JP2011236866A - 発電用水車の排水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上蓋の滞留水を連続して排水可能な発電用水車の排水装置を提供する。
【解決手段】水車８は、ケーシング８１の内部に設置されたランナ８ａ、ランナ８ａを支持する水車軸８ｂ、及びランナ８ａの上部に配置され、水車軸８ｂの封水部から漏洩する流水が貯留される上蓋８ｃを備える。排水装置１０は、タンク１、排水管２、及びサイフォン管３を備える。タンク１は、上蓋８ｃより十分に高い位置に配置され、所定量の水を貯留する。排水管２は、タンク１から給水されて、上蓋８ｃより十分に低い位置に排水口２ｂを設ける。サイフォン管３は、一端部３ａが上蓋８ｃの底面に近接し、他端部３ｂが排水管２の経路途上に接続する。排水管２は、タンク１とサイフォン管３の他端部３ｂの接続部との経路途上に接続する開閉弁２１を有する。開閉弁２１を開閉して、上蓋８ｃの貯留水を排水口２ｂから連続排水できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電用水車の排水装置に関する。特に、流水で回転するランナを備える発電用水車において、ランナを支持する縦型の水車軸の封水部から漏洩して、ランナの上部の上蓋に滞留した水を排水する排水装置の構造に関する。

水力発電は、水の力によって発電用水車を回転させることで発電している。水車発電機は、発電用水車を発電機に連結している。そして、高いところにあるダムなどの下流側の途中に、水車発電機を設置すれば、落差を利用して発電できる。

フランシス水車と呼ばれる発電用水車は、ケーシングからガイドベーンを流通した流水がランナ（羽根車）の円周方向から流入し、軸方向に流出する構造を有している。フランシス水車は、構造が簡単で保守も容易であることから、国内では多用されている。

このようなフランシス水車としては、ランナの下部に設置された吸出し管から冷却水が取水され、ランナを支持する縦型の水車軸の軸受部を冷却して、吸出し管に排出される冷却水循環系を設けた発電用水車が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１４４９２３号公報（第２頁、図７）

上述したフランシス水車は、高圧の流水がランナに流入するので、ランナを支持する縦型の水車軸の封水部から流水が漏洩する。そして、ランナの上部に配置され、水車軸が貫通する上蓋に水が滞留するという不具合があった。このため、上蓋に水中ポンプを設置して、滞留した水を排水していた。

しかしながら、水中ポンプを駆動するためには、電力を必要とし、水中ポンプの起動と停止を１日に複数回繰り返すので、水中ポンプの寿命を低下させていた。電力などのエネルギを消費することなく、上蓋の滞留水を連続して排水できれば、水力発電のランニングコストを低減できる。そして、以上のことが本発明の課題といってよい。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、電力などのエネルギを消費することなく、上蓋の滞留水を連続して排水可能な発電用水車の排水装置を提供することを目的とする。

本発明者は、サイフォンの原理を利用して、上蓋の滞留水を連続して排水することにより、これらの課題が解決可能なことを見出し、これに基づいて、以下のような新たな発電用水車の排水装置を発明するに至った。

（１）本発明による発電用水車の排水装置は、ケーシングの内部に設置されて流水で回転するランナ、このランナを支持する縦型の水車軸、及び前記ランナの上部に配置され、前記水車軸が貫通すると共に、前記水車軸の封水部から漏洩する流水が貯留される上蓋を備える発電用水車の排水装置であって、前記上蓋より十分に高い位置に配置し、所定量の水を貯留するタンクと、このタンクから給水されて、前記上蓋より十分に低い位置に排水口を設ける排水管と、一端部が前記上蓋の底面に近接し、他端部が前記排水管の経路途上に接続するサイフォン管と、を備え、前記排水管は、前記タンクと前記サイフォン管の他端部の接続部との経路途上に接続する開閉弁を有し、前記開閉弁を開いて、前記タンクの貯留水を前記排水口から排水することにより前記上蓋の貯留水の吸引を開始し、前記上蓋の貯留水の吸引が開始した後に、前記開閉弁を閉じて、前記タンクの貯留水の排水を停止する。

