JPH09209902A - 水力機械及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シール部のシールギャップの調整を運転状態
に応じて自動的に行うことができる。 【解決手段】 可動のシールリング１２はランナ５のシ
ール面５ａに対向し、矢印方向への移動によってシール
ギャップＧの寸法を調整することができる。上カバー１
３に取付けられた位置検出センサ１６、１７は、静止部
に対するランナ５の位置を検出する。コントローラー１
５は位置検出センサ１６、１７の検出信号に基づき駆動
装置１４を介して可動のシールリング１２を駆動し、シ
ールギャップＧの寸法を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水車やポンプ水車
などの水力機械及びその運転方法に係り、特にランナ背
圧室や側圧室内のシール部のシールギャップの大きさを
調整可能に構成した水力機械及びその運転方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水力発電所に使用される水車やポンプ水
車は、上池と下池との間の落差エネルギをランナを通し
て回転エネルギに変換する。

【０００３】図３は従来のフランシス形水車を示したも
ので、ケーシング１からの圧力水はステーベーン２及び
ガイドベーン３を通ってランナ室４に流入し、このラン
ナ室４内のランナ５を回転して吸出し管６から流出す
る。ランナ５は主軸７に連結され、またランナ室４はラ
ンナクラウン側の背圧室８とランナバンド側の側圧室９
とから構成されている。ガイドベーン３からランナ室４
に流入した圧力水は、一部がランナ５に入らず背圧室８
及び側圧室９に漏出する。この背圧室８及び側圧室９に
漏出する水量、すなわちランナ５以外を流れる水量が多
くなると、水車の変換効率が低下する。このため、背圧
室８及び側圧室９には夫々シール部１０、１１が形成さ
れ、漏水を低減している。各シール部１０、１１は、ラ
ンナのシール面とこれに僅かな間隙をもって対向する静
止部とから構成され、この間隙をできるだけ小さくする
と共にシール部を多段にして漏水の低減を図っている。

【０００４】一般に製作される水車のシール部の間隙、
すなわちシールギャップは、その大きさが水車の製造及
び組立て限界から決定される。このことから、大形の水
車では、ランナの大きさに対するシールギャップの大き
さが相対的に小さくなるため、全体の流量に対する漏れ
の水量も相対的に小さくすることができる。ところが、
比較的に小形の水車では、ランナの大きさに対するシー
ルギャップの大きさが相対的に大きくなるため、全体の
流量に対する漏れの水量も相対的に大きくなってしま
い、水車の効率低下を招来している。

【０００５】そこで、実開昭５１−１０４４８号公報に
は、シール面を傾斜させてシールギャップの大きさを調
整可能にした水力機械が開示されている。これは、水車
の組立て時に、シール部のシールギャップの大きさを調
整することができるため、水車の大きさに関係なく任意
の大きさの水車について、シールギャップを所望値に設
定することができる。なお、このシールギャップの大き
さは、漏水の防止の観点からできるだけ小さい方が好ま
しいが、水車運転中に主軸の軸振れや振動等が発生して
もシール部の接触が生じないように、主軸の軸振れや振
動等の影響を考慮した間隙に選定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の実開
昭５１−１０４４８号公報に開示された水力機械は、シ
ール部のシールギャップの調整を自動的に行うことがで
きず、熟練と多大な時間を要するといった問題がある。

【０００７】さらに、運転中にはシールギャップ調整を
行うことができないため、運転状態に応じたシールギャ
ップの調整を行うことができないといった問題もある。
そこで、本発明の目的は、シール部のシールギャップの
調整を自動的に行うことができる水力機械を提供するこ
とである。また、本発明の他の目的は、運転状態に応じ
てシール部のシールギャップを調整することができる水
力機械及びその運転方法を提供することである。

【０００８】

【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に記載された発明は、ランナと上記ランナを
取囲む背圧室及び側圧室とを具備する水車やポンプ水車
などの水力機械において、上記背圧室及び側圧室の少な
くとも一方に設けられ上記ランナのシール面に対向する
可動のシールリングと、水力機械の静止部に取付けられ
上記ランナの位置を検出する検出部と、上記検出部の検
出出力に基づき上記可動のシールリングと上記ランナの
シール面との間隙量を決定する制御信号を発生する制御
装置と、上記制御信号に基づき上記可動のシールリング
を駆動して上記間隙量を制御する駆動装置とを具備する
ことを特徴とするものである。

