(57)【要約】【課題】効率の低下を効果的に抑制しつつ、水圧脈動を低減することができる水力機械のランナを提供する。【解決手段】実施の形態によるランナ４１は、水車運転時に外周側から流入する水流によって回転軸Ｏ周りに回転駆動されるランナ本体４Ｍと、ランナ本体４Ｍの回転軸側に回転軸Ｏと同軸状に設けられ、ランナ本体４Ｍの下流側に向けて延びる筒状のエクステンション部材１０と、を備えている。エクステンション部材１０には、その内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通する複数の貫通孔１１が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水車運転時に外周側から流入する水流によって回転軸周りに回転駆動されるランナ本体と、
前記ランナ本体の回転軸側に前記回転軸と同軸状に設けられ、前記ランナ本体の下流側に向けて延びる筒状のエクステンション部材と、を備え、
前記エクステンション部材には、その内周側領域と外周側領域とを連通する複数の貫通孔が形成されている、ことを特徴とする水力機械のランナ。
【請求項２】
前記エクステンション部材は、筒状の外側部材と、前記外側部材の内周側に配置される筒状の内側部材と、を含み、前記内周側領域は、前記内側部材の内周側に形成され、前記外周側領域は、前記外側部材の外周側に形成されており、
前記貫通孔は、前記外側部材に形成され、
前記内側部材は、その壁部で、前記貫通孔を内周側から覆わずに前記貫通孔が前記内周側領域と前記外周側領域とを連通する第１の状態と、その壁部で、前記貫通孔を内周側から覆う第２の状態とをとるように、前記回転軸の軸方向に沿って移動可能に構成されており、
前記第２の状態において、前記内側部材の内周側に形成される前記内周側領域を通して、前記ランナ本体の下流側に向けて給気を行うように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のランナ。
【請求項３】
前記内側部材には、径方向に貫通する複数の連通孔が形成されており、
前記第１の状態において、前記内側部材の前記複数の連通孔のそれぞれが、前記外側部材の前記貫通孔のいずれかに重なる状態となって、前記貫通孔が前記内周側領域と前記外周側領域とを連通し、
前記第２の状態において、前記内側部材の前記複数の連通孔のそれぞれが、前記外側部材の前記貫通孔のいずれかに重なる状態から外れて、前記内側部材の壁部が前記貫通孔を覆うようになっている、ことを特徴とする請求項２に記載の水力機械のランナ。
【請求項４】
前記内周側領域の圧力が、所定の圧力よりも小さくなった際に、前記内側部材を前記第１の状態から前記第２の状態に移動させる駆動部をさらに備えている、ことを特徴とする請求項２または３に記載の水力機械のランナ。
【請求項５】
前記駆動部は、前記内側部材を、前記ランナ本体の上流側の水の水圧によって移動させる水圧移動機構を有する、ことを特徴とする請求項４に記載の水力機械のランナ。
【請求項６】
前記水圧移動機構は、水の水圧によって前記内側部材を移動させるか否かを切り替える開閉バルブをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の水力機械のランナ。
【請求項７】
前記ランナ本体の上流側に配置されるガイドベーンの開度に応じて、前記内側部材を、前記第１の状態または前記第２の状態に移動させる駆動部をさらに備えている、ことを特徴とする請求項２または３に記載の水力機械のランナ。
【請求項８】
前記エクステンション部材は、筒状の外側部材と、前記外側部材の内周側に配置される筒状の内側部材と、を含み、前記内周側領域は、前記内側部材の内周側に形成され、前記外周側領域は、前記外側部材の外周側に形成されており、
前記貫通孔は、前記外側部材に形成されており、
前記内側部材には、径方向に貫通する連通孔が形成されており、
前記内側部材は、前記連通孔のそれぞれが前記貫通孔のいずれかに重なる状態となって、前記貫通孔が前記内周側領域と前記外周側領域とを連通する第１の状態と、前記連通孔のそれぞれが前記貫通孔のいずれかに重なる状態から外れて、その壁部で、前記貫通孔を内周側から覆う第２の状態とをとるように、前記回転軸の周方向に回転移動可能に構成されており、
前記第２の状態において、前記内側部材の内周側に形成される前記内周側領域を通して、前記ランナ本体の下流側に向けて給気を行うように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の水力機械のランナ。
【請求項９】
前記ランナ本体の上流側に配置されるガイドベーンの開度に応じて、前記内側部材を、前記第１の状態または前記第２の状態に移動させる駆動部をさらに備えている、ことを特徴とする、請求項８に記載の水力機械のランナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水力機械のランナに関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械としての一般的なフランシス水車では、水車運転時に、水がケーシングからステーベーン及びガイドベーンを通ってランナに流れ込み、その水流によってランナが回転駆動され、主軸を介して発電機が回転駆動される。これにより、発電が行われる。なお、ランナを回転駆動した水は、吸出し管を経て放水路へと流出するようになっている。
【０００３】
このようなフランシス水車において、ランナは、クラウンと、バンドと、これらクラウンとバンドとの間に設けられる複数の羽根と、を有している。ランナにおける羽根は、設計点において水流のエネルギーをランナの回転エネルギーに効率良く変換させるように角度及び形状が設計され、クラウンとバンドとの間に固定されている。基本的に、設計点においては、ランナを通過した水の流出方向が、ランナの回転軸の軸方向と一致するようになっている。
【０００４】
