JPH11113212A

JPH11113212A - 水力発電装置

Info

Publication number: JPH11113212A
Application number: JP9271603A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Iwakawa; 川光男岩; Naoko Noto; 登尚子能
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的に低コストで且つ簡便な方法によって
負荷遮断時等の速度上昇を抑制し得るようにすること。【解決手段】水車と発電機またはポンプ水車と発電電
動機を具備する水力発電装置において、発電機または発
電電動機の主軸７に、液体が給排される容器１０の如き
フライホイール機構を設け、主軸７の回転速度が予め定
められた規定回転速度以上になったとき、容器内に液体
を供給することによりフライホイール効果を増大させる
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水車と発電機または
ポンプ水車と発電電動機を具備する水力発電装置に係わ
り、特に負荷遮断時の速度上昇を抑制できるようにした
水力発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、水車やポンプ水車等の水力機械は
経済性の観点から高落差及び高速化が進み、これに伴っ
て負荷遮断等における過渡時の運転制御方法が問題視さ
れている。

【０００３】図１７は一般的な揚水発電装置の概略構成
を示す図であり、発電運転の場合には、図示を省略した
水圧鉄管からポンプ水車１のケーシング２に導かれた高
圧水が、ステーベーン３を介してガイドベーン４に流入
し、このガイドベーン４によって流量制御されてランナ
５に流入し、このランナ５を回転駆動した後に放水路６
を通って放流される。そして、上記ランナ５の回転駆動
によって主軸７を介して発電電動機８が回転され発電が
行われる。

【０００４】またポンプ運転時においては、発電電動機
８によってランナ５が回転駆動され、放水路６から水が
ケーシング２を経て図示しない上水路等に汲み上げられ
る。

【０００５】図１８は図１７におけるポンプ水車１及び
発電電動機８の回転部の構造を示す図であり、発電電動
機ロータ９に直結された主軸７の下端にランナ５が連結
されている。しかして、ポンプ水車が高落差化及び高速
化された場合には、図に実線で示したように点線で示し
た従来のものに比し、回転部を小形、軽量化することが
できる。したがって、図示を省略した回転部外周側の固
定機器を含めて水力発電装置全体を小さくでき、発電所
建設コストの低減を図ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、回転部が小
形、軽量化された場合には、回転部のフライホイール効
果が小さくなり、これによって回転部の慣性モーメント
が小さくなることから、揚水発電所の送電系統で負荷が
遮断された場合に、遮断後の過渡時の速度上昇が大きく
なって、振動等、機械に与える影響が大きくなる等の問
題がある。また、上記速度上昇をおさえるためにガイド
ベーンを速く閉鎖すると、水圧鉄管の圧力上昇が大きく
なる。

【０００７】そこで、水圧鉄管の過酷な水圧上昇を伴わ
なくして、速度上昇を制限するためには回転部のフライ
ホイール効果を増加させる方策が取られている。すなわ
ち、通常図１７に示すような立軸機の場合には発電電動
機ロータの径を大きくしたり、重量を増やすことが行わ
れている。しかし、特に水圧鉄管、または放水路が異常
に長いためにガイドベーンの閉鎖時間が過大となる場合
には、上記発電電動機ロータの径或は重量の増加量はか
なり大幅なものとする必要が生じ、機器設備コストの増
大をもたらす等の問題がある。

【０００８】本発明はこのような点に鑑み、比較的に低
コストで且つ簡便な方法によって負荷遮断時の速度上昇
を抑制し得るようにした水力発電装置を得ることを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
水車と発電機またはポンプ水車と発電電動機を具備する
水力発電装置において、上記発電機または発電電動機の
主軸に、主軸の回転速度が予め定められた規定回転速度
以上になったとき作動され、フライホイール効果を増大
させるフライホイール機構を設けたことを特徴とする。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、周壁部に複
数の放射状の穴が穿設された内筒と、主軸の回転速度が
予め定められた規定回転速度以上になったとき閉じられ
る排液弁を介して排液管に連通される外筒とからなる二
重円筒状の容器が発電機または発電電動機の主軸に連結
され、上記主軸の回転速度が予め定められた規定回転速
度を越えた場合に、上記内筒内に液体が注入されるよう
にしたことを特徴とする。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、内筒及び外筒間の環状室が複数個の放射状
の縦板によって区劃されていることを特徴とする。

