(57)【要約】【課題】スラスト力の変化量を直接測定し、その測定結果を用いてスラスト力を制御する水力機械のスラスト制御システムおよび水力機械を提供すること。【解決手段】  本発明の実施形態によれば、水力機械の背圧室の圧力を低下させるバランスパイプに設置された制御弁の開度を制御する水力機械のスラスト制御システムにおいて、少なくとも前記制御弁よりも上流側の前記バランスパイプの圧力または前記背圧室の圧力を測定するセンサと、前記センサにより測定された圧力を入力として前記制御弁の開度を制御する制御装置と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力機械の背圧室の圧力を低下させるバランスパイプに設置された制御弁の開度を制御する水力機械のスラスト制御システムにおいて、
少なくとも前記制御弁よりも上流側の前記バランスパイプの圧力または前記背圧室の圧力を測定するセンサと、
前記センサにより測定された圧力に基づいて前記制御弁の開度を制御する制御装置と、
を備える水力機械のスラスト制御システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記センサにより測定された圧力が、あらかじめ設定された第一の閾値以上となる場合に前記制御弁を開けるよう前記制御弁に信号を送信する請求項１に記載の水力機械のスラスト制御システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記センサにより測定された圧力が、あらかじめ設定された第二の閾値以下となる場合に前記制御弁を閉じるよう前記制御弁に信号を送信する請求項１または２に記載の水力機械のスラスト制御システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記センサにより測定された圧力が、あらかじめ設定された第二の閾値よりも大きくなる場合に前記制御弁の開度を維持するよう前記制御弁に信号を送信すると共に、
前記制御弁の開度を維持した状態で前記センサにより測定された圧力が、あらかじめ設定された第二の閾値以下となる場合に前記制御弁を閉じるよう前記制御弁に信号を送信する請求項１から３のいずれかに記載の水力機械のスラスト制御システム。
【請求項５】
ランナに隣接する背圧室と吸出し管とを連結させると共に、前記背圧室の圧力を低下させるバランスパイプと、
前記バランスパイプに設置された制御弁と、
請求項１から４のいずれかに記載の水力機械のスラスト制御システムと、
を備える水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水力機械のスラスト制御システムおよび水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水力機械では、ランナ周りの圧力差に起因して主軸方向にスラスト力（軸スラスト力）を生じることが知られている。スラスト力が大きくなると、スラスト軸受での損失が大きくなると共に、容量の大きなスラスト軸受が必要となる。
【０００３】
上述の懸念に対して、水力機械のスラスト力を制御するために、水力機械のランナに隣接する背圧室と、吸出し管の低水圧部または放水部のいずれかをバランスパイプで連結し、このバランスパイプに設けられた制御弁の開度をガイドベーンの開度を入力として制御する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１１９６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の方法は、ガイドベーンの開度、つまり供給される水量に応じた制御弁の開度制御により、スラスト力を間接的に制御している。しかしながら、スラスト力をより適切に制御するためには、スラスト力の変化量を直接測定し、その結果に応じたスラスト力の制御機構が必要となる。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、スラスト力の変化量を直接測定し、その測定結果を用いてスラスト力を制御する水力機械のスラスト制御システムおよび水力機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、実施形態の水力機械のスラスト制御システムは、水力機械の背圧室の圧力を低下させるバランスパイプに設置された制御弁の開度を制御する水力機械のスラスト制御システムにおいて、少なくとも前記制御弁よりも上流側の前記バランスパイプの圧力または前記背圧室の圧力を測定するセンサと、前記センサにより測定された圧力を入力として前記制御弁の開度を制御する制御装置と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、スラスト力の変化量を直接測定し、その測定結果を用いてスラスト力を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る水力機械の概要図である。
