(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車出口と放水路を連結するとともに、前記羽根車出口に接続された吸出し管上部と、前記吸出し管上部に接続されるととともに前記吸出し管内を通る流体の流れの方向を変化させる曲がり部とを有する水車又はポンプ水車の吸出し管において、
前記吸出し管のある部位をその管路の軸線方向に垂直な面で切断して得られる断面をその部位における垂直方向断面と呼び、かつ、ある垂直方向断面を含む平面と前記曲がり部の軸線を含む平面とが交わる直線の方向をその垂直方向断面の縦方向、縦方向に直角な方向をその垂直方向断面の横方向と呼ぶこととした場合、
前記吸出し管上部のうち少なくとも前記曲がり部との境界から上流側の所定の範囲における垂直方向断面の断面積が、前記羽根車出口からの距離が大きくなるに従って増加しており、かつ、前記所定の範囲における垂直方向断面の縦方向の幅の増加割合が横方向の幅の増加割合と比較して少なくなっていることを特徴とする水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項２】
前記吸出し管上部のうち前記所定の範囲の垂直方向断面の縦方向の幅は、前記羽根車出口からの距離に関わらず一定であることを特徴とする、請求項１に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項３】
前記吸出し管上部と前記曲がり部との境界における垂直方向断面が、横方向を長軸とし縦方向を短軸とする楕円形であることを特徴とする、請求項１または２に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項４】
前記吸出し管上部と前記曲がり部との境界における前記垂直方向断面は、横方向に延びる一対の直線と一対の半円とを組み合わせた輪郭を有する長円形状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項５】
前記吸出し管上部のうち前記所定領域の垂直方向断面の縦方向の幅は、前記羽根車出口からの距離に関わらず一定であり、
前記所定の範囲は、横方向に関して互いに対向する一対の側面を有し、この一対の側面は、断面が円形の直管を２分割した部材により形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項６】
前記曲がり部の垂直方向断面の輪郭は、前記羽根車出口からの距離に関わらず、横方向に延びる一対の直線と一対の半円とを組み合わせた輪郭を有する長円形状を有しており、前記曲がり部のうち前記一対の直線に対応する部位が縦方向に関して互いに対向する一対の第１の側面を構成しており、前記曲がり部のうち前記一対の半円に対応する部位が横方向に関して互いに対向する一対の第２の側面を構成しており、
前記一対の第１の側面同士の間隔は、前記羽根車出口からの距離に関わらず一定であることを特徴とする、請求項１または２に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項７】
前記曲がり部の第２の側面は、円形断面を有する管をその軸線方向に沿って分割した部材から形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項８】
前記曲がり部の第１の側面は、平板を曲げ加工した部材により形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項９】
前記曲がり部の前記垂直方向断面は、前記羽根車出口からの距離に関わらず横方向に延びる一対の直線と、前記一対の直線の両端をそれぞれ接続する一対の曲線とを組み合わせた輪郭を有しており、かつ、前記曲がり部の前記垂直方向断面の横方向幅は縦方向幅より大きくなっており、
前記曲がり部のうち前記一対の直線に対応する部位が縦方向に関して互いに対向する一対の第１の側面を構成しており、前記曲がり部のうち前記一対の曲線に対応する部位が横方向に関して互いに対向する一対の第２の側面を構成していることを特徴とする、請求項１または２に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項１０】
前記曲がり部の第２の側面は、円形断面を有する管をその軸線に交差する方向に沿って切断することにより得られた複数の部材を接合して形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【請求項１１】
