CN104421093B - 水轮机以及配管 - Google Patents

Abstract

实施方式涉及水轮机以及配管，水轮机具备：水轮机主体；流水面，设于水轮机主体，划定水的流路；以及涂覆层，设于流水面，该涂覆层由疏水性涂料或亲水性涂料形成。

Description

水轮机以及配管

相关申请的交叉引用

本申请基于2013年8月20日提出申请的日本国专利申请第2013－170681号、2014年2月26日提出申请的日本国专利申请第2014－035828号、以及2014年7月2日提出申请的日本国专利申请第2014－137072号，并要求其优先权的利益，其全部的内容通过参照而引入到本申请中。

技术领域

本发明的实施方式涉及水轮机以及配管。

背景技术

一般而言，水轮机有法兰西斯式水轮机、作为轴流式水轮机的卡普兰式水轮机或灯泡式水轮机等。此外，作为能够进行发电和抽水这两方的水轮机，有法兰西斯式泵水轮机。在此，以法兰西斯式泵水轮机(以下，简记为法兰西斯式水轮机)为例进行说明。

在法兰西斯式水轮机中，来自上池的水流入漩涡状的箱体，流入到箱体的水流经固定叶片以及导流叶片并流入叶轮(runner)。导流叶片构成为，转动而改变开度，由此能够调整流入叶轮的水的流量。叶轮借助流入的水而以水轮机旋转轴为中心旋转。由此，在经由主轴而连结于叶轮的发电机中进行发电。从叶轮流出的水流经吸出管并向下池放出。

这样，来自上池的水流经箱体、固定叶片、导流叶片、叶轮以及吸出管向下池放出。这期间，水沿着流水面在由箱体等的流水面划定的流路上游动。由此，在沿着流水面的水的流动中产生摩擦损失。摩擦损失根据流速、雷诺数而不同，一般而言流速越大则摩擦损失越大，雷诺数越小则摩擦损失越大。

在法兰西斯式水轮机中，除了该摩擦损失以外，还会产生各种损失。例如，举出由于形成不沿着主流的流而产生的二次流损失、由于流中产生剥离而产生的剥离损失、吸出管中由从叶轮出口产生的回旋流而产生的涡流损失等。

这种二次流损失、剥离损失等能够通过使各部的形状最优化而降低。然而，即使在使各部的形状最优化的情况下，在沿着各部的流水面的水的流动中也会产生摩擦损失。为此，通过使二次流损失、剥离损失等降低来使法兰西斯式水轮机整体的损失降低是有限度的。

发明内容

实施方式所涉及的水轮机具备：水轮机主体；流水面，设于水轮机主体，划定水的流路；以及涂覆层，设于流水面，由疏水性涂料或亲水性涂料形成。

实施方式所涉及的水轮机具备：箱体，供水流入；叶轮，借助从箱体流入的水而旋转。叶轮具有轮周、带部、设于轮周与带部之间的多个叶轮叶片。在叶轮的轮周的外侧设有上罩部，在该上罩部与轮周之间形成叶轮背压室。在轮周的叶轮背压室侧的面设有具有亲水性的背压室涂覆层。

实施方式所涉及的水轮机具备：箱体，供水流入；叶轮，借助从箱体流入的水而旋转。叶轮具有轮周、带部、设于轮周与带部之间的多个叶轮叶片。在叶轮的带部的外侧设有下罩部，在下罩部与带部之间形成叶轮侧压室。在带部的叶轮侧压室侧的面设有具有亲水性的侧压室涂覆层。

实施方式所涉及的配管是与水轮机连结的配管。该配管具备：配管主体；流水面，设于配管主体，划定水的流路；以及涂覆层，设于流水面，且具有亲水性。

附图说明

图1是对第一实施方式中的水轮机的整体构成进行表示的图。

图2A是对在图1的水轮机的流水面所设的涂覆层进行表示的剖视图，图2B是图2A的P向视图。

图3A～图3C是用于说明图2A及图2B所示的涂覆层的形成方法的图。

图4是用于说明图2A及图2B的涂覆层的凹部(dimple)的作用的图。

图5是对第二实施方式中的在上罩部以及下罩部形成的罩部非涂覆区域进行表示的图。

图6是对第三实施方式中的叶轮进行表示的纵剖视图。

图7是对图6的叶轮的叶轮叶片进行表示的A－A线剖视图。

图8是对图6的变形例进行表示的图。

图9是对第四实施方式中的涂覆层进行表示的剖视图。

图10是对第五实施方式中的水轮机的整体构成进行表示的剖视图。

图11是图10的局部放大剖视图。

图12A是对图10的水轮机中的涂覆层进行表示的剖视图，图12B是图12A的P向视图。

图13A～图13C是用于说明图12所示的涂覆层的形成方法的图。

图14是用于说明图12所示的涂覆层的凹部的作用的图。

图15是对第六实施方式中的配管进行表示的概略图。

图16是对在图15的配管的流水面所设的涂覆层进行表示的剖视图。

具体实施方式

实施方式所涉及的水轮机具备：水轮机主体；流水面，设于水轮机主体，划定水的流路；以及涂覆层，设于流水面，由疏水性涂料或亲水性涂料形成。

实施方式所涉及的水轮机具备：箱体，供水流入；叶轮，借助从箱体流入的水而旋转。叶轮具有轮周、带部、设于轮周与带部之间的多个叶轮叶片。在叶轮的轮周的外侧设有上罩部，在该上罩部与轮周之间形成叶轮背压室。在轮周的叶轮背压室侧的面设有具有亲水性的背压室涂覆层。

实施方式所涉及的水轮机具备：箱体，供水流入；叶轮，借助从箱体流入的水而旋转。叶轮具有轮周、带部、设于轮周与带部之间的多个叶轮叶片。在叶轮的带部的外侧设有下罩部，在下罩部与带部之间形成叶轮侧压室。在带部的叶轮侧压室侧的面设有具有亲水性的侧压室涂覆层。

实施方式所涉及的配管是与水轮机连结的配管。该配管具备：配管主体；流水面，设于配管主体，划定水的流路；以及涂覆层，设于流水面，且具有亲水性。

以下，参照附图，对实施方式中的水轮机进行说明。在此，作为水轮机的一例，以法兰西斯式水轮机为例进行说明。

(第一实施方式)

