JP7222473B2 - クロスフロー水車装置 - Google Patents

Description

本発明は、クロスフロー水車装置に関する。

水力発電に用いるクロスフロー水車装置が知られている。クロスフロー水車装置は、回転軸を中心として周方向に複数の羽根を配列することで円筒状に形成され、回転幾を中心に回転可能とされた羽根車を備える。クロスフロー水車装置では、液体が羽根車の外側から内側に流入する際、及び、羽根車の内側から外側に流出する際に、液体が羽根に当たることで羽根車が回転する。
特許文献１には、羽根車を効率よく回転させるために、羽根車の内側に、当該内側における液体の流れを整える整流板を設けたクロスフロー水車装置が開示されている。

特開２０１６－０７９８９２号公報

しかしながら、クロスフロー水車装置では、羽根車の回転効率をさらに向上できる余地がある。羽根車の回転効率は、例えば、回転軸に作用する動力を、羽根車に通る液体の動力で割ったものである。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、羽根車の回転効率をさらに向上できるクロスフロー水車装置を提供することを目的とする。

本発明の一の態様に係るクロスフロー水車装置は、水平方向に延びる回転軸を中心に複数の羽根を前記回転軸の周方向に配列した円筒状に形成され、外周から液体が流入されることで前記回転軸を中心として一方向に回転する羽根車と、前記羽根車の鉛直方向上側に配され、前記羽根車の外周に開口して前記液体を前記羽根車に流入させる流入口を有する流入管路部と、前記流入口の反対側において前記羽根車の外周に開口し、前記羽根車を通過した前記液体が流出する流出空間を有する流出部と、を備え、前記流出部は、前記流入口よりも前記羽根車の回転方向前側において前記羽根車の外周に接する接点部を含み、前記接点部から前記羽根車の回転方向前側に向かうにしたがって前記羽根車の外周から離れるように延びるガイド面を有し、前記ガイド面は、その延長方向において凸状に湾曲し、前記接点部において前記羽根車の外周の接線に対する前記ガイド面の角度は、前記接点部の近傍において前記羽根車から前記流出空間に流出した前記液体が前記ガイド面に沿って流れる角度であり、前記羽根車の回転方向において前記流入口と前記流出空間との間に設けられ、前記羽根車の外周に開口するキャビティを備え、前記キャビティの内面は、前記回転軸の軸方向から見た断面で、前記羽根車の回転方向に間隔をあけて位置する前記キャビティの開口の第一端と第二端との間で凹状に湾曲する。

前記クロスフロー水車装置において、前記接点部における前記接線に対する前記ガイド面の角度は、０度以上かつ７０度以下であってよい。

前記クロスフロー水車装置において、前記キャビティの内面は、前記回転軸の軸方向から見た断面で、前記回転軸の軸線に平行するキャビティ中心線を中心とする円弧状に形成されてよい。

前記クロスフロー水車装置において、前記キャビティ中心線は、前記羽根車の外周の外側に位置してよい。

前記クロスフロー水車装置において、前記羽根車の回転方向後側に位置する前記キャビティの開口の第一端は、前記羽根車の回転方向前側に位置する前記流入口の第一端に対して間隔をあけずに位置してよい。

前記クロスフロー水車装置においては、前記流入管路部が、前記羽根車の鉛直方向上側に配され、前記液体を前記水平方向に流す直線管路部と、前記直線管路部の下流端から前記羽根車の外周に沿って前記羽根車の回転方向前側に延びると共に、前記流入口を有する湾曲管路部と、を備え、前記流入口は、前記羽根車の鉛直方向上側に位置してよい。

前記クロスフロー水車装置において、前記羽根車の回転方向後側に位置する前記流入口の第二端は、前記回転軸の軸線に対して鉛直方向上側に位置する前記羽根車の上端に位置してよい。

前記クロスフロー水車装置において、前記羽根車の回転方向前側に位置する前記流入口の第一端は、前記羽根車の回転方向後側に位置する前記流入口の第二端に対して前記羽根車の回転方向前側に９０度以上ずれて位置してよい。

前記クロスフロー水車装置において、前記湾曲管路部は、前記羽根車の径方向における前記湾曲管路部の寸法が前記回転方向前側に向かうにしたがって小さくなるように形成されてよい。

前記クロスフロー水車装置は、前記流出部の鉛直方向下側に連ねて設けられ、鉛直方向下側に延びるドラフト管と、鉛直方向上側に開口する箱状に形成されて前記液体が貯留されると共に、前記ドラフト管の延長方向の下端部が挿入される貯水槽と、を備えてよい。

本発明によれば、羽根車の回転効率をさらに向上することができる。

本発明の第一実施形態に係るクロスフロー水車装置を示す断面図である。 図１のクロスフロー水車装置において、羽根車、流入管路部、キャビティ及び流出部を示す拡大断面図である。 図１，２のクロスフロー水車装置において、流出部のガイド面を示す拡大断面図である。 図１，２のクロスフロー水車装置の動作を説明するための図である。 本発明の第二実施形態に係るクロスフロー水車装置の要部を示す拡大断面図である。

