(57)【要約】【課題】水力機械のシール部９出口から吸出し管６の主流へ流出させた場合の流動損失を低減する。【解決手段】鉛直方向の回転軸２と、回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根および羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンド１ｂを有するランナ１と、ランナバンドの下側を覆う環状の下カバ７と、下カバの下方に延びる吸出し管と、を有するフランシス形水力機械において、ランナバンドと下カバの間に環状の側圧室８が形成され、側圧室から吸出し管へ導く第１の連通流路９の出口部が、ランナを通って吸出し管を流れる流れαの方向に対して鋭角を成す。【選択図】  図１
2004308461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを有するランナと、前記ランナバンドの下側を覆う環状の下カバと、この下カバの下方に延びる吸出し管と、を有するフランシス形水力機械において、
前記ランナバンドと前記下カバの間に環状の側圧室が形成され、前記ランナバンドのバンド面と前記下カバの静止壁により前記側圧室の下側出口部に形成されるシール部が、前記回転軸を含む断面でその内周端にかけて下方に傾斜するように構成されていること、
を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項２】
請求項１に記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記回転軸を含む断面での傾斜角は前記回転軸に対して４５度以下であって、しかも、前記シール部の最小流路面積は前記ランナの出口直径から決まるランナ出口面積の０．５％以下であること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフランシス形水力機械において、前記ランナは前記回転軸に対して着脱可能であって、前記ランナを前記回転軸から切り離して下方に移動して前記下カバ上で支持するとき、前記ランナバンドの、前記シール部以外の部分で前記ランナの荷重を支持するように構成されていること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記静止壁を形成する可動部が前記下カバに取り付けられており、前記ランナが前記回転軸に結合しているときに前記可動部を動かして前記シール部の幅を調整できるように構成されていること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記ランナは、このランナを取り出して平坦な面の上に載置したときに前記ランナの荷重を支持する脚を有すること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記側圧室の前記下カバ側に、前記回転軸に対して半径方向に複数のリブを有すること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項７】
鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを有するランナと、前記ランナバンドの下側を覆う環状の下カバと、この下カバの下方に延びる吸出し管と、を有するフランシス形水力機械において、
前記ランナバンドと前記下カバの間に環状の側圧室が形成されるとともに、前記ランナバンドのバンド面と前記下カバの静止壁により前記側圧室の下側出口部にシール部が形成され、前記下カバの静止壁にはシール部出口と前記吸出し管上部とを連通する連通流路が設けられていること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項８】
請求項７に記載のフランシス形水力機械において、前記ランナバンドの下端には水平の水平下端面が形成され、前記シール部出口には前記ランナバンドの水平下端面とこれに対峙する前記下カバの静止壁により円板状の狭小流路が形成され、前記連通流路の最小流路面積の合計が前記狭小流路の前記回転軸に平行な円筒面での最小断面積の２倍以上であること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項９】
請求項７または８に記載のフランシス形水力機械において、前記連通流路は環状であって、周方向に互いに間隔をあけて放射状に設けた複数のリブで仕切られていること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項１０】
請求項９に記載のフランシス形水力機械において、前記リブは、前記連通流路に沿った周方向断面にて前記吸出し管側から見て前記ランナの水車運転時の回転方向と逆の方向に傾斜していること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項１１】
請求項７または８に記載のフランシス形水力機械において、前記連通流路は、少なくとも前記吸出し管との接続部で前記ランナの水車運転時の回転方向に傾斜していること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項１２】
請求項１ないし６のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記静止壁側に、空気を注入する開口部を設けたこと、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項１３】
請求項１２に記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記バンド面と前記静止壁の間の間隔は、前記開口部で他の部分よりも狭くなっていること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【請求項１４】
鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを有するランナと、前記ランナバンドの外側を覆う環状の下カバと、この下カバの下方に延びる吸出し管と、を有するフランシス形水力機械において、
前記ランナバンドの下端部に、前記下カバの最小内径よりも小さな最大外径の着脱可能な円環状部材を有し、前記円環状部材の外面と前記下カバの静止壁によって、前記ランナバンドと前記下カバの間に形成される環状の側圧室の下側出口部にシール部を形成すること、を特徴とするフランシス形水力機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフランシス形水力機械に関し、特に、立軸で、ランナバンドと下カバの間に側圧室が形成されるフランシス形水力機械の、流動損失の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は、従来のフランシス形ランナを有する立軸の水車、ポンプ、ポンプ水車等の水力機械の説明図であり、ランナ回転軸を含む平面で切断した断面図である。ランナ（羽根車）１は、その上方の主軸２に結合しており、さらに、主軸２はその上方の発電機（図示せず）とつながっている。水車運転時に、図示していない上池からの水がケーシング３に導かれ、ステーベーン４の間を通り、ガイドベーン５で整流され、主流は矢印αのようにランナ１に外側から流入する。主流αはランナ１からその下方の吸出し管６を経て、図示しない放水庭に放出される。
【０００３】
図中の１ｂはランナバンドである。水車などを保守のために回転軸２から取り外す際、ランナ１の自重を、装置に組み込んだまま下カバ７により支えることや、分解・組立時に単独で支えるため、ランナバンド１ｂの下端面である出口側端面１ａは回転軸２に対し垂直方向に平坦であり、ランナの自重に耐えうるのに十分な面積を有した構造とするのが一般的である。
【０００４】
また、ランナ１の下側の下カバ７とランナバンド１ｂとで囲まれる環状の隙間は側圧室８と呼ばれており、ガイドベーン５を出た高圧流体の一部がランナ１に流入することなく、主流αとは別にこの側圧室８を通り、上部吸出し管６に流出する。こうした流れは漏れ流れと呼ばれ、本来はランナ１を通り、ランナ１にエネルギーを与えることができる流水が、仕事をしないで吸出し管６に流出し水力機械の損失になる。このため、こうした漏れ流れをできる限り抑制するために、ランナ１と下カバ７との間にシール部９が設けられている。
【０００５】
従来の構造では、側圧室８およびシール部９を通過した流体がランナ内部を通過した主流αと再び合流する場合、回転軸を含む平面で切断した断面上では、漏れ流れは、ランナバンド１ｂの平坦な水平下端面１ａと吸出し管６の入口側上面との間から、矢印βのように上部吸出し管６の中心に向かって主流αとほぼ垂直の水平方向に噴出し、主流αに衝突してから合流される。このため、吸出し管内の流れを乱すことになり流動損失が発生する。
【０００６】
この流動損失を改善することを目的とした従来の技術として、吸出し管の入口径をランナ出口径の１．００５〜１．０５倍としてランナバンド出口端外径より小さくする構造とするものが知られている。（例えば、特許文献１参照。）また、ポンプ特性を改善するために側圧室から吸出し管への流出による主流の影響を緩和する構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭５９−７０３０号公報
【特許文献２】
特公昭５３−１１６１６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、側圧室出口シール部から直接主流壁面へ流出し合流させることにより流動損失低減を図る方法は知見されない。そこで本発明では、羽根がランナバンドで覆われているフランシス形ランナを有し、ランナバンドと静止部との間に環状流路である側圧室と出口シール部を形成する水力機械において、シール部出口から直接吸出し管の主流へ流出させた場合における流動損失を低減することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１の発明は、鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを有するランナと、前記ランナバンドの下側を覆う環状の下カバと、この下カバの下方に延びる吸出し管と、を有するフランシス形水力機械において、前記ランナバンドと前記下カバの間に環状の側圧室が形成され、前記ランナバンドのバンド面と前記下カバの静止壁により前記側圧室の下側出口部に形成されるシール部が、前記回転軸を含む断面でその内周端にかけて下方に傾斜するように構成されていること、を特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明によれば、シール部を通過した漏れ流れが上部吸出し管流路に流出する方向は、上部吸出し管内の流れの方向に近く、上部吸出し管内の流体を乱すことが少なく、合流に伴う流動損失を低減することができる。
【００１１】
また、請求項２の発明は、求項１に記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記回転軸を含む断面での傾斜角は前記回転軸に対して４５度以下であって、しかも、前記シール部の最小流路面積は前記ランナの出口直径から決まるランナ出口面積の０．５％以下であること、を特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の作用・効果を得られるほか、より顕著な効果を得られる。すなわち、通常、側圧室を通過する流体の流量はシールの効果からランナ内を通過する流量の０．３〜０．５％といわれており、０．５％以下の出口流路面積とした場合、シール部出口から流出する流体の速度をほぼランナ出口から流出する流体の速度と等しくすることができる。また流れの角度に関しても、ランナ内部から上部吸出し管へ流出する流体の方向と一致させるか、もしくはこれと近い角度にすることができるため、上部吸出し管内の流れを乱すことなく合流させることができる。
