JP2004116488A

JP2004116488A - 水力機械およびその運転方法

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Publication number: JP2004116488A
Application number: JP2002284792A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Kurokawa; 黒川　敏史; Hiroshi Komiya; 小宮　浩; Akira Shinohara; 篠原　朗
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】発電運転や揚水運転などの通常運転から空転運転への切り替えを迅速に行うとともに、信頼性の高い水力機械を提供する。
【解決手段】水力機械３０は、ガイドベーン７、入口弁１４ａ、ケーシング排水弁１３ａ、給気弁１６ａ、およびこれらの開閉を制御する制御装置５０を備え、前記制御装置は、通常運転から空転運転への切り替え時の水面押下に際して、ガイドベーン７の開度を空転運転中の定常運転開度である第２の開度より大きな第１の開度に設定し、ランナ室１内の排水が完了した後に前記第２の開度に設定するように制御信号を出力する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水車、ポンプ水車などの水力機械に係り、とりわけ調相運転のような空転運転を行なう水力機械において通常運転から空転運転の切り替えを迅速かつ確実に行なうとともに安定した空転運転の継続が可能な水力機械およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水車やポンプ水車といった水力機械は、水を作動流体としてランナを回転させて発電運転を行い、あるいはランナを回転させて揚水運転を行なうなど、ランナが水中で回転することによって仕事を出入りさせることを目的としているが、これ以外にランナを空気中で回転させる空転運転が行われることがある。このような空転運転には、水力機械の発電機や発電電動機が接続された電力系統の電気的な位相を調整する目的で行なわれる調相運転や、ポンプ水車による揚水運転の開始時に行なわれる揚水待機運転などがある。
【０００３】
図７に空転運転を行う水力機械３０の一般的な構成図を示す。図７に示すように、水力機械３０は、ランナ上カバー１ａとランナ下カバー１ｂによって形成されるランナ室１と、ランナ室１内に配置され主軸（回転軸）周りに回転するランナ１０とを備えている。ランナ室１の外方には、ケーシング１２が連結されており、ランナ室８の下方にはドラフトチューブ２が連結されている。
【０００４】
なお、ケーシング１２はランナ室１を取り囲むように渦巻状に設けられており、ランナ室１への巻き始め部から巻き終い部にかけてその断面直径が徐々に小さくされている。また、ケーシング１２の巻き始め部は導水管１４に接続され、この導水管１４は第２弁駆動部１４ｂによって駆動される入口弁１４ａを介して図示しない上池に接続され、ドラフトチューブ２は図示しない下池へと接続されている。
【０００５】
ランナ室１の外周部には可動式のガイドベーン７が前記上カバー１ａと下カバー１ｂとの間に保持され、ランナ室１の周方向に沿って複数枚設けられている。これらのガイドベーン７はガイドベーン駆動制御部１７によりその開度を調整され、ケーシング１２とランナ室１の間を流出・流入する水の流量を調整している。なお、ランナ室１を取り囲むように渦巻状に設けられたケーシング１２とランナ室１との間には周方向に沿って固定式のステーベーンが複数枚設けられている。
【０００６】
すなわち、水力機械３０は、入口弁１４ａを開くことによって上池からの流路が連通するように構成となっており、入口弁１４ａを開き、ガイドベーン７の開度を制御してランナ室１内へ流入・流出する水の流量を調整して発電運転や揚水運転といった通常運転を行なう。
【０００７】
また、このような水力機械３０においてはこれらの構成のほか、空転運転を行うために以下の構成が設けられている。
ランナ室１には、ランナ室１内に圧縮空気を導入してランナ室８の水面９をドラフトチューブ２にまで押し下げる圧縮空気供給管１６が連通している。圧縮空気供給管１６には、給気弁駆動部１６ｂによって駆動される給気弁１６ａが設けられている。またケーシング１２内とドラフトチューブ２内とは、ケーシング排水管１３によって互いに連通している。ケーシング排水弁１３には、第１弁駆動部１３ｂによって駆動されるケーシング排水弁１３ａが設けられている。
【０００８】
また、ランナ室１を形成する下カバー１ｂとドラフトチューブ２との間には、排水弁駆動部３ｂによって駆動される排水弁３ａを備えた排水管３が設けられている。さらに上カバー１ａおよび下カバー１ｂには、ランナ１０とランナ室１との間のシール部にシール水を給水するためのシール給水管４，５が設けられている。また、上カバー１ａには、上カバー１ａと回転軸であるランナ１０の主軸との間のシール部に給水するための主軸封水部給水管６が設けられている。
【０００９】
このような構成の水力機械３０において空転運転を行う場合、ガイドベーン駆動制御部１７によってガイドベーン７が全閉とし、給気弁駆動部１６ｂによって給気弁１６ａを動作させ圧縮空気供給管１６からランナ室１内に圧縮空気を供給しランナ室１内の水を排水するが、このとき排水弁駆動部３ｂを駆動して排水弁３ａを開いておくことで、排水を促進することができる。
