JP6502641B2 - 水力機械のガイドベーン及びその改修方法 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、水力機械のガイドベーン及びその改修方法に関する。

水力機械としての一般的なフランシスポンプ水車では、水車運転時に、水がケーシングからステーベーン及びガイドベーンを通ってランナに流れ込み、その水流によってランナが回転駆動され、主軸を介して発電機が回転駆動される。ランナを回転駆動した水は、吸出し管を経て放水路へと流出する。一方、ポンプ運転時には、発電機が電動機として作動し、ランナが水車運転時とは逆方向に回転駆動されることで、下池の水を吸い上げる。このとき、下池からの水は、吸出し管を通り、ランナを経て、ガイドベーン、ステーベーン、及びケーシングを通り、上池に揚水される。

図９には、水車運転時における水流の様子が矢印で示され、図１０には、ポンプ運転時における水流の様子が矢印で示されている。図９及び図１０において、符号３０は一般的なフランシスポンプ水車に設けられたガイドベーンを示し、符号４０は一般的なフランシスポンプ水車に設けられたステーベーンを示している。

図９及び図１０に示すように、一般的なフランシスポンプ水車では、ガイドベーン３０及びステーベーン４０がそれぞれ、ランナの周方向に間隔を空けて複数設けられている。このうち、ガイドベーン３０のそれぞれは、図示省略する回動軸に連結され、当該回動軸を中心に回動可能とされている。これにより、ガイドベーン３０は、回動軸周りに回動されることで、その開度を調整することが可能となっている。なお、ガイドベーン３０に連結される回動軸は、ランナ４を軸線方向の両側から覆う上カバーと下カバーとに支持されている。

このようなフランシスポンプ水車においては、水車運転時に、ガイドベーン３０の開度を変化させることで、ランナに流入する水の流量を調整し、発電量を変化させることができる。一方、ポンプ運転時には、揚水量または揚程に応じてランナからガイドベーン３０に入る流れの角度が異なることから、ガイドベーン３０の開度を適切な開度に設定することで、ガイドベーン３０での損失が小さくなる状態でフランシスポンプ水車をポンプ運転させることができる。

ガイドベーン３０を回動させる機構は、ガイドベーン３０の例えば、上カバーの上方に設けられる、ガイドリング、ガイドリングを回動させるサーボモータ、及びガイドベーン３０を回動軸を介してガイドリングに連結させるガイドベーンアーム等で構成されている。ガイドベーン３０は、前記サーボモータが駆動されることで開度を変えることが可能となっている。

また、ガイドベーン３０は、上述のように水車運転時及びポンプ運転時に運転状態を調整する役割を有する一方で、運転停止時には、全閉状態となって流水を遮断するという役割も有している。図１１には、ガイドベーン３０の全閉状態が示され、図１２には、ガイドベーン３０が拡大されて示されている。

図１２に示すように、ガイドベーン３０は、キャンバーラインＣＬを形成する羽根本体３０Ａと、羽根本体３０Ａよりも水車運転時における出口側に設けられた出口側部分３０Ｂと、羽根本体３０Ａよりも水車運転時における入口側に設けられた入口側部分３０Ｃと、を備えている。このうち、羽根本体３０Ａは水を効率良く通過させるように設計された部分である。また、羽根本体３０Ａの外周面と出口側部分３０Ｂの外周面との境界に、全閉状態の時に、水車運転時における出口側で隣り合う他のガイドベーン３０の内周面に接する出口側接点３０Ｄが設けられている。このようなガイドベーン３０では、図１１に示すように、全閉状態の時に、ガイドベーン３０の前述した出口側接点３０Ｄが、出口側で隣り合う他のガイドベーン３０の内周面に接すると共に、ガイドベーン３０の水車運転時における入口側部分３０Ｃ寄りの部分の内周面が、入口側で隣り合う他のガイドベーン３０の外周面に接するようになっている。

ところで、このフランシスポンプ水車では、水車運転時またはポンプ運転時に、水流がガイドベーン３０に流入する際に発生する衝突損失、ガイドベーン３０周りの摩擦によって発生する摩擦損失、ガイドベーン３０の形状によって発生する形状損失、ガイドベーン３０の水車運転時の出口の後流またはガイドベーン３０のポンプ運転時の出口の後流によって発生する損失等が生じる。

また、上述したように、運転状態に応じてガイドベーン３０を回動させることがあり、ガイドベーン３０と上カバー及び下カバーとの間のそれぞれに、隙間が設けられる。この隙間を通る流れは、ガイドベーン３０に沿わない流れとなってしまうため、この隙間における流れが大きいと損失が大きくなる。

このうち、ガイドベーン３０と上カバー及び下カバーとの隙間による漏れ損失を低減する技術としては、ガイドベーン３０のカバー側を向く面に溝を形成して漏れ損失の低減を図る技術等が知られている。

また、ガイドベーン３０の水車運転時における入口側部分３０Ｃ（図１２参照）の厚さを緩やかに薄くなるようにすれば、ガイドベーン３０の水車運転時には衝突損失の低減が可能であるとともに、ポンプ運転時には後流が小さくなり損失の低減が可能であることも知られている。同様に、ガイドベーン３０の水車運転時における出口側部分３０Ｂ（図１２参照）の厚さを緩やかに薄くなるようにすれば、水車運転時に後流が小さくなり損失の低減が可能であるとともに、ポンプ運転時には衝突損失の低減が可能であることも知られている。

