JPS6113112B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は２段ポンプ水車の運転方法に係り、特
に各段部に可動ガイドベーンを備え、各段部を返
り通路によつて直列に接続した単速度可逆式２段
ポンプ水車の定常運転方法に関する。 一般に単段のポンプ水車は、うず巻ケーシング
のうず室とランナ室との間に多数の可動ガイドベ
ーンが環状に配列されていると共にうず室の入口
には入口弁が設けられており、ランナを通過する
水の流量は入口弁を全開したのち可動ガイドベー
ンの開度を調節することによつて運転状態の制御
が行われる。このような可動ガイドベーンによる
運転制御は、水力性能の向上および運転状態の安
定性を図るうえでもつとも望ましい運転方法であ
り、単段のポンプ水車に対しては容易に適用でき
る。 しかしながら、各段部を返り通路によつて直列
に連絡した多段ポンプ水車においては、可動ガイ
ドベーンとその操作機構を設けることが構造上困
難であるところから、従来の多段ポンプ水車にお
いては入口弁によつて流量調整を行なつているの
が実情である。 しかして、近時においては高落差地点に揚水発
電所を建設する傾向があり、多段ポンプ水車に対
する需要度が高まつており、とりわけ、段数がも
つとも少なく各段部のランナの外周に可動ガイド
ベーンおよびその操作機構を備えることが構造上
比較的容易とされている単速度可逆式２段ポンプ
水車の運転方法の確立が要請されている。 ２段ポンプ水車において、各段部に可動ガイド
ベーンを設けて斉一に制御して水車運転した場合
には、単速度可逆式ポンプ水車特有の水力特性上
の問題に起因して、低落差側、即ち単位回転速度
の大きい領域で運転することになり、水力性能の
著しく低下した運転を余儀なくされる。この場
合、高圧段部のランナ出口部では、水圧が高いの
で、水流のはくり、２次流れにともなうキヤビテ
ーシヨンや、渦芯部のホワールにともなう振動な
どが発生しにくいが、低圧段部ランナの出口部で
は水圧が低いのでこれらのキヤビテーシヨンや、
ホワールにともなう振動を発生し易いという問題
がある。 そこで、本発明の目的は、可動ガイドベーンに
より定常運転状態の調整制御を行なう際水力的に
適性な安定した運転が行なえるようにした２段ポ
ンプ水車の運転方法を提供することにある。 しかして、本発明によれば、上記目的は、高圧
段部と低圧段部を返り通路によつて直列に連絡
し、各段部のランナの外周に水口開度が変えられ
る可動ガイドベーンを備え、各段部のランナを単
一の水車主軸に直結し、回転方向だけを変えて同
一回転速度のもとに水車またはポンプ運転を行な
う単速度可逆式２段ポンプ水車の定常運転方法に
おいて、定常運転時の運転水位または運転負荷に
対する可動ガイドベーンの水口開度の調整は、ポ
ンプ定常運転時には各段部の可動ガイドベーンに
ついて斉一に行ない、水車定常運転時には高圧段
部については可動ガイドベーンの水口開度を各段
の等開度制御時相当開度関係よりも相対的に過開
にした開度関係に沿つて制御し、一方、低圧段部
については可動ガイドベーンの水口開度を各段部
の等開度制御時相当開度関係よりも相対的に小開
にした開度関係に沿つて制御するようにしたこと
によつて達成される。 以下本発明による２段ポンプ水車の運転方法を
図面を参照して説明する。 本発明による２段ポンプ水車の運転方法を説明
するに先だつて先ず２段ポンプ水車の構造を説明
しておく。 第１図は単速度可逆式２段ポンプ水車の構造を
示し、水車主軸１の軸上には高圧段ランナ２と低
圧段ランナ３とが軸方向の距離をおいて固着され
ている。上記高圧段ランナ２は上カバー４および
下カバー５で包囲される一方、低圧段ランナ３は
上カバー６および下カバー７で包囲され高圧段ラ
ンナ室８および低圧段ランナ室９を構成してい
る。また、上記高圧段ランナ室８と低圧段ランナ
