JP2019210922A - 水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ランナから流出した旋回流れの流体エネルギを回収するとともに、水力損失を低減することができる水力機械用エネルギ回収装置を提供する。【解決手段】実施の形態による水力機械用エネルギ回収装置１０は、ランナ５から流出する旋回流れを受ける回収翼１４を含み、旋回流れの流体エネルギを回転エネルギに変換する羽根車１１と、羽根車１１の回転エネルギで発電を行う回収発電機１２と、を備えている。羽根車１１は、ランナ５とは独立に回転可能に構成されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法に関する。

水力機械の一例としてのフランシス水車の一例を図１２に示す。図１２に示すフランシス水車１０１の水車運転時においては、図示しない水圧鉄管からケーシング１０２に水流が導かれ、この水流は、複数のステーベーン１０３および複数のガイドベーン１０４を通ってランナ１０５に流入する。この水流によって、ランナ１０５は、回転軸線Ｘを中心に回転する。これにより、水流の流体エネルギが回転エネルギに変換される。ランナ１０５の回転エネルギは、水車回転軸１０６を介して図示しない水車発電機に伝達され、水車発電機が発電を行う。フランシス水車１０１の出力を変化させる場合には、ガイドベーン１０４の開度を変化させて、ランナ１０５に流入する水の流量を調整する。

フランシス水車１０１では、ランナ１０５のランナ羽根１０５ｃは、クラウン１０５ａおよびバンド１０５ｂに固定されている。このため、ガイドベーン１０４の開度を変化させると、ランナ羽根１０５ｃへの水の流入角度が変化する。この場合、水流の流体エネルギの一部は回転エネルギに変換されず、その結果としてランナ１０５から流出される水流が旋回流れとなる。

特に、部分負荷運転時には、この水流が旋回流れとなる現象が顕著になり、図１２に示すように、ランナ１０５の下流側に設けられた吸出し管１０８内に、旋回流れに起因した渦１１０が発生し得る。この渦１１０は、ランナ１０５の回転方向と同じ方向に振れ回る。渦１１０の中心部では、圧力が著しく低下し、死水領域が形成される。また、渦１１０は、吸出し管１０８内を振れ回ることにより吸出し管１０８の壁面を激しく叩き、発電所の他の機器や構造物と共振を引き起こす場合がある。これは、発電所内の振動および騒音を引き起こし、安全かつ安定した運転が困難になり得る。

ここで、ランナ羽根１０５ｃの入口および出口における水流の速度三角形を図１３に示す。実線は、最高効率点（設計点）における流れを示し、破線は部分負荷時（小流量運転時）における流れを示している。二点鎖線は、過負荷時（大流量運転時）における流れを示している。図１３に示すＣｕ、ＣｖおよびＣｗはそれぞれ、周速度、絶対速度、および相対速度を、

で無次元化している。ランナ羽根１０５ｃの入口における流れを、Ｃｕ１、Ｃｖ１、Ｃｗ１で表わし、周速度Ｃｕ１と相対速度Ｃｗ１とがなす角度をβ１としている。同様に、ランナ羽根１０５ｃの出口における流れを、Ｃｕ２、Ｃｖ２、Ｃｗ２で表わし、周速度Ｃｕ２と相対速度Ｃｗ２とがなす角度をβ２としている。

最高効率点においては、ランナ羽根１０５ｃの出口における流れは、図１３の実線で示すＣｖ２のように旋回成分Ｃｖｕ２（絶対速度Ｃｖ２の周方向成分）が小さく、ランナ１０５の回転軸線Ｘに沿うようになる。しかしながら、部分負荷時には、絶対速度Ｃｖ２は、破線で示すように、ランナ１０５の回転方向の側に傾斜する。これは、旋回流れが強くなり、旋回成分Ｃｖｕ２が増加していることを表わしている。

この旋回成分Ｃｖｕ２について、ランナ羽根１０５ｃの出口において行った流速測定により得られた半径方向分布を図１４に示す。図１４においては、絶対速度Ｃｖの軸流成分Ｃｖｍ２（Ｃｖの軸方向成分）を実線で表わし、旋回成分Ｃｖｕ２を破線で表わしている。また、最高効率点における分布を太線で表わし、部分負荷時における分布を細線で表わしている。軸流成分は下向きの方向を正とし、旋回成分はランナ１０５の回転方向を正としている。図１４に示すように、部分負荷時では、軸流成分Ｃｖｍ２の半径方向分布に偏りが生じ、外周側で軸流成分Ｃｖｍ２が大きくなっている。このことにより、外周側で水流が速くなっていることがわかる。軸流成分Ｃｖｍ２は、外周側から中心に向かって減速し、中心付近において負側の値をとっている。このことにより、中心付近では水流が逆流していることがわかる。部分負荷時における絶対速度Ｃｖ２の旋回成分Ｃｖｕ２も同様に、半径方向分布に偏りが生じており、外周側で旋回成分Ｃｖｕ２が大きくなっている。このことにより、外周側における水流がランナ１０５の回転方向に旋回する流れとなっていることがわかる。

図１５に、吸出し管１０８の壁面近傍における流れの速度三角形を示す。実線は、最高効率点における流れを示しており、破線は、部分負荷時における流れを示している。上述したように、部分負荷時には流れが外周側に偏って旋回流れとなるため、絶対速度Ｃｖ２の軸流成分Ｃｖｍ２および旋回成分Ｃｖｕ２が共に増大する。すなわち、外周側で流体エネルギを多く持った流れ場となる。

