JP2006233817A - 水力機械及び排水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した空転運転を継続的に行え、しかも配管の長寿命化に貢献する。
【解決手段】本発明の水力機械３０は、ランナ室８の下方に連結されたドラフトチューブ２と、ランナ室８を包囲する位置に設けられたケーシング１２と、一方の開口部がランナ室８側に開口する排水穴７ａを内部に有し、ランナ室８内とケ−シング１２内とを隔離可能なガイドベーン７と、ガイドベーン７内に形成された排水穴７ａの他方の開口部とドラフトチューブ２とに接続される滞留水排水管１３と、ガイドベーン７内の排水穴７ａと滞留水排水管１３との接続及び分断を切替可能に行う排水管着脱装置１７ａとを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水車及びポンプ水車などの水力機械、及びこの水力機械が備える排水装置に関する。

図７に例示するように、従来の水力機械５０には、下部カバー５１を有するランナ室５８と、このランナ室５８内に配置され主軸周りに回転するランナ６０とが設けられている。ランナ室５８の外方には、下部カバー５１、上部カバー６９を介してケーシング６２が連結されている。ランナ室５８の下方には、ドラフトチューブ５２が連結されている。上部カバー６９と下部カバー５１とは上下方向で対向し、これらのカバー間には、ガイドベーン５７が円形翼列状に配置されている。このガイドベーン５７は、上部カバー６９及び下部カバー５１に設けられたガイドベーン軸受６９ａ、５１ａにより、回動自在に支持されている。このガイドベーン５７は、ガイドベーン駆動部６７によって開閉駆動される。

ランナ室５８内には、このランナ室５８内に圧縮空気を導入して当該ランナ室５８の水面５９をドラフトチューブ５２にまで押し下げる圧縮空気供給管６６が連通している。また、下部カバー５１とドラフトチューブ５２との間には、排水弁駆動部５３ｂによって駆動される排水弁５３ａを備えた排水管５３が設けられている。さらにランナ室５８の周部には、ランナ６０とランナ室５８とのシール部にシール水を給水するためのシール給水管５４、５５及び主軸封水部給水管５６が設けられている。

ここで、このように構成された水力機械５０において、調相運転などの空転運転を行う場合には、まず、ガイドベーン駆動部６７によってガイドベーン５７が全閉とされる。次に、ランナ室５８内に圧縮空気供給管６６を通じて圧縮空気が導入され、ランナ室５８内の水面５９が、ドラフトチューブ５２内の予め設定された水位まで押し下げられる。これにより、ランナ６０は空転運転状態におかれる。なお、この状態では、ケーシング６２内の水は排除されないことになる。

この際、シール給水管５４、５５からランナ室５８内に給水されるシール水、及び主軸封水部給水管５６からランナ室５８内に給水されるシール水は、ランナ６０の回転による遠心力の作用により、ランナ６０とガイドベーン５７との間に溜まり、図８及び図９に示すように水カーテン６１を形成する。また、同時に、ケーシング６２内からガイドベーン５７とランナ室５８との間の微小ギャップを通ってランナ室５８内に至る漏水も、水カーテン６１を形成する。

水カーテン６１は、主としてランナ６０の回転に伴ってランナ室５８内を回転するが、同時に撹拌されて熱せられる。さらに、水カーテン６１の熱は、ランナ６０に伝達され、このランナ６０を膨張させる。膨張したランナ６０は、特にシール部などの微小ギャップ部分において、ランナ室５８に対し、いわゆるかじり現象を引き起こす要因となる。さらに、水カーテン６１の増大は、ランナ６０による水カーテン６１の撹拌エネルギを増大させるため、エネルギ損失が増大し、これにより、空転時の電動機負荷が増加して運転コストの上昇を招くことになる。

