JP2017145728A - 軸流水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ランナベーンとディスチャージリングとの隙間に水が入り込むことによる漏れ損失を低減することができる軸流水力機械を提供することを目的とする。【解決手段】実施の形態による軸流水力機械１は、ランナ２０と、ディスチャージリング３０と、を備えている。このうちランナ２０は、ランナボス２１と、外周リング４０と、ランナボス２１および外周リング４０に対して回動可能に設けられたランナベーン２２と、を有している。ランナベーン２２の外周面２３は、球面状に形成されるとともに、外周リング４０の上半の内周面４２は、球面状に形成されている。ディスチャージリング３０の内周面３４に、外周側に延びる内周凹部３５が形成され、外周リング４０が内周凹部３５に入り込んでいる。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、軸流水力機械に関する。

カプラン水車やバルブ水車などの軸流水力機械は、図１５に示すように、運転時にはケーシングからの水が、その内周側のステーベーンとガイドベーンとによって構成される静止翼列の流路を流れる。静止翼列の流路を通過した水は、Ｌターン１０１を通過し、ランナ流路１０２へと流入する。ランナ流路１０２には、水車主軸１０３に取り付けられたランナボス１０４と、ランナボス１０４の外周面に放射状に設けられたランナベーン１０５とが設けられている。ランナボス１０４およびランナベーン１０５は回転軸線Ｘを中心に回転可能となっており、水車主軸１０３を介して、発電機１０６を駆動する。ランナベーン１０５を通過した水は吸出し管を通過して図示しない放水路へと導かれる。

図１６は、図１５のＢ−Ｂ線断面図を示している。図１６に示すように、ランナベーン１０５と、ディスチャージリング１０７との間には、回転するランナベーン１０５と、静止しているディスチャージリング１０７との接触を避けるための隙間１０８が設けられている。

また、軸流水力機械を組み立てる際には、ランナボス１０４とランナベーン１０５とを、上方からディスチャージリング１０７内に取り付けることが一般的である。このことにより、ランナベーン１０５がディスチャージリング１０７の上半を通過できるように、ディスチャージリング１０７の上半は、円筒状に形成されている。このため、大流量運転点において、ランナベーン１０５が最大限に開いた場合、ランナベーン１０５と、ディスチャージリング１０７との間の隙間１０８が大きくなる場合がある。

ところで、図１５に示すように、ランナベーン１０５に流入した水Ｗ１は、主にランナベーン１０５に沿うように流れる。一方、ランナベーン１０５の外周側に流入した水Ｗ２は、ランナベーン１０５と、ディスチャージリング１０７との間の隙間１０８を流れる。軸流水力機械の損失は、ランナベーン１０５に沿う流れの損失に加え、ランナベーン１０５と、ディスチャージリング１０７との隙間１０８に水Ｗ２が流れることによる漏れ損失がある。軸流水力機械においては、ランナベーン１０５とディスチャージリング１０７との隙間１０８に水Ｗ２が流れることによる漏れ損失が比較的大きい。このため、軸流水力機械の損失を低減するためには、この漏れ損失を低減することが効果的となる。このため、カプラン水車やバルブ水車などの軸流水力機械の性能を向上させるための、軸流水力機械の流路の形状を改善する構造が知られている。

特開２００７−２９１８７４ 特開２０１０−２４９４１

しかしながら、上述したランナベーンとディスチャージリングの間の隙間は、組立性を考慮すると、ある程度確保しておくことが要求される。このため、当該隙間を小さくすることが困難になっており、漏れ損失の低減が困難になっていた。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナベーンとディスチャージリングとの隙間に水が入り込むことによる漏れ損失を低減することができる軸流水力機械を提供することである。

実施の形態による軸流水力機械は、回転軸線を中心に回転可能なランナと、ランナの外周側に設けられたディスチャージリングと、を備えている。このうちランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられた外周リングと、ランナボスと外周リングとの間に介在され、ランナボスおよび外周リングに対して回動可能に設けられた複数のランナベーンと、を有している。ランナベーンの外周面は、球面状に形成されるとともに、外周リングの上半の内周面は、球面状に形成されている。ディスチャージリングの内周面に、外周側に延びる内周凹部が形成され、外周リングが内周凹部に入り込んでいる。

