JP2013142356A - 軸流水車 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回流の抑制，および吸い出し管での損失の低減の確実性が向上された軸流水車を提供する。
【解決手段】一態様に係る軸流水車は，水流が流入する流入口と，この水流が流出する流出口と，を有するディスチャージリングと，前記ディスチャージリング内に配置され，前記流入口から流入する水流によって，１の軸を中心として，１の方向に回転可能なランナと，前記流出口に接続される吸い出し管と，前記吸出し管の内周に沿って配置され，流入側の第１の端部と，流出側の第２の端部と，を備える，少なくとも１以上の旋回抑制フィンと，を具備し，前記１の軸を中心とする，前記１の回転方向を正とする回転に対して，前記第１，第２の端部それぞれがなす角度θ１，θ２が，関係（θ２ − θ１ ＞ ０）を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は，軸流水車に関する。

水車発電機での発電のために，軸流水車が用いられている。軸流水車では，流入した水流によってランナを回転し，吸い出し管から流出させる。
ここで，吸出し管内で旋回流が発生すると，吸出し管での損失（発電に利用されずに捨てられてしまうエネルギー）が増大し，軸流水車のエネルギー効率が低下することになる。
このため，吸出し管に旋回抑制フィンを設置し，旋回流を抑制する技術が公開されている（特許文献１〜４参照）。吸出し管内での旋回流を抑制することで，吸出し管での損失を低減できる。

特開平０２−２０７１８２号公報 特開平０２−１４０４６６号公報 特開平０４−２５２８７４号公報 特開平０８−８２２７６号公報

しかしながら，旋回抑制フィンを設置しても，旋回流を抑制し，吸い出し管での損失が低減できるとは限らない。
本発明は，旋回流の抑制，および吸い出し管での損失の低減の確実性が向上された軸流水車を提供することを目的とする。

一態様に係る軸流水車は，水流が流入する流入口と，この水流が流出する流出口と，を有するディスチャージリングと，前記ディスチャージリング内に配置され，前記流入口から流入する水流によって，１の軸を中心として，１の方向に回転可能なランナと，前記流出口に接続される吸い出し管と，前記吸出し管の内周に沿って配置され，流入側の第１の端部と，流出側の第２の端部と，を備える，少なくとも１以上の旋回抑制フィンと，を具備し，前記１の軸を中心とする，前記１の回転方向を正とする回転に対して，前記第１，第２の端部それぞれがなす角度θ１，θ２が，次の関係を満たす。
θ２ − θ１ ＞ ０

本発明によれば，旋回流を抑制でき，吸い出し管での損失を低減できる。

第１実施形態に係る軸流水車１０を表す模式図である。 軸流水車１０の拡大模式図である。 軸流水車１０での旋回抑制フィン３５の配置を表す図である。 旋回抑制フィン３５の形状を表す斜視図である。 比較例に係る軸流水車１０ｘの拡大模式図である。 軸流水車１０ｘでの旋回抑制フィン３５ｘの配置を表す図である。 規格化回転数と水車効率の関係を表すグラフである。 規格化回転数と水車効率，吸い出し管損失の関係を表すグラフである。 軸流水車１０ｘの旋回抑制フィン３５ｘ近傍での水流の流れを表す模式図である。 軸流水車１０の旋回抑制フィン３５近傍での水流の流れを表す模式図である。 第２実施形態に係る軸流水車１０ａでの旋回抑制フィン３５ａの配置を表す図である。 旋回抑制フィン３５ａの形状を表す斜視図である。 第３実施形態に係る軸流水車１０ｂでの旋回抑制フィン３５ｂの配置を表す図である。 旋回抑制フィン３５ｂの形状を表す斜視図である。 第４実施形態に係る軸流水車１０ｃでの旋回抑制フィン３５ｃの配置を表す図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は，第１実施形態に係る軸流水車１０を表す模式図である。図２は，軸流水車１０を拡大した状態を表す拡大模式図である。図３は，吸出し管３２の出口方向（ランナ回転軸Ａ１方向）から見たときの，軸流水車１０での旋回抑制フィン３５の配置を表す図である。図４は，旋回抑制フィン３５の形状を表す斜視図である。