しかしながら、水車運転時においては、ステーベーン４０におけるガイドベーン３０へ向けた流れの角度は運転状態に応じて大きく異ならない一方で、ガイドベーン３０が運転状態に応じて開度が変更される場合には、ステーベーン４０からガイドベーン３０への相対的な流入角度は変化する。この際に、ガイドベーン３０の水車運転時における入口側部分３０Ｃの厚さが過度に薄く、鋭角な形状であると、ステーベーン４０からガイドベーン３０への流れ角度とガイドベーン３０の入口角度との差が大きく異なる場合があり、逆に、損失が大きくなることがある。

このため、ガイドベーン３０の水車運転時における入口側部分３０Ｃは、通常、強度とともに損失低減を図って性能も考慮した厚さに設計されている。なお、ガイドベーン３０の水車運転時における入口側部分３０Ｃでの損失を低減する技術としては、例えば、翼形状の定義方法によって水力損失を低減する技術等が知られている。

一方、ガイドベーン３０は、全閉状態とされる際にサーボモータによって回動され、この際、サーボモータからモーメントを受け、さらに、全閉状態では、ガイドベーン３０の前述した出口側接点３０Ｄが、他のガイドベーン３０の内周面に向けて押されることにより、締め付け力を受ける。

このため、ガイドベーン３０の出口側接点３０Ｄを含み厚さ方向に延びる部分（以下、接点部分と呼ぶ。）は、通常、運転時の水圧に耐え得る強度を有するだけでなく、サーボモータから受ける力に耐え得る強度を有する厚さに設計されている。特に、高落差のフランシスポンプ水車では、水流のエネルギーが大きく、全閉時にサーボモータから受ける締め付け力が大きくなる。そのため、ガイドベーン３０の接点部分の厚さは、一般的に厚くなるように設計されている。

再度、図１２を参照し、図１２に示すガイドベーン３０においては、出口側部分３０Ｂの輪郭が円弧によって形成されており、当該円弧は、羽根本体３０Ａの外周面の出口側の端と内周面の出口側の端とで羽根本体３０Ａの外周面と内周面とに接する内接円Ｙの一部に沿って画定されている。このガイドベーン３０では、羽根本体３０Ａの外周面と出口側部分３０Ｂの外周面との境界に前述した出口側接点３０Ｄが設けられ、前述した接点部分の厚さは、内接円Ｙの直径程度に設定されており、大きく確保されている。

特開平７−２７９８０９号公報 特開平１０−１８４５２３号公報

上述したように、水力機械のガイドベーンにおいては、損失の低減のためにガイドベーンの厚さを薄く設計することが望ましいが、強度とのバランスを考慮して厚さが設定されることが一般的である。上述したガイドベーン３０のように、一般的なフランシスポンプ水車に設けられているガイドベーンは、サーボモータからの締め付け力等を考慮して、全閉状態の時において他のガイドベーンと接する前述した接点部分の厚さが比較的厚く確保されている。しかし、接点部分よりも出口側（先端側）に位置する部分は全閉状態の時に隣り合うガイドベーンとの干渉を避けるために短くなっており、その厚さは、先端に向けて急激に小さくなっている。このため、損失の低減に改善の余地がある。

本発明はこのような点に鑑み、水力機械のガイドベーンであって、全閉状態の時に厚さが確保された部分で隣り合う他のガイドベーンに接することができることで強度に関する信頼性を確保できると共に、水車運転時及びポンプ運転時における損失を効果的に低減することができる水力機械のガイドベーン及びその改修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のガイドベーンは、ランナの外周側に配置され、その回動軸を中心に回動可能とされており、前記回動軸の回動に応じて、前記ランナの周方向で隣り合う他のガイドベーンに接する全閉状態と、当該他のガイドベーンから離れる開放状態とを切り替えるように、水力機械に取り付けられる水力機械のガイドベーンであって、キャンバーラインを形成する羽根本体と、前記羽根本体の外周面のうち水車運転時における出口側の端に設けられ、全閉状態の時に、前記出口側において隣り合う他のガイドベーンの内周面に接する出口側接点と、前記出口側接点よりも前記出口側に設けられ、曲率半径Ｒ１の円弧で形成された外周面およびＲ１よりも大きい曲率半径Ｒ２の円弧で形成された内周面を有し、かつその先端点に向かうに従い水車運転時の全閉状態において前記外周面に接する他のガイドベーンから離れるように延びた出口側部分と、を備え、前記回動軸に直交する方向における全ての断面視で、前記出口側接点から前記キャンバーラインに直交するように延ばした直線が前記羽根本体の内周面と交差する内周交点が設けられ、前記出口側接点と前記内周交点とで前記羽根本体の外周面と内周面とに接する内接円を描いた場合に、前記先端点が、前記内接円よりも外側に位置し、且つ、前記キャンバーラインの前記出口側部分側への延長線上または該延長線よりも前記ランナの軸線側に位置することを特徴とする。

また、実施の形態による水力機械のガイドベーンの改修方法は、ランナの外周側に配置され、その回動軸を中心に回動可能とされる水力機械の既存ガイドベーンを改修する水力機械のガイドベーンの改修方法である。この方法は、延長ピースを準備する工程と、前記既存ガイドベーンの出口側部分に、前記延長ピースを接合し、上記実施の形態によるガイドベーンの出口側部分を形成する工程と、を備える。

