(57)【要約】【課題】無拘束運転対策のフライホイールや圧力タンク等の構成部材を必要とせずに、水車本体において無拘束運転突入時の流量変動を実質的に生じさせず、送水管内での圧力変動を抑制することができる水車および水車発電装置ならびに水車発電装置の運転方法を提供する。【解決手段】送水管路に介設する水車１７であって、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義する比速度Ｎｓにおいて、羽根車１３が定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、羽根車１３が無拘束で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度の形状をなす羽根車１３を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送水管路に介設する水車であって、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義する比速度Ｎｓにおいて、羽根車が定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度の形状をなす羽根車を備えたことを特徴とする水車。
【請求項２】
比速度Ｎｓが４００〜５２０の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項３】
比速度Ｎｓが４２０〜４９０の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項４】
送水管路に介設する水車と、水車によって駆動する発電機と、発電機の出力を電力系統へ送出する回生インバータとを備えた水車発電装置であって、
水車は、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義する比速度Ｎｓにおいて、羽根車が定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、羽根車が無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度Ｎｓの形状をなす羽根車を備え、
回生インバータは発電機の出力を周波数調整して電力系統へ送出することを特徴とする水車発電装置。
【請求項５】
定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度Ｎｓの形状をなして比速度Ｎｓが、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義される羽根車を備えた水車を、送水管路に介設して通常運転し、前記水車によって発電機を駆動し、発電機の出力を回生インバータで周波数調整して電力系統へ送出し、負荷遮断時に流量調整を伴うことなく水車の羽根車を無拘束回転させて無拘束運転し、無拘束運転突入時の流量変動を実質的に生じさせることなく送水管路内での圧力変動を抑制することを特徴とする水車発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車および水車発電装置ならびに水車発電装置の運転方法に関し、送水管路の途中において水力発電を行うポンプ逆転水車ならびにインライン型水車の技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば特許文献１に記載する小電力発電設備がある。これは、上水槽に接続された水圧管の出口側に水車を配置し、この水車を水圧管から重力降下する水勢力により回転させ、水車に直結した発電機を回転駆動して電力を供給するものであり、水車の定格水量を最大効率点水量よりも小水量側にずらせることにより、水車及び発電機が機械的強度の安全範囲内で無拘束回転可能に設定されている。
【０００３】
また、特許文献２には水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法が記載されている。これは、水道用水の送水管路の途中に発電機駆動用のポンプ逆転水車を介設し、送水管路の二次側圧力が設定値に保持されるようにポンプ逆転水車の回転数を制御して二次圧一定制御を行なうものであり、二次圧一定制御による回転数低下に伴って減少する発電出力が予め設定された最小出力設定値よりも低い時は、ポンプ逆転水車を最小回転数制御してポンプ逆転水車に対する通過水量が最大となるようにポンプ逆転水車の回転数を制御し、二次圧一定制御による回転数上昇に伴い増大する発電出力が予め設定された最大出力設定値よりも高い時は、ポンプ逆転水車を最大発電出力制御して発電出力が最大となるようにポンプ逆転水車の回転数を制御するものである。
【特許文献１】特開２００２−１１５６４３号公報
【特許文献２】特開２００２−２５７０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的に水車発電装置の水車には発電運転時と無拘束運転時とでの運転流量に差がある。このことについて以下に説明する。
