(57)【要約】【課題】ガイドベーンの自己閉鎖特性を確保可能な開度範囲を拡大させると共に水力損失を低減させて効率を向上させることができる水力機械を提供する。【解決手段】実施の形態による水力機械１は、ケーシング２と、複数のステーベーン３と、複数のガイドベーン４と、ランナ６と、を備えている。ステーベーン３のうちの少なくとも一つは、ベーン本体部２０と、ベーン本体部２０より下流側に設けられた下流側部２１と、を有している。下流側部２１は、ステーベーン３から流出する流れの角度を変えるように回動可能となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシングの内周側において周方向に離間して配列された複数のステーベーンと、
前記ステーベーンの内周側において周方向に離間して配列され、開度を調整可能な複数のガイドベーンと、
前記ガイドベーンの内周側に設けられ、前記ケーシングから前記ステーベーンおよび前記ガイドベーンを介して流入する流れによって回転駆動するランナと、を備え、
前記ステーベーンのうちの少なくとも一つは、ベーン本体部と、前記ベーン本体部より下流側に設けられた下流側部と、を有し、
前記下流側部は、前記ステーベーンから流出する流れの角度を変えるように回動可能であることを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記ベーン本体部の流水面と前記下流側部の流水面とが、弾性体によって連結され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】
前記下流側部を回動駆動するステーベーン駆動部を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の水力機械。
【請求項４】
前記ガイドベーンの開度を調整するガイドベーン駆動部と、
前記ステーベーン駆動部および前記ガイドベーン駆動部を制御する制御部と、を更に備え、
前記制御部は、前記ガイドベーンの開度に基づいて、前記ステーベーン駆動部を制御することを特徴とする請求項３に記載の水力機械。
【請求項５】
前記ステーベーン駆動部を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、落差に基づいて、前記ステーベーン駆動部を制御することを特徴とする請求項３に記載の水力機械。
【請求項６】
複数の前記ステーベーンのうち半数以上の前記ステーベーンは、前記ベーン本体部と前記下流側部とを有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の水力機械。
【請求項７】
請求項１に記載の水力機械の運転方法であって、
落差を得る工程と、
得られた前記落差に基づいて、前記ステーベーンの前記下流側部の角度を決定する工程と、
決定された前記角度となるように前記下流側部を回動させる工程と、を備えたことを特徴とする水力機械の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水力機械および水力機械の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フランシス形水車やポンプ水車等の水力機械は、水車運転時において、上池から水圧管を通って渦巻き状のケーシングに水が流入し、ケーシングに流入した水は、ステーベーンおよびガイドベーンによって形成される静止翼列流路を通ってランナに流入する。このランナへ流入する水によってランナが回転駆動される。ランナが回転駆動されると、ランナに主軸を介して連結された発電電動機が駆動され、発電が行われる。ランナを回転駆動した水は、ランナから吸出し管を通って下池（または放水路）へ流出する。このような水車運転時には、ガイドベーンの開度を変えることにより、ランナに流入する水量を調整し、発電量を変化させている。
【０００３】
一方、ポンプ運転（揚水運転）時には、ランナは、発電電動機によって回転駆動され、水車運転時とは反対方向に回転する。このことにより、下池の水が吸出し管を通ってランナに流入する。ランナに流入した水は、ランナから、ガイドベーンおよびステーベーンによって構成された静止翼列流路を通ってケーシングに流れ、水圧管を通って上池に放出される。この際、ガイドベーンの開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。
【０００４】
図１３に、ステーベーン５０とガイドベーン４とを上方から見た断面図を示す。図１３に示すように、複数のステーベーン５０と複数のガイドベーン４が、周方向に離間してそれぞれ配列されている。このうちステーベーン５０は、流入する流れの圧力によってケーシングが上下方向に広がることを防止するための強度部材としての役割と、ケーシングから流入する流れを増速させて下流側のガイドベーン４に導く役割と、を担っている。
【０００５】
ガイドベーン４は、ランナの回転軸線に略平行に延びるガイドベーン軸線１０を中心に回動可能になっており、これにより、ガイドベーン４の角度を変えて、隣り合うガイドベーン４との間に形成される流路面積（ガイドベーン開度）を調整可能になっている。ガイドベーン開度を変えることにより、下流側に配置されたランナへの流れの流量を変えて、発電電動機の発電出力を調整可能になっている。図１３に示すように、ガイドベーン４は、ガイドベーン軸線１０を中心に時計回りに回動させて全開状態となることができ、反時計回りに回動させて全閉状態となることができる。なお、ガイドベーン４の開度が最高効率開度となっている場合（設計点）には、ステーベーン５０とガイドベーン４とによって形成される静止翼列流路内の流れの水力損失を最も小さくすることができる。
