(57)【要約】【課題】ガイドベーンを有していないフランシス形水車であって、流量や落差の変動幅が大きくなった場合においても適切な運転を可能にするフランシス形水車を提供する。【解決手段】実施の形態によるガイドベーンを有していないフランシス形水車１０は、流入する水によって回転駆動されるランナ１３と、ランナ１３の下流側に設けられた吸出し管１８と、を備えている。吸出し管１８内には、ランナ１３から流出した水が旋回することを防止するための旋回防止板１９が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドベーンを有していないフランシス形水車であって、
流入する水によって回転駆動されるランナと、
前記ランナの下流側に設けられた吸出し管と、
前記吸出し管内に設けられ、前記ランナから流出した水が旋回することを防止するための旋回防止板と、を備えたことを特徴とするフランシス形水車。
【請求項２】
前記旋回防止板は、前記ランナの回転軸線に沿った方向から見たときに前記ランナの半径方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載のフランシス形水車。
【請求項３】
前記旋回防止板は、前記ランナの回転軸線に沿った方向から見たときに、前記吸出し管の内面の一部分から、前記回転軸線を通って、前記吸出し管の内面の他の部分に延びていることを特徴とする請求項１または２に記載のフランシス形水車。
【請求項４】
前記吸出し管内に設けられ、前記ランナから流出した水が旋回することを防止するための２つの第２の旋回防止板を更に備え、
前記ランナの回転軸線に沿った方向から見たときに、一方の前記第２の旋回防止板は、前記旋回防止板の一方の板面から半径方向外側に当該板面に垂直に延び、他方の前記第２の旋回防止板は、前記旋回防止板の他方の板面から半径方向外側に当該板面に垂直に延びていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフランシス形水車。
【請求項５】
ガイドベーンを有していないフランシス形水車と、
前記フランシス形水車に水を導く入口管と、
前記入口管に取り外し可能に取り付けられ、前記フランシス形水車に流入される水の最小流路面積部分を画定する第１開口部を有する第１流量調整フランジと、
前記第１流量調整フランジが取り外された場合に前記入口管に取り外し可能に取り付けられて前記フランシス形水車に流入される水の最小流路面積部分を画定する第２開口部を有する第２流量調整フランジと、を備え、
前記第１流量調整フランジの前記第１開口部の流路面積と、前記第２流量調整フランジの前記第２開口部の流路面積は、互いに異なっていることを特徴とするフランシス形水車システム。
【請求項６】
前記入口管は、伸縮継手を有していることを特徴とする請求項５に記載のフランシス形水車システム。
【請求項７】
ガイドベーンをそれぞれ有していない第１フランシス形水車および第２フランシス形水車と、
前記第１フランシス形水車に水を導く第１入口管と、
前記第１入口管内の水を前記第２フランシス形水車に導く第２入口管と、
前記第２入口管に設けられた開閉弁と、を備えたことを特徴とするフランシス形水車システム。
【請求項８】
ガイドベーンを有していないフランシス形水車と、
前記フランシス形水車に水を導く入口管と、
前記入口管内の水を下池に放出するバイパス管と、
前記バイパス管に設けられた開閉弁と、を備えたことを特徴とするフランシス形水車システム。
【請求項９】
ガイドベーンを有していないフランシス形水車と、
前記フランシス形水車に水を導く入口管と、
前記入口管に設けられた入口弁と、を備え、
前記入口弁は、開度を調整可能であることを特徴とするフランシス形水車システム。
【請求項１０】
前記フランシス形水車に連結された発電機と、
制御装置と、を更に備え、
前記制御装置は、前記発電機における発電出力が、予め想定された前記フランシス形水車の想定運転範囲において前記フランシス形水車の運転を行った場合に得られる想定発電出力範囲に含まれるか否かを判定し、この判定結果に基づいて、前記入口弁の開度を調整するように前記入口弁を制御することを特徴とする請求項９に記載のフランシス形水車システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の前記フランシス形水車システムであって、前記フランシス形水車に連結された発電機を更に備えた前記フランシス形水車システムを運転するフランシス形水車システムの運転方法であって、
前記発電機における発電出力が、予め想定された前記フランシス形水車の想定運転範囲において前記フランシス形水車の運転を行った場合に得られる想定発電出力範囲に含まれるか否かを判定する工程と、
前記判定する工程において得られた判定結果に基づいて、前記入口弁の開度を調整する工程と、を備えたことを特徴とするフランシス形水車システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、フランシス形水車、フランシス形水車システムおよびフランシス形水車システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水力発電に用いられる水車の中で最も一般的な水車である図１１に示すようなフランシス形水車１００が知られている。このようなフランシス形水車１００の運転時においては、上池から入口管を通って渦巻き状のケーシング１０１に水が流入し、ケーシング１０１に流入した水は、ケーシング１０１からステーベーン１０２およびガイドベーン１０３を通ってランナ１０４に流入する。このランナ１０４へ流入する水によってランナ１０４が回転駆動され、ランナ１０４に主軸１０５を介して連結された発電機が駆動されて発電が行われる。ランナ１０４を回転駆動させた水は、ランナ１０４から吸出し管１０６を通って下池へ放出される。
【０００３】
この間、ガイドベーン１０３の開度を調整することにより、ランナ１０４に流入する水の流量を調整し、発電量を変化させている。ガイドベーン１０３は、リンク機構を介して油圧駆動部または電動サーボモータなどの電動駆動部により回動駆動されて、これによりガイドベーン１０３の開度が調整されるようになっている。
【０００４】
中型または大型のフランシス形水車の場合、使用条件に合わせて高効率な運転が求められる。このことにより、上述のようにガイドベーンの開度を調整してランナに流入される水の流量を調整し、効率の良い運転点での運転を行っている。また、ガイドベーンの開度調整は、電力系統の運用状況に応じて出力を調整するためにも行われる。
【０００５】
