(57)【要約】【課題】排気時の回転体の浮き上がりを抑制することができる。【解決手段】ポンプ水車１は、上カバー２と下カバー３との間のランナ室Ｌで回転するランナ５と、ランナ室Ｌに接続された吸出し管７内に圧縮空気を給排気するための給排気弁１２Ｂを有する給排気管１１Ｂと、下カバー２のランナ側圧室１５に連通すると共に、空間からの漏水を排水させる動作速度調整可能な排水弁１８を有する排水管１７とを備えている。水面押し下げ時において、給排気管１１Ｂより吸出し管７内に圧縮空気を供給し、吸出し管７内の水面を押し下げ、ランナ室Ｌ内の圧縮空気中でランナ５を回転させるが、排気弁開指令により、排気弁１２Ａを開いて排気させるとともに、排水弁１８が全閉になるまでの時間を遅らせて運転することでランナ側圧の上昇を抑え、ランナに作用する上向きスラストを抑制するようにした。【選択図】図１
2010242660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上カバーと下カバーとの間の空間で回転する回転体と、
前記空間に接続された吸出し管内に圧縮空気を給排気する給排気弁を有する給排気管と、
前記下カバーの前記回転体周りの側圧室に連通すると共に、水面押し下げ時に発生するガイドベーンシールからの漏水、ランナシール冷却水およびランナの回転により巻き上がる水を排水させる下カバー排水弁を有する排水管と、
を備えた水車、ポンプ水車およびポンプに設置される下カバー排水弁の運用方法であって、
前記給排気管より前記吸出し管内に圧縮空気を供給し、前記吸出し管内の水面を押し下げ、前記空間内の圧縮空気中で前記回転体を回転させる工程と、
排気弁開指令により、排気弁を開いて排気させるとともに、前記下カバー排水弁を閉じ始めることで前記水面を上昇させる工程と、
を有し、
前記下カバー排水弁が全閉になる時間を遅らせて運用することを特徴とする下カバー排水弁の運用方法。
【請求項２】
排気弁開指令後も前記排気弁を開けておき、前記下カバー排水弁を閉じ始めるタイミングを遅らせて運転することを特徴とする請求項１に記載の下カバー排水弁の運用方法。
【請求項３】
上カバーと下カバーとの間の空間で回転する回転体と、
前記空間に接続された吸出し管内に圧縮空気を給排気する給排気管と、
前記下カバーの前記回転体周りの側圧室に連通すると共に、水面押し下げ時に発生するガイドベーンシールからの漏水、ランナシール冷却水およびランナの回転により巻き上がる水を排水させる下カバー排水弁を有する排水管と、
を備えた水車、ポンプ水車およびポンプの運用方法であって、
前記給排気管より前記吸出し管内に圧縮空気を供給し、前記吸出し管内の水面を押し下げ、前記空間内の圧縮空気中で回転体を回転させる工程と、
排気弁開指令とともに排気弁を開いて排気することで水面を上昇させ、前記下カバー排水弁を閉じる閉鎖時間を遅らせる工程と、
を有していることを特徴とする水車、ポンプ水車およびポンプの運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下カバー排水弁の運用方法および水車、ポンプ水車およびポンプの運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下カバー排水弁は、揚水始動、揚水調相および発電調相の水面押下げ時にガイドベーンからの漏水、ランナシール冷却水およびランナの回転により巻き上がる水を下カバー排水弁を経由してドラフト側へ排水させ、待機運転解除指令と共に下カバー排水弁を全閉することで、下カバー排水を止める役割を果たす自動弁である。また、下カバー排水ラインは下カバーに設ける開口部ならびに下カバー排水ボックスと吸出し管とを繋ぐ配管の途中に下カバー排水弁（自動弁）を設けて構成されている。上述の通り、水面押し下げ時に下カバー排水弁を開け、ガイドベーンシールからの漏水、ランナシール冷却水およびランナの回転により巻き上がる水を吸出し管側へ排水している。
【０００３】
