JPH034748B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はランナを空転運転することのある水力
機械に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

水力発電所の可動ガイドベーンを有する水力機
械のなかで、特に調相運転や揚水待機運転等のた
めにドラフトチユーブ内の水面を押下げてランナ
を空転運転するものがある。

この水力機械の本発明の一実施例および従来例
に共通した部分の概略縦断面図を第１図に示す。
１はランナ、２はガイドベーン、３はカバー、４
はドラフトチユーブ、５は排水管、６はバルブ、
７は開口部、８はケーシングである。水面９を押
下げ、運転を行なう場合、第１図に示すように、
ガイドベーン２を全閉し、ドラフトチユーブ４内
の水面９を圧縮空気で押下げた状態でランナ１を
空転させることにより、負荷トルクを減少させて
電力損失を少なくするようにしている。この場
合、上記圧縮空気の漏洩を防止するため、ランナ
１とカバー３との間のシール部にシール用冷却水
を供給し、またガイドベーン２の外側の水圧を内
側の圧力より高めているので、ガイドベーン２の
僅かな隙間から、かなりの量の水がランナ１側に
漏れる。これらの水は回転するランナ１によつて
遠心力が与えられ、ランナ１の外周に沿つてカー
テン状の滞溜水となる。この滞溜水をランナ１が
かき回すと、反抗トルクにより動力損失が生じ
る。特に調相運転のようにランナ空転時間が長く
なると、滞溜水が増し、動力損失も次第に増加す
る。そして撹伴損失の増大に伴ない、ランナ室内
の温度も上昇し、加えて滞溜水のかき廻しによつ
て不安定な運転状態となり、場合によつては異常
振動を誘発し、水力機械の運転に際しての安全性
並びに機械の寿命を低下する原因となる。

そこで、最近この動力損失を軽減するため、ラ
ンナ１の外周部圧力とドラフトチユーブ側圧力と
の差を利用して、前記の滞溜水をランナ１の外周
部を通してカバー３に設けた排水管５によりドラ
フトチユーブ４へ排出する手段が採用されるよう
になつた。この場合、排水管５からは水だけでな
く圧縮空気も混じつてドラフトチユーブ４内に排
出され、第１図の矢印Ａ，Ｂ，Ｃの方向に放出さ
れる。ランナ空転時はドラフトチユーブ４の円錐
部４ａの途中まで押下げられた水面９がランナ１
の回転方向に従つて回転揺動しているが、前記空
気混じりの滞溜水も、この回転揺動に巻込まれる
格好となる。

次に従来の水力機械の調相運転即ちランナ空転
時のドラフトチユーブ４内の空気混じり滞流水の
排出流の状態を第２図に示す。第２図において１
０はドラフトチユーブ４の排水管５開口部７を含
む水平断面における軸心１１を中心とした仮想円
を示し、この仮想円１０は下池方向中心線１２の
下池反対側端ドラフトチユーブ壁１３と接するも
のである。１４は軸心１１を通り下池方向中心線
１２に直交する直交中心線である。１５はケーシ
ング８の巻方向を示す巻方向略図であつて右巻き
（時計方向）に巻かれていることを示す。矢印Ｇ
はランナの回転方向を示す。しかして、排水管の
開口部７は下池方向中心線１２の下池反対側端ド
ラフトチユーブ壁（以下単に下池反対側端ドラフ
トチユーブ壁と称す）１３からランナ回転方向の
前側約50゜の位置に設けられていた。

このような従来の構造では、開口部７から放出
された空気混じりの滞溜水の一部は第２図中、破
線にて示すような流線Ｘに沿つてドラフトチユー
ブ４のエルボ部内径側最下端部Ｌを通過して、下
池へ排出される。

