JP5835687B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、シール構造体を備えた、フランシス形水車やフランシス形ポンプ水車などの流体機械に関する。

流体機械として、例えば、水車やポンプなどの機種が存在する。例えば、フランシス形水車のような流体機械では、回転部と静止部とを有するため、その間の隙間を作動流体の一部が通り抜ける漏流が発生する。この漏流は、流体機械内で原動機とのエネルギ交換を行わないため、漏流の流量に応じて漏れ損失が生じる。そこで、この漏流の流量を極力少なくするために、流体機械の入口および出口付近に極小隙間からなるシール構造が採用されている。

このシール構造は、極小の隙間のみによって構成される構造以外にも、シール部を構成する回転部と静止部との間の隙間の一部に、例えば静止部のシール面から、矩形、のこば、ねじ山形の突起を形成して通路を絞る構造を備えるものや、シール部を多段に構成するものがある。

実開昭５４−５３１４５号公報

流体機械ハンドブック、朝倉書店、１９９８年１月２５日、ｐ.６４７

フランシス形水車のような水車においては、土砂を含む河川水が作動流体として使用される。そのため、例えば静止部のシール面から突起を形成して通路を絞る従来のシール構造においては、土砂を含む河川水により突起部の先端などが摩耗するため、シール効果が低下し、作動流体（河川水）の漏流の流量が増大することがある。

本発明が解決しようとする課題は、回転部と静止部との間のシール部からの漏流の流量を低減し、体積効率を向上させることができる流体機械を提供することである。

実施形態の流体機械は、複数の羽根およびこれらの羽根の一方の端部に周方向に亘って設けられた環状部材を備える回転部と前記環状部材に対向するように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部を備える。また、前記シール部を構成する前記環状部材または前記固定部の壁部に、断面形状がｎ角形状（ｎは３以上）の溝部が周方向に形成されている。さらに、前記溝部の溝形成方向に対して垂直な断面において、前記溝部の、前記壁部の壁面の延長線上となる辺Ｗ０と、前記溝部の、漏流の流れ方向に対して最も上流側の辺ＷＵとのなす角θが１５度以上４０度以下である。

本発明に係る第１の実施の形態の水車の一部を子午断面で示した図である。 本発明に係る第１の実施の形態の水車が備えるシール構造の子午断面を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の水車が備えるシール構造の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の水車が備えるシール構造の他の形状の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の水車が備えるシール構造の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の水車が備えるシール構造の他の形状の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態の水車のシールライナの表面に形成された溝をランナバンド側から見たときの平面展開図である。 本発明に係る第４の実施の形態の水車が備えるシール構造の子午断面を示す図である。 図８のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。 本発明に係る第５の実施の形態の水車が備えるシール構造の溝部の一部を示した水平断面を示す図である。 従来の溝を有するシール部の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。 流れの数値解析により求められた損失を示す図である。 本実施の形態に係るシール部における溝内部の流れの様子を示す図である。 従来の水車のシール部における溝内部の流れの様子を示す図である。 本実施の形態に係るシール部を拡大して示した子午断面を示す図である。 従来の水車のシール部を拡大して示した子午断面を示す図である。 漏流の流量係数の測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の水車１０の一部を子午断面で示した図である。なお、ここでは、流体機械として機能する水車１０としてフランシス形水車を例示して説明する。また、以下に示す実施の形態において、同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

図１に示すように、水車１０の主軸１１の下端に、フランシス形のランナ１２が連結されている。主軸１１の頂部には、図示しない発電機が連結されている。ランナ１２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１３と、これらのランナ羽根１３を一方の側から固定するディスク形状のクラウン１４と、ランナ羽根１３を他方の側から固定する環状部材として機能するランナバンド１５とを備えている。また、クラウン１４は、主軸１１と連結されている。

ランナ１２の外周には、ケーシング１６が配設されており、このケーシング１６の内周部には、複数のステーベーン１７が周方向に設けられている。また、これらのステーベーン１７とランナ１２との間には、周方向に亘って複数のガイドベーン１８が配列されている。

また、ランナ１２の上方にはカバー１９が設けられ、ランナ１２の下方にはディスチャージリング２０が設けられている。さらに、ランナ１２の下方には、ディスチャージリング２０に接続された吸出し管２１が配設されている。

ここで、回転部を構成するランナ１２のランナバンド１５と、このランナバンド１５を囲うように、ランナバンド１５に対向して設けられたディスチャージリング２０などの固定部との間にはシール構造が構成されている。

次に、このシール構造について説明する。

図２は、本発明に係る第１の実施の形態の水車１０が備えるシール構造の子午断面を示す図である。図３は、本発明に係る第１の実施の形態の水車１０が備えるシール構造の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。図４は、本発明に係る第１の実施の形態の水車１０が備えるシール構造の他の形状の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。