ここで、図５はポンプ水車の縦断面図を示している。図５において、符号１０１はランナ、１０２は上カバー、１０３は下カバー、１０４は吸出し管、１０５はガイドベーン、１０６ａは給排気管、１０６ｂは排気管、１０７は主軸、１０８は排水ボックス、１０９は排水管、１１０は排水弁、１１１は渦巻きケーシングである。水面押下げ時の運転では、ガイドベーン１０５を全閉にして渦巻きケーシング１１１から入る水を遮断し、給排気管１０６ａから圧縮空気をランナ１０１内に供給して吸出し管１０４内の水面を押し下げ、ランナ１０１を空気中で水の抵抗のない状態で回転させる（待機運転）。このとき、ガイドベーン１０５のシールからの漏水、ランナシール冷却水及びランナ１０１の回転により巻き上がる水などを、排水管１０９を経由して吸出し管１０４側へ排水させる。その後、排気弁開指令とともに、排水弁１１０を全閉させ、給排気管１０６ａおよび排気管１０６ｂより排気することで、ランナ１０１の下へ押し下げていた水を上昇させる。そして、発電運転ならばガイドベーン５を開けることで発電を開始し、揚水運転ならばランナ１０１とガイドベーン１０５との間のプライミング部１１２の圧力が設定圧に達したとき、ガイドベーン１０５を適度な開度で開けて、揚水を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２００１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のポンプ水車における水面押し下げ時の運転方法においては、以下のような問題があった。
すなわち、待機運転を解除して吸出し管内の水面を上昇させると、ランナ周りはガイドベーンによって締め切られた状態（締切運転状態）となり、水の上昇と共にランナ周りの各部の圧力が上昇する。具体的には、図５においてランナ１０１とガイドベーン１０５との間のプライミング部１１２の圧力が上がるが、排気時間が短い場合などでは、水は下カバー排水ボックス１０８に流入し、一次（外側）バランス管１１５を通ってランナ一次（外側）背圧室へと流れていく。ランナ側圧室１１３へ水が流入することでランナ側圧室１１３の圧力が上がり、水の流入によってランナ背圧室１１４の圧力が上がることになる。つまり、ランナ側圧室１１３の圧力上昇がランナ背圧室１１４に比べて早くなり、ランナ上下の圧力バランスにて発生する上向きの水圧スラストがランナ１０１および主軸１０７を含む回転体重量を超えることとなれば、ランナ１０１および主軸１０７を含む回転体が浮き上がってしまう。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、排気弁開指令時の回転体の浮き上がりを抑制するようにした下カバー排水弁の運用方法および水車、ポンプ水車およびポンプの運用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る下カバー排水弁の運用方法では、上カバーと下カバーとの間の空間で回転する回転体と、空間に接続された吸出し管内に圧縮空気を給排気する給排気弁を有する給排気管と、下カバーの回転体周りの側圧室に連通すると共に、水面押し下げ時に発生するガイドベーンシールからの漏水、ランナシール冷却水およびランナの回転により巻き上がる水を排水させる下カバー排水弁を有する排水管とを備えた水車、ポンプ水車およびポンプに設置される下カバー排水弁の運用方法であって、給排気管より吸出し管内に圧縮空気を供給し、吸出し管内の水面を押し下げ、空間内の圧縮空気中で回転体を回転させる工程と、排気弁開指令により、排気弁を開いて排気させるとともに、下カバー排水弁を閉じ始めることで水面を上昇させる工程とを有し、下カバー排水弁が全閉になる時間を遅らせて運用することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係る水車、ポンプ水車およびポンプの運用方法では、上カバーと下カバーとの間の空間で回転する回転体と、空間に接続された吸出し管内に圧縮空気を給排気する給排気管と、下カバーの回転体周