(57)【要約】【課題】水車性能とポンプキャビテーション性能の双方を向上させることにある。【解決手段】軸方向一方に進むに従って次第に縮径する外周部を有する円盤体及び前記外周部に前記円盤体の周方向に間隙を空けて複数設けられた回転翼体を有していると共に前記軸方向一方に形成された軸方向開放部１０ｂと径方向外周端に形成された外周端開放部とが各間隙１４で連通した回転ランナ１０と、軸方向開放部１０ｂから前記軸方向一方に延びると共に軸方向開放部１０ｂに接続された吸出管５と、前記外周端開放部に沿って前記円盤体の周方向に延びると共に外周端開放部に接続された環状流路とを備えるポンプ水車であって、吸出管５の内壁面５ａのうち回転ランナ１０側には、前記軸方向一方から前記軸方向他方に向かって、ポンプ運転時における回転ランナ１０の回転方向に傾斜する傾斜溝２０が形成されていることを特徴とする。【選択図】図３
2011241693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向一方に進むに従って次第に縮径する外周部を有する円盤体及び前記外周部に前記円盤体の周方向に間隙を空けて複数設けられた回転翼体を有していると共に前記軸方向一方に形成された軸方向開放部と径方向外周端に形成された外周端開放部とが前記各間隙で連通した回転ランナと、
前記軸方向開放部から前記軸方向一方に延びると共に前記軸方向開放部に接続された吸出管と、
前記外周端開放部に沿って前記円盤体の周方向に延びると共に前記外周端開放部に接続された環状流路とを備えるポンプ水車であって、
前記吸出管の内壁面のうち前記回転ランナ側には、前記軸方向一方から前記軸方向他方に向かって、ポンプ運転時における前記回転ランナの回転方向に傾斜する傾斜溝が形成されていることを特徴とするポンプ水車。
【請求項２】
前記傾斜溝は、複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ水車。
【請求項３】
前記傾斜溝は、前記吸出管の周方向に等ピッチに複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ水車。
【請求項４】
前記傾斜溝は、前記回転翼体の数の１．５〜２．５倍の数だけ形成されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載のポンプ水車。
【請求項５】
前記傾斜溝は、前記軸方向一方の一端が前記軸方向に向いていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載のポンプ水車。
【請求項６】
前記傾斜溝は、前記軸方向他方の他端における傾斜溝角度が、前記軸方向を９０°とした場合に７５〜８５°で形成されていることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか一項に記載のポンプ水車。
【請求項７】
前記傾斜溝は、前記吸出管の径方向の溝深さが、前記回転ランナの軸方向開放部における直径の２．５〜３．５％の大きさで形成されていることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載のポンプ水車。
【請求項８】
前記傾斜溝は、前記吸出管の接線方向における溝幅が、前記回転ランナの軸方向開放部における前記回転翼体の周方向ピッチの１０％以下の大きさで形成されていることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか一項に記載のポンプ水車。
【請求項９】
前記傾斜溝は、単曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか一項に記載のポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ水車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ポンプ水車は、円盤体の外周部に周方向に回転翼体が配設されたランナを備えており、径方向外周端に形成されたランナ入口と軸方向一方に開放されたランナ出口との間で流体を流通させている（例えば、下記特許文献１）。このようなポンプ水車の一例としては、ランナが電動機を兼ねた発電電動機に接続されて、発電電動機の回転を正逆に変えることにより、水車発電運転及びポンプ運転を切り換えるように構成したものがある。