【００１０】
また、排水が完了し、ランナ１０を空転運転させる際には、ランナ１０と上カバー１ａや下カバー１ｂとのシール部、および、ランナ１０の主軸（回転軸）と上カバー１ａの間のシール部には水が存在しないため、これらのシール部が過熱する恐れがある。このため、ランナ１０の空転運転時にはシール給水管４，５、また主軸封水部給水管６を介して給水を行い、これらの各シール部の冷却を行なう。これらの給水は、シール部を冷却してランナ室１内に導かれるが、ランナ１０の回転による遠心力の作用で、ランナ１０とガイドベーン７との間、すなわちランナ１０の外周部に滞留することとなる。
【００１１】
このような滞留水は、ランナ１０の回転により攪拌されてランナ１０の摩擦損失を増大させるだけでなく、ランナ室１外周部の温度上昇を招き機器の健全性を損なう恐れがあるため、できるだけ少なくすることが好ましく、通常は上述の排水管３を用いて排水するようにしている。しかしながら、排水管３の排水容量が小さく排水効果が十分でないこともあるため、従来の水力機械ではガイドベーン７を小開度に設定し、ランナ１０を空転運転させているときにこれらの滞留水をガイドベーン７の間隙から効率よく排水する技術が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
図８はこの技術を用いて水力機械３０を通常運転から空転運転に移行する場合の入口弁１４，ガイドベーン７，ケーシング排水弁１３ａ，および給気弁１６ａの開閉方法を示したものである。
【００１３】
発電運転や揚水運転などの通常運転中は入口弁１４が全開とされ、ガイドベーン７は運転指令に対応する開度に設定されている。水力機械３０に対して空転指令が発せられると、ガイドベーン７と入口弁１４が閉鎖される。
【００１４】
ガイドベーン７が閉鎖されるとランナ室１内への水の流入が絶たれるので、給気弁１６ａを開いてランナ室１内に圧縮空気を導入し、排水弁３ａを開きランナ室１内の水を排水しながら水面押下を行なう。そして、水面押下が完了し入口弁１４ａが全閉になると、ケーシング排水弁１３ａを開くとともにガイドベーン７をランナ１０の回転方向ごとに予め定められた小開度に保持する。このようにすると、ランナ１０の空転運転中の各シール部への給水はランナ１０とガイドベーン７との間で滞留して水カーテンを形成することなく、小開度に保持されたガイドベーン７の間隙を通過してケーシング排水管３からドラフトチューブ２へと円滑に排水される。
【００１５】
【特許文献１】
特開平１１−２７０４５３号公報（第５頁−第７頁，第３図，第４図）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の技術であっても、ランナ室１内の排水は依然として上記排水管３を用いて行なっており、通常運転時に空転運転指令を受けてから空転運転を開始する場合、ランナ室１内の排水に長時間を要する。したがって、発電運転から空転運転への切り替えを迅速に行い、機器の運用上の利点を十分に生かすためには、この滞留水を円滑かつ迅速に排水することが必要であった。さらに、空転運転時には入口弁１４ａを閉鎖することが必須であるが、入口弁１４ａを早く閉鎖すると入口弁１４ａに流水遮断の負荷がかかり好ましくないという問題がある。このため、通常運転から空転運転に迅速な切り替えを行なうためには入口弁１４ａに流水遮断の負荷をかけずに迅速に閉鎖する方法が必要である。
【００１７】
また、このようにランナ室１内の排水を行なっている間では、ガイドベーン７が閉じられているためランナ室１の外周部には多量の滞留水が存在することとなる。この滞留水は上述のような空転運転中の滞留水の量と比較して多量であるため、ランナ１０とガイドベーン７との間で水カーテンを形成する。そして、このためにランナ室１の外周部が過熱し、もしくは摩擦損失が増大するだけでなく、振動や騒音の原因になるという問題があった。
【００１８】
さらに、この排水管３はランナ室１の近傍に設置される関係で常運転時などにも水圧脈動に伴う加振力が作用する部位であるが、一般的にはコンクリート内に埋設されるので、万一損傷を受けた場合は、修理が不可能で大規模な改修が必要になってしまうため、十分な強度を持たせる必要があった。
【００１９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、発電運転や揚水運転といった通常運転から空転運転への切り替えを迅速に行ない、ランナ室内の排水が円滑かつ迅速に行なえると共に、機器の信頼性の高い水力機械を提供することをその目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために本発明は、その請求項１に記載したように、上カバーと下カバーによって形成されるランナ室と、前記ランナ室内に配置され主軸周りに回転するランナと、前記ランナ室の外方に連通し、前記ランナ室を包囲するように設けられたケーシングと、前記ランナ室の下方に連通して設けられたドラフトチューブと、前記ランナ室に連通し、前記ランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面押下を行なう圧縮空気供給管と、前記圧縮空気供給管の途中に設けられた給気弁と、前記ケーシング内と前記ドラフトチューブ内とを接続するケーシング排水管と、前記ケーシング排水管に設けらたケーシング排水弁と、前記ランナ外方の前記ランナ室内にその周方向に沿って設けられ、前記ランナ室へ流入・流出する水の流量を調整可能に複数設けられたガイドベーンと、前記ケーシングへの流路を遮断する入口弁とを備え、発電運転または揚水運転である通常運転と前記ランナを空気中で回転させる空転運転を行う水力機械において、前記通常運転からランナ空転運転への切替時に、前記空転運転の指令を受けて前記ガイドベーンおよび前記入口弁を全閉とする指令を出力し、前記ガイドベーンが全閉となると前記給気弁を開く指令を出力し、その後前記入口弁が閉鎖されると前記ケーシング排水弁を開く指令および前記ガイドベーンを予め定められた第１の開度とする指令をそれぞれ出力し、その後前記ガイドベーンを前記第１の開度よりも小さい予め定められた第２の開度とする指令および前記給気弁を閉じる指令をそれぞれ出力する制御装置を備えることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、通常運転から空転運転への切り替え時の水面押下に際して、一旦ガイドベーン開度を空転運転中の定常運転開度である第２の開度よりも大きくすることによってランナ室内のランナとガイドベーンとの間にに多量に存在する滞留水を迅速に排水することができる。そして、排水が完了した後にガイドベーン開度を空転運転中の定常運転開度である第２の開度とするので、空転運転中もンナ室内の滞留水を効果的に排出することができる。このため、通常運転から空転運転への切り替えが迅速に行なえるとともに、従来の水力機械に設けられていた下カバーとドラフトチューブを連通する排水管を設けずとも済むため、信頼性の高い水力機械およびその運転方法を提供することが可能となる。
【００２２】
また、請求項２乃至５に記載の発明は請求項１記載の発明に加えて、制御装置がそれぞれ、ガイドベーンをを第１の開度とする指令を出力してから予め定められた時間が経過した場合、水力機械に連結される発電電動機の入力が予め定められた空転運転中の発電電動機入力以下になったことを検出した場合、水力機械の主軸の軸振れの値が予め定められた空転運転中の軸振れの値以下になったことを検出した場合、もしくはケーシング内の水面の位置を検出する水位検出手段を設け前記水位検出手段によって検出される前記ケーシング内の水面の位置が予め定められた位置以下になったことを検出した場合に、ランナとガイドベーン開度を第２の開度とする指令を出力することを特徴とするものである。
【００２３】
これらの発明によれば、請求項１に記載の発明に加えて、ランナ室内の排水が完了したことを確実に検出してガイドベーン開度を空転運転中の定常運転開度である第２の開度に設定することが可能であるので、迅速かつ確実に通常運転から空転運転に切り替えることのできる水力機械を提供することができる。
【００２４】
さらに、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５に記載された発明に加え、通常運転時のガイドベーンの閉鎖時間をｔ_ｇ、入口弁の閉鎖時間を前記ガイドベーンの閉鎖時間よりも短いｔ_ｉｖとしたとき、空転運転の指令を受けて前記ガイドベーンを閉鎖する指令を出力した後、
【数２】

で定まる時間ｔ_ｗが経過した後に前記入口弁を閉鎖する指令を出力することを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、請求項１乃至５に記載された発明に加えて、空転運転指令が制御装置に入力されて、ガイドベーンと入口弁を閉鎖する際に入口弁の閉鎖速度を早くし、かつ入口弁に流水遮断の負荷をかけないようにすることが可能であるので、通常運転から空転運転の切り替えが迅速に行うことができる水力機械を提供することができる。
【００２６】
また、請求項７記に載の発明は、請求項１乃至５に記載された発明に加え、ケーシング内の水面の位置を検出する水位検出手段を設け、空転運転中に前記水位検出手段によって検出されるケーシング内の水位を検出し、この検出値が予め定められた水位より高い場合に制御装置がガイドベーンを第２の開度とする指令を出力し、前記予め定めた水位以下となった場合にガイドベーンを全閉とする指令を出力することを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、請求項１乃至５に記載された発明に加えて、空転運転中であってもケーシング内の水位を検出してガイドベーンの間隙から漏洩する圧縮空気の量が多い場合にガイドベーンを閉鎖して漏洩を防ぐことができるので、空転運転中の水面の位置を保ち、安定した空転運転を行うことができる水力機械を提供することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態を示すもので、図１は水力機械の縦断面図であり、図２は図１の水力機械を用いて発電運転から空転運転へ切り替える場合のフローチャートであり、図３はこの場合の入口弁，ガイドベーン，ケーシング排水弁，および給気弁の開閉を時間を横軸として示す説明図である。なお、図１において図７と同一の構成については同一の符号を付しその詳細な説明を適宜省略する。
【００２９】
