特許 6871879 水力機械のランナおよび水力機械

(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】6871879

(24)【登録日】2021年4月20日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】水力機械のランナおよび水力機械

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/12 20060101AFI20210510BHJP

   F03B 3/04 20060101ALI20210510BHJP

   F03B 11/00 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   F03B3/12

   F03B3/04

   F03B11/00 B

【請求項の数】3

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2018-21358(P2018-21358)

(22)【出願日】2018年2月8日

(65)【公開番号】特開2019-138198(P2019-138198A)

(43)【公開日】2019年8月22日

【審査請求日】2020年3月2日

(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】胡 筱

(72)【発明者】

【氏名】手塚 光太郎

(72)【発明者】

【氏名】新井 秀忠

(72)【発明者】

【氏名】中島 峻浩

【審査官】 松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−１５３４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４７−０４４５７９（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００５−３１５２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４７−０４６８１０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 独国特許発明第１０２００５０３６６６８（ＤＥ，Ｂ３）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｂ１／００−１１／０８

Ｆ０４Ｄ１／００−１３／１６

Ｆ０４Ｄ１７／００−１９／０２

Ｆ０４Ｄ２１／００−２５／１６

Ｆ０４Ｄ２９／００−３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

環状の静止部材の内周側に設けられる水力機械のランナであって、
ランナボスと、
前記ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備え、
前記ランナベーンは、前記静止部材の内周面に対向する外周側ベーン端面と、前記外周側ベーン端面に設けられた環状のベーン端面溝と、を有している、水力機械のランナ。

【請求項2】

前記ベーン端面溝は、円環状に形成されている、請求項１に記載の水力機械のランナ。

【請求項3】

請求項１または２に記載の前記水力機械のランナと、
前記水力機械のランナの外周側に設けられた前記静止部材と、を備えた、水力機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、水力機械のランナおよび水力機械に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、水力発電で使用されるカプラン水車、バルブ水車等の軸流水車や、デリア水車等の斜流水車は、低落差大流量の水力機械として広く利用されている。これらの水力機械では、ランナベーンの角度変更の可否により、固定翼水車と可動翼水車とに大別される。

【0003】

このような水力機械は、ランナと、ランナの外周側に設けられた環状の静止部材と、を備えている。この静止部材によって画定された流路を流れる水によってランナが回転駆動され、ランナに連結された発電機が発電を行う。

【0004】

ランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンの外周端面と静止部材との間には、ランナベーンが静止部材に接触することを防止するためのギャップが設けられている。このギャップによって、ランナはスムースに回転可能になっている。

【0005】

しかしながら、このようなギャップには、ランナベーンに対して仕事を行わない漏れ流れが形成される。このため、水流からランナベーンに作用するトルクが低減し、水力機械の効率が低下するという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開昭５９−１１５４７５号公報

【特許文献2】特開昭６０−１５３４７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナベーンの周囲に漏れ流れが形成されることを抑制し、水力機械の効率を向上させることができる水力機械のランナおよび水力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】

【0008】

実施の形態による水力機械のランナは、環状の静止部材の内周側に設けられる水力機械のランナである。この水力機械のランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンは、ランナボスの外周面に対向する内周側ベーン端面と、静止部材の内周面に対向する外周側ベーン端面と、内周側ベーン端面および外周側ベーン端面のうちの少なくとも一方に設けられたベーン端面溝と、を有している。ベーン端面溝は、内周側ベーン端面に設けられる場合、ランナボスの外周面と内周側ベーン端面との間のギャップを流れる漏れ流れの流れ方向に直交する方向に延び、外周側ベーン端面に設けられる場合、静止部材の内周面と外周側ベーン端面との間のギャップを流れる漏れ流れの流れ方向に直交する方向に延びる。

【0009】

また、実施の形態による水力機械のランナは、環状の静止部材の内周側に設けられる水力機械のランナである。この水力機械のランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンは、静止部材の内周面に対向する外周側ベーン端面と、前記外周側ベーン端面に設けられたベーン端面溝と、を有している。ベーン端面溝は、静止部材の内周面と外周側ベーン端面との間のギャップを流れる漏れ流れの流れ方向に直交する方向に延びる。

【0010】

実施の形態による水力機械のランナは、環状の静止部材の内周側に設けられる水力機械のランナである。この水力機械のランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンは、ランナボスの外周面に対向する内周側ベーン端面と、静止部材の内周面に対向する外周側ベーン端面と、内周側ベーン端面および外周側ベーン端面のうちの少なくとも一方に設けられた環状のベーン端面溝と、を有している。

【0011】

実施の形態による水力機械のランナは、環状の静止部材の内周側に設けられる水力機械のランナである。この水力機械のランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンは、静止部材の内周面に対向する外周側ベーン端面と、外周側ベーン端面に設けられた環状のベーン端面溝と、を有している。

【0012】

実施の形態による水力機械のランナは、環状の静止部材の内周側に設けられる水力機械のランナである。この水力機械のランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンは、ランナボスの外周面に対向する内周側ベーン端面と、静止部材の内周面に対向する外周側ベーン端面と、内周側ベーン端面および外周側ベーン端面のうちの少なくとも一方に設けられた複数のベーン端面凹部と、を有している。ベーン端面凹部が内周側ベーン端面に設けられる場合、内周側ベーン端面におけるベーン端面凹部の最大寸法は、ランナボスの外周面と内周側ベーン端面との間のギャップの寸法の３倍〜６倍であり、ベーン端面凹部が外周側ベーン端面に設けられる場合、外周側ベーン端面におけるベーン端面凹部の最大寸法は、静止部材の内周面と外周側ベーン端面との間のギャップの寸法の３倍〜６倍である。