水車は水圧管によって導かれた水の有する位置のエネルギーを機械的エネルギーに変換し、水車に接続した発電機を駆動して電気エネルギーに変換する。水車の羽根車に作用する位置エネルギーは、取水位と放水位の差である総落差から水が水路や管路の中を流れる間に失う損失落差を差し引いた有効落差である。発電運転時に水車には発電機を駆動するための負荷が作用し、有効落差を受ける羽根車は発電機の特性に応じて決まる所定の回転数で回転する。
【０００５】
発電機の負荷を遮断すると水車は無拘束回転する。この無拘束回転において水車は発電運転時の定格回転数よりも大きな回転数で回転し、無拘束回転数は比速度が大きいほど大きくなる。無拘束回転において羽根車がある回転数で回転すると、羽根車はある部分が水のエネルギーを受けて水車として機能し、他のある部分がポンプとして機能して水にエネルギーを与える状態となり、いわゆる無拘束状態となる。
【０００６】
この水車における負荷遮断時の過渡現象は、一般的な公知文献（例えば機械工学便覧、発行者：社団法人日本機械学会１９９１年５月１５日第４版Ｐ６３）において知られている。これは、図１７に示すようなものであり、負荷遮断時の過渡現象においては、通常運転している水車が停電等によって負荷遮断されると、その後に案内羽根の開度を短時間に０％まで減少させる間に、水車入出力のバランスが崩れて羽根車の回転数（図１７においては回転速度）が極めて短時間に無拘束回転数まで上昇し、鉄管水圧は羽根車の回転数の増加に伴って急激に上昇し、管路内で急激な流量変動と圧力変動（ウォーターハンマー）が生じる。
【０００７】
この無拘束運転時の問題の対策としては、水車と発電機の間にフライホイール等を設けるか、あるいは管路に圧力変動緩衝タンクを設けることなどが考えられる。しかし、インライン型水車の場合に、ケーシング内にフライホイールを設けることは設置スペースの関係で困難であるほかコストアップの要因となる。また、管路に圧力変動緩衝タンクを設けるとコストアップの要因となる。また、負荷遮断時のウォーターハンマーを防ぐために、ガイドベーン操作等を行って対応することも可能であるが、ガイドベーン機構や複雑な制御が必要であった。
【０００８】
本発明は上記した課題を解決するものであり、無拘束運転対策のフライホイールや圧力変動緩衝タンク等の構成部材を必要とせずに、水車本体において無拘束運転突入時の流量変動を実質的に生じさせず、送水管内での圧力変動を抑制することができる水車および水車発電装置ならびに水車発電装置の運転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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の水車は、送水管路に介設する水車であって、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義する比速度Ｎｓにおいて、羽根車が定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度の形状をなす羽根車を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記した構成により、羽根車が定格回転数で回転する通常運転時において、羽根車を通過する流量は羽根車に作用する有効落差の変動に伴って変動し、有効落差が大きいほどに流量が多く、有効落差が小さいほどに流量が少ない。
【００１１】
一方、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時には、有効落差が大きいほどに流量が多くなるとともに無拘束時の回転数が大きく、有効落差が小さいほどに流量が少なくなるとともに無拘束時の回転数が小さい。
【００１２】
ある有効落差下で通常運転する水車において負荷遮断が生じて無拘束運転へ突入すると、羽根車の回転数は定格回転数から無拘束時の回転数へ変化し、通常運転時の水車運転特性下の流量変動傾向から無拘束運転時の水車運転特性下の流量変動傾向へ遷移する。
【００１３】
この水車運転特性は羽根車の形状に依拠しており、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義する比速度Ｎｓは羽根車の形状と密接な関係を有する。この羽根車の形状によっては、通常運転時の水車運転特性下の流量に比べて無拘束運転時の水車運転特性下の流量が少なくなる現象を生じ、あるいは通常運転時の水車運転特性下の流量に比べて無拘束運転時の水車運転特性下の流量が多くなる現象が生じる。
【００１４】
一般的に、無拘束運転時に流量が少なくなる現象が生じる形状の羽根車の比速度Ｎｓは比較的小さく、無拘束運転時に流量が多くなる現象が生じる形状の羽根車の比速度Ｎｓは比較的大きいものである。よって、両現象の比速度Ｎｓの間には閾値となる比速度Ｎｓがあり、この比速度Ｎｓとなる形状の羽根車では、通常運転時の水車運転特性下の流量と無拘束運転時の水車運転特性下の流量が等しくなる現象が生じる。
【００１５】
