JP2000120521A

JP2000120521A - 水車

Info

Publication number: JP2000120521A
Application number: JP10291728A
Authority: JP
Inventors: Ryuichiro Iwano; 龍一郎岩野; Katsumasa Shinmei; 克真震明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2000-04-25
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: US6334757B1; JP4013356B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、設計が容易な三次元翼型の形
状を有し且つ締めきり可能な案内羽根を備え、低コスト
でキャビテーションの発生を防止できる水車を提供する
ことにある。【解決手段】羽根車と、羽根車の外側の周方向に複数の
翼が配列されて形成され、各翼が羽根車の回転軸に平行
な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽根と、案
内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列されて形成され
るステーベーンと、ステーベーンの外側を覆うケーシン
グとを備えた水車において、案内羽根の締め切り状態に
おいて、案内羽根３の翼の前記中心軸に垂直な断面が、
案内羽根の上側から下側に向けて羽根車の回転方向１１
に変位している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は案内羽根を備えた水
車に係り、特に三次元翼型の案内羽根を備えた水車に関
する。三次元翼型とは、案内羽根を構成する各翼が、そ
の回転軸に垂直な断面形状の外形又は位置のうち少なく
とも一方が、その回転軸の方向に変化する構造のものを
いう。

【０００２】

【従来の技術】図２０を用いて、従来の水車を説明す
る。同図の（ａ）は従来の水車の概略横断面図である。
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。この水車は、ケ
ーシング１，ステーベーン２，案内羽根３，羽根車４な
どから構成される。水は、ケーシング１に流入し、ステ
ーベーン２及び案内羽根３を通って羽根車４に流入す
る。羽根車４に流入した水は、羽根車４を回転方向１１
の向きに回転させる。羽根車４の下側及び上側は、それ
ぞれバンド８及びクラウン１０に固定されている。クラ
ウン１０は回転軸１４に固定されており、羽根車４は回
転軸１４を中心に回転する。案内羽根３の各翼は、回転
軸７を中心に回転する。

【０００３】案内羽根３の全ての翼は、同相で開閉す
る。翼の開閉は、回転軸７にアーム２５ａ，２５ｂによ
り連結されたガイドリング２４を回転させることにより
行う。案内羽根３は、運転停止時に水を完全に締め切る
必要がある。このため、通常案内羽根３の翼は二次元翼
型の形状をしている。二次元翼型とは、回転軸７に垂直
な翼の各断面形状の外形及び位置が同じものをいう。

【０００４】水車の性能上重要な課題の一つにキャビテ
ーションの防止がある。羽根車４の内部におけるキャビ
テーションの発生は、効率の低下、振動や騒音の発生な
どの問題を生じる。キャビテーションが著しい場合に
は、羽根車４が損傷し、交換が必要になる可能性もあ
る。図２０の水車の場合、羽根車４のバンド８側の曲率
が大きいため、この領域の流れが加速して圧力が低下す
る。従って、羽根車４の入口のバンド８側におけるキャ
ビテーションの発生を防止することが重要である。キャ
ビテーションの防止に関する第１の従来技術として、特
開昭59−82580 号公報に、羽根車４の前縁部９をクラウ
ン１０側からバンド８側に向かって回転方向１１に傾斜
させた構成が記載されている。

【０００５】キャビテーションの防止に関する第２の従
来技術として、特開昭51−72846 号公報，特開昭52−98
841号公報、及び実開昭61−43977号公報に、側面形状を
台形や平行四辺形とした三次元翼型の案内羽根が記載さ
れている。また、案内羽根３の上側の断面形状の後端を
羽根車４側に伸ばした構成も記載されている。

【０００６】キャビテーションの防止に関する第３の従
来技術として、特開昭60−182361号公報に、案内羽根の
回転軸と後縁とを結ぶ直線が、羽根車の円周方向となす
角度が下側で小さくなるように構成した案内羽根が記載
されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術の場
合、ダムの水位が高い高落差時に羽根車４の翼の負圧面
側に発生するキャビテーションは防止できる。しかし、
ダムの水位が低い低落差時に羽根車４の翼の正圧面側に
発生するキャビテーションは防止できない。従って、ダ
ムの水位低下により運転条件が変化した場合に対応が難
しい。また、既設の水車のキャビテーションを防止する
場合には、製造コストが高い羽根車４を交換する必要が
ある。更に、羽根車４は大型の構成要素であるため、そ
の運搬及び設置には長い期間が必要となり、これもコス
ト高の要因となる。