本発明によれば、ランナベーンとディスチャージリングとの隙間に水が入り込むことによる漏れ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カプラン水車の全体構成を示す縦断面図である。 図２は、大流量運転点において、図１のランナおよびディスチャージリングを示す子午面断面図である。 図３は、図２のランナを示す斜視図である。 図４は、図２の外周リングを内周側から見た部分図である。 図５（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態におけるカプラン水車の組立方法を説明するための図である。 図６は、図１に示すカプラン水車のランナでの損失を説明するための図である。 図７は、図１に示すカプラン水車のランナでの効率を説明するための図である。 図８は、図２の変形例を示す子午面断面図である。 図９は、大流量運転点において、第２の実施の形態のランナおよびディスチャージリングを示す子午面断面図である。 図１０は、図９のＡ−Ａ線断面図である。 図１１は、図９の変形例を示す子午面断面の部分図である。 図１２は、大流量運転点において、第３の実施の形態のランナおよびディスチャージリングを示す子午面断面の部分図である。 図１３は、図１２の変形例を示す部分図である。 図１４は、図１２の他の変形例を示す部分図である。 図１５は、大流量運転点において、一般的なカプラン水車のランナおよびディスチャージリングを示す子午面断面図である。 図１６は、図１５のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態における軸流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７を用いて、第１の実施の形態における軸流水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いてカプラン水車について説明する。

図１に示すように、カプラン水車１は、図示しない上池から水が流入するケーシング２と、複数のステーベーン３と、複数のガイドベーン４と、水車の回転軸線Ｘを中心に回転可能に設けられたランナ２０と、を備えている。このうちランナ２０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を通って流入する水により回転駆動される。また、ランナ２０は、その外周側に設けられたディスチャージリング３０によって囲まれている。

ステーベーン３およびガイドベーン４は、静止翼列の流路を構成している。ステーベーン３は、ケーシング２からランナ２０への流路を形成するためのものであり、ケーシング２より内周側に配置されている。ガイドベーン４は、ランナ２０に流入する流量を調整するためのものであり、ステーベーン３より内周側に配置されている。ガイドベーン４の開度を変えることにより、ケーシング２からランナ２０に流入する流量を調整し、発電量を変化させるように構成されている。

ランナ２０は、ガイドベーン４より内周側に、かつ下方に配置されている。ケーシング２から流入する水の主流方向は、ステーベーン３およびガイドベーン４においては略半径方向を向いているが、ランナ２０に流入する水の主流方向は、Ｌターン５により曲げられ、回転軸線Ｘの方向（鉛直方向）を向くようになっている。

ランナ２０には、回転主軸６を介して発電機７が連結されている。流入した水によりランナ２０が回転駆動されると、発電機７において発電が行われる。

ランナ２０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２０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。

図２に示すように、ランナ２０は、ランナボス２１と、ランナボス２１の外周側に設けられた外周リング４０と、ランナボス２１と外周リング４０との間に介在された複数のランナベーン２２と、を有している。このうちランナボス２１は、上述した回転主軸６に連結され、ランナ２０の回転が、回転主軸６を介して発電機７（図１参照）に伝達されるようになっている。

ランナベーン２２は、回転軸線Ｘに垂直な回動軸線Ｙを中心にランナボス２１および外周リング４０に対して回動可能に設けられている。また、ランナベーン２２は、周方向に所定の間隔で配置されており、各ランナベーン２２が回動することにより、ランナ２０に流入する水の流速（流量）や水頭に応じてランナベーン２２の角度が調整され、発電効率の向上が可能になっている。

図２および図３に示すように、各ランナベーン２２の外周面２３には、ランナベーン２２の外周面２３から外周側に延びるランナベーン回動軸２４が設けられている。このランナベーン回動軸２４に、ランナベーン２２が外周リング４０に対して回動可能となるように、外周リング４０が支持されている。本実施の形態におけるランナベーン回動軸２４は、回動軸線Ｙを中心として延びるように形成されている。

