JP2014152708A - 水力機械用ステーリング - Google Patents

Abstract

【課題】ステーベーンの周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる水力機械用ステーリングを提供する。
【解決手段】実施の形態による水力機械用ステーリング１０のステーベーン１４は、ベーン本体部分１６とケーシング側部分２０とを有している。ケーシング側部分２０は、ケーシング側本体部分２１と、ケーシング側本体部分２１より上流側に設けられたケーシング側上流端部２２と、を有している。ケーシング側部分２０に、ケーシング側部分２０を貫通する貫通孔４０が設けられている。貫通孔４０は、水車運転時にケーシング２から流入する水の一部を取り込む入口側端部４１と、入口側端部４１に取り込まれた水が流出する出口側端部４２と、を含んでいる。貫通孔４０の出口側端部４２は、ケーシング側本体部分２１のケーシング側面２３またはランナ側面２４に配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明の実施の形態は、水力機械用ステーリングに関する。

従来より、フランシス型水車が知られている。フランシス水車の水車運転時においては、上池から水圧鉄管を通って渦巻き状のケーシングに水が流入し、ケーシングに流入した水は、ケーシングからステーベーンおよびガイドベーンを通ってランナに流入する。このランナへ流入する水によってランナが回転駆動され、ランナに主軸を介して連結された発電電動機が駆動され、発電が行われる。ランナに流入した水は、ランナから吸出し管を通って下池へ流出する。このような水車運転時には、ガイドベーンの開度を変えることにより、ランナに流入する水量を調整し、発電量を変化させている。

一方、ポンプ運転（揚水運転）時には、ランナは、発電電動機によって回転駆動され、水車運転時とは反対方向に回転する。このことにより、下池の水が吸出し管を通ってランナに流入する。ランナに流入した水は、ランナから、ガイドベーンおよびステーベーンを通ってケーシングに流れ、ケーシングから水圧鉄管を通って上池に放出される。この際、ガイドベーンの開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。

一般に、ポンプ水車のポンプ運転は、夜間の電力消費が少ない時間帯において余剰電力を使用して行われ、下池から上池へ揚水される。水車運転は、主に昼間に行われて、発電電動機にて発電が行われる。

ところで、ケーシングの断面形状やステーベーンの取付角度は、水車運転時にケーシングからステーベーンに流入する水の流れの角度がステーベーンの入口角度に沿うように、設計されている。このことにより、ステーベーンにおける損失の低減を図っている。

しかしながら、実際の水車運転時において、ステーベーンに流入する水の流れの角度が、ステーベーンの入口角度とずれる場合がある。製造年の古い水車（例えば、２０年から３０年前に製造された水車）の場合には、このずれが大きくなる傾向にある。これは、製造年の古い水車を設計する際には、近年のような流れ解析技術が無く理論的に角度を算出していたが、この理論と実現象には相違があったことに起因する。

このようなことに対処するために、水車の改修時に、ステーベーンの入口端部に流入する流れの角度に沿うように形成された整流ピースを設けて、ステーベーンの入口における衝突損失の低減を図った水車が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ステーベーンを固定する上部壁と下部壁に整流体を設けて、ステーベーンの入口における衝突損失の低減を図った水車もある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２２３０７４号公報 特開２００７−１６７１１号公報

しかしながら、特許文献１に示す整流ピースや、特許文献２に示す整流体を設けた場合であっても、既設のステーベーンの入口角度が流れの角度に対してずれている場合には、ステーベーンの入口付近における衝突損失は低減されるものの、ステーベーンの中央付近においては流れが剥離し、損失が発生する場合がある。

また、ポンプ運転時には、上述したように、ポンプ揚程に応じてガイドベーンの開度が変えられているため、ガイドベーンからステーベーンに流入する流れの角度は、ポンプ揚程によって異なる。ステーベーンに流入する流れは、ポンプ揚水量が多い場合には、ステーベーンの外周側（ケーシング側）に流入し、ポンプ揚水量が少ない場合にはステーベーンの内周側（ランナ側）に流入する。このため、ステーベーンにおいて、流れの剥離が生じ、損失が発生し得るという問題がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ステーベーンの周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる水力機械用ステーリングを提供することを目的とする。

実施の形態による水力機械用ステーリングは、水車運転時にケーシングから流入する水流をランナに導く。水力機械用ステーリングは、環状の上部壁と、上部壁の下方に設けられ、上部壁に対向する環状の下部壁と、上部壁と下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備えている。ステーベーンは、ベーン本体部分と、ベーン本体部分よりケーシングの側に設けられたケーシング側部分と、を有している。ケーシング側部分は、ベーン本体部分の側に設けられたケーシング側本体部分と、ケーシング側本体部分より上流側に設けられたケーシング側上流端部と、を有している。ケーシング側本体部分は、ケーシングの側を向くケーシング側面と、ランナの側を向くランナ側面と、を含んでいる。ケーシング側部分に、ケーシング側部分を貫通する貫通孔が設けられている。貫通孔は、水車運転時にケーシングから流入する水の一部を取り込む入口側端部と、入口側端部に取り込まれた水が流出する出口側端部と、を含んでいる。貫通孔の出口側端部は、ケーシング側本体部分のケーシング側面またはランナ側面に配置されている。

また、実施の形態による水力機械用ステーリングは、揚水運転時にランナから流入する水流をケーシングに導く。水力機械用ステーリングは、環状の上部壁と、上部壁の下方に設けられ、上部壁に対向する環状の下部壁と、上部壁と下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備えている。ステーベーンは、ベーン本体部分と、ベーン本体部分よりランナの側に設けられたランナ側部分と、を有している。ランナ側部分は、ベーン本体部分の側に設けられたランナ側本体部分と、ランナ側本体部分より上流側に設けられたランナ側上流端部と、を有している。ランナ側本体部分は、ケーシングの側を向くケーシング側面と、ランナの側を向くランナ側面と、を含んでいる。ランナ側部分に、ランナ側部分を貫通する貫通孔が設けられている。貫通孔は、揚水運転時にランナから流入する水の一部を取り込む入口側端部と、入口側端部に取り込まれた水が流出する出口側端部と、を含んでいる。貫通孔の出口側端部は、ランナ側本体部分のケーシング側面またはランナ側面に配置されている。

また、実施の形態による水力機械用ステーリングは、水車運転時にケーシングから流入する水流をランナに導く。水力機械用ステーリングは、環状の上部壁と、上部壁の下方に設けられ、上部壁に対向する環状の下部壁と、上部壁と下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備えている。ステーベーンは、ベーン本体部分と、ベーン本体部分よりケーシングの側に設けられたケーシング側部分と、を有している。ケーシング側部分は、ケーシングの側を向くケーシング側面と、ランナの側を向くランナ側面と、を含んでいる。ケーシング側部分のケーシング側面またはランナ側面に、突起部が設けられている。

