(57)【要約】【課題】非設計点での性能低下を防止することができる水力機械を提供する。【解決手段】実施の形態による水力機械１は、水が流入する渦巻き状のケーシング２と、ケーシング２の内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のステーベーン３と、を備えている。ステーベーン３の内周側には、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４が設けられている。ガイドベーン４の内周側には、ガイドベーン４からの水流によって回転軸線Ｘを中心に回転可能なランナ５が設けられている。ガイドベーン４は、回転駆動部９によって、回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水が流入する渦巻き状のケーシングと、
前記ケーシングの内周側に設けられ、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設けられ、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、前記ガイドベーンからの水流によって回転軸線を中心に回転可能なランナと、を備え、
前記ガイドベーンは、回転駆動部によって、前記回転軸線を中心に回転可能であることを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記回転駆動部を制御する制御装置を更に備え、
前記制御装置は、落差が基準落差より高くなった場合、前記ランナの回転方向とは反対方向に前記ガイドベーンを回転させ、落差が基準落差より低くなった場合、前記ランナの回転方向に前記ガイドベーンを回転させるように、前記回転駆動部を制御することを特徴とする請求項１記載の水力機械。
【請求項３】
前記回転駆動部を制御する制御装置を更に備え、
前記制御装置は、前記ガイドベーンの開度が基準開度より大きい場合、前記ランナの回転方向に前記ガイドベーンを回転させ、前記ガイドベーンの開度が基準開度より小さい場合、前記ランナの回転方向とは反対方向に前記ガイドベーンを回転させるように、前記回転駆動部を制御することを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
【請求項４】
前記回転駆動部を制御する制御装置を更に備え、
前記制御装置は、前記ガイドベーンの開度が基準開度より大きい場合、前記ランナの回転方向とは反対方向に前記ガイドベーンを移動させて、前記ガイドベーンの入口端を前記ステーベーンの延長線上に位置付け、前記ガイドベーンの開度が基準開度より小さい場合、前記ランナの回転方向に前記ガイドベーンを移動させて、前記ガイドベーンの入口端を前記ステーベーンの延長線上に位置付けるように、前記回転駆動部を制御することを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
【請求項５】
前記ガイドベーンの各々に連結されたリングギアと、
前記リングギアの内周側に設けられ、前記回転駆動部に連結され、前記リングギアと噛み合う駆動側ギアと、を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水力機械。
【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】
長年にわたって、水力機械の性能改善が図られてきており、その性能を最大化させるために多くの発展を遂げてきた。しかしながら、季節の移り変わりにより、上池の水位や下池の水位が変動し、水力機械に流入する流量が変動する。このような変動により、水力機械の運転点は設計点から外れ、これによって年間の発電量が左右される。このため、より広い運転範囲で、とりわけ全運転範囲で効率が改善されることが望まれる。
【０００３】
上述したように、季節の変化によって水力機械に対する落差と流量が変動すると、水力機械に流入する流れの状態が、設計点における状態とは異なり、水力機械の性能が低下し得る。すなわち、非設計点においては、ランナ羽根に流入する流れの方向がランナ羽根の入口形状からずれることが知られており、その結果として水力損失が増大し、場合によってはキャビテーションを誘発する。キャビテーションが発生すると、ランナ羽根が腐食し、ランナの寿命を縮めるおそれがある。
【０００４】
このような問題を解決するために、例えば、軸流水車では、ランナ羽根が回動可能になっている。一方、フランシス形水車では、ランナはガイドベーンの比較的近くに配置されて、入口流れの変動に対してガイドベーンの角度を調整するようにしている。このような構成により、フランシス形水車では、軸流水車のようにランナ羽根を回動させることを不要としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−８４８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、依然として、非設計点での性能低下の防止が不十分であり、改善が望まれている。また、このような性能低下は、比速度が上昇するにつれて顕著になる傾向にある。
