流体機械のガイドベーンおよび流体機械
【課題】ガイドベーンの出口における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーンの負圧面側で発生するキャビテーションを抑制することができる流体機械のガイドベーンおよび流体機械を提供する。
【解決手段】実施形態のガイドベーン１８は、上カバー２０と下カバー２１との間に、ランナ１２の回転軸に平行な中心軸Ｏを中心として回動可能に設けられ、流量を調整して作動流体をランナ１２側へ導く。ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な断面形状が、下カバー２１側とガイドベーン１８の高さ方向の中心部とで異なる。
【解決手段】実施形態のガイドベーン１８は、上カバー２０と下カバー２１との間に、ランナ１２の回転軸に平行な中心軸Ｏを中心として回動可能に設けられ、流量を調整して作動流体をランナ１２側へ導く。ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な断面形状が、下カバー２１側とガイドベーン１８の高さ方向の中心部とで異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、流体機械のガイドベーンおよびこのガイドベーンを備えた流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械として、例えば、水車やポンプ水車などがある。図８は、従来のフランシス形水車２００の縦断面を示す図である。
【０００３】
図８に示すように、フランシス形水車２００の主軸２０１の下端に、フランシス形のランナ２０２が連結されている。ランナ２０２は、周方向にランナベーン２０３と、ランナベーン２０３を内周側から固定するクラウン２０４と、ランナベーン２０３を外周側から固定するランナバンド２０５とを備えている。
【０００４】
ランナ２０２の外周には、ケーシング２０６が配設されており、このケーシング２０６の内周部には、複数のステーベーン２０７が周方向に設けられている。また、これらのステーベーン２０７とランナ２０２との間には、周方向に複数のガイドベーン２０８が配列されている。ランナ２０２やガイドベーン２０８の上方には上カバー２０９が設けられ、ガイドベーン２０８の下方には下カバー２１０が設けられている。ランナ２０２の下方には、吸出し管２１１が配設されている。
【０００５】
フランシス形水車２００において、ガイドベーン２０８のガイドベーン回動軸２１２を中心に回転して、開度を変更することで流量が調整される。通常運転の範囲内であれば、ガイドベーン２０８の開度を最大にしたときでも、ガイドベーン２０８の出口側、すなわちガイドベーン２０８の後縁部は、下カバー２１０の内周面からランナ２０２側へ張り出すことはない。
【０００６】
一方、ガイドベーン２０８のガイドベーン回動軸２１２がランナ２０２の近くに設置される場合、図８に示すように、ガイドベーン２０８の開度によっては、ガイドベーン２０８の後縁部が、下カバー２１０の内周面からランナ２０２側へ張り出すことがある。このように、ガイドベーン２０８の後縁部が、下カバー２１０の内周面からランナ２０２側へ張り出した状態をオーバーハングという。
【０００７】
図９は、従来のフランシス形水車２００において、オーバーハングした状態における、図８のＸ−Ｘ断面を示す図である。なお、図９には、ガイドベーン２０８の出口における速度三角形を示している。図９において、Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれ、回転速度成分、圧力水の絶対速度成分、ランナベーン２０３に対する圧力水の相対速度成分を示している。これら３つの速度ベクトルで形成される三角形は、ランナベーン２０３の入口における速度三角形と呼ばれる。図１０は、従来のフランシス形水車２００において、オーバーハングした状態における、ガイドベーン２０８の出口の高さ方向（上カバー２０９から下カバー２１０に向かう方向）における流れ角度αの分布を示す図である。
【０００８】
従来のガイドベーン２０８において、前縁から後縁に亘る断面形状は、高さ方向のいずれの断面でも同じ形状を有する２次元的な翼形状をしている。このように、上カバー２０９側および下カバー２１０側の形状が同じであっても、流れ角度αは、図１０に示すように、上カバー２０９側と下カバー２１０側とで大きく異なり、下カバー２１０側で小さくなっている。ここで、流れ角度αとは、図９に示すように、ガイドベーン２０８の出口における回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である。
【０００９】
ここで、ガイドベーン２０８の出口からは流れ角度αでランナ２０２に流入するが、ランナ２０２は回転しているため、周方向の回転速度成分Ｕが存在する。このため、ランナ２０２へは、図９に示すように、相対速度成分Ｗの方向から流入することになる。
【００１０】
例えば、流れ角度αが小さくなる下カバー２１０側では、図９に破線で示すように、相対速度成分Ｗの回転速度成分Ｕとのなす角が大きくなり、ランナベーン２０３の負圧面２０３ａ側の方向に加圧水が流れることになる。そのため、同一運転状態では流れ角度αが大きい場合よりもランナベーン２０３の負圧面２０３ａ側での圧力の低下を招きやすくなる。この圧力低下量が大きくなると、キャビテーションが発生する。
【００１１】
このように、オーバーハングした状態の下カバー２１０側では、流れ角度αが小さくなるため、ランナベーンの負圧面２０３ａ側でキャビテーションが発生しやすくなる。そのため、オーバーハング状態を構成しないような設計をすることが望ましいが、水車の小型化などを図ると、オーバーハング状態を構成しないような設計をすること困難である。
【００１２】
なお、流れ角度αが下カバー２１０側で小さくなる傾向は、オーバーハングした状態のランナベーン２０３に限らず、オーバーハングしていない状態のランナベーン２０３においても同じである。そのため、オーバーハングしていない状態のランナベーン２０３においても、負圧面２０３ａ側でキャビテーションが発生することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−１２０５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記したように、従来の水車においては、流れ角度αが下カバー２１０側で小さくなり、ランナベーン２０３の負圧面２０３ａ側の方向に加圧水が流れることによって、キャビテーションが発生することがあった。
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、ガイドベーンの出口における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーンの負圧面側で発生するキャビテーションを抑制することができる流体機械のガイドベーンおよび流体機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
実施形態の流体機械のガイドベーンは、上カバーと下カバーとの間に、ランナの回転軸に平行な中心軸を中心として回動可能に設けられ、流量を調整して作動流体をランナ側へ導く。また、前記ガイドベーンの、前記中心軸に垂直な断面形状が、前記下カバー側と前記ガイドベーンの高さ方向の中心部とで異なる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーンを備える水車の一部を子午断面で示した図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーンおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーンの斜視図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーンのおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーンにおいて、隣接するガイドベーンどうしの一部を当接させてシャッタ面を構成したときの、下カバー側断面を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態のガイドベーンおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施の形態のガイドベーンおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図８】従来のフランシス形水車の縦断面を示す図である。
【図９】従来のフランシス形水車において、オーバーハングした状態における、図８のＸ−Ｘ断面を示す図である。
【図１０】従来のフランシス形水車において、オーバーハングした状態における、ガイドベーンの出口の幅方向（上カバーから下カバーの間）における流れ角度αの分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーン１８を備える水車１０の一部を子午断面で示した図である。なお、ここでは、流体機械として機能する水車１０としてフランシス形水車を例示して説明する。また、以下に示す実施の形態において、同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００２０】
