JP2020084956A - タービン装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率が向上し、キャビテーション現象の発生が抑制される水力発電用のタービン装置の動作方法を提供する。【解決手段】本発明のタービン装置の動作方法は、水力発電所の導水管２０及びタービン３０の回転羽根３２の前方にガス導入装置４０が設置され、ダム１０の水頭の位置エネルギーを利用して高速水流を発生させる。この高速水流によりガス導入装置４０の排気口で形成される負圧によって外部からのガスが吸入されて水と混合されると同時に加圧され、大量の加圧気泡を含む水流が製造される。この大量の加圧気泡を含む水流を利用し、タービン３０の排水口２２付近の圧力が低下した際に加圧気泡が圧力から解放され、体積が大幅に膨張することにより回転羽根に対する高速水流の作用が補助され、タービン３０の発電効率が高まる。同時に低圧エリアにおける気泡の発生が抑制され、キャビテーション現象の発生が防止される。【選択図】図３

Description

本発明は、水力発電用のタービン装置の動作方法に関する。

水力発電では、水力発電所のダム１００からの水流が集中し、水が導水管２００の取水口２０１を経由して排水口２０２からタービン３００に上から下へと流れることにより衝動タービン３００が回転され、タービン３００に接続された発電機４００がタービン３００により連動されて電気エネルギーを発生させる（図１参照）。

なお、タービンはその動作原理の違いにより衝動タービンと反動タービンに大別される。
このうち、衝動タービンは高速水流が回転羽根やバケット３０２ａに衝撃を加えることにより動作する。
代表的なモデルとしてはペルトンタービン（Pelton Turbine）３００ａがある（図２Ａ参照）。
反動タービンは水流の圧力及び運動エネルギーを利用して動作する。代表的なモデルとしては、
タービン型回転羽根３０２ｂを使用したフランシスタービン（Francis Turbine）３００ｂ（図２Ｂ参照）、
及び螺旋形回転羽根３０２ｃを使用したカプランタービン（Kaplan Turbine）３００ｃがある（図２Ｃ参照）。

上記のタービンはどちらも位置水頭により回転羽根を駆動させる。その外形構造の違いにより、
図２ａに示すペルトンタービンのような非密閉型ケース３０１ａ、
図２ｂに示すフランシスタービンのような密閉型ケース３０１ｂ、
及び図２ｃに示すカプランタービンに大別される。

タービンの運転中には特殊な物理現象が発生する。即ち、タービンのガイド板、回転羽根等の関連部品や部材に対する高速水流の衝撃により高圧エリア及び低圧エリアが発生する。
高圧エリアにおいては水の位置エネルギーの運動エネルギーが電気エネルギーに変換されるが、低圧エリアにおいてはその一部が水の蒸気圧より低い場合、水蒸気化して気泡（破裂する）が生じ、タービンの部材を侵蝕してしまう（キャビテーション）。これがタービンの効率及び耐用年数に影響を及ぼす。

タービンの関連部品や部材のキャビテーションを防ぐ方法としては、キャビテーション耐性のある特殊な金属材料を選択することが考えられるが、ASTM A487 stainless steel等の特殊なステンレス材料は高価格な上に加工が難しい。
また、複雑な設計にするか、タービンの構造設計を変更することも考えられるが、これは容易に完成できるものではなく、コストも掛かる。

そこで、どのように低コストでタービンを製造し、どのようにタービンのパワーを高めつつタービン部品等の関連部材のキャビテーション現象の発生を抑制するかが、出願人が解決を求める課題であった。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電効率が向上し、キャビテーションの発生が抑制される、水力発電用のタービン装置の動作方法を提供することにある。

上記課題を解決するための、本発明のある態様のタービン装置の動作方法は、以下の特徴を備える。
水力発電所のダムに設置される。
ダムの上端は取水口を有し、ダムの底端は排水口を有する導水管と、ケース及び前記ケースに内設される回転羽根を有する。
前記導水管の排水口に接合されることで前記導水管の水流及び水の重力により前記回転羽根が駆動されるタービンを備える。
前記導水管及び前記タービンの回転羽根の前方にはガス導入装置が設置される。
前記ガス導入装置は、前記導水管及び前記回転羽根の前方にあるパイプ本体に周設される少なくとも１本のエアダクトで構成される。
前記エアダクトの上部は外部からのガスを導入するための吸気口を有し、下部は前記パイプ本体内まで延伸されて排気口が形成される。
前記エアダクトの前記吸気口と前記排気口との間に前記エアダクトの開閉を制御するためのスイッチバルブが設置される。
ベルヌーイの定理（Bernoulli's Principle）を応用し、前記導水管の高速水流により前記パイプ本体の排気口に形成される負圧が外部からのガスを吸入させる。これら前記ガスが前記排気口から排出されると共に水と混合された後、大量の加圧気泡を含む水流が形成される。
これにより前記ダムの位置水頭及び前記ガス導入装置を利用して加圧気泡が製造され大量の前記加圧気泡を含む水流により、減圧エリアにおいて前記加圧気泡の体積が膨張することで前記回転羽根を押動させる水流が補助される。
こうして、水流の作用力が増加してタービンのパワーが高まるのみならず、水流中に含まれる加圧気泡により低圧エリアにおける気泡の発生が同時に抑制され、前記タービンのキャビテーションによる侵蝕現象の発生が防止される。

