JP2005337125A

JP2005337125A - 立軸バルブ水車

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Publication number: JP2005337125A
Application number: JP2004157744A
Authority: JP
Inventors: Taizo Inagaki; 垣泰造稲; Norio Otake; 竹典男大; Shintaro Mikata; 伸太郎三ヶ田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: JP4607494B2

Abstract

【課題】建設時の据付およびバルブのレベル調整を容易し、分解・組立作業も安全に容易に行える立軸バルブ水車を得ること。
【解決手段】立方向に形成された流水路中にバルブ水車を鉛直方向に設置し、上記バルブ水車のバルブ２の外周部と流水路１の内壁面とを接続する複数のステイベーン１２によってバルブ水車を支持するように構成された立軸バルブ水車に関する。上記ステイベーン１２が流水路内壁面に向かって下方に傾斜されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流水路中に鉛直方向に設置される立軸バルブ水車に関する。

図１１は、比較的低落差に適用される立軸のバルブ型水力発電設備の断面図であり、図中符号１は基礎構造物１００により形成された立方向の流水路であり、その流水路１内には電球型をしたバルブ２が配設されており、そのバルブ２内に発電機固定子３、回転子４を主要構成部材とした発電機５が内蔵されている。回転子４には主軸６が結合されており、その主軸６の先端部にはランナ７が取り付けられている。ランナ７の上流には流量を調節する複数枚のガイドベーン８が周方向に配列されており、流水路１の外側にあるガイドベーン操作機構９によって連動して開度が調節されるようにしてある。上記ランナ７には複数枚のランナベーン７ａが設けられており、そのランナベーン７ａは上記主軸６の内部を貫通して発電機の回転子４の上部まで延びているランナベーン操作杆１０を介してランナベーン駆動装置１１により開閉操作されるようにしてある。さらに、その上流にはバルブ２を支えるためのステーベーン１２と呼ばれる支持部材がバルブ２本体から流水路内壁面に向かって放射状に設置されている。さらに発電機内部を点検するための点検口１３がバルブ２の上部と下部にそれぞれ設置されており、これもバルブを支える重要な構造物のひとつとなっている。さらに、バルブ２の上部には運転中の静止部の振動を抑えるために防振ステ―１４が複数本配置されている。

水車運転中の水の流れ方向を図中矢印にて示すが、ダムの底部付近に配置された流水路構造物内部に導かれた水は中央部のバルブ２を取り囲むように下方に向かって流れガイドベーン８によって整流されランナ７へと導かれる。ランナ７は複数のランナベーン７ａとランナベーン７ａを保持するランナボス７ｂによって構成されており、要求負荷に対応するためにガイドベーン８の開度と連動したランナベーン７ａの取付角度を設定し、負荷変動に対しても高効率な水車運転が可能なようにしてある。ランナ７内で仕事をした水はその下流に位置する吸出し管１５へと流出し、図示しない下池へと導かれる。

上記の様に構成された立軸バルブ水車の支持部は流水路内壁面に締結されたステイベーン１２および基礎構造物に締結された座となっており、バルブ２外周面とステイベーン１２の接触面の断面はテーパ形状とするのが一般的であり、特開平１０−３０５４３号公報、特開２００２−２５０２６８号公報によりその構造が提案されている。
特開１０−３０５４３号公報特開２００２−２５０２６８号公報

しかしながら、ステイベーン１２が水平構造の場合には立軸水車全体の重量がステイベーン１２に加わり大きな曲げモーメントが作用するため、変形の防止と発生応力を抑えるためには剛性を高くする必要があり、さらに、人が通過できるスペースも確保しなければならないためステイベーン１２が大形で厚板構造となり重量も大きくならざるを得ない。また、これらは流水路に対する遮蔽面積も大きくなるため水力損失が増加し発電効果を低下させる弊害ともなる。

