JP2017160865A - 水力機械のガイドベーン及び水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドベーンの一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減して、水力損失を効果的に低減させる。
【解決手段】ガイドベーン１２の羽根本体２１は、前縁２１Ｆと、ランナの径方向外側に配置された際に前縁２１Ｆよりもランナ側に配置される後縁２１Ｒと、を有する。羽根本体２１においてランナ側に配置される内径側翼面２１Ｎのガイドベーン回転軸２２の軸方向における一方側の領域及び他方側の領域のうちの少なくともいずれか一方に、後縁２１Ｒから前縁２１Ｆの方向に延びる突起部２４が設けられる。突起部２４は、円弧状の突起部後端２４Ｒを有し、突起部後端２４Ｒは、ガイドベーン回転軸２２を中心に羽根本体２１を回転させた際に後縁２１Ｒが描く回転軌跡ＲＴ上を延びるように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、水力機械のガイドベーン及び水力機械に関する。

水力機械として、例えばフランシス形水車およびポンプ水車が知られている。図１５は、一般的なフランシス形ポンプ水車のガイドベーン１２０及びステーベーン１３０で構成される静止翼列流路を平面的に示した図である。ガイドベーン１２０は、図示しないランナの径方向外側においてランナを取り囲むように周方向に間隔をあけて複数配置され、ステーベーン１３０は、ガイドベーン１２０の翼列の径方向外側において周方向に間隔をあけて複数配置されている。またステーベーン１３０の径方向外側には、図示しないケーシングが配置されるようになっている。

図１５中の白抜きの矢印は、水車運転時の水流の向きを示し、黒塗りの矢印は、ポンプ運転時の水流の向きを示している。このフランシス形ポンプ水車では、水車運転時に、白抜きの矢印に示すように、ケーシングからの水がステーベーン１３０及びガイドベーン１２０を流れ、ランナへと流入する。ランナは、水のエネルギーを回転力に変換し、これにより図示しない主軸を介して発電電動機が駆動される。ランナを流出した水は、図示しない吸出し管を介して放水路へ導かれる。一方、ポンプ運転時には、黒塗りの矢印に示すように、水車運転時とは逆の流れとなり、吸出し管から流入した水がランナを通り、ガイドベーン１２０及びステーベーン１３０を流れ、ケーシングから上池へと流出する。

図１６は、ガイドベーン１２０を周方向に沿って見た図であり、図１７は、図１６のＡ−Ａ線に沿うガイドベーン１２０の断面図である。このようなフランシス形ポンプ水車におけるガイドベーン１２０は、そのガイドベーン回転軸１２１を中心に回転可能であり、回転によりその角度を変えることで、隣り合うガイドベーン１２０の間に形成される流路の流路面積を変化させることができる。これにより、ランナへの水量を変えることで発電出力を調整することが可能となっている。

この種のフランシス形ポンプ水車では、図１６に示すように、ガイドベーン１２０が、ケーシングからランナまでの流路の一部を形成し且つ発電電動機側に位置する上カバ１１１と、上カバ１１１から離間し且つ吸出し管側に位置する下カバ１１２との間に配置される。ここで、ガイドベーン１２０は、上述のように水量調整のために回転可能であることから、上カバ１１１及び下カバ１１２の各々との間に、接触が発生しない程度の隙間ｇを設ける必要がある。

しかしながら、このような隙間ｇは水力損失を増大させるという問題を有する。隙間ｇにおける水の流れの様子を、図１６及び図１７を用いて説明する。図１７では、解析結果に基づく水の流れａ〜ｃが矢印により模式的に示されている。

すなわち、図１６及び図１７に示すように、隙間ｇが設けられることにより、ガイドベーン１２０の翼面に沿って流れる主流ａとは別に、隙間ｇを通り抜ける隙間流れｂが発生する。この隙間流れｂが、隣り合うガイドベーン１２０の間を流れる主流ａと混合し、乱れた流れｃ（図１７参照）が、ガイドベーン１２０の上下後端付近に発生する場合がある。これにより、ガイドベーン１２０に沿わない剥離流れが発生し、その結果、水力損失が増大するという問題が生じ得る。またガイドベーン１２０後端付近の乱れた流れｃは、主流ａとは異なる方向の流れとなってランナへ流入するため、ランナ入口の流れに乱れを生じさせて、ランナ損失を増大させる場合もある。

