JP2003097407A - 水力機械のキャビテーション診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】キャビテーションの発生部位が判り、一般性の
ある水力機械のキャビテーション診断装置を提供するこ
と。 【解決手段】上カバー５には、ＡＥセンサ１２１が配設
され、また吸出し管７の外周面に、第２のＡＥセンサ１
２２が配設され、これらにより上カバー５及び吸出し管
７内に発生する弾性波信号を検出し、該各弾性波信号
を、前置き増幅回路１３１，１３２、ハイパスフィルタ
１４１，１４２と、整流回路１５１，１５２と、ローパ
スフィルタ１６１，１６２に順次通して夫々包絡線処理
を行い、各包絡線処理された信号をＦＦＴ１７１，１７
２によりに各々振幅変化成分の周波数解析を行い、ハイ
パスフィルタ１４１，１４２からの信号出力とこの周波
数解析結果を基にキャビテーション発生を判定するキャ
ビテーション判定器１８を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水力機械のキャビ
テーション診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】水力機械、例えば水車においては、ある
条件下でキャビテーションが発生することがある。ここ
で、キャビテーションとは、上流にあった微少な気泡核
が水の飽和蒸気圧より低い圧力の圧力部位に到達した
時、この気泡核が発端となり空洞が発生し、この空洞が
その下流の高圧部位で潰れる現象である。

【０００３】この時、衝撃的な圧力上昇を伴うため、近
傍では一種の金属疲労を起こして表面が壊食される。従
って、水車を長期間使用していくためには、キャビテー
ションの発生を検知して、このキャビテーションが発生
しない運転条件を選択する必要がある。

【０００４】一般的には、キャビテーションの発生する
場所は決まっておらず運転条件によっても変化する上、
特に水力発電用水車は、殆ど発電所毎に地理的条件が異
なることから、大きさ、キャビテーション特性いずれも
違うので、一般性があるキャビテーション診断装置を開
発することは困難であるが、従来からこのようなキャビ
テーションの発生を防止できる水力機械については、例
えば図７に示すような特開平６−３０７３２４号公報に
開示された技術がある。図７はフランシス水車の概略構
成を説明するための図であり、ケーシング１は可動ガイ
ドベーン２を介してランナ３に連通し、可動ガイドベー
ン２はガイドベーン開閉装置４によってその開度が制御
される。ランナ３は、上カバー５と下カバー６とによっ
て取り囲まれ、これにより水車収納容器を構成し、ラン
ナ３の内周下部には、吸い出し管（ドラフト）７が接続
されている。

【０００５】また、ランナ３には、主軸（回転軸）８を
介して発電電動機９が直結されている。下カバー６に
は、ＡＥセンサ１０が設置され、ＡＥセンサ１０はラン
ナ３の外周部でのキャビテーションの発生、具体的には
水車入口側のランナ３に有するランナ羽根にキャビテー
ションが発生したか否かを検出する。吸い出し管７に
は、ＡＥセンサ１１が設置され、ＡＥセンサ１１はラン
ナ３の外周部でのキャビテーションの有無、具体的には
水車出口側のランナ３に有するランナ羽根に キャビテ
ーションが発生したか否かを検出する。ＡＥセンサ１
０，１１の出力は、カウンタ等から構成されるＡＥセン
サ用比較器１２に入力され、この比較器１２はＡＥセン
サ１０，１１の各出力を基準値と比較してそのレベルを
判定し、ＡＥセンサ１０，１１の各出力がキャビテーシ
ョンの発生を表しているときに、回転速度制御指令を可
変速制御装置１３に送出する。可変速制御装置１３は、
比較器１２の回転速度制御指令と運転領域情報１４とに
基づき、発電電動機９の回転数を制御すると共に、可動
ガイドベーン２の開度をガイドベーン開閉装置４を介し
て制御する。なお、運転領域情報１４は、運転中のポン
プ水車の回転速度や落差や流量などを表す情報である。

【０００６】このように構成された公知の水力機械にお
いて、可変速水車運転が行われると、ＡＥセンサ１０が
キャビテーションの有無を検出する。比較器１２は、Ａ
Ｅセンサ１０の検出出力をキャビテーション発生基準と
比較し、前者が後者よりも大きいとき時にキャビテーシ
ョンが発生したと判定し、可変速制御指令信号を発生す
る。可変速制御装置１３は、比較器１２がキャビテーシ
ョンの発生を判定したときには、運転領域情報１４に基
づき回転速度を変化させて、キャビテーションを消失さ
せるものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら同公報に
は、ＡＥセンサを用いてキャビテーションの発生を検出
し、キャビテーションが発生した際にその運転状態をキ
ャビテーションが発生しないように移行することが記載
されているのみであり、具体的なキャビテーションの判
定方法については詳細に示されていない。また、一般的
に水力機械を製作する際には、模型試験を行ってキャビ
テーションの発生する運転状態についても調査し、模型
試験によって得られた結果に基づいて、実機におけるキ
ャビテーションの発生位置を予測して運転領域を定めて
いた。ところが、模型試験によって予測されたキャビテ
ーションが発生する運転領域に対して、実機にてキャビ
テーションが発生する運転領域がずれることがある。特
に、予測された運転領域の境界線近くではキャビテーシ
ョンの発生予測精度が悪く、結果として実際の運転領域
が狭くなってしまうという問題点があった。