本発明は、このような点に鑑み、ステイベーンへの加重分担を低減させ、小型、計量を可能とする立軸バルブ水車を得ることを目的とする。

請求項１に係る発明は、流水路中に鉛直方向にバルブ水車を設置し、上記バルブ水車のバルブの外周部と流水路の内壁面とを接続する複数のステイベーンによってバルブ水車を支持するように構成された立軸バルブ水車において、上記ステイベーンが流水路内壁面に向かって下方に傾斜されていることを特徴とする。

しかして、上記構成によって、ステイベーンの傾斜した角度により立軸水車の荷重が分散されステイベーンに作用する曲げモーメントが低減されるとともに、ステイベーンが傾斜方向に突っ張るため、立軸水車の変形が防止される。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、各ステイベーンは、それぞれバルブ外周面と流水路内壁面に締結部材により固定されていることを特徴とする。このように、ステイベーンとバルブ、および、流水路内面とがボルト等の締結部材によって固定されているため、分解・組立時の着脱を容易に行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、ステイベーンが接続されるバルブ外周面には、バルブ外周部で下流方向にいくにしたがって外径が小さくなるような傾斜面部が形成されており、その傾斜面部及び各ステイベーンのバルブ外周面との対向面に互いに球面接触する球面部がそれぞれ設けられていることを特徴とする。

しかして、この場合には建設時の据付において、先ず、ステイベーンを流水路内壁面の基礎金物に締結固定した後、バルブとステイベーンとを固定するが、接続面が互いに球面形状となっているため、バルブを水平になるように前後左右に微調整しても互いに密着したままの状態を保持することが可能である。従って、バルブの芯ずれを調整した後でもボルト等による締結の際に確実な密着力を確保することが可能となる。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、ステイベーンとバルブ外周面との接続部においては、バルブ外周部が縦断面凸型の球面形状を有するリングにより形成され、ステイベーン側は内面が縦断面凹型の球面形状を有するリングに、各ステイベーンが一体固定されていることを特徴とする。このように、内面が縦断面凹型の球面形状を有するリングに各ステイベーンが一体的に固定されているので、バルブによる荷重を効率良く分散でき、強度部材として作用させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項３または４に係る発明において、バルブ側のリング状の球面部の上下方向長さが、ステイベーン側の球面座或いはステイベーン側のリングの上下方向長さよりも長く形成されていることを特徴とする。しかして、バルブの芯ずれ調整において位置を変化させてもバルブ側の球面形状のリング部がステイベーン側のリング部の上下端部よりも外側になるため、互いに接触状態を保持したまま固定することが可能である。従って、確実な密着力を確保することが出来る。

請求項６に係る発明は、請求項３乃至５のいずれかに係る発明において、ステイベーンとバルブ外周部との接続部に形成されている球面の中心がバルブ水車の回転中心上に位置していることを特徴とする。しかして、バルブ水車の芯ずれ調整時の移動に対して球面接触部の芯ずれを生ずる事が無く、調整後の固定、および、位置決めを確実に実施することが出来る。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれかに係る発明は、上記ステイベーンは中空構造となっており、そのうち少なくとも１つのステイベーンの中空構造は人が外部からバルブ内に出入り可能な空間を有し、連絡通路を兼ねるように構成されていることを特徴とする。しかして、ステイベーンを中空構造にすることにより、ステイベーンと基礎金物との接続部の締結部材の着脱が流水面に出ることなく中空スペースにて実施可能となるため作業が容易、且つ、安全である。

請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれかに係る発明において、上記バルブは、発電機を内蔵する上部バルブとステイベーンが取付けられる下部バルブにより構成されており、上記上部バルブと下部バルブが分離可能に連結されていることを特徴とする。

しかして、オーバーホール等における分解・組立時においてステイベーンとの接続部が単独の状態で芯ずれの調整が可能であり、バルブ水車全体で芯ずれの調整をする必要がない。従って、作業性が向上し、精度良く芯ずれの調整が可能となる。また、分離される接続部には回転体を支えるスラスト軸受の支持台部が設けられているため、この部分での芯ずれの調整のみで確実にバルブ水車全体の芯ずれの調整が可能である。