【図２】図１のランナ周辺にかかる主軸の軸方向の圧力分布図を示す。
【図３】実施形態に係るスラスト制御システムの制御フローを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態に係る水力機械について、図１から図３を用いて説明する。図１は、実施形態に係る水力機械の概要図である。本実施形態では、水力機械としてフランシス水車を例に説明するが、水力機械の種類は限定されない。この水力機械１は、ケーシング２と、ステーベーン３と、ガイドベーン４と、ランナ５と、主軸６と、吸出し管７と、背圧室８と、側圧室９と、バランスパイプ１０と、制御弁１１と、スラスト制御システム２０から構成され、ランナ５に生じる軸スラスト力（以降の説明では、単にスラスト力という）の変化量を水圧センサ２１で測定し、この測定値を入力として制御弁１１の開度を制御する。
【００１１】
ケーシング２は渦巻き状に形成され、水をステーベーン３、ガイドベーン４と順次通過させてランナ５の外周方向に導く。
【００１２】
ステーベーン３は、ケーシング２の周方向内側に所定の間隔を開けて設けられ、ケーシング２を通過した水をランナ５へ導くにあたり、均等に水を導けるように水流を旋回させる。
【００１３】
ガイドベーン４は、ケーシング２に設置され、ガイドベーン３よりも周方向内側に所定の間隔を開けて設けられる。ガイドベーン４は、ステーベーン３を通過した水をランナ５へ導く。
【００１４】
ランナ５は、主軸６を介して発電機（図示していない）に連結される。ランナ５は、導入された水により回転し、この回転が主軸６を介して発電機（図示していない）を駆動する。ランナ５を回転させた水は、吸出し管７を経て放水路（図示していない）から放水される。
【００１５】
次に、背圧室８および側圧室９について、図２を用いて説明する。図２は、図１のランナ周辺にかかる主軸の軸方向の圧力分布図を示す。以降の説明では、主軸６の軸方向を単に軸方向という。
【００１６】
図２に示すように、背圧室８は、ランナ４に隣接してランナ４の背面と上カバー８ａとの間に設けられた空間であり、ガイドベーン４を通過した水の一部が分岐して（すなわち、ランナ５の回転に寄与せずに）導入される。背圧室８にはシール材が設けられ、背圧室８に導入された水の流れが抑制されるようになっている。背圧室８に導入された水は、矢印８ｂで示されるような高い圧力を有している。
【００１７】
側圧室９は、ランナ４に隣接してランナ４の側面と下カバー９ａとの間に設けられた空間であり、ガイドベーン４を通過した水の一部が分岐して導入される。また、側圧室９の下流側は吸出し管７に接続され、側圧室９を通過した水がランナ５を通過した水と共に放水できるようになっているため、側圧室９の圧力は、矢印９ｂで示されるように背圧室８の圧力に比べて低くなる。
【００１８】
したがって、ランナ５の上側（背圧室８側）と下側（側圧室９側）とで圧力差が生じるため、軸方向上側から下側に向かってスラスト力（軸スラスト力）が発生する。なお、本実施形態では、側圧室９の下流側の接続先が吸出し管７である場合を説明しているが、側圧室９の下流側の接続先は、側圧室９の圧力が下がる場所を適宜選択すればよく、例えば放水路（図示していない）でもよい。
【００１９】
図１に示すように、バランスパイプ１１は、背圧室８と吸出し管７とを連結し、背圧室８に存在する水を吸出し管７に導いて背圧室８の圧力を低下させる。バランスパイプ１１を介して背圧室８の圧力を低下させると、ランナ５の上側（背圧室８側）と下側（側圧室９側）との圧力差を小さくなるため、発生するスラスト力が抑制される。本実施形態では、吸出し管７が、背圧室８の連結先である場合を説明しているが、背圧室８の連結先は、背圧室８の圧力が下がる場所を適宜選択すればよく、例えば放水路（図示していない）でもよい。
【００２０】
バランスパイプ１１には、制御弁１２が設けられる。制御弁１２は、通常の運転時には全閉の状態であり、背圧室８の圧力が高くなった（ランナ５に生じるスラスト力が大きくなった）場合に弁体を開く。制御弁１２の開閉操作は、後述するスラスト制御システム２０の制御装置２２によって制御される。つまり、制御弁１２の開閉操作により、背圧室８の圧力を調整する。なお、本実施形態では、通常の運転時に制御弁１２の弁体が全閉の状態である場合を例示して説明しているが、通常の運転時における制御弁１２は、水力機械１の発電効率が低下しない程度に弁体を閉じていればよく、例えば弁体の開度が全開の１％程度の状態であってもよい。また、制御弁１２の弁体を開く場合、その開度は、少なくとも背圧室８の圧力を下げられる程度であればよい。
【００２１】
スラスト制御システム２０は、水圧センサ２１と、制御装置２２から構成され、制御弁１２の開度を制御することにより、スラスト力を制御する。
【００２２】
