(57)【要約】【課題】  シートライナの取付部における土砂摩耗を低減できる水力機械を提供することにある。【解決手段】  上下カバー２，３の間に回動可能に保持された複数のガイドベーン７と、上下カバーとガイドベーンとの間であって、上下カバー側にボルト９により取り付けられたシートライナ４とを有する。ボルト９の一部は、ガイドベーンが最も利用頻度が多いと推定されるガイドベーン開度の状態において、ガイドベーン７と重なる位置に配置される。ボルト９の残りの部分は、ボルトとボルト穴とが、最も利用頻度の多いガイドベーンの開度状態にあるときの、ボルトと最も近いガイドベーンのキャンバーラインＬ２と平行に引かれた線と接する位置において、少なくとも１カ所以上で溶接される。【選択図】  図３
2007077872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下カバーの間に回動可能に保持された複数のガイドベーンと、前記上下カバーと前記ガイドベーンとの間であって、前記上下カバー側にボルトにより取り付けられたシートライナとを有する水力機械であって、
前記ボルトの一部は、前記ガイドベーンの特定の開度状態において、前記ガイドベーンと重なる位置に配置されることを特徴とする水力機械。
【請求項２】
請求項１記載の水力機械において、
前記ガイドベーンの特定の開度状態とは、最も利用頻度が多いと推定されるガイドベーン開度であることを特徴とする水力機械。
【請求項３】
請求項１記載の水力機械において、
前記ボルトの残りの部分は、前記ボルトとボルト穴とが、最も利用頻度の多いガイドベーンの開度状態にあるときの、前記ボルトと最も近いガイドベーンのキャンバーラインと平行に引かれた線と接する位置において、少なくとも１カ所以上で溶接されていることを特徴とする水力機械。
【請求項４】
上下カバーの間に回動可能に保持された複数のガイドベーンと、前記上下カバーと前記ガイドベーンとの間であって、前記上下カバー側にボルトにより取り付けられたシートライナとを有する水力機械であって、
前記ボルトとボルト穴とは、最も利用頻度の多いガイドベーンの開度状態にあるときの、前記ボルトと最も近いガイドベーンのキャンバーラインと平行に引かれた線と接する位置において、少なくとも１カ所以上で溶接されていることを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車，ポンプ水車などの水力機械に係り、特に、シートライナの取付において、性能向上のために有効な構成を有する水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、既設水力発電所の寿命延長および保守費用の低減が重要な課題となっている。なかでも、水流中に含まれる土砂による流路の土砂摩耗は、性能低下および信頼度を低下させるため、大きな課題のひとつである。
【０００３】
従来の水力機械の一例であるフランシス型ポンプ水車は、例えば、特開平１０−１０３２１３号公報に記載のように、複数個のガイドベーンを相対向する上カバーと下カバーの間に挟持された構成となっている。ここで、上カバーと下カバーとには、シートライナがボルト等によって取付けられている。そして、廻り止めのため、また、シートライナ交換の際にボルトをはずしやすいように、ボルトは、任意の１箇所において点溶接されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１０３２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水流中に物体の形状が急激に変化する部分があれば、そこから流れは乱れ、渦等が発生する。水力機械に用いられる水の中には土砂などの固形物体が混入しているため、乱れた水流中の土砂は流路を形成するライナなどにぶつかり、その衝突部には摩耗が生ずる。ここで、土砂を含む流れが速いほど、土砂による摩耗量も多いと言われている。ガイドベーン周辺では流れが速いため、土砂摩耗が特に起き易くなる。
【０００６】
シートライナをボルトにより取り付ける部分において、流路中に露出されたボルトの頭部は、わずかながらボルト穴との間にギャップがあり、このギャップは流れの乱れを生み出す。特にここでは流速が大きいため、このギャップの部分において、土砂摩耗が発生し、シートライナが摩耗するという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、シートライナの取付部における土砂摩耗を低減できる水力機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、上下カバーの間に回動可能に保持された複数のガイドベーンと、前記上下カバーと前記ガイドベーンとの間であって、前記上下カバー側にボルトにより取り付けられたシートライナとを有する水力機械であって、前記ボルトの一部は、前記ガイドベーンの特定の開度状態において、前記ガイドベーンと重なる位置に配置したものである。  
かかる構成により、シートライナの取付部における土砂摩耗を低減し得るものとなる。
