(57)【要約】【課題】バランスパイプの口径や本数の増大によらずに、ランナにかかる軸スラスト力を低減可能な水力機械を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、水力機械は、ケーシングから流れ込んだ水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの前記回転エネルギーを発電機に伝達する主軸と、前記ランナを駆動させた前記水が流れ込む吸出し管とを備える。さらに、前記機械は、前記ランナに隣接する背圧室に開口された第１の開口部と、前記吸出し管の内部に開口された第２の開口部とを有するバランスパイプを備える。さらに、前記機械は、前記吸出し管の内部において前記第２の開口部付近に設けられ、前記第２の開口部付近に前記水の渦を発生させて前記背圧室内の圧力を調整する圧力調整機構を備える。【選択図】図１
2015059512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングから流れ込んだ水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
前記ランナの前記回転エネルギーを発電機に伝達する主軸と、
前記ランナを駆動させた前記水が流れ込む吸出し管と、
前記ランナに隣接する背圧室に開口された第１の開口部と、前記吸出し管の内部に開口された第２の開口部とを有するバランスパイプと、
前記吸出し管の内部において前記第２の開口部付近に設けられ、前記第２の開口部付近に前記水の渦を発生させて前記背圧室内の圧力を調整する圧力調整機構と、
を備える水力機械。
【請求項２】
前記圧力調整機構は、前記吸出し管の内壁面から突起した突起物である、請求項１に記載の水力機械。
【請求項３】
前記圧力調整機構は、前記第２の開口部の上流側に配置されている、請求項１または２に記載の水力機械。
【請求項４】
前記圧力調整機構は、前記第２の開口部に沿うように湾曲した形状を有する、請求項３に記載の水力機械。
【請求項５】
前記圧力調整機構は、前記第２の開口部を包囲する管状の形状を有する、請求項１または２に記載の水力機械。
【請求項６】
前記圧力調整機構は、前記第２の開口部の周方向に回転可能である、請求項１から５のいずれか１項に記載の水力機械。
【請求項７】
前記圧力調整機構は、前記主軸の回転軸に垂直な方向の長さが変化するよう伸縮可能である、請求項１から６のいずれか１項に記載の水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、一般的な水力機械の構造を示す縦断面図である。この水力機械は、フランシス水車に相当する。
【０００３】
発電運転時には、水がケーシング１からステーベーン２およびガイドベーン３を通ってランナ４に流れ込む。ランナ４は、複数の羽根４ａと、羽根４ａに上側から接続されたクラウン４ｂと、羽根４ａに下側から接続されたバンド４ｃとを備えている。ランナ４は、ケーシング１から流れ込んだ水により回転駆動され、この水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換する。符号Ｒは、ランナ４の回転方向を示す。ランナ４を駆動させた水は、吸出し管５に流れ込み、放水路へと流出される。
【０００４】
ランナ４の回転エネルギーは、ランナ４と共に回転する主軸６を介して発電機７に伝達される。符号Ｚは、主軸６の回転軸を示す。ランナ４は、上カバー８と下カバー９との間に納められており、ランナ４の背面と上カバー８との間には、背圧室１０と呼ばれる空間が存在している。
【０００５】
図９の水力機械はさらに、ランナ４に隣接する背圧室１０に開口されたパイプ入口１１ａと、吸出し管５の内部に開口されたパイプ出口１１ｂとを有するバランスパイプ１１を備えている。その結果、背圧室１０と吸出し管５の内部がバランスパイプ１１により連結されている。図９の水力機械は、１本のバランスパイプ１１を備えているが、複数本のバランスパイプ１１を備えていてもよい。
【０００６】