また、実施の形態による水力機械用ステーリングは、揚水運転時にランナから流入する水流をケーシングに導く。水力機械用ステーリングは、環状の上部壁と、上部壁の下方に設けられ、上部壁に対向する環状の下部壁と、上部壁と下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備えている。ステーベーンは、ベーン本体部分と、ベーン本体部分よりランナの側に設けられたランナ側部分と、を有している。ランナ側部分は、ケーシングの側を向くケーシング側面と、ランナの側を向くランナ側面と、を含んでいる。ランナ側部分のケーシング側面またはランナ側面に、突起部が設けられている。

図１は、第１の実施の形態における水力機械の全体構成を示す図である。 図２（ａ）は、第１の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図３は、図２のステーベーンの作用を説明するための図である。 図４は、比較例としてのステーベーンの作用を説明するための図である。 図５（ａ）は、第２の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図６は、図５のステーベーンの作用を説明するための図である。 図７（ａ）は、第３の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図８は、図７のステーベーンの作用を説明するための図である。 図９は、比較例としてのステーベーンの作用を説明するための図である。 図１０（ａ）は、第４の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図１１は、図１０のステーベーンの作用を説明するための図である。 図１２（ａ）は、第５の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図１３は、図１２のステーベーンの作用を説明するための図である。 図１４（ａ）は、第６の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図１５は、図１４のステーベーンの作用を説明するための図である。 図１６（ａ）は、第７の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図１７は、図１６のステーベーンの作用を説明するための図である。 図１８（ａ）は、第８の実施の形態における水力機械用ステーリングを示す平面断面図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の水力機械用ステーリングを示す側面断面図である。 図１９は、図１８のステーベーンの作用を説明するための図である。

（第１の実施の形態）
図１乃至図３を用いて、本発明の第１の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

ここでは、まず、水力機械用ステーリングを備えたフランシス水車（水力機械）について説明する。

図１に示すように、フランシス水車１は、水車運転時に図示しない上池から水圧鉄管を通って水が流入する渦巻き状のケーシング２と、ケーシング２に対して回転軸線Ｘを中心に回転自在に構成され、ケーシング２から流入する水により回転駆動されるランナ５と、を備えている。このうちランナ５は、ケーシング２より内周側に配置されている。

ケーシング２とランナ５との間には、水力機械用ステーリング１０が設けられている。この水力機械用ステーリング１０は、後述するステーベーン１５を有し、ケーシング２とランナ５との間で水流を導くようになっている。すなわち、水車運転時には、ケーシング２から流入する水をランナ５へ導くようになっている。

ステーベーン１５とランナ５との間には、ガイドベーン４が設けられている。ガイドベーン４は、ステーベーン１５とランナ５との間で水流を導くようになっている。なお、ガイドベーン４は、その開度を変えることにより、水車運転時にケーシング２からランナ５に流入する水量を調整し、発電量を変化させるように構成されている。

ランナ５には、主軸６を介して発電電動機７が連結されている。この発電電動機７は、水車運転時には発電を行うように構成されている。また、ランナ５の水車運転時の下流側には、吸出し管８が設けられている。この吸出し管８は、図示しない下池に連結されており、ランナ５を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。

ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電電動機７がランナ５を回転駆動することにより、吸出し管８内の水を吸い上げて揚水する。ランナ５に吸い上げられた水は、ガイドベーン４およびステーベーン１５を通って、ケーシング２に流入し、ケーシング２から水圧鉄管を通って上池に放出される。ステーベーン１５は、ランナ５から流入する水をケーシング２に導く。この際、ガイドベーン４の開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。

次に、本実施の形態による水力機械用ステーリング１０について説明する。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、水力機械用ステーリング１０は、環状の上部壁１１と、上部壁１１の下方に設けられ、上部壁１１に対向する環状の下部壁１２と、上部壁１１と下部壁１２との間において周方向に配列された複数のステーベーン１５と、を備えている。このうち、ステーベーン１５は、ケーシング２の側からランナ５の側に延びている。より具体的には、ステーベーン１５は、ケーシング２の側から周方向かつ半径方向内側に延びるように形成されており、所定の入口角度を有するように形成されている。

図２（ａ）に示すように、ステーベーン１５は、ベーン本体部分１６と、ベーン本体部分１６よりケーシング２の側に設けられたケーシング側部分２０と、ベーン本体部分１６よりランナ５の側に設けられたランナ側部分３０と、を有している。すなわち、ケーシング側部分２０とランナ側部分３０との間にベーン本体部分１６が配置されている。本実施の形態においては、ベーン本体部分１６とケーシング側部分２０とランナ側部分３０とは、一体に形成されており、上部壁１１と下部壁１２とに固定されている。

ケーシング側部分２０は、ベーン本体部分１６の側に設けられたケーシング側本体部分２１と、ケーシング側本体部分２１より水車運転時の上流側に設けられたケーシング側上流端部２２と、を有している。このうち、ケーシング側本体部分２１は、ケーシング２の側を向く外周面（ケーシング側面）２３と、ランナ５の側を向く内周面（ランナ側面）２４と、を含んでいる。

図２（ａ）に示すように、ケーシング側部分２０には、ケーシング側部分２０を貫通する貫通孔４０が設けられている。貫通孔４０は、水車運転時にケーシング２から流入する水の一部を取り込む入口側端部４１と、入口側端部４１に取り込まれた水が流出する出口側端部４２と、を含んでいる。本実施の形態においては、入口側端部４１はケーシング側上流端部２２に配置されて、当該ケーシング側上流端部２２において貫通孔４０が開口している。出口側端部４２はケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されて、当該外周面２３において貫通孔４０が開口している。このようにして、貫通孔４０は、ケーシング２から流入する水の一部をケーシング側上流端部２２において取り込み、取り込まれた水をケーシング側本体部分２１の外周面２３の近傍領域に供給するようになっている。

上述した貫通孔４０は、図２（ｂ）に示すように、ステーベーン１５のケーシング側部分２０に複数設けられていることが好適である。この場合、複数の貫通孔４０は、上下方向に配列されていることが好ましい。なお、貫通孔４０の流路断面の大きさは、貫通孔４０内を水が流れることができるとともに、ステーベーン１５の周囲の流れが貫通孔４０によって損失を被ることがないとみなされる程度であれば、特に限定されるものではない。また、貫通孔４０の流路断面の形状は、特に限定されるものではないが、貫通孔４０内における流れの損失を低減するために、図２（ｂ）に示すように、略円形であることが好適である。

