JP2016017415A - 軸流水車 - Google Patents

Abstract

【課題】翼端渦キャビテーション自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションによる壊食の発生を効果的に抑制する。
【解決手段】本実施の形態の軸流水車は、回転主軸に連結されたランナボス９と、ランナボス９の外周側に設けられたディスチャージリング８と、ランナボス９とディスチャージリング８との間に配置され、ランナボス９に対して回動自在に支持されたランナベーン５と、を備える。ランナベーン５の外周端とディスチャージリング８の内周面との間に狭隘部位が形成されるとともに、ランナベーン５の内周端とランナボス９の外周面との間に狭隘部位が形成される。ディスチャージリング８の内周面に、周方向に延びる第１の溝が２０形成され、第１の溝２０は、回転主軸の軸方向で、ランナベーン５の外周端の上流側端部５Ａと下流側端部５Ｂとの間に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、軸流水車に関する。

軸流水車の代表機種である従来のカプラン水車が備え付けられた水力発電所の子午面断面図が図１１に示されている。図１１の矢印に示すように、当該カプラン水車においては、上池等よりケーシング２へ流入する水流が、ステーベーン３を通り、次に、流量を調整するための開閉機能を有するガイドベーン４を通る。ガイドベーン４を通過した水流は、導水カバー１０により、図示省略する発電機の回転軸の軸方向に沿うように流れ方向を転向され、その後に、発電機の回転軸と回転主軸６を介して連結された軸流水車ランナベーン（以下、単にランナベーンと記す。）５へと到達する。

カプラン水車においては、ランナベーン５がランナボス９に対して回動自在となっている。このため、ランナベーン５の外周端とディスチャージリング８の内周面との間に、狭隘部位が形成されるとともに、ランナベーン５の内周端とランナボス９の外周面との間に、狭隘部位が形成されている。ランナベーン５へ到達した水流のうち、２つの前記狭隘部位を通過する流れは、漏れ流れとなるが、それ以外の水流は、ランナベーン５を介して回転主軸６を回転させる。当該回転によって発電機を回転させることにより発電が行われる。ランナベーン５を流出した流れは吸出し管７を通って、下池等へと放出される。

このようなカプラン水車においては、作動流体が水であるため、飽和蒸気圧より低圧となる部位では、水が蒸気化してキャビテーション壊食が発生し得る。キャビテーション壊食は、主に高速回転するランナベーン５において発生し易い。図１１には、カプラン水車上で発生し得るキャビテーションを示している。図１１に示すように、発生するキャビテーションとしては、ランナベーン５の負圧面翼面上で発生するもの（符号Ｃ１）と、ランナベーン翼端部位（外周端側及び内周端側）で発生するもの（符号Ｃ２，Ｃ２’）と、があり、前者は翼面キャビテーションＣ１と称され、後者は翼端渦キャビテーションＣ２，Ｃ２’と称されている。

一般的に、翼面キャビテーションＣ１は、羽根角度に対する流れの角度が大きい場合に発生し得るため、入口角度、先端形状、羽根枚数、羽根長さ、羽根角度変化等を適正化することにより、その発生を回避し得ることが知られている。このような適正化は、翼面キャビテーションＣ１の発生の抑制に効果的であり、キャビテーション壊食の発生防止に成果を上げている。

また、ランナベーン５の外周端側で発生する翼端渦キャビテーションＣ２は、翼負荷の大きな当該外周端の上流側の漏れ流れにより、ランナベーン５の負圧面の外周端側に渦が形成され、低圧となる渦芯付近の流れが蒸気に相変化したものである。このような翼端渦キャビテーションＣ２は、翼面キャビテーションＣ１と比べて壊食力が甚大なため、実運用上問題になることが多い。このことは、ランナベーン５の内周端側で発生する翼端渦キャビテーションＣ２’についても同様である。

そこで、ランナベーン５の外周端側で発生し得る翼端渦キャビテーションＣ２については、ランナベーン５の外周部にフィレットを設け、翼端渦キャビテーションＣ２がランナベーン５に接触しないようにする技術が知られている。

