JPH10141201A

JPH10141201A - 可変速水力機械の運転方法

Info

Publication number: JPH10141201A
Application number: JP8300615A
Authority: JP
Inventors: Shinsaku Sato; 藤晋作佐; Toshifumi Kurokawa; 川敏史黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 1998-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】水車効率を高めながら振動、キャビテーショ
ンの発生を抑制した簡便にして合理的な可変速水力機械
の水車運転方法を提供する。【解決手段】ガイドベーン開度が連続的に変化した時
の各ガイドベーン開度における最大の水車効率を与える
単位落差当り回転速度と単位落差当り水車出力との組合
わせを表す標準特性カーブを求めると共に、全ガイドベ
ーン開度において水車効率が最高である水車最高効率点
を求め、又、上記吸出し管にホワールが実質的に発生し
ない無ホワール領域を上記単位落差当り回転速度と上記
単位落差当り水車出力とによって表し、上記標準特性カ
ーブと、これに近接する上記無ホワール領域の境界線に
おいて、等単位落差当り水車出力点で前記両者の線の二
等分点を接続し、かつ上記水車最高効率点を通過する線
を求め、この運転特性ライン上で可変速運転を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水車やポンプ水車
などの可変速水力機械の水車運転方法に係り、特に水圧
脈動を抑制して振動が少なく、またランナにキャビテー
ションの発生しないようにした水車運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】水力発電所に設置される水車やポンプ水
車などの水力機械は、発電機または発電電動機の回転速
度が一定である定速形のものが使用されていたが、近年
は電力調整のために回転速度が可変制御される可変速水
力機械も使用されるようになっている。

【０００３】図８は、可変速水力機械の水車運転方法を
適用するフランシス形ポンプ水車を示したもので、ケー
シング１から導入された圧力水は、可動ガイドベーン２
を通ってランナ３を回転駆動した後に、吸出し管４によ
って図示を省略した放水路に放出される。可動ガイドベ
ーン２はランナ３に流入する流量を調節して、負荷変化
に対応する水車出力を制御し、またランナ３は圧力水の
位置エネルギーを回転エネルギーに変換する。

【０００４】このような構成のフランシス形ポンプ水車
は、運転条件が適切でない場合には、ランナ３を流出し
た流れが旋回しながら吸出し管４に流入し、この旋回に
よる局部的な圧力下降が吸出し管４内で発生し、更にこ
の圧力降下した低圧部に渦キャビテーション状のホワー
ル５が発生し、大きな振動や騒音を生ずる。また、ラン
ナ羽根入口の角度とガイドベーンからの水流量の流入角
度が一致しなくなるとランナ羽根入口部で流れが剥離
し、ランナとガイドベーンとの間のランナ外周流路部の
水圧脈動が増大し大きな振動や騒音を生ずる。また、ラ
ンナの回転が相対的に遅くなると、ランナ羽根入口部の
裏面側には図９に示すようなキャビテーションが発生す
ることがある。

【０００５】このキャビテーションが発生すると、振動
・騒音が大きくなり、またいわゆるキャビテーション壊
食によりランナが傷つくことになる。

【０００６】上述した可変速水力機械の水車運転方法と
して、特開昭５７−１１３９７１号公報には、水車また
はポンプ水車の水力性能上の最高効率値あるいはその近
傍の回転速度を落差及び負荷に応じて選択することが開
示されている。

【０００７】又、特開昭６２−１５２３９９号公報に
は、水車にかかる落差と回転数とを検出してガイドベー
ン開度またはランナベーン開度を最適運転領域または安
定運転領域で運転する方法が開示されている。又、特開
平７−６３１５４号公報には、最適運転特性を求める装
置及び運転方法が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の特開
昭５７−１１３９７１号公報に開示された可変速水力機
械の水車運転方法は、水力性能上の最高効率点での運転
中に、可変速水力機械の構成部品のいずれかにおいて振
動等が発生し、その部品の寿命が短縮するといった問題
がある。これを更に詳述すると、水力性能上の最高効率
とは、ある運転点での可変速水力機械の構成部品、例え
ばケーシングやステーベーンやガイドベーンやランナや
吸出し管のそれぞれの効率の和の最大値として求まるも
のである。従って、水車の最高効率点での運転時に可変
速水力機械の構成部品のすべての部分が最高効率になっ
ているわけではなく、水車最高効率点での運転時にも、
例えばガイドベーン部の流れが乱れたり、ランナ羽根部
の流れが剥離し騒音を発生したり、吸出し管内に渦キャ
ビテーション状のホワールが発生し振動が大きくなると
いった問題が生ずる。