【０００８】第２の従来技術の場合、案内羽根３は、一
般に水の流路を完全に締め切ることはできない。

【０００９】第３の従来技術の場合、案内羽根の翼型そ
のものを上側から下側にかけて変化させる必要があるた
め、設計が困難となる。

【００１０】本発明の目的は、設計が容易な三次元翼型
の形状を有し且つ締めきり可能な案内羽根を備え、低コ
ストでキャビテーションの発生を防止できる水車を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】初めに、羽根車の入口に
おいてキャビテーションが発生する原因を図２１を用い
て説明する。図中のＣｕ，Ｃｖ及びＣｗは、それぞれ羽
根車の旋回速度，水流の絶対速度及び羽根車に対する水
流の相対速度を表わしている。これら３つの速度ベクト
ルで形成される三角形は、羽根車の入口における速度三
角形と呼ばれる。図２１の(ａ)，(ｂ)及び(ｃ)は、それ
ぞれ低落差時，定格運転落差時及び高落差時における速
度三角形を示している。

【００１２】同図に示すように、(ｂ)の定格運転落差時
以外では、羽根車への水の流入角度は羽根車４の翼の前
縁（先端部）４ａの角度と一致していない。このため、
キャビテーションが発生する可能性がある。(ａ)の低落
差時には、羽根車４の翼の正圧面１３側にキャビテーシ
ョンが発生し易い。(ｃ)の高落差時には、羽根車４の翼
の負圧面１２側にキャビテーションが発生し易い。この
ような羽根車への流入角度の変化は、一般の水車に発生
することが知られている。

【００１３】通常は、羽根車への負荷が大きくなる高落
差時の方が、キャビテーションの発生の可能性が大き
い。しかし、羽根車の設計によっては、低落差時にキャ
ビテーションが発生する可能性もある。一般に、水車の
運転落差範囲内ではキャビテーションが発生しないこと
が要求される。従って、羽根車の設計に応じて、最もキ
ャビテーションが発生し易い落差において、キャビテー
ションの発生を防止することが要求される。

【００１４】ところで、図２１に示した羽根車への水の
流入角度は、羽根車の周方向における平均的な流入角度
である。厳密には、羽根車の翼の近傍とその他の場所で
は、流入角度が周方向に変化する。この理由を図２２を
用いて説明する。一般に、揚力を発生している翼として
は、飛行機の翼や水車の羽根車の翼などが知られてい
る。これらの翼の先端においては、図２２に示すよう
に、流体の流れは正圧面側から流入するようにその方向
が変化する。これは、翼の周りに循環と呼ばれる一種の
渦層が形成され、この渦層から誘起速度を受けて流れの
方向が曲げられるためである。

【００１５】このように、揚力を発生している翼が流れ
の中にある場合、翼の影響が上流側に及ぶことにより流
体の流入角度が変化する。水車の羽根車の場合も、図２
３に示すように、羽根車４の翼の前縁（先端）４ａ付近
において、正圧面１３側から水が流入する傾向がある。
これからも、高落差時には、羽根車の翼の負圧面１２側
においてキャビテーションが発生し易いことが判る。同
図に示すように、羽根車４の翼の前縁４ａから離れた位
置における水の流れは、平均的な相対速度Ｃｗとほぼ一
致する。

【００１６】本発明は、上記した分析結果に基づいて、
揚力を発生している水車の羽根車の翼がその上流側の流
れに与える影響の大きさを制御するものである。この制
御により、羽根車の翼の前縁付近の局所的な流入角度を
変化させ、キャビテーションの発生を防止するものであ
る。

【００１７】具体的には、低落差時にバンド８側でキャ
ビテーションの発生する可能性が大きい場合、案内羽根
を開いた時に下カバー側において羽根車との距離が遠く
なるような案内羽根の形状とする。案内羽根をこのよう
な形状にすることにより、上記した羽根車の翼（揚力を
発生している翼）の影響がより上流まで及ぶことにな
る。この結果、図２１(ａ)のように負圧面１２側から流
入しようとする流れの向きを正圧面１３側に曲げて、流
入角度を羽根車の翼の前縁４ａの角度と一致させること
ができる。

【００１８】高落差時にバンド８側でキャビテーション
の発生する可能性が大きい場合には、案内羽根を開いた
時に下カバー側において羽根車との距離が近くなるよう
な案内羽根の形状とする。案内羽根をこのような形状に
することにより、上記した羽根車の翼（揚力を発生して
いる翼）の影響が上流まで及ばないことになる。この結
果、図２３のように流れが曲げられて正圧面１３側から
流入することを防いで、流入角度を羽根車の翼の前縁４
ａの角度と一致させることができる。

【００１９】以上の考察から、前記目的を達成するため
の第１の発明は、羽根車と、前記羽根車の外側の周方向
に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の
回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案
内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配
列されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーン
の外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記
案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の各翼
の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向の一方か
ら他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方向の少な
くとも一方に変位していると共に、前記変位している断
面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転
軸からの距離に応じてその大きさが設定されている。

【００２０】第２の発明は、羽根車と、前記羽根車の外
側の周方向に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前
記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構
成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複
数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ス
テーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車にお
いて、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内
羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向
の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向に変位す
る。

