JP2878856B2 - 水力機械の水車起動方法 - Google Patents

水力機械の水車起動方法

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JP2878856B2 JP3031053A JP3105391A JP2878856B2 JP 2878856 B2 JP2878856 B2 JP 2878856B2 JP 3031053 A JP3031053 A JP 3031053A JP 3105391 A JP3105391 A JP 3105391A JP 2878856 B2 JP2878856 B2 JP 2878856B2
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木 敏 暁 鈴
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    • Y02E10/20Hydro energy

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  • Control Of Water Turbines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は水車やポンプ水車等の水
力機械の水車起動方法に係り、特に入口弁とこの入口弁
をバイパスするバイパス弁と可動式のガイドベーンとこ
のガイドベーンによって流量制御された圧力水によって
回転されるランナとを具備した水力機械の水車を起動す
る水車起動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図6は一般的な水力機械を示したもの
で、発電運転時には上池からの圧力水が水圧鉄管1から
入口弁2を通過してケーシング3に導入される。このケ
ーシング3に流入した圧力水は、所定の開度に調整され
たガイドベーン4によって流量調整された後に、ランナ
5に流入しランナ羽根6に衝突しランナ5を回転させ
る。バイパス弁7は入口弁2の上流側及び下流側の圧力
をバランスさせて入口弁2の開閉を容易にするものであ
る。
【0003】このような水力機械の水車起動は次のよう
に行われる。図7の(a)に示したように時点T1 で起
動指令が発せられると、バイパス弁7が全閉状態から開
弁され、時点T2 で全開となる。これによってバイパス
弁7を介して水圧鉄管1内の圧力水が入口弁2の下流側
にも流入して入口弁2の上流側及び下流側の水圧を等し
くする。この後に図7の(c)に示したように入口弁2
が全閉状態から開弁され時点T3 で全開となる。次いで
図7の(b)に示したようにガイドベーン4を無負荷開
度まで開弁する(時点T4 )と、このガイドベーン4の
開弁開始に伴い図7の(d)に示したようにランナ5が
回転を開始する。このランナ5の回転が所定の回転速
度、例えば目標回転速度N0 の80%程度に達した時
(時点T5 )に、図示を省略したランナ回転速度制御用
のガバナによって回転制御を行いガイドベーン開度を調
整して目標回転速度N0 に制御する。こうして水車が高
速の目標回転速度N0 で回転している時には、図8に示
したようにガイドベーン4の開度が大きくなりかつラン
ナ5の周速度uも大きいので、流水の相対速度wはラン
ナ羽根6の付根部に沿った方向となり、図7の(e)に
示したようにランナ羽根6の付根部に作用する応力は比
較的小さい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の水車起動方法では、図7の(e)に示したように水
車起動直後の低速回転域においてランナ羽根6の付根部
には非常に大きな応力が作用する。この大きな応力の発
生原因は以下の通りである。即ち、図9に示したように
ガイドベーン4から流入した圧力水は、水車起動直後で
は、ガイドベーン4の開度が小さいため流速Cが大きく
かつランナ羽根6の入口方向に対する角度αも大きくな
り、更にランナ5の周速度がまだ小さいため流水の相対
速度wが流速Cに実質的に等しくなる。従って、圧力水
はランナ羽根6の付根部に大きな流速でほぼ垂直に衝突
し、ランナ羽根6の付根部に大きな応力が発生する。こ
のように水車の起動毎に大きな応力がランナ羽根6の付
根部に繰り返し作用すると、ランナが疲労破壊する恐れ
がある。特に高落差用の水力機械ではガイドベーン4か
らの水流の速度が大きくなるため、上記応力も更に大き
くなり、ランナ5の疲労破壊や破損の恐れが一層大きく
なる。そこで、本発明の目的は水力機械の水車起動時に
ランナ羽根に作用する応力を充分に低減することができ
る水力機械の水車起動方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明による水力機械の水車起動方法は、入口弁と、
上記入口弁の上流側と下流側とを連通するバイパス弁
と、可動式のガイドベーンと、このガイドベーンによっ
て流量制御された圧力水によって回転されるランナとを
具備した水力機械の水車起動方法において、起動指令に
