JPS6189985A - ペルトン水車の放流運転におけるデフレクタの制御方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、ペルトン水車の放流運転におけるデフレク
タの制御方法に関し、特にペルトン水車の放流運転時に
ノズルから噴射するジェットを完全にバケットに当てな
いようにしたペルトン水車の放流運転におけるデフレク
タの制御方法に関するものである。

（ロ）従来技術 一般に、ペルトン水車は高落差・低流量地点に適用され
る水車であり、小容量のものには横軸形が採用され、中
又は大容量のものには縦軸形が採用されている。この小
容量の横軸形ペルトン水車の構造と動作を第５図により
説明する。まず、入口曲管１に導びかれた圧力水はノズ
ル２で加圧され、高速のジェット３となってランナ４の
外周に取付けであるバケット５に当り、このバケット５
に水動力を与えて仕事をした後、下部放水路６に排出さ
れる。ノズル２内のニードル７は通常運転時にニードル
サーボモータ８で負荷に応じて開閉され、流量が調整さ
れている。またノズル２とバケット５の間にはデフレク
タ９があり、負荷が急激に減少した時にデフレクタ９を
デフレクタサーボモータ１０で急速に回転させ、一時的
にジェット３の方向をバケット５の方向からそらせ、そ
の間にニードル７を徐々に閉じ、水圧管１１内の水撃作
用による水圧上昇を抑制しながら水車の回転数をコント
ロールしている。さらに、デフレクタ９を全閉にするこ
とにより、ジェット３の方向がバケット５からそれるの
で、水車を急停止することができ、その上、水車を停め
た状態でも放流を継続することができる。

このように、ペルトン水車はフランシス水車などと比べ
て、（ａ）負荷に応じてノズルの数を切替えて運転でき
るので、部分負荷効率が高く、（ｂ）ランナの点検や取
替えが容易で、機構が簡単であるから、土砂などによる
摩耗腐食部品の取替えがたやすく、また（ｃ）デフレク
タ９およびジェットブレーキの採用により速度上昇、水
圧上昇値が小さい等の利点がある。

また、ペルトン水車のデフレクタ９としては、デフレク
タの受水部がジェットのランナに近い側面より突入する
内掛は式と、その逆の外掛は式とがある。この内掛は式
のデフレクタとしては、第６図に示す構造のものが一般
に知られている。第６図はデフレクタを開いて水車運転
中の要部拡大図を示すもので、２はノズル、３はジェッ
ト、７はニードル、９はデフレクタ、９ａはデフレクタ
９の軸支ピンである。

このような構造において、ニードル７の開度が大きく、
ジェット３の径ｄ。が大きい場合には、第７図に示した
ようにデフレクタ９をジェット３の進行方向に位置させ
たときは、デフレクタ９によって進行方向がバケット５
の方向からそらされるジェット３の一部３ａは水力学で
示されている如く、必然的にランナ４の逆転方向の速度
成分を持ってデフレクタ９の後端から流出し、バケット
５の背面に衝突してしまう。このバケット５の背面に衝
突するジェット３ａの力のため、ランナ４は逆転し。

これにより軸受メタルを損傷する危険性がある。

この逆転を防止するために、第８図に示すように、デフ
レクタ９の全閉位置を変えてデフレクタの受水面９ｂの
先端とジェット３の中心線３Ｃの間の距離ｙ。を＋（プ
ラス）側にした場合は、デフレク　　　　　　Ａり９の
受水部９ｂの後端からのジェット３ａはランナ４に衝突
しなくなる。しかしながら、第９図に示すようにデフレ
クタ９の開度を変えて距Ｍｙ。を＋側にした場合に、ニ
ードル７の開度を小さくしてゆくと、ジェット３がデフ
レクタ９に当らず、ジェット３の偏向ができなくなる。

従って、ジェット３ｂがバケット５に衝突してランナ４
を正方向に回転する。この場合、ランナ４が低速回転す
るため、ランナ４の軸受メタルを損傷する危険がある。

この欠点を解消するためには、第６図に示すようにデフ
レクタ９の受水部９ｂを点線で示した部分９ｃだけ大き
く、すなわち中心からの開き角度θを大きくすれば良い
が、この方法は、この点線で示した部分９ｃを伸ばした
分だけノズル２を削らなければならず、それによるノズ
ル２の強度の低下をもたらすため、実現不可能な方法で
ある。

従って、従来はノズル２のニードル７の開度によってラ
ンナ４に逆方向あるいは正方向にトルクが生じるため、
このトルクに打ち勝つ制動力の大きいブレーキを水車ま
たは発電機に設けなければならなかった。