なお、ポンプ水車においては、水車運転の場合を基準にしてランナの流体入口及び流体出口を称呼するのが慣用的であるので、本明細書においてもこれに従う。すなわち、ポンプ運転時においては、ランナ出口からランナ入口へ向けて流体が流れることとなる。
【０００３】
ところで、このようなポンプ水車において、水車運転時の最大出力点近傍の効率を向上させるためには、ランナ出口における回転翼体間の各流路面積（以下、「ポート面積」という。）を大きく確保する必要がある。このポート面積（Ｓ）を大きくする一つの手法としては、図８に示すように、ランナ出口において回転翼体９２の角度を軸方向に立たせる（より正確には、回転翼体後縁９２ａにおいて軸方向に直交する仮想平面Ｔに対して翼中心軸Ｑが形成するランナ出口角αを大きくする）手法が考えられる。このようにすることで、回転翼体後縁９２ａから、その回転翼体９２の回転方向に隣接する回転翼体９２までの最小長さ（以下、「スロート長さ（Ｌ）」という。）が大きくなって、ポート面積Ｓを大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平７−４２９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、ランナ出口角αを大きくすると、ポンプ運転時においてランナ出口に流体が流入する際に、回転翼体９２に対する流体の相対流れ角βとランナ出口角αとの差が大きくなるために、回転翼体後縁９２ａで流体が剥離してキャビテーションが生じ易くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その課題は水車性能とポンプキャビテーション性能の双方を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係るポンプ水車は、軸方向一方に進むに従って次第に縮径する外周部を有する円盤体及び前記外周部に前記円盤体の周方向に間隙を空けて複数設けられた回転翼体を有していると共に前記軸方向一方に形成された軸方向開放部と径方向外周端に形成された外周端開放部とが前記各間隙で連通した回転ランナと、前記軸方向開放部から前記軸方向一方に延びると共に前記軸方向開放部に接続された吸出管と、前記外周端開放部に沿って前記円盤体の周方向に延びると共に前記外周端開放部に接続された環状流路とを備えるポンプ水車であって、前記吸出管の内壁面のうち前記回転ランナ側には、前記軸方向一方から前記軸方向他方に向かって、ポンプ運転時における前記回転ランナの回転方向に傾斜する傾斜溝が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、吸出管の内壁面のうち回転ランナ側には、軸方向一方から他方に向かって、ポンプ運転時における回転ランナの回転方向に傾斜する傾斜溝が形成されているので、ポンプ運転時において内壁面近傍を流れる流体の一部が傾斜溝に沿って流れる。これにより、回転ランナの回転方向と同方向の周方向速度成分が流体に付与され、回転ランナの回転翼体に対する流体の相対流れ角を大きくすることができる。つまり、ランナ出口角を大きくしたとしても相対流れ角を大きくすることで、ランナ出口角と相対流れ角との差分を小さくすることができるので、回転翼体後縁において剥離が生じ難くなり、キャビテーションが生じることを抑制することができる。特に、ポンプ運転時のキャビテーションは、回転翼体後縁のうち回転速度が大きくなる径方向外方側（シュラウド側）で生じ易いが、内壁面に沿って流れる径方向外方側の流体に周方向速度成分を付与して相対流れ角を大きくするので、キャビテーションを効果的に抑止することができる。
従って、ランナ出口角を大きくして水車性能を向上させることができると共に、流体の剥離を抑制してポンプキャビテーション性能を向上させることができる。
【０００８】
また、前記傾斜溝は、複数形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、傾斜溝が複数形成されているので、内壁面の複数箇所で流体に周方向速度成分を付与することができる。
【０００９】
また、前記傾斜溝は、前記吸出管の周方向に等ピッチに複数形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、傾斜溝が吸出管の周方向に等ピッチに複数形成されているので、内壁面の複数部分で流体に周方向速度成分を付与することができると共に、内壁面に沿って流れる流体に対して周方向において均一的に周方向速度成分を付与することができる。