【０００９】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記ガイドベーンの特定の開度状態とは、最も利用頻度が多いと推定されるガイドベーン開度である。
【００１０】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記ボルトの残りの部分は、前記ボルトとボルト穴とが、最も利用頻度の多いガイドベーンの開度状態にあるときの、前記ボルトと最も近いガイドベーンのキャンバーラインと平行に引かれた線と接する位置において、少なくとも１カ所以上で溶接されているものである。
【００１１】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、上下カバーの間に回動可能に保持された複数のガイドベーンと、前記上下カバーと前記ガイドベーンとの間であって、前記上下カバー側にボルトにより取り付けられたシートライナとを有する水力機械であって、前記ボルトとボルト穴とは、最も利用頻度の多いガイドベーンの開度状態にあるときの、前記ボルトと最も近いガイドベーンのキャンバーラインと平行に引かれた線と接する位置において、少なくとも１カ所以上で溶接されているものである。  
かかる構成により、シートライナの取付部における土砂摩耗を低減し得るものとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シートライナの取付部における土砂摩耗を低減できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による水力機械の構成について説明する。  
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による水力機械の構成について説明する。なお、ここでは、水力機械の一例として、フランシス型ポンプ水車を例として説明する。  
図１は、本発明の一実施形態による水力機械の構成を示す要部断面図である。図２は、図１の要部拡大断面図である。
【００１４】
最初に発電運転の場合について説明する。ステーべ一ン６は、図示しない上池から導水する鉄管に接続されたケーシング１の内周部に翼列状に配設されている。ガイドベーン７は、ステーべ一ン６の内周側に配設され、上カバー２と下カバー３との間の流路に挟持されている。ランナ８は、主軸の下端部に取付けられている。ランナ８からの水流は、吸出し管等により、図示しない下池に導かれる。
【００１５】
ケーシング１に導水された高圧水はステーべ一ン６を経て、流量調節するガイドベーン７を通してランナ８に向かって流れ、エネルギ授受を行ったのち、吸出し管へ流出される。また、揚水運転の場合、水流は吸出し管からランナ８によって揚水をし、流量調節するガイドベーン７を通して、ステーべ一ン６を経てケーシング１に流れ出る。
【００１６】
ここで、上記のような水力機械では、ランナ８に流入する、もしくはランナ８から流れ出る流量を調節するためにガイドベーン７を可動させる必要があるので、ガイドベーン７は軸周りに回転できるようになっている。
【００１７】
また、図２に拡大して示すように、上カバー２と下カバー３には、水の進入を防ぐために流路側に複数の板状の主として金属製のシートライナ４Ｕ，４Ｌおよびカバーライナ５Ｕ，５Ｌが複数のボルト９で取付けられている。取付け用ボルト９の頭部は流路に露出しており、またボルト９と、シートライナ４Ｕ，４Ｌおよびカバーライナ５Ｕ，５Ｌに形成されたボルト穴との間にはギャップがあり、ここで水流が乱れる。特に、シートライナ４Ｕ，４Ｌの取付位置付近においては、ガイドベーン７によって流路断面積が狭くなっているため、流れは特に速く、乱れた水流中に含まれる土砂が高速でシートライナ４Ｕ，４Ｌに衝突し、土砂摩耗が発生する。
【００１８】
次に、図３を用いて、本実施形態による水力機械におけるシートライナの第１の取付構造について説明する。  
図３は、本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第１の取付構造を示す要部平面図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００１９】
図３において、２点鎖線で示す線Ｌ１は、図１に示したランナ８の軸心を中心とする円弧を示している。ガイドベーン７のガイドベーン軸７ａは、この線Ｌ１の上に等間隔で配置されている。ここで、角度θ１は、ガイドベーン軸７ａの中心を通る円弧状の線Ｌ１の接線と、ガイドベーン７の後端とガイドベーン軸７ａの中心を結ぶ線とのなす角度である。ガイドベーン７の開き角度が、０％開度〜１００％開度まで変化するとき、角度θ１は、例えば５°〜３０°まで変化する。
【００２０】
ここで、ガイードベーン開度には、設計段階で最も利用頻度が多いと予測されるガイドベーン開度状態の位置がある。その開度は、例えば、７０％開度である。図３に実線で示すガイドベーン７の位置は、設計段階で最も利用頻度が多いと予測されるガイドベーン開度状態の位置を示している。この開度状態のとき、本実施形態では、ボルト９Ａ，９Ｂは、ガイドベーン７の軸方向に重なる位置（すなわち、ガイドベーン７の投影面内の位置）に配置するようにしている。このようなボルト９の配置とすることで、ボルト９と、シートライナに設けられたボルト穴との間のギャップは、流路に露出しないようになる。流路を形成するシートライナとガイドベーン７との間には、ガイドベーン７を回転させるために、図２に示したように、わずかながら隙間がある。したがって、ボルト９とガイドベーン７が軸方向に重なるように配置しても、この隙間に流れが進入するが、流れはごく少量で、ボルトとボルト穴のギャップから発生する流れの乱れはごく小範囲なので、土砂摩粍を低減することができる。