【0013】

実施の形態による水力機械のランナは、環状の静止部材の内周側に設けられる水力機械のランナである。この水力機械のランナは、ランナボスと、ランナボスの外周側に設けられたランナベーンと、を備えている。ランナベーンは、静止部材の内周面に対向する外周側ベーン端面と、外周側ベーン端面に設けられた複数のベーン端面凹部と、を有している。外周側ベーン端面におけるベーン端面凹部の最大寸法は、静止部材の内周面と外周側ベーン端面との間のギャップの寸法の３倍〜６倍である。

【0014】

実施の形態による可動羽根水車は、上述した水力機械のランナと、水力機械のランナの外周側に設けられた静止部材と、を備えている。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、ランナベーンの周囲に漏れ流れが形成されることを抑制し、水力機械の効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、第１の実施の形態におけるカプラン水車の概略構成を示す断面図である。

【図2】図２は、図１のカプラン水車において、ランナおよびディスチャージリングを示す拡大断面図である。

【図3】図３は、図２のランナを外周側から見た図である。

【図4】図４は、図３のＡ−Ａ線断面を示す模式図である。

【図5】図５は、図３のＢ−Ｂ線断面を示す模式図である。

【図6】図６は、図３のＣ−Ｃ線断面の一例を示す図である。

【図7】図７は、図３のＣ−Ｃ線断面の変形例を示す図である。

【図8】図８は、図３のＣ−Ｃ線断面の他の変形例を示す図である。

【図9】図９は、図３のＣ−Ｃ線断面の他の変形例を示す図である。

【図10】図１０は、第２の実施の形態におけるカプラン水車において、ランナを外周側から見た図である。

【図11】図１１は、第３の実施の形態におけるカプラン水車において、ランナを外周側から見た図である。

【図12】図１２は、第４の実施の形態におけるカプラン水車において、ランナを外周側から見た図である。

【図13】図１３は、図１２のＤ−Ｄ線断面を示す模式図である。

【図14】図１４は、図１２のＥ−Ｅ線断面を示す模式図である。

【図15】図１５は、図２に示すランナおよびディスチャージリングの他の例を示す拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

【0018】

（第１の実施の形態）
まず、図１〜図９を用いて、第１の実施の形態における水力機械のランナおよび水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて水力機械の一例であるカプラン水車について説明する。

【0019】

図１に示すように、カプラン水車１は、図示しない上池から水が流入するケーシング２と、ケーシング２に対して回転可能に設けられた、ケーシング２からステーベーン３およびガイドベーン４を通って流入する水により回転駆動されるランナ５と、ランナ５の外周側に設けられたディスチャージリング３０（静止部材）と、を備えている。

【0020】

ステーベーン３は、ケーシング２からランナ５への流路を形成するためのものであり、ケーシング２より内周側に配置されている。ガイドベーン４は、ランナ５に流入される水の流量を調整するためのものであり、ステーベーン３より内周側に配置されている。ガイドベーン４の開度を変えることにより、ケーシング２からランナ５に流入する水量を調整し、発電量を変化させるように構成されている。

【0021】

ランナ５は、ガイドベーン４より内周側に、かつ下流側に配置されている。ケーシング２から流入する水の主流方向は、ステーベーン３およびガイドベーン４においては略半径方向を向いているが、ランナ５においてはランナ回転軸線Ｘの方向（鉛直方向）を向くようになっている。

【0022】

ランナ５には、回転主軸６を介して発電機７が連結されている。流入した水によりランナ５が回転駆動されると、発電機７において発電が行われる。

【0023】

ランナ５の下流側には、吸出し管８が設けられている。この吸出し管８は、図示しない下池に連結されており、ランナ５を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。

【0024】

ランナベーン２０の外周側には、上述したディスチャージリング３０が設けられている。このディスチャージリング３０は、環状に形成されており、ディスチャージリング３０の内周側に設けられたランナ５を通過する水の流路を画定している。

【0025】

次に、本実施の形態によるランナ５についてより詳細に説明する。

【0026】

図２に示すように、ランナ５は、ランナボス１０と、ランナボス１０の外周側に設けられた複数のランナベーン２０と、を有している。このうちランナボス１０は、ランナ回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。ランナベーン２０は、周方向に所定の間隔で配置されており、ランナボス１０に対して、ベーン回動軸線Ｙを中心に回動可能に設けられている。より具体的には、ランナベーン２０は、スピンドル１５を介してランナボス１０に回動可能に設けられている。各ランナベーン２０が回動することにより、必要とされる負荷（水の流量）や運転落差に応じてランナベーン２０の角度が調整され、広い運転範囲で高効率な運転が可能になっている。なお、ランナボス１０は、上述した回転主軸６に連結され、ランナボス１０の回転が、回転主軸６を介して発電機７に伝達されるようになっている。

【0027】

ランナベーン２０は、ランナボス１０の外周面１１に対向する内周側ベーン端面２１と、ディスチャージリング３０の内周面３１に対向する外周側ベーン端面２２と、を有している。図２においては、スピンドル１５の上流側（図２における上側）および下流側（図２における下側）に内周側ベーン端面２１が示されている。