第１の実施の形態によるフランシスポンプ水車の子午面断面図である。 図１に示すフランシスポンプ水車のガイドベーンの全閉状態を示した図である。 図１に示すフランシスポンプ水車のガイドベーンの断面図である。 図１に示すフランシスポンプ水車と、図１２に示したガイドベーンを備える一般的なフランシスポンプ水車と、の損失を比較した図である。 第２の実施の形態によるフランシスポンプ水車のガイドベーンの断面図である。 図５に示すフランシスポンプ水車と、図１２に示したガイドベーンを備える一般的なフランシスポンプ水車と、の損失を比較した図である。 第３の実施の形態によるフランシスポンプ水車のガイドベーンの断面図である。 第４の実施の形態によるフランシスポンプ水車のガイドベーンの断面図である。 一般的なフランシスポンプ水車の水車運転時における水流の様子を示した図である。 図９に示すフランシスポンプ水車のポンプ運転時における水流の様子を示した図である。 図９に示すフランシスポンプ水車のガイドベーンの全閉状態を示した図である。 図９に示すフランシスポンプ水車に設けられているガイドベーンの拡大図である。

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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態による水力機械としてのフランシスポンプ水車１００の子午面断面図である。このフランシスポンプ水車１００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１と、複数のステーベーン２と、複数のガイドベーン３と、ランナ４と、を備えている。ランナ４の外周側にガイドベーン３が配置され、ガイドベーン３の外周側にステーベーン２が配置されている。

ランナ４は、主軸７を介して発電機８に結合されている。ランナ４は、主軸７に連結されたクラウン４Ｃと、バンド４Ｂと、クラウン４Ｃとバンド４Ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根４Ａと、を有している。ランナ羽根４Ａは、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、ランナ羽根４Ａの間には、水が流れる流路が形成されている。

図１において、符号Ｏは、主軸７の回転中心を通る軸線を示している。以下では、軸線Ｏのことを、ランナ４の軸線Ｏと呼ぶ場合もある。

ステーベーン２は、水車運転時にケーシング１に流入した水をガイドベーン３及びランナ４に導くためのものであり、ランナ４の周方向に所定の間隔をあけて配置され、ステーベーン２の間に水が流れる流路が形成されている。また、ガイドベーン３は、水車運転時に流入した水をランナ４に導くためのものであり、ランナ４の周方向に所定の間隔をあけて配置され、ガイドベーン３の間には水が流れる流路が形成されている。ガイドベーン３からランナ４に水が流入することでランナ４が回転駆動され、主軸７を介して発電機８が回転駆動される。これにより、発電が行われる。ランナ４を駆動した水は、吸出し管５を経て放水路へと流出する。

ガイドベーン３には回動軸１４が連結され、ガイドベーン３は回動軸１４を中心に回動可能とされている。ガイドベーン３は、回動して開度を変えることにより、ランナ４に流入する水の流量を調整可能となっている。これにより、発電機８の発電量が調整され得る。回動軸１４は、ランナ４を図面における上方から覆う上カバー１０と、下方から覆う下カバー１１とに支持されている。図中の符号Ｃ１は、回動軸１４の軸線を示している。回動軸１４の軸線Ｃ１と主軸７（ランナ４）の軸線Ｏとは平行である。

また、ガイドベーン３は、運転停止時に全閉状態となって流水を遮断する機能を有している。図２には、ガイドベーン３の全閉状態が示されている。図２に示すように、全閉状態のガイドベーン３においては、詳細は後述するガイドベーン３の外周面に設けられた出口側接点２１が、出口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｄの内周面に接するようになっている。また、詳細は後述するガイドベーン３の内周面に設けられた入口側接点２０Ｂが、入口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｕの外周面に接するようになっている。すなわち、ガイドベーン３は、その回動軸１４の回動に応じて、ランナ４の周方向で隣り合う他のガイドベーン３Ｕ，３Ｄに接する全閉状態と、当該他のガイドベーン３Ｕ，３Ｄから離れる開放状態と、を切り替えるように、フランシスポンプ水車１００に取り付けられている。

また、フランシスポンプ水車１００におけるポンプ運転時には、発電機８が電動機として作動し、ランナ４が水車運転時とは逆方向に回転駆動されることで、下池の水を吸い上げる。このとき、下池からの水は、吸出し管５を通り、ランナ４を経て、ガイドベーン３、ステーベーン２、及びケーシング１を通り、上池に揚水される。

なお、ガイドベーン３を回動させる機構は、ガイドベーン３の例えば、上カバー１０の上方に設けられる、ガイドリング、ガイドリングを回動させるサーボモータ、及びガイドベーン３を回動軸１４を介してガイドリングに連結させるガイドベーンアーム等（いずれも図示せず）で構成されている。ガイドベーン３は、前記サーボモータが駆動されることで開度を変えることが可能となっている。

図３は、ランナ４の軸線Ｏに直交する方向におけるガイドベーン３の断面図を示している。以下、ガイドベーン３について詳述する。なお、図３では、説明の便宜のために、ガイドベーン３の断面におけるハッチングが省略されている。また、二点鎖線で囲まれたＺ１領域が拡大されて示されている。

図３に示ように、ガイドベーン３は、キャンバーラインＣＬを形成する羽根本体２０と、羽根本体２０の外周面のうち水車運転時における出口側の端に設けられ、全閉状態の時に、前記出口側において隣り合う他のガイドベーン３Ｄの内周面に接する前述した出口側接点２１（図２も参照のこと）と、出口側接点２１よりも前記出口側に設けられた出口側部分２２と、を備えている。また、ガイドベーン３は、羽根本体２０の外周面のうち水車運転時における入口側の端よりも前記入口側に設けられた入口側部分２３と、羽根本体２０の内周面うち入口側部分２３寄りの部分に設けられ、全閉状態の時に、水車運転時における入口側において隣り合う他のガイドベーン３Ｕの外周面に接する入口側接点２０Ｂと、を備えている。図示のように、ガイドベーン３は全体として流線形状に形成されている。

