JP2005207375A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 部分負荷運転でのガイドベーンの不安定な水の流れの剥離を防止し、吸出し管での水圧脈動を低減することが可能な水力機械を提供すること。
【解決手段】 ランナ４、ガイドベーン３および吸出し管５を備えた水力機械であって、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させ、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を制御することにより前記ランナの回転を調整する水力機械において、前記水力機械の内部における水の脈動を感知する感知手段と、前記感知手段の感知動作に基き、前記ガイドベーンを制御する制御装置とを備えた水力機械。
【選択図】 図１

Description

発明の属する技術分野

本発明は、水車またはポンプ水車等の水力機械に関する。

従来の技術

図１３は、一般的なフランシス水車の縦断面図である。水車運転時、上池からの水は、水圧鉄管１８からケーシング１およびステーベーン２、ガイドベーン３を通ってランナ４に流れ込み、その水流によってランナ４が回転駆動され、主軸６を介して発電機７が駆動される。

一方、ランナ４を駆動した水は、吸出し管５を経て図示しない放水路へと流出する。水車運転時には、ガイドベーン３の開度を変化させることにより、ランナ４に流入する水量を調整することにより、発電量を変化させている。

通常設計による運転点近傍においては、ガイドベーン形状またはガイドベーン取り付け角度は、ステーベーン２からガイドベーン３に流れ込む水流の、ガイドベーン３の部分で発生する損失が小さくなるように設計されている。

低出力運転時においては、水流を少なくするためにガイドベーン３の開度を小さくした状態で運転することになるため、図１４に示すようにガイドベーン３の入口部の負圧面側で流れの剥離が発生しやすくなる。

そして、あるガイドベーン取り付け角度になると、このガイドベーン３の入口部での剥離が不安定になる現象が生じる。この不安定な流れが生じる時、ステーベーン２の出口からガイドベーン３の入口に入り込む流れの角度は、非周期的に変化する流れとなっている。このガイドベーン３での剥離は、隣り合うガイドベーン３を周方向に伝播するような非常に不安定なもので、この不安定な剥離により発生した渦がランナ４へと流れ込むことになる。この渦は、同時に全てのガイドベーン３に発生するものではないことから、ランナ４には周方向で異なる流れが入り込み、この不均一な流れは吸出し管５へと流出していく。

一方、ランナ４の出口部から吸出し管５へと流れる水につき、通常、設計点近傍では、ランナ４から流出した水の旋回速度成分がほぼ零となるように、ランナ４の羽根を設計する。このため、ランナ４から流出した流れは、吸出し管５の軸方向に沿って流れる。

しかしながら、設計点から離れた部分負荷出力の運転では、ランナ４から出た流れは、ランナ４の回転方向の旋回速度成分を持つため、その中心部に渦芯が形成され、その部分の圧力が飽和蒸気圧より小さくなると、ホワール１５が発生する。

このホワール１５が大きく振れ回ると大きな水圧脈動を発生し、機器や建屋の振動に繋がる。このようなホワール１５による振動を低減させる方法として、吸出し管上部にフィンと呼ばれる旋回防止板を取り付ける方法や、ホワール１５に給気をすることによりホワール１５を安定させる方法が知られている。
特開昭５３−１４６０５０号公報 特開平２−１４０４６６号公報

しかし、このホワール１５が非常に不安定な動きをする場合には、これらの施策による効果は低減する。このホワール１５の非常に不安定な動きは、上述した、部分負荷運転時にガイドベーン３で見られる不安定な流れの剥離が原因であることが分っている。

このため、ガイドベーン３での不安定な剥離を防止することができれば、ホワール１５による水圧脈動が小さく、信頼性の高い機器を提供することができる。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、部分負荷運転でのガイドベーンの不安定な水の流れの剥離を防止し、吸出し管での水圧脈動を低減することが可能な水力機械を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明では、請求項１ないし１１記載の発明を提供するものである。

請求項１記載の発明は、ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備えた水力機械であって、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させ、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を制御することにより前記ランナの回転を調整する水力機械において、前記水力機械の内部における水の脈動を感知する感知手段と、前記感知手段の感知動作に基き、前記ガイドベーンを制御する制御装置とを備えた水力機械を提供する。

