(57)【要約】【課題】フランシス型水力機械において、シール部の経年劣化に伴って増加する軸方向水スラスト力を調整を可能とする。【解決手段】複数の羽根３１と羽根の上部を覆うように取り付けられたランナクラウン３２とを有して回転可能なランナ１と、ランナクラウンの上方を覆う上カバ１０とを具備し、ランナクラウンの上面と上カバの下面の間に円環状の背圧室１２を形成し、背圧室に少なくとも一つの円環状のシール部１４を形成して、背圧室を、シール部内側の円環状の内側背圧室１２ａと、シール部外側の円環状の外側背圧室１２ｂとに区画し、背圧室のランナにかかる上下方向の圧力をほぼバランスさせるように構成する。ランナクラウンの下面と内側背圧室側との間を貫通する連通孔１６が設けられ、連通孔の流動抵抗を調整する手段１７が設けられている。【選択図】図１
2006029228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の羽根とこれらの羽根の上部を覆うようにその羽根に取り付けられたランナクラウンとを有して鉛直軸周りに回転可能なランナと、前記ランナクラウンの上方を覆う上カバとを具備し、前記ランナクラウンの上面と上カバの下面の間に円環状の背圧室を形成し、前記背圧室に少なくとも一つの円環状のシール部を形成して、前記背圧室を、前記シール部の内側の円環状の内側背圧室と、前記シール部の外側の円環状の外側背圧室とに区画し、前記背圧室の前記ランナにかかる上下方向の圧力をほぼバランスさせるように構成されたフランシス型水力機械において、
前記ランナクラウンの下面と前記内側背圧室側との間を貫通する連通孔が設けられ、この連通孔の流動抵抗を調整する手段が設けられていること、
を特徴とするフランシス型水力機械。
【請求項２】
請求項１に記載のフランシス型水力機械において、前記流動抵抗を調整する手段は、前記連通孔の上端または下端の少なくとも一方に前記連通孔の流路面積を調整できる面積調整部材を取り付けるものであること、を特徴とするフランシス型水力機械。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフランシス型水力機械において、
前記シール部の経年劣化によるシール性能の低下に伴う前記ランナに加わるスラスト荷重の増大を表す物理量を測定する手段を有すること、
を特徴とするフランシス型水力機械。
【請求項４】
請求項３に記載のフランシス型水力機械において、前記ランナの回転速度または、前記ランナの羽根に流入する水車入口側のケーシングの入口圧力の少なくとも一方があらかじめ定めた基準値未満であって、かつ、前記ランナに加わるスラスト荷重の増大を表す物理量があらかじめ定めた基準値を超えた時に警報を発する手段を有すること、を特徴とするフランシス型水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明分野はフランシス型の水車またはポンプ水車を有する水力機械に関するもので、特に、経年劣化によるシール性能の低下に伴ってランナに発生する軸方向水スラスト力を抑制することのできるフランシス型水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１５は比較的高落差に適用されるフランシス型の水車の断面概念図（特許文献１参照）である。ランナ１は、鉛直方向の回転軸５０の周りに回転可能であって、主軸２を介して発電機３に動力を伝達する。図示していない上池からの水はケーシング４に導かれステーベン５、ガイドベーン６で整流されランナ１に流入する。ランナ１から流出する水は上部吸出し管７に流入し、吸出し管８をへて下池９へと流出する。また、ランナ１の上側は上カバ１０で、下側は下カバ１１で覆われ、ランナ１を収納するランナ室を形成している。
【０００３】
ランナ１は、上部を覆うランナクラウン３２と、下部を環状に覆うランナバンド３３と、ランナクラウン３２およびランナバンド３３にはさまれた環状部に周方向に並べられた複数の羽根３１とを有する。
【０００４】
ランナクラウン３２の上面すなわちランナ背面１ａと上カバ１０の下面の間にはさまれた環状の水室をランナ背圧室１２と呼ぶ。ランナ背圧室１２は、環状に延びる背圧シール部１４を境に環状の内側背圧室１２ａと環状の外側背圧室１２ｂに分けられる。またランナバンド３３の側面すなわちランナ側面１ｂと下カバ１１の内面によってはさまれた環状の部屋を側圧室１３と呼ぶ。
【０００５】
