JP2017025876A - 水力機械のガイドベーンおよび水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドベーンの入口流れまたは出口流れの損失を低減することができる水力機械のガイドベーンを提供する。
【解決手段】実施の形態による水力機械のガイドベーン１０は、中央部分１３と、中央部分１３の入口側に設けられた入口部分１４と、を備えている。入口部分１４は、入口本体部分１４ａと、入口本体部分１４ａの上壁１１の側に設けられた入口上壁側部分１４ｂと、入口本体部分１４ａの下壁１２の側に設けられた入口下壁側部分１４ｃと、を有している。入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２は、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３よりもそれぞれ大きくなっている。
【選択図】図３

Description

本発明の実施の形態は、水力機械のガイドベーンおよび水力機械に関する。

従来より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または放水路へ流出される。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。

ガイドベーンは、その上側に設けられた上壁と、下側に設けられた下壁とに回動可能に支持されている。すなわち、上壁と下壁との間に形成される流路にガイドベーンが設けられている。上述したステーベーンは、ガイドベーンの上流側において、上壁と下壁とに支持され、ケーシングからの水流を整流している。このようにして、ガイドベーンは、ステーベーンにおいて整流された水流をランナへ導く整流羽根の役割を持つ。一般的に、ガイドベーンは、高さ方向において同じ水平断面形状となるように形成されている。

図１０および図１１に、設計点におけるステーベーンおよびガイドベーンの周りの流れの模式図を示す。このうち図１０は、高さ方向中央領域における水平断面（以下中央断面と記す）における流れの様子を示している。図１０に示されているように、ステーベーン３０からガイドベーン４０に流入する水の流れは、ガイドベーン４０の入口羽根角度に沿うように流れており、ガイドベーン４０の形状に沿って流れてガイドベーン４０から流出してランナに流入する。ガイドベーン４０から流出する流れは、ガイドベーン４０の出口羽根角度に沿うように流れる。

図１１は、上壁（または下壁）の側の領域における水平断面（以下、壁側断面と記す）における流れの様子を示している。この壁側断面においては、図１１に示されているように、ステーベーン３０からガイドベーン４０に流入する水の流れは、ガイドベーン４０の入口羽根角度より大きな角度で流れる。この入口流れ角度は、図１０に示す中央断面における入口流れ角度より大きくなっている。

図１２に、ガイドベーン４０の入口流れ角度差の分布を示す。ここで、入口流れ角度差とは、各高さ位置における入口流れ角度と、高さ方向中央位置における入口流れ角度との差を意味している。図１２に示されているように、中央断面における入口流れ角度よりも、壁側断面（とりわけ壁近傍の断面）における入口流れ角度が大きくなっていることがわかる。この入口流れ角度の違いにより、図１１に示すような、ガイドベーン４０の入口の内周側に、損失が発生する損失領域４１が形成され得る。さらに、ガイドベーン４０の高さ方向に二次流れが発生し、損失が増大する要因となり得る。なお、図１２に示すＢ１は、ガイドベーン４０の高さを示している。

ガイドベーン４０の出口においても同様の現象がみられる。すなわち、中央断面における出口流れ角度よりも、壁側断面における出口流れ角度が大きくなっている（図８の破線参照）。この出口流れ角度の違いにより、互いに隣り合うガイドベーン４０の間の流路で二次流れが発生して損失が発生し得る。さらに、高さ方向で出口流れ角度が異なる状態でガイドベーン４０からの水流がランナへ流入するため、ランナ入口での損失増大につながり得る。

特許第４０１３３５６号公報

このように、ガイドベーンの入口および出口では、壁側断面における流れ角度が中央断面における流れ角度より大きくなっているため、ガイドベーンの入口流れおよび出口流れに損失が生じ得る。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ガイドベーンの入口流れまたは出口流れの損失を低減することができる水力機械のガイドベーンおよび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のガイドベーンは、上壁と、上壁に対向する下壁との間に設けられ、水車運転時にステーベーンからの水流をランナに導くためのものである。この水力機械のガイドベーンは、中央部分と、中央部分の入口側に設けられた入口部分と、を備えている。入口部分は、入口本体部分と、入口本体部分の上壁の側に設けられた入口上壁側部分と、入口本体部分の下壁の側に設けられた入口下壁側部分と、を有している。入口上壁側部分の入口羽根角度および入口下壁側部分の入口羽根角度は、入口本体部分の入口羽根角度よりもそれぞれ大きくなっている。

