(57)【要約】【課題】効率向上を図ることができる形状をもったガイドベーンを含むバルブ水車を提供する。【解決手段】バルブ水車１０はバルブ７と、バルブ７に設けられたランナ９と、バルブ７周囲に配置されたガイドベーン１とを備えている。ガイドベーン回転軸４が、ランナ回転軸３と交わる点をＯ、ガイドベーン回転軸４とガイドベーン周縁との交線上でＯからの距離が最小となる点をＯＢ、ガイドベーン回転軸とガイドベーン周縁との交線上でＯからの距離が最大となる点をＯＴとし、  かつ点Ｏと点ＯＢとを結んだ線分の長さをＲＢ、点Ｏと点ＯＴとを結んだ線分の長さをＲＴとするとき、  点Ｏを中心とする半径ＲＢの球面上においてガイドベーンの入口端と出口端とを結んだ長さＬＢと、点Ｏを中心とする半径ＲＴの球面上においてガイドベーンの入口端と出口端とを結んだ長さＬＴとの間に、    ＬＢ／ＲＢ  ＞ＬＴ／ＲＴの関係が成り立つ。【選択図】図１
2009185731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブと、
バルブに回転自在に保持されたランナと、
バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、
ガイドベーン回転軸が、ランナ回転軸と交わる点をＯ、ガイドベーン回転軸とガイドベーン周縁との交線上でＯからの距離が最小となる点をＯＢ、ガイドベーン回転軸とガイドベーン周縁との交線上でＯからの距離が最大となる点をＯＴとし、
かつ点Ｏと点ＯＢとを結んだ線分の長さをＲＢ、点Ｏと点ＯＴとを結んだ線分の長さをＲＴとするとき、
点Ｏを中心とする半径ＲＢの球面上においてガイドベーンの入口端と出口端とを結んだ長さＬＢと、点Ｏを中心とする半径ＲＴの球面上においてガイドベーンの入口端と出口端とを結んだ長さＬＴとの間に、
ＬＢ／ＲＢ  ＞  ＬＴ／ＲＴ
の関係が成り立つことを特徴とする、バルブ水車。
【請求項２】
バルブと、
バルブに回転自在に保持されたランナと、
バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、
ランナ側からランナ回転軸方向にガイドベーン出口端を見たときに、ガイドベーン出口端の少なくとも一部が、ランナ回転軸中心とガイドベーン出口端の最内径部を結んだ直線に対して、ランナ回転方向の反対側に位置することを特徴とする、バルブ水車。
【請求項３】
バルブと、
バルブに回転自在に保持されたランナと、
バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、
ガイドベーン入口端の少なくとも一部が、ガイドベーンの最内径側の入口端を通る流路に垂直な断面に対して、下流側に位置することを特徴とする、バルブ水車。
【請求項４】
バルブと、
バルブに回転自在に保持されたランナと、
バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、
少なくとも一枚のガイドベーンは、他のガイドベーンと異なる形状を有することを特徴とする、バルブ水車。
【請求項５】
ガイドベーン全閉時にガイドベーン負圧面とその隣に位置するガイドベーン出口端部とが接してシャッター面が形成され、
ガイドベーン負圧面側では、シャッター面より上流側において、
ＬＢ／ＲＢ  ＞  ＬＴ／ＲＴ
の関係が成り立つことを特徴とする、請求項１記載のバルブ水車。
【請求項６】
ガイドベーンの上流に複数枚のステーベーンが配置され、
任意の一枚のステーベーンの出口端部をランナ回転軸の方向に流路に沿って下流に延長した平面をＰとし、ガイドベーン回転軸がランナ回転軸と交わる点Ｏを中心とする任意の半径で定義される球断面上でガイドベーン回転軸が平面Ｐを挟んで隣り合って存在する２つのガイドベーンのうち、平面Ｐから見てランナの回転方向側に位置する一方のガイドベーンの中心軸をＸＡ、ガイドベーン入口端をＶＡとし、他方のガイドベーンの中心軸をＸＢ、ガイドベーン入口端をＶＢとしたとき、それぞれのガイドベーン回転軸を結んだ直線ＬＡＢと線分ＶＡＸＡとで定義される角度θＡと、直線ＬＡＢと線分ＶＢＸＢとで定義される角度をθＢとするとき、
