JP4187640B2

JP4187640B2 - 水車及びガイドベーン装置並びに水車の運転方法

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Publication number: JP4187640B2
Application number: JP2003432432A
Authority: JP
Inventors: 悟野本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005188425A

Description

本発明は、例えば、揚水発電等に用いられるポンプ水車を含む水車及びそのガイドベーン装置並びに水車の運転方法に関する。

通常、水車では、ケーシング内に流入した水の流れがステーベーンを通過する際に整流されて動翼であるランナに導かれ、これにより水の持つ流体エネルギーがランナの回転エネルギーに変換される。水力発電ではその回転エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換する。このような水車において、一般にステーベーンとランナの間には、ランナに流入する水を案内するガイドベーンが設けられている。このガイドベーンは、角度を変えることにより、ランナに流入する水の流量を調整し、水車出力を変化させる。

この種のガイドベーンとして、ガイドベーンの軸をガイドベーンのそり線から離れた位置に設けガイドベーンを偏心回転させることにより、ガイドベーンの角度とともにガイドベーンとステーベーンとの位置関係が変わるものがある（例えば、特許文献１等参照）。

特開平１１−１４１４４９号公報

一般に、ガイドベーンの開度が同じ場合でも、ステーベーンに対するガイドベーンの位置関係によって、ランナに流入する流れの乱流運動エネルギーの分布が異なる。乱流運動エネルギーの分布が異なるということは流体損失の分布も異なることを意味し、言い換えれば、開度が同じであってもガイドベーンの設置位置によってランナに流入する流れの流体損失が変化することになる。

それに対し、上記従来技術においては、ガイドベーンの開度とともにガイドベーンの位置も変化するが、これはガイドベーンの偏心回転構造によるものであるため、ガイドベーンの開度とガイドベーンのステーベーンに対する位置との相関関係は設計段階でほぼ一意的に定まってしまう。しかしながら、ガイドベーンの位置と流体損失との相関関係は、ガイドベーンの開度やそのガイドベーンを有する水車によっても異なることが予想され、必ずしも一意的に定まるとは言いきれない。したがって、上記従来技術では、様々な状況で流体損失を極力抑えつつ水車を柔軟に稼動させることは困難である。

本発明の目的は、ランナに流入する流れの流体損失を状況に応じて極力抑制することができる水車及びガイドベーン装置並びに水車の運転方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明の水車は、回転駆動するランナと、このランナの外周側に設けたケーシングと、このケーシング内の流路と前記ランナとの間に設けた複数のステーベーンと、回転軸を中心に回転するように、前記複数のステーベーンと前記ランナとの間に設けた複数のガイドベーンと、前記ランナに流入する流れの流体損失を抑制するように、前記ガイドベーンの開度とは独立に前記ガイドベーンの前記回転軸と前記ステーベーンとの位置関係を変更するガイドベーン位置変更手段とを備えたことを特徴とする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記ガイドベーン位置変更手段は、前記ガイドベーンの回転軸を前記ランナの周方向に移動させることを特徴とする。

（３）上記（２）において、また好ましくは、前記ガイドベーン位置変更手段は、前記ケーシングに対し周方向に回転可能に設けられ、前記ガイドベーンの回転軸を支持する支持リングと、この支持リングを回転駆動させる駆動手段とを備えたことを特徴とする。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記ガイドベーン位置変更手段は、前記ガイドベーンの回転軸を前記ランナの半径方向に移動させることを特徴とする。

（５）上記目的を達成するために、本発明の水車の運転方法は、回転駆動するランナと、このランナの外周側に設けたケーシングと、このケーシング内の流路と前記ランナとの間に設けた複数のステーベーンと、回転軸を中心に回転するように前記複数のステーベーンと前記ランナとの間に設けた複数のガイドベーンとを備えた水車の運転方法において、ランナに流入する流れの流体損失が小さくなるように、ガイドベーンの開度に応じて前記ガイドベーンの開度とは独立にガイドベーンの回転軸とステーベーンとの位置関係を変更することを特徴とする。

本発明によれば、ステーベーンに対してガイドベーンの回転軸の位置を変化させることができるので、開度に関係なく、状況に応じて開度とは独立にステーベーンとガイドベーンとの位置関係を変更することができ、ランナに流入する流れの流体損失を状況に応じて最小限に抑制することができる。

以下、本発明の水車の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
本実施形態は、ガイドベーンの回転中心をランナの周方向に移動させるものである。また、本実施形態においては、揚水発電等で用いられるいわゆるポンプ水車に本発明を適用した例を説明するが、本発明は、一般の水力発電に用いられるものを始めとするその他の水車にも勿論適用可能である。

