JP3936059B2 - 水力機械とその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水車、ポンプ水車などの水力機械に係り、とりわけ調相運転のような空転運転において安定した空転運転の継続が可能な水力機械およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に水車またはポンプ水車等の水力機械において、調相運転などの空転運転を行う場合には、まずガイドベーンを全閉し、次にランナ室に圧縮空気を送入してランナ室の水面を押下げることによってランナを空転状態におく。
【０００３】
次に従来の空転運転を行う水力機械を図１２に示す。図１２に示すように、水力機械５０は、ランナ下カバー５１を有するランナ室５８と、ランナ室５８内に配置され主軸周りに回転するランナ６０とを備えている。ランナ室５８の外方には、ケーシング６２が連結されており、ランナ室５８の下方にはドラフトチューブ５２が連結されている。
【０００４】
ランナ室５８内には、ランナ室５８内に圧縮空気を導入してランナ室５８の水面５９をドラフトチューブ５２にまで押し下げる圧縮空気供給管６６が連通している。
【０００５】
そしてランナ室５８内のランナ６０とケーシング６２との間には、ガイドベーン５７が設けられている。ガイドベーン５７は、ガイドベーン駆動部６７に接続されており、ガイドベーン駆動部６７によって開閉駆動されるようになっている。
【０００６】
また、下カバー５１とドラフトチューブ５２との間には、排水弁駆動部５３ｂによって駆動される排水弁５３ａを備えた排水管５３が設けられている。さらにランナ室５８の周部には、ランナ６０とランナ室５８とのシール部にシール水を給水するためのシール吸水管５４，５５および主軸封水部給水管５６が設けられている。
【０００７】
以上のような構成の従来の水力機械５０において空転運転を行う場合、まずガイドベーン駆動部６７によってガイドベーン５７が全閉とされる。次にランナ室５８内に圧縮空気供給管６６によって圧縮空気が送入され、ランナ室５８内の水面５９がドラフトチューブ５２内の予め設定された水位まで押し下げられる。これによってランナ６０は空転運転状態となる。なお、ケーシング６２内の水は排除されない。
【０００８】
この時、シール給水管５４，５５からランナ室５８内に給水されるシール水、および主軸封水部給水管５６からランナ室５８内に給水されるシール水は、ランナ６０の回転による遠心力の作用により、ランナ６０とガイドベーン５７の間に溜まり、図１３に示すような水カーテン６１を形成する。同時に、ケーシング６２内からガイドベーン５７とランナ室５８との間の微小ギャップを通ってランナ室５８内に至る漏水も、水カーテン６１を形成する。
【０００９】
水カーテン６１は、主としてランナ６０の回転に伴ってランナ室５８内を回転するが、同時に撹拌されて熱せられる。そして水カーテン６１の熱はランナ６０に伝達され、ランナ６０を膨張させる。膨張したランナ６０は、特にシール部等の微小ギャップ部分において、ランナ室５８に対して「かじり現象」を起こす場合がある。また、水カーテン６１の増大は、ランナ６０による水カーテン６１の撹拌エネルギを増大させ、すなわちエネルギ損失が増大して、空転時の電動機負荷が増加して運転コストが悪化する。
【００１０】
そこで水力機械５０は、ランナ室を構成するランナ下カバー５１とドラフトチューブ５２との間の排水管５３によって、空転運転中に、水カーテン６１を形成する水をドラフトチューブ５２内へ排水している。
【００１１】
次に、別の従来の水力機械を図１４に示す。図１４に示す水力機械は、ケーシング６２内とドラフトチューブ５２内とを、ケーシング６２内の水をドラフトチューブ５２内に排水するためのケーシング排水管６３が連通しており、ケーシング排水管６３に第１弁駆動部６３ｂにより駆動されるケーシング排水弁６３ａが設けられている。その他の構成は図１２に示す水力機械と同様である。図１４において、図１２に示す水力機械と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。なお、図１４に示す水力機械の詳細は、特開平２−１０８８６５号公報に記載されている。
【００１２】
図１４に示す水力機械によれば、第１弁駆動部６３ｂを制御してケーシング排水管６３からケーシング６２内の水を排除することができる。従って、ケーシング６２内からガイドベーン５７とランナ室５８との間の微小ギャップを通ってランナ室５８内に至る漏水が発生しない。逆に、水カーテン６１を形成する水が、ガイドベーン５７とランナ室５８との間の微小ギャップからケーシング６２側に逃がされ、そこからケーシング排水管６３を介してドラフトチューブ５２内に排出される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように、水力機械を空転運転する場合には、ランナ６０とガイドベーン５７との間に存在して水カーテン６１を形成する滞留水を適度に排出して、水カーテン６１の厚みを調整する必要がある。
