JPH10103212A - カプラン水車 - Google Patents

カプラン水車

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JPH10103212A
JPH10103212A JP8255119A JP25511996A JPH10103212A JP H10103212 A JPH10103212 A JP H10103212A JP 8255119 A JP8255119 A JP 8255119A JP 25511996 A JP25511996 A JP 25511996A JP H10103212 A JPH10103212 A JP H10103212A
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JP
Japan
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runner
water
runner vane
vane
hydraulic
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Pending
Application number
JP8255119A
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English (en)
Inventor
Norio Otake
典男 大竹
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

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  • Hydraulic Turbines (AREA)
  • Control Of Water Turbines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】ランナ、ランナベーン、主軸を備えた回転体の
浮き上がり現象を確実に防止できるように図ったカプラ
ン水車を提供する。 【解決手段】本発明に係るカプラン水車は、水車ケーシ
ング15の入口に接続する水圧鉄管16と、水車ケーシ
ング15の出口と吸い出し管とを結ぶ中間通路18にラ
ンナベーン20を備えたランナ21を設置したカプラン
水車において、上記水圧鉄管16から分岐し、上記中間
通路18のランナベーン20の上流側に接続する動水管
を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、カプラン水車に係
り、特に運転停止時または負荷遮断時、ランナの浮き上
がり防止を図ったカプラン水車に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、カプラン水車は、図6に示すよ
うに、水車ケーシング1と吸い出し管2とを結ぶ中間流
路3内にランナベーン4を備えたランナ5が主軸6(回
転軸)と一体結合して設置されており、水車ケーシング
1からステーベーン7、ガイドベーン8を経て案内され
る動水のエネルギによりランナベーン4を回転駆動し、
この回転駆動力を、スラスト軸受9により軸装される主
軸6を経て回転トルクとして発電機(図示せず)を駆動
するようになっている。
【0003】また、中間流路3は、ランナベーン4を境
に上部流路10と下部流路11とに区分けされ、上部流
路10に真空破壊弁12を、また下部流路11に吸い出
し管2を介装して連通する放水庭13をそれぞれ備えて
いる。
【0004】このような構成を備えたカプラン水車にお
いて、水圧鉄管(図示せず)から水車ケーシング1に案
内された動水は、ステーベーン7により整流され、ガイ
ドベーン8により流量調整され、そのエネルギをランナ
ベーン4に与えて回転駆動し、回転駆動後、吸い出し管
2を経て放水庭13に貯水するよう図られている。
【0005】ところで、カプラン水車の運転を停止させ
る場合、あるいは、系統の何らかのトラブルにより負荷
遮断により運転を停止させる場合、図7に示すように、
ガイドベーン8を弁閉し、ランナベーン4の回転角度
を、開状態から閉状態に角度変更し、今迄、水車ケーシ
ング1からランナベーン4に案内していた動水を断って
いた。
【0006】しかし、カプラン水車は、他の型式の水
車、例えば、ペルトン水車、チューブラ水車等と異なっ
て動水を断っても慣性力のため、図示のように回転速度
が定格回転速度を超える特長を備えており、回転速度上
昇に伴って、いわゆる主軸6、ランナ5を含めた回転体
の浮き上がり現象が発生している。なお、図7中、回転
体の浮き上がりは、逆軸スラストと回転体重量との比率
が1.0を超えた場合に発生する。
【0007】回転体の浮き上がり現象は、図6に示すよ
うに、動水の供給を断つと、上部流路10内の動水の圧
力P1 が徐々に低下するにも拘らず、下部流路11内に
吸い出し管2からランナ5に向う押圧力P2 の増加(水
面上昇力)により図示の矢印で示す逆軸スラストFが発
生することに原因があると考えられている。回転体の浮
き上がり現象は、このほかにも、ガイドベーン8の弁開
度が小開で、放水庭13の水頭差Hsが高い場合にもあ
らわれている。
【0008】回転体の浮き上がり防止手段には、下部流
路11に連通する放水庭13の水頭を低く調整するか、
あるいは、上部流路10の圧力を低下させないようにす
ることが考えられる。
【0009】しかし、前者の場合、運転中に水頭を低く
調整すること自体、運転条件から無理があり、また最近
の高速化、小型化に伴う放水庭13の水面とランナベー
ン4との水頭差Hsが大きくなっている今日、非現実的
である。
【0010】また、後者の場合、上部流路10の圧力調
整は、その圧力が大気圧以下になったとき、真空破壊弁
12を弁開させ、上部流路10内の圧力と大気圧とを同
