JP2020002785A - バルブ水車 - Google Patents

Abstract

【課題】ランナベーンとディスチャージリングとの接触を抑制できるバルブ水車を提供すること。
【解決手段】
本発明の実施形態によれば、発電機を内蔵するバルブと、前記バルブから所定の間隙を介した外周に設けられ、この外周と前記バルブとの間に流路を形成するケーシングと、前記バルブの下流側に連結されるランナと、前記ランナの外周を囲うディスチャージリングと、前記バルブおよび前記ディスチャージリングを前記流路を介して固定する固定部と、前記ケーシングと前記ディスチャージリングとの間に設けられる連結部と、を備え、前記ディスチャージリングは、前記連結部を介して前記ケーシングに連結されることにより、前記バルブに追従可能に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、バルブ水車に関する。

バルブ水車には斜流水車、カプラン水車、バルブ水車などの軸流水車がある。例えばバルブ水車の場合、流水の水路であるケーシングの内部に、発電機の筐体であるバルブが設けられる。バルブの下流側にはランナが設けられ、このランナと発電機とが回転軸を介して連結される。

バルブは、ステーベーンを介してケーシングの外周に打設された基礎に固定される。すなわち、ステーベーンの一端はバルブの外周面に固定され、その他端はケーシングの内周面を貫き、基礎に埋め込まれて固定される。これにより、バルブがステーベーンを介して水路内部に保持される。

ランナの外周は、ディスチャージリングに囲われている。ランナの外周面とディスチャージリングの内周面との間には所定の間隙が設けられるが、この間隙が大きいほど、ランナおよび発電機の回転駆動に寄与しない漏れ流れが多くなる。したがって、一般的にはこの間隙は小さく設計される。

特開昭６２−４１９７２号公報 実開昭６２−１６９２６６号公報

しかしながら、バルブ水車においては、バルブの支持剛性の不足、流水の圧力分布の偏り、あるいは水圧脈動等に起因してバルブが固定位置から変位する場合がある。バルブが変位すると、バルブに収容された発電機およびこの発電機に連結されたランナがバルブに追従して変位し、ランナとディスチャージリングとの接触事故を引き起こす可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ランナベーンとディスチャージリングとの接触を抑制できるバルブ水車を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態のバルブ水車によれば、発電機を内蔵するバルブと、前記バルブから所定の間隙を介した外周に設けられ、この外周と前記バルブとの間に流路を形成するケーシングと、前記バルブの下流側に連結されるランナと、前記ランナの外周を囲うディスチャージリングと、前記バルブおよび前記ディスチャージリングを前記流路を介して固定する固定部と、前記ケーシングと前記ディスチャージリングとの間に設けられる連結部と、を備え、前記ディスチャージリングは、前記連結部を介して前記ケーシングに連結されることにより、前記バルブに追従可能に構成される。

第一の実施形態に係るバルブ水車の概要図である。 第一の実施形態の変形例に係るバルブ水車の概要図である。 第二の実施形態に係るバルブ水車の概要図である。 第二の実施形態に係るガイドベーンをＡ−Ａ方向からみた断面図である。 第二の実施形態の変形例に係るガイドベーンの断面図である。 第三の実施形態に係るバルブ水車の概要図である。 第三の実施形態に係るガイドベーンをＢ−Ｂ方向からみた断面図である。

本発明の第一から第三の実施形態について説明する。各実施形態では、後述するディスチャージリングが固定部を介してバルブに固定され、バルブの変位や振動に追従して可動する。これにより、ディスチャージリングとランナベーンとの接触を抑えることができる。各実施形態では、固定部の種類とその固定方法に違いがある。以降では、各実施形態について詳細に説明する。なお、以降の説明では、水車運転時における上流側を単に上流側、水車運転時における下流側を単に下流側と表記する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態に係るバルブ水車について、図１を用いて説明する。図１は、第一の実施形態に係るバルブ水車の概要図である。図１に描かれた矢印は、流水の流れ方向を表す。本実施形態におけるバルブ水車１は、ケーシング２と、バルブ３と、第一のステーベーン４と、第二のステーベーン５（固定部）と、ガイドベーン６と、ランナ７と、ディスチャージリング８と、吸出し管９と、フレキシブルジョイント１０ａおよび１０ｂから構成される。つまり、ディスチャージリング８の固定部として第二のステーベーン５が設けられる。

