(57)【要約】【課題】空転運転時においても補助漏水排水管を設けることなく、滞留水を効率的に排水できるようにする。【解決手段】ランナを水車としての回転方向に空転させた場合には、これにより生じる滞留水の流れを堰き止めて、当該滞留水を漏水排水管１５に流入するように促進する排水促進壁２２と、ランナを空転させない場合にはガイドベーンとランナ室との間を流動する水が漏水排水管１５に流入するのを抑制する排水抑制壁２３とを備える排水促進抑制部２１を設ける。そして漏水排水管１５の開口部１４を当該排水促進抑制部２１の底部側に形成する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上カバーと下カバーによって形成されるランナ室と、当該ランナ室内に回転可能に設けられたランナと、前記ランナ室の外側に配置されて当該ランナ室内に流入・流出する水量を調整するガイドベーンと、前記ガイドベーンを全閉状態として前記ランナ室内に圧縮空気を導入して前記ランナと空気中で回転させる水面押し下げ運転の際に前記ランナ室内の滞留水を排水するための漏排水水管とを備えるポンプ水車において、
前記漏水排水管の一端は前記下カバーに開口部を有するとともに、
当該開口部の周囲に前記ランナが水車方向に回転した場合に前記ランナと前記下カバーとの間の流体の排出を促進する排水促進手段を設けることを特徴とするポンプ水車。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプ水車において、
排水促進手段は開口部周囲に設けられた凹部からなり、
当該凹部の円周方向に沿った垂直断面形状が非対称であり、かつ、
ランナを水車方向に回転させたときの回転方向に対する下手側の斜面または壁面が上手側に比べて急傾斜であることを特徴とするポンプ水車。
【請求項３】
請求項１に記載のポンプ水車において、
排水促進手段は開口部周囲のうち、ランナを水車方向に回転させたときの回転方向に対する下手側に設けられた凸部からなり、
当該凸部に垂直断面形状が円周方向に非対称であり、かつ、
ランナを水車方向に回転させたときの回転方向に対する上手側の斜面または壁面が下手側に比べて急傾斜であることを特徴とするポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ水車を空転させて調相運転や待機運転を行う際に、漏水等による滞留水を効率的に排水できるようにしたポンプ水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
揚水発電所における発電システムは、例えば図３に示すようなポンプ水車を備えて当該ポンプ水車が図示しない発電電動機と連結されて、これを駆動する構成となっている。
【０００３】
このようなポンプ水車は、図示しない発電電動機のロータと同軸に設けられた回転軸１２に連結されたランナ２を有し、該ランナ２は、その上側に設けられた上カバー１０と、下側に設けられた下カバー９によって構成されるランナ室１内に設けられている。
【０００４】
ランナ室１の上流側には、当該ランナ室１に流入・流出する水量を調整するガイドベーン７が設けられている。ランナ室１は、当該ガイドベーン７とケーシング８を介して図示しない上池と連結されるとともに、吸出管５を介して図示しない下池と連結されている。
【０００５】
このような構成で、発電運転を行う場合には、ケーシング８内に導かれた上池の水を、ガイドベーン７により流量を調整してランナ室１内に流入させる。
【０００６】
そして、ランナ室１内に流入した水は、その勢いでランナ２を回転させ、これにより発電電動機が駆動されて発電が行われる。一方、ランナ２を回転させた水は吸出管５から下池に放流される。
【０００７】
ポンプ運転を行う場合、発電電動機を電動機として使用し、ランナ２を発電運転の場合と逆方向に回転させて下池から上池へと揚水する。
【０００８】
このような揚水発電所においては、これら以外に調相運転や待機運転が行われる。これらは、ポンプ運転と同様に発電電動機を電動機として使用してランナ２をいずれかの方向に回転させる運転であり、それぞれ電力系統の位相調整を目的とし、またポンプ運転を円滑に開始する目的で行われる。
【０００９】
そして、このような調相運転、待機運転の際には、ランナ２の回転に必要な動力を最小化するため、ガイドベーン７を全閉状態とし、ランナ室１内に圧縮空気を供給して、当該ランナ室１内の水位をランナ２よりも下側となるようにとしてランナ２を空気中で回転させる。
【００１０】
このように、調相運転および待機運転は、ランナ室１内の水面をランナ２より下側に押し下げてランナ２を空転させることから、総称して水面押し下げ運転と呼ばれている。
【００１１】