上述のような隙間流れｂを低減するためには、隙間gを小さくすることが考えられる。しかしながら、ガイドベーン１２０と上カバ１１１及び下カバ１１２との間の距離は、小さくなるほど、ガイドベーン１２０が回転時に上カバ１１１及び下カバ１１２と干渉するリスクが高まる。また石等の異物が混入した際にこれが隙間ｇに挟まれるリスクも高くなる。したがって、隙間ｇの縮小化には、限界がある。

水力機械において隙間流れを低減するための技術としては、例えば、ガイドベーンの端面に溝を設ける技術が知られている。これによれば、溝によって隙間の面積を急拡大することにより、溝の内部の圧力が局部的に変化する。これにより、溝に流れた流れの流速が低下することで、漏れ防止効果が得られる。また、ガイドベーンの端面に対向するカバ壁面に凹溝を設ける技術も知られている。

実開平５−７７５４７８号公報 特開平７−２７９８０９号公報 特開平９−１９５９１６号公報

本発明は、上述の点を考慮してなされたものであり、ガイドベーンの一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減して、水力損失を効果的に低減できる水力機械のガイドベーン及び水力機械を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態に係る水力機械のガイドベーンは、羽根本体と、前記羽根本体に連結され且つその回転により前記羽根本体の全体を回転させるガイドベーン回転軸と、を備え、水力機械のランナの径方向外側において、前記ガイドベーン回転軸が前記ランナの回転軸線と平行となる状態で前記ガイドベーン回転軸を中心に回転可能に配置される水力機械のガイドベーンである。前記羽根本体は、前縁と、前記ランナの径方向外側に配置された際に前記前縁よりも前記ランナ側に配置される後縁と、を有する。前記羽根本体において前記ランナ側に配置される内径側翼面の前記ガイドベーン回転軸の軸方向における一方側の領域及び他方側の領域のうちの少なくともいずれか一方に、前記後縁から前記前縁の方向に延びる突起部が設けられている。前記突起部は、円弧状の突起部後端を有し、前記突起部後端は、前記ガイドベーン回転軸を中心に前記羽根本体を回転させた際に前記後縁が描く回転軌跡上を延びるように形成されている。

本発明の実施の形態に係る水力機械は、回転軸線を中心に回転するランナと、前記ランナの径方向外側に配置される前記のガイドベーンと、を備える。

本発明によれば、ガイドベーンの一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。

第１の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。 図１に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーンをガイドベーン回転軸の軸方向の一方側から見た図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーンが構成する翼列を示した図である。 図１に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの寸法を説明する図である。 図１に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの寸法と水力損失との関係を表すグラフを示した図である。 第２の実施の形態に係るガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。 第３の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンをガイドベーン回転軸の軸方向の一方側から見た図である。 第４の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンをガイドベーン回転軸の軸方向の一方側から見た図である。 図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 第５の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。 図１１に示すガイドベーンと上下カバに形成される溝との位置関係を説明する図である。 第６の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。 第７の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。 一般的なフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及びステーベーンで構成される静止翼列流路を平面的に示した図である。 図１５に示すガイドベーンを周方向に沿って見た図である。 図１６のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。各実施の形態の説明においては、図１５乃至図１７を用いて説明した構成等を説明する際に、図１５乃至図１７で用いた符号と同一の符号を用いる場合がある。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水力機械の一例としてのフランシス形ポンプ水車１を示している。以下の説明においては、フランシス形ポンプ水車１のことを単に水車１と称する。この水車１は、図示しない上池から鉄管１１を通って水が流入するケーシング１０と、複数のガイドベーン１２及びステーベーン１３と、ランナ１４と、を備えている。

水車１においては、水車運転時に、ケーシング１０からの水が、ガイドベーン１２及びステーベーン１３によって構成される静止翼列流路を通ってランナ１４に流入する。これにより、ランナ１４が、回転軸線Ｃ１を中心に回転する。以下の説明において、周方向という用語は、ランナ１４が回転軸線Ｃ１を中心に回転する方向に沿う方向を意味するものとし、径方向という用語は、回転軸線Ｃ１に直交する方向を意味するものとする。

ケーシング１０は、渦巻き状に形成され、水車運転時に、上池から流入した水を通過させてステーベーン１３及びガイドベーン１２を介してランナ１４に供給する。複数のステーベーン１３は、ケーシング１０から供給された水をガイドベーン１２に流入させる部材であり、ケーシング１０の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて配置されている。複数のガイドベーン１２は、ステーベーン１３から流入した水をランナ１４に流出させる部材であり、ステーベーン１３の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて配置され、且つランナ１４の径方向外側に配置されている。

