(57)【要約】  【課題】吸出し管内に供給される空気を外部から吸い込む吸込み口からの水の排出量を低減することができる水力機械の給気装置を提供する。  【解決手段】実施の形態による水力機械の給気装置２０は、ランナ６の下流側に設けられた吸出し管１１に供給する空気を外部から吸い込む吸込み管２１を有する水力機械の給気装置である。この給気装置２０は、吸込み管２１に吸い込まれた空気を吸出し管１１の内部に送り込む給気口２５を有する給気管２２を備えている。給気管２２は、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している。【選択図】図１
2019143593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置であって、
前記吸込み管に吸い込まれた前記空気を前記吸出し管の内部に送り込む給気口を有する給気管を備え、
前記給気管は、前記吸出し管への前記空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している、水力機械の給気装置。
【請求項２】
前記吸込み管に吸い込まれた前記空気は、各々が前記給気口を有する複数の前記給気管によって前記吸出し管の内部に送り込まれるようになっており、
前記吸込み管に吸い込まれた前記空気は、分配管を介して前記給気管に分配される、請求項１に記載の水力機械の給気装置。
【請求項３】
ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置であって、
前記吸込み管に吸い込まれた前記空気を前記吸出し管の内部に送り込む給気口を有する複数の給気管と、
前記吸込み管に吸い込まれた前記空気を前記給気管に分配する分配管と、を備え、
前記分配管は、前記吸出し管への前記空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している、水力機械の給気装置。
【請求項４】
ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置であって、
前記吸込み管に吸い込まれた前記空気を前記吸出し管の内部に送り込む給気口を有する複数の給気管と、
前記吸込み管に吸い込まれた前記空気を前記給気管に分配する分配管と、を備え、
前記分配管は、前記吸出し管へ流れる前記空気が前記分配管から排出される排出口を有し、
前記給気管の延びる方向での任意の位置における前記給気管の内面の下端の高さは、前記排出口における前記分配管の内面の下端の高さと同じまたはそれよりも低い、水力機械の給気装置。
【請求項５】
ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸込み口を介して吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置であって、
前記吸込み管に設けられた、逆流する前記空気に同伴する水が前記吸込み口に向かって流れることを防止する水逆流防止部を備えた、水力機械の給気装置。
【請求項６】
前記水逆流防止部は、前記空気の流れを許容する貫通孔を含む多孔板を有している、請求項５に記載の水力機械の給気装置。
【請求項７】
前記水逆流防止部は、前記空気の逆流を防止する逆流防止弁を有している、請求項５に記載の水力機械の給気装置。
【請求項８】
前記水逆流防止部は、逆流する前記空気から同伴している前記水を分離するセパレータを有している、請求項５に記載の水力機械の給気装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の前記水力機械の給気装置と、
前記吸出し管と、を備えた、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、水力機械の給気装置および水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、フランシス水車や固定羽根プロペラ水車等の水力機械においては、定格運転点から離れた流量で運転する場合、ランナの出口で旋回流が発生し、吸出し管内に渦が形成される。例えば、定格運転点よりも出力が低い部分負荷の運転点では、ランナの回転方向と同じ方向に旋回する渦が形成される。この渦の中心付近の圧力は低下し、渦が吸出し管内を振れ回る現象が発生する。この現象はホワールと呼ばれている。ホワールが発生すると、振動や騒音が発生し、水力機械の運転に支障をきたす場合がある。
【０００３】
渦を軽減するために種々の対策が検討されている。そのうちの一つとして、水力機械の外部の空気を吸込み口を介して吸い込んで吸出し管内に供給する給気装置がある。この場合、吸込み口で吸い込まれた空気は、配管を通って給気口に供給され、給気口から吸出し管内に送り込まれる。このことにより、吸出し管内の圧力を高めて渦を軽減することができる。
【０００４】
しかしながら、発電所の下池の水位が低い場合には、吸込み口から水が噴き出す可能性がある。すなわち、水力機械の運転停止時の吸出し管内の水位は、下池の水位まで下がるが、下池の水位が給気口よりも低い場合、給気装置の配管内に水が残留し得る。水力機械の始動時には、水車入口弁を閉じてバイパス弁を開いて、水位の下がった水力機械の内部に水を充填していく。このため、水力機械内では、残存する空気が圧縮される。圧縮された空気の一部は、主軸と上カバーとの隙間から外部に排出されるが、給気装置の配管を逆流して外部に排出される。空気は圧縮されているために配管内を高速で流れて吸込み口から外部に排出される。この際、配管内に残留している水は、逆流する高速の空気の流れに同伴する。このため、多くの水が逆流する空気に同伴し、吸込み口から排出されるという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−８２２７６号公報
