(57)【要約】【課題】運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる水力機械を提供する。【解決手段】水力機械であるフランシス形ポンプ水車１では、ランナ１４とケーシング１０との間にガイドベーン１２及びステーベーン１３が配置され、ランナ１４を回転させることで、ランナ１４側からガイドベーン１２及びステーベーン１３を介してケーシング１０側へ水を揚水することができる。このようなフランシス形ポンプ水車１において、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させる流量調整機構３０が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナとケーシングとの間にガイドベーン及びステーベーンが配置され、前記ランナを回転させることで、前記ランナ側から前記ガイドベーン及び前記ステーベーンを介して前記ケーシング側へ水を揚水する水力機械であって、
前記ガイドベーンの外径側翼面の径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させる流量調整機構を備えている、水力機械。
【請求項２】
前記ガイドベーンの上方に上カバが配置されるとともに、下方に下カバが配置され、
前記ガイドベーンは、ガイドベーン回転軸を中心に回転可能であり、
前記流量調整機構は、前記ガイドベーン回転軸の軸方向で、前記上カバ及び下カバのうちの少なくともいずれかを選択的に前記ガイドベーンに対して接近及び離間させることにより、前記ガイドベーンの外径側翼面の径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるようになっている、請求項１に記載の水力機械。
【請求項３】
前記流量調整機構は、前記ガイドベーンの外径側翼面で開口する給水孔を有し、前記給水孔から水を選択的に供給することにより、前記ガイドベーンの外径側翼面の径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるようになっている、請求項１に記載の水力機械。
【請求項４】
前記流量調整機構は、前記ガイドベーンの内径側翼面から外径側翼面へ貫通する給水孔と、前記給水孔内に設けられた開閉弁と、を有し、前記開閉弁を開くことにより、前記ガイドベーンの外径側翼面の径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるようになっている、請求項１に記載の水力機械。
【請求項５】
ランナとケーシングとの間にガイドベーン及びステーベーンが配置され、前記ランナを回転させることで、前記ランナ側から前記ガイドベーン及び前記ステーベーンを介して前記ケーシング側へ水を揚水する水力機械の運転方法であって、
前記ガイドベーンの外径側翼面の径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させる流量調整工程を備えている、水力機械の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水力機械及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械の一例として、フランシス形ポンプ水車が知られている。フランシス形ポンプ水車では、水車運転時に、ケーシングからの水がステーベーン及びガイドベーンを通ってランナへと流れ込む。ランナは、ガイドベーンからの水流によって回転駆動され、これにより、主軸を介して発電電動機が駆動される。そしてランナを回転させた水は、吸出し管を経て放水路或いは下池へと導かれる。一方で、ポンプ運転時（揚水運転時）には、発電電動機がランナを水車運転時とは逆方向に回転させる。これにより、吸出し管からの水が、ランナ、ガイドベーン、ステーベーン及びケーシングを経て、上池へと揚水される。
【０００３】
このようなフランシス形ポンプ水車の揚水運転時においては、遠心型ポンプと同様に、高揚程側で逆流現象が生じる場合がある。そして逆流現象が生じ得る流量範囲で運転を行う場合、同一揚程上で複数の運転点が存在するために、ハンプ現象、すなわち流量が上下する現象が生じることがあり、異常水撃や異常振動が生じ易くなる。そこで、このようなハンプ現象を回避するために、ガイドベーンの開度を絞る手法が一般に利用されている。
【０００４】
図１５は、一般的なフランシス形ポンプ水車の揚水運転時の流量と揚程との関係を示す性能線図を示している。図１５において、符号Ｘは、ガイドベーンをオンカム点に維持して運転した際の、ある一般的なフランシス形ポンプ水車の性能曲線を示している。この性能曲線Ｘでは、一点鎖線で囲んだ符号Ａ１で示す高揚程側の範囲内に、逆流現象が生じ得る逆流発生点が存在する。図中の符号Ａｕで示す実線の矩形の範囲は、運転範囲を示している。この運転範囲Ａｕは、逆流発生点に対して所定量の運転マージンをもって規定される範囲であって、適正な揚水運転を実行可能な範囲を規定するものである。運転範囲Ａｕで許容される揚程の上限は最高揚程、下限は最低揚程と呼ばれ、運転範囲Ａｕで許容される流量の上限は最大流量、下限は最低流量と呼ばれる。
【０００５】
ハンプ現象を回避すべく、上述のガイドベーンの開度を絞る手法を用いた場合には、性能曲線Ｘを、これよりも低流量側且つ高揚程側に位置する性能曲線Ｘｃへ変化させることができる。これにより、図中の矢印に示すように逆流発生点を高揚程側にシフトさせることができる。その結果、ガイドベーンの開度を絞った後の状態では、性能線図Ｘ上における逆流発生点又はその近傍での運転点で運転した場合であっても、ハンプ現象の発生を抑制することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、上述のようにガイドベーンの開度を絞る手法では、ガイドベーンがオンカム点から外れる運転となることで、揚水運転時の運転効率及び揚水量が低下するという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−０９２１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、揚水運転において、ガイドベーンをオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる水力機械及びそ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】