θＡ  ＞  θＢ
となることを特徴とする、請求項４記載のバルブ水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低落差、大流量の使用条件で用いられるバルブ水車に係り、とりわけ水力効率を向上させることができるバルブ水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
低落差・大流量の使用条件で主に適用される軸流水車には、バルブ水車をはじめとして発電機を流水路内に設置した構造を持つものがある。このような水車の典型的な例として、横軸バルブ水車がある。横軸バルブ水車は、発電機を納めたたまご型をしたバルブと呼ばれる構造物が、複数のステーベーンによって流路内に固定されている。バルブ内部では水車のタービンであるランナと主軸がカップリングされている。またランナ周囲にガイドベーンが配置されている。
【０００３】
ガイドベーンは、流量を調整するという機能から、ある角度で全閉となって水が流れないように設計されている。そのため従来は、図１２に示すように、ランナのランナ回転軸３とガイドベーン１のガイドベーン回転軸４との交点Ｏを中心とした球面を考えたとき、この点Ｏからある半径位置で定義されたガイドベーン１の断面形状を元にして、点Ｏから放射線上に形状を拡大または縮小することによってガイドベーン１の翼面形状を定義している。
【０００４】
図１２において、ガイドベーン１はガイドベーン入口端５とガイドベーン出口端６とを有している。またガイドベーン回転軸４とガイドベーン１の周縁との交線上で点Ｏからの距離が最小となる点をＯＢ、ガイドベーン回転軸４とガイドベーン１の周縁との交線上で点Ｏからの距離が最大となる点をＯＴとしている。また点Ｏと点ＯＢとの線分の長さはＲＢ、点Ｏと点ＯＴとの線分の長さはＲＴとなっている。点Ｏを中心とする半径ＲＢの球面上でガイドベーン１の入口端５と出口端６とを結んだ長さＬＢ、点Ｏを中心とする半径ＲＴの球面上でガイドベーン１の入口端５と出口端６とを結んだ長さはＬＴとなっている。
【０００５】
図１３は、このようにして設計されたガイドベーン１が全閉状態であるときに、点Ｏを中心とした任意の半径の球面上でガイドベーン１の断面図を展開した模式図である。通常、ガイドベーン１は、ある角度において隣り合うガイドベーン１とシャッター面２で接するように設計されている。ここで点Ｏを中心とした任意の半径において、ガイドベーンの断面形状はこの図１３に示される形状と相似になるため、容易に全閉状態が達成され、水の流れを停止することができる。
【０００６】
このようにガイドベーンの全閉状態を実現しつつ、ガイドベーンの回転軸方向に対してガイドベーン断面形状を非相似にすることで水車性能の改善を図る技術が開発されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１２０５２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このようにして設計された従来技術のバルブ水車のガイドベーンでは、次に述べる問題によって発生する損失のため、水力効率の低下を招いている。
【０００８】
すなわち、従来技術において、点Ｏを中心とした球面とガイドベーン１とで形成される断面のうち、バルブ７に近い内周側（ボス側という）の断面（図１４（ａ））と、バルブと相対する流水面を形成する外周側（チップ側という）の断面（図１４（ｂ））とを比較したとき、ガイドベーン断面形状は相似している。従って、流れが翼に沿って流れていると仮定するならば、ガイドベーン入口側におけるボス側の流入角度α１Ｂとチップ側の流入角度α１Ｔは一致し、出口側でも同様にボス側の流出角度α２Ｂとチップ側の流出角度α２Ｔは一致する。つまりガイドベーン入口側から出口側に至るまでの流れの角度の転向角βは、β＝α２Ｂ−α１Ｂ＝α２Ｔ−α１Ｔとなり、ボス側からチップ側にかけて同じであると考えられる。