【００１３】
また、シール部の流路の角度を回転軸に対して４５度以下とすると、上部吸出し管内の流れと直角な速度成分は、シール部から流出する流体の速度の０．７倍以下にすることができるため、従来の水力機械と比較して上部吸出し管内の流れを乱す程度を小さく抑えることが可能となる。
【００１４】
また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載のフランシス形水力機械において、前記ランナは前記回転軸に対して着脱可能であって、前記ランナを前記回転軸から切り離して下方に移動して前記下カバ上で支持するとき、前記ランナバンドの、前記シール部以外の部分で前記ランナの荷重を支持するように構成されていること、を特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明の作用・効果を得られるほか、回転軸からランナを分離するため回転軸の下方（吸出し管側）へランナのみを移動した際に、ランナバンドのうちシール部を形成するバンド面が側圧室静止壁に接触する前にランナバンドの他の部分が側圧室静止壁と接触する。このため、ランナの自重を支えるのはシール部を形成するバンド面ではなくなるため、ランナバンドのうちシール部を形成するバンド面の部分を加工上可能な限り薄くしてシール部の流路と回転軸のなす角を小さくすることができるので、シール部を通過した漏れ流れとランナ内部からの流れが合流する際の混合損失を低減することができる。
【００１６】
また、請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記静止壁を形成する可動部が前記下カバに取り付けられており、前記ランナが前記回転軸に結合しているときに前記可動部を動かして前記シール部の幅を調整できるように構成されていること、を特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明によれば、回転軸からランナを分離するため回転軸の下方（吸出し管側）へランナのみを移動させるのに先立って可動部を下方に移動させておくことによって、ランナバンドのうちシール部を形成するバンド面が側圧室静止壁に接触する前にランナバンドの他の部分が側圧室静止壁と接触するようにできる。このため、ランナの自重を支えるのはシール部を形成するバンド面ではなくなるため、ランナバンドのうちシール部を形成するバンド面の部分を加工上可能な限り薄くしてシール部の流路と回転軸のなす角を小さくすることができるので、シール部を通過した漏れ流れとランナ内部からの流れが合流する際の混合損失を低減することができる。また、シール部の幅、すなわちシールギャップの調整がランナ組み込み状態で可能となり、より適切なシールギャップを確保可能となる。
【００１８】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記ランナは、このランナを取り出して平坦な面の上に載置したときに前記ランナの荷重を支持する脚を有すること、を特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明によれば、請求項１ないし４の発明の作用・効果を得られるほか、製造段階等でランナを単独で作業場に置く場合、この脚部の最下端に設けられた平面部分をそのまま作業場の床面に置くことができる。また、この脚部をランナバンドの周方向に沿って全周に設けることとすれば、側圧室のシール部までの流路において、その流路の方向が下向きから上向きへ途中で大きく変化する。このため、側圧室内の流動損失を大きくできるので、漏れ流れとなって側圧室を通過する流体の流量が減少することとなり、漏れ損失が低減される。
【００２０】
また、請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記側圧室の前記下カバ側に、前記回転軸に対して半径方向に複数のリブを有すること、を特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明によれば、請求項１ないし５のいずれかの発明の作用・効果を得られるほか、次の効果が得られる。すなわち、側圧室の流体はランナの回転方向の角運動量を有しているが、側圧室内に設置されたリブ（羽根）により、そのランナの回転方向の角運動量は減少させられ、シール部出口から上部吸出し管へ流出する際に流体が有しているランナ回転方向の角運動量はほとんど零になる。一般に設計点付近ではランナ内部から上部吸出し管に流出する流体のランナ回転方向の角運動量はほぼ零なので、シール部から流出する流体のランナ回転方向の角運動量が零であれば、上部吸出し管内の流れを乱す作用が減るため上部吸出し管の流動損失をますます低減することができる。また、リブにより側圧室内で大きな流動損失が発生し、その結果、側圧室を通過する流体の流量が減少することとなり、漏れ損失が低減される。
【００２２】
また、請求項７の発明は、鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを有するランナと、前記ランナバンドの下側を覆う環状の下カバと、この下カバの下方に延びる吸出し管と、を有するフランシス形水力機械において、前記ランナバンドと前記下カバの間に環状の側圧室が形成されるとともに、前記ランナバンドのバンド面と前記下カバの静止壁により前記側圧室の下側出口部にシール部が形成され、前記下カバの静止壁にはシール部出口と前記吸出し管上部とを連通する連通流路が設けられていること、を特徴とする。
【００２３】