図１に示すように、水力機械３０は、ランナ上カバー１ａとランナ下カバー１ｂによって形成されるランナ室１と、ランナ室１内に配置され主軸（回転軸）周りに回転するランナ１０とを備えている。ランナ室１の外方には、ケーシング１２が連結されており、ランナ室８の下方にはドラフトチューブ２が連結されている。
【００３０】
なお、図示しないが、ケーシング１２はランナ室１を取り囲むように渦巻状に設けられており、ランナ室１への巻き始め部から巻き終い部にかけてその断面直径が徐々に小さくされている。
ケーシング１２の巻き始め部は導水管１４に接続され、この導水管１４は第２弁駆動部１４ｂによって駆動される入口弁１４ａを介して図示しない上池に接続され、ドラフトチューブ２は図示しない下池へと接続されている。
【００３１】
ランナ室１の外周部には可動式のガイドベーン７が前記上カバー１ａと下カバー１ｂとの間に保持されて、ランナ室１の周方向に沿って複数枚設けられている。これらのガイドベーン７はガイドベーン駆動制御部１７によりその開度を調整され、ケーシング１２とランナ室１の間を流出・流入する水の流量を調整している。なお、ランナ室１を取り囲むように渦巻状に設けられたケーシング１２とランナ室１との間には周方向に沿って固定式のステーベーンが複数枚設けられている。
【００３２】
すなわち、水力機械３０は入口弁１４ａを開くことによって上池からの流路が連通するように構成されており、入口弁１４ａを開いて発電運転や揚水運転といった通常運転を行なう。
【００３３】
本実施の形態の水力機械３０においてはこれらの構成のほか、空転運転を行うために以下の構成が設けられている。
ランナ室１には、ランナ室１内に圧縮空気を導入してランナ室８の水面９をドラフトチューブ２にまで押し下げる圧縮空気供給管１６が連通している。圧縮空気供給管１６には、給気弁駆動部１６ｂによって駆動される給気弁１６ａが設けられている。またケーシング１２内とドラフトチューブ２内とは、ケーシング排水管１３によって互いに連通している。ケーシング排水弁１３には、第１弁駆動部１３ｂによって駆動されるケーシング排水弁１３ａが設けられている。
【００３４】
なお、このケーシング排水管１３は、ケーシング１２の上部に接続されるようにするのが好ましい。特に、ケーシング１２はランナ室１への巻き始め部から巻き終い部にかけてその断面直径が徐々に小さくなるように構成されているため、ケーシング排水管１３のケーシング１２への開口部は、ケーシング１２のランナ室１への巻き始め部の上部に設けるとよい。
【００３５】
さらに上カバー１ａおよび下カバー１ｂには、ランナ１０とランナ室１との間のシール部にシール水を給水するためのシール給水管４，５が設けられている。また、上カバー１ａには、上カバー１ａと回転軸であるランナ１０の主軸との間のシール部に給水するための主軸封水部給水管６が設けられている。
【００３６】
そして、本実施の形態においては、ガイドベーン７を駆動するガイドベーン駆動制御部１７、ケーシング排水管１３ａを駆動する第１弁駆動部１３ｂ、入口弁１４ａを駆動する第２弁駆動部１４ｂ、および給気弁１６ａを駆動する給気弁駆動部１６ｂを開閉させる制御信号を出力する制御装置５０が設けられている。
【００３７】
以上の構成によって発電運転や揚水運転といった通常運転から空転運転への切り替えを行なう場合について、図２および図３を用いて以下に説明する。
【００３８】
通常運転時には、入口弁１４ａを全開とし、ガイドベーン７を運転状態に応じた適正開度に設定する制御信号が制御装置５０からガイドベーン駆動制御部１７、および第２弁駆動部に出力されて運転を行っている。この状態から水力機械３０の空転指令が制御装置５０へ入力されると、制御装置５０はフロー１０１にてガイドベーン７と入口弁１４ａの閉鎖するための制御信号をガイドベーン駆動制御部１７、および第２弁駆動部に出力する。
【００３９】
このとき制御装置５０は、ガイドベーン７、および入口弁１４ａの閉鎖に際して、水路に水圧脈動などが生じないように適宜制御信号を出力するが、一般的に入口弁１４ａは流路を閉止するための弁であり流水の遮断を目的としていないため、ガイドベーン７が全閉となり流水を遮断した後に入口弁１４ａが閉じるように制御信号を出力する。すなわち、本実施の形態では、入口弁１４ａを閉鎖するのに要する時間ｔ_ｉｖがガイドベーンを閉鎖するときに要する時間ｔ_ｇよりも短くし、かつ、ｔ＝ｔ_ｗの時点で入口弁１４ａの閉鎖を開始する。そしてこのときの、ｔ_ｗの値を、
【数３】

と設定する。ｔ_ｗの値をこのように設定すれば、入口弁１４ａの閉鎖をガイドベーン７の全閉を待たずに行なうことで、水力機械３０に対する空転指令が制御装置５０に入力されてから入口弁の閉鎖までに要する時間を短くし、かつ入口弁１４ａの閉鎖をガイドベーン７の閉鎖よりも後にすることで入口弁１４ａに流水遮断の負荷をかけることを防止できる。このため、入口弁１４ａの閉鎖時間ｔ_ｉｖを短くすることが可能である。
【００４０】
そして、本実施の形態では、フロー１０２においてガイドベーン７が全閉となると、フロー１０３にて制御装置５０から給気弁駆動部１６ｂに制御信号を出力し、給気弁駆動部１６ｂを駆動させて給気弁１６ａを開く。これによってランナ室１内に圧縮空気が導入されるが、このときガイドベーン７が全閉になっているため、ランナ室１内の水が排水されて水面が押し下げられる。
【００４１】