【０００９】
また、主流方向の流れの速度については、主流は概ね流路に沿って流れるのでボス側からチップ側にかけて大きな違いは無いと考えられる。そのため、点Ｏからの距離が近いボス側ではガイドベーンの長さが相対的に短いため、チップ側に比べて相対的に短い距離で流れの角度をβだけ転向させなければならず、ボス側負圧面で流れが剥離しやすくなって、水力損失が増大してしまう。
【００１０】
一方、ボス側に比べて相対的にガイドベーンの長さが長いチップ側では、流れの転向角βに対して必要以上に羽根が長いため、摩擦損失の増大を招いてしまう。
【００１１】
このように、容易に全閉状態を達成することができるよう回転軸方向に対して相似な断面形状として設計された従来のバルブ水車のガイドベーンでは、流れに対して、ボス側とチップ側それぞれで翼形状のバランスが取れておらず、十分な水力損失の低減が図られていないという問題がある。
【００１２】
そこで本発明では、バルブ水車のガイドベーンで発生する摩擦損失を低減すると共に、ボス側での流れの剥離を抑制することで、水力効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、バルブと、バルブに回転自在に保持されたランナと、バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、ガイドベーン回転軸が、ランナ回転軸と交わる点をＯ、ガイドベーン回転軸とガイドベーン周縁との交線上でＯからの距離が最小となる点をＯＢ、ガイドベーン回転軸とガイドベーン周縁との交線上でＯからの距離が最大となる点をＯＴとし、かつ点Ｏと点ＯＢとを結んだ線分の長さをＲＢ、点Ｏと点ＯＴとを結んだ線分の長さをＲＴとするとき、点Ｏを中心とする半径ＲＢの球面上においてガイドベーンの入口端と出口端とを結んだ長さＬＢと、点Ｏを中心とする半径ＲＴの球面上においてガイドベーンの入口端と出口端とを結んだ長さＬＴとの間に、
ＬＢ／ＲＢ  ＞  ＬＴ／ＲＴ
の関係が成り立つことを特徴とする、バルブ水車である。
【００１４】
本発明は、バルブと、バルブに回転自在に保持されたランナと、バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、ランナ側からランナ回転軸方向にガイドベーン出口端を見たときに、ガイドベーン出口端の少なくとも一部が、ランナ回転軸中心とガイドベーン出口端の最内径部を結んだ直線に対して、ランナ回転方向の反対側に位置することを特徴とする、バルブ水車である。
【００１５】
本発明は、バルブと、バルブに回転自在に保持されたランナと、バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、ガイドベーン入口端の少なくとも一部が、ガイドベーンの最内径側の入口端を通る流路に垂直な断面に対して、下流側に位置することを特徴とする、バルブ水車である。
【００１６】
本発明は、バルブと、バルブに回転自在に保持されたランナと、バルブ周りに放射状に配置された複数枚のガイドベーンとを備え、少なくとも一枚のガイドベーンは、他のガイドベーンと異なる形状を有することを特徴とする、バルブ水車である。
【００１７】
本発明は、ガイドベーン全閉時にガイドベーン負圧面とその隣に位置するガイドベーン出口端部とが接してシャッター面が形成され、ガイドベーン負圧面側では、シャッター面より上流側において、
ＬＢ／ＲＢ  ＞  ＬＴ／ＲＴ
の関係が成り立つことを特徴とする、バルブ水車である。
【００１８】
本発明は、ガイドベーンの上流に複数枚のステーベーンが配置され、任意の一枚のステーベーンの出口端部をランナ回転軸の方向に流路に沿って下流に延長した平面をＰとし、ガイドベーン回転軸がランナ回転軸と交わる点Ｏを中心とする任意の半径で定義される球断面上でガイドベーン回転軸が平面Ｐを挟んで隣り合って存在する２つのガイドベーンのうち、平面Ｐから見てランナの回転方向側に位置する一方のガイドベーンの中心軸をＸＡ、ガイドベーン入口端をＶＡとし、他方のガイドベーンの中心軸をＸＢ、ガイドベーン入口端をＶＢとしたとき、それぞれのガイドベーン回転軸を結んだ直線ＬＡＢと線分ＶＡＸＡとで定義される角度θＡと、直線ＬＡＢと線分ＶＢＸＢとで定義される角度をθＢとするとき、