図２に示すように、回転部を構成するランナ１２のランナバンド１５と、このランナバンド１５に対向するように、ディスチャージリング２０の表面に設けられた、固定部であるシールライナ２２との間には、円環状の微小間隙からなるシール部３１、およびこのシール部３１の出口３２から直角に屈曲した主流が流れ、主流路３５に連通する円環状の間隙部３３が構成されている。なお、ここでは、シール部３１の出口３２から直角に屈曲する円環状の間隙部３３を示しているが、この屈曲角（図２に示したシールライナ２２においてＬ字状に表面が屈曲する部分の屈曲角）が６０〜１２０度の範囲を含むものとする。ここで、屈曲角をこの範囲とするのは、例えば、縦軸型のフランシス形水車の場合、分解および組立時にランナ１２を、間隙部３３を構成するシールライナ２２の表面２３上に置くことがあり、上記した屈曲角の範囲外では、この表面２３上にランナ１２を置き難くなり、現実的ではないからである。

また、図２および図３に示すように、シール部３１を構成するシールライナ２２の表面２４に、周方向に亘る水平な環状の溝４０が形成されている。このように、溝４０は、シール部３１の入口３４と出口３２との間に位置する。

この溝４０は、溝４０の形成方向に対して垂直となる子午断面において、四角形状を有している。なお、子午断面における溝４０の形状は、四角形に限られるものではなく、三角形、五角形など、ｎ角形状（ｎは３以上）であってもよい。図４には、子午断面における溝４０の形状が三角形となる場合を示している。

図３に示すように、子午断面において、溝４０の、漏流の流れ方向（図３に示す矢印の方向）に対して最も上流側の辺ＷＵと、溝４０の、シールライナ２２の表面２４の延長線上となる辺Ｗ０とのなす角θは、１５度以上４０度以下の範囲となるように構成されている。

ここで、角θが１５度以上４０度以下の範囲となるように構成されている場合、シール部３１に流入した漏流が、溝４０が形成されたシール部３１の流路断面を通過する際、流路断面積が緩やかに拡大する。そのため、漏流は、辺ＷＵに相当する壁面から剥離せず、この壁面に沿って減速されながら拡大し、溝４０内に流入した一部の漏流は、衝突や壁面との摩擦等による損失を生じる。一方、角θが１５度未満の場合には、溝４０の深さが浅く、上記した効果が発揮されない。また、角θが４０度を超える場合には、漏流は、溝４０の内部に流入せずに通過する。

また、子午断面において、溝４０の、漏流の流れ方向に対して最も下流側の辺ＷＤと、辺Ｗ０とのなす角αは、９０度以下となるように構成されることが好ましい。角αが９０度を超える場合、辺ＷＤに相当する壁面と、この辺ＷＤと隣接する辺Ｗ１に相当する壁面とが接触する端部の近傍に淀み領域が形成される。なお、溝４０の、回転軸方向の長さを適正な長さに構成するという観点から、角αの下限値は６０度程度とすることが好ましい。

また、子午断面において、辺ＷＵの長さをＬ_ＷＵとするとき、Ｌ_ＷＵｓｉｎθの値、すなわち辺ＷＵの溝奥側となる一端から辺Ｗ０までの距離Ｎ（辺ＷＵの一端から辺Ｗ０に直交する直線の長さ）が、ランナバンド１５とシールライナ２２との間の微小間隙の幅Ｍ以上であることが好ましい。Ｌ_ＷＵｓｉｎθの値（距離Ｎ）を幅Ｍ以上とすることで、溝４０が形成されたシール部３１の流路断面における漏流の流速を、１／２程度に減速することができる。

また、図３に示すように、子午断面にける溝４０の形状を四角形とした場合、辺ＷＵと隣り合う一方の辺Ｗ１が辺Ｗ０と平行となることが好ましい。なお、溝４０の子午断面形状がｎ角形状（ｎは５以上）となる場合においても同様である。このように辺Ｗ１に相当する壁面を構成することで、漏流が、辺Ｗ１に沿って流れる際、シール部３１の流路断面は一定となるため、辺Ｗ１に相当する壁面からの剥離が抑制される。そして、溝４０内における壁面との摩擦による漏流の損失を増加することができる。また、子午断面において、辺ＷＵと辺Ｗ１とのなす角εは、流路断面を一定とする、もしくは緩やかに流路断面を拡大して流速を減少させるために、１４０〜１７０度程度に設定することが好ましい。

ここで、子午断面において辺ＷＵに相当する、溝４０の最も上流側の壁面と、この壁面と隣り合うシールライナ２２の表面２４とが接する端部を円弧状（Ｒ部）に形成してもよい。このように構成することで、漏流が溝４０に流入する際、辺ＷＵに相当する壁面の開始位置で流れが剥離することを防止できる。そのため、漏流の一部を確実に溝４０内に流入させることができ、溝４０内における損失を増加することできる。

