JP7506411B2 - Hydraulic Machinery - Google Patents

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Description

本発明は、小水力発電装置などの高い発電効率が要求される発電装置に用いられる水力機械に関する。 The present invention relates to a hydroelectric machine used in power generation equipment that requires high power generation efficiency, such as small hydroelectric power generation equipment.

近年、二酸化炭素排出量の削減が世界的な課題となっている。例えば、世界の発電量の大半は火力発電により賄われているが、二酸化炭素排出量削減のために、火力から、水力、地熱、太陽光などの自然エネルギーを用いた発電の比率を増大させることが期待されている。 In recent years, reducing carbon dioxide emissions has become a global issue. For example, the majority of the world's electricity is generated by thermal power plants, but in order to reduce carbon dioxide emissions, it is hoped that the proportion of electricity generated using natural energy sources such as hydroelectric power, geothermal power, and solar power will be increased instead of thermal power plants.

大型ダムに付随する水力発電所や、地熱発電所のような自然エネルギーを用いた大規模発電所は、主な電力消費地である都市圏から離れた場所にあることが多く、発電所から消費地までの長距離送電による電力損失が大きい。また、エネルギー源が自然エネルギーであっても、山間部に大型ダムや大規模発電所を建設することは、生態系や自然を破壊するおそれがあり、環境負荷が大きい場合がある。 Hydroelectric power plants attached to large dams and large-scale power plants that use natural energy, such as geothermal power plants, are often located far from urban areas where electricity is primarily consumed, resulting in large power losses due to long-distance transmission from the power plant to the consumption area. Furthermore, even if the energy source is natural energy, building large dams and large-scale power plants in mountainous areas can have a large impact on the environment, as it may destroy ecosystems and nature.

上述の理由から、電力消費地の近くで小規模に発電することが検討されている。例えば、用水路、工場排水、家庭用排水、浄水場などからの流水を利用した水力発電の技術開発が行われている。このような水力発電は、従来の大型ダムに併設した水力発電に比べ山間部での大規模な工事を必要とせず環境負荷が小さいことから、環境調和型の発電方法として注目を集めている。 For the reasons mentioned above, small-scale power generation near electricity consumption areas is being considered. For example, technological development is underway for hydroelectric power generation that utilizes flowing water from irrigation channels, industrial wastewater, domestic wastewater, water purification plants, etc. This type of hydroelectric power generation does not require large-scale construction work in mountainous areas and has a smaller environmental impact than conventional hydroelectric power generation installed at large dams, and is therefore attracting attention as an environmentally friendly method of power generation.

用水路、工場排水などを利用した発電は、太陽光発電と比べ、時間による出力変動が小さく、安定した発電が可能であり、設備利用率に優れる。また、地域での電力の地産地消が可能なため、大型ダムでの水力発電の場合に問題となる長距離送電による電力損失への解決策となる。特に、流量１００Ｌ／ｓ未満、有効落差２００ｍ以下の条件、または発電出力１０，０００ｋＷ以下の水力発電（いわゆる小水力発電）の利用事例は非常に少なく、将来的なエネルギー利用余地が大きいことからも、その普及が期待されている。 Compared to solar power generation, power generation using irrigation channels, factory wastewater, etc. has smaller output fluctuations over time, allows for stable power generation, and has excellent facility utilization rates. In addition, because it allows for local production and consumption of electricity, it is a solution to the power loss caused by long-distance transmission that is an issue with hydroelectric power generation at large dams. In particular, there are very few examples of hydroelectric power generation with a flow rate of less than 100 L/s, an effective head of 200 m or less, or a power output of 10,000 kW or less (so-called small hydroelectric power generation), and as there is a lot of room for future energy utilization, its widespread use is expected.

水力発電装置としては、スクリュー状の羽根を水の流れの中で回転させる方式や、回転する流水の流圧で回転エネルギーを得る方式などの様々な方式が提案されている。 Various methods have been proposed for hydroelectric power generation devices, including a method in which screw-shaped blades rotate in the flow of water, and a method in which rotational energy is obtained from the flow pressure of rotating flowing water.

特許文献１には、内部にらせん状板を密着して取り付けた円筒内に水を通過させることによって得られる回転エネルギーを発電に利用する多機能傾斜型発電装置が開示されている。 Patent document 1 discloses a multi-function gradient-type power generation device that uses the rotational energy obtained by passing water through a cylinder with a spiral plate tightly attached inside to generate electricity.

特許文献２には、周方向に亘って配置された複数のステーベーン、各ステーベーンの上流側に配置されて各ステーベーンに流入する水の流入方向を定める複数の流入方向調整ベーン、および、ステーベーンを通過した水が導かれる複数のガイドベーンを有するケーシングと、複数のランナベーンを有してガイドベーンを通過した水によって回動駆動されるランナとを備えた水力機械が開示されている。 Patent Document 2 discloses a hydraulic machine that includes a casing having multiple stay vanes arranged circumferentially, multiple inflow direction adjustment vanes arranged upstream of each stay vane to determine the inflow direction of water flowing into each stay vane, and multiple guide vanes to which water that has passed through the stay vanes is guided, and a runner that has multiple runner vanes and is rotationally driven by water that has passed through the guide vanes.

特開２０１１－１４９３４１号公報JP 2011-149341 A 特開２０１３－７２３０４号公報JP 2013-72304 A

従来の水力発電装置は一般的に、大型である程発電効率が高く、小型になる程発電効率が低くなる関係にある。例えば、特許文献１には、発電効率を上げるために、らせん状板の段数を多くするか、円筒本体の直径を大きくすることが記載されており、発電効率の高い装置は大型化しやすいことが示唆されている。そのため、非山間部などの低流量、低落差となりやすい地域で一定以上の発電量を確保しようとした場合、大型の高効率発電装置を適用しても発電効率が低下してしまうので適当ではない。また、発電装置が大きいと所定の広さの設置場所や大掛かりな工事が必要となるので、適切なサイズでありつつ発電効率に優れることが望ましい。 In general, the larger a conventional hydroelectric power generation device is, the higher its power generation efficiency, and the smaller it is, the lower its power generation efficiency. For example, Patent Document 1 describes that in order to increase power generation efficiency, the number of spiral plate stages can be increased or the diameter of the cylindrical body can be increased, suggesting that devices with high power generation efficiency are likely to be large. Therefore, when trying to secure a certain amount of power generation in areas that are prone to low flow rates and low heads, such as non-mountainous areas, applying a large, highly efficient power generation device is not appropriate because the power generation efficiency will decrease. In addition, a large power generation device requires a certain amount of space to install and large-scale construction work, so it is desirable for the device to be of an appropriate size while still having excellent power generation efficiency.

また、特許文献２には、水力機械の発電効率を上げるために、ケーシングの内部に流入方向調整ベーンおよびガイドベーンを設け、流入方向調整ベーンの配置位置や配置方向を調整したり、ガイドベーンの開度を調整したりすることが記載されている。しかし、このようにケーシング内部の羽根の種類を増やしたり、形状を複雑化したりすることは、製造コストやメンテナンス負担が増大したり、装置を小型化しにくくなったりするおそれがある。 Patent Document 2 also describes how, in order to increase the power generation efficiency of a hydraulic machine, inflow direction adjustment vanes and guide vanes are provided inside the casing, and the position and direction of the inflow direction adjustment vanes are adjusted, as well as the opening degree of the guide vanes. However, increasing the number of types of vanes inside the casing and making the shapes more complex in this way may increase manufacturing costs and maintenance burdens, and make it difficult to miniaturize the device.

上記理由から、ダムなどで用いられる従来の大型水力発電装置よりも小型であっても発電効率に優れる水力発電装置や、当該装置に用いられる水力機械の開発が望まれている。発電効率の向上には種々の方策があるが、水力機械を小型とした場合、特に水力機械内部の流路内を水がスムーズに流れ、流水のエネルギー損失を極力抑えることや、流路内の水の流速が均一でありランナに均一な回転力が負荷されることが重要である。 For the reasons mentioned above, there is a demand for the development of hydroelectric power generation equipment that is smaller than conventional large hydroelectric power generation equipment used in dams and the like, yet has superior power generation efficiency, and hydroelectric machinery for use in such equipment. There are various methods for improving power generation efficiency, but when making a hydroelectric machine smaller, it is particularly important that the water flows smoothly through the flow passages inside the hydroelectric machine, minimizing energy loss in the flowing water, and that the flow rate of the water in the flow passages is uniform so that a uniform rotational force is applied to the runner.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、流路内の水の流速が均一で、発電効率に優れる水力機械の提供を目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a hydraulic machine with a uniform water flow rate in the flow path and excellent power generation efficiency.

本発明の水力機械は、ケーシングと、上記ケーシングの中心部に回転可能に配置されたランナとを備えた水力機械であって、上記ケーシングは、外側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路と、内側に配置され上記主流路からの水を上記ランナへと導入する固定流路とを内部に有し、上記主流路は、その流路において最大内径の流入部と、最小内径の終端部とを有し、上記終端部が、上記主流路において上記流入部と直接的に繋がっていないことを特徴とする。 The hydraulic machine of the present invention is a hydraulic machine comprising a casing and a runner rotatably arranged in the center of the casing, the casing having a main flow passage arranged on the outside, the main flow passage having a spiral shape whose inner diameter decreases as it moves toward the center of the spiral, and a fixed flow passage arranged on the inside for introducing water from the main flow passage into the runner, the main flow passage having an inlet portion with the maximum inner diameter and a terminal portion with the minimum inner diameter in the flow passage, the terminal portion not being directly connected to the inlet portion in the main flow passage.

上記水力機械は、小水力発電装置に用いられる水力機械であることを特徴とする。 The above-mentioned hydraulic machine is characterized in that it is a hydraulic machine used in a small hydroelectric power generation device.

上記主流路は、所定の角度範囲における入口側の内径に対する出口側の内径の比率である縮径比率が段階的に変化しながら縮径することを特徴とする。 The main flow passage is characterized in that the diameter reduction ratio, which is the ratio of the inner diameter of the outlet side to the inner diameter of the inlet side within a specified angle range, changes stepwise as it reduces in diameter.

上記ランナおよび上記ケーシングはそれぞれ、互いに摺動自在に接触する摺接部を有し、上記ランナの上記摺接部は、上記ケーシングと対向する側の面に該ランナの回転軸を中心とする同心円上に形成され、上記ランナから水が排出される方向である排出方向へと突出した円環状の凸部であり、上記ケーシングの上記摺接部は、上記ランナが配置されるランナ配置部に上記回転軸を中心とする同心円上に形成され、上記排出方向へ窪んだ円環状の溝部であり、上記凸部は、上記溝部に嵌合することを特徴とする。 The runner and the casing each have a sliding contact portion that is in sliding contact with each other, the sliding contact portion of the runner is formed on the surface facing the casing on a concentric circle centered on the rotation axis of the runner and is an annular convex portion that protrudes in the discharge direction in which water is discharged from the runner, and the sliding contact portion of the casing is formed on a concentric circle centered on the rotation axis in the runner arrangement portion where the runner is arranged and is an annular groove portion recessed in the discharge direction, and the convex portion fits into the groove.