【特許文献２】特開２００４−６０５８８号公報
【特許文献３】特開昭５８−１３１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、吸出し管内に供給される空気を外部から吸い込む吸込み口からの水の排出量を低減することができる水力機械の給気装置および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】
【０００７】
実施の形態による水力機械の給気装置は、ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置である。この給気装置は、吸込み管に吸い込まれた空気を吸出し管の内部に送り込む給気口を有する給気管を備えている。給気管は、吸出し管への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している。
【０００８】
また、実施の形態による水力機械の給気装置は、ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置である。この給気装置は、各々が、吸込み管に吸い込まれた空気を吸出し管の内部に送り込む給気口を有する複数の給気管と、吸込み管に吸い込まれた空気を給気管に分配する分配管と、を備えている。分配管は、吸出し管への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している。
【０００９】
また、実施の形態による水力機械の給気装置は、ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置である。この給気装置は、各々が、吸込み管に吸い込まれた空気を吸出し管の内部に送り込む給気口を有する複数の給気管と、吸込み管に吸い込まれた空気を給気管に分配する分配管と、を備えている。分配管は、吸出し管へ流れる空気が分配管から排出される排出口を有している。給気管の延びる方向での任意の位置における給気管の内面の下端の高さは、排出口における分配管の内面の下端の高さと同じまたはそれよりも低い。
【００１０】
また、実施の形態による水力機械の給気装置は、ランナの下流側に設けられた吸出し管に供給する空気を外部から吸込み口を介して吸い込む吸込み管を有する水力機械の給気装置である。この給気装置は、吸込み管に設けられた、逆流する空気に同伴する水が吸込み口に向かって流れることを防止する水逆流防止部を備えている。
【００１１】
実施の形態による水力機械は、上述した水力機械の給気装置と、吸出し管と、を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、吸出し管内に供給される空気を外部から吸い込む吸込み口からの水の排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、第１の実施の形態における給気装置を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の給気装置を示す平面図である。
【図３】図３は、図２の給気装置を示す斜視図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態における給気装置を示す断面図である。
【図５】図５は、第３の実施の形態における給気装置を示す断面図である。
【図６】図６は、図５に示す給気装置の分配管および給気管を示す部分拡大断面図である。
【図７】図７は、比較例としての分配管および給気管を示す部分拡大断面図である。
【図８】図８は、図５に示す給気装置の変形例を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）は、図８に示す給気装置を示す斜視図であり、図９（ｂ）は、分配管および給気管を示す部分拡大断面図である。
【図１０】図１０は、第４の実施の形態における給気装置を示す断面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す水逆流防止部の構成を示す模式断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第５の実施の形態における給気装置の逆流防止弁の開状態を示し、図１２（ｂ）は、逆流防止弁の閉状態を示す。
【図１３】図１３（ａ）は、図１２に示す弁体および第１弁座の一例を示す平面図であり、図１３（ｂ）は、他の一例を示す平面図である。
【図１４】図１４は、第６の実施の形態における給気装置を示す断面図である。
【図１５】図１５は、図１４に示すセパレータを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械の給気装置および水力機械について説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１〜図３を用いて、第１の実施の形態における水力機械の給気装置および給気装置について説明する。ここでは、まず、図１を用いて、水力機械の一例としてのフランシス水車について説明する。