次に、水車１０およびシール部３１における作動流体の動作について、図１〜図３を参照して説明する。

上池より鉄管を通って導入される作動流体である圧力水は、ケーシング１６とステーベーン１７を通過し、流量調整が行われるガイドベーン１８を通過してランナ１２へ導かれる。ランナ１２では、導入された圧力水の圧力エネルギが回転エネルギへと変換され、ランナ１２は、主軸１１を回転軸として回転し、主軸１１に連結された、図示しない発電機を回転させて発電する。そして、ランナ１２を通過した作動流体は、吸出し管２１を通って下流の下池へと排出される。

一方、ランナバンド１５とディスチャージリング２０との間に流入した漏流は、シール部３１に流入する。シール部３１に流入した漏流が、溝４０が形成されたシール部３１の流路断面を通過する際、流路断面積が緩やかに拡大する。そのため、漏流は、辺ＷＵに相当する壁面から剥離せず、この壁面に沿って減速されながら拡大し、溝４０内に流入した一部の漏流は、衝突や壁面との摩擦等による損失を生じる。そして、溝４０が形成された流路断面を通過した漏流は、流路断面積が減少されたシール部３１の流路（ランナバンド１５とシールライナ２２との間の幅Ｍの微小間隙）を通過する。この際、流れが絞られ、縮流による損失が発生する。

シール部３１を通過した漏流は、シール部３１の出口３２から間隙部３３に高速で噴出され、間隙部３３を通過し、主流路３５に導出される。

上記したように、第１の実施の形態の水車１０によれば、シール部３１を構成する流路の壁面に、上記した所定の形状を有する溝４０を形成することで、溝４０が形成された流路断面を漏流が通過する際、摩擦等による損失を増加させることができる。さらに、溝４０が形成された流路断面を通過した漏流には、縮流による損失が発生する。このように、漏流は、シール部３１において損失を受け、この損失は、溝４０を形成しない場合の損失に比べて大きい。したがって、第１の実施の形態の水車１０によれば、シール部３１における損失が大きいため、シール効果が高く、漏流の流量を低減することができ、水車１０の体積効率を向上させることができる。

なお、ここでは、シール部３１の入口３４と出口３２との間のシールライナ２２の表面２４に、周方向に亘る水平な環状の溝４０を１段備えた一例を示したが、溝４０を所定の間隔をあけて回転軸方向に複数段設けてもよい。この場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

また、ここでは、溝４０を固定部であるシールライナ２２の表面２４に備える一例を示したが、溝４０は、シール部３１を構成する、回転部であるランナバンド１５の表面に形成されてもよい。この場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の水車１００は、第１の実施の形態の水車１０と、シール部３１の溝形状のみが異なるものであるため、ここでは、溝形状について主に説明する。

図５は、本発明に係る第２の実施の形態の水車１００が備えるシール構造の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。図６は、本発明に係る第２の実施の形態の水車１００が備えるシール構造の他の形状の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。

図５に示すように、シール部３１を構成するシールライナ２２の表面２４に、周方向に亘る水平な環状の溝５０が形成されている。このように、溝５０は、シール部３１の入口３４と出口３２との間に位置する。

溝５０は、子午断面において、溝５０の、漏流の流れ方向（図５に示す矢印の方向）に対して最も上流側が凸状の曲線ＷＵ２で形成された略四角形状を有している。このように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の水車１０のシール部３１の溝４０における辺ＷＵに相当する壁面に代えて、曲線ＷＵ２に相当する壁面が備えられている。

なお、子午断面における溝５０の形状は、漏流の流れ方向（図５に示す矢印の方向）に対して最も上流側が凸状の曲線ＷＵ２を有するものであれば、略三角形、略五角形など、略ｎ角形状（ｎは３以上）であってもよい。図６には、子午断面における溝５０の形状が略三角形となる場合を示している。

曲線ＷＵ２は、溝５０の流入部における流路断面積を緩やかに拡大するように、ランナバンド１５とシールライナ２２との間の微小間隙の幅Ｍ以上の曲率半径を有することが好ましい。

子午断面において、曲線ＷＵ２の溝奥側となる一端から辺Ｗ０までの距離Ｐ（曲線ＷＵ２の一端から辺Ｗ０に直交する直線の長さ）が、ランナバンド１５とシールライナ２２との間の微小間隙の幅Ｍ以上であることが好ましい。距離Ｐを幅Ｍ以上とすることで、溝５０が形成されたシール部３１の流路断面における漏流の流速を、１／２程度に減速することができる。