前記曲がり部の第１の側面は、平板を複数の折り曲げ線に沿って折り曲げた部材により形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の水車又はポンプ水車の吸出し管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水車又はポンプ水車の吸出し管に係り、特に曲がり部を持つ吸出し管の形状および構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に従来の水力機械の一種であるフランシス水車の構成を示す。この水車においては、図示しない上池から高圧の水がケーシング１に流入し、羽根車２を回転させ、羽根車２は主軸３により発電機４を駆動する。そして、羽根車２から流出した水は、吸出し管５を介して、下池６に流出する。
【０００３】
吸出し管５は、吸出し管上部５ａ、曲がり部５ｂ及び水平拡大部５ｃからなり、通常、吸出し管上部５ａは入口断面および出口断面がともに円形である。このため、曲がり部５ｂの入口断面は円形断面のものが多い。一方水平拡大管５ｃの断面形状は矩形断面のものが多い。
【０００４】
吸出し管の入口では流体はＶｅ2／２ｇの運動エネルギーを持っている。低落 差の水車では、前述の運動エネルギーは有効落差Ｈｅの１０〜２０％に達する。従って、この運動エネルギーを効率良く圧力エネルギーに変換することが吸出し管の重要な役目となっている。仮に運動エネルギーの半分しか圧力エネルギーに変換されない場合は、有効落差の５〜１０％の損失が吸出し管で発生することになる。このため、特に低落差の水車の効率を高めるためには、損失の少ない吸出し管を作ることが重要なポイントとなる。
【０００５】
図７に示すような縦軸の水車では、吸出し管５には下向きの流水の方向を水平方向に変換する曲がり部５ｂがあり、この曲がり部５ｂで発生する損失が吸出し管５における損失の大きな部分を占める。従って、損失の少ない吸出し管を作るためには曲がり部５ｂの損失をいかに抑えるかが重要な課題となる。
【０００６】
一方、図７に示したような縦軸の水車では、吸出し管５の最下部と水車中心との垂直方向の距離Ｆ（以下では「吸出し管深さ寸法」と呼ぶ）が大きくなると、吸出し管を埋設するための土木掘削量が増え、土木掘削量の増加は発電所建設コストの高騰につながる。このため、吸出し管は、損失が少ないだけでなく、吸出し管深さ寸法Ｆが小さいものが望ましい。
【０００７】
また、図８は、従来の吸出し管の製作方法を示す図であり、この図８に示すように、吸出し管上部５ａおよび曲がり部５ｂは、流れ方向に対して複数の部分５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、…に分割される。各部分５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、…は個々に平板より切り出され、その後、所定のＲ形状を有する様に曲げ加工され、その後溶接組み立てされる。すなわち従来の吸出し管は、あたかも海老の外殻のような構造のものとなっているため溶接段の数も多く、製造コストが高くなるという問題点がある。
【０００８】
こうした構造の吸出し管では、図８に示すように流路に流れと直交する溶接線が存在するため、溶接のビードが流路壁面から突出した場合は、流れが乱され、損失が増加するという問題がある。このため、溶接をした後、ビード部を平滑化する等の処理が必要となり製造コストアップを助長する。
したがって、流れの方向と直交するような溶接線は可能な限り少ない方がよく、その方が製作コストも低減される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、土木掘削量を増やすことなく吸出し管の流動損失を低減するとともに、吸出し管の製作コストの低減を図り、もって高効率かつ低コストの水力機器を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
まず、曲がり部での損失を抑えるためにはどのような吸出し管が望ましいかを以下に論ずる。ここでは従来の吸出し管の代表例として、図９に示すような単純化した吸出し管を考える。この単純化した吸出し管では、吸出し管上部５ａは単純な円形断面の拡大管（下側に行くに従って拡開する円錐台形状の管）となっており、その入口断面は直径Ｄeの円、出口断面は直径１.４１×Ｄeの円である。 曲がり部５ｂの損失低減を考えるため、ここでは曲がり部５ｂは断面積一定の円形断面の曲がり管とする。その曲がりの半径Ｒは１.４１×Ｄeとする。また、水平拡大管５ｃの断面は直径１.４１×Ｄeの円形断面から矩形断面に徐々に変化する。
【００１１】
ここで表１に、各種断面の曲がり管で発生する損失の全損失係数ζを示す（日本機械学会編  技術資料  管路・ダクトの流体抵抗  Ｐ７４の表４.１８より引 用）。
【００１２】
【表１】
0003909179.tif 000002