〔第一実施形態〕
以下、図１～４を参照して本発明の第一実施形態について説明する。
図１，２に示すように、本実施形態のクロスフロー水車装置１は、羽根車２（ランナ）と、流入管路部３と、流出部６と、を備える。また、本実施形態のクロスフロー水車装置１は、キャビティ５をさらに備える。

図２に示すように、羽根車２は、回転軸１１と、複数の羽根１２と、を備える。
回転軸１１は、水平方向に延びる。図１，２において、回転軸１１は紙面に直交する方向（Ｘ軸方向）に延びている。回転軸１１は、例えば後述する流出部６に対して回転可能に支持されてよい。
複数の羽根１２は、回転軸１１（軸線Ｏ１）を中心として回転軸１１の周方向に配列されている。羽根車２は、これら複数の羽根１２によって内側に空間１３（内側空間１３）を有する円筒状に形成されている。具体的に、複数の羽根１２は、それぞれ回転軸１１の軸方向（Ｘ軸方向）に延びており、各羽根１２の両端が円板１４に接続されることで、円筒状に配列される。複数の羽根１２は、円板１４を介して回転軸１１に接続されている。本実施形態において、回転軸１１は内側空間１３を貫通しているが、例えば貫通しなくてもよい。

各羽根１２は、回転軸１１の軸方向から見た断面で、径方向において回転軸１１から離れるにしたがって回転軸１１の周方向の一方側（図２において矢印Ｄ１で示す方向と逆の方向）に向かうように湾曲して延びている。これにより、羽根車２は、その外周から液体が流入されることで回転軸１１を中心として一方向（回転方向Ｄ１）に回転する。本実施形態において、羽根車２は時計回りに回転する。

流入管路部３は、羽根車２に対して鉛直方向（Ｚ軸方向）の上側に配される。流入管路部は、羽根車２の外周に開口して液体を羽根車２に流入させる流入口２１を有する。流入口２１は羽根車２の外周に接する。流入管路部３の具体的な構成は任意であってよい。本実施形態の流入管路部３は、直線管路部９と、湾曲管路部１０と、を備える。

直線管路部９は、羽根車２に対して鉛直方向上側に配される。直線管路部９は、水平方向に延びており、液体を水平方向に流す。本実施形態において、直線管路部９は鉛直方向及び回転軸１１の軸線Ｏ１に直交する方向に延びている。すなわち、直線管路部９では、液体が鉛直方向及び回転軸１１の軸線Ｏ１に直交する方向に流れる。図２における矢印Ｄ２は、直線管路部９における流れ方向を示している。

湾曲管路部１０は、直線管路部９の下流端に連ねて形成されている。湾曲管路部１０は、直線管路部９の下流端から羽根車２の外周に沿って羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に湾曲して延びる。湾曲管路部１０は、前述した流入口２１を含む。
湾曲管路部１０は、直線管路部９に流れる液体の流れ方向Ｄ２を羽根車２の回転方向Ｄ１に対応する方向に変化させた上で、液体を羽根車２に流入させる役割を果たす。図２における矢印Ｄ３、Ｄ４は、湾曲管路部１０における流れ方向を示している。

流入口２１は、羽根車２の鉛直方向上側に位置する。羽根車２の回転方向Ｄ１の後側に位置する流入口２１の第二端２２は、例えば、回転軸１１の軸線Ｏ１に対して鉛直方向上側に位置する羽根車２の上端１５に対し、羽根車２の回転方向Ｄ１の前側又は後側にずれて位置してよい。本実施形態において、流入口２１の第二端２２は、羽根車２の上端１５に位置している。
羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に位置する流入口２１の第一端２３は、少なくとも流入口２１の第二端２２に対して羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に間隔をあけて位置すればよい。羽根車２の回転方向Ｄ１において流入口２１の第二端２２から第一端２３に至る角度は、例えば９０度未満であってよいが、９０度以上であることがより好ましい。図２において、流入口２１の第一端２３は、流入口２１の第二端２２に対して羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に９０度ずれて位置している。

湾曲管路部１０の延長方向に直交する湾曲管路部１０の流路断面は、例えば湾曲管路部１０の延長方向において一定であってよい。本実施形態では、湾曲管路部１０の流路断面が、羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に向かうにしたがって小さくなる。具体的に、湾曲管路部１０は、羽根車２の径方向における湾曲管路部１０の寸法が回転方向Ｄ１の前側に向かうにしたがって小さくなるように形成されている。

本実施形態の湾曲管路部１０には、ガイドベーン２４が設けられている。ガイドベーン２４は、湾曲管路部１０を開閉することで羽根車２に流入する液体の流量（水量）を調整する。
ガイドベーン２４は、回転軸１１の軸線Ｏ１に平行する軸部２５を中心に回転可能となるように湾曲管路部１０に対して支持されている。ガイドベーン２４は、湾曲管路部１０を閉じる第一回転位置Ｐ１と、湾曲管路部１０を完全に開いた第二回転位置Ｐ２との間で揺動可能とされている。ガイドベーン２４が第一回転位置Ｐ１に配された状態では、液体が羽根車２に流入しない。また、ガイドベーン２４が第二回転位置Ｐ２に配された状態では、羽根車２に流入する液体の流量が最大となる。