【００１０】
また、前記傾斜溝は、前記回転翼体の数の１．５〜２．５倍の数だけ形成されていることを特徴とする。
すなわち、キャビテーション抑制効果は、回転翼体の数に対する傾斜溝の数によって変化するが、上記構成によれば、後述するシミュレーション結果に基づき、傾斜溝が回転翼体の数の１．５〜２．５倍の数と規定したことにより、キャビテーション抑制効果を十分に得てポンプキャビテーション性能を効果的に向上させることができる。
【００１１】
また、前記傾斜溝は、前記軸方向一方の一端が前記軸方向に向いていることを特徴とする。
この構成によれば、傾斜溝の軸方向一方の一端が軸方向に向いているので、傾斜溝の軸方向一方側、すなわち、ポンプ運転時の流れ方向における上流側において概ね軸方向速度成分のみを有する流体をスムーズに傾斜溝に流入させて流体の流れに乱れが生じることを抑止することができる。
【００１２】
また、前記傾斜溝は、前記軸方向他方の他端における傾斜溝角度が、前記軸方向を９０°とした場合に７５〜８５°で形成されていることを特徴とする。
すなわち、キャビテーション抑制効果は、傾斜溝の傾斜溝角度によって変化するが、上記構成によれば、後述するシミュレーション結果に基づき、傾斜溝の傾斜溝角度を７５〜８５°と規定したことにより、キャビテーション抑制効果を十分に得てポンプキャビテーション性能を効果的に向上させることができる。
【００１３】
また、前記傾斜溝は、前記吸出管の径方向の溝深さが、前記回転ランナの軸方向開放部における直径の２．５〜３．５％の大きさで形成されていることを特徴とする。
すなわち、キャビテーション抑制効果は、傾斜溝の溝深さによって変化するが、上記構成によれば、後述するシミュレーション結果に基づき、傾斜溝の溝深さが軸方向開放部（ランナ出口）における直径の２．５〜３．５％の範囲内の大きさと規定したことにより、キャビテーション抑制効果を十分に得てポンプキャビテーション性能を効果的に向上させることができる。
【００１４】
また、前記傾斜溝は、前記吸出管の接線方向における溝幅が、前記回転ランナの軸方向開放部における前記回転翼体の周方向ピッチの１０％以下の大きさで形成されていることを特徴とする。
すなわち、キャビテーション抑制効果は、傾斜溝の溝幅の大きさによって変化するが、上記構成によれば、後述するシミュレーション結果に基づき、傾斜溝の溝幅が回転ランナの軸方向開放部（ランナ出口）における回転翼体の周方向ピッチの１０％以下の大きさと規定したことにより、キャビテーション抑制効果を十分に得てポンプキャビテーション性能を効果的に向上させることができる。
【００１５】
また、前記傾斜溝は、単曲線状に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、傾斜溝が単曲線状に形成されているので、傾斜溝の加工を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るポンプ水車によれば、水車性能とポンプキャビテーション性能の双方を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るポンプ水車１の概略構成を示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る円盤体１６の平面図であり、図１におけるS1矢視図に相当する図である。
【図３】本発明の実施形態に係るランナベーン１２の要部断面図であって、図２におけるS2−S2線断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る傾斜溝２０の要部断面図であって、図３のS3−S3線断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るランナ出口１０ｂのうち径方向外方側（シュラウド１３側）におけるポンプ運転時の速度三角形である。
【図６】傾斜溝２０を省略した従来のポンプ水車において、ランナ出口１０ｂのうち径方向外方側（シュラウド側）におけるポンプ運転時の速度三角形である。
【図７】本発明の実施形態に係る流動解析ＣＦＤの解析結果を整理したものであって、実験計画法を用いて各パラメータのキャビテーション抑制効果に対する影響度合を評価したグラフである。
【図８】従来のポンプ水車におけるランナ出口角αと相対流れ角βとの関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るポンプ水車１の概略構成を示す概略構成断面図である。
