(57)【要約】【課題】ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を越える虞がある場合に、水力損失を効果的に抑制しつつ、ランナベーン開閉力をランナベーン用サーボモータの容量内に制御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１００は、ガイドベーン回動軸３Ａを中心に回動することにより、ガイドベーン開度を調整可能なガイドベーン３と、ランナベーン回動軸６２を中心に回動することにより、角度調整可能なランナベーン６１と、を備える。ガイドベーン３は、ガイドベーン回動軸３Ａが設けられる羽根本体３１と、ガイドベーン回動軸３Ａに沿って延びる端部回動軸３２によって、羽根本体３１のランナベーン６１側の端部に連結される回動端部３３と、回動端部３３を、端部回動軸３２を中心に回動させる駆動部３４と、を有する。回動端部３３は、駆動部３４によって回動されて角度を変化させる。【選択図】図２
2016133039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドベーン回動軸を中心に回動することにより、ガイドベーン開度を調整可能なガイドベーンと、
ランナベーン回動軸を中心に回動することにより、角度調整可能なランナベーンと、を備える、水力機械であって、
前記ガイドベーンは、
前記ガイドベーン回動軸が設けられる羽根本体と、
前記ガイドベーン回動軸に沿って延びる端部回動軸によって、前記羽根本体の前記ランナベーン側の端部に連結される回動端部と、
前記回動端部を、前記端部回動軸を中心に回動させる駆動部と、を有し、
前記回動端部は、前記駆動部によって回動されて角度を変化させることにより、当該ガイドベーンから流出する水の流れの角度を変化させるように、構成されている
ことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記駆動部は、第１伝達軸と、第２伝達軸と、前記第１伝達軸を回転駆動させるモータと、を有し、前記モータの回転が、前記第１伝達軸及び前記第２伝達軸を介して前記端部回動軸に伝達されることにより、前記回動端部を回動させるように構成されており、
前記ガイドベーンには、前記ガイドベーン回動軸と前記羽根本体とに跨がって延びる第１挿入孔が形成され、当該第１挿入孔は、前記ガイドベーン回動軸の外側の端部から、当該ガイドベーン回動軸の軸方向に沿って、前記羽根本体の内部まで延びており、
前記ガイドベーンにはさらに、前記第１挿入孔の前記羽根本体側の端部から、前記ランナベーン側に向けて延び、前記羽根本体の前記ランナベーン側の端部で開口する第２挿入孔が形成されており、
前記第１挿入孔の内部に、前記第１伝達軸が収容され、前記第２挿入孔の内部に、前記第２伝達軸が収容され、
前記第１伝達軸のうちの前記羽根本体側の端部とは反対側の端部は、前記ガイドベーン回動軸の外側で前記モータに接続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】
前記駆動部は、前記モータによって回転駆動される前記第１伝達軸の回転が、歯車を介して、前記第２伝達軸に伝達されるとともに、前記第２伝達軸の回転が、歯車を介して前記端部回動軸に伝達されるように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の水力機械。
【請求項４】
請求項１に記載の水力機械の運転方法であって、
当該水力機械を流れる水の流量を検出する工程と、
検出された前記流量に応じて、前記回動端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回動端部を前記駆動部によって回動させる工程と、を備えることを特徴とする、水力機械の運転方法。
【請求項５】
請求項１に記載の水力機械の運転方法であって、
落差を検出する工程と、
検出された前記落差に応じて、前記回動端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回動端部を前記駆動部によって回動させる工程と、を備えることを特徴とする、水力機械の運転方法。
【請求項６】
ランナベーン回動軸を中心に回動することにより角度調整可能なランナベーンを備える水力機械に設けられ、ガイドベーン回動軸を中心に回動することにより、ガイドベーン開度を調整可能なガイドベーンであって、
前記ガイドベーン回動軸が設けられる羽根本体と、
前記ガイドベーン回動軸に沿って延びる端部回動軸によって、前記羽根本体の前記ランナベーン側の端部に連結される回動端部と、
前記回動端部を、前記端部回動軸を中心に回動させる駆動部と、を有し、
前記回動端部は、前記駆動部によって回動されて角度を変化させることにより、当該ガイドベーンから流出する水の流れの角度を変化させるように、構成されている、
ことを特徴とする、ガイドベーン。
【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、水力機械の運転方法及びガイドベーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な軸流型の水力機械の要部の子午面断面図が図９に示されている。図中の矢印Ｙ１に示すように、一般的な軸流型の水力機械では、水車運転時に、ケーシング１から流出する水が、その内周側に配置されたステーベーン２及びガイドベーン３の間に形成される静止翼列流路に流入し、静止翼列流路に流入した水は、導水カバー４により、発電電動機Ｇに連結された主軸５の軸方向に沿うように流れ方向を転向され、主軸５に設けられたランナ６に流入する。
【０００３】
ランナ６に流入した水は、ランナ６のランナベーン６１を介して主軸５を回転させる。これにより、発電電動機Ｇが駆動される。その後、水は、吸出し管７を経て、下池へ導かれる。なお、ランナ６は、主軸５の端部に固定されたランナボス６０と、ランナボス６０に対してランナベーン回動軸６２を中心に回動可能な複数のランナベーン６１と、を有している。
【０００４】
図１０は、上述の主軸５に沿って、ステーベーン２及びガイドベーン３を見た図を示している。図１０に示すように、ステーベーン２及びガイドベーン３のそれぞれは、主軸５の周方向に並ぶように複数配置されている。このうち、ガイドベーン３は、図示しないガイドベーン用サーボモータの駆動に応じて、ガイドベーン回動軸３Ａを中心に回動可能となっている。
【０００５】
