JP2017025765A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】非設計点での水力損失を抑制することができる水力機械を提供する。【解決手段】実施の形態による水力機械１は、ケーシング２と、複数のステーベーン３と、複数のガイドベーン４と、ランナ５と、を備えている。ガイドベーン４は、ガイドベーン上流部２０と、ガイドベーン上流部２０に離間したガイドベーン下流部２１と、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１との間にガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを形成する弾性部材２２と、を有している。ガイドベーン上流部２０またはガイドベーン下流部２１が回動することにより、ランナ５に流入する水の流量が調整される。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、水力機械に関する。

近年、風力、太陽光等を含む再生可能エネルギの導入により、電力網が複雑化している。このような複雑化した電力網での需給バランスを確保するために、水力発電設備の水力機械を非設計点で運転（特に部分負荷運転）する要求が高まっている。このような非設計点での水力機械の性能改善は試みられてきてはいるものの、この要求に応えるためには、非設計点における効率の更なる改善が望まれる。

特開平１０−１８４５２３号公報

ところで、図１２の実線で示すように、設計点でのガイドベーン４０は、上流側（外周側）に設けられた対応するステーベーン４１の延長上に配置されている。これにより、ステーベーン４１から流出した水の流れに沿うようにガイドベーン４０が形成され、ガイドベーン４０に流入した水流に損失が発生することを抑制している。

しかしながら、水力機械は、ガイドベーン４０が回動して開度を調整することにより、水力機械の出力が調整されるように構成されている。すなわち、非設計点では、ガイドベーン４０は設計点よりも閉方向または開方向に回動した位置に位置付けられる。このうち、図１２に、ガイドベーン４０が閉方向に回動した例を破線で示す。この場合、ガイドベーン４０の角度は、ステーベーン４１から流出した水の流れに沿わなくなる。このことにより、ガイドベーン４０の上流部（ステーベーン４１の側の部分）の内周側面において流れの剥離が生じ、場合によってはキャビテーションが発生することがある。また、ガイドベーン４０が開方向に回動した場合においても、ガイドベーン４０の角度がステーベーン４１から流出した水の流れに沿わなくなり、ガイドベーン４０の上流部の外周側面において流れの剥離が生じ得る。このようにして、非設計点での水車運転時には、ガイドベーン４０の上流部において流れの剥離が生じ、ガイドベーン４０を流れる水流の損失が増大し得るという問題がある。

同様の問題がランナにおいても存在し得る。すなわち、非設計点ではガイドベーン４０の開度に応じて、ガイドベーン４０から流出した水流がランナベーンに沿わなくなり得る。このため、非設計点ではランナを流れる水流の損失が増大し得る。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、非設計点での水力損失を抑制することができる水力機械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は、水が流入する渦巻き状のケーシングと、ケーシングの内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のステーベーンと、ステーベーンの内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のガイドベーンと、ガイドベーンの内周側に設けられ、ガイドベーンから流入する流れによって回転駆動するランナと、を備えている。ガイドベーンは、ガイドベーン上流部と、ガイドベーン上流部に離間したガイドベーン下流部と、ガイドベーン上流部とガイドベーン下流部との間にガイドベーンの外周側面および内周側面を形成する弾性部材と、を有している。ガイドベーン上流部またはガイドベーン下流部が回動することにより、ランナに流入する水の流量が調整される。

また、実施の形態による水力機械は、水が流入する渦巻き状のケーシングと、ケーシングの内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のステーベーンと、ステーベーンの内周側に設けられ、周方向に離間して配列され、回動軸線を中心に回動して水の流量を調整可能な複数のガイドベーンと、ガイドベーンの内周側に設けられ、ガイドベーンから流入する流れによって回転駆動するランナと、を備えている。ランナは、周方向に離間して配列された複数のランナベーンを有している。ランナベーンは、ランナベーン上流部と、ランナベーン上流部に離間したランナベーン下流部と、ランナベーン上流部とランナベーン下流部との間にランナベーンの圧力面および負圧面を形成する中実状の弾性部材と、を含んでいる。

本発明によれば、非設計点での水力損失を抑制することができる。

図１は、第１の実施の形態におけるフランシス形水車を部分的に示す子午面断面図である。 図２は、図１のステーベーンおよびガイドベーンを示す平面断面図である。 図３は、図２のガイドベーンを示す側面図である。 図４は、第２の実施の形態におけるステーベーンおよびガイドベーンを示す平面断面図である。 図５は、図４のガイドベーンの開度を小さくした状態を示す平面断面図である。 図６は、第３の実施の形態におけるステーベーンおよびガイドベーンを示す平面断面図であって、ガイドベーンの開度を小さくした状態を示す図である。 図７は、第４の実施の形態におけるステーベーンおよびガイドベーンを示す平面断面図である。 図８は、図７のガイドベーンの開度を小さくした状態を示す平面断面図である。 図９は、第５の実施の形態におけるガイドベーンを示す平面断面図である。 図１０は、開度を小さくした図９のガイドベーンが水流を受けた状態を示す平面断面図である。 図１１は、第６の実施の形態におけるランナベーンを示す断面図である。 図１２は、一般的なステーベーンおよびガイドベーンを示す平面断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械について説明する。

（第１の実施の形態）
図１乃至図３を用いて、第１の実施の形態における水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて、水力機械の一例としてのフランシス形水車について説明する。

