JP2007092759A - 水力機械及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水力機械を空転運転から停止、発電または揚水運転に移行する場合に確実にケーシングの残留空気を排出させる。
【解決手段】ランナ室３内の水を高圧空気で吸出し管７内に押し下げ、ガイドベーン５を小開制御してランナ外周に滞留する水をケーシング４と吸出し管７を接続するケーシング排水管１１を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、ケーシング４と吸出し管７を接続するケーシング排水管１１に設けられた開閉弁１１ａを、移行指令後所定時間開口維持し、その後閉制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、水車、ポンプ水車などの水力機械に係り、特に調相運転時等に空転運転を行うようにした水力機械に関する。

一般に、水車またはポンプ水車等の水力機械においては、調相運転を行う場合、まず入口弁及びガイドベーンを全閉状態にして、ランナ室に圧縮空気を送入し、ランナ周辺の水を排除してランナを空気中で回転させることが行われる。

ところで、このような場合、ケーシング内の水は、容積等の関係から排除しないので、可動ガイドベーンとその対向静止部とのギャップからランナ室内への漏水、主軸封水部への給水、及びランナ冷却水等の水が、ランナの回転運動によりランナ外周とガイドベーンとの間に溜水となって溜り、ランナと同一方向に回転する。そして、この時の溜水に作用するランナからの攪拌エネルギが殆どこれらの漏水の温度上昇に費やされる。

したがって、この温度上昇によって空転しているランナが熱膨張して、ランナ外周やシール部分の微少ギャップ部分でランナが固定部分に接触する恐れがある。

そこで、上述の如き事故を防止するために、ランナ室まわりの下カバーに排水孔を設けて漏水を排出させ、ランナとガイドベーンとの間に溜まる水を減少させるようにすることが行われている。

図１０は、上記空転運転を行う水車またはポンプ水車の概略構成を示す図であって、主軸１の下端にランナ２が固着されており、そのランナ２がランナ室３内に配設されている。上記ランナ室３の外周にはケーシング４が配設され、そのケーシング４とランナ室３との間には、ランナ２の外周に沿って多数のガイドベーン５が配列されている。

上記ランナ室３を形成する下カバー６には、ランナ室３と吸出し管７とを連通するガイドベーン漏水排水管８が設けられており、そのガイドベーン漏水排水管８には排水弁８ａが設けられている。また、ランナ室３の上カバー９には、開閉弁１０ａを有するランナ室排気管１０が設けられ、さらにケーシング４と吸出し管７との間は開閉弁１１ａを有するケーシング排水管１１によって接続されている。なお、図中符号１２，１３はシール給水管、１４は主軸封水部給水管である。

しかして、このような水力機械において、空転運転を行う場合は、入口弁（図示せず）を全閉した状態で、ガイドベーン５を全閉し、ランナ室３内に圧縮空気を送入してランナ室３内の水を排除し、水面Ｌを吸出し管７内の予め設定された水位まで押し下げる。

この時、シール給水管１２，１３からの冷却水、主軸封水部給水管１４からの給水が、ランナ２の回転により、ランナ２とガイドベーン５の間に溜まり、図１１に示すように、水カーテン１５が形成される。したがって、ランナ２の回転による攪拌作用によって上記水カーテン１５を形成する水の温度が上昇し、熱水となり、その熱によりランナ２が膨張し、微少ギャップに接触が生じかじり現象を起したり、また水カーテン１５の増大により攪拌損失が増え、空転に必要な電動機入力が増加して不経済な空転運転となる。

そこで、上記空転運転時には、図２に示すように、排水弁８ａ及び開閉弁１１ａが開かれ、ランナ２とガイドベーン５間に溜まる溜水を吸出し管に排水することが行われている。

この場合、ランナ２外周の溜水を円滑にケーシング４側に送水し、水カーテン１５の厚みを調整する必要があるが、一般に、ガイドベーン５の上下端面における隙間は水車起動時にガイドベーンを開口する前にガイドベーン部からの漏水でランナ２が回り出すことを避けるため小さく設定されており、従来このわずかな間隙を介してランナ外周の溜水がケーシング４側に送水されるだけであるため、ランナ外周部の水が十分に抜けきれず、ランナ外周部の温度上昇を招くことになる。

