(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力機械のランナであって、
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は密閉された内部空間を有し、前記内部空間の圧力が所定値に設定されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。
【請求項２】
水力機械のランナであって、
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記羽根本体の圧力面から前記内部空間を連通する連通路が、前記羽根本体及び前記入口側羽根形成部材に跨がって形成されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。
【請求項３】
水力機械のランナであって、
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の圧力面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は密閉された内部空間を有し、前記内部空間の圧力が所定値に設定されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。
【請求項４】
水力機械のランナであって、
羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備え、
前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の圧力面に連続する入口側流水面を形成し、
前記入口側羽根形成部材は内部空間を有し、
前記羽根本体の負圧面から前記内部空間を連通する連通路が、前記羽根本体及び前記入口側羽根形成部材に跨がって形成されており、
前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている、ことを特徴とするランナ。
ことを特徴とする請求項１に記載のランナ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のランナを備える、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、ランナ及び水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械の一例としてフランシス水車が知られている。一般的なフランシス水車では、水車主軸の下端にランナが固定され、ランナの外周側に形成された平行流路内に複数枚のガイドベーン及びステーベーンの各々が円周上に並んで配置されている。またステーベーンの外周側にケーシングが配置されている。この構成において、水圧鉄管から導かれた水がケーシングを通って複数枚のステーベーンの全周に亘って流入する。ステーベーンから流出する水は、ガイドベーンを通ってランナに導かれ、ランナを回転駆動する。これにより、水車主軸が回転して、水車主軸に連結された発電機が駆動される。一方、ランナを回転させた水は、吸出し管を経て下池に放水される。また水車運転時に、ガイドベーンの開度を変化させることにより、ランナに流入する水の水量を調整することができ、発電量を変化させることができる。
【０００３】
フランシス水車のランナにおけるランナ羽根は固定羽根であるため、ガイドベーンからランナへ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根の入口角度βｂと一致する場合に、衝突損失が小さく最も効率が良い。しかしながら、フランシス水車は、このような最も効率の良い設計点から外れた色々な運転状態で運転されるため、必ずしも常時、最適な運転状態で運転されるわけではない。
【０００４】
図７には設計点から外れた高落差側の運転における流れの様子が示され、図８には設計点から外れた低落差側の運転における流れの様子が示されている。図７及び図８において、Ｃｕ１はランナの周速度を、Ｃｖ１は流れの絶対速度を、Ｃｗ１は流れの相対速度を示している。相対角度β１は、周速度Ｃｕ１と相対速度Ｃｗ１とから定められる。また、Ｒｄは、ランナの回転方向を示している。
【０００５】
例えば、図７に示すように、高落差側の運転点では、ランナのランナ羽根４０へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根４０の入口角度βｂよりも大きくなり、流れ角度の不一致が生じる。その結果、ランナ羽根４０の負圧面４０ｎの入口側においてキャビテーションｃａが発生し易くなる。このようなキャビテーションは、ランナ羽根の流水面の壊食を引き起こし得るため、機器信頼性の観点から問題となる。
【０００６】