ランナ１４は、ケーシング１０に対して回転軸線Ｃ１を中心に回転するように構成され、回転軸線Ｃ１がその中心を通る主軸１５を介して図示しない発電電動機に連結されている。発電電動機は、ランナ１４によって回転されることで発電を行う。一方で、発電電動機がランナ１４を回転させることにより、ポンプ運転が行われる。吸出し管１６は、水車運転時に、ランナ１４から流出した水を図示しない下池に放出し、ポンプ運転時には、下池からの水を通過させてランナ１４へ向けて流す。

図２は、ガイドベーン１２を後述するガイドベーン回転軸２２の軸方向の一方側（上方側）から見た図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、ガイドベーン１２が構成する翼列を平面的に示した図である。図１に示すように、本実施の形態では、ガイドベーン１２及びランナ１４が、上方から上カバ１８Ｕによって覆われ、下方から下カバ１８Ｄによって覆われている。ここで、図１乃至図３を参照し、ガイドベーン１２は、上カバ１８Ｕと下カバ１８Ｄとの間の空間に配置される羽根本体２１と、羽根本体２１に連結されて上下カバ１８Ｕ，１８Ｄを貫通するように延び且つその回転により羽根本体２１の全体を回転させるガイドベーン回転軸２２と、を有している。

なお、図３においては、説明の便宜上、ガイドベーン回転軸２２を断面で示していない。また図１乃至図４において、Ｌ１は、ガイドベーン回転軸２２の中心を通る回転軸線を示している。Ｌ１に示されるように、ガイドベーン１２は、そのガイドベーン回転軸２２がランナ１４の回転軸線Ｃ１と平行となる状態で配置されている。また本実施の形態における上カバ１８Ｕは、ガイドベーン１２をガイドベーン回転軸２２の軸方向の一方側（上方側）から覆い、下カバ１８Ｄは、ガイドベーン１４をガイドベーン回転軸２２の軸方向の他方側（下方側）から覆っている。ここで、図３に示すように、ガイドベーン１２と上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄとの各々の間には、隙間ｇが設けられる。隙間ｇは、ガイドベーン１２と上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄとの間での接触が発生しない程度の大きさに設定されている。

ガイドベーン回転軸２２は、上カバ１８Ｕの上方で図示しないリンク機構を有する駆動装置に接続され、駆動装置は、リンク機構を介して各ガイドベーン回転軸２２を回転させることが可能となっている。これにより、各羽根本体２１の全体の角度を同時且つ一律に調整することができ、隣り合うガイドベーン１２の間に形成される流路の流路面積を変化させることができる。このようなガイドベーン１２を操作することにより、水車１では、所望の流量の水をガイドベーン１２からランナ１４へ供給することにより発電出力を調節することが可能となっている。

図２に示すように、ガイドベーン１２の羽根本体２１は、前縁２１Ｆと、ランナ１４の径方向外側に配置された際に前縁２１Ｆよりもランナ１４側に配置される後縁２１Ｒと、を有している。図２におけるＣＬは、羽根本体２１のキャンバーラインを示しており、本実施の形態において、前縁２１Ｆは、キャンバーラインＣＬの一方の端点がガイドベーン回転軸２２の軸方向に連なる部分を意味し、後縁２１Ｒは、キャンバーラインＣＬの他方の端点がガイドベーン回転軸２２の軸方向に連なる部分を意味している。

ここで、本実施の形態では、図２及び図３に示すように、羽根本体２１においてランナ１４側に配置される内径側翼面２１Ｎのガイドベーン回転軸２２の軸方向における一方側（上方側）の領域及び他方側（下方側）の領域の両方に、フィレット状の内径側突起部２４が設けられている。これら内径側突起部２４の各々は、周囲の翼面から張り出すように突出し且つ後縁２１Ｒから前縁２１Ｆの方向に延びており、各内径側突起部２４は、前縁２１Ｆ側に位置する突起部前端２４Ｆと、後縁２１Ｒ側に位置する突起部後端２４Ｒと、を有している。このうち、本実施の形態における突起部後端２４Ｒは、図２に示すように、円弧状に形成されている。そして突起部後端２４Ｒは、ガイドベーン回転軸２２を中心に羽根本体２１を回転させた際に後縁２１Ｒが描く回転軌跡ＲＴ上を延びるように形成されている。