【００２１】
ここで、最も利用頻度の多いガイードベーン開度状態とは、例えば発電時において、年間の合計運転時間が最も長い開度のことである。
【００２２】
また、図３において、１点鎖線で示すガイドベーン７’は、角度θ１が１７．５°で、ガイドベーン開度が５０％開度の状態を示している。この状態でも、ボルト９Ａ，９Ｂは、ガイドベーン７’の軸方向に重なる位置に位置している。さらに、破線で示すガイドベーン７”は、角度θ１が３０°で、ガイドベーン開度が１００％開度の状態を示している。この状態でも、ボルト９Ａ，９Ｂは、ガイドベーン７”の軸方向に重なる位置に位置している。すなわち、ガイドベーン開度が５０％開度から１００％開度の範囲においては、ボルト９Ａ，９Ｂは、ガイドベーン７の軸方向に重なる位置に位置していることになる。例えば、７０％開度が最も利用頻度の多いガイードベーン開度状態とすると、ガイドベーンの開度制御においては、一般的に５０％開度から１００％開度の開度範囲内で制御されることが多く、実質的に通常使用される開度範囲で、土砂摩粍を低減することができる。
【００２３】
なお、例えば、一つの水車において、２０個のガイドベーンを円周上に配置する構成の時、シートライナを取り付けるボルトの数は、例えば、１００個である。したがって、１００個のボルトの内、４０個については、図３に示したように、最も利用頻度が多いと予測されるガイドベーン開度状態の時に、ガイドベーン７の軸方向に重なる位置に配置することで、これらのボルトによるシートライナの取付部の摩耗は低減できる。残りの６０個のボルトの取付部におけるシートライナの取付部の摩耗の低減方法については、図４を用いて後述する。
【００２４】
次に、図４を用いて、本実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造について説明する。  
図４は、本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造を示す要部平面図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００２５】
図４は、シートライナの取付部の内、シートライナ４と、ボルト９とを拡大して示している。シートライナ４には、ボルト穴１０が設けられている。ボルト９は、ボルト穴１０の中に位置する。
【００２６】
ここで、実線で示す矢印Ｌ２は、最も利用頻度の多いガイドベーン開度状態にあるときの、ボルトと最も近いガイドベーンのキャンバーラインとほぼ平行に引いた線である。ガイドベーンのキャンバーラインとは、ガイドベーン７の内接円の中心を結ぶ線である。
【００２７】
ボルト９の廻り止めのために、また、シートライナを交換する際に外し易いよう、ボルト９とボルト穴１０とは、点溶接している。従来は、点溶接の箇所は、任意の１カ所であるが、本例では、２カ所としている。しかも、本例では、前述の矢印の線Ｌ２と、ボルト１０と接する２箇所の接点付近を、図示するように、点溶接する。白抜き部分ＳＷ１，ＳＷ２は、点溶接のビードを示している。
【００２８】
このような点溶接の位置により、ボルト９とボルト穴１０とのギャップが流路中に露出していても、ここから発生する流れの乱れ，渦を溶接部ＳＷ１，ＳＷ２が食い止める防波堤のような役割を担うため、水流の乱れ，渦は低減され、水流中の土砂によるシートライナおよびカバーライナなどの流路を構成する物体の土砂摩粍を緩和することができる。ガイドベーンと、ボルトとボルト穴とのギャップが軸方向に重ならない部分についてはこの方法で、ボルトとボルト穴との間のギャップから発生する流れの乱れ、渦を低減し、土砂摩耗を抑制する。
【００２９】
また、図４において、１点鎖線で示す矢印Ｌ２’は、図３における開度θ１が１７．５°で、ガイドベーン開度が５０％開度の状態のキャンバーラインを示している。破線で示す矢印Ｌ２”は、角度θ１が３０°で、ガイドベーン開度が１００％開度の状態のキャンバーラインを示している。これらの状態でも、ギャップが流路中に露出していても、ここから発生する流れの乱れ，渦を溶接部ＳＷ１，ＳＷ２が食い止める防波堤のような役割を担うため、水流の乱れ，渦は低減される。
【００３０】
なお、図３に示した実施形態において、ガイドベーン７と、ライナなどの流路を形成する物体との間にはわずかながらも隙間があり、土砂を含んた水が流入する。そこで、図３に示した実施形態においても、図４に示したような位置で溶接することで、ボルトとボルト穴の間のギャップから発生する流れの乱れ・渦をさらに緩和して、土砂摩粍をより抑制することができる。
【００３１】
次に、図５を用いて、本実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第１の変形例について説明する。  