本発明によれば、立軸バルブ水車のステイベーン構造を傾斜型とすることによって、バルブ全体にかかる全荷重を効率よく基礎構造物に分散させることができる。これによって、ステイベーンの荷重分担率も低減することができることから、小型化、軽量化が可能となる。また、ステイベーン部における水力損失の低減にも大きく貢献できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第1の実施の形態を示す立軸バルブ水車の組立断面図である。

図中符号１は基礎構造物１００により形成された立方向の流水路であり、その流水路１内には電球型をしたバルブ２が配設されており、そのバルブ２内に発電機固定子３、回転子４を主要構成部材とした発電機５が内蔵されている。回転子４には主軸６が結合されており、その主軸６の先端部にはランナ７が取り付けられている。ランナ７の上流には流量を調節する複数枚のガイドベーン８が周方向に配列されており、流水路１の外側にあるガイドベーン操作機構９によって連動して開度が調節されるようにしてある。上記ランナ７には複数枚のランナベーン７ａが設けられており、そのランナベーン７ａは上記主軸６の内部を貫通して発電機の回転子４の上部まで延びているランナベーン操作杆１０を介してランナベーン駆動装置１１により開閉操作されるようにしてある。さらに、その上流にはバルブ２を支えるためのステーベーン１２と呼ばれる支持部材がバルブ２本体から流水路内壁面１ａに向かって下方に傾斜させて設置されている。さらに発電機内部を点検するための点検口１３がバルブ２の上部と下部にそれぞれ設置されており、これもバルブを支える重要な構造物のひとつとなっている。さらに、バルブ２の上部には運転中の静止部の振動を抑えるために防振ステ―１４が複数本配置されている。また、主軸６の廻りには水車側にガイド軸受１６、発電機側にガイド軸受１７とスラスト軸受１８が配置されている。

図２は、上記バルブ２の外周面とステイベーン１２との接合部の拡大図であり、上記バルブ２は前記発電機５が内蔵されている上部バルブ２ａとステイベーン１２を取り付ける下部バルブ２ｂにより分割可能に構成されている。すなわち、下部バルブ２ｂのステイベーン１２が取付く部分の上部位置の流水路形状が変化する位置に下部バルブ上側フランジ１６を設け、その下部バルブ上側フランジ１６上に上部バルブ２ａを連結し、バルブ全体をこのフランジ面で分割することができるようにしてある。

上記ステイベーン１２が固定される下部バルブ２ｂの外周部形状は下流方向にいくにしたがって外径が小さくなるようにテーパ状の傾斜面部２ｂ_１が形成されている。また、流水路１の内壁面１ａには基礎金物２１が埋設されており、上記傾斜面部２ｂ_１と上記基礎金物２１との間に上記バルブ側から流水路の内壁面１ａに向かって下方に傾斜する複数個のステイベーン１２が配設されている。

複数個設けたステイベ−ン１２の形状はバルブ水車全体を支持する構造物であることから、ステイベーン１２自体も大きな構造物となる。このため、強度的に可能な領域を中空とすることが可能である。そこで、上記複数のステイベーン１２のうち少なくとも１つのステイベーン１２の中空スペースが作業員の通行が可能な監査路を兼ねる様に構成してある。尚、ステイベーン１５の上下流方向には、断面全体が涙滴形状となり流水の抵抗を軽減するための部材が着脱可能に取付けられている。

ステイベーンはバルブ水車全体にかかる荷重つまり、バルブの自重、水車を運転した際に発生する鉛直方向力、鉛直方向に対して直角方向のラジアル力、水中に存在することによる浮力等を総合した全荷重に対して十分に対応するべく設計される。そこで、水平支持方式のステイベーンに対して傾斜型ステイベ−ンでは、ステイベーンの傾斜角に相応した荷重分担が図れることから、ステイベーンで受け持つ荷重を低減することができる。

これにより、水平支持方式と比較してステイベーン自体の部材の肉厚を低減することができ、ステイベ−ンを含めた支持構造部全体の構造を簡素化・小型化できるという利点がある。また、ステイベーンの薄肉化・小型化により、ステイベーン部で発生する水力損失の低減が可能となる。