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説明する。

本実施の形態によるフランシス水車において水車運転を行う場合、図示しない上池から水圧鉄管を通ってケーシング２に水が流入する。ケーシング２に流入した水は、ケーシング２からステーベーン１５およびガイドベーン４を通ってランナ５に流入する。このランナ５へ流入した水によって、ランナ５が回転駆動される。このことにより、ランナ５に連結された発電電動機７が駆動され、発電が行われる。ランナ５に流入した水は、ランナ５から吸出し管８を通って、図示しない下池へ放出される。

水車運転の間、ケーシング２から流入する水の一部が、貫通孔４０の入口側端部４１に取り込まれる。入口側端部４１に取り込まれた水は、貫通孔４０内を通って出口側端部４２から流出（より具体的には噴出）される。このことにより、ステーベーン１５の近傍領域の流れが剥離することを抑制できる。

ここで、比較例として示した図４から明らかなように、ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さい場合には、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域Ａが形成され得る。なお、通常、ステーベーン１５を設計する際、ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１に、ステーベーン１５の入口角度φ２を合わせるようにステーベーン１５は設計される。しかしながら、運転状況によっては、上述したような流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる場合（または、後述するように大きくなる場合）も起こり得る。例えば、製造年の古いフランシス水車にあっては、現代に比べると解析技術に困難があったことから、比較的最近製造されたフランシス水車よりも、流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる傾向にある。

これに対して本実施の形態においては、図３に示すように、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置された貫通孔４０の出口側端部４２から、ケーシング２から流入した水の一部が噴出される。このことにより、図４に示すような剥離領域Ａに、ケーシング２からの水流の一部を供給することができる。この場合、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域に、ランナ５へ向う水の流れを供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。また、本実施の形態における貫通孔４０の出口側端部４２は、ステーベーン１５のベーン本体部分１６よりケーシング２の側に、すなわち、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されている。このことから、当該出口側端部４２を、ステーベーン１５のうち上流側の部分に配置することができる。このため、図４に示すような剥離領域Ａのうち上流側の領域に、ランナ５へ向う水の流れを供給することができ、ステーベーン１５のケーシング２の側の面において、流れの方向に広い範囲で剥離領域Ａが形成されることを抑制できる。

なお、既に設置されている水車の場合には、ステーベーン１５に、本実施の形態による貫通孔４０を、例えば追加加工すること等によって得ることができる。このことにより、比較的最近製造されたフランシス水車より流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる傾向にある製造年の古い水車であっても、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを効果的に抑制することができる。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置された貫通孔４０の出口側端部４２から、水車運転時にケーシング２から流入する水の一部を流出させることができる。このことにより、流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２より小さい場合に、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域に、ケーシング２からの水流を供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

また、本実施の形態によれば、貫通孔４０の入口側端部４１は、ステーベーン１５のケーシング側上流端部２２に配置されている。このことにより、貫通孔４０に、ケーシング２から流入する水をスムースに取り込むことができる。

また、本実施の形態のように、ステーベーン１５のケーシング側部分２０に上下方向に複数の貫通孔４０が設けられている場合、ステーベーン１５の上下方向にわたって流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することをより一層抑制することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、貫通孔４０の入口側端部４１が、ステーベーン１５のケーシング側上流端部２２に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔４０の入口側端部４１は、ステーベーン１５のケーシング側本体部分２１の内周面２４に配置されていてもよい。この場合においても、水車運転時にステーベーン１５の内周面２４の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部４２から流出させることができる。ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さい場合には、内周面２４の近傍領域の圧力が、外周面２３の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、外周面２３の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

また、上述した本実施の形態においては、貫通孔４０の出口側端部４２が、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔４０の出口側端部４２は、ケーシング側本体部分２１の内周面２４に配置されていてもよい。このような形態は、水車運転時にケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合に好適である。すなわち、この場合、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、貫通孔４０の出口側端部４２をケーシング側本体部分２１の内周面２４に配置することにより、ケーシング２から流入する水の一部を、当該内周面２４から流出させることができる。このことにより、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域に、ケーシング２からの水流を供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。なお、この場合、貫通孔４０の入口側端部４１は、ステーベーン１５のケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されていてもよい。この場合においても、ステーベーン１５の外周面２３の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部４２から流出させることができる。ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合には、外周面２３の近傍領域の圧力が、内周面２４の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、内周面２４の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図５および図６を用いて、本発明の第２の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

図５および図６に示す第２の実施の形態においては、ステーベーンのケーシング側部分が、水車運転時にケーシングから流入する水の流れに沿うように形成された整流ピースであって、ベーン本体部分に取付部を介して取り付けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５および図６において、図１乃至図３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。

図５（ａ）に示すように、ステーベーン１５のベーン本体部分１６は、上部壁１１と下部壁１２に固定されている。ケーシング側部分２０は、ベーン本体部分１６に取付部を介して取り付けられている。本実施の形態においては、取付部は、溶接部６０により構成されていることが好適である。すなわち、ケーシング側部分２０は、溶接部６０を介してベーン本体部分１６に取り付けられている。なお、取付部は、ボルト等によって構成されていてもよく、ベーン本体部分１６とケーシング側部分２０とを取り付ける方法は溶接に限定されることはない

本実施の形態におけるケーシング側部分２０は、水車運転時にケーシング２から流入する水の流れに沿うように形成されるとともにベーン本体部分１６とは別部品で構成された整流ピース２５となっている。ここで、上述したように、製造年の古いフランシス水車にあっては、比較的最近製造されたフランシス水車よりも、ケーシング２からの流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる傾向がある。このため、既設のステーベーンに、このような整流ピース２５を溶接する場合がある。この場合、既設のステーベーンがベーン本体部分１６に相当し、ベーン本体部分１６とは別部品である整流ピース２５がケーシング側部分２０に相当する。本実施の形態は、このように既設のステーベーンに整流ピース２５が溶接された場合を例として挙げている。なお、図５に示す形態では、ケーシング側部分２０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有しており、これにより、ステーベーン１５としての入口角度φ２を小さくするように形成されている。

