JP2007255317A - 水力発電用フランシス水車 - Google Patents

Abstract

【課題】系統事故等により発電機の負荷が解列した際に、ランナの上流側で生じる水圧上昇およびランナの下流側で生じる断水を防止できるようにした水力発電用フランシス水車を提供する。
【解決手段】導水管から導入された流水を、ケーシングを経由してガイドベーンで加速し、発電機に連結された水車主軸の一端に取り付けられたランナに流入する水力発電用フランシス水車において、前記発電機の負荷が解列した際に、前記流水を前記導水管から前記ランナを経由せずに排出するためのバイパス機構を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、水力発電用のフランシス水車に関し、より詳細には、発電機の負荷が解列した際に、ランナ上流側で生じる水圧上昇およびランナの下流側で生じる断水を防止するように改良した水力発電用フランシス水車に関する。

従来より、水力発電装置では、低落差の場合にはプロペラ水車が用いられ、一方、中高落差の場合にはフランシス水車が用いられている。

以下に、プロペラ水車が中高落差の水力発電装置に適用できない理由を説明する。水力発電用として適用される水車の形式は、水車の回転速度Ｎ，水車出力Ｐ，および適用落差Ｈのパラメータに基づいて求められる比速度Ｎｓによって決定される（数１参照）。

一般に、フランシス水車の適用範囲は、Ｎｓ＝６０〜３００であるのに対し、プロペラ水車の適用範囲は、Ｎｓ＝３００以上とされている。仮に、回転速度Ｎ＝１５００［ｍｉｎ^−１］の中高落差用のフランシス水車と同じ水車出力Ｐを、プロペラ水車で得られるようにするには、比速度Ｎｓが大きくなるように回転速度Ｎを大きくすればよいが、この回転速度Ｎは、一般的には１５００［ｍｉｎ^−１］までとされている。

したがって、中高落差の水力発電にプロペラ水車を適用する場合には、適用落差Ｈを分割するために、複数の水車を導水管上に併設する必要があるとともに、各水車に発電機を設ける必要があるため、設置スペースが大きくなり、かつ、製造コストが嵩んでしまうという問題があった。このような理由から、中高落差の水力発電には、プロペラ水車よりも高効率で発電可能なフランシス水車が適している。

また、一般に、プロペラ水車のランナベーンおよびガイドベーンが共に可動である場合には、そのランナベーン駆動機構は、プロペラ水車の内部に設置される。したがって、プロペラ水車が小流量地点に配される場合には、水車寸法が小さくなるため、ランナベーン駆動機構の収納が困難であった。

さらに、ブロペラ水車の効率特性は、ランナベーンおよびガイドベーンが可動な場合には、全流領域においてフラットな効率特性を有するが、ランナベーンが固定の場合には、尖った特性となり、変流量に追随しにくいという欠点を有する。一方、フランシス水車の変流量（特に低流量）特性は、ランナベーンおよびガイドベーンが可動のプロペラ水車に比べると劣るが、ランナベーンが固定のプロペラ水車より優れている。このような点から、フランシス水車は、中高落差の水力発電における変流量地点に設置する水車として適している。

以下、従来のフランシス水車について、図９ないし図１０を参照にしながら説明する。

図９は、従来のフランシス水車の概略図であり、図１０は、その概略上面図である。図９において、フランシス水車１０１は、水車主軸１０２の一端（図９右側）に固着されたランナ１０３と、該ランナ１０３の外周に配されたガイドベーン１０４と、該ガイドベーン１０４の外周を取り囲むように配された渦巻状のケーシング１０５と、水車主軸１０２の他端（図９左側）に連結された発電機１０６とを備えている。

導水管１０５ａ（図１０参照）により水車入口まで導かれた流水は、渦巻状のケーシング１０５を通ってガイドベーン１０４で加速され、水車主軸１０２に対して垂直な方向でランナ１０３に流入する。この流入した水は、ランナ１０３の羽根の間を充満して流れながらランナ１０３に水動力を伝達する。ランナ１０３を通過して水車主軸１０２の軸方向に流出された水は、ドラフト管１０７で流速を減速し、吸出し管１０８を経由して放水口から排出される。

特開平１１―３２４８８９号公報

しかしながら、このような構成からなる従来のフランシス水車１０１では、発電機１０６の負荷が解列した際、すなわち過度時に、ランナ１０３の回転が上昇し、ランナ１０３に流れる水が減少する現象が生じ、これにより、ランナ１０３より上流側の水圧が上昇するとともに、断水が生じる虞があった。

