JP6914767B2 - 水力機械およびその組立分解方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水力機械およびその組立分解方法に関する。

一般に、立軸フランシス水車などの水力機械の現地組立時には、水力機械の部品を工場から現地まで個別に搬送し、各部品をクレーンで吊り上げて建屋内へと搬入し、建屋内で各部品の据付調整を行う。同様に、水力機械のオーバーホール時には、水力機械を部品に分解し、各部品をクレーンで吊り上げて建屋から搬出し、各部品の点検や修理を行う。

水力機械の部品の搬送方法としては、以下のような方法が知られている。例えば、二床式水力発電設備の上部空間と下部空間とを連通する連通口を設け、水力機械の現地組立時に、連通口の下部に配置された搬送用レールと、搬送用レールに取り付けられた吊り出し冶具とを用いて、水力機械の部品を搬送する方法が知られている。また、水力機械の水車主軸に、着脱可能な中間軸を設け、水車機械を囲うバレルの周面に、水力機械搬出入用のハッチに向かう搬送路を開口した水力機械も知られている。

特開２００７−２６２９７２号公報 特開２００４−３６０７０５号公報

立軸フランシス水車は、適用範囲が広く納入実績も多い水力機械であるが、その組立や分解に関していくつかの問題を有している。例えば、立軸フランシス水車の現地組立時には、水車の下部に配置される部品から順番に建屋内に部品を搬入するため、その組立作業および据付調整に長期間を要している。また、立軸フランシス水車の工場出荷前には水車の仮組作業を行うことから、現地と工場とで二重の組立作業が発生している。また、工場での仮組後の分解作業やオーバーホール時の分解作業においても、部品を順番に分解する必要があり、分解作業に多大な工数と人員が必要となる。同様の問題は、立軸フランシス水車以外の水力機械でも発生する。

さらに、中型や小型の水力機械の組立時や分解時においては、建屋内の作業スペースが狭いことが問題となる。そのため、水力機械の組立作業、据付作業、流路点検などの作業性が悪いことから、作業効率低下の要因となっている。

そこで、本発明の実施形態は、水力機械の組立や分解を効率的に実施することが可能な水力機械およびその組立分解方法を提供することを課題とする。

一の実施形態によれば、水力機械は、貯水池から水が流入するケーシングと、前記ケーシングの内径側に設けられた固定翼であるステーベーンと、前記ケーシングの内径側に設けられた第１部分と、前記第１部分の内径側に設けられ、前記第１部分と分割可能な第２部分とを含むステーリングとを備える。さらに、前記機械は、前記ステーベーンの内径側に設けられた可動翼であるガイドベーンと、前記ガイドベーンの上部に設けられた上カバと、前記ガイドベーンの下部に設けられた下カバと、前記ガイドベーンを開閉させるガイドベーン開閉機構とを備える。さらに、前記機械は、前記ケーシングから流入する水により回転するランナと、前記ランナの回転運動を発電機に伝達する主軸と、前記ランナを回転させた水が流入するドラフトチューブとを備える。

第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図(1/2)である。 第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図(2/2)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の構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図６では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（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、立軸フランシス水車であり、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、上カバ５と、下カバ６と、ガイドベーン開閉機構７と、ランナ８と、主軸９と、ドラフトチューブ１０とを備えている。

図１は、主軸９に垂直で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、主軸９に平行なＺ方向を示している。本明細書では、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。本実施形態の−Ｚ方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。本明細書ではさらに、主軸９に近い側を内径側と呼び、主軸９から遠い側を外径側と呼ぶ。

ケーシング１は、渦巻状の形状を有し、上部貯水池から圧力水が流入するよう構成されている。ステーベーン２は、ケーシング１の内径側に設けられた固定翼である。ステーリング３は、リング状の形状を有し、ケーシング１の内径側に設けられている。ステーリング３は、ステーベーン２で軸方向の水応力を支持するよう構成されている。