また、図８に示すように、低落差側の運転点では、ランナのランナ羽根４０へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根４０の入口角度βｂよりも小さくなり、流れ角度の不一致が生じる。その結果、ランナ羽根４０の圧力面４０ｐ側から剥離渦ｗｈが発生し易くなる。このような剥離渦は、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションとは異なり破裂音を伴う。この剥離渦は発生しても、下流に伸長して例えば他のランナ羽根の流水面に付着しなければ、有害な壊食にはつながらない。そのため、剥離渦は、キャビテーションに比べれば大きな問題とはならない。但し、剥離渦が流水面に付着する場合や騒音を伴う場合には、できるだけ通常の運転範囲内にその発生限界が入らないように適切にランナ設計を行うことが望まれる。
【０００７】
上述のようなキャビテーション及び剥離渦の発生限界は、初生線として水車性能線図上に示すことができ、運転を制限するための目安とされる場合がある。図１０には、一般的なフランシス水車の水車性能線図の一例が示されている。この線図において、横軸は落差を示し、縦軸は流量を示している。一点鎖線Ｌ１１は、ランナ羽根の負圧面の入口側におけるキャビテーションの初生線を示しており、一点鎖線Ｌ１２は、ランナ羽根の圧力面の入口側における剥離渦の初生線を示している。また、複数の破線は、等効率線を示している。図１０に示す線図では、図中でハッチングを付した運転範囲の一部に２つの初生線Ｌ１１，Ｌ１２で示される範囲が含まれており、このような運転点ではキャビテーションや剥離渦が生じる恐れがあるため、運転が制限されることがある。
【０００８】
フランシス水車は、特に、低落差大流量の高比速度タイプの水車機種である場合や、運用効率を上げるためにダムの水位変化が大きい条件での運転を要求される場合や、出力変化幅を大きくして機器の運転範囲の拡大を要求される場合において、キャビテーション及び剥離渦の発生を抑制することが求められる。
【０００９】
例えば、その対策の一つとして、図９の破線に示すように、ランナ羽根４０の負圧面の入口側を通常の形状（図中の実線で示される形状）よりも膨らんだ形状（符号４０ａ）に形成することが挙げられる。このような膨らみ部分に関しては、数値限定して形状を規定することにより、水力損失の低減及び剥離の抑制を図る技術等が従来から提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−２９１８６５号公報
【特許文献２】特許第４０９４４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、キャビテーション及び剥離渦の発生を抑制するための対策として、上述のようにランナ羽根の負圧面の入口側に膨らみ部分を形成したとしても、最も張り出した部分から下流側で急激に流れが変化するので、キャビテーションが発生する場合がしばしばあり、キャビテーションを完全に抑制することは困難である。特に、高比速度タイプのランナではランナ羽根の入口から出口にかけての羽根長さが短いため、入口で高負荷となり、低比速度タイプのランナよりもキャビテーションの抑制が困難となる。また、膨らみ部分の形状を定義する場合には、ランナのバンド面形状の曲りの影響等も考慮しながら、最適な形状を試行錯誤的に探索しなければならず、設計に手間がかかる。
【００１２】
また、膨らみ部分がランナ羽根の負圧面の入口側に形成される場合には、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションは抑制できるものの、高落差側のキャビテーション及び低落差側の剥離渦の両方を抑制することは困難である。
【００１３】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、キャビテーション及び／又は剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械の運転範囲を十分に拡大することができるランナを及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】
【００１４】
実施の形態によるランナは、水力機械のランナであって、羽根本体と、前記羽根本体の入口側の内部に設けられ、その一部を前記羽根本体の外部に露出させる入口側羽根形成部材と、を有するランナ羽根を備えている。前記入口側羽根形成部材のうちの前記羽根本体の外部に露出される前記一部は、前記羽根本体の負圧面又は圧力面に連続する入口側流水面を形成する。前記入口側羽根形成部材は、その周囲の圧力変化に応じて、前記入口側流水面の形状を変化させるように形成されている。
また、実施の形態による水力機械は、前記のランナを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、キャビテーション及び／又は剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械の運転範囲を十分に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施の形態に係るフランシス水車の概略図である。
【図２】第１の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。
【図３】第２の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。
