JPH0768935B2 - 高落差ポンプ水車 - Google Patents

高落差ポンプ水車

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JPH0768935B2
JPH0768935B2 JP3048398A JP4839891A JPH0768935B2 JP H0768935 B2 JPH0768935 B2 JP H0768935B2 JP 3048398 A JP3048398 A JP 3048398A JP 4839891 A JP4839891 A JP 4839891A JP H0768935 B2 JPH0768935 B2 JP H0768935B2
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中 宏 田
形 一 郎 山
木 繁 登 藤
林 好 一 小
崎 明 寺
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Toshiba Corp
Tokyo Electric Power Co Inc
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、円板状のクラウンとバ
ンドとこれらの間に円形翼列として配列された複数枚の
ランナベーンとの剛体結合により一体構造からなり、ク
ラウンとバンド間の最外周部流路高さが最外周直径に比
しきわめて小さく、偏平状に形成されたランナを有す
る、高落差用のポンプ水車に関する。
【0002】
【従来の技術】図11は、一般的な高落差用ポンプ水車
の概略構造を示す図であって、図示しない発電電動機と
直結する主軸1の下端にランナ2が固着されており、こ
のランナ2の外周部には図12に示すように複数枚のガ
イドベーン3が円形翼列として配列されている。上記ラ
ンナ2は、図13及び図14に示すように円板状のクラ
ウン2aとバンド2bと、円形翼列として配列された複
数枚のランナベーン2cとの剛体結合により一体構造に
形成されている。このランナ2の上方は上カバ4によっ
て覆われるとともに、ランナ2の下方は下カバ5によっ
て覆われ、その上カバ4と下カバ5間に上記ランナ2を
収容するランナ室6が形成されている。
【0003】しかして、水車として使用される場合に
は、上記ランナ2を取囲むように配設されたスパイラル
ケーシング7内の高圧水が、ステーベーン8を経てガイ
ドベーン3によりランナ室6内に導入され、ランナ2の
外方からランナベーン2cの外周に一様にかつこれらの
ランナベーンの外周入口から半径方向内方へ流入し、ラ
ンナ2を回転させた後、主軸1の下端から吸出し管9を
通って排出される。
【0004】ところで、通常運転落差が400m以上の
高落差揚水発電所に適用される高落差ポンプ水車では、
高落差化に伴なう高速度・小流量の運転を行うために、
ランナ2はクラウン2aとバンド2bの間の最外周流路
高さBが最外周直径Do の0.1倍以下の偏平状に形成
される特徴的構造を有しており、動翼列をなすランナベ
ーン2cの枚数ZR としては主に6枚から8枚までの範
囲の枚数が、また静翼列をなすガイドベーン3の枚数Z
G としてはZR より大きな数の12〜32枚の枚数が適
用される。
【0005】このような高落差ポンプ水車においては、
その運転中には前述のようにガイドベーン3からランナ
室6へ流入する高圧水が絶えずランナベーン2cに衝突
し、回転するランナ2は、動翼列のランナベーン2cの
翼先端部が静翼列のガイドベーン3の翼後端部位と翼間
部を規則的に繰り返し通過することになるから、動翼列
と静翼列との水圧干渉に起因する規則的に変動する水圧
加振力の作用を受ける(図15参照)。したがって、ラ
ンナ2では、上記水圧加振力の作用によって、クラウン
2aとバンド2bがランナベーン2cとの剛体結合によ
る接合部を節として振動する円板振動を伴ない、接合部
に振動応力が発生する。特に、前述のようにクラウンと
バンド間の最外周流路高さBが最外周直径Do の0.1
倍以下の偏平状で円板に近い形状の高落差ポンプ水車の
ランナでは、顕著な振動を伴ない振動応力が大きくなり
易い。
【0006】また、定格回転速度時にランナ2が加振さ
