(57)【要約】  【課題】ランナベーンの周囲に形成される漏れ流れを抑制し、性能を向上させることができる可動羽根水車を提供する。  【解決手段】実施の形態による可動羽根水車のランナ５において、ランナボス１０の上流側外周面１２または下流側外周面１３に、凹部１４または１５が設けられている。ランナベーン２０は、ランナボス１０の中央外周面１１に対向する、球面状に形成された中央内周端面と２１、ランナベーン２０の角度が最大角度になった場合に、凹部１４または１５に入り込むベーン延長部２２または２３と、を有している。ベーン延長部２２または２３の内周端面は、中央内周端面２１の延長面上に形成されている。【選択図】図２Ａ
2019007374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナボスと、
前記ランナボスに回動可能に設けられたランナベーンと、を備え、
前記ランナボスは、球面状に形成された中央外周面と、前記中央外周面よりも上流側に設けられた上流側外周面と、前記中央外周面よりも下流側に設けられた下流側外周面と、を有し、
前記上流側外周面および前記下流側外周面は、前記中央外周面の延長面よりも外周側に形成され、
前記上流側外周面または前記下流側外周面に、凹部が設けられ、
前記ランナベーンは、前記ランナボスの前記中央外周面に対向する、球面状に形成された中央内周端面と、前記ランナベーンの角度が最大角度になった場合に、前記凹部に入り込むベーン延長部と、を有し、
前記ベーン延長部の内周端面は、前記中央内周端面の延長面上に形成されている、可動羽根水車のランナ。
【請求項２】
前記凹部は、前記中央外周面の延長面上で球面状に形成された底面を含んでいる、請求項１に記載の可動羽根水車のランナ。
【請求項３】
前記凹部内に進退可能に設けられた可動壁と、
前記可動壁を前記凹部内に進出および後退させる可動壁駆動部と、を更に備えた、請求項１または２に記載の可動羽根水車のランナ。
【請求項４】
前記凹部内に充填された弾性体を更に備えた、請求項１または２に記載の可動羽根水車のランナ。
【請求項５】
前記ランナベーンは、前記ランナの外周側に設けられるディスチャージリングの球状内周面に対向する、球面状に形成された外周端面と、前記外周端面に設けられたベーン溝と、を更に有し、
前記ベーン溝は、前記ランナベーンの前記外周端面と前記ディスチャージリングの前記球状内周面との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の可動羽根水車のランナ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記可動羽根水車のランナと、
前記可動羽根水車のランナの外周側に設けられたディスチャージリングと、を備え、
前記ディスチャージリングは、前記ランナベーンの外周端面に対向する、球面状に形成された球状内周面と、前記球状内周面に設けられたリング溝と、を有し、
前記リング溝は、前記ランナベーンの前記外周端面と前記ディスチャージリングの前記球状内周面との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている、可動羽根水車。
【請求項７】
球面状に形成された球状内周面を有するディスチャージリングの内周側に設けられる可動羽根水車のランナであって、
ランナボスと、
前記ランナボスに回動可能に設けられたランナベーンと、を備え、
前記ランナベーンは、前記ディスチャージリングの前記球状内周面に対向する、球面状に形成された外周端面と、前記外周端面に設けられたベーン溝と、を有し、
前記ベーン溝は、前記ランナベーンの前記外周端面と前記ディスチャージリングの前記球状内周面との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている、可動羽根水車のランナ。
【請求項８】
前記ベーン溝は、前記ランナの回転軸線に沿う方向において、前記ディスチャージリングの前記球状内周面の上流端と、前記球状内周面の下流端との間に配置されている、請求項７に記載の可動羽根水車のランナ。
【請求項９】
請求項１〜５、７および８のいずれか一項に記載の前記可動羽根水車のランナと、
前記可動羽根水車のランナの外周側に設けられたディスチャージリングと、を備えた、可動羽根水車。
【請求項１０】
ランナボスと、ランナボスに回動可能に設けられた、球面状に形成された外周端面を含むランナベーンとを有するランナの外周側に設けられる可動羽根水車のディスチャージリングであって、
前記ランナベーンの前記外周端面に対向する、球面状に形成された球状内周面と、
前記球状内周面に設けられたリング溝と、を備え、
前記リング溝は、前記ランナベーンの前記外周端面と前記ディスチャージリングの前記球状内周面との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている、可動羽根水車のディスチャージリング。
【請求項１１】
請求項１０に記載の前記可動羽根水車のディスチャージリングと、
前記可動羽根水車のディスチャージリングの内周側に設けられた前記ランナと、を備えた、可動羽根水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、可動羽根水車のランナ、可動羽根水車のディスチャージリングおよび可動羽根水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電で使用される水力機械は衝動水車と反動水車に大きく分けられる。このうち反動水車の例としては、フランシス水車に代表される遠心水車と、デリア水車に代表される斜流水車と、カプラン水車、プロペラ水車またはバルブ水車等の軸流水車とが挙げられる。
【０００３】
軸流水車のランナは、ランナボスと、ランナボスに設けられたランナベーンと、を備えている。カプラン水車やバルブ水車等の可動羽根水車では、ランナベーン全体がランナボスに対して回動可能になっている。一方、プロペラ水車では、ランナベーンは、ランナボスに溶接接合やボルト締結により固定されている。
【０００４】
可動羽根水車では、必要とされる負荷、運転落差に応じて、ランナベーンの角度とガイドベーンの開度をそれぞれ最適な状態に制御することが可能になっている。このため、可動羽根水車は、フランシス水車やプロペラ水車のようにランナベーンが固定されている水車に比べて広い運転範囲で高効率な運転が可能になっている。
【０００５】