上記固定流路は、同心円上に離間して配置された複数のステーベーンによって形成され、上記複数のステーベーンのうち隣接するステーベーンの間に配置される上記固定流路の内周側の円弧の長さである流路幅が、上記主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次変化することを特徴とする。 The fixed flow passage is formed by a plurality of stay vanes spaced apart on a concentric circle, and the flow passage width, which is the length of the arc on the inner circumference of the fixed flow passage arranged between adjacent stay vanes among the plurality of stay vanes, changes gradually as it progresses toward the center of the spiral of the main flow passage.

ステーベーンの間隔減少の場合：
上記流路幅が、上記主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次減少し、上記流路幅の減少率Ｄ１が、下記式（１）で表されることを特徴とする。
Ｄ１＝－２（Ｌ－ＹＮ－ＳＮ）／ＹＮ（Ｎ－１）・・・（１）
Ｎ：上記ステーベーンの枚数
Ｙ：上記流入部から延出する第１のステーベーンと、流水方向に隣接する第２のステーベーンとの間に配置される第一の流路幅
Ｄ１：隣接する上記流路幅の減少率
Ｓ：上記ステーベーンの内周側の円弧の長さ
Ｌ：上記ケーシングの上記ランナと摺接する面の内周の長さ For reduced stay vane spacing:
The flow path width gradually decreases toward the center of the spiral of the main flow path, and a rate of decrease D1 of the flow path width is expressed by the following formula (1).
D1 = -2 (L - YN - SN) / YN (N - 1) ... (1)
N: number of the stay vanes; Y: first flow passage width disposed between the first stay vane extending from the inlet portion and the second stay vane adjacent in the water flow direction; D1: reduction rate of the adjacent flow passage width; S: length of the arc on the inner periphery side of the stay vane; L: length of the inner periphery of the surface of the casing that slides against the runner;

ステーベーンの間隔増加の場合：
上記流路幅が、上記主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次増加し、上記流路幅の増加率Ｄ２が、下記式（２）で表されることを特徴とする。
Ｄ２＝２（Ｌ－ＹＮ－ＳＮ）／ＹＮ（Ｎ－１）・・・（２）
Ｎ：上記ステーベーンの枚数
Ｙ：上記流入部から延出する第１のステーベーンと、流水方向に隣接する第２のステーベーンとの間に配置される第一の流路幅
Ｄ２：隣接する上記流路幅の増加率
Ｓ：上記ステーベーンの内周側の円弧の長さ
Ｌ：上記ケーシングの上記ランナと摺接する面の内周の長さ For increased stay vane spacing:
The flow path width gradually increases toward the center of the spiral of the main flow path, and an increase rate D2 of the flow path width is expressed by the following formula (2).
D2 = 2 (L - YN - SN) / YN (N - 1) ... (2)
N: number of the stay vanes; Y: first flow passage width disposed between the first stay vane extending from the inlet portion and the second stay vane adjacent in the water flow direction; D2: increase rate of the adjacent flow passage width; S: length of the arc on the inner periphery side of the stay vane; L: length of the inner periphery of the surface of the casing that slides against the runner;

本発明の水力機械は、ケーシングと、上記ケーシングの中心部に回転可能に配置されたランナとを備えた水力機械であって、上記ケーシングは、外側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路と、内側に配置され上記主流路からの水を上記ランナへと導入する固定流路とを内部に有し、上記固定流路は、同心円上に離間して配置された複数のステーベーンによって形成され、上記複数のステーベーンのうち隣接するステーベーンの間に配置される上記固定流路の内周側の円弧の長さである流路幅が、上記主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次変化することを特徴とする。 The hydraulic machine of the present invention is a hydraulic machine comprising a casing and a runner rotatably arranged in the center of the casing, the casing having an external spiral-shaped main flow passage with an inner diameter that decreases as it advances toward the center of the spiral, and an internal fixed flow passage that introduces water from the main flow passage into the runner, the fixed flow passage being formed by a plurality of stay vanes spaced apart on a concentric circle, and the flow passage width, which is the length of the inner arc of the fixed flow passage arranged between adjacent stay vanes among the plurality of stay vanes, changes sequentially as it advances toward the center of the spiral of the main flow passage.

本発明の水力機械は、ケーシングと、ケーシングの中心部に回転可能に配置されたランナとを備えた水力機械であって、ケーシングは、外側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路と、内側に配置され主流路からの水をランナへと導入する固定流路とを内部に有し、主流路は、その流路において最大内径の流入部と、最小内径の終端部とを有し、終端部が、主流路において流入部と直接的に繋がっていないので、ケーシング終端部から流入部への水の合流による流速の低下を抑制でき、流路内の水の流速が均一となり、発電効率に優れる。
ここで発電効率とは、所定の有効落差にある所定の量の水が有している位置エネルギーに対する、当該水が当該有効落差分だけ位置変化して発電装置に流入した場合に得られる電気エネルギーの比率である。 The hydraulic machine of the present invention is a hydraulic machine comprising a casing and a runner rotatably arranged in the centre of the casing, the casing having inside therein a main flow passage which is a spiral-shaped flow passage arranged on the outside and whose inner diameter decreases as it progresses towards the centre of the spiral, and a fixed flow passage arranged on the inside for introducing water from the main flow passage into the runner, the main flow passage has an inlet section with the maximum inner diameter in the flow passage and a terminal section with the smallest inner diameter, and since the terminal section is not directly connected to the inlet section in the main flow passage, it is possible to suppress a decrease in flow velocity due to the confluence of water from the terminal section of the casing to the inlet section, and the flow velocity of the water in the flow passage becomes uniform, resulting in excellent power generation efficiency.
Here, power generation efficiency is the ratio of the electrical energy obtained when a given amount of water at a given effective head changes position by an amount equal to the potential energy of the water and flows into a power generation device.

水力機械は、小水力発電装置に用いられる水力機械であるので、ランナベーンに過度に高い圧力が掛からず、ランナの中心部に渦がより発生しにくい。 The hydromachine is a hydromachine used in small hydroelectric power generation equipment, so excessively high pressure is not applied to the runner vanes, making it less likely that vortices will occur in the center of the runner.

主流路は、所定の角度範囲における入口側の内径に対する出口側の内径の比率である縮径比率が段階的に変化しながら縮径するので、主流路の流入部から終端部までの流速の全周に亘る均一化が図れる。これにより、各固定流路からランナへ流入する水の流速が均一化され、流れがスムーズ化されることにより、振動の発生が低減され、発電効率により優れる。 The main flow passage reduces in diameter while the reduction ratio, which is the ratio of the inner diameter of the outlet side to the inner diameter of the inlet side within a specified angle range, changes in stages, so the flow rate is uniform all around the main flow passage from the inlet to the terminal end. This makes the flow rate of the water flowing from each fixed flow passage into the runner uniform, and the flow is smoother, reducing the occurrence of vibration and improving power generation efficiency.

ランナおよびケーシングはそれぞれ、互いに摺動自在に接触する摺接部を有し、ランナの摺接部は、ケーシングと対向する側の面に該ランナの回転軸を中心とする同心円上に形成され、ランナから水が排出される方向である排出方向へと突出した円環状の凸部であり、ケーシングの摺接部は、ランナが配置されるランナ配置部に回転軸を中心とする同心円上に形成され、排出方向へ窪んだ円環状の溝部であり、凸部は、溝部に嵌合するので、ケーシングとランナとの間を流れてランナに回転力を与えずに排出される水量を減らし、ランナベーンの間を通って流れる水量を増大させることができる。これにより、流れる水のエネルギーを効率的にランナの回転に利用できるので、本発明の水力機械は発電効率に一層優れる。 The runner and the casing each have a sliding contact portion that is in sliding contact with each other. The sliding contact portion of the runner is formed on the surface facing the casing on a concentric circle centered on the rotation axis of the runner, and is an annular convex portion that protrudes in the discharge direction in which water is discharged from the runner. The sliding contact portion of the casing is formed on a concentric circle centered on the rotation axis in the runner arrangement portion where the runner is arranged, and is an annular groove portion that is recessed in the discharge direction. Since the convex portion fits into the groove, the amount of water that flows between the casing and the runner and is discharged without applying a rotational force to the runner can be reduced, and the amount of water that flows through the runner vanes can be increased. As a result, the energy of the flowing water can be efficiently used to rotate the runner, so the hydraulic machine of the present invention has even better power generation efficiency.

固定流路は、同心円上に離間して配置された複数のステーベーンによって形成され、複数のステーベーンのうち隣接するステーベーンの間に配置される固定流路の内周側の円弧の長さである流路幅が、主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次変化するので、各固定流路からランナへ流入する水の流速の均一化が図れ、発電効率を一層向上できる。 The fixed flow passage is formed by multiple stay vanes arranged at a distance on a concentric circle, and the flow passage width, which is the length of the inner arc of the fixed flow passage arranged between adjacent stay vanes, changes sequentially as it progresses toward the center of the spiral of the main flow passage, so that the flow rate of the water flowing from each fixed flow passage into the runner is made uniform, further improving power generation efficiency.

流路幅が、主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次減少し、流路幅の減少率Ｄ１が、上記式（１）で表されるので、主流路後半部分と繋がる固定流路を流れる水の流速が増大する。これにより、固定流路からランナへ流入する水の流速が均一化され、ランナが全周に亘って均一な回転力を負荷されることで、振動の発生が低減され、発電効率に一層優れる。 The flow path width gradually decreases as it moves toward the center of the spiral of the main flow path, and the rate of decrease D1 of the flow path width is expressed by the above formula (1), so the flow rate of water flowing through the fixed flow path connected to the latter half of the main flow path increases. This makes the flow rate of water flowing from the fixed flow path to the runner uniform, and the runner is loaded with a uniform rotational force all around, reducing the generation of vibration and improving power generation efficiency.

流路幅が、主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次増加し、流路幅の増加率Ｄ２が、上記式（２）で表されるので、流量が比較的大きく、主流路後半部分と繋がる固定流路を流れる水の流速が高くなりやすい場合に、当該固定流路を流れる水の流速が低減される。これにより、固定流路からランナへ流入する水の流速が均一化され、ランナが全周に亘って均一な回転力を負荷されることで、振動の発生が低減され、発電効率に一層優れる。 The flow path width increases gradually as it moves toward the center of the spiral of the main flow path, and the rate of increase D2 of the flow path width is expressed by the above formula (2). Therefore, when the flow rate is relatively large and the flow velocity of the water flowing through the fixed flow path connected to the latter half of the main flow path is likely to be high, the flow velocity of the water flowing through the fixed flow path is reduced. This makes the flow velocity of the water flowing from the fixed flow path to the runner uniform, and the runner is loaded with a uniform rotational force all around, reducing the generation of vibration and improving power generation efficiency.