水圧センサ２１は、バランスパイプ１１の制御弁１２よりも上流側に設けられ、バランスパイプ１１の圧力を測定する。本実施形態では、バランスパイプ１１に水圧センサ２１を設置する場合を説明しているが、水圧センサ２１は背圧室８の圧力変化を測定できればよく、例えば背圧室８に設けられてもよい。
【００２３】
制御装置２２は、水圧センサ２１で測定された圧力に基づき、制御弁１２の開閉を制御する。
【００２４】
次に、制御装置２２による制御弁１２の開閉の制御方法について、図３を用いて説明する。図３は、実施形態に係るスラスト制御システムの制御フローを示す。まず、水圧センサ２１は、バランスパイプ１１の制御弁１２よりも上流側の圧力を定期的に測定すると共に、その結果を定期的に制御装置２２へ送信する（Ｓ１）。以降の説明では、ステップＳ１において、水圧センサ２１で測定された圧力をＰ１と表記する。本実施形態では、水圧センサ２１が定期的に圧力を測定する場合を説明しているが、水圧センサ２１は連続して圧力を測定してもよい。
【００２５】
制御装置２１は、圧力Ｐ１があらかじめ設定された閾値Ｐ０（第一の閾値）以上である場合に、制御弁１２に対して弁体を開くよう信号を送信する（Ｓ２）。この閾値Ｐ０は、例えば水力機械１の性能試験のデータや、過去の稼動時のデータに基づいて決定すればよい。なお、本実施形態では制御弁１２の弁体を開く条件として、圧力Ｐ１があらかじめ設定された閾値Ｐ０以上である場合を例示して説明したが、この条件に閾値Ｐ０を含まずともよい。
【００２６】
制御弁１２の弁体を開くと、背圧室８の水がバランスパイプ１１を介して吸出し管７に導かれ、背圧室８の圧力は下がる。この際の弁体の状態を開状態とする。制御弁１２の弁体を開状態とした後に、水圧センサ２１で測定された圧力（バランスパイプ１１の制御弁１２よりも上流側の圧力）をＰ２とすると、制御装置２１は、圧力Ｐ２が閾値Ｐ０（第二の閾値）以下である場合に、制御弁１２に対して弁体を徐々に閉じるよう信号を送信する（Ｓ３）。ここでいう徐々に閉じるとは、制御弁１２の弁体を、開状態から全閉するまで一定の時間をかけて連続的に動作させることを指す。なお、本実施形態では、弁体を徐々に閉じる場合を例示して説明しているが、制御弁１２は、スラスト力が急激に上昇しないように弁体を閉じればよく、例えば開状態の半分の開度まで弁体を瞬間的に閉じた後に、弁体を全閉するよう段階的に動作させてもよい。
【００２７】
制御弁１２の弁体を徐々に閉じる過程では、弁体の開度が小さくなるにつれて背圧室８の圧力が上昇する可能性がある。そこで、弁体を徐々に閉じる過程において、水圧センサ２１で測定された圧力（バランスパイプ１１の制御弁１２よりも上流側の圧力）をＰ３とすると、制御装置２１は、圧力Ｐ３が閾値Ｐ０（第二の閾値）よりも大きくなる場合に、制御弁１２に対して弁体の開度を維持するよう信号を送信する（Ｓ４）。ステップＳ４を実行した場合には、水圧センサ２１で測定された圧力が閾値Ｐ０（第二の閾値）以下となるまで弁体の開度を維持し、この圧力が閾値Ｐ０（第二の閾値）以下となったときに、再び制御装置２２から弁体を徐々に閉じるよう信号を送信する。以降は、圧力Ｐ３が閾値Ｐ０より大きくなる毎にステップＳ４を実行して、弁体を全閉させる。一方、一度も圧力Ｐ３が閾値Ｐ０の半分より大きくならない場合には、弁体の開度を維持させることなく、開状態から全閉になるまで弁体を動作させる。
【００２８】
このような制御弁１２の開閉動作を行うことにより、背圧室８の圧力を調整してスラスト力を制御する。
【００２９】
上述した実施形態によれば、背圧室の圧力の変化、言い換えるとスラスト力の変化量を水圧センサで直接測定し、この測定値を入力として制御弁の開度を制御することにより、スラスト力を制御できる。
【００３０】
なお、本実施形態では、第一および第二の閾値が同じ値Ｐ０である場合を例示して説明しているが、第一および第二の閾値は異なる値であってもよく、例えば第一の閾値がＰ０、第二の閾値がＰ０の半分としてもよい。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣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。これら実施形態やその変形は、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】
【００３２】
１．水力機械、２．ケーシング、３．ステーベーン、４．ガイドベーン、５．ランナ、６．主軸、 ７．吸出し管、８．背圧室、８ａ．上カバー、８ｂ．シール、９．側圧室、９ａ．下カバー、９ｂ．シール、１０．バランスパイプ、１１．制御弁、２０．スラスト制御システム、２１．水圧センサ、２２．制御装置
【図１】
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【図２】
2019094835.tif 000004
【図３】
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