(57)【要約】【課題】負荷遮断時の回転速度の上昇を制限することができ、構造の簡素化および小型化を図ることができる水力発電用水車を提供する。【解決手段】ケーシング４５内に、流入口から吐出口へ流れる水によって回転するランナ４８と、ランナ４８と発電機とを連動連結する回転自在な主軸５０とが設けられ、ランナ４８は、主軸５０に外嵌されて主軸５０と一体に回転するランナボス６３と、ランナボス６３の流路６１に面した表側Ｓ１に取付けられた複数の羽根６４とで構成されており、ランナボス６３の裏側Ｓ２に、ランナ４８の回転抵抗となる邪魔板７６が複数設けられている。【選択図】図３
2008248760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに流入口と吐出口とが形成され、
ケーシング内に、流入口から吐出口へ流れる流体によって回転するランナと、ランナと発電機とを連動連結する回転自在な主軸とが設けられた水力発電用水車であって、
ランナは、主軸と一体に回転するランナボスと、ランナボスの流路に面した表側に取付けられた複数の羽根とで構成されており、
ランナボスの裏側に、ランナの回転抵抗となる邪魔板が設けられていることを特徴とする水力発電用水車。
【請求項２】
ケーシング内に円筒部材が設けられ、
ケーシングの内周面と円筒部材の外周面との間に流路が形成され、
ランナは円筒部材の下流側にあり、
流路よりも径方向内側で且つ主軸の周囲には、ランナのランナボスと円筒部材の下流端部とによって区切られたランナボス裏空間が形成され、
ランナボス裏空間内に流体が存在し、
ランナボスと円筒部材との間に、流路とランナボス裏空間とに連通する隙間が形成され、
邪魔板はランナボス裏空間内に位置していることを特徴とする請求項１記載の水力発電用水車。
【請求項３】
邪魔板は着脱可能にランナボスに取付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水力発電用水車。
【請求項４】
上記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水力発電用水車の負荷遮断時の流量変動抑制方法であって、
邪魔板の大きさ又は枚数を変更することにより、負荷遮断時の水力発電用水車のランナの回転速度を通常の発電運転時の水力発電用水車のランナの回転速度と略等しくなるように低下させることを特徴とする負荷遮断時の流量変動抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水力発電用水車およびその負荷遮断時の流量変動抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の水力発電用水車としては、例えば図９に示すように、高低落差のある配管の途中に据え付けられる水力発電用水車１がある。この水力発電用水車１は外側円筒２と内側円筒３とを有し、外側円筒２と内側円筒３との間には、ガイドベーン４とランナベーン５とランナボス６とでエネルギーを回収する水車部が構成されている。内側円筒３の内部には、主軸７と、この主軸７に直結する発電機８とが内蔵されている。
【０００３】
外側円筒２の流入口１０から流入した水は、ガイドベーン４で整流された後、ランナベーン５を通過する際にランナボス６を回転させ、吐出口１１から吐出される。これにより、ランナボス６の回転が主軸７を介して発電機８を回す動力として伝達され、発電が行われる。
【０００４】
上記水力発電用水車１では、負荷遮断時、水力発電用水車１が無拘束状態になるため、ランナボス６の回転速度が一気に上昇して流量が大きく変化し、これにより、圧力変動が大きくなって、水力発電用水車１の上流側又は下流側の配管が損傷する懸念がある。
【０００５】
この対策として、主軸７にフライホイールを設けて、負荷遮断時、ランナボス６の回転速度が一気に上昇するのを抑制している。しかしながらフライホイールを設けると、構造が複雑になるといった問題や大型化するといった問題がある。
【０００６】
また、別の従来例として、図１０に示すように、発電機８が外側円筒２の外側に設けられ、主軸７に設けられたスプロケット１４と発電機８の入力軸９に設けられたスプロケット１５との間にチェン１６が巻回された水力発電用水車１がある。
【０００７】