室９とは返り通路１０で連絡されている。また、
高圧段ランナ室８の外側に、うず巻ケーシング１
１が配置され、そのうず室１２と上記高圧段ラン
ナ室８とは連通しており、うず室１２の入口は、
入口弁１３を介して水圧鉄管１４に接続されてい
る。 さらにまた、高圧段ランナ２の外周には水口開
度を変えられる可動ガイドベーン１５が設けられ
る一方、低圧段ランナ３の外周にも水口開度が変
えられる可動ガイドベーン１６がそれぞれ円形翼
列状に配置されている。これらの可動ガイドベー
ン１５および１６は図示を省略した操作機構に連
結されており、制御装置を介して後述するように
定常運転される。 上記のように構成された単速度可逆式２段ポン
プ水車を水車運転させる場合、入口弁１３を開口
した状態で水圧鉄管１４からこれに接続されたう
ず巻ケーシング１１に水が流入し、この水流は高
圧段部の可動ガイドベーン１５、高圧段ランナ２
を通過し返り通路１０を経てさらに低圧段部の可
動ガイドベーン１６、低圧段ランナ３を流通し、
図示しない放水路に接続された吸出し管１７に流
通する。一方、水車と同じ回転速度で反対の方向
にランナを回転するポンプ運転時の場合には、低
圧段ランナ３によつて揚水された水流は前記した
水車運転時の場合と逆の順路を経て吸出し管１７
から水圧鉄管１４へ流通していく。 このように各段部を返り通路によつて直列に連
絡した単速度可逆式２段ポンプ水車の総合水力特
性は各段部における単速度可逆式単段ポンプ水車
としての水力特性を合成することにより与えられ
る。したがつて、単速度可逆式２段ポンプ水車の
水力特性上の問題を検討するにあたつては、先ず
単速度可逆式単段ポンプ水車の水力特性上の問題
を的確に把握しておく必要があるので、次に考慮
を行なう。 一般に、単速度可逆式単段ポンプ水車におい
て、ポンプ水車の回転速度をＮ（rpm）、水車の
有効落差をHt（ｍ）、効率をηｔ、またポンプの
全揚程をHp（ｍ）、効率をηｐとして、単位回転
速度Ｎ／√、Ｎ／√に対する各ガイドベー
ン開度の効率曲線の包絡線を水車とポンプの各々
について例示すると第２図のようになる。すなわ
ち、第２図に示すように、水車とポンプの最高効
率点を与える単位回転速度Ｎ／√₀とＮ／√
₀は合致せず必らずＮ／√₀の方が大きくな
り、これは可逆ポンプ水車においては避けること
ができない水力特性上の問題点の一つである。こ
の相異を極力近づけるように努力が払われてきて
いるが、実用的には通常次のような範囲内にあ
る。 すなわち、第２図および上記(1)式で示されるよ
うに、単速度可逆式ポンプ水車においては、ポン
プの最高効率点が水車の最高効率点に対して単位
回転速度比で大きく離れているので、水車最高効
率点相当の単位回転速度におけるポンプ運転時の
効率は極めて低く、また同様にポンプ最高効率点
相当の単位回転速度における水車効率も極めて低
いという水力特性関係を有している。このため、
揚水発電所の基準運転水位において、通常行なわ
れているようにポンプが最高効率もしくはその近
傍で運転を行なえるようにポンプ水車の運転条件
を定めた場合、第２図及び式(1)に示される水力特
性関係の制約を受けて、水車は最高効率より離れ
た高単位回転速度状態のもとに換言すれば最高効
率状態相当運転落差Ht₀より低落差側の水力性能
が低い領域に基準運転状態を選定せざるを得ない
ことになる。 次に、上記した単速度可逆式単段ポンプ水車特
有の水力特性上の基本問題についての考察結果を
踏まえ、第１図を参照して、各段部のランナ羽根
の外径が同一で（第１図でD₁＝D₂の場合）水力
的に相似なものから構成した通常の場合の単速度
可逆式２段ポンプ水車において、定常運転時の水
力特性上の問題点について述べる。この場合の水
車定常運転時における各段部の水力特性関係を第
３図に示す。 第３図において、H₁は高圧段部の有効落差、
H₂は低圧段部の有効落差、Ｑは流量、これらに
