JP2010090822A - 立軸バルブ型水車発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】軸バルブ型水車発電設備における空気吸込み渦の発生を抑制する。
【解決手段】立軸バルブ型水車発電設備は、回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、水車に接続されてその水車によって駆動される発電機２を有する。自由水面２０が形成されて水車の上方に向かって水がほぼ水平に流れるように形成された水平流路８０と、水平流路８０の底部に形成された開口部７１から発電機２に向かって下向きに延びて、水平流路８０を流通した水が水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路７０と、を有する。開口部７１の上方の自由水面２０近傍に配置されて、終端部８２側が下がるように且つ終端部８２側が自由水面２０下にあるように固定された斜板１０を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平流路を流れる水を縦方向流路に取り込んで水車に供給する立軸バルブ型水車発電設備に関する。

水車にプロペラ状の翼を用いて回転させるとともに、あわせて設置されるガイドベーンも可動とし、水車を通過する流体の流量変化に対して、高い効率で運転できるようにしたものをカプラン水車という。そのカプラン水車を用いた発電設備の一種である立軸バルブ型水力発電設備は、比較的低落差用に適用されることが多い。

このため、水車上方の水平流路上部水面から縦方向流路の入口に至るまでの鉛直方向距離がフランシス水車などに比べて短い。また、同様に水車内を流れる水量が相対的に多い。
特開２００５−１６３５６３号公報 特開２００７−１２０４６１号公報

例えば特許文献１に開示されているように、立軸バルブ型水力発電設備を運転したときに、水平流路の水面から水車に向かって、空気吸込み渦といわれる強い旋回速度成分を有するロープ状の渦流が局所的に発生する場合がある。

この渦（空気吸い込み渦）は水車運転によって水が急激に水車流路へと吸引されることによって発生するものであるが、水面から水車へと連続的に発生する。このために、水車にはこの渦による大きな水力エネルギ損失が発生したり、渦が水車に衝突することで振動や騒音を発生し水車をはじめとする主要機器の運転にも支障をきたしたりすることになる。

一般にこの空気吸込み渦は、水が流れる流路の形状に密接に関係するものであり、水平流路の水流方向速度の不均一性が旋回方向の流れを発達させ渦流となって成長するものである。また、この空気吸込み渦は、流路内のフローパターンの均一性と深く関係するものであり、流路内のフローパターンが一様で乱れがない場合は渦が発生しないことが知られている。

しかし、水平流路内のフローパターンを一様にすることは、土木工事上の制限や施工上の問題等があり困難な場合が多く、このために空気吸込み渦が発生し易い状況となっている。

立軸バルブ型水力発電所の水路のように、水平流路の末端底部に開口部（給水口）を有し、水平流路の下方の垂直方向に縦方向流路を形成する場合、水流の方向は水平方向から鉛直下向きに変えられるため、水平流路の末端部には下降流れが生じることになる。そのため水面に発生する渦は下方に向かって伸長しやすくなる場合がある。このとき、水平流路の水位が低くなり、水車の水量が多いほど渦強度が増し空気吸込み渦となり、縦方向流路の給水口に向かって空気が連続的あるいは断続的に吸い込まれるようになる。

この空気吸込み渦の発生により、水車内に空気が流入することで水車運転状態に変動が生じ水車主機をはじめとする機器の運転にも支障をきたす場合がある。また、水車には大きなエネルギ損失が発生する。

このような空気吸込み渦を回避する方法は、例えば、特許文献１に開示されているように、発電機のバルブの上面部に一端を固定支持して他端を流水路に突出した整流棒を配置することによって、水流は整流棒を中心とした穏やかな旋回を有する流れとなり局部的渦流が発生しにくくなることが知られている。

しかし、この方法では、渦が発生して棒のまわりに定常的にまとわりついた場合、渦により丸棒が加振力を受けて振動するようになり、構造物の健全性上好ましくない場合も考えられる。

また特許文献２に開示されているように、水平流路から水を取り入れるための導水口の水面付近に、ほぼ水平となるように水平整流板を配置することによって、渦の発生を抑制させることなどが知られている。

また汎用のポンプでは、上記のような空気吸込み渦を回避する手段として、吸込み配管形状の適正化や旋回流抑制の吸込み装置等が考察されているが、立軸バルブ水車においては、そのようなものが実用化されていない。

以上述べたように、立軸バルブ型水車発電設備においては、水車の流水路を形成する水面に空気の吸込みによる渦流が、水車に向かって発生する。この空気吸込み渦が水車に到達すると、水力エネルギ損失が増大し水車性能が低下する。仮に運転可能であっても、水車性能の低下は避けられない。

