JP6884672B2 - 水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、水力機械に関する。

水力機械として、例えばフランシス形水車及びフランシス形ポンプ水車が知られている。図１２は、一般的なフランシス形ポンプ水車のガイドベーン１２０及びステーベーン１３０で構成される静止翼列流路を平面的に示した図である。ガイドベーン１２０は、図示しないランナの径方向外側においてランナを取り囲むように周方向に間隔をあけて複数配置され、ステーベーン１３０は、ガイドベーン１２０の翼列の径方向外側において周方向に間隔をあけて複数配置されている。また、ステーベーン１３０の径方向外側には、図示しないケーシングが配置される。

図１２中の白抜きの矢印は、水車運転時の水流の向きを示し、黒塗りの矢印は、ポンプ運転時の水流の向きを示している。このフランシス形ポンプ水車では、水車運転時に、白抜きの矢印に示すように、ケーシングからの水がステーベーン１３０及びガイドベーン１２０を流れ、ランナへと流入する。ランナは、水のエネルギーを回転力に変換し、これにより図示しない主軸を介して発電電動機が駆動される。ランナを流出した水は、図示しない吸出し管を介して放水路へと導かれる。一方、ポンプ運転時には、黒塗りの矢印に示すように、水車運転時とは逆の流れとなり、吸出し管から流入した水がランナを通り、ガイドベーン１２０及びステーベーン１３０を流れ、ケーシングから上池へと流出する。

このようなフランシス形ポンプ水車におけるガイドベーン１２０は、そのガイドベーン回転軸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、隣り合うガイドベーン１２０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、ランナへの水量を変えることで発電出力を調整することが可能となっている。

ところで、図１３は、ガイドベーン１２０を上方から俯瞰したガイドベーン１２０の概略的な斜視図を示す。図１３に示すように、この種のフランシス形ポンプ水車では、ステーベーン１３０からの水の流れｆｓが、鉛直方向に速度勾配を持つ二次元せん断流れとなり、ガイドベーン１２０に向けて流れる。そして、このような流れにおいては、ガイドベーン１２０にごく近い、特にガイドベーン１２０の前縁にごく近い、カバの壁面側で、低流速領域Ｒが生じ、これにより上側の流れが下側の遅い流れに巻き込まれて、馬蹄形渦Ｗが生じる場合がある。このような馬蹄形渦Ｗの発生は、ガイドベーン１２０に流入する水の流れを乱し、これによりガイドベーン１２０上の流れにおける損失が増加する場合がある。また、乱れた流れで水がランナに流入することで、ランナ上の流れにおける損失も増加する場合がある。

流れに生じる損失を低減するための技術は、従来から種々に提案されている。例えば、ガイドベーンの上下端面を貫通する貫通孔を設け、この貫通孔によって、ガイドベーンと固定壁との間における漏洩流れを抑制する技術が知られている。また、ステーベーンの先端部に貫通孔を設け、この貫通孔によって、ステーベーン周辺における剥離の発生を抑制する技術も知られている。また、ガイドベーンに脈動を発生させることで、部分負荷運転時におけるガイドベーン周辺での剥離の発生を抑制する技術も知られている。

特開平０４−２４６２７９号公報 特開２０１４−１５２７０８号公報 特開２００５−２０７３７５号公報

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、ガイドベーン周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン及びランナ上の流れにおける損失を低減することが可能となる水力機械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、ステーベーンからガイドベーンを介してランナへ流れる水によって、前記ランナが回転する水力機械であり、前記ステーベーン及び前記ガイドベーンの上方に上カバが配置されるとともに、下方に下カバが配置されている。そして水力機械は、前記ステーベーンと前記ガイドベーンとの間における、前記上カバ側の領域及び前記下カバ側の領域のうちの少なくともいずれかを流れる水を吸い込み可能な吸込み機構を備えている。

本発明によれば、ガイドベーン周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン及びランナ上の流れにおける損失を低減することが可能となる。

