流体機械のシール構造体および流体機械
【課題】回転部と静止部との間のシール構造部における漏流によるキャビテーションの発生を抑制することができる流体機械のシール構造体および流体機械を提供する。
【解決手段】水車１０のシール構造体３０は、複数のランナ羽根１３およびこれらのランナ羽根１３の一方の端部に周方向に亘って設けられたランナバンド１５を備える回転部とランナバンド１５を囲うように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部３１、およびシール部３１の出口３２から直角に屈曲して主流が流れる主流路に連通する円環状の間隙部３３を構成する。また、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側には、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。
【解決手段】水車１０のシール構造体３０は、複数のランナ羽根１３およびこれらのランナ羽根１３の一方の端部に周方向に亘って設けられたランナバンド１５を備える回転部とランナバンド１５を囲うように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部３１、およびシール部３１の出口３２から直角に屈曲して主流が流れる主流路に連通する円環状の間隙部３３を構成する。また、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側には、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械のシール構造体に係り、特に、例えば、フランシス形水車やフランシス形ポンプ水車などの流体機械のシール構造体およびこのシール構造体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、水車やポンプなどの機種が存在する。図１６は、従来のフランシス水車３００の一部を子午断面で示した図である。図１７および図１８は、従来のフランシス水車３００におけるシール構造体の子午断面を示す図である。
【０００３】
上池より鉄管を通って導入される圧力水は、ケーシング３１０とステーベーン３１１を通過し、流量調整が行われるガイドベーン３１２を通過してランナ３０５へ導かれる。ランナ３０５は、複数枚のランナ羽根３１３と、このランナ羽根３１３の周囲に設けられたランナバンド３１４と、ランナ羽根３１３をランナバンド３１４とともに挟むように設けられたクラウン３１５を備えている。そして、ランナ３０５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３０５は、主軸３１６を回転軸として回転する。また、この主軸３１６は、図示しない発電機に連結され、主軸３１６の回転により発電機を回転させて発電する。そして、ランナ３０５を通過した水は、吸出し管３１７を通って下流の下池へと排出される。
【０００４】
このような、フランシス水車３００のような流体機械では、一般的に、回転部と静止部とを有するため、その間の隙間を作動流体が通り抜ける漏流が発生する。この漏流は、流体機械内で原動機とのエネルギ交換を行わないため、漏流の流量に応じて漏れ損失が生じる。そこで、この漏流を極力少なくするために、流体機械の入口および出口付近に極小隙間からなるシール構造が採用されている（例えば、特許文献１−３参照。）。
【０００５】
図１６に示した従来のフランシス水車３００におけるシール構造として、図１７に示すような単段のシール構造３２０ａや、図１８に示すような複数段のシール構造３２０ｂが採用されている。これらのシール構造３２０ａ、３２０ｂは、回転するランナバンド３１４との間に周方向に亘って所定の隙間を形成するように、ディスチャージリング３１８にシールライナ３２１を設けることで構成されている。
【０００６】
例えば、図１７に示す単段のシール構造３２０ａでは、回転軸方向に平行な隙間３２２と、この隙間３２２に連通し、隙間３２２の出口から主流方向に対してほぼ直交する方向に屈曲した隙間３２３とからなる、断面においてＬ状の隙間が形成されている。
【０００７】
また、図１８に示す複数段のシール構造３２０ｂでは、図１７に示す回転軸方向に平行な隙間３２２を階段状に構成した隙間３２４と、この隙間３２２に連通し、隙間３２２の出口から主流方向に対してほぼ直交する方向に屈曲した隙間３２５とからなる隙間が形成されている。
【０００８】
上記したシール構造３２０ａ、３２０ｂを備えることで、漏流の低減を図ることはできるものの、漏流を完全に失くすことは困難である。また、ランナバンド３１４の下面３１４ａとシールライナ３２１の上面３２１ａとの隙間３２３、３２５を流れる漏流は、水車の入口と出口との間の大きい圧力差により、高速のジェットとなり、吸出し管３１７の上部に排出される。
【０００９】
ここで、図１９は、ランナバンド３１４の下面３１４ａとシールライナ３２１の上面３２１ａとの隙間３２３、３２５を流れる漏流の様子を説明するための模式図である。
【００１０】
図１９に示すように、回転軸方向に平行な隙間３２２、３２４から流出した高速の漏流３３０は、隙間３２５を構成するシールライナ３２１の上面３２１ａに衝突して向きを変え、隙間３２３、３２５に沿って吸出し管３１７の上部に排出される。
【００１１】
一方、ランナバンド３１４は、高速で回転しているため、このランナバンド３１４との摩擦によって引き起こされた流れ３３１が遠心力で外周側へ向かって流れる。すなわち、図１９に示すように、隙間３２３、３２５では、ランナバンド３１４側の流れ３３１と、シールライナ３２１側の流れ３３０とが、反転した流動状態となる。
【００１２】
また、ランナ３０５の出口付近は、流路全体で最も断面積が小さく、平均的に低圧となる。このランナ３０５の出口付近に連通する隙間３２３、３２５における圧力も低い状態となる。
【００１３】
ここで、低圧の雰囲気下で高速流が物体表面を流れる場合、一般的に、表面の段差や傷等を起点にキャビテーションが発生することがある。すなわち、水車の運転状態によっては、漏流３３０のような高速流が、隙間３２３、３２５を構成するシールライナ３２１の上面の段差や傷３３２を通過する際に、図１９に示すようなキャビテーション３３３を発生させることがある。
【００１４】
発生したキャビテーション３３３は、そのままシールライナ３２１の上面３２１ａに沿って流れるため、シールライナ３２１の下流側の上面３２１ａでは、キャビテーション３３３による壊食が発生することがある。このようなキャビテーションによる壊食の発生により、機器の点検間隔を短くしたり、シールライナ３２１の交換時期を早めたりしなければならず、水力発電所の運用に大きな支障をきたす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭５６−１１０５６７号公報
【特許文献２】特公昭５８−４０６６０号公報
【特許文献３】特開２００４−３０８４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記した従来の、例えばフランシス水車におけるシール構造では、シール構造部の下流部において発生するキャビテーションにする効果的な対策はなされていなかった。また、従来のシール構造を採用する場合、キャビテーションによる壊食に対する対応として、シールライナの交換時期の早期化や壊食に対する材料強度の強化などがなされていた。そのため、従来のシール構造では、キャビテーションの発生を抑制するような対策は施されていなかった。
【００１７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、回転部と静止部との間のシール構造部における漏流によるキャビテーションの発生を抑制することができる流体機械のシール構造体および流体機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、複数の羽根およびこれらの羽根の一方の端部に周方向に亘って設けられた環状部材を備える回転部と前記環状部材を囲うように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部、および当該シール部の出口から屈曲して主流が流れる主流路に連通する円環状の間隙部を構成する、流体機械のシール構造体であって、前記シール部の出口に対向する前記固定部の表面側に、周方向に亘って環状に溝が形成されていることを特徴とする流体機械のシール構造体が提供される。
【００１９】
さらに、本発明の一態様によれば、上記した流体機械のシール構造体を備えたことを特徴とする流体機械が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の流体機械のシール構造体および流体機械によれば、回転部と静止部との間のシール構造部における漏流によるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のシール構造体を備えた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の実施の形態のシール構造体の子午断面を示す図である。
【図３】図２に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の、他の形状の溝を備えるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図５】図４に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図６】図２に示した溝に抵抗体を備えた場合の、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図７】図２に示した溝に板状部材を備えた場合の、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図８】図７のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図９】本発明に係る第２の実施の形態のシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１０】図９に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図１１】本発明に係る第２の実施の形態の、他の形状の側壁溝を備えるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１２】図１１に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図１３】本発明に係る第３の実施の形態のシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１４】連通路の構成を説明するための、図１３のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図１５】溝の底面から抽出した漏水を他の部分に導出する構成を備えた水車の一部を子午断面で示した図である。
【図１６】従来のフランシス水車の一部を子午断面で示した図である。
