JP2019085960A - 水力機械、そのランナ、カバー及び改修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】背圧室又は側圧室において生じる円板摩擦損失を低減させることで、水力機械の性能を向上させる。【解決手段】背圧室８側の入口部１０を形成するランナ４の壁面及び上カバー６の壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面、及び／又は、側圧室９側の入口部１１を形成するランナ４の壁面及び下カバー７の壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面に、入口部に流入した流水の周方向速度をランナ４の回転方向に向けて増加させる整流部２１，２２を設ける。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、水力機械、そのランナ、カバー及び改修方法に関する。

図１２は、一般的なフランシス形水力機械の子午断面図を示し、当該水力機械は、フランシス形水車又はフランシス形ポンプ水車として機能し得る。この水力機械では、水車運転時に、ケーシング１からの流水がその内周側のステーベーン２及びガイドベーン３により構成される静止翼列流路を通って、回転自在なランナ４へと流入する。流水によりランナ４が回転軸線Ｃ１を中心に回転すると、ランナ４の回転が水車主軸を介して発電電動機に伝わる。これにより、発電電動機が駆動される。そしてランナ４を通過した流水は、吸出し管５を介して放水路へと導かれる。

ランナ４は、クラウン４Ａ、バンド４Ｂ及びクラウン４Ａとバンド４Ｂとの間に保持されるランナ羽根４Ｃを有し、クラウン４Ａは上カバー６によって覆われ、バンド４Ｂは下カバー７によって覆われる。クラウン４Ａと上カバー６との間及びバンド４Ｂと下カバー７との間にはそれぞれ環状隙間が形成され、前者は、背圧室８と呼ばれ、後者は、側圧室９と呼ばれる。水車運転時に静止翼列流路を通過した流水は、大部分がランナ４に流入する一方で、一部は背圧室８及び側圧室９に流入する。この一部の流水は、背圧室８及び側圧室９を介して吸出し管５内に導かれた後、ランナ４を通過した流水とともに放水路へと導かれる。

図１３に示すように、互いに対向するクラウン４Ａの径方向外側を向く壁面と上カバー６の径方向内側を向く壁面との間には、環状隙間である背圧室入口部１０が形成され、互いに対向するバンド４Ｂの径方向外側を向く壁面と下カバー７の径方向内側を向く壁面との間には、環状隙間である側圧室入口部１１が形成される。上述の流水の一部は、詳しくは、背圧室入口部１０を介して背圧室８に流入するとともに、側圧室入口部１１を介して側圧室９に流入する。

一方、ポンプ運転を行う場合には、放水路側から吸出し管５を通過した流水が、ランナ４、背圧室８及び側圧室９を介して静止翼列流路を通り、その後、ケーシング１から上池へと流出する。

このような水力機械においては、ランナ４に起因する損失として、クラウン４Ａとバンド４Ｂとの間に形成されるランナ流路での損失、背圧室８及び側圧室９への漏れ損失、及びこれら各室における流れが影響する円板摩擦損失を挙げることができる。特に、高落差用のフランシス形水力機械では、円板摩擦損失が大きなウェイトを占めており、これを低減することが重要となる。そのため、水力機械の性能を向上させるべく、上述のような環状隙間の形状に工夫を施す技術が従来から種々提案されている。

特開２００４−３０８４６１号公報 特開２０１１−５８４８１号公報 特開２０１１−１２２４７２号公報

ところで、背圧室８及び側圧室９においては、背圧室入口部１０又は側圧室入口部１１から流入した流水の周速度とランナ４の周速度とに差があり、この差が大きい程、円板摩擦損失が増大する傾向がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、背圧室又は側圧室内に流入する流水の周速度とランナの周速度との差を抑制し、背圧室又は側圧室において生じる円板摩擦損失を低減させることで、水力機械の性能を向上させる水力機械、そのランナ、カバー及び改修方法を提供することを目的とする。

実施の形態に係る水力機械は、カバーと、前記カバー内に回転自在に設けられるランナと、を備え、前記ランナと前記カバーとの間に、背圧室及び側圧室が形成され、径方向で互いに対向する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面により、前記背圧室及び前記側圧室に各別に通じる二つの入口部が形成されており、前記背圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面、及び／又は、前記側圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部が設けられている、水力機械である。

また、実施の形態に係る水力機械のランナは、カバー内に回転自在に設けられる水力機械のランナであって、前記カバーとの間に、背圧室及び側圧室を形成するとともに、径方向で前記カバーの壁面と対向するその壁面が、前記カバーの壁面とともに前記背圧室及び前記側圧室に各別に通じる二つの入口部を形成しており、前記背圧室側の前記入口部を形成するその壁面、及び／又は、前記側圧室側の前記入口部を形成するその壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部が設けられている、ランナである。

また、実施の形態に係る水力機械のカバーは、回転自在なランナを覆う水力機械のカバーであって、前記ランナとの間に、背圧室又は側圧室を形成するとともに、径方向で前記ランナの壁面と対向するその壁面が、前記ランナの壁面とともに前記背圧室又は前記側圧室に通じる入口部を形成しており、前記背圧室側の前記入口部を形成するその壁面、又は、前記側圧室側の前記入口部を形成するその壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部が設けられている、カバーである。