しかしながら、ランナベーンを運転状態に応じて回動するため、ランナベーンの外周端面（チップ側端面）と静止部（ディスチャージリング）との間には隙間が設けられている。この隙間には、漏れ流れとなる水の流れが形成される。この漏れ流れは、ランナにエネルギーを与えることがないため、単に損失が発生してしまう。また、ランナベーンの内周端面（ボス側端面）とランナボスとの間にも隙間が設けられており、この隙間にも漏れ流れが形成されてしまい、損失が発生してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１０２５６４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、このような点を考慮してなされたものであり、ランナベーンの周囲に形成される漏れ流れを抑制し、性能を向上させることができる可動羽根水車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】
【０００８】
実施の形態による可動羽根水車のランナは、ランナボスと、ランナボスに回動可能に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナボスは、球面状に形成された中央外周面と、中央外周面よりも上流側に設けられた上流側外周面と、中央外周面よりも下流側に設けられた下流側外周面と、を有している。上流側外周面および下流側外周面は、中央外周面の延長面よりも外周側に形成されている。上流側外周面または下流側外周面に、凹部が設けられている。ランナベーンは、ランナボスの中央外周面に対向する、球面状に形成された中央内周端面と、ランナベーンの角度が最大角度になった場合に、凹部に入り込むベーン延長部と、を有している。ベーン延長部の内周端面は、中央内周端面の延長面上に形成されている。
【０００９】
実施の形態による可動羽根水車のランナは、球面状に形成された球状内周面を有するディスチャージリングの内周側に設けられる可動羽根水車のランナである。この可動羽根水車のランナは、ランナボスと、ランナボスに回動可能に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンは、ディスチャージリングの球状内周面に対向する、球面状に形成された外周端面と、外周端面に設けられたベーン溝と、を有している。ベーン溝は、ランナベーンの外周端面とディスチャージリングの球状内周面との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている。
【００１０】
実施の形態による可動羽根水車は、上述した可動羽根水車のランナと、可動羽根水車のランナの外周側に設けられたディスチャージリングと、を備えている。
【００１１】
実施の形態による可動羽根水車のディスチャージリングは、ランナボスと、ランナボスに回動可能に設けられた、球面状に形成された外周端面を含むランナベーンとを有するランナの外周側に設けられる可動羽根水車のディスチャージリングである。この可動羽根水車のディスチャージリングは、ランナベーンの外周端面に対向する、球面状に形成された球状内周面と、球状内周面に設けられたリング溝と、を備えている。リング溝は、ランナベーンの外周端面とディスチャージリングの球状内周面との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている。
【００１２】
実施の形態による可動羽根水車は、上述した可動羽根水車のディスチャージリングと、ディスチャージリングの内周側に設けられたランナと、を備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ランナベーンの周囲に形成される漏れ流れを抑制し、性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１の実施の形態におけるカプラン水車の概略構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、ランナベーンの角度が最大角度になった場合における図１のランナの正面図であって、主として正面に配置されたランナベーンを示す正面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａのランナの正面図であって、主として側方に配置されたランナベーンを示す正面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａのランナを示す模式平面図である。
【図３】図３（ａ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図３（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、ランナベーンの角度が最小角度になった場合における図１のランナを示す正面図であって、主として正面に配置されたランナベーンを示す正面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａのランナの正面図であって、主として側方に配置されたランナベーンを示す正面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａのランナを示す模式平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、比較例として、ランナベーンの角度が最大角度になった場合における一般的なカプラン水車のランナを示す正面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａのランナを示す模式平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、比較例として、ランナベーンの角度が最小角度になった場合における一般的なカプラン水車のランナを示す正面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのランナを示す模式平面図である。
【図７】図７は、比較例としての図６に示すランナベーンの周囲の流れを示す図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態としての図４に示すランナベーンの周囲の流れを示す図である。
【図９】図９（ａ）は、第２の実施の形態におけるカプラン水車において、ランナベーンの角度が最小角度になった場合におけるランナを示す正面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ線断面図であり、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第３の実施の形態におけるカプラン水車において、ランナベーンの角度が最小角度になった場合におけるランナを示す正面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