ケーシング２は、上池（図示していない）からの流水を導入する水路であり、例えば鉄管等によって形成される。本実施形態におけるケーシング２とは、流水の水路のうち、後述するディスチャージリング８よりも上流側の部分を指し、一般的な水車に設けられるガイドベーン外筒などは含まれない。ケーシング２の外周側には、基礎が打設される。

バルブ３は発電機（図示していない）を収容する筐体であり、ケーシング２の内部に配置される。ここでいうケーシング２の内部に配置とは、少なくともバルブ３の上流側の端部がケーシング２に囲われていることを示し、必ずしもバルブ３全体がケーシング２の内部に収容されることに限定されるものではない。

第一のステーベーン４は、バルブ水車１の固定羽根である。第一のステーベーン４の一端はバルブ３の外周面に固定され、その他端はケーシング２の内周面を貫き、基礎に固定される。これにより、第一のステーベーン４を介してバルブ３がケーシング２に連結される。ここでいう第一のステーベーン４は、バルブ３をケーシング２の内周面に保持できればよく、従来のステーベーンのように、バルブの変位や振動を抑える程度に固定する必要はない。

第二のステーベーン５は、バルブ水車１の固定羽根であると共に、バルブ３を後述するディスチャージリング８に固定する固定部である。この第二のステーベーン５は、その一端がバルブ３の外周面に、他端がディスチャージリング８の内周面にそれぞれ固定される。また、第二のステーベーン５は、バルブ３およびディスチャージリング８を固定できる程度の翼長や厚さ、例えば第一のステーベーン４の翼長や厚さの一割から半分程度に設計されればよく、その設計値は特定の値に限定されない。

ガイドベーン６は、第一のステーベーン４および第二のステーベーン５よりも下流側かつ後述するランナベーン７ｂよりも上流側に設けられ、その開度を変えることによりケーシング２からランナ７に流れる流水の流量を調整する。

ランナ７は、ランナボス７ａと、ランナベーン７ｂを有する。ランナボス７ａは、回転主軸ＡＸを介して発電機（図示していない）に連結され、その外周にはランナベーン７ｂが設けられる。

ディスチャージリング８は流水によって回転しない静止部であり、ランナベーン７ｂとの間に微小な間隔を設けてその外周を囲う。本実施形態におけるディスチャージリング８とは、ケーシング２と吸出し管９との間に設けられた部分を指す。すなわち、このディスチャージリング８は、一般的なバルブ水車のディスチャージリングに加え、ガイドベーン外筒などもその一部に含まれる。ただし、このディスチャージリング８はランナベーン７ｂの外周を囲うと共に、第二のステーベーン５（固定部）に固定される固定箇所を有すればよく、本実施形態で例示したように必ずしもガイドベーン外筒などをその一部に含む必要はない。また、ディスチャージリング８の外周面よりも周方向外側には、ディスチャージリング８が変位可能な程度の空間１１が設けられる。この空間１１は、従来のディスチャージリングを据え付けるための既設の空間を用いればよく、必ずしも新たな空間を設ける必要はない。

ディスチャージリング８は、後述するフレキシブルジョイント１０ａおよび１０ｂを介してケーシング２、吸出し管９にそれぞれ連結されると共に、第二のステーベーン５（固定部）を介してバルブ３に固定される。すなわち、ディスチャージリング８は、流水から受ける回転力によっては回転しないものの、バルブ３の変位や振動に伴い第二のステーベーン５を介して力を受けた場合には可動する程度に固定される。

フレキシブルジョイント１０ａおよび１０ｂは、バルブ３に追従してディスチャージリング８が可動できる程度にディスチャージリング８と、ケーシング２および吸出し管９とを連結する連結部であり、本実施形態においては、その両端がフランジ面の蛇腹で構成される。なお、本実施形態におけるフレキシブルジョイント１０ａおよび１０ｂは、ディスチャージリングがバルブに追従可能に連結し、かつ内周側の水密性を保持できる構成であればよく、例えばゴムやゴム引布で構成されてもよい。また、本実施形態ではフレキシブルジョイント１０ａおよび１０ｂを用いてディスチャージリング８を連結させる場合を例示しているが、ディスチャージリング８のいずれか一方の側のみを、フレキシブルジョイント１０ａまたは１０ｂを用いて連結させる構成としてもよい。