（２）本発明による発電用水車の排水装置は、ケーシングの内部に設置されて流水で回転するランナ、このランナを支持する縦型の水車軸、及び前記ランナの上部に配置され、前記水車軸が貫通すると共に、前記水車軸の封水部から漏洩する流水が貯留される上蓋を備える発電用水車の排水装置であって、前記上蓋より十分に高い位置に配置し、所定量の水を貯留するタンクと、このタンクから給水されて、前記上蓋より十分に低い位置に排水口を設ける排水管と、一端部が前記上蓋の底面に近接するサイフォン管と、を備え、前記排水管は、前記タンクと前記排水口との経路途上に接続すると共に、前記サイフォン管の他端部を接続する三方弁を有し、前記三方弁の全ての弁を開いて、前記タンクの貯留水を前記排水口から排水することにより前記上蓋の貯留水の吸引を開始し、前記上蓋の貯留水の吸引が開始した後に、前記三方弁の一部の弁を閉じて、前記タンクの貯留水の排水を停止する。

（３）前記排水管は、前記サイフォン管の他端部より下流側に接続され、前記上蓋の貯留水の排水速度を調整可能な流量制御弁を有してもよい。

（４）前記ランナの下部に設置された吸出し管から取水された冷却水が前記タンクに供給され、当該タンクから冷却水を供給して前記水車軸の軸受部を冷却する軸受部クーラーを備えてもよい。

本発明による発電用水車の排水装置は、タンクから排水管に供給される水流により、上蓋の貯留水の吸引を開始し、排水管に上蓋の貯留水が満たされた後は、タンクの貯留水の排水を停止することにより、上蓋の貯留水を「サイフォンの原理」で連続排水できるので、電力などのエネルギを消費することなく、上蓋の滞留水を排水できる。

本発明の第１実施形態による発電用水車の排水装置の構成を示す概略図である。 本発明の第２実施形態による発電用水車の排水装置の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
［第１実施形態］
（第１実施形態の構成）
最初に、本発明の第１実施形態による発電用水車の排水装置の構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態による発電用水車の排水装置の構成を示す概略図である。

図１を参照すると、本発明の第１実施形態による排水装置１０に適用される発電用水車（以下、水車と略称する）８は、ランナ８ａ、縦型の水車軸８ｂ、及び上蓋８ｃを備えている。なお、図示された水車８は、フランシス水車を示している。

ランナ８ａは、ケーシング８１の内部に設置されている。そして、ケーシング８１からガイドベーン８２を流通した流水がランナ８ａの円周方向から流入し、軸方向に流出してランナ８ａが回転される。

水車軸８ｂの先端部は、ランナ８ａを支持している。水車軸８ｂの中間部は、軸受部８３で回転可能に支持されている。水車８の上方には、発電機（図示せず）が配置されている。そして、水車軸８ｂに直結された回転子（図示せず）が回転することにより、水の位置エネルギを電気エネルギに変換して発電している。

上蓋８ｃは、ランナ８ａの上部に配置されている。上蓋８ｃは、水車軸８ｂが貫通すると共に、水車軸８ｂの封水部から漏洩する流水を貯留している。

上記のように構成された水車８に対して、本発明の第１実施形態による排水装置１０は、タンク１、排水管２、及びサイフォン管３を備えている。タンク１は、上蓋８ｃより十分に高い位置に配置している。又、タンク１には、所定量の水が貯留されている。

排水管２は、その給水口２ａがタンク１の底部に連通している。又、排水管２は、上蓋８ｃより十分に低い位置に排水口２ｂを設けている。排水管２は、タンク１の貯留水が供給されて、排水口２ｂから排水できる。

サイフォン管３は、その一端部３ａが上蓋８ｃの底面に近接している。又、サイフォン管３は、その他端部３ｂが排水管２の経路途上に接続している。

排水管２は、開閉弁２１と流量制御弁２２を有している。開閉弁２１は、タンク１とサイフォン管３の他端部３ｂの接続部との経路途上に接続している。流量制御弁２２は、サイフォン管３の他端部３ｂの接続部と排水口２ｂとの経路途上に接続している。流量制御弁２２は、サイフォン管３の他端部３ｂより下流側に接続されている。

（第１実施形態の作用）
次に、本発明の第１実施形態による排水装置１０の構成を補足しながら、排水装置１０の動作及び作用を説明する。図１を参照して、開閉弁２１は、通常、閉じている。開閉弁２１を開くと、タンク１の貯留水が排水口２ｂから排水される。そして、タンク１の貯留水がサイフォン管３の他端部３ｂの接続部を通過すると、サイフォン管３の内部は、負圧になって、上蓋８ｃの貯留水の吸引を開始することができる。

次に、上蓋８ｃの貯留水の吸引を開始した後に、開閉弁２１を閉じると、サイフォン管３の一端部３ａから排水口２ｂに至る管路内は、上蓋８ｃの貯留水で満たされる。そして、以降、「サイフォンの原理」で、上蓋８ｃの貯留水を排水口２ｂから連続して排水することができる。

