摩擦損失を吸収可能な程度に２次流れ損失を大きく低減することができる。このため、ステーベーン５間の流路における総合損失を確実に低減することができる。
【００４６】
また、本実施の形態によれば、整流体２０が平坦状に形成されている。このことにより、ステーベーン５間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことをより一層抑制することができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態によれば、整流体２０がステーベーン５の高さ方向において中央に配置されている。このことにより、ステーベーン５間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことをより一層抑制することができる。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による水力機械は、上述した実施の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。また、上述した実施の形態では、本発明による水力機械をフランシス形水車に適用した例について説明したが、このことに限られることはなく、フランシス形水車以外の水車に本発明による水力機械を適用することもできる。
【００４９】
なお、上述した本実施の形態においては、整流体２０の下流縁２０ａが、対応する一方のステーベーン５の下流端５ｃから他方のステーベーン５の下流端５ｃに向って、円周方向に延びるように形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、整流体２０の下流縁２０ａの位置は、ステーベーン５間を流れる水流が、下側に偏った流速分布をもつことを抑制可能であれば、任意とすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１      フランシス形水車
２      上池
３      水圧管
３ａ    傾斜部分
３ｂ    水平部分
４      ケーシング
５      ステーベーン
５ａ    翼圧力面
５ｂ    翼負圧面
５ｃ    下流端
５ｄ    上流端
６      入口弁
７      上部壁
８      下部壁
９      ガイドベーン
１０    静止翼列流路
１１    ランナ
１２    主軸
１３    発電電動機
１４    吸出し管
１５    放水路
２０    整流体
２０ａ  下流縁
２０ｂ  上流縁
３０    ステーベーン出口端径
３１    ステーベーン入口端径
【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】
2014227916.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014227916.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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