【００１２】さらに、請求項４記載の発明は、請求項３
記載の発明において、各縦板には複数個の穴が穿設され
ていることを特徴とする。

【００１３】請求項５記載の発明は、発電機または発電
電動機の主軸に、支え板によって支承された複数のおも
りをばねを介して連結するとともに、上記おもりの放射
方向の移動を規制する規制板を設け、上記主軸の回転速
度が予め定められた規定回転速度以上になったとき上記
規制板によるおもりの移動の規制を解除するようにした
ことを特徴とする。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、発電機また
は発電電動機の主軸の外周にその主軸と同心状にリング
状のおもりを回動可能に配設するとともに、上記主軸の
外周部に常時には留め具で放射方向の移動が規制されて
いる連結部材を設け、上記主軸の回転速度が予め定めら
れた規定回転速度以上になったとき上記留め具を解放し
上記連結部材を介して主軸と上記おもりを連結するよう
にしたことを特徴とする。

【００１５】請求項７記載の発明は、発電機または発電
電動機の主軸の外周に、ばねを介して互いに連結された
複数のおもりを上記主軸と同心状に配設するとともに、
常時には固定装置によって上記各おもりを主軸から離間
した状態に固定し、上記主軸の回転速度が予め定められ
た規定回転速度以上になったとき、上記固定装置による
固定を解放して上記各おもりを上記主軸の外周面に圧接
するようにしたことを特徴とする。

【００１６】請求項８記載の発明は、発電機または発電
電動機の主軸の端部にフライホイールを配設するととも
に、上記主軸の回転速度が予め定められた規定回転速度
以上になったとき上記フライホイールを主軸に連結する
カップリング装置を設けたことを特徴とする。

【００１７】さらに、請求項９記載の発明は、発電機ま
たは発電電動機の主軸端に流体継手を介してフライホイ
ールを連結し、上記主軸の回転速度が予め定められた規
定回転速度以上になったときに、上記流体継手に流体を
充てんし、上記フライホイールを主軸に連動連結するよ
うにしたことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。

【００１９】図１において、符号８は図示しないポンプ
水車の上方に配設された発電電動機であって、その発電
電動機８に直結された主軸７の上端部に、二重円筒状の
容器１０が連結されている。

【００２０】上記容器１０の内筒１１の周壁部には複数
の放射状の穴１２が穿設され、内筒１１内と外筒１３内
とが連通され、さらに上記内筒１１にはその天板１４に
開口１５が形成され、この開口１５内には導液管１６が
挿入開口されている。上記導液管１６は液圧送装置１７
を介して液貯蔵装置１８に接続されており、上記液圧送
装置１７より下流側には制御弁１９が設けられている。

【００２１】一方、外筒１３の下部周壁部には、図１及
び図２に示すように放射方向に複数の（図においては４
個の）排液弁２０が設けられており、外筒１３の下部外
周には上記排液弁２０と対向するように円環状の液受リ
ング２１が固設され、この液受リング２１には排液管２
２が接続されている。上記排液弁２０は、図３（ａ），
（ｂ）に示すように、その弁体２０ａが弁案内装置２３
によって放射方向に移動可能に支持されており、常時に
おいてはばね２４によって放射方向内方に付勢され、弁
開位置に保持されている。すなわち、容器１０の回転速
度が規定回転速度以下の場合には、図３（ａ）に示すよ
うに、上記ばね２４の力が弁体２０ａに作用する遠心力
に打ち勝ち、弁体２０ａが弁座２５から離間しており、
容器１０の回転速度が規定回転速度を越えた場合には、
図３（ｂ）に示すように弁体２０ａがその遠心力によっ
てばね２４の力に抗して放射方向に移動して弁座２５に
圧接され、弁が閉じた状態になるようにしてある。