このようなガイドベーン３は、回動により、その姿勢（角度）が全開状態と全閉状態との間において調整されることで、隣り合う他のガイドベーン３との間の流路面積（ガイドベーン開度）を調整することができる。これにより、ガイドベーン３は、ランナベーン６１へ流入する水の流量を調整することにより発電出力を調整する機能を有している。
【０００６】
図１０には、全開状態のガイドベーン３が一点鎖線で示され、全閉状態のガイドベーン３が二点鎖線で示されている。また、実線で示されるガイドベーン３は、最高効率開度時（設計点）の状態となっている。図示のガイドベーン３は、紙面における時計回り方向に回動することにより、全開状態に至り、紙面における反時計回り方向に回動することにより、全閉状態に至るようになっている。
【０００７】
また、図１１は、図９の矢印Ｙ２の方向にランナベーン６１を見た図を示している。ランナベーン６１も、主軸５の周方向に並ぶように複数配置されている。ランナベーン６１は、図示しないランナベーン用サーボモータの駆動に応じて、主軸５に直交する方向に延びる上述したランナベーン回動軸６２を中心に回動可能となっている。
【０００８】
このようなランナベーン６１は、回動により、その姿勢（角度）が全開状態と全閉状態との間で調整されることで、下流側に通過させる水の流量を調整することができる。これにより、ランナベーン６１も、その姿勢を調整することにより発電出力を調整する機能を有している。
【０００９】
図１１には、全開状態のランナベーン６１が一点鎖線で示され、全閉状態のガイドベーン６１が二点鎖線で示されている。また、実線で示されるランナベーン６１は、最高効率開度時（設計点）の状態となっている。図示のランナベーン６１は、紙面における時計回り方向に回動することにより、全開状態に至り、紙面における反時計回り方向に回動することにより、全閉状態に至るようになっている。
【００１０】
このような構成を備える軸流型の水力機械では、負荷（発電出力）に応じて、ガイドベーン３の開度及びランナベーン６１の角度を調整して水の流量を調整することができる。この際、流量を所望の値に調整しつつ水力損失を抑制し得る角度に、ガイドベーン３及びランナベーン６１の角度を調整することが可能となっている。通常、このような水力損失を抑制し得るガイドベーン３及びランナベーン６１の角度は、流量に応じて、予め設定されている。
【００１１】
また、このような軸流型の水力機械では、運転時に、ランナベーン６１にランナベーン開閉力が付与される。水車運転における大流量側運転時には、通常、ガイドベーン３及びランナベーン６１が共に全開状態側に回動され、ガイドベーン３及びランナベーン６１の角度が、予め設定された水力損失を抑制し得る角度に調整される。このとき、ランナベーン６１では、一般的に、閉特性のランナベーン開閉力が増加する。そして、大流量側運転における所定の流量点で閉特性のランナベーン開閉力が最大となる。すなわち、水がランナベーン６１を全閉状態側に向けて押す力が、最大となる。
【００１２】
また、小流量側運転時には、通常、ガイドベーン３及びランナベーン６１が共に、全閉状態側に回動され、ガイドベーン３及びランナベーン６１の角度が、予め設定された水力損失を抑制し得る角度に調整される。このとき、ランナベーン６１では、一般的に、開特性のランナベーン開閉力が増加する。そして、小流量側運転における所定の流量点で開特性のランナベーン開閉力が最大となる。すなわち、水がランナベーン６１を全開状態側に押す力が、最大となる。
【００１３】
ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える場合には、当該モータによって、ランナベーン６１を回動させることが不能となり、所望の運転を実施できなくなる。したがって、通常、ランナベーン用サーボモータは、ランナベーン開閉力の最大値よりも大きい容量に設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平０７−２９３４１８号公報
【特許文献２】特開平１１−１４１４４９号公報
【特許文献３】特開２００３−９０２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、水力機械は、発電設備に設置後に一定期間が経過した際に、改修が行われる場合がある。上述したような軸流型の水力機械では、ガイドベーンやランナベーンが改修の対象となることが多い。ここで、軸流型の水力機械の改修では、ランナベーンは、性能向上のために改修前の形状とは異なる形状のランナベーンに交換されることが多く、ランナベーン用サーボモータは、既設のものが流用されることが多い。
【００１６】
しかしながら、ランナベーンを改修前とは異なる形状のランナベーンに交換し、ランナベーン用サーボモータについては既設のものを流用する場合には、ランナベーン開閉力が、羽根形状やステム比の違いから、ランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまう場合がある。
【００１７】
具体的には、水車運転における大流量側運転時にガイドベーン及びランナベーンが共に全開状態側に回動され、且つガイドベーン及びランナベーンの角度が予め設定された水力損失を抑制し得る角度に調整された際に、例えば、改修前後の羽根形状の違いに起因して、ランナベーンの背側（外周側の面）に、水が改修前に比較して過剰に多く流入してしまい、閉特性のランナベーン開閉力が増大してランナベーン用サーボモータの容量を超える場合が生じ得る。また、小流量側運転時に、ガイドベーン及びランナベーンが共に全閉状態側に回動され、且つガイドベーン及びランナベーンの角度が予め設定された水力損失を抑制し得る角度に調整された際に、ランナベーンの腹側（内周側の面）に、水が改修前に比較して過剰に多く流入してしまい、開特性のランナベーン開閉力が増大してランナベーン用サーボモータの容量を超える場合が生じ得る。
【００１８】
上述したように、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える場合には、ランナベーン用サーボモータによって、ランナベーン６１を回動させることが不能となり、所望の運転を実施できなくなってしまう状況が生じてしまう。
【００１９】
このような状況を回避する手法として、例えばガイドベーンの角度を調整して水の角度を変化させることにより、ランナベーン開閉力を低減させる手法が知られている。しかしながら、この手法は、ガイドベーンが予め設定された水力損失を抑制し得る角度からずれてしまうことによって、ガイドベーンを通過した水の角度がランナベーンの角度に整合しなくなる。そのため、水力損失が増大してしまうという問題がある。
