JPH0893626A - 水力機械の空転運転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】水車あるいはポンプ水車等の水力機械のランナ
空転運転時に、ランナ室からの漏気を有効に防止するこ
とができるとともに、建設コスト増を招くことなく、安
定かつ信頼性の高い空転運転を可能とする。 【構成】調相運転時または起動運転時等にランナ室を空
気で満たし、ランナを空転運転する水力機械において、
上部吸出し管６ｂの押下げ水面近傍位置に、空気または
水の流れを規制する複数の流れ規制羽根９を設けるとと
もに、これらの流れ規制羽根９に姿勢制御用の規制羽根
制御装置１０を連結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、調相運転時や起動運転
時等にランナの空転運転を実施する水車またはポンプ水
車等の水力機械の空転運転装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば大型大容量のポンプを起動運転す
る場合、あるいは発電用ポンプ水車等を電力系統安定化
のために調相運転する場合等において、ポンプあるいは
ポンプ水車等への水の流入を遮断して空転運転を行うこ
とが一般的である。

【０００３】このような空転運転を行う場合には、ラン
ナ外周部に配列したガイドベーンを全閉にし、ランナ室
に高圧空気を供給することによって、上部吸出し管の水
面を押下げた後、空気中でランナを回転させている。こ
の空転運転によってランナの起動トルクや、加速時の駆
動トルクが大幅に低減され、低速運転への移行が容易と
なるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１７はポンプ水車に
おけるランナおよび水車室の流れを模式的に例示したも
のである。渦巻きケーシング１の中心側にランナ２およ
び主軸３が設けられ、ランナ２の外周部にガイドベーン
４が開閉自在に配列されている。ランナ室６ａの出口部
には、上部吸出し管６ｂを介して曲管状の吸出し管５が
連設され、さらに放水路８が接続されている。このよう
なポンプ水車の空転運転においては、ランナ２が空気を
作動流体とした締切り運転の状態となる。

【０００５】すなわち、締切り運転では空気がランナ２
の中心部から流入し、ランナ２によって角運動量を与え
られ、バンド側からランナ２と同じ回転方向の非常に強
い旋回力を伴ってランナ室６ａに流出する。また、ラン
ナ２の外周部でも同様の循環流が発生している。そのた
め、ランナ室６ａには空気の旋回流が発生しており、押
下げ水面７に力を及ぼす。

【０００６】吸出し高さが低く、押下げに要する空気圧
力が大気圧程度では、空気と水との密度差が非常に大き
いため、押下げ水面７に作用する力は小さく、押下げ水
面７はランナ２と同一方向の回転を伴うスロッシング状
の揺動を示し、上部吸出し管６ｂ内の水の乱れは小さ
い。

【０００７】ところが、大容量のポンプ水車では、ポン
プ運転でランナ２に発生するキャビテーションを避ける
ため、吸出し高さが高くなり、水面押下げに要する空気
圧力は数気圧ないし十数気圧にも達する。

【０００８】このため、空気の密度の増加によって押下
げ水面７に及ぼす影響も大きくなり、２〜３気圧以上の
空気圧では、押下げ水面が破砕し、上部吸出し管６ｂ内
の水も大きく乱れる。この場合、従来では上部吸出し管
６ｂ全体の断面形状が円形とされているため、旋回流に
対する抵抗が比較的小さく、空気は激しく旋回するよう
になる。

【０００９】それに伴い、押し下げられた水に空気泡が
巻き込まれるようになる。この水中に巻き込まれた空気
の一部は、吸出し管５の下流の放水路８へ流出し、ラン
ナ室６ａ内の空気が運転時間の経過とともに減少する。
すなわち、押下げ空気圧およびランナ２の出口周速の増
加によって、押下げ水面７の運動は激しさを増すため、
水中に巻き込まれて放水路８へ流出するものである。

【００１０】その結果、ランナ室６ａの下方の押下げ水
面７は徐々に上昇し、ランナ２と押下げ水面７との干渉
によって振動、トルク変動およびランナ２の温度上昇等
が発生する。

【００１１】押下げ水面７を適正に保ってランナ２と押
下げ水面７との干渉を回避し、空転運転を継続するに
は、ランナ室６ａに常に大量の高圧空気を供給し続ける
ことが必要となる。この吸出し管５の下流への漏気を低
減する対策として、上部吸出し管６ｂを長くし、ランナ
２下端と押下げ水面７との距離、および押下げ水面７か
ら吸出し管５の曲り部上縁までの距離を大きくする方法
が知られている。