【０００８】本発明はこのような事情に基づいてなされ
たもので、キャビテーションの発生部位が判り、一般性
のある水力機械のキャビテーション診断装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
なされたもので、請求項１に対応する発明は、水入口部
及び水出口部を有する水車収納容器と、該水入口部に連
結されたケーシングと、該水出口部に連結された吸出し
管と、前記水車収納容器内に配設され前記水入口部に水
流量を調節するためのガイドベーンと、前記水車収納容
器内に回転可能に配設した回転軸に固定したランナとか
らなり、該ケーシングから水入口部及び水出口部を介し
て該吸出し管に水を流通させて該ランナを回転駆動させ
るようにした水力機械に発生するキャビテーションを検
出する水力機械のキャビテーション診断装置において、
前記ランナの回転周波数Ｎを検出する回転信号検出手段
と、前記水車収納容器の外周面であって前記吸出し管と
は離れた位置でかつ前記水入口部近く及び前記吸出し管
の外周面に夫々配設され、該水車収納容器内に発生する
弾性波信号を各々検出する第１及び第２のＡＥセンサ
と、前記各ＡＥセンサで検出された弾性波信号の低周波
成分を夫々取り除く第１及び第２のハイパスフィルタ
と、前記各ハイパスフィルタを通した信号を整流回路及
びローパスフィルタに順次通して夫々包絡線処理を行う
第１及び第２の包絡線処理手段と、前記各包絡線処理手
段で夫々処理された信号に基づき各々振幅変化成分を周
波数解析する第１及び第２の解析回路と、前記第１及び
第２のハイパスフィルタの出力信号を取り込みその振幅
の最大値と実効値の比である波高率を夫々演算し、この
演算結果のいずれかが１０を超えたとき、前記第１及び
第２の解析回路にて得られた周波数解析結果及び前記回
転周波数Ｎに基づいてキャビテーション発生を判定する
キャビテーション判定手段とを具備したことを特徴とす
る水力機械のキャビテーション診断装置である。

【００１０】前記目的を達成するためなされたもので、
請求項２に対応する発明は、請求項１記載の水力機械の
キャビテーション診断装置において、キャビテーション
判定手段は、第１の解析回路にて得られた周波数解析結
果にガイドベーン枚数Ｚｇと回転周波数Ｎの積Ｎ・Ｚｇ
の成分が存在しているとき、ランナの水入口部側でキャ
ビテーション発生と判定することを特徴とする水力機械
のキャビテーション診断装置である。

【００１１】前記目的を達成するためなされたもので、
請求項３に対応する発明は、請求項１記載の水力機械の
キャビテーション診断装置において、キャビテーション
判定手段は、第２の解析回路にて得られた周波数解析結
果に前記回転周波数Ｎおよび２Ｎ成分が存在していると
き、ランナの水出口部側にキャビテーション発生と判定
することを特徴とする水力機械のキャビテーション診断
装置である。

【００１２】前記目的を達成するためなされたもので、
請求項４に対応する発明は、請求項１記載の水力機械の
キャビテーション診断装置において、キャビテーション
判定手段は、第２の解析回路にて得られた周波数解析結
果に前記回転周波数Ｎの成分が存在しているが、２Ｎ成
分が存在していない時、前記水車収納容器と前記吸出し
管の連結部にキャビテーション有りと判定することを特
徴とする水力機械のキャビテーション診断装置である。

【００１３】前記目的を達成するためなされたもので、
請求項５に対応する発明は、請求項１記載の水力機械の
キャビテーション診断装置において、キャビテーション
判定手段は、第２の解析回路にて得られた周波数解析結
果に前記回転周波数Ｎの１／３〜１／４Ｎ成分が存在し
ている時、前記回転軸と前記ランナとの連結部であるド
ラフトホワールにキャビテーション有りと判定すること
を特徴とする水力機械のキャビテーション診断装置であ
る。