このうち、羽根本体２０は、ガイドベーン３の主要部分を構成する部分であり、水を効率良く通過させるように設計された部分である。なお、図３においては、説明の便宜のために、羽根本体２０と出口側部分２２との境界線Ｂ１と、羽根本体２０と入口側部分２３との境界線Ｂ２とが、二点鎖線で示されている。

本実施の形態では、ガイドベーン３の出口側部分２２における、全閉状態の時に他のガイドベーン３Ｄと接する出口側接点２１を含み、厚さ方向に延びる部分のことを接点部分ＴＨと呼ぶ。この接点部分ＴＨの厚さは、前述したサーボモータからの締め付け力等を考慮して、強度確保のために十分に厚く形成されている。

図示の出口側部分２２は、曲率半径Ｒ１の円弧で形成された外周面２２Ａと、曲率半径Ｒ２の円弧で形成された内周面２２Ｂと、外周面２２Ａのうち水車運転時における出口側の端と内周面２２Ｂのうち水車運転時における出口側の端とを接続する、曲率半径Ｒ１及び曲率半径Ｒ２とは異なる曲率半径の円弧で形成された先端面２２Ｃと、を有している。これら外周面２２Ａと、内周面２２Ｂと、先端面２２Ｃとによって、出口側部分２２の輪郭は、流線形状に画定されている。

本実施の形態では、外周面２２Ａを形成する曲率半径Ｒ１と内周面２２Ｂを形成する曲率半径Ｒ２との間には、Ｒ１＜Ｒ２の関係が成り立っている。また、本実施の形態の先端面２２Ｃは、外周面２２Ａのうち前記出口側の端と内周面２２Ｂのうち前記出口側の端から突出するように形成されており、先端面２２Ｃを形成する円弧は、外周面２２Ａの前記出口側の端と内周面２２Ｂの前記出口側の端とで、これら外周面２２Ａと内周面２２Ｂとに接する内接円の一部によって画定されている。当該内接円の半径、すなわち、先端部２２Ｃを形成する円弧の曲率半径は、曲率半径Ｒ１及び曲率半径Ｒ２よりも小さくなっている。

なお、図３においては、説明の便宜のために、外周面２２Ａ及び内周面２２Ｂと、先端面２２Ｃとの境界線Ｂ３が、二点鎖線で示されている。

一方、本実施の形態の入口側部分２３の輪郭は単一の円弧で形成されている。入口側部分２３の輪郭を形成する円弧は、羽根本体２０の外周面における入口側の端と内周面における入口側の端とで羽根本体２０の外周面と内周面に接する内接円の一部によって画定されている。なお、本実施の形態のガイドベーン３は、単一の材料から形成されており、羽根本体２０、出口側部分２２、入口側部分２３等は一体に形成されている。

図３には、出口側接点２１からキャンバーラインＣＬに直交するように延ばした直線Ｌ１（本実施の形態では、境界線Ｂ１に重なる）が羽根本体２０の内周面と交差する、ガイドベーン３に設けられた内周交点２４が示されている。また、図３には、出口側接点２１と内周交点２４とで羽根本体２０の外周面と内周面とに接する内接円Ｘが二点鎖線で示されている。

ここで、本実施の形態の形態では、図３に示すように、出口側部分２２の先端面２２Ｃに含まれる先端点２２Ｄが、内接円Ｘよりも外側に位置し、且つ、キャンバーラインＣＬの出口側部分２２側への延長線Ｌ２よりもランナ４の軸線Ｏ側に位置している。先端点２２Ｄとは、先端面２２Ｃのうちの円弧の両端間の中央に位置する点である。また、本実施の形態において延長線Ｌ２は、一例として、キャンバーラインＣＬの端点（出口側部分寄りの端点）に接する接線によって画定されている。本実施の形態では、このような出口側部分２２が、全閉状態の時に隣り合う他のガイドベーン３Ｄに干渉しないように形成されている。なお、本実施の形態では、延長線Ｌ２をキャンバーラインＣＬの端点に接する接線によって画定したが、延長線Ｌ２は、その他の態様で画定してもよい。例えば、キャンバーラインＣＬの多項式近似曲線や対数近似曲線等によって延長線Ｌ２を画定してもよい。

なお、以上のようなガイドベーン３にランナ４の周方向で隣り合う他のガイドベーン３Ｕ，３Ｄも、ガイドベーン３と同様の形状になっている。

次に、本実施の形態によるガイドベーン３の作用について説明する。

本実施の形態によるガイドベーン３では、出口側部分２２の先端点２２Ｄが、内接円Ｘよりも外側に位置している。これにより、出口側部分２２の厚さは、先端点２２Ｄに向けて緩やかに薄くなるように形成されている。また、本実施の形態によるガイドベーン３では、出口側部分２２の先端点２２Ｄが、キャンバーラインＣＬの出口側部分２２側への延長線Ｌ２よりもランナ４の軸線Ｏ側に位置している。これにより、ガイドベーン３は、全閉状態の時に、出口側部分２２、すなわち出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分で隣り合う他のガイドベーン３Ｄと干渉し難くなっている。

これにより、本実施の形態によれば、水車運転時には、ガイドベーン３の出口側部分２２を通過した水による後流の発達を抑制して損失を低減し、ポンプ運転時には、ガイドベーン３の出口側部分２２での衝突損失を抑制して損失を低減することができる。また、全閉状態の時に、ガイドベーン３は、厚さが確保された接点部分ＴＨで隣り合う他のガイドベーン３Ｄに接することができる。

