JPH11229361A - 水車入口弁の操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水車入口弁の上下流をバランスするバイパス弁
や特殊な配管構成また装置を用いることなく、シール装
置の動作に悪影響を与えることのない水車入口弁の操作
方法を提供する。 【解決手段】弁胴内部に配置された弁体７と、この弁体
の閉止部に設けられ、弁体と弁胴とのシールを行うシー
ル装置（１０，１４）とを備え、前記弁体７の開口作動
に際し、前記シール装置のシールリングを開放移動さ
せ、その後弁体を開口作動させるように形成されている
水車入口弁の操作方法において、前記シールリングの開
放動作を、シールリングの開放動作によりシールリング
の下流側水路に発生する充水水圧の脈動周期以内に行う
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】本発明は水車入口弁の操作方
法に係わり、特に弁体の閉止部に、シール装置を備え、
弁体の開口作動に際し、前記シール装置のシールリング
を開放移動させ、その後弁体を開口作動させるように形
成されている水車入口弁の操作方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているこの種水車入
り口弁は、水車に近接して水車の入口に配置され、その
弁の型式は水力発電所の落差水頭により選定されてい
る。通常は、高落差の領域では高水圧における強度確保
および封水性能確保さらには高流速による損失水頭を小
さくする目的から球形弁が採用されている。

【０００３】この水車入口弁は、水車の運転中は全開、
水車停止時には全閉となる操作が行われ、全閉状態では
上池との落差の高水圧が作用することからその水圧に耐
えるように形成されている。また、水車入口弁には、封
水性能の向上を図るためにその内部にシール装置が設け
られている。すなわち、枠体である弁胴のバルブシート
とその内部で可動する弁体との閉鎖位置に、弁胴内部で
流水方向へ移動可能で、かつバルブシートに対し密封係
合可能なシールリングが設けられ、入口弁が閉止してい
るときにはバルブシートと弁体との閉止部に押圧され密
封係合するように形成されている。

【０００４】そして、弁体の開口作動、すなわち入口弁
の開口に際しては、このシールリングを閉止部から流水
方向に移動させ、その後弁体の開口作動が開始されるよ
うになっている。この場合、シールリングの密封作動お
よび開放に際し、シールリングには高水圧がかかってい
ることから、全周アンバランスになり易い。

【０００５】すなわち、図７は、そのシールリングの周
方向３か所（ＳＤ１〜ＳＤ３）における作動状態の実験
結果で、密封作動および開放に際し、ＳＤ１〜ＳＤ３は
３箇所とも水圧脈動の影響で不均一に動作しており、下
流シールリングに装着されているシールリングパッキン
およびシールリングの損傷、異常摩耗等の不具合発生の
恐れがある。このため入口弁には、シールリングの上流
側および下流側が水圧的にバランスするように、弁の外
部に自動弁を備えたバランス路，すなわち、バランス弁
が設けられる。

【０００６】そして、水車入口弁を開動作させる時は、
このバイパス弁を開操作し、シールの上流（鉄管）側水
圧を下流側水圧へ充水しシールの上下流水圧をバランス
させるようにしている。図３は、この入口弁開操作の手
順を示したもので、開動作信号の入力に対し、バイパス
弁が開き（図中Ａ）、次いでシール装置の作動（図中
Ｂ）が行われ、その後入口弁が開口するようになってい
る。

【０００７】また、図５には、バイパス弁を開操作しシ
ール上流側の高圧水をシール下流側の低圧水へ充水した
時の実機での状況が示されている。シールの上流側水圧
６１．２ｋｇｆ／ｃｍ２，シール下流側水圧が７．２ｋ
ｇｆ／ｃｍ２の状態からバイパス弁を開操作し、２．９
６秒にケーシング側の水圧が６１．５ｋｇｆ／ｃｍ２に
なりシールの上下流の水圧がバランスしている（バイパ
ス弁は全閉から全開まで約１０秒で動作）。

【０００８】上下流水圧がバランスした後の鉄管水圧
は、水車ガイドベーンと上池間の水路内で水圧脈動が発
生するが、その値は鉄管水圧６１２ｍＡｑに対し＋４
ｍ，−３ｍＡｑの脈動値である。

