(57)【要約】【課題】水力機械の小型化と大流量化とを図る場合であっても、ステーベーンの入口角度を適性に設定してステーベーンにおいて水力損失が増加することを防止することができる水力機械を提供する。【解決手段】実施の形態によるフランシス水車１００では、ステーリング３の水車運転時の入口側端部２０Ａの流路高さをＢｉｎとし、ガイドベーン４のガイドベーン回動軸６が通るガイドベーンピッチサークルＣ１上の流路の流路高さをＢｏｕｔとするとき、Ｂｉｎ＜Ｂｏｕｔ、の関係が成り立っている。【選択図】図１
2016070135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、ステーリングと、ガイドベーンと、ランナとを備え、水車運転時に前記ケーシングに流入する水を前記ステーリングを介して前記ガイドベーンに導き、前記ランナを回転中心周りに回転させる水力機械であって、
前記ステーリングは、環状の上側主板と、前記上側主板に対向する環状の下側主板と、前記上側主板と前記下側主板との間において周方向に間隔を空けて配置される複数のステーベーンと、を有し、
前記ステーリングの水車運転時の入口側端部の流路高さをＢｉｎとし、前記ガイドベーンのガイドベーン回動軸が通るガイドベーンピッチサークル上の流路の流路高さをＢｏｕｔとするとき、
Ｂｉｎ＜Ｂｏｕｔ、である
ことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記ステーリングの前記入口側端部の流路高さＢｉｎは、周方向の位置に応じて異なっている
ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
【請求項３】
前記ケーシングの巻始め位置に対応する位置を０°とし、前記ケーシングが巻終り位置に向けて延びる側を正とする、周方向の位置をθとし、
１８０°≦θ＜３６０°の範囲における任意の周方向の位置をθ１、θ２とし、θ１＜θ２とするとき、
θ１における前記ステーリングの前記入口側端部の流路高さＢｉｎ１と、θ２における前記ステーリングの前記入口側端部の流路高さＢｉｎ２との間に、
Ｂｉｎ１＜Ｂｉｎ２、が成り立つ
ことを特徴とする請求項２に記載の水力機械。
【請求項４】
前記ステーリングの前記回転中心からの任意の半径位置をＲ１、Ｒ２とし、Ｒ１＜Ｒ２とし、Ｒ１での前記ステーリングの流路高さをＢ１とし、Ｒ２での前記ステーリングの流路高さをＢ２とするとき、
Ｒ１×Ｂ１≦Ｒ２×Ｂ２、が成り立つ
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械には、フランシス水車や軸流水車等の種々の機種が存在する。このような水力機械の一例として、図６に、一般的なフランシス水車の子午面断面図が示されている。同フランシス水車では、上池より水圧鉄管を通って導入される圧力水（以下、水）が、ケーシング１、ステーリング３、及びガイドベーン４を経て、ランナ５へと導かれる。ガイドベーン４は、ランナ５の回転軸Ｏ周り（周方向）に、間隔を空けて配置されており、図示しないリンク機構によって、そのガイドベーン回動軸６を中心に回動して、水の流量を調整する機能を有している。ガイドベーン回動軸６は、回転軸Ｏを中心とした所定の半径のガイドベーンピッチサークル上を通るように配置されている。
【０００３】
このようなフランシス水車では、水の圧力エネルギーが、ランナ５内で回転エネルギーに変換され、ランナ５に主軸７を介して結合された発電機８を駆動させることで、発電が行われる。また、ガイドベーン４を回動させて水の流量を調整することにより、発電量を調整することが可能である。また、ランナ５を通過した水は、吸出し管９を介して下流の下池へと排出される。
【０００４】
上述したような一般的なフランシス水車では、通常、ステーリング、ガイドベーン及びランナの入口にかけての流路の流路高さが実質的に一定に形成されている。なお、流路高さとは、流路のランナ回転軸方向（上下方向）での両端部間の距離を意味する。
【０００５】
図６においては、Ｂｉｎが、ステーリング３の入口側端部の流路高さを示し、Ｂｍｉは、ステーリング３の出口側端部の流路高さを示し、Ｂｏｕｔは、前述したガイドベーン回動軸６が通るガイドベーンピッチサークル上の流路の流路高さ、すなわちランナ５の入口近傍の流路の流路高さを示している。図示の例では、ＢｉｎとＢｍｉとＢｏｕｔとが、実質的に同じ高さである。ここで、図６に示すように、ステーリング３は、互いに平行な上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとの間に、ステーベーン２Ａを挟んで固定するように構成されている。上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとの間に流路が形成されており、図示の例では、当該流路の流路高さが、Ｂｉｎ（Ｂｍｉ）で一定となっている。