【図１７】従来のフランシス水車におけるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１８】従来のフランシス水車におけるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１９】ランナバンドの下面とシールライナの上面との隙間を流れる漏流の様子を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態のシール構造体３０を備えた水車１０の一部を子午断面で示した図である。なお、ここでは、水車１０としてフランシス形水車を例示して説明する。
【００２４】
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羽根１３と、これらのランナ羽根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、ランナ羽根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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、ランナ１２の上方にはカバー１９が設けられ、ランナ１２の下方にはディスチャージリング２０が設けられている。さらに、ランナ１２の下方には、ディスチャージリング２０に接続された吸出し管２１が配設されている。
【００２７】
ここで、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を囲うように設けられたディスチャージリング２０などの固定部との間にはシール構造が構成されている。
【００２８】
次に、このシール構造を構成するシール構造体３０について説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る第１の実施の形態のシール構造体３０の子午断面を示す図である。
【００３０】
図２に示すように、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、ディスチャージリング２０の表面に設けられた、固定部であるシールライナ２２との間には、円環状の微小間隙からなるシール部３１、およびこのシール部３１の出口３２から直角に屈曲して主流が流れる主流路３５に連通する円環状の間隙部３３が構成されている。なお、ここでは、シール部３１の出口３２から直角に屈曲する円環状の間隙部３３を示しているが、本発明では、この屈曲角（図２に示したシールライナ２２においてＬ字状に表面が屈曲する部分の屈曲角）が６０〜１２０度の範囲を含むものとする。ここで、屈曲角をこの範囲とするのは、シールライナ２２の表面２２ａに沿う流れを形成する屈曲角であれば本発明の作用効果は得られるが、例えば、縦軸型のフランシス形水車の場合、分解および組立時にランナ１２をシールライナ２２の表面２２ａ上に置くことがあり、上記した屈曲角の範囲外では、シールライナ２２の表面２２ａ上にランナ１２を置き難くなり現実的ではないからである。
【００３１】
また、図２に示すように、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側に、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。この溝４０は、シールライナ２２の、主流路３５側に屈曲する屈曲部３４から主流路３５側に向かって形成されている。
【００３２】
この溝４０の底面４１は、図２に示すように、例えば、シール部３１の出口３２に対向する位置から主流路３５側に向かって、溝４０の深さが徐々に浅くなるような傾斜面で構成されることが好ましい。なお、ここでは、図２に示した断面において、溝４０の形状が、溝４０の最も深くなる部分を１つの頂点とした三角形状となる一例を示しているが、この形状に限られるものではない。例えば、図２に示した断面において、溝４０の最も深くなる部分の形状を鋭角とせずに、曲面で形成してもよい。
【００３３】
なお、溝４０の形状は、間隙部３３に噴出された高速の漏水ＬＡの流出方向を、間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない方向に変更できる形状であればよい。そのため、溝４０の底面４１の少なくとも一部が、溝４０の深さが主流路３５側に向かって徐々に浅くなる傾斜面を有していればよい。
【００３４】
ここで、水車１０の中心軸（主軸１１の中心軸）からの半径方向の、溝４０の幅Ｌ１は、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍以上であることが好ましい。溝４０の幅Ｌ１が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍より狭い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流が、溝４０内に流入しないからである。
【００３５】
また、図２に示すように、間隙部３３のシールライナ２２の表面２２ａと同一平面に対する溝４０の底面４１の傾斜角度θ１は、２０〜９０度であることが好ましい。ここで、傾斜角度θ１が２０度よりも小さい場合には、キャビテーションを抑制する効果が小さく、傾斜角度θ１が９０度よりも大きい場合には、溝４０の開口部の面積が小さくなり、漏水ＬＡの溝４０内への導入を妨げるおそれがあるからである。
【００３６】
次に、水車１０およびシール構造体３０における作動流体の動作について説明する。
【００３７】
図３は、図２に示したシール構造体３０における漏流の様子を説明するための、シール構造体３０の子午断面を示す図である。
【００３８】
上池より鉄管を通って導入される圧力水は、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を通過した水は、吸出し管２１を通って下流の下池へと排出される。
【００３９】
一方、ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、図３に示すように、溝４０内に流入し、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変更され、例えば、溝４０の底面４１の傾斜角度θ１を有して間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡは、間隙部３３から主流路３５に導出される。
【００４０】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、例えば、前述した従来の漏水（図１９参照）のように、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００４１】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に速やかに向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００４２】
上記したように、第１の実施の形態のシール構造体３０、これを備えた水車１０によれば、シールライナ２２に形成された溝４０において、間隙部３３に噴出された高速の漏水ＬＡの流出方向を変更し、例えば、流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの発生を抑制することができる。これによって、キャビテーションによる壊食を抑制することができる。
【００４３】
ここで、溝４０の形状は、上記した形状に限られるものではなく、上記したように、間隙部３３に噴出された高速の漏水ＬＡの流出方向を、間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない方向に変更できる形状であればよい。
【００４４】
図４は、本発明に係る第１の実施の形態の、他の形状の溝５０を備えるシール構造体３０の子午断面を示す図である。図５は、図４に示したシール構造体３０における漏流の様子を説明するための、シール構造体３０の子午断面を示す図である。
【００４５】
図４に示すように、溝５０の底面５１を、例えば、シール部３１の出口３２に対向する位置から主流路３５側に向かって、溝５０の深さが一定となるように構成してもよい。ここでは、図４に示す断面において、溝５０の形状が長方形となる一例を示している。この溝５０の形状が長方形となる場合が、前述した傾斜角度θ１が９０度の場合である。
【００４６】
なお、溝５０の底面の少なくとも一部を、上記したように、溝５０の深さが一定となるように構成すればよく、例えば、溝５０の主流路３５側の側面５２が、前述した傾斜角度θ１の範囲（９０度を除く）で構成されていてもよい。この場合には、図４に示す断面において、溝５０の形状は矩形（台形）となる。
【００４７】
ここで、水車１０の中心軸（主軸１１の中心軸）からの半径方向の、溝５０の幅Ｌ３は、溝４０の幅Ｌ１の場合と同様に、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍以上であることが好ましい。溝５０の幅Ｌ３が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍より狭い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流が、溝５０内に流入しないからである。
【００４８】
ここで、図４に示す溝５０の形状を有する場合のシール構造体３０における漏流の様子を説明する。
【００４９】
ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、図５に示すように、溝５０内に流入し、溝５０に沿って流れ、溝５０の主流路３５側の側面５２側から、間隙部３３の中心方向に対してほぼ直交する方向に噴出される。
【００５０】
このように、溝５０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００５１】
また、溝５０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００５２】
さらに、溝５０に流入した漏水ＬＡは、溝５０に沿って流れる際、図５に示すように、底面５１や主流路３５側の側面５２と衝突をするため、圧力損失が増加し、漏水ＬＡの流量が減少し、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００５３】
さらに、このシール効果を向上させるために、上記した溝４０、５０に、抵抗体６０や板状部材７０を備えてもよい。
【００５４】
図６は、図２に示した溝４０に抵抗体６０を備えた場合の、シール構造体３０の子午断面を示す図である。図７は、図２に示した溝４０に板状部材７０を備えた場合の、シール構造体３０の子午断面を示す図である。図８は、図７のＡ−Ａ断面を示す図である。
【００５５】
図６に示すように、抵抗体６０は、例えば溝４０の開口面に垂直になるように、溝４０の底面４１に複数の細い棒状部材６１を所定の間隔をあけてブラシ状に立設して構成される。この棒状部材６１の先端は、漏水ＬＡが溝４０に流入するのを妨げない程度に、溝４０の開口面が突出させることができるが、溝４０の開口面と同一平面上とすることが好ましい。