【０００９】他方、上述の特開昭６２−１５２３９９号
公報に開示された可変速水力機械の水車運転方法は、ガ
イドベーン開度またはランナベーン開度を最適運転領域
または安定運転領域で運転するものであるため、この時
にもランナ羽根部で流れが剥離し騒音を発生したり、吸
出し管内に渦キャビテーション状のホワールが発生し振
動が大きくなるといった問題が発生する。

【００１０】また、上述の特開平７−６３１５４号公報
に開示された運転方法は、最適運転特性の求め方が複雑
であること、特定の水車特性を有するものにしか適用で
きないといった問題がある。

【００１１】そこで本発明の目的は、水車効率を高めな
がら、振動、キャビテーションの発生を抑制した簡便に
して合理的な可変速水力機械の水車運転方法を提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、可動ガイドベーンとこの可動ガイドベーンを通過し
た圧力水によって回転駆動されるランナと、このランナ
下流に位置する吸出し管とを具備する水車またはポンプ
水車などの可変速水力機械の回転速度を可変制御する可
変速水力機械の水車運転方法において、単位落差当り回
転速度と単位落差当り出力または単位落差当り流量で水
車特性を示し、各ガイドベーン開度における最大の水車
効率を与える標準特性カーブを求め、この特性カーブと
近接する吸出し管内に実質的にホワールの発生しない領
域の両者の二等分線を求めること、またはこの特性カー
ブと近接する吸出し管の水圧脈動が落差比で１．５％以
内となる領域の両者の二等分線を求めると、あるいは、
この特性カーブと近接する可動ガイドベーンとランナと
の間のランナ外周流路部の水圧脈動が落差比で５％以内
となる領域の両者の二等分線を求めること、あるいは、
単位落差当り回転速度と単位落差当り流量で水車特性を
示し各ガイドベーン開度における最大の水車効率を与え
る標準特性カーブを求め、この特性カーブと近接する傾
きが水車最高効率点の単位落差当り流量／単位落差当り
回転速度であり水車最高効率点を通過する直線に等単位
落差当り流量点で単位落差当り回転速度方向に±５％の
幅を持たせた特性ラインの両者の二等分線を求めるこ
と、及び、上記各運転特性上あらかじめランナの羽根入
口裏面に発生するキャビテーションの効生限界域を組合
せた運転特性ラインを求めることである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明による可変速水力機械
の水車運転方法の実施例を図１乃至図８を参照して説明
する。図１は、横軸に単位落差当り回転速度Ｎ／Ｈ^1/2
をとり、縦軸に単位落差当り水車出力Ｐ／Ｈ^3/2、ある
いは単位落差当り流量Ｑ／Ｈ^1/2をとったグラフであ
り、フランシス形ポンプ水車の水車運転特性を示してい
る。ここで、Ｎは水車の回転速度であり、Ｈは有効落差
であり、Ｐは水車出力、Ｑは流量である。

【００１４】ガイドベーン開度がａ１の時の単位落差当
り回転速度Ｎ／Ｈ^1/2と単位落差当り水車出力Ｐ／Ｈ
^3/2、あるいは単位落差当り流量Ｑ／Ｈ^1/2との関係、
すなわち、水車出力特性線あるいは水車流量特性線が線
ａ１で示されている。同様に、ガイドベーン開度がａ
２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６に順次変化した時の水車出
力特性線または水車流量特性線がそれぞれ線ａ２，ａ
３，ａ４，ａ５，ａ６で示されている。また、破線で示
した曲線η１，η２，η３は、水車効率の等しい点を等
高線状に示している。点ηｍａｘは水車効率の最も高い
点であり、この水車最高効率点ηｍａｘは、単位落差当
り回転速度がＮ_０／Ｈ_０ ^1/2で、単位落差当り水車出力
がＰ_０／Ｈ_０ ^3/2（あるいは単位落差当り流量がＱ_０／
Ｈ_０ ^1/2）である時に得られる。

