JP2009221970A - 水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】運転効率を向上させることができ、かつ高性能で信頼性の高い水力機械を提供する。
【解決手段】水力機械、例えばポンプ水車はケーシング１と、ケーシング１内に設けられた水車主軸１６と、水車主軸１６に固着されたランナ４とを備えている。ケーシング１内のランナ４外周には、複数の可動ガイドベーン３と、複数のステーベーン２とが順次配置されている。ケーシング１内であってガイドベーン３のピッチサークルより内周側に、ガイドベーン３より長さ、厚み共に小さい可動の補助ガイドベーン６が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明はポンプ運転時の逆流を防止し、運転効率を高めることができる水力機械に関する。

フランシス形ポンプ水車等の水力機械において、水車運転時、ケーシング内の流水は、その内周側へ向い、ケーシング内に配置されているステーベーン、およびガイドベーンを経て、水車主軸に固定されたランナへと流入し、この間水車主軸を介して発電機が駆動される。ランナから流出した流水は吸出し管を経て放水路へと導かれる。そして水車運転時にはガイドベーンを開閉させることで流量を調節し、発電量を変化させる。

一方、ポンプ運転時においては、吸出し管から流入した流水はランナを通り、ガイドベーン、ステーベーンを流れ、ケーシングから上池へと流出される。一般的にポンプ水車の高揚程側では逆流が発生し揚程性能が悪化することが知られている。運転範囲では逆流が発生しないように設計するが、この逆流特性を改善することはポンプ水車の安定性・信頼性向上のため必要となる。高揚程側ではガイドベーン開度が小さくなるため、ランナから流出する流れはガイドベーンの姿勢に対して小さな角度で流入する。これによりガイドベーンの腹側で流水に剥離が生じ、旋回失速が発生する。これによりポンプ吐出側の逆流が生じることがある。

ガイドベーン形状を種々変化させて水車性能を向上させるものとして、いくつかの技術が開発されている（特許文献１−３参照）。またガイドベーンとランナ間の水圧脈動を低減させるものとして、いくつかの技術が開発されている（特許文献４−５参照）。
特許第３３８６４８６号公報 特開２００３−９０２７９号公報 特開２００７−１１３５５４号公報 特開２００４−２３２５９８号公報 特開２００７−２３８４４号公報

上述した水力機械において、ガイドベーンは高効率運転を目的としてその肉厚が薄く設計される。水車運転時に、ガイドベーン開度を変化させ、ランナヘと流入する流量を変えると、ガイドベーンの姿勢の違いからランナヘ流入する水流の角度が異なる。ランナに対して常に最適な角度で流入させることができれば、キャビテーション抑制、水圧脈動低減を含む高性能水車の実現が可能となる。

一方、ポンプ運転時においては、ガイドベーン開度が小さくなったとき旋回失速による吐出側逆流を回避するようガイドベーンの形状を定めると、高効率な形状は望めない。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、高性能かつ信頼性の高い水力機械を提供することを目的とする。

本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内の内周側に円周方向に沿って複数枚配置されたステーベーンと、前記ステーベーンと対向するように前記ケーシングの内周側に円周方向に沿って配置された可動の複数のガイドベーンと、前記ガイドベーンの内側に回転可能に配置されたランナと、を備え、前記ガイドベーンのピッチサークルよりも内周側に、かつ当該ガイドベーンよりも長さ、厚み共に小さい可動の補助ガイドベーンを設けたことを特徴とする水力機械である。

以上のように本発明によれば、運転効率を向上させることができ、かつ高性能で信頼性の高い水力機械を提供することができる。

第１の実施の形態
以下、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乃至図３および図８は、本発明による水力機械の第１の実施の形態を示す図であり、本実施の形態においては水力機械としてポンプ水車について説明する。