このように、ランナの空転運転時には、基本的にランナ外周の水と巻上げられる空気をケーシング側から吸出し管に環流させるが、空転運転を停止する場合、または発電、揚水運転に移行する場合などの過渡的な状態ではケーシングに空気が残留することが考えられる。そして、この残留空気は、次の通常運転を行った場合に、上池或いは下池に流されて大気圧で膨張して、土木工作物を破壊することがある等の問題がある。しかしながら、従来水力機械を空転運転から運転状態を変更させる場合のケーシング残留空気対策を明確にした構造及び運転方法は見当たらなかった。

本発明はこのような点に鑑み、水力機械を空転運転から停止、発電または揚水運転に移行する場合に確実にケーシングの残留空気を排出させることができる水力機械及び運転方法を得ることを目的とする。

請求項１に記載した発明は、ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、上記ケーシングに加圧水供給装置を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、その後閉制御することを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、その後閉制御するとともに、
上記ランナ室に設けられたランナ室排気管の開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、上記ランナ室が水で充満されたことを検知して閉制御することを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、その後閉制御するとともに、
上記ランナ室に設けられたランナ室排気管の開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、上記ランナ室が所定の圧力に達したことを検知して閉制御することを特徴とする。

請求項５に記載した発明は、ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持するとともに、
加圧水供給装置によって加圧水をケーシングに供給し、
その後上記開閉弁を閉制御すると同時にケーシングへの加圧水供給を停止することを特徴とする。

請求項６に記載した発明は、ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持するとともに、
加圧水供給装置によって加圧水をケーシングに供給し、
その後上記開閉弁を閉制御すると同時にケーシングへの加圧水供給を停止する一方、
上記ランナ室に設けられたランナ室排気管の開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、上記開閉弁が閉制御された後、所定時間後に閉制御することを特徴とする。

本発明は上記のように構成したので、水力機械を空転運転から他の運転状態に移行する場合、ケーシングに残留する空気を確実に排気することができ、この残留空気が流出して土木工作物等に影響を与えることを防止することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の参考例および各実施形態について説明する。なお、図中、図１０と同一部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。

第１参考例
図１は、本発明における水力機械のランナ部の断面部分図であって、水車運転時にはケーシング４からガイドベーン５を経て作動水がランナ室３に流入し、ランナ２が回転駆動される。一方、空転運転時には図示しない入口弁及びガイドベーン５が閉鎖状態において、ランナ室３に高圧空気を導入し、ランナ室３内の水をその高圧空気によって吸出し管７内に押し下げ、ガイドベーン５を小開制御してランナ外周に滞留する水をケーシング４と吸出し管７を結ぶケーシング排水管１１を介して吸出し管７に排水し、ランナ２を空転運転する。

ところで、ケーシング４の頂部には、一端が大気中に開口するケーシング排気管１６が接続してあり、このケーシング排気管１６に開閉弁１６ａが設けられている。

しかして、上記水力機械に空転運転から停止指令が出た場合には、ガイドベーン５を全閉するとともにガイドベーン漏水排水管８の排水弁８ａおよびケーシング排水管１１のの開閉弁１１ａをそれぞれ全閉し、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａを開制御する。次に、停止指令が出てから所定時間Ｔ_１ 経過後にケーシング排気管１６の開閉弁１６ａを開制御し、その後所定時間Ｔ_２ 経過後に上記開閉弁１６ａを閉制御する。一方、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａはランナ室３が排気されて水で充満されると閉制御する。

上記所定時間Ｔ_１ の設定は、一般にはランナ室排気管１０の開閉弁１０ａが全閉する時間を目安とすればよい。すなわち、空気は水とかなりまじりあっており、これが分離するまで或程度時間がかかるが上記Ｔ_１ 時間経過することで十分空気が分離する。また、ケーシング排気管１６の開閉弁１６ａの開時間Ｔ_２ は水力機械の大きさとケーシング排気管１６の容量を考慮して決定すればよい。

このような制御を行うことによって、空転運転の停止操作後にケーシング４内に空気が分離残留している場合にも、この空気をケーシング４から完全に排気させることができ、次に運転した場合に残留空気が流されて土木工作物等に影響を与えることを回避することができる。