図１，図２は，子午面（後述のランナ回転軸Ａ１を含む面）上での軸流水車１０を表している。なお，図１では，軸流水車１０の上半分のみを表し，下半分を省略している。また，図１では，旋回抑制フィン３５の記載を省略している。

軸流水車１０は，水流により回転するものであり，水車発電機に用いられる。ここでは，軸流水車１０として横軸バルブ水車を示している。但し，横軸バルブ水車に替えて，立型バルブ水車を含む，バルブ水車一般とすることも可能である。また，軸流水車１０を，バルブ水車一般を含むカプラン水車としても良い。

軸流水車１０は，流路１１に配置され，ケーシング１２，ステーベーン１３，ガイドベーン１４，ランナ２１，ランナコーン２４，ディスチャージリング３１，吸出し管３２，旋回抑制フィン３５を有する。

流路１１は，上池からの水流Ｆを軸流水車１０に供給する供給路である。例えば，鉄管によって，流路１１を形成できる。流路１１を介して，上池から流入した水流Ｆがステーベーン１３，ガイドベーン１４をぬけ，ランナ回転軸Ａ１を中心としてランナ２１を回転させ，吸出し管３２を通って下池に排出される。

ケーシング１２は，その中に発電機を収容する外殻である。
ステーベーン１３は，ランナ２１へ水流Ｆを均等に導くために，ケーシング１２の周方向に複数枚設置された固定羽根である。

ガイドベーン１４は，ランナ２１に供給される水流Ｆの量（水量）を調節するために，ケーシング１２の周方向に複数枚設置された可動羽根である。水の落差や水量等の運転条件に応じて，後述のランナベーン開度βと共に，ガイドベーン１４の取り付け角度（ガイドベーン開度）αが調節される。

ランナ２１は，ランナボス２２，複数枚のランナベーン２３とで構成され，水流Ｆによって，ランナ回転軸Ａ１を中心として，回転方向Ｄ１に回転する回転部（タービン）である。

ランナボス２２は，ランナ回転軸Ａ１を中心に回転し，ケーシング１２内に設置されている発電機と，主軸によってカップリング（接続）されて，回転力を伝達する。

複数枚のランナベーン２３が，ランナボス２２の周方向に，ランナ回転軸Ａ１を中心とする放射状に取り付けられる。ランナベーン２３は，ランナボス２２に対して，ランナベーン回転軸Ａ２を中心に回転できる。ランナ回転軸Ａ１とランナベーン回転軸Ａ２は，ランナ中心Ｏを交点として交わる。

ランナベーン２３とランナボス２２を接続し，この回転を可能とするリンク機構がランナボス２２内に納められている。ランナベーン２３を回転することで，ランナボス２２に対するランナベーン２３の取り付け角度（ランナベーン開度β）を調節できる。水の落差や水量の変動に応じて，ランナベーン開度βを適正化し，広い運転範囲で高効率な発電特性を得ることができる。

ランナベーン２３は，球面形状の外周部を有する。この外周部は，ディスチャージリング３１の内面（球面部）と対向する。

なお，ランナベーン回転軸Ａ２は，紙面の上下方向としている。ランナ２１を回転することで，ランナベーン回転軸Ａ２は，ランナ回転軸Ａ１に対して回転し，紙面上から外れる。ここでは，ランナベーン回転軸Ａ２が紙面の上下方向となるように，ランナ２１の回転角度が設定されているとする。

ディスチャージリング３１は，ランナベーン２３の外周部を極小隙間で覆うように構成される。ディスチャージリング３１は，水流が流入する流入口と，この水流が流出する流出口とを有する。また，ディスチャージリング３１は，一定半径の球面で形成されランナベーン２３と対向する球面部と，吸出し管３２と滑らかに接続されるスロート部とに区分できる。