また、ガイドベーン２４は、湾曲管路部１０を開いた状態において、液体を、ガイドベーン２４よりも湾曲管路部１０の径方向内側の領域と、ガイドベーン２４よりも湾曲管路部１０の径方向外側の領域と、に分けて流す。湾曲管路部１０においてガイドベーン２４よりも湾曲管路部１０の径方向内側の領域に流れる液体（流れ方向Ｄ３に流れる液体）は、流入口２１のうち流入口２１の第二端２２側の領域を通じて羽根車２に流入する。一方、湾曲管路部１０においてガイドベーン２４よりも湾曲管路部１０の径方向外側の領域に流れる液体（流れ方向Ｄ４に流れる液体）は、流入口２１のうち流入口２１の第一端２３側の領域を通じて羽根車２に流入する。

キャビティ５は、羽根車２の回転方向Ｄ１において湾曲管路部１０と後述する流出部６の流出空間４１との間に設けられ、羽根車２の外周に開口する空洞である。キャビティ５の開口３１は、羽根車２の外周に接する。キャビティ５の内面３２は、回転軸１１の軸方向から見た断面で、羽根車２の回転方向Ｄ１に間隔をあけて位置するキャビティ５の開口３１の第一端３３と第二端３４との間で凹状に湾曲している。

キャビティ５の内面３２は、回転軸１１の軸方向から見た断面で、例えば楕円弧状などに形成されてよい。楕円弧とは、楕円の周方向の一部に対応する。本実施形態において、キャビティ５の内面３２は、回転軸１１の軸方向から見た断面で、回転軸１１の軸線Ｏ１に平行するキャビティ中心線Ｏ２を中心とする円弧状に形成されている。円弧とは、円（例えば真円）の周方向の一部に対応する。

キャビティ５の内面３２の中心をなすキャビティ中心線Ｏ２は、例えば羽根車２の外周よりも内側に位置してよいし、例えば羽根車２の外周に一致してもよい。本実施形態において、キャビティ中心線Ｏ２は、羽根車２の外周の外側に位置する。
断面円弧状に形成されたキャビティ５の径寸法は、例えば羽根車２の径寸法以上であってもよいが、本実施形態では羽根車２の径寸法よりも小さい。

羽根車２の回転方向Ｄ１の後側に位置するキャビティ５の開口３１の第一端３３は、例えば湾曲管路部１０の流入口２１の第一端２３に対して回転方向Ｄ１の前側に間隔をあけて位置してよい。本実施形態において、キャビティ５の開口３１の第一端３３は、流入口２１の第一端２３に対して回転方向Ｄ１の前側に間隔をあけずに位置する。すなわち、キャビティ５の開口３１の第一端３３及び流入口２１の第一端２３の位置は、互いに一致する。
羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に位置するキャビティ５の開口３１の第二端３４は、例えば後述する流出部６の流出空間４１に対して羽根車２の回転方向Ｄ１の後側に間隔をあけて位置してよい。本実施形態において、キャビティ５の開口３１の第二端３４は、流出部６の流出空間４１に対して羽根車２の回転方向Ｄ１の後側に間隔をあけずに位置する。

流出部６は、羽根車２を通過した液体が流出する流出空間４１を有する。流出空間４１は、流入口２１の反対側において羽根車２の外周に開口する。言い換えれば、流出空間４１は、流入口２１よりも羽根車２の回転方向Ｄ１の前側や後側において羽根車２の外周に開口する。本実施形態のクロスフロー水車装置１はキャビティ５を備えるため、流出空間４１は、キャビティ５の開口３１よりも羽根車２の回転方向Ｄ１の前側において羽根車２の外周に開口する。

流出空間４１は、羽根車２の外周のうち、少なくとも羽根車２を通った液体（特に羽根車２の内側空間１３を通った液体）が流出する領域に開口していればよい。羽根車２の外周のうち羽根車２を通った液体が流出する領域は、例えばキャビティ５の開口３１の第二端３４から、当該開口３１の第二端３４よりも羽根車２の回転方向Ｄ１の前側において回転軸１１の軸線Ｏ１と同じ高さに位置する点に至る領域であってよい。すなわち、流出空間４１の鉛直方向の上端４２は、例えば回転軸１１の軸線Ｏ１と同じ高さに位置してよい。図示例において、流出空間４１の上端４２は、回転軸１１の軸線Ｏ１よりも高く位置している。また、流出空間４１の上端４２は、羽根車２の上端１５（流入口２１の第二端２２）よりも低く位置している。

図２，３に示すように、流出部６は、流出空間４１の内面をなすガイド面４５を有する。ガイド面４５は、湾曲管路部１０の流入口２１よりも羽根車２の回転方向Ｄ１の前側において羽根車２の外周に接する接点部４６を含む。ガイド面４５は、羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に向いている。ガイド面４５は、接点部４６から羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に向かうにしたがって羽根車２の外周から離れるように延びる。