【００１６】
図１に示すように、フランシス水車１は、水車運転時に上池（図示せず）から鉄管２を通って水が流入する渦巻き状のケーシング３と、ケーシング３の内周側に設けられた複数のステーベーン４と、ステーベーン４の内周側に設けられた複数のガイドベーン５と、ガイドベーン５の内周側に設けられたランナ６と、を備えている。
【００１７】
ステーベーン４は、周方向に離間して設けられている。ステーベーン４は、ステーリング７により上下から挟み込まれており、互いに隣り合う一対のステーベーン４とステーリング７とによって、流路が画定されている。各流路をケーシング３から流出した水が流れ、流水はステーベーン４によって整流されてガイドベーン５に導かれる。
【００１８】
ガイドベーン５は、周方向に離間して設けられている。ガイドベーン５は、上カバー８と下カバー９との間に設けられており、互いに隣り合う一対のガイドベーン５と上カバー８と下カバー９とによって、流路が画定されている。各流路をステーベーン４から流出した水が流れ、流水はガイドベーン５によってランナ６に導かれる。
【００１９】
また、各ガイドベーン５は、ランナ６の外周側に設けられており、ランナ６への水の流量を調整可能になっている。各ガイドベーン５は、図示しない駆動装置によって連動して回動し、ガイドベーン５の流路面積（ガイドベーン開度）が調整可能になっている。従って、下流側に配置されたランナ６への水の流量を調整して、後述する発電機の発電出力が調整可能になっている。
【００２０】
図１に示すように、ランナ６は、ガイドベーン５からの流水によって、ランナ回転軸線Ｚを中心に回転駆動するように構成されている。すなわち、ランナ６は、後述する主軸１０に連結されたクラウン６ａと、クラウン６ａの外周側に設けられたバンド６ｂと、クラウン６ａとバンド６ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根６ｃと、を有している。このうちランナ羽根６ｃは、周方向に離間して設けられており、互いに隣り合う一対のランナ羽根６ｃとクラウン６ａとバンド６ｂとによって、流路が画定され、各流路をガイドベーン５から流出した水が流れる。このようにして、ランナ羽根６ｃが、流水から圧力を受けてランナ６が回転駆動され、流水の圧力エネルギが回転エネルギへと変換される。ランナ６は、上述した上カバー８と下カバー９との間に収容されている。
【００２１】
ランナ６には、主軸１０を介して発電機のロータが連結されている。この発電機は、水車運転時には発電を行うように構成されており、ランナ６の回転によって、電気出力が発生するようになっている。
【００２２】
ランナ６の下流側には、ランナ６内の水を吸い出す吸出し管１１が設けられている。この吸出し管１１は、下池１２（または放水路）に連結されており、ランナ６を回転駆動した水が下池１２に放出されるようになっている。
【００２３】
フランシス水車１がポンプ水車として構成されている場合、ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電機が電動機としてランナ６を回転駆動する。このことにより、吸出し管１１内の水が吸い上げられる。ランナ６に吸い上げられた水は、ガイドベーン５およびステーベーン４を通って、ケーシング３に流入し、ケーシング３から鉄管２を通って上池に放出される。
【００２４】
本実施の形態によるフランシス水車１は、上述した吸出し管１１に空気を供給する水力機械の給気装置２０を更に備えている。次に、本実施の形態による水力機械の給気装置２０（以下単に給気装置２０と記す）について、図１〜図３を用いて説明する。
【００２５】
図１に示すように、給気装置２０は、フランシス水車１の外部から空気を吸い込む吸込み管２１と、吸込み管２１に吸い込まれた空気を吸出し管の内部に送り込む複数の給気管２２と、を備えている。このうち吸込み管２１は、空気を吸い込む吸込み口２３を有している。また、吸込み管２１は、垂直方向に延びる垂直管部分２１ａと、吸出し管１１の側に設けられた水平方向に延びる水平管部分２１ｂと、を含んでおり、吸込み口２３は、吸込み管２１の垂直管部分２１ａの上端部に設けられている。吸込み口２３は、例えば、フランシス水車１が設置されている発電所の建屋内に配置させるようにしてもよい。
【００２６】
吸込み管２１と給気管２２とは、分配管２４を介して連結されている。すなわち、吸込み管２１に吸い込まれた空気は、分配管２４を介して、複数の給気管２２に分配されるようになっている。分配管２４は、吸出し管１１の外側に設けられており、高さ方向では、吸出し管１１の上部に配置されている。図２および図３に示すように、分配管２４は、吸出し管１１の周方向に、吸出し管１１と同心状（ランナ回転軸線Ｚを中心とするように）に延びている。図２に示すように平面視で見たときに、分配管２４は、後述する４つの給気管２２のうち周方向に中央の２つの給気管２２の間の位置で、吸込み管２１に連結されている。図１〜図３においては、分配管２４が水平に延びている例が示されている。
【００２７】
各給気管２２は、図２に示すように平面視で見たときに、吸出し管１１の半径方向に延びている。給気管２２は、吸出し管１１を貫通し、その内端が、吸出し管１１の内部に配置されている。図２に示す例では、４つの給気管２２が設けられており、吸出し管１１の周方向に均等に（９０°間隔で）配置されている。