従来より、この上昇した水圧を減圧するために、ランナ１０３より上流側に制圧機を配設したものが採用されていたが（例えば特許文献１）、この制圧機は、一般的に油圧で作動するため、浄水を用いる水力発電には衛生的な面で適していなかった。

また、この制圧機は、上昇した水圧を逃がす装置であり、流水、すなわち流量をランナ１０３より下流側に逃がす構造にはなっていなかった。したがって、この制圧機を設けたとしても、ランナ１０３より下流側で生じる断水を防止することができなかった。

特に、浄水を利用する水力発電用のフランシス水車では、この断水現象が生じることは大きな問題であるため、発電機１０６の負荷が解列した際に、断水が生じないフランシス水車が求められていた。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的は、系統事故等により発電機の負荷が解列した際に、ランナの上流側で生じる水圧上昇およびランナの下流側で生じる断水を防止できるようにした水力発電用フランシス水車を提供することにある。

また、上記目的は、導水管から導入された流水を、ケーシングを経由してガイドベーンで加速し、発電機に連結された水車主軸の一端に取り付けられたランナに流入する水力発電用フランシス水車において、前記発電機の負荷が解列した際に、前記流水を前記導水管から前記ランナを経由せずに排出するためのバイパス機構を備えていることにより、達成される。

以上のように構成された本発明に係る水力発電用フランシス水車によると、系統事故等により発電機の負荷が解列した際に、流水を導水管からランナを経由せずに排出するためのバイパス機構を備え、過度時の挙動を外部に波及させないようにした。これにより、水車ランナの回転が上昇した場合にランナの上流側で水圧上昇が生じるのを防止することができるとともに、ランナの下流側で生じる断水を防止することができる。この結果、低落差の水力発電用の水車に比べ、水圧上昇や断水が生じる可能性が高かった中高落差の水力発電用のフランシス水車の安全性を向上することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１ないし図８を参照にしながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す要部断面図であり、図２および図３は、その側面図および上面図である。図１において、フランシス水車１は、内周壁２Ａと該内周壁２Ａの外側に配された外周壁２Ｂとからなる環状の導水管２を備え、該導水管２の内周壁２Ａの一端側２Ａａ（図１左側）は開口になっており、一方、その他端側２Ａｂ（図１右側）は閉口になっている。

この導水管２の内周壁２Ａによって形成された内部空間３には、水車主軸４が、軸受５，６を介して回転自在に支持されている。この水車主軸４の一端には、該水車主軸４と一体に回転するように取り付けられたランナ７が備えられ、該ランナ７は、流水ｗのエネルギを回転エネルギに変換して水車主軸４に伝達するようになっている。一方、水車主軸４の他端には、水車主軸４の回転を導水管２の上方に配された発電機８に伝達するための動力伝達機構９が備えられている。

この動力伝達機構９は、水車主軸と同軸に取り付けられた水車主軸プーリ１０と、発電機８の軸８Ａと同軸に取り付けられた発電機軸プーリ１１と、環状の導水管２の上部に形成された連通孔１２（図３参照）を通って水車主軸プーリ１０と発電機主軸プーリ１１との間に巻回された伝達ベルト１３とから構成され、ランナ７から水車主軸４に伝達された流水ｗによる回転エネルギを、発電機８に伝達するようになっている。なお、本実施形態に係る水力発電用フランシス水車１では、発電機８が導水管２の上方に配されているが、これに限定されず、設置条件などに応じて適宜変更可能である。

また、環状の導水管２の一端側（図１左側）には、導水管２からの流水ｗをランナ７に流入するために該ランナ７の外周に配されたケーシング１４が接続されている。このケーシング１４の内周壁１４Ａと導水管２の内周壁２Ａとの接合部（図１中のＸ領域）には、図４に示すように、Ｏリング１５が介装され、互いの接合面の間には間隙Ｓ（約０．５ｍｍ）が設けられている。一方、ケーシング１４の外周壁１４Ｂと導水管２の外周壁２Ｂとの接合部（図１中のＹ領域）は、図５に示すようにインロー接合になっている。すなわち、本実施形態に係るフランシス水車１では、導水管２の内周壁２Ａとケーシング１４の内周壁１４ＡとをＯリング１５を介して接合するにより、互いの内周壁２Ａ，１４Ａの接合面の間に間隙Ｓを設け、この間隙Ｓにより、導水管２の外周壁２Ｂとケーシング１４の外周壁１４Ｂとのインロー接合を可能にしている。