図３は水力機械を空転運転から発電運転に移行する場合の制御を模式的に示したものであって、ガイドベーン５を全閉するとともに、ガイドベーン漏水排水管８の排水弁８ａ及びケーシング排水管１１の開閉弁１１ａをそれぞれ全開し、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａを開制御する。次に発電指令が出てから所定時間Ｔ_３ 経過後にケーシング排気管１６の開閉弁１６ａを開制御し、その後所定時間Ｔ_４ 経過後に上記開閉弁１６ａを閉制御する。そして、ランナ室３が排気されランナ室３の圧力が上昇し規定の圧力に達したところで、図示しない入口弁及びガイドベーンをそれぞれ開制御し、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａを閉制御する。この場合上記所定時間Ｔ_３ ，Ｔ_４ については水力機械の大きさなどを考慮して決定すればよい。

また、空転運転から揚水運転に移行する場合も、図３と全く同様に各開閉弁等を制御すればよく、所定時間Ｔ_３ 、Ｔ_４ は発電移行のときと変えてもよい。

ところで、図１においてはケーシング排気管１６を単独でケーシング４に接続したものを示したが、図４に示すように、ケーシング排気管１１の開閉弁１１ａとケーシング４との間でケーシング排気管１６を分岐させ、開閉弁１６ａを介して大気中に開口させることもできる。

しかして、この場合も図２或いは図３に示す運転方法を適用することができ、ケーシング４に直接接続する配管を減らすことができるため、ケーシング４の強度上信頼性の低下を防ぐことができる。

第１実施形態
図５は本発明の第１実施形態を示す図であり、空転運転から停止指令が出た場合、ガイドベーン５を全閉するとともにガイドベーン漏水排水管８の排水弁８ａを全閉し、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａを開制御する。
ここで、ケーシング排水管１１の開閉弁１１ａは停止指令が出た時点から所定時間Ｔ_５ だけ開口保持し、その後閉制御する。
また、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａはランナ室３が水で充満されたことを検知して閉制御する。

上記所定時間Ｔ_５ は水力機械の大きさなどにより決まるランナ室３の排気時間を参考にしてランナ室排気時間とほぼ同等に設定すればよい。

しかして、このような制御を行うことによって、空気混じりの水を吸出し管７に環流させることができるため、ケーシング４に残留する空気を大幅に減少させることが可能で、次に通常運転を行った場合の残留空気による悪影響を十分軽減させることができる。

第２実施形態
図６は、水力機械を空転運転から発電運転に移行する場合の他の実施の形態を示す図であって、空転運転から発電運転への指令が出た場合、ガイドベーン５を全閉するとともにガイドベーン漏水排水管８の排水弁８ａを全閉し、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａを開制御する。
一方、ケーシング排水管１１の開閉弁１１ａは発電運転移行指令が出た時点から所定時間Ｔ_５ だけ開口保持し、その後閉制御する。
そして、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａはランナ室３が排気され所定の圧力に達したことを検知して閉制御される。

上記所定時間Ｔ_５ は水力機械の大きさなどにより決まるランナ室３の排気時間を参考にして入口弁及びガイドベーン５が開口するまでに閉制御するように設定すればよい。

しかして、空気混じりの水を吸出し管に効果的に環流させることができ、ケーシングに残留する空気を大幅に減少させることが可能であり、次に通常運転を行った場合の残留空気による土木工作物等への影響を十分軽減させることができる。

一方、空転運転から揚水運転に移行する場合も、図６と全く同様の制御を行えばよい。この場合、所定時間Ｔ_５ は発電運転に移行する場合と異なる時間に設定すればよい。

第３実施形態
また、このようにケーシング排水管１１の制御を行う場合、ケーシング４から吸出し管７への環流を促進させる構造として、図１に示すように、ケーシング４に加圧ポンプ１７を接続し、この加圧ポンプ１７によってケーシング４に給水するようにしてもよい。

図７及び図８は、このようにケーシング４に加圧水供給装置を設けた水力機械で空転運転から停止、或いは発電運転に移行する場合の各開閉弁等の制御を模式的に示したものである。
この場合、基本的にはケーシングに加圧手段を持たないものと同じであるが、停止する場合は、図７に示すように、停止指令と同時にケーシング加圧給水弁１８を開制御して加圧ポンプ１７を作動させて、加圧水をケーシング４に供給し、所定時間Ｔ_５ 経過後に閉制御する。
また、空転運転から発電運転に移行する場合にも、図８に示すように、移行指令後から所定時間Ｔ_５ だけ加圧水供給装置を作動させる。