【００２８】
各給気管２２は、吸込み管２１に吸い込まれた空気を吸出し管１１の内部に送り込む給気口２５を有している。給気口２５は、給気管２２の内端に形成されている。上述したように、給気管２２が吸出し管１１の周方向に均等に配置されているため、給気口２５も吸出し管１１の周方向に均等に配置されている。これにより、吸出し管１１の内部の圧力の均等化を図っている。給気口２５は、給気口２５が吸出し管１１内の水の流れにおける下流側に向くように、給気管２２の横断面に対して傾斜している。
【００２９】
給気管２２は、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側（給気口２５の側）に向かって下方に傾斜している。このことにより、給気管２２は、分配管２４の側の端部から給気口２５に向かって、徐々に下降するように形成されている。
【００３０】
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。
【００３１】
フランシス水車１の運転停止時には、フランシス水車１内の水位が、下池１２の水位まで下がる。下池１２の水位が、給気装置２０の給気口２５よりも低い場合には、フランシス水車１内（吸出し管１１内）の水位が、給気口２５よりも低下する。
【００３２】
しかしながら、給気装置２０の給気管２２が、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側（給気口２５の側）に向かって下方に傾斜している。このことにより、吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合には、給気管２２内に残留している水は吸出し管１１に排出される。このため、給気管２２内での水の残留量が低減される。
【００３３】
フランシス水車１の始動時には、鉄管２に設けられた水車入口弁Ｖ１（図１参照）を閉じて、水車入口弁Ｖ１をバイパスするバイパス管１３に設けられたバイパス弁Ｖ２を開き、フランシス水車１の内部に水を充填していく。フランシス水車１内では残存する空気が圧縮されて、その一部が、給気装置２０の給気管２２、分配管２４および吸込み管２１を高速で逆流し、吸込み口２３から外部に排出される。この際、上述したように、給気管２２内の水が排出されているため、逆流する高速の空気への水の同伴量が低減される。このため、吸込み口２３から外部に排出される水の排出量が低減される。
【００３４】
このように本実施の形態によれば、給気管２２が吸出し管１１への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している。このことにより、フランシス水車１の運転停止時に吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合であっても、給気装置２０の給気管２２内に残留していた水を排出することができる。このため、給気管２２内に水が残留することを防止できる。この結果、フランシス水車１の始動時に、給気装置２０の吸込み口２３からの水の排出量を低減することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
次に、図４を用いて、本発明の第２の実施の形態における水力機械の給気装置および水力機械について説明する。
【００３６】
図４に示す第２の実施の形態においては、分配管が下流側に向かって下方に傾斜している点が主に異なり、他の構成は、図１〜３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１〜図３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。
【００３７】
図４に示すように、本実施の形態においては、分配管２４が、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している。言い換えると、吸込み管２１から最も遠い給気管２２に向かって下方に傾斜している。このことにより、分配管２４は、吸込み口２３との連結位置から、吸込み管２１から最も遠い給気管２２の側の端部に向かって、徐々に下降するように形成されている。なお、各給気管２２の高さは、同一になるように、分配管２４に連結されている。
【００３８】
このように本実施の形態によれば、分配管２４が、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜している。このことにより、フランシス水車１の運転停止時に吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合であっても、給気装置２０の分配管２４内に残留している水を給気管２２を介して吸出し管１１に排出することができる。このため、分配管２４内に水が残留することを防止できる。この結果、フランシス水車１の始動時に、給気装置２０の吸込み口２３からの水の排出量を低減することができる。
【００３９】