図１に示すように、水車１０の主軸１１の下端に、フランシス形のランナ１２が連結されている。主軸１１の頂部には、図示しない発電機が連結されている。ランナ１２は、周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のランナベーン１３と、これらのランナベーン１３を一方の側から固定するディスク形状のクラウン１４と、ランナベーン１３を他方の側から固定する環状部材として機能するランナバンド１５とを備えている。また、クラウン１４は、主軸１１と連結されている。
【００２１】
ランナ１２の外周には、ケーシング１６が配設されており、このケーシング１６の内周部には、複数のステーベーン１７が周方向に設けられている。また、これらのステーベーン１７とランナ１２との間には、周方向に亘って複数のガイドベーン１８が配列されている。ガイドベーン１８は、ランナ１２の回転軸や主軸１１に平行な中心軸Ｏを有するガイドベーン回動軸１９によって回動可能に設けられている。ガイドベーン１８は、回動されることで開度が変更され、ランナ側へ導かれる作動流体として機能する圧力水の流量を調整する。
【００２２】
また、ランナ１２の上方には上カバー２０が設けられ、ランナ１２の下方には下カバー２１が設けられている。さらに、ランナ１２の下方には、下カバー２１に接続された吸出し管２３が配設されている。
【００２３】
ここでは、図１に示すように、ガイドベーン１８の開度が大きくなった際に、ガイドベーン１８の後縁部が、下カバー２１の内周面からランナ１２側へ張り出す状態、いわゆるオーバーハング状態となることがある水車１０を例示している。
【００２４】
回転部を構成するランナ１２のランナバンド１５と、このランナバンド１５を囲うように、ランナバンド１５に対向して設けられた下カバー２１などの固定部との間にはシール部２２が構成されている。
【００２５】
ここで、第１の実施の形態のガイドベーン１８の構成について詳しく説明する。
【００２６】
図２は、本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーン１８およびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図２には、ガイドベーン１８について、中心軸Ｏに垂直な２つの断面を示しており、ガイドベーン１８の下カバー２１側の断面（以下、下カバー側断面という）における形状を実線で、ガイドベーン１８の高さ方向（中心軸Ｏに沿う方向）の中心部（中心）の断面（以下、中心部断面という）における形状を破線で示している。また、図２には、上記２つの断面におけるランナベーン１３の入口の速度三角形を示している。下カバー側断面の速度三角形を実線で、中心部断面の速度三角形を破線で示している。図２において、Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれ、回転速度成分、圧力水の絶対速度成分、ランナベーン１３に対する圧力水の相対速度成分を示している。
【００２７】
なお、下カバー２１側とは、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１側をいい、下カバー側断面とは、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面をいう（以下同じ）。
【００２８】
図３は、本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーン１８の斜視図である。図３において、図示していないが、ガイドベーン１８の上方に上カバー２０が位置し、ガイドベーン１８の下方に下カバー２１が位置する。
【００２９】
図２に示すように、ガイドベーン１８において、下カバー側断面の形状と、中心部断面の形状とは異なっている。下カバー２１側のガイドベーン１８の後縁３０は、ガイドベーン１８の高さ方向の中心部におけるガイドベーン１８の後縁３０よりもランナ１２側に位置している。換言すれば、図３に示すように、ガイドベーン１８の後縁部３１は、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、後縁３０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲している。そのため、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面（最も下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面）における後縁３０が最もランナ１２側に位置している。
【００３０】
ここで、後縁３０は、ガイドベーン１８の最後端を示し、後縁部３１は、後縁３０を含むガイドベーン１８の後縁側部分である。後縁部３１は、例えば、中心軸Ｏに垂直な断面におけるキャンバーラインＬの長さ方向の中心よりも後縁３０側などをいう。なお、中心軸Ｏは、図２に示すように、例えば、中心部断面のキャンバーラインＬ上の、キャンバーラインＬの長さ方向の中心に位置するように構成することができる。なお、中心軸Ｏは、キャンバーラインＬ上の、キャンバーラインＬの長さ方向の中心よりも前縁側または後縁側に位置するように構成してもよい。
【００３１】
このように、ガイドベーン１８の後縁部３１を構成することで、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面における、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、中心部断面における流れ角度αよりも大きくなる。下カバー２１側の端面における流れ角度αと中心部断面における流れ角度αとの差は、０よりも大きく３０度以下に設定されることが好ましい。流れ角度αの差を０よりも３０度以下にするのは、角度の差が３０度を超えるような状態になるとランナ１２に流入する流れの偏りが大きくなり、ランナ１２の内部における損失が増大してしまうからである。
【００３２】
ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。ここでは、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、前縁４０であり、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化せず一定である。各断面における後縁３０を結んだ線は、中心軸Ｏに平行な直線となる。そのため、各断面において、ガイドベーン１８の前縁４０の位置は、同一の空間平面上でかつ中心軸Ｏに平行な線上に位置している。なお、空間平面は、実際に構成として存在する平面ではなく、架空の平面を意味している（以下同じ）。
【００３３】
ここで、前縁４０は、ガイドベーン１８の最前端を示し、前縁部４１は、前縁４０を含むガイドベーン１８の前縁側部分である。前縁部４１は、例えば、中心軸Ｏに垂直な断面におけるキャンバーラインＬの中心よりも前縁４０側などをいう。
【００３４】
このように、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置（ここでは前縁４０）を、中心軸Ｏに平行な線上に設けることで、高さ方向に大きく変化せず、ガイドベーン１８に流入する流れに対して、ガイドベーン１８の入口部で大きな乱れの発生を抑制することができる。
【００３５】
ここで、中心部断面よりも上カバー２０側の断面の形状は、中心部断面の形状と同じであり、中心部断面の形状を上カバー２０に向かって中心軸Ｏに平行に延設した構成である。
【００３６】
なお、ガイドベーン１８は、圧力水の流下を遮断する役割も有しており、隣接するガイドベーン１８どうしの一部を当接させてシャッタ面を構成して圧力水を遮断している。ここでは、下カバー２１側のガイドベーン１８の後縁部３１の形状を変形させているため、下カバー２１側でも確実に圧力水の流れを遮断できるように、シャッタ面を従来よりも上流側に構成する必要がある。
【００３７】
次に、水車１０における作動流体の動作について説明する。
【００３８】
上池より鉄管を通って導入される作動流体である圧力水は、ケーシング１６とステーベーン１７を通過し、流量調整が行われるガイドベーン１８を通過してランナ１２へ導かれる。ランナ１２では、導入された圧力水の圧力エネルギが回転エネルギへと変換され、ランナ１２は、主軸１１を回転軸として回転し、主軸１１に連結された、図示しない発電機を回転させて発電する。そして、ランナ１２を通過した作動流体は、吸出し管２３を通って下流の下池へと排出される。シール部２２にも、圧力水の一部が流入し、シール部２２を通過した圧力水は、ランナ１２の下流側の主流路に導出される。
【００３９】
ここで、ガイドベーン１８を通過する際の圧力水の動作について説明する。
【００４０】