【０００６】
このような水力機械において、性能向上を図るために種々の試みが行われている。例えば、ステーベーンに整流体が設けられた水力機械が知られており、この場合、ステーベーンの流路内で流れが偏ることを抑制して損失を低減させ、水力機械の性能向上を図ることが可能となる。また、ステーベーンを、ベーン本体部と上流側部若しくは下流側部とに分けて製作して一体に接合した水力機械も知られており、この場合、製作コストの低減、作業効率の向上を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６７１１号公報
【特許文献２】特開２００８−５７４１２号公報
【特許文献３】特開２００２−１４７３２７号公報
【特許文献４】特開２００８−２６１２９２号公報
【特許文献５】特開平９−２５０４４０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、水車運転時に、ガイドベーンの全開度範囲において、ガイドベーンの自己閉鎖特性が確保されていることが望ましい。この場合、制御電源喪失等の非常時であってもガイドベーンは、上流側の流れの圧力によって開度によらずに全閉状態をとることができ、ガイドベーンを自動的に閉鎖することが可能となる。このため、水力機械と発電電動機を安全に停止させることができ、安全性を向上させることができる。
【０００９】
しかしながら、流れの水力損失を低減させるようにガイドベーンの形状を設計した場合には、その形状等の影響によってガイドベーンの自己閉鎖特性を確保することが困難になる場合がある。例えば、ガイドベーンのステム比（ガイドベーン軸線からガイドベーンの上流端までの距離と下流端までの距離との比）によっては、自己閉鎖特性の確保が困難になり得る。
【００１０】
また、ガイドベーンの開度を変化させて最高効率開度とは異なる開度にした場合には、ステーベーンから流出する流れ（出口流れ）の角度と、ガイドベーンの入口角度とが異なる。より具体的には、ガイドベーンの開度が最高効率開度より小さくなる部分負荷側での運転点と大きくなる過負荷側の運転点とにおいて、ステーベーンから流出する流れの角度とガイドベーンの入口角度とのずれが生じる。
【００１１】
例えば、図１３に示すように、ガイドベーン４の開度が最小（全閉時）である場合においては、ステーベーン５０から流出した水の流れがガイドベーン４に沿わなくなるが、この流れはガイドベーン４の背側面（外周側面）４ａで受けることができる。このことにより、このような開度では、ガイドベーン４は自己閉鎖特性を有することができる。しかしながら、ガイドベーン４の開度が最大（全開時）である場合においては、ステーベーン５０から流出した水の流れはガイドベーン４に沿わなくなり、ガイドベーン４の腹側面（内周側面）４ｂで受けられる。この場合、ガイドベーン４には、開度を大きくする方向の力が負荷されるため、自己閉鎖特性を持つことが困難になる。
【００１２】
また、ステーベーン５０から流出する流れの角度とガイドベーン４の入口角度とが異なる場合には、ステーベーン５０から流出した流れがガイドベーン４の入口角度に沿うことが困難になり、水力損失が発生する。
【００１３】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ガイドベーンの自己閉鎖特性を確保可能な開度範囲を拡大させると共に水力損失を低減させて効率を向上させることができる水力機械および水力機械の運転方法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】
【００１４】
実施の形態による水力機械は、ケーシングと、ケーシングの内周側において周方向に離間して配列された複数のステーベーンと、ステーベーンの内周側において周方向に離間して配列され、開度を調整可能な複数のガイドベーンと、ガイドベーンの内周側に設けられ、ケーシングからステーベーンおよびガイドベーンを介して流入する流れによって回転駆動するランナと、を備えている。ステーベーンのうちの少なくとも一つは、ベーン本体部と、ベーン本体部より下流側に設けられた下流側部と、を有している。下流側部は、ステーベーンから流出する流れの角度を変えるように回動可能となっている。
【００１５】
また、実施の形態による上述した水力機械の運転方法においては、まず、落差が得られる。続いて、得られた落差に基づいて、ステーベーンの下流側部の角度が決定される。その後、決定された角度となるように下流側部を回動させる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１の実施の形態における水力機械の全体構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の水力機械のステーベーンを示す平面断面図である。
【図３】図３は、図２のステーベーンを示す側面図である。
【図４】図４は、図１の水力機械において、ステーベーンから流出した水の流れを説明するための図である。
【図５】図５は、図１の水力機械において、ガイドベーン開度とガイドベーントルク係数との関係を示す図である。
【図６】図６は、図１の水力機械において、ガイドベーン開度と流路損失との関係を示す図である。
【図７】図７は、図１の水力機械において、ガイドベーン開度と水車効率との関係を示す図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態における水力機械の変形例において、ガイドベーン開度とガイドベーントルク係数との関係を示す図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態における水力機械において、ステーベーンを示す平面断面図である。