吸出し管３２は，ディスチャージリング３１の出口側（流出口）に接続され，ディスチャージリング３１から流出する水流を下池に導く。吸出し管３２は，末広がりの形状を有し，徐々にその断面積を拡大しながら流れを減速させ，吸出し管の出口での流速を小さくする。この結果，損失（発電に利用されずに捨てられてしまうエネルギー）が低減され，軸流水車１０のエネルギー効率が向上する。

旋回抑制フィン３５は，吸出し管３２内での旋回流を抑制することで，吸出し管３２での損失Ｌを低減するフィンである。
図２，図３に示すように，旋回抑制フィン３５は，吸出し管３２の内壁（内周）に少なくとも一つ以上設置される。ここでは，一例として，吸出し管３２の内壁（内周）に沿って，８つの旋回抑制フィン３５が配置される例を示しているが，その数は８つに限定されない。
なお，図３の内周３２ｐ，３２ｑは，後述の端点Ｐ，Ｑに沿う面Ｓｐ，Ｓｑ（図２参照）で，吸出し管３２を切断したときの，吸出し管３２の内壁がなす円弧を表す。

図４に示すように，旋回抑制フィン３５は，端部３５１，３５２，端部３５１，３５２を接続する接続部３５３と，を有する。端部３５１，３５２はそれぞれ，水流の流入側，流出側に配置される。

このとき，ランナ回転軸Ａ１を中心とする，ランナ２１の回転方向Ｄ１を基準とする（正方向とする）回転に対して，端部３５１，３５２それぞれがなす角度θｐ，θｑが，次の関係（１）を有する。
θｑ − θｐ ＞ ０ ……（１）

なお，ここでは，端部３５１，３５２の代表点として，ランナ回転軸Ａ１の内周側，外周側の中点（端点）Ｐ，Ｑを選択し，回転方向Ｄ１を基準とする（正方向とする）回転に対する，端点Ｐ，Ｑそれぞれの角度θｐ，θｑを端部３５１，３５２の角度としている。

（比較例）
図５は，図２に対応し，比較例に係る軸流水車１０ｘを拡大した状態を表す拡大模式図である。図６は，図３に対応し，吸出し管３２の出口方向（ランナ回転軸Ａ１方向）から見たときの，軸流水車１０ｘでの旋回抑制フィン３５ｘの配置を表す図である。

比較例に係る旋回抑制フィン３５ｘでは，角度θｐ，θｑが，次の関係（２）を有する。
θｑ − θｐ ＝ ０ ……（２）
即ち，旋回抑制フィン３５ｘの中心軸（端点Ｐ，Ｑを結ぶ線）がランナ回転軸Ａ１と平行である。

（作用効果）
このように，第１の実施形態での旋回抑制フィン３５，比較例での旋回抑制フィン３５ｘでは，ランナ回転軸Ａ１に対する向きが異なる。この結果，軸流水車１０の吸出し管３２での損失は，軸流水車１０ｘの吸出し管３２での損失より低減される。以下，詳細に説明する。

Ａ．旋回抑制フィン３５が無い場合
先に，旋回抑制フィン３５が無い場合を説明する。
この場合でも，既述のように，軸流水車１０での水の落差や水量等の運転条件に応じて，ガイドベーン１４とランナベーン２３の取り付け角度（ガイドベーン開度α，ランナベーン開度β）が調節される。

これらガイドベーン開度α，ランナベーン開度βの適正値は，通例，軸流水車１０を縮小した模型を用いた模型試験等によって決定できる。例えば，ガイドベーン開度αをα１とし，ランナベーン開度βをβ１として，模型ランナの回転数を変えながら流量や効率などのデータを取っていく。必要な範囲のデータを取り終わったら，ガイドベーン開度αをα２，α３，α４，…と替えながら，同様にデータを取ってゆく。

図７は，ランナベーン開度β＝β１のときの，規格化回転数（ｎ／Ｈ^１／２）と水車効率ηの関係を表すグラフである。横軸は規格化回転数であり，ランナ２１の回転数ｎを落差（Ｈ）の１／２乗で除算した値（ｎ／Ｈ^１／２）に対応する。即ち，回転数ｎを一定とすると，規格化回転数が小さい方が高落差に対応し，規格化回転数が大きい方が低落差に対応する。