首先，使用图1至图4对第一实施方式中的水轮机进行说明。

如图1所示，法兰西斯式水轮机1具备：水轮机主体2；以及设于水轮机主体2的流水面20(参照图2A)。

水轮机主体2具有：漩涡状的箱体3，在水轮机运转时水从上池201(参照图15)流经水压铁管200而流入；多个固定叶片4；多个导流叶片5；以及叶轮8。其中固定叶片4用于将流入到箱体3的水导向导流叶片5以及叶轮8，该固定叶片4在周向隔开预定的间隔而配置，在固定叶片4间形成有供水流动的流路21。导流叶片5用于将流入的水导向叶轮8，该导流叶片5在周向隔开预定的间隔而配置，导流叶片5间形成有供水流动的流路21。

在导流叶片5的上方以及下方，分别形成有互相对置的上罩部6以及下罩部7。上述上罩部6以及下罩部7以转动自如的方式支承导流叶片5。导流叶片5转动而改变开度，由此能够调整流入叶轮8的水的流量。这样，能够调整后述的发电电动机11的发电量。

叶轮8构成为，相对于箱体3以旋转轴线X为中心旋转自如，在水轮机运转时，叶轮8被从箱体3流入的水旋转驱动。此外，叶轮8具有在周向隔开预定的间隔而配置的多个叶轮叶片9，叶轮叶片9间形成有供水流动的流路21。

叶轮8上，经由主轴10而连结有发电电动机11。该发电电动机11构成为：在水轮机运转时通过叶轮8的旋转而进行发电，在泵运转时(抽水运转时)对叶轮8进行旋转驱动。在叶轮8的水轮机运转时的下游侧，设有作为水轮机主体2的一部分的吸出管12，该吸出管12用于使在叶轮8流出的水流的压力恢复。该吸出管12连结于下池202(参照图15)，对叶轮8进行旋转驱动后的水被放出到下池202。

流水面20(参照图2A)分别设于上述的水轮机主体2的箱体3、固定叶片4、导流叶片5、上罩部6、下罩部7、叶轮8以及吸出管12。各流水面20划定水流的流路21，水在该流路21上游动。

如图2A所示，流水面20设有由疏水性涂料形成的涂覆层30。涂覆层30能够通过对流水面20涂覆疏水性涂料而形成。作为疏水性涂料，只要是具有疏水性的涂料即可，不特别限定，例如，能够使用含氟树脂或硅树脂的涂料、船底涂料等。此外，较为理想的是，疏水性涂料具有例如75度以上优选为90度以上的接触角(作为固体表面的涂覆层30的表面和与该表面接触的水的缘部的切线所成的角)。

优选的是，涂覆层30设有向流路21一侧开口的许多(多个)的凹部(dimlpe)31。凹部31如小的凹坑那样在涂覆层30形成为凹状。优选的是，凹部31的深度，是凹部31的俯视形状为多边形的情况下的凹部31的内切圆的直径、或凹部31的俯视形状为圆形的情况下的凹部31的直径的0.05倍以上且0.15倍以下。在此，通过设凹部31的深度为直径的0.05倍以上，能够高精度地形成凹部31，通过设凹部31的深度为直径的0.15倍以下，能够抑制以凹部31的存在本身为原因的摩擦损失增大。另一方面，凹部31的俯视形状不特别限定，但优选的是，例如设为如图2B所示的圆形、或者六边形。例如，多边形状的凹部31的内切圆的直径或圆形状的凹部31的直径(图2A所示的Dd)为1mm的情况下，凹部31的深度(图2A所示的Hd)为50μm以上且150μm以下是优选的。另外，涂覆层30的深度只要能够形成凹部31且在流水面20不会露出于凹部31的底面的条件下涂覆层30的材料能够残存即可，并不特别限定。

此外，优选的是，彼此相邻的凹部31的间隔是凹部31的俯视形状为多边形的情况下的凹部31的内切圆的直径、或凹部31的俯视形状为圆形的情况下的凹部31的直径的0.8倍以上且0.12倍以下。由此，能够有效地发挥凹部31对水流的粘性阻力的降低效果已被本发明人们通过实验而确认。另外，例如，多边形状的凹部31的内切圆的直径或圆形状的凹部31的直径(图2A所示的Dd)为1mm的情况下，凹部31的间隔(图2A所示的G)为0.8mm以上且1.2mm以下是优选的。

涂覆层30例如能够如图3A～图3C所示那样使用具有与涂覆层30的凹部31对应的凸部41的模型40而形成。此情况下，首先，如图3A所示，在流水面20上以预定的厚度膜状地涂布疏水性涂料，形成涂膜30a。接下来，如图3B所示，对疏水性涂料的涂膜30a压入模型40。此时，以在模型40的凸部41与流水面20之间残存涂膜30a的方式模型40被压入。接下来，在压入模型40的状态下，使涂膜30a干燥并固化。涂膜30a固化后，如图3C所示，拆下模型40。这样，能够获得本实施方式中的涂覆层30。另外，涂覆层30的形成方法并不限定于上述的方法。例如，在使疏水性涂料的涂膜固化后，将模型40载于固化后的涂膜上并在模型40的凸部41的周围涂布疏水性涂料而进行固化，由此也能够获得本实施方式中的涂覆层30。

这种涂覆层30分别设于箱体3的流水面20、固定叶片4的流水面20、导流叶片5的流水面20、上罩部6的流水面20、下罩部7的流水面20、叶轮8的流水面20以及吸出管12的流水面20。即，如果没有其他的制约等，则设于法兰西斯式水轮机1的各部件的流水面20是较为理想的。

接下来，对有这种结构构成的本实施方式的作用进行说明。

在本实施方式所涉及的法兰西斯式水轮机中进行水轮机运转的情况下，如图1所示，水从上池201(参照图15)流经水压铁管200并流入箱体3。流入到箱体3的水从箱体3流经固定叶片4以及导流叶片5并流入叶轮8。通过向该叶轮8流入的水，叶轮8被旋转驱动。由此，经由主轴10而连结到叶轮8的发电电动机11被驱动，进行发电。流入叶轮8的水从叶轮8流经吸出管12，并向下池202放出。进行水轮机运转期间，使导流叶片5转动来调整导流叶片5的开度，而调整发电电动机11的发电量。