【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、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を越える虞がある場合に、水力損失を効果的に抑制しつつ、ランナベーン開閉力をランナベーン用サーボモータの容量内に制御することができる水力機械、その運転方法及びガイドベーン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、ガイドベーン回動軸を中心に回動することにより、ガイドベーン開度を調整可能なガイドベーンと、ランナベーン回動軸を中心に回動することにより、角度調整可能なランナベーンと、を備える。前記ガイドベーンは、前記ガイドベーン回動軸が設けられる羽根本体と、前記ガイドベーン回動軸に沿って延びる端部回動軸によって、前記羽根本体の前記ランナベーン側の端部に連結される回動端部と、前記回動端部を、前記端部回動軸を中心に回動させる駆動部と、を有する。前記回動端部は、前記駆動部によって回動されて角度を変化させることにより、当該ガイドベーンから流出する水の流れの角度を変化させるように、構成されている。
【００２２】
また、実施の形態による水力機械の運転方法は、前記の水力機械の運転方法であって、当該水力機械を流れる水の流量を検出する工程と、検出された前記流量に応じて、前記回動端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回動端部を前記駆動部によって回動させる工程と、を備える。
【００２３】
また、実施の形態による他の水力機械の運転方法は、前記の水力機械の運転方法であって、落差を検出する工程と、検出された前記落差に応じて、前記回動端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回動端部を前記駆動部によって回動させる工程と、を備える。
【００２４】
また、実施の形態によるガイドベーンは、ランナベーン回動軸を中心に回動することにより角度調整可能なランナベーンを備える水力機械に設けられ、ガイドベーン回動軸を中心に回動することにより、ガイドベーン開度を調整可能なガイドベーンである。このガイドベーンは、前記ガイドベーン回動軸が設けられる羽根本体と、前記ガイドベーン回動軸に沿って延びる端部回動軸によって、前記羽根本体の前記ランナベーン側の端部に連結される回動端部と、前記回動端部を、前記端部回動軸を中心に回動させる駆動部と、を有する。前記回動端部は、前記駆動部によって回動されて角度を変化させることにより、当該ガイドベーンから流出する水の流れの角度を変化させるように、構成されている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を越える虞がある場合に、水力損失を効果的に抑制しつつ、ランナベーン開閉力をランナベーン用サーボモータの容量内に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態による水力機械の子午面断面図である。
【図２】図１の水力機械のガイドベーンを示す図であり、（Ａ）は、水力機械の主軸に沿ってガイドベーンを見た図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】一般的なガイドベーンを備える水力機械において、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える際の水の流れを説明する図である。
【図４】図３に示した水力機械における、流量とランナベーン開閉力との関係のグラフを示した図である。
【図５】図３に示した水力機械において、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えないようにガイドベーン及びランナベーンの角度を制御した際の様子を示した図である。
【図６】実施の形態による水力機械において、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える虞がある場合に、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えないようにガイドベーンによって水の流れを変化させる様子を説明する図である。
【図７】実施の形態による水力機械における、流量とランナベーン開閉力との関係のグラフを示した図である。
【図８】ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えないように制御した場合における、実施の形態による水力機械の模型水車効率と、図３に示した一般的な水力機械の模型水車効率とを比較するグラフを示した図である。
【図９】一般的な水力機械の要部の子午面断面図である。
【図１０】図９に示す水力機械の主軸に沿って、そのステーベーン及びガイドベーンを見た図である。
【図１１】図９の矢印Ｙ２に沿ってランナベーンを見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
図１は、実施の形態による軸流型の水力機械１００の子午面断面図を示している。図示の例において、水力機械１００はカプラン水車として構成されている。なお、本実施の形態における構成部分のうちの、図９に示した一般的な水力機械と同一の構成部分については、同一の符号を付している。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態による水力機械１００は、図示しない上池から水流が流入するケーシング１と、ケーシング１に対して回転可能に設けられたランナ６と、を備えている。ランナ６は、ケーシング１の内周側に配置され、主軸５を介して発電電動機Ｇに連結されている。ランナ６は、ケーシング１からステーベーン２及びガイドベーン３の間に形成される静止翼列流路を通って流入する水により、回転駆動される。ランナ６が回転駆動した際には、主軸５が回転する。これにより、発電電動機Ｇが駆動され、発電が行われる。
【００３０】
ステーベーン２及ガイドベーン３のそれぞれは、ケーシング１とランナ６との間において主軸５の周方向に並ぶように複数配置されている。ステーベーン２及ガイドベーン３は、ケーシング１から主軸５側に向けて径方向に沿って延びる上カバー１１と下カバー１２との間に配置されている。ステーベーン２は、隣り合う他のステーベーン２との間に流路を形成し、ガイドベーン３は、隣り合う他のガイドベーン３との間に流路を形成する。ステーベーン２は、上カバー１１と下カバー１２とに固定されている。一方で、ガイドベーン３は、ガイドベーン回動軸３Ａを有し、上カバー１１と下カバー１２との間において、ガイドベーン回動軸３Ａを中心に回動可能に配置されている。