【図１１】図１１は、第４の実施の形態におけるカプラン水車において、ランナベーンの角度が最大角度になった場合におけるランナを示す正面図である。
【図１２】図１２は、図５Ａ〜図６Ｂに示す比較例として示すランナベーンとディスチャージリングとの間の隙間に形成される漏れ流れを示す平面断面図である。
【図１３】図１３は、図１１に示すランナベーンとディスチャージリングとの間の隙間に形成される漏れ流れを示す平面断面図である。
【図１４】図１４は、図１１に示すベーン溝の変形例を示す拡大正面図である。
【図１５】図１５は、図１１に示すベーン溝の他の変形例を示す拡大正面図である。
【図１６】図１６は、第５の実施の形態におけるカプラン水車において、ランナベーンの角度が最大角度になった場合におけるランナを示す正面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示すランナベーンとディスチャージリングとの間の隙間に形成される漏れ流れを示す平面断面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示すランナの変形例を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における可動羽根水車のランナ、可動羽根水車のディスチャージリングおよび可動羽根水車について説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
まず、図１〜図８を用いて、第１の実施の形態における可動羽根水車のランナ、可動羽根水車のディスチャージリングおよび可動羽根水車について説明する。ここでは、まず、図１を用いて可動羽根水車の一例であるカプラン水車について説明する。
【００１７】
図１に示すように、カプラン水車１は、図示しない上池から水が流入するケーシング２と、ケーシング２に対して回転可能に設けられた、ケーシング２からステーベーン３およびガイドベーン４を通って流入する水により回転駆動されるランナ５と、ランナ５の外周側に設けられたディスチャージリング６０と、を備えている。
【００１８】
ステーベーン３は、ケーシング２からランナ５への流路を形成するためのものであり、ケーシング２より内周側に配置されている。ガイドベーン４は、ランナ５に流入される水の流量を調整するためのものであり、ステーベーン３より内周側に配置されている。ガイドベーン４の開度を変えることにより、ケーシング２からランナ５に流入する水量を調整し、発電量を変化させるように構成されている。
【００１９】
ランナ５は、ガイドベーン４より内周側に、かつ下流側に配置されている。ケーシング２から流入する水の主流方向は、ステーベーン３およびガイドベーン４においては略半径方向を向いているが、ランナ５においてはランナ回転軸線Ｘの方向（鉛直方向）を向くようになっている。
【００２０】
ランナ５には、回転主軸６を介して発電機７が連結されている。流入した水によりランナ５が回転駆動されると、発電機７において発電が行われる。
【００２１】
ランナ５の下流側には、吸出し管８が設けられている。この吸出し管８は、図示しない下池に連結されており、ランナ５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。
【００２２】
ランナベーン２０の外周側には、上述したディスチャージリング６０が設けられている。このディスチャージリング６０により、ランナ５を通過する水の流路が画定されている。
【００２３】
次に、本実施の形態によるランナ５についてより詳細に説明する。
【００２４】
図１に示すように、ランナ５は、ランナ回転軸線Ｘを中心に回転可能なランナボス１０と、ランナボス１０に回動可能に設けられた複数のランナベーン２０と、を有している。このうちランナベーン２０は、ベーン回動軸線Ｙを中心に回動可能になっている。また、ランナベーン２０は、周方向に所定の間隔で配置されており、各ランナベーン２０が回動することにより、必要とされる負荷（水の流量）や運転落差に応じてランナベーン２０の角度が調整され、広い運転範囲で高効率な運転が可能になっている。なお、ランナボス１０は、上述した回転主軸６に連結され、ランナボス１０の回転が、回転主軸６を介して発電機７に伝達されるようになっている。
【００２５】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ランナボス１０は、球面状に形成された中央外周面１１と、中央外周面１１よりも上流側に設けられた上流側外周面１２と、中央外周面１１よりも下流側に設けられた下流側外周面１３と、を有している。上流側外周面１２および下流側外周面１３は、中央外周面１１の延長面１１ａよりも外周側に配置されるように、非球面状（例えば、円錐状または円筒状）に形成されている。
【００２６】
ランナベーン２０は、ランナボス１０の中央外周面１１に対向する、球面状に形成された中央内周端面２１と、上流側ベーン延長部２２および下流側ベーン延長部２３と、を有している。このうちランナベーン２０の中央内周端面２１と、ランナボス１０の中央外周面１１との間には、隙間が形成されており、ランナベーン２０がランナボス１０に対してスムースに回動可能になっている。
【００２７】
上流側ベーン延長部２２は、中央内周端面２１よりも上流側に形成されており、下流側ベーン延長部２３は、中央内周端面２１よりも下流側に形成されている。各々のベーン延長部２２、２３は、中央内周端面２１の延長面上で球面状に形成された内周端面２２ａ、２３ａを含んでいる。すなわち、上流側ベーン延長部２２は、中央内周端面２１の延長面上で球面状に形成された上流側内周端面２２ａを含んでおり、下流側ベーン延長部２３は、中央内周端面２１の延長面上で球面状に形成された下流側内周端面２３ａを含んでいる。上流側内周端面２２ａおよび下流側内周端面２３ａは、中央内周端面２１と同一球面をなしており、上流側内周端面２２ａ、中央内周端面２１および下流側内周端面２３ａは、連続した球面状に形成されている。
【００２８】