したがって、定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、無拘束で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度の形状をなす羽根車を水車に採用することで、無拘束運転対策のフライホイールや圧力変動緩衝タンク等の構成部材を必要とせずに、水車本体において無拘束運転突入時の流量変動を実質的に生じさせず、送水管路内での圧力変動を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明の水車は、比速度Ｎｓが４００〜５２０の範囲内であることを特徴とする。
また、本発明の水車は、比速度Ｎｓが４２０〜４９０の範囲内であることを特徴とする。
本発明の水車発電装置は、送水管路に介設する水車と、水車によって駆動する発電機と、発電機の出力を電力系統へ送出する回生インバータとを備えた水車発電装置であって、
水車は、、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義する比速度Ｎｓにおいて、羽根車が定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、羽根車が無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度Ｎｓの形状をなす羽根車を備え、回生インバータは発電機の出力を周波数調整して電力系統へ送出することを特徴とする。
【００１７】
上記した構成において、水車および羽根車に関する作用は前述した本発明の水車と同様であり、その説明を省略する。
この構成では、定格回転数で回転する通常運転時に回生インバータにおいて発電機の出力周波数を電力系統の所定周波数に調整することで、任意の定格回転数において電力系統への送電が可能となり、通常運転から負荷遮断による無拘束運転突入時には、水車の羽根車が、定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度Ｎｓの形状をなすことで、負荷遮断時に流量調整を伴うことなく水車の羽根車を無拘束回転させて無拘束運転しても流量変動を実質的に生じさせず、送水管路内での圧力変動を抑制することができる。
【００１８】
本発明の水車発電装置の運転方法は、定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度Ｎｓの形状をなして比速度Ｎｓが、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義される羽根車を備えた水車を、送水管路に介設して通常運転し、前記水車によって発電機を駆動し、発電機の出力を回生インバータで周波数調整して電力系統へ送出し、負荷遮断時に流量調整を伴うことなく水車の羽根車を無拘束回転させて無拘束運転し、無拘束運転突入時の流量変動を実質的に生じさせることなく送水管路内での圧力変動を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致もしくは近似する比速度Ｎｓの形状をなす羽根車を水車に採用することにより、無拘束運転対策のフライホイールや圧力変動緩衝タンク等の構成部材を必要とせずに、水車本体において無拘束運転突入時の流量変動を実質的に生じさせず、配水管内での圧力変動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。はじめに、本発明において、「送水管路」の文言はいわゆる上水道や工業用水、河川水等における導水管、送水管、配水管を含む広義の意味で使用するものである。
【００２１】
図５において、送水管路はダム等の水源１から浄水場２に至る導水管３、および浄水場２から配水場４に至る配水管５、ならびに配水場４から需要家６に至る送水管７からなる。浄水場２は導水管３に連通する着水井８と、配水管５に連通する浄水槽９を備えており、着水井８と浄水槽９の間に浄水処理を行うための設備（図示省略）を設けている。配水場４は配水管５に連通するとともに送水管７に連通する配水槽１０を備え、配水管５には浄水槽９の浄水を配水槽１０へ送るためのポンプ１１を備えている。
【００２２】
本発明に係る水車発電装置１２は導水管３における着水井８の上流近傍位置や配水管５における配水槽１０の上流近傍位置などに設けることができる。一般的に導水管３および配水管５は一本管路で管路長が長く分岐がないものであり、これらの管路に従来の水車発電装置を設ける場合には無拘束時の圧力変動が大きくなりウォーターハンマーを生じ易い。以下においては水車発電装置１２を導水管３に介設する場合について説明する。
【００２３】
図１において、水車発電装置１２はケーシング１４の吸込口１５および吐出口１６において導水管３に接続しており、ケーシング１４の内部にはインライン型水車（以下においては水車と呼称する）１７と、この水車１７によって駆動する発電機１８を配置しており、管路外に発電機１８の出力を電力系統へ送出する回生インバータ１９を備えている。水車発電装置１２としてはインライン型以外の他のポンプ逆転水車を採用することも可能である。
【００２４】