図１に示すように、フランシス形水車１は、水車運転時に上池から水圧管（いずれも図示せず）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の内周側に設けられた複数のステーベーン３と、ステーベーン３の内周側に設けられた複数のガイドベーン４と、ガイドベーン４の内周側に設けられたランナ５と、を備えている。

ステーベーン３は、周方向に離間して配列されており、互いに隣り合うステーベーン３の間に流路が形成され、各流路を、ケーシング２から流入する水が流れる。そして、ステーベーン３は、ケーシング２から流入する水の流れをガイドベーン４に導くようになっている。

ガイドベーン４は、ステーベーン３と同様にして、周方向に離間して配列されており、互いに隣り合うガイドベーン４の間に流路が形成され、各流路をステーベーン３から流入する水が流れる。各ガイドベーン４は、設計点に位置付けられている場合に、その外周側に設けられた対応するステーベーン３（より詳細には、ステーベーン３のキャンバーライン）の延長上に配置されており、ステーベーン３から流入する水の流れをランナ５に導くようになっている。

ランナ５は、ガイドベーン４から流入する水の流れによって回転駆動するように構成されている。すなわち、ランナ５は、周方向に離間して配列された複数のランナベーン５ａを有しており、互いに隣り合うランナベーン５ａの間に流路が形成され、各流路をガイドベーン４から流入する水が流れる。そして、ランナ５は、ランナ軸線Ｘを中心に回転可能に構成されている。このようにして、ランナベーン５ａが、ガイドベーン４から流入した水の圧力を受けることで、ランナ５は回転駆動される。

図１に示すように、ランナ５には、主軸６を介して発電機７が連結されている。この発電機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（または放水路）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。

本実施の形態におけるフランシス形水車１は、ポンプ運転（揚水運転）を行うようになっていてもよい。ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電機７が電動機として作用してランナ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３を通って、ケーシング２に流入し、ケーシング２から水圧管を通って上池に放出される。この場合、ガイドベーン４およびステーベーン３は、ランナ５から流入する水をケーシング２に導く。

次に、ガイドベーン４について詳細に説明する。

ガイドベーン４は、水の流量を調整可能になっている。すなわち、ガイドベーン４は、図１に示すように、ランナ５のランナ軸線Ｘに略平行に延びるガイドベーン軸線Ｙ（回動軸線）を中心に回動可能に構成されており、ガイドベーン４の角度が変化可能になっている。このことにより、ガイドベーン４は、隣り合うガイドベーン４との間に形成される流路面積を調整可能になっている。これにより、下流側に配置されたランナ５に流入する水の流量を変えて、発電機７の発電出力を調整可能になっている。

図２および図３に示すように、本実施の形態によるガイドベーン４は、ガイドベーン上流部２０と、ガイドベーン上流部２０に離間したガイドベーン下流部２１と、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１との間にガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを形成する弾性ベルト２２（弾性部材）と、を有している。本実施の形態においては、ガイドベーン上流部２０は、ガイドベーン軸線Ｙに沿う方向に延びる円柱状に形成されており、ガイドベーン４の上流端に配置されている。このガイドベーン上流部２０は、対応する（外周側に近接した）ステーベーン３の延長上に配置されている。また、ガイドベーン下流部２１は、ガイドベーン軸線Ｙに沿う方向に延びる円柱状に形成されており、ガイドベーン４の下流端に配置されている。このガイドベーン下流部２１は、設計点において、対応するステーベーン３の延長上に配置されている。なお、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１は、金属材料等の剛性を有する材料により形成されていることが好適である。

図２および図３に示す形態では、弾性ベルト２２は無端状に形成されている。すなわち、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１は、弾性ベルト２２に覆われて当該弾性ベルト２２に内接している。弾性ベルト２２には所定の張力が負荷されており、この張力が、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１によって支持されている。このようにして、弾性ベルト２２が、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを形成している。なお、このような弾性ベルト２２の材料としては、その厚さにもよるがガイドベーン４に流入した水の圧力によって後述するように滑らかな湾曲状に変形することができれば特に限られることはなく、例えばゴムを好適に用いることができる。この場合、ガイドベーン４においてキャビテーションが発生したとしてもガイドベーン４の壊食を防止することができる。

この弾性ベルト２２は、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１との間に、水が充填可能な内部空間２３を形成している。すなわち、この内部空間２３は、ガイドベーン上流部２０と、ガイドベーン下流部２１と、弾性ベルト２２のうちの外周側（外周側面４ａの側）の部分および内周側（内周側面４ｂの側）の部分と、によって画定されている。例えば、ガイドベーン４の上側に設けられた上カバー１０（図１および図３参照）と弾性ベルト２２との間、および／または、ガイドベーン４の下側に設けられた下カバー１１（図１および図３参照）と弾性ベルト２２との間に、隙間（図示せず）を設けて、この隙間を介して、ガイドベーン４の周囲を流れる水が内部空間２３に流入可能になっていてもよい。この内部空間２３が水で充填されることにより、弾性ベルト２２の外周側の部分および内周側の部分のうちの一方が水流から受ける圧力が、内部空間２３の水を介して他方に伝達される。このため、弾性ベルト２２の外周側の部分および内周側の部分のうちの一方の変形に追従するように他方を変形させることが可能となる。

