(57)【要約】【課題】水力損失を抑制することができる導水カバーを備えたカプラン水車を提供する。【解決手段】実施形態によれば、カプラン水車の水車回転軸（４）を含む断面図上において、ガイドベーン（３）の開度調整のための回転軸（３ａ）の位置を流路の上流端、ランナ羽根（５）の角度調整のための回転軸（５ａ）の位置を流路の下流端としたときに、流路（７Ｃ）の下流端部に、流路の流路幅（Ｂ）が一定となっている流路幅一定区間（Ａ１）が設けられている。【選択図】図２
2014152713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドベーンとランナ羽根との間の流路を画定する導水カバーを有するカプラン水車において、
前記カプラン水車の水車回転軸に沿った断面図上において、前記ガイドベーンの開度調整のための回転軸の位置を前記流路の上流端、前記ランナ羽根の角度調整のための回転軸の位置を前記流路の下流端としたときに、前記流路の下流端部に、前記流路の流路幅が一定となっている流路幅一定区間が設けられていることを特徴とするカプラン水車。
【請求項２】
前記カプラン水車の水車回転軸に沿った断面図上において、前記流路の前記下流端に対応する前記中心線の下流端を原点として、前記流路の中心線に沿って測定した前記原点からの距離をＬとし、前記ランナ羽根の直径をＤとしたときに、
前記下流側流路幅一定区間は、前記下流側流路幅一定区間の下流端に対応する前記中心線の下流端におけるＬ／Ｄ値が０．０５未満であり、前記下流側流路幅一定区間の上流端に対応する前記中心線の上流端におけるＬ／Ｄ値が０．０５以上である、請求項１記載のカプラン水車。
【請求項３】
前記下流側流路幅一定区間は、前記下流側流路幅一定区間の上流端に対応する前記中心線の上流端におけるＬ／Ｄ値が０．０５以上かつ０．１５以下である、請求項２記載のカプラン水車。
【請求項４】
前記流路の上流側において流路幅が縮小を開始する流路幅縮小開始位置に対応する前記中心線上の位置におけるＬ／Ｄ値をＬ／Ｄ（Ｒｏ）とし、前記流路の上流端に対応する前記中心線の上流端のＬ／Ｄ値をＬ／Ｄ（Ｒ）としたときに、「Ｌ／Ｄ（Ｒ）−Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）≦０．１」という関係が成立するように前記流路幅縮小開始位置が設定されていることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のカプラン水車。
【請求項５】
前記カプラン水車の水車回転軸を含む断面図において、前記導水カバーの内側部分の輪郭線が直線部分を有していることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のカプラン水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、カプラン水車の導水カバーの形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１には、一般的なカプラン水車の水車回転軸４に沿った縦断面が示されており、主流の方向が矢印で示されている。上流よりケーシング１へ流入する水流はステーベーン２を通り、流量を調整するための開度調整機能を有するガイドベーン３を流れ、ランナ羽根５へと到達する。ランナ羽根５は、発電機と主軸を介して連結されたランナボス６に角度調整可能に取り付けられている。流水はランナ羽根５を水車回転軸４周りに回転させ、これにより発電機が回転して発電が行われる。ランナ羽根５から流出した流水は吸出し管を通り、下流もしくは下池へと放出される。
【０００３】
