(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直に配設された回転軸と、該回転軸の立軸線に横断して固着されたランナと、該ランナの下部に配置され、中間吸出管、曲り部吸出管、拡開吸出管を順次に連ねてなるドラフトチューブと、当該ドラフトチューブ内に高圧空気を送入して充水を押下げる押下げ手段と、を備える水力機械において、前記ドラフトチューブの前記拡開吸出管を、前記曲り部吸出管の接続終点を基点に下り勾配に配設してなり、かつ、前記拡開吸出管を水平面上に投影したときの水平長さＬは、曲り部吸出管の接続終端の水平面を基準としたときの拡開吸出管の下り勾配角度をθ、充水押下げ運転中に使用される空気の密度をρａ、水面の水密度をρｗ、ランナ回転速度をｎ、ランナ出口径をＤｅ、水力機械が設置されている場所の重力加速度をｇ、定数をＫとすると、
【数１】
0003633946.tif 000009
ここに、べき数ｍは６、定数Ｋは０．１、
の関係式を満すことを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、水力機械が充水押下げ運転している場合、その運転に使用される空気が漏気することなく効果的な運転をすることができる水力機械のドラフトチュ―ブの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に水力機械は、発電運転のみの場合、あるいは発電運転、ポンプ（揚水）運転が兼用できる場合のいずれであっても、電力系統の無効電力を調整するため調相運転を行なうことがある。この場合、充水のままランナを回転させていると、回転軸に不要なトルクを求めることになるので、充水をランナの下方にまで強制的に押下げる、いわゆる充水押下げ運転を行ない、回転軸を身軽な状態にして回転させている。
【０００３】
このような運転を行なう従来の水力機械は、図８に示されているように、回転軸（主軸）１が垂直に配置され、この垂直軸線に横断してランナ２が固着されている。
【０００４】
ランナ２の入口側は、水口開度調整のためのガイドベ―ン３を経て渦巻状のケ―シング３ａに連なり、また、ランナ２の出口側は、中間吸出管４、曲り部吸出管５、拡開吸出管６に連なっている。
回転軸１は、中間吸出管４、曲り部吸出管５を貫いて延びており、軸受７，１３によって軸支されている。
【０００５】
このような構成の水力機械が充水押下げ運転を行なう場合、中間吸出管４に高圧空気が送り込まれ、高圧空気の押圧力によって充水は水面１２の位置まで押下げられ、この間、回転軸１を矢印の方向に回転させて調相運転などをしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述充水押下げ運転において、回転軸１は、身軽の状態で回転しているとはいえ、その一部分は充水中の状態で回転している、このため、充水の水面１２は、回転軸１の撹拌作用により揺動し、時間経過とともに左右に変動する揺動水面１２ａ、１２ｂになり、時には揺動水面１２ａが図示のように、拡開吸出管６の近くに達することもある。
このような水面変動に対し、水面を押圧していた高圧空気は、一部水面に吸収されて、図９に示すように気泡１０となる、いわゆる漏気現象があらわれている。
漏気現象は、量的に増えてくると、高圧空気を補充するための大容量空気圧縮機が必要になると共に、気泡１０の消滅の際、発生する破裂エネルギーが高まり、曲り部吸出管５、拡開吸出管６の壊食の要因になる心配がある。
【０００７】
このような漏気現象が発生するのは、図８，図９にした距離Ｆ（ランナ水平中心軸と曲り吸出管の接続終端との距離）が短いために引き起す問題ではあるが、漏気現象の発生を回避するために、単に上記距離Ｆを単に長くするだけでは以下の不都合・不具合があらわれる。
（１）  距離Ｆを長くすると、土中掘削量が増加し、発電所建設のための土木コストが高騰する。