θＡ  ＞  θＢ
となることを特徴とする、バルブ水車である。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明によれば、ガイドベーンで発生する摩擦損失を低減するとともに、ボス側での流れの剥離を制御することができる。このため水力効率の良好なバルブ水車を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
第１の実施の形態
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１乃至図２および図１１は、本発明によるバルブ水車の第１の実施の形態を示す図である。まず図１１によりバルブ水車の概略について説明する。
【００２２】
図１１は横軸バルブ水車を示す子午面図である。図１１に示すように横軸バルブ水車１０は、流路１０Ａ内に設置されている。このような横軸バルブ水車１０は流路１０Ａ内に、複数のステーベーン８によって固定され、内部に発電機を収納したたまご型のバルブ７と、バルブ７に回転自在に保持された複数のランナ９と、バルブ７の周りに放射状に配置された複数のガイドベーン１とを備えている。
【００２３】
このうちランナ９は、そのランナ回転軸３の周囲に回転する。そしてランナ９の回転は、バルブ７内においてカップリング（図示せず）を介してバルブ７の主軸（図示せず）に伝達される。
【００２４】
図１１において上池から流れてきた水は、流路１０Ａ内に流入し、バルブ７およびステーベーン８の周りを通り、流量を調整するガイドベーン１を抜け、ランナ９を回転させる。このときランナ９はランナ回転軸３の周りを回転し、ランナ９の回転によりバルブ７内に収納された発電機が駆動して発電が行なわれる。
【００２５】
ところで、ランナ回転軸３の周りに放射状に設置された複数のガイドベーン１は、ガイドベーン回転軸４の周りで回転できるように流路１０Ａ内に設置されており、全てのガイドベーン１は、ガイドベーン１の外周に位置するゲートリングとの間に設けられたリンク機構（図示せず）により連動して同一姿勢を保持しながら回転する。このことによりランナ９に対する水の流入角度と流量を適正に調節する仕組みとなっている。またガイドベーン１は、流量を調整するというその機能から、ある角度で全閉となって水が流れないように設計されている。
【００２６】
次に横軸バルブ水車１０のガイドベーン１の構成を図１および図２により詳述する。
【００２７】
図１は、バルブ水車１０のガイドベーン１を示しており、ガイドベーン１はガイドベーン回転軸４を含む面上に示されている。
【００２８】
図１においてガイドベーン１はガイドベーン入口端５とガイドベーン出口端６とを有している。またガイドベーン回転軸４とガイドベーン１の周縁との交線上で点Ｏからの距離が最小となる点（ボス側の点）をＯＢ、ガイドベーン回転軸４とガイドベーン１の周縁との交線上で点Ｏからの距離が最大となる点（チップ側の点）をＯＴとしている。
【００２９】
また点Ｏと点ＯＢとの線分の長さはＲＢ、点Ｏと点ＯＴとの線分の長さはＲＴとなっている。
【００３０】
ガイドベーン回転軸４とランナ回転軸３との交点をＯとし、点Ｏを中心とする半径ＲＢの球面とガイドベーンとの断面におけるガイドベーン入口端５とガイドベーン出口端６との距離（ボス側の羽根長さ）をＬＢとし、点Ｏを中心とする半径ＲＴの球面とガイドベーン１との断面におけるガイドベーン入口端５とガイドベーン出口端６との距離（チップ側の羽根長さ）をＬＴとしたとき、
ＬＢ／ＲＢ  ＞  ＬＴ／ＲＴ
となっている。
【００３１】
図１２に示す従来技術において、ガイドベーン１の形状は、ＬＢ／ＲＢ＝ＬＴ／ＲＴとなっている。このため図１に示す本願発明においては、ＬＢとＬＴを羽根の長さを表す代表寸法と考えると、従来技術に比べてボス側の羽根長さＬＢはチップ側の羽根長さＬＴよりも相対的に長くなっている。