図２に示すように、ガイドベーン４のガイドベーン軸線Ｙは、ガイドベーン上流部２０に位置付けられている。ガイドベーン上流部２０は、ガイドベーン駆動部９（例えばサーボモータ、図１参照）によって、このガイドベーン軸線Ｙを中心に回動可能になっている。一方、ガイドベーン下流部２１は、ガイドベーン上流部２０の回動に伴ってガイドベーン軸線Ｙを中心に円弧状に移動可能になっている。このことにより、ガイドベーン上流部２０がガイドベーン軸線Ｙを中心に回動すると、ガイドベーン上流部２０から弾性ベルト２２を介してガイドベーン下流部２１に回動力が伝達され、ガイドベーン下流部２１が、ガイドベーン軸線Ｙを中心とする円弧上を移動する。このようにして、本実施の形態によるガイドベーン４の開度が調整され、ランナ５に流入する水の流量が調整可能になっている。

なお、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン駆動部９との間の機構は、ガイドベーンを回動させるための一般的な機構と同様に、ガイドベーンアームおよびガイドリング（いずれも図示せず）等を用いて構成することができる。この場合、各ガイドベーン４を一体的に回動させて開度を調整することができる。

また、図示しないが、ガイドベーン下流部２１の移動をスムースにさせるために、上カバー１０および／または下カバー１１に、ガイドベーン下流部２１の円弧状の移動の軌跡に沿った溝またはスリット等が設けられて、ガイドベーン下流部２１に連結された被ガイド部材が案内されるようになっていてもよい。

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説明する。

本実施の形態によるフランシス形水車１において水車運転を行う場合、図１に示すように、上池から水圧管（いずれも図示せず）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３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に主軸６を介して連結された発電機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を通って下池（図示せず）へ放出される。

設計点での水車運転時には、ガイドベーン４、すなわち、ガイドベーン上流部２０、弾性ベルト２２およびガイドベーン下流部２１は、図２の実線で示される位置に位置付けられている。

一方、部分負荷運転での水車運転時には、ガイドベーン４の開度は小さくされる。より具体的には、ガイドベーン上流部２０がガイドベーン駆動部９によって駆動されて、弾性ベルト２２およびガイドベーン下流部２１は、設計点よりも閉方向（図２に示す反時計回り方向）に回動した位置、例えば図２の破線で示される位置に位置付けられる。このことにより、隣り合うガイドベーン４同士の間の流路面積が低減され、ランナ５に流入する水の流量が低減される。

この部分負荷運転では、ステーベーン３から流出してガイドベーン４に流入した水流は、ガイドベーン４の外周側面４ａに向って流れ、ガイドベーン４の外周側面４ａが水流から受ける圧力が大きくなり得る。このことにより、弾性ベルト２２の外周側の部分は、ガイドベーン４に流入した水流に沿うように、図２の二点鎖線で示されるように凹状に変形する。当該部分が受けた圧力は、内部空間２３に充填された水を介して弾性ベルト２２の内周側の部分にも伝達され、当該部分は、弾性ベルト２２の外周側の部分に追従するように凸状に変形する。この場合、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂは、弾性ベルト２２の弾力性によって滑らかに湾曲状に変形し得る。このことにより、ガイドベーン４に流入した水流の向きを滑らかに変化させることができる。このため、ガイドベーン４において流れの剥離が生じることを抑制でき、損失が発生することが抑制され得る。

また、ガイドベーン軸線Ｙがガイドベーン上流部２０に位置付けられているため、部分負荷運転時においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることが防止され得る。さらに、ガイドベーン上流部２０が、対応するステーベーン３の延長上に配置されているため、この点においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることが防止され得る。このことにより、ステーベーン３から流出してガイドベーン４に流入する水流に損失が発生することが抑制され得る。

一方、過負荷運転点での水車運転時には、図示しないが、ガイドベーン４の開度は大きくされ、図２の設計点よりも開方向（図２に示す時計回り方向）に回動する。このことにより、隣り合うガイドベーン４同士の間の流路面積が増大され、ランナ５に流入する水の流量が増大される。この場合、ガイドベーン４に流入した水流は、ガイドベーン４の内周側面４ｂに向って流れ、ガイドベーン４の内周側面４ｂが水流から受ける圧力が大きくなり得る。弾性ベルト２２の内周側の部分および外周側の部分が変形し得るが、弾性ベルト２２は滑らかに湾曲状に変形し得る。このため、損失が発生することが抑制され得る。また、ガイドベーン軸線Ｙがガイドベーン上流部２０に位置付けられているとともに、ガイドベーン上流部２０が、ステーベーン３の延長上に配置されているため、過負荷運転時においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることが防止され得る。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１との間に、弾性ベルト２２によってガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂが形成されているため、非設計点において水流から受ける圧力によって、外周側面４ａおよび内周側面４ｂを滑らかに湾曲状に変形させることができる。このことにより、ガイドベーン４に流入した水流の向きを滑らかに変化させることができる。このため、非設計点での運転時に、ガイドベーン４において水流の剥離が生じることを抑制でき、損失が生じることを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、ガイドベーン軸線Ｙがガイドベーン上流部２０に位置付けられている。このことにより、非設計点においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることを防止できる。とりわけ、本実施の形態によれば、ガイドベーン上流部２０が対応するステーベーン３の延長上に配置されているため、非設計点においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることをより一層防止できる。このため、ガイドベーン４に流入する水流に損失が生じることを抑制できる。