外側背圧室１２ｂと側圧室１３にはそれぞれ水車ランナ１の入口圧力に近い高圧力が作用することになるが、背圧シール部１４の位置を、両者の受圧面積がほぼ同一になるように設けるため、両者間での圧力不均衡はさほど大きくない。一方、内側背圧室１２ａ内の水圧力は外側背圧室１２ｂと内側背圧室１２ａの境界に設けた背圧シール部１４のシール効果により、外側背圧室１２ｂ内の圧力に対して５〜６割程度まで減圧されるが、この内側背圧室１２ａ内の圧力に対して相殺する方向で働く圧力は、ランナ１を持ち上げようとする下池９の水位に相当する比較的低い圧力でしかないため、この不均衡が軸方向下向きのスラスト力（図中Ｚ）となり発生する。
【０００６】
このスラスト荷重は発電機３のスラスト軸受１５で受け持ち、このスラスト荷重が大きい水車であれば、容量の大きな軸受１５が必要となり高価なものとなる。前述の通り、このスラスト力は内側背圧室１２ａにかかる水圧力と吸出し管８内に作用する水圧力の差が大きな要因である。したがって、内側背圧室１２ａに作用する水圧力をできる限り低減することが軸スラスト力低減の重要事項となるが、背圧シール部１４を構成する回転部と静止部間の隙間（シールギャップ）は、運転中の両者の接触を引き起こさないだけ十分な隙間を有する設計をするため下限がある。
【０００７】
したがって、ランナ背圧室１２にかかる圧力とランナクラウン流水面側１ｃ側にかかる吸出し管８内圧力を可能な限りバランスさせる目的で、両者間を連通する連通孔（ランナバランスホール）１６を設け、軸スラスト力を低減させるのが一般的である。
【０００８】
この際、連通孔１６の面積を大きく設定することにより軸スラスト力は低減するが、この連通孔１６は水が内側背圧室１２ａからランナの羽根３１を通らないで吸出し管８内に抜け出るルートにもなるので、必要以上に大口径であったり、必要以上の数量であれば羽根３１に作用しない流れが増えることになるので水車効率の低下につながる。したがって、水車性能上は極力連通孔１６の面積を小さくし、漏れ量を低減することが望ましく、軸スラスト力制御との関係には相反するものがある。
【０００９】
また、水車を長期間運転したり、水車に流れる水に含まれる砂の成分が多かったりするとシール部１４を形成している部材の摩耗が進み、シール部１４のシール機能が低下することになりスラスト力が増大する。以上のことを鑑みて、軸スラスト力と水車効率から許容できる範囲で連通孔１６の数量、あるいは面積を決定することが重要である。仕様条件によって異なるが、シール部１４の摩耗量がゼロである設計隙間の状態から、この設計値に対して２．０〜２．５倍程度まで隙間が増大した程度までを想定した場合の軸スラスト力に対応する連通孔１６の設計をするのが一般的である。
【００１０】
また、図１６に示すように、連通孔１６の水車流れの出口開口部周辺の領域１９にはキャビテーションが発生し、連通孔１６開口部の回転方向下流域の特定領域１９のランナ流水面１ｃに壊蝕が発生することがしばしばある。元来、この領域１９は連通孔１６から流れ出る漏れ流と羽根３１から流れ出る主流との干渉により流れに乱れが生じる部位でもあり、これがキャビ−ションを発生させる要因の一つとなっているとも考えられる。一般的にはこの壊蝕は避けられない問題として、壊蝕された部位を壊蝕状況に応じて、グラインダ等により補修することで対処している。
【特許文献１】特開２０００−１３０３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上述べたように、ランナ１に作用する軸スラスト力はランナ背圧シール部１４の間隔と連通孔１６の関係に依存することになる。特に、シール部１４の経年劣化が進んで軸スラスト量が増加した場合、または、シール部１４摩耗があらかじめ予想した範囲を超えた場合には、シール部１４を形成する部材の取替えをして対処する方法をとる。この場合は、部材製作費を初めとした工事費、工事に伴う長期の運転休止期間が必要となる。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、シール部の経年劣化に伴って増加する軸方向水スラスト力を調整可能とし、それによって、シール構成部材の新製および取替え作業を減らすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、複数の羽根とこれらの羽根の上部を覆うようにその羽根に取り付けられたランナクラウンとを有して鉛直軸周りに回転可能なランナと、前記ランナクラウンの上方を覆う上カバとを具備し、前記ランナクラウンの上面と上カバの下面の間に円環状の背圧室を形成し、前記背圧室に少なくとも一つの円環状のシール部を形成して、前記背圧室を、前記シール部の内側の円環状の内側背圧室と、前記シール部の外側の円環状の外側背圧室とに区画し、前記背圧室の前記ランナにかかる上下方向の圧力をほぼバランスさせるように構成されたフランシス型水力機械において、前記ランナクラウンの下面と前記内側背圧室側との間を貫通する連通孔が設けられ、この連通孔の流動抵抗を調整する手段が設けられていること、を特徴とする。