在泵运转时，发电电动机11对叶轮8进行旋转驱动，由此汲取吸出管12内的水而抽水。汲取到叶轮8的水流经导流叶片5以及固定叶片4，流入箱体3，从箱体3流经水压铁管200并放出至上池201。导流叶片5以及固定叶片4将从叶轮8流入的水导向箱体3。此时，导流叶片5的开度相应于泵扬程而变化，以达到恰当的抽水量。

水轮机运转以及泵运转期间，在由箱体3的流水面20、固定叶片4的流水面20、导流叶片5的流水面20、上罩部6的流水面20、下罩部7的流水面20、叶轮8的流水面20以及吸出管12的流水面20划定的流路21内，形成沿着流水面20的水的流动。在流水面20设有由疏水性涂料形成的涂覆层30(参照图2A)。由此，在涂覆层30的近旁流动的水能够以不沾于涂覆层30的方式流动，能够使涂覆层30的近旁的水流的粘性阻力降低。为此，能够使主流的相对于流水面20的摩擦损失降低。

此外，如上所述，涂覆层30设有许多的凹部31。在凹部31内，一部分的水出入，同时受水流方向的流动的影响而如图4所示那样以在凹部31内循环的方式流动。此时，凹部31内的水能够以不沾于由疏水性涂料形成的凹部31的壁面的方式流动，在凹部31内顺畅地循环。为此，在凹部31内循环的水流发挥与在一般的搬送装置等中使用的滚轮、辊同样的功能，能够使在凹部31上游动的水流的粘性阻力进一步降低，能够使主流相对于流水面20而顺畅地流动。

但是，在设水的密度为ρ、设流量为Q、设落差为H、设重力加速度为g时，流入法兰西斯式水轮机1的水具有的落差能Ph，以

Ph＝ρ×g×Q×H

表示。

在设在流水面20产生的水的摩擦损失为Lf时，落差能Ph中的Lf作为摩擦能而使用。此外，在设上述的二次流损失、剥离损失、涡流损失等由于水轮机的形状而产生的损失为Ls时，使叶轮8旋转能够使用的能量Pt为，

Pt＝Ph－Lf－Ls。

然而，如上所述，通过在流水面20设有由疏水性涂料形成的涂覆层30，能够使涂覆层30的近旁的水流的粘性阻力降低。为此，能够使摩擦损失Lf降低，能够使使叶轮8旋转时能够使用的能量Pt增大。

这样根据本实施方式，流水面20设有由疏水性涂料形成的涂覆层30。由此，能够使涂覆层30的近旁的水流的粘性阻力降低，能够使在由流水面20划定的流路21上游动的水流的摩擦损失降低。为此，能够有效地使用流入箱体3的水的能量，能够使水轮机效率提高。

此外，根据本实施方式，涂覆层30设有多个凹部31。由此，能够使涂覆层30的近旁的水流的粘性阻力进一步降低，能够使水流的摩擦损失进一步降低。

(第二实施方式)

接下来，使用图5对第二实施方式中的水轮机进行说明。

在图5所示的第二实施方式中，主要不同点在于在上罩部以及下罩部设有非涂覆区域，其他的构成与图1至图4所示的第一实施方式大致相同。另外，在图5中，对与图1至图4所示的第一实施方式相同部分标注同一符号，并省略详细的说明。

如图5所示，上罩部6的流水面20具有：设有涂覆层30的涂覆区域50、未设有涂覆层30的罩部非涂覆区域51。其中，在罩部非涂覆区域51，上罩部6的流水面20露出。罩部非涂覆区域51形成为，在从沿着导流叶片5的转动轴线Y(参照图1)的方向观察时(在图5的状态下)，包含导流叶片5的转动区域。在本实施方式中，罩部非涂覆区域51以导流叶片5的转动轴线为中心而形成为圆形状，罩部非涂覆区域51的半径与导流叶片5的最大旋转半径大致相同或比该最大旋转半径大是优选的。这样，在从沿着该转动轴线的方向观察时，导流叶片5的转动区域与涂覆区域50不重叠。

关于下罩部7，也与上罩部6同样地，具有涂覆区域50和罩部非涂覆区域51，罩部非涂覆区域51形成为，在从沿着导流叶片5的转动轴线的方向观察时，包含导流叶片5的转动区域。

这样根据本实施方式，上罩部6的罩部非涂覆区域51以及下罩部7的罩部非涂覆区域51形成为，在从沿着导流叶片5的转动轴线的方向观察时，包含导流叶片5的转动区域。由此，转动的导流叶片5与涂覆层30接触而能够防止涂覆层30剥离。此外，在罩部非涂覆区域51，在导流叶片5与上罩部6之间以及导流叶片5与下罩部7之间未夹着涂覆层30，因此能够防止导流叶片5与上罩部6之间的间隙以及导流叶片5与下罩部7之间的间隙变小。由此，能够防止在上述间隙夹有废料等异物、砂等而对涂覆层30造成伤害或使涂覆层30剥离。为此，能够防止涂覆层30损伤，能够延长涂覆层30的寿命，能够延长并享受涂覆层30的摩擦损失降低的效果。

(第三实施方式)

接下来，使用图6以及图7对第三实施方式中的水轮机进行说明。

在图6以及图7所示的第三实施方式中，主要不同点在于，叶轮的叶轮叶片设有非涂覆区域，其他的构成与图1至图4所示的第一实施方式大致相同。另外，在图6以及图7中，对与图1至图4所示的第一实施方式相同部分标注同一符号，并省略详细的说明。

如图6以及图7所示，叶轮8的叶轮叶片9的流水面20具有正压面9a(压力面)和负压面9b。此外，叶轮叶片9的流水面20具有：设有涂覆层30的涂覆区域50、以及未设有涂覆层30的上游侧非涂覆区域52。上游侧非涂覆区域52形成于水轮机运转时的叶轮叶片9的正压面9a以及负压面9b中的上游侧端部(入口侧端部、导流叶片侧端部)。

