JP2022185358A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドベーンの開度によらずに、回転用隙間に流入する水への圧力抵抗を増大させることができる水力機械を得ること。【解決手段】水力機械１は、ガイドベーン回転軸３とガイドベーン２と第１のカバー４と第２のカバー５とを備える。ガイドベーン２は、第１のカバー４の方を向く第１の軸端面２０と、第２のカバー５の方を向く第２の軸端面２１と、第１の軸端面２０と第２の軸端面２１とを繋ぐとともに水流方向の上流側を向く圧力面２２と、第１の軸端面２０と第２の軸端面２１とを繋ぐとともに水流方向の下流側を向く負圧面２３とを有する。第１の軸端面２０と第１のカバー４との間および第２の軸端面２１と第２のカバー５との間には、回転用隙間１３がそれぞれ形成されている。圧力面２２および負圧面２３の少なくとも一方において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１の少なくとも一方に隣接する部分には、突起２６が形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、ガイドベーンを備える水力機械に関するものである。

従来、ガイドベーンを備える水力機械が知られている。ガイドベーンは、回転不能に配置された静翼であるステーベーンと、回転可能に配置された動翼であるランナとの間に配置された可動翼である。ガイドベーンは、ランナの周囲に環状に複数配置される。各ガイドベーンには、ガイドベーンの回転中心となるガイドベーン回転軸が連結されている。各ガイドベーンは、ガイドベーン回転軸の回転に伴って回転して開度を変えることでランナに流入する水の流量を調整する役割を果たす。また、各ガイドベーンは、水力機械の運転停止時には全閉状態、すなわちランナへの水の流入を遮断する役割も果たす。

ガイドベーンの軸方向の両側には、カバーが１つずつ配置されている。ガイドベーン回転軸の軸方向の一端部は、一方のカバーに回転可能に支持されていて、ガイドベーン回転軸の軸方向の他端部は、他方のカバーに回転可能に支持されている。ガイドベーン回転軸は、ランナの回転軸と平行である。ガイドベーンを回転可能とするためには、ガイドベーンと２つのカバーとの間に隙間をそれぞれ形成する必要がある。そのため、ステーベーンからランナに向かう水の一部が漏れ流れとして隙間を通過することにより、水力機械の水車性能が低下する場合がある。以下、この隙間を「回転用隙間」と称する。

そこで、漏れ流れを低減させる技術が開発されている。例えば、特許文献１には、ガイドベーンのうちカバーの方を向く軸端面に、ガイドベーンの翼面に沿った溝を設けることにより、回転用隙間に流入する水への圧力抵抗を増大させて漏れ流れを低減させる技術が開示されている。

特開平７－２７９８０９号公報

漏れ流れの方向は、ランナの回転軸に対して概ね径方向である。特許文献１に開示された技術では、ガイドベーンの開度が小さいときほど、すなわち各ガイドベーンの翼面が円筒に近い状態で並ぶときほど、溝の延設方向と漏れ流れの方向とが直交する状態に近づくため、回転用隙間に流入する水への圧力抵抗を増大させる効果が大きくなる。一方で、ガイドベーンの開度が大きいときほど、溝の延設方向と漏れ流れの方向とが平行な状態に近づくため、回転用隙間に流入する水への圧力抵抗を増大させる効果が小さくなる。したがって、特許文献１に開示された技術では、ガイドベーンの開度によって漏れ流れの方向に対する溝の延設方向が変わるため、回転用隙間に流入する水への圧力抵抗を増大させる効果が異なるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガイドベーンの開度によらずに、回転用隙間に流入する水への圧力抵抗を増大させることができる水力機械を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る水力機械は、ガイドベーン回転軸と、ガイドベーン回転軸を中心に回転するガイドベーンと、ガイドベーンの軸方向の一端側に配置された第１のカバーと、ガイドベーンの軸方向の他端側に配置された第２のカバーと、を備える水力機械である。ガイドベーンは、第１のカバーの方を向く第１の軸端面と、第２のカバーの方を向く第２の軸端面と、第１の軸端面と第２の軸端面とを繋ぐとともに水流方向の上流側を向く圧力面と、第１の軸端面と第２の軸端面とを繋ぐとともに水流方向の下流側を向く負圧面と、を有している。第１の軸端面と第１のカバーとの間および第２の軸端面と第２のカバーとの間には、回転用隙間がそれぞれ形成されている。圧力面および負圧面の少なくとも一方において第１の軸端面および第２の軸端面の少なくとも一方に隣接する部分には、突起が形成されている。

本発明に係る水力機械では、ガイドベーンの開度によらずに、回転用隙間に流入する水への圧力抵抗を増大させることができるという効果を奏する。

本発明の実施例１に係る水力機械を示した断面図 図１に示されたＩＩ－ＩＩ線に沿って見たときのガイドベーン、ステーベーンおよびランナ羽根の配置を示した図であって、ガイドベーンの開時を示した図 実施例１におけるガイドベーンを示した斜視図 図３に示されたＩＶ－ＩＶ線に沿って見たときのガイドベーンとガイドベーンの周辺とを示した断面図 実施例１における全閉時のガイドベーンを示した斜視図であって、圧力面側から見た図 実施例１の変形例にかかるガイドベーンを示した断面図 実施例２におけるガイドベーンを示した斜視図 図７に示されたＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿って見たときのガイドベーンとガイドベーンの周辺とを示した断面図 実施例２における全閉時のガイドベーンを示した斜視図であって、負圧面側から見た図 実施例３におけるガイドベーンを示した斜視図 図１０に示されたＸＩ－ＸＩ線に沿って見たときのガイドベーンとガイドベーンの周辺とを示した断面図 実施例３における全閉時のガイドベーンを示した斜視図であって、負圧面側から見た図