主軸７の流入口１０側の端部には、ランナベーン５とは別の羽根車１８が設けられている。この羽根車１８は内側円筒３の流入口１０側の端部内に形成された羽根車室１９内に収容されている。羽根車室１９には、上流側の水を羽根車室１９内に注入する注入側配管２１と、羽根車室１９内の水を外部に排出する排出側配管２２とが接続されている。これら注入側配管２１と排出側配管２２とには、注入側遠隔操作弁２３と排出側遠隔操作弁２４とが設けられている。
【０００８】
これによると、通常の発電運転時では、羽根車室１９の内部は空になっていて空気のみが入っているので、水車の回転とともに羽根車１８はほとんど抵抗を受けない状態で回転している。このとき、遠隔操作弁２３、２４は共に閉じられている。
【０００９】
負荷遮断時、水車の回転速度が上昇し出力定格回転速度を超えると、注入側遠隔操作弁２３が開くことによって水車上流の流路から圧力水が注入側配管２１を流れて羽根車室１９に注水され、羽根車室１９は水で満たされる。これにより、羽根車１８は、水中で回転することになるため、大きな抵抗を受け、水車のエネルギーは水に吸収されて回転速度の上昇が抑制されることになる。
【００１０】
尚、上記のように羽根車１８と羽根車室１９とを設けた水力発電用水車は下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２９５３５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら上記図１０に示す水力発電用水車１では、ランナベーン５とランナボス６とは別に、羽根車１８と羽根車室１９とを設けているため、水力発電用水車１が大型化するといった問題や複雑化するといった問題がある。
【００１２】
また、ランナボス６は主軸７の下流側（吐出口１１側）端部に設けられ、羽根車１８は主軸７の上流側（流入口１０側）端部に設けられているため、主軸７に回転力が作用する位置Ａと回転抵抗力が作用する位置Ｂとが距離Ｃだけ離れるため、主軸７に捩れが発生し易いといった問題がある。
【００１３】
本発明は、負荷遮断時の回転速度の上昇を制限することができるとともに、構造の簡素化および小型化を図ることができ、主軸の捩れを抑制することが可能な水力発電用水車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】
【００１４】
上記目的を達成するために、本第１発明は、ケーシングに流入口と吐出口とが形成され、
ケーシング内に、流入口から吐出口へ流れる流体によって回転するランナと、ランナと発電機とを連動連結する回転自在な主軸とが設けられた水力発電用水車であって、
ランナは、主軸と一体に回転するランナボスと、ランナボスの流路に面した表側に取付けられた複数の羽根とで構成されており、
ランナボスの裏側に、ランナの回転抵抗となる邪魔板が設けられているものである。
【００１５】
これによると、通常の発電運転時、ランナは流入口から吐出口へ流れる流体によって回転し、これにより、主軸が回転して、発電機で発電が行われる。
負荷遮断時、邪魔板がランナの回転の抵抗となるため、ランナの回転速度の上昇が制限（抑制）され、水力発電用水車の流量の変動が低減される。これにより、圧力変動が低減して、水力発電用水車の上流側又は下流側の配管が損傷するのを防止することができる。
【００１６】
また、邪魔板をランナボスに設けただけの構成であるため、構造の簡素化および小型化を図ることができる。
また、ランナボスの表側に羽根を取付け、ランナボスの裏側に邪魔板を取付けているため、主軸に回転力が作用する位置と回転抵抗力が作用する位置とがほぼ同じ位置になり、これにより、主軸の捩れを抑制することができる。
【００１７】
本第２発明は、ケーシング内に円筒部材が設けられ、
ケーシングの内周面と円筒部材の外周面との間に流路が形成され、
ランナは円筒部材の下流側にあり、
流路よりも径方向内側で且つ主軸の周囲には、ランナのランナボスと円筒部材の下流端部とによって区切られたランナボス裏空間が形成され、
ランナボス裏空間内に流体が存在し、
ランナボスと円筒部材との間に、流路とランナボス裏空間とに連通する隙間が形成され、
邪魔板はランナボス裏空間内に位置しているものである。
【００１８】
これによると、ランナと共に邪魔板が回転している際、邪魔板は流路と区切られたランナボス裏空間内で回転するため、流路を流れる流体の流れが邪魔板によって掻き乱されるのを防止することができる。