ランナベーン２２の外周面２３は、回転軸線Ｘと回動軸線Ｙとの交点を中心とするような球面状に形成されている。外周リング４０の上半の内周面４２は、ランナベーン２２の外周面２３と同心状に球面状に形成されている。このことにより、大流量運転点において、ランナベーン２２を最大限に開いた場合でも、ランナベーン２２と外周リング４０との間の隙間を小さくできる。一方、外周リング４０の下半の内周面４２は、回転軸線Ｘを中心とするような円筒状に形成されている。また、外周リング４０の外周面４１は、ディスチャージリング３０の内周面３４（後述）に沿って延びるように形成されている。本実施の形態においては、ディスチャージリング３０の内周面３４のうち、側壁リング３２の内周面３２ａ（後述）が、回転軸線Ｘを中心とするような円筒状に形成されており、外周リング４０の外周面４１は、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａと同心状に円筒状に形成されている。

図２および図３に示すように、外周リング４０の内周面４２には、外周リング４０の内周面４２の下端４５から上方に延びる複数のスロット４６が設けられている。各スロット４６は、対応するランナベーン回動軸２４を収容している。このランナベーン回動軸２４に軸受４７を介して外周リング４０が支持されている。図４に示すように、本実施の形態においては、軸受４７は、スロット４６の上端であってランナベーン回動軸２４の上方に設けられた軸受上半４７ａと、ランナベーン回動軸２４の下方に設けられた軸受下半４７ｂと、を含んでおり、スロット４６に収容されたランナベーン回動軸２４を回動可能に支持している。軸受上半４７ａの上面は、スロット４６の上端面に当接しており、軸受上半４７ａの下面は、軸受下半４７ｂの上面に当接している。

また、外周リング４０は、スロット４６のうちランナベーン回動軸２４の下方の部分を埋める埋込部材４９を有している。より具体的には、埋込部材４９は、軸受下半４７ｂの下方に埋め込まれている。このことにより、埋込部材４９が軸受下半４７ｂの下面に当接し、埋込部材４９が軸受を支持している。このようにして、ランナベーン２２の回動軸線Ｙを中心とした回動が外周リング４０に伝達されることなく、ランナベーン２２は、回動軸線Ｙを中心に外周リング４０に対して回動可能になっている。また、ランナベーン２２の回転軸線Ｘを中心とした回転は軸受４７を介して外周リング４０に伝達され、外周リング４０は、ランナボス２１およびランナベーン２２と共に、回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。

また、埋込部材４９が各スロット４６を埋めることで、外周リング４０の内周面４２にスロットによる凹みが生じることを抑制している。とりわけ、埋込部材４９の内周面は、外周リング４０の下半の内周面４２と連続するように形成されており、埋込部材４９の内周面が全体的に外周リング４０の下半の内周面４２と同心状となるような円筒状に形成されている。このため、埋込部材４９の内周面と外周リング４０の下半の内周面４２とを滑らかに連続させることができる。なお、埋込部材４９の下部には、外周リング４０の下面と当接するとともに、外周側に延びる埋込フランジ部４９ａが設けられている。この埋込部材４９は、埋込フランジ部４９ａにおいて外周リング４０に図示しないボルトにより取り付けられていることが好適である。

図２に示すように、外周リング４０の外周側に設けられたディスチャージリング３０は、上側リング３１と、側壁リング３２と、下側リング３３と、を有している。上側リング３１、側壁リング３２および下側リング３３は、周方向に複数にそれぞれ分割可能になっている。

ディスチャージリング３０の内周面３４には、外周側に延びる内周凹部３５が形成されている。この内周凹部３５は、上述した上側リング３１と、側壁リング３２と、下側リング３３とによって構成されている。すなわち、側壁リング３２の内周面３２ａが、ディスチャージリング３０の内周面３４の一部を構成しており、上側リング３１の内周端および下側リング３３の内周端よりも外周側に設けられている。このようにして形成された内周凹部３５には、外周リング４０が入り込んでいる。このことにより、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の内周面３４（すなわち側壁リング３２の内周面３２ａ）との間の隙間が、内周凹部３５内に形成されることとなる。このため、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の内周面３２ａとの間に水が流れることを抑制できる。