図２Ａ〜図２Ｃ及び図３（ａ）に示すように、ランナボス１０の上流側外周面１２に、ランナベーン９と同数の上流側凹部１４が設けられている。各々の上流側凹部１４には、対応するランナベーン２０の角度が最大角度になった場合に、当該ランナベーン２０の上流側ベーン延長部２２が入り込むようになっている。上流側凹部１４は、ランナボス１０の中央外周面１１の延長面１１ａ上で球面状に形成された上流側底面１４ａを含んでいる。上流側底面１４ａは、中央外周面１１と同一球面をなしており、上流側底面１４ａと中央外周面１１は、連続した球面状に形成されている。上流側凹部１４は、中央外周面１１まで延びている。
【００２９】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、本実施の形態では、上流側凹部１４は、ランナベーン２０の角度が最大角度から所定の角度まで、ランナベーン２０の上流側ベーン延長部２２が入り込むように形成されている。そして、上流側凹部１４は、ランナベーン２０の上流側ベーン延長部２２の回動軌跡に沿う方向において、ランナベーン２０の角度が小さくなるに従って浅くなるように形成されている。図４Ａ〜図４Ｃに示すように、本実施の形態では、上流側凹部１４は、ランナベーン２０の角度が最小角度になった場合においても、ランナベーン２０の上流側ベーン延長部２２が入り込むようになっている。すなわち、ランナベーン２０の全角度範囲で、上流側ベーン延長部２２が上流側凹部１４に入り込んでいる。
【００３０】
図２Ａ〜図２Ｃおよび図３（ｂ）に示すように、ランナボス１０の下流側外周面１３に、ランナベーン２０と同数の下流側凹部１５が設けられている。各々の下流側凹部１５には、対応するランナベーン２０の角度が最大角度になった場合に、当該ランナベーン２０の下流側ベーン延長部２３が入り込むようになっている。下流側凹部１５は、ランナボス１０の中央外周面１１の延長面１１ａ上で球面状に形成された下流側底面１５ａを含んでいる。下流側底面１５ａは、中央外周面１１と同一球面をなしており、下流側底面１５ａと中央外周面１１とは、連続した球面状に形成されている。下流側凹部１５は、中央外周面１１まで延びている。
【００３１】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、本実施の形態では、下流側凹部１５は、ランナベーン２０の角度が最大角度から所定の角度まで、ランナベーン２０の下流側ベーン延長部２３が入り込むように形成されている。そして、下流側凹部１５は、ランナベーン２０の下流側ベーン延長部２３の回動軌跡に沿う方向において、ランナベーン２０の角度が小さくなるに従って浅くなるように形成されている。図４Ａ〜図４Ｃに示すように、本実施の形態では、下流側凹部１５は、ランナベーン２０の角度が最小角度になった場合においても、ランナベーン２０の下流側ベーン延長部２３が入り込むようになっている。すなわち、ランナベーン２０の全角度範囲で、下流側ベーン延長部２３が下流側凹部１５に入り込んでいる。
【００３２】
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。
【００３３】
まず、図５Ａ〜図６Ｂを用いて、比較例としての一般的なカプラン水車のランナについて説明する。
【００３４】
一般的に、ランナベーン２０を運転状態に応じて回動するために、ランナベーン２０とランナボス１０との間には、隙間が設けられている。この隙間は、損失となる漏れ流れが形成されるため、隙間は小さい方が好ましい。
【００３５】
このような隙間を小さくするためには、ランナベーン２０の内周端面とランナボス１０の外周面をともに球面形状に形成することが好適である。しかしながら、ランナボス１０の内部には、ランナベーン２０を回動させるためのリンク機構（図示せず）等が設けられているために、ランナボス１０の外周面のうち、最大角度になったランナベーン２０の内周端面に対向する部分を、球面状に形成することは困難になっている。このことにより、ランナボス１０の上流側外周面１２および下流側外周面１３は、中央外周面１１の延長面１１ａよりも外周側に配置されて、円錐状または円筒状に形成されている。このため、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ランナベーン２０の角度が最大角度になった場合においてもランナボス１０に干渉しないように、ランナベーン２０の上流側内周端部および下流側内周端部が、削がれており、切欠部ＣＵが形成されている。しかしながら、このような切欠部ＣＵが形成されていることにより、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ランナベーン２０の角度が小さい場合には、これらの切欠部ＣＵとランナボス１０との間に形成される隙間が大きくなる。
【００３６】
図７に示すように、ランナベーン２０に形成された上流側の切欠部ＣＵとランナボス１０との間に形成される隙間には、破線で示したような漏れ流れが形成される。この漏れ流れは、ランナベーン２０の圧力面を通らないため、ランナ５のトルクの低下をもたらす。また、この漏れ流れは、隙間を通過すると、隣り合うランナベーン２０の間を流れる主流を乱し、損失の増大をもたらし得る。場合によっては、キャビテーションが発生することも考えられる。
【００３７】
ランナベーン２０の下流側の切欠部ＣＵとランナボス１０との間に形成される隙間には、ランナベーン２０の圧力面上においてランナボス１０の中央外周面１１に沿って流れていた水の流れが流入しやすくなる。このことにより、圧力面において偏った流れが発生し、損失の増大を招く。
【００３８】
これに対して本実施の形態では、図５Ａ〜図６Ｂに示す切欠部ＣＵの箇所に、図２Ａ〜図２Ｃおよび図４Ａ〜図４Ｃに示す上流側ベーン延長部２２および下流側ベーン延長部２３がそれぞれ設けられている。そして、上流側ベーン延長部２２の上流側内周端面２２ａが、中央内周端面２１の延長面上で球面状に形成されており、下流側ベーン延長部２３の下流側内周端面２３ａが、中央内周端面２１の延長面上で球面状に形成されている。このようにして、ランナベーン２０の角度が最小角度になった場合においても、ランナベーン２０の上流側内周端面２２ａとランナボス１０の上流側外周面１２との間の隙間が小さくなっている。同様に、ランナベーン２０の下流側内周端面２３ａとランナボス１０の下流側外周面１３との間の隙間が小さくなっている。このため、図８に示すように、圧力面を通らない漏れ流れが形成されることが抑制され、ランナ５のトルクを増大させることができる。また、この場合、隙間を通過する漏れ流れが形成されることが抑制されるため、隣り合うランナベーン２０の間を流れる主流が乱れることが抑制される。
【００３９】