【０００９】検出部がランナの位置を検出すると、制御
装置はこの検出出力に基づき可動のシールリングとラン
ナのシール面との間隙量を決定する制御信号を発生し、
駆動装置はこの制御信号に基づき可動のシールリングを
駆動して間隙量を制御する。こうして、水力機械は、可
動のシールリングとランナのシール面との間隙量を自動
的に調整することができる。

【００１０】請求項２に記載された発明は、請求項１に
記載の水力機械において上記可動のシールリングは、上
記背圧室及び側圧室の両方に夫々設けられ、かつ上記ラ
ンナのシール面に対向するシール面が傾斜しており、水
力機械の主軸に平行に移動されて上記間隙量を調整する
ことを特徴とするものである。

【００１１】これによって、背圧室及び側圧室の両方の
シール部の間隙量を自動的に調整することができ、また
シール面が傾斜しているため、可動のシールリングを水
力機械の主軸に平行に移動することによって間隙量を調
整することができる。

【００１２】請求項３に記載された発明は、請求項１に
記載の水力機械において上記検出部は水力機械の運転中
に上記ランナの位置を検出し、上記駆動装置は水力機械
の運転中に上記制御装置の制御信号に基づき上記可動の
シールリングを駆動することを特徴とするものである。
検出部は水力機械の運転中にランナの位置を検出するの
で、運転状態に応じてシール部のシールギャップを調整
することができる。

【００１３】請求項４に記載された発明は、請求項３に
記載の水力機械において上記水力機械の振動または主軸
の軸振れを検出するセンサを更に具備し、上記制御装置
は上記センサの検出出力に基づき上記振動または主軸の
軸振れの異常を判別して上記異常を表す異常信号を発生
し、上記駆動装置は上記異常信号に基づき上記間隙量が
拡大する方向に上記可動のシールリングを駆動すること
を特徴とするものである。何等かの原因によって、水力
機械の振動異常または主軸の軸振れ異常が発生した場合
には、それを検出して事前に可動のシールリングを駆動
して間隙量を拡大するので、シール部の損傷を防止する
ことができる。

【００１４】請求項５に記載された発明は、請求項３に
記載の水力機械において上記制御装置は水力機械の運転
状態を急変させる信号に基づき、上記運転状態の急変に
先立ち異常信号を発生し、上記駆動装置は上記異常信号
に基づき上記間隙量が拡大する方向に上記可動のシール
リングを駆動することを特徴とするものである。運転の
開始時や停止時や急激な出力変化のような運転状態の急
変時には、事前に可動のシールリングを駆動して間隙量
を拡大するため、シール部の損傷を防止することができ
る。

【００１５】請求項６に記載された発明は、ランナと、
背圧室及び側圧室の少なくとも一方に設けられ上記ラン
ナのシール面に対向する可動のシールリングと、静止部
に設けられ上記ランナの位置を検出する検出部とを具備
する水力機械の運転方法において、水力機械の運転中に
上記検出部によって上記ランナの位置を検出し、上記検
出部の検出出力に基づき上記可動のシールリングを駆動
して上記可動のシールリングと上記ランナのシール面と
の間隙量を制御することを特徴するものである。水力機
械の運転中にランナの位置を検出するので、運転状態に
応じてシール部のシールギャップを調整することができ
る。

【００１６】請求項７に記載された発明は、請求項６に
記載の水力機械の運転方法において上記ランナの回転異
常を検出した時に、上記間隙量が拡大する方向に上記可
動のシールリングを駆動することを特徴とするものであ
る。何等かの原因によって、ランナの回転異常が発生し
た場合にも、直ちに可動のシールリングを駆動して間隙
量を拡大するので、シール部の損傷を防止することがで
きる。

