水力机械

技术领域

本发明涉及一种水力机械，该水力机械用于小水力发电装置等要求高发电效率的发电装置。

背景技术

近年来，削减二氧化碳排出量成为世界性的课题。例如，世界的发电量的大部分由火力发电提供，但为了削减二氧化碳排出量，期待从火力增大使用了水力、地热、太阳光等自然能量的发电的比率。

大型水坝附带的水力发电站、地热发电站那样的使用了自然能量的大规模发电站，位于离开作为主要的电力消费地的都市圈的地点的情况很多，因从发电站到消费地的长距离输电所导致的电力损失大。此外，即使能源是自然能量，在山间部建设大型水坝、大规模发电站有时恐怕会破坏生态系统、自然，环境负荷大。

由于上述理由，正在研究在电力消费地附近小规模地发电。例如，正在进行利用了来自水道、工厂排水、家庭用排水、净水厂等的流水的水力发电的技术开发。与在现有的大型水坝中附设的水力发电相比，这样的水力发电不需要在山间部进行大规模的工程，环境负荷小，因此作为环境友好型的发电方法受到关注。

利用了水道、工厂排水等的发电与太阳光发电相比，因时间所引起的输出变动小，能够稳定发电，设备利用率优异。另外，由于在地区内电力能够当地生产当地消费，因此成为在大型水坝的水力发电的情况下为课题的长距离输电所导致的电力损失的解决对策。特别是，在流量小于100L/s、有效落差200m以下的条件下，或者发电输出为10,000kW以下的水力发电(所谓的小水力发电)的利用事例非常少，将来的能量利用余地大，因此也期待其普及。

作为水力发电装置，提出了使螺旋状的叶片在水流中旋转的方式、通过旋转的流水的流压来得到旋转能量的方式等各种方式。

在专利文献1中公开了一种多功能倾斜型发电装置，其使水通过将螺纹板密接地安装于内部的圆筒内，据此得到的旋转能量用于发电。

在专利文献2中公开了一种水力机械，其具备壳体和转轮，该壳体具有：遍及周向地配置的多个固定叶片；配置在各固定叶片的上游侧并决定流入各固定叶片的水的流入方向的多个流入方向调整叶片；以及引导通过了固定叶片的水的多个导向叶片，该转轮具有多个转轮叶片并由通过了导向叶片的水来转动驱动。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-149341号公报

专利文献2：日本特开2013-72304号公报

发明内容

发明所要解决的课题

现有的水力发电装置一般为越大型的发电效率越高、越小型的发电效率越低的关系。例如，在专利文献1中记载了为了提高发电效率而增多螺纹板的层数或增大圆筒主体的直径，暗示了发电效率高的装置容易大型化。因此，想要在非山间部等容易形成低流量、低落差的地区确保固定以上的发电量的情况下，即使应用了大型的高效率发电装置，发电效率也会下降，因此是不合适的。另外，若发电装置大，则需要规定的面积的设置地点、庞大的工程，因此希望是适当的尺寸并且发电效率优异。

另外，在专利文献2中记载了为了提高水力机械的发电效率，在壳体的内部设置流入方向调整叶片以及导向叶片，对流入方向调整叶片的配置位置、配置方向进行调整，或者对导向叶片的开度进行调整。但是，这样增加壳体内部的叶片的种类、或使形状复杂化，恐怕会增大制造成本、维护负担，或难以使装置小型化。

由于上述理由，希望开发即使与水坝等所使用的现有的大型水力发电装置相比小型但发电效率优异的水力发电装置、该装置所使用的水力机械。虽然为了提高发电效率有各种对策，但在使水力机械小型化的情况下，特别是水在水力机械内部的流路内顺畅地流动并尽力抑制流水的能量损失、使转轮负荷均匀的旋转力是重要的。另外，流路内的水的流速均匀且使转轮负荷均匀的旋转力是重要的。

本发明是鉴于这样的情况而做出的，其目的在于提供一种水在流路内顺畅地流动且发电效率优异的水力机械。另外，本发明的目的在于提供一种流路内的水的流速均匀且发电效率优异的水力机械。

用于解决课题的方案

本发明的水力机械水力机械，该水力机械具备壳体和可旋转地配置在所述壳体的中心部的转轮，该水力机械的特征在于，所述壳体在内部具有主流路和固定流路，所述主流路是配置于外侧的螺旋形状的流路，所述主流路的内径随着向螺旋的中心方向前进而缩径，所述固定流路配置于内侧，将来自所述主流路的水导入所述转轮，所述转轮与沿着所述转轮的旋转轴的主轴连结，并且所述转轮具有遍及周向地分离地配置的多个转轮叶片，所述多个转轮叶片中的至少一个具有压力面，该压力面从通过所述固定流路流入所述转轮的水在流入方向上承受压力，在与所述转轮叶片的所述旋转轴的方向垂直的截面上，所述压力面的水的出口侧的顶端部的切线与将所述旋转轴和所述压力面的出口侧的顶端部连结的线段所成的出口角度为0°以上且小于20°。