【００３２】
次に図１および図２によりバルブ水車のガイドベーンの作用について述べる。
【００３３】
図１および図２に示すように、ガイドベーン１は、ある回転角度において、それぞれ隣接するガイドベーン１の出口端６とシャッター面２とが接して全閉状態となる。この場合、本発明によれば、従来技術に比べてガイドベーン１のボス側の羽根長さＬＢを長くすることができ、このことによってボス側負圧面の急激な圧力低下を軽減して流れの剥離を抑制することができる。またガイドベーン１のチップ側の羽根長さＬＴを最小限の長さとすることができ、このことによって適度な負荷を持たしながら摩擦損失の低減を図ることができる。
【００３４】
ここで図２（ａ）は従来技術におけるガイドベーン負圧面における圧力分布を示し、図２（ｂ）は本発明におけるガイドベーン負圧面における圧力分布を示している。
【００３５】
図２（ａ）に示す従来技術のガイドベーン１では、ボス側の等圧線の間隔が密で急激な圧力低下が見られるが、チップ側は等圧線の間隔が疎で負荷に余裕のある分布となっており、流路のボス側からチップ側にかけて不均一な分布となっている。これに対して図２（ｂ）に示す本発明のガイドベーン１では、ボス側からチップ側に向う圧力分布が均一化されている。
【００３６】
このように本実施の形態によれば、ガイドベーン１において、ボス側での圧力低下が緩和されたことによって流れの剥離が抑制される。またチップ側の羽根の長さを短くすることによって摩擦損失が低減されるので、水力効率の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
第２の実施の形態
以下、図３および図４により本発明によるバルブ水車の第２の実施の形態について説明する。図３および図４に示す第２の実施の形態において、図１乃至図２および図１１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を符して詳細な説明は省略する。
【００３８】
図３は、ガイドベーン１の下流に位置するランナ９側からランナ回転軸３の方向を見た図である。点Ｏからボス側最内径のガイドベーン出口端６を通る放射線に対して、ボス側からチップ側にかけてのガイドベーン出口端６の少なくとも一部が、ランナ回転方向と反対側に位置している。
【００３９】
このように構成された本発明の第２の実施形態によれば、当該ガイドベーン１のガイドベーン出口端６の形状を変化させることによって、当該ガイドベーン１のガイドベーン出口端６と隣のガイドベーン１の負圧面との間で形成されるポートの大きさや出口流出角度を自由に変化させることができる。このためガイドベーン１間の流路部における流れをボス側よりもチップ側で多く流れるようにすることができる。これによりボス側の流速が小さくなり、ボス側負圧面の圧力低下が軽減され、かつチップ側では流速が大きくなり、ガイドベーン１の負圧面の圧力が適度に低下する。
【００４０】
このことにより、ボス側からチップ側にかけて、ガイドベーン負圧面の圧力分布を均等化することができる。また、ガイドベーン１のガイドベーン出口端６におけるボス側からチップ側にかけての流速分布を変化させることにより、ランナ９に対する流れを変化させることができ、ランナ９へ流入する流れの適正化を図ることもできる。
【００４１】
ここで図４（ａ）は、ランナ回転軸３を中心とするある半径位置でのランナ９の球断面を展開した模式図である。図４（ａ）に示すように回転しているランナに固定された回転場において、ランナ９の入口で軸方向速度Ｖｚと周方向速度Ｖｔｈから決まるランナへの流れの流入角度αｉｎが定まる。
【００４２】
また図４（ｂ）は、従来技術のガイドベーン１と本発明のガイドベーン１との間で、周方向に平均化された流れから求めたαｉｎの分布を比較した図である。
【００４３】
