(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エルボ形のケーシングと、内部に仕切りとなる、水を分割するように断面山形に形成された静止弁体を有する先すぼまりのテーパケーシングと、上記静止弁体に対応する弁体を有しこの弁体間にガイドベーンを有しこの弁体及びガイドベーンに水流出口が全周にわたるように傾斜をつけた回動可能な先すぼまりのスピードリングと、を順に連通し、上記スピードリングの水流出口にランナを備え、前記静止弁体と前記弁体の一致による水路全開にて水流が前記ランナの全周に行きわたるように構成したことを特徴とする全周流衝動水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水車発電機のための全周流衝動水車に係り、特に小形・高速でしかも振動や騒音も小さくできる水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の竪軸形水車発電機の下部構造を示している。すなわち、鉛直方向へ伸びる回転軸１１が軸受１２を介して回転自在に支持され、回転軸１１の下端には放射方向へ伸びる複数のブレード１３ａを有するランナ１３が固着される一方、回転軸１１の上端は図示しない発電機に連動連結されている。そして、高所から落下する水を誘導して回転軸１１のまわりを水が回りながらランナ１３のブレード１３ａに噴射されるようにするため、円周流路１４を形成するケーシング１５が設けられる。このケーシング１５は、入口から流入した水が徐々に断面積の小さくなる円周流路１４を通って回転軸１１のまわりを回るようにフランシス水車と同様な渦巻状に形成される。ケーシング１５はボルト１６を介して軸受１２に結合され、ケーシング１５に結合した中間シールリング１７及びシール１８を介して回転自在に、回転軸１１がケーシング１５を貫通している。
円周流路１４を流れる水を円周流路１４の内側からブレード１３ａへ向かって斜め下方へ落下させるための放出流路が図６の展開図にも示すように円周に沿って等間隔に４箇所形成される。
即ち、ケーシング１５の内側が下方へ向かって円周全体に亘って開口しており、この円周に沿って開口する部分には略リング状のガイドベーン１９が回動可能に設けられるとともにベーン押え２０により抜け止めされ、また、ガイドベーン１９と円周流路１４との間にはステーベーン２１がケーシング１５と一体に形成されている。ガイドベーン１９には放射方向へ向かって１本の操作レバー２２が形成され、操作レバー２２は図示しないサーボモータに連動連結されている。２３は排出案内筒、２４はケーシングボスである。
【０００３】
かかる構造にあって、回転軸１１と一体に回転するランナ４、ケーシング１５から水を案内するステーベーン２１及びこのステーベーン２１の水を調整する開閉可能なガイドベーン１９に着目すると、図６の展開図に示すように、ステーベーン２１には案内羽根２１ａが形成されて水を流す放出流路２１ｂと水を流さない閉塞部２１ｃとが夫々４ケ所形成される一方、ガイドベーン１９にも案内羽根１９ａが形成されて水を流す放出流路１９ｂと水を流さない閉塞部１９ｃとが夫々４ケ所形成されている。案内羽根１９ａは案内羽根２１ａと略平行に設けられ、案内羽根１９ａと水平面とのなす角度である吐水角θは、θ＝１０°〜３０°の範囲内で設定されるが、一般的には１５°〜２５°の範囲で設定すると最も効率が良くかつ構成上で有利になる。
ケーシング１５の入口フランジ１５ａから流入した水は、円周流路１４内を流れ、回転軸１１をとりまくように一周しながら、ステーベーン２１及びガイドベーン１９の４ケ所の放出流路２１ｂ，１９ｂよりランナ１３のブレード１３ａへ向かって放出される。つまり、ランナ１３の全周にわたって４ケ所から均等に水が放出されることになる。この場合、図示しないサーボモータにより操作レバー２２を操作すると、ガイドベーン１９が回転軸１１を中心として回動し、ステーベーン２１が固定されていることから、ステーベーン２１の放出流路２１ｂにガイドベーン１９の閉塞部１９ｃが重なると放出流路は閉じた状態になり、ランナ１３へ向かって水が流れなくなる。ステーベーン２１の放出流路２１ｂにガイドベーン１９の放出流路１９ｂが完全に重なると放出流路は全開の状態となり、ランナ１３は最高の回転数になる。放出流路２１ｂの幅Ｌだけガイドベーン１９を回動させることにより、ランナ１３へ向かって流れる水の量を０から最大値まで変化させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の全周にわたる衝動水車にあっては、ガイドベーン１９が全開となって放出流路１９の水量が最大になっても閉塞部２１ｃ，１９ｃの存在によりランナ１３に水が流入できない部分が生じ、換言すると図６に示す４ケ所の閉塞部１９ｃにて水が流入されず、ランナに対して水が断続しあるいは脈動することになり、このためランナ１３の疲労や振動・騒音の発生原因となる。
