JPH0723710B2 - 水力機械及びその運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は水力機械及びその運転制御方法に係り、特に高
落差、高速化を達成させるために高い定格回転速度の設
定できる水力機械及びその運転制御方法に関する。

（従来の技術） 近時、水力機械の高落差、高速化が進められるなかで、
従来のように落差が比較的小さい低速の水力機械では経
験されなかった種々の振動問題が発生している。特にラ
ンナにおいて、定格回転速度がランナの固有振動数近傍
あるいは固有振動数より高い回転数に設定されるように
なったため、ランナの共振現象が問題となってきてい
る。第７図は従来の水力機械の一例を示したものであ
り、図中符号21は水車主軸を示し、この水車主軸21の下
端にはランナ22が固着されている。このランナ22はZr枚
のランナ羽根を有し、ランナ室23内で回転できるように
なっている。このランナ室23は上カバー24と下カバー25
とで囲まれていて、上カバー24とランナ22上面とにより
ランナ背圧室26が形成されている。また、下方におい
て、下カバー25とランナ22下面とによりランナ側圧室27
が形成されている。ランナ室23の外側の流路30内にはZg
枚の可動ガイドベーン28と固定ステーベーン29が配置さ
れている。このステーベーン29の外側には渦巻きケーシ
ング31が設けられている。第８図はランナ22の外周部分
を示し、このランナ22の上方にはランナ背圧室26が形成
されている。このランナ背圧室26の外周には外周壁24a
が一体的にランナ羽根22a上端付近まで形成され、その
外側に流路30が連設されている。このランナ22と外周壁
24aとの間にはギャップ量Ｓの隙間32が設けられてい
る。同様に、ランナ室下部のランナ側圧室27と外周壁内
面との間にもギャップ量Ｓの隙間が設けられている。

ところで、この種の水力機械では、高速回転するランナ
羽根と静止しているガイドベーンとが相互に干渉して衝
撃的な水圧脈動が発生し、さらに、この水圧脈動がラン
ナの表面に伝播してこのランナに振動を生じさせること
が知られている。このランナの振動時の振動周波数frは
次式（１）で表すことができる。

fr＝Ｎ・Zr/60（Hz） …（１） ここで、N:ランナの回転速度（rpm） したがって、この振動周波数frとランナの水中固有振動
数とが一致すると、ランナは共振状態になり、過大な振
動応力が継続的にランナに作用するようになる。この結
果、ランナが疲労破壊するおそれがある。このため、高
落差を有する水力機械等の設計においては、ランナが共
振状態にならないように固有振動数と振動周波数frとを
一致させないための検討がなされている。例えば、水力
機械の模型試験等から実機ランナの水中固有振動数を推
定し、実機の運転状態で共振が生じないことを事前に確
認したり、共振の発生が予想される場合には、ランナの
形状を変更する等の対策がとられている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、現在その台数が増えつつある可変速型水
力機械では、運転状態に応じて各種の回転速度が設定さ
れるため、設定回転速度によってはランナの固有振動数
と振動周波数とが近づき、共振状態が発生するおそれが
ある。このような状況において、従来の設計方法やラン
ナ形状では水力機械の共振現象を完全になくすことは困
難であった。その結果、ランナの長期的強度の信頼性に
おいて問題があった。そこで、本発明の目的は、上述し
た従来の技術が有する問題点を解消し、水力機械のすべ
ての設定運転領域において、ランナの固有振動数と振動
周波数とが一致しないような構造の水力機械を提供し、
さらに、変速運転時においても、ランナの固有振動数と
振動周波数とが一致しないような水力機械の運転制御方
法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は水力機械のランナ
の外周端の外側であって上カバーの側に環状の上部シリ
ンダ室を形成するとともに、上記ランナの外周端の外側
であって下カバーの側に環状の下部シリンダ室を形成
し、これらのシリンダ室内に上下動可能なシリンダゲー
トをそれぞれ組込み、このシリンダゲートをランナ室内
に出没させてランナ外周端とランナ室外周壁との間のギ
ャップ量を可変するようにしたことを特徴とし、さら
に、この水力機械において、調相運転等のランナ空転起
動時には、シリンダゲートをシリンダ室内に格納してラ
ンナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を大き
くとり、発電時又は揚水運転時には、シリンダゲートを
ランナ室内に突出してランナ外周端とランナ室外周壁と
の間に挿入し、ランナ外周端とランナ室外周壁との間の
ギャップ量を狭めるようにゲート操作を行い、そして、
変速運転させる場合に、設定回転速度が共振回転速度よ
り小さい範囲では、シリンダゲートをシリンダ室内に格
納してランナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ
量を大きくとり、設定回転速度が共振回転速度より大き
い範囲では、シリンダゲートをランナ室内に突出してラ
ンナ外周端とランナ室外周壁との間に挿入し、ランナ外
周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を狭めるよう
にゲート操作を行い、ランナの固有振動数と振動周波数
とが一致しないようにさせる水力機械の運転制御方法を
特徴とする。