一方、小型のフランシス形水車の場合、中型または大型のフランシス形水車よりも構成の簡素化が求められることが多い。そこで、小型のフランシス形水車においては、上述のようなガイドベーンが省略される場合がある。この場合、ガイドベーンを回動駆動させるための駆動部、さらにはリンク機構をも省略することができる。このことにより、水車全体を大幅に簡素化することができ、初期費用（水車自体の費用や据付費用など）を大きく低減することができる。またこの場合、可動部としてメンテナンスの手間がかかるガイドベーンが省略されるため、メンテナンス費用の低減にも大きく貢献することができる。
【０００６】
なお、上述したようなガイドベーンを有していないフランシス形水車と同様な機能を有する機器として、汎用ポンプを水車用に転用したポンプ逆転水車が知られている。しかしながら、ガイドベーンを省略したフランシス形水車は水車として設計されているため、効率などの性能の点において、ポンプ逆転水車はフランシス形水車よりも性能が劣る傾向にある。また、ポンプ逆転水車には遠心型のポンプが用いられることが多いが、このようなポンプは外形が大きくなる傾向にある。このため、ポンプ逆転水車よりもフランシス形水車を用いた方が性能向上および小形化などの利点が得られる。
【０００７】
上述したようなガイドベーンを有していないフランシス形水車は、流量調整機能を有していない。このため、ランナに流入される水の流量や有効落差が変動して運転点が予め想定されている想定運転範囲から外れた場合、適切な運転が困難になり得るという問題がある。この場合、例えば、水車効率が大きく低下するという問題や、ランナ出口にホワールと呼ばれる渦が形成されるという問題がある。
【０００８】
すなわち、流量や有効落差の変動の程度によっては、運転点が図１３に示すような想定運転範囲から外れて、フランシス形水車の効率が大きく低下し得る。また、運転点が想定運転範囲から外れた場合、図１４に示すように、ランナ１０４の出口にホワール１０７が形成され得る。このようなホワール１０７は、ランナ１０４から流出された水の旋回流により形成される。ホワール１０７は、図１３に示すような無旋回領域では形成されないが、流量や有効落差が変動して運転点が無旋回領域から離れるに従って大きく発達し得る。運転点が想定運転範囲から外れると、ホワール１０７は大きくなり得る。ホワール１０７が形成された場合、水圧脈動が引き起こされて吸出し管１０６において振動および騒音が生じる。これらの振動および騒音は、ホワール１０７が大きくなるに従って大きくなる。
【０００９】
ところで、運転点が想定運転範囲から外れた場合であっても適切な運転を可能とするために、可変速型の発電機により水車の回転数を調整する水車が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−４６４９９号公報
【特許文献２】特開２００２−１５５８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、可変速型の発電機における回転数の調整幅は小さく、１０％程度である。このため、流量や有効落差が大きく変動した場合、フランシス形水車の適切な運転を行うことが困難になっている。
【００１２】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ガイドベーンを有していないフランシス形水車であって、流量や落差の変動幅が大きくなった場合においても適切な運転を可能にするフランシス形水車、フランシス形水車システムおよびフランシス形水車システム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】
【００１３】
実施の形態によるガイドベーンを有していないフランシス形水車は、流入する水によって回転駆動されるランナと、ランナの下流側に設けられた吸出し管と、を備えている。吸出し管内には、ランナから流出した水が旋回することを防止するための旋回防止板が設けられている。
【００１４】
また、実施の形態によるフランシス形水車システムは、ガイドベーンを有していないフランシス形水車と、フランシス形水車に水を導く入口管と、入口管に取り外し可能に取り付けられ、フランシス形水車に流入される水の最小流路面積部分を画定する第１開口部を有する第１流量調整フランジと、を備えている。第１流量調整フランジが取り外された場合、フランシス形水車に流入される水の最小流路面積部分を画定する第２開口部を有する第２流量調整フランジが、入口管に取り外し可能に取り付けられる。第１流量調整フランジの第１開口部の流路面積と、第２流量調整フランジの第２開口部の流路面積は、互いに異なっている。
【００１５】
また、実施の形態によるフランシス形水車システムは、ガイドベーンをそれぞれ有していない第１フランシス形水車および第２フランシス形水車と、第１フランシス形水車に水を導く第１入口管と、第１入口管内の水を第２フランシス形水車に導く第２入口管と、を備えている。第２入口管には、開閉弁が設けられている。
【００１６】
また、実施の形態によるフランシス形水車システムは、ガイドベーンを有していないフランシス形水車と、フランシス形水車に水を導く入口管と、入口管内の水を下池に放出するバイパス管と、を備えている。バイパス管には、開閉弁が設けられている。
【００１７】
また、実施の形態によるフランシス形水車システムは、ガイドベーンを有していないフランシス形水車と、フランシス形水車に水を導く入口管と、入口管に設けられた入口弁と、を備えている。入口弁は、開度を調整可能になっている。
【００１８】
さらに、実施の形態によるフランシス形水車システムの運転方法は、ガイドベーンを有していないフランシス形水車と、フランシス形水車に水を導く入口管と、入口管に設けられ、開度を調整可能な入口弁と、を備えたフランシス形水車システムを運転する方法である。このフランシス形水車システムにおいては、まず、発電機における発電出力が、予め想定されたフランシス形水車の想定運転範囲においてフランシス形水車の運転を行った場合に得られる想定発電出力範囲に含まれるか否かを判定する。その後、判定する工程において得られた判定結果に基づいて、入口弁の開度を調整する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態におけるガイドベーンを有していないフランシス形水車の全体構成を示す図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線断面を示す図である。
【図３】図３は、図１のＡ−Ａ線断面の変形例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態におけるフランシス形水車システムを示す上面図である。