【００２１】第３の発明は、羽根車と、前記羽根車の外
側の周方向に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前
記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構
成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複
数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ス
テーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車にお
いて、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内
羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向
の一方から他方に向けて、前記羽根車の径方向に変位し
ていると共に、前記変位している断面の各形状は、互い
に相似形をなし、前記羽根車の回転軸からの距離が近い
ほどその大きさが小さくなる。

【００２２】第４の発明は、羽根車と、前記羽根車の外
側の周方向に複数の翼が配列されて形成され、各翼が前
記羽根車の回転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構
成される案内羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複
数の翼が配列されて形成されるステーベーンと、前記ス
テーベーンの外側を覆うケーシングとを備えた水車にお
いて、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内
羽根の翼の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向
の一方から他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方
向の両方向に変位していると共に、前記変位している断
面の各形状は、互いに相似形をなし、前記羽根車の回転
軸からの距離が近いほどその大きさが小さくなる。

【００２３】第５の発明は、羽根車と、前記羽根車の外
側に配置される三次元翼型の案内羽根と、前記案内羽根
の外側に配置されるステーベーンと、前記ステーベーン
の外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記
案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を構成
する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略平行
四辺形をなし、前記各翼をその回転の中心軸方向から見
た場合、該中心軸に垂直な断面が前記羽根車の周方向に
ずれて見える。

【００２４】第６の発明は、羽根車と、前記羽根車の外
側に配置される三次元翼型の案内羽根と、前記案内羽根
の外側に配置されるステーベーンと、前記ステーベーン
の外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記
案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を構成
する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略台形
をなし、前記各翼をその回転の中心軸方向から見た場
合、該中心軸に垂直な断面が前記羽根車の径方向にずれ
て見える。

【００２５】以上の各発明によれば、水車の運転時の案
内羽根を開いた状態（以下、単に開状態という）におい
て、キャビテーションが最も発生し易い落差及び位置に
応じて、案内羽根と羽根車との距離を適切に設定できる
ので、キャビテーションの発生を効果的に防止できる。

【００２６】例えば、高落差時にバンド側でキャビテー
ションが最も発生し易い場合、案内羽根の締め切り状態
（以下、単に閉状態という）において、案内羽根の翼の
回転の中心軸に垂直な断面（以下、単に翼の断面とい
う）が、上カバー側から下カバー側に向けて羽根車の回
転方向（周方向）に変位するように構成する。または、
案内羽根の閉状態において、案内羽根の翼の断面が、上
カバー側から下カバー側に向けて羽根車の径方向の内側
に変位するように構成しても良い。

【００２７】本構成を備えることにより、案内羽根を開
いた時に、下カバー側において案内羽根の翼と羽根車の
翼との距離が近くなる。この結果、前述したように羽根
車の翼の影響が上流まで及ばなくなるので、キャビテー
ションの発生を効果的に防止できる。

【００２８】低落差時にバンド側でキャビテーションが
最も発生し易い場合には、案内羽根の閉状態において、
案内羽根の翼の断面が、上カバー側から下カバー側に向
けて羽根車の回転方向と反対方向（周方向）に変位する
ように構成する。または、案内羽根の閉状態において、
案内羽根の翼の断面が、上カバー側から下カバー側に向
けて羽根車の径方向の外側に変位するように構成しても
良い。

【００２９】本構成を備えることにより、案内羽根を開
いた時に、下カバー側において案内羽根の翼と羽根車の
翼との距離が遠くなる。この結果、前述したように羽根
車の翼の影響が上流まで及ぶようになるので、キャビテ
ーションの発生を効果的に防止できる。

【００３０】上記何れの場合も、変位させる翼の断面の
各形状は、互いに相似形にして、羽根車の回転軸からの
距離が近いほどその大きさが小さくなるように構成すれ
ば良い。翼の断面を羽根車の周方向に変位させる場合に
は、各断面と羽根車の回転軸との距離が同じであるた
め、相似比は１となる。

【００３１】案内羽根の翼の断面をこのように形成する
ことにより、案内羽根を閉じた時に、隣接する翼の前縁
と後縁とが互いに接する状態となる。従って、案内羽根
の締め切り性能を十分に確保できる。

【００３２】更に、上記何れの場合も、翼の断面形状
は、相似形を維持しつつ羽根車の周方向又は径方向に変
位しているだけである。従って、一つの断面における翼
型を設計すれば、他の断面は、相似形を維持しつつその
翼型を周方向又は径方向に移動させるだけで済む。即
ち、翼型そのものを各断面において再設計する必要がな
いので、設計が容易となる。

【００３３】また、以上の各発明によれば、既設の水車
のキャビテーションを防止するために、案内羽根を交換
すれば良い。即ち、製造コストなどが高い羽根車を交換
する必要がないので、低コストでキャビテーションを防
止できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。

【００３５】（実施例１）図１〜図３を用いて、本発明
を適用した水車の第１実施例を説明する。図３は、第１
実施例の水車の概略構成図である。図１は、第１実施例
の水車の概略横断面図である。但し、案内羽根３の翼が
ある開き角度（又は開度）の状態を示している。図２
は、図１のＡ−Ａ矢視図である。