以下に、本発明に係る水力機械の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施例では、水力機械がフランシス水車である場合を例にして説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る水力機械１を示した断面図である。図１に示すように、水力機械１は、ケーシング６と、ステーベーン７と、ガイドベーン２と、ガイドベーン回転軸３と、第１のカバー４と、第２のカバー５と、ランナ８と、主軸９と、ドラフトパイプ１０とを備える。以下、水力機械１の各構成要素について方向を説明するときには、主軸９の軸方向と平行な方向を軸方向、主軸９の軸方向と直交する方向を径方向、主軸９の軸方向を中心とする回転方向を周方向とする。本実施例に係る水力機械１は、主軸９の軸方向と鉛直方向（上下方向）とが一致する縦軸型の水力機械であるが、主軸９の軸方向と水平方向とが一致する横軸型の水力機械でもよい。なお、図１の矢印Ｘは、水の流れ方向を示している。以下、水の流れ方向を「水流方向」と称する。

第１のカバー４と第２のカバー５との間には、ランナ８を収容する環状のランナ収容室１１が形成されている。ランナ収容室１１の径方向外側には、中空形状のケーシング６が配置されている。ランナ収容室１１とケーシング６とを連通する流路には、ケーシング６からランナ収容室１１に向かう水の流れを整流するステーベーン７と、ランナ８に流入する水の流量を調整するガイドベーン２とが配置されている。ガイドベーン２の開度が大きいほどランナ８に流入する水の流量が多くなり、ガイドベーン２の開度が小さいほどランナ８に流入する水の流量が少なくなる。ランナ収容室１１の下流側の開口には、円筒形状のドラフトパイプ１０が接続されている。

ランナ８は、ケーシング６からステーベーン７およびガイドベーン２を通過して流入する水によって主軸９を中心に回転する。ランナ８は、ケーシング６からランナ８に流入する水の圧力エネルギーを回転エネルギーに変換する。ランナ８は、複数のランナ羽根８ａと、ランナ羽根８ａに対して軸方向の一方に配置されたランナクラウン８ｂと、ランナ羽根８ａに対して軸方向の他方に配置されたランナシュラウド８ｃとを備える。

複数のランナ羽根８ａのそれぞれは、ランナクラウン８ｂとランナシュラウド８ｃとに連結されている。ランナクラウン８ｂとランナシュラウド８ｃとは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。ランナクラウン８ｂとランナシュラウド８ｃとの間は、ランナ羽根８ａが配置されるランナ流路１２となる。ランナクラウン８ｂには、主軸９が連結されている。ランナ羽根８ａ、ランナクラウン８ｂおよびランナシュラウド８ｃは、主軸９を回転軸として一体的に回転可能である。主軸９は、図示しない発電機の回転子に回転エネルギーを伝達する。ランナ流路１２の下流側の開口は、ドラフトパイプ１０に連通している。

図１の矢印Ｘに示すように、ケーシング６を通過した水は、ステーベーン７により整流されて、ガイドベーン２によりランナ８に流入する水の流量が調整された後に、ランナ流路１２へと導かれる。ランナ流路１２に流入した水により、ランナ８および主軸９が回転する。ランナ８および主軸９が回転することにより、発電機の回転子を回転させて発電することができる。ランナ流路１２を通過した水は、ドラフトパイプ１０を通過してから放水路などに放水される。

図２は、図１に示されたＩＩ－ＩＩ線に沿って見たときのガイドベーン２、ステーベーン７およびランナ羽根８ａの配置を示した図であって、ガイドベーン２の開時を示した図である。ガイドベーン２、ステーベーン７およびランナ羽根８ａのそれぞれは、環状に複数配置されている。ガイドベーン２、ステーベーン７およびランナ羽根８ａは、同心円状に配置されている。これらの３部材の中でステーベーン７は、最も径方向外側に配置されていて、ランナ羽根８ａは、最も径方向内側に配置されている。ガイドベーン２は、径方向においてステーベーン７とランナ羽根８ａとの間に配置されている。複数のガイドベーン２は、周方向に互いに等角度離隔して配置されている。複数のステーベーン７は、周方向に互いに等角度離隔して配置されている。複数のランナ羽根８ａは、周方向に互いに等角度離隔して配置されている。図１に示されるケーシング６を通過した水は、隣り合うステーベーン７の間および隣り合うガイドベーン２の間を通過する。

次に、第１のカバー４、第２のカバー５、ガイドベーン回転軸３およびガイドベーン２についてさらに詳しく説明する。図３は、実施例１におけるガイドベーン２を示した斜視図である。図４は、図３に示されたＩＶ－ＩＶ線に沿って見たときのガイドベーン２とガイドベーン２の周辺とを示した断面図である。なお、図３では、ガイドベーン回転軸３の図示を省略している。図４では、理解の容易のために、ガイドベーン回転軸３およびガイドベーン２のハッチングを省略している。

図４に示すように、第１のカバー４は、ガイドベーン２の軸方向の一端側に配置されている。第１のカバー４は、本実施例ではガイドベーン２の上方に配置されている。第１のカバー４には、軸方向に貫通する第１の孔４ａが形成されている。