【００３１】
上カバー１１の下流側端部には、主軸５側に向けて径方向に沿って延びた後に主軸５の軸方向に沿って延びる導水カバー４が接続されている。下カバー１１の下流側端部には、主軸５の軸方向に沿って延びるディスチャージリング１４が設けられている。また、ランナ６は、導水カバー４の下流側に配置されており、ディスチャージリング１４によって外周側から囲まれている。これにより、静止翼列流路に流入した水は、導水カバー４及びディスチャージリング１４によって、発電電動機Ｇに連結された主軸５の軸方向に沿うように流れ方向を転向され、ランナ６に流入するようになっている。
【００３２】
ここで、ガイドベーン３は、ガイドベーン用サーボモータ３６の駆動に応じて、ガイドベーン回動軸３Ａを中心に回動可能となっている。図示の例では、ガイドベーン用サーボモータ３６が、上カバー１１の外部に配置され、ガイドベーン回動軸３Ａが上カバー１１に通されてガイドベーン用サーボモータ３６に接続されている。ガイドベーン３は、回動により、その姿勢（角度）が全開状態と全閉状態との間において調整されることで、隣り合う他のガイドベーン３との間の流路面積（ガイドベーン開度）を調整することができる。これにより、ガイドベーン３は、ランナ６へ流入する水の流量を調整することにより発電出力を調整する機能を有している。
【００３３】
また、ディスチャージリング１４の下流側に、吸出し管７が設けられている。吸出し管７は、図示しない下池に連結されており、ランナ６を回転駆動させた水は、吸出し管７を介して下池に放出されるようになっている。
【００３４】
ランナ６は、主軸５の端部に固定されたランナボス６０と、ランナボス６０に対してランナベーン回動軸６２を中心に回動可能な複数のランナベーン６１と、を有している。このうち、ランナベーン６１は、ランナボス６０とディスチャージリング１４との間において周方向に所定の間隔で配置されている。
【００３５】
ランナベーン６１は、ランナベーン用サーボモータ６６の駆動に応じて、主軸５に直交する方向に延びるランナベーン回動軸６２を中心に回動可能となっている。図示の例では、ランナベーン用サーボモータ６６は、ランナボス６０の内部に設けられている。ランナベーン６１は、回動により、その姿勢（角度）が全開状態と全閉状態との間で調整されることで、下流側に通過させる水の流量を調整することができる。これにより、ランナベーン６１も、その姿勢を調整することにより発電出力を調整する機能を有している。
【００３６】
図中の符号１５は、制御部を示し、この制御部１５は、ガイドベーン用サーボモータ３６及びランナベーン用サーボモータ６６に接続されている。制御部１５は、ガイドベーン用サーボモータ３６及びランナベーン用サーボモータ６６を制御することにより、ガイドベーン３の開度及びランナベーン６１の角度を調整して流量を調整することが可能となっている。これにより、水力機械１００では、負荷（発電出力）に応じて、ガイドベーン３の開度及びランナベーン６１の角度を調整して流量を調整することが可能となっている。
【００３７】
また、制御部１５は、流量を所望の値に調整しつつ水力損失を抑制し得る角度に、ガイドベーン３及びランナベーン６１の角度を調整することが可能となっている。このような水力損失を抑制し得るガイドベーン３及びランナベーン６１の角度は、流量に応じて、予め設定されており、制御部１５に記憶されている。水力機械１００の水車運転では、基本的に、負荷（発電出力）に応じて、ガイドベーン３の開度及びランナベーン６１の角度を調整して流量を所望の値とし、この際、水力損失を抑制し得る角度に、ガイドベーン３及びランナベーン６１の角度が調整される。
【００３８】
一方で、制御部１５は、流量を所望の値に調整しつつ、上述した「水力損失を抑制し得る角度」とは異なる角度に、ガイドベーン３及びランナベーン６１の角度を調整することも可能となっている。このような角度での運転を、以下では、「オフカム運転」と呼ぶ場合がある。
【００３９】
次に、図２（Ａ）は、主軸５に沿ってガイドベーン３を見た図を示しており、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図を示している。以下では、ガイドベーン３について詳述する。
【００４０】
図２に示すように、本実施の形態のガイドベーン３は、ガイドベーン回動軸３Ａが設けられる羽根本体３１と、ガイドベーン回動軸３Ａに沿って延びる端部回動軸３２によって、羽根本体３１のランナベーン６１側の端部に連結される回動端部３３と、回動端部３３を、端部回動軸３２を中心に回動させる駆動部３４と、を有している。このガイドベーン３では、回動端部３３が、駆動部３４によって回動されて角度を変化させることにより、当該ガイドベーン３から流出する水の流れの角度を変化させるように、構成されている。なお、本実施の形態においては、全てのガイドベーン３が、上述の羽根本体３１、端部回動軸３２、回動端部３３及び駆動部３４を有している。
【００４１】
このガイドベーン３では、図２（Ｂ）に示すように、上カバー１１側を向く羽根本体３１の上端縁及び回動端部３３の上縁部の各々が、上カバー１１に沿って延びるとともに、各上端縁と上カバー１１との間には、ギャップ（隙間）が設けられる。また、下カバー１２側を向く羽根本体３１の下端縁及び回動端部３３の下端縁の各々も、下カバー１２に沿って延びるとともに、各下縁部と下カバー１２との間には、ギャップ（隙間）が設けられる。
【００４２】
これにより、羽根本体３１がガイドベーン回動軸３Ａを中心に回動した際に、ガイドベーン３の全体が上カバー１１と下カバー１２との間でスムーズに回動するようになっている。また、回動端部３３が、上カバー１１と下カバー１２との間で端部回動軸３２を中心にスムーズに回動するようになっている。なお、図示の例では、羽根本体３１の上端縁と下端縁との間の幅寸法と、回動端部３３の上縁部と下端縁との間の幅寸法とが、同一となっている。
【００４３】
また、本実施の形態では、羽根本体３１のランナベーン６１側、すなわち羽根本体３１の下流側の端部に、ガイドベーン回動軸３Ａの軸方向に沿って延びる孔が形成された軸保持部３８が形成されている。この軸保持部３８に、端部回動軸３２が回動可能に保持されている。そして、この端部回動軸３２に回動端部３３が固定されることにより、回動端部３３が羽根本体３１のランナベーン６１側の端部に連結されている。これにより、回動端部３３は、端部回動軸３２を中心に回動可能となっている。
