JPH02108865A - 水力機械の調相運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、水車またはポンプ水車等の水力機械において
、調相運転時に発生する種々の漏水や冷却水の撹拌に伴
う発生熱によりランナが膨張し、微小ギャップ部分に接
触する事故を防止したり、ランナを空転させるのに必要
な電動機入力を減少させることのできる水力機械の調相
運転方法に関する。

（従来の技術） 一般に水車またはポンプ水車等の水力機械において、調
相運転を行う場合には、先ずガイドベーンを全閉し、ラ
ンナ室に圧縮空気を送入し、ランナ周辺の水を排除して
ランナを空転状態におく。

この場合、ケーシング内の水は排除されないので、ガイ
ドベーンのギャップからランナ室内への漏水、主軸封水
部からの漏水、およびランナ冷却水等の水が、ランナの
回転運動によりランナ外周とガイドベーンとの間に溜水
となって溜り、ランすと同一方向に回転する。この時の
撹拌エネルギーは、殆どがこれらの漏水の温度上昇に費
やされる。

この温度上昇により、空転しているランナも熱膨張し、
ランナ外周やシール部分の微小ギャップ部分ではランナ
が固定部分に接触するおそれがある。

従来は、このような事故を防止するために、ランナ下カ
バーに排水孔を設けて漏水を排出させ、ランナとガイド
ベーン間に溜る水を減少させるようにすると共に、常に
冷たい水がランナに接するようにし、また溜水の減少に
より撹拌損失トルクによる電動機入力の低下を計るよう
にしていた。

（例えば特公昭４５−１２００５号公報参照）次に、従
来方法を図面を参照して説明する。

第４図は調相運転中における水車の概略構成を示すもの
で、ケーシング１には給水加圧弁２ａを備えた給水加圧
管２ｂが開口しており、ケーシング１内の水はガイドベ
ーン３が開くとランナ室４内に流入し、その際、ランナ
５とそれに主軸６を介して直結された発電機または発電
電動機（図示せず）を回転させる。

またランナ下カバー７とドラフトチューブ８の間には排
水弁９ａ、１０ａを備えた排水管９ｂ。

１０ｂが設けられている。

なお、１１．１２はシール給水管を示し、１３は主軸給
水部を示す。

このような構成の水力機械において、発電運転から調相
運転へ移行する際には、先ず、ガイドベーン３を全閉し
、ランナ室４内に圧縮空気を送入してランナ室内の水を
排除し、水面１４をドラフトチューブ８内の予め設定さ
れた水位まで押し下げる。

この時、ケーシング１内は充水されたままであり、また
、ランナ室４内の圧縮空気がケーシング１内に移動しな
いように、給水加圧弁２ａを開いてランナ室４より若干
高い圧力でケーシング１内を加圧するため、ガイドベー
ン３からの漏水やシール給水管１１．１２からの冷却水
および主軸封水部１３からの漏水が、ランナ５の回転に
より、ランナ５とガイドベーン３の間に溜り、第５図に
示すように水カーテン１５を形成する。

この溜水による水カーテン１５を排水しないとランナに
よる撹拌によって熱水となり、その熱によりランナ５が
膨張し、微小ギャップに接触してカジリ現象を起こした
り、また水カーテンの増大により撹拌損失が増え、空転
に必要な電動機入力が増加して不経済な調相運転となっ
てしまう。

このような現象を避けるため、ランナ下カバー７とドラ
フトチューブ８との間に排水管９ｂ。

１０ｂを設け、調相運転中に、排水弁９ａ。

１０ａを開くことによって溜水をドラフトチューブ８内
へ排水することが従来から行われていた。

しかしながら、排水管９ｂ、１０ｂの開口部の位置や開
口の大きさの選定を誤ると、排水効果が悪くなり、目的
とする低入力の調相運転が不可能となってしまう。

（発明が解決しようとする課題） 前記した排水管９ｂ、１０ｂは調相運転時のみに必要な
設備であり、しかも、それらの取付は位置の選択は排水
効果に多大の影響を及ぼす。