れる周波数fH は、ランナベーン2cが1回転の間にガ
イドベーン3の配列数に相当するZG 回の水圧干渉を受
けるから、回転速度をNo (rpm) とすると、ZG ・No
/60(Hz)となり、ランナ2の固有振動数fN が加振
周波数fH に近い場合には、共振現象を伴ない振動応力
はさらに大きなものとなる。このような共振状態を避け
たとしても、ランナ2の水圧加振力に対する振動応答が
大きい状態では、振動応力がやはり大きなものとなり、
ランナの疲労を早めて疲労破壊をまねくことがある。
【0007】従来、ランナ振動応力の低減対策として、
ランナの固有振動数fN を調整し水圧加振力による加振
周波数fH から遠ざける共振現象の回避方法(特開昭5
9−173568号)なども提案されているが、これら
は必ずしもランナ振動の実態に適合するものではなく、
十分その効果を達成できない等の問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、従来はラン
ナに水圧加振力がどのようにして作用してどのようなメ
カニズムで振動が発生するか明らかにされておらず、し
たがってランナの振動と振動応力の大きさについて基本
的影響要因が何であるか適確に把握されていなかったた
め、どのような場合に振動応力が大きくなるか明らかで
なく、その対策が充分施されていなかった。
【0009】そこで、本発明者は、日本機械学会流体工
学部門講演会講演論文集(1990−8,29,30東
京)で発表した研究結果「高落差ポンプ水車のランナの
振動(第1報)p.49〜51」に示すように、ランナ
振動のメカニズムを明らかにするとともにランナの振動
と振動応力の大きさについて基本的影響要因を明らかに
した。要約すると次の通りである。
【0010】(1)従来はランナを単純な円板構造と仮
定してランナ振動を考えていたが、ここでは円板状のク
ラウンとバンドを水平部材とし、動翼列のランナベーン
を垂直部材として剛体結合により形成された環状のラー
メン(骨組構造)に置換え、力学的に実態と近い構造に
より、ランナ振動を考察した。
【0011】(2)回転するランナは、ランナベーンが
静翼列との水圧干渉(図16参照)により振幅をFvo
した周期的に変動する水圧加振力を受ける。ランナベー
ンの配列間隔の中心角をθR [=2π/ZR ],ZR
正整数倍m・ZR をZG から減じて得られる相対差の絶
対値が最小の整数をn[=ZG −mZR ]とすると、隣
り合う2枚のランナベーンに作用する水圧加振力の位相
差はθR ・n[=(2π/ZR )(ZG −mZR )]で
あり、ZG とZR の組合せの関数として表わせる。
【0012】(3)ランナベーンにおける水圧加振力の
作用により、ランナベーンとクラウンとバンドの各接合
部(結合部)に水圧加振力と同じ周期で変動する加振曲
げモーメントが発生する。この加振曲げモーメントは、
クラウンとバンドの剛性(剛度)が極めて大きいときク
ラウンとバンドとランナベーンとが分担すべき曲げ変形
をランナベーン側だけで全部負担するために発生するラ
ンナベーン固定端モーメントである発生可能最大加振曲
げモーメントmo に、モーメント係数CMOを乗じたもの
からなり、ランナベーン側接合部の加振曲げモーメント
はMo (=CMOo )となり、クラウン、バンド側接合
部の加振曲げモーメントはMo /2となる。
【0013】mo を基準とするモーメント振幅比(Mo
/mo )でもあるモーメント係数CMOは、水圧加振力の
位相差θR nの三角関数cos(θR n)及びクラウ
ン、バンドのランナベーンを基準とする剛性比KR の関
数として、次の理論式により表わすことができる。
【0014】 CMO=2KR {1+4(3KR +1)2 −4(3KR +1)cos(θR n)}1/2 /(2KR +1)(6KR +1) ………(1) 剛性比KR は、クラウン、バンドのランナベーンを基準
とする厚さ比をt/tv,断面二次モーメント比をI/
v とすると、次の式により算定される。
【0015】 KR =(I/Iv )(ZR B/πDo ) =(t/tv 3 (ZR B/πDo ) ………(2) これによって、CMOはクラウン、バンドの厚さを増して
R を大きくすると増大し、KR を極めて大きくとると
MOが1となりMo がmo の最大状態になることが判
