JP6873888B2 - ガイドベーンおよび流体機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、ガイドベーンおよび流体機械に関する。

流体機械には、フランシス水車または軸流水車等の水車またはポンプ水車などが存在する。ここでは典型的な流体機械の例であるフランシス水車を例にとって説明する。

フランシス水車は、水車運転時において、上池から鉄管を通って渦巻き状のケーシングに水が流入し、ケーシングに流入した水は、ステーベーンおよびガイドベーンによって形成される流路を通ってランナに導かれる。このランナへ導かれた流水によってランナが回転駆動され、流水の圧力エネルギが回転エネルギへと変換される。ランナが回転駆動されると、ランナに主軸を介して連結された発電機が駆動され、発電が行われる。ランナを回転駆動した流水は、吸出し管を通って下池（または放水路）へ排出される。

ガイドベーンは、ランナの外周側に設けられており、ランナ回転軸線を中心とした周方向に等間隔で配置されている。各ガイドベーンには、リンク機構が連結されており、各ガイドベーンは、ガイドベーン回動軸線を中心に回動可能に構成されている。ガイドベーンは、全閉状態から、リンク機構内で許容されている最大開度まで回動可能になっている。ガイドベーンが所望の開度になるように回動することにより、所望の発電量に見合った流量の水がランナに供給される。

ここで、図１４および図１５に、ステーベーン５０とガイドベーン５１の平面図を示す。図１４に示すように、複数のステーベーン５０と複数のガイドベーン５１とが、それぞれ周方向に離間しており、ステーベーン５０の間の流路と、ガイドベーン５１の間の流路を水が流れる。ステーベーン５０およびガイドベーン５１は、ケーシングからランナへの水の流れを滑らかにするような翼面形状を有している。

ガイドベーン５１は、上述したようにガイドベーン回動軸線を中心に回動し、ガイドベーン５１の開度が調整される。例えば、図１４に示すように、ガイドベーン５１の開度が小さくなったり、図１５に示すように、ガイドベーン５１の開度が大きくなったりする。このような場合、ガイドベーン５１に流入する水の流れの角度と、ガイドベーン５１の入口角度がずれてしまい、場合によっては流れの剥離が発生する恐れがある。例えば、図１４に示すように、ガイドベーン５１の開度が小さい場合には、ガイドベーン５１の内周側（ランナの側）で剥離が発生し得る。図１５に示すように、ガイドベーン５１の開度が大きい場合には、ガイドベーン５１の外周側（ステーベーン５０の側）で剥離が発生し得る。剥離領域は、水が流れる流路としては機能しないため、ガイドベーン５１の流路は実質的に狭まることになる。このため、損失が増大するという問題がある。

このような問題に対処するために、ガイドベーンの翼面は、ガイドベーン回動軸線に垂直な断面で見たときに、通常、流水面に対して凸状（若しくは直線状）となるように形成されており、凹面形状が存在しないように設計されている。凹状に形成した場合には流路が拡大するため、ガイドベーンの翼面近傍において境界層が発達したり流れが減速したりして剥離が発生し得るからである。

特開２０１５−１０５６９号公報

しかしながら、ガイドベーンのランナの側に設けられたランナ側翼面と、ステーベーンの側に設けられたステーベーン側翼面がそれぞれ全体的に凸状に形成される場合、ガイドベーンの間の流路が複雑な形状を有するために、局所的に流れが増速する場合がある。このような流れの増速は、摩擦損失の増大を招くという問題がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、局所的な流れの増速を緩和し、摩擦損失の増大を抑制することができるガイドベーンおよび流体機械を提供することを目的とする。

実施の形態によるガイドベーンは、流体機械のランナの外周側に設けられ、ガイドベーン回動軸線を中心に回動することによりランナへの水の流量を調整するガイドベーンである。このガイドベーンは、ガイドベーン回動軸線に垂直な断面において、ガイドベーンのランナ側翼面をなす輪郭線の曲率を、輪郭線が凸状に形成される場合に正の曲率とし、輪郭線が凹状に形成される場合に負の曲率としたとき、輪郭線の曲率が負の曲率となる負曲率部がランナ側翼面に設けられている。負曲率部は、ランナ側翼面の上端部から下端部にわたって形成されている。