【００２２】また、容器１０には液位検出器２６が設け
られ、主軸７には回転速度検出器２７が設けられてお
り、液位検出器２６及び回転速度検出器２７の検出信号
が制御装置２８に入力されており、その制御装置２８の
出力信号によって制御弁１９が開閉制御されるようにし
てある。

【００２３】しかして、水力発電装置が通常的に定格回
転速度で運転される場合には、回転部はできるだけ軽量
で且つフライホイール効果が小さい方が始動及び停止を
迅速に行えるので、制御装置２８によって制御弁１９を
閉じ、容器１０を空にした状態で運転が行われる。

【００２４】そこで、上述のような定格回転速度で発電
運転中に発電所の送電系統で負荷が遮断されたような場
合に、負荷遮断後、回転速度が定格回転速度Ｎｏから上
昇し、時刻Ｔ1 で回転速度検出器２７で検出される回転
速度が規定回転速度Ｎ1 を越えると、回転速度検出器２
７の検出信号が制御装置２８に入力され、それに応じて
上記制御装置２８によって制御弁１９が開らかれる（図
４）。したがって、液圧送装置１７によって液体が内筒
１１及び外筒１３内に注入される。このようにして、時
刻Ｔ2 で容器１０内に液体が満たされ、所定液位Ｌに達
すると、これが液位検出器２６によって検出され、その
検出信号が制御装置２８に入力され、制御装置２８によ
って制御弁１９が閉方向に制御される。

【００２５】一方、排液弁２０は前述のように回転速度
が規定回転速度Ｎ1 を越えた点で、制御装置２８の制御
には無関係で自動的に閉まり、また最大回転速度通過後
速度が下降し、時刻Ｔ3 で回転速度が規定回転速度Ｎ1
以下になると、自動的に開く。したがって、回転速度が
規定回転速度Ｎ1 以上になると、発電電動機の上側に連
結された容器１０内に液体が貯溜され、回転部の重量が
増加され、フライホイール効果が大きくなり、負荷遮断
時の速度上昇を低く抑えることができる。また、回転速
度が規定回転速度Ｎ1 以下になると、上述のように排液
弁２０が自動的に開くので、容器１０内の液体は上記排
液弁２０を介して液受リング２１に排出され、排液管２
２を通って液体貯蔵装置１８に返送される。したがっ
て、回転部の重量は軽くなりフラホイール効果が小さ
く、停止を迅速に行うことができる。

【００２６】図５は、小型化された水力発電装置の負荷
遮断時における本発明装置とフライホイール機構を具備
しない従来の装置との速度上昇を比較した線図であり、
実線で示すように、上記本発明装置においては、速度上
昇を低く抑えることができる。

【００２７】図６及び図７は本発明の他の実施の形態を
示す図であり、内筒１１と外筒１３によって形成される
環状空所内には、内筒１１に穿設された複数の放射方向
の穴１２，１２の各穴間から放射方向に延びる仕切板３
０が設けられている。

【００２８】しかして、内筒１１内に注入された液体は
図８（ａ），（ｂ）に示すように内筒１１に穿設された
穴１２を通って内筒１１の外側に放出された後、回転に
よる旋回を伴いながら放物状に液位が上昇していくが、
上記仕切板３０を設けた場合にはその仕切板３０によっ
て上記旋回流が阻止される。したがって液体の遠心力効
果が発揮され、フライホイール効果が一層助長される。

【００２９】また、図９は本発明のさらに他の実施の形
態を示す図であって、上記仕切板３０に複数の穴３１が
形成されている。したがって、外筒１３内に注入され、
各仕切板３０で区劃された室内にそれぞれ滞溜されてい
る液体が上記穴３１によって互いに連通され、容器の回
転不均合が防止される。