この水車は、低落差領域に適用されることから、比較的小さな損失であっても有効落差に対する比率として表される水車損失の観点からは、無視できない大きなものになる。また、渦流が水車に衝突および接触する際には、騒音および振動等の水車の運転に支障を来たす現象が生ずる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、立軸バルブ型水車発電設備における空気吸込み渦の発生を抑制することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備は、回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ水平に水が流れるように形成された水平流路と、前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、前記開口部の上方の前記自由水面近傍に配置されて、前記終端部側が下がるように前記自由水面に対して所定の傾きを保ち、前記終端部側が前記自由水面下にあるように配置された斜板と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備は、回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ一定の幅でほぼ水平に水が流れるように形成された水平流路と、前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、それぞれが前記開口部の上方で前記水平流路の両側の壁面それぞれに取り付けられて前記終端部側が前記自由水面下にあるように且つ前記終端部側が下がるように前記自由水面に対して所定の傾きを保つように配置されて、前記開口部の上方が開放されるように構成された斜板と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備は、回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ水平に水が流れるように形成されて、前記給水口から前記開口部の前記給水口側端部までほぼ一定の幅になるように形成された水平流路と、前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された円形の開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、を有し、前記開口部の上方の前記水平流路の両側の壁面それぞれには、前記終端部側が下がるように且つ前記自由水面に対して所定の傾きを有し前記開口部の上方が開放されるように構成された傾斜面が形成されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備は、回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ水平に水が流れるように形成された水平流路と、前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、前記水平流路底部から上方に延びて、前記開口部よりも前記終端部側で、前記水平流路の両側の壁面それぞれと前記終端部とからなる隅部それぞれを水平方向から覆うように配置された多孔質部材の隔壁と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、立軸バルブ型水車発電設備における空気吸込み渦の発生を抑制することが可能となる。

以下、本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
先ず、図１および図２を用いて本発明の立軸バルブ型水車発電設備に係る第１の実施形態の構成および作用について説明する。図１は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備を示す概略平面図である。図２は、図１の概略側断面図である。

本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備は、自由水面２０が形成されて給水口８１から終端部８２に向かってほぼ水平に水が流れる水平流路８０と、水平流路８０の底部の終端部８２寄りに形成された円形の開口部７１から下向きに延びて水平流路８０を流通した水が下向きに流れるように形成された縦方向流路７０と、を有する。水平流路８０の給水口８１付近の水流方向および縦方向流路７０の開口部７１より下方の水流方向は、矢印５０で示している。

縦方向流路７０の下方には、鉛直に延びる主軸３を有する水車発電機２１が配置されている。

水車発電機２１は、たまご型をしたバルブ１を有し、このバルブ１内には発電機固定子および回転子を主要構成部材とした発電機２が配置されている。主軸３は鉛直方向に配置され、主軸３の上方側の端部には、回転子が結合されており、下方側の端部にはランナ４が取り付けられている。

このランナ４の上方には流量を調節するガイドベーン５が複数枚円周状に配置されており、複数のガイドベーン５は、これらの外周部に位置するリンク機構等により連動するように形成されている。

ガイドベーン５の上方側（上流側）にはバルブ１を支えるためのステー６と呼ばれる支持部材が、バルブ１から縦方向流路７０の外側に向かって放射状に配置されている。また、発電機２の内部を点検するための点検口が、バルブ１の上方と下方それぞれに配置されている。

さらに、開口部７１の上方の自由水面２０近傍には、斜板１０が配置されている。この斜板１０は、水平流路８０の短手方向長さ、すなわち水平流路８０の幅と、ほぼ同じ幅の略長方形状の平板である。この斜板１０の終端部８２側の終端部側端辺１０ａが下がるように自由水面２０に対して所定の傾きを保ち、終端部側端辺１０ａが自由水面２０より下方にあるように、すなわち水没するように固定されている。終端部側端辺１０ａは、自由水面２０とほぼ平行になるように配置しておくとよい。

斜板１０の給水口側端辺１０ｂの自由水面２０からの高さは、空気吸込み渦は最低水位のときに最も発生しやすいので、自由水面２０の水位が最低水位のときに、水平流路８０を流れる水が給水口側端辺１０ｂを乗り越えられない程度の高さ以上となるように設定しておくとよい。

本実施形態によれば、水車発電機２１を運転するときには、水平流路８０の給水口８１側から終端部８２に向かって水平に流れる水は、斜板１０によって下向きに偏向されてスムーズに開口部７１に流入される。このとき、水平流路８０の給水口８１側（上流側）で発生した小さな剥離渦が壊されるため、斜板１０よりも終端部８２側（下流側）の水面は安定し終端部８２近傍で渦が発生することを抑制可能になる。

これにより、水面から水車発電機２１に向かって発生する空気吸込み渦の発生を抑制できる。したがって、エネルギ損失を抑制し効率的に水車発電機２１を運転することが可能になる。

