JPS61169677A - 水力機械のランナ自動監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野） 本発明は水車またはポンプ水車等の水力機械においてラ
ンナに損傷等の異常が発生した場合、これを大事故に至
る前に検出し得る水力機械のランナ自動監視装置に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

水車またはポンプ水車等の水力機械、特に高落差で大容
量の水力機械においては、構成機器は高速、高圧力およ
び高応力に耐え、しかも軸振れや振動にも十分耐え得る
ことが要求される。

中でも、水力機械において回転の中心となるランナに対
しては、上記諸条件が最もシビアに加わるので、その信
頼性が最優先して要求される。従って、ランナの保守・
点検は非常に重要な事柄である。

従来、ランナの保守・点検は目視による外観検査や、カ
ラーチェック等の非破壊検査等、検査員の五感に頼る検
査方法によって行なわれていた。

しかしながら、このような検査方法による場合には、検
査の都度、水力機械を停止させ、ランナ室内を抜水しな
ければならないため、検査に要するＦＲ間と費用は美大
なものとなる。このため、ランナの保守・点検は精々、
半年に１回程度の間隔で実施されているのが実情である
。

しかしながら、上述のように保守・点検のインターバル
が長いと、次回の保守・点検までにランナに損傷等の異
常を生じても、これを検出することができず、重大事故
に進展するおそれがある。

また、静止状態での保守・点検では、例えばランナに経
年変化によるアンバランス等が生じていてもこれを検出
することができず、他の静止部材へ重大な悪影響を及ぼ
すおそれがある。

〔発明の目的〕

本発明は背景技術における上述の如き欠点を除去すべく
なされたもので、運転中のランチの状態を軸振れおよび
水圧脈動によって検出し、ランナ周りの水を抜水するこ
となく、常時監視できるようにした水力機械のランナ自
動監視装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上述の目的を達成するため、本発明の水力機械のランナ
自動監視装置は上カバーと下カバーから成るランナ室内
にランナを回転自在に収容し、このランチを直結した主
軸をガイド軸受装置に支承した水力機械において前記ガ
イド軸受装置に軸振れ検出センサを取付け、前記上カバ
ーにはランナ外側背圧室の水圧脈動を検出する水圧脈動
検出センサを数社け、前記下カバーにはランナ側圧室の
水圧脈動を検出する水圧脈動検出センサを取付け、これ
らの軸振れ検出センサおよび水圧脈動検出センサの出力
信号を予め設定された設定値と比較し、前記出力信号の
いずれかが前記設定値を越えた場合に警報回路を作動さ
せると共に、異常表示器に出力を伝達するよう構成した
ことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明を適用した水力機械の要部の概略構成を
示すもので、上池（図示せず）からの流水は水車または
ポンプ水車等のケーシング１からスティリング２を通り
、上カバー３と下カバー４とから成る圧力室へ流入する
。圧力室の入口にはガイドベーン５が配列されており、
このガイドベーンによって流量を調整された流水はうン
ナ６に作用し、ランナ６およびこれに主軸７を介して結
合された発電機または発電電ｖＪ機（図示せず）を回転
さゼる。ランナ６を通過した流水はドラフトチューブ８
を通って下池（図示せず）へ放水される。

一方、ポンプ水車による揚水運転時には、上記とは逆に
、発電機または発電電動機により駆動されるランナ６に
よって下池の水はドラフトチューブを通して汲み上げら
れ、圧力室からステイリング２、ケーシング１、水圧鉄
管（図示せず）を経て上池へ揚水される。

上カバー３と主軸７の間には圧力室内の水が主軸７のま
わりから外部へ流出するのを防止するための主軸封水装
置９と、主軸７の振れ回りを抑制するためのガイド軸受
装＠１０が設置されている。

また、高落差機においては、通常、ランナ６のランナク
ラウン６ａの上面に中間シール部６ｂが突設され、上カ
バー３とランナクラウン６ａの間に形成される背圧室を
ランナ内側背圧室１１ａとランナ外側背圧室１１ｂの２
つに分割している。

この中間シール部６ｂはランナバンド６Ｃの出口シール
部６ｄと同径とされ、ランナバンド６Ｃと下カバー４に
よって形成されるランナ側圧室１１Ｃとランナ外側背圧
室１１１）の圧力がバランスして水スラスト力が発生し
ないよう構成されている。

第１図の実施例において、ガイド軸受装置１０には軸振
れ検出センサＳ１が設置され、ガイド軸受１０ａの軸振
れを検出する。また、ランナ外側背圧’１１１　ｂの上
カバー３とランナ側圧室１１Ｃの下カバー４には、それ
ぞれ、圧力センサーから成る水圧脈動検出センサＳ、Ｓ
３が設置され、ランナ６の回転による水圧脈動を検出す
る。