【0028】

図２に示すように、内周側ベーン端面２１とランナボス１０の外周面１１との間には、第１ギャップＧ１が形成されている。この第１ギャップＧ１は、ランナベーン２０をランナボス１０に対してスムースに回動させるために設けられている。また、外周側ベーン端面２２とディスチャージリング３０の内周面３１との間には、第２ギャップＧ２が形成されている。この第２ギャップＧ２は、ランナベーン２０をランナボス１０に対してスムースに回動させるとともに、ランナ５をディスチャージリング３０に対してスムースに回転させるために設けられている。

【0029】

図３に示すように、ランナベーン２０は、内周側ベーン端面２１から外周側ベーン端面２２にわたって設けられた圧力面２３および負圧面２４を更に有している。なお、図３は、半径方向に沿って外周側から内周側に向かってランナベーン２０を見た図であり、手前側に外周側ベーン端面２２が示され、その奥側に内周側ベーン端面２１が示されている。

【0030】

図２および図３に示すように、ランナベーン２０は、圧力面２３および負圧面２４によって画定された、ランナ５に流入した水から仕事を受けるベーン本体２５と、ベーン本体２５の外周側端部に設けられたフィレット２６と、を更に有している。このうちフィレット２６は、ランナベーン２０の負圧面２４を下流側に突出させるように形成されており、負圧面２４においてキャビテーション壊食が発生することを防止可能になっている。外周側ベーン端面２２は、ベーン本体２５の外周側端面とフィレット２６の外周側端面とを含む面として構成されており、ベーン本体２５の外周側端面とフィレット２６の外周側端面は、連続状に滑らかに形成されている。

【0031】

図３に示すように、本実施の形態では、ランナベーン２０の内周側ベーン端面２１および外周側ベーン端面２２に、ベーン端面溝４０、４１がそれぞれ設けられている。すなわち、内周側ベーン端面２１に、複数の内周側ベーン端面溝４０が設けられ、外周側ベーン端面２２に、複数の外周側ベーン端面溝４１が設けられている。

【0032】

内周側ベーン端面２１に設けられた内周側ベーン端面溝４０は、ランナボス１０の外周面１１と内周側ベーン端面２１との間の第１ギャップＧ１を流れる漏れ流れＱ１の流れ方向に直交する方向に延びている。すなわち、内周側ベーン端面溝４０は、細長状に形成されており、内周側ベーン端面溝４０の長手方向は、漏れ流れＱ１の流れ方向に直交する方向になっている。図３においては、複数の内周側ベーン端面溝４０は、互いに平行に形成されている例が示されている。内周側ベーン端面溝４０の間隔は、特に限られることはないが、半径方向に沿って見たときに、漏れ流れＱ１が少なくとも１回（より好ましくは複数回）、内周側ベーン端面溝４０を通過することができる間隔であることが好ましい。

【0033】

外周側ベーン端面２２に設けられた外周側ベーン端面溝４１は、ディスチャージリング３０の内周面３１と外周側ベーン端面２２との間の第２ギャップＧ２を流れる漏れ流れＱ２の流れ方向に直交する方向に延びている。すなわち、外周側ベーン端面溝４１は、細長状に形成されており、外周側ベーン端面溝４１の長手方向は漏れ流れＱ２の流れ方向に直交する方向になっている。図３においては、複数の外周側ベーン端面溝４１は、互いに平行に形成されている例が示されている。外周側ベーン端面溝４１の間隔は、特に限られることはないが、半径方向に沿って見たときに、漏れ流れＱ２が少なくとも１回（より好ましくは複数回）、外周側ベーン端面溝４１を通過することができる間隔であることが好ましい。

【0034】

ところで、本実施の形態によるランナベーン２０は、ランナボス１０に対して回動可能になっており、必要とされる負荷や運転落差に応じてランナベーン２０の角度が調整される。このため、ベーン端面溝４０、４１の長手方向は、所望の運転点における漏れ流れＱ１、Ｑ２の流れ方向に直交する方向として規定してもよい。例えば、設計運転点や最高効率運転点における漏れ流れＱ１、Ｑ２の流れ方向に対して規定してもよい。

【0035】

図３に示す例では、内周側ベーン端面溝４０は、内周側ベーン端面２１のうちスピンドル１５（図２参照）の上流側および下流側にそれぞれ形成されている。言い換えると、内周側ベーン端面溝４０は、内周側ベーン端面２１のうちスピンドル１５が設けられている領域以外の領域に形成されている。一方、外周側ベーン端面溝４１は、外周側ベーン端面２２のうち、上流側領域および下流側領域を除いた中央領域に形成されている。しかしながら、外周側ベーン端面溝４１は、外周側ベーン端面２２の全領域にわたって形成されていてもよい。

【0036】

図３および図４に示すように、内周側ベーン端面溝４０は、内周側ベーン端面２１のうち圧力面２３の側の縁部から負圧面２４の側の縁部まで延びている。このことにより、内周側ベーン端面溝４０は、圧力面２３および負圧面２４においてそれぞれ開口し、内周側ベーン端面２１を貫通するように延びている。

【0037】

図３および図５に示すように、外周側ベーン端面溝４１は、外周側ベーン端面２２のうちフィレット２６の部分にも形成されている。すなわち、外周側ベーン端面溝４１は、ベーン本体２５の外周側端面からフィレット２６の外周側端面にわたって連続状に形成されている。

【0038】

外周側ベーン端面溝４１は、外周側ベーン端面２２のうち圧力面２３の側の縁部から、負圧面２４の側の縁部（言い換えると、フィレット２６の下流側縁部）まで延びている。このことにより、外周側ベーン端面溝４１は、圧力面２３および負圧面２４においてそれぞれ開口し、外周側ベーン端面２２を貫通するように延びている。