このポンプ水車１は、図１に示すように、回転中心軸Ｐを重力方向（図１における上下方向）に向けた回転シャフト２と、回転シャフト２の下端部に設けられたランナ（回転ランナ）１０と、ランナ１０の径方向外方側に設けられたスパイラルケーシング３と、スパイラルケーシング３とランナ１０とを接続するスピードリング４と、ランナ１０に流入する用水Ｗの流量を調整するガイドベーン７と、ランナ１０の下方に延びる吸出管５とを備えている。
なお、本明細書における説明においては、特に言及しない限り、「物の位置を特定する際の上・下」は「重力方向における上・下」をいうものとする。
【００１９】
回転シャフト２は、ポンプ水車１の主軸として機能するものである。この回転シャフト２は、図１に示すように、下端部にランナ１０が固定されており、上端部に電動機を兼ねた発電電動機（不図示）が連結されている。
【００２０】
ランナ１０は、クラウン１１とコーン１５とからなる円盤体１６と、複数のランナベーン（回転翼体）１２と、シュラウド１３と、を備えている。
【００２１】
クラウン１１は、略円盤状に構成されており、図１に示すように、回転シャフト２と同軸に回転シャフト２の下端部に固定されている。このクラウン１１は、下方に位置する先端部１１ｂに進むに従って次第に縮径するクラウン外周部１１ａを有している。
【００２２】
コーン１５は、円錐台状に形成されており、回転中心軸Ｐと同軸に且つ下方側が細くなるように、クラウン１１の先端部１１ｂにボルト止めされている。このコーン１５は、下方に進むに従って次第に縮径するコーン外周部１５ａがクラウン外周部１１ａと段差を生じさせずに連続している。このようにコーン外周部１５ａとクラウン外周部１１ａとが連続することにより、円盤体１６の外周部１６ａが構成されている。
【００２３】
図２は、円盤体１６の平面図であって、図１におけるS1矢視図に相当する図である。
ランナベーン１２は、図２に示すように、クラウン外周部１１ａにおいてクラウン１１の周方向に間隔を空けて７枚配設されており、軸方向に見て略放射状に配設されている。これら７枚のランナベーン１２は、等間隔に配設されている。
各ランナベーン１２は、図２に示すように、吸出管５側から軸方向に見て、ランナ１０の径方向中心側から径方向外周端１０ｃ（ランナ１０の大径部）に進むに従ってポンプ運転時の回転方向と逆方向に延びるように形成されている。
【００２４】
シュラウド１３は、略環状に形成されており、図１に示すようにクラウン１１と対向配置されて複数のランナベーン１２の翼縁部１２ｃを覆っている（図２において不図示）。
【００２５】
このような構成により、ランナ１０には、円盤体１６の外周部１６ａと、隣り合う二つのランナベーン１２と、シュラウド１３とによって画定された流路（間隙）１４を複数有しており、ランナ１０の径方向外周端１０ｃにおいて径方向外方に向けて開放するランナ入口（外周端開放部）１０ａと、ランナ１０の下部において下方に向けて開放するランナ出口（軸方向開放部）１０ｂとを各流路１４が連通させている。
【００２６】
図３は、図２におけるS2−S2線断面図である。
図３に示すように、ランナベーン１２は、後縁１２ａにおいて軸方向に直交する仮想平面Ｔに対して翼中心軸Ｑが形成するランナ出口角αが比較的に大きくされている。すなわち、スロート長さＬ（後縁１２ａから、そのランナベーン１２のポンプ運転時の回転方向に隣接するランナベーン１２までの最小長さ）が比較的に大きくなっており、ランナ出口１０ｂにおけるランナベーン１２間のポート面積Ｓ（ランナ出口１０ｂにおける流路１４の流路面積（ランナベーン１２とクラウン外周部１１ａとの接続部から翼縁部１２ｃまでの翼高さ×スロート長さＬ））が比較的に大きく確保されている。
【００２７】
図１に戻って、スパイラルケーシング３は、平面視で渦巻き状に配設されており、軸方向に切断した断面において略円管状に形成されている。このスパイラルケーシング３は、その内部が、用水Ｗが流れる案内流路３ａとなっており、周方向下流側へ向かうにつれて案内流路３ａの断面積が小さくなるように形成されている。
スパイラルケーシング３には、外部と接続された取水口（不図示）が設けられていると共に、径方向中心側において環状に開口してスピードリング４と接続された用水送出口３ｂが設けられている。
【００２８】