本発明の水力機械は、ケーシングと、ケーシングの中心部に回転可能に配置されたランナとを備えた水力機械であって、ケーシングは、外側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路と、内側に配置され主流路からの水をランナへと導入する固定流路とを内部に有し、固定流路は、同心円上に離間して配置された複数のステーベーンによって形成され、複数のステーベーンのうち隣接するステーベーンの間に配置される固定流路の内周側の円弧の長さである流路幅が、主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次変化するので、各固定流路からランナへ流入する水の流速の均一化が図れ、発電効率に優れる。 The hydraulic machine of the present invention is a hydraulic machine that includes a casing and a runner that is rotatably arranged in the center of the casing. The casing has inside a main flow passage that is a spiral-shaped flow passage arranged on the outside and whose inner diameter decreases as it moves toward the center of the spiral, and a fixed flow passage arranged on the inside that introduces water from the main flow passage into the runner. The fixed flow passage is formed by a number of stay vanes arranged at a distance on a concentric circle, and the flow passage width, which is the length of the arc on the inner circumference of the fixed flow passage arranged between adjacent stay vanes among the multiple stay vanes, changes sequentially as it moves toward the center of the spiral of the main flow passage, so that the flow rate of water flowing from each fixed flow passage into the runner is uniform, resulting in excellent power generation efficiency.

本発明の水力機械の断面図である。1 is a cross-sectional view of a hydraulic machine of the present invention; 本発明の水力機械が備えるケーシングの斜視図および断面図である。2A and 2B are a perspective view and a cross-sectional view of a casing provided in the hydraulic machine of the present invention. 本発明の水力機械が備えるケーシングの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a casing provided in the hydraulic machine of the present invention. ステーベーン間隔が変化するケーシングの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a casing in which the stay vane spacing changes. 図４に示したケーシングのステーベーン部分の拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a stay vane portion of the casing shown in FIG. 4 . ケーシングとランナの摺接部分の拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a sliding contact portion between a casing and a runner. 本発明の水力機械が備えるランナの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a runner provided in the hydraulic machine of the present invention. 本発明の水力機械が備えるランナの子午面図である。FIG. 2 is a meridian view of a runner provided in the hydraulic machine of the present invention. ステーベーンおよびランナの拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a stay vane and a runner.

本発明の水力機械の一例について、全体的な構造を図１に基づいて説明する。図１は水力機械が備えるランナの回転軸に対して直交する面での断面図である。ここで、図１（ａ）は、水力機械を水が排出される方向に沿って見た図である。図１（ｂ）は、水力機械を水が排出される方向から向かって見た図である。図面において、水の流入方向を黒矢印で示す。 The overall structure of an example of a hydraulic machine of the present invention will be described with reference to Figure 1. Figure 1 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the rotation axis of a runner provided in the hydraulic machine. Here, Figure 1(a) is a view of the hydraulic machine seen along the direction in which water is discharged. Figure 1(b) is a view of the hydraulic machine seen from the direction in which water is discharged. In the drawing, the direction in which water flows in is indicated by a black arrow.

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、水力機械１は、渦巻き形状を有するケーシング２と、ケーシング２の中心部に回転可能に配置されたランナ３とを備える。ケーシング２は、ケーシング２の外周側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路２１と、ケーシング２の内周側に配置され主流路２１からの水をランナ３へと導入する固定流路２２とを内部に備える。主流路２１は、その流路において最大内径の流入部２３と、最小内径の終端部２４とを有する。固定流路２２は、同心円上に離間して配置された複数のステーベーン２５によって形成される。 As shown in Figs. 1(a) and (b), the hydraulic machine 1 comprises a casing 2 having a spiral shape and a runner 3 arranged rotatably in the center of the casing 2. The casing 2 comprises a main flow passage 21 arranged on the outer periphery of the casing 2, which is a spiral-shaped flow passage and whose inner diameter decreases as it advances toward the center of the spiral, and a fixed flow passage 22 arranged on the inner periphery of the casing 2 and introduces water from the main flow passage 21 into the runner 3. The main flow passage 21 has an inlet section 23 with the maximum inner diameter and a terminal section 24 with the minimum inner diameter in the flow passage. The fixed flow passage 22 is formed by a plurality of stay vanes 25 arranged at intervals on a concentric circle.

ランナ３は、ランナ３の回転軸Ｏに沿った主軸（図示省略）に連結される。また、ランナ３は、主軸側に配置されるクラウン３１と、クラウン３１から離間して配置されたバンド３２と、クラウン３１とバンド３２との間に周方向に亘って離間して配置された複数のランナベーン３３とを備える。 The runner 3 is connected to a main shaft (not shown) that is aligned with the rotation axis O of the runner 3. The runner 3 also includes a crown 31 that is arranged on the main shaft side, a band 32 that is arranged at a distance from the crown 31, and a number of runner vanes 33 that are arranged at a distance in the circumferential direction between the crown 31 and the band 32.

ランナを構成するクラウンと、バンドと、ランナベーンとは、それぞれ別の部材から構成されていてもよいし、一体的に成形されていてもよい。ランナがそれぞれ別の部材から構成される場合、各部材同士をネジなどで固定してランナを製造できる。ランナを一体的に成形する場合、ランナは三次元積層造形法、鋳造などの方法により成形できる。 The crown, band, and runner vanes that make up the runner may each be made of separate parts, or may be molded as a single unit. If the runner is made of separate parts, the runner can be manufactured by fixing each part together with screws or the like. If the runner is molded as a single unit, it can be molded by a method such as three-dimensional additive manufacturing or casting.

図１に示すケーシング２およびランナ３は、炭素鋼により構成される。ケーシングおよびランナは、炭素鋼、ステンレス、鉄などの金属のほか、エンジニアリングプラスチックなどの樹脂素材、炭素繊維強化プラスチックなどの複合素材を、それぞれ単独または組み合わせて製造することができる。 The casing 2 and runner 3 shown in FIG. 1 are made of carbon steel. The casing and runner can be made of metals such as carbon steel, stainless steel, and iron, as well as resin materials such as engineering plastics, and composite materials such as carbon fiber reinforced plastics, either alone or in combination.

本発明の水力機械は、種々の水力発電装置に用いることができる。例えば、都市の中の用水路、工場排水、家庭用排水、浄水場などから排出される比較的少量の流水で発電する小水力発電装置や、山間部に配置される中型から大型の水力発電装置に用いることができる。特に、本発明の水力機械は、発電効率に優れ、小型化しても実用上必要な電力を発生できるので、設置場所の自由度の観点から小水力発電装置に用いることが好ましい。上記小水力発電装置は、流量１００Ｌ／ｓ未満、および／または、有効落差２００ｍ以下の条件下で使用されることが好ましい。さらに、上記小水力発電装置は、流量５０Ｌ／ｓ未満、および／または、有効落差１００ｍ以下の条件下で使用されることが好ましく、流量３０Ｌ／ｓ未満、および／または、有効落差３０ｍ以下の条件下で使用されることがより好ましく、流量２０Ｌ／ｓ未満、および／または、有効落差２０ｍ以下の条件下で使用されることが一層好ましい。
また、上記小水力発電装置は、発電出力が１０，０００ｋＷ以下の水力発電装置であることが好ましい。さらに、上記小水力発電装置は、発電出力が１，０００ｋＷ以下の水力発電装置であることが好ましく、発電出力が１００ｋＷ以下の水力発電装置であることがより好ましく、発電出力が１０ｋＷ以下の水力発電装置であることが一層好ましい。
上記小水力発電装置がこのような条件下で使用された場合、水力機械のランナベーンに過度に高い圧力が掛からず、ランナの中心部に渦がより発生しにくいため、一層発電効率に優れる。 The hydraulic machine of the present invention can be used in various hydraulic power generating devices. For example, it can be used in small-scale hydraulic power generating devices that generate electricity using a relatively small amount of flowing water discharged from irrigation channels in cities, industrial wastewater, domestic wastewater, water purification plants, etc., and in medium to large-scale hydraulic power generating devices located in mountainous areas. In particular, the hydraulic machine of the present invention is preferably used in small-scale hydraulic power generating devices from the viewpoint of the freedom of installation location, since it has excellent power generation efficiency and can generate practically necessary power even when miniaturized. The small-scale hydraulic power generating device is preferably used under conditions of a flow rate of less than 100 L/s and/or an effective head of 200 m or less. Furthermore, the small-scale hydraulic power generating device is preferably used under conditions of a flow rate of less than 50 L/s and/or an effective head of 100 m or less, more preferably under conditions of a flow rate of less than 30 L/s and/or an effective head of 30 m or less, and even more preferably under conditions of a flow rate of less than 20 L/s and/or an effective head of 20 m or less.
The small hydroelectric power generation device is preferably a hydroelectric power generation device with a power output of 10,000 kW or less. Furthermore, the small hydroelectric power generation device is preferably a hydroelectric power generation device with a power output of 1,000 kW or less, more preferably a hydroelectric power generation device with a power output of 100 kW or less, and even more preferably a hydroelectric power generation device with a power output of 10 kW or less.
When the above-mentioned small hydroelectric generating device is used under such conditions, excessively high pressure is not applied to the runner vanes of the hydromachine, and vortexes are less likely to occur in the center of the runner, resulting in even better power generation efficiency.

本発明の水力機械において、水は水力機械の配置される位置よりも高い位置から、重力に従って配管を流れ、ケーシングの流入部へ流入する。流入部は、円筒状の直管構造を有する。水は、その後主流路を回転しながら複数のステーベーンの間の固定流路を通って、ランナへと導かれる。水はさらに、ランナベーンの間のランナ流路を通り、ランナの中心部に回転軸方向に開口して配置されるランナの開口部から排出される。 In the hydraulic machine of the present invention, water flows from a position higher than the hydraulic machine, according to gravity, through the piping, and into the inlet of the casing. The inlet has a cylindrical straight pipe structure. The water then rotates in the main flow path, passing through fixed flow paths between multiple stay vanes, and is guided to the runner. The water further passes through the runner flow paths between the runner vanes, and is discharged from the runner opening, which is located in the center of the runner and opens in the direction of the rotation axis.

図２には、本発明の水力機械が備えるケーシングを示す。図２（ａ）はケーシングを水が排出される側から見た斜視図であり、図２（ｂ）はケーシングを水が流入する側から見た斜視図である。また、図２（ｃ）はケーシングのランナ回転軸に沿った平面での断面図である。 Figure 2 shows the casing provided in the hydraulic machine of the present invention. Figure 2(a) is a perspective view of the casing seen from the side where water is discharged, and Figure 2(b) is a perspective view of the casing seen from the side where water flows in. Also, Figure 2(c) is a cross-sectional view of the casing in a plane along the runner rotation axis.

図２に示すように、ケーシング２はランナ（図示省略）の開口部から排出される水を排水管へと導く円筒状の排水部２６を有する。排水部２６の中心軸と、ランナの回転軸は一致する。ランナは、ケーシング２の中心部のランナ配置部２７へ嵌合できる。 As shown in FIG. 2, the casing 2 has a cylindrical drainage section 26 that guides water discharged from the opening of the runner (not shown) to a drain pipe. The central axis of the drainage section 26 coincides with the rotation axis of the runner. The runner can be fitted into the runner placement section 27 in the center of the casing 2.

