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(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】
(24)【登録日】2023-05-16
(45)【発行日】2023-05-24
(54)【発明の名称】軸流水車発電装置のディフューザおよび軸流水車発電装置
(51)【国際特許分類】
F03B 3/04 20060101AFI20230517BHJP
F03B 11/00 20060101ALI20230517BHJP
F03B 7/00 20060101ALI20230517BHJP
【ＦＩ】
F03B3/04
F03B11/00 E
F03B7/00
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020000530
(22)【出願日】2020-01-06
(65)【公開番号】P2021110247
(43)【公開日】2021-08-02
【審査請求日】2022-03-07
(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】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(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】久保 幸一
(72)【発明者】
【氏名】川尻 秀之
(72)【発明者】
【氏名】榎本 保之
(72)【発明者】
【氏名】中村 高紀
(72)【発明者】
【氏名】塙 直紀
(72)【発明者】
【氏名】西本 篤人
【審査官】藤原 弘
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１９５４８９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－１４５３４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１３０１１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭６２－０００１７０（ＪＰ，Ｕ）
【文献】実開昭６１－２００４６９（ＪＰ，Ｕ）
【文献】米国特許出願公開第２００３／０１７８８５６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０３－０６３３１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０４９６０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１８０９９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－０８１５６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－０２６１４７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０３Ｂ １／００－１１／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ドラフトチューブから下池に流出される水流を案内する軸流水車発電装置のディフューザであって、前記ドラフトチューブの中心軸線に沿う軸方向に延びる筒体と、
前記筒体に設けられた鍔部であって、前記ドラフトチューブの出口端部よりも下流側に位置し、前記筒体の外周側を流れる水流の向きを前記中心軸線から離れる方向に向ける鍔部と、を備え、
前記鍔部は、前記下池の壁面に対向している、軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項2】
前記筒体の流路断面は、下流側に向かって拡大している、請求項１に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項3】
前記筒体の入口端部は、前記ドラフトチューブの出口端部よりも上流側に位置している、請求項１または２に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項4】
前記鍔部は、前記筒体の出口端部に設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項5】
前記鍔部は、前記筒体の全周にわたって設けられている、請求項１～４のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項6】
前記鍔部は、前記筒体の周方向の一部に設けられている、請求項１～４のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項7】
前記ドラフトチューブの出口端部に対応する前記軸方向の位置における前記筒体の外形寸法は、前記ドラフトチューブの出口端部における流路寸法の８０％以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項8】
前記軸方向に直交する方向における前記鍔部の寸法は、前記筒体の出口端部における流路寸法の５％～２０％である、請求項１～７のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項9】