このように本実施の形態によれば、ランナベーン２０の角度が最小角度になった場合においても、ランナベーン２０とランナボス１０との間の隙間に形成される漏れ流れを抑制することができる。このため、損失の発生を抑制するとともに、キャビテーションの発生を抑制することができ、その結果、性能を向上させることができる。一方、ランナベーン２０の角度が最大角度になった場合には、ランナベーン２０の上流側ベーン延長部２２は、ランナボス１０の対応する上流側凹部１４に入り込み、ランナベーン２０の下流側ベーン延長部２３は、ランナボス１０の対応する下流側凹部１５に入り込んでいる。このことにより、ランナベーン２０がランナボス１０に干渉することを回避でき、ランナベーン２０をスムースに回動することができる。
【００４０】
また、本実施の形態によれば、上流側凹部１４は、中央外周面１１の延長面１１ａ上で球面状に形成された上流側底面１４ａを含んでいる。このことにより、上流側ベーン延長部２２の上流側内周端面２２ａと、上流側底面１４ａとの間の隙間を小さくするこができる。このため、この隙間に漏れ流れが形成されることを抑制でき、損失の発生を抑制できる。同様に、下流側凹部１５は、中央外周面１１の延長面１１ａ上で球面状に形成された下流側底面１５ａを含んでいる。このことにより、下流側ベーン延長部２３の下流側内周端面２３ａと、下流側外周面１３との間の隙間を小さくすることができる。このため、この隙間に漏れ流れが形成されることを抑制でき、損失の発生を抑制できる。
【００４１】
なお、上述した本実施の形態においては、ランナボス１０の上流側外周面１２に上流側凹部１４が設けられているとともに、下流側外周面１３に下流側凹部１５が設けられており、ランナベーン２０が上流側ベーン延長部２２および下流側ベーン延長部２３を有し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、ランナベーン２０は、上流側ベーン延長部２２および下流側ベーン延長部２３のうちの一方を有していなくてもよい。例えば、ランナベーン２０が上流側ベーン延長部２２を有しておらず、上流側外周面１２に上流側凹部１４が設けられていなくてもよい。あるいは、ランナベーン２０が下流側ベーン延長部２３を有しておらず、下流側外周面１３に下流側凹部１５が設けられていなくてもよい。この場合であっても、ランナベーン２０とランナボス１０との間の隙間に形成される漏れ流れを抑制することができる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
次に、図９を用いて、本発明の第２の実施の形態における可動羽根水車のランナ、可動羽根水車のディスチャージリングおよび可動羽根水車について説明する。
【００４３】
図９に示す第２の実施の形態においては、上流側凹部内および可動側凹部内に、可動壁が進退可能に設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図９において、図１〜図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施の形態においては、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、各々の上流側凹部１４内に上流側可動壁３０が進退可能に設けられている。上流側可動壁３０は、ランナ回転軸線Ｘを中心にした円周方向に（図９（ａ）において左右方向に）移動可能に設けられている。上流側可動壁３０は、概略的には、上流側凹部１４内において、ランナベーン２０の角度が小さくなる方向に進出可能になっている。上流側可動壁３０は、後退時には、ランナボス１０の内部に位置付けられる。上流側凹部１４の壁面には、上流側可動壁３０が通過する開口部（図示せず）が設けられている。この開口部において、上流側可動壁３０の周囲にはシール部材（図示せず）が設けられており、ランナボス１０の内部に水が進入することを防止している。
【００４５】
ランナボス１０の内部には、上流側可動壁３０を上流側凹部１４内に進出および後退させる上流側可動壁駆動部３２が設けられている。一の上流側可動壁駆動部３２により、複数の上流側可動壁３０を進退させるようにしてもよい。また、上流側可動壁駆動部３２は、図示しない制御装置によって、ランナベーン２０を回動させるベーン駆動部（図示せず）と連動することが好適である。このようにして連動させることにより、ランナベーン２０の回動に伴って、上流側可動壁３０を自動的に進退させることができる。上流側可動壁駆動部３２は、例えば、モータによって構成することができる。
【００４６】
同様にして、図９（ａ）および図９（ｃ）に示すように、各々の下流側凹部１５内に下流側可動壁３１が進退可能に設けられている。下流側可動壁３１は、ランナ回転軸線Ｘを中心にした円周方向に移動可能に設けられている。下流側可動壁３１は、概略的には、下流側凹部１５内において、ランナベーン２０の角度が小さくなる方向に進出可能になっている。下流側可動壁３１は、後退時には、ランナボス１０の内部に位置付けられる。下流側凹部１５の壁面には、下流側可動壁３１が通過する開口部（図示せず）が設けられている。この開口部において、下流側可動壁３１の周囲にはシール部材（図示せず）が設けられており、ランナボス１０の内部に水が進入することを防止している。
【００４７】
ランナボス１０の内部には、下流側可動壁３１を下流側凹部１５内に進出および後退させる下流側可動壁駆動部３３が設けられている。一の下流側可動壁駆動部３３により、複数の下流側可動壁３１を進退させるようにしてもよい。また、下流側可動壁駆動部３３は、図示しない制御装置によって、ランナベーン２０を回動させるベーン駆動部（図示せず）と連動することが好適である。このようにして連動させることにより、ランナベーン２０の回動に伴って、下流側可動壁３１を自動的に進退させることができる。下流側可動壁駆動部３３は、例えば、モータによって構成することができる。
【００４８】
ランナベーン２０の角度が最大角度になった場合には、上流側可動壁３０は、上流側凹部１４から後退し、上流側凹部１４は全体的に開放される。同様に、下流側可動壁３１は、下流側凹部１５から後退し、下流側凹部１５は全体的に開放される。
【００４９】
一方、ランナベーン２０の角度が最小角度になった場合には、図９（ａ）に示すように、上流側可動壁３０は、上流側凹部１４内に進出し、ランナベーン２０の上流側ベーン延長部２２と干渉しない程度に、上流側凹部１４を閉塞する。下流側可動壁３１は、下流側凹部１５内に進出し、ランナベーン２０の下流側ベーン延長部２３と干渉しない程度に、下流側凹部１５を閉塞する。
【００５０】