図２（ｃ）に示すケーシング２の最大幅Ｗ１は自由に選択でき、例えば、１０ｃｍ～１００ｃｍとすることができる。ケーシング２の最大高さＨ１は自由に選択でき、例えば、３ｃｍ～３０ｃｍとすることができる。設置場所の自由度の観点から、ケーシング２の最大幅Ｗ１は２０ｃｍ～６０ｃｍであることが好ましい。また、ケーシング２の最大高さＨ１は５ｃｍ～２０ｃｍであることが好ましい。 The maximum width W1 of the casing 2 shown in FIG. 2(c) can be freely selected and can be, for example, 10 cm to 100 cm. The maximum height H1 of the casing 2 can be freely selected and can be, for example, 3 cm to 30 cm. From the viewpoint of freedom of installation location, it is preferable that the maximum width W1 of the casing 2 is 20 cm to 60 cm. It is also preferable that the maximum height H1 of the casing 2 is 5 cm to 20 cm.

図３には、本発明の水力機械が備えるケーシングのランナ回転軸に対して直交する面での断面図を示す。本断面図は図２におけるＡ－Ａ’線断面図である。図３に示すように、主流路２１の終端部２４と流入部２３との間の空間は、流入部２３から延出する第１のステーベーン２８によって仕切られ、終端部２４と流入部２３とは連通しておらず、各部は直接的に繋がっていない（以下、「非貫通構造」ともいう）。 Figure 3 shows a cross-sectional view of the casing of the hydraulic machine of the present invention, taken along a plane perpendicular to the runner rotation axis. This cross-sectional view is taken along line A-A' in Figure 2. As shown in Figure 3, the space between the terminal end 24 of the main flow path 21 and the inlet portion 23 is partitioned by a first stay vane 28 extending from the inlet portion 23, and the terminal end 24 and the inlet portion 23 are not connected to each other, and the respective portions are not directly connected (hereinafter, also referred to as a "non-penetrating structure").

上記のように主流路が非貫通構造である場合、ケーシングへ流入する水の全てが固定流路を通ってランナに向かう。そのため、終端部と流入部との間に仕切りが無く直接的に繋がっている構造（以下、「貫通構造」ともいう）である場合と比べて、主流路を一周まわった流れが終端部から流入部へ再度流れ込まないため、流路内の水の流速が均一となり、合流によるエネルギー損失が起こらない。その結果、本発明の水力機械は発電効率に優れる。 When the main flow passage has a non-through structure as described above, all of the water flowing into the casing passes through the fixed flow passage toward the runner. Therefore, compared to a structure in which there is no partition between the end and the inlet, and they are directly connected (hereinafter also referred to as a "through structure"), the flow that has made one full circle around the main flow passage does not flow from the end to the inlet again, so the flow rate of the water in the flow passage becomes uniform and no energy loss occurs due to merging. As a result, the hydraulic machine of the present invention has excellent power generation efficiency.

非貫通構造の主流路を有するケーシングは、過度に大流量の条件下では、終端部での水の流れが滞り（高抵抗となり）エネルギーの損失が大きくなるおそれがある。そのため、本発明の水力機械は小水力発電装置に用いられることが好ましく、例えば流量１００Ｌ／ｓ未満の低流量、有効落差２００ｍ以下の低落差の条件、または発電出力１０，０００ｋＷ以下の水力発電装置において使用されることがより好ましい。この場合、水の流れは滞りにくく低抵抗となり、発電効率に一層優れる。 In a casing having a main flow path with a non-through structure, the water flow at the end may be stagnated (high resistance) under excessively high flow conditions, resulting in large energy losses. For this reason, the hydraulic machine of the present invention is preferably used in small hydroelectric power generation equipment, and more preferably used under conditions of low flow rates of less than 100 L/s, low effective head of 200 m or less, or in hydroelectric power generation equipment with a power output of 10,000 kW or less. In this case, the water flow is less likely to be stagnated and has low resistance, resulting in even better power generation efficiency.

主流路は、渦巻きの中心方向へ進むにつれて所定の変化率で連続的に内径が縮径してもよいし、一定の内径の流路が段々と内径が小さくなっていくように繋がることで段階的に内径が縮小してもよい。また、連続的な内径の縮径と段階的な内径の縮径が組み合わされてもよい。 The main flow path may have an inner diameter that continuously decreases at a predetermined rate of change as it moves toward the center of the spiral, or the inner diameter may be reduced in stages by connecting flow paths of a constant inner diameter so that the inner diameter gradually decreases. Also, a continuous reduction in the inner diameter and a stepwise reduction in the inner diameter may be combined.

主流路は、所定の角度範囲における入口側の内径に対する出口側の内径の比率である縮径比率が段階的に変化しながら縮径してもよい。縮径比率は、例えば、主流路前半部分、中間部分、後半部分で縮径比率が増減してもよい。縮径比率は、例えば、渦巻きの中心方向へ４５°または９０°進むごとに内径が５％～３５％ずつ小さくなるように設定できる。 The main flow path may be reduced in diameter while the diameter reduction ratio, which is the ratio of the inner diameter on the outlet side to the inner diameter on the inlet side within a specified angle range, changes stepwise. The diameter reduction ratio may increase or decrease, for example, in the first half, middle part, and second half of the main flow path. The diameter reduction ratio can be set, for example, so that the inner diameter decreases by 5% to 35% for every 45° or 90° toward the center of the spiral.

例えば、図３の主流路２１は、流入部２３の下流側端部から渦巻きの中心方向へ９０°の位置における内径ｄ９０が、流入部２３の下流側端部の内径ｄ０よりも約２０～３０％小さい。また、流入部２３の下流側端部から渦巻きの中心方向へ１８０°の位置における内径ｄ１８０が、上記内径ｄ９０よりも約３０％強小さい。さらに、流入部２３の下流側端部から渦巻きの中心方向へ２７０°の位置における内径ｄ２７０が、上記内径ｄ１８０よりも約２０～３０％小さい。このように、主流路の中間部分の縮径比率を、前半部分および後半部分の縮径比率よりも大きくしてもよい。 For example, in the main flow passage 21 of FIG. 3, the inner diameter d90 at a position 90° from the downstream end of the inlet section 23 toward the center of the spiral is approximately 20 to 30% smaller than the inner diameter d0 at the downstream end of the inlet section 23. Also, the inner diameter d180 at a position 180° from the downstream end of the inlet section 23 toward the center of the spiral is approximately 30% smaller than the inner diameter d90. Furthermore, the inner diameter d270 at a position 270° from the downstream end of the inlet section 23 toward the center of the spiral is approximately 20 to 30% smaller than the inner diameter d180. In this way, the diameter reduction ratio of the middle part of the main flow passage may be greater than the diameter reduction ratios of the front and rear parts.

非貫通構造と、所定の位置の内径を上記のように規定することが組み合わされることで、主流路の流入部から終端部までの流速が全周に亘って均一化される。これにより、水の流れがスムーズ化されることにより、振動の発生が低減され、発電効率により優れる。 By combining the non-penetrating structure with the inner diameter at a given position as described above, the flow rate from the inlet to the end of the main flow path is made uniform over the entire circumference. This makes the water flow smoother, reducing the generation of vibrations and improving power generation efficiency.

図４には、本発明の水力機械が備えるケーシングの一例として、ステーベーン間隔が変化するケーシングのランナ回転軸に対して直交する面での断面図を示す。図４に示すように、ケーシング２の内部の複数のステーベーン２５は、主流路２１の流入部２３から終端部２４へ向かって渦巻きの中心方向に進むにつれて、隣接するステーベーン２５との間隔が順次減少している。なお、主流路前半部分（主流路入口側）に繋がる複数の固定流路の流路幅は一定で、中間部分から後半部分の主流路に繋がる複数の固定流路の流路幅は順次減少するなどとしてもよい。後述する主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて流路幅が順次増加する場合も同様である。 Figure 4 shows a cross-sectional view of a casing with varying stay vane spacing, taken along a plane perpendicular to the runner rotation axis, as an example of a casing provided in a hydraulic machine of the present invention. As shown in Figure 4, the spacing between adjacent stay vanes 25 inside the casing 2 gradually decreases as one moves from the inlet 23 of the main flow passage 21 toward the center of the spiral toward the terminal 24. Note that the flow passage width of the multiple fixed flow passages connected to the first half of the main flow passage (main flow passage inlet side) may be constant, and the flow passage width of the multiple fixed flow passages connected to the main flow passage from the middle to the latter half may gradually decrease. The same applies to the case where the flow passage width gradually increases as one moves toward the center of the spiral of the main flow passage, as described below.

（流路幅減少の場合）
図５には、図４に示したケーシングのステーベーン部分の拡大断面図を示す。図５に示すように、複数のステーベーン２５のうち隣接するステーベーン２５の間に配置される固定流路２２の内周側の円弧の長さである流路幅が、主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次減少している。
ここで、流路幅の減少率Ｄ１は、下記式（１）で表される。
Ｄ１＝－２（Ｌ－ＹＮ－ＳＮ）／ＹＮ（Ｎ－１）・・・（１）
Ｎ：ステーベーンの枚数
Ｙ：流入部から延出する第１のステーベーンと、流水方向に隣接する第２のステーベーンとの間に配置される第１の流路幅
Ｄ１：隣接する流路幅の減少率
Ｓ：ステーベーンの内周側の円弧の長さ
Ｌ：ケーシングのランナと摺接する面の内周の長さ (When the flow path width is reduced)
Figure 5 shows an enlarged cross-sectional view of the stay vane portion of the casing shown in Figure 4. As shown in Figure 5, the flow passage width, which is the length of the inner circumferential arc of the fixed flow passage 22 arranged between adjacent stay vanes 25 among the multiple stay vanes 25, gradually decreases toward the center of the spiral of the main flow passage.
Here, the reduction rate D1 of the flow path width is expressed by the following formula (1).
D1 = -2 (L - YN - SN) / YN (N - 1) ... (1)
N: Number of stay vanes Y: First flow passage width disposed between the first stay vane extending from the inlet and the second stay vane adjacent in the water flow direction D1: Reduction rate of adjacent flow passage width S: Length of the arc on the inner circumference side of the stay vane L: Length of the inner circumference of the surface that slides against the casing runner

主流路後半部分は内径が縮径する効果により流速が上がりやすいが、それによりステーベーン側に水が流れにくくなり、主流路後半部分と繋がる固定流路内の流速は遅くなる場合がある。このような場合に、上記式に基づいて隣接するステーベーンの間隔を設定することで、主流路後半部分と繋がる固定流路の流路幅が狭まり流速が増大する。これにより、固定流路からランナへ流入する水の流速が均一化され、ランナが全周に亘って均一な回転力を負荷されることで、振動の発生が低減され、発電効率に一層優れる。 The flow rate in the rear half of the main flow passage tends to increase due to the effect of the narrowing of the inner diameter, but this makes it difficult for water to flow toward the stay vane, and the flow rate in the fixed flow passage connected to the rear half of the main flow passage may slow down. In such cases, by setting the spacing between adjacent stay vanes based on the above formula, the flow passage width of the fixed flow passage connected to the rear half of the main flow passage narrows and the flow rate increases. This makes the flow rate of the water flowing from the fixed flow passage to the runner uniform, and the runner is loaded with a uniform rotational force all around, reducing the generation of vibration and improving power generation efficiency.

