JP2007285284A - バルブ水車 - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドベーンの負圧面近傍における剥離流れの発生を防止して、ガイドベーン近傍における水力損失を抑制するバルブ水車を提供すること。
【解決手段】本発明のバルブ水車は、流路内壁２１を有する流路２０内に配置されたバルブ１と、バルブ１側方に連結され、流路内壁２１とバルブ１との間の作動流路２５内を流れる水の流量調整を行う複数のガイドベーン３と、バルブ１内に回転自在に配置された水車軸１１と、水車軸１１の下流端に連結され、ガイドベーン３により流量調整された水によって回転駆動するランナ４とを備えている。バルブ１内には、水車軸１１に連結された発電機１０が配置されている。ガイドベーン３の負圧面３ａには、当該ガイドベーン３の負圧面３ａ側に沿う水の流れを整流してガイドベーン３の負圧面３ａにおける剥離流れ９を防止する整流補助翼５が連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガイドベーンを有するバルブ水車に係わり、とりわけガイドベーン近傍における水力損失を抑制することができるバルブ水車に関する。

図８（ａ）乃至（ｃ）は、低落差に適用される従来のバルブ水車（横軸バルブ水車）を示したものである。このうち図８（ａ）は、バルブ水車の側方断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の矢視Ｃから後述するガイドベーン３を見た断面図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）の矢視Ｄからガイドベーン３を見た断面図である。なお図８（ｂ）、（ｃ）に示す破線は、流水の可視化試験により得られた流跡線を模式的に示したものである。

図８（ａ）に示すように、バルブ水車は、流路内壁２１を有する流路２０内に配置された、たまご型のバルブ１と、バルブ１側方に連結され、流路内壁２１とバルブ１との間の作動流路２５内を流れる水の流量調整を行う複数のガイドベーン３と、バルブ１内に回転自在に配置された水車軸１１と、水車軸１１の下流端（図示せず）に連結され、ガイドベーン３により流量調整された水によって回転駆動されるランナ４と、バルブ１内に配置され、水車軸１１に連結された発電機１０とを備えている。なお、上述の流路２０は、ダム等の上池（図示せず）の底部付近に配置されている。

このうちランナ４は、水車軸１１に連結されたランナボス４ｂと、このランナボス４ｂ周縁に複数配置されたランナベーン４ａとからなっている。

また、図８（ａ）に示すように、ガイドベーン３の上流側には、バルブ１を流路内壁２１に連結し固定するステー２が放射状に設けられている。また、ランナ４の下流側には、ランナ４を回転駆動させた水を受けて下池（図示せず）へ排出する吸出し管６が、流路内壁２１に連結し配置されている。

このようなバルブ水車の周りに水を流入することによって、電気を発生させることができる。すなわち、まず、ダム等の上池に蓄えられた水を流路２０内に流入させる。次に、流路２０内に流入した水はバルブ１周縁に形成された作動流路２５内を通過する。その後、作動流路２５内を通過した水は、ガイドベーン３において転向され、流量調整された後、ランナ４を回転駆動させる。このように、ランナ４を回転駆動させることによって、発電機１０に連結された水車軸１１が回転し、発電機１０において電気が発生する（例えば、特許文献１）。なお、図８（ａ）中の矢印８は、水の流れを示している。
特開平９−２８０１５４号公報

しかしながら、上述のようにバルブ水車を用いて電気を発生させる場合には、ガイドベーン３近傍で水力損失が発生し、水車効率が低下してしまう。

例えば、適用落差範囲が広く、最も一般的に利用されているフランシス水車（図示せず）を用いた場合には、フランシス水車内を流れる水は、ケーシング（図示せず）からステーベーン（図示せず）、ガイドベーン（図示せず）へと徐々に流れを転向させて、要求される出力に応じた角運動量を持った流れがランナ（図示せず）へと流入する。

これに対して、上述したバルブ水車を用いた場合には、上池から流入され回転方向の速度成分を持たない水が、バルブ水車の回転軸と略平行にガイドベーン３まで流れ、ガイドベーン３においてランナ４に適正な角運動量を持って流入するよう急激に転向される。このため、図８（ｂ）に示すように、ガイドベーン３の負圧面３ａ近傍で剥離流れ９が発生するので、剥離流れ９によって生じた渦により水力損失が増大して水車効率が低下してしまう。ところで、ガイドベーン３は、水の流れ方向に関し、表側が圧力面３ｂとなり、裏側が負圧面３ａとなっている。