そして、フロー１０３に続くフロー１０６では、制御装置５０はランナ室１内の水面押下が完了したかを判定し、水面押下が完了するとフロー１０７にて給気弁駆動部１６ｂに制御指令を出力して給気弁１６ａを閉じる。
なお、上記水面押下の完了は、例えばドラフトチューブ２に設けられた図示しない水位計によって判定される。
【００４２】
また、フロー１０３で示した給気弁１６ａの開操作と並行して、制御装置５０はフロー１０４に進み、入口弁１４ａの全閉を判定する。そしてフロー１０４にて入口弁１４ａが全閉となると、制御装置５０はフロー１０５にて第１弁駆動部１３ｂに制御指令を出力しケーシング排水管１３ａを開く。そして、これとほぼ同時に、制御装置５０はガイドベーン７の開度をランナ１０の回転方向によって予め定められた開度ＧＶＯ１とする制御指令をガイドベーン駆動制御部１７に出力する。この開度ＧＶＯ１は、空転運転中に滞留水の排出を行なうためのガイドベーン７の定常運転開度ＧＶＯ２よりも大きな開度であり、かつ、水面押下中にランナ室１内に導入された圧縮空気がガイドベーン７の間隙を通して多量に流出しない開度に設定される。このように比較的大きな開度に設定することによって、ランナ室１０内の水面押下に伴ってランナ１０とガイドベーン７との間に存在する多量の滞留水をケーシング内に効果的に排水する。ランナ室１内から排水されたこれらの滞留水は、ケーシング排水管１３を介してドラフトチューブ２へと排水される。
【００４３】
また、フロー１０５においては、ガイドベーン７を開度ＧＶＯ１に設定すると同時に、制御装置５０内に設けられている図示しないタイマーを起動してガイドベーン７が開度ＧＶＯ１とされている時間ｔ_１の計測を開始する。
【００４４】
そしてフロー１０５に続くフロー１０８では、制御装置５０はフロー１０５にて起動したタイマーの値が予め設定した時間ｔ_０が経過したかを判定し、ｔ_０が経過したと判定されるとフロー１０９にてガイドベーン７の開度をランナ１０の回転方向によってそれぞれ予め定められた空転運転中の通常の開度である定常運転開度ＧＶＯ２とする制御指令をガイドベーン駆動制御部１７に出力する。
【００４５】
ここで、ｔ_０の値は、ランナ室１内の水面押下時にランナ１０とガイドベーン７との間に存在する多量の滞留水を排水するために必要かつ十分な時間に予め定められており、ｔ_０が経過した時点でランナ室１内の排水が完了する。ランナ室１内の排水が完了すると、ランナ室１内のランナ１０とガイドベーン７との間には、シール給水管４，５からランナ１０とランナ室１との間のシール部への給水と主軸封水部給水管６から上カバー１ａと回転軸であるランナ１０の主軸との間のシール部への給水が滞留するのみとなるため、ガイドベーン７の開度を定常運転開度ＧＶＯ２としても十分に排水が可能となる。
【００４６】
そして、上記フロー１０３、フロー１０６、およびフロー１０７として示した水面押下のための給気弁１６ａの操作と、フロー１０５、フロー１０８、およびフロー１０９として示したランナ室１内の排水のためのガイドベーン７の操作が完了し、給気弁１６を閉止しガイドベーン７を定常運転開度ＧＶＯ２へ設定すると、通常運転から空転運転への切り替えが終了する。
【００４７】
以上のように、本実施の形態においては、通常運転から空転運転への切り替えの際に、入口弁１４ａが閉鎖された時点でケーシング排水管１３ａを開き、ガイドベーン７を空転運転中の定常運転開度ＧＶＯ２よりも大きな開度ＧＶＯ１となるように制御することによって、空転運転への切り替え中、すなわち水面押下時にランナ室１内に大量に存在する滞留水を迅速に排水することができる。
【００４８】
したがって、本実施の形態によれば水力機械３０の通常運転から空転運転への切り替えを迅速に行なうことができるとともに、多量の滞留水がランナ室１内に存在することによるランナ１０の摩擦損失を低減し、ランナ室１外周部の温度上昇や振動や騒音の発生を抑えられるので、機器の信頼性を高めることが可能である。また、本実施の形態によれば、図７にて示した従来の水力機械に設けられていた排水管３を省略することができ、この点からも機器の信頼性が高めることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態においては、ガイドベーン開度を開度ＧＶＯ１にした後にタイマーを起動し時間ｔ_０が経過した時点で空転運転中の定常運転開度ＧＶＯ２とするものであるが、ガイドベーン開度を空転運転中の定常運転開度ＧＶＯ２に設定する指令は、以下のような種々の方法で検出し、制御装置５０から出力するようしてもよい。
【００５０】
例えば、ランナ１０の主軸（回転軸）が連結されている図示しない発電電動機への入力値を制御装置５０にて検出し、この値が予め定めた入力値以下になった場合にガイドベーン開度を定常運転開度ＧＶＯ２に設定する指令を出力する。
【００５１】
通常運転から空転運転への切り替え時にランナ１０を回転し続けると、ランナ室１内に水が存在する場合、その粘性によって回転損失が生じ、ランナ１０を回転させるのに必要な発電電動機への入力は大きい。そして、ランナ室１内の排水が進むとこの回転損失が徐々に小さくなる。上述の例はこれを制御装置５０にて検出するものであり、発電電動機への入力を検出するだけでよいため、比較的簡単な構成で確実にランナ室１内の排水が完了したことを検出することができる。
【００５２】