このことにより、第１の実施の形態のガイドベーン３によれば、全閉状態の時に、厚さが確保された部分（接点部分ＴＨ）で隣り合う他のガイドベーン３Ｄに接することができることで強度に関する信頼性を確保できると共に、水車運転時及びポンプ運転時における損失を効果的に低減することができる。

また、本実施の形態では、出口側部分２２が、曲率半径Ｒ１の円弧で形成された外周面２２Ａと、曲率半径Ｒ２の円弧で形成された内周面２２Ｂと、を有する。この場合、ガイドベーン３の出口側部分２２を水がスムーズに通過するために、効率の向上を図ることができる。また、Ｒ１＜Ｒ２であることで、全閉状態の時に、出口側部分２２、すなわち出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分が、先端点２２Ｄに向かうに従い隣り合う他のガイドベーン３Ｄから離れるように延びるため、隣り合う他のガイドベーン３Ｄと一層干渉し難くなる。したがって、全閉状態の時に、ガイドベーン３は、厚さが確保された接点部分ＴＨで、確実に隣り合う他のガイドベーン３Ｄに接することができ、強度に関する信頼性を向上させることができる。さらに、Ｒ１＜Ｒ２である場合には、出口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｄとの干渉を回避しつつ出口側部分２２を長く延ばし易い。これにより、本実施の形態のガイドベーン３では、出口側部分２２の長さを確保することで、損失の低減効果を向上させている。なお、この種の羽根の端部では、その厚さが緩やかに薄くなる部分が長いほど、損失が低減する傾向にある。

図４は、図１に示すフランシスポンプ水車１００と、図１２に示したガイドベーン３０を備える一般的なフランシスポンプ水車と、の損失を比較した図である。図４においては、Ｒ１／Ｒ２と、図１に示すフランシスポンプ水車１００の水車運転時及びポンプ運転時の損失を図１２に示したガイドベーン３０を備えるフランシスポンプ水車の損失で除した損失比と、の関係が示されている。

図４からも明らかなように、本実施の形態のガイドベーン３が用いられるフランシスポンプ水車１００の損失は、水車運転時及びポンプ運転時の双方で、図１２に示したガイドベーン３０を備える一般的なフランシスポンプ水車の損失に比べて小さくなっている。

図４では、Ｒ１／Ｒ２が大きいほど、図１に示すフランシスポンプ水車１００の水車運転時及びポンプ運転時の損失が、図１２に示したガイドベーン３０を備えるフランシスポンプ水車の損失に比べて小さくなっている。これは、Ｒ１／Ｒ２が大きいほど出口側部分２２の厚さをより緩やかに薄くできるため、損失が小さくなること意味している。また、Ｒ１／Ｒ２が小さいと、急激な形状変化になってしまうことから損失の低減効果が小さくなることを意味している。また、Ｒ１／Ｒ２が過度に小さくなると、出口側部分２２は、図１２で示したガイドベーン３０よりも長く延ばすことができなくなるため、損失としてはガイドベーン３０と大きくは変わらなくなってしまう。

一方、Ｒ１／Ｒ２が過剰に大きい場合には、出口側部分２２の外周面に、全閉状態の時に隣り合う他のガイドベーン３Ｄが、干渉する可能性が高くなり、また薄くなり過ぎて強度不足となる可能性が高くなる。図４に示すように、Ｒ１／Ｒ２が、０．２５よりも大きくなると、損失の低減効果に大きな変化が生じなくなっている。したがって、強度の確保等を考慮して、本実施の形態の出口側部分２２においては、Ｒ１／Ｒ２＜０．２５の関係をもたせることが好ましいといえる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態によるガイドベーンについて図５及び図６を用いて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。なお、図５においては、二点鎖線で囲まれたＺ２領域が拡大されて示されている。

本実施の形態においても、ガイドベーン３の出口側部分２２は、曲率半径Ｒ１の円弧で形成された外周面２２Ａと、曲率半径Ｒ２の円弧で形成された内周面２２Ｂと、外周面２２Ａのうち水車運転時における出口側の端と内周面２２Ｂのうち水車運転時における出口側の端とを接続する、曲率半径Ｒ１及び曲率半径Ｒ２とは異なる曲率半径の円弧で形成された先端面２２Ｃと、を有している。また、本実施の形態においても、外周面２２Ａを形成する曲率半径Ｒ１と内周面２２Ｂを形成する曲率半径Ｒ２との間には、Ｒ１＜Ｒ２の関係が成り立っている。また、先端面２２Ｃを形成する円弧の曲率半径は、本実施の形態においても、曲率半径Ｒ１及び曲率半径Ｒ２よりも小さくなっている。

そして、図５に示すように、本実施の形態では、出口側接点２１と内周交点２４との間の距離をＴ１とし、出口側部分２２の外周面２２Ａのうち出口側の端と出口側部分２２の内周面のうち出口側の端との間の距離をＴ２としたとき、Ｔ２／Ｔ１≦０．７５の関係が成り立っている。なお、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、出口側部分２２の先端点２２Ｄが、内接円Ｘよりも外側に位置し、且つ、キャンバーラインＣＬの出口側部分２２側への延長線Ｌ２よりもランナ４の軸線Ｏ側に位置している。

図６は、図５に示すフランシスポンプ水車１００と、図１２に示したガイドベーン３０を備える一般的なフランシスポンプ水車と、の損失を比較した図である。図６においては、Ｔ２／Ｔ１と、図５に示すフランシスポンプ水車１００の水車運転時及びポンプ運転時の損失を図１２に示したガイドベーン３０を備えるフランシスポンプ水車の損失で除した損失比と、の関係が示されている。