このように本実施の形態によれば、上流側可動壁３０が上流側凹部１４を部分的に閉塞することができる。このことにより、上流側凹部１４によって主流が乱れることを抑制することができる。同様に、下流側可動壁３１が下流側凹部１５を部分的に閉塞することができ、下流側凹部１５によって主流が乱れることを抑制することができる。このため、損失をより一層低減することができ、性能をより一層向上させることができる。
【００５１】
（第３の実施の形態）
次に、図１０を用いて、本発明の第３の実施の形態における可動羽根水車のランナ、可動羽根水車のディスチャージリングおよび可動羽根水車について説明する。
【００５２】
図１０に示す第３の実施の形態においては、上流側凹部内および下流側凹部内に、弾性体が充填されている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０において、図１〜図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
本実施の形態においては、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、上流側凹部１４内および下流側凹部１５内に、例えばゴム等によって形成された弾性体４０がそれぞれ充填されている。上流側凹部１４内に充填された弾性体４０は、上流側ベーン延長部２２が上流側凹部１４内に入り込む場合には凹状に弾性変形して上流側ベーン延長部２２を受け入れ、上流側ベーン延長部２２が上流側凹部１４内に入り込まない場合には、後述する低摩擦部材４１が上流側外周面１２の延長面を形成する状態に復元可能な程度の弾力性を有していることが好適である。同様に、下流側凹部１５内に充填された弾性体４０は、下流側ベーン延長部２３が下流側凹部１５内に入り込む場合には凹状に弾性変形して下流側ベーン延長部２３を受け入れ、下流側ベーン延長部２３が下流側凹部１５内に入り込まない場合には、後述する低摩擦部材４１が下流側外周面１３の延長面を形成する状態に復元可能な程度の弾力性を有していることが好適である。
【００５４】
図１０（ｂ）に示すように、弾性体４０の表面（外周側面）には、低摩擦部材４１が設けられている。この低摩擦部材４１は、比較的小さな摩擦係数を有している。すなわち、ランナベーン２０と弾性体４０との摩擦係数よりも、ランナベーン２０と低摩擦部材４１との摩擦係数が小さくなっている。低摩擦部材４１は、弾性体４０の表面全体にわたって形成されていることが好適である。
【００５５】
このように本実施の形態によれば、上流側凹部１４および下流側凹部１５が弾性体４０によってそれぞれ充填されているため、上流側凹部１４および下流側凹部１５によって主流が乱れることを抑制することができる。一方、上流側ベーン延長部２２および下流側ベーン延長部２３は、弾性体４０を弾性変形させて対応する凹部１４、１５に入り込むことができる。そして、弾性体４０の表面に低摩擦部材４１が設けられていることにより、ランナベーン２０をスムースに回動させることができる。
【００５６】
（第４の実施の形態）
次に、図１１〜図１５を用いて、本発明の第４の実施の形態における可動羽根水車のランナ、可動羽根水車のディスチャージリングおよび可動羽根水車について説明する。
【００５７】
図１１〜図１５に示す第４の実施の形態においては、ディスチャージリングの球状内周面に対向する球面状に形成されたランナベーンの外周端面にベーン溝が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１１〜図１５において、図１〜図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５８】
本実施の形態においては、図１１に示すように、ディスチャージリング６０は、球面状に形成された球状内周面６１を有している。ランナ５は、ディスチャージリング６０の内周側に配置されている。ランナベーン２０は、ディスチャージリング６０の球状内周面６１に対向する球面状に形成された外周端面５０と、外周端面５０に設けられたベーン溝５１と、を有している。なお、図１１に示す形態においては、ランナベーン２０に上流側ベーン延長部２２も下流側ベーン延長部２３も設けられておらず、ランナボス１０に上流側凹部１４も下流側凹部１５も設けられていない。
【００５９】
ベーン溝５１は、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている。ここで、ランナベーン２０の外周端面５０における漏れ流れの流れ方向は、ランナベーン２０の角度に応じて変化する。このため、ランナベーン２０が所望の角度（ランナベーン２０が最も損失を低減すべき角度）に位置付けられた場合に、ベーン溝５１を、漏れ流れの流れ方向に対して最も大きな交差角度で交差させることが好適である。
【００６０】
本実施の形態では、ベーン溝５１は、ランナベーン２０の外周端面５０におけるキャンバーラインＣに沿って延びるように形成されている。図１１に示す形態では、外周端面５０に１つのベーン溝５１が形成されており、このベーン溝５１は、全体的にキャンバーラインＣに沿って延びるように形成されている。
【００６１】
ベーン溝５１は、ランナ５のランナ回転軸線Ｘに沿う方向において、ディスチャージリング６０の球状内周面６１の上流端と、球状内周面６１の下流端との間の高さ位置に配置されている。より具体的には、図１１に示すように、
ＬＲ１＜ＬＤ１、ＬＲ２＜ＬＤ２
が満たされている。ここで、ＬＲ１は、ベーン回動軸線Ｙからベーン溝５１の上流端までの寸法であり、ＬＲ２は、ベーン回動軸線Ｙからベーン溝５１の下流端までの寸法である。ＬＤ１は、ベーン回動軸線Ｙからディスチャージリング６０の球状内周面６１の上流端までの寸法であり、ＬＤ２は、ベーン回動軸線Ｙからディスチャージリング６０の球状内周面６１の下流端までの寸法である。
【００６２】
このようなベーン溝５１の配置は、ランナベーン２０の全角度範囲のうちの少なくとも一部において満たされていることが好適である。より好適には、ランナベーン２０の角度が最大角度になった場合においても満たされていることが好適である。この場合には、ランナベーン２０の角度に関わることなく、ベーン溝５１を、全体的に、ディスチャージリング６０の球状内周面６１に対向させることができる。
【００６３】
ここで、一般的に、ランナベーン２０を運転状態に応じて回動するために、ランナベーン２０とディスチャージリング６０との間には、隙間が設けられている。この隙間は、損失となる漏れ流れが形成されるため、隙間は小さい方が好ましい。
【００６４】