ガイドベーン開度αｉでの水車効率ηのグラフＧ（αｉ）（Ｇ（α１）〜Ｇ（α５），…）の包絡線Ｅを描くことで，ランナベーン開度β1で，適正なガイドベーン開度αとしたときの，規格化回転数（ｎ／Ｈ^１／２）と水車効率ηの関係を決定できる。

ここで，包絡線Ｅの頂点付近では，ガイドベーン開度αｉ毎の水車効率ηのグラフＧ（αｉ）は，その頂点付近で包絡線Ｅに接している（Ｇ（α３））。これに対し，低落差運転時（規格化回転数：大）では，グラフＧ（αｉ）の頂点よりも高回転側で，包絡線Ｅに接している。

図８は，特定のランナベーン開度β・ガイドベーン開度αにおける，規格化回転数（ｎ／Ｈ^１／２）と水車効率η，吸い出し管３２での損失（吸い出し管損失）Ｌの関係を表すグラフである。

水車効率ηのグラフのピーク付近（水車効率ηが最も高い運転状態）では，吸出し管３２での損失Ｌは小さい。この場合，ランナ２１に流入する水流の角運動量のほとんどはランナ２１に作用して失われ，無旋回に近い流れが吸出し管３２に排出されるため，吸出し管３２で発生する摩擦損失が小さいからである。

一方，水車効率ηのグラフのピークから高回転側にずれた状態では，吸出し管３２での損失Ｌは増大する。この場合，ランナ２１に流入する水流の角運動量の一部はランナ２１に作用しないで吸出し管３２へと流出するため，旋回成分の強さに応じて，吸出し管３２で発生する摩擦損失が大きくなるからである。

このように，運転状態に応じて羽根角度（ランナベーン開度β・ガイドベーン開度α）を変えることで高効率運転ができる可動翼を持つ軸流水車１０でも，低落差側の運転時では旋回成分を持った流れ（旋回流）により吸出し管３２での損失Ｌが比較的大きくなる。

Ｂ．旋回抑制フィン３５が有る場合
吸出し管３２に旋回抑制フィン３５を設置し，旋回流を抑制し，吸出し管３２での損失Ｌの低減が可能となる。
しかしながら，旋回抑制フィン３５を設置した場合でも，ランナ回転軸Ａ１に対して，端部３５１，３５２それぞれがなす角度θｐ，θｑ（ランナ回転軸Ａ１に対する，旋回抑制フィン３５の向き）によっては，旋回流の抑制が不十分となり，吸出し管３２での損失Ｌの低減が不十分となる可能性があることが判った。

（１）比較例の場合
比較例に係る軸流水車１０ｘでは，旋回抑制フィン３５の中心軸がランナ回転軸Ａ１と平行であるため，旋回抑制フィン３５ｘによる損失低減効果が十分には得られ難い。

既述のように，旋回抑制フィン３５ｘは，低落差運転時における旋回流の抑制のために設置される。しかしながら，図９に示すように，旋回流がランナ回転方向Ｄ１に沿った速度成分（旋回成分）を有する関係で，水流Ｆ（旋回流）が旋回抑制フィン３５に沿って流れ難くなり，旋回流（流れ）が旋回抑制フィン３５ｘから剥離する。即ち，旋回流が旋回抑制フィン３５ｘから剥離した剥離領域Ａが発生する。

旋回流（流れ）が旋回抑制フィン３５から剥離すると，旋回流（流れの旋回）の抑制が不十分となる。また，流れの剥離に起因する渦が発生して損失が増加する。さらに，剥離領域Ａでは流れが停滞するため，剥離領域Ａの拡大によって，流路（吸い出し管３２）の有効断面積が減少し，流れが閉塞する恐れもある。

比較例では，「θｑ − θｐ ＝ ０」の場合を挙げている。「θｑ − θｐ ＜ ０」の場合では，旋回流（水流Ｆ）が旋回抑制フィン３５に沿ってさらに流れ難くなり，旋回流（流れ）が旋回抑制フィン３５ｘからより剥離し易くなる。