図３に示すように、内径側突起部２４におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で外側を向く外面は、対向するカバ１８Ｕ又は１８Ｄに沿って延び、且つ当該内径側突起部２４が設けられた側の羽根本体２１の端面と同一面上で連なっている。すなわち、上方側に設けられた内径側突起部２４における上カバ１８Ｕに対向する外面は、羽根本体２１の上端面２１Ｕと同一面上で連なっており、下方側に設けられた内径側突起部２４における下カバ１８Ｄに対向する外面は、羽根本体２１の下端面２１Ｄと同一面上で連なっている。

一方で、図示の例において、内径側突起部２４におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で内側（中央側）を向く内面は、根元側の部分で、その突出側に延びるに従って外面に近づくように円弧状に延び、その後、外面に平行に延びるように、形成されている。そのため、内径側突起部２４の厚さ寸法は、根元側の部分で大きく、その他の部分でほぼ均一となっている。これにより、内径側突起部２４の羽根本体２１に対する接合強度を向上させることができる。

また図２及び図３に示すように、本実施の形態では、羽根本体２１においてランナ１４側とは反対側に配置される外径側翼面２１Ｐのガイドベーン回転軸２２の軸方向における一方側（上方側）の領域及び他方側（下方側）の領域の両方にも、フィレット状の外径側突起部２６が設けられている。これら外径側突起部２６の各々は、図２に示すように、周囲の翼面から張り出すように突出し且つ前縁２１Ｆから後縁２１Ｒの方向に延びている。なお、本実施の形態では、外径側突起部２６の各々が前縁２１Ｆから端を発して後縁２１Ｒの方向に延びているが、外径側突起部２６の各々は、前縁２１Ｆから離れた位置から後縁２１Ｒに向けて延びていてもよい。

図２に示すように、外径側突起部２６の各々も、前縁２１Ｆ側に位置する突起部前端２６Ｆと、後縁２１Ｒ側に位置する突起部後端２６Ｒと、を有するが、突起部前端２６Ｆは、キャンバーラインＣＬの延長線に沿うように延びている。また図３に示すように、外径側突起部２６におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で外側を向く外面も、対向するカバ１８Ｕ又は１８Ｄに沿って延び、それぞれが、羽根本体２１の端面と同一面上で連なっている。また外径側突起部２６におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で内側（中央側）を向く内面も、内径側突起部２４の内面と同様の形状となっており、その厚さ寸法は、根元側の部分で大きく、その他の部分でほぼ均一となっている。

図４は、隣り合うガイドベーン１２の間に形成される流路の全閉状態を示している。水車１の運転を停止する際には、ガイドベーン１２が全閉状態にセットされる。この全閉状態では、隣り合うガイドベーン１２において、一方のガイドベーン１２の外径側翼面２１Ｐと他方のガイドベーン１２の内径側翼面２１Ｎとが密着し且つ両者の間に隙間が形成されない状態となる必要がある。したがって、内径側突起部２４及び外径側突起部２６は、全開から全閉にかけてガイドベーン１２が動作する際に、他の外径側突起部２６及び内径側突起部２４と干渉しない位置に設けられている。

なお本実施の形態では、内径側突起部２４が、後縁２１Ｒからガイドベーン回転軸２２を前縁２１Ｆ側に越えて延びており、外径側突起部２６は、前縁２１Ｆ側の領域からガイドベーン回転軸２２の近傍まで延びているが、このような各突起部２４，２６の長さは、特に限定されるものではない。

次に図５を用いてガイドベーン１２の寸法を説明する。図５において、Ｌｓは、羽根本体２１の翼弦長さを示し、Ｌｇは、内径側突起部２４及び外径側突起部２６が羽根本体２１から突出する突出幅を示している。詳しくは、図５においては、上方側の内径側突起部２４及び外径側突起部２６が設けられた側の羽根本体２１の上端面２１Ｕが示されている。したがって、Ｌｇは、羽根本体２１の上端面２１Ｕの翼弦長さであり、上端面２１Ｕにおける前縁２１Ｆと後縁２１Ｒとを直線で結んだ際の距離である。また、羽根本体２１には、キャンバーラインＣＬ上の点を中心として翼面２１Ｎ，２１Ｐに接する複数の内接円を描画することができる。Ｌｇは、羽根本体２１に描画される内接円の中心から接点を通って内径側突起部２４及び外径側突起部２６に交差する直線における、前記接点と前記交差する点との間の距離を意味する。図５においては、一例としてキャンバーラインＣＬの中央付近の点を中心とする内接円ＩＣが示されている。例えば、内接円ＩＣの中心ＣＣから内径側翼面２１Ｎにおける接点を通って内径側突起部２４に交差する直線Ｌｎにおける、前記接点と前記交差する点との間の距離は、内径側突起部２４の突出幅Ｌｇを意味する。