【図４】第３の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。
【図５】第４の実施の形態に係るフランシス水車のランナにおけるランナ羽根の径方向に沿う断面図である。
【図６】各実施の形態の作用効果を説明するための水車性能線図である。
【図７】一般的なフランシス水車の高落差側の運転における流れの相対角度と、ランナ羽根の入口角度との関係を説明する図であって、キャビテーションの発生の様子を示した図である。
【図８】一般的なフランシス水車の低落差側の運転における流れの相対角度と、ランナ羽根の入口角度との関係を説明する図であって、剥離渦の発生の様子を示した図である。
【図９】負圧面の入口側を膨らんだ形状に形成したランナ羽根を示す図である。
【図１０】一般的なフランシス水車の水車性能線図の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施の形態の説明では、図７乃至図１０を用いて説明した一般的なフランシス水車と共通する構成部分や共通する事項について、同一の符号が用いられている。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水力機械としてのフランシス水車１００を示している。このフランシス水車１００は、図示しない上池から鉄管を通って水が流入する渦巻き状のケーシング１と、複数のステーベーン２と、複数のガイドベーン３と、ランナ４と、を備えている。ケーシング１とその内周側に配置されたランナ４との間には図示省略する上カバーと下カバーとからなる平行流路が形成されており、この平行流路内に、複数のステーベーン２と複数のガイドベーン３とが配置されている。ランナ４は、ケーシング１に対して回転軸線Ｃ１を中心に回転可能に設けられている。
【００１９】
複数のステーベーン２は、ケーシング１から流出する水をガイドベーン３に導くためのものであり、ケーシング１の内周側において回転軸線Ｃ１に対する周方向（以下、周方向と呼ぶ。）に所定の間隔をあけて配置されている。複数のガイドベーン３は、流入した水をランナ４に導くためのものであり、ステーベーン２の内周側において周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ガイドベーン３の各々は回転可能であり、その開度を変化させることにより、ランナ４に流入する水の水量を調整することが可能となっている。
【００２０】
ランナ４は、クラウン１１と、バンド１２と、クラウン１１及びバンド１２の間に設けられた複数のランナ羽根１３と、を有している。複数のランナ羽根１３は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。
【００２１】
ランナ４には、水車主軸６を介して発電機７が連結されており、発電機７は、ランナ４によって回転されることで発電を行う。また、ランナ４の下流側には、吸出し管５が設けられている。ランナ４を流出した水は、吸出し管５を通って下池に放水される。
【００２２】
図２に示すように、本実施の形態におけるランナ羽根１３は、羽根本体１４と、羽根本体１４の入口側（すなわち水車運転時の水の流入側）の内部に設けられ、その一部を羽根本体１４の外部に露出させる入口側羽根形成部材１５と、を有している。本実施の形態では、入口側羽根形成部材１５のうちの羽根本体１４の外部に露出される一部が、羽根本体１４の負圧面１４ｎに連続する入口側流水面１５ｎを形成している。すなわち、ランナ羽根１３の負圧面は、羽根本体１４の負圧面１４ｎと入口側流水面１５ｎとで構成されている。
【００２３】
一方、入口側羽根形成部材１５のうちの入口側流水面１５ｎとは異なる他の部分は、羽根本体１４に形成された入口側羽根形成部材１５を収容するための収容部１４Ｃの内面に覆われた状態となっている。本実施の形態では、収容部１４Ｃが、ランナ４の径方向に沿う断面視で羽根本体１４の流水方向に長手方向が延びる長尺状に形成され、負圧面側に開放している。入口側羽根形成部材１５は、収容部１４Ｃ内に圧入等で固着されており、羽根本体１４からの脱落が防止されている。
【００２４】
本実施の形態では、入口側羽根形成部材１５が、中空の弾性体からなり、収容部１４Ｃに整合するように、ランナ４の径方向に沿う断面視で羽根本体１４の流水方向に長手方向が延びる略長方形状に形成され、且つ内部空間１６を有している。この内部空間１６は密閉され、その圧力が第１の所定値に設定されている。
【００２５】
上述の第１の所定値は、一例として、ランナ４へ流入する流れの相対角度がランナ羽根１３の入口角度と一致する最も効率の良い設計点（設計落差及び設計流量）でフランシス水車１００が運転されている際に負圧面１４ｎ側を流れる水の圧力の値と同等の値となっている。本実施の形態では、このような第１の所定値に内部空間１６の圧力を設定するために、内部空間１６に圧力が調整された流体（空気や高圧水等）が予め封入されている。なお、ランナ４においては、内部空間１６の圧力を任意の値に調整するための制御機構が設けられてもよい。
【００２６】