其特征在于，所述水力机械是用于小水力发电装置的水力机械。

其特征在于，在将所述多个转轮叶片中的至少一个转轮叶片在包含所述旋转轴的平面上展开的情况下，所述转轮叶片的水的入口侧的边缘即外缘以及所述转轮叶片的水的出口侧的边缘即内缘分别与所述旋转轴平行，所述内缘比所述外缘长。

以下，在各部分的说明中，在特定的部件中将水流入的一侧称为入口侧，将水排出的一侧称为出口侧。

其特征在于，所述固定流路由在同心圆上分离地配置的多个固定叶片形成，配置在所述多个固定叶片中的相邻的固定叶片之间的所述固定流路的内周侧的圆弧的长度即流路宽度，随着向所述主流路的螺旋的中心方向前进而依次变化。

在固定叶片的间隔减少的情况下：

所述主流路在该主流路中具有最大内径的流入部和最小内径的终端部，

所述流路宽度随着向所述主流路的螺旋的中心方向前进而依次减少，

所述流路宽度的减少率D1由下述式(1)表示，

D1＝－2(L－YN－SN)/YN(N－1)···(1)

N：所述固定叶片的片数

Y：配置在从所述流入部延伸的第一固定叶片与在流水方向上相邻的第二固定叶片之间的第一流路宽度

D1：相邻的所述流路宽度的减少率

S：所述固定叶片的内周侧的圆弧的长度

L：所述壳体的与所述转轮滑动接触的面的内周的长度。

在固定叶片的间隔增加的情况下：

所述主流路在该主流路中具有最大内径的流入部和最小内径的终端部，

所述流路宽度随着向所述主流路的螺旋的中心方向前进而依次增加，

所述流路宽度的增加率D2由下述式(2)表示，

D2＝2(L－YN－SN)/YN(N－1)···(2)

N：所述固定叶片的片数

Y：配置在从所述流入部延伸的第一固定叶片与在流水方向上相邻的第二固定叶片之间的第一流路宽度

D2：相邻的所述流路宽度的增加率

S：所述固定叶片的内周侧的圆弧的长度

L：所述壳体的与所述转轮滑动接触的面的内周的长度。

其特征在于，所述多个转轮叶片具有第一转轮叶片和第二转轮叶片，所述第二转轮叶片的叶片长度比所述第一转轮叶片短，所述第一转轮叶片和所述第二转轮叶片相互交替地设置，所述第二转轮叶片的叶片长度相对于所述第一转轮叶片的叶片长度为40％～80％。

在此，转轮叶片的叶片长度是依次连结叶片的压力面和负压面的中点而得到的曲线(也称为“弧线”)的长度。

本发明的水力机械，该水力机械具备壳体和可旋转地配置在所述壳体的中心部的转轮，该水力机械的特征在于，所述壳体在内部具有主流路和固定流路，所述主流路是配置于外侧的螺旋形状的流路，所述主流路的内径随着向螺旋的中心方向前进而缩径，所述固定流路配置于内侧，将来自所述主流路的水导入所述转轮，所述主流路在该主流路中具有最大内径的流入部和最小内径的终端部，所述终端部在所述主流路中与所述流入部不直接地相连。

其特征在于，所述主流路在缩径比率阶段性地变化的同时进行缩径，所述缩径比率是规定的角度范围的出口侧的内径相对于入口侧的内径的比率。

其特征在于，所述转轮以及所述壳体分别具有相互滑动自如地接触的滑动接触部，所述转轮的所述滑动接触部是圆环状的凸部，该凸部在与所述壳体对置侧的面上形成在以该转轮的旋转轴为中心的同心圆上，并向从所述转轮排出水的方向即排出方向突出，所述壳体的所述滑动接触部是圆环状的槽部，该槽部在配置有所述转轮的转轮配置部上形成在以所述旋转轴为中心的同心圆上，并向所述排出方向凹陷，所述凸部与所述槽部嵌合。

本发明的水力机械，该水力机械具备壳体和可旋转地配置在所述壳体的中心部的转轮，该水力机械的特征在于，所述壳体在内部具有主流路和固定流路，所述主流路是配置于外侧的螺旋形状的流路，所述主流路的内径随着向螺旋的中心方向前进而缩径，所述固定流路配置于内侧，将来自所述主流路的水导入所述转轮，所述固定流路由在同心圆上分离地配置的多个固定叶片形成，配置在所述多个固定叶片中的相邻的固定叶片之间的所述固定流路的内周侧的圆弧的长度即流路宽度，随着向所述主流路的螺旋的中心方向前进而依次变化。

发明的效果

本发明的水力机械水力机械，其具备壳体和可旋转地配置在该壳体的中心部的转轮，壳体在内部具有主流路和固定流路，主流路是配置于外侧的螺旋形状的流路，主流路的内径随着向螺旋的中心方向前进而缩径，固定流路配置于内侧，将来自主流路的水导入转轮，转轮与沿着转轮的旋转轴的主轴连结，并且转轮具有遍及周向地分离地配置的多个转轮叶片，多个转轮叶片中的至少一个的出口角度为0°以上且小于20°，因此在转轮的中心部不易产生漩涡，对水的排出不造成阻力，能够顺畅地进行。据此，本发明的水力机械中，水在流路内顺畅地流动，发电效率优异。