曲がり部で発生する損失ΔＨは、ΔＨ＝ζ×Ｖ2／２ｇで表される（Ｖは曲が り管入口の断面平均流速）。したがって、発生する損失の大小は、この表の全損失係数ζの大小に依存する。
【００１３】
さて、この表から最初にわかることは、どのような断面形状でも曲がりの半径比Ｒ／ａ（またはＲ／（ｂ／２））が大きくなる程、損失が小さくなることである。ただし、Ｒが大きくなると図７に示した吸出し管の深さ寸法Ｆが大きくなるため、吸出し管を埋設するための土木掘削量が増えるという欠点がある。なお、前述の図９の吸出し管の曲がり部５ｂの半径比Ｒ／ａは、ａ＝Ｄe／２なので２.０に相当する。
【００１４】
一方、曲がり管の断面形状の影響については、円形断面の曲がり管よりも正方形断面の曲がり管の方が損失が少なく、また、正方形断面の曲がり管よりもｈ／ｂ比が２の長方形断面の曲がり管の方が損失が少ないことがわかる。
【００１５】
以上の点を定量的に試算した結果を表２に示す。
【００１６】
【表２】
0003909179.tif 000003
【００１７】
この試算では、３つの断面の曲がり管について、表１の値に基づき全損失係数ζを試算した。いずれの断面についても入口の断面積はπａ02とし、曲がり半径Ｒは円形断面の曲がり管の入口半径の２倍とした（すなわちＲ＝２×ａ0）。そ の結果、円形断面のζは表１のＲ／ａ＝２からζ＝０.２４６と求められる。ま た、正方形断面は入口断面の面積をπａ02とすると一辺の長さは１.７７×ａ02 （＝π1/2ａ0）となるので、
【数１】
0003909179.tif 000004
となり、表１から損失係数を補間すると
【数２】
0003909179.tif 000005
となる。この値は円形断面の曲がり管の損失係数より、約７％小さい値である。
【００１８】
損失係数が小さくなった場合の効果を定量的に述べると以下の様になる。すなわち、吸出し管入口の運動エネルギーの有効落差Ｈに対する割合を１５％とし、吸出し管入口から吸出し管上部において、その１／２が圧力エネルギーに変換され、曲がり部入口の運動エネルギーの有効落差に対する割合は７．５％とすると（すなわち、吸出し管上部で面積が１．４１倍大きくなり、流速が１／１．４１になり、運動エネルギーの有効落差に対する割合が、Ｖ2／（２ｇＨ）＝０．０ ７５となった）、円形断面の曲がり管の損失△Ｈは水車効率に対して、△Ｈ／Ｈ＝０．２４６×７．５％＝１．８５％の損失となる。一方、正方形断面の曲がり管は△Ｈ／Ｈ＝０．２２９×７．５％＝１．７２％の損失となり、正方形断面の曲がり管の方が、水車全体の効率では０．１３％向上することが期待できる。
【００１９】
一方、h／ｂ＝２の長方形の場合は、
【数３】
0003909179.tif 000006
となり、表１から損失係数を補間すると
【数４】
0003909179.tif 000007
となり、さらに損失係数が小さくなる。
【００２０】
この場合、水車効率に対しては、△Ｈ／Ｈ＝０．１６×７．５％＝１．２％の損失となり、円形の断面の曲がり管に場合より０．６５％も水車全体の効率が向上することが期待できる。
【００２１】
以上説明したように、（１）曲がり部の損失は曲がりの半径Ｒの影響を受け、損失低減の観点からは半径Ｒが大きい方が好ましいが、土木掘削量低減の観点からは半径Ｒが小さい方が好ましいこと、かつ（２）曲がり部入口の面積が一定の場合は、曲がり方向（縦方向）の断面の幅（＝前述のｂ）はなるべく小さくし、その分、それと直交する方向（横方向）の断面の幅を大きくすれば曲がり部で発生する損失を小さくできることがわかる。
【００２２】
本発明は、上記知見に基づき、水車又はポンプ水車の吸出し管の形状および構造を最適化するものであり、羽根車出口と放水路を連結するとともに、前記羽根車出口に接続された吸出し管上部と、前記吸出し管上部に接続されるととともに前記吸出し管内を通る流体の流れの方向を変化させる曲がり部とを有する水車又はポンプ水車の吸出し管において、前記吸出し管のある部位をその管路の軸線方向に垂直な面で切断して得られる断面をその部位における垂直方向断面と呼び、かつ、ある垂直方向断面を含む平面と前記曲がり部の軸線を含む平面とが交わる直線の方向をその垂直方向断面の縦方向、縦方向に直角な方向をその垂直方向断面の横方向と呼ぶこととした場合、前記吸出し管上部のうち少なくとも前記曲がり部との境界から上流側の所定の範囲における垂直方向断面の断面積が、前記羽根車出口からの距離が大きくなるに従って増加しており、かつ、前記所定の範囲における垂直方向断面の縦方向の幅の増加割合が横方向の幅の増加割合と比較して少なくなっていることを特徴としている。
【００２３】
本発明によれば、曲がり部の入口における断面の横方向の幅を縦方向の幅より大きくすることができ、吸出し管の深さの増大を抑えつつ吸出し管の損失を低減することができる。
