JPH0115709B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多段水力機械のポンプ起動方法に係
り、特にポンプあるいはポンプ水車等の多段水力
機械をポンプ起動する場合において、起動トルク
を軽減でき、かつ停止から揚水開始に到るまでの
揚水起動時間を短縮してすみやかに揚水起動を行
なうことができるようにした多段水力機械のポン
プ起動方法に関する。

一般にポンプあるいはポンプ水車等の水力機械
をポンプ起動する際には、ガイドベーンを全閉し
た状態で起動装置を介してランナを水中で始動さ
せそのまま加速してゆき定格回転速度に同期させ
て、電力系統に並列せしめる水中起動方法による
か、もしくはまず給気により、ランナ室の水を押
し下げてから起動装置を介してランナを空中で始
動させそのまま加速してゆき定格回転速度に同期
させて電力系統に並列せしめたら、流路内の残留
空気を排出させて再充水する空中起動方式による
か、いずれかの方式でポンプを起動し、しかる後
ガイドベーンを開いて揚水運転に移行していた。
前記水中起動方式は、その制御の簡単なことか
ら、多くの水力機械に採用されているが、ランナ
を充水締切運転状態のまま、定格速度にまで加速
させるので、定格回転時の水中締切トルクに相当
する過大な起動トルクが最低限必要となる。した
がつて起動装置容量が大形化し不経済であるため
大容量単段水力機械では、ランナを空中に露出さ
せた状態で始動し、加速させ、起動軸トルクが小
さくて済む前記空中起動方式を採用するのが一般
的である。多段水力機械でも前記の水中起動方式
あるいは空中起動方式が当然考えられ、現在ある
中小容量多段水力機械のほとんどには簡単に行な
える水中起動方式が採用されている。また大容量
多段水力機械の場合でも前記の起動装置容量の問
題から、大容量単段水力機械の場合と同じく、空
中起動方式を採用せざるを得ない。ところが、多
段水力機械は、最高圧段部から最低圧段部までの
各段部にランナを備え各段部が外周側に大きく張
り出した返し通路によつて連絡されているので水
面押下を行なう場合、排水体積が極めて大きく、
水面押下に長時間を要し、停止状態から揚水開始
までのポンプ起動時間が極めて長くなるという問
題点を有していた。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであり、ポンプあるいはポンプ水車等の
多段水力機械をポンプ起動させる場合において、
起動トルクを軽減でき、かつ停止から揚水開始に
至るまでの揚水起動時間を短縮してすみやかにか
つ円滑に揚水起動できるようにした多段水力機械
のポンプ起動方法を提供することを目的とする。

以下本発明によるポンプ起動方法を第１図に示
すようなフランシス形３段ポンプ水車に適用した
例について説明する。

図中１は最高圧段部ランナ、２はランナ１の外
周に円形翼列状に配置された最高圧段部可動ガイ
ドベーン、３は中圧段部ランナ、４は中圧段部ラ
ンナ３の外周に円形翼列状に配置された中圧段部
可動ガイドベーンであり最高圧段部と中圧段部
は、返し通路５によつて直列に連絡されている。
６は最低圧段部ランナ、７は最低圧段部ランナ６
の外周に円形翼列状に配置された最低圧段部可動
ガイドベーンであり、中圧段部と最低圧段部は、
返し通路８によつて直列に連絡されている。ま
た、最高圧段部には、最高圧段部ランナ１の外周
部に一端を開口しバルブ１５を経て他端を吸出管
１４に接続させた排水管１０が設置され、中圧段
部には、中圧段部ランナ３の外周部に一端を開口
し、バルブ１６を経て他端を吸出管１４に接続さ
せた排水管１１が設けられ、同様に最低圧段部に
も最低圧段部ランナ６の外周部に一端を開口し、
バルブ１７を経て他端を吸出管１４に接続させた
排水管１２が設けられている。この様な構成の３
段フランシス形水力機械を起動装置（図示省略）
により始動し、定格回転速度にまで加速して系統
に同期並列させる際に、本発明は、最高圧段部ガ
イドベーン２のみを全閉し内側の各段部の流路を
連通せしめて各ランナが水中にある状態で起動装
置を介して始動させ、始動と同時にもしくは所定
の低回転速度まで加速したところで多段水力機械
の最低圧流路部である吸出管１４の上方部に空気
圧縮装置１８から給気管１３を介して高圧空気の
給気を開始するとともに各段部ランナ室の外周部
から排水管１０，１１，１２を介して吸出管１４
内に排水を開始し、低圧側段部から高圧側段部に
順次圧縮空気層を拡充させながら各段部の水を最
低圧段部ランナ室の下方へ排水することにより水
面押し下げを行ない、押し下げ水面を規定位置に
安定させたところで前記給気を休止させ、しかる
後各ランナを空転させながら定格回転速度にまで
加速して系統に同期並列させることにより行な
う。

