JP2007198388A

JP2007198388A - ペルトン水車の土砂摩耗防止方法

Info

Publication number: JP2007198388A
Application number: JP2007082233A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Iwakawa; 川光男岩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: JP4653774B2

Abstract

【課題】ペルトン水車のノズルパイプよりバケットに向けて噴出するジェット水への土砂の混入を防止することにより、土砂によるランナの摩耗を防止する。
【解決手段】ペルトン水車の起動時にニードル弁８を開く場合に、デフレクタ１６を閉鎖してノズルパイプ４から噴出するジェット水を所定時間Ｔ_２だけ遮断すると、ノズルパイプ４の上流側に溜まっていた土砂がバケット３に当ることなくジェット水とともにデフレクタ１６に遮られて落下し、バケット３への土砂の衝突を防止することができる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、水力発電所に用いられているペルトン水車のランナが土砂により摩耗することを防止する方法に関する。

図１７及び図１８は、発電所において従来から一般的に用いられているペルトン水車の概略構成を縦軸二射構造を例として示した側面図及び平面図であり、主軸１に直結されたランナ２の周囲に設けられている多数個のバケット３に向って、複数個（図示例では２個）のノズルパイプ４が配設されている。上記ノズルパイプ４はケーシング５及び入口弁６を介して水圧鉄管７に連結されており、各ノズルパイプ４内にニードル弁８が内挿されている。

しかして、このような構成のペルトン水車において、水圧鉄管７からの圧力水が入口弁６及びケーシング５を介してノズルパイプ４の先端からバケット３に向かって噴射され、この水圧の衝突力によってランナ２に回転力が発生し、ランナ２及びこれに主軸１を介して直結された発電機９が回転される。

ところが、上述した従来のペルトン水車が土砂の多い河川に立地されて運転された場合は、水圧鉄管７から流れ込んだ土砂がノズルパイプ４の先端から噴出されるジェット水に混じって高速度でバケット３に当たるため、土砂によりバケット３等のランナ２が摩耗され、上記ランナ２の寿命を縮める要因となっていた。土砂が大きかったり鋭利な場合はバケット３の部分的な破損も危惧され、また、バケット３の椀峰部を含んだ水切り部３ａの摩耗が激しい場合は効率の著しい低下や軸スラストの増大等、水車性能の低下が引き起こされる等の問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ノズルパイプ４よりバケット３に向け噴出されるジェット水への土砂の混入を防止することによって、土砂によるランナ２の摩耗を防止し、ランナ２の保全、延命を図ることができるペルトン水車の摩耗防止方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、水圧鉄管からの圧力水をノズルからバケットに向け噴出させてランナを回転させるペルトン水車の土砂摩耗防止方法において、起動時には、ノズルから噴出するジェット水を予め定めた時間デフレクタにより遮断した後にデフレクタを開口してランナを回転させるようにしたことを特徴とする。

請求項２の発明は、水圧鉄管から圧力水をノズルからバケットに向け噴出させてランナを回転させるペルトン水車の土砂摩耗防止方法において、水車の起動時にランナを空転始動させ、回転速度が所定の回転速度に達したときにニードル弁を開口してノズルからのジェット水をバケットに向けて噴出させて通常の運転に移行させることを特徴とする。

さらに、請求項３の発明は、請求項２の発明において、水車主軸に直結されている駆動機によりランナを空転始動することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、ランナに直結されている小羽根車によりランナを空転始動することを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本発明の、ペルトン水車の起動時のニードル弁の開口の際はジェット水をデフレクタで遮断させた後に上記デフレクタを開口させてランナを回転させる方法によれば、起動前までに溜まった多くの土砂をバケットに当てることなく落下させられる。
同じく起動時に、予め回転させたランナのバケットに向けジェット水を噴出させる方法によれば、バケットがジェット水に混じって噴出される土砂から受ける衝突力が通常の起動時に比べて大幅に低減されるので、土砂によるランナの摩耗が防止され、ランナの保全、延命を図ることができる。

以下、図１乃至図１６を参照して本発明の各参考例および各実施形態について説明する。なお、図中図１７及び図１８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は本発明の第１参考例を示す図であり、入口弁６の上流側の水圧鉄管７には、その水圧鉄管７の曲管部７ａの近傍部或は入口弁６の直前部に、弁１０を有する土砂分離排出用導管１１が分岐導出されている。

しかして、水車の運転中水圧鉄管７中を高圧水が流れるが、曲管部７ａにおいては水より比重が大きい土砂で特にランナに損耗を与えやすい大きな土砂は、その慣性作用によって主水流方向である矢示ｂ方向には流れず、矢示ａに示すように、土砂分離排出用導管１１の方向に流れ、この土砂分離排出用導管１１内に溜まる。また水車停止中の水圧鉄管上流側からの土砂もこの土砂分離排出用導管１１に流入する。

そこで、この土砂分離排出用導管１１に流入して溜まった土砂は弁１０を必要に応じて開口させることによって導管外に排出することができる。したがって、ノズルパイプ４からバケット３に向けて噴出されるジェット水への土砂の混入を極力防止することができ、土砂によるランナの損耗を防止することができる。