図１は本発明の水車の一実施形態の全体構成を表す水平断面図、図２はその縦断面図、図３はガイドベーン装置の模式図である。
これら図１〜図３に示すように、本実施形態の水車は、回転駆動するランナ１と、このランナ１の外周側に設けた渦巻き型のケーシング２と、このケーシング２内の渦巻き流路３とランナ１との間に設けた複数のステーベーン４と、回転軸５を軸に回転するように、複数のステーベーン４とランナ１との間に設けた複数のガイドベーン６と、これらガイドベーン６の回転軸５とステーベーン４との位置関係を変更するガイドベーン位置変更手段７とを備えている。

上記ランナ１は、複数枚のランナ羽根１０を有しその回転軸となる主軸１１に連結されている。ケーシング２の内周側には、上下一対のスピードリング１２，１３が接続され、それらスピードリング１２，１３の間には、ランナ１の主軸１１を中心とする同心円上に上記複数のステーベーン４が環状に配置、固定されている。また、スピードリング１２とランナ１との間には上カバー１５が、スピードリング１３とランナ１との間には下カバー１６が設けられており、詳細は後述するが、これら上カバー１５及び下カバー１６によって、ガイドベーン６の回転軸５を支持する支持リング２５（後述）が摺動可能に支持されている。

上カバー１５の上方において、主軸１１の外周側には、主軸１１とほぼ同心円状に設けられたガイドリング２０が設けられている。このガイドリング２０の外周部の所定の箇所にはブラケット２１が設けられており、ブラケット２１は、ガイドベーン６の回転軸５に固定したガイドベーンアーム２２に対してリンク２３を介して連結されている。こうした構成とすることにより、ガイドリング２０に接続したガイドベーン開度操作ロッド（例えば油圧シリンダ）２４（図３参照）を適宜操作して伸縮させると、ガイドリング２０が周方向に回転し、これに伴ってリンク２３、ガイドベーンアーム２２を介して各ガイドベーン６の回転軸５に回転力が伝達され、各ガイドベーン６が開閉しその開度を変化させる。

上記ガイドベーン位置変更手段７は、主軸１１を中心にしてケーシング２に対し周方向に回転可能に設けられ、ガイドベーン６の回転軸５を支持する支持リング２５と、この支持リング２５を回転駆動させる駆動手段２６とを備えている。このガイドベーン位置変更手段７は、前述した複数のガイドベーン６ととともにガイドベーン装置を構成する。

支持リング２５は、上下一対のほぼ同径のリング状の部材であるガイドベーン回転軸上部固定部２７、ガイドベーン回転軸下部固定部２８からなる。本実施形態において、各ガイドベーン６の回転軸５は、上記したガイドベーン回転軸上部固定部２７、ガイドベーン回転軸下部固定部２８の間に回転自在に支持され、主軸１１を中心とする同心円周上に環状をなすように配置されている。

このとき、本実施形態において、前述した上カバー１５は、外周カバー３０及び内周カバー３１に分割されており、ガイドベーン回転軸上部固定部２７は、これら外周カバー３０及び内周カバー３１の間に摺動可能に配設されている。一方、ガイドベーン回転軸下部固定部２８は、図２に示したように、前述した下カバー１６に設けた環状の溝部に摺動可能に設けられている。なお、図３においては、繁雑防止のため、外周カバー３０及び内周カバー３１等を図示省略してある。

上記した支持リング２５を回転駆動させる駆動手段２６は、ガイドベーン位置操作ロッド（例えば油圧シリンダ）３５（図３参照）を備えている。上カバー１５の上方において、主軸１１の外周側（本例においては上記ガイドリング２０の内周側）には、主軸１１とほぼ同心円状に設けられたガイドリング３６が設けられており、ガイドベーン位置操作ロッド３５のロッド先端部は、このガイドリング３６の外周部に固定したブラケット３７（図３参照）に連結されている。

また、ガイドリング３６の外周部の所定の箇所にはブラケット３８が設けられており、ブラケット３８は、ガイドベーン回転軸上部固定部２７の所定箇所に固定したブラケット３９に対してリンク４０を介して連結されている。こうした構成とすることにより、ガイドリング３６に接続したガイドベーン位置操作ロッド３５を適宜操作して伸縮させると、ガイドリング３６が周方向に回転し、これに伴ってリンク４０に押し引きされる形で、支持リング２５が周方向に回転するようになっている。これによって、ガイドベーン６の回転軸５が周方向に移動し、ガイドベーンの開度に関係なく、ガイドベーン６とステーベーン４との位置関係を任意に変化させられるようになっている。