第１の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。 図１に示すフランシス形ポンプ水車のステーベーン、ガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って見た図である。 図１に示すフランシス形ポンプ水車のステーベーン、ガイドベーン及び下カバを上方から俯瞰した概略的な斜視図である。 第２の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のステーベーン、ガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って見た図である。 第３の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。 第４の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。 第５の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。 第６の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。 （Ａ）は、第７の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの横断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すガイドベーン及びこれに隣り合うステーベーンをランナ回転軸に沿って見た図である。 第８の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの横断面図である。 （Ａ）は、第９の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの横断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）に示すガイドベーン及びこれに隣り合うステーベーンをランナ回転軸に沿って見た図である。 一般的なフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及びステーベーンで構成される静止翼列流路を平面的に示した図である。 図１２に示したガイドベーンを上方から俯瞰したガイドベーンの概略的な斜視図である。

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、本発明の第１の実施の形態に係る水力機械の一例としてのフランシス形ポンプ水車１を示している。なお、以下の説明においては、フランシス形ポンプ水車１を単に水車１と称する。この水車１は、図示しない上池から鉄管１１を通って水が流入するケーシング１０と、複数のガイドベーン１２及びステーベーン１３と、ランナ１４と、を備えている。

水車１においては、水車運転時に、ケーシング１０からの水が、ガイドベーン１２及びステーベーン１３によって構成される静止翼列流路を通ってランナ１４に流入する。これにより、ランナ１４が、ランナ回転軸Ｃ１を中心に回転する。なお、以下の説明において、単に軸方向と言う場合には、その方向は、ランナ回転軸Ｃ１上の方向又はランナ回転軸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１４がランナ回転軸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、ランナ回転軸Ｃ１に直交する方向を意味するものとする。

ケーシング１０は、渦巻き状に形成され、水車運転時に、上池から流入した水を通過させてステーベーン１３及びガイドベーン１２を介してランナ１４に供給する。複数のステーベーン１３は、ケーシング１０から供給された水をガイドベーン１２に流入させる部材であり、ケーシング１０の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて配置されている。複数のガイドベーン１２は、ステーベーン１３から流入した水をランナ１４に流入させる部材であり、ステーベーン１３の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて配置され、且つランナ１４の径方向外側に配置されている。

ランナ１４は、ケーシング１０に対してランナ回転軸Ｃ１を中心に回転するように構成され、ランナ回転軸Ｃ１がその中心を通る主軸１５を介して図示しない発電電動機に連結されている。発電電動機は、ランナ１４によって回転されることで発電を行う。一方で、発電電動機がランナ１４を回転させることにより、ポンプ運転が行われる。吸出し管１６は、水車運転時に、ランナ１４から流出した水を図示しない下池に放出し、ポンプ運転時には、下池からの水を通過させてランナ１４へ向けて流す。

また、ステーベーン１３及びガイドベーン１２の上方には、上カバ１８Ｕが配置され、ステーベーン１３及びガイドベーン１２の下方には、下カバ１８Ｄが配置されている。上カバ１８Ｕは、ステーベーン１３及びガイドベーン１２の上部を覆うとともに、ランナ１４の上部（クラウン）を覆っている。上カバ１８Ｕとランナ１４との間には、ランナ背圧室１９が形成されている。下カバ１８Ｄは、ステーベーン１３及びガイドベーン１２の下部を覆うとともに、ランナ１４の下部（バンド）を覆っている。下カバ１８Ｄとランナ１４との間には、ランナ側圧室２０が形成されている。

また、ガイドベーン１２には、ガイドベーンスピンドル２２が結合され、図示の例では、ガイドベーンスピンドル２２が、上下カバ１８Ｕ，１８Ｄを貫通するように延びている。ガイドベーン１２は、ガイドベーンスピンドル２２の中心軸上に延びるガイドベーン回転軸Ｌ１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、隣り合うガイドベーン１２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、ランナ１４への水量を変えることで発電出力を調整することが可能となっている。

図２は、ステーベーン１３、ガイドベーン１２及び下カバ１８Ｄをランナ回転軸Ｃ１（軸方向）に沿って見た図であり、本実施の形態に係る水車１に備えられる吸込み機構３０が示されている。図２に示すように、下カバ１８Ｄには溝４１が形成され、溝４１には複数の吸込み孔４２が形成されている。吸込み孔４２はそれぞれ、ガイドベーン１２とステーベーン１３との間の空間に向けて開口している。本実施の形態では、これら溝４１及び吸込み孔４２が、吸込み機構３０を構成し、当該吸込み機構３０は、ステーベーン１３とガイドベーン１２との間における下カバ１８Ｄ側の領域を流れる水を、吸込み孔４２によって吸い込み可能となっている。