【００１４】前記目的を達成するためなされたもので、
請求項６に対応する発明は、前記ケーシングの水圧を検
出する水圧検出手段の検出値と前記ガイドベーン開度の
情報を同時に前記判定手段に取り込み、該判定手段にお
いて該水力機械の模型試験結果を参照できるようにした
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載
の水力機械のキャビテーション診断装置である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明による水力機器
のキャビテーション診断装置の第１の実施形態を説明す
るための図である。ここでは、水力機械の一例として、
フランシス水車を例にあげて説明するが、これに限らず
他の水車であっても同様に実施できる。

【００１６】ケーシング１は可動ガイドベーン２を介し
てランナ３に連通し、可動ガイドベーン２はガイドベー
ン開閉装置（図示せず）によってその開度が制御され
る。ランナ３は、上カバー５と下カバー６とによって取
り囲まれ、これによりほぼ円筒状の水車収納容器を構成
し、ランナ３の内周下部には、吸い出し管（ドラフト）
７が接続されている。ランナ３には、主軸８を介して発
電電動機（図示せず）が直結されている。

【００１７】また、ランナ３の外周にはケーシング１か
らステーベーン２５を経てランナ３に流入してくる流水
量を調節するための可動ガイドベーン２が等配設されて
いる。ランナ３を通過した流水は上部吸出し管７を経て
放水路へと流出する。ランナ３と下カバー６の下端との
間には、ランナ３と下カバー６との間を仕事をしないで
漏れ出る流水を少なくするための出口シール２１が設け
られている。ここまでの水力機械の構成は、前述した公
知の発明と同一である。

【００１８】水車収納容器の外周面であって前記吸出し
管とは離れた位置でかつ水入口部近くの上カバー５に
は、第１のＡＥセンサ１２１が配設され、これにより水
車収納容器内に発生する弾性波信号を検出できるように
なっている。吸出し管７の外周面に、第２のＡＥセンサ
１２２が配設され、これにより吸出し管７内に発生する
弾性波信号を検出できるようになっている。

【００１９】各ＡＥセンサ１２１，１２２で検出された
弾性波信号を、前置き増幅回路１３１，１３２、ハイパ
スフィルタ１４１，１４２と、整流回路１５１，１５２
と、ローパスフィルタ１６１，１６２に順次通して夫々
包絡線処理を行う第１及び第２の包絡線処理手段を備え
ている。

【００２０】各包絡線処理手段で夫々処理された信号に
基づき各々振幅変化成分を解析する第１及び第２の解析
回路例えばＦＦＴ１７１，１７２を備えている。

【００２１】ＦＦＴ１７１，１７２からの振幅変化成分
を比較し、このうちの大きい方の系に配設されているハ
イパスフィルタ１４１，１４２の出力信号を取り込み波
高値及び実効値の比を演算し、この演算結果が１０を超
えたとき、キャビテーション発生と判定する判定手段例
えばキャビテーション判定器１８を備えている。

【００２２】また、これらＡＥ信号検出回路の他に、水
車の回転周波数Ｎを知るための、回転センサ１９および
回転検出器２０で構成される回転信号系統が設けられ、
キャビテーション判定器１８に接続されている。

【００２３】ここで、ＡＥセンサ１２１，１２２は、本
来材料が破壊や変形する際発生する弾性エネルギ放出
（アコースティックエミッション＝ＡＥ）を捉える目的
で開発されたものであるが、高周波の微小弾性波信号を
検出することに優れている。キャビテーションが潰れる
時、衝撃的な圧力上昇を起こす。この時ＡＥと類似な高
い周波数の弾性波を発生させる。

【００２４】発明の第１の実施形態ではＡＥセンサ１２
１，１２２を用いることと、検出した高周波の信号にお
いて、個々の周波数についてはキャビテーション発生点
からＡＥセンサ１２１，１２２までの伝達経路に大きく
左右されることから、キャビテーション発生点との関連
性が薄いので考慮せず、その振幅変化に注目しているこ
とを特徴としている。

【００２５】そのため、第１の実施形態ではこのＡＥセ
ンサ１２１，１２２を用いてキャビテーション発生を捉
え、所定のレベルまで前置き増幅器１３１，１３２で増
幅した後、水車の回転に伴う振動に起因する比較的低周
波の成分を、ハイパスフィルタ［カットオフ周波数（し
ゃ断周波数）５０ｋＨｚ程度以上の成分を取り出すも
の］１４１，１４２で取り除く。

