以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
(第1の実施の形態)
図1乃至図5を用いて、本発明の第1の実施の形態における水力機械のステーリングおよび水力機械について説明する。
なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「垂直」、「同一」等の用語等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めるものとしている。
ここでは、まず、水力機械のステーリングを備えたフランシス水車(水力機械)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。このうちステーベーン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、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、ガイドベーン4の間に水が流れる流路が形成されている。また、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の回動中心は、ピッチサークル4a上に配置されている。各ガイドベーン4が回動して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に流入する水の圧力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には、主軸6を介して発電機7が連結されている。この発電機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の水車運転時の下流側には、吸出し管8が設けられている。この吸出し管8は、図示しない下池または放水路に連結されており、ランナ5を回転駆動させた水が、圧力を回復して、下池または放水路に放出されるようになっている。
なお、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ていてもよい。この場合、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でき、フランシス水車1を、ポンプ水車としてポンプ運転(揚水運転)することが可能になる。この際、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。
次に、本実施の形態によるステーリング10について説明する。ステーリング10は、水車運転時に、ケーシング2からの水流をランナ5に導くためのものである。
図2に示すように、ステーリング10は、環状の上壁11と、上壁11の下方に設けられ、上壁11に対向する環状の下壁12と、上壁11と下壁12との間に設けられた上述した複数のステーベーン3と、を有するように構成されている。このうちステーベーン3は、上壁11と下壁12とによって画定される流路内において、周方向に配列されている。このようにして、ステーベーン3は、ケーシング2からの水流をガイドベーン4に導くための整流羽根の役割を持っている。また、ステーベーン3は、上壁11および下壁12に(例えば溶接によって)連結されて支持されており、ケーシング2からの力を受ける強度部材としての役割を持っている。
本実施の形態におけるステーリング10は、平行型ステーリングとして構成されている。すなわち、図2に示すように、上壁11と下壁12とが互いに平行に配置されており、上壁11と下壁12との間の流路の高さ、すなわちステーベーン3の高さBが、半径方向(図2の左右方向)において同一となっている。
図2に示すように、ステーベーン3は、ベーン本体部分13と、ベーン本体部分13の上壁11の側および下壁12の側にそれぞれ設けられた壁側部分(上壁側部分14、下壁側部分15)と、を有している。すなわち、ベーン本体部分13は、ステーベーン3の高さ方向における中央に設けられており、上壁側部分14は、ベーン本体部分13の上側に、すなわち上壁11とベーン本体部分13との間に設けられ、下壁側部分15は、ベーン本体部分13の下側に、すなわち下壁12とベーン本体部分13との間に設けられている。ベーン本体部分13、上壁側部分14および下壁側部分15は、一体に形成されている。
ベーン本体部分13は、中央本体部分13aと、中央本体部分13aより入口側(ケーシング2の側)に設けられた入口本体部分13bと、中央本体部分13aより出口側(ガイドベーン4の側)に設けられた出口本体部分13cと、を含んでいる。同様に、上壁側部分14は、中央壁側部分14aと、中央壁側部分14aより入口側に設けられた入口壁側部分14bと、中央壁側部分14aより出口側に設けられた出口壁側部分14cと、を含み、下壁側部分15は、中央壁側部分15aと、中央壁側部分15aより入口側に設けられた入口壁側部分15bと、中央壁側部分15aより出口側に設けられた出口壁側部分15cと、を含んでいる。
図3には、本実施の形態におけるステーベーン3およびガイドベーン4の水平断面が示されている。このうちステーベーン3の上壁側部分14(または下壁側部分15)が実線で示されており、ベーン本体部分13が破線で示されている。本実施の形態においては、入口壁側部分14b、15bの断面形状と入口本体部分13bの断面形状とが相違するとともに、出口壁側部分14c、15cの断面形状と出口本体部分13cの断面形状とが相違している。中央本体部分13aと中央壁側部分14a、15aは、同一の断面形状を有しており、図3の断面では重なっている。