【0039】

内周側ベーン端面溝４０および外周側ベーン端面溝４１の横断面形状（長手方向に直交する方向の断面形状）は、特に限られることはない。例えば、図６に示すように、矩形状に形成されていてもよい。すなわち、図６に示す例では、ベーン端面溝４０、４１は、横断面視で、圧力面２３の側に設けられた第１溝側壁４２と、負圧面２４の側に設けられた、第１溝側壁４２に離間した第２溝側壁４３と、第１溝側壁４２から第２溝側壁４３に延びる溝底４４と、を含んでいる。第１溝側壁４２と第２溝側壁４３がベーン端面２１、２２に垂直に形成されるとともに互いに平行に形成され、溝底４４が、第１溝側壁４２および第２溝側壁４３に垂直に形成されている。

【0040】

内周側ベーン端面溝４０および外周側ベーン端面溝４１の幅（長手方向に直交する方向の寸法）は、特に限られることはないが、対応するギャップＧ１、Ｇ２の寸法に応じて設定してもよい。例えば、内周側ベーン端面溝４０の幅ｗ１は、第１ギャップＧ１の寸法ｄ１（図２参照）の３倍〜６倍であり、外周側ベーン端面溝４１の幅ｗ２は、第２ギャップＧ２の寸法ｄ２（図２参照）の３倍〜６倍であってもよい。ベーン端面溝４０、４１の幅ｗ１、ｗ２を対応するギャップＧ１、Ｇ２の寸法ｄ１、ｄ２の３倍以上にすることにより、当該ギャップＧ１、Ｇ２に流入した水を当該ベーン端面溝４０、４１に入り込ませやすくすることができる。一方、ベーン端面溝４０、４１の幅ｗ１、ｗ２を対応するギャップＧ１、Ｇ２の寸法ｄ１、ｄ２の６倍以下にすることにより、ギャップＧ１、Ｇ２を通過する水の流路抵抗が低下することを抑制できる。また、内周側ベーン端面溝４０の深さｈ１は、第１ギャップＧ１の寸法ｄ１の３倍程度にしてもよく、外周側ベーン端面溝４１の深さｈ２は、第２ギャップＧ２の寸法ｄ２の３倍程度にしてもよい。ここで、ギャップＧ１、Ｇ２の寸法ｄ１、ｄ２は、ベーン端面溝４０、４１の長手方向を規定する際に設定した運転点における寸法としてもよい。また、寸法ｄ１が第１ギャップＧ１の各位置において異なる場合には、最小値を採用してもよい。同様に、寸法ｄ２が第２ギャップＧ２の各位置において異なる場合には、最小値を採用してもよい。

【0041】

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。

【0042】

水車運転時には、図１に示すように、ランナ５に流入する水は、ディスチャージリング３０によって画定された流路を流れ、ランナ５を回転駆動する。このことにより、ランナ５が回転し、発電機７において発電が行われる。

【0043】

ランナ５に流入した水の多くは、ランナベーン２０に対して仕事を行い、ランナ５を回転駆動する。しかしながら、一部の水は、図２および図３に示すように、ランナベーン２０の周囲のギャップＧ１、Ｇ２を通過する漏れ流れＱ１、Ｑ２となってランナベーン２０を、仕事をすることなく通過する。より具体的には、ランナボス１０の外周面１１と内周側ベーン端面２１との間の第１ギャップＧ１に漏れ流れＱ１が形成され、ディスチャージリング３０の内周面３１と外周側ベーン端面２２との間の第２ギャップＧ２に、漏れ流れＱ２が形成される。

【0044】

第１ギャップＧ１に流入した水は、第１ギャップＧ１から流出するまでに、内周側ベーン端面２１に設けられた内周側ベーン端面溝４０を通過する。図６に示すように、第１ギャップＧ１のうち内周側ベーン端面溝４０が設けられた位置では漏れ流れＱ１の流路が拡大され、内周側ベーン端面溝４０が設けられていない位置では漏れ流れＱ１の流路が絞られて狭くなる。すなわち、内周側ベーン端面溝４０が設けられた位置に達した水は、内周側ベーン端面溝４０に入り込み、内周側ベーン端面溝４０内を蛇行するように流れる。そして、水は内周側ベーン端面溝４０から流出し、絞られた狭い流路を流れることになる。このようにして、第１ギャップＧ１を通過する漏れ流れＱ１に圧力損失が生じる。このため、第１ギャップＧ１の流路抵抗が増加し、漏れ流れＱ１が弱められる。とりわけ、本実施の形態では、内周側ベーン端面溝４０が、漏れ流れＱ１の流れ方向に直交する方向に延びているため、内周側ベーン端面溝４０内でその長手方向に沿う流れが形成されることが抑制され、漏れ流れＱ１に効果的に圧力損失が生じる。さらに、内周側ベーン端面溝４０の第２溝側壁４３が、内周側ベーン端面２１に垂直に形成されているという点によって、圧力損失が高められる。