ガイドベーン３とランナ羽根５の間には導水カバー７と呼ばれる部材があり、水平方向の流れを垂直方向に変える曲がり管のような働きをする。高出力を得るために流水のランナ羽根５への流入速度をできるだけ高める必要があることから、導水カバー７内での流速は非常に速くなっている。導水カバー７内において高流速の流れの方向を急変させるため、導水カバー７内での損失は大きい。また、導水カバーの外側部分では、流れ方向の急変により流れの剥離が発生しやすい。カプラン水車の一層の高効率化を図るために、導水カバー７内での水力損失の抑制が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５２３６７１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９３６号公報
【特許文献３】特許第４６９３６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、水力損失を抑制することができる導水カバーを備えたカプラン水車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態は、ガイドベーンとランナ羽根との間の流路を画定する導水カバーを有するカプラン水車に係るものである。実施形態に係るカプラン水車は、その水車回転軸に沿った断面図上において、ガイドベーンの開度調整のための回転軸の位置を流路の上流端、ランナ羽根の角度調整のための回転軸の位置を流路の下流端としたときに、流路の下流端部に、流路の流路幅が一定となっている流路幅一定区間が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】カプラン水車の軸方向縦断面図である。
【図２】実施形態に係るカプラン水車の導水カバーについて説明するための軸方向縦断面図である。
【図３】流路幅縮小開始位置を適正に定めることによる効果を説明する説明図である。
【図４】導水カバーにおけるＢ／Ｄ値の分布の例を示すグラフである。
【図５】採用可能な導水カバーの形態について説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、発明の実施形態について説明する。カプラン水車の全体構成は、背景技術の項で図１を参照して説明したものと同じであり、以下においては実施形態に係る導水カバー７の形状について詳細に説明する。
【０００９】
カプラン水車の軸方向断面図である図２（詳細には、図２の平面は、水車回転軸４の軸線、ガイドベーン３の開度調整のための回転軸３ａの軸線、ランナ羽根５の角度調整のための回転軸５ａの軸線を同時に含む平面である）において、ガイドベーン３の開度調整のための回転軸３ａに対応する位置を導水カバー７により画定される流路７Ｃの上流端７Ｕとし、ランナ羽根５の角度調整のための回転軸５ａに対応する位置を流路７Ｃの下流端７Ｄとし、これら上流端７Ｕから下流端７Ｄまでの範囲内での流路７Ｃの形状を定義する。なお、回転軸３ａは水車回転軸４から半径方向距離Ｒだけ離れている。
【００１０】
図２において、導水カバー７の外側部分８（の内面）の輪郭線上の任意の点Ｐｏを始点として、導水カバー７の内側部分９（の内面）の輪郭線に向けて、距離が最短となるように直線を引く。この直線の内側部分９の輪郭線上にある終点を点Ｐｉとする。上記の操作を流路７Ａの下流端７Ｄから上流端７Ｕの全域にわたって行うことにより直線ＰｏＰｉと同様の直線が無数にでき、各直線の中点Ｐｃを結んだ線を中心線ＣＬと呼ぶこととする。中心線ＣＬ上の各点の位置は、中心線ＣＬの下流端を原点Ｏ（ゼロ位置）とし、中心線ＣＬに沿って測定した原点Ｏからの距離Ｌをランナ羽根直径Ｄ（水車回転軸４からランナ羽根５の最外位置までの半径方向距離の２倍）で除して無次元化した値（Ｌ／Ｄ値）にて示すものとする。Ｌ／Ｄ値により中心線ＣＬ上の任意の点の位置を表現することができ、当該点（直線ＰｏＰｉの中点であるＰｃ）を通る直線ＰｏＰｉの長さＢをＬ／Ｄ値に対応する流路幅Ｂと呼ぶこととする。
【００１１】