本実施の形態においては、ステーベーン3の壁側部分14、15の入口羽根角度θ1が、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より大きくなっている。より詳細には、壁側部分14、15の入口羽根角度θ1が入口壁側部分14b、15bによって画定され、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2が入口本体部分13bによって画定されており、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)が入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より大きくなっている。ステーベーン3の入口羽根角度は、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。ここで羽根角度とは、水平断面において、ランナ5の回転軸線Xを中心とする円弧の接線に対するステーベーン3の延びる方向(例えば、キャンバーライン)の角度を意味しており、羽根角度が小さいとは、接線方向に近づくように形成されることを意味し、羽根角度が大きいとは、半径方向に近づくように形成されることを意味している。後述する流れの角度も同様の意味で用いることとする。なお、入口本体部分13bの羽根厚さ(キャンバーラインに略垂直な方向の寸法)と、入口壁側部分14b、15bの羽根厚さは、同一となっている。
また、図3に示すように、ステーベーン3の壁側部分14、15の出口羽根角度θ3が、ベーン本体部分13の出口羽根角度θ4より小さくなっている。より詳細には、壁側部分14、15の出口羽根角度θ3が出口壁側部分14c、15cによって画定され、ベーン本体部分13の出口羽根角度θ4が出口本体部分13cによって画定されており、出口壁側部分14c、15cの羽根角度(θ3)が出口本体部分13cの羽根角度(θ4)より小さくなっている。ステーベーン3の出口羽根角度は、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。なお、本実施の形態においては、出口本体部分13cの羽根厚さと、出口壁側部分14c、15cの羽根厚さは、同一となっている。
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。
本実施の形態によるフランシス水車において水車運転を行う場合、図示しない上池から水圧鉄管を通ってケーシング2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5に流入する。このランナ5へ流入した水によって、ランナ5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5に流入した水は、ランナ5から吸出し管8を通って、図示しない下池または放水路へ放出される。
図4に、水車運転が行われている間のステーベーン3およびガイドベーン4の周囲の水の流れを示す。図4は、上壁11(または下壁12)近傍の高さ位置の水平断面(以下、壁近傍断面と記す)における水の流れを示している。
ここで、壁近傍断面における一般的な平行型ステーリングのステーベーン50の入口流れは、図16に示すように、ステーベーン50の入口羽根角度より大きな角度でステーベーン50の間の流路に流入する。これにより、ステーベーン50の入口の内周側に、損失が発生する損失領域52が形成され得る。
これに対して本実施の形態においては、図3に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口羽根角度θ1を、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より大きくしている。このことにより、図4に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口形状を、ステーベーン3に流入する流れに沿わせることができる。このため、ステーベーン3に流入する流れの角度と、ステーベーン3の入口壁側部分14b、15bの羽根角度との差が低減され、ステーベーン3の内周側での損失が低減される。
また、壁近傍断面における一般的なガイドベーン51の入口(ステーベーン50の出口)の流れは、図16に示すように、図15に示す中央断面における流れの角度より大きくなっている。これにより、ガイドベーン51の入口の内周側に、損失が発生する損失領域54が形成され得る。
これに対して本実施の形態においては、図3に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の出口羽根角度θ3を、ベーン本体部分13の出口羽根角度θ4より小さくしている。このことにより、図4に示すように、壁近傍断面のガイドベーン4に流入する流れの角度を小さくし、当該流れをガイドベーン4の入口形状に沿わせることができる。このため、ガイドベーン4に流入する流れの角度と、ガイドベーン4の入口羽根角度との差が低減され、ガイドベーン4の内周側での損失が低減される。
また、ガイドベーン4の開度は運転状態に応じて変えられるため、小流量側にガイドベーン4を回動させた場合には、ステーベーン3の出口羽根角度とガイドベーン4の入口羽根角度との差が大きくなる傾向にある。上述したように、図16に示す一般的なステーベーン50の出口(ガイドベーン51の入口)では、壁近傍断面における流れの角度が、中央断面における流れの角度より大きくなり、壁近傍断面における流れの損失が、中央断面における流れの損失より大きくなる。しかしながら、本実施の形態によれば、上述したように、壁近傍断面におけるガイドベーン4の入口流れの角度を、中央断面における流れの角度に近づけることができるため、壁近傍断面における流れの損失を、中央断面における流れの損失に近づけて、低減させることができる。