スピードリング４は、略環状で、内部が案内流路（環状流路）４ａとされており、流通する用水Ｗを整流するためのステーベーン６が周方向に等ピッチで複数配設されている。このスピードリング４は、ガイドベーン７を介して、ランナ入口１０ａに連通している。
【００２９】
ガイドベーン７は、スピードリング４と、径方向中心側のランナ１０との間において、周方向に沿って複数枚配列されている。各ガイドベーン７は、開放位置と閉塞位置との間で回動可能に構成されている。
【００３０】
吸出管５は、上方管口部がランナ出口１０ｂと連通していると共に、下方において用水放水口（不図示）に連通している。
この吸出管５は、吸出管５の内壁面５ａがシュラウド１３の内周面１３ａに対して段差がない状態でシュラウド１３と非接触で配設されており、下方に進むに従って流路断面が徐々に大きくなっている。
この吸出管５の内壁面５ａのうちランナ１０側には、図１に示すように、傾斜溝２０が周方向に等ピッチで複数形成されている。
【００３１】
図４は、図３のS3−S3線断面図である。
傾斜溝２０は、図４に示すように、溝断面が矩形となっており、図３に示すように、下方から上方に向かって、ポンプ運転時におけるランナ１０の回転方向に傾斜している。この傾斜溝２０は、単曲線状に形成されており、溝上端（軸方向他方の他端）２０ｂにおける仮想平面Ｔに対する傾斜溝角度γが、軸方向を９０°とした場合に８０°で形成され、溝下端（軸方向一方の一端）２０ａが下方を向いている。
また、傾斜溝２０は、吸出管５の径方向における溝深さｄが、ランナ１０のランナ出口１０ｂの直径（目玉径）Ｄの３％となる大きさで形成されている。
また、傾斜溝２０は、吸出管５の接線方向における溝幅Ｈが、ランナベーン１２の周方向ピッチＫ（図３参照）の５％となる大きさで形成されている。なお、周方向ピッチＫは、ランナ出口１０ｂの内周長（＝ランナ出口１０ｂの直径Ｄ×π）をランナベーン１２の枚数ｍで除した値である。
このような傾斜溝２０は、ランナベーン１２の枚数ｍ（７枚）の２倍の数（１４本）だけ形成されている。
なお、傾斜溝２０の軸方向の長さＭは、ランナ１０のランナ出口１０ｂの直径（目玉径）Ｄ以下となっている。
【００３２】
次に、上述した構成からなるポンプ水車１の作用について主に図５を用いて説明する。
まず、水車運転を行う場合には、図１に示すように、取水口（不図示）からスパイラルケーシング３の案内流路３ａに用水Ｗが流入し、案内流路３ａ内を一周りする間にスピードリング４に流出し、ガイドベーン７を介して旋回力が与えられた後にランナ入口１０ａに流入し、ランナ入口１０ａから各流路１４に流入する。
流路１４に流入した用水Ｗは、ランナ出口１０ｂに向けて流れる間に各ランナベーン１２に圧力を付与してランナ１０を回転させ、回転シャフト２を介して発電電動機（不図示）を駆動する。
【００３３】
流路１４内の用水Ｗは、ランナ出口１０ｂから吸出管５に流出するが、図３に示すように、ランナ出口角αが比較的に大きくされてポート面積Ｓが大きく確保されているために最大出力点近傍の効率が良好なものとなる。
なお、吸出管５に流出した用水Ｗは、放水口（不図示）から外部に放出される。
【００３４】
一方、ポンプ運転を行う場合には、発電電動機（不図示）が回転シャフト２を介してランナ１０を逆回転させることにより、放水口（不図示）から外部の用水Ｗを吸出管５に吸込んで、用水Ｗを揚水する。すなわち、図１に示すように、吸出管５、ランナ１０及びスピードリング４の順に用水Ｗを流して、スパイラルケーシング３の取水口（不図示）から外部へと用水Ｗを放出する。
【００３５】
このポンプ運転の場合において、吸出管５内を下方から上方に向けて流れる用水Ｗのうち、吸出管５の径方向中心側を流れる用水Ｗは、概ね軸方向速度成分のみを有する状態でランナ出口１０ｂに流入していく。
一方、吸出管５の内壁面５ａ近傍を流れる用水Ｗにおいても傾斜溝２０の下方において概ね軸方向速度成分ＶＳのみを有しているが、内壁面５ａの摩擦抵抗を受けて軸方向速度成分ＶＳが小さくなる。
【００３６】
図５は、ランナ出口１０ｂのうち径方向外方側（シュラウド１３側）におけるポンプ運転時の速度三角形であり、図６は、傾斜溝２０を省略した場合のランナ出口シュラウド側の速度三角形である。
吸出管５の内壁面５ａ近傍を流れて概ね軸方向速度成分ＶＳのみを有している用水Ｗの一部は、図３に示すように、下方に向けられた溝下端２０ａから傾斜溝２０にスムーズに流入し、傾斜溝２０に沿って流れることでポンプ運転時のランナ１０の回転方向に傾斜していき、この過程においてポンプ運転時のランナ１０の回転方向の周方向速度成分ＶＲが付与される。