【０００６】
なお、ステーリング３におけるステーベーン２Ａは、上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとを繋ぎ水圧に耐えるための強度部材であると共に、ケーシング１から流入する流れに対してその入口角度（取付角度）が適性に設計されることで水力損失を抑制できる水の案内部材である。ステーリングに関連する技術としては、ステーベーンの厚さを内周側に向けて大きくすることで、ステーベーンの入口角度（取付角度）と流れの流入角度との差を小さくして水力損失の低減を図る技術等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−８７０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図７は、図６に示したフランシス水車におけるケーシング１からステーリング３へと流入する流れを説明する図を示している。平均流として、流路の高さ方向の分布を考慮しない場合には、図７に示すように、ステーリング３へ流入する流れの速度Ｖは、径方向速度成分Ｖｒと、周方向速度成分Ｖｔｈと、に分解できる。
【０００９】
ここで、径方向速度成分Ｖｒは、ケーシング１に流入する水の流量をＱとし、ステーリング３の外径寸法をＲｏｕｔとし、前述したステーリング３の入口側端部の流路高さＢｉｎを用いると、以下の式（１）の関係によって算出可能である。
【００１０】
Ｖｒ＝Ｑ／（２π・Ｒｏｕｔ・Ｂｉｎ）・・・（１）
【００１１】
また、周方向速度成分Ｖｔｈは、図７に示すように、ケーシング１の巻始めの流路径をＤｓとすると、以下の式（２）の関係によって算出可能である。
【００１２】
Ｖｔｈ＝Ｑ／（π・（Ｄｓ／２）２）・・・（２）
【００１３】
一般的に、上記の径方向速度成分Ｖｒと周方向速度成分Ｖｔｈとを成分とする流れの速度Ｖと、周方向速度成分Ｖｔｈと、がなす角度αは、ケーシング１からステーリング３へ流入する流れの角度（流入角度）として扱うことができる。一般的なステーリング３では、ケーシング１からステーリング３へ流入する流れの流入角度αに合うように、ステーベーン２Ａの入口角度が設計されている。図８（Ａ）には、図６に示したフランシス水車におけるケーシング１からステーリング３へと流入する流れの様子と、当該流れに合うような入口角度に設計されたステーベーン２Ａと、が示されている。具体的には、同図に示すように、流入角度αとステーベーン２Ａの入口角度βとの差が極力小さくなるように設計することが、一般的である。
【００１４】
なお、入口角度βとは、ステーベーン２Ａのキャンバーラインを、回転軸Ｏを中心とするステーベーンの外周側に位置する円に向けて延ばした線分と、当該線分が前記円に交差する交点における接線と、がなす角度のことである。
【００１５】
ところで、この種のフランシス水車では小型化が望まれる場合があり、例えば、上述したケーシング１の巻始めの流路径Ｄｓを小さくしてケーシング１の全体を小さくすれば、フランシス水車を小型化することができる。また、大流量の条件に対応することが望まれる場合があり、この場合、ステーリング３、ガイドベーン４及びランナ５にかけての流路の流路高さを大きくして流路断面積を大きくすれば、大流量の条件に対応することができる。
【００１６】
一方で、このように寸法を調整する場合、上述の式（２）によれば、流路径Ｄｓが小さくなるほど、周方向速度成分Ｖｔｈは大きくなり、上述の式（１）によれば、ステーリング３の入口側端部の流路高さＢｉｎが大きくなるほど、径方向速度成分Ｖｒは小さくなる。このため、上述のような小型化及び大流量の条件の両方の要望を満足させる場合には、ケーシング１からステーリング３へ流入する流れの流入角度αは、小さくなる傾向となる。
【００１７】
例えば、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）における流れの速度Ｖの径方向速度成分Ｖｒ、周方向速度成分Ｖｔｈ、及び流入角度αを算出した条件のうちの流路径Ｄｓを小さくすると共にステーリング３の入口側端部の流路高さＢｉｎを大きくした場合の、ケーシング１からステーリング３へと流入する流れの速度Ｖ’が示されている。そして、図８（Ｂ）においては、流れの速度Ｖ’に関する、径方向速度成分Ｖｒ’、周方向速度成分Ｖｔｈ’、及び流入角度α’が示されている。同図に示すように、流路径Ｄｓを小さくすると共に流路高さＢｉｎを大きくした場合には、流入角度α’は、径方向速度成分Ｖｒ’が小さくなると共に周方向速度成分Ｖｔｈ’が大きくなることで、流入角度αに比べて小さくなっている。