なお、揚水運転からランナ１０の回転方向を変えずに空転運転に切り替える場合は、常に発電電動機は電動機として使用されているため、上述のように発電電動機への入力はランナ室１内の排水が進むにつれて徐々に減少する。これに対して発電運転からランナ１０の回転方向を変えずに空転運転に切り替える場合は、ガイドベーン７が全閉となってランナ１０の回転速度が低下しそうになるとこれを補うように発電電動機が電力系統からの入力を受けて電動機として作用することとなる。すなわちこのような場合、空転運転への切り替えの際には発電電動機への入力が最初０から増大し、ランナ室の排水が進むと減少する。従って、発電運転からランナ１０の回転方向を変えずに空転運転に切り替える運転を行う場合には、制御装置５０を例えば発電電動機への入力の時間微分値を検知するよう構成し、発電電動機への入力が減少しながら予め定めた入力値以下になったことを検出した場合にガイドベーン開度を定常運転開度ＧＶＯ２に設定する指令を出力するものとすればよい。
【００５３】
また、別の例として、ランナ１０の主軸（回転軸）の振動を検出し、その振幅が予め定めた値より以下となった時点でガイドベーン開度を定常運転開度ＧＶＯ２に設定する指令を出力する構成とすることもできる。
【００５４】
空転運転への切り替えに際して、ランナ室１内に圧縮空気が導入されると、ランナ室１内で空気と水が混ざり合った状態となるため、ランナ１０の主軸（回転軸）に振動を生じる。この振動は空転運転への切り替えを開始した当初は小さいものの、圧縮空気の量が多くなると比較的大きくなり、排水が完了すると再び小さくなる。すなわちこの例では、ランナ１０の主軸（回転軸）に振動を検出する図示しない振動検出手段を設置し、制御装置５０によって通常運転から空転運転への切り替え時に前記主軸（回転軸）の振動が大きくなることを検出し、その後この振動が小さくなった時点でガイドベーン開度を定常運転開度ＧＶＯ２に設定する指令をガイドベーン駆動制御部１７に対して出力する構成とすればよい。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施の形態を図４，図５を参照して説明する。
本実施の形態は、第１の実施の形態におけるガイドベーン７の開度ＧＶＯ１への設定する制御指令を、ガイドベーン７の間隙からの空気量に応じて変化するケーシング１２内の水面の位置を検出する水位検出手段の検出値によって出力するものである。
【００５６】
すなわち、本実施の形態においては、図４に示すように、水位検出手段としてケーシング１２内の水位を計測する水位計１８が設けられている。水位計１８は、その上部と下部がケーシング１２とそれぞれ水位計作動弁１９を介して接続されており、水位計１８が計測した水位値は制御装置５０へ送信される。また、これらの水位計作動弁１９にはそれぞれ水位計作動弁駆動部１９ａが設けられており、制御装置５０によって制御されて水位の計測時に自動的に開かれ、発電運転や揚水運転といったの通常運転時には閉じるように構成されている。
【００５７】
本実施の形態の制御装置５０のフローチャートを図５に示す。なお、図５において図２と同一のフローについては同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施の形態では、制御装置５０はフロー１０５ａにて給気弁駆動部１６ｂに給気弁１６ａを開く制御信号を出力しガイドベーン駆動制御部１７にガイドベーン開度を開度ＧＶＯ１に設定する制御信号を出力するとともに、水位測定を開始するために水位計作動弁駆動部１９に対して水位計作動弁１９を開くように制御信号を出力し、これによって水位計１８が水位の計測を開始する。
【００５９】
また、フロー１０８ａにおいて制御装置５０は水位計１８の計測した水位値を参照し、この値が予め定めた水位以下となったかを判定する。
【００６０】
水面押下時にガイドベーン７の開度を開度ＧＶＯ１に設定すると、ランナ１０とガイドベーン７との間に存在する多量の滞留水がガイドベーン７の間隙を介して排水されるが、給気弁１６ａが閉じて水面押下がほぼ完了すると、前記滞留水の量が少なくなり、ガイドベーン７の間隙からは圧縮空気もケーシング１２内に漏れ出すようになる。ケーシング１２内に漏れ出た圧縮空気はケーシング排水管１３を介してドラフトチューブ２へと還流するが、その量が多くなるとケーシング排水管１３によって排出できる量を超え、ケーシング１２の上部に溜まるので、ケーシング１２内の水位が低下する。本実施の形態においてはケーシング１２内の水位を水位計１８によって測定し、この水位が予め定めた水位以下になるとランナ室１内の排水が完了したと判定し、ガイドベーン７の開度を空転運転中の定常運転開度ＧＶＯ２に設定する制御信号を制御装置５０からガイドベーン駆動制御部１７に対して出力する。
【００６１】
以上のように、本実施の形態によれば、ランナ室１内の排水が完了したことを確実に検知して、水力機械３０の空転運転への切り替えを迅速に行なうことが可能となる。
【００６２】
さらに、本実施の形態の変形例を図６に示す。なお、図６において図４と同一の構成には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。図６に示したように本変形例では、図４における水位計１８の代わりにケーシング１２内の空気を検出する空気検出器２１を水位検出手段としてケーシング１２の巻き始め部の予め定められた高さに設けている。
【００６３】
