(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転速度が可変制御される発電機または発電電動機を具備した水車またはポンプ水車などの可変速水力機械において、ランナ羽根に発生するキャビテーションを検出するキャビテーション検出装置と、このキャビテーション検出装置の検出出力に基づいてランナ羽根にキャビテーションが発生したことを判定した場合、この時の当該可変速水力機械の運転領域を表す入力情報に基づいて上記発電機または発電電動機の回転数を制御する可変速制御装置とを具備することを特徴とする可変速水力機械。
【請求項２】
上記キャビテーション検出装置は、ランナの外周部下部に位置する下カバーに設置されたＡＥセンサとランナ内周部下部に位置するドラフトに設置されたＡＥセンサとを含むことを特徴とする請求項１に記載の可変速水力機械。
【請求項３】
回転速度が可変制御される発電機または発電電動機を具備した水車またはポンプ水車などの可変速水力機械の運転制御方法において、当該可変速水力機械の水車運転時にランナ羽根にてキャビテーションが発生した場合、この時の当該可変速水力機械の回転速度に比べて流量が小さいときは上記発電機または発電電動機の回転数を下げ、回転速度に比べて流量が大きいときは上記発電機または発電電動機の回転数を上げることを特徴とする可変速水力機械の運転制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の可変速水力機械の運転制御方法において、当該可変速水力機械の揚水運転時にランナ羽根にてキャビテーションが発生した場合、この時の当該可変速水力機械の回転速度に比べて流量が小さい場合は上記発電電動機の回転数を上げ、回転速度に比べて流量が大きい場合は上記発電電動機の回転数を下げることを特徴とする可変速水力機械の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、可変速水力機械及びその運転制御方法に係り、特にランナ羽根でのキャビテーションの発生を防止する可変速水力機械及びその運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水力発電所に設置される水車やポンプ水車などの水力機械は、発電機または発電電動機の回転速度が一定である定速形のものが使用されていたが、近年は電力調整のために可変速水力機械が使用されるようになっている。
このような可変速水力機械は、これまでガイドベーン開度の制御と回転速度の制御とに関する種々の運転制御方法が提案されている。例えば、特開昭５９−２０３８８３号公報や特開昭６０−１２８８８６号公報や特開昭６２−２５５５８１号公報や特開平１−２４４１７１号公報には、ガイドベーン開度制御と回転速度制御との優先性が開示され、また、特開昭４８−２１０４５号公報や特開昭５７−１１３９７１号公報や特開昭５８−１８５９５号公報や特開平１−２６８４９９号公報には、高効率運転が開示されている。
他方、水力機械はランナ羽根にキャビテーションが発生しがちであり、このキャビテーションは水力機械の寿命を低下させかつ効率を低下させる。
【０００３】
図８乃至図１０は水車運転時にポンプ水車のランナ羽根にキャビテーションが発生する様子を示したものである。図８に示したように、水車運転時には圧力水が水車入口側から流入角α１でランナ羽根１ａに流入すると、ランナ１が矢印Ａ方向に回転する。このランナ羽根１ａの羽根角度をβ１とすると、キャビテーションは圧力水の流入角α１と羽根角度β１とのずれによる負圧の発生域に発生する。
即ち、図９に示したようにランナ１の回転速度に対して流量が少ない場合には、流入角α１が羽根角度β１に対して小くなり、水車入口側のランナ羽根１ａの表面が負圧となりキャビテーションが発生する。図１０に示したようにランナ１の回転速度に対して流量が多い場合には、流入角α１が羽根角度β１に対して大きくなり、水車入口側のランナ羽根１ａの裏面が負圧となりキャビテーションが発生する。
【０００４】