また、実施の形態に係る水力機械の改修方法は、カバーと、前記カバー内に回転自在に設けられるランナと、を備える水力機械の改修方法であって、前記ランナと前記カバーとの間に、背圧室及び側圧室が形成され、径方向で互いに対向する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面により、前記背圧室及び前記側圧室に各別に通じる二つの入口部が形成されており、前記背圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面、及び／又は、前記側圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部を設ける、水力機械の改修方法、である。

本発明によれば、背圧室又は側圧室内に流入する流水の周速度とランナの周速度との差を抑制し、背圧室又は側圧室において生じる円板摩擦損失を低減させることで、水力機械の性能を向上させることができる。

図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る水力機械の子午断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う水力機械の断面図である。 図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示される領域ＩＩＡの拡大図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）に示される領域ＩＩＢの拡大図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示される矢印ＩＩＣの方向に沿って水力機械のカバーを見た図であり、図２（Ｄ）は、図２（Ｂ）に示される矢印ＩＩＤの方向に沿って水力機械のカバーを見た図である。 図３（Ａ）は、カバーに形成された背圧室側の整流部の拡大図であり、図３（Ｂ）は、カバーに形成された側圧室側の整流部の拡大図であり、図３（Ｃ）は、背圧室入口部に流入する流水の周方向速度分布を示す図であり、図３（Ｄ）は、側圧室入口部に流入する流水の周方向速度分布を示す図である。 図４（Ａ）は、一般的な水力機械の背圧室入口部に流入する流水の周方向速度分布を示す図であり、図４（Ｂ）は、一般的な水力機械の側圧室入口部に流入する流水の周方向速度分布を示す図である。 第１の実施の形態による円板摩擦損失の低減効果を説明するグラフを示す図である。 第１の実施の形態による水車運転効率の向上効果を説明するグラフを示す図である。 第２の実施の形態に係る水力機械に設けられるランナの斜視図である。 図８（Ａ）は、第２の実施の形態に係る水力機械のランナに形成された背圧室側の整流部の拡大図であり、図８（Ｂ）は、第２の実施の形態に係る水力機械のランナに形成された側圧室側の整流部の拡大図であり、図８（Ｃ）は、第２の実施の形態に係る水力機械の背圧室入口部に流入する流水の周方向速度分布を示す図であり、図８（Ｄ）は、第２の実施の形態に係る水力機械の側圧室入口部に流入する流水の周方向速度分布を示す図である。 図９（Ａ）は、第３の実施の形態に係る水力機械の背圧室入口部の拡大図であり、図９（Ｂ）は、第３の実施の形態に係る水力機械の側圧室入口部の拡大図である。 図１０（Ａ）は、第４の実施の形態に係る水力機械の背圧室入口部の拡大図であり、図１０（Ｂ）は、第４の実施の形態に係る水力機械の側圧室入口部の拡大図である。 図１１（Ａ）は、第５の実施の形態に係る水力機械の背圧室入口部の拡大図であり、図１１（Ｂ）は、第５の実施の形態に係る水力機械の側圧室入口部の拡大図である。 一般的なフランシス形水力機械の子午断面図である。 図１２に示されるランナ、背圧室及び側圧室の拡大図である。

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。以下に説明する各実施の形態における構成部分のうちの図１２で説明した一般的な水力機械の構成部分と同様のものには、同一の符号が付されている。

（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る水力機械１００の子午断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う水力機械１００の断面図である。本実施の形態に係る水力機械１００は、フランシス形水車又はフランシス形ポンプ水車として機能し得る。この水力機械１００では、水車運転時に、渦巻き形状のケーシング１からの流水がその内周側のステーベーン２及びガイドベーン３により構成される静止翼列流路を通って、上カバー６及び下カバー７内に回転自在に設けられるランナ４へと流入する。流水によりランナ４が回転軸線Ｃ１を中心に回転すると、ランナ４の回転が水車主軸１２を介して発電電動機に伝わり、発電電動機が駆動される。そしてランナ４を通過した流水は、吸出し管５を介して放水路へと導かれる。

以下の説明において、単に軸方向と言う場合、その方向は、ランナ４の回転軸線Ｃ１上の方向又はこの回転軸線Ｃ１に沿う方向を意味する。また、周方向という用語は、ランナ４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。

図１（Ｂ）に示すように、ステーベーン２は、ケーシング１の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて複数配置され、ガイドベーン３は、ステーベーン２の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて複数配置され、且つ、ランナ４の径方向外側に配置されている。ガイドベーン３は、図１（Ａ）に示すように、ガイドベーンスピンドル３Ａに結合され、ガイドベーンスピンドル３Ａの中心軸線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、図１（Ｂ）に示すように、隣り合うガイドベーン３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、水力機械１００では、ランナ４へ流入する流水の流量を変えることで発電時の出力を調整することができる。

図１（Ｂ）において、符号Ｓ１で示されるガイドベーン３は、水力機械１００を最も効率良く水車運転させる際に設定される最高効率点開度となっており、符号Ｓ２で示される一点鎖線のガイドベーン３は、最高効率点開度よりも開度が大きい大流量点開度となっている。また、符号Ｓ３で示される二点鎖線のガイドベーン３は、最高効率点開度よりも開度が小さい小流量点開度となっている。