図３は、他の実施の形態を示す部分的な断面図であり、流水路内壁面１ａに向かって下方に傾斜されているステイベーン１２が固定される下部バルブ２ｂの外周部は縦断面凸型の球面部２０を有するリング状に形成されており、また上記ステイベーン１２は、上述のように中空構造で鎖線で示すような断面涙滴形状をしており、各ステイベーン１２の一端には、上記バルブ２側の球面部２０に係合する断面凹状の球面座２２が設けられ、他端には上記基礎金物２１に締結される取付板２３が設けられており、各ステイベーン１２の球面座２２がバルブ２の外周に形成された球面部２０に対して互いに球面接触するようにそれぞれボルト２４等の締結部材により固定されるとともに、他端側の取付板２３がボルト２４等の締結部材により基礎金物２１に固定されている。

しかして、本実施の形態におけるバルブ支持は、バルブ外周面とステイベーンの接続部を球面状としていることから、バルブの芯ずれの微調整を行うとき互いに密着したままの状態を保持することが可能となる。これにより建設時の据付を容易に行うことができる。また、球面接触部がバルブ側にあるため従来のようにバルブの外周側にある流水路内面とステイベーンとの接続部でのバルブの芯ずれの調整をする場合と比較すると少ない移動量で全体の調整が出来るため芯が大きく狂った場合でも調整代を僅かとすることが可能である。

また、ステイベーン１２と流水路１の内壁面１ａ、ステイベ−ン１２とバルブ２はそれぞれ締付けボルト２４等の締結部材によって締結されるので、使用されるボルト２４等の締結部材は水車の構造上必要な強度を十分に満足する大きさ・数量によって決定し、作業性を重視した位置に施工することができる。このようにステイベーンとバルブ、および、流水路の内壁面とがボルト等の締結部材によって固定されるため、分解・組立時の着脱を容易に行うことができる。尚、ボルト穴の大きさは予め予想されるバルブの芯ずれの調整量によって決めておき、ボルトの締付け部（ボルト頭等）が少なくなるようであれば座金等を挿入することで所定の締付け力を確保することが可能である。

ところで、図３に示すように、下部バルブ２ｂの上流側端面位置の半径寸法をＲ１とし、下流側端面位置半径をＲ２とした場合、両者にはＲ１＞Ｒ２の関係があり、両者を直線で結んだ形状で下部バルブ２ｂ形状を定義し、下部バルブ２ｂとステイベーン１２が接続する部位を球面接触が可能な構造としてある。しかして、建設時の据付においては、先ず、ステイベーン１２を流水路１の内壁面１ａの基礎金物２１に締結固定する。その後、下部バルブ２ｂとステイベーン１２とを固定するが、接続面が互いに球面形状となっているため、バルブを水平になるように前後左右に微調整しても互いに密着したままの状態を保持することが可能である。

したがって、バルブを芯ずれの調整を行った後でもボルト等による締結の際に確実な密着力を確保することが可能となる。

図４（ａ）は、図３と同様な部分的な断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）においての矢視Ａ図である。ステイベーン側の球面座２２が取り付けられる下部バルブ側の球面部２０の上下方向寸法Ｄｂはステイベーン球面座２２の外径寸法Ｄｓより大きくなるように形成されている。ステイベ−ン側の球面座２２の外径端部には適当な削ぎ２２ａを設け、下部バルブ２ｂの球面座との接合部形状を滑らかにしてある。

このように、下部バルブ側の球面部２０の上下方向の寸法Ｄｂがステイベーン側の球面座２２の外径寸法Ｄｓより大きくなるように形成してあるので、下部バルブ２ｂ側のリング形状の球面部２０の上下部はバルブの芯ずれの調整を行うためにバルブを移動してもステイベーン側の球面座２２の外径よりも外側となるようにすることができ、球面部２０とステイベーン側の球面座２２とが互いに接触状態を保持したまま移動・固定することが可能である。