【００３７】
図５に示すように、周方向速度成分ＶＲが付与された用水Ｗの絶対速度ベクトルＶＷ１は、軸方向に対して斜めになり、ランナベーン１２（回転速度ベクトルＶ１０）との相対速度ベクトルＶＷ２がランナベーン１２に対して立ち上がる。換言すれば、ランナベーン１２に対する相対速度ベクトルＶＷ２の相対流れ角βが、図６に示すように、傾斜溝２０を省略して周方向速度成分ＶＲを付与しない場合に比べて大きくなる（図５及び図６参照）。特に、内壁面５ａ近傍を流れる用水Ｗは、内壁面５ａの抵抗を受けて軸方向速度成分ＶＳが比較的に小さくなっているために、相対流れ角βは比較的に大きくなる。
【００３８】
このようにランナベーン１２は、ランナ出口角αが比較的に大きく形成されているが、相対流れ角βが比較的に大きくなるため（図５参照）、後縁１２ａからランナ１０に流入した用水Ｗは、翼面から剥離せずに流路１４を流れていく。このようにして、ポンプ水車１は、キャビテーションが生じずに安定して稼働を続ける。
【００３９】
以上説明したように、ポンプ水車１によれば、吸出管５の内壁面５ａのうちランナ１０側に傾斜溝２０が形成されているので、ポンプ運転時において内壁面５ａ近傍を流れる用水Ｗの一部が傾斜溝２０に沿って流れる。これにより、ランナ１０の回転方向と同方向の周方向速度成分ＶＲが用水Ｗに付与され、用水Ｗの相対流れ角βを大きくすることができる。つまり、ランナ出口角αを大きくしたとしても相対流れ角βを大きくすることで、ランナ出口角αと相対流れ角βとの差分を小さくすることができるので、ランナベーン１２の後縁１２ａにおいて剥離が生じ難くなり、キャビテーションが生じることを抑制することができる。
従って、ランナ出口角αを大きくして水車性能を向上させることができると共に、相対流れ角βを大きくすることにより用水Ｗの剥離を抑制してポンプキャビテーション性能を向上させることができる。
【００４０】
また、一般にポンプ運転時のキャビテーションの要因となる流れの剥離は、ランナベーン１２の後縁１２ａのうち回転速度（回転速度ベクトルＶ１０）が大きくなる径方向外方側（シュラウド１３側）において起こり易い。ここで、ポンプ水車１によれば、内壁面５ａに沿って流れる径方向外方側の用水Ｗに周方向速度成分ＶＲを付与して相対流れ角βを大きくするので、後縁１２ａの径方向外方側（シュラウド１３側）の流れの剥離を効果的に抑止して、キャビテーションを有効に抑止することができる。
【００４１】
また、内壁面５ａに形成した傾斜溝２０で周方向速度成分ＶＲを付与するので、内壁面５ａに突起物（例えば、フィン状の突起物）を設置して周方向速度成分ＶＲを付与する場合のように、突起物の脱落及び突起物の脱落に伴う損壊の恐れがない。
また、内壁面５ａに形成した傾斜溝２０で周方向速度成分ＶＲを付与するので、内壁面５ａに突起物を設置して周方向速度成分ＶＲを付与する場合のように、ウェークによる損失や騒音が発生する恐れもない。
【００４２】
また、傾斜溝２０が複数形成されているので、内壁面５ａに沿って流れる用水Ｗに対して内壁面５ａの複数部分で周方向速度成分ＶＲを付与することができる。
また、傾斜溝２０が吸出管５の周方向に等ピッチに複数形成されているので、内壁面５ａの複数部分で用水Ｗに周方向速度成分ＶＲを付与することができると共に、均一的に周方向速度成分ＶＲを付与することができる。
【００４３】
また、傾斜溝２０の溝下端２０ａが下方に向いているので、傾斜溝２０の下方において概ね軸方向速度成分ＶＳのみを有する用水Ｗをスムーズに傾斜溝２０に流入させて用水Ｗの流れに乱れが生じることを抑止することができる。
また、傾斜溝２０が単曲線状に形成されているので、傾斜溝２０の加工を容易に行うことができる。
【実施例】
【００４４】
続いて、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、複数のポンプ水車モデルについて流動解析ＣＦＤを行って、傾斜溝２０を規定する四つのパラメータ（溝本数ｎ、傾斜溝角度γ、溝幅Ｈ及び溝深さｄ）のキャビテーション抑制効果への影響を確認したものである。解析モデルは、溝本数ｎ、傾斜溝角度γ、溝幅Ｈ及び溝深さｄをそれぞれ数種類ふってポンプ水車モデルを規定し、流動解析ＣＦＤによりキャビテーション抑制効果を求めた。
なお、各モデルに対しては、ポンプ運転を想定した流動解析ＣＦＤと共に、水車運転を想定した流動解析ＣＦＤを行っており、水車運転時の効率が傾斜溝２０を形成しない従来のポンプ水車に比べて０．５％以上低下しないことを確認している。
