(57)【要約】【課題】流体損失を増大すること無しに長さ寸法の短縮化が図れる円筒形プロペラ水車装置を提供する。【解決手段】この発明による円筒形プロペラ水車装置３は、従来例に対して吸出し管４を用いている。この吸出し管４は、水９９の下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状に形成されたほぼ同一長さの内側のテーパー状管４１（２５度の広がり角度２θ４１を持つ）と外側のテーパー状管４２（５０度の広がり角度２θ４２を持つ）の２個の管で構成され、これ等２個のテーパー状管は同心となる関係で配置され、両テーパー状管の間と、テーパー状管４１の内側とに水９９を通流させる。テーパー状管４２はケーシング７３と水車出口７９側の配管９との間を接続すると共に、複数のステー４３でテーパー状管４１を支持している。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の出口部分に前記水の流れの下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状の吸出し管を備えた円筒形プロペラ水車装置において、
前記吸出し管は多重に同心配置された複数のテーパー状管で構成され、それぞれの前記テーパー状管は外側に配置されるものほど大きな広がり角度を有すると共に、最も内側の前記テーパー状管の広がり角度，および隣り合うテーパー状管相互間の広がり角度の差が、前記水の流れに剥離を生じさせることのない値であることを特徴とする円筒形プロペラ水車装置。
【請求項２】
水の出口部分に前記水の流れの下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状の吸出し管を備えた円筒形プロペラ水車装置の複数台を，前記水の流れに関して前段側の円筒形プロペラ水車装置の吸出し管を介して後段側の円筒形プロペラ水車装置を接続する複数台直列接続形式の円筒形プロペラ水車装置において、
前記複数の吸出し管の一部または全部はほぼ同心に配置された複数のテーパー状管で構成され、それぞれの前記テーパー状管は外側に配置されるものほど大きな広がり角度を有すると共に、最も内側の前記テーパー状管の広がり角度，および最も内側のテーパー状管を除く前記テーパー状管とその内側に配置されるテーパー状管との間の前記広がり角度の差は、前記水の流れに剥離を生じさせることの無い値であることを特徴とする円筒形プロペラ水車装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の円筒形プロペラ水車装置において、前記最も内側のテーパー状管は、内側に前記水が通流しないように構成されることを特徴とする円筒形プロペラ水車装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、配管の途中などに設置される円筒形プロペラ水車装置に係わり、その長さ方向寸法の短縮に有効な吸出し管の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水道管，ダム放水路などの配管では、その途中や端末部などに円筒形プロペラ水車装置を設置して配管内を通流する水が持つエネルギ─の回収を図ることが一般に行われている。このような用途に用いられる円筒形プロペラ水車装置の従来例の概要を以下に図４，図５を用いて説明する。図４は配管に設置された従来の一例の円筒形プロペラ水車装置を示す構成図である。図４において、９は水道管などの配管であり、配管９内には水９９（図に白抜きの矢印で示す）が通流している。７は配管９の途中に設置された円筒形プロペラ水車装置（以降、水車装置と略称することがある）である。水車装置７はこの事例の場合にはバルブ形水車発電装置であり、水車装置本体部７Ａと吸出し管７５とを備え、水車装置本体部７Ａはプロペラ形の水車ランナー７１、水密容器７２、ケーシング７３、吸込み管７４などを備えている。
【０００３】
水車ランナー７１は水９９により駆動され、水密容器７２には水車ランナー７１で駆動される発電機などが内蔵されている。ケーシング７３は水密容器７２の外周部や水車ランナー７１周辺部の水９９の流路を形成する筒状体であり、また、水車装置７の水９９の入口である水車入口７８と水車装置７の水９９の出口である水車出口７９とは、それぞれ配管９に接続されている。吸込み管７４は水車入口７８の部位に、吸出し管７５は水車出口７９の部位にそれぞれ配置されている。水車ランナー７１にはランナーベーン７１１の基部をカバーすると共に、水車ランナー７１周辺の水９９の流れを滑らかにするために水９９の下流になる部位ほど径が小さくなるテーパー状のランナーコーン７１２が取付けられている。
【０００４】
