(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上池から導水する鉄管に接続されたケーシングの内周部に配設されたステイベーンと、主軸の下端部に取付けられたランナと、このランナを取り囲む上カバーおよび下カバーと、下カバーの下方に接続され前記ランナからの水流を下池に導く吸出し管を有し、土砂を多く含んだ水を用いる水車、ポンプ水車などの水力機械において、前記上カバーと前記ランナとで形成される背圧室に一端が開口し他端が排水制御弁を介して前記吸出し管あるいは下池のいずれかに開口する排出管と、この排出管の途中に設けられる土砂濃度検出装置と、一端が前記鉄管に開口し濾過装置および給水制御弁を介して他端が前記背圧室に開口する給水管を備え、この給水管により前記背圧室に高圧清水を注入し前記背圧室内の土砂を外部に排出するよう構成したことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
請求項１記載の水力機械において、あらかじめ定められた水力機械の運転時間を超えた時に排出制御弁を開口操作し、土砂濃度検出装置で検出された土砂濃度が所定の設定値を下回った時に、前記排出制御弁を閉口することを特徴とする水力機械の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水車、ポンプ水車などの水力機械に係り、特に土砂を多く含んだ水を用いる水車、ポンプ水車などの水力機械およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の水力機械の一例として、フランシス形水車の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、図示しない上池から導水する鉄管20に接続されたケーシング１の内周部に配設されたステイベーン２と、主軸３の下端部に取り付けられ、エネルギーの授受を行うランナ４と、このランナ４を取り囲むように配設された上カバー５および下カバー６と、ランナ４の外周に配設され、流量を調節するガイドベーン７と、下カバー６の下方に接続され、ランナ４からの水流を下池13に導く吸出し管８等で構成されている。なお、上カバー５とランナ４とで形成される隙間が背圧室９で、下カバー６とランナ４とで形成される隙間が側圧室10である。また、背圧室９にはランナシール12が設けられている。さらに、ランナ４のランナシール12の内周側には、軸スラスト軽減のための複数のバランスホール11が円周上に設けられている。このような構成の水力機械を運転した場合、上池からの導水は鉄管20、ケーシング１、ステイベーン２、ガイドベーン７を通ってランナ４に流入し、ランナ４を回転させる。ランナ４に流入する水は前記背圧室９および側圧室10にも流入するが、これらの水は回転エネルギーに変換される事はなく、むしろ、この量が多いと水力機械の効率を低下させる。このため、ランナシール12で漏水量を軽減させるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、土砂の多い水を用いる水力機械では、背圧室９および側圧室10にも土砂を含んだ水が流入する。そのために、ランナ４や上カバー５および下カバー６は、この土砂水によって土砂摩耗を生じる。側圧室10側では、水よりも比重の大きい土砂が下カバー６に沿って漏水と共に吸出し管８に流出しやすく、それほど大きな土砂摩耗は生じない。一方、背圧室９側では、土砂がランナ４の影響を受けて粘性力や遠心力によって運動し、静止側である上カバー５は勿論、ランナ５にも土砂摩耗を生じる。この土砂摩耗により、遠心力の大きい外周側程激しく摩耗するという問題があった。さらに、背圧室９に流入した土砂は圧力差によって、ランナシール12にも流入する。このためランナシール12が摩耗して隙間12aが大きくなり、この部分からの漏水が増大して、結果的に水力機械の効率を低下させる問題がある。この対策として従来は、摩耗を受ける部分の板厚を厚くしたり、一定期間毎に取り替えるかまたはこの部分を補修して使用していたので、水力機械の稼働効率を低下させる欠点があった。
【０００４】
本発明は以上の様な問題を解決するためになされたもので、その目的は土砂を多く含んだ水を作動流体とする水力機械でも、土砂摩耗を軽減して効率及び稼働率を向上させた高性能で経済的な水力機械およびその運転方法を提供する事にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、上池から導水する鉄管に接続されたケーシングの内周部に配設されたステイベーンと、主軸の下端部に取付けられたランナと、このランナを取り囲む上カバーおよび下カバーと、下カバーの下方に接続され前記ランナからの水流を下池に導く吸出し管を有し、土砂を多く含んだ水を用いる水車、ポンプ水車などの水力機械において、前記上カバーと前記ランナとで形成される背圧室に一端が開口し他端が排水制御弁を介して前記吸出し管あるいは下池のいずれかに開口する排出管と、この排出管の途中に設けられる土砂濃度検出装置と、一端が前記鉄管に開口し濾過装置および給水制御弁を介して他端が前記背圧室に開口する給水管を備え、この給水管により前記背圧室に高圧清水を注入し前記背圧室内の土砂を外部に排出するよう構成したことを特徴とするものである。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１記載の水力機械において、あらかじめ定められた水力機械の運転時間を超えた時に、排出制御弁を開口操作し、土砂濃度検出装置で検出された土砂濃度が所定の設定値を下回った時に、前記排出制御弁を閉口する事を特徴とする水力機械の運転方法である。