また、閉塞部２１ｃ，１９ｃの存在は、通水路の縮小をもたらし、ランナ１３への流入水量の低下をもたらすものであり、ランナ回転に必要な圧力や速度のエネルギが得られにくいという事態も生ずるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑み、水の断続や脈流を抑え、ランナに必要な回転エネルギを得るようにした全周流衝動水車の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成する本発明は次の構成を特徴とする。
エルボ形のケーシングと、内部に仕切りとなる、水を分割するように断面山形に形成された静止弁体を有する先すぼまりのテーパケーシングと、上記静止弁体に対応する弁体を有しこの弁体間にガイドベーンを有しこの弁体及びガイドベーンに水流出口が全周にわたるように傾斜をつけた回動可能な先すぼまりのスピードリングと、を順に連通し、上記スピードリングの水流出口にランナを備え、前記静止弁体と前記弁体の一致による水路全開にて水流が前記ランナの全周に行きわたるように構成したことを特徴とする。
【０００７】
［作用］
水流通路面積を先細りとして圧力や速度を増大させたことにより噴流のランナへの衝突エネルギを低下させないで済み、また、弁体やガイドベーンに傾斜を付けてその水流出口を全周均一になるようにしているので、水流の断続部分が無く偏荷重の発生を抑えることができる。
【０００８】
【実施例】
ここで、図１〜図４を参照して本発明の実施例を説明する。図１は全体の構成を示すもので、軸流れ全周流衝動水車を示している。
図１において、５０は水を案内するエルボ形のケーシング、５１はこのケーシング５０のエルボ部分を貫いている水車軸、５２は水車軸の軸筒である。ケーシング５０のエルボ外側には、水車軸受５３が備えられると共に水車軸５１の下端にはもうひとつの軸受である水車案内軸受５４が備えられている。
ケーシング５０の下部には、先端方向にすぼまった形状のテーパケーシング５５が備えられ、このテーパケーシング５５内には図２に示すような底が平らでケーシング５０に向って突出する山形断面の静止弁体５５ａが備えられている。
【０００９】
テーパケーシング５５の下部には、流量調整用のスピードリング５６が更に先端方向にすぼまった形状を有して備えられており、このスピードリング５６内には、テーパケーシング５５内の静止弁体５５ａと対応してテーパケーシング５５側が平らで図中下方に突出して傾斜する弁体５６ａ（図２参照）が備えられると共にこの弁体５６ａの間に同様に傾斜したガイドベーン５６ｂ（図２参照）が備えられる。このガイドベーンは水の流れを整え水車に対して所定角の水流を噴出させるものである。なお、図中５７はスピードリング５６を回動可能に支持する案内リングである。
更に、水車軸５１と一体に回転するランナ５８がスピードリング５６の下方に備えられており、ランナ５８には支持のためのボス５８ａ、外リング５８ｂ、ランナベーン５８ｃが備えられる。
【００１０】
かかる構造にあってエルボ内より流出した水流は、先すぼまりのテーパケーシング５５やスピードリング５６によって速度や圧力が増大され、開いているガイドベーン５６ｂ間の放出流路を通ってランナ５８のランナベーン５８ｃに衝突することになる。この場合、スピードリング５６の旋回操作を行なうことによって、テーパケーシング５５内の静止弁体５５ａとスピードリング５６内の弁体５６ａとがずれることになり放出流路が変化し狭まることになる。
【００１１】
図２はテーパケーシング５５、スピードリング５６、ランナ５８の全体と、Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ各矢視図を示している。この図２から判明するように、静止弁体５５ａは水を分割するように断面山形に形成され、この静止弁体５５ａに対応するスピードリング５６内の弁体５６ａは傾斜が付けられており、更に弁体５６ａ間のガイドベーン５６ｂにも同じ傾斜が着けられている。そして、静止弁体５５ａ、弁体５６ａの一致による水路全開にて弁体５６ａ、ガイドベーン５６ｂの傾斜によって水流はランナ５８の全周に行きわたるようになっており、全部のランナベーン５８ｃに水流が噴出されることになる。