【０００７】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、非設計点での性能低下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】
【０００８】
実施の形態による水力機械は、水が流入する渦巻き状のケーシングと、ケーシングの内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のステーベーンと、を備えている。ステーベーンの内周側には、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が設けられている。ガイドベーンの内周側には、ガイドベーンからの水流によって回転軸線を中心に回転可能なランナが設けられている。ガイドベーンは、回転駆動部によって、回転軸線を中心に回転可能になっている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、非設計点での性能低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施の形態におけるフランシス形水車を部分的に示す子午面断面図である。
【図２】図２は、図１のステーベーン、ガイドベーンおよびランナを示す平面断面図である。
【図３】図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４は、設計点において、ランナ羽根に流入する流れの速度三角形を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、一般的なフランシス形水車の高落差運転点において、ランナ羽根に流入する流れの速度三角形を示す図であり、図５（ｂ）は、低落差運転点における流れの速度三角形を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、第１の実施の形態のフランシス形水車の高落差運転点において、ランナ羽根に流入する流れの速度三角形を示す図であり、図６（ｂ）は、低落差運転点における流れの速度三角形を示す図である。
【図７】図７は、落差と水車効率との関係を示す図である。
【図８】図８（ａ）は、一般的なフランシス形水車の大流量運転点において、ランナ羽根に流入する流れの速度三角形を示す図であり、図８（ｂ）は、小流量運転点における流れの速度三角形を示す図である。
【図９】図９（ａ）は、第１の実施の形態のフランシス形水車の大流量運転点において、ランナ羽根に流入する流れの速度三角形を示す図であり、図９（ｂ）は、小流量運転点における流れの速度三角形を示す図である。
【図１０】図１０は、流量と水車効率との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、第２の実施の形態のフランシス形水車において、ガイドベーンの開度が基準開度となっている状態を示す図である。
【図１２】図１２は、一般的なフランシス形水車において、ガイドベーンの開度が基準開度と異なっている状態を示す図である。
【図１３】図１３は、第２の実施の形態のフランシス形水車において、ガイドベーンの開度が基準角度と異なっている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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について説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１乃至図１０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。
【００１３】
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５と、を備えている。
【００１４】
ステーベーン３は、図２に示すように、周方向に離間して配列されており、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から流入する水が流れる。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。
【００１５】