在此，所谓发电效率是指，该水以该有效落差的量产生位置变化而流入到发电装置时所得到的电能相对于处于规定的有效落差的规定量的水所具有的势能的比率。

水力机械是用于小水力发电装置的水力机械，因此不会对转轮叶片施加过高的压力，在转轮的中心部更难以产生漩涡。

在将多个转轮叶片中的至少一个转轮叶片在包含旋转轴的平面上展开的情况下，转轮叶片的水的入口侧的边缘即外缘以及转轮叶片的水的出口侧的边缘即内缘分别与旋转轴平行，内缘比外缘长，因此转轮叶片与排出的水的接触部分增加，从而容易得到更多的旋转力，发电效率更优异。由于转轮流路的入口侧比较窄，所以在对转轮的旋转贡献大的转轮外周侧的流速容易上升。

固定流路由在同心圆上分离地配置的多个固定叶片形成，配置在多个固定叶片中的相邻的固定叶片之间的固定流路的内周侧的圆弧的长度即流路宽度，随着向主流路的螺旋的中心方向前进而依次变化，因此能够实现从各固定流路向转轮流入的水的流速的均匀化，能够进一步提高发电效率。

流路宽度随着向主流路的螺旋的中心方向前进而依次减少，流路宽度的减少率D1由上述式(1)表示，因此，在与主流路后半部分相连的固定流路中流动的水的流速增大。由此，从固定流路向转轮流入的水的流速被均匀化，转轮遍及整周地负荷均匀的旋转力，从而降低振动的产生，发电效率更优异。

流路宽度随着向主流路的螺旋的中心方向前进而依次增加，流路宽度的增加率D2由上述式(2)表示，因此，流量比较大，在与主流路后半部分相连的固定流路中流动的水的流速容易升高的情况下，在该固定流路中流动的水的流速降低。由此，从固定流路向转轮流入的水的流速被均匀化，转轮遍及整周地负荷均匀的旋转力，从而降低振动的产生，发电效率更优异。

多个转轮叶片具有第一转轮叶片和第二转轮叶片，第二转轮叶片的叶片长度比第一转轮叶片短，第一转轮叶片和第二转轮叶片相互交替地设置，第二转轮叶片的叶片长度相对于第一转轮叶片的叶片长度为40％～80％，因此，本发明的水力机械容易获得来自水的旋转力，并且不阻碍水的排出流动，发电效率进一步优异。

本发明的水力机械，其具备壳体和可旋转地配置在壳体的中心部的转轮，其中，壳体在内部具有主流路和固定流路，主流路是配置于外侧的螺旋形状的流路，主流路的内径随着向螺旋的中心方向前进而缩径，固定流路配置于内侧，将来自主流路的水导入转轮，主流路在该主流路中具有最大内径的流入部和最小内径的终端部，终端部在主流路中与流入部不直接地相连，因此能够抑制因水从壳体终端部向流入部合流所引起的流速下降，流路内的水的流速变得均匀，发电效率优异。

主流路在缩径比率阶段性地变化的同时进行缩径，缩径比率是规定的角度范围的出口侧的内径相对于入口侧的内径的比率，因此能够实现从主流路的流入部到终端部的流速遍及整周的均匀化。据此，从各固定流路向转轮流入的水的流速被均匀化，流动被顺畅化，从而降低振动的产生，发电效率更优异。

转轮以及壳体分别具有相互滑动自如地接触的滑动接触部，转轮的滑动接触部是圆环状的凸部，该凸部在与壳体对置侧的面上形成在以该转轮的旋转轴为中心的同心圆上，并向从转轮排出水的方向即排出方向突出，壳体的滑动接触部是圆环状的槽部，该槽部在配置有转轮的转轮配置部上形成在以旋转轴为中心的同心圆上，并向排出方向凹陷，凸部与槽部嵌合，因此，能够减少在壳体和转轮之间流动而不向转轮施加旋转力地排出的水量，增大通过转轮叶片之间而流动的水量。由此，能够将流动的水的能量高效地利用于转轮的旋转，因此本发明的水力机械的发电效率更优异。

本发明的水力机械，该水力机械具备壳体和可旋转地配置在壳体的中心部的转轮，其中，壳体在内部具有主流路和固定流路，主流路是配置于外侧的螺旋形状的流路，主流路的内径随着向螺旋的中心方向前进而缩径，固定流路配置于内侧，将来自主流路的水导入转轮，固定流路由在同心圆上分离地配置的多个固定叶片形成，配置在多个固定叶片中的相邻的固定叶片之间的固定流路的内周侧的圆弧的长度即流路宽度，随着向主流路的螺旋的中心方向前进而依次变化，因此能够实现从各固定流路流入转轮的水的流速的均匀化，发电效率优异。