【００１４】
図１２に示す従来の水力機械では、水カーテン６１を形成する水が、ランナ下カバー５１から排水管５３を介してドラフトチューブ５２内に排出される。しかしながら、ランナ下カバー５１に設けられた排水管５３は、水カーテン６１が形成される位置から離れたところに配置されているため、排水効果が十分でない場合がある。
【００１５】
図１４の従来の水力機械では、排水管５３による排水に加えて、水カーテン６１を形成する水が、ガイドベーン５７の上下端面とランナ室５８との間の微小ギャップからケーシング６２側に逃がされ、そこからケーシング排水管６３を介してドラフトチューブ５２内に排出される。しかしながら、ガイドベーン５７の上下端面とランナ室５８との間のギャップは、水力機械起動時にガイドベーン５７を開とする前に当該ギャップからの漏水でランナ６０が回り出す事を避けるために微小に設定されているため、やはり排水効果が十分でない場合がある。
【００１６】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナとガイドベーンとの間の滞溜水を適切に排除することができ、ランナの外周部の滞留水の量を円滑に調整することによって、安定した空転運転を可能とする水力機械およびその運転方法を提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ランナ室と、ランナ室内に配置され、主軸周りに回転するランナと、ランナ室の外方に連結されたケーシングと、ランナ室の下方に連結されたドラフトチューブと、ランナ室内に連通し、ランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面をドラフトチューブにまで押し下げる圧縮空気供給管と、ケーシング内とドラフトチューブ内とを接続し、ケーシング内の水をドラフトチューブ内に排水するケーシング排水管と、ケーシング排水管に設けられ、第１弁駆動部により駆動されるケーシング排水弁と、ランナ室内のランナとケーシングとの間に介在するガイドベーンと、ガイドベーンに接続され、ランナ室の水面がドラフトチューブにまで押し下げられたランナの空転運転状態時にガイドベーンを小開状態とするガイドベーン駆動制御部と、を備え、ランナの空転運転時において、ランナ室の外周部に滞留する漏水を小開状態となったガイドベーンからランナとガイドベーンとの間の部分における圧力とケーシングにおける圧力との差を利用してケーシング内に逃がすとともに、ケーシング内に逃がされた漏水をケーシングにおける圧力とドラフトチューブにおける圧力との差を利用してケーシング排水管によってドラフトチューブ内に排水することを特徴とする水力機械である。
【００１８】
本発明によれば、ガイドベーンを小開状態とする事によって、ガイドベーンの開口すきまを通してランナ外周に溜まった滞留水をケーシング内に逃がすことができ、これによりランナとガイドベーン間の滞溜水を適切に排除することができる。
【００１９】
また本発明は、上記記載の水力機械を停止状態から空転運転状態に移行させる運転方法であって、圧縮空気供給管からランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面をドラフトチューブにまで押し下げると同時にケーシング排水弁を開としてケーシング排水管からドラフトチューブへの排水を開始する工程と、ランナの回転主軸を回転させる工程と、ランナ室の水面がドラフトチューブにまで押し下げられてランナが空転運転状態となった場合にガイドベーン駆動制御部によりガイドベーンを小開状態とする工程と、を備えたことを特徴とする水力機械の運転方法である。
【００２０】
本発明によれば、水力機械を停止状態から空転運転状態に円滑に移行させることができるとともに、ガイドベーンを小開状態とする事によって、ガイドベーンの開口すきまを通してランナ外周に溜まった滞留水をケーシング内に逃がすことができ、これによりランナとガイドベーン間の滞溜水を適切に排除することができる。
【００２１】
また本発明は、上記記載の水力機械を発電運転状態から空転運転状態に移行させる運転方法であって、ガイドベーン駆動制御部を介してガイドベーンを閉状態へと操作するとともに、入口弁を第２弁駆動部により閉状態へと操作する工程と、ガイドベーンが全閉になったことを条件として圧縮空気供給管からランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面をドラフトチューブにまで押し下げる工程と、入口弁が全閉となったことを条件として第１弁駆動部によりケーシング排水弁を開としてケーシング排水管からドラフトチューブへの排水を開始する工程と、を備えたことを特徴とする水力機械の運転方法である。