なお、特に図示していないが、上カバー１５及びガイドベーン回転軸上部固定部２７間、下カバー１６及びガイドベーン回転軸下部固定部２８間には、例えばシールを介在させたり、ラビリンスシール等の適宜のシール構造を設けたりする等、摺動面からの漏水防止に適宜配慮がなされている。

上記構成の本実施形態の水車において、水車運転時、例えば、上池（上ダム、図示せず）からの水がケーシング２の渦巻き流路３に流入し、ステーベーン４及びガイドベーン６を通過してランナ１に導かれると、この水の流れによってランナ１が回転駆動する。この回転動力は、例えばランナ１と主軸１１を介して同軸に接続した発電機（図示せず）に伝達され、電気エネルギーに変換される。一方、ポンプ運転時には、先述の発電機（図示せず）を動力源（モータ）として、水車運転時とは逆方向にランナ１を回転駆動させ、下方から吸込んだ例えば下池（下ダム、図示せず）の水を、上池に汲み上げる。このポンプ運転は、一般に、電力消費量が比較的少ない時間帯、例えば夜間等に行われる。
このとき、本実施形態においては、例えば水車運転時に、ガイドベーン６を通過する際にガイドベーン６部分で生じる流体損失が小さくなるように、理論的又は経験的に得たデータを基にして、或いは直接的に検出した流体損失に関するデータを基にして、ガイドベーン６の開度に応じてガイドベーン６の回転軸５とステーベーン４との位置関係を変更する。

ここで、それぞれ図１、図２に対応させ、ガイドベーン位置変更手段７を有さない従来の遠心型水車の全体構成を表す水平断面図を図４に、その縦断面図を図５に示した。これらの図において、図１及び図２と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
これら図４及び図５に示した従来型の水車においても、上記同様、渦巻き型ケーシング２を通過した水の流れが、ステーベーン４、ガイドベーン６を通過して動翼であるランナ１の羽根１０に衝突すると、その水の流れの持つ流体エネルギーがランナ１の回転のエネルギーに変換される。このように、ステーベーン４の内周側にガイドベーン６を配設した水車において、ガイドベーン６は、水車運転時、ステーベーン４を通過した水の流れの影響を直接的に受ける。

図６は、従来の水車におけるガイドベーン６とステーベーン４との位置関係を模式的に表した図で、この図において、先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
この図６に示すように、ガイドベーン６は、従来より回転軸５を中心に回転可能に設けられており、水車出力の調節のために開度（あるいは角度）が変更可能な構成となっているため、その開度によって近接するステーベーン４とそのステーベーン４との対向端部との位置関係が変化する。その結果、ガイドベーン６を通過する際に生じる流れの流体損失は、ガイドベーン開度によって異なる。ここで言うガイドベーン開度とは、周方向に隣接するガイドベーン６同士の間の間隙の最短距離を表す百分率で表され、その最短距離が設計点になるガイドベーン６の角度が開度１００％、最短距離が０（ゼロ）すなわち全閉時のガイドベーン６の角度が開度０％となる。

図７〜図９は、ガイドベーン６の周囲の３次元乱流解析による乱流運動エネルギーの結果を示している。
これら図７〜図９では、図示したように、開度を固定したままガイドベーン６自体を周方向に移動させ、ステーベーン４との位置関係を変化させた各場合の乱流運動エネルギーの解析結果を示している。これらの図から分かるように、同じガイドベーン開度であっても、ステーベーン４との位置関係が変化すると、乱流運動エネルギーの分布が異なる。乱流運動エネルギーの分布が異なるということは流体損失の分布が異なることを意味しており、すなわち同じガイドベーン開度であっても、ステーベーン４との位置関係の違いによって流体損失が異なることが分かる。

例えば、ガイドベーン６を偏心回転構造とした場合、ガイドベーン６の開度とともにその位置も変化するので、流体損失を考慮に入れて各開度でガイドベーン６のステーベーン４に対する位置が最適となるように設計できれば、こうした構造でも流体損失低減にある程度効果を発揮する可能性はあるが、ガイドベーン６の開度とガイドベーン６のステーベーン４に対する位置との相関関係が設計段階でほぼ一意的に定まってしまう。しかしながら、ガイドベーン６の位置と流体損失との相関関係は、ガイドベーン開度や水車そのものによっても異なることが予想され、必ずしも一意的に定まるとは言いきれず、単にガイドベーン６を偏心回転構造とした構造では、様々な状況で流体損失を極力抑えつつ水車を柔軟に稼動させることは困難である。