また、図５に示すように、子午断面にける溝５０の形状を略四角形とした場合、曲線ＷＵ２と隣り合う一方の辺Ｗ１が辺Ｗ０と平行となることが好ましい。なお、溝５０の子午断面形状が略ｎ角形状（ｎは５以上）となる場合においても同様である。このように辺Ｗ１に相当する壁面を構成することで、漏流が、辺Ｗ１に沿って流れる際、シール部３１の流路断面は一定となるため、辺Ｗ１に相当する壁面からの剥離が抑制される。そして、溝５０内における壁面との摩擦による漏流の損失を増加することができる。

上記したように、第２の実施の形態の水車１００によれば、溝５０の流入部で緩やかに流路断面積が拡大するため、漏流が曲線ＷＵ２に相当する壁面から剥離せずに、この壁面に沿って減速されながら拡大する。また、溝５０内に流入した一部の漏流は、衝突や壁面との摩擦等による損失を生じる。このように、第２の実施の形態の水車１００によれば、シール部３１における損失を増大してシール効果を高めることができので、漏流の流量を低減することができ、水車１００の体積効率を向上させることができる。

なお、ここでは、シール部３１の入口３４と出口３２との間のシールライナ２２の表面２４に、周方向に亘る水平な環状の溝５０を１段備えた一例を示したが、溝５０を所定の間隔をあけて回転軸方向に複数段設けてもよい。この場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

また、ここでは、溝５０を固定部であるシールライナ２２の表面２４に備える一例を示したが、溝５０は、シール部３１を構成する、回転部であるランナバンド１５の表面に形成されてもよい。この場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係る第３の実施の形態の水車１０１では、第１の実施の形態の水車１０および第２の実施の形態の水車１００において、シール部３１の溝４０、５０をシールライナ２２の表面２４、またはランナバンド１５の表面に設けられた、周方向に亘る水平な環状の溝４０、５０を、シールライナ２２の表面２４、またはランナバンド１５の表面に螺旋状に形成した構成を備える。

図７は、本発明に係る第３の実施の形態の水車１０１のシールライナ２２の表面２４に形成された溝をランナバンド１５側から見たときの平面展開図である。なお、図７に示した矢印は、回転部の回転方向を示している。

図７に示すように、溝４０、５０は、水平方向かつ回転部の回転方向に対して角度βで下方に傾斜する傾きを有して、シールライナ２２の表面２４に螺旋状に回転軸方向に形成されている。角度βは０度よりも大きく設定され、漏流の流れの影響を考慮して、好ましくは、１０〜４５度程度に設定される。

ここで、溝４０、５０は、所定の間隔をあけて回転軸方向に少なくとも一段設けられていればよく、図７に示すように、回転軸方向に複数段設けられてもよい。

なお、ここでは、シールライナ２２の表面２４に溝４０、５０を設けた一例を示しているが、溝４０、５０は、回転部であるランナバンド１５の表面２４に設けられてもよい。ランナバンド１５の表面２４に溝４０、５０を形成した場合においても、シールライナ２２の表面２４に溝４０、５０を設けた場合と同様に、溝４０、５０は、水平方向かつ回転部の回転方向に対して角度βで下方に傾斜する傾きを有するように形成される。また、溝４０、５０の形状は、前述した第１および第２の実施の形態で示した溝４０、５０の形状と同じである。すなわち、角度βの傾き方向（溝形成方向）に垂直となる断面で示した、第３の実施の形態の溝形状は、前述した第１および第２の実施の形態で示した子午断面における溝形状と同じである。

また、溝４０、５０の上流側の端部は、シール部３１の入口３４よりも出口３２側に位置し、かつ溝４０、５０の下流側の端部は、シール部３１の出口３２よりも入口３４側に位置するように構成されている。これによって、シール部３１の上流側から直接溝４０、５０に漏流が流入することはなく、一方、溝４０、５０から直接間隙部３３に漏流が流出することはない。

ここで、漏流は、ランナバンド１５の表面における摩擦の影響により、旋回しながらシール部３１を通過する。例えば、第１の実施の形態のように溝４０が水平に形成された場合、漏流の流れの方向に沿ってみると、漏流の実際の辺Ｗ０に対する角度は、溝４０の、辺ＷＵの辺Ｗ０に対する角度θ以下になる。また、第３の実施の形態のように、水平方向かつ回転部の回転方向に対して角度βで下方に傾斜する傾きを有するように溝４０を形成することで、漏流の実際の辺Ｗ０に対する角度は、上記した溝４０が水平に形成された場合における角度よりも小さくなる。そのため、溝４０、５０に漏流が流入する際、辺ＷＵや曲線ＷＵ２に相当する壁面から剥離せずに、これらの壁面に沿って減速されながら拡大する。また、溝４０、５０内に流入した一部の漏流は、衝突や壁面との摩擦等による損失を生じる。このように、第３の実施の形態の水車１０１によれば、シール部３１における損失を増大してシール効果を高めることができので、漏流の流量を低減することができ、水車１０１の体積効率を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
本発明に係る第４の実施の形態の水車１０２では、シールライナ２２の表面２４、またはランナバンド１５の表面の回転軸方向に溝を備えている。