また排水管９ｂのみでは排水効果が不十分で、排水管１
０ｂが必要となる。

しかしながら、排水管１０ｂの配管はランナ５とガイド
ベーン３間の狭い範囲内に、円周方向に複数本取付ける
必要があるため、構造上の難点があった。

本発明はこのような問題点を解決し、ランナとガイドベ
ーン間の滞溜水を確実に排除することができ、経済的な
調相運転が可能な方法を提供することを目的とするもの
である。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の水力機械の調和運転方法は、ケーシングとドラ
フトチューブとの間を連結管で連結した水車またはポン
プ水車等の水力機械において、連結管の始端を前記ケー
シング上端の左右４５°の範囲内に開口させると共に、
その終端を前記ドラフトチューブのエルボ部の下端より
もランナ室側に開口させておき、調相運転時に圧縮空気
を前記ランナ室内に送入してランナを圧縮空気中におい
た際、主軸封水部からの漏水およびランナシール冷却水
等のランナ外周に溜まった水を、ガイドベーンの上下の
隙間および前記連結管を通して前記ドラフトチューブに
排水するようにしたことを特徴とするものである。

（作　用） 上述のように構成した本発明の水力機械の調相運転方法
においては、連結管を通る排水ルートは高圧側より低圧
側に向う一方向流れとなるので、第４図に示す従来方法
における給水加圧弁２ａの調整とか、排水弁９ａ、１０
ａの調整といった操作が不要になるとともに、調相運転
時のみの排水設備を省略でき、経済的で確実な排水効果
が期待できる。

（実施例） 次に、第１図ないし第３図を参照して本発明の詳細な説
明する。なお、これらの図では、第４図および第５図に
おけると同一部分には同一符号を付し、それらの説明は
、必要ある場合を除き、省略する。

第１図は本発明の詳細な説明する水車またはポンプ水車
等の水力機械の構成例を示すもので、主機は調相運転状
態にあり、ケーシング１とガイドベーン３の間は充水状
態で、ガイドベーン３は全開状態にある。

ランナ５の外周とガイドベーン３との間には、第５図に
て説明した滞溜水があり、ランナ５の回転方向にある速
度で振れ回っている。ガイドベーン３は上下の固定壁と
の間に等しい隙間ｔを有しているものとし、またガイド
ベーン３のピッチサークルをＤｇとする。

ランナ５は圧縮空気によって水面がドラフトチューブ８
のある位置に押し下げられて空気中で回転しており、水
面１４と水車中心とのレベル差を２とする。

ケーシング１とドラフトチューブ８との間は連結管１６
で連結されている。この連結管１６には開閉弁１７が介
挿されている。ケーシング１は鉄管と主弁（図示せず）
によって仕切られており、主弁は全閉状態にある。

従って、開閉弁１７を開くことによって、ランナ５の外
周の滞溜水は、ガイドベーン３の上下壁との隙間からの
漏水（その漏水量をＱＬとする）および連結管１６の排
水（その排水量をＱｄとする）によりドラフトチューブ
８に排水される。ここで、ランナ外周の滞溜水の圧力を
Ｈｌ、ケーシングの圧力をＨ２、ランナ下端の空気圧を
Ｈｏとすると、 Ｈｌ＞Ｈ２〉Ｈｏ−Ｚ の関係が保たれている。

この排水システムにおいては、滞溜水は圧縮空気と接し
て回転しているので、ランナ５による撹拌作用によって
、ランナ室内の空気が排水と一緒にケーシング１内に流
入する。この空気がケーシング１内に滞溜すると、調相
運転から水車運転や揚水運転に移行するとき、スムーズ
な運転移行ができない（例えば、調相運転から揚水運転
への移行は、ケーシング１内が充水状態であることを前
提とした制御シーケンスになっている）。そのため、ケ
ーシング内に空気が滞溜しないような対策が必要となる
。

