特許 6382603 水車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6382603

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】水車

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/02 20060101AFI20180820BHJP

   F03B 11/02 20060101ALI20180820BHJP

   F03B 11/00 20060101ALI20180820BHJP

【ＦＩ】

   F03B3/02

   F03B11/02

   F03B11/00 Z

【請求項の数】9

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2014-137072(P2014-137072)

(22)【出願日】2014年7月2日

(65)【公開番号】特開2015-178829(P2015-178829A)

(43)【公開日】2015年10月8日

【審査請求日】2017年2月27日

(31)【優先権主張番号】特願2013-170681(P2013-170681)

(32)【優先日】2013年8月20日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2014-35828(P2014-35828)

(32)【優先日】2014年2月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】中村 一幸

(72)【発明者】

【氏名】向 利昌

(72)【発明者】

【氏名】窪谷 悟

(72)【発明者】

【氏名】小山 創

(72)【発明者】

【氏名】富岡 拓也

(72)【発明者】

【氏名】中村 高紀

(72)【発明者】

【氏名】中川 斉年

【審査官】 岸 智章

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０７２０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１８８９９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−３１１１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０３９６６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／０３１００１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０２９１４３０１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０８１３２４１４（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｂ ３／０２

Ｆ０３Ｂ １１／００−１１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに対向する上カバーおよび下カバーと、前記上カバーと前記下カバーとの間に設けられ、前記上カバーおよび前記下カバーに回動自在に支持されたガイドベーンと、を有する水車本体と、
前記水車本体に設けられ、水の流路を画定する流水面と、
前記上カバーおよび前記下カバーの前記流水面に設けられ、撥水性塗料または親水性塗料により形成されたコーティング層と、を備え、
前記上カバーに設けられた前記流水面および前記下カバーに設けられた前記流水面は、前記コーティング層が設けられていないカバー非コーティング領域をそれぞれ有し、
前記カバー非コーティング領域は、前記ガイドベーンの回動軸線に沿った方向からみたときに、前記ガイドベーンの回動領域を含むように形成されていることを特徴とする水車。

【請求項2】

前記コーティング層に、前記流路側に開口する複数のディンプルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水車。

【請求項3】

前記水車本体は、複数のランナ羽根を含む、水車運転時に流入する水によって回転するランナを有し、
前記ランナ羽根に設けられた前記流水面は、前記コーティング層が設けられていない上流側非コーティング領域を有し、
前記上流側非コーティング領域は、水車運転時における前記ランナ羽根の前記流水面の正圧面および負圧面のうち上流側端部に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水車。

【請求項4】

前記上流側非コーティング領域の主流方向に沿った長さＬｉは、水車運転時における前記ランナの出口径をＤｅとしたとき、
Ｌｉ／Ｄｅ≦０．８
であることを特徴とする請求項３に記載の水車。

【請求項5】

前記水車本体は、複数のランナ羽根を含む、水車運転時に流入する水を受けて回転するランナを有し、
前記ランナ羽根に設けられた前記流水面は、前記コーティング層が設けられていない下流側非コーティング領域を有し、
前記下流側非コーティング領域は、水車運転時における前記ランナ羽根の前記流水面の負圧面のうち下流側端部に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水車。

【請求項6】

前記下流側非コーティング領域の主流方向に沿った長さＬｏは、水車運転時における前記ランナの出口径をＤｅとしたとき、
Ｌｏ／Ｄｅ≦０．８
であることを特徴とする請求項５に記載の水車。

【請求項7】

前記ディンプルの深さは、前記ディンプルの平面形状が多角形である場合の当該ディンプルの内接円の直径、または前記ディンプルの平面形状が円形である場合の当該ディンプルの直径の０．０５倍以上かつ０．１５倍以下であることを特徴とする請求項２に記載の水車。

【請求項8】

互いに隣り合う前記ディンプルの間隔は、前記ディンプルの平面形状が多角形である場合の当該ディンプルの内接円の直径、または前記ディンプルの平面形状が円形である場合の当該ディンプルの直径の０．８倍以上かつ１．２倍以下であることを特徴とする請求項２に記載の水車。

【請求項9】

前記ディンプルの深さは、５０μｍ以上かつ１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の水車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、水車および配管に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、水車には、フランシス形水車や、軸流水車としてのカプラン水車若しくはバルブ水車などがある。また、発電と揚水の両方を行うことができる水車としてフランシス形ポンプ水車がある。ここでは、フランシス形ポンプ水車（以下、単にフランシス形水車と記す）を例にとって説明する。

【0003】

フランシス形水車では、上池からの水が渦巻き状のケーシングに流入し、ケーシングに流入した水は、ステーベーンおよびガイドベーンを通ってランナに流入する。ガイドベーンは、回動して開度を変えることにより、ランナに流入する水の流量を調整可能に構成されている。ランナは、流入した水によって水車回転軸を中心に回転する。このことにより、ランナに主軸を介して連結された発電機において発電が行われる。ランナから流出した水は、吸出し管を通って下池へ放出される。

【0004】

このように、上池からの水は、ケーシング、ステーベーン、ガイドベーン、ランナおよび吸出し管を通って、下池へと放出される。この間、水は、ケーシングなどの流水面によって画定された流路を、流水面に沿って流れる。このことにより、流水面に沿う水の流れに摩擦損失が発生する。摩擦損失は、流速やレイノズル数によって異なり、一般的に流速が大きいほど摩擦損失は大きくなり、レイノズル数が小さいほど摩擦損失が大きくなる。

【0005】

フランシス形水車においては、この摩擦損失以外にも種々の損失が発生し得る。例えば、主流に沿わない流れが形成されることにより生じる２次流れ損失、流れに剥離が発生することにより生じる剥離損失、吸出し管においてランナ出口から発生する旋回流により生じる渦損失などが挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−６４０１８号公報

【特許文献2】特開平１１−３１１１７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

このような２次流れ損失や剥離損失などは、各部の形状を最適化することにより低減することが可能である。しかしながら、各部の形状を最適化した場合であっても、各部の流水面に沿う水の流れには摩擦損失が生じる。このため、２次流れ損失や剥離損失などを低減することによりフランシス形水車全体としての損失を低減することには限界がある。

【0008】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、摩擦損失を低減し、水のエネルギを有効に使用することができる水車および配管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】

【0009】

実施の形態による水車は、水車本体と、水車本体に設けられ、水の流路を画定する流水面と、流水面に設けられ、撥水性塗料または親水性塗料により形成されたコーティング層とを備えている。

【0010】

実施の形態による水車は、水が流入するケーシングと、ケーシングから流入する水によって回転駆動するランナと、を備えている。ランナは、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に設けられた複数のランナ羽根と、を有している。ランナのクラウンの外側に、クラウンとの間にランナ背圧室を形成する上カバーが設けられている。クラウンのランナ背圧室側の面に、親水性を有する背圧室コーティング層が設けられている。

【0011】

実施の形態による水車は、水が流入するケーシングと、ケーシングから流入する水によって回転駆動するランナと、を備えている。ランナは、クラウンと、バンドと、クラウンとバンドとの間に設けられた複数のランナ羽根と、を有している。ランナのバンドの外側に、バンドとの間にランナ側圧室を形成する下カバーが設けられている。バンドのランナ側圧室側の面に、親水性を有する側圧室コーティング層が設けられている。

