(57)【要約】【課題】  回転流体機械のランナの接水面の摩擦損失を低減する。【解決手段】  水中に配置されるランナ５と、ランナ５に結合されてランナ５とともに回転する主軸９と、前記ランナ５の接水面にマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段を有してなる回転流体機械であって、マイクロバブル放出手段を、主軸９内部に形成され、一端がランナ結合面に開口した主軸内流路１１と、ランナ５内に形成され、一端が主軸内流路１１のランナ結合面の前記開口に連通する位置に開口し、他端にランナ５のクラウン７の接水面に開口するノズル１３を備えたランナ内流路１２と、一端がランナ内流路１２に連通し、中間部に羽根６の上流側端面に開口するノズル１５を備えたランナ内流路１４と、一端がランナ内流路１４に連通し、他端にランナ５のシュラウド８の接水面に開口するノズル１７を備えたランナ内流路１６とを含んで構成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に配置される羽根車と、この羽根車に結合されて羽根車とともに回転する主軸とを有してなる回転流体機械であって、前記羽根車の接水面にマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段を含んでなる回転流体機械。
【請求項２】
請求項１に記載の回転流体機械において、前記マイクロバブル放出手段は、前記主軸内部に形成され、一端が羽根車結合面に開口した主軸内流路と、前記羽根車内に形成され、一端が主軸内流路の羽根車結合面の前記開口に連通する位置に開口し、他端及び中間部が当該羽根車の接水面に開口する羽根車内流路とを有してなることを特徴とする回転流体機械。
【請求項３】
請求項２に記載の回転流体機械において、前記羽根車は、前記主軸に連結され、羽根車の軸方向の一方の端面をなすクラウンと、このクラウンに対向して配置され、羽根車の軸方向他方の端面をなすシュラウドと、前記クラウンと前記シュラウドの間に両者を互いに結合してシュラウドを支持する複数の羽根とを含んで構成され、前記接水面の開口は、前記クラウンの上流側端部の前記シュラウドに対向する面、前記シュラウドの上流側端部の前記クラウンに対向する面、前記羽根の上流側端面のいずれか一つ以上に形成されていることを特徴とする回転流体機械。
【請求項４】
請求項３に記載の回転流体機械において、前記接水面の開口は、さらに、前記シュラウドの前記クラウンに対向する面と反対側の面、前記クラウンの前記シュラウドに対向する面と反対側の面のいずれか若しくは双方に形成されていることを特徴とする回転流体機械。
【請求項５】
請求項２乃至４に記載の回転流体機械において、前記羽根車内流路の接水面の開口に多孔材が充填され、羽根車内流路は前記多孔材を介して羽根車外部と連通していることを特徴とする回転流体機械。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれかに記載の回転流体機械において、主軸内流路の他端は主軸表面に開口し、前記マイクロバブル放出手段は、前記開口に、主軸表面に気密シールを介して結合された回転軸流路接続手段を介して接続された圧縮空気源を含んでなることを特徴とする回転流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車やポンプ水車などの回転流体機械に係り、特に、摩擦損失の低減に配慮した回転流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水力発電では、ダム等によって貯水された水が水路を通って水車に流入する。水車に流入した水は、水車を構成するケーシング、ステーベーン、ガイドベーンを通過して、動翼であるランナ、すなわち羽根車に導かれ、これにより水の持つ流体エネルギーが羽根車の回転エネルギーに変換される。水力発電ではその回転エネルギーが発電機によって電気エネルギーに変換される。
【０００３】
このような水車の効率に影響を及ぼす水力損失として、一般に、摩擦損失、曲り損失、衝突損失、混合損失、拡大損失がある。（例えば、非特許文献１等参照）。
【０００４】
このなかで、摩擦損失とは、流れと流れが接する固体面（接水面）の摩擦による損失であり、固体面の境界層に由来し、主に、固体表面の粗度、流速により変化する。
【０００５】
水力機械の流体摩擦低減装置として、水の流路を形成する壁面にスリット状の開口部を形成し、そこに多孔板を設け、そこから水の流路に向かって空気を注入する装置がある。注入された空気はマイクロジェット化され、マイクロバブルと呼ばれるマイクロメートルのオーダの粒径を持つ気泡が壁面を被うことによって、壁面での摩擦損失を低減する（例えば、特許文献１等参照）。
【０００６】