すなわち、フレキシブルジョイント１０ａは、その両端に設けられたフランジ面において、ケーシング２の下流側の端面およびディスチャージリング８の上流側の端面とそれぞれ結合する。フレキシブルジョイント１０ｂは、同様にそのフランジ面において、ディスチャージリング８の下流側の端面および吸出し管９の上流側の端面とそれぞれ結合する。

次に、本実施形態の作用について説明する。上池（図示していない）から供給された流水は、ケーシング２、第一のステーベーン４、第二のステーベーン５（固定部）、およびガイドベーン６を順次経てランナ７に供給され、ランナボス７ａおよびランナベーン７ｂ（つまり、ランナ１０）を回転させる。ランナボス７ａが回転することで、ランナボス７ａと共に発電機が回転駆動する。ランナ７から流出した流水は、吸出し管９を経て下池（図示していない）に放出される。

一般的に、このようなバルブ水車においては、定負荷運転よりも少ない流量で運転する部分負荷運転時に渦流が発生しやすく、流水の流量が少ないほど、渦流の渦芯は螺旋状となりやすい。渦芯が螺旋状の渦流が生じると、ランナの回転方向で相対的に水圧の高い領域と低い領域とが発生し、これらの領域が渦芯の振れ回りに応じて周期的に変化（水圧脈動）する。

水圧脈動が生じる状態において、バルブ３は水圧脈動の影響を受けて変位（振動）する。バルブ３が変位した場合、ランナ７はバルブ３に追従して変位する。この際に、ディスチャージリング８が第二のステーベーン５（固定部）を介してバルブ３に連結されるため、ディスチャージリング８もバルブ３に追従して変位する。したがって、ランナ７とディスチャージリング８の双方がバルブ３に追従して変位するため、バルブ３が変位した場合でもランナベーン７ｂおよびディスチャージリング８との間隙を保ち、これらの接触を防ぐことができる。

すなわち、本実施形態では、第二のステーベーン５（固定部）を介してバルブ３とディスチャージリング３とを固定し、バルブ３の変位に追従してディスチャージリング８が動くようにする。一般的に、バルブ３とランナ７とは発電機（図示しない）および回転主軸ＡＸを介して連結されているため、バルブ３が動く場合には、ランナ７とディスチャージリング８が同じように動く。したがって、バルブ３が変位した場合でも、ランナ７のランナベーン７ｂおよびディスチャージリング８との間隙を保つことができ、これらの接触を防ぐことができる。

上述する第一の実施形態によれば、バルブ３とディスチャージリング８とを固定部である第二のステーベーン５を介して固定し、バルブ３の変位に追従してディスチャージリング８が動く構造とすることで、バルブ３が変位した場合でもランナ７とディスチャージリング８との接触を防ぐことができ、ランナ７とディスチャージリング８との間隙をより小さく設計できる。また、ランナ７とディスチャージリング８との接触を防ぐことができるから、第一のステーベーン４は、バルブ３をケーシング２の内周面に保持できる程度の強度を有していればよく、その翼長や厚さを従来よりも小さく設計できる。したがって、第一のステーベーン４の抗力等による損失を抑えることができる。

なお、本実施形態においては、ランナベーン７ｂよりも上流側、かつ第一のステーベーン４よりも下流側に第二のステーベーン５（固定部）が設置される場合を例示して説明したが、第二のステーベーン５は、バルブ３とディスチャージリング８とを固定できればよく、その設置位置は限定されない。

また、本実施形態の変形例として、例えばディスチャージリング８と吸出し管９とを一体の構造としてもよい。また、本実施形態の他の変形例として、例えば図２に示すように、ディスチャージリング８に変位減衰装置１１を設けてもよい。このような構成とすることで、第一の実施形態と同様の効果に加え、ディスチャージリング８を介してバルブ３の変位をより早く抑制することもできる。したがって、第一のステーベーン４をさらに小さく設計し、第一のステーベーン４で生じる流れ損失をさらに抑えることができる。