第２のカバー５は、ガイドベーン２の軸方向の他端側に配置されている。第２のカバー５は、本実施例ではガイドベーン２の下方に配置されている。第１のカバー４と第２のカバー５とは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。第２のカバー５には、軸方向に貫通する第２の孔５ａが形成されている。第１の孔４ａと第２の孔５ａとは、軸方向で対応する位置に設けられている。

ガイドベーン回転軸３は、図１に示される主軸９と平行に配置されている。ガイドベーン回転軸３の軸方向の一端部は、第１の孔４ａに挿通されていて、第１のカバー４に回転可能に支持されている。ガイドベーン回転軸３の軸方向の他端部は、第２の孔５ａに挿通されていて、第２のカバー５に回転可能に支持されている。

ガイドベーン２の中心には、ガイドベーン回転軸３が連結されている。ガイドベーン２は、ガイドベーン回転軸３の回転に伴って回転する。ガイドベーン２を回転可能とするために、ガイドベーン２と第１のカバー４および第２のカバー５との間には、サイドギャップと呼ばれる回転用隙間１３が形成されている。そのため、水力機械１には、水が回転用隙間１３を流れる漏れ流れ１５が発生する。以下、漏れ流れ１５の方向を「漏れ流れ方向」と称する。

図３に示すように、ガイドベーン２は、第１の軸端面２０と、第２の軸端面２１と、圧力面２２と、負圧面２３と、前縁２４と、後縁２５とを有している。軸方向と直交する方向で切ったガイドベーン２の断面形状は、翼型形状である。

図４に示すように、第１の軸端面２０は、第１のカバー４の方を向く端面である。第１の軸端面２０は、軸方向と直交する方向に延びている。第１の軸端面２０の法線方向は、本実施例では上方を向く。第１の軸端面２０と第１のカバー４との間には、回転用隙間１３が形成されている。以下、この回転用隙間１３を「第１の回転用隙間１３ａ」と称する場合もある。

第２の軸端面２１は、第２のカバー５の方を向く端面である。第２の軸端面２１は、軸方向と直交する方向に延びている。第２の軸端面２１の法線方向は、本実施例では下方を向く。第２の軸端面２１と第２のカバー５との間には、回転用隙間１３が形成されている。以下、この回転用隙間１３を「第２の回転用隙間１３ｂ」と称する場合もある。

負圧面２３は、第１の軸端面２０と第２の軸端面２１との水流方向の下流側の縁同士を繋ぐとともに水流方向の下流側を向く面である。負圧面２３は、軸方向に延びている。

図３に示すように、前縁２４および後縁２５は、圧力面２２と負圧面２３との境界部に位置する縁である。図２に示されるガイドベーン２の開時に、前縁２４は、径方向外側に位置し、後縁２５は、径方向内側に位置する。

図４に示すように、圧力面２２は、第１の軸端面２０と第２の軸端面２１との水流方向の上流側の縁同士を繋ぐとともに水流方向の上流側を向く面である。圧力面２２は、軸方向に延びている。圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、突起２６がそれぞれ形成されている。突起２６は、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗を増大させる機能を有する。ここで、隣接とは、突起２６が第１の軸端面２０または第２の軸端面２１の水流方向の上流側の縁に接する場合の他、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗の増大効果を阻害しない範囲で突起２６が第１の軸端面２０または第２の軸端面２１の水流方向の上流側の縁に接することなく離隔した場合を含む。以下、２つの突起２６を区別する場合には、圧力面２２において第１の軸端面２０に隣接する部分に形成された突起２６を「第１の圧力側突起２６ａ」と称し、圧力面２２において第２の軸端面２１に隣接する部分に形成された突起２６を「第２の圧力側突起２６ｂ」と称する。

図３に示すように、突起２６は、前縁２４から後縁２５付近に亘って形成されている。図４に示すように、突起２６は、圧力面２２から圧力面２２に対して直交する方向に突出している。軸方向と平行な方向で、かつ、圧力面２２および負圧面２３と直交する方向で切ったときの突起２６の形状は、本実施例では矩形である。第１の圧力側突起２６ａのうち第１のカバー４の方を向くカバー側端面２６ｃは、第１の軸端面２０と面一である。第１の圧力側突起２６ａと第１のカバー４との間には、第１の回転用隙間１３ａと同等の深さを有する突起側隙間１４が形成されている。以下、この突起側隙間１４を「第１の突起側隙間１４ａ」と称する場合もある。第２の圧力側突起２６ｂのうち第２のカバー５の方を向くカバー側端面２６ｄは、第２の軸端面２１と面一である。第２の圧力側突起２６ｂと第２のカバー５との間には、第２の回転用隙間１３ｂと同等の深さを有する突起側隙間１４が形成されている。以下、この突起側隙間１４を「第２の突起側隙間１４ｂ」と称する場合もある。

図５は、実施例１における全閉時のガイドベーン２を示した斜視図であって、圧力面２２側から見た図である。ガイドベーン２の全閉時には、隣り合う一方のガイドベーン２の圧力面２２のうち後縁２５付近が隣り合う他方のガイドベーン２の負圧面２３の前縁２４付近に接触する。これにより、図１に示されるランナ８への水の流入を遮断することができる。ガイドベーン２の開時には、ガイドベーン回転軸３が時計周りに回転することでガイドベーン２も時計周りに回転して、隣り合う一方のガイドベーン２の圧力面２２のうち後縁２５付近と隣り合う他方のガイドベーン２の負圧面２３の前縁２４付近との間が開く。そして、ガイドベーン回転軸３の回転量を変えて隣り合うガイドベーン２の間の開度を変えることで、ランナ８に流入する水の流量を調整することができる。