応じて上記ガイドベーンと上記バイパス弁との一方を開
弁する第一開弁工程と、その後に上記ガイドベーンと上
記バイパス弁との他方を開弁して上記ランナを回転させ
る第二開弁工程と、上記第二開弁工程によって上記ラン
ナが所定回転速度に達した後に上記ガイドベーンを全閉
する全閉工程と、上記全閉工程の後に上記入口弁を全開
する全開工程と、上記全開工程の後に上記ガイドベーン
を開弁する第三開弁工程とを具備するものである。
【0006】なお、上記構成のうち、望ましい態様は次
の通りである。上記第一開弁工程は上記ガイドベーンを
所定の起動開度まで開弁し、上記第二開弁工程は上記バ
イパス弁を開弁し、上記所定回転速度に達した水車を系
統に並入する並入工程が上記第二開弁工程と上記全閉工
程との間に設けられる。上記第一開弁工程は上記バイパ
ス弁を開弁し、上記第二開弁工程は上記ガイドベーンを
所定の起動開度まで開弁し、上記第三開弁工程は上記ガ
イドベーンを無負荷開度付近まで開弁して上記ランナを
上記所定回転速度よりも大きい第二の所定回転速度で回
転させ、この後にガバナ制御を開始して目標回転速度に
制御する。上記所定回転速度は上記目標回転速度の約3
0〜50%であり、上記第二の所定回転速度は上記目標
回転速度の約80%である。
【0007】
【作用】起動指令が発生すると、これに応じてガイドベ
ーンとバイパス弁との一方が開弁され、この後にガイド
ベーンとバイパス弁との他方が開弁される。これによっ
て圧力水がバイパス弁とガイドベーンとを通過してラン
ナに流入し、ランナを回転させる。この際、ガイドベー
ンの開度は例えば全開付近の大きな起動開度に設定でき
るので、ガイドベーンからランナに流入する圧力水の流
速は比較的小さく、かつまたこの流れ角も小さくなり、
従って、ランナ羽根の入口部に衝突する力も小さくな
る。
【0008】ランナが所定回転速度に達した後にガイド
ベーンが全閉され、圧力水のランナへの流入を阻止す
る。この阻止後もランナは回転を続ける。ガイドベーン
の全閉後に入口弁が全開され、この入口弁の全開後にガ
イドベーンが再度開弁され、圧力水が再びランナに流入
する。この時には、ランナは既に回転をしているため、
流水の絶対速度とランナの周速度とによって決定される
流水の相対速度はランナ羽根の方向に沿った方向にな
り、ランナ羽根に作用する衝撃力は小さい。
【0009】
【実施例】以下に本発明による水力機械の水車起動方法
の実施例を図6乃至図9と同部分には同一符号を付して
示した図1乃至図5を参照して説明する。図1及び図2
において、発電起動指令が時点T1 で発生する(ステッ
プS1)と、図2の(b)のようにガイドベーン4が予
め設定した起動開度、例えば最大開度付近まで開弁され
る(ステップS2)。この後に、図2の(a)に示した
ようにバイパス弁7が時点T2 〜T3 の間に開弁される
(ステップS3)と、図2の(d)のように圧力水がラ
ンナ5に流入しそれを回転させる。ランナの回転速度、
即ち水車の回転速度が時点T4 で所定の値に達すると、
ガバナによって回転速度を制御し定格回転速度になるよ
うにガイドベーン開度を調整し、時点T5 で系統に並入
する(ステップS4)。この水車並入後に、図2の
(b)に示されたようにガイドベーン4が時点T6 で一
旦全閉される(ステップS5)。この全閉後、図2の
(c)に示されたように入口弁2が開弁され、時点T7
で全開される(ステップS6)。この入口弁2の開弁の
際には、上述のようにガイドベーン4は既に全閉されて
いるため、入口弁2に異常な力が作用することはない。
【0010】この入口弁2の全開後に、時点T7 〜時点
8 でガイドベーン4が再度開弁され圧力水を再びラン
ナ5に流入させ、発電運転に移行する(ステップS
7)。この実施例によると、水車起動時にランナ羽根入
口部に作用する応力は、図2の(e)に示したように充
分低減される。これを図3を参照して説明する。ガイド
ベーン4はランナ5への圧力水の導入開始時点T2 には
既にほぼ全開状態になっているため、流水の絶対速度c
の流れ角βは大きくなる(即ち、ランナ羽根6の入口方
向に対する角度αが小さくなる)と共に、絶対速度cが
小さくなる。従って、ランナ羽根6の入口部に作用する
力は従来の起動方法に比べて大幅に小さくなる。また、
時点T7 〜時点T8 で圧力水を再びランナ5に流入する
時には、既に水車は系統に並入されているので、上述の
図8の場合と同様にランナの周速度uが大きく,相対速
度wがランナ入口部に沿った方向となり、ランナ羽根に
作用する衝撃力は小さい。
【0011】図4及び図5は本発明の第2の実施例のフ
ローチャートと時間線図とを示したもので、発電起動指
令が時点T1 で発生する(ステップS10)と、図5の
(a)のようにバイパス弁7が開弁される(ステップS
20)。この後に、図5の(b)に示したようにガイド
ベーン4が時点T2 〜T3 の間に予め設定した起動開
度、例えば最大開度付近まで開弁される(ステップS3
0)と、図5の(d)のように圧力水がランナ5に流入
しそれを回転させる。このランナ5の回転速度が予め設
定した第一の回転速度、例えば目標回転速度N0 の30
