(57)【要約】【課題】ガイドベーンに流入する水流に発生し得る衝突損失を低減し、水車効率を向上させることができるガイドベーン装置を提供する。【解決手段】実施の形態によるガイドベーン装置１０は、ガイドベーン本体２０と、ガイドベーン本体２０のうち水車運転時の下流側の部分に枢着された可動部材２１と、を有し、開度を調整可能なガイドベーン４と、可動部材２１を枢動する可動部材駆動部３０と、を備えている。可動部材２１は、可動部材２１のうち水車運転時の上流側の部分に設けられた、ガイドベーン４の回動軸線１１に沿う方向に延びる枢軸線２１ａを中心に枢動可能になっている。可動部材駆動部３０は、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａに沿う閉位置と、閉位置から外周側に枢動した開位置とに、可動部材２１を位置付け可能になっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドベーン本体と、前記ガイドベーン本体のうち水車運転時の下流側の部分に枢着された可動部材と、を有し、開度を調整可能なガイドベーンと、
前記可動部材を枢動する可動部材駆動部と、を備え、
前記可動部材は、前記可動部材のうち水車運転時の上流側の部分に設けられた、前記ガイドベーンの回動軸線に沿う方向に延びる枢軸線を中心に枢動可能になっており、
前記可動部材駆動部は、前記ガイドベーン本体の外周側面に沿う閉位置と、前記閉位置から外周側に枢動した開位置とに、前記可動部材を位置付け可能になっていることを特徴とする水力機械のガイドベーン装置。
【請求項２】
前記ガイドベーンは、前記ガイドベーン本体内に設けられた、前記ガイドベーンの外周側周囲領域に対して前記可動部材によって区画された空洞部を更に有し、
前記可動部材駆動部は、前記可動部材を閉位置に位置付ける場合、前記空洞部内の圧力を前記外周側周囲領域の圧力よりも低くし、前記可動部材を開位置に位置付ける場合、前記空洞部内の圧力を前記外周側周囲領域の圧力よりも高くする圧力調整部を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の水力機械のガイドベーン装置。
【請求項３】
前記ガイドベーンは、前記ガイドベーン本体内に設けられた、前記ガイドベーンの外周側周囲領域と前記可動部材によって区画された空洞部を更に有し、
前記可動部材駆動部は、前記空洞部内に設けられた、前記可動部材を枢動するアクチュエータを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の水力機械のガイドベーン装置。
【請求項４】
前記水力機械の最高効率運転点時、前記可動部材は開位置に位置付けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の水力機械のガイドベーン装置。
【請求項５】
ステーベーンと、
前記ステーベーンの内周側に設けられたガイドベーンを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の前記ガイドベーン装置と、
前記ガイドベーンの内周側に設けられたランナと、を備えたことを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、ガイドベーン装置および水力機械に関する。
【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。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、下池の水を上池に放出することができる。
【０００３】
図１１に、ステーベーン５０とガイドベーン５１とを上方から見た断面図を示す。図１１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５１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、水流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水流を増速させて下流側のガイドベーン５１に導く役割と、を担っている。
【０００４】
ガイドベーン５１は、ランナ羽根５２ａを有するランナ５２の回転軸線に略平行に延びるガイドベーン軸線５３を中心に回動可能になっている。これにより、ガイドベーン５１の角度を変えて、隣り合うガイドベーン５１との間に形成される流路面積（ガイドベーン開度）が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５２への水流の流量を変えて、発電電動機の発電出力が調整可能になっている。図１１に示すように、ガイドベーン５１は、ガイドベーン軸線５３を中心に時計回りに回動させて全開姿勢となることができ、反時計回りに回動させて全閉姿勢となることができる。一般的に、ガイドベーン５１は、大流量点開度となる全開姿勢での入口角度が、ステーベーン５０の出口角度に沿うように設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１７２５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水力機械の運転方法は、近年の新エネルギ等の系統への導入により多様化している。例えば、系統安定化に向けて、水力機械を、定格出力での運転に加えて、部分負荷で運転する機会が増えてきている。しかしながら、水力機械を部分負荷で水車運転する際、ガイドベーン開度が小さくなる。このことにより、ガイドベーンの入口角度が、ステーベーンの出口角度からずれて、ガイドベーンに流入する水流に衝突損失が発生するという問題があった。この場合、水車効率が低下し得る。