【０００９】このようにバイパス弁を操作しシールの上
下流の水圧をバランスさせ、シールリングを作動させる
ものは、図にＳＤ１〜ＳＤ３として示されているよう
に、シールリングの全周３等分位置で３箇所ともほぼ均
等に動作しており、鉄管の水圧脈動の影響は受けず良好
な作動をすることがわかる。

【００１０】なお、この種水車入口弁に関連するものと
しては、例えば特開昭６１−２７２４７６号公報、特開
昭５９−１０７８６号公報あるいは特開平８−９３９６
３号公報などが挙げられる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように水車入
口弁にバランス弁を設けることにより、鉄管の水圧脈動
の影響を受けることなく、シールリングは全周バランス
良く動作をするのであるが、近年水力発電所の利用落差
は、過去最高落差５００ｍ級から立地条件の制約、水力
発電技術の進歩あるいは経済性の追求等により、超高落
差８００ｍ級へと拡大している。このような超高落差水
車においては、従来落差機に比較し水圧変動および振動
が大きくなり、鉄管水圧が直接作用するバイパス弁およ
び接続用配管にもより以上の振動が発生し、これらの機
器が損傷あるいは破壊する恐れがある。

【００１２】もし万が一これらの機器の損傷により発電
所浸水事故に至った時の被害の大きさを考えた場合、前
述したバイパス弁および接続用配管を省略できれば発電
所としての信頼性向上およびこれら機器のコスト低減も
図ることが可能となる。

【００１３】バイパス弁省略時のケーシング側への充水
方法は、下流シールのシール上流（鉄管）側と下流（ケ
ーシング）側に差圧がある状態で、下流シールを開操作
することになる。バイパス弁の口径は入口弁口径の概略
１０％で、シールリングの開口面積はバイパス弁開口面
積の概略４倍となりシールリングによる充水ではバイパ
ス弁充水に比較して高圧水は４倍の流量で下流側の低圧
水に流れこみ、鉄管水圧の脈動が大きくなりこの水圧脈
動がシールリングの動作に影響を与える。

【００１４】図８にバイパス弁開口面積とシールリング
開口面積の関係が示されている。

【００１５】バイパス弁を省略し下流シールによるケー
シングへの充水を実施する時の問題点としては、（１）
シールリング開口面積＞バイパス弁開口面積のためガイ
ドベーンから上池間の水路内で発生する水圧脈動が大き
くなる。（２）シールリングの開口面積は鉄管口径、入
口弁の弁体口径により決定され、水圧脈動抑制を目的と
した開口面積の縮小化は不可能である。（３）発生する
水圧脈動周期はガイドベーンから上池間の鉄管長さで決
定されるため発電所毎に異なる。また水圧鉄管長さは水
力発電所の立地条件で決定される。

【００１６】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、水車入口弁の上下流をバラン
スするバイパス弁や特殊な配管構成また装置を用いるこ
となく、水圧脈動が小さくシール装置の動作に悪影響を
与えることのない水車入口弁の操作方法を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、弁胴
内部に配置された弁体と、この弁体の閉止部に設けら
れ、弁体と弁胴とのシールを行うシール装置とを備え、
前記弁体の開口作動に際し、前記シール装置のシールリ
ングを開放移動させ、その後弁体を開口作動させるよう
に形成されている水車入口弁の操作方法において、前記
シールリングの開放動作を、シールリングの開放動作に
よりシールリングの下流側水路に発生する充水水圧の脈
動周期以内に行うようになし所期の目的を達成するよう
にしたものである。

【００１８】また、弁胴内部に配置された弁体と、この
弁体の下流側に設けられ、弁体と弁胴部とのシールを行
うシール装置とを備え、前記弁体の開口作動に際し、前
記シール装置のシールリングを開放移動させ、その後弁
体を開口作動させるように形成されている水車入口弁の
操作方法において、前記シールリングの開放動作を、シ
ールリングの開放でシールリングの下流側へ充水したと
き発生する鉄管水圧の脈動周期内に完了するようにした
ものである。

【００１９】なお、前記脈動周期が５秒あるいはそれ以
上の場合には、前記シールリングの開放動作速度を約１
ｍｍ／秒としたものである。また、前記弁下流の水車ケ
ーシング充水が完了するまでのシールリング動作速度を
約１ｍｍ／秒とし、かつ充水完了後の動作速度を３ｍｍ
／秒以上とするようにしたものである。