図5に、本実施の形態によるステーベーン3およびガイドベーン4の周囲の流れの損失の比較を示す。ここで、図5の実線L1は、図15等に示す一般的なステーベーン50を適用した場合、すなわちステーベーン50の高さ方向で入口羽根角度および出口羽根角度を変更していない場合の損失を示している。点線L2は、ステーベーン3の壁側部分14、15の入口羽根角度θ1をベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より大きくした場合、すなわちステーベーン3の高さ方向で入口羽根角度を変更するが出口羽根角度を変更していない場合の損失を示している。一点鎖線L3は、ステーベーン3の壁側部分14、15の出口羽根角度θ3をベーン本体部分13の出口羽根角度θ4よりも小さくした場合、すなわちステーベーン3の高さ方向で出口羽根角度を変更するが入口羽根角度を変更していない場合の損失を示している。破線L4は、壁側部分14、15の入口羽根角度θ1を、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より大きくすると共に、壁側部分14、15の出口羽根角度θ1を、ベーン本体部分13の出口羽根角度θ4よりも小さくした場合、すなわちステーベーン3の高さ方向で入口羽根角度および出口羽根角度を変更する場合の損失を示している。
図5に示されているように、入口羽根角度を変更する場合(L2参照)、一般的なステーベーン50を適用した場合(L1参照)よりも損失が低減される。出口羽根角度を変更する場合(L3参照)、入口羽根角度を変更する場合よりも更に損失が低減される。とりわけ、小流量側における損失の低減効果が大きくなっている。さらに、入口羽根角度および出口羽根角度を変更する場合(L4参照)、出口羽根角度を変更する場合よりも更に損失が低減される。
このように本実施の形態によれば、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の出口羽根角度θ3を、ベーン本体部分13の出口羽根角度θ4より小さくしている。このことにより、壁近傍断面のガイドベーン4に流入する流れを、ガイドベーン4の入口形状に沿わせることができる。このため、ガイドベーン4の入口流れの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、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口羽根角度θ1を、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より大きくしている。このことにより、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口形状を、ステーベーン3に流入する流れに沿わせることができる。このため、平行型ステーリングのステーベーン3の入口流れの損失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、ステーベーン3の壁側部分14、15の入口羽根角度θ1が、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より大きくなっ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、壁側部分14、15の入口羽根角度θ1は、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2と同一であってもよい。この場合であっても、壁近傍断面のガイドベーン4に流入する流れを、ガイドベーン4の入口形状に沿わせることができ、ガイドベーン4の入口流れの損失を低減することができる。
(第2の実施の形態)
次に、図6乃至図8を用いて、本発明の第2の実施の形態における水力機械のステーリングおよび水力機械について説明する。
図6乃至図8に示す第2の実施の形態においては、ベルマウス型ステーリングのステーベーンの壁側部分の入口羽根角度が、ベーン本体部分の入口羽根角度より小さい点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図5に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図6乃至図8において、図1乃至図5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。
本実施の形態におけるステーリング10は、ベルマウス型ステーリングとして構成されている。すなわち、図6に示すように、上壁11と下壁12との間の流路の高さ、すなわちステーベーン3の高さが、外周側に向って徐々に大きくなっており、上壁11および下壁12とケーシング2とは、滑らかな流路面を形成している。
図7には、本実施の形態におけるステーベーン3およびガイドベーン4の水平断面が示されている。このうちステーベーン3の上壁側部分14(または下壁側部分15)が実線で示されており、ベーン本体部分13が破線で示されている。
本実施の形態では、図7に示すように、ステーベーン3の壁側部分14、15の入口羽根角度θ1は、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より小さくなっている。より詳細には、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)が入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より小さくなっている。ステーベーン3の入口羽根角度は、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。なお、入口本体部分13bの羽根厚さと、入口壁側部分14b、15bの羽根厚さは、同一となっている。