しかし、ランナでは羽根が固定されていることで、水流が設計点から外れる場合に、水流のエネルギーをランナの回転エネルギーへと変換する効率が、設計点での効率に比較して低下してしまうことがある。この場合、ランナの下流に旋回流れが生じることがある。特に、小流量の部分負荷運転時には、旋回流れに起因して、ランナの下流に位置する吸出し管内において渦（ホワール）が発生し易い。このような渦の中心部（渦芯）は、圧力が周囲の流れに比較して著しく低いことで、空気で満たされた空洞が発生する。
【０００５】
また、部分負荷運転時には、このような渦の渦芯が螺旋状となって、渦が吸出し管内において振れ回る、換言すると、吸出し管の中心周りを公転する場合がある。この場合に、当該渦が、強い水圧脈動を発生させて、吸出し管の壁部を激しく叩いたり、振れ回る際の周波数によって水力発電所を構成している他の要素を共振させてしまったりすることがある。これにより、水力発電所内の振動及び騒音が発生し、その結果、安定した運転に影響を及ぼすことがある。特に、低落差で大流量の高比速度機においては、上述のような渦による振動及び騒音が大きくなり易い。そのため、フランシス水車の分野では、水圧脈動を低減するための種々の技術が提案されている。
【０００６】
例えば、吸出し管の内周面にフィンを設けて旋回流れの抑制を図る技術や、吸出し管の内周面に給気装置を設け、給気装置から渦に向けて給気を行うことで、当該渦の安定化（振れ回りの抑制）を図る技術が知られている。また、渦の安定化のために、ランナに連結された主軸から給気を行う技術も知られている。
【０００７】
吸出し管の内周面にフィンを設ける技術の中には、フィンの下流において発生する後流が吸出し管の屈曲部分の内周側の壁面に衝突して損傷を与えることを抑制するために、フィンを周方向の一方向に傾斜させる技術等もある。
【０００８】
また、吸出し管の内周面に給気装置を設ける技術の中には、簡易的な構造のものとしては、吸出し管の径方向に貫通するように給気管を設ける装置や、吸出し管の内周面に、断面が半円形の環状体の囲い体が設けられ、この囲い体の吸出し管中央側に給気孔が形成される装置等もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２−１４０４６６号公報
【特許文献２】特開平１１−１５３０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した吸出し管の内周面に設けられるフィンや給気装置は、吸出し管の内周面から中心側に突出する構造である。このため、吸出し管内において、フィンあるいは給気装置の近傍を旋回する水流が通過する際に、水流の剥離損失が生じ得る。これにより、効率が低下してしまう問題がある。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑み、効率の低下を効果的に抑制しつつ、水圧脈動を低減することができる水力機械のランナ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】
【００１２】
実施の形態による水力機械のランナは、水車運転時に外周側から流入する水流によって回転軸周りに回転駆動されるランナ本体と、前記ランナ本体の回転軸側に前記回転軸と同軸状に設けられ、前記ランナ本体の下流側に向けて延びる筒状のエクステンション部材と、を備えている。前記エクステンション部材には、その内周側領域と外周側領域とを連通する複数の貫通孔が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態によるランナを備えるフランシス水車の子午面断面図である。
【図２】図１のフランシス水車のランナの子午面断面図である。
【図３】図１のフランシス水車の吸出し管内において発生する渦の様子を示した図である。
【図４】一般的なフランシス水車の吸出し管内において発生する渦の様子を示した図である。
【図５】図１のフランシス水車で発生する水圧脈動と、図４の一般的なフランシス水車で発生する水圧脈動とを比較した図である。
【図６】第２の実施の形態によるランナの子午面断面図である。
【図７】図６のランナに設けられた二重構造のエクステンション部材の動作の様子を示した図である。
【図８】図６のランナのエクステンション部材の内側部材の位置に応じた、エクステンション部材の内周側領域の圧力を示した図である。
【図９】図６のランナのエクステンション部材の内側部材が外側部材の貫通孔を覆った状態で給気を行った場合の水圧脈動と、図６のランナのエクステンション部材の内側部材が外側部材の貫通孔を覆わない状態で給気を行った場合の水圧脈動とを、給気量に応じて、比較した図である。
【図１０】（Ａ）は、第３の実施の形態によるランナの子午面断面図であり、（Ｂ）は、当該ランナに設けられた二重構造のエクステンション部材の動作の様子を示した図である。
【図１１】第４の実施の形態によるランナの子午面断面図である。
【図１２】第５の実施の形態によるランナの子午面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態によるランナ４１を備えるフランシス水車１００の子午面断面図である。このフランシス水車１００は、水車運転時に上池から水圧鉄管（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１と、複数のステーベーン２と、複数のガイドベーン３と、ランナ４１と、を備えている。ランナ４１の外周側にガイドベーン３が配置され、ガイドベーン３の外周側にステーベーン２が配置されている。
【００１６】
ランナ４１は、主軸７を介して発電機８に結合されている。図１において、符号Ｏは、主軸７の回転中心を通る軸線を示している。以下では、軸線Ｏのことを、ランナ４１の回転軸と呼ぶ場合があり、この回転軸Ｏに沿う方向を回転軸Ｏの軸方向と呼ぶ場合がある。
【００１７】
ステーベーン２は、水車運転時にケーシング１に流入した水をガイドベーン３及びランナ４１に導くためのものであり、ランナ４１の周方向に所定の間隔をあけて配置され、ステーベーン２の間に水が流れる流路が形成されている。ガイドベーン３は、水車運転時に流入した水をランナ４１に導くためのものであり、ランナ４１の周方向に所定の間隔をあけて配置され、ガイドベーン３の間には水が流れる流路が形成されている。