【００３６】本水車は、ケーシング１，ステーベーン
２，案内羽根３，羽根車４などから構成される。羽根車
４の下側及び上側は、それぞれバンド８及びクラウン１
０に固定されている。クラウン１０は回転軸１４に固定
されており、羽根車４は回転軸１４を中心に回転する。
案内羽根３の各翼は、回転軸７を中心に回転する。

【００３７】図１及び図２に示すように、ステーベーン
２及び案内羽根３は、羽根車４の回転軸１４を中心軸と
する周方向に、複数の翼が等間隔に配列されている。ス
テーベーン２の全ての翼は、形状及び開き角度（又は開
度）が同じで、ケーシング１の出口側（内周側）に固定
されている。

【００３８】案内羽根３の全ての翼は形状が同じで、ケ
ーシング１の出口流路を形成する上カバー５と下カバー
６に挟まれている。各翼は、回転軸７を中心に回転可能
に構成されている。翼の開き角度（又は開度）を調整す
ることにより、案内羽根３を通過する水の流量を調整で
きる。翼の開閉は、回転軸７にアームにより連結された
ガイドリング（図示せず）を回転させることにより行
う。ガイドリングの回転は、油圧モータ又は電動モータ
により駆動する。こうして、案内羽根３の全ての翼が同
相で（同じ開き角度で）開閉するようにしている。

【００３９】ダムから導かれた水は、ケーシング１に入
り、ステーベーン２及び案内羽根３を通って羽根車４に
流入する。即ち、図１のケーシング入口１ａから流入し
た水は、ケーシング１内を周方向（同図の右回り方向）
に流れ、ケーシング１の内周側に位置する出口からステ
ーベーン２内に流れる。羽根車４に流入した水は、羽根
車４を回転方向１１の向きに回転させることによって、
回転軸１４に連結されている発電機（図示せず）を回
す。このようにして、ダムに貯えられた水の位置エネル
ギーが電力に変換される。

【００４０】次に、図４〜図６を用いて、本実施例の案
内羽根３の詳細構造を説明する。図４は、案内羽根３を
閉じた状態において、案内羽根３の一つの翼を上カバー
５側から見た図である。図５は、案内羽根３を閉じた状
態を示す図である。図６は、案内羽根３を開いた状態を
示す図である。図５及び図６において、上側は上カバー
５側に対応している。

【００４１】図４及び図５に示すように、本実施例の案
内羽根３の翼は、上カバー５側（以下、上側という）か
ら下カバー６側（以下、下側という）に向かうほど、そ
の断面が羽根車４の回転方向（周方向）１１に変位する
構造を有する。即ち、案内羽根３の翼の回転軸７に垂直
な断面は、上側から下側に向かうほど、羽根車４の回転
方向１１に一定の割合で連続的に変位する。回転軸７の
方向は、羽根車４の回転軸１４の方向と同じである。

【００４２】この場合、翼の断面形状の外形は変化せ
ず、その位置が変化する。言い替えれば、回転方向１１
に変位している翼の各断面の形状は互いに相似形をして
おり、相似比が１である。翼の外見的な特徴は次の２つ
である。第１は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が
概略平行四辺形をしていることである。第２は、翼を回
転軸７の方向から見た場合、回転軸７に垂直な断面が羽
根車４の回転方向にずれて見えることである。このよう
にして、三次元翼型の案内羽根３が構成される。図４に
示すように、案内羽根３の下側の断面形状１８は、上側
の断面形状１７を回転方向１１に回転移動させたもので
あり、単に平行移動したものではない。この場合、翼の
各断面における対応する点を上側から下側まで結んだ線
を、羽根車４の中心軸に垂直な一つの平面上に投影して
形成される投影線（以下、単に投影線という）は、羽根
車４の回転軸１４を中心とする円弧となる。例えば、各
断面における翼の前縁１５（又は後縁１６）の点を上側
から下側まで結んだ線の投影線は、回転軸１４を中心と
する円弧となる。

【００４３】以上では、案内羽根３を閉じた状態におけ
る特徴を説明した。これらの特徴を備えることにより、
案内羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁
１６とが互いに接する状態となる。従って、図５に示す
ように、十分な締め切り性能を維持できる。このように
して、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内
羽根を構成できる。

【００４４】図４〜図６から分かるように、水車の運転
時の案内羽根３を開いた状態において、案内羽根３と羽
根車４の入口との距離は、上カバー５側（上側）と下カ
バー６側（下側）では異なる。この詳細を図７を用いて
説明する。同図は、第１実施例の案内羽根を開いた状態
において、隣接する３つの翼を上カバー側から見た図で
ある。同図に示すように、上側の断面形状１７の後縁の
径方向位置（羽根車４の中心からの距離）Ｒ１の方が、
下側の断面形状１８の後縁の径方向位置Ｒ２よりも大き
い。