請求項７の発明によれば、ランナバンド自体は従来のものを使用したまま、請求項１の発明とほぼ同様な作用・効果を得ることができる。すなわち、側圧室からシール部を通過した漏れ流れを連通流路を介して上部吸出し管に流出させることで、漏れ流れが上部吸出し管内に流出する方向を上部吸出し管内の流れの方向に近くして上部吸出し管内の流体の流れを乱さず、合流に伴う流動損失を低減することができる。さらに、ランナバンドは従来のものと同様に低圧側の端面はランナの回転軸と垂直な面であるため、ランナ加工時または主軸から分離した時、ランナを置くための特別な措置は不要となる。
【００２４】
また、請求項８の発明は、請求項７に記載のフランシス形水力機械において、前記ランナバンドの下端には水平の水平下端面が形成され、前記シール部出口には前記ランナバンドの水平下端面とこれに対峙する前記下カバの静止壁により円板状の狭小流路が形成され、前記連通流路の最小流路面積の合計が前記狭小流路の前記回転軸に平行な円筒面での最小断面積の２倍以上であること、を特徴とする。
【００２５】
請求項８の発明によれば、請求項７の発明の作用・効果を得られるほか、円板状の狭小流路の流路断面積に対して連通流路の流路断面積を大きく取ることから、シール部を通過した漏れ流れが狭小流路を通過して上部吸出し管内に合流することを防ぎ、漏れ流れが上部吸出し管内に連通流路を介して流出するようにして合流に伴う流動損失の低減効果を十分に得ることができる。
【００２６】
また、請求項９の発明は、請求項７または８に記載のフランシス形水力機械において、前記連通流路は環状であって、周方向に互いに間隔をあけて放射状に設けた複数のリブで仕切られていること、を特徴とする。
【００２７】
請求項９の発明によれば、請求項７または８の発明の作用・効果を得られるほか、連通流路内の流れの周方向成分を抑制することができ、このため、上部吸出し管内の流れが乱される程度が低減され、流動損失が減少する。
【００２８】
また、請求項１０の発明は、請求項９に記載のフランシス形水力機械において、前記リブは、前記連通流路に沿った周方向断面にて前記吸出し管側から見て前記ランナの水車運転時の回転方向と逆の方向に傾斜していること、を特徴とする。
【００２９】
請求項１０の発明によれば、請求項９の発明の作用・効果を得られるほか、次のような効果がある。すなわち、側圧室内に流入した流体はランナ回転方向の角運動量を持つため、シール部を通過してリブで仕切られた連通流路に流入する流体もランナ回転方向の角運動量を持っている。このため、リブが、リブの後端から見てランナ回転方向と逆の方向に傾いてれば、連通流路の入口部付近でのリブの傾きと流入してくる流体の方向を一致させることで流動損失を低減できる。
【００３０】
また、請求項１１の発明は、請求項７または８に記載のフランシス形水力機械において、前記連通流路は、少なくとも前記吸出し管との接続部で前記ランナの水車運転時の回転方向に傾斜していること、を特徴とする。
【００３１】
請求項１１の発明によれば、請求項７または８の発明の作用・効果を得られるほか、次のような効果がある。すなわち、連通流路の流路に沿った軸の吸出し管側への出口部がランナの回転方向に傾いているため、シール部を通過した漏れ流れが連通流路を介して吸出し管へ流出する際に、ランナの回転方向の周方向速度成分を持って合流することになる。上部吸出し管は一般に下流側に流路面積が拡大する円筒管になっており、壁面側でわずかな旋回流れを持っている方が拡大流れに発生し易い剥離流れを抑制することができる。特に、最高効率点近傍の運転点では、ランナから吸出し管へ流入する流れは旋回成分を持たないため、連通流路から流出する流れによって旋回成分を発生させることによってこの場合に上部吸出し管にて発生し易い剥離流れを抑制することができる。
【００３２】
また、請求項１２の発明では、請求項１ないし６のいずれかに記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記静止壁側に、空気を注入する開口部を設けたこと、を特徴とする。
【００３３】
請求項１２の発明によれば、請求項１ないし６のいずれかの発明の作用・効果を得られるほか、次のような効果がある。すなわち、シール部の静止壁側に設けられた開口部より注入された空気は漏れ流れとともに上部吸出し管へ流出するが、ランナ内部から上部吸出し管へ流出してくる流体とスムーズに混合するため、空気を注入することによる流体の乱れ、また、それによる水圧脈動、振動騒音の増加を発生させることがない。
【００３４】
また、請求項１３の発明は、請求項１２に記載のフランシス形水力機械において、前記シール部の前記バンド面と前記静止壁の間の間隔は、前記開口部で他の部分よりも狭くなっていること、を特徴とする。
【００３５】
請求項１３の発明によれば、請求項１２の発明の作用・効果を得られるほか、次のような効果がある。すなわち、空気注入用開口部のある部分の流路面積が小さくなっているのでここで流速が増加し、その結果、動圧の増加に相当する分、圧力が低下する。シール部出口バンド面と下カバ静止壁で形成される狭小な流路の流体の圧力はほぼ上部吸出し管内の圧力と等しいため、開口部の流体の圧力は上部吸出し管内の圧力より低くなる。そのため、開口部に配管を接続し大気中に開口させれば、大気中の空気を前記開口部より吸引することができる。こうした作用を用いれば、水力機械の吸出し管内で発生する水圧脈動、振動、騒音を低減することができる。
【００３６】
また、請求項１４の発明は、鉛直方向の回転軸と、前記回転軸の下方に取り付けられ、複数の羽根およびそれらの羽根の端部下側を互いに周方向に結合する環状のランナバンドを有するランナと、前記ランナバンドの外側を覆う環状の下カバと、この下カバの下方に延びる吸出し管と、を有するフランシス形水力機械において、前記ランナバンドの下端部に、前記下カバの最小内径よりも小さな最大外径の着脱可能な円環状部材を有し、前記円環状部材の外面と前記下カバの静止壁によって、前記ランナバンドと前記下カバの間に形成される環状の側圧室の下側出口部にシール部を形成すること、を特徴とする。
【００３７】
