(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の同一形状の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、
前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の各翼の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方向の少なくとも一方に変位している（ここで、羽根車の周方向に変位しているとは、前記案内羽根の各翼の各断面における対応する点を前記一方から前記他方まで結んだ線を、前記羽根車の回転軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される投影線が、前記羽根車の回転軸を中心とする円弧となるように変位していることをいう）と共に、
前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転軸からの距離に応じてその大きさが設定されていることを特徴とする水車。
【請求項２】
羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の同一形状の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、
前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向に変位している（ここで、羽根車の周方向に変位しているとは、前記案内羽根の各翼の各断面における対応する点を前記一方から前記他方まで結んだ線を、前記羽根車の回転軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される投影線が、前記羽根車の回転軸を中心とする円弧となるように変位していることをいう）ことを特徴とする水車。
【請求項３】
請求項２において、前記案内羽根の翼の前記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて、前記羽根車の回転方向に変位していることを特徴とする水車。
【請求項４】
請求項２において、前記案内羽根の翼の前記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて、前記羽根車の回転方向と反対方向に変位していることを特徴とする水車。
【請求項５】
請求項２乃至４の何れかにおいて、前記変位している断面の前記羽根車の周方向への変位割合が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて大きくなるように構成されていることを特徴とする水車。
【請求項６】
羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の同一形状の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、
前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の径方向に変位していると共に、
前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転軸からの距離に応じてその距離が近いほどその大きさが小さくなるように構成されていることを特徴とする水車。
【請求項７】
請求項６において、前記変位している断面の弦長が、前記羽根車の回転軸からの距離に比例して変化するように構成されていることを特徴とする水車。
【請求項８】
請求項６において、前記案内羽根の翼の前記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて、前記羽根車の径方向の内側に変位していることを特徴とする水車。
【請求項９】
請求項６において、前記案内羽根の翼の前記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて、前記羽根車の径方向の外側に変位していることを特徴とする水車。
【請求項１０】
請求項６乃至９の何れかにおいて、前記変位している断面の前記羽根車の径方向への変位割合が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて大きくなるように構成されていることを特徴とする水車。
【請求項１１】
羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の同一形状の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、
前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方向の両方向に変位している（ここで、羽根車の周方向に変位しているとは、前記案内羽根の各翼の各断面における対応する点を前記一方から前記他方まで結んだ線を、前記羽根車の回転軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される投影線が、前記羽根車の回転軸を中心とする円弧となるように変位していることをいう）と共に、
前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転軸からの距離に応じてその距離が近いほどその大きさが小さくなるように構成されていることを特徴とする水車。
【請求項１２】
