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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024030232
(43)【公開日】2024-03-07
(54)【発明の名称】流体機械
(51)【国際特許分類】
F03B 3/02 20060101AFI20240229BHJP
F03B 3/18 20060101ALI20240229BHJP
【ＦＩ】
F03B3/02
F03B3/18 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022132942
(22)【出願日】2022-08-24
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【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】100111121
【弁理士】
【氏名又は名称】原 拓実
(74)【代理人】
【識別番号】100118474
【弁理士】
【氏名又は名称】寺脇 秀▲徳▼
(74)【代理人】
【識別番号】100141911
【弁理士】
【氏名又は名称】栗原 譲
(72)【発明者】
【氏名】川尻 秀之
(72)【発明者】
【氏名】橋立 忠之
【テーマコード（参考）】
3H072
【Ｆターム（参考）】
3H072AA07
3H072BB26
3H072BB31
3H072CC30
(57)【要約】
【課題】円板摩擦損失を抑制することができる流体機械を提供することである。
【解決手段】実施形態の流体機械は、互いに対向する上カバーおよび下カバーの間にラン
ナが回転可能に収容される流体機械であって、前記上カバーと前記ランナとの間に形成さ
れる背圧室と、前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と、前記背圧室およ
び前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入する水流の上流側端
部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する整流装置と、を備
える。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の流体機械は、互いに対向する上カバーおよび下カバーの間にラン
ナが回転可能に収容される流体機械であって、前記上カバーと前記ランナとの間に形成さ
れる背圧室と、前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と、前記背圧室およ
び前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入する水流の上流側端
部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する整流装置と、を備
える。
【選択図】図１
【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の間にランナが回転可能に収容される流体機械
であって、
前記上カバーと前記ランナとの間に形成される背圧室と、
前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と、
前記背圧室および前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入す
る水流の上流側端部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する
整流装置と、
を備える流体機械。
であって、
前記上カバーと前記ランナとの間に形成される背圧室と、
前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と、
前記背圧室および前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入す
る水流の上流側端部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する
整流装置と、
を備える流体機械。
【請求項2】
前記整流装置は、前記ランナのハブと対向する前記上カバーの壁面に設けられる請求項
１に記載の流体機械。
１に記載の流体機械。
【請求項3】
前記整流装置は、前記ランナの主軸と対向する前記上カバーの壁面に設けられる請求項
１に記載の流体機械。
１に記載の流体機械。
【請求項4】
前記整流装置は、前記翼面を回転可能とするスピンドルをさらに備える請求項１から３
いずれかに記載の流体機械。
いずれかに記載の流体機械。
【請求項5】
前記整流装置は、回転軸線を中心とした前記ランナの外径Ｒｃに対して、その設置位置
が０．９Ｒｃ以上の領域に設けられる請求項１または２に記載の流体機械。
が０．９Ｒｃ以上の領域に設けられる請求項１または２に記載の流体機械。
【請求項6】
前記整流装置は、前記上流側端部から前記下流側端部に向かってその翼面が前記ランナ
のハブへの方向に傾斜する請求項１または２に記載の流体機械。