複数のガイドベーン２のそれぞれの圧力面２２は、ガイドベーン２が水の流れを遮断する全閉時に、隣のガイドベーン２と部分的に接触する。本実施例では、圧力面２２のうち後縁２５付近が隣のガイドベーン２の負圧面２３のうち前縁２４付近と部分的に接触する。このように隣り合うガイドベーン２同士が接触することで、隣り合うガイドベーン２同士の間に隙間ができないため、水力機械１の運転停止時に隣り合うガイドベーン２同士の間からランナ８への水の流入を遮断することができる。突起２６は、圧力面２２のうち隣のガイドベーン２と接触する部分（後縁２５付近）を除いた部分に形成されている。言い換えると、ガイドベーン２の圧力面２２において隣のガイドベーン２と接触する部分（後縁２５付近）には、突起２６が切除された圧力側切除部２８ａが設けられている。ガイドベーン２の全閉時に圧力面２２のうち隣のガイドベーン２と接触する部分に圧力側切除部２８ａを設けることにより、ガイドベーン２の全閉時に突起２６が隣のガイドベーン２に干渉することを回避できる。

次に、実施例１に係る水力機械１の効果について説明する。

図１に示されるケーシング６を通過した水の多くは、図２に示される隣り合うガイドベーン２の間を通過するが、ケーシング６を通過した水の一部は、図４に示される回転用隙間１３を圧力面２２側から負圧面２３側に通過する。この回転用隙間１３を通過する水の流れが漏れ流れ１５となり、図１に示されるランナ流路１２の入口１２ａに流入する水の流れを乱して、水力機械１の水車性能を低下させる要因となる。

本実施例では、図４に示すように、圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、突起２６が形成されていることにより、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗を増大させることができるため、漏れ流れ１５の流量を低減できる。また、突起２６が圧力面２２の面形状に沿って形成されるため、ガイドベーン２の開度の変化に対して、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗の変化は鈍感になる。つまり、本実施例では、ガイドベーン２の開度によらずに、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗を増大させることができる。なお、溝を用いる従来技術では、溝がガイドベーンのうちカバーの方を向く軸端面に形成されていてガイドベーンとカバーとの間に存在するため、溝の状態を目視で確認することが困難である。この点、本実施例では、突起２６が圧力面２２から突出しているため、突起２６の状態を目視で確認することが容易になる。これにより、突起２６の壊食等を即座に確認することができる。

本実施例では、図５に示すように、複数のガイドベーン２のそれぞれの圧力面２２は、ガイドベーン２が水の流れを遮断する全閉時に隣のガイドベーン２と部分的に接触し、突起２６は、ガイドベーン２の全閉時に圧力面２２のうち隣のガイドベーン２と接触する部分を除いた部分に形成されている。これにより、ガイドベーン２の全閉時に突起２６が隣のガイドベーン２に干渉することを回避できる。その結果、ガイドベーン２に突起２６を設けた場合でも、隣り合うガイドベーン２同士の間に隙間ができないため、水力機械１の運転停止時に隣り合うガイドベーン２同士の間からランナ８への水の流入を確実に遮断することができる。

なお、突起２６の断面形状は、本実施例では矩形であったが、これに限定されることなく適宜変更してよい。図６は、実施例１の変形例にかかるガイドベーン２を示した断面図である。なお、図６では、第２のカバー５および第２のカバー５側に位置する突起２６の図示を省略するとともに、ガイドベーン回転軸３およびガイドベーン２のハッチングを省略している。突起２６の断面形状は、例えば、図６に示されるように水流方向の上流側の先端が尖った三角形でもよい。突起２６の断面形状を三角形にすると、突起２６の断面形状が矩形の場合よりも、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗をさらに増大させることができる。

また、図３に示される突起２６の断面形状は、本実施例ではガイドベーン２の前縁２４から後縁２５付近までの全長に亘って同じ断面形状であったが、異なる断面形状にしてもよい。また、図４に示される第１の圧力側突起２６ａと第２の圧力側突起２６ｂとは、本実施例では同じ断面形状であったが、互いに異なる断面形状にしてもよい。また、本実施例では、圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１のそれぞれに隣接する部分に突起２６が形成されたが、圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１の少なくとも一方に隣接する部分に突起２６が形成されていればよい。

また、本実施例では、突起２６が圧力面２２に対して直交する方向に突出しているが、圧力面２２に対して傾斜する方向に突出してもよい。すなわち、ガイドベーン回転軸３の軸方向の中心から軸方向の端部に向かう方向を軸方向外側として、ガイドベーン回転軸３の軸方向の端部から軸方向の中心に向かう方向を軸方向内側としたときに、突起２６は、第１のカバー４および第２のカバー５と接触しない範囲で、圧力面２２から離れるにつれて軸方向外側に位置するように傾斜してもよいし、圧力面２２から離れるにつれて軸方向内側に位置するように傾斜してもよい。