このような隙間を小さくするためには、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の内周面をともに、球面形状に形成することが好適である。しかしながら、ランナの組立性や、上流側の流路と下流側の流路との接続のために、ディスチャージリング６０の内周面のうち最大角度になったランナベーン２０の外周端面５０に対向する部分を、球面状に形成することは困難になっている。このため、ランナベーン２０の角度が大きい場合に、上流側端部におけるランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の内周面との間に形成される隙間が大きくなる。また、下流側端部におけるランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の内周面との間に形成される隙間も大きくなる。
【００６５】
図１２に示すように、ランナベーン２０の上流側端部における外周端面５０とディスチャージリング６０の内周面との間に形成される隙間には、破線で示したような漏れ流れが形成される。この漏れ流れは、圧力面を通らないため、ランナ５のトルクの低下をもたらす。また、この漏れ流れは、隙間を通過すると、隣り合うランナベーン２０の間を流れる主流を乱し、損失の増大をもたらし得る。場合によっては、キャビテーションが発生することも考えられる。
【００６６】
ランナベーン２０の下流側端部における外周端面５０とディスチャージリング６０の内周面との間に形成される隙間には、ランナベーン２０の圧力面上においてディスチャージリング６０の内周面に沿って流れていた水の流れが流入しやすくなる。このことにより、圧力面において偏った流れが発生し、損失の増大を招く。
【００６７】
これに対して本実施の形態では、図１１に示すように、ランナベーン２０の外周端面５０に、ベーン溝５１が設けられている。そして、このベーン溝５１の延びる方向が、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間に形成される漏れ流れの方向に対して交差している。すなわち、図１１に矢印で示すように、当該隙間において形成される漏れ流れは、ランナベーン２０の圧力面から負圧面に向かって流れるが、キャンバーラインＣに直交する方向よりも下流側に向かうようになる。このことにより、漏れ流れは、ベーン溝５１を交差して流れる。このため、図１３に示すように、漏れ流れの一部がベーン溝５１に入り込み、ベーン溝５１内に渦が形成される。この渦は、この隙間を流れる漏れ流れに対する損失として作用し、隙間を通過する漏れ流れが抑制される。
【００６８】
このように本実施の形態によれば、ランナベーン２０の外周端面５０にベーン溝５１が設けられていることにより、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間において漏れ流れが形成されることを抑制できる。このことにより、主流に対する損失の発生を抑制することができる。また、ランナベーン２０の圧力面から隙間に向かう偏った流れ（２次流れ）が発生することを抑制でき、２次流れ損失の低減を図ることもできる。このため、損失の発生を抑制するとともに、キャビテーションの発生を抑制することができ、その結果、性能を向上させることができる。
【００６９】
また、本実施の形態によれば、ベーン溝５１は、ランナ５のランナ回転軸線Ｘに沿う方向において、ディスチャージリング６０の球状内周面６１の上流端と、球状内周面６１の下流端との間の高さ位置に配置されている。このことにより、ベーン溝５１を、ディスチャージリング６０の球状内周面６１に対向させることができる。すなわち、ベーン溝５１は、ディスチャージリング６０の球状内周面６１よりも上流側の面または下流側の面に対向する場合には、ランナベーン２０とディスチャージリング６０との間の大きな隙間に対向してしまう。この場合、ベーン溝５１を通り抜ける流れが発生しやすくなり、漏れ損失が増大し得る。これに対して本実施の形態によれば、ベーン溝５１がディスチャージリング６０の球状内周面６１に対向しているため、対向する隙間が小さくなる。このため、通り抜け流れが発生することを抑制でき、漏れ損失を抑制することができる。
【００７０】
なお、上述した本実施の形態においては、ベーン溝５１が、ランナベーン２０の外周端面５０におけるキャンバーラインＣに沿って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、ベーン溝５１が、漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びていれば、任意である。
【００７１】
例えば、図１４に示すように、ベーン溝５１が、ランナベーン２０が所望の角度に位置付けられた場合に、ランナ回転軸線Ｘに対して直交する方向（水平方向）に延びるように形成されていてもよい。図１４においては、ランナベーン２０の外周端面５０に、複数のベーン溝５１が設けられており、各ベーン溝５１が、ランナ回転軸線Ｘに対して直交する方向に延びている例が示されている。複数のベーン溝５１は、ランナ回転軸線Ｘに沿う方向において、互いに異なる位置に離間して配置されている。
【００７２】
また、例えば、ランナベーン２０の外周端面５０に、互いに異なる方向に延びる複数のベーン溝５１ａ、５１ｂ、５１ｃが設けられていてもよい。図１５に示す形態においては、ランナベーン２０の外周端面５０に第１のベーン溝５１ａと、複数の第２のベーン溝５１ｂと、複数の第３のベーン溝５１ｃとが設けられている。このうち第１のベーン溝５１ａが、図１１に示すベーン溝５１と同様に、キャンバーラインＣに沿って延びるように形成されている。第２のベーン溝５１ｂが、図１４に示すベーン溝５１と同様にランナ回転軸線Ｘに対して直交する方向に延びるように形成されている。そして、第３のベーン溝５１ｃが、ランナ回転軸線Ｘに沿う方向に延びるように形成されている。第１のベーン溝５１ａに、第２のベーン溝５１ｂおよび第３のベーン溝５１ｃが連通している。このように、互いに異なる方向に延びる複数のベーン溝５１ａ、５１ｂ、５１ｃを設けることにより、ランナベーン２０の角度に関わることなく、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間を通過する漏れ流れを、ベーン溝５１ａ、５１ｂ、５１ｃの少なくとも一部を交差させることができ、漏れ流れが形成されることを抑制できる。
【００７３】
（第５の実施の形態）
次に、図１６〜図１８を用いて、本発明の第５の実施の形態における可動羽根水車のランナ、可動羽根水車のディスチャージリングおよび可動羽根水車について説明する。
【００７４】