これにより、ガイドベーンで不安定な流れの剥離が生じた場合、ガイドベーンに繋がった制御装置またはガイドベーン近傍の水流発生孔に繋がる制御装置を用いガイドベーン周りの流れを制御することにより、ガイドベーンでの不安定な流れの剥離を抑えることができ、ガイドベーンでの不安定な流れに起因する非定常的なホワールによる水圧脈動が大幅に低減する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の水力機械において、前記ガイドベーンに圧力脈動を加える脈動印加手段を設け、前記感知手段の感知動作に基き前記脈動印加手段を動作させる水力機械を提供する。

これにより、ガイドベーンの入口部に不安定な流れの剥離が生じる時、その剥離はガイドベーン間を周方向に伝播する。しかし、ガイドベーンの入口部に圧力脈動を加え流れを制御することにより、剥離がガイドベーン間を伝播しなくなる。この結果、ガイドベーン入口負圧面で発生していた不安定な剥離がなくなり、不安定なホワールによる水圧脈動が大幅に低減する。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の水力機械において、前記ガイドベーンに水流を吹出す吹出し部を設け、前記感知手段の感知動作に基き前記吹出し部を制御する制御装置を備えた水力機械を提供する。

これにより、ガイドベーン負圧面に不安定な剥離が生じる運転領域で、ガイドベーンに設けた吹出し穴から水流を吹出すことにより、不安定な剥離が安定化し、ガイドベーンの入口部の不安定な剥離に起因する非定常的なホワールが発生しなくなり、水圧脈動を低減できる。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の水力機械において、前記ガイドベーンにねじり振動を与える振動手段を設け、前記感知手段の感知動作に基き前記振動手段を動作させる水力機械を提供する。

これにより、部分負荷時にガイドベーンに小さなねじり振動を加えることにより流れを制御することにより不安定な剥離の発生が抑制され、水圧脈動を低減できる。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の水力機械において、前記吸出し管に流れを計測する水圧センサを設け、この水圧センサの出力信号を前記制御装置に与えるようにした水力機械を提供する。

これにより、ガイドベーンに不安定な剥離が発生することにより非定常的なホワールが発生するため、ホワールの信号を検出することによりガイドベーンの非定常流れを感知することができる。このホワールの非定常的流れとガイドベーンの非定常的流れとの関係をインプットしておいた演算装置をガイドベーンの制御装置と吸出し管に取り付けられたセンサの間に設置することより、ホワールの信号にあわせてガイドベーンを制御することが可能となり、ガイドベーン部の不安定な流れに起因するホワールの非定常的な挙動の発生を抑えることができ、水圧脈動を低減することができる。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の水力機械において、前記水力機械の上カバーまたは下カバーに流れを計測する水圧センサを設け、この水圧センサの出力信号を前記制御装置に与えるようにした水力機械を提供する。

これにより、ガイドベーン部に不安定な剥離が生じるような状態は、上カバーまたは下カバーに取り付けた水圧センサの信号を見ることにより、確認することが可能である。そのため、水圧センサの信号を、演算装置を介してガイドベーン制御装置などに繋ぐことにより、ガイドベーン部分に発生した不安定な流れの剥離を防ぐことが可能となり、水圧脈動を低減できる。

請求項７記載の発明は、請求項１記載の水力機械において、前記感知手段としてガイドベーントルク測定装置を有し、このガイドベーントルク測定装置の出力信号を前記制御装置に与えるようにした水力機械を提供する。

これにより、ガイドベーンで不安定な剥離が生じていると、ガイドベーントルクの信号に独特な波形が生じる。この信号を、演算装置を介してガイドベーン制御装置等に繋ぐことにより、不安定な流れを解消することが可能となる。

請求項８記載の発明は、請求項１記載の水力機械において、前記ガイドベーンに流れを感知する水圧センサを設け、この水圧センサの出力信号を前記制御装置に与えるようにした水力機械を提供する。

これにより、ガイドベーンで不安定な流れの剥離が生じていると、ガイドベーンの負圧面に取り付けられた水圧センサにより非定常的な波形が検出される。この信号を、演算装置を介してガイドベーン制御装置等に繋げることにより、非定常流れを解消することが可能となる。

本発明は上述のように、水車またはポンプ水車に発生する水の脈動を感知してガイドベーンを制御して抑制するため、水車等を広い運転範囲に亘って水圧脈動の小さな状態で運転することができる。