なお、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、ガイドベーン３の内径側（バルブ壁面１ａ側）の長さ（水が流入する上流端３ｕから水が流出する下流端３ｌまでの距離）（図８（ｂ）参照）は、ガイドベーン３の外径側の長さ（図８（ｃ）参照）よりも短くなっている。このため、ガイドベーン３の内径側では、ガイドベーン３の外径側に比べて、水の流れを効率よく転向させることができない。この結果、ガイドベーン３の内径側の負圧面３ａにおいては、特に剥離流れ９が発生しやすくなっている（図８（ｂ）、（ｃ）参照）。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ガイドベーンの負圧面近傍における剥離流れの発生を防止して、ガイドベーン近傍における水力損失を抑制するバルブ水車を提供することを目的とする。

本発明は、流路内壁を有する流路内に配置されたバルブと、バルブ側方に連結され、流路内壁とバルブとの間の作動流路内を流れる水の流量調整を行う複数のガイドベーンと、バルブ内に回転自在に配置された水車軸と、水車軸の下流端に連結され、ガイドベーンにより流量調整された水によって回転駆動するランナと、バルブ内に配置され、水車軸に連結された発電機と、各ガイドベーンの負圧面に連結され、当該ガイドベーンの負圧面側近傍に水を導いてガイドベーンの負圧面における剥離流れを防止する整流補助翼と、を備えたことを特徴とするバルブ水車である。

本発明によれば、ガイドベーンの負圧面に整流補助翼を設けることによって、ガイドベーンの負圧面側に水を導いて剥離流れの発生を防止することで、ガイドベーン近傍における水力損失を抑制するバルブ水車を提供することができる。

第１の実施の形態
以下、本発明に係るバルブ水車の第１の実施の形態について、図１（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明する。ここで、図１（ａ）はバルブ水車の側方断面図であり、図１（ｂ）は後述するガイドベーン３及び整流補助翼５の拡大図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の矢視Ａからガイドベーン３及び整流補助翼５を見た断面図である。また図１（ｄ）は、図１（ｂ）の矢視Ａから見た後述するバルブ壁面１ａ近傍（図１（ａ）、（ｂ）参照）の水の流れを示したものであり、図中の破線は可視化試験で得られた水の流跡線を模式的に示したものである。

図１（ａ）に示すように、バルブ水車は、流路内壁２１を有する流路２０内に配置された、たまご型のバルブ１と、バルブ１側方に連結され、流路内壁２１とバルブ１との間の作動流路２５内を流れる水の流量調整を行う複数のガイドベーン３と、バルブ１内に回転自在に配置された水車軸１１と、水車軸１１の下流端（図示せず）に連結され、ガイドベーン３により流量調整された水によって回転駆動されるランナ４と、バルブ１内に配置され、水車軸１１に連結された発電機１０とを備えている。なお、上述の流路２０は、ダム等の上池（図示せず）の底部付近に配置されている。またバルブ１はその外面がバルブ壁面１ａとなっている。

このうち複数のガイドベーン３は、図１（ａ）に示すように、バルブ１周縁に沿って配置されており、各ガイドベーン３は、各々外周端に位置するゲートリング（図示せず）とのリンク機構によって互いに連動する。なおガイドベーン３は、作業流路２５内にピッチ長さＰにより一定間隔をおいて円周方向に沿って配置されている（図３（ｂ）参照）。

また図１（ａ）に示すように、ガイドベーン３の上流側には、バルブ１を流路内壁２１に連結し固定するステー２が放射状に設けられている。

また図１（ａ）に示すように、ランナ４は、水車軸１１に連結されたランナボス４ｂと、このランナボス４ｂ周縁に複数配置されたランナベーン４ａとからなっている。なお、要求される負荷変動に対しても高効率な水車運転を行えるよう、ランナベーン４ａは、ガイドベーン３の開度と連動して、その取付角度が設定されている。