図１６〜図１８に示す第４の実施の形態においては、ランナベーンの外周端面に対向する球面状に形成されたディスチャージリングの球状内周面にベーン溝が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１１〜図１５に示す第４の実施の形態と略同一である。なお、図１６〜図１８において、図１１〜図１５に示す第４の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７５】
本実施の形態においては、図１６に示すように、ディスチャージリング６０の球状内周面６１に、リング溝６２が設けられている。なお、本実施の形態においては、ランナベーン２０にベーン溝５１は設けられていない。
【００７６】
リング溝６２は、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている。ここで、ランナベーン２０が最も損失を低減すべき角度に位置付けられた場合に、リング溝６２を、漏れ流れの流れ方向に対して最も大きな交差角度で交差させることが好適である。
【００７７】
本実施の形態では、球状内周面６１に、複数のリング溝６２が設けられており、各リング溝６２が、ランナ回転軸線Ｘに直交する方向（水平方向）延びている。そして、各リング溝６２は、環状に、すなわちランナ回転軸線Ｘを中心にして全周にわたって形成されている。複数のリング溝６２は、ランナ回転軸線Ｘに沿う方向において、互いに異なる位置に離間して配置されている。図１６においては、紙面手前側に形成されるリング溝６２を二点鎖線で示している。
【００７８】
このように本実施の形態によれば、ディスチャージリング６０の球状内周面６１にリング溝６２が設けられ、リング溝６２が、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間に形成される漏れ流れの流れ方向に交差する方向に延びている。この場合、図１７に示すように、漏れ流れの一部がリング溝６２に入り込み、リング溝６２内に渦が形成される。そして、この渦が損失として漏れ流れに作用して、漏れ流れを抑制することができる。このことにより、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間において漏れ流れが形成されることを抑制できる。このため、主流に対する損失の発生を抑制することができる。また、ランナベーン２０の圧力面から隙間に向かう偏った流れ（２次流れ）が発生することを抑制でき、２次流れ損失の低減を図ることもできる。従って、損失の発生を抑制するとともに、キャビテーションの発生を抑制することができ、その結果、性能を向上させることができる。
【００７９】
また、本実施の形態によれば、リング溝６２が、ランナ回転軸線Ｘに直交する方向に延びている。このことにより、ランナ５が回転している間、ランナベーン２０の位置に関わることなく、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間に漏れ流れが形成されることを抑制することができる。
【００８０】
なお、上述した本実施の形態においては、リング溝６２が、ランナ回転軸線Ｘに直交する方向に延び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、リング溝６２は、図１８に示すように、ランナベーン２０の外周端面５０におけるキャンバーラインＣに直交する方向に延びていてもよい。この場合においても、ランナベーン２０の外周端面５０とディスチャージリング６０の球状内周面６１との間の隙間を通過する漏れ流れを、リング溝６２を交差させることができ、漏れ流れが形成されることを抑制できる。図１８においては、紙面手前側に形成されるリング溝６２を二点鎖線で示している。
【００８１】
以上述べた実施の形態によれば、ランナベーンの周囲に形成される漏れ流れを抑制し、性能を向上させることができる。
【００８２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【００８３】
例えば、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせてもよく、あるいは、第１の実施の形態と第３の実施の形態とを組み合わせてもよい。この場合には、ランナベーン２０とランナボス１０との間の隙間に漏れ流れが形成されることを抑制することができるとともに、ランナベーン２０とディスチャージリング６０との間の隙間に漏れ流れが形成されることを抑制することができ、性能をより一層向上させることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１：カプラン水車、５：ランナ、１０：ランナボス、１１：中央外周面、１１ａ：延長面、１２：上流側外周面、１３：下流側外周面、１４：上流側凹部、１４ａ：上流側底面、１５：下流側凹部、１５ａ：下流側底面、２０：ランナベーン、２１：中央内周端面、２２：上流側ベーン延長部、２２ａ：上流側内周端面、２３：下流側ベーン延長部、２３ａ：下流側内周端面、３０：上流側可動壁、３１：下流側可動壁、３２：上流側可動壁駆動部、３３：下流側可動壁駆動部、４０：弾性体、５０：外周端面、５１：ベーン溝、６０：ディスチャージリング、６１：球状内周面、６２：リング溝、Ｃ：キャンバーライン、Ｘ：ランナ回転軸線
【図１】
2019007374.tif 000003
【図２Ａ】
2019007374.tif 000004
【図２Ｂ】
2019007374.tif 000005
【図２Ｃ】
2019007374.tif 000006
【図３】
2019007374.tif 000007
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2019007374.tif 000009
【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
2019007374.tif 000011
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
2019007374.tif 000015
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2019007374.tif 000023
【図１６】
2019007374.tif 000024
【図１７】
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【図１８】
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