（２）  距離Ｆを長くすると回転軸を軸支する軸受のスパン間隔が長くなり、回転軸軸系の固有振動数が低下し、危険振動域が一段と高くなる。
このような事情から、距離Ｆを従来のままに保持しつつ、拡開吸出管に格別の検討が必要である。
【０００８】
この発明は、上述の事情に鑑み、ランナ水平中心軸と曲り部吸出管の接続終端との距離を、従来の距離に保持しつつ、漏気現象を顕著に抑制させる水力機械のドラフトチューブを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に記載したこの発明は、垂直に配設された回転軸と、該回転軸の立軸線に横断して固着されたランナと、該ランナの下部に配置され、中間吸出管、曲り部吸出管、拡開吸出管を順次に連ねてなるドラフトチューブと、当該ドラフトチューブ内に高圧空気を送入して充水を押下げる押下げ手段と、を備える水力機械において、前記ドラフトチューブの前記拡開吸出管を、前記曲り部吸出管の接続終点を基点に下り勾配に配設してなり、さらに以下の関係式を満たすよう設定されたことを特徴とするものである。
【００１０】
すなわち、拡開吸出管を水平面上に投影したときの水平長さＬは、曲り部吸出管の接続終端の水平面を基準としたときの拡開吸出管の下り勾配角度をθ、充水押下げ運転中に使用される空気の密度をρａ、水面の水密度をρｗ、ランナ回転速度をｎ、ランナ出口径をＤｅ、水力機械が設置されている場所の重力加速度をｇ、定数をＫとすると、
【００１１】
【数２】
0003633946.tif 000002
ここに、べき数ｍは６、定数Ｋは  ０．１、
の関係式を満すものである。
【００１２】
【作用】
請求項１に記載したこの発明においては、充水押下げ運転の際、水面が左右、上下に揺動し、充水を押圧していた高圧空気の一部が巻き込れ気泡が発生する。しかしながら、拡開吸出管は下り勾配になっているので、気泡と充水との比重差の関係から、気泡は拡開吸出管に接続する曲り部吸出管に向う充水移動方向とは逆方向に進行し、この間、気泡の進行速度は減衰し、気泡は消滅する。したがって、漏気現象は抑制される。さらに、本において、拡開吸出管を水平面上に投影したときの水平長さＬは、次式で与えられる。
【００１３】
【数３】
0003633946.tif 000003
この式を導き出した概拠は以下に由来する。
【００１４】
上記拡開吸出管を、曲り部吸出管の接続終端を基点に下り勾配にした場合、拡開吸出管の水平面上に投影した水平長さＬを短くしたのでは、気泡の進行減衰速度（隣りの曲り部吸出管に向うの方向の速度）が十分に確保されていないので漏気現象抑制には役立たず、また上記Ｌを長くすると、次に位置する放水管が下池に向って上り勾配になっているので、土中の掘削量が増加し、土木上のコストが増し、好ましくない。
【００１５】
このような事情から、拡開吸出管の下り勾配角度は必然的に所与範囲に定まってくる。このため、所与範囲に定められた拡開吸出管の下り勾配角度θの下に、拡開吸出管を水平面上に投影したときの水平長さＬは、次のようにして求めることができる。
【００１６】
充水が上下・左右に揺動する水面に巻き込まれる空気は、その一部が気泡となってあらわれる。この気泡の移動速度をＶとすると、気泡の運動エネルギーＥは、Ｅ＝Ｖ２／２ｇとしてあらわすことができる。そしてランナの回転速度をｎ（ｒｐｍ）、ランナ出口径をＤｅ（ｍ）、充水押下げ運転中に使用される空気の密度をρａ（ｋｇ／ｍ３）、水面の水密度をρｗ（ｋｇ／ｍ３）とすると、気泡の移動速度Ｖは、
【００１７】
【数４】
0003633946.tif 000004
としてあらわすことができる。ここに１／ｍはべき数である。次に、気泡が浮力に逆らって鉛直方向にＬ tan θ移動するに要する仕事Ｗは
【００１８】
【数５】