羽根車と、前記羽根車の外側に配置される三次元翼型の案内羽根であって各翼が同一形状の案内羽根と、前記案内羽根の外側に配置されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、
前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を構成する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略平行四辺形をなし、
前記各翼をその回転の中心軸方向から見た場合、該中心軸に垂直な断面が前記羽根車の周方向にずれるように構成されている（ここで、羽根車の周方向にずれるように構成されているとは、前記案内羽根の各翼の各断面における対応する点を前記一方から前記他方まで結んだ線を、前記羽根車の回転軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される投影線が、前記羽根車の回転軸を中心とする円弧となるように構成されていることをいう）ことを特徴とする水車。
【請求項１３】
羽根車と、前記羽根車の外側に配置される三次元翼型の案内羽根であって各翼が同一形状の案内羽根と、前記案内羽根の外側に配置されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、
前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を構成する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略台形をなし、
前記各翼をその回転の中心軸方向から見た場合、該中心軸に垂直な断面が前記羽根車の径方向にずれるように構成されていることを特徴とする水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は案内羽根を備えた水車に係り、特に三次元翼型の案内羽根を備えた水車に関する。三次元翼型とは、案内羽根を構成する各翼が、その回転軸に垂直な断面形状の外形又は位置のうち少なくとも一方が、その回転軸の方向に変化する構造のものをいう。
【０００２】
【従来の技術】
図２０を用いて、従来の水車を説明する。同図の（ａ）は従来の水車の概略横断面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。この水車は、ケーシング１，ステーベーン２，案内羽根３，羽根車４などから構成される。水は、ケーシング１に流入し、ステーベーン２及び案内羽根３を通って羽根車４に流入する。羽根車４に流入した水は、羽根車４を回転方向１１の向きに回転させる。羽根車４の下側及び上側は、それぞれバンド８及びクラウン１０に固定されている。クラウン１０は回転軸１４に固定されており、羽根車４は回転軸１４を中心に回転する。案内羽根３の各翼は、回転軸７を中心に回転する。
【０００３】
案内羽根３の全ての翼は、同相で開閉する。翼の開閉は、回転軸７にアーム
２５ａ，２５ｂにより連結されたガイドリング２４を回転させることにより行う。案内羽根３は、運転停止時に水を完全に締め切る必要がある。このため、通常案内羽根３の翼は二次元翼型の形状をしている。二次元翼型とは、回転軸７に垂直な翼の各断面形状の外形及び位置が同じものをいう。
【０００４】
水車の性能上重要な課題の一つにキャビテーションの防止がある。羽根車４の内部におけるキャビテーションの発生は、効率の低下、振動や騒音の発生などの問題を生じる。キャビテーションが著しい場合には、羽根車４が損傷し、交換が必要になる可能性もある。図２０の水車の場合、羽根車４のバンド８側の曲率が大きいため、この領域の流れが加速して圧力が低下する。従って、羽根車４の入口のバンド８側におけるキャビテーションの発生を防止することが重要である。
キャビテーションの防止に関する第１の従来技術として、特開昭59−82580 号公報に、羽根車４の前縁部９をクラウン１０側からバンド８側に向かって回転方向１１に傾斜させた構成が記載されている。
【０００５】
キャビテーションの防止に関する第２の従来技術として、特開昭51−72846 号公報，特開昭52−98841号公報、及び実開昭61−43977号公報に、側面形状を台形や平行四辺形とした三次元翼型の案内羽根が記載されている。また、案内羽根３の上側の断面形状の後端を羽根車４側に伸ばした構成も記載されている。
【０００６】
キャビテーションの防止に関する第３の従来技術として、特開昭60−182361号公報に、案内羽根の回転軸と後縁とを結ぶ直線が、羽根車の円周方向となす角度が下側で小さくなるように構成した案内羽根が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来技術の場合、ダムの水位が高い高落差時に羽根車４の翼の負圧面側に発生するキャビテーションは防止できる。しかし、ダムの水位が低い低落差時に羽根車４の翼の正圧面側に発生するキャビテーションは防止できない。従って、ダムの水位低下により運転条件が変化した場合に対応が難しい。また、既設の水車のキャビテーションを防止する場合には、製造コストが高い羽根車４を交換する必要がある。更に、羽根車４は大型の構成要素であるため、その運搬及び設置には長い期間が必要となり、これもコスト高の要因となる。
【０００８】
第２の従来技術の場合、案内羽根３は、一般に水の流路を完全に締め切ることはできない。
【０００９】
第３の従来技術の場合、案内羽根の翼型そのものを上側から下側にかけて変化させる必要があるため、設計が困難となる。
【００１０】
本発明の目的は、設計が容易な三次元翼型の形状を有し且つ締めきり可能な案内羽根を備え、低コストでキャビテーションの発生を防止できる水車を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