ポンプ水車は、上記水力発電に用いられる水車と逆に、ポンプ水車のランナ、すなわち羽根車の回転エネルギーを水の流体エネルギーに変換する回転流体機械であるが、そのエネルギー変換の過程で、水車の場合と同様に、流れと流れが接する固体面の摩擦による損失、すなわち摩擦損失が発生する。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１７７７０６号公報（第３，４頁、図２）
【非特許文献１】日本機械学会基準「水車及びポンプの性能換算法」ＪＳＭＥ Ｓ００８−１９８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、水車及びポンプ水車においては、羽根車部で流速が最も大きくなることが知られている。そのため、高流速部である羽根車の羽根面、クラウン面、シュラウド面などでの固体表面摩擦損失は水車効率に大きく影響を及ぼす。また、マイクロバブルは固体表面に付着および滞留することによって、その表面における摩擦損失低減効果が発生する。
【０００９】
上記従来技術においては、静止部分の壁面からマイクロバブルを流体中に注入する。したがって上記従来技術では、マイクロバブルは静止部分の壁面に付着滞留し、静止部分での摩擦損失低減効果が発生する。しかしながら、回転駆動する羽根車にマイクロバブルが流れ込む際は、必ず、静止壁面と回転面の間に存在するシールギャップを通過することになる。シールギャップを通過する際に、静止壁面に沿って流れていたマイクロバブルが壁面から剥れる可能性がある。したがって、上記従来技術においては、回転駆動する羽根車の壁面にマイクロバブルを付着および滞留させることは困難である。
【００１０】
さらに、上記従来技術においては、羽根車の上流側で注入されたマイクロバブルが、羽根車内に流れ込む際に、羽根車の羽根面に集中して付着滞留しているとは言いがたい。したがって、上記従来技術では、注入したマイクロバブルを効率よく羽根車壁面に付着滞留させることは困難であり、羽根車の壁面における摩擦損失の低減効果は期待できない。
【００１１】
本発明の課題は、水車及びポンプ水車で代表される回転流体機械の羽根車の表面における摩擦損失を低減させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、水中に配置される羽根車と、この羽根車に結合されて羽根車とともに回転する主軸とを有してなる回転流体機械に、前記羽根車の接水面にマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段を備えることにより解決される。
【００１３】
羽根車の接水面に直接、マイクロバブルを放出することにより、マイクロバブルが水流に沿って移動しながら接水面を覆う段階でシールギャップを超える必要がなく、羽根車の接水面が放出されたマイクロバブルにより覆われやすくなる。羽根車の接水面が放出されたマイクロバブルにより覆われることで摩擦損失が確実に低減される。
【００１４】
前記マイクロバブル放出手段は、前記主軸内部に形成され、一端が羽根車結合面に開口した主軸内流路と、前記羽根車内に形成され、一端が主軸内流路の羽根車結合面の前記開口に連通する位置に開口し、他端及び中間が当該羽根車の接水面に開口する羽根車内流路とを有して構成される。
【００１５】
すなわち、回転する羽根車からマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段は、具体的には、マイクロバブルの元となる空気またはマイクロバブルを含む水を、前記主軸内、つまり羽根車の回転軸内に形成された主軸内流路を通して前記羽根車に供給する。さらに、羽根車に供給されたマイクロバブルの元となる空気またはマイクロバブルを含む水を、前記羽根車内に形成された羽根車内流路を通してその接水面に供給する。ここでいう接水面は、クラウン面、羽根面、およびシュラウド面であり、特に、クラウンのシュラウドに対向する面の上流端、シュラウドのクラウンに対向する面の上流端、羽根面の上流側端面に形成された、羽根車内流路に連通する開口を通して空気またはマイクロバブルを含む水を接水面に供給することが望ましい。
【００１６】
また、前記開口に空気を微粒化するための例えば多孔材を充填することが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、水中に配置されて回転する羽根車の表面に直接マイクロバブルを放出することができるので、無駄なマイクロバブル放出が少なくなり、効率的に羽根車表面での摩擦損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る回転流体機械の第１の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。本実施の形態は、水中に配置されて回転する羽根車（以下、ランナという）表面に対してランナから直接マイクロバブルを放出するものである。また、本実施の形態は、本発明を一般の水力発電用水車に適用した場合の例であるが、本発明は、揚水発電等で用いられるいわゆるポンプ水車に用いられるものを始めとするその他の水車にも勿論適用可能である。