まず水力機械としてのポンプ水車について、図８により説明する。

図８に示すように、ポンプ水車は図示しない水圧管の端部に連通されるうず巻状のケーシング１と、このケーシング１の内周側に設けた図示しない上カバーおよび下カバーに固定されると共に、円周方向に複数枚設けられたステーベーン２と、このステーベーン２の内周側に対向して配置された複数枚の可動ガイドベーン３と、このガイドベーン３の更に内周側に回転可能に配置され、水車主軸１６を介して発電機１５に連結されたランナ４とを備えている。

ガイドベーン３はガイドベーン開度が可変となるようにピンによって支持され、リンク機構（図示せず）を介して制御部２０により駆動制御される。

また水車主軸１６の下方には、吸出し管５が設置され、この吸出し管５は下池１３に連結されている。下池１３には水位計１４が設置され、この水位計１４は制御部２０に接続されている。

一方、ケーシング１には水圧管を介して上池１１が接続され、この上池１１には水位計１２が設置され、この水位計１２は制御部２０に接続されている。

なお、図１乃至図３に示すように、ケーシング１（のスピードリング）には、ピッチサークルＤｇ１に沿って複数枚のガイドベーン３が配置され、更にそのピッチサークルＤｇ１よりも内周側に、ピッチサークルＤｇ２に沿って複数枚の補助ガイドベーン６が設けられている。この補助ガイドベーン６はガイドベーン３よりも長さ、厚み共に小さく可動となっており、制御部２０によりリンク機構（図示せず）を介して駆動制御される。

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

まず水車運転時、上池１１からケーシング１１内に流入する流水は、ケーシング１内において外周側から内周側に向って流れる。このとき流水はステーベーン２、ガイドベーン３および補助ガイドベーン６を経てランナ４内へ流れ、流出する。このときランナ４は回転し、水車主軸１６を介して発電機１５を駆動する。ランナ４から流出する流水は吸出し管５を経て下池１３へ放出される。

このとき制御部２０はガイドベーン３を駆動制御して、流水の流量を調節して発電機１５から発生する発電量を調整する。

一方、ポンプ運転時、ランナ４の回転とともに下池１３から吸出し管５に送られた流水は、ランナ４、補助ガイドベーン６、ガイドベーン３およびステーベーン２を経て、ケーシング１から上池１１へ流出する。

次に水車運転時とポンプ運転時の流水の挙動について述べる。

水車運転時、一般的に図２で示すようにランナ４へ流入する流れは、最高効率点における速度三角形をＵ１，Ｖ１，Ｗ１とすると、Ｗ１のような相対流速をもってランナ４ヘ流入する。ガイドベーン３のガイドベーン開度が小開度となると、その速度三角形はＵ２，Ｖ２，Ｗ２のようになり、ランナ４入口における羽根角度と流入角度の不一致より流れの剥離による２次流れが発生する。

本実施の形態によれば、ガイドベーン３の内周側に補助ガイドベーン６が設置されているため、例えばガイドベーン開度が小開度のとき制御部２０により補助ガイドベーン６の取り付け角度をガイドベーン３よりも大きくする。このことにより速度三角形は最高効率点における速度三角形に近くなり、流れの剥離発生を抑制することが可能となり、結果として効率向上、キャビテーション性能向上効果を得ることができる。

一方、ポンプ運転時において、ガイドベーン３のガイドベーン開度が小開度側にくるとき、すなわち高揚程運転領域でのポンプ運転時、ガイドベーン３のガイドベーン入口流れは図３（ａ）（ｂ）に示すようになる。このとき図３（ａ）に示すように補助ガイドベーン６がない場合、ガイドベーン３の腹側で流れの剥離による旋回失速が発生し、吐出側の逆流の原因となる。

これに対してガイドベーン３の内周側に補助ガイドベーン６を設置した場合（図３（ｂ）参照）、ガイドベーン３の腹側で剥離しやすい流れは補助ガイドベーン６によって、より流れが剥離しにくくなり旋回失速は生じない。従ってポンプ水車においては、逆流特性の向上効果を得ることができる。