附图说明

图1是本发明的水力机械的剖视图。

图2是本发明的水力机械所具备的壳体的立体图及剖视图。

图3是本发明的水力机械所具备的转轮的立体图。

图4是本发明的水力机械所具备的转轮的子午面图。

图5是固定叶片以及转轮的放大剖视图。

图6是本发明的水力机械所具备的壳体的剖视图。

图7是固定叶片间隔变化的壳体的剖视图。

图8是图7示出的壳体的固定叶片部分的放大剖视图。

图9是壳体与转轮的滑动接触部分的放大剖视图。

具体实施方式

关于本发明的水力机械的一例，基于图1说明整体的构造。图1是水力机械所具备的转轮的与旋转轴正交的面的剖视图。在此，图1(a)是沿着水排出的方向观察水力机械的图。图1(b)是从水排出的方向观察水力机械的图。在附图中，用黑箭头表示水的流入方向。

如图1(a)及图1(b)所示，水力机械1具备：具有螺旋形状的壳体2，以及可旋转地配置在壳体2的中心部的转轮3。壳体2在内部具备主流路21和固定流路22，该主流路21是配置在壳体2的外周侧的螺旋形状的流路，且随着向螺旋的中心方向前进而内径缩径，该固定流路22配置在壳体2的内周侧，将来自主流路21的水向转轮3导入。主流路21在其流路中具有最大内径的流入部23和最小内径的终端部24。固定流路22由在同心圆上分离地配置的多个固定叶片25形成。

转轮3与沿着转轮3的旋转轴O的主轴(省略图示)连结。另外，转轮3具备配置在主轴侧的冠部31、从冠部31分离地配置的带部32、以及在冠部31与带部32之间遍及周向地分离地配置的多个转轮叶片33。

构成转轮的冠部、带部、转轮叶片可以分别由不同的部件构成，也可以一体地成形。在转轮分别由不同的部件构成的情况下，可以用螺丝等将各部件彼此固定来制造转轮。在一体地成形转轮的情况下，转轮可通过三维层积造形法、铸造等方法成形。

图1示出的壳体2和转轮3由碳钢构成。壳体和转轮除了碳钢、不锈钢、铁等金属以外，可分别单独或组合工程塑料等树脂材料、碳纤维增强塑料等复合材料来进行制造。

本发明的水力机械能够用于各种水力发电装置。例如，能够用于通过从城市中的水道、工厂排水、家庭用排水、净水场等排出的比较少量的流水来进行发电的小水力发电装置、配置于山间部的中型至大型的水力发电装置。特别是，本发明的水力机械的发电效率优异，即使小型化也能够产生实用上所需的电力，因此从设置地点的自由度的观点出发，优选用于小水力发电装置。所述小水力发电装置优选在流量小于100L/s和/或有效落差200m以下的条件下使用。此外，优选所述小水力发电装置在流量小于50L/s和/或有效落差100m以下的条件下使用，更优选在流量小于30L/s和/或有效落差30m以下的条件下使用，进一步优选在流量小于20L/s和/或有效落差20m以下的条件下使用。

另外，所述小水力发电装置优选发电输出为10,000kW以下的水力发电装置。此外，所述小水力发电装置优选发电输出为1,000kW以下的水力发电装置，更优选发电输出为100kW以下的水力发电装置，进一步优选发电输出为10kW以下的水力发电装置。

在这样的条件下使用所述小水力发电装置时，不对水力机械的转轮叶片施加过高的压力，在转轮的中心部更难以产生漩涡，因此发电效率进一步优异。

在本发明的水力机械中，水从比水力机械的配置位置高的位置起随着重力在配管中流动，向壳体的流入部流入。流入部具有圆筒状的直管构造。然后，水一边在主流路中旋转一边通过多个固定叶片之间的固定流路，被引导到转轮。水进一步通过转轮叶片之间的转轮流路，从在转轮的中心部向旋转轴方向开口地配置的转轮的开口部排出。

图2示出本发明的水力机械所具备的壳体。图2(a)是从水排出侧观察壳体的立体图，图2(b)是从水流入侧观察壳体的立体图。另外，图2(c)是沿着壳体的转轮旋转轴的平面的剖视图。

如图2所示，壳体2具有圆筒状的排水部26，该排水部26将从转轮(省略图示)的开口部排出的水向排水管引导。排水部26的中心轴与转轮的旋转轴一致。转轮能够嵌合到壳体2的中心部的转轮配置部27。

图2(c)示出的壳体2的最大宽度W1可自由地选择，例如可设为10cm～100cm。壳体2的最大高度H1可自由地选择，例如可设为3cm～30cm。从设置地点的自由度的观点出发，优选壳体2的最大宽度W1为20cm～60cm。另外，优选壳体2的最大高度H1为5cm～20cm。

图3示出本发明的水力机械所具备的转轮的立体图。图3(a)是从安装有主轴(省略图示)的冠部侧观察转轮的立体图，图3(b)是从带部侧观察转轮的立体图。另外，图3(c)是在图3(a)中拆卸了冠部的状态的立体图。