【００４５】このように、下側において案内羽根３が羽
根車４に近いため、前述したように、羽根車４が有する
渦層の影響は上流まで及ばない。この結果、羽根車４の
翼のバンド８側の前縁の流入角度は、従来よりも負圧面
側から流入する。これにより負圧面側の圧力が上昇する
ので、高落差時に羽根車の入口のバンド側に発生し易い
キャビテーションの防止に有効である。

【００４６】図８を用いて、本実施例の上記効果を解析
的に求めた結果を説明する。同図は、羽根車４のバンド
８側における負圧面の圧力分布の解析例を示す。横軸
は、羽根車４の入口からの距離を、羽根車４の前縁９か
ら後縁２０までの距離で正規化したものである。同図
で、実線２３が本実施例を表し、実線２１が二次元翼型
の従来例を表している。

【００４７】図８に示すように、従来例の場合、負圧面
の圧力は羽根車の入口付近でキャビテーション発生の限
界圧力２２よりも低く、キャビテーションが発生する。
一方、本実施例の場合、上記した効果により負圧面の圧
力が限界圧力２２よりも高くなり、キャビテーションの
発生を防止できることが判る。

【００４８】以上のように、本実施例によれば、高落差
時に羽根車４の負圧面側に発生するキャビテーションを
効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案
内羽根３を備えた水車を得ることができる。

【００４９】（実施例２）次に、図９〜図１１を用い
て、本発明を適用した水車の第２実施例を説明する。図
９は、第２実施例の案内羽根を閉じた状態において、案
内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図である。図１
０は、案内羽根３を閉じた状態を示す図である。図１１
は、第２実施例の案内羽根を開いた状態において、隣接
する３つの翼を上カバー側から見た図である。案内羽根
以外の構成は第１実施例と同じであるので、ここでは説
明を省略する。

【００５０】図９及び図１０に示すように、本実施例の
案内羽根３の翼は、上カバー５側（上側）から下カバー
６側（下側）に向かうほど、その断面が羽根車４の回転
軸１４側（中心軸側）に変位する構造を有する。即ち、
翼の回転軸７に垂直な断面は、上側から下側に向かうほ
ど、羽根車４の径方向の内側に一定の割合で連続的に変
位する。

【００５１】この場合、翼の断面形状は上側から下側に
向かうほど小さくなり、互いに相似形をなす。即ち、翼
の断面の弦長及び外周長さは、羽根車４の中心からの距
離に比例した長さとなる。弦長とは、翼の断面における
前縁と後縁とを結ぶ弦(直線)の長さである。一例とし
て、翼の上側の断面形状１７における弦１７ａを、図９
に示す。翼の断面積は、羽根車４の中心からの距離の２
乗に比例した面積となる。

【００５２】翼の外見的な特徴は次の２つである。第１
は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が概略台形をし
ていることである。第２は、翼を回転軸７の方向から見
た場合、回転軸７に垂直な断面が羽根車４の径方向の内
側にずれて見えることである。このようにして、三次元
翼型の案内羽根３が構成される。

【００５３】図９に示すように、案内羽根３の翼の下側
の断面形状１８は、上側の断面形状１７を相似形に縮小
して羽根車４の中心方向に移動させたものであり、単に
平行移動したものではない。この場合、翼の各断面にお
ける対応する点を上側から下側まで結んだ線を、羽根車
４の中心軸に垂直な一つの平面上に投影して形成される
投影線は、この中心軸から径方向に伸びる直線の一部を
なす。例えば、各断面における翼の前縁１５（又は後縁
１６）の点を上側から下側まで結んだ線の投影線は、こ
の中心軸から径方向に伸びる直線の一部をなす。

【００５４】このような特徴を備えることにより、案内
羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁１６
とが互いに接する状態となる。従って、図１０に示すよ
うに、十分な締め切り性能を維持できる。このようにし
て、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内羽
根を構成できる。

【００５５】また、図１１に示すように、水車の運転時
の案内羽根３を開いた状態において、上側の断面形状１
７の後縁の径方向位置（羽根車４の中心からの距離）Ｒ
１は、下側の断面形状１８の後縁の径方向位置Ｒ２より
も大きい。従って、本実施例においても第１実施例と同
様な効果が得られる。即ち、高落差時に羽根車の入口の
バンド側に発生し易いキャビテーションを防止できる。
この効果は、発明者らによる解析でも確認された。

【００５６】以上のように、本実施例によれば、高落差
時に羽根車４の負圧面側に発生するキャビテーションを
効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案
内羽根３を備えた水車を得ることができる。

【００５７】尚、第１実施例及び第２実施例において
は、案内羽根３の断面の変位の割合を一定としたが、こ
の割合は一定でなくても良い。

【００５８】（実施例３）次に、図１２及び図１３を用
いて、本発明を適用した水車の第３実施例を説明する。
図１２は、第３実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図であ
る。図１３は、案内羽根３を閉じた状態を示す図であ
る。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるの
で、ここでは説明を省略する。