【0045】

同様に、第２ギャップＧ２に流入した水は、第２ギャップＧ２から流出するまでに、外周側ベーン端面２２に設けられた外周側ベーン端面溝４１を通過する。第２ギャップＧ２のうち外周側ベーン端面溝４１が設けられた位置では漏れ流れＱ２の流路が拡大され、外周側ベーン端面溝４１が設けられていない位置では漏れ流れＱ２の流路が絞られて狭くなる。すなわち、外周側ベーン端面溝４１が設けられた位置に達した水は、外周側ベーン端面溝４１に入り込み、外周側ベーン端面溝４１内を蛇行するように流れる。そして、水は外周側ベーン端面溝４１から流出し、絞られた狭い流路を流れることになる。このようにして、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に圧力損失が生じる。このため、第２ギャップＧ２の流路抵抗が増加し、漏れ流れＱ２が弱められる。とりわけ、本実施の形態では、外周側ベーン端面溝４１が、漏れ流れＱ２の流れ方向に直交する方向に延びているため、外周側ベーン端面溝４１内でその長手方向に沿う流れが形成されることが抑制され、漏れ流れＱ２に効果的に圧力損失が生じる。さらに、外周側ベーン端面溝４１の第２溝側壁４３が、外周側ベーン端面２２に垂直に形成されているという点によって、圧力損失が高められる。

【0046】

このように本実施の形態によれば、内周側ベーン端面溝４０が、第１ギャップＧ１を流れる漏れ流れＱ１の流れ方向に直交する方向に延びている。このことにより、漏れ流れＱ１に効果的に圧力損失を生じさせることができる。このため、第１ギャップＧ１の流路抵抗を増加させることができ、漏れ流れＱ１を弱めることができる。この結果、ランナベーン２０の周囲に漏れ流れが形成されることを抑制でき、カプラン水車１の効率を向上させることができる。

【0047】

また、本実施の形態によれば、外周側ベーン端面溝４１が、第２ギャップＧ２を流れる漏れ流れＱ２の流れ方向に直交する方向に延びている。このことにより、漏れ流れＱ２に効果的に圧力損失を生じさせることができる。このため、第２ギャップＧ２の流路抵抗を増加させることができ、漏れ流れＱ２を弱めることができる。この結果、ランナベーン２０の周囲に漏れ流れが形成されることを抑制でき、カプラン水車１の効率を向上させることができる。

【0048】

また、本実施の形態によれば、外周側ベーン端面溝４１が、外周側ベーン端面２２からフィレット２６にわたって形成されている。このことにより、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に生じる圧力損失を高めることができる。このため、漏れ流れＱ２をより一層弱めることができる。

【0049】

なお、上述した本実施の形態においては、各ベーン端面溝４０、４１の横断面形状が、図６に示すような矩形状に形成されている例について説明した。しかしながら、各ベーン端面溝４０、４１の横断面形状は、図６に示す形状に限られることはない。

【0050】

例えば、図７に示すように、台形状に形成されていてもよい。図７に示す例では、第１溝側壁４２が、負圧面２４の側に向かって徐々に深くなるように傾斜している。この場合、ギャップＧ１、Ｇ２を流れる水をベーン端面溝４０、４１により一層入り込みやすくすることができ、圧力損失をより一層増加させることができる。

【0051】

また、各ベーン端面溝４０、４１の横断面形状は、図８に示すように形成されていてもよい。図８に示す例では、溝底４４が、深くなる方向（図８における右側）に凹むように湾曲している。この場合においても、ギャップＧ１、Ｇ２を流れる水をベーン端面溝４０、４１により一層入り込みやすくすることができ、圧力損失をより一層増加させることができる。

【0052】

さらに、各ベーン端面溝４０、４１の横断面形状は、図９に示すように形成されていてもよい。図９に示す例では、溝底４４が、深くなる方向（図９における右側）に凹むように湾曲するとともに、第１溝側壁４２および第２溝側壁４３が傾斜している。第１溝側壁４２および第２溝側壁４３は、負圧面２４の側に向かって徐々に深くなるように傾斜している。この場合においても、ギャップＧ１、Ｇ２を流れる水をベーン端面溝４０、４１により一層入り込みやすくすることができ、圧力損失をより一層増加させることができる。

【0053】

また、上述した本実施の形態においては、ランナベーン２０の内周側ベーン端面２１に、内周側ベーン端面溝４０が設けられるとともに、外周側ベーン端面２２に、外周側ベーン端面溝４１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、外周側ベーン端面２２に、外周側ベーン端面溝４１が設けられていない場合であっても、内周側ベーン端面溝４０によって、第１ギャップＧ１を通過する漏れ流れＱ１に効果的に圧力損失を生じさせることができる。同様に、内周側ベーン端面２１に、内周側ベーン端面溝４０が設けられていない場合であっても、外周側ベーン端面溝４１によって、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に効果的に圧力損失を生じさせることができる。

【0054】

また、上述した本実施の形態においては、ランナベーン２０の負圧面２４のうち外周側端部にフィレット２６が設けられている例について説明した。しかしながら、このようなフィレット２６は設けられていなくてもよい。

【0055】

（第２の実施の形態）
次に、図１０を用いて、本発明の第２の実施の形態における水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

【0056】

図１０に示す第２の実施の形態においては、各ベーン端面溝の圧力面の側の端部と圧力面との間、および各ベーン端面溝の負圧面の側の端部と負圧面との間に、溝端壁がそれぞれ設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図９に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１０において、図１〜図９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。

【0057】

本実施の形態においては、図１０に示すように、内周側ベーン端面溝４０の圧力面２３の側の端部と圧力面２３との間に、内周側溝端壁５０が設けられている。また、内周側ベーン端面溝４０の負圧面２４の側の端部と負圧面２４との間にも、内周側溝端壁５０が設けられている。このことにより、内周側ベーン端面溝４０は、圧力面２３および負圧面２４のいずれにおいても開口しておらず、内周側ベーン端面２１を貫通していない。

