JP3495089B2

JP3495089B2 - 水力機械

Info

Publication number: JP3495089B2
Application number: JP10859894A
Authority: JP
Inventors: 本貴與志松; 川敏史黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-05-23
Filing date: 1994-05-23
Publication date: 2004-02-09
Anticipated expiration: 2019-02-09
Also published as: JPH07317643A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水力機械に係り、特に水
車又はポンプ水車等のランナ室内に空気を充満してラン
ナを空転運転し、ランナ外周部の滞留水を排出管を介し
て空気と共に吸出し管に排出する水力機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、大型大容量のポンプおよびポン
プ水車を起動運転する場合や、発電用ポンプ水車等で電
力系統を安定化させるために調相運転する場合、ポンプ
水車等への水の流入を遮断して空転運転を行う。この空
転運転は、ランナの外周側に配設されたガイドベーンを
全閉状態に維持した状態で、コンプレッサを作動してラ
ンナ室に高圧空気を供給して吸出し管の上部の水面を下
方に押し下げた後、ランナを空転させるものである。空
転運転はランナの起動、加速時の駆動トルクを大幅に低
減して容易に低速運転に移行することができる。

【０００３】しかしながら、ガイドベーンを全閉状態に
維持した場合でも、ガイドベーンの微小な隙間を経て水
がランナ室外周に漏水する。漏水した水はランナ室外周
に張着してランナの攪拌作用を受け、損失エネルギが増
大してランナの駆動トルクが増大する。また、損失エネ
ルギに相当する発熱で時間の経過と共にランナ室内の温
度が上昇して構成部材が膨脹変形する等の問題があっ
た。前記問題を解決すべく、例えば特公昭４５−１２０
０２号公報、特公昭４６−３９１７２号公報及び特公昭
５２−７４７３６号公報において、ランナ室外周に漏水
した水を系外に排出する排出管をランナ外周部に設け、
排出管からの排水量を制御する漏水排出装置が提案され
ている。

【０００４】以下漏水排出装置を備えた立軸渦巻き形水
車の一例を図６により説明する。図６において、全体を
符号１で示した立軸渦巻き形水車は、渦巻ケーシング２
の中央にランナ３及び主軸４を備え、ランナ３の外周に
ガイドベーン５を備えている。ガイドベーン５は開閉自
在に支持されている。また、立軸渦巻き形水車１は、ラ
ンナ３の出口部にランナ室６が形成され、ランナ室６と
放水路７とが吸出し管８で連通されている。吸出し管８
は略Ｌ字形に形成され、吸出し管上部８ａおよび吸出し
管下部８ｂがそれぞれ垂直方向および水平方向に延長さ
れている。漏水排出装置９は漏水排出管１０ａ、１０ｂ
を備え、漏水排出管１０ａはランナ側圧室１１に流入し
た漏水を吸出し管上部８ａに戻し、漏水排出管１０ｂは
ランナ３とガイドベーン５との間の漏水を吸出し管上部
８ａに戻す。なお、漏水排出管１０ａ、１０ｂにはそれ
ぞれ調整弁１２ａ、１２ｂが設けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、立軸渦巻き
形水車１を空転運転する場合、ランナ３は空気を作動流
体とする締切運転の状態になる。図６に締切運転の場合
の流体の流れを模式的に示すが、流体が中央部からラン
ナ３内に流入し、流入した流体はランナ３により角運動
量が与えられる。これにより、流体はランナ３の回転方
向と同方向に旋回しながらランナ室６内に流出する。ま
た、ランナ３の外周部でも流体の循環流れが同様に発生
する。これにより、ランナ室６に空気の旋回流れが発生
し、発生した空気の旋回流れで押下げ水面１３が下方に
押し下げられる。

【０００６】ここで、ポンプ水車等が大容量の場合、ポ
ンプ運転時にランナ３に発生するキャビテーションを避
けるため、吸出し管上部８ａの高さが高くなる。したが
って、押下げ水面１３を押し下げために空気圧を高くす
る必要がある。これにより、空気密度が増加して空気の
旋回流れが押下げ水面１３に及ぼす影響が大きくなる。
例えば空気の旋回流れの空気圧が２〜３気圧以上の場
合、押下げ水面１３は破砕され、吸出し管上部８ａ内の
水が大きく乱れると共に激しく旋回する。これにより、
水中にランナ室６内の空気が気泡として巻き込まれ、水
中に巻き込まれた気泡の一部は、吸出し管下部８ｂを介
して放水路７へ流出する。したがって、ランナ室６内の
空気が運転時間の経過とともに減少するという問題があ
る。

