(57)【要約】【課題】大流量運転時における効率の低下を抑制することができる。【解決手段】回転中心軸Ｐが延びる軸方向の一方に進むに従って径を漸減させる外周部１１ａを有する回転盤１１と、回転盤１１の外周部１１ａにおいて周方向に間隔を空けて設けられた複数の回転翼１２とを備え、回転盤１１と複数の回転翼１２との間に、径方向外方側から回転中心軸Ｐに向かって流入した作動流体を前記軸方向の一方側に流出させる流路１４が構成された回転構造体１０であって、回転翼１２の下流縁１２ａにおける回転盤側の一端１２ｂから軸方向一方側の他端１２ｃまでの軸方向寸法である回転翼高さをｈ、回転翼１２の下流縁１２ａにおける一端１２ｂから回転盤１２の前記軸方向一方側の先端部１１ｂまでの軸方向寸法である先端部高さをｈ＊とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。        ０≦ｈ＊≦０．３ｈ…（１）【選択図】図３
2011236873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心軸が延びる軸方向の一方に進むに従って径を漸減させる外周部を有する回転盤と、
前記回転盤の外周部において周方向に間隔を空けて設けられた複数の回転翼とを備え、
前記回転盤と前記複数の回転翼との間に、径方向外方側から前記回転中心軸に向かって流入した作動流体を前記軸方向の一方側に流出させる流路が構成された回転構造体であって、
前記回転翼の下流縁における前記回転盤側の一端から前記軸方向一方側の他端までの軸方向寸法である回転翼高さをｈ、前記回転翼の下流縁における一端から前記回転盤の前記軸方向一方側の先端部までの軸方向寸法である先端部高さをｈ＊とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする回転構造体。
０≦ｈ＊≦０．３ｈ…（１）
【請求項２】
以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の回転構造体。
ｈ＊≦０．２ｈ…（２）
【請求項３】
前記回転盤は、前記外周部と前記先端部との間に前記軸方向の一方に進むに従って径方向内方に進む傾斜部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転構造体。
【請求項４】
前記回転盤は、前記外周部と前記先端部との間に角部を有し、
前記角部は、前記軸方向に切断した断面において円弧状に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回転構造体。
【請求項５】
前記回転盤は、少なくとも前記先端部側に内部空間が形成され、
該内部空間を閉塞させる蓋体を備え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回転構造体。
【請求項６】
前記回転盤は、前記回転中心軸上に配置されて前記軸方向一方側の先端が前記先端部を構成するコーンと、
前記回転中心軸上に前記コーンを収容可能な収容穴を有すると共に前記回転翼が設けられた外周が前記外周部の少なくとも一部を構成するクラウンとを備え、
前記コーンは、前記軸方向に変位可能に構成され、前記コーンが前記収容穴に収容された場合に条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１に記載の回転構造体。
【請求項７】
請求項１から６のうちいずれか一項に記載の回転構造体と、
該回転構造体が軸方向の一方の端部に設けられた回転シャフトとを具備することを特徴とする流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転構造体及び流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、流体機械の一種である水車やポンプ水車においては、回転シャフトと、この回転シャフトの軸方向の一方の端部に設けられ、軸方向の一方に進むに従って径を漸減させる外周部を有する円盤状のクラウンと、このクラウンの外周部に設けられた複数のランナベーンとを備えるランナを有するものがある。このランナは、クラウンとランナベーンとの間に流路が構成されており、径方向外方から流入した作動流体を軸方向の一方に流出させるようになっている。
【０００３】