【００１９】
図１は、遠心型水車の全体構成を表す水平断面図であり、図２は、図１に示す遠心型水車の主軸と羽根車部分の縦断面図である。図１，図２に示すように、遠心型水車は、回転する羽根車（以下、ランナという）５と、ランナ５に結合されて回転する主軸９と、ランナ５の外周部上下に環状に配置されたスピードリング２と、スピードリング２の外周に渦巻き流路を形成するケーシング１と、前記上下に環状に配置されたスピードリング２の間に挟まれて配置された静翼であるステーベーン３及びガイドベーン４を備えて構成されている。
【００２０】
そして上記ランナ５は、図上、上側に配置され中心部で前記主軸９に結合されたクラウン７と、クラウン７の下側にクラウン７に対向して前記主軸９と同心状に配置されたシュラウド８と、クラウン７の下面とシュラウド８の上面の間に、両者を連結して配置される複数枚の羽根６を有して構成されている。
【００２１】
水車運転時は、例えば、上池（上ダム、図示せず）からの水がケーシング１の渦巻き流路に流入し、スピードリング２の間に挟まれているステーベーン３の間を通過する。ステーベーン３の間を通過した水は、次いでガイドベーン４の間を通過してランナ５に導かれ、羽根６に当たる。この水の流れによってランナ５が回転する。この回転動力は、ランナ５と主軸９を介して、主軸９に結合された発電機（図示せず）に伝達され、電気エネルギーに変換される。
【００２２】
回転する主軸９の中に主軸内流路１１が形成され、主軸内流路１１と連通するランナ内流路１２がランナ５のクラウン７の中に半径方向に形成されている。マイクロバブルを発生させるためのノズル１３が前記ランナ内流路１２に連通してクラウン７の外周側端部下面に開口し、羽根６それぞれの外周側内部に前記ランナ内流路１２に連通するランナ内流路１４が上下方向に形成されている。ランナ内流路１４に連通するノズル１５が羽根６の外周側端面に開口し、シュラウド８の外周側端部内に前記ランナ内流路１４に連通してランナ内流路１６が形成されている。シュラウド８の外周側端部上面に前記ランナ内流路１６に連通するノズル１７が開口している。
【００２３】
主軸９の主軸内流路１１には、図示されていない回転軸流路接続手段を介して外部の圧縮空気管が接続され、この圧縮空気管に空気槽及び圧縮機が接続されている。
【００２４】
上記主軸内流路１１、ランナ内流路１２，１４，１６、及びノズル１３，１５，１７が、回転するランナからマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段を構成している。
【００２５】
ノズル１３は、クラウン７全周にわたるように複数個、間隔を置いて分散配置されているが、円周状に形成されてもよい。ノズル１５は、羽根６の先端付近に、複数個縦方向に間隔を置いて分散配置されているが、羽根先端形状に合わせて縦長の形状としてもよい。ノズル１７は、シュラウド８の外周側端部上面に、全周にわたるように複数個、間隔を置いて分散配置されているが、円周状に形成されてもよい。
【００２６】
なお、特に図示していないが、ノズル１３、ノズル１５、ノズル１７は、いずれも空気をマイクロメートルオーダのマイクロバブルに微粒化するために、開口端に多孔材あるいはスリット等を備えており、水車内部の流れを妨げないような構造をしている。
【００２７】
上記構成の水車においては、水車運転時に、水がランナ５を通過する際にクラウン７のシュラウド８に対向する表面（接水面）や、羽根６の表面（接水面）、シュラウド８のクラウン７に対向する表面（接水面）で生じる摩擦損失が小さくなるように、ノズル１３、ノズル１５、ノズル１７を通してマイクロバブルを注入する。なお、図示しないが、マイクロバブルの空気は、コンプレッサ等の圧縮空気源によって主軸９上流から主軸内流路１１を経て供給される。この圧縮空気源および圧縮空気源と主軸を接続する圧縮空気管をマイクロバブル放出手段に含めてもよい。
【００２８】
上記構成では、ノズル１３、ノズル１５、ノズル１７には、圧縮空気が供給されるが、前記圧縮空気管に水を吸込むエジェクタを介装し、水と圧縮空気を混合した状態でノズル１３、ノズル１５、ノズル１７に供給するようにしてもよい。
【００２９】