図４（ｂ）において、横軸はランナ回転軸４からの半径位置であり、縦軸はランナに対する相対流入角度である。バルブ水車をはじめとする軸流水車では、ボス側からチップ側にかけて、ランナ９入口端の周方向速度が半径に比例して大きく変化するため、ランナに対する流入角度αｉｎも、ボス側からチップ側にかけて大きく変化する。そのため、ランナ９入口の羽根角度も流れの変化に合わせてボス側からチップ側にかけて大きく変化させる必要がある。
【００４４】
本発明のガイドベーン１によれば、ガイドベーン１から流出する流れを適当に調整することができ、これによりランナ９への流れの流入角度αｉｎを適正化することもできる。またガイドベーンにおける水力損失の低減だけで無く、ランナ９での水力損失低減やキャビテーション性能の改善を図ることも可能となる。
【００４５】
第３の実施の形態
次に図５により本発明によるバルブ水車の第３の実施の形態について説明する。図５に示す第３の実施の形態において、図１乃至図２および図１１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を符して詳細な説明は省略する。
【００４６】
従来技術では、ガイドベーン１の入口端は、点Ｏからガイドベーン最内径部の入口端を通る放射線上に位置するが、本願発明では、ガイドベーン１の入口端５の少なくとも一部が、ガイドベーン１の入口端５の最内径部を通る、流路１Ａに垂直な断面よりも下流に位置している。
【００４７】
図５において、ガイドベーン１の入口端５のボス側がチップ側に比べて流路の上流側に位置している。ガイドベーン１付近の流路は、上流側からランナ９に向けて流れが増速するよう流路断面積が徐々に小さくなるように構成されている。このようにガイドベーン１の入口端５のボス側が上流側に移動したことで、ガイドベーン１のボス側を通る流速は相対的に小さくなり、その分、ボス側のガイドベーン１の負圧面における圧力低下が緩和される。
【００４８】
このため、ガイドベーン１の負圧面において、ボス側で発生しやすい急激な圧力低下に伴う剥離を抑制することができる。これにより水力損失の低減を図ることができ、水力効率の向上が可能となる。また、ガイドベーン１の負圧面での圧力分布をボス側からチップ側にかけて均一化することができる。
【００４９】
第４の実施の形態
次に図６および図７により本発明によるバルブ水車の第４の実施の形態について説明する。図６および図７に示す第４の実施の形態において、図１乃至図２および図１１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を符して詳細な説明は省略する。
【００５０】
図６に示すように、バルブ水車１０のランナ回転軸４周りに放射状に複数枚のガイドベーン１が配置され、このうち少なくとも一枚以上のガイドベーン１は、他のガイドベーン１と異なる形状をもつ。
【００５１】
図７は流路１０Ａに沿った仮想断面であり、ガイドベーン１とガイドベーン１の上流に存在する複数枚のステーベーン８との位置関係を示すとともに、それぞれのガイドベーン１に対する流れの流入角度が変化することを示している。
【００５２】
図６および図７において、流路１０Ａ内では、それぞれのガイドベーン１に対して異なる角度で流入する流れに対して、個々にガイドベーン１の抑え角度等の形状適正化を図ることができる。
【００５３】
その結果、流路１０Ａ内において周方向位置によって異なる流入流れに対して、ガイドベーン１の入口角度との不適正に起因するガイドベーン１の負圧面における流れの剥離を抑制することができる。また衝突損失も低減することができ、水力効率の向上を図ることが可能となる。
【００５４】
第５の実施の形態
次に図８により本発明によるバルブ水車の第５の実施の形態について説明する。図８に示す第５の実施の形態において、図１乃至図２および図１１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を符して詳細な説明は省略する。
【００５５】
