JPS6147981B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はポンプ水車、特に水車領域においてＳ
字特性が必至とされる高落差ポンプ水車の案内羽
根閉鎖方法に関する。

〔従来の技術〕

一般的に、ポンプ水車、特に高揚程ポンプ水車
のランナーその他の機器は、ポンプ運転時に高揚
程を得る為に、充分なる遠心ポンプ作用を発揮す
るべく設計される。

しかしながら、この設計は、ポンプ水車の水車
運転に悪影響を与える。特に後述のＳ字特性と呼
ばれる特性を伴うことが必至と考えられている。
この設計に採用されるポンプ水車の特性を、所定
案内羽根開度の下における単位落差当り回転数
（N₁）と単位落差当り流量（Q₁）との関係を表わす
特性曲線により示した場合、この特性曲線は、水
車運転領域において、N₁の値の増加に伴つてQ₁
の値が減少する第１の部分と、N₁の値の減少に
伴つてQ₁の値が減少する第２の部分とを有す
る。説明の便宜上、本明細書においては、前記第
２の部分を、Ｓ字特性部分と称する。更に、Ｓ字
特性部分におけるポンプ水車の特性を、以後、Ｓ
字特性と称する。Ｓ字特性部分における水車運転
にあつては、単位落差当りトルク（T₁）もまた、
単位落差当り回転数（N₁）の減少に伴い、減少す
る。

通常は、ポンプ水車の水車運転は、上記第１の
部分において行われる。しかしながら、負荷しや
断又は負荷減少等により、単位落差当りの回転数
（N₁）が急激に大きく増加する場合は、ポンプ水
車は、Ｓ字特性部分において運転されることにな
る。Ｓ字特性部分における運転が開始されると、
ポンプ水車の運転点はＳ字特性部分を一端から他
端へとたどりつつ、まず単位落差当りの流量
（Q₁）と単位落差当りの回転数（N₁）は減少する。
その後、今度は振子が振返すようにＳ字特性部分
を逆方向にたどりつつ、Q₁とN₁は増加する。Ｓ
字特性部分におけるこの往復運動は、案内羽根開
度が所定値以上に留まる限りほぼ永続的に継続
し、特別な手段を講じない限り終了しない。この
間、単位落差当りのトルク（T₁）も、減少と増加
をくり返す。

ポンプ水車の運転は、できるだけＳ字特性部分
を避けて行われることが望ましい。なぜならば、
Ｓ字特性部分における運転は、ポンプ水車本体に
おけると同様に、水圧鉄管やドラフトチユーブ内
に大きな水圧上昇と大きな水圧降下を含めて異常
な水圧変動をひき起こし、その結果として時には
水柱分離さえ招く可能性があることしかもＳ字特
性部への突入のタイミングが水路や水路を共有す
る他号機の影響等もあり事前につかみ難いためで
ある。上述した負荷しや断は、例えばポンプ水車
に結合される発電機が、しや断器を開かれた場合
や変圧器等発電機と電力系統間にある機器に事故
が起き発電機がその負荷を失つた場合などに生ず
る。またウオーターハンマーは、水圧鉄管又はド
ラフトチユーブ、又はその両方が長い場合には、
特に激烈であることに注意を払う必要がある。

水車運転領域においてＳ字特性を有するポンプ
水車の特性を、第１図Ａおよび第１図Ｂに示す。
第１図Ａにおいては、ポンプ水車の特性が、案内
羽根開度をパラメーターにとり、単位落差当りの
回転数（N₁）と単位落差当りの流量（Q₁）との関
係として示されている。一方、第１図Ｂにおいて
は、ポンプ水車の特性が、同じパラメーターによ
り、単位落差当りの回転数（N₁）と単位落差当り
のトルク（T₁）との関係として示されている。
N₁，Q₁およびT₁は次の式により表現される。

N₁＝Ｎ／√，Q₁＝Ｑ／√，T₁＝Ｔ／Ｈ 上式において、符号Ｎ，Ｑ，ＨおよびＴは、そ
れぞれ、ポンプ水車の回転数、流量、有効落差お
よびトルクを示す。

特性曲線１および１′は、所定の比較的大きな
案内羽根開度の下で得られる。特性曲線２および
２′は、それよりも小さな案内羽根開度の下で得
られる。特性曲線３および３′は更にそれよりも
小さい案内羽根開度の下で得られる。

