(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステーベーンと、ガイドベーンと、前記ステーベーンおよび前記ガイドベーンを挟み水
流を導くための流路を構成する壁面と、ランナとを有し、
前記ステーベーンおよび前記ガイドベーンを挟み水流を導くための流路を構成する対向
する前記壁面間の距離が、前記ガイドベーン入口端より外周側において、回転軸方向のガ
イドベーン長さより小さくなるように形成され、
前記対向する２つの壁面間の距離が拡大し、前記回転軸方向のガイドベーン長さより大
きくなる半径方向の位置は、前記ガイドベーンが全開したときの半径方向位置より上流側
であることを特徴とする水力機械。
【請求項２】
請求項１記載の水力機械において、
前記対向する２つの壁面の形状は、前記ガイドベーン入口端より外周側で、水車運転時
の水流の流れ方向に２つの壁面間の距離が漸次小さくなるように形成されていることを特
徴とする水力機械。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の水力機械において、
前記対向する２つの壁面は、前記ガイドベーンが可動するための回転軸と垂直な平面に
対して角度が設けられており、スピードリングから前記ガイドベーン入口端間までの径方
向の区間において、壁面距離が小さくなるための流路絞り部（レデューサ）を設けたこと
を特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水車やポンプ水車等の水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
水車やポンプ水車等の水力機械に用いられるガイドベーンは、静翼であるステーベーンと動翼であるランナの間に環状に配置された複数の羽根であり、下流側に流れる水の流量を調整するものである。
【０００３】
水車におけるガイドベーンは、水を効率的に加速してランナに導くとともに、ランナに導く水の流量を調整して水車の出力を調整する役割を有している。こうした水車に用いられるガイドベーンは、ステーベーンからランナに至る流路を形成する２つの壁面（例えば、上シートライナと下シートライナ）の間に収納され、回転軸と連結されて回転可能に設けられている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】実開昭６０−８８０８２号公報
【非特許文献１】Abrasive Erosion & Corrosion of Hydraulic Machinery（編集者：C.G.Duan、V.Y.Karelin、出版社：Imperial College Press)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水力機械におけるガイドベーンの先端近傍では、流路の壁面付近をガイドベーンに向かって流れてきた水流が、ガイドベーンの先端に衝突し、角度を変えて流路壁面に衝突する。また、同様に、ガイドベーンのつば近傍では、ガイドベーン間を通過して、流路の壁面に沿って流れてきた水流が、ガイドベーンのつば先端に衝突する。このとき、流れの中に土砂等の硬質な粒子が混入していると、それらが壁面近傍のガイドベーン先端部、ガイドベーンの先端部近傍の流路壁面、およびガイドベーンつばに摩耗を生じさせる場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、壁面近傍のガイドベーン先端部やガイドベーンが収納された流路壁面やガイドベーンのつば部分の摩耗を低減するための構造を有する水力機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、ステーベーンからガイドベーンに至る流路を形
成する２つの壁面（例えばスピードリングやシートライナ）を、ガイドベーンの上流で壁