図１０は、一般的な水力機械のランナ周りの圧力分布を示す図である。
【０００７】
水力機械においては、ランナ４の上側にかかる圧力と、ランナ４の下側にかかる圧力とのアンバランスがあると、軸方向のスラスト力（軸スラスト力）が発生する。通常は、ランナ４を押し下げる力Ｆ1が、ランナ４を押し上げる力Ｆ2よりも強いため、ランナ４には下向きの軸スラスト力がかかる。この軸スラスト力にあった容量のスラスト軸受けでランナ４を支持することで、水力機械の安定した運転が可能となる。しかしながら、下向きの軸スラスト力が大きい場合には、スラスト軸受けでの損失が大きくなるほか、容量の大きなスラスト軸受けが必要となることから水力機械の価格が高くなる。
【０００８】
軸スラスト力を低減するため、背圧室１０と吸出し管５の内部とを連結する１本以上のバランスパイプ１１を設置し、背圧室１０内の圧力を低下させることが考えられる。この場合、バランスパイプ１１の口径や本数を増やしてバランスパイプ１１の断面積を増大させることで、軸スラスト力は小さくなる。しかしながら、バランスパイプ１１の断面積が過度に大きい場合、漏れ流量増加による水車効率の低下などが引き起こされるため、通常は、適切な断面積に調整されたバランスパイプ１１が取り付けられている。
【０００９】
また、バランスパイプ１１を設置する場合には、水力機械を収容する建屋の構造上の制約を受ける。そのため、バランスパイプ１１の口径や本数を増やすことには限界があり、バランスパイプ１１による軸スラスト力の低減効果には限界がある。また、バランスパイプ１１は通常、水力機械の設置時にコンクリートに埋設されてしまうため、埋設後や運転開始後にバランスパイプ１１の口径や本数を増やすことは不可能なことが多い。
【００１０】
近年、既設の水力機械の改修時に、ランナ４にかかる軸スラスト力を低減したいという要求が発生することがある。しかしながら、上記の理由から、バランスパイプ１１の口径や本数を増やすことで軸スラスト力を低減することは不可能なことが多い。これを解決する方法として、バランスパイプ１１内の流量を増大させるために、パイプ出口１１ｂ付近に、吸出し管５内の水の流速を増加させる整流装置を設ける方法がある。しかしながら、この方法においては、比較的大きな板を吸出し管５に取り付ける必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２−９２７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、バランスパイプの口径や本数の増大によらずに、ランナにかかる軸スラスト力を低減可能な水力機械を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一の実施形態によれば、水力機械は、ケーシングから流れ込んだ水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの前記回転エネルギーを発電機に伝達する主軸と、前記ランナを駆動させた前記水が流れ込む吸出し管とを備える。さらに、前記機械は、前記ランナに隣接する背圧室に開口された第１の開口部と、前記吸出し管の内部に開口された第２の開口部とを有するバランスパイプを備える。さらに、前記機械は、前記吸出し管の内部において前記第２の開口部付近に設けられ、前記第２の開口部付近に前記水の渦を発生させて前記背圧室内の圧力を調整する圧力調整機構を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の水力機械の構造を示す縦断面図である。
【図２】第１実施形態の水力機械の構造を示す拡大縦断面図である。
【図３】第１実施形態の水力機械の小流量運転時、設計点近傍、大流量運転時における吸出し管内の水流を示す縦断面図である。
【図４】一般的な水力機械における流量と流れ角度との関係を示すグラフである。
【図５】一般的な水力機械における流量と軸スラスト力との関係を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の水力機械における流量と軸スラスト力との関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の水力機械の構造を示す縦断面図である。