特性曲線１のａ―ｄ―ｈ部分においては、Q₁
の値は、N₁の減少に伴い減少する。上述の様
に、この曲線部分ａ―ｄ―ｈを、本明細書におい
ては、Ｓ字特性部分と称する。同様に、曲線部分
ｂ―ｅ―ｉは、特性曲線２のＳ字特性部分であ
り、曲線部分ｃ―ｆ―ｊは、特性曲線３のＳ字特
性部分である。一見して明らかなように、特性曲
線１のＳ字特性部分ａ―ｄ―ｈは、特性曲線２の
Ｓ字特性部分ｂ―ｅ―ｉより長く、特性曲線２の
Ｓ字特性部分ｂ―ｅ―ｉは、特性曲線３のＳ字特
性部分ｃ―ｆ―ｊよりも長い。このことは、案内
羽根開度が小さくなるとＳ字特性部分の長さが短
くなることを意味する。

第１図Ａにおけると同様に、第１図Ｂにおいて
も、曲線部分a′―d′―h′，b′―e′―i′およびc′
―
f′―j′は、それぞれ特性曲線１′，２′および３′の
Ｓ字特性部分である。

第１図Ｂは、第１図Ａと密接な関係がある。例
えば、第１図Ａの曲線３上のQ₁＝Ｑ_1x，N₁＝Ｎ_1x
を満たす点ｘは、第１図Ｂの曲線３′上の点x′に
対応している。点x′は、T₁＝Ｔ_1x′，N₁＝Ｎ_1x
′（＝Ｎ_1x）を満たす点である。同様に、第１図
Ａにおける点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｈ，ｉお
よびｊはそれぞれ第１図Ｂにおける点a′，b′，
c′，d′，e′，f′，h′，i′およびj′に対応してい
る。

曲線nrは、無負荷流量曲線である。曲線１，
２，３と曲線nrとの交点α，β，γは、それぞ
れ、曲線１′，２′，３′と直線T₁＝０との交点
α′，β′，γ′に対応している。

次に、特性曲線１と１′を参照しながらポンプ
水車の水車運転（発電運転）について説明を行
う。上述したように特性曲線１を１′に対応する
特性は、案内羽根開度を比較的大きな値にした時
に得られる。通常は、ポンプ水車の水車運転は、
特性曲線１の上部、すなわち、Ｓ字特性部分ａ―
ｄ―ｈより上部の曲線部分において行われる。し
かしながら、もし例えばポンプ水車に加わつてい
る負荷が突然失われた場合は、ポンプ水車の回転
数（Ｎ）が急激に増加するので、N₁の値も急激
に増加する。こうして、ポンプ水車は、Ｓ字特性
部分において運転され始まる。Ｓ字特性部分にお
ける運転の間は、ポンプ水車の回転数（Ｎ）の減
少によりN₁の値が減少すると、Q₁の値もまた減
少する。Ｈの値が一定であると仮定すれば、Q₁
の値の減少は、それに対応してポンプ水車流量
（Ｑ）が減少することを意味する。現実には、Ｈ
の値、すなわち水圧鉄管に結合するポンプ水車入
口とドラフトチユーブに結合するポンプ水車出口
との水頭差は、流量Ｑの減少と同時に増加する。
このようにして一旦N₁の値が減少すると、流量
Ｑが減少し、流量Ｑの減少は、ポンプ水車の有効
落差Ｈの増加をもたらす。この有効落差Ｈの増加
は、更にN₁の減少をもたらし、N₁の減少は、更
にQ₁の減少をもたらす。このようにして、一旦
Ｓ字特性部分における運転が始まると、Q₁とN₁
は、Ｓ字特性部分をQ₁減少方向、すなわち点ａ
から点ｄの方向にたどりつつ、加速度的に、しか
も連続的に減少する。Q₁とN₁は、正帰還制御回
路におけると同様に、加速度的に、しかも連続的
に減少することが理解できる。