上游侧非涂覆区域52形成为，具有图6中以Li表示的沿着主流方向的长度，且从轮周(crown)8a向带部(band)8b延伸。在设水轮机运转时的叶轮8的出口直径(吸出管侧端部的直径)为De时，该上游侧非涂覆区域52的沿着主流方向的长度Li为

Li/De≤0.8

是优选的。上述式子中规定的长度Li一般而言为在水轮机运转时、流动的剥离55可能发生的区域。由此，防止在流动的剥离55可能发生的区域设置涂覆层30。

即，当在水轮机运转时流入叶轮8的水的流水方向与叶轮叶片9不一致的情况下，在叶轮叶片9的上游侧端部的正压面9a或负压面9b，如图7所示那样可能发生流动的剥离55。然而，如上所述，在叶轮叶片9的上游侧端部的正压面9a以及负压面9b，形成有上游侧非涂覆区域52。由此，能够防止在当水轮机运转时可能发生流动的剥离55的区域设置涂覆层30。

此外，图6以及如图7所示，叶轮叶片9的流水面20还具有未设有涂覆层30的下游侧非涂覆区域53。下游侧非涂覆区域53形成于水轮机运转时的叶轮叶片9的负压面9b中的下游侧端部(出口侧端部、吸出管侧端部)。

下游侧非涂覆区域53形成为，具有图6中以Lo表示的沿着主流方向的长度，从轮周8a向带部8b延伸。在设水轮机运转时的叶轮8的出口直径(吸出管侧端部的直径)为De时，该下游侧非涂覆区域53的沿着主流方向的长度Lo为

Lo/De≤0.8

是优选的。以上述式子规定的长度Lo一般而言为在水轮机运转时能够产生气蚀(cavitation)56的区域。由此，防止在可能产生气蚀56的区域设置涂覆层30。

即，在流入叶轮8的水的流量比设计点多的情况下(输出大的情况下)，在叶轮叶片9的下游侧端部的负压面9b的近旁，如图7所示，可能产生气蚀56。然而，如上所述，在叶轮叶片9的下游侧端部的负压面9b形成有下游侧非涂覆区域53。由此，能够防止在水轮机运转时可能产生气蚀56的区域设置涂覆层30。

这样根据本实施方式，上游侧非涂覆区域52形成于水轮机运转时的叶轮叶片9的正压面9a以及负压面9b中的上游侧端部。由此，能够防止在可能发生流动的剥离55的区域设置涂覆层30。此外，下游侧非涂覆区域53形成于水轮机运转时的叶轮叶片9的负压面9b中的下游侧端部。由此，能够防止在可能产生气蚀56的区域设置涂覆层30。为此，能够防止涂覆层30由于流动的剥离55、气蚀56而损伤，能够延长涂覆层30的寿命，能够延长并享受涂覆层30的摩擦损失降低的效果。

另外，在上述的本实施方式中，也可以如图8所示，下游侧非涂覆区域53还设于叶轮叶片9的正压面9a的下游侧端部(出口侧端部、吸出管侧端部)。即，也可以在水轮机运转时的叶轮叶片9的下游侧端部、在正压面9a以及负压面9b的任一面都形成有下游侧非涂覆区域53。

在泵运转时，水从吸出管12向箱体3而与水轮机运转时反向地流动，因此流入叶轮8的水的流水方向与叶轮叶片9的形状不一致的情况下，在叶轮叶片9的吸出管侧端部(泵运转时的入口侧端部，水轮机运转时的下游侧端部)的正压面9a或负压面9b，可能发生流动的剥离55。然而，如上所述，下游侧非涂覆区域53形成于水轮机运转时的叶轮叶片9的正压面9a以及负压面9b的吸出管侧端部的情况下，能够防止在可能发生流动的剥离55的区域设置涂覆层30。由此，在使法兰西斯式水轮机1为泵运转的情况下，也能够防止涂覆层30的损伤。换言之，在预先设定了法兰西斯式水轮机1的泵运转的情况下，下游侧非涂覆区域53形成于水轮机运转时的叶轮叶片9的下游侧端部的、正压面9a以及负压面9b的任一面上是优选的。

(第四实施方式)

接下来，使用图9对第四实施方式中的水轮机进行说明。

在图9所示的第四实施方式中，主要不同点在于，涂覆层由亲水性涂料形成，其他的构成与图1至图4所示的第一实施方式大致相同。另外，在图9中，对与图1至图4所示的第一实施方式相同部分标注同一符号，并省略详细的说明。

如图9所示，流水面20设有由亲水性涂料形成的涂覆层60。该涂覆层60能够通过对流水面20涂覆亲水性涂料而形成。作为亲水性涂料，只要是具有亲水性的涂料即可，不特别限定，例如，优选地能够使用包含具有亲水基(－OH)的材料的涂料。此外，亲水性涂料的接触角为例如40度以下是优选的。

优选的是，在涂覆层60与图2A、图2B所示的涂覆层30以及凹部31同样地、设有向流路21一侧开口的许多(多个)的凹部61。优选的是，凹部61的深度是凹部61的俯视形状为多边形的情况下的凹部61的内切圆的直径、或凹部61的俯视形状为圆形的情况下的凹部61的直径的0.05倍以上且0.15倍以下。另一方面，凹部61的俯视形状不特别限定，但例如优选设为圆形、或者六边形。例如，多边形状的凹部61的内切圆的直径或圆形状的凹部61的直径(例如，图9所示的Dd)为1mm的情况下，凹部61的深度(例如，图9所示的Hd)为50μm以上且150μm以下是优选的。

此外，彼此相邻的凹部61的间隔为凹部61的俯视形状为多边形的情况下的凹部61的内切圆的直径、或凹部61的俯视形状为圆形的情况下的凹部61的直径的0.8倍以上且0.12倍以下是优选的。由此，能够有效地发挥凹部61对水流的粘性阻力的降低效果被本发明人们通过实验而确认。另外，例如，多边形状的凹部61的内切圆的直径或圆形状的凹部61的直径(图9所示的Dd)为1mm的情况下，凹部61的间隔(图9所示的G)为0.8mm以上且1.2mm以下是优选的。