また、実施の形態による水力機械は、上述した水力機械のガイドベーンを備えている。

本発明によれば、ガイドベーンの入口流れまたは出口流れの損失を低減することができる。

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縦断面図である。 図２は、図１のガイドベーンを示す部分縦断面図である。 図３は、図２のガイドベーンを示す水平断面図である。 図４は、図３のガイドベーンの入口羽根角度差の分布を示す図である。 図５は、図３のガイドベーンの周りの流れであって、壁側断面における流れを説明するための模式図である。 図６は、第２の実施の形態におけるガイドベーンを示す水平断面図である。 図７は、図６のガイドベーンの出口羽根角度差の分布を示す図である。 図８は、図６のガイドベーンおよび一般的なガイドベーンの出口における出口流れ角度差の分布を示す図である。 図９は、第３の実施の形態におけるガイドベーンを示す水平断面図である。 図１０は、一般的なガイドベーンの周りの流れであって、中央断面における流れを説明するための模式図である。 図１１は、一般的なガイドベーンの周りの流れであって、壁側断面における流れを説明するための模式図である。 図１２は、図１０および図１１のガイドベーンの入口における入口流れ角度差の分布を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１乃至図５を用いて、本発明の第１の実施の形態における水力機械のガイドベーンおよび水力機械について説明する。

なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「同一」等の用語等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めるものとしている。

ここでは、まず、水力機械のガイドベーン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、水車運転時に上池から水圧鉄管（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、複数のステーベーン３と、複数のガイドベーン１０と、ランナ４と、を備えている。

ステーベーン３は、ケーシング２に流入した水をガイドベーン１０およびランナ４に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ステーベーン３の間に水が流れる流路が形成されている。より詳細には、ステーベーン３は、後述する上壁１１と下壁１２とによって画定される流路内において、周方向に配列されている。このようにして、ステーベーン３は、ケーシング２からの水流をガイドベーン１０に導くための整流羽根の役割を持っている。また、ステーベーン３は、上壁１１および下壁１２に（例えば溶接によって）連結されて支持されており、ケーシング２からの力を受ける強度部材としての役割を持っている。一般的に、ステーベーン３は、高さ方向において同じ水平断面形状となるように形成されている。

ガイドベーン１０は、ステーベーン３から流入した水をランナ４に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ガイドベーン１０の間に水が流れる流路が形成されている。また、図２に示すように、各ガイドベーン１０は回動可能に構成されており、各ガイドベーン１０には、ガイドベーンスピンドル１０ａを介してガイドベーン駆動部（図示せず）が連結されている。ガイドベーンスピンドル１０ａの回動中心１０ｂは、ガイドベーン１０のピッチサークル１０ｃ（図３参照）上に配置されている。各ガイドベーン１０が回動して開度を変えることにより、ランナ４に流入する水の流量が調整可能になっている。このようにして、後述する発電機６の発電量が調整可能になっている。

図１に示すように、ランナ４は、ケーシング２に対して回転軸線Ｘを中心に回転可能に構成され、水車運転時にケーシング２から流入する水によって回転駆動される。すなわち、ランナ４は、ランナ４に流入する水の圧力エネルギを回転エネルギへと変換するためのものである。

ランナ４には、主軸５を介して発電機６が連結されている。この発電機６は、水車運転時には、ランナ４の回転エネルギが伝達されて発電を行うように構成されている。

ランナ４の水車運転時の下流側には、吸出し管７が設けられている。この吸出し管７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４を回転駆動させた水が、圧力を回復して、下池または放水路に放出されるようになっている。

なお、発電機６は、電動機としての機能をも有し、電力が供給されることによりランナ４を回転駆動するように構成されていてもよい。この場合、吸出し管７を介して下池の水を吸い上げて上池に放出させることができ、フランシス水車１を、ポンプ水車としてポンプ運転（揚水運転）することが可能になる。この際、ガイドベーン１０の開度は、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ガイドベーン１０について説明する。ガイドベーン１０は、水車運転時に、ステーベーン３からの水流をランナ４に導くためのものである。

図２に示すように、ガイドベーン１０は、環状の上壁１１と、上壁１１の下方に設けられ、上壁１１に対向する環状の下壁１２と、の間に設けられている。そして、ガイドベーン１０は、上壁１１と下壁１２とによって画定される流路内において、周方向に配列されている。このようにして、ガイドベーン１０は、ステーベーン３からの水流をランナ４に導いている。また、上壁１１と下壁１２とは、互いに平行に配置されており、ガイドベーン１０の高さＢ１が、半径方向（図２の左右方向）において同一となっている。