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、シール部の経年劣化に伴い増加する軸方向水スラスト力に応じた連通孔面積の調整ができるため、従来経年劣化により取り替える必要のあったシール構成部材の新製および取替え作業を減らすことができる。また、ランナ羽根に作用しないでランナ下流に流れる漏れ流量を最小限に抑えることができ、水車効率低下を招く要因を最小限に抑えることができる。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフランシス型水力機械において、前記流動抵抗を調整する手段は、前記連通孔の上端または下端の少なくとも一方に前記連通孔の流路面積を調整できる面積調整部材を取り付けるものであること、を特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による作用・効果が得られるほか、シール部の経年劣化に伴い増加する軸方向水スラスト力に応じた連通孔面積の調整を迅速・簡単に行なえる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のフランシス型水力機械において、前記シール部の経年劣化によるシール性能の低下に伴う前記ランナに加わるスラスト荷重の増大を表す物理量を測定する手段を有すること、を特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明による作用・効果が得られるほか、ランナに加わるスラスト荷重か許容値を超えないように監視し、また、許容値を超えないための措置を迅速にタイムリーに行なうことができる。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のフランシス型水力機械において、前記ランナの回転速度または、前記ランナの羽根に流入する水車入口側のケーシングの入口圧力の少なくとも一方があらかじめ定めた基準値未満であって、かつ、前記ランナに加わるスラスト荷重の増大を表す物理量があらかじめ定めた基準値を超えた時に警報を発する手段を有すること、を特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明による作用・効果が得られるほか、軸スラスト力の異常増大が検出された場合であっても、水力機械の回転速度または、ケーシング入口圧力があらかじめ設定した基準値以上である場合は、警報を発信しない。水車の運転状態によって、例えば起動時、停止時、また、負荷遮断等の過度時においては、軸スラスト力は大きく変動し、定常時のスラスト力を瞬間的に超えることがある。軸スラスト力にかかわるシール部前後の圧力、支持構造物の変形量等についても同様のことがいえる。本発明によれば、このような状態のもとでは、警報が発令されないようにして、不要な警報の発令を抑えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、運転時間経過とともに進展するシール部の摩耗に伴う軸スラスト力の増大に応じて連通孔の流動抵抗を調整することができるため、過大な連通孔面積を必要としない。このため効率低下の少ない水車運転が可能となる。発電機で受け持つスラスト軸受の容量を低容量化することが可能となるため、機器のコスト低減に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。ここで、従来技術と共通もしくは類似、または、実施の形態相互に共通もしくは類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は適宜省略する。
【００２３】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態を示す図であって、連通孔１６の付近を拡大して表している。第１の実施の形態では、従来の連通孔１６に連通孔面積を調整するような部材１７を取り付けたものである。ランナ製造時には内径寸法Ｄなる大きさで設けた連通孔１６内部に、内径ｄを有する部材１７を取付けボルト１８によって取り付けたものである。
【００２４】