従つて、調相運転が長時間に及ぶ場合、上述の
ように下池へ排出される空気量も多くなり、押下
げ水面９が上昇する結果となり、場合によつて
は、上昇してきた回転揺動水面９をランナ１のブ
レード（図示せず）がかき上げることになり、多
大な動力損失を生じると共に、水力機械の振動お
よび騒音等を発生する原因となる。この様な事態
を避けるには上昇してきた水面９を事前に検出し
て、コンプレツサから圧縮空気をドラフトチユー
ブ内に補給せねばならず、特に前記の下池へ排出
される空気量が多い場合には、コンプレツサから
の送気も連続的になり、この為、不要に大容量の
コンプレツサあるいは大容量の圧縮容気タンクが
必要となるため、経済的に大きな損失となる。地
下式発電所に設置される水力機械や、立軸形多段
ポンプ水車の場合、機械高さが大になることを嫌
うため、ドラフトチユーブ４の円錐部４ａを短か
くし、堀削量を減らして高価な建設費を軽減しよ
うとする傾向が強いが、この様な場合は特に上述
の空気漏出が発生し易く、圧縮空気の補給量も多
大なものとなる問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明はランナ空転運転の際、ドラフトチユー
ブの円錐部の長さが短かくても、圧縮空気が下池
へ逃げる量を少なくし、常に安定した押下げ水位
を保ちながら、しかも適度なガイドベーンとラン
ナとの間の滞溜水排出を行ない、安全で高効率に
空転運転を行ない得る水力機械を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明においては、カバー内にガイドベーンと
ランナを有し、ドラフトチユーブ内の水面を押下
げてランナを空転させることのある水力機械にお
いて、ガイドベーンからの漏水又はシール冷却水
をカバーからドラフトチユーブへ排水する開閉用
バルブ付きの排水管をドラフトチユーブの側面に
開口させ、その開口部を含むドラフトチユーブ水
平断面の下池側に向けた下池方向中心線の下池反
対側端ドラフトチユーブ壁からランナ軸心に対し
てランナ空転方向の後側へ0゜ないし90゜の範囲内
に排水管の開口部を位置させることにより、開口
部から排出された滞流水に混じつた空気がドラフ
トチユーブのエルボ部内径側最下端部へ到達する
距離を大にし、下池へ空気が排出される量を減少
するものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について、第３図およ
び第４図を参照して説明する。尚この実施例の概
略縦断面図は技術的背景の項で説明した第１図の
通りであるからこれも参照されたい。そして第３
図および第４図において第２図と同一部分には同
一符号を付して説明を省略する。

この実施例においては、排水管５を５ａと５ｂ
の２本とし、それぞれにバルブ６ａ，６ｂを取付
け、開口部７は７ａ，７ｂの２個所として下池反
対側端ドラフトチユーブ壁１３の両側にそれぞれ
約45゜の位置に設ける。そして、バルブ６ａ，６
ｂはランナ１の空転時回転方向の後側のものを開
にし、前側のものを閉とするように選択開閉出来
るようにし、また発電あるいは揚水等の通常運転
時には両バルブ６ａ，６ｂ共に閉鎖出来るように
する。第３図はランナ１を発電方向に調相運転す
る場合の回転方向を矢印Ｇで示し、第４図はラン
ナ１を揚水方向に揚水待期運転或いは調相運転す
る場合の回転方向を矢印Ｐで示す。そしてバルブ
６ａ，６ｂにおいて白抜きで図示したものは開状
態を示し、黒塗りで図示したものは閉状態である
ことを示す。また第３図、第４図の破線で示した
流線Ｙは空気混じりの滞溜水の排出流れ状態を示
す。

次に作用について説明する。

第３図のように発電方向に調相運転をしている
場合は、ランナ１は矢印Ｇの方向に空転し、下池
反対側端ドラフトチユーブ壁１３より回転方向の
前側の第１のバルブ６ａは閉となり、後側の第２
のバルブ６ｂは開となつている。従つて、空気混
じりの滞溜水は第２の排水管５ｂの排水管７ｂか
ら排出され、一部は破線で示す流線Ｙのように下
池反対側端ドラフトチユーブ壁１３の内側を通つ
てからドラフトチユーブのエルボ部内径側最下端
部Ｌの方向へ向かつて行くものがあるが、その行
程が長くなるので、滞溜水に混じつていた空気の
大部分は、エルボ部内径側最下端部Ｌへ到達する
以前にドラフトチユーブ４の円錐部４ａから水面
９上へ抜けてしまう。従つて、下池へ漏れる空気
の量は極めて微少となる。

また、第４図のように揚水方向に揚水待期運転
或いは調相運転をする場合は、ランナ１は矢印Ｐ
の方向に空転し、下池反対側端ドラフトチユーブ
壁１３より回転方向の後側の第１のバルブ６ａは
開となり、前側の第２のバルブ６ｂは閉となる。
従つて、下池へ漏れる空気の量が極めて微少にな
ることは第３図の場合と同様である。

このことは発明者の実験によつて確認された。
第５図および第６図はこの実験結果を示したもの
である。第５図および第６図において、横軸には
第２図ないし第４図の図中に示されたドラフトチ
ユーブ４水平面内の0゜から360゜までの角度が展開
されており、縦軸はドラフトチユーブ４からの漏
気量の割合を表わしている。そして種々の角度の
位置に排水管５の開口部７を開口させた場合の圧
縮空気のドラフトチユーブ４からの漏気量の測定
データを比率にして曲線で結んで示したものであ
る。