【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、ガイドベーンに流入する水流に発生し得る衝突損失を低減し、水車効率を向上させることができるガイドベーン装置および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】
実施の形態によるガイドベーン装置は、ガイドベーン本体と、ガイドベーン本体のうち水車運転時の下流側の部分に枢着された可動部材と、を有し、開度を調整可能なガイドベーンと、可動部材を枢動する可動部材駆動部と、を備えている。可動部材は、可動部材のうち水車運転時の上流側の部分に設けられた、ガイドベーンの回動軸線に沿う方向に延びる枢軸線を中心に枢動可能になっている。可動部材駆動部は、ガイドベーン本体の外周側面に沿う閉位置と、閉位置から外周側に枢動した開位置とに、可動部材を位置付け可能になっている。
【０００９】
また、実施の形態による水力機械は、ステーベーンと、ステーベーンの内周側に設けられたガイドベーンを有する上述したガイドベーン装置と、ガイドベーンの内周側に設けられたランナと、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガイドベーンに流入する水流に発生し得る衝突損失を低減し、水車効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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の水力機械のガイドベーン装置を示す平面断面図である。
【図３】図３は、図２のガイドベーンを示す斜視図である。
【図４】図４は、図２のＰ部拡大図である。
【図５】図５は、本実施の形態の図１の水力機械において、ガイドベーンの周囲の水の流れを説明するための図である。
【図６】図６は、図１の水力機械において、流量と、ステーベーン・ガイドベーン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、流量と、水車効率との関係を示す図である。
【図８】図８は、図２のガイドベーン装置の変形例を示す平面断面図である。
【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、ガイドベーン装置を示す平面断面図である。
【図１０】図１０は、図９のＱ部拡大図である。
【図１１】図１１は、従来の水力機械において、ガイドベーン周囲の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】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるガイドベーン装置および水力機械について説明する。
【００１３】
（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ガイドベーン装置および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。
【００１４】
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）を通って水流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を有するガイドベーン装置１０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。
【００１５】
ステーベーン３は、周方向に離間して配列されており（図５参照）、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から流入する水流をガイドベーン４に導くようになっている。
【００１６】
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５参照）、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から流出した水が流れる。そして、ガイドベーン４は、ステーベーン３からの水流をランナ５に導くようになっている。
【００１７】
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５の回転軸線Ｘに略平行に延びるガイドベーン軸線１１（ガイドベーン４の回動軸線、図２および図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。このようにして、下流側に配置されたランナ５への水流の流量を変えて、後述する発電電動機７の発電出力が調整可能になっている。