添字０を付けたものは基準運転状態点（図中□０）
における値、a₀は基準運転状態時の各段部ガイド
ベーンの水口開度、ａに正の整数を添字したもの
（例えばa₁）は基準開度a₀より過開した場合の各段
部水口開度、ａに負の整数を添字したもの（例え
ばa_-1）は基準開度より小開した場合の各段部水口
開度、△ηは水車最高効率との相対差で表わした
水車の相対効率差である。第３図は、横軸に流量
比Ｑ／Q₀をとつて、また縦軸に高圧段部及び低
圧段部の有効落差比H₁／H₁₀及びH₂／H₂₀を夫々
とつて、流量に対する有効落差の水力特性の関係
を各段部について表示したものであり、したがつ
て２段ポンプ水車としての総合有効落差は各段部
の有効落差を各々合算して与えられる。 第３図に示すように、入口弁１３を全開にして
各段部が水力的に同等の運転状態である水車基準
運転状態□０では、各段部の有効落差H₁₀、H₂₀は
２段ポンプ水車に作用する総合有効落差H₀を２
等分したものに等しく、次のようになる。

【表】 Ｈ_２０＝Ｈ_０／２ 〓
しかし、ここで特に留意すべきことは、前記し
た単速度可逆式ポンプ水車特有の水力特性上の問
題に起因して、各段部の基準運転状態□０が水車最
高効率状態（△η＝０）からなり低落差側で単位
回転速度の大きい水力性能の低下した領域にある
ことである。さらに、水車の運転特性として、単
位回転速度が大きく最高効率相当状態から離れた
水力性能の低下した低落差側領域ほど水流のはく
離、局部的二次流れが誘発されてキヤビテーシヨ
ン、振動、騒音をともない且つこれら水流のはく
離、局部的二次流れはランナの出口側圧力が低い
条件下ほど増大する傾向であることを考慮した場
合、２段ポンプ水車では高圧段部ランナの出口側
圧力（低圧段部ランナの入口側圧力に相当）に対
して低圧段部ランナの出口側圧力が著しく低い状
態にあるので、２段ポンプ水車の水車定常運転制
御にあたつては問題となる低圧段部を如何に安定
した運転状態に制御できるかがポイントとなる。 そこで、本発明による方法について述べる。 水車定常運転時に運転水位の変化すなわち運転
落差の変化に対し可動ガイドベーン１５および１
６の水口開度の対応制御を行なう場合、本発明で
は実施例を第４図に示すように、運転落差に対し
て高圧段部と各可動ガイドベーン１５および１６
の対応制御を夫々別々の水口開度モードにより行
なう。すなわち、第４図において、総合有効落差
が基準状態H₀から低落差Hmへ移行する運転落差
の変化に対して流量Ｑを□０→□Ａの軌跡にそつて基
準状態□０から減少変化させるように運転負荷の調
整制御を行なう場合、ランナ出口側圧力が極めて
高く水力的に安定した運転が行なえる高圧段部に
ついては可動ガイドベーン１５の水口開度ａを各
段部の等開度制御時相当開度関係（各段部で落差
を等配分した場合に相当する各段部の等開度制御
開度関係）□０→□Ａよりも相対的に過開にした開度
関係□０→〓にそつて制御し、しかしランナ出口側
圧力が極めて低く水力的に不安定な運転をともな
い易い低圧段部については可動ガイドベーン１６
の水口開度ａを各段部の等開度制御時相当開度関
係□０→□Ａよりも相対的に小開にした開度関係□０→
〓にそつて制御することにより、各段部の可動ガ
イドベーン１５，１６の水口開度を夫々別々の開
度関係のもとに対応制御させる。 この場合、途中の運転状態点においては、総合
有効落差Ｈと各段部の有効落差H₁、H₂との相対
関係は次式(3)で与えられ、この相対関係のもとに
運転制御が行なわれる。

【表】 Ｈ_１＜Ｈ_２ 〓
第４図におけるように、運転落差に対し各段部
の可動ガイドベーンの対応制御を夫々別々のモー
ドで行なわせる場合、各段部の水力特性上におけ
る運転状態軌跡を第３図に例示する。第３図にお
いて明らかのように、ランナ出口側圧が極めて高
く水力的に安定した運転が行なえる高圧段部の運