上記各センサＳ　−８３としては１個または複数個ずつ
が適当位置に設置されるが、以下の説明においでは、便
宜上、各センサが１個ずつの場合につき述べることとす
る。

第２図は上述の各センサＳ　−８３によって検出された
信号の処理・表示回路の一実施例を示すもので、軸振れ
検出センサＳ１によって検出された軸振れ信号２０は軸
振れ信号用比較器３０へ入力されて設定値と比較され、
軸振れ信号が設定値よりも大きい場合には軸振れ異常信
号２３を出力する。

ランナ外側背圧室水圧脈動検出センサＳ２およびランナ
側圧室水圧脈動検出センサＳ３によって検出された水圧
脈動信号２１．２２も夫々ランナ外側背圧室水圧脈動信
号用比較器３１またはランナ側圧室水圧脈動信号用比較
器３２へ入力されて設定値と比較され、水圧脈動信号が
設定値よりも大きい場合にはランナ外側背圧室軸振れ異
常信号２４またはランナ側圧室水圧脈動異常信号２５を
出力する。これらの異常信号２３．２４．２５は警報回
路４０へ入力され、ランナに損傷等の異常が生ずると、
ランナ異常警報信号５０が警報器６０へ向けて出力され
ると共に、第１異常検出信号５１と第２異常検出信号５
２が異常表示器７０に向けて出力される。異常表示器７
０には比較器３０．３１．３２からの異常信号２３．２
４．２５も入力され、異常状態および異常箇所を表示す
る。

上述の警報回路、４０は第３図に示すように論理積回路
４１．４２と論理和回路４３から構成されている。

論理積回路４１は軸振れ異常信号２３と、ランナ外側背
圧室水圧脈動異常信号２４がともに入力されている状態
で第１異常検出信号５１を出力する。論理積回路４２は
軸振れ異常信号２３と、ランナ側圧室水圧脈動異常信号
２５がともに入力されている状態で第２異常検出信号５
２を出力する。

また、論理和回路４３は上記第１異常検出信号５１と第
２異常検出信号５２のいずれか一方または双方が入力さ
れると、ランナ異常信号５０を出力する。

第４図は警報回路４０の変形例を示す。この変形例は第
１異常検出信号５１と第２異常検出信号５２とを区別し
て表示するＵがない場合に使用されるもので、論理和回
路４４と論理積回路４５とから構成されている。論理和
回路４４はランナ外側背圧室水圧脈動異常信号２４とラ
ンナ側圧室水圧脈動異常信号２５のいずれか１つでも入
力すると水圧脈動異常信号４６を出力する。また、論理
積回路４５は軸振れ異常信号２３と水圧脈動異常信号４
６がともに入力すると、ランナ異常警報５０を出力する
。

第５図は第２図に示す回路に周波数分析装置８０と記録
装置９０を付加した変形例を示す。

この例では、軸振れ検出センサＳ１．水圧脈動検出セン
サＳ、Ｓ３からの軸振れ信号２０、水圧脈動信号２１．
２２は周波数分析装置８０に入力されて、周波数分析さ
れ、水力機械の回転速度に同期した軸振れ回転同期周波
数信号２６．ランナ外側背圧室水圧脈動回転同期周波数
信号２７゜ランナ側圧室水圧脈動回転同期周波数信号２
８となって比較器３０，３１．３２に入力される。この
場合、各比較器３０〜３２の設定値は回転同期周波数に
おける各信号用の値に変更されている。

また、記録装置９０には、軸振れ検出センサＳ　、水圧
脈動検出センサＳ２．水圧脈動検出センサＳ３からの軸
撮れ信号２０、水圧脈動信号２１．２２、周波数分析装
置８０からの軸振れ回転同期周波数信号２６、ランナ外
側背圧室水圧脈動回転同期周波数信号２７、ランナ側圧
室水圧脈動回転同期周波数信号２８、および比較器３０
．３１．３２からの軸撮れ異常信号２３、ランナ外側背
圧室水圧脈動異常信号２４、ランナ側圧室水圧脈動異常
信号２５が常時入力され、記録される。

第５図中、その他の回路構成と作動は第２図におけると
同様である。

次に、上述のように構成した本発明装置の作用を説明す
る。

高落差、大容量の水車またはポンプ水車等においては、
ランナ６の回転中にランナに加わる応力はランナベーン
６ｅとランナクラウン６ａの付根部およびランナベーン
６ｅとランナバンド６Ｃの付根部で高く、特にランナ６
の入口近傍で最も高いことが理論的および実験的に立証
されている。