【００２４】
前記吸出し管上部のうち前記所定の範囲の垂直方向断面の縦方向の幅は、前記羽根車出口からの距離に関わらず一定とすることができる。
【００２５】
前記吸出し管上部の前記羽根車出口側に、前記所定の範囲以外の領域が存在してもよく、この場合、前記所定の範囲以外の領域は、垂直方向断面の断面積が前記羽根車出口からの距離が大きくなるに従って増加しており、かつ、垂直方向断面の縦方向の幅の増加割合が横方向の幅の増加割合と等しい円錐台形状とすることができる。このようにすることにより、羽根車出口から流出する流体とのマッチングを良好にとることができる。
【００２６】
前記吸出し管上部と前記曲がり部との境界における垂直方向断面は、横方向を長軸とし縦方向を短軸とする楕円形とすることができる。また、前記吸出し管上部と前記曲がり部との境界における前記垂直方向断面は、横方向に延びる一対の直線と一対の半円とを組み合わせた輪郭を有する長円形状を有するように構成することもできる。なお、この場合、前記所定の範囲の最も上流側の部位における垂直方向断面を円形とすることができる。
【００２７】
また、前記吸出し管上部のうち前記所定の範囲の垂直方向断面の縦方向の幅は、前記羽根車出口からの距離に関わらず一定にすることができ、この場合、前記所定の範囲は、横方向に関して互いに対向する一対の側面を有し、この一対の側面は、断面が円形の直管を２分割した部材により形成することができる。このように構成することにより、吸出し管の製作を容易化することができる。
【００２８】
また、前記曲がり部の垂直方向断面の輪郭は、前記羽根車出口からの距離に関わらず、横方向に延びる一対の直線と一対の半円とを組み合わせた輪郭を有する長円形状を有するように構成することができ、かつ、前記曲がり部のうち前記一対の直線に対応する部位が縦方向に関して互いに対向する一対の第１の側面を構成しており、前記曲がり部のうち前記一対の半円に対応する部位が横方向に関して互いに対向する一対の第２の側面を構成し、前記一対の第１の側面同士の間隔は、前記羽根車出口からの距離に関わらず一定に構成することができる。このように構成することにより、土木掘削量を水平方向および垂直方向に関して適切にバランスさせることができる。
【００２９】
この場合、前記曲がり部の第２の側面は、円形断面を有する管をその軸線方向に沿って分割した部材から形成することができ、また、前記曲がり部の第１の側面は、平板を曲げ加工した部材により形成することができる。このように構成することにより、吸出し管の製造を容易化することができる。
【００３０】
また、前記曲がり部の前記垂直方向断面は、前記羽根車出口からの距離に関わらず横方向に延びる一対の直線と、前記一対の直線の両端をそれぞれ接続する一対の曲線とを組み合わせた輪郭を有し、かつ、前記曲がり部の前記垂直方向断面の横方向幅は縦方向幅より大きくなるように構成し、前記曲がり部のうち前記一対の直線に対応する部位が縦方向に関して互いに対向する一対の第１の側面を構成しており、前記曲がり部のうち前記一対の曲線に対応する部位が横方向に関して互いに対向する一対の第２の側面を構成するようにすることができる。
【００３１】
この場合、前記曲がり部の第２の側面は、円形断面を有する管をその軸線に交差する方向に沿って切断することにより得られた複数の部材を接合して形成することができ、また、前記曲がり部の第１の側面は、平板を複数の折り曲げ線に沿って折り曲げた部材により形成することができる。このように構成することにより、吸出し管の製造を容易化することができる。
【００３２】
また、この場合、前記一対の第１の側面間の距離は、前記羽根車出口からの距離に関わらず一定とすることができ、このように構成することにより、土木掘削量を水平方向および垂直方向に関して適切にバランスさせることができる。
【００３３】
なお、吸出し管の曲がり部の入口断面を正方形または矩形断面にすることは特開昭４２−３６４５号「水車又はポンプの吸出管」で示されているが、この提案の目的は製造コストの低減なので、曲がり部の損失低減は考慮されていない。前述した通り、曲がり部の入口断面を円形断面から正方形断面にしただけで、掘削深さまたは流動損失を低減できるが、断面の縦横比を変えれば、その効果は更に大きくなることを前述した。本発明の狙いは、曲がり部の入口断面の縦横寸法の比を変えて流動損失を低減することにあり、特公昭４２−３６４５号に開示されたものとは狙っている作用効果が異なる。
【００３４】