りの側圧室に連通すると共に、水面押し下げ時に発生するガイドベーンシールからの漏水、ランナシール冷却水およびランナの回転により巻き上がる水を排水させる下カバー排水弁を有する排水管とを備えた水車、ポンプ水車およびポンプの運用方法であって、給排気管より吸出し管内に圧縮空気を供給し、吸出し管内の水面を押し下げ、空間内の圧縮空気中で回転体を回転させる工程と、排気弁開指令とともに排気弁を開いて排気することで水面を上昇させ、下カバー排水弁を閉じる閉鎖時間を遅らせる工程とを有していることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係る下カバー排水弁の運用方法では、排気弁開指令後も排気弁を開けておき、下カバー排水弁を閉じ始めるタイミングを遅らせて運転するようにしてもよい。
本発明では、揚水始動時などの排気初期の過程において、下カバーの側圧室に連通する排水管の排水弁が全閉となる時間を遅くすることで、排水弁の開いている時間が長くなる分、側圧の圧力上昇が抑えられ、この側圧によって回転体に作用する上向き水圧スラストを低減することができる。
【００１０】
また、本発明に係る下カバー排水弁の運用方法では、排気弁が全開に達する時間より、下カバー排水弁の閉じ始める閉鎖タイミングを遅らせることでも、排気弁指令後も下カバー排水弁が開いているため、上向きスラストは抑制される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の下カバー排水弁の運用方法および水車、ポンプ水車およびポンプの運用方法によれば、排水弁が全閉するまでの時間を適切に調整することで、排気初期のランナ側圧の上昇を低減することができ、これにより回転体にかかる上向きの水圧スラストが回転体の重量を超えることが抑制されるため、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】
【００１２】
【図１】ポンプ水車の概要構成を示す縦断面図である。
【図２】揚水起動時の下カバー排水弁の閉鎖速度を遅くする場合のタイムチャート（第１の実施の形態）である。
【図３】比較運転例による揚水起動時の下カバー排水弁動作を示すタイムチャートである。
【図４】揚水起動時の下カバー排水弁の閉鎖タイミングを遅らせる場合のタイムチャート（第２の実施の形態）である。
【図５】従来の揚水起動時におけるポンプ水車の運転状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の第１の実施の形態によるポンプ水車の運用方法について、図１乃至図３に基づいて説明する。
【００１４】
図１の符号１は、揚水発電所向けポンプ水車を示している。
すなわち、ポンプ水車１は、上カバー２と下カバー３とによって形成される空間（ランナ室Ｌ）内において、上方のタービン等（図示省略）に連結されている主軸４の下端に設けられたランナ５（回転体）が回転可能に配設された構成となっている。さらに、ランナ５の外周には渦巻きケーシング６が設けられ、ランナ室Ｌの下端部には吸出し管７が連通され、ランナ室Ｌと渦巻きケーシング６とを連通する流路にはガイドベーン８が周方向に沿って複数配列されている。各ガイドベーン８は、ランナ５内を流れる流路を開閉させて水量を調整するために開閉可能な周知の構造となっている。
なお、図１は、揚水運転中の状態、すなわちランナ室Ｌに水Ｗが充填された状態（吸出し管７内の水面が上昇した状態）を示している。
【００１５】
上カバー２には、ランナ５の外周部付近に第１ギャップ９ａを介して連通するランナ一次背圧室９が設けられており、さらにランナ一次背圧室９の内側（ランナ５の回転軸側）には第２ギャップ１０ａを介して一対のランナ二次背圧室１０（１０Ａ、１０Ｂ）が設けられている。ここで、ランナ二次背圧室１０のうち、ランナ５の径方向で外側を符号１０Ａとし、内側を符号１０Ｂとして区別している。
【００１６】