【図１０】図１０は、図９のステーベーンを示す側面図である。
【図１１】図１１は、第３の実施の形態における水力機械の平面断面図である。
【図１２】図１２は、図１１の水力機械において、ガイドベーン開度とガイドベーントルク係数との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の水力機械において、ステーベーンから流出した水の流れを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械および水力機械の運転方法について説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１乃至図７を用いて、第１の実施の形態における水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて、水力機械の一例としてのフランシス形水車について説明する。
【００１９】
図１に示すように、フランシス形水車１は、水車運転時に上池から水圧管（いずれも図示せず）を通って水が流入する渦巻き状のケーシング２（フルスパイラルケーシング）と、ケーシング２の内周側に設けられた複数のステーベーン３と、ステーベーン３の内周側に設けられた複数のガイドベーン４と、ガイドベーン４の内周側に設けられたランナ６と、を備えている。このうちステーベーン３とガイドベーン４とにより、静止翼列流路５が形成されている。
【００２０】
ステーベーン３は、周方向に離間して配列されており（図４参照）、互いに隣り合うステーベーン３の間に流路が形成され、各流路を、ケーシング２から流入した水が流れる。そして、ステーベーン３は、ケーシング２から流入する水の流れをガイドベーン４に導くようになっている。
【００２１】
同様にして、ガイドベーン４は、周方向に離間して配列されており（図４参照）、互いに隣り合うガイドベーン４の間に流路が形成され、各流路をステーベーン３から流入した水が流れる。そして、ガイドベーン４は、ステーベーン３から流入する水の流れをランナ６に導くようになっている。
【００２２】
また、ガイドベーン４は、水の流量を調整可能になっている。すなわち、ガイドベーン４は、後述するランナ６の回転軸線Ｘに略平行に延びるガイドベーン軸線１０（図３参照）を中心に回動可能に構成されており、ガイドベーン４の角度が変化可能になっている。このことにより、ガイドベーン４は、隣り合うガイドベーン４との間に形成される流路面積（ガイドベーン開度）を調整可能になっている。これにより、下流側に配置されたランナ６への流れの流量を変えて、後述する発電電動機８の発電出力を調整可能になっている。
【００２３】
ところで、図３に示すように、各ガイドベーン４には、対応するガイドベーン回動軸１１およびガイドベーンアームを介してガイドリング（いずれも図示せず）が連結されている。ガイドリングには、ガイドベーン駆動部１２（例えばサーボモータ）が連結されている。このことにより、ガイドベーン駆動部１２によって、各ガイドベーン４が一体的に回動し、ガイドベーン４の開度が調整されるように構成されている。また、ガイドベーン駆動部１２には制御部１３が接続されており、ガイドベーン駆動部１２は制御部１３によって制御されるようになっている。このようにして、制御部１３がガイドベーン駆動部１２を制御することにより、ガイドベーン駆動部１２は、ガイドベーン４を図４における時計回り方向または反時計回り方向に回動させてガイドベーン開度を変え、ランナ６への流れの流量を調整可能になっている。
【００２４】
図１に示すように、ランナ６は、回転軸線Ｘを中心に回転可能に構成されており、ケーシング２からステーベーン３およびガイドベーン４を介して流入する水の流れによって回転駆動されるようになっている。
【００２５】
ランナ６には、主軸７を介して発電電動機８が連結されている。この発電電動機８は、水車運転時には発電を行うように構成されている。また、ランナ６の水車運転時の下流側には、吸出し管９が設けられている。この吸出し管９は、図示しない下池（または放水路）に連結されており、ランナ６を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。
【００２６】
ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電電動機８がランナ６を回転駆動することにより、吸出し管９内の水を吸い上げて揚水する。ランナ６に吸い上げられた水は、ガイドベーン４およびステーベーン３を通って、ケーシング２に流入し、ケーシング２から水圧管を通って上池に放出される。この場合、ガイドベーン４およびステーベーン３は、ランナ６から流入する水をケーシング２に導く。ガイドベーン４の開度は、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。
【００２７】
ところで、図２に示すように、ステーベーン３は、ベーン本体部２０と、ベーン本体部２０より下流側に設けられた下流側部２１と、を有している。本実施の形態においては、フランシス形水車１の全てのステーベーン３が、これらのベーン本体部２０と下流側部２１とを有している。
【００２８】
また、図３に示すように、ステーベーン３は、流路上壁２２と流路下壁２３との間に介在されている。そして、ベーン本体部２０の上縁部および下縁部は、流路上壁２２および流路下壁２３に溶接等によってそれぞれ固定されている。
