(57)【要約】【課題】  特に最高効率点流量時において高効率を実現する水車を提供することを目的とする。【解決手段】  複数のランナベーンが周方向に沿って設けられたランナと、ランナの外周側に設けられ、回動角度がそれぞれ個別に変更可能とされた複数のガイドベーン１５と、これらガイドベーン１５の外周に設けられた複数のステーベーン１６とを備えた水車において、各ガイドベーン１５の回動角度が、ガイドベーン１５に流入する流体に対するガイドベーン衝突損失が最も少ない設計点近傍であって、ガイドベーン衝突損失が急上昇しない低衝突損失領域の範囲内に設定されるように個別制御を行うことを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のランナベーンが周方向に沿って設けられたランナと、該ランナの外周側に設けられ、回動角度がそれぞれ個別に変更可能とされた複数のガイドベーンと、これらガイドベーンの外周に設けられた複数のステーベーンと、前記各ガイドベーンの回動角度を個別に制御するガイドベーン角度制御手段と、を備えた水車において、
前記ガイドベーン開度制御手段は、前記各ガイドベーンの回動角度が、前記ガイドベーンに流入する流体に対するガイドベーン衝突損失が最も少ない設計点近傍であって、ガイドベーン衝突損失が急上昇しない低衝突損失領域の範囲内に設定されるように個別制御を行うことを特徴とする水車。
【請求項２】
前記ガイドベーン角度制御手段は、小流量時には、前記各ガイドベーンの回動角度の設定範囲を最高効率点流量時よりも狭くすることを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項３】
前記ガイドベーン角度制御手段は、大流量時には、前記各ガイドベーンの回動角度の設定範囲を最高効率点流量時よりも狭くすることを特徴とする請求項１または２に記載の水車。
【請求項４】
複数のランナベーンが周方向に沿って設けられたランナと、該ランナの外周側に設けられ、回動角度がそれぞれ個別に変更可能とされた複数のガイドベーンと、これらガイドベーンの外周に設けられた複数のステーベーンと、を備えた水車の制御方法において、
前記各ガイドベーンの回動角度が、前記ガイドベーンに流入する流体に対するガイドベーン衝突損失が最も少ない設計点近傍であって、ガイドベーン衝突損失が急上昇しない低衝突損失領域の範囲内に設定されるように個別制御を行うことを特徴とする水車の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、水力発電設備などにおいて、水車、ポンプ水車等として用いられる水車およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水力発電設備などにおいて、水車、ポンプ水車等として用いられる水車の従来構造（下記特許文献１参照）を、図８及び図９に示すものを例にとって説明する。図に示すように、この水車１は、その中心に、周方向へ間隔をあけて複数のランナベーン２が設けられたランナ３を有しており、このランナ３が主軸４の先端部に設けられて回転可能とされている。このランナ３の外周側には、それぞれ周方向へ間隔をあけて設けられた複数のガイドベーン５及びステーベーン６が順に設けられており、その外周側に、渦巻状に形成されたケーシング７が設けられている。また、ランナ３の下方側には、次第に拡径されたドラフトチューブ８が設けられている。
【０００３】
この水車１は、上池からの水が渦巻状のケーシング７へ送り込まれることにより、旋回しながら次第に中心へ送り込まれ、ステーベーン６及びガイドベーン５を通過してランナ３へ流れ込み、このランナ３のランナベーン２によって回転力が発生し、これによりランナ３が回転して主軸４に接続された図示しない発電機の回転軸が回転されて発電されるようになっている。
このランナ３を回転させた水は、ドラフトチューブ８内を流れて下池や河川へ送り出されるようになっている。なお、この水車１を揚水用のポンプとして用いる場合は、主軸４を回転させることにより、ドラフトチューブ８からランナ３によって下池側の水が吸い上げられて、ガイドベーン５及びステーベーン６からケーシング７内へ送り出されて上池へ送り込まれるようになっている。
【０００４】
ガイドベーン５は、小流量時におけるランナからドラフトチューブへの旋回速度成分が小さくなるように、個別にその角度が変更されるようになっている。これにより、旋回速度成分が残留することによって生じるドラフトチューブ８内での水圧脈動に起因する騒音を防止するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１０３９号公報（図６，７参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、最高効率点流量時における水車の更なる効率改善は常に期待されている。