次に本発明によるポンプ起動方法の詳細につい
て、第１図に示した３段フランシス形水力機械を
例にとり第４図を参照して説明する。第４図は横
軸にランナの回転速度をとり、ランナを回転させ
た場合に各段のランナ１，３，６に作用する反抗
トルクの合計値である総合反抗トルクＭを縦軸に
とつて第１図に示した３段水力機械をポンプ起動
する場合の総合反抗トルクの回転速度Ｎに対する
特性を示したものである。第４図中R₃は最高圧
段部ガイドベーン２を全閉として最高圧段部まで
の全ての流路を充水させた状態のもとにランナを
ポンプ方向に回転させた場合、すなわち全段部と
も水中締切状態とした場合における総合反抗トル
ク特性を示しており、前記水中起動方式の場合に
おける反抗トルクの回転速度に対する変化特性に
相当する。また、R₂は第２図に示されるように、
最低圧段部および該段部に接続する返し通路部８
を水面押下して最低圧段部ランナ６のみ空中に露
出させ他の段部のランナ１、および３は充水させ
た状態のもとに各段部ランナ１，３，６を回転さ
せた場合の総合反抗トルクを示す。R₁は第３図
に示されるように中圧段部ランナ３と最低圧段部
ランナ６を空中に露出させ最高圧段部ランナ１の
み充水された状態のもとに各段部ランナ１，３，
６を回転させた場合の総合反抗トルクを示す。ま
たRaは、最高圧段部から最低圧段部までの全て
の段部を水面押下し、各段部ランナ１，３，６と
も空中に露出させた状態のもとに回転させた場合
の総合反抗トルクを示し、前記空中起動方式の場
合の総合反抗トルク特性に相当する。また、第４
図においてNoは規定回転速度を示し、Msは前記
Noにおける水中起動方式の場合の総合反抗トル
ク、MoはNoにおける空中起動方式の場合の総合
反抗トルクをそれぞれ示す。また前記各充水状態
におけるトルク特性曲線すなわちR₃，R₂，R₁に
おいて前記空中起動方式時最大反抗トルクMoに
等しい軸トルクを発生することのできる図示しな
い起動装置を第１図に示される３段フランス形水
力機械に備えた場合の本発明によるポンプ起動方
法の実施例について以下に説明する。

まず最高圧段部のガイドベーン２を全閉し、内
側の各段部の流路を連通させて各ランナ１，３，
６が水中にある状態でそのまま各段部ランナ１，
３，６を回転始動させ、加速してゆく。この状態
では各段部ランナ１，３，６とも水中締切運転状
態にあるので第４図では、前記したR₃で示され
るトルク特性に沿つて回転加速されてゆき、反抗
トルクも増大してゆくが、回転速度が、前記した
反抗トルク特性R₃上において前記した図示しな
い起動装置の最大発生トルクMoに相当する回転
速度N₃以下に定めた所定の回転速度まで上昇し
たことを図示しない回転速度検出器により検出し
たら、すなわち第４図におけるQ₃点まで到達し
たら、吸出管上部に給気管１３を介して圧縮空気
の供給を開始させ水面押下を開始する。次いで最
低圧段部ランナ６の外周部に設けた排水管１２の
バルブ１７を開口することにより、最低圧段部ラ
ンナ内を充水していた水は該段部ランナ６の回転
遠心作用によりすみやかに前記排水管１２より排
水されるとともに最低圧段部と中段部を連絡する
返し通路部８の水も順次排水される。このように
して最低圧段部ランナ６は空中に露出され、総合
反抗トルク特性は前記したように第４図において
R₂で示されるトルク特性となるのでランナは
Q₃→Q₂で示される軌跡に沿つて加速される
が、回転速度が前記した反抗トルク特性R₂にお
いて前記した図示しない起動装置の最大発生トル
クMoに相当する回転速度N₂以下に定めた所定の
回転速度まで上昇したことを図示しない回転速度
検器により検出したら、すなわち、第４図におけ
るQ₂点まで到達したら中段部ランナ３の外周部
に設けられた排水管１１のバルブ１６を開口す
る。