特許第２９５４３０８号公報 特開平７−５４７５２号公報 特開２００５−３１５２１６号公報

しかしながら、前述したようなランナベーン５の外周部にフィレットを設け、翼端渦キャビテーションＣ２がランナベーン５に接触しないようにする技術であっても、翼端渦キャビテーションＣ２自体は、発生し得る。これにより、発生した翼端渦キャビテーションＣ２は、ランナベーン５の下流側部材である吸出し管７側に流れるため、吸出し管７においては、壊食が生じ得る。そのため、翼端渦キャビテーションＣ２，Ｃ２’の発生自体を抑制することが望ましい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、翼端渦キャビテーション自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションによる壊食の発生を効果的に抑制することができる軸流水車を提供することを目的とする。

実施の形態による軸流水車は、回転主軸に連結されたランナボスと、前記ランナボスの外周側に設けられたディスチャージリングと、前記ランナボスと前記ディスチャージリングとの間に配置され、前記ランナボスに対して回動自在に支持されたランナベーンと、を備えている。前記ランナベーンの外周端と前記ディスチャージリングの内周面との間に狭隘部位が形成されるとともに、前記ランナベーンの内周端と前記ランナボスの外周面との間に狭隘部位が形成されている。前記ディスチャージリングの内周面に、周方向に延びる第１の溝が形成され、前記第１の溝は、前記回転主軸の軸方向で、前記ランナベーンの外周端の上流側端部と下流側端部との間に形成されている。

また、他の実施の形態の軸流水車は、回転主軸に連結されたランナボスと、前記ランナボスの外周側に設けられたディスチャージリングと、前記ランナボスと前記ディスチャージリングとの間に配置され、前記ランナボスに対して回動自在に支持されたランナベーンと、を備えている。前記ランナベーンの外周端と前記ディスチャージリングの内周面との間に狭隘部位が形成されるとともに、前記ランナベーンの内周端と前記ランナボスの外周面との間に狭隘部位が形成されている。前記ランナボスの外周面に、周方向に延びる第２の溝が形成され、前記第２の溝は、前記回転主軸の軸方向で、前記ランナベーンの内周端の上流側端部と下流側端部との間に形成されている。

第１の実施の形態による軸流水車の子午面断面図である。 図１の要部の拡大図である。 図１に示す軸流水車のランナベーンを外周側から見た図である。 第２の実施の形態による軸流水車の子午面断面図である。 第３の実施の形態による軸流水車の子午面断面図である。 第４の実施の形態による軸流水車の子午面断面図である。 図６に示す軸流水車のランナベーンを内周側から見た図である。 第５の実施の形態による軸流水車の子午面断面図である。 第６の実施の形態による軸流水車の子午面断面図である。 第７の実施の形態による軸流水車の子午面断面図である。 従来のカプラン水車が備え付けられた水力発電所の子午面断面図である。

以下に、添付の図面を参照して、実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１には、第１の実施の形態による軸流水車の一例としてのカプラン水車の子午面断面図が示されている。図２には、図１の要部の拡大図が示されている。図１及び図２では、設計点流れにおけるカプラン水車の流路形状を示している。また、本実施の形態における構成部分のうちの、図１１に示した従来のカプラン水車と同一の構成部分については、同一の符号を付している。

図１に示すように、本実施の形態によるカプラン水車１は、図示しない上池から水流が流入するケーシング２と、ケーシング２に対して回転自在に設けられ、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を通って流入する水流により回転駆動される軸流水車ランナ（以下、単にランナと記す）Ｒと、を備えている。

ステーベーン３は、ケーシング２からランナＲへの流路を形成するためのものであり、ケーシング２より内周側に配置されている。ガイドベーン４は、ランナＲに流入される水流の流量を調整するためのものであり、ステーベーン３より内周側に配置されている。ガイドベーン４の開度を変えることにより、ケーシング２からランナＲに流入する水量を調整し、発電量を変化させるように構成されている。

ランナＲは、ガイドベーン４より内周側に、かつ下側に配置されている。ケーシング２から流入する水流の主流方向は、ステーベーン３およびガイドベーン４においては略半径方向を向いているが、ランナＲにおいては水車回転軸Ｘの軸方向（鉛直方向）を向くようになっている。また、ランナＲは、その外周側に設けられたディスチャージリング８によって囲まれている。