接点部４６が羽根車２の外周に接することは、図３に例示するように、接点部４６が羽根車２の外周に対して微小に間隔をあけて位置することも含む。接点部４６は、例えば尖っていてもよいが、図示例のように丸みを帯びていてもよい。本実施形態において、接点部４６は、キャビティ５の開口３１の第二端３４に対して羽根車２の回転方向Ｄ１の後側に間隔をあけずに位置する。すなわち、接点部４６及びキャビティ５の開口３１の第二端３４の位置は、互いに一致する。

ガイド面４５は、その延長方向において凸状に湾曲している。すなわち、接点部４６における羽根車２の外周の接線ＶＬ１に対するガイド面４５の角度θ（θ０、θ１）は、ガイド面４５がその延長方向において羽根車２の外周から離れるにしたがって大きくなっている。図３において、角度θ０は、接点部４６におけるガイド面４５の角度を示している。また、角度θ１は、接点部４６からガイド面４５の延長方向に離れた位置におけるガイド面４５の角度を示している。なお、接点部４６が丸みを帯びている場合、接点部４６におけるガイド面４５の角度θ０は、接点部４６とガイド面４５の他の部分との境界におけるガイド面４５の角度であってよい。

接点部４６における接線ＶＬ１に対するガイド面４５の角度θ０は、ガイド面４５のうち接点部４６の近傍において羽根車２から流出空間４１に流出した液体がガイド面４５に沿って流れる角度である。液体がガイド面４５に沿って流れることは、液体がガイド面４５から剥離しないように、あるいは、当該剥離が小さくなるように、液体が流れることを意味する。具体的に、接点部４６におけるガイド面４５の角度θ０は、例えば０度以上かつ７０度以下であるとよい。また、角度θ０は、例えば４５度程度（例えば４０度以上かつ５０度以下）であってよい。

図２に示すように、本実施形態の流出部６には、流出空間４１を外部に連通させる吸気用孔４３が形成されている。吸気用孔４３は、羽根車２の下端１６よりも鉛直方向上側に位置する。本実施形態の吸気用孔４３は、鉛直方向において羽根車２の回転軸１１と同じ高さに位置している。吸気用孔４３は、例えば回転軸１１の軸方向において羽根車２の中間に位置するとよい。また、本実施形態の吸気用孔４３は、羽根車２の下端１６よりも羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に位置する。
さらに、本実施形態の流出部６には、吸気用孔４３を開閉するバルブ４４が設けられている。

図１に示すように、本実施形態のクロスフロー水車装置１は、ドラフト管７と、貯水槽８と、をさらに備える。
ドラフト管７は、流出部６の鉛直方向下側に連ねて設けられ、鉛直方向下側に延びる。ドラフト管７は、鉛直方向下側に順番に配列された縮径部５１と、拡径部５２とを有する。縮径部５１は、流出部６の下端から鉛直方向下側に向かうにしたがって流路断面が小さくなるように形成されている。拡径部５２は、縮径部５１の下端から鉛直方向下側に向かうにしたがって流路断面が大きくなるように形成されている。

貯水槽８は、鉛直方向上側に開口する箱状に形成され、液体が貯留される。貯水槽８には、ドラフト管７の下端部が挿入される。ドラフト管７の下端部は、貯水槽８に貯留された液体の水位ＷＬ２よりも鉛直方向下側に位置する。

次に、本実施形態のクロスフロー水車装置１の動作について説明する。
図４に示すように、ガイドベーン２４によって湾曲管路部１０を開いた状態において直線管路部９から湾曲管路部１０に向けて液体が流れると、液体は湾曲管路部１０の流入口２１から羽根車２に流入する。
ここで、湾曲管路部１０の流路断面は羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に向かうにしたがって小さくなっている。このため、流入口２１が羽根車２の回転方向Ｄ１に長く延びていても、流入口２１から羽根車２に流入する液体の流速が、羽根車２の周方向の位置に応じてばらつくことを抑制できる。例えば、流入口２１のうち流入口２１の第二端２２側の領域から羽根車２に流入する液体の流速が、流入口２１の第一端２３側の領域から羽根車２に流入する液体の流速よりも大きくなることを抑制できる。

流入口２１を通じて羽根車２に流入した液体は、流入口２１に対向する羽根１２に当たることで羽根車２を回転方向Ｄ１に回転駆動する。
ここで、湾曲管路部１０の流入口２１は、羽根車２の鉛直方向上側、かつ、羽根車２の上端１５から羽根車２の回転方向Ｄ１前側に位置する。このため、液体全てを羽根車２に対して鉛直方向下側に流入させることができる。すなわち、流入口２１から羽根車２に流入する液体には重力が必ず作用する。これにより、直線管路部９及び湾曲管路部１０において流れる液体の水圧に加え、液体に作用する重力も利用して、羽根車２を回転駆動することができる。