本実施の形態においては、このような整流ピース２５としてのケーシング側部分２０に、貫通孔４０が設けられている。この貫通孔４０の入口側端部４１がケーシング側上流端部２２に配置され、出口側端部４２がケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されている。図５（ｂ）に示すように、貫通孔４０は、ケーシング側部分２０に複数設けられて、上下方向に配列されていることが好ましい。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のベーン本体部分１６に溶接部６０を介して取り付けられた整流ピース２５としてのケーシング側部分２０に、貫通孔４０が設けられている。ケーシング側部分２０は、水車運転時のステーベーン１５の入口角度φ２を小さくするような形状を有していることから、ケーシング２からの流れの角度φ１が小さい場合に、ケーシング２からの流れに、ステーベーン１５を沿わせることができ、ステーベーン１５の入口における衝突損失の低減を図ることができる。しかしながら、運転状況によっては、水の流れの角度φ１が、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０を含むステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる場合がある。この場合であっても、ケーシング側部分２０に貫通孔４０が設けられていることにより、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、貫通孔４０の入口側端部４１が、ステーベーン１５のケーシング側上流端部２２に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔４０の入口側端部４１は、ステーベーン１５のケーシング側本体部分２１の内周面２４に配置されていてもよい。この場合においても、水車運転時にステーベーン１５の内周面２４の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部４２から流出させることができる。ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１が、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０を含むステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さい場合には、内周面２４の近傍領域の圧力が、外周面２３の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、外周面２３の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

また、上述した本実施の形態においては、貫通孔４０の出口側端部４２が、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔４０の出口側端部４２は、ケーシング側本体部分２１の内周面２４に配置されていてもよい。このような形態は、水車運転時にケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合に好適である。すなわち、運転状況によっては、水の流れの角度φ１が、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０を含むステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きくなる場合がある。この場合、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域に、ケーシング２からの水流を供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、貫通孔４０の出口側端部４２をケーシング側本体部分２１の内周面２４に配置することにより、ケーシング２から流入する水の一部を、当該内周面２４から流出させることができる。このことにより、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。なお、この場合、貫通孔４０の入口側端部４１は、ステーベーン１５のケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されていてもよい。この場合においても、ステーベーン１５の外周面２３の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部４２から流出させることができる。ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合には、外周面２３の近傍領域の圧力が、内周面２４の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、内周面２４の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

また、上述した本実施の形態においては、ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さい場合を想定し、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合を想定し、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０が、ベーン本体部分１６の入口角度より大きな入口角度を有していてもよい。

（第３の実施の形態）
次に、図７および図８を用いて、本発明の第３の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

図７および図８に示す第３の実施の形態においては、貫通孔が、ステーベーンのランナ側部分に設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７および図８において、図１乃至図３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。

図７（ａ）に示すように、ステーベーン１５のランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６の側に設けられたランナ側本体部分３１と、ランナ側本体部分３１よりポンプ運転時の上流側に設けられたランナ側上流端部３２と、を有している。このうちランナ側本体部分３１は、ケーシング２の側を向く外周面（ケーシング側面）３３と、ランナ５の側を向く内周面（ランナ側面）３４と、を含んでいる。

図７（ａ）に示すように、ランナ側部分３０には、ランナ側部分３０を貫通する貫通孔５０が設けられている。貫通孔５０は、ポンプ運転時（揚水運転時）にランナ５から流入する水の一部を取り込む入口側端部５１と、入口側端部５１に取り込まれた水が流出する出口側端部５２と、を含んでいる。本実施の形態においては、入口側端部５１はランナ側上流端部３２に配置されて、当該ランナ側上流端部３２において貫通孔５０が開口している。出口側端部５２はランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されて、当該内周面３４において貫通孔５０が開口している。このようにして、貫通孔５０は、ランナ５から流入する水の一部をランナ側上流端部３２において取り込み、取り込んだ水をランナ側本体部分３１の内周面３４の近傍領域に供給するようになっている。

上述した貫通孔５０は、図７（ｂ）に示すように、ステーベーン１５のランナ側部分３０に複数設けられていることが好適である。この場合、複数の貫通孔５０は、上下方向に配列されていることが好ましい。なお、貫通孔５０の流路断面の大きさは、貫通孔５０内を水が流れることができるとともに、ステーベーン１５の周囲の流れが貫通孔５０によって損失を被ることがないとみなされる程度であれば、特に限定されるものではない。また、貫通孔５０の流路断面の形状は、特に限定されるものではないが、貫通孔５０内における流れの損失を低減するために、図７（ｂ）に示すように、略円形であることが好適である。

本実施の形態によるフランシス水車のポンプ運転を行う場合、図１に示すように、ランナ５は、発電電動機７によって回転駆動され、水車運転時とは反対方向に回転する。このことにより、図示しない下池から吸出し管８を通ってランナ５に水が流入する。ランナ５に流入した水は、ランナ５からガイドベーン４およびステーベーン１５を通ってケーシング２に流れ、図示しない水圧鉄管を通って上池に放出される。

ポンプ運転の間、ランナ５から流入する水の一部が、貫通孔５０の入口側端部５１に取り込まれる。入口側端部５１に取り込まれた水は、貫通孔５０内を通って出口側端部５２から流出（より具体的には噴出）される。このことにより、ステーベーン１５の近傍領域の流れが剥離することを抑制できる。

ここで、比較例として示した図９から明らかなように、ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さい場合には、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域Ｂが形成され得る。なお、通常、ステーベーン１５を設計する際、ランナ５から流入する水の流れ角度φ３に、ステーベーン１５の入口角度φ４を合わせるようにステーベーン１５は設計される。しかしながら、運転状況によっては、上述したような流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる場合（または、後述するように大きくなる場合）も起こり得る。例えば、製造年の古いフランシス水車にあっては、現代に比べると解析技術に困難があったことから、比較的最近製造されたフランシス水車よりも、流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる傾向にある。

これに対して本実施の形態においては、図８に示すように、ランナ側本体部分３１の内周面３４に配置された貫通孔５０の出口側端部５２から、ランナ５から流入した水の一部が流出される。このことにより、図９に示すような剥離領域Ｂに、ランナ５からの水流の一部を供給することができる。この場合、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域に、ケーシング２へ向う水の流れを供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。また、本実施の形態における貫通孔５０の出口側端部５２は、ステーベーン１５のベーン本体部分１６よりランナ５の側に、すなわち、ランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されていることから、当該出口側端部５２を、ステーベーン１５のうち上流側の部分に配置することができる。このため、図９に示すような剥離領域Ｂのうち上流側の領域に、ケーシング２へ向う水の流れを供給することができ、ステーベーン１５のランナ５の側の面において、流れの方向に広い範囲で剥離領域Ｂが形成されることを抑制できる。

なお、既に設置されている水車の場合には、ステーベーン１５に、本実施の形態による貫通孔５０を、例えば追加加工すること等によって得ることができる。このことにより、比較的最近製造されたフランシス水車より流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる傾向にある製造年の古い水車であっても、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを効果的に抑制することができる。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のランナ側本体部分３１の内周面３４に配置された貫通孔５０の出口側端部５２から、ポンプ運転時にランナ５から流入する水の一部を流出させることができる。このことにより、流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４より小さい場合に、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域に、ランナ５からの水流を供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