本発明では第１図に示すように、連結管１６の始端がケ
ーシング１の上端より左右４５°の範囲内に開口するよ
うにしである。また、連結管の終端は、ドラフトチュー
ブ８のエルボ部の下端Ａと水面１４との間の適当位置に
開口するようにしである。

このようにすれば、空気と水の比重差により、ケーシン
グ１内の空気は優先的に連結管１６よりドラフトチュー
ブ８に向けて排気される。また、連結管１６によって運
ばれた空気は矢符ａで示すように、ランナ５側に環流す
ることになり、漏気を防止できる。即ち、もし連結管１
６の下端をドラフトチューブの下端Ａよりも下流側に開
口させると、連結管１６からの空気は放水路側に逃げて
しまい、水面１４が上昇してランナ内への圧縮空気の補
充が必要となって不経済な運転となる。

本発明におけるもう一つの問題は、連結管１６の等価直
径をｄとしたとき、この径ｄが小さすぎると、必要排水
ｆｆ１Ｑｓ（第４図に示すシール冷却水量Ｑｓｌ、Ｑｓ
２と、主軸封水１ｔＱｓ３の総和）に対し、連結管１６
の排水ｍＱｄが、Ｑｓ＞Ｑｄとなり、第５図に示す水カ
ーテン１５が内周側に移動してランナ５と接触し、撹拌
損失の増大や振動の発生などの不具合が生じることであ
る。

このような不具合を生じない連結管１６の必要最小等価
直径ｄ　ｎ１ｎは、以下のようにして算出できる。

即ち、水力学的考察により、ガイドベーン隙間および連
結管からの流ｆｆ１ＱＬＳＱｄは、ＱＬ−ＡＣｇ　　　
１−　２ Ｌし く１） ここで、Ａ　ｔ、　””　２πＤｇｔ ＣＬニガイドベーンの隙間の 流出係数 Ｑ　″Ａ　　Ｃｇ　　　２　　０＋ Ｄ　　　　　ＤＤ ・・・・・・・・・　（２） ここで、ＡＤ−（π／４）ｄ Ｃ９；連結管の流出係数 流れの連続条件より、ＱＬ−ＱＤであり、かつ前記理由
により ＱＳ≦ＱＬ−ＱＤ　　　・・・・・・・・・・・・・・
・（３）であるから、ｄ重ｉｎの条件は Ｑｓ−ＱＬ−Ｑ、　　　　　・・・・・・・・・・・・
（４）となる。

ここで、 ΔＨｉ　−Ｈｔ　　Ｈａ △Ｈ２−Ｈ２−Ｈ０ α−ＡＬＣＬ／ＡＤＣＤ とし、（１）、　　（２）式を（４）式の関係を用いて
整理すると、 △Ｈ−１１／（１＋α２）） ×（α　△Ｈ１−Ｚ） 、°、△Ｈ−△Ｈ２−（１／　（１＋α　））■ ×（△Ｈ１＋Ｚ）　　　　・・・・・・（５）この（５
）式を（１）式に代入し、Ｑ、−Ｑｓとすると、 Ｑｓ　−Ａ、　ＣＬ（２ｇ／　（１＋ａ　）　）　Ｘｆ
Ｔ云１−１］Ｄ　　　　・・・・・・（６）■ この（６）式において、△Ｈ１は第５図に示すランナ外
周の水カーテン１５の平均圧力であり、この水カーテン
が揺れ回ることによって発生する遠心力ＦＣは振れ回り
の周速Ｕｃの２重に比例する。

この振れ回り周速Ｕｃはランナ外周の回転周速に比例す
るから、運転落差Ｈの１／２乗にほぼ比例する。

よって、 ΔＨＬｘ−ＦＣｏｃＵ　２ｏＣＨ Ｃ の関係があり、β□＝△Ｈ，／Ｈを代入すると、過去の
実績より、 βＨ−０，０２・・・・・・・・・・・・（７）となる
。