第４図上のQ₂点においては第２図で示される
ように中段部ランナ３より高圧側の流路が充水し
た状態となつているので、中段部ランナ外周部に
開口している排水管１１のバルブ１６を開くこと
により中圧段部ランナ内の水は該段部ランナ３の
回転遠心作用によつてすみやかに前記排水管１１
を介して排水されるとともに、最高圧段部と中圧
段部を連絡する返し通路５内の水も順次排水され
る。したがつて、中圧段部ランナ３と最低圧段部
ランナ６が空中に露出している状態となり、総合
反抗トルク特性は第４図中、R₁で示されるトル
ク特性へと変化し、ランナはQ₂→Q₁で示され
る軌跡に沿つて加速されるが、回転速度が前記し
た反抗トルク特性R₁上において前記した図示し
ない起動装置の最大発生トルクMoに相当する回
転速度N₁以下に定めた所定の速度まで上昇した
ことを図示しない回転速度検出器によつて検出し
たら、すなわち、第４図におけるQ₁点まで到達
したら、最高圧段部ランナ１の外周部に設けられ
た排水管１０のバルブ１５を開口する。したがつ
て、最高圧段部ランナ１を充水していた水がラン
ナの回転遠心作用によつて前記排水管１０を介し
てすみやかに排水されるので、最高圧段部から最
低圧段部までの各段部のランナ１，３，６は空中
に露出した状態で回転することができ、総合反抗
トルク特性が第４図におけるR₁からR₂へと変化
するので、ランナは第４図中Raで示される総合
反抗トルク特性に沿つて加速され、規定回転速度
Noにまで到達することができる。

以上述べた本発明の実施例によるポンプ起動方
法のトルク対回転速度線図上のプロセスを横軸に
時間をとつて時間に対する回転速度Ｎと総合反抗
トルクＭの変化で示したのが第６図である。すな
わち、第６図において全段部のランナが水中に停
止している状態の点□Ｏから回転始動して回転速度
がN₃以下に定めた所定の速度にまで上昇したこ
とを図示しない速度検出器により検出したら、す
なわち点Q₃にまで達したら吸出管上部に給気を
開始し、次いで最低圧段部ランナ６の外周部から
排水管１２を介して該段部ランナ内の水を排水さ
せて、該段部ランナを空中に露出させた状態のも
とにさらに回転加速させてゆき、回転速度がN₂
以下に定めた所定の速度にまで上昇したことを図
示しない速度検出器により検出したら、すなわち
点Q₂にまで到達したら中段部ランナ３の外周部
から排水管１１を介して中段部ランナ内の水を排
水させ、最低圧段部ランナ６と中段部ランナ３を
ともに空中に露出させた状態のもとにさらに回転
加速させ、回転速度がN₁以下に定めた所定の速
度に達したことを図示しない速度検出器で検出し
たらすなわち、点Q₁にまで達したら最高圧段部
ランナ１の外周部から排水管１０を介して該段部
ランナ内の水を排水させ、全段部ランナとも空中
に露出させた状態のもとにランナをさらに回転加
速させて規定回転速度Noにまで到達させる。す
なわち、ランナを水中に停止している状態から、
規定速度空転状態にまで加速する間における最大
総合反抗トルクは、Q₀すなわち、規定回転速度
到達時点で発生し、図中Maで示される。したが
つて、本発明の場合の起動装置は、最低、前記
Maなる起動トルクを発生すれば良いこととな
る。

この規定回転速度に到達したら、電動機を系統
へ並入させ、流路内の空気を排気させ、同時に充
水を行ないB₂にて水圧を確立させたのち、B₃
よりガイドベーンを開口して定常揚水運転へと移
行させる。ここで規定回転水中締切運転点B₂に
おける総合反抗トルクMsは、前記水中起動方式
の場合の起動装置に要求される最大起動トルクに
相当するのに対し、本発明の場合の起動装置に要
求される最大起動トルクは前記したように、Ms
より格段に小さいMaとなり、起動装置容量が小
さくて済むので極めて経済的である。

一方、第６図と同じ時間スケールを横軸にと
り、従来の空中起動方式の場合のポンプ起動プロ
セスを示したのが、第５図であり、縦軸には、第
６図と同様回転速度Ｎと総合反抗トルクＭをとつ
てある。第５図を参照して、従来の空中起動方式
の場合は、最高圧段部ガイドベーンを全閉して全
ランナが水中に停止しているA₀の状態からラン
ナを停止させたまま、高圧空気を流路内に給気し
て水面押下を開始してA₁にて全段部の流路を空
中に露出させ、水面押下を終了し、次いでランナ
を回転起動し、加速させてA₂にて規定回転速度
に到達させる。この場合の最大反抗トルクは、空
転規定回転状態であるA₂で生じ、本発明の場合
と同じMaとなる。

規定速度に到達後は、本発明による場合と同様
に電動機を系統に並入せしめ、流路内の残留空気
を排出させて、A₃にて水圧確立させたのち、
A₄からガイドベーンを開口して揚水運転を開始
する。このように従来の空中起動方式では、起動
装置に要求される起動トルクは小さくて済むが、
流路内の水を完全に水面押下してからランナを始
動し、加速させるので、起動に長時間を要するの
に対し、本発明では、水面押下とランナの始動加
速を同時に行なうので、起動時間を大巾に短縮で
き、しかも起動装置に要求される水力機械の起動
トルクは、前記空中起動方式と同等で従来の水中
起動方式の場合の起動トルクに比較すれば格段に
小さくて済むので起動装置を小型化でき、極めて
経済的である。