初めに、羽根車の入口においてキャビテーションが発生する原因を図２１を用いて説明する。図中のＣｕ，Ｃｖ及びＣｗは、それぞれ羽根車の旋回速度，水流の絶対速度及び羽根車に対する水流の相対速度を表わしている。これら３つの速度ベクトルで形成される三角形は、羽根車の入口における速度三角形と呼ばれる。図２１の(ａ)，(ｂ)及び(ｃ)は、それぞれ低落差時，定格運転落差時及び高落差時における速度三角形を示している。
【００１２】
同図に示すように、(ｂ)の定格運転落差時以外では、羽根車への水の流入角度は羽根車４の翼の前縁（先端部）４ａの角度と一致していない。このため、キャビテーションが発生する可能性がある。(ａ)の低落差時には、羽根車４の翼の正圧面１３側にキャビテーションが発生し易い。(ｃ)の高落差時には、羽根車４の翼の負圧面１２側にキャビテーションが発生し易い。このような羽根車への流入角度の変化は、一般の水車に発生することが知られている。
【００１３】
通常は、羽根車への負荷が大きくなる高落差時の方が、キャビテーションの発生の可能性が大きい。しかし、羽根車の設計によっては、低落差時にキャビテーションが発生する可能性もある。一般に、水車の運転落差範囲内ではキャビテーションが発生しないことが要求される。従って、羽根車の設計に応じて、最もキャビテーションが発生し易い落差において、キャビテーションの発生を防止することが要求される。
【００１４】
ところで、図２１に示した羽根車への水の流入角度は、羽根車の周方向における平均的な流入角度である。厳密には、羽根車の翼の近傍とその他の場所では、流入角度が周方向に変化する。この理由を図２２を用いて説明する。一般に、揚力を発生している翼としては、飛行機の翼や水車の羽根車の翼などが知られている。これらの翼の先端においては、図２２に示すように、流体の流れは正圧面側から流入するようにその方向が変化する。これは、翼の周りに循環と呼ばれる一種の渦層が形成され、この渦層から誘起速度を受けて流れの方向が曲げられるためである。
【００１５】
このように、揚力を発生している翼が流れの中にある場合、翼の影響が上流側に及ぶことにより流体の流入角度が変化する。水車の羽根車の場合も、図２３に示すように、羽根車４の翼の前縁（先端）４ａ付近において、正圧面１３側から水が流入する傾向がある。これからも、高落差時には、羽根車の翼の負圧面１２側においてキャビテーションが発生し易いことが判る。同図に示すように、羽根車４の翼の前縁４ａから離れた位置における水の流れは、平均的な相対速度Ｃｗとほぼ一致する。
【００１６】
本発明は、上記した分析結果に基づいて、揚力を発生している水車の羽根車の翼がその上流側の流れに与える影響の大きさを制御するものである。この制御により、羽根車の翼の前縁付近の局所的な流入角度を変化させ、キャビテーションの発生を防止するものである。
【００１７】
具体的には、低落差時にバンド８側でキャビテーションの発生する可能性が大きい場合、案内羽根を開いた時に下カバー側において羽根車との距離が遠くなるような案内羽根の形状とする。案内羽根をこのような形状にすることにより、上記した羽根車の翼（揚力を発生している翼）の影響がより上流まで及ぶことになる。この結果、図２１(ａ)のように負圧面１２側から流入しようとする流れの向きを正圧面１３側に曲げて、流入角度を羽根車の翼の前縁４ａの角度と一致させることができる。
【００１８】
高落差時にバンド８側でキャビテーションの発生する可能性が大きい場合には、案内羽根を開いた時に下カバー側において羽根車との距離が近くなるような案内羽根の形状とする。案内羽根をこのような形状にすることにより、上記した羽根車の翼（揚力を発生している翼）の影響が上流まで及ばないことになる。この結果、図２３のように流れが曲げられて正圧面１３側から流入することを防いで、流入角度を羽根車の翼の前縁４ａの角度と一致させることができる。
【００１９】
以上の考察から、前記目的を達成するための第１の発明は、羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の各翼の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方向の少なくとも一方に変位していると共に、前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転軸からの距離に応じてその大きさが設定されている。
【００２０】
第２の発明は、羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向に変位する。
【００２１】
第３の発明は、羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の径方向に変位していると共に、前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転軸からの距離が近いほどその大きさが小さくなる。
【００２２】
第４の発明は、羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方向の両方向に変位していると共に、前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転軸からの距離が近いほどその大きさが小さくなる。
【００２３】