【００１８】
しかしながら、図８（Ｂ）に示すように、流入角度α’が小さい条件の下で、ステーベーン２Ａの入口角度を、流入角度α’との差が小さくなるように設計すると、ステーベーン２Ａの入口角度も、図中の符号β’に示すように、小さくなる。この場合、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔が狭くなってしまう。
【００１９】
図９には、図８（Ａ）に関する流入角度αに合うように入口角度βが設計されたステーベーン２Ａが周方向で並んだ状態が実線で示され、図８（Ｂ）に関する流入角度α’に合うように入口角度β’が設計されたステーベーン２Ａが周方向に並んだ状態が破線で示されている。すなわち、図９に示すように、ステーベーン２Ａの入口角度β’が小さくなると、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔は、狭くなってしまう（図中、「幅狭」参照）。そして、この場合、水力損失が増加することにより、特に、大流量側で出力が得られない等の問題が生じる場合がある。
【００２０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、水力機械の小型化と大流量化とを図る場合であっても、ステーベーンの入口角度を適性に設定してステーベーンにおいて水力損失が増加することを防止することができる水力機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
実施の形態による水力機械は、ケーシングと、ステーリングと、ガイドベーンと、ランナとを備え、水車運転時に前記ケーシングに流入する水を前記ステーリングを介して前記ガイドベーンに導き、前記ランナを回転中心周りに回転させる水力機械である。前記ステーリングは、環状の上側主板と、前記上側主板に対向する環状の下側主板と、前記上側主板と前記下側主板との間において周方向に間隔を空けて配置される複数のステーベーンと、を有する。前記ステーリングの水車運転時の入口側端部の流路高さをＢｉｎとし、前記ガイドベーンのガイドベーン回動軸が通るガイドベーンピッチサークル上の流路の流路高さをＢｏｕｔとするとき、Ｂｉｎ＜Ｂｏｕｔ、である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（Ａ）は、第１の実施の形態による水力機械としてのフランシス水車の子午面断面図であり、（Ｂ）は、第１の実施の形態の作用を具体的に説明する図である。
【図２】第２の実施の形態による水力機械としてのフランシス水車を説明するための図である。
【図３】第３の実施の形態による水力機械としてのフランシス水車を説明するための図である。
【図４】第４の実施の形態による水力機械としてのフランシス水車を説明するための図である。
【図５】第５の実施の形態による水力機械としてのフランシス水車を説明するための図である。
【図６】一般的なフランシス水車の子午面断面図である。
【図７】図６に示す一般的なフランシス水車においてケーシングからステーリングへと流入する流れを説明する図である。
【図８】（Ａ）は、図６に示すフランシス水車におけるケーシングからステーリングへと流入する流れと、ステーリングとを示した図であり、（Ｂ）は、図６に示すフランシス水車のケーシングの流路径と流路高さとを変更した場合におけるケーシングからステーリングへと流入する流れと、それに合うように入口角度が設計されたステーリングとを示した図である。
【図９】図９は、図８（Ａ）に関する流れの流入角度に合うように入口角度が設計されたステーベーンが周方向で並んだ状態と、図８（Ｂ）に関する流れの流入角度に合うように入口角度が設計されたステーベーンが周方向に並んだ状態と、を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態では水力機械としてのフランシス水車を説明し、実施の形態にかかるフランシス水車における図６に示した一般的なフランシス水車と同様の構成部分については、同一符号を示し、説明は省略する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、第１の実施の形態によるフランシス水車１００の子午面断面図である。このフランシス水車１００は、ケーシング１と、ステーリング３と、ガイドベーン４と、ランナ５とを備えている。ケーシング１の内周側にステーリング３が配置され、ステーリング３の内周側にガイドベーン４が配置され、ガイドベーン４の内周側にランナ５が配置されている。このフランシス水車１００では、水車運転時に上池より水圧鉄管を通って導入される圧力水（以下、水）が、ケーシング１に流入し、その後、ステーリング３を介してガイドベーン４に導かれ、ランナ５へと流入するようになっている。