図２における実線のガイドベーン１２の角度は、水車に特有に規定される最高効率点に対応する角度となっている。詳しくは、吸込み機構３０は、最高効率点に対応する角度にある各ガイドベーン１２の前縁ｅ１を通るランナ回転軸Ｃ１を中心とする円Ｃｇと、各ステーベーン１３のガイドベーン１２に最も近接する点を通るランナ回転軸Ｃ１を中心とする円Ｃｓと、の間の空間における下カバ１８Ｄ側の領域を流れる水を吸い込み可能となっている。ここで、上述のガイドベーン１２の前縁ｅ１とは、ガイドベーン１２におけるキャンバラインのステーベーン１３側の端点が連なる部分を意味する。なお、円Ｃｓは、ランナ回転軸Ｃ１を中心としてステーベーン１３に接する最も半径の小さい円とも言える。

より詳しくは、軸方向に沿って見た場合に、溝４１が、ステーベーン１３とガイドベーン１２との間、とりわけ上述した円Ｃｇと円Ｃｓとの間、を通るランナ回転軸Ｃ１を中心とする円弧上に形成されている。そして図３に示すように、溝４１の延在方向に交差する方向における断面は矩形状であり、吸込み孔４２は、溝４１の底面で開口し、溝４１の底面から下方に直線的に延びている。これにより溝４１及び吸込み孔４２が、軸方向に沿って見た場合に、円Ｃｇと円Ｃｓとの間に位置し、吸込み孔４２によって、円Ｃｇと円Ｃｓとの間の水を吸い込むことが可能となる。なお、本実施の形態では、一例として、吸込み孔４２が吸い込んだ水が水車１の外部に送られるようになっている。

溝４１の配置についてさらに詳しくすると、図２中の二点鎖線で示されたガイドベーン１２’は、実線で示されたガイドベーン１２が機械的限界開度（全開状態）まで回転した状態を示している。図２中の円Ｃｇ１は、ランナ回転軸Ｃ１を中心として機械的限界開度の状態のガイドベーン１２’に接する最も半径の大きい円を示している。機械的限界開度を考慮に入れれば、溝４１は、円Ｃｇ１と上述した円Ｃｓとの間に位置すればよく、とりわけ図示の例では、溝４１の内周縁が、円Ｃｇ１を構成する円弧にほぼ一致することになる。溝４１が円Ｃｇ１と円Ｃｓとの間に位置する場合、ガイドベーン１２がその回転に応じて溝４１を覆う状態となることがなく、軸方向で溝４１とステーベーン１３とが重なることもない。これによりガイドベーン１２の全ての回転位置において、吸込み機構３０により所望の水を安定した状態で吸い込むことが可能となり、且つ溝４１がステーベーン１３上の流れを乱すこともなくなる。

また、図２において、直線Ａ１は、ガイドベーン１２が全開状態である際のガイドベーン１２（１２’）の前縁ｅ１とランナ回転軸Ｃ１とを通る直線を示し、直線Ａ２は、ガイドベーン１２が全閉状態である際のガイドベーン１２の前縁ｅ１とランナ回転軸Ｃ１とを通る直線を示す。本実施の形態では、溝４１における直線Ａ１と直線Ａ２との間の領域に、複数、一例として、三つの吸込み孔４２が設けられている。なお、溝４１における他のガイドベーン１２に対応する直線Ａ１と直線Ａ２との間の領域にも、同様に三つの吸込み孔４２が設けられている。ただし、このような吸込み孔４２の個数や配置位置は特に限られるものでない。また、本実施の形態では、溝４１が円形であるが、これに代えて、円弧形状の溝４１を周方向に複数形成してもよい。この場合、溝４１のそれぞれは、径方向で隣り合うガイドベーン１２とステーベーン１３との間を通るように形成されることが好ましく、その少なくとも一部が直線Ａ１と直線Ａ２との間の領域に位置するように形成されることが好ましい。また、溝４１は周方向にループをなす多角形状に形成されてもよい。また、溝４１は多角形状又は直線状に形成され、且つ周方向に複数形成されてもよい。