一般に、ガイドベーン７を全閉状態としても完全に密閉することはできないため、上記の水面押し下げ運転の場合、ランナ室１内の圧縮空気はガイドベーン７の隙間を通過してケーシング８内に漏出することとなる。
【００１２】
したがって、これを防止するためにポンプ６によって吸出管５内の水をケーシング８に圧送してケーシング８の内圧を高めることが一般的に行われており、水面押し下げ運転を行う場合、ケーシング８からガイドベーン７の微少な隙間を介してランナ室１内に漏水が生じる。
【００１３】
また、このようなポンプ水車には、発電運転やポンプ運転といった通常運転時にランナ室１とランナ２の間に水が流入しないようにランナシール部３が設けられている。
【００１４】
通常運転時はこれらのランナシール部３には水が存在するため十分に冷却が行われるが、上記のように水面押し下げ運転では、ランナ２が空転するために、ランナシール部３が過熱するおそれがあり、上記のポンプ６により圧送される水の一部を、図３に一点鎖線で示す経路でこれらのランナシール部３に供給して冷却を行っている。
【００１５】
以上のように、ランナ２を空気中で回転させる水面押し下げ運転時であっても、ランナ室１内にはケーシング８からの漏水や、ランナシール部３へ供給する冷却水が存在するが、これらの漏水や冷却水は回転するランナ２の遠心力によってその外周へと導かれて滞留水となる。
【００１６】
この滞留水が多くなると回転するランナ２によって攪拌されるため、ランナ２の回転損失を増大させ、また水温を上昇させることとなる。
【００１７】
したがって、この滞留水をランナ室１内から排出する必要が生じるので、下カバー９と吸出管５とを連通する漏水排水管１５が設けられている。当該漏水排水管１５は下カバー９にその一端を開口し、他端を吸出管５に開口している。
【００１８】
図４は、下カバー９の一部切欠き斜視図であり、漏水排水管１５の下カバー９への開口部１４を示すものである。
【００１９】
すなわち、ランナ２外周部の滞留水はランナ２と下カバー９の隙間から下カバー９に沿って流出し、開口部１４から漏水排水管１５へ流出して吸出管５へと排水される。
【００２０】
ところで、上記した水面押し下げ運転の際、ランナ２の回転方向は発電運転時の回転方向（以下、水車方向と称する。）、およびポンプ運転時の回転方向（以下、ポンプ方向と称する。）のいずれともなり得る。ところが、水車方向の回転では漏水排水管１５を用いた滞留水の排出が円滑に行われないことがあった。この事情を図５により以下に示す。
【００２１】
図５は、水面押し下げ運転時の滞留水の挙動を説明するもので、図３で示したポンプ水車のランナ室１内のランナ２を含む水平断面を上から見た模式図である。
【００２２】
図５に示したように、ランナ２は複数枚のランナ羽根から構成されており、ランナ２の外側には設けられた複数枚のガイドベーン７が全閉状態とされている。水面押し下げ運転ではランナ２が回転することによって、ランナ２の外周部とガイドベーン７と間に滞留水Ｗが溜まっている。
【００２３】
なお、図５のうち、（ａ）はランナ２をポンプ方向Ｐに回転させた場合を、（ｂ）は水車方向Ｔに回転させた場合をそれぞれ示している。
【００２４】
上述のように、滞留水Ｗは、ランナ２と下カバー９との微小な隙間から流出して図３，図４に示した漏水排水管１５によって吸出管５へと排出される。
【００２５】
ここで、図５（ａ）に示したように、ランナ２がポンプ方向に回転する場合は、滞留水Ｗはランナ２の遠心力のほか、ランナ羽根によって外周側に押し付けられるため、十分な押し出し圧力が吹かれてランナ２と下カバー９との隙間から流出する。
【００２６】
ところが（ｂ）に示したように、ランナ２が水車方向に回転する場合は、滞留水Ｗのうち比較的内側に位置する部分は、ランナ羽根の回転によりランナ２の内側方向に掻き込まれる。
【００２７】
このために滞留水Ｗには十分な押し出し圧力が発生せずに、滞留水Ｗがランナ２と下カバー９との隙間から円滑に流出しないという問題点があった。
【００２８】
このため、従来のポンプ水車では、図３および図４に示したように、ランナ２と下カバー９との隙間よりもランナ２の外周側で、かつガイドベーン７よりも内側の位置に、下カバー９と吸出管５とを連通させ、滞留水を排水するための補助漏水排水管１６を設けている。
【００２９】
ここで、補助漏水排水管１６は、ガイドベーン７に近い位置の下カバー９に開口しているため、ランナ２を水車方向に回転させた場合であっても、十分に滞留水Ｗを排出することが可能となる。
【００３０】
なお、これらの漏水排水管１５、および補助漏水排水管１６には、弁が設けられており、発電運転やポンプ運転といった通常運転時にはこれらの弁を閉止し、漏水排水管１５、および補助漏水排水管１６を介して水が吸出管５に流出しないようにしている。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、補助漏水排水管１６が設けられる部位は、発電運転時やポンプ運転時には高水圧となるうえ、ランナ羽根とガイドベーン７との干渉によって大きな水圧脈動が作用する。