（流路幅増加の場合）
本発明の水力機械が備えるケーシングは、上述した、複数のステーベーンのうち隣接するステーベーンの間に配置される固定流路の内周側の円弧の長さである流路幅が、主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次減少するものに限られない。上記流路幅は、例えば、主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次増加してもよい。
この場合、流路幅の増加率Ｄ２が、下記式（２）で表される。
Ｄ２＝２（Ｌ－ＹＮ－ＳＮ）／ＹＮ（Ｎ－１）・・・（２）
Ｎ：ステーベーンの枚数
Ｙ：流入部から延出する第１のステーベーンと、流水方向に隣接する第２のステーベーンとの間に配置される第１の流路幅
Ｄ２：隣接する流路幅の増加率
Ｓ：ステーベーンの内周側の円弧の長さ
Ｌ：ケーシングのランナと摺接する面の内周の長さ (Increasing the flow path width)
The casing of the hydraulic machine of the present invention is not limited to the above-mentioned one in which the flow passage width, which is the length of the inner circumferential arc of the fixed flow passage arranged between adjacent stay vanes among the plurality of stay vanes, gradually decreases as the flow passage width progresses toward the center of the spiral of the main flow passage. For example, the flow passage width may gradually increase as the flow passage width progresses toward the center of the spiral of the main flow passage.
In this case, the increase rate D2 of the flow path width is expressed by the following formula (2).
D2 = 2 (L - YN - SN) / YN (N - 1) ... (2)
N: Number of stay vanes; Y: First flow passage width between the first stay vane extending from the inlet and the second stay vane adjacent in the water flow direction; D2: Increase rate of adjacent flow passage width; S: Length of the arc on the inner circumference side of the stay vane; L: Length of the inner circumference of the surface that slides against the casing runner

流量が比較的大きいと、主流路後半部分の流速が大きくてもステーベーン間に水が流れ込み、主流路後半部分と繋がる固定流路を流れる水の流速も大きくなる場合がある。このような場合に、上記式に基づいて隣接するステーベーンの間隔を設定することで、ステーベーンの間隔が順次広がり、主流路後半部分に繋がる固定流路を流れる水の流速が低減される。これにより、固定流路からランナへ流入する水の流速が均一化され、ランナが全周に亘って均一な回転力を負荷されることで、振動の発生が低減され、発電効率に一層優れる。 When the flow rate is relatively large, even if the flow velocity in the latter half of the main flow path is high, water may flow between the stay vanes, and the flow velocity of the water flowing through the fixed flow path connected to the latter half of the main flow path may also be high. In such cases, by setting the spacing between adjacent stay vanes based on the above formula, the spacing between the stay vanes gradually increases, and the flow velocity of the water flowing through the fixed flow path connected to the latter half of the main flow path is reduced. This makes the flow velocity of the water flowing from the fixed flow path into the runner uniform, and the runner is loaded with a uniform rotational force all around, reducing the generation of vibration and improving power generation efficiency.

主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて複数のステーベーン間の間隔（流路幅）を順次変化することや、主流路の内径が縮径することは、全周に亘って流速を均一化する方法であるが、これらを組み合わせることで、全周に亘る流速の均一化が一層達成されやすい。流量変化が大きく変動しやすい環境で水力機械を用いる場合は、複数のステーベーン間の間隔（固定流路の流路幅）を調整することが容易であり好ましい。 Sequentially changing the spacing between the multiple stay vanes (channel width) as one moves toward the center of the main channel spiral, or narrowing the inner diameter of the main channel, are methods for equalizing the flow rate around the entire circumference, but combining these methods makes it easier to achieve a uniform flow rate around the entire circumference. When using a hydraulic machine in an environment where the flow rate changes significantly and is prone to fluctuations, it is easy and preferable to adjust the spacing between the multiple stay vanes (channel width of the fixed channel).

ケーシング２は、１３枚のステーベーン２５を備える。ステーベーンの枚数は自由に設定でき、例えば、５枚～３０枚とすることができる。ステーベーンとランナベーンに同時に発生する圧力（同時圧）が掛かることを低減する観点から、ステーベーンの枚数よりもランナベーンの枚数が多く、かつ、ステーベーンの枚数は５枚～２０枚であることが好ましく、８枚～１５枚であることがより好ましい。ステーベーンの枚数が上記範囲内である場合、ステーベーンとランナベーンに同時圧が掛かりにくくなることで、振動や騒音が抑制され、発電効率が向上する。 The casing 2 has 13 stay vanes 25. The number of stay vanes can be freely set, for example, to 5 to 30. From the viewpoint of reducing the simultaneous pressure (simultaneous pressure) on the stay vanes and runner vanes, it is preferable that the number of runner vanes is greater than the number of stay vanes, and that the number of stay vanes is 5 to 20, and more preferably 8 to 15. When the number of stay vanes is within the above range, simultaneous pressure is less likely to be applied to the stay vanes and runner vanes, suppressing vibration and noise and improving power generation efficiency.

ステーベーンの枚数およびランナベーンの枚数と、ステーベーンの内周側の円弧の長さおよびランナベーンの外周側の円弧の長さとは、下記式（３）を満たすように設定することが好ましい。
Ｎｘ＝ランナベーンとステーベーンを重ねた状態からそれぞれ左側に数えてｘ番目に位置する羽根の番号
ＮＳ＝ステーベーンの枚数
ＮＲ＝ランナベーンの枚数
Ｓ＝ステーベーンの内周側の円弧の長さ
Ｔ＝ランナベーンの外周側の円弧の長さ
Ｒ４＝ランナの半径
ここで、Ｔは具体的には、ランナベーンの入口側の圧力面と負圧面それぞれの先端部における接線を外周方向へ延長した場合に形成されるランナ外周上の円弧の長さである。 It is preferable that the number of stay vanes and the number of runner vanes, the length of the inner arc of the stay vanes, and the length of the outer arc of the runner vanes are set so as to satisfy the following formula (3).
Nx = number of the blade located xth from the left when the runner vane and stay vane are stacked together Ns = number of stay vanes Nr = number of runner vanes S = length of the arc on the inner circumference of the stay vane T = length of the arc on the outer circumference of the runner vane R4 = radius of the runner Here, T is specifically the length of the arc on the outer circumference of the runner formed when the tangents at the tips of the pressure surface and suction surface on the inlet side of the runner vane are extended outwardly.

Figure 0007506411000001
Figure 0007506411000001

ステーベーンとランナベーンが上記式を満たす関係とすることで、ｘ番目のステーベーンとランナベーンは重ならず、ステーベーンの内周側の円弧の長さＳとランナベーンの外周側の円弧の長さＴとの和に相当する角度と同じか、それ以上に離れた位置関係となる。これにより、ステーベーンとランナベーンに同時圧が掛かりにくくなり、振動や騒音が抑制され、発電効率が向上する。 By ensuring that the stay vanes and runner vanes satisfy the above formula, the xth stay vane and runner vane do not overlap, but are spaced apart by an angle equal to or greater than the sum of the length S of the inner arc of the stay vane and the length T of the outer arc of the runner vane. This makes it difficult for simultaneous pressure to be applied to the stay vanes and runner vanes, suppressing vibration and noise and improving power generation efficiency.

図６には、ケーシングとランナの摺接部分のランナ回転軸に沿った面での拡大断面図を示す。図６に示すように、ランナ３およびケーシング２はそれぞれ、互いに摺動自在に接触する摺接部を有する。ランナ３の摺接部は、ランナ３がケーシングのランナ配置部２７と対向する側の面に回転軸を中心とする同心円上に形成され、ランナ３から水が排出される方向である排出方向（黒矢印の方向）へと突出した円環状の凸部３２ｃである。ケーシング２の摺接部は、ランナ３が配置されるランナ配置部２７に主軸の軸心を中心とする同心円上に形成され、排出方向へ窪んだ円環状の溝部２７ａである。凸部３２ｃは、溝部２７ａとの間に僅かに隙間を空けて嵌合する。 Figure 6 shows an enlarged cross-sectional view of the sliding contact portion between the casing and the runner, taken along the runner rotation axis. As shown in Figure 6, the runner 3 and the casing 2 each have a sliding contact portion that is in sliding contact with each other. The sliding contact portion of the runner 3 is a ring-shaped protrusion 32c formed on the surface of the runner 3 facing the runner arrangement portion 27 of the casing, on a concentric circle centered on the rotation axis, and protruding in the discharge direction (direction of the black arrow) in which water is discharged from the runner 3. The sliding contact portion of the casing 2 is a ring-shaped groove portion 27a formed on the runner arrangement portion 27 on which the runner 3 is arranged, on a concentric circle centered on the axis of the main shaft, and recessed in the discharge direction. The protrusion 32c fits into the groove portion 27a with a small gap between them.

凸部と溝部の間の隙間は自由に設定でき、例えば、０．５ｍｍ～５ｍｍとすることができる。ランナのケーシングに対する摺動性と、上記隙間から漏出する水量低減の観点から、凸部と溝部の間の隙間は１ｍｍ～３ｍｍであることが好ましい。凸部と溝部の間の隙間が上記範囲内である場合、ケーシングとランナとの間を流れてランナに回転力を与えずに排出される水量を減らし、ランナベーンの間を通って流れる水量を増大させることができる。これにより、流れる水のエネルギーを効率的にランナの回転に利用できるので、本発明の水力機械は発電効率に一層優れる。 The gap between the convex portion and the groove portion can be freely set, for example, to 0.5 mm to 5 mm. From the viewpoint of the sliding property of the runner against the casing and reducing the amount of water leaking from the above gap, the gap between the convex portion and the groove portion is preferably 1 mm to 3 mm. When the gap between the convex portion and the groove portion is within the above range, the amount of water that flows between the casing and the runner and is discharged without applying a rotational force to the runner can be reduced, and the amount of water that flows through the runner vanes can be increased. As a result, the energy of the flowing water can be efficiently used to rotate the runner, so the hydraulic machine of the present invention has even better power generation efficiency.

図７には、本発明の水力機械が備えるランナの斜視図を示す。図７（ａ）はランナを主軸（図示省略）が取り付けられるクラウン側から見た斜視図であり、図７（ｂ）はランナをバンド側から見た斜視図である。また、図７（ｃ）は図７（ａ）においてクラウンを取り外した状態の斜視図である。 Figure 7 shows a perspective view of the runner provided in the hydraulic machine of the present invention. Figure 7(a) is a perspective view of the runner seen from the crown side where the main shaft (not shown) is attached, and Figure 7(b) is a perspective view of the runner seen from the band side. Also, Figure 7(c) is a perspective view of Figure 7(a) with the crown removed.

