JP2002115649A - 水撃圧の減少装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水撃圧が伝播する高圧水路に発生する水撃圧の
減少装置及び方法の提案にある。 【解決手段】水圧管路の材質よりも小さな弾性係数を有
する材質で形成される水撃圧吸収体を、水圧管内の水流
に接触するよう配置した水圧管路内の水撃圧の減少装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土木、建築、機械
など、各種産業分野で構築される流体輸送の管路に発生
する水撃圧の減少装置及び減少方法に属する。

【０００２】

【従来の技術】周知のとおり、水力発電所の水圧管路、
石油のパイプライン等の流体を輸送する管路内には、管
内の流速が急速に変化する場合に、大きな水撃圧を発生
する。水撃圧は、高圧力変動・短周期の波動伝播であ
り、減衰も比較的に速い現象である。この水撃圧に耐え
るため、水撃圧の伝播区間は、一般に弾性係数の大きな
鉄管で作成されている。この伝播区間を短くすること
は、高価な鉄管の使用量を減少させるため伝播区間を短
くする方法が種々提案されている。

【０００３】例えば、水力発電所では、大気圧に接する
水面として、取水口（図１５、符号８）又はサージタン
ク（図１６、符号１８）を設けている。すなわち、水車
（６）の閉鎖弁から水撃圧が発生し、取水口（８）また
はサージタンク（１８）が水撃圧の反射面となり、この
区間が水撃圧の伝播区間となり、高圧に耐える鋼管で作
成され。一方、水撃圧が極度に少ない導水路トンネル
（図１６、（１６））は、鋼管に比べ安価なコンクリー
トで作られている。

【０００４】また、１９７０年代には、ノルウェー、Ｕ
ＳＡにおいて、開発された密閉型エアークッションサー
ジチャンバー（図１７、符号１９）がある。これも、サ
ージタンク（１８）と同じ機能を有するものである。た
だし、サージタンク（１８）の水面は、大気圧であるの
に対し、密閉型エアークッションサージチャンバー（１
９）は、密閉された高圧空気（２０）の水面を有するも
のである。

【０００５】圧力水路の途中に空気タンクを設け、その
空気量をある程度大きくすれば、水撃圧を少なくするこ
とのできる原理の理論的研究は、Ｆｏｃｈ（１９２
０），Ａｌｌｉｅｖｉ（１９３６），Ａｎｇｕｓ（１９
３７），Ｅｖａｎｓ ＆ Ｃｒａｗｆｏｒｄ（１９５
３），鶴巻有一郎（１９９６）等がある。

【０００６】しかしながら、上述の実用化されたサージ
タンク（１８）、密閉型エアークッションサージチャン
バー（１９）および研究の対象は、水路の途中の一箇所
に装置（１８，１９）を設けることで水撃圧を減少させ
るものであるため、装置（１８，１９）の規模が大きく
なり、かつ、この装置（１８，１９）を設けたために、
図１６、図１７の圧力導水路トンネル（１６）の運動量
によるサージングを引き起こすことになり、よりいっそ
う大きい容量の装置（１８，１９）を必要とした。すな
わち、サージングの微小振動理論（Ｔｈｏｍａ（１９１
０））による容量を満足する必要があった。なお、この
サージング現象は、長周期の波動現象であり減衰も遅い
現象である。

【０００７】また、水撃圧の上昇が増すと、水車・発電
機の回転上昇率を高め、これによる回転軸受けの摩擦熱
を高める。この温度上昇を抑える（言い換えると回転上
昇を抑える）ためには、フライホイールの重量（鋼重）
をます必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、圧力水路中
に発生する水撃圧の新規な減少方法および減少装置を提
案することで、水撃圧が伝播する高圧水路に必要とされ
る鋼重量の減少と、水車・発電機のフライホイールの鋼
重量減少と併せてサージタンクまたは密閉型エアークッ
ションサージチャンバーを条件によっては、不用とする
ことにあり、同時に急激な流速変化を伴う流体輸送の管
路の建設工事費又は改修工事費を大幅に減少させるもの
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の水撃圧減少装置
は、水撃圧が発生する流体管内に、流体管の管の材質よ
りも小さな弾性係数を有する材質で形成される水撃圧吸
収体を、流体管内の流体流に接触するよう配置する水撃
圧の減少方法及び装置である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明を図面及び理論的考察を含
め、より詳細に説明する。本発明の水撃圧減少装置は、
図１に示すように、水撃圧が伝播する流体管内に管の材
質よりも小さな弾性係数を有する水撃圧吸収体、例えば
空気を内蔵するゴムチューブ（１）を配置することで水
撃圧を吸収し、減少させる装置である。