また図１（ａ）に示すように、発電機１０は、水車軸１１に連結された発電機軸１２と、発電機軸１２の外周に設けられた回転子１７と、回転子１７の回転方向外方であって、バルブ１の内方に固定された固定子１６とを有している。

また図１（ａ）に示すように、ランナ４の下流側には、ランナ４を回転駆動させた水を受けて下池（図示せず）へ排出する吸出し管６が、流路内壁２１に連結し配置されている。

ところで、ガイドベーン３は、水の流れ方向に関し、表側が圧力面３ｂとなり、裏側が負圧面３ａとなる。また、図１（ａ）乃至（ｄ）に示すように、各ガイドベーン３の負圧面３ａのうち、内径側（バルブ壁面１ａ側）には、支持板（支持部材）７を介して整流補助翼５が連結されている。この場合、整流補助翼５は、バルブ壁面１ａとの間に間隙Ｄをおいて設けられている（図１（ｂ）参照）。

このように、整流補助翼５はバルブ壁面１ａと所定の間隙Ｄを介して設けられているので、整流補助翼５がバルブ壁面１ａと接触してしまうことはない。

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述べる。

最初に、バルブ水車によって電気を発生させる方法について説明する。

まず、ダム等の上池に蓄えられた水が、上池の底部付近に配置された流路２０内に、回転方向の速度成分を持たない無旋回に近い状態で流入される。

次に、この水がステー２を通過した後、バルブ１の周りに形成された作動流路２５内を通過してガイドベーン３に達する。そして、この水は、このガイドベーン３において転向され、流量調整される。

次に、ガイドベーン３を経た水はランナベーン４ａに達し、ランナベーン４ａと、ランナボス４ｂとからなるランナ４を回転駆動させる。このとき、ランナボス４ｂに連結された水車軸１１がランナボス４ｂとともに回転駆動される。

このように水車軸１１が回転駆動されることによって、水車軸１１に連結された発電機軸１２が回転し、発電機軸１２の外周に設けられた回転子１７が回転する。このように回転子１７が回転することによって、バルブ１内方に固定された固定子１６を貫通する磁界が変化し、電気が発生する。なお、ランナベーン４を通過した水は、吸出し管６を経て下池へ排出される

次に、バルブ水車のガイドベーン３近傍の流れについて、更に詳細に説明する。

従来技術のようにガイドベーン３の負圧面３ａに整流補助翼５が設けられていない場合には、水がガイドベーン３を通過する際に、ガイドベーン３の負圧面３ａ側の水圧が低くなるため、この負圧面３ａにおいて剥離流れ９が発生し易い（図８（ｂ）参照）。

特に、ガイドベーン３の内径側（バルブ壁面１ａ側）の形状と、ガイドベーン３の外径側の形状は相似形状となっているが、ガイドベーン３の内径側の長さ（水が流入する上流端３ｕから水が流出する下流端３ｌまでの距離）は、ガイドベーン３の外径側の長さよりも短くなっており、ガイドベーン３の内径側では、ガイドベーン３の外径側に比べて水の流れを効率よく転向させることができないので、ガイドベーン３の内径側の負圧面３ａでは、剥離流れ９が発生しやすくなっている。

これに対して本発明によれば、各ガイドベーン３の内径側の負圧面３ａに、整流補助翼５が連結されているので、当該ガイドベーン３の負圧面３ａ近傍の水が流れにくい領域に水を導くことができ、水の流れを整流することができる。

このため、ガイドベーン３の負圧面３ａにおける剥離流れ９を防止して、剥離流れ９による渦損失を低減することができるので、ガイドベーン３近傍における水力損失を抑制することができる。また、ランナ４に流入する水流の乱れを抑えることができるので、ランナ４での水力効率を向上させることもできる。

また、図１（ａ）乃至（ｄ）に示すように、整流補助翼５は、支持板７を介して各ガイドベーン３に連結されているので、整流補助翼５を各ガイドベーン３に同期して駆動することができる。このため、水による負荷を調整するためにガイドベーン３の設定角度を変更した場合、整流補助翼５をガイドベーン３に同期して変更させることができる。この結果、整流補助翼５は、ガイドベーン３と流水に対して同じ位置関係をとることができ、ガイドベーン３による水の流量調整を補助することができる。

