JPS61191710A - 水中構造物の支持構造 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、水中構造物の支持構造に係り、特に流体の流
れに平行に位置するバルブ水車等の重量および浮力を支
持するのに好適な水中構造物の支持構造に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

流体の流れに平行に位置する水中構造物である一般的な
バルブ水車の従来の支持構造について。

第３図ないし第６図を参照して説明する。

第３図は、一般的なバルブ水車の支持構造を示す略示構
成図、第４図は、ペデスタル形の支持構造の説明図で（
ａ）は正面図、（ｂ）はＦ矢視側面図、第５図は、ステ
一方式の支持構造の説明図で、（ａ）は支持柱の変形図
、（ｂ）は支持柱の曲げ応力分布図、第６図は、従来の
支持柱の説明図で（ａ）は外形図、（ｂ）は（ａ）のＢ
−Ｂ断面図である。

第３図に示すように１発電機および水車機器を収納する
水中構造物であるバルブ水車のバルブ本体４がコンクリ
ート構築体１で形成される流水路１１中のほぼ中央部に
配置され、そのバルブ本体４を支える構造物として支持
柱に係るバルブ支え９、防振ステー８、機器点検シャフ
ト３．中空ステーベーン５およびステーベン１０が設け
られている。

これらの支持構造物のうち１本発明に関係する支持構造
物としては、バルブ支え９および防振ステー８などがあ
る。これらの支持構造物は、バルブ水車４の重量、浮力
および振動などを防止する重要な構造物となっている。

なお、第３図において、２はハツチ、１２は排水ピット
でコンクリート構築体１に設けられている。

６はガイドベーン、７はランナで、バルブ水車の主要構
成部品である。

バルブ本体４の支持構造としては、大きく分けて第３図
に示すステ一方式と、第４図に示すペデスタル方式の２
つがある。

ステ一方式の例としては、「水力発電Ｊ　　（ＬａＨｏ
ｕｉｌｌａ　Ｂｌａｎｃｈａ／　Ｎ　５　／　６−１９
８２）に記載されているものが第３図とほぼ同様のもの
であり、例えば、アイダホ（Ｉｄａｈｏ−Ｆａｌｌｓ）
発電所、ペルトン（Ｐｅｌｔｏｎ）発電所等で採用され
たものである。

また、ペデスタル方式の例としては、「水力発電とダム
建設」（Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　＆　Ｄａｍ　Ｃｏｎ
５ｔｒｕｃｔｉｏｎ７−１９７８）に記載されているロ
ックアイランド（Ｒｏｃｋ　ｌ５ｌａｎｄ）　　発電所
で採用された例がある。

これらの支持構造の２つの方式は、それぞれ一長一短が
ある。

第３図に示すステ一方式の場合は、防振ステー８、バル
ブ支え９などが、バルブ本体４の熱膨張を拘束している
ために、バルブ支え９の応力が高くなる。

すなわち、バルブ支え９の変形剛性をＥＩ（Ｅ：縦弾性
係数、工：断面二次モーメント）とし、バルブ本体４の
熱膨張量をδ、断面係数をＺとすると、最大曲げ応力６
ｂｍａｘは次の（１）式で表わされる。（１）式は、第
５図に示すように、バルブ支え９をバルブ本体４とコン
クリート構築体１とで両端を固定される両端固定梁とみ
なし、片端を（ａ）図の破線のようにδだけ変形させた
場合の式である。

最大曲げモーメントＭｒａａｘ＝− ここにＱ：バルブ支え９の長さ δ＝αＡＴＬ　　　　’　　　　　　・・・・・・　（
２）ここに α：線膨張係数 ＡＴ：温度差（例えば、バルブ本体４の組立時の稼働時
の温度差など） Ｌ：バルブ本体４におけるステーベー ン１０とバルブ支え９間の長さ バルブ支え９の曲げ応力σ１は（１）式から求められ、
その応力分布は第５図（ｂ）に示すとおりである。そし
て１曲げ応力の最大値ｄ、ｔｍａｘは変形剛性に係る曲
げ剛性ＥＩが大きくなるにつれて大きくなる。