【００１９】
本第３発明は、邪魔板は着脱可能にランナボスに取付けられているものである。
これによると、ランナボスに取付ける邪魔板の大きさを変えたり或いは枚数を増減することができるため、負荷遮断時におけるランナの回転速度を容易に調節することができる。
【００２０】
本第４発明は、上記第１発明から第３発明のいずれか１項に記載の水力発電用水車の負荷遮断時の流量変動抑制方法であって、
邪魔板の大きさ又は枚数を変更することにより、負荷遮断時の水力発電用水車のランナの回転速度を通常の発電運転時の水力発電用水車のランナの回転速度と略等しくなるように低下させるものである。
【００２１】
これによると、水力発電用水車の流量の変動が低減され、これにより、圧力変動が低減して、水力発電用水車の上流側又は下流側の配管が損傷するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように本発明によると、負荷遮断時、邪魔板がランナの回転の抵抗となって、ランナの回転速度の上昇が制限（抑制）され、これにより、水力発電用水車の流量の変動が低減され、圧力変動が低減して、水力発電用水車の上流側又は下流側の配管が損傷するのを防止することができる。
【００２３】
また、構造の簡素化および小型化を図ることができ、さらに、主軸の捩れを抑制することができる。
また、流路を流れる流体の流れが邪魔板によって掻き乱されるのを防止することができ、さらに、ランナボスに取付ける邪魔板の大きさを変えたり或いは枚数を増減することで、負荷遮断時におけるランナの回転速度を容易に調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明における第１の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、４１は、高低落差又は圧力差のある配管４２の途中に据え付けられる水力発電用水車である。水力発電用水車４１の筒状のケーシング４５には流入口４６と吐出口４７とが形成されている。ケーシング４５内には、流入口４６から吐出口４７へ流れる水（流体の一例）によって回転するランナ４８と、ランナ４８と発電機４９とを連動連結する回転自在な主軸５０と、ガイドベーン５１と、円筒部材５２とが設けられている。尚、吐出口４７は主軸５０の軸心に直交する向きに湾曲している。
【００２５】
ケーシング４５は流入側のケーシング体５４と吐出側のケーシング体５５とからなり、これら両ケーシング体５４，５５は複数のボルト５７によって連結されている。また、円筒部材５２は、流入口４６側（上流側）が円錐形状に尖った先端部５９と、先端部５９の下流側に設けられた円筒形状の胴部６０とで構成されている。ケーシング４５の内周面と円筒部材５２の外周面との間には、流路６１が全周にわたり形成されている。尚、上記ガイドベーン５１は流路６１内に固定されている。
【００２６】
主軸５０の上流側端部は円筒部材５２の内部に設けられた軸受装置６７によって回転自在に支持され、主軸５０の下流側端部はケーシング４５の外部に設けられた外部軸受装置６８に回転自在に支持され、主軸５０の中間部はケーシング４５内に設けられた水中軸受装置６９によって回転自在に支持されている。
【００２７】
図３〜図５に示すように、ランナ４８は、主軸５０に外嵌されて主軸５０と一体に回転するランナボス６３と、ランナボス６３に取付けられた複数の羽根６４と、筒状の外筒枠６５とで構成されており、円筒部材５２の下流側に配設されている。
【００２８】
ランナボス６３は、内側円筒部６３ａと、内側円筒部６３ａの下流側端部に設けられた円錐状筒部６３ｂと、円錐状筒部６３ｂの外周部に設けられた外側円筒部６３ｃとを備えている。円錐状筒部６３ｂは、上流側（流入口４６側）から下流側（吐出口４７側）に向かって次第に径が小さくなるように傾斜している。外側円筒部６３ｃは内側円筒部６３ａから径方向の外方へ離間している。尚、主軸５０は内側円筒部６３ａに挿通され、キー７３によって主軸５０と内側円筒部６３ａとが連結されている。
【００２９】
各羽根６４は、ランナボス６３の円錐状筒部６３ｂの流路６１に面した表側Ｓ１に取付けられている。尚、外筒枠６５とランナボス６３の内側円筒部６３ａと外側円筒部６３ｃとは同一軸心上にあり、各羽根６４の外周縁が外筒枠６５の内周面に設けられている。