【０００７】また、ランナ室６内の空気が減少するとラ
ンナ室６の下方の押下げ水面１３が上昇して、ランナ３
と押下げ水面１３が干渉する。これにより、振動やトル
ク変動が発生してランナ３の温度が上昇するという問題
がある。ランナ室６内の空気の減少を防止する対策とし
て吸出し管上部８ａを長く設定してランナ３の下端部か
ら押下げ水面１３までの距離や押下げ水面１３から吸出
し管８の曲部までの距離を大きく設定する方法が知られ
ている。しかしながら、この方法は吸出し管上部８ａが
長くなるので吸出し管８を埋設するために地盤を深く掘
削する必要があり、さらに、吸出し管８が大型化するの
で発電所の建設コストが高くなるという問題がある。

【０００８】さらに、吸出し管上部８ａに排出される水
は温度が高く、この温水は、吸出し管上部８ａにたまり
易く、吸出し管上部８ａを長くすると吸出し管８の水温
が上昇するという問題がある。

【０００９】本発明は、上記の問題を解決するためにな
されたもので、ランナの空転運転時にランナ室内の空気
の減少を防止し、ランナや吸出し管内の水温上昇を抑制
し、さらに建設コストを上げずに、安定かつ信頼性の高
い空転運転が可能な水力機械を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、水車又はポンプ水車等の水力機
械のランナ室内に空気を充満してランナを空転運転し、
ランナ外周部の滞留水を排出管を介して空気と共に吸出
し管に排出する水力機械であって、前記排出管から供給
された混合流体を空気と水とに分離し、分離された水を
前記吸出し管の押下げ水面の下方に排水すると共に分離
された空気を前記吸出し管の押下げ水面の上方に排気す
る気水分離手段を備える。そして、前記気水分離手段
は、前記混合液体が流入する筒体と、この筒体内に設け
られて前記混合液体から分離された水が内部に供給され
るオーバフロー管と、を有することを特徴としている。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１に記載した水
力機械が、前記オーバフロー管内に供給された水の水位
を検出する検出手段と、この検出手段から出力された検
出信号に基づいて前記水位を所定位置に維持するよう
に、前記分離された水の排水量を調整する調整弁を制御
する制御手段とをさらに備えることを特徴としている。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載した水力機械が、前記気水分離手段で分離された空気
の浮力を駆動源とし、前記吸出し管の下部の水を前記吸
出し管の上部に揚水する気泡ポンプをさらに備えること
を特徴としている。

【００１３】

【作用】請求項１の発明は、排出管から供給された混合
流体を空気と水とに分離する気水分離手段を備えてい
る。気水分離手段は、分離した水を吸出し管の押下げ水
面の下方に排水すると共に分離した空気を吸出し管の押
下げ水面の上方に排気する。このように、分離した空気
を吸出し管の押下げ水面の上方に排気することによりラ
ンナ室内の空気の減少を抑制することができる。このと
き、この気水分離手段は、混合液体が流入する筒体と、
この筒体内に設けられて混合液体から分離された水が内
部に供給されるオーバフロー管とを有している。したが
って、水と空気の分離を確実に行うことができる。

【００１４】請求項２の発明は、オーバフロー管内に供
給された水の水位を検出する検出手段と、この検出手段
から出力された検出信号に基づいて水位を所定位置に維
持するように、分離された水の排水量を調整する調整弁
を制御する制御手段とをさらに備えている。したがっ
て、オーバーフロー管の内部の水位を所定位置に維持す
ることができるので、長時間の安定した運転が可能にな
る。