このような入口側羽根形成部材１５は、その周囲の圧力変化に応じて、入口側流水面１５ｎの形状を変化させるように形成されている。具体的に、入口側羽根形成部材１５は、周囲の圧力条件と内部空間１６の圧力条件との関係（相違）により、主流の水に接する側の入口側流水面１５ｎの形状を例えば図２の破線に示す状態に変化させることが可能となっている。なお、本実施の形態の入口側流水面１５ｎと羽根本体１４の負圧面１４ｎとは、設計落差及び設計流量でフランシス水車１００が運転されている際に、図２の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
【００２７】
本実施の形態の作用について説明する。
【００２８】
本実施の形態に係るフランシス水車１においては、上池から導かれた水が鉄管を通ってケーシング１に導かれる。水は、ケーシング１により流れが周方向に均一化され、ケーシング１の内周側に配置されたステーベーン２及びガイドベーン３を通ってランナ４へ流入する。ランナ４は、通過する水の圧力エネルギーにより回転し、水車主軸６を介して連結する発電機７を駆動する。これにより、発電機７において発電が行われる。ランナ４から流出する水は、吸出し管５を通って下池に放出される。
【００２９】
設計落差及び設計流量でフランシス水車１００が運転されている際には、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６の圧力と、負圧面１４ｎ側を流れる水の圧力とがつり合うことで、図２の実線で示すように、入口側流水面１５ｎと羽根本体１４の負圧面１４ｎとは、滑らかに連続して流線形をなす。
【００３０】
一方、高落差側の運転点となった際には、図２に示すように、ランナ羽根１３へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根１３の入口角度βｂよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根１３において負圧面１４ｎの入口側、すなわち入口側流水面１５ｎの周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６の圧力は、入口側流水面１５ｎの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面１５ｎは、図２の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面１５ｎの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。
【００３１】
これにより、本実施の形態によれば、ランナ羽根１３の入口角度βｂが図中矢印Ａ１に示すように相対角度β１に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。また、入口側流水面１５ｎの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面１５ｎの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和され、これにより、特に入口側流水面１５ｎの下流側でのキャビテーションの発生が抑制される。
【００３２】
したがって、本実施の形態によれば、キャビテーションの発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車１００の運転範囲を十分に拡大することができる。図６は、本実施の形態の作用効果を説明するための水車性能線図を示している。図６において、一点鎖線Ｌ１１は、入口側羽根形成部材１５が設けられていない場合のキャビテーションの初生線を示しており、一点鎖線Ｌ１２は剥離渦の初生線を示している。具体的に、本実施の形態によれば、図６の初生線Ｌ１１を、図中の実線の初生線Ｌ１のように、高落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印αに示すように、より広範囲に拡大することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、負圧面側に入口側羽根形成部材１５が設けられることで、高落差側の運転で生じ得るキャビテーションを抑制できるが、羽根本体１４の形状を低落差側の運転で生じ得る剥離渦を抑制できる形状に形成して、このような羽根本体１４に入口側羽根形成部材１５を組み合わせてもよい。この場合には、高落差側で生じ得るキャビテーション及び低落差側で生じ得る剥離渦の発生を抑制することが可能となり、より広範囲に運転範囲を拡大することができる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における第１の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また第１の実施の形態と同様の作用及び効果についても、一部の説明を省略する。
【００３５】
図３に示すように、本実施の形態では、羽根本体１４の圧力面１４ｐのうちの入口側羽根形成部材１５に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間１６を連通する連通路１８が、羽根本体１４及び入口側羽根形成部材１５に跨がって形成されている。言い換えると、羽根本体１４の圧力面１４ｐのうちの入口側羽根形成部材１５に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間１６まで延び、圧力面１４ｐと内部空間１６との間の水の流通を許容する連通路１８が、羽根本体１４及び入口側羽根形成部材１５に跨がって形成されている。