図５は、本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第１の変形例を示す要部平面図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。
【００３２】
図４に示した例では、キャンバーライン（矢印の線Ｌ２）と、ボルト９とが接する２箇所の接点付近を、点溶接したのに対して、例えば、それぞれ隣接する３カ所の合計６カ所のような複数箇所にて点溶接するようにしている。白抜き部分ＳＷ１Ａ，ＳＷ１Ｂ，ＳＷ１Ｃ，ＳＷ２Ａ，ＳＷ２Ｂ，ＳＷ２Ｃは、点溶接のビードを示している。
【００３３】
次に、図６を用いて、本実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第２の変形例について説明する。  
図６は、本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第２の変形例を示す要部平面図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。
【００３４】
図４に示した例では、キャンバーライン（矢印の線Ｌ２）と、ボルト９と接する２箇所の接点付近を、点溶接したのに対して、ボルト９と最も近いガイドベーンのキャンバーラインとほぼ平行に線Ｌ２を引いたとき、この線Ｌ２がボルト９と接する２箇所の接点付近において、ボルト９とボルト穴１０との間のギャップを、ビードの幅と長さの比が２倍程度以上であるような長さを持った溶接を円周方向、もしくは接線方向に施すようにする。白抜き部分ＳＷ１’，ＳＷ２’は、線状溶接のビードを示している。
【００３５】
次に、図７を用いて、本実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第３の変形例について説明する。  
図７は、本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第３の変形例を示す要部平面図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。
【００３６】
図４に示した例では、キャンバーライン（矢印の線Ｌ２）と、ボルト９と接する２箇所の接点付近を、点溶接したのに対して、ボルト９とボルト穴１０との間のギャップを全て溶接する。白抜き部分ＳＷ”は、リング状溶接のビードを示している。
【００３７】
以上説明したように、シートライナを上カバーまたは下カバーに固定するための、流路に頭部が露出したボルトを、最も利用頻度の多いガイドベーン開度状態にあるガイドベーンと、軸方向に重なる位置に配置することで、ボルトは流路にさらされるものの、ガイドベーンと相対向する上カバーと下カバーに取付けられた複数個のシートライナとのごく小さな隙間に流れ込むだけの少量の流れにさらされるのみなので、その少量の水流中に含まれる土砂による土砂摩耗力は小さく、ボルトとボルト穴とのギャップが主流にさらされるよりも土砂摩耗は少なくなる。
【００３８】
また、ボルトと最も近いガイドベーンのキャンバーラインとほぼ平行に線を引いたとき、その線とボルトとの２箇所の接点付近を、１箇所、または複数箇所、少なくとも点で溶接すれば、ボルトとボルト穴とのギャップから流れの乱れおよび渦等が発生するのを抑制することができ、土砂摩粍が低減できる。
【００３９】
以上のように土砂摩耗を低減できることにより、信頼性の高い水力機械を得ることができる。さらに、ボルトとボルト穴とのギャップによる流れの乱れが低減されるため、水力効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態による水力機械の構成を示す要部断面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第１の取付構造を示す要部平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造を示す要部平面図である。
【図５】本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第１の変形例を示す要部平面図である。
【図６】本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第２の変形例を示す要部平面図である。
【図７】本発明の一実施形態による水力機械におけるシートライナの第２の取付構造の第３の変形例を示す要部平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…ケーシング
２…上カバー
３…下カバー
４、４Ｕ、４Ｌ…シートライナ
５Ｕ、５Ｌ…カバーライナ
６…ステーベーン
７…ガイドベーン
７ａ…ガイドベーン軸
８…ランナ
９…ボルト
１０…ボルト穴
ＳＷ…溶接ビード
【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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