図２に示すように、ガイドベーン１０は、中央部分１３と、中央部分１３より入口側（ケーシング２の側）に設けられた入口部分１４と、中央部分１３より出口側（ランナ４の側）に設けられた出口部分１５と、を備えている。これらの中央部分１３、入口部分１４および出口部分１５は、一体に形成され、ガイドベーン１０の滑らかな翼面が形成されている。

入口部分１４は、入口本体部分１４ａと、入口本体部分１４ａの上壁１１の側に設けられた入口上壁側部分１４ｂと、入口本体部分１４ａの下壁１２の側に設けられた入口下壁側部分１４ｃと、を有している。このうち入口本体部分１４ａは、ガイドベーン１０の高さ方向中央領域に設けられており、入口上壁側部分１４ｂは、入口本体部分１４ａの上側に、すなわち上壁１１と入口本体部分１４ａとの間に設けられ、入口下壁側部分１４ｃは、入口本体部分１４ａの下側に、すなわち下壁１２と入口本体部分１４ａとの間に設けられている。同様に、中央部分１３は、中央本体部分１３ａと、上壁１１と中央本体部分１３ａとの間に設けられた中央上壁側部分１３ｂと、下壁１２と中央本体部分１３ａとの間に設けられた中央下壁側部分１３ｃと、を有している。出口部分１５は、出口本体部分１５ａと、上壁１１と出口本体部分１５ａとの間に設けられた出口上壁側部分１５ｂと、下壁１２と出口本体部分１５ａとの間に設けられた出口下壁側部分１５ｃと、を有している。

図３には、本実施の形態におけるガイドベーン１０の水平断面が示されている。このうちガイドベーン１０の上壁側部分（中央上壁側部分１３ｂ、入口上壁側部分１４ｂ、出口上壁側部分１５ｂ）または下壁側部分（中央下壁側部分１３ｃ、入口下壁側部分１４ｃ、出口下壁側部分１５ｃ）が実線で示されており、本体部分（中央本体部分１３ａ、入口本体部分１４ａ、出口本体部分１５ａ）が破線で示されている。本実施の形態においては、入口上壁側部分１４ｂおよび入口下壁側部分１４ｃの断面形状は、入口本体部分１４ａの断面形状と相違している。中央上壁側部分１３ｂおよび中央下壁側部分１３ｃの断面形状は、中央本体部分１３ａの断面形状と同一であり、図３の断面では重なっている。同様に、出口上壁側部分１５ｂおよび出口下壁側部分１５ｃの断面形状は、出口本体部分１５ａの断面形状と同一であり、図３の断面では重なっている。このようにして本実施の形態によるガイドベーン１０の入口部分１４は、高さ方向で異なる形状に形成され、高さ方向で見たときに、同一断面形状で形成されていた場合には見えなかったガイドベーン１０（とりわけ入口部分１４）の翼面の一部が見えるようになっている。

本実施の形態においては、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２が、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３より大きくなっている。ここで羽根角度とは、水平断面において、ランナ４の回転軸線Ｘを中心とする円弧の接線（回動中心１０ｂにおける接線）に対するガイドベーン１０の延びる方向（例えば、キャンバーライン）の角度を意味しており、ガイドベーン１０の開度が大きくなる方向を正の方向としている。従って、羽根角度が小さいとは、接線方向に近づくように形成されることを意味し、羽根角度が大きいとは、半径方向に近づくように形成されることを意味している。後述する流れ角度も同様の意味で用いることとする。

このようなガイドベーン１０の入口部分１４の入口羽根角度について、図４を用いてより詳細に説明する。図４には、本実施の形態によるガイドベーン１０の入口部分１４の入口羽根角度差の分布が示されている。ここで、入口羽根角度差とは、任意の高さ位置における入口羽根角度と、高さ方向中央位置における入口羽根角度との差を意味している。

図４に示すように、本実施の形態によるガイドベーン１０の入口羽根角度は、高さ方向中央領域においてはほぼ一定であるが、上壁１１の側の領域および下壁１２の側の領域において、中央領域における入口羽根角度より大きくなっている。このように入口羽根角度がほぼ一定の領域が入口本体部分１４ａに相当し、入口羽根角度が大きくなっている上壁１１の側の領域および下壁１２の側の領域が、入口上壁側部分１４ｂ、入口下壁側部分１４ｃにそれぞれ相当している。入口上壁側部分１４ｂおよび入口下壁側部分１４ｃにおいて、入口羽根角度θ１、θ２は、上壁１１または下壁１２の側に向って、それぞれ徐々に大きくなるように変化している。このことにより、流れの損失の低減を図っている。