この部材１７には、発電所運転初期の背圧シール部１４の摩耗が無く、シール効果が十分に期待できる状態の最小連通孔面積を確保するための内径ｄなる連通孔１６を設けたものである。一方、ランナ製造時に設けた内径Ｄなる大きさを有する連通孔１６は、運転から長期間経過後のシール部１４の摩耗が進展しシール効果が期待できない状態に達した際に必要となる連通孔１６の面積を有するものである。
【００２５】
なお、図１には連通孔１６の面積を調整する部材１７を取り付けた例を示したが、連通孔１６全域を閉塞することも部材を変更することで対応可能である。
【００２６】
運転当初は部材１７が取り付けられた状態での運転を行ない、運転時間が増えシール部１４の摩耗量が増加し軸スラスト力が所定の設定値を上回るようになった時点で部材１７を取り外し、連通孔１６の面積を増加する。
【００２７】
これにより、シール部１４の経年劣化に伴い発生する軸スラスト力増加に対して、この軸スラスト力を所定の範囲内に収めるための対策を容易に迅速に対処でき、信頼性の高い水車の運転方法が可能となる。また、従来のような必要以上の連通孔１６の面積を設けなくても良いことから、ランナ羽根３１に作用せずに連通孔１６を通って上部吸出し管７に直接流れる漏れ流れを最小限に抑えることができるため、水車の効率低下を引き起こさないという大きな利点がある。
【００２８】
［第２の実施の形態］
図２は本発明の第２の実施の形態を示す図である。図１と同様に連通孔１６付近を拡大して表している。第２の実施の形態では、連通孔１６のランナ背面１ａの開口部に連通孔１６の面積を調整するような部材１７を取り付けたものである。ランナ製造時には内径寸法Ｄなる大きさで設けた連通孔１６に対して、内径ｄを有する部材１７を取付けボルト１８によって取り付けたものである。この内径ｄなる部材１７は発電所運転初期に適応する連通孔１６の面積を保有しており、内径Ｄなる大きさを有する連通孔１６は運転から長期間経過後のスラスト増大時に適応することが可能な連通孔１６の面積を有する。
【００２９】
なお、図２には連通孔１６の面積を調整する部材を取り付けた例を示したが、連通孔１６全域を閉塞することも部材を変更することで対応可能である。
【００３０】
運転当初は部材１７が取り付けられた状態での運転を行ない、運転時間が増えシール部１４の摩耗量が増加し軸スラスト力が所定の設定値を上回るようになった時点で部材１７を取り外し連通孔１６の面積を増加するものであり、経年劣化に伴い増大するスラスト力に応じてこの部材の内径ｄの大きさを変更することが可能である。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図３は本発明の第３の実施の形態を示す図である。図１と同様に連通孔１６付近を拡大して表している。第３の実施の形態では、連通孔１６のランナクラウン側流水面１ｃ側の水車流れ出口開口部に連通孔１６の面積を調整するような部材１７を取り付けたものである。建設当初には部材１７によって連通孔１６の面積を縮小する。
【００３２】
なお、図３には連通孔１６の面積を調整する部材を取り付けた例を示したが、連通孔１６全域を閉塞することも部材を変更することで対応可能である。この部位にはランナ点検用のドラフトマンホール等からのアクセスが容易である。
【００３３】
運転当初は部材が取り付けられた状態での運転を行ない、運転時間が増えシール部１４の摩耗量が増加し軸スラスト力が所定の設定値を上回るようになった時点で部材１７を取り外しまたは、内径寸法ｄを変更した部材に取り替えることにより、経年劣化に伴い増大するスラスト量に対応することが可能である。
【００３４】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態を図４で説明する。図４（ａ）にはランナの流水面１ｃ側から見た連通孔１６出口周辺を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。この実施の形態では、ランナ羽根３１の水車流れ出口側開口部に設けた面積調整部材１７の周方向長さを定めたものである。連通孔１６の周方向における長さをＤとする時、連通孔１６の回転方向の後端面ｅから面積調整部材１７の後端面ｆまでの周方向距離Ｌとの関係を、Ｌ／Ｄ≧１．０としたものである。
【００３５】
連通孔１６の水車流れの出口開口部周辺にはキャビテーションが発生し、連通孔開口部の下流域において壊蝕されることがしばしば発生する。この壊食される領域は、過去の壊蝕事例を参考にすると、ランナ１の回転方向に対する連通孔１６の長さにおおよそ匹敵する領域であることが多い。このため本実施の形態では部材１７の周方向大きさを、この壊蝕領域を十分覆う大きさとしたもので、キャビテーション補修を必要とする範囲を当該部材で代替する。