そこで、水力機械５０では、空転運転を行う場合、ランナ室５８から下部カバー５１を挿通してドラフトチューブ５２につながる排水管５３によって、空転運転中に水カーテン６１を形成し得る水（ガイドベーン滞留水）をドラフトチューブ５２内へ排水する構成を採っている。しかしながら、下部カバー５１に設けられる排水管５３は、水カーテン６１が形成され得る位置から離れた部位に配置されることになるため、その設置位置や開口の大きさの選定を誤ると、排水効果が低下し、ランナ６０による水カーテン６１の撹拌エネルギを増大させる。この場合、上述したように、空転運転時の電動機負荷の増加を招くことになる。

そこで、このようなガイドベーン付近に溜まった滞留水を排水するための構成として、ケーシングとドラフトチューブとを連結する排水管を備えた水力機械や（例えば特許文献１参照）、また、ランナ室側からガイドベーン内部を貫通して形成された排水穴とドラフトチューブとを接続する排水管を備えた水力機械が知られている（例えば特許文献２参照）。
特開平２−１０８８６５号公報 特開昭６０−２４３３７２号公報

しかしながら、これらの文献の水力機械は、滞留水の排水管を備えることで、安定した空転運転を継続させることができるものの、例えば上記した排水管の製品寿命を延ばすことなどについては配慮がなされていない。

そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、安定した空転運転を継続的に行え、しかも配管の長寿命化に貢献できる水力機械及び排水装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ランナ室の下方に連結された吸出し管と、前記ランナ室を包囲する位置に設けられたケ−シングと、一方の開口部が前記ランナ室側に開口する排水用の貫通穴を内部に有し、前記ランナ室内と前記ケ−シング内とを隔離可能なガイドベーンと、前記ガイドベーン内に形成された前記貫通穴の他方の開口部と前記吸出し管とに接続される滞留水排水管と、前記ガイドベーン内の前記貫通穴と前記滞留水排水管との接続及び分断を切替可能に行う接続・分断切替機構と、を具備することを特徴とする、例えば水力機械である。

このように本発明によれば、安定した空転運転を継続的に行え、しかも配管の長寿命化にも貢献することが可能な水力機械及び排水装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水力機械を示す縦断面図、図２は、この水力機械が備えるガイドベーンを示す断面図、図３は、この水力機械において、図２のガイドベーンが組み込まれている部位を詳細に示す断面図である。
図１ないし図３に示すように、この水力機械３０は、いわゆるフランシス型の水車であって、上部カバー１１と下部カバー１とで形成されるランナ室８と、主軸２５に固定されランナ室８内に回転可能に収容されたランナ１０とを備えている。ランナ室８の外方には、ケーシング１２が連結され、また、ランナ室８の下方には、吸出し管とも称するドラフトチューブ２が連結されている。

ケーシング１２は、ランナ室８を渦巻状に包囲するように形成されており、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形成されている。ケーシング１２の巻き始め部は、導水管（図示せず）に接続され、この導水管は、導水弁を介して上池に接続されている。一方、ドラフトチューブ２は下池へ接続されている。

ランナ室８の外周部には、上部カバー１１と下部カバー１との間に保持されるかたちで、可動式のガイドベーン７が、ランナ室８の周方向に沿って複数枚設けられている。詳細には、ガイドベーン７は、上下方向で対向する上部カバー１１と下部カバー１との間に各々挟まれる位置において、円形翼列状に配置されており、上部カバー１１及び下部カバー１にそれぞれ設けられたガイドベーン上側軸受１１ａ、及びガイドベーン下側軸受１ａにより回動可能に支持されている。また、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可能に構成されており、ケーシング１２とランナ室８との間を流出・流入する水の流量を調整することができる。

このような水力機械３０では、上述した導水弁及びガイドベーン７を開くことによって、上池から、ケーシング１２、ランナ室８及びドラフトチューブ２を経て、下池までの流路が連通し、発電運転や揚水運転といった通常運転が行われる。一方、導水弁及びガイドベーン７を閉塞した場合には、空転運転を行うことが可能である。この空転運転には、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ための調相運転や、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。