ランナＲには、回転主軸６を介して発電機Ｇが連結されている。流入した水流によりランナＲが回転駆動されると、発電機Ｇにおいて発電が行われる。

ディスチャージリング８の下流側には吸出し管７が設けられている。吸出し管７は、図示しない下池に連結されており、ランナＲを回転駆動させた水は、吸出し管７を介して下池に放出されるようになっている。

ランナＲは、水車回転軸Ｘを中心に回転自在なランナボス９と、ランナボス９に対して羽根回動軸Ｙを中心に回動自在な複数の軸流水車ランナベーン（以下、単にランナベーンと記す）５と、を有している。このうち、ランナベーン５は、ランナボス９とディスチャージリング８との間において周方向に所定の間隔で配置されている。各ランナベーン５が回動することにより、ランナＲに流入する水の流量に応じてランナベーン５の角度が調整され、発電効率の向上が図られる。羽根回動軸Ｙは、ランナボス９からディスチャージリング８側に向けて延びており、本実施の形態では半径方向に沿って延びている。また、ランナボス９は、上述した回転主軸６に連結され、ランナボス９の回転が、回転主軸６を介して発電機Ｇに伝達されるようになっている。

また、図２に示すように、ランナベーン５の外周端とディスチャージリング８の内周面との間には、外周側狭隘部位Ａ１が形成されるとともに、ランナベーン５の内周端とランナボス９の外周面との間には、内周側狭隘部位Ａ２が形成される。

本実施の形態では、ディスチャージリング８の内周面に、周方向の全域に延びる第１の溝２０が形成されている。第１の溝２０は、回転主軸６の軸中心、すなわち水車回転軸Ｘを軸心とするリング状に形成され、外周側狭隘部位側Ａ１に向けて開放されている。第１の溝２０は、回転主軸６の軸方向、すなわち水車回転軸Ｘの軸方向で、ランナベーン５の外周端の上流側端部５Ａと下流側端部５Ｂとの間の位置に形成されている。より詳しくは、第１の溝２０は、羽根回動軸Ｙよりも上流側に形成され、本実施の形態では、上流側端部５Ａに近接している。

また、第１の溝２０の外周側には、第１の溝２０に連通するとともに水を貯留可能な第１のチャンバー２１がさらに設けられている。本実施の形態の第１のチャンバー２１は、回転主軸６の軸中心、すなわち水車回転軸Ｘを軸心とするリング状に形成されている。図２に示すように、子午面断面視で、第１のチャンバー２１の断面積は、第１の溝２０の断面積よりも大きくなっている。カプラン水車の運転時において第１のチャンバー２１には、水が充填される。

次に、第１の実施の形態の作用について説明する。

図３は、図２の矢印IIIに沿ってランナベーン５を外周側から見た図である。図中符号Ｒ１は、ランナＲの回転方向を示している。ランナベーン５へ到達した流水のうち、外周側狭隘部位Ａ１（図２）を通過する流れは、漏れ流れとなる。当該漏れ流れは、外周側狭隘部位Ａ１を通過する際にディスチャージリング８の内周面とランナベーン５の外周端とから摩擦力を受けることで、圧力が低下し、外周側狭隘部位Ａ１をから抜け出た後に、渦を形成し得る。その結果、図３に示すように、ランナベーン５の負圧面の外周端側では、低圧となる渦芯付近の流れが蒸気に相変化することによって翼端渦キャビテーションＣ２が生じ得る。

しかしながら、本実施の形態によれば、第１の溝２０が、ランナベーン５の外周端を介して圧力面側の領域ＰＡと負圧面側の領域ＮＡとを連通するため、前述のように、ランナベーン５の負圧面の外周端側に渦が形成された場合に、図３の矢印Ｆ１に示すように、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位に、ランナベーン５の圧力面側の水および第１のチャンバー２１に充填された水が第１の溝２０より注入される。この注水により渦芯内の低圧の圧力場が緩和され、相変化による渦芯内での、翼端渦キャビーションＣ２の発生が抑制される。

また、本実施の形態では、第１の溝２０から、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位のうちの上流側の渦芯低圧部位に水が注入されることで、上流側の渦芯低圧部位の低圧の圧力場が緩和され、これに応じて、上流側の渦芯低圧部位よりも下流側に位置する低圧の圧力場も緩和され得る。これにより、ランナベーン５の外周端の上流側から下流側にわたって効率的に翼端渦キャビテーションＣ２の発生を抑制できる。