しかして、この場合もケーシング４から吸出し管７への環流が積極的に行われ、空気混じりの水が吸出し管に戻ると、空気はランナ室排気管１０により大気中に排出される。

第２参考例
図９は本発明の第２参考例を示す模式図であって、例えば空転運転から発電運転への指令が出た場合、ガイドベーン５を全閉するとともに、ガイドベーン漏水排水管８の排水弁８ａ、及びケーシング排水管１１の開閉弁１１ａをそれぞれ全閉し、ランナ室排気管１０の開閉弁１０ａを開制御する。
しかして、ランナ室３からの排気によりランナ室３の水圧力が上昇するので、このランナ室３の水圧力が予め定めた規定圧力に達したところで、ケーシング排気管１６の開閉弁１６ａを開制御する。そしてその後所定時間Ｔ_６ 経過後に開閉弁１６ａを閉制御する。

この場合、所定時間Ｔ_６ 及び規定圧力は水力機械の大きさ、特性により選定すればよく、開閉弁１６ａはガイドベーン５が開口するまでに閉制御すればよい。

しかして、この場合ケーシングに残留する空気混じりの水がランナ室３の高い圧力を利用して大気に排出できるため効果的に空気の排出が可能となる。また、ケーシング部も高圧であるため開閉弁１６ａの開時間は短時間で済み、弁にかかる負担を軽減できる。

本発明の水力機械のランナ部の断面部分図。 本発明における空転運転から停止に移行する時の運転方法の一実施の形態を示す模式図。 本発明における空転運転から発電運転に移行する時の運転方法の一実施の形態を示す模式図。 本発明の水力機械の他の実施の形態を示す図。 本発明における空転運転から停止に移行する時の運転方法の他の実施の形態を示す模式図。 本発明における空転運転から発電運転に移行する時の運転方法の他の実施の形態を示す模式図。 本発明における空転運転から停止に移行する時の運転方法のさらに他の実施の形態を示す模式図。 本発明における空転運転から発電運転に移行する時の運転方法のさらに他の実施の形態を示す模式図。 本発明における空転運転から発電運転に移行する時の運転方法の他の実施の形態を示す模式図。 従来の水力機械のランナ部の断面部分図。 空転運転中にランナ外周に溜まる水を模式的に示した図。

符号の説明

１ 主軸
２ ランナ
３ ランナ室
４ ケーシング
５ ガイドベーン
７ 吸出し管
８ ガイドベーン漏水排水管
８ａ 排水弁
１０ ランナ室排気管
１０ａ 開閉弁
１１ ケーシング排水管
１１ａ 開閉弁
１５ 水カーテン
１６ ケーシング排気管
１６ａ 開閉弁
１７ 加圧ポンプ

Claims (6)

1. ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
   上記ケーシングに加圧水供給装置を設けたことを特徴とする水力機械。
2. ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
   空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、その後閉制御することを特徴とする水力機械の運転方法。
3. ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
   空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
   ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、その後閉制御するとともに、
   上記ランナ室に設けられたランナ室排気管の開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、上記ランナ室が水で充満されたことを検知して閉制御することを特徴とする水力機械の運転方法。
4. ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
   空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
   ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、その後閉制御するとともに、
   上記ランナ室に設けられたランナ室排気管の開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、上記ランナ室が所定の圧力に達したことを検知して閉制御することを特徴とする水力機械の運転方法。
5. ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
   空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
   ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持するとともに、
   加圧水供給装置によって加圧水をケーシングに供給し、
   その後上記開閉弁を閉制御すると同時にケーシングへの加圧水供給を停止することを特徴とする水力機械の運転方法。
6. ケーシング内の水を排除しないままガイドベーンを全閉状態にし、ランナ室内の水を高圧空気で吸出し管内に押し下げ、その後上記ガイドベーンを小開制御してランナ外周に滞留する水を上記ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管を介して排水し、ランナを空転運転する水力機械において、
   空転運転から停止操作或いは発電、揚水のような運転状態に移行する場合、
   ケーシングと吸出し管を接続するケーシング排水管に設けられた開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持するとともに、
   加圧水供給装置によって加圧水をケーシングに供給し、
   その後上記開閉弁を閉制御すると同時にケーシングへの加圧水供給を停止する一方、
   上記ランナ室に設けられたランナ室排気管の開閉弁を、移行指令後所定時間開口維持し、上記開閉弁が閉制御された後、所定時間後に閉制御することを特徴とする水力機械の運転方法。

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