【００１８】
一方、図２は、ランナ４１の子午面断面図である。図２に示すように、ランナ４１は、主軸７に連結されたクラウン４Ｃと、バンド４Ｂと、クラウン４Ｃとバンド４Ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根４Ａと、クラウン４Ｃの径方向の内側端部から下流側に突出する円錐台状のランナコーン４Ｄとで構成されるランナ本体４Ｍを有している。ランナ羽根４Ａは、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、ランナ羽根４Ａの間に、水が流れる流路が形成されている。
【００１９】
このようなフランシス水車１００では、ステーベーン２を介してガイドベーン３からランナ４１に水が流入することでランナ４１が回転軸Ｏ周りに回転駆動され、主軸７を介して発電機８が回転駆動される。これにより、発電が行われる。ランナ４１を回転駆動した水は、吸出し管５を経て放水路へと流出する。
【００２０】
また、複数のガイドベーン３のそれぞれは、図示省略する回動軸に連結され、当該回動軸を中心に回動可能とされている。これにより、ガイドベーン３は、回動軸周りに回動されることで、その開度を調整することが可能となっている。ガイドベーン３の開度を変化させることで、ランナに流入する流量を調整し、発電量を変化させることができる。
【００２１】
以下、ランナ４１について図２を参照して詳述する。なお、以下の説明では、ランナ４１を回転駆動する水流の流れ方向における流入側を上流側と呼び、流出側を下流側と呼ぶものとする。
【００２２】
図２に示すように、本実施の形態のランナ４１は、ランナ本体４Ｍの回転軸側に回転軸Ｏと同軸状に設けられ、ランナ本体４Ｍの下流側に向けて延びる筒状のエクステンション部材１０をさらに備えている。詳しくは、本実施の形態では、ランナ本体４Ｍのうちのランナコーン４Ｄの先端部に、エクステンション部材１０が接合されている。
【００２３】
エクステンション部材１０は円筒状であって、回転軸Ｏに沿って延びている。エクステンション部材１０の先端部は、回転軸Ｏ方向において羽根本体４Ａよりも下流側に位置しており、回転軸Ｏ方向においてランナ４１の出口側端部の近傍に至っている。
【００２４】
また、このエクステンション部材１０には、その内周側に形成される内周側領域Ｉｎとその外周側に形成される外周側領域Ｅｘとを連通する複数の貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１は、エクステンション部材１０の軸方向及び周方向に間隔を空けて複数形成されている。
【００２５】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００２６】
図３には、本実施の形態によるフランシス水車１００において、螺旋状の渦Ｗが発生した様子が示されている。一般的に、この種のフランシス水車においては、小流量の部分負荷運転時に、旋回流れに起因して渦が発生し易く、小流量であるほど、渦の渦芯は螺旋状となり易い。そして、図３に示すような螺旋状の渦Ｗが発生して、強い水圧脈動が発生し得る。
【００２７】
このような渦Ｗは、エクステンション部材１０の下流側あるいはその周囲を起点に、吸出し管５側に延びるように形成される。そして、渦Ｗは、特定の周期で、吸出し管５内において振れ回る、換言すると、吸出し管５の中心周り、すなわち回転軸Ｏ周りを公転する。そして、このような渦Ｗが発生した吸出し管５の内部では、螺旋状の渦Ｗが最も近接する領域における圧力が相対的に最も小さくなり、渦Ｗが最も離れる領域における圧力が相対的に最も大きくなる。このため、渦Ｗが発生した場合、吸出し管５の内部では、前記特定の周期に基づく周期的な水圧変動が生じ、その結果、水圧脈動が発生し得る。
【００２８】
そして、渦Ｗが振れ回る状態においては、エクステンション部材１０周りの領域のうちの渦Ｗが吸出し管５の内周面に最も近接する側の領域での圧力が最も小さくなり、渦Ｗが吸出し管５の内周面から最も離れる側の領域での圧力が最も大きくなる。このため、エクステンション部材１０周りの領域では、渦Ｗの位置によって、圧力が上昇する領域（図中、「圧力高」）が生じたり、圧力が下降する領域（図中、「圧力低」）が生じたりする。一方、エクステンション部材１０の内周側領域Ｉｎは、圧力変動する外周側領域Ｅｘとは区画され、且つ、渦Ｗの渦芯の起点に近い側に位置するため、圧力の変動が大きく生じない。
【００２９】
ここで、エクステンション部材１０が設けられることによって、このエクステンション部材１０が渦Ｗの振れ回りに対する抵抗となって、渦Ｗの振幅が、図４に示すような一般的なフランシス水車で生じる場合に比べて抑制される。さらに、本実施の形態では、エクステンション部材１０に貫通孔１１が形成されていることで、エクステンション部材１０周りの領域のうち圧力が上昇した領域から、図３の矢印に示すように、貫通孔１１を通して、エクステンション部材１０の内部に水が流入する。これにより、エクステンション部材１０周りの領域のうち、圧力が上昇した領域における圧力がエクステンション部材１０の内部の圧力とバランスされることで、当該圧力が上昇した領域における圧力を低下させることができる。
【００３０】
この結果、エクステンション部材１０の周りの領域のうち圧力が上昇した領域と、下降した領域との圧力差を小さくすることができ、これにより、渦Ｗの渦芯起点付近での圧力変動を低減することができる。このことにより、本実施の形態によれば、渦Ｗが振れ回る際の振幅を全体的に抑制することができるので、水圧脈動を低減することができる。
【００３１】
図５は、図１のフランシス水車１００と、図４の一般的なフランシス水車とで発生する水圧脈動を比較した図である。図５における横軸は、出力（流量）を示し、縦軸は吸出し管に設置されたセンサで測定した振れに基づく水圧脈動を示している。図５からも明らかなように、本実施の形態によれば、貫通孔１１が形成されたエクステンション部材１０が設けられることにより、部分負荷運転時、すなわち図中「設計点」よりも紙面左側の流量の時の水圧脈動が、一般的なフランシス水車に比べて低減されていることが分かる。