此外，图9所示的涂覆层60能够与图2A所示的涂覆层30同样地形成，形成于在箱体3等的各部件所设的流水面20是优选的。

水轮机运转以及泵运转期间，在由箱体3等的流水面20划定的流路21内，形成沿着流水面20的水的流动。流水面20设有由亲水性涂料形成的涂覆层60。由此，涂覆层60的表面60a以附着水的方式形成水的较薄的附着层62。该水附着层62被夹在主流与涂覆层60之间。此外，形成水附着层62的水相对于涂覆层60不是静止的，但流速非常慢。根据以上处理，能够使涂覆层60的近旁的水流的粘性阻力降低，能够使主流的相对于流水面20的摩擦损失降低。

此外，涂覆层60设有许多的凹部61。此情况下，凹部61内的水附着于由亲水性涂料形成的凹部61的壁面，凹部61内的水的流速非常慢。由此，在流水面20中的设有凹部61的区域，获得使上述的水附着层62的厚度变厚的效果。为此，能够使在凹部61上游动的水流的粘性阻力进一步降低，能够使主流相对于流水面20而顺畅地流动。

这样根据本实施方式，流水面20设有由亲水性涂料形成的涂覆层60。由此，涂覆层60的表面60a能够形成流速非常慢的水的附着层62，能够使在由流水面20划定的流路21上游动的水流的摩擦损失降低。为此，能够有效地利用流入箱体3的水的能量，能够使水轮机效率提高。

此外，根据本实施方式，涂覆层60设有多个凹部61。由此，能够使涂覆层60的近旁的水流的粘性阻力进一步降低，能够使水流的摩擦损失进一步降低。

(第五实施方式)

接下来，使用图10至图14对第五实施方式中的水轮机进行说明。

在图10至图14所示的第五实施方式中，主要的不同点在于，在轮周的叶轮背压室侧的面设置具有亲水性的背压室涂覆层，并且在带部的叶轮侧压室侧的面设有具有亲水性的侧压室涂覆层，其他的构成与图1至图4所示的第一实施方式大致相同。另外，在图10至图14中，对与图1至图4所示的第一实施方式相同部分标注同一符号，并省略详细的说明。

在此，作为水轮机的一例，以法兰西斯式水轮机为例进行说明。

如图10所示，法兰西斯式水轮机101具备：漩涡状的箱体103，供水从上池201(参照图15)流经水压铁管200后流入；多个固定叶片104；多个导流叶片105以及叶轮106。其中，固定叶片104用于将流入箱体103的水导向导流叶片105以及叶轮106，固定叶片104在周向隔开预定的间隔而配置。

导流叶片105用于将流入的水导向叶轮106，导流叶片105在周向隔开预定的间隔而配置。此外，各导流叶片105被设为转动自如，各导流叶片105构成为，转动而改变开度由此能够调整流入叶轮106的水的流量。这样，能够调整后述的发电机111的发电量。

叶轮106构成为相对于箱体103以旋转轴线X为中心旋转自如，叶轮106被从箱体103流入的水旋转驱动。此外，叶轮106如图11所示那样、具有轮周107、带部108及设于轮周107与带部108之间的多个叶轮叶片109。其中叶轮叶片109在周向隔开预定的间隔而配置。

如图10所示，叶轮106上经由主轴110而连接有发电机111。该发电机111构成为，通过叶轮106的旋转来进行发电。在叶轮106的下游侧，设有用于使流出叶轮106的水流的压力恢复的吸出管112。该吸出管112被连结于下池202，对叶轮106进行了旋转驱动的水被放出到下池202。

如图11所示，在叶轮106的轮周107的外侧(图11中的上侧)，形成有叶轮背压室113。更具体而言，在轮周107的外侧设有上罩部114，在轮周107与上罩部114之间形成有上述的叶轮背压室113。另一方面，在叶轮106的带部108的外侧(图11中的右侧、半径方向外侧)，形成有叶轮侧压室115。更具体而言，在带部108的外侧设有下罩部116，在带部108与下罩部116之间形成有上述的叶轮侧压室115。

流经了导流叶片105的水的一部分作为泄漏流而流入上述叶轮背压室113以及叶轮侧压室115。即，在轮周107的半径方向外侧(上游侧)，设有背压室侧间隙部117，水流经该背压室侧间隙部117后流入叶轮背压室113。如图11所示的叶轮106的轮周107设有贯通孔118的情况下，叶轮背压室113内的水流流经该贯通孔118，并向吸出管112内流动。另外，在叶轮背压室113的半径方向内侧(更具体而言为叶轮背压室113与贯通孔118之间)设有背压室侧密封部119(中间密封部)。该背压室侧密封部119形成为，作为旋转侧部分的轮周107与作为静止侧部分的上罩部114之间的间隙最窄而水难以流动。由此，抑制从导流叶片105向叶轮背压室113的水的流入量。该背压室侧密封部119能够通过迷宫式密封构成。

另一方面，在带部108的半径方向外侧(上游侧)，设有侧压室侧间隙部120，水流经该侧压室侧间隙部120后流入叶轮侧压室115。叶轮侧压室115内的水流流经在带部108的半径方向内侧(下游侧)所设的下游侧间隙部121，向吸出管112内流动。另外，在叶轮侧压室115的半径方向内侧(更具体而言为叶轮侧压室115与下游侧间隙部121之间)设有侧压室侧密封部122。该侧压室侧密封部122形成为，作为旋转侧部分的带部108与作为静止侧部分的下罩部116之间的间隙最窄而水不易流动。由此，抑制从导流叶片105向叶轮侧压室115的水的流入量。该侧压室侧密封部122能够通过迷宫式密封构成。