【0012】

実施の形態による配管は、水車に連結される配管である。この配管は、配管本体と、配管本体に設けられ、水の流路を画定する流水面と、流水面に設けられ、親水性を有するコーティング層と、を備えている。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の第１の実施の形態における水車の全体構成を示す図である。

【図2】図２（ａ）は、図１の水車の流水面に設けられたコーティング層を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＰ矢視図である。

【図3】図３（ａ）〜（ｃ）は、図２に示すコーティング層の形成方法を説明するための図である。

【図4】図４は、図２のコーティング層のディンプルの作用を説明するための図である。

【図5】図５は、本発明の第２の実施の形態において、上カバーおよび下カバーに形成されたカバー非コーティング領域を示す図である。

【図6】図６は、本発明の第３の実施の形態において、ランナを示す縦断面図である。

【図7】図７は、図６のランナのランナ羽根を示すＡ−Ａ線断面図である。

【図8】図８は、図６の変形例を示す図である。

【図9】図９は、本発明の第４の実施の形態において、コーティング層を示す断面図である。

【図10】図１０は、本発明の第５の実施の形態における水車の全体構成を示す断面図である。

【図11】図１１は、図１０の部分拡大断面図である。

【図12】図１２（ａ）は、図１０の水車において、コーティング層を示す断面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＰ矢視図である。

【図13】図１３（ａ）〜（ｃ）は、図１２に示すコーティング層の形成方法を説明するための図である。

【図14】図１４は、図１２に示すコーティング層のディンプルの作用を説明するための図である。

【図15】図１５は、本発明の第６の実施の形態における配管を示す概略図である。

【図16】図１６は、図１５の配管の流水面に設けられたコーティング層を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水車について説明する。ここでは、水車の一例として、フランシス形水車を例にとって説明する。

【0015】

（第１の実施の形態）
まず、図１乃至図４を用いて第１の実施の形態における水車について説明する。

【0016】

図１に示すように、フランシス形水車１は、水車本体２と、水車本体に設けられた流水面２０（図２参照）と、を備えている。

【0017】

水車本体２は、水車運転時に上池２０１（図１５参照）から水圧鉄管２００を通って水が流入する渦巻き状のケーシング３と、複数のステーベーン４と、複数のガイドベーン５と、ランナ８と、を有している。このうちステーベーン４は、ケーシング３に流入した水をガイドベーン５およびランナ８に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ステーベーン４の間に水が流れる流路２１が形成されている。ガイドベーン５は、流入した水をランナ８に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ガイドベーン５の間に水が流れる流路２１が形成されている。

【0018】

ガイドベーン５の上方および下方には、互いに対向する上カバー６および下カバー７がそれぞれ設けられている。これら上カバー６および下カバー７は、ガイドベーン５を回動自在に支持している。ガイドベーン５が回動して開度を変えることにより、ランナ８に流入する水の流量が調整可能になっている。このようにして、後述する発電電動機１１の発電量が調整可能になっている。

【0019】

ランナ８は、ケーシング３に対して回転軸線Ｘを中心に回転自在に構成され、水車運転時にケーシング３から流入する水によって回転駆動される。また、ランナ５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９を有しており、ランナ羽根９の間に、水が流れる流路２１が形成されている。

【0020】

ランナ８には、主軸１０を介して発電電動機１１が連結されている。この発電電動機１１は、水車運転時にはランナ８の回転によって発電を行い、ポンプ運転時（揚水運転時）には、ランナ８を回転駆動するように構成されている。ランナ８の水車運転時の下流側には、ランナ８を流出した水流の圧力を回復させるための吸出し管１２が設けられている。
この吸出し管１２は、下池２０２（図１５参照）に連結されており、ランナ８を回転駆動させた水は下池２０２に放出されるようになっている。

【0021】

流水面２０（図２参照）は、上述した水車本体２のケーシング３、ステーベーン４、ガイドベーン５、上カバー６、下カバー７、ランナ８および吸出し管１２にそれぞれ設けられている。各流水面２０が流水の流路２１を画定し、この流路２１を水が流れるようになっている。

【0022】

図２（ａ）に示すように、流水面２０には、撥水性塗料により形成されたコーティング層３０が設けられている。コーティング層３０は、流水面２０に撥水性塗料をコーティングすることにより形成することができる。撥水性塗料としては、撥水性を有する塗料であれば、特に限られることはなく、例えば、フッ素樹脂若しくはシリコン樹脂を含む塗料や、船底塗料などを用いることができる。また、撥水性塗料は、例えば、７５度以上、好ましくは９０度以上の接触角（固体表面であるコーティング層３０の表面と、この表面に接している水の縁の接線とがなす角）を有していることが好適である。

【0023】

コーティング層３０には、流路２１の側に開口する多数（複数）のディンプル３１が設けられていることが好適である。ディンプル３１は、小さな窪みのように、コーティング層３０に凹状に形成されている。ディンプル３１の深さは、ディンプル３１の平面形状が多角形である場合のディンプル３１の内接円の直径、またはディンプル３１の平面形状が円形である場合のディンプル３１の直径の０．０５倍以上かつ０．１５倍以下であることが好適である。ここで、ディンプル３１の深さを直径の０．０５倍以上とすることにより、ディンプル３１を精度良く形成することができ、ディンプル３１の深さを直径の０．１５倍以下とすることにより、ディンプル３１の存在自体を原因とする摩擦損失が増大することを抑制できる。一方、ディンプル３１の平面形状は、特に限られることはないが、例えば図２（ｂ）に示すような円形や、あるいは六角形とすることが好適である。例えば、多角形状のディンプル３１の内接円の直径または円形状のディンプル３１の直径（図２（ａ）に示すＤｄ）が１ｍｍである場合には、ディンプル３１の深さ（図２（ａ）に示すＨｄ）は、５０μｍ以上かつ１５０μｍ以下であることが好適となる。なお、コーティング層３０の深さは、ディンプル３１を形成することが可能であり、ディンプル３１の底面に流水面２０が露出されることなくコーティング層３０の材料が残存可能であれば、特に限られることはない。

【0024】

また、互いに隣り合うディンプル３１の間隔は、ディンプル３１の平面形状が多角形である場合のディンプル３１の内接円の直径、またはディンプル３１の平面形状が円形である場合のディンプル３１の直径の０．８倍以上かつ０．１２倍以下であることが好適である。このことによってディンプル３１による水流の粘性抵抗の低減効果を効果的に発揮できることは、本発明者らによって実験により確認されている。なお、例えば、多角形状のディンプル３１の内接円の直径または円形状のディンプル３１の直径（図２（ａ）に示すＤｄ）が１ｍｍである場合には、ディンプル３１の間隔（図２（ａ）に示すＧ）は、０．８ｍｍ以上かつ１．２ｍｍ以下であることが好適となる。