【００３６】
連通孔１６の水車流れ出口開口部周辺に発生するキャビテーション対策として、一般には壊蝕された部位をグラインダ等により、人力で補修することが一般的であるが、本実施の形態によれば連通孔面積調整用部材１７を壊蝕発生部位まで覆うことができることから、壊蝕発生時にはこの部材１７を取り替えることでキャビテーション補修が容易にできる。また、この部材１７を耐キャビテーション材料とすることで壊蝕防止も可能である。
【００３７】
［第５の実施の形態］
次に図５にて本発明の第５の実施の形態を示す。第５の実施の形態では、ランナクラウン側背面１ａとランナ羽根３１の水車流れの出口部と連通する連通孔１６のランナ側背面１ａ側の開口部に連通孔１６の面積を調整する部材１７を設けるものにおいて、この連通孔１６入口部に相対する上カバ１０側に、この連通孔１６入口部にアクセス可能なハッチ２０を設ける。ハッチ２０の大きさは、作業員の出入りと、作業工具、部材の搬入・搬出ができるだけの大きさがあればよい。
【００３８】
軸スラスト力の増大に伴い連通孔１６の面積を調整する場合、作業員がこのハッチ２０より連通孔１６入口周辺にアクセス、または、ランナ１の上面に進入して作業を行なう。ランナ１周りを分解せずに、外部の上カバ１０から容易にこの部位にアクセスし作業ができるため、作業は容易にかつ迅速に行なうことができる。
【００３９】
［第６の実施の形態］
次に図６にて本発明の第６の実施の形態を示す。第６の実施の形態では、ランナクラウン３２側背面１ａとランナ羽根３１の水車流れの出口部と連通する連通孔１６の総面積を調整する部材１７を、連通孔１６全ての箇所に取り付けるのではなく、発生するスラスト力に応じて取り付けたものである。
【００４０】
本図において連通孔１６は、背面シール部１４でのシール効果が期待できない状態を想定した数量・大きさで設けられている。運転開始後間もない状態ではシール部１４でのシール効果が大きいことから、これら全ての連通孔１６は開放する必要はなく、必要最小限の連通孔面積を確保すれば良いことから、本実施の形態では、図中ｉ部に示す以外の連通孔１６には部材を取付け面積調整を行なったものである。
【００４１】
運転時間の経過とともに、この部材１７を撤去することで面積拡大し、軸スラスト力増加に対応する。部材１７を取り付ける位置は特に限定する必要はないが、ランナ１の回転中にバランスが保たれるように重量配分を考慮する必要がある。
【００４２】
このようにシール部１４の摩耗により起こる軸スラスト力増加現象が発生した場合には、連通孔１６の面積を容易に変更・設定することができるため、信頼性の高く、効率低下の少ない水車を提供できる。
【００４３】
［第７の実施の形態］
次に図７にて本発明の第７の実施の形態を示す。第７の実施の形態では、ランナクラウン側背面１ａとランナ羽根３１の水車流れの出口部と連通する連通孔１６の面積を調整する部材１７を、発生するスラスト力に応じた取付け位置に矢印Ｘの方向にスライドさせ面積調整を可能としたものである。
【００４４】
本図において連通孔１６は、背面シール部１４のシール効果が期待できない状態を想定した数量・大きさで設けられている。運転開始後間もない状態ではシール部１４のシール効果が大きいことから、これらの連通孔１６は部材１７により面積を調整している。運転時間経過とともにシール部１４の摩耗が進展し、これによるスラスト力増加が発生した場合は、この部材１７の取付け位置を変え、連通孔１６の面積を任意に調整する。この場合、部材１７が任意の位置で取り付けられるように部材取付けボルト１８用の穴４０を周方向に長穴にしている。
【００４５】
このようにシール部１４の摩耗により起こる軸スラスト力増加現象が発生した場合には、連通孔１６の面積を容易に変更・設定することができるため、信頼性の高く、効率低下の少ない水車を提供できる。
【００４６】
［第８の実施の形態］
次に図８にて本発明の第８の実施の形態を示す。図８（ａ）は警報装置により警報を発信する際のブロック図を模式的に示したものである。軸スラスト力の増加現象を運転監視装置２２により監視し、所定値を超えた場合には警報発信装置２３により警報を発信し、連通孔１６に取り付けた部材の調整、交換、撤去の必要性を外部に発信する。
【００４７】
経年劣化によりシール部１４の摩耗が進展すると、これに伴う現象が発生する。すなわち、シール部１４はシール機能が失われることから、シール部１４前後の圧力差が小さくなる。また、同様に内側背圧室１２ａ内の圧力と上部吸出し管７内の圧力の差についても同様である。