また、本実施の形態では、第１のチャンバー２１が設けられ、第１のチャンバー２１に水が充填されている。この場合、上述のように第１のチャンバー２１に充填されている水が、第１の溝２０を通って渦芯低圧部位に注入される水の一部となるため、ランナベーン５の圧力面側の水が第１の溝２０を通って渦芯低圧部位に注入される水量を抑制し得る。このため、漏れ損失を抑制し得る。なお、上述のように第１のチャンバー２１に充填された水が第１の溝２０を通って渦芯低圧部位に注入された場合には、当該注入された水の量だけ、ランナベーン５の圧力面側から水が第１の溝２０を介して第１のチャンバー２１側に流入する。

このように本実施の形態によれば、ランナベーン５の外周端の上流側で発生する渦芯内の低圧の圧力場が緩和されるので、同渦芯内での翼端渦キャビテーションＣ２の発生を抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションＣ２による壊食の発生を効果的に抑制することができる。具体的には、翼端渦キャビテーションＣ２によるランナベーン５の翼面及びその下流の吸出し管７等の壊食の発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、第１のチャンバー２１が設けられているが、第１のチャンバー２１は設けられて無くてもよい。翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位が生じた場合には、第１のチャンバー２１が無くても、ランナベーン５の圧力面側は、渦芯低圧部位よりも圧力が高いため、圧力面側の水は、第１の溝２０を通って渦芯低圧部位に注入される。

（第２の実施の形態）
次に、図４を用いて第２の実施の形態による軸流水車の一例としてのカプラン水車を説明する。図４には、本実施の形態によるカプラン水車の子午面断面図が示されている。本実施の形態では、第１のチャンバー２１の構成が第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態における構成部分のうちの、第１の実施の形態によるカプラン水車と同一の構成部分については、同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態では、第１のチャンバー２１が、内部圧力に応じて膨張及び圧縮可能となっている。図４に示すように、具体的に本実施の形態において第１のチャンバー２１は、蛇腹構造を有する構造体で形成されるが、蛇腹構造を有さない弾性体で形成されていてもよい。

第２の実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態においても、図３で説明したように、漏れ流れによってランナベーン５の負圧面の外周端側に渦が形成された場合には、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位に、水が第１の溝２０より注入される。

この際、本実施の形態によれば、第１のチャンバー２１のうちの渦芯低圧部位に面する部分が、当該渦芯低圧部位の圧力が低いことによって局所的に体積を減少させ、第１のチャンバー２１の減少された体積分の水が渦芯低圧部位に迅速に注入される。これによって、主に第１のチャンバー２１からの水で渦芯低圧部位の低圧の圧力場が緩和されることで、ランナベーン５の圧力面側から第１の溝２０を通って渦芯低圧部位に注入される水の水量を効果的に抑制し得る。このため、漏れ損失を抑制し得る。なお、上述のように第１のチャンバー２１に充填された水が第１の溝２０を通って渦芯低圧部位に注入された場合には、当該注入された水の量だけ、ランナベーン５の圧力面側から水が第１の溝２０を介して第１のチャンバー２１側に流入する。この際、本実施の形態では、体積を減少させた第１のチャンバー２１が復元する。

したがって、本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位への水の注入によって生じ得る漏れ損失の増加を抑制しつつ、第１の実施の形態と同様に、翼端渦キャビテーションＣ２自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションＣ２による壊食の発生を効果的に抑制することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図５を用いて第３の実施の形態による軸流水車の一例としてのカプラン水車を説明する。図５には、本実施の形態によるカプラン水車の子午面断面図が示されている。本実施の形態における構成部分のうちの、第１の実施の形態によるカプラン水車と同一の構成部分については、同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態によるカプラン水車は、第１の実施の形態の構成に加えて、第１のチャンバー２１とランナベーン５の下流側縁部（ランナボス９側からディスチャージリング８側に延びる下流側の縁部分）５Ｘよりも下流側の領域、例えば吸出し管７の内部の領域とを連通させる第１の配管２２と、第１の配管２２に設けられ、第１の溝２０及び第１のチャンバー２１からランナベーン５の下流側縁部５Ｘよりも下流側の領域への水の流通を防止する第１の逆止弁２３と、をさらに備えている。この第１の逆止弁２３により、ランナベーン５に到達した水流がランナベーン５を回転駆動させずに吸出し管７に流れることを防止できる。