一方１曲げ剛性ＥＩを小さくして曲げ応力σ。

を小さくすると、バルブ支え９がバルブ水車の重量およ
び浮力を支えるための実断面積を確保することが難しく
なってくるという問題がある。

次に、ペデスタル方式の場合は、第４図に示すように、
バルブ本体４の熱膨張による収縮に対して、バルブ支え
９′は辷り面１３を有する構成となっているので、拘束
にともなう応力面では先のステ一方式より有利となる。

しかし、辷り面１３の保守、すなわち、水中であるため
に密封を行い。

防食を図る配慮が必要である。しかも、辷り面１３に対
しては定期的な保守点検が必要となるという短所がある
。

前述のステ一方式の場合は、曲げ剛性ＥＩによる曲げ応
力σ、と、バルブ水車の重量および浮力を支えるための
実断面積確保との両者を満足させるためのバルブ支え９
の断面形状として、従来は第６図（ｂ）に示すように（
ｉ）の円断面、（ｉｔ）の角断面、（ｉｉｉ）の楕円断
ｍｌおよび（ｔｖ）の魚形断面が採用されている。

また、本発明に近い断面形状としては、例えば日本機械
学会幅、機械工学便覧分冊２．昭和２６年版に記載され
ている重ね板ばねがある。この板ばねの目的は、面外変
形に対する特性のみに着目したものであり１本発明のご
とく面外変形および面内変形の両者を満足させるもので
はなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされたもの
で、水中構造物の支持柱の軸方向の変形剛性を剛にし、
流体の流れに平行する方向の曲げ剛性を柔、流れに直交
する方向の曲げ剛性を剛とすることにより、強度的に最
適な水中構造物の支持構造の提供を、その目的としてい
る。

〔発明の概要〕

本発明に係る水中構造物の支持構造の構成は、流体の流
れに平行に位置する水中構造物の重量を支持し、かつ浮
力を支持する支持柱であって、その外殻を形成する部材
と、その外殻内に内挿され、上記流体の流れに平行する
方向に対して変形剛性を小さくしうるように配列された
複数の内挿部材とからなる支持柱を、その支持柱の一端
は水中構造物に、他端は流れを案内する固定側に連結す
るようにしたものである。

なお付記すると、本発明は水中構造物と支持柱の複数の
内挿部材の一端と、当該複数の内挿部材の他端と固定側
とのそれぞれを、凹凸のほめあいを介して接合するよう
に構成したものである。

さらに本発明を開発した考え方を詳細に述べると１次の
とおりである。

水中構造物の支持構造としてはステ一方式およびペデス
タル方式がある０本発明は、前者のステ一方式に関する
ものである。

ステ一方式の場合は、水中構造物と基礎コンクリート間
を剛結合する方式となっている。そのため、バルブ本体
の温度変化による変形を拘束する形となっており、結合
部には大きな応力が発生する。

一方、支持構造物すなわち支持柱の結合部に発生する拘
束応力を小さくした場合には、水中構造物の重量および
浮力を支持できなくなる恐れがある。

本発明は、上記した相反する事項を満足させ、最適な水
中構造物の支持構造を提供するものである。

支持柱の固定部に発生する応力は、先に説明した（１）
式で表わされる。また、水中構造物の重量をＷｌ、　浮
力をＷ２　とすると、それぞれに対する軸方向応力σ、
は次式で表わされる。

ここに　Ａ：支持柱の断面積 支持柱として、さきの第６図（ｂ）に示した従来例の円
管断面の場合について具体的な数値を用いて説明する。

例えば、水中構造物であるバルブ水車の重量Ｗ１＝５０
０トン、浮力Ｗ、＝１５０トン、ステーベーンと支持柱
間の距離Ｌ＝７ｍ、支持柱のスパンの長さＱ＝３．５ｍ
、　温度差ＪＴ＝５０℃とする。そして支持柱の材質を
軟鋼とすると、縦弾性係数Ｅ　＝　２１，０００ｋｇ　
ｆ　／■２、線膨張係数α＝１、Ｉ　Ｘ　１０−ｓ／’
Ｃ１許容応力ｒｘ　、　＝　５　ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ”
　、となる。

これらの諸元を用いて、まず（３）式を満足する断面積
Ａを求める。

円管断面形状として外径：ｄ３、内径ｄい　内外径比＝
−＝０．９とすると から ｄ　、　＋　１，８８０閣、　　　ｄ　１＝　１，６９
０ｍと得られる。

一方、（２）式で示される熱膨張量δはδ＝αＪＴＬ＝
１．ｌＸ１０−’Ｘ５０Ｘ７０００＝３．８５ｗｍ（１
）式による応力は と得られ、許容応力σ、＝５ｋｇｆ／■２より大きくな
り、支持構造物としては不適となる。