また、特開平２−１５７４８１号「曲り流路」では、曲がり部での流動損失を低減するため、曲がり部での断面積変化の方法と曲がり部の流路幅の決定方法を示しているが、前記した表２に示されている通り、曲がり流路の損失に大きな影響を与える因子は曲がり半径Ｒと流路の縦方向の幅ｂとの比と断面の横方向幅ｈとｂの比の２つであり、特開平２−１５７４８１号に開示された断面積変化と曲がり部の流路幅の影響は前記２つの因子の影響と比較すると小さい。いずれにしろ特開平２−１５７４８１号に係る方法と本発明の方法は曲がり部の流動損失を低減するという目的は同じであるが、作用効果が異なっている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３６】
［第１の実施形態］
まず、図１を参照して第１の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の吸出し管の形状を示す図である。なお、図１において、図７と同様の構成要素については同じ符号を付けている。
【００３７】
吸出し管５は、垂直方向を向き羽根車出口（図１には図示せず）に接続された吸出し管上部５ａと、水平方向を向き下流側に向けて断面積が増大する水平拡大部５ｃと、両端が吸出し管上部５ａと水平拡大部５ｃとを接続する曲がり部５ｂとから構成されている。吸出し管５内を流れる流体（水）は、曲がり部５ｂにおいて、その流れ方向が垂直方向から水平方向に変換される。
【００３８】
以下、吸出し管５のある部位をその管路の軸線（中心線）方向に垂直な面で切断して得られる断面をその部位における「断面」と呼び（他の方法により得られた断面と混同するおそれがある場合には、特に「垂直方向断面」と呼ぶ）、かつ、ある断面を含む平面と前記曲がり部の軸線を含む平面（曲がり部の軸線は曲線であるためこの平面は一意的に定まる）とが交わる直線の方向をその断面の「縦方向」、縦方向に直角な方向をその断面の「横方向」と呼ぶこととする。
【００３９】
吸出し管上部５ａの断面は、入口すなわち羽根車出口からの距離が離れるに従い面積が大きくなるように形成している。しかも吸出し管上部５ａの断面の縦方向および横方向の幅の関係は、縦方向の幅の増加率の方が横方向の幅の増加率に比べて小さくしてある。
【００４０】
その結果、吸出し管上部５ａの入口、すなわち羽根車出口側の上端部の断面は円形であるのに対して、吸出し管上部５ａと曲がり部５ｂとの接続部すなわち曲がり部５ｂの入口における断面の形状は、縦方向を短軸、横方向を長軸とする楕円形となる。
【００４１】
なお、曲がり部５ｂの断面形状は、その入口から出口（水平拡大部５ｃと曲がり部５ｂとの接続部まで、変化することなく一定となっている。
【００４２】
次に、本実施形態による吸出し管の効果を、図９に示した吸出し管上部５ａが徐々に拡径する円形断面を有する従来の吸出し管と比較して説明する。なお、ここでは比較のため、両者の吸出し管上部５ａの入口の断面積および曲がり部５ｂの入口の断面積は同一とする。
【００４３】
本実施形態の吸出し管５において、曲がり部５ｂの入口面積を図９の吸出し管と同様にπ×Ｄe2／２とするならば、例えば曲がり部５ｂの入口の断面形状を、短軸の長さは１.１×Ｄe、長軸の長さは１.８×Ｄe（但しＤeは吸出し管上部５ ａの入口断面の直径）の楕円と設定することができる（図１参照）。
【００４４】
ここで、曲がり部５ｂの断面の縦方向幅ｂと曲がりの半径Ｒの比（以下、Ｒ／ｂ比ともいう）が同じであれば、曲がり部５ｂにおける損失係数はほぼ同等となる（前記の表１及び表２参照）。そして、図９に示す従来の吸出し管の曲がりの半径Ｒは１.４１×Ｄeであり、曲がり部５ｂの断面の縦方向幅ｂは１.４１×Ｄeであるため、Ｒ／ｂ比は１.０である。
【００４５】
従って、本実施形態における曲がり部５ｂにおけるＲ／ｂ比を図９に示す従来のものにおけるＲ／ｂ比と同一にするならば、第１の実施形態の吸出し管５の曲がり部５ｂの曲がりの半径Ｒ（曲がり部５ｂの軸線の半径）は１.１×Ｄeとなり、従来の吸出し管より曲がり部５ｂの曲がり半径Ｒは小さくなる。このため、図１に示した本実施形態の吸出し管では、吸出し管５の深さ寸法Ｆを（１．４１−１．１）×１．５×Ｄｅ＝０．４６５×Ｄe  小さくすることができ、吸出し管 ５を埋設するための土木掘削量を少なくすることができる。大形のフランシス水車ではＤｅが１０ｍ程度のものもある。この場合は掘削深さを５ｍ程度浅くできるため、その効果は大きい。
【００４６】
また、曲がり部５ｂの断面の形状が楕円であり、楕円はその縦横比が円形より長方形に近いため、楕円の長軸を横方向にとることにより全損失係数を低減することができ（前述の表１参照）、曲がり部５ｂにおける流動損失を低減することができる。
【００４７】