（作 用） 本発明によれば、水力機械のランナの外周端の外側であ
って上カバーの側に環状の上部シリンダ室を形成すると
ともに、上記ランナの外周端の外側であって下カバーの
側に環状の下部シリンダ室を形成し、これらのシリンダ
室内に上下動可能なシリンダゲートをそれぞれ組込み、
このシリンダゲートをランナ室内に出没させてランナ外
周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を変化させる
ことができる。

ところで、このギャップ量の変化は、水力機械のランナ
の共振特性に以下のような影響を及ぼすことが知られて
いる。すなわち、第４図に示すようにランナの振動によ
りランナに発生する変動応力Δσは回転速度を変化させ
た場合にランナの水中固有振動数近傍で高いピーク値を
示す。このとき、ランナ外周縁とランナ室外周壁との間
のギャップ量Ｓを狭くすると、ランナの水中固有振動数
は低くなり、応力のピークは低い回転速度で発生する。
逆に、ギャップ量Ｓを広くすると、ランナの水中固有振
動数は高くなり、応力のピークは高い回転速度で発生す
る。

したがって、ランナ外周端とランナ室外周壁との間のギ
ャップ量Ｓを適正に変化させることですべての設定運転
領域において、ランナの水中固有振動数と振動周波数と
が一致しないようにすることができ、その結果、ランナ
の共振現象を防止することができる。

（実施例） 以下本発明による水力機械の一実施例を第１図乃至第３
図を参照して説明する。第１図において、図中符号１は
水車主軸を示し、この水車主軸１の下端にはランナ２が
固着されている。このランナ２はZr枚のランナ羽根2a有
し、ランナ室３内で回転できるようになっていて、この
ランナ室３は上カバー４と下カバー５とで囲まれてお
り、上カバー４とランナ２上面とによりランナ背圧室６
が形成されている。このランナ背圧室６の外周端に水車
主軸１の軸心を中心とする環状の上部シリンダ室７が形
成されている。このシリンダ室７には円筒形状のシリン
ダゲート８が上下動可能に格納されており、このシリン
ダゲート８はランナ背圧室６側に設けられた開口からそ
の一部がランナ室３に突き出せるようになっている。他
方、ランナの下カバー５側には下部シリンダ室９が形成
されている。この下部シリンダ室９は、上部シリンダ室
７と上下反転した形状をなし、ランナ側圧室10側に開口
を有している。この下部シリンダ室９にも円筒形状のシ
リンダゲート11が上下動可能に格納されており、上記開
口からその一部がランナ室３に突き出せるようになって
いる。本実施例においては、これらのシリンダゲート
８、11は上記シリンダ室７、９の外部に設けられた油圧
ジャッキ等により全周が均一に上下動できるようになっ
ている。

第２図及び第３図により上側のシリンダゲート８の位置
とギャップ量との関係について説明する。第２図はシリ
ンダゲート８がシリンダ室７からランナ室外周壁4aに沿
って突き出され、ランナ２外周端とランナ室外周壁4aと
の間に挿入された状態を示している。このとき、シリン
ダゲート８の下端はランナ羽根2aの上端と流路の頂部に
一致する位置まで突き出され、ランナ２外周端とシリン
ダゲート８の内面との間にはギャップ量Snの隙間12が形
成されている。また、第３図はシリンダゲート８がシリ
ンダ室内７に格納された状態を示している。このとき、
ランナ２外周端とランナ室外周壁4aとの間にはギャップ
量Slの隙間12が形成されている。このギャップ量Sn、Sl
は第７図に示すような従来の同規模の水力機械において
共振状態を励起させるようなギャップ量S0に対して次式
のような関係にある。

Sn＜S0＜Sl なお、上記シリンダゲート８に対向する下部のシリンダ
ゲート11によっても等しいギャップ量の隙間12が設定で
きるようになっている。

次に、調相運転等のランナ空転起動時及び発電、揚水運
転時の本発明に係るシリンダゲートのゲートの運転制御
方法について説明する。調相運転等のランナ空転起動時
には、ランナの空転時の発熱によりランナが熱膨張して
外径が大きくなり、ランナ外周端がランナ室外周壁に接
触するおそれがある。そこで、調相運転等のランナ空転
起動時には、シリンダゲートをシリンダ室内に格納して
ランナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を大
きくとり、回転するランナの外周端がランナ室外周壁に
接触することを防止することができる。また、ランナ外
周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を大きくした
ままで、ポンプ内に充水して発電又は揚水運転を行う
と、第５図に示す特性曲線ｂに示すように設定した定格
回転速度N0において共振状態を励起させるような場合が
ある。その場合には、シリンダゲートをランナ室内に突
出してランナ外周縁とランナ室外周壁との間に挿入し
て、ランナ外周縁とランナ室外周壁との間のギャップ量
Snとなるように狭め、特性曲線ａのようにすることがで
き、定格回転速度N0においてランナに発生する変動応力
を減らすことができる。