しかしながら、上記特許文献１の開示から、旋回速度成分の低減についての知見は得られるものの、最高効率点流量時における水車の効率を更に上げるためにガイドベーン開度をどのように個別制御すればよいかという示唆はない。
【０００７】
一方、ステーベーン６からガイドベーン５に向けて流れ込む流体の流入角度分布は、ケーシング７中での二次流れの存在等により、周方向において非一様であることが知られている。この非一様性を有する流入角度分布に応じて、ガイドベーンが流れに沿うようにガイドベーン回動角度を個別制御すれば、水車の効率改善が期待できると予想される。
【０００８】
しかし、本発明者らが鋭意検討した結果、非一様性を有する流入角度分布に応じてガイドベーン回動角度を単に個別制御しても有意な効率改善が見られないことがわかった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、特に最高効率点流量時において更なる高効率を実現する水車およびその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の水車およびその制御方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる水車は、複数のランナベーンが周方向に沿って設けられたランナと、該ランナの外周側に設けられ、回動角度がそれぞれ個別に変更可能とされた複数のガイドベーンと、これらガイドベーンの外周に設けられた複数のステーベーンと、前記各ガイドベーンの回動角度を個別に制御するガイドベーン角度制御手段と、を備えた水車において、前記ガイドベーン開度制御手段は、前記各ガイドベーンの回動角度が、前記ガイドベーンに流入する流体に対するガイドベーン衝突損失が最も少ない設計点近傍であって、ガイドベーン衝突損失が急上昇しない低衝突損失領域の範囲内に設定されるように個別制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
ステーベーンを通過した流体の周方向における流入角度分布に応じてガイドベーンの回動角度を設定しても、流線に対するガイドベーンの角度であるインシデンス角がずれてガイドベーン衝突損失が大きい回動角度に設定されてしまうと、結果的に効率は落ちる。そこで、本発明は、ガイドベーン回動角度を低衝突損失領域の範囲内に設定することとした。これにより、ステーベーンを通過した流体の周方向における流入角度分布との関係で、ガイドベーン衝突損失が大きくならない範囲でガイドベーン回動角度を設定することとなり、可及的に効率の高い水車が実現される。
特に、最高効率点流量時（例えばガイドベーン開度６５％程度）近傍で本発明のような個別制御を行うのが好ましい。
ガイドベーン角度制御手段が行う個別制御としては、複数のガイドベーンをいくつかのグループに分け、これらグループごとにガイドベーン回動角度を制御する方式としても良く、すべてのガイドベーンについて回動角度を個別に制御する方式としても良い。
【００１２】
なお、「低衝突損失領域」は、例えば、設計点から両側に約１０°、好ましくは約５°の範囲とされているとよい。
【００１３】
また、前記ガイドベーン角度制御手段は、小流量時には、前記各ガイドベーンの回動角度の設定範囲を最高効率点流量時よりも狭くすることを特徴とする。
【００１４】
水車を流れる流体の流量が少ない時すなわち小流量時には、いくつかのガイドベーン回動角度が低衝突損失領域から外れて、大きな衝突損失を示すことになる。したがって、小流量時には、ガイドベーン開動角度の設定範囲を最高効率点流量時よりも狭くする。最も狭くする場合としては、全てのガイドベーン回動角度を同一として、個別制御を行わないようにする場合が相当する。
「小流量」とは、最高効率点流量を下回る流量を意味し、例えば、ガイドベーン開度３０％以下をいう。
「最高効率点流量」とは、水車が最高の効率を発揮するときの流量を意味し、例えば、ガイドベーン開度６５％近傍をいう。
【００１５】
また、前記ガイドベーン角度制御手段は、大流量時には、前記各ガイドベーンの回動角度の設定範囲を最高効率点流量時よりも狭くすることを特徴とする。
【００１６】