また、本実施例では、第１の回転用隙間１３ａの深さと第１の突起側隙間１４ａの深さとが同等になるように、第１の圧力側突起２６ａおよび第１のカバー４が形成されているが、第１の回転用隙間１３ａの深さと第１の突起側隙間１４ａの深さとが互いに異なるように、第１の圧力側突起２６ａおよび第１のカバー４が形成されてもよい。例えば、第１の圧力側突起２６ａによる水への圧力抵抗の増大効果を阻害しない範囲で、第１の軸端面２０に対して第１の圧力側突起２６ａを軸方向内側にずらすことで、第１の回転用隙間１３ａの深さと第１の突起側隙間１４ａの深さとを互いに異ならせることができる。また、本実施例では、第２の回転用隙間１３ｂの深さと第２の突起側隙間１４ｂの深さとが同等になるように、第２の圧力側突起２６ｂおよび第２のカバー５が形成されているが、第２の回転用隙間１３ｂの深さと第２の突起側隙間１４ｂの深さとが互いに異なるように、第２の圧力側突起２６ｂおよび第２のカバー５が形成されてもよい。例えば、第２の圧力側突起２６ｂによる圧力抵抗の増大効果を阻害しない範囲で、第２の軸端面２１に対して第２の圧力側突起２６ｂを軸方向内側にずらすことで、第２の回転用隙間１３ｂの深さと第２の突起側隙間１４ｂの深さとを互いに異ならせることができる。

図４に示される突起２６の漏れ流れ方向の長さは、長いほど漏れ流れ１５の流量を低減させる効果が大きくなるが、隣のガイドベーン２との干渉や隣り合うガイドベーン２の間を通過する主流に与える影響を考慮しながら適宜設定する必要がある。なお、本発明者は、断面形状が矩形の突起２６を有し、かつ、前縁２４から後縁２５にかけて一定の翼厚である矩形断面形状のガイドベーン２を用いた流体解析の結果より、突起２６の漏れ流れ方向の長さをガイドベーン２の翼厚の０．５倍程度にすると、突起２６が無い場合に比較して、漏れ流れ１５の流量を１０数％程度低減できることを確認している。

次に、図７－図９を参照して、本発明の実施例２に係る水力機械１Ａについて説明する。図７は、実施例２におけるガイドベーン２Ａを示した斜視図である。図８は、図７に示されたＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿って見たときのガイドベーン２Ａとガイドベーン２Ａの周辺とを示した断面図である。図９は、実施例２における全閉時のガイドベーン２Ａを示した斜視図であって、負圧面２３側から見た図である。なお、図７では、ガイドベーン回転軸３の図示を省略している。図８では、理解の容易のために、ガイドベーン回転軸３およびガイドベーン２Ａのハッチングを省略している。本実施例では、ガイドベーン２Ａの圧力面２２に突起２６を設ける他、ガイドベーン２Ａの負圧面２３にも突起２７を設けた点が前記した実施例１と相違する。実施例２では、前記した実施例１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、圧力面２２には、突起２６が形成されているとともに、負圧面２３には、突起２７が形成されている。圧力面２２の突起２６と負圧面２３の突起２７とは、ガイドベーン２Ａの前縁２４と後縁２５とを結ぶ翼弦Ｌに対して非対称に形成されている。負圧面２３において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、突起２７がそれぞれ形成されている。ここで、隣接とは、突起２７が第１の軸端面２０または第２の軸端面２１の水流方向の上流側の縁に接する場合の他、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗の増大効果を阻害しない範囲で突起２７が第１の軸端面２０または第２の軸端面２１の水流方向の上流側の縁に接することなく離隔した場合を含む。突起２７は、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗を増大させる機能を有する。以下、２つの突起２７を区別する場合には、負圧面２３において第１の軸端面２０に隣接する部分に形成された突起２７を「第１の負圧側突起２７ａ」と称し、負圧面２３において第２の軸端面２１に隣接する部分に形成された突起２７を「第２の負圧側突起２７ｂ」と称する。

突起２７は、後縁２５から前縁２４付近に亘って形成されている。図８に示すように、突起２７は、負圧面２３から負圧面２３に対して直交する方向に突出している。軸方向と平行な方向で、かつ、圧力面２２および負圧面２３と直交する方向で切ったときの突起２７の形状は、本実施例では矩形である。第１の負圧側突起２７ａのうち第１のカバー４の方を向くカバー側端面２７ｃは、第１の軸端面２０と面一である。第１の負圧側突起２７ａと第１のカバー４との間には、第１の回転用隙間１３ａと同等の深さを有する突起側隙間１４が形成されている。以下、この突起側隙間１４を「第３の突起側隙間１４ｃ」と称する場合もある。第２の負圧側突起２７ｂのうち第２のカバー５の方を向くカバー側端面２７ｄは、第２の軸端面２１と面一である。第２の負圧側突起２７ｂと第２のカバー５との間には、第２の回転用隙間１３ｂと同等の深さを有する突起側隙間１４が形成されている。以下、この突起側隙間１４を「第４の突起側隙間１４ｄ」と称する場合もある。

