JP2859361B2 - 高落差水力機械のエルボ形吸出し管 - Google Patents

高落差水力機械のエルボ形吸出し管

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  • Hydraulic Turbines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、高落差水力機械のエルボ形吸出し管に係
り、特に安定した空転運転が可能なエルボ形吸出し管に
関する。
(従来の技術) 最近のポンプ水車などの水力機械は、経済性を指向し
て高落差化しており、またこのような高落差の水力機械
の吸出し高さ、または押込み高さはキャビテーション防
止上などの観点から相対的に高いものとなっており、そ
の結果、吸出し管内の水圧力は相対的に高いものとなっ
ている。
このような水力機械において、電力系統の安定化、あ
るいは電力需要に対して相応するために、発電方向ある
いは揚水方向の調相運転が長時間にわたって連続して行
なわれることが多い。調相運転時には、電力負荷を軽減
するため、ガイドベーンを全閉したのちランナ室内の流
路部へ高圧空気を供給してランナ室内の水を排水してラ
ンナを空中で空転してランナの駆動トルクを軽減してい
る。この場合、ランナ室で排水された水のレベルはラン
ナ下方の吸出し管内部に表面を有するように給気を制御
する。
このようにランナを空中で空転させる場合、ランナま
わりおよび下方の空気はランナ羽根の回転の影響によ
り、ランナ回転方向にかきまわされ、吸出し管内の水面
はこの空気の影響により波立ち動揺する。従来は、この
ような遠心風圧力による波立ち現象を物理的に表現する
ため、重力場が支配的である自由表面を有する力の場の
フルード数Fr(慣性力と重力の比)を導入し、空気の密
度と水の密度の比は一定として波立ち現象の度合を示
し、吸出し管高さなどを検討するのが一般的であった。
(発明が解決しようとする課題) ところが、落差が高くなり、吸出し管内の圧力が高い
場合、すなわち吸出し圧力あるいは押込み圧力が高い場
合は、当然ランナ室まわりの空気の圧力もこれと等しく
なり高い圧力となる。例えば500m級の高落差ポンプ水車
の場合、吸出し圧力は100m水柱程度となり、ランナ室内
の空気の圧力もこれにより10気圧程度と高いもので、空
気密度も大気圧状態の約10倍となる。このようにランナ
室まわりの空気の密度が大きいと、ランナの空転による
ランナ羽根の遠心風圧作用が大きくなり、このエネルギ
ーが吸出し管内の水面に伝わり、水面の波立ち動揺も大
きなものとなる。この水面動揺が大きくなると、エルボ
形吸出し管の場合、一部空気を巻き込んだ動揺がエルボ
上端よりも下方に下ると、この空気はランナ室側と反対
の、放水路側に漏気することになり、吸出し管内の水面
レベルが平均的に上昇していくため、漏気補給する必要
が生じる。
このように、高落差の水力機械においては、空気の密
度と水の密度の比をたえず一定とすると、吸出し管内の
波立ち現象を正しく表現することは無理があり、空気の
密度の変化を考慮する必要があった。
第3図は上述した状態を模式的に示したものであり、
図中、図示しない鉄管に接続されるうず巻ケーシング1
の内方には、水量調整用の複数枚のガイドベーンン2が
等間隔で配置され、ランナ室内にはランナ3が組込ま
れ、ランナ室の下方には、図示しない放水路に接続され
たエルボ形吸出し管4が接続されている。このような水
車において、ガイドベーン2を各々全閉し、ランナ3ま
わりのランナ室の水を下方のエルボ形吸出し管4の垂直
管部に水面レベルがくるように給気制御し、ランナを空
転すると、ランナ羽根の遠心風圧作用により、図示する
ように吸出し管4の水面が波立ち動揺する。この波立ち
動揺が大きい場合は、エルボ上端部付近から空気が放水
路側に漏気することがあり、繁雑な漏気補給が必要とな
ったり、水面動揺によるランナ動力の変動などが生じた
りして、長時間の安定した調相運転が実施できないとい
う問題があった。
上記漏気補給を行った場合、エルボ形吸出し管と接続
する放水路の途中に自由表面を持つサージタンクがある
放水路の場合、このエルボ形吸出し管の水面と、放水路
途中のサージタンクなどの自由表面部までの水が、漏気