Ｗ＝ｇ（ρw−ρa）／ρa ×Ｌtanθ                  （２）
としてあらわすことができる。ここに、Ｋは定数である。
【００１９】
【数６】
Ｗａ  ＝Ｋｇ（ρｗ  −ρａ  ）／ρａ  ×Ｌ                    （３）
としてあらわすことができる。ここに、Ｋは定数である。
【００２０】
漏気が発生する条件は、気泡のもっている運動エネルギＥが、気泡が浮力に逆らって鉛直方向下方に移動するに要する仕事Ｗと水平長さＬを移動するに要する仕事Ｗａ  の和以上になっていることが必要である。
【００２１】
【数７】
Ｅ≧Ｗ＋Ｗａ                                            （４）
【００２２】
したがって拡開吸出管の下り勾配角度θが定められたとき、漏気を発生させないようにするための拡開吸出管の水平長さＬは、（１），（２），（３），（４）式から
【００２３】
【数８】
0003633946.tif 000005
としてあらわすことができる。なお、（１）式のべき数ｍと、（２）式の定数Ｋは実験結果から求められる。
【００２４】
上式（５）を用いて、拡開吸出管の模型試験した結果、図３に示す特性が得られた。なお、この模型試験の際、べき数ｍと定数Ｋは、それぞれｍ＝６、Ｋ＝０．１を採用している。
図３に示す特性中、縦軸は、拡開吸出管の必要最低無次元長さを
【００２５】
【数９】
0003633946.tif 000006
を示し、横軸は拡開吸出管の下り勾配角度θを示し、プロットした試験点を結ぶ実線はρａ／ρｗ＝０．０５、その破線はρａ／ρｗ＝０．１、その一点鎖線はρａ／ρｗ＝０．１５のケースを示している。なおρａ／ρｗは、高圧空気が充水の水面に与える押圧力の強さをあらわす指標である。
図３に示す特性ａ、ｂ、ｃは、上式（５）中、
【００２６】
【数１０】
0003633946.tif 000007
に変形した漏気現象が発生しない境界ラインを示すもので、拡開吸出管の無次元長さがこれら三つの特性ａ、ｂ、ｃの線より上にあれば漏気現象は発生しない。
【００２７】
したがって、図３に示すマスタ―カ―ブを下に、上式（５）を用いて、拡開吸出管の下り勾配角度θを選定すれば、拡開吸出管を水平面上に投影したときの水平長さＬは一義的に定めることができる。
【００２８】
【実施例】
以下に、この発明に係る水力機械の一実施例を図面を参照して説明する。なお、図８に示す構成部品と同一部品には同一符号を付する。
【００２９】
図１は、水力機械の全体概略構成を示す図で、垂直に配置された回転軸１に横断的に配設されたランナ２は、渦巻状のケ―シング３ａにより囲われ、その入口は、ガイドベ―ン３を経てケ―シング３ａに連なり、またその出口は中間吸出管４、曲り部吸出管５、拡開吸出管６、ドランジェント管９、放水管８を介装して連なっている。また、回転軸１は、中間吸出管４、曲り部吸出管５を貫いて延びており、軸受７，１３により軸支されている。
【００３０】
上記構成の水力機械に対し、この発明では拡開吸出管６に改良を加えている。すなわち、拡開吸出管６は、曲り部吸出管５の接続終端を基点に下り勾配にしたものである。
【００３１】
曲り部吸出管５の接続終端の水平面を基準としたときの拡開吸出管の下り勾配角度θと、拡開吸出管を水平面上に投影したときの水平長さＬとの関係は、上式（５）で述べたように、
【００３２】
【数１１】
0003633946.tif 000008
として与えられる。
このような構成を有する拡開吸出管は次のように作用する。
【００３３】
水力機械の充水押下げ運転時、ガイドベーン３を開口させ、機外から中間吸出管４に高圧空気を供給し、その押圧力により水面１２を図示のように降下させる。この場合、回転軸１は回転しており、その撹拌力により、水面１２は揺動し、上下・左右に揺動水面１２ａ、１２ｂとなってあらわれる。この揺動水面１２ａ、１２ｂの影響を受けて、高圧空気は巻き込まれ、気泡１０となってあらわれる。この気泡１０は、図２に示すように、経時的に増加し、下り勾配の拡開吸出管６に沿って進行するものの、運転エネルギーを失い、空気と水との比重差による浮力によりその途中から矢印のように逆進行に戻り、消滅する。