（第二の実施形態）
第二の実施形態に係るランナベーンおよびバルブ水車について、図３および図４を用いて説明する。図３は、第二の実施形態に係るランナベーンの拡大図であり、図４は、第二の実施形態に係るランナベーンをＡ−Ａ方向からみた断面図である。以降では、第一の実施形態と異なる箇所について説明し、それ以外の箇所は第一の実施形態と同じものとして、ここではその説明を省略する。図３に示すように、本実施形態におけるバルブ水車１は、ケーシング２と、バルブ３と、第一のステーベーン４と、ランナ７と、ディスチャージリング８と、吸出し管９と、フレキシブルジョイント１０ａおよび１０ｂと、ガイドベーン１６から構成される。本実施形態では、ディスチャージリング８の固定部として、後述するガイドベーン１６のガイドベーン内軸１６ａが設けられる。

ガイドベーン１６は、翼であるガイドベーン本体の他に、ガイドベーン内軸１６ａと、ガイドベーン外軸１６ｂを備え、第一のステーベーン４よりも下流側かつランナベーン７ｂよりも上流側に設けられる。ガイドベーン本体は、その開度を変えることによりケーシング２からランナ７に流れる流水の流量を調整する。

ガイドベーン内軸１６ａは、ガイドベーン１６の固定軸であると共に、バルブ３を後述するディスチャージリング８に固定する固定部である。ガイドベーン内軸１６ａは、その一端がバルブ３の外周面に、他端がディスチャージリング８の内周面にそれぞれ固定される。すなわちガイドベーン内軸１６ａは、従来のガイドベーン軸のように流水からの回転力に耐えうるだけでなく、バルブ３とディスチャージリング８を固定することにより、ディスチャージリング８を支持できる程度の強度を有している。このガイドベーン内軸１６ａの径や長さは、バルブ３とディスチャージリング８とを固定できる程度に設計されればよく、その設計値は特定の範囲に限定されない。また、ガイドベーン内軸１６ａの設置位置は、図面に記載された箇所に限定されない。

ガイドベーン外軸１６ｂは、ガイドベーン内軸１６ａの外周面を囲う中空の回転軸である。ガイドベーン外軸１６ｂはガイドベーン本体と一体に形成され、ガイドベーン外軸１６ｂを介して、ガイドベーン１６のガイドベーン本体の開度を調整する。本実施形態では、ガイドベーン外軸１６ｂの内周面がガイドベーン内軸１６ａの外周面に対して所定の間隙をもって離れている場合を例示して説明するが、この内周面は、ガイドベーン内軸１６ａの外周面と回転摺動可能に接していてもよい。

つまり、図４に示すように、本実施形態におけるガイドベーン１６は、ガイドベーン軸として中空軸であるガイドベーン外軸１６ｂを有し、その中空の部分にバルブ３とディスチャージリング８の固定部であるガイドベーン内軸１６ａを設けている。このような構成を有することにより、ガイドベーンとしての流水の流量を調整する機能を保ちつつ、バルブ３の変位に追従してディスチャージリング８が動くようにすることができる。

上述する第二の実施形態によれば、バルブ３とディスチャージリング８の固定部であるガイドベーン内軸１６ａをガイドベーン１６に設けることにより、第一の実施形態と同様の効果を有することができる。また、ガイドベーン１６の軸を固定部として用いることにより、流路に新たな固定部を設ける必要がなく、固定部を設けたことによる抗力等の損失をさらに抑えることができる。

なお、本実施形態におけるガイドベーン１６は、ガイドベーン本体とガイドベーン外軸１６ｂとが一体に形成される場合を例示して説明しているが、その構造は、ガイドベーン外軸１６ｂを介してガイドベーン１６のガイドベーン本体の開度を調整できればよい。例えば、ガイドベーン本体に設けた勘合部にガイドベーン外軸１６ｂを嵌合してもよいし、図５に示すように、半円形の凹部１７ａを有するガイドベーンの上流側１８ａと、半円形の凹部１７ｂを有するガイドベーン１６の下流側１８ｂとを、溶接等の方法により接合し、この凹部１７ａおよび１７ｂでガイドベーン内軸１６ａを囲んでもよい。

また、本実施形態の他の変形例として、既設のガイドベーン本体にガイドベーン外軸を構成する孔部を設けてもよい。

（第三の実施形態）
第三の実施形態に係るランナベーンおよびバルブ水車について、図６および図７を用いて説明する。図６は、第三の実施形態に係るランナベーンの拡大図であり、図７は、第二の実施形態に係るランナベーンをＢ−Ｂ方向からみた断面図である。以降では、第一および第二の実施形態と異なる箇所について説明し、それ以外の箇所は第一あるいは第二の実施形態と同じものとして、ここではその説明を省略する。図６に示すように、本実施形態におけるバルブ水車１は、ケーシング２と、バルブ３と、第一のステーベーン４と、ランナ７と、ディスチャージリング８と、吸出し管９と、フレキシブルジョイント１０ａおよび１０ｂと、ガイドベーン２６から構成される。本実施形態では、ディスチャージリング８の固定部として、後述するガイドベーン２６の固定部２６ａが設けられる。