実施の形態に係る水力機械は、ランナとケーシングとの間にガイドベーン及びステーベーンが配置され、前記ランナを回転させることで、前記ランナ側から前記ガイドベーン及び前記ステーベーンを介して前記ケーシング側へ水を揚水する水力機械であって、前記ガイドベーンの外径側翼面の径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させる流量調整機構を備えている。
【００１０】
また実施の形態に係る水力機械の運転方法は、ランナとケーシングとの間にガイドベーン及びステーベーンが配置され、前記ランナを回転させることで、前記ランナ側から前記ガイドベーン及び前記ステーベーンを介して前記ケーシング側へ水を揚水する水力機械の運転方法である。この運転方法は、前記ガイドベーンの外径側翼面の径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させる流量調整工程を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、揚水運転において、ガイドベーンをオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。
【図２】図１に示すフランシス形ポンプ水車の流量調整機構を説明する図であって、（Ａ）は、流量調整機構による流量調整前の状態を示す図であり、（Ｂ）は、流量調整後の状態を示す図である。
【図３】図１に示すフランシス形ポンプ水車の揚水運転時の流量と揚程との関係を示す性能線図を示した図である。
【図４】第２の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。
【図５】図４に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第２の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。
【図６】第３の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。
【図７】図６に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第３の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。
【図８】第４の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。
【図９】図８に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第４の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。
【図１０】第５の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。
【図１１】図１０に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第５の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。
【図１２】第６の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び流量調整機構を示す図であって、（Ａ）は、流量調整機構による流量調整前の状態を示す図であり、（Ｂ）は、流量調整後の状態を示す図である。
【図１３】（Ａ）は、第７の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図である。
【図１４】第８の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。
【図１５】一般的なフランシス形ポンプ水車の揚水運転時の流量と揚程との関係を示す性能線図を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の各実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、図１５で説明した事項と同様の事項について説明を省略する場合がある。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水力機械の一例としてのフランシス形ポンプ水車１を示している。以下の説明においては、フランシス形ポンプ水車１のことを単に水車１と称する。この水車１は、水車運転時に図示しない上池から鉄管を通って水が流入するケーシング１０と、複数のガイドベーン１２及びステーベーン１３と、ランナ１４と、を備えている。
【００１５】
水車１においては、水車運転時に、ケーシング１０からの水が、ガイドベーン１２及びステーベーン１３によって構成される静止翼列流路を通ってランナ１４へ流入する。これにより、ランナ１４が、ランナ回転軸Ｃ１を中心に回転する。なお、以下の説明において、単に軸方向と言う場合には、その方向は、ランナ回転軸Ｃ１上の方向又はランナ回転軸Ｃ１に沿う方向を意味するものとする。本例においては、軸方向が、上下方向に沿って延びている。また、周方向という用語は、ランナ１４がランナ回転軸Ｃ１を中心に回転する方向に沿う方向を意味するものとし、径方向という用語は、ランナ回転軸Ｃ１に直交する方向を意味するものとする。
【００１６】