【図５】図５（ａ）は、図４のフランシス形水車システムにおいて、第１流量調整フランジを示す図であり、図５（ｂ）は、第２流量調整フランジを示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施の形態におけるフランシス形水車システムを示す概略図である。
【図７】図７は、図６の第１フランシス形水車システムを示す上面図である。
【図８】図８は、図６のフランシス形水車システムの変形例を示す概略図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施の形態におけるフランシス形水車システムを示す上面図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、図９に示す入口弁の例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第４の実施の形態におけるフランシス形水車システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図１２】図１２は、ガイドベーンを有するフランシス形水車の全体構成を示す図である。
【図１３】図１３は、ガイドベーンを有していないフランシス形水車における性能曲線を示す図である。
【図１４】図１４は、ランナ出口に形成されるホワールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における、ガイドベーンを有していないフランシス形水車およびフランシス形水車システムについて説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１および図２を用いて、本発明の第１の実施の形態におけるフランシス形水車およびフランシス形水車システムについて説明する。ここで、フランシス形水車１０は、図１に示すように、上池１と下池２（図６参照）との間に設けられ、上池１から下池２に流れる水のエネルギを回転エネルギに変換して回転動力を得るためのものである。
【００２２】
まず、フランシス形水車システム３０について説明する。
【００２３】
フランシス形水車システム３０は、図１に示すように、フランシス形水車１０と、水車運転時にフランシス形水車１０に上池１からの水を導く入口管（水圧鉄管）３１と、フランシス形水車１０に連結された発電機３２と、を備えている。
【００２４】
このうち発電機３２は、水車運転時にフランシス形水車１０の回転動力によって発電を行うように構成されている。なお、発電機３２は、電動機としての機能をも有し、電力を供給することにより後述するランナ１３を回転駆動するように構成されていてもよい。この場合、後述する吸出し管１８を介して下池２の水を吸い上げて上池１に放出させることができ、フランシス形水車１０をポンプ運転（揚水運転）することが可能になる。
【００２５】
次に、フランシス形水車１０について説明する。
【００２６】
図１に示すように、フランシス形水車１０は、入口管３１から水が流入する渦巻き状のケーシング１１と、複数のステーベーン１２と、ランナ１３と、を備えている。このうちステーベーン１２は、ケーシング１１に流入した水をランナ１３に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置され、ステーベーン１２の間に水が流れる流路が形成されている。
【００２７】
ランナ１３は、ケーシング１１に対して回転軸線Ｘを中心に回転自在に設けられ、水車運転時にケーシング１１から流入する水によって回転駆動される。ランナ１３は、クラウン１４と、クラウン１４に離間して設けられたバンド１５と、クラウン１４とバンド１５との間に設けられた複数のランナ羽根１６と、を有している。ランナ羽根１６は、周方向に所定の間隔をあけて配置されており、ランナ羽根１６の間に水が流れる流路が形成されている。ランナ羽根１６が流入した水の圧力を受けることにより、ランナ１３が回転して、回転動力が得られるようになっている。
【００２８】
ランナ１３のクラウン１４には主軸１７が連結されている。この主軸１７には、上述した発電機３２が連結される。
【００２９】
ランナ１３の下流側には、ランナ１３から流出した水を下池２へ導く吸出し管１８が設けられている。ランナ１３を流出した水は、この吸出し管１８によって圧力を回復し、下池２に放出されるようになっている。
【００３０】
上述したように、フランシス形水車１０は、ランナ１３より上流側に設けられ得るガイドベーン（図１２の符号１０３参照）であって、ランナ１３に流入される水の流量を調整するためのガイドベーンを有していない。このため、構造を簡素化することができるとともに、初期費用やメンテナンス費用を低減することが可能となっている。
【００３１】
ところで、吸出し管１８内には、ランナ１３から流出した水が旋回することを防止するための旋回防止板１９が設けられている。旋回防止板１９は、ランナ１３に流入される水の流量や有効落差が大きく変動した場合であっても、ランナ１３から流出される水が旋回することを防止して、ランナ１３の出口にホワール（図１４の符号１０７参照）が形成されることを防止するようになっている。
【００３２】
旋回防止板１９は、吸出し管１８のランナ１３の側の部分（上流側部分）に配置されていることが好適である。このことにより、旋回防止板１９をランナ１３に近接させることができ、ランナ１３から流出した水が旋回することを効果的に防止することができる。
【００３３】
旋回防止板１９の板面１９ａは、ランナ１３の回転軸線Ｘに沿った方向（回転軸線方向）に延びている。ここで、板面１９ａとは、旋回防止板１９を全体的に見たときに旋回防止板１９の平面方向と一致する面であって、ランナ１３から流出した水が旋回して旋回流が形成される場合に、旋回流を衝突させる面である。このような旋回防止板１９の板面１９ａが、回転軸線方向に沿って延びていることから、形成され得る旋回流を衝突させて旋回速度成分を効果的に低減させることができる。
【００３４】
旋回防止板１９は、図２に示すように、ランナ１３の回転軸線方向から見たときに、ランナ１３の半径方向に延びるように形成されている。このことにより、回転軸線方向から見たときに、形成され得る旋回流に対して旋回防止板１９の板面１９ａを略垂直に形成することができ、旋回速度成分をより一層低減させることができる。
【００３５】