面間の距離をガイドベーン高さより小さくなるように形成するものである。また、対向する２つの壁面間の距離が拡大し、前記回転軸方向のガイドベーン長さより大きくなる半径方向の位置は、前記ガイドベーンが全開したときの半径方向位置より上流側とした。また、本発明は、ガイドベーンが可動する領域を挟む壁面に対して、ガイドベーン上流部部分に角度を変化させた部分を設け、水車運転時の上流方向から下流方向にかけて壁面間の距離が段階的に小さくなるよう形成したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガイドベーンが収納された流路において、ガイドベーンを挟む２つの壁面間の中心付近の流速を増速させ、逆に壁面付近の流速を減速させることができるので、壁面近傍のガイドベーン先端部、ガイドベーンの先端部近傍の流路壁面、および、ガイドベーンつばに土砂等の粒子が衝突する力を低減でき、これらの摩耗を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施の形態に係る縦軸遠心型水車の概略図である。なお、図中の矢印は水流方向を示す。
【００１１】
この図に示す縦軸遠心型水車は、水流によって回転されるランナ１と、ランナ１から軸駆動力が伝達される主軸２と、ランナ１を回転させるための水が流通するケーシングとそれに連結しているスピードリング３と、ケーシングおよびスピードリング３からの水をランナ１の方向へ導く流路にあり整流するためのステーベーン４と、ステーベーン４からランナ１へ流入する水量を調整するガイドベーン２０と、ランナ１を通過した水が排出されるドラフトパイプ５を備えている。
【００１２】
ランナ１は、ランナクラウン６と、ランナシュラウド７と、ランナベーン８を備えている。ランナクラウン６は、ランナシュラウド７の上方（主軸２側）に設けられており、所定の間隔を介してランナシュラウド７と対向して配置されている。ランナベーン８は、ガイドベーン２０を介して流入する水によって回転される動翼で、ランナクラウン６とランナシュラウド７の間に複数設けられている。ランナクラウン６の上方にはランナ１を覆うように上カバー９が設けられており、上カバー９の流路側にはガイドベーン２０を覆うように上シートライナ１１が設けられており、ランナシュラウド７の下方にはランナ１を覆うように下カバー１０が設けられており、下カバー１０の流路側にはガイドベーン２０を覆うように下シートライナ１２が設けられている。
【００１３】
図２は本発明における第１の実施の形態であるガイドベーンとガイドベーンを挟む流路壁面、およびその近傍の断面図である。なお、先の図と同じ部分には、同じ符号を付して説明を省略する（後の図においても同様とする）。また、説明を簡略化するため、特に符号のつけていない部分は上下同じ形状であり、符号を省略する（後の図においても同様とする）。
【００１４】
この図に示す水車は、ステーベーン４，スピードリング３，上シートライナ１１と、下シートライナ１２と、つば部１８によって回転軸１９と連結されたガイドベーン２０を備えている。
【００１５】
上シートライナ１１及び下シートライナ１２は、ステーベーン４からランナ１に至る流路を形成する環状の部材であり、ガイドベーンを挟んで対向して設けられている。
【００１６】
ガイドベーン２０は、上シートライナ１１と下シートライナ１２の間に間隙（サイドギャップ）を介して複数収納されており、つば部１８を介して回転軸１９と連結されて回転可能に設けられている。つば部１８は、回転軸１９からの軸駆動力をガイドベーン２０に伝達するもので、ガイドベーン２０の上シートライナ１１側及び下シートライナ１２側にそれぞれ設けられている。回転軸１９は、その回転軸心２５が上シートライナ１１及び下シートライナ１２に垂直に交わるように、つば部１８を介してガイドベーン２０に取り付けられている。回転軸１９を回転させると、つば部１８を介して伝達される軸駆動力によってガイドベーン２０が回転軸心２５を中心に回転され、ガイドベーン２０の開度に応じて下流側（本実施の形態ではランナ１）に流れる水の流量が調整される。ガイドベーン２０は回転軸心２５を中心に回転できるように、上シートライナ１１及び下シートライナ１２との間に間隙（サイドギャップ）を設けている。
【００１７】
上シートライナ１１と下シートライナ１２には、ガイドベーン２０の回転軸１９が挿入される貫通孔１５が設けられており、この貫通孔１５の位置から上流側（即ち、ステーベーン４側）には段差部１６が、下流側には段差部１７が設けられている。この段差部１６，１７は、振動などでガイドベーン２０が回転方向以外に動いても、ガイドベーン２０の上流側及び下流側の端部がシートライナ１１，１２に接触しないようにするために設けられている。
【００１８】
また、上シートライナ１１と下シートライナ１２には、それぞれ絞り部１３，１４を有している。
【００１９】