ケーシング１０は、渦巻き状に形成され、水車運転時に、上池から流入した水を通過させてステーベーン１３及びガイドベーン１２を介してランナ１４に供給する。複数のステーベーン１３は、ケーシング１０から供給された水をガイドベーン１２に流入させる部材であり、ケーシング１０の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて配置されている。複数のガイドベーン１２は、ステーベーン１３から流入した水をランナ１４に流入させる部材であり、ステーベーン１３の径方向内側において周方向に所定の間隔をあけて配置され、且つランナ１４の径方向外側に配置されている。すなわち、ガイドベーン１２及びステーベーン１３は、径方向でランナ１４とケーシング１０との間に配置されている。
【００１７】
図１における符号１８Ｕは、ガイドベーン１２の上方に配置された上カバ１８Ｕを示し、符号１８Ｄは、ガイドベーン１２の下方に配置された下カバ１８Ｄを示している。本実施の形態では、上カバ１８Ｕが、ガイドベーン１２の上部を覆う外径側カバ部１８Ｕ１と、ランナ１４の上部（クラウン）を覆う内径側カバ部１８Ｕ２と、を有している。下カバ１８Ｄは、ガイドベーン１２の下部を覆う外径側カバ部１８Ｄ１と、ランナ１４の下部（バンド）を覆う内径側カバ部１８Ｄ２と、有している。このうち、外径側カバ部１８Ｕ１及び外径側カバ部１８Ｄ１がそれぞれ、ステーベーン１３の上下に位置するリング体に連なることで、ランナ１４とケーシング１０との間の流路が形成され、当該流路内に、ガイドベーン１２及びステーベーン１３が位置することになる。
【００１８】
ランナ１４は、ケーシング１０に対してランナ回転軸Ｃ１を中心に回転するように構成され、ランナ回転軸Ｃ１がその中心を通る主軸１５を介して図示しない発電電動機に連結されている。水車運転においては、発電電動機が、ランナ１４によって回転されることで発電を行う。ここで、ガイドベーン１２には、ガイドベーンスピンドル２２が結合され、図示の例では、ガイドベーンスピンドル２２が、上カバ１８Ｕの外径側カバ部１８Ｕ１を貫通している。ガイドベーン１２は、ガイドベーンスピンドル２２の中心軸上に延びるガイドベーン回転軸Ｌ１を中心に回転可能であり、回転によりその角度を変えることで、隣り合うガイドベーン１２の間に形成される流路の流路面積を変化させることができる。これにより、ランナ１４への水量を変えることで発電出力を調整することが可能となる。
【００１９】
一方で、揚水運転（ポンプ運転）は、発電電動機がランナ１４を回転させることにより行われる。揚水運転では、発電電動機がランナ１４を水車運転時とは逆方向に回転させる。これにより、ランナ１４の下方に設けられる図示省略する吸出し管からの水が、ランナ１４側からガイドベーン１２及びステーベーン１３を介してケーシング１０側へ揚水されることになる。
【００２０】
図２は、本実施の形態にかかる水車１が備える流量調整機構３０を説明する図を示している。流量調整機構３０は、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させることができる。図２（Ａ）は、流量調整機構３０による流量調整前の状態を示す図であり、図２（Ｂ）は、流量調整後の状態を示す図である。なお、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａとは、ガイドベーン１２の前縁及び後縁に至る一対の翼面のうちの径方向外側を向く翼面を意味する。
【００２１】
本実施の形態では、上カバ１８Ｕにおける外径側カバ部１８Ｕ１がガイドベーン回転軸Ｌ１の軸方向に沿って移動可能に保持されており、下カバ１８Ｄにおける外径側カバ部１８Ｄ１がガイドベーン回転軸Ｌ１の軸方向に沿って移動可能に保持されている。流量調整機構３０は、ガイドベーン回転軸Ｌ１の軸方向で、これら外径側カバ部１８Ｕ１及び外径側カバ部１８Ｄ１を選択的にガイドベーン１２に対して接近及び離間させることが可能となっている。これにより、流量調整機構３０は、揚水運転時に、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させることができる。
【００２２】
より詳しくは、図２（Ａ）においては、上カバ１８Ｕとガイドベーン１２との間の隙間及び下カバ１８Ｄとガイドベーン１２との間の隙間のそれぞれが、通常の揚水運転に適した距離Ｇ１，Ｇ１’となっている。この図２（Ａ）に示す状態から、流量調整機構３０によって外径側カバ部１８Ｕ１及び外径側カバ部１８Ｄ１をガイドベーン１２に対して離間させることで、図２（Ｂ）に示すように、上カバ１８Ｕとガイドベーン１２との間の隙間を距離Ｇ１よりも大きい距離Ｇ２へ広げ、下カバ１８Ｄとガイドベーン１２との間の隙間を距離Ｇ１’よりも大きい距離Ｇ２’へ広げることができる。これにより、ガイドベーン１２の距離Ｇ２及びＧ２’の隙間を通して径方向内側から外側へ流れる水の流量を、調整前よりも増加させることが可能となる。
【００２３】
本実施の形態における流量調整機構３０は、揚水運転時の流量が所定の流量以上となった場合、又は、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の圧力が所定の圧力以下となった場合に、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄをガイドベーン１２に対して離間させるように構成されている。上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄをガイドベーン１２に対して離間させる際の基準とする水の圧力は、詳しくは、ガイドベーン１２の翼列内における外径側翼面１２Ａの径方向外側の位置を流れる水の圧力である。この基準とする水の圧力は、特に、外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水のうちのランナ１４寄りを流れる水の圧力であることが好ましい。
【００２４】
また本実施の形態における流量調整機構３０は、上カバ１８Ｕを移動させるためのアクチュエータ３１と、下カバ１８Ｄを移動させるためのアクチュエータ３１と、を有している。これらアクチュエータ３１は、空圧装置で構成されてもよいし、油圧装置で構成されてもよいし、ボールねじ及び電動モータ等で構成されてもよい。