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、上池から導かれた水が鉄管１１を通ってケーシング１０に導かれ、その後、水は、ケーシング１０からステーベーン１３及びガイドベーン１２を通ってランナ１４へと流入する。ランナ１４は、通過する水の圧力エネルギーにより回転し、主軸１５を介して連結する発電電動機を駆動する。これにより、発電電動機において発電が行われる。ランナ１４から流出する水は、吸出し管１６を通って下池に放出される。

ステーベーン１３からガイドベーン１２へ水が流れる際、ステーベーン１３からガイドベーン１２への水の流れにおいては、下カバ１８Ｄ側に低流速領域が生じ得る。低流速領域は、ステーベーン１３からガイドベーン１２への水の流れにおける上カバ１８Ｕと下カバ１８Ｄとの間の中間位置側の流れよりも、遅い流れが生じている領域を意味する。ここで、本実施の形態においては、吸込み機構３０の吸込み孔４２によって、上述の低流速領域を流れる水を吸い込むことが可能となる。このように水を吸い込むことにより、ステーベーン１３からガイドベーン１２への水の流れの流速を一様化することができ、低流速領域の発生に起因して生じ得る馬蹄形渦を抑制することができる。これにより、ガイドベーン１２上の流れの乱れが抑制され、且つガイドベーン１２の出口側で馬蹄形渦が主流（乱れていない流れ）と混じることが抑制されるため、ランナ１４上の流れが乱れることも抑制される。

したがって、本実施の形態によれば、ガイドベーン１２周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を低減することが可能となる。なお本実施の形態では、下カバ１８Ｄに、溝４１及び吸込み孔４２が設けられているが、下カバ１８Ｄ及び上カバ１８Ｕの両方に溝４１及び吸込み孔４２が設けられてもよいし、上カバ１８Ｕのみに溝４１及び吸込み孔４２が設けられてもよい。上カバ１８Ｕに溝４１及び吸込み孔４２が設けられた場合には、ステーベーン１３からガイドベーン１２への水の流れにおける上カバ１８Ｕ側の低流速領域の水を吸い込むことが可能となる。

また、本実施の形態では、下カバ１８Ｄに溝４１が設けられたが、溝４１は設けられていなくてもよい。ただし、本実施の形態のように溝４１が設けられる場合には、溝４１が無い場合に比較して、吸込み孔４２が溝４１を介して広範囲から水を吸い込むことができるため、吸込み孔４２の数を抑えつつ効率的に低流速領域の水を吸い込むことができる。

（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４は、第２の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のステーベーン、ガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って見た図である。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。

本実施の形態では、溝４１の構成が第１の実施の形態と異なっている。すなわち、図４に示すように、本実施の形態における溝４１は、隣り合うガイドベーン１２とステーベーン１３との間を通るガイドベーン回転軸Ｌ１を中心とする円弧上、例えば図４において破線で示す円の一部を構成する円弧上に形成されている。溝４１は、隣り合うガイドベーン１２とステーベーン１３の組み合わせ毎に設けられており、各溝４１に複数の吸込み孔４２が設けられている。ここで、本実施の形態においては溝４１及び吸込み孔４２の少なくとも一部が、上述した円Ｃｇと円Ｃｓとの間に位置している。より詳しくは、本例では、溝４１及び吸込み孔４２の一部が円Ｃｇと円Ｃｓとの間に位置し、他の一部が円Ｃｇと円Ｃｓとの間の領域の外側に位置している。