また、本実施の形態によれば、貫通孔５０の入口側端部５１は、ステーベーン１５のランナ側上流端部３２に配置されている。このことにより、貫通孔５０に、ランナ５から流入する水をスムースに取り込むことができる。

また、本実施の形態のように、ステーベーン１５のランナ側部分３０に上下方向に複数の貫通孔５０が設けられている場合、ステーベーン１５の上下方向にわたって流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することをより一層抑制することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、貫通孔５０の入口側端部５１が、ステーベーン１５のランナ側上流端部３２に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔５０の入口側端部５１は、ステーベーン１５のランナ側本体部分３１の外周面３３に配置されていてもよい。この場合においても、ポンプ運転時にステーベーン１５の外周面３３の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部５２から流出させることができる。ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さい場合には、外周面３３の近傍領域の圧力が、内周面３４の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、内周面３４の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

また、上述した本実施の形態においては、貫通孔５０の出口側端部５２が、ランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔５０の出口側端部５２は、ランナ側本体部分３１の外周面３３に配置されていてもよい。このような形態は、ポンプ運転時にランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合に好適である。すなわち、この場合、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、貫通孔５０の出口側端部５２をランナ側本体部分３１の外周面３３に配置することにより、ランナ５から流入する水の一部を、当該外周面３３から流出させることができる。このことにより、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域に、ランナ５からの水流を供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。なお、この場合、貫通孔５０の入口側端部５１は、ステーベーン１５のランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されていてもよい。この場合においても、ステーベーン１５の内周面３４の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部５２から流出させることができる。ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合には、内周面３４の近傍領域の圧力が、外周面３３の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、外周面３３の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

（第４の実施の形態）
次に、図１０および図１１を用いて、本発明の第４の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

図１０および図１１に示す第４の実施の形態においては、ステーベーンのランナ側部分が、揚水運転時にランナから流入する水の流れに沿うように形成された整流ピースであって、ベーン本体部分に取付部を介して取り付けられている点が主に異なり、他の構成は、図７および図８に示す第３の実施の形態と略同一である。なお、図１０および図１１において、図７および図８に示す第３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。

図１０（ａ）に示すように、ステーベーン１５のベーン本体部分１６は、上部壁１１と下部壁１２に固定されている。ランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６に取付部を介して取り付けられている。本実施の形態においては、取付部は、溶接部６１により構成されていることが好適である。すなわち、ランナ側部分３０は、溶接部６１を介してベーン本体部分１６に取り付けられている。なお、取付部は、ボルト等によって構成されていてもよく、ベーン本体部分１６とランナ側部分３０とを取り付ける方法は溶接に限定されることはない

本実施の形態におけるランナ側部分３０は、ポンプ運転時にランナ５から流入する水の流れに沿うように形成されるとともにベーン本体部分１６とは別部品で構成された整流ピース３５となっている。ここで、上述したように、製造年の古いフランシス水車にあっては、比較的最近製造されたフランシス水車よりも、ランナ５からの流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる傾向がある。このため、既設のステーベーンに、このような整流ピース３５を溶接する場合がある。この場合、既設のステーベーンがベーン本体部分１６に相当し、ベーン本体部分１６とは別部品である整流ピース３５がランナ側部分３０に相当する。本実施の形態は、このように既設のステーベーンに整流ピース３５が溶接された場合を例として挙げている。なお、図１０に示す形態では、ランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有しており、これにより、ステーベーン１５としての入口角度φ４を小さくするように形成されている。

本実施の形態においては、このような整流ピース３５としてのランナ側部分３０に、貫通孔５０が設けられている。この貫通孔５０の入口側端部５１がランナ側上流端部３２に配置され、出口側端部５２がランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されている。図１０（ｂ）に示すように、貫通孔５０は、ランナ側部分３０に複数設けられて、上下方向に配列されていることが好ましい。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のベーン本体部分１６に溶接部６１を介して取り付けられた整流ピース３５としてのランナ側部分３０に、貫通孔５０が設けられている。ランナ側部分３０は、ポンプ運転時のステーベーン１５の入口角度φ４を小さくするような形状を有していることから、ランナ５からの流れの角度φ３が小さい場合に、ランナ５からの流れに、ステーベーン１５を沿わせることができ、ステーベーン１５の入口における衝突損失の低減を図ることができる。しかしながら、運転状況によっては、水の流れの角度φ３が、整流ピース３５としてのランナ側部分３０を含むステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる場合がある。この場合であっても、ランナ側部分３０に貫通孔５０が設けられていることにより、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、貫通孔５０の入口側端部５１が、ステーベーン１５のランナ側上流端部３２に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔５０の入口側端部５１は、ステーベーン１５のランナ側本体部分３１の外周面３３に配置されていてもよい。この場合においても、ポンプ運転時にステーベーン１５の外周面３３の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部５２から流出させることができる。ランナ５から流入する水の流れの角度φ３が、整流ピース３５としてのランナ側部分３０を含むステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さい場合には、外周面３３の近傍領域の圧力が、内周面３４の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、内周面３４の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

また、上述した本実施の形態においては、貫通孔５０の出口側端部５２が、ランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、貫通孔５０の出口側端部５２は、ランナ側本体部分３１の外周面３３に配置されていてもよい。このような形態は、ポンプ運転時にランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合に好適である。すなわち、運転状況によっては、水の流れの角度φ３が、整流ピース３５としてのランナ側部分３０を含むステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きくなる場合がある。この場合、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域に、ランナ５からの水流を供給することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、貫通孔５０の出口側端部５２をランナ側本体部分３１の外周面３３に配置することにより、ランナ５から流入する水の一部を、当該外周面３３から流出させることができる。このことにより、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。なお、この場合、貫通孔５０の入口側端部５１は、ステーベーン１５のランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されていてもよい。この場合においても、ステーベーン１５の内周面３４の近傍領域を流れる水の一部を取り込み、出口側端部５２から流出させることができる。ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合には、内周面３４の近傍領域の圧力が、外周面３３の近傍領域の圧力より高くなる傾向にあるため、外周面３３の近傍領域に水流をスムースに供給することができる。

また、上述した本実施の形態においては、ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さい場合を想定し、整流ピース３５としてのランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合を想定し、整流ピース３５としてのランナ側部分３０が、ベーン本体部分１６の入口角度より大きな入口角度を有していてもよい。

（第５の実施の形態）
次に、図１２および図１３を用いて、本発明の第５の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

図１２および図１３に示す第５の実施の形態においては、ステーベーンのケーシング側部分のケーシング側面に、突起部が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１２および図１３において、図１乃至図３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。