図８において、ガイドベーン１の全閉時にガイドベーン１の負圧面と、その隣に位置するガイドベーン１の出口端部６とが接することによりシャッター面２が形成される。図８に示す本実施の形態においては、図１乃至図２および図１１に示す第１の実施の形態で説明した、ＬＢ／ＲＢ＞ＬＴ／ＲＴの関係式が、ガイドベーン１の負圧面側ではシャッター面２より上流側でのみ成り立っている。
【００５６】
本実施の形態によれば、図１２に示される従来技術と同様にして簡便に全閉状態を実現するガイドベーン形状を設計することができ、その上で部分的にガイドベーン１の入口端６側を短くすることにより、流れに対する抑え角度の適正化を図ることができる。
【００５７】
このため本実施の形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、羽根長さが短くなることによる摩擦損失の低減や、流れに対する抑え角の適正化による衝突損失の低減による水力効率の向上を図ることが可能となる。
【００５８】
第６の実施の形態
次に図９および図１０により本発明によるバルブ水車の第６の実施の形態について説明する。図９および図１０に示す第６の実施の形態は、図６および図７に示す第４の実施の形態において、ガイドベーンが特有の形状を有するものである。図９および図１０に示す第６の実施の形態において、図６および図７に示す第４の実施の形態と同一部分には同一符号を符して詳細な説明は省略する。
【００５９】
図９および図１０において、ガイドベーン１の上流に複数枚のステーベーン８が設けられている。このうち、任意の一枚ステーベーン８の出口端部をランナ回転軸３の方向に流路に沿って下流に延長した平面をＰとする。また、ガイドベーン回転軸４がランナ回転軸３と交わる点Ｏを中心とする任意の半径で定義される球断面上で、ガイドベーン回転軸３が平面Ｐを挟んで隣り合って存在する２つのガイドベーン１のうち、平面Ｐから見てランナの回転方向側に位置する一方のガイドベーン１の中心軸をＸＡ、ガイドベーン入口端をＶＡとする。また２つのガイドベーン１のうち他方のガイドベーン１の中心軸をＸＢ、ガイドベーン入口端をＶＢとする。
【００６０】
このとき各々のガイドベーン１のガイドベーン回転軸４を結んだ直線ＬＡＢと線分ＶＡＸＡとで定義される角度θＡと、直線ＬＡＢと線分ＶＢＸＢとで定義される角度をθＢとするとき、
θＡ  ＞  θＢ
となっている。
【００６１】
ここで図１０（ａ）は流路１０Ａに沿った仮想断面である。図１０（ａ）に示す断面内において各ガイドベーン１のガイドベーン回転軸４を結んだ線が示されている。各ガイドベーン回転軸４を結んだ線と平行な線を考える。このときこの平行な線と、流れとの間で形成される角度に関し、ステーベーン８から十分な距離が離れておりその影響をほとんど受けずにガイドベーン１に流入する流れの角度をα０、ステーベーン８の負圧面側付近を通ってガイドベーン１に流入する流れの角度をαｓｓ、ステーベーン８の圧力面側付近を通ってガイドベーン１に流入する流れの角度をαｐｓとするとき、
αｓｓ  ＜  α０  ＜  αｐｓ
の関係がある。このようにガイドベーン１に対する流入流れは、周方向の位置によって異なっている。
【００６２】
この関係について横軸を周方向位置、縦軸を流入角度として図示すると、図１０（ｂ）のようになる。図１０（ｂ）に示す模式図は、ステーベーン８が２枚である場合を例として示しており、ステーベーン８の下流付近では流れの角度が大きく変化している。このようにステーベーン８による影響を受けるガイドベーン１は、その下流に位置する２〜３枚程度のガイドベーン１である。通常バルブ水車１０では、ステーベーン８の枚数が２〜４枚程度に対してガイドベーンは１０から２０枚程度であるため、ステーベーン８の下流に位置する一部のガイドベーン１を対象として、このガイドベーン１の形状が上述したθＡ＞θＢの関係式を満たすようにする。このことにより、必要にして十分な枚数のガイドベーン１を対象に、流入する流れに合わせてガイドベーン１の抑え角度の適正化を図ることができる。
【００６３】