【００１５】図１中実線の曲線は標準特性カーブを示
し、この標準特性カーブは各ガイドベーン開度ａ１，
ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６における最大効率を与え
る単位落差当り回転速度Ｎ／Ｈ^1/2と、単位落差当り水
車出力Ｐ／Ｈ^3/2、あるいは単位落差当り流量Ｑ／Ｈ
^1/2との交点を結んだ曲線である。なお、標準特性カー
ブは次のようにして求めることができる。すなわち、
図７に示したように、横軸に単位落差当り回転速度Ｎ／
Ｈ^1/2をとり、縦軸に単位落差当り水車出力Ｐ／Ｈ^3/2
をとり、各ガイドベーン開度ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，
ａ５，ａ６をパラメータとした図１と同様の水車出力特
性線を描くと共に、更に縦軸に水車効率ηをとり、各ガ
イドベーン開度ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６を
パラメータとした水車効率特性線を描く。この後者の水
車効率特性線について、各ガイドベーン開度ａ１，ａ
２，ａ３，ａ４，ａ５に対する最大の水車効率η１ｍ，
η２ｍ，η３ｍ，η４ｍ，η５ｍを求め、これらの最大
の水車効率η１ｍ，η２ｍ，η３ｍ，η４ｍ，η５ｍを
与える単位落差当り回転速度Ｎ_１／Ｈ^1/2，Ｎ_２／Ｈ^1/
²，Ｎ_３／Ｈ^1/2，Ｎ_４／Ｈ^1/2，Ｎ_５／Ｈ^1/2を求め
る。次いで、これらの単位落差当り回転速度Ｎ_１／Ｈ
^1/2，Ｎ_２／Ｈ^1/2，Ｎ_３／Ｈ^1/2，Ｎ_４／Ｈ^1/2，Ｎ
_５／Ｈ^1/2に対する単位落差当り水車出力Ｐ／Ｈ^3/2を
水車出力特性線から求める。すなわち、単位落差当り回
転速度Ｎ_１／Ｈ^1/2，Ｎ_２／Ｈ^1/2，Ｎ_３／Ｈ^1/2，Ｎ
_４／Ｈ^1/2，Ｎ_５／Ｈ^1/2と水車出力特性線ａ１，ａ
２，ａ３，ａ４，ａ５との交点Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，
Ｑ_４，Ｑ_５を求める。これらの交点を曲線で結ぶことに
よって標準特性カーブが得られる。この標準特性カー
ブを求める過程で、水車最高効率点Ｎ_１／Ｈ^1/2を求
めることもできる。′は単位落差当り流量に対して求
めたものである。

【００１６】再び図１において、斜線で示した無ホワー
ル領域ＮＷは、模型試験において目視観察または吸出し
管の水圧脈動、振動測定などによって求める。次に上記
標準特性カーブ′と′に近接する側の上記無ホ
ワール領域ＮＷの境界線において、等単位落差当り水車
出力点、あるいは等単位落差当り流量点上で、前記
′と前記無ホワール領域ＮＷの境界線との間の二等分
点を接続してかつ上記水車最高効率点を通過する図１の
一点鎖線で示した二等分線を求める。これを可変速水車
運転時の運転特性とする。具体的には水車に作用する有
効落差Ｈにおいて水車出力Ｐあるいは水車流量Ｑを得る
場合、単位落差当りの水車出力Ｐ／Ｈ^2/3あるいは単位
落差当りの流量Ｑ／Ｈ^1/2に対する単位落差当り回転速
度Ｎ／Ｈ^1/ ²を上述した一点鎖線上から求めてこれより
最適な水車回転数Ｎが選定される。これにより極めて簡
便な方法で、吸出し管ホワールの影響を極力小さくして
水車高効率を維持した水車運転が可能となる。