如上所述，叶轮背压室113以及叶轮侧压室115形成比较窄的流路，因此在水流入叶轮背压室113、叶轮侧压室115后叶轮106旋转期间，可能发生圆板摩擦损失。

一般而言，叶轮背压室113以及叶轮侧压室115内的流路比较窄，因此在叶轮背压室113以及叶轮侧压室115通过的水流的速度梯度从旋转侧部分(轮周107、带部108)到静止侧部分(上罩部114、下罩部116)可能变得复杂。由此，粘性阻力增大而圆板摩擦损失可能增大。圆板摩擦在对叶轮106旋转的能量进行阻碍的方向上起作用，所以在圆板摩擦损失增大的情况下，水轮机的效率提高变得困难。

作为使圆板摩擦损失降低的对策，考虑减小叶轮106的外径。这是由于，圆板摩擦损失与旋转的圆板的半径的五次方成正比。然而，在减小叶轮106的外径的情况下，水轮机被小型化而水轮机的输出降低，难以获得所期望的性能。

此外，作为其他的对策，考虑使叶轮背压室113、叶轮侧压室115的流路面积优化。这是由于，通过使叶轮背压室113、叶轮侧压室115的流路面积减小能够降低圆板摩擦损失。然而，在使流路面积过于小时，叶轮背压室113、叶轮侧压室115本身的摩擦损失增大，因此流路面积的优化困难。

为此，在本实施方式中，为了使该圆板摩擦损失降低，在叶轮背压室113的流水面(划定水流的流路的面)以及叶轮侧压室115的流水面设有具有亲水性的涂覆层130、131。

更具体而言，如图11以及图12A、图12B所示，在轮周107的叶轮背压室113一侧的面107a(外面)设有具有亲水性的背压室涂覆层130。该背压室涂覆层130也可以设于上述的上罩部114的叶轮背压室113一侧的面114a(内面)。在此，轮周107的叶轮背压室113一侧的面107a和上罩部114的叶轮背压室113一侧的面114a，构成叶轮背压室113的流水面。并且，背压室涂覆层130配置于比上述的背压室侧密封部119更靠半径方向外侧(上游侧)。即，优选的是，在背压室侧密封部119未形成背压室涂覆层130。

此外，在带部108的叶轮侧压室115一侧的面108a(外面)，设有具有亲水性的侧压室涂覆层131。该侧压室涂覆层131也可以设于上述的下罩部116的叶轮侧压室115一侧的面116a(内面)。在此，带部108的叶轮侧压室115一侧的面108a和下罩部116的叶轮侧压室115一侧的面116a构成叶轮侧压室115的流水面。并且，优选的是，侧压室涂覆层131配置于比上述的侧压室侧密封部122更靠半径方向外侧(上游侧)。即，优选的是，侧压室侧密封部122未形成侧压室涂覆层131。

在本实施方式中，上述的背压室涂覆层130以及侧压室涂覆层131由亲水性涂料形成。作为这种亲水性涂料，只要是具有亲水性的涂料即可，不特别限定，例如，亲水性的氟材料、亲水性的船底涂料等，优选地能够使用包含具有亲水基(－OH)的材料的涂料。此外，亲水性涂料具有例如40度以下的接触角(作为固体表面的涂覆层130、131的表面和与该表面接触的水的缘部的切线所成的角)是优选的。

优选的是，在背压室涂覆层130设有向叶轮背压室113一侧开口的多个背压室凹部(凹部)132。背压室凹部132形成于背压室涂覆层130中的、轮周107一侧的部分和上罩部114一侧的部分。同样地，在侧压室涂覆层131设有向叶轮侧压室115一侧开口的多个侧压室凹部(凹部)133是优选的。侧压室凹部133形成于侧压室涂覆层131中的、带部108一侧的部分和下罩部116一侧的部分。

凹部132、133如小的凹坑那样的、在对应的涂覆层130、131形成为凹状。凹部132、133的深度为凹部132、133的俯视形状为多边形的情况下的凹部132、133的内切圆的直径、或凹部132、133的俯视形状为圆形的情况下的凹部132、133的直径的0.05倍以上且0.15倍以下是优选的。在此，通过使凹部132、133的深度为直径的0.05倍以上，能够高精度地形成凹部132、133，通过使凹部132、133的深度为直径的0.15倍以下，能够抑制以凹部132、133的存在本身为原因的摩擦损失增大。另一方面，凹部132、133的俯视形状不特别限定，但例如优选设为圆形、或者六边形。例如，多边形状的凹部132、133的内切圆的直径或圆形状的凹部132、133的直径(图12A所示的Dd)为1mm的情况下，凹部132、133的深度(图12A所示的Hd)为50μm以上且150μm以下是优选的。另外，只要涂覆层130、131的深度能够形成凹部132、133并且在流水面(叶轮背压室侧的面107a、114a、叶轮侧压室侧的面108a、116a)不会在凹部132、133的底面露出的条件下涂覆层130、131的材料能够残存即可，并不特别限定。

此外，彼此相邻的凹部132、133的间隔为凹部132、133的俯视形状为多边形的情况下的凹部132、133的内切圆的直径、或凹部132、133的俯视形状为圆形的情况下的凹部132、133的直径的0.8倍以上且0.12倍以下是优选的。由此，能够有效地发挥凹部132、133对水流的粘性阻力的降低效果已被本发明人们通过实验而确认。另外，例如，多边形状的凹部132、133的内切圆的直径或圆形状的凹部132、133的直径(图12A所示的Dd)为1mm的情况下，凹部132、133的间隔(图12A所示的G)为0.8mm以上且1.2mm以下是优选的。

这种涂覆层130、131例如如图13A～图13C所示，能够使用具有与涂覆层130、131的凹部132、133对应的凸部141的模型140而形成。此情况下，首先，如图13A所示，在流水面以预定的厚度膜状地涂布亲水性涂料，而形成涂膜134。接下来，如图13B所示，在亲水性涂料的涂膜134压入模型140。此时，以在模型140的凸部141与流水面之间残存涂膜134的方式，压入模型140。接下来，在压入了模型140的状态下，使涂膜134干燥并固化。涂膜134固化后，如图13C所示，拆下模型140。这样，能够获得本实施方式中的涂覆层130、131。另外，涂覆层130、131的形成方法并不限定于上述的方法。例如，在使亲水性涂料的涂膜固化后，将模型140载于固化了的涂膜上，在模型140的凸部141的周围涂布亲水性涂料并使之固化，由此也能够获得本实施方式的涂覆层130、131。