本変形例によっても、図４および図５によって説明した第２の実施の形態と同様に、水面押下時にガイドベーン７の開度を開度ＧＶＯ１に設定した後に水面押下がほぼ完了すると、ガイドベーン７の間隙から漏れ出る圧縮空気の量が増えてケーシング１２内の上部に溜まるため、空気検出器２１によってこれを検出することができる。したがって、ランナ室１内の水面押下に際して排水が完了したことを確実に検知することが可能となる。
【００６４】
また、本変形例において空気検出器２１にてランナ室１内の排水が完了したことを検出しガイドベーン７を定常運転開度ＧＶＯ２とする指令を出力する値が異なる場合は、設置高さが異なる空気検出器２１を１つずつ設け、ランナ１０の回転方向によってこれらの空気検出器２１のいずれかを用いるように切り替える構成としてもよい。
【００６５】
なお、本実施の形態で排水が完了したことを検知する水位検出手段、すなわち図４における水位計１８や図６における空気検出器２１等の設置位置は、以下のようにするとよい。
ランナ室１から漏洩した圧縮空気は、上述のようにその量が少ない場合ケーシング排水管１３を介してドラフトチューブ２へと還流し排出されるが、漏洩する圧縮空気の量が増えケーシング排水管１３によって排出できる量を超えると、ケーシング排水管１３のケーシング１２への開口部付近に溜まることとなる。したがってこの位置に水位検出手段を設けることによって排水の完了を確実に検出することが可能となる。特にケーシング排水管１３はケーシング１２の最上部、すなわち巻き始め部の上部に設けられることが多いため、水位検出手段もこの位置に設けるとよい。
また、ガイドベーン７の開度を定常運転開度とする指令を出力するトリガーとなる水位検出手段の検出値は、ガイドベーン７の開度やランナ室１内に圧縮空気供給管１６を介して導入される圧縮空気の圧力などから適宜設定されればよい。
【００６６】
また、本実施の形態の構成を用いて、ガイドベーン７の開度が、ランナ１０の回転方向によって予め定められた空転運転中の定常運転開度ＧＶＯ２となった後の空転運転中におけるケーシング１２内への圧縮空気の漏洩を最小限に抑えることも可能である。
【００６７】
この場合、空転運転中にも図４における水位計１８、もしくは図６における空気検出器などの水位検出手段を作動させる。そして、制御装置５０からガイドベーン駆動制御部１７に対し、ケーシング１２内の空気量が予め定めた量よりも多くなった場合、すなわちケーシング１２内の水位が予め定めた値以下になった場合にガイドベーン７を全閉とする制御指令を出力させ、ケーシング１２内の空気がケーシング排水管１３を介してドラフトチューブ２に排出されてケーシング１２内の水位が予め定めた値よりも高くなった場合に、ガイドベーン７を定常運転開度ＧＶＯ２に設定する制御信号を出力するようにすればよい。
【００６８】
このような構成とすると、通常運転から空転運転への切り替えを迅速に行なえるだけでなく、ガイドベーン７の開度が定常運転開度ＧＶＯ２に設定される空転運転中にランナ室１内からケーシング１２内に漏洩する圧縮空気の量が何らかの理由で多くなった場合にもケーシング１２内に溜まる圧縮空気の量を最小限に抑え、安定した空転運転を行うことが可能となる。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、発電運転や揚水運転といった通常運転から空転運転への切り替えの際の水面押下時にガイドベーン開度を調整するので、ランナ室内の排水を円滑かつ迅速に行ない、通常運転から空転運転への切り替えを迅速に行なうことができる。そしてこれによって、ランナ室内に滞留する水によって引き起こされる騒音、振動、もしくはランナ外周部の温度上昇等を抑え、機器の信頼性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水力機械の縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る水力機械を通常運転から空転運転に切り替える際のフローチャート。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る水力機械を通常運転から空転運転に切り替える際の入口弁、ガイドベーン、ケーシング排水弁、および給気弁の開閉を示すタイムチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る水力機械の縦断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る水力機械を通常運転から空転運転に切り替える際のフローチャート。
【図６】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る水力機械の縦断面図。
【図７】従来の空転運転を行う水力機械の縦断面図。
【図８】従来の水力機械において通常運転から空転運転に切り替える際の入口弁、ガイドベーン、ケーシング排水弁、および給気弁の開閉を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１　ランナ室
１ａ　上カバー
１ｂ　下カバー
２　　ドラフトチューブ
３　排水管
３ａ　排水弁
３ｂ　排水弁駆動部
４、５　　シール給水管
６　　主軸封水部給水管
７　　ガイドベーン
９　　水面
１０　　ランナ
１２　　ケーシング
１３　　ケーシング排水管
１３ａ　　ケーシング排水弁