なお補助ガイドベーン６は、ガイドベーン３と異なるキャンバーラインをもつ形状に作製することができ、これによりポンプ性能の向上を目的としたり、あるいは水車性能の向上を目的とする補助ガイドベーンとして機能させることができる。

第２の実施の形態
次に図４により本発明の第２の実施の形態について説明する。図４に示す第２の実施の形態はガイドベーン３と、補助ガイドベーン６との相対位置関係が異なるのみであり、他の構成は図１乃至図３および図８に示す第１の実施の形態と同一である。図４において、第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、ガイドベーン３と補助ガイドベーン６は、ガイドベーン３の後端径（内側端径）Ｄｇ１ｏと補助ガイドベーン６の後端径（内側端径）Ｄｇ２ｏの関係が、
Ｄｇ１ｏ≦Ｄｇ２ｏ …（１）
となるような姿勢をとるよう制御部２０により駆動制御される。

図４に示すように、ガイドベーン３と補助ガイドベーン６とが上記（１）式を満たすことにより、ランナ４とガイドベーン３の後端との距離は、ガイドベーン３の後端径に基づいて決まる。ガイドベーン３の後端径とランナ４の先端径が近いほどこの部位での水圧脈動は大きくなることが知られている。本実施の形態を適用することで水圧脈動特性を悪化させることなく運転効率の向上を図ることが可能となる。

第３の実施の形態
次に図５乃至図７により本発明の第３の実施の形態について説明する。図５乃至図７に示す第３の実施の形態において、図１乃至図３および図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５乃至図７に示す実施の形態において、ガイドベーン３と補助ガイドベーン６は制御部２０により別系統で独立して駆動制御される。

このように制御部２０によりガイドベーン３と補助ガイドベーン６を別系統で制御することによりガイドベーン３のガイドベーン開度に対して、補助ガイドベーン６を最も補助ガイドベーンの性能を引き出すことのできる姿勢とすることができる。

この場合、ガイドベーン３と補助ガイドベーン６を制御部２０により別系統で駆動制御するとともに、ガイドベーン３と補助ガイドベーン６のリンク機構を同期させ、水車運転時、ガイドベーン３の小ガイドベーン開度において、ガイドベーン３背側の剥離を抑制する整流効果を得ることができる。またガイドベーン３と補助ガイドベーン６のリンク機構を非同期とさせることにより、ポンプ運転時において運転効率の向上を図ることができる。

また図５および図８に示すように、上池１１の水位計１２と下池１３の水位計１４からの信号が制御部２０に送られる。制御部２０はポンプ運転時の揚程を計算し、ガイドベーン３の現在のガイドベーン開度と揚程の関係から逆流限界に対してどの運転状態であるかを把握する。制御部２０は現在の運転状態から逆流限界に達しないようリンク機構を動作させて補助ガイドベーン６を駆動制御させ、ポンプ水車が自動的に逆流へ突入することを避けることが可能となる。

制御部２０は、またポンプ運転時、水位計１２，１４からの信号に基づいて計算される揚程が急減したとき、ガイドベーン３近傍では旋回失速による吐出側の逆流が発生していると判断する。このとき制御部２０は即座に補助ガイドベーン６を開くように補助ガイドベーン６を駆動制御する。このことによりガイドベーン３近傍における流れの旋回失速状態から回復することができ、逆流を抑制することが可能となる。

ところで図６に示すように、ガイドベーン３の腹側先端付近に第１圧力センサー７が設置されている。制御部２０は第１圧力センサー７からの信号に基づいて、この位置の圧力が通常運転状態より低下しないように補助ガイドベーン６のリンク機構を制御する。このことにより運転効率の向上を図ることができる。

また、ケーシング１の上カバー１ａと、下カバー１ｂ内であってガイドベーン３の先端付近に第２圧力センサー１７が設置されている。制御部２０は第２圧力センサー１７からの信号に基づいて、この位置の圧力が通常運転状態より低下しないように補助ガイドベーン６のリンク機構を制御する。このことにより運転効率の向上を図ることができる。