【００２６】図２はこのＡＥセンサ１２１，１２２によ
って検出された信号を上述のハイパスフィルタ１４１，
１４２で処理した後の波形の例を、横軸を時間として示
した図である。この時点ではＡＥセンサの検出した信号
のうち、高周波成分のみを取り出しているため、キャビ
テーションが潰れたことなどによる大きな振幅の波と、
それ以外の小さな振幅の波が検出されていることが判
る。そして、本実施の形態においては、キャビテーショ
ンが潰れる際には大きな圧力上昇に伴って大きな振幅の
高周波が発生することから、ハイパスフィルタ１４１，
１４２で処理したの波の振幅について、その最大値及び
実効値を求め、この最大値を実効値で除した波高率（す
なわち、最大値と実効値との比）についてもキャビテー
ションの検出に用いるものである。

【００２７】図３は模型水車に取り付けたＡＥセンサに
て検出された信号の高周波成分について、その実効値と
波高率の関係を示したものであり、キャビテーションの
発生する条件と、キャビテーションの発生しない条件で
の比較を行ったものである。

【００２８】この図に示すように、キャビテーションの
発生しない条件で模型試験を行った場合、ＡＥセンサの
検出する信号の高周波成分の実効値、波高率ともに小さ
い値となっているのに対し、キャビテーションの発生す
る条件においては、キャビテーションが潰れることによ
る衝撃的な圧力上昇によって大きな振幅の信号が発生す
るために、実効値、波高率ともに大きくなっていること
が判る。そして特に、キャビテーションが発生している
条件では、ＡＥセンサの検出する信号の高周波成分の波
高率が１０以上の値を取っていることがわかる。すなわ
ち、このことを用いて本実施形態においては、ＡＥセン
サ１２１，１２２の検出する信号の高周波成分（すなわ
ち、図１においてハイパスフィルタ１４１，１４２にて
処理した後の波形）について、その最大値と実効値との
比である波高率が１０を超えているという条件を、キャ
ビテーション発生の判定に用いるものである。そして、
図１に示すように、本実施形態においては、この判定は
キャビテーション判定器１８にて行われるものである。

【００２９】また、本実施形態においては、さらにこれ
らのキャビテーションの発生部位などを特定するために
上述のハイパスフィルタ１４１，１４２にて処理して得
られた信号に包絡線処理を施す。すなわち、ハイパスフ
ィルタ１４１，１４２を通した信号をその後整流回路１
５１，１５２で整流し且、カットオフ周波数１ｋＨｚ程
度以下の成分を取り出すローパスフィルタ１６１，１６
２を通す。このようにして、ＡＥセンサ１２１，１２２
で検出した信号のうち高周波成分を、ローパスフィルタ
１６１，１６２を通過させることで信号の生の波形を消
して包絡線（生波形に接する曲線）を得ることができ
る。この包絡線は、ハイパスフィルタ１４１，１４２を
通過した信号（すなわち、ＡＥセンサ１２１，１２２で
検出した信号の高周波成分）の振幅変化を示すものであ
り、上述のようにキャビテーションが潰れる際にはＡＥ
センサ１２１，１２２にて大きな振幅が検出されるの
で、包絡線処理を施した後の波形であっても、この部分
については大きな振幅として残る。したがって、ハイパ
スフィルタ１４１，１４２にて得られた波形に包絡線処
理を施すことによって、キャビテーションの発生がＡＥ
センサ１２１，１２２によって検出された周期を得るこ
とが可能となる。このためにこの包絡線処理を行った信
号を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などを用いた解析回
路であるＦＦＴ１７１，１７２で処理してキャビテーシ
ョン発生の周波数成分を解析する。

【００３０】このようにＦＦＴ処理した信号や、ハイパ
スフィルタ１４１，１４２の出口端の信号等からキャビ
テーション判定器１８でキャビテーションの発生とその
部位等を判定する。

【００３１】このように構成した本発明の水力機器のキ
ャビテーション診断装置の第１の実施形態は、水車に発
生するキャビテーションの一般的な特性を捉えて判定で
きるもので、一般性を有するものである。さらに、ＡＥ
センサ１２１ではランナ入口部（すなわち、ランナ３に
おける水入口側）のキャビテーションによるＡＥ信号
が、ＡＥセンサ１２２ではランナ出口部（すなわち、ラ
ンナ３における水出口側）のキャビテーションによるＡ
Ｅ信号がキャビテーション判定器１８においてより強く
検出されるので、両者の信号レベルを比較することによ
ってキャビテーションの発生位置を判定できる。また、
両者のＡＥ信号の同時性を見ることにより、キャビテー
ション検出確度が向上する。

【００３２】次に、キャビテーション判定器１８におけ
るキャビテーション発生の判定について具体的に述べ
る。

【００３３】上述したように、キャビテーション判定器
１８は、ハイパスフィルタ１４１，１４２出口端の信号
波形の波高率（振幅の最大値／実効値）を求め、その値
が１０より大きいか小さいか比較するようにしたことに
よりノイズ信号と区別して、それぞれランナ入口部、ラ
ンナ出口部におけるキャビテーション発生を判定でき
る。