１３ｂ　　第１弁駆動部
１４　　導入管
１４ａ　　入口弁
１４ｂ　　第２弁駆動部
１６　　圧縮空気供給管
１６ａ　　給気弁
１６ｂ　　給気弁駆動部
１７　　ガイドベーン駆動制御部
１８　水位計
１９　水位計作動弁
１９ａ　水位計作動弁駆動部
２１　空気検出器
３０　水力機械
５０　制御装置

Claims

上カバーと下カバーによって形成されるランナ室と、
前記ランナ室内に配置され主軸周りに回転するランナと、
前記ランナ室の外方に連通し、前記ランナ室を包囲するように設けられたケーシングと、
前記ランナ室の下方に連通して設けられたドラフトチューブと、
前記ランナ室に連通し、前記ランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面押下を行なう圧縮空気供給管と、
前記圧縮空気供給管の途中に設けられた給気弁と、
前記ケーシング内と前記ドラフトチューブ内とを接続するケーシング排水管と、
前記ケーシング排水管に設けらたケーシング排水弁と、
前記ランナ外方の前記ランナ室内にその周方向に沿って設けられ、前記ランナ室へ流入・流出する水の流量を調整可能に複数設けられたガイドベーンと、
前記ケーシングへの流路を遮断する入口弁と、
を備え、発電運転または揚水運転である通常運転と前記ランナを空気中で回転させる空転運転を行う水力機械において、
前記通常運転からランナ空転運転への切替時に、前記空転運転の指令を受けて前記ガイドベーンおよび前記入口弁を全閉とする指令を出力し、前記ガイドベーンが全閉となると前記給気弁を開く指令を出力し、その後前記入口弁が閉鎖されると前記ケーシング排水弁を開く指令および前記ガイドベーンを予め定められた第１の開度とする指令をそれぞれ出力し、その後前記ガイドベーンを前記第１の開度よりも小さい予め定められた第２の開度とする指令および前記給気弁を閉じる指令をそれぞれ出力する制御装置を備えることを特徴とする水力機械。
ガイドベーンを第２の開度とする指令は、ガイドベーンをを第１の開度とする指令を出力してから、予め定められた時間が経過すると出力されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
ガイドベーンを第２の開度とする指令は、水力機械に連結される発電電動機の入力が予め定められた空転運転中の発電電動機入力以下になったことを検出すると出力されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
ガイドベーンを第２の開度とする指令は、水力機械の主軸の軸振れの値が予め定められた空転運転中の軸振れの値以下になったことを検出すると出力されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
ケーシング内の水面の位置を検出する水位検出手段を設け、前記水位検出手段によって検出される前記ケーシング内の水面の位置が予め定められた位置以下になったことを検出した場合にガイドベーンを第２の開度とする指令が出力されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
通常運転時のガイドベーンの閉鎖時間をｔ_ｇ、入口弁の閉鎖時間を前記ガイドベーンの閉鎖時間よりも短いｔ_ｉｖとしたとき、空転運転の指令を受けて前記ガイドベーンを閉鎖する指令を出力した後、

で定まる時間ｔ_ｗが経過した後に前記入口弁を閉鎖する指令を出力することを特徴とする請求項１乃至５記載の水力機械。
ケーシング内の水面の位置を検出する水位検出手段を設け、空転運転中に前記水位検出手段によって検出されるケーシング内の水位を検出し、この検出値が予め定められた水位より高い場合に制御装置がガイドベーンを第２の開度とする指令を出力し、前記予め定めた水位以下となった場合にガイドベーンを全閉とする指令を出力することを特徴とする請求項１乃至５に記載の水力機械。
上カバーと下カバーによって形成されるランナ室と、
前記ランナ室内に配置され主軸周りに回転するランナと、
前記ランナ室の外方に連通し、前記ランナ室を包囲するように設けられたケーシングと、
前記ランナ室の下方に連通して設けられたドラフトチューブと、
前記ランナ室に連通し、前記ランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面押下を行なう圧縮空気供給管と、
前記圧縮空気供給管の途中に設けられた給気弁と、
前記ケーシング内と前記ドラフトチューブ内とを接続するケーシング排水管と、
前記ケーシング排水管に設けらたケーシング排水弁と、
前記ランナ外方の前記ランナ室内にその周方向に沿って設けられ、前記ランナ室へ流入・流出する水の流量を調整可能に複数設けられたガイドベーンと、
前記ケーシングへの流路を遮断する入口弁と、
を備え、発電運転または揚水運転である通常運転と前記ランナを空気中で回転させる空転運転を行う水力機械の運転方法において、
前記通常運転時に前記空転運転の指令を受けると、前記ガイドベーンおよび前記入口弁の閉鎖を開始し、前記ガイドベーンが全閉となると前記給気弁を開き、その後前記入口弁が閉鎖されると前記ケーシング排水弁を開いて前記ガイドベーンを予め定められた第１の開度とし、その後前記ガイドベーンを前記第１の開度よりも小さい予め定められた第２の開度として前記空転運転へ切り替えることを特徴とする水力機械の運転方法。