(57)【要約】【課題】  ピア前縁において発生し得る、馬蹄型渦の形成を抑制し、吸出し管内部で生じる損失の低減が可能な水力機械の吸出し管を提供する。【解決手段】  ピア３の上流側端部４より後流側における吸出し管２の拡大割合が、ピア３の上流側端部４より上流側における拡大割合よりも急になるように吸出し管を構成する。言い換えれば、ピア３の上流側端部４における断面をＳ０、断面Ｓ０よりも上流側の断面Ｓ２の流路断面積をＡＳ２、断面Ｓ２からの距離がＲの位置における断面Ｓ１の流路断面積をＡＳ１、断面Ｓ０よりも下流側の断面Ｓ３の流路断面積をＡＳ３、断面Ｓ３からの距離がＲの位置における断面Ｓ４の流路断面積をＡＳ４とすると、（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ＜（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒが成り立つように吸出し管を構成する。【選択図】図３
2009127572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力機械のランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置された水力機械の吸出し管において、
前記吸出し管の内壁の少なくとも一箇所で支持されたピアを有し、
前記ピアの上流側端部より後流側における吸出し管の拡大割合が、前記ピアの上流側端部より上流側における吸出し管の拡大割合よりも急であることを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項２】
回転自由に支持されたランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置され、かつ内壁の少なくとも一箇所で支持されたピアを有する水力機械の吸出し管において、
前記ピアの上流側端部の位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面をＳ０とし、
前記断面Ｓ０の位置よりも上流側の位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ２によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ２とし、
前記断面Ｓ２の位置と前記ランナの後端部の間の、前記吸出し管の中心軸に沿って測った前記断面Ｓ２から距離がＲである位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ１によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ１とし、
前記断面Ｓ０の位置よりも下流側の位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ３によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ３とし、
前記ピアの上流側端部から前記吸出し管の中心軸に沿って測った距離が前記ピアの下流側端部までの距離のほぼ半分の位置を通り、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面をＳ５とし、
かつ前記断面Ｓ３と前記断面Ｓ５の間の、前記吸出し管の中心軸に沿って測った前記断面Ｓ３からの距離がＲである位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ４によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ４とすると、
（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ＜（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒが成り立つことを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項３】
水力機械のランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置された水力機械の吸出し管において、
前記吸出し管の内壁の少なくとも一箇所で支持されたピアを有し、
前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面によって切り取られる流路部分の面積が、前記ピアの上流側端部よりも上流側のどの位置においてもほぼ一定となるように前記吸出し管を構成し、
前記ピアの上流側端部付近から後流に向かうにつれて流路断面積が増大するように前記吸出し管を構成したことを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項４】
水力機械のランナの後流側で、かつ排水口の上流側に設置された水力機械の吸出し管において、
前記吸出し管の内壁の少なくとも一箇所で支持されたピアを有し、
前記ピアの上流側端部の位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面をＳ０とし、