【００４８】
一例として、図８（ｂ）において、吸出し管７内の圧力と背圧室１２内の圧力の関係を示す。横軸はシール部１４のシール間隔ｇ（図８（ｃ）参照）を設計値に対する倍率として示し、縦軸は内側背圧室１２ａ内圧力Ｈ４と上部吸出し管７内圧力ＨＤ（図８（ｃ）参照）との差圧、また、この時の軸スラストの挙動を示したものである。
【００４９】
シール間隔ｇが大きくなると両者の差圧は急勾配で変化し、仮にシール間隔が設計値の３倍程度まで変化した場合では、両者の圧力差は２〜３倍程度まで拡大することがわかる。また、これに伴い発生する軸スラスト力も約４倍程度まで増大することがわかる。つまり、スラスト力の増大は、内側背圧室１２ａ内の圧力を監視することで捉えることが可能であることを示している。
【００５０】
以上のように本実施の形態での警報発信装置は、スラスト力の増加、シール部１４の摩耗によるシール間隔拡大、圧力差の増大等の情報を取り込み、この量が所定値を超えた場合に連通孔１６に取り付けた面積調整部材１７の交換、調整、撤去の必要性があることを警報として発信する。
【００５１】
このようにシール部１４の摩耗により起こる軸スラスト力増加現象を直接的、あるいは間接的に測定し警報として発信することで、連通孔１６の面積を制御している部材の交換、再調整、撤去をすることができるので、信頼性の高い運転と、効率低下の少ない水車が提供可能である。
【００５２】
［第９の実施の形態］
次に図９にて本発明の第９の実施の形態を示す。図９は本実施の形態における警報発信条件である、シール部１４の間隔測定方法について、シール部１４周辺を拡大して表したものである。回転部であるランナ１のシール部１４Ｒと相対する静止シール部１４Ｓによりシール部隙間ｇが存在する。この静止シール部１４Ｓには隙間ｇの大きさを測定するためのギャップセンサ２４が埋め込まれ、水車外部に警報信号として導き出し、この信号を運転監視装置２２に取り込み、所定値を超えたら警報発信装置２３にて警報を発する。
【００５３】
隙間ｇが摩耗により拡大すると軸スラスト力が増大するが、スラスト力の増大をスラスト力そのものではなく、比較的測定が容易なシール部１４の隙間量を運転中あるいは、静止中において測定することで、発生スラスト力を捉えることができる。シール部１４隙間量と発生するスラスト力の関係は解析等により求められることから、高精度の警報発信条件が設定できる。
【００５４】
このようにシール部１４の摩耗により起こる軸スラスト力増加現象をシール部１４の間隔を監視することで把握することができるため、高精度、高信頼性の警報発信が可能となる。
【００５５】
［第１０の実施の形態］
次に図１０にて本発明の第１０の実施の形態を示す。図１０（ａ）は本実施の形態における警報発信条件である、背圧シール部１４の前後の圧力差検出方法を示し、図１０（ｂ）は、シール部１４の前後の水圧分布を示す。回転部であるランナ１のシール部１４Ｒと相対する静止シール部１４Ｓによりシール部隙間ｇが存在する。このシール部１４前後、すなわち外側背圧室１２ａ、内側背圧室１２ｂの圧力をそれぞれＨ２、Ｈ３として表している。このシール部１４前後の差圧を測定するための差圧変換器２１を水車外部に設置している。
【００５６】
運転中にシール部１４前後の差圧を測定し、所定の設定値を超えたことを検出して警報を発信する。ランナ背圧室１２に作用する水圧について説明する。ランナ１の入口に作用する圧力Ｈ１はシール部１４に流入する前に遠心力効果によりＨ２まで圧力低下する。運転当初は、図１０（ｂ）の実線に示すように、シール部１４のシール効果により、Ｈ２からＨ３まで急降下する。その後は遠心力効果によりＨ４まで低下することになる。ここで、シール効果が十分に発揮できる場合は、上記のようにＨ２からＨ３までは急激な圧力低下がある。
【００５７】
シール部１４の摩耗が進むと、図１０（ｂ）の破線で示すように、Ｈ２からＨ３´までしか圧力が低下せず、連通孔入口相当部位置ではＨ４´の圧力があり、内側背圧室１２ａ内には比較的高い圧力が作用する。背圧室１２内部の圧力とスラスト力との関係は既述の通りであり、このシール部１４前後の圧力Ｈ２、Ｈ３の圧力差を測定することが正確な軸スラスト力把握につながることになる。
【００５８】
このように、シール部１４の摩耗により起こる軸スラスト力増加現象を、シール部１４前後の圧力差を監視することで把握することができるため、高精度、高信頼性の警報発信装置が提供できる。
【００５９】
［第１１の実施の形態］