のハブへの方向に傾斜する請求項１または２に記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、流体機械に関する。
【背景技術】
【0002】
遠心型の流体機械の一例であるフランシス水車のランナは、複数枚の羽根がシュラウド
とハブとに挟まれるように構成され、ランナに流入する作動流体の流れを受けて回転する
。
とハブとに挟まれるように構成され、ランナに流入する作動流体の流れを受けて回転する
。
【0003】
ランナの上方は、上カバーによって覆われ、ランナのハブと上カバーとで囲まれた環状
の空間である背圧室には、ランナへ流れる高圧の作動流体の一部が流入し、上カバー側に
沿ってランナの回転軸線に対する内径方向に流れるとともに、ハブ側に沿って外径方向に
流れる。その作動流体は、吸出し管に導かれた後、ランナを通過した作動流体とともに下
池へと導かれる。ランナは高速で回転しているため、この作動流体とハブとの接触面にお
ける摩擦により、円板摩擦損失と呼ばれるエネルギー損失が生じる。
の空間である背圧室には、ランナへ流れる高圧の作動流体の一部が流入し、上カバー側に
沿ってランナの回転軸線に対する内径方向に流れるとともに、ハブ側に沿って外径方向に
流れる。その作動流体は、吸出し管に導かれた後、ランナを通過した作動流体とともに下
池へと導かれる。ランナは高速で回転しているため、この作動流体とハブとの接触面にお
ける摩擦により、円板摩擦損失と呼ばれるエネルギー損失が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１９－８５９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
このような流体機械において、背圧室における作動流体のランナの回転軸線を中心とし
た周速度に対してランナ周速度が大きいほど、円板摩擦損失が増大する傾向がある。この
円板摩擦損失は、流体機械の効率を低下させる一因である。
た周速度に対してランナ周速度が大きいほど、円板摩擦損失が増大する傾向がある。この
円板摩擦損失は、流体機械の効率を低下させる一因である。
【0006】
本発明が解決しようとする課題は、円板摩擦損失を抑制することができる流体機械を提
供することである。
供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、実施形態の流体機械は、互いに対向する上カバーおよび下
カバーの間にランナが回転可能に収容される流体機械であって、前記上カバーと前記ラン
ナとの間に形成される背圧室と、前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と
、前記背圧室および前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入す
る水流の上流側端部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する
整流装置と、を備える。
カバーの間にランナが回転可能に収容される流体機械であって、前記上カバーと前記ラン
ナとの間に形成される背圧室と、前記下カバーと前記ランナとの間に形成される側圧室と
、前記背圧室および前記側圧室の少なくとも一方に設けられる翼であり、この翼に流入す
る水流の上流側端部から下流側端部に向かって、翼面が前記ランナの回転方向に傾斜する
整流装置と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態に係るフランシス水車の子午面断面図。
【図2】第１実施形態に係るフランシス水車の領域Ａの拡大図。
【図3】（ａ）は第１実施形態に係る整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図、（ｂ）は第１実施形態の変形例に係る整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図。
【図4】（ａ）は一般的なフランシス水車の背圧室内における水の回転方向の速度を示す図、（ｂ）は第１実施形態に係るフランシス水車の背圧室内における水の回転方向の速度を示す図。
【図5】第１実施形態の変形例に係るフランシス水車の部分拡大図。
【図6】第１実施形態の変形例に係る水車運転時の整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図、（ｂ）は第１実施形態の変形例に係るポンプ運転時の整流装置を上カバーの上部壁面側から見た断面図。
【図7】第１実施形態の変形例に係るフランシス水車の部分拡大図。
【図8】第１実施形態の変形例に係るフランシス水車の部分拡大図。
【図9】第２実施形態に係るフランシス水車の部分拡大図。
【図10】第２実施形態に係る整流装置をランナの主軸側からランナの径方向外側の向きに見た概略図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
【0010】
（第１実施形態）
第１実施形態について、図１から図８を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る
フランシス水車の子午面断面図である。ここでは、遠心型の流体機械の一例としてフラン