（２）第１の実施形態の場合
第１の実施形態に係る軸流水車１０では，低落差運転時におけるランナ２１の出口の旋回流の旋回方向に対応するように，旋回抑制フィン３５が設置される（「θｑ − θｐ ＞ ０」の関係（１）を満たす）。従い，図１０に示すように，旋回流の旋回抑制フィン３５からの剥離が防止され，旋回流の抑制が図られる。この結果，吸出し管３２での損失が低減され，水車効率の向上が図られる。

（第２の実施形態）
図１１は，第２の実施形態に係る軸流水車１０ａでの旋回抑制フィン３５ａの配置を表す図である。図１２は，旋回抑制フィン３５ａの形状を表す斜視図である。ここでは，旋回抑制フィン３５ａが，関係（１）を満足するのに加え，翼形状を有する。

旋回抑制フィン３５ａが，端点Ｐ，Ｑをそれぞれ含む端部３５１ａ，３５２ａ，端部３５１ａ，３５２ａを接続する接続部３５３ａと，を有する。接続部３５３ａは，面ＰＳ，ＳＳを有する。面ＰＳ，ＳＳはそれぞれ，旋回抑制フィン３５ａのランナ２１の回転方向Ｄ１から見て，上流側および下流側に位置する。上流側の面ＰＳが平面形状であり，下流側の面ＳＳが曲面形状である。

ここでは，翼形状は次のような条件（ａ）〜（ｅ）を満たすものとする。
（ａ）端部３５１ａは端部３５２ａより幅広の形状を有する。
（ｂ）接続部３５３ａが端部３５１ａから端部３５２ａに向かって先細な形状を有する。
（ｃ）端部３５１ａは凸の曲面形状
（ｄ）上流側の面ＰＳは凸の曲面形状
（ｅ）上流側の面ＳＳは凸の曲面形状

旋回抑制フィン３５ａの形状を流れに沿った翼形状とすることによって，旋回抑制フィン３５ａからの流れの剥離の抑制効果が高まると共に，流れに対する旋回抑制フィン３５ａの抵抗を最小限に抑えることができる。この結果，吸出し管３２での損失が低減できる。

但し，条件（a）〜（ｅ）の全てが満たされなければならない訳では無く，その一部のみを満たすことでも，吸出し管３２での損失を低減できる。例えば，条件（ａ），（ｂ）のみ，条件（ａ）〜（ｃ）のみ，条件（ａ）〜（ｄ）のみが満たされる場合でも，吸出し管３２での損失を低減できる。

以上のように，本実施形態でも，旋回抑制フィン３５ａからの旋回流の剥離を防止し，旋回流を抑制することで，吸出し管３２での損失が低減できる。これに加え，旋回抑制フィン３５で発生する損失を極小化できるため，水車効率ηの更なる向上が可能となる。

（第３の実施形態）
図１３は，第３実施形態に係る軸流水車１０ｂでの旋回抑制フィン３５ｂの配置を表す図である。図１４は，旋回抑制フィン３５ｂの形状を表す斜視図である。ここでは，旋回抑制フィン３５ｂが，関係（１）を満足するのに加え，平面状の面ＰＳ，曲面状の面ＳＳを有する。

軸流水車１０ｂでは，低落差運転時の旋回流において剥離が発生しやすい面ＳＳ面のみを曲面で形成している。なお，面ＰＳを曲面形状としても良い。

本実施形態でも，旋回抑制フィン３５ａからの旋回流の剥離を防止し，旋回流を抑制することで，吸出し管３２での損失が低減できる。これに加え，旋回抑制フィン３５で発生する損失を低減できるため，水車効率ηの更なる向上が可能となる。また，面ＰＳ，面ＳＳの双方を曲面とする場合に比べて，旋回抑制フィン３５ｂの製作が容易となる。