【００２５】
ガイドベーン４は、ランナ５の回転軸Ｏ周り（周方向）に、間隔を空けて配置されており、図示しないリンク機構によって、そのガイドベーン回動軸６を中心に回動して、水の流量を調整する機能を有している。
【００２６】
また、ガイドベーン回動軸６は、回転軸Ｏを中心とした所定の半径Ｄ１のガイドベーンピッチサークルＣ１上を通るように配置されている。本実施の形態において、ガイドベーン回動軸６は、ガイドベーン４を軸方向の両側（上下）から覆う上カバー１０及び下カバー１１によって回動可能に支持されている。また、ガイドベーン回動軸６は、ランナ５の回転軸Ｏと平行に延びている。
【００２７】
このようなフランシス水車１００では、水の圧力エネルギーが、ランナ５内で回転エネルギーに変換され、ランナ５に主軸７を介して結合された発電機８を駆動させることで、発電が行われる。また、ガイドベーン４を回動させて水の流量を調整することにより、発電量を調整することが可能である。また、ランナ５を通過した水は、吸出し管９を介して下流の下池へと排出される。なお、以下では、回転軸Ｏのことを回転中心とも呼ぶ。
【００２８】
図１（Ａ）に示すように、第１の実施の形態によるステーリング３は、水車運転時にケーシング１から流入する水をガイドベーン４に導く部材である。当該ステーリング３は、環状の上側主板２Ｂと、上側主板２Ｂに回転軸Ｏ方向に対向して上側主板２Ｂと同軸状に配置される環状の下側主板２Ｃと、上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとの間において周方向に間隔を空けて配置される複数のステーベーン２Ａと、を備えている。
【００２９】
上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとの間に、ステーリング流路２０が形成されており、このステーリング流路２０を通って、ケーシング１からガイドベーン４に水が流入するようになっている。
【００３０】
ここで、図１（Ａ）に示すように、本実施の形態では、ステーリング流路２０における水車運転時の入口側端部２０Ａの流路高さをＢｉｎとし、出口側端部２０Ｂの流路高さをＢｍｉとするとき、Ｂｉｎ＜Ｂｍｉ、の関係が成り立っている。更に、ガイドベーン４のガイドベーン回動軸６が通るガイドベーンピッチサークルＣ１上の流路の流路高さをＢｏｕｔとするとき、流路高さＢｍｉと流路高さＢｏｕｔとが、実質的に同一である。したがって、Ｂｉｎ＜Ｂｏｕｔ、の関係が成り立っている。なお、流路高さとは、流路の回転軸Ｏ方向（上下方向）での両端部間の距離を意味する。
【００３１】
入口側端部２０Ａは、上側主板２Ｂの外周側端部と下側主板２Ｃの外周側端部との間に形成されており、出口側端部２０Ｂは、上側主板２Ｂの内周側端部と下側主板２Ｃの内周側端部との間に形成されている。図１（Ａ）に示すように、本実施の形態では、上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとが、内周側に向かうに従い互いの距離が大きくなるように延びている。より詳しくは、上側主板２Ｂは、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの一方側（図中、上方）に向けて延び、下側主板２Ｃは、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの他方側（図中、下方）に向けて延びている。
【００３２】
すなわち、ステーリング流路２０の流路高さは、外周側から内周側に向かうに従い、大きくなっている。一方、本実施の形態では、ステーリング流路２０の流路高さは、回転中心からの半径位置が同じ円周上においては、同じ高さとなるように設計されている。したがって、本実施の形態では、入口側端部２０Ａの流路高さは周方向で一定に設計され、出口側端部２０Ｂの流路高さも周方向で一定に設計されている。
【００３３】
一方で、流路高さＢｏｕｔとなるガイドベーンピッチサークルＣ１上の流路は、上カバー１０と下カバー１１とによって形成されている。上カバー１０は、上側主板２Ｂから内周側に向けて延び、下カバー１１は、下側主板２Ｃから内周側に向けて延びている。図示の例では、上カバー１０と下カバー１１とが、ガイドベーン４を覆う部分で径方向に沿って互いに平行に延びており、このように上カバー１０と下カバー１１とが互いに平行に延びている部分の間の流路高さは、Ｂｏｕｔで一定となっている。