【００３４】さらに、本実施形態においてキャビテーシ
ョン判定器１８は、この波高率によるキャビテーション
発生の判定に加えて、ＦＦＴ１７１，１７２から得られ
た、ＡＥセンサ１２１，１２２の信号波形の包絡線（振
幅変化成分）を周波数解析した結果を用いてキャビテー
ションの発生を特定するようになっている。すなわち、
ハイパスフィルタ１４１，１４２の出力信号を取り込み
その振幅の最大値と実効値の比である波高率を演算し、
この演算の結果いずれかの波高率が１０を超えたときで
あって、上カバー５側のＦＦＴ１７１による周波数解析
から、ＡＥセンサ１２１の信号波形の包絡線（振幅変化
成分）にガイドベーン２の羽根枚数Ｚｇと回転信号系統
からの回転周波数Ｎの積Ｎ・Ｚｇの成分が存在している
とき、ランナ入口部にキャビテーションが発生したこと
を判定するものである。このために本実施形態において
は、図１に示すように、キャビテーション判定器１８に
はランナ３の回転数を検出する回転センサの信号を取り
込んだ回転検出器２０から回転周波数Ｎが入力される構
成となっており、これらが前述の回転信号系統となって
いる。

【００３５】ここで、ランナ入口部におけるキャビテー
ション発生の判定のために、ガイドベーン２の羽根枚数
Ｚｇと、ランナ３の回転周波数Ｎとの積であるＮ・Ｚｇ
成分がＡＥセンサ１２１の信号波形の包絡線（振幅変化
成分）に存在しているかを検出する理由を図４を用いて
示す。

【００３６】図４は、図１における上カバー５側のＡＥ
センサ１２１によって検出される信号波形およびこれに
包絡線処理を施した波形を、ガイドベーン２およびラン
ナ３のランナベーン３ａの断面図を直線的に展開した模
式図に重ねて示した説明図である。この図に示したよう
に、ランナベーン３ａは回転によって静止部であるガイ
ドベーン２の後流側を移動していくが、ガイドベーン２
が設けられている部位を通過する際にランナベーンの入
口部において圧力が上昇し、ガイドベーン２の間を通過
する際は圧力が下降する。キャビテーションはこのよう
な圧力上昇・降下に伴って発生して潰れるため、上カバ
ー５側のＡＥセンサ１２１によって検出されるキャビテ
ーションＡＥ波はランナベーン３ａがガイドベーン２の
設けられている部位を通過する際にその振幅が大きくな
る。したがって、このキャビテーションＡＥ波に包絡線
処理を施し、これを周波数解析した際に、ガイドベーン
２の羽根枚数Ｚｇと、ランナ３の回転周波数Ｎとの積で
あるＮ・Ｚｇ成分（すなわち、単位時間あたりでランナ
ベーン３ａが通過するガイドベーン２の枚数に相当す
る）が存在することによってランナ３の入口部における
キャビテーション発生を判定することが可能となる。

【００３７】また、本実施の形態によれば、ランナ３入
口部に発生するキャビテーション以外に、例えばランナ
３出口部に発生するキャビテーションについても次のよ
うにして検出することが可能である。すなわち、ハイパ
スフィルタ１４１，１４２の出力信号を取り込みその振
幅の最大値と実効値の比である波高率を演算し、この演
算の結果いずれかの波高率が１０を超えたときであっ
て、ＦＦＴ１７１，１７２処理後の結果から回転周波数
Ｎ，および２Ｎの成分が検出された場合にランナ３出口
部でのキャビテーションを判定できる。

【００３８】この場合、キャビテーションＡＥ波に包絡
線処理を施し、これを周波数解析した際に回転周波数で
あるＮ成分および２Ｎ成分が検出されるのは、ランナ３
の出口部においてキャビテーションが発生する場合、こ
のキャビテーションはランナ３のランナベーンと共に回
転するためであり、さらに、回転によってドップラー効
果が生じるために、回転周波数Ｎの側帯波である２Ｎ成
分が同時にＡＥセンサ１２１，１２２によって検出され
るためである。

【００３９】ここで、この判定が行われた場合であって
ＦＦＴ１７１，１７２処理後の結果から回転周波数Ｎと
ガイドベーン２の枚数Ｚｇの積であるＮ・Ｚｇ成分が検
出されない場合には、さらに、ＡＥセンサ１２１と１２
２の両系統のハイパスフィルタ１４１，１４２の出力信
号の実効値を比較するようにすることでランナ３の出口
のキャビテーションのみを確実に判定することもでき
る。この場合のハイパスフィルタ１４１、１４２の出力
信号の実効値の比較は具体的には、ハイパスフィルタ１
４１，１４２の出力信号のうち、上部吸出し管に設けら
れたＡＥセンサ１２２の信号を処理したハイパスフィル
タ１４２の出力信号の実効値が上カバー５に設けられた
ＡＥセンサ１２１の信号を処理したハイパスフィルタ１
４２の出力信号の実効値に比べて大きいとき、前記ラン
ナ３出口部のみにキャビテーションが発生したと判定す
る。