矢印Ａ１は、最高効率点開度のガイドベーン３から流出する流水の向きを示し、矢印Ａ２は、大流量点開度のガイドベーン３から流出する流水の向きを示し、矢印Ａ３は、小流量点開度のガイドベーン３から流出する流水の向きを示している。これら矢印から明らかなように、ガイドベーン３から流出する流水は、大流量点開度側である程、その周方向速度成分が小さくなり、小流量点開度側である程、周方向成分が大きくなる。

ランナ４は、図１（Ａ）に示すように、クラウン４Ａ、バンド４Ｂ及びクラウン４Ａとバンド４Ｂとの間に保持されるランナ羽根４Ｃを有し、クラウン４Ａに対して軸方向の一方側（図１において上側）に上カバー６が位置し、バンド４Ｂに対して軸方向の他方側（図１において下側）に下カバー７が位置する。クラウン４Ａは上カバー６によって覆われ、バンド４Ｂは下カバー７によって覆われる。クラウン４Ａと上カバー６との間には環状隙間である背圧室８が形成され、バンド４Ｂと下カバー７との間には環状隙間である側圧室９が形成されている。

図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示される領域ＩＩＡの拡大図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）に示される領域ＩＩＢの拡大図である。図２（Ａ）に示すように、互いに対向するランナ４（詳しくは、クラウン４Ａ）の径方向外側を向く壁面４Ａ１と上カバー６の径方向内側を向く壁面６１との間には、背圧室８に通じる環状隙間である背圧室入口部１０が形成され、図２（Ｂ）に示すように、互いに対向するランナ４（詳しくは、バンド４Ｂ）の径方向外側を向く壁面４Ｂ１と下カバー７の径方向内側を向く壁面７１との間には、側圧室９に通じる環状隙間である側圧室入口部１１が形成されている。

水車運転時においては、静止翼列流路を通過した流水の大部分が、ランナ４に向けて径方向に沿って流れる一方で、流水のその他の一部が、背圧室入口部１０を介して背圧室８に流入し、側圧室入口部１１を介して側圧室９に流入する。その後、背圧室８に流入した流水は、図１（Ａ）に示されるクラウン４Ａに形成されたバランスホール４Ｄを介してランナ４の下流側に流れ、側圧室９に流入した流水は、バンド４Ｂの下流側端部と下カバー７との間からランナ４の下流側に流れる。

なお、上記のクラウン４Ａの壁面４Ａ１は、詳しくは、クラウン４Ａの最外周に位置して径方向外側を向くとともに周方向の全域に延びる面を意味し、バンド４Ｂの壁面４Ｂ１は、バンド４Ｂの最外周側に位置して径方向外側を向くとともに周方向の全域に延びる面を意味する。また、上カバー６の径方向内側を向く壁面６１は、上カバー６において軸方向に沿って延びるとともに周方向の全域に延びる面を意味し、下カバー７の径方向内側を向く壁面７１は、下カバー７において軸方向に沿って延びるとともに周方向の全域に延びる面を意味する。

続いて、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示される矢印ＩＩＣの方向に沿って上カバー６を見た図であり、図２（Ｄ）は、図２（Ｂ）に示される矢印ＩＩＤの方向に沿って下カバー７を見た図である。ここで、本実施の形態では、背圧室入口部１０を形成する上カバー６の壁面６１に、第１カバー側整流部２１が形成されるとともに、側圧室入口部１１を形成する下カバー７の壁面７１に、第２カバー側整流部２２が形成されている。なお、第１カバー側整流部２１及び第２カバー側整流部２２は、説明の便宜上、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において断面視の状態で示されておらず、側面視の状態で示されている。

各整流部２１，２２は、対応する入口部１０，１１に流入した流水の周方向速度をランナ４の回転方向Ｒに向けて増加させるために設けられる。

第１カバー側整流部２１は、まず、上カバー６の壁面６１に対して凸なる突部であり、ランナ４の回転方向Ｒに対して傾斜して延びて且つ周方向に等間隔を空けて複数形成されている。

図２（Ｃ）に示すように、第１カバー側整流部２１は、詳しくは、ランナ４を回転させるべくランナ４に向けて径方向に沿って流れる流水の側を向く入口側端縁２１Ａと、入口側端縁２１Ａの反対側に位置し、背圧室８の側を向く出口側端縁２１Ｂと、を有しており、入口側端縁２１Ａから出口側端縁２１Ｂに向けて延びるに従い、回転方向Ｒに向けて延びるように傾斜している。

また、第１カバー側整流部２１は、水車運転時のランナ４の回転方向Ｒとは逆方向に凸となる反動翼の形状となっている。具体的には、矢印ＩＩＣの方向に第１カバー側整流部２１を見た際、すなわち径方向の内側から外側に向けて第１カバー側整流部２１を見た際に、第１カバー側整流部２１が入口側端縁２１Ａの側で軸方向に直交する面となす入口角度θ１が、第１カバー側整流部２１が出口側端縁２１Ｂの側で軸方向に直交する面となす出口角度θ１’よりも大きくなるように、第１カバー側整流部２１が形成されている。

なお、第１カバー側整流部２１では、入口側端縁２１Ａ及び出口側端縁２１Ｂにかけてキャンバーラインを描くことができ、上述した入口角度θ１は、径方向の内側から外側に向けて第１カバー側整流部２１を見た際に、第１カバー側整流部２１のキャンバーラインの入口側端縁２１Ａに対応する位置での接線が、軸方向に直交する面となす角度のことを意味する。また、出口角度θ１’は、径方向の内側から外側に向けて第１カバー側整流部２１を見た際に、第１カバー側整流部２１のキャンバーラインの出口側端縁２１Ｂに対応する位置での接線が、軸方向に直交する面となす角度のことを意味する。