また、旋回防止板１９は、回転軸線方向から見たときに、吸出し管１８の内面の一部分から、回転軸線Ｘを通って、吸出し管１８の内面の他の部分に直線状に延びるように形成されている。言い換えると、旋回防止板１９は、吸出し管１８の直径を規定する線に沿って形成されている。このことにより、旋回防止板１９によって、回転軸線方向から見たときの吸出し管１８内の流路を周方向に分断して、ランナ１３から流出した水が旋回することをより一層防止し、ランナ１３の出口においてホワールが形成されることを防止できる。
【００３６】
旋回防止板１９の半径方向外側の両縁部は、吸出し管１８の内面に溶接等によって接合されている。このようにして、旋回防止板１９は吸出し管１８に支持されている。
【００３７】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００３８】
本実施の形態によるフランシス形水車１０において水車運転を行う場合、上池１から入口管３１を通ってケーシング１１に水が流入する。ケーシング１１に流入した水は、ケーシング１１からステーベーン１２を通ってランナ１３に流入する。このランナ１３へ流入した水によってランナ１３が回転駆動される。このことにより、ランナ１３に連結された発電機３２が駆動されて発電が行われる。ランナ１３に流入した水は、ランナ１３から吸出し管１８を通って下池２へ放出される。
【００３９】
水車運転の間、ランナ１３に流入される水の流量や有効落差の変動が小さく、運転点が図１３に示すような予め想定された想定運転範囲内にある場合には、支障なく運転を行うことができる。とりわけ、運転点が図１３に示す無旋回領域内にある場合には、ランナ１３から流出した水が旋回してランナ１３の出口にホワールが形成されることを防止できる。なお、運転点が無旋回領域から外れても想定運転範囲内にある場合には、形成されるホワールは小さく、運転に支障をきたすことは回避でき、運転を行うことができる。
【００４０】
一方、ランナ１３に流入される流量や有効落差が大きく変動して運転点が想定運転範囲から外れた場合、ランナ１３から流出した水が旋回し、ランナ１３の出口に比較的大きなホワールが形成され得る。
【００４１】
しかしながら本実施の形態においては、吸出し管１８に図１および図２に示すような旋回防止板１９が設けられている。このことにより、ランナ１３から流出した水を旋回防止板１９に衝突させて旋回速度成分を低減させることができる。このため、ランナ１３から流出した水が旋回してランナ１３の出口にホワールが形成されることを防止できる。
【００４２】
より具体的には、旋回防止板１９のうち半径方向外側部分において、ランナ１３から流出した水が旋回することを効果的に防止することができる。すなわち、旋回流は、遠心力によって半径方向外側（吸出し管１８の内面の側）に偏って形成され得るが、旋回防止板１９の半径方向外側部分が、旋回流が形成され得る位置に配置されるため、当該半径方向外側部分において旋回流の形成を効果的に防止することができる。また、旋回防止板１９のうち半径方向内側部分（吸出し管１８を回転軸線方向から見たときの中央部分）において、ランナ１３の出口にホワールが形成されることを直接的に防止できる。すなわち、ホワールは旋回流の内側に形成され得るが、旋回防止板１９の半径方向内側部分が、ホワールが形成され得る位置に配置されるため、当該半径方向内側部分においてホワールの形成を直接的に防止することができる。
【００４３】
このように本実施の形態によれば、吸出し管１８内に旋回防止板１９が設けられていることにより、ランナ１３に流入される水の流量や有効落差が大きく変動して運転点が想定運転範囲から外れた場合であっても、ガイドベーンを有していないフランシス形水車１０の適切な運転を行うことができる。すなわち、運転点が図１３に示す想定運転範囲から外れた場合にはランナ１３から流出した水が旋回してホワールが形成され得るが、旋回防止板１９によって水の旋回とホワールの形成とを防止できる。このため、吸出し管１８において水圧脈動が引き起こされて振動および騒音が生じることを抑制でき、支障なく水車の運転が可能になる。この結果、流量や有効落差の変動幅が大きくなって運転点が想定運転範囲から外された場合においてもガイドベーンを有していないフランシス形水車１０の適切な運転を行うことができ、予め想定していた想定運転範囲よりも運転範囲を拡大させる効果を得ることができる。
【００４４】
また、本実施の形態によれば、旋回防止板１９は、回転軸線方向から見たときにランナ１３の半径方向に延びている。このことにより、回転軸線方向から見たときに、形成され得る旋回流に対して旋回防止板１９の板面１９ａを略垂直に形成することができ、板面１９ａに衝突される旋回流の旋回速度成分をより一層低減させることができる。このため、ランナ１３から流出した水の旋回をより一層防止することができ、ランナ１３の出口においてホワールが形成されることをより一層防止できる。
【００４５】
また、本実施の形態によれば、旋回防止板１９は、ランナ１３の回転軸線方向から見たときに、吸出し管１８の内面の一部分から、回転軸線Ｘを通って、吸出し管１８の内面の他の部分に延びている。このことにより、旋回防止板１９によって、回転軸線方向から見たときの吸出し管１８内の流路を周方向に分断することができる。このため、ランナ１３から流出した水が旋回することをより一層防止することができ、ランナ１３の出口においてホワールが形成されることをより一層防止できる。
【００４６】
なお、上述した本実施の形態において、例えば、図３に示すように、２つの第２の旋回防止板２０が更に設けられていてもよい。すなわち、吸出し管１８内に、ランナ１３から流出した水が旋回することを防止するための２つの第２の旋回防止板２０が設けられており、ランナ１３の回転軸線方向から見たときに、一方の第２の旋回防止板２０は、旋回防止板１９（第１の旋回防止板）の一方の板面１９ａから半径方向外側に当該一方の板面１９ａに垂直に延び、他方の第２の旋回防止板２０は、第１の旋回防止板１９の他方の板面１９ａから半径方向外側に当該他方の板面１９ａに垂直に延びている。このことにより、回転軸線方向から見たときに、第１の旋回防止板１９と２つの第２の旋回防止板２０を十字状に配置することができ、吸出し管１８内の流路を周方向により細かくかつ均等に分断することができる。このため、ランナ１３から流出した水を第１の旋回防止板１９および第２の旋回防止板２０に衝突させて旋回速度成分をより一層低減することができる。この結果、ランナ１３から流出した水が旋回することをより一層防止し、ランナ１３の出口においてホワールが形成されることをより一層防止できる。なお、第２の旋回防止板２０は、溶接等によって吸出し管１８および第１の旋回防止板１９に接合されることが好適である。
【００４７】