【００４４】
図２（Ａ）においては、羽根本体３１のうちの外周側を向く背側面３１Ａと回動端部３３のうちの外周側を向く背側面３３Ａとが、滑らかに連なるとともに、羽根本体３１のうちの内周側を向く腹側面３１Ｂと回動端部３３のうちの内周側を向く腹側面３３Ｂとが、滑らかに連なる状態が示されている。この状態では、羽根本体３１のキャンバーラインと回動端部３３のキャンバーラインとが直線状又は曲線状に滑らかに連なっている。以下では、この状態を「中立状態」と呼ぶ。回動端部３３は、この中立状態から、矢印αで示す反時計回り（背側面３１Ａ側に向かう方向）、又は、矢印βで示す時計回り（腹側面３１Ｂ側に向かう方向）に回動して、中立状態に対して角度を変化させることにより、水の角度を変化させることが可能となっている。
【００４５】
また、本実施の形態では、図２（Ｂ）に示すように、駆動部３４が、第１歯車４１Ａを有する第１伝達軸４１と、第２歯車４２Ａ及び第３歯車４２Ｂを有する第２伝達軸４２と、端部回動軸３２に設けられた第４歯車４３と、第１伝達軸４１を回転駆動させるモータ４４と、を有している。この駆動部３４では、モータ４４の回転が、第１伝達軸４１及び第２伝達軸４２を介して、最終的に、第４歯車４３を介して端部回動軸３２に伝達される。これにより、駆動部３４は、回動端部３３を回動させるように構成されている。
【００４６】
詳しくは、図２（Ｂ）に示すように、本実施の形態では、ガイドベーン３に、ガイドベーン回動軸３Ａと羽根本体３１とに跨がって延びる第１挿入孔５１が形成されている。第１挿入孔５１は、ガイドベーン回動軸３Ａの上カバー１１側の端部、すなわち外側の端部から、当該ガイドベーン回動軸３Ａの軸方向に沿って、羽根本体３１の上縁部と下縁部との間の内部略中央位置まで延びている。また、ガイドベーン３にはさらに、第１挿入孔５１の羽根本体３１側の端部から、下流側（ランナベーン６１側）に向けて延び、羽根本体３１の下流側の端部で開口する第２挿入孔５２が形成されている。
【００４７】
このうち、第１挿入孔５１の内部に、第１伝達軸４１が収容され、第２挿入孔５２の内部に、第２伝達軸４２が収容されている。そして、第１伝達軸４１のうちの上カバー１１側の端部（羽根本体３１側の端部とは反対側の端部）は、ガイドベーン回動軸３Ａの外側でモータ４４に接続され、第１伝達軸４１のうちの羽根本体３１側の端部に、第１歯車４１Ａが設けられている。また、第２伝達軸４２のうちの第１伝達軸４１側の端部に、第２歯車４２Ａが設けられており、その反対側の端部に、第３歯車４２Ｂが設けられている。第１歯車４１Ａと第２歯車４２Ａとは、羽根本体３１の内部で互いに噛み合っている。一方、第２伝達軸４２のうちの第３歯車４２Ｂが設けられた端部は、第２挿入孔５２から外部に突出しており、第３歯車４２Ｂは、羽根本体３１の外部で第４歯車４３に噛み合っている。なお、第１乃至第４歯車４１Ａ〜４３としては、例えば傘歯車等を用いることができる。
【００４８】
このような駆動部３４では、モータ４４によって回転駆動される第１伝達軸４１の回転が、第１歯車４１Ａ及び第２歯車４２Ａを介して、第２伝達軸４２に伝達される。また、第２伝達軸４２の回転が、第３歯車４２Ｂ及び第４歯車４３を介して、最終的に、端部回動軸３２に伝達される。これにより、第４歯車４３の回転によって端部回動軸３２が回動することにより、回動端部３３が回動するようになっている。このような駆動部３４は、その大部分（第１伝達軸４１、第２伝達軸４２）が羽根本体３１の内部に収容されるため、本実施の形態によれば、駆動部３４が水の流れに不所望な影響を及ぼすことを抑制することができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、モータ４４が、上述した制御部１５に接続されている。本実施の形態では、制御部１５が、モータ４４を制御することにより、回動端部３３の回動が調整されるようになっている。なお、モータ４４は、電動モータでもよいし、油圧を利用したモータであってもよい。
【００５０】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００５１】
本実施の形態の水力機械１００では、水車運転時に、ケーシング１からの水が、その内周側に配置されたステーベーン２及びガイドベーン３の間に形成される静止翼列流路に流入する。静止翼列流路に流入した水は、導水カバー４及びディスチャージリング１４により、発電電動機Ｇに連結された主軸５の軸方向に沿うように流れ方向を転向され、主軸５に設けられたランナベーン６１（ランナ６）に流入する。ここで、水は、ランナベーン６１を介して主軸５を回転させる。これにより、発電電動機Ｇが駆動される。その後、水は、吸出し管７を経て、下池へ導かれる。
【００５２】
ここで、水力機械１００では、運転点によっては、ランナベーン開閉力が増大してランナベーン用サーボモータ６６の容量を超える場合が生じ得る。具体的には、水車運転における大流量側運転時に、水が、ランナベーン６１の背側に過剰に多く流入してしまい、閉特性のランナベーン開閉力が増大してランナベーン用サーボモータ６６の容量を超える場合が生じ得る。また、小流量側運転時に、水が、ランナベーン６１の腹側に、過剰に多く流入してしまい、開特性のランナベーン開閉力が増大してランナベーン用サーボモータ６６の容量を超える場合が生じ得る。
【００５３】
通常の水力機械では、ランナベーン開閉力の値がランナベーン用サーボモータの容量を超えないように、設計されているため、通常の運転において、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えることはない。しかしながら、水力機械では、ガイドベーンやランナベーンが改修の対象となることが多く、ランナベーンを改修前とは異なる形状のランナベーンに交換し、ランナベーン用サーボについては既設のものを流用する場合等に、上述のようにランナベーン開閉力が、ランナベーン用サーボの容量を超えてしまう場合がある。
【００５４】
このようにランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える虞がある場合に、本実施の形態による水力機械１００では、ガイドベーン３の回動端部３３を回動させることにより、水の流れの角度を変化させて、水力損失を効果的に抑制しつつ、ランナベーン開閉力をランナベーン用サーボモータ６６の容量内に制御することができる。一方で、本実施の形態のような回動端部３３を有さない一般的なガイドベーンを備える水力機械においても、ガイドベーンの角度及びランナベーンの角度を変化させることで、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えないように制御することもできるが、この場合には、水力損失が大きくなってしまう。
