(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力機械のランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置され、下流に向かうにつれて内部の断面積が増大するように構成された水力機械の吸出し管において、
前記吸出し管の内壁の上下２箇所で支持されたピアを有し、
前記ピアの上流側端部と前記内壁の接合部の上流側に淀みが形成されることを抑制する整流部材を前記ピアの上下２箇所の前記上流側端部と前記内壁の前記接合部のそれぞれの上流側に設けたことを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項２】
水力機械のランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置され、下流に向かうにつれて内部の断面積が増大するように構成された水力機械の吸出し管において、
前記吸出し管の内壁の上下２箇所で支持されたピアと、
前記ピアの上下２箇所の上流側端部と前記内壁の接合部のそれぞれの上流側に設けられた整流部材を有し、
前記整流部材は、前記吸出し管の側面方向から見た前記ピアの断面を含む平面内において、前記ピアの上流側端部と前記整流部材の上面とのなす角度が９０度以上となるように形成されていることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項３】
請求項２において、前記ピアの最大厚みをＤとした場合、前記整流部材は、前記内壁から前記ピアの上流側端部に沿って測った整流部材の表面までの長さが０.１Ｄ以上となるように形成されていることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項４】
水力機械のランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置され、下流に向かうにつれて内部の断面積が増大するように構成された水力機械の吸出し管において、
前記吸出し管の内壁の上下２箇所で支持されたピアと、
前記ピアの上下２箇所の上流側端部と前記内壁の接合部のそれぞれの上流側に設けられた整流部材を有し、
前記整流部材は、前記ピアの最大厚みをＤとした場合、前記内壁から前記ピアの上流側端部に沿って測った整流部材の表面までの長さが０.１Ｄ以上となるように形成されていることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項５】
水力機械のランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置され、下流に向かうにつれて内部の断面積が増大するように構成された水力機械の吸出し管において、
前記吸出し管の内壁の上下２箇所で支持されたピアと、
前記ピアの上下２箇所の上流側端部と前記内壁の接合部のそれぞれの上流側に設けられた整流部材を有し、
前記整流部材は、上流側を頭頂点として前記内壁に接するようにし、下流側を底面側として前記ピアの上流側端部に接するようにした三角錐状の整流部材であることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項６】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記整流部材は、上流側を頭頂点として前記内壁に接するようにし、下流側を底面側として前記ピア上流側端部に接するようにした三角錐状の整流部材であることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記三角錐状の整流部材は、前記頭頂点の位置を、前記吸出し管内の水流の旋回方向に合わせて傾けて形成したことを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかにおいて、前記整流部材は、前記ピアの一部として形成されていることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項９】
請求項１〜７の何れかにおいて、前記整流部材は、前記内壁の一部として形成されていることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項１０】
請求項１〜７の何れかにおいて、前記整流部材は、前記ピア又は前記内壁に取り付けられていることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はピア（あるいは仕切り板）を有する水力機械の吸出し管に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械の吸出し管は、回転自由に支持されたランナの後流側に設置されており、ランナから流出する旋回を伴う流れを排水口（放水口）へ導いている。この際、吸出し管内部の断面積は、下流に向かうにつれて徐々に増大しており、吸出し管内部の流れを減速し、圧力を上昇させることで、排出する運動エネルギーを低減する役割を担っている。