如图3(a)所示，冠部31具有圆盘状的上侧圆盘部31a和安装主轴的安装部31b。另外，如图3(b)所示，带部32具有排出水的开口部32a和具备该开口部的圆盘状的下侧圆盘部32b。进而，如图3(c)所示，转轮叶片33具有到达开口部32a的长叶片33a和未到达开口部32a的短叶片33b。转轮3具备9片长叶片33a、9片短叶片33b、合计18片转轮叶片33。

转轮可以是上述那样的具有长度不同的叶片的分流转轮，也可以是由全部相同长度的叶片组成的转轮。从即使为低流量也得到高发电效率的观点出发，优选能够容易承受来自水的作用力且使排出流动顺畅进行的分流转轮。

转轮所具备的转轮叶片的片数不限于18片，可自由地设定。转轮叶片的片数例如可设为6片～30片。从发电效率、制造成本、强度等观点出发，转轮叶片的片数优选为10片～20片，更优选为14片～20片。

转轮3的直径W2可自由地选择，例如可设为4cm～40cm。转轮3的高度H2可自由地选择，例如可设为1cm～16cm。从设置地点的自由度的观点出发，转轮3的直径W2优选为8cm～20cm。另外，转轮3的高度H2优选为1cm～8cm。

图4示出本发明的水力机械所具备的转轮的多个转轮叶片中的至少一个长叶片的转轮叶片的向子午面上的展开图(子午面图)。子午面图是指在包含转轮旋转轴的面中的转轮的剖视图中，示出平面地展开转轮叶片的形状的图。如图4所示，向子午面上展开并观察转轮叶片的情况下，长叶片的转轮叶片33a到达开口部32a。转轮叶片33a的水的入口侧的边缘即外缘33a’以及出口侧的边缘即内缘33a”分别与转轮的旋转轴O平行，内缘33a”比外缘33a’长。

在多个转轮叶片中的至少一个转轮叶片33a中，内缘33a”的长度H4相对于外缘33a’的长度H3之比H4/H3例如为1.1～3.0。从提高发电效率和排出流动的顺畅化的观点出发，内缘的长度相对于外缘的长度优选为1.3～2.5，更优选为1.5～2.0。

外缘和内缘与各自的转轮的旋转轴平行，若内缘比外缘长，则转轮叶片与排出的水的接触部分增加，从而容易得到更多的旋转力，发电效率更优异。由于转轮流路的入口侧比较窄，因此在对转轮的旋转贡献大的转轮外周侧的流速容易上升。但是，在流量过大或有效落差过高的情况下，阻力恐怕会升高。具备了具有本构造的转轮叶片的转轮的水力机械，特别优选在流量小于100L/s的低流量、有效落差200m以下的低落差的条件下、或者在发电输出为10,000kW以下的水力发电装置中使用。另外，在内缘的长度过长的情况下，与从转轮开口部排出水有关的阻力(出口压力)上升，发电效率恐怕会降低。

图5示出固定叶片和转轮的、在与旋转轴正交的面的放大剖视图。如图5所示，多个转轮叶片中的至少一个即转轮叶片33a为长叶片，到达开口部32a。转轮叶片33a具有压力面Sp和负压面Sn，该压力面Sp从通过固定流路22向转轮3流入的水向流入方向承受压力，该负压面Sn在压力面Sp的背侧的面承受比压力面Sp低的压力。在从旋转轴方向俯视转轮叶片33a的情况下，压力面Sp的出口侧的顶端部的切线与将旋转轴O和压力面Sp的出口侧的顶端部连结的线段所成的出口角度θ1为0°以上且小于20°。

至少一个转轮叶片的出口角度θ1为0°以上且小于20°，据此在转轮的中心部难以产生漩涡，对水的排出不造成阻力，能顺畅地进行。另外，至少一个长叶片的转轮叶片的出口角度θ1为0°以上且小于20°，据此在转轮的中心部难以产生漩涡，对水的排出不造成阻力，能顺畅地进行。由此，本发明的水力机械中，水在流路内顺畅地流动，发电效率优异。此外，出口角度θ1不限于0°以上且小于20°，可自由地设定。从减少产生漩涡的观点出发，出口角度θ1优选为0°以上且小于15°，更优选为0°以上且小于10°。

另外，在本发明的水力机械用于小水力发电装置，例如在流量小于100L/s的低流量、有效落差200m以下的低落差的条件下、或者在发电输出为10,000kW以下的水力发电装置中使用的情况下，由于比速小，因此在转轮的中心部更难以产生漩涡，对水的排出不造成阻力，能够顺畅地进行。由此，水在流路内顺畅地流动，发电效率进一步优异。现有的大型水轮机所使用的转轮叶片的出口侧的顶端部的角度比20°大，从转轮以画圆的方式排出水的构造多。若将这种构造用于上述那样的小水力发电装置，则恐怕会在转轮的中心部形成漩涡而变得难以顺畅地进行水的排出。