図１は、本発明による水力機械の第１の実施の形態におけるステーベーン、ガイドベーンおよび補助ガイドベーンを示す図。 図２は、本発明による水力機械の第１の実施の形態における速度三角形を説明する図。 図３（ａ）は、ガイドベーンにおける旋回失速説明図、図３（ｂ）は、補助ガイドベーンの効果を示す図。 図４は、本発明による水力機構の第２の実施の形態を示す図。 図５は、本発明による水力機構の第３の実施の形態を示す図。 図６（ａ）（ｂ）は、本発明による水力機構の第３の実施の形態を示す図。 図７（ａ）（ｂ）は、本発明による水力機構の第３の実施の形態を示す図。 図８は、本発明による水力機械の全体を示す概略図。

符号の説明

１ ケーシング
１ａ 上カバー
１ｂ 下カバー
２ ステーベーン
３ ガイドベーン
４ ランナ
５ 吸出し管
６ 補助ガイドベーン
７ 第１圧力センサー
１１ 上池
１２ 水位計
１３ 下池
１４ 水位計
１５ 発電機
１６ 水車主軸
１７ 第２圧力センサー
Ｄｇ１ ガイドベーンピッチサークル
Ｄｇ２ 補助ガイドベーンピッチサークル
Ｄｇ１ｏ ガイドベーン後端径
Ｄｇ２ｏ 補助ガイドベーン後端径

Claims (11)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内の内周側に円周方向に沿って複数枚配置されたステーベーンと、
   前記ステーベーンと対向するように前記ケーシングの内周側に円周方向に沿って配置された可動の複数のガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの内側に回転可能に配置されたランナと、
   を備え、
   前記ガイドベーンのピッチサークルよりも内周側に、かつ当該ガイドベーンよりも長さ、厚み共に小さい可動の補助ガイドベーンを設けたことを特徴とする水力機械。
2. 前記補助ガイドベーンは、前記ガイドベーンと異なるキャンバーラインを有することを特徴とする請求項１記載の水力機械。
3. 前記ガイドベーンおよび前記補助ガイドベーンは、ガイドベーンの内側端径Ｄｇ１ｏと補助ガイドベーンの内側端径Ｄｇ２ｏの関係が
   Ｄｇ１ｏ≦Ｄｇ２ｏ
   となるように制御部により各々の姿勢が制御されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
4. 前記ガイドベーンと前記補助ガイドベーンは、各々別系統で制御部により駆動制御されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
5. 前記ガイドベーンと前記補助ガイドベーンは、互いに同期させて制御部により駆動制御されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
6. 前記制御部は、上池水位計からの信号と、下池水位計からの信号とを入力し、両信号から求められた揚程に基づいて前記補助ガイドベーンを駆動制御することを特徴とする請求項３、４または５のいずれかに記載の水力機械。
7. 前記制御部は、上池水位計からの信号と下池水位計からの信号から求められた揚程に基づいて、運転揚程が急減した時に補助ガイドベーンを開くように駆動制御することを特徴とする請求項６記載の水力機械。
8. 前記ガイドベーンの腹側先端付近に第１圧力センサーが設置され、制御部はこの圧力センサーからの信号に基づいて前記補助ガイドベーンを駆動制御することを特徴とする請求項１記載の水力機械。
9. 前記制御部は、前記第１圧力センサーから得られた圧力値が急減したときに前記補助ガイドベーンを開くように制御することを特徴とする請求項８記載の水力機械。
10. 前記ガイドベーンのピッチサークルよりも外周側の下カバーもしくは上カバーに、第２圧力センサーが設置され、前記制御部は第２圧力センサーからの信号に基づいて、前記補助ガイドベーンを駆動制御することを特徴とする請求項３、４または５のいずれかに記載の水力機械。
11. 前記制御部は、前記第２圧力センサーからの圧力値が急減したときに前記補助ガイドベーンを開くように制御することを特徴とする請求項１０記載の水力機械。

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