(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水車のランナ出口の吸出し管またはディスチャージリングの管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサを設け、この超音波センサによってランナ出口の流れの流速の絶対値と角度とを求め、水車の異常を診断することを特徴とする水車の異常診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の水車の異常診断装置において、２対の超音波センサは、ランナ中心より下流にランナ外径の２倍以内の距離に設置することを特徴とする水車の異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、水車の異常診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水車が正常な運転をしているかどうかの判断は、通常、振動，温度を監視することによって行っている。例えば、フランシス水車のランナに異物がはさまったり、可動羽根水車のランナベーンの駆動機構が一部破損または変形し、ランナベーンの設定角度がばらついた場合には、状態の診断は、軸受や騒音の測定結果から間接的に行われる。大抵の場合明らかな異常振動や異常騒音が確認された時点では、該当する水車の要素そのものが、修復不能な程度に変形したり破損して、交換が必要な状態になっている。また、水車のランナベーンの出口形状の仕上がり形状によっては、カルマン渦による共振現象が発生するが、どの羽根に発生しているかを特定して、対策を施すことは困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の診断技術では、ランナに作用する流体力学的な力に関する異常を、水車軸や軸受などの機械振動や騒音測定によって間接的に診断していた。直接流れを監視できれば、異常な状況が軽微なうちに危険性を予知，防止することが可能となる。流れを直接測定する１手法として、動特性の高いピトー管によってランナ出口の流れの角度，流速，圧力の測定を行い、流体力学的な力に関わる異常の状況を直接診断しようという技術が確立されている。
流れを直接測定することで水車要素の変形，破損を軽微な段階で捕捉することが可能である。しかし、ピトー管は非常にわずかではあるが、管壁から流路に突出した構造であるため、流木などがピトー管にぶっかって破損したり、泥がピトー管の測定孔に詰まるなどの不具合を生ずる恐れがあるため、ピトー管は長時間の監視に不適切であった。
【０００４】
図６は超音波流速計の計測原理を説明する図である。
超音波センサＰ1 ，Ｐ2 を管路の中心を通る測線上に対向させて配置し、超音波センサＰ1 からＰ2 へ、超音波センサＰ2 からＰ1 へ超音波を発信すると、Ｐ1 からＰ2 へは流れに従って超音波が進み、Ｐ2 からＰ1 へは流れに逆らって超音波が進むので、音速をＣ，流体のライン流速をＶ，超音波の上流方向の伝播時間をＴ1 ，超音波の下流方向の伝播時間をＴ2 ，センサ間の距離をＬ，超音波の伝播方向と流体の流れる方向との角度をθとすると、
【数１】
Ｔ1 ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
【数２】
Ｔ2 ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
ここで数１及び数２を音速Ｃについて解くと、
【数３】
Ｃ＝Ｌ／Ｔ1 ＋Ｖｃｏｓθ＝Ｌ／Ｔ2 −Ｖｃｏｓθ
ここからライン流速Ｖは
【数４】
Ｖ＝（Ｔ1 −Ｔ2 ）×Ｌ／（Ｔ1 ×Ｔ2 ）×２ｃｏｓθとして求められる。
【数５】
Ｔ1 −Ｔ2 ＝ΔＴとすれば、
ΔＴ＝２ＬＶｃｏｓθ／（Ｃ2 −Ｖ2 ｃｏｓ2 θ）    Ｃ2 はＶ2 よりはるかに大きいので、
ΔＴ＝２ＬＶｃｏｓθ／Ｃ2 
【数６】
Ｖ＝Ｃ2 ΔＴ／２Ｌｃｏｓθ
【数７】
数１及び数２から
Ｔ1 ＋Ｔ2 ＝２ＬＣ／（Ｃ2 −Ｖ2 ｃｏｓ2 θ）      Ｃ2 はＶ2 よりはるかに大きいので、
Ｔ1 ＋Ｔ2 ＝２Ｌ／Ｃ
Ｃ＝２Ｌ／Ｔ1 ＋Ｔ2     このＣを数６に代入すると
【数８】
Ｖ＝Ｃ2 ΔＴ／２Ｌｃｏｓθ＝２ＬΔＴ／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）ｃｏｓθ
Ｔ1 ＋Ｔ2 ／２＝Ｔm とすれば、
【数９】
Ｖ＝２ＬΔＴ／（２Ｔm ）2 ｃｏｓθ＝ＬΔＴ／２Ｔm 2 ｃｏｓθ
このようにして流速Ｖを求めることができる。
【０００５】
この発明はランナ出口の吸出し管またはディスチャージリングの管壁から器具を突出することなく、ランナ出口の流れの流速の絶対値及び流れの角度を測定し、その値から水車の異常を診断する異常診断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
水車のランナ出口の吸出し管またはディスチャージリングの管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサを設け、この超音波センサによってランナ出口の流れの流速の絶対値と角度とを求め、水車の異常を診断することによって、上記目的を達成する。
【０００７】
また、２対の超音波センサは、ランナ中心より下流にランナ外径の２倍以内の距離に設置すれば、水車の異常を診断する上に好適である。
【０００８】
【作用】
この発明においては、交差する２対の超音波センサを用いて１対のセンサから形成される測線上の流速を２種類検出する。このようにして得られた２種類の流速から水車軸中心方向の流速成分と水車軸に直角な流速成分とに分解し、両方の流速成分を合成することによって、ランナ出口の流れの流速の絶対値と角度とを求め、これらの値から水車の異常を診断することができる。
【０００９】
【実施例】
実施例１
図１はこの発明の異常診断装置をフランシス水車に取り付けた状態を示す縦断面図である。ケーシング２から導かれた水はランナ１を通って吸出し管３へ流れる。ランナ出口の吸出し管３の管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2を設けた。
２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2は、ランナ中心より下流のランナ外径Ｄの２倍（２Ｄ）以内の距離に設置する。