上記ランナには、軸方向の流体出口からの流れを下流側にスムーズにガイドさせるために、案内部材として機能するランナコーンをクラウンの流体出口側における端部に取り付けたものがある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２８４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の技術においては、ランナにおける流量が適正な設計点流量に対して過大であると（以下、「大流量運転時」という。）、クラウン側近くを流れる作動流体の流速が増加してクラウン側に流線が寄ってしまうが、ランナコーンによって流体出口の流れが閉塞傾向となる。一方、ランナコーンの軸方向一方側においては、作動流体の流速が減少して死水コア領域が形成されるが、この死水コア領域と、流速が増加したクラウン側寄りとで作動流体の流速差が大きくなって径方向の流速分布が不均一になる。このため、せん断層での混合損失が増加して水車効率が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、大流量運転時における効率の低下を抑制することを課題とする。
【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、本発明に係る回転構造体は、回転中心軸が延びる軸方向の一方に進むに従って径を漸減させる外周部を有する回転盤と、前記回転盤の外周部において周方向に間隔を空けて設けられた複数の回転翼とを備え、前記回転盤と前記複数の回転翼との間に、径方向外方側から前記回転中心軸に向かって流入した作動流体を前記軸方向の一方側に流出させる流路が構成された回転構造体であって、前記回転翼の下流縁における前記回転盤側の一端から前記軸方向一方側の他端までの軸方向寸法である回転翼高さをｈ、前記回転翼の下流縁における一端から前記回転盤の前記軸方向一方側の先端部までの軸方向寸法である先端部高さをｈ＊とすると、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
０≦ｈ＊≦０．３ｈ…（１）
この構成によれば、条件式（１）を満足するので、流体出口において作動流体が径方向内方側に流れ易くなり、大流量運転時において径方向の流速分布が均一的になる。これにより、大流量運転時におけるせん断層での混合損失を低減して効率の低下を抑制することができる。
【０００８】
また、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする。
ｈ＊≦０．２ｈ…（２）
この構成によれば、条件式（２）を満足するので、流体出口において作動流体が径方向内方側にさらに流れ易くなり、大流量運転時において径方向の流速分布がより均一的になる。これにより、大流量運転時におけるせん断層での混合損失をさらに低減して効率の低下をさらに抑制することができる。
【０００９】
また、前記回転盤は、前記外周部と前記先端部との間に前記軸方向の一方に進むに従って径方向内方に進む傾斜部を有することを特徴とする。
この構成によれば、傾斜部を有するので、外周部と先端部との間において回転盤の表面（外周部および傾斜部）に沿って流れる作動流体に流れの剥離が生じ難くなる。より具体的には、傾斜部を有しない場合に比べて流れ方向に流路が穏やかに拡大するので、外周部および傾斜部において流れの剥離が生じ難くなる。これにより、作動流体の流れの剥離によって引き起こされる効率低下を抑制することができる。
【００１０】
また、前記回転盤は、前記外周部と前記先端部との間に角部を有し、前記角部は、前記軸方向に切断した断面において円弧状に形成されていること特徴とする。
この構成によれば、軸方向に切断した断面において角部が円弧状に形成されているので、外周部と先端部との間において回転盤の表面（外周部および角部）に沿って流れる作動流体に流れの剥離が生じ難くなる。より具体的には、角部を円弧状とすることで流路が滑らかに連続することとなるので、外周部および角部において流れの剥離が生じ難くなる。これにより、作動流体の流れの剥離によって引き起こされる効率低下を抑制することができる。
【００１１】
また、前記回転盤は、少なくとも前記先端部側に内部空間が形成され、該内部空間を閉塞させる蓋体を備えることを特徴とする。
この構成によれば、回転盤が内部空間を閉塞させる蓋体を備えるので、回転構造体における流量が適正な設計点流量に対して過小である場合において、流体出口よりも下流側に発生する螺旋渦の渦芯の付け根部分に蓋体が位置することとなる。すなわち、蓋体を設けずに内部空間を開放した状態においては、螺旋渦の起点が内部空間の軸方向他方側の奥部となって、螺旋渦の起点から先端部までの長さ分だけ螺旋渦の全長が長くなる。このため、コーン内外の旋回する流れの影響により螺旋渦の起点が不安定となって脈動や振動・騒音が増加すると考えられる。これに対して、蓋体で内部空間を閉塞させた状態においては、蓋体によって螺旋渦の起点が安定するので脈動や振動・騒音を抑制することができる。