【００２２】
本発明によれば、水力機械を発電運転状態から空転運転状態に円滑に移行させることができるとともに、ガイドベーンを小開状態とする事によって、ガイドベーンの開口すきまを通してランナ外周に溜まった溜水をケーシング内に逃がすことができ、これによりランナとガイドベーン間の滞溜水を適切に排除することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
図１に本実施の形態による水力機械３０を示す。図１に示すように、水力機械は、ランナ下カバー１を有するランナ室８と、ランナ室８内に配置され主軸周りに回転するランナ１０とを備えている。ランナ室８の外方には、ケーシング１２が連結されており、ランナ室８の下方にはドラフトチューブ２が連結されている。
【００２５】
ランナ室８内には、ランナ室８内に圧縮空気を導入してランナ室８の水面９をドラフトチューブ２にまで押し下げる圧縮空気供給管１６が連通している。圧縮空気供給管１６には、給気弁駆動部１６ｂによって駆動される給気弁１６ａが設けられている。またケーシング１２内とドラフトチューブ２内とは、ケーシング排水管１３によって互いに連通している。ケーシング排水弁１３には、第１弁駆動部１３ｂによって駆動されるケーシング排水弁１３ａが設けられている。
【００２６】
そしてランナ室８内のランナ１０とケーシング１２との間には、ガイドベーン７が設けられている。ガイドベーン７には、ランナ室８の水面９がドラフトチューブ２にまで押し下げられてランナ１０が空転運転状態となった場合に、ガイドベーン７を小開状態とするガイドベーン駆動制御部１７が接続されている。
【００２７】
また、ランナ室８を構成するランナ下カバー１とドラフトチューブ２との間には、排水弁駆動部３ｂによって駆動される排水弁３ａを備えた排水管３が設けられている。さらにランナ室８の周部には、ランナ１０とランナ室８との間のシール部にシール水を給水するためのシール吸水管４，５および主軸封水部給水管６が設けられている。
【００２８】
さらに、ケーシング１２には、ケーシング１２内に水を導入するための導入管１４が設けられ、導入管１４には、ケーシング内への水の導入量を制御するとともに第２弁駆動部１４ｂにより駆動される入口弁１４ａが設けられている。
【００２９】
ガイドベーン駆動制御部１７は、ランナ室８の水面９がドラフトチューブ２にまで押し下げられてランナ１０が発電方向に空転運転状態となった場合、ケーシング排水管１３の断面積をＡ、ガイドベーン７の高さをＢ、ガイドベーン７の設置枚数をＺｇとした場合に式（１）によって規定されるガイドベーン開度ａ（図２参照）の範囲でガイドベーン７を小開状態とするようになっている。
【００３０】
またガイドベーン駆動制御部１７は、ランナ室８の水面９がドラフトチューブ２にまで押し下げられてランナ１０が揚水方向に空転運転状態となった場合、式（２）によって規定されるガイドベーン開度ａの範囲でガイドベーン７を開状態とするようになっている。
【００３１】
さらにガイドベーン駆動制御部１７は、入口弁１４ａが全閉状態の場合にのみガイドベーン７を小開状態とするようになっている。
【００３２】
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について図３および図４を用いて説明する。図３および図４は、本実施の形態における入口弁１４ａ、ガイドベーン７、給気弁１６ａおよびケーシング排水弁１３ａの作動状態を示すフロー図である。
【００３３】
本実施の形態の水力機械を停止状態から空転運転状態に移行させる場合、図３に示すように、まずガイドベーン駆動制御部１７および第２弁駆動部１４ｂによってガイドベーン７および入口弁１４ａが全閉とされる。次に給気弁駆動部１６ｂによって給気弁１６ａが開状態となってランナ室８内に圧縮空気供給管１６から圧縮空気が送入され、ランナ室８内の水面９がドラフトチューブ２内の予め設定された水位まで押し下げられる。一方、第１弁駆動部１３ｂによってケーシング排出弁１３ａが開状態となり、ケーシング排水管１３からケーシング１２内の水を排除する。
【００３４】
次にランナ１０の回転主軸を回転させ、これによってランナ１０は空転運転状態となる。
【００３５】
本実施の形態の水力機械を発電運転状態から空転運転状態に移行させる場合には、図４に示すように、まずガイドベーン駆動制御部１７によってガイドベーン７を全閉状態へと操作するとともに、第２弁駆動部１４ｂによって入口弁１４ａを全閉状態へと操作する。
【００３６】
そして、ガイドベーン７が全閉になった後、給気弁駆動部１６ｂによって給気弁１６ａを開状態とし、圧縮空気供給管１６からランナ室８内に圧縮空気を導入してランナ室８の水面９をドラフトチューブ２にまで押し下げる。
【００３７】