ここで、壁近傍断面における一般的なベルマウス型ステーリングのステーベーン50の入口流れは、図18に示すように、ステーベーン50の入口羽根角度より小さな角度でステーベーン50の間の流路に流入する。これにより、ステーベーン50の入口の外周側に、損失が発生する損失領域53が形成され得る。
これに対して本実施の形態においては、図7に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口羽根角度θ1を、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より小さくしている。このことにより、図8に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口形状を、ステーベーン3に流入する流れに沿わせることができる。このため、ステーベーン3に流入する流れの角度と、ステーベーン3の入口壁側部分14b、15bの羽根角度との差が低減され、ステーベーン3の外周側での損失が低減される。
このように本実施の形態によれば、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口羽根角度θ1を、ベーン本体部分13の入口羽根角度θ2より小さくしている。このことにより、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の入口形状を、ステーベーン3に流入する流れに沿わせることができる。このため、ベルマウス型ステーリングのステーベーン3の入口流れの損失を低減することができる。
(第3の実施の形態)
次に、図9を用いて、本発明の第3の実施の形態における水力機械のステーリングおよび水力機械について説明する。
図9に示す第3の実施の形態においては、平行型ステーリングのステーベーンの出口壁側部分の羽根厚さが、出口本体部分の羽根厚さより厚くなっている点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図5に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図9において、図1乃至図5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。
本実施の形態におけるステーリング10は、平行型ステーリング(図2参照)として構成されている。
図9には、本実施の形態におけるステーベーン3およびガイドベーン4の水平断面が示されている。このうちステーベーン3の上壁側部分14(または下壁側部分15)が実線で示されており、ベーン本体部分13が破線で示されている。
本実施の形態においては、図9に示すように、ステーベーン3の出口壁側部分14c、15cの羽根厚さは、出口本体部分13cの羽根厚さより厚くなっている。なお、ステーベーン3の羽根厚さは、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。
より具体的には、図9の断面で見た場合に、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciは、出口本体部分13cの内周面13ciと重なり、出口壁側部分14c、15cの外周面14co、15coは、出口本体部分13cの外周面13coよりも外周側に位置している。このようにして、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciと外周面14co、15coとの間の距離として画定される羽根厚さが増大している。その結果として、出口壁側部分14c、15cの羽根角度(θ3)が、出口本体部分13cの羽根角度(θ4)より小さくなっている。なお、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciおよび外周面14co、15coと、出口本体部分13cの内周面13ciおよび外周面13coとの位置関係は、出口壁側部分14c、15cの羽根角度(θ3)が出口本体部分13cの羽根角度(θ4)より小さければ、これに限られることはない。
また、本実施の形態においては、図9に示すように、ステーベーン3の入口壁側部分14b、15bの羽根厚さは、入口本体部分13bの羽根厚さより厚くなっている。なお、ステーベーン3の羽根厚さは、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。
より具体的には、図9の断面で見た場合に、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biは、入口本体部分13bの内周面13biと重なり、入口壁側部分14b、15bの外周面14bo、15boは、入口本体部分13bの外周面13boよりも外周側に位置している。このようにして、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biと外周面14bo、15boとの間の距離として画定される羽根厚さが増大している。その結果として、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)が、入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より大きくなっている。なお、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biおよび外周面14bo、15boと、入口本体部分13bの内周面13biおよび外周面13boとの位置関係は、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)が入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より大きければ、これに限られることはない。