ポンプ水車の運転点がＳ字特性部分を点ａから
点ｈまでたどり終えると、上記の現象は、負帰還
制御回路におけると同様に次第に緩和され、その
後、反転し、やがてＳ字特性部分をQ₁増加方
向、すなわち点ｈを少し過ぎた点から点ａへたど
ることになる。Ｓ字特性部分を逆方向にたどるの
も矢張り正帰還制御回路と同様の様式で行われ
る。

ポンプ水車がＳ字特性部分で運転される間は、
上記の往復運動は、ほぼ永続的に繰り返される。
前で説明したように、このような運転は望ましい
ものではない。なぜならば、水力発電所各水路系
続に異常な水圧変化をもたらし、その水圧変化
は、激烈なウオーターハンマーと、時には水柱分
離現象さえもたらすからである。

Ｓ字特性部分における運転に伴うこのような悪
影響は、Ｓ字特性部分の長さが短くなれば減少す
ることに注目すべきである。例えば、もし案内羽
根開度を小さくして、より短いＳ字特性部分ｂ―
ｅ―ｉを有する特性曲線２に従つてポンプ水車を
運転するならば、Ｓ字特性に伴う悪影響は軽減さ
れる。

Ｓ字特性部分におけるポンプ水車の運転は、ポ
ンプ水車のトルクＴにも悪影響を与える。Ｓ字特
性部分においてN₁の値が減少すると、第１図Ｂ
に示すように、T₁の値が減少する。ここで再び
第１図Ａに示にされる特性曲線１上の点ａとｈ
は、第１図Ｂに示される特性曲線１′上の点a′と
d′にそれぞれ対応することに注意しなければなら
ない。

有効落差Ｈが一定であると仮定すれば、T₁減
少は、ポンプ水車トルクＴの減少を意味する。更
に、ポンプ水車トルクＴの減少が、ポンプ水車回
転数Ｎの減少をもたらすことは明白である。ポン
プ水車回転数Ｎが減少すると、それに対応して
N₁が減少し、次にT₁が更に減少することにな
る。現実にはこの間に前記したように有効落差Ｈ
が増加しているのでこの加速傾向は益々強まる。
このようにして、ポンプ水車は、特性曲線１を、
Q₁減少方向にたどる間、同時に特性曲線１′を点
a′から点h′へとたどつていることになる。そのた
どり方は、正帰還制御回路の場合と同様である。
その後、Ｓ字特性部分をたどる方向が逆転する
と、特性曲線１′は点h′から点a′の方向へと、た
どることになる。明らかに、上述したようなトル
ク変化は、不利益である。

さて下池側又は上池側管路が他の水車又はポン
プ水車と合流し、この合流点以遠の管路を共有す
る如く配置されるポンプ水車を考えてみる。管路
を共有する複数台の水車又はポンプ水車がいずれ
もＳ字特性をもつていない場合には、上池側管路
水圧が最高になり、下池側管路水圧が最低になる
最も苛酷な状態は、それら複数の水車又はポンプ
水車が同時に負荷しや断又は停止した時に現われ
る。

しかしながら複数台の中に複数台のＳ字特性を
有するポンプ水車が含まれていると、この相乗効
果によつて必ずしも同時しや断が最も苛酷な条件
になるとは限らない。今、上池側管路を共有した
２台のポンプ水車が負荷しや断されたとして案内
羽根を初期急速閉鎖の継続が不足して第３図のよ
うに閉鎖し、結果的に案内羽根の初期急速閉め込
み中に生ずる案内羽根上流側水圧の最高値より、
回転数が下降に転じた直後にＳ字特性に突入する
ことによつて自然に達する該上流側水圧の最高値
の方が高くなつた場合の計算結果の一例を第６図
に実線で示す。第６図は縦軸は上池側管路に生ず
る最大水圧値、横軸は１台目と２台目の負荷しや
断の時間差を示す。この図の実線より明らかなよ
うに時間差０秒即ち同時しや断の場合に比べて時
間差が増すにつれて最大水圧値が上昇し、時間差
４秒のとき最大に達した。このように時間差によ
つて現われる最大水圧値が変る場合には、設計段
階では真の最大値を把むために時間差をパラメー
タにした数多くのケースのコンピユータ解析を実
行する必要がある。また、試験段階に入つても真
の最大値を把むために時間差をパラメータにした
数多くのケースにつき実際に負荷しや断テストを
実施して確認する必要が生ずる。これらのコンピ
ユータ解析、負荷しや断試験は時間を要するばか
りでなく、実際に負荷しや断試験を何回も実行す
ることになり電力系統への迷路が大きくしかもポ
ンプ水車や発電電動機自身の損傷を早めかねな
い。