発明の実施の形態

図１は、本発明に係る第１の実施の形態を示すフランシス型水車の断面図である。ガイドベーン３は、制御装置１１に繋がっている。水車の出力は、ガイドベーン３の開度を調整することにより増減される。

出力を小さくするときには、ガイドベーン３の開度を小さくする。ガイドベーン３の開度が小さくなると、ステーベーン２からガイドベーン３に流入する流れ角度が合わなくなり、ガイドベーン３の入口負圧面で流れの剥離が発生し、ガイドベーン３のある開度ではその剥離が不安定になり、この不安定な剥離は隣り合うガイドベーン３を周方向に伝播する。

この非定常的な流れがランナ４に流入し、さらにその下流側の吸出し管５に流出する。部分負荷運転状態では、ランナ４の出口の流れが周方向の速度成分を持ち、渦芯が形成され、その部分の圧力が飽和蒸気圧より小さくなると、ホワール１５が発生する。このホワール１５が安定した状態であれば水圧脈動は小さいが、ガイドベーン３から発生した不安定な流れがランナ４を通って吸出し管５に流れ込むと、ホワール１５が非定常的な現象となり、大きな水圧脈動を発生する。

ここで、ガイドベーン３で発生する不安定な流れを抑制するために、ガイドベーン３に繋がる制御装置１１によりガイドベーン３の姿勢を制御すれば、不安定な流れの発生が発生すること、またはガイドベーン３間を伝播することを抑えることが可能となる。これにより、吸出し管５には不安定な流れが伝わらず、非定常的なホワール１５の挙動による水圧脈動の増大を抑制することが可能となる。

図２は、本発明に係る第２の実施の形態を示すフランシス型水車の断面図である。ステーベーン３とガイドベーン２との間の下カバー２０に、圧力発生装置１３に繋がる発力発生孔１７が周方向に数個存在する。圧力発生装置１３は、部分負荷運転時のガイドベーン３で不安定な流れが生じる運転時に、圧力変動を生じさせることができる。

図３は、フランシス型水車の水車中心高さ位置での断面図の一部を示したものである。従来の水力機械では、ある部分不可運転状態において、図３（ａ）に示すように、ガイドベーン３の負圧面に流れの剥離が生じ、この剥離が隣り合うガイドベーン３を伝播するような不安定な流れとなり、ガイドベーン３で発生した渦がランナ４に流れ込むことになる。

しかし、図３（ｂ）のようにガイドベーン３の入口部に圧力孔を設けて圧力変動を加えることにより、ガイドベーン３間を伝播していた不安定な剥離が消滅し、ランナ４には安定した流れが流入していく。これにより、吸出し管でのホワールの不安定現象が無くなり、水圧脈動の増大を抑制することが可能となる。

図４は、水力機械に用いられるガイドベーンを示したものであり、ガイドベーン３には吹出し孔１８が数個設置されている。吹出し孔１８からは、部分負荷運転時、ガイドベーン３に不安定な流れの剥離が発生するとき、水流を吹出すことができる。

剥離が生じているときに、吹出し孔１８から水流を吹出すことにより、剥離領域が水流で埋められて消滅するか或いは小さくなり、流れが安定化する。これにより、吸出し管でのホワールの挙動による水圧脈動の増大を抑制することが可能となる。

図５は、水力機械に用いられるガイドベーンを示したものであり、ガイドベーン３には吹出し孔１８が数個設置されており、それは制御装置１１を通って水圧鉄管２１に繋がっている。吹出し孔１８からは、水流を吹出すことができる。

部分負荷運転時にガイドベーン３に不安定な流れの剥離が発生するとき、ガイドベーン３の側面に設けられた吹出し孔１８から水流を注入するには、圧力を上げるためにコンプレッサーなどの設備が必要となる。しかし、吹出し孔１８に繋がる配管を、ガイドベーン３の側面より圧力が高い水圧鉄管に繋げば、コンプレッサーなどを設置せずにガイドベーン３に水流を注入することができ、吹出し効果によりガイドベーン３の負圧面の剥離が抑制される。これにより、吸出し管でのホワールの挙動による水圧脈動の増大を抑制することが可能となる。

図６は、フランシス水車の水車中心高さ位置での断面図の一部を示したものである。ガイドベーン３は、図６（ｂ）に矢印で示すようなねじり振動が負荷できる構造となっている。