また、（６）式の２は主機の寸法に関係し、β２−Ｚ／
Ｄｇ とすると、このβ２は運転落差Ｈの関数（Ｈによってラ
ンナ形状が変化することを考慮する）に対して第２図の
ように変化する。

次に、（６）式のＱｓは主機の寸法にほぼ比例し、βＱ ＴＩｌ／ｓ。

より −Ｑ／Ｄ（ただし、Ｑｓの単位は ｇ Ｄ　の単位はｍ）とすると、過去の実線βＱ　−１・６
×１０ を得る。

以上の条件を（６）式に代入して、整理するとＡ　ＬＣ
Ｌ　／　Ｊ　１＋α２ 一βＱＤｇ／　ｇ　　１＋　ｚ　ｇ ・・・・・・・・・　（９） ここで、 ｆｌ−ｇ　　　ｌ＋２ｇ とすると、 、’、（ＡＬＣＬ／ＡＤＣ，） −（ｆｌ　ＡＬ　ＣＬ　／βＱ　Ｄ　ｇ　）　　　ＩＡ
ｄＣｄ−ＡＬ　ＣＬ　／Ｊゴ］−：］・・・　（１１）
ま ただし、ｆ２−　（ｆｌＡ、ＣＬ／βＱＤｇ）ここで、
ｆ２の値を検討すると、 ｆ　　−２ｇ（Δ旧＋β２Ｄｇ）（ＣＬ２πＤｇＸｔ／
βｇＤｇ） であり、実績値ｔ＃０．２關、ＣＬ＃０．２および（８
）式を代入すると、 ｆ２簡２ｇ（ΔＨ１＋β２Ｄｇ）×０゜０２４７膳０．
４８４　　（ΔＨ１＋β２Ｄｇ）であり、また、ｆ２〉
１であるので、（１１）式の近似式は ＡＤＣＤ＋ＡＬＣＬ　（１＋（１／２ｆ２））／ＪＴ丁 一βＱＤｇｆｌ　＋１．０３４　／　（ΔＨ１＋β２Ｄ
ｇ））／ｆ１ ２　　・ 、’、ＡＤ−（π／４）　ｄ　　ｍ　ｔ　ｎ−βＱＤｇ
／Ｃ，１１＋１．０３４／ （△Ｈ１＋β２Ｄｇ））／ｆ１ ・・・・・・　（１２） （１２）式中のＣｄは連結管（第１図の１６）の配管状
態により変化するが、過去の実績からＣ，−０，２〜０
．６・・・・・・・・・（１３）を考慮すれば十分であ
る。

連結管のｄｍｉｎを検討する上では、Ｃｄは大きめに考
慮する必要があるので、ＣＤ−０，６とする。

Δ旧、βＱは（７）、　　（８）式より、またβ２は第
２図より算定されるので、（１２）式のｄｍｉｎはＨと
Ｄｇの関数となる。

ここで、Ｈ−３００ｍ、Ｄｇ−５ｍを仮定して（１２）
式よりｄｍｉｎを試算すると、（π／４）ｄ２ｍｉｎ −１，１５７Ｘ１０’（ゴ） 、°、ｄｍ　ｉ　ｎ−３８，４＋ａｍ を得る。

以上の計算を種々のＨとＤｇについて実施し、線図化し
た結果を第３図に示す。

第３図より、ｄｍｉｎのＨによる変化は僅かである（Ｈ
−２００〜６００ｍの間で５ｍｍ程度）ので、これを無
視して（１２）式の簡略式を求めると、 ｄｍｉｎ−３２１ｏｇｌＯＤｇ＋１５ を得る。ただし、ｄｍｉｎの単位はｍ＋ｓ、Ｄｇの単位
はｍとする。