従来の一般的なカプラン水車では、流路７Ｃの上流端７Ｕから下流端７Ｄに至るまで、下流側にゆくに従って流路幅Ｂが減少する傾向（通常、流路７Ｃの途中から下流端７Ｄに至るまで流路幅Ｂは漸減する）となっている。これに対して、実施形態に係るカプラン水車では、流路７Ａの下流端７Ｄの上流側において下流端７Ｄ近傍の所定範囲に、流路幅一定区間Ａ１（「助走区間」とも呼ぶ）を設けている。流路幅一定区間Ａ１内においては、下流端７Ｄからの距離すなわちＬ／Ｄ値に関わらず流路幅Ｂが一定である。
【００１２】
主流方向において増速された流れが、ガイドベーン３を通過した後にランナ羽根５へと流入するまでの間に、導水カバー７により画定される流路７Ｃを通過する。流速が速いと主流が曲がりきれず、導水カバー７の内側部分９へ衝突して衝突損失が発生しやすくなり、また、導水カバー７の外側部分８での流れ方向の急変により大規模な流れの剥離が発生しやすくなる。このような損失を発生した流れがランナ羽根５へ流入することで、流れの持つエネルギーが減少した状態のままでランナ羽根５を回転させて発電することになってしまう。
【００１３】
しかしながら、この実施形態によれば、ガイドベーン３からランナ羽根５へ向かって減少傾向にある流路幅Ｂを、流路幅一定区間Ａ１において一定とすることにより、流路幅一定区間Ａ１よりも上流側における流路７Ｃ内の流れが、上述した衝突損失及び大規模な流れの剥離を抑制する方向に変化する。これにより損失の少ない導水カバー７が得られ、流れの持つエネルギーを効率良く利用した発電を行うことができる。
【００１４】
Ｂ（またはＢ／Ｄ）が一定の流路幅一定区間Ａ１（助走区間）は、前述の定義によるＬ／Ｄ値が０．０５未満（Ｌ／Ｄ＜０．０５）の位置（下流端位置）から開始し、そこから上流側に向かって、少なくともＬ／Ｄ値が０．０５以上の（０．０５≦Ｌ／Ｄ）位置まで続いていることが好ましい。より、好ましくは、流路幅一定区間Ａ１の下流端の位置におけるＬ／Ｄ値は０若しくは概ね０、すなわち、流路幅一定区間Ａ１の下流端の位置はランナ羽根５の角度調整のための回転軸５ａの軸線と一致若しくはほぼ一致する。また、流路幅一定区間Ａ１は、Ｌ／Ｄ値が０．０５以上０．１５以下の範囲（０．０５≦Ｌ／Ｄ≦０．１５）の位置（上流端位置）で終端することが好ましい。このようにすることにより、特に損失を少なくすることができることが３次元シミュレーションによる解析によりわかった。Ｂ（またはＢ／Ｄ）が一定の区間が、Ｌ／Ｄ値が０．０５未満（０．０５＜Ｌ／Ｄ）までの範囲しか無い場合には、Ｂ（またはＢ／Ｄ）が一定の流路幅一定区間Ａ１を設ける効果が得られない。一方で、Ｂ（またはＢ／Ｄ）が一定の区間が、Ｌ／Ｄ値が０．１５より大きい位置まで続いていると、流路幅一定区間Ａ１よりも上流側での流路７Ｃの断面積の変化が急となり、縮小損失が大きくなってしまうので、前述した効果が相殺されてしまう。
【００１５】
また、本実施形態に係るカプラン水車においては、流路７Ｃの上流端７Ｕの下流側において上流端７Ｕ近傍の所定範囲にも、流路幅Ｂが一定な流路幅一定区間Ａ２が存在していても構わない。流路幅一定区間Ａ２がある場合には、流路幅一定区間Ａ２の下流端（すなわち「流路幅縮小開始位置」）から流路７Ｃの流路幅Ｂの縮小が始まり、流路幅Ｂは下流側にゆくに従って減少する。流路幅Ｂの減少は、前述した流路幅一定区間Ａ１が始まるまで続く。
【００１６】
流路幅縮小開始位置Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）は、流路７Ｃの上流端７Ｕの位置のＬ／Ｄ値をＬ／Ｄ（Ｒ）としたときに、「Ｌ／Ｄ（Ｒ）−Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）≦０．１」という関係が成立するように定めるのがよい。なお、この不等式より明らかなように、流路幅一定区間Ａ２は無くてもよい。
【００１７】
