JP5956885B2 - 水力機械およびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水力機械およびその運転方法に関する。

図７は、従来の水力機械の構造を示す断面図である。図７の水力機械は、フランシス水車に相当する。

図７の水力機械では、上流からの圧力水を導くケーシング１と、ケーシング１の内周側に配置され、ケーシング１からの水を整流するステーベーン２と、ステーベーン２を上下から挟み込むステーリング３とで流路の一部を形成している。また、図７の水力機械は、この流路を流れる水流を、ステーリング３の内周側に配置された、流量調整用の可動翼であるガイドベーン４や、圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナ５へと導く構成となっている。

ランナ５は、リング状に配置された複数の羽根５ａと、これらの羽根５ａに上側から接続され、リング状の形状を有し、主軸９に接続されているクラウン５ｂと、これらの羽根５ａに下側から接続され、リング状の形状を有するバンド５ｃと、クラウン５ｂの下端に設けられたランナコーン５ｄとを備えている。ランナ５は、上カバー６と下カバー７との間に納められている。ランナ５を駆動させた水は、ランナ５の下流に位置する吸出し管８へと放出され、吸出し管８を経て放水路へと放出される。また、主軸９は、発電機１０のローター軸に接続されており、ランナ５の回転エネルギーを発電機１０に伝達することにより、発電機１０に発電のための駆動力を供給する。

通常、ランナ５の羽根５ａは固定されており、水力機械の出力を変化させる場合には、可動のガイドベーン４の開度を変化させて流量調整を行う。そのため、ダムの水位の低下などによりランナ５への水流の流入角度が変化しても、ランナ５の羽根５ａを可動させることができないため、ランナ５で水流のエネルギーをすべて変換できない事態が発生し、その結果、ランナ５の出口側に旋回流れが流出する。特に、小流量の部分負荷運転時にはその現象が顕著であり、ランナ５の出口付近の吸出し管８内には、旋回流れに起因した大きな螺旋状の渦１１が発生する。この渦１１の中心部では圧力が著しく低下しており、水蒸気と遊離空気とで満たされた空洞が発生する。この気泡化した渦１１が吸出し管８内部を振れ回ることにより、水圧脈動が発生する。

このような水圧脈動と流量の関係を図８に示す。図８は、従来の水力機械の水圧脈動特性を示すグラフである。図８から、定格流量未満の領域には、水圧脈動が大きくなる２つの領域１２、１３が存在することが分かる。よって、ダムの水位の低下などにより流量が定格流量よりも少なくなり、これらの領域１２、１３内の流量となると、大きな水圧脈動が発生することとなる。

領域１２の水圧脈動の大きさは、渦１１の強さに依存しており、渦１１の要因となる旋回流れの素性から、定格流量の約半分の流量付近で極大になることが報告されている。

これに対し、領域１３の水圧脈動は、図９に示すように、渦１１の断面形状が楕円１４になり螺旋軸に対し自転する自転モードと、渦１１の発生領域全体が上下方向に伸縮する伸縮モードとの合成であることが、これまでの可視化研究で分かっている。図９は、自転モードと伸縮モードについて説明するための上面図と断面図である。

また、領域１３の水圧脈動の原因となる楕円断面の螺旋渦１１については、近時の流れ解析による現象分析により、図１０に示すような形で楕円断面の螺旋渦１１が形成されることが推定されている。図１０は、楕円断面の螺旋渦１１の生成メカニズムについて説明するための断面図と側面図である。図１０(ｂ)は、図１０(ａ)の領域１５の側面図であり、ランナコーン５ｄの筒形状の壁面を示している。

図１０(ｂ)に示すように、ランナコーン５ｄの壁面近傍の流れ場では、ランナコーン５ｄの壁面の傾きに起因する遠心力１６と、主流方向の動圧力１７が主な流体力となるが、上述の領域１３では両流体力がバランスし、局所的な再循環領域１８が形成される。再循環領域１８は、ランナコーン５ｄの壁面近傍に主流から押し付けられた状態で形成されるため、楕円状の再循環領域１８となる。この再循環領域１８がランナ５の下流域に流下することで、楕円断面の螺旋渦１１が形成される。

また、渦１１の発生領域全体が上下方向に伸縮する伸縮モードについては、図１１に示すように、渦１１がランナ５の出口流れの動圧により下流側に伸びようとする力１９と、吸出し管８の圧力回復効果により渦１１を上流側に戻そうとする力２０とのバランスにより引き起こされると考えられている。図１１は、伸縮モードの生成メカニズムについて説明するための断面図である。