転状態は軌跡□０→〓にそつて各段部の等開度制御
時相当軌跡□０→□Ａよりも相対的に単位回転速度が
大きく水力性能の低い低落差側領域を通過する
が、しかしランナ出口側圧力が極めて低く水力的
に不安定の運転をともない易い低圧段部の運転状
態は各段部の等開度制御時相当軌跡□０→□Ａよりも
相対的に単位回転速度が小さくしたがつて水力性
能が著しく向上し水力的に極めて安定した最高効
率側の高落差領域を通過できるので、問題となる
低圧段部においては水力性能が格段と向上し水力
的に極めて安定した運転が行なえることになる。
その結果、２段ポンプ水車全体としては、各段部
の可動ガイドベーンを等開度制御する場合よりも
水力的に安定し同等以上の総合水力性能のもとに
水車定常運転が行なえる。 すなわち、高圧段部で効率低下しても低圧段部
は、高効率運転を行なうことができる上に、低圧
段部の方が作用落差が高くなるので、総合的に
は、等開度運転時よりも同等以上の水力性能を実
現できる。ちなみに、総合効率ηは、次式で与え
られる η＝Ｈ_１η_１＋Ｈ_２η_２／Ｈ_１＋Ｈ_２ 添字１：高圧段部、２：低圧段部 また総合水力性能とは、効率のみでなく、振動、
安定性、キヤビテーシヨン性能等を含む性能であ
るから、本発明によれば、問題となる低圧段部が
安定した運転を行なうことができ、総合水力性能
が優れたものになる。 次に、一定運転落差の水車定常運転時に２段ポ
ンプ水車としての総合運転負荷を調整制御する場
合における各段部の可動ガイドベーンの対応制御
について、本発明による方法を説明する。 この場合についても、本発明では実施例を第５
図に示すように、総合運転負荷に対し高圧段部と
低圧段部の各可動ガイドベーン１５，１６の対応
制御を夫々別々の水口開度モードにより行なう。
すなわち、第５図を参照して、基準の総合有効落
差H₀において運転流量Ｑを□０→□Ｂの軌跡にそつ
て基準運転状態□０から減少変化させて運転負荷Ｐ
を部分負荷側へ調整制御する場合、高圧段部につ
いては可動ガイドベーン１５の水口開度ａを各段
部の等開度制御時相当開度関係□０→□Ｂよりも相対
的に過開にした開度関係□０→〓にそつて制御し、
しかし低圧段部については可動ガイドベーン１６
の水口開度ａを各段部の等開度制御時相当開度関
係□０→□Ｂよりも相対的に小開にした開度関係□０→
〓にそつて制御することにより、各段部の可動ガ
イドベーン１５，１６の水口開度を夫々別々の開
度関係のもとに対応制御させる。 この場合、途中の運転負荷においては、総合有
効落差 と各段部の有効落差H₁、H₂との相対関
係は次式(4)で与えられ、この相対関係のもとに運
転負荷が制御される。

【表】 Ｈ_１＜Ｈ_２ 〓
第５図におけるように、総合運転負荷に対し各
段部の可動ガイドベーンの対応制御を夫々別々の
モードで行なわせる場合、各段部の水力特性上に
おける運転状態軌跡を第３図に例示する。 第３図において明らかのように、各段部の等開
度制御時相当軌跡□０→□Ｂに対して、水力的に安定
性のある高圧段部は相対的に単位回転速度の大き
い水力性能の低い低落差側運転領域を軌跡□０→〓
にそつて通過するが、水力的に不安定の運転をと
もない易い低圧段部は相対的に単位回転速度が小
さくしたがつて水力性能が向上し水力的に極めて
安定した最高効率側の高落差側運転領域を通過で
きるので、この場合もまた同様に、２段ポンプ水
車全体としては各段部の可動ガイドベーンを等開
度制御する場合よりも水力的に安定し同等以上の
総合水力性能のもとに水車定常運転が行なえる。 以上は本発明からなる制御による場合の水力性
能上の作用効果について定性的に考察したもので
あるが、さらに１つの実施例について定量的に考
察した結果を下記する。 先づ総合水力性能における効果について述べ
る。第３図を参照して、各段部を軌跡□０→□Ａに沿
つて□Ａ点まで等開度制御した場合、□Ａ点では運転
流量をＱとすると、最高効率点（△η＝０）より