また、入口側端縁２１Ａを含む端部領域及び出口側端縁２１Ｂを含む端部領域はそれぞれ、滑らかに先細りとなる流線形状に形成される。これにより、水車運転において、流水が背圧室８に向けて背圧室入口部１０に流入する際の衝突損失が低減されるとともに、ポンプ運転において、流水が背圧室８から背圧室入口部１０に向けて流入する際の衝突損失が低減される。

一方で、第２カバー側整流部２２も、第１カバー側整流部２１と同様に、下カバー７の壁面７１に対して凸なる突部であり、ランナ４の回転方向Ｒに対して傾斜して延びて且つ周方向に等間隔を空けて複数形成されている。

そして、第２カバー側整流部２２も、入口側端縁２２Ａと、入口側端縁２２Ａの反対側に位置し、側圧室９の側を向く出口側端縁２２Ｂとを有し、入口側端縁２２Ａから出口側端縁２２Ｂに向けて延びるに従い、回転方向Ｒに向けて延びるように傾斜している。

また、第２カバー側整流部２２も、回転方向Ｒとは逆方向に凸となる反動翼の形状となっている。具体的には、径方向の内側から外側に向けて第２カバー側整流部２２を見た際に、第２カバー側整流部２２が入口側端縁２２Ａの側で軸方向に直交する面となす入口角度θ２が、第２カバー側整流部２２が出口側端縁２２Ｂの側で軸方向に直交する面となす出口角度θ２’よりも大きい。

第１カバー側整流部２１と同様に、第２カバー側整流部２２の入口角度θ２及び出口角度θ２’も、キャンバーラインとの関係で定まる。また、入口側端縁２２Ａを含む端部領域及び出口側端縁２２Ｂを含む端部領域もそれぞれ流線形状に形成されている。

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、上池から導かれた流水が図示しない鉄管を通ってケーシング１に流入し、ケーシング１からの流水がその内周側のステーベーン２及びガイドベーン３により構成される静止翼列流路を通って、ランナ４へと流入する。流水によりランナ４が回転軸線Ｃ１を中心に回転すると、ランナ４の回転が水車主軸１２を介して発電電動機に伝わり、発電電動機が駆動される。そしてランナ４を通過した流水は、吸出し管５を介して放水路へと導かれる。

水車運転時において、ステーベーン２及びガイドベーン３から構成される静止翼列流路を通過した流水の大部分は、ランナ４を回転させるべくランナ４に向けて径方向に沿って流れる一方で、流水のその他の一部は、背圧室入口部１０を介して背圧室８に流入し、側圧室入口部１１を介して側圧室９に流入する。ここで、本実施の形態では、背圧室入口部１０に流入した流水が、第１カバー側整流部２１にガイドされ、側圧室入口部１１に流入した流水が、第２カバー側整流部２２にガイドされる。

この際、図３（Ａ）に示すように、背圧室入口部１０に流入する流水は、出口角度θ１’が入口角度θ１よりも小さい第１カバー側整流部２１にガイドされることで、背圧室入口部１０からのその流出角度θ１ｏｕｔが、背圧室入口部１０に流入する際のその流入角度θ１ｉｎよりも小さくなるように流出される。つまり、出口側端縁２１Ｂ側から背圧室８に向けて流出する際の流水の絶対流速ベクトルＣ１’が、入口側端縁２１Ａを介して背圧室入口部１０に向けて流入する際の流水の絶対流速ベクトルＣ１よりも周方向側に近づくように傾いた状態で、流水が背圧室入口部１０から流出するようになる。これにより、本実施の形態では、背圧室入口部１０から流出する流水が、背圧室入口部１０に流入する際の周方向速度成分Ｕ１よりも大きい周方向速度成分Ｕ１’を持った状態で流出されることになる。

同様に、図３（Ｂ）に示すように、側圧室入口部１１に流入する流水も、出口角度θ２’が入口角度θ２よりも小さい第２カバー側整流部２２にガイドされることで、側圧室入口部１１からのその流出角度θ２ｏｕｔが、側圧室入口部１１に流入する際のその流入角度θ２ｉｎよりも小さくなるように流出される。つまり、出口側端縁２２Ｂ側から側圧室９に向けて流出する流水の絶対流速ベクトルＣ２’が、入口側端縁２２Ａを介して側圧室入口部１１に向けて流入する際の流水の絶対流速ベクトルＣ２よりも周方向側に近づくように傾いた状態で、流水が側圧室入口部１１から流出するようになる。これにより、側圧室入口部１１から流出する流水も、側圧室入口部１１に流入する際の周方向速度成分Ｕ２よりも大きい周方向速度成分Ｕ２’を持った状態で流出されることになる。

図３（Ｃ）は、本実施の形態に係る水力機械１００の背圧室入口部１０に流入する流水の周方向速度分布を示し、図３（Ｄ）は、本実施の形態に係る水力機械１００の側圧室入口部１１に流入する流水の周方向速度分布を示す。これに対し、図４（Ａ）は、一般的な水力機械の背圧室入口部１０に流入する流水の周方向速度分布を示し、図４（Ｂ）は、一般的な水力機械の側圧室入口部１１に流入する流水の周方向速度分布を示している。各図における周方向速度分布は、上流から下流にかけて３段階に分けて示されている。なお、各図における周方向速度分布は、説明便宜上、軸方向に分布の程度を示す矢印が向いているが、本来、これらの矢印は、周方向におけるランナ４の回転方向側を向くものである。