特許第２５９８１２０号公報 特許第２５９２５０８号公報 特開２００１−１６５０２４号公報

領域１２の水圧脈動を抑制する方法としては、旋回流れを抑えるために、吸出し管８の内壁に突起したフィンを取り付ける方法や、渦１１を安定化するために、吸出し管８内に給気する方法が提案されている。給気の方法の例としては、上カバー６から強制的に給気する方法や、吸出し管８の内壁を貫通した給気管から給気する方法や、主軸９内を中空として主軸９内からランナ５の下方へと給気する方法などが挙げられる。一方、領域１３の水圧脈動については、近時の可視化研究により発見されたこともあり、水圧脈動を効果的に抑制する方法が提案されていない。

そこで、本発明は、ランナの下流側に発生する渦の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制可能な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。

一の実施形態によれば、水力機械は、圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナを備え、前記ランナは、リング状に配置された複数の羽根と、前記羽根に上側から接続され、前記羽根に囲まれた位置に下端面を有するクラウンと、前記羽根に下側から接続されたバンドとを備える。さらに、前記機械は、前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸と、前記ランナの下流に位置し、前記ランナを駆動させた水が流れ込む吸出し管とを備える。さらに、前記機械は、前記クラウンの下方において前記主軸の回転軸上に配置され、前記クラウンの下端面の直径よりも小さな直径を有する柱状部材を備える。

第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。 第１実施形態におけるＬＣ／ＤＥの値と水圧脈動振幅との関係を示すグラフ、およびＬＣ、ＤＥについて説明するための断面図である。 第２実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。 第３実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。 第４実施形態におけるＤ０／ＤＥの値と水圧脈動振幅、摩擦損失増加量との関係を示すグラフ、およびＤ０、ＤＥについて説明するための図である。 第５実施形態におけるＬ０／ＬＥの値と水圧脈動振幅、水車効率低下量との関係を示すグラフ、およびＬ０、ＬＥについて説明するための図である。 従来の水力機械の構造を示す断面図である。 従来の水力機械の水圧脈動特性を示すグラフである。 自転モードと伸縮モードについて説明するための上面図と断面図である。 楕円断面の螺旋渦の生成メカニズムについて説明するための断面図と側面図である。 伸縮モードの生成メカニズムについて説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。図１の水力機械は、フランシス水車に相当する。

図１の水力機械は、図７の水力機械と同様に、ケーシング１と、ステーベーン２と、ステーリング３と、ガイドベーン４と、ランナ５と、上カバー６と、下カバー７と、吸出し管８と、主軸９と、発電機１０とを備えている。

本実施形態のランナ５は、複数の羽根５ａと、クラウン５ｂと、バンド５ｃとを備えているが、ランナコーン５ｄは備えていない。その結果、本実施形態のクラウン５ｂは、羽根５ａに囲まれた位置に、ランナ５の下流側に露出した下端面Ｓを有している。

本実施形態のクラウン５ｂは、下端面Ｓの上部に空洞を有している。クラウン５ｂは、このような空洞を有していなくてもよいが、クラウン５ｂにこのような空洞を設けることには、クラウン５ｂを軽量化でき、ランナ５を回転させやすくなるという利点がある。

なお、クラウン５ｂの下端面Ｓは、本実施形態では中実の平坦面となっているが、後述するように中空の平坦面としてもよい。よって、上記の空洞は、本実施形態ではクラウン５ｂを貫通していないが、クラウン５ｂを貫通していてもよい。

図１の水力機械はさらに、円柱型の柱状部材２１を備えている。柱状部材２１は、クラウン５ｂの下方において主軸９の回転軸Ｘ上に配置されており、クラウン５ｂの下端面Ｓの直径ＤＣよりも小さな直径Ｄ０を有している。柱状部材２１は、クラウン５ｂの下端面Ｓに取り付けられている。よって、柱状部材２１は、ランナ５や主軸９の回転と共に回転することとなる。

なお、柱状部材２１は、直径Ｄ０を特定できるような形状であれば、円柱型以外の形状を有していてもよい。柱状部材２１は例えば、円柱部材に突起、窪み、溝、貫通孔などを設けた形状を有していてもよい。ただし、本実施形態の柱状部材２１は、ランナ５や主軸９と共に回転するため、水流を妨げるような突起や窪みは有していない方が望ましい。なお、後述する実施形態では、円管型の柱状部材について説明する。