【００２０】すなわち、このような水車入口弁の操作方
法であると、シールリングの開放動作が、下流側水路に
発生する充水水圧の脈動周期以内，すなわちシールリン
グの開放動作によりシールリングの下流側水路に発生す
る充水水圧の脈動周期以内に行なわれるようにしたの
で、後述する実験結果のように鉄管水圧脈動の影響は受
けず、シールリングは従来のバイパス弁を使用した時の
動作状態と同等となり、したがって、水車入口弁の上下
流をバランスするバイパス弁や特殊な装置を用いること
なく、シール装置の動作に悪影響を与えることはないの
である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１の（ａ）にはその水車プラ
ント（水力発電所）の構成と水位（落差）との関係が線
図で示されている。３０が上池であり、３１が下池、３
２が水車、３３が発電機である。

【００２２】水車を回転させる圧力水は、上池３０から
水圧鉄管２内を流通し、水車入口弁１および接続管を介
して水車ケーシング３に入り、水車ライナを回転させ
る。この回転エネルギは、発電機３３により電力に変換
される。回転力に変換されエネルギーを失った圧力水は
ドラフトチューブ４を通過して下池３１に流れる。

【００２３】水車の入口に設けられている水車入口弁１
は、前述したように一般には球形弁が採用されている。
図１の（ｂ）には、その球形弁が水車入口弁として用い
られた場合の例が拡大して示されている。なお、この図
は弁が全閉した状態を示している。

【００２４】水車入口弁１として用いられる球形弁は、
略球形の内面を有する弁胴５、弁胴の内部に設けられた
回動可能な弁体７、弁体に取付けられた封水用バルブシ
ート８および９、それに、シール装置，すなわち弁胴内
部で流水方向へ移動可能でかつ弁体閉鎖位置で前記バル
ブシートに対し密封係合可能なシールリング１０および
１４を有するシール装置を備えている。

【００２５】弁体７の開閉動作は、油圧あるいは水圧の
サーボモータ１１ｃが上下動し、弁体に取付けられた弁
軸１１ａおよびレバー１１ｂにより、図中Ａ矢印方向に
９０度回転動作し開口状態となる。入口弁は、鉄管２と
接続管６および水車ケーシング３とにより流路を形成
し、図中矢印方向に圧力水が通過する（図中右側が水車
側となる）。

【００２６】入口弁の閉操作は、上記開状態から、サー
ボモータ１１ｃ下側に動作し弁体９が９０度開動作し流
路を遮る。そして、次に図２に示されているように、シ
ール装置が作動する。すなわち、下流シールリング１４
を、鉄管より取水した圧力水をシール閉側操作室２１に
給水口１６から給水して流水と逆方向（Ｂｃ方向）に動
作させ、弁体に取付けられたバルブシートに密着し鉄管
水を止める。

【００２７】シール装置の開放操作は、前記シールリン
グ１４とバルブシート８が密封している状態より、シー
ルリング１４を鉄管より取水した水圧をシール開側操作
室２０に給水口１５から給水し下流側（Ｂｏ方向）に移
動させ、下流シールを全開となし、次いでサーボモータ
を動作させ、弁体７を回動作し鉄管側とケーシング側の
流路を接続し水車側に鉄管水を供給する。

【００２８】このように構成され、かつ作動される水車
入口弁は、本発明では特に次のように操作される。すな
わち、水車入口弁１を開口するに際し、まずシールリン
グ１０，１４を開放するわけてあるが、このシールリン
グの開放動作を、シールリングの開放動作によりシール
リングの下流側水路に発生する充水水圧の脈動周期以内
に行うようにするのである。

【００２９】すなわち、図９に示されているように、鉄
管水圧の脈動周期Ｓ内でシールリングを動作させるので
ある。なお、この実施例は水圧鉄管長さが十分長い（例
えば１７５０ｍ以上）のものに適している。このような
操作方法であると、シールリング１４の開放動作が、下
流側水路に発生する充水水圧の脈動周期以内，すなわち
シールリングの開放動作によりシールリングの下流側水
路に発生する充水水圧の脈動周期以内に行なわれるの
で、鉄管水圧脈動の影響は受けず、シールリングの動作
状態はバイパス弁を使用したときの動作状態と同様に全
周円滑に作動させることができるのである。