また、ランナ室８には、圧縮空気をこのランナ室８内に導入して水面９をランナ室８側からドラフトチューブ２にまで押し下げる圧縮空気供給管１６が連結されている。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、ランナ室８の水面９がドラフトチューブ２にまで押し下げられて、ランナ１０が上記空転運転状態となった場合に、ランナ１０とガイドベーン７との間の（水カーテンを形成し得る）ガイドベーン滞留水２０を適切に排除するために、ガイドベーン７には、排水穴７ａが形成されている。この排水穴７ａは、ガイドベーン７の内部を貫通する貫通穴であって、一方の開口面は、ガイドベーン７の側面からランナ１０側（ガイドベーン滞留水２０が溜まる側）に臨み、他方の開口面は、軸状であるガイドベーン７の上端部側から、その外方に臨んでいる。

さらに、ガイドベーン７に形成された排水穴７ａの他方の開口面には、滞留水排水管１３の一方の端部が、（ガイドベーン駆動制御部１７に組み込まれた）後述する排水管着脱装置１７ａを介して接続されている。滞留水排水管１３の他方の端部は、ドラフトチューブ２の外側からその内部に開口するように接続されている。つまり、ランナ室８及びガイドベーン７間のガイドベーン滞留水２０が溜まる領域部分と、ドラフトチューブ２の内部との間には、ガイドベーン７内を軸方向に延びる排水穴７ａ、及び滞留水排水管１３により構成される（ガイドベーン滞留水２０の）排水路が形成されていることになる。

さらに、上記した滞留水排水管１３には、弁駆動部１３ｂによって駆動される滞留水排水弁１３ａが設けられている。また、ランナ室８を構成する下部カバー１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、ランナ室８の周縁部には、ランナ１０とランナ室８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及び主軸封水部給水管６が設けられている。

上述したような配管構成により、ランナ１０が空転状態となった場合において、シール給水管４、５からランナ室８内に給水されるシール水、及び主軸封水部給水管６からランナ室８内に給水されるシール水は、ランナ１０の回転による遠心力の作用によってランナ１０とガイドベーン７との間に移動し、ガイドベーン７が衝立になり、ガイドベーン滞留水２０が水カーテンを形成する。しかしながら、図３に示すように、ガイドベーン７には、ガイドベーン滞留水２０を好適に排水し得る位置に、排水穴７ａが設けてあるため、ガイドベーン滞留水２０は、ガイドベーン７内の排水穴７ａ及び滞留水排水管１３を通じてドラフトチューブ２内に排水される。

ここで、配管の接続・分断切替機構として機能する上述した排水管着脱装置１７ａについて説明を行う。
図１に示すように、排水管着脱装置１７ａは、ガイドベーン７内の排水穴７ａと滞留水排水管１３との接続若しくは切断を選択するための装置である。つまり、排水管着脱装置１７ａは、水力機械３０が、空転運転を行う場合に、ガイドベーン７に滞留水排水管１３を接続するように動作し、水力機械３０が、空転運転以外の動作を行っている場合には、ガイドベーン７内の排水穴７ａと滞留水排水管１３との接続を遮断する（ガイドベーン７内の排水穴７ａに対し滞留水排水管１３を非装着状態とする）。詳細には、水力機械３０を空転運転状態から停止状態にした場合、発電運転中、又は揚水運転中など、ガイドベーン滞留水を排水する必要がない場合に、排水管着脱装置１７ａは、排水穴７ａを有するガイドベーン７と滞留水排水管１３とを離間させる。これにより、滞留水排水管１３の長寿命化を図ることができる。また、ガイドベーン７に対して滞留水排水管１３を非装着状態とする場合に、滞留水排水管１３の外形部分を外部に露出させる構成にすることで、配管異常などの早期発見が可能となる。これにより、配管の保守点検が容易となり、水力機械の動作の信頼性を向上させることができる。