上記の技術的特徴を備えることにより、本発明のタービン装置の動作方法は、水力発電所の導水管の排水口及びタービンの回転羽根の前方にガス導入装置が設置される。
タービン内部の原設計には変更を加えずに、ベルヌーイの定理（Bernoulli's Principle）を応用し、ダムの位置水頭を利用して発生する高速水流がガス導入装置の排気口に形成させる負圧により外部からのガスが吸入されて水と混合された後、大量の加圧気泡を含む水流が製造される。
キャビテーション現象は主に高速水流が回転羽根に衝撃を与え、低圧部分が水の蒸気圧より低くなり、水蒸気化して気泡が発生し、タービン内部の関連部材を侵蝕することでタービンのパワー及び耐用年数に影響が及ぶ。
従来の水流の気泡は破裂するが、本発明のタービン装置高圧気泡は圧縮可能性があるため圧縮時に破裂しない。
よって、本発明の加圧気泡は水流の作用力を増加させてタービンのパワーを高めるのみならず、水流中に加圧気泡が含まれると同時に低圧エリアにおける気泡の発生が抑制され、回転羽根及び関連部材のキャビテーション現象の発生が防止される。

従来の水力発電所を示す断面図である。 公知のフランシスタービンの構成を示す断面図である。 公知のカプランタービンの構成を示す断面図である。 公知のペルトンタービンの構成を示す断面図である。 本発明の構成の一実施形態の外観斜視図である。タービンの外形構造は密閉型ケースである。 本発明の一実施形態の部分の断面図である。ガス導入装置が排水口の前に設置される。 本発明の一実施形態の部分の断面図である。ガス導入装置がタービンに設置される。 図４Ｂの部分拡大断面図である。 図５の６−６線に沿った拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係るガス導入装置を示す断面図である。 図７の８−８線に沿った拡大断面図である。 本発明の一実施形態の使用状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態の他の使用状態を示す断面図である。 本発明の他の一実施形態の断面図である。タービンの外形構造は非密閉型ケースである。 本発明の他の一実施形態の使用状態を示す断面図である。

以下、本開示の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本開示は下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
また、下述の「タービン装置」はタービン部品及び部材等の関連部材を含む。
（第１実施形態）

まず、図３〜１０を参照しながら、本発明の第１実施形態をさらに詳しく説明する。
本発明の第１実施形態は、水力発電所のダム１０内部またはその上方に設置される。上端には取水口２１を有し、底端には排水口２２を有する導水管２０と、ケース３１及び前記ケース３１に内設される回転羽根３２を有する。前記導水管２０の排水口２２に接合され、前記導水管２０の上から下に流れる水流の圧力を利用して前記回転羽根３２を駆動させ、発電機５０を連動させるタービン３０を備える。
なお上記の構成は一般的な水力発電所の設備及びその基本構造に属するため、その原理及び機能についての説明は省く。
図３及び図４に示すように、本発明の下述のパイプ本体３３は、前記排水口２２の前方及び取水用管継手３３ａについての段落で述べる位置に設置される。

本発明の主要な特徴について下述する。
前記導水管２０の排水口２２及び前記タービンの回転羽根３２の前方にはガス導入装置４０が設置される。
前記ガス導入装置４０は、前記導水管２０の排水口２２及び前記回転羽根３２の前方のパイプ本体３３に周設される少なくとも１本のエアダクト４１で構成される。
前記エアダクト４１の上部は外部からのガス（ａ）を導入するための吸気口４１１を有し、下部は前記パイプ本体３３の内壁面まで延伸されて排気口４１２が形成される。また、前記エアダクト４１は前記吸気口４１１（図５−１０、１２）と前記排気口４１２との間に前記エアダクト４１の開閉を制御するためのスイッチバルブ４１３（図５−１０、１２）が設置されることを含む。