【０００３】
水力機械の吸出し管は、使用状況によって地中に埋められ、あるいは水中に設置されている場合がある。よって内部と外部の圧力の差により、変形、あるいは破損する可能性がある。このような問題を回避するため、水力機械の吸出し管内部には、ピアと呼ばれる強度部材が設置される。
【０００４】
ピアは、外部からの力に耐え得るだけの厚みと長さを有しているため、衝突，摩擦，二次流れなどにより損失が生じ、水力機械全体の性能を低下させる。よってピアを設置することによる性能低下を抑制するため、種々の方法が提案されている。例としては特許文献１，特許文献２などがある。しかし、そのほとんどはピアによって仕切られた流路内の流れの不均一性を緩和しようとするものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−５４７５４号公報
【特許文献２】特開平７−１５８５５０号公報
【非特許文献１】C. J. Baker, “The laminar horseshoe vortex”，J. Fluid Mech., vol. 95, part 2, pp.347-368.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
吸出し管の内壁近傍の流れのように、徐々に減速しながら壁面に沿って流れる流れは、境界層剥離を起こしやすいことが知られている。また、境界層中に、ピアのように鈍い物体が存在する場合、その物体と壁面の接合部付近においては馬蹄型渦と呼ばれる特徴的な渦が生じる。
【０００７】
ピアを有する吸出し管内部においては、ピアの上流側端部と吸出し管内壁との接合部において馬蹄型渦が形成される。この馬蹄型渦については非特許文献１に詳細な記述がある。このような渦の形成により、ピアの上流側端部周辺に大規模な境界層剥離が誘発され、著しい損失を引き起こす。よって、ピアの上流側端部における馬蹄型渦の形成と境界層剥離を抑制することは、損失低減のために極めて重要である。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ピアの上流側端部と吸出し管内壁との接合部において発生し得る、馬蹄型渦の形成を抑制し、吸出し管内部で生じる損失の低減が可能な水力機械の吸出し管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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、ピアの上流側端部と吸出し管内壁の接合部の上流側に淀みが形成されることを抑制する整流部材を接合部の上流側に設けたことを特徴とする。
【００１０】
より好ましくは、整流部材は、吸出し管の側面方向から見たピアの断面を含む平面内において、ピアの上流側端部と整流部材の上面とのなす角度が９０度以上となるように形成されている。
【００１１】
また、より好ましくは、整流部材は、ピアの最大厚みをＤとした場合、吸出し管内壁からピアの上流側端部に沿って測った整流部材の表面までの長さが０.１Ｄ以上となるように形成されている。
【００１２】
また、より好ましくは、整流部材は、上流側を頭頂点として吸出し管内壁に接するようにし、下流側を底面側としてピアの上流側端部に接するようにした三角錐状の整流部材とする。
【発明の効果】
【００１３】
水力機械の吸出し管は下流に向かうにつれて内部の断面積が増大するように構成されていることから、本発明の整流部材がないと、ピアの上流側端部と吸出し管内壁の接合部の上流側に淀みが形成され、馬蹄型渦が形成される。本発明では、この馬蹄型渦形成の原因となる淀みの形成を抑制するように整流部材を設けていることから、この整流部材の作用によって、接合部近傍における馬蹄型渦の形成が阻害される。その結果、水力機械の吸出し管内において、二次流れに起因する損失を低減でき、水車効率やポンプ効率等の水力性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る水力機械の吸出し管の実施例ついて、図面を参照して説明する。
【００１５】
［第１の実施の形態（実施例１）］
図１及び図２は本発明が適用される水力プラント（水力機械のランナ及び吸出し管など）を示す（ランナ以外の水力機械の構成要素（発電機等）の図示は省略）。図１及び図２では、水力機械の一例として横軸カプラン水車（バルブ水車又はチューブラ水車）を例として示しているがこれに限定されるものではない。図１は、本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た上面図であり、図２は、本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た側面図である。但し、図１及び図２では、水力機械全体の概要を示す目的のため、整流部材の図示を省略している。
【００１６】