【0025】

コーティング層３０は、例えば、図３に示すように、コーティング層３０のディンプル３１に対応する凸部４１を有する型４０を用いて形成することができる。この場合、まず、図３（ａ）に示すように、流水面２０に撥水性塗料が所定の厚さで膜状に塗布され、塗膜３０ａが形成される。続いて、図３（ｂ）に示すように、撥水性塗料の塗膜３０ａに、型４０が押し当てられる。この際、型４０の凸部４１と流水面２０との間に塗膜３０ａが残存するように、型４０が押し当てられる。次に、型４０が押し当てられた状態で、塗膜３０ａを乾燥させて硬化させる。塗膜３０ａが硬化した後、図３（ｃ）に示すように、型４０が取り外される。このようにして、本実施の形態におけるコーティング層３０を得ることができる。なお、コーティング層３０の形成方法は、上述した方法に限られることはない。例えば、撥水性塗料の塗膜を硬化させた後に、硬化した塗膜上に型４０を載せ、型４０の凸部４１の周囲に撥水性塗料を塗布して硬化させることにより、本実施の形態におけるコーティング層３０を得ることもできる。

【0026】

このようなコーティング層３０は、ケーシング３の流水面２０、ステーベーン４の流水面２０、ガイドベーン５の流水面２０、上カバー６の流水面２０、下カバー７の流水面２０、ランナ８の流水面２０および吸出し管１２の流水面２０にそれぞれ設けられている。すなわち、他の制約等がなければ、フランシス形水車１の各部材の流水面２０に設けられていることが好ましい。

【0027】

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

【0028】

本実施の形態によるフランシス形水車において水車運転を行う場合、図１に示すように、上池２０１（図１５参照）から水圧鉄管２００を通ってケーシング３に水が流入する。ケーシング３に流入した水は、ケーシング３からステーベーン４およびガイドベーン５を通ってランナ８に流入する。このランナ８へ流入した水によって、ランナ８が回転駆動される。このことにより、ランナ８に主軸１０を介して連結された発電電動機１１が駆動され、発電が行われる。ランナ８に流入した水は、ランナ８から吸出し管１２を通って、下池２０２へ放出される。水車運転を行っている間、ガイドベーン５を回動させることによりガイドベーン５の開度が調整され、発電電動機１１の発電量が調整される。

【0029】

ポンプ運転時には、発電電動機１１がランナ８を回転駆動することにより、吸出し管１２内の水を吸い上げて揚水する。ランナ８に吸い上げられた水は、ガイドベーン５およびステーベーン４を通って、ケーシング３に流入し、ケーシング３から水圧鉄管２００を通って上池２０１に放出される。ステーベーン４は、ランナ８から流入する水をケーシング３に導く。この際、ガイドベーン５の開度が、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。

【0030】

水車運転およびポンプ運転の間、ケーシング３の流水面２０、ステーベーン４の流水面２０、ガイドベーン５の流水面２０、上カバー６の流水面２０、下カバー７の流水面２０、ランナ８の流水面２０および吸出し管１２の流水面２０によって画定された流路２１内に、流水面２０に沿った水の流れが形成される。流水面２０には、撥水性塗料により形成されたコーティング層３０（図２参照）が設けられている。このことにより、コーティング層３０の近傍を流れる水は、コーティング層３０からはじかれるように流れることができ、コーティング層３０の近傍の水流の粘性抵抗を低減することができる。このため、主流の流水面２０に対する摩擦損失を低減することができる。

【0031】

また、上述したように、コーティング層３０には、多数のディンプル３１が設けられている。ディンプル３１内に、一部の水が出入りしながら、流水方向の流れの影響を受けて、図４に示すようにディンプル３１内を循環するように流れる。この際、ディンプル３１内の水は、撥水性塗料により形成されたディンプル３１の壁面からはじかれるように流れることができ、ディンプル３１内においてスムーズに循環する。このため、ディンプル３１内を循環する水流が、一般的な搬送装置等で使用されるコロやローラと同様な機能を発揮して、ディンプル３１上を流れる水流の粘性抵抗をより一層低減し、流水面２０に対して主流をスムーズに流すことが可能となる。

【0032】

ところで、フランシス形水車１に流入する水の持つ落差エネルギＰｈは、水の密度をρ、流量をＱ、落差をＨ、重力加速度をｇとすると、
Ｐｈ＝ρ×ｇ×Ｑ×Ｈ
で表される。

【0033】

流水面２０で発生する水の摩擦損失をＬｆとすると、落差エネルギＰｈのうちＬｆが摩擦エネルギとして使用されることとなる。また、上述した２次流れ損失や剥離損失、渦損失など水車の形状により発生する損失をＬｓとすると、ランナ８を回転させるために使用可能なエネルギＰｔは、
Ｐｔ＝Ｐｈ−Ｌｆ−Ｌｓ
となる。

【0034】

しかしながら、上述したように、流水面２０に撥水性塗料により形成されたコーティング層３０が設けられていることにより、コーティング層３０の近傍の水流の粘性抵抗を低減することができる。このため、摩擦損失Ｌｆを低減することができ、ランナ８を回転させるために使用可能なエネルギＰｔを増大させることができる。

【0035】

このように本実施の形態によれば、流水面２０に、撥水性塗料により形成されたコーティング層３０が設けられている。このことにより、コーティング層３０の近傍における水流の粘性抵抗を低減することができ、流水面２０により画定される流路２１を流れる水流の摩擦損失を低減することができる。このため、ケーシング３に流入する水のエネルギを有効に使用して、水車効率を向上させることができる。

【0036】

また、本実施の形態によれば、コーティング層３０に複数のディンプル３１が設けられている。このことにより、コーティング層３０の近傍における水流の粘性抵抗をより一層低減することができ、水流の摩擦損失をより一層低減することができる。

【0037】

（第２の実施の形態）
次に、図５を用いて、本発明の第２の実施の形態における水車について説明する。

【0038】

図５に示す第２の実施の形態においては、上カバーおよび下カバーに、非コーティング領域が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0039】

図５に示すように、上カバー６の流水面２０は、コーティング層３０が設けられたコーティング領域５０と、コーティング層３０が設けられていないカバー非コーティング領域５１と、を有している。このうち、カバー非コーティング領域５１においては、上カバー６の流水面２０が露出されている。カバー非コーティング領域５１は、ガイドベーン５の回動軸線Ｙ（図１参照）に沿った方向からみたときに（図５の状態で）、ガイドベーン５の回動領域を含むように形成されている。本実施の形態においては、カバー非コーティング領域５１は、ガイドベーン５の回動軸線を中心として円形状に形成されており、カバー非コーティング領域５１の半径は、ガイドベーン５の最大回転半径と略同一または当該最大回転半径より大きくすることが好適である。このようにして、当該回動軸線に沿った方向からみたときに、ガイドベーン５の回動領域が、コーティング領域５０に重ならないようになっている。

【0040】

下カバー７についても、上カバー６と同様に、コーティング領域５０とカバー非コーティング領域５１とを有しており、カバー非コーティング領域５１は、ガイドベーン５の回動軸線に沿った方向からみたときに、ガイドベーン５の回動領域を含むように形成されている。