【００４０】さらに、水車収納容器と吸出し管７の連結
部すなわちシールギャップのキャビテーションを判別す
ることが出来る。回転部で発生したキャビテーションに
よるＡＥ信号は、ケーシング１の巻終り部の存在等回転
方向の非対称性のため、回転に同期して大きくなったり
小さくなったりするし、ランナ３が回転することにより
ドップラー効果によって、側帯波（すなわち、回転周波
数の整数倍の周波数を有する波）を持つ。しかしなが
ら、シールギャップのキャビテーションは出口シール２
１の静止部とランナ３の回転の干渉による圧力上昇・降
下によって発生するため、上述した回転部に発生するキ
ャビテーションのＡＥ信号と異なり、ドップラー効果に
よる側帯波を持たない。したがって、出口部にシールギ
ャップのキャビテーションが発生していることを検出す
るために、出口部キャビテーションと判定された時、Ｆ
ＦＴ１７１，１７２処理後の結果からこの回転周波数成
分（＝Ｎ）とこの側帯波（２Ｎ、３Ｎ・・）の有無を検
出するようにした。これにより、ランナ３出口のキャビ
テーションとこの近くで発生する、シールギャップのキ
ャビテーションを判別することが出来る。この場合、具
体的にキャビテーション判定器１８において、ハイパス
フィルタ１４１，１４２の出力信号を取り込みその振幅
の最大値及び実効値の比である波高率を演算し、この演
算の結果いずれかの波高率の演算結果が１０を超えたと
きであって、さらに上部吸出し管に設けられたＡＥセン
サ１２２からの信号を処理した、ＦＦＴ１７２からの振
幅変化成分の周波数解析結果に前記回転周波数Ｎの成分
が存在しているが、２Ｎ成分が存在していない時、前記
水車収納容器と前記吸出し管の連結部にキャビテーショ
ン有りと判定する。

【００４１】また、吸出し管ホワールにおけるキャビテ
ーション有りも判定できる。この場合、具体的にキャビ
テーション判定器１８において、ハイパスフィルタ１４
１，１４２の出力信号を取り込みその振幅の最大値及び
実効値の比である波高率を演算し、このうちいずれかの
波高率の演算結果が１０を超えたときであって、さらに
上部吸出し管に設けられたＡＥセンサ１２２からの信号
を処理した、ＦＦＴ１７２からの振幅変化成分の周波数
解析結果に前記回転周波数Ｎの１／３〜１／４（すなわ
ち、Ｎ／３〜Ｎ／４）の成分が存在している時、ランナ
３における回転中心付近の下方にあるドラフトホワール
にキャビテーションが発生したと判定する。上部吸出し
管７内には吸出し管ホワールの振れまわりにより発生す
るＡＥ信号も存在する。この吸出し管ホワール（ドラフ
トホワール）の振れまわり周波数は、一般的に回転周波
数Ｎの１／３〜１／４である。そこで本実施形態ではハ
イパスフィルタ１４１，１４２出口端の信号波形のいず
れかの波高率（振幅の最大値／実効値）が１０以上で、
且ＦＦＴ１７２処理後の結果から回転周波数Ｎの１／３
〜１／４成分の有無を抽出するようにした。これにより
吸出し管ホワールの存在も判定できる。

【００４２】以上述べたように、本実施形態によれば、
一般性のあるキャビテーション判定を行うことができ、
水力機械においてキャビテーションの発生を判定し、さ
らにその発生部位を判定できるものである。

【００４３】図５は、本発明による水力機械のキャビテ
ーション診断装置の第２の実施形態を説明するための図
である。図１の実施形態と異なる点は、前述の実施形態
ではキャビテーション判定器１８における判定は、ＡＥ
信号だけからの判定であるが、ここでは流量に関わるガ
イドベーン開度信号を検出するためのガイドベーン開度
検出器２２と、落差に係わるケーシング水圧信号を検出
するための水圧センサ２３と、水圧センサ２３の出力信
号を増幅してキャビテーション判定器１８に入力する増
幅器２４を、新たに追加したものである。