图5示出的转轮是分流转轮。该分流转轮所具备的多个转轮叶片具有第一转轮叶片33a和叶片长度比第一转轮叶片33a短的第二转轮叶片33b。作为长叶片的第一转轮叶片33a和作为短叶片的第二转轮叶片33b相互交替地设置。第二转轮叶片的叶片长度L2相对于第一转轮叶片的叶片长度L1为大约60％。

分流转轮的情况下，第一转轮叶片的叶片长度L1比第二转轮叶片的叶片长度L2长即可。从使发电效率提高的观点出发，第二转轮叶片的叶片长度L2相对于第一转轮叶片的叶片长度L1优选为40％～80％，更优选为50％～70％。使第一转轮叶片和第二转轮叶片的叶片长度为上述关系，据此转轮容易得到来自水的旋转力，并且不阻碍水的排出流动，水力机械的发电效率优异。

在以第二转轮叶片的叶片长度L2相对于第一转轮叶片的叶片长度L1为40％～80％的方式简单地将转轮设为分流转轮的情况下，虽然旋转力提高，但转轮流路变窄。通过转轮为分流转轮并且将多个转轮叶片中至少一个长叶片的转轮叶片的出口角度θ1接近0°而使排出流动顺畅，从而特别地提高发电效率。

转轮叶片33的压力面Sp的入口侧的曲率半径R1(以下，称为“入口侧曲率半径”)以及压力面Sp的出口侧的曲率半径R2(以下，称为“出口侧曲率半径”)可分别自由地设定，例如，入口侧曲率半径R1可设为50mm～80mm，出口侧曲率半径R2可设为40mm～70mm。从使来自转轮的水的排出流动顺畅化的观点出发，优选入口侧曲率半径R1比出口侧曲率半径R2大，并且入口侧曲率半径R1为50mm～80mm，出口侧曲率半径R2为40mm～70mm。

另外，在压力面Sp中，入口侧是转轮叶片中在转轮外周侧叶片长度的1/2的部分，出口侧是转轮叶片中在转轮内周侧(开口部侧)叶片长度的1/2的部分。

固定叶片25的出口侧的弧线顶端的切线与转轮叶片33的入口侧的弧线顶端的切线所成的角度θ2可自由地设定，例如可设为85°～120°。这里的转轮叶片不限定于长叶片。从易于自流入转轮的水中得到旋转力的观点出发，角度θ2优选为90°～96°，更优选为92°～96°。在角度θ2在所述范围内的情况下，有助于提高发电效率。另外，在流量大的情况下，从流动的顺畅化的观点出发，角度θ2优选为90°～120°，更优选为100°～120°。

转轮叶片33的入口侧端部的负压面Sn的曲率半径R3可自由地设定，例如可设为1mm～10mm。另外，转轮叶片33的入口侧的平均厚度可自由地设定，例如可设为4mm～15mm。在转轮叶片的入口侧的平均厚度过薄的情况下，虽然能够实现流动的顺畅化，但是由于对转轮叶片施加高的负荷，因此需要确保固定以上的强度。因此，为了维持所述厚度并使水流顺畅化，抑制气蚀，规定曲率半径R3是有效的。从负压面侧的流动的顺畅化、抑制气蚀产生、应对高落差等观点出发，曲率半径R3优选为2mm～8mm。在转轮叶片的曲率半径R3在所述范围内的情况下，与转轮的旋转力的变动、振动的抑制相关联，提高发电效率。另外，由于固定叶片与转轮叶片靠近的状况减少，因此不易对固定叶片和转轮叶片施加同时产生的压力(同时压力)，从而有助于抑制振动、噪音、提高发电效率。若角度θ2接近90°，则在流速上升时，有时在负压面侧产生气蚀。即使在该情况下，若曲率半径R3为2mm～8mm，则水顺畅地流入负压面侧，能抑制气蚀的产生。

图6示出本发明的水力机械所具备的壳体的与转轮旋转轴正交的面的剖视图。本剖视图是图2的A-A’线剖视图。如图6所示，主流路21的终端部24与流入部23之间的空间被从流入部23延伸的第一固定叶片28间隔开，终端部24与流入部23不连通，各部分不直接相连(以下也称为“非贯通构造”)。

如上所述，在主流路为非贯通构造的情况下，流入壳体的全部水通过固定流路朝向转轮。因此，与为终端部和流入部之间没有间隔地直接相连的构造(以下，也称为“贯通构造”)的情况相比，绕主流路一周的流动不会从终端部再次流入流入部，因此流路内的水的流速变得均匀，不会产生因合流所引起的能量损失。其结果是，本发明的水力机械发电效率优异。

具有非贯通构造的主流路的壳体在过大流量的条件下，恐怕在终端部的水流停滞(成为高阻力)而能量的损失变大。因此，本发明的水力机械优选用于小水力发电装置，更优选例如在流量小于100L/s的低流量、有效落差200m以下的低落差的条件下、或者发电输出为10,000kW以下的水力发电装置中使用。在此情况下，水流不易停滞，为低阻力，发电效率进一步优异。