【図８】第２実施形態の変形例の水力機械の構造を示す縦断面図である。
【図９】一般的な水力機械の構造を示す縦断面図である。
【図１０】一般的な水力機械のランナ周りの圧力分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。本明細書中で参照する図面において、同一または類似の構成には同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の水力機械の構造を示す縦断面図である。この水力機械は、フランシス水車に相当する。
【００１７】
この水力機械は、ケーシング１と、ステーベーン２と、ガイドベーン３と、複数の羽根４ａ、クラウン４ｂ、およびバンド４ｃを有するランナ４と、吸出し管５と、主軸６と、発電機７と、上カバー８と、下カバー９と、背圧室１０とを備えている。
【００１８】
この水力機械はさらに、ランナ４に隣接する背圧室１０に開口されたパイプ入口１１ａと、吸出し管５の内部に開口されたパイプ出口１１ｂとを有するバランスパイプ１１を備えている。パイプ入口１１ａとパイプ出口１１ｂはそれぞれ、第１、第２の開口部の例である。
【００１９】
この水力機械はさらに、吸出し管５の内部においてパイプ出口１１ｂ付近に設けられた圧力調整機構１２を備えている。本実施形態の圧力調整機構１２は、吸出し管５の内壁面から突起した突起物であり、パイプ出口１１ｂの上流側に配置されている。圧力調整機構１２は、水力機械の新設時にあらかじめ取り付けられていてもよいし、水力機械の改修時に取り付けられてもよい。圧力調整機構１２の詳細については後述する。
【００２０】
図２は、第１実施形態の水力機械の構造を示す拡大縦断面図である。図２(ａ)は、圧力調整機構１２を図１のＡ方向に見た断面図であり、図２(ｂ)は、圧力調整機構１２を図１と同一の視点から見た断面図である。
【００２１】
Ｘ軸は、ランナ４の回転方向に平行な方向を示す。＋Ｘ方向は、ランナ４の回転方向に相当し、−Ｘ方向は、ランナ４の回転方向の逆方向に相当する。また、Ｙ軸は、主軸６の回転軸Ｚに平行な方向を示す。＋Ｙ方向は、回転軸Ｚに平行に下流側から上流側に向かう方向であり、−Ｙ方向は、回転軸Ｚに平行に上流側から下流側に向かう方向である。
【００２２】
本実施形態の圧力調整機構１２は、板状の形状を有しており、圧力調整機構１２に平行な平面Ｅは、Ｙ軸に対して傾斜している。符号θは、平面Ｅの−Ｙ方向に対する傾斜角度を示す。本実施形態の傾斜角度θは、４５度から１１０度に設定されている（傾斜角度θの正方向は、＋Ｘ方向とする）。すなわち、圧力調整機構１２に平行な平面Ｅは、回転軸Ｚに平行に上流側から下流側に向かう方向（−Ｙ方向）に対し、ランナ４の回転方向（＋Ｘ方向）に４５度から１１０度傾斜している。傾斜角度θの詳細については後述する。
【００２３】
本実施形態の圧力調整機構１２は、図２(ｂ)に示すように、パイプ出口１１ｂ付近に水の渦を発生させて背圧室１０内の圧力を調整することが可能である。以下、本実施形態の圧力調整機構１２の機能について説明する。
【００２４】
一般的な水力機械の通常の運転においては、ランナ４を押し下げる力が、ランナ４を押し上げる力よりも強いため、ランナ４に下向きの軸スラスト力がかかる。この軸スラスト力に大きな影響を与えるのは、背圧室１０内の圧力である。背圧室１０内の圧力を低下させることができれば、軸スラスト力を低減することができる。
【００２５】
一方、バランスパイプ１１は、背圧室１０と吸出し管５の内部とを連通するように設置されている。よって、パイプ出口１１ｂ付近の圧力を低下させることができれば、背圧室１０内の圧力を低下させ、軸スラスト力を低減することができる。
【００２６】