なお、図４においては、給気管２２が水平に延びている例が示されている。しかしながら、このことに限られることはなく、図１および図３に示すように、給気管２２が、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜するようにしてもよい。この場合、フランシス水車１の運転停止時に吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合であっても、給気装置２０の分配管２４および給気管２２に残留していた水を吸出し管１１に排出することができる。このため、給気装置２０内に水が残留することをより一層防止でき、始動時の吸込み口２３からの水の排出量をより一層低減することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
次に、図５〜図９を用いて、本発明の第３の実施の形態における水力機械の給気装置および水力機械について説明する。
【００４１】
図５〜図９に示す第３の実施の形態においては、給気管の内面の下端の高さが、分配管の内面の下端の高さと同じまたはそれよりも低い点が主に異なり、他の構成は、図１〜３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５〜９において、図１〜図３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。
【００４２】
図５および図６に示すように、本実施の形態においては、給気管２２の延びる方向（給気管２２の長手方向）での任意の位置における内面２２ａの下端２２ｂの高さは、分配管２４の排出口３０（後述）における分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂの高さと同じになっている。分配管２４は、吸出し管１１へ流れる空気が分配管から排出される排出口３０を有している。本実施の形態では、分配管２４は４つの排出口３０を有しており、各排出口３０は、分配管２４と対応する給気管２２との連結位置に相当する。図５に示す例では、給気管２２および分配管２４は、それぞれ水平に延びており、分配管２４の全長にわたる分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂと、給気管２２の全長にわたる給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂとが同一の高さで連続状に接続されている。言い換えると、給気管２２の延びる方向での任意の位置における給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂの高さが、分配管２４の延びる方向での任意の位置における分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂの高さと、同じになっている。
【００４３】
例えば、図７に示した比較例のように、給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂの高さが、分配管２４の排出口３０における分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂの高さよりも高くなっている場合、フランシス水車１の運転停止時に吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合には、分配管２４に水Ｗが残留し得る。
【００４４】
これに対して、本実施の形態によれば、給気管２２の全長にわたって給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂの高さが、分配管２４の排出口３０における分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂの高さと同じになっている。このことにより、フランシス水車１の運転停止時に吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合であっても、給気装置２０の分配管２４内に残留している水を給気管２２を介して吸出し管１１に排出することができる。このため、分配管２４内に水が残留することを防止できる。この結果、フランシス水車１の始動時に、給気装置２０の吸込み口２３からの水の排出量を低減することができる。
【００４５】
なお、図５においては、給気管２２および分配管２４が水平に延びている例が示されている。しかしながら、このことに限られることはなく、図１および図３に示すように、給気管２２は、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜するようにしてもよい。この場合には、給気管２２の延びる方向での任意の位置における給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂの高さは、分配管２４の排出口３０における分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂの高さと同じまたはそれよりも低くなる。すなわち、給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂの高さが、給気口２５に向かって徐々に低くなる。さらには、図４に示すように、分配管２４は、吸出し管１１への空気の流れにおける下流側に向かって下方に傾斜するようにしてもよい。この場合においても、給気管２２の延びる方向での任意の位置における給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂの高さは、分配管２４の排出口３０における分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂの高さと同じまたはそれよりも低くなる。このように給気管２２および分配管２４の少なくとも一方を傾斜させることにより、フランシス水車１の運転停止時に吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合であっても、給気装置２０の分配管２４および給気管２２に残留していた水を吸出し管１１に排出させやすくすることができる。このため、給気装置２０内に水が残留することをより一層防止でき、始動時の吸込み口２３からの水の排出量をより一層低減することができる。