図９に示すように、複数のガイドベーン２Ａのそれぞれの負圧面２３は、ガイドベーン２Ａが水の流れを遮断する全閉時に、隣のガイドベーン２Ａと部分的に接触する。本実施例では、負圧面２３のうち前縁２４付近が隣のガイドベーン２Ａの圧力面２２のうち後縁２５付近と部分的に接触する。このように隣り合うガイドベーン２Ａ同士が接触することで、隣り合うガイドベーン２Ａ同士の間に隙間ができないため、水力機械１Ａの運転停止時に隣り合うガイドベーン２Ａ同士の間からランナ８への水の流入を遮断することができる。突起２７は、負圧面２３のうち隣のガイドベーン２Ａと接触する部分（前縁２４付近）を除いた部分に形成されている。言い換えると、ガイドベーン２Ａの負圧面２３において隣のガイドベーン２Ａと接触する部分（前縁２４付近）には、突起２７が切除された負圧側切除部２８ｂが設けられている。ガイドベーン２Ａの全閉時に負圧面２３のうち隣のガイドベーン２Ａと接触する部分に負圧側切除部２８ｂを設けることにより、ガイドベーン２Ａの全閉時に突起２７が隣のガイドベーン２Ａに干渉することを回避できる。

次に、実施例２に係る水力機械１Ａの効果について説明する。

本実施例では、図８に示すように、圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、突起２６が形成されているとともに、負圧面２３において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、突起２７が形成されている。すなわち、圧力面２２と負圧面２３との双方に突起２６，２７が形成されていることにより、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗をさらに増大させることができるため、漏れ流れ１５の流量をより一層低減できる。また、突起２６が圧力面２２の面形状に沿って形成されるとともに突起２７が負圧面２３の面形状に沿って形成されるため、ガイドベーン２Ａの開度の変化に対して、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗の変化は鈍感になる。つまり、本実施例では、ガイドベーン２Ａの開度によらずに、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗を増大させることができる。なお、本実施例では、突起２６が圧力面２２から突出しているとともに突起２７が負圧面２３から突出しているため、突起２６，２７の状態を目視で確認することが容易になる。これにより、突起２６，２７の壊食等を即座に確認することができる。

本実施例では、図９に示すように、複数のガイドベーン２Ａのそれぞれの負圧面２３は、ガイドベーン２Ａが水の流れを遮断する全閉時に隣のガイドベーン２Ａと部分的に接触し、突起２７は、負圧面２３のうち隣のガイドベーン２Ａと接触する部分を除いた部分に形成されている。これにより、ガイドベーン２Ａの全閉時に突起２７が隣のガイドベーン２Ａに干渉することを回避できる。その結果、ガイドベーン２Ａに突起２７を設けた場合でも、隣り合うガイドベーン２Ａ同士の間に隙間ができないため、水力機械１Ａの運転停止時に隣り合うガイドベーン２Ａ同士の間からランナ８への水の流入を確実に遮断することができる。

なお、突起２６，２７は、本実施例では圧力面２２および負圧面２３のそれぞれに形成されているが、圧力面２２および負圧面２３の少なくとも一方に形成されていればよい。突起２７の断面形状は、本実施例では矩形であったが、これに限定されることなく適宜変更してよい。突起２７の断面形状は、例えば、水流方向の下流側の先端が尖った三角形でもよい。突起２７の断面形状を三角形にすると、突起２７の断面形状が矩形の場合よりも、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗をさらに増大させることができる。

また、図７に示される突起２７の断面形状は、本実施例ではガイドベーン２Ａの後縁２５から前縁２４付近までの全長に亘って同じ断面形状であったが、異なる断面形状にしてもよい。また、図８に示される第１の負圧側突起２７ａと第２の負圧側突起２７ｂとは、本実施例では同じ断面形状であったが、互いに異なる断面形状にしてもよい。また、本実施例では、負圧面２３において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１のそれぞれに隣接する部分に突起２７が形成されたが、負圧面２３において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１の少なくとも一方に隣接する部分に突起２７が形成されていればよい。

また、本実施例では、突起２７が負圧面２３に対して直交する方向に突出しているが、負圧面２３に対して傾斜する方向に突出してもよい。すなわち、ガイドベーン回転軸３の軸方向の中心から軸方向の端部に向かう方向を軸方向外側として、ガイドベーン回転軸３の軸方向の端部から軸方向の中心に向かう方向を軸方向内側としたときに、突起２７は、第１のカバー４および第２のカバー５と接触しない範囲で、負圧面２３から離れるにつれて軸方向外側に位置するように傾斜してもよいし、負圧面２３から離れるにつれて軸方向内側に位置するように傾斜してもよい。

また、本実施例では、第１の回転用隙間１３ａの深さと第３の突起側隙間１４ｃの深さとが同等になるように、第１の負圧側突起２７ａおよび第１のカバー４が形成されているが、第１の回転用隙間１３ａの深さと第３の突起側隙間１４ｃの深さとが互いに異なるように、第１の負圧側突起２７ａおよび第１のカバー４が形成されてもよい。例えば、第１の負圧側突起２７ａによる圧力抵抗の増大効果を阻害しない範囲で、第１の軸端面２０に対して第１の負圧側突起２７ａを軸方向内側にずらすことで、第１の回転用隙間１３ａの深さと第３の突起側隙間１４ｃの深さとを互いに異ならせることができる。また、本実施例では、第２の回転用隙間１３ｂの深さと第４の突起側隙間１４ｄの深さとが同等になるように、第２の負圧側突起２７ｂおよび第２のカバー５が形成されているが、第２の回転用隙間１３ｂの深さと第４の突起側隙間１４ｄの深さとが互いに異なるように、第２の負圧側突起２７ｂおよび第２のカバー５が形成されてもよい。例えば、第２の負圧側突起２７ｂによる圧力抵抗の増大効果を阻害しない範囲で、第２の軸端面２１に対して第２の負圧側突起２７ｂを軸方向内側にずらすことで、第２の回転用隙間１３ｂの深さと第４の突起側隙間１４ｄの深さとを互いに異ならせることができる。