【００４４】図６は、水力機械を作る際に相似則を用い
て実機の模型を作成し、この模型試験によって得られた
キャビテーション発生予測図の例である。模型試験では
実機と相似な模型を作成して様々な運転状態にて運転を
行い、キャビテーションの発生についても目視等によっ
て確認しており、例えば図６に示したように、キャビテ
ーションが発生する領域を単位落差当りの回転速度ｎ１
を横軸に、単位落差当りの流量Ｑ１を縦軸に取るなどし
て定めている。そして、実機においてもこの予測図によ
る運転範囲を用いてキャビテーションの発生を避けて運
転を行っている。

【００４５】そこで、本実施形態を用いることで、実機
においてキャビテーション発生の判定をキャビテーショ
ン判定器１８内で行うとともに、ガイドベーン開度検出
器２２からのガイドベーン開度信号と増幅器２４からの
ケーシング１における水圧の増幅値とをキャビテーショ
ン判定器１８に入力し、ガイドベーン開度信号から流量
を、また増幅器２４からの水圧の増幅値から落差を求め
ることで、実機においてキャビテーションが発生する運
転状態を正確に知ることが可能である。また、この結果
を例えば図６のような模型試験結果と対比させるように
すれば、よりキャビテーション検出確度が向上する。

【００４６】以上述べた第２の実施形態では、この作用
効果以外には前述の第１の実施形態と同様な作用効果が
得られることは、いうまでもない。

【００４７】本発明は、前述した実施形態に限定されず
種々変形して実施できる。例えば、各ハイパスフィルタ
１４１，１４２の出力信号と、前記各包絡線処理手段の
処理結果及び回転信号検出手段からの回転周波数を取り
込み、キャビテーション発生及びその発生位置を判定す
るものであって、以下に述べる第１〜第３のキャビテー
ション判定手段のうちの任意の少なくとも２つを組み合
わせるようにしてもよい。すなわち、前記第１のキャビ
テーション判定手段は、前記各ハイパスフィルタの出力
信号を取り込みその振幅の最大値及び実効値の比である
波高率を演算し、この演算結果のいずれかが１０を超え
たときであって、さらに上カバ−側に設けたＡＥセンサ
からの信号の振幅変化成分の周波数解析結果に前記ガイ
ドベーン枚数Ｚｇと前記回転周波数Ｎの積Ｎ・Ｚｇの成
分が存在しているとき、ランナ入口部にキャビテーショ
ン発生と判定するものであり、前記第２のキャビテーシ
ョン判定手段は、前記各ハイパスフィルタの出力信号を
取り込みその振幅の最大値及び実効値の比である波高率
を演算し、この演算結果のいずれかが１０を超えたとき
であって、各ＡＥセンサからの信号の振幅変化成分の周
波数解析結果に前記回転周波数Ｎ成分が認められると
き、前記ランナ出口部もしくは前記水車収納容器と前記
吸出し管の連結部にキャビテーション発生と判定するも
のであり、前記第３のキャビテーション判定手段は、前
記各ハイパスフィルタの出力信号を取り込みその振幅の
最大値及び実効値の比である波高率を演算し、この演算
結果のうちいずれかが１０を超えたときであって、上部
ドラフトに設けたＡＥセンサからの信号の振幅変化成分
の周波数解析結果に前記回転周波数Ｎの１／３〜１／４
Ｎ成分が存在している時、前記ランナの回転中心付近の
下方でのドラフトホワール有りと判定するものである。

【００４８】すなわち、このようにすれば、上述の第１
から第３のキャビテーション判定手段を組み合わせるこ
とで、ランナ入口部のキャビテーション、ランナ出口部
のキャビテーションもしくはシールギャップに発生した
キャビテーション、およびドラフトホワールの発生が同
時に起こった際も、これを検出することが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、キャビテーションの発
生部位が判り、一般性のある水力機械のキャビテーショ
ン診断装置を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水力機械のキャビテーション診断
装置の第１の実施形態を説明するための図。