一方、過負荷時（大流量運転時）には、図１６に示すように、吸出し管１０８の中心部に、渦１２０が形成される。図１３に二点鎖線で示すように、過負荷時における絶対速度Ｃｖ２の旋回成分Ｃｖｕ２は、部分負荷時の旋回成分Ｃｖｕ２とは反対方向の成分になっているため、ランナ１０５の出口における水流の旋回方向は、部分負荷時とは反対方向になる。すなわち、部分負荷時に発生する旋回流れとは反対方向の旋回流れが、過負荷時に発生し得る。

このようにして、部分負荷時および過負荷時には、ランナ羽根１０５ｃの出口において旋回流れが発生している。この旋回流れは、水流の流体エネルギをランナ１０５で回収し切れていないために発生しており、この回収されない流体エネルギが捨てられてしまう。このため、最高効率点よりも部分負荷時や過負荷時では効率が低下する傾向にある。

以上では、落差が一定であることを前提にして、最高効率点を挟んで部分負荷側および過負荷側の流れの様子を説明している。しかしながら、落差が変化した場合においても、ランナ１０５の出口における旋回流れの変化に応じて吸出し管１０８内に類似の現象が現れる。

このような問題点の対策として、特許文献１に示す水力機械が知られている。特許文献１においては、フランシス形ランナの下方に、水車回転軸に連動してフランシス形ランナとともに回転するプロペラ形ランナが設置されている。このことにより、上流側のフランシス形ランナから流出した旋回流れの流体エネルギを、下流側のプロペラ形ランナが回収することが可能になっている。

しかしながら、特許文献１で示す水力機械では、プロペラ形ランナがフランシス形ランナに直結されており、プロペラ形ランナが、フランシス形ランナを介して水車回転軸に一軸で連結されている。このことにより、フランシス形ランナの中心部に、プロペラ形ランナを連結するための構造物が配置されることになり、フランシス形ランナの出口において水流の流路面積が減少する。とりわけ、水車運転の過負荷時には流量が増大するため、流路面積の減少によって水車運転の効率が低下しやすくなっている。この問題を回避するために、フランシス形ランナのランナ羽根の出口開度を大きくすることが考えられるが、この場合には、ランナ羽根の翼長が短くなるため、翼負荷が増加し、フランシス形ランナの効率や特性が悪化する可能性がある。

また、特許文献２に示すフランシス水車においては、ランナのバンドの下端部とシール部との間に形成される流路を、ランナを通過した水流（主流）を乱さない方向に傾斜させている。これにより、隙間部（側圧室）から流出する流れの方向を変えて、吸出し管の壁面近傍における水の旋回流れを制御して、水車効率の低下抑制を図っている。しかしながら、特許文献２に示すフランシス水車ではランナから流出する旋回流れの流体エネルギを回収するようにはなっていない。

さらに、特許文献３に示す水力機械においては、吸出し管の壁面に配管を設置し、その配管の出口から高圧水を水流に向けて噴き出している。これにより、ランナの入口のうち吸出し管の壁面近傍における水流に旋回成分を付与し、揚水運転の高揚程時の特性の改善を図っている。しかしながら、特許文献３に示す水力機械では、吸出し管内に整流格子を配置して、水流に旋回成分を付与する例も示しているが、水車運転時における効率や特性の改善については言及していない。また、水車運転時において、ランナから流出する旋回流れの流体エネルギを回収するようにはなっていない。

特開平１１−１５９４３３号公報 特開２００２−２３５６５２号公報 特開２００１−１６５０２５号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナから流出した旋回流れの流体エネルギを回収するとともに、水力損失を低減することができる水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法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用エネルギ回収装置は、水力機械の水車運転時にランナから流出される水の旋回流れの流体エネルギを回収する装置である。この水力機械用エネルギ回収装置は、ランナから流出する旋回流れを受ける回収翼を含み、旋回流れの流体エネルギを回転エネルギに変換する羽根車と、羽根車の回転エネルギで発電を行う回収発電機と、を備えている。羽根車は、ランナとは独立に回転可能に構成されている。

また、実施の形態による水力機械は、ランナと、上述した水力機械用エネルギ回収装置と、を備えている。

また、実施の形態による水力機械の運転方法は、上述した水力機械の運転方法であって、水力機械の最高効率点での出力を１００％としたときに、１２０％以上の出力で運転する工程を含む。

本発明によれば、ランナから流出した旋回流れの流体エネルギを回収するとともに、水力損失を低減することができる。

図１は、第１の実施の形態によるエネルギ回収装置を備えたフランシス水車の断面構成図である。 図２は、図１のランナ羽根とエネルギ回収装置の回収翼における水流の速度三角形を示す図である。 図３は、図１に示す吸出し管内における水流の速度分布を説明するための図である。 図４は、図１に示すフランシス水車における水車運転の効率を説明するための図である。 図５は、第２の実施の形態によるエネルギ回収装置を備えたフランシス水車の断面構成図である。 図６は、図５に示すフランシス水車における水車運転の効率を説明するための図である。 図７は、一般的なフランシス形ポンプ水車の揚水運転時の低揚程時において、ランナの入口における水流の速度三角形を示す図である。 図８は、図５に示すフランシス形ポンプ水車の揚水運転時の低揚程時において、ランナの入口における水流の速度三角形を示す図である。 図９は、第３の実施の形態によるエネルギ回収装置を備えたフランシス水車の断面構成図である。 図１０は、第４の実施の形態によるエネルギ回収装置を備えたフランシス水車の断面構成図である。 図１１は、第５の実施の形態によるエネルギ回収装置を備えたフランシス水車の断面構成図である。 図１２は、一般的なフランシス水車において部分負荷時のランナの出口流れを示す図である。 図１３は、図１２のランナ羽根における水流の速度三角形を示す図である。 図１４は、図１２の吸出し管内における水流の速度分布を説明するための図である。 図１５は、図１２のランナ羽根の壁面近傍における水流の速度三角形を示す図である。 図１６は、一般的なフランシス水車において過負荷時におけるランナの出口流れを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法について説明する。