【００１２】しかし上記の方法では、吸出し管の埋設の
ための土木の掘削量が多く、吸出し管の高さも増加する
ため、発電所建設コストの上昇を余儀無くされる。ま
た、ポンプ水車の大容量化、高速化等に伴って、押下げ
空気圧とランナ出口での周速が増大するため、空転運転
時の吸出し管下流への漏気を避ける目的で益々吸出し管
の高さを増すことが必要になる。

【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、水車あるいはポンプ水車等の水力機械のランナ
空転運転時に、ランナ室からの漏気を有効に防止するこ
とができるとともに、建設コスト増を招くことなく、安
定かつ信頼性の高い空転運転を可能とする水力機械の空
転運転装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、調相運転時または起動運
転時等にランナ室を空気で満たし、ランナを空転運転す
る水力機械において、上部吸出し管の押下げ水面近傍位
置に、空気または水の流れを規制する複数の流れ規制羽
根を設けるとともに、これらの流れ規制羽根に姿勢制御
用の規制羽根制御装置を連結したことを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の水
力機械の空転運転装置において、姿勢制御装置は、流れ
規制羽根が押下げ水面よりも上位にある場合にはその流
れ規制羽根の迎え角をランナの回転方向に沿う空気の旋
回流に対して負に制御するように、また前記流れ規制羽
根が押下げ水面よりも下位にある場合にはその流れ規制
羽根の迎え角をランナの回転方向に沿う水の旋回流に対
して正に制御するように、それぞれ設定してなることを
特徴とする。

【００１６】請求項３記載の発明は、調相運転時または
起動運転時等にランナ室を空気で満たし、ランナを空転
運転する水力機械において、上部吸出し管の断面円形状
の水車出口部からストレート部側に位置する押下げ水位
付近を、断面楕円形状、長円形状、方形状その他の非円
形断面形状とし、前記水車出口部の円形状部位から前記
非円形断面形状部位までを滑らかに形状変化させたこと
を特徴とする。

【００１７】

【作用】請求項１記載の発明によれば、上部吸出し管の
押下げ水面近傍位置に、空気または水の流れを規制する
複数の流れ規制羽根を設け、これを規制羽根制御装置に
よって制御するようにしたことにより、大容量の高落差
ポンプ，ポンプ水車などの水力機械の空転運転時に、押
出し水面の揺動を抑制することができ、押下げ水面の揺
動による押下げ空気の漏洩防止もしくは低減が図れる。

【００１８】なお、流れ規制羽根の旋回流を迎える角度
（迎え角）が大きく立ち過ぎることは、大きな気流の乱
れを生じるとともに、流れ規制羽根に振動も発生するの
で、好ましくない。また、迎え角を正にすると、気流が
押下げ水面に向って水面揺動を促進することになる。

【００１９】これに対し、請求項２記載の発明によれ
ば、流れ規制羽根が押下げ水面よりも上位にある場合に
は、その流れ規制羽根の迎え角をランナの回転方向に沿
う空気の旋回流に対して負に制御し、また流れ規制羽根
が押下げ水面よりも下位にある場合にはその流れ規制羽
根の迎え角をランナの回転方向に沿う水の旋回流に対し
て正に制御するようにしたので、流れ規制羽根を水流に
適合する姿勢に変更して、大きな気流の乱れや流れ規制
羽根の振動、あるいは水面揺動等を防止することができ
る。

【００２０】請求項３記載の発明によれば、吸出し管の
断面形状を非円形としたことで、前記の流れ規制羽根に
代えて空気の旋回流を弱めることができ、これにより空
気の旋回流によって上部吸出し管内の水が旋回運動する
のを妨ぐことができる。本発明の場合には、流れ規制羽
根を要しない構成とすることで、構成の簡単化が図れ
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明に係る水力機械の空転運転装置
の実施例を図１〜図１６を参照して説明する。なお、本
実施例はポンプ水車に適用した場合のものであり、図１
７と共通または対応する部位については、同一符号を使
用する。

【００２２】図１〜図１０は本発明の一実施例を示して
いる。図１および図２は要部断面図、図３は全体断面
図、図４〜図１０は作用説明図である。

【００２３】本実施例のポンプ水車では、図３に示すよ
うに、渦巻きケーシング１の中心側にランナ２および主
軸３が設けられ、ランナ２の外周部にガイドベーン４が
開閉自在に配列されている。ランナ室６ａの出口部に
は、上部吸出し管６ｂを介して曲管状の吸出し管５が連
設され、さらに放水路８が接続されている。