【００５５】
以下、一般的なガイドベーンを備える水力機械と比較しつつ、本実施の形態による水力機械１００の作用について詳述する。まず、図３乃至図５を参照し、一般的なガイドベーンを備える水力機械において、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える際の水の流れの様子、及びその際の対処法について説明する。なお、図３に示す一般的な水力機械において、本実施の形態の水力機械１００と同様の構成部分については、便宜上、同一の符号を付している。
【００５６】
図３においては、一般的なガイドベーンを備える水力機械におけるガイドベーン３とランナベーン６１とが並べて示されている。また、図４は、図３に示した水力機械における、流量とランナベーン開閉力との関係のグラフを示している。図４において、横軸は、流量ＱＥＤ（−）を示し、縦軸は、模型ランナベーン（ＲＶ）開閉力ＴＢｈ，ＥＤ（−）を示している。また、図４において、Ｔｓで示す範囲は、ランナベーン用サーボモータの容量を示している。模型ランナベーン開閉力ＴＢｈ，ＥＤ（−）が、０よりも大きい場合には、開特性のトルクがランナベーン６１に作用し、０よりも小さい場合には、閉特性のトルクがランナベーン６１に作用することを意味する。
【００５７】
図３に示すように、この一般的な水力機械では、小流量運転時に、図中の二点鎖線で示す小流量開度又は角度の姿勢に、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とが調整される。また、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とは、水の流量を所望の値にしつつ水力損失を抑制し得る角度に、調整される。ここで、図中の矢印Ａ１は、ガイドベーン３から流出する水の流れを示しており、この小流量側運転時では、矢印Ａ１に示すように、ランナベーン６１が、その腹側で、ガイドベーン３からの水を受けている。その結果、この水力機械では、図４に示すように、小流量側運転点において、開特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまっている。図４におけるＰ１は、開特性のランナベーン開閉力の最大値を示している。
【００５８】
また、図３に示すように、この一般的な水力機械では、大流量側運転時に、図中の一点鎖線で示す大流量開度又は角度の姿勢に、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とが調整される。また、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とは、水の流量を所望の値にしつつ水力損失を抑制し得る角度に、調整される。ここで、図中の矢印Ａ２は、ガイドベーン３から流出する水の流れを示しており、この大流量側運転時では、矢印Ａ２に示すように、ランナベーン６１が、その背側で、ガイドベーン３からの水を受けている。その結果、この水力機械では、図４に示すように、大流量側運転点において、閉特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまっている。図４におけるＰ２は、閉特性のランナベーン開閉力の最大値を示している。
【００５９】
このようにランナベーン用サーボモータの容量の幅（Ｔｓで示す範囲）よりも、開特性のランナベーン開閉力の最大値から閉特性のランナベーン開閉力の最大値までの幅が大きいと、ランナベーン６１を可動させることができない運転点が存在する。したがって、小流量側運転点での開特性のランナベーン開閉力を閉特性へシフトさせ、また大流量側運転点での閉特性のランナベーン開閉力を開特性へシフトさせ、ランナベーン用サーボモータの容量の幅（Ｔｓで示す範囲）よりも、開特性のランナベーン開閉力の最大値から閉特性のランナベーン開閉力の最大値までの幅を小さくする必要がある。
【００６０】
従来、一般的なガイドベーンを備える構成においては、上述のような場合に、大流量側運転点及び小流量側運転点の各々において、流量は変わらないようにガイドベーン３の開度とランナベーン６１の角度とを調整するオフカム運転を実施することによって、ランナベーン開閉力の最大値を低減させていた。
【００６１】
図５は、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えないようにガイドベーン３及びランナベーン６１の角度を制御した際、すなわちオフカム運転の様子を示した図である。図５に示すように、小流量側運転点におけるオフカム運転では、ガイドベーン３が、細線の二点鎖線で示した小流量開度の姿勢（図中、オフカム前）から、太線の二点鎖線で示すように、ガイドベーン開度を開く方向に回動される（図中、オフカム後）。また、ランナベーン６１は、細線の二点鎖線で示した小流量開度の姿勢（図中、オフカム前）から、太線の二点鎖線で示すように閉方向に回動される（図中、オフカム後）。これにより、矢印Ａ３に示すように、ランナベーン６１がその背側で水を受ける状態とすることで、ランナベーン開閉力を閉方向にシフトすることができる。図４において、二点鎖線で示すラインは、オフカム運転時のランナベーン開閉力を示している。図４に示すように、オフカム運転時には、開特性のランナベーン開閉力が、閉方向にシフトされ、ランナベーン用サーボモータの容量内に制御され得る。
【００６２】
また、大流量開度時におけるオフカム運転では、ガイドベーン３が、細線の一点鎖線で示した大流量開度の姿勢（図中、オフカム前）から、太線の一点鎖線で示すように、ガイドベーン開度を閉じ方向に回動される（図中、オフカム後）。また、ランナベーン６１は、細線の一点鎖線で示した大流量開度の姿勢（図中、オフカム前）から、太線の一点鎖線で示すように開方向に回動される（図中、オフカム後）。これにより、矢印Ａ４に示すように、ランナベーン６１がその腹側で水を受ける状態とすることで、ランナベーン開閉力を開方向にシフトすることができる。図４において、二点鎖線で示すラインは、オフカム運転時のランナベーン開閉力を示している。図４に示すように、オフカム運転時には、閉特性のランナベーン開閉力が、開方向にシフトされ、ランナベーン用サーボモータの容量内に制御され得る。