また、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の内周面３４（すなわち側壁リング３２の内周面３２ａ）との間の流路面積は、外周リング４０の上端５０から下端５１にわたって一定となっている。このことにより、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間を流れる水の流れが乱れること抑制できる。このため、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間の円板摩擦損失が増大することを抑制できる。

次に、このような構成からなる本実施の形態における作用について説明する。ここでは、図１に示すカプラン水車１の組立方法について、図５（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、ランナボス２１と、ランナボス２１に取り付けられたランナベーン２２とを準備する。

次に、図５（ｂ）に示すように、ランナベーン２２に外周リング４０が取り付けられる。この場合、まず、ランナベーン回動軸２４に軸受上半４７ａが載せられる。次に、ランナベーン２２の上方に外周リング４０が配置される。このとき、スロット４６の下端にランナベーン回動軸２４が配置されるように、外周リング４０が位置付けられる。次に、外周リング４０を下方に移動させる。この間、ランナベーン回動軸２４は、スロット４６内を通る。その後、軸受上半４７ａがスロット４６の上端に到達する。次に、軸受下半４７ｂがスロット４６内に嵌め込まれるとともに、埋込部材４９がスロット４６に埋め込まれる。埋込部材４９は、図示しないボルトにより、埋込フランジ部４９ａにおいて外周リング４０に取り付けられる。このようにして、軸受上半４７ａと軸受下半４７ｂとによってランナベーン回動軸２４が支持される。これにより、ランナベーン回動軸２４が、軸受上半４７ａと軸受下半４７ｂとを介して外周リング４０に回動可能に支持される。

次に、図５（ｃ）に示すように、ランナ２０が流路内に搬入される。この場合、まず、ディスチャージリング３０の上側リング３１（図２参照）、側壁リング３２および下側リング３３の一部が取り外される。次に、上側リング３１、側壁リング３２および下側リング３３の一部が取り外された部分から、流路内にランナ２０が搬入される（図５（ｃ）矢印参照）。

次に、図５（ｄ）に示すように、搬入されたランナ２０が、あらかじめ据付られていた回転主軸６に取り付けられる。

その後、図５（ｅ）に示すように、取り外されていた上側リング３１、側壁リング３２および下側リング３３が取り付けられる。このことにより、外周リング４０の外周面４１がディスチャージリング３０の内周凹部３５に入り込む。このようにして、カプラン水車１のランナ２０およびディスチャージリング３０の組み立てが完了する。なお、ランナ２０を取り外す場合には、上述した手順と逆の手順を踏むことにより、取り外すことが可能となる。

このようにして組み立てられたカプラン水車１において運転を行う場合、図示しない上池からケーシング２（図１参照）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２０に流入する。このランナ２０へ流入した水によって、ランナ２０が回転駆動される。このことにより、ランナ５に連結された発電機７が駆動され、発電が行われる。ランナ２０に流入した水は、ランナ２０から吸出し管８を通って、図示しない下池へ放出される。

運転中、外周リング４０の上半の内周面４２が、ランナベーン２２の外周面２３と同心状に球面状に形成されているため、設計点よりも大流量運転点において、ランナベーン２２を最大限に開いた姿勢をとった場合でも、ランナベーン２２と、外周リング４０との間の隙間が低減され、漏れ流れが効果的に低減可能となっている。そして、外周リング４０の外周面４１がディスチャージリング３０の内周凹部３５に入り込んでいる。このことにより、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の内周面３４との間の隙間を、内周凹部３５内に形成し、ランナ流路から外周側に引き込ませることができる。このため、大流量運転点において、外周リング４０とディスチャージリング３０との間の隙間に入り込む水の流量を低減できる。

このようなカプラン水車１のランナ流路での相対損失について、図６を用いて説明する。図６には、本実施の形態によるカプラン水車１において、ランナを通過する水の流量に対するランナ流路での相対損失が示されている。