【００３０】
流路６１よりも径方向内側で且つ主軸５０の周囲には、ランナボス６３の円錐状筒部６３ｂと円筒部材５２の胴部６０とによって区切られたランナボス裏空間７０が全周にわたり形成されている。尚、円錐状筒部６３ｂと胴部６０との間には隙間７１が形成され、外側円筒部６３ｃと胴部６０との間には隙間７２が形成されている。これら隙間７１，７２は流路６１とランナボス裏空間７０とに連通しており、ランナボス裏空間７０内には水が存在している。
【００３１】
ランナボス６３の円錐状筒部６３ｂの裏側Ｓ２には、ランナ４８の回転抵抗となる邪魔板７６が周方向において所定角度ごとに複数枚設けられている。各邪魔板７６の径方向内端は内側円筒部６３ａの外周面に溶接等で取付けられ、各邪魔板７６の径方向外端は外側円筒部６３ｃの内周面に溶接等で取付けられている。各邪魔板７６はランナボス裏空間７０内に位置している。
【００３２】
以下、上記構成における作用を説明する。
通常の発電運転時、ランナ４８は流入口４６から流路６１を通って吐出口４７へ流れる水によって回転し、これにより、主軸５０が回転して、発電機４９で発電が行われる。
【００３３】
負荷遮断時、水力発電用水車４１が無拘束状態になるが、邪魔板７６がランナ４８の回転の抵抗となるため、ランナ４８の回転速度の上昇が制限（抑制）され、水力発電用水車４１の流量の変動が低減される。これにより、圧力変動が低減して、水力発電用水車４１の上流側の配管が損傷するのを防止することができる。
【００３４】
また、複数枚の邪魔板７６をランナボス６３に設けただけの構成であるため、構造の簡素化および小型化を図ることができる。
また、図３に示すように、ランナボス６３の円錐状筒部６３ｂの表側Ｓ１に羽根６４を設け、円錐状筒部６３ｂの裏側Ｓ２に邪魔板７６を設けているため、主軸５０に回転力が作用する位置Ａと回転抵抗力が作用する位置Ｂとがほぼ同じ位置になり、これにより、主軸５０の捩れを抑制することができる。
【００３５】
また、ランナ４８と共に邪魔板７６が回転している際、邪魔板７６は流路６１と区切られたランナボス裏空間７０内で回転するため、流路６１を流れる水の流れが邪魔板７６によって掻き乱されるのを防止することができる。
【００３６】
尚、図６のグラフは、邪魔板７６を設けていない従来の水力発電用水車の流量と有効落差との関係を示す特性曲線であり、特性曲線Ｇ１は通常の発電運転状態のものであり、実線で示した特性曲線Ｇ２は無拘束状態（負荷遮断状態）のものである。これによると、所定の有効落差Ｈにおいて、通常の発電運転時と負荷遮断時との流量は変動量Ｄだけ変動する。上記本第１の実施の形態のように邪魔板７６を取付けた場合、仮想線で示すように無拘束状態での特性曲線Ｇ２が通常の発電運転状態での特性曲線Ｇ１に接近するため、上記流量の変動量Ｄが低減する。
【００３７】
尚、ランナ４８の製作時に邪魔板７６の大きさ又は枚数を適宜設定することにより、負荷遮断時のランナ４８の回転速度を通常の発電運転時のランナ４８の回転速度とほぼ等しくなるように低下させることも可能である。
【００３８】
上記第１の実施の形態では、図５に示すように、邪魔板７６を周方向において９０°ごとに４枚設けているが、４枚以外の複数枚又は単数枚設けてもよい。
次に、本発明における第２の実施の形態を説明する。
【００３９】
上記第１の実施の形態では図４に示すように邪魔板７６をランナボス６３に一体的に取付けているが、本第２の実施の形態では、図７，図８に示すように、邪魔板７６をランナボス６３に着脱可能に取付けている。すなわち、邪魔板７６は、板本体７６ａと、板本体７６ａの径方向内端に設けられた内側取付板７６ｂと、板本体７６ａの径方向外端に設けられた外側取付板７６ｃとで構成されている。
【００４０】
内側取付板７６ｂと外側取付板７６ｃとにはそれぞれ貫通孔７８，７９が形成されている。また、ランナボス６３の内側円筒部６３ａと外側円筒部６３ｃとにはそれぞれねじ孔８０，８１が形成されている。各貫通孔７８にねじ８２（連結部材の一例）を挿通するとともにねじ孔８０に螺合し、各貫通孔７９にねじ８３（連結部材の一例）を挿通するとともにねじ孔８１に螺合することによって、内側取付板７６ｂが内側円筒部６３ａの外周面に連結され、外側取付板７６ｃが外側円筒部６３ｃの内周面に連結される。
【００４１】
以下、上記構成における作用を説明する。