【0058】

同様に、外周側ベーン端面溝４１の圧力面２３の側の端部と圧力面２３との間に、外周側溝端壁５１が設けられている。また、外周側ベーン端面溝４１の負圧面２４の側の端部と負圧面２４との間にも、外周側溝端壁５１が設けられている。このことにより、外周側ベーン端面溝４１は、圧力面２３および負圧面２４のいずれにおいても開口しておらず、外周側ベーン端面２２を貫通していない。

【0059】

このように本実施の形態によれば、内周側ベーン端面溝４０の圧力面２３の側の端部と圧力面２３との間、および内周側ベーン端面溝４０の負圧面２４の側の端部と負圧面２４との間に、内周側溝端壁５０がそれぞれ設けられている。このことにより、内周側ベーン端面溝４０をその長手方向に流れる水の流れが形成されることを防止できる。このため、第１ギャップＧ１を流れる漏れ流れＱ１をより一層弱めることができる。この結果、ランナベーン２０の周囲に漏れ流れが形成されることをより一層抑制でき、カプラン水車１の効率をより一層向上させることができる。

【0060】

また、本実施の形態によれば、外周側ベーン端面溝４１の圧力面２３の側の端部と圧力面２３との間、および外周側ベーン端面溝４１の負圧面２４の側の端部と負圧面２４との間に、外周側溝端壁５１がそれぞれ設けられている。このことにより、外周側ベーン端面溝４１をその長手方向に流れる水の流れが形成されることを防止できる。このため、第２ギャップＧ２を流れる漏れ流れＱ２をより一層弱めることができる。この結果、ランナベーン２０の周囲に漏れ流れが形成されることをより一層抑制でき、カプラン水車１の効率をより一層向上させることができる。

【0061】

なお、上述した本実施の形態においては、内周側ベーン端面溝４０の圧力面２３の側の端部と圧力面２３との間、および内周側ベーン端面溝４０の負圧面２４の側の端部と負圧面２４との間に、内周側溝端壁５０がそれぞれ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、内周側ベーン端面溝４０の圧力面２３の側の端部と圧力面２３との間、および内周側ベーン端面溝４０の負圧面２４の側の端部と負圧面２４との間のいずれか一方には、内周側溝端壁５０は設けられていなくてもよい。この場合においても、第１ギャップＧ１を流れる漏れ流れＱ１を弱めることができる。同様に、外周側ベーン端面溝４１の圧力面２３の側の端部と圧力面２３との間、および外周側ベーン端面溝４１の負圧面２４の側の端部と負圧面２４との間のいずれか一方には、外周側溝端壁５１は設けられていなくてもよい。

【0062】

（第３の実施の形態）
次に、図１１を用いて、本発明の第３の実施の形態における水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

【0063】

図１１に示す第３の実施の形態においては、ベーン端面溝が環状に形成されている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図９に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１１において、図１〜図９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。

【0064】

本実施の形態においては、図１１に示すように、内周側ベーン端面溝４０および外周側ベーン端面溝４１がそれぞれ、半径方向に沿って見たときに、環状に形成されている。図１１に示す例では、各ベーン端面溝４０、４１は、円環状に形成されている。

【0065】

内周側ベーン端面溝４０は、圧力面２３および負圧面２４のいずれにおいても開口しておらず、内周側ベーン端面２１を貫通していない。すなわち、内周側ベーン端面溝４０と圧力面２３との間、および内周側ベーン端面溝４０と負圧面２４との間に、内周側溝側壁６０がそれぞれ設けられている。

【0066】

同様に、外周側ベーン端面溝４１は、圧力面２３および負圧面２４のいずれにおいても開口しておらず、外周側ベーン端面２２を貫通していない。すなわち、外周側ベーン端面溝４１と圧力面２３との間、および外周側ベーン端面溝４１と負圧面２４との間に、外周側溝側壁６１がそれぞれ設けられている。

【0067】

また、図１１に示すように、外周側ベーン端面溝４１は、外周側ベーン端面２２のうちフィレット２６の部分にも形成されている。すなわち、外周側ベーン端面溝４１は、ベーン本体２５の外周側端面からフィレット２６の外周側端面にわたって連続状に形成されている。

【0068】

なお、図１１に示す例では、複数の外周側ベーン端面溝４１が、半径方向に沿って見たときに、圧力面２３または負圧面２４に沿う方向に１列で配列されている。しかしながら、このことに限られることはなく、外周側ベーン端面溝４１の配置は、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２が少なくとも１回、外周側ベーン端面溝４１を通過することができれば、任意である。内周側ベーン端面溝４０についても同様であるが、図１１においては、スピンドル１５（図２参照）の上流側および下流側に、内周側ベーン端面溝４０が１つずつ設けられている例が示されている。

【0069】

このように本実施の形態によれば、内周側ベーン端面溝４０が、環状に形成されている。このことにより、内周側ベーン端面溝４０に流入した水は、当該内周側ベーン端面溝４０内を循環することができる。このため、第１ギャップＧ１の流路抵抗を増加させることができ、第１ギャップＧ１を流れる漏れ流れＱ１をより一層弱めることができる。とりわけ本実施の形態によれば、内周側ベーン端面溝４０は、円環状に形成されているため、内周側ベーン端面溝４０内の水を、スムースに循環させることができ、第１ギャップＧ１の流路抵抗をより一層増加させることができる。

【0070】

また、本実施の形態によれば、外周側ベーン端面溝４１が、環状に形成されている。このことにより、外周側ベーン端面溝４１に流入した水は、当該外周側ベーン端面溝４１内を循環することができる。このため、第２ギャップＧ２の流路抵抗を増加させることができ、第２ギャップＧ２を流れる漏れ流れＱ２をより一層弱めることができる。とりわけ本実施の形態によれば、外周側ベーン端面溝４１は、円環状に形成されているため、外周側ベーン端面溝４１内の水を、スムースに循環させることができ、第２ギャップＧ２の流路抵抗をより一層増加させることができる。