また、ランナ７の上流側には、ケーシング１４からランナ７に流入される流水ｗをランナ７の径方向へ導くスピードリング１６と、該スピードリング１６を通過した流水ｗを効率よく加速してランナ７に供給する複数のガイドベーン１７とが備えられている。一方、ランナ７の下流側には、ランナ７を通過して軸方向に放出された流水ｗを減速するためのドラフト管１８が備えられている。

また、ランナ７と水車主軸４との取付部には、水密を維持するためのラビリンスシール１９と、該ラビリンスシール１９と水車主軸４との間に配された水切部材２０とが備えられている。このラビリンスシール１９は、水切部材２０が水車主軸４に取り付けられた後に、水車主軸４に装着されるようになっている。ここで、水切部材２０とラビリンスシール１９とのギャップ調整が行われ、その後、ランナ７が水車主軸４の一端に固着される。なお、本実施形態では、水密を維持するためにラビリンスシール１９を用いたが、これに限定されず、例えばラビリンスシール１９の代わりにメカニカルシールを用いてもよい。

図６は、複数のガイドベーン１７の水口開度を調整するためのガイドベーン開閉手段２１を示す正面図である。図１および図６において、各ガイドベーン１７の軸端（図１左側）には、外周に外歯を有する外歯車２２が取り付けられている。また、各ガイドベーン１７の外歯車２２を囲周するように配されたガイドリング２３の内周には、各外歯車２２と噛合する内歯車２４が一体に取り付けられている。ガイドリング２３は、図１などに示すように、サーボ機構（図示せず）からの動きを伝達するためのコネクティングロッド２５に連結されている。このような構成からなるガイドベーン開閉手段２１は、コネクティングロッド２５の動きに応じてガイドリング２３が円周方向に回動変位し、その回動変位が内歯車２４および外歯車２２を介して各ガイドベーン１７に伝達され、これにより、各ガイドベーン１７の開閉操作を一斉に行えるようになっている。

また、本実施形態に係るフランシス水車１は、図２および図３に示すように、系統事故等により発電機８の負荷が解列した際、すなわち過度時に、流水ｗ´を環状の導水管２からランナ７を経由せずにドラフト管１８に排出するためのバイパス機構２６を備えている。このバイパス機構２６は、一端が環状の導水管２の外周壁２Ｂの一部に連結された第１バイパス管２７と、該第１バイパス管の他端に導入口２８Ａが連結されたバイパス弁部２８と、一端がバイパス弁部２８の排出口２８Ｂに連結されるとともに、他端がドラフト管１８の一部に連結された第２バイパス管２９とから構成されている。

図７は、バイパス機構２６のバイパス弁部２８を示す要部断面図であり、図８は、その上面図である。なお、図７のバイパス弁部２８では、説明しやすいように、導水口２８Ａを仮想的に９０度回転して２点鎖線で示している（符号２８Ａ´）。図７において、バイパス弁部２８は、ハンドル軸３０の一端に取り付けられた手動ハンドル３１と、ハンドル軸３０の他端に取り付けられた吸着板３２と、該吸着板３２に磁力で吸着する電磁マグネット３３と、該電磁マグネット３３が一端に取り付けられたバルブ軸３４と、該バルブ軸３４の他端に取り付けられ、バイパス弁３５を封鎖するためのバルブ３６とを備えている。

このような構成からなるバイパス弁部２８では、系統事故等により発電機８の負荷が解列した際には、電磁マグネット３３に供給されている電源が喪失される。この電磁マグネット３３の解磁により、吸着板３２から電磁マグネット３３が切り離され、電磁マグネット３３，バルブ軸３４，およびバルブ３６は、各部材の自重およびバルブ３６にかかる水圧荷重によって図７下方に移動する。これにより、バルブ３６によって封鎖されていたバイパス弁３５が開口され、導水管２から第１バイパス管２７を介して導入口２８Ａ（２８Ａ´）に導入された流水ｗ´は、バイパス弁３５を通過し、排出口２８Ｂおよび第２バイパス管２９を経由してドラフト管１８に排出される。