る。
【0016】(4)クラウンとバンドは、接合部におけ
る加振曲げモーメントの作用により、ランナベーン間部
が接合部を節として回転軸方向に変位する円板振動を伴
い、そして各接合部には加振曲げモーメントに比例する
振動応力が発生することになる。
【0017】(5)振動の減衰比ζ(c/2(mk)
1/2 ,c:粘性減衰係数,m:質量,k:ばね定数)を
一定とした場合、問題のランナベーン接合部における振
動応力振幅Δσの大きさは、加振曲げモーメントMo
大きさを表すモーメント係数CMO(=Mo /mo )に正
比例して変化する。CMOの基本的影響要因は水圧加振力
の位相差θR nとクラウン、バンドの剛性比KR であ
る。KR の低減化と位相差θR nの適正化によりCMO
低減すれば、これと正比例して振動応力振幅Δσも低減
されることになる。
【0018】(6)振動の減衰比ζの影響を考慮した場
合は、剛性比KR が大きい状態からクラウンとバンドの
厚さ低減によるKR の低減化によりCMOを低減したと
き、ばね定数kの低減化による減衰比ζの増大効果を伴
うから、振動応力振幅ΔσはCMOの減小変化に正比例し
た低減レベル以下の小さいものに低減されることにな
る。
【0019】本発明は、このような研究結果を踏まえ
て、ランナの水圧加振力による振動応答が小さく、振動
応力が小さい安全性の高い高落差用のポンプ水車を得る
ことを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は、クラウンとバ
ンド間の最外周部流路高さBが最外周直径Do に比し極
めて小さく偏平状に形成されたランナを有する高落差ポ
ンプ水車において、動翼列のランナベーン枚数の正整数
倍をガイドベーン枚数から減じて得られる相対差の絶対
値が最小の整数をn、ランナベーンの配列間隔の中心角
をθR 、隣り合う2枚のランナベーンに作用する水圧加
振力の位相差をθR n、ランナベーン枚数とガイドベー
ン枚数の組合せに応じて変化する水圧加振力の位相差の
三角関数をcos(θR n)、ランナの最外周直径と内
周側出口シール部最大直径との中央部位の直径における
クラウンの厚さをtMC、バンドの厚さをtMB、ランナの
最外周直径の円上で中心角θR の扇形の弦に内接する円
より外周側部分におけるクウランの平均厚さをtC 、バ
ンドの平均厚さをtB 、ランナベーンを基準とするクラ
ウン及びバンドの剛性比をKR とするとき、ランナベー
ン枚数及びガイドベーン枚数の組合せによって変化する
cos(θR n)の値に応じて、cos(θR n)及び
剛性比の関数であるモーメント係数CMOが0.5以下と
なるように剛性比KR を定めるとともに、cos(θR
n)が正の値の場合にはtC /tMC≧1,tB /tMB
1とし、cos(θR n)が負の値の場合にはtC /t
MC≦1、tB /tMB≦1としたことを特徴とする。
【0021】
【作用】水圧加振力の作用によってランナの振動が大き
くなりその疲労破壊を防止するためには、振動応力振幅
Δσを前記発生可能最大加振曲げモーメントmo 時に相
当する最大振動応力振幅の1/2以下とすれば、ランナ
の疲労強度的に安全な低レベルに低減させることができ
る。一方、ランナベーン接合部における振動応力幅Δσ
の大きさは、加振曲げモーメント振幅Mo の大きさを示
すモーメント係数CMOに正比例して変化する。
【0022】そこで、ランナベーン枚数及びガイドベー
ン枚数の組合せによって変化するcos(θR n)の値
に応じ、ランナベーンの平均厚さtv に対するクラウン
或はバンドの厚さの比の関数である剛性比KR をモーメ
ント係数CMOが0.5以下になるように選定することに
より、ランナの振動応力振幅が十分小さくなる。また、
ランナの外周側部分のクラウンおよびバンドの厚さを中
央部位の厚さに対し、cos(θR n)の値に応じて増
加或は減少させることによってランナの固有振動数を変
化させ、加振周波数との共振状態を避けることができ
る。
【0023】
【実施例】先ず、前述のようにランナ2をクラウン2a
とバンド2bを水平部材としランナベーン2cを垂直部
材とする各部材の剛性がランナ2と等価の環状ラーメン
に置換えて、ランナ2の振動と振動応力について考察す
る。