図２に示すように、ガイドベーン１８の出口の、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、下カバー側断面の方が中心部断面よりも大きくなる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側の方向に加圧水が流れることが抑制され、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側での圧力の低下が抑制される。これによって、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生が抑制される。
【００４１】
上記したように、第１の実施の形態のガイドベーン１８によれば、オーバーハングした状態においても、下カバー２１側における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００４２】
なお、ここでは、オーバーハングした状態となるガイドベーン１８を例示して説明したが、オーバーハングした状態を有さないガイドベーン１８においても、下カバー２１側の流れ角度αは、例えば、中心部の流れ角度αよりも小さくなる傾向にあるため、本実施の形態のガイドベーン１８を適用することができる。この場合にも、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００４３】
ここで、第１の実施の形態のガイドベーン１８における圧力水の流れをより確実に遮断するために、次のように構成することもできる。図４は、本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーン１８のおよびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図５は、本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーン１８において、隣接するガイドベーン１８どうしの一部を当接させてシャッタ面を構成したときの、下カバー側断面を示す図である。
【００４４】
図４に示すガイドベーン１８は、前縁部４１の形状以外は、図２に示したガイドベーン１８の形状と同じである。図４に示すように、下カバー２１側のガイドベーン１８の前縁４０は、ガイドベーン１８の高さ方向の中心部におけるガイドベーン１８の前縁４０よりもランナ１２側に位置している。換言すれば、ガイドベーン１８の前縁部４１は、後縁部３１がランナ１２側に湾曲し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲している。
【００４５】
ここでは、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲するため、図２に示したガイドベーン１８とは異なり、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化する。ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。
【００４６】
具体的には、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、中心部断面では前縁４０であり、下カバー側断面では、図４に示すように、前縁４０近傍の背側の点Ｐである。この中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐは、同一の空間平面Ｑ上に存在し、この空間平面Ｑは、中心軸Ｏに平行な平面となる。なお、図４では、空間平面Ｑは、中心軸Ｏに垂直な断面で示されているため、直線で示されているが、平面Ｑは、中心軸Ｏに平行であるため、中心部断面における直線と下カバー側断面における直線は、図４上では重なり合っている。なお、中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐに限らず、各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、空間平面Ｑ上に存在する。
【００４７】
このように、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置が同一の空間平面上に存在し、この空間平面が中心軸Ｏに平行となるように構成することで、高さ方向に大きく変化せず、ガイドベーン１８に流入する流れに対して、ガイドベーン１８の入口部で大きな乱れの発生を抑制することができる。
【００４８】
このようにガイドベーン１８の前縁部４１をランナ１２側に湾曲させることで、図５に示すように、隣接するガイドベーン１８の後縁部３１がランナ１２側に湾曲しても、前縁部４１を後縁部３１の背側の翼面に接触させ、確実にシャッタ面を形成することができる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制するとともに、ガイドベーン１８において圧力水の流れをより確実に遮断することができる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明に係る第２の実施の形態のガイドベーン１８およびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図６には、ガイドベーン１８について、中心軸Ｏに垂直な２つの断面を示しており、ガイドベーン１８の下カバー側断面における形状を実線で、ガイドベーン１８の中心部断面における形状を破線で示している。
【００５０】
図６に示すように、ガイドベーン１８において、下カバー側断面の形状と、中心部断面の形状とは異なっている。ガイドベーン１８の前縁よりも下流側における腹側１８ａの翼面は、下カバー２１側の方がガイドベーン１８の高さ方向の中心部よりも背側１８ｂに凹む湾曲面で構成されている。
【００５１】
換言すれば、図６に示すように、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、ガイドベーン１８の前縁よりも下流側における腹側１８ａの翼面が、徐々に背側１８ｂへの湾曲を増すように構成されている。そのため、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面（最も下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面）における腹側１８ａの翼面が、最も背側１８ｂに湾曲した構成となる。
【００５２】
このようにガイドベーン１８の腹側１８ａの翼面を構成することで、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面における流れ角度αは、中心部断面における流れ角度αよりも大きくなる。そして、第１の実施の形態のガイドベーン１８の場合と同じ理由から、これらの流れ角度αの差は、０よりも大きく３０度以下に設定されることが好ましい。
【００５３】
ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。ここでは、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、前縁４０であり、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化せず一定である。各断面における後縁３０を結んだ線は、中心軸Ｏに平行な直線となる。そのため、各断面において、ガイドベーン１８の前縁４０の位置は、同一の平面上でかつ中心軸Ｏに平行な線上に位置している。
【００５４】
なお、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置（ここでは前縁４０）を、中心軸Ｏに平行な線上に設けることで得られる作用効果は、同じ構成を有する第１の実施の形態のガイドベーン１８における作用効果と同じである。
【００５５】
中心部断面よりも上カバー２０側の断面の形状は、中心部断面の形状と同じであり、中心部断面の形状を上カバー２０側に中心軸Ｏに平行に延設した構成である。
【００５６】
ここで、ガイドベーン１８を通過する際の圧力水の動作について説明する。
【００５７】
図６に示すように、ガイドベーン１８の出口の、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、下カバー側断面の方が中心部断面よりも大きくなる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側の方向に加圧水が流れることが抑制され、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側での圧力の低下が抑制される。これによって、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生が抑制される。
【００５８】
上記したように、第２の実施の形態のガイドベーン１８によれば、オーバーハングした状態においても、下カバー２１側における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００５９】