また、実施の形態による流体機械は、ランナと、ランナの外周側に設けられた上述のガイドベーンと、を備えている。

本発明によれば、局所的な流れの増速を緩和し、摩擦損失の増大を抑制することができる。

図１は、第１の実施の形態におけるフランシス水車の全体構成を示す断面図である。 図２は、図１のガイドベーンを示す平面断面図である。 図３は、図２のＡ部拡大図である。 図４は、図２のランナ側翼面の平面断面における輪郭線の曲率を示す図である。 図５は、比較例としての一般的なガイドベーンにおいて、ランナ側翼面の平面断面における輪郭線の曲率を示す図である。 図６は、凸状に形成されたランナ側翼面の近傍における流れを示す模式平面断面図である。 図７は、直線状に形成されたランナ側翼面の近傍における流れを示す模式平面断面図である。 図８は、凹状に形成されたランナ側翼面の近傍における流れを示す模式平面断面図である。 図９は、第２の実施の形態において、ガイドベーンが全閉した場合のステーベーンおよびガイドベーンを示す平面図である。 図１０は、第３の実施の形態のガイドベーンにおいて、第１断面および第２断面におけるランナ側翼面の輪郭線の曲率をそれぞれ示す図である。 図１１は、第３の実施の形態において、ガイドベーンから排出された水の流れを示す模式図である。 図１２は、第４の実施の形態のガイドベーンにおいて、ランナ側翼面の平面断面における輪郭線の曲率を示す図である。 図１３は、ランナ側翼面において負曲率部が出口端の近傍に設けられた場合の流れを示す平面図である。 図１４は、一般的なフランシス水車において、ガイドベーンの開度が小さい場合のステーベーンおよびガイドベーンを示す平面図である。 図１５は、一般的なフランシス水車において、ガイドベーンの開度が大きい場合のステーベーンおよびガイドベーンを示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるガイドベーンおよび流体機械について説明する。

（第１の実施の形態）
図１〜図８を用いて、第１の実施の形態におけるガイドベーンおよび流体機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて、流体機械の一例としてのフランシス水車について説明する。

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、ケーシング２の内周側に設けられた複数のステーベーン３と、ステーベーン３の内周側に設けられた複数のガイドベーン４と、ガイドベーン４の内周側に設けられたランナ５と、を備えている。

ステーベーン３は、周方向に離間して設けられている（図１、図１４、図１５参照）。ステーベーン３は、上カバー９と下カバー１０との間に設けられており、互いに隣り合う一対のステーベーン３と上カバー９と下カバー１０とによって、流路が画定されている。各流路をケーシング２から流出した水が流れ、流水はステーベーン３によって整流されてガイドベーン４に導かれる。

ガイドベーン４は、周方向に離間して設けられている（図１、図１４、図１５参照）。ガイドベーン４は、上カバー９と下カバー１０との間に設けられており、互いに隣り合う一対のガイドベーン４と上カバー９と下カバー１０とによって、流路が画定されている。各流路をステーベーン３から流出した水が流れ、流水はガイドベーン４によってランナ５に導かれる。

また、各ガイドベーン４は、ランナ５の外周側に設けられており、ランナ５への水の流量を調整可能になっている。各ガイドベーン４は、後述するランナ回転軸線Ｘに略平行に延びるガイドベーン回動軸線Ｙを中心に回動可能に構成されている。このような複数のガイドベーン４により、ガイドベーン装置１１が構成されている。すなわち、ガイドベーン装置１１は、複数のガイドベーン４と、各ガイドベーン４をガイドベーン回動軸線Ｙを中心に回動させるガイドベーン駆動部１２と、各ガイドベーン４とガイドベーン駆動部１２とを連結するリンク機構（図示せず）と、を有している。このようなガイドベーン装置１１の構成により、各ガイドベーン４が連動して回動し、ガイドベーン４の流路面積（ガイドベーン開度）が調整可能になっている。従って、下流側に配置されたランナ５への水の流量を調整して、後述する発電機７の発電出力が調整可能になっている。