【００５６】
このように溝４０に抵抗体６０を備えることで、上記した溝４０を備えることで得られる効果に加え、抵抗体６０との摩擦損失などで溝４０に流入した漏水ＬＡの圧力損失が増加し、漏水ＬＡの流量が減少することにより、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００５７】
なお、抵抗体６０の構成は、上記した構成に限られるものではなく、溝４０に漏水ＬＡを流入させつつ、圧力損失を増加させる構成であればよい。
【００５８】
図７および図８に示すように、溝４０に、円周方向に沿って所定の間隔をあけて、溝４０の幅方向（水車１０の中心軸からの半径に向かう方向）に亘って立設された板状部材７０を複数備えてもよい。この板状部材７０の先端は、溝４０の開口面と同一平面上とすることが好ましい。
【００５９】
このように溝４０に板状部材７０を備えることで、上記した溝４０を備えることで得られる効果に加え、溝４０に流入した漏水ＬＡが板状部材７０と衝突し、乱れて拡散し、圧力損失が増加して、漏水ＬＡの流量が減少することにより、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００６０】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明に係る第２の実施の形態のシール構造体８０の子午断面を示す図である。なお、第１の実施の形態のシール構造体３０と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。
【００６１】
図９に示すように、第２の実施の形態のシール構造体８０において、第１の実施の形態のシール構造体３０と同様に、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側に、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。さらに、第２の実施の形態のシール構造体８０では、シール部３１の出口３２よりも下流側のシールライナ２２の側壁２２ｂに、周方向に亘って環状に側壁溝８１が形成されている。
【００６２】
側壁溝８１のシール部３１の出口３２側の端面８１ａは、シール部３１の出口３２の開口面と同一平面上に位置している。また、シールライナ２２の側壁２２ｂに沿う方向の、側壁溝８１の幅Ｍ１は、シール部３１の出口３２から溝４０の最大深さ位置までの距離と等しくなるように構成されている。
【００６３】
また、側壁溝８１の深さＭ２は、水車１０の中心軸（主軸１１の中心軸）からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍以上であることが好ましい。側壁溝８１の深さＭ２が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍より浅い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流を側壁溝８１の側面８１ｂ側へ広げる効果が小さいからである。
【００６４】
また、水車１０の中心軸からの半径方向の、溝４０の幅Ｌ１は、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の４倍以上であることが好ましい。溝４０の幅Ｌ１が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の４倍より短い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流が、溝４０内に流入し難くなるからである。すなわち、溝４０の幅Ｌ１と側壁溝８１の深さＭ２を加算した長さは、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍以上となる。
【００６５】
次に、シール構造体８０における作動流体の動作について説明する。
【００６６】
図１０は、図９に示したシール構造体８０における漏流の様子を説明するための、シール構造体８０の子午断面を示す図である。
【００６７】
ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、ランナバンド１５の摩擦により周方向に加速されるため、図１０に示すように、遠心力によって側壁溝８１の側面８１ｂ側へ広がりながら溝４０内に流入する。溝４０内に流入した漏水ＬＡは、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変えられ、例えば、溝４０の底面４１の傾斜角度θ１を有して間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡは、間隙部３３から主流路３５に導出される。なお、傾斜角度θ１は、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した角度である。
【００６８】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を変更し、例えば、流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、前述した従来の漏水（図１９参照）のように、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００６９】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に速やかに向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００７０】
さらに、シールライナ２２の側壁２２ｂに側壁溝８１を設けることで、シール部３１の出口３２から流出した漏流は、流路の急拡大による圧力損失が発生する。そのため、漏水ＬＡの流量が減少し、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００７１】
また、例えば、縦軸型のフランシス形水車の場合、分解および組立時にランナ１２をシールライナ２２の表面２２ａ上に置くことがある。そのため、溝４０が形成されていない部分の、水車１０の中心軸からの半径方向の、シールライナ２２の表面２２ａの幅Ｌ４が狭すぎると強度不足になる。そこで、シールライナ２２の表面２２ａの幅Ｌ４は、所定の幅に規定されている。一方、溝４０の幅Ｌ１を狭くしすぎると、シール部３１の出口３２から流出した漏水ＬＡが、溝４０内に流入しない。そこで、上記したように、シール部３１の出口３２よりも下流側のシールライナ２２の側壁２２ｂに側壁溝８１を設けることで、幅Ｌ４の所定の幅を確保しつつ、シール部３１の出口３２から流出した漏水ＬＡを溝４０内に確実に流入させることができる。
【００７２】
ここで、シールライナ２２の側壁２２ｂに形成される側壁溝８１は、上記した構成に限られるものではない。
【００７３】
図１１は、本発明に係る第２の実施の形態の、他の形状の側壁溝８２を備えるシール構造体８０の子午断面を示す図である。図１２は、図１１に示したシール構造体８０における漏流の様子を説明するための、シール構造体８０の子午断面を示す図である。
【００７４】
図１１に示すように、側壁溝８２は、シール部３１の出口３２から徐々に外周側に広がる、周方向に亘る環状の傾斜壁で構成されてもよい。
【００７５】
この場合には、水車１０の中心軸からの半径方向の、側壁溝８２の溝４０側の端面８２ａの幅Ｌ５は、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍以上であることが好ましい。側壁溝８２の溝４０側の端面８２ａの幅Ｌ５が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍よりも狭い場合には、上記した場合と同様に、幅Ｌ４の所定の幅を確保しつつ、シール部３１の出口３２から流出した漏水ＬＡを溝４０内に確実に流入させることが困難となるからである。
【００７６】
この側壁溝８２を備えるシール構造体８０において、図１２に示すように、ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、剥離せずに、側壁溝８２の傾斜側面８２ｂに沿って流れながら溝４０内に流入する。溝４０内に流入した漏水ＬＡは、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変えられ、間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡは、間隙部３３から主流路３５に導出される。
【００７７】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００７８】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００７９】
さらに、側壁溝８２の側面を傾斜側面８２ｂとすることで、漏水ＬＡは、剥離せずに傾斜側面８２ｂに沿って流れ、減速され、圧力損失が発生する。そのため、漏水ＬＡの流量が減少し、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００８０】
なお、ここでは、溝４０を備えたシール構造体８０について説明したが、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した溝５０を備える場合にも、第２の実施の形態の構成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。
【００８１】
さらに、第２の実施の形態のシール構造体８０に、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した抵抗体６０や板状部材７０を備えてもよい。この場合においても、抵抗体６０や板状部材７０を備えた第１の実施の形態のシール構造体３０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００８２】
（第３の実施の形態）
図１３は、本発明に係る第３の実施の形態のシール構造体９０の子午断面を示す図である。図１４は、連通路９１の構成を説明するための、図１３のＢ−Ｂ断面を示す図である。なお、第１の実施の形態のシール構造体３０と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。
【００８３】
図１３に示すように、第３の実施の形態のシール構造体９０において、第１の実施の形態のシール構造体３０と同様に、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側に、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。さらに、第３の実施の形態のシール構造体９０では、溝４０の底面４１と主流路３５とを連通させる連通路９１が形成されている。なお、連通路９１は、周方向に亘って均等に複数設けられている。
【００８４】