次に、図１０－図１２を参照して、本発明の実施例３に係る水力機械１Ｂについて説明する。図１０は、実施例３におけるガイドベーン２Ｂを示した斜視図である。図１１は、図１０に示されたＸＩ－ＸＩ線に沿って見たときのガイドベーン２Ｂとガイドベーン２Ｂの周辺とを示した断面図である。図１２は、実施例３における全閉時のガイドベーン２Ｂを示した斜視図であって、負圧面２３側から見た図である。なお、図１１では、理解の容易のために、ガイドベーン回転軸３およびガイドベーン２Ｂのハッチングを省略している。本実施例では、ガイドベーン２Ｂの圧力面２２および負圧面２３に鍔部２９，３０を設けた点が前記した実施例１，２と相違する。実施例３では、前記した実施例１，２と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図１０に示すように、圧力面２２には、鍔部２９が形成されているとともに、負圧面２３には、鍔部３０が形成されている。圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、鍔部２９がそれぞれ形成されている。以下、２つの鍔部２９を区別する場合には、圧力面２２において第１の軸端面２０に隣接する部分に形成された鍔部２９を「第１の圧力側鍔部２９ａ」と称し、負圧面２３において第２の軸端面２１に隣接する部分に形成された鍔部２９を「第２の圧力側鍔部２９ｂ」と称する。

鍔部２９は、前縁２４と後縁２５との中間部に位置していて、ガイドベーン回転軸３の外周に形成されている。鍔部２９は、圧力面２２からガイドベーン回転軸３の径方向外側に突出している。鍔部２９の軸方向に沿って見た形状は、半円形状である。鍔部２９の外周縁は、ガイドベーン回転軸３を中心とする同一半径の円弧形状に形成されている。突起２６は、鍔部２９を間に挟んで前縁２４から後縁２５付近に亘って断続的に形成されている。突起２６と鍔部２９とは、互いに繋がっている。

図１１に示すように、鍔部２９は、圧力面２２から圧力面２２に対して直交する方向に突出している。軸方向と平行な方向で、かつ、圧力面２２および負圧面２３と直交する方向で切ったときの鍔部２９の形状は、特に制限されないが、本実施例では水流方向の上流側の先端が尖った三角形である。第１の圧力側鍔部２９ａのうち第１のカバー４の方を向くカバー側端面２９ｃは、第１の軸端面２０およびカバー側端面２６ｃと面一である。第１の圧力側鍔部２９ａと第１のカバー４との間には、第１の回転用隙間１３ａと同等の深さを有する第１の突起側隙間１４ａの一部が形成されている。第２の圧力側鍔部２９ｂのうち第２のカバー５の方を向くカバー側端面２９ｄは、第２の軸端面２１およびカバー側端面２６ｄと面一である。第２の圧力側鍔部２９ｂと第２のカバー５との間には、第２の回転用隙間１３ｂと同等の深さを有する第２の突起側隙間１４ｂの一部が形成されている。

図１０に示すように、負圧面２３において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、鍔部３０がそれぞれ形成されている。以下、２つの鍔部３０を区別する場合には、負圧面２３において第１の軸端面２０に隣接する部分に形成された鍔部３０を「第１の負圧側鍔部３０ａ」と称し、負圧面２３において第２の軸端面２１に隣接する部分に形成された鍔部３０を「第２の負圧側鍔部３０ｂ」と称する。

鍔部３０は、前縁２４と後縁２５との中間部に位置していて、ガイドベーン回転軸３の外周に形成されている。鍔部３０は、負圧面２３からガイドベーン回転軸３の径方向外側に突出している。鍔部３０の軸方向に沿って見た形状は、半円形状である。鍔部３０の外周縁は、ガイドベーン回転軸３を中心とする同一半径の円弧形状に形成されている。突起２７は、鍔部３０を間に挟んで後縁２５から前縁２４付近に亘って断続的に形成されている。突起２７と鍔部３０とは、互いに繋がっている。

図１１に示すように、鍔部３０は、負圧面２３から負圧面２３に対して直交する方向に突出している。軸方向と平行な方向で、かつ、圧力面２２および負圧面２３と直交する方向で切ったときの鍔部３０の形状は、特に制限されないが、本実施例では水流方向の下流側の先端が尖った三角形である。第１の負圧側鍔部３０ａのうち第１のカバー４の方を向くカバー側端面３０ｃは、第１の軸端面２０およびカバー側端面２７ｃと面一である。第１の負圧側鍔部３０ａと第１のカバー４との間には、第１の回転用隙間１３ａと同等の深さを有する第３の突起側隙間１４ｃの一部が形成されている。第２の負圧側鍔部３０ｂのうち第２のカバー５の方を向くカバー側端面３０ｄは、第２の軸端面２１およびカバー側端面２７ｄと面一である。第２の負圧側鍔部３０ｂと第２のカバー５との間には、第２の回転用隙間１３ｂと同等の深さを有する第４の突起側隙間１４ｄの一部が形成されている。

図１２に示すように、ガイドベーン２Ｂの圧力面２２において隣のガイドベーン２Ｂと接触する部分（後縁２５付近）には、突起２６が切除された圧力側切除部２８ａが設けられている。ガイドベーン２Ｂの負圧面２３において隣のガイドベーン２Ｂと接触する部分（前縁２４付近）には、突起２７が切除された負圧側切除部２８ｂが設けられている。