ガイドベーン２６は、回動部２６ｂと、固定部２６ａから構成され、第一のステーベーン４よりも下流側かつランナベーン７ｂよりも上流側に設けられる。

固定部２６ａは、ガイドベーン２６のガイドベーン軸よりも下流側を構成する固定羽根であり、バルブ３を後述するディスチャージリング８に固定する固定部である。この固定部２６ａは、その一端がバルブ３の外周面に、他端がディスチャージリング８の内周面にそれぞれ固定される。

回動部２６ｂは、ガイドベーン軸を含むガイドベーン２６の下流側を構成する回転羽根であり、そのガイドベーン翼の開度を変えることによりケーシング２からランナ７に流れる流水の流量を調整する。

つまり、図７に示すように、本実施形態におけるガイドベーン２６は、回動部２６ｂだけがガイドベーン軸周りに回転する。このような構造を有することにより、ガイドベーンとしての流水の流量を調整する機能を保ちつつ、バルブ３の変位に追従してディスチャージリング８が動くようにすることができる。

上述する第三の実施形態によれば、ガイドベーン２６の上流側を固定部２６ａとして設け、この固定部２６ａを介してバルブ３とディスチャージリング８を固定することにより、第一の実施形態あるいは第二の実施形態と同様の効果を有することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１．バルブ水車、２．ケーシング、３．バルブ、４．第一のステーベーン、５．第二のステーベーン、６．ガイドベーン、７．ランナ、７ａ．ランナボス、７ｂ．ランナベーン、８．ディスチャージリング、９．吸出し管、１０ａ、１０ｂ．フレキシブルジョイント、１６．ガイドベーン、１６ａ．ガイドベーン内軸、１６ｂ．ガイドベーン外軸、１７ａ、１７ｂ．凹部、１８ａ．ガイドベーンの上流側、１８ｂ．ガイドベーンの下流側、２６．ガイドベーン、２６ａ．固定部、２６ｂ．回動部

Claims (6)

1. 発電機を内蔵するバルブと、
   前記バルブから所定の間隙を介した外周に設けられ、この外周と前記バルブとの間に流路を形成するケーシングと、
   前記バルブの下流側に連結されるランナと、
   前記ランナの外周を囲うディスチャージリングと、
   前記バルブおよび前記ディスチャージリングを前記流路を介して固定する固定部と、
   前記ケーシングと前記ディスチャージリングとの間に設けられる連結部と、
   を備え、
   前記ディスチャージリングは、前記連結部を介して前記ケーシングに連結されることにより、前記バルブに追従可能に構成されるバルブ水車。
2. 発電機を内蔵するバルブと、
   前記バルブから所定の間隙を介した外周に設けられ、この外周と前記バルブとの間に流路を形成するケーシングと、
   前記バルブの下流側に連結されるランナと、
   前記ケーシングに連結されて前記ランナの外周を囲うディスチャージリングと、
   前記ランナを通過した流水を排出する吸出し管と、
   前記バルブおよび前記ディスチャージリングを前記流路を介して固定する固定部と、
   前記ケーシングと前記吸出し管との間に設けられる連結部と、
   を備え、
   前記ディスチャージリングは、前記連結部を介して前記吸出し管に連結されることにより、前記バルブに追従可能に構成されるバルブ水車。
3. 前記固定部は、前記連結部と前記ランナとの間に設けられる請求項１または２に記載されたバルブ水車。
4. 前記固定部は、ガイドベーンよりも下流側に設けられる請求項１から３のいずれかに記載されたバルブ水車。
5. 前記固定部は、ガイドベーンよりも上流側に設けられる請求項１から３のいずれかに記載されたバルブ水車。
6. 前記固定部は、ガイドベーンの内軸であり、
   前記ガイドベーンは、前記固定部から所定の間隙を介してその外周に回転可能に設けられて前記ガイドベーンの回動中心を構成する外軸を有する請求項１から３のいずれかに記載されたバルブ水車。

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