第１０図は、ニードル７の開度とデフレクタ９の位置を
制御する従来の制御回路のブロック図を示すもので、ニ
ードル７の開度はニードル開度検出器１２で検出され、
この検出信号は電気ガバナ１３からのランナ４の回転速
度に対応した電気信号と共にコンバータ１４で制御信号
に変換され、ニードル配圧弁１５を制御し、ニードルサ
ーボモータ８を駆動してニードル７の開度を予め決めら
れた値に制御している。

一方、デフレクタ９の位置はデフレタ開度検出器１６で
検出され、電気ガバナ１３からのランナ４の回転速度に
対応した電気信号と共にコンバータ１７で制御信号に変
換され、デフレクタ配圧弁Ｉ８を制御し、デフレクタサ
ーボモータ１０を駆動してデフレクタ９の位置をランナ
４が回転しているか、停止しているかにより全開位置か
、全開位置に制御している。

このように、従来のペルトン水車ではニードル７の開度
とデフレクタ９の位置が互いに独立して制御されている
ため、ランナ４に逆方向あるいは正方向にトルクが生じ
るので、このトルクに打ち勝つ制動力の大きいブレーキ
を水車または発電機に設けなければならなかった （ハ）発明が解決しようとする問題点 このように、ペルトン水車の放流運転において、中心か
らの開き角度θが小さなデフレクタを使用してジェット
を偏向させた場合、デフレクタの位置を変えないのにニ
ードルの開度を変化させてジェットの直径を小さくする
と、ジェットがデフレクタにより偏向されなくなってし
まう。

（ニ）発明の目的 本発明は、上記の欠点に鑑みてなされたもので。

その目的はニードルの開度を変化させてジェット径が変
化した場合においても、デフレクタの中心からの開き角
度θが小さく、幅の狭いデフレクタを使用して、ジェッ
ト流がバケットに衝突しないように、従って、ランナを
回転させないようにしたペルトン水車の放流運転におけ
るデフレクタの制御方法を提供することにある。

（ホ）発明の構成 上記目的を達成するために、本発明は、ノズルの前面に
回転自在に設けられ、該ノズルから噴出するジェットを
衝突させて、該ジェットの進行方向をランナからそらす
ことによりペルトン水車を停止して放流運転を行なう内
掛式デフレクタであって、該デフレクによって偏向され
たジェットがバケットに衝突しないように、前記ニード
ルの開度に応じて前記デフレクタの開度を調節すること
を特徴とする。以下、本発明の実施例に基づいて構成を
説明する。

（へ）実施例 第１図及び第２図は、本発明によるペルトン水車のデフ
レクタの要部拡大図で、デフレクタ９はピン９ａにより
ノズル２に回転可能に取り付けられ、図示しない圧油機
構やバネによって開閉できるように構成されている。ま
た第１図はデフレクタの受水面の先端９ｂとジェットの
中心線３ｃの間の距離が＋ｙｏ　（プラス側）で、ニー
ドル開度が大、すなわちジェットの直径が大きい場合の
トルクが発生しないデフレクタの開度を示しており、ま
た第２図はデフレクタの受水面の先端９ｂとジェットの
中心線３Ｃの間の距離が−ｙｏ　（マイナス側）で、ニ
ードル開度、が小、すなわちジェットの直径が小さい場
合のトルクが発生しないデフレクタの開度を示している
。

第３図は、本発明の１実施例のニードルの開度とデフレ
クタの位置を制御する制御装置のブロック図を示すもの
で、ニードル７の開度はニードル開度検出器１２で検出
され、この検出信号は電気ガバナ１３からのランナ４の
回転速度に対応した電気信号と共にコンバータ１４で制
御信号に変換され、ニードル配圧弁１５を制御し、ニー
ドルサーボモータ８を駆動してニードル７の開度を予め
決められた値に制御している。

一方、電気ガバナ１３の出力は発電運転と放流運転との
切替えスイッチ１９に入力され、発電運転時には接点ａ
に、放流運転時には接点すに接続される。

発電運転時には、ニードル開度検出器１２及びデフレク
タ開度検出器１６からの信号と電気ガバナ１３からの信
号が発電運転時のニードル・デフレクタ追尾装置２０ａ
に入力されて信号処理され、その信号はコンバータ２１
で制御信号に変換され、デフレクタ配圧弁２２が制御さ
れる。そして、このデフレクタ配圧弁２２の開度と応じ
てデフレクタサーボモータ１０が制御され、デフレクタ
９を発電運転時のニードル７の開度に応じて制御する。

また、放流運転時には、発電運転と放流運転との切替え
スイッチ１９が接点すに接続され、放流運転時のニード
ル・デフレクタ追尾装置２０ｂにニードル開度検出器１
２及びデフレクタ開度検出器１６からの信号と電気ガバ
ナ１３からの信号が入力されて信号処理され、その信号
はコンバータ２１で制御信号に変換され、デフレクタ配
圧弁２２が制御される。