【0041】

このように本実施の形態によれば、上カバー６のカバー非コーティング領域５１および下カバー７のカバー非コーティング領域５１が、ガイドベーン５の回動軸線に沿った方向からみたときに、ガイドベーン５の回動領域を含むように形成されている。このことにより、回動するガイドベーン５がコーティング層３０に接触してコーティング層３０が剥離されることを防止できる。また、カバー非コーティング領域５１において、ガイドベーン５と上カバー６との間およびガイドベーン５と下カバー７との間にコーティング層３０が介在されないため、ガイドベーン５と上カバー６との間の隙間およびガイドベーン５と下カバー７との間の隙間が小さくなることを防止できる。このことにより、これらの隙間に、ゴミなどの異物や砂などが挟まれて、コーティング層３０に傷を付けたりコーティング層３０が剥離されたりすることを防止できる。このため、コーティング層３０が損傷することを防止し、コーティング層３０の寿命を長くして、コーティング層３０による摩擦損失低減の効果を長く享受することができる。

【0042】

（第３の実施の形態）
次に、図６および図７を用いて、本発明の第３の実施の形態における水車について説明する。

【0043】

図６および図７に示す第３の実施の形態においては、ランナのランナ羽根に、非コーティング領域が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６および図７において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0044】

図６および図７に示すように、ランナ８のランナ羽根９の流水面２０は、正圧面９ａ（圧力面）と負圧面９ｂとを有している。また、ランナ羽根９の流水面２０は、コーティング層３０が設けられたコーティング領域５０と、コーティング層３０が設けられていない上流側非コーティング領域５２を有している。上流側非コーティング領域５２は、水車運転時におけるランナ羽根９の正圧面９ａおよび負圧面９ｂのうち上流側端部（入口側端部、ガイドベーン側端部）に形成されている。

【0045】

上流側非コーティング領域５２は、図６にＬｉで示される主流方向に沿った長さを有し、クラウン８ａからバンド８ｂに向って延びるように形成されている。この上流側非コーティング領域５２の主流方向に沿った長さＬｉは、水車運転時におけるランナ８の出口径（吸出し管側端部の径）をＤｅとしたとき、
Ｌｉ／Ｄｅ≦０．８
であることが好適である。上記式で規定される長さＬｉは、一般的に水車運転時に流れの剥離５５が発生し得る領域となる。このことにより、流れの剥離５５が発生し得る領域に、コーティング層３０が設けられることを防止している。

【0046】

すなわち、水車運転時にランナ８に流入する水の流水方向がランナ羽根９と一致しない場合、ランナ羽根９の上流側端部における正圧面９ａまたは負圧面９ｂに、図７に示すように、流れの剥離５５が生じ得る。しかしながら、上述したように、ランナ羽根９の上流側端部における正圧面９ａおよび負圧面９ｂに上流側非コーティング領域５２が形成されている。このことにより、水車運転時に流れの剥離５５が発生し得る領域に、コーティング層３０が設けられることを防止できる。

【0047】

また、図６および図７に示すように、ランナ羽根９の流水面２０は、コーティング層３０が設けられていない下流側非コーティング領域５３を更に有している。下流側非コーティング領域５３は、水車運転時におけるランナ羽根９の負圧面９ｂのうち下流側端部（出口側端部、吸出し管側端部）に形成されている。

【0048】

下流側非コーティング領域５３は、図６にＬｏで示される主流方向に沿った長さを有し、クラウン８ａからバンド８ｂに向って延びるように形成されている。この下流側非コーティング領域５３の主流方向に沿った長さＬｏは、水車運転時におけるランナ８の出口径（吸出し管側端部の径）をＤｅとしたとき、
Ｌｏ／Ｄｅ≦０．８
であることが好適である。上記式で規定される長さＬｏは、一般的に水車運転時にキャビテーション５６が発生し得る領域となる。このことにより、キャビテーション５６が発生し得る領域に、コーティング層３０が設けられることを防止している。

【0049】

すなわち、ランナ８に流入する水の流量が設計点より多い場合（出力が大きい場合）、ランナ羽根９の下流側端部における負圧面９ｂの近傍に、図７に示すように、キャビテーション５６が発生し得る。しかしながら、上述したように、ランナ羽根９の下流側端部における負圧面９ｂに下流側非コーティング領域５３が形成されている。このことにより、水車運転時にキャビテーション５６が発生し得る領域に、コーティング層３０が設けられることを防止できる。

【0050】

このように本実施の形態によれば、上流側非コーティング領域５２が、水車運転時におけるランナ羽根９の正圧面９ａおよび負圧面９ｂのうち上流側端部に形成されている。このことにより、流れの剥離５５が発生し得る領域に、コーティング層３０が設けられることを防止できる。また、下流側非コーティング領域５３が、水車運転時におけるランナ羽根９の負圧面９ｂのうち下流側端部に形成されている。このことにより、キャビテーション５６が発生し得る領域に、コーティング層３０が設けられることを防止できる。このため、流れの剥離５５やキャビテーション５６によってコーティング層３０が損傷することを防止し、コーティング層３０の寿命を長くして、コーティング層３０による摩擦損失低減の効果を長く享受することができる。

【0051】

なお、上述した本実施の形態において、図８に示すように、下流側非コーティング領域５３が、ランナ羽根９の正圧面９ａの下流側端部（出口側端部、吸出し管側端部）にも設けられていてもよい。すなわち、水車運転時におけるランナ羽根９の下流側端部において正圧面９ａおよび負圧面９ｂのいずれにも下流側非コーティング領域５３が形成されていてもよい。

【0052】

ポンプ運転時には、吸出し管１２からケーシング３に向って水車運転時とは逆向きに水が流れるため、ランナ８に流入する水の流水方向がランナ羽根９の形状と一致しない場合、ランナ羽根９の吸出し管側端部（ポンプ運転時の入口側端部、水車運転時の下流側端部）における正圧面９ａまたは負圧面９ｂに、流れの剥離５５が生じ得る。しかしながら、上述したように、下流側非コーティング領域５３が、水車運転時におけるランナ羽根９の正圧面９ａおよび負圧面９ｂの吸出し管側端部に形成されている場合、流れの剥離５５が生じ得る領域にコーティング層３０が設けられることを防止できる。このことにより、フランシス形水車１をポンプ運転する場合においても、コーティング層３０の損傷を防止することができる。言い換えると、フランシス形水車１のポンプ運転が予定されている場合には、下流側非コーティング領域５３は、水車運転時におけるランナ羽根９の下流側端部において正圧面９ａおよび負圧面９ｂのいずれにも形成されていることが好ましい。

【0053】

（第４の実施の形態）
次に、図９を用いて、本発明の第４の実施の形態における水車について説明する。

【0054】

図９に示す第４の実施の形態においては、コーティング層が親水性塗料により形成されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図９において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0055】

図９に示すように、流水面２０には、親水性塗料により形成されたコーティング層６０が設けられている。このコーティング層６０は、流水面２０に親水性塗料をコーティングすることにより形成することができる。親水性塗料としては、親水性を有する塗料であれば、特に限られることはなく、例えば、親水基（−ＯＨ）を有する材料を含む塗料を好適に用いることができる。また、親水性塗料の接触角は、例えば４０度以下であることが好適である。