【００２５】
次に本実施の形態の作用について説明する。
【００２６】
揚水運転を行う場合、発電電動機がランナ１４を回転させることにより、ランナ１４の下方に設けられる吸出し管からの水が、ランナ１４側からガイドベーン１２及びステーベーン１３を介してケーシング１０側へ揚水される。その後、ケーシング１０に流入した水は、図示しない鉄管を通って上池へと導かれる。
【００２７】
図３は、水車１の揚水運転時の流量と揚程との関係を示す性能線図を示している。図３において、符号Ｙは、ガイドベーン１２をオンカム点に維持し且つ流量調整機構３０を作動させずに揚水運転した際の水車１の性能曲線を示している。この性能曲線Ｙでは、一点鎖線で囲んだ符号Ｂ１で示す高揚程側の範囲内に、逆流発生点が存在する。また図中の符号Ｂｕで示す実線の矩形の範囲は、運転範囲を示している。この運転範囲Ｂｕは、逆流発生点に対して所定量の運転マージンをもって規定されている。
【００２８】
本実施の形態では、水車１の運転状態が、逆流発生点又はその近傍での運転点となった際に、流量調整機構３０によって外径側カバ部１８Ｕ１及び外径側カバ部１８Ｄ１をガイドベーン１２に対して離間させることで、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を増加させることができる。これにより、図３の矢印に示すように、逆流発生点を、高揚程側の二点鎖線の曲線上の位置にシフトさせることができ、運転範囲Ｂｕからより大きく離すことができる。
【００２９】
これは、揚水運転時における逆流現象は、ガイドベーン１２の入口角度が水の流入角度と不一致となることで生じる、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側での剥離に起因しているため、剥離の発生要因となる低圧領域の水を増加させることで、剥離を抑制して逆流現象の発生を遅らせるか又は解消できるからである。なお、流量調整機構３０を動作させる際の基準である逆流発生点又はその近傍での運転点の基準は、流量でもよい。具体的には、性能曲線Ｙの下方への変曲点と運転範囲Ｂｕにおける最低流量との間に、流量調整機構３０を動作させる際の基準とする所定の流量が設定されてもよい。
【００３０】
また本実施の形態では、上述のように水の流量を増加させる際に、ガイドベーン１２の角度を調整する必要がなく、ガイドベーン１２をオンカム点に維持することができる。そのため、ガイドベーン１２の開度に起因した揚水運転時の運転効率及び揚水量の低下が抑制される。
【００３１】
したがって、本実施の形態にかかる水車１によれば、揚水運転において、ガイドベーン１２をオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる。なお、本実施の形態では、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を増加させることで、図３に示すように、逆流発生点が高揚程側にシフトされるが、条件によっては、逆流発生点が解消される場合がある。逆流発生点が解消されるとは、性能曲線上において下方に傾きが変化する変曲点及び上方に傾きが変化する変曲点がなくなることを意味する。
【００３２】
また本実施の形態では、上カバ１８Ｕの外径側カバ部１８Ｕ１及び下カバ１８Ｄの外径側カバ部１８Ｄ１をガイドベーン１２に対して接近及び離間させるようになっているが、上カバ１８Ｕの全体及び下カバ１８Ｄの全体が移動されてもよい。また、本実施の形態では、上カバ１８Ｕの外径側カバ部１８Ｕ１及び下カバ１８Ｄの外径側カバ部１８Ｄ１の両方が移動可能となっているが、いずれか一方が移動可能となっていてもよい。
【００３３】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。図４は、第２の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図であり、図５は、図４に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第２の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。本実施の形態における上述の第１の実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００３４】
本実施の形態では、流量調整機構３０が、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａで開口する給水孔４１を有し、給水孔４１から外部へ水を選択的に供給することにより、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるように構成されている。
【００３５】
詳しくは、図４に示すように、給水孔４１は、ガイドベーンスピンドル２２及びガイドベーン１２に跨がってガイドベーン回転軸Ｌ１に沿って延びる上流側流路部４１Ａと、上流側流路部４１Ａにおけるガイドベーン１２の内部の部分から分岐する複数の下流側流路部４１Ｂと、を有している。上流側流路部４１Ａは、図示省略する水の供給源に接続されている。水の供給源は、ケーシング１０や鉄管であってもよい。また図示の例において、下流側流路部４１Ｂのそれぞれは、外径側翼面１２Ａにおけるランナ１４寄りの部分で開口しており、上下方向に並んでいる。下流側流路部４１Ｂの開口縁の形状は、円形であるが、スリット状等であってもよい。
【００３６】
給水孔４１は、周方向に並んで配置される複数のガイドベーン１２のうちの半数又は全部に設けられることが好ましい。本実施の形態では、複数のガイドベーン１２の全てに給水孔４１が設けられている。なお、複数のガイドベーン１２のうちの半数に給水孔４１が設けられる場合、複数のガイドベーン１２では、給水孔４１を有するものと、有さないものとが交互に並ぶことが好ましい。
【００３７】