【００３４】
次に、第１の実施の形態の作用について説明する。
【００３５】
一般的なフランシス水車では、ステーリング３の入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎが、ステーリング３の出口側端部Ｂｍｉ及びガイドベーンピッチサークルＣ１上の流路の流路高さＢｏｕｔと同一であることが通常であった（図６参照）。しかしながら、このような一般的な構成では、小型化及び大流量の条件の両方の要望を満足させるために、例えば、ケーシング１の流路径Ｄｓ（図７参照）を小さくすると共に、ステーリング３の入口側端部２０Ａからランナ５の入口にかけての流路の流路高さを大きくするべく入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎを大きくすると、ケーシング１からステーリング３に流入する流れの流入角度が、小さくなり、当該流入角度に合うようにステーベーン２Ａの入口角度を設計した場合、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔が狭くなってしまっていた。これにより、水力損失が増加することで、特に、大流量側で出力が得られない等の問題が生じ得ることがあった（図７乃至図９参照）。
【００３６】
これに対して、本実施の形態では、ステーリング流路２０における水車運転時の入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎと、ガイドベーンピッチサークルＣ１上の流路の流路高さＢｏｕｔとの間に、Ｂｉｎ＜Ｂｏｕｔ、の関係を成り立たせている。これにより、入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎが、ガイドベーンピッチサークルＣ１上の流路の流路高さＢｏｕｔと同一である一般的な構成に比べて、ケーシング１からステーリング３に流入する流れの速度の径方向速度成分を大きくすることができる。これにより、本実施の形態によるステーリング３によれば、ケーシング１からステーリング３に流入する流れの流入角度を大きくし、当該流入角度に合うようにステーベーン２Ａの入口角度も大きく設計することが可能となる。
【００３７】
このことにより、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔が広くすることができるため、水力損失が増加することを防止することができる。そして、これにより、大流量側で出力が得られない等の問題が生じ得ること防止できるため、結果的に、フランシス水車１００が大流量側の運転において好適な出力を得ることが可能となる。
【００３８】
すなわち、図１（Ｂ）を用いて具体的に説明すると、図１（Ｂ）には、ある基準となる一般的なフランシス水車のケーシング１の流路径Ｄｓを、これよりも小さい値に設定すると共に、当該基準となる一般的なフランシス水車の入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎを、これよりも大きい値に設定した場合の比較にかかるフランシス水車の流れの速度Ｖ’、これの径方向速度成分Ｖｒ’、周方向速度成分Ｖｔｈ’、及び流入角度α’の様子が破線で示されている。一方、実線は、本実施の形態によるステーベーン３が適用されたフランシス水車１００において、ケーシング１の流路径Ｄｓを、前記比較にかかるフランシス水車と同様の寸法とすると共に、入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎについては、前記比較にかかるフランシス水車よりも小さくなるように設定し、ガイドベーンピッチサークルＣ１上での流路高さＢｏｕｔについては、前記比較にかかるフランシス水車と同様の寸法とした場合の、流れの速度Ｖ’’、これの径方向速度成分Ｖｒ’’、及び流入角度α’’を示している。なお、本実施の形態によるステーベーン３が適用された場合の周方向速度成分については、Ｖｔｈ’と同様のため図示省略している。
【００３９】