【００１７】請求項８に記載された発明は、請求項６に
記載の水力機械の運転方法において水力機械の振動異常
または主軸の軸振れ異常を検出した時に、上記間隙量が
拡大する方向に上記可動のシールリングを駆動すること
を特徴とするものである。何等かの原因によって、水力
機械の振動異常または主軸の軸振れ異常が発生した場合
にも、直ちに可動のシールリングを駆動して間隙量を拡
大するので、シール部の損傷を防止することができる。

【００１８】請求項９に記載された発明は、請求項６に
記載の水力機械の運転方法において水力機械の運転状態
を急変させる信号に基づき、上記運転状態の急変に先立
ち上記間隙量が拡大する方向に上記可動のシールリング
を駆動することを特徴とするものである。水力機械の運
転状態の急変時にも、事前に可動のシールリングを駆動
して間隙量を拡大するので、シール部の損傷を防止する
ことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明による水力機械及び
その運転方法の実施形態を図３と同一部分には同一符号
を付して示した図１及び図２を参照して説明する。図１
は本発明の第１の実施形態を示したもので、背圧室シー
ル部１０はランナ５のシール面５ａと可動のシールリン
グ１２とから構成され、ランナ５のシール面５ａは傾斜
しており、この傾斜シール面５ａと対向する可動のシー
ルリング１２のシール面１２ａも同様に傾斜している。
可動のシールリング１２は上カバー１３を貫通して上方
に延在し、先端のピストン１２ｂはシリンダ２５内に収
容されており、矢印で示したように主軸に平行な方向に
摺動可能である。また、ピストン１２ｂの下部には復帰
スプリング２６が弾装されている。駆動装置１４は、油
圧装置１４ａを具備し、この油圧装置１４ａからの圧力
油の供給によって可動のシールリング１２を矢印方向に
駆動する。コントローラー１５は駆動制御信号を発生
し、この駆動制御信号に応じて駆動装置１４は可動のシ
ールリング１２を駆動する。

【００２０】上カバー１３には少なくとも２個の位置セ
ンサ１６、１７が取付けられ、一方の位置センサ１６は
主軸に平行な方向のランナ５の位置を検出し、他方の位
置センサ１７は主軸に垂直な方向、すなわち半径方向の
ランナ５の位置を検出する。検出装置１８は両位置セン
サ１６、１７の検出出力に基づき、静止部、すなわち上
カバー１３に対するランナ５の相対位置を検出する。位
置決定装置１９は、検出装置１８の出力に基づき可動の
シールリング１２の位置を決定し、この決定した位置を
表す位置信号をコントローラー１５に送出する。コント
ローラー１５は、この位置信号に応じて駆動装置１４を
制御する。なお、位置センサ１６、１７と検出装置１８
とは検出部を構成し、コントローラー１５と位置決定装
置１９とは制御装置を構成する。

【００２１】また、位置決定装置１９は、回転中のラン
ナ５の位置を表す位置センサ１６、１７の検出信号がラ
ンナ５の回転異常を示している時には、異常信号をコン
トローラー１５に送出する。

【００２２】図示は省略したが側圧室シール部にも、上
述と全く同一の可動シールリングと駆動装置と油圧装置
とコントローラーと２個の位置センサと検出装置と位置
決定装置とがそれぞれ設置されている。

【００２３】次に、この実施形態の作用を説明する。水
車の組立て時に、センサ１６、１７及び検出装置１８が
上カバー１３に対するランナ５の相対位置を検出する。
位置決定装置１９は検出装置１８の出力に基づき、予め
設定されているシールギャップＧを与える可動のシール
リング１２の位置を決定する。コントローラー１５は位
置決定装置１９の出力に基づき駆動装置１４に制御信号
を送出し、これに応じて駆動装置１４は可動のシールリ
ング１２を矢印方向に駆動し、間隙量、すなわちシール
ギャップＧを所望値に調整する。