このような入口上壁側部分１４ｂの高さをＢ２ｂ、入口下壁側部分１４ｃの高さをＢ２ｃとしたときに、Ｂ２ｂ、Ｂ２ｃは、図４に示すように、
０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｂ≦０．１５×Ｂ１、０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｃ≦０．２×Ｂ１
を満たしていることが好適である。このことにより、後述するように、図１２に示すガイドベーン１０の入口流れ角度に、ガイドベーン１０の入口部分１４の形状が沿うようにすることができる。なお、Ｂ２ｂ、Ｂ２ｃは、後述するように、
０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｂ≦０．１×Ｂ１、０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｃ≦０．１×Ｂ１
であってもよい。

また、入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１と、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３との入口羽根角度差をΔα１（図３参照）、入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２と、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３との入口羽根角度差をΔα２（図３参照）としたときに、Δα１、Δα２は、
０°＜Δα１＜１０°、０°＜Δα２＜１０°
を満たしていることが好適である。すなわち、入口上壁側部分１４ｂおよび入口下壁側部分１４ｃにおいて、入口羽根角度θ１、θ２は、上壁１１または下壁１２の側に向って徐々に大きくなっているが、入口上壁側部分１４ｂおよび入口下壁側部分１４ｃにおける入口羽根角度θ１、θ２と入口羽根角度θ３との入口羽根角度差の最大値が、それぞれ１０°未満であることが好適である。このことにより、後述するように、図１２に示すガイドベーン１０の入口流れ角度に、ガイドベーン１０の入口部分１４の形状が沿うようにすることができる。

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、図５を用いて説明する。図５には、本実施の形態におけるフランシス水車１において、水車運転が行われている間のステーベーン３およびガイドベーン４の周囲の水の流れであって、上壁１１（または下壁１２）側の領域における水平断面（以下、壁側断面と記す）における水の流れが示されている。

一般的なガイドベーン４０の壁側断面における入口流れは、図１１に示すように、ガイドベーン４０の入口羽根角度より大きな角度でガイドベーン４０に流入する。これにより、ガイドベーン４０の入口の内周側に、損失が発生する損失領域４１が形成され得る。

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、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２を、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３よりそれぞれ大きくしている。このことにより、図５に示すように、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂおよび入口下壁側部分１４ｃの形状を、ガイドベーン１０に流入する流れに沿わせることができる。このため、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの入口流れ角度と、入口上壁側部分１４の入口羽根角度との差が低減されるとともに、入口下壁側部分１４ｃの入口流れ角度と、入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度との差が低減され得る。この結果、ガイドベーン１０の内周側での損失が低減され得る。

また、一般的なガイドベーン４０の入口流れ角度差の分布が図１２に示されている。この図１２に示すように、高さ方向中央の領域における入口流れ角度よりも入口流れ角度が大きくなっている範囲は、上壁１１の側の領域および下壁１２の側の領域に顕著に現れていることがわかる。そして、上壁１１から０．１５×Ｂ１の範囲で、入口流れ角度が大きくなっているとともに、下壁１２から０．２×Ｂ１の範囲で、入口流れ角度が大きくなっている。

これに対して本実施の形態では、入口上壁側部分１４ｂの高さＢ２ｂが、０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｂ≦０．１５×Ｂ１を満たし、入口下壁側部分１４ｃの高さＢ２ｃが、０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｃ≦０．２×Ｂ１を満たしている。このことにより、高さ方向中央の領域における入口流れ角度よりも入口流れ角度が大きくなっている範囲に、入口上壁側部分１４ｂの高さ範囲および入口下壁側部分１４ｃの高さ範囲をそれぞれ合わせることができる。このため、入口流れの損失をより一層効果的に低減することができる。なお、入口流れ角度が大きくなっている範囲のうち中央寄りの部分では、入口流れ角度は比較的小さい。このことから、入口上壁側部分１４ｂは、０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｂ≦０．１×Ｂ１を満たすように形成されていてもよい。同様に、入口下壁側部分１４ｃは、０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｃ≦０．１×Ｂ１を満たすように形成されていてもよい。また、Ｂ２ｂ、Ｂ２ｃを０．０５×Ｂ１以上とすることにより、入口流れの損失低減の効果を効果的に得ることができる。とりわけ、図１２に示す流れ場では、入口流れ角度が大きくなっている範囲の中でも入口流れ角度が比較的大きい範囲（図１２の入口流れ角度差が直線状に増大している範囲）において入口流れの損失を効果的に低減し得る。

また、図１２に示すように、上壁１１および下壁１２の側の領域における入口流れ角度差は、１０°以下であることがわかる。

これに対して本実施の形態では、入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１と、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３との入口羽根角度差Δα１が０°＜Δα１＜１０°を満たし、入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２と、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３との入口羽根角度差Δα２が０°＜Δα２＜１０°を満たしている。このことにより、入口部分１４での入口流れ角度に、入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２を沿わせることができる。このため、入口流れの損失をより一層効果的に低減することができる。