シス水車について説明する。フランシス水車１は、ケーシング１０と、ステーベーン２０
と、ガイドベーン３０と、ランナ４０と、上カバー５０と、下カバー６０とを備える。
第１実施形態について、図１から図８を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る
フランシス水車の子午面断面図である。ここでは、遠心型の流体機械の一例としてフラン
シス水車について説明する。フランシス水車１は、ケーシング１０と、ステーベーン２０
と、ガイドベーン３０と、ランナ４０と、上カバー５０と、下カバー６０とを備える。
【0011】
ケーシング１０は、後述するランナ４０の外周側に渦巻き状に設けられ、上池から鉄管
（共に図示省略）を通り流入した作動流体である水を、ステーベーン２０およびガイドベ
ーン３０（共に後述する）を介してランナ４０に供給する。なお、ケーシング１０は、通
常、巻き始めから巻き終わりにかけてその断面直径が徐々に小さくなるように形成されて
いる。
（共に図示省略）を通り流入した作動流体である水を、ステーベーン２０およびガイドベ
ーン３０（共に後述する）を介してランナ４０に供給する。なお、ケーシング１０は、通
常、巻き始めから巻き終わりにかけてその断面直径が徐々に小さくなるように形成されて
いる。
【0012】
ステーベーン２０は、ケーシング１０よりも内周側、かつ後述する主軸４２の回転軸線
Ｃに対する周方向（以下、周方向と呼称する）に所定の間隔をあけて複数配置される。隣
り合うステーベーン２０の間には、水が流れる流路が形成されている。
Ｃに対する周方向（以下、周方向と呼称する）に所定の間隔をあけて複数配置される。隣
り合うステーベーン２０の間には、水が流れる流路が形成されている。
【0013】
ガイドベーン３０は、ステーベーン２０の内周側かつ周方向に所定の間隔をあけて複数
配置される。ガイドベーン３０は、各々が回転可能でありその開度を制御することにより
、隣り合うガイドベーン３０の間に形成される流路の流路面積を変化させることができる
。したがって、ガイドベーン３０はその開度を制御することにより、水車内を流れる水の
水量を調整することができる。
配置される。ガイドベーン３０は、各々が回転可能でありその開度を制御することにより
、隣り合うガイドベーン３０の間に形成される流路の流路面積を変化させることができる
。したがって、ガイドベーン３０はその開度を制御することにより、水車内を流れる水の
水量を調整することができる。
【0014】
ランナ４０は、主軸４２に連結されたハブ４４と、ハブ４４に対向するよう設けられた
シュラウド４６と、ハブ４４およびシュラウド４６の間に設けられた複数のランナ羽根４
８と、を備える。ランナ４０は、ガイドベーン３０の内周側に、回転軸線Ｃを中心に回転
するように設けられ、主軸４２を介して発電機（図示省略）と連結している。なお、以降
の説明において、回転軸線Ｃのうち発電機側をＣ軸上方向、ランナ４０よりも下流側に設
けられる吸出し管（図示省略）側をＣ軸下方向とする。
シュラウド４６と、ハブ４４およびシュラウド４６の間に設けられた複数のランナ羽根４
８と、を備える。ランナ４０は、ガイドベーン３０の内周側に、回転軸線Ｃを中心に回転
するように設けられ、主軸４２を介して発電機（図示省略）と連結している。なお、以降
の説明において、回転軸線Ｃのうち発電機側をＣ軸上方向、ランナ４０よりも下流側に設
けられる吸出し管（図示省略）側をＣ軸下方向とする。
【0015】
主軸４２は、ランナ４０とともに回転軸線Ｃを中心に回転可能に設けられる。主軸４２
には、発電機が連結され、ランナ４０の回転エネルギーが主軸４２を介して発電機に伝達
されて発電する。
には、発電機が連結され、ランナ４０の回転エネルギーが主軸４２を介して発電機に伝達
されて発電する。
【0016】
ランナ羽根４８は、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、隣り合うランナ羽根
４８の間に水が流れる流路が形成されている。
４８の間に水が流れる流路が形成されている。
【0017】
なお、主軸４２を介しランナ４０に連結される発電機は、電動機としての機能も備え、
電力が供給されることによりランナ４０を回転駆動するように構成されても良い。この場
合には、吸出し管を介して下池（いずれも図示省略）の水を吸い上げて上池に放出させる
ことができ、ポンプ水車として揚水運転することが可能になる。
電力が供給されることによりランナ４０を回転駆動するように構成されても良い。この場
合には、吸出し管を介して下池（いずれも図示省略）の水を吸い上げて上池に放出させる
ことができ、ポンプ水車として揚水運転することが可能になる。
【0018】
上カバー５０は、ハブ４４の上方（Ｃ軸上方向）に静止部材として設けられる。ハブ４
４と上カバー５０との間には、環状の隙間である背圧室７０が形成されている。背圧室７
０には、水車運転時にガイドベーン３０の流路を流れた水の一部が漏れ流れとして流入す
る。背圧室７０に流入した水は、多くはランナ４０のハブ４４に空けられたバランスホー
ルや上カバー５０に設置された配管を通してランナ４０から流出した水とともに吸出し管
へと流出し、一部は主軸４２に沿って上カバー上部に漏出する。