このように、第１実施形態による排水装置１０は、タンク１の貯留水を排水口２ｂから排水することにより、上蓋８ｃの貯留水の吸引を開始し、上蓋８ｃの貯留水の吸引が開始した後に、開閉弁２１を閉じて、タンク１の貯留水の排水を停止することにより、上蓋８ｃの貯留水を連続排水できる。

第１実施形態による排水装置１０は、水中ポンプを設置することなく、サイフォンを始動して、上蓋８ｃに滞留した水を排水することができる。第１実施形態による排水装置１０は、電力などのエネルギを消費することなく、位置エネルギを利用して、上蓋８ｃの滞留水を連続して排水できるので、水力発電のランニングコストを低減できる。

図１を参照すると、排水管２は、サイフォン管３の他端部３ｂの接続部と排水口２ｂの経路途上に接続する流量制御弁２２を有している。流量制御弁２２は、そのバルブを調整することにより、上蓋８ｃの貯留水の排水速度を調整できる。したがって、上蓋８ｃに漏洩する貯留水の貯留速度に対応して、上蓋８ｃの貯留水の排水速度を調整することにより、上蓋８ｃの貯留水を空にすることなく、「サイフォンの原理」を利用して連続排水できる。

タンク１には、随時、水を補充することが好ましく、ランナ８ａの下部に設置された吸出し管８４から取水された冷却水をタンク１に供給してもよい。吸出し管８４には、取水部８４ａからポンプ８５により冷却水が取水され、タンク１に冷却水が適宜に供給されている。

第１実施形態による排水装置１０は、タンク１の取水部１ａから冷却水が供給され、軸受部８３を冷却する軸受部クーラー８ｄを経て、冷却水がタンク１に帰還する冷却水循環系９を設けている。冷却水循環系９は、取水部８４ａ、ポンプ８５、及び軸受部クーラー８ｄなどで構成される、既設の冷却水循環系を利用できる。

［第２実施形態］
（第２実施形態の構成）
次に、本発明の第２実施形態による発電用水車の排水装置の構成を説明する。なお、第１実施形態の説明で使用された符号と同じ符号の構成品は、その作用を同一とするので、以下では、説明を割愛する場合がある。図２は、本発明の第２実施形態による発電用水車の排水装置の構成を示す概略図である。

図２を参照すると、水車８に対して、本発明の第１実施形態による排水装置２０は、タンク１、排水管２、及びサイフォン管３を備えている。タンク１は、上蓋８ｃより十分に高い位置に配置している。又、タンク１には、所定量の水が貯留されている。

排水管２は、その給水口２ａがタンク１の底部に連通している。又、排水管２は、上蓋８ｃより十分に低い位置に排水口２ｂを設けている。排水管２は、タンク１の貯留水が供給されて、排水口２ｂから排水できる。サイフォン管３は、その一端部３ａが上蓋８ｃの底面に近接している。

排水管２は、三方弁２３と流量制御弁２２を有している。三方弁２３は、タンク１と排水口２ｂとの経路途上に接続している。又、三方弁２３は、サイフォン管３の他端部３ｂを接続している。

（第２実施形態の作用）
次に、本発明の第２実施形態による排水装置２０の構成を補足しながら、排水装置２０の動作及び作用を説明する。図２を参照して、三方弁２３は、通常、その第１ポート２３ａを閉じて、タンク１の貯留水を止水している。又、三方弁２３は、通常、その第２ポート２３ｂ及び第３ポート２３ｃを開いて、サイフォン管３の一端部３ａと排水口２ｂが連通している。なお、ポートを開閉するとは、ポートに連通する弁を開閉することを意味している。

三方弁２３を駆動して、第１ポート２３ａ、第２ポート２３ｂ、及び第３ポート２３ｃを開くと、タンク１の貯留水が排水口２ｂから排水される。そして、タンク１の貯留水が三方弁２３を通過すると、サイフォン管３の内部は、負圧になって、上蓋８ｃの貯留水の吸引を開始することができる。

次に、上蓋８ｃの貯留水の吸引を開始した後に、第１ポート２３ａを閉じて、第２ポート２３ｂ及び第３ポート２３ｃを開く、初期の状態に戻すと、サイフォン管３の一端部３ａから排水口２ｂに至る管路内は、上蓋８ｃの貯留水で満たされる。そして、以降、「サイフォンの原理」で、上蓋８ｃの貯留水を排水口２ｂから連続して排水することができる。