次に、第１実施形態の効果について説明する。

以上のように、本実施形態では、柱状部材２１が、クラウン５ｂの下方において主軸９の回転軸Ｘ上に配置されている。柱状部材２１が配置されている場所は、渦１１の発生領域と重なっている。また、柱状部材２１が延びる方向は、渦１１の発生領域全体が伸縮する伸縮モードと同じ上下方向である。よって、柱状部材２１は、渦１１の伸縮モードの抵抗として作用する。よって、本実施形態によれば、渦１１の伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制することができる。

また、本実施形態では、ランナコーン５ｄが設けられていないため、渦１１の断面形状が楕円１４となる主要因である楕円状の再循環領域１８は発生せず、従って、渦１１が螺旋軸に対し自転する自転モードの発生が抑制される。また、ランナコーン５ｄの代わりに設けられている柱状部材２１は、クラウン５ｂの下端面Ｓの直径ＤＣより小さな直径Ｄ０を有するため、楕円状の再循環領域１８の発生要因とはなりにくい。よって、本実施形態によれば、渦１１の自転モードに起因する水圧脈動を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制することが可能となる。

図２は、第１実施形態におけるＬＣ／ＤＥの値と水圧脈動振幅との関係を示すグラフ、およびＬＣ、ＤＥについて説明するための断面図である。

図２(ｂ)は、図１と同様、第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。符号Ａは、羽根５ａとクラウン５ｂとの接続部の内端を示す。符号Ｂは、羽根５ａとバンド５ｃとの接続部の内端を示す。符号Ｃは、バンド５ｃの出口端を示す。また、符号ＬＣは、羽根５ａとクラウン５ｂとの接続部の内端Ａとクラウン５ｂの下端面Ｓとの間の軸方向距離を示す。また、符号ＤＥは、ランナ５の出口直径（バンド５ｃの出口端Ｃにおけるランナ５の直径）を示す。

本実施形態では、水圧脈動の抑制作用を効果的に発揮するために、軸方向距離ＬＣを適切な値に設定することが望ましい。理由は、軸方向距離ＬＣが長すぎると、ランナコーン５ｄの側壁近傍で発生していた楕円状の再循環領域１８が、クラウン５ｂの側壁近傍で同様に発生してしまうからである。そのため、軸方向距離ＬＣは、短い値に設定することが望ましい。

そこで、模型試験により、軸方向距離ＬＣをランナ出口直径ＤＥで無次元化したＬＣ／ＤＥ（ＬＣとＤＥとの比率）と、水圧脈動振幅との関係を測定した。図２(ａ)は、その測定結果を示す。図２(ａ)に示すように、水圧脈動振幅の値は、概ねＬＣ／ＤＥが０．０８よりも大きくなると急激に増加する。よって、ＬＣ／ＤＥの値は、０．０８よりも小さく設定することが望ましい（ＬＣ／ＤＥ＜０．０８）。

以上のように、本実施形態では、クラウン５ｂの下端面Ｓの直径ＤＣよりも小さな直径Ｄ０を有する柱状部材２１を、クラウン５ｂの下方において主軸９の回転軸Ｘ上に配置している。よって、本実施形態によれば、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制することが可能となる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。

本実施形態では、クラウン５ｂの下端面Ｓが、中空の平坦面となっており、リング状の形状を有している。また、本実施形態では、柱状部材２１が、支柱２２を介して吸出し管８の壁面に取り付けられている。具体的には、柱状部材２１は、吸出し管８における曲がり部位よりも上流側の部分（上部吸出し管）の壁面に取り付けられている。よって、本実施形態の柱状部材２１は、ランナ５や主軸９と共に回転せず、静止したままとなる。

なお、支柱２２の本数は、本実施形態では２本であるが、柱状部材２１を支えることが可能な本数であれば何本でもよい。また、クラウン５ｂの下端面Ｓは、中空の平坦面ではなく、第１実施形態と同様に中実の平坦面としてもよい。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、クラウン５ｂの下端面Ｓの直径ＤＣよりも小さな直径Ｄ０を有する柱状部材２１を、クラウン５ｂの下方において主軸９の回転軸Ｘ上に配置している。よって、本実施形態によれば、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では、柱状部材２１がランナ５ではなく吸出し管８に取り付けられているため、ランナ５に掛かる重量を軽量化できるという利点がある。一方、第１実施形態では、支柱２２を設置する必要がないため、支柱２２が水流を妨げる事態を防止できるという利点がある。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。

本実施形態では、クラウン５ｂの下端面Ｓが、中空の平坦面となっており、リング状の形状を有している。また、本実施形態の水力機械は、主軸８およびクラウン５ｂの内側を通過する給気管２３と、ランナ５の下流において不安定振動の発生を検知する圧力センサ２４とを備えている。給気管２３は、矢印Ｍで示すように、その先端部を上下方向に伸縮させることが可能な構造を有している。また、圧力センサ２４は、吸出し管８（具体的には、上部吸出し管）の外壁面に取り付けられている。