第３の実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態においても、図３で説明したように、漏れ流れによってランナベーン５の負圧面の外周端側に渦が形成された場合には、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位に、水が第１の溝２０より注入される。

本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位に第１のチャンバー２１に充填された水が第１の溝２０より注入された場合に、ランナベーン５の下流側縁部５Ｘよりも下流側の領域の水が第１の配管２２を介して第１のチャンバー２１に流れる。このため、ランナベーン５の圧力面側の水が第１の溝２０を通って渦芯低圧部位に注入される水量を抑制し得る。これにより、漏れ損失を抑制し得る。また、ランナベーン５の圧力面側から水が第１の溝２０を介して第１のチャンバー２１側に流入することも抑制し得る。

したがって、本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位への水の注入によって生じ得る漏れ損失の増加を抑制しつつ、第１の実施の形態と同様に、翼端渦キャビテーションＣ２自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションＣ２による壊食の発生を効果的に抑制することができる。

なお、本実施の形態では、第１の配管２２及び第１の逆止弁２３を１つのみ示したが、これらの数は１つでも複数でもよい。ただし、第１の配管２２及び第１の逆止弁２３が周方向に並んで複数設けられている方が、漏れ損失の増加を効果的に抑制し得る。

（第４の実施の形態）
次に、図６を用いて第４の実施の形態による軸流水車の一例としてのカプラン水車を説明する。図６には、本実施の形態によるカプラン水車の子午面断面図が示されている。本実施の形態における構成部分のうちの、第１の実施の形態によるカプラン水車と同一の構成部分については、同一の符号を付し説明を省略する。

第１の実施の形態では、ディスチャージリング８の内周面に第１の溝２０が形成されていたが、本実施の形態では、ランナボス９の外周面に、周方向の全域に延びる第２の溝３０が形成されている。第２の溝３０は、回転主軸６の軸中心、すなわち水車回転軸Ｘを軸心とするリング状に形成され、内周側狭隘部位側Ａ２に向けて開放されている。また、第２の溝３０は、回転主軸６の軸方向、すなわち水車回転軸Ｘの軸方向で、ランナベーン５の内周端の上流側端部５Ｃと下流側端部５Ｄとの間の位置に形成されている。より詳しくは、第２の溝３０は、羽根回動軸Ｙよりも上流側に形成され、本実施の形態では、上流側端部５Ｃに近接している。

また、第２の溝３０の内周側には、第２の溝３０に連通するとともに水を貯留可能な第２のチャンバー３１がさらに設けられている。本実施の形態の第２のチャンバー３１は、回転主軸６の軸中心、すなわち水車回転軸Ｘを軸心とするリング状に形成されている。図６に示すように、子午面断面視で、第２のチャンバー３１の断面積は、第２の溝３０の断面積よりも大きくなっている。カプラン水車の運転時において第２のチャンバー３１には、水が充填される。

次に、第４の実施の形態の作用について説明する。

図７は、図６の矢印VIIに沿ってランナベーン５を内周側から見た図である。図中符号Ｒ１は、ランナＲの回転方向を示している。ランナベーン５へ到達した流水のうち、内周側狭隘部位Ａ２（図６）を通過する流れは、漏れ流れとなる。当該漏れ流れは、内周側狭隘部位Ａ２を通過する際にランナボス９の外周面とランナベーン５の内周端とから摩擦力を受けることで、圧力が低下し、内周側狭隘部位Ａ２から抜け出た後に、渦を形成し得る。その結果、図７に示すように、ランナベーン５の負圧面の内周端側では、低圧となる渦芯付近の流れが蒸気に相変化することによって翼端渦キャビテーションＣ２’が生じ得る。

しかしながら、本実施の形態によれば、第２の溝３０が、ランナベーン５の内周端を介して圧力面側の領域ＰＡと負圧面側の領域ＮＡとを連通するため、前述のように、ランナベーン５の負圧面の内周端側に渦が形成された場合に、図７の矢印Ｆ２に示すように、翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位に、ランナベーン５の圧力面側の水および第２のチャンバー３１に充填された水が第２の溝３０より注入される。この注水により渦芯内の低圧の圧力場が緩和され、相変化による渦芯内での、翼端渦キャビーションＣ２’の発生が抑制される。