図１に示すように、ランナ５は、ガイドベーン４からの流水によって回転駆動するように構成されている。すなわち、ランナ５は、後述する主軸６に連結されたクラウン５ａと、クラウン５ａの外周側に設けられたバンド５ｂと、クラウン５ａとバンド５ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根５ｃと、を有している。このうちランナ羽根５ｃは、周方向に離間して設けられており、互いに隣り合う一対のランナ羽根５ｃとクラウン５ａとバンド５ｂとによって、流路が画定され、各流路をガイドベーン４から流出した水が流れる。そして、ランナ５は、ランナ回転軸線Ｘを中心に回転可能に構成されている。このようにして、ランナ羽根５ｃが、流水から圧力を受けてランナ５が回転駆動され、流水の圧力エネルギが回転エネルギへと変換される。

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、水車運転時には発電を行うように構成されている。

ランナ５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を回転駆動した水が下池に放出されるようになっている。

フランシス水車１がポンプ水車として構成されている場合、ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電機７が電動機としてランナ５を回転駆動する。このことにより、吸出し管８内の水が吸い上げられる。ランナ５に吸い上げられた水は、ガイドベーン４およびステーベーン３を通って、ケーシング２に流入し、ケーシング２から鉄管を通って上池に放出される。

次に、本実施の形態によるガイドベーン４について、図２〜図５を用いて説明する。

図２に示すように、ガイドベーン４は、入口端２１と、出口端２２と、ランナ５の側（内周側）に設けられたランナ側翼面２３と、ランナ５の側とは反対側（ステーベーン３の側、外周側）に設けられたステーベーン側翼面２４と、を有している。ガイドベーン４は、図１４および図１５に示すように、ステーベーン３から流出した水の流れに沿うように設けられている。ランナ側翼面２３は、図１４に示すガイドベーン５１の下側の面に相当するとともに、図１５に示すガイドベーン５１の左下側の面に相当する。ステーベーン側翼面２４は、図１４に示すガイドベーン５１の上側の面に相当するとともに、図１５に示すガイドベーン５１の右上側の面に相当する。図２に示すように、ランナ側翼面２３およびステーベーン側翼面２４はいずれも、入口端２１から出口端２２にわたって延びている。

図２〜図４に示すように、ガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な断面においてランナ側翼面２３をなす輪郭線２５の曲率が負の曲率となる負曲率部３０が、ランナ側翼面２３に設けられている。ここでは、この輪郭線２５の曲率を、流水面に対して輪郭線２５が凸状に形成される場合に正の曲率とし、輪郭線２５が凹状に形成される場合に負の曲率としている。輪郭線２５が直線状に形成される場合には、曲率はゼロとなる。このことについて、以下に、より詳細に説明する。

図２は、ガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な断面で見たときのガイドベーン４の平面断面図である。図３は、図２の負曲率部３０を拡大して示す平面断面図である。これらの平面断面においては、ランナ側翼面２３をなす輪郭線２５が示されている。すなわち、輪郭線２５とは、平面断面におけるランナ側翼面２３の形状を示す線になっている。この輪郭線２５の曲率が、図４に示されており、ランナ側翼面２３の輪郭線２５の一部が、負の曲率を有している。この負の曲率を有している部分が、負曲率部３０となっている。ここで、図４の横軸は、入口端２１から出口端２２に向かう方向における位置を示している。Ｌ０は、図２に示すように、入口端２１から出口端２２までの輪郭線２５に沿った長さを示し、Ｌは、入口端２１から任意の位置までの輪郭線２５に沿った長さに相当する変数を示している。Ｌ／Ｌ０は、入口端２１からの長さを無次元化した値であり、輪郭線２５上の任意の位置を示す。入口端２１においてＬ／Ｌ０は０．０となり、出口端２２においてＬ／Ｌ０は１．０となる。図４の縦軸は、輪郭線２５の曲率を示している。

なお、図３では図面を明瞭にするために、負曲率部３０における輪郭線２５の曲率を意図的に大きくして負曲率部３０の形状を誇張して示している。負曲率部３０の輪郭線２５の曲率は、負曲率部３０の近傍における流れに剥離が発生しない程度の値になっていることが好ましい。また、負曲率部３０の近傍での流れを滑らかにするために、負曲率部３０の輪郭線２５の曲率の絶対値を、図３に示す輪郭線２５の曲率の絶対値よりも小さくして、負曲率部３０を滑らかな形状にしてもよい。