図３（Ｃ），（Ｄ）及び図４（Ｃ），（Ｄ）に共通して示されるように、水車運転時においてはランナ４が高速で回転しているため、背圧室入口部１０内の流水及び側圧室入口部１１内の流水の周方向速度はそれぞれ、背圧室入口部１０を形成するクラウンにおける径方向外側を向く壁面４Ａ１と側圧室入口部１１を形成するバンドの径方向外側を向く壁面４Ｂ１で大きくなり、カバー側の静止壁面６１，７１でゼロとなる。一方で、図４（Ｃ），（Ｄ）に示される一般的な水力機械における周方向速度分布は、ランナの壁面とカバーの壁面の近傍において大きい傾きを持っている。一般的な水力機械における周方向速度分布では、上流から下流にかけてランナの壁面側での流速が急激に大きくなっていき、それに伴いランナの壁面とカバーの壁面の近傍における傾きも大きくなっている。

このような一般的な水力機械に対して、本実施の形態では、上述のように背圧室入口部１０に第１カバー側整流部２１を設け、側圧室入口部１１に第２カバー側整流部２２を設けることで、背圧室入口部１０から流出する流水が、背圧室入口部１０に流入する際の周方向速度成分Ｕ１よりも大きい周方向速度成分Ｕ１’を持った状態で流出され、側圧室入口部１１から流出する流水は、側圧室入口部１１に流入する際の周方向速度成分Ｕ２よりも大きい周方向速度成分Ｕ２’を持った状態で流出される。その結果、図３（Ｃ），（Ｄ）と図４（Ｃ），（Ｄ）とを対比して明らかなように、周方向速度分布が変化する。

具体的には、本実施の形態に係る水力機械１００の周方向速度分布では、図４（Ｃ），（Ｄ）に示される一般的な水力機械の周方向速度分布に比較して、ランナの壁面とカバーの壁面との間の中間部分における周方向速度が全体的に大きくなり、且つ、ランナの壁面及びカバーの壁面の近傍における傾きが緩やかになっている。これにより、本実施の形態では、背圧室８及び側圧室９内に流入する流水の周速度とランナ４の周速度との差が抑制され、背圧室８及び側圧室９において生じる円板摩擦損失を低減させることが可能となり、水力機械１００の性能を向上させることができるようになる。

図５のグラフでは、横軸がガイドベーン開度（ｍｍ）を示すとともに、縦軸が円板摩擦損失（％）を示し、且つ、本実施の形態に係る水力機械１００においてガイドベーン開度に応じて生じる円板摩擦損失が実線で示されるとともに、一般的な水力機械においてガイドベーン開度に応じて生じる円板摩擦損失が破線で示されている。図５に示すように、本実施の形態に係る水力機械１００では、一般的な水力機械に対して、過負荷運転範囲（大流量点開度時の運転範囲）における円板摩擦損失が抑制されている（図５中の矢印参照）。これは、背圧室入口部１０に第１カバー側整流部２１が設けられ、側圧室入口部１１に第２カバー側整流部２２が設けられることで、一般的な構成に対し、周方向速度が全体的に大きくなり、且つ、周方向速度分布内の勾配が緩やかになった結果、円板摩擦係数が低減されたからである。

一方で、図６のグラフでは、横軸がガイドベーン開度（ｍｍ）を示すとともに、縦軸が相対水車効率を示し、且つ、本実施の形態に係る水力機械１００のガイドベーン開度に応じた相対水車効率が実線で示されるとともに、一般的な水力機械のガイドベーン開度に応じた相対水車効率が破線で示されている。図６に示すように、本実施の形態では、上述のように過負荷運転範囲における円板摩擦損失が抑制されることで、過負荷運転範囲（大流量点開度時の運転範囲）における水車効率が改善されている（図６中の矢印参照）。

以上のように本実施の形態によれば、背圧室８及び側圧室９への流水の入口部１０，１１から背圧室８及び側圧室９内に流入する流水の周速度とランナの周速度との差を抑制し、背圧室８及び側圧室９において生じる円板摩擦損失を低減させることで、水力機械１００の性能を向上させることができる。なお、本実施の形態では、第１カバー側整流部２１及び第２カバー側整流部２２を当初から水力機械１００に設けることを想定しているが、改修を目的として、既存の水力機械に対し整流部２１，２２を追加的に設けてもよい。

（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水力機械に設けられるランナ４の斜視図である。また、図８（Ａ）は、第２の実施の形態におけるランナ４に形成された背圧室８側の第１ランナ側整流部３１の拡大図、図８（Ｂ）は、第２の実施の形態におけるランナ４に形成された側圧室９側の第２ランナ側整流部３２の拡大図を示している。また、図８（Ｃ）は、第２の実施の形態における背圧室入口部１０に流入する流水の周方向速度分布を示し、図８（Ｄ）は、第２の実施の形態における側圧室入口部１１に流入する流水の周方向速度分布を示している。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。

図７に示すように、本実施の形態では、背圧室入口部１０を形成するクラウン４Ａの壁面４Ａ１に第１ランナ側整流部３１が形成されるとともに、側圧室入口部１１を形成するバンド４Ｂの壁面４Ｂ１に第２ランナ側整流部３２が形成されている。