（第１の実施の形態）
まず、図１〜図４を用いて、第１の実施の形態における水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法について説明する。ここでは、まず、図１を用いて水力機械の一例であるフランシス水車について説明する。

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４と、ランナ５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４およびランナ５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ている。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。

ガイドベーン４は、流入した水をランナ５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ている。ガイドベーン４の間には、水が流れる流路が形成されている。各ガイドベーン４は、回動可能に構成されており、各ガイドベーン４が回動して隣り合うガイドベーン４とで形成される開度を変えることにより、ランナ５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、後述する水車発電機７の発電量が調整可能になっている。

ランナ５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５は、ランナ５に流入する水の流体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５は、後述する水車回転軸６の下端に連結されたクラウン５ａと、クラウン５ａよりも外周側に設けられたバンド５ｂと、クラウン５ａとバンド５ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根５ｃと、を有している。このうちランナ羽根５ｃは、周方向に所定の間隔を開けて配置されており、クラウン５ａおよびバンド５ｂに対して固定されている。ランナ羽根５ｃの間には、水が流れる流路が形成されている。

ランナ５には、水車回転軸６を介して水車発電機７が連結されている。この水車発電機７は、水車運転時には、ランナ５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５よりも水車運転時の下流側には、吸出し管８（ドラフト管とも言う）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を回転駆動した水の圧力を回復させて、下池に放出させるようになっている。吸出し管８は、ランナ５の側に設けられた上部管８ａと、上部管８ａよりも下流側に設けられた曲がり管８ｂと、曲がり管８ｂよりも下流側（下池の側）に設けられた拡大管（図示せず）と、を有している。上部管８ａは、回転軸線Ｘに沿う方向に延び、円錐状または円筒状に形成されている。拡大管は、横向きの流路を画定する部分である。このように形成された上部管８ａと拡大管とを滑らかに接続するように、曲がり管８ｂは、湾曲した形状を有している。

なお、本実施の形態によるフランシス水車１は、ポンプ水車として揚水運転を行うことができるフランシス形ポンプ水車として構成されていてもよい。この場合、水車発電機７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５を回転駆動するように構成される。このため、吸出し管８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可能になる。ガイドベーン４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。

図１に示すように、吸出し管８の上部管８ａには、本実施の形態による水力機械用エネルギ回収装置（以下、単に「エネルギ回収装置１０」と記す）が設けられている。このエネルギ回収装置１０は、フランシス水車１の水車運転時にランナ５から流出される旋回流れの流体エネルギを回収するための装置である。エネルギ回収装置１０について、以下により詳細に説明する。

図１に示すように、エネルギ回収装置１０は、水の旋回流れの流体エネルギを回転エネルギに変換する羽根車１１と、羽根車１１の回転エネルギで発電を行う回収発電機１２と、を備えている。このうち羽根車１１は、ランナ５とは独立に回転可能に構成されている。すなわち、羽根車１１の後述するベース１３は、ランナ５や水車回転軸６とは、トルク伝達可能には連結されておらず、回転トルクが互いに伝達不能になっている。このため、回収発電機１２は、上述した水車発電機７とは独立して発電を行うようになっている。

羽根車１１は、吸出し管８の上部管８ａに回転可能に設けられたベース１３と、ベース１３に支持された複数の回収翼１４と、を含んでいる。ベース１３は、回転軸線Ｘに沿って見たときには環状に形成されており、羽根車１１は、ランナ５の回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。すなわち、回転軸線Ｘは、ランナ５の回転軸線であるだけでなく、羽根車１１の回転軸線にもなっている。

上述したように、ベース１３は、吸出し管８の上部管８ａに回転可能に設けられている。より具体的には、上部管８ａには、羽根車１１および回収発電機１２を収容する収容部１５が設けられている。収容部１５は、上部管８ａの全周にわたって形成されており、上部管８ａよりも外周側に突出している。収容部１５は、回転軸線Ｘに沿って見たときには環状に形成されており、羽根車１１のベース１３は、この収容部１５に回転可能に収容されている。

ベース１３と収容部１５の壁面との間にシール１６が介在されており、このシール１６によって、吸出し管８内を流れる水を封止している。シール１６は、ベース１３の上側および下側にそれぞれ設けられている。回転軸線Ｘに沿って見たときに各シール１６は環状に形成されており、上側のシール１６と下側のシール１６は、重なるように配置されている。

ベース１３は、軸受１７を介して、収容部１５の壁面に回転可能に支持されている。すなわち、軸受１７は、ベース１３の上側および下側にそれぞれ設けられている。ベース１３の上側において、半径方向（図１における左右方向）に離間して２つの軸受１７が配置されている。同様に、ベース１３の下側において、半径方向に離間して２つの軸受１７が配置されている。上側の軸受１７と対応する下側の軸受１７は、回転軸線Ｘに沿って見たときに重なるように配置されている。このようにして、ベース１３は、収容部１５の壁面に対して滑らかに回転可能になっている。