図８は、本発明に係る第４の実施の形態の水車１０２が備えるシール構造の子午断面を示す図である。図９は、図８のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。

図８および図９に示すように、回転部を構成するランナ１２のランナバンド１５と、このランナバンド１５に対向するようにディスチャージリング２０の表面に設けられた、固定部であるシールライナ２２との間には、円環状の微小間隙からなるシール部３１、およびこのシール部３１の出口３２から直角に屈曲した主流が流れ、主流路３５に連通する円環状の間隙部３３が構成されている。

また、シール部３１を構成するシールライナ２２の表面２４に、回転軸方向に沿って溝６０が形成されている。また、図８に示すように、溝６０の上流側の端部は、シール部３１の入口３４よりも出口３２側に位置し、かつ溝６０の下流側の端部は、シール部３１の出口３２よりも入口３４側に位置するように構成されている。これによって、シール部３１の上流側から直接溝６０に漏流が流入することはなく、一方、溝６０から直接間隙部３３に漏流が流出することはない。

また、溝６０は、図９に示すように、水平断面において、シールライナ２２の表面２４に沿う曲線Ｚ０、および３つの辺ＺＵ、ＺＤ、Ｚ１を有して形成される、略四角形状を有している。なお、水平断面における溝６０の形状は、この略四角形に限られるものではなく、曲線Ｚ０および２つの辺ＺＵ、ＺＤを有して形成される略三角形であっても、曲線Ｚ０および４つ以上の辺を有して形成される略多角形であってもよい。また、溝６０は、周方向に少なくとも一つ形成されていればよく、図９に示すように周方向に所定の間隔をあけて複数形成されてもよい。

図９に示すように、水平断面において、溝６０の、漏流の流れ方向（図９に示す矢印の方向）に対して最も上流側の辺ＺＵと、この辺ＺＵの上流側の端部と曲線Ｚ０との交点における曲線Ｚ０の接線とのなす角γは、１５度以上４０度以下の範囲となるように構成されている。

ここで、角γが１５度以上４０度以下の範囲となるように構成されている場合、シール部３１に流入した漏流が、溝６０が形成されたシール部３１の流路断面を通過する際、流路断面積が緩やかに拡大する。そのため、漏流は、辺ＺＵに相当する壁面から剥離せず、この壁面に沿って減速されながら拡大し、溝６０内に流入した一部の漏流は、衝突や壁面との摩擦等による損失を生じる。一方、角γが１５度未満の場合には、溝６０の深さが浅く、上記した効果が発揮されない。また、角γが４０度を超える場合には、漏流は、溝６０の内部に流入せずに通過する。

また、水平断面において、溝６０の、漏流の流れ方向に対して最も下流側の辺ＺＤと、この辺ＺＤの下流側の端部と曲線Ｚ０との交点における曲線Ｚ０の接線とのなす角δは、９０度以下となるように構成されることが好ましい。角δが９０度を超える場合、辺ＺＤに相当する壁面と、この辺ＺＤと隣接する辺Ｚ１に相当する壁面とが接触する端部の近傍に淀み領域が形成される。なお、溝６０の、周方向の長さ（すなわち曲線Ｚ０に相当する長さ）を適正な長さに構成するという観点から、角δの下限値は６０度程度とすることが好ましい。

また、水平断面において、辺ＺＵの長さをＬ_ＺＵとするとき、辺ＺＵの溝奥側となる一端から曲線Ｚ０に引いた法線の長さＱが、ランナバンド１５とシールライナ２２との間の微小間隙の幅Ｍ以上であることが好ましい。この法線の長さＱを幅Ｍ以上とすることで、溝６０が形成されたシール部３１の流路断面における漏流の流速を、１／２程度に減速することができる。

また、水平断面にける溝６０の形状を略四角形とした場合、辺ＺＵと隣り合う一方の辺Ｚ１を曲線Ｚ０と同心円となる曲線で構成してもよい。このように構成することで、漏流が、曲線Ｚ０と同心円となる曲線に沿って流れる際、シール部３１の流路断面は一定となるため、この曲線に相当する壁面からの剥離が抑制される。そして、溝６０内における壁面との摩擦による漏流の損失を増加することができる。

ここで、水平断面において辺ＺＵに相当する、溝６０の最も上流側の壁面と、この壁面と隣り合うシールライナ２２の表面２４とが接する端部を円弧状（Ｒ部）に形成してもよい。このように構成することで、漏流が溝６０に流入する際、辺ＺＵに相当する壁面の開始位置で流れが剥離することを防止できる。そのため、漏流の一部を確実に溝６０内に流入させることができ、溝６０内における損失を増加することできる。