このような問題点を無くした構造物が本発明であり、上
記した応力σ１１．σ、２およびσ、■ａｘともに許容
応力σ、を満足させるものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の各実施例を第１図および第２図並びに第
７図ないし第９図を参照して説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る水車バルブの
支持柱の構成を示す図で、（ａ）は外形図、（ｂ）は、
（ａ）のＣ−Ｃ断面図、第２図は、第１図（ｂ）に相当
する各種形状の支持柱断面図である。

第１図は、先に説明した第３図の一般的なバルブ水車の
バルブ支え９に相当する支持柱の構造を示すものである
。

第１図において、２０は支持柱で、流体の流れに平行に
位置する水中構造物に係るバルブ水車の重量を支持し、
かつ浮力を支持するもので、この支持柱２０の一端（第
１図では上端）はバルブ本体４に、他端（第１図では下
端）は、流体の流れを案内する固定側に係るコンクリー
ト構築体１に連結されている。図中の矢印は、流体の流
れの方向を示し、その方向に平行する方向がＸ軸、直交
する方向がＹ軸、支持柱２０の軸心方向が２軸である。

支持柱２０は、円管状に形成された外殻２１と、この外
殻２１内に挿入され、前記流体の流れに平行すると軸方
向に変形剛性の小さい複数の内挿部材に係る薄板２２と
から構成されている。

これら外殻２１と薄板２２は、バルブ本体４およびコン
クリート構築体１側にそれぞれ溶接やボルト接合などで
固着されている。

薄板２２の断面形状は、流体の流れに平行するＸ軸方向
に短い寸法（板厚ｈ）をもち、流体の流れに直交するＹ
軸方向に長い寸法（板幅ｂ）をもつものである。

このように外殻２１と薄板２２とで構成される支持柱２
０は、両端固定梁と見なされ、バルブ水車の重量を支持
する軸方向応力σ１１、浮力を支持する軸方向応力σ、
２および最大曲げ応力σ、　＋ｍａｘを、許容応力０１
以内に収めるようにしたものである。

したがって、薄板２２の枚数や形状（例えば板厚りと板
幅ｂ）を選ぶとともに、外殻２１の大きさを選ぶことに
よって、支持柱の最適設計を行うことができる。

本実施例の場合、Ｘ−２面内の曲げ剛性を、Ｙ−２面内
の曲げ剛性よりも小さくすることにより、最大曲げ応力
σ、　ｍａｘ　を許容応力０１以内にすることが可能と
なる。

また、外殻２１と薄板２２のＸ−Ｙ面内の断面積Ａを選
ぶことにより、（３）、（４）式で示される軸方向応力
σ、１．σ、２を許容応力０１以内にすることが可能で
ある。

すなわち、第１図の実施例の支持柱２０の最大曲げ応力
σ、　ｗａｘとして、 外殻２１に対しては、 ｎ′ 薄板２２に対しては、 １２′ ここに　ｈ：薄板の板厚 また、（３）、（４）式に対する支持柱の断面積Ａは、 ここに　ｂＩ　：薄板２２のＹ方向長さｈＩ　：薄板２
２のＸ方向厚さ となる。

したがって、（３）〜（７）式から最適の支持柱の形状
を決定することができる。

本実施例によれば、曲げ変形剛性と軸方向の変形剛性を
適切に選択できる効果がある。

また、支持対象物としてはバルブ水車等の水中構造物と
しているので、水質を考慮した防食材料を外殻に用い、
外殻内に挿入される内挿部材としては非防食材料を使用
することが可能となるため、製作費の低コスト化が可能
となる効果がある。

さらに、ステ一方式の支持構造の特徴としている無保守
化を達成できるとともに、応力を低減することにより、
支持柱の長寿命化を図ることが可能である。

次に、第２図を参照して支持柱２０の断面形状の他の例
を説明する。

第２図の各断面図において（ｉ）、（ｉｔ）は。

外殻２１は第１図の実施例と同様、円管状のものである
が、内挿部材は断面形状が異なるものである。すなわち
、（ｉ）の例は、中実丸棒２３゜（ｉｔ）の例は、中空
丸棒２４を採用している。