そこで、本実施形態においては、吸出し管５の内部におけるパイプ出口１１ｂ付近に、圧力調整機構１２が設けられている。圧力調整機構１２に水流が当たると、圧力調整機構１２の下流側に渦が発生する。この渦の中心部の圧力は周囲の圧力よりも低いため、圧力調整機構１２の下流側では圧力が低下する。場合によっては、圧力調整機構１２の下流側の圧力は、キャビテーションが発生するほど低下する。
【００２７】
本実施形態の圧力調整機構１２は、パイプ出口１１ｂ付近において、パイプ出口１１ｂの上流側に配置されている。そのため、上記の渦は、パイプ出口１１ｂ付近に発生する。よって、この渦による圧力低下の影響で、パイプ出口１１ｂ付近の圧力が低下する。その結果、背圧室１０内の圧力が低下し、軸スラスト力が低減される。
【００２８】
符号Ｄは、パイプ出口１１ｂの直径を示し、符号Ｌは、圧力調整機構１２のＸＹ平面に平行な方向の長さを示す。圧力調整機構１２の長さＬは、パイプ出口１１ｂの直径Ｄよりも長いことが望ましいが、パイプ出口１１ｂの直径Ｄに比べ長すぎないことが望ましい。理由は、長さＬが短すぎると、十分な大きさの渦が発生せず、長さＬが長すぎると、圧力調整機構１２が水流の妨げになるからである。
【００２９】
符号Ｋは、主軸６の回転軸Ｚに垂直な方向を示す。本実施形態の圧力調整機構１２は、ＸＹ平面に平行な方向とＫ方向とに延びる板状の形状を有している。
【００３０】
図３は、第１実施形態の水力機械の小流量運転時、設計点近傍、大流量運転時における吸出し管５内の水流を示す縦断面図である。
【００３１】
水力機械が設計点近傍で運転している場合には、吸出し管５内の水流の流速は旋回成分をほとんど持たず、鉛直方向に水が流れる（図３(ｂ)参照）。一方、水力機械が設計点よりも大流量側で運転している場合には、吸出し管５内の水はランナ４の回転方向と逆方向に旋回して流れる（図３(ｃ)参照）。また、水力機械が設計点よりも小流量側で運転している場合には、吸出し管５内の水はランナ４の回転方向と同方向に旋回して流れる（図３(ａ)参照）。このように、吸出し管５内の水流は、水力機械の運転状態に応じて変化する。これは、一般的な水力機械においても同様である。
【００３２】
図４は、一般的な水力機械における流量と流れ角度との関係を示すグラフであり、図５は、一般的な水力機械における流量と軸スラスト力との関係を示すグラフである。
【００３３】
図４と図５の横軸は、水力機械が設計点近傍で運転している際の吸出し管５内の水流の流量を１とした場合の相対流量を示す。また、図４と図５の縦軸は、水力機械にバランスパイプ１１が設置されている場合の、パイプ出口１１ｂ付近における流れ角度と、ランナ４にかかる軸スラスト力を示す。
【００３４】
相対流量が１よりも小さい小流量運転時には、流れ角度も軸スラスト力も小さく、流量が大きくなるに従い、流れ角度も軸スラスト力も増加していく。しかしながら、流量が設計点流量よりも大きくなると（すなわち、相対流量が１よりも大きくなると）、軸スラスト力は徐々に減少していく。
【００３５】
本実施形態の圧力調整機構１２は、軸スラスト力が大きい運転時にパイプ出口１１ｂ付近の圧力が低下するように設置することが望ましい。図５によれば、相対流量が０．５５よりも大きい場合に軸スラスト力が大きい。また、図４によれば、相対流量が０．５５よりも大きい場合、流れ角度は４５度〜１１０度程度である。
【００３６】
よって、本実施形態においては、流れ角度が４５度〜１１０度の水流に対して圧力調整機構１２が対向するように、圧力調整機構１２の傾斜角度θが４５度〜１１０度に設定されている。
【００３７】
その結果、水力機械が設計点近傍や大流量で運転している場合に、水流が圧力調整機構１２に当たりやすくなり、軸スラスト力が大きい場合にパイプ出口１１ｂ付近の圧力を低下させることができる。また、流れ角度が４５度よりも小さい小流量運転時においては、水がおおむね圧力調整機構１２に沿って流れるため、圧力調整機構１２による損失の発生を抑制することができる。
【００３８】
図６は、第１実施形態の水力機械における流量と軸スラスト力との関係を示すグラフである。
【００３９】