本実施の形態における溝４１の配置についてさらに詳しくすると、図４中の円Ｃｇ２は、ガイドベーン回転軸Ｌ１を中心としてガイドベーン１２が駆動（回転）する際にガイドベーン１２（詳しくは、その外径側部分）が描く円のうちの最も半径の大きい円を示している。また、図４中の円Ｃｇ３は、ガイドベーン回転軸Ｌ１を中心としてステーベーン１３に接する円のうちの最も半径の小さい円を示している。本実施の形態における溝４１は、円Ｃｇ２と円Ｃｇ３との間に位置し、とりわけ図示の例では、溝４１の内周縁が、円Ｃｇ２を構成する円弧にほぼ一致することになる。溝４１が円Ｃｇ２と円Ｃｇ３との間に位置する場合、ガイドベーン１２がその回転に応じて溝４１を覆う状態となることがなく、軸方向で溝４１とステーベーン１３とが重なることもない。これによりガイドベーン１２の全ての回転位置において、吸込み機構３０により所望の水を安定した状態で吸い込むことが可能となり、且つ溝４１がステーベーン１３上の流れを乱すこともなくなる。

このような実施の形態によっても、ガイドベーン１２周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を低減することが可能となる。とりわけ本実施の形態では、ガイドベーン１２の前縁に近接する溝４１に吸込み孔４２が設けられるため、ガイドベーン１２の前縁の上流側で特に生じ易い馬蹄形渦の元となる流れを効果的に吸い込むことができる。そのため、損失低減効果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５は、第３の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。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。

上述の第１の実施の形態では、吸込み孔４２が、一例として、吸い込んだ水を水車１の外部に送るようになっているが、本実施の形態では、吸込み孔４２が吸い込んだ水を、ランナ側圧室２０に送るようになっている。具体的には、図５に示すように、吸込み機構３０が、吸込み孔４２をランナ側圧室２０に連通させるパイプ部４３を有している。なお、吸込み孔４２の配置構成は、第１の実施の形態と同様である。

このような実施の形態によっても、ガイドベーン１２周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を低減することが可能となる。とりわけ、本実施の形態では、吸込み孔４２が吸い込んだ水が、パイプ部４３によってランナ側圧室２０に送られる。これにより、ランナ側圧室２０の圧力とガイドベーン１２の上流の流れの圧力との差圧を利用することで、吸込み孔４２により水を容易に吸い込むことができる。なお、本実施の形態におけるパイプ部４３は、第２の実施の形態において適用されてもよい。

（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６は、第４の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。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、吸込み孔４２が吸い込んだ水を、ガイドベーン１２とランナ１４との間の空間に送るようになっている。具体的には、図６に示すように、吸込み機構３０がパイプ部４３を有し、パイプ部４３は、吸込み孔４２をガイドベーン１２とランナ１４との間の空間に連通させている。より詳しくは、パイプ部４３は、吸込み孔４２をガイドベーン１２の翼例におけるガイドベーンピッチサークルよりも下流側の位置に連通させている。なお、吸込み孔４２の配置構成は、第１の実施の形態と同様である。

このような実施の形態によっても、ガイドベーン１２周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を低減することが可能となる。とりわけ本実施の形態では、吸込み孔４２が吸い込んだ水が、パイプ部４３によってガイドベーン１２とランナ１４との間の空間に送られる。これによって、吸込み孔４２が吸い込んだ水をランナ１４の回転のために利用できる。なお、本実施の形態におけるパイプ部４３は、第２の実施の形態において適用されてもよい。

（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７は、第５の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。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、吸込み孔４２が吸い込んだ水を、吸出し管１６のエルボ部１６Ｂの内部に送るようになっている。具体的には図７に示すように、吸出し管１６は、下カバ１８Ｄから下方に延びるドラフト部１６Ａと、ドラフト部１６Ａの下端から湾曲して延びるエルボ部１６Ｂと、エルボ部１６Ｂから下池側へ横方向に延びる拡大管部１６Ｃと、を有する。一方で、吸込み機構３０は、吸込み孔４２を、エルボ部１６Ｂの内部に連通させるパイプ部４３を有している。なお、吸込み孔４２の配置構成は、第１の実施の形態と同様である。

このような実施の形態によっても、ガイドベーン１２周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を低減することが可能となる。とりわけ本実施の形態では、吸込み孔４２が吸い込んだ水が、パイプ部４３によって吸出し管１６のエルボ部１６Ｂの内部に送られる。これにより、エルボ部１６Ｂの内部で生じ得る剥離流れを抑制することができ、損失を効果的に抑制することができる。なお、本実施の形態におけるパイプ部４３は、第２の実施の形態において適用されてもよい。