前記断面Ｓ０の位置よりも上流側の位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ２によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ２とし、
かつ前記断面Ｓ２の位置と前記ランナの後端部の間の、前記吸出し管の中心軸に沿って測った前記断面Ｓ２から距離がＲである位置で、前記吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ１によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ１としたとき、
０≦（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ≦０.２
が成り立つように前記吸出し管を構成し、
前記ピアの上流側端部付近から後流に向かうにつれて流路断面積が増大するように前記吸出し管を構成したことを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項５】
請求項１から４の何れかにおいて、前記ピアの上流側端部より後流の吸出し管の拡大割合が、下流側に行くに従って、拡大の割合が小さくなるように、複数段階に拡大の割合を変えたことを特徴とする水力機械の吸出し管。
【請求項６】
回転自由に支持されたランナを有する水力機械と、請求項１から４の何れかに記載の吸出し管と、前記吸出し管に接続される排水口とを有する水力プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はピア（あるいは仕切り板）を有する水力機械の吸出し管に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械の吸出し管は、水力機械のランナの後流側に設置されており、ランナから流出する旋回を伴う流れを排水口（放水口）へ導いている。この際、吸出し管内部の断面積は、下流に向かうにつれて徐々に増大しており、吸出し管内部の流れを減速し、圧力を上昇させることで、排出する運動エネルギーを低減する役割を担っている。
【０００３】
水力機械の吸出し管は、使用状況によって地中に埋められる、あるいは水中に設置される場合がある。よって内部と外部の圧力の差により、変形、あるいは破損する可能性がある。このような問題を回避するため、水力機械の吸出し管内部には、ピアと呼ばれる強度部材が設置される。
【０００４】
ピアは、外部からの力に耐え得るだけの厚みと長さを有しているため、衝突，摩擦，二次流れなどにより損失が生じ、水力機械全体の性能を低下させる。よってピアを設置することによる性能低下を抑制するため、種々の方法が提案されている。例としては特許文献１，特許文献２などがある。しかし、そのほとんどはピアによって仕切られた流路内の流れの不均一性を緩和しようとするものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−５４７５４号公報
【特許文献２】特開平７−１５８５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
吸出し管の内壁近傍の流れのように、徐々に減速しながら壁面に沿って流れる流れは、境界層剥離を起こしやすいことが知られている。また、境界層中に、ピアのように鈍い物体が存在する場合、その物体と壁面の接合部付近においては馬蹄型渦と呼ばれる特徴的な渦が生じる。
【０００７】
ピアを有する吸出し管内部においては、ピア前縁と吸出し管との接合部において馬蹄型渦が形成される。この馬蹄型渦の形成により、ピア前縁部周辺に大規模な境界層剥離が誘発され、著しい損失を引き起こす。よって、ピア前縁における馬蹄型渦の形成と境界層剥離を抑制することは、損失低減のために極めて重要である。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ピア前縁において発生し得る、馬蹄型渦の形成を抑制し、吸出し管内部で生じる損失の低減が可能な水力機械の吸出し管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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、ピアの上流側端部より後流側における吸出し管の拡大割合が、ピアの上流側端部より上流側における拡大割合よりも急になるように吸出し管を構成することを特徴とするものである。
【００１０】