また、従来の吸出し管と同じ深さ寸法Ｆとする場合は、吸出し管上部５ａの長さが図１の状態より更に長くなり、これに伴い曲がり部５ｂの入口断面の縦方向幅が大きくなる。この縦方向幅が大きくなった分、曲がり部の曲がり半径Ｒは１.２〜１.３×Ｄe程度となり、曲がり部５ｂの入口の面積を図１のπ×Ｄe2／２ より大きくすることができる。このため、曲がり部入口の流速が小さくなり、曲がり部５ｂでの損失係数が同一としても、曲がり部で発生する流動損失を低減することができる。従って、土木掘削量は同一の場合でも、吸出し管全体としての損失を低減することができる。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、従来の吸出し管と同じ程度の性能をより浅い土木掘削量で実現することができる。また土木掘削量を同一にするならば従来の吸出し管より流動損失を低減することができる。
【００４９】
［第２の実施形態］
次に、図２を参照して第２の実施形態について説明する。図２は本発明の第２の実施の形態の吸出し管の形状を示す図である。第２の実施形態は、第１の実施形態に対して、吸出し管上部５ａが、羽根車出口側の第１の拡大部５ａ１と、第１の拡大部５ａ１に接続された曲がり部５ｂにつながる第２の拡大部５ａ２との２つの部分から構成されている点が異なり、他の構成は第１の実施形態と略同一である。
【００５０】
第１の拡大部５ａ１は、テーパー状に拡開する円錐台形状を有している。すなわち第１の拡大部５ａ１の断面は円形であり、その円の半径が羽根車から離れるに従って大きくなっている。
【００５１】
第２の拡大部５ａ２の断面は、拡大部５ａ２入口においてのみ円形であり、拡大部５ａ２入口から下流側に行くに従って、横方向幅のみが大きくなってゆく（断面の縦方向幅は一定）。従って、第２の拡大部５ａ２の入口以外の断面は、横方向幅が縦方向幅より大きい楕円となっている。
【００５２】
本実施形態の吸出し管５において、曲がり部５ｂの入口面積を図８の吸出し管と同様にπ×Ｄe2／２とするならば、第１の拡大部５ａ１および第２の拡大部５ａ２の形状寸法は、例えば図２に示すように、第１の拡大部５ａ１を入口の断面が直径がＤeの円形、出口が直径１.１×Ｄeの円形とし、第２の拡大部５ａ２を 入口の断面が直径１.１×Ｄeの円形、出口の断面が短軸長さ１.１×Ｄe、長軸長さ１.８×Ｄeの楕円とするように設定することができる。
【００５３】
本実施形態においても、第１の実施形態で説明したのと同様の理由により、従来の吸出し管と比較して、同一の流動損失で従来の吸出し管より曲がり部の半径が小さくなり、吸出し管の深さ寸法Ｆが小さくなり、吸出し管を埋設するための土木掘削量を少なくすることができる。
【００５４】
また、特に本実施形態においては、吸出し管上部５ａの入口近傍がテーパー状の円管となっており同芯の円形断面が続くため、羽根車から流出してきた流れとのマッチングは第１の実施形態の吸出し管より良好であり、吸出し管上部内の流動損失を更に低減することができる。また同芯のため吸出し管上部５ｂの製造も第１の実施形態の場合より容易である。
【００５５】
［第３の実施形態］
次に、図３を参照して第３の実施形態について説明する。図３は本発明の第３の実施の形態の吸出し管の形状を示す図である。第３の実施形態は、第２の実施形態に対して、吸出し管上部５ａの第２の拡大部５ａ２の形状が異なる点と、第２の拡大部５ａ２の形状変更に伴い曲がり部５ｂの形状が変更されている点が異なり、他は第２の実施形態と略同一である。
【００５６】
図３に示すように、第２の拡大部５ａ２の入口の断面は円形であり、第２の拡大部５ａ２の出口すなわち曲がり部５ｂの入口の断面は、その輪郭が、横方向に延びる互いに平行な一対の直線と、各直線の端部を結ぶ一対の半円とから構成された長円となっている。
【００５７】
また、曲がり部５ｂの垂直方向断面の形状および寸法は、羽根車出口からの距離に関わらず一定となっている。従って、曲がり部５ｂの縦方向両側の側面（各垂直方向断面の輪郭の直線部分の集合で表される）は、それぞれ２次曲面となり、かつ２次曲面間の距離は、羽根車出口からの距離に関わらず常に一定である。
【００５８】
本実施形態では、曲がり部５ｂの入口の垂直方向断面を楕円ではなく長円形状としているため、吸出し管上部との断面形状のつながりの滑らかさ、製造の容易性という点においては、第１及び第２の実施形態より優れている。
【００５９】
また、本実施形態の吸出し管５において、曲がり部５ｂの入口面積を図９の吸出し管と同様にπ×Ｄe2／２とするならば、図３に示すように、第２の拡大部５ａ２の入口の断面を直径１.１×Ｄeの円とし、第２の拡大部５ａ２の出口すなわち曲がり部５ｂの入口の断面を、縦方向幅１.１×Ｄe、横方向幅１.６６×Ｄe、半円の半径を０.５５×Ｄeの長円とすることができる。
【００６０】
したがって、吸出し管は羽根車方向から見た場合の曲がり部の横方向の幅が１．６６×Ｄeとなり、第１及び第２の実施形態の吸出し管の幅（＝１．８×Ｄe）と比較して小さくなる。このため、深さ方向の掘削量は第１及び第２の実施形態と同等であるが、水平方向の掘削量も含めると本実施形態の吸出し管が最も少なくなる。