本実施形態では、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を、この給気管２３を利用して抑制する。本実施形態の給気管２３は、上述した円管型の柱状部材の例に相当する。本実施形態の給気管２３は、図４に示すように、クラウン５ｂの下端面Ｓの直径よりも小さな直径を有し、その先端部は、クラウン５ｂの下方において主軸９の回転軸Ｘ上に配置される。

給気管２３は、先端部を伸縮可能に構成しても伸縮不能に構成してもよいが、本実施形態では先端部を伸縮可能に構成している。理由は、給気のために好ましい給気管２３の長さと、水圧脈動の抑制（具体的には、渦１１の伸縮モードに起因する水圧脈動の抑制）のために好ましい給気管２３の長さが、一般的に異なるからである。

そこで、本実施形態では、水圧脈動に起因する不安定振動を圧力センサ２４により検知する。そして、圧力センサ２４が不安定振動の発生を検知した場合には、水力機械の制御部（不図示）が、給気管２３の先端部をクラウン５ｂの下端面Ｓから下方に伸ばす。これにより、水圧脈動を抑制することが可能となる。

以上のように、本実施形態では、クラウン５ｂの下端面Ｓの直径ＤＣよりも小さな直径Ｄ０を有する給気管２３を、クラウン５ｂの下方において主軸９の回転軸Ｘ上に配置する。よって、本実施形態によれば、第１、第２実施形態と同様に、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を、空気を送るための給気管２３の代わりに、水を送るための給水管を利用して抑制してもよい。

（第４実施形態）
図５は、第４実施形態におけるＤ０／ＤＥの値と水圧脈動振幅、摩擦損失増加量との関係を示すグラフ、およびＤ０、ＤＥについて説明するための図である。

図５(ｂ)は、第４実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。第４実施形態の水力機械は、第１実施形態の水力機械と同様の構造を有している。符号Ｄ０は、柱状部材２１の直径を示す。また、符号ＤＥは、ランナ５の出口直径を示す。

本実施形態では、水圧脈動の抑制作用を効果的に発揮するために、柱状部材直径Ｄ０を適切な値に設定することが望ましい。理由は、柱状部材直径Ｄ０が小さすぎると、渦１１の伸縮モードに対する柱状部材２１の抵抗作用が弱く、水圧脈動を十分に抑制できないからである。また、柱状部材直径Ｄ０が大きすぎると、流路断面積の減少により流速が増加して、摩擦損失が増加するからである。そのため、柱状部材直径Ｄ０は、小さすぎず且つ大きすぎない値に設定することが望ましい。

そこで、模型試験により、柱状部材直径Ｄ０をランナ出口直径ＤＥで無次元化したＤ０／ＤＥ（Ｄ０をＤＥで割った値）と、水圧脈動振幅および摩擦損失増加量との関係を測定した。図５(ａ)は、その測定結果を示す。図５(ａ)に示すように、水圧脈動振幅の値は、概ねＤ０／ＤＥが０．０２よりも小さくなると急激に増加する。一方、摩擦損失増加量の値は、概ねＤ０／ＤＥが０．３０よりも大きくなると急激に増加する。

よって、本実施形態では、Ｄ０／ＤＥの値を、０．０２よりも小さく、かつ０．３０よりも大きく設定する（０．０２＜Ｄ０／ＤＥ＜０．３０）。よって、本実施形態によれば、摩擦損失を低減しつつ、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制することが可能となる。なお、本実施形態の設定は、第２、第３実施形態に適用してもよい。

（第５実施形態）
図６は、第５実施形態におけるＬ０／ＬＥの値と水圧脈動振幅、水車効率低下量との関係を示すグラフ、およびＬ０、ＬＥについて説明するための図である。

図６(ｂ)は、第５実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。第５実施形態の水力機械は、第１実施形態の水力機械と同様の構造を有している。符号Ｌ０は、柱状部材２１の長さを示す。また、符号ＬＥは、羽根５ａとクラウン５ｂとの接続部の内端Ａとバンド５ｃの出口端Ｃとの間の軸方向距離を示す。内端Ａと出口端Ｃの位置については、図２を参照されたい。