第２参考例
ところで、上記第１参考例においては、土砂分離排出用導管１１内に堆積した土砂の量を確認できないため、堆積した土砂をタイムリーに導管外に排出するのは不可能であり、また排出のし忘れ等も憂慮される。

そこで、図２は上記土砂の排出を確実に行うことができるようにした本発明の第２参考例を示す図であり、土砂分離排出用導管１１に、例えば差圧計の如き土砂堆積検出器１２が設けられている。この土砂堆積検出器１２で検出された検出信号は制御装置１３に送られ、その制御装置１３からの制御信号により弁駆動装置１４を介して弁１０が開閉制御されるようにしてある。

しかして、土砂分離排出用導管１１内に或程度の土砂が堆積し、これが土砂堆積検出器１２によって検出されると、この検出出力に応じて弁１０が自動的に開口される。したがって、土砂分離排出用導管１１に堆積した土砂を確実に且つ省力的に導管外へ排出でき、ジェット水への土砂の混入を防止することができる。

第３参考例
上記した２つの参考例においては、上述のように、水圧鉄管７に土砂分離排出用導管１１のみが分岐導出してある。したがって、土砂が著しく多い河川に立地されたペルトン水車の場合には短時間で土砂が満杯となるため、弁１０の開口作業を頻に行わねばならない。そこで、図３に示す第３参考例においては、上記土砂分離排出用導管１１の下流側に、弁１０を具備した土砂堆積箱１５が設けられている。

しかして、第１参考例と同様に、水圧鉄管７内の水流の慣性作用によって水圧鉄管７内の流水中に含まれている土砂が土砂分離排出用導管１１を介して土砂堆積箱１５内に流入し堆積される。そして、上記土砂堆積箱１５に流入して溜まった土砂は弁１０を必要に応じて開口させることによって導管外に排出される。したがって、この場合第１参考例のように土砂分離排出用導管１１のみを設けたものより多量に土砂を溜めることができ、土砂が著しく多い場合でも弁１０の開口を頻繁に行うことなくジェット水への土砂の混入を防止することができる。

第４参考例
また、図４は第４参考例を示す図であり、土砂分離排出用導管１１に接続された土砂堆積箱１５に土砂堆積検出器１２が設けられており、その土砂堆積検出器１２からの検出信号によって弁１０が開口制御が行われる。したがって、この第４参考例においても第２参考例と同様な作用効果を奏する。

第５参考例及び第６参考例
図５及び図６は、それぞれ図１及び図２に示した第１参考例および第２参考例の変形例を示す第５参考例及び第６参考例を示す図である。この第５参考例では、土砂分離排出用導管１１がノズルパイプ４の上流側ケーシングの曲管部７ａの近傍においてその曲管部７ａの上流側直管部７ｂの軸心延長上に分岐導出されている。また第６参考例においてはさらに上記土砂分離排出用導管１１には土砂堆積検出器１２が設けられている。なお、水車が横軸構造の場合は土砂分離排出用導管１１の下流側が下方に向けて曲げられている。

しかして、この場合、第１参考例と同様に、特にランナに損耗を与えやすい大きな土砂は、その慣性作用によって主水流の矢印ｃ方向の流れと離れ、ほぼ矢印ｄに示すようにほぼ直線方向に流れ、土砂分離排出用導管１１にスムーズに流入する。したがって、弁１０を必要に応じて開口させることによって、土砂分離排出用導管１１に流入して溜まった土砂を導管外へ排出することができ、第１参考例と同様の作用効果を奏する。

また、図６に示すように、土砂分離排出用導管１１に土砂堆積検出器１２を設けることによって、第２参考例と同様な作用効果を奏せしめることができる。

第７参考例及び第８参考例
図７及び図８は、それぞれ図５及び図６に示した第５参考例及び第６参考例の変形例である第７参考例及び第８参考例を示す図であり、土砂分離排出用導管１１の下流に土砂堆積箱１５が設けられている。しかして、これらの場合も、図３及び図４に示すものと同様な効果を奏する。

第９参考例
図９は、本発明の土砂摩耗防止方法の第９参考例を示す作用説明図であって、ペルトン水車の起動時には、入口弁６或はニードル弁８の開口前に前記土砂分離排出用導管１１または土砂堆積箱１５に設けられた弁１０を予め定めた一定時間Ｔ１だけ開口させた後に、その弁１０の閉鎖後入口弁６或はニードル弁８を開口させて起動する。

しかして、入口弁６或はニードル弁８の開口前に水圧鉄管７の下流側或はノズルパイプ４の上流側に溜まっていた土砂が管路外に排出され、ノズルパイプ４よりバケット３に向けて噴出されるジェット水へ土砂が混入されることが防止される。

第１実施形態
図１０乃至図１２は本発明の第１実施形態を示す図であり、ノズルパイプ４の先端部に設けられているデフレクタ１６を使用することによりジェット水へ土砂が混入されることを防止する。