【００２４】側圧室シール部についても全く同様にして
シールギャップが所望値に調整される。

【００２５】次に、運転中にあっては、位置センサ１
６、１７が回転しているランナ５の位置を検出し、検出
装置１８は位置センサ１６、１７の検出出力に基づき、
ランナ５の偏心状態及び上カバー１３に対するランナ５
の相対位置を検出する。位置決定装置１９は検出装置１
８の出力に基づき、予め設定されているシールギャップ
Ｇを与える可動のシールリング１２の位置を決定する。
コントローラー１５は位置決定装置１９の出力に基づき
駆動装置１４を制御し、これによって可動のシールリン
グ１２が矢印方向に移動され、シールギャップＧを所望
の値に調整する。こうして、運転中のランナ５の位置を
検出して可動のシールリング１２の位置を調整するの
で、ランナ５の偏心状態や回転遠心力に起因するランナ
５の変形などを考慮したシールギャップＧの調整が可能
となる。

【００２６】更に、ランナ５の回転が異常な状態に陥っ
た場合には、位置決定装置１９は、位置センサ１６、１
７の検出信号からランナ５の回転異常を検出し、異常信
号をコントローラー１５に送出する。駆動装置１４はコ
ントローラー１５を介したこの異常信号に応じて直ち
に、シールギャップＧが拡大する方向に可動のシールリ
ング１２を移動させる。この移動によって、ランナ５と
可動のシールリング１２との接触が防止され、可動のシ
ールリング１２の損傷を防ぐことができる。

【００２７】図２は本発明の第２の実施例を示したもの
で、この第２の実施例は第１の実施例の構成に以下の構
成を追加するものである。

【００２８】図２において、主軸７の軸振れ及び水車の
振動を検出する検出装置２０は、軸振れ検出センサ２１
及び振動検出センサ２２を有する。この軸振れ検出セン
サ２１は主軸７の側面に対向するように設置され、振動
検出センサ２２は上カバー１３に取付けられている。異
常判別装置２３は検出装置２０の出力に基づき運転中の
異常を判別し、異常信号を発生する。コントローラー２
４は、異常判別装置２３からの異常信号に基づき図１に
示した駆動装置１４を介して図１に示した可動のシール
リング１２をシールギャップＧが拡大する方向に駆動す
る。これによって、運転異常によってシール部の損傷を
防止する。なお、異常判別装置２３とコントローラー２
４とは制御装置を構成する。

【００２９】運転の起動や運転の停止や急激な出力変化
をもたらすような不安定運転状態では、大きな振動など
が一時的に発生する場合があり、この時にシールギャッ
プ寸法が小さいと、シール部が接触し損傷することがあ
る。

【００３０】そこで、この第２の実施形態ではこのよう
な事態を回避するために、コントローラー２４には運転
状態を変更するための信号入力される。この信号は水力
機械の運転状態を変更させるためのものであり、コント
ローラー２４は、入力された信号が運転の起動や停止や
急激な出力変化をもたらすものであるか否かを判別し、
そうである場合には、図１に示した可動のシールリング
１２をシールギャップＧが拡大する方向に駆動する。こ
れによって、不安定運転状態によってシール部が接触し
て損傷することを防止する。

【００３１】その後に、軸振れ検出センサ２１や振動検
出センサ２２の検出信号、及び図１に示した位置センサ
１６、１７の検出信号に基づき、運転状態が安定したこ
とを確認した後に、制御装置がシール部のシールギャッ
プを所望値に調整する。以上の説明にあっては、背圧室
シール部と側圧室シール部との両方に可動のシールリン
グ機構を設置したが、その一方にのみ設置した場合にも
本発明の効果を奏することはもちろんである。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように請求項１
に記載された発明によれば、検出部がランナの位置を検
出すると、制御装置はこの検出出力に基づき可動シール
リングとランナのシール面との間隙量を決定する制御信
号を発生し、駆動装置はこの制御信号に基づき可動シー
ルリングを駆動して間隙量を制御するため、可動シール
リングとランナのシール面との間隙量を自動的に調整す
ることができる。

【００３３】請求項３及び請求項６に記載された発明に
よれば、検出部は水力機械の運転中にランナの位置を検
出するので、運転状態に応じてシール部のシールギャッ
プを調整することができる。

【００３４】請求項４、請求項７及び請求項８に記載さ
れた発明によれば、運転に異常が発生した場合には異常
信号に基づき間隙量が大きくなるように可動シールリン
グを駆動するため、シール部の接触による損傷を防止す
ることができる。