回生インバータ１９は周波数検知回路２０、周波数比較回路２１、周波数調整回路２２を備え、水車１７を定格回転数に制御するとともに、発電機１８の出力の周波数および電圧を系統連係に対応する所定周波数および所定電圧に調整する機能を担い、周波数検知回路２０において発電機１８の出力周波数を検知し、周波数比較回路２１において周波数検知回路２０で検知した出力周波数と電力系統へ送出する系統連係の所定周波数とを比較し、周波数調整回路２２において発電機１８の出力周波数を系統連係の所定周波数に調整する。
【００２５】
水車１７は、図２および図３に示す羽根車２３を有しており、羽根車２３はハブ２４とハブ２４の周方向に所定間隔で設けた複数のブレード２５からなる。ブレード２５はハブ２４の外周面において中心側から外周縁側へ湾曲した形状をなしている。
【００２６】
水車運転特性は羽根車２３の形状に依拠しており、水車回転速度ｎ（ｍｉｎ−１）、流量Ｑ（ｍ３／ｍｉｎ）、有効落差（ｍ）としたときに、Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４で定義する比速度Ｎｓは羽根車２３の形状と密接な関係を有する。この羽根車２３は、Ｎｓ＝４４０となる形状をなしており、羽根車２３が定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、羽根車２３が無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが近似する。本発明においては、定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが一致する比速度Ｎｓの形状を有する羽根車２３が好ましい。
【００２７】
以下に、本実施の形態の羽根車２３に相似し、他の比速度Ｎｓの形状をなす羽根車との比較において、本実施の形態の羽根車２３の水車運転特性を説明する。図７および図８は、比速度Ｎｓ７００の羽根車を定格回転数１２００ｒｐｍで回転させる通常運転時における水車運転特性および、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時における水車運転特性を示すものである。
【００２８】
羽根車が定格回転数で回転する通常運転時において、羽根車を通過する流量は羽根車に作用する有効落差の変動に伴って変動し、有効落差が大きいほどに流量が多く、有効落差が小さいほどに流量が少ない。
【００２９】
一方、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時には、有効落差が大きいほどに流量が多くなるとともに無拘束時の回転数が大きく、有効落差が小さいほどに流量が少なくなるとともに無拘束時の回転数が小さい。
【００３０】
ある有効落差下で通常運転するときに負荷遮断が生じて無拘束運転へ突入すると、羽根車の回転数は定格回転数から無拘束時の回転数へ変化し、通常運転時の水車運転特性下の流量変動傾向から無拘束運転時の水車運転特性下の流量変動傾向へ遷移し、通常運転時の水車運転特性下の流量に比べて無拘束運転時の水車運転特性下の流量が多くなる現象が生じる。
【００３１】
次に、図９および図１０は、比速度Ｎｓ４００の羽根車を定格回転数１２００ｒｐｍで回転させる通常運転時における水車運転特性および、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時における水車運転特性を示すものである。
【００３２】
この羽根車においても、通常運転時に羽根車を通過する流量は、羽根車に作用する有効落差の変動に伴って変動し、有効落差が大きいほどに流量が多く、有効落差が小さいほどに流量が少ない。また、無拘束運転時には、有効落差が大きいほどに流量が多くなるとともに無拘束時の回転数が大きく、有効落差が小さいほどに流量が少なくなるとともに無拘束時の回転数が小さい。
【００３３】
しかし、ある有効落差下で通常運転するときに負荷遮断が生じて無拘束運転へ突入し、通常運転時の水車運転特性下の流量変動傾向から無拘束運転時の水車運転特性下の流量変動傾向へ遷移する際に、通常運転時の水車運転特性下の流量に比べて無拘束運転時の水車運転特性下の流量が少なくなる現象が生じる。
【００３４】
したがって、比速度Ｎｓ４００の水車運転特性と、Ｎｓ７００の水車運転特性の間には、無拘束運転時の水車運転特性が通常運転時の水車運転特性に一致する比速度Ｎｓが存在すると推定できる。
【００３５】
次に、図１１および図１２は、比速度Ｎｓ４６０の羽根車を定格回転数１０００ｒｐｍで回転させる通常運転時における水車運転特性および、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時における水車運転特性を示すものである。
【００３６】
この羽根車においても、通常運転時に羽根車を通過する流量は、羽根車に作用する有効落差の変動に伴って変動し、有効落差が大きいほどに流量が多く、有効落差が小さいほどに流量が少ない。また、無拘束運転時には、有効落差が大きいほどに流量が多くなるとともに無拘束時の回転数が大きく、有効落差が小さいほどに流量が少なくなるとともに無拘束時の回転数が小さい。
