JPH06307324A

JPH06307324A - 可変速水力機械及びその運転制御方法

Info

Publication number: JPH06307324A
Application number: JP5102226A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kimura; 村肇木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1993-04-28
Publication date: 1994-11-01
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: JP3604411B2

Abstract

(57)【要約】【目的】非常に広い運転領域に対してキャビテーショ
ンの発生を防止する。【構成】下カバー６に設置されたキャビテーション検
出装置１０は、ランナ１のランナ羽根の入口に発生する
キャビテーションを検出する。ドラフト７に設置された
キャビテーション検出装置１１は、ランナ羽根の出口に
発生するキャビテーションを検出する。可変速制御装置
１３はキャビテーション検出装置１０、１１がキャビテ
ーションの発生を検出すると、その時の運転領域情報１
４に応じて、回転速度を制御して、キャビテーションを
消失する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可変速水力機械及びそ
の運転制御方法に係り、特にランナ羽根でのキャビテー
ションの発生を防止する可変速水力機械及びその運転制
御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】水力発電所に設置される水車やポンプ水
車などの水力機械は、発電機または発電電動機の回転速
度が一定である定速形のものが使用されていたが、近年
は電力調整のために可変速水力機械が使用されるように
なっている。このような可変速水力機械は、これまでガ
イドベーン開度の制御と回転速度の制御とに関する種々
の運転制御方法が提案されている。例えば、特開昭５９
−２０３８８３号公報や特開昭６０−１２８８８６号公
報や特開昭６２−２５５５８１号公報や特開平１−２４
４１７１号公報には、ガイドベーン開度制御と回転速度
制御との優先性が開示され、また、特開昭４８−２１０
４５号公報や特開昭５７−１１３９７１号公報や特開昭
５８−１８５９５号公報や特開平１−２６８４９９号公
報には、高効率運転が開示されている。他方、水力機械
はランナ羽根にキャビテーションが発生しがちであり、
このキャビテーションは水力機械の寿命を低下させかつ
効率を低下させる。

【０００３】図８乃至図１０は水車運転時にポンプ水車
のランナ羽根にキャビテーションが発生する様子を示し
たものである。図８に示したように、水車運転時には圧
力水が水車入口側から流入角α１でランナ羽根１ａに流
入すると、ランナ１が矢印Ａ方向に回転する。このラン
ナ羽根１ａの羽根角度をβ１とすると、キャビテーショ
ンは圧力水の流入角α１と羽根角度β１とのずれによる
負圧の発生域に発生する。即ち、図９に示したようにラ
ンナ１の回転速度に対して流量が少ない場合には、流入
角α１が羽根角度β１に対して小くなり、水車入口側の
ランナ羽根１ａの表面が負圧となりキャビテーションが
発生する。図１０に示したようにランナ１の回転速度に
対して流量が多い場合には、流入角α１が羽根角度β１
に対して大きくなり、水車入口側のランナ羽根１ａの裏
面が負圧となりキャビテーションが発生する。

【０００４】図１１乃至図１３は揚水運転時にポンプ水
車のランナ羽根にキャビテーションが発生する様子を示
したものである。図１１において、ランナ１は水車運転
時と逆の方向Ｂに回転し、水は水車の出口側から流入角
α２で羽根角度β２のランナ羽根１ａに流入する。図１
２に示したようにランナ１の回転速度に対して流量が少
ない場合には、流入角α２が羽根角度β２に対して小さ
くなり、水車出口側のランナ羽根１ａの裏面が負圧とな
りキャビテーションが発生する。図１３に示したように
ランナ１の回転速度に対して流量が多い場合には、流入
角α１が羽根角度β１に対して大きくなり、水車出口側
のランナ羽根１ａの表面が負圧となりキャビテーション
が発生する。このようなキャビテーションの発生を防止
するキャビテーション防止装置及びキャビテーション防
止用の運転制御方法がこれまで種々提案されている。こ
のキャビテーション防止装置は負圧がランナ羽根面に発
生することを防止するために、ランナ羽根の構造や形状
に特別な工夫を施すものである。またキャビテーション
防止用の運転制御方法は、ポンプ水車の模型試験を行い
運転状態とキャビテーションの発生との関連を予め測定
し、この測定結果からキャビテーションが発生しない実
機の運転領域を求めるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ランナ羽根
の構造や形状に特別な工夫を施すキャビテーション防止
装置は、定速形の水力機械には効果があるが、運転領域
が非常に広い可変速水力機械には適用することができな
いという問題に加えて、構成が複雑化するといった問題
がある。また、従来のキャビテーション防止用の運転制
御方法は、運転領域が非常に広い可変速水力機械ではキ
ャビテーションも広い運転領域で発生するため、模型試
験の測定結果に基づきキャビテーションが発生しない運
転領域を求めることが実質的に不可能であるといった問
題がある。そこで、本発明の目的は、非常に広い運転領
域に対してキャビテーションの発生を防止することがで
きる可変速水力機械及びその運転制御方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に請求項１に記載の発明は、回転速度が可変制御される
発電機または発電電動機を具備した水車またはポンプ水
車などの可変速水力機械において、ランナ羽根に発生す
るキャビテーションを検出するキャビテーション検出装
置と、このキャビテーション検出装置の検出出力に基づ
き、ランナ羽根にキャビテーションが発生した時に上記
発電機または発電電動機の回転数を制御する可変速制御
装置とを具備することを特徴とするものである。この構
成にあっては、上記キャビテーション検出装置は、ラン
ナの外周部下部に位置する下カバーに設置されたＡＥセ
ンサとランナ内周部下部に位置するドラフトに設置され
たＡＥセンサとを含み、上記可変速制御装置は、上記キ
ャビテーション検出装置の検出出力に加えて運転領域を
表す入力情報に基づき上記発電機または発電電動機の回
転数を制御することが望ましい。