４と上カバー５０との間には、環状の隙間である背圧室７０が形成されている。背圧室７
０には、水車運転時にガイドベーン３０の流路を流れた水の一部が漏れ流れとして流入す
る。背圧室７０に流入した水は、多くはランナ４０のハブ４４に空けられたバランスホー
ルや上カバー５０に設置された配管を通してランナ４０から流出した水とともに吸出し管
へと流出し、一部は主軸４２に沿って上カバー上部に漏出する。
【0019】
下カバー６０は、ランナ４０のシュラウド４６の下方（Ｃ軸下方向）に静止部材として
設けられる。シュラウド４６と下カバー６０との間には側圧室７２と称する環状の隙間が
形成されている。側圧室７２には、水車運転時にガイドベーン３０の流路を流れた水の一
部が漏れ流れとして流入する。側圧室７２に流入した水は、ランナ４０から流出した水と
ともに吸出し管へと流出する。
設けられる。シュラウド４６と下カバー６０との間には側圧室７２と称する環状の隙間が
形成されている。側圧室７２には、水車運転時にガイドベーン３０の流路を流れた水の一
部が漏れ流れとして流入する。側圧室７２に流入した水は、ランナ４０から流出した水と
ともに吸出し管へと流出する。
【0020】
これら上カバー５０および下カバー６０は互いに対向して設けられ、その間にはランナ
４０が収容される。
４０が収容される。
【0021】
次に、本実施形態に係る上カバー５０について図２および図３を参照して説明する。図
２は、図１において点線で囲われた領域Ａの拡大図である。図３は、整流装置５６を上部
壁面５４側からＣ軸下方向に見た断面図である。
２は、図１において点線で囲われた領域Ａの拡大図である。図３は、整流装置５６を上部
壁面５４側からＣ軸下方向に見た断面図である。
【0022】
上カバー５０は、主軸４２と対向するように径方向内側を向いて形成された壁面である
側部壁面５２と、側部壁面５２に接続されると共に、ハブ４４と対向するようにＣ軸下方
向を向いて形成された壁面である上部壁面５４と、上部壁面５４に設けられた整流装置５
６とを備える。なお、以降の説明において、径方向とは回転軸線Ｃを中心としたときの半
径方向を指す。
側部壁面５２と、側部壁面５２に接続されると共に、ハブ４４と対向するようにＣ軸下方
向を向いて形成された壁面である上部壁面５４と、上部壁面５４に設けられた整流装置５
６とを備える。なお、以降の説明において、径方向とは回転軸線Ｃを中心としたときの半
径方向を指す。
【0023】
整流装置５６は、図３（ａ）に示すように、上部壁面５４に対して突起する翼であり、
周方向に所定の間隔をあけて上部壁面５４に複数設けられる。整流装置５６は、水流が流
入する端部である上流側端部５６ａと、水流が流出する端部である下流側端部５６ｂとを
備え、下流側端部５６ｂが上流側端部５６ａよりもランナ４０の回転方向Ｒ１０に向かっ
て傾斜している。なお、図３においては、径方向外側が上流側であり、径方向内側が下流
側であるので、整流装置５６は、回転軸線Ｃを中心とした径方向外側から径方向内側に向
かって、その翼面が回転方向Ｒ１０に傾斜している。つまり、整流装置５６は、圧力面が
回転方向Ｒ１０に沿って凹となると共に、下流側端部５６ｂが上流側端部５６ａよりも回
転方向Ｒ１０の下流側に位置するように配置されている。
周方向に所定の間隔をあけて上部壁面５４に複数設けられる。整流装置５６は、水流が流
入する端部である上流側端部５６ａと、水流が流出する端部である下流側端部５６ｂとを
備え、下流側端部５６ｂが上流側端部５６ａよりもランナ４０の回転方向Ｒ１０に向かっ
て傾斜している。なお、図３においては、径方向外側が上流側であり、径方向内側が下流
側であるので、整流装置５６は、回転軸線Ｃを中心とした径方向外側から径方向内側に向
かって、その翼面が回転方向Ｒ１０に傾斜している。つまり、整流装置５６は、圧力面が
回転方向Ｒ１０に沿って凹となると共に、下流側端部５６ｂが上流側端部５６ａよりも回
転方向Ｒ１０の下流側に位置するように配置されている。
【0024】
なお、本実施形態では整流装置５６が上部壁面５４に直接固定して設けられる構成を例
示して説明するが、例えば複数の整流装置５６を環状の基礎（図示省略）に固定して一体
とし、整流装置５６が固定された基礎を上部壁面５４に設ける構成としても良い。また、
本実施形態では整流装置５６が回転方向Ｒ１０に沿って凹となる場合を例示したが、例え
ば整流装置５６は回転方向Ｒ１０と逆方向に凸となる反動翼の形状であってよいし、上流
側端部５６ａおよび下流側端部５６ｂに向かって先細りとなる流線形状であってもよい。
加えて、本実施形態の他の変形例として、例えば図３（ｂ）に示すように、整流装置５６
が、上部壁面５４および側部壁面５２に接するように設けられ、側部壁面５２と整流装置
５６との間に隙間がない構成であっても良い。
示して説明するが、例えば複数の整流装置５６を環状の基礎（図示省略）に固定して一体
とし、整流装置５６が固定された基礎を上部壁面５４に設ける構成としても良い。また、
本実施形態では整流装置５６が回転方向Ｒ１０に沿って凹となる場合を例示したが、例え
ば整流装置５６は回転方向Ｒ１０と逆方向に凸となる反動翼の形状であってよいし、上流
側端部５６ａおよび下流側端部５６ｂに向かって先細りとなる流線形状であってもよい。
加えて、本実施形態の他の変形例として、例えば図３（ｂ）に示すように、整流装置５６