【００３６】
連通路１８は、圧力面１４ｐから収容部１４Ｃまで延びる第１孔部１８Ａと、入口側羽根形成部材１５のうちの圧力面１４ｐ側を向く面に形成された第２孔部１８Ｂと、で構成されている。第１孔部１８Ａと第２孔部１８Ｂとは互いに連なっている。
【００３７】
したがって、内部空間１６は密閉されておらず、圧力面１４ｐ側に開放している。これにより、フランシス水車１００が運転されている際には、羽根本体１４の圧力面１４ｐ側の水が、内部空間１６に流入する。また、本実施の形態の入口側流水面１５ｎと羽根本体１４の負圧面１４ｎとは、設計落差及び設計流量におけるフランシス水車１００の運転時に圧力面１４ｐ側の水が内部空間１６に流入する状態において、図３の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
【００３８】
本実施の形態の作用について説明する。
【００３９】
本実施の形態では、高落差側の運転点となった際に、図３に示すように、ランナ羽根１３へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根１３の入口角度βｂよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根１３において負圧面１４ｎの入口側、すなわち入口側流水面１５ｎの周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６に流入している水の圧力は、入口側流水面１５ｎの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面１５ｎは、図３の破線で示すように、主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面１５ｎの形状は、第１の実施の形態と同様に、その周囲の流れに沿うように変形する。
【００４０】
これにより、本実施の形態によれば、高落差側の運転であっても、ランナ羽根１３の入口角度βｂが相対角度β１に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。また、入口側流水面１５ｎの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面１５ｎの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和され、これにより、特に入口側流水面１５ｎの下流側でのキャビテーションの発生が抑制される。
【００４１】
一方、低落差側の運転点となった際には、図８で示したように、ランナ羽根１３へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根１３の入口角度βｂよりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根１３において圧力面１４ｐの入口側で剥離して、圧力面１４ｐの入口側の周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６に流入している水の圧力も低下し、入口側流水面１５ｎの周囲の圧力が、内部空間１６の水の圧力よりも高くなるため、入口側流水面１５ｎは圧力面１４ｐ側に向けてへこむ状態となる。
【００４２】
これにより、本実施の形態によれば、低落差側の運転であっても、ランナ羽根１３の入口角度βｂが相対角度β１に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。
【００４３】
したがって、本実施の形態においては、キャビテーション及び剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車１００の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図６の初生線Ｌ１１を、図中の実線の初生線Ｌ１のように、高落差側に離すことができる。また、初生線Ｌ１２を、図中の実線の初生線Ｌ２のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印α及び矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。
【００４４】
しかも、本実施の形態では、羽根本体１４の圧力面１４ｐと内部空間１６とが連通しているので、内部空間１６の圧力を運転状態によって調整しなくても、適切に入口側流水面１５ｎの形状が変化する。そのため、内部空間１６の圧力を調整するための作業や、圧力調整のための機構を設置する必要が無いため、製造コストに関する利点も得ることができる。
【００４５】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。本実施の形態における第１及び第２の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】