ガイドベーン４は、ステーベーン２の内径側に設けられた可動翼である。上カバ５は、ガイドベーン４の上部に設けられており、下カバ６は、ガイドベーン４の下部に設けられている。上カバ５と下カバ６は、ガイドベーン４を支承し、円筒流路を形成している。ケーシング１に流入した圧力水は、ステーベーン２とガイドベーン４とを介してこの円筒流路に流入する。ガイドベーン開閉機構７は、ガイドベーン４をサーボモータ等の駆動力により開閉させる。

ランナ８は、円筒流路の内径側に設けられており、円筒流路から流入する圧力水により回転する。これにより、ランナ８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ことができる。主軸９は、ランナ８に取り付けられており、ランナ８の回転運動を発電機（図示せず）に伝達する。ドラフトチューブ１０は、ランナ８を回転させてエネルギーを失った流水が流入するよう構成されており、この流水の圧力を回復させる流路を形成している。

水力機械の現地組立時には、水力機械の部品を工場から現地まで搬送し、搬送した部品をクレーンで吊り上げて建屋内へと搬入する。矢印Ａ１は、部品を搬入する際の部品の移動方向の例を示している。同様に、水力機械のオーバーホール時には、水力機械を部品に分解し、分解した部品をクレーンで吊り上げて建屋から搬出する。矢印Ａ２は、部品を搬出する際の部品の移動方向の例を示している。

図２は、第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図であり、図１の拡大断面図に相当する。

本実施形態のステーリング３は、ケーシング１の内径側に設けられた第１ステーリング３ａと、第１ステーリング３ａの内径側に設けられ、第１ステーリング３ａと分割可能な第２ステーリング３ｂとを含んでいる。第１および第２ステーリング３ａ、３ｂはいずれもリング状の形状を有しており、第１ステーリング３ａが外側に位置し、第２ステーリング３ｂが内側に位置している。第１および第２ステーリング３ａ、３ｂはそれぞれ、第１および第２部分の例である。

第１ステーリング３ａと第２ステーリング３ｂは分割可能であるため、水力機械の現地組立時にはこれらを建屋内に別々に搬入する。まず、ケーシング１の内径側の領域に第１ステーリング３ａを搬入する。次に、第１ステーリング３ａの搬入後に、第１ステーリング３ａの内径側の領域に第２ステーリング３ｂを搬入する。こうして、ステーリング３が建屋内に搬入される。

同様に、水力機械の分解・オーバーホール時には、第１ステーリング３ａと第２ステーリング３ｂを建屋から別々に搬出する。まず、ケーシング１の内径側の領域から第２ステーリング３ｂを搬出する。次に、第２ステーリング３ｂの搬出後に、ケーシング１の内径側の領域から第１ステーリング３ａを搬出する。こうして、ステーリング３が建屋から搬出される。

このように、本実施形態のステーリング３は、第１ステーリング３ａと第２ステーリング３ｂとに分割することができる。これにより、第２ステーリング３ｂを、ガイドベーン４、上カバ５、下カバ６、およびガイドベーン開閉機構７と一体化された状態で、第１ステーリング３ａの内径側の領域に搬入することや、第１ステーリング３ａの内径側の領域から搬出することが可能となる。よって、本実施形態の第２ステーリング３ｂ、ガイドベーン４、上カバ５、下カバ６、およびガイドベーン開閉機構７は、建屋内に同時に搬入され、建屋から同時に搬出される。図２の斜線部は、第２ステーリング３ｂおよびこれと同時に搬入・搬出される部品を示している。

第２ステーリング３ｂは、ガイドベーン４、上カバ５、下カバ６、およびガイドベーン開閉機構７とどのような方法で一体化されていてもよい。図２は、第２ステーリング３ｂが上カバ５および下カバ６と締結具Ｆにより締結されている様子を示している。締結具Ｆの例はボルトである。

第１ステーリング３ａは、第２ステーリング３ｂを載置するための載置部Ｐを含んでいる。本実施形態の載置部Ｐは、第２ステーリング３ｂを載置するための段差である。第２ステーリング３ｂは、第１ステーリング３ａの載置部Ｐの上部に載置されている。本実施形態の第２ステーリング３ｂは、建屋内に搬入された後、第１ステーリング３ａと締結具により締結される。この締結具の例は、上述の締結具Ｆと同様にボルトである。第１ステーリング３ａと第２ステーリング３ｂとを締結する締結具は、建屋から搬出する際に取り外される。

