JPS6250663B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は単速度可逆式２段ポンプ水車に係り、
特に定常運転時に高性能運転が行える単速度可逆
式２段ポンプ水車に関する。

近時においては高落差地点に揚水発電所を建設
する傾向があり、多段ポンプ水車に対する需要度
が高まつており、なかでも段数がもつとも少なく
各段部のランナの外周に可動ガイドベーンおよび
その操作機構を備えることが構造上比較的容易と
されている単速度可逆式２段ポンプ水車に対する
需要が多くなつている。

しかしながら、ランナ羽根の外径が同一で水力
的に相似のものから各段部のランナを構成した従
来の２段ポンプ水車においては後述するような単
速度可逆式ポンプ水車特有の水力特性上の問題が
あるために、水車運転、ポンプ運転のいずれか一
方の運転が最高効率状態から離れた水力性能の低
い領域で各段部とも行なわざるを得ないという問
題があつた。

そこで、本発明の目的は、定常運転時における
各段部の総合水力性能を向上させることができる
単速度可逆式２段ポンプ水車を提供することにあ
る。

しかして、本発明によれば、上記目的は、高圧
段部と低圧段部とを返り通路によつて直列に連絡
し、各段部のランナを単一の水車主軸に連結して
水車またはポンプ運転を行なう単速度可逆式２段
ポンプ水車において、水口開度が変えられる可動
ガイドベーンを各段部のランナの外周にそれぞれ
設け、低圧段部のランナは、そのランナ羽根の外
径が高圧段部のランナ羽根の外径の0.86〜0.96倍
の範囲内に設定することによつて達成される。

以下本発明による単速度可逆式２段ポンプ水車
の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は単速度可逆式２段ポンプ水車の構造を
示し、単一の水車主軸１の軸上には高圧段ランナ
２と低圧段ランナ３とが軸方向の距離をおいて固
着されている。上記高圧段ランナ２は上カバー４
および下カバー５で包囲される一方、低圧段ラン
ナ３は上カバー６および下カバー７で包囲され、
高圧段ランナ室８および低圧段ランナ室９を構成
している。上記高圧段ランナ室８と低圧段ランナ
室９とは返り通路１０で連絡されている。

また、高圧段ランナ室８の外側には、うず巻ケ
ーシング１１が配置され、そのうず室１２と上記
高圧段ランナ室８とは連通しており、うず室１２
の入口は入口弁１３を介して水圧鉄管１４に接続
されている。

さらにまた、高圧段ランナ２の外周には、水口
開度を変えられる可動ガイドベーン１５が設けら
れる一方、低圧段ランナ３の外周にも水口開度を
変えられる可動ガイドベーン１６がそれぞれ円形
翼列状に配置されている。これらの可動ガイドベ
ーン１５および１６は図示を省略した操作機構に
連結されており制御装置により定常運転されるよ
うになつている。

上記のように構成された単速度可逆式２段ポン
プ水車を水車運転させる場合、入口弁１３を開口
した状態で水圧鉄管１４からこれに接続されたう
ず巻ケーシング１１に水が流入し、この水流は高
圧段部の可動ガイドベーン１５、高圧段ランナ２
を通過し返り通路１０を経てさらに低圧段部の可
動ガイドベーン１６、低圧段ランナ３を流通し、
図示しない放水路に接続された吸出し管１７に流
通する。一方、水車と同じ回転速度で反対の方向
にランナを回転するポンプ運転時の場合には、低
圧段ランナ３によつて揚水された水流は前記した
水車運転時の場合と逆の順路を経て吸出し管１７
から水圧鉄管１４へ流通していく。

このように各段部を返り通路によつて直列に連
絡した単速度可逆式２段ポンプ水車の総合水力特
性は各段部における単速度可逆式単段ポンプ水車
としての水力特性を合成することにより与えられ
る。したがつて、単速度可逆式２段ポンプ水車の
水力特性上の問題を検討するにあたつては、先ず
単速度可逆式単段ポンプ水車の水力特性上の問題
を的確に把握しておく必要があるので、次に考察
を行なう。

一般に、単速度可逆式単段ポンプ水車において
ポンプ水車の回転速度をＮ（rpm）、水車の有効
落差をHt（ｍ）、効率ηｔ、またポンプの全揚程
をHp（ｍ）、効率をηｐとして、単位回転速度
Ｎ／√、Ｎ／√に対する各ガイドベーン開
度の効率曲線の包絡線を水車とポンプの各々につ
いて例示すると第２図のようになる。すなわち、
第２図に示すように、水車とポンプの最高効率点
を与える単位回転速度Ｎ／√₀とＮ／√₀は
合致せず必らずＮ／√₀の方が大きくなり、こ
れは可逆式ポンプ水車においては避けることがで
きない水力特性上の問題点の一つである。この相
異を極力近ずけるように努力が払われてきている
が、実用的には通常次のような範囲にある。