より具体的には、本発明は、回転自由に支持されたランナの後流側に、かつ放水口の上流側に設置され、かつ内壁の少なくとも一箇所で支持されたピアを有する水力機械の吸出し管において、ピアの上流側端部に接し、吸出し管の中心軸に対して垂直な断面をＳ０とし、かつ断面Ｓ０よりも上流側にある、吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ２によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ２とし、かつ断面Ｓ２とランナ後端部の間に存在し、吸出し管の中心軸に沿って測った断面Ｓ２との距離がＲである位置において、吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ１によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ１とし、かつ断面Ｓ０よりも下流側にある、吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ３によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ３とし、かつピアの上流側端部から吸出し管の中心軸に沿って測った距離がピアの下流側端部までの距離のほぼ半分の位置を通り、吸出し管の中心軸に対して垂直な断面をＳ５とし、かつ断面Ｓ３と断面Ｓ５の間に存在し、吸出し管の中心軸に沿って測った断面Ｓ３との距離がＲである位置において、吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ４によって切り取られる流路部分の面積をＡＳ４とすると、（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ＜（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒが成り立つように吸出し管を構成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、ピアの上流側端部よりも上流側に位置する、吸出し管の中心軸に対して垂直な断面によって切り取られる流路部分の面積が、どの位置においてもほぼ一定となるようにし、ピアの上流側端部付近から下流に向かうにつれて徐々に流路断面積が増大するように吸出し管を構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ピアの上流側端部よりも上流側においては、吸出し管内部流れの減速が抑制されるため、吸出し管内壁における境界層の剥離が起こりにくくなる。その結果、ピアの上流側端部よりも上流側における境界層の厚さが薄くなり、ピアと吸出し管との接合部における馬蹄型渦の形成が抑制され、水力機械の吸出し管内における損失を低減でき、水車効率やポンプ効率等の水力性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る水力機械の吸出し管の実施例について、図面を参照して説明する。
【００１４】
［第１の実施の形態（実施例１）］
図１及び図２は本発明が適用される水力プラント（水力機械のランナ及び吸出し管など）を示す（ランナ以外の水力機械の構成要素（発電機等）の図示は省略）。図１及び図２では、水力機械の一例として横軸カプラン水車（バルブ水車又はチューブラ水車）に適用した例を示しているがこれに限定されるものではない。図１は、本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た上面図であり、図２は、本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た側面図である。
【００１５】
水力機械の吸出し管２は、図１及び図２に示すように、回転自由に支持されたランナ１の後流側に設置されており、ランナ１から流出する旋回を伴う流れ２０を排水口５へ導いている。この際、吸出し管内部の断面積は、下流に向かうにつれて徐々に増大しており、吸出し管内部の流れを減速し、圧力を上昇させることで、排出する運動エネルギーを低減する役割を担っている。また、図３及び図５で詳述するように、吸出し管２は、ピア３の上流側端部４の位置から後流において、流路断面積の拡大割合が大きくなるように構成されている。水力機械の吸出し管２の内部には、強度部材であるピアが設置される。ピア３は、吸出し管の内壁の少なくとも一箇所で支持されている（本実施例では上下２箇所で支持されている。）。
【００１６】
次に、図３から図６を参照して本実施例を詳細に説明する。本実施例では、ピアの上流側端部４に接する断面Ｓ０より上流側と下流側で流路断面積の増大する割合が異なっており、下流側の方が急拡大となっている。
【００１７】
断面Ｓ０よりも上流側において、互いに距離Ｒだけ離れている吸出し管の中心軸に対して垂直な流路断面積ＡＳ１，ＡＳ２（図４に断面形状を示す。但し、断面Ｓ１と断面Ｓ２の大きさは反映されておらず、両者は相似の関係にある。以下の流路断面を示す図においても同じように断面形状のみを示す。）、および断面Ｓ０よりも下流側において、互いに距離Ｒだけ離れている吸出し管の中心軸に対して垂直な流路断面積ＡＳ３，ＡＳ４（図６に断面Ｓ３と断面Ｓ４の断面形状を示す。）を用いて、本実施例の吸出し管の構成を表すと、（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ＜（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒとなっている。このとき、断面Ｓ３，断面Ｓ４は、ピアの上流側端部４から吸出し管２の中心軸に沿って測った距離が下流側端部までの距離のほぼ半分の位置を通り吸出し管の中心軸に対して垂直な断面Ｓ５よりも上流側に存在する。
【００１８】