【００１５】請求項３の発明は、気泡ポンプを備え、気
水分離手段で分離した空気の浮力を駆動源とし、吸出し
管の下部の水を吸出し管の上部に揚水する。したがっ
て、新たな駆動源を設けることなく、吸出し管の下部の
低温の水を吸出し管の上部に供給することができるの
で、吸出し管の上部の水温上昇を抑制することができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明によるポンプおよびポンプ水車
等の水力機械の参考例および実施例について、図１乃至
図５を参照して説明する。なお、図１乃至図５において
図６に示す従来の立軸渦巻き形水車１と同一類似部材に
ついては同一符号を付して説明を省略する。

【００１７】参考例まず最初に図１を参照し、本発明による水力機械の実施
例の参考となる参考例について説明する。

【００１８】漏水排出管１０ａは上端部がランナ側圧室
１１に連通され、下端部が吸出し管８の上端部に連通さ
れている。漏水排出管１０ａは排水管１５を介して大口
径排水管１６の上端部に連通されている。大口径排水管
１６は管径が大径に形成されている。また、大口径排水
管１６の上端部には漏水排出管１０ｂの下端部が連通さ
れ、漏水排出管１０ｂの上端部はランナ３とガイドベー
ン５との間に連通されている。大口径排水管１６の下端
部にはＵ字形排管１７の上端部が連通され、その下端部
は吸出し管８の下部８ｂに連通されている。なお、Ｕ字
形排管１７には調整弁１８が設けられている。

【００１９】次に前記のように構成された本参考例の水
力機械の作用を説明する。先ず、ランナ３を停止させた
状態でポンプ水車を空転運転すると、ランナ室６内の水
面１３は高圧空気により予め設定された位置まで押し下
げられる。このように、ランナ３の停止状態でランナ室
６内の水面１３が所定位置まで押し下げられて、ランナ
室６内の水が完全に排水されると、大口径排水管１６の
水位は押下げ水面１３と同じレベルＬ₁に位置する。こ
の状態で、ランナ３を空転すると空気を作動流体とした
締切り圧力がランナ３とガイドベーン５との間の漏水排
出管１０ｂの入口部に発生する。これにより、大口径排
水管１６の水位がさらに下方に押し下げられる。

【００２０】ところで、ランナ３を空転すると漏水排出
管１０ｂの入口部から空気／水の混合流体が漏水排出管
１０ｂ内に流入し、漏水排出管１０ｂ内に流入した空気
／水の混合流体は大口径排水管１６内に導かれる。大口
径排水管１６は管径が大径に形成されているので大口径
排水管１６内に導かれた流体は流速が遅くなる。これに
より、空気／水の混合流体は空気と水とに分離される。
そして、分離された水はＵ字形排管１７及び調整弁１８
を介して吸出し管下部８ｂに排水される。また、大口径
排水管１６内で分離された空気は、大口径排水管１６の
上端部から低圧状態の排水管１５及び漏水排出管１０ａ
を介して吸出し管８の上端部に排気される。

【００２１】ここで、大口径排水管１６の水位は漏水排
出管１０ｂからの排水流量、ランナ３の締切り圧力、大
口径排水管１６の下流の圧力損失係数によって変動す
る。そして、ランナ３の締切り圧力は空気を作動流体と
しているため、水頭計算では変化が小さい。なお、本参
考例では大口径排水管１６の水位は、大口径排水管１６
の下流の圧力損失と大口径排水管１６の液面の圧力が釣
り合う位置Ｌ₂に維持される。また、圧力損失は調整弁
１８で調整することができる。

【００２２】実施例１次に図２および図３を参照し、本発明による水力機械の
実施例１について説明する。なお、図２において図１に
示す参考例と同一類似部材については同一符号を付して
説明を省略する。

【００２３】実施例１では参考例の大口径排水管１６に
換えて気水分離器２０を設けた。図３に示すように、気
水分離器２０の耐圧外筒２１内にオーバフロー管２２が
同軸上に配設されている。オーバフロー管２２は下端部
が耐圧外筒２１に接続され、上端部が開口されている。
これにより、耐圧外筒２１が外部空間２０ａと内部空間
２０ｂとに仕切られる。