［第２の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第２の実施形態について図３〜図７を用いて以下に説明する。この実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図３は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備を示す概略平面図である。図４は、図３の概略側断面図である。図５は、斜板１０と自由水面２０とのなす角度αを定めるために模型実験を行って、角度αと渦発生回数との関係を検討した結果を示したグラフである。図６は、終端部側端辺１０ａの水没深さｈを定めるために模型実験を行って、水没深さｈおよび開口部直径Ｄ０の比（ｈ／Ｄ０）と、渦発生回数との関係を検討した結果を示したグラフである。図７は、開口部７１と斜板１０との相対位置を定めるために模型実験を行って、水平幅方向交線１０ｃおよび開口部７１中心の水平距離ΔＸと開口部７１の直径Ｄ０との比に対する渦発生回数を検討した結果を示したグラフである。

本実施形態では、図４に示す斜板１０の水流を受ける面と自由水面２０とがなす角度αは、式（１）満たすように構成されている。

３０°≦α≦６０° …（１）
また、開口部７１の直径をＤ０としたときに、斜板１０の終端部側端辺１０ａから自由水面２０までの水没深さｈは、式（２）を満たすように、斜板１０が固定されている。

ｈ／Ｄ０≧０．１５ …（２）
また、斜板１０と自由水面２０とが交わってなる水平幅方向交線１０ｃと、開口部７１の中心との水平方向距離をΔＸとしたときに、このΔＸと開口部直径Ｄ０との比（ΔＸ／Ｄ０）は、水平幅方向交線１０ｃが開口部７１の中心よりも給水口８１側（上流側）のときは、０より大きくて且つ０．３以下となる。また、水平幅方向交線１０ｃが開口部７１の中心よりも終端部８２側（下流側）のときは、０より大きくて且つ０．２以下となる。

このとき、水平幅方向交線１０ｃが開口部７１の中心よりも給水口８１側（上流側）にあるときのΔＸを正として、この逆の場合を負としたときには、式（３）を満たす。

−０．２≦ΔＸ／Ｄ０≦０．３ …（３）
なお、図４におけるΔＸは、正の値をとっている。

上記のように角度α、水没深さｈ、水平方向距離ΔＸを定めることによって、自由水面２０に発生する渦を抑制することが可能になる。

以下に、これらのパラメータ（α、ｈ、ΔＸ）を定めるために行った模型試験について説明する。

模型実験は標準的な形状の直線形の水路を用い、縦方向流路７０の開口部の直径をＤ０、水平流路の幅をＢ、水平流路８０の終端部８２から開口部７１の中心までの水平距離をＸとすると、式（４）および式（５）を満たす寸法比とした。

Ｂ／Ｄ０＝１．５９ …（４）
Ｘ／Ｄ０＝０．７４ …（５）
水車の吸込水槽としての標準は定められていないため、「ＪＳＭＥ Ｓ ００４−１９８４」の標準的なポンプ吸込水槽を参照した。

水平流路８０の底面から自由水面２０までの垂直方向距離（水深）Ｚは、実際の水車発電設備の最低水位から最高水位までを想定して、式（６）を満たす寸法比とした。

Ｚ／Ｄ０＝０．８３〜１．０ …（６）
実験流速は、「ポンプ吸込水槽の模型試験方法（ＴＳＪ Ｓ ００２：２００５）」に準拠して、実物のフルード数一致条件から中間流速をカバーする範囲とした。

先ず、角度αを定めるために行った模型試験について説明する。

図５に示すように、斜板１０の角度をαとして、この角度αを０°（水平）から９０°（鉛直）の範囲で変化させたときの渦発生回数を計測した。実験条件は水平流路８０の通常の流速に基づいた中間流速として、水位は発電設備としてとりうる最低水位とした。

このとき、斜板１０の水没深さｈは、α≧３０°のときｈ／Ｄ０≒０．１９となるように設定した。また、自由水面２０および斜板１０が交わって形成される水平幅方向交線１０ｃと開口部７１の中心との水平方向距離ΔＸは、ΔＸ＝０、すなわち開口部７１の中心の真上に水平幅方向交線１０ｃがあるように設定した。

図５に示すように、α＝０°では斜板１０が水平になるため斜板１０が水流を偏向させる効果がなく、開口部７１後部（終端部８２側）に空気吸込み渦が常時発生する。角度αを大きくしていくと、渦の発生頻度が次第に減少していく。α＝３０°前後では渦の発生がほぼなくなる。渦が発生しない範囲は、α＝６０°程度までで、これよりも角度αを大きくしていくと、斜板１０の給水口８１側（上流側）に渦が発生し、さらに終端部８２側（下流側）にも小さな渦が発生する。