負曲率部３０は、ランナ側翼面２３の上端部２６（上カバー９の側の端部、図１参照）から下端部２７（下カバー１０の側の端部、図１参照）にわたって形成されている。負曲率部３０における輪郭線２５の曲率は、上下方向にわたって一定であってもよい。すなわち、上下方向の各位置におけるガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な断面において、ランナ側翼面２３をなす輪郭線２５の曲率は、等しくてもよい。

図３および図４に示すように、負曲率部３０よりも入口端２１の側に、輪郭線２５の曲率がゼロ以上（正の曲率またはゼロ）となる入口側非負曲率部３１が設けられている。また、負曲率部３０よりも出口端２２の側に、輪郭線２５の曲率がゼロ以上（正の曲率またはゼロ）となる出口側非負曲率部３２が設けられている。すなわち、本実施の形態では、負曲率部３０から入口端２１にわたって輪郭線２５の曲率はゼロ以上になっているとともに、負曲率部３０から出口端２２にわたって輪郭線２５の曲率はゼロ以上になっている。負曲率部３０の輪郭線２５に沿った長さＬ１（図３参照）は、例えば、０．０３×Ｌ０〜０．２×Ｌ０である。

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１において水車運転を行う場合、上池から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、下池（または放水路）へ放出される。

水車運転の間、ステーベーン３から流出した水はガイドベーン４に流入する。

ここで、一般的なガイドベーンでは、図５に示すように、ランナ側翼面をなす輪郭線の曲率は、入口端から出口端にわたってゼロよりも大きく、正の曲率になっている。この場合、ランナ側翼面が全体的に凸状に形成されるため、局所的に流れが増速する場合が考えられる。この流れの増速は、摩擦損失の増大を招くという問題がある。このことについて、図６〜図８を用いてより詳細に説明する。

互いに隣り合う一対のガイドベーン４の間の流路は、複雑な形状を有するため、局所的に流れが増速する場合がある。例えば、図６に示すように、ランナ側翼面２３が水の流路に向かってに凸状に形成されている場合には、ランナ側翼面２３の近傍において流れが増速し得る。また、図７に示すように、ランナ側翼面２３の輪郭線が直線状に形成されている場合であっても、流路形状が複雑になっていると、局所的な増速が起こり得る。

そこで、本実施の形態によるガイドベーン４では、図８に示すように、ランナ側翼面２３のうち流れが増速している部分を凹状に形成する。このことにより、増速箇所の流路断面積（流れの方向に垂直な断面積）を増大させることができ、流れの増速を緩和することができる。なお、ランナ側翼面２３のうち流れが増速している部分は、例えば、数値解析を行うことによって知ることができる。そして、当該部分の輪郭線２５の曲率の値は、流れの増速を緩和可能にするとともに、流れの剥離が発生しないように、数値解析によって決定することができる。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン４のランナ側翼面２３に、ガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な断面においてランナ側翼面２３の輪郭線２５の曲率が負の曲率となる負曲率部３０が設けられている。このことにより、ガイドベーン４の流路において局所的な流れの増速を緩和することができ、摩擦損失の増大を抑制できる。この場合、フランシス水車１の効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、負曲率部３０が、ランナ側翼面２３の上端部２６から下端部２７にわたって形成されている。このことにより、上下方向の各位置において、局所的な流れの増速を緩和することができ、摩擦損失の増大をより一層抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、負曲率部３０よりも入口端２１の側に、輪郭線２５の曲率がゼロ以上となる入口側非負曲率部３１が設けられている。このことにより、入口端２１の近傍において輪郭線２５の曲率が負の曲率になることを回避できる。ここで、入口端２１の近傍の部分は、ガイドベーン４に流入する水が衝突し、衝突した水の流れをランナ側翼面２３およびステーベーン側翼面２４に回り込ませる部分になっている。この部分には、ガイドベーン４の開度に応じて様々な方向から水が衝突する。このことにより、入口端２１の近傍に負曲率部３０が形成されることを回避することで、入口端２１の近傍に流れの剥離が発生することを防止できる。このため、フランシス水車１の効率をより一層向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、負曲率部３０よりも出口端２２の側に、輪郭線２５の曲率がゼロ以上となる出口側非負曲率部３２が設けられている。このことにより、出口端２２の近傍において負曲率部３０が形成されることを回避できる。