が、上部壁面５４および側部壁面５２に接するように設けられ、側部壁面５２と整流装置
５６との間に隙間がない構成であっても良い。
【0025】
【0026】
水車運転時には、上池からの水がケーシング１０、ステーベーン２０、およびガイドベ
ーン３０を順次通過してランナ４０に供給され、この水の仕事を受けてランナ４０が回転
駆動すると、その回転エネルギーが回転軸５０を介して発電機に伝達されて発電する。ラ
ンナ４０で仕事をした後の水は、吸出し管を流れ下池に排出される。
ーン３０を順次通過してランナ４０に供給され、この水の仕事を受けてランナ４０が回転
駆動すると、その回転エネルギーが回転軸５０を介して発電機に伝達されて発電する。ラ
ンナ４０で仕事をした後の水は、吸出し管を流れ下池に排出される。
【0027】
このとき、ガイドベーン３０を通過した水の大部分（以降、主流という）はランナ４０
を回転させるべくランナ４０に向かって径方向内向きに流れるが、主流として流れない水
の一部は背圧室７０に流入する。図２の矢印（ハブ４４と側部壁面５２との間に、Ｃ軸方
向上側を向いて記載された矢印）で示すように、背圧室に流入した水は、側部壁面５２に
沿って上部壁面５４側へ流れた後、上部壁面５４に沿って径方向内側へ流れる。上部壁面
５４には整流装置５６が設けられるため、整流装置５６に流入した水は、図３（ａ）に示
す整流装置５６の上流側端部５６ａから下流側端部５６ｂへの方向にガイドされ、回転方
向Ｒ１０に傾斜した方向に径方向外側から内側へ水が流れる。つまり、背圧室７０を流れ
る水は、整流装置５６において回転方向Ｒ１０の速度成分を付与されながら、上部壁面５
４に沿って径方向内側に流れる。
を回転させるべくランナ４０に向かって径方向内向きに流れるが、主流として流れない水
の一部は背圧室７０に流入する。図２の矢印（ハブ４４と側部壁面５２との間に、Ｃ軸方
向上側を向いて記載された矢印）で示すように、背圧室に流入した水は、側部壁面５２に
沿って上部壁面５４側へ流れた後、上部壁面５４に沿って径方向内側へ流れる。上部壁面
５４には整流装置５６が設けられるため、整流装置５６に流入した水は、図３（ａ）に示
す整流装置５６の上流側端部５６ａから下流側端部５６ｂへの方向にガイドされ、回転方
向Ｒ１０に傾斜した方向に径方向外側から内側へ水が流れる。つまり、背圧室７０を流れ
る水は、整流装置５６において回転方向Ｒ１０の速度成分を付与されながら、上部壁面５
４に沿って径方向内側に流れる。
【0028】
径方向内側に流れた水は、主軸４２に沿ってＣ軸上方向に流れる水と、Ｃ軸下方向に流
れる水とに分岐される。このうち、Ｃ軸上方向に流れた水は、上カバー５０の上部で、排
水ポンプ（図示省略）によって外部へと排水される。一方、Ｃ軸下方向に流れた水は、ハ
ブ４４に沿って径方向外側に流れ、ハブ４４に形成されたバランスホール（図示省略）を
介してランナ４０の下流側に流出する。
れる水とに分岐される。このうち、Ｃ軸上方向に流れた水は、上カバー５０の上部で、排
水ポンプ（図示省略）によって外部へと排水される。一方、Ｃ軸下方向に流れた水は、ハ
ブ４４に沿って径方向外側に流れ、ハブ４４に形成されたバランスホール（図示省略）を
介してランナ４０の下流側に流出する。
【0029】
一般的なフランシス水車は、水車運転時にはランナ４０が高速で回転している。したが
って、図４（ａ）の矢印に示すように、背圧室７０内を流れる水の回転方向Ｒ１０の速度
成分は、回転しているランナ４０のハブ４４側で大きくなり、静止している上カバー５０
（上部壁面５４側）に近づくにつれて回転方向Ｒ１０の速度成分が小さくなる。
って、図４（ａ）の矢印に示すように、背圧室７０内を流れる水の回転方向Ｒ１０の速度
成分は、回転しているランナ４０のハブ４４側で大きくなり、静止している上カバー５０
（上部壁面５４側）に近づくにつれて回転方向Ｒ１０の速度成分が小さくなる。
【0030】
一方、上述した本実施形態においては、上部壁面５４に整流装置５６が設けられ、背圧
室７０を流れる水が、整流装置５６から回転方向Ｒ１０の速度成分を付与される。その結
果、図４（ｂ）の矢印に示すように、ハブ４４と上部壁面５４との間の中間地点における
回転方向Ｒ１０の速度成分が全体的に大きくなることに加え、ハブ４４近傍における速度
成分の変化量が緩やかになる。これにより、背圧室７０内を流れる水とランナ４０との回
転方向Ｒ１０の周速度の差が低減されるので、背圧室７０における円板摩擦損失を抑制す
ることができ、フランシス水車１の効率を向上させることができる。
室７０を流れる水が、整流装置５６から回転方向Ｒ１０の速度成分を付与される。その結
果、図４（ｂ）の矢印に示すように、ハブ４４と上部壁面５４との間の中間地点における
回転方向Ｒ１０の速度成分が全体的に大きくなることに加え、ハブ４４近傍における速度
成分の変化量が緩やかになる。これにより、背圧室７０内を流れる水とランナ４０との回
転方向Ｒ１０の周速度の差が低減されるので、背圧室７０における円板摩擦損失を抑制す
ることができ、フランシス水車１の効率を向上させることができる。
【0031】
なお、本実施形態の変形例として、例えば図６に示すように、整流装置５６に回転軸と
してのスピンドル５８を設け、整流装置５６がスピンドル５８を中心に回転可能な構成と