図１は、第２ステーリング３ｂの最外径Ｄ１（最外部の半径）と、ケーシング１の最内径Ｄ２（最内部の半径）を示している。本実施形態の第２ステーリング３ｂの最外径Ｄ１は、ケーシング１の最内径Ｄ２よりも小さく設計されている。これにより、第２ステーリング３ｂが上カバ５、下カバ６等と一体化されていても、第２ステーリング３ｂを、ケーシング１の内径側の領域にスムーズに搬入することや、ケーシング１の内径側の領域からスムーズに搬出することが可能となる。

本実施形態によれば、第２ステーリング３ｂ、ガイドベーン４、上カバ５、下カバ６、およびガイドベーン開閉機構７に関し、工場での仮組作業で組立調整を行いそのまま現地に搬送することが可能となるため、現地組立や据付調整に要する時間を短縮することができる。さらに、これらを工場で組み立てることができるため、組立時に広い作業スペースを確保することができ、組立工数を削減することが可能となる。

また、本実施形態によれば、オーバーホール時に第２ステーリング３ｂ、ガイドベーン４、上カバ５、下カバ６、およびガイドベーン開閉機構７を一体化したまま搬出することができるため、分解工数や流路点検工数を削減することができる。

なお、ステーベン２は、本実施形態では翼形の形状を有しているが、代わりに、軸方向の水応力を効果的に支持するために支柱の形状を有していてもよい。これにより、現地でステーベーン２を第１ステーリング３ａに滑らかに接合する必要がなくなり、現地組立や据付調整に要する時間をさらに短縮することができる。

以上のように、本実施形態によれば、水力機械の組立や分解を効率的に実施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。

本実施形態の第２ステーリング３ｂは、ガイドベーン４、上カバ５、およびガイドベーン開閉機構７と一体化された状態で、建屋内に搬入され、建屋から搬出される（図３の斜線部を参照）。下カバ６は、第２ステーリング３ｂとは別個に搬入および搬出される。

一般に、ガイドベーン開閉機構７を第２ステーリング３ｂや上カバ５などに取り付ける作業は面倒である。本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、面倒なガイドベーン開閉機構７の取り付け作業や取り外し作業を建屋内で行うことを省略できる。

（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。

本実施形態の第２ステーリング３ｂは、下カバ６と一体化された状態で、建屋内に搬入され、建屋から搬出される（図４の斜線部を参照）。ガイドベーン４、上カバ５、およびガイドベーン開閉機構７は、第２ステーリング３ｂとは別個に搬入および搬出される。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、下カバ６の取り付け作業や取り外し作業を建屋内で行うことを省略できる。よって、下カバ６の取り付けや取り外しに要する時間を削減することが可能となる。

（第４実施形態）
図５は、第４実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。

本実施形態の第２ステーリング３ｂは、上カバ５や下カバ６とは別個に建屋内に搬入され、建屋から搬出される（図５の斜線部を参照）。よって、水力機械の現地組立時には、ケーシング１の内径側に下カバ６を搬入し、次に下カバ６の上部に第２ステーリング３ｂを搬入し、その後に第２ステーリング３ｂの上部に上カバ５を搬入する。一方、水力機械の分解・オーバーホール時には、これらの部品が上カバ５、第２ステーリング３ｂ、および下カバ６の順番で搬出される。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、ステーリング３を第１ステーリング３ａと第２ステーリング３ｂとに分割することで、ステーリング３の搬入や搬出を効率的に実施することが可能となる。

（第５実施形態）
図６は、第５実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。

本実施形態の下カバ６は、ガイドベーン４の下部に設けられた第１下カバ６ａと、第１下カバ６ａの下部に設けられ、第１下カバ６ａと分割可能な第２下カバ６ｂとを含んでいる。そして、本実施形態の第２ステーリング３ｂは、ガイドベーン４、上カバ５、第１下カバ６ａ、およびガイドベーン開閉機構７と一体化された状態で、建屋内に搬入され、建屋から搬出される（図６の斜線部を参照）。第２下カバ６ｂは、第２ステーリング３ｂとは別個に搬入および搬出される。具体的には、組立時には第２下カバ６ｂが第２ステーリング３ｂより前に搬入され、分解時には第２下カバ６ｂが第２ステーリング３ｂより後に搬出される。