ところで従来は上記Ｓ字特性による異常な相乗
効果の存在を認識せずに各水車やポンプ水車の案
内羽根の閉鎖方法を決定していた。

水車負荷急減又は水車負荷しや断の際の案内羽
根閉鎖方法としては従来第２図のような各種の方
法が公知となつている。

第２図ａは水車流量は回転上昇すれば減少し、
低下すれば増加するという通常の特定を想定し、
前述のような高落差ポンプ水車特有の逆特性、即
ち、Ｓ字特性に対し考慮していない。即ち負荷し
や断後ポンプ水車の回転数が上昇することに着目
しこの回転上昇に伴うポンプ水車の流量減少のみ
を配慮して、回転上昇が続く限り案内羽根の閉動
作を避けて回転数上昇による流量減少効果と案内
羽根による流量減少効果が重ならないように即
ち、回転上昇中は案内羽根が閉めなうようにした
ものであるが、実際には回転数が最高値を越えて
降下し始めた後にこそ運転点がＳ字領域に入りこ
こで急激に流量減少が起る。この事実に立てばこ
こでこそ緩閉鎖すべきであるが実際には急閉鎖を
始めてしまうことになる。この点でＳ字特性を有
するポンプ水車には採用できない。

ｂはａより積極的で回転数上昇中は案内羽根を
開せしめ回転上昇による流量減少を案内羽根の開
動作による流量増加で相殺せしめんとしたもの
で、もちろんＳ字特性に対しては適用できない。

ｄは最初は速くし、水圧変動値が大きくなつて
きたらその以上の上昇を抑えるべく、途中で腰折
させるというものでＳ字特性の有無に関係なく広
く採用されている方法である。しかしこの閉鎖方
法によつて複数のポンプ水車が負荷しや断したと
き、管路の最大水圧値がどのようになるのか不明
である。

また、ｃは特公昭49―40902号公報に示される
本発明に最も近い例であるが、この公報の記載か
らも明らかなように∂Ｑ／∂Ｎ（但しＱは水車流
量、Ｎは回転数）が負の大きな値をとるような水
車領域で緩閉鎖すると規定しており最も問題視す
べき∂Ｑ／∂Ｎが逆に正となるＳ字特性領域に対
して言及していない。もちろん管路を共有する複
数台のポンプ水車の負荷しや断時の案内羽根閉鎖
方法についての検討はなされてない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

また、ｃ，ｄに見られる閉鎖方法では、負荷し
や断直後の案内羽根の急速閉鎖速度ないしは、閉
鎖開度をどの程にしたら良いかの指針がなく、モ
デル水車もしくは、実際の水車で、案内羽根を
種々のパターンで閉鎖してみて、閉鎖時の水圧上
昇から最適パターンを見つけていたが、管路を共
有する複数台のポンプ水車にあつては、互に水圧
変動が他のパターン水車に影響を与えるため、最
適パターンを見つけるためにすべてのケースにつ
いて、しや断試験を行わなければならなかつた。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その
目的とするところは、管路を共用する複数台のポ
ンプ水車が、どのような状態で負荷しや断が生じ
ても、上池側管路に生ずる水圧が過大とならない
案内羽根の閉鎖方法を提供することにある。