第５の発明は、羽根車と、前記羽根車の外側に配置される三次元翼型の案内羽根と、前記案内羽根の外側に配置されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を構成する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略平行四辺形をなし、前記各翼をその回転の中心軸方向から見た場合、該中心軸に垂直な断面が前記羽根車の周方向にずれて見える。
【００２４】
第６の発明は、羽根車と、前記羽根車の外側に配置される三次元翼型の案内羽根と、前記案内羽根の外側に配置されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を構成する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略台形をなし、前記各翼をその回転の中心軸方向から見た場合、該中心軸に垂直な断面が前記羽根車の径方向にずれて見える。
【００２５】
以上の各発明によれば、水車の運転時の案内羽根を開いた状態（以下、単に開状態という）において、キャビテーションが最も発生し易い落差及び位置に応じて、案内羽根と羽根車との距離を適切に設定できるので、キャビテーションの発生を効果的に防止できる。
【００２６】
例えば、高落差時にバンド側でキャビテーションが最も発生し易い場合、案内羽根の締め切り状態（以下、単に閉状態という）において、案内羽根の翼の回転の中心軸に垂直な断面（以下、単に翼の断面という）が、上カバー側から下カバー側に向けて羽根車の回転方向（周方向）に変位するように構成する。または、案内羽根の閉状態において、案内羽根の翼の断面が、上カバー側から下カバー側に向けて羽根車の径方向の内側に変位するように構成しても良い。
【００２７】
本構成を備えることにより、案内羽根を開いた時に、下カバー側において案内羽根の翼と羽根車の翼との距離が近くなる。この結果、前述したように羽根車の翼の影響が上流まで及ばなくなるので、キャビテーションの発生を効果的に防止できる。
【００２８】
低落差時にバンド側でキャビテーションが最も発生し易い場合には、案内羽根の閉状態において、案内羽根の翼の断面が、上カバー側から下カバー側に向けて羽根車の回転方向と反対方向（周方向）に変位するように構成する。または、案内羽根の閉状態において、案内羽根の翼の断面が、上カバー側から下カバー側に向けて羽根車の径方向の外側に変位するように構成しても良い。
【００２９】
本構成を備えることにより、案内羽根を開いた時に、下カバー側において案内羽根の翼と羽根車の翼との距離が遠くなる。この結果、前述したように羽根車の翼の影響が上流まで及ぶようになるので、キャビテーションの発生を効果的に防止できる。
【００３０】
上記何れの場合も、変位させる翼の断面の各形状は、互いに相似形にして、羽根車の回転軸からの距離が近いほどその大きさが小さくなるように構成すれば良い。翼の断面を羽根車の周方向に変位させる場合には、各断面と羽根車の回転軸との距離が同じであるため、相似比は１となる。
【００３１】
案内羽根の翼の断面をこのように形成することにより、案内羽根を閉じた時に、隣接する翼の前縁と後縁とが互いに接する状態となる。従って、案内羽根の締め切り性能を十分に確保できる。
【００３２】
更に、上記何れの場合も、翼の断面形状は、相似形を維持しつつ羽根車の周方向又は径方向に変位しているだけである。従って、一つの断面における翼型を設計すれば、他の断面は、相似形を維持しつつその翼型を周方向又は径方向に移動させるだけで済む。即ち、翼型そのものを各断面において再設計する必要がないので、設計が容易となる。
【００３３】
また、以上の各発明によれば、既設の水車のキャビテーションを防止するために、案内羽根を交換すれば良い。即ち、製造コストなどが高い羽根車を交換する必要がないので、低コストでキャビテーションを防止できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１〜図３を用いて、本発明を適用した水車の第１実施例を説明する。図３は、第１実施例の水車の概略構成図である。図１は、第１実施例の水車の概略横断面図である。但し、案内羽根３の翼がある開き角度（又は開度）の状態を示している。図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。
【００３６】
本水車は、ケーシング１，ステーベーン２，案内羽根３，羽根車４などから構成される。羽根車４の下側及び上側は、それぞれバンド８及びクラウン１０に固定されている。クラウン１０は回転軸１４に固定されており、羽根車４は回転軸１４を中心に回転する。案内羽根３の各翼は、回転軸７を中心に回転する。
【００３７】
図１及び図２に示すように、ステーベーン２及び案内羽根３は、羽根車４の回転軸１４を中心軸とする周方向に、複数の翼が等間隔に配列されている。ステーベーン２の全ての翼は、形状及び開き角度（又は開度）が同じで、ケーシング１の出口側（内周側）に固定されている。
【００３８】
案内羽根３の全ての翼は形状が同じで、ケーシング１の出口流路を形成する上カバー５と下カバー６に挟まれている。各翼は、回転軸７を中心に回転可能に構成されている。翼の開き角度（又は開度）を調整することにより、案内羽根３を通過する水の流量を調整できる。翼の開閉は、回転軸７にアームにより連結されたガイドリング（図示せず）を回転させることにより行う。ガイドリングの回転は、油圧モータ又は電動モータにより駆動する。こうして、案内羽根３の全ての翼が同相で（同じ開き角度で）開閉するようにしている。
【００３９】