次に図１１にて本発明の第１１の実施の形態を示す。図１１は本実施の形態における警報発信条件である、内側背圧室１２ａ内の圧力と上部吸出し管７内の圧力差を測定する。内側背圧室１２ａ内と上部吸出し管７の圧力差を測定するための圧力変換器２１を備え、この圧力変換器により圧力を測定しこの圧力を運転監視装置２２により監視し、所定の圧力を超えた場合に警報を警報発生装置２３により発生するのもである。
【００６０】
背圧シール部１４の隙間が広がった場合の内側背圧室１２ａ内の圧力と上部吸出し管７の圧力の関係については、図８（ｂ）を参照して第８の実施の形態として説明した通りであり、内側背圧室１２ａ内に作用する圧力と吸出し管７内に作用する圧力との差圧を警報条件とし、両者の差圧がある設定値以上に大きくなった場合は、軸スラスト増加を示す警報を発する。
【００６１】
吸出し管７内には発電所の下池９の水位に相当する圧力が作用する。発電所によって異なるが、仮に下池９の水位が変動する発電所であっても、この変動範囲は背圧室１２内の圧力変動に対して十分に小さいと判断できる。したがって、吸出し管７内の圧力を基準にして背圧室１２内の圧力を監視することが十分に可能となる。
【００６２】
このようにシール部１４の摩耗により起こる軸スラスト力増加現象を内側背圧室１２ａ内の圧力と吸出し管７内部の圧力差を監視することで把握することができるため、高精度、高信頼性の警報発信装置が提供できる。
【００６３】
［第１２の実施の形態］
第１２の実施の形態を図１２を参照して説明する。ランナ１と発電機３を連結する主軸２に軸スラスト増加に伴う変形量が検出できる変位量測定装置２５を設置し、その測定値を常時運転監視装置２２により監視し、所定の設定値を超えた場合に警報発信装置２３により警報を発する。
【００６４】
軸スラストが発生することにより、主軸２を初めとするスラスト力を支持する部材に変形が生じる。変形の量は測定部位、機械の構造、材質等によって異なるが、変形量とスラスト力の関係についてはある一定関係を維持する。変位量とスラスト力の関係を解析で求めることも可能であることから、変位量の設定値を決定するのはさほど困難ではなく、高精度の警報発信が可能となる。
【００６５】
本実施の形態では主軸に変位量を測定する歪みゲージを貼り付けて変位量を監視するものであり、回転部である主軸の変形量測定は信号の取り出しが容易でないという欠点もあるが、静止部でスラスト力を受け持つ部位にこの方法を適用して変位量監視をすることも可能である。このように、スラスト支持構造物の変位量増加を測定し、この増加量によりスラスト荷重の監視をする。これによれば、スラスト力に直結した変形量を警報発信条件とすることから、信頼性の高い警報発信装置が提供できる。
【００６６】
［第１３の実施の形態］
第１３の実施の形態では、警報を発する条件について示したものである。図１３において警報発信する際の条件を模式的に示したものである。運転監視装置２２により、軸スラスト力増加に伴い発生する諸現象を検出して、警報装置２３にて警報を発信するものにおいて、水力機械の回転速度Ｎまたは、ケーシング入口圧力Ｐ１があらかじめ設定した基準値を超えた運転状態である場合は、警報発信条件が成立した場合でも警報を発信しないものである。
【００６７】
水車の運転状態によって軸スラスト力は大きく変動する。中でも起動時、停止時、また、負荷遮断等の過度時においては、定常時のスラスト力を瞬間的に超えることがある。軸スラスト力はもちろんのことであるが、軸スラストにかかわるシール部１４前後の圧力、支持構造物の変形量等についての同様のことがいえる。本実施の形態では、経年劣化に伴うシール部１４の摩耗によるスラスト力の増大によって連通孔１６の面積を調整することが主旨であり、過度時の変動によるスラスト異常検出とは目的が異なる。
【００６８】
したがって、このような過度時の情報を阻害するために、水力機械の回転速度Ｎ、ケーシング入口圧力Ｐ１を常時監視して、両者のいずれかが定格値を超えた場合には、本運転監視装置による警報発信条件が確立した場合でも警報を発信しないという条件を付加する。これにより、過渡時の不安定現象時においては警報を発信することがなくなるため、高精度で信頼性の高い警報装置が提供できる。
【００６９】
［第１４の実施の形態］
第１４の実施の形態では、警報装置により警報が発令された場合は、この点を上回る出力での運転を回避しながら運転を続行するものである。スラスト力増大に伴う各種の警報条件により警報を発信するが、この警報により即座に運転休止策を取らず、運転条件を下方修正し有効な運転を供給する。
【００７０】