【００３２】
以上に説明した第１の実施の形態によれば、ランナ４１のランナ本体４Ｍの回転軸側に貫通孔１１が形成された一部材のエクステンション部材１０を設けるという極めて簡単な構造で、水圧脈動を低減することができる。このようなエクステンション部材１０は、フランシス水車が大型であっても簡易的に設けることができ、且つ、ランナ４１の回転軸Ｏ側に集約されるため、装置構成が煩雑にならない。また、エクステンション部材１０は、吸出し管５内において旋回する水流が通過する位置から離れて設けられることで、吸出し管５内において水流の剥離損失が生じることを抑制することができる。したがって、装置構成を煩雑にすることなく、且つ、効率の低下を効果的に抑制しつつ、水圧脈動を低減することができる。
【００３３】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態によるランナ４２について図６乃至図９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部分については、同一の符号を示している。以下では、主に、第１の実施の形態との相違点を説明する。
【００３４】
図６は、第２の実施の形態によるランナ４２の子午面断面図である。図６に示すように、本実施の形態によるランナ４２では、エクステンション部材１０が、それぞれ回転軸Ｏと同軸状に設けられる、筒状の外側部材２０と、外側部材２０の内周側に配置される筒状の内側部材３０と、を含んでいる。内周側領域Ｉｎは、内側部材３０の内周側に形成され、外周側領域Ｅｘは、外側部材２０の外周側に形成されている。
【００３５】
外側部材２０は円筒状であって、ランナコーン４Ｄの先端部に接合されて、回転軸Ｏに沿って延びている。外側部材２０の先端部は、回転軸Ｏ方向において羽根本体４Ａよりも下流側に位置しており、回転軸Ｏ方向においてランナ４２の出口側端部の近傍に至っている。外側部材２０には、第１の実施の形態と同様の貫通孔１１が形成されている。
【００３６】
一方、内側部材３０も円筒状であって、回転軸Ｏに沿って延びるように配置されている。内側部材３０には、その径方向に貫通する複数の連通孔３１が形成されている。図６においては、複数の連通孔３１のそれぞれが、外側部材２０に形成された複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態になっている。すなわち、本実施の形態では、複数の連通孔３１の配列パターンが、複数の貫通孔１１の配列パターンと同様となっている。なお、以下では、複数の連通孔３１のそれぞれが外側部材２０に形成された複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる、図６に示す状態を、「第１の状態」と呼ぶ。この第１の状態では、内側部材３０の壁部が複数の貫通孔１１を覆わずに貫通孔１１が連通孔３１を通して内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通する状態となっている。
【００３７】
また、本実施の形態において、内側部材３０の基端は、ランナコーン４Ｄの内部に挿入されると共に、内側部材３０の基端よりも主軸７側に配置された駆動部３２に接続されている。この駆動部３２によって、内側部材３０は、回転軸Ｏに沿って移動可能となっている。
【００３８】
本実施の形態では、図６に示す第１の状態から駆動部３２によって内側部材３０が回転軸Ｏに沿って移動された場合に、複数の連通孔３１のそれぞれが、複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態から外れるようになっている（図７参照）。以下では、複数の連通孔３１のそれぞれが、外側部材２０に形成された複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態から外れた、図７に示す状態を、「第２の状態」と呼ぶ。この第２の状態では、複数の連通孔３１のそれぞれが複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態から外れており、内側部材３０の壁部が複数の貫通孔１１を覆う状態となっている。
【００３９】
また、本実施の形態では、内側部材３０の基端側、すなわち主軸７側には、詳細は後述する空気流通孔３０Ａが周方向に間隔を空けて複数形成されている。空気流通孔３０Ａは、給気を行うための構成の一部であり、その詳細は後述する。また、本実施の形態の主軸７は円筒状であり、上述した駆動部３２は、主に主軸７の内周側に収容されている。
【００４０】
次に、駆動部３２について説明する。図６に示すように、駆動部３２は、主軸７の内周面に固定されると共にその中心に貫通孔３３Ａが形成された円板状の案内板３３と、案内板３３の貫通孔３３Ａに摺動可能に挿入され、軸線Ｏに沿って内側部材３０側に延びるロッド部３４と、ロッド部３４の先端に固定された円板状の閉鎖板３５と、ロッド部３４のうちの閉鎖板３５と案内板３３との間の中間部に固定された円板状の付勢部材保持板３６と、案内板３３と付勢部材保持板３６との間に設けられ、これらのそれぞれに連結された付勢部材３７と、を有している。
【００４１】
内側部材３０の基端は、閉鎖板３５の吸出し管５側を向く面に固定され、これにより、駆動部３２に接続されている。また、付勢部材３７は、閉鎖板３５の主軸７側を向く面の外周側の部分によってクラウン４Ｃの中央の開口の周縁部４ＣＡが閉鎖されるように、ロッド部３４を付勢するようになっている。そして、本実施の形態では、閉鎖板３５によってクラウン４Ｃの中央の開口の周縁部４ＣＡが閉鎖される状態において、図６に示すように、複数の連通孔３１のそれぞれが「第１の状態」になっている。
【００４２】