一方、入口弁１４ａが全閉となった後、第１弁駆動部１３ｂによってケーシング排水弁１３ａを開状態とし、ケーシング排水管１３からドラフトチューブ２への排水を開始する。
【００３８】
ランナ１０の空転運転時において、シール給水管４，５からランナ室８内に給水されるシール水および主軸封水部給水管６からランナ室８内に給水されるシール水は、ランナ１０の回転による遠心力の作用によってランナ１０とガイドベーン７との間に移動する。一方、ガイドベーン駆動制御部１７は、図２乃至図４に示すように、ランナ１０が空転状態となった場合にガイドベーン７を小開状態とする。従って、ランナ１０とガイドベーン７との間に移動した滞留水１１は水カーテンを形成することなく、ガイドベーン７の開口すきまを介してケーシング１２内に逃がされる。ケーシング１２内に逃がされた水は、さらにケーシング排水管１３を介してドラフトチューブ２内に排水される。
【００３９】
ガイドベーン７の開度ａが大き過ぎると、ランナ室８内のランナ１０とガイドベーン７との間に移動した滞留水１１だけでなく空気までがケーシング１２側に抜けてしまう。このケーシング１２側に抜けた空気は、ケーシング１２内とドラフトチューブ２内とを連通させているケーシング排水管１３を通ってドラフトチューブ２へ還流されるが、このケーシング排水管１３の断面積Ａが十分大きくないと空気がドラフトチューブ２ヘ還流しきれずにケーシング１２内に溜まってしまうことがある。
【００４０】
従って、ガイドベーン７の小開状態の開度ａは好適な範囲に制御されることが望ましい。ガイドベーン７の好適な開度ａについて、図１を用いて説明する。まず図１に示すように、ドラフトチューブ２における圧力をＨｄ、ランナ１０とガイドベーン７との間の部分における圧力をＨｒ、ケーシング１２における圧力をＨｃとする。ランナ１０の外周部の圧力Ｈｒは、ランナ１０の回転による遠心力の作用によってＨｄより高圧である。一方、ケーシング１２の圧力Ｈｃは、ランナ１０の外周部の圧力Ｈｒより低圧で、その差圧（Ｈｒ−Ｈｃ）とガイドベーン７の開口面積（開度ａ×高さＢ×枚数Ｚｇ）とガイドベーン７の流出係数Ｃｇｖとによって、ガイドベーン７を通ってケーシング１２に流れる水または空気の流量Ｑｇｖが次式（３）のように定まる。
【００４１】
【数３】

また、ケーシング１２からドラフトチューブ２に、ケーシング排水管３を通って還流する水量Ｑｅｐは、ケーシング排水管１３の断面積Ａ、ケーシング排水管１３の流出係数Ｃｅｐを用いて次式（４）のように定まる。
【００４２】
【数４】

ランナ１０の外周部からケーシング１２側に流れた流体はすべてケーシング排水管１３を通ってドラフトチューブ２ヘ還流するので、Ｑｇｖ＝Ｑｅｐとなる。これを用いて上記（３）、（４）式を変形すると、
【００４３】
【数５】

となる。ガイドベーン７が小開状態にある時の流れの状態は複雑で、流出係数Ｃｇｖを計算で求める事は難しいが、本件発明者は、安定的に空転運転が可能なときの
【００４４】
【数６】

の値は、発電方向回転において１．４〜１３．７、揚水方向回転において０．７〜８．２の範囲である事を実験的に求めた。この範囲を（５）式に当てはめると、発電方向空転運転時においては式（１）の範囲が、揚水方向空転運転時においては式（２）の範囲が得られる。
【００４５】
すなわち、本実施の形態におけるガイドベーン駆動制御部１７は、ガイドベーン７の小開開度が好適な範囲となるようにガイドベーン７を駆動制御する。
【００４６】
以上のように本実施の形態によれば、ガイドベーン７を小開状態とする事によって、ガイドベーン７の開口すきまを通してランナ１０の外周部に溜まった滞留水をケーシング１２内に逃がすことができ、これによりランナ１０とガイドベーン７との間の滞溜水を適切に排除することができる。
【００４７】
また本実施の形態によれば、水力機械を停止状態から空転運転状態に円滑に移行させることができる。また本実施の形態によれば、水力機械を発電運転状態から空転運転状態に円滑に移行させることができる。
【００４８】
次に本発明による水力機械の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態の水力機械３０は、ガイドベーン駆動制御部１７が、予め定められた時間間隔で小開状態と全閉状態とに交互にガイドベーン７を制御するようになっている点が異なるのみであり、その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。
【００４９】
本実施の形態では、ガイドベーン駆動制御部１７によって、ランナ１０の外周部に水が溜まった時に対応してガイドベーン７が開口して溜まった水をケーシング１２側に逃がし、さらに空気がケーシング１２側へ抜けるのを防ぐために所定の時間間隔でガイドベーン７が全閉となる。これにより、安定した空転運転が可能となる。
【００５０】