【００６１】
本実施形態においても、第１の実施形態で説明したのと同様の理由により、従来の吸出し管と比較して、同一の流動損失で従来の吸出し管より曲がり部の半径が小さくなり、吸出し管の深さ寸法Ｆが小さくなり、吸出し管を埋設するための土木掘削量を少なくすることができる。
【００６２】
［第４の実施形態］
次に、図４を参照して第４の実施形態について説明する。図４は本発明の第４の実施の形態の吸出し管を示す図である。本実施形態における吸出し管５の形状は本発明の第２の実施形態のものと基本的に同一である。ただし、本実施形態の吸出し管の曲がり部５は下記の様な特徴をもつ部品で構成されている。
【００６３】
まず、曲がり部５ｂのうち横方向に関して互いに対向する両側面を構成している部材５ｆ、５ｇは、曲がり半径Ｒ（Ｒは円形エルボの軸線の曲がりの半径）の円形エルボを２分割した部材によりそれぞれ形成されている。また曲がり部５ｂのうち縦方向に関して互いに対向する両側面を構成している部材５ｄ、５ｅは、円筒の周面の一部をなす形状の板材により構成されている。部材５ｄ、５ｅはそれぞれ、半径Ｒ＋ｒ、半径Ｒ−ｒ（Ｒは円形エルボの軸線の曲がりの半径、ｒは円形エルボの円形断面の半径）の円筒の周面の一部をなす。
【００６４】
図４に示すように、部材５ｄ、５ｅは横方向に関して所定の間隔をおいて配置される。そして、部材５ｄ、５ｅは縦方向両側から部材５ｆ、５ｇに挟まれ、部材５ｆ、５ｇに溶接により接合される。部材（曲面）５ｄ、５ｅの距離は曲がり部５ｂの入口から出口まで変化せず一定である。
【００６５】
本実施形態によれば、部材５ｆ、５ｇは円形エルボを２分割して形成できるためされ、その製作は容易である。また部材５ｄ、５ｅは、円筒の周面の一部をなす単純な形状のため、平板を曲げ加工して容易に成形することができる。このため、曲がり部５ｂを容易に製作することができる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、図８に示した従来の吸出し管のように流れと直交する溶接線が存在しないため、溶接のビードが突出したことに起因する損失を無くすことができ、低流動損失の吸出し管を提供することができる。
【００６７】
また曲がり部５ｂの曲がりが単純な曲がり半径Ｒが一定の場合は、部材５ｆ、５ｇを市販のエルボ管を加工することにより製作することができるため、製作コストを低減することができる。
【００６８】
なお、曲がり部５ｂの曲がり半径Ｒが一定でない場合にも、本実施形態の手法に準じた手法で曲がり部５ｂを製作することができる。すなわちこのような場合には、上記の市販のエルボ管を用いることはできなくなるが、断面の半径が一定であれば、市販の直管を曲げ加工した後これを２分割することにより部材５ｆ、５ｇを製作することができ、部材５ｄ、５ｅは部材５ｆ、５ｇの曲がりに対応させて平板を曲げ加工して容易に成形することができる。従って、この場合も製作コストを低減することができる。
【００６９】
このように本実施形態によれば、損失が少なく、製作コストも少ない吸出し管を提供することができる。
【００７０】
［第５の実施形態］
次に、図５を参照して第５の実施形態について説明する。図５は本発明の第５の実施形態の吸出し管を示す図である。ここで吸出し管５の曲がり部５ｂの構成は、図４に示した第４の実施形態のものと同一である。また、本実施形態における吸出し管上部５ａの構成は、図３に示した第３の実施形態の吸出し管上部５ａと同一であり、円形断面を有するテーパー状の第１の拡大部５ａ１と、第２の拡大部５ａ２との２つの部分から構成されている。
【００７１】
ここで、図５に示すように、第２の拡大部５ａ２の横方向の側面は、円管を２分することにより得られた部材５ａ２−１と部材５ａ２−２で構成され、その間は三角形の平板状の部材５ａ２−３と部材５ａ２−４とにより構成されている。
【００７２】
第２の拡大部５ａ２を上記のように分割された複数の部材により構成することにより、第２の拡大部５ａ２の製作が容易となり製作コストを低減することができる。
【００７３】
また、第２の拡大部５ａ２の円断面の半径と曲がり部５ｂの側面の円断面の半径が必然的に同一となるため、吸出し管内の流れに沿って著しい断面形状の変化が無いため流動損失を低減することができる。
【００７４】
［第６の実施形態］
次に、図６を参照して第６の実施形態について説明する。図６は本発明の第６の実施の形態による吸出し管の製作方法を示す図である。
【００７５】
本実施形態の吸出し管５の吸出し管上部５ａおよび曲がり部５ｂの形状寸法は、曲がり部５ｂの垂直方向断面の横方向幅が一定ではなく下流側に行くに従って増大するように若干変化している点を除いて、図４に示した第４の実施形態と同一である。