また、上述した本実施の形態においては、旋回防止板１９が、ランナ１３の回転軸線方向から見たときに、吸出し管１８の内面の一部分から、当該回転軸線Ｘを通って、吸出し管１８の内面の他の部分に延びるように形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、旋回防止板１９は、ランナ１３から流出した水が旋回することを防止するとともに、吸出し管１８に支持可能であれば、回転軸線方向から見たときに半径方向において部分的に延びるように形成されていてもよい。
【００４８】
（第２の実施の形態）
次に、図４および図５を用いて、本発明の第２の実施の形態におけるフランシス形水車システムについて説明する。
【００４９】
図４および図５に示す第２の実施の形態においては、入口管に第１流量調整フランジおよび第２流量調整フランジが交換可能に取り付けられる点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４および図５において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態におけるフランシス形水車システム３０においては、図４に示すように、入口管３１に、第１流量調整フランジ４２が取り外し可能に取り付けられている。第１流量調整フランジ４２が入口管３１から取り外された場合に、入口管３１に、第２流量調整フランジ４４が取り外し可能に取り付けられるようになっている。すなわち、第１流量調整フランジ４２と第２流量調整フランジ４４とは、交換して使用される。なお、本実施の形態におけるフランシス形水車１０には、旋回防止板１９は設けられていない。
【００５１】
第１流量調整フランジ４２は、ケーシング１１に流入される水の最小流路面積部分を画定する第１開口部４３を有している。すなわち、第１流量調整フランジ４２が入口管３１に取り付けられた場合、ケーシング１１に流入される水の流量は、第１流量調整フランジ４２の第１開口部４３によって画定されるようになっている。同様に、第２流量調整フランジ４４は、ケーシング１１に流入される水の最小流路面積部分を画定する第２開口部４５を有しており、第２流量調整フランジ４４が入口管３１に取り付けられた場合、ケーシング１１に流入される水の流量は、第２流量調整フランジ４４の第２開口部４５によって画定されるようになっている。
【００５２】
図５に示すように、第１流量調整フランジ４２の第１開口部４３の流路面積と、第２流量調整フランジ４４の第２開口部４５の流路面積は、互いに異なっている。ここでは、図５（ａ）に示す第１開口部４３の流路面積が、図５（ｂ）に示す第２開口部４５の流路面積より小さくなっている。このため、第１流量調整フランジ４２は、上池１から比較的大きい流量で水が送られる場合に使用することが好適である。このことにより、ランナ１３に流入される水の流量を低減することができるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を増大させて有効落差を低減することができる。一方、第２流量調整フランジ４４は、上池１から比較的小さい流量で水が送られる場合に使用するのが好適である。このことにより、ランナ１３に流入される水の流量を増大させることができるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を低減させて有効落差を増大させることができる。第１流量調整フランジ４２と第２流量調整フランジ４４の交換は、例えば、雨季や乾季のように季節によって上池１から送られる水の流量が異なる場合には、季節が変わるときに行えばよい。このように頻繁な交換作業を行わなくても、十分な効果を得ることができる。
【００５３】
第１流量調整フランジ４２および第２流量調整フランジ４４は、図４に示すように、入口管３１とケーシング１１との間に配置することができる。しかしながら、このことに限られることはなく、第１流量調整フランジ４２および第２流量調整フランジ４４は、入口管３１の途中位置に配置することもでき、入口管３１に取り外し可能に取り付けできれば、任意の位置に配置することができる。
【００５４】
入口管３１は、図４に示すように、入口管本体４０と、入口管本体４０のケーシング１１の側の端部に設けられた伸縮継手４１と、を有していることが好適である。各流量調整フランジ４２、４４と伸縮継手４１は、ボルト等によって締結することができ。また、流量調整フランジ４２、４４とケーシング１１も同様にボルト等によって締結することができる。このようにして、第１流量調整フランジ４２および第２流量調整フランジ４４が入口管３１に取り外し可能となっており、容易に交換可能になっている。
【００５５】
次に、流量調整フランジの交換方法について説明する。
【００５６】
まず、既に取り付けられている一方の流量調整フランジ（例えば、第１流量調整フランジ４２）が入口管３１から取り外される。この場合、まず、第１流量調整フランジ４２と入口管３１の伸縮継手４１とを締結しているボルトが取り外される。続いて、伸縮継手４１が縮められ、第１流量調整フランジ４２と伸縮継手４１との間に隙間が形成される。その後、第１流量調整フランジ４２とケーシング１１とを締結しているボルトが取り外され、伸縮継手４１とケーシング１１との間から第１流量調整フランジ４２が取り出される。このことにより、第１流量調整フランジ４２を入口管３１から取り外すことができる。
【００５７】
次に、他方の第２流量調整フランジ４４が入口管３１に取り付けられる。この場合、まず、入口管３１の伸縮継手４１を縮めた状態で伸縮継手４１とケーシング１１との間に第２流量調整フランジ４４が挿入され、伸縮継手４１とケーシング１１とがボルトによって締結される。続いて、伸縮継手４１が伸ばされる。その後、第２流量調整フランジ４４と伸縮継手４１とがボルトによって締結される。このことにより、第２流量調整フランジ４４を入口管３１に取り付けることができる。
【００５８】
このようにして、入口管３１に取り付けられていた第１流量調整フランジ４２を、第２流量調整フランジ４４に交換することができる。同様の方法で、第２流量調整フランジ４４を第１流量調整フランジ４２に交換することができる。
【００５９】