請求項１４の発明によれば、シール部を通過した漏れ流れが上部吸出し管流路に流出する方向は、上部吸出し管内の流れの方向と一致させることができるため、上部吸出し管内の流体の流れを乱すことがなく、合流に伴う流動損失を低減することができる。また、円環状部材が着脱自在であって、下カバの内側を上下に移動することができるので、例えば、分解・組立時にランナを平坦な場所に仮置きする場合は円環状部材を外しておき、ランナを下カバの内側に設置した状態で円環状部材を着脱することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１４を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。ここで、従来技術あるいは互いに共通または類似の部分には同じ符号を付して、重複説明は適宜省略する。
【００３９】
図１および図２に本発明の第１の実施の形態を示す。この実施の形態では、従来の、側圧室８とシール部９を通過した漏れ流れが、ランナ１の内部を通過した主流αと再び合流する場合において、ランナ回転軸２を含む平面で切断した場合のシール部断面形状を、図１のようにランナの高圧側に傾けている。
【００４０】
図２に詳細に示すように、この実施の形態では、上部吸出し管６につながるシール部９の出口部において、ランナ回転軸を含む平面で切断した際の断面中心線がランナの回転軸と交差する角度θが、例えば３０度である。この角度θは鋭角すなわち９０度未満であることが必須要件であるが、好ましくは４５度以下である。
【００４１】
さらに、シール部９出口の最小流路面積Ａｓについては、ランナ出口直径から決まるランナ出口面積Ａｅに対して例えば０．５％とする。最小流路面積Ａｓは、シール効果を加味した漏れ流量により決定し、シール効果が大きく漏れ流量が少ない場合では最小流路面積Ａｓはさらに小さくする。
【００４２】
この実施の形態においては、側圧室８とシール部９を通過する流体の流量がランナ１を通過する流量の０．５％としており、前記のような環状流路出口の流路面積ならば環状流路から流出する漏れ流れβの速度はほぼランナ出口から流出する主流αの速度と等しくなる。また、流れ角度に関しても、ランナ１内部から上部吸出し管６へ流出する流れ方向と近い方向であるため、上部吸出し管６の流れを乱すことなく合流することができる。
【００４３】
このように、第１の実施の形態によれば、合流する主流αと漏れ流れβの流速をほぼ等しくすることにより、漏れ流れβによって主流αの流れは乱されることなく、合流に伴う流動損失を低減できる。
【００４４】
図３に本発明の第２の実施の形態を示す。この実施の形態でも、前記実施の形態と同様に、上部吸出し管６につながる側圧室８の出口部が、回転軸を含む平面で切断した際の断面中心線は、回転軸と直角ではなく、ランナ１の高圧側に対して傾いている。この実施の形態では、ランナバンド１ｂの外周上に円環状の張出し部１０が設けられている。図３（ａ）に示すように、張出し部１０の下面と対向するように、下カバ７の内側に、上向きの平坦部３０が環状に形成されている。
【００４５】
ランナバンド１ｂの張出し部１０の下面と下カバ７の平坦部３０の上面の間の鉛直方向の間隙Ｌ２は、シール部９のランナバンド１ｂと下カバ７のの間の鉛直方向の間隙Ｌ１よりも小さい。このため、回転軸２からランナ１を分離してランナ１のみを下方へ移動した際に、ランナバンド１ｂのシール面が下カバ７の壁面に接触する前に、張出し部１０と平坦部３０が接触して、この接触部を通じて、ランナ１の自重が下カバ７で支持される。
【００４６】
その結果、分解・組立時にランナ１の自重を支えるのはランナ１の出口部ではなくなるため、ランナバンド１ｂの出口部は加工上可能な限り薄くすることが可能となる。そのため、側圧室からの流れとランナ内部からの流れが合流する際の混合損失をさらに低減することができる。また、図３（ｂ）に示すように、加工、仕上げ時にランナのみを単独で置く場合、ランナバンド１ｂの張出し部１０を治具１１等に載せることができる。
【００４７】
このように、第２の実施の形態によれば、ランナバンド１ｂの下端部の断面形状をさらに薄い鋭利な形状とすることで、ランナバンド１ｂの出口部後方において流れに生じるランナバンド１ｂの出口部からの流れの剥離による圧力損失、および側圧室８からの流れとランナ１内部からの流れが合流する際の混合損失を低減することができ、さらに上部吸出し管６の流れの流動損失を低減することができる。また、分解・組立時には、ランナ１を面圧の低い平行な平面部分で支持することにより、ランナバンド１ｂ、下カバ７の双方を傷付けることなくランナ１を主軸から分解した状態で保持できる。また、加工、仕上げ時にランナ１のみを単独で置く場合に冶具１１を用い安定して加工、仕上げ作業を行うこともできる。
【００４８】
図４に本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態でも、前記各実施の形態と同様に、上部吸出し管６につながる側圧室８の出口部が、回転軸を含む平面で切断した際の断面中心線は、回転軸と直角ではなく、ランナ１の高圧側に対して傾いている。この実施の形態では、回転軸２からランナ１を分離するために回転軸２の下方（上部吸出し管６側）へランナ１のみを移動した際に、ランナバンド１ｂのシール部９はシールギャップが小さいとすぐに接触してしまうため、シール部９の静止部１２を上下に移動可能の構成している。
【００４９】
このため、分解・組立時にランナ１の自重を支えるのはランナ１の出口部ではない他の部分とすることができ、ランナバンド１ｂの出口部は加工上可能な限り薄くすることが可能となる。また、シールギャップについても組立時に調整することができる。そのため、側圧室８からの流れとランナ１の内部からの流れが合流する際の混合損失をさらに低減することができ、また、適正なシールギャップ調整が可能であることから、シールギャップを大きくするような組込みによる漏れ損失増大や、小さ過ぎることにより発生する振動を避けることができる。
【００５０】