【００１７】図２は本発明の他の実施例であり、吸出し
管の水圧脈動が実質的に十分小さい落差比で１．５％以
下となる領域を模型試験、あるいは現地試験などで求
め、次に上記標準特性カーブ′と近接する上記水圧
脈動帯の境界線においてまたは′との間の等単位落
差当り水車出力、または等単位落差当り流量における二
等分点を接続してかつ水車最高効率点を通過する図２の
一点鎖線で示した二等分線を求め、これを運転特性とす
る。図１と同様の効果が他の簡便な方法で得られる。

【００１８】図３、図４は、本発明の他の実施例であ
り、ランナとガイドベーンとの間のランナ外周流路部の
水圧脈動が実質的に十分小さい落差比△Ｈ_R／Ｈ≦５％
となる領域を模型試験あるいは現地試験などで求め、次
に標準特性カーブまたは′と近接する上記水圧脈動
帯の境界線とまたは′において等単位落差当り水車
出力または等単位落差当り流量における二等分点を接続
して且つ水車最高効率点を通過するあるいは通過しない
図３または図４の一点鎖線で示した二等分線を求め、こ
れを運転特性とする。これより極めて簡便な方法で、あ
らゆる水車特性においても、ランナ外周部の水圧脈動を
極力抑制し水車高効率を維持した水車運転が可能とな
る。

【００１９】図５は本発明の他の実施例であり、図９で
示すようなランナ羽根入口裏面に発生するキャビテーシ
ョンの発生領域を水車運転特性上に示したものである。
このキャビテーション発生領域は模型試験での目視観察
あるいはＡＥセンサーによる測定、現地試験におけるＡ
Ｅセンサーによる測定、あるいは流れ解析手法により決
定することができる。このキャビテーション発生限界と
図１〜図４で示した運転特性カーブとを組合せ、新たな
運転特性カーブを求めることができる。図５の▽印で示
したものである。このような運転特性とすることで、ラ
ンナ羽根入口裏面にキャビテーションが発生することを
防止した信頼性の高い運転が可能である。

【００２０】図６は本発明の他の実施例であり、水車最
高効率点を通り、傾きが水車最高効率点の単位落差当り
流量／単位落差当り回転速度となる直線を求め（図６の
Ｑ_０／Ｈ₀ ^1/2／Ｎ_０／Ｈ₀ ^1/2＝一定の線）、この直
線に対して等単位落差当り流量点方向に、単位落差当り
回転速度で±５％の幅（図６の斜線部）を設けた領域を
求め、上記標準特性カーブ′とこれに近接する上記領
域の境界線との間で、等単位落差当り流量点で′と領
域の境界線の二等分線を接続してかつ水車最高効率点を
通過する図６に示した一点鎖線の二等分線を求め、これ
を運転特性とする。

【００２１】この水車最高効率点における単位落差当り
流量／単位落差当り回転速度の比が一定の領域は、吸出
し管の無ホワール領域と比較的よく一致することが実験
的に明らかとなった。よってこの図６による運転特性は
図１と同様の効果が得られるとともに、信頼性の高い運
転特性の求め方である。また、本発明に対しても図５の
ようなランナ羽根入口キャビテーションの発生領域を考
慮して組合せた運転特性の作成が可能である。

【００２２】

【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、あらゆる水車特性に対して極めて簡便な方法
で、ランナ外周部の水圧脈動を極力抑制しつつ振動・騒
音を極力抑制し、また吸出し管のホワール発生を極力抑
制しつつキャビテーションの発生を防止しながら高い水
車効率を維持した可変速水力機械の水車運転方法を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるフランシス形ポンプ水
車の水車運転特性を表した線図。