図３に示すように、第１実施形態では、前記タービン３０は反動タービン３０ａであるが、フランシスタービン（Francis Turbine）またはカプランタービン（Kaplan Turbine）であってもよい。また、第１実施形態では、前記反動タービン３０ａはフランシスタービンであるが、この限りではない。
前記ケース３１は密閉型ケース３１ａを呈する。その回転羽根３２はタービン型３２ａであり、取水用管継手３３ａを有する。
前記導水管２０の排水口２２は前記取水用管継手３３ａに連結される。
前記ガス導入装置４０は、複数のエアダクト４１で構成され、前記導水管２０の排水口２２の前方または前記取水用管継手３３ａの任意の位置に設置される。

また、図４Ａに示すように、第１実施形態では、前記ガス導入装置４０は前記導水管２０の排水口２２の前方の周縁に設置されるが、この限りではない。前記ガス導入装置４０は図４Ｂに示すように前記取水用管継手３３ａに設置されてもよい。よって、本発明のガス導入装置４０は前記導水管２０の排水口２２の前方の周縁または前記取水用管継手３３ａのどちらに設置されてもよい。

第１実施形態では、前記スイッチバルブ４１３は手動式スイッチバルブまたは自動式スイッチバルブのどちらで実施してもよい。前記スイッチバルブ４１３の機能について述べる。
導水管２０で上から下に流される水流が前記回転羽根３２を駆動させ始める際にはまだ高速水流状態に達しないため、排気口４１２（図５−１０、１２）で負圧を発生させてガスを導入することができない。この際、前記スイッチバルブ４１３を閉状態（CLOSE）にしなければ水流が前記排気口４１２から流出して前記取水口４１１に逆流する。
その後、導水管２０が高速水流状態に達したら前記スイッチバルブ４１３を開状態（OPEN）にすると、この際に高速水流（ｈ）がガス導入装置４０の環状体排気口４２２で形成される負圧により外部からのガス（ａ）が吸入されると共に水（ｗ）と混合された後、大量の加圧気泡（ｂ）を含む水流が形成される。

好ましくは、排水口２２の前方での水流が速いため、前記排気口４１２は前記排水口２２の前方に近接する位置に設置される。
また、本発明に記載の排気口４１２は円孔状であるが、この限りではなく、他の形状でもよい。
なお、第１実施形態では、前記排気口４１２が後に向けて傾斜していることが好ましいが、この限りではない。実験からは、前記排気口４１２が管壁に垂直に設置されても高圧水流が前記排気口４１２で負圧吸引力を発生させることが分かった。

図７及び図８に示すように、第１実施形態では、前記ガス導入装置４０は、環状体４２を有する。前記複数のエアダクト４１が前記環状体４２の周縁に設置され、前記環状体４２の下端には前記導水管２０または前記取水用管継手３３ａの管壁面に環状体排気口４２２が形成される。
前記環状体排気口４２２及び上述の排気口４１２は共に高速水流状態において形成される負圧により外部からのガス（ａ）を吸入させると共に水（ｗ）と混合させた後、大量の加圧気泡（ｂ）を含む水流を形成させる。

図９は本発明の第１実施形態の使用状態を示す参考図である。
本発明のタービン装置は位置水頭を利用して高速水流（ｈ）を発生させる。高速水流（ｈ）がガス導入装置４０の排気口４１２で形成させる負圧により外部からのガス（ａ）が吸入されると共に水（ｗ）と混合された後、大量の加圧気泡（ｂ）を含む水流が形成される。導入された気泡が圧縮されて体積が小さくなって排水口付近の圧力が徐々に低下すると、前後の圧力差の変化を利用して瞬間的に膨張して大きくなる。
本発明の加圧気泡（ｂ）は圧縮可能性があるため圧縮時に破裂しない。このため、本発明の加圧気泡（ｂ）により水流の作用力（Ｆ）が増加し、タービンのパワーが高まるのみならず、水流中に含まれる加圧気泡（ｂ）により、低圧エリアでの気泡の発生が同時に抑制され、回転羽根３０及びその関連部材にキャビテーション現象の発生が防がれる。