本実施形態では、水圧脈動の抑制作用を効果的に発揮するために、柱状部材長さＬ０を適切な値に設定することが望ましい。理由は、柱状部材長さＬ０が短すぎると、渦１１の伸縮モードに対する柱状部材２１の抵抗作用が弱く、水圧脈動を十分に抑制できないからである。また、柱状部材長さＬ０が長すぎると、柱状部材２１の側壁で発生する摩擦損失や、吸出し管８の曲がり流れによる水力損失が増加して、水力機械の水車効率が低下するからである。そのため、柱状部材長さＬ０は、短すぎず且つ長すぎない値に設定することが望ましい。

そこで、模型試験により、柱状部材長さＬ０を軸方向距離ＬＥで無次元化したＬ０／ＬＥ（Ｌ０をＬＥで割った値）と、水圧脈動振幅および水車効率低下量との関係を測定した。図６(ａ)は、その測定結果を示す。図６(ａ)に示すように、水圧脈動振幅の値は、概ねＬ０／ＬＥが０．３よりも小さくなると急激に増加する。一方、水車効率低下量の値は、概ねＬ０／ＬＥが３．０よりも大きくなると急激に増加する。

よって、本実施形態では、Ｌ０／ＬＥの値を、０．３よりも小さく、かつ３．０よりも大きく設定する（０．３＜Ｌ０／ＬＥ＜３．０）。よって、本実施形態によれば、水車効率の低下を抑制しつつ、渦１１の自転モードや伸縮モードに起因する水圧脈動を抑制することが可能となる。なお、本実施形態の設定は、第２〜第４実施形態に適用してもよい。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な機械および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した機械および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：ケーシング、２：ステーベーン、３：ステーリング、４：ガイドベーン、
５：ランナ、５ａ：羽根、５ｂ：クラウン、５ｃ：バンド、５ｄ：ランナコーン、
６：上カバー、７：下カバー、８：吸出し管、９：主軸、１０：発電機、
１１：螺旋渦、１２、１３：水圧脈動増加領域、１４：楕円、１５：領域、
１６：遠心力、１７：動圧力、１８：再循環領域、１９、２０：力、
２１：柱状部材、２２：支柱、２３：給気管、２４：圧力センサ

Claims (9)

1. リング状に配置された複数の羽根と、前記羽根に上側から接続され、前記羽根に囲まれた位置に中実の下端面を有し、前記下端面の上部に空洞を有するクラウンと、前記羽根に下側から接続されたバンドとを備え、圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
   前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸と、
   前記ランナの下流に位置し、前記ランナを駆動させた水が流れ込む吸出し管と、
   前記クラウンの下方において前記主軸の回転軸上に配置され、前記空洞の下端部の直径よりも小さな直径を有する柱状部材と、
   を備える水力機械。
2. 前記柱状部材は、前記クラウンに取り付けられている、請求項１に記載の水力機械。
3. 前記羽根と前記クラウンとの接続部の内端と前記クラウンの下端面との間の軸方向距離ＬＣと、前記ランナの出口直径ＤＥとの比率ＬＣ／ＤＥは、０．０８よりも小さい、請求項１または２に記載の水力機械。
4. 前記柱状部材は、支柱を介して前記吸出し管に取り付けられている、請求項１に記載の水力機械。
5. 前記柱状部材の直径Ｄ０を、前記ランナの出口直径ＤＥで割った値Ｄ０／ＤＥは、０．０２よりも大きく、かつ０．３０よりも小さい、請求項１から４のいずれか１項に記載の水力機械。
6. 前記柱状部材の長さＬ０を、前記羽根と前記クラウンとの接続部の内端と前記バンドの出口端との間の軸方向距離ＬＥで割った値Ｌ０／ＬＥは、０．３よりも大きく、かつ３．０よりも小さい、請求項１から５のいずれか１項に記載の水力機械。
7. 前記クラウンの下端面は、中実の平坦面であり、前記ランナの下流側に露出している、請求項１から６のいずれか１項に記載の水力機械。
8. リング状に配置された複数の羽根と、前記羽根に上側から接続され、前記羽根に囲まれた位置に中実の下端面を有し、主軸に接続されており、前記下端面の上部に空洞を有するクラウンと、前記羽根に下側から接続されたバンドとを備え、前記クラウンの下方において、前記主軸の回転軸上に、前記空洞の下端部の直径よりも小さな直径を有する柱状部材が配置されているランナにより、圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換し、
   前記ランナの回転エネルギーを、前記主軸により発電機に伝達し、
   前記ランナを駆動させた水を、前記ランナの下流に位置する吸出し管へと放出する、
   ことを含む水力機械の運転方法。
9. 前記クラウンの下端面は、中実の平坦面であり、前記ランナの下流側に露出している、請求項８に記載の水力機械の運転方法。

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