配管９の内径は水９９の流速が３ｍ／ｓ以下になるように定められるのが一般なので、水車入口７８および水車出口７９での水９９の流速は３ｍ／ｓ以下である。しかしながら、水車ランナー７１を高効率・高回転数で運転するためには水９９のより速い流速が必要になるので、水車装置７ではケーシング７３の水車ランナー７１付近の内径は配管９の内径の１／２程度に設定されるのが一般である。このために、水車ランナー７１の出口部には、水９９の下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状にされると共に、８〜２５度前後の広がり角度２θ（θは図４を参照）を持つ吸出し管７５が配置され、水９９の流れに剥離が生じないような条件として流速をしだいに低下させた上で配管９に接続されている。
【０００５】
また図５は配管に設置された従来の異なる例の円筒形プロペラ水車装置を示す構成図である。なお以下の説明では、図４に示した従来例の円筒形プロペラ水車装置７，配管９などと同一部分には同じ符号を付しその説明を省略する。また以後の説明に用いる図中には、図４で付した符号については、極力代表的な符号のみを記すようにしている。図５において、８は、複数台（この事例の場合には２台）の円筒形プロペラ水車装置７を、水９９の流れに関して前段側の水車装置７の吸出し管７５を介して後段側の水車装置７が接続された複数台直列接続形式の水車装置である。水車装置７のようなバルブ形水車発電装置やチューブラ形水車装置は、その耐圧度の関係から適用できる落差は２０ｍ程度が限界である。このために、２０ｍを越える大きな落差に対しバルブ形水車発電装置やチューブラ形水車装置を適用する場合には、水車装置８のような複数台直列接続形式の水車装置が用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による円筒形プロペラ水車装置７，８は、配管９を通流する水９９が持つエネルギ─の回収に有効であるが、近年、次記することが問題点として指摘されるようになり、その解決が望まれている。すなわち、既設の配管９に水車装置７，８を設置する場合には、配管９に既に設けられている減圧弁設置用スペースなどに設置できることが、水車装置７，８の設置費用を抑制する上から極めて好ましい。しかしながら、水車装置７，８の全長Ｌ７　，Ｌ８　（Ｌ７　，Ｌ８　は図４，図５を参照）が長過ぎるために、水車装置７，８を既設の配管９の減圧弁設置用スペースなどに設置することが困難な場合が多い。吸出し管７５は前述のように水９９の流れに剥離が生じないように配慮されているために、単体部材としてはその全長が比較的に長く、１台の吸出し管７５の長さＬ７５（Ｌ７５は図４，図５を参照）は配管９の内径のほぼ２〜３倍程度になっている。水車装置７，８を減圧弁設置用スペースなどに設置しようとしてこの吸出し管７５の長さＬ７５を無理に短縮することは、水９９の流れに剥離が生じることによる流体損失の増大のために、水車装置７，８から回収される電力量が低減してしまうという新たな問題を招くことになっている。
【０００７】
この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされ、その目的は、流体損失を増大すること無しに長さ寸法の短縮化が図れる円筒形プロペラ水車装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明では前述の目的は、
１）水の出口部分に前記水の流れの下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状の吸出し管を備えた円筒形プロペラ水車装置において、
前記吸出し管は多重に同心配置された複数のテーパー状管で構成され、それぞれの前記各テーパー状管は外側に配置されるものほど大きな広がり角度を有すると共に、最も内側のテーパー状管の広がり角度，および隣り合うテーパー状管相互間の広がり角度の差が、前記水の流れに剥離を生じさせることのない値であること、または、
２）水の出口部分に前記水の流れの下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状の吸出し管を備えた円筒形プロペラ水車装置の複数台を，前記水の流れに関して前段側の円筒形プロペラ水車装置の吸出し管を介して後段側の円筒形プロペラ水車装置を接続する複数台直列接続形式の円筒形プロペラ水車装置において、
前記複数の吸出し管の一部または全部はほぼ同心に配置された複数のテーパー状管で構成され、それぞれの前記テーパー状管は外側に配置されるものほど大きな広がり角度を有すると共に、最も内側の前記テーパー状管の広がり角度，および最も内側のテーパー状管を除く前記テーパー状管とその内側に配置されるテーパー状管との間の前記広がり角度の差は、前記水の流れに剥離を生じさせることの無い値であること、さらにまたは、