なお、ここでは、オーバーハングした状態となるガイドベーン１８を例示して説明したが、オーバーハングした状態を有さないガイドベーン１８においても、下カバー２１側の流れ角度αは、例えば、中心部の流れ角度αよりも小さくなる傾向にあるため、本実施の形態のガイドベーン１８を適用することができる。この場合にも、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明に係る第３の実施の形態のガイドベーン１８およびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図７には、ガイドベーン１８について、中心軸Ｏに垂直な２つの断面を示しており、ガイドベーン１８の下カバー側断面における形状を実線で、ガイドベーン１８の中心部断面における形状を破線で示している。また、図７には、中心部断面におけるキャンバーラインＬを示している。
【００６１】
図７に示すように、ガイドベーン１８において、下カバー側断面の形状と、中心部断面の形状とは異なっている。中心軸Ｏとガイドベーン１８の後縁との距離が、中心部断面よりも下カバー側断面の方が短く構成されている。
【００６２】
換言すれば、図７に示すように、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、ガイドベーン１８の後縁３０は、各断面におけるキャンバーラインＬに沿って、徐々に中心軸Ｏ側に位置するように構成されている。すなわち、下カバー側断面における翼弦長は、中心部断面における翼弦長よりも短い。
【００６３】
そのため、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面（最も下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面）における後縁３０が、最も中心軸Ｏとの距離が短くなるように構成されている。各断面における、中心軸Ｏとガイドベーン１８の後縁との距離は、ガイドベーン１８の開度を最大としても、オーバーハングした状態とならないように設定されている。
【００６４】
このように後縁部３１を構成することで、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面における流れ角度αは、中心部断面における流れ角度αよりも大きくなる。そして、第１の実施の形態のガイドベーン１８の場合と同じ理由から、これらの流れ角度αの差は、０よりも大きく３０度以下に設定されることが好ましい。
【００６５】
下カバー２１側のガイドベーン１８の前縁４０は、図７に示すように、ガイドベーン１８の高さ方向の中心部におけるガイドベーン１８の前縁４０よりもランナ１２側に位置している。換言すれば、ガイドベーン１８の前縁部４１は、後縁３０と中心軸Ｏとの距離が短くなり始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲している。
【００６６】
ここでは、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲するため、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化する。ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。
【００６７】
具体的には、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、中心部断面では前縁４０であり、下カバー側断面では、図７に示すように、前縁４０近傍の背側の点Ｐである。この中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐは、同一の空間平面Ｑ上に存在し、この空間平面Ｑは、中心軸Ｏに平行な平面となる。なお、図７では、空間平面Ｑは、中心軸Ｏに垂直な断面で示されているため、直線で示されているが、空間平面Ｑは、中心軸Ｏに平行であるため、中心部断面における直線と下カバー側断面における直線は、図７上では重なり合っている。なお、中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐに限らず、各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、空間平面Ｑ上に存在する。
【００６８】
このように、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置が同一の空間平面上に存在し、この空間平面が中心軸Ｏに平行となるように構成することで得られる作用効果は、同じ構成を有する第１の実施の形態のガイドベーン１８における作用効果と同じである。
【００６９】
また、ガイドベーン１８の前縁部４１をランナ１２側に湾曲させることで、図５に示した場合と同様に、隣接するガイドベーン１８の後縁部３１がランナ１２側に湾曲しても、前縁部４１を後縁部３１の背側の翼面に接触させ、確実にシャッタ面を形成することができる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制するとともに、ガイドベーン１８において圧力水の流れをより確実に遮断することができる。
【００７０】
ここで、ガイドベーン１８を通過する際の圧力水の動作について説明する。
【００７１】
図７に示すように、ガイドベーン１８の出口の、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、下カバー側断面の方が中心部断面よりも大きくなる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側の方向に加圧水が流れることが抑制され、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側での圧力の低下が抑制される。これによって、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生が抑制される。
【００７２】
上記したように、第３の実施の形態のガイドベーン１８によれば、中心軸Ｏとガイドベーン１８の後縁との距離を、中心部断面よりも下カバー側断面の方が短くなるように構成することで、ガイドベーン１８の開度が大きいときでも、オーバーハングした状態とならない。そのため、下カバー２１側における圧力水の流れ方向の最適化が図られ、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００７３】
以上説明した実施形態によれば、ガイドベーンの出口における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーンの負圧面側で発生するキャビテーションを抑制することが可能となる。
【００７４】
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。ここでは、流体機械として機能する水車１０としてフランシス形水車を例示して説明したが、本実施の形態は、例えば、ポンプ水車などの水車にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０…水車、１１，２０１…主軸、１２，２０２…ランナ、１３，２０３…ランナベーン、１３ａ，２０３ａ…負圧面、１４，２０４…クラウン、１５，２０５…ランナバンド、１６，２０６…ケーシング、１７，２０７…ステーベーン、１８，２０８…ガイドベーン、１８ａ…腹側、１８ｂ…背側、１９，２１２…ガイドベーン回動軸、２０，２０９…上カバー、２１，２１０…下カバー、２２…シール部、２３，２１１…吸出し管、３０…後縁、３１…後縁部、４０…前縁、４１…前縁部、Ｌ…キャンバーライン、Ｏ…中心軸、Ｕ…回転速度成分、Ｖ…絶対速度成分、Ｗ…相対速度成分。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、流体機械のガイドベーンおよびこのガイドベーンを備えた流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械として、例えば、水車やポンプ水車などがある。図８は、従来のフランシス形水車２００の縦断面を示す図である。
【０００３】
図８に示すように、フランシス形水車２００の主軸２０１の下端に、フランシス形のランナ２０２が連結されている。ランナ２０２は、周方向にランナベーン２０３と、ランナベーン２０３を内周側から固定するクラウン２０４と、ランナベーン２０３を外周側から固定するランナバンド２０５とを備えている。
【０００４】
ランナ２０２の外周には、ケーシング２０６が配設されており、このケーシング２０６の内周部には、複数のステーベーン２０７が周方向に設けられている。また、これらのステーベーン２０７とランナ２０２との間には、周方向に複数のガイドベーン２０８が配列されている。ランナ２０２やガイドベーン２０８の上方には上カバー２０９が設けられ、ガイドベーン２０８の下方には下カバー２１０が設けられている。ランナ２０２の下方には、吸出し管２１１が配設されている。
【０００５】
フランシス形水車２００において、ガイドベーン２０８のガイドベーン回動軸２１２を中心に回転して、開度を変更することで流量が調整される。通常運転の範囲内であれば、ガイドベーン２０８の開度を最大にしたときでも、ガイドベーン２０８の出口側、すなわちガイドベーン２０８の後縁部は、下カバー２１０の内周面からランナ２０２側へ張り出すことはない。