第１ランナ側整流部３１は、クラウン４Ａの壁面４Ａ１に対して凸なる突部であり、ランナ４の回転方向Ｒに対して傾斜して延びて且つ周方向に等間隔を空けて複数形成されている。図８（Ａ）に示すように、第１ランナ側整流部３１は、ランナ４に向けて径方向に沿って流れる流水の側を向く入口側端縁３１Ａと、入口側端縁３１Ａの反対側に位置し、背圧室８の側を向く出口側端縁３１Ｂとを有し、入口側端縁３１Ａから出口側端縁３１Ｂに向けて延びるに従い、回転方向Ｒとは逆方向に向けて延びるように傾斜している。これは、図８（Ａ）上の絶対流速ベクトルＣ３に示されるように、背圧室入口部１０に流入した流水は、回転しているランナ４に対して逆方向の周方向成分をもってランナ４に流入するからである。

また、第１ランナ側整流部３１は、水車運転時のランナ４の回転方向Ｒとは逆方向に凸となる反動翼の形状となっている。具体的には、図８（Ａ）に示すように、径方向の外側から内側に向けて第１ランナ側整流部３１を見た際に、第１ランナ側整流部３１が入口側端縁３１Ａの側で軸方向に直交する面となす入口角度θ３が、第１ランナ側整流部３１が出口側端縁３１Ｂの側で軸方向に直交する面となす出口角度θ３’よりも小さくなるように、第１ランナ側整流部３１が形成されている。

また、本実施の形態における第１ランナ側整流部３１においても入口側端縁３１Ａ及び出口側端縁３１Ｂにかけてキャンバーラインを描くことができ、上述した入口角度θ３は、径方向の外側から内側に向けて第１ランナ側整流部３１を見た際に、第１ランナ側整流部３１のキャンバーラインの入口側端縁３１Ａに対応する位置での接線が、軸方向に直交する面となす角度のことを意味する。また、出口角度θ３’は、径方向の外側から内側に向けて第１ランナ側整流部３１を見た際に、第１ランナ側整流部３１のキャンバーラインの出口側端縁３１Ｂに対応する位置での接線が、軸方向に直交する面となす角度のことを意味する。また、本実施の形態においても、入口側端縁３１Ａを含む端部領域及び出口側端縁３１Ｂを含む端部領域は滑らかに先細りとなる流線形状に形成されている。

第２ランナ側整流部３２も、第１ランナ側整流部３１と同様に、バンド４Ｂの壁面４Ｂ１に対して凸なる突部であり、ランナ４の回転方向Ｒに対して傾斜して延びて且つ周方向に等間隔を空けて複数形成されている。そして、図８（Ｂ）に示すように、第２ランナ側整流部３２も、ランナ４に向けて径方向に沿って流れる流水の側を向く入口側端縁３２Ａと、入口側端縁３２Ａの反対側に位置し、側圧室９の側を向く出口側端縁３２Ｂとを有しており、入口側端縁３２Ａから出口側端縁３２Ｂに向けて延びるに従い、水車運転時のランナ４の回転方向Ｒとは逆方向に向けて延びるように傾斜している。

そして、第２ランナ側整流部３２も、回転方向Ｒとは逆方向に凸となる反動翼の形状となっている。具体的には、図８（Ｂ）に示すように、径方向の外側から内側に向けて第２ランナ側整流部３２を見た際に、第２ランナ側整流部３２が入口側端縁３２Ａの側で軸方向に直交する面となす入口角度θ４が、第２ランナ側整流部３２が出口側端縁３２Ｂの側で軸方向に直交する面となす出口角度θ４’よりも小さい。

また、第１ランナ側整流部３１と同様に、第２ランナ側整流部３２の入口角度θ４及び出口角度θ４’も、キャンバーラインとの関係で定まる。また、第２ランナ側整流部３２においても、入口側端縁３２Ａを含む端部領域及び出口側端縁３２Ｂを含む端部領域が流線形状に形成されている。

本実施の形態では、図８（Ａ）に示すように、第１ランナ側整流部３１の出口側端縁３１Ｂ側から背圧室８に向けて流出する際の流水の絶対流速ベクトルＣ３’が、入口側端縁３１Ａを介して背圧室入口部１０に向けて流入する際の流水の絶対流速ベクトルＣ３よりも周方向側から離れるように傾いた状態で、流水が背圧室入口部１０から流出する。これにより、背圧室入口部１０から流出する流水が、ランナ４の回転方向Ｒに関して、背圧室入口部１０に流入する際の周方向速度成分Ｕ３よりも大きい周方向速度成分Ｕ３’を持った状態で流出される。

同様に、図８（Ｂ）に示すように、第２ランナ側整流部３２の出口側端縁３２Ｂ側から側圧室９に向けて流出する際の流水の絶対流速ベクトルＣ４’も、入口側端縁３２Ａを介して側圧室入口部１１に向けて流入する際の流水の絶対流速ベクトルＣ４よりも周方向側から離れるように傾いた状態で、流水が側圧室入口部１１から流出する。これにより、側圧室入口部１１から流出する流水も、ランナ４の回転方向Ｒに関して、側圧室入口部１１に流入する際の周方向速度成分Ｕ４よりも大きい周方向速度成分Ｕ４’を持った状態で流出される。