３）前記１項または２項に記載の手段において、前記最も内側のテーパー状管は、内側に前記水が通流しないように構成されることにより達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお以下の説明では、図５に示した従来例の円筒形プロペラ水車装置８と同一部分には同じ符号を付しその説明を省略する。図１はこの発明の実施の形態の一例による円筒形プロペラ水車装置を示す構成図で、（ａ）はその側面図であり、（ｂ）は図１の（ａ）におけるＰ−Ｐ断面図である。図１において、１は、図４に示した従来例による円筒形プロペラ水車装置７に対し、吸出し管７５に代えて吸出し管２を用いるようにした円筒形プロペラ水車装置である。また、水車装置１では水車ランナー７１の出口側に吸出し管２の内側のテーパー状管２１が配設されるために、ランナーコーン７１２の形状は従来例とは若干異なっている。
【００１０】
すなわち、水車装置１のランナーコーン７１２はランナーベーン７１１の基部をカバーする役目のみを担うことになるので、テーパー状部分を持っていない。吸出し管２はこの事例の場合、ほぼ同一長さの内側のテーパー状管２１と外側のテーパー状管２２の２個のテーパー状管で構成され、これ等２個のテーパー状管は同心となる関係で配置され、両テーパー状管の間に水９９を通流させる。テーパー状管２１，２２は共に、水９９の下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状に形成されていることについては従来例の吸出し管７５と同様である。そうして、テーパー状管２１は例えば２５度の広がり角度２θ２１を持ち、ランナー７１側の端部はランナーコーン７１２の端面と対峙し、出口側の端部は内側に水９９が通流するのを阻止するために半球状体で塞がれている。
【００１１】
テーパー状管２２はケーシング７３と水車出口７９側の配管９との間を接続していることは従来例の吸出し管７５と同様であるが、例えば５０度の広がり角度２θ２２を持ち、かつ、複数のステー２３でテーパー状管２１を支持している。この事例の場合、テーパー状管２１の広がり角度２θ２１は２５度で、テーパー状管２２の広がり角度２θ２２が５０度なので、テーパー状管２２はテーパー状管２１に対して２５度の広がり角度差（テーパー状管２１の広がり角度２θ２１の値に等しい）を持っていることになる。したがって、両テーパー状管の間に形成される水９９の流路も、２５度の広がり角度を持つ。このことによって、この発明の吸出し管２では、配管９などへ直接に接続される外側のテーパー状管２２の角度を従来比で２倍としながらも、吸出し管２内に通流する水９９の流れに剥離を生じることは無い。
【００１２】
ところで、発明者らが従来技術の吸出し管７５と同様の構成を持つ吸出し管に対して実験したところでは、▲１▼２６度程度以下の広がり角度２θを持つ吸出し管は、損失水頭が小さく，水車効率の低下が少ないこと、また、▲２▼５０度の広がり角度２θを持つ吸出し管では、水９９の流れに大きな剥離が生じて損失水頭が増大し，水車効率が低下すること、が確認されている。この実験結果を基に発明者らは、複数のテーパー状管を２６度程度以下の広がり角度差を持たせて多重に組合わせた吸出し管を持つこの発明の円筒形プロペラ水車装置に到達した。すなわち、この発明の吸出し管２では吸出し管内を通流する水９９の流れに剥離が生じることは無いので損失水頭を従来例の場合と同等に維持でき、しかも、テーパー状管２２が大きな広がり角度（例えば２θ２２）を持つことで、長さが短縮された吸出し管を得ることができる。
【００１３】
図１に示すこの発明の実施の形態の一例による円筒形プロペラ水車装置１では前述の構成としたので、従来例の水車装置７と同等の流体損失を維持しながら、吸出し管２の長さ寸法Ｌ２　（Ｌ２　は図１を参照）を、水車装置７の吸出し管７５（ここでは吸出し管７５の広がり角度２θを２５度として説明する）の長さ寸法Ｌ７５に対して次記のように短縮することができる。配管９の内径をＤと置くとＬ７５−Ｌ２　は、Ｌ７５−Ｌ２　＝（Ｄ／２）（　ｃｏｔ１２．５度−ｃｏｔ２５度）≒１．２Ｄとして求められる。すなわち、この発明の水車装置１は、前記したように吸出し管の長さ寸法Ｌ２　を従来例の水車装置７の場合に対してほぼ１／２に短縮でき、この分その全長Ｌ１　を水車装置７の全長Ｌ７　に対して短縮できる。これにより水車装置１を既設の配管９に設置する場合、その設置費用を大幅に抑制する上で好ましい減圧弁設置用スペースなどへの設置の可能性を大幅に増大できる。
【００１４】