回収翼１４は、ランナ５から流出する水流を受けるように形成されている。回収翼１４は、ベース１３の内周面に取り付けられてベース１３に支持されている。本実施の形態では、各回収翼１４は、ベース１３に対して固定されている。また、回収翼１４は、回転軸線Ｘを中心としたときの周方向に所定の間隔をあけて配置されている。このようにして、羽根車１１は、ランナ５から流出した旋回流れの流体エネルギを回転エネルギに変換する。すなわち、ランナ５から流出した水流を回収翼１４が受けると、羽根車１１は、ランナ５と同じ方向に回転するようになっている。

本実施の形態においては、回収翼１４は、部分負荷時にランナ５から流出した旋回流れの流体エネルギを回収できるような角度で、ベース１３に固定されている。すなわち、回収翼１４の角度は、部分負荷時における所望の出力点で、旋回流れの流体エネルギを効果的に回収できるような角度になっている。

図１に示すように、回収発電機１２は、羽根車１１の回収翼１４よりも外周側に配置されており、所謂アウターロータ構造を有している。回収発電機１２は、羽根車１１のベース１３に設けられた回転子１８と、回転子１８に対してランナ５の側およびランナ５の側とは反対側のうちの少なくとも一方に設けられた固定子１９と、を有している。本実施の形態においては、回転子１８に対して上下方向両側に固定子１９が設けられており、回転子１８および固定子１９は、回転軸線Ｘに沿って見たときに環状に形成されるとともに重なるように配置されている。すなわち、回収発電機１２は、所謂アキシャルギャップ方式の発電機として構成されている。回転子１８に永久磁石を用い、固定子１９にコイルを用いてもよい。固定子１９は、収容部１５の壁面に固定されていてもよい。

ベース１３の上面に、上側の固定子１９が収容された上側凹部２０が設けられており、ベース１３の下面に、下側の固定子１９が収容された下側凹部２１が設けられている。上側凹部２０は、ベース１３の上側に設けられた一対の軸受１７の間に配置されており、下側凹部２１は、ベース１３の下側に設けられた一対の軸受１７の間に配置されている。上側凹部２０は、上下方向において上側の固定子１９に対向する底面２０ａを含んでおり、この底面２０ａに、上側の固定子１９に対向するように回転子１８が設けられている。同様に、下側凹部２１は、上下方向において下側の固定子１９に対向する底面２１ａを含んでおり、この底面２１ａに、下側の固定子１９に対向するように回転子１８が設けられている。

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。

水車運転時、上池から図示しない水圧鉄管を通ってケーシング２に水流が導かれ、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。ランナ５のランナ羽根５ｃが水流を受けて、ランナ５が回転軸線Ｘを中心に回転する。ランナ５を回転させた水は、吸出し管８を通って下池に放出される。

この間、ランナ５において水流の流体エネルギが回転エネルギに変換され、ランナ５の回転エネルギが、水車回転軸６を介して水車発電機７に伝達される。そして、水車発電機７が発電を行う。水車発電機７の発電量を調整する場合には、ガイドベーン４の開度を変化させて、ランナ５に流入する水の流量が調整される。

一般的に、最高効率点（設計点）から外れた部分負荷時（小流量運転時）には、上述したように、図１２に示すような渦１１０が、吸出し管８内に形成され得る。すなわち、ランナ５から流出される水の流れが、旋回成分を有する旋回流れとなる。

しかしながら、本実施の形態では、図１に示すように、吸出し管８にエネルギ回収装置１０が設けられており、このエネルギ回収装置１０で、水の旋回流れの流体エネルギが回収される。そして、旋回成分を低減した流れが、回収翼１４から下流側に排出される。

すなわち、エネルギ回収装置１０の回収翼１４が、ランナ５から流出した水流を受けて、羽根車１１が、回転軸線Ｘを中心に回転する。これにより、エネルギ回収装置１０の羽根車１１において旋回流れの流体エネルギが回転エネルギに変換され、回収発電機１２が発電を行う。

ここで、ランナ羽根５ｃおよびエネルギ回収装置１０の羽根車１１における水流の速度三角形を図２に示す。図２においては、部分負荷時の水流の速度三角形を示しており、ランナ羽根５ｃの入口および出口における水流の速度三角形は、図１５において破線で示したランナ羽根５ｃの入口および出口における壁面近傍の水流の速度三角形と同じである。ランナ羽根５ｃの入口における流れを、Ｃｕ１、Ｃｖ１、Ｃｗ１で表わし、周速度Ｃｕ１と相対速度Ｃｗ１とがなす角度をβ１としている。同様に、ランナ羽根５ｃの出口における流れを、Ｃｕ２、Ｃｖ２、Ｃｗ２で表わし、周速度Ｃｕ２と相対速度Ｃｗ２とがなす角度をβ２としている。回収翼１４の出口における流れを、Ｃｕ３、Ｃｖ３、Ｃｗ３で表わし、周速度Ｃｕ３と相対速度Ｃｗ３とがなす角度をβ３としている。