前記軸方向における前記筒体の寸法は、前記筒体の出口端部における流路寸法の３０％～１８０％である、請求項１～８のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項10】
前記軸方向における前記ドラフトチューブの出口端部と前記鍔部との距離は、前記筒体の出口寸法の２０％以上である、請求項１～９のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項11】
前記筒体の外周面に、周方向に配列された複数の案内翼が設けられ、前記案内翼は、前記筒体の外周側を流れる水流の旋回成分を低減させるように構成されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項12】
前記案内翼は、前記筒体に回動可能に設けられている、請求項１１に記載の軸流水車発電装置のディフューザ。
【請求項13】
ランナと、前記ランナから流出した水流の圧力を回復させるドラフトチューブと、
前記ドラフトチューブから流出された水流を案内する請求項１～１２のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置のディフューザと、を備えた、軸流水車発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施の形態は、軸流水車発電装置のディフューザおよび軸流水車発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
低落差で大流量の水車の高性能化のために、ランナやガイドベーン等、翼の形状に起因する損失低減を図ることが多い。また、ドラフト損失の低減を図ることも行われているが、ドラフトチューブの出口端部における開口形状は、土木工事の観点から制限されているために、現状からの大幅な損失低減は困難な状況にある。
【0003】
しかしながら、低落差の水車における全損失のうちドラフト損失が占める割合は大きい。このため、水車の性能を更に向上させるためには、ドラフト損失の低減を図ることは効果的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第４００１４８５号公報
【文献】特開２００５－２４０７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ドラフト損失を低減することができる軸流水車発電装置のディフューザおよび軸流水車発電装置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】
【0006】
実施の形態による軸流水車発電装置のディフューザは、ドラフトチューブから流出される水流を案内する。この軸流水車発電装置のディフューザは、ドラフトチューブの中心軸線に沿う軸方向に延びる筒体と、筒体に設けられた鍔部と、を備えている。鍔部は、ドラフトチューブの出口端部よりも下流側に位置し、筒体の外周側を流れる水流の向きを中心軸線から離れる方向に向ける。
【0007】
また、実施の形態による軸流水車発電装置は、ランナと、ランナから流出した水流の圧力を回復させるドラフトチューブと、ドラフトチューブから流出された水流を案内する上述の軸流水車発電装置のディフューザと、を備えている。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、ドラフト損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における軸流水車発電装置のディフューザおよび軸流水車発電装置について説明する。
【0011】
【0012】
図１に示すように、軸流水車発電装置１０は、図示しない上池から流水を導く流水路１内に設置されている。流水路１は、土木構造物として形成された流路壁２によって画定されている。本実施の形態では、流路壁２は、水平方向に延びており、土木構造物として形成された下池３（または放水路）に接続されている。
【0013】
図１に示すように、軸流水車発電装置１０は、流水路１内に設置された内筒１１と、内筒１１に回転可能に設けられ、水流の流体エネルギを回転エネルギに変換するランナ１２と、内筒１１に内蔵され、ランナ１２の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機（図示せず）と、を備えている。本実施の形態における軸流水車発電装置１０は、一例として、バルブ水車として構成されている。
【0014】
ランナ１２の上流側に、複数のガイドベーン１３が設けられている。ガイドベーン１３は、内筒１１の周方向に配列されている。各ガイドベーン１３は、内筒１１に対して回動可能になっており、ガイドベーン１３の開度が調整可能になっている。これにより、ランナ１２に流入する水流の流量が調整可能になっている。
【0015】
ランナ１２は、ランナボス１４と、ランナボス１４に保持された複数のランナベーン１５と、を含んでいる。ランナベーン１５は、ランナボス１４に対して回動可能になっており、ランナベーン１５の開度が調整可能になっている。ランナボス１４は、図示しない回転軸を介して上述した発電機に連結されている。このことにより、ランナベーン１５が水流を受けると、ランナベーン１５、ランナボス１４および回転軸が共に回転して水流の流体エネルギが回転エネルギに変換される。この回転エネルギによって発電機が発電を行い、回転エネルギが電気エネルギに変換される。