上記したように、第４の実施の形態の水車１０２によれば、シール部３１を構成する流路の壁面に、上記した所定の形状を有する溝６０を形成することで、溝６０が形成された流路断面を漏流が通過する際、摩擦等による損失を増加させることができる。さらに、溝６０が形成された流路断面を通過した漏流には、縮流による損失が発生する。このように、漏流は、シール部３１において損失を受け、この損失は、溝６０を形成しない場合の損失に比べて大きい。したがって、第４の実施の形態の水車１０２によれば、シール部３１における損失が大きいため、シール効果が高く、漏流の流量を低減することができ、水車１０２の体積効率を向上させることができる。

なお、ここでは、溝６０を固定部であるシールライナ２２の表面２４に備える一例を示したが、溝６０は、シール部３１を構成する、回転部であるランナバンド１５の表面に形成されてもよい。また、ここでは、溝６０を回転軸方向に沿って連続する溝構造で構成した一例を示したが、溝６０を回転軸方向に沿って断続的、すなわち、複数の溝６０を回転軸方向に沿って所定の間隔をあけて設けてもよい。これらの場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

（第５の実施の形態）
本発明に係る第５の実施の形態の水車１０３は、第４の実施の形態の水車１０２と、シール部３１の溝形状のみが異なるものであるため、ここでは、溝形状について主に説明する。

図１０は、本発明に係る第５の実施の形態の水車１０３が備えるシール構造の溝部の一部を示した水平断面を示す図である。

図１０に示すように、シール部３１を構成するシールライナ２２の表面２４に、回転軸方向に沿って溝７０が形成されている。また、溝７０の上流側の端部は、シール部３１の入口３４よりも出口３２側に位置し、かつ溝７０の下流側の端部は、シール部３１の出口３２よりも入口３４側に位置するように構成されている（図８参照）。

溝７０は、水平断面において、溝７０の、漏流の流れ方向（図１０に示す矢印の方向）に対して最も上流側が凸状の曲線ＺＵ２で形成された略四角形状を有している。このように、第５の実施の形態では、第４の実施の形態の水車１０２のシール部３１の溝６０における辺ＺＵに相当する壁面に代えて、曲線ＺＵ２に相当する壁面が備えられている。

なお、水平断面における溝７０の形状は、漏流の流れ方向（図１０に示す矢印の方向）に対して最も上流側が凸状の曲線ＺＵ２を有するものであれば、略三角形、略五角形などであってもよい。

曲線ＺＵ２は、溝７０の流入部における流路断面積を緩やかに拡大するように、ランナバンド１５とシールライナ２２との間の微小間隙の幅Ｍ以上の曲率半径を有することが好ましい。

水平断面において、曲線ＺＵ２の溝奥側となる一端から曲線Ｚ０に引いた法線の長さＲが、ランナバンド１５とシールライナ２２との間の微小間隙の幅Ｍ以上であることが好ましい。この法線の長さＲを幅Ｍ以上とすることで、溝７０が形成されたシール部３１の流路断面における漏流の流速を、１／２程度に減速することができる。

また、水平断面にける溝７０の形状を略四角形とした場合、曲線ＺＵ２と隣り合う一方の辺Ｚ１を曲線Ｚ０と同心円となる曲線で構成してもよい。このように構成することで、漏流が、曲線Ｚ０と同心円となる曲線に沿って流れる際、シール部３１の流路断面は一定となるため、この曲線に相当する壁面からの剥離が抑制される。そして、溝７０内における壁面との摩擦による漏流の損失を増加することができる。

上記したように、第５の実施の形態の水車１０３によれば、溝７０の流入部で緩やかに流路断面積が拡大するため、漏流が曲線ＺＵ２に相当する壁面から剥離せずに、この壁面に沿って減速されながら拡大する。また、溝７０内に流入した一部の漏流は、衝突や壁面との摩擦等による損失を生じる。このように、第５の実施の形態の水車１０３によれば、シール部３１における損失を増大してシール効果を高めることができので、漏流の流量を低減することができ、水車１０３の体積効率を向上させることができる。

また、ここでは、溝７０を固定部であるシールライナ２２の表面２４に備える一例を示したが、溝７０は、シール部３１を構成する、回転部であるランナバンド１５の表面に形成されてもよい。また、ここでは、溝７０を回転軸方向に沿って連続する溝構造で構成した一例を示したが、溝７０を回転軸方向に沿って断続的、すなわち、複数の溝７０を回転軸方向に沿って所定の間隔をあけて設けてもよい。これらの場合においても、上記した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