また、例えば、ガイドベーン回転軸５をガイドベーン６の重心位置よりもステーベーン４側に設けることによって、ステーベーン４と、ガイドベーン６におけるステーベーン４との対向端部との位置関係の変化が小さくなるので、予めガイドベーン６の回転軸５の位置を流体損失を考慮して配置すれば、比較的流体損失が大きくなりにくくすることができる。しかしながら、ガイドベーン６は、機器安全性の観点から自己閉鎖性を有していなければならず、閉動作が円滑に行われるために、あらゆる運転条件において水の流れによって閉方向のトルクが生じるように設計する必要がある。また、ポンプ水車のポンプ起動時のガイドベーン自励振動を抑制するように設計する必要がある。回転中心の位置は、ガイドベーン６の形状によっても多少異なるが、一般に、回転中心からガイドベーンの両端までのそれぞれの長さをＬ１，Ｌ２とした場合、Ｌ１／Ｌ２＝０．９〜１．１程度となるところ（すなわちガイドベーン６のほぼ中心）とするのが望ましい。つまり、ガイドベーン６の回転軸５をステーベーン４側に設けた場合、運転条件によってはガイドベーン６に開方向のトルクが発生してしまい、自己閉鎖性を確保する必要があり、ガイドベーン自励振動を抑制する必要がある水車においては安全上好ましい構造とは言えない。

それに対し、本実施形態においては、ステーベーン４に対してガイドベーン６の回転軸５の位置を変化させることができるので、開度に関係なく、状況に応じて開度とは独立にステーベーン４とガイドベーン６との位置関係を変更することができる。このように、ガイドベーン開度に関わらずステーベーン４とガイドベーン６におけるステーベーン４との対向端部との位置関係を自由に変えることがでるので、ガイドベーン６とステーベーン４との位置関係を各開度において常に最適に保つことでき、ランナ１に流入する流れの流体損失を状況に応じて最小限に抑制することができる。

また、ガイドベーン６の回転軸５の位置を移動させ、ステーベーン４に対するガイドベーン６の位置を開度と無関係に任意に調整することができる構成であるので、ガイドベーン６の回転軸５に対するトルク特性を調節することが可能となり、ガイドベーン６の設計自由度を十分に確保することができ、ガイドベーン６を流体損失の小さい形状に設計することができる。また、各開度におけるガイドベーン６とステーベーン４との位置関係を考慮してガイドベーン６の回転中心位置を変更する必要がないので、ガイドベーン６のステーベーン４に対する位置を変化させる機構を回転軸５をガイドベーン６のほぼ中心に位置させて実現することができる。したがって、ガイドベーン６には、常に水の流れを受けて閉方向のトルクが作用し、自己閉鎖性の観点においても好適で、なおかつ自励振動の発生も抑制することができる。

なお、本実施形態においては、周方向に回転する支持リング２５によってガイドベーン６の回転軸５を支持することにより、ガイドベーン６の回転軸５の位置を周方向に移動させる構成としたが、必ずしもこの構成に限られない。例えば、支持リング２５自体が周方向に回転する構成とせず、周方向に所定の長さを有する長穴を支持リング２５に複数設け、各長穴内で回転軸５が周方向に移動する構成としても良い。この場合、各ガイドベーン６の回転軸５にそれぞれ駆動手段２６を連結し個々に移動するようにしても良いし、各回転軸５をリング状の部材で連結してそのリング状の部材に駆動手段２６を連結し、各回転軸５を一体に移動させるようにしても良い。この場合も上記同様の効果を得る。

また、本実施形態においては、ガイドベーン６の回転軸５を周方向に移動させる構成としたが、開閉動作と独立にガイドベーン６とステーベーン４との位置関係を変更させる限りにおいては必ずしもこれに限られず、例えば回転軸５を径方向に移動させる構成としても良い。例えば、径方向に所定の長さを有する長穴を支持リング２５に複数設け、各長穴内で回転軸５が径方向に移動する構成としても良い。この場合、各ガイドベーン６の回転軸５にそれぞれ駆動手段２６を連結し駆動手段によって回転軸５を径方向に移動させる。
この場合、上記同様の効果に加え、ガイドベーン６の径方向の位置を任意に変化させる機能を備えることで、ガイドベーン６の開閉動作に合わせてガイドベーン６を径方向に移動させることにより、ガイドベーン６の開閉に要する回転軸５の回転角を小さくすることができ、一定のガイドベーン流入角度や流出角度で流量を調節することが可能となり、ガイドベーン６の角度変化によるガイドベーン６部分での流体損失を最小限にできる効果がある。さらに、ガイドベーン６とランナ１との距離を任意に調節することが可能となり、ガイドベーン６とランナ１との干渉により発生する水圧脈動を最小限にすることができる。