図６においては、Ｔ２／Ｔ１が小さいほど、図５に示すフランシスポンプ水車１００の水車運転及びポンプ運転の損失が、図１２に示したガイドベーン３０を備えるフランシスポンプ水車の損失に比べて小さくなっている。これは、Ｔ２／Ｔ１が小さいほど、出口側部分２２が薄くなるため、損失が小さくなっているものと考えられる。特に、Ｔ２／Ｔ１＝０．７５よりも小さくなった場合に、損失比が、顕著に小さくなっている。これは、Ｔ２／Ｔ１＝０．７５であれば、損失を効果的に低減できる程度に出口側部分２２が十分に薄くなっており、Ｔ２／Ｔ１≦０．７５であれば、より効果的に低減できる程度に出口側部分２２が十分に薄くなることを示していると考えられる。したがって、本実施の形態では、Ｔ２／Ｔ１≦０．７５を満たすように、ガイドベーン３が構成されている。

このような第２の実施の形態のガイドベーン３によれば、第１の実施の形態で説明した、出口側部分２２の先端点２２Ｄが、内接円Ｘよりも外側に位置し、且つ、キャンバーラインＣＬの出口側部分２２側への延長線Ｌ２よりもランナ４の軸線Ｏ側に位置している構成に加えて、ガイドベーン３に、Ｔ２／Ｔ１≦０．７５の関係をもたせることで、確実に損失の低減を図ることができる。

また、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、Ｒ１＜Ｒ２であることで、全閉状態の時に、ガイドベーン３は、出口側部分２２、すなわち出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分で隣り合う他のガイドベーン３Ｄと一層干渉し難くなる。したがって、本実施の形態においても、Ｒ１＜Ｒ２であることで、全閉状態の時に、ガイドベーン３は、厚さが確保された接点部分ＴＨで、確実に隣り合う他のガイドベーン３Ｄに接することができ、強度に関する信頼性を向上させることができる。さらに、Ｒ１＜Ｒ２である場合には、出口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｄとの干渉を回避しつつ出口側部分２２を長く延ばし易い。これにより、本実施の形態のガイドベーン３でも、出口側部分２２の長さを確保することで、損失の低減効果を向上させている。なお、本実施の形態においても、強度の確保等を考慮して、出口側部分２２においては、Ｒ１／Ｒ２＜０．２５の関係をもたせることが好ましい。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態によるガイドベーン３について図７を用いて説明する。本実施の形態における第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。本実施の形態では、既存のガイドベーンに延長ピース２８を接合して、第１の実施の形態によるガイドベーン３を得る例について説明する。なお、図７においては、二点鎖線で囲まれたＺ３領域が拡大されて示されている。

すなわち、本実施の形態のガイドベーン３では、図中白抜きの領域で示される既存のガイドベーンの出口側部分に、図中符号２８で示す延長ピース（ハッチング付きの部分）が接合されており、既存のガイドベーンの出口側部分よりも緩やかに薄くなる部分が形成されている。延長ピース２８は、全閉状態の時に隣り合う他のガイドベーンに干渉しないように接合されている。

具体的に、既存のガイドベーンの出口側部分に接合された延長ピース２８は、第１の実施の形態の出口側部分２２と同様の、曲率半径Ｒ１の円弧で形成された外周面２２Ａと、曲率半径Ｒ２の円弧で形成された内周面２２Ｂと、外周面２２Ａのうち水車運転時における出口側の端と内周面２２Ｂのうち水車運転時における出口側の端とを接続する、曲率半径Ｒ１及び曲率半径Ｒ２とは異なる曲率半径の円弧で形成された先端面２２Ｃと、を有している。

本例では、既存のガイドベーン（既存ガイドベーン）として、図１２に示したガイドベーン３０が用いられている。既存のガイドベーン３０は、前述したように、キャンバーラインＣＬを形成する羽根本体３０Ａと、羽根本体３０Ａよりも水車運転時における出口側に設けられた出口側部分３０Ｂと、羽根本体３０Ａよりも水車運転時における入口側に設けられた入口側部分３０Ｃと、を備えている。このうち、出口側部分３０Ｂに、本実施の形態による延長ピース２８が接合されている。これにより、既存のガイドベーン３０は、第１の実施の形態で説明した羽根本体２０と出口側部分２２とを有するガイドベーン３として改修されている。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した羽根本体２０が、既存のガイドベーン３０のうちの羽根本体３０Ａで構成され、第１の実施の形態で説明した出口側部分２２が、既存のガイドベーン３０のうちの出口側部分３０Ｂと延長ピース２８によって形成されている。

このような第３の実施の形態では、例えば、既設のフランシスポンプ水車の既存のガイドベーンを、全閉状態の時に、厚さが確保された部分で隣り合う他のガイドベーンに接することができることで強度に関する信頼性を確保できると共に、水車運転時及びポンプ運転時における損失を効果的に低減することができるガイドベーンに、改修することができる。なお、改修したガイドベーン３は、第２の実施の形態と同様に、Ｔ１／Ｔ２≦０．７５の関係を有していてもよい。

運転開始から数十年経過するような既設のフランシスポンプ水車においてはガイドベーンの材料が、現在使用しているような強度の高いものでないことが多く、ガイドベーンが厚く設計されているものが多い。このため、ガイドベーンでの損失が大きくなり得る。ガイドベーンを現在使用されているような強度の高い材料を使用して、第１の実施の形態または第２の実施の形態で説明したようなガイドベーンを新規に製作して交換することも可能であるが、高価になり改修作業も煩雑になり得る。本実施の形態のように、既存のガイドベーンに延長ピース２８を接合することにより、ガイドベーンを改修すれば、新規にガイドベーンを製作するよりも安価な方法で損失の低減を図ることが可能である。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態による水車のランナについて図８を用いて説明する。本実施の形態における第１〜第３の実施の形態と同様の構成要素は同一符号で示し、説明は省略する。なお、図８においては、二点鎖線で囲まれたＺ４領域が拡大されて示されている。