【００２４】このものにおいて、図１および図２に示す
ように、上部吸出し管６ｂの押下げ水面７近傍位置に、
空気または水の流れを規制する複数の流れ規制羽根９が
周方向に間隔的に設けられている。これらの流れ規制羽
根９は、吸出し管５内の水または空気の流れ方向に対し
て任意の角度をなし得るように支持されている。そし
て、各流れ規制羽根９には、上部吸出し管５の外周側に
位置して姿勢制御用の規制羽根制御装置１０が連結され
ている。

【００２５】このような構成の本実施例による作用を以
下に説明する。

【００２６】ガイドベーン４が閉じられ、ランナ室６ａ
内の水面が押し下げられると、図示しない中央制御室の
コンピュータから規制羽根制御装置１０に制御信号が送
られ、流れ規制羽根９の姿勢が制御される。

【００２７】流れ規制羽根９の姿勢はランナ２の回転方
向に応じて制御され、図４および図５に示すように、ラ
ンナ２によって発生する空気の旋回流に対して、流れ規
制羽根９の迎え角αが負になるように姿勢制御され、ラ
ンナ２の回転が開始される。

【００２８】ランナ２の回転速度が上昇するにつれ、空
気の旋回流が発生し、吸出し管５の外周に沿って流れ出
す。この場合、本実施例では流れ規制羽根９によって旋
回流が遮られるため、押下げ水面７に揺動が発生しな
い。

【００２９】迎え角αが大きく立ち過ぎることは、図６
に示すように、大きな気流の乱れを生じるとともに、流
れ規制羽根９に振動も発生するので、好ましくない。ま
た、迎え角αを正にすると、図７に示すように、気流が
押下げ水面７に向って水面揺動を促進することになる。

【００３０】空転運転が終了し、ポンプ運転または水車
運転に入る場合には、流れ規制羽根９を、図８に示すよ
うに、水流に沿った姿勢に変更する。この場合、流れ規
制羽根９が水流の方向に沿うことから、効率を大幅に低
下させることはない。

【００３１】以上の一実施例によれば、大容量，高落差
のポンプ水車などの水力機械の空転運転時に、押下げ水
面の揺動を防止する効果があるため、水面の揺動による
空気の漏洩がなくなり、水面押下げ用空気供給のための
コンプレッサの容量を小さくすることができるだけでな
く、空気の漏洩防止のみを目的とするような吸出し管５
の高さを大きく取る必要がなくなり、土木の掘削量等、
発電所の建設コストの低減も有効的に図れるようにな
る。

【００３２】なお、以上の実施例では流れ規制羽根９を
押下げ水面７よりも高い位置に設定したが、図９に示す
ように、流れ規制羽根９を押下げ水面７に近い水中に設
けることも可能である。この場合、水面揺動は少し発生
するが、空気の旋回流によって引き起こされる上部吸出
し管６ｂ内の旋回水流に対し、流れ規制羽根９を空気中
の場合と逆に、迎え角αを正になるように制御すること
が望ましい。これにより、例えば図１０に示す如く表面
の水が飛散したり、その飛散した水がランナと干渉する
ようなことがなく、水面揺動を小さくすることができ
る。

【００３３】図１１〜図１３は本発明の他の実施例を示
している。図１１はポンプ水車の全体断面図、図１２は
吸出し管部を示す外観図、図１３および図１４は図１２
のＡ−Ａ線断面図である。

【００３４】本実施例では、図１１に示すように、吸出
し管５が上部吸出し管６ｂよりも側面視で小断面とされ
ている。そして、例えば図１３または図１４に示すよう
に、押下げ水面７が形成される位置の上部吸出し管６ｂ
が非円形断面、すなわち断面楕円形状または長円形（図
１３）、または断面方形状（図１４）とされ、従来の断
面円形状の場合に比較して、空気の旋回流に対する抵抗
力が大きく設定されている。円形状部位から、非円形状
部位までは、滑らかに形状変化している。

【００３５】このような構成によると、空気の旋回流の
影響によって吸出し管５内の水も旋回されるが、この水
の旋回運動に対する抵抗力が増加するので、押下げ水面
７の揺動を押さえる効果が奏される。なお、揺動の抑制
効果は前記一実施例の場合に比較して小さいが、流れ規
制羽根を有しない従来構造の延長線上での僅かな設計変
更で実施が可能である点で有利である。