図７（ａ）に示すように、クラウン３１は円盤状の上側円盤部３１ａと、主軸を取り付ける取付部３１ｂを有する。また、図７（ｂ）に示すように、バンド３２は水が排出される開口部３２ａと、当該開口部を備えた円盤状の下側円盤部３２ｂとを有する。さらに、図７（ｃ）に示すように、ランナベーン３３は開口部３２ａまで達する長羽根３３ａと、開口部３２ａまで達しない短羽根３３ｂを有する。ランナ３は、長羽根３３ａを９枚、短羽根３３ｂを９枚、合計１８枚のランナベーン３３を備える。 As shown in FIG. 7(a), the crown 31 has a disk-shaped upper disk portion 31a and a mounting portion 31b for mounting the main shaft. Also, as shown in FIG. 7(b), the band 32 has an opening 32a through which water is discharged and a disk-shaped lower disk portion 32b having said opening. Furthermore, as shown in FIG. 7(c), the runner vanes 33 have long blades 33a that reach the opening 32a and short blades 33b that do not reach the opening 32a. The runner 3 has nine long blades 33a and nine short blades 33b, for a total of 18 runner vanes 33.

ランナは、上記のような長さの異なる羽根を有するスプリッタランナであってもよいし、全て同じ長さの羽根からなるランナであってもよい。低流量でも高い発電効率を得る観点からは、水からの力を受けやすく、排出流れをスムーズにできるスプリッタランナが好ましい。 The runner may be a splitter runner with blades of different lengths as described above, or a runner with blades all of the same length. From the perspective of obtaining high power generation efficiency even at low flow rates, a splitter runner that is easily subjected to force from the water and can smooth the exhaust flow is preferable.

ランナが備えるランナベーンの枚数は１８枚に限られず自由に設定できる。ランナベーンの枚数は、例えば、６枚～３０枚とすることができる。発電効率、製造コスト、強度などの観点から、ランナベーンの枚数は１０枚～２０枚が好ましく、１４枚～２０枚がさらに好ましい。 The number of runner vanes in the runner is not limited to 18 and can be freely set. The number of runner vanes can be, for example, 6 to 30. From the standpoint of power generation efficiency, manufacturing costs, strength, etc., the number of runner vanes is preferably 10 to 20, and more preferably 14 to 20.

ランナ３の直径Ｗ２は自由に選択でき、例えば、４ｃｍ～４０ｃｍとすることができる。ランナ３の高さＨ２は自由に選択でき、例えば、１ｃｍ～１６ｃｍとすることができる。設置場所の自由度の観点から、ランナ３の直径Ｗ２は８ｃｍ～２０ｃｍであることが好ましい。また、ランナ３の高さＨ２は１ｃｍ～８ｃｍであることが好ましい。 The diameter W2 of the runner 3 can be freely selected and can be, for example, 4 cm to 40 cm. The height H2 of the runner 3 can be freely selected and can be, for example, 1 cm to 16 cm. From the viewpoint of freedom of installation location, it is preferable that the diameter W2 of the runner 3 is 8 cm to 20 cm. It is also preferable that the height H2 of the runner 3 is 1 cm to 8 cm.

図８には、本発明の水力機械が備えるランナの複数のランナベーンのうち少なくとも１つの長羽根のランナベーンの子午面上への展開図（子午面図）を示す。子午面図とは、ランナ回転軸を含む面でのランナの断面図に、ランナベーンを平面に展開した形状を示す図である。図８に示すように、ランナベーンを子午面上へ展開して見た場合に、長羽根のランナベーン３３ａは開口部３２ａへ達している。ランナベーン３３ａの入口側の縁である外縁３３ａ’および出口側の縁である内縁３３ａ’’が、それぞれランナの回転軸１００と平行であり、内縁３３ａ’’は、外縁３３ａ’よりも長い。 Figure 8 shows a meridian plane development (meridian plane diagram) of at least one full-blade runner vane among the multiple runner vanes of the runner provided in the hydraulic machine of the present invention. A meridian plane diagram is a diagram showing the shape of a runner vane developed in a plane on a cross section of the runner in a plane including the runner rotation axis. As shown in Figure 8, when the runner vane is viewed developed in a meridian plane, the full-blade runner vane 33a reaches the opening 32a. The outer edge 33a', which is the edge on the inlet side of the runner vane 33a, and the inner edge 33a'', which is the edge on the outlet side, are both parallel to the runner rotation axis 100, and the inner edge 33a'' is longer than the outer edge 33a'.

複数のランナベーンのうち少なくとも１つのランナベーン３３ａにおいて、外縁３３ａ’の長さＨ３に対する内縁３３ａ’’の長さＨ４の比Ｈ４／Ｈ３は、例えば、１．１～３．０である。発電効率の向上と排出流れのスムーズ化の観点から、外縁の長さに対する内縁の長さは、１．３～２．５であることが好ましく、１．５～２．０であることがより好ましい。 For at least one runner vane 33a among the multiple runner vanes, the ratio H4/H3 of the length H4 of the inner edge 33a'' to the length H3 of the outer edge 33a' is, for example, 1.1 to 3.0. From the viewpoint of improving power generation efficiency and smoothing the exhaust flow, the ratio of the length of the inner edge to the length of the outer edge is preferably 1.3 to 2.5, and more preferably 1.5 to 2.0.

外縁および内縁がそれぞれのランナの回転軸と平行であり、内縁が外縁よりも長いと、ランナベーンは排出される水との接触部分が増えることでより多くの回転力を得やすく、発電効率により優れる。ランナ流路の入口側が比較的狭いため、ランナの回転への寄与が大きいランナ外周側での流速が上がりやすい。しかし、流量が過度に大きかったり、有効落差が過度に高かったりする場合、抵抗が高まるおそれがある。本構造のランナベーンを有するランナを備えた水力機械は、流量１００Ｌ／ｓ未満の低流量、有効落差２００ｍ以下の低落差の条件、または発電出力１０，０００ｋＷ以下の水力発電装置において使用されることが特に好ましい。また、内縁の長さが過度に長い場合、ランナ開口部からの水の排出にかかる抵抗（出口圧）が上がり、発電効率が低下するおそれがある。 When the outer and inner edges are parallel to the rotation axis of each runner and the inner edge is longer than the outer edge, the runner vane can easily obtain more rotational force by increasing the contact area with the discharged water, resulting in better power generation efficiency. Because the inlet side of the runner flow path is relatively narrow, the flow velocity tends to increase on the outer periphery of the runner, which contributes more to the rotation of the runner. However, if the flow rate is excessively large or the effective head is excessively high, resistance may increase. It is particularly preferable that a hydroelectric machine equipped with a runner having a runner vane of this structure is used in conditions of low flow rate of less than 100 L/s, low effective head of 200 m or less, or in a hydroelectric power generation device with a power output of 10,000 kW or less. In addition, if the length of the inner edge is excessively long, the resistance (outlet pressure) to the discharge of water from the runner opening increases, and power generation efficiency may decrease.

図９には、ステーベーンおよびランナの、回転軸に対して直交する面での拡大断面図を示す。図９に示すように、複数のランナベーンのうち少なくとも１つであるランナベーン３３ａは長羽根で開口部３２ａまで達する。ランナベーン３３ａは、固定流路２２を通ってランナ３へ流入する水から流入方向に圧力を受ける圧力面Ｓｐと、圧力面Ｓｐの裏側の面で圧力面Ｓｐよりも低い圧力を受ける負圧面Ｓｎとを有する。ランナベーン３３ａを回転軸方向から平面視した場合に、圧力面Ｓｐの出口側の先端部における接線と、回転軸の中心ｏと圧力面Ｓｐの出口側の先端部を結ぶ線分とのなす出口角度θ１は０°以上２０°未満である。 Figure 9 shows an enlarged cross-sectional view of the stay vane and the runner in a plane perpendicular to the rotation axis. As shown in Figure 9, at least one of the multiple runner vanes, runner vane 33a, is a long blade that reaches the opening 32a. Runner vane 33a has a pressure surface Sp that receives pressure in the inflow direction from water flowing into runner 3 through fixed flow path 22, and a negative pressure surface Sn that receives a lower pressure than pressure surface Sp on the surface behind pressure surface Sp. When runner vane 33a is viewed in a plan view from the rotation axis direction, the outlet angle θ1 between the tangent at the tip of the outlet side of pressure surface Sp and the line segment connecting the center o of the rotation axis and the tip of the outlet side of pressure surface Sp is 0° or more and less than 20°.

少なくとも１つの長羽根のランナベーンの出口角度θ１が０°以上２０°未満であることにより、ランナの中心部に渦が発生しにくく、水の排出に抵抗がかからずスムーズに行われる。これにより、本発明の水力機械は、流路内を水がスムーズに流れ、発電効率に優れる。なお、出口角度θ１は０°以上２０°未満に限られず自由に設定できる。渦の発生を低減する観点から、出口角度θ１は０°以上１５°未満が好ましく、０°以上１０°未満がさらに好ましい。 By setting the outlet angle θ1 of at least one full-blade runner vane to 0° or more and less than 20°, vortices are less likely to occur in the center of the runner, and water is discharged smoothly without resistance. As a result, the hydraulic machine of the present invention allows water to flow smoothly through the flow path, and has excellent power generation efficiency. Note that the outlet angle θ1 is not limited to 0° or more and less than 20° and can be freely set. From the viewpoint of reducing the occurrence of vortices, the outlet angle θ1 is preferably 0° or more and less than 15°, and more preferably 0° or more and less than 10°.

さらに、本発明の水力機械が小水力発電装置に用いられ、例えば流量１００Ｌ／ｓ未満の低流量、有効落差２００ｍ以下の低落差の条件、または発電出力１０，０００ｋＷ以下の水力発電装置において使用された場合、比速度が小さいためランナの中心部に渦がより発生しにくく、水の排出に抵抗がかからずスムーズに行われる。これにより、流路内を水がスムーズに流れ、発電効率に一層優れる。従来の大型水車に用いられるランナベーンの出口側の先端部の角度は２０°よりも大きく、ランナから円を描いて水を排出する構造が多い。このような構造を上記のような小水力発電装置で用いると、ランナの中心部に渦ができ水の排出がスムーズにできにくくなるおそれがある。 Furthermore, when the hydraulic machine of the present invention is used in a small hydroelectric power generation device, for example, under conditions of a low flow rate of less than 100 L/s, a low effective head of 200 m or less, or in a hydroelectric power generation device with a power output of 10,000 kW or less, vortices are less likely to occur in the center of the runner due to the small specific speed, and water is discharged smoothly without resistance. This allows water to flow smoothly through the flow path, resulting in even better power generation efficiency. The angle of the outlet tip of the runner vanes used in conventional large hydraulic turbines is often greater than 20°, and water is discharged from the runner in a circular motion. If such a structure is used in a small hydroelectric power generation device such as the one described above, vortices may occur in the center of the runner, making it difficult to discharge water smoothly.