曲線Ｃ1は、圧力調整機構１２を設置しない場合の軸スラスト力を示す。また、曲線Ｃ2は、圧力調整機構１２を設置した場合の軸スラスト力を示す。曲線Ｃ2の場合、圧力調整機構１２の傾斜角度θは、４５度〜１１０度に設定した。図６によれば、軸スラスト力が大きい運転時に、圧力調整機構１２を設置した場合の軸スラスト力が、圧力調整機構１２を設置しない場合の軸スラスト力よりも低減されていることが分かる。
【００４０】
図３(ａ)は、小流量運転時における吸出し管５内の水流を示す。本運転時においては、水流の方向がおおむね圧力調整機構１２に平行である。よって、水が圧力調整機構１２に沿って流れるため、パイプ出口１１ｂ付近での圧力低下はほとんど生じない。
【００４１】
図３(ｂ)は、水力機械が設計点近傍で運転している場合の吸出し管５内の水流を示す。本運転時においては、水流が若干の旋回速度成分を持っている。しかしながら、水が大きな流れ角度で流れているため、圧力調整機構１２の下流側で圧力が低下する。
【００４２】
図３(ｃ)は、大流量運転時における吸出し管５内の水流を示す。本運転時においては、水流がランナ４の回転方向と逆方向の旋回速度成分を持っている。よって、水が圧力調整機構１２に対向するように流れるため、圧力調整機構１２の下流側で圧力が低下する。
【００４３】
以上のように、本実施形態の水力機械は、吸出し管５の内部においてパイプ出口１１ｂ付近に設けられ、パイプ出口１１ｂ付近に水の渦を発生させて背圧室１０内の圧力を調整する圧力調整機構１２を備えている。よって、本実施形態によれば、バランスパイプ１１の口径や本数の増大によらずに、ランナ４にかかる軸スラスト力を低減することが可能となる。例えば、本実施形態によれば、水力機械の改修時に圧力調整機構１２を取り付けるという簡単な施工により、既設の水力機械の軸スラスト力を低減することができる。
【００４４】
また、本実施形態の圧力調整機構１２は、回転軸Ｚに平行な方向に対して傾斜して配置されており、具体的には、傾斜角度θが４５度〜１１０度に設定されている。よって、本実施形態によれば、軸スラスト力の大きな運転状態で軸スラスト力を低減しつつ、軸スラスト力の小さな運転状態で損失の発生を抑制することが可能となる。
【００４５】
図１の符号Ｓ1、Ｓ2は、吸出し管５の外周側と内周側の外壁面を示す。また、図１の符号Ｓ3は、これらの面Ｓ1、Ｓ2の間に位置する外壁面を示す。本実施形態のバランスパイプ１１は、外壁面Ｓ1付近に設けられているが、外壁面Ｓ2付近や外壁面Ｓ3付近に設けられていてもよい。また、本実施形態の水力機械は、１本のバランスパイプ１１を備えているが、複数本のバランスパイプ１１を備えていてもよい。
【００４６】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の水力機械の構造を示す縦断面図である。図７(ａ)は、圧力調整機構１２を図１のＡ方向に見た断面図であり、図７(ｂ)は、圧力調整機構１２を図１と同一の視点から見た断面図である。
【００４７】
本実施形態の圧力調整機構１２は、第１実施形態と同様に、吸出し管５の内壁面から突起した突起物であり、パイプ出口１１ｂの上流側に配置されている。ただし、本実施形態の圧力調整機構１２は、パイプ出口１１ｂに沿うように湾曲した形状を有しており、具体的には、管状の部材を半分に切断した形状を有している。
【００４８】
本実施形態の圧力調整機構１２は、湾曲した形状を有しているため、様々な流れ角度の水流に対して圧力調整機構１２が対向することとなる。よって、本実施形態によれば、ランナ４にかかる軸スラスト力を効果的に低減することが可能となる。
【００４９】
また、本実施形態の圧力調整機構１２は、図７(ａ)に示す矢印Ｐ1のように、パイプ出口１１ｂの周方向に回転可能に構成されている。このような構造は例えば、パイプ出口１１ｂの周囲に圧力調整機構１２の移動用のレールを設け、圧力調整機構１２に駆動部や遠隔操作部を設けることで実現可能である。本実施形態によれば、軸スラスト力を低減する必要がない場合に、軸スラスト力の低減量が小さくなる位置に圧力調整機構１２を移動させることが可能となる。
【００５０】