【００３７】
しかし、この羽根車では、ある有効落差下で通常運転するときに負荷遮断が生じて無拘束運転へ突入し、通常運転時の水車運転特性下の流量変動傾向から無拘束運転時の水車運転特性下の流量変動傾向へ遷移する際に、通常運転時の水車運転特性下の流量と無拘束運転時の水車運転特性下の流量が一致もしくは近似する。ただし、通常運転時の水車運転特性下の流量に比べて無拘束運転時の水車運転特性下の流量がわずかに多い傾向を示す。
【００３８】
次に、図１３および図１４は、比速度Ｎｓ４４０の羽根車を定格回転数１０００ｒｐｍで回転させる通常運転時における水車運転特性および、羽根車が無拘束で回転する無拘束運転時における水車運転特性を示すものである。
【００３９】
この羽根車においても、通常運転時に羽根車を通過する流量は、羽根車に作用する有効落差の変動に伴って変動し、有効落差が大きいほどに流量が多く、有効落差が小さいほどに流量が少ない。また、無拘束運転時には、有効落差が大きいほどに流量が多くなるとともに無拘束時の回転数が大きく、有効落差が小さいほどに流量が少なくなるとともに無拘束時の回転数が小さい。
【００４０】
また、ある有効落差下で通常運転するときに負荷遮断が生じて無拘束運転へ突入し、通常運転時の水車運転特性下の流量変動傾向から無拘束運転時の水車運転特性下の流量変動傾向へ遷移する際に、通常運転時の水車運転特性下の流量と無拘束運転時の水車運転特性下の流量が一致もしくは近似する。ただし、この羽根車では、通常運転時の水車運転特性下の流量に比べて無拘束運転時の水車運転特性下の流量がわずかに少ない傾向を示す。
【００４１】
図６は上述の関係をまとめて示すものであり、通常運転時に比べて無拘束運転時に流量が少なくなる現象が生じるＮｓ４００の形状の羽根車における無拘束運転時の水車運転特性ａと、通常運転時と無拘束運転時の流量が近似するＮｓ４４０の形状の羽根車における無拘束運転時の水車運転特性ｂおよびＮｓ４６０の形状の羽根車における無拘束運転時の水車運転特性ｃと、通常運転時に比べて無拘束運転時に流量が多くなる現象が生じるＮｓ７００の形状の羽根車における水車運転特性ｄと、同様に無拘束運転時に流量が多くなる現象が生じるＮｓ１０００の形状の羽根車における水車運転特性ｅと、Ｎｓ４００、Ｎｓ４４０、Ｎｓ４６０、Ｎｓ７００、Ｎｓ１０００のものにおける通常運転時の水車運転特性ｆを示すものである。図６において、流量は設計流量Ｑｄに対する実際流量Ｑの比であり、有効落差は設計有効落差Ｈｄに対する実際有効落差Ｈの比である。
【００４２】
図６において明らかなように、比速度Ｎｓ４００の水車運転特性ａと、Ｎｓ７００の水車運転特性ｄの間には、無拘束運転時の水車運転特性が通常運転時の水車運転特性ｆに一致する比速度Ｎｓが存在し、この比速度Ｎｓを閾値として、比速度Ｎｓが閾値より大きいほどに無拘束運転時に流量が多くなり、比速度Ｎｓが閾値より小さいほどに無拘束運転時に流量が少なくなる傾向が存在し、この閾値は発明者らの考察において比速度Ｎｓ４４０〜４６０の間に存在し、Ｎｓ４４０、Ｎｓ４６０が閾値に最も近似する値となる。
【００４３】
この図６の有効落差Ｈ／Ｈｄ＝１００％における流動変動Ｑ／Ｑｄ（％）を図１５に示す。この流動変動Ｑ／Ｑｄ（％）は、通常運転時の水車運転特性ｆにおける流量に対する各比速度Ｎｓの無拘束運転時の水車運転特性ａ、ｂ、ｃ、ｄにおける流量の変動量を示すものである。
【００４４】
つまり、Ｎｓ４００のものでは、通常運転時の水車運転特性ｆにおける流量（Ｑ／Ｑｄ）１００％と無拘束運転時の水車運転特性ａにおける流量（Ｑ／Ｑｄ）約９０％との差であって約１０％となり、Ｎｓ７００のものでは、通常運転時の水車運転特性ｆにおける流量（Ｑ／Ｑｄ）１００％と無拘束運転時の水車運転特性ａにおける流量（Ｑ／Ｑｄ）約１３７％との差であって約３７％となり、同様にＮｓ４４０のものでは約２％、Ｎｓ４６０のものでは約１％となる。
【００４５】
ここで、本発明の目的とするところにおいて、通常運転時の水車運転特性下の流量と無拘束運転時の水車運転特性下の流量が一致することが最も望ましいが、流動変動Ｑ／Ｑｄ（％）が１０％以内であれば実用的レベルとなるので、通常運転時の水車運転特性下の流量と無拘束運転時の水車運転特性下の流量が近似する比速度Ｎｓとして４００〜５２０の範囲内のものを採用することができる。また、より望ましい形態として流動変動Ｑ／Ｑｄ（％）を５％以内とする場合には比速度Ｎｓとして４２０〜４９０の範囲内のものを採用する。さらに望ましい形態として流動変動Ｑ／Ｑｄ（％）を１〜２％以内とする場合には、比速度Ｎｓとして４４０〜４６０の範囲内のものを採用する。
【００４６】
よって、本実施の形態におけるＮｓ４４０の形状の羽根車２３では、通常運転時の水車運転特性下の流量と無拘束運転時の水車運転特性下の流量が等しくもしくは近似する現象が生じる。
【００４７】
図１６は本実施の形態における羽根車２３のブレード２５のメリディアン形状を示すものである。図１６において、回転軸Ｘに対するブレード２５の各辺縁ａｂ、ｂｃ、ｃｄ、ａｄの傾斜角度、および各辺縁ａｂ、ｂｃ、ｃｄ、ａｄの相互間の角度、θａ、θｂ、θｃ、θｄが水車運転特性に影響をあたえる重要な要素であり、これらの要素には、Ｎｓ４００〜５２０のものにおいて、あるいはＮｓ４２０〜４９０において、さらにはＮｓ４４０〜４６０のものにおいて、それぞれ適値が存在する。