以上述べた実施例では、各段部ランナ室外周に
設けられた排水管１０，１１，１２の開口操作を
回転速度が所定の速度に達したことを速度検出器
にて検出して順次開口する場合の例を述べたが、
これは時限装置を用いて、前記した各段部に夫々
所定の回転速度にまで、回転速度が上昇するに要
する相当時間に各排水弁１０，１１，１２を開口
するように制御しても以上述べた実施例と同様の
効果を上げることができる。

また、制御を簡単にして制御系の信頼性を増す
ことを目的とする場合には、吸出管上方部への給
気開始とともに、各段部ランナ外周部に設けた排
水管を同時に開口させることにより、各段部ラン
ナ室の水が、ランナの回転遠心作用によつて、す
みやかに各排水管より同時に排水され、前記した
実施例の場合と同じ作用により、起動トルクを減
少して、起動時間を短縮する効果が得られる。

以上述べたように本発明は、多段水力機械をポ
ンプ起動する場合において、起動装置を小形化で
き、かつ停止から揚水開始に到るまでの揚水起動
時間を短縮して、すみやかにかつ円滑に揚水起動
できる多段水力機械のポンプ起動時運転制御方法
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による運転制御方法を適用する
３段水力機械の構造を示した略示縦断面図、第２
図は第１図で示した３段水力機械の最低圧段部ラ
ンナのみを空中に露出させた場合の充水状態を示
す略示縦断面図、第３図は第１図で示した３段水
力機械の最低圧段部と中段部の各ランナをともに
空中に露出させた場合の充水状態を示す略示縦断
面図、第４図は第１図で示した３段水力機械の回
転速度と、総合反抗トルクの関係を示す説明図、
第５図は空中起動方式による場合の起動過程にお
ける総合反抗トルクと回転速度の時間に対する変
化過程を示す説明図、第６図は本発明による起動
方法を３段水力機械に適用した場合の起動過程に
おける総合反抗トルクと回転速度の時間に対する
変化過程を示す説明図である。 １……最高圧段部ランナ、２……最高圧段部可
動ガイドベーン、３……中段部ランナ、４……中
段部可動ガイドベーン、５……返り通路、６……
最低圧段部ランナ、７……最低圧段部可動ガイド
ベーン、１０，１１，１２……排水管、１５，１
６，１７……バルブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 最高圧段部から最低圧段部までの各段部にラ
   ンナを備えて各段部が返り通路によつて連絡され
   ているポンプあるいはポンプ水車からなる多段水
   力機械をポンプとして起動し、定格回転速度まで
   加速して系統に同期並列させる際、最高圧段部ガ
   イドベーンを全閉し内側の各段部の流路を相互に
   連通させて各段部のランナを水中にある状態のま
   ま起動装置を介して始動し、始動と同時にもしく
   は所定の低回転速度まで加速したところで、多段
   水力機械の最低圧流路部である吸出し管の上方部
   に圧縮空気の供給を開始するとともに、各段部の
   ランナの外周流路部から排水管を介して吸出し管
   部に各段部同時にもしくは順次に排水を開始し、
   低圧側段部から高圧側段部に順次圧縮空気層を拡
   充させながら各段部の水をランナ外周流路部か
   ら、排水管を介して最低圧段部ランナ室の下方へ
   排水することにより水面押し下げを行ない、押し
   下げ水面を規定位置に安定させたところで前記圧
   縮空気の供給を休止させ、しかる後各ランナを空
   転させながら定格回転速度まで加速して系統に同
   期並列させることを特徴とした多段水力機械のポ
   ンプ起動方法。 ２ 各段部のランナの外周流路部から排水管を介
   して吸出し管部に排水する場合、前記各段部排水
   管の排水弁を時限タイマー装置を介して所定の時
   間間かくでもつて低圧側段部から高圧段部へ順次
   開口させることにより水面押し下げを行なうよう
   にしたことを特徴とした特許請求の範囲第１項記
   載の多段水力機械のポンプ起動方法。 ３ 各段部のランナの外周流路部から排水管を介
   して吸出し管部に排水する場合、所定の回転速度
   にランナが加速されたことを速度検出によつて検
   出したところで先づ最低圧段部ランナの外周流路
   部排水管の排水弁を開口させ、しかる後さらに次
   の所定の回転速度にランナが加速されたことを速
   度検出器によつて検出したところで隣接する高圧
   側段部排水管の排水弁を開口させ、しかして最低
   圧段部から最高圧段部まで順次排水を行なうこと
   により、水面押し下げを行なうことを特徴とした
   特許請求の範囲第１項記載の多段水力機械のポン
   プ起動方法。