また、本実施形態の圧力調整機構１２は、図７(ｂ)に示す矢印Ｐ2のように、回転軸Ｚに垂直なＫ方向の長さが変化するように伸縮可能に構成されている。すなわち、圧力調整機構１２が伸縮することにより、圧力調整機構１２のＫ方向の長さが増加または減少する。本実施形態によれば、軸スラスト力を低減する必要がない場合に、軸スラスト力の低減量が小さくなる長さに圧力調整機構１２の長さを短縮することが可能となる。
【００５１】
図８は、第２実施形態の変形例の水力機械の構造を示す縦断面図である。図８(ａ)は、圧力調整機構１２を図１のＡ方向に見た断面図であり、図８(ｂ)は、圧力調整機構１２を図１と同一の視点から見た断面図である。
【００５２】
本変形例の圧力調整機構１２は、第１実施形態と同様に、吸出し管５の内壁面から突起した突起物である。ただし、本変形例の圧力調整機構１２は、パイプ出口１１ｂを包囲する管状の形状を有している。本変形例によれば、様々な流れ角度の水流に対して圧力調整機構１２が対向することで、ランナ４にかかる軸スラスト力を効果的に低減することが可能となる。
【００５３】
また、本変形例の圧力調整機構１２は、回転軸Ｚに垂直なＫ方向の長さが、パイプ出口１１ｂの上流側部分１２ａと下流側部分１２ｂとで異なっている。具体的には、圧力調整機構１２の下流側部分１２ｂのＫ方向の長さが、圧力調整機構１２の上流側部分１２ａのＫ方向の長さよりも短く設定されている。これにより、図８の圧力調整機構１２に、図７の圧力調整機構１２と同様の機能を与えることが可能となる。
【００５４】
本変形例の圧力調整機構１２の先端面は、Ｋ方向に対し非垂直な平面となっている。符号φは、Ｋ方向に対する圧力調整機構１２の先端面の角度を示す。本変形例の角度φは、４５度以下に設定されている。これにより、図８の圧力調整機構１２の形状を、図７の圧力調整機構１２の形状に近づけることが可能となる。
【００５５】
本変形例の圧力調整機構１２は、図８(ａ)に示す矢印Ｐ1のように、パイプ出口１１ｂの周方向に回転可能に構成されている。また、本変形例の圧力調整機構１２は、図８(ｂ)に示す矢印Ｐ2のように、回転軸Ｚに垂直なＫ方向の長さが変化するように伸縮可能に構成されている。
【００５６】
なお、矢印Ｐ1のように回転可能な構造や、矢印Ｐ2のように伸縮可能な構造は、第１実施形態の圧力調整機構１２にも適用可能である。
【００５７】
以上のように、本実施形態の水力機械は、吸出し管５の内部においてパイプ出口１１ｂ付近に設けられ、パイプ出口１１ｂ付近に水の渦を発生させて背圧室１０内の圧力を調整する圧力調整機構１２を備えている。よって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、バランスパイプ１１の口径や本数の増大によらずに、ランナ４にかかる軸スラスト力を低減することが可能となる。
【００５８】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な機械は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した機械の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００５９】
１：ケーシング、２：ステーベーン、３：ガイドベーン、
４：ランナ、４ａ：羽根、４ｂ：クラウン、４ｃ：バンド、５：吸出し管、
６：主軸、７：発電機、８：上カバー、９：下カバー、１０：背圧室、
１１：バランスパイプ、１１ａ：パイプ入口、１１ｂ：パイプ出口、
１２：圧力調整機構、１２ａ：上流側部分、１２ｂ：下流側部分
【図１】
2015059512.tif 000003
【図２】
2015059512.tif 000004
【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】
2015059512.tif 000009
【図８】
2015059512.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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