この連通路９１の中心軸に垂直な断面形状は、例えば、円形、楕円形または長円形とすることができる。また、特に、円形の円の直径と、楕円形の短径または長円の円の直径とが等しい場合において、連通路９１の流路断面積を増加する観点から、連通路９１の断面形状を楕円形または長円形とすることが好ましい。連通路９１の断面形状を楕円形または長円形とすることで、連通路９１の流路断面積が増加し、連通路９１を介して主流路３５側に導出される漏水ＬＡの流量を増加させることができる。
【００８５】
また、連通路９１の入口開口９１ａは、溝４０の底面４１のいずれの位置に形成されてもよいが、特に、連通路９１を介して主流路３５側に導出される漏水ＬＡの流量を増加させる観点から、シール部３１の出口３２に対向する位置に形成されることが好ましい。このように、連通路９１の入口開口９１ａをシール部３１の出口３２に対向する位置に形成した場合、シール部３１の出口３２から噴出された漏水Ｌは、連通路９１の入口開口９１ａおよびその近傍の底面４１に衝突するため、連通路９１の入口開口９１ａにおいて静圧が高まる。そのため、連通路９１の入口開口９１ａと出口開口９１ｂとの間の圧力差を大きくすることができ、連通路９１を介して主流路３５側に導出される漏水ＬＡの流量を増加させることができる。
【００８６】
また、連通路９１は、図１４に示すように、回転部の回転方向（図１４の矢印方向）に沿うように傾けて形成されることが好ましい。具体的には、連通路９１が主流路３５に連通する出口開口９１ｂにおける連通路９１の中心軸Ｏと、出口開口９１ｂにおける主流路３５の内周壁面に対する接線Ｐとを、主軸１１の回転軸に垂直な平面に投影した際の、中心軸Ｏと接線Ｐとのなす角θ２を９０度未満とすることが好ましい。このように、中心軸Ｏと接線Ｐとのなす角θ２を９０度未満とすることで、ランナ１２から流出する主流の主流路３５の壁面近傍の流れに、回転部の回転方向の旋回流れを付与することができる。この旋回成分によってもたらされる遠心力によって、主流路３５の壁面からの流れの剥離を抑制することができる。そのため、吸出し管２１の壁面における流れの剥離を抑制することができるので、水力効率を向上させることができる。
【００８７】
この連通路９１を備えるシール構造体９０において、ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡの一部は、溝４０内に流入し、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変えられ、間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡの一部は、間隙部３３から主流路３５に導出される。
【００８８】
一方、間隙部３３に噴出された漏水ＬＡの残りは、連通路９１を介して主流路３５に、回転部の回転方向に旋回する方向に導出される。
【００８９】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００９０】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００９１】
さらに、連通路９１を備えることで、キャビテーションの発生源となる漏水ＬＡの一部を連通路９１を介して主流路３５に導出することができるので、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００９２】
また、漏水ＬＡの一部を連通路９１を介して主流路３５に、回転部の回転方向に旋回する方向に導出することができるので、主流路３５の壁面からの流れの剥離を抑制することができ、水力効率を向上させることができる。
【００９３】
ここで、溝４０の底面４１から抽出した漏水ＬＡを上記した以外の部分に導出することもできる。図１５は、溝４０の底面４１から抽出した漏水ＬＡを他の部分に導出する構成を備えた水車１０の一部を子午断面で示した図である。
【００９４】
図１５に示すように、溝４０の底面４１と、主流路３５が屈曲する吸出し管２１のエルボ２１ａの内径側の出口とを連通させる連通配管１００を備えてもよい。この構成において、溝４０の底面４１から抽出した漏水ＬＡは、連通配管１００を介して、吸出し管２１のエルボ２１ａの内径側の出口位置における主流路３５に導出される。なお、連通配管１００は、周方向に亘って溝４０の底面４１に複数設けられることが好ましい。
【００９５】
このように連通配管１００を備えることで、キャビテーションの発生源となる漏水ＬＡの一部を連通配管１００を介して主流路３５に導出することができるので、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００９６】
また、漏水ＬＡを間隙部３３から主流路３５に導出する際、漏水ＬＡが、主流路３５の壁面付近の主流の流れを乱して、吸出し管２１における流れの剥離を助長することがある。しかしながら、連通配管１００を備えることで、漏水ＬＡの一部が、連通配管１００を介して吸出し管２１のエルボ２１ａで構成される位置の主流路３５に導出されるので、間隙部３３からの漏水ＬＡの噴出速度が低下する。そのため、間隙部３３から噴出される漏水ＬＡによって生じる主流の乱れを抑制することができる。
【００９７】
また、曲がり流路であるエルボ２１ａの内径側の出口位置における主流路３５では、流れの剥離が生じ、低圧状態になるため、溝４０からエルボ２１ａの内径側の出口位置における主流路３５に効率よく漏水ＬＡを導くことができる。
【００９８】
なお、ここでは、溝４０を備えたシール構造体９０について説明したが、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した溝５０を備える場合にも、第３の実施の形態の構成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。
【００９９】
また、第３の実施の形態のシール構造体９０に、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した抵抗体６０や板状部材７０を備えてもよい。この場合においても、抵抗体６０や板状部材７０を備えた第１の実施の形態のシール構造体３０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【０１００】
さらに、第３の実施の形態のシール構造体９０に、第２の実施の形態のシール構造体８０で説明した側壁溝８１、８２の構成を備えてもよい。この場合においても、側壁溝８１、８２を備えた第２の実施の形態のシール構造体８０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０１】
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…水車、１１…主軸、１２…ランナ、１３…ランナ羽根、１４…クラウン、１５…ランナバンド、１６…ケーシング、１７…ステーベーン、１８…ガイドベーン、１９…カバー、２０…ディスチャージリング、２１…吸出し管、２１ａ…エルボ、２２…シールライナ、２２ａ…表面、２２ｂ…側壁、３０，８０，９０…シール構造体、３１…シール部、３２…出口、３３…間隙部、３４…屈曲部、３５…主流路、４０，５０…溝、４１，５１…底面、５２，８１ｂ…側面、６０…抵抗体、６１…棒状部材、７０…板状部材、８１，８２…側壁溝、８１ａ，８２ａ…端面、８２ｂ…傾斜側面、９１…連通路、９１ａ…入口開口、９１ｂ…出口開口、１００…連通配管。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械のシール構造体に係り、特に、例えば、フランシス形水車やフランシス形ポンプ水車などの流体機械のシール構造体およびこのシール構造体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、水車やポンプなどの機種が存在する。図１６は、従来のフランシス水車３００の一部を子午断面で示した図である。図１７および図１８は、従来のフランシス水車３００におけるシール構造体の子午断面を示す図である。
【０００３】
上池より鉄管を通って導入される圧力水は、ケーシング３１０とステーベーン３１１を通過し、流量調整が行われるガイドベーン３１２を通過してランナ３０５へ導かれる。ランナ３０５は、複数枚のランナ羽根３１３と、このランナ羽根３１３の周囲に設けられたランナバンド３１４と、ランナ羽根３１３をランナバンド３１４とともに挟むように設けられたクラウン３１５を備えている。そして、ランナ３０５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３０５は、主軸３１６を回転軸として回転する。また、この主軸３１６は、図示しない発電機に連結され、主軸３１６の回転により発電機を回転させて発電する。そして、ランナ３０５を通過した水は、吸出し管３１７を通って下流の下池へと排出される。
【０００４】
このような、フランシス水車３００のような流体機械では、一般的に、回転部と静止部とを有するため、その間の隙間を作動流体が通り抜ける漏流が発生する。この漏流は、流体機械内で原動機とのエネルギ交換を行わないため、漏流の流量に応じて漏れ損失が生じる。そこで、この漏流を極力少なくするために、流体機械の入口および出口付近に極小隙間からなるシール構造が採用されている（例えば、特許文献１−３参照。）。
【０００５】
図１６に示した従来のフランシス水車３００におけるシール構造として、図１７に示すような単段のシール構造３２０ａや、図１８に示すような複数段のシール構造３２０ｂが採用されている。これらのシール構造３２０ａ、３２０ｂは、回転するランナバンド３１４との間に周方向に亘って所定の隙間を形成するように、ディスチャージリング３１８にシールライナ３２１を設けることで構成されている。
【０００６】
例えば、図１７に示す単段のシール構造３２０ａでは、回転軸方向に平行な隙間３２２と、この隙間３２２に連通し、隙間３２２の出口から主流方向に対してほぼ直交する方向に屈曲した隙間３２３とからなる、断面においてＬ状の隙間が形成されている。
【０００７】
また、図１８に示す複数段のシール構造３２０ｂでは、図１７に示す回転軸方向に平行な隙間３２２を階段状に構成した隙間３２４と、この隙間３２２に連通し、隙間３２２の出口から主流方向に対してほぼ直交する方向に屈曲した隙間３２５とからなる隙間が形成されている。
【０００８】
上記したシール構造３２０ａ、３２０ｂを備えることで、漏流の低減を図ることはできるものの、漏流を完全に失くすことは困難である。また、ランナバンド３１４の下面３１４ａとシールライナ３２１の上面３２１ａとの隙間３２３、３２５を流れる漏流は、水車の入口と出口との間の大きい圧力差により、高速のジェットとなり、吸出し管３１７の上部に排出される。
【０００９】
ここで、図１９は、ランナバンド３１４の下面３１４ａとシールライナ３２１の上面３２１ａとの隙間３２３、３２５を流れる漏流の様子を説明するための模式図である。
【００１０】
図１９に示すように、回転軸方向に平行な隙間３２２、３２４から流出した高速の漏流３３０は、隙間３２５を構成するシールライナ３２１の上面３２１ａに衝突して向きを変え、隙間３２３、３２５に沿って吸出し管３１７の上部に排出される。
【００１１】