ガイドベーン４は、図２に示すように、ステーベーン３と同様にして、周方向に離間して配列されており、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から流入する水が流れる。各ガイドベーン４は、その外周側のステーベーン３と対応するように配置されており、ステーベーン３から流入する水の流れをランナ５に導くようになっている。
【００１６】
ランナ５は、ガイドベーン４からの水流によって回転駆動するように構成されている。すなわち、ランナ５は、図１および図２に示すように、周方向に離間して配列された複数のランナ羽根５ａを有しており、互いに隣り合うランナ羽根５ａの間に流路が形成され、各流路をガイドベーン４から流入した水が流れる。そして、ランナ５は、回転軸線Ｘを中心に回転可能に構成されている。このようにして、ランナ羽根５ａが、ガイドベーン４から流入した水の圧力を受けることで、ランナ５は回転駆動される。
【００１７】
図１に示すように、ランナ５には、主軸６を介して発電機７が連結されている。この発電機７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５の水車運転時の下流側には、吸出し管８が設けられている。この吸出し管８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５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。
【００１８】
本実施の形態におけるフランシス形水車１は、ポンプ運転（揚水運転）を行うようになっていてもよい。ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電機７が電動機として作用してランナ５を回転駆動することにより、吸出し管８内の水を吸い上げて揚水する。ランナ５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５から流入する水をケーシング２に導く。
【００１９】
図１および図２に示すように、ガイドベーン４は、回転モータ９（回転駆動部）によって、回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。すなわち、ステーベーン３の上方からランナ５の上方にわたって、静止部材である上カバー１０が形成され、ステーベーン３の下方からランナ５の外周側にわたって、静止部材である下カバー１１が形成されている。上カバー１０のうちガイドベーン４の上方の部分に、上方支持体１２が設けられており、下カバー１１のうちガイドベーン４の下方の部分に、下方支持体１３が設けられている。上方支持体１２および下方支持体１３は、回転軸線Ｘを中心としてリング状にそれぞれ形成されており、上カバー１０および下カバー１１に対して回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。ガイドベーン４は、上方支持体１２および下方支持体１３に固定されて支持され、上方支持体１２と下方支持体１３との間において周方向に配列されている。
【００２０】
図１および図３に示すように、各ガイドベーン４には、上方支持体１２を介してリングギア１４が連結されている。このリングギア１４は、上方支持体１２と同心状に形成されており、本実施の形態においては、上方支持体１２の上部にリングギア１４が設けられている。リングギア１４の内周側には、上カバー１０に対して回転可能な駆動側ギア１５が設けられている。駆動側ギア１５は、回転モータ９に連結され、リングギア１４と噛み合うようになっている。すなわち、リングギア１４は、複数の内歯１４ａを有し、駆動側ギア１５は、この内歯１４ａに噛み合う複数の外歯１５ａを有している。
【００２１】
回転モータ９が駆動されると、その回転駆動力が、駆動側ギア１５、リングギア１４を介して、上方支持体１２、ガイドベーン４および下方支持体１３に伝達される。このようにして、回転モータ９によって、各ガイドベーン４が、上方支持体１２および下方支持体１３とともに回転軸線Ｘを中心に一体的に回転可能に構成されている。
【００２２】
図１に示すように、各ガイドベーン４は、上方支持体１２および下方支持体１３に回動可能に支持されており、開度を個別に調整可能になっている。より具体的には、各ガイドベーン４の上部に、上側スピンドル１６（上側支持軸）が連結されており、各ガイドベーン４には、上側スピンドル１６を介して、サーボモータ１７（開度調整駆動部）が連結されている。各サーボモータ１７は、対応するガイドベーン４を回転軸線Ｘに略平行に延びる回動軸線Ｙを中心に回動し、各ガイドベーン４の開度が調整される。各ガイドベーン４の回動軸線Ｙは、回転軸線Ｘに沿った方向から見たときに、ガイドベーン４の中心付近に設けられており、所定のピッチサークル上に配置されている。
【００２３】
上側スピンドル１６は上方支持体１２およびリングギア１４を貫通して延びており、上方支持体１２に回動可能に支持されている。なお、図３においては、図面を簡略化するために、一部の上側スピンドル１６の図示を省略している。