次に図５により、本発明による水力機械の第３の実施の形態について説明する。図５において、水力機械３０は、ランナ１０の外周部近傍にランナ温度計２０が設けられ、ガイドベーン駆動制御部１７は、ランナ温度計２０の測定値に基づいて、ランナ温度計２０の測定値が一定値以上の場合にガイドベーン７を小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーン７を全閉状態とするようになっている。その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。第３の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５１】
本実施の形態は、ランナ１０の外周部に溜まる滞留水の量が増すと、ランナ１０がこの滞留水１１を撹拌し、滞留水１１の温度が上昇してランナ１０の外周部近傍の温度が上昇することを利用するものである。
【００５２】
本実施の形態によれば、ランナ温度計２０による測定温度があらかじめ定められた上限値を超えた時にランナ１０の外周部に水が溜まったと判断して、ガイドベーン駆動制御部１７がガイドベーン７を開口制御するため、空気がケーシング１２側へ抜けることが防止され、安定した空転運転が可能となる。
【００５３】
次に図６により、本発明による水力機械の第４の実施の形態について説明する。図６において、水力機械３０は、ランナ排水管３に漏水温度計２１が設けられ、ガイドベーン駆動制御部１７は、漏水温度計２１の測定値に基づいて、漏水温度計２１の測定値が一定値以上の場合にガイドベーンを小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーンを全閉状態とするようになっている。その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。第４の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５４】
本実施の形態は、ランナ１０の外周部に溜まる滞留水１１の量が増すと、ランナ１０がこの滞留水１１を撹拌し、滞留水１１の温度が上昇し排水管３を通って排水される漏水の温度が上昇することを利用するものである。
【００５５】
本実施の形態によれば、漏水温度計２１による測定温度があらかじめ定められた上限値を超えた時にランナ１０の外周部に水が溜まったと判断して、ガイドベーン駆動制御部１７がガイドベーン７を開口制御するため、空気がケーシング１２側へ抜けることが防止され、安定した空転運転が可能となる。
【００５６】
次に図７により、本発明による水力機械の第５の実施の形態について説明する。図７において、水力機械３０は、ランナ１０の回転主軸による電動機出力を測定する出力計２２が設けられ、ガイドベーン駆動制御部１７は、出力計２２の測定値に基づいて、出力計２２の測定値が一定値以上の場合にガイドベーン７を小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーン７を全閉状態とするようになっている。その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。第５の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５７】
本実施の形態は、ランナ１０の外周部に溜まる滞留水１１が増大すると、ランナ１０を回すための回転主軸の負荷が増大することを利用するものである。
【００５８】
本実施の形態によれば、出力計２２によって測定された電動機出力があらかじめ定められた上限値を超えた時にランナ１０の外周部に水が溜まったと判断して、ガイドベーン駆動制御部１７がガイドベーン７を開口制御するため、空気がケーシング１２側へ抜けることが防止され、安定した空転運転が可能となる。
【００５９】
次に図８により、本発明による水力機械の第６の実施の形態について説明する。図８において、水力機械３０は、ランナ１０の回転主軸による電動機出力の変動量を測定する出力変動量計２３が設けられ、ガイドベーン駆動制御部１７は、出力変動量計２３の測定値に基づいて、出力変動量計２３の測定値が一定値以上の場合にガイドベーン７を小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーン７を全閉状態とするようになっている。その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。第６の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６０】
本実施の形態は、ランナ１０の外周部に溜まる滞留水１１が増大すると、ランナ１０がランナ１０の外周部の滞留水１１をかき込むので、周期的に回転主軸の負荷が変動するようになることを利用するものである。