一方、ランナバンド３１４は、高速で回転しているため、このランナバンド３１４との摩擦によって引き起こされた流れ３３１が遠心力で外周側へ向かって流れる。すなわち、図１９に示すように、隙間３２３、３２５では、ランナバンド３１４側の流れ３３１と、シールライナ３２１側の流れ３３０とが、反転した流動状態となる。
【００１２】
また、ランナ３０５の出口付近は、流路全体で最も断面積が小さく、平均的に低圧となる。このランナ３０５の出口付近に連通する隙間３２３、３２５における圧力も低い状態となる。
【００１３】
ここで、低圧の雰囲気下で高速流が物体表面を流れる場合、一般的に、表面の段差や傷等を起点にキャビテーションが発生することがある。すなわち、水車の運転状態によっては、漏流３３０のような高速流が、隙間３２３、３２５を構成するシールライナ３２１の上面の段差や傷３３２を通過する際に、図１９に示すようなキャビテーション３３３を発生させることがある。
【００１４】
発生したキャビテーション３３３は、そのままシールライナ３２１の上面３２１ａに沿って流れるため、シールライナ３２１の下流側の上面３２１ａでは、キャビテーション３３３による壊食が発生することがある。このようなキャビテーションによる壊食の発生により、機器の点検間隔を短くしたり、シールライナ３２１の交換時期を早めたりしなければならず、水力発電所の運用に大きな支障をきたす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭５６−１１０５６７号公報
【特許文献２】特公昭５８−４０６６０号公報
【特許文献３】特開２００４−３０８４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記した従来の、例えばフランシス水車におけるシール構造では、シール構造部の下流部において発生するキャビテーションにする効果的な対策はなされていなかった。また、従来のシール構造を採用する場合、キャビテーションによる壊食に対する対応として、シールライナの交換時期の早期化や壊食に対する材料強度の強化などがなされていた。そのため、従来のシール構造では、キャビテーションの発生を抑制するような対策は施されていなかった。
【００１７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、回転部と静止部との間のシール構造部における漏流によるキャビテーションの発生を抑制することができる流体機械のシール構造体および流体機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、複数の羽根およびこれらの羽根の一方の端部に周方向に亘って設けられた環状部材を備える回転部と前記環状部材を囲うように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部、および当該シール部の出口から屈曲して主流が流れる主流路に連通する円環状の間隙部を構成する、流体機械のシール構造体であって、前記シール部の出口に対向する前記固定部の表面側に、周方向に亘って環状に溝が形成されていることを特徴とする流体機械のシール構造体が提供される。
【００１９】
さらに、本発明の一態様によれば、上記した流体機械のシール構造体を備えたことを特徴とする流体機械が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の流体機械のシール構造体および流体機械によれば、回転部と静止部との間のシール構造部における漏流によるキャビテーションの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のシール構造体を備えた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の実施の形態のシール構造体の子午断面を示す図である。
【図３】図２に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の、他の形状の溝を備えるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図５】図４に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図６】図２に示した溝に抵抗体を備えた場合の、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図７】図２に示した溝に板状部材を備えた場合の、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図８】図７のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図９】本発明に係る第２の実施の形態のシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１０】図９に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図１１】本発明に係る第２の実施の形態の、他の形状の側壁溝を備えるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１２】図１１に示したシール構造体における漏流の様子を説明するための、シール構造体の子午断面を示す図である。
【図１３】本発明に係る第３の実施の形態のシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１４】連通路の構成を説明するための、図１３のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図１５】溝の底面から抽出した漏水を他の部分に導出する構成を備えた水車の一部を子午断面で示した図である。
【図１６】従来のフランシス水車の一部を子午断面で示した図である。
【図１７】従来のフランシス水車におけるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１８】従来のフランシス水車におけるシール構造体の子午断面を示す図である。
【図１９】ランナバンドの下面とシールライナの上面との隙間を流れる漏流の様子を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態のシール構造体３０を備えた水車１０の一部を子午断面で示した図である。なお、ここでは、水車１０としてフランシス形水車を例示して説明する。
【００２４】
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羽根１３と、これらのランナ羽根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、ランナ羽根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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、ランナ１２の上方にはカバー１９が設けられ、ランナ１２の下方にはディスチャージリング２０が設けられている。さらに、ランナ１２の下方には、ディスチャージリング２０に接続された吸出し管２１が配設されている。
【００２７】
ここで、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を囲うように設けられたディスチャージリング２０などの固定部との間にはシール構造が構成されている。
【００２８】
次に、このシール構造を構成するシール構造体３０について説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る第１の実施の形態のシール構造体３０の子午断面を示す図である。
【００３０】
図２に示すように、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、ディスチャージリング２０の表面に設けられた、固定部であるシールライナ２２との間には、円環状の微小間隙からなるシール部３１、およびこのシール部３１の出口３２から直角に屈曲して主流が流れる主流路３５に連通する円環状の間隙部３３が構成されている。なお、ここでは、シール部３１の出口３２から直角に屈曲する円環状の間隙部３３を示しているが、本発明では、この屈曲角（図２に示したシールライナ２２においてＬ字状に表面が屈曲する部分の屈曲角）が６０〜１２０度の範囲を含むものとする。ここで、屈曲角をこの範囲とするのは、シールライナ２２の表面２２ａに沿う流れを形成する屈曲角であれば本発明の作用効果は得られるが、例えば、縦軸型のフランシス形水車の場合、分解および組立時にランナ１２をシールライナ２２の表面２２ａ上に置くことがあり、上記した屈曲角の範囲外では、シールライナ２２の表面２２ａ上にランナ１２を置き難くなり現実的ではないからである。
【００３１】
また、図２に示すように、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側に、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。この溝４０は、シールライナ２２の、主流路３５側に屈曲する屈曲部３４から主流路３５側に向かって形成されている。
【００３２】
この溝４０の底面４１は、図２に示すように、例えば、シール部３１の出口３２に対向する位置から主流路３５側に向かって、溝４０の深さが徐々に浅くなるような傾斜面で構成されることが好ましい。なお、ここでは、図２に示した断面において、溝４０の形状が、溝４０の最も深くなる部分を１つの頂点とした三角形状となる一例を示しているが、この形状に限られるものではない。例えば、図２に示した断面において、溝４０の最も深くなる部分の形状を鋭角とせずに、曲面で形成してもよい。
【００３３】
なお、溝４０の形状は、間隙部３３に噴出された高速の漏水ＬＡの流出方向を、間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない方向に変更できる形状であればよい。そのため、溝４０の底面４１の少なくとも一部が、溝４０の深さが主流路３５側に向かって徐々に浅くなる傾斜面を有していればよい。
【００３４】
ここで、水車１０の中心軸（主軸１１の中心軸）からの半径方向の、溝４０の幅Ｌ１は、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍以上であることが好ましい。溝４０の幅Ｌ１が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍より狭い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流が、溝４０内に流入しないからである。
【００３５】
また、図２に示すように、間隙部３３のシールライナ２２の表面２２ａと同一平面に対する溝４０の底面４１の傾斜角度θ１は、２０〜９０度であることが好ましい。ここで、傾斜角度θ１が２０度よりも小さい場合には、キャビテーションを抑制する効果が小さく、傾斜角度θ１が９０度よりも大きい場合には、溝４０の開口部の面積が小さくなり、漏水ＬＡの溝４０内への導入を妨げるおそれがあるからである。