【００２９】
下流側部２１は、ステーベーン３から流出する流れ（出口流れ）の角度を変えるように回動可能になっている。すなわち、ランナ６の回転軸線Ｘ（またはガイドベーン軸線１０）に沿って略平行（図３の上下方向）に延びるステーベーン軸線２４を中心に下流側部２１が回動可能になっている。そして、下流側部２１と流路上壁２２との間および下流側部２１と流路下壁２３との間には、微小なギャップが設けられており、ベーン本体部２０と下流側部２１との間にも微小なギャップが設けられている。このことにより、下流側部２１がスムースに回動可能になっている。さらに、下流側部２１のベーン本体部２０の側の端面は、平面視（図２で見た状態）で、凸状にかつ円弧状に形成されており、またベーン本体部２０の下流側部２１の側の端面は、下流側部２１の前記端面に対応する形状となるように凹状かつ円弧状に形成されている。このことにより、ベーン本体部２０と下流側部２１との間に形成されるギャップを小さくしながら、下流側部２１のスムースな回動を可能にしている。
【００３０】
図３に示すように、下流側部２１には、ステーベーン回動軸２５を介してステーベーン駆動部２６が連結されている。このステーベーン駆動部２６は、例えば、サーボモータによって構成することができ、下流側部２１を回動駆動する。また、ステーベーン駆動部２６には、上述した制御部１３が接続されており、ステーベーン駆動部２６は制御部１３によって制御されるように構成されている。このようにして、制御部１３がステーベーン駆動部２６を制御することにより、ステーベーン駆動部２６は、図２における時計回り方向または反時計回り方向に下流側部２１を回動させる。このことにより、ステーベーン３から流出する流れの角度を変えられるようになっている。なお、ステーベーン駆動部２６とステーベーン回動軸２５との間に、上述したガイドベーンアームおよびガイドリングのような部材が介在されて、一つのステーベーン駆動部２６によって、全てのステーベーン３の下流側部２１を一体的に回動させるようにしてもよく、あるいは、各ステーベーン回動軸２５に対して１対１でステーベーン駆動部２６を設けて、各下流側部２１を、個別的に回動させるようにしてもよい。
【００３１】
本実施の形態における制御部１３は、ガイドベーン４の開度に基づいて、ステーベーン駆動部２６を制御する。すなわち、図４に示すように、ガイドベーン４の開度が最高効率開度より大きい場合には、ステーベーン３の下流側部２１の角度を大きくするように下流側部２１を回動させ、ガイドベーン４の開度が最高効率開度より小さい場合には、ステーベーン３の下流側部２１の角度を小さくするように下流側部２１を回動させる。このようにして、ステーベーン３の下流側部２１の角度と、ガイドベーン４の入口角度とのずれを低減することができる。ここで、本明細書にて用いる下流側部２１の角度、およびガイドベーン４の角度とは、ランナ６の回転軸線Ｘを中心とする円弧の接線であって、ステーベーン軸線２４またはガイドベーン軸線１０を通る接線からの角度を意味するものとして用いている。
【００３２】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００３３】
本実施の形態によるフランシス形水車１において水車運転を行う場合、上池から水圧管を通ってケーシング２に水が流入する。ケーシング２に流入した水は、ケーシング２からステーベーン３およびガイドベーン４を通ってランナ６に流入する。このランナ６へ流入した水によって、ランナ６が回転駆動される。このことにより、ランナ６に連結された発電電動機８が駆動され、発電が行われる。ランナ６に流入した水は、ランナ６から吸出し管９を通って、下池（または放水路）へ放出される。
【００３４】
水車運転の間、ステーベーン３から流出した流れはガイドベーン４に流入する。
【００３５】
ここで、ステーベーンが、図１３に示すような従来のステーベーン５０である場合には、ガイドベーン４の開度によって、ステーベーン５０から流出した流れは、ガイドベーン４の背側面（外周側面）４ａまたは腹側面（内周側面）４ｂで受けられる。より具体的には、図１３に示すように、ガイドベーン４の開度が最小（全閉時）である場合と、ガイドベーン４の開度が最高効率の開度である場合には、ステーベーン５０から流出した流れは、ガイドベーン４の背側面４ａで受けられる。このことにより、これらの開度では、ガイドベーン４は閉特性を持つことができる。一方、ガイドベーン４の開度が最大（全開時）である場合には、ステーベーン５０から流出した流れは、ガイドベーン４の腹側面４ｂで受けられる。このため、この開度では、ガイドベーン４は開特性をもつ。
【００３６】
これに対して本実施の形態においては、ステーベーン３の下流側部２１は、ガイドベーン４の開度に応じて回動し、ステーベーン３から流出する流れの角度とガイドベーン４の入口角度とのずれが低減される。
【００３７】
より具体的には、図４に示すように、部分負荷の運転範囲においては、ガイドベーン４の開度が最高効率開度より小さくなり、ガイドベーン４の入口角度が小さくなる。このため、ステーベーン３の下流側部２１を、図４における反時計回り方向に回動させて、下流側部２１の角度を小さくする。このことにより、下流側部２１の角度を、ガイドベーン４の入口角度に近づけることができる。
【００３８】
また、過負荷の運転範囲においては、ガイドベーン４の開度が最高効率開度より大きくなり、ガイドベーン４の入口角度が大きくなる。このため、ステーベーン３の下流側部２１を、図４における時計回り方向に回動させて、下流側部２１の角度を大きくする。このことにより、下流側部２１の角度を、ガイドベーン４の入口角度に近づけることができる。