絞り部１３，１４は、スピードリング３およびステーベーン４を通過した水流がガイドベーン２０に流入する際に、水流を上シートライナ１１，下シートライナ１２に挟まれた空間の高さ方向中心部に集中させるためのものであり、絞り部１３，１４は上シートライナ１１と下シートライナ１２の上流側に設けられている。本実施の形態における絞り部１３，１４は、上シートライナ１１及び下シートライナ１２のガイドベーン２０に対向する壁面とそれぞれ角度θ1を成すように設置されている。
【００２０】
次に、絞り部１３，１４の具体的な形状について、以下に説明する。図３は絞り部１３，１４付近を模式的に示した拡大図である。
【００２１】
図３において、ステーベーン出口高さＨ1は、ステーベーン４を挟むスピードリング３の流路側壁面間距離を示している。絞り部高さＨ2は、絞り部１３，１４間が最小となる距離を示している。ガイドベーン入口流路高さＨ3は、ガイドベーン２０入口付近の上シートライナ１１と下シートライナ１２の流路側壁面間距離を示している。ガイドベーン高さＨ4は、ガイドベーン２０の上端面から下端面までの距離を示している。絞り部距離Ｘ1は、絞り部１３，１４の径方向の距離を示している。すなわち、ステーベーン出口高さＨ1から角度θ1で変化し始めた径方向位置から、絞り部高さＨ2に達する径方向位置を過ぎて、再度拡大してガイドベーン入口流路高さＨ3になる位置までの径方向の距離を示している。また、距離Ｘ2は、シートライナ上流端位置から、ガイドベーン２０の最大開度における先端位置までの径方向の距離を示している。
【００２２】
ここで、絞り部距離Ｘ1は、ガイドベーン２０の開閉によって絞り部１３，１４と当らないように距離Ｘ2より短く形成されている。また、絞り部高さＨ2は、ガイドベーン入口流路高さＨ3より小さく形成されている。
【００２３】
なお、絞り部１３，１４において角度θ1で形成される壁面２１は縦断面で見て直線になっており、ステーベーン出口高さＨ1から絞り部高さＨ2まで単調に減少するよう形成されているが、壁面２１が曲線状に形成されてもよい。また、絞り部１３，１４において、絞り部高さＨ2となる位置２２は縦断面で見て鋭角な頂点になるよう形成されているが、曲線状に形成されても勿論よい。
【００２４】
ところで、土砂濃度一様な場合の摩耗速度を摩耗率Ｅｒと定義すると、非特許文献１より数式（１）のように表すことができる。ここで、Ａ：材料による係数，Ｖp：粒子の流速，ｆ(β)：粒子の壁面への入射角βに関する衝突角度係数であり、炭素鋼壁面に衝突する土砂粒子の例として数式（２）を表す。なお、数式（２）を利用する際の衝突角度βの単位は「ラジアン」であるが、カッコ内に示す衝突角度βの範囲は「度」で示している。
【００２５】
【数１】
0005021418.tif 000002
【００２６】
【数２】
0005021418.tif 000003
【００２７】
ここで、図４は上記式（１）の衝突角度βに、０度から９０度までに相当する数値を代入し、摩耗関数ｆ(β)を計算した結果をグラフにしたものである。図中の横軸は硬質粒子の金属材料への衝突角度βを、縦軸は摩耗関数ｆ(β)を表す。図４に示すように、摩耗関数ｆ(β)は衝突角度４０度付近で最大となる。
【００２８】
数式（１）に示すように、硬質粒子による壁面の摩耗を低減するためには、できるだけ粒子の流速を小さくすることが最も有効な対策である。また衝突角度を小さくすることも有効な対策となる。
【００２９】
次に本実施の形態の作用及び効果を説明する。
【００３０】
まず、本実施の形態の効果の理解を容易にするために、比較例について説明する。
【００３１】
図５は本発明の実施の形態の比較例であるステーベーンとガイドベーンとその近傍の断面図である。図６は本発明の実施の形態の比較例であるガイドベーンとシートライナとの間隙部分における水平断面図である。
【００３２】