すなわち、第２図および上記(1)式で示されるよ
うに、単速度可逆式ポンプ水車においては、ポン
プの最高効率点が水車の最高効率点に対して単位
回転速度比で大きく離れているので、水車最高効
率点相当の単位回転速度におけるポンプ運転時の
効率は極めて低く、また同様にポンプ最高効率点
相当の単位回転速度における水車効率も極めて低
いという水力特性関係を有している。このため、
揚水発電所の基準運転水位において、通常行なわ
れているようにポンプが最高効率もしくはその近
傍で運転を行なうようにポンプ水車の運用条件を
定めた場合、第２図及び式(1)に示される水力特性
関係の制約を受けて、水車は最高効率より離れた
高単位回転速度状態のもとに換言すれば最高効率
状態相当運転落差Ht₀より低落差側の水力特性が
低い領域に基準運転状態を選定せざるを得ないこ
とになる。このように、ポンプ水車の水力特性関
係を考慮する場合、単位回転速度（Ｎ／√、
Ｎ／√）は重要な意味をもつているが、この
単位回転速度とポンプ水車の水力特性を基本的に
支配するランナ羽根の外径Ｄとの相関関係につい
て次に考察を行なう。

一般に、ポンプ水車の水力特性上の設計点を代
表するポンプ最高効率点において、ランナの回転
速度をＮ（rpm）、羽根の外径Ｄ（ｍ）、羽根外周
速度をｕ（ｍ／ｓ）、羽根外周速度係数をφ、ポ
ンプ全揚程をHp₀（ｍ）、重力加速度をｇ（ｍ／
s²）とすれば、水力的に次式(2)、(3)が与えられ
る。

ｕ＝πDN／60＝φ√2₀ ……(2) または φ＝（π／60√2）（Ｎ／√₀）Ｄ ＝（１／√2）（ｕ／√₀ ……(3) 一方、ポンプ最高効率点の流量をQp（m⁸／
ｓ）とすると、ポンプ水車設計上の基本条件であ
る比速度Nsは、Ns＝Ｎ・（Qp）^1/2／（Hp₀）^1/3
として与えられる。ある一定の比速度Nsの条件
で設計されたポンプ水車において、ランナの羽根
外径Ｄを順次系統的に加工することにより実施し
た模型水力特性試験の結果によれば、羽根外径Ｄ
の縮小変化に対し単位回転速度Ｎ／√₀は増大
変化し、実用的性能が得られる範囲内では下記(4)
式で示されるように、双方が相反比例する関係に
あることが確認されている。

（Ｎ／√₀）・Ｄ〓一定 ……(4) このことは、与えられた比速度Nsの条件で設
計されたポンプ水車において羽根外形Ｄを小さく
した場合、実用的性能が得られる範囲内では、上
記(3)式の羽根外周速度係数φはほとんど変化せ
ず、したがつてその結果が上記(4)式の関係をもた
らすものと言える。

なお、このように羽根外径Ｄを小さくした場合
には、ポンプ最高効率点の単位回転速度Ｎ／√
₀の増加変化に対し水車最高効率点の単位回転
速度Ｎ／√₀も増加変化し、各々の単位回転速
度比は上記(1)式で限定した範囲にあり、またポン
プ、水車とも水力特性は全体的に高単位回転速度
側すなわち低落差側に移行したものにすることが
できる。