主流路的内径可以随着向螺旋的中心方向前进而以规定的变化率连续地缩径，也可以通过固定的内径的流路以内径逐渐变小的方式相连而阶段性地内径缩小。另外，也可以组合连续的内径的缩径和阶段性的内径的缩径。

主流路也可以在规定的角度范围的出口侧的内径相对于入口侧的内径的比率即缩径比率阶段性地变化并且进行缩径。缩径比率例如可以在主流路前半部分、中间部分、后半部分增减。缩径比率例如可以设定成向螺旋的中心方向每前进45°或者90°，内径就变小5％～35％。

例如，图6的主流路21，从流入部23的下游侧端部向螺旋的中心方向90°的位置处的内径d90比流入部23的下游侧端部的内径d0约小20～30％。另外，从流入部23的下游侧端部向螺旋的中心方向180°的位置处的内径d180，比所述内径d90约小30％以上。此外，从流入部23的下游侧端部向螺旋的中心方向270°的位置处的内径d270，比所述内径d180约小20～30％。这样，也可以使主流路的中间部分的缩径比率比前半部分和后半部分的缩径比率大。

通过将非贯通构造与如上所述地对规定的位置的内径进行规定的方法组合，使从主流路的流入部到终端部的流速遍及整周地均匀化。由此，通过使水流顺畅化，降低振动的产生，发电效率更优异。

在图7中，作为本发明的水力机械所具备的壳体的一例，示出固定叶片间隔变化的壳体的相对于转轮旋转轴正交的面的剖视图。如图7所示，壳体2的内部的多个固定叶片25，随着从主流路21的流入部23向终端部24沿螺旋的中心方向前进，与相邻的固定叶片25之间的间隔依次减少。另外，也可以是与主流路前半部分(主流路入口侧)相连的多个固定流路的流路宽度固定，从中间部分与后半部分的主流路相连的多个固定流路的流路宽度依次减少等。随着向后述的主流路的螺旋的中心方向前进，流路宽度依次增加的情况也同样。

(流路宽度减少的情况)

图8表示图7示出的壳体的固定叶片部分的放大剖视图。如图8所示，多个固定叶片25中的配置在相邻的固定叶片25之间的固定流路22的内周侧的圆弧的长度即流路宽度，随着向主流路的螺旋的中心方向前进而依次减少。

在此，流路宽度的减少率D1用下述式(1)表示。

D1＝－2(L－YN－SN)/YN(N－1)···(1)

N：固定叶片的片数

Y：配置在从流入部延伸的第一固定叶片与在流水方向上相邻的第二固定叶片之间的第一流路宽度

D1：相邻的流路宽度的减少率

S：固定叶片的内周侧的圆弧的长度

L：壳体的与转轮滑动接触的面的内周的长度

主流路后半部分因内径缩径的效果而流速容易上升，但由此有时水难以向固定叶片侧流动，与主流路后半部分相连的固定流路内的流速变慢。在这种情况下，通过基于上述式设定相邻的固定叶片的间隔，与主流路后半部分相连的固定流路的流路宽度变窄而流速增大。由此，从固定流路向转轮流入的水的流速被均匀化，转轮遍及整周地负荷均匀的旋转力，从而降低振动的产生，发电效率进一步优异。

(流路宽度增加的情况)

本发明的水力机械所具备的壳体并不限于所述的、多个固定叶片中配置在相邻的固定叶片之间的固定流路的内周侧的圆弧的长度即流路宽度随着向主流路的螺旋的中心方向前进而依次减少的壳体。例如，所述流路宽度可以随着向主流路的螺旋的中心方向前进而依次增加。

在此情况下，流路宽度的增加率D2由下述式(2)表示。

D2＝2(L－YN－SN)/YN(N－1)···(2)

N：固定叶片的片数

Y：配置在从流入部延伸的第一固定叶片与在流水方向上相邻的第二固定叶片之间的第一流路宽度

D2：相邻的流路宽度的增加率

S：固定叶片的内周侧的圆弧的长度

L：壳体的与转轮滑动接触的面的内周的长度

若流量比较大，则有时即使主流路后半部分的流速大，水也会流入固定叶片间，在与主流路后半部分相连的固定流路中流动的水的流速也变大。在这样的情况下，通过基于上述式设定相邻的固定叶片的间隔，固定叶片的间隔依次扩大，在与主流路后半部分相连的固定流路中流动的水的流速降低。由此，从固定流路向转轮流入的水的流速被均匀化，转轮遍及整周地负荷均匀的旋转力，从而降低振动的产生，发电效率进一步优异。

随着向主流路的螺旋的中心方向前进而使多个固定叶片间的间隔(流路宽度)依次变化、主流路的内径缩径是使流速遍及整周地均匀化的方法，但通过将它们组合，进一步容易达到遍及整周的流速的均匀化。在流量变化容易大变动的环境使用水力机械的情况下，容易调整多个固定叶片间的间隔(固定流路的流路宽度)，因此优选。