この中実丸棒２３、中空真補２４は軸心に対して対称の
断面形状を有する部材であり、流体の流れに平行するＸ
軸方向に数が少なく、流れに直交するＹ軸方向に数の多
い配列となっている。

これによって、流体の流れに平行するＸ軸方向の曲げ剛
性を柔に、流れ直交するＹ軸方向の曲げ剛性を剛とする
ことができ、第１図の実施例と同様の効果を期待するこ
とができる。

なお、中実丸棒２３．中空丸棒２４の特性として１両者
が同じ断面積であれば、中実の方が中空のものより曲げ
やすいが、軸方向の圧縮荷重に対しては、中実の方が中
空のものより挫屈しやすいものである。

第２図の（ｉ）、（…）では丸棒の内挿部材を。

示したが、流体の流れに平行するＸ軸、流れに直交する
Ｙ軸の各軸心に対して対称の断面形状を有する角棒を採
用することもありうる。

次に、第２図の（ｉｉｉ）、（汁）、（、ｙ）は、内挿
部材は第１図のものと同様形状の薄板２２であるが、外
殻の形状を変化させたものである。

（ｉｎ）の例では、外殻２５は板材を長方形状（角断面
）に形成したもの、（ｉｖ）の例では、外殻２５＾は、
板材を楕円断面形状に形成したもの、（ｖ）の例では、
外殻２５Ｂは、板材を魚形断面形状に形成したものであ
る。

第２図の各実施例によれば、目的に応じて外殻形状およ
び内挿部材の形状、数量および配列を任意に変えること
により、支持柱の剛性および強度を適正化することがで
きる。

また、支持柱としては、外殻の形状を変えることにより
、水流を変化させることが可能であり、第２図（Ｖ）の
ような魚形などにすることにより、乱流を防止できると
いう効果がある。

次に、支持柱を水中構造物およびコンクリート構築体に
結合する手段についての各実施例を、第７図ないし第９
図を参照して説明する。

ここに第７図は、本発明の他の実施例に係るバルブ水車
の支持柱の結合手段を示す構成図、第８図は、その接合
部の形状を示す拡大図、第９図は、本発明のさらに他の
実施例に係る支持柱接合部の形状を示す拡大図である０
図中、先の第１，２図と同一符号のものは同等部分であ
るから、その説明を省略する。

第７図において、ｘ−Ｘ軸が流れに平行する方向であり
、Ｚ軸方向が、水中構造物に係るバルブ水車などの重量
および浮力を受ける方向、すなわち支持柱２軸方向であ
り、Ｘ−２面に直角な方向が流体の流れに直交する方向
である。

第７図の支持柱は、先の第１図（ａ）、第２図（■）に
示すものと全く同等のもので、板材で形成された外殻２
５と、内挿部材に係る複数個の薄板２２とで構成され、
バルブ水車のバルブ本体４のフレーム４ａおよびコンク
リート構築体１のベース１ａに結合されるものである。

第７図の実施例では、外殻２５の両端はフレーム４ａお
よびベース１ａに溶接またはボルト結合などで固着され
ている。外殻２５内に挿入されている薄板２２は、その
両端をフレーム４ａおよびベース１ａに設けた凹溝２６
に差し入れた構造で接合されている。

すなわち、水中構造物に係るバルブ本体４のフレーム４
ａと支持柱２０の内挿部材に係る薄板２２、薄板２２と
固定側に係るコンクリート構築体１のベース１ａのそれ
ぞれが、凹凸のはめあいを介して接合的に連結されてい
る。

このような接合構造によれば、固着の場合のように曲げ
応力が出ない。流体の流れに平行なＸ軸方向の曲げ剛性
は、理論的には零となる構造である。

したがって、Ｘ軸方向の曲げ剛性は、外殻２５の形状お
よび寸法によって決められることになり、Ｘ軸方向の曲
げ剛性を小さくする効果がある。

また、溶接等による組立が少なく、かつ１組立が容易な
ことから、低コスト化を図ることができる。

第８図は、前述の接合構造の溝形状の例を示すもので、
（ａ）図は、ベース１ａに設けた凹溝２６Ａが円弧状、
（ｂ）図は、凹溝２６Ｂが台形状、（ｃ）図は、凹溝２
６Ｇが三角形状に形成されており、これにそれぞれ接合
する薄板２２Ａ。