【０００７】請求項３に記載の可変速水力機械の運転制
御方法は、回転速度が可変制御される発電機または発電
電動機を具備した水車またはポンプ水車などの可変速水
力機械の運転制御方法において、水車運転の場合にキャ
ビテーション検出装置がランナ羽根入口でのキャビテー
ションを検出すると、低負荷運転の時には上記発電機ま
たは発電電動機の回転数を下げ、高負荷運転時には上記
発電機または発電電動機の回転数を上げることを特徴と
するものである。

【０００８】請求項４に記載の可変速水力機械の運転制
御方法は、回転速度が可変制御される発電電動機を具備
したポンプ水車などの可変速水力機械の運転制御方法に
おいて、水車運転の場合にキャビテーション検出装置が
ランナ羽根入口でのキャビテーションを検出すると、低
負荷運転の時には上記発電機または発電電動機の回転数
を下げ、高負荷運転時には上記発電機または発電電動機
の回転数を上げ、揚水運転の場合に上記キャビテーショ
ン検出装置がランナ羽根出口でのキャビテーションを検
出すると、それが高揚程運転の時には上記発電電動機の
回転数を上げ、低揚程運転の時には上記発電電動機の回
転数を下げることを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】請求項１に記載の発明にあっては、キャビテー
ション検出装置はランナ羽根に発生するキャビテーショ
ンの有無を検出する。このキャビテーション検出装置が
キャビテーションの発生を検出すると、可変速制御装置
はこの時のキャビテーション検出装置の検出出力に基づ
き、発電機または発電電動機の回転数を制御してキャビ
テーションの発生しない運転点まで移動させる。請求項
３に記載の発明にあっては、水車運転を行っている場合
に、低負荷運転時にキャビテーション検出装置がランナ
羽根入口でのキャビテーションを検出すると、発電機ま
たは発電電動機の回転数を下げる。これによって、キャ
ビテーションが消失する。

【００１０】高負荷運転時にキャビテーション検出装置
がランナ羽根入口でのキャビテーションを検出すると、
発電機または発電電動機の回転数を上げて、キャビテー
ションを消失させる。請求項４に記載の発明にあって
は、水車運転の場合の作用は請求項３に記載の発明の作
用と同一である。揚水運転を行っている場合には、高揚
程運転の時にキャビテーション検出装置がランナ羽根出
口でのキャビテーションを検出すると、発電電動機の回
転数を上げることによってキャビテーションを消失させ
る。また、低揚程運転の時にキャビテーション検出装置
がランナ羽根出口でのキャビテーションを検出すると、
発電電動機の回転数を下げることによってキャビテーシ
ョンを消失させる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明による可変速水力機械及びそ
の運転制御方法の一実施例を図８乃至図１３と同部分に
は同一符号を付して示した図１乃至図７を参照して説明
する。図１は、本発明を適用した可変速フランシス型ポ
ンプ水車の一実施例を示したもので、ケーシング２は可
動ガイドベーン３を介してランナ１に連通し、この可動
ガイドベーン３はガイドベーン開閉装置４によってその
開度が制御される。ランナ１は上カバー５と下カバー６
とによって取囲まれ、ランナ１の内周下部にはドラフト
７が接続されている。また、ランナ１には主軸８を介し
て発電電動機９が直結されている。下カバー６にはＡＥ
センサ１０が設置され、このＡＥセンサ１０はランナ１
の外周部でのキャビテーションの有無、詳述すると図９
及び図１０に示した水車入口側のランナ羽根１ａにキャ
ビテーションが発生した否かを検出する。ドラフト７に
はＡＥセンサ１１が設置され、このＡＥセンサ１１はラ
ンナ１の外周部でのキャビテーションの有無、詳述する
と図１２及び図１３に示した水車出口側のランナ羽根１
ａにキャビテーションが発生した否かを検出する。これ
らのＡＥセンサ１０、１１の出力は、カウンタ等から構
成されるＡＥセンサ用比較器１２に入力され、この比較
器１２はＡＥセンサ１０、１１の各出力を基準値と比較
してそのレベル判定し、ＡＥセンサ１０、１１の各出力
がキャビテーションの発生を表しているときに回転速度
制御指令を可変速制御装置１３に送出する。この可変速
制御装置１３は、比較器１２の回転速度制御指令と運転
領域情報１４とに基づき、発電電動機９の回転数を制御
すると共に、可動ガイドベーン３の開度をガイドベーン
開閉装置４を介して制御する。なお、運転領域情報１４
は、運転中のポンプ水車の回転速度や落差や流量などを
表す情報である。