【0056】

コーティング層６０には、図２に示すコーティング層３０およびディンプル３１と同様に、流路２１の側に開口する多数（複数）のディンプル６１が設けられていることが好適である。ディンプル６１の深さは、ディンプル６１の平面形状が多角形である場合のディンプル６１の内接円の直径、またはディンプル６１の平面形状が円形である場合のディンプル６１の直径の ０．０５倍以上かつ０．１５倍以下であることが好適である。一方、ディンプル６１の平面形状は、特に限られることはないが、例えば、円形や、あるいは六角形とすることが好適である。例えば、多角形状のディンプル６１の内接円の直径または円形状のディンプル６１の直径（例えば、図９に示すＤｄ）が１ｍｍである場合には、ディンプル６１の深さ（例えば、図９に示すＨｄ）は、５０μｍ以上かつ１５０μｍ以下であることが好適となる。

【0057】

また、互いに隣り合うディンプル６１の間隔は、ディンプル６１の平面形状が多角形である場合のディンプル６１の内接円の直径、またはディンプル６１の平面形状が円形である場合のディンプル６１の直径の０．８倍以上かつ０．１２倍以下であることが好適である。このことによってディンプル６１による水流の粘性抵抗の低減効果を効果的に発揮できることは、本発明者らによって実験により確認されている。なお、例えば、多角形状のディンプル６１の内接円の直径または円形状のディンプル６１の直径（図９に示すＤｄ）が１ｍｍである場合には、ディンプル６１の間隔（図９に示すＧ）は、０．８ｍｍ以上かつ１．２ｍｍ以下であることが好適となる。

【0058】

また、図９に示すコーティング層６０は、図２に示すコーティング層３０と同様にして形成することができ、ケーシング３等の各部材に設けられた流水面２０に形成されていることが好適である。

【0059】

水車運転およびポンプ運転の間、ケーシング３の流水面２０によって画定された流路２１内に、流水面２０に沿った水の流れが形成される。流水面２０には、親水性塗料により形成されたコーティング層６０が設けられている。このことにより、コーティング層６０の表面６０ａに、水が付着するようにして水の薄い付着層６２が形成される。この水付着層６２は、主流とコーティング層６０との間に介在される。また、水付着層６２を形成する水は、コーティング層６０に対して静止しているのではないが、流速は極めて小さくなっている。以上のことから、コーティング層６０の近傍の水流の粘性抵抗を低減することができ、主流の流水面２０に対する摩擦損失を低減することができる。

【0060】

また、コーティング層６０には、多数のディンプル６１が設けられている。この場合、ディンプル６１内の水は、親水性塗料により形成されたディンプル６１の壁面に付着するようになり、ディンプル６１内の水の流速は極めて小さくなっている。このことにより、流水面２０のうちディンプル６１が設けられた領域において、上述した水付着層６２の厚さを厚くする効果が得られる。このため、ディンプル６１上を流れる水流の粘性抵抗をより一層低減することができ、流水面２０に対して主流をスムーズに流すことが可能となる。

【0061】

このように本実施の形態によれば、流水面２０に、親水性塗料により形成されたコーティング層６０が設けられている。このことにより、コーティング層６０の表面６０ａに、流速が極めて小さい水の付着層６２を形成することができ、流水面２０により画定される流路２１を流れる水流の摩擦損失を低減することができる。このため、ケーシング３に流入する水のエネルギを有効に利用して、水車効率を向上させることができる。

【0062】

また、本実施の形態によれば、コーティング層６０に複数のディンプル６１が設けられている。このことにより、コーティング層６０の近傍における水流の粘性抵抗をより一層低減することができ、水流の摩擦損失をより一層低減することができる。

【0063】

（第５の実施の形態）
次に、図１０乃至図１４を用いて、本発明の第５の実施の形態における水車について説明する。

【0064】

図１０乃至図１４に示す第５の実施の形態においては、クラウンのランナ背圧室側の面に、親水性を有する背圧室コーティング層が設けられるとともに、バンドのランナ側圧室側の面に、親水性を有する側圧室コーティング層が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０乃至図１４において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0065】

ここでは、水車の一例として、フランシス形水車を例にとって説明する。

【0066】

図１０に示すように、フランシス形水車１０１は、上池２０１（図１５参照）から水圧鉄管２００を通って水が流入する渦巻き状のケーシング１０３と、複数のステーベーン１０４と、複数のガイドベーン１０５と、ランナ１０６と、を備えている。このうちステーベーン１０４は、ケーシング１０３に流入した水をガイドベーン１０５およびランナ１０６に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。

【0067】

ガイドベーン１０５は、流入した水をランナ１０６に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。また、各ガイドベーン１０５は、回動自在に設けられており、回動して開度を変えることにより、ランナ１０６に流入する水の流量が調整可能に構成されている。このようにして、後述する発電機１１１の発電量が調整可能になっている。

【0068】

ランナ１０６は、ケーシング１０３に対して回転軸線Ｘを中心に回転自在に構成され、ケーシング１０３から流入する水によって回転駆動される。また、ランナ１０６は、図１１に示すように、クラウン１０７と、バンド１０８と、クラウン１０７とバンド１０８との間に設けられた複数のランナ羽根１０９と、を有している。このうちランナ羽根１０９は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。

【0069】

ランナ１０６には、図１０に示すように、主軸１１０を介して発電機１１１が連結されている。この発電機１１１は、ランナ１０６の回転によって発電を行うように構成されている。ランナ１０６の下流側には、ランナ１０６を流出した水流の圧力を回復させるための吸出し管１１２が設けられている。この吸出し管１１２は、下池２０２に連結されており、ランナ１０６を回転駆動させた水は下池２０２に放出されるようになっている。

【0070】

図１１に示すように、ランナ１０６のクラウン１０７の外側（図１１における上側）には、ランナ背圧室１１３が形成されている。より具体的には、クラウン１０７の外側に上カバー１１４が設けられており、クラウン１０７と上カバー１１４との間に上述したランナ背圧室１１３が形成されている。一方、ランナ１０６のバンド１０８の外側（図１１における右側、半径方向外側）には、ランナ側圧室１１５が形成されている。より具体的には、バンド１０８の外側に下カバー１１６が設けられており、バンド１０８と下カバー１１６との間に上述したランナ側圧室１１５が形成されている。

【0071】

これらのランナ背圧室１１３およびランナ側圧室１１５には、ガイドベーン１０５を通った水の一部が漏れ流れとして流入する。すなわち、クラウン１０７の半径方向外側（上流側）には、背圧室側間隙部１１７が設けられており、この背圧室側間隙部１１７を通ってランナ背圧室１１３に水が流入する。ランナ背圧室１１３内の流水は、図１１に示すようなランナ１０６のクラウン１０７に貫通孔１１８が設けられている場合には、この貫通孔１１８を通って、吸出し管１１２内に向って流れる。なお、ランナ背圧室１１３の半径方向内側（より具体的にはランナ背圧室１１３と貫通孔１１８との間）には背圧室側シール部１１９（中間シール部）が設けられている。この背圧室側シール部１１９は、回転側部分であるクラウン１０７と、静止側部分である上カバー１１４との間の隙間が最も狭くなって水が流れ難くなるように形成されている。このことにより、ガイドベーン１０５からランナ背圧室１１３への水の流入量を抑制している。この背圧室側シール部１１９は、ラビリンスシールによって構成され得る。