図６（ａ）に示すように、部分負荷運転時にガイドベーン３で不安定な流れの剥離が生じているときに、ガイドベーン３にねじり振動を与えると、流れがガイドベーン３のねじり振動の影響の下に、不安定な剥離のガイドベーン３間の伝播は抑制され、流れが安定化される。これにより、吸出し管でのホワールの挙動による水圧脈動の増大を抑制することが可能となる。

図７は、水力機械に用いられるガイドベーンを示したものである。ガイドベーン３の内部には振動素子１４が内蔵され、この振動素子１４は制御装置１０に繋がっている。部分負荷時に、ガイドベーン３で不安定な流れの剥離が発生しているとき、制御装置１１により振動負荷の信号を振動素子１４に与えると、振動素子１４はガイドベーン３に振動を与えることができる。これにより、第５の実施の形態におけるように、ガイドベーン３での不安定な流れの剥離が抑制される。

図８は、フランシス水車の断面図を示したものである。ガイドベーン３は、流量を調整するためにサーボモータ１２を用いて開度を調整しているが、そのサーボモータ１２を制御する制御装置１１は、微小な振動を与えることができる構造となっている。サーボモータ１２を制御する制御装置１１に微小な振動を加える機能を与えると、新たな振動発生装置を設けることなく、第５の発明を実施することができる。

図９は、フランシス水車の断面図を示したものである。吸出し管５には水圧の変動を測定できる水圧センサ８が取り付けられ、アンプ９を介して演算装置１０に繋がっている。さらに、演算装置１０は、ガイドベーン３を動かすサーボモータ１２に接続された制御装置１１に繋がっている。そして、演算装置１０には、予め測定しておいたホワールによる水圧脈動の信号と、適切なガイドベーン制御方法の関係がインプットされている。

ここで、ガイドベーン３で不安定な流れが生じ、それによりホワールが不安定になり、水圧脈動が大きくなるような運転状態を想定する。このとき、吸出し管５に取り付けられた水圧センサ８により非定常的なホワールを検出し、演算装置１０により適切なガイドベーン制御の信号を制御装置１１に伝え、ガイドベーン３を制御すれば、ガイドベーン３での不安定な流れの剥離を抑えることができる。

図１０は、フランシス水車の断面図を示したものである。ガイドベーン３近傍の下カバー２０には、水圧の変動を測定できる水圧センサ８が取り付けられ、アンプ９を介して演算装置１０に繋がっている。さらに、演算装置１０は、ガイドベーン３を動かすサーボモータ１２を制御する制御装置１１に繋がっている。

演算装置１０には、ガイドベーン３で不安定な流れが発生している時の水圧脈動の信号と、適切なガイドベーン３の制御方法との関係がインプットされている。ガイドベーン３で不安定な流れが生じた時に、演算装置１０により適切なガイドベーン制御の信号を制御装置１１に伝え、ガイドベーン３を制御してガイドベーン３での不安定な流れの剥離を抑えることができる。

図１１は、フランシス水車の断面図を示したものである。ガイドベーン３の軸には、ガイドベーン３のトルクを測定できる歪ゲージ１６が取り付けられ、その信号はアンプ９を介して演算装置１０に繋がっている。

また、演算装置１０は、ガイドベーン３を動かすサーボモータ１２に接続された制御装置１１に繋がっている。ガイドベーン３での不安定な流れの剥離は、ガイドベーントルクを測定することにより発見することができる。

演算装置１０に、予めガイドベーントルクとガイドベーン制御との関係をインプットしておくことにより、ガイドベーントルクにより不安定な流れが検出されたとき、適切にガイドベーン３を制御することにより、ガイドベーン３での不安定な流れを回避することができる。

図１２は、フランシス水車の断面図を示したものである。ガイドベーン３の内部には、水圧を測定できる水圧センサ８が内蔵され、その信号はアンプ９を介して演算装置１０に繋がっている。

また、演算装置１０は、ガイドベーン３を動かすサーボモータ１２に繋がる制御装置１１に繋がっている。ガイドベーン３で不安定な流れの剥離が発生すると、ガイドベーン３の負圧面では特有の水圧脈動が発生するため、不安定な流れを検知することができる。