また、このように構成された本実施形態の水力機械３０を停止状態から空転運転状態に移行させる場合には、まず、ガイドベーン７が、ガイドベーン駆動制御部１７によって全閉状態におかれる。次に、給気弁駆動部１６ｂによって給気弁１６ａが開状態となってランナ室８内に圧縮空気供給管１６から圧縮空気が導入され、ランナ室８内の水面９がドラフトチューブ２内の予め設定された水位まで押し下げられる。一方、弁駆動部１３ｂによって滞留水排水弁１３ａが開状態となり、滞留水排水管１３からランナ１０とガイドベーン７との間のガイドベーン滞留水２０が排除される。次いで、ランナ１０の主軸２５を駆動させることで、ランナ１０の空転運転が開始される。

ここで、ランナ１０の空転運転時において、シール給水管４、５からランナ室８内に給水されるシール水及び主軸封水部給水管６からランナ室８内に給水されるシール水は、ランナ１０の回転による遠心力の作用によってランナ１０とガイドベーン７との間に移動する。ランナ１０が空転状態となった場合にランナ１０とガイドベーン７との間に移動したガイドベーン滞留水２０は、ガイドベーン７内の排水穴７ａ、配水管着脱装置１７ａ、及び滞留水排水管１３を経てドラフトチューブ２内に排水される。

したがって、本実施形態の水力機械３０によれば、ランナ１０とガイドベーン７との間のガイドベーン滞留水２０を適切に排除できるので、上記した水カーテンの影響を取り除くことができ、ランナ１０が回転する際の撹拌エネルギを減少させることができる。これにより、空転運転時の電動機負荷を低減させることができ、安定した空転運転を行うことができる。また、本実施形態の水力機械３０では、排水管着脱装置１７ａによって、空転運転を行う場合にのみ、排水穴７ａが形成されたガイドベーン７に滞留水排水管１３を接続し、一方、空転運転以外の動作を行っている場合には、ガイドベーン７内の排水穴７ａと滞留水排水管１３との接続を解除して、これらを離間させることができる。これにより、滞留水排水管１３の長寿命化を図れるとともに、上記接続解除の際に、滞留水排水管１３を露出配管とすることで、配管の保守点検作業などを容易に行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図４ないし図６に基づきその説明を行う。ここで、図４は、本発明の第２の実施形態に係る水力機械を示す縦断面図、図５は、図４の水力機械が備えるガイドベーンを示す断面図である。
すなわち、この実施形態に係る水力機械４０は、第１の実施形態の水力機械３０が備えていたガイドベーン７及び滞留水排水管１３に代えて、ガイドベーン２７及び滞留水排水管３３を備えて構成されている。ガイドベーン２７には、自身の内部を貫通する貫通穴として排水穴２７ａが形成されている。この排水穴２７ａの一方の開口面は、ガイドベーン２７の側面からランナ１０側（ガイドベーン滞留水２０が溜まる側）に臨み、排水穴２７ａの他方の開口面は、軸状であるガイドベーン２７の下端部側から、その外方に臨んでいる。

ガイドベーン２７の排水穴２７ａの他方の開口面には、ガイドベーン下側軸受１ａ内を介して滞留水排水管３３の一方の端部が接続されている。滞留水排水管１３の他方の端部は、ドラフトチューブ２の外側からその内部に開口するように接続されている。つまり、ランナ室８及びガイドベーン２７間のガイドベーン滞留水２０が溜まる領域部分と、ドラフトチューブ２の内部との間には、ガイドベーン２７内を軸方向に延びる排水穴２７ａ、ガイドベーン下側軸受１ａ、及び滞留水排水管３３により構成される（ガイドベーン滞留水２０の）排水路が形成されていることになる。

したがって、本実施形態の水力機械４０においても、ランナ１０とガイドベーン２７との間のガイドベーン滞留水２０を適切に排除できるので、ランナ１０が回転する際の撹拌エネルギを減少させることができる。これにより、空転運転時の電動機負荷を低減させることができ、安定した空転運転を継続させることができる。