【００１８】
ところで、図１および図２に示すように、各ガイドベーン４には、対応するスピンドル１２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１３（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１３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１３には制御部１４が接続されており、ガイドベーン駆動部１３は制御部１４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１４がガイドベーン駆動部１３を制御することにより、ガイドベーン駆動部１３は、ガイドベーン４を図２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５への水流の流量を調整可能になっている。
【００１９】
図１に示すように、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、後述する主軸６に連結されたクラウン５ａと、クラウン５ａの外周側に設けられたバンド５ｂと、クラウン５ａとバンド５ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根５ｃと、を有している。このうちランナ羽根５ｃは、周方向に離間して配列されており、互いに隣り合うランナ羽根５ｃ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５ｃが、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流によって回転駆動されるようになっている。
【００２０】
ランナ５には、主軸６を介して発電電動機７が連結されている。この発電電動機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。
【００２１】
ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電電動機７がランナ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。ガイドベーン開度は、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。
【００２２】
次に、本実施の形態によるガイドベーン装置１０について、図２および図３を用いて説明する。図２および図３に示すように、ガイドベーン装置１０は、上述したガイドベーン４と、後述する可動部材２１を枢動する可動部材駆動部３０と、を備えている。本実施の形態による可動部材駆動部３０は、後述する空洞部２２内の圧力を調整する圧力調整部３１を含んでいる。
【００２３】
ガイドベーン４は、ガイドベーン本体２０と、ガイドベーン本体２０のうち水車運転時の下流側（ランナ５の側）の部分に枢着された可動部材２１と、を有している。
【００２４】
可動部材２１は、ガイドベーン本体２０に対して、枢軸線２１ａを中心に枢動（または回動）可能になっている。枢軸線２１ａは、上述したガイドベーン軸線１１に沿う方向に延びている。より具体的には、枢軸線２１ａは、当該ガイドベーン軸線１１に略平行に、フランシス形水車１の上下方向に延びている。枢軸線２１ａは、可動部材２１のうち水車運転時の上流側（ステーベーン３の側）の部分であって、ガイドベーン本体２０のうち外周側（背側）の部分に設けられている。
【００２５】
ガイドベーン本体２０内には、空洞部２２が設けられている。空洞部２２は、ガイドベーン４のキャンバーラインＣＬの方向に沿って延びるように形成されている。この空洞部２２は、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａにおいて開口しており、空洞部２２の内周側（内周側面２０ｂの側）、上側および下側では、ガイドベーン本体２０で閉塞されている。図２および図３に示す例では、空洞部２２は、矩形状に形成されているが、これに限られることはない。
【００２６】
空洞部２２は、ガイドベーン本体２０の外周側周囲領域Ｒに対して、可動部材２１によって区画されている。より具体的には、空洞部２２の上述した開口が、可動部材２１によって閉塞されるようになっている。
【００２７】
本実施の形態においては、ガイドベーン本体２０と可動部材２１とが、図示しない閉塞部材によって接続されていることが好適である。この閉塞部材は、ガイドベーン本体２０と可動部材２１との間の隙間を塞ぐためのものである。このことにより、外周側周囲領域Ｒを流れる水流が空洞部２２に入り込むことを防止できるとともに、空洞部２２内の駆動流体（後述）が外周側周囲領域Ｒに流出することを防止できる。閉塞部材としては、可撓性および／または弾力性を有するシート状の部材であることが好適であるが、例えば、ゴムシートを用いることができる。閉塞部材は、ガイドベーン本体２０と可動部材２１の各々に接着されることが好適である。
【００２８】