【００４６】
また、上述した本実施の形態においては、図８および図９（ａ）、（ｂ）に示すように、給気管２２が、垂直方向に延びる垂直連結管３１を介して、水平方向に延びる分配管２４に連結されていてもよい。この場合、給気管２２の延びる方向での任意の位置における給気管２２の内面２２ａの下端２２ｂの高さが、分配管２４の排出口３０（分配管２４と垂直連結管３１との連結位置に相当）における分配管２４の内面２４ａの下端２４ｂの高さよりも低くなる。この場合、フランシス水車１の運転停止時に吸出し管１１内の水位が給気口２５よりも低下した場合であっても、給気装置２０の分配管２４に残留していた水を、垂直連結管３１および給気管２２を介して吸出し管１１に排出させやすくすることができる。このため、給気装置２０内に水が残留することをより一層防止でき、始動時の吸込み口２３からの水の排出量をより一層低減することができる。なお、図８および図９に示す垂直連結管３１および給気管２２は、直線状に延びる配管をＬ字状に曲げて形成された例が示されている。
【００４７】
（第４の実施の形態）
次に、図１０および図１１を用いて、本発明の第４の実施の形態における水力機械の給気装置および水力機械について説明する。
【００４８】
図１０および図１１に示す第４の実施の形態においては、吸込み管に設けられた水逆流防止部が、空気の流れを許容する貫通孔を含む多孔板を有している点が主に異なり、他の構成は、図１〜３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０および図１１において、図１〜図３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。
【００４９】
図１０および図１１に示すように、本実施の形態においては、吸込み管２１の垂直管部分２１ａに、逆流する空気に同伴する水が吸込み口２３に向かって流れることを防止する水逆流防止部４０が設けられている。吸込み管２１の垂直管部分２１ａは、水逆流防止部４０よりも吸込み口２３の側に設けられた第１吸込み管部分４１と、水逆流防止部４０よりも給気口２５の側（吸出し管１１の側）に設けられた第２吸込み管部分４２と、に区分けされている。
【００５０】
本実施の形態における水逆流防止部４０は、図１１に示すように、第１吸込み管部分４１と第２吸込み管部分４２との間に介在されたチャンバ４３と、空気の流れを許容する複数の貫通孔４６を含む多孔板４４と、を有している。このうちチャンバ４３は、垂直方向に流れる空気の流路として構成されており、第１吸込み管部分４１および第２吸込み管部分４２よりも大きな流路断面積を有している。多孔板４４は、チャンバ４３内に収容されており、チャンバ４３における空気の流路を塞ぐように配置されている。図１１においては、チャンバ４３内には、複数（図１１では３つ）の多孔板４４が設けられている。
【００５１】
各多孔板４４は、一対の板面４５を含んでいる。３つの多孔板４４は、板面４５が互いに沿うように配置されている。すなわち、図１１では、３つの多孔板４４がそれぞれ水平に配置されている。
【００５２】
貫通孔４６は、一方の板面４５から他方の板面４５に延びており、多孔板４４を貫通している。各貫通孔４６は、板面４５の法線方向に、すなわち垂直方向に延びている。一の多孔板４４の貫通孔４６と、隣り合う他の多孔板４４の貫通孔４６とは、板面４５に沿う方向（水平方向）において互いに異なる位置に配置されている。
【００５３】
フランシス水車１の始動時には、フランシス水車１内で圧縮された空気が、各多孔板４４の貫通孔４６を通って、吸込み口２３から外部に排出される。この際、給気管２２や分配管２４に残留している水は、逆流する高速の空気に同伴して吸込み管２１の第２吸込み管部分４２を上昇する。
【００５４】
しかしながら、第２吸込み管部分４２と第１吸込み管部分４１との間には、水逆流防止部４０としての多孔板４４が設けられている。このことにより、空気は貫通孔４６を容易に通過して第１吸込み管部分４１に流入し、吸込み口２３から外部に排出される。一方、空気に同伴していた水は、慣性の影響を受けることにより、貫通孔４６に達する前に下側の板面４５に衝突する。このため、空気に同伴していた水が、空気から離脱される。
【００５５】
また、多孔板４４を通過した空気は、第１吸込み管部分４１に流入する前に、当該多孔板４４の上方隣に配置された多孔板４４の貫通孔４６を通過する。しかしながら、本実施の形態では、板面４５に沿う方向（水平方向）において、互いに隣り合う多孔板４４の貫通孔４６は、互いに異なる位置に配置されている。空気は、慣性の影響を受けることが少ないため、各多孔板４４の貫通孔４６を比較的スムースに通過することができる。一方、水は、慣性の影響を受けるため、最も下側の多孔板４４を通過した後に、その直ぐ上の多孔板４４の貫通孔４６に達する前に当該多孔板４４の板面４５に衝突する。このため、空気に同伴していた水は、空気から離脱される。