そして、ランナ二次背圧室１０Ａ、１０Ｂには、それぞれ排気管１１Ａおよび給排気管１１Ｂが接続されている。この一対の排気管１１Ａ、給排気管１１Ｂは、それぞれ上カバー２に設けられているランナ二次背圧室１０Ａ、１０Ｂを介してランナ５の内側に連通する中央空間部２ａにつながっている。給排気管１１Ｂは、給排気弁１２Ｂを備えており、図示しない圧縮空気供給手段から空気をランナ二次背圧室１０Ａ、１０Ｂ、および中央空間部２ａを通過させて吸出し管７へ供給するとともに、排気管１１Ａおよび給排気管１１Ｂはその空気を排気するためのものである。
【００１７】
下カバー３には、ランナ５とガイドベーン８との間のプライミング部１３に繋がる第３ギャップ１４が設けられ、その第３ギャップ１４にはランナ側圧室１５と排水ボックス１６とが連通した状態で設けられている。ここで、プライミング部１３は、ランナ５の外周側に位置しており、プライミング部１３とランナ５との境界付近に第３ギャップ１４が配置されている。ランナ側圧室１５は、ランナ下面に沿って設けられており、第４ギャップ１５ａを介して吸出し管７に繋がっている。
【００１８】
さらに、排水ボックス１６のうち一部（図１では紙面左側に示す排水ボックス１６Ａ）には排水管１７が繋がっており、この排水管１７が吸出し管７に連結され、この排水管１７の途中には排水弁１８（本発明の「下カバー排水弁」に相当する）が設けられた構成となっている。排水管１７は、ランナ５の待機運転時（ランナ５の空転時であって、詳しくは後述する）において、ガイドベーン８のシール部からの漏水や、ランナシール冷却水およびランナ５の回転により巻き上がる水を吸出し管７へ排水している。
そして、排水弁１８は、排水管１７を開閉するものであり、例えば、水面押下げ時の運転において、待機運転の解除指令とともに排水弁１８を全閉することで排水を止める役割を果たす自動弁となっている。
【００１９】
また、本ポンプ水車１には、運転中のランナ５周りの圧力をバランスさせるための二系統のバランス管１９（１９Ａ、１９Ｂ）が設けられている。一方の一次（外側）バランス管１９Ａは上カバー２のランナ一次背圧室９に繋がる系統をなし、また二次（内側）バランス管１９Ｂは吸出し管７と上カバー２のランナ二次背圧室１０Ａとに繋がっている構成となっている。
【００２０】
次に、揚水始動、揚水調相時および発電調相時における上述した下カバー排水弁の運用方法について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示す渦巻きケーシング６に水Ｗが満たされ、ガイドベーン８が全閉の状態により、このガイドベーン８によって渦巻きケーシング６とランナ５とが遮断されている状態となっている。
【００２１】
次に、図示しない空気圧縮機などの圧縮空気源から給排気管１１Ｂを経て圧縮空気をランナ室Ｌおよび吸出し管７内に供給し、吸出し管７内の水面を所定の水面レベルまで押し下げて、ランナ室Ｌ内の水Ｗを吸出し管７内に押し下げる。このとき、給排気弁１２Ｂは、前記水面レベルが所定の高さになった時点で閉じられる。そして、ランナ５を圧縮空気中で水の抵抗のない状態で回転させる（待機運転）。揚水始動時においては水Ｗの抵抗によるランナ５の始動が困難であることから、ガイドベーン８を全閉にしてケーシング２０からの水の流入を遮断するとともに吸出し管７内の水面位を下げておくことで、空気中でランナ５を小さな力で回転させることを可能としている。つまり、ポンプ水車１の駆動トルクを軽減するようにして運転することができる。
【００２２】
次に、揚水待機運転状態から揚水運転に移行するために、排気弁１２Ａおよび給排気弁１２Ｂを開いて吸出し管７の内部に充填した圧縮空気を排気管１１Ａ、給排気管１１Ｂにより排気するとともに排水弁１８を閉じ始めることで、吸出し管７内の水面位が上昇してランナ室Ｌに水が流入してランナ５が水に浸かることになる。このとき、ランナ５周りはガイドベーン８により締め切られた状態（締切運転状態）となり、水Ｗの上昇と共にランナ５周りの各部圧力（すなわち、ランナ一次背圧室９、ランナ二次背圧室１０Ａ、１０Ｂ、およびランナ側圧室１５）が上昇する。そして、ランナ５とガイドベーン８との間のプライミング部１３の圧力が設定圧に達したとき、つまり、ランナ室Ｌ内の水圧がガイドベーン８を開いて直ぐに揚水開始できるに足りる揚圧力（プライミング水圧）に達しときに、ガイドベーン８を適正な開度で開け、揚水運転が開始される。