圧力調整部３１は、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａに沿う閉位置（図２に実線で示す可動部材２１の位置）と、当該閉位置から外周側に枢動した開位置（図２に二点鎖線で示す可動部材２１の位置）とに、可動部材２１を位置付け可能になっている。本実施の形態においては、圧力調整部３１は、ガイドベーン４の上述した空洞部２２内の駆動流体の圧力を調整可能になっており、空洞部２２内の圧力を調整することにより、可動部材２１を枢動する。ここで、駆動流体としては、任意の流体を用いることができるが、例えば、空気を用いることが好適である。
【００２９】
圧力調整部３１の構成は、空洞部２２内の圧力を調整可能であれば特に限られることはない。例えば、圧力調整部３１は、フランシス形水車１の外部から駆動流体としての空気を吸い込むまたは排出する吸排口３２と、吸排口３２で吸い込まれた駆動流体を加圧して空洞部２２内に供給するとともに空洞部２２内の駆動流体の圧力を高めるコンプレッサ３３、を有していてもよい。このような構成を有する圧力調整部３１は、メンテナンスなどの点で、ガイドベーン４の外部に設けられていることが好適である。また、上述した吸排口３２およびコンプレッサ３３は、フランシス形水車１の外部に設けて、空洞部２２に連通孔３４を介して接続されることが好適である。このうち連通孔３４は、図２に示すように、ガイドベーン本体２０からスピンドル１２を通って、吸排口３２およびコンプレッサ３３に接続することができる。
【００３０】
より具体的には、圧力調整部３１は、可動部材２１を閉位置に位置付ける場合、空洞部２２内から駆動流体を排出して、空洞部２２内の駆動流体の圧力を外周側周囲領域Ｒの水流の圧力よりも低くする。この場合、可動部材２１の外周側面２１ｂが、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａの延長上に位置付けられ、可動部材２１は空洞部２２の開口を閉塞するような位置に位置付けられる。
【００３１】
一方、圧力調整部３１は、可動部材２１を開位置に位置付ける場合、空洞部２２に駆動流体を供給して、空洞部２２内の駆動流体の圧力を外周側周囲領域Ｒの水流の圧力よりも高くする。この場合、可動部材２１は、図２における時計回り方向に可動部材２１が回動し、可動部材２１の外周側面２１ｂのうち枢軸線２１ａよりも下流側の部分は、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａの延長上（すなわち、閉位置における外周側面２０ａ）よりも外周側に位置付けられる。このことにより、可動部材２１の外周側面２１ｂは、外周側周囲領域Ｒの水流を外周側に押し込むような位置に位置付けられる。
【００３２】
なお、可動部材２１は、開位置に位置付けられた場合、ガイドベーン本体２０に係止するように構成されている。より具体的には、図４に示すように、ガイドベーン本体２０は係止部２４を含み、可動部材２１は係合部２３を含んでおり、可動部材２１が開位置に位置付けられた場合、可動部材２１の係合部２３がガイドベーン本体２０の係止部２４に係止される。この場合、可動部材２１が、更に外周側に枢動することが防止される。また、可動部材２１の係合部２３は、可動部材２１が閉位置に位置付けられた場合、空洞部２２を画定するガイドベーン本体２０の内壁２５に当接し、可動部材２１が、更に内周側に枢動することが防止される。
【００３３】
圧力調整部３１は、上述した制御部１４によって制御されている。制御部１４は、フランシス形水車１の運転点に基づいて、空洞部２２内の圧力を調整するように圧力調整部３１を制御する。このことにより、圧力調整部３１は、運転点に基づいて可動部材２１を枢動する。より具体的には、圧力調整部３１は、大流量側運転点または小流量側運転点である場合、空洞部２２内の圧力を外周側周囲領域Ｒの圧力よりも低くして、可動部材２１を閉位置に位置付ける。一方、圧力調整部３１は、最高効率運転点である場合、空洞部２２内の圧力を外周側周囲領域Ｒの圧力よりも高くして、可動部材２１を開位置に位置付ける。
【００３４】
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。
【００３５】
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に連結された発電電動機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（または放水路）へ放出される。
【００３６】
水車運転の間、ステーベーン３から流出した水流はガイドベーン４に流入する。
【００３７】
一般的に、ガイドベーン５１は、大流量側運転点となる全開姿勢での入口角度が、ステーベーン５０の出口角度に沿うように設計されている。このことにより、図１１に示すような従来のガイドベーン５１では、ガイドベーン開度が大流量点開度（最大開度）から、最高効率点開度や小流量点開度に向って小さくなるに従い、ガイドベーン５１の入口角度が、ステーベーン５０の出口角度からずれる。このため、ガイドベーン５１に流入する水流に衝突損失が発生し得る。
【００３８】