【００１２】
また、前記回転盤は、前記回転中心軸上に配置されて前記軸方向一方側の先端が前記先端部を構成するコーンと、前記回転中心軸上に前記コーンを収容可能な収容穴を有すると共に前記回転翼が設けられた外周が前記外周部の少なくとも一部を構成するクラウンとを備え、前記コーンは、前記軸方向に変位可能に構成され、前記コーンが前記収容穴に収容された場合に条件式（１）を満足することを特徴とする。
この構成によれば、作動流体が設計点流量に対して過小である場合の小流量運転時に収容穴から軸方向一方側にコーンを突出させることにより、作動流体を流路の流体出口からコーンに沿わせて下流側に導くと共に、作動流体が設計点流量に対して過大である場合の大流量運転時には収容穴にコーンを収容することにより、作動流体を流路の流体出口から径方向内方側に流れ易くすることができる。これにより、小流量運転時及び大流量運転時の場合において水車効率を高効率に維持することができ、性能を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る流体機械は、上記のうちいずれかの回転構造体と、該回転構造体が軸方向の一方の端部に設けられた回転シャフトとを具備することを特徴とする。
この構成によれば、上記いずれかの回転構造体を具備するので、大流量運転時における効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る回転構造体によれば、大流量運転時における効率の低下を抑制することができる。
また、本発明に係る流体機械によれば、大流量運転時における効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一実施形態に係るフランシス水車１の概略構成を示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るフランシス水車１の要部拡大図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係るランナ１０の詳細図である。
【図４】本発明の実施例に係る試験結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第一実施形態に係るフランシス水車１及びランナ１０の作用説明図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係るフランシス水車１及びランナ１０の比較例であるフランシス水車５０及びランナ６０の作用説明図である。
【図７】本発明の第一実施形態に係るフランシス水車１の第一変形例である。
【図８】本発明の第一実施形態に係るフランシス水車１の第二変形例である。
【図９】本発明の第二実施形態に係るフランシス水車３１の概略構成を示す要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係るフランシス水車（流体機械）１の概略構成を示す概略構成断面図である。
フランシス水車１は、図１に示すように、回転中心軸Ｐを重力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（端部）に設けられたランナ（回転構造体）１０と、ランナ１０の径方向外方側に設けられて作動流体である用水Ｗを送り込む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の下方に配置されてランナ１０から放出された用水Ｗを放水するドラフトチューブ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。
【００１７】
回転シャフト２は、フランシス水車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、上端部に発電機（不図示）が連結されている。
【００１８】
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、図１に示すように、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、外部と接続された図示しない用水取込口が設けられていると共に、径方向内方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。すなわち、案内流路３ａに流入した用水Ｗは、スパイラルケーシング３内を一周する間に、用水送出口３ｂからランナ１０（スピードリング４）へ向けて送り出される。