〔問題点を解決するたるの手段〕

上記目的は１台のポンプ水車の定格負荷から負
荷しや断の場合を基本とし、この時回転降下開始
直後のＳ字特性領域突入による水圧最高値と、負
荷しや断直後の水圧最高値とが略等しくなるよう
に負荷しや断直後の案内羽根の急速閉鎖速度及
び、その閉め込み開度を設定することにより達成
される。

〔作 用〕

１台のポンプ水車の案内羽根閉鎖の特性は、第
３図に示すパターンで閉じたときには、上池側水
圧は、Ｓ字領域に入つたときの方が負荷しや断直
後の案内羽根急閉後（ガイドベーンサーボモータ
ストロークで示している。）の水圧よりも高くな
つているが、負荷しや断直後の急閉速速度及び、
案内羽根を低開度領域まで閉め込むことにより、
負荷しや断直後の水圧が上昇し、Ｓ字領域の水圧
が低下する。急閉速度及び閉じ込み開度を調整す
ることにより、第５図に示す如くΔH₁とΔH₂が
ほぼ等しい値となる。このとき、ΔH₁もΔH₂も
第３図の上池側水圧の最高値よりも小さくなる。
なぜならば、第５図の閉鎖方法の方が負荷しや断
直後の案内羽根の閉め込みの度合が大きい（すな
わち案内羽根の低い開度まで閉め込まれる）の
で、Ｓ字領域に突入したときの案内羽根開度が小
さいため、Ｓ字特性の影響が小さくなるためであ
る。

そして、第５図のような閉鎖方法を採用した場
合、複数台のポンプ水車を同時もしくは時間差を
もつて負荷しや断した場合、相互の干渉によつて
上池側水圧が最大となるのは、同時しや断の場合
である。つまり、相互のポンプ水車の負荷しや断
直後の水圧上昇ΔH₁が同時に生ずる場合であり
この同時しや断の場合についての解析を行えば、
他の時間差しや断の場合は、同時しや断よりも水
圧上昇が大きくなることはない。

したがつて、単独運転における定格負荷から負
荷しや断を行うに当り、負荷しや断直後の上流側
水圧上昇ΔH₁がその後Ｓ字領域に入つて生ずる
上流側水圧上昇ΔH₂はほぼ等しくなるように負
荷しや断直後の案内羽根の閉め込み速度及び閉め
込み開度を設定し、この速度及び開度まで急速に
閉鎖し、その後ゆるやかに閉鎖する方法を採用す
れば複数のポンプ水車がどのような状態で負荷し
や断を行つても、上流側に生ずる水圧上昇が過大
となることがない。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を第５図によつて説明す
る。図より明らかなように案内羽根（ガイドベー
ン）の初期閉め込み速度を速くしたり、閉め込み
巾を大きくして第３図の従来例より小開度まで一
気に急閉鎖し、この時生ずる水車上流側水圧上昇
ΔH₁がその後Ｓ字領域に入つてから生ずる水車
上流側水圧上昇ΔH₂よりも高くする。これに応
じて水車下流側水圧低下の巾もΔH₁の時の方が
大きく、ΔH₂の時の方が小さくなる。なお、案
内羽根の初期閉め込みの段階をより詳しく説明す
ると次のようになる。負荷しや断が生じると回転
数は上昇し、図示していない調速機は案内羽根を
全力で閉め込むように動作するがこの調速機によ
る自動閉め込み作用を受けて動作する調速機内の
配圧弁のプランジヤーの変位の制限値を負荷しや
断直後の初期閉め込み中のみ大きく設定し、その
後は案内羽根が所定開度まで閉め込まれたという
条件で（又は他の公知の判定条件を用いて）該配
圧弁プランジヤーの制限値を小さな値に自動切換
せしめる。かくして、初期閉め込み速度は速く、
その後の閉め込み速度はより緩かなものとなり図
のように腰折状態となる。上述のごとく初期閉め
込みの巾を従来より大きくしたため、その後迎え
るＳ字特性曲線の大きさがより圧縮できてΔH₂
もそれだけ小さなものとなつている。この結果、
管路を共有した複数のポンプ水車が同時に負荷し
や断された時の水車上流側水圧上昇に最高値は、
丁度ΔH₁の時点であり、この値がいかなる時間
差しや断の際に生ずる水圧上昇値より高くなる。
第５図の特性でΔH₁とΔH₂とが略等しくなる初
期閉め込み速度と閉め込み巾を求めるには、ポン
プ水車の単独運転において、初期閉め込み速度及
び閉め込み巾を種々変えて実験しΔH₁とΔH₂を
測定することにより求められる。特にΔH₁は、
初期閉め込み速度が速い程、また閉め込み巾が大
きくなる程大きくなる傾向を示すので、数回の実
験によりΔH₁＝ΔH₂となる初期閉め込み速度及
び閉め込み巾を見つけ出すことができる。