これら破線と実線とを対比して明らかなように、本実施の形態によるステーリング３によれば、ガイドベーンピッチサークルＣ１上での流路高さＢｏｕｔについては、前記比較にかかるフランシス水車と同様の寸法とする一方で、入口側端部２０Ａ流路高さＢｉｎについては、前記比較にかかるフランシス水車よりも小さくすることで、上述した式（１）の関係（すなわち、“Ｖｒ＝Ｑ／（２π・Ｒｏｕｔ・Ｂｉｎ）”）により、前記比較にかかるフランシス水車の径方向速度成分Ｖｒ’よりも、径方向流れＶｒ’’が大きくなる。これにより、ケーシング１からステーリング３に流入する流れの流入角度α’’を、前記比較にかかるフランシス水車の流入角度α’よりも大きくして、ステーベーン２Ａの入口角度を大きくできる。言い換えると、ステーベーン２Ａの入口角度を適性に設定することができる。そして、結果として、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔を広くすることができ、水力損失が増加することを防止することができる。このようにして本実施の形態によれば、大流量側で出力が得られない等の問題が生じ得ること防止できることにより、結果的に、大流量側の運転において好適な出力を得ることができるようになる。
【００４０】
以上のようにして、本実施の形態によるステーリング３によれば、フランシス水車１００の小型化と大流量化とを図る場合であっても、ステーベーン２Ａの入口角度を適性に設定してステーベーン２Ａにおいて水力損失が増加することを防止することができる。そして、大流量側で出力が得られない等の問題が生じ得ること防止できることにより、結果的に、大流量側の運転において好適な出力を得ることができるようになる。
【００４１】
また、前述したように、一般的なフランシス水車の構成においては、小型化及び大流量の条件の両方の要望を満足させるために、ケーシング１の流路径Ｄｓを小さくすると共に入口側端部の流路高さＢｉｎを大きくした場合に、流入角度が小さくなることで、結果的に、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔が狭くなってしまい、水力損失が増加してしまう問題が生じ得る。この問題に対しては、例えば、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔を広くするように、ステーベーン２Ａの厚さを薄くすること等も考えられる。しかし、ステーベーン２Ａは強度部材であり、強度を満足するだけの断面積や厚さを確保して設計することが一般的であるため、この手法では、ステーベーン２Ａの強度が低下してしまう問題がある。
【００４２】
このような問題に対して、本実施の形態によるステーリング３によれば、ケーシング１からステーリング３に流入する流れの流入角度を大きくして、ステーベーン２Ａの入口角度を大きくできるため、ステーベーン２Ａを薄く形成しなくても、隣接するステーベーン２Ａの間の間隔を広くすることができる。したがって、本実施の形態は、ステーベーン２Ａにおいて水力損失が増加することを防止しつつ、ステーベーン２Ａに強度を満足するだけの断面積や厚さを確保することができる点においても、有益である。
【００４３】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態によるフランシス水車について図２を用いて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。
【００４４】
第１の実施の形態では、ステーリング流路２０の流路高さは、回転中心からの半径位置が同じ円周上においては、同じ高さとなるように設計されており、入口側端部２０Ａは一定の高さに設計されていることを説明した。これに対して、第２の実施の形態の形態では、入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎが、周方向の位置に応じて異なっている。
【００４５】
詳しくは、本実施の形態では、ケーシング１の巻始め位置に対応する位置を０°とし、ケーシング１が巻終り位置に向けて延びる側を正とする、周方向の位置をθとし、１８０°≦θ＜３６０°の範囲における任意の周方向の位置をθ１、θ２とし、θ１＜θ２とするとき、θ１における入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎ１と、θ２における入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎ２との間に、Ｂｉｎ１＜Ｂｉｎ２、が成り立っている。
【００４６】
第２の実施の形態の作用を図２を用いて説明すると、図２においては、流路高さＢｉｎが一定である入口側端部２０Ａにおける流れの流入角度α’’が破線で示され、流路高さＢｉｎが周方向で異なる本実施の形態にかかる入口側端部２０Ａにおける流れの流入角度α’’が実線で示されている。
【００４７】