【００３９】
このようにして、ガイドベーン４が全閉の状態から全開の状態にわたる全開度範囲において、ステーベーン３から流出する流れの角度とガイドベーン４の入口角度とのずれを低減することができる。この場合、全開度範囲において、ステーベーン３から流出した流れをガイドベーン４の入口角度に沿わせることができる。このため、全開度範囲において、ステーベーン３から流出した流れをガイドベーン４の背側面４ａで受けることができ、ガイドベーン４は開特性を持つことができる。また、ステーベーン３から流出した流れがガイドベーン４に沿うようになるため、ステーベーン３とガイドベーン４とにより形成される静止翼列流路５における水力損失を低減できる。
【００４０】
図５には、ガイドベーン開度ａとガイドベーントルク係数ＴＧＥＤとの関係が示されている。図５には、図１３に示すような従来のステーベーン５０（すなわち、回動可能な下流側部２１を有していないステーベーン）が適用されている場合の関係と、全てのステーベーンに本実施の形態のステーベーン３（すなわち、回動可能な下流側部２１を有するステーベーン）が適用されている場合の関係とが示されている。横軸にはガイドベーン開度ａが示され、縦軸にはガイドベーントルク係数ＴＧＥＤが示されている。ここで、ガイドベーントルク係数は、ガイドベーンに流入する流れに抗してガイドベーンをガイドベーン軸線の周りに回動させるために要するモーメント（ガイドベーン開閉力）を無次元化したものである。ガイドベーントルク係数が正の値となることはガイドベーンが閉特性を持つことを意味し、負の値となることは開特性を持つことを意味している。また、横軸のＡは、ガイドベーンの最高効率開度を示している。
【００４１】
図５に示すように、従来のステーベーン５０を適用した場合では、ガイドベーン開度が０〜Ｂの範囲においては、ガイドベーン４は閉特性を持つ。しかしながら、全開状態の運転点付近であるＢ〜ａＭａｘの範囲においては、ガイドベーン４は開特性を持つ。このため、全開度範囲において、ガイドベーン４の自己閉鎖特性の確保が困難になっている。
【００４２】
これに対して本実施の形態のステーベーン３を適用した場合には、以下のような利点を有することができる。すなわち、図５に示すように、ガイドベーン開度が、Ｂ〜ａＭａｘの範囲において、ガイドベーントルク係数を閉特性側にシフトさせることができる。このことにより、従来のステーベーン５０では開特性となっていたガイドベーン４の開度範囲においても、ガイドベーン４は閉特性を持つことができる。このため、ガイドベーン４の全開度範囲において、ガイドベーン４の自己閉鎖特性を確保することができる。
【００４３】
また、図５に示すように、ガイドベーン開度が０〜Ａの範囲において、ガイドベーントルク係数の絶対値を、従来のステーベーン５０でのガイドベーントルク係数より小さくすることができる。更に言えば、図５に示すように、本実施の形態では、全開度範囲におけるガイドベーントルク係数の最大値が低減されている。このことにより、ガイドベーン駆動部１２の負荷を低減することができる。また、既設のガイドベーンを改修する際には、ガイドベーン駆動部１２を容量の大きい駆動部に交換する場合があるが、このような場合であっても、ガイドベーン駆動部１２の負荷が低減可能であることにより、ガイドベーン駆動部１２の交換を不要とすることができ、既設のガイドベーン駆動部１２を流用することが可能になる。
【００４４】
図６には、ガイドベーン開度ａと流路損失ΔＨｓｇ／Ｈ（％）との関係が示されている。図６には、図５と同様に、全てのステーベーンに従来のステーベーン５０が適用されている場合の関係と、全てのステーベーンに本実施の形態のステーベーン３が適用されている場合の関係とが示されている。横軸にはガイドベーン開度ａが示され、縦軸にはステーベーン３およびガイドベーン４により形成された静止翼列流路５における流れの流路損失ΔＨｓｇ／Ｈ（％）が示されている。ここで、ΔＨｓｇはステーベーン３間の流路およびガイドベーン４間の流路における損失ヘッドを示し、Ｈは有効落差を示している。
【００４５】
本実施の形態のステーベーン３が適用されることにより、上述したように、ステーベーン３から流出した流れをガイドベーン４の入口角度に沿わせることができるため、静止翼列流路５における流れの損失を低減することができる。このため、図６に示すように、ガイドベーン開度が０〜ａＭａｘの全開度範囲において、従来のステーベーンが適用される場合よりも流路損失を低減することができる。
【００４６】
図７には、ガイドベーン開度と水車効率η’ｔ（％）との関係が示されている。図７には、図６と同様に、全てのステーベーンに従来のステーベーン５０が適用されている場合の関係と、全てのステーベーンに本実施の形態のステーベーン３が適用されている場合の関係とが示されている。横軸にはガイドベーン開度が示され、縦軸には水車効率η’ｔ（％）が示されている。
【００４７】
本実施の形態のステーベーン３が適用されることにより、上述したように、静止翼列流路５における流路損失が低減されたため、ガイドベーン開度が０〜ａＭａｘの全開度範囲において、従来のステーベーンが適用される場合よりも水車効率を向上させることができる。
【００４８】
このように本実施の形態によれば、ステーベーン３の下流側部２１が、ステーベーン３から流出する流れの角度を変えるように回動可能になっている。このことにより、ガイドベーン４の開度に応じて下流側部２１の角度を変えることができ、ステーベーン３から流出する流れの角度とガイドベーン４の入口角度とのずれを低減することができる。このため、ガイドベーン４の全開度範囲において、ステーベーン３から流出する流れをガイドベーン４に沿わせることができる。この結果、ガイドベーン４の自己閉鎖特性を確保可能な開度範囲を拡大させることができる。また、ステーベーン３およびガイドベーン４により形成された静止翼列流路５における流れの流路損失を低減させることができ、水車効率を向上させることもできる。
