JP5916640B2

JP5916640B2 - 水力発電用水車の流量調整用ノズル

Info

Publication number: JP5916640B2
Application number: JP2013009776A
Authority: JP
Inventors: 直哉江原
Original assignee: デンヨー株式会社; 喜多機械産業株式会社
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: JP2014141905A

Description

本発明は、水力発電用水車、特にクロスフロー水車の流量調整用ノズルに関するものである。

水力発電は、水ジェットをランナに衝突させて水平軸の水車を回すペルトン水車、水をランナと交差させて流すことにより水車を回すクロスフロー水車、ランナ外周から半径方向に水を流入して軸方向に流出させる際の反動により水車を回すフランシス水車等の水車により発電機を駆動して発電を行う。それら水車の内、クロスフロー水車は、落差２〜１００ｍの広い範囲で適用可能で、構造がシンプルで部品点数が少なく、メンテナンスが容易であるため、１，０００ｋＷ以下の小水力発電で広く採用されている。

図７は、水力発電の概略説明図である。水力発電は、河川等から流れ込む水を受水槽１１に貯め、貯めた水を、水圧管路１２，入口弁１３等を介して水力発電装置１４に流して発電を行う。

水力発電の発電機出力Ｐ（ｋＷ）は、重力加速度が９．８（ｍ／ｓ^２）で、流量をＱ（ｍ^３／ｓ）、有効落差をＨ（ｍ）、効率をηとすると、
(数１)
Ｐ＝９．８×Ｑ×Ｈ×η
となる。

なお、「有効落差」とは、水車に作用する落差で、総落差から損失落差を差し引いた値をいい、「総落差」とは、図７に示すように、発電のための取水点と放水点の標高差、図７の例では、受水槽１１の水位と放水槽１５の水位との差であり、「損失落差」とは、水路や管路の中を水が流れるときに発生する圧力損失、図７の例では、水圧管路１２や入口弁１３等の中を水が流れるときに発生する圧力損失を落差に置き換えたものである。

水力発電において、発電出力を一定に保つには、上記数式１から明らかなように、流量Ｑと有効落差Ｈを一定に保つ必要があり、そのため、水力発電装置１４に流す流量Ｑ２を受水槽１１に流れ込む流量Ｑ１以下にして一定に保ち、かつ、受水槽１１に流れ込む流量Ｑ１の余剰分を、受水槽１１から図示しない余水管を通して河川へ放流することにより、受水槽１１の水位を一定に保つようにしている。

図８は、クロスフロー水車を使った発電装置の一例を示す図であり、図９は、図８のＡ−Ａ断面図である。図８，図９において、１はクロスフロー水車のケーシング、２は入口管、３はランナ、ＧＢはガイドベーンであり、１６は導水管、１７は空気吸入弁、２０は発電機、２１は端子箱、２２は口出し線である。

このクロスフロー水車は、水圧管路から導水管１６を通して入口管２に水を受け、その水を、先端吐出部Ｎよりランナ３に対して交差する方向に流すことによりランナ３を回転させ、それにより発電機２０を駆動して発電を行う。導水管１６は、水圧管路１２（図７）に接続する為の円形フランジと、入口管２に接続する為の角形フランジとを両端に有し、その間の管部は断面円形から断面四角形に変形させている。

このような水力発電は、河川や池の水を利用しているが河川等には、季節に応じて渇水期と豊水期があり、図１０に流況図を示すように、年間を通じて流量は一定ではなく、そ
れに伴って水力発電に利用できる流量は変化する。なお、流況図は、年間の流量測定データを、大きい順に並べたグラフであり、横軸が日数、縦軸が流量を表している。

そこで、そのような流量の変化に合わせて効率よく水車の運転が行えるように、従来のクロスフロー水車では、入口管２の内部にガイドベーンＧＢを設けて、その開度を変化させることにより流量調整を行うようにしている。なお、ガイドベーンを設けて流量調整を行うことは、例えば、特許文献１，特許文献２に示されている。

特許文献２にはさらに、流量調整のための別の手段として、入口管の内部に、ノズル形状に板取りされた２枚のスライド可能な仕切板を設けて流量調整を行うことや、入口管の両側面に設けた水車カバーの一方に、ランナの外周の一部に沿う円弧状の溝を穿設し、該溝を介して外部側から入口管内に、ランナの外周側を覆う湾曲板状の流水量調節板を、該ランナの軸方向に沿って摺動可能に貫通させて設け、入口管内の流路をランナの軸方向にて仕切る流水案内板を一体的に設けて、それら流水量調節板及び流水案内板をランナの軸方向に沿って無段階的に進退移動させることにより、流量調整を行うことも示されている。