【００３０】また、図４には、そのときの操作手順，す
なわちバイパス弁省略、下流シールリングで充水する時
の入口弁開操作手順が示されている。バイパス弁が採用
されている操作方法，すなわち図３に比較すると、その
操作がいかに簡単になるか理解されるであろう。

【００３１】図１０にはもう一つの例が示されている。
この例は、シールリングの動作速度を１ｍｍ／秒で動作
させ、鉄管水圧脈動値をバイパス弁を用いることなく従
来のバイパス弁充水と同等にさせた例である。また、図
１１にはケーシング充水が完了するまでのシールリング
の動作速度を１ｍｍ／秒で動作させ、鉄管水圧脈動値を
バイパス弁を用いることなく従来のバイパス弁充水と同
等とし、充水完了後のシールリング動作速度を３ｍｍ／
秒以上の従来動作速度とした実施例である。

【００３２】なお、以上述べてきた鉄管水圧脈動値を求
めるに際しては、実測により求めるようにしてもよいで
あろうし、また各種検出データより算出するようにして
もよいであろう。

【００３３】次に示す数式１，２は、この鉄管水圧脈動
値の簡易算出計算式および鉄管水圧脈動周期の簡易計算
式である。

【００３４】

【数１】

【００３５】

【数２】

【００３６】これらの式により鉄管水圧脈動値および鉄
管水圧脈動周期を求め、バイパス弁のある場合と比較し
てみたのが下表である。

【００３７】

【表１】

【００３８】この表より計算結果と測定値は概略一致し
ており、この計算方法により水圧鉄管の脈動値および脈
動周期を予測することが可能であることが分かる。

【００３９】シールリングの動作速度は、従来一般に採
用されているバイパス弁によるケーシング充水方法では
５秒程度としているのが普通であり、また、入口弁の開
動作時間は通常バイパス弁開動作時間１０秒、下流シー
ルリング開動作時間５秒、弁体開動作時間５０秒程度で
合計６５秒程度である。したがって、シールリング動作
時間としては、バイパス弁省略でバイパス弁の動作時間
１０秒が無くなるため、入口弁全体の開動作時間６５秒
を維持すると、１５秒（５秒＋１０秒）まで許容でき
る。

【００４０】すなわち、本発明の一つのケースとして、
シールリング動作時間を５〜１５秒で設定することによ
り、シールリング開動作後に発生する鉄管水圧脈動周期
内にシールリングの開動作が終了すれば鉄管水圧脈動の
影響は受けずシールリングは従来のバイパス弁を使用し
た時の動作状態と同等となる。

【００４１】ケーシング充水時に発生する鉄管水圧脈動
周期は４ｘ鉄管長さ÷圧力伝播速度で決定される為、脈
動周期が５秒以上となる鉄管長さは１７５０ｍ以上とな
る。このため鉄管長さが１７５０ｍ以下の場合の最適動
作方法は鉄管水圧脈動値を小さくすることができる。

【００４２】またもう一つのケースとして、シールリン
グ開動作開始時間を遅くし発生する水圧脈動値を小さく
することが考えられる。水圧脈動値は前述した式（１）
よりケーシングに流入する高圧（鉄管水圧）水の流速で
決定するため、流入速度を小さくする。すなわち低圧側
（ケーシング）水圧が鉄管水圧とバランスする時間を遅
くする。

【００４３】従来の方法，すなわち図５におけるバイパ
ス弁使用時でのケーシング水圧がバランスする時間は
２．９６秒であり、また図７のシールリング使用でのケ
ーシング水圧がバランスする時間は１．３６秒である。
図８はこのときのバイパス弁開口面積とシールリング開
口面積の比を示し、シールリングの全閉から全開まで５
秒で動作していたのを、１／３の動作速度（動作時間は
３倍）でシールリングを動作すればバイパス弁でケーシ
ング充水を行った時と同等なシールリング開口面積とな
り鉄管水圧の脈動値を低減することができる。

【００４４】また、もう一つのケースとして、シールリ
ングが開動作し低圧のケーシング水圧が鉄管水圧とバラ
ンスするまではこのシールリングの動作速度を遅くし、
ケーシング充水が完了後は通常の動作速度で動作させる
ようにしても良い。

【００４５】すなわち、このようにすると、シールリン
グに装着されているゴムパッキンは動作速度が遅いとパ
ッキンの締代の影響によりムシリ、ネジレ等の不具合が
発生する恐れがあるが、この点の改善が望める。また、
シールリングの開き始めの小開状態で、万が一停止した
場合であっても、自動振動の発生はなく、また鉄管水圧
が上昇を抑制することができる。