水車を流れる流体の流量が多い時すなわち大流量時には、いくつかのガイドベーン回動角度が低衝突損失領域から外れて、大きな衝突損失を示すことになる。したがって、大流量時には、ガイドベーン開動角度の設定範囲を最高効率点流量時よりも狭くする。最も狭くする場合としては、全てのガイドベーン回動角度を同一として、個別制御を行わないようにする場合が相当する。
「大流量」とは、最高効率点流量を上回る流量を意味し、例えば、ガイドベーン開度７０％以上をいう。
【００１７】
また、本発明の水車の制御方法は、複数のランナベーンが周方向に沿って設けられたランナと、該ランナの外周側に設けられ、回動角度がそれぞれ個別に変更可能とされた複数のガイドベーンと、これらガイドベーンの外周に設けられた複数のステーベーンと、を備えた水車の制御方法において、前記各ガイドベーンの回動角度が、前記ガイドベーンに流入する流体に対するガイドベーン衝突損失が最も少ない設計点近傍であって、ガイドベーン衝突損失が急上昇しない低衝突損失領域の範囲内に設定されるように個別制御を行うことを特徴とする。
【００１８】
ガイドベーン回動角度を低衝突損失領域の範囲内に設定することとしたので、ステーベーンを通過した流体の周方向における流入角度分布との関係で、ガイドベーン衝突損失が大きくならない範囲でガイドベーン回動角度を設定することとなり、可及的に効率の高い水車の制御方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、低衝突損失領域の範囲内でガイドベーンの回動角度を個別に設定することとしたので、ガイドベーン毎に適切なインシデンス角を設定することができ、可及的に効率の高い水車およびその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の水車にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。
図１において、水車１１は、その中心に、周方向へ間隔をあけて複数のランナベーン１２が設けられたランナ１３を有している。このランナ１３は、主軸１４の先端部に設けられており、主軸１４とともに回転可能とされている。ランナ１３の外周側には、それぞれ周方向へ間隔をあけて設けられた複数のガイドベーン１５及び複数のステーベーン１６が順に設けられており、その外周側に、渦巻状に形成されたケーシング１７が設けられている。
ランナ１３の下方側には、漸次拡径されて途中で屈曲されたドラフトチューブ１８が設けられている。
【００２１】
このように構成された水車１１によれば、上池からの水が渦巻状のケーシング１７へ送り込まれて旋回しながら次第に中心へ送り込まれ、ステーベーン１６及びガイドベーン１５を通過してランナ１３へ流れ込み、このランナ１３のランナベーン１２によって回転力が発生する。これによりランナ１３が回転して主軸１４に接続された図示しない発電機の回転軸が回転されて発電されるようになっている。
【００２２】
ランナ１３を回転させた水は、ドラフトチューブ１８内を流れて下池へ送り出されるようになっている。
【００２３】
なお、水車１１を揚水用のポンプとして用いる場合は、主軸１４を回転させることにより、ドラフトチューブ１８からランナ１３によって下池側の水が吸い上げられて、ガイドベーン１５及びステーベーン１６からケーシング１７内へ送り出されて上池へ送り込まれるようになっている。
【００２４】
水車１１には、個々のガイドベーン１５にそれぞれリンク機構２１を介してサーボモータ２２が設けられており、これらサーボモータ２２がガイドベーン角度制御手段３０によってそれぞれ個別に駆動されるようになっている。
【００２５】
つまり、ガイドベーン角度制御手段３０によってサーボモータ２２が駆動されると、図２に示すように、このサーボモータ２２の回転軸２３に設けられた駆動片２４に連結されたリンク部材２５を介して、ガイドベーン１５の支持軸２７に固定されたアーム２６に伝達され、ガイドベーン１５がそれぞれ回動されるようになっている。
【００２６】
ガイドベーン角度制御手段３０は、ガイドベーン１５の回動角度を個別に制御する。
本実施形態では、図３に示すように、２０枚のガイドベーン１５を５つのグループ、すなわち第１グループＧｒ１、第２グループＧｒ２、第３グループＧｒ３、第４グループＧｒ４および第５グループＧｒ５に分け、これらグループ毎にガイドベーン回動角度を個別制御する。
なお、全てを図示していないが、本実施形態におけるステーベーン１６は１０枚設けられている。
【００２７】
ガイドベーン１５の各グループＧｒ1〜Ｇｒ５の回動角度は、ステーベーン１６から流れ込む流体の周方向における流入角度分布に応じて異なった角度に設定される。