ここで、ガイドベーン４の出口端２２の近傍において、ガイドベーン４の厚み（流れに垂直な方向の寸法）が大きいと、当該出口端２２の下流側に形成される低速領域である後流が大きくなる。この場合、後流と主流との混合により発生する損失が大きくなるため、ガイドベーン４の出口端２２の近傍における厚みは、強度を確保できる範囲内で小さく設計される。このため、厚みの小さい部分において、ランナ側翼面２３に負曲率部３０を設けると、ステーベーン側翼面２４が外周側に膨らむようになり（図１３参照）、凸状の程度が大きくなる（正の曲率の絶対値が大きくなる）。この場合、ステーベーン側翼面２４の近傍において境界層が発達し、後流の幅が大きくなり得る。また、流れがステーベーン側翼面２４に沿わずに剥離が発生することも考えられる。

これに対して本実施の形態によれば、出口端２２の近傍において負曲率部３０が形成されることを回避できる。このことにより、ガイドベーン４の出口端２２の厚みが大きくなることを防止でき、後流が大きくなることを防止できる。また、厚みの小さい出口端２２の近傍においてステーベーン側翼面２４が外周側に増大することを防止できる。このため、出口端２２の近傍に流れの剥離が発生することを防止でき、フランシス水車１の効率をより一層向上させることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図９を用いて、本発明の第２の実施の形態におけるガイドベーンおよび流体機械について説明する。

図９に示す第２の実施の形態においては、負曲率部が、ランナ側翼面に全閉時に他のガイドベーンが接する接点よりも出口端の側に配置されている点が主に異なり、他の構成は、図１〜８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〜図８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９は、ガイドベーン４の全閉時に、互いに隣り合う一対のガイドベーン４が接した状態を示している。すなわち、ガイドベーン４のランナ側翼面２３に、このランナ側翼面２３に隣り合う他のガイドベーン４の出口端２２が接点２８で接している。これにより、ガイドベーン４の流路が閉ざされ、ランナ５への水の流れを遮断している。

本実施の形態においては、負曲率部３０が、ランナ側翼面２３に全閉時に他のガイドベーン４が接する接点２８よりも出口端２２の側に配置されている。

より具体的には、ガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な断面において、入口端２１から接点２８までの輪郭線２５に沿った長さをＬｓ（図２参照）としたとき、
Ｌｓ／Ｌ０＜Ｌ／Ｌ０
を満たすＬの範囲の少なくとも一部に、負曲率部３０が形成されている。

言い換えると、Ｌ／Ｌ０≦Ｌｓ／Ｌ０を満たすＬの範囲は入口側非負曲率部３１によって構成されている。この範囲には、負曲率部３０は形成されていない。入口側非負曲率部３１は、Ｌｓ／Ｌ０＜Ｌ／Ｌ０を満たすＬの範囲にも連続して形成されていてもよい。

ここで、接点２８は、一例として、
０．０５≦Ｌ／Ｌ０≦０．１５
の範囲にある。

このように本実施の形態によれば、ガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な断面において、ランナ側翼面２３に全閉時に他のガイドベーン４が接する接点２８よりも出口端２２の側に、負曲率部３０が配置されている。このことにより、入口端２１から接点２８までの範囲を、入口側非負曲率部３１によって構成することができ、この範囲に、負曲率部３０が形成されることを回避できる。ここで、入口端２１から接点２８までの部分は、ガイドベーン４に流入する水が衝突し、衝突した水の流れをランナ側翼面２３およびステーベーン側翼面２４に回り込ませる部分になっている。この部分には、ガイドベーン４の開度に応じて様々な方向から流水が衝突する。このため、入口端２１から接点２８までの範囲に負曲率部３０が形成されることを回避することで、当該範囲に流れの剥離が発生することを防止できる。この結果、フランシス水車１の効率をより一層向上させることができる。