従って、これらの部分はランナ６の回転中に損傷を受は
易く、応力腐蝕割れ等の影響を鋭敏に受け、亀裂が発生
する場合には、先ずこの部分が最初になる可能性が最も
高い。

ランナベーン６ｅの入口近傍のランナクラウン’　６ａ
側あるいはランナバンド６Ｃ側に亀裂が入った場合には
、夫々第６図や第７図にに示すように、ランナクラウン
６ａあるいはランナバンド５Ｃの入口端部が外側に口を
開くような形で亀裂Ｐが進展したり、または、第８図に
示すようにランナベーン６ｅの付根部から周方向に口を
開くような形で亀裂Ｐが進展する。

従って、通常運転時にランナ外側背圧室１１ｂとランナ
側圧室１１Ｇとの圧力がバランスするように適正に形成
されていたランナクラウン６ａ外周端部と上カバー３と
の隙間およびランナバンド６Ｃ外周端部と下カバー４と
の隙間が損傷部で不均一となるため損傷部側の圧力室に
回転に同期して水圧脈動が発生する。また、ランナ外側
背圧室　１１ｂとランナ側圧室１１Ｃとの圧力バランス
が崩れるのでランナ６の軸振れが増大し、それが主軸７
を介してガイド軸受１０ａに影響を及ぼすことになる。

従って、ガイド軸受１０ａの軸振れとランナ外側背圧室
１１ｂあるいはランナ側圧室１１Ｃのいずれかの水圧脈
動を監視することによってランナ６の損傷を重大事故に
至る前に検出することが可能である。

そこで、本発明においては第２図に示したようにガイド
軸受１０ａの軸振れ検出センサＳ１からの軸振れ信号２
０．ランナ外側背圧室１１ｂに設置した水圧脈動検出セ
ンサＳ２からの水圧脈動信号２１、ランナ側圧室１１Ｃ
１，：設置した水圧脈動検出センサＳ３からの水圧脈動
信号２２を各々比較器３０．３１．３２へ入力し、設定
値以上の入力があった場合に軸振れ異常信号２３、ラン
ナ外側背圧室水圧脈動異常信号２４、ランナ側圧室水圧
脈動異常信号２５を出力するようにしている。

警報回路４０では、軸振れ異常信号２３とランナ外側背
圧室水圧脈動異常信＠２４が同時に入力すると第１異常
検出信号５１を出力し、また、軸振れ異常信号２３とラ
ンナ側圧空水圧脈動異常信号２５が同時に入力すると、
第２異常検出信号５２を出力する。これらの異常検出信
号５１゜５２のいずれか１つでも検出した場合は、上述
したようにランナ６の損傷があったことになるため異常
警報５０を警報器６０へ出力し、重大事故へ波及する前
に必要な対策をとることができる。また、各異常信号２
３．２４．２５および第１．第２異常検出信号５１．５
２を表示することにより異常箇所を容易に確認すること
ができる。

以上のように、ガイド軸１０ａの軸振れ信号２０と水圧
脈動２１．２２を監視することによってランナ６の損傷
を検出できるが、第５図の構成によればさらに精度良く
異常を検出することができる。

すなわち、ランナの損傷が１箇所であればランナの１回
転毎に損傷箇所がセンサの取付は場所を１回ずつ通過す
るので、この回転に同期した周波数成分に水圧脈動が顕
著に表われる。また、軸振れも同様に回転同期周波数成
分が顕著となる。

従って、周波数分析装置８０によって、各検出センサＳ
１〜Ｓ３からの信号２０．２１．２２を分析し、回転同
期周波数の信号２６．２７．２８を出力させ、これらの
信号を各比較器３０．３１゜３２で各々の設定値と比較
すれば、ノイズか減少し、損傷の進行過程での異常検出
及び監視を精度良〈実施できる。また、記録装置９０で
各種信号２０〜２８のデータ記録を行なうことにより、
ランナ６の損傷の波及過程を確認することが可能となる
上、各比較器３０，３１．３２の設定値を最適にし、ご
く微小な損傷を検出できるようにしたり、簡単な構成の
監視に改善するためのデータを採取することもできる 〔実施例の効果〕 上述の実施例ではガイド軸受装置の軸振れとランナ外側
背圧室およびランナ側圧室の水圧脈動を監視することに
よりランナの損傷の有無をランナ周りの水を扱水するこ
となく常時監視できる。また、軸振れや水圧脈動の回転
同期周波数成分を監視するようにすればより精度の高い
監視ができる。