一方、開口されたバイパス弁３５を再度閉口する場合には、電磁マグネット３３が励磁された後に、手動ハンドル３１の回動により、吸着板３２が電磁マグネット３３の上面まで下げられる。そして、吸着板３２と電磁マグネット３３とが吸着したら、手動ハンドル３１の回動により、吸着板３２，電磁マグネット３３，バルブ軸３４，およびバルブ３６が上方に引き上げられ、バイパス弁３５は、バルブ３６によって閉口される。

以上のように、本実施形態に係る水力発電用フランシス水車１によると、ランナ７に流入される流水ｗの経路を、環状の導水管２と、該環状の導水管２の一端側に接続されたケーシング１４とから構成した。これにより、従来の渦巻型ケーシングを備えたフランシス水車１よりも、径方向の省スペース化を図ることができる。

また、本実施形態に係るフランシス水車１によると、環状の導水管２の内部空間３に水車主軸４を備え、該水車主軸４の回転エネルギを、動力伝達機構９を介して導水管２の外側に配された発電機８に伝達する構成にした。この構成により、フランシス水車１の軸方向における省スペース化を図ることができ、かつ、発電機８のサイズ変更や故障などが生じた場合に、簡単に発電機８を交換することができる。

また、本実施形態に係るフランシス水車１によると、導水管２の内周壁２Ａとケーシング１４の内周壁１４Ａとの間にＯリング１５を介装し、この間に間隙Ｓを設けた。これにより、導水管２の外周壁２Ｂとケーシング１４の外周壁１４Ｂとのインロー接合が可能となり、容易に組み立てることができる。

また、本実施形態に係るフランシス水車１によると、水車主軸４とランナ７との取付部の構造を、水切部材２０が水車主軸２３に取り付けられた後に、ラビリンスシール１９が水車主軸４に装着されるようにした。これにより、構造が簡素化され、ラビリンスシール１９および水切部材２０の取付工程が容易化され、製造コストを低減することができる。

また、本実施形態に係るフランシス水車１によると、複数のガイドベーン１７の水口開度を調整するためのガイドベーン開閉手段２１が、コネクティングロッド２５の動きに応じてガイドリング２３を円周方向に回動変位し、その回動変位を内歯車２４および外歯車２２を介して各ガイドベーン１７に伝達する構造になっている。これにより、各ガイドベーン１７の開閉操作を一斉に行う開閉手段の構成を簡素化することができ、フランシス水車１の製造コストの低減を図ることができる。また、ガイドリング２３とガイドベーン１７とを連結する部材を省いたことにより、組み立て工数を削減することができるとともに、磨耗部品が削減され、装置寿命の延長化を図ることができる。

さらに、本実施形態に係るフランシス水車１は、系統事故等により発電機８の負荷が解列した際に、流水ｗ´を環状の導水管２からランナ７を経由せずにドラフト管１８に排出するためのバイパス機構２６を備えている。これにより、ランナ７の回転上昇に伴ってランナ７に流れ込む流水ｗが減少する現象が生じても、導水管２の流水ｗ´をバイパス機構２６を介してドラフト管１８に逃がすことができるので、ランナ７の上流側の水圧上昇および断水の発生を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係るフランシス水車は、水力発電に適用することができ、特に中高落差の水力発電の場合に有用である。

本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車を示す上面図である。 図１中のＸ領域を示す要部断面図である。 図１中のＹ領域を示す要部断面図である。 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車のガイドベーン開閉手段を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車のバイパス機構のバイパス弁部を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る水力発電用フランシス水車のバイパス機構のバイパス弁部を示す上面図である。 従来のフランシス水車を示す概略断面図である。 従来のフランシス水車を示す概略上面図である。

符号の説明

１ フランシス水車
２ 導水管
２Ａ 内周壁
２Ｂ 外周壁
３ 内部空間
４ 水車主軸
５ 軸受
６ 軸受
７ ランナ
８ 発電機
９ 動力伝達機構
１４ ケーシング
１７ ガイドベーン
１９ ラビリンスシール
２０ 水切部材
２１ ガイドベーン開閉手段
２２ 外歯車
２３ ガイドリング
２４ 内歯車
２６ バイパス機構
２７ 第１バイパス管
２８ バイパス弁部
２９ 第２バイパス管

Claims (1)

1. 導水管から導入された流水を、ケーシングを経由してガイドベーンで加速し、発電機に連結された水車主軸の一端に取り付けられたランナに流入する水力発電用フランシス水車であって、
   前記発電機の負荷が解列した際に、前記流水を前記導水管から前記ランナを経由せずに排出するためのバイパス機構を備えていることを特徴とする水力発電用フランシス水車。

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