【００６１】
本実施の形態によれば、出力変動量計２３によって測定された電動機出力の変動量があらかじめ定められた上限値を超えた時にランナ１０の外周部に水が溜まったと判断して、ガイドベーン駆動制御部１７がガイドベーン７を開口制御するため、空気がケーシング１２側へ抜けることが防止され、安定した空転運転が可能となる。
【００６２】
次に図９により、本発明による水力機械の第７の実施の形態について説明する。図９において、水力機械３０は、ランナ１０の回転主軸の軸振れを測定する軸振れ計２４が設けられ、ガイドベーン駆動制御部１７は、軸振れ計２４の測定値に基づいて、軸振れ計２４の測定値が一定値以上の場合にガイドベーン７を小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーン７を全閉状態とするようになっている。その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。第７の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６３】
本実施の形態は、ランナ１０の外周部に溜まる滞留水１１が増大すると、ランナ１０を回すための回転主軸の軸振れが増大することを利用するものである。
【００６４】
本実施の形態によれば、軸振れ計２４によって測定されたランナの回転主軸の軸振れがあらかじめ定められた上限値を超えた時にランナ１０の外周部に水が溜まったと判断して、ガイドベーン駆動制御部１７がガイドベーン７を開口制御するため、空気がケーシング１２側へ抜けることが防止され、安定した空転運転が可能となる。
【００６５】
次に図１０により、本発明による水力機械の第８の実施の形態について説明する。図１０において、水力機械３０は、ランナの回転主軸の軸振れの変動量を測定する軸振れ変動量計２５が設けられ、ガイドベーン駆動制御部１７は、軸振れ変動量計２５の測定値に基づいて、軸振れ変動量計２５の測定値が一定値以上の場合にガイドベーン７を小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーン７を全閉状態とするようになっている。その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。第８の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６６】
本実施の形態は、ランナ１０の外周部に溜まる滞留水１１が増大すると、ランナ１０がランナ１０の外周部の滞留水１１をかき込むので、周期的に回転主軸の負荷が変動するようになることを利用するものである。
【００６７】
本実施の形態によれば、軸振れ変動量計２５によって測定されたランナの回転主軸の軸振れの変動量があらかじめ定められた上限値を超えた時にランナ１０の外周部に水が溜まったと判断して、ガイドベーン駆動制御部１７がガイドベーン７を開口制御するため、空気がケーシング１２側へ抜けることが防止され、安定した空転運転が可能となる。
【００６８】
次に図１１により、本発明による水力機械の第９の実施の形態について説明する。図１１において、水力機械３０は、ケーシング１２の上部に空気を抜くための空気抜き管１５が設けられ、空気抜き管１５に空気抜き量を制御するとともに第３弁駆動部１５ｂにより駆動される自動弁１５ａが設けられている。その他の構成は図１に示す第１の実施の形態の水力機械３０と略同様である。第９の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６９】
空気抜き管１５は、ケーシング排水管１３より口径の小さい管によって構成されている。
【００７０】
自動弁１５ａは、ガイドベーン７が開状態の場合に開状態に制御されるが、空転運転から通常運転に移行する時点で開状態としてもよい。また、発電方向空転運転時に比べて揚水方向空転運転時のほうがガイドベーン７からケーシング１２ヘ空気が抜けやすいため、自動弁１５ａは揚水方向回転の空転運転時にのみ開状態としてもよい。
【００７１】
本実施の形態によれば、ランナ１０の空転運転中に第３弁駆動部１４ｂによって自動弁１４ａを開状態とすることにより、ケーシング１２内の空気を大気に逃がし、空気の滞留を効果的に防ぎ、滞留した空気が揚水運転時に導水路を通って上地に、あるいは発電運転時に放水路を通って下地に流れて高圧空気が大気圧に開放されて膨張することによって構造物が破壊されることが防止される。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、水力機械のランナ空転運転中にランナの外周部に溜まる滞留水をガイドベーンの開口すきまを通してケーシング側に逃がすので、安定した空転運転が可能な水力機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水力機械の第１の実施の形態を示す概略断面図。