【００５９】本実施例においても、案内羽根３の翼の断
面の変位方向は、第１実施例と同じである。即ち、翼の
回転軸７に垂直な断面は、上カバー５側（上側）から下
カバー６側（下側）に向かうほど、羽根車４の回転方向
（周方向）１１に連続的に変位する。

【００６０】本実施例が第１実施例と異なる点は、翼の
断面の変位の割合である。本実施例の場合、翼の断面の
変位の割合は、上側から下側に向かうほど大きくなる。
この結果、図１３に示すように、翼の下側は羽根車４の
回転方向１１に突き出たような形状となる。この場合
も、翼の断面形状の外形は変化せず、その位置が変化す
る。言い替えれば、回転方向１１に変位している翼の各
断面の形状は互いに相似形をしており、相似比が１であ
る。

【００６１】本実施例においても、第１実施例と同様な
効果が得られる。更に、本実施例の場合、三次元翼型の
案内羽根３による効果を主に下側に限定できる。このた
め、羽根車４のバンド８側におけるキャビテーションの
発生を防止しつつ、羽根車４の他の部分に対する水の流
入条件はほとんど影響されない。従って、既設の水車の
案内羽根３のみを交換する際に、特に有効となる。

【００６２】尚、第３実施例の考え方は、第２実施例に
適用しても良い。即ち、第２実施例において、案内羽根
３の翼の断面の変位の割合を上側から下側に向かうほど
大きくしても良い。更に、翼の断面の変位の割合の変え
方は、これに限定されない。即ち、この変位の割合は、
案内羽根３の上側と下側の間で任意に変化させても良
い。

【００６３】（実施例４）次に、図１４及び図１５を用
いて、本発明を適用した水車の第４実施例を説明する。
図１４は、第４実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図であ
る。図１５は、案内羽根３を閉じた状態を示す図であ
る。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるの
で、ここでは説明を省略する。

【００６４】本実施例は、第１実施例と第２実施例の組
み合わせである。即ち、案内羽根３の翼の回転軸７に垂
直な断面は、上カバー５側（上側）から下カバー６側
(下側)に向かうほど、羽根車４の回転方向（周方向）１
１に一定の割合で連続的に変位する。更に、翼の回転軸
７に垂直な断面は、上側から下側に向かうほど、羽根車
４の径方向の内側にも一定の割合で連続的に変位する。
この場合、翼の断面形状は上側から下側に向かうほど小
さくなり、互いに相似形をなす。

【００６５】本実施例においても第１実施例と同様な効
果が得られるが、第２実施例の特徴も備えていることに
より、より効果的となる。

【００６６】（実施例５）次に、図１６及び図１７を用
いて、本発明を適用した水車の第５実施例を説明する。
図１６は、第５実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図であ
る。図１７は、案内羽根３を閉じた状態を示す図であ
る。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるの
で、ここでは説明を省略する。

【００６７】本実施例の場合、案内羽根３の翼の断面の
変位方向が第１実施例と逆方向になる。即ち、翼の回転
軸７に垂直な断面は、上カバー５側（上側）から下カバ
ー６側（下側）に向かうほど、羽根車４の回転方向１１
と逆方向に一定の割合で連続的に変位する。この場合、
翼の断面形状の外形は変化せず、その位置が変化する。
言い替えれば、回転方向１１と逆方向に変位している翼
の各断面の形状は互いに相似形をしており、相似比が１
である。

【００６８】本実施例の翼の外見的な特徴は次の２つで
ある。第１は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が概
略平行四辺形をしていることである。第２は、翼を回転
軸７の上側から見た場合、回転軸７に垂直な断面が羽根
車４の回転方向１１と逆方向にずれて見えることであ
る。このようにして、三次元翼型の案内羽根３が構成さ
れる。

【００６９】このような特徴を備えることにより、案内
羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁１６
とが互いに接する状態となる。従って、図１７に示すよ
うに、十分な締め切り性能を維持できる。このようにし
て、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内羽
根を構成できる。

【００７０】本実施例の場合、水車の運転時の案内羽根
３を開いた状態において、案内羽根３と羽根車４の入口
との距離は、下側の方が上側よりも遠い。このため、前
述したように、羽根車４が有する渦層の影響は上流まで
及ぶ。この結果、羽根車４の翼のバンド８側の前縁の流
入角度は、従来よりも正圧面側から流入する。これによ
り正圧面側の圧力が上昇するので、低落差時に羽根車の
入口のバンド側に発生し易いキャビテーションの防止に
有効である。この効果は、発明者らによる解析でも確認
された。

【００７１】以上のように、本実施例によれば、低落差
時に羽根車４の正圧面側に発生するキャビテーションを
効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案
内羽根３を備えた水車を得ることができる。