ところで、ガイドベーン１０の開度は運転状態に応じて変化するが、ガイドベーン１０の入口部分１４では、上壁１１および下壁１２の側の領域における入口流れ角度が、高さ方向中央の領域における入口流れ角度より大きくなる現象は変わらない。このため、本実施の形態のように、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２を、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３よりそれぞれ大きくすることで、広い運転範囲においてガイドベーン１０の入口流れの損失を低減可能である。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１、および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２が、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３より大きくなっている。このことにより、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの形状を、上壁１１の側の領域においてガイドベーン１０に流入する入口流れに沿わせることができるとともに、入口下壁側部分１４ｃの入口形状を、下壁１２の側の領域においてガイドベーン１０に流入する入口流れに沿わせることができる。このため、ガイドベーン１０の入口流れの損失を低減することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図６乃至図８を用いて、本発明の第２の実施の形態における水力機械のガイドベーンおよび水力機械について説明する。

図６乃至図８に示す第２の実施の形態においては、出口上壁側部分の出口羽根角度および出口下壁側部分の出口羽根角度が、出口本体部分の出口羽根角度よりもそれぞれ小さい点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図５に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６乃至図８において、図１乃至図５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。

本実施の形態におけるガイドベーン１０は、図６に示すように、出口上壁側部分１５ｂの出口羽根角度θ４および出口下壁側部分１５ｃの出口羽根角度θ５が、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６よりもそれぞれ小さくなっている。このようにして本実施の形態によるガイドベーン１０の出口部分１５は、高さ方向で異なる形状に形成され、高さ方向で見たときに、同一断面形状で形成されていた場合には見えなかったガイドベーン１０（とりわけ出口部分１５）の翼面の一部が見えるようになっている。

本実施の形態によるガイドベーン１０の出口部分１５の出口羽根角度について、図７を用いてより詳細に説明する。図７には、本実施の形態によるガイドベーン１０の出口部分１５の出口羽根角度差の分布が示されている。ここで、出口羽根角度差とは、各高さ位置における出口羽根角度と、高さ方向中央位置における出口羽根角度（とりわけ、出口本体部分１５ａにおける最大出口羽根角度）との差を意味している。

図７に示すように、本実施の形態によるガイドベーン１０の出口羽根角度は、高さ方向中央領域においてはほぼ一定であるが、上壁１１の側の領域および下壁１２の側の領域において、中央領域における出口羽根角度より小さくなっている。このように出口羽根角度がほぼ一定の領域が出口本体部分１５ａに相当し、出口羽根角度が小さくなっている上壁１１の側の領域および下壁１２の側の領域が、出口上壁側部分１５ｂ、出口下壁側部分１５ｃにそれぞれ相当している。出口上壁側部分１５ｂおよび出口下壁側部分１５ｃにおいては、出口羽根角度θ４、θ５は、上壁１１または下壁１２の側に向かって、それぞれ徐々に小さくなるように変化している。このことにより、流れの損失の低減を図っている。

このような出口上壁側部分１５ｂの高さをＢ３ｂ、出口下壁側部分１５ｃの高さをＢ３ｃとしたときに、Ｂ３ｂ、Ｂ３ｃは、図７に示すように、
Ｂ３ｂ＜Ｂ３ｃ
を満たしていることが好適である。このことにより、後述するように、図８の破線で示すガイドベーン１０の出口流れ角度に応じて、ガイドベーン１０の出口羽根角度θ４、θ５を適切に設定することができる。

より具体的に説明すると、図７に示す形態では、出口羽根角度は、高さ方向中央位置よりも僅かに上壁１１の側の高さ位置において最大となり、当該高さ位置から出口上壁側部分１５ｂの側および出口下壁側部分１５ｃの側に向って、徐々に小さくなるように変化している。すなわち、高さ方向中央の領域においても出口羽根角度が変化している。しかしながら、出口羽根角度差が小さい場合には、出口羽根角度差が出口流れに及ぼす影響は小さいと考えられる。そこで、例えば、出口流れに影響を及ぼし得る出口羽根角度差を−２°以下（絶対値で２°以上）と仮定し、その高さ位置を境界とすると、図７に示すように、出口上壁側部分１５ｂの高さＢ３ｂは、０．１×Ｂ１程度となり、出口下壁側部分１５ｃの高さＢ３ｃは、０．３×Ｂ１程度となる。このようにして、Ｂ３ｂ＜Ｂ３ｃが満たされるようになっている。なお、出口流れに影響を及ぼし得るか否かの出口羽根角度差の境界値は、上述の値に限られることはない。つまり、当該境界値を所望の値に設定して、出口上壁側部分１５ｂの高さＢ３ｂと出口下壁側部分１５ｃの高さＢ３ｃとを設定し、このようにして設定されたＢ３ｂとＢ３ｃとが、Ｂ３ｂ＜Ｂ３ｃを満たしていることが好適である。