【0072】

一方、バンド１０８の半径方向外側（上流側）には、側圧室側間隙部１２０が設けられており、この側圧室側間隙部１２０を通ってランナ側圧室１１５に水が流入する。ランナ側圧室１１５内の流水は、バンド１０８の半径方向内側（下流側）に設けられた下流側間隙部１２１を通って、吸出し管１１２内に向って流れる。なお、ランナ側圧室１１５の半径方向内側（より具体的にはランナ側圧室１１５と下流側間隙部１２１との間）には側圧室側シール部１２２が設けられている。この側圧室側シール部１２２は、回転側部分であるバンド１０８と、静止側部分である下カバー１１６との間の隙間が最も狭くなって水が流れ難くなるように形成されている。このことにより、ガイドベーン１０５からランナ側圧室１１５への水の流入量を抑制している。この側圧室側シール部１２２は、ラビリンスシールによって構成され得る。

【0073】

上述したように、ランナ背圧室１１３およびランナ側圧室１１５は、比較的狭い流路を形成しているため、ランナ背圧室１１３やランナ側圧室１１５に水が流入してランナ１０６が回転している間、円板摩擦損失が発生し得る。

【0074】

一般に、ランナ背圧室１１３およびランナ側圧室１１５内の流路は、比較的狭いため、ランナ背圧室１１３およびランナ側圧室１１５を通る水流の速度勾配が、回転側部分（クラウン１０７、バンド１０８）から静止側部分（上カバー１１４、下カバー１１６）に亘って複雑になり得る。このことにより、粘性抵抗が増大して円板摩擦損失が増大し得る。円板摩擦は、ランナ１０６が回転するエネルギを遮る方向に作用することから、円板摩擦損失が増大する場合には水車の効率向上が困難になる。

【0075】

円板摩擦損失を低減させる対策として、ランナ１０６の外径を小さくすることが考えられる。これは、円板摩擦損失が回転する円板の半径の５乗に比例することによる。しかしながら、ランナ１０６の外径を小さくする場合には、水車が小形化されて水車の出力が低減し、所望の性能を得ることが困難になる。

【0076】

また、他の対策として、ランナ背圧室１１３やランナ側圧室１１５の流路面積を適正化することが考えられる。これは、ランナ背圧室１１３やランナ側圧室１１５の流路面積を小さくすることで円板摩擦損失の低減が可能となることによる。しかしながら、流路面積を小さくしすぎると、ランナ背圧室１１３やランナ側圧室１１５自体の摩擦損失が増大するため、流路面積の適正化は困難である。

【0077】

このため、本実施の形態では、この円板摩擦損失を低減するために、ランナ背圧室１１３の流水面（流水の流路を画定する面）およびランナ側圧室１１５の流水面に、親水性を有するコーティング層１３０、１３１が設けられている。

【0078】

より具体的には、図１１および図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、クラウン１０７のランナ背圧室１１３の側の面１０７ａ（外面）に、親水性を有する背圧室コーティング層１３０が設けられている。この背圧室コーティング層１３０は、上述した上カバー１１４のランナ背圧室１１３の側の面１１４ａ（内面）にも設けられていてもよい。ここで、クラウン１０７のランナ背圧室１１３の側の面１０７ａと、上カバー１１４のランナ背圧室１１３の側の面１１４ａは、ランナ背圧室１１３の流水面を構成している。そして、背圧室コーティング層１３０は、上述した背圧室側シール部１１９より半径方向外側（上流側）に配置されていることが好適である。すなわち、背圧室側シール部１１９には、背圧室コーティング層１３０が形成されていないことが好適である。

【0079】

また、バンド１０８のランナ側圧室１１５の側の面１０８ａ（外面）に、親水性を有する側圧室コーティング層１３１が設けられている。この側圧室コーティング層１３１は、上述した下カバー１１６のランナ側圧室１１５の側の面１１６ａ（内面）にも設けられていてもよい。ここで、バンド１０８のランナ側圧室１１５の側の面１０８ａと、下カバー１１６のランナ側圧室１１５の側の面１１６ａは、ランナ側圧室１１５の流水面を構成している。そして、側圧室コーティング層１３１は、上述した側圧室側シール部１２２より半径方向外側（上流側）に配置されていることが好適である。すなわち、側圧室側シール部１２２には、側圧室コーティング層１３１が形成されていないことが好適である。

【0080】

本実施の形態においては、上述した背圧室コーティング層１３０および側圧室コーティング層１３１は、親水性塗料により形成されている。このような親水性塗料としては、親水性を有する塗料であれば、特に限られることはなく、例えば、親水性のフッ素材や親水性の船底塗料など、親水基（−ＯＨ）を有する材料を含む塗料を好適に用いることができる。また、親水性塗料は、例えば４０度以下の接触角（固体表面であるコーティング層１３０、１３１の表面と、この表面に接している水の縁の接線とがなす角）を有していることが好適である。

【0081】

背圧室コーティング層１３０には、ランナ背圧室１１３の側に開口する複数の背圧室ディンプル（ディンプル）１３２が設けられていることが好適である。背圧室ディンプル１３２は、背圧室コーティング層１３０のうちクラウン１０７の側の部分と上カバー１１４の側の部分とに形成される。同様に、側圧室コーティング層１３１には、ランナ側圧室１１５の側に開口する複数の側圧室ディンプル（ディンプル）１３３が設けられていることが好適である。側圧室ディンプル１３３は、側圧室コーティング層１３１のうちバンド１０８の側の部分と下カバー１１６の側の部分とに形成される。

【0082】

ディンプル１３２、１３３は、小さな窪みのように、対応するコーティング層１３０、１３１に凹状に形成されている。ディンプル１３２、１３３の深さは、ディンプル１３２、１３３の平面形状が多角形である場合のディンプル１３２、１３３の内接円の直径、またはディンプル１３２、１３３の平面形状が円形である場合のディンプル１３２、１３３の直径の０．０５倍以上かつ０．１５倍以下であることが好適である。ここで、ディンプル１３２、１３３の深さを直径の０．０５倍以上とすることにより、ディンプル１３２、１３３を精度良く形成することができ、ディンプル１３２、１３３の深さを直径の０．１５倍以下とすることにより、ディンプル１３２、１３３の存在自体を原因とする摩擦損失が増大することを抑制できる。一方、ディンプル１３２、１３３の平面形状は、特に限られることはないが、例えば、円形や、あるいは六角形とすることが好適である。例えば、多角形状のディンプル１３２、１３３の内接円の直径または円形状のディンプル１３２、１３３の直径（図１２（ａ）に示すＤｄ）が１ｍｍである場合には、ディンプル１３２、１３３の深さ（図１２（ａ）に示すＨｄ）は、５０μｍ以上かつ１５０μｍ以下であることが好適となる。なお、コーティング層１３０、１３１の深さは、ディンプル１３２、１３３を形成することが可能であるとともに、ディンプル１３２、１３３の底面に流水面（ランナ背圧室側の面１０７ａ、１１４ａ、ランナ側圧室側の面１０８ａ、１１６ａ）が露出されることなくコーティング層１３０、１３１の材料が残存可能であれば、特に限られることはない。