ここで、本実施の形態では、２≦Ｌｇ／Ｌｓ×１００≦１０（式（１））が成り立っている。詳しくは、上方側の内径側突起部２４及び外径側突起部２６と、これらに対応する羽根本体２１の上端面２１Ｕとの間に、式（１）の関係が成り立つ。また、下方側の内径側突起部２４及び外径側突起部２６と羽根本体２１との間にも、同様の関係が成り立っている。

図６は、Ｌｇ／Ｌｓ（突出幅／翼弦長さ）と水力損失（相対損失）との関係を表すグラフを示している。図６から明らかなように、Ｌｇ／Ｌｓが２以上１０以下である場合、相対損失が充分に抑制されている。このような知見に基づき、本実施の形態では、式（１）の関係が規定されている。なお、図６に示されるような傾向は、内径側突起部２４及び外径側突起部２６の長さが変更されたとしても、同様の傾向となる。

次に本実施の形態の作用について説明する。

水車運転においては、上池から導かれた水が鉄管１１を通ってケーシング１０に導かれ、その後、水は、ケーシング１０からステーベーン１３及びガイドベーン１２を通ってランナ１４へ流入する。ランナ１４は、通過する水の圧力エネルギーにより回転し、主軸１５を介して連結する発電電動機を駆動する。これにより、発電電動機において発電が行われる。ランナ１４から流出する水は、吸出し管１６を通って下池に放出される。

図２及び図３に示すように、このような水車運転時において、ステーベーン１３からガイドベーン１２へ向かう水の一部は、ガイドベーン１２の翼面２１Ｐ，２１Ｎに沿って流れる主流ａ（図２参照）とは別に、隙間ｇを通り抜けようとする隙間流れｂとなる。ここで、本実施の形態では、内径側突起部２４及び外径側突起部２６が、羽根本体２１から張り出すことによって、隙間流れｂとの接触面積を増加させる。そのため、隙間流れｂは、内径側突起部２４及び外径側突起部２６から抵抗を受けることで、隙間流れｂの流速が低下する。これにより、外径側翼面２１Ｐから内径側翼面２１Ｎへの水の漏れ量が低減し、隣り合うガイドベーン１２の間を流れる主流ａと隙間流れｂとが混合することで生じ得る乱れた流れの発生が抑制される。ポンプ運転においても、同様に、水の漏れ量が低減し、乱れた流れの発生が抑制される。

しかも本実施の形態では、内径側突起部２４の円弧状の突起部後端２４Ｒが、図２に示すように、ガイドベーン回転軸２２を中心に羽根本体２１を回転させた際に後縁２１Ｒが描く回転軌跡ＲＴ上を延びるように形成されている。これにより、内径側突起部２４において、突起部後端２４Ｒとその径方向内側のランナ１４とが干渉するリスクを無くしつつ、隙間流れｂとの接触面積を可及的に大きく確保できるため、水漏れの抑制効果を効果的に得ることができる。

したがって、本実施の形態によれば、ガイドベーン１２の一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。

また内径側翼面２１Ｎ及び外径側翼面２１Ｐの各々に、それぞれ内径側突起部２４及び外径側突起部２６が設けられていることで、水漏れの抑制効果を十分に確保できる。また内径側翼面２１Ｎ及び外径側翼面２１Ｐの上下の領域の各々に、内径側突起部２４及び外径側突起部２６が設けられていることで、水漏れの抑制効果を十分に確保できる。

また、内径側突起部２４及び外径側突起部２６の突出幅Ｌｇと羽根本体２１の翼弦長さＬｓとの間に、２≦Ｌｇ／Ｌｓ×１００≦１０が成り立っていることで、水力損失が充分に抑制される。したがって、水の漏れ量の低減による有効な水力損失の低減効果を得ることができる。なお、突出幅Ｌｇが大きくなるほど、シール効果が高くなるが、摩擦損失が増加する。そのため、突出幅Ｌｇが過剰に大きくなると、シール効果による損失低減効果が損なわれるものと考えられる。したがって、Ｌｇ／Ｌｓ≦１０が、好ましい値として規定されている。

（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。図７は、第２の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。本実施の形態における上述の第１の実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。

本実施の形態では、ガイドベーン１２の内径側突起部２４及び外径側突起部２６の形状が、第１の実施の形態と異なっている。すなわち、本実施の形態では、図７に示すように、各内径側突起部２４におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で内側（中央側）を向く内面は、根元から、その突出側の先端に延びるに従って外面に近づくように、形成されている。そのため、各内径側突起部２４の厚さ寸法は、根元から先端にかけて次第に漸減するようになっている。外径側突起部２６も、内径側突起部２４と同様の形状である。