【００３６】図１５および図１６は、本発明のさらに他
の実施例を示している。図１５は吸出し管部を示す外観
図、図１６は図１５のＢ−Ｂ線断面図である。

【００３７】本実施例では、上部吸出し管６ｂから吸出
し管５全体に亘って断面が円形状であるが、図１６に示
すように、押下げ水面７が形成される上部吸出し管６ｂ
側と、その下流側の吸出し管５との中心が、心ずれ量ｅ
だけ偏心している。

【００３８】このような構成によっても、水の旋回運動
に対する抵抗力が増加するので、押下げ水面７の揺動を
押さえる効果が奏されるとともに、流れ規制羽根を有し
ない従来構造の延長線上での僅かな設計変更で実施が可
能である点で有利である等、図１３および図１４の実施
例と略同様の効果が奏される。

【００３９】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、大容量の高落差ポンプ，ポンプ水車などの水力機械
の空転運転時に、押出し水面の揺動を抑制することがで
き、押下げ水面の揺動による押下げ空気の漏洩防止もし
くは低減が図れる。しかも、水面押下げ空気供給用のコ
ンプレッサの容量を低減できるうえ、空気の漏洩防止の
みを目的として吸出し管の高さを大きく取る必要がな
く、土木の掘削量等の発電所建設に係るコストの低減も
有効的に図れるようになる。したがって、本発明によれ
ば、水力機械の調相運転時や起動運転時等のランナ空転
運転時に、ランナ室からの漏気を防止でき安定かつ高信
頼性の運転が行えるとともに、建設コストの低減が図れ
る等の優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水力機械の空転運転装置の一実施
例を示す要部の横断面図。

【図２】図１の中央部縦断面図。

【図３】前記実施例の全体構成を示す断面図。

【図４】前記実施例の作用説明図。

【図５】前記実施例の作用説明図。

【図６】前記実施例の作用説明図。

【図７】前記実施例の作用説明図。

【図８】前記実施例の作用説明図。

【図９】前記実施例の変形例を示す説明図。

【図１０】図９に対応する比較説明図。

【図１１】本発明の他の実施例の全体構成を示す断面
図。

【図１２】図１１に示す実施例の吸出し管を示す側面
図。

【図１３】吸出し管を楕円形状とした場合における図１
２のＡ−Ａ線断面図。

【図１４】吸出し管を方形状とした場合における図１２
のＡ−Ａ線断面図。

【図１５】本発明のさらに他の実施例の吸出し管を示す
側面図。

【図１６】図１５のＢ−Ｂ線断面図。

【図１７】従来例を示す全体構成図。

【符号の説明】

１ 渦巻きケーシング ２ ランナ ３ 主軸 ４ ガイドベーン ５ 吸出し管 ６ａ ランナ室 ６ｂ 上部吸出し管 ７ 押下げ水面 ８ 放水路 ９ 流れ規制羽根 １０ 規制羽根制御装置 α 迎え角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 調相運転時または起動運転時等にランナ
   室を空気で満たし、ランナを空転運転する水力機械にお
   いて、上部吸出し管の押下げ水面近傍位置に、空気また
   は水の流れを規制する複数の流れ規制羽根を設けるとと
   もに、これらの流れ規制羽根に姿勢制御用の規制羽根制
   御装置を連結したことを特徴とする水力機械の空転運転
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の水力機械の空転運転装置
   において、姿勢制御装置は、流れ規制羽根が押下げ水面
   よりも上位にある場合にはその流れ規制羽根の迎え角を
   ランナの回転方向に沿う空気の旋回流に対して負に制御
   するように、また前記流れ規制羽根が押下げ水面よりも
   下位にある場合にはその流れ規制羽根の迎え角をランナ
   の回転方向に沿う水の旋回流に対して正に制御するよう
   に、それぞれ設定してなることを特徴とする水力機械の
   空転運転装置。
3. 【請求項３】 調相運転時または起動運転時等にランナ
   室を空気で満たし、ランナを空転運転する水力機械にお
   いて、上部吸出し管の断面円形状の水車出口部からスト
   レート部側に位置する押下げ水位付近を、断面楕円形
   状、長円形状、方形状その他の非円形断面形状とし、前
   記水車出口部の円形状部位から前記非円形断面形状部位
   までを滑らかに形状変化させたことを特徴とする水力機
   械の空転運転装置。