図４に示すように、本実施の形態においても、ランナ羽根１３は、羽根本体１４と、羽根本体１４の入口側の内部に設けられ、その一部を羽根本体１４の外部に露出させる入口側羽根形成部材１５と、を有するが、入口側羽根形成部材１５のうちの羽根本体１４の外部に露出される一部が羽根本体１４の圧力面１４ｐに連続する入口側流水面１５ｐを形成している。すなわち、ランナ羽根１３の圧力面は、羽根本体１４の圧力面１４ｐと入口側流水面１５ｐとで構成されている。
【００４７】
本実施の形態における入口側羽根形成部材１５は、中空の弾性体からなり、羽根本体１４に形成された収容部１４Ｃに整合するように、ランナ４の径方向に沿う断面視で羽根本体１４の流水方向に長手方向が延びる略長方形状に形成され、且つ内部空間１６を有している。この内部空間１６は密閉され、その圧力が第２の所定値に設定されている。なお、本実施の形態における収容部１４Ｃは、圧力面側に開放している。
【００４８】
第２の所定値は、一例として、ランナ４へ流入する流れの相対角度がランナ羽根１３の入口角度と一致する最も効率の良い設計点（設計落差及び設計流量）でフランシス水車１００が運転されている際に圧力面１４ｐ側を流れる水の圧力の値と同等の値となっている。本実施の形態では、このような第２の所定値に内部空間１６の圧力を設定するために、第１の実施の形態と同様に、内部空間１６に圧力が調整された流体（空気や高圧水等）が予め封入されている。
【００４９】
本実施の形態における入口側羽根形成部材１５は、周囲の圧力条件と内部空間１６の圧力条件との関係（相違）により、主流の水に接する側の入口側流水面１５ｐの形状を例えば図４の破線に示す状態に変化させることが可能となっている。なお、本実施の形態の入口側流水面１５ｐと羽根本体１４の圧力面１４ｐとは、設計落差及び設計流量でフランシス水車１００が運転されている際に、図４で実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
【００５０】
本実施の形態の作用について説明する。
【００５１】
本実施の形態においては、設計落差及び設計流量でフランシス水車１００が運転されている際には、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６の圧力と、圧力面１４ｐ側を流れる水の圧力とがつり合うことで、図４の実線で示すように、入口側流水面１５ｐと羽根本体１４の圧力面１４ｐとは、滑らかに連続して流線形をなす。
【００５２】
一方、低落差側の運転点となった際には、図４に示すように、ランナ羽根１３へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根１３の入口角度βｂ（図示省略）よりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根１３において圧力面１４ｐの入口側で剥離して、圧力面１４ｐの入口側すなわち入口側流水面１５ｐの周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６の圧力は、入口側流水面１５ｐの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面１５ｐは、図４の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面１５ｐの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。
【００５３】
これにより、本実施の形態によれば、ランナ羽根１３の入口角度βｂが図中矢印Ａ２に示すように相対角度β１に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。また、入口側流水面１５ｐの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面１５ｐの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和される。
【００５４】
したがって、本実施の形態によれば、剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車１００の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図６の初生線Ｌ１２を、図中の実線の初生線Ｌ２のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。
【００５５】
（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について説明する。本実施の形態における第１乃至第３の実施の形態の構成部分と同様の構成部分は、同一の符号を付して説明を省略する。また特に第３の実施の形態と同様の作用及び効果についても、一部の説明を省略する。
【００５６】
本実施の形態の入口側羽根形成部材１５は、第３の実施の形態と同様の位置に設けられる。一方、図５に示すように、本実施の形態では、羽根本体１４の負圧面１４ｎのうちの入口側羽根形成部材１５に羽根厚さ方向で対向する部分から内部空間１６を連通する連通路１８が、羽根本体１４及び入口側羽根形成部材１５に跨がって形成されている。