第２の実施の形態
次に図２（ａ）乃至（ｄ）により、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２（ａ）乃至（ｄ）に示す第２の実施の形態は、作動流路２５内における水の流れに直交する流路の幅方向の整流補助翼の長さ（翼長）Ｈと、作動流路２５内における水の流れに直交する流路の幅方向のガイドベーンの長さ（翼長）Ｈ０が、０．１≦Ｈ／Ｈ０≦０．３の関係にあるものであり、他は図１（ａ）乃至（ｄ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図２（ａ）乃至（ｄ）に示す第２の実施の形態において、図１（ａ）乃至（ｄ）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。

なお図２（ａ）はガイドベーン３及び整流補助翼５の拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の矢視Ｂからガイドベーン３及び整流補助翼５を見た断面図であり、図２（ｃ）はＨ／Ｈ０＜０．１の関係にある整流補助翼５を設けたガイドベーン３近傍における水流の可視化試験で得られた流跡線を模式的に示したものであり、図２（ｄ）は整流補助翼５を設けたガイドベーン３近傍で発生する水力損失と、Ｈ／Ｈ０との関係のグラフを示したものである。

第１の実施の形態で述べたように、ガイドベーン３の内径側の負圧面３ａに整流補助翼５を設けることによって、水の剥離を抑制することができる。しかしながら、ガイドベーン３の内径側は水流の増速率が大きくなるので、流路幅方向の整流補助翼５の長さＨを小さくしすぎると、ガイドベーン３の内径側で水を転向させることが難しくなる。この場合、ガイドベーン３の内径側においては、図２（ｃ）に示すように、流れの剥離領域で剥離流れが発生してしまうことも考えられる。

他方、流路幅方向の整流補助翼５の長さＨを大きくしすぎると、整流補助翼５で発生する摩擦損失が増加して水力損失が増加してしまう。この結果、水の剥離流れを抑制することによる水力損失の低減する効果が、整流補助翼５で発生する摩擦損失が増加する効果によって相殺されてしまうことも考えられる。

そこで、流路幅方向の整流補助翼５の長さ（翼長）Ｈを適切な大きさに調整することによって、ガイドベーン３の内径側の負圧面３ａに発生する剥離流れを抑制し、水力損失を低減することができる。すなわち、流路幅方向の整流補助翼５の長さ（翼長）Ｈを、幅方向のガイドベーン３の長さ（翼長）Ｈ０に対して、０．１≦Ｈ／Ｈ０≦０．３の条件を満たすように調整することによって、剥離流れを抑制し、水力損失を低減させることができる（図２（ｄ）参照）。

第３の実施の形態
次に図３（ａ）乃至（ｃ）により、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３（ａ）乃至（ｃ）に示す第３の実施の形態は、ガイドベーン３と当該ガイドベーン３に対応する整流補助翼５との間の間隙Ｐｂと、各ガイドベーン３間のピッチ長さＰが、０．１≦Ｐｂ／Ｐ≦０．３の関係にあるものであり、他は図１（ａ）乃至（ｄ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図３（ａ）乃至（ｃ）に示す第３の実施の形態において、上述の各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。

なお、図３（ａ）は負圧面３ａに整流補助翼５が設けられていないガイドベーン３を用いた場合において、ガイドベーン３近傍における水流の流路線を模式的に示したものであり、図３（ｂ）は本実施の形態によるガイドベーン３及び整流補助翼５の断面図であり、図３（ｃ）は整流補助翼５を設けたガイドベーン３近傍で発生する水力損失と、Ｐｂ／Ｐとの関係のグラフを示したものである。

図３（ａ）に示したように、ガイドベーン３の負圧面３ａ近傍で剥離流れ９が発生する領域（剥離領域）は、当該ガイドベーン３の負圧面３ａと、隣接するガイドベーン３の圧力面３ｂとの間であって、当該ガイドベーン３側の一部の領域である。そして、この領域の大きさは、各ガイドベーン３間のピッチ長さＰに対して、３０％程度の範囲に限られている。このため、ガイドベーン３と整流補助翼５との間の間隙Ｐｂを大きくしすぎると、ガイドベーン３の負圧面３ａ近傍に発生する剥離流れ９を整流補助翼５によって効率よく抑制することができないことも考えられる。