【００１１】図１３に示すように、水撃圧吸収体を複数
個設置し、後述する反射面間の距離を減少させることで
水撃圧の減少を図ることも可能である。

【００１２】以下流体管内に管の材質よりも小さな弾性
係数を有する物質を配置することで水撃圧が減少できる
かとその必要性を水力発電所の圧力水路を例に説明す
る。

【００１３】水力発電所の水路工事費は、全工事費の約
３０％を占め、さらに、サージタンク、水圧鉄管路等の
工事費が５０％を占めると一般に言われている。サージ
タンク、水圧鉄管路の工事費縮減のためには、設計水圧
の減少をはかり、水圧鉄管の鋼重減と水車のフライホイ
ールの重量減および条件によってはサージタンク省略を
図る必要がある。

【００１４】まず、設計水圧は、 （設計水圧）＝（静水圧）＋（水撃圧上昇値）＋（サー
ジング高さ） からなる。（静水圧）は、定数項であり、サージタンク
に発生する（サージング高さ）は、水撃圧上昇値が少な
ければ、また、地形条件による距離によっても設置不要
のものとなるため、水撃圧の減少方法のみが課題とな
る。

【００１５】水撃圧の基本方程式の一般解は、水の体積
弾性係数、水の単位重量、水圧管の直径を定数とする
と、 （水撃圧）∝｛（管の弾性係数）（管厚）｝^１／２（閉
鎖弁による流速変化）（反射面間の距離） となる。（閉鎖弁による流速変化）は、水車・発電機の
設計に影響するためここでは、定数とする。（管厚）に
ついては、水撃圧が減少すれば必然的に管厚も減少する
ため、（管厚）を無視し、ここでは常数とする。従い、
（管の弾性係数）及び反射面間の距離を減少させること
ができれば、水撃圧が減少することとなる。（管の弾性
係数）は、Ｈｏｏｋの法則に次のように定義されてい
る。 （管の応力度）＝（管の弾性係数）（管のひずみ） ここで、（管の応力度）を、定数として（管のひずみ）
を見かけじょう、大にする材質を管内に挿入すると、上
式から（管の弾性係数）は、小となり、水撃圧の減少に
繋がる。しかし、挿入材が大きいと流水障害になり発電
力の低下を招くことになる。

【００１６】さらに、反射面間の距離を減少させること
ができれば水撃圧はより減少する。（反射面間の距離）
は、水車から取水口間、または、サージタンク間であ
り、これも、従来は定数であった。すなわち、反射面は
取水口、サージタンク、または、密閉型エアークッショ
ンサージチャンバーの一箇所のみであった。

【００１７】以上のことから、発明が解決しようとする
課題は、管の弾性係数を減少させる観点からは次の通り
であり、 イ）弾性係数の小なる水撃圧吸収体の選択 ロ）水撃圧吸収体による流水障害をできるだけ少なくす
る形状・配置 ハ）水撃圧の減少効果を高めるための水撃圧吸収体の配
置 ニ）水撃圧吸収体のひずみ量に起因するサージング高さ
を押さえる装置 である。反射面間の距離を減少させ、かつ、管路全体に
亘って水撃圧を減少させる観点からは、 イ）サージタンク等に代わって、水撃圧発生源の近傍か
ら、ある程度の長さの区間に亘って、または、複数点の
反射面をもうける。すなわち、流水障害や水撃圧吸収体
のひずみ量に起因するサージング高さを押さえるため
に、水圧管の断面内にしめる水撃圧吸収体を少量に押さ
えるために部分的な反射面とする場合もある。そこで、
水撃圧吸収体が少量であることを補うために、管に沿っ
てある程度の長さに、または、複数箇所に設けることで
十分な反射を形成するものである。それらの水撃圧吸収
体の総量は、サージングの微小振動理論（Ｔｈｏｍａ
（１９１０））による容量よりもはるかに少ないもので
ある。

【００１８】以下、水撃圧吸収体につき具体的に説明す
る。図１、図４に示す水撃圧吸収体（１、３）は水圧管
を構成する管の材質よりも小さな弾性係数を有するもの
ならその材質をとわない。空気を内蔵するゴムチューブ
または不透水性の発泡プラスチック、合成ゴムなど、流
体中で安定に存在し、流体中に配設可能な形状を有し水
撃圧により変形し、水撃圧を吸収する機能を有するもの
が使用できる。