（第４の実施形態）
図１５は，第４実施形態に係る軸流水車１０ｃでの旋回抑制フィン３５ｃの配置を表す図である。
旋回抑制フィン３５ｃは，回転軸３６ｃを有する。回転軸３６ｃは，吸出し管３２の側壁を貫通し，不図示の駆動装置に接続される。この駆動装置によって，ディスチャージリング３１に対して，旋回抑制フィン３５ｃを回転することができる（旋回抑制フィン３５ｃの取り付け角度の変更）。即ち，角度差「θｑ − θｐ」を変更できる。
回転軸３６ｃおよび駆動装置は，ディスチャージリング３１に対する，旋回抑制フィン３５ｃの取り付け角度を変更する角度変更機構として機能する。

回転軸３６ｃの軸方向Ａ３がランナ回転軸Ａ１に対して放射状に配置され，旋回抑制フィン３５ｃを回転方向Ｄ２に回転を可能としている。ここでは，回転軸３６ｃの軸方向Ａ３を吸い出し管３２の内壁面に垂直となるように設定している。但し，ランナ回転軸Ａ１に対して，回転軸３６ｃの軸方向Ａ３が傾いていれば，角度差「θｑ − θｐ」の変更が可能である。例えば，回転軸３６ｃの軸方向Ａ３を回転軸３６ｃに垂直となるように設定できる。

軸流水車１０ｃでは，ランナ２１の出口からの流れの向きに応じて旋回抑制フィン３５ｃの向き（角度差「θｑ − θｐ」）を適正に変更できる。このため，あらゆる運転範囲で，旋回抑制フィン３５ｃの効果を最大限に発揮することができる。

その結果，旋回流の旋回抑制フィン３５からの剥離を防止し，旋回流の抑制を図ることで，吸出し管３２での損失が低減できる。この結果，水車効率の更なる向上が図られる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，横軸バルブ水車での例を示している。これに対して，横軸バルブ水車に替えて，立型バルブ水車を含む，バルブ水車一般とすることも可能である。また，軸流水車を，バルブ水車一般を含むカプラン水車としても良い。

１０〜１０ｃ 軸流水車
１１ 流路
１２ ケーシング
１３ ステーベーン
１４ ガイドベーン
２１ ランナ
２２ ランナボス
２３ ランナベーン
２４ ランナコーン
３１ ディスチャージリング
３２ 吸い出し管
３５〜３５ｃ 旋回抑制フィン
３６ｃ 回転軸
３５１，３５２ 端部
３５３ 接続部
Ａ１ ランナ回転軸
Ａ２ ランナベーン回転軸
Ｄ１ 回転方向
Ｅ 包絡線
Ｆ 水流
Ｇｉ グラフ
Ｌ 損失
ｎ 回転数
Ｏ ランナ中心
Ｐ，Ｑ 端点
ＰＳ，ＳＳ 面

Claims (5)

1. 水流が流入する流入口と，この水流が流出する流出口と，を有するディスチャージリングと，
   前記ディスチャージリング内に配置され，前記流入口から流入する水流によって，１の軸を中心として，１の方向に回転可能なランナと，
   前記流出口に接続される吸い出し管と，
   前記吸出し管の内周に沿って配置され，流入側の第１の端部と，流出側の第２の端部と，を備える，少なくとも１以上の旋回抑制フィンと，を具備し，
   前記１の軸を中心とする，前記１の回転方向を正とする回転に対して，前記第１，第２の端部それぞれがなす角度θ１，θ２が，次の関係を満たす
   θ２ − θ１ ＞ ０
   軸流水車。
2. 前記旋回抑制フィンが，前記第１，第２の端部を接続する接続部を有し，
   前記第１の端部が前記第２の端部より幅広で，
   前記接続部が前記第１の端部から前記第２の端部に向かって先細な形状を有する
   請求項１記載の軸流水車。
3. 前記接続部が，上流側の第１の面と，下流側の第２の面と，を有し，この第２の面が曲面である
   請求項１または２に記載の軸流水車。
4. 前記第１の面が曲面である
   請求項３記載の軸流水車。
5. 前記ディスチャージリングに対する，前記旋回抑制フィンの取り付け角度を変更する角度変更機構
   をさらに具備する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸流水車。

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