【００５６】
このように本実施の形態によれば、吸込み管２１に、水が吸込み口２３に向かって流れることを防止する水逆流防止部４０が設けられている。このことにより、吸込み口２３に達する水の量を低減することができる。このため、フランシス水車１の始動時に、給気装置２０の吸込み口２３からの水の排出量を低減することができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、吸込み管２１に、空気の流れを許容する貫通孔４６を含む多孔板４４が設けられている。このことにより、吸込み管２１内を逆流する空気に同伴する水を、多孔板４４に衝突させて空気から離脱させることができる。このため、水が吸込み口２３に向かって流れることを防止でき、吸込み口２３に達する水の量を効果的に低減することができる。
【００５８】
また、本実施の形態によれば、一の多孔板４４の貫通孔４６と、隣り合う他の多孔板４４の貫通孔４６とは、板面４５に沿う方向（水平方向）において互いに異なる位置に配置されている。このことにより、吸込み管２１内を逆流する空気に同伴する水を、多孔板４４に衝突させやすくすることができる。このため、空気から水を離脱させることができ、吸込み口２３に達する水の量をより一層低減することができる。
【００５９】
（第５の実施の形態）
次に、図１２および図１３を用いて、本発明の第５の実施の形態における水力機械の給気装置および水力機械について説明する。
【００６０】
図１２および図１３に示す第５の実施の形態においては、水逆流防止部が、空気の逆流を防止する逆流防止弁を有している点が主に異なり、他の構成は、図１０および図１１に示す第４の実施の形態と略同一である。なお、図１２および図１３において、図１０および図１１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。
【００６１】
図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態においては、水逆流防止部４０は、空気の逆流を防止する逆流防止弁５１を有している。すなわち、上述した第４の実施の形態における多孔板４４の代わりに逆流防止弁５１が設けられている。第１吸込み管部分４１は、逆流防止弁５１よりも吸込み口２３の側に設けられ、第２吸込み管部分４２は、逆流防止弁５１よりも給気口２５の側（吸出し管１１の側）に設けられている。
【００６２】
図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、逆流防止弁５１は、チャンバ５２と、空気の圧力で駆動される弁体５３と、弁体５３よりも下方に設けられた第１弁座５４と、弁体５３よりも上方に設けられた第２弁座５５と、を含んでいる。このうち弁体５３は、板状に形成され、第１弁座５４は、第２吸込み管部分４２に向かって絞られるように形成されている。第２弁座５５は、水平に形成されている。
【００６３】
弁体５３は、第１弁座５４に当接する位置（図１２（ａ））と第２弁座５５に当接する位置（図１２（ｂ））との間で、図示しないガイド部によってガイドされながら、スムースに移動可能になっている。弁体５３は、ガイド部の代わりにチャンバ５２の内壁面に摺動させてガイドされるようにしてもよい。
【００６４】
第１弁座５４は、吸出し管１１への空気の流れを許容するように弁体５３が当接可能になっている。すなわち、吸出し管１１に空気を供給する際、第２吸込み管部分４２の圧力が、第１吸込み管部分４１の圧力よりも低くなり、この圧力差によって弁体５３が第１弁座５４に当接する。
【００６５】
例えば、図１３（ａ）に示すように、チャンバ５２の平面形状を円形にして、弁体５３の平面形状を矩形にしてもよい。この場合、第１弁座５４は、逆円錐台状に形成されるため、弁体５３が第１弁座５４に当接すると、弁体５３と第１弁座５４との間に、空気が通過可能な隙間が形成される。
【００６６】
あるいは、図１３（ｂ）に示すように、チャンバ５２の平面形状を矩形にして、弁体５３の平面形状を円形にしてもよい。この場合、第１弁座５４は、逆角錐台状に形成されるため、弁体５３が第１弁座５４に当接すると、弁体５３と第１弁座５４との間に、空気が通過可能な隙間が形成される。なお、図１３（ｂ）においては、第２吸込み管部分４２の横断面が矩形状に形成されている例が示されているが、円形でもよい。
【００６７】
第２弁座５５は、空気の逆流を遮断するように弁体５３が当接可能になっている。すなわち、空気が逆流する際、第２吸込み管部分４２の圧力が、第１吸込み管部分４１の圧力よりも高くなり、この圧力差によって弁体５３が第２弁座５５に当接する。第２弁座５５は、水平状に形成されているため、弁体５３が第２弁座５５に当接すると、第２弁座５５に設けられた第１吸込み管部分４１の開口が弁体５３で閉塞される。
【００６８】
フランシス水車１の始動時には、第２吸込み管部分４２の圧力が、第１吸込み管部分４１の圧力よりも高くなる。このことにより、逆流防止弁５１の弁体５３が第２弁座５５に当接し、第１吸込み管部分４１が弁体５３で閉塞される。このため、空気の逆流が遮断される。
【００６９】
このように本実施の形態によれば、吸込み管２１に、空気の逆流を防止する逆流防止弁５１が設けられている。このことにより、水を同伴する空気の逆流が、吸込み口２３に達することを防止できる。このため、フランシス水車１の始動時に、給気装置２０の吸込み口２３からの水の排出量を低減することができる。