図１１には、ランナ５２の回転速度と、ガイドベーン５１からランナ５２に流入する水流の絶対速度と、当該水流の相対速度が、ベクトルとして示されている。図１１に示すように、ガイドベーン開度が、大流量点開度から小さくなるに従い、ランナ５２に流入する水流の絶対速度の向きが周方向接線の向きに近づくようになり、当該絶対速度の周方向接線に対する水流の角度が小さくなる。一方、ランナ５２に流入する水流は、ランナ５２から流出する水流の角運動量とバランスをとるため、ランナ５２に流入する水流の絶対速度の角度が変化した場合であっても、ランナ５２の回転速度が同じであれば、ランナ５２に流入する水流の相対速度の向きは一般的に変わらない。このため、ランナ５２に流入する水流の絶対速度の角度が小さくなるに従い、ランナ５２に流入する水流の相対速度の大きさが小さくなっていく。すなわち、ランナ５２に流入する水の流量が小さくなる。
【００３９】
一方、本実施の形態では、ガイドベーン４の可動部材２１が、ガイドベーン本体２０に対して枢動可能になっている。最高効率点開度時における可動部材２１を枢動させて開位置に位置付けた場合には、図１１に示す従来のガイドベーン５１からランナ５２に流入する水流の絶対速度Ｖ０の角度よりも、図５に示すように、ガイドベーン４からランナ５に流入する水流の絶対速度の角度Ｖ１を小さくすることができる。このことにより、ランナ５に流入する水の流量が小さくなる。このため、本実施の形態によるガイドベーン４では、ガイドベーン開度を調整するだけでなく、可動部材２１を枢動させることによってもランナ５に流入する水の流量を調整することができる。すなわち、可動部材２１を開位置に位置付けることによってランナ５に流入する水の流量が小さくなるため、この流量の減少した分だけ、ガイドベーン開度を大きくすることができる。このため、所望の流量に調整する際のガイドベーン開度を、当該流量に調整する際の従来のガイドベーン５１の開度よりも大きくすることができ、ステーベーン３の出口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可能となる。
【００４０】
ガイドベーン２０の可動部材２１が開位置に位置付けられるか閉位置に位置付けられるかは、フランシス形水車１の運転点によって決定される。すなわち、ランナ５に流入する水の流量（運転点）に基づいて、可動部材２１が枢動する。可動部材２１は、図２に示す圧力調整部３１が空洞部２２内の駆動流体の圧力を調整することにより枢動する。
【００４１】
運転点と可動部材２１の位置との関係について、図６を用いてより具体的に説明する。
【００４２】
まず、ランナ５に流入する水の流量が、大流量側運転点での流量Ａである場合について説明する。
【００４３】
この流量では、ガイドベーン４の可動部材２１は、閉位置に位置付けられる。この場合、圧力調整部３１は、空洞部２２から駆動流体を排出して、空洞部２２内の駆動流体の圧力を、外周側周囲領域Ｒの水流の圧力よりも低くする。このことにより、可動部材２１は、外周側周囲領域Ｒの水流の圧力を受けて内周側（空洞部２２の側）に回動し、閉位置に位置付けられる。この場合、可動部材２１の係合部２３が、ガイドベーン本体２０の内壁２５に当接し、可動部材２１の外周側面２１ｂが、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａの延長上に位置付けられる。このため、ステーベーン３から流出した水流をガイドベーン４の入口角度に沿った状態を維持することができる。
【００４４】
次に、ランナ５に流入する水の流量が、流量Ｂ以上かつ流量Ｃ以下である場合について説明する。ここで、流量Ｂは、最高効率運転点での流量Ｄよりも小さく、かつ後述する小流量側運転点での流量Ｅよりも大きい流量である。また、流量Ｃは、最高効率運転点での流量Ｄよりも大きく、かつ大流量側運転点での流量Ａよりも小さい流量である。
【００４５】
この流量範囲では、図５に示すように、ガイドベーン４の可動部材２１は、開位置に位置付けられる。この場合、圧力調整部３１は、空洞部２２に駆動流体を供給して、空洞部２２内の駆動流体の圧力を、外周側周囲領域Ｒの水流の圧力よりも高くする。このことにより、可動部材２１は、空洞部２２内の駆動流体の圧力を受けて外周側に回動する。そして、可動部材２１の係合部２３が、ガイドベーン本体２０の係止部２４に係止されて、開位置に位置付けられる。この場合、可動部材２１の外周側面２１ｂのうち枢軸線２１ａよりも下流側の部分は、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａの延長上よりも外周側に位置付けられる。このことにより、可動部材２１の外周側面２１ｂは、外周側周囲領域Ｒの水流を外周側に押し込み、外周側周囲領域Ｒを流れる水流の角度を小さくすることができる。このため、ステーベーン３から流出した水流をガイドベーン４に沿わせることができ、ガイドベーン４に流入する水流に発生し得る衝突損失を低減できる。
【００４６】