一圧力レベルに維持してきたが、上述放水庭13の水面
とランナベーン4との水頭差Hsが大きくなっている今
日、同一圧力レベルの維持が一時的になり、時間の経過
とともに吸い出し管2からランナベーン4に向う動水の
押圧力P2 により依然として回転体の浮き上がりが発生
している。
【0011】また、真空破壊弁12を利用して上部流路
10内に大気を供給する場合、時間の経過とともに大気
と動水とが分離され、このためランナベーン4は、空気
層と動水層の同居の状態で運転しており、断続的な浮き
上がりが発生している。
【0012】このような浮き上がりの防止手段として、
従来、ランナベーン4の回転角度を、閉状態から開状態
に変更させる可動調整を行なってきたが、可動調整の失
敗が往々にして出ることを考慮すると、真空破壊弁12
を利用して上部流路10内に大気を供給することは既に
限界に達しており、現在、模索中である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】回転体の浮き上がり防
止手段は、例えば特開昭56−83477号公報に見ら
れるように、起動時水面押し下げ運転を行なうのと同
様、ランナ室内に高圧空気を供給し、ランナベーンを空
気中で運転させ、逆軸スラストの発生を抑えることが開
示されている。
【0014】しかし、特開昭56−83577号公報で
示した従来技術では、ランナベーンを空気中で運転させ
ていると、停止運転時間が長くなり、途中から空気層と
動水層の同居の状態でランナベーンを運転させることに
しているため、断続的な浮き上がり現象が依然として発
生する不具合がある。
【0015】また、他の解決手段には、上部流路と下部
流路とを互いに連通させるバイパス通路またはバイパス
室を設け、吸い出し管からランナベーンに向う押圧力
(水面上昇力)を利用して上部流路と下部流路とを圧力
バランスさせて逆軸スラストの発生を防止する技術が既
に特開昭56−64159号公報や実公昭61−406
9号公報として公表されている。
【0016】しかし、特開昭56−64159号公報や
実公昭61−4069号公報で示した従来技術では、吸
い出し管の動水の水面がランナに向って上昇する際に発
生する押圧力を利用して上部流路と下部流路とを圧力バ
ランスさせるまで若干の時間を要するため、この間、逆
軸スラストが発生し、浮き上がり現象を完全に防止する
ことができない不都合がある。
【0017】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、回転体の浮き上がり現象をより一層早く、
より一層確実に防止できるように図ったカプラン水車を
提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明に係るカプラン水
車は、上記の目的を達成するために、請求項1に記載し
たように、水車ケーシングの入口に接続する水圧鉄管
と、水車ケーシングの出口と吸い出し管とを結ぶ中間通
路にランナベーンを備えたランナを設置したカプラン水
車において、上記水圧鉄管から分岐し、上記中間通路の
ランナベーンの上流側に接続する動水管を設けたもので
ある。
【0019】本発明に係るカプラン水車は、上記の目的
を達成するために、請求項2に記載したように、動水管
は、中間通路のランナベーンの上流側に噴出する動水を
調節するコントロールバルブを備えたものである。
【0020】本発明に係るカプラン水車は、上記の目的
を達成するために、請求項3に記載したように、動水管
は、ランナベーンの外側を環状に取り囲むマニホールド
と、マニホールドからランナベーンに動水を噴出する噴
出口を備えたものである。
【0021】本発明に係るカプラン水車は、上記の目的
を達成するために、請求項4に記載したように、噴出口
は、ランナベーンの回転方向と逆方向に向うよう配設し
たものである。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るカプラン水車
の一実施形態を図面を参照して説明する。
【0023】図1は、本発明に係るカプラン水車の実施
形態を示す概略図である。
【0024】カプラン水車14は、ダム(図示せず)か
らの動水を渦巻状の水車ケーシング15に、途中で入口
弁16aを介装した水圧鉄管16を備えている。
【0025】また、カプラン水車14は、水車ケーシン
グ15と吸い出し管17とを結ぶ中間流路18を備えて
おり、この中間流路18に、ステーベーン19、ガイド
ベーン20、ランナ21を、動水の流れに沿って順次設
置する構成になっている。
【0026】ランナ21は、回転角度を自在に可変でき
るランナベーン22を備える一方、スラスト軸受23に
軸装され、発電機(図示せず)に回転トルクを与えて主
軸24をそれぞれ備えている。
【0027】また、中間流路18は、ランナベーン22
が閉状態になったときに区分けされる上部流路25と下
部流路26とに形成され、この下部流路26に吸い出し
管17を介装して放水庭27と連通させる構成になって
いる。
【0028】一方、中間流路18の上部流路25には、
水圧鉄管16から分岐され、コントロールバルブ28を
備えた動水管29が設けられている。
【0029】この動水管29は、図2に示すように、ラ
ンナベーン22の外側を環状に取り囲むマニホールド3
0と、マニホールド30から各ランナベーン22に向っ
て動水を噴出させる噴出口31をそれぞれ備えている。
また、マニホールド30の噴出口31は、図3に示すよ
うに、ランナベーン22の回転方向と逆方向(反時計方
向)に向って動水を噴出させるよう設置されている。
【0030】次に作用を説明する。
【0031】カプラン水車14の停止時、または負荷遮
断による停止時の運転手順は、図5に示すように、先ず
ガイドベーン20を弁閉し、次にランナベーン22の回
転角度を開状態から絞る方向に移動調整される。この場