本実施形態の水力機械は、低比速度機の立軸フランシス水車である。この場合、下カバ６の突起部が搬入や搬出の妨げになる可能性がある。よって、本実施形態の下カバ６は、この突起部を含まない第１下カバ６ａと、この突起部を含む第２下カバ６ｂとに分割されている。これにより、第２ステーリング３ｂの搬入や搬出をスムーズに実施することが可能となる。

なお、本実施形態の下カバ６は、同様の課題を有する低比速度機の立軸フランシス水車以外の水力機械にも適用可能である。

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、
３ａ：第１ステーリング、３ｂ：第２ステーリング、４：ガイドベーン、
５：上カバ、６：下カバ、６ａ：第１下カバ、６ｂ：第２下カバ、
７：ガイドベーン開閉機構、８：ランナ、９：主軸、１０：ドラフトチューブ

Claims (9)

1. 貯水池から水が流入するケーシングと、
   前記ケーシングの内径側に設けられた固定翼であるステーベーンと、
   前記ケーシングの内径側に設けられた第１部分と、前記第１部分の内径側に設けられ、前記第１部分と分割可能な第２部分とを含むステーリングと、
   前記ステーベーンの内径側に設けられた可動翼であるガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの上部に設けられた上カバと、
   前記ガイドベーンの下部に設けられた下カバと、
   前記ガイドベーンを開閉させるガイドベーン開閉機構と、
   前記ケーシングから流入する水により回転するランナと、
   前記ランナの回転運動を発電機に伝達する主軸と、
   前記ランナを回転させた水が流入するドラフトチューブと、
   を備える水力機械。
2. 前記第１部分は、前記第２部分を載置するための載置部を含み、前記第２部分は、前記第１部分の前記載置部の上部に載置されている、請求項１に記載の水力機械。
3. 前記第２部分の最外径は、前記ケーシングの最内径よりも小さい、請求項１または２に記載の水力機械。
4. 前記第２部分は、前記第１部分と締結具により締結されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の水力機械。
5. 前記下カバは、前記ガイドベーンの下部に設けられた第１下カバと、前記第１下カバの下部に設けられ、前記第１下カバと分割可能な第２下カバとを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の水力機械。
6. 前記第１部分および前記第２部分は、いずれもリング状の形状を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の水力機械。
7. 前記上カバおよび前記下カバはそれぞれ、前記ガイドベーンを支承するように、前記ガイドベーンの上部および下部に設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の水力機械。
8. 貯水池から水が流入するケーシングと、
   前記ケーシングの内径側に設けられた固定翼であるステーベーンと、
   前記ケーシングの内径側に設けられたステーリングと、
   前記ステーベーンの内径側に設けられた可動翼であるガイドベーンと、
   前記ガイドベーンの上部に設けられた上カバと、
   前記ガイドベーンの下部に設けられた下カバと、
   前記ガイドベーンを開閉させるガイドベーン開閉機構と、
   前記ケーシングから流入する水により回転するランナと、
   前記ランナの回転運動を発電機に伝達する主軸と、
   前記ランナを回転させた水が流入するドラフトチューブと、
   を備える水力機械の組立分解方法であって、
   前記水力機械の組立時に、前記ケーシングの内径側に前記ステーリングの第１部分を搬入し、
   前記第１部分の搬入後に、前記第１部分の内径側に前記ステーリングの第２部分を搬入する、
   ことを備える水力機械の組立分解方法。
9. 前記水力機械の分解時に、前記ケーシングの内径側から前記第２部分を搬出し、
   前記第２部分の搬出後に、前記ケーシングの内径側から前記第１部分を搬出する、
   ことを備える請求項８に記載の水力機械の組立分解方法。

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