（第３の実施の形態）
次に、図１０および図１１を用いて、本発明の第３の実施の形態におけるガイドベーンおよび流体機械について説明する。

図１０および図１１に示す第３の実施の形態においては、ガイドベーン回動軸線に垂直な第１断面において、負曲率部における輪郭線の曲率の絶対値の最大値を第１曲率最大値とし、第１断面よりも下側に位置する第１断面に平行な第２断面において、負曲率部における輪郭線の曲率の絶対値の最大値を第２曲率最大値としたとき、第１曲率最大値よりも第２曲率最大値の方が大きい点が主に異なり、他の構成は、図１〜８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０および図１１において、図１〜図８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１０に示すように、本実施の形態においては、ガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な第１断面における負曲率部３０Ａの輪郭線２５の第１曲率最大値よりも、ガイドベーン回動軸線Ｙに垂直な第２断面における負曲率部３０Ｂの輪郭線２５の第２曲率最大値の方が大きくなっている。第１曲率最大値は、第１断面（例えば、図１１に示す断面Ａ−Ａ）において、負曲率部３０Ａにおける輪郭線２５の曲率の絶対値の最大値である。第２曲率最大値は、第２断面（例えば、図１１に示す断面Ｂ−Ｂ）において、負曲率部３０Ｂにおける輪郭線２５の曲率の絶対値の最大値である。第２断面は、第１断面よりも下側（下端部２７の側）に位置する第１断面に平行な断面である。なお、便宜上、第１断面における負曲率部の符号を３０Ａで示し、第２断面における負曲率部の符号を３０Ｂで示している。

図１０に示す例では、第１断面における負曲率部３０Ａの輪郭線２５に沿った長さよりも、第２断面における負曲率部３０Ｂの輪郭線２５に沿った長さの方が長くなっている。そして、輪郭線２５に沿った長さ方向の各位置において、第１断面における負曲率部３０Ａの輪郭線２５の曲率の絶対値よりも、第２断面における負曲率部３０Ｂの輪郭線２５の曲率の絶対値の方が大きくなっている。このため、第１断面における負曲率部３０Ａの輪郭線２５よりも、第２断面における負曲率部３０Ｂの輪郭線２５の方が、凹みの程度が大きくなっている。負曲率部３０の輪郭線２５の曲率の絶対値は、上端部２６（図１１参照）から下端部２７に向かって徐々に大きくするようにしてもよい。

図１１に示すように、ガイドベーン４から流出した水はランナ５に流入し、ランナ５から流出する際には、水の流れは下向きに変わる。このことにより、ガイドベーン４から流出する水は、下側（下端部２７の側、バンド５ｂの側）に偏る傾向にある。すなわち、ガイドベーン４を通過する水の流速も、下側において増大する傾向になる。このため、流速が増大する傾向にある下側において、負曲率部３０の曲率の絶対値が大きくなっている。

このように本実施の形態によれば、第１断面における負曲率部３０Ａの第１曲率最大値よりも、第１断面よりも下側に位置する第２断面における負曲率部３０Ｂの第２曲率最大値の方が大きくなっている。このことにより、負曲率部３０のうち、流速が増大する傾向にある下端部２７の側の部分において、負曲率部３０の曲率の絶対値を大きくすることができる。このため、負曲率部３０による流れの増速緩和作用を効果的に高めることができる。この結果、摩擦損失の増大をより一層抑制することができ、フランシス水車１の効率をより一層向上させることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図１２および図１３を用いて、本発明の第４の実施の形態におけるガイドベーンおよび流体機械について説明する。

図１２および図１３に示す第４の実施の形態においては、負曲率部が、Ｌ／Ｌ０≦０．８を満たすＬの範囲の少なくとも一部に形成されている点が主に異なり、他の構成は、図９に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図１２および図１３において、図９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。

図１２に示すように、本実施の形態においては、
Ｌ／Ｌ０≦０．８
を満たすＬの範囲の少なくとも一部に、負曲率部３０が形成されている。

言い換えると、０．８＜Ｌ／Ｌ０を満たすＬの範囲は、出口側非負曲率部３２によって構成されている。この範囲には、負曲率部３０は形成されていない。出口側非負曲率部３２は、図１２に示すように、Ｌ／Ｌ０≦０．８を満たすＬの範囲にも連続して形成されていてもよい。

一方、Ｌ／Ｌ０≦Ｌｓ／Ｌ０を満たすＬの範囲は、入口側非負曲率部３１によって構成されているが、この入口側非負曲率部３１は、図１２に示すように、Ｌｓ／Ｌ０＜Ｌ／Ｌ０を満たすＬの範囲にも連続して形成されていてもよい。