【0024】図5は、ランナ2の環状ラーメンを外周面
側から見た展開図でi番目と(i+1)番目の隣合うラ
ンナベーンの部分を示す図であり、図6は上記ランナ2
の水圧加振力作用による振動応答状態を示す図であっ
て、各ランナベーンには図16に示したようにガイドベ
ーン翼列の水圧干渉による周期的変動圧力の作用によっ
て、水圧加振力を受ける。すなわち、i番目のランナベ
ーンおよび(i+1)番目のランナベーンには各々の位
相ZG θ、ZG θ+θR nに応じて、Fvi=Fvocos
(ZG θ)、およびFvi+1=Fvocos(ZG θ+θR
n)の水圧加振力を受ける。なおここでFvoは最大水圧
加振力の大きさである。したがって、この水圧加振力F
vi,Fvi+1の作用により、ランナベーンとクラウン、バ
ンドとの結合部に加振曲げモーメントMi ,Mi /2,
i+1 ,Mi+1 /2が発生し、これによりランナベーン
間のクラウン2a及びバンド2bはランナベーン2cを
節にして図6に点線で示すように回転軸線方向に変位
し、ランナ節直径振動を発生する。そして、FviとF
vi+1が逆位相の関係にあるときランナベーン間のクラウ
ン2a,及びバンド2bは回転軸線方向に最大変位を発
生する。
【0025】このように外周側の静翼列の水圧干渉によ
る水圧加振力の作用に起因するランナ振動では、図12
に示すように、ランナの静翼列に近い最外周と直径Do
の円上で中心角θR (=2π/ZR )の扇形の弦に内接
する円との間の外周側部分が主振動体となり、この外周
側部分におけるクラウン2a、バンド2bのランナベー
ン2cを基準とする剛性比KR が振動に影響を及ぼすこ
とになる。この剛性比KR は、前記(2)式によって算
出されるものであって、最外周直径Do の円上で中心角
θR の扇形の弦に内接する円の直径Do cos(θR
2)より外周側部分におけるクラウンの平均厚さを
C ,バンドの平均厚さをtB ,ランナベーンの平均厚
さをtv としたとき、同外周側部分におけるランナベー
ンを基準とするクラウンの剛性比KR は(tC /tv
3 (ZR B/πDo ),ハンドの剛性比KR は(tB
V 3 (ZR B/πDo )となる。
【0026】一方、ランナ振動に伴なうランナベーン2
cの接合部における振動応力振幅Δσは、前述のよう
に、加振曲げモーメント比Mo /mo であるモーメント
係数CMOに比例し、隣合うランナベーンにおける水圧加
振力の位相差θR nの三角関数cos(θR n)の大き
さおよび前記外周側部分におけるクラウン2a,バンド
2bの剛性比KR の大きさにより影響を大きく受ける。
【0027】ZR とZG の組合せに応じて変化し得るc
os(θR n)の大きさおよび剛性比KR の大きさがモ
ーメント係数CMOの大きさに及ぼす影響程度について、
前記したCMOのKR とcos(θR n)との関係式から
求めると、ZR =6と実用的範囲のZG =12〜32と
を組合せた場合が図1、ZR =7とZG =12〜32と
を組合せた場合が図2、そしてZR =8とZG =12〜
32とを組合せた場合が図3のように表せる。図1〜図
3を参照し、CMOはcos(θR n)が負範囲の値をと
るほど大きくなり正範囲の値をとるほど小さくなる相関
関係を、またKR が大きい値をとるほど大きくなり小さ
い値をとるほど小さくなる相関関係をもっている。
【0028】振動応力振幅Δσを前記最大加振曲げモー
メントmo 時に相当する最大振動応力振幅Δσo の1/
2以下の疲労強度的に安全な低レベルに低減するために
は、図1〜図3においてモーメント係数CMO(=Mo
o )の大きさを0.5以下にすれば、目的が達成され
る。そこでCMOの上限許容値0.5に対応するcos
(θR n)とKR の関係を求めると図4のように表せ
る。
【0029】このようなことから、ランナベーン枚数Z
R 及びガイドベーン枚数ZG の組合せによって変化する
cos(θR n)の値に応じて、cos(θR n)及び
剛性比KR の関数である前記(1)式において、モーメ
ント係数CMOが0.5以下となるような剛性比KR を選
定することによって、ランナの振動を安全な低レベルに
低減させることができる。
【0030】すなわち、図1〜図3においてZR とZG