具体的には、Ｐｂ／Ｐが０．３より大きくなってしまう場合には、整流補助翼５がガイドベーン３の負圧面３ａ近傍に発生する剥離流れ９を抑制する効果よりも、整流補助翼５によって水の流れが遮断される効果が大きくなってしまい、全体的な水力損失が大きくなってしまう（図３（ｃ）参照）。

他方、ガイドベーン３と整流補助翼５との間の間隙Ｐｂを小さくしすぎて、Ｐｂ／Ｐが０．１より小さくなってしまうと、ガイドベーン３と整流補助翼５との間を流れる水の流れをせき止めてしまう。このため、水力損失が大きくなってしまうことも考えられる（図３（ｃ）参照）。

そこで、ガイドベーン３と整流補助翼５との間の間隙Ｐｂを、各ガイドベーン３間のピッチ長さＰに対して、０．１≦Ｐｂ／Ｐ≦０．３の条件を満たすように調整することによって、剥離流れ９を抑制し、水力損失を低減させることができる（図３（ｃ）参照）。

第４の実施の形態
次に図４（ａ）乃至（ｃ）により、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４（ａ）乃至（ｃ）に示す第４の実施の形態は、整流補助翼５の長さ（整流補助翼５の水が流入する上流端５ｕから水が流出する下流端５ｌまでの長さ（翼弦長））Ｌと、ガイドベーン３の長さ（ガイドベーン３の水が流入する上流端３ｕから水が流出する下流端３ｌまでの長さ（翼弦長））Ｌ０が、０．５≦Ｌ／Ｌ０≦０．７の関係にあるものであり、他は図１（ａ）乃至（ｄ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図４（ａ）乃至（ｃ）に示す第４の実施の形態において、上述の各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。

なお図４（ａ）は、本実施の形態によるガイドベーン３及び整流補助翼５の断面図（図１（ｃ）に相当する断面図）であり、図４（ｂ）は、ガイドベーン３の上流端３ｕ近傍が、隣接するガイドベーン３の下流端３ｌ近傍と接触して、全閉状態になっているガイドベーン３を示した断面図であり、図４（ｃ）は整流補助翼５を設けたガイドベーン３近傍で発生する水力損失と、Ｌ／Ｌ０との関係のグラフを示したものである。

一般的に、ガイドベーン３は、水の流れを完全に遮断することができるよう、その長さＬ０が各ガイドベーン３間のピッチ長さＰよりも１０％程度、長くなっている。そして、図４（ｂ）に示すように、水の流れを完全に遮断する全閉状態においては、隣接するガイドベーン３同士が重なる。

またガイドベーン３は、ガイドベーン軸Ｃを回転中心として回転することができ、ガイドベーン軸より下流側のガイドベーン下流部３ｄは、ガイドベーン軸を回転中心として回転半径Ｒで回転運動することができる（図４（ｂ）参照）。

このため、各ガイドベーン３が隣接するガイドベーン３と重なり合って全閉状態をとるには、ガイドベーン下流部３ｄと、隣接するガイドベーン３に設けられた整流補助翼５とが衝突しないよう、整流補助翼５が、ガイドベーン下流部３ｄが移動する回転中心円内に配置されていない必要がある。そして、このためには、整流補助翼５の長さＬが、ガイドベーン３の長さＬ０に対して、Ｌ／Ｌ０≦０．７となる必要がある。

他方、整流補助翼５の長さＬが短くなり、Ｌ／Ｌ０＜０．５となる場合には、整流補助翼５によってガイドベーン３の負圧面３ａ近傍に、水を効率よく導くことができない。このため、Ｌ／Ｌ０＜０．５となる場合には、整流補助翼５によって剥離流れ９を抑制することによる水力損失を低下させる効果よりも、整流補助翼５を設けたことによって整流補助翼５周辺で発生する摩擦損失によって水力損失の増加する効果が大きくなってしまい、全体的な水力損失が増加してしまう（図４（ｃ）参照）。従って、整流補助翼５の長さＬは、ガイドベーン３の長さＬ０に対して、０．５≦Ｌ／Ｌ０となることが好ましい。

