JPH0323376A - 水力機械及びその運転制御方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は水力機械及びその運転制御方法に係り、特に高
落差、高速化を達成させるために高い定格回転速度の設
定できる水力機械及びその運転制御方法に関する。

（従来の技術） 近時、水力機械の高落差、高速化が進められるなかで、
従来のように落差が比較的小さい低速の水力機械では経
験されなかった種々の振動問題が発生している。特にラ
ンナにおいて、定格回転速度がランナの固有振動数近傍
あるいは固有振動数より高い回転数に設定されるように
なったため、ランナの共振現象が問題となってきている
。第７図は従来の水力機械の一例を示したものであり、
図中符号２１は水車主軸を示し、この水車主軸２１の下
端にはランナ２２が固着されている。このランナ２２は
Ｚｒ枚のランナ羽根を有し、ランナ室２３内で回転でき
るようになっている。このランナ室２３は上カバ−２４
と下カバー２５とで囲まれていて、上カバー２４とラン
ナ２２上面とによりランナ背圧室２６が形成されている
。また、下方において、下カバー２５とランナ２２下面
とによりランナ側圧室２７が形成されている。ランナ室
２３の外側の流路３０内にはＺ　枚の可動ガｇ イドベーン２８と固定ステーベーン２９が配置されてい
る。このステーベーン２９の外側には渦巻きケーシング
３１が設けられている。第８図はランナ２２の外周部分
を示し、このランナ２２の上方にはランナ背圧室２６が
形成されている。このランナ背圧室２６の外周には外周
９２４ａが一体的にランナ羽根２２ａ上端付近まで形威
され、その外側に流路３０が連設されている。このラン
ナ２２と外周！２４ａとの間にはギャップ量Ｓの隙間３
２が設けられている。同様に、ランナ室下部のランナ側
圧室２７と外周璧内面との間にもギャップ量Ｓの隙間が
設けられている。

ところで、この種の水力機械では、高速回転するランナ
羽根と静止しているガイドベーンとが相互に干渉して衝
撃的な水圧脈動が発生し、さらに、この水圧脈動がラン
ナの表面に伝播してこのランナに振動を生じさせること
が知られている。このランナの振動時の振動周波数ｆ　
は ｒ 次式（１）で表すことができる。

ｆ　　＝Ｎ−Ｚ　　／６０　　（Ｈｚ）−（１）ｒｒ ここで、Ｎ：ランナの回転速度（ｒｐｍ）したがって、
この振動周波数ｆ　とランナの水『 中固有振動数とが一致すると、ランナは共振状態になり
、過大な振動応力が継続的にランナに作用するようにな
る。この結果、ランナが疲労破壊するおそれがある。こ
のため、高落差を有する水力機械等の設計においては、
ランナが共振状態にならないように固有振動数と振動周
波数ｆ　とを一『 致させないための検討がなされている。Ｐ４えば、水力
機械の模型試験等から実機ランナの水中固Ｈ振動数を推
定し、実機の運転状態で共振が生じないことを事前に確
認したり、共振の発生が予想される場合には、ランナの
形状を変更する等の対策がとられている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、現在その台数が増えつつあるロＩ変速型
水力機械では、運転状態に応じて各種の回転速度が設定
されるため、設定回転速度によってはランナの固有振動
数と振動周波数とが近づき、共振状態が発生するおそれ
がある。このような状況において、従来の設計方法やラ
ンナ形状では水力機械の共振現象を完全になくすことは
困難であった。その結果、ランナの長期的強度の信頼性
において問題があった。そこで、本発明の目的は、上述
した従来の技術が有する問題点を解消し、水力機械のす
べての設定運転領域において、ランナの固有振動数と振
動周波数とが一致しないような構造の水力機械を提供し
、さらに、変速運転時においても、ランナの固有振動数
と振動周波数とが一致しないような水力機械の運転制御
方法を堤供することにある。

〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は水力機械のランナ
の外周端の外側であって上カバーの側に環状の上部シリ
ンダ室を形成するとともに、上記ランナの外周端の外側
であって下カバーの側に環状の下部シリンダ室を形成し
、これらのシリンダ室内に上下動可能なシリンダゲート
をそれぞれ組込み、このシリンダゲートをランナ室内に
出没させてランナ外周端とランナ室外周壁との間のギャ
ップ量を可変にするようにしたことを特徴とし、さらに
、この水力機械において、調相運転等のランナ空転起動
時には、シリンダゲートをシリンダ室内に格納してラン
ナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を大きく
とり、発電時又は揚水運転時には、シリンダゲートをラ
ンナ室内に突出してランナ外周端とランナ室外周壁との
間に挿入し、ランナ外周端とランナ室外周壁との間のギ
ャップ量を狭めるようにゲート操作を行い、そして、変
速運転させる場合に、設定回転速度が共振回転速度より
小さい範囲では、シリンダゲートをシリンダ室内に格納
してランナ外周端とランナ室外周璧との間のギャップ量
を大きくとり、設定回転速度が共振回転速度より大きい
範囲では、シリンダゲートをランナ室内に突出してラン
ナ外周端とランナ室外周壁との間に挿入し、ランナ外周
端とランナ室外周壁との間のギャップ量を狭めるように
ゲート操作を行い、ランナの固有振動数と振動周波数と
が一致しないようにさせる水力機械の運転制御方法を特
徴とする。

（作　用） 本発明によれば、水力機械のランナの外周端の外側であ
って上カバーの側に環状の上部シリンダ室を形成すると
ともに、上記ランナの外周端の外側であって下カバーの
側に環状の下部シリンダ室を形成し、これらのシリンダ
室内に上下動可能なシリンダゲートをそれぞれ組込み、
このシリンダゲートをランナ室内に出没させてランナ外
周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を変化させる
ことができる。

ところで、このギャップ量の変化は、水力機祉のランナ
の共振特性に以下のような影響を及ぼすことが知られて
いる。すなわち、第４図に示すようにランナの振動によ
りランナに発生する変動応力Δσは回転速度を変化させ
た場合にランナの水中固有振動数近傍で高いピーク値を
示す。このとき、ランナ外周縁とランナ室外周壁との間
のギャップ量Ｓを狭くすると、ランナの水中固Ｈ振動数
は低くなり、応力のピークは低い回転速度で発生する。

逆に、ギャップ量Ｓを広くすると、ランナの水中固有振
動数は高くなり、応力のピークは高い回転速度で発生す
る。

したがって、ランナ外周端とランナ室外周壁との間のギ
ャップ量Ｓを適正に変化させることですべての設定運転
領域において、ランナの水中固有振動数と振動周波数と
が一致しないようにすることができ、その結果、ランナ
の共振現象を防止することができる。

（実施例） 以下本発明による水力機械の一実施例を第１図乃至第３
図を参照して説明する。第１図において、図中符号１は
水車主軸を示し、この水車主軸１の下端にはランナ２が
固着されている。このランナ２は２　枚のランナ羽根２
ａ有し、ランナ室３山『 で回転できるようになっていて、このランナ室３は上カ
バー４と下カバー５とで囲まれており、上カバ−４とラ
ンナ２上面とによりランナ背圧室６が形成されている。

このランナ背圧室６の外周端に水車主軸１の軸心を中心
とする環状の上部シリンダ室７が形成されている。この
シリンダ室７には円筒形状のシリンダゲート８が上下動
可能に格納されており、このシリンダゲート８はランナ
背圧室６側に設けられた開口からその一部がランナ室３
に突き出せるようになっている。他方、ランナの下カバ
ー５側には下部シリンダ室９が形成されている。この下
部シリンダ室９は、上部シリンダ室７と上下反転した形
状をなし、ランナ側圧室１０側に開口を有している。こ
の下部シリンダ室９にも円筒形状のシリンダゲート１１
が上下動可能に格納されており、上記開口からその一部
がランナ室３に突き出せるようになっている。本実施例
においては、これらのシリンダゲート８、１１は上記シ
リンダ室７、９の外部に設けられた油圧ジャッキ等によ
り全周が均一に上下動できるようになっている。