図１１乃至図１３は揚水運転時にポンプ水車のランナ羽根にキャビテーションが発生する様子を示したものである。図１１において、ランナ１は水車運転時と逆の方向Ｂに回転し、水は水車の出口側から流入角α２で羽根角度β２のランナ羽根１ａに流入する。図１２に示したようにランナ１の回転速度に対して流量が少ない場合には、流入角α２が羽根角度β２に対して小さくなり、水車出口側のランナ羽根１ａの裏面が負圧となりキャビテーションが発生する。図１３に示したようにランナ１の回転速度に対して流量が多い場合には、流入角α１が羽根角度β１に対して大きくなり、水車出口側のランナ羽根１ａの表面が負圧となりキャビテーションが発生する。
このようなキャビテーションの発生を防止するキャビテーション防止装置及びキャビテーション防止用の運転制御方法がこれまで種々提案されている。このキャビテーション防止装置は負圧がランナ羽根面に発生することを防止するために、ランナ羽根の構造や形状に特別な工夫を施すものである。またキャビテーション防止用の運転制御方法は、ポンプ水車の模型試験を行い運転状態とキャビテーションの発生との関連を予め測定し、この測定結果からキャビテーションが発生しない実機の運転領域を求めるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ランナ羽根の構造や形状に特別な工夫を施すキャビテーション防止装置は、定速形の水力機械には効果があるが、運転領域が非常に広い可変速水力機械には適用することができないという問題に加えて、構成が複雑化するといった問題がある。
また、従来のキャビテーション防止用の運転制御方法は、運転領域が非常に広い可変速水力機械ではキャビテーションも広い運転領域で発生するため、模型試験の測定結果に基づきキャビテーションが発生しない運転領域を求めることが実質的に不可能であるといった問題がある。
そこで、本発明の目的は、非常に広い運転領域に対してキャビテーションの発生を防止することができる可変速水力機械及びその運転制御方法を提供することにある。
【０００６】
【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に記載の発明は、回転速度が可変制御される発電機または発電電動機を具備した水車またはポンプ水車などの可変速水力機械において、ランナ羽根に発生するキャビテーションを検出するキャビテーション検出装置と、このキャビテーション検出装置の検出出力に基づいてランナ羽根にキャビテーションが発生したことを判定した場合、この時の当該可変速水力機械の運転領域を表す入力情報に基づいて上記発電機または発電電動機の回転数を制御する可変速制御装置とを具備することを特徴とするものである。
この構成にあっては、上記キャビテーション検出装置は、ランナの外周部下部に位置する下カバーに設置されたＡＥセンサとランナ内周部下部に位置するドラフトに設置されたＡＥセンサとを含むことが望ましい。
【０００７】
請求項３に記載の可変速水力機械の運転制御方法は、回転速度が可変制御される発電機または発電電動機を具備した水車またはポンプ水車などの可変速水力機械の運転制御方法において、当該可変速水力機械の水車運転時にランナ羽根にてキャビテーションが発生した場合、この時の当該可変速水力機械の回転速度に比べて流量が小さいときは上記発電機または発電電動機の回転数を下げ、回転速度に比べて流量が大きいときは上記発電機または発電電動機の回転数を上げることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４に記載の可変速水力機械の運転制御方法は、請求項３に記載の可変速水力機械の運転制御方法において、当該可変速水力機械の揚水運転時にランナ羽根にてキャビテーションが発生した場合、この時の当該可変速水力機械の回転速度に比べて流量が小さい場合は上記発電電動機の回転数を上げ、回転速度に比べて流量が大きい場合は上記発電電動機の回転数を下げることを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
請求項１に記載の発明にあっては、キャビテーション検出装置はランナ羽根に発生するキャビテーションの有無を検出する。このキャビテーション検出装置がキャビテーションの発生を検出すると、可変速制御装置はこの時のキャビテーション検出装置の検出出力に基づき、発電機または発電電動機の回転数を制御してキャビテーションの発生しない運転点まで移動させる。