図８に示すように、本実施の形態では、羽根本体２０の内周面に、外周面側に向けてへこむ凹部２０Ａが形成されている。凹部２０Ａは、羽根本体２０の内周面のうちの、全閉状態の時に、水車運転時における入口側において隣り合う他のガイドベーン３Ｕと接する入口側接点２０Ｂから出口側にわたる領域に形成されている。凹部２０Ａは、曲率半径Ｒ３の円弧によって形成されている。

一方、ガイドベーン３の出口側部分２２は、第１の実施の形態と同様の形状となっている。なお、ガイドベーン３は、第２の実施の形態と同様に、Ｔ１／Ｔ２≦０．７５の関係を有していてもよい。そして、本実施の形態では、出口側部分２２の外周面が曲率半径Ｒ１の円弧で形成され、この曲率半径Ｒ１と、凹部２０Ａの曲率半径Ｒ３との間で、Ｒ１＜Ｒ３の関係が成り立っている。

そして、以上のような本実施の形態のガイドベーン３にランナ４の周方向で隣り合う他のガイドベーン３Ｕ，３Ｄも、ガイドベーン３と同様の形状になっている。したがって、ガイドベーン（３，３Ｕ，３Ｄ等）が周方向に複数設けられた場合には、隣り合うガイドベーンの間には、一方のガイドベーンの出口側部分の外周面の曲率半径が、他方のガイドベーンの内周面の凹部の曲率半径よりも小さいという関係が成り立つようになっている。

図８では、ガイドベーン３Ｕ，３Ｄにおける、ガイドベーン３と同様の構成部分について同一の符号を示している。そして、図８では、ガイドベーン３の凹部２０Ａと、ガイドベーン３に入口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｕの出口側部分２２とが示されている。図示するように、全閉状態の時に、他のガイドベーン３Ｕの出口側接点２１は、ガイドベーン３の入口側接点２０Ｂに接する。他のガイドベーン３Ｕの出口側部分２２の外周面の曲率半径Ｒ１は、ガイドベーン３の凹部２０Ａの曲率半径Ｒ３よりも小さくなっている。そして、全閉状態の時には、他のガイドベーン３Ｕの出口側部分２２の外周面と、ガイドベーン３の凹部２０Ａとの間には隙間が形成されるようになっている。

このような第４の実施の形態によるガイドベーン３によれば、同様の形状のガイドベーン（３Ｕ，３Ｄ等）が周方向に複数設けられた場合に、このガイドベーン３に凹部２０Ａが形成されていることで、水車運転時における入口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｕが、全閉状態の時に、その出口側部分２２、すなわちその出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分で、このガイドベーン３の内周面に接し難くなる状態にすることができる。これにより、当該他のガイドベーン３Ｕが、その厚さが確保された接点部分で、確実に出口側で隣り合うガイドベーン３に接するようにすることができる。したがって、本実施の形態によるガイドベーン３によれば、隣り合う他のガイドベーン３Ｕの強度に関する信頼性を向上させることができる。一方、ガイドベーン３自身も、出口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｄに凹部２０Ａが形成されていることによって、出口側部分２２、すなわち出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分で他のガイドベーン３Ｄの内周面に接し難くなる状態となることで、信頼性が向上する。

また、本実施の形態によるガイドベーン３では、Ｒ１＜Ｒ３の関係となっている。このような関係の場合、全閉状態の時に、ガイドベーン３の内周面（凹部２０Ａ）と、前記他のガイドベーン３Ｕの出口側部分２２との間隔を広く確保し易くなるので、他のガイドベーン３Ｕが、全閉状態の時に、出口側部分２２、すなわち出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分でガイドベーン３の内周面に一層接し難くなる。これにより、他のガイドベーン３Ｕの強度に関する信頼性を一層向上させることができる。一方、ガイドベーン３自身も、出口側で隣り合う他のガイドベーン３Ｄに凹部２０Ａが形成され、この凹部２０Ａとの間で、Ｒ１＜Ｒ３の関係が成り立つことで、出口側部分２２、すなわち出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分で他のガイドベーン３Ｄの内周面に接し難くなる状態となることで、信頼性が一層向上する。

このように本実施の形態によるガイドベーン３によれば、周方向に複数設けられた場合に、凹部２０Ａによって他のガイドベーンの信頼性を向上させることができる点で有益である。

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、出口側部分２２の先端点２２Ｄが、キャンバーラインＣＬの出口側部分２２側への延長線Ｌ２よりもランナ４の軸線Ｏ側に位置している例を説明した。しかしながら、出口側部分２２の先端点２２Ｄは、延長線Ｌ２上に位置していてもよい。出口側部分２２の先端点２２Ｄが延長線Ｌ２上に位置する場合であっても、出口側部分２２は、その先端点２２Ｄが延長線Ｌ２よりも外周側に位置しないことで、ガイドベーン３は、全閉状態の時に、出口側接点２１よりも先端側の厚さの薄い部分で、隣り合う他のガイドベーン３Ｄと干渉し難くなる。したがって、全閉状態の時に、ガイドベーン３は、厚さが確保された接点部分ＴＨで隣り合う他のガイドベーン３Ｄに接することができ、これにより、強度に関する信頼性を確保できる。また、出口側部分２２の先端点２２Ｄが、内接円Ｘよりも外側に位置していることで、水車運転時及びポンプ運転時における損失を効果的に低減することができる。