【００１０】
図５（Ａ）はこの発明の超音波センサによる計測原理を説明する図、（Ｂ）は（Ａ）における流れのベクトル合成を示す図である。ＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2はそれぞれ対をなすセンサである。ＰA1，ＰA2の距離をＬA 、ＰB1，ＰB2の距離をＬB 、ＰA1からＰA2方向の音波の進む時間をＴA1、ＰA2からＰA1方向の音波の進む時間をＴA2、ＰB1からＰB2方向の音波の進む時間をＴB1、ＰB2からＰB1方向の音波の進む時間をＴB2とする。ＰA1，ＰA2方向の流速をＶA 、ＰB1，ＰB2方向の流速をＶB とすればＶA ，ＶB は下記の式から求められる。
【数１０】
ＶA ＝（ＴA1−ＴA2）ＬA ／（ＴA1×ＴA2）×２
ＶB ＝（ＴB1−ＴB2）ＬB ／（ＴB1×ＴB2）×２
水車の軸中心と測線ＰA1，ＰA2とのなす角度をθA 、水車の軸中心と測線ＰB1，ＰB2とのなす角度をθB とすれば、水車軸中心方向の流速成分Ｖax及びこれと直角方向の流速成分ＶO は下記の式から求められる。
【数１１】
Ｖax＝ＶA ｃｏｓθA ＋ＶB ｃｏｓθB 
ＶO ＝ＶA ｓｉｎθA ＋ＶB ｓｉｎθB 
両者をベクトル合成することにより流速の絶対値Ｖが求められ、流速の絶対値Ｖと流速成分Ｖaxとの成す角度αが求められる。
【数１２】
Ｖ＝√（Ｖax2 ＋ＶO 2 ）
α＝ｔａｎ-1（ＶO ／Ｖax）
この異常診断装置によれば、流水力学的異常を早期に検出できて、フランシス水車ではランナ羽根の破損または流木等の詰まりを検出できる。超音波センサＰA1，ＰA2と超音波センサＰB1，ＰB2との測線がなす角度は１０°ないし１７０°とすれば、流れの状態を検出する上に好適である。
【００１１】
実施例２
図２はこの発明の異常診断装置をカプラン水車に取り付けた状態を示す縦断面図である。図２において図１と同じ部位は同じ符号を付してある。
図２においてケーシング２から導かれた水は、ランナ羽根１ａを通って吸出し管３へ流れる。ランナ羽根出口の吸出し管３の管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2を設けた。２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2は、ランナ中心より下流のランナ外径Ｄの２倍（２Ｄ）以内の距離に設置する。
この場合も測定原理は図５（Ａ），（Ｂ）に示す図により同様に説明できる。超音波センサＰA1，ＰA2と超音波センサＰB1，ＰB2との測線がなす角度は１０°ないし１７０°とすれば、流れの状態を検出する上に好適である。
この異常診断装置によれば、流水力学的異常を早期に検出できて、カプラン水車ではランナベーン駆動機構の経年変化による緩みまたは流木などの詰まりを早期に検出できる。
また、この発明による超音波センサは、可動羽根水車の制御センサとしても使用できる。
【００１２】
実施例３
図３はこの発明の異常診断装置をバルブ水車に取り付けた状態を示す縦断面図である。図３において水路４によって導かれバルブの外側を流れる水は、バルブ水車のランナ羽根１ａを通って吸出し管３へ流れる。
ディスチャージリング５の管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2を設けた。２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2は、ランナ中心より下流のランナ外径Ｄの２倍（２Ｄ）以内の距離に設置する。
この場合も測定原理は図５（Ａ），（Ｂ）に示す図により同様に説明できる。
【００１３】
図４（Ａ）は図３のランナ下流側の拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。
図４の例は超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2をバルブ水車の出口のデイスチャージリング５へ測線が交差するように配置した。超音波センサＰA1，ＰA2と超音波センサＰB1，ＰB2との測線がなす角度は１０°ないし１７０°とすれば、流れの状態を検出する上に好適である。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、水車のランナ出口の吸出し管またはディスチャージリングの管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサを設け、この超音波センサによってランナ出口の流れの流速の絶対値と流れの角度とを求め、これらの値からフランシス水車ではランナ羽根の破損または流木などの詰まりを検出でき、可動羽根水車ではランナベーン駆動機構の経年変化による緩みまたは流木などの詰まりを早期に発見し、重大事故を未然に防ぐことができる。
また、この発明による超音波センサは、可動羽根水車の制御センサとしても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１の異常診断装置の取り付け状態を示す縦断面図である。
【図２】この発明の実施例２の異常診断装置の取り付け状態を示す縦断面図である。
【図３】この発明の実施例３の異常診断装置の取り付け状態を示す縦断面図である。
【図４】（Ａ）は図３のランナ出口の拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。
【図５】（Ａ）はこの発明の実施例による超音波センサによる計測原理を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のベクトル合成を示す図である。
【図６】超音波センサによる計測原理を示す図である。
【符号の説明】
１    ランナ
１ａ  ランナ羽根
２    ケーシング
３    吸出し管
４    水路
５    ディスチャージリング
Ｐ1   超音波センサ
Ｐ2   超音波センサ
ＰA1  超音波センサ
ＰA2  超音波センサ
ＰB1  超音波センサ
ＰB2  超音波センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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