【００１９】水撃圧反射面までの距離を短縮するため
に、水撃圧吸収体を水撃圧発生源近傍から配置する。

【００２０】水撃圧吸収体のひずみ量に起因するサージ
ング高さを抑えるために、水撃圧吸収体を小さくし、水
圧管に沿った長さ方向に分散させて配設することが好ま
しい。

【００２１】水撃圧吸収体による流水障害をできるだけ
少なくするため、水圧鉄管（５）の径に比べ水撃圧吸収
体（１、３）の径をできるだけ小さくし、水圧鉄管
（５）内壁にそわすのが好ましい。又は図２に示すよう
に、水圧鉄管（５）の外部に外部取り付け鉄管（１５）
を設け、外部取り付け鉄管（１５）内に水撃圧吸収体
（１）を配設し、外部取り付け管（１５）と水圧鉄管
（５）を連通管（１４）で結ぶことも可能である。

【００２２】上述したように、水圧鉄管（５）の外部
に、外部取り付け鉄管（１５）を設け、外部取り付け鉄
管（１５）内に形の小さな水撃圧吸収体（１）をある程
度の区間長に亘って複数の個所に設置し、水圧鉄管
（５）と外部取り付け鉄管（１５）を連通管（１４）で
結ぶのが、サージング高さ、流水障害の減少のためによ
り好ましい。

【００２３】以下本発明を実施する際、考慮すべき付帯
設備等につき引き続き水力発電所を例にとって説明す
る。図６に示すような気体（空気など）を密封した弾性
係数の小さなチューブを水撃圧吸収体（１）として、水
圧鉄管（５）内の壁面に沿って、ある程度の区間に渡っ
て取り付ける。合成ゴムなどで製造されたチューブ内気
体の漏洩監視と気体補充のため内圧測定器付きコンプレ
ッサー（１１）を外部に設ける。コンプレッサー（１
１）の配置位置は中間横坑トンネル、又は、発電所近傍
とする。また、連通管（１３）、バルブ（１２）を設け
維持管理を容易にする。

【００２４】コンプレッサー（１１）は、通常は稼動せ
ず、漏気による気体減少時のみ稼動させる。このため、
通常時のチューブ内の圧力は、水流の圧力とバランスす
るように、初期にコンプレッサーで調整する。

【００２５】また図７に示すように、水撃圧吸収体とし
て、気体を密封した弾性係数の小さなリング状チューブ
（２）を取り付けることで、リングの内側を水流が阻害
されることなく流れるため、発電損失、又は輸送エネル
ギー減を避けることが可能となる。

【００２６】図３に示すように、水圧鉄管（５）に沿っ
て、水撃圧吸収体として複数個のチューブ（１）を設
け、機能の確実性の確保と、定常時の静水圧と等圧の状
態を作り、水撃圧の減衰効果を上げることも可能であ
る。

【００２７】水撃圧吸収体を水圧鉄管内に配設すること
により水流への抵抗が増大する。図２、図１１に示す装
置は、この抵抗による発電損失又は輸送エネルギー減を
さけるために、水圧鉄管（５）に外部取り付け鉄管（１
５）を設け、複数個の連通管（１４）で水流を結び、チ
ューブ（１）を外部取り付け鉄管（１５）の内部に取り
付けて、水撃圧の減少を図った例である。また、コンプ
レッサー（１１）、バルブ（１２）、連通管（１３）を
設ける。

【００２８】図２の外部取り付け鉄管（１５）に挿入さ
れるチューブ（１）は、図３の複数個のチューブとする
ことも可能である。

【００２９】図４、図８は、気体を有さないひずみの大
きな弾性係数の小なる物質（合成ゴムなど）あるいは不
透水性の発泡プラスチック（発泡ポリスチレン、発泡ポ
リオレフィン類など）（３）を水撃圧吸収剤として水圧
鉄管（５）の内側に、ある程度の区間に亘って取り付け
た例である。

【００３０】図４に示すように、気体を有さないひずみ
の大きな弾性係数の小なる物質（合成ゴムなど）あるい
は不透水性の発泡プラスチック（発泡ポリスチレン、発
泡ポリオレフィン類など）（３）は、図１２に示すよう
に、外部取り付け鉄管（１５）内に挿入することも可能
である。

【００３１】図９に示すように、気体を有さないひずみ
の大きな弾性係数の小なる物質（合成ゴムなど）あるい
は不透水性の発泡プラスチック（発泡ポリスチレン、発
泡ポリオレフィン類など）（３）をリング状チューブ
（４）として取り付けることで、リングの内側を水流が
阻害されることなく流れるため、発電損失、輸送エネル
ギー減を避けることができる。