【０００６】
一方、ガイドベーン２０８のガイドベーン回動軸２１２がランナ２０２の近くに設置される場合、図８に示すように、ガイドベーン２０８の開度によっては、ガイドベーン２０８の後縁部が、下カバー２１０の内周面からランナ２０２側へ張り出すことがある。このように、ガイドベーン２０８の後縁部が、下カバー２１０の内周面からランナ２０２側へ張り出した状態をオーバーハングという。
【０００７】
図９は、従来のフランシス形水車２００において、オーバーハングした状態における、図８のＸ−Ｘ断面を示す図である。なお、図９には、ガイドベーン２０８の出口における速度三角形を示している。図９において、Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれ、回転速度成分、圧力水の絶対速度成分、ランナベーン２０３に対する圧力水の相対速度成分を示している。これら３つの速度ベクトルで形成される三角形は、ランナベーン２０３の入口における速度三角形と呼ばれる。図１０は、従来のフランシス形水車２００において、オーバーハングした状態における、ガイドベーン２０８の出口の高さ方向（上カバー２０９から下カバー２１０に向かう方向）における流れ角度αの分布を示す図である。
【０００８】
従来のガイドベーン２０８において、前縁から後縁に亘る断面形状は、高さ方向のいずれの断面でも同じ形状を有する２次元的な翼形状をしている。このように、上カバー２０９側および下カバー２１０側の形状が同じであっても、流れ角度αは、図１０に示すように、上カバー２０９側と下カバー２１０側とで大きく異なり、下カバー２１０側で小さくなっている。ここで、流れ角度αとは、図９に示すように、ガイドベーン２０８の出口における回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である。
【０００９】
ここで、ガイドベーン２０８の出口からは流れ角度αでランナ２０２に流入するが、ランナ２０２は回転しているため、周方向の回転速度成分Ｕが存在する。このため、ランナ２０２へは、図９に示すように、相対速度成分Ｗの方向から流入することになる。
【００１０】
例えば、流れ角度αが小さくなる下カバー２１０側では、図９に破線で示すように、相対速度成分Ｗの回転速度成分Ｕとのなす角が大きくなり、ランナベーン２０３の負圧面２０３ａ側の方向に加圧水が流れることになる。そのため、同一運転状態では流れ角度αが大きい場合よりもランナベーン２０３の負圧面２０３ａ側での圧力の低下を招きやすくなる。この圧力低下量が大きくなると、キャビテーションが発生する。
【００１１】
このように、オーバーハングした状態の下カバー２１０側では、流れ角度αが小さくなるため、ランナベーンの負圧面２０３ａ側でキャビテーションが発生しやすくなる。そのため、オーバーハング状態を構成しないような設計をすることが望ましいが、水車の小型化などを図ると、オーバーハング状態を構成しないような設計をすること困難である。
【００１２】
なお、流れ角度αが下カバー２１０側で小さくなる傾向は、オーバーハングした状態のランナベーン２０３に限らず、オーバーハングしていない状態のランナベーン２０３においても同じである。そのため、オーバーハングしていない状態のランナベーン２０３においても、負圧面２０３ａ側でキャビテーションが発生することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−１２０５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記したように、従来の水車においては、流れ角度αが下カバー２１０側で小さくなり、ランナベーン２０３の負圧面２０３ａ側の方向に加圧水が流れることによって、キャビテーションが発生することがあった。
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、ガイドベーンの出口における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーンの負圧面側で発生するキャビテーションを抑制することができる流体機械のガイドベーンおよび流体機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
実施形態の流体機械のガイドベーンは、上カバーと下カバーとの間に、ランナの回転軸に平行な中心軸を中心として回動可能に設けられ、流量を調整して作動流体をランナ側へ導く。また、前記ガイドベーンの、前記中心軸に垂直な断面形状が、前記下カバー側と前記ガイドベーンの高さ方向の中心部とで異なる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーンを備える水車の一部を子午断面で示した図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーンおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーンの斜視図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーンのおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーンにおいて、隣接するガイドベーンどうしの一部を当接させてシャッタ面を構成したときの、下カバー側断面を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態のガイドベーンおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施の形態のガイドベーンおよびランナベーンの、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。
【図８】従来のフランシス形水車の縦断面を示す図である。
【図９】従来のフランシス形水車において、オーバーハングした状態における、図８のＸ−Ｘ断面を示す図である。
【図１０】従来のフランシス形水車において、オーバーハングした状態における、ガイドベーンの出口の幅方向（上カバーから下カバーの間）における流れ角度αの分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーン１８を備える水車１０の一部を子午断面で示した図である。なお、ここでは、流体機械として機能する水車１０としてフランシス形水車を例示して説明する。また、以下に示す実施の形態において、同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００２０】
図１に示すように、水車１０の主軸１１の下端に、フランシス形のランナ１２が連結されている。主軸１１の頂部には、図示しない発電機が連結されている。ランナ１２は、周方向に所定の間隔をあけて配置された複数のランナベーン１３と、これらのランナベーン１３を一方の側から固定するディスク形状のクラウン１４と、ランナベーン１３を他方の側から固定する環状部材として機能するランナバンド１５とを備えている。また、クラウン１４は、主軸１１と連結されている。
【００２１】
ランナ１２の外周には、ケーシング１６が配設されており、このケーシング１６の内周部には、複数のステーベーン１７が周方向に設けられている。また、これらのステーベーン１７とランナ１２との間には、周方向に亘って複数のガイドベーン１８が配列されている。ガイドベーン１８は、ランナ１２の回転軸や主軸１１に平行な中心軸Ｏを有するガイドベーン回動軸１９によって回動可能に設けられている。ガイドベーン１８は、回動されることで開度が変更され、ランナ側へ導かれる作動流体として機能する圧力水の流量を調整する。
【００２２】
また、ランナ１２の上方には上カバー２０が設けられ、ランナ１２の下方には下カバー２１が設けられている。さらに、ランナ１２の下方には、下カバー２１に接続された吸出し管２３が配設されている。
【００２３】
ここでは、図１に示すように、ガイドベーン１８の開度が大きくなった際に、ガイドベーン１８の後縁部が、下カバー２１の内周面からランナ１２側へ張り出す状態、いわゆるオーバーハング状態となることがある水車１０を例示している。
【００２４】
回転部を構成するランナ１２のランナバンド１５と、このランナバンド１５を囲うように、ランナバンド１５に対向して設けられた下カバー２１などの固定部との間にはシール部２２が構成されている。
【００２５】
ここで、第１の実施の形態のガイドベーン１８の構成について詳しく説明する。
【００２６】
図２は、本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーン１８およびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図２には、ガイドベーン１８について、中心軸Ｏに垂直な２つの断面を示しており、ガイドベーン１８の下カバー２１側の断面（以下、下カバー側断面という）における形状を実線で、ガイドベーン１８の高さ方向（中心軸Ｏに沿う方向）の中心部（中心）の断面（以下、中心部断面という）における形状を破線で示している。また、図２には、上記２つの断面におけるランナベーン１３の入口の速度三角形を示している。下カバー側断面の速度三角形を実線で、中心部断面の速度三角形を破線で示している。図２において、Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれ、回転速度成分、圧力水の絶対速度成分、ランナベーン１３に対する圧力水の相対速度成分を示している。