%〜50%に達した時(ステップS40)、ガイドベー
ン4が時点T4 から閉弁され時点T5 で全閉される(ス
テップS50)。この後に、入口弁2が開弁され、時点
6 に全開される(ステップS60)と、ガイドベーン
4が開弁され、時点T7 でほぼ無負荷開度となる(ステ
ップS70)。なお、ランナ5の回転速度はガイドベー
ン4の全閉時T5 から徐々に低下する。しかしながら、
このランナ5の回転速度は、ランナ羽根6に大きな応力
を発生させる回転速度、即ち目標回転速度N0 の5%〜
15%にまで低下する前に、時点T6 からのガイドベー
ン4の再開弁によって上昇する。ランナ5の回転速度が
第二の設定速度、例えば目標回転速度N0 の約80%に
達した時(時点T8 )に、ガバナによってランナ回転速
度を目標回転速度N0 になるように調整する(ステップ
S80)。この第2の実施例の場合も、第1の実施例と
同様にランナ羽根入口部に作用する応力は、図5の
(e)に示したように充分低減される。
【0012】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、起動指令に応じて圧力水は第一開弁工程と第
二開弁工程とによってバイパス弁とガイドベーンとを介
してランナに流入し、ガイドベーンの開度は例えば全開
付近の大きな起動開度に設定できるので、ガイドベーン
からランナに流入する圧力水の流速は比較的小さく、か
つまたこの流れ角も小さくなり、従って、ランナ羽根の
入口部に衝突する力も小さくなる。これによってランナ
羽根に作用する応力を低減することができ、ランナの疲
労破壊や破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による水力機械の水車起動方法の第1の
実施例を示したフローチャート。
【図2】第1実施例のバイパス弁の開度、ガイドベーン
の開度、入口弁の開度、ランナの回転速度、およびラン
ナ羽根応力を示した時間線図。
【図3】上記実施例による水車起動時のランナ羽根入口
部の流水の速度を示した速度三角形図。
【図4】本発明による水力機械の水車起動方法の第2の
実施例を示したフローチャート。
【図5】第2実施例のバイパス弁の開度、ガイドベーン
の開度、入口弁の開度、ランナの回転速度、およびラン
ナ羽根応力を示した時間線図。
【図6】一般的な水力機械を示した構成図。
【図7】従来の水車起動方法によるバイパス弁の開度、
ガイドベーンの開度、入口弁の開度、ランナの回転速
度、およびランナ羽根応力を示した時間線図。
【図8】従来の水車起動方法による高速回転時のランナ
羽根入口部の流水の速度を示した速度三角形図。
【図9】従来の水車起動方法による水車起動時のランナ
羽根入口部の流水の速度を示した速度三角形図。
【符号の説明】
2 入口弁 4 ガイドベーン 5 ランナ 7 バイパス弁

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入口弁と、上記入口弁の上流側と下流側と
    を連通するバイパス弁と、可動式のガイドベーンと、こ
    のガイドベーンによって流量制御された圧力水によって
    回転されるランナとを具備した水力機械の水車起動方法
    において、起動指令に応じて上記ガイドベーンと上記バ
    イパス弁との一方を開弁する第一開弁工程と、その後に
    上記ガイドベーンと上記バイパス弁との他方を開弁して
    上記ランナを回転させる第二開弁工程と、上記第二開弁
    工程によって上記ランナが所定回転速度に達した後に上
    記ガイドベーンを全閉する全閉工程と、上記全閉工程の
    後に上記入口弁を全開する全開工程と、上記全開工程の
    後に上記ガイドベーンを開弁する第三開弁工程とを具備
    することを特徴とする水力機械の水車起動方法。
  2. 【請求項2】上記第一開弁工程は上記ガイドベーンを所
    定の起動開度まで開弁し、上記第二開弁工程は上記バイ
    パス弁を開弁し、上記所定回転速度に達した水車を系統
    に並入する並入工程が上記第二開弁工程と上記全閉工程
    との間に設けられることを特徴とする請求項1に記載の
    水力機械の水車起動方法。
  3. 【請求項3】上記第一開弁工程は上記バイパス弁を開弁
    し、上記第二開弁工程は上記ガイドベーンを所定の起動
    開度まで開弁し、上記第三開弁工程は上記ガイドベーン
    を無負荷開度付近まで開弁して上記ランナを上記所定回
    転速度よりも大きい第二の所定回転速度で回転させ、こ
    の後にガバナ制御を開始して目標回転速度に制御するこ
    とを特徴とする請求項1に記載の水力機械の水車起動方
    法。
  4. 【請求項4】上記所定回転速度は上記目標回転速度の約
    30〜50%であり、上記第二の所定回転速度は上記目
    標回転速度の約80%であることを特徴とする請求項3
    に記載の水力機械の水車起動方法。
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