図３の状態は、２０枚のガイドベーン１５のガイドベーン開度が６５％のときであり、このガイドベーン開度６５％とは、本実施形態において最高効率点流量における開度を意味する。
ここで、ガイドベーン開度とは、各ガイドベーン１５間に形成されるスロート径の大きさの程度を示し、流体が流れないようにガイドベーンを締め切った状態を０％とし、最大のスロート径を有するときを１００％としている。
【００２８】
ガイドベーン１５の第１グループＧｒ１から第５グループＧｒ５に行くに従い漸次ガイドベーン回動角度が大きくなるように設定されている。最小回動角度である第１グループＧｒ１と最大回動角度である第５グループＧｒ５との角度の差は所定範囲に設定されている。この角度範囲は、後述するように、ガイドベーンの衝突損失との関係で一定の範囲内に設定されている。
ここで、回動角度とは、ガイドベーン１５を閉め切ってガイドベーン開度を０％としたときの角度を０°とし、この角度から、ガイドベーン１５の回動中心Ｃ周りの角度αをいう。
【００２９】
図４には、ガイドベーン開度に対するガイドベーンの回動角度を示している。
同図からわかるように、ガイドベーン開度が小さい小流量のとき、具体的にはガイドベーン開度が１８％以下のとき、全ての回動角度を同一にしている（すなわち個別制御を行わない。）。
ガイドベーン開度がさらに大きくなると（流量が多くなると）、徐々にグループ毎の回動角度を異ならせるように個別制御を行う。
ガイドベーン開度が３０％以上５５％以下では、グループ間で異ならせた回動角度の範囲を５°程度とし、この角度範囲を保ったまま一定としている。
ガイドベーン開度が５５％を超えると、グループ間で異ならせた回動角度の範囲を徐々に狭めて行き、ガイドベーン開度７０％以上では全ての回動角度を同一にする（すなわち個別制御を行わない）。
【００３０】
次に、図５を用いて、図４のようにガイドベーン開度に応じてガイドベーンの回動角度を制御する理由を説明する。
図５（ａ）には、ガイドベーン１５に対して流れ込む流体のインシデンス角が示されている。インシデンス角が０°のとき、即ち流体の流れがガイドベーンに沿うときに設計点となり、最もガイドベーンに対する流体の衝突損失がない状態となる。ガイドベーン１５に対して流れ込む流体の角度が、設計点（０°）から両側にずれた角度を、それぞれ正および負の値で示す。
【００３１】
図５（ｂ）には、インシデンス角に対するガイドベーンの衝突損失例が示されている。同図に示されているように、ガイドベーン１５の衝突損失は、設計点（０°）で最も小さくなり、設計点の両側においても低い衝突損失を保ったままとなる。そして、設計点から所定角度（一般には約１０°、本実施形態の場合は５°）ずれると、急激に衝突損失が大きくなる。
この図からわかるように、急激に衝突損失が大きくならない角度範囲である低衝突損失領域でインシデンス角が設定されるようにガイドベーン１５の回動角度αを設定すれば、ガイドベーン１５における衝突損失を減少させることができ、水車の効率を可及的に上昇させることができる。したがって、本実施形態では、最高効率点流量のときには、ステーベーン１６から流れ込む流体の周方向速度分布に応じてガイドベーンの回動角度を設定する際に、衝突損失が大きくならない低衝突損失領域の範囲内にインシデンス角が設定されるようにガイドベーン１５の回動角度を設定する。
【００３２】
一方、ガイドベーン開度を小さくした小流量のとき、及び、ガイドベーン開度を大きくした大流量のときは、ガイドベーン１５の回動角度は設計点（０°）からずれることになる。具体的には、図５（ｂ）において、設計点から両側に離れる方向にインシデンス角が設定されることになる。
小流量時および大流量時に各ガイドベーン１５の回動角度に幅を持たせると、図５（ｂ）に示すように、ガイドベーン１５の一部分のインシデンス角の絶対値が大きくなり、大きな衝突損失を招いてしまう。これでは、全体の損失が大きくなり、水車の効率向上が図れない。そこで、本実施形態では、図４に示したように、小流量時および大流量時には、インシデンス角に幅を持たせないように、ガイドベーン１５の回動角度の個別制御は行わないようにした。
【００３３】
本実施形態による水車によれば、以下の作用効果を奏する。
ガイドベーン１５の回動角度を低衝突損失領域の範囲内に設定することとしたので、ステーベーン１６を通過した流体の周方向における流入角度分布との関係で、ガイドベーン衝突損失が大きくならない範囲でガイドベーン回動角度を設定することとなり、可及的に効率の高い水車が実現することができる。
【００３４】
特に、最高効率点流量時には、ガイドベーン１５のインシデンス角が設計点近傍にあるので、全てのガイドベーン１５のインシデンス角を低衝突損失領域内に設定することができるので、最も高い効率を実現できる。