図７は本実施例と、従来の形態とで、吸出し管内部の断面積を比較したものである。ここで横軸は吸出し管中心軸に沿う位置である。これより、ピアの上流側端部の位置において流路断面積の拡大割合が異なっている、即ち、ピアの上流側端部の後流側における拡大割合が、ピアの上流側端部の上流側における拡大割合よりも大きくなっていることが確認できる。ただし、多くの場合、ピア３はコンクリートにより製作され、よって、ピアの上流側端部は加工上の制約から鋭く尖った形状にすることができない。そのため、本実施例では、ピアの上流側端部の近傍（加工状の制約との関連において理解される範囲）を除いた部分を対象として評価している。
【００１９】
図８は図３に示す実施例を側方からの視点で見たときのピアの上流側端部４と吸出し管２の接合部付近の拡大図である。ピアの上流側端部４と吸出し管２の接合部付近においては、馬蹄型渦１０と呼ばれる渦構造が発生する。この馬蹄型渦１０は境界層の剥離を促進し、境界層内に強い逆流１１を伴う二次流れを引き起こす。図３に示す実施例の場合、ピアの上流側端部４よりも上流側においては、吸出し管内部流れの減速が抑制されるため、吸出し管内壁における境界層の剥離が起こりにくくなる。その結果、ピアの上流側端部４よりも上流側における境界層の厚さが薄くなり、ピア３と吸出し管２との接合部における馬蹄型渦１０の形成が抑制される。また、従来の形態では、形成された馬蹄型渦１０の影響によりさらに境界層の剥離が促進されるが、本発明の実施例では、これを抑制する効果もある。以上のことより、ピアの上流側端部４付近における二次流れ損失が低減される。
【００２０】
図９は汎用粘性乱流解析コードを用いて、従来の形態と、本発明の実施例とで吸出し管内部の全圧損失を算出し、比較したものである。横軸は流れ方向の座標を示し、縦軸が全圧損失を表している。これより、本発明の実施例のように吸出し管を構成することにより、ピアの上流側端部４付近における損失の増大を抑制することができることが分かる。
【００２１】
図１０は、横軸にピアの上流側端部より上流側の流路断面積拡大量と下流側の流路断面積拡大量の比（ＡＳ２−ＡＳ１）／（ＡＳ４−ＡＳ３）（流路断面積の拡大割合（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒと（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒの比）を、縦軸に吸出し管における全圧損失をとった図である。これより、（ＡＳ２−ＡＳ１）／（ＡＳ４−ＡＳ３）が小さいほど損失が小さくなっており、（ＡＳ２−ＡＳ１）／（ＡＳ４−ＡＳ３）を１より小さくすることにより、損失を大幅に小さくできる。また、評価した３種類の条件の中では（ＡＳ２−ＡＳ１）／（ＡＳ４−ＡＳ３）〜０.７の時に、最も損失が小さくなることが確認できる。
【００２２】
［第２の実施の形態（実施例２）］
本発明に係る他の実施例を図１１に示す。上述の本発明の実施例１では、ピアの上流側端部４から排水口５までの間、吸出し管は単調に拡大を続けている。しかし、吸出し管内部の流れは拡大されるに従って徐々に流速が小さくなり、境界層剥離や二次流れを起こしやすくなる。
【００２３】
そこで本実施例では、図１１に示すように、ピアの上流側端部４付近においていったん急拡大した後、さらに下流側の位置Ｓ１０において、拡大の割合を抑制する。このように構成することにより、ピアの上流側端部４より下流側における境界層剥離や逆流を抑制することができる。この場合、ランナの後流側の端部からＳ１０断面までの範囲において、実施例１に記載の形態となっていなくてはならない。あるいは、Ｓ１０断面をＳ５断面とみなした場合の、（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ＜（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒの条件を満たしていなければならない。このとき、拡大の割合をピアの上流側端部からＳ１０断面までの範囲において急拡大とすることができるので、（ＡＳ２−ＡＳ１）／（ＡＳ４−ＡＳ３）の比を小さくすることができ、損失を小さくできる。
【００２４】
あるいは、図１２のように、ピア上流側端部４よりも下流側に複数の断面Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を取り、断面Ｓ０から断面Ｓ１１の区間において、断面積の拡大が最も急になるように構成しても良い。この場合、ランナ後端からＳ１１断面までの範囲において、実施例１に記載の形態となっていなくてはならない。あるいは、Ｓ１１断面をＳ５断面とみなした場合の、（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ＜（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒの条件を満たしていなければならない。このとき、拡大の割合をピアの上流側端部からＳ１１断面までの範囲において急拡大とすることができるので、（ＡＳ２−ＡＳ１）／（ＡＳ４−ＡＳ３）の比を小さくすることができ、損失を小さくできる。
【００２５】