補給時の高圧給気のショックにより一種のU字管タイプ
の振動、いわゆるサージングを起こし、さらに吸出し管
内の水面動揺を助長することがある。このような状態を
模式的に示したものが第4図である。エルボ形吸出し管
4には吸出し管と連通した放水炉5が接続され、この放
水炉6の途中には自由表面を持つサージタンク6が接続
されている。漏気補給の給気を行うと、このショックの
ためエルボ形吸出し管4とサージタンク6の間の水がU
字管タイプの振動、サージングを起こし、自由表面部が
上下することになり、このサージングのため、吸出し管
4内の水面動揺が大きくなり、ランナ動力の変動などが
発生し、やはり長時間の安定した調相運転ができないと
いう問題もあった。
そこで本発明の目的は、高落差の立軸の水力機械にお
いて、安定した長時間の空転・調相運転が可能となるエ
ルボ形吸出し管を提供することである。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明は、エルボ形吸出し
管の水面動揺のエネルギーの大きさを正しく示す係数K
を導入し、これにより、水面動揺の幻想を物理的に正確
に示す係数に基き、模型試験などにより漏気の発生しな
い吸出し管高さの関係を見出したものである。
すなわち、ランナ出口径をDe(m)、ランナ出口部の
周速をUe(m/s)、吸出す管の軸方向高さをF(m)、
無次元フルード数 、gは重力加速度(m/S2)、吸出し管内の水圧に相対す
る水の密度をρ(kg/m3)、吸出し管内の水圧に相当
する圧力場の空気の密度(すなわち、これは吸出し管内
に給気さる空気の密度のことである)をρ(kg/m2
とし、水面動揺のエネルギーの大きさを示す係数とし
て、ρとρの比の平方根 とFrとの積からなる係数 を導入する。他方、吸出し管高さについては、ランナ出
口径に対する比で示した相対高さA(=F/De)を導入
し、エルボ形吸出し管に接続する放水路にサージタンク
などの自由表面を持つ構造物のある場合はA≧(1.964K
+1.25)となるように、また放水路にサージタンクなど
の自由表面を持つ構造物がない場合はA≧(1.792K+1.
25)となるように吸出し管の高さを定めるものである。
(作 用) 上記係数Kは、水面動揺を決定づけるエネルギーの大
きさを示す一つの係数であり、すなわち、空気の密度ρ
が大きい場合相、ランナの周速Ueが大きい場合はそれ
ぞれ水面動揺が大きくなる傾向を示し、これらは相乗作
用を働くことになる。これは従来にはみられない、現象
を正しくとらえるものであり、この係数に対して、水面
動揺による漏気現象がどのように変化するかを、いくつ
かの高落差用の模型試験を実施して調査し放水路側への
漏気発生限界となる係数Kと吸出し管高さAの関係を定
めたものである。これより、係数Kが大きくなると、水
面動揺が相対的に大きくなることから吸出し管高さAを
相対的に大きくすることとなり、合理的な結果となって
いる。
よってこのような空気密度と水の密度の比に着目し、
波立ち現象を正しく把握できる関係で定めた吸出し管高
さを採用くることで、放水路側への漏気を防止すること
ができ、安定した長時間の調相運転が可能となる。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図は、吸出し管内の水面動揺の大きさを決定する
エネルギーの大きさを示す係数Kと吸出し管の相対高さ
Aの座標において、サージタンクなどのある場合とサー
ジタンクなどのない場合における放水路側への漏気有無
の境界線を高落差水力機械の模型試験に基づいて示した
ものである。なお図中には、模型試験において高落差の
ポンプ水車において(通常K≧1程度)、係数KのAと
の関係より定まる試験結果例を図示し、合せて漏気の有
無も区別するようにした。さらに、同様の整理により現
地試験による実物の結果を合せて示した。また図中の境
界線は、一次式でそれぞれ示した。図中、K=0におけ
るF/De=1.25とはつぎの意味である。すなわち、エルボ
形吸出し管において、最も吸出し管が低い場合は、ラン
ナ下端からすぐエルボ部に接続する場合であり、吸出し
管高さFはランナのケーシング中心部からランナ下端ま
での軸方向高さと、エルボ形吸出し管のエルボ部の高さ