【００２７】
なお、下カバー２１側とは、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１側をいい、下カバー側断面とは、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面をいう（以下同じ）。
【００２８】
図３は、本発明に係る第１の実施の形態のガイドベーン１８の斜視図である。図３において、図示していないが、ガイドベーン１８の上方に上カバー２０が位置し、ガイドベーン１８の下方に下カバー２１が位置する。
【００２９】
図２に示すように、ガイドベーン１８において、下カバー側断面の形状と、中心部断面の形状とは異なっている。下カバー２１側のガイドベーン１８の後縁３０は、ガイドベーン１８の高さ方向の中心部におけるガイドベーン１８の後縁３０よりもランナ１２側に位置している。換言すれば、図３に示すように、ガイドベーン１８の後縁部３１は、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、後縁３０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲している。そのため、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面（最も下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面）における後縁３０が最もランナ１２側に位置している。
【００３０】
ここで、後縁３０は、ガイドベーン１８の最後端を示し、後縁部３１は、後縁３０を含むガイドベーン１８の後縁側部分である。後縁部３１は、例えば、中心軸Ｏに垂直な断面におけるキャンバーラインＬの長さ方向の中心よりも後縁３０側などをいう。なお、中心軸Ｏは、図２に示すように、例えば、中心部断面のキャンバーラインＬ上の、キャンバーラインＬの長さ方向の中心に位置するように構成することができる。なお、中心軸Ｏは、キャンバーラインＬ上の、キャンバーラインＬの長さ方向の中心よりも前縁側または後縁側に位置するように構成してもよい。
【００３１】
このように、ガイドベーン１８の後縁部３１を構成することで、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面における、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、中心部断面における流れ角度αよりも大きくなる。下カバー２１側の端面における流れ角度αと中心部断面における流れ角度αとの差は、０よりも大きく３０度以下に設定されることが好ましい。流れ角度αの差を０よりも３０度以下にするのは、角度の差が３０度を超えるような状態になるとランナ１２に流入する流れの偏りが大きくなり、ランナ１２の内部における損失が増大してしまうからである。
【００３２】
ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。ここでは、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、前縁４０であり、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化せず一定である。各断面における後縁３０を結んだ線は、中心軸Ｏに平行な直線となる。そのため、各断面において、ガイドベーン１８の前縁４０の位置は、同一の空間平面上でかつ中心軸Ｏに平行な線上に位置している。なお、空間平面は、実際に構成として存在する平面ではなく、架空の平面を意味している（以下同じ）。
【００３３】
ここで、前縁４０は、ガイドベーン１８の最前端を示し、前縁部４１は、前縁４０を含むガイドベーン１８の前縁側部分である。前縁部４１は、例えば、中心軸Ｏに垂直な断面におけるキャンバーラインＬの中心よりも前縁４０側などをいう。
【００３４】
このように、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置（ここでは前縁４０）を、中心軸Ｏに平行な線上に設けることで、高さ方向に大きく変化せず、ガイドベーン１８に流入する流れに対して、ガイドベーン１８の入口部で大きな乱れの発生を抑制することができる。
【００３５】
ここで、中心部断面よりも上カバー２０側の断面の形状は、中心部断面の形状と同じであり、中心部断面の形状を上カバー２０に向かって中心軸Ｏに平行に延設した構成である。
【００３６】
なお、ガイドベーン１８は、圧力水の流下を遮断する役割も有しており、隣接するガイドベーン１８どうしの一部を当接させてシャッタ面を構成して圧力水を遮断している。ここでは、下カバー２１側のガイドベーン１８の後縁部３１の形状を変形させているため、下カバー２１側でも確実に圧力水の流れを遮断できるように、シャッタ面を従来よりも上流側に構成する必要がある。
【００３７】
次に、水車１０における作動流体の動作について説明する。
【００３８】
上池より鉄管を通って導入される作動流体である圧力水は、ケーシング１６とステーベーン１７を通過し、流量調整が行われるガイドベーン１８を通過してランナ１２へ導かれる。ランナ１２では、導入された圧力水の圧力エネルギが回転エネルギへと変換され、ランナ１２は、主軸１１を回転軸として回転し、主軸１１に連結された、図示しない発電機を回転させて発電する。そして、ランナ１２を通過した作動流体は、吸出し管２３を通って下流の下池へと排出される。シール部２２にも、圧力水の一部が流入し、シール部２２を通過した圧力水は、ランナ１２の下流側の主流路に導出される。
【００３９】
ここで、ガイドベーン１８を通過する際の圧力水の動作について説明する。
【００４０】
図２に示すように、ガイドベーン１８の出口の、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、下カバー側断面の方が中心部断面よりも大きくなる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側の方向に加圧水が流れることが抑制され、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側での圧力の低下が抑制される。これによって、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生が抑制される。
【００４１】
上記したように、第１の実施の形態のガイドベーン１８によれば、オーバーハングした状態においても、下カバー２１側における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００４２】
なお、ここでは、オーバーハングした状態となるガイドベーン１８を例示して説明したが、オーバーハングした状態を有さないガイドベーン１８においても、下カバー２１側の流れ角度αは、例えば、中心部の流れ角度αよりも小さくなる傾向にあるため、本実施の形態のガイドベーン１８を適用することができる。この場合にも、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００４３】
ここで、第１の実施の形態のガイドベーン１８における圧力水の流れをより確実に遮断するために、次のように構成することもできる。図４は、本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーン１８のおよびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図５は、本発明に係る第１の実施の形態の他の構成のガイドベーン１８において、隣接するガイドベーン１８どうしの一部を当接させてシャッタ面を構成したときの、下カバー側断面を示す図である。
【００４４】
図４に示すガイドベーン１８は、前縁部４１の形状以外は、図２に示したガイドベーン１８の形状と同じである。図４に示すように、下カバー２１側のガイドベーン１８の前縁４０は、ガイドベーン１８の高さ方向の中心部におけるガイドベーン１８の前縁４０よりもランナ１２側に位置している。換言すれば、ガイドベーン１８の前縁部４１は、後縁部３１がランナ１２側に湾曲し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲している。
【００４５】
ここでは、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲するため、図２に示したガイドベーン１８とは異なり、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化する。ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。
【００４６】