【００３４】
したがって、気泡１０は拡開吸出管６を伝わってトランジェント管９、放水管８に送り出される漏気現象は抑制され、気泡１０の破裂に伴う管壁の壊食発生の心配がなくなる。
【００３５】
また、拡開吸出管６の下り勾配角度θを選定すれば、拡開吸出管６の水平面上に投影した水平長さＬは、上式（５）から一義的に定まるから、トランジェント管９の上縁１１からランナ２の中心水平軸までの距離Ｆ１は自動的に定まり、土中の掘削量が容易に決定されて好都合である。図４および図５は、この発明にかかる水力機械の第２実施例のうち、特にそのドラフトチューブを示す図である。
【００３６】
この実施例は、拡開吸出管６のうち、曲がり部吸出管５の接続終端側を膨出拡口し、トランジェント管９側の接続終端を、横断面円形にしたものである。トランジェント管９側の接続終端を横断面円形にしたのは、トランジェント管９の横断面が円形で、これに合わせたものである。土質圧に対して、円形の横断面は強度的に強いからである。図６および図７は、この発明にかかる水力機械の第３実施例のうち、特にそのドラフトチューブを示すものである。
【００３７】
この実施例は、拡開吸出管６の両側壁のうち、一側壁を、曲り部吸出管５の接続終端から下り勾配にする一方、トランジェント管９側の接続終端を偏平幅広拡口したものである。拡開吸出管６の一側壁を下り勾配にすることにより、一見、水の通過断面積は第１、第２実施例にくらべて減少するかのように見えるけれども、その減少分はトランジェント管９側の接続終端が偏平幅広拡口しているので補うことができる。
なお、第２実施例、第３実施例ともに、拡開吸出管６の下り勾配角度θとその水平長さＬとの関係は、上式（５）を用いて寸法形状が決定されている。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、この発明にかかる水力機械では、拡開吸出管は曲り部吸出管の接続終端から下り勾配にされ、また、その水平長さを上記関係式から定めるようにしているので、充水押下げ運転の際、発生する漏気現象を抑制でき、また、土中掘削量を従来通りに保持しつつ、安定した信頼性の高い運転を続行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる水力機械の第１実施例を示す概略図。
【図２】この発明にかかる拡開吸出管における気泡の挙動を示す図。
【図３】拡開吸出管の下り勾配角度θと拡開吸出管の水平長Ｌとの関係式から漏気現象を抑制するグラフ。
【図４】この発明にかかる水力機械の第２実施例のうち、特にドラフトチューブを示す概略図。
【図５】図４の平面図。
【図６】この発明にかかる水力機械の第３実施例のうち、特にドラフトチューブを示す概略図。
【図７】図６の平面図。
【図８】従来の実施例を示す概略図。
【図９】従来の拡開吸出管における気泡の挙動を示す図。
【符号の説明】
１…回転軸
２…ランナ
３ａ…ケ―シング
４…中間吸出管
５…曲り部吸出管
６…拡開吸出管
８…放水管
９…トランジェント管
【図１】
0003633946.tif 000010
【図２】
0003633946.tif 000011
【図３】
0003633946.tif 000012
【図４】
0003633946.tif 000013
【図５】
0003633946.tif 000014
【図６】
0003633946.tif 000015
【図７】
0003633946.tif 000016
【図８】
0003633946.tif 000017
【図９】
0003633946.tif 000018