【００１２】
図３に示す展開図をも参照して水流の状態等動作につき述べるに、エルボのケーシング５０から流入した圧力水は、軸方向流れとなってテーパケーシング５５内に入り弁体５５ａによって水流が分割される。
分割された水流はスピードリング５６内に流れ込み、弁体５６ａが静止弁体５５ａと同一位置にて重なっているときには、ガイドベーン５６ｂ間の放出流器（開口）が最大となり、逆に弁体５５ａ，５６ａがずれて開口を塞ぐときには流量が零となる。すなわち、スピードリング５６の旋回によって弁体５５ａと５６ａとがずれることで流量調整が可能となる。
【００１３】
スピードリング５６に流入した水は、弁体５６ａ、ガイドベーン５６ｂにて案内されて所定方向に向って噴出される。ここにおいて、静止弁体５５ａと弁体５６ａとにより得られる通水路面積は、弁の重なりによって全周の略半分となり縮小される。最大流量が流れる状態にてこの状況であり弁体５５ａと５６ａがずれると通水路面積は更に縮小される。
スピードリング５６に流れ込んだ水は、弁体５６ａとガイドベーン５６ｂとに案内され、スピードリング５６の外筒部分がテーパ状にすぼまっていることによる速度が大きな流れとなり、しかもスピードリング５６の入口では軸方向の水流であった流れが出口では図３に示すαの角度となって周方向の流れとなる。この結果、流路がテーパケーシング５５及びスピードリング５６によって大幅に縮小されることから、通水路面積の縮小を補って圧力や速度が増大し、圧力エネルギが速度エネルギに変換されてランナ５８に噴出されることになる。
【００１４】
ランナ５８内ではブレード５８ｃが所定の角度に構成されており、スピードリング５６の出口から吐出角αにて噴出した水は、図４に示す如く周速ｕ1 にて回転しているランナ５６に流速ｖ1 にて流れ込むことになり、このためランナ上では相対速度ｗ1 にて流れ込む。
ブレード５８ｃ内では流れの方向は変更され、出口にて相対速度ｗ2 にて吐出するので回転周速をｕ2 とすると吐出速度はｖ2 となる。
このランナ５８の出口では、スピードリング５６の入口で流水口が全周の半分以下であったものが弁全開にて全周となり、全周均一の流れが得られる。
水はランナ５８の中で方向を変え出口へと向うことから、ここでは周方向の速度エネルギがランナ５８の回転トルクとなり、この後水は略軸方向近くの向きとなって流出し速度エネルギはランナ５８の回転トルクとして効率良く受渡される。
【００１５】
これまでの説明では、弁体５５ａ，５６ａを周方向に４個備えた例を示したのであるが、分割数を増大しても同様の効果が得られる。
また、図１に示す構成は竪軸形のみならず、横軸形でも適用することが可能である。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次の効果がある。
（１）エルボを用いたケーシング，テーパケーシング，先細りのスピードリングにて水流をしぼっているため、弁体により通水路面積が縮小しても圧力や速度の増大によりランナの回転エネルギを得ることができ、小形，大容量，高速の水車が得られる。また、このために作り易く経済的に安価な水車が得られる。
（２）弁体とガイドベーンとによる傾斜構造によりランナ全周に均一に噴流が流れることになり、水車軸に偏荷重がなくランナの肉厚を薄くでき、運転時の振動や騒音も抑えられる。またこのため軸，軸受，ハウジング，ケーシングにつき経済設計することができる。
また、エルボ形ケーシングにて向きを自由に変えられることから竪軸，横軸いずれも適用でき据付部の構造上の制約が少なく、据付面積も最小で済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の全体構成図。
【図２】テーパケーシング，スピードリング，ランナを主に示した構成図。
【図３】流路展開図。
【図４】ランナ部の水流と力の加わり方の説明図。
【図５】従来例の全体構成図。
【図６】従来例の流路展開図。
【符号の説明】
５０  ケーシング
５１  水車軸
５５  テーパケーシング
５５ａ  静止弁体
５６  スピードリング
５６ａ  弁体
５６ｂ  ガイドベーン
５８  ランナ
５８ｃ  ランナベーン
【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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