【００７２】（実施例６）次に、図１８及び図１９を用
いて、本発明を適用した水車の第６実施例を説明する。
図１８は、第６実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図であ
る。図１９は、案内羽根３を閉じた状態を示す図であ
る。案内羽根以外の構成は第１実施例と同じであるの
で、ここでは説明を省略する。

【００７３】本実施例の場合、案内羽根３の翼の断面の
変位方向が第２実施例と逆方向になる。即ち、翼の回転
軸７に垂直な断面は、上カバー５側（上側）から下カバ
ー６側（下側）に向かうほど、羽根車４の径方向の外側
に一定の割合で連続的に変位する。この場合、翼の断面
形状は上側から下側に向かうほど大きくなり、互いに相
似形をなす。即ち、翼の断面の弦長及び外周長さは、羽
根車４の中心からの距離に比例した長さとなる。翼の断
面積は、羽根車４の中心からの距離の２乗に比例した面
積となる。

【００７４】翼の外見的な特徴は次の２つである。第１
は、翼を羽根車４の径方向から見た外形が概略台形をし
ていることである。第２は、翼を回転軸７の方向から見
た場合、回転軸７に垂直な断面が羽根車４の径方向の外
側にずれて見えることである。このようにして、三次元
翼型の案内羽根３が構成される。

【００７５】図１８に示すように、案内羽根３の翼の下
側の断面形状１８は、上側の断面形状１７を相似形に拡
大して羽根車４の外側方向に移動させたものであり、単
に平行移動したものではない。この場合、翼の各断面に
おける対応する点を上側から下側まで結んだ線を、羽根
車４の中心軸に垂直な一つの平面上に投影して形成され
る投影線は、この中心軸から径方向に伸びる直線の一部
をなす。例えば、各断面における翼の前縁１５（又は後
縁１６）の点を上側から下側まで結んだ線の投影線は、
この中心軸から径方向に伸びる直線の一部をなす。

【００７６】このような特徴を備えることにより、案内
羽根３を閉じた時に、隣接する翼の前縁１５と後縁１６
とが互いに接する状態となる。従って、図１９に示すよ
うに、十分な締め切り性能を維持できる。このようにし
て、本実施例では、締め切り可能な三次元翼型の案内羽
根を構成できる。

【００７７】本実施例の場合も、水車の運転時の案内羽
根３を開いた状態において、案内羽根３と羽根車４の入
口との距離は、下側の方が上側よりも遠い。従って、第
５実施例と同様に、低落差時に羽根車の入口のバンド側
に発生し易いキャビテーションの防止に有効である。

【００７８】以上のように、本実施例によれば、低落差
時に羽根車４の正圧面側に発生するキャビテーションを
効果的に防止でき、且つ締めきり可能な三次元翼型の案
内羽根を備えた水車を得ることができる。

【００７９】尚、第５実施例及び第６実施例に対して
も、第３実施例や第４実施例の考え方は適用できる。即
ち、第５実施例及び第６実施例において、案内羽根３の
翼の断面の変位割合を上側から下側に向かうほど大きく
しても良い。また、第５実施例と第６実施例の特徴を組
み合わせても良い。

【００８０】また、第４実施例の場合、案内羽根３の翼
の断面は、羽根車の周方向及び径方向の２つの方向に変
位させた。この場合、変位方向は、互いのキャビテーシ
ョンの防止効果を強め合う方向の組合せにした。しか
し、変位方向の組合せは、互いの効果を強め合う方向の
みに限定されない。即ち、互いの効果を弱め合う変位方
向の組合せも、結果的に所望のキャビテーションの防止
効果が得られる場合には、用いることができる。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば、設計が容易な三次元翼
型の形状を有し且つ締めきり可能な案内羽根を備え、低
コストでキャビテーションの発生を防止できる水車を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した水車の第１実施例の概略横断
面図。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視図。

【図３】本発明を適用した水車の第１実施例の概略構成
図。

【図４】第１実施例の案内羽根を閉じた状態において、
案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。

【図５】第１実施例の案内羽根を閉じた状態を示す図。

【図６】第１実施例の案内羽根を開いた状態を示す図。

【図７】第１実施例の案内羽根を開いた状態において、
隣接する３つの翼を上カバー側から見た図。

【図８】第１実施例によるキャビテーションの防止効果
を解析的に求めた例を示す図。

【図９】第２実施例の案内羽根を閉じた状態において、
案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。

【図１０】第２実施例の案内羽根を閉じた状態を示す
図。

【図１１】第２実施例の案内羽根を開いた状態におい
て、隣接する３つの翼を上カバー側から見た図。

【図１２】第３実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。

【図１３】第３実施例の案内羽根を閉じた状態を示す
図。

【図１４】第４実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。

【図１５】第４実施例の案内羽根を閉じた状態を示す
図。

【図１６】第５実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。

【図１７】第５実施例の案内羽根を閉じた状態を示す
図。

【図１８】第６実施例の案内羽根を閉じた状態におい
て、案内羽根の一つの翼を上カバー側から見た図。

【図１９】第６実施例の案内羽根を閉じた状態を示す
図。

【図２０】従来の水車を示す図で、（ａ）は概略横断面
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図。