【図２】同実施形態におけるＡＥセンサの検出信号の一
例を示す振幅と時間の関係を示す波形図。

【図３】同実施形態のキャビテーション判定器の機能を
説明するためものであって波高率と実効値の関係を示す
図。

【図４】同実施形態のランナ入口のキャビテーションが
ガイドベーンの後流の影響により変化することを説明す
るための図。

【図５】本発明による水力機械のキャビテーション診断
装置の第１の実施形態を説明するための図。

【図６】模型試験におけるキャビテーション特性の一例
を示した図。

【図７】公知のフランシス水車の概略構成を説明するた
めの図。

【符号の説明】

１…ケーシング ２…可動ガイドベーン ３…ランナ ４…ガイドベーン開閉装置 ５…上カバー ６…下カバー ７…吸出し管 ８…回転軸（主軸） ９…発電電動機 １０…ＡＥセンサ １１…ＡＥセンサ １２…ＡＥセンサ用比較器 １３…可変速制御装置 １４…運転領域情報 １８…キャビテーション判定器 １９…回転センサ ２０…回転検出器 ２１…出口シール ２２…ガイドベーン開度検出器 ２３…水圧センサ ２４…増幅器 ２５…ステーベーン １２１…第１のＡＥセンサ １２２…第２のＡＥセンサ １３１，１３２…前置き増幅回路 １４１，１４２…ハイパスフィルタ １５１，１５２…整流回路 １６１，１６２…ローパスフィルタ １７１，１７２…ＦＦＴ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇藤 祐悦 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 木村 肇 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 在原 義賢 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 Ｆターム(参考） 2G024 AD03 BA15 CA13 DA09 FA02 FA04 3H072 AA07 AA27 BB20 CC01 CC08 CC23 CC42 CC74 CC78 3H073 AA08 AA26 BB39 CC13 CC26 CD02 CD03

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水入口部及び水出口部を有する水車収納
   容器と、該水入口部に連結されたケーシングと、該水出
   口部に連結された吸出し管と、前記水車収納容器内に配
   設され前記水入口部に水流量を調節するためのガイドベ
   ーンと、前記水車収納容器内に回転可能に配設した回転
   軸に固定したランナとからなり、該ケーシングから水入
   口部及び水出口部を介して該吸出し管に水を流通させて
   該ランナを回転駆動させるようにした水力機械に発生す
   るキャビテーションを検出する水力機械のキャビテーシ
   ョン診断装置において、 前記ランナの回転周波数Ｎを検出する回転信号検出手段
   と、 前記水車収納容器の外周面であって前記吸出し管とは離
   れた位置でかつ前記水入口部近く及び前記吸出し管の外
   周面に夫々配設され、該水車収納容器内に発生する弾性
   波信号を各々検出する第１及び第２のＡＥセンサと、 前記各ＡＥセンサで検出された弾性波信号の低周波成分
   を夫々取り除く第１及び第２のハイパスフィルタと、 前記各ハイパスフィルタを通した信号を整流回路及びロ
   ーパスフィルタに順次通して夫々包絡線処理を行う第１
   及び第２の包絡線処理手段と、 前記各包絡線処理手段で夫々処理された信号に基づき各
   々振幅変化成分を周波数解析する第１及び第２の解析回
   路と、 前記第１及び第２のハイパスフィルタの出力信号を取り
   込みその振幅の最大値と実効値の比である波高率を夫々
   演算し、この演算結果のいずれかが１０を超えたとき、
   前記第１及び第２の解析回路にて得られた周波数解析結
   果及び前記回転周波数Ｎに基づいてキャビテーション発
   生を判定するキャビテーション判定手段と、 を具備したことを特徴とする水力機械のキャビテーショ
   ン診断装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の水力機械のキャビテーシ
   ョン診断装置において、キャビテーション判定手段は、
   第１の解析回路にて得られた周波数解析結果にガイドベ
   ーン枚数Ｚｇと回転周波数Ｎの積Ｎ・Ｚｇの成分が存在
   しているとき、ランナの水入口部側でキャビテーション
   発生と判定することを特徴とする水力機械のキャビテー
   ション診断装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の水力機械のキャビテーシ
   ョン診断装置において、キャビテーション判定手段は、
   第２の解析回路にて得られた周波数解析結果に前記回転
   周波数Ｎおよび２Ｎ成分が存在しているとき、ランナの
   水出口部側にキャビテーション発生と判定することを特
   徴とする水力機械のキャビテーション診断装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の水力機械のキャビテーシ
   ョン診断装置において、キャビテーション判定手段は、
   第２の解析回路にて得られた周波数解析結果に前記回転
   周波数Ｎの成分が存在しているが、２Ｎ成分が存在して
   いない時、前記水車収納容器と前記吸出し管の連結部に
   キャビテーション有りと判定することを特徴とする水力
   機械のキャビテーション診断装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の水力機械のキャビテー
   ション診断装置において、キャビテーション判定手段
   は、第２の解析回路にて得られた周波数解析結果に前記
   回転周波数Ｎの１／３〜１／４Ｎ成分が存在している
   時、前記回転軸と前記ランナとの連結部であるドラフト
   ホワールにキャビテーション有りと判定することを特徴
   とする水力機械のキャビテーション診断装置。
6. 【請求項６】 前記ケーシングの水圧を検出する水圧検
   出手段の検出値と前記ガイドベーン開度の情報を同時に
   前記判定手段に取り込み、該判定手段において該水力機
   械の模型試験結果を参照できるようにしたことを特徴と
   する請求項１から５のいずれか一つに記載の水力機械の
   キャビテーション診断装置。