【0083】

また、互いに隣り合うディンプル１３２、１３３の間隔は、ディンプル１３２、１３３の平面形状が多角形である場合のディンプル１３２、１３３の内接円の直径、またはディンプル１３２、１３３の平面形状が円形である場合のディンプル１３２、１３３の直径の０．８倍以上かつ０．１２倍以下であることが好適である。このことによってディンプル１３２、１３３による水流の粘性抵抗の低減効果を効果的に発揮できることは、本発明者らによって実験により確認されている。なお、例えば、多角形状のディンプル１３２、１３３の内接円の直径または円形状のディンプル１３２、１３３の直径（図１２（ａ）に示すＤｄ）が１ｍｍである場合には、ディンプル１３２、１３３の間隔（図１２（ａ）に示すＧ）は、０．８ｍｍ以上かつ１．２ｍｍ以下であることが好適となる。

【0084】

このようなコーティング層１３０、１３１は、例えば、図１３に示すように、コーティング層１３０、１３１のディンプル１３２、１３３に対応する凸部１４１を有する型１４０を用いて形成することができる。この場合、まず、図１３（ａ）に示すように、流水面に親水性塗料が所定の厚さで膜状に塗布され、塗膜１３４が形成される。続いて、図１３（ｂ）に示すように、親水性塗料の塗膜１３４に、型１４０が押し当てられる。この際、型１４０の凸部１４１と流水面との間に塗膜１３４が残存するように、型１４０が押し当てられる。次に、型１４０が押し当てられた状態で、塗膜１３４を乾燥させて硬化させる。塗膜１３４が硬化した後、図１３（ｃ）に示すように、型１４０が取り外される。このようにして、本実施の形態におけるコーティング層１３０、１３１を得ることができる。なお、コーティング層１３０、１３１の形成方法は、上述した方法に限られることはない。例えば、親水性塗料の塗膜を硬化させた後に、硬化した塗膜上に型１４０を載せ、型１４０の凸部１４１の周囲に親水性塗料を塗布して硬化させることにより、本実施の形態におけるコーティング層１３０、１３１を得ることもできる。

【0085】

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

【0086】

本実施の形態によるフランシス形水車１０１において水車運転を行う場合、図１０に示すように、上池２０１（図１５参照）から水圧鉄管２００を通ってケーシング１０３に水が流入する。ケーシング１０３に流入した水は、ケーシング１０３からステーベーン１０４およびガイドベーン１０５を通ってランナ１０６に流入する。このランナ１０６へ流入した水によって、ランナ１０６が回転駆動される。このことにより、ランナ１０６に主軸１１０を介して連結された発電機１１１が駆動され、発電が行われる。ランナ１０６に流入した水は、ランナ１０６から吸出し管１１２を通って、下池２０２へ放出される。この間、ガイドベーン１０５を回動させることによりガイドベーン１０５の開度が調整され、発電機１１１の発電量が調整される。

【0087】

水車が運転している間、ランナ背圧室１１３にガイドベーン１０５を通った水の一部が流入する。すなわち、クラウン１０７の半径方向外側に設けられた背圧室側間隙部１１７を通ってランナ背圧室１１３に流入する水の流れが形成される。このことにより、図１４に示すように、背圧室コーティング層１３０の表面１３５に、水が付着するようにして水の薄い付着層１３６が形成される。この水付着層１３６は、ランナ背圧室１１３の中心側の流水によって形成される主流と背圧室コーティング層１３０との間に介在される。また、水付着層１３６を形成する水は、背圧室コーティング層１３０に対して静止しているのではないが、流速は極めて小さくなっている。以上のことから、背圧室コーティング層１３０の近傍の水流の粘性抵抗を低減することができ、流水面（ランナ背圧室側の面１０７ａ、１１４ａ）に対するランナ背圧室１１３内の流水の摩擦損失を低減することができる。

【0088】

また、水車が運転している間、ランナ側圧室１１５にガイドベーン１０５を通った水の一部が流入する。すなわち、バンド１０８の半径方向外側に設けられた側圧室側間隙部１２０を通ってランナ側圧室１１５に流入する水の流れが形成される。この場合においても、ランナ背圧室１１３と同様にして水付着層１３６が形成されるため、側圧室コーティング層１３１の近傍の水流の粘性抵抗を低減することができ、流水面（ランナ側圧室側の面１０８ａ、１１６ａ）に対するランナ側圧室１１５内の流水の摩擦損失を低減することができる。

【0089】

背圧室コーティング層１３０に多数の背圧室ディンプル１３２が設けられるとともに、側圧室コーティング層１３１に多数の側圧室ディンプル１３３が設けられていることにより、ディンプル１３２、１３３内の水は、親水性塗料により形成されたディンプル１３２、１３３の壁面に付着するようになり、ディンプル１３２、１３３内の水の流速は極めて小さくなっている。このことにより、流水面のうちディンプル１３２、１３３が設けられた領域において、上述した水付着層１３６の厚さを厚くする効果が得られる。このため、ディンプル１３２、１３３上を流れる水流の粘性抵抗をより一層低減することができ、流水面に対して流水をスムーズに流すことが可能となる。

【0090】

このように本実施の形態によれば、クラウン１０７のランナ背圧室１１３の側の面１０７ａに、親水性塗料により形成された背圧室コーティング層１３０が設けられている。また、バンド１０８のランナ側圧室１１５の側の面１０８ａに、親水性塗料により形成された側圧室コーティング層１３１が設けられている。このことにより、コーティング層１３０、１３１の表面に、流速が極めて小さい水の付着層１３６を形成することができ、ランナ背圧室１１３およびランナ側圧室１１５を流れる水流の摩擦損失を低減することができる。このため、ランナ１０６の回転による円板摩擦損失を低減することができる。また、この場合、ランナ１０６の外径は制限されないため、フランシス形水車１０１の所望の出力に応じてランナ１０６の外径を決定することが可能となるとともに、ランナ背圧室１１３やランナ側圧室１１５の流路面積や形状に関わることなく、円板摩擦損失を低減することが可能となる。

【0091】

また本実施の形態によれば、上述したように、ランナ背圧室１１３の流水面のうち、クラウン１０７のランナ背圧室１１３の側の面１０７ａに背圧室コーティング層１３０が設けられる。このため、ランナ背圧室１１３のうち比較的速度勾配が大きくなり得るクラウン１０７の側の領域における水流の粘性抵抗を効果的に低減させることができる。同様に、ランナ側圧室１１５の流水面のうち、バンド１０８のランナ側圧室１１５の側の面１０８ａに側圧室コーティング層１３１が設けられる。このため、ランナ側圧室１１５のうち比較的速度勾配が大きくなり得るバンド１０８の側の領域における水流の粘性抵抗を効果的に低減させることができる。