また図５に示すように、本実施の形態では、下流側流路部４１Ｂの開口縁の近傍に開閉弁４２が設けられている。これにより、本実施の形態における流量調整機構３０では、開閉弁４２を開くことで、給水孔４１からガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側へ水を選択的に供給することができ、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させることができる。ここで、開閉弁４２は、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の圧力低下によって開くようになっていてもよいし、外部からの入力によって開くようになっていてもよい。また開閉弁４２は、通過させる水の流量を調整可能に構成されていてもよい。
【００３８】
以上のような本実施の形態では、揚水運転時における水車１の運転状態が、逆流発生点又はその近傍での運転点となった際に、流量調整機構３０の開閉弁４２を開いて給水孔４１から外径側翼面１２Ａの径方向外側に水を供給することで、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を増加させることができる。これにより、図３の矢印に示すように、逆流発生点を高揚程側にシフトさせるか又は解消することができる。なお、図３に示す運転範囲Ｂｕの範囲での運転のような通常の運転状態の際には、開閉弁４２を閉じておくことで、給水による不所望な効率低下を回避できる。
【００３９】
また本実施の形態においても、上述のように水の流量を増加させる際に、ガイドベーン１２の角度を調整する必要がなく、ガイドベーン１２をオンカム点に維持することができる。そのため、ガイドベーン１２の開度に起因した揚水運転時の運転効率及び揚水量の低下が抑制される。
【００４０】
したがって、本実施の形態によっても、揚水運転において、ガイドベーン１２をオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。図６は、第３の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図であり、図７は、図６に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第３の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態では、流量調整機構３０が、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのそれぞれで開口する給水孔４１を有し、給水孔４１から外部へ水を選択的に供給することにより、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるように構成されている。
【００４３】
詳しくは、図６に示すように、上カバ１８Ｕに設けられた給水孔４１は、上カバ１８Ｕをガイドベーン回転軸Ｌ１に沿って貫通しており、下カバ１８Ｄに設けられた給水孔４１は、下カバ１８Ｄをガイドベーン回転軸Ｌ１に沿って貫通している。上下の給水孔４１はそれぞれ、図示省略する水の供給源に接続されている。水の供給源は、ケーシング１０や鉄管であってもよい。
【００４４】
また図７においては、ガイドベーン１２がオンカム点にある状態が示されている。詳しくは、このオンカム点は、図３における性能曲線Ｙに従った運転における運転範囲Ｂｕの最高揚程となる運転点に対応するオンカム点である。ここで、図７に示すように、下側の給水孔４１は、ガイドベーン１２が上記オンカム点にある際に、下カバ１８Ｄ側のガイドベーン１２の端面と対向するようになっている。給水孔４１の開口縁の形状は、円形であるが、スリット状等であってもよい。なお図示省略するが、上側の給水孔４１は、ガイドベーン１２が上記オンカム点にある際に、上カバ１８Ｕ側のガイドベーン１２の端面と対向するようになっている。
【００４５】
また給水孔４１は、周方向に並んで配置される複数のガイドベーン１２のうちの半数又は全部に対応して設けられることが好ましい。本実施の形態では、複数のガイドベーン１２の全てに対応して、給水孔４１が設けられている。また本実施の形態では、図７に示すように、一つのガイドベーン１２に対して、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのそれぞれに給水孔４１が二つ設けられるが、このような数は特に限られるものでない。なお、図６においては、説明の便宜上、一つのガイドベーン１２に対応して上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのそれぞれに設けられる二つの給水孔４１のうちの一方の図示が省略されている。
【００４６】
そして図６及び図７に示すように、本実施の形態では、給水孔４１の開口縁の近傍に開閉弁４２が設けられている。これにより、本実施の形態における流量調整機構３０では、開閉弁４２を開くことで、給水孔４１からガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側へ水を選択的に供給することができ、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させることができる。ここで、開閉弁４２は、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の圧力低下によって開くようになっていてもよいし、外部からの入力によって開くようになっていてもよい。また開閉弁４２は、通過させる水の流量を調整可能に構成されていてもよい。
【００４７】
以上のような本実施の形態では、揚水運転時における水車１の運転状態が、逆流発生点又はその近傍での運転点となった際に、流量調整機構３０の開閉弁４２を開いて給水孔４１から外径側翼面１２Ａの径方向外側に水を供給することで、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を増加させることができる。これにより、図３の矢印に示すように、逆流発生点を高揚程側にシフトさせるか又は解消することができる。なお、図３に示す運転範囲Ｂｕの範囲での運転のような通常の運転状態の際には、開閉弁４２を閉じておくことで、給水による不所望な効率低下を回避できる。