請求項３に記載の発明にあっては、水車運転を行っている場合に、低負荷運転時にキャビテーション検出装置がランナ羽根入口でのキャビテーションを検出すると、発電機または発電電動機の回転数を下げる。これによって、キャビテーションが消失する。
【００１０】
高負荷運転時にキャビテーション検出装置がランナ羽根入口でのキャビテーションを検出すると、発電機または発電電動機の回転数を上げて、キャビテーションを消失させる。
請求項４に記載の発明にあっては、水車運転の場合の作用は請求項３に記載の発明の作用と同一である。揚水運転を行っている場合には、高揚程運転の時にキャビテーション検出装置がランナ羽根出口でのキャビテーションを検出すると、発電電動機の回転数を上げることによってキャビテーションを消失させる。また、低揚程運転の時にキャビテーション検出装置がランナ羽根出口でのキャビテーションを検出すると、発電電動機の回転数を下げることによってキャビテーションを消失させる。
【００１１】
【実施例】
以下に、本発明による可変速水力機械及びその運転制御方法の一実施例を図８乃至図１３と同部分には同一符号を付して示した図１乃至図７を参照して説明する。
図１は、本発明を適用した可変速フランシス型ポンプ水車の一実施例を示したもので、ケーシング２は可動ガイドベーン３を介してランナ１に連通し、この可動ガイドベーン３はガイドベーン開閉装置４によってその開度が制御される。ランナ１は上カバー５と下カバー６とによって取囲まれ、ランナ１の内周下部にはドラフト７が接続されている。また、ランナ１には主軸８を介して発電電動機９が直結されている。
下カバー６にはＡＥセンサ１０が設置され、このＡＥセンサ１０はランナ１の外周部でのキャビテーションの有無、詳述すると図９及び図１０に示した水車入口側のランナ羽根１ａにキャビテーションが発生した否かを検出する。
ドラフト７にはＡＥセンサ１１が設置され、このＡＥセンサ１１はランナ１の外周部でのキャビテーションの有無、詳述すると図１２及び図１３に示した水車出口側のランナ羽根１ａにキャビテーションが発生した否かを検出する。
これらのＡＥセンサ１０、１１の出力は、カウンタ等から構成されるＡＥセンサ用比較器１２に入力され、この比較器１２はＡＥセンサ１０、１１の各出力を基準値と比較してそのレベル判定し、ＡＥセンサ１０、１１の各出力がキャビテーションの発生を表しているときに回転速度制御指令を可変速制御装置１３に送出する。この可変速制御装置１３は、比較器１２の回転速度制御指令と運転領域情報１４とに基づき、発電電動機９の回転数を制御すると共に、可動ガイドベーン３の開度をガイドベーン開閉装置４を介して制御する。なお、運転領域情報１４は、運転中のポンプ水車の回転速度や落差や流量などを表す情報である。
【００１２】
次に、このような構成のポンプ水車の水車特性を説明する。
図２は横軸に単位落差当りの回転速度Ｎ／Ｈ１／２  をとり、縦軸に単位落差当りの流量Ｑ／Ｈ１／２  をとったグラフであり、ここで、Ｎは水車の回転速度で、Ｈは有効落差で、Ｑは水車流量である。ポンプ水車の水車特性は、ポンプ水車の種類によって決定される最高効率点Ｐを取囲む破線で示した等効率曲線η＝９０％、η＝８８％、η＝８５％、η＝８０％、η＝７０％によって表される。
また一点鎖線ａ＝１００％、ａ＝８０％、ａ＝６０％、ａ＝４０％、ａ＝２０％は、等ガイドベーン開度線を示している。
キャビテーション領域Ｃ１は図９に示したように回転速度Ｎに比べて流量Ｑが小さいために、キャビテーションがランナ羽根表面に発生する領域であり、キャビテーション領域Ｃ２は図１０に示したように回転速度Ｎに比べて流量Ｑが多いために、キャビテーションがランナ羽根裏面に発生する領域である。
【００１３】
図３は可変速ポンプ水車の水車運転領域を示したグラフである。このグラフにおいて、各単位落差当りの回転速度に対する最高効率点を結んだ曲線が高効率関数Ｓ１となる。
或る落差Ｈ０、回転速度Ｎ０で運転している時に、ガイドベーン３を開いて水車流量を増加し出力を上げていくと、高効率関数Ｓ１に交差する。更に出力を上げるには、流量Ｑを更に増加するよりも回転速度を増加して高効率関数Ｓ１上を運転する方が効率が高い。従って、可変速ポンプ水車では高効率関数Ｓ１が単位落差当りの流量の上限となる。