【0016】
本実施の形態による軸流水車発電装置１０は、ランナ１２の下流側に設けられたドラフトチューブ１６と、ドラフトチューブ１６の下流側に設けられた軸流水車発電装置のディフューザ（以下、単にディフューザ２０と記す）と、を更に備えている。
【0017】
ドラフトチューブ１６は、ランナ１２から流出した水流の圧力を回復させるように構成されている。ドラフトチューブ１６は、土木構造物として形成された上述した流路壁２の一部を構成している。ランナ１２から流出した水流は、このドラフトチューブ１６を通って、下池３に導かれる。下池３は、壁面３ａを有しており、この壁面３ａは、ドラフトチューブ１６の軸方向Ｘ（後述する中心軸線ＣＬに沿う方向）に垂直になっていてもよい。
【0018】
ドラフトチューブ１６は、水平方向（図１における左右方向）に延びる中心軸線ＣＬを有している。ドラフトチューブ１６の流路断面は、下流側に向かって漸次拡大している。すなわち、ドラフトチューブ１６の流路寸法が、下流側に向かって増大している。これにより、ドラフトチューブ１６の流路で水流が剥離することを抑制でき、水流の圧力回復を効果的に行うことができる。また、ランナ１２から流出した水流の損失低減を図っている。
【0019】
本実施の形態においては、ドラフトチューブ１６の中心軸線ＣＬに直交する断面は、図２に示すように、高さ方向（図２における上下方向）に長手方向を有するように矩形状に形成されている。矩形の角部は丸みを帯びている。図２に示すようなドラフトチューブ１６である場合、上述した流路寸法は、ドラフトチューブ１６の中心軸線ＣＬ（または軸方向Ｘ）に直交する断面で見たときの流路の最大寸法であってもよく、図２に示す例では、流路高さ寸法（図２の上下方向寸法）であってもよい。本実施の形態によるドラフトチューブ１６の流路高さ寸法が、下流側に向かって増大している。ドラフトチューブ１６の流路幅寸法（図２の左右方向寸法）も、下流側に向かって増大していてもよい。図１に示すように、中心軸線ＣＬを含む断面で見たときに、ドラフトチューブ１６は、流路高さ寸法を一定の割合で増大させるように直線状に形成されていてもよいが、曲線状に形成されていてもよい。
【0020】
ドラフトチューブ１６は、中心軸線ＣＬに対して高さ方向に対称形状であってもよい。同様に、筒体２１は、中心軸線ＣＬに対して幅方向に対称形状であってもよい。
【0021】
なお、ドラフトチューブ１６の中心軸線ＣＬに直交する断面は矩形状に形成されていることに限られることはなく、例えば、円筒状に形成されていてもよい。この場合、流路寸法は、流路径であってもよい。
【0022】
次に、本実施の形態によるディフューザ２０について説明する。ディフューザ２０は、ドラフトチューブ１６から流出される水流を案内するように構成されている。
【0023】
図１に示すように、ディフューザ２０は、筒体２１と、筒体２１に設けられた鍔部２２と、を備えている。
【0024】
筒体２１は、ドラフトチューブ１６の中心軸線ＣＬに沿う軸方向Ｘに延びている。すなわち、筒体２１は、ドラフトチューブ１６と共通に中心軸線ＣＬを有している。筒体２１は、ドラフトチューブ１６と同芯状に形成されていてもよい。また、筒体２１の入口端部２１ａは、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａよりも上流側に位置している。すなわち、筒体２１の入口側部分が、ドラフトチューブ１６の流路に入り込んでいる。筒体２１の出口端部２１ｂは、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａよりも下流側に位置しており、下池３内に位置している。この出口端部２１ｂに鍔部２２が設けられている。
【0025】
筒体２１の流路断面は、ドラフトチューブ１６と同様に、下流側に向かって漸次拡大している。すなわち、筒体２１の流路寸法が、下流側に向かって増大している。これにより、筒体２１の内周面２１ｃで画定される内部流路で水流が剥離することを抑制でき、水流の圧力回復を効果的に行うことができる。なお、筒体２１の出口端部２１ｂにおける流路断面積と入口端部２１ａにおける流路断面積との差を、軸方向Ｘにおける筒体２１の寸法Ｌ（後述）で除した値を、ディフューザ２０の筒体２１の流路断面積の拡大率としたとき、この拡大率は、例えば、１．２～１．４であってもよい。
【0026】
本実施の形態においては、筒体２１の中心軸線ＣＬに直交する断面は、図２に示すように、ドラフトチューブ１６と同様に、高さ方向に長手方向を有するように矩形状に形成されている。この場合、筒体２１の流路寸法は、中心軸線ＣＬに直交する断面で見たときの筒体２１の流路の最大寸法であってもよく、図２に示す例では、流路高さ寸法であってもよい。本実施の形態による筒体２１の流路高さ寸法が、下流側に向かって増大している。筒体２１の流路幅寸法も、下流側に向かって増大していてもよい。図１に示すように、中心軸線ＣＬを含む断面で見たときに、筒体２１は、流路高さ寸法を一定の割合で増大させるように直線状に形成されていてもよいが、曲線状に形成されていてもよい。
【0027】