図２の破線に示されるように、流路高さＢｉｎが一定である場合には、流入角度α’’が周方向で一定ではないことが分かる。通常、ケーシング１は、ケーシング１内の流れの周方向速度を一定とするために、巻き終り位置側ほど、径方向での流路断面積が小さくなるように設計されているが、巻き終り位置の近傍においては、作業スペースの確保のために、周方向速度を一定とし得るような流路断面積とすることが困難な場合があり、ケーシング１内の流れの周方向速度を一定とし得る流路断面積よりも大きい流路断面積が確保されている場合がある。図２の破線に示すように、巻き終り位置に近づくほど、流入角度α’’が大きくなっているのは、ケーシング１の巻き終り位置の近傍において流路断面積が作業スペースの確保のために大きく確保されていることにより、周方向速度が、巻始め位置側よりも小さくなっていることに起因している。ステーベーン２Ａの入口角度は一定であるのに対して、このように流入角度α’’が一定でない場合には、ランナ５に流入する流れの角度が一定とならない結果となり、当該ランナ流れの角度が一定である場合に比較して水力損失が生じ得る問題がある。
【００４８】
これに対して、本実施の形態によれば、流路高さＢｉｎが周方向で異なることにより、流入角度α’’が小さくなる位置では流路高さＢｉｎを小さくしたり、流入角度α’’が大きくなる位置では、流路高さＢｉｎを大きくしたりすることで、流入角度α’’を一定にすることができる。このことにより、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、周方向で流入角度α’’を一定にすることができるため、水力損失が生じることを効果的に防止することができるという効果がある。
【００４９】
より具体的に、本実施の形態では、１８０°≦θ＜３６０°の範囲における任意の周方向の位置をθ１、θ２とするとき、θ１における入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎ１と、θ２における入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎ２との間に、Ｂｉｎ１＜Ｂｉｎ２を成り立たせている。これは、前述したように、ケーシング１が巻き終り位置の近傍において作業スペースの確保のために流路断面積が確保されることで、周方向速度が、巻き終り位置に近づくほど、流入角度α’’が大きくなっていることに対応している。そして、この本実施の形態の構成によれば、流路高さＢｉｎが周方向で異なる形状変化部分の割合を極力抑制しつつ周方向で流入角度α’’を一定にすることができる。このため、構造を複雑化させずに、水力損失が生じることを効果的に防止することができるという効果がある。
【００５０】
なお、変形例として、０°≦θ＜３６０°の範囲における任意の周方向の位置をθ１、θ２とするとき、θ１における入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎ１と、θ２における入口側端部２０Ａの流路高さＢｉｎ２との間に、Ｂｉｎ１＜Ｂｉｎ２、が成り立つ構成を採用してもよい。
【００５１】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態によるフランシス水車について図３を用いて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。
【００５２】
図３に示すように、本実施の形態では、ステーリング３の回転中心（回転軸Ｏ）からの任意の半径位置をＲ１、Ｒ２とし、Ｒ１＜Ｒ２とし、Ｒ１でのステーリング３（ステーリング流路２０）の流路高さをＢ１とし、Ｒ２でのステーリング３の流路高さをＢ２とするとき、Ｒ１×Ｂ１≦Ｒ２×Ｂ２、が成り立っている。この関係は、ステーリング流路２０における周方向での流路断面積に関しては、常に、内周側の流路断面積が、外周側の流路断面積以下となることを意味する。ステーリング流路２０における周方向での流路断面積は、２π×Ｒ１×Ｂ１あるいは２π×Ｒ２×Ｂ２で算出可能であるが、上記“Ｒ１×Ｂ１≦Ｒ２×Ｂ２”においては、共通する２πを省略している。
【００５３】
本実施の形態の作用について説明すると、本実施の形態では、ステーリング流路２０における周方向での流路断面積が、径方向の内側に向かうに従い、常に減少もしくは一定となり、上流から下流にかけて水が安定的に増速する流れとなる。なお、流路断面積が、径方向の内側に向かって大きくなる場合には、流れが膨張することで剥離が生じること等によって、損失が生じ得る問題がある。
【００５４】
したがって、第３の実施の形態のステーリングによれば、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、フランシス水車における理想的な流路断面積の変化が得られることで、水力損失が生じることを効果的に防止することができるという効果がある。