接下来，对由这种结构构成的本实施方式的作用进行说明。

本实施方式所涉及的法兰西斯式水轮机101进行水轮机运转的情况下，如图10所示，水从上池201(参照图15)流经水压铁管200并流入箱体103。流入到箱体103的水从箱体103流经固定叶片104以及导流叶片105并流入叶轮106。借助流入到该叶轮106的水，叶轮106被旋转驱动。由此，经由主轴110而连结到叶轮106的发电机111被驱动，进行发电。流入到叶轮106的水从叶轮106流经吸出管112，向下池202放出。这期间，使导流叶片105转动，由此调整导流叶片105的开度，调整发电机111的发电量。

水轮机运转期间，流经了导流叶片105的水的一部分流入叶轮背压室113。即，形成流经在轮周107的半径方向外侧所设的背压室侧间隙部117后流入叶轮背压室113的水的流动。由此，如图14所示，背压室涂覆层130的表面135以水附着的方式形成有水的较薄的附着层136。该水附着层136夹在由叶轮背压室113的中心侧的水流形成的主流与背压室涂覆层130之间。此外，形成水附着层136的水并不是相对于背压室涂覆层130静止的，但流速非常慢。根据以上处理，能够使背压室涂覆层130的近旁的水流的粘性阻力降低，能够使叶轮背压室113内的水流相对于流水面(叶轮背压室侧的面107a、114a)的摩擦损失降低。

此外，水轮机运转期间，流经了导流叶片105的水的一部分流入到叶轮侧压室115。即，形成流经在带部108的半径方向外侧所设的侧压室侧间隙部120并流入叶轮侧压室115的水的流动。在此情况下，也与叶轮背压室113同样地形成水附着层136，因此能够使侧压室涂覆层131的近旁的水流的粘性阻力降低，能够使叶轮侧压室115内的水流相对于流水面(叶轮侧压室侧的面108a、116a)的摩擦损失降低。

背压室涂覆层130设有许多的背压室凹部132，并且侧压室涂覆层131设有许多的侧压室凹部133，由此凹部132、133内的水附着于由亲水性涂料形成的凹部132、133的壁面，凹部132、133内的水的流速非常慢。由此，流水面中的设有凹部132、133的区域，获得使上述的水附着层136的厚度变厚的效果。为此，能够使在凹部132、133上游动的水流的粘性阻力进一步降低，能够使水流相对于流水面顺畅地流动。

这样根据本实施方式，在轮周107的叶轮背压室113一侧的面107a设有由亲水性涂料形成的背压室涂覆层130。此外，在带部108的叶轮侧压室115一侧的面108a设有由亲水性涂料形成的侧压室涂覆层131。由此，在涂覆层130、131的表面，能够形成流速非常小的水的附着层136，能够降低在叶轮背压室113以及叶轮侧压室115流动的水流的摩擦损失。为此，能够降低由叶轮106的旋转引起的圆板摩擦损失。此外，此情况下，叶轮106的外径不受限制，因此能够相应于法兰西斯式水轮机101的所期望的输出来决定叶轮106的外径，并且能够在与叶轮背压室113、叶轮侧压室115的流路面积、形状无关的条件下降低圆板摩擦损失。

此外根据本实施方式，如上所述，在叶轮背压室113的流水面中的、轮周107的叶轮背压室113一侧的面107a设有背压室涂覆层130。为此，能够使叶轮背压室113中的、速度梯度可能变得比较大的轮周107一侧的区域的水流的粘性阻力有效地降低。同样地，在叶轮侧压室115的流水面中的、带部108的叶轮侧压室115一侧的面108a设有侧压室涂覆层131。为此，能够使叶轮侧压室115中的速度梯度可能变得比较大的带部108一侧的区域的水流的粘性阻力有效地降低。

此外根据本实施方式，背压室涂覆层130配置于比背压室侧密封部119更靠半径方向外侧，侧压室涂覆层131配置与比侧压室侧密封部122更靠半径方向外侧。由此，能够防止在背压室侧密封部119形成背压室涂覆层130，并且能够防止在侧压室侧密封部122形成侧压室涂覆层131。为此，在对从导流叶片105向叶轮背压室113的水的流入量进行抑制的背压室侧密封部119，水流的摩擦损失降低，由此能够抑制向叶轮背压室113的水的流入量增大。同样地，在对从导流叶片105向叶轮侧压室115的水的流入量进行抑制的侧压室侧密封部122，能够抑制向叶轮侧压室115的水的流入量增大。

此外根据本实施方式，背压室涂覆层130也设于上罩部114的叶轮背压室113一侧的面114a，侧压室涂覆层131也设于下罩部116的叶轮侧压室115一侧的面116a，由此能够使在叶轮背压室113以及叶轮侧压室115流动的水流的摩擦损失进一步降低。为此，能够进一步降低由叶轮106的旋转引起的圆板摩擦损失。

并且，根据本实施方式，背压室涂覆层130设有多个背压室凹部132，侧压室涂覆层131设有多个侧压室凹部133。由此，能够进一步降低涂覆层130、131的近旁的水流的粘性阻力，能够使水流的摩擦损失进一步降低。

因此，根据本实施方式，能够降低圆板摩擦损失而使水轮机效率提高。

例如，在上述的实施方式中，对将本发明所涉及的水轮机应用于法兰西斯式水轮机的例子进行了说明，但并不限于此，在法兰西斯式水轮机以外的水轮机中也能够应用本发明。此外，上述的实施方式中的法兰西斯式水轮机也可以具有汲取下池202的水并向上池201抽水的泵运转功能。

此外，在上述的实施方式中，对在叶轮背压室113的流水面设有背压室涂覆层130并且在叶轮侧压室115的流水面设有侧压室涂覆层131的例子进行了说明。然而，不限于此，背压室涂覆层130和侧压室涂覆层131也可以设置任一方而不设置另一方，在此情况下，也能够降低由叶轮106的旋转引起的圆板摩擦损失。