の和で表わされる。この両者の和のランナ出口径Deに対
する比は、一般のポンプ水車などの水力機械において
は、ほぼ一定であり、すなわち1.25とおける。従って、
K=0、すなわち停止時においても放水路側に漏気する
最低の吸出し管高さF/Deは1.25と考えることができる。
つぎに、第2図のようなポンプ水車の吸出し管高さの
決定方法を説明する。ランナの出口径をDe(m)、ラン
ナ出口部の周速をUe(m/s)、ランナの回転速度をN(r
pm)とする。これによりUeは、つぎのようになる。
これより無次元フルード数Frが求まる。すなわち、g
を重力の加速度〔m/S2〕としたとき、 ところで、慣性力と重力の力による比を示すフルード数
は、元来つぎのような意味がある。
ここでL:代表長さ、T:時間、ρ:密度 v=L/T(代表速度) ここで、吸出し管内の波立ち現象を示す状態量はつぎ
のようである。
ここで、慣性力のρにおいて、空気の密度ρ、重力
の力のρにおいて、水の密度ρw、代表長さとしてラン
ナ出口径De、代表速度としてランナ出口径における周速 とすることで、 このように上記、ランナ回転による遠心風圧力と重力波
としての水面同様波動圧力の比は、従来のフルード数
に、空気の密度と水の密度の比を乗ずることを表わすこ
とができる。上式の平方根をとり、係数Kをつぎのよう
に定める。
また、吸出し管内の水圧力は、放水路に接続する下池
の水位によって定まり、これよりこの水圧における水の
密度ρ(kg/m3)、およびこの水圧力に相当する空気
の密度ρ(kg/m3)が求まる。
以上から、係数Kが求まる。
このようにして、Kが定まると、放水路側にサージタ
ンクなどの自由表面を持つ構造物がある場合はA≧(1.
964K+1.25)、無い場合はA≧(1.792K+1.25)となる
ようにAを定めればよい。これより、 F=A×De ……(8) によって吸出し管の高さFを決定することができる。
第1図で示した境界は、水面動揺に影響を与えるエネ
ルギーの大きさと吸出し管高さとの関係を高落差水力機
械の模型試験をベースとして的確に定めたものであり、
かつ、実際、運転中のポンプ水車の実績も含めて検証し
ており、極めて信頼性の高い吸出し管高さの決定方法で
ある。
(発明の効果) 以上の説明から明らかなように本発明によるエルボ形
吸出し管形状を採用すれば、水力機械の調相運転時に、
吸出し管内の水面動揺に起因する放水路側への漏気現象
を防止することができ、繁雑な漏気補給を行うこともな
く、かつランナ駆動力も変動しない安定した長時間の調
相運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、吸出し管水面動揺に影響を与えるエネルギー
の大きさを示す係数Kと、相対吸出し管高さAとの座標
面において、漏気有無の境界線を示した線図、第2図は
本発明を適用するポンプ水車の1断面例、第3図は吸出
し管内の水面動揺の態様を示した模式図、第4図は吸出
し管内の水面とサージタンクの水面との間でのサージン
グを示した模式図である。 3……ランナ、4……エルボ形吸出し管、5……放水
路、6……サージタンク。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水力機械のケーシング中心からエルボ形吸
    出し管の底面までの軸方向距離F〔m〕のランナ出口径
    De〔m〕に対する比をA=F/Deとし、吸出し管内の静水
    圧に相当する圧力場の空気の密度ρ〔kg/m3〕の吸出
    し管内の水の密度ρ〔kg/m3〕に対する比の平方根 と無次元フルード数 (ue:ランナ出口部の周速、g:重力加速度m/S2)との積
    からなる無次元数を としたとき、吸出し管の高さは、放水路にサージタンク
    などの自由表面をもつ構造物がない場合にはA≧(1.79
    2K+1.25)の関係を満たすように、また、放水路にサー
    ジタンクなどの自由表面をもつ構造物が存在する場合に
    はA≧(1.964K+1.25)の関係を満たすように設定され
    たことを特徴とする高落差水力機械のエルボ形吸出し
    管。
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