ねじ８２，８３を外すことにより、邪魔板７６をランナボス６３から取り外すことができる。また、ねじ８２を貫通孔７８に挿通するとともにねじ孔８０に螺合し、ねじ８３を貫通孔７９に挿通するとともにねじ孔８１に螺合することによって、邪魔板７６をランナボス６３に取付けることができる。尚、邪魔板７６を着脱する際には、ボルト５７（図３参照）を外して、流入側のケーシング体５４と吐出側のケーシング体５５とを分割すればよい。
【００４２】
上記のように邪魔板７６を着脱することで、邪魔板７６の取付け枚数を増減させることができる。邪魔板７６の取付け枚数を変えることによって、負荷遮断時におけるランナ４８の回転速度を容易に調節することができる。この場合、邪魔板７６の取付け枚数を増やすほど、ランナ４８の回転抵抗が増加するため、負荷遮断時におけるランナ４８の回転速度の上昇を低く抑えることができる。これにより、水力発電用水車４１の流量の変動が低減され、圧力変動が低減して、水力発電用水車４１の上流側の配管が損傷するのを防止することができる。
【００４３】
或いは、板本体７６ａの大きさＥ（図７参照）が異なる複数種類の邪魔板７６を用意しておき、取付ける邪魔板７６の大きさＥを変えることによって、負荷遮断時におけるランナ４８の回転速度を容易に調節することができる。この場合、邪魔板７６の大きさＥが大きいほど、ランナ４８の回転抵抗が増加するため、負荷遮断時におけるランナ４８の回転速度の上昇を低く抑えることができる。これにより、水力発電用水車４１の流量の変動が低減され、圧力変動が低減して、水力発電用水車４１の上流側の配管が損傷するのを防止することができる。
【００４４】
尚、上記のように邪魔板７６の大きさ又は枚数を変更することにより、負荷遮断時のランナ４８の回転速度を通常の発電運転時のランナ４８の回転速度とほぼ等しくなるように低下させることも可能である。
【００４５】
上記第２の実施の形態では、ねじ８２，８３を用いて邪魔板７６を着脱しているが、邪魔板７６をランナボス６３の内側円筒部６３ａと外側円筒部６３ｃとに脱抜可能に嵌め込んでもよいし、或いは、溶接等で取付ける構造であってもよい。
【００４６】
上記各実施の形態では流体の一例として水を挙げたが、水以外の液体であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施の形態における水力発電用水車の縦断面図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ矢視図である。
【図３】同、水力発電用水車のランナ取付け部分の拡大縦断面図である。
【図４】同、水力発電用水車のランナの縦断面図である。
【図５】図４におけるＸ−Ｘ矢視図である。
【図６】水力発電用水車の流量と有効落差との関係を示す特性曲線のグラフである。
【図７】本発明の第２の実施の形態における水力発電用水車のランナの一部拡大縦断面図である。
【図８】図７におけるＸ−Ｘ矢視図である。
【図９】従来の水力発電用水車の断面図である。
【図１０】従来の水力発電用水車の断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
４１      水力発電用水車
４５      ケーシング
４６      流入口
４７      吐出口
４８      ランナ
４９      発電機
５０      主軸
５２      円筒部材
６１      流路
６３      ランナボス
６４      羽根
７０      ランナボス裏空間
７１，７２    隙間
７６      邪魔板
Ｅ      邪魔板の大きさ
Ｓ１    ランナボスの表側
Ｓ２    ランナボスの裏側
【図１】
2008248760.tif 000003
【図２】
2008248760.tif 000004
【図３】
2008248760.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008248760.tif 000007
【図６】
2008248760.tif 000008
【図７】
2008248760.tif 000009
【図８】
2008248760.tif 000010
【図９】
2008248760.tif 000011
【図１０】
2008248760.tif 000012