さらに、記録装置により損傷の波及過程を確認すること
により初期段階における損傷検出も可能となる。

〔他の実施例〕 本発明は上記の実施例に限らず、第９図および第１０図
に示す回路によっても実現できる。

第９図において、Ａ１〜Ａｏは第１図につき説明した軸
振れ検出センサＳ１．水圧脈動検出センサＳ２．Ｓ３と
同様の振動センサまたは圧力検出センサであり、これら
は水力機械のガイド軸受装置、ランナ外側背圧室および
ランナ側圧室の所定箇所に複数個ずつ配置固定されてい
る。

これらのセンサＡ１〜Ａ、の出力はＦＦＴ等から成る周
波数分析装置８０に入力され、ランナ６の回転同期周波
数成分、即ち、毎分Ｎ回転の場合にはＮ／６０ヘルツ成
分に周波数分析される。

周波数分析装置によって周波数分析された信号は判別回
路１００に入力と共に記録装置９０へ送られる。判別回
路１００には異常と判定すべき軸振れおよび水圧脈動の
回転同期周波数成分が夫々設定されており、周波数分析
装置８０からの検出値との比較判別を行なう。この検出
値が設定値を越えた場合には検出値信号は組合せパター
ン作成回路１１０へ送られると共に、異常判別された信
号の検出部に対応する検出部異常表示器１２０に伝達さ
れ、「ガイド軸受装置軸撮れ過大」、［ランナ外側背圧
室水圧脈動過大］、「ランナ側圧室水圧脈動過大」等の
表示がなさる。

第１０図は組合せパターン作成回路１１０の構成例を示
すもので、図中×１はガイド軸受装置１０の軸振れ検出
センサからの異常信号の判別回路１００との取合い接点
を示し、また、×２゜×３は夫々ランナ外側背圧室１１
１）およびランナ側圧’！１１ｃの水圧脈動検出センサ
からの異常信号の判別回路１００との取合い接点を示す
。

上記取合い接点Ｘ　と×２は論理積回路１１１へ入力さ
れ、また、取合い接点Ｘ　と×３は論理積回路１１２へ
入力される。これらの論理積回路１１１．１１２の出力
は論理和回路１１３を通って出力接点Ｙへ出力される。

従゛つて、出力接点Ｙに信号が出力されるのは、ガイド
軸受装置１０の軸振れの回転同期周波数成分が設定値を
越え、かつランナ外側背圧室１１ｂの水圧脈動の回転同
期周波数成分が設定値を越えた場合と、ガイド軸受装置
１０の軸振れの回転同期周波数成分が設定値を越え、か
つ、ランナ側圧室１１ｃの水圧脈動の回転同期周波数成
分が設定値を越えた場合のいずれか、またはこれが同時
に生じた場合である。

上記出力接点Ｙに出力が生ずると、この信号は第９図に
示すようにブザー等から成る警報器６０に導かれてこれ
を作動させると共に、異常表示器７０に導かれて異常の
発生を表示する。また、記録装置９０は前記周波数分析
装置８０からの信号と組合せパターン作成回路１１０の
出力接点Ｙからの信号を時間の経過と共に記録する。

この実施例においては第５図につき説明した同様の効果
が得られるほか、ガイド軸受装置１０の軸振れの回転同
期周波数成分の増大を組合せパターン作成回路１１０の
出力条件としているので、外乱による水圧脈動に基く誤
検出を確実に防止するこができる上、異常の発生箇所を
検出部異常表示器１２０によって容易に知ることができ
る。

なお、本発明においては周波数分析装置によって、上述
した各信号の回転同期周波数成分のほか、その周波数の
整数倍の周波数成分も取出せるように設定値を定めてお
けば、損傷が２個所以上で発生した場合でもこれを容易
に検出することができる。

また、周波数分析装置はＦＦＴに限らず、所定範囲の周
波数帯域を通過させるバンドパスフィルタやくし形フィ
ルタで構成してもよい。

上述の周波数分析装置、比較器、警報回路、判別回路、
組合せパターン作成回路等の回路をソフトウェアにより
実現しても同様の効果をあげることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次のような効果が得られる。