【００４８】
また本実施の形態においても、上述のように水の流量を増加させる際に、ガイドベーン１２の角度を調整する必要がなく、ガイドベーン１２をオンカム点に維持することができる。そのため、ガイドベーン１２の開度に起因した揚水運転時の運転効率及び揚水量の低下が抑制される。
【００４９】
したがって、本実施の形態によっても、揚水運転において、ガイドベーン１２をオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、給水孔４１が、ガイドベーン１２がオンカム点にある際に、上カバ１８Ｕ側又は下カバ１８Ｄ側のガイドベーン１２の端面と対向するようになっているが、給水孔４１は、ガイドベーン１２がオンカム点にある際に、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側となる位置で開口していてもよい。また本実施の形態では、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄの両方に給水孔４１が設けられているが、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのうちの一方に給水孔４１が設けられる構成が採用されもよい。
【００５１】
（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について説明する。図８は、第４の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図であり、図９は、図８に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第４の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００５２】
本実施の形態では、流量調整機構３０が、ガイドベーン１２の内径側翼面１２Ｂから外径側翼面１２Ａへ貫通する給水孔４１と、給水孔４１内に設けられた開閉弁４２と、を有し、開閉弁４２を開いて、給水孔４１から径方向外側へ水を選択的に供給することにより、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるように構成されている。
【００５３】
詳しくは、図９に示すように、給水孔４１は、内径側翼面１２Ｂにおけるランナ１４寄りの部分から外径側翼面１２Ａにおけるランナ１４寄りの部分へ貫通している。また図８に示すように、給水孔４１は、上下方向に並んでいる。給水孔４１の断面形状は円形であるが、スリット状等（矩形状）であってもよい。
【００５４】
また給水孔４１は、周方向に並んで配置される複数のガイドベーン１２のうちの半数又は全部に設けられることが好ましい。本実施の形態では、複数のガイドベーン１２の全てに、給水孔４１が設けられている。また本実施の形態では、図８に示すように、一つのガイドベーン１２に対して、給水孔４１が四つ設けられるが、このような数は特に限られるものでない。
【００５５】
本実施の形態における流量調整機構３０では、開閉弁４２を開くことで、ガイドベーン１２の内径側翼面１２Ｂの径方向内側を流れる水を、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側へ選択的に供給することができ、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させることができる。ここで、開閉弁４２は、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の圧力低下によって開くようになっていてもよいし、外部からの入力によって開くようになっていてもよい。また開閉弁４２は、通過させる水の流量を調整可能に構成されていてもよい。
【００５６】
以上のような本実施の形態では、揚水運転時における水車１の運転状態が、逆流発生点又はその近傍での運転点となった際に、流量調整機構３０の開閉弁４２を開いて給水孔４１から外径側翼面１２Ａの径方向外側に水を供給することで、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を増加させることができる。これにより、図３の矢印に示すように、逆流発生点を高揚程側にシフトさせるか又は解消することができる。なお、図３に示す運転範囲Ｂｕの範囲での運転のような通常の運転状態の際には、開閉弁４２を閉じておくことで、給水による不所望な効率低下を回避できる。
【００５７】
また本実施の形態においても、上述のように水の流量を増加させる際には、ガイドベーン１２の角度を調整する必要がなく、ガイドベーン１２をオンカム点に維持することができる。そのため、ガイドベーン１２の開度に起因した揚水運転時の運転効率及び揚水量の低下が抑制される。
【００５８】
したがって、本実施の形態によっても、揚水運転において、ガイドベーン１２をオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる。
【００５９】
（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態について説明する。図１０は、第５の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図であり、図１１は、図１０に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図であって、第５の実施の形態に係る流量調整機構を説明する図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００６０】