【００２４】
一方、ガイドベーン４の下部には、下側スピンドル１８（下側支持軸）が連結されており、下側スピンドル１８が、下方支持体１３に回動可能に支持されている。
【００２５】
各サーボモータ１７が駆動されると、その回動駆動力が、上側スピンドル１６を介してガイドベーン４に伝達される。このようにして、各ガイドベーン４が上方支持体１２および下方支持体１３に対して個別に回動し、各ガイドベーン４の開度が個別に調整されるようになっている。
【００２６】
サーボモータ１７および上側スピンドル１６は上方支持体１２に支持され、下側スピンドル１８は下方支持体１３に支持されている。このことにより、各ガイドベーン４が回転軸線Ｘを中心に一体的に回転する際、サーボモータ１７、上側スピンドル１６および下側スピンドル１８は、上方支持体１２および下方支持体１３とともに回転する。
【００２７】
各ガイドベーン４が個別に回動すると、各々の開度が個別に調整され、互いに隣り合うガイドベーン４の間に形成される流路面積が調整される。これにより、ガイドベーン４の下流側（内周側）に配置されたランナ５に流入する水の流量が変化し、発電機７における発電量が調整される。ポンプ運転時には、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるようにガイドベーン４の開度が調整される。
【００２８】
回転モータ９は、制御装置１９によって制御される。この制御装置１９が回転モータ９を制御することにより、回転モータ９が各ガイドベーン４を、ランナ５の回転方向Ｐ（図４等参照）にまたは当該回転方向Ｐとは反対方向に一体的に回転させる。
【００２９】
より具体的には、制御装置１９は、落差が基準落差より高くなった場合（高落差運転）、ランナ５の回転方向Ｐとは反対方向にガイドベーン４を回転させ、落差が基準落差より低くなった場合（低落差運転）、ランナ５の回転方向Ｐにガイドベーン４を回転させる。例えば、制御装置１９は、上池の取水口の水の圧力と、下池の放水口の水の圧力とに基づいて、落差が基準落差より高いか低いかについて判断することができる。
【００３０】
また、制御装置１９は、ガイドベーン４の開度が基準開度より大きい場合、ランナ５の回転方向Ｐにガイドベーン４を回転させ、ガイドベーン４の開度が基準開度より小さい場合、ランナ５の回転方向Ｐとは反対方向にガイドベーン４を回転させる。制御装置１９は、後述するように各サーボモータ１７を制御するため、各ガイドベーン４の開度を把握することができ、この開度情報に基づいて、ガイドベーン４の開度が基準開度より大きいか小さいかについて判断することができる。
【００３１】
さらに、制御装置１９は、各サーボモータ１７を制御する。制御装置１９が各サーボモータ１７を制御することにより、各サーボモータ１７は、対応するガイドベーン４を個別に回動し、その開度を個別に調整する。
【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、図１に示すように、上池から水圧管（いずれも図示せず）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５に流入する。このランナ５へ流入した水によって、ランナ５が回転駆動される。このことにより、ランナ５に主軸６を介して連結された発電機７が駆動され、発電が行われる。ランナ５に流入した水は、ランナ５から吸出し管８を通って下池（図示せず）へ放出される。
【００３４】
水車運転が行われている間、設計点（基準落差および基準開度での運転点）において、ガイドベーン４からランナ５に流入する水の流れの相対速度のベクトルは、ランナ羽根５ａの入口形状（より具体的には入口角度線５ｉ）に沿うようになっている。ここで、図４に、設計点においてランナ羽根５ａに流入する流れの速度三角形を示す。ランナ羽根５ａに流入する流れの絶対速度ｖｏと周速度ｕｏとが合成されて、図４に示すような相対速度ｗｏとなるが、この相対速度ｗｏを示すベクトルは、ランナ羽根５ａの入口形状に沿っている。このことにより、設計点では、ランナ羽根５ａに流入する水の流れは最適な状態となっており、水車効率が最大となる。
【００３５】
次に、落差が基準落差からずれた場合の水車運転について図５乃至図７を用いて説明する。
【００３６】
ここで、ガイドベーン４が回転しない一般的なフランシス形水車においては、落差が基準落差からずれると、ランナ羽根５ａに流入する流れの相対速度を示すベクトルは、ランナ羽根５ａの入口形状からずれる。
【００３７】
図５（ａ）に、高落差運転点におけるランナ羽根５ａに流入する流れの速度三角形が示されている。図５（ａ）に示すように、高落差運転点では、流れの絶対速度ｖｏに、図５（ａ）に示す速度増大分Δｖ１が加算される。このことにより、流れの相対速度ｗ１が示すベクトルの傾斜が大きくなり、当該ベクトルがランナ羽根５ａの入口形状とずれて、水車効率は低下し得る。