【００３０】ところで、上記容器１０に注入する液体と
しては水を使用することもでき、この場合図１０に示す
ように導液管１６の一端を水圧鉄管へ接続し、その水圧
鉄管内の水を容器１０内に注入する。この場合、液受け
リング２１に排出された水は図示しない排水ピット等に
返送される。しかして、この場合既存の水圧鉄管水を利
用するので、別に液貯蔵装置、液圧送装置等が不要とな
り、設備コストを低減することができる。

【００３１】図１１（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施
の形態を示す図であり、主軸７には円盤状部３２が形成
されており、この円盤状部３２に放射方向に延びる複数
個のばね３３の基端部が固着され、その各ばね３３の先
端に重錘３４が連結されている。上記重錘３４は、上記
円盤状部３２の外周に固設された支え板３５によって支
持されるとともに、その支え板３５に設けられている制
御板３６によって常時においてはその放射方向への移動
が阻止されている。

【００３２】上記制御板３６は、回転速度検出器２７か
らの検出信号が入力される動作制御装置３７によって制
御され、図１１の（ａ）に示すような重錘３４の放射方
向の移動を阻止する位置と、図１１の（ｂ）に示すよう
な重錘３４の移動を自由にする位置に移動制御されるよ
うにしてある。

【００３３】しかして、負荷遮断等によって定格回転速
度Ｎｏから回転速度が上昇し、予め定められている規定
回転速度Ｎ1 以上になると、それが回転速度検出器２７
によって検出され、それによって動作制御装置３７が作
動し、制御板３６が図１１の（ｂ）に示すように重錘３
４の移動通路外に移動される。したがって、主軸７の回
転による遠心力によって重錘３４が放射方向外方に移動
し、回転部の慣性モーメントが大きくなり負荷遮断後の
回転速度上昇が低く抑えられる。

【００３４】また、図１２（ａ），（ｂ）は本発明のさ
れらに他の実施の形態を示す図であり、主軸７に設けら
れた円盤状部３２の外周には、リング状の重錘３８が上
記円盤状部３２と同心的にかつこれと若干離間して回転
可能に配設されている。

【００３５】一方、上記円盤状部３２の外周部には複数
の連結片３９が放射方向に進退可能に設けられており、
この連結片３９は通常留め具４０によって引込み位置に
保持されている。上記留め具４０は回転速度検出器２７
からの検出信号が入力される動作制御装置３７によって
制御され、図１２の（ａ）に示すように、連結片３９を
保持する位置と、図１２の（ｂ）に示すように連結片３
９が解放する位置に移動制御されるようにしてある。

【００３６】しかして、負荷遮断等によって主軸７が定
格回転速度Ｎ0 から回転速度が上昇し、予め定められて
いる規定回転速度Ｎ1 以上になると、それが回転速度検
出器２７によって検出され、それによって動作制御装置
３７が作動し、留め具４０が上動して連結片３９の保持
が解放される。したがって、連結片３９が遠心力によっ
て放射方向に突出し、重錘３８と接続し、図１２（ｂ）
に示すようになる。そのため上記重錘３８が円盤状部３
２と一体となり、回転部の重量が増加され、フライホイ
ール効果が大きくなって回転速度上昇が低く抑えられ
る。

【００３７】図１３及び図１４は本発明の他の実施の形
態を示す図であり、主軸７に設けられた円盤状部３２の
外周に互いにスプリング４１によって環状に連結された
複数の重錘４２が配設されている。上記複数の重錘４２
は円盤状部３２と同心的に配設されており、主軸７の回
転速度が予め定められている規定回転速度Ｎ1 以下の場
合には、上記各重錘４２が、固定部材４３に設けられて
いる留め具４４によって円盤状部３２から離間された状
態に保持されている。上記留め具４４は回転速度検出器
２７からの検出信号が入力されている動作制御装置３７
によって制御され、図１３の（ａ）に示すように、重錘
４２を円盤状部３２から離間した状態に保持する位置
と、図１４の（ａ）に示すように、重錘４２の保持状態
を解放する位置に移動制御されるようにしてある。