（第２の実施の形態）
次に、図４および図５を用いて、本発明の第２の実施の形態における水力機械について説明する。

図４および図５に示す第２の実施の形態においては、ガイドベーン下流部が回動可能になっ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４および図５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。

本実施の形態においては、図４に示すように、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１との間に、ガイドベーン中間部２４が設けられていている。このガイドベーン中間部２４は、ガイドベーン上流部２０に離間しているとともに、ガイドベーン下流部２１にも離間している。そして、ガイドベーン中間部２４は、弾性ベルト２２によって形成された内部空間２３内に（弾性ベルト２２の外周側の部分と内周側の部分との間）に配置されており、弾性ベルト２２に内接して弾性ベルト２３の張力を支持している。そして、このガイドベーン中間部２４によって、内部空間２３が、上流側内部空間２３ａと下流側内部空間２３ｂとに分断されている。

ガイドベーン中間部２４は、ガイドベーン軸線Ｙに沿う方向に延びる円柱状に形成されている。図４に示す形態では、ガイドベーン中間部２４の直径は、ガイドベーン上流部２０の直径よりも大きくなっている。このようにして、ガイドベーン中間部２４は、ガイドベーン４の外周側面４ａと内周側面４ｂがそれぞれ凸状となるように（外側に膨らむように）弾性ベルト２２を支持している。これにより、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを、一般的なガイドベーン（図１２参照）の形状に近似させている。

本実施の形態によるガイドベーン軸線Ｙは、ガイドベーン下流部２１に位置付けられている。ガイドベーン下流部２１は、ガイドベーン駆動部９（図１参照）によって、このガイドベーン軸線Ｙを中心に回動可能になっている。このことにより、ガイドベーン下流部２１が回転軸線Ｙを中心に回動すると、ガイドベーン４の開度が調整され、ランナ５に流入する水の流量が調整可能になっている。なお、ガイドベーン下流部２１とガイドベーン駆動部９との間の機構は、ガイドベーンを回動させるための一般的な機構と同様に、ガイドベーンアームおよびガイドリング（いずれも図示せず）等を用いて構成することができる。

図４に示す形態では、ガイドベーン下流部２１は、ガイドベーン４の下流端だけではなく、下流端から上流側に向って所定の長さだけ延びるように形成されている。そして、ガイドベーン下流部２１は、ガイドベーン４の開度を小さくした場合に、弾性ベルト２２を滑らかに湾曲させることができるように形成されている。すなわち、ガイドベーン下流部２１を閉方向（図４に示す反時計回り方向）に回動させた場合に、ガイドベーン下流部２１の一部によって、弾性ベルト２２により形成される外周側面４ａまたは内周側面４ｂに突出部等が形成されることを防止している。このことにより、部分負荷運転時において、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを滑らかな形状に形成することができ、損失が発生することを抑制できる。

なお、ガイドベーン下流部２１は、開方向に回動させた場合に、ガイドベーン下流部２１の一部によって、弾性ベルト２２により形成される外周側面４ａまたは内周側面４ｂに突出部等が形成されることを抑制可能な形状に形成することもできる。この場合には、過負荷運転時においても、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを滑らかな形状に形成することができ、損失が発生することを抑制できる。

また、ガイドベーン軸線Ｙは、ガイドベーン下流部２１を閉方向に回動させた場合に、隣り合うガイドベーン４との間に形成される流路面積を低減させることができる位置（例えば、ガイドベーン４の下流端よりも上流側の位置）に位置付けられていることが好適である。

一方、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン中間部２４は、ステーベーン３に対して（上カバー１０および下カバー１１に対して）固定されている。すなわち、ガイドベーン下流部２１を回動させた場合であっても、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン中間部２４は、同じ位置に留まるようになっている。また、本実施の形態によるガイドベーン上流部２０およびガイドベーン中間部２４は、対応するステーベーン３の延長上に配置されている。このため、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１は、非設計点においても、対応するステーベーン３の延長上に留まる。

部分負荷運転時にガイドベーン４の開度を小さくする場合、ガイドベーン４のガイドベーン下流部２１が、ガイドベーン駆動部９によって駆動されて、設計点よりも閉方向に回動した位置、例えば、図５に示される位置に位置付けられる。このことにより、隣り合うガイドベーン４同士の間の流路面積が低減され、ランナ５に流入する水の流量が低減される。

この部分負荷運転では、上述したように、ガイドベーン４の外周側面４ａが水流から受ける圧力が大きくなり得る。このことにより、弾性ベルト２２の外周側の部分のうち下流側空間２３ｂを画定している部分は、ガイドベーン４に流入した水流に沿うように、図５に示されるように凹状に変形し、弾性ベルト２２の外周側の部分が、ガイドベーン下流部２１の外周側の面に近接または接するようになる。また、弾性ベルト２２の外周側の部分が受けた圧力は、内部空間２３に充填された水を介して弾性ベルト２２の内周側の部分にも伝達され、当該部分は、弾性ベルト２２の外周側の部分に追従するように凸状に変形する。この場合、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂは、弾性ベルト２２の弾力性によって滑らかに湾曲状に変形し得る。このことにより、ガイドベーン４に流入した水流の向きを滑らかに変化させることができる。このため、ガイドベーン４において流れの剥離が生じることを抑制でき、損失が発生することが抑制され得る。