このような実施の形態によっても、ガイドベーン１２の一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。しかも、ガイドベーン１２の翼面２１Ｐ，２１Ｎに沿って流れる主流に対する内径側突起部２４及び外径側突起部２６からの抵抗が抑制される。これにより、水力損失の低減効果を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。図８は、第３の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。

本実施の形態では、ガイドベーン１２の外径側突起部２６が設けられてない点が、第１の実施の形態と異なっている。すなわち、本実施の形態では、図８に示すように、ガイドベーン１２の内径側翼面２１Ｎのみに、内径側突起部２４が設けられている。

このような実施の形態によっても、ガイドベーン１２の一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。とりわけ、本実施の形態では、内径側突起部２４及び外径側突起部２６の両方を、製作上の制約や構造上の制約などにより、設けることが困難な場合において、水力損失の低減効果を有益に得ることができる。また、製造が容易となり、材料も削減できることで、製造コストを抑制しつつ水力損失の低減効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、ガイドベーン１２の内径側翼面２１Ｎのみに内径側突起部２４が設けられるが、ガイドベーン１２の外径側翼面２１Ｐのみに外径側突起部２６が設けられてもよい。

（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について説明する。図９は、第４の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンをガイドベーン回転軸の軸方向の一方側から見た図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。

本実施の形態では、ガイドベーン１２の内径側突起部２４及び外径側突起部２６の形状が、第１の実施の形態と異なっている。すなわち、本実施の形態では、図９及び図１０に示すように、内径側突起部２４におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で外側を向く外面に、羽根本体２１に沿って延びる溝３４Ａが形成され、外径側突起部２６におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で外側を向く外面に、羽根本体２１に沿って延びる溝３６Ａが形成されている。

本実施の形態では、上下の内径側突起部２４の各々に、溝３４Ａが形成され、上下の外径側突起部２６の各々に、溝３６Ａが形成されている。図９に示すように、内径側突起部２４に設けられた溝３４Ａは、羽根本体２１の内径側翼面２１Ｎに沿って延びており、外径側突起部２６に設けられた溝３６Ａは、羽根本体２１の外径側翼面２１Ｐに沿って延びている。また溝３４Ａ，３６Ａの断面形状は、図示の例において、矩形状であるが、円弧状や三角形状などでもよい。

このような本実施の形態によっても、ガイドベーン１２の一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。とりわけ、本実施の形態では、溝３４Ａ，３６Ａによって、隙間ｇを通り抜けようとする隙間流れｂと、内径側突起部２４及び外径側突起部２６との接触面積が増加し、且つ、隙間ｇの流路面積が局所的に拡大することで溝３４Ａ，３６Ａの内部の圧力が局所的に変化することにより、隙間流れｂの流速を大きく低下させることができる。したがって、水力損失の低減効果を向上させることができる。また、溝３４Ａ，３６Ａは、羽根本体２１に沿って延びていることで簡易な形状で広範囲にわたって隙間流れｂの流速を低下させることができるので、効率的に水力損失の低減効果を向上させることができる。

（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態について説明する。図１１は、第５の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。図１２は、図１１に示すガイドベーンと上下カバに形成される溝との位置関係を説明する図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。

本実施の形態では、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄの形状が、第１の実施の形態と異なっている。すなわち、本実施の形態では、図１１及び図１２に示すように、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのうちの突起部２４，２６が設けられた側に位置するカバの壁面における突起部２４，２６と対向する部分に、水車運転時にケーシング１０からガイドベーン１２に流れる水の方向、特に主流の水の方向に沿って延びる溝３４Ｂ，３６Ｂが形成されている。ここで、主流の水の方向は、ガイドベーン１２の翼面に沿って流れる水の方向を意味する。

詳しくは、上カバ１８Ｕにおける上方側の内径側突起部２４と対向する部分、及び、下カバ１８Ｄにおける下方側の内径側突起部２４と対向する部分の各々に、溝３４Ｂが形成されている。また、上カバ１８Ｕにおける上方側の外径側突起部２６と対向する部分、及び、下カバ１８Ｄにおける下方側の外径側突起部２６と対向する部分の各々に、溝３６Ｂが形成されている。