【0071】

また、本実施の形態によれば、内周側ベーン端面溝４０が円環状に形成されている。このことにより、漏れ流れＱ１に圧力損失を生じさせるという効果が、第１ギャップＧ１を通過する漏れ流れＱ１の流れ方向に依存することを防止でき、運転点（ランナベーン２０の角度）に依存することを防止できる。同様に、外周側ベーン端面溝４１が円環状に形成されているため、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に圧力損失を生じさせるという効果が、運転点に依存することを防止できる。

【0072】

（第４の実施の形態）
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の第４の実施の形態における水力機械のランナおよび水力機械について説明する。

【0073】

図１２〜図１４に示す第４の実施の形態においては、各ベーン端面にベーン端面凹部が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１〜図９に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１２〜図１４において、図１〜図９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。

【0074】

本実施の形態においては、図１２に示すように、内周側ベーン端面２１に、内周側ベーン端面凹部７０が設けられている。本実施の形態では、内周側ベーン端面凹部７０は、半径方向に沿って見たときに、円形状に形成されている。

【0075】

内周側ベーン端面２１における内周側ベーン端面凹部７０の最大寸法（本実施の形態では内周側ベーン端面凹部７０の直径）は、第１ギャップＧ１の寸法ｄ１（図２参照）の３倍〜６倍になっている。内周側ベーン端面凹部７０の最大寸法を第１ギャップＧ１の寸法ｄ１の３倍以上にすることにより、第１ギャップＧ１に流入した水を内周側ベーン端面凹部７０に入り込ませやすくすることができる。一方、内周側ベーン端面凹部７０の最大寸法を第１ギャップＧ１の寸法ｄ１の６倍以下にすることにより、第１ギャップＧ１の流路抵抗増加の効果が喪失されることを抑制できる。なお、内周側ベーン端面溝４０は、円形状に形成されていることに限られることはなく任意であり、例えば、矩形状、六角形状などの多角形状に形成されていてもよい。例えば内周側ベーン端面溝４０が矩形状や六角形状に形成されている場合には、内周側ベーン端面溝４０の最大寸法は、最長の対角線長さに相当する。

【0076】

また、外周側ベーン端面２２に、外周側ベーン端面凹部７１が設けられている。本実施の形態では、外周側ベーン端面凹部７１は、半径方向に沿って見たときに、円形状に形成されている。

【0077】

外周側ベーン端面２２における外周側ベーン端面凹部７１の最大寸法（本実施の形態では外周側ベーン端面凹部７１の直径）は、第２ギャップＧ２の寸法ｄ２（図２参照）の３倍〜６倍になっている。外周側ベーン端面凹部７１の最大寸法を第２ギャップＧ２の寸法ｄ２の３倍以上にすることにより、第２ギャップＧ２に流入した水を外周側ベーン端面凹部７１に入り込ませやすくすることができる。一方、外周側ベーン端面凹部７１の最大寸法を第２ギャップＧ２の寸法ｄ２の６倍以下にすることにより、第２ギャップＧ２の流路抵抗増加の効果が喪失されることを抑制できる。なお、外周側ベーン端面溝４１は、内周側ベーン端面溝４０と同様に、円形状に形成されていることに限られることはなく任意である。

【0078】

また、半径方向に沿って見たときに、内周側ベーン端面凹部７０は、規則的に配列してもよく、あるいはランダムに配置してもよく、任意である。図１２に示す例では、内周側ベーン端面凹部７０は、内周側ベーン端面２１のうちスピンドル１５（図２参照）の上流側および下流側にそれぞれ形成されている。

【0079】

半径方向に沿って見たときに、外周側ベーン端面凹部７１は、規則的に配列してもよく、あるいはランダムに配置してもよく、任意である。図１２に示す例では、外周側ベーン端面凹部７１は、外周側ベーン端面２２のうち、上流側領域および下流側領域を除いた中央領域に形成されている。しかしながら、外周側ベーン端面凹部７１は、外周側ベーン端面２２の全領域にわたって形成されていてもよい。また、外周側ベーン端面凹部７１は、フィレット２６の部分にも形成されている。すなわち、外周側ベーン端面凹部７１は、ベーン本体２５の外周側端面およびフィレット２６の外周側端面にそれぞれ形成されている。

【0080】

内周側ベーン端面凹部７０および外周側ベーン端面凹部７１の横断面形状は、特に限られることはない。例えば、図１３に示すように、台形状に形成されていてもよい。内周側ベーン端面凹部７０の深さｈ３は、第１ギャップＧ１の寸法ｄ１の３倍程度にしてもよく、外周側ベーン端面凹部７１の深さｈ４は、第２ギャップＧ２の寸法ｄ２の３倍程度にしてもよい。

【0081】

水車運転時、第１ギャップＧ１に流入した水は、第１ギャップＧ１から流出するまでに、内周側ベーン端面２１に設けられた内周側ベーン端面凹部７０を通過する。第１ギャップＧ１のうち内周側ベーン端面凹部７０が設けられた位置では漏れ流れＱ１の流路が拡大され、内周側ベーン端面凹部７０が設けられていない位置では漏れ流れＱ１の流路が絞られて狭くなる。すなわち、内周側ベーン端面凹部７０が設けられた位置に達した水は、内周側ベーン端面凹部７０に入り込み、内周側ベーン端面凹部７０内を蛇行するように流れる。そして、水は内周側ベーン端面凹部７０から流出し、絞られた狭い流路を流れることになる。このようにして、第１ギャップＧ１を通過する漏れ流れＱ１に圧力損失が生じる。このため、第１ギャップＧ１の流路抵抗が増加し、漏れ流れＱ１が弱められる。