水力機械の吸出し管２は、図１及び図２に示すように、回転自由に支持されたランナ１の後流側に設置されており、ランナ１から流出する旋回を伴う流れ２０を排水口５へ導いている。この際、吸出し管内部の断面積は、下流に向かうにつれて徐々に増大しており、吸出し管内部の流れを減速し、圧力を上昇させることで、排出する運動エネルギーを低減する役割を担っている。水力機械の吸出し管２の内部には、強度部材であるピアが設置される。ピア３は、吸出し管の内壁の少なくとも一箇所で支持されている。（本実施例では上下２箇所で支持されている。）また、少なくともピアの上流側端部４の近傍における吸出し管の径方向の長さが下流に向けて増大するようにピア３が形成されている。（図２ではピアの下流側の端部近傍を除いて吸出し管の径方向の長さが下流に向けて増大するように形成されている。）このため、図３〜図１２において詳述する本発明の整流部材が設けられていないと、ピアの上流側端部４と吸出し管２の内壁との接合部においては、ピアの上流側端部４と吸出し管２の内壁とのなす角度が９０度未満となっている。
【００１７】
図３に本発明の一実施例である水力機械の吸出し管の鳥瞰図（吸出し管を半透明に記載し、吸出し管内のピアも併せて鳥瞰図的に記載した斜視図）を示す。図１及び図２に示したランナ１の後流部分に対応する。ここでは、吸出し管２の内壁において、ピア３の両端が隙間なく内壁に固定されている。通常、ピアはコンクリートで形成するため、製作を簡易にするため扁平な柱状に設計される。よって、整流効果を狙って微小な変形を施したり、端部を鋭く尖らせたりすることが困難である。そのため、図３に示す実施例の構成では、ピアの製作工程を煩雑化しないため、ピア３の上流側端部４の吸出し管２との接合部付近の上流側に、整流部材３０を追加している（ピア３に整流部材３０を取り付けている。）。
【００１８】
このような整流部がない場合には、図４に示すように、ピア３の上流側端部４と吸出し管２の接合部付近に馬蹄型渦が発生することが非特許文献１に示されている。この馬蹄型渦の発生する位置、即ち、ピア３の上流側端部４の吸出し管２との接合部付近の上流側に、図５に示すように整流部材３０を設置することで、馬蹄型渦の形成を抑制することができる。その結果、馬蹄型渦の形成に起因する二次流れ損失を低減することができる。
【００１９】
このとき、図５に示すように、吸出し管の側面方向から見たピアの断面を含む平面内（ピアの上流側端部と整流部材を通り、吸出し管の中心軸に対して平行な面内）において、ピア３の上流側端部４と整流部材３０の上面とのなす角θは９０度以上であることが望ましい。なぜなら、θが９０度未満の場合には、ピア３の上流側端部４と整流部材３０の間に断面形状が三角形のくぼみ領域が形成され、流れが淀んで馬蹄型渦が形成されやすくなるためである。
【００２０】
また、ピア３の最大厚みをＤとすると、吸出し管の内壁からピア３の上流側端部４に沿って測った整流部材３０の表面までの長さ（整流部材の幅）ｈが、０.１Ｄ以上であることが望ましい。なぜなら、非特許文献１によれば、馬蹄型渦の直径は約０.１Ｄと見積られており、この渦の形成を効果的に阻害するためには最小でも渦の直径以上の整流部材幅ｈが必要となるためである。
【００２１】
ピア３に取り付ける整流部材３０の形状は、図６に示す卵型、図７に示すプリズム型、図８に示す四角錐型など、どのような形状でも良いが、図９に示す三角錐型が望ましい。（ここで、四角錐型や三角錐型の整流部材とは、上流側を頭頂点として吸出し管内壁に接するようにし、下流側を底面側としてピアの上流側端部に接するようにした四角錐状又は三角錐状の整流部材である。）なぜなら、三角錐型にしておくことで上流から下流へ向かう吸出し管２に沿った方向の流れをピア３の左右に二分するだけでなく、流路中央から吸出し管２の管壁へ向かう流れをも二分しやすくなるためである。なお、吸出し管２内の流れ２０は旋回を持っていることが多く、図１０に示すように旋回の方向にあわせて（旋回による水流の方向に沿うように）頭頂点の位置の傾いた三角錐型の整流部材３０を用いることもできる。
【００２２】
［第２の実施の形態（実施例２）］
図１１は本発明に係る他の実施例を示している。この実施例２では、ピア３の上流側端部４の吸出し管との接合部付近に、整流部としてピア３とは別の構造を整流部材に取り付けるのではなく、ピア３の一部に突出部３１を上流側に突出するように形成し、これにより馬蹄型渦の形成を抑制している。（整流部材をピア３の一部として形成している。）この実施例の構成では、ピア製作時に突出部３１にコンクリートが充満するよう注意して作業を行う、もしくはあらかじめ突出部には何らかの材料を充填しておいて製作する必要がある。しかしながら、実施例１と異なり、別途、整流部材を追加する（取り付ける）必要がない。本実施例でも実施例１と同様に、馬蹄型渦の発生する位置、即ち、ピア３の上流側端部４の吸出し管２との接合部付近の上流側に、図１１に示すように整流部材である突出部３１が設けられていることで、馬蹄型渦の形成を抑制することができる。その結果、馬蹄型渦の形成に起因する二次流れ損失を低減することができる。