この結果から、斜板１０の水流を受ける面と水平流路８０の自由水面２０とにより形成される角度αは、上記の式（１）で示す範囲に設定することが望ましい。

次に、水没深さｈを定めるために行った模型試験について説明する。

図６に示すように、斜板１０の終端部側端辺１０ａの水没深さをｈとして、この水没深さｈと開口部直径Ｄ０との比（ｈ／Ｄ０）を、０．０５〜０．３の範囲で変化させたときの渦発生回数を計測した。

実験条件は上記の角度αを検討したときと同様に、流速は中間流速、水位は最低水位とした。また、斜板１０の角度αは、上記で検討した渦の抑制効果のある範囲の中央値、すなわちα＝４５°とした。また、開口部７１の中心と水平幅方向交線１０ｃとの水平方向距離ΔＸは、ΔＸ＝０、すなわち開口部７１の中心の真上に水平幅方向交線１０ｃがあるように設定した。

図６に示すように、ｈ／Ｄ０＝０．１から渦の発生が減少し、ｈ／Ｄ０＝０．１５以上では、渦の発生が認められない。

この結果から、終端部側端辺１０ａと自由水面２０までの垂直方向距離、すなわち水没深さｈは、上記式（２）を満たすように設定することが望ましい。

次に、水平方向距離ΔＸを定めるために行った模型試験について説明する。

図７に示すように、水平幅方向交線１０ｃと開口部７１の中心との水平方向距離をΔＸと、開口部直径Ｄ０との比（ΔＸ／Ｄ０）を、−０．３から０．５６の範囲で変化させたときの渦発生回数を計測した。

ここで、ΔＸの符号は、水平幅方向交線１０ｃが開口部７１の中心よりも給水口８１側（上流側）にあるときを正として、この逆を負としている。

実験条件は上記の角度αを検討したときと同様に、流速は中間流速、水位は最低水位とした。また、斜板１０の角度αは、上記で検討した渦の抑制効果のある範囲の中央値、すなわちα＝４５°とした。また、終端部側端辺１０ａの水没深さｈは、ｈ／Ｄ０＝０．１９を満たすように設定した。

図７に示すように、ΔＸ／Ｄ０が、ΔＸ／Ｄ０≧０．３のときには、斜板１０の終端部８２側（下流側）に渦が発生し、Δｘ／Ｄ０≦−０．２のときには、斜板１０の給水口８１側（上流側）に渦が発生する。

この結果から、水平幅方向交線１０ｃと開口部７１の中心との水平方向距離ΔＸは、上記式（３）を満たすように設定することが望ましい。

［第３の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第３の実施形態について図８および図９を用いて以下に説明する。この実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図８は、本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第３の実施形態を示す概略平面図である。図９は、図８の概略側断面図である。

本実施形態では、第１および第２の実施形態で用いた斜板１０に代わって、面内に格子が形成された格子斜板１１が水平流路８０に取り付けられている。固定方法は、第１の実施形態と同様である。

格子斜板１１は、水平流路幅方向に延びた複数の格子板１１ａを有する。これらの格子板１１ａは、格子斜板１１の傾きに沿って、互いに間隔をあけて配列されている。格子板１１ａは細長い平板であって、短手方向が鉛直になるように配置されている。すなわち、格子板１１ａ同士の間を鉛直方向に水が流通しやすいように構成されている。

水平流路８０から開口部７１を通り縦方向流路７０に水流が偏向されるとき、流路が急閉塞することに伴い縦方向流路内の圧力が上昇する。このとき、開口部７１の下方から上方に向かって流れる上昇流が発生する場合がある。この上昇流によって、斜板１０には大きな圧力が作用することがある。

これに対して、本実施形態では、斜板１０の代わりに格子斜板１１を用いているため、仮にこのような上昇流が格子斜板１１に衝突しても、上両流の一部は格子斜板１１を上方に向かって通りに抜けるため大きな抵抗を受けることがない。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、水面から水車発電機２１に向かって発生する空気吸込み渦の発生を抑制できる。したがって、エネルギ損失を抑制し効率的に水車発電機を運転することが可能になる。

また、流路の急閉塞に伴う上昇流が生じた場合であっても、流路内の水流を健全な状態に維持することが可能である。

［第４の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第４の実施形態について図１０および図１１を用いて以下に説明する。この実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図１０は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備であって、斜板１０が下方に配置された状態を示す概略側断面図である。図１１は、図１０における斜板１０が上方に配置された状態を示す概略側断面図である。

本実施形態では、水平流路８０の壁面に、斜板上下移動装置３１が配置されている。この斜板上下移動装置３１は、斜板１０が所定の傾きを保持したまま、この傾きに沿って上下方向に移動可能に構成されている。