また、出口上壁側部分１５ｂの出口羽根角度θ４と、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６との出口羽根角度差をΔβ１（図６参照）、出口下壁側部分１５ｃの出口羽根角度θ５と、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６との出口羽根角度差をΔβ２（図６参照）としたときに、
０°＜Δβ１＜２０°、０°＜Δβ２＜２０°
を満たしていることが好適である。すなわち、出口上壁側部分１５ｂおよび出口下壁側部分１５ｃにおいて、出口羽根角度θ４、θ５は、上壁１１または下壁１２の側に向って徐々に小さくなっているが、出口羽根角度θ４、θ５と出口羽根角度θ６との出口羽根角度差の最大値がそれぞれ２０°よりも小さいことが好適である。このことにより、後述するように、図８の破線で示すガイドベーン１０の出口流れ角度に応じて、ガイドベーン１０の出口羽根角度θ４、θ５を適切に設定することができる。

さらに、上壁１１から所定の距離Ｈの高さ位置におけるΔβ１、下壁１２から当該所定の距離Ｈの高さ位置におけるΔβ２は、
Δβ１＜Δβ２
を満たしていることが好適である。すなわち、出口下壁側部分１５ｃのうち下壁１２から所定の距離Ｈの高さ位置における出口羽根角度θ５は、出口上壁側部分１５ｂのうち上壁１１から当該所定の距離Ｈの高さ位置における出口羽根角度θ４よりも小さくなっていることが好適である。このことにより、後述するように、図８の破線で示すガイドベーン１０の出口流れ角度に応じて、ガイドベーン１０の出口羽根角度θ４、θ５を適切に設定することができる。

なお、本実施の形態においては、入口上壁側部分１４ｂおよび入口下壁側部分１４ｃの断面形状は、入口本体部分１４ａの断面形状と同一であり、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２は、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３と同一となっている。

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。

一般的なガイドベーン４０の壁側断面における出口流れは、図８の破線で示すように、ガイドベーン４０の出口羽根角度より大きな角度でガイドベーン４０から流出する。これにより、互いに隣り合うガイドベーン４０の間の流路で二次流れが発生して損失が発生し得るとともに、ランナ入口での損失が増大し得る。

これに対して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１０の出口上壁側部分１５ｂの出口羽根角度θ４および出口下壁側部分１５ｃの出口羽根角度θ５を、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６よりもそれぞれ小さくしている。このことにより、図８の実線で示すように、ガイドベーン１０の出口上壁側部分１５ｂおよび出口下壁側部分１５ｃの出口流れを、出口流れ角度が小さくなる方向に案内することができ、当該出口流れの角度を小さくすることができる。このため、出口上側部分１５ｂの出口流れ角度と、出口本体部分１５ａの出口流れ角度との差が低減されるとともに、出口下側部分１５ｃの出口流れ角度と、出口本体部分１５ａの出口流れ角度との差が低減され得る。この結果、ガイドベーン１０の出口部分１５での出口流れ角度を均一化させ得る。

また、図８の破線で示すように、一般的なガイドベーン４０の高さ方向中央の領域における出口流れ角度よりも出口流れ角度が大きくなっている範囲は、上壁１１の側の領域および下壁１２の側の領域に顕著に現れていることがわかる。そして、上壁１１の側の領域よりも、下壁１２の側の領域の方が、出口流れ角度が大きい領域が広くなっている。

これに対して本実施の形態では、出口下壁側部分１５ｃの高さＢ３ｃが、出口上壁側部分１５ｂの高さＢ３ｂよりも大きくなっている。このことにより、高さ方向中央の領域における出口流れ角度よりも出口流れ角度が大きくなっている範囲に、出口上壁側部分１５ｂの高さ範囲および出口下壁側部分１５ｃの高さ範囲をそれぞれ合わせることができる。このため、ガイドベーン１０の出口部分１５での出口流れ角度をより一層均一化させ得る。