（損失の評価）
ここでは、シール部３１を構成する流路の壁面に、上記した所定の形状を有する溝を形成することで、損失を増加させることができることについて説明する。

損失の評価は、第１の実施の形態の水車１０に備えられた、溝４０を有するシール部３１（図３参照）（仕様１）、従来の溝を有するシール部（仕様２）および溝を有しないシール部（仕様３）について、流れの数値解析を行うことにより損失を求めた。

ここで、図１１は、従来の溝を有するシール部の溝部を拡大して示した子午断面を示す図である。図１１に示すように、従来のシール部において、シール部３１を構成するシールライナ２２の表面２４に、周方向に亘る水平な環状の溝８０が形成されている。この溝８０は、溝８０の形成方向に対して垂直となる子午断面において、矩形（長方形）に形成されている。また、仕様３は、溝を有しないため、シール部は、ランナバンド１５と、シールライナ２２との間に形成される円環状の微小間隙で構成されている。なお、仕様１〜仕様３においては、溝部の構成のみ異なり、他の構成は同じとして流れの数値解析を行った。

図１２は、流れの数値解析により求められた損失を示す図である。図１２に示すように、第１の実施の形態に係る仕様１における損失は、仕様２および仕様３における損失に比べて大きいことがわかる。なお、ここでは示していないが、本発明に係る他の実施の形態のシール部について、上記同様に流れの数値解析を行い、損失を評価したところ、いずれの場合における損失も、仕様２および仕様３における損失に比べて大きかった。

（流れの評価）
ここでは、本実施の形態に係るシール部における溝内部の流れの様子を調べた。また、比較のために従来の水車のシール部における溝内部の流れの様子を調べた。流れの様子は、水車の定常運転条件において流れの数値解析によって求めた。

本実施の形態に係るシール部における溝として、図３に示した溝４０を基本形状とし、子午断面にける溝４０の形状を四角形、辺ＷＵと隣り合う一方の辺Ｗ１を辺Ｗ０と平行とした。また、辺ＷＵと辺Ｗ０とのなす角θを３０度とし、辺ＷＤと辺Ｗ０とのなす角αを９０度とした。一方、従来の水車のシール部における子午断面にける溝４０の形状を長方形とした。

図１３は、本実施の形態に係るシール部における溝内部の流れの様子を示す図である。図１４は、従来の水車のシール部における溝内部の流れの様子を示す図である。なお、これらの結果では、円筒座標系における速度成分のうち、周方向の速度成分を除いた２成分の速度ベクトルを示している。

図１３に示すように、本実施の形態に係るシール部における溝では、漏流の一部が徐々に速度を減少させながら、壁面に沿って溝内部に広がっていることがわかる。また、溝を通過した領域、すなわちシール部を流れる漏流と溝内からの漏流とが合流する部分では、流れが絞られ縮流となることがわかる。

一方、図１４に示すように、従来の水車のシール部における溝においては、漏流はほとんど溝内部に入り込まず、溝内部には、シール部を流れる漏流によるせん断力によって、速度の遅い渦流が形成されていることがわかる。

（漏流の流量係数の評価）
ここでは、本実施の形態に係るシール部における漏流の流量係数について評価した。また、比較のために従来の水車のシール部における漏流の流量係数についても評価した。

図１５は、本実施の形態に係るシール部を拡大して示した子午断面を示す図である。図１６は、従来の水車のシール部を拡大して示した子午断面を示す図である。

図１５に示すように、本実施の形態に係るシール部には、前述した流れの評価で用いた形状を有する溝を回転軸方向に複数段（１９段）形成した。また、図１６に示すように、従来の水車のシール部では、３段のシール構成部を有する構成のシール部とした。

図１７は、漏流の流量係数の測定結果を示す図である。ここで、横軸は、回転速度係数ｎ_ＥＤ（1.3.3.12, IEC 60193-1999）であり、次の式（１）によって定義される。また、縦軸は、漏流の流量係数Ｑ_ＥＤ (1.3.3.12, IEC 60193-1999)であり、次の式（２）によって定義される。

ｎ_ＥＤ ＝ ｎ×Ｄ／Ｅ^０．５ …式（１）
Ｑ_ＥＤ ＝ Ｑ／（Ｄ^２×Ｅ^０．５） …式（２）

ここで、Ｄは、ランナの出口径であり、ここではその代表寸法として回転部の外径とした。ｎは、回転部の回転速度であり、Ｑは、漏流の体積流量である。Ｅは、漏流の単位質量当たりの水力エネルギである比水力エネルギであり、次の式（３）によって定義される。

Ｅ ＝ ｇ×Ｈ …式（３）

ここで、ｇは、重力加速度であり、Ｈは、有効落差である。

図１３に示すように、回転速度係数の増加に伴って、従来の水車のシール形式では、漏流の流量係数が減少するのに対して、本実施の形態では、漏流の流量係数は、ほとんど変化しないことがわかった。また、本実施の形態では、従来の水車のシール形式に比べて、漏流の流量係数が小さく、漏流の流量が少なくなることがわかった。