このように、第３の実施の形態によれば、ランナバンド１ｂの断面形状をさらに薄い鋭利な形状とすることで、ランナバンド１ｂの出口部後方において流れに生じるランナバンド１ｂの出口部からの流れの剥離による圧力損失、および側圧室８からの流れとランナ内部からの流れが合流する際の混合損失を低減することができ、上部吸出し管の流れの流動損失を低減することができる。また、シールギャップを組立時に調整することができることから、組立時のシールギャップ状態に起因する漏れ損失の増大や振動の発生を避けることができる。
【００５１】
さらに、分解・組立時には、第２の実施の形態と同様にランナ１を面圧の低い平行な平面部分で接触することにより、ランナバンド１ｂ、下カバ７の双方を傷付けることなくランナ１を主軸から分解した状態で保持できる。また、加工、仕上げ時にランナ１のみを単独で置く場合に冶具１１を用い安定して加工、仕上げ作業を行うこともできる。
【００５２】
図５に本発明の第４の実施の形態を示す。この実施の形態でも、前記各実施の形態と同様に、上部吸出し管６につながる側圧室８の出口部が、回転軸を含む平面で切断した際の断面中心線は、回転軸と直角ではなく、ランナ１の高圧側に対して傾いている。この実施の形態ではさらに、ランナ１のランナバンド１ｂの外周の途中から下方に延びる環状の脚３２を有し、脚３２の最下部には水平下端部１ａを有する。また、下カバ７には、脚３２を受け入れる環状溝３４が形成され、環状溝３４の底部には、水平下端部１ａを支持する水平受け面３３が形成されている。
【００５３】
この実施の形態によれば、分解・組立時のランナ１の自重は、水平下端部１ａで保持される。このため、第２、第３の実施の形態（図３、図４）と同様に、ランナバンド１ｂの出口部を加工上可能な限り薄くすることが可能となる。また、製造段階等でランナ１を単独で作業場に置く場合、ランナバンドの水平下端部１ａをそのまま作業場の床面に置くことができる。
【００５４】
このように、第４の実施の形態によれば、側圧室８から流出する流体がランナ１内部から上部吸出し管６へ流出する流れを乱さないとともに、冶具等の補助具を用いることなしに、ランナバンドの水平下端面１ａを用いて、作業場に単独で置くことができ、作業性とコスト面で有利である。また、側圧室８のシール部までの流路において、その流路の方向が下向きから上向きへ途中で大きく変化する。このため、側圧室８内で大きな流動損失が発生し、その結果、側圧室８を通過する流体の流量が減少することとなり、漏れ損失が低減される。
【００５５】
図６に本発明の第５の実施の形態を示す。この実施の形態でも、前記各実施の形態と同様に、吸出し管６につながる側圧室８の出口部の、回転軸２を含む平面で切断した際の断面中心線が、回転軸２と直角ではなく、ランナ１の高圧側に対して傾いている。この実施の形態ではさらに、側圧室８の下カバ７の壁面にランナバンド１ｂと接触することなく、かつ回転軸２に対して放射状に複数のリブ（支持羽根）１３が周方向に互いに間隔をおいて設置されている。
【００５６】
一般にランナ１の高圧側の入口から側圧室８に流入する流体はランナ１の回転方向の角運動量を有しているが、上記構成では、側圧室８内に設置されたリブ１３により、そのランナ１の回転方向の角運動量は減少させられ、上部吸出し管６へ流出する際に流体が有しているランナ回転方向の角運動量はほとんで零になる。
【００５７】
このように、第５の実施の形態によれば、前記各実施の形態と同様に、側圧室８から流出する流体がランナ１内部から上部吸出し管６へ流出する流れを乱さない。さらにこの実施の形態では、側圧室８から流出する流体（漏れ流れβ）のランナ回転方向の角運動量は零になり、一般に設計点付近ではランナ１内部から上部吸出し管６に流出する流体（主流α）のランナ回転方向の角運動量もほぼ零になるので、主流αに対して漏れ流れβが合流する際の主流αと漏れ流れβのランナ回転方向の流速はともに一様に零であり、ランナ回転方向における合流に伴う上部吸出し管６内の流れの乱れおよび流動損失をも低減できる。
【００５８】
図７に本発明の第６の実施の形態を示す。この実施の形態では、ランナバンド１ｂを含めたランナ１の構造は図１５に示した従来のものと同じであって、ランナバンド１ｂの出口側（最も吸出し管６に近い部分）の水平下端面１ａと下カバ７の下端部材１４とで円板状の狭小流路１５が形成されている。一方この実施の形態では、シール部９出口と上部吸出し管６を連通する流路１６が設けられている。その流路１６を回転軸を含む平面で切断した際の断面中心線は、ランナ１の高圧側へ傾いている。
【００５９】
このような構成とすることで、側圧室８内部からランナバンド１ｂの水平下端面１ａと下カバ７の静止壁とで形成される円板状の狭小流路１５だけでなく、シール部９出口と上部吸出し管６を連通する流路１６からも吸出し管６側へ流出される。
【００６０】
このように、第６の実施の形態によれば、シール部９出口からランナバンド１ｂの水平下端面１ａの下を通り上部吸出し管内６に半径方向外側から流入する流量が減少するため、上部吸出し管６内の流れが乱される程度が低減され、流動損失が減少する。また、シール部９出口と上部吸出し管６を連通する流路１６は、ランナ１の高圧側へ傾いているため、上部吸出し管６の流れと合流する際に流れを乱すこと少ない。さらに、図１５に示す従来技術と同様に、ランナバンド１ｂの低圧側の最端面は水平下端面１ａであるため、ランナ１の加工時または回転軸２から分離した時、ランナ１を単独で置くための特別な措置は不要である。
【００６１】
ここで、円板状の狭小流路１５の上部吸出し管側への出口部の円筒面の面積すなわち最小流路面積をＡｓ１とし、シール部９出口と上部吸出し管６を連通する流路１６の流れ方向の最小流路面積の合計をＡｓ２とするとき、Ａｓ２がＡｓ１の２倍以上であるのが好ましい。
【００６２】
このような構成とすることで、シール部９出口からランナバンド１ｂの水平下端面１ａと下カバ７の静止壁とで形成される円板状の狭小流路１５よりも、シール部９出口と上部吸出し管６を連通する流路１６からの流出をより多く導くことができる。