このように本実施の形態によれば、ケーシング１１に流入される水の最小流路面積部分を画定する第１開口部４３を有する第１流量調整フランジ４２が入口管３１から取り外されて、この入口管３１に、ケーシング１１に流入される水の最小流路面積部分を画定する第２開口部４５を有する第２流量調整フランジ４４が取り外し可能に取り付けられる。このことにより、上池１から送られる水の流量に応じて、第１流量調整フランジ４２および第２流量調整フランジ４４のうち適切な流路面積を有する流量調整フランジを選択して入口管３１に取り付けることができる。第１流量調整フランジ４２の第１開口部４３の流路面積と、第２流量調整フランジ４４の第２開口部４５の流路面積が、互いに異なっているため、ランナ１３に流入される水の流量を変えるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を変えて有効落差を変えることができる。この結果、流量や有効落差の変動幅が大きくなって運転点が想定運転範囲から外された場合においてもガイドベーンを有していないフランシス形水車１０の適切な運転を行うことができ、予め想定していた想定運転範囲よりも運転範囲を拡大する効果を得ることができる。
【００６０】
なお、上述した本実施の形態においては、入口管３１の伸縮継手４１が、入口管本体４０のケーシング１１の側の端部に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、伸縮継手４１は、入口管３１の途中位置に設けられていてもよい。この場合においても、第１流量調整フランジ４２および第２流量調整フランジ４４を入口管３１に取り外し可能として、容易に交換可能とすることができる。また、第１流量調整フランジ４２と第２流量調整フランジ４４とを交換可能であれば、入口管３１は伸縮継手４１を有していなくてもよい。
【００６１】
また、上述した本実施の形態においては、入口管３１に交換可能に取り付けられる流量調整フランジの個数が２つである例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、入口管３１に交換可能に取り付けられる流量調整フランジの個数は３つ以上であってもよい。このことにより、流量や有効落差をきめ細かく調整することができ、運転効率を向上させることができる。
【００６２】
（第３の実施の形態）
次に、図６および図７を用いて、本発明の第３の実施の形態におけるフランシス形水車システムについて説明する。
【００６３】
図６および図７に示す第３の実施の形態においては、第１フランシス形水車に上池からの水を導く第１入口管に、第１入口管内の水を第２フランシス形水車に導く第２入口管が連結されている点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６および図７において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６４】
本実施の形態においては、フランシス形水車システム３０は、図６に示すように、ガイドベーンをそれぞれ有していない第１フランシス形水車１０Ａおよび第２フランシス形水車１０Ｂを備えている。第１フランシス形水車１０Ａおよび第２フランシス形水車１０Ｂは、図１に示すフランシス形水車１０と同様に、水が流入されるケーシング１１と、ケーシング１１から流入される水によって回転駆動されるランナ１３と、をそれぞれ有している。そして、ランナ１３より上流側に、ランナ１３に流入される水の流量を調整するためのガイドベーンは設けられていない。なお、本実施の形態におけるフランシス形水車１０Ａ、１０Ｂには、旋回防止板１９は設けられていない。
【００６５】
図６および図７に示すように、第１フランシス形水車１０Ａのケーシング１１には、上池１からの水が第１入口管３１Ａによって導かれるようになっている。第２フランシス形水車１０Ｂのケーシング１１には、第１入口管３１Ａ内の水が第２入口管３１Ｂによって導かれるようになっている。すなわち、第１入口管３１Ａとケーシング１１との間に分岐部５０が設けられており、この分岐部５０に第２入口管３１Ｂの上流側端部（上池１の側の端部）が連結されている。このようにして、第１フランシス形水車１０Ａと第２フランシス形水車１０Ｂに、上池１からの水が分流して送られ、第１フランシス形水車１０Ａと第２フランシス形水車１０Ｂは、並列運転可能に構成されている。
【００６６】
第２入口管３１Ｂには、開閉弁５１が設けられている。このことにより、第１入口管３１Ａ内の水の一部は、開閉弁５１が開いた場合に第２フランシス形水車１０Ｂのケーシング１１に導かれるようになっている。ところで、図６においては、第２フランシス形水車１０Ｂのランナ１３から流出した水は、第１フランシス形水車１０Ａのランナ１３から流出した水と合流して下池２に放出される例が示されているが、第２フランシス形水車１０Ｂのランナ１３から流出した水は、ランナ１３から流出した水と合流することなく下池２に直接的に放出されるようにしてもよい。
【００６７】
上池１から送られる水の流量が予め想定した第１フランシス形水車１０Ａの想定運転範囲内に収まっている場合、第２入口管３１Ｂに設けられた開閉弁５１は閉じられる。このことにより、上池１からの水は、第１入口管３１Ａを介して第１フランシス形水車１０Ａのケーシング１１に流入され、第２入口管３１Ｂに導かれることはない。
【００６８】
上池１から送られる水の流量が増大した場合、第２入口管３１Ｂに設けられた開閉弁５１が開く。このことにより、上池１からの水は、第１フランシス形水車１０Ａのケーシング１１と、第２フランシス形水車１０Ｂのケーシング１１とに流入される。すなわち、上池１からの水は分流されて、第１フランシス形水車１０Ａと第２フランシス形水車１０Ｂとに流入される。このことにより、第１フランシス形水車１０Ａのランナ１３に流入される水の流量を低減することができる。
【００６９】
このように本実施の形態によれば、第１フランシス形水車１０Ａのケーシング１１に上池１からの水を導く第１入口管３１Ａに、第２フランシス形水車１０Ｂのケーシング１１に第１入口管３１Ａ内の水を導く第２入口管３１Ｂが連結され、第２入口管３１Ｂに開閉弁５１が設けられている。このことにより、上池１から送られる水の流量が増大した場合、第２入口管３１Ｂに設けられた開閉弁５１を開き、上池１からの水を第１フランシス形水車１０Ａと第２フランシス形水車１０Ｂとに流入させることができる。このため、第１フランシス形水車１０Ａのランナ１３に流入される水の流量を低減することができる。この結果、流量や有効落差の変動幅が大きくなって運転点が想定運転範囲から外された場合においてもガイドベーンを有していない第１フランシス形水車１０Ａの適切な運転を行うことができ、予め想定していた想定運転範囲よりも運転範囲を拡大させる効果を得ることができる。また、この場合、第２フランシス形水車１０Ｂにおいても運転を行うことができ、第２フランシス形水車１０Ｂのランナ１３に連結された発電機においても発電を行うことができる。このため、上池１からの増大した流量の水を有効に利用して、フランシス形水車システム３０としての発電出力を高めることができる。