以上説明した実施形態によれば、シール部における損失が大きいため、シール効果が高く、漏流の流量を低減することができ、水車の体積効率を向上させることが可能となる。

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。

Ｗ０，Ｗ１，ＷＤ，ＷＵ，Ｚ１，ＺＤ，ＺＵ…辺、ＷＵ２，Ｚ０，ＺＵ２…曲線、１０，１００，１０１，１０２，１０３…水車、１１…主軸、１２…ランナ、１３…ランナ羽根、１４…クラウン、１５…ランナバンド、１６…ケーシング、１７…ステーベーン、１８…ガイドベーン、１９…カバー、２０…ディスチャージリング、２１…吸出し管、２２…シールライナ、２３，２４…表面、３１…シール部、３２…出口、３３…間隙部、３４…入口、３５…主流路、４０，５０，６０，７０，８０…溝。

Claims (12)

1. 複数の羽根およびこれらの羽根の一方の端部に周方向に亘って設けられた環状部材を備える回転部と前記環状部材に対向するように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部を備える流体機械であって、
   前記シール部を構成する前記環状部材または前記固定部の壁部に、断面形状がｎ角形状（ｎは３以上）の溝部が周方向に形成され、
   前記溝部の溝形成方向に対して垂直な断面において、前記溝部の、前記壁部の壁面の延長線上となる辺Ｗ０と、前記溝部の、漏流の流れ方向に対して最も上流側の辺ＷＵとのなす角θが１５度以上４０度以下であることを特徴とする流体機械。
2. 前記断面において、前記溝部の、漏流の流れ方向に対して最も下流側の辺ＷＤと、前記辺Ｗ０とのなす角αが９０度以下であることを特徴とする請求項１記載の流体機械。
3. 前記辺ＷＵの長さをＬ_ＷＵとするとき、Ｌ_ＷＵｓｉｎθの値が、前記環状部材と前記固定部との間の微小間隙の幅値以上であることを特徴とする請求項１または２記載の流体機械。
4. 前記溝部の断面形状がｎ角形状（ｎは４以上）となる場合、前記辺ＷＵと隣り合う一方の辺Ｗ１が前記辺Ｗ０と平行であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の流体機械。
5. 前記断面において前記辺ＷＵに相当する、前記溝部の最も上流側の壁面と、当該壁面と隣り合う前記壁部の壁面とが接する端部が円弧状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１項記載の流体機械。
6. 前記溝部が、水平な環状に形成され、かつ回転軸方向に少なくとも一段形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の流体機械。
7. 前記溝部が水平方向に対して角度βの傾きを有して螺旋状に形成され、かつ回転軸方向に少なくとも一段形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の流体機械。
8. 前記溝部の一端が前記シール部の入口よりも出口側に位置し、かつ前記溝部の他端が前記シール部の出口よりも入口側に位置することを特徴とする請求項７記載の流体機械。
9. 複数の羽根およびこれらの羽根の一方の端部に周方向に亘って設けられた環状部材を備える回転部と前記環状部材に対向するように設けられた固定部との間に、円環状の微小間隙からなるシール部を備える流体機械であって、
   前記シール部を構成する前記環状部材または前記固定部の壁部に、水平断面において、前記壁部の表面に沿う一つの曲線Ｚ０、および少なくとも二つの辺を有する形状からなる溝部を、周方向に少なくとも一つ有し、
   前記水平断面において、前記溝部の、周方向に流れる漏流の流れ方向に対して最も上流側の辺ＺＵと、当該辺ＺＵの上流側の端部と前記曲線Ｚ０との交点における前記曲線Ｚ０の接線とのなす角γが１５度以上４０度以下であり、
   前記溝部の一端が前記シール部の入口よりも出口側に位置し、かつ前記溝部の他端が前記シール部の出口よりも入口側に位置することを特徴とする流体機械。
10. 前記溝部を構成する、漏流の流れ方向に対して最も下流側の辺ＺＤと、当該辺ＺＤの下流側の端部と前記曲線Ｚ０との交点における前記曲線Ｚ０の接線とのなす角δが９０度以下であることを特徴とする請求項９記載の流体機械。
11. 前記辺ＺＵの長さをＬ _ＺＵ とするとき、前記辺ＺＵの溝奥側となる一端から前記曲線Ｚ０に引いた法線の長さが、前記環状部材と前記固定部との間の微小間隙の幅以上であることを特徴とする請求項９または１０記載の流体機械。
12. 前記水平断面において前記辺ＺＵに相当する、前記溝部の最も上流側の壁面と、当該壁面と隣り合う前記壁部の壁面とが接する部分が円弧状に形成されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項記載の流体機械。

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