２２Ｂ、２２Ｇの凸部は円弧状１台形状、三角形状とな
っている。

いずれの場合も流体の流れに平行するＸ軸方向の曲げ剛
性を小さくするものである。

次に、第９図の実施例は、内挿部材の両端側に凹溝を設
け、フレーム側（図示せず）、ベース１ａ側に凸部を設
けたものである。

すなわち、複数の薄板２２Ｄの端部に凹溝２６Ｄを設け
ており、ベース１ａ側に凸部１ｄを設けて凹凸のほめあ
いを介して接合するように構成されている。そして、こ
の凹溝の形状も、第８図の例と同様に円弧状、台形状、
三角形状等に形成することが可能であり、第７，８図の
実施例と同様の効果が期待できる。

なお、前述の各実施例では、バルブ水車の支持柱につい
て説明したが、本発明の支持構造を適用しうる水中構造
物は、バルブ水車のみに限らず、同様の効果が期待され
る水中構造物に汎用的に適用できることは言うまでもな
い。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、水中構造物の支持
柱の軸方向の変形剛性を剛にし、流体の流れに平行する
方向の曲げ剛性を柔、流れに直交する方向の曲げ剛性を
剛とすることにより１強度的に最適な水中構造物の支持
構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る水車バルブの支持柱
の構成を示す図で、（ａ）は外形図、（ｂ）は（ａ）の
Ｃ−Ｃ断面図、第２図は、第１図（ｂ）Ｉｚ相当する各
種形状の支持柱断面図、第３図は、一般的なバルブ水車
の支持構造を示す略示構成図、第４図は、ペデスタル形
の支持構造の説明図で（ａ）は正面図、（ｂ）はＦ矢視
側面図、第５図は、ステ一方式の支持構造の説明図で、
（ａ）は支持柱の変形図、（ｂ）は支持柱の曲げ応力分
布図、第６図は、従来の支持柱の説明図で（ａ）は外形
図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 第７図は１本発明の他の実施例に係るバルブ水車の支持
柱の結合手段を示す構成図、第８図は、その接合部の形
状を示す拡大図、第９図は、本発明のさらに他の実施例
に係る支持柱接合部の形状を示す拡大図である。 １・・・コンクリート構築体、１ａ・・・ベース、４・
・・バルブ本体、４ａ・・・フレーム、１１・・・流水
路、２０・・・支持柱、２１，２５．２５Ａ、２５Ｂ・
・・外殻、２２．２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ，２２Ｄ・・
・薄板。 ２３・・・中実丸棒、２４・・・中空丸棒、２６，２６
Ａ。 （αン （ｂ） （ｆ＋ｉ）　　　　　　　　　　　　（ｉＶ）（■ン 躬４図 （ＣＬ） （α）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（ｂ）亨６図 （α）（ｂ） （ｉｉｉ）　　　　　　　（ｉｖ） 皐９図 （α）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体の流れに平行に位置する水中構造物の重量を支
   持し、かつ浮力を支持する支持柱であつて、その外殻を
   形成する部材と、その外殻内に内挿され、上記流体の流
   れに平行する方向に対して変形剛性を小さくしうるよう
   に配列された複数の内挿部材とからなる支持柱を、その
   支持柱の一端は水中構造物に、他端は流れを案内する固
   定側に連結するように構成したことを特徴とする水中構
   造物の支持構造。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、複数の
   内挿部材は、流体の流れに平行する方向と流れに直交す
   る方向との各軸心に対して対称の断面形状を有する部材
   を、前記流体の流れに平行する方向に数が少なく、流れ
   に直交する方向に数の多い配列としたものである水中構
   造物の支持構造。 ３、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、複数の
   内挿部材は、その断面形状が、流体の流れに平行する方
   向に短く、流れに直交する方向に長い寸法をもつもので
   ある水中構造物の支持構造。 ４、特許請求の範囲第１項ないし第３項記載のもののい
   ずれかにおいて、水中構造物と支持柱の複数の内挿部材
   の一端と、当該複数の内挿部材の他端と固定側とのそれ
   ぞれを、凹凸のはめあいを介して接合するように構成し
   たものである水中構造物の支持構造。