【００７０】
なお、上述した本実施の形態においては、第１フランシス形水車１０Ａのケーシング１１に上池１からの水を導く第１入口管３１Ａに、第２フランシス形水車１０Ｂのケーシング１１に第１入口管３１Ａ内の水を導く第２入口管３１Ｂが連結されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、３つ以上のフランシス形水車が並列運転可能に設けられて、第１入口管３１Ａには、第２入口管３１Ｂを含む複数の他の入口管が連結されるようにしてもよい。このことにより、流量や有効落差の変動幅がより一層大きくなった場合においても、ガイドベーンを有していない第１フランシス形水車１０Ａの運転を行うことができる。
【００７１】
また、上述した本実施の形態においては、第１フランシス形水車１０Ａのケーシング１１に上池１からの水を導く第１入口管３１Ａに、第２フランシス形水車１０Ｂのケーシング１１に第１入口管３１Ａ内の水を導く第２入口管３１Ｂが連結されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、図８に示すように、第１入口管３１Ａに、第１入口管３１Ａ内の水を下池２に放出するバイパス管５２が連結され、バイパス管５２に開閉弁５３が設けられていてもよい。このことにより、上池１から送られる水の流量が増大した場合、バイパス管５２に設けられた開閉弁５３を開き、上池１からの水の一部を第１フランシス形水車１０Ａのランナ１３に流入させることなく下池２に放出することができる。このため、第１フランシス形水車１０Ａのランナ１３に流入される水の流量を低減することができる。
【００７２】
（第４の実施の形態）
次に、図９および図１０を用いて、本発明の第４の実施の形態におけるフランシス形水車システムおよびフランシス形水車システムの運転方法について説明する。
【００７３】
図９および図１０に示す第４の実施の形態においては、フランシス形水車のケーシングに上池からの水を導く入口管に入口弁が設けられ、入口弁が開度を調整可能である点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図９よび図１０において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７４】
本実施の形態におけるフランシス形水車システム３０においては、入口管３１に入口弁６０が設けられている。また、発電機３２には制御装置６１が接続されており、制御装置６１は、発電機３２の発電出力を示す表示部（図示せず）を有している。具体的には、発電機３２は、発電出力を示す発電出力信号を作成して制御装置６１に送信し、制御装置６１の表示部に、送信された発電出力信号が示す発電出力が表示される。
【００７５】
入口弁６０は、開度を調整可能になっている。このような入口弁６０としては、例えば、図１０（ａ）に示すような仕切板式の弁、あるいは図１０（ｂ）に示すような蝶形弁（バタフライバルブ）を採用することができる。このうち図１０（ａ）に示す仕切板式の弁においては、入口弁６０の弁体６２ａが弁体駆動部６３ａによって入口管３１の長手方向（流れの方向）に直交する方向に移動可能に構成されている。入口弁６０の開度は弁体６２ａの位置に応じて定められる。図１０（ｂ）に示す蝶形弁においては、入口弁６０の弁体６２ｂが弁体駆動部６３ｂによって、流れの方向に直交する方向に延びる軸線を中心に回動可能に構成されている。入口弁６０の開度は弁体６２ｂの角度に応じて定められる。上述した弁体駆動部６３ａ、６３ｂは制御装置６１によって制御される。
【００７６】
入口弁６０の開度の調整は、発電機３２における発電出力に基づいて行われることが好適である。この場合、例えば、制御装置６１の表示部に表示された発電出力をオペレータが確認し、表示された発電出力が想定発電出力範囲に含まれるか否かを判定して、この判定結果に基づいて入口弁６０の開度を調整することができる。より具体的には、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲より大きい場合には入口弁６０の開度を小さくし、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲より小さい場合には入口弁６０の開度を大きくする。なお、入口弁６０の開度の調整は、制御装置６１から入口弁６０の弁体駆動部６３ａ、６３ｂに駆動指示を送ることにより行うことができる。
【００７７】
ここで、想定発電出力範囲は、図１３に示す予め想定された想定運転範囲においてフランシス形水車１０の運転を行った場合に得られる発電機３２の発電出力の範囲である。発電機３２において得られる発電出力が想定発電出力範囲から外れた場合、ランナ１３に流入される水の流量や有効落差が変動して運転点が想定運転範囲から外れていると考えることができる。このため、発電機３２の発電出力が想定発電出力範囲から外れた場合、入口弁６０の開度を調整することにより、流量や有効落差を調整して運転点を想定運転範囲内に戻すことができる。
【００７８】
このような構成からなる本実施の形態におけるフランシス形水車システムの運転方法について、図１１を用いて以下に説明する。
【００７９】
まず、図１３に示すような想定運転範囲においてフランシス形水車１０の運転を行った場合に発電機３２において得られる想定発電出力範囲が算出される（ステップＳ１）。この想定発電出力範囲の算出は、オペレータが行ってもよく、あるいは制御装置６１が行うようにしてもよい。
【００８０】
続いて、フランシス形水車１０の運転が開始される（ステップＳ２）。これにより発電機３２において発電が行われる。この間、発電機３２は、発電出力を示す発電出力信号を作成し、制御装置６１に送信する。
【００８１】
制御装置６１に送信された発電出力信号が示す発電出力が想定発電出力範囲に含まれるか否かが判定される（ステップＳ３）。この場合、発電出力が制御装置６１の表示部に表示され、オペレータは、表示された発電出力を確認して判定を行う。
【００８２】