（第６の実施の形態）
次に第６の実施の形態について説明する。図８は、第６の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。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。

本実施の形態における吸込み機構３０は、吸込み孔４２から吸い込む水の量を調整するための流量調整弁４４を有している。具体的に本実施の形態では、図８に示すように、第４の実施の形態と同様のパイプ部４３に、流量調整弁４４が設けられている。流量調整弁４４は、パイプ部４３を通流する水の流量を調整することにより、吸込み孔４２が吸い込む水の量を調整するように構成されている。

このような実施の形態によれば、ガイドベーン１２の全開と全閉との間の運転状態に応じて、吸込み孔４２から吸い込む水の量を調整することができるため、過剰に水が吸い込まれる状況を回避できる。なお、上述のような流量調整弁４４は、第１〜第３、第５の実施の形態において適用されてもよい。

（第７の実施の形態）
次に第７の実施の形態について説明する。図９において、（Ａ）は、第７の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの横断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すガイドベーン及びこれに隣り合うステーベーンをランナ回転軸に沿って見た図である。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。

本実施の形態は、吸込み機構３０の吸込み孔４２がガイドベーン１２に設けられる点で、第１乃至第６の実施の形態と異なっている。具体的に本実施の形態では、図９（Ａ）に示すように、ガイドベーン１２に設けられた吸込み孔４２が、ガイドベーン１２のステーベーン１３側の前端部１２Ｆからガイドベーン１２の内径側翼面１２Ａに貫通している。より詳しくは、吸込み孔４２は、ガイドベーン１２の内部をガイドベーン１２の前端部１２Ｆから反対側、つまりランナ１４側の後端部１２Ｒに向けて直線的に延びた後に、内径側翼面１２Ａ側に向けて曲る。そして吸込み孔４２は、内径側翼面１２Ａにおけるガイドベーン１２の後端部１２Ｒ側の部分で開口している。

なお、図９（Ａ）において、Ｙは、翼弦長を示しており、Ｙｆで示す範囲は、ガイドベーン１２の前縁から後縁に向けて０．１５×Ｙの距離までの範囲を示し、Ｙｒで示す範囲は、ガイドベーン１２の後縁から前縁に向けて０．１５×Ｙの距離までの範囲を示している。本実施の形態では、Ｙｆで示す範囲に位置する部分が前端部１２Ｆに対応し、Ｙｒで示す範囲に位置する部分が後端部１２Ｒに対応する。また、内径側翼面１２Ａにおけるガイドベーン１２の後端部１２Ｒ側の部分とは、ガイドベーン１２の翼弦長Ｙにおける中点よりも後端部１２Ｒ側に位置する部分のことを意味する。図示の例では、吸込み孔４２が、ガイドベーン１２の後端部１２Ｒ側の内径側翼面１２Ａで開口している。

一方で、図９（Ｂ）においては、ガイドベーン１２の角度が、最高効率点に対応する角度となっている。また、図９（Ｂ）には、ステーベーン１３からガイドベーン１２へ向かう流れ（厳密には主要な流れ）の向きが矢印Ｆで示されるとともに、吸込み孔４２のガイドベーン１２の内部側からステーベーン１３側への延長線ＥＬが示されている。これら矢印Ｆ及び延長線ＥＬに示されるように、本実施の形態では、ガイドベーン１２の角度が最高効率点に対応する角度にある場合に、吸込み孔４２が、ステーベーン１３からガイドベーン１２へ向かう流れと平行な方向に沿って開口している。また、本実施の形態では、上述したような吸込み孔４２が、ガイドベーン１２における上カバ１８Ｕに近接する部分及び下カバ１８Ｄに近接する部分のそれぞれに設けられているが、吸込み孔４２は、ガイドベーン１２における上カバ１８Ｕに近接する部分及び下カバ１８Ｄに近接する部分のいずれか一方のみに設けられるものであってもよい。