図１２は、下カバ１８Ｄを上方側から見た図であり、図１２には、ガイドベーン１２が設計点に対応する位置に位置付けられた状態が二点鎖線で示されている。より詳しくは、本実施の形態における溝３４Ｂ，３６Ｂは、ガイドベーン１２が設計点に対応する位置に位置付けられた際に、ガイドベーン回転軸２２の軸方向視で、ガイドベーン１２の羽根本体２１に沿って延びるように形成されている。図１２においては、下方側の溝３４Ｂ，３６Ｂが示されるが、上方側の溝３４Ｂ，３６Ｂと上方側の突起部２４，２６との間にも、同様の関係が成り立っている。なお、設計点は、水車１に特有に定められる、最高の効率を得るための運転条件を意味し、運転条件には、落差、流量、ガイドベーン１２の位置（角度）などが含まれる。

このような本実施の形態によっても、ガイドベーン１２の一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。とりわけ、本実施の形態では、溝３４Ｂ，３６Ｂによって、隙間ｇを通り抜けようとする隙間流れｂと、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄとの接触面積が増加し、且つ、隙間ｇの流路面積が局所的に拡大することで溝３４Ｂ，３６Ｂの内部の圧力が局所的に変化することにより、隙間流れｂの流速を大きく低下させることができる。したがって、水力損失の低減効果を向上させることができる。

なお、第４の実施の形態では、突起部２４に溝３４Ａが形成され、突起部２６に溝３６Ａが形成され、一方、第５の実施の形態では、上カバ１８Ｕに溝３４Ｂ，３６Ｂが形成され、下カバ１８Ｄに溝３４Ｂ，３６Ｂが形成されたが、例えば、突起部及び突起部に対向するカバの両方に、溝が形成されてもよい。

（第６の実施の形態）
次に第６の実施の形態について説明する。図１３は、第６の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。

本実施の形態では、ガイドベーン１２、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄの形状が、第１の実施の形態と異なっている。すなわち、本実施の形態では、図１３に示すように、内径側突起部２４におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で外側を向く外面に、凹凸形状４４Ａが形成され、外径側突起部２６におけるガイドベーン回転軸２２の軸方向で外側を向く外面に、凹凸形状４６Ａが形成されている。本実施の形態では、上下の内径側突起部２４の各々に、凹凸形状４４Ａが形成され、上下の外径側突起部２６の各々に、凹凸形状４６Ａが形成されている。

また本実施の形態では、上カバ１８Ｕにおける上方側の内径側突起部２４と対向する部分、及び、下カバ１８Ｄにおける下方側の内径側突起部２４と対向する部分の各々に、凹凸形状４４Ｂが形成されている。また、上カバ１８Ｕにおける上方側の外径側突起部２６と対向する部分、及び、下カバ１８Ｄにおける下方側の外径側突起部２６と対向する部分の各々に、凹凸形状４６Ｂが形成されている。

凹凸形状４４Ａ，４４Ｂ，４６Ａ，４６Ｂは、複数の凹部及び凸部によって構成されている。凹凸形状４４Ａ，４４Ｂ，４６Ａ，４６Ｂは、例えば、サンドブラスト等によって突起部又はカバの表面に直接的に形成されてもよいし、複数の凹部及び凸部が発現する層をコーティングすること等により形成されてもよい。また凹凸形状４４Ａ，４４Ｂ，４６Ａ，４６ＢのＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠する表面粗さＲａは、１２．５よりも大きく設定されることが好ましい。

このような本実施の形態によっても、ガイドベーン１２の一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。とりわけ、本実施の形態では、凹凸形状４４Ａ，４４Ｂ，４６Ａ，４６Ｂによって、隙間ｇを通り抜けようとする隙間流れｂと内径側突起部２４及び外径側突起部２６等との接触面積が増加し、且つ、隙間ｇの流路面積が局所的に拡大及び縮小することで、隙間流れｂの流速を大きく低下させることができる。したがって、水力損失の低減効果を向上させることができる。

なお、第６の実施の形態では、突起部２４，２６に凹凸形状４４Ａ，４６Ａが形成され、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄに凹凸形状４４Ｂ，４６Ｂが形成されているが、例えば、突起部及び突起部に対向するカバのうちのいずれか一方に、凹凸形状が形成されてもよい。

（第７の実施の形態）
次に第７の実施の形態について説明する。図１４は、第７の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び上下カバのガイドベーン回転軸の軸方向に沿った断面図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。

本実施の形態では、ガイドベーン１２の形状が、第１の実施の形態と異なっている。すなわち、本実施の形態では、図１４に示すように、内径側突起部２４及び外径側突起部２６が、羽根本体２１にビス、ボルト等の締結部材５０によって着脱可能に取り付けられている。