図１２（ａ）に示すように、ステーベーン１５のケーシング側部分２０において、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に、突起部７０が設けられている。この突起部７０は、当該外周面２３から半径方向外側（ケーシング２の側）に突出するように形成されている。このような突起部７０が形成されることにより、水車運転時に、突起部７０の下流側領域において縦渦を形成することができる。

上述した突起部７０は、図１２（ｂ）に示すように、ステーベーン１５のケーシング側部分２０に複数設けられていることが好適である。この場合、複数の突起部７０は、上下方向に配列されていることが好ましい。なお、突起部７０の平面形状は、特に限定されるものではないが、縦渦を効果的に形成するために、図１２（ｂ）に示すように、水の流れの方向に沿った三角形形状とすることが好適である。また、突起部７０の高さおよび平面形状の大きさは、当該突起部７０の近傍領域を流れる水に縦渦を効果的に形成することができれば、特に限定されるものではない。

水車運転の間、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域において、ケーシングから２流入した水が突起部７０を通過することにより、突起部７０の下流側領域において縦渦が形成される。このことにより、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。また、本実施の形態における突起部７０は、ステーベーン１５のベーン本体部分１６よりケーシング２の側に、すなわち、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に配置されている。このことから、突起部７０を、ステーベーン１５のうち上流側の部分に配置することができる。このため、図４に示すような剥離領域Ａのうち上流側の領域に、縦渦を形成することができ、ステーベーン１５のケーシング２の側の面において、流れの方向に広い範囲で剥離領域Ａが形成されることを抑制できる。

なお、既に設置されている水車の場合には、ステーベーン１５に本実施の形態による突起部７０を、例えば溶接すること等によって得ることができる。このことにより、比較的最近製造されたフランシス水車より流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる傾向にある製造年の古い水車であっても、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを効果的に抑制することができる。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のケーシング側部分２０において、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に突起部７０が設けられている。このことにより、水車運転時に流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２より小さい場合に、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域において縦渦を形成することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

また、本実施の形態のように、ステーベーン１５のケーシング側部分２０に上下方向に複数の突起部７０が設けられている場合、ステーベーン１５の上下方向にわたって流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することをより一層抑制することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、突起部７０は、ステーベーン１５のケーシング側部分２０において、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、突起部７０は、ケーシング側本体部分２１の内周面２４に設けられていてもよい。このような形態は、水車運転時にケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合に好適である。すなわち、この場合、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、突起部７０を、ケーシング側本体部分２１の内周面２４に設けることにより、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。

（第６の実施の形態）
次に、図１４および図１５を用いて、本発明の第６の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

図１４および図１５に示す第６の実施の形態においては、ステーベーンのケーシング側部分が、水車運転時にケーシングから流入する水の流れに沿うように形成された整流ピースであって、ベーン本体部分に取付部を介して取り付けられている点が主に異なり、他の構成は、図１２および図１３に示す第５の実施の形態と略同一である。なお、図１４および図１５において、図１２および図１３に示す第５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。

図１４（ａ）に示すように、ステーベーン１５のベーン本体部分１６は、上部壁１１と下部壁１２に固定されている。ケーシング側部分２０は、ベーン本体部分１６に取付部を介して取り付けられている。本実施の形態においては、取付部は、溶接部６０により構成されていることが好適である。すなわち、ケーシング側部分２０は、溶接部６０を介してベーン本体部分１６に取り付けられている。なお、取付部は、ボルト等によって構成されていてもよく、ベーン本体部分１６とケーシング側部分２０とを取り付ける方法は溶接に限定されることはない

本実施の形態におけるケーシング側部分２０は、水車運転時にケーシング２から流入する水の流れに沿うように形成されるとともにベーン本体部分１６とは別部品で構成された整流ピース２５となっている。ここで、上述したように、製造年の古いフランシス水車にあっては、比較的最近製造されたフランシス水車よりも、ケーシング２からの流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる傾向がある。このため、既設のステーベーンに、このような整流ピース２５を溶接する場合がある。この場合、既設のステーベーンがベーン本体部分１６に相当し、ベーン本体部分１６とは別部品である整流ピース２５がケーシング側部分２０に相当する。本実施の形態は、このように既設のステーベーン１５に整流ピース２５が溶接された場合を例として挙げている。なお、図５に示す形態では、ケーシング側部分２０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有しており、これにより、ステーベーン１５としての入口角度φ２を小さくするように形成されている。

このような整流ピース２５としてのケーシング側部分２０において、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に突起部７０が設けられている。図１４（ｂ）に示すように、ケーシング側部分２０に複数の突起部７０が設けられて、上下方向に配列されていることが好ましい。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のベーン本体部分１６に溶接部６０を介して取り付けられた整流ピース２５としてのケーシング側部分２０において、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に突起部７０が設けられている。ケーシング側部分２０は、水車運転時のステーベーン１５の入口角度φ２を小さくするような形状を有していることから、ケーシング２からの流れの角度φ１が、ステーベーン１５の入口角度φ２より小さい場合に、ケーシング２からの流れに、ステーベーン１５を沿わせることができ、ステーベーン１５の入口における衝突損失の低減を図ることができる。しかしながら、運転状況によっては、水の流れの角度φ１が、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０を含むステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さくなる場合がある。この場合であっても、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に突起部７０が設けられていることにより、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、突起部７０は、ステーベーン１５のケーシング側部分２０において、ケーシング側本体部分２１の外周面２３に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、突起部７０は、ケーシング側本体部分２１の内周面２４に設けられていてもよい。このような形態は、水車運転時にケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合に好適である。すなわち、運転状況によっては、水の流れの角度φ１が、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０を含むステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きくなる場合がある。この場合、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、突起部７０を、ケーシング側本体部分２１の内周面２４に設けることにより、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。

また、上述した本実施の形態においては、ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも小さい場合を想定し、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ケーシング２から流入する水の流れの角度φ１がステーベーン１５の入口角度φ２よりも大きい場合を想定し、整流ピース２５としてのケーシング側部分２０が、ベーン本体部分１６の入口角度より大きな入口角度を有していてもよい。

（第７の実施の形態）
次に、図１６および図１７を用いて、本発明の第７の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

図１６および図１７に示す第７の実施の形態においては、突起部が、ステーベーンのランナ側部分のランナ側面に設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１２および図１３に示す第５の実施の形態と略同一である。なお、図１６および図１７において、図１２および図１３に示す第５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。