また、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン中間部２４が固定されているため、部分負荷運転時においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることが防止され得る。さらに、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン中間部２４が、対応するステーベーン３の延長上に配置されているため、この点においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることが防止され得る。このことにより、ステーベーン３から流出してガイドベーン４に流入する水流に損失が発生することが抑制され得る。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン中間部２４が、ガイドベーン４の外周側面４ａと内周側面４ｂが凸状となるように弾性ベルト２２を支持している。このことにより、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを、一般的なガイドベーンの形状に近似させることができ、ガイドベーン４を流れる水流に損失が生じることをより一層抑制できる。

また、本実施の形態によれば、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン中間部２４がステーベーン３に対して固定されるとともに、当該ステーベーン３の延長上に配置されている。このことにより、非設計点においても、ガイドベーン４の上流端がステーベーン３の延長上からずれることを防止でき、ガイドベーン４に流入する水流に損失が生じることを抑制できる。

なお、上述した本実施の形態においては、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１との間に、ガイドベーン中間部２４が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、このようなガイドベーン中間部２４は設けられていなくてもよい。この場合においても、損失が生じることを抑制できる。

（第３の実施の形態）
次に、図６を用いて、本発明の第３の実施の形態における水力機械について説明する。

図６に示す第３の実施の形態においては、弾性部材が、ガイドベーン上流部を越えてステーベーンに延びている点が主に異なり、他の構成は、図４および図５に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図４および図５に示す第２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。

本実施の形態においては、図６に示すように、ガイドベーン４は、ガイドベーン上流部２０と、ガイドベーン下流部２１と、弾性ベルト２２と、を有している。このうちガイドベーン上流部２０は、図４に示すガイドベーン中間部２４と同様の位置に配置されており、本実施の形態では、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１との間に、ガイドベーン中間部２４は設けられていない。また、図６に示すガイドベーン上流部２０は、図４に示すガイドベーン中間部２４と同等の直径を有している。

図６に示すように、弾性ベルト２２は、ガイドベーン上流部２０を越えて、対応するステーベーン３に延びている。すなわち、ステーベーン３、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１は、無端状の弾性ベルト２２に覆われて当該弾性ベルト２２に内接している。弾性ベルト２２には所定の張力が負荷されており、この張力が、ステーベーン３、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１によって支持されている。このようにして、弾性ベルト２２が、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを形成するとともに、当該外周側面４ａおよび当該内周側面４ｂをステーベーン３まで延長している。これにより、ステーベーン３およびガイドベーン４が一体化されている。なお、本実施の形態による弾性ベルト２２は、ステーベーン３とガイドベーン上流部２０との間に、水が充填可能な第２の内部空間２５を形成している。この第２の内部空間２５にも、内部空間２３と同様にして水が充填されることが好適である。

図６は、部分負荷運転時に、本実施の形態によるガイドベーン４の開度が小さくされた状態を示している。すなわち、ガイドベーン下流部２１が、ガイドベーン駆動部９によって駆動されて、設計点よりも閉方向（図６に示す反時計回り方向）に回動した位置に位置付けられている。このことにより、隣り合うガイドベーン４同士の間の流路面積が低減され、ランナ５に流入する水の流量が低減される。

この部分負荷運転では、上述したように、ガイドベーン４の外周側面４ａが水流から受ける圧力が大きくなり得る。このことにより、弾性ベルト２２の外周側の部分は、ガイドベーン４に流入した水流に沿うように、図６に示されるように凹状に変形し、弾性ベルト２２の外周側の部分が、ガイドベーン下流部２１の外周側の面に近接または接するようになる。また、弾性ベルト２２の外周側の部分が受けた圧力は、内部空間２３に充填された水を介して弾性ベルト２２の内周側の部分にも伝達され、当該部分は、弾性ベルト２２の外周側の部分に追従するように凸状に変形する。この場合、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂは、弾性ベルト２２の弾力性によって滑らかに湾曲状に変形し得る。このことにより、ガイドベーン４に流入した水流の向きを滑らかに変化させることができる。このため、ガイドベーン４において流れの剥離が生じることを抑制でき、損失が発生することが抑制され得る。

また、弾性ベルト２２が、ガイドベーン上流部２０を越えて、対応するステーベーン３に延びているため、ステーベーン３およびガイドベーン４が一体化されている。上述したように、弾性ベルト２２は、水流から受ける圧力によってガイドベーン４に流入した水流に沿うように滑らかに変形する。このことにより、ステーベーン３とガイドベーン４との間の不連続性が解消され、ステーベーン３から流出した水流は、弾性ベルト２２に沿ってガイドベーン４に滑らかに流入し得る。このため、ガイドベーン４に流入する水流に損失が発生することが抑制され得る。

このように本実施の形態によれば、弾性ベルト２２が、ガイドベーン上流部２０を越えて、対応するステーベーン３に延びている。このことにより、ステーベーン３およびガイドベーン４が一体化され、ステーベーン３から流出した水流を、弾性ベルト２２に沿ってガイドベーン４に滑らかに流入させることができる。このため、ステーベーン３から流出してガイドベーン４に流入する水流に損失が発生することを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、ステーベーン３およびガイドベーン４が一体化されているため、ステーベーン３の上流端からガイドベーン４の下流端までの距離を短くすることができる。この場合、ステーベーン３およびガイドベーン４を流れる水流に生じ得る損失を低減することができるとともに、水力機械を小形化させて低コスト化させることもできる。