図１０は本発明の第１実施形態の他の使用状態を示す参考図である。第１実施形態に係るタービン３０はカプランタービン３０ｂである。これは反動タービン３０ａの一種であり、密閉型ケース３１ｂを有し、全段落で述べた使用状態との差異は、前記回転羽根３２が螺旋形回転羽根３２ｃである点のみである。よって、前記ガス導入装置４０に適用可能であり、フランシスタービンが使用される場合と同じ効果がある。その詳細は省略する。
（第２実施形態）

図１１及び図１２は本発明の第２実施形態を示す概略図である。第１実施形態と同じ構造は同じ符号を以って表示し、その差異についてのみ下述する。
前記タービン３０は衝動タービン３０ｃであり、非密閉型ケース３１ｃに属する。前記導水管２０の排水口２２は前記衝動タービン３０ｃの回転羽根３２ｃの周辺まで延伸され、前記ガス導入装置４０は前記排水口２２の前方の周縁に設置される。
第２実施形態では、前記衝動タービン３０ｃがペルトンタービン（Pelton Turbine）であり、前記ケース３１が非密閉型ケース３１ｃであり、前記回転羽根３２がペルトン型回転羽根３２ｄであってもよい。
また、前記導水管２０の排水口２２の前方には前記排水口２２の水流量の調整に用いられる調整バルブ２３が設置される。前記調整バルブ２３は先行技術に属し、本発明の特許の目的ではないため詳述は省く。

密閉型ケースのフランシスタービン、カプランタービン、非密閉型ケースのペルトンタービン等の、市販のどの型式のタービンであれ、本発明の上記ガス導入装置４０が適用可能である。

以上を総合すると、本発明の上記技術手段では以下の原理及び性質を利用している。
１．ベルヌーイの定理。
位置水頭を利用して高速水流（ｈ）を発生させ、高速水流（ｈ）がガス導入装置４０の排気口４１２で形成する負圧により、外部からのガス（ａ）が吸入されると共に水と混合された後、大量の加圧気泡（ｂ）を含む水流が形成される。
前記水流中の大量の加圧気泡（ｂ）のエネルギー源はダムの位置水頭から変換されたものであり、別途エネルギー源が必要なく、経済効率が高い。
２．ガスの圧縮可能性原理及びボイルの法則（Boyle's law）。
圧縮可能性ガスの体積と加えられる圧力とは反比例の関係にある。即ち、Ｐ₁Ｖ₁＝Ｐ₂Ｖ₂となり、圧力が増大すると体積が小さくなり、圧力が減少すると体積が大きくなる。例えば、２Ｐ₁１Ｖ₁＝１Ｐ₂２Ｖ₂である。
水には圧縮可能性がないが、水流中に気泡が混合される際に圧縮可能性を有する水流気泡が生まれる。これにより、本発明の大量の加圧気泡（ｂ）を含む水流が圧縮可能性を獲得する。圧縮時には体積が変化するのみで、破裂はしない。
３．加圧気泡（ｂ）は破裂しない。
キャビテーション現象は主に、高速水流が前記回転羽根（インペラーガイド板）に衝撃を与え、低圧部分が水の蒸気圧より低くなり、水蒸気化して気泡（破裂する）が発生し、タービン内部の関連部材が侵蝕されることで発生する。これがタービンのパワー及び耐用年数に影響を及ぼす。
しかし、本発明では位置水頭を利用して高速水流（ｈ）を製造し、前記ガス導入装置４０の排気口４１２に形成される負圧により、外部からのガス（ａ）が吸入されると共に水（ｗ）と混合された後、大量の加圧気泡（ｂ）を含む水流が形成される。導入された気泡が圧縮されることにより体積が小さくなり、排水口付近の圧力が徐々に低下すると、前後の圧力差の変化により瞬間的に膨張する。
本発明の加圧気泡（ｂ）は圧縮可能性を有するため、圧縮時に破裂しない。よって、本発明の加圧気泡（ｂ）が減圧エリアにおいて体積が膨張し、水流の作用力が増加してタービンのパワーが高まるのみならず、水流中に含まれる加圧気泡（ｂ）により、低圧エリアにおける気泡の発生が同時に抑制され、回転羽根及びその関連部材のキャビテーション現象の発生が防がれる。

上記技術手段により、本発明ではガス気泡が導入される。これは高速水流エリアに前記ガス導入装置４０を設置するのみでよく、いかなる動力も不要でああるため、非常に省エネで低コストである。
注入ガスを加圧する必要がある場合でも、少量の動力によって数倍の動力効果を獲得できる。