【００５５】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態によるフランシス水車について図４を用いて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。
【００５６】
第１の実施の形態では、上側主板２Ｂは、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの一方側（図中、上方）に向けて延び、下側主板２Ｃは、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの他方側（図中、下方）に向けて延びている構成を説明した。これに対して、図４に示すように、本実施の形態では、上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとが、一部で互いに平行となるように形成されている。図４においては、符号２ＢＰは、上側主板２Ｂのうちの径方向に平行となる平行部を示し、符号２ＣＰは、下側主板２Ｃのうちの径方向に平行となる平行部を示している。これら平行部２ＢＰ，２ＣＰが互いに平行に延びている。
【００５７】
本実施の形態の作用について説明すると、本実施の形態のように、上側主板２Ｂと下側主板２Ｃとが、一部で互いに平行となるように形成されている場合には、ステーリング流路２０における周方向での流路断面積の変化を、平行部２ＢＰ，２ＣＰにおいて緩やかにすることが可能となる。これにより、ステーリング流路２０における入口側端部２０Ａから出口側端部２０Ｂにかけての流路断面積の変化を、より柔軟に所望の態様に設計することが可能となる。
【００５８】
したがって、第４の実施の形態のステーリングによれば、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、フランシス水車における理想的な流路断面積の柔軟な変化が得られることで、水力損失が生じることを効果的に防止することができるという効果がある。
【００５９】
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態によるフランシス水車について図５を用いて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。
【００６０】
第１の実施の形態では、上側主板２Ｂは、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの一方側（図中、上方）に向けて延び、下側主板２Ｃは、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの他方側（図中、下方）に向けて延びている構成を説明した。これに対して、図５に示すように、本実施の形態では、上側主板２Ｂが径方向に平行に延びるように形成され、下側主板２Ｃは、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの他方側（図中、下方）に向けて延びている。なお、図示の例では、上側主板２Ｂが径方向に平行に延びるように形成されているが、下側主板２Ｃが径方向に平行に延びるように形成され、上側主板２Ｂが、内周側に向かうに従い回転軸Ｏの一方側（図中、上方）に向けて延びていてもよい。
【００６１】
本実施の形態の作用について説明すると、本実施の形態のように、上側主板２Ｂ及び下側主板２Ｃのうちのいずれか一方が、径方向に平行に形成されている場合には、径方向に平行に形成されている板については、形状が複雑になることを防止することができる。
【００６２】
したがって、第５の実施の形態のステーリングによれば、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、ステーリング３を簡易的に構成できるという効果がある。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１  ケーシング、２Ａ  ステーベーン、２Ｂ  上側主板、２ＢＰ  平行部、２Ｃ  下側主板、２ＣＰ  平行部、３  ステーリング、４  ガイドベーン、５  ランナ、６  ガイドベーン回動軸、７  主軸、８  発電機、９  吸出し管、１０  上カバー、１１  下カバー、２０  ステーリング流路、２０Ａ  入口側端部、２０Ｂ  出口側端部、１００  フランシス水車、Ｏ  回転軸（回転中心）。
【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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