また、本実施の形態では、第２の溝３０から、翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位のうちの上流側の渦芯低圧部位に水が注入されることで、上流側の渦芯低圧部位の低圧の圧力場が緩和され、これに応じて、上流側の渦芯低圧部位よりも下流側に位置する低圧の圧力場も緩和され得る。これにより、ランナベーン５の外周端の上流側から下流側にわたって効率的に翼端渦キャビテーションＣ２’の発生を抑制できる。

また、本実施の形態では、第２のチャンバー３１が設けられ、第２のチャンバー３１に水が充填されている。この場合、上述のように第２のチャンバー３１に充填されている水が、第２の溝３０を通って渦芯低圧部位に注入される水の一部となるため、ランナベーン５の圧力面側の水が第２の溝３０を通って渦芯低圧部位に注入される水量を抑制し得る。このため、漏れ損失を抑制し得る。なお、上述のように第２のチャンバー３１に充填された水が第２の溝３０を通って渦芯低圧部位に注入された場合には、当該注入された水の量だけ、ランナベーン５の圧力面側から水が第２の溝３０を介して第２のチャンバー３１側に流入する。

このように本実施の形態によれば、ランナベーン５の内周端の上流側で発生する渦芯内の低圧の圧力場が緩和されるので、同渦芯内での翼端渦キャビテーションＣ２’の発生を抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２’自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションＣ２’による壊食の発生を効果的に抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、第２のチャンバー３１が設けられているが、第２のチャンバー３１は設けられて無くてもよい。翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位が生じた場合には、第２のチャンバー３１が無くても、ランナベーン５の圧力面側は、渦芯低圧部位よりも圧力が高いため、圧力面側の水は、第２の溝３０を通って渦芯低圧部位に注入される。

（第５の実施の形態）
次に、図８を用いて第５の実施の形態による軸流水車の一例としてのカプラン水車を説明する。図８には、本実施の形態によるカプラン水車の子午面断面図が示されている。本実施の形態では、第２のチャンバー３１の構成が第４の実施の形態と異なっている。本実施の形態における構成部分のうちの、第４の実施の形態によるカプラン水車と同一の構成部分については、同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態では、第２のチャンバー３１が、内部圧力に応じて膨張及び圧縮可能となっている。図８に示すように、具体的に本実施の形態において第２のチャンバー３１は、蛇腹構造を有する構造体で形成されるが、蛇腹構造を有さない弾性体で形成されていてもよい。

第５の実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態においても、図７で説明したように、漏れ流れによってランナベーン５の負圧面の内周端側に渦が形成された場合には、翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位に水が第２の溝３０より注入される。

この際、本実施の形態によれば、第２のチャンバー３１のうちの渦芯低圧部位に面する部分が、当該渦芯低圧部位の圧力が低いことによって局所的に体積を減少させ、第２のチャンバー３１の減少された体積分の水が渦芯低圧部位に迅速に注入される。これによって、主に第２のチャンバー３１からの水で渦芯低圧部位の低圧の圧力場が緩和されることで、ランナベーン５の圧力面側から第２の溝３０を通って渦芯低圧部位に注入される水の水量を効果的に抑制し得る。このため、漏れ損失を抑制し得る。なお、上述のように第２のチャンバー３１に充填された水が第２の溝３０を通って渦芯低圧部位に注入された場合には、当該注入された水の量だけ、ランナベーン５の圧力面側から水が第２の溝３０を介して第２のチャンバー３１側に流入する。この際、本実施の形態では、体積を減少させた第２のチャンバー３１が復元する。

したがって、本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位への水の注入によって生じ得る漏れ損失の増加を抑制しつつ、第４の実施の形態と同様に、翼端渦キャビテーションＣ２’自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションＣ２’による壊食の発生を効果的に抑制することができる。