【００６３】
しかしながら、このような従来から実施されているオフカム運転時には、図５に示すように、ガイドベーン３とランナベーン６１の相対位置が離れる、言い換える、角度のずれが大きくなり、ガイドベーン３からの流れがランナベーン６１に沿わなくなることで、水力損失が増大してしまっていた。図３に示した水力機械に対する模型試験においては、オフカム運転とすることで、模型ランナベーン開閉力ＴＢｈ，ＥＤ（−）は、最大値に対し５０％程度に小さくすることができることが算出された。しかしながら、模型水車効率η’(％)は、オフカム運転をせず、且つランナベーン開閉力が小流量側運転点及び大流量側運転点でランナベーン用サーボモータの容量を超えないと仮定した場合の運転に比べて、約３％低下してしまうことが算出された。
【００６４】
これに対して、本実施の形態による水力機械１００では、ガイドベーン３の回動端部３３を回動させることにより、水の流れの角度を変化させて、水力損失を効果的に抑制しつつ、ランナベーン開閉力をランナベーン用サーボモータ６６の容量内に制御することができる。以下、図６及び図７を参照し、本実施の形態による水力機械１００において、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える虞がある場合の対処法について説明する。
【００６５】
図６は、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータ６４の容量を超える虞がある場合に、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータ６４の容量を超えないようにガイドベーン３によって水の流れを変化させる様子を説明する図である。図７は、本実施の形態による水力機械１００における、流量とランナベーン開閉力との関係のグラフを示している。図４と同様に、図７において、横軸は、流量ＱＥＤ（−）を示し、縦軸は、模型ランナベーン（ＲＶ）開閉力ＴＢｈ，ＥＤ（−）を示している。また、図７において、Ｔｓで示す範囲は、ランナベーン用サーボモータ６４の容量を示している。
【００６６】
図６に示すように、本実施の形態による水力機械１００では、小流量側運転時に、上述した一般的なガイドベーンを備える水力機械と同様に、図中の二点鎖線で示す小流量開度の姿勢に、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とが調整される。また、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とは、水の流量を所望の値にしつつ水力損失を抑制し得る角度に、調整される。この際、回動端部３３が回動されない中立状態である場合には、ランナベーン６１が、その腹側で、ガイドベーン３からの水を受けて、開特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまう虞がある。
【００６７】
この場合に、図６に示すように、本実施の形態による水力機械１００は、回動端部３３を、端部回動軸３２を中心に図中の時計回りに回動させて、ガイドベーン３からの水の流れを立たせるように回動端部３３の角度を調整する。これにより、水力機械１００では、図中の矢印Ａ５に示すように、ランナベーン６１がその背側で水を受ける状態に、水の流れの角度を変化させることができる。
【００６８】
また、本実施の形態による水力機械１００では、大流量側運転時においても、上述した一般的なガイドベーンを備える水力機械と同様に、図中の一点鎖線で示す大流量開度の姿勢に、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とが調整される。また、ガイドベーン３の角度とランナベーン６１の角度とは、水の流量を所望の値にしつつ水力損失を抑制し得る角度に、調整される。この際、回動端部３３が回動されない中立状態である場合には、ランナベーン６１が、その背側で、ガイドベーン３からの水を受けて、閉特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまう虞がある。
【００６９】
この場合に、図６に示すように、本実施の形態による水力機械１００は、回動端部３３を、端部回動軸３２を中心に図中の反時計回りに回動させて、ガイドベーン３からの水の流れを寝かせるように回動端部３３の角度を調整する。これにより、水力機械１００では、図中の矢印Ａ６に示すように、ランナベーン６１がその腹側で水を受ける状態に、水の流れの角度を変化させることができる。
【００７０】
上述のように回動端部３３を回動することで、本実施の形態による水力機械１００では、図７に示すように、小流量側運転点及び大流量側運転点の各々において、ランナベーン開閉力を、回動端部３３を回動させない場合の最大値に対し、５０％程度に小さくすることができることが算出された（二点鎖線で示すラインを参照）。これにより、開特性のランナベーン開閉力の最大値から閉特性のランナベーン開閉力の最大値までの幅を、ランナベーン用サーボモータ６４の容量内に収めることできることが確認できた。
【００７１】
これに加えて、本実施の形態による水力機械１００では、模型水車効率η’(％)が、オフカム運転をせず、且つランナベーン開閉力が小流量側運転点及び大流量側運転点でランナベーン用サーボモータの容量を超えないと仮定した場合の運転に比べて、約１．５％だけ低下する程度に抑えることができることが算出された。
【００７２】
図８は、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えないように制御した場合における、実施の形態による水力機械１００の模型水車効率と、図３に示した一般的な水力機械の模型水車効率とを比較するグラフを示した図である。図８において、横軸は、流量ＱＥＤ(−）を示し、縦軸は、模型水車効率η’(％)を示している。図８において、実線は、本実施の形態による水力機械１００が小流量側運転点及び大流量側運転点において回動端部３３を回動させた際の模型水車効率η’(％)を示している。二点鎖線は、図３に示した水力機械が小流量側運転点及び大流量側運転点においてオフカム運転した際の模型水車効率η’(％)を示している。
【００７３】
図８に示すように、本実施の形態による水力機械１００の模型水車効率η’(％)は、図３に示した水力機械の模型水車効率η’(％)に比べて、小流量側運転点及び大流量側運転点において、大幅に向上している。