（第４の実施の形態）
次に、図７および図８を用いて、本発明の第４の実施の形態における水力機械について説明する。

図７および図８に示す第４の実施の形態においては、ガイドベーン上流部およびガイドベーン下流部がそれぞれ回動可能になっている点が主に異なり、他の構成は、図４および図５に示す第２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４および図５に示す第２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。

本実施の形態においては、図７に示すように、ガイドベーン上流部２０には、上流側ガイドベーン軸線Ｙａ（上流側回動軸線）が位置付けられている。ガイドベーン上流部２０は、上流側ガイドベーン駆動部９ａによって、この上流側ガイドベーン軸線Ｙａを中心に回動可能になっている。一方、ガイドベーン下流部２１に下流側ガイドベーン軸線Ｙｂ（下流側回動軸線）が位置付けられている。ガイドベーン下流部２１は、下流側ガイドベーン駆動部９ｂによって、この下流側ガイドベーン軸線Ｙｂを中心に回動可能になっている。このことにより、ガイドベーン上流部２０が上流側ガイドベーン軸線Ｙａを中心に回動するとともに、ガイドベーン下流部２１が下流側ガイドベーン軸線Ｙｂを中心に回動することにより、ガイドベーン４の開度が調整され、ランナ５に流入する水の流量が調整可能になっている。なお、本実施の形態においては、図４に示すようなガイドベーン中間部２４は設けられていないが、これに限られることはない。

図７に示す形態では、ガイドベーン上流部２０は、ガイドベーン４の上流端だけではなく、上流端から下流側に向って所定の長さだけ延びるように形成されている。そして、ガイドベーン上流部２０は、ガイドベーン４の開度を小さくした場合に、弾性ベルト２２を滑らかに湾曲させることができるように形成されている。すなわち、ガイドベーン上流部２０を閉方向（図７に示す反時計回り方向）に回動させた場合に、ガイドベーン上流部２０の一部によって、弾性ベルト２２により形成される外周側面４ａまたは内周側面４ｂに突出部等が形成されることを抑制している。このことにより、部分負荷運転時において、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを滑らかな形状に形成することができ、損失が発生することを抑制できる。

なお、ガイドベーン上流部２０は、開方向に回動させた場合に、ガイドベーン上流部２０の一部によって、弾性ベルト２２により形成される外周側面４ａまたは内周側面４ｂに突出部等が形成されることを抑制可能な形状に形成することもできる。この場合には、過負荷運転時においても、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを滑らかな形状に形成することができ、損失が発生することを抑制できる。

また、上流側ガイドベーン軸線Ｙａは、ガイドベーン上流部２０を閉方向に回動させた場合に、隣り合うガイドベーン４との間に形成される流路面積を低減させることができる位置（例えば、ガイドベーン４の上流端よりも下流側の位置）に位置付けられていることが好適である。

ガイドベーン上流部２０と上流側ガイドベーン駆動部９ａとの間の機構は、ガイドベーンを回動させるための一般的な機構と同様に、ガイドベーンアームおよびガイドリング（いずれも図示せず）等を用いて構成することができる。また、同様にして、ガイドベーン下流部２１と下流側ガイドベーン駆動部９ｂとの間の機構は、他のガイドベーンアームおよび他のガイドリング（いずれも図示せず）等を用いて構成することができる。このことにより、各ガイドベーン４を一体的に回動させて開度を調整することができる。

部分負荷運転時にガイドベーン４の開度を小さくする場合、ガイドベーン上流部２０が、上流側ガイドベーン駆動部９ａによって駆動されるとともに、ガイドベーン下流部２１が、下流側ガイドベーン駆動部９ｂによって駆動され、図８に示される位置にそれぞれ位置付けられる。このことにより、隣り合うガイドベーン４同士の間の流路面積（例えば、一方のガイドベーン４のガイドベーン下流部２１と、他方のガイドベーン４のガイドベーン上流部２０との間の流路面積）が、低減される。

この部分負荷運転では、上述したように、ガイドベーン４の外周側面４ａが水流から受ける圧力が大きくなり得る。このことにより、弾性ベルト２２の外周側の部分は、ガイドベーン４に流入した水流に沿うように、図８に示されるように凹状に変形し、弾性ベルト２２の外周側の部分が、ガイドベーン下流部２１の外周側の面に近接または接するようになる。また、弾性ベルト２２の外周側の部分が受けた圧力は、内部空間２３に充填された水を介して弾性ベルト２２の内周側の部分にも伝達され、当該部分は、弾性ベルト２２の外周側の部分に追従するように凸状に変形する。この場合、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂは、弾性ベルト２２の弾力性によって滑らかに湾曲状に変形し得る。このことにより、ガイドベーン４に流入した水流の向きを滑らかに変化させることができる。このため、ガイドベーン４において流れの剥離が生じることを抑制でき、損失が発生することが抑制され得る。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１がそれぞれ回動することにより、ガイドベーン４の開度が調整される。このことにより、ガイドベーン４の開度を小さくした場合に、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂの曲率を小さくすることができる。このため、ガイドベーン４に流入した水流の向きの変化の程度を低減することができ、ガイドベーン４を流れる水流に損失が発生することを抑制できる。なお、ガイドベーン上流部２０が回動することにより、ガイドベーン４の上流端が、ステーベーン３の延長上からずれる場合があるが、この場合であっても、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂの曲率を小さくすることにより得られる損失抑制の効果によって、フランシス形水車１全体として損失を効果的に抑制することが可能である。