（１）ランナの損傷等の異常を常時監視でき信頼性が向
上する。

（２）従来のようにランナを点検するために運転を停止
し、扱水する必要がない。

（３）ランナ点検に要する経費、期間、作業の大幅な削
減が可能となる。

（４）ランナの損傷等の異常が初期段階で検出可能であ
り、大事故への波及を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した水力準械の実施例を示す縦断
面図、第２図は本発明における電気回路を例示するブロ
ック図、第３図と第４図は第２図における警報回路の具
体例を示すブロック図、第５図は本発明の変形例を示す
ブロック図、第６図と第７図はうンナに損傷等の異常が
生じた場合の縦断面図、第８図はその平面図、第９図は
本発明の他の実施例を示すブロック図、第１０図は第９
図における組合せパターン作成回路の具体例を示すブロ
ック図である。 １・・・ケーシング、２・・・スティリング、３・・・
上刃バー、４・・・下カバー、５・・・ガイドベーン、
６・・・ランナ、６ａ・・・中間シール部、６Ｃ・・・
ランナバンド、６ｄ・・・出口シール部、６ｅ・・・ラ
ンナベーン、７・・・主軸、８・・・ドラフトチューブ
、９・・・主軸封水装置、１０・・・ガイド軸受装置、
１０ａ・・・ガイド軸受、１１ａ・・・ランナ内側背圧
室、１１ｂ・・・ランナ外側背圧室、１１ｃ・・・ラン
ナ側圧室。 出願人代理人　　猪　　股　　　　消 量１図 第２図 第３図 四 第４図 第７図 ス 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上カバーと下カバーから成るランナ室内にランナを
   回転自在に収容し、このランナを直結した主軸をガイド
   軸受装置に支承した水力機械において、前記ガイド軸受
   装置に軸振れ検出センサを取付け、前記上カバーにはラ
   ンナ外側背圧室の水圧脈動を検出する水圧脈動検出セン
   サを取付け、前記下カバーにはランナ側圧室の水圧脈動
   を検出する水圧脈動検出センサを取付け、これらの軸振
   れ検出センサおよび水圧脈動検出センサの出力信号を予
   め設定された設定値と比較し、前記出力信号のいずれか
   が前記設定値を越えた場合に警報回路を作動させると共
   に、異常表示器に出力を伝達するよう構成したことを特
   徴とする水力機械のランナ自動監視装置。 ２、上カバーに取付けた水圧脈動検出センサがランナク
   ラウンの外周に形成されたランナ外側背圧室内の圧力を
   検出するよう構成されている特許請求の範囲第１項記載
   の水力機械のランナ自動監視装置。 ３、軸振れ検出センサおよび水圧脈動検出センサの出力
   信号が比較器において設定値と比較され、各比較器の出
   力が異常表示器に入力されると共に、警報回路を通して
   警報器に入力されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の水力機械のランナ自動監視装置
   。 ４、警報回路が軸振れ検出センサの出力に基く比較器か
   らの信号とランナ外側背圧室の水圧脈動を検出する水圧
   脈動検出センサの出力に基く比較器からの信号の双方が
   入力したときに出力を生ずる論理積回路と、前記軸振れ
   検出センサの出力に基く信号とランナ側圧室の水圧脈動
   を検出する水圧脈動検出センサの出力に基く比較器から
   の信号の双方が入力したときに出力を生ずる論理積回路
   と、上記両輪理積回路の出力を入力する論理和回路とか
   ら構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の水力機械のランナ自動監視装置。 ５、警報回路がランナ外側背圧室の水圧脈動を検出する
   水圧脈動検出センサの出力に基く比較器からの信号とラ
   ンナ側圧室の水圧脈動を検出する水圧脈動検出センサの
   出力に基く比較器からの信号を入力する論理和回路と、
   軸振れ検出センサの出力に基く比較器からの信号と前記
   論理和回路の出力をアンド条件とする論理積回路とから
   構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載の水力機械のランナ自動監視装置。 ６、各センサからの出力が周波数分析装置に入力され、
   水力機械の回転数またはその整数倍に同期した回転同期
   周波数成分が取出されて比較器に入力されるよう構成し
   た特許請求の範囲第３項ないし第５項のいずれかに記載
   の水力機械のランナ自動監視装置。 ７、各センサ、周波数分析装置および比較器からの出力
   信号が記録装置に入力され、経時的に記録されるよう構
   成した特許請求の範囲第６項記載の水力機械のランナ自
   動監視装置。 ８、各センサの出力を入力する周波数分析装置と、この
   周波数分析装置の出力を入力し、これらの入力信号が設
   定値を越えている場合に出力を生ずる判別回路と、この
   判別回路の出力に基いて組合せパターンを作成する組合
   せパターン作成回路と、この組合せパターン作成回路の
   出力によって作動する警報器、異常表示器、記録装置と
   、前記判別回路の出力信号を入力する検出部異常表示器
   とを具備することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の水力機械のランナ自動監視装置。