本実施の形態によれば、回転する水車の、ランナを通過する水流の最も上流になる位置にマイクロバブルを送り出すノズル１３，１５，１７が配置されており、これらのノズルから送り出されたマイクロバブルは、水流に乗ってランナのクラウン７のシュラウド８に対向する表面（接水面）や、羽根６の表面（接水面）、シュラウド８のクラウン７に対向する表面（接水面）に沿って流れ、それら表面（接水面）を覆う。ノズル１３，１５，１７から送り出されたマイクロバブルは、静止部と回転部の間のシールギャップを通過することなく、直接回転部の表面（接水面）に送り出されるから、シールギャップを通過して壁面から剥離することがなく、回転部の表面（接水面）を覆って摩擦損失を低減する。
【００３０】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る水車の主軸とランナ部分の縦断面図を図３に示す。本実施の形態が前記図２に示す実施の形態と異なるのは、ランナ内流路１２の途中で分岐しクラウン７の上面のシール部に向かって延びるランナ内流路１９、ランナ内流路１９に連通して設けられクラウン７の上面で外周側に向かって開口するノズル２２、ランナ内流路１２に連通して設けられクラウン７の半径方向外周縁上面で開口するノズル２１、ランナ内流路１６の半径方向外周端に連通して設けられシュラウド８の下面に向かって開口するノズル２３、ランナ内流路１４に連通してシュラウド８内に半径方向内周側に向かって形成されシュラウド８の内周側端部に至るランナ内流路１８、及びランナ内流路１８の内周側端部に連通し、シュラウド８の外周面に開口するノズル２４を有する点である。なお、ノズル２２，２４は、それぞれ上下に２段に形成されている。
【００３１】
他の構成は前記第１の実施の形態と同じであるので、図示と説明を省略する。また、特に図示はしていないが、前記第１の実施の形態の場合と同様に、ノズル２１、ノズル２２、ノズル２３、ノズル２４は、空気をマイクロメートルオーダのマイクロバブルに微粒化するために、先端に多孔材、あるいは、スリット等を備えており、水車内部の流れを妨げないような構造をしている。
【００３２】
上記構成の本実施の形態の水車において、水車運転時、例えば、上池（上ダム、図示せず）からの水がケーシング１の渦巻き流路に流入し、スピードリング２の間に挟まれているステーベーン３、ガイドベーン４の間を通過してランナ５に導かれ、この水の流れによってランナ５が回転する。その際、同時に羽根６とは反対側に位置するクラウン７の上側、シュラウド８の外側に水が漏れ流れとして流れる。クラウン７の上側、シュラウド８の外側に形成される隙間領域では、漏れ流れ静止部(特に図示しない)と回転部であるランナ５の間に円盤摩擦損失が発生している。
【００３３】
本実施の形態においては、例えば水車運転時に、クラウン７の上側、シュラウド８の外側に形成される隙間領域で生じる円盤摩擦損失が小さくなるように、ノズル２１、ノズル２２、ノズル２３、ノズル２４を通して前記隙間領域に接するクラウン７の上側接水面、シュラウド８の外側接水面にそれぞれマイクロバブルを放出する。放出されたマイクロバブルは、ランナ５の回転に伴い、接水面に沿って広がる。
【００３４】
この結果、前記隙間領域に接するクラウン７の上側接水面、シュラウド８の外側接水面はマイクロバブルで覆われ、漏れ流れ静止部とクラウン７の上側接水面、シュラウド８の外側接水面の間の摩擦損失が低減される。
【００３５】
また、単位面積あたりのノズルの数や、単位面積あたりのノズルの面積は、マイクロバブルの流量を調節するために、適宜、調整するのが望ましい。また、羽根６の面に設置するノズル１５の位置、数であるが、羽根６のいずれの部分にいくつ設けるかは、適宜、設定すればよい。
【００３６】
本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態による効果に加えて、クラウン７の上側、シュラウド８の外側に形成される隙間領域で生じる円盤摩擦損失が小さくなるという効果が得られる。
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を、図４を参照して説明する。本実施の形態は、クラウン７、シュラウド８及び羽根６を含んでなる羽根車、すなわちランナ５を主軸９で回転させて水を半径方向外側に送り出すポンプ水車を対象としたものである。
【００３７】
本実施の形態において、回転するランナからマイクロバブルを放出するマイクロバブル放出手段は、主軸９内に形成された主軸内流路１１と、主軸内流路１１に連通してクラウン７内に形成されたランナ内流路２５と、ランナ内流路２５に連通し、羽根６内にクラウン７とシュラウド８を接続する方向に形成されたランナ内流路２７と、ランナ内流路２７に連通してシュラウド８内に羽根６の上流端側よりも上流側になる位置にまで形成されたランナ内流路３０と、ランナ内流路２５に連通し、羽根６の上流端側よりも上流側になる位置でクラウン７のシュラウド８に対向する接水面に開口したノズル２６と、ランナ内流路２７に連通して羽根６の上流側端面に開口したノズル２８と、ランナ内流路３０に連通してシュラウド８のクラウン７に対向する接水面に開口したノズル２９とを含んで構成されている。