特開平２−２０８３３号公報特開平５−１８３４４号公報

しかしながら、上記従来の水力発電用水車の流量調整手段は、いずれも可動部分を有していて、それらの位置を機械的制御や電気的制御で行う必要があり、その制御機構が複雑でコストも高くなり、故障の発生も多くなって、設置場所によっては修理にも手間が掛かるという問題点があった。また、ノズル形状に板取りされた２枚のスライド可能な仕切板を設けたものや、ランナの外周側を覆う湾曲板状の流水量調節板、及び、入口管内の流路をランナの軸方向にて仕切る流水案内板を、ランナの軸方向に沿って無段階的に進退移動させるものでは、水の流れをランナの軸方向に制限することにより流量調節を行うので、最大流量のとき以外は、ランナの羽根の一部しか使用しない状態になって、ランナの使用効率が悪くなるという問題点もあった。

本発明は、そのような問題点に鑑み、水力発電用水車の流量調整手段として、可動部分のないノズルを採用することにより、構造が簡単で、制御が不要でコストがあまり掛からないようにすることを目的とするものである。さらに、常にランナの羽根全体を使用するようにしてランナの使用効率を高く維持することを目的とするものである。

前記課題を解決するため、本願の請求項１にかかる発明は、水圧管路を通して送られてくる水を導入し、その水を先端吐出部から吐出させて水車を回転させるようにした入口管の前記先端吐出部に、水流方向と軸心を交差させてランナを設けたクロスフロー水車の、前記入口管の内部に着脱自在に設ける可動部分のないノズルであって、前記ランナ側に配置し、ランナとほぼ同じ横幅を有する下面板と、該下面板に対向した上面板と、該下面板及び上面板の間に渡した２枚の側板とで断面四角形に形成されており、先端に、前記入口管の先端吐出部より小断面の吐出部を有し、前記上面板の先端を前記下面板の先端より長くして前記ランナの外周直近まで延伸させたことを特徴とする。

また、本願の請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、前記上面板の延伸部分を、前記ランナと離れる方向に屈曲させたことを特徴とする。

また、本願の請求項３にかかる発明は、請求項１又は２にかかる発明において、前記側板を、前記上面板の外側方向に延長させて支持部を形成し、該支持部の縁部と前記下面板の外面が、前記入口管の先端部内面に嵌合するようにしたことを特徴とする。

本発明は、次のような効果を奏する。
すなわち、請求項１にかかる発明においては、水を先端吐出部から吐出させて水車を回転させるようにした入口管の内部に、着脱自在に、断面四角形で、ランナとほぼ同じ横幅を有し、先端に、入口管の先端吐出部より小断面の吐出部を有し、上面板の先端を下面板の先端より長くしてランナの外周直近まで延伸させた可動部分のないノズルを設けるようにしたので、水力発電用水車の流量調整手段として、構造が簡単で、制御が不要になり、コストを抑えることができる。また、常にランナの全幅にわたり水を流して羽根全体を使用し、かつ、水がスムーズに流れてランナに当たるようになって、水車の効率が向上する。しかも、同じ流量でもノズル取り付け前より有効落差を大きくして発電出力を向上させることができる。

また、請求項２にかかる発明においては、請求項１にかかる水力発電用水車の流量調整用ノズルにおいて、上面板の延伸部分を、ランナと離れる方向に屈曲させたので、ランナの羽根に水が当たる面積が広くなり、水車の効率がさらに向上して、発電機出力を増加させるころができる。

また、請求項３にかかる発明においては、請求項１又は２にかかる水力発電用水車の流量調整用ノズルにおいて、前記側板を、前記上面板の外側方向に延長させて支持部を形成し、該支持部の縁部と前記下面板の外面が、前記入口管の先端部内面に嵌合するようにしたので、上面板と支持部を上にした状態で入口管の中へ嵌め込むだけで取り付けることができ、入口管へのノズルの着脱が簡単になり、取り付けた後は、ノズルは水圧により完全に固定されるようになる。