次に、図２を用いてこの発明の実施の形態の異なる例による円筒形プロペラ水車装置を説明する。図２はこの発明の実施の形態の異なる例による円筒形プロペラ水車装置を示す構成図で、（ａ）はその側面図であり、（ｂ）は図２の（ａ）におけるＲ−Ｒ断面図である。図２において、３は、図４に示した従来例による円筒形プロペラ水車装置７に対し、吸出し管７５に代えて吸出し管４を用いるようにした円筒形プロペラ水車装置である。吸出し管４はこの事例の場合、ほぼ同一長さの内側のテーパー状管４１と外側のテーパー状管４２の２個のテーパー状管で構成され、これ等２個のテーパー状管は同心となる関係で配置され、両テーパー状管の間と、テーパー状管４１の内側とに水９９を通流させる。
【００１５】
テーパー状管４１，４２は共に、水９９の下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状に形成されていることについては従来例の吸出し管７５と同様である。そうして、テーパー状管４１は例えば２５度の広がり角度２θ４１を持つ。テーパー状管４２はケーシング７３と水車出口７９側の配管９との間を接続していることは従来例の吸出し管７５と同様であるが、例えば５０度の広がり角度２θ４２を持ち、かつ、複数のステー４３でテーパー状管４１を支持している。この事例の場合、テーパー状管４１の広がり角度２θ４１と、テーパー状管４２の広がり角度２θ４２とのこの関係は、前記した水車装置１のテーパー状管２１の広がり角度２θ２１と，テーパー状管２２の広がり角度２θ２２との関係と全く同一である。
【００１６】
図２に示すこの発明の実施の形態の異なる例による円筒形プロペラ水車装置３では前述の構成としたので、水車装置１の場合と同様に吸出し管４の長さ寸法Ｌ４　（Ｌ４　は図２を参照）を従来例の水車装置７の場合に対してほぼ１／２に短縮でき、この分その全長Ｌ３　（Ｌ３　は図２を参照）を水車装置７の全長Ｌ７　に対して短縮できる。これにより水車装置３は、既設の配管９に設置しようとする場合に、水車装置１の場合と全く同様の利点を持つ。水車装置３はこのことに加えて、テーパー状管４１の内側にも水９９を通流できることで、吸出し管部分の水９９の平均流速を水車装置１の場合よりも低減できて、吸出し管部分の流体損失を減少できる。これにより、水車装置３は水車装置１の場合よりも水車効率の向上を図れるという特徴を持つことができる。
【００１７】
最後に、図３を用いてこの発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形プロペラ水車装置を説明する。図３はこの発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形プロペラ水車装置を示す構成図である。図３において５は、図５に示した従来例による円筒形プロペラ水車装置８と同様に２台の円筒形プロペラ水車装置７を直列接続した形式の水車装置であり、水車装置８に対し、前段側の水車装置本体部７Ａと組み合わされる吸出し管７５に代えて吸出し管６を用いるようにした円筒形プロペラ水車装置である。水車装置５では前段側の水車装置本体部７Ａの水車ランナー７１の出口側に吸出し管６の内側のテーパー状管６１が配設されるために、ランナーコーン７１２の形状は水車装置１の場合と同様の構成になっている。
【００１８】
吸出し管６はこの事例の場合、ほぼ同一長さの内側のテーパー状管６１と外側のテーパー状管６２の２個のテーパー状管で構成され、これ等２個のテーパー状管は同心となる関係で配置され、両テーパー状管の間に水９９を通流させる。テーパー状管６１，６２は共に、水９９の下流になる部位ほど径が大きくなるテーパー状に形成されていることについては従来例の吸出し管７５と同様である。そうしてこの事例の場合、テーパー状管６１は例えば２５度の広がり角度２θ６１を持ち、ランナー７１側の端部はランナーコーン７１２の端面と対峙し、水９９の下流側の端部は，後段側の水車装置本体部７Ａの水密容器７２の水９９の上流側の端部部分と接合している。
【００１９】
テーパー状管６１の場合、内側に水９９が通流するのを阻止する構成体の役目を後段側の水車装置本体部７Ａの水密容器７２に負わせている。テーパー状管６２は前段側の水車装置本体部７Ａのケーシング７３と，後段側の水車装置本体部７Ａのケーシング７３との間を接続する。このことは、従来例の水車装置８の前段側の吸出し管７５の場合と同様であるが、テーパー状管６２は例えば５０度の広がり角度２θ２２を持ち、かつ、複数のステー６３でテーパー状管６１を支持している。そうしてこの事例の場合、テーパー状管６１の広がり角度２θ６１と，テーパー状管６２の広がり角度２θ６２との関係は、前記した水車装置１のテーパー状管２１の広がり角度２θ２１と，テーパー状管２２の広がり角度２θ２２との関係と全く同一である。
【００２０】