流入口２１に対向する羽根１２に当たった液体は、主に矢印Ｄ５で示すように羽根車２の内側空間１３において鉛直方向下側かつ羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に向けて流れ、羽根車２のうち鉛直方向下側に位置する羽根１２に再び当たることで羽根車２をさらに回転駆動する。鉛直方向下側に位置する羽根１２に当たった液体は、流出部６の流出空間４１に流れ出る。

ここで、流出部６は凸状に湾曲するガイド面４５を有する。また、接点部４６における接線ＶＬ１に対するガイド面４５の角度θ０（図３参照）は、ガイド面４５のうち接点部４６の近傍において羽根車２から流出空間４１に流出した液体がガイド面４５に沿って流れる角度となっている。このため、ガイド面４５の接点部４６の近傍の領域（近傍領域）において羽根車２から流出部６の流出空間４１に流出する液体は、矢印Ｄ６で示すように、ガイド面４５から剥離しにくく、ガイド面４５に沿って流れる。また、ガイド面４５の接点部４６が丸みを帯びていることでも、ガイド面４５の接点部４６の近傍領域において羽根車２から流出部６の流出空間４１に流出する液体は、ガイド面４５から剥離しにくくなり、ガイド面４５に沿って流れやすくなる。これにより、液体が羽根車２の内側において矢印Ｄ５で示すように羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に流れていても、当該液体が羽根車２から流出空間４１に流出する際には、当該液体の流れの向きを、矢印Ｄ７で示すように羽根車２の回転方向Ｄ１から羽根車２の径方向外側に偏向することができる。すなわち、羽根車２から流出空間４１に流出する液体の周方向速度（羽根車２の回転方向Ｄ１に対応する液体の速度）を減らすことができる。これにより、羽根車２から流出空間４１に流出する液体が羽根１２に当たる際に、液体の動力を効率よく羽根車２に伝達することができる。

また、本実施形態では、羽根車２から流出空間４１に流出する液体の流れの向きが鉛直方向下側に偏向されるため、流出空間４１に流出する液体には重力も効果的に作用する。これにより、液体が流出空間４１に流出する際には、液体に作用する重力も効果的に利用して、羽根車２を回転駆動することができる。

また、キャビティ５内においては、羽根車２の回転に伴って、液体が凹状に湾曲したキャビティ５の内面３２に沿ってキャビティ５の開口３１の第二端３４から第一端３３に向かうように流れる旋回流Ｄ８が生じる。すなわち、旋回流Ｄ８は、羽根車２の回転方向と逆向き（図示例では反時計回り）に流れる。旋回流Ｄ８の一部は、羽根車２の内側に入り込む。

そして、旋回流Ｄ８と、羽根車２の内側において流入口２１から流出空間４１に向かう液体の流れ（流れ方向Ｄ５，Ｄ６を含む噴流Ｆ１）との間には、流れの境界面ＢＳが形成される。流れの境界面ＢＳは、キャビティ５の開口３１の第一端３３と第二端３４（接点部４６）とをつなぐように形成される。また、流れの境界面ＢＳは、旋回流Ｄ８の一部が羽根車２の内側に入り込むことで、キャビティ５の開口３１に対して羽根車２の内側に凸状に膨出する。

このように流れの境界面ＢＳが形成されることで、噴流Ｆ１のうち流れの境界面ＢＳの近傍において流れる液体の流れ方向（矢印Ｄ６で示す流れ）を、羽根車２の回転方向Ｄ１から羽根車２の径方向外側に近づけることができる。また、流れの境界面ＢＳを流出部６のガイド面４５に滑らかにつなげることができる。このため、接点部４６の近傍領域において羽根車２から流出部６の流出空間４１に流出する液体の流れ（矢印Ｄ６で示す流れ）が、ガイド面４５から剥離することを効果的に抑制できる。

また、羽根車２の内側において流入口２１から流出空間４１に向けて流れる液体の一部は、羽根車２の回転に伴う遠心力によってキャビティ５の開口３１の第二端３４の近傍からキャビティ５内に吐出される。また、キャビティ５内に吐出された液体の一部は、旋回流Ｄ８によってキャビティ５の内面３２に沿って開口３１の第一端３３まで流れ、羽根車２に再度流入する。羽根車２に再度流入した液体は、キャビティ５の開口３１に対向する羽根１２に当たり、羽根車２をさらに回転駆動する。すなわち、流入口２１から羽根車２に流入した液体に作用する遠心力を利用して、羽根車２をさらに回転駆動することができる。
図１に示すように、流出部６の流出空間４１に流れ出た液体は、矢印Ｄ９で示すように、主にドラフト管７に向けて鉛直方向下側に流れる。