こうして、可変速水車運転領域は、高効率関数Ｓ１と最高落差・最低回転速度の線Ｓ２と最低落差・最高回転速度の線Ｓ３とによって囲まれた領域となる。
【００１４】
図４は図２に示したキャビテーション領域Ｃ１、Ｃ２と図３に示した可変速水車運転領域とを重ねたグラフである。このグラフから分かるように、低落差側の或る落差Ｈ１、回転速度Ｎ１の運転点（ａ１）で運転している時に、出力を下げるために流量Ｑを低下させていくと、運転点はキャビテーション領域Ｃ１内の運転点（ａ２）に入ってしまう。
また、高落差側の或る落差Ｈ２、回転速度Ｎ２の運転点（ｂ１）で運転している時に、出力を上げるために流量Ｑを増加させていくと、運転点はキャビテーション領域Ｃ２内の運転点（ｂ２）に入ってしまう。
【００１５】
次に、この実施例の可変速水車運転時の作用を説明する。
予め、キャビテーションが全く発生しない最高効率点Ｐの付近で運転を行う。この時のＡＥセンサ１０の検出値は非常に小さい値である。次いで、水車出力を強制的に下げていくと、キャビテーション領域Ｃ１に入り、ＡＥセンサ１０の検出値がピークに達する。そこで、このＡＥセンサ１０のピーク検出値に基づき、比較器１２にキャビテーション発生基準値を設定する。
【００１６】
可変速水車運転が行われると、図５にフローチャートを示したように、ＡＥセンサ１０がキャビテーションの有無を検出する。比較器１２はＡＥセンサ１０の検出出力をキャビテーション発生基準値と比較し、前者が後者よりも大きい時にキャビテーションが発生したと判定し、可変速制御指令信号を発生する。
可変速制御装置１３は、比較器１２がキャビテーションの発生を判定した時には、運転領域情報１４に基づき回転速度を変化させて、キャビテーションを消失させる。
具体的な例を示すと、図４の運転点（ａ１）からキャビテーション領域Ｃ１内の運転点（ａ２）に入り、比較器１２がキャビテーションの発生を判定した時には、可変速制御装置１３はこの時の運転領域情報１４に基づき、ガイドベーン開度一定のまま回転速度Ｎを低下させ、運転点（ａ３）に移す。これによって、キャビテーションの発生が回避される。なお、運転点（ａ２）から運転点（ａ３）に移ったことによって、水車効率及び流量が増加し出力が増加し過ぎた場合には、可変速制御装置１３は、ガイドベーン開閉装置４を介してガイドベーン３の開度を小さくし、目標の出力を得ることができる。
【００１７】
また、図４の運転点（ｂ１）からキャビテーション領域Ｃ２内の運転点（ｂ２）に入り、比較器１２がキャビテーションの発生を判定した時には、可変速制御装置１３はこの時の運転領域情報１４に基づき、ガイドベーン開度一定のまま回転速度Ｎを増大し、運転点（ｂ３）に移す。更に、ガイドベーン３の開度を大きくすることによって、出力を目標値まで上げることもできる。
【００１８】
次に、ポンプ水車の揚水運転の場合を説明する。
図６は、ポンプ水車の揚水運転のポンプ特性を示したグラフであり、横軸にポンプ揚程Ｈをとり、縦軸に揚水量Ｑとポンプ効率ηとをとったものである。
ポンプ水車のポンプ特性は一定回転速度で運転した場合、例えば一定の回転速度Ｎ０の曲線上の点となり、揚程Ｈ０が決まると、流量Ｑ０とガイドベーン開度ａ＝ａ０が夫々決定される。即ち、或る揚程Ｈ０では、流量Ｑ０と効率η０とガイドベーン開度ａ０とが特性として決まり、その時のポンプ軸入力Ｐρも次式で決定される。
Ｐρ＝ρ×ｇ×Ｑ０×Ｈ０／η０
ここで、ρは密度
ｇは重力加速度
キャビテーション領域Ｃ３は、回転速度に対して流量が小さく、図１２に示したように羽根裏面にキャビテーションが発生する。逆に、キャビテーション領域Ｃ４は、回転速度に対して流量が大きく、図１３に示したように羽根表面にキャビテーションが発生する。
可変速揚水運転の運転領域は次の通りである。
一定回転速度がＮ０である時に、揚程Ｈ０に対して運転点が決定され、この運転点でのガイドベーン開度をａ０とすると、このガイドベーン開度ａ０の点は、回転速度がＮの場合には、揚程Ｈと揚水量Ｑとは夫々、次式で表される。
Ｈ＝（Ｎ／Ｎ０）×Ｈ０
Ｑ＝（Ｎ／Ｎ０）２×Ｑ０