本実施の形態によるカプラン水車１のランナ流路では、ランナベーン２２が最大限に開いた姿勢をとった場合でも、外周リング４０の外周面４１がディスチャージリング３０の内周凹部３５に入り込んでいるため、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の内周面３４との間の隙間が内周凹部３５内に形成されている。このことにより、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間の隙間に入り込む水の流量を低減できる。このため、ディスチャージリング３０と、外周リング４０との間での水の漏れ損失を低減させることができる。この結果、図６の二点鎖線に示すように、破線で示す一般的なランナ流路よりも相対損失が小さくなり得る。

ところで、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間の隙間は狭くなっている。このことにより、この流路に水が流入してランナ２０が回転している間、円板摩擦損失が発生し得る。一般的なランナ流路においては、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａはランナベーン２２の外周面２３に対向する。この場合、ランナベーン２２の外周面２３の面積は小さいため、発生する円板摩擦損失も小さい。一方、本実施の形態においては、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａは外周リング４０の外周面４１に対向する。この場合、外周リング４０の外周面４１の面積が大きいため、発生する円板摩擦損失が大きくなり得る。しかしながら、この円板摩擦損失の増大分を考慮しても、ディスチャージリング３０と外周リング４０との間での水の漏れ損失の低減分の方がランナ流路での相対損失低減に大きく寄与するため、ランナ流路での相対損失は、図６の実線に示すように一般的なランナ流路での相対損失よりも小さくなり得る。

また、ランナ流路での相対損失が小さくなったことから、図７の実線に示すように、破線で示す一般的なランナ流路よりも、本実施の形態によるカプラン水車１の相対水車効率が向上し得る。

このように本実施の形態によれば、ランナベーン２２が外周リング４０に対して回動軸線Ｙを中心に回動可能に設けられ、外周リング４０の上半の内周面４２が、ランナベーン２２の外周面２３と同心状に球面状に形成されている。このことにより、大流量運転点において、ランナベーン２２と外周リング４０との間の隙間を小さくすることができる。また、ランナベーン２２とディスチャージリング３０との間に介在される外周リング４０は、ランナベーン２２のように回動しない。このことにより、大流量運転点において、外周リング４０とディスチャージリング３０との間の隙間が大きくなることを防止できる。このため、ランナベーン２２と外周リング４０との間の隙間、および外周リング４０とディスチャージリング３０との間の隙間に流れる水の流量を低減させることができる。この結果、大流量運転点での相対水車効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、外周リング４０の外周面４１とディスチャージリング３０の内周面３４との間の流路面積が、外周リング４０の外周面４１の上端５０から下端５１にわたって一定となっている。このことにより、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間を流れる水の流れが乱れること抑制できる。このため、円板摩擦損失の増大を抑制できる。

また、本実施の形態によれば、外周リング４０の外周面４１が円筒状に形成されている。このことにより、外周リング４０の加工性を向上させることができる。この場合、外周リング４０の外周面４１に沿って延びるディスチャージリング３０の側壁リング３２の加工性をも向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、外周リング４０の下半の内周面４２が、円筒状に形成されており、外周リング４０は、外周リング４０の内周面４２の下端４５から上方に延び、ランナベーン回動軸２４を収容するスロット４６と、当該スロット４６を埋める埋込部材４９と、を有している。このことにより、外周リング４０が一部品として作製されていても、ランナベーン２２の上方から外周リング４０を取り付けることができる。このため、外周リング４０を一部品で作製することができる。この結果、外周リング４０の外周面４１を、周方向の全域にわたって滑らかに連続にできる。