すなわち、ペルトン水車の起動時にニードル弁８を開く場合、デフレクタ１６を図１１（ａ）に示すように閉鎖させ、このデフレクタ１６によってノズルパイプ４から噴出するジェット水を所定時間Ｔ_２だけ遮断させた後、図１１（ｂ）に示すようにデフレクタ１６を開口させてランナ２のバケット３に上記ジェット水を噴射させ、ランナ２を回転させる。図１２にその作用図を示す。

しかして、図１１（ａ）に示すようにデフレクタ１６の閉鎖により水圧鉄管７の下流側或はノズルパイプ４の上流側に溜まっていた土砂がバケット３に当ることなくジェット水とともにデフレクタ１６に遮られて落下して、バケット３への土砂の衝突を防止することができる。

第２実施形態
また、図１３及び図１４は本発明の第２実施形態を示す図であって、水車主軸１に連結された発電機軸１７にポニーモータ等の駆動機１８が連結されている。ところで、バケット３がノズルパイプ４から噴出されるジェット水から受ける衝突力は、従来のペルトン水車の起動時のようにランナ２が静止した状態でバケット３に向けてジェット水が噴射される場合に最も強く、ランナ２が回転し始め回転速度が速くなるにつれて低減される。

このようなことから、この第２実施形態においては、図１４の作用図に示すように、ペルトン水車の起動時にはニードル弁８を開口する前に、上記駆動機１８によりランナ２を空転始動させる。そして、この回転速度が同期定格速度等の所定回転速度に達したところで、ニードル弁８を開口し、ノズルパイプ４からのジェット水をバケット３に向けて噴出させ、通常の発電運転へ移行させる。したがって、この場合も起動時にバケット３がジェット水に溜った土砂から受ける強い衝突力も従来起動時に比べて大幅に低減される。

第３実施形態
図１５及び図１６は、ニードル弁８の開口前にランナ２を予め回転させておくための別の手段を設けた本発明の第３実施形態を示す図であり、ランナ２の下部に、円周上に多数の羽根を設けた小羽根車２０が直結されている。一方、ノズルパイプ４の上流側には弁２１を有する分岐管２２が分岐されており、その分岐管２２の先端が上記小羽根車２０の羽根に対向開口せしめられている。

しかして、ペルトン水車の起動時には、図１６に示すように、ニードル弁８の開口前に弁２１を開口して分岐管２２を経て圧力水を小羽根車２０の羽根に向け放出させ、小羽根車２０を回転させ、これとともに回転されるランナ２の回転速度が同期定格速度等の所定回転速度に達したら、上記弁２１を閉鎖するとともに、ニードル弁８を開口させてノズルパイプ４からのジェット水をバケット３に向け噴出させて通常の発電運転へ移行させる。したがって、この場合も図１３及び図１４に示すものと同様の作用効果を奏せしめることができる。しかも、予めランナを回転させる手段は組立容易で且つ二次元羽根等簡易な小羽根車と分岐管とで達成できるので、図１３の駆動機を設けるものよりも安価に配設可能である。

本発明のペルトン水車の土砂摩耗防止装置の第１参考例を示す図。本発明の第２参考例を示す図。本発明の第３参考例を示す図。本発明の第４参考例を示す図。本発明の第５参考例を示す図。本発明の第６参考例を示す図。本発明の第７参考例を示す図。本発明の第８参考例を示す図。本発明の第９参考例の作用説明図。本発明の第１実施形態を示す図。図１０に示した第１実施形態におけるデレフクタの動作を示す図。図１０に示した第１実施形態の作用説明図。本発明の第２実施形態を示す図。図１３に示した第２実施形態の作用説明図。本発明の第３実施形態を示す図。第３実施形態の作用説明図。一般的なペルトン水車の概略構成を示す側面図。一般的なペルトン水車の概略構成を示す平面図。

符号の説明

１主軸
２ランナ
３バケット
４ノズルパイプ
５ケーシング
６入口弁
７水圧鉄管
７ａ曲管部
７ｂ直管部
８ニードル弁
１０，２１弁
１１土砂分離排出用導管
１２土砂堆積検出器
１３制御装置
１５土砂堆積箱
１６デフレクタ
１８駆動機
２０小羽根車
２２分岐管

Claims

水圧鉄管からの圧力水をノズルからバケットに向け噴出させてランナを回転させるペルトン水車において、起動時には、ノズルから噴出するジェット水を予め定めた時間デフレクタにより遮断した後にデフレクタを開口してランナを回転させるようにしたことを特徴とするペルトン水車の土砂摩耗防止方法。
水圧鉄管から圧力水をノズルからバケットに向け噴出させてランナを回転させるペルトン水車において、水車の起動時にランナを空転始動させ、回転速度が所定の回転速度に達したときにニードル弁を開口してノズルからのジェット水をバケットに向けて噴出させて通常の運転に移行させることを特徴とするペルトン水車の土砂摩耗防止方法。
水車主軸に直結されている駆動機によりランナを空転始動することを特徴とする請求項２記載のペルトン水車の土砂摩耗防止方法。
ランナに直結されている小羽根車によりランナを空転始動することを特徴とする請求項２記載のペルトン水車の土砂摩耗防止方法。