図１０では、水車発電機２１が運転しているときの斜板１０の位置を示しており、第１の実施形態と同様に、空気吸込み渦の発生を抑制することができる。

水車発電機２１のメンテナンスや交換等の作業をする必要が生じた場合、作業員は、水車発電機２１の上方からアクセスする。斜板１０が、図１０の状態で固定されている場合には、この斜板１０が水車発電機２１へのアクセスの障害になる場合がある。

これに対して、斜板上下移動装置３１によって、図１１に示すように、図１０での斜板１０の位置から斜板１０の傾きを保ちながら上方へ移動することができる。これにより、水車発電機２１の上方が開放された状態になるため、作業員が水車発電機２１へ容易にアクセスすることができる。また、所定の傾きを保ったまま斜板１０が上下に移動できるため、斜板１０をメンテナンス前の状態に容易に戻すことができる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、水車発電機２１が稼働しているときは、空気吸込み渦の発生を抑制でき、且つ水車発電機２１のメンテナンス等を行うときは、メンテナンス作業をより効率よく行うことが可能になる。

［第５の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第５の実施形態について図１２および図１３を用いて以下に説明する。この実施形態は第４の実施形態（図１０、図１１）の変形例であって、第４の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図１２は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備であって、斜板１０が終端部８２側に配置された状態を示す概略側断面図である。図１３は、図１２における斜板１０が給水口８１側に配置された状態を示す概略側断面図である。

本実施形態では、水平流路８０の壁面に、斜板水平移動装置３２が配置されている。この斜板水平移動装置３２は、斜板１０が所定の傾きを保持したまま、水平流路８０が延びる方向に沿って水平に平行移動可能に構成されている。

図１２では、水車発電機２１が運転しているときの斜板の位置を示しており、第１の実施形態と同様に、空気吸込み渦の発生を抑制することができる。

水車発電機のメンテナンスや交換等の作業をする必要が生じた場合、作業員は、水車発電機２１の上方からアクセスする。斜板１０が図１２の状態で固定されている場合には、この斜板１０が水車発電機２１へのアクセスの障害になる場合がある。

これに対して、斜板水平移動装置３２によって、図１３に示すように、斜板１０の傾きを保ちながら給水口８１に向かって水平に平衡移動することができる。これにより、水車発電機２１の上方が開放された状態にすることができる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、第４の実施形態と同様に効果を得ることが可能となる。

［第６の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第６の実施形態について図１４および図１５を用いて以下に説明する。この実施形態は第４の実施形態の変形例であって、第４の実施形態（図１０、図１１）と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図１４は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備であって、分割可能な分割斜板１４が閉じた状態を示す概略側断面図である。図１５は、図１４における分割斜板１４が開いた状態を示す概略側断面図である。

本実施形態では、水平流路８０の壁面に、分割斜板回動装置３３が配置されている。この分割斜板回動装置３３は、水平流路８０の両側の壁面それぞれに所定の傾きを保ちながら固定された傾斜回動軸４１を有している。

さらに、本実施形態では、第１〜第５の実施形態で説明した斜板１０に代わって、水平流路８０が延びる方向に沿って中央で２つに分割可能な分割斜板１４を用いている。分割されていない状態の分割斜板１４は、第１の実施形態で用いている斜板１０と同様の機能を有している。中央で２つに分割可能な分割斜板１４それぞれは、水平流路８０の両側の壁面に設けられた傾斜回動軸４１の周りを回動可能に構成されている。

図１４では、水車発電機２１が運転しているときの斜板の位置を示しており、第１の実施形態と同様に、空気吸込み渦の発生を抑制することができる。このときの分割斜板１４は、上記の斜板１０と同じ状態を保持している。

水車発電機２１のメンテナンスや交換等の作業をする必要が生じた場合、作業員は、水車発電機２１の上方からアクセスする。分割斜板１４が、図１４の状態で固定されている場合には、この分割斜板１４が水車発電機２１へのアクセスの障害になる場合がある。

これに対して、２つに分割された分割斜板１４それぞれが、傾斜回動軸４１の周りを回動して、図１５に示すように傾斜回動軸４１の周りを回動すると、水車発電機２１の上方が開放された状態になる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、第４の実施形態と同様に効果を得ることが可能となる。

［第７の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第７の実施形態について図１６および図１７を用いて以下に説明する。この実施形態は第４の実施形態（図１０、図１１）の変形例であって、第４の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図１６は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備であって、斜板１０が所定の角度を保った状態を示す概略側断面図である。図１７は、図１６における斜板１０の水流を受ける面が鉛直な状態を示す概略側断面図である。

本実施形態では、開口部７１よりも終端部８２側の水平流路８０の底部に、斜板回動装置３５が取り付けられている。この斜板回動装置３５は、水平流路８０の幅方向に水平に延びて水平流路８０の底部に取り付けられた水平回動軸４５と、この水平回動軸４５周りを回動可能に構成された回動板３５ａを有する。