図５に示す上シートライナ５１と下シートライナ５２は、上記の第１の実施の形態と異なり、ガイドベーン２０の上流側に絞り部を有していない。このようなシートライナ５１，５２に対してステーベーン４を通過してきた水流４０がやってくると、シートライナ５１，５２付近をシートライナ５１，５２と平行に流れてくる水流４１は、比較的大きな流速で、翼端部２８によって方向を転換してガイドベーン２０とシートライナ５１，５２との間隙に潜り込もうとする水流４２となる。図６は、水流４２がガイドベーン２０とシートライナ５１または５２との間隙に潜り込み、間隙から出るまでの様子を模式的に示した図である。水流４２がガイドベーン２０の翼端部２８に衝突し、ガイドベーン２０とシートライナ５１または５２との間隙に潜ると、圧力差によって、シートライナ５１または５２の外周側５６から内周側５７の方向に流れが曲り、前述の間隙から抜ける。このとき、この水流４２に土砂等の硬質な粒子が混入していると、間隙に潜リ込む流れにより、図５の＋符号５５で示すように、シートライナ付近の翼端部２８や翼端部２８付近のシートライナ５１，５２に硬質粒子が比較的早い流速と大きい角度で衝突することで摩耗が発生する。また、ガイドベーンを通過する水流４３は、隣り合うガイドベーン同士によって形成される水の流れる空間が流れ方向に進むに従い狭くなるため、ガイドベーン入口付近より増速した流れとなる。ガイドベーンつば部１８は、隣り合うガイドベーン同士によって形成される流速の大きい領域に突出した形状である。そのため、シートライナ付近をシートライナと並行してくる水流４４により、比較的大きな流速でつば部１８に衝突する。同様に、この水流４４に土砂等の硬質な粒子が混入していると、図中の＋符号５５で示すように、つば部先端に硬質粒子による摩耗が発生する。
【００３３】
これに対して、図２に示す本実施の形態のシートライナ１１，１２は、上シートライナ１１及び下シートライナ１２のガイドベーン２０に対向する壁面とそれぞれ角度θ1を成し、絞り部高さＨ2に達するように絞り部１３，１４が形成されている。
【００３４】
このように構成したシートライナ１１，１２の絞り部１３，１４にステーベーン４を通過してきた水流３０がやってくると、スピードリング３と平行に流れてくる水流３１は、シートライナ１１，１２の絞り部１３，１４にあたり、流れ角度が変更し、水流３２のようになる。特に絞り部１３，１４の下流側では、水流３３のようなはく離による渦やよどんだ流れが発生する。これにより、水流３３がさらに下流に進行した水流３４は、流速分布が通過前の水流３０に比べて大きくなり、水流３５のようにシートライナ付近の流速は小さくなる。これら水流３３や水流３５の流れによって、翼端部２８やつば部１８に衝突する流速が小さくなるので、シートライナ１１，１２付近の翼端部２８、翼端部２８付近のシートライナ１１，１２、およびガイドベーンのつば部１８の摩耗量を小さくすることができる。
【００３５】
ここで、絞り部１３，１４自体も水流３１によって摩耗するが、絞り部１３，１４が設置されている位置はガイドベーン２０の上流側であり径の大きい位置であるため、絞り部１３，１４付近での水流の流速はガイドベーン２０付近の水流の流速に比べて小さいため、絞り部１３，１４の摩耗量は小さい。また、翼端部２８付近のシートライナ１１，１２の厚みと比較して、シートライナ１１，１２の絞り部１３，１４は厚く形成されているため、仮に摩耗しても十分な厚みは確保されていることから、絞り部１３，１４自体の摩耗によって補修周期が短くなることはない。
【００３６】
以上のように、シートライナ１１，１２の絞り部１３，１４によれば、シートライナ１１，１２付近の翼端部２８やガイドベーンのつば部１８への流速を小さくすることができるので、水流に含まれた硬質粒子がシートライナ１１，１２付近の翼端部２８や翼端部２８付近のシートライナ１１，１２，ガイドベーンのつば部１８の摩耗を低減することができる。
【００３７】
次に本発明における第２の実施の形態について説明する。
【００３８】
図７は本発明の第２の実施の形態であるガイドベーンとガイドベーンを挟む流路壁面、およびその近傍の断面図である。本実施の形態のステーベーン４とガイドベーン２０を挟む流路壁面は、ステーベーン４を挟むスピードリング６０の形状が、第１の実施の形態のものと大きく異なっている。
【００３９】
スピードリング６０は、ステーベーン４を上下に挟んで流路を形成する環状の部材である。また、スピードリング６０には、スピードリング絞り部６１を有している。
【００４０】
スピードリング絞り部６１は、ステーベーン４およびスピードリング６０を通過する水流がガイドベーン２０に流入する際に、水流を上シートライナ５１，下シートライナ５２に挟まれた空間の高さ方向中心部に集中させるためのものであり、本実施の形態におけるスピードリング絞り部６１は、上シートライナ５１及び下シートライナ５２のガイドベーン２０に対向する壁面とそれぞれ角度θ2を成すように形成されている。
【００４１】
次に、スピードリング絞り部６１の具体的な形状について、以下に説明する。図８は絞り部１３，１４付近を模式的に示した拡大図である。