次に、上記した単速度可逆式単段ポンプ水車特
有の水力特性上の基本問題についての考察結果を
踏まえ、第１図を参照して各段部のランナを羽根
の外径が同一で（第１図でD₁＝D₂の場合）水力
的に相似なものから構成した通常の場合の単速度
可逆式２段ポンプ水車において、定常運転時の水
力特性上の問題点について述べる。この場合の水
車定常運転時における各段部の水力特性関係を第
３図に示す。第３図において、H₁は低圧段部の
有効落差、H₂は低圧段部の有効落差、Ｑは流
量、これらに添次０を付けたものは基準運転状態
点（図中□０）における値、a₀は基準運転状態時の
各段部水口開度（ガイドベーン開度）、ａに正の
整数を添字したもの（例えばa₁）は基準開度a₀よ
り過開した場合の各段部水口開度、ａに負の整数
を添字したもの（例えばa_-1）は基準開度により小
開した場合の各段部水口開度、△ηは水車最高効
率との相対差で表わした水車の相対効率差であ
る。第３図は、横軸に流量比Ｑ／Q₀をとつて、
また縦軸に高圧段部及び低圧段部の有効落差比
H₁〜H₁₀及びH₂／H₂₀を夫々とつて、流量に対す
る有効落差の水力特性の関係を各段部について表
示したものであり、したがつて２段ポンプ水車と
しての総合有効落差は各段部の有効落差を各々合
算して与えられる。第３図において、入口弁１３
を全開して定常運転時に各段部可動ガイドベーン
の水口開度を斉一に制御する場合、前記したよう
に、各段部のランナを羽根の外径が同じで水力的
に相似のものから構成しているので、各段部の運
転状態は水力的にほぼ同等のものとなり、各段部
の有効落差は次式(5)の関係で与えられるように２
段ポンプ水車に作用する総合有効落差をほぼ２等
分したものと等しく、したがつて各段部の運転状
態は□０→□Ａの軌跡をたどる。

ここで、とくに留意すべきことは、前記した単
速度可逆式ポンプ水車特有の水力特性上の問題に
起因して、第３図に例示されるように、各段部の
基準運転状態点を水車最高効率点（△η＝０）よ
り大きく離れた水力特性の低い低落差側領域（単
位回転速度が最高効率点のものより大きい領域）
に選定せざるを得ないことであり、したがつて、
ガイドベーンを制御した場合の各段部の定常運転
状態軌跡も図中□０→□Ａで示されるように相対的に
水力特性の低い領域を通過することになる。

このように、通常の２段ポンプ水車において
は、水力性能が各段部とも相対的に低くなり、不
本意な運用を強いられているのが現状である。

そこで、このような場合、本発明では、前記し
たように低圧段ランナの外径を小さくしたことに
より高圧段部に比較して相対的にランナ出口部の
圧力が低くキヤビテーシヨン、水流の二次流れな
どが増大し易く問題となる低圧段部について水力
性能全体を単位回転速度の大きい低落差側へ移行
させて基準運転時には水車最高効率運転が行なえ
るようにさらには小流量領域においても相対的に
安定した高性能運転が行なえるようにランナを形
成することにより、各段部の総合水力性能を著し
く向上させるようにしたものである。

本発明の具体的実施例を第１図に示す単速度可
逆式２段ポンプ水車の場合について説明する。第
１図において、可動ガイドベーン１５を備えた高
圧段ランナ２の単段水力特性下でのポンプ効率η
ｐと水車効率ηｔとの各最高効率点の位置におけ
る単位回転速度比は1.04〜1.16であつて（式(1)参
照）、低圧段ランナ３の方の羽根外径Ｄを小さく
することにより単位回転速度Ｎ／√₀を大きく
して高圧段ランナ２に対して低圧段ランナ３の単
段水力特性を低落差側に移行させたものにする
（式(4)参照）。

この場合、高圧段ランナ２の羽根の外径D₁と
低圧段ランナ３の羽根の外径D₂との相対関係は
羽根外径Ｄと単位回転速度Ｎ／√₀の関係を与
える式(4)より(6)式が得られる。ただし、添字１は
高圧段部をまた添次２は低圧段部を夫々表わす。

式(6)において、右辺は低圧段部の単位回転速度
（Ｎ／√₀₂）を増大させる際ランナ羽根外径が
従来と変らない高圧段部の単位回転速度（Ｎ／√
₀₁）を分母とする増大比率（Ｎ／√₀₂）／
（Ｎ／√₀₁）の逆数に相当し、また左辺は従来
と変らない高圧段のランナ羽根外径D₁を分母と
する低圧段のランナ羽根外径D₂の縮小比率D₂／
D₁に相当する。

すなわち、式(6)は低圧段部の単位回転速度
（Ｎ／√₀₂）の増大を図る場合低圧段のランナ
羽根外径D₂における必要な縮小比率D₂／D₁が単
位回転速度の前記増大比率の逆数で与えられるこ
とを示している。この場合、ランナ羽根外径D₁
が従来と変らない高圧段部の単段水力特性は、前
述したように水車最高効率単位回転速度Ｎ／√
₀₁がポンプ最高効率単位回転速度Ｎ／√₀₁
より小さくなり、Ｎ／√₀₂とＮ／√₀₁の相
対比率が前記式(1)で与えられるように1.04〜1.16
の範囲にあるため水車の低性能運転を余儀なくさ
れるという基本問題を有している。したがつてこ
のような高圧段部の状況にかんがみ、低圧段部に
おいてどのようにしてランナ羽根外径の縮小比率
D₂／D₁を定めて単位回転速度Ｎ／√₀₂の増大
を図るかが重要なポイントである。