ここで、第５図は第２図あるいは第３図のよう
にケーシング８が右巻きでランナ１が右回転の場
合を示し、第６図は第４図のようにケーシング８
が右巻きでランナ１が左回転の場合を示してい
る。さらに図示しないが、ケーシング８が左巻き
で、ランナ１が左回転の場合、およびケーシング
８が左巻きでランナ１が右回転の場合の実験結果
は、丁度第５図と第６図が逆転した結果となるこ
とを確認している。

第５図から分るように、ケーシング８が右巻き
でランナ１が右回転の場合は、開口部７が90゜か
ら150゜の位置に設置された場合が最も漏気量が多
く、逆に約315゜（−45゜）の位置に設置された場合
が最も漏気量が少なく、最大の漏気量の0.1〜
0.15倍程度である。そして図中l₁で示した270゜〜
360゜の範囲が比較的漏気量が少なく、最大漏気量
の0.5倍以上であり、実用上差支えない範囲であ
る。これは言い換えれば、開口部７の設置位置
は、開口部７を含むドラフトチユーブ水平断面の
下池側に向けた下池方向中心線の下池反対側端ド
ラフトチユーブ壁１３からランナ軸心１１に対し
てランナ空転方向の後側へ0゜ないし90゜の範囲内
となる。

従つて、l₁の範囲で排水管５の開口部７を設け
れば、実用上何ら支障なく、経済的に発電方向調
相運転が可能になる。

一方、第６図における揚水方向の揚水待期運転
或いは調相運転の場合には第４図のように約45゜
の位置に開口した場合が漏気量が最も少なく、
210°から270°の位置に開口した場合が漏気量が最
も多い。また、第６図中のl₂で示した0゜ないし90゜
の範囲では、第５図の場合と同様、最大漏気量の
0.5倍以下であり実用上問題はない。

更に、通常の発電、揚水運転時には両バルブ６
ａ，６ｂを共に全閉するため、排水管５ａ，５ｂ
による効率低下等の悪影響はなく、高効率で安全
運転が出来る。

尚、本発明は上記し、かつ図面に示した実施例
のみに限定されるものではなく、その要旨を変更
しない範囲で、種々変形して実施できることは勿
論である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、排水管
のドラフトチユーブへの開口位置を、その開口部
を含むドラフトチユーブ水平断面の下池側に向け
た下池方向中心線の下池反対側端ドラフトチユー
ブ壁からランナ軸心に対してランナ空転方向の後
側へ0゜ないし90゜の範囲内としたので、開口部か
ら排出された滞溜水に混じつた空気がドラフトチ
ユーブのエルボ部内径最下端部へ到達する距離を
大にし、下池へ空気が排出される量を減少し、調
相運転或いは揚水待期運転等のランナ空転運転
を、安全で高効率に行ない得る水力機械を提供す
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例および従来例に共通
した水力機械の部分を示す概略縦断面図、第２図
は従来例の排水管取付位置における空気混じり滞
流水の流れを示す説明図、第３図および第４図は
本発明の一実施例にてそれぞれ異なる位置の排水
管開口部からの空気混じり滞流水の流れを示す説
明図、第５図および第６図はそれぞれ異なるラン
ナ回転方向に対する排水管取付位置における漏気
量を示す実験データ曲線図である。 １……ランナ、２……ガイドベーン、３……カ
バー、４……ドラフトチユーブ、５，５ａ，５ｂ
……排水管、６，６ａ，６ｂ……バルブ、７，７
ａ，７ｂ……開口部、９……水面、１１……ラン
ナ軸心、１２……下池方向中心線、１３……下池
反対側端ドラフトチユーブ壁、Ｇ，Ｐ……ランナ
回転方向矢印。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ カバー内にガイドベーンとランナを有し、ド
   ラフトチユーブ内の水面を押下げてランナを空転
   させることのある水力機械において、ガイドベー
   ンからの漏水又はシール冷却水をカバーからドラ
   フトチユーブへ排水する開閉用バルブ付きの排水
   管をドラフトチユーブの側面に開口させ、その開
   口部を含むドラフトチユーブ水平断面の下池側に
   向けた下池方向中心線の下池反対側端ドラフトチ
   ユーブ壁からランナ軸心に対してランナ空転方向
   の後側へ0゜ないし90゜の範囲内に排水管の開口部
   を位置させたことを特徴とする水力機械。 ２ 排水管を複数個とし、その開口部は下池方向
   中心線の下池反対側端からドラフトチユーブ内に
   て下池方向中心線の両端に0゜ないし90゜の範囲に
   設け、ランナ空転方向により排水管を選択開閉で
   きるようにした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。