【図２】他の実施例による水車運転特性を表した線図。

【図３】他の実施例による水車運転特性を表した線図。

【図４】さらに他の実施例による水車運転特性を示した
線図。

【図５】他の実施例によるキャビテーョンの発生領域を
表した特性図。

【図６】さらに他の実施例による水車運転特性を示した
線図。

【図７】各ガイドベーンの最高効率と等高線の関係を示
した線図。

【図８】フランシス形ポンプ水車のホワールの形成状態
を示した図。

【図９】フランシス形ポンプ水車のランナ羽根入口裏面
に発生するキャビテーションを模式的に示した図。

【符号の説明】

１ケーシング２可動ガイドベーン３ランナ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転速度をＮ、有効落差をＨ、水車出力を
Ｐとし、かつ、Ｎ／Ｈ^1/2を単位落差当りの回転速度、
Ｐ／Ｈ^3/2を単位落差当りの水車出力とした時に、複数
のガイドベーン開度について、その各ガイドベーン開度
毎に最大の水車効率を与える単位落差当り回転速度と単
位落差当り水車出力との組合わせを求め、こうして求め
た複数の組合わせに基づき、ガイドベーン開度が連続的
に変化した時の各ガイドベーン開度における最大の水車
効率を与える単位落差当り回転速度と単位落差当り水車
出力との組合わせを表す標準特性カーブを求めると共
に、全ガイドベーン開度において水車効率が最高である
水車最高効率点を求め、又、上記吸出し管にホワールが
実質的に発生しない無ホワール領域を上記単位落差当り
回転速度と上記単位落差当り水車出力とによって表し、
上記標準特性カーブと、これに近接する上記無ホワール
領域の境界線において、等単位落差当り水車出力点で前
記両者の線の二等分点を接続し、かつ上記水車最高効率
点を通過する線を求め、この運転特性ライン上で可変速
運転を行うことを特徴とする可変速水力機械の運転方
法。
【請求項２】請求項１に記載の標準特性カーブ及び全部
ガイドベーン開度において水車効率が最高である水車最
高効率点を求め、又、上記吸出し管の水圧脈動が落差比
で１．５％以内となる水圧脈動帯を上記単位落差当り回
転速度と上記単位落差当り水車出力によって表わし、上
記標準特性カーブと、これに近接する上記吸出し管水圧
脈動帯の境界線において、等単位落差当り水車出力点で
前記両者の線の二等分点を接続し、かつ上記水車最高効
率点を通過する線を求め、この運転特性ライン上で可変
速運転を行うことを特徴とする可変速水力機械の運転方
法。
【請求項３】請求項１に記載の標準特性カーブ及び全ガ
イドベーン開度において水車効率が最高である水車最高
効率点を求め、又、上記可動ガイドベーンとランナとの
間のランナ外周流路部の水圧脈動が落差比で５％以内と
なる水圧脈動帯を上記単位落差当り回転速度の上記単位
落差当り水車出力によって表わし、上記標準特性カーブ
と、これに近接する上記ランナ外周流路部水圧脈動帯の
境界線において、等単位落差当り水車出力点で前記両者
の二等分点を接続し、かつ上記水車最高効率点を通過知
る線を求め、この運転特性ライン上で可変速運転を行う
ことを特徴とする可変速水力機械の運転方法。
【請求項４】回転速度をＮ、有効落差をＨ、水車出力を
Ｐとし、かつ、Ｎ／Ｈ^1/2を単位落差当り回転速度、Ｐ
／Ｈ^3/2を単位落差当り水車出力とした時に、あらかじ
め、上記ランナの羽根入口部の負圧面にキャビテーショ
ンの発生しない領域を模型試験あるいは解析により確認
し、このキャビテーションの発生しない領域を請求項１
〜３に記載の運転域に組込んだ運転特性ライン上で可変
速運転を行うことを特徴とする可変速水力機械の運転方
法。
【請求項５】回転速度をＮ、有効落差をＨ、水車流量を
Ｑとし、かつ、Ｎ／Ｈ^1/2を単位落差当り回転速度と