本願発明の一実施例に係るノズルを適用したクロスフロー水車の断面図である。本願発明の一実施例に係るノズルを示す図である。流れ込む流量が減少してノズルを取り付けたときの状態を示す図である。流量と有効落差及び有効落差と出力の関係を示す図である。本願発明の他の実施例に係るノズルを適用したクロスフロー水車の断面図である。本願発明の他の実施例に係るノズルを示す図である。水力発電の概略説明図である。クロスフロー水車を使った発電装置の一例を示す図である。従来のクロスフロー水車の断面図である。流況図の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本願発明の一実施例に係るノズルを適用したクロスフロー水車の断面図である。符号は、図９のものに対応しており、４はノズルである。ノズル４は、入口管２の内部に着脱自在に設ける。

図２は、本願発明の一実施例に係るノズルを示す図である。この図は、図１のものとは上下を反転させて、正面図，平面図及び側面図を示している。図２において、５は流入口、６は噴出口、７は下面板、８は上面板、９は側板、１０は支持部である。

入口管２は、図７の水圧管路１２のような水圧管路を通して送られてくる水を、クロスフロー水車のケーシング１内に導入する。クロスフロー水車は、入口管２の先端吐出部に、水流方向と軸心を交差させてランナ３を設けている。入口管２の内部には、ノズル４が着脱自在に設けられる。

ノズル４は、材質をＳＵＳ３０４として、強度を高くし、長期間水に浸かっても錆びないようにしており、ランナ３とほぼ同じ横幅を有する下面板７と、それに対向した上面板８と、下面板７及び上面板８の左右両縁間に渡した２枚の側板９，９とで断面四角形に形成されていて、流入口５と噴出口６を有している。ノズル４の吐出部ｎの断面積は、前記入口管２の先端吐出部Ｎの断面積より小さく形成されている。

また、上面板８の先端を下面板７の先端より長くしてランナ３の外周直近まで延伸させてることにより、水流をスムーズにし、かつ、図中Ｒ_１で示す広い範囲でランナ３に水流が当たるようにしている。

さらに側板９を、上面板８の外側まで延ばして支持部１０を形成しており、該支持部１０の上縁部と下面板７の外面が、入口管２の、先端に向かうにしたがって狭くなっている先端部内面に合致する形状になるようにして、ノズル４が入口管２の先端部内面に嵌合するようにしている。

このようなノズル４を入口管２へ取り付ける際には、一旦入口弁１３（図７）を閉じて水を止め、入口管２から導水管１６（図８）を取り外した後、ノズル４を上面板８と支持部１０を上にした状態で入口管２の中へ嵌め込む。このようにすれば、入口管２へのノズル４の取り付けを簡単に行うことができ、取り付けた後は、ノズル４は水圧により完全に固定される。また、ノズル４を取り外す際には、水を止めた後、導水管１６を取り外して、入口管２からノズル４を引き抜く。このように、ノズル４の着脱はきわめて簡単に行うことができる。

ここで、ノズル４を取り付けることによる水位の変化、及び発電出力の変化について、図３と図４を使って説明する。図３は、流れ込む流量が減少してノズルを取り付けたときの状態を示す図であり、図４は、流量と有効落差及び有効落差と出力の関係を示す図である。符号は、図７のものに対応している。

前提条件として、本発明は、落差は大きく取れるが、河川の水量はあまり確保できないような条件下での運用を想定しており、もともと利用可能な流量が少ないので、渇水期に、受水槽１１内の水位を所定のレベルに維持しようとしてノズル４の吐出部ｎの断面積を小さくしすぎると、ランナ３に流す流量が少なくなりすぎて、発電効率が悪くなってしまう。そこで、渇水期でも最低限の流量をランナ３に流せるように、ノズル４の吐出部ｎの断面積をある程度以上確保するとともに、水位が水圧管路１２内まで低下した状態でも運転できるようにしている。

そのような水力発電施設において、豊水期には、河川から受水槽１１に流れ込む流量Ｑ１が十分あって、受水槽１１が満水状態になって、図４に示すように、最大の有効落差Ｈ０及び水力発電装置１４に流れ込む水の最大流量Ｑ２０により、最大の発電出力Ｐ０が得られる。

一方、渇水期には、受水槽１１に流れ込む流量Ｑ１が減少して受水槽１１の水位が低下していき、さらに低下して、水圧管路１２内で、所定の水位Ｌ１まで低下したときに、入口管２内にノズル４を取り付ける。その時の有効落差はＨ１で、水力発電装置１４に流れ込む水の流量はＱ２１であり、流量Ｑ２１は、河川から流れ込む流量Ｑ１と平衡している。ノズル４を取り付ける直前までは、そのような、有効落差Ｈ１，流量Ｑ２１の水流により、水力発電装置１４から出力Ｐ１が得られていたことになる。