このような本実施の形態によっても、ガイドベーン１２の一方の翼面から他方の翼面への水の漏れ量を効果的に低減でき、水力損失を効果的に低減できる。とりわけ、本実施の形態では、羽根本体２１とは別に内径側突起部２４及び外径側突起部２６を製造することが可能となることで、これらの製造が容易となる。また、内径側突起部２４及び外径側突起部２６が損傷した際等に、容易に交換することができ、使い勝手を向上させることができる。また、羽根本体２１と内径側突起部２４及び外径側突起部２６とを異なる材料から製造することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、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。この新規な実施の形態は、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。この実施の形態やその変形は、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。

例えば、上述の各実施の形態では、内径側翼面２１Ｎのガイドベーン回転軸２２の軸方向における上方側の領域及び下方側の領域の両方に、内径側突起部２４が設けられているが、内径側翼面２１Ｎの上方側の領域及び下方側の領域の一方のみに、内径側突起部２４が設けられていてもよい。同様に、外径側翼面２１Ｐの上方側の領域及び下方側の領域の一方のみに、外径側突起部２４が設けられてもよい。

また、上述の各実施の形態では、水車１のランナ１４の回転軸線Ｃ１が上下方向に沿って延びる例を説明したが、水車１は、ランナ１４の回転軸線Ｃ１が横方向に沿って延びるように配置されるタイプのものでもよい。

１…フランシス形ポンプ水車、１０…ケーシング、１１…鉄管、１２…ガイドベーン、１３…ステーベーン、１４…ランナ、１５…主軸、１６…吸出し管、１８Ｕ…上カバ、１８Ｄ…下カバ、２１…羽根本体、２１Ｆ…前縁、２１Ｒ…後縁、２１Ｎ…内径側翼面、２１Ｐ…外径側翼面、２１Ｕ…上端面、２１Ｄ…下端面、２２…ガイドベーン回転軸、２４…内径側突起部、２４Ｆ…突起部前縁、２４Ｒ…突起部後縁、２６…外径側突起部、２６Ｆ…突起部前縁、２６Ｒ…突起後縁、３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂ…溝、４４Ａ，４４Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ…凹凸形状、５０…締結部材、ｇ…隙間、Ｃ１…ランナの回転軸線、Ｌ１…ガイドベーンの回転軸線、ＣＬ…キャンバーライン、ＲＴ…回転軌跡。

Claims (5)

1. 羽根本体と、前記羽根本体に連結され且つその回転により前記羽根本体の全体を回転させるガイドベーン回転軸と、を備え、水力機械のランナの径方向外側において、前記ガイドベーン回転軸が前記ランナの回転軸線と平行となる状態で前記ガイドベーン回転軸を中心に回転可能に配置される水力機械のガイドベーンであって、
   前記羽根本体は、前縁と、前記ランナの径方向外側に配置された際に前記前縁よりも前記ランナ側に配置される後縁と、を有し、
   前記羽根本体において前記ランナ側に配置される内径側翼面の前記ガイドベーン回転軸の軸方向における一方側の領域及び他方側の領域のうちの少なくともいずれか一方に、前記後縁から前記前縁の方向に延びる突起部が設けられ、
   前記突起部は、円弧状の突起部後端を有し、前記突起部後端は、前記ガイドベーン回転軸を中心に前記羽根本体を回転させた際に前記後縁が描く回転軌跡上を延びるように形成されている、
   ことを特徴とする水力機械のガイドベーン。
2. 前記羽根本体において前記ランナ側とは反対側に配置される外径側翼面の前記ガイドベーン回転軸の軸方向における一方側の領域及び他方側の領域のうちの少なくともいずれか一方に、前記前縁から前記後縁の方向に延びる突起部がさらに設けられている、
   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. 前記羽根本体の翼弦長さをＬｓとし、前記突起部が前記羽根本体から突出する突出幅をＬｇとしたとき、
   ２≦Ｌｇ／Ｌｓ×１００≦１０が成り立つ、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水力機械のガイドベーン。
4. 前記突起部における前記ガイドベーン回転軸の軸方向で外側を向く外面は、当該突起部が設けられた側の前記羽根本体の端面と同一面上で連なっている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械のガイドベーン。
5. 回転軸線を中心に回転するランナと、
   前記ランナの径方向外側に配置される請求項１乃至４のいずれかに記載のガイドベーンと、を備える、
   ことを特徴とする水力機械。

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