【０００７】
【作用】
請求項１の発明によれば、背圧室に開口する排出管に介挿した排水制御弁を、一定期間の運転後に開口操作することにより、背圧室内に溜まった土砂は遠心力によってランナの外周側から排出管によって吸出し管あるいは下池に排出される。したがって、濃度の高い土砂の滞留を回避できるので上カバーやランナの土砂摩耗を軽減できる。
【０００８】
さらに、請求項２の発明によれば、排出管の途中に土砂濃度検出装置を装備したので、一定期間の運転後に排水制御弁を開口操作し、土砂濃度が所定の設定値を下回った事を検出して閉口操作できる。したがって、エネルギー源である水を有効に活用でき、効率よく土砂を排出できる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の各実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例を示す水力機械の断面図で、フランシス形水車に適用した例である。本実施例が既に説明した図６の従来例と異なる点は、背圧室９の外周側に排出管14を設けた点であり、その他は同一であるので、同一部には同一符号を付してその説明は省略する。
【００１０】
排出管14の一端は背圧室９の外周側に開口し、他端は下池13に開口しており、その途中には土砂濃度検出装置15および排水制御弁16が装備されている。さらに、土砂濃度検出装置15からの濃度検出信号で排水制御弁16の開閉を制御する制御装置21が備えられている。
【００１１】
次に、本実施例の作用について説明する。背圧室９に開口する排出管14に介挿した排水制御弁16を、一定期間の運転後に制御装置21で開口操作することにより、背圧室９内に溜まった土砂は遠心力によって外周側から排出管14によって吸出し管８あるいは下池13に排出される。したがって、濃度の高い土砂の滞留を回避できるので上カバー５やランナ４の土砂摩耗を軽減できる。
【００１２】
さらに、排出管14の途中に土砂濃度検出装置15を装備したので、一定期間の運転後に排水制御弁16を開口操作し、土砂濃度が所定の設定値を下回った事を前記土砂濃度検出装置15で検出し、制御装置21を用いて排水制御弁16をも閉口操作する。したがって、エネルギー源である水を有効に活用でき、効率よく土砂を排出できる。
【００１３】
なお、本実施例の他の実施例として、土砂濃度検出装置15を装備せずに、一定時間経過後に排水制御弁16を閉口操作してもよい。また、排出管14の他端は下池の代わりに吸い出し管８に開口してもよい。
【００１４】
図２は本発明の第２実施例を示す断面図で、前述の第１実施例に加えて、背圧室９のランナシール11の外周側の位置に開口する給水管17を設けたものである。給水管17の他端は給水制御弁18および濾過装置19を介してケーシング１の上流側の鉄管20に接続されている。
【００１５】
次に、本実施例の作用について説明する。前述の第１実施例と同様に、排水制御弁16を開口操作することにより、遠心力で背圧室に溜まった土砂を遠心力で排出する事ができるが、さらに本実施例によれば、遠心力とともに鉄管20からの高圧水を背圧室９に注入して土砂を排出できる。この際、鉄管20からの高圧水にも土砂が含まれているが、濾過装置19でこの土砂は除去されるので背圧室９には清水が注入される。したがって、背圧室９内の土砂水は一定期間毎に清水に置換されるので、滞留する土砂量を抑制して上カバー５やランナ４の土砂摩耗を軽減することができる。さらに、ランナシール12に流入する土砂も減少するので、ランナシール12部の摩耗を軽減でき、この部分からの漏水量も軽減して水力機械の効率を向上できる。
【００１６】
なお、鉄管20からの高圧水を背圧室９に注入して土砂を排出できるので、運転中のみならず、停止中でも土砂を排出できる。図３および図４はそれぞれ本実施例の他の実施例を示すもので、図３は給水管17の背圧室９への開口部の形状を外周側に向けたものであり、図４は開口部先端をノズル形状にしたものである。このような形状にすることにより、高圧水が外周側に流れて土砂をより効率よく排出できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、土砂を多く含んだ水を作動流体とする水力機械でも、土砂摩耗を軽減して効率及び稼働率を向上させた高性能で経済的な水力機械およびその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水力機械の第１実施例を示す断面図。
【図２】本発明の水力機械の第２実施例を示す断面図。
【図３】本発明の第２実施例の他の実施例を示す要部断面図。
【図４】本発明の第２実施例の他の実施例を示す要部断面図。
【図５】従来の水力機械の一例を示す断面図。
【符号の説明】
１…ケーシング
４…ランナ
５…上カバー
６…下カバー
８…吸出し管
９…背圧室
10…側圧室
12…ランナシール
12ａ…隙間
13…下池
14…排出管
15…土砂濃度検出装置
16…排水制御弁
17…給水管
18…給水制御弁
19…濾過装置
20…鉄管
21…制御装置
【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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