（第６の実施の形態）
次に、図９を用いて第６の実施の形態による軸流水車の一例としてのカプラン水車を説明する。図９には、本実施の形態によるカプラン水車の子午面断面図が示されている。本実施の形態における構成部分のうちの、第４の実施の形態によるカプラン水車と同一の構成部分については、同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態によるカプラン水車は、第４の実施の形態の構成に加えて、第２のチャンバー３１とランナベーン５の下流側縁部５Ｘよりも下流側の領域、例えば吸出し管７の内部の領域とを連通させる第２の配管３２と、第２の配管３２に設けられ、第２の溝３０及び第２のチャンバー３１からランナベーン５の下流側縁部５Ｘよりも下流側の領域への水の流通を防止する第２の逆止弁３３と、をさらに備えている。この第２の逆止弁３３により、ランナベーン５に到達した水流がランナベーン５を回転駆動させずに吸出し管７に流れることを防止できる。

第６の実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態においても、図７で説明したように、漏れ流れによってランナベーン５の負圧面の内周端側に渦が形成された場合には、翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位に、水が第２の溝３０より注入される。

本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位に第２のチャンバー３１に充填された水が第２の溝３０より注入された場合に、ランナベーン５の下流側縁部５Ｘよりも下流側の領域の水が第２の配管３２を介して第２のチャンバー３１に流れる。このため、ランナベーン５の圧力面側の水が第２の溝３０を通って渦芯低圧部位に注入される水量を抑制し得る。これにより、漏れ損失を抑制し得る。また、ランナベーン５の圧力面側から水が第２の溝３０を介して第２のチャンバー３１側に流入することも抑制し得る。

したがって、本実施の形態によれば、翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位への水の注入によって生じ得る漏れ損失の増加を抑制しつつ、第４の実施の形態と同様に、翼端渦キャビテーションＣ２’自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションＣ２’による壊食の発生を効果的に抑制することができる。

なお、本実施の形態では、第２の配管３２及び第２の逆止弁３３を１つのみ示したが、これらの数は１つでも複数でもよい。ただし、第２の配管３２及び第２の逆止弁３３が周方向に並んで複数設けられている方が、漏れ損失の増加を効果的に抑制し得る。

（第７の実施の形態）
次に、図１０を用いて第７の実施の形態による軸流水車の一例としてのカプラン水車を説明する。図１０には、本実施の形態によるカプラン水車の子午面断面図が示されている。本実施の形態では、ディスチャージリング８の内周面に、第１の実施の形態で説明した第１の溝２０が形成され、ランナボス９の外周面に、第４の実施の形態で説明した第２の溝３０が形成されている。さらに、第１の実施の形態で説明した第１のチャンバー２１及び第４の実施の形態で説明した第２のチャンバー３１も設けられている。

本実施の形態によれば、ランナベーン５の外周端側で生じ得る翼端渦キャビテーションＣ２及びランナベーン５の内周端側で生じ得る翼端渦キャビテーションＣ２’自体の発生を抑制することで、翼端渦キャビテーションＣ２，Ｃ２’による壊食の発生を効果的に抑制することができる。

なお、本実施の形態における第１のチャンバー２１及び第２のチャンバー３１の少なくともいずれかが内部圧力に応じて膨張及び圧縮可能であってもよい。また、第１のチャンバー２１及び第２のチャンバー３１の少なくともいずれかに、第３の実施の形態及び第６の実施の形態で説明したような配管及び逆止弁が設けられていてもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１〜第３及び第７の実施の形態においては、例えば図２に示すように、第１の溝２０の上流側縁が、ランナベーン５の外周端の上流側端部５Ａよりも上方（上流側）に越えて形成されていないが、第１の溝２０の上流側縁は、下流側縁が上流側端部５Ａよりも下方（下流側）に位置していれば、ランナベーン５の上流側端部５Ａよりも上方（上流側）に越えていても構わない。同様に、第４〜第６及び第７の実施の形態においては、例えば図６に示すように、第２の溝３０の上流側縁が、ランナベーン５の内周端の上流側端部５Ｃよりも上方（上流側）に越えて形成されていないが、第２の溝３０の上流側縁は、下流側縁が上流側端部５Ｃよりも下方（下流側）に位置していれば、ランナベーン５の上流側端部５Ｃよりも上方（上流側）に越えていても構わない。