このように本実施の形態によれば、ステーベーン3の出口壁側部分14c、15cの羽根厚さが、出口本体部分13cの羽根厚さより厚くなっている。このことにより、ステーベーン3の出口羽根角度が高さ方向で変更される場合であっても、ステーベーン3の強度を増大させることができる。このため、ステーベーン3の強度を確保しつつ、ガイドベーン4の入口流れの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、ステーベーン3の入口壁側部分14b、15bの羽根厚さが、入口本体部分13bの羽根厚さより厚くなっている。このことにより、ステーベーン3の入口羽根角度が高さ方向で変更される場合であっても、ステーベーン3の強度を増大させることができる。このため、ステーベーン3の強度を確保しつつ、平行型ステーリングのステーベーン3の入口流れの損失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、ステーベーン3の出口壁側部分14c、15cの羽根厚さが、出口本体部分13cの羽根厚さより厚くなっているとともに、ステーベーン3の入口壁側部分14b、15bの羽根厚さが、入口本体部分13bの羽根厚さより厚くなっ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、出ステーベーン3の出口壁側部分14c、15cの羽根厚さは、出口本体部分13cの羽根厚さより厚くなっていなくてもよい。あるいは、入口壁側部分14b、15bの羽根厚さは、入口本体部分13bの羽根厚さより厚くなっていなくてもよい。
(第4の実施の形態)
次に、図10を用いて、本発明の第4の実施の形態における水力機械のステーリングおよび水力機械について説明する。
図10に示す第4の実施の形態においては、ベルマウス型ステーリングのステーベーンの出口壁側部分の羽根厚さが、出口本体部分の羽根厚さより厚くなっている点が主に異なり、他の構成は、図6乃至図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6乃至図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。
本実施の形態におけるステーリング10は、ベルマウス型ステーリング(図6参照)として構成されている。
図10には、本実施の形態におけるステーベーン3およびガイドベーン4の水平断面が示されている。このうちステーベーン3の上壁側部分14(または下壁側部分15)が実線で示されており、ベーン本体部分13が破線で示されている。
本実施の形態においては、図10に示すように、ステーベーン3の出口壁側部分14c、15cの羽根厚さは、出口本体部分13cの羽根厚さより厚くなっている。なお、ステーベーン3の羽根厚さは、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。
より具体的には、図10の断面で見た場合に、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciは、出口本体部分13cの内周面13ciと重なり、出口壁側部分14c、15cの外周面14co、15coは、出口本体部分13cの外周面13coよりも外周側に位置している。このようにして、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciと外周面14co、15coとの間の距離として画定される羽根厚さが増大している。その結果として、出口壁側部分14c、15cの羽根角度(θ3)が、出口本体部分13cの羽根角度(θ4)より小さくなっている。なお、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciおよび外周面14co、15coと、出口本体部分13cの内周面13ciおよび外周面13coとの位置関係は、出口壁側部分14c、15cの羽根角度(θ3)が出口本体部分13cの羽根角度(θ4)より小さければ、これに限られることはない。
また、本実施の形態においては、図10に示すように、ステーベーン3の入口壁側部分14b、15bの羽根厚さは、入口本体部分13bの羽根厚さより厚くなっている。なお、ステーベーン3の羽根厚さは、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。