しても良い。このとき、制御装置から駆動装置（いずれも図示省略）へ制御信号を出力し
、駆動装置によって整流装置５６を回転させても良い。ランナ４０の回転方向は、水車運
転時とポンプ運転時とで逆方向となるので、水車運転時には、図６（ａ）に示すように上
流側端部５６ａよりも下流側端部５６ｂが回転方向Ｒ１０の下流側に、揚水運転時には、
図６（ｂ）に示すように上流側端部５６ａよりも下流側端部５６ｂが回転方向Ｒ２０の下
流側に傾斜するように、それぞれ整流装置５６を回転させることができる。この変形例の
構成を備えることにより、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、背圧室７０
内の水の流れに応じて整流装置５６の角度を変化させることで、円板摩擦損失をより効果
的に低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率をさらに向上させること
ができる。
してのスピンドル５８を設け、整流装置５６がスピンドル５８を中心に回転可能な構成と
しても良い。このとき、制御装置から駆動装置（いずれも図示省略）へ制御信号を出力し
、駆動装置によって整流装置５６を回転させても良い。ランナ４０の回転方向は、水車運
転時とポンプ運転時とで逆方向となるので、水車運転時には、図６（ａ）に示すように上
流側端部５６ａよりも下流側端部５６ｂが回転方向Ｒ１０の下流側に、揚水運転時には、
図６（ｂ）に示すように上流側端部５６ａよりも下流側端部５６ｂが回転方向Ｒ２０の下
流側に傾斜するように、それぞれ整流装置５６を回転させることができる。この変形例の
構成を備えることにより、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、背圧室７０
内の水の流れに応じて整流装置５６の角度を変化させることで、円板摩擦損失をより効果
的に低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率をさらに向上させること
ができる。
【0032】
また、本実施形態の別の変形例として、例えば図７に示すように、ハブ４４の回転軸線
Ｃを中心とする外径Ｒｃのうち、０．９Ｒｃ以上の領域に位置するように整流装置５６を
設ける構成としても良い。一般に、ランナ４０が一定速度で回転している場合、上部壁面
５４と対向するハブ４４の面の回転速度は、半径に比例して大きくなる。これに伴い、円
板摩擦損失はハブ４４の外径側ほど増大するため、外径側を流れる水の回転方向Ｒ１０の
速度成分を増加させることで円板摩擦損失を効果的に低減することができる。したがって
、整流装置５６の設置位置を０．９Ｒｃ以上の領域に設けることで、本実施形態よりも円
板摩擦損失を低減し、フランシス水車１の効率を向上させることができる。
Ｃを中心とする外径Ｒｃのうち、０．９Ｒｃ以上の領域に位置するように整流装置５６を
設ける構成としても良い。一般に、ランナ４０が一定速度で回転している場合、上部壁面
５４と対向するハブ４４の面の回転速度は、半径に比例して大きくなる。これに伴い、円
板摩擦損失はハブ４４の外径側ほど増大するため、外径側を流れる水の回転方向Ｒ１０の
速度成分を増加させることで円板摩擦損失を効果的に低減することができる。したがって
、整流装置５６の設置位置を０．９Ｒｃ以上の領域に設けることで、本実施形態よりも円
板摩擦損失を低減し、フランシス水車１の効率を向上させることができる。
【0033】
また、本実施形態の別の変形例として、図８に示すように、上部壁面５４を径方向外側
に向かってＣ軸上方向に傾斜した傾斜壁面５４ａとし、この傾斜壁面５４ａに整流装置５
６を設ける構成としても良い。つまり、上流側端部５６ａとハブ４４とのＣ軸方向の距離
が、下流側端部５６ｂとハブ４４とのＣ軸方向の距離よりも大きくなるように整流装置５
６を配置すし、整流装置５６に流入した水が回転方向Ｒ１０の速度成分を付与された状態
でハブ４４に向かって流出する構成としても良い。一般に、円板摩擦損失は、ハブ４４と
ハブ４４付近を流れる水との回転方向Ｒ１０の周速度の差が大きいほど増加する。したが
って、回転方向Ｒ１０の速度成分を付与された水がハブ４４に向かって流出することで、
ハブ４４とハブ４４近傍を流れる水との周速度の差が本実施形態よりも小さくなり、円板
摩擦損失をより低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率をさらに向上
させることができる。
に向かってＣ軸上方向に傾斜した傾斜壁面５４ａとし、この傾斜壁面５４ａに整流装置５
６を設ける構成としても良い。つまり、上流側端部５６ａとハブ４４とのＣ軸方向の距離
が、下流側端部５６ｂとハブ４４とのＣ軸方向の距離よりも大きくなるように整流装置５
６を配置すし、整流装置５６に流入した水が回転方向Ｒ１０の速度成分を付与された状態
でハブ４４に向かって流出する構成としても良い。一般に、円板摩擦損失は、ハブ４４と
ハブ４４付近を流れる水との回転方向Ｒ１０の周速度の差が大きいほど増加する。したが
って、回転方向Ｒ１０の速度成分を付与された水がハブ４４に向かって流出することで、
ハブ４４とハブ４４近傍を流れる水との周速度の差が本実施形態よりも小さくなり、円板