図２に示すように、羽根車１１の出口における流れの絶対速度Ｃｖ３は、ランナ羽根５ｃの出口における流れの絶対速度Ｃｖ２よりもランナ５の回転方向の側に傾斜していない。すなわち、ランナ羽根５ｃから流出した旋回流れの流体エネルギが回収されているため、旋回成分Ｃｖｕ３は、旋回成分Ｃｖｕ２よりも小さくなり、絶対速度Ｃｖ３は、絶対速度Ｃｖ２よりも回転軸線Ｘに沿うようになる。

図３は、部分負荷時の、羽根車１１の回収翼１４の出口における水流速度の半径方向分布を示す。図３においては、絶対速度Ｃｖの軸流成分を実線で表わし、旋回成分を破線で表わしている。また、図３には、図１４で示したランナ羽根５ｃの入口および出口における水流速度の半径方向分布も示している。本実施の形態による回収翼１４についての分布（Ｃｖｍ３、Ｃｖｕ３）を太線で表わし、図１４に示す分布（Ｃｖｍ２、Ｃｖｕ２）を細線で表わしている。図１４と同様に、軸流成分は下向きの方向を正とし、旋回成分はランナ５の回転方向を正としている。

図３に示すように、部分負荷時では、ランナ羽根５ｃの出口における旋回成分Ｃｖｕ２が外周側で大きくなっているが、回収翼１４の出口における旋回成分Ｃｖｕ３は減少し、旋回成分の偏りが大幅に軽減されている。また、ランナ羽根５ｃの出口における軸流成分Ｃｖｍ２が外周側で大きくなっているが、回収翼１４の出口における軸流成分Ｃｖｍ３は減少し、軸流成分の偏りも軽減されている。このことにより、ランナ羽根５ｃの出口における旋回流れの流体エネルギが羽根車１１で効果的に回収され、その結果として、羽根車１１の出口における水流の旋回成分が低減していると言える。

図４は、本実施の形態によるエネルギ回収装置１０を備えたフランシス水車１の水車運転の効率を示す。図４には、エネルギ回収装置１０を備えていないフランシス水車の効率も示している。上述したように、部分負荷時にランナ羽根５ｃの出口における旋回流れの流体エネルギがエネルギ回収装置１０で回収されるため、部分負荷時における水車運転の効率が向上する。また、回収翼１４の出口における旋回成分Ｃｖｕ３が、エネルギ回収装置１０を備えていない場合のランナ羽根５ｃの出口における旋回成分Ｃｖｕ２よりも低減されて、吸出し管８内を流れる水流が旋回することが抑制される。このため、吸出し管８内における水流の損失を低減でき、水力損失が低減される。この点においても、水車運転の効率が向上する。この結果、図４に示すように、本実施の形態によるフランシス水車１は、エネルギ回収装置１０を備えていないフランシス水車よりも、部分負荷時における水車運転の効率を向上させることができる。

このように本実施の形態によれば、エネルギ回収装置１０の羽根車１１が、ランナ５から流出される旋回流れの流体エネルギを回転エネルギに変換し、回収発電機１２で発電が行われる。このため、部分負荷時にランナ５から流出した旋回流れの流体エネルギを回収することができる。また、吸出し管８内を流れる水流が旋回することを抑制でき、吸出し管８における水流の損失を低減できる。このため、水力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、エネルギ回収装置１０の羽根車１１が、ランナ５とは独立に回転可能に構成されている。このことにより、羽根車１１の回転トルクをランナ５に伝達することを不要にでき、ランナ５の出口に構造物が設けられることを不要にできる。このため、ランナ５から流出した水流の流路面積が低減することを防止でき、水力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、エネルギ回収装置１０の回収発電機１２が、羽根車１１の回収翼１４よりも外周側に配置されている。このことにより、羽根車１１よりも内周側に、羽根車１１の回転トルクを伝達するための機構を設けることを不要にできる。このため、ランナ５から流出した水流の流路が低減することを防止でき、水力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、エネルギ回収装置１０の羽根車１１が、ランナ５の水車運転時の下流側に設けられた吸出し管８の曲がり管８ｂよりも上流側に回転可能に設けられている。このことにより、羽根車１１を、ランナ５の回転軸線Ｘを中心に回転させることが可能になる。このため、部分負荷時にランナ５から流出した旋回流れの流体エネルギを効果的に回収することができる。また、吸出し管８内を流れる水流が旋回することを効果的に抑制できる。

また、本実施の形態によれば、回収発電機１２の回転子１８に対してランナ５の側およびランナ５の側とは反対側のうちの少なくとも一方に固定子１９が設けられている。このことにより、磁束の通過断面積を大きくとることができ、回収発電機１２の出力を高めることができる。また、回収発電機１２の回転軸線Ｘに沿う方向（上下方向）の寸法を低減することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、回収翼１４が、部分負荷時にランナ５から流出した旋回流れの流体エネルギを回収できるような角度で、ベース１３に固定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い。例えば、回収翼１４の角度は、過負荷時にランナ５から流出した旋回流れの流体エネルギを回収できるような角度であってもよい。この場合には、過負荷時にランナ５から流出した旋回流れの流体エネルギを回収することができる。また、羽根車１１の出口における水流の旋回成分が低減されるため、過負荷時に吸出し管８内を流れる水流が旋回することを抑制でき、吸出し管８における水流の損失を低減できる。このため、水力損失を低減することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図５〜図８を用いて、第２の実施の形態による水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法について説明する。