さらに、前記ガス導入装置４０では補助装置でガスが導入され、水力発電所の排気ガスを前記エアダクト４０内に送り込まれてもよい（図示省略）。これによって、資源のリサイクルが可能となり、余計な資源が浪費されず、コストも増加しない。
また、注入ガスを加圧する必要があって、加圧された注入ガスが前記環状体排気口４２２から排出される場合には、より高い推進動力効果が獲得され、少量の動力で数倍の動力効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１０ ダム
２０ 導水管
２１ 取水口
２２ 排水口
２３ 調整バルブ
３０ タービン
３０ａ 反動タービン
３０ｃ 衝動タービン
３１ ケース
３１ａ 密閉型ケース
３１ｃ 非密閉型ケース
３２ 回転羽根
３２ａ 回転羽根
３２ｂ 回転羽根
３２ｃ 回転羽根
３２ｄ ペルトン型回転羽根
３３ パイプ本体
３３ａ 取水用管継手
４０ ガス導入装置
４１ エアダクト
４１１ 吸気口
４１２ 排気口
４１３ スイッチバルブ
４２ 環状体
４２２ 環状体排気口
５０ 発電機
（ａ） 外部からのガス
（ｂ） 加圧気泡
（Ｆ） 水流の作用力
（ｈ） 高速水流
（ｗ） 水

Claims (8)

1. 水力発電所のダムに設置されるタービン装置の動作方法であって、
   上端には取水口を有し、底端には排水口を有する導水管と、
   ケース、及び前記ケースに内設される回転羽根を有し、前記導水管の排水口に接合されることで前記導水管の水流及びその重力により前記回転羽根が駆動されるタービンと、を備え、
   前記導水管及び前記タービンの回転羽根の前方にはガス導入装置が設置され、
   前記ガス導入装置は、前記導水管及び前記回転羽根の前方にあるパイプ本体に周設される少なくとも１本のエアダクトで構成され、
   前記エアダクトの上部は外部からのガスを導入するための吸気口を有し、下部は前記パイプ本体の内壁面まで延伸されて排気口が形成され、
   前記吸気口と前記排気口との間に前記エアダクトの開閉を制御するためのスイッチバルブが設置され、
   前記導水管の高速水流により前記パイプ本体の排気口に形成される負圧が外部からのガスを吸入させ、吸入された前記ガスが前記排気口から排出されると共に水と混合された後、大量の加圧気泡を含む水流が形成され、
   前記ダムの位置水頭及び前記ガス導入装置により大量の前記加圧気泡が発生して水流中に混入され、
   大量の前記加圧気泡を含む水流により、タービンの減圧エリアにおいて前記加圧気泡の体積が膨張して前記回転羽根を回転させる水流が補助され、水流の作用力が増加してタービンのパワーが高まるのみならず、同時に水流中に含まれる加圧気泡により低圧エリアにおける気泡の発生が抑制され、前記タービン装置のキャビテーション現象の発生が防止されることを特徴とするタービン装置の動作方法。
2. 前記タービンは反動タービンであり、
   前記ケースは密閉型を呈すると共に取水用管継手を有し、
   前記導水管の排水口は前記タービン取水用管継手に連結され、
   前記ガス導入装置は、前記導水管の排水口の前方または前記タービンの取水用管継手の任意の位置に設置される少なくとも１本のエアダクトで構成されることを特徴とする請求項１に記載のタービン装置の動作方法。
3. 前記ガス導入装置は、環状体を更に含み、
   前記少なくとも１本のエアダクトが前記環状体の周縁に設置され、
   前記環状体の下端には前記導水管または前記タービンの取水用管継手の管壁面に環状体排気口が形成されることを特徴とする請求項２に記載のタービン装置の動作方法。
4. 前記反動タービンが、フランシスタービン及びカプランタービンであることを特徴とする請求項２に記載のタービン装置の動作方法。
5. 前記タービンは衝動タービンであり、
   前記導水管の排水口が前記衝動タービンの回転羽根の周辺まで延伸され、
   前記ガス導入装置が前記排水口の前の周縁に設置されることを特徴とする請求項１に記載のタービン装置の動作方法。
6. 前記衝動タービンはペルトンタービンであることを特徴とする請求項５に記載のタービン装置の動作方法。
7. 前記スイッチバルブが手動式スイッチバルブ及び自動式スイッチバルブであることを特徴とする請求項１に記載のタービン装置の動作方法。
8. 前記導水管が高速水流状態に達していない場合、前記スイッチバルブが閉状態となり、
   前記導水管が高速水流状態に達した場合、前記スイッチバルブが開けられて開状態となることを特徴とする請求項７に記載のタービン装置の動作方法。

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