【００４２】
図８において、ステーベーン出口高さＨ5は、ステーベーン４を挟むスピードリング６０の流路側壁面間距離を示しており、スピードリング絞り部６１間が最小となる距離を示している。ガイドベーン入口流路高さＨ3は、ガイドベーン２０入口付近の上シートライナ１１と下シートライナ１２の流路側壁面間距離を示している。ガイドベーン高さＨ4は、ガイドベーン２０の上端面から下端面までの距離を示している。絞り部高さＨ5は、ガイドベーン入口流路高さＨ3より小さく形成されている。
【００４３】
なお、スピードリング絞り部６１において角度θ2で形成される壁面６２は縦断面で見て直線になっており、ステーベーン出口高さＨ5まで単調に減少するよう形成されているが、壁面６２が曲線状に形成されてもよい。また、スピードリング絞り部６１において、絞り部高さＨ5となる位置６３は縦断面で見て鋭角な頂点になるよう形成されているが、曲線状に形成されても勿論よい。
【００４４】
上記のように構成されるスピードリング６０によれば、第１の実施の形態と同様に、スピードリング絞り部６１にステーベーン４を通過してきた水流７０がやってくると、スピードリング絞り部６１にあたり、流れ角度が変更し、水流７１のようになる。特にスピードリング絞り部６１の下流側では、水流７２のようなはく離による渦やよどんだ流れが発生する。これにより、水流７１がさらに下流に進行した水流７３は、流速分布が通過前の水流７０に比べて大きくなり、水流７４のようにシートライナ付近の流速は小さくなる。これら水流７２や水流７４の流れによって、翼端部２８やつば部１８に衝突する流速が小さくなるので、翼端部２８や翼端部２８付近のシートライナ５１，５２やガイドベーンつば部１８の摩耗量を小さくすることができる。
【００４５】
以上のように、スピードリング絞り部６１によれば、翼端部２８やガイドベーンつば１８への衝突流速を小さくすることができるので、水流に含まれた硬質粒子が翼端部２８やシートライナ５１，５２，ガイドベーンつば部１８の摩耗を低減することができる。
【００４６】
また、以上では、縦軸の遠心型水車を例に挙げて説明したが、この他にも、横軸の遠心水車にも適用することができる。さらに、上記では、絞り部１３，１４を有するシートライナ１１，１２が設けられた水車を例に挙げて説明したが、この他にも、絞り部１３，１４の無いシートライナや、シートライナが無く、上カバー９及び下カバー１０のみで構成されている水力機械に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態に係るガイドベーンを備える水車の概略図。
【図２】本発明の第１の実施の形態であるガイドベーンとその近傍の断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態であるガイドベーンにおける整流部付近を模式的に示した拡大図。
【図４】摩耗関数ｆ(β)に０度から９０度に相当する数値を代入した結果を示すグラフ。
【図５】本発明の実施の形態の比較例であるガイドベーンとその近傍の断面図。
【図６】本発明の実施の形態の比較例であるガイドベーンとシートライナとの間隙部分における水平断面図。
【図７】本発明の第２の実施の形態であるガイドベーンとその近傍の断面図。
【図８】本発明の第２の実施の形態であるガイドベーンにおける整流部付近を模式的に示した拡大図。
【符号の説明】
【００４８】
１  ランナ
３  スピードリング
４  ステーベーン
９  上カバー
１０  下カバー
１１  シートライナ（上シートライナ）
１２  シートライナ（下シートライナ）
１３  絞り部（上シートライナ絞り部）
１４  絞り部（下シートライナ絞り部）
１８  つば部
１９  回転軸
２０  ガイドベーン
２５  回転軸心
２８  翼端部（ガイドベーン入口先端）
６０  スピードリング
６１  スピードリング絞り部
【図１】
0005021418.tif 000004
【図２】
0005021418.tif 000005
【図３】
0005021418.tif 000006
【図４】
0005021418.tif 000007
【図５】
0005021418.tif 000008
【図６】
0005021418.tif 000009
【図７】
0005021418.tif 000010
【図８】
0005021418.tif 000011