また、図８の破線で示すように、上壁１１の側の領域における出口流れ角度差は、２０°以下であり、下壁１２の側の領域における出口流れ角度差は、２０°以下であることがわかる。ここで、出口流れ角度差とは、各高さ位置における出口流れ角度と、出口流れ角度の最小値（高さ方向中央位置よりも僅かに上壁１１の側の高さ位置における出口流れ角度）との差を意味している。

これに対して本実施の形態では、出口上壁側部分１５ｂの出口羽根角度θ４と、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６との出口羽根角度差Δβ１が０°＜Δβ１＜２０°を満たし、出口下壁側部分１５ｃの出口羽根角度θ５と、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６との出口羽根角度差Δβ２が０°＜Δβ２＜２０°を満たしている。このことにより、出口流れ角度に応じてガイドベーン１０の出口羽根角度θ４、θ５を適切に設定することができる。このため、ガイドベーン１０の出口部分１５での出口流れ角度をより一層均一化させ得る。なお、Δβ１、Δβ２は、０°＜Δβ１＜１５°、０°＜Δβ２＜１５°を満たすようになっていてもよい。この場合においても、出口部分１５での出口流れ角度をより一層均一化させることができる。

さらに、図８の破線で示すように、下壁１２から所定の距離Ｈの高さ位置における出口流れ角度差は、上壁１１から当該所定の距離Ｈの高さ位置における出口流れ角度差よりも大きいことがわかる。

これに対して本実施の形態では、上壁１１から所定の距離Ｈの高さ位置における出口羽根角度差Δβ１と、下壁１２から所定の距離Ｈの位置における出口羽根角度差Δβ２とが、Δβ１＜Δβ２を満たしている。このことにより、出口流れ角度に応じてガイドベーン１０の出口羽根角度θ４、θ５を適切に設定することができる。このため、ガイドベーン１０の出口部分１５での出口流れ角度をより一層均一化させ得る。

ところで、ガイドベーン１０の開度は運転状態に応じて変化するが、ガイドベーン１０の出口部分１５では、上壁１１および下壁１２の側の領域における出口流れ角度が、高さ方向中央の領域における出口流れ角度より大きくなる現象は変わらない。このため、本実施の形態のように、ガイドベーン１０の出口上壁側部分１５ｂおよび出口下壁側部分１５ｃの出口羽根角度θ４、θ５を、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６よりそれぞれ小さくすることで、広い運転範囲においてガイドベーン１０の出口流れでの損失を低減可能である。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン１０の出口上壁側部分１５ｂの出口羽根角度θ４、および出口下壁側部分１５ｃの出口羽根角度θ５が、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６よりそれぞれ小さくなっている。このことにより、ガイドベーン１０の出口上壁側部分１５ｂおよび出口下壁側部分１５ｃの出口流れ角度を小さくすることができる。このため、ガイドベーン１０の出口部分１５での出口流れ角度を均一化させることができる。従って、互いに隣り合うガイドベーン１０の間の流路での二次流れの発生による損失を抑制することができるとともに、ランナ４の入口での損失の増大を抑制することができ、その結果、ガイドベーン１０の出口流れの損失を低減できる。

（第３の実施の形態）
次に、図９を用いて、本発明の第３の実施の形態における水力機械のガイドベーンおよび水力機械について説明する。

図９に示す第３の実施の形態においては、入口上壁側部分の入口羽根角度および入口下壁側部分の入口羽根角度が、入口本体部分の入口羽根角度よりもそれぞれ大きく、かつ、出口上壁側部分の出口羽根角度および出口下壁側部分の出口羽根角度が、出口本体部分の出口羽根角度よりもそれぞれ小さい点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図５に示す第１の実施の形態および図６乃至図８に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図９において、図１乃至図５に示す第１の実施の形態および図６乃至図８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。