このように、第２実施形態による排水装置２０は、三方弁２３の第１ポート２３ａ・第２ポート２３ｂ・第３ポート２３ｃを開いて、タンク１の貯留水を排水口２ｂから排水することにより、上蓋８ｃの貯留水の吸引を開始し、上蓋８ｃの貯留水の吸引が開始した後に、第１ポート２３ａを閉じて、タンク１の貯留水の排水を停止することにより、上蓋８ｃの貯留水を連続排水できる。

第２実施形態による排水装置２０は、第１実施形態による排水装置１０と同様な効果を奏するが、第１実施形態による排水管２が開閉弁２１とサイフォン管３の他端部３ｂを接続しているのに対し、第２実施形態による排水管２は、三方弁２３のみを接続して、同様な機能を有するという、メリットがある。

又、第２実施形態による排水装置２０は、三方弁２３の第２ポート２３ｂに流量調整弁を組み込んでもよく、この場合、流量制御弁２２を省略することができる。

本発明の実施形態による排水装置は、排水管２をジェットポンプのように構成して、サイフォンを起動している。そして、サイフォンが起動した後は、タンク１からの排水を停止することにより、上蓋８ｃの貯留水をサイフォン管３から吸引して、排水口２ｂから連続して排水できる。

本発明の実施形態による排水装置は、サイフォンを起動するために、開閉弁２１又は三方弁２３を開閉している。開閉弁２１又は三方弁２３は、電磁式の制御弁を使用することが好ましく、制御弁を開閉するだけの電気エネルギを消費するだけで、連続排水できるという効果がある。

本発明の実施形態による排水装置は、従来のように、水中ポンプを用いて連続排水していないので、電力などのエネルギを消費することなく、上蓋の滞留水を連続して排水できる。そして、水力発電のランニングコストを低減できる。

１ タンク
２ 排水管
２ｂ 排水口
３ サイフォン管
３ａ 一端部（サイフォン管の一端部）
３ｂ 他端部（サイフォン管の他端部）
８ 水車（発電用水車）
８ａ ランナ
８ｂ 水車軸
８ｃ 上蓋
１０ 排水装置
２１ 開閉弁
８１ ケーシング

Claims (4)

1. ケーシングの内部に設置されて流水で回転するランナ、このランナを支持する縦型の水車軸、及び前記ランナの上部に配置され、前記水車軸が貫通すると共に、前記水車軸の封水部から漏洩する流水が貯留される上蓋を備える発電用水車の排水装置であって、
   前記上蓋より十分に高い位置に配置し、所定量の水を貯留するタンクと、
   このタンクから給水されて、前記上蓋より十分に低い位置に排水口を設ける排水管と、
   一端部が前記上蓋の底面に近接し、他端部が前記排水管の経路途上に接続するサイフォン管と、を備え、
   前記排水管は、前記タンクと前記サイフォン管の他端部の接続部との経路途上に接続する開閉弁を有し、
   前記開閉弁を開いて、前記タンクの貯留水を前記排水口から排水することにより前記上蓋の貯留水の吸引を開始し、
   前記上蓋の貯留水の吸引が開始した後に、前記開閉弁を閉じて、前記タンクの貯留水の排水を停止する発電用水車の排水装置。
2. ケーシングの内部に設置されて流水で回転するランナ、このランナを支持する縦型の水車軸、及び前記ランナの上部に配置され、前記水車軸が貫通すると共に、前記水車軸の封水部から漏洩する流水が貯留される上蓋を備える発電用水車の排水装置であって、
   前記上蓋より十分に高い位置に配置し、所定量の水を貯留するタンクと、
   このタンクから給水されて、前記上蓋より十分に低い位置に排水口を設ける排水管と、
   一端部が前記上蓋の底面に近接するサイフォン管と、を備え、
   前記排水管は、前記タンクと前記排水口との経路途上に接続すると共に、前記サイフォン管の他端部を接続する三方弁を有し、
   前記三方弁の全ての弁を開いて、前記タンクの貯留水を前記排水口から排水することにより前記上蓋の貯留水の吸引を開始し、
   前記上蓋の貯留水の吸引が開始した後に、前記三方弁の一部の弁を閉じて、前記タンクの貯留水の排水を停止する発電用水車の排水装置。
3. 前記排水管は、前記サイフォン管の他端部より下流側に接続され、前記上蓋の貯留水の排水速度を調整可能な流量制御弁を有する請求項１又は２記載の発電用水車の排水装置。
4. 前記ランナの下部に設置された吸出し管から取水された冷却水が前記タンクに供給され、当該タンクから冷却水を供給して前記水車軸の軸受部を冷却する軸受部クーラーを備える請求項１から３のいずれかに記載の発電用水車の排水装置。

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