【0092】

また本実施の形態によれば、背圧室コーティング層１３０は、背圧室側シール部１１９より半径方向外側に配置され、側圧室コーティング層１３１は、側圧室側シール部１２２より半径方向外側に配置されている。このことにより、背圧室側シール部１１９に背圧室コーティング層１３０が形成されることを防止できるとともに、側圧室側シール部１２２に側圧室コーティング層１３１が形成されることを防止できる。このため、ガイドベーン１０５からランナ背圧室１１３への水の流入量を抑制する背圧室側シール部１１９において、水流の摩擦損失が低減することによってランナ背圧室１１３への水の流入量が増大することを抑制できる。同様に、ガイドベーン１０５からランナ側圧室１１５への水の流入量を抑制する側圧室側シール部１２２において、ランナ側圧室１１５への水の流入量が増大することを抑制できる。

【0093】

また本実施の形態によれば、背圧室コーティング層１３０が上カバー１１４のランナ背圧室１１３の側の面１１４ａにも設けられ、側圧室コーティング層１３１が下カバー１１６のランナ側圧室１１５の側の面１１６ａに設けられていることにより、ランナ背圧室１１３およびランナ側圧室１１５を流れる水流の摩擦損失をより一層低減することができる。このため、ランナ１０６の回転による円板摩擦損失をより一層低減することができる。

【0094】

さらに本実施の形態によれば、背圧室コーティング層１３０に複数の背圧室ディンプル１３２が設けられ、側圧室コーティング層１３１に複数の側圧室ディンプル１３３が設けられている。このことにより、コーティング層１３０、１３１の近傍における水流の粘性抵抗をより一層低減することができ、水流の摩擦損失をより一層低減することができる。

【0095】

以上述べた実施の形態によれば、円板摩擦損失を低減して水車効率を向上させることができる。

【0096】

例えば、上述した実施の形態では、本発明による水車をフランシス形水車に適用した例について説明したが、このことに限られることはなく、フランシス形水車以外の水車にも本発明を適用することもできる。また、上述した実施の形態におけるフランシス形水車は、下池２０２の水を吸い上げて上池２０１へ揚水するポンプ運転機能を有していてもよい。

【0097】

また、上述した実施の形態においては、ランナ背圧室１１３の流水面に背圧室コーティング層１３０が設けられると共に、ランナ側圧室１１５の流水面に側圧室コーティング層１３１が設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、背圧室コーティング層１３０と側圧室コーティング層１３１は、いずれか一方が設けられて他方が設けられていなくてもよく、この場合においても、ランナ１０６の回転による円板摩擦損失を低減することができる。

【0098】

さらに、上述した実施の形態においては、コーティング層１３０、１３１が親水性塗料により形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ランナ１０６のクラウン１０７やバンド１０８、上カバー１１４、下カバー１１６などの母材がアルミニウムにより形成されている場合には、コーティング層１３０、１３１は、例えば、ベーマイト処理により形成されていてもよい。この場合、母材の流水面（表面）にアルミニウム水和酸化皮膜を形成することができ、コーティング層１３０、１３１に親水性を持たせることができる。

【0099】

（第６の実施の形態）
次に、図１５および図１６を用いて、本発明の第６の実施の形態における配管について説明する。

【0100】

図１５および図１６に示す第６の実施の形態においては、配管の流水面に、親水性塗料により形成されたコーティング層が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１５および図１６において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0101】

本実施の形態においては、水車の一例としてフランシス形水車１を例にとり、配管の一例として、上池２０１からの水をフランシス形水車１のケーシング３（図１、図１０参照）に導く水圧鉄管２００を例にとって説明する。

【0102】

図１５に示すように、本実施の形態における水圧鉄管（配管）２００は、フランシス形水車１のケーシング３に連結されて、水車運転時に上池２０１からの水をフランシス形水車１のケーシング３に導くように構成されている。フランシス形水車１から流出する水は、下池２０２に導かれるようになっている。

【0103】

図１６に示すように、水圧鉄管２００は、配管本体２１０と、配管本体２１０に設けられ、水の流路２１１を画定する流水面２１２と、を備えている。このうち流水面２１２に、親水性塗料により形成されたコーティング層２１３が設けられており、コーティング層２１３には、流路２１１の側に開口する多数（複数）のディンプル２１４が設けられている。これらのコーティング層２１３、ディンプル２１４は、上述した第４の実施の形態において説明したコーティング層６０、ディンプル６１や、第５の実施の形態において説明したコーティング層１３０、１３１、ディンプル１３２、１３３と同様な構成を有し、同様に形成することができる。また、配管本体２１０がアルミニウムにより形成されている場合には、コーティング層２１３は、例えば、ベーマイト処理により形成されていてもよい。

【0104】

このように本実施の形態によれば、流水面２１２に、親水性塗料により形成されたコーティング層２１３が設けられている。このことにより、コーティング層２１３の表面に、流速が極めて小さい水の付着層６２（図９参照）を形成することができ、流水面２１２により画定される流路２１１を流れる水流の摩擦損失を低減することができる。このため、フランシス形水車１のケーシング３に流入する水のエネルギが損失することを防止し、水のエネルギを有効に使用して水車効率を向上させることができる。

【0105】

また、本実施の形態によれば、コーティング層２１３に複数のディンプル２１４が設けられている。このことにより、コーティング層２１３の近傍における水流の粘性抵抗をより一層低減することができ、水流の摩擦損失をより一層低減することができる。

【0106】

なお、上述した本実施の形態においては、配管がフランシス形水車１に連結される水圧鉄管２００である例について説明した。しかしながら、水車に連結される配管としては、フランシス形水車１に連結される水圧鉄管２００に限られることはなく、任意の水車に連結される任意の配管に本発明を適用することができる。

【0107】

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。これら実施形態やその変形は、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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、少なくとも部分的に適宜組み合わせることも可能である。さらに、上述した実施の形態では、本発明による水車をフランシス形水車に適用した例について説明したが、このことに限られることはなく、フランシス形水車以外の水車等に本発明を適用することもできる。

【符号の説明】

【0108】

１ フランシス形水車、２ 水車本体、３ ケーシング、４ ステーベーン、５ ガイドベーン、６ 上カバー、７ 下カバー、８ ランナ、９ ランナ羽根、９ａ 正圧面、９ｂ 負圧面、１２ 吸出し管、２０ 流水面、２１ 流路、３０ コーティング層、３１ ディンプル、５０ コーティング領域、５１ カバー非コーティング領域、５２ 上流側非コーティング領域、５３ 下流側非コーティング領域、６０ コーティング層、６１ ディンプル、１０１ フランシス形水車、１０３ ケーシング、１０６ ランナ、１０７ クラウン、１０７ａ ランナ背圧室側の面、１０８ バンド、１０８ａ ランナ側圧室側の面、１０９ ランナ羽根、１１３ ランナ背圧室、１１４ 上カバー、１１４ａ ランナ背圧室側の面、１１５ ランナ側圧室、１１６ 下カバー、１１６ａ ランナ側圧室側の面、１１９ 背圧室側シール部、１２２ 側圧室側シール部、１３０ 背圧室コーティング層、１３１ 側圧室コーティング層、１３２ 背圧室ディンプル、１３３ 側圧室ディンプル、２００ 配管、２１０ 配管本体、２１１ 流路、２１２ 流水面、２１３ コーティング層、２１４ ディンプル

【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】