演算装置１０に、予めガイドベーン３での圧力とガイドベーン３の制御方法との関係をインプットしておくことにより、ガイドベーントルクにより不安定な流れが検出されたとき、適切にガイドベーン３を制御することにより、ガイドベーン３での不安定な流れを回避することができる。

本発明に係る第１の実施の形態を示すフランシス水車の縦断面図。 本発明に係る第２の実施の形態を示すフランシス水車の縦断面図。 本発明に係る第２の実施の形態を示すフランシス水車の横断面図。 本発明に係る第３の実施の形態を示すガイドベーンの説明図。 本発明に係る第４の実施の形態を示すガイドベーンの説明図。 本発明に係る第５の実施の形態を示すフランシス水車の横断面図。 本発明に係る第６の実施の形態を示すガイドベーンの説明図。 本発明に係る第７の実施の形態を示すフランシス水車の断面図。 本発明に係る第８の実施の形態を示すフランシス水車の横断面図。 本発明に係る第９の実施の形態を示すフランシス水車の横断面図。 本発明に係る第１０の実施の形態を示す平面図。 本発明に係る第１１の実施の形態を示す平面図。 従来のフランシス水車の断面図。 従来のフランシス水車の流れの模式図。

符号の説明

１ ケーシング
２ ステーベーン
３ ガイドベーン
４ ランナ
５ 吸出し管
６ 主軸
７ 発電機
８ 水圧センサ
９ アンプ
１０ 演算装置
１１ 制御装置
１２ サーボモータ
１３ 圧力発生装置
１４ 振動素子
１５ ホワール
１６ 歪ゲージ
１７ 圧力孔
１８ 水圧鉄管
１９ 上カバー
２０ 下カバー

Claims (12)

1. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械において、
   前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知する感知手段と、
   前記感知手段の感知動作に基き、前記ガイドベーンを制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とする水力機械。
2. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械において、
   前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知する感知手段と、
   前記ガイドベーンを通過する流水に圧力脈動を加える脈動印加手段と、
   前記感知手段の感知動作に基き前記脈動印加手段を動作させる制御装置と
   を備えたことを特徴とする水力機械。
3. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械において、
   前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知する感知手段と、
   前記ガイドベーンに水流を吹出す吹出し部と
   前記感知手段の感知動作に基き前記吹出し部より流水を噴出させる制御装置と
   を備えたことを特徴とする水力機械。
4. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械において、
   前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知する感知手段と、
   前記ガイドベーンにねじり振動を与える振動手段と、
   前記感知手段の感知動作に基き前記振動手段を動作させる制御装置と
   を備えたことを特徴とする水力機械。
5. 請求項１ないし４記載の水力機械において、
   前記吸出し管に流れを計測する水圧センサを設け、この水圧センサの出力信号を前記制御装置に与えるようにしたことを特徴とする水力機械。
6. 請求項１ないし４記載の水力機械において、
   前記水力機械の上カバーまたは下カバーに流れを計測する水圧センサを設け、この水圧センサの出力信号を前記制御装置に与えるようにしたことを特徴とする水力機械。
7. 請求項１ないし４記載の水力機械において、
   前記感知手段としてガイドベーントルク測定装置を有し、このガイドベーントルク測定装置の出力信号を前記制御装置に与えるようにしたことを特徴とする水力機械。
8. 請求項１ないし４記載の水力機械において、
   前記ガイドベーンに流れを感知する水圧センサを設け、この水圧センサの出力信号を前記制御装置に与えるようにしたことを特徴とする水力機械。
9. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械の運転方法において、
   前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知したとき、前記ガイドベーンの姿勢を制御することを特徴とする水力機械の運転方法。
10. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械の運転方法において、
    前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知したとき、前記ガイドベーンの姿勢を制御することを特徴とする水力機械の運転方法。
11. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械の運転方法において、
    前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知したとき、前記ガイドベーンに設けられた吹出し部より流水を噴出させることを特徴とする水力機械の運転方法。
12. ランナ、ガイドベーンおよび吸出し管を備え、前記ガイドベーンから前記ランナを経て前記吸出し管に至る水の流量を前記ガイドベーンの姿勢により制御することで、上池と下池との落差を利用して前記ランナを回転させる水力機械の運転方法において、
    前記水力機械の内部における水圧の脈動を感知したとき、前記ガイドベーンにねじり振動を加えることを特徴とする水力機械の運転方法。

Images