なお、以上において、図３では、ガイドベーン開度操作ロッド２４及びガイドベーン位置操作ロッド３５をほぼ同一の向きに配設した場合を図示したが、これらガイドベーン開度動作ロッド２４及びガイドベーン位置操作ロッド３５の配置は互いに干渉しない位置であれば良く、その態様に特別な限定はない。また、図３では、それぞれ１つずつ図示したが、ガイドベーン開度操作ロッド２４及びガイドベーン位置操作ロッド３５の数についても特に限定はない。

また、本実施形態では、ガイドベーン開度操作ロッド２４、ガイドベーン位置操作ロッド３５によりガイドベーン６の開度及びその回転軸５の位置をそれぞれ独立に操作しているが、操作ロッド２４，３５を連結させることでガイドベーン６の開度及び回転軸５の位置を連動させることも可能である。

また、本実施形態では、ガイドベーン回転軸上部固定部２７及びガイドベーン回転軸下部固定部２８は環状に形成され各回転軸５を支持しているが、周方向に複数に分割して各分割パーツ間に所定の間隙を確保し、各分割パーツで各ガイドベーン６をそれぞれ独立に支持する構成としても構わない。この場合は、各分割パーツをそれぞれリンク４０でガイドリング３６に連結する。またこの場合、各分割パーツ間だけでなく、上カバー１５との間、及び下カバー１６との間に、径方向に所定の間隙を確保することで、ガイドベーンを径方向移動も可能である。これによっても、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の水車の一実施形態の全体構成を表す水平断面図である。本発明の水車の一実施形態の全体構成を表す縦断面図である。本発明の水車の一実施形態に備えられたガイドベーン装置の模式図である。従来の遠心型水車の全体構成を表す水平断面図である。従来の遠心型水車の全体構成を表す縦断面図である。従来の水車におけるガイドベーンとステーベーンとの位置関係を模式的に表した図である。ガイドベーンの周囲の３次元乱流解析による乱流運動エネルギーの結果を表す図である。ガイドベーンの周囲の３次元乱流解析による乱流運動エネルギーの結果を表す図である。ガイドベーンの周囲の３次元乱流解析による乱流運動エネルギーの結果を表す図である。

符号の説明

１ランナ
２ケーシング
３流路
４ステーベーン
５回転軸
６ガイドベーン
７ガイドベーン位置変更手段
２５支持リング
２６駆動手段

Claims

回転駆動するランナと、
このランナの外周側に設けたケーシングと、
このケーシング内の流路と前記ランナとの間に設けた複数のステーベーンと、
回転軸を中心に回転するように、前記複数のステーベーンと前記ランナとの間に設けた複数のガイドベーンと、
前記ランナに流入する流れの流体損失を抑制するように、前記ガイドベーンの開度とは独立に前記ガイドベーンの前記回転軸と前記ステーベーンとの位置関係を変更するガイドベーン位置変更手段と
を備えたことを特徴とする水車。
請求項１に記載の水車において、前記ガイドベーン位置変更手段は、前記ガイドベーンの回転軸を前記ランナの周方向に移動させることを特徴とする水車。
請求項２に記載の水車において、前記ガイドベーン位置変更手段は、前記ケーシングに対し周方向に回転可能に設けられ、前記ガイドベーンの回転軸を支持する支持リングと、この支持リングを回転駆動させる駆動手段とを備えたことを特徴とする水車。
請求項１に記載の水車において、前記ガイドベーン位置変更手段は、前記ガイドベーンの回転軸を前記ランナの半径方向に移動させることを特徴とする水車。
回転駆動するランナと、このランナの外周側に設けたケーシングと、このケーシング内の流路と前記ランナとの間に設けた複数のステーベーンと、回転軸を中心に回転するように前記複数のステーベーンと前記ランナとの間に設けた複数のガイドベーンとを備えた水車の運転方法において、
ランナに流入する流れの流体損失が小さくなるように、ガイドベーンの開度に応じて前記ガイドベーンの開度とは独立にガイドベーンの回転軸とステーベーンとの位置関係を変更することを特徴とする水車の運転方法。