ダムから導かれた水は、ケーシング１に入り、ステーベーン２及び案内羽根３を通って羽根車４に流入する。即ち、図１のケーシング入口１ａから流入した水は、ケーシング１内を周方向（同図の右回り方向）に流れ、ケーシング１の内周側に位置する出口からステーベーン２内に流れる。羽根車４に流入した水は、羽根車４を回転方向１１の向きに回転させることによって、回転軸１４に連結されている発電機（図示せず）を回す。このようにして、ダムに貯えられた水の位置エネルギーが電力に変換される。
【００４０】
次に、図４〜図６を用いて、本実施例の案内羽根３の詳細構造を説明する。図４は、案内羽根３を閉じた状態において、案内羽根３の一つの翼を上カバー５側から見た図である。図５は、案内羽根３を閉じた状態を示す図である。図６は、案内羽根３を開いた状態を示す図である。図５及び図６において、上側は上カバー５側に対応している。
【００４１】
図４及び図５に示すように、本実施例の案内羽根３の翼は、上カバー５側（以下、上側という）から下カバー６側（以下、下側という）に向かうほど、その断面が羽根車４の回転方向（周方向）１１に変位する構造を有する。即ち、案内羽根３の翼の回転軸７に垂直な断面は、上側から下側に向かうほど、羽根車４の回転方向１１に一定の割合で連続的に変位する。回転軸７の方向は、羽根車４の回転軸１４の方向と同じである。
【００４２】
この場合、翼の断面形状の外形は変化せず、その位置が変化する。言い替えれば、回転方向１１に変位している翼の各断面の形状は互いに相似形をしており、相似比が１である。翼の外見的な特徴は次の２つである。第１は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が概略平行四辺形をしていることである。第２は、翼を回転軸７の方向から見た場合、回転軸７に垂直な断面が羽根車４の回転方向にずれて見えることである。このようにして、三次元翼型の案内羽根３が構成される。
図４に示すように、案内羽根３の下側の断面形状１８は、上側の断面形状１７を回転方向１１に回転移動させたものであり、単に平行移動したものではない。この場合、翼の各断面における対応する点を上側から下側まで結んだ線を、羽根車４の中心軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される投影線（以下、単に投影線という）は、羽根車４の回転軸１４を中心とする円弧となる。例えば、各断面における翼の前縁１５（又は後縁１６）の点を上側から下側まで結んだ線の投影線は、回転軸１４を中心とする円弧となる。
【００４３】
以上では、案内羽根３を閉じた状態における特徴を説明した。これらの特徴を備えることにより、案内羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁１６とが互いに接する状態となる。従って、図５に示すように、十分な締め切り性能を維持できる。このようにして、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内羽根を構成できる。
【００４４】
図４〜図６から分かるように、水車の運転時の案内羽根３を開いた状態において、案内羽根３と羽根車４の入口との距離は、上カバー５側（上側）と下カバー６側（下側）では異なる。この詳細を図７を用いて説明する。同図は、第１実施例の案内羽根を開いた状態において、隣接する３つの翼を上カバー側から見た図である。同図に示すように、上側の断面形状１７の後縁の径方向位置（羽根車４の中心からの距離）Ｒ１の方が、下側の断面形状１８の後縁の径方向位置Ｒ２よりも大きい。
【００４５】
このように、下側において案内羽根３が羽根車４に近いため、前述したように、羽根車４が有する渦層の影響は上流まで及ばない。この結果、羽根車４の翼のバンド８側の前縁の流入角度は、従来よりも負圧面側から流入する。これにより負圧面側の圧力が上昇するので、高落差時に羽根車の入口のバンド側に発生し易いキャビテーションの防止に有効である。
【００４６】
図８を用いて、本実施例の上記効果を解析的に求めた結果を説明する。同図は、羽根車４のバンド８側における負圧面の圧力分布の解析例を示す。横軸は、羽根車４の入口からの距離を、羽根車４の前縁９から後縁２０までの距離で正規化したものである。同図で、実線２３が本実施例を表し、実線２１が二次元翼型の従来例を表している。
【００４７】
図８に示すように、従来例の場合、負圧面の圧力は羽根車の入口付近でキャビテーション発生の限界圧力２２よりも低く、キャビテーションが発生する。一方、本実施例の場合、上記した効果により負圧面の圧力が限界圧力２２よりも高くなり、キャビテーションの発生を防止できることが判る。
【００４８】
以上のように、本実施例によれば、高落差時に羽根車４の負圧面側に発生するキャビテーションを効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案内羽根３を備えた水車を得ることができる。
【００４９】
（実施例２）
次に、図９〜図１１を用いて、本発明を適用した水車の第２実施例を説明する。図９は、第２実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図である。図１０は、案内羽根３を閉じた状態を示す図である。図１１は、第２実施例の案内羽根を開いた状態において、隣接する３つの翼を上カバー側から見た図である。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００５０】
図９及び図１０に示すように、本実施例の案内羽根３の翼は、上カバー５側  （上側）から下カバー６側（下側）に向かうほど、その断面が羽根車４の回転軸１４側（中心軸側）に変位する構造を有する。即ち、翼の回転軸７に垂直な断面は、上側から下側に向かうほど、羽根車４の径方向の内側に一定の割合で連続的に変位する。