【００５７】
連通路１８は、負圧面１４ｎから収容部１４Ｃまで延びる第１孔部１８Ａと、入口側羽根形成部材１５のうちの負圧面１４ｎ側を向く面に形成された第２孔部１８Ｂと、で構成されている。第１孔部１８Ａと第２孔部１８Ｂとは互いに連なっている。
【００５８】
したがって、内部空間１６は密閉されておらず、負圧面１４ｎ側に開放している。これにより、フランシス水車１００が運転されている際には、羽根本体１４の負圧面１４ｎ側の水が、内部空間１６に流入する。また、本実施の形態の入口側流水面１５ｐと羽根本体１４の圧力面１４ｐとは、設計落差及び設計流量におけるフランシス水車１００の運転時に負圧面１４ｎ側の水が内部空間１６に流入する状態において、図５の実線で示すように滑らかに連続して流線形をなすように構成されている。
【００５９】
本実施の形態の作用について説明する。
【００６０】
本実施の形態では、低落差側の運転点となった際に、図５に示すように、ランナ羽根１３へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根１３の入口角度βｂ（図示省略）よりも小さくなり、流れ角度の不一致により、流れはランナ羽根１３において圧力面１４ｐの入口側で剥離して、圧力面１４ｐの入口側すなわち入口側流水面１５ｐの周囲の圧力が急激に低下する。このとき、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６の圧力は、入口側流水面１５ｐの周囲の圧力よりも高くなるため、入口側流水面１５ｐは、図５の破線で示すように主流の水側へせり出す。せり出しの際、入口側流水面１５ｐの形状は、その周囲の流れに沿うように変形する。
【００６１】
これにより、本実施の形態によれば、低落差側の運転であっても、第３の実施の形態と同様に、ランナ羽根１３の入口角度βｂが図中矢印Ａ２に示すように相対角度β１に近づくことで、流れ角度の不一致による剥離渦の発生が抑制される。また、入口側流水面１５ｐの形状はその周囲の流れに沿うように変形することで、入口側流水面１５ｐの前後で急激な圧力変化が生じることが緩和される。
【００６２】
一方、高落差側の運転点となった際には、図７で示したように、ランナ羽根１３へ流入する流れの相対角度β１がランナ羽根１３の入口角度βｂよりも大きくなり、流れ角度の不一致により、ランナ羽根１３において負圧面１４ｎの入口側の周囲の圧力が低下する。このとき、入口側羽根形成部材１５の内部空間１６に流入している水の圧力も低下し、入口側流水面１５ｐの周囲の圧力が、内部空間１６の水の圧力よりも高くなるため、入口側流水面１５ｐは負圧面１４ｎ側に向けてへこむ状態となる。
【００６３】
これにより、本実施の形態によれば、高落差側の運転であっても、ランナ羽根１３の入口角度βｂが相対角度β１に近づくことで、流れ角度の不一致によるキャビテーションの発生が抑制される。
【００６４】
したがって、本実施の形態によれば、キャビテーション及び剥離渦の発生を効果的に抑制して、水力機械であるフランシス水車１００の運転範囲を十分に拡大することができる。具体的に、本実施の形態によれば、図６の初生線Ｌ１１を、図中の実線の初生線Ｌ１のように、高落差側に離すことができる。また、初生線Ｌ１２を、図中の実線の初生線Ｌ２のように、低落差側に離すことができる。その結果、運転範囲を、図中の矢印α及び矢印βに示すように、より広範囲に拡大することができる。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、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。この新規な実施の形態は、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。この実施の形態やその変形は、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。
【００６６】
例えば、上述の各実施の形態では、入口側羽根形成部材１５が内部空間１６を有するが、これに代えて、入口側羽根形成部材１５は、実質的に内部空間を有さない中実状であって、その周囲の圧力変化に応じて膨張及び収縮する弾性体から形成されていてもよい。このような部材の一例としては、多孔質弾性体等が挙げられる。
【符号の説明】
【００６７】
１  ケーシング、２  ステーベーン、３  ガイドベーン、４  ランナ、５  吸出し管、６  水車主軸、７  発電機、１１  クラウン、１２  バンド、１３  ランナ羽根、１４  羽根本体、１４Ｃ  収容部、１４ｎ  負圧面、１４ｐ  圧力面、１５  入口側羽根形成部材、１５ｎ  入口側流水面、１５ｐ  入口側流水面、１６  内部空間、１８  連通路、１８Ａ  第１孔部、１８Ｂ  第２孔部、１００  フランシス水車（水力機械）。
【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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