（第５の実施の形態）
次に、図９および図１０を用いて、本発明の第５の実施の形態における水力機械について説明する。

図９および図１０に示す第５の実施の形態においては、弾性部材が中実状に形成されている点が主に異なり、他の構成は、図４および図５に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図９および図１０において、図４および図５に示す第２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。

本実施の形態においては、図９に示すように、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂは、中実状の弾性体２６（弾性部材）によって形成されている。より具体的には、本実施の形態のガイドベーン４は、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１とを弾性材料を用いてモールド成形して得られる。これにより、弾性体２６は中実状に形成され、ガイドベーン上流部２０とガイドベーン下流部２１とを連結するとともに、ガイドベーン上流部２０およびガイドベーン下流部２１を覆うようになる。そして、弾性体２６は、圧力等が負荷されていない状態では一般的なガイドベーン（図１２参照）の形状を有しており、この弾性体２６の外周側の面がガイドベーン４の外周側面４ａをなし、弾性体２６の内周側の面がガイドベーン４の内周側面４ｂをなす。このように弾性体２６が中実状に形成されていることから、本実施の形態においては、図２等に示すような内部空間２３は形成されていない。また、図４に示すようなガイドベーン中間部２４は設けられていない。なお、弾性体２６の材料としては、ガイドベーン４に流入した水の圧力によって滑らかに変形することができれば特に限られることはなく、例えばゴムを好適に用いることができる。この場合、ガイドベーン４においてキャビテーションが発生したとしてもガイドベーン４の壊食を防止することができる。

部分負荷運転では、ガイドベーン４に対して図１０に示すような方向から水流が流入する。このため、ガイドベーン４の外周側面４ａが水流から受ける圧力が大きくなり得る。このことにより、弾性体２６の外周側の面は、ガイドベーン４に流入した水流に沿うように、図１０に示されるように凹状に変形する。当該外周側の面が受けた圧力は弾性体２６の内周側の面にも伝達され、弾性体２６の内周側の面は、外周側の面に追従するように凸状に変形する。この場合、弾性体２６が中実状に形成されているため、内周側の面を、外周側の面により一層確実に追従させることができる。また、この場合、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂは、弾性体２６の弾力性によって滑らかに湾曲状に変形し得る。このことにより、ガイドベーン４に流入した水流の向きを滑らかに変化させることができる。このため、ガイドベーン４において流れの剥離が生じることを抑制でき、損失が発生することが抑制され得る。なお、図１０において示す破線は、弾性体２６に圧力等が負荷されていない状態（すなわち、図９に示すガイドベーン４の形状）を示している。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン４の外周側面４ａおよび内周側面４ｂを形成する弾性体２６が中実状に形成されている。このことにより、弾性体２６の外周側の面および内周側の面のうちの一方の面が水流の圧力によって変形した場合に、当該一方の面の変形に追従して他方の面を容易に変形させることができる。このため、弾性体２６を、ガイドベーン４に流入した水流に沿うように容易に変形させることができ、ガイドベーン４において水流の剥離が生じることをより一層抑制できる。

（第６の実施の形態）
次に、図１１を用いて、本発明の第６の実施の形態における水力機械について説明する。

図１１に示す第６の実施の形態においては、中実状の弾性体によって、ランナベーン上流部とランナベーン下流部との間にランナベーンの圧力面および負圧面が形成さ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１１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。

本実施の形態においては、図１１に示すように、ランナベーン５ａは、ランナベーン上流部３０と、ランナベーン上流部３０に離間したランナベーン下流部３１と、ランナベーン上流部３０とランナベーン下流部３１との間にランナベーンの圧力面５ｂおよび負圧面５ｃを形成する中実状の弾性体３２（弾性部材）と、を含んでいる。

より具体的には、本実施の形態のランナベーン５ａは、ランナベーン上流部３０とランナベーン下流部３１とを弾性材料を用いてモールド成形して得られる。これにより、弾性体３２は中実状に形成され、ランナベーン上流部３０とランナベーン下流部３１を連結するとともに、ランナベーン上流部３０およびランナベーン下流部３１を覆うようになる。そして、弾性体３２は、圧力等が負荷されていない状態では一般的なランナベーンの形状を有しており、この弾性体３２の一方の面が圧力面５ｂをなし、他方の面が負圧面５ｃをなす。なお、弾性体３２の材料としては、ランナベーン５ａに流入した水の圧力によって後述するように滑らかに変形することができれば特に限られることはなく、例えばゴムを好適に用いることができる。この場合、ランナベーン５ａにおいてキャビテーションが発生したとしてもランナベーン５ａの壊食を防止することができる。

部分負荷運転では、ガイドベーン４から流出してランナ５に流入した水流は、ランナベーン５ａに沿わなくなる場合がある。しかしながら、この場合、ランナ５に流入した水流は負圧面５ｃに向って流れ、負圧面５ｃが水流から受ける圧力が大きくなり得る。このことにより、負圧面５ｃは、ランナ５に流入した水流に沿うように、図１１に破線で示されるように凹状に変形する。当該負圧面５ｃが受けた圧力は弾性体３２を介して圧力面５ｂにも伝達され、圧力面５ｂは、負圧面５ｃに追従するように凸状に変形する。この場合、弾性体３２が中実状に形成されているため、圧力面５ｂを、より一層確実に負圧面５ｃに追従させることができる。また、この場合、ランナベーン５ａの圧力面５ｂおよび負圧面５ｃは、弾性体３２の弾力性によって滑らかに変化させることができる。このため、ランナベーン５ａにおいて流れの剥離が生じることを抑制でき、損失が発生することが抑制され得る。