【0082】

同様に、第２ギャップＧ２に流入した水は、第２ギャップＧ２から流出するまでに、外周側ベーン端面２２に設けられた外周側ベーン端面凹部７１を通過する。第２ギャップＧ２のうち外周側ベーン端面凹部７１が設けられた位置では漏れ流れＱ２の流路が拡大され、外周側ベーン端面凹部７１が設けられていない位置では漏れ流れＱ２の流路が絞られて狭くなる。すなわち、外周側ベーン端面凹部７１が設けられた位置に達した水は、外周側ベーン端面凹部７１に入り込み、外周側ベーン端面凹部７１内を蛇行するように流れる。そして、水は外周側ベーン端面凹部７１から流出し、絞られた狭い流路を流れることになる。このようにして、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に圧力損失が生じる。このため、第２ギャップＧ２の流路抵抗が増加し、漏れ流れＱ２が弱められる。

【0083】

このように本実施の形態によれば、内周側ベーン端面２１に内周側ベーン端面凹部７０が設けられている。このことにより、第１ギャップＧ１を通過する漏れ流れＱ１に効果的に圧力損失を生じさせることができる。このため、第１ギャップＧ１の流路抵抗を増加させることができ、漏れ流れＱ１を弱めることができる。この結果、ランナベーン２０の周囲に漏れ流れが形成されることを抑制でき、カプラン水車１の効率を向上させることができる。

【0084】

また、本実施の形態によれば、内周側ベーン端面２１における内周側ベーン端面凹部７０の最大寸法が、第１ギャップＧ１の寸法ｄ１の３倍〜６倍になっている。このことにより、内周側ベーン端面２１に、内周側ベーン端面凹部７０を多数形成することができる。このため、第１ギャップＧ１を通過する漏れ流れＱ１が内周側ベーン端面凹部７０を通過する回数を増やすことができ、第１ギャップＧ１の流路抵抗をより一層増加させることができる。

【0085】

また、本実施の形態によれば、外周側ベーン端面２２に外周側ベーン端面凹部７１が設けられている。このことにより、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に効果的に圧力損失を生じさせることができる。このため、第２ギャップＧ２の流路抵抗を増加させることができ、漏れ流れＱ２を弱めることができる。この結果、ランナベーン２０の周囲に漏れ流れが形成されることを抑制でき、カプラン水車１の効率を向上させることができる。

【0086】

また、本実施の形態によれば、外周側ベーン端面２２における外周側ベーン端面凹部７１の最大寸法が、第２ギャップＧ２の寸法ｄ２の３倍〜６倍になっている。このことにより、外周側ベーン端面２２に、外周側ベーン端面凹部７１を多数形成することができる。このため、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２が外周側ベーン端面凹部７１を通過する回数を増やすことができ、第２ギャップＧ２の流路抵抗をより一層増加させることができる。

【0087】

また、本実施の形態によれば、内周側ベーン端面凹部７０が円形状に形成されている。このことにより、漏れ流れＱ１に圧力損失を生じさせるという効果が、第１ギャップＧ１を通過する漏れ流れＱ１の流れ方向に依存することを防止でき、運転点（（ランナベーン２０の角度）に依存することを防止できる。同様に、外周側ベーン端面凹部７１が円形状に形成されているため、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に圧力損失を生じさせるという効果が、運転点に依存することを防止できる。

【0088】

以上述べた実施の形態によれば、ランナベーンの周囲に漏れ流れが形成されることを抑制し、水力機械の効率を向上させることができる。

【0089】

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、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

【0090】

なお、上述した各実施の形態においては、ランナベーン２０がランナボス１０に対して回動可能になっている水力機械の一例としてカプラン水車１を例にとって説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、カプラン水車１以外の水車にも各実施の形態を適用することができる。また、ランナ５と、ディスチャージリング３０などの環状の静止部材と、を備えていれば、バルブ水車等の軸流水車や、デリア水車等の斜流水車にも適用することができる。例えば、図１５に示すように、ランナベーン２０がランナボス１０に対して回動不能に固定されていてもよい。この場合、ランナベーン２０がランナボス１０に一体化されるため、第１ギャップＧ１は存在しない。このようにランナベーン２０が回動不能に固定されている場合においては、外周側ベーン端面２２に外周側ベーン端面溝４１を設けることによって、第２ギャップＧ２を通過する漏れ流れＱ２に効果的に圧力損失を生じさせることができる。さらには、各実施の形態は、ポンプ運転可能な水車にも適用することができる。

【符号の説明】

【0091】

１：カプラン水車、５：ランナ、１０：ランナボス、１１：外周面、２０：ランナベーン、２１：内周側ベーン端面、２２：外周側ベーン端面、２３：圧力面、２４：負圧面、２５：ベーン本体、２６：フィレット、３０：ディスチャージリング、３１：内周面、４０：内周側ベーン端面溝、４１：外周側ベーン端面溝、５０：内周側溝端壁、５１：外周側溝端壁、７０：内周側ベーン端面凹部、７１：外周側ベーン端面凹部、Ｇ１：第１ギャップ、Ｇ２：第２ギャップ、Ｑ１、Ｑ２：漏れ流れ、

【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】