【図２１】羽根車の入口における速度三角形を示す図
で、（ａ）は低落差時、（ｂ）は定格運転落差時、
（ｃ）は高落差時を示す。

【図２２】翼の先端における流体の流れの説明図。

【図２３】羽根車の翼の先端における水の流れの説明
図。

【符号の説明】

１…ケーシング、２…ステーベーン、３…案内羽根、４
…羽根車、５…上カバー、６…下カバー、７…案内羽根
の回転軸、８…バンド、９…羽根車の翼の前縁、１０…
クラウン、１１…羽根車の回転方向、１２…羽根車の翼
の負圧面、１３…羽根車の翼の正圧面、１４…羽根車の
回転軸、１５…案内羽根の翼の前縁、１６…案内羽根の
翼の後縁、１７…上カバー側の断面形状、１８…下カバ
ー側の断面形状、２０…羽根車の翼の後縁。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複
数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転
軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽
根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列さ
れて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外
側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の
各翼の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向の一
方から他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方向の
少なくとも一方に変位していると共に、前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をな
し、前記羽根車の回転軸からの距離に応じてその大きさ
が設定されていることを特徴とする水車。
【請求項２】羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複
数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転
軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽
根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列さ
れて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外
側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の
翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向の一方
から他方に向けて、前記羽根車の周方向に変位している
ことを特徴とする水車。
【請求項３】請求項２において、前記案内羽根の翼の前
記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に
向けて、前記羽根車の回転方向に変位していることを特
徴とする水車。
【請求項４】請求項２において、前記案内羽根の翼の前
記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に
向けて、前記羽根車の回転方向と反対方向に変位してい
ることを特徴とする水車。
【請求項５】請求項２乃至４の何れかにおいて、前記変
位している断面の前記羽根車の周方向への変位割合が、
前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて大き
くなるように構成されていることを特徴とする水車。
【請求項６】羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に複
数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回転
軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内羽
根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列さ
れて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの外
側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の
翼の前記中心軸に垂直な断面が、前記中心軸方向の一方
から他方に向けて、前記羽根車の径方向に変位している
と共に、前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をな
し、前記羽根車の回転軸からの距離が近いほどその大き
さが小さくなるように構成されていることを特徴とする
水車。
【請求項７】請求項６において、前記変位している断面
の弦長が、前記羽根車の回転軸からの距離に比例して変
化するように構成されていることを特徴とする水車。
【請求項８】請求項６において、前記案内羽根の翼の前
記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に
向けて、前記羽根車の径方向の内側に変位していること
を特徴とする水車。
【請求項９】請求項６において、前記案内羽根の翼の前
記断面が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に
向けて、前記羽根車の径方向の外側に変位していること
を特徴とする水車。
【請求項１０】請求項６乃至９の何れかにおいて、前記
変位している断面の前記羽根車の径方向への変位割合
が、前記案内羽根の上カバー側から下カバー側に向けて
大きくなるように構成されていることを特徴とする水
車。
【請求項１１】羽根車と、前記羽根車の外側の周方向に
複数の翼が配列されて形成され、各翼が前記羽根車の回
転軸に平行な中心軸の周りに回転可能に構成される案内
羽根と、前記案内羽根の外側の周方向に複数の翼が配列
されて形成されるステーベーンと、前記ステーベーンの
外側を覆うケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根の
翼の前記中心軸に垂直な断面は、前記中心軸方向の一方
から他方に向けて、前記羽根車の周方向及び径方向の両
方向に変位していると共に、前記変位している断面の各形状は、互いに相似形をな
し、前記羽根車の回転軸からの距離が近いほどその大き
さが小さくなるように構成されていることを特徴とする
水車。
【請求項１２】羽根車と、前記羽根車の外側に配置され
る三次元翼型の案内羽根と、前記案内羽根の外側に配置
されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆う
ケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を
構成する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略
平行四辺形をなし、前記各翼をその回転の中心軸方向から見た場合、該中心
軸に垂直な断面が前記羽根車の周方向にずれて見えるよ
うに構成されていることを特徴とする水車。
【請求項１３】羽根車と、前記羽根車の外側に配置され
る三次元翼型の案内羽根と、前記案内羽根の外側に配置
されるステーベーンと、前記ステーベーンの外側を覆う
ケーシングとを備えた水車において、前記案内羽根の締め切り状態において、前記案内羽根を
構成する各翼を前記羽根車の径方向から見た外形が概略
台形をなし、前記各翼をその回転の中心軸方向から見た場合、該中心
軸に垂直な断面が前記羽根車の径方向にずれて見えるよ
うに構成されていることを特徴とする水車。
【請求項１４】請求項１乃至１３の何れかにおいて、前
記案内羽根を構成する全ての翼が同一形状をしているこ
とを特徴とする水車。