また、上記各実施の形態では、出口側部分２２の先端点２２Ｄを含む先端面２２Ｃが円弧で形成される例を説明したが、先端面２２Ｃは、直線状の線分、または折れ線（出口側に先細りとなるＶ字状等）で形成されてもよい。また、上記各実施の形態では、出口側部分２２の外周面２２Ａ及び内周面２２Ｃが円弧で形成される例を説明したが、外周面２２Ａ及び内周面２２Ｃは直線状であってもよい。

３ ガイドベーン、３Ｄ，３Ｕ 他のガイドベーン、４ ランナ、７ 主軸、１４ 回動軸、２０ 羽根本体、２０Ａ 凹部、２０Ｂ 入口側接点、２１ 出口側接点、２２ 出口側部分、２２Ａ 外周面、２２Ｂ 内周面、２２Ｃ 先端面、２２Ｄ 先端点、２３ 入口側部分、２４ 内周交点、２８ 延長ピース、１００ フランシスポンプ水車、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ 境界線、ＣＬ キャンバーライン、Ｃ１ 軸線(回動軸)、Ｌ１ 直線、Ｌ２ 延長線、Ｏ 軸線（主軸またはランナ）、Ｘ，Ｙ 内接円。

Claims (7)

1. ランナの外周側に配置され、その回動軸を中心に回動可能とされており、前記回動軸の回動に応じて、前記ランナの周方向で隣り合う他のガイドベーンに接する全閉状態と、当該他のガイドベーンから離れる開放状態とを切り替えるように、水力機械に取り付けられる水力機械のガイドベーンであって、
   キャンバーラインを形成する羽根本体と、
   前記羽根本体の外周面のうち水車運転時における出口側の端に設けられ、全閉状態の時に、前記出口側において隣り合う他のガイドベーンの内周面に接する出口側接点と、
   前記出口側接点よりも前記出口側に設けられ、曲率半径Ｒ１の円弧で形成された外周面およびＲ１よりも大きい曲率半径Ｒ２の円弧で形成された内周面を有し、かつその先端点に向かうに従い水車運転時の全閉状態において前記外周面に接する他のガイドベーンから離れるように延びた出口側部分と、を備え、
   前記回動軸に直交する方向における全ての断面視で、前記出口側接点から前記キャンバーラインに直交するように延ばした直線が前記羽根本体の内周面と交差する内周交点が設けられ、
   前記出口側接点と前記内周交点とで前記羽根本体の外周面と内周面とに接する内接円を描いた場合に、前記先端点が、前記内接円よりも外側に位置し、且つ、前記キャンバーラインの前記出口側部分側への延長線上または該延長線よりも前記ランナの軸線側に位置することを特徴とする、水力機械のガイドベーン。
2. Ｒ１／Ｒ２＜０．２５であ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. 前記出口側部分の外周面のうち前記出口側の端と、前記出口側部分の内周面のうち出口側の端とが、前記先端点を含む先端面で接続され、
   前記出口側接点と前記内周交点との間の距離をＴ１とし、前記出口側部分の外周面のうち前記出口側の端と前記出口側部分の内周面のうち前記出口側の端との間の距離をＴ２としたとき、
   Ｔ２／Ｔ１≦０．７５であることを特徴とする、請求項１または２に記載の水力機械のガイドベーン。
4. 前記羽根本体の内周面に、外周面側に向けてへこむ凹部が形成され、
   前記凹部は、前記羽根本体の内周面のうちの、全閉状態の時に、水車運転時における入口側において隣り合う他のガイドベーンと接する入口側接点から出口側にわたる領域に形成され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. 前記凹部は、曲率半径Ｒ３の円弧によって形成され、
   前記出口側部分は、曲率半径Ｒ１の円弧で形成された外周面を有し、
   Ｒ１＜Ｒ３であることを特徴とする、請求項４に記載の水力機械のガイドベーン。
6. ランナの外周側に配置され、その回動軸を中心に回動可能とされており、前記回動軸の回動に応じて、前記ランナの周方向で隣り合う他のガイドベーンに接する全閉状態と、当該他のガイドベーンから離れる開放状態とを切り替えるように、水力機械に取り付けられる水力機械のガイドベーンであって、
   キャンバーラインを形成する羽根本体と、
   前記羽根本体の外周面のうち水車運転時における出口側の端に設けられ、全閉状態の時に、前記出口側において隣り合う他のガイドベーンの内周面に接する出口側接点と、
   前記出口側接点よりも前記出口側に設けられた出口側部分と、を備え、
   前記回動軸に直交する方向における断面視で、前記出口側接点から前記キャンバーラインに直交するように延ばした直線が前記羽根本体の内周面と交差する内周交点が設けられ、
   前記出口側接点と前記内周交点とで前記羽根本体の外周面と内周面とに接する内接円を描いた場合に、前記出口側部分の先端点が、前記内接円よりも外側に位置し、且つ、前記キャンバーラインの前記出口側部分側への延長線上または該延長線よりも前記ランナの軸線側に位置し、
   前記出口側部分のうちの少なくとも前記内接円よりも外側に位置する部分は、前記羽根本体と別体の部材で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。
7. ランナの外周側に配置され、その回動軸を中心に回動可能とされる水力機械の既存ガイドベーンを改修する水力機械のガイドベーンの改修方法であって、
   延長ピースを準備する工程と、
   前記既存ガイドベーンの出口側部分に、前記延長ピースを接合し、請求項１乃至６のいずれかに記載のガイドベーンの出口側部分を形成する工程と、を備えることを特徴とする、水力機械のガイドベーンの改修方法。

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