従って、回転速度Ｎ０に対して、最高回転速度と最低回転速度とを図６に示したように表すことができる。しかしながら、回転速度が大きいと、軸入力もＱとＨとの積に比例して増大するため、揚程Ｈの全範囲にわたって最高回転速度をとることができず、最大軸入力が揚水量の上限となる。また、ポンプ特性の低揚水量側は、逆流によって運転範囲が制限され、これはほぼガイドベーン開度一定の曲線上である。
こうして、図６及び図７に示したように揚水運転の領域は最低揚程と最高揚程と最大軸入力と逆流開始点とで囲まれる領域となる。なお、キャビテーションは、ポンプ水車が実際に使用される発電所においては、下池の水位が低くポンプ水車のドラフト側に加わる水圧が低いために、キャビテーション領域Ｃ３の方が発生し易くなる。
【００１９】
次に、この可変速揚水運転の制御方法を説明する。
例えば、図７の運転点（ｃ１）で揚水運転が開始された場合には、ＡＥセンサ１１がランナ羽根裏面のキャビテーションを検出し、比較器１２がこのＡＥセンサ１１の検出出力に基づきキャビテーションの発生を判定すると、可変速制御装置１３がこの時の運転領域情報１４に基づき、回転速度を上げると共にガイドベーン開度を増大して、運転点（ｃ２）に移動させる。こうして、キャビテーションの発生が回避される。
また、運転点（ｄ１）で揚水運転が開始された場合には、ＡＥセンサ１１がランナ羽根表面のキャビテーションを検出し、比較器１２がこのＡＥセンサ１１の検出出力に基づきキャビテーションの発生を判定すると、可変速制御装置１３がこの時の運転領域情報１４に基づき、回転速度を下げると共にガイドベーン開度を減少させ、運転点（ｄ２）に移動する。こうして、キャビテーションの発生が回避される。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、キャビテーション検出装置の検出出力に基づき、ランナ羽根にキャビテーションが発生した時に発電機または発電電動機の回転数を制御するため、ランナ羽根でのキャビテーションの発生を回避することができ、常に高効率での運転が可能となると共に、ランナの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変速水力機械及びその運転制御方法の実施例を概略的に示した構成図。
【図２】可変速水車運転での単位落差当りの回転速度と単位落差当りの流量との関係を示したグラフ。
【図３】可変速水車運転の運転領域を示したグラフ。
【図４】可変速水車運転の運転領域とキャビテーションの発生領域との関係を示したグラフ。
【図５】本発明の実施例の作用を説明するフローチャート図。
【図６】可変速揚水運転の運転領域を示したグラフ。
【図７】可変速揚水運転の運転領域とキャビテーションの発生領域との関係を示したグラフ。
【図８】水車運転時におけるランナ羽根の羽根角と圧力水の流入角との関係を示した説明図。
【図９】水車運転でのランナ羽根表面に発生したキャビテーションを示した説明図。
【図１０】水車運転でのランナ羽根裏面に発生したキャビテーションを示した説明図。
【図１１】揚水運転時のランナ羽根の羽根角と流入角との関係を示した説明図。
【図１２】揚水運転でのランナ羽根裏面に発生したキャビテーションを示した説明図。
【図１３】揚水運転でのランナ羽根表面に発生したキャビテーションを示した説明図。
【符号の説明】
１  ランナ
１ａ  ランナ羽根
９  発電電動機
１０  キャビテーション検出装置
１１  キャビテーション検出装置
１３  可変速制御装置
【図１】
0003604411.tif 000002
【図２】
0003604411.tif 000003
【図３】
0003604411.tif 000004
【図４】
0003604411.tif 000005
【図５】
0003604411.tif 000006
【図６】
0003604411.tif 000007
【図７】
0003604411.tif 000008
【図８】
0003604411.tif 000009
【図９】
0003604411.tif 000010
【図１０】
0003604411.tif 000011
【図１１】
0003604411.tif 000012
【図１２】
0003604411.tif 000013
【図１３】
0003604411.tif 000014