このような本実施の形態では、ステーベーン１３からガイドベーン１２への水の流れにおいて下カバ１８Ｄ側及び上カバ１８Ｕ側に生じ得る低流速領域で流れる水を、吸込み機構３０の吸込み孔４２によって吸い込むことが可能となる。そして、このように水を吸い込むことにより、ステーベーン１３からガイドベーン１２への水の流れの流速を一様化することができ、低流速領域の発生に起因して生じ得る馬蹄形渦を抑制することができる。これにより、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れが乱れることが抑制される。したがって、本実施の形態によっても、ガイドベーン１２周辺で生じ得る馬蹄形渦の発生を抑制することができ、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を低減することが可能となる。

また、本実施の形態では、吸込み孔４２によって吸い込んだ水が、内径側翼面１２Ａにおけるガイドベーン１２の後端部１２Ｒ側に送られることで、ガイドベーン１２の出口側で生じる剥離渦の発生が抑制される。これにより、ランナ１４へ流入する流れが適正化され、更なる損失低減を図ることができる。

（第８の実施の形態）
次に第８の実施の形態について説明する。図１０は、第８の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの横断面図である。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。

本実施の形態は、吸込み機構３０の吸込み孔４２の形状が、第７の実施の形態と異なっている。すなわち、図１０に示すように、本実施の形態における吸込み孔４２は、ガイドベーン１２の前端部１２Ｆで互いに異なる方向に向けて開口する複数、本実施の形態では三つの導入部４２１と、この複数の導入部４２１をガイドベーン１２の内部で合流させてガイドベーン１２の内径側翼面１２Ａで開口する合流部４２２と、を有する。

本実施の形態では、ガイドベーン１２の全開と全閉との間の中間開度における複数の開度へガイドベーン１２の角度が調整された場合に、複数の導入部４２１のうちのいずれかが、ステーベーン１３からガイドベーン１２へ向かう流れと平行な方向に沿って開口するように構成されている。

このような本実施の形態によれば、ガイドベーン１２の全開と全閉との間の中間開度における複数の開度にガイドベーン１２の角度が調整された場合に、複数の導入部４２１のうちのいずれかの導入部によって、ステーベーン１３からガイドベーン１２への流れにおける低流速領域の水を効率的に吸い込むことができる。これにより、複数の運転点で、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を効果的に低減することが可能となる。

（第９の実施の形態）
次に第９の実施の形態について説明する。図１１において、（Ａ）は、第９の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーンの横断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）に示すガイドベーン及びこれに隣り合うステーベーンをランナ回転軸に沿って見た図である。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。

本実施の形態は、吸込み機構３０の吸込み孔４２の形状が、第８の実施の形態と異なっている。具体的には、吸込み孔４２が、導入部４２１として、第１導入部４２１Ａ、第２導入部４２１Ｂ及び第３導入部４２１Ｃを有する。第１導入部４２１Ａは、ガイドベーン１２の角度が最高効率点に対応する角度にある場合に、ステーベーン１３からガイドベーン１２へ向かう流れと平行な方向に沿って開口する。図１１（Ｂ）に示すように、第２導入部４２１Ｂは、ガイドベーン１２の角度が全開となる角度にある場合に、ステーベーン１３からガイドベーン１２へ向かう流れＦと平行な方向に沿って開口する。また、図１１（Ｃ）に示すように、第３導入部４２１Ｃは、ガイドベーン１２の角度が全閉となる角度にある場合に、ステーベーン１３からガイドベーン１２へ向かう流れＦと平行な方向に沿って開口する。

このような本実施の形態によっても、第８の実施形の態と同様、ガイドベーン１２の全開と全閉との間の中間開度における複数の開度にガイドベーン１２の角度が調整された場合に、複数の導入部４２１Ａ，４２１Ｂ，４２１Ｃのうちのいずれかの導入部によって、ステーベーン１３からガイドベーン１２への流れにおける低流速領域の水を効率的に吸い込むことができる。これにより、複数の運転点で、ガイドベーン１２及びランナ１４上の流れにおける損失を効果的に低減することが可能となる。

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。

例えば、上述の第３〜第６の実施の形態では、パイプ部４３が下カバ１８Ｄから延びているが、このようなパイプ部４３は、上カバ１８Ｕに設けられる吸込み孔４２に接続されてもよい。