【００２４】耐圧外筒２１の下端部には排水管２３が設
けられ、排水管２３は耐圧外筒２１の外部空間２０ａと
漏水排出管１０ａ、１０ｂとを連通している。また、耐
圧外筒２１の下端部には排水管１７が設けられ、排水管
１７は耐圧外筒２１の内部空間２０ｂと吸出し管８の下
流部８ａとを連通している。したがって、漏水排出管１
０ａ、１０ｂを介して耐圧外筒２１の外部空間２０ａ内
に空気／水の混合流体が流入され、流入された混合流体
は空気と水に分離される。分離された水はオーバフロー
管２２を乗り越えて内部空間２０ｂ内に流入し、内部空
間２０ｂ内に流入した水は排水管２４を介して吸出し管
８の下流部８ａに排水される。一方、分離された空気は
排気管２６を介して吸出し管上部８ａに排気される。

【００２５】耐圧外筒２１の外周には水位検出器２５が
設けられている。水位検出器２５はチューブ２５ａ及び
センサ２５ｂから成り、チューブ２５ａの上端部は外部
空間２０ａに連通され、下端部は内部空間２０ｂに連通
されている。センサ２５ｂはチューブ２５ａの外周に設
けられ、チューブ２５ａの水位を検出する。さらに、セ
ンサ２５ｂは水位検出信号を制御手段２７に伝達する。
制御手段２７はセンサ２５ｂからの水位検出信号に基づ
いて調整弁１８を制御して、気水分離器２０の水位を略
一定に維持する。

【００２６】実施例２次に図４を参照し、本発明による水力機械の実施例２に
ついて説明する。なお、図４において図２に示す実施例
１と同一類似部材については同一符号を付して説明を省
略する。

【００２７】上記した実施例１においては漏水排出管１
０ａを吸出し管の上端部に連通させていたが、この実施
例２においてはこの連通を省略した。この実施例２も実
施例１と同様の作用効果を得ることができる。

【００２８】実施例３次に図５を参照し、本発明による水力機械の実施例３に
ついて説明する。なお、図５において図２に示す実施例
１と同一類似部材については同一符号を付して説明を省
略する。

【００２９】実施例１では気水分離器２０内で分離され
た空気を排気管２６を介して吸出し管８の上端部に直接
排気したが、本実施例３のように気水分離器２０内で分
離された空気を気泡ポンプ３０の駆動源として利用する
ことも可能である。すなわち、気泡ポンプ３０の揚水管
３１で吸出し管上部８ａと吸出し管下部８ｂとを連通
し、揚水管３１の略中央の供給位置ｐ₁に排気管２６を
連通した。

【００３０】これにより、揚水管３１内の供給位置ｐ₁
に排気管２６を介して空気が供給され、排気管２６内に
供給された空気は上昇して揚水管３１の上端部から吸出
し管上部８ａ内に排気される。一方、揚水管３１の下端
部からは吸出し管下部８ｂの水が流入される。そして、
揚水管３１内に流入された水は吸込側水頭Ｈｓの高さま
で上昇し、吸込側水頭Ｈｓの高さまで上昇した水は揚水
管３１内に供給された空気とともにさらに上昇して揚水
管３１の上端部から吸出し管上部８ａ内に排出される。

【００３１】この場合、気泡ポンプ３０の性能は、吸込
側水頭Ｈｓと揚水高さＨｏの比Ｈｓ／Ｈｏ（液侵率）や
供給位置ｐ₁から揚水管３１内に吹き込む空気量により
変化する。適性な吹き込み空気量の場合、液侵率０．５
で揚水容量は空気流量の１／２程度であるが、揚水容量
は液侵率を大きくすることによりさらに増加する。この
ように、気泡ポンプ３０を使用することにより、新たな
動力源を使用せずに、吸出し管８の下流側８ａの水を吸
出し管８の上端部内に排水することができる。したがっ
て、吸出し管下部８ｂの低温の水で吸出し管上部８ａの
水温上昇を抑制することができる。これにより、調相運
転時の吸出し管上部８ａの水温上昇の抑制が可能にな
る。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１の発明による水力機械は、排出管から供給された混合
流体を空気と水とに分離する気水分離手段を備えたの
で、分離した水を吸出し管の押下げ水面の下方に排水す
ると共に分離した空気を吸出し管の押下げ水面の上方に
排気する。これにより、分離した空気を吸出し管の押下
げ水面の上方に排気することによりランナ室内の空気の
減少を抑制することができる。このとき、気水分離手段
が、混合液体が流入する筒体と、筒体内に設けられて混
合液体から分離された水が内部に供給されるオーバフロ
ー管とを備える。これにより、水と空気の分離を確実に
行うことができるので、吸出し管上部を長くする必要が
ない。