本実施の形態の主軸７の内周側は、発電機８側の部分で大気に開放しており、駆動部３２では、案内板３３の外周側の部分に空気流通孔３３Ｂが形成されている。したがって、閉鎖板３５によってクラウン４Ｃの中央の開口の周縁部４ＣＡが閉鎖される状態において、クラウン４Ｃの開口の内部空間の圧力は、大気圧状態となっている。一方、閉鎖板３５によってクラウン４Ｃの中央の開口の周縁部４ＣＡが閉鎖される状態においては、内側部材３０の内周側の内周側領域Ｉｎは、大気と連通しない状態となっている。
【００４３】
このような駆動部３２では、内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力、すなわち大気圧から付勢部材３７の付勢力を減算した値よりも小さくなった際に、閉鎖板３５が大気圧によって吸出し管５側に押されて、付勢部材３７が伸びることで、クラウン４Ｃの中央の開口が開放されるようになっている。そして、この際、内側部材３０は、閉鎖板３５に伴ってランナ本体４Ｍの下流側に移動するようになっている。
【００４４】
そして、本実施の形態では、クラウン４Ｃの中央の開口が開放された状態で、図７の矢印αに示すように、主軸７の内周側、クラウン４Ｃの中央の開口及び内側部材３０の空気流通孔３０Ａを介して空気が内側部材３０の内周側領域Ｉｎに流入するようになっている。すなわち、主軸７の内周側、クラウン４Ｃの中央の開口及び内側部材３０の空気流通孔３０Ａが、給気時の給気経路を構成している。このように本実施の形態のランナ４２は、内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力よりも小さくなった際に、主軸７の内周側及び内側部材３０の内周側領域Ｉｎを通して、吸出し管５、すなわちランナ本体４Ｍの下流側に向けて給気（自然給気）を行うように構成されている。
【００４５】
なお、内側部材３０内周側の内周側領域Ｉｎを通してランナ本体４Ｍの下流側に向けて給気される空気は、回転軸Ｏに沿って流れるようになっている。また、このように給気が行われるときには、図７に示すように、複数の連通孔３１のそれぞれが「第２の状態」になっている。
【００４６】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００４７】
本実施の形態では、内周側領域Ｉｎの圧力が、前述した所定の圧力、すなわち大気圧から付勢部材３７の付勢力を減算した値以上となる場合には、図６に示すように、駆動部３２における閉鎖板３５がクラウン４Ｃの中央の開口の周縁部４ＣＡを閉鎖した状態となる。したがって、エクステンション部材１０では、内側部材３０の複数の連通孔３１のそれぞれが、外側部材２０に形成された複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態になる（第１の状態）。また、主軸７の内周側及び内側部材３０の内周側領域Ｉｎを通した給気は、行われない。
【００４８】
この状態においては、吸出し管５内に螺旋状の渦が発生し、エクステンション部材１０周りあるいは吸出し管５の内部に圧力が上昇する領域と圧力が下降する領域とが生じ、水圧脈動が生じた場合に、エクステンション部材１０の貫通孔１１が内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通することで、エクステンション部材１０周りの領域のうち圧力が上昇した領域から、貫通孔１１を通して、エクステンション部材１０の内部に水を流入させることができる。これにより、圧力が上昇した領域における圧力を低下させることで、水圧脈動を低減することができる。
【００４９】
一方、内周側領域Ｉｎの圧力が、前述した所定の圧力、すなわち大気圧から付勢部材３７の付勢力を減算した値よりも小さくなる場合には、駆動部３２において、図７に示すように、閉鎖板３５が大気圧によって吸出し管５側に押されて、付勢部材３７が伸びることで、クラウン４Ｃの中央の開口が開放される。これにより、主軸７の内周側及び内側部材３０の内周側領域Ｉｎを通した給気が行われる。
【００５０】
この状態においては、吸出し管５内に螺旋状の渦が発生し、エクステンション部材１０の周りあるいは吸出し管５の内部に圧力が上昇する領域と圧力が下降する領域とが生じ、水圧脈動が生じた場合に、渦の低圧の渦芯に空気が供給されることで、渦芯の圧力を上昇させて渦を安定させることができる。これにより、水圧脈動を低減することができる。また、この際、エクステンション部材１０では、内側部材３０の複数の連通孔３１のそれぞれが、外側部材２０に形成された複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態から外れる第２の状態になる。これにより、給気による水圧脈動の低減効果を高めることができる。
【００５１】
このことについて、図８及び図９を参照して詳述する。図８は、内側部材３０の位置に応じた、エクステンション部材１０の内周面側領域Ｉｎの圧力を示した図である。詳しくは、図８は、第１の状態（図中、孔有り）における内周面側領域Ｉｎの圧力（以下、給気圧）と、第２の状態（図中、孔無し）における内周面側領域Ｉｎの圧力（以下、給気圧）と、を比較した図である。
【００５２】
図８において、横軸は、出力（流量）を示し、縦軸は、給気圧を示している。図８では、給気圧が横軸よりも図面における上方にある場合に、給気が有効、すなわち、主軸７から内側部材３０の内部に空気を引き込むことができることを意味する。
【００５３】
図８に示すように、第２の状態における内側部材３０の内周面側領域Ｉｎの給気圧は、全運転範囲において、第１の状態における内側部材３０の内周面側領域Ｉｎの給気圧よりも高くなっている。これは、第１の状態である場合には、内周側領域Ｉｎの圧力が、外周側領域Ｅｘの圧力の影響で、第２の状態に比べて上昇し、空気を引き込もうとする給気圧が低下するからである。このため、第１の状態で給気を行う場合には、第２の状態で給気を行う場合よりも、供給可能な空気量が少なく、給気による水圧脈動の低減効果が低下してしまう。また、図８に示すように、第２の状態における給気が有効な範囲は、第１の状態における給気が有効な範囲よりも、広くなっている。これも、第１の状態で給気を行う場合には、第２の状態で給気を行う場合よりも、水圧脈動の低減効果が得られる運転範囲が狭く、給気による水圧脈動の低減効果が低下することを意味する。したがって、給気を行う場合には、第２の状態で行う方が有効であり、このため、本実施の形態によれば、給気を行う際に第２の状態とすることで、給気による水圧脈動の低減効果を高めることができる。