より具体的には、図10の断面で見た場合に、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biは、入口本体部分13bの内周面13biよりも内周側に位置し、入口壁側部分14b、15bの外周面14bo、15boは、入口本体部分13bの外周面13boと重なっている。このようにして、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biと外周面14bo、15boとの間の距離として画定される羽根厚さが増大している。その結果として、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)が、入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より小さくなっている。なお、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biおよび外周面14bo、15boと、入口本体部分13bの内周面13biおよび外周面13boとの位置関係は、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)が入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より小さければ、これに限られることはない。
このように本実施の形態によれば、ステーベーン3の入口壁側部分14b、15bの羽根厚さが、入口本体部分13bの羽根厚さより厚くなっている。このことにより、ステーベーン3の入口羽根角度が高さ方向で変更される場合であっても、ステーベーン3の強度を増大させることができる。このため、ステーベーン3の強度を確保しつつ、ベルマウス型ステーリングのステーベーン3の入口流れの損失を低減することができる。
(第5の実施の形態)
次に、図11および図12を用いて、本発明の第5の実施の形態における水力機械のステーリングおよび水力機械について説明する。
図11および図12に示す第5の実施の形態においては、ステーベーンの壁側部分の内径は、ベーン本体部分の内径より小さくなっている点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図5に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図11および図12において、図1乃至図5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11には、本実施の形態における平行型ステーリングのステーベーン3およびガイドベーン4の水平断面が示されている。このうちステーベーン3の上壁側部分14(または下壁側部分15)が実線で示されており、ベーン本体部分13が破線で示されている。
本実施の形態においては、図11に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の内径は、ベーン本体部分13の内径よりそれぞれ小さくなっている。このようにして、上壁側部分14および下壁側部分15が、ベーン本体部分13より内周側に延びるように形成されている。ステーベーン3の内径は、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。ここで、壁側部分14、15の内径とは、水平断面における壁側部分14、15の(出口壁側部分14c、15cの)出口端の回転軸線Xを中心とする半径をいい、ベーン本体部分13の内径とは、水平断面におけるベーン本体部分13の(出口本体部分13cの)出口端の回転軸線Xを中心とする半径をいう。
上壁側部分14および下壁側部分をベーン本体部分13より内周側に延ばすことにより、出口壁側部分14c、15cの羽根厚さ、とりわけ、出口壁側部分14c、15cのうちの中央壁側部分14a、15aの側の部分の羽根厚さを厚くすることができる。このため、ステーベーン3の強度を増大させることができる。
本実施の形態では、図11の断面で見た場合に、上壁側部分14および下壁側部分15の出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciの一部は、ベーン本体部分13の出口本体部分13cの内周面13ciと重なり、出口壁側部分14c、15cの外周面14co、15coは、出口本体部分13cの外周面13coよりも外周側に位置している。このようにして、出口壁側部分14c、15cの羽根厚さを、出口本体部分13cの羽根厚さと同等以上としつつ、出口壁側部分14c、15cの羽根角度(θ3)を、出口本体部分13cの羽根角度(θ4)より小さくしている。なお、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciおよび外周面14co、15coと、出口本体部分13cの内周面13ciおよび外周面13coとの位置関係は、出口壁側部分14c、15cの羽根角度(θ3)を出口本体部分13cの羽根角度(θ4)より小さくするとともに壁側部分14、15の内径をベーン本体部分13の内径より小さくすることができれば、これに限られることはない。
例えば、ベーン本体部分13の内径をR1、上壁側部分14および下壁側部分15の内径をR2、ステーベーン3の高さをBとしたときに 、
R1−R2>0.2×B
を満たしていることが好適である。このため、ステーベーン3が上壁11および下壁12に溶接されている場合には、その溶接の隅肉の大きさよりも長い距離で壁側部分14、15を内周側に効果的に延ばすことが可能となる。
図12に、本実施の形態によるステーベーン3およびガイドベーン4の周囲の流れの損失を示す。図12に示されているように、R1−R2を大きくする(例えばR2を小さくする)ことにより損失が低減され、とりわけ、R1−R2が0.2×Bよりも大きくなると、損失の低減効果が高まることがわかる。
また、本実施の形態においては、図11に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の外径は、ベーン本体部分13の外径よりそれぞれ大きくなっている。このようにして、上壁側部分14および下壁側部分15が、ベーン本体部分13より外周側に延びるように形成されている。ステーベーン3の外径は、流れの損失を低減するために、高さ方向にわたって徐々に変化していることが好適である。ここで、壁側部分14、15の外径とは、水平断面における壁側部分14、15の(入口壁側部分14b、15bの)入口端の回転軸線Xを中心とする半径をいい、ベーン本体部分13の外径とは、水平断面におけるベーン本体部分13の(入口本体部分13bの)入口端の回転軸線Xを中心とする半径をいう。