一方、過負荷運転時では、ランナ５に流入した水流は圧力面５ｂに向って流れ、圧力面５ｂが水流から受ける圧力が大きくなり得る。このことにより、圧力面５ｂは、ランナ５に流入した水流に沿うように、図１１に二点鎖線で示されるように凹状に変形する。当該圧力面５ｂが受けた圧力は弾性体３２を介して負圧面５ｃにも伝達され、負圧面５ｃは、圧力面５ｂに追従するように凸状に変形する。この場合、弾性体３２が中実状に形成されているため、負圧面５ｃを、より一層確実に圧力面５ｂに追従させることができる。また、この場合、ランナベーン５ａの圧力面５ｂおよび負圧面５ｃは、弾性体３２の弾力性によって滑らかに変化させることができる。このため、ランナベーン５ａにおいて流れの剥離が生じることを抑制でき、損失が発生することが抑制され得る。

このように本実施の形態によれば、ランナベーン上流部３０とランナベーン下流部３１との間に、弾性体３２によってランナベーン５ａの圧力面５ｂおよび負圧面５ｃが形成されているため、非設計点において水流から受ける圧力によって、圧力面５ｂおよび負圧面５ｃを滑らかに変形させることができる。このことにより、ランナベーン５ａに流入した水流の向きを滑らかに変化させることができる。このため、非設計点での運転時に、ランナベーン５ａにおいて水流の剥離が生じることを抑制でき、損失が生じることを抑制できる。

以上述べた実施の形態によれば、非設計点での水力損失を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

なお、上述した各実施の形態では、水力機械の一例としてフランシス形水車を例にとって説明したが、このことに限られることはなく、フランシス形水車以外の水力機械にも、本発明を適用することができる。また、ポンプ運転を行わない水車にも当然に適用することができる。

１：フランシス形水車、２：ケーシング、３：ステーベーン、４：ガイドベーン、４ａ：外周側面、４ｂ：内周側面、５：ランナ、５ａ：ランナベーン、５ｂ：圧力面、５ｃ：負圧面、２０：ガイドベーン上流部、２１：ガイドベーン下流部、２２：弾性ベルト、２３：内部空間、２４：ガイドベーン中間部、２６：弾性体、３０：ランナベーン上流部、３１：ランナベーン下流部、３２：弾性体、Ｙ：ガイドベーン軸線、Ｙａ：上流側ガイドベーン軸線、Ｙｂ：下流側ガイドベーン軸線、

Claims (5)

1. 水が流入する渦巻き状のケーシングと、
   前記ケーシングの内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のステーベーンと、
   前記ステーベーンの内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの内周側に設けられ、前記ガイドベーンから流入する流れによって回転駆動するランナと、を備え、
   前記ガイドベーンは、ガイドベーン上流部と、前記ガイドベーン上流部に離間したガイドベーン下流部と、前記ガイドベーン上流部と前記ガイドベーン下流部との間に前記ガイドベーンの外周側面および内周側面を形成する弾性部材と、を有し、
   前記ガイドベーン上流部または前記ガイドベーン下流部が回動することにより、前記ランナに流入する水の流量が調整されることを特徴とする水力機械。
2. 前記ガイドベーン上流部に回動軸線が位置付けられて、当該回動軸線を中心に当該ガイドベーン上流部が回動可能であり、
   前記ガイドベーン下流部は、前記ガイドベーン上流部の回動に伴って前記回動軸線を中心に円弧状に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
3. 前記ガイドベーン下流部に回動軸線が位置付けられて、当該回動軸線を中心に当該ガイドベーン下流部が回動可能であり、
   前記ガイドベーン上流部は、前記ステーベーンに対して固定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。
4. 前記ガイドベーン上流部に上流側回動軸線が位置付けられて、当該上流側回動軸線を中心に当該ガイドベーン上流部が回動可能であり、
   前記ガイドベーン下流部に下流側回動軸線が位置付けられて、当該下流側回動軸線を中心に当該ガイドベーン下流部が回動可能であり、
   前記ガイドベーン上流部および前記ガイドベーン下流部がそれぞれ回動することにより、前記ランナに流入する水の流量が調整されることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
5. 水が流入する渦巻き状のケーシングと、
   前記ケーシングの内周側に設けられ、周方向に離間して配列された複数のステーベーンと、
   前記ステーベーンの内周側に設けられ、周方向に離間して配列され、回動軸線を中心に回動して水の流量を調整可能な複数のガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの内周側に設けられ、前記ガイドベーンから流入する流れによって回転駆動するランナと、を備え、
   前記ランナは、周方向に離間して配列された複数のランナベーンを有し、
   前記ランナベーンは、ランナベーン上流部と、前記ランナベーン上流部に離間したランナベーン下流部と、前記ランナベーン上流部と前記ランナベーン下流部との間に前記ランナベーンの圧力面および負圧面を形成する中実状の弾性部材と、を含んでいることを特徴とする水力機械。

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