第５の実施の形態
次に図５（ａ）、（ｂ）により、本発明の第５の実施の形態について説明する。図５（ａ）、（ｂ）に示す第５の実施の形態は、水の流れ方向に関するガイドベーン３の上流端３ｕと整流補助翼５の上流端５ｕとの間の距離Ｚｂと、隣接する各ガイドベーン３間のピッチ長さＰが、０．１５≦Ｚｂ／Ｐ≦０．２の関係にあるものであり、他は図１（ａ）乃至（ｄ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図５（ａ）、（ｂ）に示す第５の実施の形態において、上述の各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。

なお図５（ａ）は、０．１５≦Ｚｂ／Ｐ≦０．２の関係にあるガイドベーン３及び整流補助翼５の断面図（図１（ｃ）に相当する断面図）であり、図５（ｂ）は、ガイドベーン３の上流端３ｕ近傍が、隣接するガイドベーン３の下流端３ｌ近傍と接触して、全閉状態になっているガイドベーン３を示した断面図である。

第４の実施の形態において述べたように、隣接するガイドベーン３同士が重なり合った全閉状態をとるには、ガイドベーン下流部３ｄと、隣接するガイドベーン３に設けられた整流補助翼５とが衝突しないよう、整流補助翼５は、ガイドベーン下流部３ｄが移動する回転中心円内に配置されていない必要がある。そして、このためには、ガイドベーン３の上流端３ｕと整流補助翼５の上流端５ｕとの間の距離Ｚｂが、隣接する各ガイドベーン３間のピッチ長さＰに対して、０．１５≦Ｚｂ／Ｐとなる必要がある。

他方、ガイドベーン３の負圧面３ａ近傍の水が流れにくい領域に、水を効率よく導き、ガイドベーン３近傍で発生する水力損失を低減するためには、ガイドベーン３の上流端３ｕと整流補助翼５の上流端５ｕとの間の距離Ｚｂが、隣接する各ガイドベーン３間のピッチ長さＰに対して、Ｚｂ／Ｐ≦０．２となることが好ましい。

第６の実施の形態
次に図６Ａにより、本発明の第６の実施の形態について説明する。図６Ａに示す第６の実施の形態は、整流補助翼５が、水が流入する上流端５ｕから水が流出する下流端５ｌまで、肉厚が変化しない薄い平板からなるものであり、他は図１（ａ）乃至（ｄ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図６Ａに示す第６の実施の形態において、上述の各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。

図６Ａに示すように、ガイドベーン３は、所定の肉厚を有するとともに、水が流入する上流端３ｕから水が流出する下流端３ｌにかけて肉厚が変化する流線形状をしている。このようにガイドベーン３が所定の肉厚を有するのは、ガイドベーン３は、所望の水車運転負荷に応じて、ガイドベーン軸を中心に取付角度を変更させる必要があり、流水によって発生する水圧やモーメントに対して十分な耐久性を有する必要があるためである。また、ガイドベーン３が流線形状を有しているのは、ガイドベーン３近傍で発生する水力損失の増加を抑えるためである。

これに対して、整流補助翼５に加わる流水による水圧やモーメントは、それほど大きくない。このため、整流補助翼５は、ガイドベーン３ほどの肉厚を有する必要がなく、ガイドベーン３より薄い平板から形成することができる。この結果、整流補助翼５近傍で発生する水力損失を小さくすることができる。

また、上述のように、整流補助翼５に加わる流水による水圧やモーメントはそれほど大きくないので、水力損失を考慮して整流補助翼５は流線形状を有する必要が無い。すなわち、整流補助翼５の上流側の肉厚ｔ１、下流側の肉厚ｔ３及び上流と下流との間に位置する中流における肉厚ｔ２を、ほぼ同程度の厚みにすることができる。このため、整流補助翼５を、水が流入する上流端５ｕから水が流出する下流端５ｌまで、肉厚が変化しない平板から構成することができ、製造コストを抑えることができる。