【００５４】
ここで、図９は、部分負荷運転時における水圧脈動が比較的大きい状況下で、内側部材１０が貫通孔１１を覆った状態（第２の状態（孔無し状態））で給気を行った場合の水圧脈動と、内側部材１０が貫通孔１１を覆っていない状態（第１の状態（孔有り状態））で給気を行った場合の水圧脈動と、を比較した図である。図９において、横軸は、主軸７から内側部材３０に供給される空気の給気量を示し、縦軸は、水圧脈動を示している。
【００５５】
図９に示すように、第２の状態及び第１の状態の双方で、主軸７及び内側部材３０を通して給気を行うことで水圧脈動は低減されるが、給気量が小さい領域においては、第２の状態の方が、水圧脈動が抑制されていること分かる。この図９からも、第２の状態で給気を行うことで、給気による水圧脈動の低減効果を高めることができることが分かる。
【００５６】
以上に説明した第２の実施の形態によれば、ランナ４１のランナ本体４Ｍの回転軸側にエクステンション部材１０を設けることで、水圧脈動を低減することができる。このようなエクステンション部材１０は、吸出し管５内において旋回する水流が通過する位置から離れて設けられることで、吸出し管５内において水流の剥離損失が生じることを抑制することができる。したがって、効率の低下を効果的に抑制しつつ、水圧脈動を低減することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、給気を行わずに、エクステンション部材１０の貫通孔１１が内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通することで、簡易的に、水圧脈動を低減することができるとともに、給気を行うことにより水圧脈動を低減することもできる。また、給気を行う際には、第２の状態とすることで、給気による水圧脈動の低減効果を高めることができる。
【００５８】
そして、具体的には、部分負荷運転時において内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力以上の場合に、給気を行わずにエクステンション部材１０の貫通孔１１が内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通することで水圧脈動を低減し、部分負荷運転時において内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力よりも低い場合に、給気を行って水圧脈動を低減するようにしている。一般的に、螺旋状の渦が大きく振れ回る場合には、その渦芯の圧力が小さくなる。このため、本実施の形態では、部分負荷運転時において内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力よりも低い場合には、螺旋状の渦が大きく振れ回るものと見做して、給気を行うようにしている。このことにより、螺旋状の渦が大きく振れ回る場合の水圧脈動を、給気により効果的に低減し得る。
【００５９】
そして、本実施の形態のランナ４２は、内周側領域Ｉｎの圧力が、所定の圧力よりも小さくなった際に、内側部材３０を第１の状態から第２の状態に移動させる駆動部３２をさらに備えている。これにより、部分負荷運転時において内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力以上の場合に、給気を行わずにエクステンション部材１０の貫通孔１１が内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通することで水圧脈動を低減するか、または、部分負荷運転時において内周側領域Ｉｎの圧力が低い場合に、給気を行って水圧脈動を低減するか、を自動的に切り替えることができる。このため、本実施の形態によれば、駆動部３２によって自動的に適切なタイミングで、螺旋状の渦が大きく振れ回る場合の水圧脈動を効果的に低減し得るので、利便性を向上させることができる。
【００６０】
なお、第２の実施の形態では、内側部材３０に連通孔３１を形成したが、内側部材３０の回転軸Ｏに沿った移動量を十分に確保できるのであれば、連通孔３１は形成しなくてもよい。すなわち、例えば、内側部材３０の壁部が外側部材２０の全ての貫通孔１１に重ならない位置と、内側部材３０の壁部が外側部材２０の全ての貫通孔１１に径方向で重なる位置との間を、内側部材３０が移動可能な構成とすれば、連通孔３１が無い場合でも、第２の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６１】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態によるランナ４３について図１０を用いて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の構成部分については、同一の符号を示している。以下では、主に、第１の実施の形態及び第２の実施の形態との相違点を説明する。
【００６２】
本実施の形態は、第２の実施の形態と同様に、図１０（Ａ）の矢印αに示すように、ランナ４３が、主軸７（図示省略）及び内側部材３０を通して、ランナ本体４Ｍの下流側に向けて給気を行うことが可能となっている。一方、図１０（Ａ）に示すように、外側部材２０がランナコーン４Ｄの先端部の延長線上に延びる円錐台状に形成されている点が、第２の実施の形態と異なっている。さらに、内側部材３０の先端部に円錐台状に拡がった拡大部３０Ｃが形成されており、内側部材３０には、連通孔が形成されていない点が、第２の実施の形態と異なっている。
【００６３】