さらに、斜板１０の終端部側端辺１０ａが、回動板３５ａの水平回動軸４５と遠い方の端辺に平行に取り付けられている。

本実施形態の斜板１０は、水平回動軸４５周りを回動可能に構成されている。水車発電機２１のメンテナンス等を行うときは、斜板１０を回動させて、斜板１０の面が鉛直になるように固定する。これにより、水車発電機２１の上方を開放された状態になる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、第４の実施形態と同様に効果を得ることが可能となる。

［第８の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第８の実施形態について図１８および図１９を用いて以下に説明する。この実施形態は第２の実施形態（図３、図４）の変形例であって、第２の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図１８は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備を示す概略平面図である。図１９は、図１８の概略側断面図である。

本実施形態では、２つの小斜板、すなわち第１小斜板１２ａ、第２小斜板１２ｂを有する。これらの小斜板１２ａ、１２ｂは、水平流路８０の両側の壁面それぞれに１つずつ取り付けられている。

これら第１および第２小斜板１２ａ、１２ｂそれぞれの水平流路幅方向をｂ１して、水平流路８０の給水口８１側の幅をＢ、開口部直径をＤ０とすると、第１および第２小斜板１２ａ、１２ｂは、上記ｂ１が式（７）を満たすように構成されている。

ｂ１≦（Ｂ―Ｄ０）／２ …（７）
すなわち、開口部７１の上方の自由水面２０は、大気開放された状態になっている。

また、これらの第１および第２小斜板１２ａ、１２ｂそれぞれは、第２の実施形態と同様に、角度α、水没深さｈ、水平方向距離ΔＸが定められている。

本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能であるとともに、開口部７１の上方には障害物がなく開放されているため、水車発電機２１のメンテナンス等を行うときは、水車発電機２１の上方からのアクセスが容易になる。

［第９の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第９の実施形態について図２０および図２１を用いて以下に説明する。この実施形態は第８の実施形態の変形例であって、第８の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図２０は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備を示す概略平面図である。図２１は、図２０の概略側断面図である。

本実施形態では、開口部７１の上方の水平流路８０の両側の壁面それぞれには、終端部８２側が下がるように、且つ自由水面２０に対して所定の傾きを有しながら水流を受ける傾斜面１３が形成されている。

開口部７１よりも給水口８１側の水平流路８０の幅をＢ、開口部７１よりも終端部８２側の水平流路８０の幅をＣとして、各傾斜面１３の水平流路幅方向をｂ２とすると、傾斜面１３は、上記ｂ２が式（８）を満たすように構成される。

ｂ２＝（Ｂ−Ｃ）／２ …（８）
また、各傾斜面１３と自由水面２０とのなす角度αは、第２の実施形態と同様に、式（１）を満たすように形成されている。

また、第８の実施形態と同様に、各傾斜面１３と自由水面２０とが交わってなる交線を水平幅方向交線１０ｃとして、開口部７１の中心と水平幅方向交線１０ｃとの水平方向距離をΔＸとすると、ΔＸ／Ｄ０は、式（３）を満たすように構成されている。

本実施形態によれば、第８の実施形態と同様の効果を得ることが可能であるとともに、流路が固定されているため耐久性を向上させることができる。

［第１０の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第１０の実施形態について図２２および図２３を用いて以下に説明する。この実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図２２は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備を示す概略平面図である。図２３は、図２２の概略側断面図である。

本実施形態では、水平流路８０底部から上方に延びた平板状の３つの第１隔壁２７ａ、第２隔壁２７ｂ、および第３隔壁２７ｃが、開口部７１の中心よりも終端部８２側に配列されている。

水平流路８０の一方の壁面に第１隔壁２７ａが取り付けられて、もう一方の壁面に第３隔壁２７ｃが取り付けられている。第２隔壁２７ｂは、第１隔壁２７ａと第３隔壁２７ｃとを連結するように配置されている。すなわち、３枚の隔壁２７ａ、２７ｂ、２７ｃによって、開口部７１の終端部８２側の外側半周を囲うように配置されて、且つ水平流路８０を開口部７１が形成された側と終端部８２側とを隔てるように構成されている。

さらに、第１隔壁２７ａと第２隔壁２７ｂとの連結部と、終端部８２とを連結するように、第４隔壁２７ｄが設けられている。同様に、第３隔壁２７ｃと第２隔壁２７ｂとの連結部と、終端部８２とを連結するように、第５隔壁２７ｅが設けられている。

これらの隔壁２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２７ｅは、水流に対して所定の抵抗力を作用させながら水が流通可能に構成されて、例えば、例えばパンチングメタルや穴あきコンクリート等の多孔質部材により形成されている。