図１０及び図１１に示すように、本実施の形態では、流量調整機構３０が、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのそれぞれに設けられた給水孔４１と、給水孔４１内に設けられた開閉弁４２と、を有している。各給水孔４１は、ガイドベーン１２がオンカム点にある際に、ガイドベーン１２の内径側翼面１２Ｂの径方向内側となる位置で一端を開口させ、且つガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側となる位置で他端を開口させる。そして流量調整機構３０は、開閉弁４２を開いて、ガイドベーン１２の内径側翼面１２Ｂの径方向内側を流れる水を外径側翼面１２Ａの径方向外側に選択的に供給することにより、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるように構成されている。
【００６１】
上述のオンカム点は、図３における性能曲線Ｙに従った運転における運転範囲Ｂｕの最高揚程となる運転点に対応するオンカム点である。図１１に示すように、下カバ１８Ｄに設けられた給水孔４１は、ガイドベーン１２におけるランナ１４寄りの部分で、ガイドベーン１２を跨ぐように設けられている。なお、図示省略するが、上カバ１８Ｕに設けられた給水孔４１も、ガイドベーン１２におけるランナ１４寄りの部分で、ガイドベーン１２を跨ぐように設けられている。給水孔４１は、周方向に並んで配置される複数のガイドベーン１２のうちの半数又は全部に対応して設けられることが好ましい。本実施の形態では、複数のガイドベーン１２の全てに対応して、給水孔４１が設けられている。また本実施の形態では、図１１に示すように、一つのガイドベーン１２に対して、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのそれぞれに給水孔４１が二つ設けられるが、このような数は特に限られるものでない。なお、図１０においては、説明の便宜上、一つのガイドベーン１２に対応して上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのそれぞれに設けられる二つの給水孔４１のうちの一方の図示が省略されている。
【００６２】
また図１０及び図１１に示すように、本実施の形態では、給水孔４１の外径側翼面１２Ａの側の開口縁の近傍に開閉弁４２が設けられている。これにより、本実施の形態における流量調整機構３０では、開閉弁４２を開くことで、ガイドベーン１２の内径側翼面１２Ｂの径方向内側を流れる水を、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側へ選択的に供給することができ、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させることができる。ここで、開閉弁４２は、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の圧力低下によって開くようになっていてもよいし、外部からの入力によって開くようになっていてもよい。また開閉弁４２は、通過させる水の流量を調整可能に構成されていてもよい。
【００６３】
以上のような本実施の形態では、揚水運転時における水車１の運転状態が、逆流発生点又はその近傍での運転点となった際に、流量調整機構３０の開閉弁４２を開いて給水孔４１から外径側翼面１２Ａの径方向外側に水を供給することで、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を増加させることができる。これにより、図３の矢印に示すように、逆流発生点を高揚程側にシフトさせるか又は解消することができる。なお、図３に示す運転範囲Ｂｕの範囲での運転のような通常の運転状態の際には、開閉弁４２を閉じておくことで、給水による不所望な効率低下を回避できる。
【００６４】
また本実施の形態においても、上述のように水の流量を増加させる際に、ガイドベーン１２の角度を調整する必要がなく、ガイドベーン１２をオンカム点に維持することができる。そのため、ガイドベーン１２の開度に起因した揚水運転時の運転効率及び揚水量の低下が抑制される。
【００６５】
したがって、本実施の形態によっても、揚水運転において、ガイドベーン１２をオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる。
【００６６】
なお、本実施の形態では、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄの両方に給水孔４１が設けられているが、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのうちの一方に給水孔４１が設けられる構成が採用されもよい。
【００６７】
（第６の実施の形態）
次に第６の実施の形態について説明する。図１２は、第６の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び流量調整機構を示す図であって、（Ａ）は、流量調整機構による流量調整前の状態を示す図であり、（Ｂ）は、流量調整後の状態を示す図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００６８】
図１２に示すように、本実施の形態では、流量調整機構３０が、上カバ１８Ｕ側のガイドベーン１２の端面及び下カバ１８Ｄ側のガイドベーン１２の端面のうちの少なくともいずれかに対して、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの外側及び内径側翼面１２Ｂの外側のうちの少なくともいずれかに向けて張り出すフィレット部４４を有している。図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、フィレット部４４は、ガイドベーン１２の端面に対して張り出した張出位置（図１２（Ａ））と、張出位置よりもガイドベーン１２の端面に近い収納位置（図１２（Ｂ））との間で移動可能となっている。そして流量調整機構３０は、張出位置と収納位置とを選択的に切り換えることにより、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させることが可能となっている。