また、本実施の形態によれば、外周リング４０の外周面４１がディスチャージリング３０の内周凹部３５に入り込んでいる。このことにより、外周リング４０の外周面４１と、ディスチャージリング３０の内周面３４との間の隙間を、内周凹部３５内に形成することができる。このため、大流量運転点において、外周リング４０とディスチャージリング３０との間の隙間に入り込む水の流量をより効果的に低減させることができる。この結果、大流量運転点での相対水車効率をより向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、外周リング４０が、スロット４６のうちランナベーン回動軸２４の下方の部分を埋める埋込部材４９を有している例について説明した。しかしながら、図８に示すように、外周リング４０が、外周リング４０の下半の内周面４２および埋込部材４９を覆う取付部材５２を更に有していてもよい。この取付部材５２は、取付部材５２が外周リング４０の下半の内周面４２に取り付けられることで、ランナベーン２２の外周面２３と、外周リング４０の下半の内周面４２との間の隙間を小さくできる。とりわけ、取付部材５２の内周面５３は、外周リング４０の上半の内周面４２に連続するように形成されており、内周面が全体的に球面状に形成されている。このことにより、ランナベーン２２の外周面２３と、外周リング４０の下半の内周面４２との間の隙間をより一層小さくできる。なお、取付部材５２の下部には、外周リング４０の下面および埋込フランジ部４９ａに当接するとともに、外周側に延びる取付フランジ部５２ａが設けられている。この取付部材５２は、取付フランジ部５２ａにおいて、外周リング４０または埋込フランジ部４９ａに図示しないボルトにより取り付けられていることが好適である。

（第２の実施の形態）
次に、図９および図１０を用いて、本発明の第２の実施の形態における軸流水力機械について説明する。

図９および図１０に示す第２の実施の形態においては、外周リングが、周方向に分割された複数のリング分割体を有し、周方向で互いに隣接するリング分割体が、互いに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８に示す第１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１乃至図８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９および図１０に示すように、本実施の形態においては、外周リング４０は、周方向に分割された複数のリング分割体６０を有し、周方向で互いに隣接するリング分割体６０が、互いに取り付けられている。リング分割体６０の周方向端部には、隣接するリング分割体６０を互いに取り付ける分割体フランジ部６０ａが設けられている。分割体フランジ部６０ａにおいて、リング分割体６０は、図示しないボルトにより互いに取り付けられている。

リング分割体６０の上半の内周面６２は、ランナベーンの外周面２３と同心状に球面状に形成されている。このことにより、大流量運転点において、ランナベーン２２を最大限に開いた場合でも、ランナベーン２２の外周面２３とリング分割体６０の上半の内周面６２との間の隙間を小さくできる。さらに、リング分割体６０の下半の内周面６２は、球面状に形成されている。このことにより、大流量運転点において、ランナベーン２２を最大限に開いた場合でも、ランナベーン２２の外周面２３と、リング分割体６０の下半の内周面６２との間の隙間を小さくできる。また、リング分割体６０の外周面６１は、ディスチャージリング３０の内周面３４に沿って延びるように形成されている。本実施の形態においては、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａが円筒状に形成されており、リング分割体６０の外周面６１は、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａと同心状に円筒状に形成されている。

リング分割体６０の内周面６２には、ランナベーン回動軸２４を収容する軸受６３が設けられている。この軸受６３を介して、リング分割体６０は、ランナベーン回動軸２４に回動可能に支持されている。このようにして、ランナベーン２２の回動軸線Ｙを中心とした回動がリング分割体６０に伝達されることなく、ランナベーン２２は、回動軸線Ｙを中心に外周リング４０に対して回動可能になっている。本実施の形態においては、軸受６３は、リング分割体６０の内周面６２に埋め込まれている。また、軸受６３は、第１の実施の形態の軸受４７のように分割されてはいない。

本実施の形態による外周リング４０は、ランナベーン２２の個数と同じ個数のリング分割体６０を有している。このことにより、各リング分割体６０が、対応するランナベーン回動軸２４を支持することができる。

ランナベーン２２に複数のリング分割体６０を有する外周リング４０を取り付ける際には、ランナベーン回動軸２４に対応するリング分割体６０が取り付けられる。このとき、リング分割体６０の内周面６２に設けられた軸受６３にランナベーン回動軸２４が収容される。これにより、各リング分割体６０が、軸受６３を介して対応するランナベーン回動軸２４に回動可能に支持される。外周リング４０がランナベーン２２に取り付けられたランナ２０は、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、流路内に搬入され、あらかじめ据付られていた回転主軸６に取り付けられる。その後、図５（ｅ）に示すように、カプラン水車１のランナ２０およびディスチャージリング３０の組み立てが完了する。