そして、この実施の形態においても、内側部材３０が回転軸Ｏに沿って移動可能となっている。具体的に、内側部材３０は、図１０（Ａ）に示すように拡大部３０Ｃで、内周側から外側部材２０の貫通孔１１を覆う状態（第２の状態）と、図１０（Ｂ）に示すように拡大部３０Ｃで貫通孔１１を覆わずに貫通孔１１から離間して、貫通孔１１が内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通する状態（第１の状態）とをとるように、移動可能となっている。また、内側部材３０は、第２の実施の形態と同様に、内側部材３０の内周側の内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力よりも小さくなった際に、図１０（Ｂ）の状態から図１０（Ａ）の状態のように、吸出し管５側に移動するようになっている。
【００６４】
以上に説明した第３の実施の形態によれば、第１の状態にて内側部材３０が外側部材２０から離間するため、内側部材３０に第２の実施の形態で説明した連通孔３１（図６を参照）を形成せずに、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態によるランナ４４について図１１を用いて説明する。本実施の形態における第１〜第３の実施の形態と同様の構成部分については、同一の符号を示している。以下では、主に、第１〜第３の実施の形態との相違点を説明する。
【００６６】
本実施の形態は、第２の実施の形態と同様に、ランナ４４が、主軸７及び内側部材３０の内周側の内周側領域Ｉｎを通して、ランナ本体４の下流側に向けて給気を行うことが可能となっている。しかしながら、駆動部３２の構成と給気経路の構成とが、第２の実施の形態と異なっている。このうち、本実施の形態の駆動部３２は、水流の流れ方向にみてランナ本体４Ｍの上流側の水の水圧によって、内側部材３０を移動させる機構（水圧移動機構７０）を有している。以下、本実施の形態の駆動部３２ついて説明する。
【００６７】
本実施の形態の駆動部３２は、主軸７の内周面にその外周部が固定される円板状の固定板部６３Ａと、固定板部６３Ａの中央から吸出し管５側に延びる外形寸法が固定板部６３Ａの外形寸法よりも小さい円柱状の中央軸部６３Ｂと、中央軸部６３Ｂの先端から径方向に張り出して、その外周部が主軸７の内周面から径方向に離れて位置する円板状の先端板部６３Ｃと、を有する主軸内固定部６３を有している。
【００６８】
主軸内固定部６３の中央には、回転軸Ｏに沿って、固定板部６３Ａ、中央軸部６３Ｂ及び先端板部６３Ｃを貫通する空気流通孔６３Ｄが形成されている。また、この主軸内固定部６３は、固定板部６３Ａと先端板部６３Ｃとの間であって中央軸部６３Ｂの外周側に、水圧室６３Ｅを形成するとともに、先端板部６３Ｃと主軸７の内周面との間に、内側部材３０を挿入するための受け入れ孔６３Ｆを形成している。
【００６９】
また、中央軸部６３Ｂには、環状のピストン部材６４が摺動可能に嵌合されており、ピストン部材６４は、水圧室６３Ｅ内を回転軸Ｏの軸方向に沿って移動可能となっている。そして、ピストン部材６４によって仕切られる水圧室６３Ｅの一方の空間（紙面の上方側の空間）に、第２の実施の形態と同様の付勢部材３７が設けられている。付勢部材３７は、ピストン部材６４と、固定板部６３Ａとに連結されている。
【００７０】
そして、本実施の形態では、内側部材３０が軸方向に長く形成され、内側部材３０の基端は、受け入れ孔６３Ｆを通過して、ピストン部材６４に固定されている。そして、内側部材３０のうちのランナコーン４Ｄの内部に位置する部分には、円板状の閉鎖板６５が設けられている。そして、付勢部材３７は、閉鎖板６５の主軸７側を向く面の外周側の部分によってクラウン４Ｃの中央の開口の周縁部４ＣＡが閉鎖されるように、内側部材３０を付勢するようになっている。そして、本実施の形態では、閉鎖板６５によってクラウン４Ｃの中央の開口の周縁部４ＣＡが閉鎖される状態において、図１１に示すように、内側部材３０の複数の連通孔３１のそれぞれが外側部材２０の複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる第１の状態になっている。
【００７１】
また、本実施の形態においても、閉鎖板６５よりも吸出し管５側における内側部材３０の内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力よりも小さくなった際に、付勢部材３７が伸び、複数の連通孔３１のそれぞれが外側部材２０の複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態から外れる第２の状態となるように構成されている。そして、この第２の状態で、内側部材３０を通して吸出し管５の内部に向けて給気（自然吸気）が行われるようになっている。ここで、内側部材３０には、閉鎖板６５の軸方向における一方側及び他方側に空気流通孔３０Ａが形成されている。
【００７２】
そして、給気の際には、主軸７の内周側、空気流通孔６３Ｄ、クラウン４Ｃの中央の開口及び内側部材３０の空気流通孔３０Ａを介して空気が内側部材３０の内周側領域Ｉｎに流入する。すなわち、主軸７の内周側、空気流通孔６３Ｄ、クラウン４Ｃの中央の開口及び内側部材３０の空気流通孔３０Ａが、給気時の給気経路を構成している。このように本実施の形態のランナ４４も、内周側領域Ｉｎの圧力が所定の圧力よりも小さくなった際に、主軸７の内周側及び内側部材３０の内周側領域Ｉｎを通して、吸出し管５、すなわちランナ本体４Ｍの下流側に向けて給気（自然給気）を行うように構成されている。
【００７３】
一方、本実施の形態では、ピストン部材６４によって仕切られる水圧室６３Ｅの一方の空間を外部に連通させる水路６６が形成され、水路６６とケーシング１とが配管６７によって接続されている。配管６７には、開閉バルブ６８が設けられている。本実施の形態では、この開閉バルブ６８を開くことで、ケーシング１内の水を水路６６を介して水圧室６６Ｅに導き、内側部材３０を強制的に吸出し管５側に移動させることが可能となっている。
【００７４】