図１４は、横軸に水車のガイドベーン６の開度、縦軸にスラスト力を示した一般的なグラフである。設計シール部間隔時における軸スラスト力の変化量は本図実線Ｌ１に示す通りで、ガイドベーン開度が大きくなり、負荷ｇ増加するに伴い、スラスト力も増加する傾向にある。スラスト軸受１５の容量によって決められる最大許容値ＴＨｇに対して、十分余裕を持って設計するが、運転時間が経過するとシール部１４の経年劣化とともに発生するスラスト力は図中破線Ｌ２に示すように増大する。
【００７１】
このスラスト力増大を検出し、警報を発信する方法は既述の通りである。本実施の形態では、上述の最大許容値ＴＨｇに到達した場合は、この時の運転ガイドベーン開度を許容最大運転点Ｐｐ１とし、この運転出力を超えることがないように制限をする。
【００７２】
また、この運転点Ｐｐ１を超えないような運転を続行することで、シール部１４の摩耗がさらに進展し、スラスト力は図中破線Ｌ３に示すように増大する。再び最大許容値ＴＨｇに到達した場合は、改めて、この運転点を許容最大運転点Ｐｐ２とする。
【００７３】
最大許容値ＴＨｇに対して、常時一定の余裕を見込んだ許容最大運転点Ｐｐを設定した、運転条件を設定することにより、経年劣化を見越した条件により設計していたスラスト軸受１５の容量を低減することも可能であり、機器コスト削減にも大きく貢献できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係るフランシス型水力機械の第１の実施の形態の連通孔付近の部分縦断面図。
【図２】本発明に係るフランシス型水力機械の第２の実施の形態の連通孔付近の部分縦断面図。
【図３】本発明に係るフランシス型水力機械の第３の実施の形態の連通孔付近の部分縦断面図。
【図４】本発明に係るフランシス型水力機械の第４の実施の形態の連通孔付近の図であって、（ａ）はランナの模式的部分的下面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視縦断面図。
【図５】本発明に係るフランシス型水力機械の第５の実施の形態の部分縦断面図。
【図６】本発明に係るフランシス型水力機械の第６の実施の形態のランナの模式的下面図。
【図７】本発明に係るフランシス型水力機械の第７の実施の形態の連通孔付近の図であって、（ａ）は部分縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視平面図。
【図８】（ａ）は、本発明に係るフランシス型水力機械の第８の実施の形態の模式的全体縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるスラスト力および圧力差と設計隙間に対する倍率との関係を示すグラフ、（ｃ）は（ａ）および（ｂ）における隙間および圧力差などの位置関係を表す模式的部分縦断面図。
【図９】本発明に係るフランシス型水力機械の第９の実施の形態の模式的部分縦断面図。
【図１０】（ａ）は、本発明に係るフランシス型水力機械の第１０の実施の形態の模式的部分縦断面図、（ｂ）は（ａ）における水圧分布を表すグラフ。
【図１１】本発明に係るフランシス型水力機械の第１１の実施の形態の模式的部分縦断面図。
【図１２】本発明に係るフランシス型水力機械の第１２の実施の形態の模式的全体縦断面図。
【図１３】本発明に係るフランシス型水力機械の第１３の実施の形態の模式的全体縦断面図。
【図１４】本発明に係るフランシス型水力機械の第１４の実施の形態のガイドベーン開度とスラスト力の関係を示すグラフ。
【図１５】従来のフランシス型水力機械の模式的全体縦断面図。
【図１６】（ａ）は図１５のランナの模式的部分的下面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視縦断面図。
【符号の説明】
【００７５】
１…ランナ、１ａ…ランナ背面、１ｂ…ランナ側面、１ｃ…クラウン流水面、２…主軸、３…発電機、４…ケーシング、５…ステーベン、６…ガイドベーン、７…上部吸出し管、８…吸出し管、９…下池、１０…上カバ、１１…下カバ、１２…背圧室、１２ａ…外側背圧室、１２ｂ…内側背圧室、１２ｂ…内側背圧破室、１３…側圧室、１４…背圧シール部、１５…スラスト軸受、１６…連通孔、１７…面積調整部材、１８…取付けボルト、１９…領域、２０…ハッチ、２１…差圧変換器、２２…運転監視装置、２３…警報発信装置、２４…ギャップセンサ、２５…変位量測定装置、３１…羽根、３２…ランナクラウン、３３…ランナバンド、４０…穴。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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