図１に示すように、筒体２１の外形寸法が、流路寸法と同様に、下流側に向かって増大している。筒体２１の板厚は、入口端部２１ａから出口端部２１ｂにわたって一定であってもよい。筒体２１の外形寸法は、中心軸線ＣＬに直交する断面で見たときの筒体２１の外形の最大寸法であってもよく、図２に示す例では、外形高さ寸法であってもよい。本実施の形態による筒体２１の外形高さ寸法も、下流側に向かって増大している。筒体２１の外形幅寸法も、下流側に向かって増大していてもよい。
【0028】
筒体２１は、中心軸線ＣＬに対して高さ方向に対称形状であってもよい。同様に、筒体２１は、中心軸線Ｃｌに対して幅方向に対称形状であってもよい。
【0029】
なお、筒体２１の中心軸線ＣＬに直交する断面は矩形状に形成されていることに限られることはなく、例えば、円筒状に形成されていてもよい。この場合、流路寸法は、流路径であってもよく、外形寸法は、外径であってもよい。また、筒体２１の中心軸線ＣＬに直交する断面形状は、ドラフトチューブ１６の中心軸線ＣＬに直交する断面形状と相似であってもよい。
【0030】
図１に示すように、鍔部２２は、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａよりも下流側に位置している。そして、鍔部２２は、筒体２１の外周側を流れる水流の向きを、中心軸線ＣＬから離れる方向に向けるように構成されている。より具体的には、鍔部２２は、筒体２１の出口端部２１ｂから、中心軸線ＣＬに対して離れる方向に（半径方向外側に）延びている。本実施の形態では、鍔部２２は、軸方向Ｘに直交する方向に延びている。また、鍔部２２は、図２に示すように、筒体２１の全周にわたって設けられている。
【0031】
このように構成されたドラフトチューブ１６とディフューザ２０とは、以下のような寸法関係を有していてもよい。
【0032】
例えば、図３に示すように、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａに対応する軸方向Ｘの位置における筒体２１の外形寸法Ｄ１は、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおける流路寸法Ｄ２の８０％以下であってもよい。ここでの外形寸法Ｄ１は、出口端部１６ａと同じ軸方向Ｘにおける位置での筒体２１の外形寸法であって、より詳細には、出口端部１６ａを通って中心軸線ＣＬに垂直な線（または面）と筒体２１の外周面２１ｄとの交点における筒体２１の外形寸法を意味する。一方、外形寸法Ｄ１は、流路寸法Ｄ２の４０％以上であってもよい。
【0033】
また、例えば、軸方向Ｘに直交する方向における鍔部２２の寸法Ｂは、筒体２１の出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の５％～２０％であってもよい。
【0034】
また、例えば、軸方向Ｘにおける筒体２１の寸法Ｌは、筒体２１の出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の３０％～１８０％であってもよい。
【0035】
さらに、例えば、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａと鍔部２２との軸方向Ｘにおける距離Ｄ４は、筒体２１の出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３（出口寸法）の２０％以上であってもよい。
【0036】
ところで、上述したディフューザ２０は、図示しない支持部材を介して下池３の壁面３ａや、下池３の底面に支持されるようにしてもよい。
【0037】
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。
【0038】
ランナ１２から流出した水流は、ドラフトチューブ１６内の流路を流れる。この間、ドラフトチューブ１６の流路断面が下流側に向かって漸次拡大していることから、ドラフト水流は、圧力を回復しながら下流側に流れる。また、ドラフトチューブ１６内の水流は、ランナ１２の回転方向と同じ方向に旋回しながら下流側に流れる。このことから、ドラフトチューブ１６内の水流は、ドラフトチューブ１６の内壁面の近傍に偏って流れ、図４に示すように、当該内壁面の近傍であって出口端部１６ａの近傍に、流速が比較的高い高流速領域Ｒ１が形成される。このような高流速領域Ｒ１が形成されることにより、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおける水流の圧力（計測位置Ｘｍにおける圧力）が低くなる。この場合、落差が高く計測されるため、軸流水車発電装置１０の効率は低く算出されてしまう。中心軸線ＣＬの近傍には、流速が比較的低い低流速領域Ｒ２（または死水域）が形成される。
【0039】
高流速領域Ｒ１の水流は、旋回しながら、図１に示すように、ドラフトチューブ１６とディフューザ２０の筒体２１との間の流路に流入する。この水流は、ディフューザ２０の筒体２１の外周面２１ｄに沿って流れ、その後、鍔部２２に案内されて、流れの方向が中心軸線ＣＬから離れる方向に変えられる。そして、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間の流路から、中心軸線ＣＬから離れる方向に、流速が高い状態を維持しながら流出する。
【0040】