図５〜図８に示す第２の実施の形態においては、各回収翼が、回転軸線に直交する方向に延びる回収軸線を中心に回動可能になっている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５〜図８において、図１〜図４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５に示すように、各回収翼１４は、回転軸線Ｘに直交する方向に延びる回収軸線Ｙを中心に、ベース１３に対して回動可能になっている（図５に示す両矢印Ｐ参照）。ベース１３よりも外周側に、回収翼１４を回動させるための駆動機構３０が設けられている。駆動機構３０は、ベース１３内を貫通する駆動軸３１を介して回収翼１４に連結されている。駆動軸３１の中心軸線は、回収軸線Ｙに沿う方向（半径方向）に延びている。駆動機構３０は、回収翼１４毎に設けられている。このようにして、一の駆動機構３０によって対応する一の回収翼１４が回動し、回収翼１４の角度が調整されるようになっている。駆動機構３０は、駆動軸３１を介して対応する回収翼１４を回動させることができれば、任意の構成とすることができる。例えば、駆動機構３０は、電動駆動や油圧駆動などで、対応する回収翼１４を個別に回動するようにしてもよい。あるいは、図示しないが、各駆動軸３１がリンク機構（図示せず）によって互いに連結されて、図示しない駆動部によって、各回収翼１４が一体に回動するように構成されていてもよい。なお、駆動軸３１とベース１３との間には、第２のシール３２が設けられており、吸出し管８内を流れる水を封止している。

本実施の形態によるフランシス水車１は、後述するようにフランシス形ポンプ水車として構成されている。本実施の形態による回収発電機１２は、羽根車１１を回転駆動する電動機としての機能を有している。この場合、回収発電機１２に電力が供給されることにより、羽根車１１を、回転軸線Ｘを中心として回転させることができる。このため、フランシス水車１が揚水運転を行う場合、回収発電機１２が羽根車１１を回転駆動し、ランナ５に流入する水流に旋回成分が付与される。

また、本実施の形態による回収発電機１２は、可変速発電機であってもよい。このことにより、回収翼１４の角度の調整だけでは、部分負荷時のランナ５から流出される旋回流れの流体エネルギを回収しきれない場合であっても、羽根車１１の回転速度を細かく調整することで、回収翼１４の出口における流れの絶対速度Ｃｖ３を回転軸線Ｘに沿うようにすることができる。このため、水車運転の効率を向上させることができる。

図５に示す例においては、部分負荷時と過負荷時の両方で、運転点に応じて回収翼１４の角度を調整することで、ランナ５から流出する水流の流体エネルギを回収することができるとともに、吸出し管８における水流の損失を効果的に低減して水力損失を低減することができる。このため、図６の破線で示すように、部分負荷時における水車運転の効率を向上させるだけでなく、過負荷時においても水車運転の効率を向上させることができる。

ここで、本実施の形態によるフランシス水車１は、最高効率点での出力を１００％としたときに、１２０％以上の出力で運転可能である。

一般的に、フランシス水車１の最高効率点は、最大出力点が最高効率点から例えば約２％前後の効率低下範囲に収まるように設定される。図６に示す特性曲線において水車運転の効率が最も高いときの出力点が最高効率点であり、最大出力点は、この特性曲線の右端に相当する。この最大出力点での効率は、最高効率点での効率の２％以内に収められている。

過負荷側の運転制限は、信頼性の観点で考慮され、ランナ羽根５ｃの出口におけるキャビテーション性能または旋回流れに起因する吸出し管８内における水圧脈動の大きさに依存する。最高効率点を過度に部分負荷側に設定した場合には、ランナ羽根５ｃの出口における水流の旋回成分の増加により、水圧脈動が増大し、場合によってはサージングという顕著な出力変動を生じるおそれがあり、運用上好ましくない。一方、最高効率点を過度に過負荷側に設定した場合には、吸出し管８内で振れ回る渦１１０（図１２参照）が、部分負荷側で顕著となり、水圧脈動の増大が懸念される。

本実施の形態では、最高効率点の出力を１００％としたときに最大出力点が１２０％以上の出力に設定されている。すなわち、上述したように、本実施の形態では、図６に示すように、過負荷時においても水車運転の効率を向上させることができる。このことにより、最高効率点での水車運転の効率に対する過負荷側における水車運転の効率の低下を抑制することができる。このため、最大出力点を一般的なフランシス水車における最大出力点よりも大きな出力点に設定することができる。この際、上述した水圧脈動を抑制できるとともに、キャビテーション性能の悪化を抑制できる。とりわけ、水車運転時におけるランナ５の下流側には、エネルギ回収装置１０の回収翼１４が設けられているため、ランナ５の出口における水流の圧力低下を抑制できる。この点においても、ランナ羽根５ｃの出口におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。このようにして、最高効率点の出力を１００％としたときに１２０％以上の出力に最大出力点を設定することができ、この最大出力点でフランシス水車１を運転できる。

ところで、本実施の形態によるフランシス水車１では、揚水運転（ポンプ運転）を行うことができるフランシス形ポンプ水車として構成されている。この場合、揚水運転時における効率を向上させることもできる。

ここで、フランシス水車１をポンプ水車として運転する場合（揚水運転時）の流れについて、図７を用いて説明する。揚水運転時においても揚程の条件によってランナ羽根５ｃに流入する流れが大きく変化し得る。図７に、揚水運転時におけるランナ羽根５ｃの吸込み側（揚水運転時の入口）における水流の速度三角形を示す。実線は、最高効率点における流れを示し、破線は高揚程時（小流量運転時）における流れを示し、二点鎖線は低揚程時（大流量運転時）における流れを示している。