本実施形態のクロスフロー水車装置１では、ドラフト管７に溜まる液体の水位ＷＬ１を、貯水槽８に貯留された液体の水位ＷＬ２よりも高く位置させる。これにより、ドラフト管７において貯水槽８の水位ＷＬ２よりも上方に位置する液体の重みによって、流出部６の流出空間４１における気圧、水圧を大気圧よりも低下させることができる。このため、液体を湾曲管路部１０から羽根車２を通して流出空間４１に引き込みやすくなる。
なお、ドラフト管７に溜まる液体の水位ＷＬ１は、ドラフト管７に位置してもよいが、例えば図１において二点鎖線で示すように、流出部６の流出空間４１に位置し、羽根車２に到達してもよい。

流出部６の流出空間４１における気圧、水圧は、前述したドラフト管７及び貯水槽８によって流出空間４１の外側における気圧（大気圧）よりも低くなる。このため、バルブ４４によって流出部６の吸気用孔４３を開いた状態では、空気が吸気用孔４３を通して流出空間４１に流入する。なお、流出部６の流出空間４１における気圧、水圧は、大気圧よりも低いため、ドラフト管７に溜まる液体の水位ＷＬ１が吸気用孔４３よりも上側に位置していても、外部の空気は、吸気用孔４３を通して流出空間４１に流入できる。流出空間４１に流入した空気は、図４に示すように、羽根車２の内側に入り込んで空気層ＡＬを形成する。この空気層ＡＬが羽根車２の回転軸１１を取り囲むことで、羽根車２の内側を通る液体（噴流Ｆ１）が回転軸１１に衝突することを防ぐ。羽根車２の内側を通る噴流Ｆ１が回転軸１１に衝突しないことで、羽根車２を効率よく回転駆動することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るクロスフロー水車装置１によれば、流出部６が凸状に湾曲するガイド面４５を有する。また、接点部４６における接線ＶＬ１に対するガイド面４５の角度θ０は、ガイド面４５のうち接点部４６の近傍において羽根車２から流出空間４１に流出した液体がガイド面４５に沿って流れる角度（例えば０度以上かつ７０度以下）となっている。これにより、羽根車２から流出空間４１に流出する液体の周方向速度（羽根車２の回転方向Ｄ１に対応する液体の速度）を減らして、羽根車２から流出空間４１に流出する液体が羽根１２に当たる際に、液体の動力を効率よく羽根車２に伝達することができる。したがって、羽根車２の回転効率を向上することができる。

また、流出部６がガイド面４５を有する場合には、ガイドベーン２４による流入管路部３（湾曲管路部１０）の開き量を変えて羽根車２から流出空間４１に流出する液体の流量や流速を変化させても、当該液体の流出方向がほとんど変わらない。このため、羽根車２や流出部６（流出空間４１）を小さく形成することができる。これにより、クロスフロー水車装置１を構成する材料を節約して、製造コストを削減することができる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、羽根車２の回転方向Ｄ１における流入口２１と流出空間４１との間にキャビティ５が設けられている。このため、接点部４６の近傍領域において羽根車２から流出部６の流出空間４１に流出する液体の流れ（矢印Ｄ６で示す流れ）が、ガイド面４５から剥離することを効果的に抑制できる。これにより、液体の動力を効率よく羽根車２に伝達することができ、羽根車２の回転効率をさらに向上できる。
また、キャビティ５が設けられていることで、羽根車２の回転に伴う遠心力によってキャビティ５に吐出された液体を羽根車２に再度流入させて、羽根車２をさらに回転駆動することもできる。したがって、羽根車２の回転効率をさらに向上できる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、キャビティ５の内面３２がキャビティ中心線Ｏ２を中心とする円弧状に形成されている。これにより、キャビティ５の内面３２に沿って開口３１の第一端３３から第二端３４に至る方向において、当該内面３２の曲率は変化しない。このため、キャビティ５の内面３２に沿って流れる液体の旋回流Ｄ８の損失を小さく抑えることができる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、キャビティ中心線Ｏ２が羽根車２の外周の外側に位置する。このため、羽根車２の内側において流入口２１から流出空間４１に向かう液体の流れ（噴流Ｆ１）と、キャビティ５による旋回流Ｄ８との間にある流れの境界面ＢＳを流出部６のガイド面４５に対してさらに滑らかにつなげることができる。これにより、接点部４６の近傍領域において羽根車２から流出部６の流出空間４１に流出する液体の流れ（矢印Ｄ６で示す流れ）が、ガイド面４５から剥離することをさらに効果的に抑制できる。したがって、液体の動力をさらに高い効率で羽根車２に伝達することができ、羽根車２の回転効率をさらに向上できる。

また、キャビティ中心線Ｏ２が羽根車２の外周の外側に位置する場合には、キャビティ５の内面３２を半円よりも大きな円弧状に形成できる。これにより、液体を羽根車２に再度流入する際の液体の流れ方向を、羽根車２の径方向に対して羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に傾斜させることができる。したがって、キャビティ５から羽根車２に再度流入する液体の流れを、羽根車２の回転駆動に有効に活用することができる。すなわち、羽根車２の回転効率をさらに向上できる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、キャビティ５の開口３１の第一端３３は、流入口２１の第一端２３に対して回転方向Ｄ１の前側に間隔をあけずに位置する。このため、流入口２１から羽根車２に流入して遠心力が作用する液体を高い効率でキャビティ５に引き込むことができる。これにより、羽根車２の回転効率をさらに向上できる。