以上が連結管の最小等価直径である。

以上述べたように、本発明によれば、ランナ外周の滞溜
水をガイドベーン上下壁の隙間、およびケーシングとド
ラフトチューブとの間を連結する連結管を通じて排水す
るシステムにおいて、連結管の始端をケーシング上端の
左右４５°の範囲内に設けるとともに、その終端をドラ
フトチューブ水面と、ドラフトチューブエルボ部下端間
の任意の位置に開口させるようにし、しかも連結管の等
価直径を（１４）式に示す値以上に設定することにより
、滞溜水を確実に排水することができる。

また、従来のような大炎りの排水設備が不要となる上、
制御の難しさや構造上の困難性を解消することができる
。

なお、上記実施例においては、連結管として単管を使用
した例につき述べたが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、複数本の連結管で構成してもよい。

一般に、水車またはポンプ水車のケーシングはその中の
空気を排気するため、大気中に解放端を有する排気管を
備えており、あるいは抜水用にドラフトチューブに開口
端を有する排水管を備えている。従って、これらの既設
管を利用して連結管１６を構成することもできる。

その場合には、経済性をさらに高めることかできる。即
ち、従来の排水管（第４図の９ｂ、　　１０ｂ）を既設
機に追加することは構造上、不可能に近いが、本発明の
場合、上述のように既設管を利用すれば、連結管を新た
にコンクリート中に埋設する必要がないからである。

なお、このようなケースでは、連結管として機能する配
管系の最小断面位置（第１図のＡ）において、その断面
積より求まる等価直径を次のように定義すればよい。

（π／４）ｄ２−Ａｍｉｎ Ａｍｉｎ−ｎｘ　（π／４）ｄ　　２ ここで、ｄ　；最小断面位置における配管１本当りの内
径 ｎ　；配管本数 しかも、本発明によれば、既設の水車またはポンプ水車
に調相運転機能を付加することも容易に行なえるという
利点がある。

〔発明の効果〕

上述のように、本発明によれば、調和運転時におけるラ
ンナとガイドベーン間の滞溜水を適確に排除することが
できるので、長時間にわたる調相運転でも低い軸入力で
、振動を伴うことなく円滑に運転できる。また、従来の
システムのような複雑な制御や構造上の困難性が解消さ
れ、しかも既設の水力機械に対しても低コストで適用で
き、場合によっては、調相運転機能を容易に付加するこ
ともできるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する水車またはポンプ水車
の概略説明図、第２図は運転落差Ｈに対する係数β２の
変化の様子を示すグラフ、第３図は運転落差Ｈに対する
係数Ｄｇの変化の様子を示すグラフ、第４図は従来の水
車またはポンプ水車の主要部の概略構成を示す縦断面図
、第５図は第４図の主要部を拡大して示す縦断面図であ
る。 １・・・ケーシング、２ａ・・・給水加圧弁、２ｂ・・
・給水加圧管、３・・・ガイドベーン、４・・・ランナ
室、５・・・ランナ、６・・・主軸、７・・・下カバー
、８・・・ドラフトチューブ、９ａ、１０ａ−・・排水
弁、９ｂ。 １０ｂ・・・排水管、１１．１２・・・シール給水管、
１３・・・主軸封水部、１４・・・水面、１５・・・水
カーテン、１６・・・連結管、１７・・・開閉弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ケーシングとドラフトチューブとの間を連結管で連結し
   た水車またはポンプ水車等の水力機械において、前記連
   結管の始端を前記ケーシング上端の左右４５°の範囲内
   に開口させるとともに、その終端を前記ドラフトチュー
   ブのエルボ部の下端よりもランナ室側に開口させておき
   、調相運転時に圧縮空気を前記ランナ室内に送入してラ
   ンナを圧縮空気中においた際、主軸封水部からの漏水お
   よびランナシール冷却水等のランナ外周に溜まった水を
   、ガイドベーンの上下の隙間および前記連結管を通して
   ドラフトチューブに排水することを特徴とする水力機械
   の調相運転方法。