【００３８】
図５（ｂ）に、低落差運転点における流れの速度三角形が示されている。図５（ｂ）に示すように、低落差運転点では、流れの絶対速度ｖｏから、図５（ｂ）に示す速度減少分Δｖ２が減算される。このことにより、流れの相対速度ｗ２が示すベクトルの傾斜が小さくなり、当該ベクトルがランナ羽根５ａの入口形状とずれて、水車効率は低下し得る。
【００３９】
これに対して、本実施の形態によるフランシス形水車１においては、ガイドベーン４が回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。このことにより、高落差運転点および低落差運転点において、ガイドベーン４が回転して、流れの相対速度を示すベクトルがランナ羽根５ａの入口形状からずれることが抑制される。
【００４０】
より具体的には、高落差運転点では、図６（ａ）に示すように、制御装置１９によって回転モータ９が駆動されて、ガイドベーン４が、回転軸線Ｘを中心にしてランナ５の回転方向Ｐとは反対方向に回転する。このことにより、周速度ｕｏに、速度増大分Δｕ１が加算され、流れの相対速度のベクトルの傾斜が、ｗ３で示すように小さくなるように修正される。このため、相対速度ｗ３のベクトルが、ランナ羽根５ａの入口形状に沿うようになる。
【００４１】
一方、低落差運転点では、図６（ｂ）に示すように、制御装置１９によって回転モータ９が駆動されて、ガイドベーン４が、回転軸線Ｘを中心にしてランナ５の回転方向Ｐに回転する。このことにより、周速度ｕｏから、速度減少分Δｕ２が減算され、流れの相対速度のベクトルの傾斜が、ｗ４で示すように大きくなるように修正される。このため、相対速度ｗ４のベクトルが、ランナ羽根５ａの入口形状に沿うようになる。
【００４２】
このようにして、高落差運転点および低落差運転点においてガイドベーン４が回転軸線Ｘを中心に回転することにより、ランナ羽根５ａに流入する流れの相対速度のベクトルが、ランナ羽根５ａの入口形状に沿うようになる。このため、水力損失が低減され、高落差運転点および低落差運転点を含む非設計点での水車効率は、図７に示すように向上する。すなわち、図７に破線で示す一般的なフランシス形水車の非設計点での効率よりも、実線で示す本実施の形態によるフランシス形水車１の非設計点での効率は高くなる。
【００４３】
次に、ガイドベーン４の開度が基準開度からずれた場合の水車運転について図８乃至図１０を用いて説明する。
【００４４】
ここで、ガイドベーン４が回転しない一般的なフランシス形水車においては、ガイドベーン４の開度が基準開度からずれると、ランナ羽根５ａに流入する流れの相対速度を示すベクトルは、ランナ羽根５ａの入口形状からずれる。
【００４５】
図８（ａ）に、大流量運転点におけるランナ羽根５ａに流入する流れの速度三角形が示されている。図８（ａ）においては、開度が大きくなったガイドベーン４を実線で示し、基準開度のガイドベーン４を破線で示している。図８（ａ）に示すように、大流量運転点では、ガイドベーン４の開度が大きくなり、互いに隣り合うガイドベーン４の間の流路面積が増大している。そして、流れの絶対速度ｖ１の傾斜が、図８（ａ）に示すようになる。このことにより、流れの相対速度ｗ５が示すベクトルの傾斜が小さくなり、当該ベクトルがランナ羽根５ａの入口形状とずれて、水車効率は低下し得る。
【００４６】
図８（ｂ）に、小流量運転点におけるランナ羽根５ａに流入する流れの速度三角形が示されている。図８（ｂ）においては、開度が小さくなったガイドベーン４を実線で示し、基準開度のガイドベーン４を破線で示している。図８（ｂ）に示すように、小流量運転点では、ガイドベーン４の開度が小さくなり、互いに隣り合うガイドベーン４の間の流路面積が低減している。そして、流れの絶対速度ｖ２の傾斜が、図８（ｂ）に示すようになる。このことにより、流れの相対速度ｗ６が示すベクトルの傾斜が大きくなり、当該ベクトルがランナ羽根５ａの入口形状とずれて、水車効率は低下し得る。
【００４７】
これに対して、本実施の形態によるフランシス形水車１においては、ガイドベーン４が回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。このことにより、大流量運転点および小流量運転点において、ガイドベーン４が回転して、流れの相対速度を示すベクトルがランナ羽根５ａの入口形状からずれることが抑制される。
【００４８】
より具体的には、大流量運転点では、図９（ａ）に示すように、制御装置１９によって回転モータ９が駆動されて、ガイドベーン４が、回転軸線Ｘを中心にしてランナ５の回転方向Ｐに回転する。このことにより、周速度ｕｏから速度減少分Δｕ３が減算され、流れの相対速度のベクトルの傾斜が、ｗ７で示すように大きくなるように修正される。このため、相対速度ｗ７のベクトルが、ランナ羽根５ａの入口形状に沿うようになる。