また、本実施形態に係るクロスフロー水車装置１によれば、湾曲管路部１０の流入口２１が、羽根車２の鉛直方向上側に位置する。このため、重力が作用する液体を羽根車２に流入させることができる。すなわち、重力を有効に利用して、羽根車２を回転させることができる。したがって、羽根車２の回転効率をさらに向上することができる。

さらに、本実施形態に係るクロスフロー水車装置１によれば、湾曲管路部１０の流入口２１が、羽根車２の上端１５から羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に位置する。このため、重力が作用する液体だけが羽根車２に流入する。すなわち、重力をさらに有効に利用して、羽根車２を回転させることができる。したがって、羽根車２の回転効率をさらに向上することができる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１において、流入口２１の第一端２３が、羽根車２の上端１５に位置する流入口２１の第二端２２に対して羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に９０度以上ずれて位置する場合には、鉛直方向上側から見て、羽根車２の外周に対向する流入口２１の大きさが最大となる。これにより、湾曲管路部１０から羽根車２に向けて鉛直方向下側に流入する液体、すなわち重力が作用する液体を、羽根車２の回転駆動に最大限利用することができる。したがって、羽根車２の回転効率をさらに向上できる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、湾曲管路部１０の流路断面が羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に向かうにしたがって小さくなる。このため、流入口２１から流入する液体の流速が、羽根車２の周方向の位置に応じてばらつくことを抑制できる。すなわち、羽根１２に作用する液体の力（水圧や重力）が、羽根車２の周方向の位置に応じてばらつくことを抑制できる。したがって、羽根車２を効率よく回転駆動することができる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、流出部６の鉛直方向下側に連ねて形成されるドラフト管７と、ドラフト管７の下端部が挿入される貯水槽８と、を備える。このため、流出部６の流出空間４１における気圧、水圧を大気圧よりも低下させて、液体を湾曲管路部１０から羽根車２を通して流出空間４１に引き込みやすくなる。これにより、羽根車２の回転効率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、吸気用孔４３が、羽根車２の下端１６よりも鉛直方向上側に位置し、かつ、羽根車２の下端１６よりも羽根車２の回転方向Ｄ１の前側に位置する。このため、吸気用孔４３を通して流出空間４１に流入した空気は、羽根車２から流出空間４１に流出した液体の流れを通過することなく、羽根車２の内側に到達することができる。すなわち、吸気用孔４３を通して流出空間４１に流入した空気が、羽根車２から流出空間４１に流出した液体の流れ（噴流Ｆ１）に巻き込まれることを抑制できる。これにより、少量の空気で回転軸１１に対する液体の衝突を防ぐための空気層ＡＬを形成することができる。したがって、吸気用孔４３を通して流出空間４１に流入した空気によって流出空間４１における気圧、水圧が高くなる（大気圧に近くなる）ことを抑制し、前述したドラフト管７及び貯水槽８による効果（液体を湾曲管路部１０から流出空間４１に引き込む効果）を高めることができる。

また、本実施形態のクロスフロー水車装置１によれば、流出部６に形成された吸気用孔４３が、回転軸１１（羽根車２）の軸方向において羽根車２の中間に位置する。このため、外気が吸気用孔４３を通じて流出空間４１に流入する際に、羽根車２の軸方向における気圧差、水圧差を小さく抑えることができる。これにより、羽根１２に当たる液体の流速の差が軸方向において大きくなることを抑制できるため、液体による羽根車２の回転駆動を効率よく行うことができる。

〔第二実施形態〕
次に、図５を参照して本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態においては、第一実施形態と同様の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態のクロスフロー水車装置１Ａは、第一実施形態と同様の羽根車２、流入管路部３、流出部６などを備える。ただし、本実施形態のクロスフロー水車装置１Ａは、キャビティ５（図２等参照）に代えて円弧壁６０Ａを備える。

円弧壁６０Ａは、羽根車２の回転方向Ｄ１において流入口２１から流出空間４１まで羽根車２の外周に沿って延びる円弧面６１Ａを有する。具体的に、円弧面６１Ａは、回転方向Ｄ１において流入口２１の第一端２３から流出空間４１をなすガイド面４５の接点部４６まで羽根車２の外周に接するように延びる。円弧面６１Ａが羽根車２の外周に接することは、円弧面６１Ａが羽根車２の外周に対して微小に間隔をあけて位置することも含む。
円弧面６１Ａとガイド面４５とは、接点部４６が丸みを帯びた形状に形成される等して、滑らかにつながっているとよい。同様に、円弧面６１Ａと流入口２１の第一端２３から延びる湾曲管路部１０の内面とは、滑らかにつながっているとよい。