１…フランシス形ポンプ水車、１０…ケーシング、１２…ガイドベーン、１２Ａ…内径側翼面、１２Ｆ…前端部、１２Ｒ…後端部、１３…ステーベーン、１４…ランナ、１６…吸出し管、１６Ｂ…エルボ部、１８Ｕ…上カバ、１８Ｄ…下カバ、２０…ランナ側圧室、２２…ガイドベーンスピンドル、３０…吸込み機構、４１…溝、４２…吸込み孔、４３…パイプ部、４２１…導入部、４２１Ａ…第１導入部、４２１Ｂ…第２導入部、４２１Ｃ…第３導入部、４２２…合流部、Ｃ１…ランナ回転軸、Ｌ１…ガイドベーン回転軸

Claims (7)

1. ステーベーンからガイドベーンを介してランナへ流れる水によって、前記ランナが回転する水力機械であって、
   前記ステーベーン及び前記ガイドベーンの上方に上カバが配置されるとともに、下方に下カバが配置され、
   前記ステーベーンと前記ガイドベーンとの間における、前記上カバ側の領域及び前記下カバ側の領域のうちの少なくともいずれかを流れる水を吸い込み可能な吸込み機構を備え、
   前記吸込み機構は、前記上カバ及び前記下カバのうちの少なくともいずれかに形成されて、前記ガイドベーンと前記ステーベーンとの間の空間に向けて開口する吸込み孔を有し、
   前記吸込み機構は、前記吸込み孔によって水を吸い込むことが可能となっている、水力機械。
2. 前記吸込み機構は、前記上カバ及び前記下カバのうちの少なくともいずれかに形成された溝を有し、
   前記溝は、前記ステーベーンと前記ガイドベーンとの間を通るように形成され、前記吸込み孔は、前記溝に設けられている、請求項１に記載の水力機械。
3. 前記溝は、前記ステーベーンと前記ガイドベーンとの間を通る、ランナ回転軸を中心とする円弧上に形成されている、請求項２に記載の水力機械。
4. 前記ガイドベーンは、ガイドベーン回転軸を中心に回転可能であり、
   前記溝は、前記ステーベーンと前記ガイドベーンとの間を通る前記ガイドベーン回転軸を中心とする円弧上に形成されている、請求項２に記載の水力機械。
5. ステーベーンからガイドベーンを介してランナへ流れる水によって、前記ランナが回転する水力機械であって、
   前記ステーベーン及び前記ガイドベーンの上方に上カバが配置されるとともに、下方に下カバが配置され、
   前記ステーベーンと前記ガイドベーンとの間における、前記上カバ側の領域及び前記下カバ側の領域のうちの少なくともいずれかを流れる水を吸い込み可能な吸込み機構を備え、
   前記吸込み機構は、前記ガイドベーンの前記ステーベーン側の端部から前記ガイドベーンの内径側翼面に貫通する吸込み孔を有し、
   前記吸込み孔は、前記ガイドベーンの内径側翼面における前記ランナ側の端部側で開口し、
   前記吸込み孔は、前記ガイドベーンにおける前記上カバに近接する部分及び前記下カバに近接する部分のうちの少なくともいずれかのみに設けられている、水力機械。
6. 前記吸込み孔は、前記ガイドベーンの前記ステーベーン側の端部で互いに異なる方向に向けて開口する複数の導入部と、前記複数の導入部を前記ガイドベーンの内部で合流させて前記ガイドベーンの内径側翼面で開口する合流部と、を有する、請求項５に記載の水力機械。
7. 前記複数の導入部は、前記ガイドベーンの角度が最高効率点に対応する角度にある場合に、前記ステーベーンから前記ガイドベーンへ向かう流れと平行な方向に沿って開口する第１導入部と、前記ガイドベーンの角度が全開となる角度にある場合に、前記ステーベーンから前記ガイドベーンへ向かう流れと平行な方向に沿って開口する第２導入部と、前記ガイドベーンの角度が全閉となる角度にある場合に、前記ステーベーンから前記ガイドベーンへ向かう流れと平行な方向に沿って開口する第３導入部と、を有する、請求項６に記載の水力機械。

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