これにより、本実施の形態における背圧室入口部１０及び側圧室入口部１１の周方向速度分布においても、図８（Ｃ），（Ｄ）に示すように、一般的な水力機械の周方向速度分布（図４（Ｃ），（Ｄ））に比較して、ランナの壁面とカバーの壁面との間の中間部分における周方向速度が全体的に大きくなり、且つ、ランナの壁面及びカバーの壁面の近傍における傾きが緩やかになる。これにより、背圧室８及び側圧室９において生じる円板摩擦損失を低減させることができ、水力機械１００の性能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９（Ａ）は、第３の実施の形態に係る水力機械の背圧室入口部１０の拡大図であり、図９（Ｂ）は、第３の実施の形態に係る水力機械の側圧室入口部１１の拡大図である。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。

図９（Ａ）に示すように、本実施の形態では、背圧室入口部１０を形成する上カバー６の壁面６１に第１カバー側整流部２１が形成されるとともに、背圧室入口部１０を形成するクラウン４Ａの壁面４Ａ１に第１ランナ側整流部３１が形成される。また、図９（Ｂ）に示すように、側圧室入口部１１を形成する下カバー７の壁面７１に第２カバー側整流部２２が形成されるとともに、側圧室入口部１１を形成するバンド４Ｂの壁面４Ｂ１に第２ランナ側整流部３２が形成される。

第１カバー側整流部２１及び第１ランナ側整流部３１は、径方向で互いに対向するように形成されるが、第１カバー側整流部２１及び第１ランナ側整流部３１は、互いに干渉しないようにその径方向の長さを調節されている。同様に、第２カバー側整流部２２及び第２ランナ側整流部３２も、径方向で互いに対向するように形成されるが、第２カバー側整流部２２及び第２ランナ側整流部３２も、互いに干渉しないようにその径方向の長さを調節されている。

図９（Ａ），（Ｂ）中の周方向速度分布に示すように、本実施の形態では、一般的な水力機械の周方向速度分布（図４（Ｃ），（Ｄ））に比較して、各周方向速度分布におけるランナの壁面とカバーの壁面との間の中間部分における周方向速度が全体的により大きくなり、且つ、ランナの壁面及びカバーの壁面の近傍における傾きがより緩やかになる。これにより、背圧室８及び側圧室９において生じる円板摩擦損失を効果的に低減させることができ、水力機械１００の性能を一層向上させることができる。

（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１０（Ａ）は、第４の実施の形態に係る水力機械の背圧室入口部１０の拡大図であり、図１０（Ｂ）は、第４の実施の形態に係る水力機械の側圧室入口部１１の拡大図である。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、図１０（Ａ）に示すように、背圧室入口部１０を形成する上カバー６の壁面６１に第１カバー側整流部２１が形成されるとともに、背圧室入口部１０を形成するクラウン４Ａの壁面４Ａ１に第１ランナ側整流部３１が形成される。また、図１０（Ｂ）に示すように、側圧室入口部１１を形成する下カバー７の壁面７１に第２カバー側整流部２２が形成されるとともに、側圧室入口部１１を形成するバンド４Ｂの壁面４Ｂ１に第２ランナ側整流部３２が形成される。

第１カバー側整流部２１及び第１ランナ側整流部３１は、軸方向に沿って交互に形成されており、径方向で互いに対向していない。同様に、第２カバー側整流部２２及び第２ランナ側整流部３２も、軸方向に沿って交互に形成されており、径方向で互いに対向していない。

図１０（Ａ），（Ｂ）中の周方向速度分布に示すように、本実施の形態においても、一般的な水力機械の周方向速度分布（図４（Ｃ），（Ｄ））に比較して、各周方向速度分布におけるランナの壁面とカバーの壁面との間の中間部分における周方向速度が全体的により大きくなり、且つ、ランナの壁面及びカバーの壁面の近傍における傾きがより緩やかになる。これにより、第４の実施の形態と同様の効果が得られる。

（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（Ａ）は、第５の実施の形態に係る水力機械の背圧室入口部１０の拡大図であり、図１１（Ｂ）は、第５の実施の形態に係る水力機械の側圧室入口部１１の拡大図である。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、背圧室入口部１０を形成する上カバー６の壁面６１の一部を少なくとも覆う第１カバー側ライナー部材１１１が上カバー６に着脱自在に設けられ、第１カバー側ライナー部材１１１の一部として、第１カバー側整流部２１が形成されている。また、背圧室入口部１０を形成するクラウン４Ａの壁面４Ａ１の一部を少なくとも覆う第１ランナ側ライナー部材１２１がランナ４に着脱自在に設けられ、第１ランナ側ライナー部材１２１の一部として、第１カバー側整流部２１が形成されている。

また、側圧室入口部１１を形成する下カバー７の壁面７１の一部を少なくとも覆う第２カバー側ライナー部材１１２が下カバー７に着脱自在に設けられ、第２カバー側ライナー部材１１２の一部として、第２カバー側整流部２２が形成されている。また、側圧室入口部１１を形成するバンド４Ｂの壁面４Ｂ１の一部を少なくとも覆う第２ランナ側ライナー部材１２２がランナ４に着脱自在に設けられ、第２ランナ側ライナー部材１２２の一部として、第２ランナ側整流部３２が形成されている。