このことより、周方向位置によって異なる流入流れに対して、ガイドベーン１の入口角度との不適正に起因するガイドベーン負圧面における流れの剥離を抑制することができ、かつ衝突損失も低減され水力効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は本発明によるバルブ水車の第１の実施の形態によるガイドベーン形状を示す図。
【図２】図２（ａ）（ｂ）は本発明と従来技術のガイドベーン負圧面における圧力分布の比較を示す図。
【図３】図３は本発明によるバルブ水車の第２の実施の形態によるガイドベーン形状を示す図。
【図４】図４（ａ）（ｂ）はランナへの流れの流入角度αｉｎの定義、およびαｉｎの分布を示す図。
【図５】図５は本発明によるバルブ水車の第３の実施の形態によるガイドベーン形状を示す図。
【図６】図６は本発明によるバルブ水車の第４の実施の形態によるガイドベーン形状を示す図。
【図７】図７は本発明によるバルブ水車の第５の実施の形態によるガイドベーン形状を示す図。
【図８】図８は流路に沿った仮想断面におけるステーベーン付近とその下流の流線を示す概念図。
【図９】図９は本発明によるバルブ水車の第６の実施の形態によるガイドベーン形状を示す図。
【図１０】図１０（ａ）（ｂ）は本発明によるバルブ水車の第６の実施の形態を示す概念図、およびステーベーン下流における流れの角度分布の模式図。
【図１１】横軸バルブ水車の概略を示す図。
【図１２】従来のバルブ水車のガイドベーン形状を示す図。
【図１３】従来のバルブ水車のガイドベーンにおいて、全閉時の状態を示す図。
【図１４】従来のバルブ水車のガイドベーンにおいて、ボス側では流れが剥離しやすくなり、チップ側では摩擦損失が増大するという状態を示す図。
【符号の説明】
【００６５】
１：ガイドベーン
２：ガイドベーンのシャッター面
３：ランナ回転軸
４：ガイドベーン回転軸
５：ガイドベーン入口端
６：ガイドベーン出口端
７：バルブ
８：ステーベーン
９：ランナ
１０：バルブ水車
１０Ａ：流路
Ｏ：ランナ回転軸とガイドベーン回転軸との交点
ＯＢ：ガイドベーン回転軸とガイドベーンとで形成される交線上で、点Ｏからの距離が最小となる点
ＯＴ：ガイドベーン回転軸とガイドベーンとで形成される交線上で、点Ｏからの距離が最大となる点
ＲＢ：点Ｏと点ＯＢとの間の距離
ＲＴ：点Ｏと点ＯＴとの間の距離
ＬＢ：ガイドベーンの最内径部における入口端と出口端との間の距離
ＬＴ：ガイドベーンの最外径部における入口端と出口端との間の距離
Ｖｒｅｌ：回転場における相対速度
Ｖｔｈ：回転場における周方向速度
Ｖｚ：回転場における軸方向速度
αｉｎ：回転場におけるランナへの流入角度
Ｒ：ランナ回転軸からの半径位置
Ｐ：ステーベーン後端をランナ回転軸に沿って下流方向に延長した仮想平面
ＸＡ：点Ｏを中心とする球面とガイドベーン中心軸との交点
ＸＢ：点Ｏを中心とする球面とガイドベーン中心軸との交点
ＶＡ：点Ｏを中心とする球面とガイドベーン入口端との交点
ＶＢ：点Ｏを中心とする球面とガイドベーン入口端との交点
ＬＡＢ：点Ｏを中心とする球面上で、点ＸＡとＸＢを通る直線
θＡ：ＬＡＢとＶＡＸＡとで形成される角度
θＢ：ＬＡＢとＶＢＸＢとで形成される角度
α０：ステーベーン下流においてステーベーンから十分離れ位置を通った流れの角度
αｐｓ：ステーベーン下流におけるステーベーン圧力面付近を通った流れの角度
αｓｓ：ステーベーン下流におけるステーベーン負力面付近を通った流れの角度
α１Ｂ：ボス側におけるガイドベーンに対する流れの流入角度
α２Ｂ：ボス側におけるガイドベーンに対する流れの流出角度
α１Ｔ：チップ側におけるガイドベーンに対する流れの流入角度
α２Ｔ：チップ側におけるガイドベーンに対する流れの流出角度
αβ：ガイドベーンによる流れの転向角
【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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【図１４】
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