【００１９】
スピードリング４は、略環状で、内部を案内流路４ａとしており、流通する用水Ｗを整流するためのステーベーン６が設けられている。これら複数のステーベーン６は、放射状に等ピッチで配設され、流入する用水Ｗの流れ角度に合わせて旋回方向に傾くように配設されている。
【００２０】
ガイドベーン７は、スピードリング４と、径方向内方側のランナ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、当該ガイドベーン７に設けられた回転軸７ａを中心として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。すなわち、各ガイドベーン７が回動することで、スパイラルケーシング３の内部から（スピードリング４を介して）ランナ１０に流入する用水Ｗの流量を調整することが可能となっている。
【００２１】
ドラフトチューブ５は、流路断面を徐々に大きくすることで用水Ｗの流速を減少させつつ整流し、用水Ｗを外部の放水路に放水する。
【００２２】
図２は、フランシス水車１の要部拡大図である。
図１及び図２に示すように、ランナ１０は、回転盤１１と、ランナベーン（回転翼）１２と、シュラウド１３とを備えている。以下の説明においては、ランナ１０の概略構成について説明をした後に、細部の構成について説明をする。
【００２３】
回転盤１１は、略円盤状に構成されており、回転シャフト２と同軸に回転シャフト２の下方端部に固定されている。回転盤１１は、下方に進むに従って径を漸減させる外周部１１ａと、回転中心軸Ｐを囲繞する先端部１１ｂと、外周部１１ａと先端部１１ｂとの間に形成され、下方に進むに従って径方向内方に進む傾斜部１１ｃとを有している。この回転盤１１は先端部１１ｂ側まで無垢の中実構造の場合もあるが、内部における先端部１１ｂ側において下方に開放された内部空間（不図示）が形成される場合も多い。
このような回転盤１１は、具体的には、上方側に配置されたクラウンと、クラウンの下端部に固定された円錐台状のコーンとで構成されているが、クラウン単体のみでこれを構成しても構わない。
【００２４】
外周部１１ａは、回転中心軸Ｐに沿った断面において、下方に進むに従って回転中心軸Ｐに漸近する輪郭となっている。換言すれば、径方向外方側において回転中心軸Ｐに直交する仮想平面に概略沿うように形成されていると共に、径方向内方側に向かうに従って次第に回転中心軸Ｐに沿うように湾曲形成されている。
【００２５】
傾斜部１１ｃは、角部１１ｄを介して外周部１１ａに連続している。この傾斜部１１ｃは、回転中心軸Ｐに直交する仮想平面に対する傾斜角が、外周部１１ａの下流側よりも小さくなっている。換言すれば、外周部１１ａと先端部１１ｂとが傾斜部１１ｃを介して緩やかに接続されている。
【００２６】
先端部１１ｂは、回転中心軸Ｐを中心とした円環平面状に形成されており、角部１１ｅを介して傾斜部１１ｃに連続している。この先端部１１ｂは、内部空間の開口を構成しているか、若しくは中実のコーンの底壁面を構成している。
【００２７】
複数のランナベーン１２は、外周部１１ａにおいて回転中心軸Ｐ周りに等ピッチに配設されて、軸方向に見て放射状に配設されている。これら複数のランナベーン１２は、ランナ１０に流入する用水Ｗの流れ角度に合わせて径方向外方側で旋回方向に傾くように配設されていると共に、径方向内方側に向かうに従って次第に旋回方向への傾きが強くなるように配設されている。
【００２８】
シュラウド１３は、略環状に形成されており、回転盤１１と対向配置されて複数のランナベーン１２と接続されている。
【００２９】
このような構成により、ランナ１０には、回転盤１１と、隣り合う二つのランナベーン１２と、シュラウド１３によって画定された流路１４を複数有している。各流路１４は、径方向外方側の開口が流体入口１４ａ、径方向内方側の開口が流体出口１４ｂとされ、外方側から径方向内方側に向かうに従って次第に旋回方向に傾くように形成されている。
流路１４において、用水Ｗは流体入口１４ａに流入すると、回転中心軸Ｐ側かつ下方側に流れながらランナベーン１２に圧力を作用させてランナ１０を回転させる。そして、流体出口１４ｂから下方に放出されてドラフトチューブ（図１参照）５へと流入する。
【００３０】