前述した流路幅一定区間Ａ１（助走区間）に流れが流入する前に流れの向きの変更と流速のある程度の増加が果たされていなければ、導水カバー７の外側部分８における流れの剥離と、導水カバー７の内側部分９における流れの衝突損失が増大してしまう。例えば「Ｌ／Ｄ（Ｒ）−Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）＞０．１」となるように導水カバー７を設計すると、導水カバー７の曲がり部での流速の増加が短い区間で急激に発生することになるので、流れの向きを水平方向から垂直方向へ導くことが難しくなり、図３に示すように、軸流方向の流れ成分（Ｆａ）だけでなく、半径方向の流れ成分（Ｆｒ）もランナ羽根５の上流側で残ってしまう（図３の矢印Ｆ２を参照）。そのため導水カバー７の内側部分９に衝突する流れが発生し、また導水カバー７の外側部分８における流れの剥離が発生しやすくなる。これに対して、「Ｌ／Ｄ（Ｒ）−Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）≦０．１」という関係が成立するようにすることにより、図３の矢印Ｆ１で示すように、流れの向きを水平方向から垂直方向へ適正に導くことができる。
【００１８】
すなわち、「流路幅縮小開始位置」を適正に定めることにより、流路幅一定区間Ａ１（助走区間）を設定した効果をより確実に発現させることができ、より損失の小さい導水カバーを得ることが可能となる。
【００１９】
図４のグラフに、流路７Ｃの上流端７Ｕから下流端７Ｄまでの流路幅Ｂの変遷の例を示している。横軸はＬ／Ｄ値、縦軸は流路幅Ｂをランナ羽根直径Ｄで除して無次元化したＢ／Ｄ値をそれぞれ示している。線１ではＬ／Ｄ値が０以上０．０５以下の範囲に流路幅一定区間Ａ１が設けられており、線２ではＬ／Ｄ値が０以上０．１５以下の範囲に流路幅一定区間Ａ１が設けられている。また、線１では流路幅縮小開始位置Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）が、Ｌ／Ｄ（Ｒ）−Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）＝０．１となるように設定されている。すなわち流路７Ｃの全長に相当する流路７Ｃの上流端のＬ／Ｄ値が０．３７である図示例において、流路幅縮小開始位置のＬ／Ｄ値が０．２７である。線２では流路幅縮小開始位置Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）が、Ｌ／Ｄ（Ｒ）−Ｌ／Ｄ（Ｒｏ）が概ね０．０７となるように設定されている。なお、線１及び線２の両方において、流路幅一定区間Ａ１はＬ／Ｄ値が０の位置（すなわち流路７Ｃの下流端７Ｄ）から始まっているが、これに限定されるものではなく、流路７Ｃの下流端７Ｄの直近の部分（例えば０≦Ｌ／Ｄ≦０．０１の区間）において、流路幅Ｂが一定でなくてもよい。また、線１及び線２で示される流路幅Ｂの分布はあくまで例であり、上述の説明の範囲内で適宜変更することができる。
【００２０】
なお、上記実施形態においては、導水カバー７の内側部分９の断面輪郭線は、湾曲ないし屈曲した線であったが（図１、図２及び図５（ａ）を参照）、これに限定されるものではない。図５（ｂ）に示すように、導水カバー７の内側部分９の断面輪郭線が直線となるように導水カバー７を形成してもよい。この場合も、上述したような流路幅一定区間Ａ１を設けることにより、上記の実施形態と同様の損失低減効果を得ることができる。さらに、導水カバー７の内側部分９の断面輪郭線が湾曲ないし屈曲した線である場合と比較して、導水カバー７の製作性が向上する。
【００２１】
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。
【符号の説明】
【００２２】
３  ガイドベーン
４  水車回転軸
５  ランナ羽根
６  ランナボス
７  導水カバー
８  導水カバーの外側部分
９  導水カバーの内側部分
１０  導水カバー内側部分
Ａ１  流路幅一定区間
Ｂ  流路幅
【図１】
2014152713.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2014152713.tif 000006
【図５】
2014152713.tif 000007