第２図及び第３図により上側のシリンダゲート８の位置
とギャップ量との関係について説明する。

第２図はシリンダゲート８がシリンダ室７からランナ室
外周壁４ａに沿って突き出され、ランナ２外周端とラン
ナ室外周壁４ａとの間に神人された状態を示している。

このとき、シリンダゲート８の下端はランナ羽根２ａの
上端と流路の頂部に一致する位置まで突き出され、ラン
ナ２外周端とシリンダゲート８の内面との間にはギャッ
プＱＳｎの隙間１２が形成されている。また、第３図は
シリンダゲート８がシリンダ室内７に格納された状態を
示している。このとき、ランナ２外周端とランナ室外周
壁４ａとの間にはギャップ量ＳＲの隙間１２が形成され
ている。このギャップｆｉｓｎ，Ｓｇは第７図に示すよ
うな従来の同規模の水力機械において共振状態を励起さ
せるようなギャップ量ＳＯに対して次式のような関係に
ある。

Ｓｎ＜Ｓｏ＜ＳＪ なお、上記シリンダゲート８に対向する下部のシリンダ
ゲート１１によっても等しいギャップ量の隙間１２が設
定できるようになっている。

次に、調相運転等のランナ空転起動時及び発電、揚水運
転時の本発明に係るシリンダゲートのゲートの運転制御
方法について説明する。調相運転等のランナ空転起動時
には、ランナの空転時の発熱によりランナが熱膨張して
外径が大きくなり、ランナ外周端がランナ室外周璧に接
触するおそれがある。そこで．３１相運転等のランナ空
転起動時には、シリンダゲートをシリンダ室内に格納し
てランナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を
大きくとり、回転するランナの外周端がランナ室外周壁
に接触することを防止することができる。

また、ランナ外周端とランナ室外周壁とのｌＬ’ｆのギ
ャップ量を大きくしたままで、ボンブ内に充水して発電
又は揚水運転を行うと、第５図に示す特性曲線ｂに示す
ように設定した定格回転速度ＮＯにおいて共振状態を励
起させるような場合がある。

その場合には、シリンダゲートをランナ室内に突出して
ランナ外周縁とランナ室外周壁との間にＪ＋ｊ人して、
ランナ外周縁とランナ室外周壁との間のギャップｊｉｌ
ｓｎとなるように狭め、特性■線ａのようにすることが
でき、定格回転速度ＮＯにおいてランナに発生する変動
応力を減らすことができる。

さらに、ランナの回転速度Ｎを共振回転速度ＮＯを中央
値としてＮ＝Ｎｌ〜Ｎ２まで変速運転させる場合の運転
制御方法を第６図によって説明する。第６図において、
ギャップ量ＳＯを有する水力機械のランナの共振回転速
度をＮＯとすると、ランナの共振特性は曲線ａのように
なる。また、ギャップ量がＳｎの場合のランナの共振特
性は曲線ｂのようになり、ギャップ量がＳＲの場合のラ
ンナの共振特性は曲１１ｃのようになる。曲線ｂ１Ｃの
場合の共振回転速度をＮＩＳＮ２とする。このとき、本
実施例は、設定回転速度ＮがＮｌ＜Ｎｏ＜Ｎ２の範囲で
ある変速運転において、ランナの水中固有振動数と振動
周波数とが一致しないようにすることを可能にしている
。すなわち、設定回転速度Ｎ＝Ｎｌ〜ＮＯの範囲ではシ
リンダゲートをシリンダ室内に格納してランナ外周縁と
ランナ室外周壁との間のギャップ量を５１とし、さらに
、設定回転速度Ｎ＝Ｎｏ＝Ｎ２の範囲ではシリンダゲー
トをランナ室内に突出してランナ外周縁とランナ室外周
壁との間に押入し、ランナ外周縁とランナ室外周壁との
間のギャップ量をＳｎとなるようにゲート操作を行う。