図９に示すランナはスプリッタランナである。当該スプリッタランナが備える複数のランナベーンは、第１のランナベーン３３ａと、第１のランナベーン３３ａよりも羽根長さの短い第２のランナベーン３３ｂとを有する。長羽根である第１のランナベーン３３ａと短羽根である第２のランナベーン３３ｂは互いに交互に設けられる。第２のランナベーンの羽根長さＬ２は、第１のランナベーンの羽根長さＬ１に対して、約６０％である。ここで、ランナベーンの羽根長さは、後述する羽根の圧力面と負圧面との中点を順々に結んで得られる曲線（「キャンバーライン」ともいう）の長さである。 The runner shown in FIG. 9 is a splitter runner. The splitter runner has a plurality of runner vanes, including a first runner vane 33a and a second runner vane 33b, which has a shorter blade length than the first runner vane 33a. The first runner vane 33a, which is a long blade, and the second runner vane 33b, which is a short blade, are arranged alternately. The blade length L2 of the second runner vane is approximately 60% of the blade length L1 of the first runner vane. Here, the blade length of the runner vane is the length of a curve (also called a "camber line") obtained by sequentially connecting the midpoints of the pressure surface and the suction surface of the blade, which will be described later.

スプリッタランナの場合、第１のランナベーンの羽根長さＬ１は、第２のランナベーンの羽根長さＬ２よりも長ければよい。発電効率を向上させる観点から、第２のランナベーンの羽根長さＬ２は、第１のランナベーンの羽根長さＬ１に対して、４０％～８０％であることが好ましく、５０％～７０％であることがさらに好ましい。第１のランナベーンと第２のランナベーンの羽根長さが上記関係であることにより、ランナが水からの回転力を得やすいとともに水の排出流れを阻害せず、水力機械の発電効率に優れる。 In the case of a splitter runner, the blade length L1 of the first runner vane is required to be longer than the blade length L2 of the second runner vane. From the viewpoint of improving power generation efficiency, the blade length L2 of the second runner vane is preferably 40% to 80% of the blade length L1 of the first runner vane, and more preferably 50% to 70%. By having the above-mentioned relationship between the blade lengths of the first runner vane and the second runner vane, the runner can easily obtain rotational force from the water and does not impede the discharge flow of water, resulting in excellent power generation efficiency of the hydromachine.

ランナベーン３３の圧力面Ｓｐの入口側の曲率半径Ｒ１（以下、「入口側曲率半径」という）および圧力面Ｓｐの出口側の曲率半径Ｒ２（以下、「出口側曲率半径」という）は、それぞれに自由に設定でき、例えば、入口側曲率半径Ｒ１は５０ｍｍ～８０ｍｍ、出口側曲率半径Ｒ２は４０ｍｍ～７０ｍｍとすることができる。ランナからの水の排出流れのスムーズ化の観点から、入口側曲率半径Ｒ１は出口側曲率半径Ｒ２よりも大きく、かつ、入口側曲率半径Ｒ１は５０ｍｍ～８０ｍｍ、出口側曲率半径Ｒ２は４０ｍｍ～７０ｍｍであることが好ましい。
なお、圧力面Ｓｐにおいて入口側はランナベーンのうちランナ外周側で羽根長さの１／２の部分であり、出口側はランナベーンのうちランナ内周側（開口部側）で羽根長さの１／２の部分である。 The radius of curvature R1 on the inlet side of the pressure surface Sp of the runner vane 33 (hereinafter referred to as the "inlet side radius of curvature") and the radius of curvature R2 on the outlet side of the pressure surface Sp (hereinafter referred to as the "outlet side radius of curvature") can be freely set, and for example, the inlet side radius of curvature R1 can be set to 50 mm to 80 mm, and the outlet side radius of curvature R2 can be set to 40 mm to 70 mm. From the viewpoint of smoothing the discharge flow of water from the runner, it is preferable that the inlet side radius of curvature R1 is larger than the outlet side radius of curvature R2, and that the inlet side radius of curvature R1 is 50 mm to 80 mm, and the outlet side radius of curvature R2 is 40 mm to 70 mm.
In addition, on the pressure surface Sp, the inlet side is the runner vane on the outer periphery side of the runner, which is half the blade length, and the outlet side is the runner vane on the inner periphery side of the runner (the opening side), which is half the blade length.

ステーベーン２５の出口側のキャンバーライン先端の接線と、ランナベーン３３の入口側のキャンバーライン先端の接線とがなす角度θ２は自由に設定でき、例えば、８５°～１２０°とすることができる。ここでのランナベーンは長羽根に限定されない。ランナが流入する水から回転力を得やすくする観点から、角度θ２は９０°～９６°であることが好ましく、９２°～９６°であることがより好ましい。角度θ２が上記範囲内である場合、発電効率の向上に寄与する。また、流量が大きい場合には、流れのスムーズ化の観点から、角度θ２は９０°～１２０°であることが好ましく、１００°～１２０°であることがより好ましい。 The angle θ2 between the tangent to the tip of the camber line on the outlet side of the stay vane 25 and the tangent to the tip of the camber line on the inlet side of the runner vane 33 can be freely set, for example, to 85° to 120°. The runner vane here is not limited to a long blade. From the viewpoint of making it easier for the runner to obtain rotational force from the water flowing in, the angle θ2 is preferably 90° to 96°, and more preferably 92° to 96°. If the angle θ2 is within the above range, it contributes to improving the power generation efficiency. Also, when the flow rate is large, from the viewpoint of smoothing the flow, the angle θ2 is preferably 90° to 120°, and more preferably 100° to 120°.

ランナベーン３３の入口側端部の負圧面Ｓｎの曲率半径Ｒ３は自由に設定でき、例えば、１ｍｍ～１０ｍｍとすることができる。また、ランナベーン３３の入口側の平均厚みは自由に設定でき、例えば、４ｍｍ～１５ｍｍとすることができる。ランナベーンの入口側の平均厚みが過度に薄い場合、流れのスムーズ化はできるものの、ランナベーンに高い負荷がかかるため、一定以上の強度を確保する必要がある。そこで上記厚みを維持しつつ水の流れをスムーズ化し、キャビテーションを抑制するために、曲率半径Ｒ３を規定することが有効である。負圧面側の流れのスムーズ化、キャビテーション発生抑制、高落差への対応などの観点から、曲率半径Ｒ３は２ｍｍ～８ｍｍであることが好ましい。ランナベーンの曲率半径Ｒ３が上記範囲内である場合、ランナの回転力の変動や振動の抑制に繋がり、発電効率が向上する。また、ステーベーンとランナベーンが近接する状況を減らせるため、ステーベーンとランナベーンに同時に発生する圧力（同時圧）が掛かりにくくなり、振動や騒音の抑制、発電効率の向上に寄与する。角度θ２が９０°に近いと流速が上がった際に負圧面側でキャビテーションが発生する場合がある。その場合でも、曲率半径Ｒ３が２ｍｍ～８ｍｍであると、負圧面側に水がスムーズに流れ込み、キャビテーションの発生が抑制される。 The radius of curvature R3 of the negative pressure surface Sn at the inlet end of the runner vane 33 can be freely set, for example, to 1 mm to 10 mm. The average thickness of the inlet side of the runner vane 33 can also be freely set, for example, to 4 mm to 15 mm. If the average thickness of the inlet side of the runner vane is excessively thin, the flow can be made smooth, but the runner vane is subjected to a high load, so it is necessary to ensure a certain level of strength. Therefore, in order to smooth the water flow and suppress cavitation while maintaining the above thickness, it is effective to specify the radius of curvature R3. From the viewpoints of smoothing the flow on the negative pressure side, suppressing the occurrence of cavitation, and dealing with high heads, it is preferable that the radius of curvature R3 is 2 mm to 8 mm. If the radius of curvature R3 of the runner vane is within the above range, it leads to suppression of fluctuations in the rotational force and vibration of the runner, and improves power generation efficiency. In addition, because the stay vanes and runner vanes are less likely to be in close proximity to each other, simultaneous pressure is less likely to be applied to the stay vanes and runner vanes, which contributes to suppressing vibration and noise and improving power generation efficiency. If the angle θ2 is close to 90°, cavitation may occur on the negative pressure side when the flow speed increases. Even in this case, if the curvature radius R3 is 2 mm to 8 mm, water will flow smoothly to the negative pressure side, suppressing the occurrence of cavitation.

本発明の水力機械には、当該水力機械に作用する加速度を測定する加速度センサや、電流および電圧を測定可能な電流・電圧センサ、外観写真や外観動画を撮影可能なカメラ、人や動物が近付いた際に検知できる人感センサなどの検知システムを設けてもよい。 The hydraulic machine of the present invention may be equipped with a detection system such as an acceleration sensor that measures the acceleration acting on the hydraulic machine, a current/voltage sensor that can measure current and voltage, a camera that can take external photographs and videos, and a human presence sensor that can detect when a person or animal approaches.

加速度センサは、例えば、水力機械の回転軸付近に取り付けてＸ，Ｙ，Ｚ軸の移動値を検知し、設定した閾値を超えた場合にはメールなどで管理者へ通知することができる。電流・電圧センサは、例えば、発電機からの三相交流の配線にクランプ式センサを取り付けて電流値および電圧値を検知し、設定した閾値を超えた場合にはメールなどで管理者へ通知することができる。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の移動値と、電流値および電圧値はＷＥＢ上でリアルタイムにグラフで確認できる。データの取得間隔は、例えば１秒毎であり、設置環境によって０．５秒毎から１日毎などで取得してもよい。カメラは、例えば、水力機械の周囲に設置して、破損や、衝撃、災害などのトラブルが無いか定時にカメラを起動して外観写真や動画を撮影してメールなどで管理者へ通知することができる。これらにより、災害時や水力機械への異物混入時などの異常発生時に管理者が迅速に対応できるので、継続的に発電ができる。 The acceleration sensor is attached, for example, near the rotating shaft of the hydraulic machine to detect the movement values of the X, Y, and Z axes, and can notify the administrator by email or the like when the set threshold is exceeded. The current and voltage sensor is attached, for example, to a clamp-type sensor on the wiring of the three-phase AC from the generator to detect the current and voltage values, and can notify the administrator by email or the like when the set threshold is exceeded. The movement values of the X, Y, and Z axes and the current and voltage values can be confirmed in real time on the WEB in graphs. The data acquisition interval is, for example, every second, and may be acquired every 0.5 seconds to once a day depending on the installation environment. The camera is installed, for example, around the hydraulic machine, and the camera can be started at a regular time to take external photos and videos to check for any trouble such as damage, impact, or disaster, and can notify the administrator by email or the like. This allows the administrator to respond quickly when an abnormality occurs, such as a disaster or when a foreign object gets into the hydraulic machine, so that power can be generated continuously.

上述した種々の検知システムは、取得した情報を基にデータ解析をして将来の異常発生予測を行う予測システムを有してもよい。予測システムは予測した情報を管理者へ通知し、管理者が対処することで、水力機械の故障を回避できる。 The various detection systems described above may also have a prediction system that performs data analysis based on the acquired information and predicts future abnormal occurrences. The prediction system notifies the predicted information to an administrator, who can then take action to avoid breakdowns in the hydraulic machinery.