次に、ランナ１０の形状の詳細について説明する。図３はランナ１０の詳細図である。なお、図３中において従来の構成を破線で示す。
【００３１】
図３に示すように、ランナ１０は、ランナベーン１２の下流縁１２ａにおいて回転盤１１側の一端１２ｂから反対側であるシュラウド１３側の他端１２ｃまでの軸方向寸法であるランナベーン高さをｈ、ランナベーン１２の下流縁１２ａの一端１２ｂから回転盤１１の先端部１１ｂまでの軸方向寸法である先端部高さをｈ＊とすると、以下の条件式（１）を満足する。
０≦ｈ＊≦０．３ｈ…（１）
但し、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
ｈ＊≦０．２ｈ…（２）
【実施例】
【００３２】
続いて、上記ランナ１０の作用効果について説明する。本実施例においては、上記ランナ１０の作用効果について確認をするために、本発明に係るランナ１０と比較例のランナ６０とについて模型試験を行った。
ランナ６０は、ランナ１０と同様の構成となっているが、ランナ１０がｈ＊＝０．１９８ｈであるのに対して、ランナ６０が図３の破線に示すように、ｈ＊＝０．４３３ｈとなっている。
本模型試験においては、このランナ６０をフランシス水車１と同様のフランシス水車５０に組み込んだものを比較例としている。
【００３３】
フランシス水車１及びフランシス水車５０の実機仕様条件は、以下の通りである。
有効落差…５７．９ｍ、出力…１７７．７ＭＷ、回転数…９４．７ｒｐｍ、比速度（Ｎｓ）…２５０〔ｍ・ｋＷ・ｒｐｍ〕＝９４．７・（１７７７００）１／２／（５７．９５／４）、模型比…０．０５４１
【００３４】
模型試験水車の代表寸法を例示すると、以下の通りである。
【表１】
2011236873.tif 000003
なお、図３中、Ｌ１が１２．８１ｍｍ、Ｌ２が１２．９９ｍｍになっている。
【００３５】
図４は、本実施例の試験結果を示すグラフであって、横軸が流量係数Ｑ１１、縦軸が水車効率ηとなっており、等差目盛となった縦軸横軸のそれぞれにおいて数値を相対表示している。なお、流量係数Ｑ１１は、Ｑ１１＝Ｑ／（Ｄ１２・√Ｈｅ）の関係式から求めている。ここで、Ｄ１：ランナ入口径，Ｈｅ：有効落差，Ｑ：流量である。
【００３６】
図４に示すように、実施例のランナ１０では、比較例のランナ６０と比較して、水車効率が０．５〜１．５％程度向上していることがわかった。
【００３７】
以上のように、ランナ１０によれば、条件式（１）を満足するので、用水Ｗが流路１４の流体出口１４ｂにおいて径方向内方側に流れ易くなり、適正な設計点流量よりも流量が過大（大流量運転時）であっても径方向の流速分布が均一的になる。これにより、死水コア領域とのせん断層における混合損失を低減して大流量運転時における水車効率の低下を抑制することができる。すなわち、適正な設計点流量よりも流量を過大に設定して運転を継続する場合に効率向上、最大出力アップ（リパワリング）をすることが可能となる。
例えば、古くなった既設水力プラントの改修工事等において、最大流量の見直しを図ると共に既設水車のケーシング等を流用して古いコーンを、変更する又は除去してランナが条件式（１）を満足するようにすることで、最大出力点での効率向上及び最大出力アップが可能となる。
【００３８】
図５は、ランナ１０の作用説明図であり、図６は、ランナ６０の比較説明図である。
図６に示すように、ランナ６０の場合には、大流量運転時において回転盤（１１）側に沿った流れが先端部（１１ｂ）において下向きに転向されコーン（１５）の外側付近の流速が増加、コーン（１５）真下の流速が低下して速度分布に偏りができ損失増加（効率低下）が生じた。このため、流体出口（１４ｂ）の流れが閉塞傾向となって水車効率ηが低下してしまう。
これに対して、ランナ１０の場合には、小型コーン等とすることにより、条件式（１）を満足するので、大流量運転時において回転盤１１側近くを流れる用水Ｗが回転中心軸Ｐ側に流れ易くなり半径方向の流速分布が均一化し損失が減少（効率向上）する。
【００３９】
また、軸方向の一方に進むに従って径方向内方に進む傾斜部１１ｃを有するので、径方向内方側に流れた用水Ｗに流れの剥離が生じ難くなる。より具体的には、傾斜部１１ｃを有しない場合に比べて流れ方向に流路が穏やかに拡大するので、外周部１１ａおよび傾斜部１１ｃにおいて流れの剥離が生じ難くなる。これにより、流れの剥離によって引き起こされる水車効率低下を抑制することができる。
【００４０】