【００３８】
また、特に図示はしていないが、前記第１の実施の形態の場合と同様に、ノズル２６、ノズル２８、ノズル２９は、空気をマイクロメートルオーダのマイクロバブルに微粒化するために、先端に多孔材、あるいは、スリット等を備えており、水車内部の流れを妨げないような構造をしている。
【００３９】
ノズル２６はクラウン７のシュラウド８に対向する接水面に、円周状に分散配置され、ノズル２９はシュラウド８のクラウン７に対向する接水面に、同じく円周状に分散配置されている。また、ノズル２９は、各羽根６の上流側端面に、クラウン７とシュラウド８を結ぶ方向に並んで分散配置されている。各ノズルは連続した溝状に形成されてもよいが、その場合は、前記多孔材が連続して充填されていることが望ましい。
【００４０】
主軸内流路１１には、図示されていない回転軸流路接続手段を介して外部の圧縮空気管が接続され、この圧縮空気管に空気槽及び圧縮機が接続されている。
【００４１】
上記構成のポンプ水車が運転されるときは、ノズル２６、ノズル２８、ノズル２９には、圧縮空気が供給されるが、前記圧縮空気管に水を吸込むエジェクタを介装し、水と圧縮空気を混合した状態でノズル２６、ノズル２８、ノズル２９に供給するようにしてもよい。
【００４２】
上記構成のポンプ水車においては、運転時に、図示しない圧縮機により、主軸９上流からマイクロバブル形成のための空気が、主軸内流路１１、ランナ内流路２５、２７及び３０を経てノズル２６、ノズル２８、ノズル２９に供給される。ノズル２６、ノズル２８、ノズル２９は、それぞれクラウン７のシュラウド８に対向する接水面や、羽根６の接水面、シュラウド８のクラウン７に対向する接水面の上流端に配置されているから、ノズル２６、ノズル２８、ノズル２９に供給された空気は、各ノズルを出るときにマイクロバブルとなって水中に送り出され、前記各接水面に沿って下流側に広がる。
【００４３】
その結果、クラウン７のシュラウド８に対向する接水面や、羽根６の接水面、シュラウド８のクラウン７に対向する接水面はマイクロバブルで覆われ、水がランナ５を通過する際にクラウン７のシュラウド８に対向する接水面や、羽根６の接水面、シュラウド８のクラウン７に対向する接水面で生じる摩擦損失が小さくなる。
【００４４】
本実施の形態によれば、ランナのクラウン７のシュラウド８に対向する接水面や、羽根６の接水面、シュラウド８のクラウン７に対向する接水面を通過する水流の最も上流になる位置に、マイクロバブルを送り出すノズル２６，２８，２９が配置されており、これらのノズルから送り出されたマイクロバブルは、水流に乗ってランナのクラウン７のシュラウド８に対向する接水面や、羽根６の接水面、シュラウド８のクラウン７に対向する接水面に沿って流れ、それら接水面を覆う。ノズル２６，２８，２９から送り出されたマイクロバブルは、静止部と回転部の間のシールギャップを通過することなく、直接回転部の接水面に送り出されるから、シールギャップを通過して壁面から剥離することがなく、回転部の接水面を覆って摩擦損失を低減する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る遠心型水車の全体構成を表す水平断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る遠心型水車の主軸と羽根車部分を表す縦断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る遠心型水車の主軸と羽根車部分を表す縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る遠心型水車の主軸と羽根車部分を表す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  ケーシング
２  スピードリング
３  ステーベーン
４  ガイドベーン
５  ランナ
６  羽根
７  クラウン
８  シュラウド
９  主軸
１１  主軸内流路
１２  ランナ内流路
１３  ノズル
１４  ランナ内流路
１５  ノズル
１６  ランナ内流路
１７  ノズル
１８，１９  ランナ内流路
２１，２２，２３，２４  ノズル
２５  ランナ内流路
２６  ノズル
２７  ランナ内流路
２８，２９  ノズル
３０  ランナ内流路
【図１】
2007046550.tif 000003
【図２】
2007046550.tif 000004
【図３】
2007046550.tif 000005
【図４】
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