【００７４】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、ガイドベーン３が、ガイドベーン回動軸３Ａが設けられる羽根本体３１と、ガイドベーン回動軸３Ａに沿って延びる端部回動軸３２によって、羽根本体３１のランナベーン６１側の端部に連結される回動端部３３と、回動端部３３を、端部回動軸３２を中心に回動させる駆動部３４と、を有する。そして、回動端部３３が、駆動部３４によって回動されて角度を変化させることにより、当該ガイドベーン３から流出する水の流れの角度を変化させるように、構成されている。これにより、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータ６４の容量を越える虞がある場合に、水力損失を効果的に抑制しつつ、ランナベーン開閉力をランナベーン用サーボモータ６４の容量内に制御することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態では、ランナベーン６１が、その腹側で、ガイドベーン３からの水を受けて、開特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまう虞がある場合に、図６に示すように、水力機械１００は、回動端部３３を、端部回動軸３２を中心に図中の時計回りに回動させて、ガイドベーン３からの水の流れを立たせるように回動端部３３の角度を調整する。同様に、閉特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまう虞がある場合に、図６に示すように、水力機械１００は、回動端部３３を、端部回動軸３２を中心に図中の反時計回りに回動させて、ガイドベーン３からの水の流れを寝かせるように回動端部３３の角度を調整する。ここで、このような調整の際には、水の流量に応じて、回動端部３３の角度を決定することが好ましい。
【００７６】
具体的には、例えば、開特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える流量域において、ランナベーン開閉力が最大値となる流量点では、回動端部３３の角度を大きく設定し、ランナベーン開閉力が前記最大値よりも小さい流量点では、回動端部３３の角度を、前記最大値となる流量点で設定される回動端部３３の角度よりも小さい角度に設定すること等が好ましい。なお、閉特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える流量域においても、同様である。また、ここでいう回動端部３３の角度とは、回動端部３３が中立状態に対して傾いた角度のことを意味する。
【００７７】
この場合、水力機械１００においては、水の流量を流量計で検出し、検出された流量を制御部１５に入力して、制御部１５が、流量に応じた適切な回動端部３３の角度を決定してもよい。そして、制御部１５が駆動部３４を制御して、決定された前記角度となるように回動端部３３を駆動部３４によって回動させてもよい。
【００７８】
また、一般的に水力機械（水車）は、最高落差Ｈmax（ｍ）、基準落差Ｈnor（ｍ）、最低落差Ｈmin（ｍ）で運転され、Ｈmax（ｍ）＞Ｈnor（ｍ）＞Ｈmin（ｍ）の関係となる。そして、ランナベーン開閉力は、落差Ｈ（ｍ）に比例するため、落差Ｈ（ｍ）が大きいほどランナベーン開閉力は、大きくなる傾向にある。したがって、流量は同じであっても、落差Ｈ（ｍ）が異なることで、ランナベーン開閉力が異なる場合がある。そのため、ランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超えてしまう虞がある場合に、落差Ｈ（ｍ）を考慮せずに、回動端部３３の角度を一定に回動させた際には、適性に、ランナベーン開閉力をランナベーン用サーボモータの容量内に制御できない虞がある。したがって、回動端部３３を回動させる際には、落差Ｈ（ｍ）に応じて、回動端部３３の角度を決定することが好ましい。
【００７９】
具体的には、例えば、開特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える所定の流量点において、落差Ｈ（ｍ）が大きいほど、回動端部３３の角度を、大きく設定することが好ましい。なお、閉特性のランナベーン開閉力がランナベーン用サーボモータの容量を超える場合においても、同様である。
【００８０】
この場合、水力機械１００においては、上池の水位と下池の水位とから落差計で落差Ｈ（ｍ）を検出し、検出された落差を制御部１５に入力して、制御部１５が、落差Ｈ（ｍ）に応じた適切な回動端部３３の角度を決定してもよい。そして、制御部１５が駆動部３４を制御して、決定された前記角度となるように回動端部３３を駆動部３４によって回動させてもよい。
【００８１】
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。
【００８２】
例えば、水力機械１００は、プロペラ水車等の水力機械として構成されても構わない。また、駆動部３４は、主として歯車を用いて回転を伝達する構成を例示したが、駆動部３４は、このような構成に限定されるものではない。例えば、駆動部３４は、油圧により回動端部３３を回転駆動させる構成でもよいし、電力供給により形状記憶部材の形状を変更することにより、回動端部３３を回転駆動させるような構成でもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１  ケーシング、２  ステーベーン、３  ガイドベーン、３Ａ  ガイドベーン回動軸、４  導水カバー、５  主軸、６  ランナ、７  吸出し管、１１  上カバー、１２  下カバー、１４  ディスチャージリング、１５  制御部、３１  羽根本体、３１Ａ  背側面、３１Ｂ  腹側面、３２  端部回動軸、３３  回動端部、３３Ａ  背側面、３３Ｂ  腹側面、３４  駆動部、３６  ガイドベーン用サーボモータ、３８  軸保持部、４１  第１伝達軸、４１Ａ  第１歯車、４２  第２伝達軸、４２Ａ  第２歯車、４２Ｂ  第３歯車、４３  第４歯車、４４  モータ、５１  第１挿入孔、５２  第２挿入孔、６０  ランナボス、６１  ランナベーン、６２  ランナベーン回動軸、６６  ランナベーン用サーボモータ、１００  水力機械、Ｇ  発電電動機。
【図１】
2016133039.tif 000003
【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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