【図２】本発明による水力機械の第１の実施の形態におけるガイドベーン部分を示す概略上面図。
【図３】本発明による水力機械の第１の実施の形態におけるガイドベーンおよび各弁の作動状態を示すフロー図。
【図４】本発明による水力機械の第１の実施の形態におけるガイドベーンおよび各弁の作動状態を示すフロー図。
【図５】本発明による水力機械の第３の実施の形態を示す概略断面図。
【図６】本発明による水力機械の第４の実施の形態を示す概略断面図。
【図７】本発明による水力機械の第５の実施の形態を示す概略断面図。
【図８】本発明による水力機械の第６の実施の形態を示す概略断面図。
【図９】本発明による水力機械の第７の実施の形態を示す概略断面図。
【図１０】本発明による水力機械の第８の実施の形態を示す概略断面図。
【図１１】本発明による水力機械の第９の実施の形態を示す概略断面図。
【図１２】従来の水力機械を示す概略断面図。
【図１３】従来の水力機械において水カーテンが形成された状態を示す概略断面図。
【図１４】従来の別の水力機械を示す概略断面図。
【符号の説明】
１ ランナ下カバー
２ ドラフトチューブ
３ 排水管
３ａ 排水弁
３ｂ 排水弁駆動部
４、５ シール給水管
６ 主軸封水部給水管
７ ガイドベーン
８ ランナ室
９ 水面
１０ ランナ
１１ 滞留水
１２ ケーシング
１３ ケーシング排水管
１３ａ ケーシング排水弁
１３ｂ 第１弁駆動部
１４ 導入管
１４ａ 入口弁
１４ｂ 第２弁駆動部
１５ 空気抜き管
１５ａ 自動弁
１５ｂ 第３弁駆動部
１６ 圧縮空気供給管
１６ａ 給気弁
１６ｂ 給気弁駆動部
１７ ガイドベーン駆動制御部
２０ ランナ温度計
２１ 漏水温度計
２２ 出力計
２３ 出力変動量計
２４ 軸振れ計
２５ 軸振れ変動量計
３０ 水力機械

Claims (14)

1. ランナ室と、
   ランナ室内に配置され、主軸周りに回転するランナと、
   ランナ室の外方に連結されたケーシングと、
   ランナ室の下方に連結されたドラフトチューブと、
   ランナ室内に連通し、ランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面をドラフトチューブにまで押し下げる圧縮空気供給管と、
   ケーシング内とドラフトチューブ内とを接続し、ケーシング内の水をドラフトチューブ内に排水するケーシング排水管と、
   ケーシング排水管に設けられ、第１弁駆動部により駆動されるケーシング排水弁と、
   ランナ室内のランナとケーシングとの間に介在するガイドベーンと、
   ガイドベーンに接続され、ランナ室の水面がドラフトチューブにまで押し下げられたランナの空転運転時にガイドベーンを小開状態とするガイドベーン駆動制御部と、
   を備え、
   ランナの空転運転時において、ランナ室の外周部に滞留する漏水を小開状態となったガイドベーンからランナとガイドベーンとの間の部分における圧力とケーシングにおける圧力との差を利用してケーシング内に逃がすとともに、
   ケーシング内に逃がされた漏水をケーシングにおける圧力とドラフトチューブにおける圧力との差を利用してケーシング排水管によってドラフトチューブ内に排水する
   ことを特徴とする水力機械。
2. ガイドベーン駆動制御部は、ランナ室の水面がドラフトチューブにまで押し下げられてランナが空転運転状態となり、かつランナが発電方向に空転運転する場合、排水管の断面積をＡ、ガイドベーンの高さをＢ、ガイドベーンの設置枚数をＺｇとしたときに式（１）によって規定されるガイドベーン開度ａの範囲でガイドベーンを小開状態とすることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
   

   
3. ガイドベーン駆動制御部は、ランナ室の水面がドラフトチューブにまで押し下げられてランナが空転運転状態となり、かつランナが揚水方向に空転運転する場合、排水管の断面積をＡ、ガイドベーンの高さをＢ、ガイドベーンの設置枚数をＺｇとしたときに式（２）によって規定されるガイドベーン開度ａの範囲でガイドベーンを開状態とすることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
   

   
4. ガイドベーン駆動制御部は、予め定められた時間間隔でガイドベーンが小開状態となるよう全閉状態とに交互にガイドベーンを制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
5. ランナの外周部近傍にランナ温度計が設けられ、