【００７６】
曲がり部５ｂの両側面は円形断面の直管を２分割した部材を複数組み合わせて形成されている。図６において符号５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、…、５ｂ１２で示す部材は、円形断面の直管を２分割することにより得られた部材である。
【００７７】
また、曲がり部５ｂの内側面および外側面は、それぞれ単一の部材５ｂＵおよび部材５ｂＬにより形成されている。部材５ｂＵおよび部材５ｂＬは、互いに隣接する部材５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、…、５ｂ１２間の継ぎ目に対応する部位で折れ曲がっており、複数の平面から構成されている。
【００７８】
これらの部材５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、…、５ｂ１２および５ｂＵ、５ｂＬは、溶接により互いに接合される。従って、部材５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、…、５ｂ１２は、海老の外殻のように、流れ方向に相互に連結されている。なお、部材５ｂ１〜５ｂ１２の部材の接断面は、もとの円形断面の直管の管軸と垂直でなく、傾いている。
【００７９】
本実施形態の吸い出し管において、曲がり部５ｂの入口断面形状は本発明の第３の実施形態と同様な形状で、曲がり部の内側面および外側面（横方向に互いに対向する面）の間の距離は、第４の実施形態と同様に一定なので、第３及び第４の実施形態と同様に、従来の吸出し管より流動損失を低減できる。また発生する損失を同程度にするために必要な吸出し管の深さ寸法Ｆも従来の吸出し管より浅くなり、土木掘削量の低減が可能となる。
【００８０】
図９に示すような従来の吸出し管の製作方法では、個々の部材５ｂ１、５ｂ２、…を形成するために、平面に展開した形状を求め、平板からそれらを切り出し、更に曲げ加工を実施することが必要であったが、本実施形態においては、円管をを切断した部材と、平板を折り曲げ加工した部材とを準備するだけでよいので、製造が容易で、コストの低減および納期の短縮を実現できる。特に、部材５ｂＬと５ｂＵには流れ方向と直交する折れ線はあるが溶接ビードのような流れと直交する突起はないため、図８の従来の吸出し管より流動損失は小さくなる。また、必要となる円管の寸法次第では、市販の直管を使用することも可能となるため、さらに製造の容易化、コストの低減および納期の短縮が可能となる。
【００８１】
また本実施形態による構造をとることにより、曲がり部５ｂの流路の幅を変化させることができ、設計の自由度が大きくなるため、第４の実施形態で説明した構造に比べて適用範囲は広くなる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、吸出し管の損失低減、製造コストの低減、土木掘削量の低減等を図ることができ、ひいては低コストで効率の高い水力機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水力機械の吸出し管を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の水力機械の吸出し管を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の水力機械の吸出し管を示す図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の水力機械の吸出し管を示す図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の水力機械の吸出し管を示す図。
【図６】本発明の第６の実施の形態の水力機械の吸出し管を示す図。
【図７】従来の水力機械の構成と吸出し管を示す図。
【図８】従来の吸出し管の製作方法を示す図。
【図９】従来の吸出し管の形状を示す図。
【符号の説明】
１  ケーシング
２  羽根車
５  吸出し管
５ａ  吸出し管上部
５ｂ  曲がり部
５ａ１  吸出し管上部の第１の拡大部（所定領域以外の領域）
５ａ２  吸出し管上部の第２の拡大部（所定領域）
【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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【図８】
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【図９】
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