図５は、図３と同様な部分的な断面図であり、球面部２０及び球面座２２の球面形状の中心をバルブ水車の主軸の回転中心線上とするものである。すなわち、下部バルブ２ｂ側の球面部２０は球Ｒbで形成されており、球Ｒbの中心はバルブ水車の回転中心である水車の主軸中心線上位置に設定されている。一方この球面部２０に相対するステイベーン側の球面座２２の内径は球Ｒsで形成されている。両者の球面形状を定義する球Rbと球Ｒsとは同値であり、かつ、その球Rを定義する中心位置も同位置である。

このように、ステイベーン１２とバルブ２との接触部は同一球面形状であり、その中心はバルブ水車の主軸の回転中心上に位置しているためバルブの芯ずれ調整時にバルブの芯ずれを生じることが無く、常に接触した状態を保持することが可能である。また、芯ずれ調整後にはボルト等の締結部材により確実に密着固定され、ノックピン等で位置決めすることにより分解・組立時の再現性を確実にすることが可能となる。

図６は、図５において下部バルブ内部から矢視Ａ方向に見た図であり、下部バルブ２ｂ外周面のステイベーン１２が取付く球面部２０には、この球面部２０の方向から相対するステイベーン側の球面座２２に向かって締結ボルト２４を締め上げる構造とし、この部位にはバルブ内部からアクセスするものである。下部バルブ２ｂ内部には作業員が作業するだけの十分なスペースがあり作業には何の支障もない。

一方、ステイベ−ン外周側の流水路基礎金物２１に取付ける作業では、図７に示すように、この流水路１の内壁面１ａに設けた基礎金物２１の外側（監査路２５側）からステイベーン１２側にボルト２４を締め付ける方向で締付けを行う。この部位へは基礎構造物１００の内部に設けた監査路２５からのアクセスが可能となる。作業スペースも十分である。但し、監査路２５以外の部分（監査路２５が設けられていないステイベーン）は図８に示すように、下部バルブ２ｂ側からステイベーン１２内にボルト等により締付けるものである。

このようにバルブとの接続において、ボルト２４ａ等の締結部材、および、ノックピン２４ｂ等の位置決め部材はいずれも流水面に露出しないように構成されているため、バルブ水車の分解・組立時に、ステイベーンとの分離がバルブ水車あるいはアクセストンネル内部にて実施可能である。

図９は、他の実施の形態を示す図であり、図９（ａ）はステイベーンが取付く下部バルブ部２ｂの単独断面図、図９（ｂ）はステイベーン部の単独断面図、図９（ｃ）は図９（ｂ）の平面図である。下部バルブ２ｂの外周側断面形状は前述のように相対するステイベーン１２側の球面座と密着するために球面で構成されている。この球面はバルブ２から外方向に向かって凸状の球面形状を持った一体リング２６である。一方、これに対向するステイベーン側には内周側に水車中心に向かって凹状の球面形状を有するリング状の一体球面座２７が設けられており、そのリング状の一体球面座２７に複数のステイベーン１２が一体的に固着されている。また、上記ステイベーン１２の外端はリング状の取付板２８に固着されている。この際、上記凸状の球面形状を持った一体リング２６の上下方向の長さに対して複数のステイベーン１２を一体化したリング状の一体球面座２７の上下方向長さが小さくしてある。

しかして、芯ずれの調整を行うためにバルブを移動しても互いに接触状態を保持したまま固定することが可能であり、確実な密着力を確保することが出来る。しかも、ステイベーン側の球面形状リング部は一体であるため、バルブによる荷重を効率良く分散するため、強度部材として作用する。