図１６（ａ）に示すように、ステーベーン１５のランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６の側に設けられたランナ側本体部分３１と、ランナ側本体部分３１よりポンプ運転時の上流側に設けられたランナ側上流端部３２と、を有している。このうちランナ側本体部分３１は、ケーシング２の側を向く外周面（ケーシング側面）３３と、ランナ５の側を向く内周面（ランナ側面）３４と、を含んでいる。

図１６（ａ）に示すように、ステーベーン１５のランナ側部分３０において、ランナ側本体部分３１の内周面３４に、突起部８０が設けられている。この突起部８０は、当該内周面３４から半径方向内側（ランナ５の側）外方に突出するように形成されている。このような突起部８０が形成されることにより、ポンプ運転時に、突起部８０の下流側領域において縦渦を形成することができる。

上述した突起部８０は、図１６（ｂ）に示すように、ステーベーン１５のランナ側部分３０に複数設けられていることが好適である。この場合、複数の突起部８０は、上下方向に配列されていることが好ましい。なお、突起部８０の平面形状は、特に限定されるものではないが、縦渦を効果的に形成するために、図１６（ｂ）に示すように、水の流れの方向に沿った三角形形状とすることが好適である。また、突起部８０の高さおよび平面形状の大きさは、当該突起部８０の近傍領域を流れる水に縦渦を効果的に形成することができれば、特に限定されるものではない。

本実施の形態によるフランシス水車のポンプ運転を行う場合、図１に示すように、ランナ５は、発電電動機７によって回転駆動され、水車運転時とは反対方向に回転する。このことにより、図示しない下池から吸出し管８を通ってランナ５に水が流入する。ランナ５に流入した水は、ランナ５からガイドベーン４およびステーベーン１５を通ってケーシング２に流れ、図示しない水圧鉄管を通って上池に放出される。

ポンプ運転の間、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域において、水流が突起部８０を通過することにより、縦渦が形成される。このことにより、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。また、本実施の形態における突起部８０は、ステーベーン１５のベーン本体部分１６よりランナ５の側に、すなわち、ランナ側本体部分３１の内周面３４に配置されている。このことから、突起部８０を、ステーベーン１５のうち上流側の部分に配置することができる。このため、図９に示すような剥離領域Ｂのうち上流側の領域に、縦渦を形成することができ、ステーベーン１５のランナ５の側の面において、流れの方向に広い範囲で剥離領域Ｂが形成されることを抑制できる。

なお、既に設置されている水車の場合には、ステーベーン１５に本実施の形態による突起部８０を、例えば溶接すること等によって得ることができる。このことにより、比較的最近製造されたフランシス水車より流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる傾向にある製造年の古い水車であっても、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを効果的に抑制することができる。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のランナ側部分３０において、ランナ側本体部分３１の内周面３４に突起部８０が設けられている。このことにより、ポンプ運転時に流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４より小さい場合に、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域において縦渦を形成することができ、当該面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

また、本実施の形態のように、ステーベーン１５のランナ側部分３０に上下方向に複数の突起部８０が設けられている場合、ステーベーン１５の上下方向にわたって流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することをより一層抑制することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、突起部８０は、ステーベーン１５のランナ側部分３０において、ランナ側本体部分３１の内周面３４に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、突起部８０は、ランナ側本体部分３１の外周面３３に設けられていてもよい。このような形態は、ポンプ運転時にランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合に好適である。すなわち、この場合、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、突起部８０を、ランナ側本体部分３１の外周面３３に設けることにより、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。

（第８の実施の形態）
次に、図１８および図１９を用いて、本発明の第８の実施の形態における水力機械用ステーリングについて説明する。

図１８および図１９に示す第８の実施の形態においては、ステーベーンのランナ側部分が、揚水運転時にケーシングから流入する水の流れに沿うように形成された整流ピースであって、ベーン本体部分に取付部を介して取り付けられている点が主に異なり、他の構成は、図１６および図１７に示す第７の実施の形態と略同一である。なお、図１８および図１９において、図１６および図１７に示す第７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。

図１８（ａ）に示すように、ステーベーン１５のベーン本体部分１６は、上部壁１１と下部壁１２に固定されている。ランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６に取付部を介して取り付けられている。本実施の形態においては、取付部は、溶接部６１により構成されていることが好適である。すなわち、ランナ側部分３０は、溶接部６１を介してベーン本体部分１６に取り付けられている。なお、取付部がボルト等によって構成されていてもよく、ベーン本体部分１６とランナ側部分３０とを取り付ける方法は溶接に限定されることはない

本実施の形態におけるランナ側部分３０は、ポンプ運転時にランナ５から流入する水の流れに沿うように形成されるとともにベーン本体部分１６とは別部品で構成された整流ピース３５となっている。ここで、上述したように、製造年の古いフランシス水車にあっては、比較的最近製造されたフランシス水車よりも、ランナ５からの流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる傾向がある。このため、既設のステーベーンに、このような整流ピース３５を溶接する場合がある。この場合、既設のステーベーンがベーン本体部分１６に相当し、ベーン本体部分１６とは別部品である整流ピース３５がランナ側部分３０に相当する。本実施の形態は、このように既設のステーベーンに整流ピース３５が溶接された場合を例として挙げている。なお、図１８に示す形態では、ランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有しており、これにより、ステーベーン１５としての入口角度φ４を小さくするように形成されている。

本実施の形態においては、このような整流ピース３５としてのランナ側部分３０において、ランナ側本体部分３１の内周面３４に突起部８０が設けられている。図１８（ｂ）に示すように、突起部８０は、ランナ側部分３０に複数設けられて、上下方向に配列されていることが好ましい。

このように本実施の形態によれば、ステーベーン１５のベーン本体部分１６に溶接部６１を介して取り付けられた整流ピース３５としてのランナ側部分３０において、ランナ側本体部分３１の内周面３４に突起部８０が設けられている。ランナ側部分３０は、ポンプ運転時のステーベーン１５の入口角度φ４を小さくするような形状を有していることから、ランナ５からの流れの角度φ３が、ステーベーン１５の入口角度φ４より小さい場合に、ランナ５からのランナ５からの流れに、ステーベーン１５を沿わせることができ、ステーベーン１５の入口における衝突損失の低減を図ることができる。しかしながら、運転状況によっては、水の流れの角度φ３が、整流ピース３５としてのランナ側部分３０を含むステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さくなる場合がある。この場合であっても、ランナ側本体部分３１の内周面３４に突起部８０が設けられていることにより、ステーベーン１５のランナ５の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。このため、ステーベーン１５の周囲において流れが剥離することを抑制し、損失を低減することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、突起部８０は、ステーベーン１５のランナ側部分３０において、ランナ側本体部分３１の内周面３４に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、突起部８０は、ランナ側本体部分３１の外周面３３に設けられていてもよい。このような形態は、ポンプ運転時にランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合に好適である。すなわち、運転状況によっては、水の流れの角度φ３が、整流ピース３５としてのランナ側部分３０を含むステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きくなる場合がある。この場合、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離し、剥離領域が形成され得る。しかしながら、突起部８０を、ランナ側本体部分３１の外周面３３に設けることにより、ステーベーン１５のケーシング２の側の面の近傍領域における流れが剥離することを抑制できる。