ランナ羽根５ｃに流入する流れの絶対速度Ｃｖ１が旋回成分を持たない（Ｃｖｕ１＝０）という条件とした場合、最高効率点における絶対速度Ｃｖ１は、ランナ羽根５ｃの入口角度βｂ１とほぼ一致した流れの角度β１で流入する。しかしながら、低揚程時においては流量が増大するため、流れの角度β１が最高効率点での角度よりも大きくなり、相対速度Ｃｗ１は図７の二点鎖線で示すようになる。一方、高揚程時においては流量が減少するため、流れの角度β１が最高効率点での角度よりも小さくなり、相対速度Ｃｗ１は図７の破線で示すようになる。このように、最高効率点から外れた非設計点である高揚程時および低揚程時の運転では、ランナ羽根５ｃに流入する水流の角度が、ランナ羽根５ｃの角度からずれることによる形状損失が発生し、揚水運転の効率が低下し得る。

しかしながら、本実施の形態では、上述したように、各回収翼１４は、回転軸線Ｘに直交する方向に延びる回収軸線Ｙを中心に、ベース１３に対して回動可能になっている。すなわち、揚水運転時にランナ５に流入する水流に旋回成分を付与するように回収翼１４の角度を調整することができる。また、回収発電機１２によって羽根車１１を回転駆動させて、ランナ５に流入する水流に旋回成分を付与することができる。

図８に、本実施の形態によるランナ５の吸込み側（揚水運転時の入口）における低揚程時の水流の速度三角形を示す。実線は、エネルギ回収装置１０が設けられていない場合にランナ５に流入する水流の速度三角形を示しており、図７に示す低揚程時における速度三角形と同一である。破線は、本実施の形態によるランナ５に流入する水流の速度三角形を示している。図８に示すように、ランナ５に流入する水流に旋回成分が付与されるため、ランナ５に流入する水流の角度β１’を、ランナ羽根５ｃの角度βｂ１に沿うようにすることができる。

このように本実施の形態によれば、各回収翼１４が、回転軸線Ｘに直交する方向に延びる回収軸線Ｙを中心に回動可能になっている。このことにより、部分負荷時および過負荷時において、回収翼１４の角度を、ランナ羽根５ｃの出口における水の旋回流れの流体エネルギを効果的に回収することができる角度に調整することができる。このため、部分負荷から過負荷までの広い運転範囲にわたって、ランナ５から流出する旋回流れの流体エネルギを効果的に回収することができるとともに、吸出し管８における水流の損失を効果的に低減することができる。

また、本実施の形態によれば、最高効率点での出力を１００％としたときに、１２０％以上の出力で運転される。このことにより、フランシス水車１の運転の安全性を維持しながら、フランシス水車１の出力を増大させることができる。このため、水車発電機７の発電量の調整範囲を拡大させることができる。

また、本実施の形態によれば、揚水運転時に、回収発電機１２によって羽根車１１を回転駆動することができる。また、各回収翼１４が、回転軸線Ｘに直交する方向に延びる回収軸線Ｙを中心に回動可能になっているため、揚水運転時の高揚程時および低揚程時において、回収翼１４の角度を、ランナ５に流入する水流に旋回成分を効果的に付与することができる角度に調整することができる。このため、ランナ５に流入する水流が、ランナ羽根５ｃの角度からずれることによる形状損失が発生することを防止でき、揚水運転の効率を向上させることができる。また、揚水運転時のキャビテーション性能も向上させることができる。

（第３の実施の形態）
次に、図９を用いて、第３の実施の形態による水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法について説明する。

図９に示す第３の実施の形態においては、回収翼が、ランナの回転軸線に直交する方向に移動可能になっている点が主に異なり、他の構成は、図５〜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５〜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。

本実施の形態においては、図９に示すように、各回収翼１４は、ランナ５の回転軸線Ｘに直交する方向（半径方向）に移動可能になっている。より具体的には、羽根車１１のベース１３は、ベース固定部４０と、ベース固定部４０に対して移動可能に設けられたベース可動部４１と、を含んでいる。ベース固定部４０に、回収発電機１２の回転子１８が設けられている。ベース可動部４１は、対応する駆動機構３０によって、駆動軸３１と共に半径方向に移動可能になっている。例えば、駆動機構３０は、電動駆動や油圧駆動などで、対応する回収翼１４を、個別に移動するようになっている。

回収翼１４は、半径方向における任意の位置に移動させてもよい。図９の実線で示す回収翼１４は、吸出し管８の壁面近傍に位置付けられている。この場合、吸出し管８の壁面近傍に偏っている旋回流れの流体エネルギを効果的に回収することができる。図９の二点鎖線で示す回収翼１４は、実線で示す回収翼１４よりも内周側（回転軸線Ｘの側）に位置付けられている。この場合、吸出し管８の壁面近傍よりも中心側に偏っている旋回流れの流体エネルギを効果的に回収することができる。また、部分負荷時に吸出し管８内の渦１１０（図１２参照）によって中心部に形成される死水領域を崩壊させることもできる。

なお、図示しないが、回収翼１４の全体が、収容部１５に収容される位置まで外周側に移動可能になっていてもよい。この場合、吸出し管８の壁面から流路に回収翼１４が突出することを回避できる。例えば、ランナ５の出口において旋回流れが形成されない最高効率点において、回収翼１４を収容部１５に収容させることにより、水車運転の効率が低下することを抑制できる。