【００１２】次に、このような構成のポンプ水車の水車
特性を説明する。図２は横軸に単位落差当りの回転速度
Ｎ／Ｈ^1/2をとり、縦軸に単位落差当りの流量Ｑ／Ｈ
^1/2をとったグラフであり、ここで、Ｎは水車の回転速
度で、Ｈは有効落差で、Ｑは水車流量である。ポンプ水
車の水車特性は、ポンプ水車の種類によって決定される
最高効率点Ｐを取囲む破線で示した等効率曲線η＝９０
％、η＝８８％、η＝８５％、η＝８０％、η＝７０％
によって表される。また一点鎖線ａ＝１００％、ａ＝８
０％、ａ＝６０％、ａ＝４０％、ａ＝２０％は、等ガイ
ドベーン開度線を示している。キャビテーション領域Ｃ
１は図９に示したように回転速度Ｎに比べて流量Ｑが小
さいために、キャビテーションがランナ羽根表面に発生
する領域であり、キャビテーション領域Ｃ２は図１０に
示したように回転速度Ｎに比べて流量Ｑが多いために、
キャビテーションがランナ羽根裏面に発生する領域であ
る。

【００１３】図３は可変速ポンプ水車の水車運転領域を
示したグラフである。このグラフにおいて、各単位落差
当りの回転速度に対する最高効率点を結んだ曲線が高効
率関数Ｓ１となる。或る落差Ｈ_０、回転速度Ｎ_０で運転
している時に、ガイドベーン３を開いて水車流量を増加
し出力を上げていくと、高効率関数Ｓ１に交差する。更
に出力を上げるには、流量Ｑを更に増加するよりも回転
速度を増加して高効率関数Ｓ１上を運転する方が効率が
高い。従って、可変速ポンプ水車では高効率関数Ｓ１が
単位落差当りの流量の上限となる。こうして、可変速水
車運転領域は、高効率関数Ｓ１と最高落差・最低回転速
度の線Ｓ２と最低落差・最高回転速度の線Ｓ３とによっ
て囲まれた領域となる。

【００１４】図４は図２に示したキャビテーション領域
Ｃ１、Ｃ２と図３に示した可変速水車運転領域とを重ね
たグラフである。このグラフから分かるように、低落差
側の或る落差Ｈ_１、回転速度Ｎ_１の運転点（ａ_１）で運
転している時に、出力を下げるために流量Ｑを低下させ
ていくと、運転点はキャビテーション領域Ｃ１内の運転
点（ａ_２）に入ってしまう。また、高落差側の或る落差
Ｈ_２、回転速度Ｎ_２の運転点（ｂ_１）で運転している時
に、出力を上げるために流量Ｑを増加させていくと、運
転点はキャビテーション領域Ｃ２内の運転点（ｂ_２）に
入ってしまう。

【００１５】次に、この実施例の可変速水車運転時の作
用を説明する。予め、キャビテーションが全く発生しな
い最高効率点Ｐの付近で運転を行う。この時のＡＥセン
サ１０の検出値は非常に小さい値である。次いで、水車
出力を強制的に下げていくと、キャビテーション領域Ｃ
１に入り、ＡＥセンサ１０の検出値がピークに達する。
そこで、このＡＥセンサ１０のピーク検出値に基づき、
比較器１２にキャビテーション発生基準値を設定する。