次に、実施例３に係る水力機械１Ｂの効果について説明する。

本実施例では、図１１に示すように、圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、突起２６が形成されているとともに、負圧面２３において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分には、突起２７が形成されている。すなわち、圧力面２２と負圧面２３との双方に突起２６，２７が形成されていることにより、回転用隙間１３に流入する水への圧力抵抗を増大させることができるため、漏れ流れ１５の流量を低減できる。また、本実施例では、圧力面２２において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分であってガイドベーン回転軸３の外周には、ガイドベーン回転軸３の径方向外側に突出する鍔部２９が形成されているとともに、負圧面２３において第１の軸端面２０および第２の軸端面２１に隣接する部分であってガイドベーン回転軸３の外周には、ガイドベーン回転軸３の径方向外側に突出する鍔部３０が形成されている。これにより、ガイドベーン回転軸３の回転時にガイドベーン回転軸３周りに発生する応力を緩和することができる。したがって、本実施例では、漏れ流れ１５の流量の低減とガイドベーン回転軸３周りの応力の緩和とを同時に実現することができる。

以上の実施例に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施例同士を組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

実施例では、本発明をフランシス水車に適用したが、例えば、フランシス形ポンプ水車に適用してもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 水力機械
２，２Ａ，２Ｂ ガイドベーン
３ ガイドベーン回転軸
４ 第１のカバー
４ａ 第１の孔
５ 第２のカバー
５ａ 第２の孔
６ ケーシング
７ ステーベーン
８ ランナ
８ａ ランナ羽根
８ｂ ランナクラウン
８ｃ ランナシュラウド
９ 主軸
１０ ドラフトパイプ
１１ ランナ収容室
１２ ランナ流路
１２ａ 入口
１３ 回転用隙間
１３ａ 第１の回転用隙間
１３ｂ 第２の回転用隙間
１４ 突起側隙間
１４ａ 第１の突起側隙間
１４ｂ 第２の突起側隙間
１４ｃ 第３の突起側隙間
１４ｄ 第４の突起側隙間
１５ 漏れ流れ
２０ 第１の軸端面
２１ 第２の軸端面
２２ 圧力面
２３ 負圧面
２４ 前縁
２５ 後縁
２６，２７ 突起
２６ａ 第１の圧力側突起
２６ｂ 第２の圧力側突起
２６ｃ，２６ｄ，２７ｃ，２７ｄ，２９ｃ，２９ｄ，３０ｃ，３０ｄ カバー側端面
２７ａ 第１の負圧側突起
２７ｂ 第２の負圧側突起
２８ａ 圧力側切除部
２８ｂ 負圧側切除部
２９，３０ 鍔部
２９ａ 第１の圧力側鍔部
２９ｂ 第２の圧力側鍔部
３０ａ 第１の負圧側鍔部
３０ｂ 第２の負圧側鍔部

Claims (5)

1. ガイドベーン回転軸と、
   前記ガイドベーン回転軸を中心に回転するガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの軸方向の一端側に配置された第１のカバーと、
   前記ガイドベーンの軸方向の他端側に配置された第２のカバーと、
   を備える水力機械であって、
   前記ガイドベーンは、
   前記第１のカバーの方を向く第１の軸端面と、
   前記第２のカバーの方を向く第２の軸端面と、
   前記第１の軸端面と前記第２の軸端面とを繋ぐとともに水流方向の上流側を向く圧力面と、
   前記第１の軸端面と前記第２の軸端面とを繋ぐとともに水流方向の下流側を向く負圧面と、
   を有し、
   前記第１の軸端面と前記第１のカバーとの間および前記第２の軸端面と前記第２のカバーとの間には、回転用隙間がそれぞれ形成され、
   前記圧力面および前記負圧面の少なくとも一方において前記第１の軸端面および前記第２の軸端面の少なくとも一方に隣接する部分には、突起が形成されていることを特徴とする水力機械。
2. 前記突起と前記第１のカバーまたは前記第２のカバーとの間には、前記回転用隙間と同等の深さを有する突起側隙間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
3. 前記突起は、前記圧力面に形成され、
   前記ガイドベーンは、環状に複数配置され、
   複数の前記ガイドベーンのそれぞれの前記圧力面は、前記ガイドベーンが水の流れを遮断する全閉時に隣の前記ガイドベーンと部分的に接触し、
   前記突起は、前記圧力面のうち隣の前記ガイドベーンと接触する部分を除いた部分に形成され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。
4. 前記突起は、前記負圧面に形成され、
   前記ガイドベーンは、環状に複数配置され、
   複数の前記ガイドベーンのそれぞれの前記負圧面は、前記ガイドベーンが水の流れを遮断する全閉時に隣の前記ガイドベーンと部分的に接触し、
   前記突起は、前記負圧面のうち隣の前記ガイドベーンと接触する部分を除いた部分に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水力機械。
5. 前記突起は、前記圧力面および前記負圧面のそれぞれに形成され、
   軸方向と直交する方向で切った前記ガイドベーンの断面形状は、翼型形状であり、
   前記圧力面の前記突起と前記負圧面の前記突起とは、前記ガイドベーンの前縁と後縁とを結ぶ翼弦に対して非対称に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水力機械。

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