さらに、ランナの回転速度Ｎを共振回転速度N0を中央値
としてＮ＝N1〜N2まで変速運転させる場合の運転制御方
法を第６図によって説明する。第６図において、ギャッ
プ量S0を有する水力機械のランナの共振回転速度をN0と
すると、ランナの共振特性は曲線ａのようになる。ま
た、ギャップ量がSnの場合のランナの共振特性は曲線ｂ
のようになり、ギャップ量がSlの場合のランナの共振特
性は曲線ｃのようになる。曲線ｂ、ｃの場合の共振回転
速度をN1、N2とする。このとき、本実施例は、設定回転
速度ＮがN1＜N0＜N2の範囲である変速運転において、ラ
ンナの水中固有振動数と振動周波数とが一致しないよう
にすることを可能にしている。すなわち、設定回転速度
Ｎ＝N1〜N0の範囲ではシリンダゲートをシリンダ室内に
格納してランナ外周縁とランナ室外周壁との間のギャッ
プ量をSlとし、さらに、設定回転速度Ｎ＝N0〜N2の範囲
ではシリンダゲートをランナ室内に突出してランナ外周
縁とランナ室外周壁との間に挿入し、ランナ外周縁とラ
ンナ室外周壁との間のギャップ量をSnとなるようにゲー
ト操作を行う。このような制御を行えば、設定回転速度
ＮがN1＜N0＜N2の範囲で変化する時にも曲線ｚ（太線）
で示すようにランナの共振特性を低く抑えることができ
る。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、水力
機械のランナの外周端の外側であって上カバーの側に環
状の上部シリンダ室を形成するとともに、上記ランナの
外周端の外側であって下カバーの側に環状の下部シリン
ダ室を形成し、これらのシリンダ室内に上下動可能なシ
リンダゲートをそれぞれ組込み、このシリンダゲートを
ランナ室内に出没させてランナ外周端とランナ室外周壁
との間のギャップ量を可変にするようにしたので、水力
機械の共振特性を容易に変えることができ、ランナの水
中固有振動数と振動周波数とが一致しないように水力機
械を運転制御することが可能になり、ランナが継続的な
共振状態に置かれることがなくなる。その結果、ランナ
に生じる疲労破壊等を防止できるという効果を有する。
また、調相運転時等に生じるランナの損傷を防止できる
等の効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水力機械の一実施例を示す横断面
図、第２図及び第３図は本発明によるシリンダゲートを
昇降させた状態を示す一部横断面図、第４図はギャップ
量とランナの共振特性曲線との関係図、第５図は他の実
施例による定格回転速度（N0）運転時におけるランナの
共振特性曲線図、第６図は他の実施例による変速運転時
における運転制御方法のランナの共振特性曲線図、第７
図は従来の水力機械の一実施例を示す一部横断面図、第
８図は同じく一部横断面図である。 ２……ランナ、３……ランナ室、４……上カバー、５…
…下カバー、６……ランナ背圧室、７、９……シリンダ
室、10……ランナ側圧室、８、11……シリンダゲート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上カバーと下カバーとで囲まれたランナ室
   内にランナを配置した水力機械において、上記ランナの
   外周端の外側であって上カバーの側に環状の上部シリン
   ダ室を形成するとともに上記ランナの外周端の外側であ
   って下カバーの側に環状の下部シリンダ室を形成し、こ
   れらのシリンダ室内に上下動可能なシリンダゲートをそ
   れぞれ組込み、このシリンダゲートをランナ室内に出没
   させてランナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ
   量を可変にするようにしたことを特徴とする水力機械。
2. 【請求項２】調相運転等のランナ空転起動時には、シリ
   ンダゲートをシリンダ室内に格納してランナ外周端とラ
   ンナ室外周壁との間のギャップ量を大きくとり、発電時
   又は揚水運転時には、シリンダゲートをランナ室内に突
   出してランナ外周端とランナ室外周壁との間に挿入し、
   ランナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を狭
   めるようにゲート操作を行うことを特徴とする水力機械
   の運転制御方法。
3. 【請求項３】ランナの回転速度Ｎを共振回転速度N0を中
   央値としてＮ＝N1〜N2まで変速運転させる場合に、設定
   回転速度Ｎが共振回転速度N0より小さい範囲では、シリ
   ンダゲートをシリンダ室内に格納してランナ外周端とラ
   ンナ室外周壁との間のギャップ量を大きくとり、設定回
   転速度Ｎが共振回転速度N0より大きい範囲では、シリン
   ダゲートをランナ室内に突出してランナ外周端とランナ
   室外周壁との間に挿入し、ランナ外周端とランナ室外周
   壁との間のギャップ量を狭めるようにゲート操作を行う
   ことを特徴とする水力機械の運転制御方法。