【００１６】可変速水車運転が行われると、図５にフロ
ーチャートを示したように、ＡＥセンサ１０がキャビテ
ーションの有無を検出する。比較器１２はＡＥセンサ１
０の検出出力をキャビテーション発生基準値と比較し、
前者が後者よりも大きい時にキャビテーションが発生し
たと判定し、可変速制御指令信号を発生する。可変速制
御装置１３は、比較器１２がキャビテーションの発生を
判定した時には、運転領域情報１４に基づき回転速度を
変化させて、キャビテーションを消失させる。具体的な
例を示すと、図４の運転点（ａ_１）からキャビテーショ
ン領域Ｃ１内の運転点（ａ_２）に入り、比較器１２がキ
ャビテーションの発生を判定した時には、可変速制御装
置１３はこの時の運転領域情報１４に基づき、ガイドベ
ーン開度一定のまま回転速度Ｎを低下させ、運転点（ａ
_３）に移す。これによって、キャビテーションの発生が
回避される。なお、運転点（ａ_２）から運転点（ａ_３）
に移ったことによって、水車効率及び流量が増加し出力
が増加し過ぎた場合には、可変速制御装置１３は、ガイ
ドベーン開閉装置４を介してガイドベーン３の開度を小
さくし、目標の出力を得ることができる。

【００１７】また、図４の運転点（ｂ_１）からキャビテ
ーション領域Ｃ２内の運転点（ｂ_２）に入り、比較器１
２がキャビテーションの発生を判定した時には、可変速
制御装置１３はこの時の運転領域情報１４に基づき、ガ
イドベーン開度一定のまま回転速度Ｎを増大し、運転点
（ｂ_３）に移す。更に、ガイドベーン３の開度を大きく
することによって、出力を目標値まで上げることもでき
る。

【００１８】次に、ポンプ水車の揚水運転の場合を説明
する。図６は、ポンプ水車の揚水運転のポンプ特性を示
したグラフであり、横軸にポンプ揚程Ｈをとり、縦軸に
揚水量Ｑとポンプ効率ηとをとったものである。ポンプ
水車のポンプ特性は一定回転速度で運転した場合、例え
ば一定の回転速度Ｎ_０の曲線上の点となり、揚程Ｈ_０が
決まると、流量Ｑ_０とガイドベーン開度ａ＝ａ_０が夫々
決定される。即ち、或る揚程Ｈ_０では、流量Ｑ_０と効率
η_０とガイドベーン開度ａ_０とが特性として決まり、そ
の時のポンプ軸入力Ｐρも次式で決定される。Ｐρ＝ρ×ｇ×Ｑ_０×Ｈ_０／η_０ここで、ρは密度ｇは重力加速度キャビテーション領域Ｃ３は、回転速度に対して流量が
小さく、図１２に示したように羽根裏面にキャビテーシ
ョンが発生する。逆に、キャビテーション領域Ｃ４は、
回転速度に対して流量が大きく、図１３に示したように
羽根表面にキャビテーションが発生する。可変速揚水運
転の運転領域は次の通りである。一定回転速度がＮ_０で
ある時に、揚程Ｈ_０に対して運転点が決定され、この運
転点でのガイドベーン開度をａ_０とすると、このガイド
ベーン開度ａ_０の点は、回転速度がＮの場合には、揚程
Ｈと揚水量Ｑとは夫々、次式で表される。Ｈ＝（Ｎ／Ｎ_０）×Ｈ_０Ｑ＝（Ｎ／Ｎ_０）^２×Ｑ_０従って、回転速度Ｎ_０に対して、最高回転速度と最低回
転速度とを図６に示したように表すことができる。しか
しながら、回転速度が大きいと、軸入力もＱとＨとの積
に比例して増大するため、揚程Ｈの全範囲にわたって最
高回転速度をとることができず、最大軸入力が揚水量の
上限となる。また、ポンプ特性の低揚水量側は、逆流に
よって運転範囲が制限され、これはほぼガイドベーン開
度一定の曲線上である。こうして、図６及び図７に示し
たように揚水運転の領域は最低揚程と最高揚程と最大軸
入力と逆流開始点とで囲まれる領域となる。なお、キャ
ビテーションは、ポンプ水車が実際に使用される発電所
においては、下池の水位が低くポンプ水車のドラフト側
に加わる水圧が低いために、キャビテーション領域Ｃ３
の方が発生し易くなる。