も効率が0.5％低下した状態（△η＝−0.5％）で
各段部とも運転されることになるから、機械の最
高効率運転状態出力を基準とするとそこからの出
力損失分l₀は各段部を合算して次式(5)で与えられ
る。 l₀＝△ηH₁Q＋△ηH₂Q＝△ηHQ ＝（−0.5／100）（2.35H₁₀）Ｑ (5) ただしH₁／H₁₀＝H₂／H₂₀＝1.175 H₁₀＝H₂₀ Ｈ＝H₁＋H₂＝2.35H₁₀ △η＝−0.5％ 他方、本発明の制御による場合は、上記の場合
と同一流量Ｑの条件下では、高圧段部が〓点（△
η＝△η_１＝−1.0％） また、低圧段部がA₂点（△η＝△η_２＝０
％；最高効率点）でそれぞれ運転されることにな
るから、機械の最高効率運転状態出力を基準とす
るとそこからの出力損失分ｌは各段部を合算して
次式(6)で与えられる。 ｌ＝△η₁H₁Q＋△η₂H₂Q＝△η₁H₁Q ＝（−１／100）（1.1H₁₀）Ｑ (6) ただしH₁／H₁₀＝1.1 H₂／H₂₀＝1.25 △η_１＝−1.0％ △η_２＝０％ したがつて、各段部等開度制御の場合と本発明
の制御による場合について、最高効率運転状態か
らの出力損失で相対評価すると、次のようにな
る。 ｌ／l₀＝（−１／100）（1.1H₁₀）／（−0.5／100）（2.35H₁₀） ＝（１×1.1）／（0.5×2.35）＝0.93 すなわち、本発明の制御による場合は、各段部
等開度制御の場合に比べて、上記のように出力損
失を約７％低減した高性能運転が行なえることに
なる。 ついでに、問題となる低圧段ランナ出口部の流
動状態の安定性を示す同ランナ出口部の水圧脈動
について定量的に考察すると、第３図を参照し
て、本発明の制御による場合（高圧段部が〓点、
低圧段部が〓点に相当する運転状態）は等開度制
御による場合（各段部とも□Ａに相当する運転状
態）に対して、水圧脈動振幅比で半分以下に低減
した極めて安定した運転を行なえることが模型試
験結果により確認されている。 このように、本発明による制御の場合は、等開
度制御の場合に比べて、総合的水力性能の向上さ
らには運転状態の安定化において大きな効果を得
られる。 次に、ポンプ定常運転時に運転水位すなわち運
転揚程の変化に対して可動ガイドベーンの水口開
度の対応制御を行なう場合の本発明による実施例
について述べる。 すなわち、本発明による実施例を示す第６図を
参照して、総合揚程が基準状態H₀から高揚程Hn
へ移行する運転揚程の変化に対して本発明では各
段部とも適正開度□０→□Ｃにそつて各段部の可動ガ
イドベーン１５，１６の水口開度ａを斉一に対応
制御させる。この場合、途中の運転状態において
は、総合揚程Ｈと各段部の揚程H₁、H₂との相対
関係は次式(5)で与えられる。

【表】 Ｈ_１＝Ｈ_２ 〓
第６図におけるように、ポンプ定常運転時に運
転揚程に対して各段部の可動ガイドベーン１５，
１６を適正開度のもとに斉一に制御する場合、各
段部の水力特性上における運転状態軌跡を第７図
に示す。第７図において、H₁は高圧段部の揚
程、H₂は低圧段部の揚程、Ｑは流量、これらに
添字０を付けたものは各段部が水力的に同等の運
転状態であるポンプ基準運転状態時（図中□０点）
における値、a₀はポンプ基準運転状態時の各段部
可動ガイドベーンの水口開度、a₁はa₀より過開し
た場合の各段部可動ガイドベーン水口開度、a_-1
はa₀より小開した場合の各段部可動ガイドベーン
水口開度、△ηは最高効率との相対差で表示した
ポンプの相対効率差である。すなわち、第７図に
おける各段部のポンプ単段水力特性で示されるよ
うに、運転揚程の変化に対し各ガイドベーン水口
開度における水力特性の包絡線上にある適正開度
運転状態の軌跡□０→□Ｃにそつて各段部とも運転さ
れるように各段部の可動ガイドベーン１５，１６
を斉一に対応制御する。ポンプ特性では、適正開
度上の運転がもつとも水力的に安定しており、こ