図１０は、基礎据付時概略工程を示す図である。基礎金物２１にステイベーン１２を固定し、次に、下部バルブ２ｂをステイベーン内周側の球面に沿って球面部２０及び球面座２２を介して据え付ける。据え付けの際は下部バルブ２ｂの球面を移動させバルブの芯ずれの微調整を行う。この作業が完了した時点で予め打設されている基礎ベース１００ａの上に更に基礎構造物１００を打設する。下部バルブ２ｂに放射状のステイベーン１２が基礎構造物１００の打設時の強度部材となることから、打設後の変形防止策として有効である。上部バルブ２ａ等を据え付ける前に行うバルブの最終芯出し調整が不要あるいは軽度のものとなる。しかも、バルブとステイベーンの接続部である球面部２０及び球面座２２がともにリング構造となっている場合には、基礎構造物１００打設時には補強部材として適用され、またその打設後はそのままこの接続部によってバルブの芯ずれ調整作業を行うことが可能である。本調整の説明については図１から図６において説明されている調整方法にて行うものとする。

以上のように、芯出し調整作業をはじめとする据付け時の大幅な作業効率の向上が計れる。また、基礎据付時にはバルブ水車全体を必要とせず、この接続部すなわちバルブ側のリング形状の球面部及びステイベーン側の球面座があれば十分であるためバルブ水車製作における全体工程を合理的に計画することが可能となる。

本発明の実施の形態を示す立軸水車の組立断面図。図１におけるステイベーン取付部の拡大部分図。本発明の他の実施の形態におけるステイベーン取付部の拡大部分図。（ａ）、（ｂ）は図３に示すステイベーン取付部の説明図。図３に示すステイベーン取付部の説明図。バルブに対するステイベーン取付説明図。基礎金物へのステイベーン取付説明図。基礎金物へのステイベーン取付説明図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ他の実施の形態を示す図。基礎据付時概略工程を示す図従来の立軸バルブ型水力発電設備の断面図。

符号の説明

１流水路
２バルブ
２ａ上部バルブ
２ｂ下部バルブ
７ランナ
８ガイドベーン
１２ステイベーン
２０バルブ側の球面部
２１基礎金物
２２ステイベーン側の球面座
２３取付板
２４ボルト
２５監査路
２６凸状の球面形状を持った一体リング
２７リング状の一体球面座
２８リング状の取付板

Claims

流水路中に鉛直方向にバルブ水車を設置し、上記バルブ水車のバルブの外周部と流水路の内壁面とを接続する複数のステイベーンによってバルブ水車を支持するように構成された立軸バルブ水車において、上記ステイベーンが流水路内壁面に向かって下方に傾斜されていることを特徴とする、立軸バルブ水車。
各ステイベーンは、それぞれバルブ外周面と流水路内壁面に締結部材により固定されていることを特徴とする、請求項１記載の立軸バルブ水車。
ステイベーンが接続されるバルブ外周面には、バルブ外周部で下流方向にいくにしたがって外径が小さくなるような傾斜面部が形成されており、その傾斜面部及び各ステイベーンのバルブ外周面との対向面に互いに球面接触する球面部がそれぞれ設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の立軸バルブ水車。
ステイベーンとバルブ外周面との接続部においては、バルブ外周部が縦断面凸型の球面形状を有するリングにより形成され、ステイベーン側は内面が縦断面凹型の球面形状を有するリングに、各ステイベーンが一体固定されていることを特徴とする、請求項３記載の立軸バルブ水車。
バルブ側のリング状球面部の上下方向長さが、ステイベーン側の球面座或いはステイベーン側のリングの上下方向長さよりも長く形成されていることを特徴とする、請求項３または４記載の立軸バルブ水車。
ステイベーンとバルブ外周部との接続部に形成されている球面の中心がバルブ水車の回転中心上に位置していることを特徴とする、請求項３乃至５のいずれかに記載の立軸バルブ水車。
上記ステイベーンは中空構造となっており、そのうち少なくとも１つのステイベーンの中空構造は人が外部からバルブ内に出入り可能な空間を有し、連絡通路を兼ねるように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の立軸バルブ水車。
上記バルブは、発電機を内蔵する上部バルブとステイベーンが取付けられる下部バルブにより構成されており、上記上部バルブと下部バルブが分離可能に連結されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の立軸バルブ水車。