このように本実施の形態によれば、外周リング４０が、周方向に分割された複数のリング分割体６０を有している。このことにより、各ランナベーン２２に対応するリング分割体６０を別々に取り付けることができる。このため、外周リング４０をランナベーンに容易に取り付けることができる。

また、本実施の形態によれば、外周リング４０は、ランナベーン２２の個数と同じ個数のリング分割体６０を有している。このことにより、各リング分割体６０を対応するランナベーン回動軸２４に外周側からあてがうように取り付けることができる。このため、外周リング４０をランナベーンにより一層容易に取り付けることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、リング分割体６０の外周面６１は、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａと同心状に円筒状に形成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、図１１に示すように、リング分割体６０の外周面６１が、球面状に形成されていてもよい。この場合、リング分割体６０の外周面６１とディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間の流路面積が、外周リング４０の上端５０から下端５１にわたって一定となるように、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａが形成されていることが好適である。このことにより、リング分割体６０の外周面６１と、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間を流れる水の流れが乱れること抑制できる。このため、リング分割体６０の外周面６１と、ディスチャージリング３０の側壁リング３２の内周面３２ａとの間の円板摩擦損失が増大することを抑制できる。なお、このリング分割体６０の外周面６１の形状は、第１の実施の形態の外周リング４０の外周面４１の形状においても適用可能である。

（第３の実施の形態）
次に、図１２を用いて、本発明の第３の実施の形態における軸流水力機械について説明する。

図１２に示す第３の実施の形態においては、外周リングの上面に、上方に延びる上面凸部が設けられ、内周凹部のうち外周リングの上面に対向する対向面に、上面凸部が入り込む対向面凹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８に示す第１の実施の形態および図９乃至図１１に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図１２において、図１乃至図８に示す第１の実施の形態および図９乃至図１１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。

図１２に示すように、本実施の形態においては、外周リング４０の上面５５に、上方に延びる上面凸部５６が設けられている。この上面凸部５６は、回転軸線Ｘを中心に周方向に延びており、外周リング４０の周方向全域に設けられている。また、ディスチャージリング３０の内周凹部３５のうち外周リング４０の上面５５に対向する対向面３７に、上面凸部５６が入り込む対向面凹部３８が設けられている。すなわち、ディスチャージリング３０の上側リング３１の下面が対向面３７となっており、当該下面に対向面凹部３８が形成されている。

このように本実施の形態によれば、外周リング４０の上面５５に、上方に延びる上面凸部５６が設けられ、ディスチャージリング３０の内周凹部３５のうち外周リング４０の上面５５に対向する対向面３７に、上面凸部５６が入り込む対向面凹部３８が設けられている。この場合、上面凸部５６が、外周リング４０の上面５５と、ディスチャージリング３０の対向面３７との間を流れる水の障壁となり得る。このことにより、上面凸部５６が、外周側への水の流れを妨げることができる。このため、外周リング４０の上面５５と、ディスチャージリング３０の対向面３７との間を流れる水の流れを妨げることができる。この結果、外周リング４０の上面５５と、ディスチャージリング３０の対向面３７の隙間を流れる水を低減させることができる。このため、大流量運転点での相対水車効率を向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、外周リング４０の上面５５に、上方に延びる上面凸部５６が設けられ、内周凹部３５のうち外周リング４０の上面５５に対向する対向面３７に、上面凸部５６が入り込む対向面凹部３８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、図１３に示すように、子午面断面視において、外周リング４０の上面５５が、外周側に向かって上方に傾斜するように直線状に形成されており、ディスチャージリング３０の内周凹部３５のうち外周リング４０の上面５５に対向する対向面３７が、上面５５に沿って延びるように形成されていてもよい。この場合、外周リング４０の上面５５と、ディスチャージリング３０の対向面３７との間に流入した水の流れる方向を水平方向よりも上方に向けることができる。このことにより、上方に傾斜する上面５５が、外周側への水の流れを妨げることができる。このため、外周リング４０の上面５５と、ディスチャージリング３０の対向面３７との間を流れる水の流れを妨げることができる。この結果、大流量運転点での相対水車効率を向上させることができる。