【００３６】
次に、水車１０およびシール構造体３０における作動流体の動作について説明する。
【００３７】
図３は、図２に示したシール構造体３０における漏流の様子を説明するための、シール構造体３０の子午断面を示す図である。
【００３８】
上池より鉄管を通って導入される圧力水は、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を通過した水は、吸出し管２１を通って下流の下池へと排出される。
【００３９】
一方、ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、図３に示すように、溝４０内に流入し、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変更され、例えば、溝４０の底面４１の傾斜角度θ１を有して間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡは、間隙部３３から主流路３５に導出される。
【００４０】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、例えば、前述した従来の漏水（図１９参照）のように、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００４１】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に速やかに向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００４２】
上記したように、第１の実施の形態のシール構造体３０、これを備えた水車１０によれば、シールライナ２２に形成された溝４０において、間隙部３３に噴出された高速の漏水ＬＡの流出方向を変更し、例えば、流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの発生を抑制することができる。これによって、キャビテーションによる壊食を抑制することができる。
【００４３】
ここで、溝４０の形状は、上記した形状に限られるものではなく、上記したように、間隙部３３に噴出された高速の漏水ＬＡの流出方向を、間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない方向に変更できる形状であればよい。
【００４４】
図４は、本発明に係る第１の実施の形態の、他の形状の溝５０を備えるシール構造体３０の子午断面を示す図である。図５は、図４に示したシール構造体３０における漏流の様子を説明するための、シール構造体３０の子午断面を示す図である。
【００４５】
図４に示すように、溝５０の底面５１を、例えば、シール部３１の出口３２に対向する位置から主流路３５側に向かって、溝５０の深さが一定となるように構成してもよい。ここでは、図４に示す断面において、溝５０の形状が長方形となる一例を示している。この溝５０の形状が長方形となる場合が、前述した傾斜角度θ１が９０度の場合である。
【００４６】
なお、溝５０の底面の少なくとも一部を、上記したように、溝５０の深さが一定となるように構成すればよく、例えば、溝５０の主流路３５側の側面５２が、前述した傾斜角度θ１の範囲（９０度を除く）で構成されていてもよい。この場合には、図４に示す断面において、溝５０の形状は矩形（台形）となる。
【００４７】
ここで、水車１０の中心軸（主軸１１の中心軸）からの半径方向の、溝５０の幅Ｌ３は、溝４０の幅Ｌ１の場合と同様に、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍以上であることが好ましい。溝５０の幅Ｌ３が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍より狭い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流が、溝５０内に流入しないからである。
【００４８】
ここで、図４に示す溝５０の形状を有する場合のシール構造体３０における漏流の様子を説明する。
【００４９】
ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、図５に示すように、溝５０内に流入し、溝５０に沿って流れ、溝５０の主流路３５側の側面５２側から、間隙部３３の中心方向に対してほぼ直交する方向に噴出される。
【００５０】
このように、溝５０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００５１】
また、溝５０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００５２】
さらに、溝５０に流入した漏水ＬＡは、溝５０に沿って流れる際、図５に示すように、底面５１や主流路３５側の側面５２と衝突をするため、圧力損失が増加し、漏水ＬＡの流量が減少し、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００５３】
さらに、このシール効果を向上させるために、上記した溝４０、５０に、抵抗体６０や板状部材７０を備えてもよい。
【００５４】
図６は、図２に示した溝４０に抵抗体６０を備えた場合の、シール構造体３０の子午断面を示す図である。図７は、図２に示した溝４０に板状部材７０を備えた場合の、シール構造体３０の子午断面を示す図である。図８は、図７のＡ−Ａ断面を示す図である。
【００５５】
図６に示すように、抵抗体６０は、例えば溝４０の開口面に垂直になるように、溝４０の底面４１に複数の細い棒状部材６１を所定の間隔をあけてブラシ状に立設して構成される。この棒状部材６１の先端は、漏水ＬＡが溝４０に流入するのを妨げない程度に、溝４０の開口面が突出させることができるが、溝４０の開口面と同一平面上とすることが好ましい。
【００５６】
このように溝４０に抵抗体６０を備えることで、上記した溝４０を備えることで得られる効果に加え、抵抗体６０との摩擦損失などで溝４０に流入した漏水ＬＡの圧力損失が増加し、漏水ＬＡの流量が減少することにより、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００５７】
なお、抵抗体６０の構成は、上記した構成に限られるものではなく、溝４０に漏水ＬＡを流入させつつ、圧力損失を増加させる構成であればよい。
【００５８】
図７および図８に示すように、溝４０に、円周方向に沿って所定の間隔をあけて、溝４０の幅方向（水車１０の中心軸からの半径に向かう方向）に亘って立設された板状部材７０を複数備えてもよい。この板状部材７０の先端は、溝４０の開口面と同一平面上とすることが好ましい。
【００５９】
このように溝４０に板状部材７０を備えることで、上記した溝４０を備えることで得られる効果に加え、溝４０に流入した漏水ＬＡが板状部材７０と衝突し、乱れて拡散し、圧力損失が増加して、漏水ＬＡの流量が減少することにより、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００６０】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明に係る第２の実施の形態のシール構造体８０の子午断面を示す図である。なお、第１の実施の形態のシール構造体３０と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。
【００６１】
図９に示すように、第２の実施の形態のシール構造体８０において、第１の実施の形態のシール構造体３０と同様に、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側に、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。さらに、第２の実施の形態のシール構造体８０では、シール部３１の出口３２よりも下流側のシールライナ２２の側壁２２ｂに、周方向に亘って環状に側壁溝８１が形成されている。
【００６２】
側壁溝８１のシール部３１の出口３２側の端面８１ａは、シール部３１の出口３２の開口面と同一平面上に位置している。また、シールライナ２２の側壁２２ｂに沿う方向の、側壁溝８１の幅Ｍ１は、シール部３１の出口３２から溝４０の最大深さ位置までの距離と等しくなるように構成されている。
【００６３】
また、側壁溝８１の深さＭ２は、水車１０の中心軸（主軸１１の中心軸）からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍以上であることが好ましい。側壁溝８１の深さＭ２が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍より浅い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流を側壁溝８１の側面８１ｂ側へ広げる効果が小さいからである。
【００６４】
また、水車１０の中心軸からの半径方向の、溝４０の幅Ｌ１は、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の４倍以上であることが好ましい。溝４０の幅Ｌ１が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の４倍より短い場合には、シール部３１の出口３２から流出した漏流が、溝４０内に流入し難くなるからである。すなわち、溝４０の幅Ｌ１と側壁溝８１の深さＭ２を加算した長さは、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の５倍以上となる。
【００６５】
次に、シール構造体８０における作動流体の動作について説明する。
【００６６】
図１０は、図９に示したシール構造体８０における漏流の様子を説明するための、シール構造体８０の子午断面を示す図である。
【００６７】
ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、ランナバンド１５の摩擦により周方向に加速されるため、図１０に示すように、遠心力によって側壁溝８１の側面８１ｂ側へ広がりながら溝４０内に流入する。溝４０内に流入した漏水ＬＡは、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変えられ、例えば、溝４０の底面４１の傾斜角度θ１を有して間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡは、間隙部３３から主流路３５に導出される。なお、傾斜角度θ１は、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した角度である。
【００６８】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を変更し、例えば、流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、前述した従来の漏水（図１９参照）のように、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００６９】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に速やかに向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００７０】