図３に示すこの発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形プロペラ水車装置５では前述の構成としたので、水車装置１の場合と同様に吸出し管６の長さ寸法Ｌ６　（Ｌ６　は図３を参照）を従来例の水車装置８の場合に対してほぼ１／２に短縮でき、吸出し管６の長さ寸法が短縮される分その全長Ｌ５　（Ｌ５　は図３を参照）を従来例の水車装置７の全長Ｌ７　に対して短縮できる。これにより水車装置５は、既設の配管９に設置しようとする場合に、水車装置１の場合と全く同様の利点を持つことができる。
【００２１】
図３を用いた前述の説明ではこの発明による吸出し管は前段側の水車装置本体部７Ａに適用するとしたが、水車装置の設置対象の必要によっては前段側の水車装置本体部７Ａの吸出し管に代えて、後段側の水車装置本体部７Ａの吸出し管に適用することが可能であり、また、全ての水車装置本体部７Ａの吸出し管に適用することも可能である。また図３では、水車装置３に設置される水車装置本体部７Ａの台数は２台であるとしたが、水車装置本体部７Ａの設置台数が３台以上の場合であってもこの発明による吸出し管を適用可能である。
【００２２】
前述の説明では、円筒形プロペラ水車装置１〜３は配管９の途中に設置されるとしてきたが、配管９の上流側または下流側の端末部分に設置する水車装置にも適用が可能である。また前述の説明では、内側のテーパー状管２１，４１，６１のそれぞれの広がり角度および、前記内側のテーパー状管と外側のテーパー状管２２，４２，６２とのそれぞれの広がり角度差は２５度であるとしてきたが、水９９の流れに剥離が生じないような条件（２６度程度以下）であれば適宜の角度値または角度差値の適用が可能である。さらにまた、前述の説明では、円筒形プロペラ水車装置１〜３に設置される吸出し管２，４，６のそれぞれは、ほぼ同心に配置された２個のテーパー状管で構成されるとしてきたが、この発明による吸出し管を３個以上のテーパー状管で構成することも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
この発明による円筒形プロペラ水車装置では、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、次記する効果を得られる。
【００２４】
▲１▼前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第（２）項による構成とすることで、吸出し管に通流する水に剥離を発生すること無しに、したがって、流体損失を増大すること無しに吸出し管の広がり角度の増大が可能になる。このことによって、吸出し管の長さ寸法の短縮が可能になる。例えば、この発明の吸出し管の内側のテーパー状管および従来例の吸出し管の広がり角度を２５度とし、この発明の吸出し管の外側のテーパー状管の内側のテーパー状管との広がり角度の差を２５度とした場合に、この発明の吸出し管の長さ寸法は従来例に対してほぼ１／２に短縮できる。そうしてこの発明の水車装置は、この吸出し管の短縮の分だけその全長を短縮できて、設置費用抑制の点などで有利な減圧弁設置用スペースなどへの水車装置の設置の可能性を大幅に増大できる。また、
▲２▼前記課題を解決するための手段の項の第（３）項による構成とすることで、例えば複数台直列接続形式の円筒形プロペラ水車装置の場合の中間部に設置される吸出し管にもこの発明の吸出し管の採用が可能になり、前記▲１▼項による効果を持つこの発明の吸出し管の適用対象の拡大が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の一例による円筒形プロペラ水車装置を示す構成図で、（ａ）はその側面図、（ｂ）は図１の（ａ）におけるＰ−Ｐ断面図
【図２】この発明の実施の形態の異なる例による円筒形プロペラ水車装置を示す構成図で、（ａ）はその側面図、（ｂ）は図２の（ａ）におけるＲ−Ｒ断面図
【図３】この発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形プロペラ水車装置を示す構成図
【図４】従来の一例の円筒形プロペラ水車装置を示す構成図
【図５】従来の異なる例の円筒形プロペラ水車装置を示す構成図
【符号の説明】
３　　円筒形プロペラ水車装置
４　　吸出し管
４１　テーパー状管
４２　テーパー状管
４３　ステー
７３　ケーシング
７９　水車出口
９　　配管
９９　水
【図１】
2004068641.tif 000003
【図２】
2004068641.tif 000004
【図３】
2004068641.tif 000005
【図４】
2004068641.tif 000006
【図５】
2004068641.tif 000007