また、この流量範囲では、ガイドベーン４からランナ５に流入する水流の絶対速度の角度を小さくすることができる。このことにより、ランナ５に流入する流量を小さくすることができる。この場合、可動部材２１を開位置に位置付けたことによる流量の減少分だけ、ガイドベーン開度を大きくすることができる。このため、所望の流量に調整する際のガイドベーン開度を、当該流量に調整する際の従来のガイドベーン５１の開度よりも大きくすることができる。この結果、ステーベーン３の出口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。
【００４７】
次に、ランナ５に流入する水の流量が、流量Ｃよりも大きく、かつ大流量側運転点での流量Ａよりも小さい場合について説明する。
【００４８】
この流量範囲では、所望の流量に応じて、ガイドベーン４の可動部材２１の開度を調整することが好適である。すなわち、可動部材２１は、流量Ａから流量Ｃに向って小さくするに従い、空洞部２２内の駆動流体の圧力を調整して、閉位置から徐々に開いた位置に位置付けることが好適である。このことにより、ガイドベーン４からランナ５に流入する水流の絶対速度の角度を徐々に小さくすることができ、ランナ５に流入する流量を徐々に小さくすることができる。また、この流量範囲では、可動部材２１の開度によって流量を調整できるため、ガイドベーン開度は、大流量点開度に維持することができる。このため、ステーベーン３の出口角度をガイドベーン４の入口角度に沿った状態に維持しながら、流量を調整することができる。
【００４９】
次に、ランナ５に流入する水の流量が、小流量側運転点での流量Ｅ以下である場合について説明する。
【００５０】
この流量範囲では、大流量側運転点と同様に、ガイドベーン４の可動部材２１は、閉位置に位置付けられることが好適である。この場合、可動部材２１の外周側面２１ｂが、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａの延長上に位置付けられる。また、この流量範囲では、可動部材２１を開くと、隣り合うガイドベーン４の間の流路が閉塞される場合がある。このため、隣り合うガイドベーン４との間の流路を確保するために、可動部材２１が閉位置に位置付けられることが好適である。なお、ランナ５に流入する流量がゼロである場合には、ガイドベーン４の上流側の部分が、隣り合うガイドベーン４の下流側の部分に当接して、ガイドベーン４が全閉姿勢となる。
【００５１】
次に、ランナ５に流入する水の流量が、小流量側運転点での流量Ｅよりも大きく、かつ流量Ｂよりも小さい場合について説明する。
【００５２】
この流量範囲では、所望の流量に応じて、ガイドベーン４の可動部材２１の開度を調整することが好適である。すなわち、可動部材２１は、流量Ｂから流量Ｅに向って小さくするに従い、空洞部２２内の駆動流体の圧力を調整して、開位置から徐々に閉じた位置に位置付けることが好適である。
【００５３】
このようにして、運転点に基づいて可動部材２１を枢動することにより、図６に示すような流量ＱＥＤ（−）とステーベーン・ガイドベーン損失ΔＨｓｇ／Ｈ（％）との関係が得られる。ここで、ステーベーン・ガイドベーン損失とは、ステーベーン３とガイドベーン４とにより形成された静止翼列流路で発生し得る水力損失を意味している。
【００５４】
図６に示すように、ランナ５に流入する水の流量が大流量側運転点での流量Ａである場合においては、ステーベーン３の出口角度がガイドベーン４の入口角度に沿っているため、ステーベーン・ガイドベーン損失ΔＨｓｇ／Ｈ（％）が最も小さくなっている。
【００５５】
また、可動部材２１が開いている場合（閉位置以外の場合）、ステーベーン・ガイドベーン損失ΔＨｓｇ／Ｈ（％）が、従来の損失よりも小さくなっている。とりわけ、ランナ５に流入する水の流量が流量Ｂ以上かつ流量Ｃ以下の場合においては、ステーベーン３の出口角度がガイドベーン４の入口角度とずれているが、上述したように可動部材２１が開位置に位置付けられているため、ステーベーン３から流出した水流を、ガイドベーン４の入口角度に沿わせることができる。また、可動部材２１を開位置に位置付けたことによる流量の減少分だけ、ガイドベーン開度を大きくすることができるため、ステーベーン３の出口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、このガイドベーン開度範囲においては、本実施の形態によるガイドベーン４のステーベーン・ガイドベーン損失ΔＨｓｇ／Ｈ（％）は、従来のガイドベーンよりも小さくなっている。
【００５６】
図７には、流量ＱＥＤ（−）と水車効率η’（％）との関係が示されている。ランナ５に流入する水の流量が最高効率運転点である流量Ｄである場合において、水車効率η’（％）は最も高くなっており、従来のガイドベーンを有するフランシス形水車よりも高くなっている。また、可動部材２１が開いている場合（ランナ５に流入する水の流量が流量Ｅ以上かつ流量Ａ以下である場合）、上述したようにステーベーン・ガイドベーン損失ΔＨｓｇ／Ｈ（％）が、従来のガイドベーンよりも小さくなっているため、水車効率η’（％）が、従来のガイドベーンを有するフランシス形水車よりも改善されている。
【００５７】