摩擦損失をより低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率をさらに向上
させることができる。
【0034】
なお、上述したような整流装置５６は、シュラウド４６と下カバー６０との間に形成さ
れる側圧室７２に設けても良く、背圧室７２においても本実施形態と同様の効果が得られ
る。つまり、側圧室７２に設けた整流装置によって側圧室７２を流れる水の回転方向Ｒ１
０への速度成分を増加させることで、この水とシュラウド４６との周速度の差が小さくな
り、円板摩擦損失を低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率を向上さ
せることができる。
れる側圧室７２に設けても良く、背圧室７２においても本実施形態と同様の効果が得られ
る。つまり、側圧室７２に設けた整流装置によって側圧室７２を流れる水の回転方向Ｒ１
０への速度成分を増加させることで、この水とシュラウド４６との周速度の差が小さくな
り、円板摩擦損失を低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率を向上さ
せることができる。
【0035】
これら上述した本実施形態の各変形例については、第２実施形態以降においても同様に
成り立つこととする。
成り立つこととする。
【0036】
（第２実施形態）
第２実施形態について、図９および図１０を参照して説明する。図９は、本実施形態に
係るフランシス水車１の部分拡大図であり、図１０は、整流装置１５６を主軸４２側から
径方向外側の向きに見た図である。なお、第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、
詳細な説明は省略する。本実施形態と第１実施形態との主な相違点は、整流装置１５６が
上カバー５０の側部壁面５２に設けられる点である。
第２実施形態について、図９および図１０を参照して説明する。図９は、本実施形態に
係るフランシス水車１の部分拡大図であり、図１０は、整流装置１５６を主軸４２側から
径方向外側の向きに見た図である。なお、第１実施形態と同一部分には同一符号を付し、
詳細な説明は省略する。本実施形態と第１実施形態との主な相違点は、整流装置１５６が
上カバー５０の側部壁面５２に設けられる点である。
【0037】
整流装置１５６は、図９に示すように、主軸４２と対向する側部壁面５２に設けられる
。整流装置１５６は、図１０に示すように、側部壁面５２に対して突起する翼であり、周
方向に所定の間隔をあけて側部壁面５２に複数設けられる。整流装置１５６は、水流が流
入する端部である上流側端部１５６ａと、水流が流出する端部である下流側端部１５６ｂ
とを備え、上流側端部１５６ａから下流側端部１５６ｂに向かって、その翼面がランナ４
０の回転方向Ｒ１０に向かって傾斜している。つまり、整流装置１５６は、圧力面が回転
方向Ｒ１０に沿って凹となると共に、下流側端部５６ｂが上流側端部５６ａよりも回転方
向Ｒ１０の下流側に位置するように配置されている。なお、図１０においては、Ｃ軸下方
向の端部が上流側端部１５６ａであり、Ｃ軸上方向の端部が下流側端部１５６ｂである。
つまり、整流装置１５６は、Ｃ軸下から上方向に向かって、その翼面が回転方向Ｒ１０に
傾斜している。
。整流装置１５６は、図１０に示すように、側部壁面５２に対して突起する翼であり、周
方向に所定の間隔をあけて側部壁面５２に複数設けられる。整流装置１５６は、水流が流
入する端部である上流側端部１５６ａと、水流が流出する端部である下流側端部１５６ｂ
とを備え、上流側端部１５６ａから下流側端部１５６ｂに向かって、その翼面がランナ４
０の回転方向Ｒ１０に向かって傾斜している。つまり、整流装置１５６は、圧力面が回転
方向Ｒ１０に沿って凹となると共に、下流側端部５６ｂが上流側端部５６ａよりも回転方
向Ｒ１０の下流側に位置するように配置されている。なお、図１０においては、Ｃ軸下方
向の端部が上流側端部１５６ａであり、Ｃ軸上方向の端部が下流側端部１５６ｂである。
つまり、整流装置１５６は、Ｃ軸下から上方向に向かって、その翼面が回転方向Ｒ１０に
傾斜している。
【0038】
なお、本実施形態では整流装置１５６が側部壁面５２に直接固定して設けられる構成を
例示して説明するが、例えば複数の整流装置１５６を環状の基礎（図示省略）に固定して
一体とし、整流装置１５６が固定された基礎を側部壁面５２に設ける構成としても良い。
また、本実施形態では整流装置１５６の圧力面が回転方向Ｒ１０に沿って凹となる場合を
例示したが、例えば整流装置１５６は回転方向Ｒ１０と逆方向に凸となる反動翼の形状で
あってよいし、上流側端部１５６ａおよび下流側端部１５６ｂに向かって先細りとなる流
線形状であってもよい。
例示して説明するが、例えば複数の整流装置１５６を環状の基礎（図示省略）に固定して
一体とし、整流装置１５６が固定された基礎を側部壁面５２に設ける構成としても良い。
また、本実施形態では整流装置１５６の圧力面が回転方向Ｒ１０に沿って凹となる場合を
例示したが、例えば整流装置１５６は回転方向Ｒ１０と逆方向に凸となる反動翼の形状で
あってよいし、上流側端部１５６ａおよび下流側端部１５６ｂに向かって先細りとなる流
線形状であってもよい。
【0039】
【0040】