【００４６】以上説明してきたように、例えば８００Ｍ
級ポンプ水車の従来落差機では、水圧変動および振動が
大きくなり、万が一鉄管水圧が直接作用するバイパス弁
および接続管の損傷による発電所浸水事故が発生する恐
れがあったが、本発明の水車入口弁の操作方法である
と、バイパス弁が用いられることなく、それも特殊な装
置や配管を用いることなく円滑にシール装置を作動させ
ることができるので、上述のような発電所浸水事故発生
の恐れはなく、信頼性の向上および機器のコスト低減が
図れるのである。

【００４７】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、水車入口弁の上下流をバランスするバイパス弁や特
殊な配管構成また装置を用いることなく、シール装置の
動作に悪影響を与えることのない水車入口弁の操作方法
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水車入口弁の操作方法で操作される水
車プラントおよび水車入口弁を示す縦断側面図である。

【図２】水車入口弁のシール装置の要部を示す断面図で
ある。

【図３】バイパス弁を使用した時の入口弁操作方法手順
を示す図である。

【図４】本発明の入口弁操作方法手順を示す図である。

【図５】バイパス弁を使用し入口弁を操作した時の充水
状況を示す図である。

【図６】従来の弁の上下水圧がバランスしたときの状況
を示す図である。

【図７】従来のバイパス弁を省略し入口弁を操作した時
の充水状況を示す図である。

【図８】バイパス弁開口面積とシールリング開口面積の
関係を示す図である。

【図９】本発明の実施例に於ける水圧脈動周期内でシー
ルリングを動作し充水する方法を説明する図である。

【図１０】本発明の実施例に於けるシールリングの動作
速度を遅くして充水する方法を説明する図である。

【図１１】本発明の実施例に於けるケーシング充水の完
了前後でシールリング動作速度を変えた充水方法を説明
する図である。

【符号の説明】 １…入口弁、２…水圧鉄管、３…接続管および水車ケー
シング、４…ドラフトチューブ、５…弁胴、５ａ…シー
ルガイド、６…接続管、７…弁体、８…下流側バルブシ
ート、９…上流側バルブシート、１０…上流側シールリ
ング、１１ｂ…弁軸レバー、１１ｃ…弁軸レバー、１２
…バイパス弁、１３…バイパス弁接続管、１４…下流シ
ールリング、１５…シール開操作用給水孔、１６…シー
ル閉操作用給水孔、１７…シールリングパッキン、１８
…シールリング開側室パッキン、１９…シールリング閉
側室パッキン、２０…シール開側操作室、２１…シール
閉側操作室。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁胴内部に配置された弁体と、この弁体
   の閉止部に設けられ、弁体と弁胴とのシールを行うシー
   ル装置とを備え、前記弁体の開口作動に際し、前記シー
   ル装置のシールリングを開放移動させ、その後弁体を開
   口作動させるように形成されている水車入口弁の操作方
   法において、 前記シールリングの開放動作を、シールリングの開放動
   作によりシールリングの下流側水路に発生する充水水圧
   の脈動周期以内に行うようにしたことを特徴とする水車
   入口弁の操作方法。
2. 【請求項２】 弁胴内部に配置された弁体と、この弁体
   の下流側に設けられ、弁体と弁胴部とのシールを行うシ
   ール装置とを備え、前記弁体の開口作動に際し、前記シ
   ール装置のシールリングを開放移動させ、その後弁体を
   開口作動させるように形成されている水車入口弁の操作
   方法において、 前記シールリングの開放動作を、シールリングの開放で
   シールリングの下流側へ充水したとき発生する鉄管水圧
   の脈動周期内に完了するようにしたことを特徴とする水
   車入口弁の操作方法。
3. 【請求項３】 前記脈動周期が５秒若しくはそれ以上の
   場合、前記シールリングの開放動作速度を約１ｍｍ／秒
   としてなる請求項１または２記載の水車入口弁の操作方
   法。
4. 【請求項４】 前記水車のケーシングへの充水が完了す
   るまでのシールリング動作速度を約１ｍｍ／秒とし、か
   つ充水完了後の動作速度を３ｍｍ／秒以上としてなる請
   求項１または２記載の水車入口弁の操作方法。