また、フランシス水車１によれば、ランナ１０を具備するので、大流量運転時における水車効率の低下を抑制することができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、図３に示すように、軸方向に切断した断面において角部１１ｄを角張らせたが、図７に示すように、軸方向に切断した断面において円弧状に形成した角部１１ｄ´を用いてもよい。このように構成することで、流体出口１４ｂにおいて用水Ｗが径方向内方側に流れる際に流れの剥離が生じ難くなる。より具体的には、角部１１ｄ´を円弧状とすることで流路が滑らかに連続することとなるので、外周部１１ａおよび角部１１ｄ´において流れの剥離が生じ難くなる。これにより、流れの剥離によって引き起こされる効率低下を抑制することができる。
同様に、角部１１ｅ´を、軸方向に切断した断面において円弧状に形成してもよい。
【００４２】
また、本実施形態においては、回転盤１１の先端部１１ｂ側に形成した内部空間を下方に開放した構成としたが、図８に示すように、先端部１１ｂを被覆する蓋体２５を設けて内部空間Ｓを閉塞する構成としてもよい。このように構成することで、ランナ１０における流量が適正な設計点流量に対して過小である場合において、流体出口１４ｂよりも下流側に発生する螺旋渦の渦芯の付け根部分に蓋体２５が位置することとなる。これにより、蓋体２５によって渦芯が安定するので、螺旋渦の発生、振れ回りに伴う圧力変動、振動、騒音を有効に抑制することができる。
なお、この場合には、蓋体２５が回転盤１１の先端部を構成することとなる。
【００４３】
また、本実施形態においては、先端部１１ｂを円環平面状に形成したが、円平面状に形成してもよいし、先鋭状あるいは球状に形成した頂点を先端部としてもよい。また、回転盤１１における最下端部分が分断されていてもよい。つまり、回転盤１１における最下端部分であればよい。
【００４４】
また、本実施形態においては、傾斜部１１ｃを設けたが、傾斜部１１ｃを設けずに、外周部１１ａが先端部１１ｂに直接的に連続する構成でもよい。
【００４５】
（第二実施形態）
続いて、本発明に係る第二実施形態について説明する。
図９は、本発明の第二実施形態に係るフランシス水車（流体機械）３１の概略構成を示す要部拡大断面図である。なお、図９において、図１から図８と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】
図９に示すように、フランシス水車３１は、上述した第一実施形態に係るフランシス水車１と同様の構成を備えているが、フランシス水車１が回転シャフト２と回転盤１１とを備えているのに対して、フランシス水車３１が回転シャフト３２と回転盤４１を有するランナ（回転構造体）４０とを備えている点で大きく異なる。
【００４７】
図９に示すように、回転シャフト３２は、回転中心軸Ｐ上に延在する可動軸３２Ａと、可動軸３２Ａと同軸に配設されて可動軸３２Ａを囲繞する中空軸３２Ｂとを備えており、可動軸３２Ａが軸方向に変位可能に構成される一方、中空軸３２Ｂが軸方向の変位を拘束されている。そして、可動軸３２Ａと中空軸３２Ｂとが同期回転するようになっている。
【００４８】
回転盤４１は、図９に示すように、コーン４１Ａとクラウン４１Ｂとを備えている。
コーン４１Ａは、円錐台状に形成されており、下方に進むに従って外径を漸減させるように回転中心軸Ｐ上に配置されている。このコーン４１Ａの下方側における先端は、ランナ４０の先端部４１ｂを構成している。なお、この先端部４１ｂは、上述した回転盤１１の先端部１１ｂに相当している。
このコーン４１Ａは、可動軸３２Ａの下端部（端部）に固定されて、可動軸３２Ａと共に回転可能かつ軸方向に変位可能になっている。
【００４９】
クラウン４１Ｂは、図９に示すように、回転中心軸Ｐ上にコーン４１Ａを収容可能な収容穴４１ｄを有している。このクラウン４１Ｂの外周は、回転中心軸Ｐに沿った断面において下方に進むに従って回転中心軸Ｐに漸近する輪郭となっており、ランナベーン１４が配設されている。このクラウン４１Ｂの外周は、ランナ４０の外周部４１ａを構成している。なお、この外周部４１ａは、上述した回転盤１１の先端部１１ｂに相当している。
このコーン４１Ａは、中空軸３２Ｂの下端部（端部）に固定されて、中空軸３２Ｂと共に回転可能になっており、コーン４１Ａと同期回転するようになっている。
【００５０】
制御装置３１ａは、設計点流量よりも用水Ｗの流量が過小である小流量運転時と判断した場合に、コーン４１Ａを軸方向に変位させて突出位置Ｘ１に位置させる一方、用水Ｗの流量が過大である大流量運転時と判断した場合に、コーン４１Ａを軸方向に変位させて収容穴４１ｄに収容して収容位置Ｘ２に位置させる。