水車発電機２１を運転するときに、水平流路８０を給水口８１から終端部８２に向かって流れる水の一部は、終端部８２に向かって開口部７１の上方を通り過ぎる。

終端部８２付近の水は、第１隔壁２７ａ、第２隔壁２７ｂ、および第３隔壁２７ｃを流通することによって、流速が小さくなり整流される。

流速が小さくなり整流された状態で、終端部８２に達するため、循環流の発生を抑制することができる。このとき、終端部８２近傍の水は、第４および第５隔壁２７ｄ、２７ｅを流通するため、より整流効果をより高めることができる。

第１〜第３隔壁２７ａ、２７ｂ、２７ｃよりも終端部８２側の水面は、安定しているため、終端部８２付近での渦の発生が抑制される。このため、空気吸込み渦の発生が抑制可能になるため、水車発電機２１を安定して運転することができる。したがって、エネルギ損失を抑制し効率的に水車発電機を運転することが可能になる。

［第１１の実施形態］
本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第１１の実施形態について図２４および図２５を用いて以下に説明する。この実施形態は第１０の実施形態の変形例であって、第１０の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図２４は、本実施形態の立軸バルブ型水車発電設備を示す概略平面図である。図２５は、図２４の概略側断面図である。

本実施形態では、２つの隅隔壁、すなわち第１隅隔壁２８ａ、第２隅隔壁２８ｂを有する。これらの第１および第２隅隔壁２８ａ、２８ｂそれぞれは、開口部７１よりも終端部８２側で、水平流路８０の両側の壁面それぞれと終端部８２とで形成された２つの隅部８３それぞれを、水平方向から覆うように配置されている。これらの第１および第２隅隔壁２８ａ、２８ｂの材質等は、第１０の実施形態で説明した第１〜第５隔壁２７ａ〜２７ｅと同様である。

水車発電機２１を運転するときに、水平流路８０を給水口８１から終端部８２に向かって流れる水の一部は、開口部７１の上方を通り過ぎて終端部８２に向かう。終端部８２に到達した水は、左右に分かれて第１隅隔壁２８ａおよび第２隅隔壁２８ｂを流通することによって、流速が小さくなり整流される。このため、循環流の発生を抑制することができる。

終端部８２側の水面が安定しているため、第１０の実施形態と同様に、終端部８２付近での渦の発生が抑制される。このため、空気吸込み渦の発生が抑制可能となり、水車発電機２１を安定して運転することができる。したがって、エネルギ損失を抑制し効率的に水車発電機を運転すること可能になる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、第３の実施形態の格子斜板１１を第２の実施形態に用いてもよい。また、第４〜第７の実施形態の特徴と、第２の実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

さらに、第１０および第１１の実施形態の特徴に第１の実施形態の特徴を組み合わせることも可能である。

本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第１の実施形態を示す概略平面図である。 図１の概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第２の実施形態を示す概略平面図である。 図３の概略側断面図である。 図４の斜板と自由水面とのなす角度αを定めるに模型実験を行って、角度αに対する渦発生回数の関係を検討した結果を示したグラフである。 図４の斜板の終端部側端辺の水没深さｈを定めるために模型実験を行って、水没深さｈと開口部直径Ｄ０との比に対する渦発生回数の関係を検討した結果を示したグラフである。 図４の開口部と斜板との相対位置を定めるために模型実験を行って、水平方向距離ΔＸと開口部直径Ｄ０との比に対する渦発生回数を検討した結果を示したグラフである。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第３の実施形態を示す概略平面図である。 図８の概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第４の実施形態であって、斜板が下方に移動した状態を示す概略側断面図である。 図１０の実施形態で、斜板が上方に移動した状態を示す概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第５の実施形態であって、斜板が終端部側に移動した状態を示す概略側断面図である。 図１２の実施形態で、斜板が給水口側に移動した状態を示す概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第６の実施形態であって、分割可能な分割斜板が閉じた状態を示す概略側断面図である。 図１４の実施形態で、分割斜板が開いた状態を示す概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第７の実施形態であって、斜板が所定の角度を保った状態を示す概略側断面図である。 図１６の実施形態で、斜板の水流を受ける面が垂直な状態を示す概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第８の実施形態を示す概略平面図である。 図１８の概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第９の実施形態を示す概略平面図である。 図２０の概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第１０の実施形態を示す概略平面図である。 図２２の概略側断面図である。 本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第１１の実施形態を示す概略平面図である。 図２４の概略側断面図である。