あるいは、図１３のように、吸出し管を滑らかな自由曲面で形成しても良い。この場合、実施例１に記載の条件を満たしていなくてはならない。あるいは（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ＜（ＡＳ４−ＡＳ３）／Ｒの条件を満たす、吸出し管の中心軸に垂直な断面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の組み合わせが、少なくとも１つ存在しなくてはならない。
【００２６】
［第３の実施の形態（実施例３）］
本発明に係る他の実施例を図１４に示す。本実施例では、ピアの上流側端部４と接する位置より上流側での断面積が、ほぼ一定となるように形成されている。また、ピアの上流側端部付近から下流に向かうにつれて徐々に流路断面積が増大するように吸出し管が構成されている。このようにピアの上流側端部４よりも上流側において、吸出し管の断面積がほぼ一定である場合、ピアの上流側端部４よりも上流側では流速がほとんど低下しない。このため、ピアの上流側端部４と吸出し管２の接合部付近に形成される馬蹄型渦が効果的に抑制され、この位置における二次流れ損失の低減に効果がある。なお、流路断面積が０≦（ＡＳ２−ＡＳ１）／Ｒ≦０.２の条件を満たせば、馬蹄型渦の形成の抑制に効果がある。
【００２７】
また、ピアの上流側端部付近から下流に向かうにつれて徐々に流路断面積が増大するように構成する場合、上述の実施例２のように、拡大の割合を変えるようにしても良い。
【００２８】
［第４の実施の形態（実施例４）］
本発明は流路断面積の分布を規定するものであり、その形状については特に制約を設けていない。よって、断面積の分布が実施例１〜３の何れかの形態と同様になっていれば、各断面の形状が縦長、あるいは横長に形成されていても良い。本実施例では、図１５の図面上の上下方向を縦方向とした場合、各断面Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、図１７〜図１９のように縦長に形成されている。また、図１５と図１６から分かるように、本実施例では、ピア３の上流側端部４の上流側では、図１５の上面図から見た方向のみ拡大し、ピア３の上流側端部４の後流側では、図１５の上面図から見た方向及び図１６の側面図から見た方向の両方向で拡大することによって、流路断面積の拡大割合を、ピア３の上流側端部４の後流側で大きくするように吸出し管を構成している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た上面図。
【図２】本発明に係る水力機械のランナ，吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た側面図。
【図３】本発明に係る水力機械の第１の実施の形態について、吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た上面図。
【図４】図３に示す吸出し管のＳ１，Ｓ２における断面図。
【図５】図３に示す吸出し管のＳ０における断面図。
【図６】図３に示す吸出し管のＳ３，Ｓ４における断面図。
【図７】従来の形態と、本発明の第１の実施の形態について、吸出し管内部の断面積と流れ方向座標の関係を比較した図。
【図８】本発明に係る水力機械の第１の実施の形態について、ピアの上流側端部付近を拡大した側面図。
【図９】従来の形態と、本発明の第１の実施の形態について、粘性乱流解析コードを用いて吸出し管内の全圧損失を算出し、比較した図。
【図１０】ピアの上流側の端部よりも上流側での流路断面積増大量と下流側での流路断面積増大量の比に対する吸出し管における損失を表す図。
【図１１】本発明に係る水力機械の第２の実施の形態について、急拡大を緩和する断面を１箇所とした場合の一例を表す図。
【図１２】本発明に係る水力機械の第２の実施の形態について、急拡大を緩和する断面を２つ以上とした場合の一例を表す図。
【図１３】本発明に係る水力機械の第２の実施の形態を、自由曲面を用いて形成した場合の一例を表す図。
【図１４】本発明に係る水力機械の第３の実施の形態について、吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た上面図。
【図１５】本発明に係る水力機械の第４の実施の形態について、吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た上面図。
【図１６】本発明に係る水力機械の第４の実施の形態について、吸出し管，ピア、および排水口を流れに垂直な方向から見た側面図。
【図１７】図１５に示す吸出し管のＳ１，Ｓ２における断面図。
【図１８】図１５に示す吸出し管のＳ０における断面図。
【図１９】図１５に示す吸出し管のＳ３，Ｓ４における断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１  ランナ
２  吸出し管
３  ピア
４  ピアの上流側端部
５  排水口
１０  馬蹄型渦
１１  逆流
２０  流れ
【図１】
2009127572.tif 000003
【図２】
2009127572.tif 000004
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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