【００４８】
したがって、この比速度Ｎｓの形状をなす羽根車２３を水車１７に採用することで、無拘束運転対策のフライホイールや圧力変動緩衝タンク等の構成部材を必要とせずに、水車本体において無拘束運転突入時の流量変動を実質的に生じさせず、送水管路内での圧力変動を抑制することができる。
【００４９】
この水車発電装置１２では、回生インバータ１９による制御によって通常運転時回転数つまり定格回転数を変更して種々の仕様に対応できる。図４は本実施の形態における羽根車２３を有するＮｓ５００の水車１７の回転数を１０００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲で変えて運転した場合における各回転数（図中の各特性曲線に併記した数字）における水車運転特性と、ＮＰＳＨ（必要有効吸込ヘッド）を示すものである。
【００５０】
図４に示した１０００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲の各通常運転時回転数、つまり任意の定格回転数において通常運転する場合に、回生インバータ１９において発電機１８の出力周波数を電力系統の所定周波数に調整することで、任意の定格回転数において電力系統への送電が可能となる。
【００５１】
この通常運転時に負荷遮断による無拘束運転突入時には、水車１７の羽根車２３が比速度Ｎｓ５００の形状をなして、定格回転数で回転する通常運転時の水車運転特性と、無拘束回転数で回転する無拘束運転時の水車運転特性とが少なくとも近似することで、負荷遮断時に流量調整を伴うことなく水車１７の羽根車２３を無拘束回転させて無拘束運転しても水車本体において流量変動を実質的に生じさせず、送水管路内での圧力変動を抑制することができ、従来の無拘束運転対策のフライホイールや圧力変動緩衝タンク等の構成部材が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態における水車発電装置を示す模式図
【図２】同実施の形態における水車の羽根車の形状を示す平面図
【図３】同実施の形態における水車の羽根車の形状を示す斜視図
【図４】同実施の形態における水車の各通常運転時回転数での水車運転特性を示すグラフ図
【図５】本発明の実施の形態における水車発電装置を適用する構成例を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態における比速度の水車と他の比速度の水車との水車運転特性を比較したグラフ図
【図７】比速度Ｎｓ７００の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図８】比速度Ｎｓ７００の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図９】比速度Ｎｓ４００の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図１０】比速度Ｎｓ４００の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図１１】比速度Ｎｓ４６０の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図１２】比速度Ｎｓ４６０の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図１３】比速度Ｎｓ４４０の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図１４】比速度Ｎｓ４４０の水車の水車運転特性を示すグラフ図
【図１５】本発明の実施の形態における有効落差（Ｈ／Ｈｄ）１００％における流動変動（％）を示すグラフ図
【図１６】同実施の形態における水車の羽根車のメリディアン形状を示す図
【図１７】負荷遮断時に生じる現象を示すグラフ図
【符号の説明】
【００５３】
１    水源
２    浄水場
３    導水管
４    配水場
５    配水管
６    需要家
７    送水管
８    着水井
９    浄水槽
１０    配水槽
１１    ポンプ
１２    水車発電装置
１４    ケーシング
１５    吸込口
１６    吐出口
１７    水車
１８    発電機
１９    回生インバータ
２０    周波数検知回路
２１    周波数比較回路
２２    周波数調整回路
２３    羽根車
２４    ハブ
２５    ブレード
【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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【図１７】
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