【００４９】
また、本実施の形態によれば、ステーベーン３の下流側部２１は、ステーベーン駆動部２６によって回動駆動される。このことにより、ステーベーン３を容易に回動させて、ステーベーン３から流出する流れの角度を容易に変えることができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態によれば、ガイドベーン４の開度に基づいて、ステーベーン駆動部２６が制御されて、ステーベーン３の下流側部２１が回動される。このことにより、ガイドベーン４の開度に応じて下流側部２１の角度を適切にかつ迅速に変えることができ、ステーベーン３から流出する流れの角度と、ガイドベーン５の入口角度とのずれをより一層低減することができる。
【００５１】
なお、上述した本実施の形態において、ステーベーン３の下流側部２１の角度は、落差に応じて変えるようにしてもよい。すなわち、制御部１３は、落差に基づいて、ステーベーン駆動部２６を制御するようにしてもよい。例えば、落差が基準落差Ｈｎｏｒや最低落差Ｈｍｉｎである場合に、ステーベーン駆動部２６によって上述した本実施の形態のようにステーベーン３の下流側部２１の角度を変えるようにしてもよい。
【００５２】
一般的に、フランシス形水車１は、基準落差Ｈｎｏｒより落差が小さい最低落差Ｈｍｉｎから、基準落差Ｈｎｏｒより落差が大きい最高落差Ｈｍａｘの落差範囲内で運転される。ケーシング２が上述したようにフルスパイラルケーシングで、近年主流の設計である等流速設計されている場合には、落差の違いによるガイドベーン開閉力の変化は小さく、落差の違いに対してはガイドベーン開閉力をほぼ一定に維持することができる。
【００５３】
しかしながら、比較的古い年代に設置されたフランシス形水車１では等流速設計となっていないことがある。このようなフランシス形水車１において、落差が最高落差Ｈｍａｘである場合のガイドベーン４は、全開度範囲で閉特性を持つ。しかしながら、落差が最低落差Ｈｍｉｎや基準落差Ｈｎｏｒである場合には、ガイドベーン開度が大きい範囲で開特性を持つ傾向がある。このため、落差に応じて、下流側部２１の角度を調整する運転は有効となる。
【００５４】
図８に、ガイドベーン開度ａとガイドベーントルク係数ＴＧＥＤとの関係が、落差毎に示されている。より具体的には、図１３に示す従来のステーベーン５０における最低落差Ｈｍｉｎ、基準落差Ｈｎｏｒ、および最高落差Ｈｍａｘにおける関係と、本実施の形態のステーベーン３における最低落差Ｈｍｉｎおよび基準落差Ｈｎｏｒにおける関係とが示されている。横軸にはガイドベーン開度ａが示され、縦軸にはガイドベーントルク係数ＴＧＥＤが示されている。
【００５５】
従来のステーベーン５０を適用した場合では、最高落差Ｈｍａｘの運転時のガイドベーン４の全開度範囲において、ガイドベーン４は閉特性を持つことができる。しかしながら、最低落差Ｈｍｉｎの運転時では、ガイドベーン開度がＢ１〜ａＭａｘの範囲においてガイドベーン４は開特性を持ち、また、基準落差Ｈｎｏｒの運転時では、ガイドベーン開度がＢ２〜ａＭａｘの範囲において、ガイドベーン４は開特性を持つ。
【００５６】
これに対して本実施の形態のステーベーン３を適用した場合には、最低落差Ｈｍｉｎおよび基準落差Ｈｎｏｒの運転時のガイドベーン４の全開度範囲で、ガイドベーン４は閉特性を持つことができる。このため、最低落差Ｈｍｉｎおよび基準落差Ｈｎｏｒでの運転時においても、ガイドベーン４の自己閉鎖特性を確保することができる。また、図８に示されているように、最低落差Ｈｍｉｎおよび基準落差Ｈｎｏｒの運転時において、ガイドベーン開度が０〜Ａの範囲で、ガイドベーントルク係数の絶対値を小さくすることもできる。
【００５７】
以上により、等流速設計となっていないフランシス形水車１においては、落差が最低落差Ｈｍｉｎや基準落差Ｈｎｏｒである場合に、言い換えると落差が所定の落差より小さい場合に、ステーベーン３の下流側部２１の角度を調整することは有効となる。
【００５８】
フランシス形水車１の運転時に、落差に基づいてステーベーン駆動部２６を制御する場合には、まず、上池の水位と下池の水位とが計測され、計測された水位が制御部１３に入力されて（または取り込まれて）、運転時の落差が算出される（得られる）。続いて、制御部１３により、得られた落差に基づいてステーベーン３の下流側部２１の適切な角度が決定される。その後、制御部１３が、ステーベーン駆動部２６を制御して、決定された角度となるように下流側部２１を回動させる。このようにして、所望の角度に下流側部２１を位置付けることができ、落差に応じた下流側部２１の角度の調整が可能になる。なお、得られた落差が、所定の落差より大きい場合には、下流側部２１の角度を調整しなくても、ガイドベーン３の全開度範囲において自己閉鎖特性を確保することができるため、下流側部２１の角度の調整を不要とすることができる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
次に、図９および図１０を用いて、本発明の第２の実施の形態における水力機械および水力機械の運転方法について説明する。
【００６０】