なお、設計点流量は、各フランシス水車に応じて適宜最適な値が設定され、この値に基づいて大流量運転時を判断する際の閾値及び小流量運転時を判断する際の閾値が規定される。
【００５１】
ここで、ランナ４０は、ランナベーン高さをｈ（図３参照）、ランナベーン１２の下流縁１２ａの一端１２ｂから回転盤４１の先端部４１ｂまでの軸方向寸法である先端部高さをｈ＊とすると、突出位置Ｘ１においては、ｈ＊≧０．３ｈを満足するように形成されており、収容位置Ｘ２においては上記条件式（１）及び（２）を満足するように形成されている。
【００５２】
次に、フランシス水車３１及びランナ４０の作用について説明する。
小流量運転時である場合には、制御装置３１ａは、コーン４１Ａを突出位置Ｘ１（下方側）に位置させることにより、流体出口１４ｂにおいてコーン４１Ａに用水Ｗを沿わせて下流側に導く（図９において用水Ｗの流線を二点鎖線で示す。）。
一方、大流量運転時である場合には、制御装置３１ａは、コーン４１Ａを軸方向に変位させて収容穴４１ｄに収容し、突出位置Ｘ１から収容位置Ｘ２（上方側）に位置させる。これにより、死水コア領域とのせん断層における混合損失を低減して用水Ｗが流路１４の流体出口１４ｂにおいて径方向内方側に流し（図９において用水Ｗの流線を実線で示す。）、径方向の流速分布が均一的になる。
【００５３】
以上のように、フランシス水車３１によれば、設計点流量よりも用水Ｗの流量が過小である場合には突出位置Ｘ１にコーン４１Ａを位置させるので、流路１４の流体出口１４ｂからコーン４１Ａに用水Ｗを沿わせて下流側に導く。これにより、用水Ｗの流れがスムーズになり、小流量運転時において水車効率を向上することができる。
一方、大流量運転時である場合には収容位置Ｘ２にコーン４１Ａを位置させるので、流路１４の流体出口１４ｂにおいて径方向内方側に流れ易くなり、径方向の流速分布が均一的になる。これにより、大流量運転時において、せん断層での混合損失を低減して水車効率の低下を抑制することができる。
すなわち、設計点流量に対して用水Ｗの流量が過小であっても過大であっても、双方の場合において水車効率を維持することができ、性能を向上することができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、制御装置３１ａを設けて、用水Ｗの流量に応じてコーン４１Ａを自動的に変位させる構成としたが、制御装置３１ａを省略すると共に人を介在させてコーン４１Ａを変位させる構成としてもよい。
【００５５】
また、本実施形態においては、傾斜部（１１ｃ）を設けない構成としたが、傾斜部（１１ｃ）を設ける構成としてもよい。この場合には、コーン４１Ａ側及びクラウン４１Ｂ側の少なくとも一方に設ければよい。なお、この場合には、コーン４１Ａが突出位置Ｘ１に位置する際にコーン４１Ａ及びクラウン４１Ｂの外周が滑らかに接続されるように形成することが望ましい。
【００５６】
また、本実施形態においては、可動軸３２Ａ及び中空軸３２Ｂを同期回転させる構成としたが、必ずしも同期回転をさせなくてもよく、可動軸３２Ａを回転させない構成にしてもよい。
【００５７】
なお、上述した第一実施形態及び第二実施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、上述した第一実施形態及び第二実施形態においては、フランシス水車１，３１に本発明を適用した場合を説明したが、他のポンプ水車や水車など様々な流体機械に適用可能である。
【００５８】
また、上述した第一実施形態及び第二実施形態においては、回転中心軸Ｐを重力方向に向けた縦軸機に本発明を適用したが、回転中心軸Ｐを水平方向に向けた横軸機に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１，３１…フランシス水車（流体機械）
２，３２…回転シャフト
１０，４０…ランナ（回転構造体）
１１，４１…回転盤
１１ａ，４１ａ…外周部
１１ｂ，４１ｂ…先端部
１１ｃ…傾斜部
１１ｄ，１１ｄ´，１１ｅ，１１ｅ´…角部
１２…ランナベーン（回転翼）
１２ａ…下流縁
１２ｂ…一端
１２ｃ…他端
１４…流路
２５…蓋体
Ｐ…回転中心軸
Ｓ…内部空間
Ｗ…用水（作動流体）
【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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【図９】
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