【００３８】しかして、負荷遮断等によって主軸７が定
格回転速度Ｎ0 から回転速度が上昇し、予め定められて
いる規定回転速度Ｎ1 以上になると、それが回転速度検
出器２７によって検出され、それによって動作制御装置
３７が作動し、留め具４４が図１４の（ａ）に示すよう
に上動され、重錘４２の保持が解放される。したがっ
て、各重錘４２が図１４（ｂ）に示すようにスプリング
４１によって引張られて円盤状部３２の外周面に圧着さ
れる。このようにして重錘４２が円盤状部３２と一体と
なり、回転部の重量が増加され、フライホイール効果が
大きくなり、回転速度上昇が低く抑えられる。

【００３９】また、図１５は本発明のさらに他の実施の
形態を示す図であって、主軸７の上端部には、通常時に
はこの主軸７と接続していないフライホイール４５が配
設されている。上記フライホイール４５は電流制御装置
４６によって制御される磁気カップリング４７により主
軸７に接続されるようにしてある。

【００４０】しかして、負荷遮断等によって主軸７が定
格回転速度Ｎ0 から回転速度が上昇し、予め定められて
いる規定回転速度Ｎ1 以上になると、それが回転速度検
出器２７によって検出され、それによって電流制御装置
４６が作動され、磁気カップリング４７によってフライ
ホイール４５が主軸７に連結される。

【００４１】したがって、このフライホイール４５が主
軸７に連結されることによって回転部の重量が増加さ
れ、フライホイール効果が大きくなって、負荷遮断後等
における回転速度上昇が低く抑えられる。

【００４２】さらに、図１６は本発明の他の実施の形態
を示す図であって、主軸７の上端部に流体継手４８を介
してフライホイール４５が連結されている。上記流体継
手４８は可変充てん式であって、回転速度検出器２７か
らの検出信号によって作動される流体充てん量制御装置
４９によって、流体の充てんが行われるようにしてあ
る。

【００４３】しかして、前記各実施の態様と同様に主軸
７が定格回転速度Ｎ0 から回転速度が上昇し、予め定め
られている規定回転速度Ｎ1 以上になると、それが回転
速度検出器２７によって検出され、それによって流体充
てん量制御装置４９が作動され、流体継手４８に流体が
充填される。したがって、フライホイール４５が主軸７
に連結され、回転部の重量が増加され、フライホイール
効果が大きくなり、負荷遮断後等における回転速度上昇
が低く抑えられる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は水車等に
連結された発電機または発電電動機の主軸に、主軸の回
転速度が予め定められた規定回転速度以上になったとき
作動され、フライホイール効果を増大させるフライホイ
ール機構を設けたので、負荷遮断時等の回転速度上昇を
低く抑えることができ、水力発電装置の高落差及び高速
化に対応する回転部の小形、軽量化によって慣性モーメ
ントが小さくなることによる問題を効果的に解消するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の概略構成を示す図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ図１における排液弁
の作動説明図。

【図４】図１に示す装置の動作タイミングを示すタイミ
ングチャート図。

【図５】回転速度変化線図。

【図６】本発明の他の実施の形態を示す平断面図。

【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図。

【図８】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態
における容器内の流体の流れを示す平断面図及び縦断面
図。

【図９】本発明のさらに他の実施の形態を示す断面図。

【図１０】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図１１】（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施の形態の
作動説明図。

【図１２】（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明のさらに他
の実施の形態の作動説明図。

【図１３】（ａ），（ｂ）本発明の他の実施の形態の概
略構成を示す縦断面図及び平断面図。

【図１４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ図１３に示す装置
の作動を説明するための縦断面図及び平断面図。