   ガイドベーン駆動制御部は、ランナ温度計の測定値に基づいて、ランナ温度計の測定値が一定値以上の場合にガイドベーンを小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーンを全閉状態とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
6. ランナ室の外周部とドラフトチューブ内とを接続し、ランナ室の外周部に滞留する漏水を排水するランナ排水管が設けられ、
   ランナ排水管に漏水温度計が設けられ、
   ガイドベーン駆動制御部は、漏水温度計の測定値に基づいて、漏水温度計の測定値が一定値以上の場合にガイドベーンを小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーンを全閉状態とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
7. ランナの回転主軸による電動機出力を測定する出力計が設けられ、
   ガイドベーン駆動制御部は、出力計の測定値に基づいて、出力計の測定値が一定値以上の場合にガイドベーンを小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーンを全閉状態とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
8. ランナの回転主軸による電動機出力の変動量を測定する出力変動量計が設けられ、
   ガイドベーン駆動制御部は、出力変動量計の測定値に基づいて、出力変動量計の測定値が一定値以上の場合にガイドベーンを小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーンを全閉状態とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
9. ランナの回転主軸の軸振れを測定する軸振れ計が設けられ、
   ガイドベーン駆動制御部は、軸振れ計の測定値に基づいて、軸振れ計の測定値が一定値以上の場合にガイドベーンを小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーンを全閉状態とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
10. ランナの回転主軸の軸振れの変動量を測定する軸振れ変動量計が設けられ、
    ガイドベーン駆動制御部は、軸振れ変動量計の測定値に基づいて、軸振れ変動量計の測定値が一定値以上の場合にガイドベーンを小開状態とし、一定値未満の場合にガイドベーンを全閉状態とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
11. ケーシング内に水を導入するための導入管が設けられ、導入管にケーシング内への水の導入量を制御するとともに第２弁駆動部により駆動される入口弁が設けられ、
    ガイドベーン駆動制御部は、入口弁が全閉状態の場合にのみガイドベーンを小開状態とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力機械。
12. ケーシングの上部に空気を抜くための空気抜き管が設けられ、空気抜き管に空気抜き量を制御するとともに第３弁駆動部により駆動される自動弁が設けられたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の水力機械。
13. 請求項１に記載の水力機械を停止状態から空転運転状態に移行させる運転方法であって、
    圧縮空気供給管からランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面をドラフトチューブにまで押し下げると同時にケーシング排水弁を開としてケーシング排水管からドラフトチューブへの排水を開始する工程と、
    ランナの回転主軸を回転させる工程と、
    ランナ室の水面がドラフトチューブにまで押し下げられてランナが空転運転状態となった場合にガイドベーン駆動制御部によりガイドベーンを小開状態とする工程と、
    を備えたことを特徴とする水力機械の運転方法。
14. 請求項１１に記載の水力機械を発電運転状態から空転運転状態に移行させる運転方法であって、
    ガイドベーン駆動制御部を介してガイドベーンを閉状態へと操作するとともに、入口弁を第２弁駆動部により閉状態へと操作する工程と、
    ガイドベーンが全閉になったことを条件として圧縮空気供給管からランナ室内に圧縮空気を導入してランナ室の水面をドラフトチューブにまで押し下げる工程と、
    入口弁が全閉となったことを条件として第１弁駆動部によりケーシング排水弁を開としてケーシング排水管からドラフトチューブへの排水を開始する工程と、を備えたことを特徴とする水力機械の運転方法。

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