【００３３】したがって、調相運転時（空転運転時に）
にランナ室内の空気が運転時間の経過とともに減少する
ことを防止することができる。また、ランナ室内の空気
の減少を防止することによりランナと押下げ水面との干
渉を防止することができるので、振動やトルク変動が発
生してランナの温度が上昇するすることを防止すること
ができる。さらに、吸出し管上部を長くする必要がない
ので吸出し管を埋設するために地盤を深く掘削する必要
がなく、また、吸出し管が大型化しないので発電所の建
設コストが高くならない。そして、吸出し管上部を長く
する必要がないので吸出し管の水温の上昇を防止するこ
とができる。また、ランナ室内の空気の減少を防止する
ことによりランナ室内に空気を供給するコンプレッサの
容量を小さくすることができる。

【００３４】請求項２の発明による水力機械は、オーバ
フロー管内に供給された水の水位を検出する検出手段
と、この検出手段から出力された検出信号に基づいて水
位を所定位置に維持するように、分離された水の排水量
を調整する調整弁を制御する制御手段とをさらに備え
る。これにより、水位を所定位置に維持することができ
るので、長時間の安定した運転が可能になる。

【００３５】請求項３の発明による水力機械は、前記気
水分離手段で分離された空気の浮力を駆動源とし、前記
吸出し管の下部の水を前記吸出し管の上部に揚水する気
泡ポンプをさらに備える。これにより、新たな駆動源を
設けることなく、吸出し管の下部の低温の水を吸出し管
の上部に供給することができるので、吸出し管の上部の
水温上昇を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水力機械の参考例１の要部を切断
して示した縦断面図。

【図２】本発明による水力機械の実施例１の要部を切断
して示した縦断面図。

【図３】本発明による水力機械の実施例１の気水分離器
を切断して示した縦断面図。

【図４】本発明による水力機械の実施例２の要部を切断
して示した縦断面図。

【図５】本発明による水力機械の実施例３の要部を切断
して示した縦断面図。

【図６】従来の水力機械の要部を切断して示した縦断面
図。

【符号の説明】

１水力機械３ランナ６ランナ室８吸出し管８ａ吸出し管上部８ｂ吸出し管下部１０ａ、１０ｂ排出管１３押下げ水面１６大口径排水管（気水分離手段）１８調整弁２０気水分離器（気水分離手段）２１筒体２２オーバフロー管２５水位検出器（検出手段）２７制御手段３０気泡ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−201070（ＪＰ，Ａ) 実開平２−12074（ＪＰ，Ｕ) 実開昭55−4382（ＪＰ，Ｕ) 実開昭55−15310（ＪＰ，Ｕ) 特公昭60−38557（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F03B 15/04,15/06 F03B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水車又はポンプ水車等の水力機械のランナ
室内に空気を充満してランナを空転運転し、ランナ外周
部の滞留水を排出管を介して空気と共に吸出し管に排出
する水力機械であって、前記排出管から供給された混合流体を空気と水とに分離
し、分離された水を前記吸出し管の押下げ水面の下方に
排水すると共に分離された空気を前記吸出し管の押下げ
水面の上方に排気する気水分離手段を備え、前記気水分離手段は、前記混合液体が流入する筒体と、この筒体内に設けられて前記混合液体から分離された水
が内部に供給されるオーバフロー管と、を有することを
特徴とする水力機械。
【請求項２】前記オーバフロー管内に供給された水の水
位を検出する検出手段と、この検出手段から出力された検出信号に基づいて前記水
位を所定位置に維持するように、前記分離された水の排
水量を調整する調整弁を制御する制御手段と、をさらに
備えることを特徴とする請求項１に記載した水力機械。
【請求項３】前記気水分離手段で分離された空気の浮力
を駆動源とし、前記吸出し管の下部の水を前記吸出し管
の上部に揚水する気泡ポンプをさらに備えることを特徴
とする請求項１または２に記載した水力機械。