本実施の形態におけるガイドベーン１０は、図９に示すように、第１の実施の形態と同様に、ガイドベーン１０の入口上壁側部分１４ｂの入口羽根角度θ１および入口下壁側部分１４ｃの入口羽根角度θ２が、入口本体部分１４ａの入口羽根角度θ３より大きくなっている。また、第２の実施の形態と同様に、出口上壁側部分１５ｂの出口羽根角度θ４および出口下壁側部分１５ｃの出口羽根角度θ５が、出口本体部分１５ａの出口羽根角度θ６よりもそれぞれ小さくなっている。すなわち、第１の実施の形態におけるガイドベーン１０の入口部分１４と、第２の実施の形態におけるガイドベーン１０の出口部分１５とを組み合わせた形態となっている。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン１０の入口流れの損失を低減することができるとともに、出口流れの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、ガイドベーン１０が閉方向（図９における反時計回りの方向）に回動して全閉となったときに、ガイドベーン１０（以下、第１のガイドベーン１０と記す）の出口部分１５と、当該ガイドベーン１０に隣り合う他のガイドベーン１０（以下、第２のガイドベーン１０と記す）の入口部分１４との間に形成され得る隙間を低減することができる。すなわち、第１のガイドベーン１０の出口部分１５のうち出口上壁側部分１５ｂおよび出口下壁側部分１５ｃが、第２のガイドベーン１０の入口部分１４の側に偏心し、第２のガイドベーン１０の入口部分１４のうち入口上壁側部分１４ｂおよび入口下壁側部分１４ｃが、第１のガイドベーン１０の出口部分１５の側とは反対側に偏心している。このことにより、第１のガイドベーン１０の出口部分１５の形状と、第２のガイドベーン１０の入口部分１４の形状とが互いに沿うことができる。このため、第１のガイドベーン１０の出口部分１５と第２のガイドベーン１０の入口部分１４との間の隙間を低減することができる。この結果、ガイドベーン１０の全閉時の漏れ流量を低減させることができる。

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：フランシス水車（水力機械）、３：ステーベーン、４：ランナ、１０：ガイドベーン、１１：上壁、１２：下壁、１３：中央部分、１４：入口部分、１４ａ：入口本体部分、１４ｂ：入口上壁側部分、１４ｃ：入口下壁側部分、１５：出口部分、１５ａ：出口本体部分、１５ｂ：出口上壁側部分、１５ｃ：出口下壁側部分、θ１〜θ３：入口羽根角度、θ４〜θ６：出口羽根角度、Δα１、Δα２：入口羽根角度差、Δβ１、Δβ２：出口羽根角度差、Ｂ１：ガイドベーンの高さ、Ｂ２ｂ：入口上壁側部分の高さ、Ｂ２ｃ：入口下壁側部分の高さ、Ｂ３ｂ：出口上壁側部分の高さ、Ｂ３ｃ：出口下壁側部分の高さ

Claims (6)

1. 上壁と、前記上壁に対向する下壁との間に設けられ、水車運転時にステーベーンからの水流をランナに導く水力機械のガイドベーンであって、
   中央部分と、
   前記中央部分の入口側に設けられた入口部分と、を備え、
   前記入口部分は、入口本体部分と、前記入口本体部分の前記上壁の側に設けられた入口上壁側部分と、前記入口本体部分の前記下壁の側に設けられた入口下壁側部分と、を有し、
   前記入口上壁側部分の入口羽根角度および前記入口下壁側部分の入口羽根角度は、前記入口本体部分の入口羽根角度よりもそれぞれ大きいことを特徴とする水力機械のガイドベーン。
2. 前記入口上壁側部分の高さをＢ２ｂ、前記入口下壁側部分の高さをＢ２ｃ、前記ガイドベーンの高さをＢ１としたときに、
   ０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｂ≦０．１５×Ｂ１、０．０５×Ｂ１≦Ｂ２ｃ≦０．２×Ｂ１
   を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の水力機械のガイドベーン。
3. 前記入口上壁側部分の入口羽根角度と、前記入口本体部分の入口羽根角度との角度差をΔα１、前記入口下壁側部分の入口羽根角度と、前記入口本体部分の入口羽根角度との角度差をΔα２としたときに、
   ０°＜Δα１＜１０°、０°＜Δα２＜１０°
   を満たしていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力機械のガイドベーン。
4. 前記中央部分の出口側に設けられた出口部分を更に備え、
   前記出口部分は、出口本体部分と、前記出口本体部分の前記上壁の側に設けられた出口上壁側部分と、前記出口本体部分の前記下壁の側に設けられた出口下壁側部分と、を有し、
   前記出口上壁側部分の出口羽根角度および前記出口下壁側部分の出口羽根角度は、前記出口本体部分の出口羽根角度よりもそれぞれ小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の水力機械のガイドベーン。
5. 上壁と、前記上壁に対向する下壁との間に設けられ、水車運転時にステーベーンからの水流をランナに導く水力機械のガイドベーンであって、
   中央部分と、
   前記中央部分の出口側に設けられた出口部分と、を備え、
   前記出口部分は、出口本体部分と、前記出口本体部分の前記上壁の側に設けられた出口上壁側部分と、前記出口本体部分の前記下壁の側に設けられた出口下壁側部分と、を有し、
   前記出口上壁側部分の出口羽根角度および前記出口下壁側部分の出口羽根角度は、前記出口本体部分の出口羽根角度よりもそれぞれ小さいことを特徴とする水力機械のガイドベーン。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の前記ガイドベーンを備えたことを特徴とする水力機械。

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