具体的には、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、中心部断面では前縁４０であり、下カバー側断面では、図４に示すように、前縁４０近傍の背側の点Ｐである。この中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐは、同一の空間平面Ｑ上に存在し、この空間平面Ｑは、中心軸Ｏに平行な平面となる。なお、図４では、空間平面Ｑは、中心軸Ｏに垂直な断面で示されているため、直線で示されているが、平面Ｑは、中心軸Ｏに平行であるため、中心部断面における直線と下カバー側断面における直線は、図４上では重なり合っている。なお、中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐに限らず、各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、空間平面Ｑ上に存在する。
【００４７】
このように、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置が同一の空間平面上に存在し、この空間平面が中心軸Ｏに平行となるように構成することで、高さ方向に大きく変化せず、ガイドベーン１８に流入する流れに対して、ガイドベーン１８の入口部で大きな乱れの発生を抑制することができる。
【００４８】
このようにガイドベーン１８の前縁部４１をランナ１２側に湾曲させることで、図５に示すように、隣接するガイドベーン１８の後縁部３１がランナ１２側に湾曲しても、前縁部４１を後縁部３１の背側の翼面に接触させ、確実にシャッタ面を形成することができる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制するとともに、ガイドベーン１８において圧力水の流れをより確実に遮断することができる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明に係る第２の実施の形態のガイドベーン１８およびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図６には、ガイドベーン１８について、中心軸Ｏに垂直な２つの断面を示しており、ガイドベーン１８の下カバー側断面における形状を実線で、ガイドベーン１８の中心部断面における形状を破線で示している。
【００５０】
図６に示すように、ガイドベーン１８において、下カバー側断面の形状と、中心部断面の形状とは異なっている。ガイドベーン１８の前縁よりも下流側における腹側１８ａの翼面は、下カバー２１側の方がガイドベーン１８の高さ方向の中心部よりも背側１８ｂに凹む湾曲面で構成されている。
【００５１】
換言すれば、図６に示すように、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、ガイドベーン１８の前縁よりも下流側における腹側１８ａの翼面が、徐々に背側１８ｂへの湾曲を増すように構成されている。そのため、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面（最も下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面）における腹側１８ａの翼面が、最も背側１８ｂに湾曲した構成となる。
【００５２】
このようにガイドベーン１８の腹側１８ａの翼面を構成することで、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面における流れ角度αは、中心部断面における流れ角度αよりも大きくなる。そして、第１の実施の形態のガイドベーン１８の場合と同じ理由から、これらの流れ角度αの差は、０よりも大きく３０度以下に設定されることが好ましい。
【００５３】
ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。ここでは、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、前縁４０であり、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化せず一定である。各断面における後縁３０を結んだ線は、中心軸Ｏに平行な直線となる。そのため、各断面において、ガイドベーン１８の前縁４０の位置は、同一の平面上でかつ中心軸Ｏに平行な線上に位置している。
【００５４】
なお、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置（ここでは前縁４０）を、中心軸Ｏに平行な線上に設けることで得られる作用効果は、同じ構成を有する第１の実施の形態のガイドベーン１８における作用効果と同じである。
【００５５】
中心部断面よりも上カバー２０側の断面の形状は、中心部断面の形状と同じであり、中心部断面の形状を上カバー２０側に中心軸Ｏに平行に延設した構成である。
【００５６】
ここで、ガイドベーン１８を通過する際の圧力水の動作について説明する。
【００５７】
図６に示すように、ガイドベーン１８の出口の、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、下カバー側断面の方が中心部断面よりも大きくなる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側の方向に加圧水が流れることが抑制され、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側での圧力の低下が抑制される。これによって、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生が抑制される。
【００５８】
上記したように、第２の実施の形態のガイドベーン１８によれば、オーバーハングした状態においても、下カバー２１側における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００５９】
なお、ここでは、オーバーハングした状態となるガイドベーン１８を例示して説明したが、オーバーハングした状態を有さないガイドベーン１８においても、下カバー２１側の流れ角度αは、例えば、中心部の流れ角度αよりも小さくなる傾向にあるため、本実施の形態のガイドベーン１８を適用することができる。この場合にも、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明に係る第３の実施の形態のガイドベーン１８およびランナベーン１３の、中心軸Ｏに垂直な断面を示す図である。図７には、ガイドベーン１８について、中心軸Ｏに垂直な２つの断面を示しており、ガイドベーン１８の下カバー側断面における形状を実線で、ガイドベーン１８の中心部断面における形状を破線で示している。また、図７には、中心部断面におけるキャンバーラインＬを示している。
【００６１】
図７に示すように、ガイドベーン１８において、下カバー側断面の形状と、中心部断面の形状とは異なっている。中心軸Ｏとガイドベーン１８の後縁との距離が、中心部断面よりも下カバー側断面の方が短く構成されている。
【００６２】
換言すれば、図７に示すように、図１０で説明した流れ角度αが減少し始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、ガイドベーン１８の後縁３０は、各断面におけるキャンバーラインＬに沿って、徐々に中心軸Ｏ側に位置するように構成されている。すなわち、下カバー側断面における翼弦長は、中心部断面における翼弦長よりも短い。
【００６３】
そのため、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面（最も下カバー２１側の中心軸Ｏに垂直な断面）における後縁３０が、最も中心軸Ｏとの距離が短くなるように構成されている。各断面における、中心軸Ｏとガイドベーン１８の後縁との距離は、ガイドベーン１８の開度を最大としても、オーバーハングした状態とならないように設定されている。
【００６４】
このように後縁部３１を構成することで、ガイドベーン１８の下カバー２１側の端面における流れ角度αは、中心部断面における流れ角度αよりも大きくなる。そして、第１の実施の形態のガイドベーン１８の場合と同じ理由から、これらの流れ角度αの差は、０よりも大きく３０度以下に設定されることが好ましい。
【００６５】
下カバー２１側のガイドベーン１８の前縁４０は、図７に示すように、ガイドベーン１８の高さ方向の中心部におけるガイドベーン１８の前縁４０よりもランナ１２側に位置している。換言すれば、ガイドベーン１８の前縁部４１は、後縁３０と中心軸Ｏとの距離が短くなり始めるガイドベーン１８の高さ位置から下カバー２１に向かって、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲している。
【００６６】
ここでは、前縁４０が徐々にランナ１２側に位置するように湾曲するため、ガイドベーン１８の高さ方向における前縁４０の位置は変化する。ガイドベーン１８の、中心軸Ｏに垂直な各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、同一の空間平面上に存在することが好ましく、この空間平面は、中心軸Ｏに平行となることが好ましい。