上壁側部分14および下壁側部分をベーン本体部分13より外周側に延ばすことにより、入口壁側部分14b、15bの羽根厚さ、とりわけ、入口壁側部分14b、15bのうちの中央壁側部分14a、15aの側の部分の羽根厚さを厚くすることができる。このため、ステーベーン3の強度を増大させることができる。
本実施の形態では、図11の断面で見た場合に、上壁側部分14および下壁側部分15の入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biの一部は、ベーン本体部分13の入口本体部分13bの内周面13biと重なり、入口壁側部分14b、15bの外周面14bo、15boは、入口本体部分13bの外周面13boよりも外周側に位置している。このようにして、入口壁側部分14b、15bの羽根厚さを、入口本体部分13bの羽根厚さと同等以上としつつ、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)を、入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より大きくしている。なお、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biおよび外周面14bo、15boと、入口本体部分13bの内周面13biおよび外周面13boとの位置関係は、入口壁側部分14b、15bの羽根角度(θ1)を入口本体部分13bの羽根角度(θ2)より大きくするとともに壁側部分14、15の外径をベーン本体部分13の外径より大きくすることができれば、これに限られることはない。
例えば、ベーン本体部分13の外径をR3、上壁側部分14および下壁側部分15の外径をR4としたときに、
R4−R3>0.2×B
を満たしていることが好適である。このため、ステーベーン3が上壁11および下壁12に溶接されている場合には、その溶接の隅肉の大きさよりも長い距離で壁側部分14、15を外周側に延ばすことが可能となる。
このように本実施の形態によれば、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の内径が、ベーン本体部分13の内径よりそれぞれ小さくなっている。このことにより、ステーベーン3の出口羽根角度が高さ方向で変更される場合であっても、出口壁側部分14c、15cの羽根厚さを確保することができ、ステーベーン3の強度を増大させることができる。このため、ステーベーン3の強度を確保しつつ、ガイドベーン4の入口流れの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、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の外径が、ベーン本体部分13の外径よりそれぞれ大きくなっている。このことにより、ステーベーン3の入口羽根角度が高さ方向で変更される場合であっても、入口壁側部分14b、15bの羽根厚さを確保することができ、ステーベーン3の強度を増大させることができる。このため、ステーベーン3の強度を確保しつつ、ステーベーン3の入口流れの損失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、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の内径が、ベーン本体部分13の内径よりそれぞれ小さくなっているとともに、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の外径が、ベーン本体部分13の外径よりそれぞれ大きくなっ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、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の外径は、ベーン本体部分13の外径より大きくなくてもよい。あるいは、テーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の内径は、ベーン本体部分13の内径より小さくなくてもよい。
また、上述した本実施の形態においては、平行型ステーリングの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6等に示すようなベルマウス型ステーリングにも同様にして適用することができる。この場合、例えば、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の内径は、ベーン本体部分13の内径よりそれぞれ小さくし、出口壁側部分14c、15cの内周面14ci、15ciは、出口本体部分13cの内周面13ciと重なり、出口壁側部分14c、15cの外周面14co、15coは、出口本体部分13cの外周面13coよりも外周側に位置するようにしてもよい。また、例えば、ステーベーン3の上壁側部分14および下壁側部分15の外径は、ベーン本体部分13の外径よりそれぞれ大きくし、入口壁側部分14b、15bの内周面14bi、15biは、入口本体部分13bの内周面13biより内周側に位置し、入口壁側部分14b、15bの外周面14bo、15boは、入口本体部分13bの外周面13boと重なるようにしてもよい。