【００６９】
本実施の形態では、揚水運転時における水車１の運転状態が、逆流発生点又はその近傍での運転点となった際に、流量調整機構３０がフィレット部４４を張出位置から収納位置に移動させることで、ガイドベーン１２の端面とカバとの間の隙間を通過する水に対する圧損が低下する。これにより、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を増加させることができる。その結果、図３の矢印に示すように、逆流発生点を高揚程側にシフトさせるか又は解消することができる。
【００７０】
また、図３に示す運転範囲Ｂｕの範囲での運転のような通常の運転状態の際には、フィレット部４４を張出位置に保持することで、隙間における圧損が増加することによるシール効果によって、隙間からの漏水による効率の低下を抑制することができる。
【００７１】
また本実施の形態においても、上述のように水の流量を増加させる際に、ガイドベーン１２の角度を調整する必要がなく、ガイドベーン１２をオンカム点に維持することができる。そのため、ガイドベーン１２の開度に起因した揚水運転時の運転効率及び揚水量の低下が抑制される。
【００７２】
したがって、本実施の形態によっても、揚水運転において、ガイドベーン１２をオンカム点に維持しながら逆流発生点のみを部分的に高揚程側に遠ざけるか又は逆流発生点を解消することができ、これにより運転効率の低下を抑制しつつ逆流発生点の問題を改善することができる。
【００７３】
（第７の実施の形態）
次に第７の実施の形態について説明する。図１３（Ａ）は、第７の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図であり、図１３（Ｂ）は、（Ａ）に示すフランシス形ポンプ水車のガイドベーン及び下カバをランナ回転軸に沿って下方に見た図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００７４】
本実施の形態の流量調整機構３０は、第１の実施の形態と同様の構成を有し、且つ圧力計４６をさらに有している。圧力計４６は、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄのそれぞれに設けられている。より詳しくは、図１３（Ｂ）においては、ガイドベーン１２が、図３における性能曲線Ｙに従った運転における運転範囲Ｂｕの最高揚程となる運転点に対応するオンカム点にある状態が示されている。同図に示すように、下側の圧力計４６は、ガイドベーン１２が上記オンカム点にある際に、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側に位置するようになっている。より詳しくは、下側の圧力計４６は、外径側翼面１２Ａにおけるランナ１４寄りの部分の外側近傍に位置している。なお、上側の圧力計４６も、下側の圧力計４６と同様に構成されている。
【００７５】
そして流量調整機構３０は、圧力計４６によって検出するガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の圧力に応じて、ガイドベーン１２の外径側翼面１２Ａの径方向外側を流れる水の流量を選択的に増加させるようになっている。具体的には、圧力計４６は、流量調整機構３０の動作を制御する制御装置４８に接続されている。そして本実施の形態では、圧力計４６によって、揚水運転で逆流現象が生じ得ると評価される所定の圧力以下の圧力が検出された場合に、制御装置４８が、流量調整機構３０を制御して、上カバ１８Ｕ及び下カバ１８Ｄをガイドベーン１２に対して離間されるようになっている。
【００７６】
本実施の形態によれば、系統の乱れ等の外乱によって、予期せずに逆流発生点での運転状態になった場合であっても、剥離の兆候を圧力計４６で検出することで、剥離の発生を抑制できる。これにより、不安定な状態での運転を回避できる。なお、本実施の形態にかかる圧力計４６及び制御装置４８は、第２乃至第６の実施の形態において適用されもよい。
【００７７】
（第８の実施の形態）
次に第８の実施の形態について説明する。図１４は、第８の実施の形態に係るフランシス形ポンプ水車の子午断面図である。本実施の形態における上述の各実施の形態の構成部分と同様の構成部分については、同一の符号を示し、説明を省略する。
【００７８】
図１４に示すように、本実施の形態では、圧力計４６がガイドベーンの外径側翼面１２Ａに設けられている。本実施の形態にかかる圧力計４６は、第２乃至第６の実施の形態において適用されもよい。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記の実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８０】
１…フランシス形ポンプ水車、１０…ケーシング、１２…ガイドベーン、１２Ａ…外径側翼面、１２Ｂ…内径側翼面、１３…ステーベーン、１４…ランナ、１８Ｕ…上カバ、１８Ｕ１…外径側カバ部、１８Ｕ２…内径側カバ部、１８Ｄ…下カバ、１８Ｄ１…外径側カバ部、１８Ｄ２…内径側カバ部、２２…ガイドベーンスピンドル、３０…流量調整機構、３１…アクチュエータ、４１…給水孔、４１Ａ…上流側流路部、４１Ｂ…下流側流路部、４２…開閉弁、４４…フィレット部、４６…圧力計、４８…制御装置、Ｃ１…ランナ回転軸
Ｌ１…ガイドベーン回転軸
【図１】
2018080616.tif 000003
【図２】
2018080616.tif 000004
【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】
2018080616.tif 000013
【図１２】
2018080616.tif 000014
【図１３】
2018080616.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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