ここで、図５に示したガイドベーン２７に代えて、図６に示すガイドベーン３７を適用して水力機械を構成してもよい。ガイドベーン３７は、ランナ１０側とケーンング側とを隔てる部位となる細径部とその他の太径部とを有する。ガイドベーン３７の下側における太径部と細径部との間には、リブ３７ｂが形成されている。また、ガイドベーン３７には、このリブ３７ｂの上側（ガイドベーン滞留水２０が溜まる領域部分）から自身の内部を軸方向に貫通して下端部側に開口する排水穴３７ａが形成されている。

したがって、このガイドベーン３７や図５に示したガイドベーン２７を備える水力機械では、ガイドベーン下側軸受１ａとドラフトチューブ２との比較的に短い間隔に滞留水排水管を配置できるので、当該滞留水排水管を埋設管とせずに、比較的容易に露出配管にすることができる。滞留水排水管を露出配管として配置することで、配管の異常を早期に発見することが可能となり、さらには、補修作業や保守点検作業などを容易に行うことができる。

以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、本発明をフランシス水車に適用した例について説明したが、例えばカプラン水車やペルトン水車などにも勿論本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る水力機械を示す縦断面図。 図１の水力機械が備えるガイドベーンを示す断面図。 図１の水力機械において、図２のガイドベーンが組み込まれている部位を詳細に示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る水力機械を示す縦断面図。 図４の水力機械が備えるガイドベーンを示す断面図。 図２又は図５に示したガイドベーンと構造の異なる他のガイドベーンを示す断面図。 従来の水力機械を示す縦断面図。 図７の水力機械のランナとガイドベーンとの間に水カーテンが形成されている状態を、ランナを駆動する主軸の軸方向からみた図。 図８の水カーテンが形成された状態を、ランナを駆動する主軸の径方向からみた図。

符号の説明

１ａ…ガイドベーン下側軸受、２…ドラフトチューブ（吸出し管）、７，２７，３７…ガイドベーン、７ａ，２７ａ，３７ａ…排水穴、８…ランナ室、１０…ランナ、１２…ケーシング、１３，３３…滞留水排水管、１７…ガイドベーン駆動制御部、１７ａ…排水管着脱装置、２０…ガイドベーン滞留水（水カーテン）、２５…主軸、３０，４０…水力機械。

Claims (5)

1. ランナ室の下方に連結された吸出し管と、
   前記ランナ室を包囲する位置に設けられたケ−シングと、
   一方の開口部が前記ランナ室側に開口する排水用の貫通穴を内部に有し、前記ランナ室内と前記ケ−シング内とを隔離可能なガイドベーンと、
   前記ガイドベーン内に形成された前記貫通穴の他方の開口部と前記吸出し管とに接続される滞留水排水管と、
   前記ガイドベーン内の前記貫通穴と前記滞留水排水管との接続及び分断を切替可能に行う接続・分断切替機構と、
   を具備することを特徴とする水力機械。
2. 前記ガイドベーンの貫通穴の他方の開口部が、このガイドベーンの下端部を支持する軸受部分に開口し、
   前記滞留水排水管が、前記軸受部分を介して前記ガイドベーン内の前記貫通穴と前記吸出し管とに接続されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
3. 前記滞留水排水管は、外形が外部に露出する非埋設管であることを特徴とする請求項２記載の水力機械。
4. 水力機械の内部に滞留する滞留水を排水する排水装置であって、
   前記水力機械のガイドベーンの内部から一方の開口部がランナ室側に開口する貫通穴の他方の開口部と前記吸出し管とに接続される滞留水排水管と、
   前記ガイドベーン内の前記貫通穴と前記滞留水排水管との接続及び分断を切替可能に行う接続・分断切替機構と、
   を具備することを特徴とする排水装置。
5. 前記ガイドベーンの貫通穴の他方の開口部が、このガイドベーンの下端部を支持する軸受部分に開口し、
   前記滞留水排水管が、前記軸受部分を介して前記ガイドベーン内の前記貫通穴と前記吸出し管とに接続されることを特徴とする請求項４記載の排水装置。

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