このように本実施の形態によれば、各回収翼１４は、ランナ５の回転軸線Ｘに直交する方向（半径方向）に移動可能になっている。このことにより、回収翼１４を、ランナ５の出口における旋回流れの偏り具合に応じて、半径方向における任意の位置に位置付けることができ、旋回流れの流体エネルギを効果的に回収することができる。このため、部分負荷から過負荷までの広い運転範囲で水車運転の効率を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図１０を用いて、第４の実施の形態による水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法について説明する。

図１０に示す第４の実施の形態においては、回収発電機の固定子が、回転子よりも外周側に設けられている点が主に異なり、他の構成は、図５〜図８に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図１０において、図５〜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。

本実施の形態においては、図１０に示すように、回収発電機１２の回転子１８は、ベース１３の外周面に設けられており、固定子１９は、回転子１８よりも外周側に設けられている。回転子１８および固定子１９は、回転軸線Ｘに沿って見たときに環状に形成されており、回転軸線Ｘに沿う方向に直交する方向（半径方向）で見たときに重なるように配置されている。

回収翼１４を回動するための駆動機構３０は、ベース１３の上面に設けられている。回収翼１４と駆動機構３０とは、第１駆動軸５０および第２駆動軸５１を介して連結されている。このうち第１駆動軸５０は、回収翼１４側で、中心軸線が半径方向に延びるように配置されている。第２駆動軸５１は、駆動機構３０側で、中心軸線が回転軸線Ｘに沿う方向（上下方向）に延びるように配置されている。第１駆動軸５０と第２駆動軸５１とは、伝達部５２を介して連結されている。伝達部５２は、第２駆動軸５１の回動トルクを、回動方向を変換させながら、第１駆動軸５０に伝達可能に構成されている。

また、本実施の形態では、軸受１７は、ベース１３の上側および下側において、それぞれ１つずつ設けられている。

このように本実施の形態によれば、回収発電機１２の固定子１９は、回転子１８よりも外周側に設けられている。このことにより、回収発電機１２の半径方向寸法を低減することができる。

（第５の実施の形態）
次に、図１１を用いて、第５の実施の形態による水力機械用エネルギ回収装置、水力機械および水力機械の運転方法について説明する。

図１１に示す第５の実施の形態においては、収容部が、回転子と固定子との間に介在された封水壁を有している点が主に異なり、他の構成は、図１０に示す第４の実施の形態と略同一である。なお、図１１において、図１０に示す第４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、収容部１５は、回転子１８と固定子１９との間に介在された封水壁６０を有している。この封水壁６０によって、吸出し管８内を流れる水を封止している。このため、図１０等に示されているシール１６は設けられておらず、ベース１３は水中に存在している。回転子１８は、図示しない密封部材で密封された状態で水中に存在している。駆動機構３０は、カバー６１で封水されている。

また、本実施の形態では、軸受１７は、ベース１３の上側および下側において、それぞれ２つずつ設けられている。

このように本実施の形態によれば、回収発電機１２の回転子１８と固定子１９との間に封水壁６０が介在されている。このことにより、図１０等に示すシール１６を設けることを不要にできる。このため、エネルギ回収装置１０の構造を簡素化することができる。

以上述べた実施の形態によれば、ランナから流出した旋回流れの流体エネルギを回収するとともに、水力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。

上述した各実施の形態においては、水力機械の一例として、揚水運転可能なフランシス水車を例にとって説明した。しかしながら、水力機械は、揚水運転可能であることには限られない。また、フランシス水車以外の水車（例えば、カプラン水車などのプロペラ水車など）にも上述した各実施の形態を適用することができる。

１：フランシス水車、５：ランナ、８：吸出し管、８ａ：上部管、８ｂ：曲がり管、１０：エネルギ回収装置、１１：羽根車、１２：回収発電機、１４：回収翼、１５：収容部、１８：回転子、１９：固定子、６０：封水壁、Ｘ：回転軸線、Ｙ：回収軸線

Claims (7)

1. 水力機械の水車運転時にランナから流出される水の旋回流れの流体エネルギを回収する水力機械用エネルギ回収装置であって、
   前記ランナから流出する旋回流れを受ける回収翼を含み、旋回流れの流体エネルギを回転エネルギに変換する羽根車と、
   前記羽根車の回転エネルギで発電を行う回収発電機と、を備え、
   前記羽根車は、前記ランナとは独立に回転可能に構成されている、水力機械用エネルギ回収装置。
2. 前記回収発電機は、前記回収翼よりも外周側に配置されている、請求項１に記載の水力機械用エネルギ回収装置。
3. 前記羽根車の前記回収翼は、前記羽根車の回転軸線に直交する方向に延びる回収軸線を中心に回動可能である、請求項１または２に記載の水力機械用エネルギ回収装置。
4. 前記回収翼は、前記羽根車の回転軸線に直交する方向に移動可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水力機械用エネルギ回収装置。
5. 前記回収発電機は、前記羽根車に連結された回転子と、前記回転子よりも外周側に設けられた固定子と、を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水力機械用エネルギ回収装置。
6. ランナと、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の水力機械用エネルギ回収装置と、を備えた、水力機械。
7. 請求項６に記載の水力機械の運転方法であって、
   前記水力機械の最高効率点での出力を１００％としたときに、１２０％以上の出力で運転する工程を含む、水力機械の運転方法。

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