水車運転時に主流として流れない水の一部は、背圧室７０に流入する。図９の矢印（ハ
ブ４４と側部壁面５２との間に、Ｃ軸方向上側を向いて記載された矢印）で示すように、
背圧室に流入した水は、図１０に示す整流装置１５６の上流側端部１５６ａから下流側端
部１５６ｂへの方向にガイドされ、回転方向Ｒに傾斜した方向にＣ軸下から上方向へ水が
流れる。つまり、背圧室７０を流れる水は、整流装置１５６において回転方向Ｒ１０の速
度成分を付与されながら、側部壁面５２に沿ってＣ軸上方向に流れる。そして、その水は
側部壁面５２に沿って上部壁面５４側へ流れた後、上部壁面５４に沿って径方向内側へ流
れる。
ブ４４と側部壁面５２との間に、Ｃ軸方向上側を向いて記載された矢印）で示すように、
背圧室に流入した水は、図１０に示す整流装置１５６の上流側端部１５６ａから下流側端
部１５６ｂへの方向にガイドされ、回転方向Ｒに傾斜した方向にＣ軸下から上方向へ水が
流れる。つまり、背圧室７０を流れる水は、整流装置１５６において回転方向Ｒ１０の速
度成分を付与されながら、側部壁面５２に沿ってＣ軸上方向に流れる。そして、その水は
側部壁面５２に沿って上部壁面５４側へ流れた後、上部壁面５４に沿って径方向内側へ流
れる。
【0041】
径方向内側に流れた水は、主軸４２に沿ってＣ軸上方向に流れる水と、Ｃ軸下方向に流
れる水とに分岐される。このうち、Ｃ軸上方向に流れた水は、上カバー５０の上部で、排
水ポンプ（図示省略）によって外部へと排水される。一方、Ｃ軸下方向に流れた水は、ハ
ブ４４に沿って径方向外側に流れ、ハブ４４に形成されたバランスホール（図示省略）を
介してランナ４０の下流側に流出する。
れる水とに分岐される。このうち、Ｃ軸上方向に流れた水は、上カバー５０の上部で、排
水ポンプ（図示省略）によって外部へと排水される。一方、Ｃ軸下方向に流れた水は、ハ
ブ４４に沿って径方向外側に流れ、ハブ４４に形成されたバランスホール（図示省略）を
介してランナ４０の下流側に流出する。
【0042】
上述した本実施形態においては、側部壁面５２に整流装置１５６が設けられ、背圧室７
０を流れる水が、整流装置１５６から回転方向Ｒ１０の速度成分を付与される。その結果
、第１実施形態と同様に、ハブ４４と上部壁面５４との間の中間地点における回転方向Ｒ
１０の速度成分が全体的に大きくなることに加え、ハブ４４近傍における速度成分の変化
量が緩やかになる。これにより、背圧室７０内を流れる水とランナ４０との回転方向Ｒ１
０の周速度の差が低減されるので、背圧室７０における円板摩擦損失を抑制することがで
き、フランシス水車１の効率を向上させることができる。
０を流れる水が、整流装置１５６から回転方向Ｒ１０の速度成分を付与される。その結果
、第１実施形態と同様に、ハブ４４と上部壁面５４との間の中間地点における回転方向Ｒ
１０の速度成分が全体的に大きくなることに加え、ハブ４４近傍における速度成分の変化
量が緩やかになる。これにより、背圧室７０内を流れる水とランナ４０との回転方向Ｒ１
０の周速度の差が低減されるので、背圧室７０における円板摩擦損失を抑制することがで
き、フランシス水車１の効率を向上させることができる。
【0043】
なお、上述したような整流装置１５６は、シュラウド４６と下カバー６０との間に形成
される側圧室７２に設けても良く、背圧室７２においても本実施形態と同様の効果が得ら
れる。つまり、側圧室７２に設けた整流装置によって側圧室７２を流れる水の回転方向Ｒ
１０への速度成分を増加させることで、この水とシュラウド４６との周速度の差が小さく
なり、円板摩擦損失を低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率を向上
させることができる。
される側圧室７２に設けても良く、背圧室７２においても本実施形態と同様の効果が得ら
れる。つまり、側圧室７２に設けた整流装置によって側圧室７２を流れる水の回転方向Ｒ
１０への速度成分を増加させることで、この水とシュラウド４６との周速度の差が小さく
なり、円板摩擦損失を低減することができる。その結果、フランシス水車１の効率を向上
させることができる。
【0044】
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
。
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
。
【符号の説明】
【0045】
１…フランシス水車、１０…ケーシング、２０…ステーベーン、３０…ガイドベーン、４
０…ランナ、４２…主軸、４４…ハブ、４６…シュラウド、４８…ランナ羽根、５０…上
カバー、５２…側部壁面、５４…上部壁面、５４ａ…傾斜壁面、５６、１５６…整流装置
、５６ａ、１５６ａ…上流側端部、５６ｂ、１５６ｂ…下流側端部、５８…スピンドル、
６０…下カバー、７０…背圧室、７２…側圧室。
０…ランナ、４２…主軸、４４…ハブ、４６…シュラウド、４８…ランナ羽根、５０…上
カバー、５２…側部壁面、５４…上部壁面、５４ａ…傾斜壁面、５６、１５６…整流装置
、５６ａ、１５６ａ…上流側端部、５６ｂ、１５６ｂ…下流側端部、５８…スピンドル、
６０…下カバー、７０…背圧室、７２…側圧室。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】