また、図１４に示すように、子午面断面視において、外周リング４０の上面５５が、外周側に向かって上方に延びるように曲線状に形成されており、ディスチャージリング３０の内周凹部３５のうち外周リング４０の上面５５に対向する対向面３７が、上面５５に沿って延びるように形成されていてもよい。外周リング４０の上面５５と、ディスチャージリング３０の対向面３７との間に流入した水の流れる方向を水平方向よりも上方に向けることができる。このことにより、上方に延びる曲線状の上面５５が、外周側への水の流れを妨げることができる。このため、外周リング４０の上面５５と、ディスチャージリング３０の対向面３７との間を流れる水の流れを妨げることができる。この結果、大流量運転点での相対水車効率を向上させることができる。なお、図１４に示すように、外周リング４０の上面５５は、子午面断面視において、下方に凸となっていることが好適である。

以上述べた実施の形態によれば、ランナベーンとディスチャージリングとの隙間に水が入り込むことによる漏れ損失を低減することができる。

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。

１：カプラン水車、２０：ランナ、２１：ランナボス、２２：ランナベーン、２３：外周面、２４：ランナベーン回動軸、３０：ディスチャージリング、３４：内周面、３５：内周凹部、３７：対向面、３８：対向面凹部、４０：外周リング、４１：外周面、４２：内周面、４６：スロット、４９：埋込部材、５０：上端、５１：下端、５２：取付部材、５３：内周面、５５：上面、５６：上面凹部、６０：リング分割体、６２：内周面

Claims (7)

1. 回転軸線を中心に回転可能なランナと、
   前記ランナの外周側に設けられたディスチャージリングと、を備え、
   前記ランナは、ランナボスと、前記ランナボスの外周側に設けられた外周リングと、前記ランナボスと前記外周リングとの間に介在され、前記ランナボスおよび前記外周リングに対して回動可能に設けられた複数のランナベーンと、を有し、
   前記ランナベーンの外周面が球面状に形成されるとともに、前記外周リングの上半の内周面が球面状に形成され、
   前記ディスチャージリングの内周面に、外周側に延びる内周凹部が形成され、
   前記外周リングが前記内周凹部に入り込んでいることを特徴とする軸流水力機械。
2. 前記外周リングの外周面と前記ディスチャージリングの内周面との間の流路面積が、前記外周リングの上端から下端にわたって一定であることを特徴とする請求項１に記載の軸流水力機械。
3. 前記ランナベーンの外周面に、前記ランナベーンの前記外周面から外周側に延びるランナベーン回動軸が設けられ、
   前記外周リングの下半の内周面が、円筒状に形成され、
   前記外周リングは、
   内周面に設けられた、前記外周リングの下端から上方に延びるスロットであって、前記ランナベーン回動軸を収容するスロットと、
   前記スロットのうち前記ランナベーン回動軸の下方の部分を埋める埋込部材と、を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流水力機械。
4. 前記外周リングは、周方向に分割された複数のリング分割体を有し、
   周方向で互いに隣接する前記リング分割体が、互いに取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流水力機械。
5. 前記外周リングの上面に、上方に延びる上面凸部が設けられ、
   前記内周凹部のうち前記外周リングの上面に対向する対向面に、前記上面凸部が入り込む対向面凹部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸流水力機械。
6. 子午面断面視において、前記外周リングの上面が、外周側に向かって上方に傾斜するように直線状に形成され、
   前記内周凹部のうち前記外周リングの上面に対向する対向面が、前記上面に沿って延びるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸流水力機械。
7. 子午面断面視において、前記外周リングの上面が、外周側に向かって上方に延びるように曲線状に形成され、
   前記内周凹部のうち前記外周リングの上面に対向する対向面が、前記上面に沿って延びるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸流水力機械。

Images