合、ランナベーン22の回転角度を、図示の実線で示す
ように、閉状態に移動させると、ランナベーン22の回
転速度が定格のそれよりも大幅にオーバーシュートし、
回転体の浮き上がりの原因になる。このため、本実施形
態では、図3に示すように、マニホールド30の噴出口
31からの動水がランナベーン22の腹側に衝突できる
ようランナベーン22の位置姿勢制御を行い、ランナベ
ーン22の回転速度上昇を図4の破線で示すように、制
動させるようになっている。また、噴出口31からラン
ナベーン22の腹側に動水を噴出させるタイミングは、
ガイドベーン20が弁閉途中で、上部流路25と下部流
路26とが圧力バランスしたとき、または、吸い出し管
17の動水がランナベーン22に到達し、その押圧力が
発生するときにコントロールバルブ28を弁開させ動水
の流量調整を行なうようになっている。
【0032】このように、本実施形態では、カプラン水
車の停止運転時、または負荷遮断による停止運転時、水
圧鉄管16の高圧な動水を利用し、動水管29の噴出口
31からの動水を、ランナベーン22の回転方向と逆向
きに噴出させる一方、動水がランナベーン22の腹側に
衝突できるようランナベーン22の回転角度を開状態方
向に位置姿勢制御させ、ランナベーン22の回転速度を
制動させているので、図5に示すように回転体の浮き上
がりを防止することができる。なお、図5で示す回転体
のバランス特性は、回転体の重量と逆軸スラストとがバ
ランスする比率を1.0とし、この比率が1.0を超え
た場合、回転体の浮き上がりが発生することを示す。
【0033】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係るカプ
ラン水車は、水圧鉄管から分岐し、上部流路に接続する
動水管を設け、水圧鉄管の高圧な動水を利用して上部流
路に噴出させ、吸い出し管から下部流路に向って発生す
る動水による押圧力と圧力バランスさせたので、回転体
に発生する逆軸スラストを防止でき、回転体の浮き上が
りを従来よりも確実に防止することができる。
【0034】また、本発明に係るカプラン水車は、動水
管の噴出口をランナベーンの回転方向と逆向方向に設置
するとともに、噴出口からの動水がランナベーンの腹側
に衝突できるようランナベーンの回転角度を開方向に移
動させることによりランナベーンの回転速度上昇に制動
を加えたので、ランナベーンの定格速度を超えた回転速
度上昇を従来よりも低く抑えることができる。
【0035】したがって、本発明に係るカプラン水車で
は、ランナベーンの定格回転速度に対する回転速度上昇
を従来よりも大幅に低くして停止運転を行なうので、よ
り一層早く、より一層確実に回転体の浮き上がりを防止
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るカプラン水車の実施形態を示す概
略図。
【図2】図1のZ矢視方向から見た概略平面図。
【図3】図2の平面的に展開した説明図。
【図4】ランナベーンの定格回転速度に対する回転速度
上昇が従来よりも低くなったことを示すランナベーンの
回転速度分布線図。
【図5】本発明に係るカプラン水車の停止運転手順を示
すもので、回転体の浮き上がり状況、ランナベーンの回
転速度、ランナベーンの回転角度、ガイドベーン開度を
それぞれ関連付けてあらわした説明図。
【図6】従来のカプラン水車の実施形態を示す概略図。
【図7】従来のカプラン水車の停止運転手順を示すもの
で、回転体の浮き上がり状況、ランナベーンの回転速
度、ランナベーンの回転角度、ガイドベーン開度をそれ
ぞれ関連付けてあらわした説明図。
【符号の説明】
1 水車ケーシング 2 吸い出し管 3 中間流路 4 ランナベーン 5 ランナ 6 主軸 7 ステーベーン 8 ガイドベーン 9 スラスト軸受 10 上部流路 11 下部流路 12 真空破壊弁 13 放水庭 14 カプラン水車 15 水車ケーシング 16 水圧鉄管 16a 入口弁 17 吸い出し管 18 中間流路 19 ステーベーン 20 ガイドベーン 21 ランナ 22 ランナベーン 23 スラスト軸受 24 主軸 25 上部流路 26 下部流路 27 放水庭 28 コントロールバルブ 29 動水管 30 マニホールド 31 噴出口

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水車ケーシングの入口に接続する水圧鉄
    管と、水車ケーシングの出口と吸い出し管とを結ぶ中間
    通路にランナベーンを備えたランナを設置したカプラン
    水車において、上記水圧鉄管から分岐し、上記中間通路
    のランナベーンの上流側に接続する動水管を設けたこと
    を特徴とするカプラン水車。
  2. 【請求項2】 動水管は、中間通路のランナベーンの上
    流側に噴出する動水を調節するコントロールバルブを備
    えたことを特徴とする請求項1記載のカプラン水車。
  3. 【請求項3】 動水管は、ランナベーンの外側を環状に
    取り囲むマニホールドと、マニホールドからランナベー
    ンに動水を噴出する噴出口を備えたことを特徴とする請
    求項1記載のカプラン水車。
  4. 【請求項4】 噴出口は、ランナベーンの回転方向と逆
    方向に向うよう配設したことを特徴とする請求項3記載
    のカプラン水車。
JP8255119A 1996-09-26 1996-09-26 カプラン水車 Pending JPH10103212A (ja)

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JP8255119A JPH10103212A (ja) 1996-09-26 1996-09-26 カプラン水車

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