さらに、シールライナ２２の側壁２２ｂに側壁溝８１を設けることで、シール部３１の出口３２から流出した漏流は、流路の急拡大による圧力損失が発生する。そのため、漏水ＬＡの流量が減少し、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００７１】
また、例えば、縦軸型のフランシス形水車の場合、分解および組立時にランナ１２をシールライナ２２の表面２２ａ上に置くことがある。そのため、溝４０が形成されていない部分の、水車１０の中心軸からの半径方向の、シールライナ２２の表面２２ａの幅Ｌ４が狭すぎると強度不足になる。そこで、シールライナ２２の表面２２ａの幅Ｌ４は、所定の幅に規定されている。一方、溝４０の幅Ｌ１を狭くしすぎると、シール部３１の出口３２から流出した漏水ＬＡが、溝４０内に流入しない。そこで、上記したように、シール部３１の出口３２よりも下流側のシールライナ２２の側壁２２ｂに側壁溝８１を設けることで、幅Ｌ４の所定の幅を確保しつつ、シール部３１の出口３２から流出した漏水ＬＡを溝４０内に確実に流入させることができる。
【００７２】
ここで、シールライナ２２の側壁２２ｂに形成される側壁溝８１は、上記した構成に限られるものではない。
【００７３】
図１１は、本発明に係る第２の実施の形態の、他の形状の側壁溝８２を備えるシール構造体８０の子午断面を示す図である。図１２は、図１１に示したシール構造体８０における漏流の様子を説明するための、シール構造体８０の子午断面を示す図である。
【００７４】
図１１に示すように、側壁溝８２は、シール部３１の出口３２から徐々に外周側に広がる、周方向に亘る環状の傾斜壁で構成されてもよい。
【００７５】
この場合には、水車１０の中心軸からの半径方向の、側壁溝８２の溝４０側の端面８２ａの幅Ｌ５は、水車１０の中心軸からの半径方向の、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍以上であることが好ましい。側壁溝８２の溝４０側の端面８２ａの幅Ｌ５が、シール部３１の出口３２の幅Ｌ２の１倍よりも狭い場合には、上記した場合と同様に、幅Ｌ４の所定の幅を確保しつつ、シール部３１の出口３２から流出した漏水ＬＡを溝４０内に確実に流入させることが困難となるからである。
【００７６】
この側壁溝８２を備えるシール構造体８０において、図１２に示すように、ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡは、剥離せずに、側壁溝８２の傾斜側面８２ｂに沿って流れながら溝４０内に流入する。溝４０内に流入した漏水ＬＡは、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変えられ、間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡは、間隙部３３から主流路３５に導出される。
【００７７】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００７８】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００７９】
さらに、側壁溝８２の側面を傾斜側面８２ｂとすることで、漏水ＬＡは、剥離せずに傾斜側面８２ｂに沿って流れ、減速され、圧力損失が発生する。そのため、漏水ＬＡの流量が減少し、シール効果を向上させることができる。この漏れ損失の低減によって水車効率を向上させることができる。
【００８０】
なお、ここでは、溝４０を備えたシール構造体８０について説明したが、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した溝５０を備える場合にも、第２の実施の形態の構成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。
【００８１】
さらに、第２の実施の形態のシール構造体８０に、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した抵抗体６０や板状部材７０を備えてもよい。この場合においても、抵抗体６０や板状部材７０を備えた第１の実施の形態のシール構造体３０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００８２】
（第３の実施の形態）
図１３は、本発明に係る第３の実施の形態のシール構造体９０の子午断面を示す図である。図１４は、連通路９１の構成を説明するための、図１３のＢ−Ｂ断面を示す図である。なお、第１の実施の形態のシール構造体３０と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。
【００８３】
図１３に示すように、第３の実施の形態のシール構造体９０において、第１の実施の形態のシール構造体３０と同様に、シール部３１の出口３２に対向するシールライナ２２の表面２２ａ側に、周方向に亘って環状に溝４０が形成されている。さらに、第３の実施の形態のシール構造体９０では、溝４０の底面４１と主流路３５とを連通させる連通路９１が形成されている。なお、連通路９１は、周方向に亘って均等に複数設けられている。
【００８４】
この連通路９１の中心軸に垂直な断面形状は、例えば、円形、楕円形または長円形とすることができる。また、特に、円形の円の直径と、楕円形の短径または長円の円の直径とが等しい場合において、連通路９１の流路断面積を増加する観点から、連通路９１の断面形状を楕円形または長円形とすることが好ましい。連通路９１の断面形状を楕円形または長円形とすることで、連通路９１の流路断面積が増加し、連通路９１を介して主流路３５側に導出される漏水ＬＡの流量を増加させることができる。
【００８５】
また、連通路９１の入口開口９１ａは、溝４０の底面４１のいずれの位置に形成されてもよいが、特に、連通路９１を介して主流路３５側に導出される漏水ＬＡの流量を増加させる観点から、シール部３１の出口３２に対向する位置に形成されることが好ましい。このように、連通路９１の入口開口９１ａをシール部３１の出口３２に対向する位置に形成した場合、シール部３１の出口３２から噴出された漏水Ｌは、連通路９１の入口開口９１ａおよびその近傍の底面４１に衝突するため、連通路９１の入口開口９１ａにおいて静圧が高まる。そのため、連通路９１の入口開口９１ａと出口開口９１ｂとの間の圧力差を大きくすることができ、連通路９１を介して主流路３５側に導出される漏水ＬＡの流量を増加させることができる。
【００８６】
また、連通路９１は、図１４に示すように、回転部の回転方向（図１４の矢印方向）に沿うように傾けて形成されることが好ましい。具体的には、連通路９１が主流路３５に連通する出口開口９１ｂにおける連通路９１の中心軸Ｏと、出口開口９１ｂにおける主流路３５の内周壁面に対する接線Ｐとを、主軸１１の回転軸に垂直な平面に投影した際の、中心軸Ｏと接線Ｐとのなす角θ２を９０度未満とすることが好ましい。このように、中心軸Ｏと接線Ｐとのなす角θ２を９０度未満とすることで、ランナ１２から流出する主流の主流路３５の壁面近傍の流れに、回転部の回転方向の旋回流れを付与することができる。この旋回成分によってもたらされる遠心力によって、主流路３５の壁面からの流れの剥離を抑制することができる。そのため、吸出し管２１の壁面における流れの剥離を抑制することができるので、水力効率を向上させることができる。
【００８７】
この連通路９１を備えるシール構造体９０において、ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏水ＬＡは、シール部３１に流入し、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出される。間隙部３３に噴出された漏水ＬＡの一部は、溝４０内に流入し、溝４０に沿って流れ、溝４０よりも主流路３５側の間隙部３３に流出する。溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡは、溝４０によって流出方向が変えられ、間隙部３３の中央に流出する。そして、漏水ＬＡの一部は、間隙部３３から主流路３５に導出される。
【００８８】
一方、間隙部３３に噴出された漏水ＬＡの残りは、連通路９１を介して主流路３５に、回転部の回転方向に旋回する方向に導出される。
【００８９】
このように、溝４０から間隙部３３に流出する漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、高速の漏水ＬＡが間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２２ａに沿って流れない。そのため、段差や傷等を有するシールライナ２２の表面２２ａを高速の漏水ＬＡが流れることによって発生するキャビテーションを抑制することができる。
【００９０】
また、溝４０に流入する前から漏水ＬＡにキャビテーションが発生している場合においても、漏水ＬＡの流出方向を間隙部３３の中央に向けることで、キャビテーションの多くがシールライナ２２の表面２２ａから離れた位置で崩壊する。
【００９１】
さらに、連通路９１を備えることで、キャビテーションの発生源となる漏水ＬＡの一部を連通路９１を介して主流路３５に導出することができるので、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００９２】
また、漏水ＬＡの一部を連通路９１を介して主流路３５に、回転部の回転方向に旋回する方向に導出することができるので、主流路３５の壁面からの流れの剥離を抑制することができ、水力効率を向上させることができる。
【００９３】
ここで、溝４０の底面４１から抽出した漏水ＬＡを上記した以外の部分に導出することもできる。図１５は、溝４０の底面４１から抽出した漏水ＬＡを他の部分に導出する構成を備えた水車１０の一部を子午断面で示した図である。
【００９４】
図１５に示すように、溝４０の底面４１と、主流路３５が屈曲する吸出し管２１のエルボ２１ａの内径側の出口とを連通させる連通配管１００を備えてもよい。この構成において、溝４０の底面４１から抽出した漏水ＬＡは、連通配管１００を介して、吸出し管２１のエルボ２１ａの内径側の出口位置における主流路３５に導出される。なお、連通配管１００は、周方向に亘って溝４０の底面４１に複数設けられることが好ましい。
【００９５】
このように連通配管１００を備えることで、キャビテーションの発生源となる漏水ＬＡの一部を連通配管１００を介して主流路３５に導出することができるので、キャビテーションの発生を抑制することができる。
【００９６】
また、漏水ＬＡを間隙部３３から主流路３５に導出する際、漏水ＬＡが、主流路３５の壁面付近の主流の流れを乱して、吸出し管２１における流れの剥離を助長することがある。しかしながら、連通配管１００を備えることで、漏水ＬＡの一部が、連通配管１００を介して吸出し管２１のエルボ２１ａで構成される位置の主流路３５に導出されるので、間隙部３３からの漏水ＬＡの噴出速度が低下する。そのため、間隙部３３から噴出される漏水ＬＡによって生じる主流の乱れを抑制することができる。