一方、低流速領域Ｒ２の水流は、ディフューザ２０の筒体２１の内部流路に流入し、この内部流路を流れる。この間、ドラフトチューブ１６の流路断面が下流側に向かって漸次拡大していることから、水流は、圧力を回復しながら下流側に流れる。そして、筒体２１内の水流は、筒体２１の出口端部２１ｂから、軸方向Ｘに流出される。
【0041】
上述したように、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間の流路から流出した水流は、中心軸線ＣＬから離れる方向に流れる。一方、筒体２１の内部流路から流出した水流は、軸方向Ｘに沿って流れる。このことにより、鍔部２２の下流側では、水流が剥離し、渦が形成される。このため、鍔部２２の下流側には、周囲の静圧よりも水流の圧力が低下し、負圧領域Ｒ３が形成される。
【0042】
この負圧領域Ｒ３に、ドラフトチューブ１６内の低流速領域Ｒ２の水流が引き込まれる。このため、ドラフトチューブ１６の流路における水流の流速およびディフューザ２０の筒体２１の内部流路における水流の流速が増大する。この場合、図４に示す高流速領域Ｒ１における水流の流速を低減することができ、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおける水流の圧力（計測位置Ｘｍにおける圧力）が高くなる。このため、落差が低く計測され、軸流水車発電装置１０の効率を高く算出することができる。
【0043】
このように本実施の形態によれば、ディフューザ２０の軸方向Ｘに延びる筒体２１と、筒体２１に設けられた鍔部２２であって、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａよりも下流側に位置し、筒体２１の外周側を流れる水流の向きを中心軸線ＣＬから離れる方向に向ける鍔部２２と、を有している。このことにより、ドラフトチューブ１６の内壁面の近傍に形成される比較的高速の水流の向きを、ディフューザ２０を通過させることで、筒体２１の外周側を流れる水流の向きを中心軸線ＣＬから離れる方向に向けることができる。このため、鍔部２２の下流側で、水流を剥離させることができ、渦を形成することができる。この渦によって、鍔部２２の下流側の領域では、周囲の静圧よりも圧力を低下させることができる。このため、ドラフトチューブ１６内の低流速領域Ｒ２の水流を引き込むことができ、ドラフトチューブ１６の流路における水流およびディフューザ２０の筒体２１の内部流路における水流の流速を高めることができる。この結果、低流速領域Ｒ２の水流の速度を高めることができ、ドラフト損失を低減することができる。また、ドラフトチューブ１６内の水流の流速を高めることができるため、ドラフトチューブ１６内の水流の流速を均一化させることができる。
【0044】
また、本実施の形態によれば、筒体２１の流路断面が、下流側に向かって拡大している。このことにより、筒体２１の内部流路で、水流が剥離することを抑制でき、水流の圧力回復を効果的に行うことができる。
【0045】
また、本実施の形態によれば、ディフューザ２０の筒体２１の入口端部２１ａは、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａよりも上流側に位置している。このことにより、ドラフトチューブ１６内の高流速領域Ｒ１の水流を、ドラフトチューブ１６と筒体２１との間の流路に流入させることができる。このため、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間の流路から流出する水流の速度を高めることができ、鍔部２２の下流側で水流を効果的に剥離させて渦を形成することができる。この結果、鍔部２２の下流側の負圧領域Ｒ３における水流の圧力を効果的に低下させることができる。
【0046】
また、本実施の形態によれば、鍔部２２が、筒体２１の出口端部２１ｂに設けられている。このことにより、鍔部２２の下流側における圧力が低下した負圧領域Ｒ３に、ドラフトチューブ１６内の低流速領域Ｒ２の水流を引き込みやすくすることができる。このため、ドラフトチューブ１６の流路における水流およびディフューザ２０の筒体２１の内部流路における水流の流速を高めることができる。
【0047】
また、本実施の形態によれば、鍔部２２が、筒体２１の全周にわたって設けられている。このことにより、ディフューザ２０の筒体２１の出口端部２１ｂの周囲の全周にわたって、水流を剥離させて渦を形成することができ、出口端部２１ｂの全周にわたって、水流の圧力を低下させることができる。このため、ドラフトチューブ１６内の低流速領域Ｒ２の水流を引き込みやすくすることができ、ドラフトチューブ１６の流路における水流およびディフューザ２０の筒体２１の内部流路における水流の流速を高めることができる。
【0048】