以上に説明した第４の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、開閉バルブ３８Ｅを開くことで、内側部材３０を強制的に吸出し管５側に移動させることができる。これにより、任意のタイミングで、給気を行うことができるため、水圧脈動をより効果的に低減することができる。
【００７５】
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態によるランナ４５について図１２を用いて説明する。本実施の形態における第１〜第４実施の形態と同様の構成部分については、同一の符号を示している。以下では、主に、第１〜第４の実施の形態との相違点を説明する。
【００７６】
本実施の形態は、第２の実施の形態と同様に、エクステンション部材１０が、主軸７の内周側及び内側部材３０の内周側領域Ｉｎを通して、ランナ本体４Ｍの下流側に向けて給気を行うことが可能となっている。一方、内側部材３０は、回転軸Ｏ周りに回転移動可能となっている。
【００７７】
図１２においては、内側部材３０に形成された複数の連通孔３１のそれぞれが、外側部材２０に形成された複数の貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態、すなわち第１の状態が示されている。
【００７８】
そして、本実施の形態においては、駆動部３２がサーボモータとなっている点で、第２の実施の形態とは異なっている。そして、本実施の形態では、サーボモータである駆動部３２によって、内側部材３０が、連通孔３１のそれぞれが貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態となって、貫通孔１１が内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通する第１の状態と、連通孔３１のそれぞれが貫通孔１１のいずれかに径方向で重なる状態から外れて、当該内側部材３０の壁部で、貫通孔１１を内周側から覆う第２の状態とをとるように、回転軸Ｏの周方向に回転移動可能に構成されている。さらに、本実施の形態では、駆動部３２が、ガイドベーン３の開度に連動して、内側部材３０の回転位置を調整する、すなわち第１の状態または第２の状態に移動させるようになっている。詳しくは、ガイドベーン３は、サーボモータ３Ｍに接続され、サーボモータ３Ｍの駆動によって回動される。サーボモータ３Ｍの回動は、制御部３Ｓが制御するようになっている。この制御部３Ｓが、駆動部３２に電気的に接続されており、この制御部３Ｓからの指令に応じて、駆動部３２が、ガイドベーン３の開度に連動して、内側部材３０を第１の状態または第２の状態に移動させるようになっている。
【００７９】
以上に説明した第５の実施の形態によれば、ランナ４１のランナ本体４Ｍの回転軸側にエクステンション部材１０を設けることで、水圧脈動を低減することができる。このようなエクステンション部材１０は、吸出し管５内において旋回する水流が通過する位置から離れて設けられることで、吸出し管５内において水流の剥離損失が生じることを抑制することができる。したがって、効率の低下を効果的に抑制しつつ、水圧脈動を低減することができる。
【００８０】
また、この第５の実施の形態によれば、給気を行わずに、エクステンション部材１０の貫通孔１１が内周側領域Ｉｎと外周側領域Ｅｘとを連通することで、簡易的に、水圧脈動を低減することができるとともに、給気を行うことにより水圧脈動を低減することもできる。また、給気を行う際には、第２の状態とすることで、給気による水圧脈動の低減効果を高めることができる。
【００８１】
また、本実施の形態のランナ４５は、ガイドベーン３の開度に応じて、内側部材３０を、第１の状態または第２の状態に移動させる駆動部３２をさらに備えている。これにより、自動的に、ガイドベーン３の開度に応じて、第１の状態または第２の状態を切り替えることができる。これにより、自動的に適切なタイミングで第１の状態または第２の状態を切り替えることができ、例えば、部分負荷運転時における所定の流量の際に自動的に第２の状態に切り替える等の動作を実施できる。なお、内側部材３０の回転位置とガイドベーン２の開度との関係は、実験等に基づき予め決定しておくことが好ましい。
【００８２】
なお、第２〜第４の実施の形態では、内周側領域Ｉｎの圧力に応じて内側部材３０が回転軸Ｏに沿って移動する構成であるが、この構成を、第５の実施の形態のように、ガイドベーン３の開度に応じて、内側部材３０が回転軸Ｏに沿って移動する構成に代えても構わない。この場合は、例えば、第２及び第３の実施の形態では、駆動部３２から付勢部材３７等を削除し、例えばサーボモータを設けて、これによって、ガイドベーン３の開度に応じて内側部材３０を移動させる構成等にすればよい。また、第４の実施の形態では、開閉バルブ６８とガイドベーン３の開度とを連動させるようにしてもよい。
【００８３】
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】
【００８４】
１  ケーシング、２  ステーベーン、３  ガイドベーン、４Ａ  ランナ羽根、４Ｂ  バンド、４Ｃ  クラウン、４ＣＡ  周縁部、４Ｄ  ランナコーン、４Ｍ  ランナ本体、５  吸出し管、７  主軸、８  発電機、１０  エクステンション部材、１１  貫通孔、２０  外側部材、３０  内側部材、３０Ａ  空気流通孔、３０Ｃ  拡大部、３１  連通孔、３２  駆動部、３３  案内板、３３Ａ  貫通孔、３３Ｂ  空気流通孔、３４  ロッド部、３５  閉鎖板、３６  付勢部材保持板、３７  付勢部材、４１，４２，４３，４４，４５  ランナ、６３  主軸内固定部、６３Ａ  固定板部、６３Ｂ  中央軸部、６３Ｃ  先端板部、６３Ｄ  空気流通孔、６３Ｅ  水圧室、６３Ｆ  受け入れ孔、６４  ピストン部材、６５  閉鎖板、６６  水路、６７  配管、６８  開閉バルブ、１００  フランシス水車、Ｉｎ  内周側領域、Ｅｘ  外周側領域。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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