そして、このデフレクタ配圧弁２２の開度に応じてデフ
レクタサーボモータ１０が制御され、デフレクタ９を放
流運転時のニードル７の開度に応じて制御する。

すなわち、第１図に示したようにニードル７の開度が大
きく、ジェット３の径が大きい場合には、デフレクタの
受水面の先端９ｂとジェットの中心線３ｃの間の距離を
＋ｙｏにすることにより、ノズル２より噴射するジェッ
ト３がデフレクタに衝突後、バケットに当るのを避ける
ことができる。また、第２図に示したようにジェット３
の径が小さい場合には、デフレクタの受水面の先端９ｂ
とジェットの中心ｇ３ｃの間の距離を−ｙ０にすること
により、ノズル２より噴射するジェット３がデフレクタ
に衝突せずに直接バケットに当るのを避けることができ
る。

このように、デフレクタ９の開度を放流運転時のニード
ル７の開度、すなわちジェット３の怪ｄ。に応じてデフ
レクタ９の受水面の全開位置を変えるようにしたので、
ノズル２より噴射するジェット３は、かならずデフレク
タに衝突した後、バケットに当らないようにして偏向さ
れ、それにより、水車ランナ４の正逆転現象を防止する
ことができる６なお、第４図は、デフレクタの全開位置
をパラメータとしたニードル開度に対するランナトルク
の関係を示すもので、デフレクタの受水面の先端とジェ
ットの中心線の間の距離を−ｙ０とした場合、すなわち
デフレクタの受水面の先端がジ、エツトの中心線より下
側に突出した場合には、ニードルの開度が小さい範囲で
は水車トルクは零であるが（第１図の状態）、ニードル
の開度が大きくなると、逆トルクが働く（第７図の状態
）。また、反対にデフレクタの全開位置を変えて、上記
距離を＋ｙｏとした場合、すなわちデフレクタの受水面
の先端がジェットの中心線より上側にある場合には、ニ
ードル開度が大きい範囲では水車トルクは零であり（第
８図の状態）、ニードル開度が小さな領域ではランナに
正トルクが働くことを示している（第９図の状態）。こ
の特性を利用して、ニードル開度に応じてデフレクタの
位置を変えることにより、すなわちニードル開度が小さ
い場合にデフレクタの受水面の先端とジェットの中心線
の間の距離を−ｙ。とじ、ニードル開度が大きい場・合
にはデフレクタの受水面の先端とジェットの中心線の間
の距離を＋ｙｏに制御することにより、ニードル開度の
全範囲でランナに正逆両方向共にトルク°が　　　　　
　１発生しない制御を行なうことができる。

（ト）効果 以上の説明から明らかなように、本発明は、水車を停止
する際に使用するデフレクタの開度を、ニードルの開度
に応じて制御することにより、ノズル強度を弱くするこ
となく、ペルトン水車の放流運転時においてノズルより
噴射するジェットがデフレクタに衝突後にバケットに当
るのを避け、水車ランナの正逆転現象を防止することが
できるので、水車のブレーキを小形化でき、合わせてコ
ストの低減を計ることができるという優れた効果第１図
及び第２図は本発明の１実施例によるペルトン水車のデ
フレクタの要部拡大図、第３図は本発明の１実施例のニ
ードルの開度とデフレクタの位置を制御する制御装置の
ブロック図、第４図はデフレクタの全閉位置をパラメー
タとしたニードル開度に対するランナトルクの関係を示
した図、第５図は小容量の横軸形ペルトン水車の構造を
示した図、第６図は水車負荷運転時のデフレクタの位置
を示す要部拡大図、第７図はデフレクタの全閉位置を示
す要部拡大図、第８図は放流運転時にニードル開度が大
でトルクが発生しないデフレクタの開度を示す要部拡大
図、第９図は放流運転時にニードル開度が小で正方向ト
ルクを発生している状態のデフレクタ開度を示す要部拡
大図、第１０図はニードルの開度とデフレクタの位置を
制御する従来の制御回路のブロック図である。

２・・・ノズル、３・・・ジェット、３ａ・・・ジェッ
トのランナ逆転方向の流れ、３ｂ・・・ジェットのラン
ナ正転方向の流れ、　３ｃ・・・ジェットの中心線、４
・・・ランナ、７・・・ニードル、９・・・デフレクタ
、９ａ・・・ピン、９ｂ・・・デフレクタの受水面。

第８図　　　／

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ノズルの前面に回転自在に設けられ、該ノズルから噴出
   するジェットを衝突させて、該ジェットの進行方向をラ
   ンナからそらすことによりペルトン水車を停止して放流
   運転を行なう内掛式デフレクタであって、該デフレクに
   よって偏向されたジェットがバケットに衝突しないよう
   に、前記ニードルの開度に応じて前記デフレクタの開度
   を調節することを特徴とするペルトン水車の放流運転に
   おけるデフレクタの制御方法。