【００３２】図５、図１０に示すように、２個のチュー
ブを並列して設け、機能の確実性の確保を高めることも
できる。なお、並列に設けることは気体を有さないひず
みの大きな弾性係数の小なる物質（合成ゴムなど）ある
いは不透水性の発泡プラスチック（発泡ポリスチレン、
発泡ポリオレフィン類など）（３）においても同様であ
る。

【００３３】図１３、図１４は、水圧鉄管路に沿って、
ある程度の区間に亘って、ここに分離した外付き容器
（２２）を連通管（１４）を介し水圧鉄管と結んだもの
である。外付き容器（２２）の内部には、圧縮気体入り
円形チューブ（２３）が複数個挿入されている。また、
外付き容器（２２）には、蓋（２４）とバルブ（１
２）、点検に用いる開閉付き減圧孔（２５）を有してい
る。

【００３４】上述した水撃圧減少装置に付帯する設備
は、一例であって、ここに説明したものに限られず、既
存の技術が用いられる。

【発明の効果】本発明の水撃圧減少装置は、水圧管路の
管の材質よりも小さな弾性係数を有する材質で形成され
る水撃圧吸収体を、水圧管内の水流に接触するよう配置
しているため、水圧管内に配設された水撃圧吸収体が歪
むことで水撃圧を吸収し、水撃圧吸収体を分割配置する
ことで、反射面間距離を小さくすることでさらに水撃圧
の減少が可能となる。そのため、 １．水圧管路の耐圧強度を下げることができるため、水
圧管路の鋼重量と水車発電機のフライホイールの鋼重量
を減少させる。 ２．サージタンク又は密閉圧エアークッションサージチ
ャンバーの設置を水撃圧減少のための設置理由の面から
は必要とせず、水車回転数の安定条件の面からの検討と
なる。 ３．上記効果から、急激な流速変化を伴う水力発電所及
び流体輸送管路の建設工事費又は改修工事費を大幅に減
少させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水撃圧減少装置の概念図の第１例であ
る。

【図２】本発明の水撃圧減少装置の概念図の第２例であ
る。

【図３】本発明の水撃圧減少装置の概念図の第３例であ
る。

【図４】本発明の水撃圧減少装置の概念図の第４例であ
る。

【図５】気体入りチューブを二本挿入した水圧管路の縦
断図である。

【図６】図１の連通管部の切断面図を示す。

【図７】リング状のチューブを水圧管に挿入した場合の
連通管部の切断面図である。

【図８】図４の切断面図である。

【図９】リング状の水撃圧減少材を水圧管に挿入した場
合の切断面図である。

【図１０】図５の連通管部の切断面図である。

【図１１】図２の連通管部の切断面図である。

【図１２】外部取り付け管に水撃圧吸収材を挿入した場
合の連通管部の切断面図である。

【図１３】本発明の水撃圧減少装置の概念図の第５例で
ある。水圧管と連通管で結ぶ外部管（個々に分割され
た）に気体入りチューブの装置を水路に沿って設ける場
合の概念図である。

【図１４】図１３の連通管部の切断面図である。

【図１５】従来のヘッドタンクを有する水圧管路の縦断
図である。

【図１６】従来のサージタンクを有する水圧管路の縦断
図である。

【図１７】従来の密閉型エアークッションサージチャン
バーを有する水圧管路の縦断図である。

【符号の説明】

１気体入りチューブ ２気体入りリング状チューブ ３弾性係数の小さなチューブ ４弾性係数の小さなリング状チューブ ５水圧鉄管 ６水車 ７貯水池、ヘッドタンクまたは上部池 ８取水口 ９ドラフト １０放水路または下部池 １１コンプレッサー １２連通管部のバルブ １３連通管（コンプレッサーと１または２を結ぶ） １４連通管（水圧鉄管と１５外部取り付け鉄管を結ぶ） １５外部取り付け鉄管 １６圧力導水路トンネル １７岩盤 １８サージタンタ １９密閉型エアークッションサージチャンバー ２０圧気された空気 ２１水流 ２２外付き装置 ２３圧縮気体入り円形チューブ ２４蓋 ２５開閉付き減圧孔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｂ 21/00 Ｎ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水撃圧が発生する流体管内に、流体管の管
   の材質よりも小さな弾性係数を有する材質で形成される
   水撃圧吸収体を、流体管内の流体流に接触するよう配置
   したことを特徴とする水撃圧の減少装置。