このような制御を行えば、設定回転速度ＮがＮｌ＜ＮＯ
＜Ｎ２の範囲で変化する時にも曲線２（太線）で示すよ
うにランナの共振特性を低く抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、水力
機械のランナの外周端の外側であって上カバーの側に環
状の上部シリンダ室を形成するとともに、上記ランナの
外周端の外側であって下カバーの側に環状の下部シリン
ダ室を形成し、これらのシリンダ室内に上下動可能なシ
リンダゲートをそれぞれ組込み、このシリンダゲートを
ランナ室内に出没させてランナ外周端とランナ室外周壁
との間のギャップ量を可変にするようにしたので、水力
機械の』（振特性を容易に変えることができ、ランナの
水中固有振動数と振動周波数とが一致しないように水力
機械を運転制御することが可能になり、ランナが継続的
な共振状態に置かれることがなくなる。その結果、ラン
ナに坐じる疲労破壊等を防止できるという効果を有する
。また、調相運転時等に生じるランナの損傷を防止でき
る等の効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水力機械の一実施例を示す横断面
図、第２図及び第３図は本発明によるシリンダゲートを
昇降させた状態を示す一部横断面図、第４図はギャップ
量とランナの共振特性曲線との関係図、第５図は他の実
施例による定格回転速度（ＮＯ）運転時におけるランナ
の共振特性曲線図、第６図は他の実施例による変速運転
時における運転制御方法のランナの』（娠特性曲線図、
第７図は従来の水力機緘の一実施例を示す一部横断面図
、第８図は同じく一部横断面図である。 ２・・・ランナ、３・・・ランナ室、４・・・上カバー
５・・・下カバー、６・・・ランナ背圧室、７、９・・
・シリンダ室、１０・・・ランナ側圧室、８、１１・・
・シリンダゲート

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上カバーと下カバーとで囲まれたランナ室内にラン
   ナを配置した水力機械において、上記ランナの外周端の
   外側であって上カバーの側に環状の上部シリンダ室を形
   成するとともに上記ランナの外周端の外側であって下カ
   バーの側に環状の下部シリンダ室を形成し、これらのシ
   リンダ室内に上下動可能なシリンダゲートをそれぞれ組
   込み、このシリンダゲートをランナ室内に出没させてラ
   ンナ外周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を可変
   にするようにしたことを特徴とする水力機械。 ２、調相運転等のランナ空転起動時には、シリンダゲー
   トをシリンダ室内に格納してランナ外周端とランナ室外
   周壁との間のギャップ量を大きくとり、発電時又は揚水
   運転時には、シリンダゲートをランナ室内に突出してラ
   ンナ外周端とランナ室外周壁との間に挿入し、ランナ外
   周端とランナ室外周壁との間のギャップ量を狭めるよう
   にゲート操作を行うことを特徴とする水力機械の運転制
   御方法。 ３、ランナの回転速度Ｎを共振回転速度Ｎ０を中央値と
   してＮ＝Ｎ１〜Ｎ２まで変速運転させる場合に、設定回
   転速度Ｎが共振回転速度Ｎ０より小さい範囲では、シリ
   ンダゲートをシリンダ室内に格納してランナ外周端とラ
   ンナ室外周壁との間のギャップ量を大きくとり、設定回
   転速度Ｎが共振回転速度Ｎ０より大きい範囲では、シリ
   ンダゲートをランナ室内に突出してランナ外周端とラン
   ナ室外周壁との間に挿入し、ランナ外周端とランナ室外
   周壁との間のギャップ量を狭めるようにゲート操作を行
   うことを特徴とする水力機械の運転制御方法。