また、本実施の形態によれば、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａに対応する軸方向Ｘの位置における筒体２１の外形寸法Ｄ１は、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおける流路寸法Ｄ２の８０％以下になっている。このことにより、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおいてドラフトチューブ１６の内壁面と筒体２１の外周面２１ｄとの間に、水流の流路を確保することができ、ドラフトチューブ１６内の高流速領域Ｒ１の水流をドラフトチューブ１６と筒体２１との間の流路に流入させることができる。このため、鍔部２２の下流側に渦を効果的に形成することができる。一方、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおける筒体２１の外形寸法Ｄ１は、ドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおける流路寸法Ｄ２の４０％以上であってもよい。このことにより、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間の流路が大きくなることを抑制し、当該流路から流出する水流の速度が低下することを抑制できる。
【0049】
また、本実施の形態によれば、軸方向Ｘに直交する方向における鍔部２２の寸法Ｂは、筒体２１の出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の５％～２０％である。寸法Ｂを出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の５％以上とすることにより、鍔部２２の下流側において形成される渦が小さくなることを抑制でき、圧力を効果的に低減することができる。一方、寸法Ｂを出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の２０％以下とすることにより、鍔部２２の下流側に形成される渦が、筒体２１の出口端部２１ｂから離れることを抑制できる。
【0050】
また、本実施の形態によれば、軸方向Ｘにおける筒体２１の寸法Ｌは、筒体２１の出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の３０％～１８０％である。寸法Ｌを出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の３０％以上とすることにより、ディフューザ２０による圧力回復効果を効果的に発揮させることができる。一方、寸法Ｌを出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の１８０％以下とすることにより、ディフューザ２０の筒体２１の内部流路を流れる水流が受ける摩擦損失が増大することを抑制できる。
【0051】
また、本実施の形態によれば、軸方向Ｘにおけるドラフトチューブ１６の出口端部１６ａと鍔部２２との距離Ｄ４は、筒体２１の出口端部２１ｂにおける流路寸法Ｄ３の２０％以上である。このことにより、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間に、水の流路を確保することができ、ドラフトチューブ１６内の高流速領域Ｒ１の水流を、この流路に効果的に流入させることができる。このため、鍔部２２の下流側に渦を効果的に形成することができる。一方、距離Ｄ４は、上述した寸法Ｂの２倍以下であってもよい。このことにより、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間の流路が大きくなることを抑制し、当該流路から流出する水流の速度が低下することを抑制できる。
【0052】
なお、上述した本実施の形態においては、鍔部２２が、筒体２１の全周にわたって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、鍔部２２は、筒体２１の周方向の一部に設けられていてもよい。例えば、図５に示すように、筒体２１に２つの鍔部２２が設けられており、２つの鍔部２２が、筒体２１の周方向において離間していてもよい。筒体２１の周方向における各鍔部２２の位置は、運転条件に応じて高流速領域Ｒ１が形成される位置に配置してもよい。すなわち、運転条件によってドラフトチューブ１６の出口端部１６ａにおける流速分布は変化し、筒体２１の周方向における高流速領域Ｒ１の位置が、偏る場合がある。このため、偏った高流速領域Ｒ１に鍔部２２を配置することにより、鍔部２２の下流側における負圧領域Ｒ３の圧力を効果的に低下させることができる。そして、筒体２１の周方向のうち鍔部２２が存在しない部分では、水流を下流側に流すことができ、水流の圧力損失が低減することを抑制できる。図５に示す例では、２つの鍔部２２が、中心軸線ＣＬに対して点対称となる位置に配置されているが、これに限られることはない。鍔部２２の個数は任意である。
【0053】
【0054】
図６～図８に示す第２の実施の形態においては、筒体の外周面に、周方向に配列された複数の案内翼が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１～図５に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６～図８において、図１～図５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】
【0056】