【００３５】
また、最高効率点流量から離れた小流量時および大流量時には、ガイドベーン１５の回動角度の個別制御を行わないようにしたので、衝突損失が大きいインシデンス角にガイドベーンが設定されることを回避できる。これにより、小流量時および大流量時であっても、損失の少ない水車を提供することができる。
【００３６】
本実施形態の変形例として、図６及び図７に示したガイドベーン回動角度の制御方法がある。
これらの変形例は、最高効率点流量のときの効率向上を主目的とし、小流量時あるいは大流量時におけるガイドベーン１５の衝突損失が全体の損失に比べて小さいと判断できる場合に適用可能なものである。
【００３７】
図６には、本実施形態にかかるガイドベーン回動角度の制御方法の第１変形例が示されている。同図では、小流量（ガイドベーン開度小）から大流量（ガイドベーン開度大）にいくにつれて、各ガイドベーン１５の回動角度の設定範囲を一定の割合で増大させたものである。
この変形例によれば、小流量の時には各ガイドベーン１５の回動角度の設定範囲が小さくなっているので、小流量時における衝突損失を小さくできる。
最高効率点流量時には、図４における場合と同様に、効率向上を図ることができる。
大流量時には、各ガイドベーン１５の回動角度の設定範囲が大きくなり、衝突損失が大きいインシデンス角に一部のガイドベーン１５が設定されてしまうことになるが、ガイドベーン１５の衝突損失が全体の損失に比べて無視できるほど小さい場合には、このような制御も有用である。
この変形例のようにガイドベーン回動角度の制御を行えば、各ガイドベーン１５の回動角度の設定範囲を、ガイドベーン開度に対する等比関数で設定することができるので、制御プログラムが簡便になるという利点がある。
【００３８】
図７には、本実施形態にかかるガイドベーン回動角度の制御方法の第２変形例が示されている。同図では、小流量（ガイドベーン開度小）から大流量（ガイドベーン開度大）にわたって、各ガイドベーン１５の回動角度の設定範囲を一定としたものである。
本変形例であっても、最高効率点流量時には、図４における場合と同様に、効率向上を図ることができる。
一方、小流量時および大流量時には、各ガイドベーン１５の回動角度の設定範囲が大きくなり、衝突損失が大きいインシデンス角に一部のガイドベーン１５が設定されてしまうことになるが、ガイドベーン１５の衝突損失が全体の損失に比べて無視できるほど小さい場合には、このような制御も有用である。
この変形例のようにガイドベーン回動角度の制御を行えば、各ガイドベーン１５の回動角度の設定範囲を、ガイドベーン開度にかかわらず等差関数で設定することができるので、制御プログラムが極めて簡便になるという利点がある。
【００３９】
なお、本実施形態では、ガイドベーン１５を５つのグループに分けて回動角度を個別制御することとしたが、本発明はこれに限定されず、２以上４以下のグループでもよく、６以上のグループでもよい。あるいは、全てのガイドベーン１５を個別に制御することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による実施形態にかかる水車のガイドベーン近傍を示した縦断面図である。
【図２】本実施形態にかかるガイドベーンの開度制御機構を示した平面図である。
【図３】ガイドベーンを５つのグループにわけて個別制御する状態をしめした横断面図である。
【図４】ガイドベーン開度に応じてガイドベーン回動角度を個別制御する方法を示した図である。
【図５】ガイドベーンの設定範囲を決定するための説明図あり、（ａ）はガイドベーンに対して流れ込む流体の角度の定義を示し、（ｂ）はガイドベーンに対する流入流体のインシデンス角とガイドベーンの衝突損失との関係を示している。
【図６】図４の第１変形例を示した図である。
【図７】図４の第２変形例を示した図である。
【図８】従来の水車の構成を示す部分断面斜視図である。
【図９】従来の水車のガイドベーン及びステーベーンの配置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  水車
１２  ランナベーン
１３  ランナ
１５  ガイドベーン
１６  ステーベーン
１７  ケーシング
３０  ガイドベーン角度制御手段
【図１】
2006138251.tif 000003
【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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