ステップＳ３において得られた判定結果に基づいて、すなわち発電出力が想定発電出力範囲より大きいまたは小さい場合、入口弁６０の開度が調整される（ステップＳ４）。この場合、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲より大きい場合には入口弁６０の開度を小さくする。このことにより、想定運転範囲より増大していた流量を低減させることができるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を増大させて有効落差を低減することができ、発電機３２の発電出力を低減させることができる。一方、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲より小さい場合には入口弁６０の開度を大きくする。このことにより、想定運転範囲より低減していた流量を増大させることができるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を低減させることができ、発電機３２の発電出力を増大させることができる。なお、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲内にある場合には、入口弁６０の開度は調整されない（ステップＳ５）。また、入口弁６０の開度は、例えば、上述した判定結果に基づいて、オペレータが制御装置６１を操作して、制御装置６１から入口弁６０の弁体駆動部６３ａ、６３ｂに駆動指示を行うことにより調整することができる。
【００８３】
このように本実施の形態によれば、上池１からの水を導く入口管３１に、開度調整可能な入口弁６０が設けられている。このことにより、ランナ１３に流入される水の流量を調整することができるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を調整して有効落差を調整することができる。このため、流量や有効落差の変動幅が大きくなって運転点が想定運転範囲から外れた場合においてもガイドベーンを有していないフランシス形水車１０の適切な運転を行うことができ、予め想定していた想定運転範囲よりも運転範囲を拡大する効果を得ることができる。
【００８４】
また、本実施の形態によれば、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲に含まれるか否かを判定した判定結果に基づいて、入口弁６０の開度が調整される。より具体的には、発電出力が想定発電出力範囲より大きい場合、入口弁６０の開度が小さくされる。このことにより、ランナ１３に流入される水の流量を低減させるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を増大させて有効落差を低減して、発電出力を低減させることができる。一方、発電出力が想定発電出力範囲より小さい場合に入口弁６０の開度が大きくされる。このことにより、ランナ１３に流入される水の流量を増大させるとともに、上池１から送られる水に付与される抵抗を低減させて有効落差を増大させて、発電出力を増大させることができる。このため、想定発電出力範囲から外れた発電機３２における発電出力を、想定発電出力範囲内に戻すことができる。
【００８５】
なお、上述した本実施の形態において、オペレータによって、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲に含まれるか否かが判定されて、この判定結果に基づいて、オペレータが制御装置６１を操作して入口弁６０の開度が調整される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、オペレータではなく、制御装置６１が、発電機３２における発電出力が想定発電出力範囲に含まれるか否かの判定を行ようにしてもよい。
【００８６】
すなわち、発電機３２が、発電出力を示す発電出力信号を送信し、制御装置６１が、送信された発電出力信号に基づいて、発電機３２における発電出力が、予め記憶された想定発電出力範囲に含まれるか否かを判定する。そして、制御装置６１は、この判定結果に基づいて、入口弁６０の開度を調整するように入口弁６０の弁体駆動部（６３ａまたは６３ｂ）を制御する。この場合、制御装置６１は、発電機３２から送信された発電出力信号に示される発電出力が想定発電出力範囲より大きい場合に入口弁６０の開度を小さくし、当該発電出力が想定発電出力範囲より小さい場合に入口弁６０の開度を大きくするように、入口弁６０を制御することが好適である。
【００８７】
このことにより、オペレータを介在させることなく、入口弁６０の開度を自動的に調整することができ、流量や有効落差の変動に対して迅速にかつきめ細かくランナ１３に流入される水の流量を調整することが可能となる。
【００８８】
また、上述した本実施の形態においては、発電機３２が発電出力を示す発電出力信号を作成して制御装置６１に送信する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、発電機３２において発電された電力を計測する計測器（図示せず）が発電機３２とは別体に設けられて、当該計測器が発電出力を示す発電出力信号を作成して制御装置６１に送信するようにしてもよい。
【００８９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明によるフランシス形水車、フランシス形水車システムおよびフランシス形水車システムの運転方法は、上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０    フランシス形水車
１０Ａ  第１フランシス形水車
１０Ｂ  第２フランシス形水車
１３    ランナ
１８    吸出し管
１９    旋回防止板
１９ａ  板面
２０    第２の旋回防止板
３０    フランシス形水車システム
３１    入口管
３１Ａ  第１入口管
３１Ｂ  第２入口管
３２    発電機
４１    伸縮継手
４２    第１流量調整フランジ
４３    第１開口部
４４    第２流量調整フランジ
４５    第２開口部
５１    開閉弁
５２    バイパス管
５３    開閉弁
６０    入口弁
６１    制御装置
【図１】
2015071948.tif 000003
【図２】
2015071948.tif 000004
【図３】
2015071948.tif 000005
【図４】
2015071948.tif 000006
【図５】
2015071948.tif 000007
【図６】
2015071948.tif 000008
【図７】
2015071948.tif 000009
【図８】
2015071948.tif 000010
【図９】
2015071948.tif 000011
【図１０】
2015071948.tif 000012
【図１１】
2015071948.tif 000013
【図１２】
2015071948.tif 000014
【図１３】
2015071948.tif 000015
【図１４】
2015071948.tif 000016