図９および図１０に示す第２の実施の形態においては、ステーベーンのベーン本体部の流水面と下流側部の流水面とが弾性体によって連結されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図７に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図９および図１０において、図１乃至図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
図９および図１０に示すように、ベーン本体部２０の流水面（背側面２０ａおよび腹側面２０ｂ）と、下流側部２１の流水面（背側面２１ａおよび腹側面２１ｂ）とが弾性体３０によって連結されている。このことにより、ベーン本体部２０の背側面２０ａと下流側部２１の背側面２１ａとの間にギャップによる凹部が形成されることを防止でき、ベーン本体部２０の背側面２０ａと下流側部２１の背側面２１ａとを滑らかに接続することができる。同様にして、ベーン本体部２０の腹側面２０ｂと下流側部２１の腹側面２１ｂとの間にギャップによる凹部が形成されることを防止でき、ベーン本体部２０の腹側面２０ｂと下流側部２１の腹側面２０ｂとを滑らかに接続することができる。
【００６２】
弾性体３０は、ベーン本体部２０および下流側部２１にボルト３１等によって締結されることが好適である。ベーン本体部２０にボルト孔３２が設けられ、下流側部２１にボルト孔３３が設けられ、弾性体３０にボルト３４が設けられており、これらのボルト孔３２、３３、３４にボルト３１が取り付けられるようになっている。弾性体３０に用いる材料としては、下流側部２１を回動する際の回動力が過度に大きくならなければ特に限られることはなく、例えばゴムを好適に用いることができる。また、弾性体３０と流路上壁２２との間および弾性体３０と流路下壁２３との間には、下流側部２１の回動時に弾性体３０の弾性変形をスムースにするために、微小なギャップが設けられていることが好ましい。
【００６３】
下流側部２１が回動する際には、弾性体３０が弾性変形し、ベーン本体部２０と下流側部２１との間にギャップが形成されることを抑制しつつ、下流側部２１の回動に追従可能となる。また、下流側部２１の角度が変わった場合であっても、ベーン本体部２０の流水面２０ａ、２０ｂと、下流側部２１の流水面２１ａ、２１ｂとを、それぞれ滑らかに接続することができる。
【００６４】
このように本実施の形態によれば、ステーベーン３のベーン本体部２０の流水面２０ａ、２０ｂと下流側部２１の流水面２１ａ、２１ｂとが、弾性体３０によって連結されている。このことにより、ベーン本体部２０と下流側部２１との間にギャップが形成されることを抑制し、ベーン本体部２０の流水面２０ａ、２０ｂと、下流側部２１の流水面２１ａ、２１ｂとを滑らかに接続することができる。このため、静止翼列流路５における流れの流路損失をより一層低減させることができ、水車効率をより一層向上させることができる。
【００６５】
（第３の実施の形態）
次に、図１１および図１２を用いて、本発明の第３の実施の形態における水力機械および水力機械の運転方法について説明する。
【００６６】
図１１および図１２に示す第３の実施の形態においては、全てのステーベーンのうちの半数のステーベーンがベーン本体部と下流側部とを有している点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図７に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１１および図１２において、図１乃至図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６７】
図１１に示すように、本実施の形態におけるフランシス形水車１のケーシング４０は、セミスパイラル形状を有している。なお、図１１は、便宜上、ランナ６は省略している。
【００６８】
一般に、図１に示すようなフルスパイラル形状のケーシング２では、巻き初め位置から巻き終わり位置まで延びる渦巻き部分が、全周にわたって形成されている。フルスパイラル形状のケーシング２では、各ステーベーンに流入する流れの周方向速度成分は、所定の大きさを有し、周方向にわたって略均等になっている。
【００６９】
しかしながら、図１１に示すようなセミスパイラル形状のケーシング４０では、巻き初め位置から巻き終わり位置まで延びる渦巻き部分４１（スパイラル部分）が、略半周の領域にわたって形成されている。そして、残りの半周の領域では、ケーシング４０の直線部分４２が直接的に静止翼列流路５に連結されるように半渦巻き部分４３が形成されている。このため、半渦巻き部分４３からステーベーンに流入する水の流れの周方向速度成分は小さくなっている。このことにより、半渦巻き部分４３からステーベーンを介してガイドベーン４に流入する水の流れはガイドベーン４の背側面４ａで受けることができ、これらのガイドベーン４は、全開度範囲において閉特性を持つことができる。一方、渦巻き部分４１からステーベーンを介してガイドベーン４に流入する水の流れの周方向速度成分は、フルスパイラル形状のケーシング２の場合と同程度の大きさを有している。このことにより、渦巻き部分４１からステーベーンを介して水の流れが流入するガイドベーン４は、ガイドベーン開度が大きい範囲では開特性を持つ傾向を有している。
【００７０】
このため、本実施の形態においては、図１１に示すように、ケーシング４０の渦巻き部分４１に対応するステーベーン３、すなわち渦巻き部分４１からの流れが流入するステーベーン３（図１１の下半分のステーベーン）が、ベーン本体部２０と回動可能な下流側部２１とを有している。半渦巻き部分４３に対応するステーベーン５０（図１１の上半分のステーベーン）は、下流側部２１を有することなく、従来のステーベーン５０となっている。すなわち、フランシス形水車１の全てのステーベーンのうちの半数のステーベーンが、ベーン本体部２０と回動可能な下流側部２１とを有するステーベーン３となっており、残りの半数のステーベーンは、下流側部２１を有することなく、従来のステーベーン５０となっている。