また、上述の各実地の形態では、第１の溝２０及び第２の溝３０が周方向の全域に形成されていると説明したが、第１の溝２０及び第２の溝３０は、例えば、周方向に間隔を空けて複数形成されていてもよい。この場合であっても、ランナベーン５が第１の溝２０の内周側または第２の溝３０の外周側を通過した際に、翼端渦キャビテーションＣ２の起点となる渦芯低圧部位または翼端渦キャビテーションＣ２’の起点となる渦芯低圧部位に水を注入できるので、翼端渦キャビテーション自体の発生を抑制できる。

１ カプラン水車
２ ケーシング
３ ステーベーン
４ ガイドベーン
５ ランナベーン
６ 回転主軸
７ 吸出し管
８ ディスチャージリング
９ ランナボス
１０ 導水カバー
２０ 第１の溝
２１ 第１のチャンバー
２２ 第１の配管
２３ 第１の逆止弁
３０ 第２の溝
３１ 第２のチャンバー
３２ 第２の配管
３３ 第２の逆止弁
Ａ１ 外周側狭隘部位
Ａ２ 内周側狭隘部位
Ｃ１，Ｃ１’ 翼端渦キャビテーション
Ｒ 軸流水車ランナ（ランナ）
Ｇ 発電機
Ｘ 水車回転軸
Ｙ 羽根回動軸
ＰＡ 圧力面側の領域
ＮＡ 負圧面側の領域

Claims (9)

1. 回転主軸に連結されたランナボスと、
   前記ランナボスの外周側に設けられたディスチャージリングと、
   前記ランナボスと前記ディスチャージリングとの間に配置され、前記ランナボスに対して回動自在に支持されたランナベーンと、を備え、
   前記ランナベーンの外周端と前記ディスチャージリングの内周面との間に狭隘部位が形成されるとともに、前記ランナベーンの内周端と前記ランナボスの外周面との間に狭隘部位が形成される軸流水車であって、
   前記ディスチャージリングの内周面に、周方向に延びる第１の溝が形成され、
   前記第１の溝は、前記回転主軸の軸方向で、前記ランナベーンの外周端の上流側端部と下流側端部との間に形成されている
   ことを特徴とする軸流水車。
2. 前記ランナベーンは、前記ランナボスから前記ディスチャージリング側に向けて延びる羽根回動軸を中心に回動自在であり、
   前記第１の溝は、前記羽根回動軸よりも上流側に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸流水車。
3. 前記第１の溝に連通するとともに水を貯留可能な第１のチャンバーをさらに備えている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の軸流水車。
4. 前記第１の溝と前記ランナベーンの下流側縁部よりも下流側の領域とを連通させる第１の配管と、
   前記第１の配管に設けられ、前記第１の溝から前記ランナベーンの下流側縁部よりも下流側の領域への水の流通を防止する第１の逆止弁と、をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の軸流水車。
5. 前記ランナボスの外周面に、周方向に延びる第２の溝が形成され、
   前記第２の溝は、前記回転主軸の軸方向で、前記ランナベーンの内周端の上流側端部と下流側端部との間に形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の軸流水車。
6. 回転主軸に連結されたランナボスと、
   前記ランナボスの外周側に設けられたディスチャージリングと、
   前記ランナボスと前記ディスチャージリングとの間に配置され、前記ランナボスに対して回動自在に支持されたランナベーンと、を備え、
   前記ランナベーンの外周端と前記ディスチャージリングの内周面との間に狭隘部位が形成されるとともに、前記ランナベーンの内周端と前記ランナボスの外周面との間に狭隘部位が形成される軸流水車であって、
   前記ランナボスの外周面に、周方向に延びる第２の溝が形成され、
   前記第２の溝は、前記回転主軸の軸方向で、前記ランナベーンの内周端の上流側端部と下流側端部との間に形成されている
   ことを特徴とする軸流水車。
7. 前記ランナベーンは、前記ランナボスから前記ディスチャージリング側に向けて延びる羽根回動軸を中心に回転自在であり、
   前記第２の溝は、前記羽根回動軸よりも上流側に形成されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の軸流水車。
8. 前記第２の溝に連通するとともに水を貯留可能な第２のチャンバーをさらに備えている
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の軸流水車。
9. 前記第２の溝と前記ランナベーンの下流側縁部よりも下流側の領域とを連通させる第２の配管と、
   前記第２の配管に設けられ、前記第２の溝から前記ランナベーンの下流側縁部よりも下流側の領域への水の流通を防止する第２の逆止弁と、をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の軸流水車。

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