【００４９】
一方、小流量運転点では、図９（ｂ）に示すように、制御装置１９によって回転モータ９が駆動されて、ガイドベーン４が、回転軸線Ｘを中心にしてランナ５の回転方向Ｐとは反対方向に回転する。このことにより、周速度ｕｏに、速度増大分Δｕ４が加算され、流れの相対速度のベクトルの傾斜が、ｗ８で示すように小さくなるように修正される。このため、相対速度ｗ８のベクトルが、ランナ羽根５ａの入口形状に沿うようになる。
【００５０】
このようにして、大流量運転点および小流量運転点においてガイドベーン４が回転軸線Ｘを中心に回転することにより、ランナ羽根５ａに流入する流れの相対速度のベクトルが、ランナ羽根５ａの入口形状に沿うようになる。このため、水力損失が低減され、大流量運転点および小流量運転点を含む非設計点での水車効率は、図１０に示すように向上する。すなわち、図１０に破線で示す一般的なフランシス形水車の非設計点での効率よりも、実線で示す本実施の形態によるフランシス形水車１の非設計点での効率は高くなる。
【００５１】
このように本実施の形態によれば、ガイドベーン４が回転モータ９によって回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。このことにより、ガイドベーン４を回転させることによって、非設計点においてランナ羽根５ａに流入する水の流れの相対速度を示すベクトルが、ランナ羽根５ａの入口形状からずれることを抑制でき、ランナ羽根５ａの入口形状に沿うようにすることができる。このため、非設計点での水車効率を向上させることができ、性能低下を防止することができる。
【００５２】
また、本実施の形態によれば、制御装置１９は、高落差運転点において、ランナ５の回転方向Ｐとは反対方向にガイドベーン４を回転させ、低落差運転点において、ランナ５の回転方向Ｐにガイドベーン４を回転させる。このことにより、ランナ羽根５ａに流入する流れの相対速度を示すベクトルを、ランナ羽根５ａの入口形状に沿わせるように修正することができる。
【００５３】
また、本実施の形態によれば、制御装置１９は、大流量運転点において、ランナ５の回転方向Ｐにガイドベーン４を回転させ、小流量運転点において、ランナ５の回転方向Ｐとは反対方向にガイドベーン４を回転させる。このことにより、ランナ羽根５ａに流入する流れの相対速度を示すベクトルを、ランナ羽根５ａの入口形状に沿わせるように修正することができる。
【００５４】
さらに、本実施の形態によれば、各ガイドベーン４にリングギア１４が連結され、回転モータ９に駆動側ギア１５が連結され、リングギア１４が駆動側ギア１５と噛み合っている。このことにより、回転モータ９の回転駆動力を、駆動側ギア１５およびリングギア１４を介して各ガイドベーン４に伝達させることができ、各ガイドベーン４を一体的に回転させることができる。このため、各ガイドベーン４を回転させるための構成を容易に実現することができる。
【００５５】
なお、上述した本実施の形態においては、各ガイドベーン４の開度が個別に調整可能になっている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、各ガイドベーン４が回転軸線Ｘを中心にして回転可能に構成できれば、各ガイドベーン４の開度が一体的に調整可能になっていてもよい。
【００５６】
（第２の実施の形態）
次に、図１１乃至図１３を用いて、本発明の第２の実施の形態における水力機械について説明する。
【００５７】
図１１乃至図１３に示す第２の実施の形態においては、制御装置が、ガイドベーンの開度が基準開度より大きい場合、ランナの回転方向とは反対方向にガイドベーンを移動させてガイドベーンの入口端をステーベーンの延長線上に位置付け、ガイドベーンの開度が基準開度より小さい場合、ランナの回転方向にガイドベーンを移動させてガイドベーンの入口端をステーベーンの延長線上に位置付ける点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図１０に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１１乃至図１３において、図１乃至図１０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。
【００５８】
本実施の形態においては、制御装置１９は、ガイドベーン４の開度が基準開度より大きい場合、ランナ５の回転方向Ｐとは反対方向にガイドベーン４を移動させて、ガイドベーン４の入口端４ａをステーベーン３の延長線上に位置付ける。また、制御装置１９は、ガイドベーン４の開度が基準開度より小さい場合、ランナ５の回転方向Ｐにガイドベーン４を移動させて、ガイドベーン４の入口端４ａをステーベーン３の延長線上に位置付ける。