【００６３】
このようにすれば、シール部９出口からランナバンド１ｂの最下部を通り上部吸出し管内６に半径方向から流入してくる流量をより減少させることができるため、上部吸出し管６内の流れの乱れが低減され、流動損失が減少する。また、シール部９出口と上部吸出し管６を連通する流路１６は、上部吸出し管６の流れと合流する際に流れを乱すことはない。さらに、ランナバンド１ｂの低圧側の最端面は水平下端面１ａであるため、ランナ１の加工時または回転軸２から分離した時、ランナ１を単独で置くための特別な措置は不要である。
【００６４】
図８に本発明の第７の実施の形態を示す。この実施の形態は第６の実施の形態（図７）の変形例であって、シール部９出口と上部吸出し管６を連通する環状流路１８は、周方向に互いに間隔をあけて放射状に配列された複数の支持リブ１７で仕切られている。回転軸２を含む面で切断した際の断面形状上の流路中心線は、ランナ１の高圧側へ傾いている。他の構成は第６の実施の形態と同様であって、同様の作用、効果がある。
【００６５】
図９に本発明の第８の実施の形態を示す。この実施の形態は、第７の実施の形態（図８）の変形例であって、支持リブ１７の流れに対する先端は、支持リブ１７の後端から見てランナ回転方向と逆の方向に傾いている。
【００６６】
このような構成では、ランナ１の高圧側入口より側圧室８に流入する流体は回転方向の角運動量を持っているため、側圧室８から複数の支持リブ１７で仕切られた環状流路１８に流入する流体も、矢印γで示すように回転方向の角運動量を持っている。支持リブ１７が、リブの後端から見て回転方向と逆の方向に傾いているため、流入してくる流体の方向と一致する。また、環状流路１８の最小流路面積Ａｓ２がＡｓ１より大きいため、ここを通過する流体の流量の方が、シール部９出口からランナバンド１ｂの低圧側の水平下端面１ａと下カバ下端部材１４の静止壁で形成される円板状の狭小流路１５を通過する流量より多くなり、上部吸出し管内６に半径方向から流入してくる流量が減少する。
【００６７】
このように、第８の実施の形態によれば、支持リブ１７と流入する流れの方向を一致させることで、流入時の流動損失を軽減することができ、かつ、第７の実施の形態と同様の効果を得られる。
【００６８】
図１０に本発明の第９の実施の形態を示す。この実施の形態は第６の実施の形態（図７）の変形例であって、連通管１６の出口側がランナ１の回転方向と同じ方向に傾いている。
【００６９】
第６の実施の形態では複数の連通管１６は回転軸２と同じ鉛直方向に向いているために連通管１６から上部吸出し管６に流入する流体は整流されてほぼ鉛直方向になってしまうのに対して、第９の実施の形態の構成では、連通管１６の出口が回転方向に傾けてあるため、上部吸出し管６にランナ１の回転方向と同じ向きの旋回成分を持って流入される。しかし、一般に上部吸出し管６は拡大管であるため、ランナ１からの流入が旋回のない最高効率点に近い運転では剥離流れが発生し易くなる。そのため、壁面側にわずかな旋回流を発生させることにより剥離を抑制することができる。
【００７０】
このように、第９の実施の形態によれば、連通管１６から上部吸出し管６へ流入する流れに旋回成分を含むものとすることにより、上部吸出し管６の剥離流れを抑制することができ、最高効率点近傍の運転の効率を向上させることができる。
【００７１】
図１１および図１２に本発明の第１０の実施の形態を示す。この実施の形態は第１の実施の形態（図１）の変形例であって、上部吸出し管６につながる側圧室８の出口シール部９流路の静止壁壁面７に、空気を注入できる空気注入管４０を接続し、開口部１９を設けたものである。他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００７２】
こうした構成の水力機械において、空気注入管４０を介してシール部９内の開口部１９より空気を注入すると、空気も上部吸出し管６へ流出されるが、この時、空気は流出する流れに混合されることになり、ランナ１内部から上部吸出し管６へ流出してくる流体αへの空気の混合がスムーズになる。
【００７３】
このように、第１０の実施の形態によれば、水力機械のシール部９内より空気を注入することで、注入された空気はシール部９からの流れとともに上部吸出し管６へスムースに流出するため、滞ることなく吸出し管内６で発生する水圧脈動、振動、騒音を低減する給気効果が得られ、かつ、空気を注入することによる流れの乱れ、また、それによる水圧脈動、振動騒音の増加を発生させることはない。
【００７４】
図１２に示すように、側圧室８の上部吸出し管６へつながる直前のランナバンド１ｂの面と静止壁である下カバ７で形成されるシール部９の、空気注入開口部１９のある部分のギャップ幅をｇ１、空気注入開口部１９のない部分のギャップ幅をｇ０とするとき、ｇ１がｇ０より小さくなる構成としている。
【００７５】
こうすることで、空気注入開口部１９のある断面の流速が増加し、その結果、動圧の増加に相当する分、圧力が低下する。シール部９出口の流体の圧力はほぼ上部吸出し管６内の圧力と等しいため、開口部１９の流体の圧力は上部吸出し管６内の圧力より低くなる。そのため、開口部１９に空気注入管４０を接続し、他端を大気中に開口させれば、大気中の空気を開口部１９より吸引することができる。
【００７６】
本実施の形態のような構造とすることで、大気中から開口部１９への自然給気が可能となり、空気を強制的に供給するための補助的な装置が不要であるため、給気構造を簡略化することができ、また、コスト面でも有利である。
【００７７】
図１３に本発明の第１１の実施の形態を示す。この実施の形態では、ランナバンド１ｂの下端に着脱可能な円環状部材２０を有している。この円環状部材２０の内周側はランナ１内部の流水面と一体であり、その外周側は回転軸２に対して回転対称な面を持つ。また、側圧室８の静止壁となる下カバ７は、ランナバンド１ｂ最下端の円環状部材２０と狭隘な円環スリット状流路を形成するが、円環状部材２０と相対する位置から上部吸出し管６に至る側圧室８の静止壁との最小内径は、円環状部材２０の最大外径より大きく、また、円環状部材２０を含め側圧室８の出口付近の、回転軸２を含む平面で切断した際の側圧室８の断面中心線は、回転軸２と平行に構成されている。