【００１９】次に、この可変速揚水運転の制御方法を説
明する。例えば、図７の運転点（ｃ_１）で揚水運転が開
始された場合には、ＡＥセンサ１１がランナ羽根裏面の
キャビテーションを検出し、比較器１２がこのＡＥセン
サ１１の検出出力に基づきキャビテーションの発生を判
定すると、可変速制御装置１３がこの時の運転領域情報
１４に基づき、回転速度を上げると共にガイドベーン開
度を増大して、運転点（ｃ_２）に移動させる。こうし
て、キャビテーションの発生が回避される。また、運転
点（ｄ_１）で揚水運転が開始された場合には、ＡＥセン
サ１１がランナ羽根表面のキャビテーションを検出し、
比較器１２がこのＡＥセンサ１１の検出出力に基づきキ
ャビテーションの発生を判定すると、可変速制御装置１
３がこの時の運転領域情報１４に基づき、回転速度を下
げると共にガイドベーン開度を減少させ、運転点
（ｄ_２）に移動する。こうして、キャビテーションの発
生が回避される。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、キャビ
テーション検出装置の検出出力に基づき、ランナ羽根に
キャビテーションが発生した時に発電機または発電電動
機の回転数を制御するため、ランナ羽根でのキャビテー
ションの発生を回避することができ、常に高効率での運
転が可能となると共に、ランナの長寿命化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による可変速水力機械及びその運転制御
方法の実施例を概略的に示した構成図。

【図２】可変速水車運転での単位落差当りの回転速度と
単位落差当りの流量との関係を示したグラフ。

【図３】可変速水車運転の運転領域を示したグラフ。

【図４】可変速水車運転の運転領域とキャビテーション
の発生領域との関係を示したグラフ。

【図５】本発明の実施例の作用を説明するフローチャー
ト図。

【図６】可変速揚水運転の運転領域を示したグラフ。

【図７】可変速揚水運転の運転領域とキャビテーション
の発生領域との関係を示したグラフ。

【図８】水車運転時におけるランナ羽根の羽根角と圧力
水の流入角との関係を示した説明図。

【図９】水車運転でのランナ羽根表面に発生したキャビ
テーションを示した説明図。

【図１０】水車運転でのランナ羽根裏面に発生したキャ
ビテーションを示した説明図。

【図１１】揚水運転時のランナ羽根の羽根角と流入角と
の関係を示した説明図。

【図１２】揚水運転でのランナ羽根裏面に発生したキャ
ビテーションを示した説明図。

【図１３】揚水運転でのランナ羽根表面に発生したキャ
ビテーションを示した説明図。

【符号の説明】

１ランナ１ａランナ羽根９発電電動機１０キャビテーション検出装置１１キャビテーション検出装置１３可変速制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転速度が可変制御される発電機または発
電電動機を具備した水車またはポンプ水車などの可変速
水力機械において、ランナ羽根に発生するキャビテーシ
ョンを検出するキャビテーション検出装置と、このキャ
ビテーション検出装置の検出出力に基づき、ランナ羽根
にキャビテーションが発生した時に上記発電機または発
電電動機の回転数を制御する可変速制御装置とを具備す
ることを特徴とする可変速水力機械。
【請求項２】上記キャビテーション検出装置は、ランナ
の外周部下部に位置する下カバーに設置されたＡＥセン
サとランナ内周部下部に位置するドラフトに設置された
ＡＥセンサとを含み、上記可変速制御装置は、上記キャ
ビテーション検出装置の検出出力に加えて運転領域を表
す入力情報に基づき上記発電機または発電電動機の回転
数を制御することを特徴とする請求項１に記載の可変速
水力機械。
【請求項３】回転速度が可変制御される発電機または発
電電動機を具備した水車またはポンプ水車などの可変速
水力機械の運転制御方法において、水車運転の場合にキ
ャビテーション検出装置がランナ羽根入口でのキャビテ
ーションを検出すると、低負荷運転の時には上記発電機
または発電電動機の回転数を下げ、高負荷運転時には上
記発電機または発電電動機の回転数を上げることを特徴
とする可変速水力機械の運転制御方法。
【請求項４】回転速度が可変制御される発電電動機を具
備したポンプ水車などの可変速水力機械の運転制御方法
において、水車運転の場合にキャビテーション検出装置
がランナ羽根入口でのキャビテーションを検出すると、
低負荷運転の時には上記発電機または発電電動機の回転
数を下げ、高負荷運転時には上記発電機または発電電動
機の回転数を上げ、揚水運転の場合に上記キャビテーシ
ョン検出装置がランナ羽根出口でのキャビテーションを
検出すると、高揚程運転の時には上記発電電動機の回転
数を上げ、低揚程運転の時には上記発電電動機の回転数
を下げることを特徴とする可変速水力機械の運転制御方
法。