の組合わせによって決まるcos(θR n)=1の場合
には剛性比KR が0.5以下、cos(θR n)=−
0.5の場合には剛性比KR が0.206以下になるよ
うにクラウン等の厚さを選定することによってCMO
0.5以下にでき、振動応力振幅Δσを安全な低レベル
に低減させることができる。
【0031】さらにcos(θR n)<0のときより小
さめのCMOを伴うcos(θR n)が正範囲内であるZ
R に対するZG の組合せであるときには、比較的に剛性
比を大きくしてもCMOを0.5以下に保つことが容易な
ことから、クラウン2aとバンド2bの各々における前
記外周側部分の厚さtC ,tB を、前記中央部位の厚さ
MC,tMBとの相対比で各々tC /tMC≧1,tB /t
MB≧1となるように前記中央部位より相対的に厚肉状に
定めることによって、ランナ2の固有振動数fN を相対
的に高めて加振周波数fH との共振状態をさけることが
できる。
【0032】一方cos(θR n)>0のときより大き
めのCMOを伴うcos(θR n)が負範囲であるZR
対するZG の組合せであるときには、クラウン2aとバ
ンド2bにおける前記外周側部分の厚さを、前記中央部
位の厚さとの相対比で各々tC /tMC≦1,tB /tMB
≦1となるように前記中央部位より相対的に薄肉状に定
めることによって、ランナ2の固有振動数fN を相対的
に低めて加振周波数fH との共振状態を避けることがで
きる。 (具体例1)本発明によるZR =7に対するZG =20
の組合せのときは、cos(θR n)の値が図2に示す
ように正の0.623であり、ランナは図7に示すよう
に、 B/Do ≦0.1, tC /tMC≧1, tB /tMB≧1, (tC /tv 3 (ZR B/πDo )≦0.39, (tB /tv 3 (ZR B/πDo )≦0.39, の条件より形成すれば、CMOが0.5以下となる。
【0033】この結果、ランナベーン接合部の振動応力
振幅Δσは、回転速度N(rpm )を変化させたときの実
測結果を図9に示すように、前記した安全な低レベルに
低減され、疲労強度上の許容応力5kgf/mm2 に対しても
十分安全側であることが実証された。また、固有振動数
N が高められた結果、定格回転速度No (rpm )の近
くで共振がないこと(fN /fH >1)も検証された。 (具体例2)本発明によるZR =6に対するZG =20
の組合せのときは、cos(θR n)の値が図1に示す
ように負の−0.5となり、ランナは図8に示すよう
に、 B/Do ≦0.1, tC /tMC≦1, tB /tMB≦1, (tC /tv 3 (ZR B/πDo )≦0.206, (tB /tv 3 (ZR B/πDo )≦0.206 の条件により形成すれば、CMOが0.5以下となる。
【0034】ランナベーン接合部の振動応力振幅Δσに
ついて、回転速度N(rpm )を変化させたときの実測結
果を図10に示す。図中の破線は前記外周側部分におけ
る厚さ(tC ,tB )を本発明による場合よりも厚くし
た場合の結果を併記したものである。振動応力振幅Δσ
は、破線の場合と比較し、小さくなり前記した安全な低
レベルに低減され、疲労強度上の許容応力5kgf/mm2
対しても十分安全側であることが実証された。また、固
有振動数fN が低められて、定格回転速度Noの近くで
共振のないこと(fN /fH <1)も検証された。
【0035】
【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、Z
R に対するZG の組合せによりランナの水圧加振力の位
相関係を適正な状態に確保してランナの水圧加振力によ
る加振曲げモーメントを小さいものにするとともに、水
圧加振力の位相関係に応じてランナの外周側部分におけ
る主振動体部の剛性を特定の範囲内に確保し、加振曲げ
モーメント振幅を発生し得る最大加振曲げモーメント振
幅に対し1/2以下の小さいものにして振動応力振幅を
安全な低レベルに低減することができ、ランナ振動にお
ける基本的影響要因の適正化により適確にして効果的に
ランナの振動応力を低減し安全性を高めることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】ランナ振動におけるランナベーン接合部に作用