れより過開もしくは小開すると水流のはく離、局
部的二次流れが誘発される。したがつてランナ出
口側圧力が極めて低く前記したように水力的に不
安定の運転をともない易い低圧段部は勿論のこ
と、水力的に安定性のある高圧段部も、水力的に
もつとも望ましい適正開度状態で運転が行なえる
ように、各段部の可動ガイドベーン１５，１６を
斉一な開度関係のもとに対応制御させるので、２
段ポンプ水車全体としては、もつとも水力的に安
定したポンプ高性能運転が行なえることになる。 上記した水車定常運転時及びポンプ定常運転時
の可動ガイドベーンの対応制御は、第８図あるい
は第９図に示すブロツク構成のように、水位調整
装置２１とガイドベーン制御装置２２とからなる
制御システムを用いてこれに連結させた各段部の
可動ガイドベーン１５，１６の水口開度ａを前記
したように水力的に安定した開度になるように運
転水位（落差または揚程）に対して調整制御する
かあるいは負荷調整装置２３とガイドベーン制御
装置２２からなる制御システムを用いてこれに連
結させた各段部の可動ガイドベーン１５，１６の
水口開度ａを前記したように水力的に安定した開
度になるように運転負荷に対して調整制御するこ
とにより容易に行なえる。 以上述べたように本発明によれば、各段部に可
動ガイドベーンを備えた単速度可逆式２段ポンプ
水車において、定常運転時に運転水位あるいは運
転負荷に対して可動ガイドベーンの調整制御を行
なう場合、ポンプ運転時には各段部斉一に対応制
御を行なえるように、しかし水車定常運転時には
各段部別々に行なえるようにして前記２段ポンプ
水車の全定常運転範囲に対し水力的に適性な安定
した運転が行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による運転方法を適用する２段
ポンプ水車の構造を示す略示断面図、第２図はポ
ンプ水車におけるポンプと水車の水力特性関係を
示した説明図、第３図は本発明による運転方法を
適用した２段ポンプ水車における各段部の水車特
性関係を示した説明図、第４図は本発明による実
施例の水車定常運転時における運転落差とガイド
ベーン水口開度関係を示した説明図、第５図は同
実施例の水車定常運転時における運転負荷とガイ
ドベーン水口開度関係を示した説明図、第６図お
よび第７図は本発明による運転方法を適用した２
段ポンプ水車における各段部のポンプ特性関係を
示した説明図、第８図および第９図は２段ポンプ
水車の定常運転時における運転制御システムの構
成例をそれぞれ示したブロツク図である。 １……水車主軸、２……高圧段ランナ、３……
低圧段ランナ、１０……返り通路、１１……うず
巻ケーシング、１３……入口弁、１４……水圧鉄
管、１５，１６……可動ガイドベーン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高圧段部と低圧段部を返り通路によつて直列
   に連絡し、各段部のランナの外周に水口開度が変
   えられる可動ガイドベーンを備え、各段部のラン
   ナを単一の水車主軸に直結し、回転方向だけを変
   えて同一回転速度の下に水車またはポンプ運転を
   行なう単速度可逆式２段ポンプ水車の定常運転方
   法において、定常運転時の運転水位または運転負
   荷に対する可動ガイドベーンの水口開度の調整
   は、ポンプ定常運転時には各段部の可動ガイドベ
   ーンについて斉一に行ない、水車定常運転時には
   高圧段部については可動ガイドベーンの水口開度
   を各段の等開度制御時相当開度関係よりも相対的
   に過開にした開度関係にそつて制御し、一方、低
   圧段部については可動ガイドベーンの水口開度を
   各段部の等開度制御時相当開度関係よりも相対的
   に小開にした開度関係に沿つて制御するようにし
   たことを特徴とする２段ポンプ水車の運転方法。