また、上述した本実施の形態においては、ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも小さい場合を想定し、整流ピース３５としてのランナ側部分３０は、ベーン本体部分１６の入口角度より小さな入口角度を有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ランナ５から流入する水の流れの角度φ３がステーベーン１５の入口角度φ４よりも大きい場合を想定し、整流ピース３５としてのランナ側部分３０が、ベーン本体部分１６の入口角度より大きな入口角度を有していてもよい。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による水力機械用ステーリングは、上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、上述した実施の形態では、本発明による水力機械用ステーリングをフランシス水車に適用した例について説明したが、このことに限られることはなく、フランシス水車以外の水車に本発明による水力機械用ステーリングを適用することもできる。

また、上述した８つの実施の形態は、少なくとも部分的に、適宜組み合わせることも可能である。例えば、第１の実施の形態または第２の実施の形態における貫通孔４０と、第３の実施の形態または第４の実施の形態における貫通孔５０を、同一のステーベーン１５に設けてもよい。また、第５の実施の形態または第６の実施の形態における突起部７０と、第７の実施の形態または第８の実施の形態における突起部８０を、同一のステーベーン１５に設けてもよい。

１ フランシス水車
２ ケーシング
５ ランナ
１０ 水力機械用ステーリング
１１ 上部壁
１２ 下部壁
１５ ステーベーン
１６ ベーン本体部分
２０ ケーシング側部分
２１ ケーシング側本体部分
２２ ケーシング側上流端部
２３ 外周面
２４ 内周面
２５ 整流ピース
３０ ランナ側部分
３１ ランナ側本体部分
３２ ランナ側上流端部
３３ 外周面
３４ 内周面
３５ 整流ピース
４０、５０ 貫通孔
４１、５１ 入口側端部
４２、５２ 出口側端部
６０、６１ 溶接部
７０、８０ 突起部

Claims (6)

1. 水車運転時にケーシングから流入する水流をランナに導く水力機械用ステーリングにおいて、
   環状の上部壁と、
   前記上部壁の下方に設けられ、当該上部壁に対向する環状の下部壁と、
   前記上部壁と前記下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備え、
   前記ステーベーンは、ベーン本体部分と、前記ベーン本体部分より前記ケーシングの側に設けられたケーシング側部分と、を有し、
   前記ケーシング側部分は、前記ベーン本体部分の側に設けられたケーシング側本体部分と、前記ケーシング側本体部分より上流側に設けられたケーシング側上流端部と、を有し、
   前記ケーシング側本体部分は、前記ケーシングの側を向くケーシング側面と、前記ランナの側を向くランナ側面と、を含み、
   前記ケーシング側部分に、当該ケーシング側部分を貫通する貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔は、前記ケーシングから流入する水の一部を取り込む入口側端部と、前記入口側端部に取り込まれた水が流出する出口側端部と、を含み、
   前記貫通孔の前記出口側端部は、前記ケーシング側本体部分の前記ケーシング側面または前記ランナ側面に配置されていることを特徴とする水力機械用ステーリング。
2. 前記貫通孔の前記入口側端部は、前記ケーシング側本体部分の前記ケーシング側面および前記ランナ側面の一方に配置され、当該貫通孔の前記出口側端部は、当該ケーシング側本体部分の当該ケーシング側面および当該ランナ側面の他方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水力機械用ステーリング。
3. 揚水運転時にランナから流入する水流をケーシングに導く水力機械用ステーリングにおいて、
   環状の上部壁と、
   前記上部壁の下方に設けられ、当該上部壁に対向する環状の下部壁と、
   前記上部壁と前記下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備え、
   前記ステーベーンは、ベーン本体部分と、前記ベーン本体部分より前記ランナの側に設けられたランナ側部分と、を有し、
   前記ランナ側部分は、前記ベーン本体部分の側に設けられたランナ側本体部分と、前記ランナ側本体部分より上流側に設けられたランナ側上流端部と、を有し、
   前記ランナ側本体部分は、前記ケーシングの側を向くケーシング側面と、前記ランナの側を向くランナ側面と、を含み、
   前記ランナ側部分に、当該ランナ側部分を貫通する貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔は、揚水運転時に前記ランナから流入する水の一部を取り込む入口側端部と、前記入口側端部に取り込まれた水が流出する出口側端部と、を含み、
   前記貫通孔の前記出口側端部は、前記ランナ側本体部分の前記ケーシング側面または前記ランナ側面に配置されていることを特徴とする水力機械用ステーリング。
4. 前記貫通孔の前記入口側端部は、前記ランナ側本体部分の前記ケーシング側面および前記ランナ側面の一方に配置され、当該貫通孔の前記出口側端部は、当該ランナ側本体部分の当該ケーシング側面および当該ランナ側面の他方に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の水力機械用ステーリング。
5. 水車運転時にケーシングから流入する水流をランナに導く水力機械用ステーリングにおいて、
   環状の上部壁と、
   前記上部壁の下方に設けられ、当該上部壁に対向する環状の下部壁と、
   前記上部壁と前記下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備え、
   前記ステーベーンは、ベーン本体部分と、前記ベーン本体部分より前記ケーシングの側に設けられたケーシング側部分と、を有し、
   前記ケーシング側部分は、前記ケーシングの側を向くケーシング側面と、前記ランナの側を向くランナ側面と、を含み、
   前記ケーシング側部分の前記ケーシング側面または前記ランナ側面に、突起部が設けられていることを特徴とする水力機械用ステーリング。
6. 揚水運転時にランナから流入する水流をケーシングに導く水力機械用ステーリングにおいて、
   環状の上部壁と、
   前記上部壁の下方に設けられ、当該上部壁に対向する環状の下部壁と、
   前記上部壁と前記下部壁との間において周方向に配列された複数のステーベーンと、を備え、
   前記ステーベーンは、ベーン本体部分と、前記ベーン本体部分より前記ランナの側に設けられたランナ側部分と、を有し、
   前記ランナ側部分は、前記ケーシングの側を向くケーシング側面と、前記ランナの側を向くランナ側面と、を含み、
   前記ランナ側部分の前記ケーシング側面または前記ランナ側面に、突起部が設けられていることを特徴とする水力機械用ステーリング。

Images