【００６７】
具体的には、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、中心部断面では前縁４０であり、下カバー側断面では、図７に示すように、前縁４０近傍の背側の点Ｐである。この中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐは、同一の空間平面Ｑ上に存在し、この空間平面Ｑは、中心軸Ｏに平行な平面となる。なお、図７では、空間平面Ｑは、中心軸Ｏに垂直な断面で示されているため、直線で示されているが、空間平面Ｑは、中心軸Ｏに平行であるため、中心部断面における直線と下カバー側断面における直線は、図７上では重なり合っている。なお、中心部断面の前縁４０および下カバー側断面の点Ｐに限らず、各断面における、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置は、空間平面Ｑ上に存在する。
【００６８】
このように、各断面において、前縁部４１の、中心軸Ｏからの距離が最大となる位置が同一の空間平面上に存在し、この空間平面が中心軸Ｏに平行となるように構成することで得られる作用効果は、同じ構成を有する第１の実施の形態のガイドベーン１８における作用効果と同じである。
【００６９】
また、ガイドベーン１８の前縁部４１をランナ１２側に湾曲させることで、図５に示した場合と同様に、隣接するガイドベーン１８の後縁部３１がランナ１２側に湾曲しても、前縁部４１を後縁部３１の背側の翼面に接触させ、確実にシャッタ面を形成することができる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制するとともに、ガイドベーン１８において圧力水の流れをより確実に遮断することができる。
【００７０】
ここで、ガイドベーン１８を通過する際の圧力水の動作について説明する。
【００７１】
図７に示すように、ガイドベーン１８の出口の、回転速度成分Ｕと絶対速度成分Ｖとのなす角である流れ角度αは、下カバー側断面の方が中心部断面よりも大きくなる。そのため、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側の方向に加圧水が流れることが抑制され、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側での圧力の低下が抑制される。これによって、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生が抑制される。
【００７２】
上記したように、第３の実施の形態のガイドベーン１８によれば、中心軸Ｏとガイドベーン１８の後縁との距離を、中心部断面よりも下カバー側断面の方が短くなるように構成することで、ガイドベーン１８の開度が大きいときでも、オーバーハングした状態とならない。そのため、下カバー２１側における圧力水の流れ方向の最適化が図られ、ランナベーン１３の負圧面１３ａ側におけるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００７３】
以上説明した実施形態によれば、ガイドベーンの出口における圧力水の流れ方向の最適化を図り、ランナベーンの負圧面側で発生するキャビテーションを抑制することが可能となる。
【００７４】
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。ここでは、流体機械として機能する水車１０としてフランシス形水車を例示して説明したが、本実施の形態は、例えば、ポンプ水車などの水車にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０…水車、１１，２０１…主軸、１２，２０２…ランナ、１３，２０３…ランナベーン、１３ａ，２０３ａ…負圧面、１４，２０４…クラウン、１５，２０５…ランナバンド、１６，２０６…ケーシング、１７，２０７…ステーベーン、１８，２０８…ガイドベーン、１８ａ…腹側、１８ｂ…背側、１９，２１２…ガイドベーン回動軸、２０，２０９…上カバー、２１，２１０…下カバー、２２…シール部、２３，２１１…吸出し管、３０…後縁、３１…後縁部、４０…前縁、４１…前縁部、Ｌ…キャンバーライン、Ｏ…中心軸、Ｕ…回転速度成分、Ｖ…絶対速度成分、Ｗ…相対速度成分。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上カバーと下カバーとの間に、ランナの回転軸に平行な中心軸を中心として回動可能に設けられ、流量を調整して作動流体をランナ側へ導く、流体機械のガイドベーンにおいて、
前記中心軸に垂直な断面形状が、前記下カバー側と前記ガイドベーンの高さ方向の中心部とで異なることを特徴とする流体機械のガイドベーン。
【請求項２】
前記下カバー側の前記ガイドベーンの後縁が、前記ガイドベーンの高さ方向の中心部における前記ガイドベーンの後縁よりも前記ランナ側に位置することを特徴とする請求項１記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項３】
前記ガイドベーンの前縁よりも下流側における腹側の翼面において、前記下カバー側の方が前記ガイドベーンの高さ方向の中心部よりも、背側に湾曲していることを特徴とする請求項１記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項４】
前記ガイドベーンの、前記中心軸に垂直な断面において、前記中心軸と前記ガイドベーンの後縁との距離が、前記下カバー側の方が前記ガイドベーンの高さ方向の中心部よりも短いことを特徴とする請求項１記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項５】
前記下カバー側の前記ガイドベーンの前縁が、前記ガイドベーンの高さ方向の中心部における前記ガイドベーンの前縁よりも前記ランナ側に位置することを特徴とする請求項２または４記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項６】
前記ガイドベーンの、前記中心軸に垂直な各断面における、前縁部の、前記中心軸からの距離が最大となる位置が同一の空間平面上に存在し、前記空間平面が前記中心軸に平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項記載の流体機械のガイドベーンを備えたことを特徴とする流体機械。
【請求項１】
上カバーと下カバーとの間に、ランナの回転軸に平行な中心軸を中心として回動可能に設けられ、流量を調整して作動流体をランナ側へ導く、流体機械のガイドベーンにおいて、
前記中心軸に垂直な断面形状が、前記下カバー側と前記ガイドベーンの高さ方向の中心部とで異なることを特徴とする流体機械のガイドベーン。
【請求項２】
前記下カバー側の前記ガイドベーンの後縁が、前記ガイドベーンの高さ方向の中心部における前記ガイドベーンの後縁よりも前記ランナ側に位置することを特徴とする請求項１記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項３】
前記ガイドベーンの前縁よりも下流側における腹側の翼面において、前記下カバー側の方が前記ガイドベーンの高さ方向の中心部よりも、背側に湾曲していることを特徴とする請求項１記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項４】
前記ガイドベーンの、前記中心軸に垂直な断面において、前記中心軸と前記ガイドベーンの後縁との距離が、前記下カバー側の方が前記ガイドベーンの高さ方向の中心部よりも短いことを特徴とする請求項１記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項５】
前記下カバー側の前記ガイドベーンの前縁が、前記ガイドベーンの高さ方向の中心部における前記ガイドベーンの前縁よりも前記ランナ側に位置することを特徴とする請求項２または４記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項６】
前記ガイドベーンの、前記中心軸に垂直な各断面における、前縁部の、前記中心軸からの距離が最大となる位置が同一の空間平面上に存在し、前記空間平面が前記中心軸に平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の流体機械のガイドベーン。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項記載の流体機械のガイドベーンを備えたことを特徴とする流体機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１７２６０５（Ｐ２０１２−１７２６０５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５９４２（Ｐ２０１１−３５９４２）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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