なお、このように流路幅方向に沿って肉厚が変化しない薄い平板から構成される整流補助翼５を用いたとしても、整流補助翼５の長さや、整流補助翼５の取付位置を最適化することで、ガイドベーン３の負圧面３ａ近傍の水が流れにくい領域に、水を効率よく導くことができる。このため、ガイドベーン３近傍で発生する水力損失を低減することができる。

また、整流補助翼５の水が流入する上流端５ｕの流水に対する角度を、ガイドベーン３の水が流入する上流端３ｕの流水に対する角度と同一にし、整流補助翼５の水が流出する下流端５ｌの流水に対する角度を、ガイドベーン３の水が流出する下流端３ｌの流水に対する角度と同一にすることによって、より効率よく、ガイドベーン３近傍で発生する水力損失を低減することができる。

（変形例）
次に図６Ｂ（ａ）、（ｂ）により、第６の実施の形態の変形例について説明する。図６Ｂ（ａ）、（ｂ）に示す第６の実施の形態の変形例は、整流補助翼５が、上流端５ｕから下流端５ｌに向かう方向と直交する方向（流路幅方向）に沿って肉厚が変化しない薄い平板からなるものであり、他は図１（ａ）乃至（ｄ）に示す第１の実施の形態と略同一である。

図６Ｂ（ａ）、（ｂ）に示す第６の実施の形態の変形例において、上述の各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。

なお、図６Ｂ（ａ）は、流水方向に垂直な方向からガイドベーン３及び整流補助翼５を見た拡大図であり、図６Ｂ（ｂ）は、図６Ｂ（ａ）の矢印Ａ’から見た断面図であり、上方がガイドベーン３の圧力面３ｂ側であり、下方がガイドベーン３の負圧面３ａ側となっている。

一般的に、ガイドベーン３の内径側（バルブ壁面１ａ側）からガイドベーン３の外径側にかけて、ガイドベーン３の肉厚は増加している。これは、ガイドベーン３に加わる水圧や水によるモーメントが、ガイドベーン３の内径側からガイドベーン３の外径側に向かって大きさくなるためである。

これに対して整流補助翼５には、上述のように、それほど大きな流水による水圧やモーメントが加わらないため、整流補助翼５の内径側から整流補助翼５の外径側に向かって、流水による水圧やモーメントもそれほど大きく増加しない。このため、整流補助翼５は、流路幅方向に沿って肉厚が変化しない薄い平板から構成することができる。すなわち、整流補助翼５の内径側（バルブ壁面１ａ側）から外径側にかけて、その肉厚をほぼ同程度の厚みにすることができる（図６Ｂ（ｂ）参照）。なお図６Ｂ（ｂ）において、ｔ１’は整流補助翼５の内径側の肉厚を示し、ｔ２’は整流補助翼５の外径側の肉厚を示している。

このように、整流補助翼５を流路幅方向に沿って肉厚が変化しない薄い平板から構成することによって、整流補助翼５の製造コストを抑えることができる。

第７の実施の形態
次に図７により、本発明の第７の実施の形態について説明する。図７に示す第７の実施の形態において、整流補助翼５をガイドベーン３に連結する支持板（支持部材）７が、整流補助翼５の流路幅方向の両端部に設けられている。そして、この支持板７は、水の流れる流水方向に平行になるように延在している。その他の構成は、図１（ａ）乃至（ｄ）に示す第１の実施の形態と略同一になっている。

図７に示す第７の実施の形態において、上述の各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。なお図７は、ガイドベーン３の負圧面３ａ側からみたガイドベーン３及び整流補助翼５の斜視図である。

図７に示すように、整流補助翼５をガイドベーン３に連結する支持板７を、水の流れる流水方向に平行になるように延在して設けることによって、ガイドベーン３と整流補助翼５との間を流れる水をスムーズに流すことができる。このため、支持板７近傍で発生する水力損失を最小限に抑えることができる。

また図７に示すように、支持板７は、整流補助翼５の流路幅方向の両端部に設けられているので、ガイドベーン３と整流補助翼５との間を流れる水量を最大にすることができる。このため、ガイドベーン３の負圧面３ａ近傍の水が流れにくい領域に、効率よく水を導くことができ、ガイドベーン３近傍で発生する水力損失を低減することができる。