また、第５図ではＳ字領域を脱出した後案内羽
根を再び急速に閉めているが、これはその後の水
圧の振り戻し作用により再びＳ字領域に突入しな
いよう一気に収束を図つたものである。しかし二
点鎖線のように緩閉鎖を継続し、水圧の振り戻し
により再びＳ字領域に突入してもその時の案内羽
根開度はかなり小さくなつているはずで、Ｓ字特
性の大きさもそれ相当に縮小されており、それま
でに経験する水圧値よりも大きな変動が生ずる心
配はない。

ところで第１図から明らかなようにＳ字特性に
入るのはトルクが略零になる点で、これは即ち回
転数の上昇が止み下降が始まる点に他ならない。

そこで回転数が最高値に達する時点より前即ち
Ｓ字の外にある内に案内羽根を早めに閉め込む方
法が簡単で有力となる。

〔発明の効果〕 本発明によれば、同時しや断時、上池側管路に
生ずる水圧値が最大となり、これによつて時間差
しや断を対象にした水圧値変動の解析や試験が全
く不要となり、上流側水圧上昇が過大とならない
案内羽根閉鎖方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ＡはＳ字特性を有するポンプ水車の流量
特性（N₁―Q₁）グラフ第２図Ｂは同じくトルク特
性（N₁―T₁）グラフ、第２図ａ〜ｄは従来の負荷
しや断時の案内羽根閉鎖方法を示す線図、第３図
は従来の案内羽根閉鎖方法を採用した場合のポン
プ水車の動特性を示す線図、第４図は第３図等の
従来技術のＳ字特性上での説明図、第５図は本発
明の一実施例を示す案内羽根閉鎖方法を用いた場
合のポンプ水車の動特性を示す線図、第６図は本
発明と従来技術による上流側管路に生ずる最大水
圧値の比較線図である。 Ｎ……回転数、Ｈ……有効落差、Ｑ……水車流
量、Ｔ……水車トルク、N₁……単位落差当りの
回転数、Q₁……単位落差当りの水車流量、T₁…
…単位落差当りの水車トルク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下池側または上池側の管路が他の水車または
   ポンプ水車と合流し、この合流点以遠の管路を共
   有するごとく配置される複数のポンプ水車を有
   し、これらポンプ水車の各々が水車領域において
   Ｓ字特性、いわゆる （但しＮは回転数、Ｈは有効落差）の比較的高
   い領域においてN₁の低下に伴いQ₁＝Ｑ／√
   （但しＱは水車流量）やT₁＝Ｔ／Ｈ（但しＴは水
   車の発生トルク）が低下する特性を有し、個々の
   ポンプ水車が発電運転中において負荷しや断され
   たとき案内羽根を急速に閉鎖し、しかるのち少く
   とも一度は緩閉鎖に移行して閉鎖するポンプ水車
   案内羽根閉鎖方法において、前記案内羽根を急速
   に閉鎖する閉鎖速度及び閉め込み巾は、ポンプ水
   車の単独運転時に定格負荷から負荷しや断したと
   き負荷しや断直後にポンプ水車の回転数が最高値
   に達し、下降に転じた直後で上記緩閉鎖続行中に
   Ｓ字特性に突入することによつて自然に再上昇す
   る案内羽根上流側水圧が、上記急速閉鎖中の最高
   水圧と略等しくなる案内羽根の上記急速閉鎖速度
   及び閉め込み巾とほぼ一致するようにしたことを
   特徴とするポンプ水車の案内羽根閉鎖方法。