【００５１】
この場合、翼の断面形状は上側から下側に向かうほど小さくなり、互いに相似形をなす。即ち、翼の断面の弦長及び外周長さは、羽根車４の中心からの距離に比例した長さとなる。弦長とは、翼の断面における前縁と後縁とを結ぶ弦(直線)の長さである。一例として、翼の上側の断面形状１７における弦１７ａを、図９に示す。翼の断面積は、羽根車４の中心からの距離の２乗に比例した面積となる。
【００５２】
翼の外見的な特徴は次の２つである。第１は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が概略台形をしていることである。第２は、翼を回転軸７の方向から見た場合、回転軸７に垂直な断面が羽根車４の径方向の内側にずれて見えることである。このようにして、三次元翼型の案内羽根３が構成される。
【００５３】
図９に示すように、案内羽根３の翼の下側の断面形状１８は、上側の断面形状１７を相似形に縮小して羽根車４の中心方向に移動させたものであり、単に平行移動したものではない。この場合、翼の各断面における対応する点を上側から下側まで結んだ線を、羽根車４の中心軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される投影線は、この中心軸から径方向に伸びる直線の一部をなす。例えば、各断面における翼の前縁１５（又は後縁１６）の点を上側から下側まで結んだ線の投影線は、この中心軸から径方向に伸びる直線の一部をなす。
【００５４】
このような特徴を備えることにより、案内羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁１６とが互いに接する状態となる。従って、図１０に示すように、十分な締め切り性能を維持できる。このようにして、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内羽根を構成できる。
【００５５】
また、図１１に示すように、水車の運転時の案内羽根３を開いた状態において、上側の断面形状１７の後縁の径方向位置（羽根車４の中心からの距離）Ｒ１は、下側の断面形状１８の後縁の径方向位置Ｒ２よりも大きい。従って、本実施例においても第１実施例と同様な効果が得られる。即ち、高落差時に羽根車の入口のバンド側に発生し易いキャビテーションを防止できる。この効果は、発明者らによる解析でも確認された。
【００５６】
以上のように、本実施例によれば、高落差時に羽根車４の負圧面側に発生するキャビテーションを効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案内羽根３を備えた水車を得ることができる。
【００５７】
尚、第１実施例及び第２実施例においては、案内羽根３の断面の変位の割合を一定としたが、この割合は一定でなくても良い。
【００５８】
（実施例３）
次に、図１２及び図１３を用いて、本発明を適用した水車の第３実施例を説明する。図１２は、第３実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図である。図１３は、案内羽根３を閉じた状態を示す図である。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００５９】
本実施例においても、案内羽根３の翼の断面の変位方向は、第１実施例と同じである。即ち、翼の回転軸７に垂直な断面は、上カバー５側（上側）から下カバー６側（下側）に向かうほど、羽根車４の回転方向（周方向）１１に連続的に変位する。
【００６０】
本実施例が第１実施例と異なる点は、翼の断面の変位の割合である。本実施例の場合、翼の断面の変位の割合は、上側から下側に向かうほど大きくなる。この結果、図１３に示すように、翼の下側は羽根車４の回転方向１１に突き出たような形状となる。この場合も、翼の断面形状の外形は変化せず、その位置が変化する。言い替えれば、回転方向１１に変位している翼の各断面の形状は互いに相似形をしており、相似比が１である。
【００６１】
本実施例においても、第１実施例と同様な効果が得られる。更に、本実施例の場合、三次元翼型の案内羽根３による効果を主に下側に限定できる。このため、羽根車４のバンド８側におけるキャビテーションの発生を防止しつつ、羽根車４の他の部分に対する水の流入条件はほとんど影響されない。従って、既設の水車の案内羽根３のみを交換する際に、特に有効となる。
【００６２】
尚、第３実施例の考え方は、第２実施例に適用しても良い。即ち、第２実施例において、案内羽根３の翼の断面の変位の割合を上側から下側に向かうほど大きくしても良い。更に、翼の断面の変位の割合の変え方は、これに限定されない。即ち、この変位の割合は、案内羽根３の上側と下側の間で任意に変化させても良い。
【００６３】
（実施例４）
次に、図１４及び図１５を用いて、本発明を適用した水車の第４実施例を説明する。図１４は、第４実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図である。図１５は、案内羽根３を閉じた状態を示す図である。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００６４】
本実施例は、第１実施例と第２実施例の組み合わせである。即ち、案内羽根３の翼の回転軸７に垂直な断面は、上カバー５側（上側）から下カバー６側(下側)に向かうほど、羽根車４の回転方向（周方向）１１に一定の割合で連続的に変位する。更に、翼の回転軸７に垂直な断面は、上側から下側に向かうほど、羽根車４の径方向の内側にも一定の割合で連続的に変位する。この場合、翼の断面形状は上側から下側に向かうほど小さくなり、互いに相似形をなす。