その状態で、水力発電装置１４の入口管２に、吐出部断面積が小さいノズル４を取り付けると、吐出部断面積が小さくなった分、ノズルから吐出する水の流量が減少する。一方、流れ込む水の流量Ｑ２１は変化がないので、ノズルから吐出する水の流量＜流量Ｑ２１となって、水圧管路１２内の水位は徐々に上昇する。
ここで、流れ込む水の流量をＱ、流出係数をＣ、吐出部断面積をＡ、ノズル４からの吐出流速をＶとすると、
(数２)
Ｑ＝Ｃ×Ａ×Ｖ
となり、流れ込む水の流量Ｑ２１は変化しないので、吐出部断面積Ａが小さくなったことで、吐出流速Ｖが速くなる。
また、有効落差をＨとすると、
(数３)
Ｖ＝（２×９．８×Ｈ）^１／２
となるので、吐出流速Ｖが速くなるのにともなって、有効落差Ｈが大きくなっていく。

その内、ノズルから吐出する水の流速が速くなっていくのに応じて吐出流量が多くなっていき、流れ込む水の流量Ｑ２１と平衡するようになって、水圧管路１２内の水位が水位Ｌ２で一定になり、その時の有効落差はＨ２となる。そして、有効落差Ｈ２により、水力発電装置１４から出力Ｐ２が得られる。この時、有効落差Ｈ２は、ノズル取り付け前の有効落差Ｈ１より大きくなっているため、出力Ｐ２は、ノズル４を取り付ける前の出力Ｐ１より大きくなる。

このように、入口管２内にノズル４を取り付けることにより、流れ込む水の流量が同じでも、取り付け前より有効落差が大きくなり、発電出力を大きくすることができる。

ただ、このように水位が水圧管路１２内まで低下した状態で運転する場合、流れ込む流量Ｑ１が変動すると、有効落差Ｈと吐出する流量Ｑ２が変動する。それにともなって、発電機の出力も変動し、そのままでは、出力電圧や周波数を一定に保てなくなる。その対策としては、発電機と負荷との間にインバータを介在させ、そのインバータにより出力電圧及び周波数を一定に保持させるようにすればよい。

そして、このような可動部分のないノズル４を用いることにより、構造が簡単で、制御が不要になり、コストを抑えながら、発電に使える流量の変動に応じた流量調整が可能になる。また、常にランナの全幅にわたり水を流して羽根全体を使用し、かつ、水がスムーズに流れてランナに当たるようになって、水車の効率が向上する。

また、吐出部ｎの断面積が異なるノズル４を複数種類用意しておけば、よりきめの細かい流量調整が可能になり、流れ込む様々な流量に対して無駄なく対応できる。

図５は、本願発明の他の実施例に係るノズルを適用したクロスフロー水車の断面図であり、図６は、そのノズルを示す図である。符号は、図１，図２のものに対応している。

この実施例では、上面板８の延伸部分を、ランナ３と離れる方向にわずかに屈曲させている。このようにすると、図中Ｒ_２で示すような、さらに広い面積でランナ３に水流が当たるようになり、水車効率がさらによくなる。

１ケーシング
２入口管
３ランナ
４ノズル
５流入口
６噴出口
７下面板
８上面板
９側板
１０支持部
１１受水槽
１２水圧管路
１３入口弁
１４水力発電装置
１５放水槽
１６導水管
２０発電機

Claims

水圧管路を通して送られてくる水を導入し、その水を先端吐出部から吐出させて水車を回転させるようにした入口管の前記先端吐出部に、水流方向と軸心を交差させてランナを設けたクロスフロー水車の、前記入口管の内部に着脱自在に設ける可動部分のないノズルであって、
前記ランナ側に配置し、ランナとほぼ同じ横幅を有する下面板と、該下面板に対向した上面板と、該下面板及び上面板の間に渡した２枚の側板とで断面四角形に形成されており、先端に、前記入口管の先端吐出部より小断面の吐出部を有し、前記上面板の先端を前記下面板の先端より長くして前記ランナの外周直近まで延伸させたことを特徴とする水力発電用水車の流量調整用ノズル。
前記上面板の延伸部分を、前記ランナと離れる方向に屈曲させたことを特徴とする請求項１に記載の水力発電用水車の流量調整用ノズル。
前記側板を、前記上面板の外側方向に延長させて支持部を形成し、該支持部の縁部と前記下面板の外面が、前記入口管の先端部内面に嵌合するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電用水車の流量調整用ノズル。