【００３５】請求項５及び請求項９に記載された発明に
よれば、運転状態の急変が発生する際には異常信号に基
づき間隙量が大きくなるように可動シールリングを駆動
するため、シール部の接触による損傷を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水力機械及びその運転方法の第１
の実施例を概略的に示した断面図。

【図２】本発明による水力機械及びその運転方法の第２
の実施例を概略的に示した断面図。

【図３】従来のフランシス形水車を示した断面図。

【符号の説明】

５ ランナ ５ａ ランナのシール面 ８ 背圧室 ９ 側圧室 １０ シール部 １１ シール部 １２ 可動のシールリング １５ コントローラー １６ 位置センサ １７ 位置センサ １８ 検出装置 １６、１７、１８ 検出部 １９ 位置決定装置 １５、１９ 制御装置

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ランナとこのランナを取囲む背圧室及び側
   圧室とを具備する水車やポンプ水車などの水力機械にお
   いて、上記背圧室及び側圧室の少なくとも一方に設けら
   れ上記ランナのシール面に対向する可動のシールリング
   と、水力機械の静止部に取付けられ上記ランナの位置を
   検出する検出部と、この検出部の検出出力に基づき上記
   可動のシールリングと上記ランナのシール面との間隙量
   を決定する制御信号を発生する制御装置と、上記制御信
   号に基づき上記可動のシールリングを駆動して上記間隙
   量を制御する駆動装置とを具備することを特徴とする水
   力機械。
2. 【請求項２】上記可動のシールリングは、上記背圧室及
   び側圧室の両方にそれぞれ設けられ、かつ上記ランナの
   シール面に対向するシール面が傾斜しており、水力機械
   の主軸に平行に移動されて上記間隙量を調整することを
   特徴とする請求項１に記載の水力機械。
3. 【請求項３】上記検出部は水力機械の運転中に上記ラン
   ナの位置を検出し、上記駆動装置は水力機械の運転中に
   上記制御装置の制御信号に基づき上記可動のシールリン
   グを駆動することを特徴とする請求項１に記載の水力機
   械。
4. 【請求項４】上記水力機械の振動または主軸の軸振れを
   検出するセンサを更に具備し、上記制御装置は上記セン
   サの検出出力に基づき上記振動または主軸の軸振れの異
   常を判別して上記異常を表す異常信号を発生し、上記駆
   動装置は上記異常信号に基づき上記間隙量が拡大する方
   向に上記可動シールリングを駆動することを特徴とする
   請求項３に記載の水力機械。
5. 【請求項５】上記制御装置は水力機械の運転状態を急変
   させる信号に基づき、上記運転状態の急変に先立ち異常
   信号を発生し、上記駆動装置は上記異常信号に基づき上
   記間隙量が拡大する方向に上記可動シールリングを駆動
   することを特徴とする請求項３に記載の水力機械。
6. 【請求項６】ランナと、背圧室及び側圧室の少なくとも
   一方に設けられ上記ランナのシール面に対向する可動の
   シールリングと、静止部に設けられ上記ランナの位置を
   検出する検出部とを具備する水力機械の運転方法におい
   て、水力機械の運転中に上記検出部によって上記ランナ
   の位置を検出し、上記検出部の検出出力に基づき上記可
   動のシールリングを駆動して上記可動のシールリングと
   上記ランナのシール面との間隙量を制御することを特徴
   する水力機械の運転方法。
7. 【請求項７】上記ランナの回転異常を検出した時に、上
   記間隙量が拡大する方向に上記可動のシールリングを駆
   動することを特徴とする請求項６に記載の水力機械の運
   転方法。
8. 【請求項８】水力機械の振動異常または主軸の軸振れ異
   常を検出した時に、上記間隙量が拡大する方向に上記可
   動シールリングを駆動することを特徴とする請求項６に
   記載の水力機械の運転方法。
9. 【請求項９】水力機械の運転状態を急変させる信号に基
   づき、上記運転状態の急変に先立ち上記間隙量が拡大す
   る方向に上記可動シールリングを駆動することを特徴と
   する請求項６に記載の水力機械の運転方法。