【００２３】
さらに、本第１の実施の形態による水面の上昇時における運転方法について、より詳細に説明する。
ここで、図２は揚水待機運転状態から揚水運転に移行した初期の運転状態を示したタイムチャートであって、図中の４つのラインは上から順にランナ側圧（ランナ側圧室１５の圧力）、排気弁１２Ａの開閉動作、排水弁１８の開閉動作、ランナ５の回転速度の時間経過による変化を示している。
【００２４】
図２に示すように、本第１の実施の形態では、排水弁１８の動作速度を変更し、排水弁１８が全閉になるまでの時間を遅くして運転している。つまり、排気弁１２Ａを開く指令（排気弁開指令）により排気弁１２Ａが開き始めると同時に排水弁１８を閉め始める。そして、排水弁１８の閉鎖速度を遅くすることで排水弁１８の開いている時間を長くすることができ、ランナ側圧の圧力上昇を抑制することができ、ランナ５に働く上向きスラストを抑制することができる。
【００２５】
ここで、図３は、従来の排水弁の動作運転例（比較運転例）を示している。本第１の実施の形態と比較運転例とを比べると、図２に示すランナ側圧の圧力上昇が、図３の比較運転例でのランナ側圧の圧力上昇と比べて緩やかな上昇となっていることがわかる。
【００２６】
このように、本運転方法では、揚水起動時の排気初期の過程において、ランナ側圧室１５に連通する排水管１７の排水弁１８が全閉するまでの時間を遅くすることで、排水弁１８が開いている時間が長くなる分、ランナ側圧の圧力上昇が抑えられ、このランナ側圧によってランナ５に作用する上向きの水圧スラストを低減することができる。
【００２７】
上述した本第１の実施の形態による回転体浮上り防止機構では、排水弁１８が全閉するまでの時間が遅くなるように調整することで、ランナ側圧の上昇を遅らせることができ、これによりランナ５にかかる上向きの水圧スラストが回転体の重量を超えることが抑制されるため、回転体の浮き上がりを防止することができる。
【００２８】
次に、他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
【００２９】
図４に示すように、第２の実施の形態の運転方法では、排気弁開指令後も、排水弁１８を開けておき、最適な時間後、排水弁１８を閉鎖させる。つまり、排水弁１８の閉鎖のタイミングを遅らせる運転をしている。給排気弁開指令後も排水弁１８が開いているため、ランナ側圧の圧力上昇を抑えることができる。
【００３０】
以上、本発明によるポンプ水車の運転方法の第１及び第２の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、水車、ポンプ水車およびポンプの構造、運転条件に応じて任意に設定することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  ポンプ水車
２  上カバー
３  下カバー
５  ランナ（回転体）
６  渦巻きケーシング
７  吸出し管
８  ガイドベーン
９  ランナ一次背圧室
１０、１０Ａ、１０Ｂ  ランナ二次背圧室
１１Ａ  排気管
１１Ｂ  給排気管
１２Ａ  排気弁
１２Ｂ  給排気弁
１３  プライミング部
１５  ランナ側圧室
１６  排水ボックス
１７  排水管
１８  排水弁（下カバー排水弁）
Ｌ  ランナ室（空間）
【図１】
2010242660.tif 000003
【図２】
2010242660.tif 000004
【図３】
2010242660.tif 000005
【図４】
2010242660.tif 000006
【図５】
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