【００４５】
図７は、流動解析ＣＦＤの解析結果を整理したものであって、統計学的評価法である実験計画法を用いて各パラメータのキャビテーション抑制効果に対する影響度合を評価した図である。図７においては、横軸が上述した各パラメータ、縦軸がキャビテーション発生量である。なお、縦軸における１は、傾斜溝２０を形成しない従来のポンプ水車のキャビテーション発生量を示している。
【００４６】
図７に示すように、溝本数ｎは、ランナベーン１２の枚数ｍの１．５〜２．５倍の数だけ形成されているとキャビテーション抑制効果が高く、ランナベーン１２の枚数ｍの２倍程度に形成するとキャビテーション抑制効果が極めて高いことがわかった。すなわち、溝本数ｎは、ランナベーン１２の枚数ｍの１．５〜２．５倍の数とすると、適切な大きさの周方向速度成分ＶＲを用水Ｗに付与することができ、ランナ出口角αに対して相対流れ角βを適切な大きさにすると共に、用水Ｗの流れを乱さずに高いキャビテーション抑制効果を得ることができると考えられる。
【００４７】
また、図７に示すように、傾斜溝角度γは、軸方向を９０°とした場合に７５〜８５°の範囲でキャビテーション抑制効果が高く、８０°程度に形成するとキャビテーション抑制効果が極めて高いことがわかった。すなわち、傾斜溝角度γを７５〜８５°の範囲とすると、高いキャビテーション抑制効果を得ることができると考えられる。
【００４８】
また、図７に示すように、溝深さｄは、ランナ出口１０ｂの直径Ｄの２．５〜３．５％の大きさで形成されていると、キャビテーション抑制効果が高く、３％程度に形成するとキャビテーション抑制効果が極めて高いことがわかった。すなわち、ランナ出口１０ｂの直径Ｄの２．５〜３．５％の大きさにすると、周方向速度成分ＶＲ及び相対流れ角βが適切な大きさとなって、高いキャビテーション抑制効果を得ることができると考えられる。
【００４９】
また、図７に示すように、溝幅Ｈは、ランナベーン１２の周方向ピッチＫの１０％以下の大きさで形成されているとキャビテーション抑制効果が認められることがわかった。すなわち、溝幅Ｈを周方向ピッチＫの１０％以下の大きさにすると、傾斜溝２０に流入する用水Ｗが適切な量となって傾斜溝２０内の用水Ｗ全体に対して周方向速度成分ＶＲを付与することができ、高いキャビテーション抑制効果を得ることができると考えられる。
【００５０】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、傾斜溝２０を複数設ける構成としたが、単数設ける構成でも用水Ｗに周方向速度成分ＶＲを付与することが可能であるため、傾斜溝２０を単数設ける構成としてもよい。
【００５１】
また、上述した実施の形態では、傾斜溝２０の溝断面を矩形に形成したが、その他の形状（半円形や半多角形、半楕円形等）に形成してもよい。また、溝断面における角部を円弧状に形成してもよい。
同様に、溝下端２０ａから溝深さｄを徐々に深くすることにより、傾斜溝２０にスムーズに用水Ｗを流入させることできる。また、溝上端２０ｂまでの溝深さｄを徐々に浅くすることにより、傾斜溝２０からランナ出口１０ｂにスムーズに用水Ｗを流出させることできる。
【００５２】
また、上述した実施の形態では、傾斜溝２０を単曲線状に形成したが、複曲線状に形成してもよいし、直線状、あるいは、これらを組み合わせた形状に形成してもよい。
【００５３】
また、上述した実施の形態では、縦軸型のフランシス水車に本発明を適用したが、横軸型であってもよいし、他のポンプ水車の型式に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…ポンプ水車
４ａ…案内流路（環状流路）
５…吸出管
５ａ…内壁面
１０…ランナ（回転ランナ）
１０ａ…ランナ入口（外周端開放部）
１０ｂ…ランナ出口（軸方向開放部）
１０ｃ…径方向外周端
１２…ランナベーン（回転翼体）
１４…流路（間隙）
１６…円盤体
１６ａ…外周部
２０…傾斜溝
２０ａ…溝下端（軸方向一方の一端）
２０ｂ…溝上端（軸方向他方の他端）
Ｄ…ランナ出口１０ｂの直径（軸方向開放部における直径）
ｄ…溝深さ
Ｋ…周方向ピッチ
Ｈ…溝幅
Ｗ…用水
ｎ…溝本数
γ…傾斜溝角度
【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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