第二実施形態のクロスフロー水車装置１Ａによれば、第一実施形態と同様の効果を奏する。
また、第二実施形態のクロスフロー水車装置１Ａでは、羽根車２の外周のうち流入管路部３の流入口２１から流出部６のガイド面４５の接点部４６に至る領域が円弧壁６０Ａによって覆われる。このため、当該領域において羽根車２の内側に空気が入り込むことを防止できる。これにより、羽根車２から流出した液体とガイド面４５との間に空気が入り込むことを抑制できる。したがって、ガイド面４５上における当該液体の流れが空気によって剥離することを抑制できる。その結果として、第一実施形態の場合と同様に、羽根車２の回転効率を向上できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１，１Ａ…クロスフロー水車装置、２…羽根車、３…流入管路部、５…キャビティ、６…流出部、７…ドラフト管、８…貯水槽、９…直線管路部、１０…湾曲管路部、１１…回転軸、１２…羽根、１３…内側空間、１５…羽根車２の上端、２１…流入口、２２…流入口２１の第二端、２３…流入口２１の第一端、２４…ガイドベーン、３１…キャビティ５の開口、３２…キャビティ５の内面、３３…開口３１の第一端、３４…開口３１の第二端、４１…流出空間、４３…吸気用孔、４４…バルブ、４５…ガイド面、４６…接点部、５１…縮径部、５２…拡径部、６０Ａ…円弧壁、６１Ａ…円弧面、Ｄ１…回転方向（一方向）、Ｏ１…軸線、Ｏ２…キャビティ中心線、θ，θ０，θ１…ガイド面４５の角度

Claims (10)

1. 水平方向に延びる回転軸を中心に複数の羽根を前記回転軸の周方向に配列した円筒状に形成され、外周から液体が流入されることで前記回転軸を中心として一方向に回転する羽根車と、
   前記羽根車の鉛直方向上側に配され、前記羽根車の外周に開口して前記液体を前記羽根車に流入させる流入口を有する流入管路部と、
   前記流入口の反対側において前記羽根車の外周に開口し、前記羽根車を通過した前記液体が流出する流出空間を有する流出部と、を備え、
   前記流出部は、前記流入口よりも前記羽根車の回転方向前側において前記羽根車の外周に接する接点部を含み、前記接点部から前記羽根車の回転方向前側に向かうにしたがって前記羽根車の外周から離れるように延びるガイド面を有し、
   前記ガイド面は、その延長方向において凸状に湾曲し、
   前記接点部において前記羽根車の外周の接線に対する前記ガイド面の角度は、前記接点部の近傍において前記羽根車から前記流出空間に流出した前記液体が前記ガイド面に沿って流れる角度であり、
   前記羽根車の回転方向において前記流入口と前記流出空間との間に設けられ、前記羽根車の外周に開口するキャビティを備え、
   前記キャビティの内面は、前記回転軸の軸方向から見た断面で、前記羽根車の回転方向に間隔をあけて位置する前記キャビティの開口の第一端と第二端との間で凹状に湾曲するクロスフロー水車装置。
2. 前記接点部における前記接線に対する前記ガイド面の角度は、０度以上かつ７０度以下である請求項１に記載のクロスフロー水車装置。
3. 前記キャビティの内面は、前記回転軸の軸方向から見た断面で、前記回転軸の軸線に平行するキャビティ中心線を中心とする円弧状に形成されている請求項１又は請求項２に記載のクロスフロー水車装置。
4. 前記キャビティ中心線は、前記羽根車の外周の外側に位置する請求項３に記載のクロスフロー水車装置。
5. 前記羽根車の回転方向後側に位置する前記キャビティの開口の第一端は、前記羽根車の回転方向前側に位置する前記流入口の第一端に対して間隔をあけずに位置する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のクロスフロー水車装置。
6. 前記流入管路部が、
   前記羽根車の鉛直方向上側に配され、前記液体を前記水平方向に流す直線管路部と、
   前記直線管路部の下流端から前記羽根車の外周に沿って前記羽根車の回転方向前側に延びると共に、前記流入口を有する湾曲管路部と、を備え、
   前記流入口は、前記羽根車の鉛直方向上側に位置する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のクロスフロー水車装置。
7. 前記羽根車の回転方向後側に位置する前記流入口の第二端は、前記回転軸の軸線に対して鉛直方向上側に位置する前記羽根車の上端に位置する請求項６に記載のクロスフロー水車装置。
8. 前記羽根車の回転方向前側に位置する前記流入口の第一端は、前記羽根車の回転方向後側に位置する前記流入口の第二端に対して前記羽根車の回転方向前側に９０度以上ずれて位置する請求項６又は請求項７に記載のクロスフロー水車装置。
9. 前記湾曲管路部は、前記羽根車の径方向における前記湾曲管路部の寸法が前記回転方向前側に向かうにしたがって小さくなるように形成されている請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のクロスフロー水車装置。
10. 前記流出部の鉛直方向下側に連ねて設けられ、鉛直方向下側に延びるドラフト管と、
    鉛直方向上側に開口する箱状に形成されて前記液体が貯留されると共に、前記ドラフト管の延長方向の下端部が挿入される貯水槽と、を備える請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のクロスフロー水車装置。

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