【００２３】
なお、突出部３１の上面とピアの上流側端部４である非突出部６とのなす角θは、実施例１と同様に、９０度以上であることが望ましい。また、実施例１と同様に、ピアの最大厚みをＤとすると、吸出し管の管壁から突出部と非突出部の境までの距離ｈ′が、０.１Ｄ以上であることが望ましい。突出部の形状についても、実施例１と同様に、卵型，プリズム型，四角錐型など、どのような形状でも良いが、三角錐型が望ましい。また、旋回の方向にあわせて頭頂点位置の傾いた三角錐型を用いることもできる。
【００２４】
［第３の実施の形態（実施例３）］
図１２は本発明に係る他の実施例を示している。この実施例３では、ピア３の上流側端部４と吸出し管の接合部付近において、吸出し管２を流路内に突出させることにより、整流部３２を形成している。（整流部材が吸出し管の内壁の一部として形成されている。）実施例１及び実施例２の場合、整流部と吸出し管を漏れのないように接合する必要があるが、実施例３の場合、整流部と吸出し管が一体であるため接合に要するコストを低減することができるというメリットがある。このとき吸出し管を突出させた整流部３２の上面とピア３の上流側端部４とのなす角θは、実施例１や２と同様に、９０度以上であることが望ましい。また、実施例１や２と同様に、ピアの最大厚みをＤとすると、吸出し管の管壁から整流部の最も離れた位置までの距離ｈ″が、０.１Ｄ以上であることが望ましい。整流部３２の形状についても、実施例１や２と同様に、整流部３２の形状は卵型，プリズム型，四角錐型など、どのような形状でも良いが、三角錐型が望ましい。また、旋回の方向にあわせて頂点位置の傾いた三角錐型を用いることもできる。なお、本実施例の変形例として、整流部３２を吸出し管２の一部とするのではなく、別に製作し、吸出し管２に取り付けるようにしても、上述した本発明の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピアおよび排水口を流れに垂直な方向から見た上面図。
【図２】本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピアおよび排水口を流れに垂直な方向から見た側面図。
【図３】本発明の第１の実施例の吸出し管を示す鳥瞰図。
【図４】本発明の実施例の比較例（整流部材がない場合）におけるピアの上流側端部と吸出し管の接合部付近の流れを示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示す。
【図５】本発明の実施例（整流部材がある場合）におけるピアの上流側端部と吸出し管の接合部付近の流れを示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示す。
【図６】本発明の第１の実施例において、整流部材を卵形とした場合の例を示す図で、（ａ）は上流側から見たピア及び整流部材の正面図、（ｂ）は上面図を示す。
【図７】本発明の第１の実施例において、整流部材をプリズム型とした場合の例を示す図で、（ａ）は上流側から見たピア及び整流部材の正面図、（ｂ）は上面図を示す。
【図８】本発明の第１の実施例において、整流部材を四角錐型とした場合の例を示す図で、（ａ）は上流側から見たピア及び整流部材の正面図、（ｂ）は上面図を示す。
【図９】本発明の第１の実施例において、整流部材を三角錐型とした場合の例を示す図で、（ａ）は上流側から見たピア及び整流部材の正面図、（ｂ）は上面図を示す。
【図１０】本発明の第１の実施例において、整流部材に頭頂点の傾いた三角錐型を利用した場合の例を示す図で、（ａ）は上流側から見たピア及び整流部材の正面図、（ｂ）は上面図を示す。
【図１１】本発明の第２の実施例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示す。
【図１２】本発明の第３の実施例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示す。
【符号の説明】
【００２６】
１  ランナ
２  吸出し管
３  ピア
４  ピアの上流側端部
５  排水口
１０  馬蹄型渦
１１  逆流
２０  流れ
３０  整流部材
【図１】
0004565008.tif 000002
【図２】
0004565008.tif 000003
【図３】
0004565008.tif 000004
【図４】
0004565008.tif 000005
【図５】
0004565008.tif 000006
【図６】
0004565008.tif 000007
【図７】
0004565008.tif 000008
【図８】
0004565008.tif 000009
【図９】
0004565008.tif 000010
【図１０】
0004565008.tif 000011
【図１１】
0004565008.tif 000012
【図１２】
0004565008.tif 000013