通过使固定叶片的间隔变化，并且使转轮叶片的入口侧端部的负压面切圆，使曲率半径R3(参照图5)设为2mm～8mm，从而更难以产生同时压力，与振动的降低相关。

壳体2具备13片固定叶片25。固定叶片的片数可自由地设定，例如可设为5片～30片。从降低同时压力施加于固定叶片和转轮叶片的观点出发，转轮叶片的片数比固定叶片的片数多，并且固定叶片的片数为5片～20片是优选的，更优选为8片～15片。在固定叶片的片数为所述范围内的情况下，不易对固定叶片和转轮叶片施加同时压力，从而抑制振动、噪音，提高发电效率。

固定叶片的片数以及转轮叶片的片数、固定叶片的内周侧的圆弧的长度以及转轮叶片的外周侧的圆弧的长度优选设定为满足下述式(3)。

N

N

N

S＝固定叶片的内周侧的圆弧的长度

T＝转轮叶片的外周侧的圆弧的长度

R

在此，具体而言T是将转轮叶片的入口侧的压力面和负压面各自的顶端部的切线向外周方向延长时形成的转轮外周上的圆弧的长度。

[数学式1]

通过使固定叶片与转轮叶片满足上述式的关系，第x个固定叶片与转轮叶片不重叠，成为与相当于固定叶片的内周侧的圆弧的长度S与转轮叶片的外周侧的圆弧的长度T之和的角度相同或者分离该角度以上的位置关系。由此，同时压力难以施加于固定叶片和转轮叶片，从而抑制振动、噪音，提高发电效率。

图9示出壳体和转轮的滑动接触部分的沿着转轮旋转轴的面的放大剖视图。如图9所示，转轮3和壳体2分别具有相互滑动自如地接触的滑动接触部。转轮3的滑动接触部是圆环状的凸部32c，该凸部32c在转轮3与壳体的转轮配置部27的对置侧的面上形成在以旋转轴为中心的同心圆上，向从转轮3排出水的方向即排出方向(黑箭头的方向)突出。壳体2的滑动接触部是圆环状的槽部27a，该圆环状的槽部27a在配置有转轮3的转轮配置部27上形成在以主轴的轴心为中心的同心圆上，向排出方向凹陷。凸部32c与槽部27a之间稍微隔开间隙地嵌合。

凸部与槽部之间的间隙可自由地设定，例如可以设为0.5mm～5mm。从转轮相对于壳体的滑动性和降低从所述间隙漏出的水量的观点出发，优选凸部和槽部之间的间隙为1mm～3mm。在凸部与槽部之间的间隙为所述范围内的情况下，能够减少在壳体与转轮之间流动而不对转轮施加旋转力地排出的水量，增大通过转轮叶片之间流动的水量。由此，能够将流动的水的能量高效地利用于转轮的旋转，因此本发明的水力机械发电效率进一步优异。

在本发明的水力机械中，也可以设置以下检测系统：测定作用于该水力机械的加速度的加速度传感器；能够测定电流及电压的电流·电压传感器；能够拍摄外观照片、外观视频的相机；以及在人、动物靠近时能够进行检测的人感传感器等。

加速度传感器例如安装在水力机械的旋转轴附近，检测X、Y、Z轴的移动值，在超过了设定的阈值的情况下，能够通过邮件等通知管理者。电流·电压传感器例如能够在来自发电机的三相交流的配线上安装钳式传感器来检测电流值以及电压值，在超过了设定的阈值的情况下通过邮件等通知管理者。X、Y、Z轴的移动值、电流值以及电压值可以在网络上实时地用图表确认。数据的取得间隔例如为每1秒，也可以根据设置环境而从每0.5秒到每1天等取得。相机例如设置在水力机械的周围，能够定时起动相机，拍摄外观照片、视频，通过邮件等通知管理者是否有破损、冲击、灾害等故障。由此，在灾害时、异物混入水力机械时等异常产生时，管理者能够迅速地应对，所以能够持续地发电。

所述各种检测系统可以具有预测系统，该预测系统基于取得到的信息来进行数据分析，以预测将来的异常产生。预测系统将预测到的信息通知管理者，管理者进行处理，从而能够避免水力机械的故障。

以上，使用各附图对本发明的水力机械进行了说明，但不限于所述结构。

工业实用性

本发明的水力机械中，水在流路内顺畅地流动，发电效率优异。另外，因为流路内的水的流速均匀，所以能够广泛地用于利用了来自水道、工厂排水、家庭用排水、净水厂等流水的发电用途。

附图标记的说明

1水力机械

2壳体

21 主流路

22 固定流路

23 流入部

24 终端部

25 固定叶片

26 排水部

27 转轮配置部

27a 槽部

28 第一转轮叶片

3转轮

31 冠部

31a 上侧圆盘部

31b 安装部

32 带部

32a 开口部

32b 下侧圆盘部

32c 凸部

33 转轮叶片

33a 长叶片

33a’外缘

33a”内缘

33b 短叶片

H1 壳体的最大高度

H2 转轮的高度

H3 外缘的长度

H4 内缘的长度

L1第一转轮叶片的叶片长度

L2第二转轮叶片的叶片长度

W1 壳体的最大宽度

W2 转轮的直径

O 旋转轴