ここで、ガイドベーン４の出口端２２の側の部分において、ガイドベーン４の厚み（流れに垂直な方向の寸法）が大きいと、当該出口端２２の下流側に形成される低速領域である後流が大きくなる。この場合、後流と主流との混合により発生する損失が大きくなるため、ガイドベーン４の出口端２２の側の部分における厚みは、強度を確保できる範囲内で小さく設計される。このため、厚みの小さい部分において、ランナ側翼面２３に負曲率部３０を設けると、図１３に示すように、ステーベーン側翼面２４が外周側に膨らむようになり、凸状の程度が大きくなる（正の曲率の絶対値が大きくなる）。この場合、ステーベーン側翼面２４の近傍において境界層が発達し、後流の幅が大きくなり得る。また、流れがステーベーン側翼面２４に沿わずに剥離が発生することも考えられる。

これに対して本実施の形態によれば、０．８＜Ｌ／Ｌ０を満たすＬの範囲が、出口側非負曲率部３２によって構成されている。このことにより、この範囲に、負曲率部３０が形成されることを回避できる。このため、後流が大きくなることを防止できるとともに、ステーベーン側翼面２４の近傍において剥離が発生することを防止できる。この結果、フランシス水車１の効率をより一層向上させることができる。

以上述べた実施の形態によれば、局所的な流れの増速を緩和し、摩擦損失の増大を抑制することができる。

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、上述した実施の形態では、流体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流体機械にも、本発明によるガイドベーンおよび流体機械を適用することができる。

１：フランシス水車、４：ガイドベーン、５：ランナ、２１：入口端、２２：出口端、２３：ランナ側翼面、２４：ステーベーン側翼面、２５：輪郭線、２６：上端部、２７：下端部、２８：接点、３０：負曲率部、３１：入口側非負曲率部、３２：出口側非負曲率部、Ｙ：ガイドベーン回動軸線

Claims (4)

1. 流体機械のランナの外周側に設けられ、ガイドベーン回動軸線を中心に回動することにより前記ランナへの水の流量を調整するガイドベーンであって、
   前記ガイドベーン回動軸線に垂直な断面において、前記ガイドベーンのランナ側翼面をなす輪郭線の曲率を、前記輪郭線が凸状に形成される場合に正の曲率とし、前記輪郭線が凹状に形成される場合に負の曲率としたとき、前記輪郭線の曲率が負の曲率となる負曲率部が前記ランナ側翼面に設けられ、
   前記負曲率部は、前記ランナ側翼面の上端部から下端部にわたって形成され、
   前記負曲率部よりも入口端の側に、前記輪郭線の曲率が正の曲率またはゼロとなる入口側非負曲率部が設けられ、
   前記負曲率部よりも出口端の側に、前記輪郭線の曲率が正の曲率となる出口側非負曲率部が設けられ、
   前記入口端から前記出口端までの前記輪郭線に沿った長さをＬ０とし、前記入口端から任意の位置までの前記輪郭線に沿った長さをＬとしたとき、前記負曲率部は、Ｌ／Ｌ０≦０．８を満たすＬの範囲の少なくとも一部に形成され、前記出口側非負曲率部は、０．８＜Ｌ／Ｌ０を満たすＬの範囲に形成されている、ガイドベーン。
2. 前記負曲率部は、前記ランナ側翼面に全閉時に他の前記ガイドベーンが接する接点よりも前記出口端の側に配置されている、請求項１に記載のガイドベーン。
3. 前記ガイドベーン回動軸線に垂直な第１断面において、前記負曲率部における前記輪郭線の曲率の絶対値の最大値を第１曲率最大値とし、前記第１断面よりも下側に位置する前記第１断面に平行な第２断面において、前記負曲率部における前記輪郭線の曲率の絶対値の最大値を第２曲率最大値としたとき、前記第１曲率最大値よりも前記第２曲率最大値の方が大きい、請求項１または２に記載のガイドベーン。
4. 前記ランナと、
   前記ランナの外周側に設けられた請求項１〜３のいずれか一項に記載の前記ガイドベーンと、を備えた、流体機械。

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