【００６５】
本実施例においても第１実施例と同様な効果が得られるが、第２実施例の特徴も備えていることにより、より効果的となる。
【００６６】
（実施例５）
次に、図１６及び図１７を用いて、本発明を適用した水車の第５実施例を説明する。図１６は、第５実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図である。図１７は、案内羽根３を閉じた状態を示す図である。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００６７】
本実施例の場合、案内羽根３の翼の断面の変位方向が第１実施例と逆方向になる。即ち、翼の回転軸７に垂直な断面は、上カバー５側（上側）から下カバー６側（下側）に向かうほど、羽根車４の回転方向１１と逆方向に一定の割合で連続的に変位する。この場合、翼の断面形状の外形は変化せず、その位置が変化する。言い替えれば、回転方向１１と逆方向に変位している翼の各断面の形状は互いに相似形をしており、相似比が１である。
【００６８】
本実施例の翼の外見的な特徴は次の２つである。第１は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が概略平行四辺形をしていることである。第２は、翼を回転軸７の上側から見た場合、回転軸７に垂直な断面が羽根車４の回転方向１１と逆方向にずれて見えることである。このようにして、三次元翼型の案内羽根３が構成される。
【００６９】
このような特徴を備えることにより、案内羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁１６とが互いに接する状態となる。従って、図１７に示すように、十分な締め切り性能を維持できる。このようにして、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内羽根を構成できる。
【００７０】
本実施例の場合、水車の運転時の案内羽根３を開いた状態において、案内羽根３と羽根車４の入口との距離は、下側の方が上側よりも遠い。このため、前述したように、羽根車４が有する渦層の影響は上流まで及ぶ。この結果、羽根車４の翼のバンド８側の前縁の流入角度は、従来よりも正圧面側から流入する。これにより正圧面側の圧力が上昇するので、低落差時に羽根車の入口のバンド側に発生し易いキャビテーションの防止に有効である。この効果は、発明者らによる解析でも確認された。
【００７１】
以上のように、本実施例によれば、低落差時に羽根車４の正圧面側に発生するキャビテーションを効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案内羽根３を備えた水車を得ることができる。
【００７２】
（実施例６）
次に、図１８及び図１９を用いて、本発明を適用した水車の第６実施例を説明する。図１８は、第６実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図である。図１９は、案内羽根３を閉じた状態を示す図である。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００７３】
本実施例の場合、案内羽根３の翼の断面の変位方向が第２実施例と逆方向になる。即ち、翼の回転軸７に垂直な断面は、上カバー５側（上側）から下カバー６側（下側）に向かうほど、羽根車４の径方向の外側に一定の割合で連続的に変位する。この場合、翼の断面形状は上側から下側に向かうほど大きくなり、互いに相似形をなす。即ち、翼の断面の弦長及び外周長さは、羽根車４の中心からの距離に比例した長さとなる。翼の断面積は、羽根車４の中心からの距離の２乗に比例した面積となる。
【００７４】
翼の外見的な特徴は次の２つである。第１は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が概略台形をしていることである。第２は、翼を回転軸７の方向から見た場合、回転軸７に垂直な断面が羽根車４の径方向の外側にずれて見えることである。このようにして、三次元翼型の案内羽根３が構成される。
【００７５】
図１８に示すように、案内羽根３の翼の下側の断面形状１８は、上側の断面形状１７を相似形に拡大して羽根車４の外側方向に移動させたものであり、単に平行移動したものではない。この場合、翼の各断面における対応する点を上側から下側まで結んだ線を、羽根車４の中心軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される投影線は、この中心軸から径方向に伸びる直線の一部をなす。例えば、各断面における翼の前縁１５（又は後縁１６）の点を上側から下側まで結んだ線の投影線は、この中心軸から径方向に伸びる直線の一部をなす。
【００７６】
このような特徴を備えることにより、案内羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁１６とが互いに接する状態となる。従って、図１９に示すように、十分な締め切り性能を維持できる。このようにして、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内羽根を構成できる。
【００７７】
本実施例の場合も、水車の運転時の案内羽根３を開いた状態において、案内羽根３と羽根車４の入口との距離は、下側の方が上側よりも遠い。従って、第５実施例と同様に、低落差時に羽根車の入口のバンド側に発生し易いキャビテーションの防止に有効である。
【００７８】