【００７８】
このような構造のため、側圧室８から上部吸出し管内６に流出した流体は上部吸出し管内６の流体を乱すことなくスムースに合流することができ、合流に伴う流動損失を低減することができる。また、円環状部材２０の最大外径が、側圧室８の静止壁最小内径より小さいため、ボルト等の固定手段を取り除けば回転軸２の方向に沿って、上部吸出し管６側に移動することが可能となる。
【００７９】
本実施の形態によれば、合流に伴う流動損失を低減する第１の実施の形態と同様の効果が得られ、また、このような構造とすることで、ランナ１が回転軸２とともに、水力機械内部に組み込まれた状態でも、円環状部材２０は取外しが可能となる。
【００８０】
図１４に第１２の実施の形態を示す。この実施の形態は第１１の実施の形態（図１３）の変形例であって、円環状部材２０が円周方向で２つ以上に分割されており、ボルト等の固定手段（図示せず）によって結合される。この固定手段を取り除いた状態では、個々の円環状部材部品２０ａ、２０ｂ等（ここでは２分割とした）はランナ１の回転軸２に対して外周側へ移動可能となっている。
【００８１】
第１２の実施の形態の水力機械においては、円環状部材２０がランナ１と円筒状のはめ合い面２１を介して合体している時は分解が困難になる場合もあるため、円環状部材２０を２つ以上の部品に分割し、回転軸２に対して外周方向へ移動可能としたため、内周側から力をかけ、個々の部品を外周側に移動させることで円筒状のはめ合い面２１から円環状部材２０を分離することが可能となる。
【００８２】
このように、本実施の形態によれば、第１１の実施の形態と同様の効果が得られ、かつ、はめ合い面２１より外周方向に円環状部材２０を移動させることで分解がさらに容易になる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、側圧室から上部吸出し管流路に流出する漏れ流れによる上部吸出し管内の流体の乱れを抑制し、合流に伴う流動損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水力機械の第１の実施形態の要部立断面図。
【図２】（ａ）は図１の要部拡大立断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図３】本発明に係る水力機械の第２の実施形態の要部立断面図であって、（ａ）は水力機械として組み立った状態を示す図、（ｂ）はランナを分解・組立時に仮置きした状態を示す図。
【図４】本発明に係る水力機械の第３の実施形態の要部立断面図。
【図５】本発明に係る水力機械の第４の実施形態の要部立断面図。
【図６】本発明に係る水力機械の第５の実施形態の要部を示す図であって、（ａ）は立断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図７】本発明に係る水力機械の第６の実施形態の要部を示す図であって、（ａ）は立断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図８】本発明に係る水力機械の第７の実施形態の要部を示す図であって、（ａ）は立断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図９】本発明に係る水力機械の第８の実施形態の要部を示す図であって、（ａ）は立断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図１０】本発明に係る水力機械の第９の実施形態の要部を示す図であって、（ａ）は立断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視立面図。
【図１１】本発明に係る水力機械の第１０の実施形態の模式的要部立断面図。
【図１２】図１１の要部拡大立断面図。
【図１３】本発明に係る水力機械の第１１の実施形態の要部立断面図。
【図１４】本発明に係る水力機械の第１２の実施形態の要部を示す図であって、（ａ）は立断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大立断面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線矢視平断面図。
【図１５】
従来の水力機械の部分切欠立面図。
【符号の説明】
１…ランナ、１ａ…水平下端部、１ｂ…ランナバンド、２…回転軸、３…ケーシング、４…ステーベーン、５…ガイドベーン、６…吸出し管、７…下カバ、８…側圧室、９…側圧シール部、１０…張出し部、１１…冶具、１２…可動可能な側圧シール静止部、１３…リブ、１４…下カバ下端部材、１５…円板状の狭小流路、１６…連通流路、１７…支持リブ、１８…環状流路、１９…開口部、２０…円環状部材、２０ａ…円環状部材部品、２０ｂ…円環状部材部品、２１…はめ合い面、３０…平坦部、３２…脚、３３…水平受け面、３４…環状溝、４０…空気注入管。
【図１】
2004308461.tif 000003
【図２】
2004308461.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】
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【図８】
2004308461.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004308461.tif 000012
【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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