このように本実施の形態によれば、ガイドベーン本体２０に枢着された可動部材２１が、圧力調整部３１によって、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａに沿う閉位置と、閉位置から外周側に枢動した開位置とに、位置付けられる。このことにより、ステーベーン３の出口角度とガイドベーン４の入口角度とがずれる運転点において、可動部材２１を開位置に位置付けることにより、外周側周囲領域Ｒの水流を外周側に押し込み、外周側周囲領域Ｒを流れる水流の角度を小さくすることができる。また、可動部材２１を閉位置に位置付けたことによりガイドベーン開度を大きくすることができ、ステーベーン３の出口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、ステーベーン３から流出した水流をガイドベーン４に沿わせることができ、ガイドベーン４に流入する水流に発生し得る衝突損失を低減できる。このため、水車効率を向上させることができる。
【００５８】
また、本実施の形態によれば、可動部材２１は、空洞部２２内の圧力を調整することによって枢動可能になっている。このことにより、可動部材２１を枢動させるための構成が複雑化することを抑制できる。
【００５９】
さらに、本実施の形態によれば、可動部材２１は、フランシス形水車１の最高効率運転点時に、開位置に位置付けられる。このことにより、ガイドベーン開度を大きくすることができ、ステーベーン３の出口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、フランシス形水車１の最高効率を向上させることができる。
【００６０】
上述した実施の形態において、可動部材駆動部３０のコンプレッサ３３は、図８に示すように、空洞部２２に接続された連通孔３４に設けられていてもよい。この場合、空洞部２２内の圧力を迅速に加圧することができ、可動部材２１の応答性を向上させて、運転点の変化に迅速に追従することが可能となる。
【００６１】
（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ガイドベーン装置および水力機械について説明する。
【００６２】
図９および図１０に示す第２の実施の形態においては、可動部材駆動部が、空洞部内に設けられた、可動部材を枢動するアクチュエータを含んで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。
【００６３】
本実施の形態においては、図９に示すように、可動部材駆動部３０は、空洞部２２内に設けられたアクチュエータ４０を含んでいる。このアクチュエータ４０は、図１０に示すように、ロッド４０ａを含み、ロッド４０ａが可動部材２１の内周側面２１ｃに当接し、当該内周側面２１ｃを押圧可能になっている。このことにより、アクチュエータ４０は、可動部材２１の内周側面２１ｃを押圧することにより、可動部材２１を閉位置から開位置に枢動する。また、可動部材駆動部３０は、ばね４１（付勢部材）を更に含んでいる。このばね４１は、可動部材２１を内周側に付勢するように、ガイドベーン本体２０および可動部材２１に取り付けられている。このことにより、アクチュエータ４０の押圧力が解除された（または弱まった）場合、可動部材２１は、ばね４１の付勢力によって、開位置から閉位置に枢動するようになっている。
【００６４】
このように本実施の形態によれば、ガイドベーン本体２０に枢着された可動部材２１が、アクチュエータ４０によって、ガイドベーン本体２０の外周側面２０ａに沿う位置と、閉位置から外周側に枢動した開位置とに、位置付けられる。このことにより、ステーベーン３の出口角度とガイドベーン４の入口角度とがずれる運転点において、可動部材２１を開位置に位置付けることにより、外周側周囲領域Ｒの水流を外周側に押し込み、外周側周囲領域Ｒを流れる水流の角度を小さくすることができる。また、可動部材２１を閉位置に位置付けたことによりガイドベーン開度を大きくすることができ、ステーベーン３の出口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、ステーベーン３から流出した水流をガイドベーン４に沿わせることができ、ガイドベーン４に流入する水流に発生し得る衝突損失を低減できる。このため、水車効率を向上させることができる。
【００６５】
また、本実施の形態によれば、可動部材２１がアクチュエータ４０によって枢動されるため、可動部材２１を迅速に枢動させることができ、可動部材２１の応答性を向上させて、運転点の変化に迅速に追従することが可能となる。
【００６６】
以上述べた実施の形態によれば、ガイドベーンに流入する水流に発生し得る衝突損失を低減し、水車効率を向上させることができる。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
１：フランシス形水車、３：ステーベーン、４：ガイドベーン、５：ランナ、１０：ガイドベーン装置、１１：ガイドベーン軸線、２０：ガイドベーン本体、２０ａ：外周側面、２１：可動部材、２１ａ：枢軸線、２２：空洞部、３０：可動部材駆動部、３１：圧力調整部、３３：コンプレッサ、４０：アクチュエータ、Ｒ：外周側周囲領域
【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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