案内翼２３は、筒体２１の外周側を流れる水流の旋回成分を低減させるように構成されている。すなわち、筒体２１の外周側を流れる水流は、上述したように旋回しながら流れているため、流速の旋回成分を低減させるように、水流の向きを変えるように構成されている。より具体的には、図７に示すように、案内翼２３の入口角度（案内翼２３のキャンバーラインの入口端における接線と軸方向Ｘとがなす角度）は、旋回する水流の向きに沿うような角度に設定されていてもよい。一方、案内翼２３の出口角度（案内翼２３のキャンバーラインの出口端における接線と軸方向Ｘとがなす角度）は、入口角度よりも小さく設定されている。出口角度は、軸方向Ｘに沿うような角度に設定されていてもよい。案内翼２３の入口端と出口端の間の部分は、入口端と出口端とを滑らかに接続するように曲線状に形成されている。なお、案内翼２３は、筒体２１の外周面に対して、固定されていてもよい。この場合、所望の運転条件でドラフト損失が低減できるように、案内翼２３の入口角度と出口角度を設定してもよい。
【0057】
本実施の形態において、ドラフトチューブ１６とディフューザ２０の筒体２１との間の流路に流入した高速の水流は、旋回しながら筒体２１の外周面２１ｄに沿って流れ、その後、水流の一部は、互いに隣り合う案内翼２３同士の間に形成された流路に、旋回しながら流入する。すると、水流は、案内翼２３に沿って流れて流れの角度が小さくなるように整流され、流速の旋回成分が低減される。そして、この整流された状態で、水流は、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間の流路から流出される。
【0058】
このように本実施の形態によれば、ディフューザ２０の筒体２１の外周面２１ｄに、周方向に配列された複数の案内翼２３が設けられており、案内翼２３が、筒体２１の外周側を流れる水流の旋回成分を低減させるように構成されている。このことにより、下池３の壁面３ａと鍔部２２との間の流路を流れる水流の旋回成分を低減するように整流することができ、当該流路から流出する水流の向きを、中心軸線ＣＬから離れる方向に効果的に変えることができる。このため、鍔部２２の下流側に形成される渦を強めることができ、鍔部２２の下流側における負圧領域Ｒ３の水流の圧力をより一層低下させることができる。従って、ドラフトチューブ１６の流路における水流およびディフューザ２０の筒体２１の内部流路における水流の流速をより一層高めることができる。この結果、低流速領域Ｒ２の水流の速度をより一層高めることができ、ドラフト損失をより一層低減することができる。
【0059】
なお、上述した本実施の形態においては、案内翼２３は、筒体２１の外周面に固定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、案内翼２３は、筒体２１の外周面２１ｄに対して回動可能になっていてもよい。すなわち、図８に示すように、案内翼２３は、筒体２１に回動可能に設けられていてもよい。そして、案内翼２３は、駆動機構２４によって筒体２１に対して回動するように構成されていてもよい。このことにより、案内翼２３の入口角度を、運転条件に応じて変わる水流の向きに整合させることができる。このため、旋回する水流を、案内翼２３に流入させやすくすることができ、案内翼２３による整流効果を高めることができる。図８に示す例では、筒体２１の中心軸線ＣＬに直交する断面は、円筒状に形成されていてもよい。この場合、ドラフトチューブ１６の中心軸線ＣＬに直交する断面も、円筒状に形成されていてもよい。
【0060】
図８に示す案内翼２３の駆動機構２４について説明する。駆動機構２４は、各案内翼２３を連結する駆動リング２５と、駆動リング２５を回動させる駆動モータ２６と、駆動モータ２６の駆動力を駆動リング２５に伝達する伝達部２７と、を有していてもよい。駆動リング２５は、筒体２１の周方向に延びており、各案内翼２３が連結されている。駆動リング２５が筒体２１の周方向（中心軸線ＣＬを中心）に回動すると、各案内翼２３を筒体２１に対して入口角度を変更するように（回動軸線Ｙを中心に）回動させることができる。駆動モータ２６は、鍔部２２にサポート部材２８を介して取り付けられていてもよい。駆動モータ２６は、軸方向Ｘに延びる駆動軸２９を含み、駆動軸２９の先端に伝達部２７が連結されている。伝達部２７は、駆動軸２９の回動駆動力を駆動リング２５に伝達する。伝達部２７は、例えば、歯車により構成されていてもよい。また、例えば、図示しない制御部において、各種運転条件における案内翼２３の好適な入口角度を設定して記憶しておき、運転条件に基づいて案内翼２３の入口角度が好適な入口角度となるように駆動機構２４を制御するようにしてもよい。なお、案内翼２３を回動する駆動機構２４の構成は、これに限られることはない。
【0061】
以上述べた実施の形態によれば、ドラフト損失を低減することができる。
【0062】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この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。
【0063】
なお、上述した実施の形態では、軸流水車発電装置１０がバルブ水車として構成されている例を説明したが、このことに限られることはなく、バルブ水車以外の水車として構成される軸流水車発電装置にも、上述したディフューザ２０を適用することができる。
【符号の説明】
【0064】
１０：軸流水車発電装置、１２：ランナ、１６：ドラフトチューブ、１６ａ：出口端部、２０：ディフューザ、２１：筒体、２１ａ：入口端部、２１ｂ：出口端部、２２：鍔部、２３：案内翼、ＣＬ：中心軸線、Ｘ：軸方向、
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