このような実施の形態では、整流部の改修が容易となる。

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。

１…ケーシング、２…ステーベーン、３…ガイドベーン、４…ランナ、４Ａ…クラウン、４Ａ１…壁面、４Ｂ…バンド、４Ｂ１…壁面、４Ｃ…ランナ羽根、５…吸出し管、６…上カバー、６１…壁面、７…下カバー、７１…壁面、８…背圧室、９…側圧室、１０…背圧室入口部、１１…側圧室入口部、２１…第１カバー側整流部、２１Ａ…入口側端縁、２１Ｂ…出口側端縁、２２…第２カバー側整流部、２２Ａ…入口側端縁、２２Ｂ…出口側端縁、３１…第１ランナ側整流部、３１Ａ…入口側端縁、３１Ｂ…出口側端縁、３２…第２ランナ側整流部、３２Ａ…入口側端縁、３２Ｂ…出口側端縁、１００…水力機械、１１１…第１カバー側ライナー部材、１１２…第２カバー側ライナー部材、１２１…第１ランナ側ライナー部材、１２２…第２ランナ側ライナー部材

Claims (10)

1. カバーと、前記カバー内に回転自在に設けられるランナと、を備え、
   前記ランナと前記カバーとの間に、背圧室及び側圧室が形成され、
   径方向で互いに対向する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面により、前記背圧室及び前記側圧室に各別に通じる二つの入口部が形成されており、
   前記背圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面、及び／又は、前記側圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部が設けられている、水力機械。
2. 前記整流部は、前記ランナの壁面又は前記カバーの壁面に対して凸なる突部又は凹となる溝であり、前記ランナの回転方向に対して傾斜して延びて且つ周方向に複数形成されている、請求項１に記載の水力機械。
3. 前記整流部は、前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のそれぞれに形成されている、請求項１又は２に記載の水力機械。
4. 前記ランナの壁面に形成された前記整流部と、前記カバーの壁面に形成された前記整流部とが、軸方向に沿って交互に形成されている、請求項３に記載の水力機械。
5. 前記整流部が前記カバーの壁面に形成され、
   前記整流部は、前記ランナを回転させるべく前記ランナに向けて径方向に沿って流れる流水の側を向く入口側端縁と、前記入口側端縁の反対側に位置し、前記背圧室又は前記側圧室の側を向く出口側端縁とを有し、
   前記整流部は、前記入口側端縁から前記出口側端縁に向けて延びるに従い、水車運転時の前記ランナの回転方向に向けて延びるように傾斜しており、
   径方向の内側から外側に向けて前記整流部を見た際に、前記整流部が前記入口側端縁の側で軸方向に直交する面となす入口角度が、前記整流部が前記出口側端縁の側で軸方向に直交する面となす出口角度よりも大きくなっている、請求項１乃至４のいずれかに記載の水力機械。
6. 前記整流部が前記ランナの壁面に形成され、
   前記整流部は、前記ランナを回転させるべく前記ランナに向けて径方向に沿って流れる流水の側を向く入口側端縁と、前記入口側端縁の反対側に位置し、前記背圧室又は前記側圧室の側を向く出口側端縁とを有し、
   前記整流部は、前記入口側端縁から前記出口側端縁に向けて延びるに従い、水車運転時の前記ランナの回転方向とは逆方向に向けて延びるように傾斜しており、
   径方向の外側から内側に向けて前記整流部を見た際に、前記整流部が前記入口側端縁の側で軸方向に直交する面となす入口角度が、前記整流部が前記出口側端縁の側で軸方向に直交する面となす出口角度よりも小さくなっている、請求項１乃至５のいずれかに記載の水力機械。
7. 前記整流部は、前記ランナの壁面又は前記カバーの壁面を覆うようにして前記ランナ又は前記カバーに着脱自在に設けられるライナー部材の一部として形成されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の水力機械。
8. カバー内に回転自在に設けられる水力機械のランナであって、
   前記カバーとの間に、背圧室及び側圧室を形成するとともに、径方向で前記カバーの壁面と対向するその壁面が、前記カバーの壁面とともに前記背圧室及び前記側圧室に各別に通じる二つの入口部を形成しており、
   前記背圧室側の前記入口部を形成するその壁面、及び／又は、前記側圧室側の前記入口部を形成するその壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部が設けられている、水力機械のランナ。
9. 回転自在なランナを覆う水力機械のカバーであって、
   前記ランナとの間に、背圧室又は側圧室を形成するとともに、径方向で前記ランナの壁面と対向するその壁面が、前記ランナの壁面とともに前記背圧室又は前記側圧室に通じる入口部を形成しており、
   前記背圧室側の前記入口部を形成するその壁面、又は、前記側圧室側の前記入口部を形成するその壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部が設けられている、水力機械のカバー。
10. カバーと、前記カバー内に回転自在に設けられるランナと、を備える水力機械の改修方法であって、
    前記ランナと前記カバーとの間に、背圧室及び側圧室が形成され、
    径方向で互いに対向する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面により、前記背圧室及び前記側圧室に各別に通じる二つの入口部が形成されており、
    前記背圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面、及び／又は、前記側圧室側の前記入口部を形成する前記ランナの壁面及び前記カバーの壁面のうちの少なくともいずれか一方の壁面に、前記入口部に流入した流水の周方向速度を前記ランナの回転方向に向けて増加させる整流部を設ける、水力機械の改修方法。

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