【００９７】
また、曲がり流路であるエルボ２１ａの内径側の出口位置における主流路３５では、流れの剥離が生じ、低圧状態になるため、溝４０からエルボ２１ａの内径側の出口位置における主流路３５に効率よく漏水ＬＡを導くことができる。
【００９８】
なお、ここでは、溝４０を備えたシール構造体９０について説明したが、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した溝５０を備える場合にも、第３の実施の形態の構成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。
【００９９】
また、第３の実施の形態のシール構造体９０に、第１の実施の形態のシール構造体３０で説明した抵抗体６０や板状部材７０を備えてもよい。この場合においても、抵抗体６０や板状部材７０を備えた第１の実施の形態のシール構造体３０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【０１００】
さらに、第３の実施の形態のシール構造体９０に、第２の実施の形態のシール構造体８０で説明した側壁溝８１、８２の構成を備えてもよい。この場合においても、側壁溝８１、８２を備えた第２の実施の形態のシール構造体８０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０１】
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…水車、１１…主軸、１２…ランナ、１３…ランナ羽根、１４…クラウン、１５…ランナバンド、１６…ケーシング、１７…ステーベーン、１８…ガイドベーン、１９…カバー、２０…ディスチャージリング、２１…吸出し管、２１ａ…エルボ、２２…シールライナ、２２ａ…表面、２２ｂ…側壁、３０，８０，９０…シール構造体、３１…シール部、３２…出口、３３…間隙部、３４…屈曲部、３５…主流路、４０，５０…溝、４１，５１…底面、５２，８１ｂ…側面、６０…抵抗体、６１…棒状部材、７０…板状部材、８１，８２…側壁溝、８１ａ，８２ａ…端面、８２ｂ…傾斜側面、９１…連通路、９１ａ…入口開口、９１ｂ…出口開口、１００…連通配管。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の羽根およびこれらの羽根の一方の端部に周方向に亘って設けられた環状部材を備える回転部と前記環状部材を囲うように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部、および当該シール部の出口から屈曲して主流が流れる主流路に連通する円環状の間隙部を構成する、流体機械のシール構造体であって、
前記シール部の出口に対向する前記固定部の表面側に、周方向に亘って環状に溝が形成されていることを特徴とする流体機械のシール構造体。
【請求項２】
前記溝が、前記固定部の前記主流路側に屈曲する屈曲部から前記主流路側に向かって形成されていることを特徴とする請求項１記載の流体機械のシール構造体。
【請求項３】
前記溝の底面の少なくとも一部が、前記溝の深さが前記主流路側に向かって徐々に浅くなる傾斜面で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の流体機械のシール構造体。
【請求項４】
前記溝の底面の少なくとも一部が、前記溝の深さが前記主流路側に向かって一定となるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の流体機械のシール構造体。
【請求項５】
前記溝に抵抗体を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項６】
前記溝に、円周方向に沿って所定の間隔をあけて、前記溝の幅方向に亘って立設された板状部材を複数備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項７】
前記シール部の出口よりも下流側の前記固定部の側壁に、周方向に亘って環状に側壁溝が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１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項８】
前記側壁溝の側壁が、前記シール部の出口から徐々に外周側に広がる傾斜壁で構成されていることを特徴とする請求項７記載の流体機械のシール構造体。
【請求項９】
前記固定部に、前記溝の底部と前記主流路とを連通させる連通路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１０】
前記溝の底部に形成される前記連通路の開口が、前記シール部の出口に対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項９記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１１】
前記連通路の中心軸に垂直な断面形状が、楕円形または長円形であることを特徴とする請求項９または１０記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１２】
前記連通路が前記回転部の回転方向に沿うように傾けて形成され、前記連通路が前記主流路に連通する連通部における前記連通路の中心軸と、前記連通部における前記主流路の内周壁面に対する接線とを前記回転部の回転軸に垂直な平面に投影した際の、前記中心軸と前記接線とのなす角が９０度未満であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１３】
前記溝の底部と、前記主流路が屈曲するエルボ部の内径側の出口とを連通させる連通配管を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１４】
前記溝の底部に連通する前記連通配管の連通口が、前記シール部の出口に対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１３記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体を備えたことを特徴とする流体機械。
【請求項１】
複数の羽根およびこれらの羽根の一方の端部に周方向に亘って設けられた環状部材を備える回転部と前記環状部材を囲うように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部、および当該シール部の出口から屈曲して主流が流れる主流路に連通する円環状の間隙部を構成する、流体機械のシール構造体であって、
前記シール部の出口に対向する前記固定部の表面側に、周方向に亘って環状に溝が形成されていることを特徴とする流体機械のシール構造体。
【請求項２】
前記溝が、前記固定部の前記主流路側に屈曲する屈曲部から前記主流路側に向かって形成されていることを特徴とする請求項１記載の流体機械のシール構造体。
【請求項３】
前記溝の底面の少なくとも一部が、前記溝の深さが前記主流路側に向かって徐々に浅くなる傾斜面で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の流体機械のシール構造体。
【請求項４】
前記溝の底面の少なくとも一部が、前記溝の深さが前記主流路側に向かって一定となるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の流体機械のシール構造体。
【請求項５】
前記溝に抵抗体を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項６】
前記溝に、円周方向に沿って所定の間隔をあけて、前記溝の幅方向に亘って立設された板状部材を複数備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項７】
前記シール部の出口よりも下流側の前記固定部の側壁に、周方向に亘って環状に側壁溝が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１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項８】
前記側壁溝の側壁が、前記シール部の出口から徐々に外周側に広がる傾斜壁で構成されていることを特徴とする請求項７記載の流体機械のシール構造体。
【請求項９】
前記固定部に、前記溝の底部と前記主流路とを連通させる連通路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１０】
前記溝の底部に形成される前記連通路の開口が、前記シール部の出口に対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項９記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１１】
前記連通路の中心軸に垂直な断面形状が、楕円形または長円形であることを特徴とする請求項９または１０記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１２】
前記連通路が前記回転部の回転方向に沿うように傾けて形成され、前記連通路が前記主流路に連通する連通部における前記連通路の中心軸と、前記連通部における前記主流路の内周壁面に対する接線とを前記回転部の回転軸に垂直な平面に投影した際の、前記中心軸と前記接線とのなす角が９０度未満であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１３】
前記溝の底部と、前記主流路が屈曲するエルボ部の内径側の出口とを連通させる連通配管を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１４】
前記溝の底部に連通する前記連通配管の連通口が、前記シール部の出口に対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１３記載の流体機械のシール構造体。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項記載の流体機械のシール構造体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１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−１２２４７２（Ｐ２０１１−１２２４７２Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８６７４（Ｐ２００９−２７８６７４）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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