【００５９】
ガイドベーン４の開度が基準開度からずれた場合の水車運転について図１１乃至図１３を用いて説明する。
【００６０】
ここで、ガイドベーン４の開度が基準開度となっている場合、図１１に示すように、ガイドベーン４の入口端４ａは、対応するステーベーン３（より具体的には、ステーベーン３の出口端３ａを通るキャンバーラインＣ）の延長線上に配置されている。このことにより、水力損失の低減を図っている。
【００６１】
しかしながら、ガイドベーン４は、その中心付近に設けられている回動軸線Ｙを中心にして回動する。このことにより、ガイドベーン４の開度が基準開度と異なっている場合、図１２に示すように、ガイドベーン４の入口端４ａは、対応するステーベーン３の延長線上からずれる。このため、ガイドベーン４が回転しない一般的なフランシス形水車においては、ガイドベーン４の開度が基準開度からずれると、水力損失が増大し得る。
【００６２】
これに対して、本実施の形態によるフランシス形水車１においては、ガイドベーン４の開度が基準開度と異なる場合、ガイドベーン４を、回転軸線Ｘを中心にして周方向に移動させて、ガイドベーン４の入口端４ａを対応するステーベーン３の延長線上に位置付ける。
【００６３】
より具体的には、ガイドベーン４の開度が基準開度より大きい場合、図１２および図１３において実線で示すように、制御装置１９によって回転モータ９が駆動されて、ガイドベーン４が、ランナ５の回転方向Ｐとは反対方向に移動して、ガイドベーン４の入口端４ａが対応するステーベーン３の延長線上に位置付けられる位置でガイドベーン４の移動を止める。このことにより、ガイドベーン４の入口端４ａが、対応するステーベーン３の延長線上に配置され、水力損失が低減される。
【００６４】
一方、ガイドベーン４の開度が基準開度より小さい場合、図１２および図１３において破線で示すように、制御装置１９によって回転モータ９が駆動されて、ガイドベーン４が、ランナ５の回転方向Ｐに移動して、ガイドベーン４の入口端４ａが対応するステーベーン３の延長線上に位置付けられる位置でガイドベーン４の移動を止める。このことにより、ガイドベーン４の入口端４ａが、対応するステーベーン３の延長線上に配置され、水力損失が低減される。
【００６５】
このようにして、ガイドベーン４の開度が基準開度と異なる場合に、ガイドベーン４を周方向に移動させることにより、ガイドベーン４の入口端４ａを対応するステーベーン３の延長線上に位置付けることができる。このため、ガイドベーン４の開度を基準開度と異なる開度にした非設計点であっても、水力損失を低減することができ、水車効率を向上させることができる。なお、ガイドベーン４の移動量は、ガイドベーン４の開度と、ガイドベーン４の入口端４ａから回動軸線Ｙまでの距離とに基づいて設定することができる。
【００６６】
このように本実施の形態によれば、制御装置１９は、ガイドベーン４の開度が基準開度より大きい場合、ランナ５の回転方向Ｐとは反対方向にガイドベーン４を移動させて、ガイドベーン４の入口端４ａをステーベーン３の延長線上に位置付け、ガイドベーン４の開度が基準開度より小さい場合、ランナ５の回転方向Ｐにガイドベーン４を移動させて、ガイドベーン４の入口端４ａをステーベーン３の延長線上に位置付ける。このことにより、非設計点であっても、ガイドベーン４の入口端４ａを対応するステーベーン３の延長線上に位置付けることができ、水力損失を低減することができる。このため、非設計点での水車効率を向上させることができ、性能低下を防止することができる。
【００６７】
以上述べた実施の形態によれば、非設計点での性能低下を防止することができる。
【００６８】
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。
【００６９】
なお、上述した各実施の形態では、水力機械の一例としてフランシス形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、フランシス形水車以外の水力機械にも、本発明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。
【符号の説明】
【００７０】
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、４ａ：入口端、５：ランナ、９：回転モータ、１４：リングギア、１５：駆動側ギア、１９：制御装置、Ｘ：回転軸線、
【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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【図１３】
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