そこで、この実施例は、前記したように高圧段
部においては水車最高効率単位回転速度Ｎ／√
₀₁がポンプ最高効率単位回転速度Ｎ／√₀₁
より小さく、Ｎ／√₀₁とＮ／√₀₁の相対比
率で1.04〜1.16倍離れていることから、低圧段部
における単位回転速度Ｎ／√₀₂の増大目標と
しては前記増大比率が高圧段部の前記相対比率と
等しく1.04〜1.16倍となるよう特定することにあ
る。一方、この増大比率1.04〜1.16倍を達成する
ために必要な低圧段のランナ羽根外径D₂の縮小
比率は、前述したように式(6)における右辺に前記
増大比率1.04〜1.16の逆数を代入して得られるこ
とになるから、ランナ羽根外径の相対関係は結局
式(7)のように与えられる。

式(7)は低圧段部のランナのランナ羽根の外径
D₂を高圧段部のランナ羽根の外径D₁の0.86〜0.96
倍の範囲に設定することを意味している。

この場合の各段部の水力特性関係を水車運転時
について第４図にまたポンプ運転時について第５
図に夫々示す。すなわち、高圧段ランナ２の羽根
の外径D₁に対して低圧段ランナ３の羽根の外径
D₂を式(7)で限定した特定の範囲内となるように
各段部のランナを構成し、各段部の可動ガイドベ
ーン１５，１６の水口開度を各段部の有効落差が
従来と同様ほぼ等しくなるように調整制御すれ
ば、とくに高効率運転が強く要求される水車発電
運転においては、第４図に示す各段部の水車運転
状態の軌跡から明らかのように、高圧段部では従
来と同じ性能レベルの運転が行なわれるが、低圧
段部では水車性能全体を低落差側に移行させた上
で従来とほぼ同じ高い落差で運転されるため、低
圧段部で基準運転状態□０から小流量領域にかけて
理想的な高性能運転が行なえるので、その結果各
段部の総合水力性能を著しく向上させることがで
きる。このように羽根外径が異なるランナを各段
部に配置し、羽根外径が同一である従来の場合と
同じように各段部の有効落差をほぼ等しく維持す
るには、各段部のガイドベーンの水口開度を羽根
外径の小さい方の段部が相対的に小開となるよう
な開度関係に調整制御することにより行なえる。
また、ポンプ運転の場合、第５図に示すように、
従来の場合に比べて高揚程側のポンプ性能が性能
特性全体を低揚程側に移行させた低圧段ランナ３
で相対的に低下する傾向があるが、その分羽根外
径が大きく高揚程側性能に優れた高圧段ランナ２
によつて挽回向上できるので、各段部の総合性能
としては従来の場合と同等レベルのポンプ性能の
もとに運転が行なえる。

以上述べたように、本発明は、各段部に可動ガ
イドベーンを設け、かつ低圧段部のランナの羽根
の外径を上記した特定の範囲内で高圧段部の場合
よりも縮小させるようにして各段部のランナを構
成し、各段部の可動ガイドベーンの水口開度を各
段部の有効落差が従来と同じくほぼ等しくなるよ
うに調整制御することによりとくに重要な水車発
電運転において理想的な高性能運転が行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による２段ポンプ水
車の構造を示す略示断面図、第２図はポンプ水車
におけるポンプと水車の水力特性関係を示した説
明図、第３図は従来の２段ポンプ水車における各
段部の水車特性関係を示した説明図、第４図は本
発明による実施例の２段ポンプ水車における各段
部の水車特性関係を示した説明図、第５図は同実
施例の２段ポンプ水車における各段部のポンプ特
性関係を示した説明図である。 １……水車主軸、２……高圧段ランナ、３……
低圧段ランナ、１０……返り通路、１１……うず
巻ケーシング、１３……入口弁、１４……水圧鉄
管、１５……可動ガイドベーン、１６……可動ガ
イドベーン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高圧段部と低圧段部を返り通路によつて直列
   に連絡し、各段部のランナを単一の水車主軸に連
   結して水車またはポンプ運転を行なう単速度可逆
   式２段ポンプ水車において、水口開度が変えられ
   る可動ガイドベーンを各段部のランナの外周にそ
   れぞれ設け、低圧段部のランナは、そのランナ羽
   根の外径が高圧段部のランナ羽根の外径の0.86〜
   0.96倍の範囲内に設定したことを特徴とする単速
   度可逆式２段ポンプ水車。