し、Ｑ／Ｈ^1/2を単位落差当り流量とした時に、複数の
ガイドベーン開度について、その各ガイドベーン開度毎
に最大の水車効率を与える単位落差当り回転速度と単位
落差当り流量との組合わせを求め、こうして求めた複数
の組合わせに基づき、ガイドベーン開度が連続的に変化
した時の各ガイドベーン開度における最大の水車効率を
与える単位落差当り回転速度と単位落差当り流量との組
合わせを表す標準特性カーブを求めると共に、全ガイド
ベーン開度において水車効率が最高である水車最高効率
点を求め、又、上記吸出し管にホワールが実質的に発生
しない無ホワール領域を上記単位落差当り回転速度と単
位落差当り流量によって表し、上記標準特性カーブとこ
れに近接する上記無ホワール領域の境界線において、等
単位落差当り流量点で前記両者の線の二等分点を接続
し、かつ、上記水車最高効率点を通過する線を求め、こ
の運転特性ライン上で可変速運転を行うことを特徴とす
る可変速水力機械の運転方法。
【請求項６】請求項５に記載の標準特性カーブ及び水車
最高効率点を求め、又上記吸出し管の水圧脈動が落差比
で１．５％以内となる水圧脈動帯を上記単位落差当り回
転速度と上記単位落差当り流量によって表し、上記標準
特性カーブとこれに近接する上記吸出し管水圧脈動帯の
境界線において、等単位落差当り流量点で前記両者の線
の二等分点を接続し、かつ上記水車最高効率点を通過す
る線を求め、この運転特性ライン上で可変速運転を行う
ことを特徴とする可変速水力機械の運転方法。
【請求項７】請求項５に記載の標準特性カーブ及び水車
最高効率点を求め、上記可動ガイドベーンとランナとの
間のランナ外周流路部の水圧脈動が落差比で５％以内と
なる水圧脈動帯を上記単位落差当り回転速度と上記単位
落差当り流量によって表し、上記標準特性カーブとこれ
に近接する上記ランナ外周流路部水圧脈動帯の境界線に
おいて、等単位落差当り流量点で前記両者の線の二等分
点を接続し、かつ上記水車最高効率点を通過する線を求
め、この運転特性ライン上で可変速運転を行うことを特
徴とする可変速水力機械の運転方法。
【請求項８】回転速度をＮ、有効落差をＨ、水車流量を
Ｑとし、かつ、Ｎ／Ｈ^1/2を単位落差当り回転速度、Ｑ
／Ｈ^1/2を単位落差当り流量とした時に、複数のガイド
ベーン開度について、その各ガイドベーン開度毎に最大
の水車効率を与える単位落差当り回転速度と単位落差当
り流量との組合わせを求め、こうして求めた複数の組合
わせに基づき、ガイドベーン開度が連続的に変化した時
の各ガイドベーン開度における最大の水車効率を与える
単位落差当り回転速度と単位落差当り流量との組合わせ
を表す標準特性カーブを求め、全ガイドベーン開度にお
いて水車効率が最高である水車最高効率点を求め、又、
上記水車最高効率点を通り傾きが水車最高効率点の単位
落差当り流量／単位落差当り回転速度となる直線を求
め、この直線に対して等単位落差当り流量点方向に単位
落差当り回転速度で±５％の幅を設けた特性ラインを単
位落差当り回転速度と単位落差当り流量によって表し、
上記標準特性カーブとこれに近接する上記特性ラインに
おいて、等単位落差当り流量点で前記両者の線の二等分
点を接続してかつ上記水車最高効率点を通過する線を求
め、この運転特性ライン上で回転速度を行うことを特徴
とする可変速水力機械の運転方法。
【請求項９】回転速度をＮ、有効落差をＨ、水車流量を
Ｑとし、かつ、Ｎ／Ｈ^1/2を単位落差当り回転速度と
し、Ｑ／Ｈ^1/2を単位落差当り流量と称した時に、あら
かじめ、上記ランナの羽根入口部の負圧面にキャビテー
ションの発生しない領域を模型試験あるいは解析により
確認し、このキャビテーションの発生しない領域を請求
項５〜８に記載の運転域に組込んだ運転特性ライン上で
可変速運転を行うことを特徴とする可変速水力機械の運
転方法。