(第6の実施の形態)
次に、図13を用いて、本発明の第6の実施の形態における水力機械のステーリングおよび水力機械について説明する。
図13に示す第6の実施の形態においては、壁側部分のうちベーン本体部分より内周側に延びている部分と、対応する上壁または下壁との間に隙間が形成されている点が主に異なり、他の構成は、図11および図12に示す第5の実施の形態と略同一である。なお、図13において、図11および図12に示す第5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13には、本実施の形態における平行型のステーリング10が示されている。図13の実線は、本実施の形態におけるステーベーン3を示し、破線は、図15等に示す一般的なステーベーンの形状を示している。
図13に示すように、ステーベーン3の上壁側部分14のうちベーン本体部分13より内周側に延びている部分と、対応する上壁11との間に隙間20bが形成されており、この内周側に延びている部分と上壁11とが切り離されている。同様にして、下壁側部分15のうちベーン本体部分13より内周側に延びている部分と、対応する下壁12との間に隙間20cが形成されており、この内周側に延びている部分と下壁12とが切り離されている。
また、上壁側部分14のうちベーン本体部分13より外周側に延びている部分と、対応する上壁11との間に隙間21bが形成されており、この外周側に延びている部分と上壁11とが切り離されている。同様にして、下壁側部分15のうちベーン本体部分13より内周側に延びている部分と、対応する下壁12との間に隙間21cが形成されており、この外周側に延びている部分と下壁12とが切り離されている。
このように本実施の形態によれば、ステーベーン3の壁側部分14、15のうちベーン本体部分13より内周側に延びている部分と、対応する上壁11または下壁11との間に隙間20b、20cが形成されている。このことにより、この内周側に延びている部分は、強度部材としての役割を逃れることができるため、当該部分の形状の自由度を向上させることができ、例えば、薄い形状とすることもできる。なお、出口壁側部分14c、15cのうち、この内周側に延びている部分以外の部分を上壁11または下壁12に連結することにより、ステーベーン3の強度は確保することが可能となる。
また、本実施の形態によれば、ステーベーン3の壁側部分14、15のうちベーン本体部分13より外周側に延びている部分と、対応する上壁11または下壁11との間に隙間21b、21cが形成されている。このことにより、この外周側に延びている部分は、強度部材としての役割を逃れることができるため、当該部分の形状の自由度を向上させることができ、例えば、薄い形状とすることもできる。なお、入口壁側部分14b、15bのうち、この外周側に延びている部分以外の部分を上壁11または下壁12に連結することにより、ステーベーン3の強度は確保することが可能となる。
なお、上述した本実施の形態においては、ステーベーン3の壁側部分14、15のうちベーン本体部分13より内周側に延びている部分と、対応する上壁11または下壁11との間に隙間20b、20cが形成されるとともに、ステーベーン3の壁側部分14、15のうちベーン本体部分13より外周側に延びている部分と、対応する上壁11または下壁11との間に隙間21b、21cが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、内周側の隙間20b、20cおよび外周側の隙間21b、21cのうちの一方は形成されていなくてもよい。
また、上述した本実施の形態による隙間20b、20c、21b、21cは、ベルマウス型ステーリングのステーベーン3にも同様にして適用することが可能である。
(第7の実施の形態)
次に、図14を用いて、本発明の第7の実施の形態における水力機械のステーリングおよび水力機械について説明する。
図14に示す第7の実施の形態においては、隙間に、隙間を閉塞する閉塞部材が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図13に示す第6の実施の形態と略同一である。なお、図14において、図13に示す第6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14には、本実施の形態における平行型のステーリング10が示されている。図14の実線は、本実施の形態におけるステーベーン3を示し、破線は、図15等に示す一般的なステーベーンの形状を示している。
図14に示すように、出口側の各隙間20b、20cおよび入口側の各隙間21b、21cに、隙間20b、20c、21b、21cを閉塞する閉塞部材30が設けられている。閉塞部材30には、例えば、コーキング材やシール材を用いることが好適である。
このように本実施の形態によれば、隙間20b、20c、21b、21cに閉塞部材30が設けられ、隙間20b、20c、21b、21cが閉塞されている。このことにより、隙間20b、20c、21b、21cを水が通り抜けることを防止でき、ステーベーン3の入口流れおよび出口流れの損失を低減することができる。
なお、上述した本実施の形態による閉塞部材30は、ベルマウス型ステーリングのステーベーン3にも同様にして適用することが可能である。
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。
なお、上述した各実施の形態では、水力機械の一例としてフランシス水車を例にとって説明したが、このことに限られることはなく、フランシス水車以外の水力機械にも、本発明を適用することができる。また、ポンプ運転を行わない水車にも当然に適用することができる。