【００７１】
図１２には、ステーベーン３の適用枚数毎の、ガイドベーン開度ａとガイドベーントルク係数ＴＧＥＤとの関係が示されている。より具体的には、ステーベーン５０が全数適用されている場合の関係と、ステーベーン３が半数適用されている場合の関係と、ステーベーン３が全数適用されている場合の関係とが示されている。横軸にはガイドベーン開度ａが示され、縦軸にはガイドベーントルク係数ＴＧＥＤが示されている。なお、ステーベーン３が半数適用されている場合のガイドベーントルク係数は、全てのガイドベーン４のガイドベーントルク係数から求めた平均値を示している。
【００７２】
図１２に示されているように、フランシス形水車１の全てのステーベーンのうちの半数のステーベーンにステーベーン３を適用した場合であっても、ガイドベーン開度がＢ〜ａＭａｘの範囲において、ガイドベーン４は開特性を持つことができる。また、ガイドベーン開度が０〜Ａの範囲において、ガイドベーントルク係数の絶対値を、従来のステーベーン５０でのガイドベーントルク係数よりも小さくすることができる。
【００７３】
このことにより、ステーベーン３を半数適用した場合であっても、ガイドベーン４の自己閉鎖特性を確保することができると共に、静止翼列流路５における流れの流路損失を低減させることができる。このため、フランシス形水車１の全てのステーベーンのうち半数以上のステーベーンに、ベーン本体部２０と回動可能な下流側部２１とを有するステーベーン３が適用されることは有効である。
【００７４】
このように本実施の形態によれば、フランシス形水車１の全てのステーベーンのうち半数のステーベーン３が、ベーン本体部２０と回動可能な下流側部２１とを有している。このことにより、ガイドベーン４の自己閉鎖特性を確保することができると共に、静止翼列流路５における流れの流路損失を低減させて、水車効率を向上させることができる。また、下流側部２１を有するステーベーン３の個数を低減することができ、下流側部２１を回動させるための駆動力を低減することができ、ガイドベーン駆動部１２の容量を小さくすることができる。
【００７５】
以上述べた実施の形態によれば、ガイドベーン４の自己閉鎖特性を確保可能な開度範囲を拡大させると共に水力損失を低減させて効率を向上させることができる。
【００７６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【００７７】
なお、上述した実施の形態では、水力機械の一例としてフランシス水車を例にとって説明したが、このことに限られることはなく、フランシス水車以外の水力機械にも、本発明による水力機械を適用することができる。また、ポンプ運転を行わない水車にも当然に適用することができる。
【００７８】
また、上述した実施の形態では、ベーン本体部２０と回動可能な下流側部２１とを有するステーベーン３が、フランシス形水車１の全てのステーベーンに適用された例（第１の実施の形態）と、半数のステーベーンに適用された例（第３の実施の形態）について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ベーン本体部２０と下流側部２１とを有するステーベーン３は、フランシス形水車１の少なくとも一つのステーベーンに適用されていればよい。この場合においても、ベーン本体部２０と下流側部２１とを有するステーベーン３から流出する流れを、当該ステーベーン３に対応するガイドベーン４に沿わせることができる。このことにより、当該ガイドベーン４のガイドベーントルク係数を、閉特性側にシフトさせることができ、これによってガイドベーン４全体としてのガイドベーントルク係数を閉特性側にシフトさせることができる。この結果、ガイドベーン４の自己閉鎖特性を確保可能な開度範囲を拡大させることができる。また、ステーベーン３とガイドベーン４の周囲を流れる流れの水力損失を低減させて効率を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００７９】
１      フランシス形水車
２      ケーシング
３      ステーベーン
４      ガイドベーン
６      ランナ
１２    ガイドベーン駆動部
１３    制御部
２０    ベーン本体部
２０ａ  背側面
２０ｂ  腹側面
２１    下流側部
２１ａ  背側面
２１ｂ  腹側面
２６    ステーベーン駆動部
３０    弾性体
【図１】
2016070226.tif 000003
【図２】
2016070226.tif 000004
【図３】
2016070226.tif 000005
【図４】
2016070226.tif 000006
【図５】
2016070226.tif 000007
【図６】
2016070226.tif 000008
【図７】
2016070226.tif 000009
【図８】
2016070226.tif 000010
【図９】
2016070226.tif 000011
【図１０】
2016070226.tif 000012
【図１１】
2016070226.tif 000013
【図１２】
2016070226.tif 000014
【図１３】
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