【図１５】本発明のさらに他の実施の形態を示す図。

【図１６】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図１７】従来の水力発電装置の概略構成を示す図。

【図１８】小形化された水力発電装置を説明するための
図１７における回転部分を拡大して概略的に示した図。

【符号の説明】

１ポンプ水車５ランナ６放水路７主軸８発電電動機９発電電動機ロータ１０容器１１内筒１２穴１３外筒１６導液管１７液圧送装置１８液貯蔵装置１９制御弁２０排液弁２０ａ弁体２１液受リング２７回転速度検出器２８制御装置３０仕切板３１穴３２円盤状部３３ばね３４，３８，４２重錘３５支え板３６制御板３７動作制御装置３９連結片４０，４４留め具４１スプリング４３固定部材４５フライホイール４６電流制御装置４７磁気カップリング４８流体継手４９流体充てん量制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水車と発電機またはポンプ水車と発電電動
機を具備する水力発電装置において、上記発電機または
発電電動機の主軸に、主軸の回転速度が予め定められた
規定回転速度以上になったとき作動され、フライホイー
ル効果を増大させるフライホイール機構を設けたことを
特徴とする水力発電装置。
【請求項２】周壁部に複数の放射状の穴が穿設された内
筒と、主軸の回転速度が予め定められた規定回転速度以
上になったとき閉じられる排液弁を介して排液管に連通
される外筒とからなる二重円筒状の容器が発電機または
発電電動機の主軸に連結され、上記主軸の回転速度が予
め定められた規定回転速度を越えた場合に、上記内筒内
に液体が注入されるようにしたことを特徴とする、請求
項１記載の水力発電装置。
【請求項３】内筒及び外筒間の環状室が複数個の放射状
の縦板によって区劃されていることを特徴とする、請求
項２記載の水力発電装置。
【請求項４】各縦板には複数個の穴が穿設されているこ
とを特徴とする、請求項３記載の水力発電装置。
【請求項５】発電機または発電電動機の主軸に、支え板
によって支承された複数のおもりをばねを介して連結す
るとともに、上記おもりの放射方向の移動を規制する規
制板を設け、上記主軸の回転速度が予め定められた規定
回転速度以上になったとき上記規制板によるおもりの移
動の規制を解除するようにしたことを特徴とする、請求
項１記載の水力発電装置。
【請求項６】発電機または発電電動機の主軸の外周にそ
の主軸と同心状にリング状のおもりを回動可能に配設す
るとともに、上記主軸の外周部に常時には留め具で放射
方向の移動が規制されている連結部材を設け、上記主軸
の回転速度が予め定められた規定回転速度以上になった
とき上記留め具を解放し上記連結部材を介して主軸と上
記おもりを連結するようにしたことを特徴とする、請求
項１記載の水力発電装置。
【請求項７】発電機または発電電動機の主軸の外周に、
ばねを介して互いに連結された複数のおもりを上記主軸
と同心状に配設するとともに、常時には固定装置によっ
て上記各おもりを主軸から離間した状態に固定し、上記
主軸の回転速度が予め定められた規定回転速度以上にな
ったとき、上記固定装置による固定を解放して上記各お
もりを上記主軸の外周面に圧接するようにしたことを特
徴とする、請求項１記載の水力発電装置。
【請求項８】発電機または発電電動機の主軸の端部にフ
ライホイールを配設するとともに、上記主軸の回転速度
が予め定められた規定回転速度以上になったとき上記フ
ライホイールを主軸に連結するカップリング装置を設け
たことを特徴とする、請求項１記載の水力発電装置。
【請求項９】発電機または発電電動機の主軸端に流体継
手を介してフライホイールを連結し、上記主軸の回転速
度が予め定められた規定回転速度以上になったときに、
上記流体継手に流体を充てんし、上記フライホイールを
主軸に連動連結するようにしたことを特徴とする、請求
項１記載の水力発電装置。