以上、本発明の水力機械について、各図を用いて説明したが上述の構成に限られない。 The hydraulic machine of the present invention has been described above using the various figures, but is not limited to the above configuration.

本発明の水力機械は、流路内の水の流速が均一で、発電効率に優れるので、用水路、工場排水、家庭用排水、浄水場などからの流水を利用した発電用途に広く利用できる。 The hydraulic machine of the present invention has a uniform water flow rate in the flow path and excellent power generation efficiency, so it can be widely used for power generation using flowing water from irrigation channels, industrial wastewater, domestic wastewater, water purification plants, etc.

１ 水力機械
２ ケーシング
２１ 主流路
２２ 固定流路
２３ 流入部
２４ 終端部
２５ ステーベーン
２６ 排水部
２７ ランナ配置部
２７ａ 溝部
２８ 第１のステーベーン
３ ランナ
３１ クラウン
３１ａ 上側円盤部
３１ｂ 取付部
３２ バンド
３２ａ 開口部
３２ｂ 下側円盤部
３２ｃ 凸部
３３ ランナベーン
３３ａ 長羽根
３３ａ’ 外縁
３３ａ’’ 内縁
３３ｂ 短羽根
Ｈ１ ケーシングの最大高さ
Ｈ２ ランナの高さ
Ｈ３ 外縁の長さ
Ｈ４ 内縁の長さ
Ｌ１ 第１のランナベーンの羽根長さ
Ｌ２ 第２のランナベーンの羽根長さ
Ｗ１ ケーシングの最大幅
Ｗ２ ランナの直径
１００ 回転軸

 REFERENCE SIGNS LIST 1 hydraulic machine 2 casing 21 main flow path 22 fixed flow path 23 inlet section 24 end section 25 stay vane 26 drainage section 27 runner arrangement section 27a groove section 28 first stay vane 3 runner 31 crown 31a upper disk section 31b mounting section 32 band 32a opening 32b lower disk section 32c convex section 33 runner vane 33a long blade 33a' outer edge 33a'' inner edge 33b short blade H1 maximum height of casing H2 height of runner H3 length of outer edge H4 length of inner edge L1 blade length of first runner vane L2 blade length of second runner vane W1 maximum width of casing W2 diameter of runner 100 rotating shaft

Claims (6)

ケーシングと、前記ケーシングの中心部に回転可能に配置されたランナとを備えた水力機械であって、
前記ケーシングは、外側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路と、内側に配置され前記主流路からの水を前記ランナへと導入する固定流路とを内部に有し、
前記主流路は、その流路において最大内径の流入部と、最小内径の終端部とを有し、前記終端部が、前記主流路において前記流入部と直接的に繋がっておらず、
前記ランナは、その回転軸に沿った主軸に連結され、周方向に亘って離間して配置された複数のランナベーンを有し、
前記複数のランナベーンのうち少なくとも１つのランナベーンを前記回転軸を含む平面に展開した場合に、前記ランナベーンの水の入口側の縁である外縁および前記ランナベーンの水の出口側の縁である内縁が、それぞれ前記回転軸と平行であり、
前記内縁は、前記外縁よりも長いことを特徴とする水力機械。 A hydraulic machine including a casing and a runner rotatably disposed in a center of the casing,
the casing has a main flow passage disposed on an outer side thereof, the main flow passage being a spiral-shaped flow passage whose inner diameter decreases as it advances toward a center of the spiral, and a fixed flow passage disposed on an inner side thereof for introducing water from the main flow passage into the runner;
the main flow path has an inlet portion having a maximum inner diameter in the flow path and a terminal portion having a minimum inner diameter in the flow path, the terminal portion not being directly connected to the inlet portion in the main flow path;
The runner is connected to a main shaft along its rotation axis and has a plurality of runner vanes spaced apart in a circumferential direction,
When at least one of the plurality of runner vanes is deployed on a plane including the rotation axis, an outer edge of the runner vane that is an edge on a water inlet side and an inner edge of the runner vane that is an edge on a water outlet side are each parallel to the rotation axis,
A hydraulic machine , wherein the inner edge is longer than the outer edge . ケーシングと、前記ケーシングの中心部に回転可能に配置されたランナとを備えた水力機械であって、A hydraulic machine including a casing and a runner rotatably disposed in a center of the casing,
前記ケーシングは、外側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路と、内側に配置され前記主流路からの水を前記ランナへと導入する固定流路とを内部に有し、the casing has a main flow passage disposed on an outside thereof, the main flow passage having an inner diameter decreasing as the inner diameter proceeds toward a center of the spiral, and a fixed flow passage disposed on an inside thereof for introducing water from the main flow passage into the runner;
前記主流路は、その流路において最大内径の流入部と、最小内径の終端部とを有し、前記終端部が、前記主流路において前記流入部と直接的に繋がっておらず、the main flow path has an inlet portion having a maximum inner diameter in the flow path and a terminal portion having a minimum inner diameter in the flow path, the terminal portion not being directly connected to the inlet portion in the main flow path;
前記固定流路は、同心円上に離間して配置された複数のステーベーンによって形成され、The fixed flow passage is formed by a plurality of stay vanes arranged concentrically and spaced apart,
前記複数のステーベーンのうち隣接するステーベーンの間に配置される前記固定流路の内周側の円弧の長さである流路幅が、前記主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次減少し、A flow passage width, which is the length of an inner circumferential arc of the fixed flow passage arranged between adjacent stay vanes among the plurality of stay vanes, gradually decreases as it proceeds toward the center of the spiral of the main flow passage,
前記流路幅の減少率Ｄ１が、下記式（１）で表されることを特徴とする水力機械。A hydraulic machine, characterized in that the flow path width reduction rate D1 is expressed by the following formula (1).
Ｄ１＝－２（Ｌ－ＹＮ－ＳＮ）／ＹＮ（Ｎ－１）・・・（１）D1 = -2 (L - YN - SN) / YN (N - 1) ... (1)
Ｎ：前記ステーベーンの枚数N: Number of stay vanes
Ｙ：前記流入部から延出する第１のステーベーンと、流水方向に隣接する第２のステーベーンとの間に配置される第１の流路幅Y: A first flow passage width between a first stay vane extending from the inlet portion and a second stay vane adjacent thereto in the flow direction
Ｄ１：隣接する前記流路幅の減少率D1: Reduction rate of adjacent flow path width
Ｓ：前記ステーベーンの内周側の円弧の長さS: Length of the arc on the inner periphery of the stay vane
Ｌ：前記ケーシングの前記ランナと摺接する面の内周の長さL: The length of the inner circumference of the surface of the casing that comes into sliding contact with the runner ケーシングと、前記ケーシングの中心部に回転可能に配置されたランナとを備えた水力機械であって、A hydraulic machine including a casing and a runner rotatably disposed in a center of the casing,
前記ケーシングは、外側に配置される渦巻き形状の流路であって渦巻きの中心方向へ進むにつれて内径が縮径する主流路と、内側に配置され前記主流路からの水を前記ランナへと導入する固定流路とを内部に有し、the casing has a main flow passage disposed on an outside thereof, the main flow passage having an inner diameter decreasing as the inner diameter proceeds toward a center of the spiral, and a fixed flow passage disposed on an inside thereof for introducing water from the main flow passage into the runner;
前記主流路は、その流路において最大内径の流入部と、最小内径の終端部とを有し、前記終端部が、前記主流路において前記流入部と直接的に繋がっておらず、the main flow path has an inlet portion having a maximum inner diameter in the flow path and a terminal portion having a minimum inner diameter in the flow path, the terminal portion not being directly connected to the inlet portion in the main flow path;
前記固定流路は、同心円上に離間して配置された複数のステーベーンによって形成され、The fixed flow passage is formed by a plurality of stay vanes arranged concentrically and spaced apart,
前記複数のステーベーンのうち隣接するステーベーンの間に配置される前記固定流路の内周側の円弧の長さである流路幅が、前記主流路の渦巻きの中心方向へ進むにつれて順次増加し、A flow passage width, which is the length of an inner circumferential arc of the fixed flow passage arranged between adjacent stay vanes among the plurality of stay vanes, gradually increases as it proceeds toward the center of the spiral of the main flow passage,
前記流路幅の増加率Ｄ２が、下記式（２）で表されることを特徴とする水力機械。A hydraulic machine, wherein the increase rate D2 of the flow path width is expressed by the following formula (2).
Ｄ２＝２（Ｌ－ＹＮ－ＳＮ）／ＹＮ（Ｎ－１）・・・（２）D2 = 2 (L - YN - SN) / YN (N - 1) ... (2)
Ｎ：前記ステーベーンの枚数N: Number of stay vanes
Ｙ：前記流入部から延出する第１のステーベーンと、流水方向に隣接する第２のステーベーンとの間に配置される第１の流路幅Y: A first flow passage width between a first stay vane extending from the inlet portion and a second stay vane adjacent thereto in the flow direction
Ｄ２：隣接する前記流路幅の増加率D2: Increase rate of adjacent flow path width
Ｓ：前記ステーベーンの内周側の円弧の長さS: Length of the arc on the inner periphery of the stay vane
Ｌ：前記ケーシングの前記ランナと摺接する面の内周の長さL: The length of the inner circumference of the surface of the casing that comes into sliding contact with the runner 前記水力機械は、小水力発電装置に用いられる水力機械であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の水力機械。 4. The hydraulic machine according to claim 1 , wherein the hydraulic machine is a hydraulic machine used in a small hydroelectric power generation device. 前記主流路は、所定の角度範囲における入口側の内径に対する出口側の内径の比率である縮径比率が段階的に変化しながら縮径することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の水力機械。 5. The hydraulic machine according to claim 1, wherein the main flow passage reduces in diameter while a reduction ratio, which is a ratio of an inner diameter on the outlet side to an inner diameter on the inlet side within a predetermined angular range, changes stepwise. 前記ランナおよび前記ケーシングはそれぞれ、互いに摺動自在に接触する摺接部を有し、
前記ランナの前記摺接部は、前記ケーシングと対向する側の面に該ランナの回転軸を中心とする同心円上に形成され、前記ランナから水が排出される方向である排出方向へと突出した円環状の凸部であり、
前記ケーシングの前記摺接部は、前記ランナが配置されるランナ配置部に前記回転軸を中心とする同心円上に形成され、前記排出方向へ窪んだ円環状の溝部であり、
前記凸部は、前記溝部に嵌合することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の水力機械。 the runner and the casing each have a sliding contact portion that is in slidable contact with each other,
the sliding contact portion of the runner is formed on a surface facing the casing on a concentric circle centered on the rotation axis of the runner, and is an annular convex portion protruding in a discharge direction in which water is discharged from the runner,
the sliding contact portion of the casing is an annular groove portion that is formed on a concentric circle centered on the rotation shaft in a runner arrangement portion in which the runner is arranged and is recessed in the discharge direction,
The hydraulic machine according to any one of claims 1 to 5 , wherein the protrusion is fitted into the groove.
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