以上のように、本実施例によれば、低落差時に羽根車４の正圧面側に発生するキャビテーションを効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案内羽根を備えた水車を得ることができる。
【００７９】
尚、第５実施例及び第６実施例に対しても、第３実施例や第４実施例の考え方は適用できる。即ち、第５実施例及び第６実施例において、案内羽根３の翼の断面の変位割合を上側から下側に向かうほど大きくしても良い。また、第５実施例と第６実施例の特徴を組み合わせても良い。
【００８０】
また、第４実施例の場合、案内羽根３の翼の断面は、羽根車の周方向及び径方向の２つの方向に変位させた。この場合、変位方向は、互いのキャビテーションの防止効果を強め合う方向の組合せにした。しかし、変位方向の組合せは、互いの効果を強め合う方向のみに限定されない。即ち、互いの効果を弱め合う変位方向の組合せも、結果的に所望のキャビテーションの防止効果が得られる場合には、用いることができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、設計が容易な三次元翼型の形状を有し且つ締めきり可能な案内羽根を備え、低コストでキャビテーションの発生を防止できる水車を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した水車の第１実施例の概略横断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図。
【図３】本発明を適用した水車の第１実施例の概略構成図。
【図４】第１実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。
【図５】第１実施例の案内羽根を閉じた状態を示す図。
【図６】第１実施例の案内羽根を開いた状態を示す図。
【図７】第１実施例の案内羽根を開いた状態において、隣接する３つの翼を上カバー側から見た図。
【図８】第１実施例によるキャビテーションの防止効果を解析的に求めた例を示す図。
【図９】第２実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。
【図１０】第２実施例の案内羽根を閉じた状態を示す図。
【図１１】第２実施例の案内羽根を開いた状態において、隣接する３つの翼を上カバー側から見た図。
【図１２】第３実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。
【図１３】第３実施例の案内羽根を閉じた状態を示す図。
【図１４】第４実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。
【図１５】第４実施例の案内羽根を閉じた状態を示す図。
【図１６】第５実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。
【図１７】第５実施例の案内羽根を閉じた状態を示す図。
【図１８】第６実施例の案内羽根を閉じた状態において、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。
【図１９】第６実施例の案内羽根を閉じた状態を示す図。
【図２０】従来の水車を示す図で、（ａ）は概略横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図。
【図２１】羽根車の入口における速度三角形を示す図で、（ａ）は低落差時、（ｂ）は定格運転落差時、（ｃ）は高落差時を示す。
【図２２】翼の先端における流体の流れの説明図。
【図２３】羽根車の翼の先端における水の流れの説明図。
【符号の説明】
１…ケーシング、２…ステーベーン、３…案内羽根、４…羽根車、５…上カバー、６…下カバー、７…案内羽根の回転軸、８…バンド、９…羽根車の翼の前縁、１０…クラウン、１１…羽根車の回転方向、１２…羽根車の翼の負圧面、１３…羽根車の翼の正圧面、１４…羽根車の回転軸、１５…案内羽根の翼の前縁、  １６…案内羽根の翼の後縁、１７…上カバー側の断面形状、１８…下カバー側の断面形状、２０…羽根車の翼の後縁。
【図１】
0004013356.tif 000002
【図２】
0004013356.tif 000003
【図３】
0004013356.tif 000004
【図４】
0004013356.tif 000005
【図５】
0004013356.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004013356.tif 000008
【図８】
0004013356.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0004013356.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0004013356.tif 000014
【図１４】
0004013356.tif 000015
【図１５】
0004013356.tif 000016
【図１６】
0004013356.tif 000017
【図１７】
0004013356.tif 000018
【図１８】
0004013356.tif 000019
【図１９】
0004013356.tif 000020
【図２０】
0004013356.tif 000021
【図２１】
0004013356.tif 000022
【図２２】
0004013356.tif 000023
【図２３】
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