并且，在上述的实施方式中，对涂覆层130、131由亲水性涂料形成的例子进行了说明。然而，不限于此，在叶轮106的轮周107、带部108、上罩部114、下罩部116等母材由铝形成的情况下，涂覆层130、131例如也可以由勃姆膜(Boehmite)处理形成。此情况下，能够在母材的流水面(表面)形成铝水和氧化皮膜，能够使涂覆层130、131具有亲水性。

(第六实施方式)

接下来，使用图15以及图16对第六实施方式的配管进行说明。

在图15以及图16所示的第六实施方式中，主要不同点在于，在配管的流水面设有由亲水性涂料形成的涂覆层，其他的构成与图1至图4所示的第一实施方式大致相同。另外，在图15以及图16中，对与图1至图4所示的第一实施方式相同部分标注同一符号，并省略详细的说明。

在本实施方式中，对以作为水轮机的一例法兰西斯式水轮机1为例并且以将来自上池201的水导向法兰西斯式水轮机1的箱体3(参照图1、图10)的水压铁管200作为配管的一例的例子进行说明。

如图15所示，本实施方式中的水压铁管(配管)200构成为，连结于法兰西斯式水轮机1的箱体3，并在水轮机运转时将来自上池201的水导向法兰西斯式水轮机1的箱体3。从法兰西斯式水轮机1流出的水被导向下池202。

如图16所示，水压铁管200具备：配管主体210；以及流水面212，设于配管主体210，滑动水的流路211。其中，在流水面212设有由亲水性涂料形成的涂覆层213，在涂覆层213设有向流路211一侧开口的许多(多个)的凹部214。上述涂覆层213、凹部214具有与在上述的第四实施方式中说明的涂覆层60、凹部61、在第五实施方式中说明的涂覆层130、131、凹部132、133同样的构成，能够同样形成。此外，配管主体210由铝形成的情况下，涂覆层213例如也可以通过勃姆膜处理来形成。

这样根据本实施方式，流水面212设有由亲水性涂料形成的涂覆层213。由此，涂覆层213的表面能够形成流速非常小的水的附着层62(参照图9)，能够降低在由流水面212划定的流路211流动的水流的摩擦损失。为此，能够防止流入法兰西斯式水轮机1的箱体3的水的能量损失，能够有效地使用水的能量而使水轮机效率提高。

此外，根据本实施方式，在涂覆层213设有多个凹部214。由此，能够进一步降低涂覆层213的近旁的水流的粘性阻力，能够使水流的摩擦损失进一步降低。

另外，在上述的本实施方式中，对配管是连结于法兰西斯式水轮机1的水压铁管200的例子进行了说明。然而，作为连结于水轮机的配管，并不限于连结于法兰西斯式水轮机1的水压铁管200，也能够在连结于任意的水轮机的任意的配管中应用本发明。

通过以上所述的实施方式，能够降低摩擦损失，能够有效地使用水的能量。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但上述实施方式是作为例子提示的，意图不在于限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及主旨，并且包含于权利要求书记载的发明及其等同的范围。此外，当然，在本发明的主旨的范围内，也能够将上述实施方式至少局部地适当组合。并且，在上述的实施方式中，对将本发明所涉及的水轮机应用于法兰西斯式水轮机的例子进行了说明，但并不限于此，在法兰西斯式水轮机以外的水轮机等中也能够应用本发明。

Claims (9)

1.一种水轮机，其特征在于，具备：

水轮机主体，包括借助在水轮机运转时流入的水而旋转的叶轮、通过转动对流入所述叶轮的水的流量进行调整的导流叶片、以及互相对置的上罩部及下罩部，所述导流叶片设于所述上罩部与所述下罩部之间，转动自如地被所述上罩部及所述下罩部支承；

流水面，设于所述水轮机主体，划定水的流路；以及

涂覆层，设于所述叶轮、所述导流叶片、所述上罩部、以及所述下罩部的所述流水面，所述涂覆层由亲水性涂料形成，以使在由所述流水面划定的流路上流动的水流的摩擦损失降低，

设于所述上罩部的所述流水面以及设于所述下罩部的所述流水面分别具有未设有所述涂覆层的罩部非涂覆区域，

所述罩部非涂覆区域形成为，从沿着所述导流叶片的转动轴线的方向观察时包含所述导流叶片的转动区域。

2.如权利要求1所述的水轮机，其特征在于，

在所述涂覆层上设有向所述流路一侧开口的多个凹部。

3.如权利要求1所述的水轮机，其特征在于，

所述水轮机主体的所述叶轮包含多个叶轮叶片，

设于所述叶轮叶片的所述流水面具有未设有所述涂覆层的上游侧非涂覆区域，

所述上游侧非涂覆区域形成于水轮机运转时的所述叶轮叶片的所述流水面的正压面以及负压面中的上游侧端部。

4.如权利要求3所述的水轮机，其特征在于，

关于所述上游侧非涂覆区域的沿着主流方向的长度Li，在设水轮机运转时的所述叶轮的出口直径为De时，Li/De≤0.8。

5.如权利要求1所述的水轮机，其特征在于，

所述水轮机主体的所述叶轮包含多个叶轮叶片，

设于所述叶轮叶片的所述流水面具有未设有所述涂覆层的下游侧非涂覆区域，

所述下游侧非涂覆区域形成于水轮机运转时的所述叶轮叶片的所述流水面的负压面中的下游侧端部。

6.如权利要求5所述的水轮机，其特征在于，

关于所述下游侧非涂覆区域的沿着主流方向的长度Lo，在设水轮机运转时的所述叶轮的出口直径为De时，Lo/De≤0.8。

7.如权利要求2所述的水轮机，其特征在于，

所述凹部的深度，是所述凹部的俯视形状为多边形的情况下的该凹部的内切圆的直径或所述凹部的俯视形状为圆形的情况下的该凹部的直径的0.05倍以上且0.15倍以下。

8.如权利要求2所述的水轮机，其特征在于，

彼此相邻的所述凹部的间隔，是所述凹部的俯视形状为多边形的情况下的该凹部的内切圆的直径或所述凹部的俯视形状为圆形的情况下的该凹部的直径的0.8倍以上且1.2倍以下。

9.如权利要求2所述的水轮机，其特征在于，

所述凹部的深度是50μm以上且150μm以下。