符号の説明

１…バルブ、２…発電機、３…主軸、４…ランナ、５…ガイドベーン、６…ステー、
１０…斜板、１０ａ…終端部側端辺、１０ｂ…給水口側端辺、１０ｃ…水平幅方向交線、
１１…格子斜板、１１ａ…格子板、１２ａ…第１小斜板、１２ｂ…第２小斜板、１３…傾斜面、１４…分割斜板、２０…自由水面、２１…水車発電機、２７ａ…第１隔壁、２７ｂ…第２隔壁、２７ｃ…第３隔壁、２７ｄ…第４隔壁、２７ｅ…第５隔壁、２８ａ…第１隅隔壁、２８ｂ…第２隅隔壁、３１…斜板上下移動装置、３２…斜板水平移動装置、３３…分割斜板回動装置、３５…斜板回動装置、３５ａ…回動板、４１…傾斜回動軸、４５…水平回動軸、７０…縦方向流路、７１…開口部、８０…水平流路、８１…給水口、８２…終端部、８３…隅部

Claims (13)

1. 回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、
   前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、
   自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ水平に水が流れるように形成された水平流路と、
   前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、
   前記開口部の上方の前記自由水面近傍に配置されて、前記終端部側が下がるように前記自由水面に対して所定の傾きを保ち、前記終端部側が前記自由水面下にあるように配置された斜板と、
   を有することを特徴とする立軸バルブ型水車発電設備。
2. 前記斜板が前記所定の傾きを保持したまま、前記所定の傾きに沿って上下方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
3. 前記斜板が前記所定の傾きを保持したまま、前記水平流路が延びる方向に水平移動可動に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
4. 前記水平流路の壁面それぞれに前記所定の傾きを保つように配置された傾斜回動軸を有し、
   前記斜板は、前記水平流路が延びる方向に沿って２つに分割可能に形成されて、２つに分割された前記斜板それぞれは、前記各傾斜回動軸の周りを回動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
5. 前記開口部よりも前記終端部側の前記水平流路の底部に配置されて、前記水平流路の幅方向に水平に延びた水平回動軸を有し、
   前記斜板は、前記水平回動軸周りに回動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
6. 回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、
   前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、
   自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ一定の幅でほぼ水平に水が流れるように形成された水平流路と、
   前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、
   それぞれが前記開口部の上方で前記水平流路の両側の壁面それぞれに取り付けられて前記終端部側が前記自由水面下にあるように且つ前記終端部側が下がるように前記自由水面に対して所定の傾きを保つように配置されて、前記開口部の上方が開放されるように構成された斜板と、
   を有することを特徴とする立軸バルブ型水車発電設備。
7. 前記所定の傾きは、３０度以上で６０度以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
8. 前記開口部は円形であって、その開口部の直径をＤ０として、前記斜板の前記終端部側の端部から前記自由水面までの水位をｈとして、前記水平流路の水位が最低水位であるときに、
   ｈ／Ｄ０≧０．１５を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
9. 前記開口部は円形であって、その開口部の直径をＤ０として、
   前記斜板と前記自由水面とが交わってなる水平方向交線と、前記開口部の中心との水平方向距離をΔＸとしたときに、
   ΔＸ／Ｄ０は、
   前記水平方向交線が前記開口部の中心よりも前記給水口側のときは、０より大きくて且つ０．３以下となり、
   前記水平方向交線が前記開口部の中心よりも前記終端部側のときは、０より大きくて且つ０．２以下となるように構成されていること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
10. 前記斜板は、面内に格子が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の立軸バルブ型水車発電設備。
11. 回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、
    前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、
    自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ水平に水が流れるように形成されて、前記給水口から前記開口部の前記給水口側端部までほぼ一定の幅になるように形成された水平流路と、
    前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された円形の開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、
    を有し、
    前記開口部の上方の前記水平流路の両側の壁面それぞれには、前記終端部側が下がるように且つ前記自由水面に対して所定の傾きを有し前記開口部の上方が開放されるように構成された傾斜面が形成されていること、
    を特徴とする立軸バルブ型水車発電設備。
12. 回転軸が鉛直方向を向くように配置された水車と、
    前記水車に接続されてその水車によって駆動される発電機と、
    自由水面が形成されて給水口から終端部近くの前記水車の上方に向かってほぼ水平に水が流れるように形成された水平流路と、
    前記水平流路の底部の前記終端部寄りに形成された開口部から前記発電機に向かって下向きに延びて、前記水平流路を流通した水が前記水車に向かって下向きに流れるように形成された縦方向流路と、
    前記水平流路底部から上方に延びて、前記開口部よりも前記終端部側で、前記水平流路の両側の壁面それぞれと前記終端部とからなる隅部それぞれを水平方向から覆うように配置された多孔質部材の隔壁と、
    を有することを特徴とする立軸バルブ型水車発電設備。
13. 前記隔壁は、前記開口部よりも前記終端部側に配置されて、前記水平流路を前記開口部が配置された側と前記終端部側とを隔てるように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の立軸バルブ型水車発電設備。

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