する加振曲げモーメントの大きさを表すモーメント係数
MOと、その影響要因である隣合うランナベーンに作用
する水圧加振力の位相差の三角関数cos(θR n)お
よびクラウンとバンドのランナベーンを基準とする剛性
比KR との関係をランナベーン枚数が6枚の場合につい
て示す図。
【図2】ランナベーン枚数が7枚の場合におけるC
MOと、cos(θR n)およびKRとの関係図。
【図3】ランナベーン枚数が8枚の場合におけるC
MOと、cos(θR n)およびKRとの関係図。
【図4】CMOの上限許容値に対応するKR とcos(θ
R n)との関係図。
【図5】ランナをクラウンとバンドを水平部材としラン
ナベーンを垂直部材とした環状のラーメンに置換えて外
周面側から見た展開図。
【図6】図5のランナの水圧加振力による振動応答図。
【図7】本発明の一実施例によるランナの要部縦断面
図。
【図8】本発明の他の実施例によるランナの要部縦断面
図。
【図9】本発明の一実施例によるランナベーン接合部振
動応力振幅の実証試験結果図。
【図10】本発明の他の実施例によるランナベーン接合
部振動応力振幅の実証試験結果図。
【図11】一般的な高落差ポンプ水車の概略構造を示す
縦断面図。
【図12】ランナベーンとガイドベーンとの配列関係を
示す平面展開図。
【図13】高落差ポンプ水車のランナの要部縦断面図。
【図14】任意の隣合う2枚のランナベーン部の外周面
側から見た展開図。
【図15】ガイドベーンによる周期的変動圧力を示す
図。
【図16】ランナに作用する変動圧力説明図。
【符号の説明】
2 ランナ 2a クラウン 2b バンド 2c ランナベーン 3 ガイドベーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山 形 一 郎 神奈川県横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会社東芝 京浜事業所内 (72)発明者 藤 木 繁 登 東京都千代田区内幸町一丁目1番3号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 小 林 好 一 東京都千代田区内幸町一丁目1番3号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 寺 崎 明 東京都千代田区内幸町一丁目1番3号 東 京電力株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】クラウンとバンド間の最外周部流路高さB
    が最外周直径Do に比し極めて小さく偏平状に形成され
    たランナを有する高落差ポンプ水車において、動翼列の
    ランナベーン枚数の正整数倍をガイドベーン枚数から減
    じて得られる相対差の絶対値が最小の整数をn、ランナ
    ベーンの配列間隔の中心角をθR 、隣り合う2枚のラン
    ナベーンに作用する水圧加振力の位相差をθR n、ラン
    ナベーン枚数とガイドベーン枚数の組合せに応じて変化
    する水圧加振力の位相差の三角関数をcos(θ
    R n)、ランナの最外周直径と内周側出口シール部最大
    直径との中央部位の直径におけるクラウンの厚さを
    MC、バンドの厚さをtMB、ランナの最外周直径の円上
    で中心角θR の扇形の弦に内接する円より外周側部分に
    おけるクウランの平均厚さをtC 、バンドの平均厚さを
    B 、ランナベーンを基準とするクラウン及びバンドの
    剛性比をKR とするとき、ランナベーン枚数及びガイド
    ベーン枚数の組合せによって変化するcos(θR n)
    の値に応じて、cos(θR n)及び剛性比の関数であ
    るモーメント係数CMOが0.5以下となるように剛性比
    R を定めるとともに、cos(θR n)が正の値の場
    合にはtC /tMC≧1,tB /tMB≧1とし、cos
    (θR n)が負の値の場合にはtC /tMC≦1、tB
    MB≦1としたことを特徴とする高落差ポンプ水車。
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