【００７０】
（第６の実施の形態）
次に、図１４および図１５を用いて、本発明の第６の実施の形態における水力機械の給気装置および水力機械について説明する。
【００７１】
図１４および図１５に示す第６の実施の形態においては、水逆流防止部が、逆流する空気から空気に同伴している水を分離するセパレータを有している点が主に異なり、他の構成は、図１０および図１１に示す第４の実施の形態と略同一である。なお、図１４および図１５において、図１０および図１１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。
【００７２】
図１４に示すように、本実施の形態においては、水逆流防止部４０は、逆流する空気から当該空気に同伴している水を分離するセパレータ６１と、セパレータ６１において空気から分離された水をセパレータ６１から排出する排出管６２と、を有している。すなわち、上述した第４の実施の形態における多孔板４４の代わりにセパレータ６１が設けられている。第１吸込み管部分４１は、セパレータ６１よりも吸込み口２３の側に設けられ、第２吸込み管部分４２は、セパレータ６１よりも給気口２５の側（吸出し管１１の側）に設けられている。
【００７３】
図１５に示すように、セパレータ６１は、逆円錐台状に形成されている。第１吸込み管部分４１は、セパレータ６１の上部に連結されている。排出管６２は、セパレータ６１の下端部に連結されている。第２吸込み管部分４２は、第１吸込み管部分４１の連結位置と排出管６２の連結位置との間の高さ位置（セパレータ６１の垂直方向の中間部分）でセパレータ６１に連結されている。
【００７４】
第２吸込み管部分４２は、逆流する空気をセパレータ６１内で旋回させるようにセパレータ６１に連結されている。すなわち、第２吸込み管部分４２は、セパレータ６１との連結位置におけるセパレータ６１の接線方向に沿うように形成されている。また、第２吸込み管部分４２のセパレータ６１の側の部分は、逆流する空気をセパレータ６１内で旋回させるように、水平に形成されている。
【００７５】
排出管６２は、吸出し管１１のうち給気口２５よりも下流側の部分に連結されている。当該部分に、セパレータ６１から排出された水が排出されるようになっている。
【００７６】
フランシス水車１の始動時には、第２吸込み管部分４２から逆流する空気がセパレータ６１内に流入する。流入した空気は、セパレータ６１内で螺旋状に旋回しながら上昇し、第１吸込み管部分４１に流入し、吸込み口２３から外部に排出される。一方、空気に同伴していた水は、遠心力の影響を受けることにより、セパレータ６１の内壁面に衝突する。衝突した水は、重力の影響を受けることにより、内壁面を伝って下降する。その後、排出管６２を通って吸出し管１１のうち給気口２５よりも下流側の部分に排出される。この部分は、圧力が負圧になっているため、排出管６２に排出された水は、スムースに吸出し管１１に排出される。
【００７７】
このように本実施の形態によれば、吸込み管２１に、逆流する空気から空気に同伴している水を分離するセパレータ６１が設けられている。このことにより、吸込み管２１内を逆流する空気に同伴する水をセパレータ６１によって空気から離脱させることができる。このため、吸込み口２３に達する水の量を低減することができる。この結果、フランシス水車１の始動時に、給気装置２０の吸込み口２３からの水の排出量を低減することができる。
【００７８】
なお、上述した本実施の形態においては、排出管６２が、吸出し管１１のうち給気口２５よりも下流側の部分に連結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、セパレータ６１からスムースに水を排出することができれば、排出管６２は、下池１２に連結されるようにしてもよい。
【００７９】
以上述べた実施の形態によれば、吸出し管内に供給される空気を外部から吸い込む吸込み口２３からの水の排出量を低減することができる。
【００８０】
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。
【００８１】
なお、上述した実施の形態では、水力機械の一例としてフランシス水車を例にとって説明したが、このことに限られることはなく、フランシス水車以外の水力機械にも、本発明による給気装置を適用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１：フランシス水車、６：ランナ、１１：吸出し管、２０：給気装置、２１：吸込み管、２２：給気管、２３：吸込み口、２４：分配管、２５：給気口、２２ａ：内面、２２ｂ：下端、２４ａ：内面、２４ｂ：下端、３０：排出口、４０：水逆流防止部、４１：第１吸込み管部分、４２：第２吸込み管部分、４４：多孔板、４５：板面、４６：貫通孔、５１：逆流防止弁、６１：セパレータ
【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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【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】
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