本発明によるバルブ水車の第１の実施の形態を示す構成図。 本発明によるバルブ水車の第２の実施の形態を示す構成図。 本発明によるバルブ水車の第３の実施の形態を示す構成図。 本発明によるバルブ水車の第４の実施の形態を示す構成図。 本発明によるバルブ水車の第５の実施の形態を示す構成図。 本発明によるバルブ水車の第６の実施の形態を示す構成図。 本発明によるバルブ水車の第６の実施の形態の変形例を示す構成図。 本発明によるバルブ水車の第７の実施の形態におけるガイドベーンの負圧面側からみたガイドベーン及び整流補助翼の斜視図。 従来のバルブ水車を示す構成図。

符号の説明

１ バルブ
３ ガイドベーン
３ａ ガイドベーンの負圧面
４ ランナ
５ 整流補助翼
７ 支持板（支持部材）
１０ 発電機
１１ 水車軸
２０ 流路
２１ 流路内壁
２５ 作動流路
Ｈ 作動流路内における水の流れに直交する幅方向の整流補助翼の長さ
Ｈ０ 作動流路内における水の流れに直交する幅方向のガイドベーンの長さ
Ｐｂ ガイドベーンと整流補助翼との間の間隙
Ｐ 各ガイドベーン間のピッチ長さ
Ｌ 整流補助翼の水が流入する上流端から水が流出する下流端までの長さ
Ｌ０ ガイドベーンの水が流入する上流端から水が流出する下流端までの長さ
Ｚｂ ガイドベーンの上流端と整流補助翼の上流端との間の距離

Claims (8)

1. 流路内壁を有する流路内に配置されたバルブと、
   バルブ側方に連結され、流路内壁とバルブとの間の作動流路内を流れる水の流量調整を行う複数のガイドベーンと、
   バルブ内に回転自在に配置された水車軸と、
   水車軸の下流端に連結され、ガイドベーンにより流量調整された水によって回転駆動するランナと、
   バルブ内に配置され、水車軸に連結された発電機と、
   各ガイドベーンの負圧面に連結され、当該ガイドベーンの負圧面側近傍に水を導いてガイドベーンの負圧面における剥離流れを防止する整流補助翼と、
   を備えたことを特徴とするバルブ水車。
2. 作動流路内における水の流れに直交する幅方向の整流補助翼の長さＨと、作動流路内における水の流れに直交する幅方向のガイドベーンの長さＨ０は、
   ０．１≦Ｈ／Ｈ０≦０．３
   の関係にあることを特徴とする請求項１記載のバルブ水車。
3. ガイドベーンは、作業路内にピッチ長さＰにより一定間隔をおいて円周方向に沿って配置され、
   ガイドベーンと、当該ガイドベーンに対応する整流補助翼との間の間隙Ｐｂと、各ガイドベーン間のピッチ長さＰは、
   ０．１≦Ｐｂ／Ｐ≦０．３
   の関係にあることを特徴とする請求項１記載のバルブ水車。
4. 整流補助翼の水が流入する上流端から水が流出する下流端までの長さＬと、ガイドベーンの水が流入する上流端から水が流出する下流端までの長さＬ０は、
   ０．５≦Ｌ／Ｌ０≦０．７
   の関係にあることを特徴とする請求項１記載のバルブ水車。
5. 水の流れ方向に関するガイドベーンの上流端と整流補助翼の上流端との間の距離Ｚｂと、隣接する各ガイドベーン間のピッチ長さＰは、
   ０．１５≦Ｚｂ／Ｐ≦０．２
   の関係にあることを特徴とする請求項１記載のバルブ水車。
6. 整流補助翼は、水が流入する上流端から水が流出する下流端まで、肉厚が変化しない平板からなることを特徴とする請求項１記載のバルブ水車。
7. 整流補助翼は、上流端から下流端に向かう方向と直交する方向に沿って肉厚が変化しない平板からなることを特徴とする請求項１記載のバルブ水車。
8. 整流補助翼は、支持部材を介してガイドベーンに連結し、
   支持部材は、水の流れる方向に延在していることを特徴とする請求項１記載のバルブ水車。

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