【００３２】
そして、通常、補助漏水排水管１６はコンクリートに埋設されて設けられているため、万一破損が生じ、補助漏水排水管１６から漏水が生じると、補修等の対応が非常に困難となることもあり、補助漏水排水管１６を設ける場合、大きな水圧脈動に十分耐え得るだけの強度を持たせる必要があった。
【００３３】
そこで、本発明は、補助漏水排水管を設けずとも、調相運転又は待機運転等の水面押し下げ運転時に滞留水を十分かつ効率的に排水できるようにしたポンプ水車を提供することを目的とする。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、上カバーと下カバーによって形成されるランナ室と、当該ランナ室内に回転可能に設けられたランナと、ランナ室の外側に配置されて当該ランナ室内に流入・流出する水量を調整するガイドベーンと、ガイドベーンを全閉状態としてランナ室内に圧縮空気を導入してランナと空気中で回転させる水面押し下げ運転の際にランナ室内の滞留水を排水するための漏排水水管とを備えるポンプ水車において、漏水排水管の一端は下カバーに開口部を有するとともに、当該開口部の周囲にランナが水車方向に回転した場合にランナと下カバーとの間の流体の排出を促進する排水促進手段を設けることを特徴とする。
【００３５】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のポンプ水車において、排水促進手段は開口部周囲に設けられた凹部からなり、当該凹部の円周方向に沿った垂直断面形状が非対称であり、かつ、ランナを水車方向に回転させたときの回転方向に対する下手側の斜面または壁面が上手側に比べて急傾斜であることを特徴とする。
【００３６】
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載のポンプ水車において、排水促進手段は開口部周囲のうち、ランナを水車方向に回転させたときの回転方向に対する下手側に設けられた凸部からなり、当該凸部に垂直断面形状が円周方向に非対称であり、かつ、ランナを水車方向に回転させたときの回転方向に対する上手側の斜面または壁面が下手側に比べて急傾斜であることを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。なお、従来と同一構成に関して同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００３８】
本実施の形態に係るポンプ水車も、図３に示した補助漏水排水管１６が設けられていない点を除いて従来のポンプ水車とほぼ等しい構成となっている。
【００３９】
すなわち、発電電動機のロータと同軸に設けられた回転軸１２に連結されたランナ２を有し、該ランナ２は、その上側に設けられた上カバー１０と、下側に設けられた下カバー９によって構成されるランナ室１内に設けられている。ランナ室１の上流側には、当該ランナ室１に流入・流出する水量を調整するガイドベーン７が設けられており、ランナ室１は、当該ガイドベーン７とケーシング８を介して上池と連結されるとともに、吸出管５を介して下池と連結される構成となっている。
【００４０】
そして、本実施の形態に係るポンプ水車は、下カバー９における漏水排水管１５の開口部１４の周囲に、凹部から構成される排水促進手段を設けることを特徴としている。
【００４１】
図１は、本実施の形態のポンプ水車における下カバーの一部切欠き斜視図であり、漏水排水管１５の下カバー９への開口部１４を示すものである。
【００４２】
なお、図１における矢印Ｔは、図３で示したポンプ水車を発電運転する場合のランナ２の回転方向である水車方向Ｔを示している。
【００４３】
図１に示したように本実施の形態は、下カバー９における漏水排水管１５の開口部１４周りを凹部２１としている。
【００４４】
すなわち、下カバー９には凹部２１が設けられており、この凹部２１の底部に漏水排水管１５の開口部が位置する構成となっている。
【００４５】
そして、図１に示したように、凹部２１はその水車方向Ｔに対する下手側が略垂直の壁面２２であり、水車方向Ｔに対する上手側が下カバー９の表面と連なる斜面２３によって構成されている。
【００４６】
本実施の形態における凹部２１は、このような構成によって、排水促進手段として作用するものである。
【００４７】
図３において下カバー９は静止部材であるため、ランナ２が回転するとき、ランナ２と下カバー９との間では、この間に存在する流体の粘性によってランナ２の回転方向と同じ方向に流れが生じる。
【００４８】
本実施の形態においては、凹部２１を、水車方向Ｔに対する下手側が略垂直の壁面２２で、上手側が下カバー９と連なる斜面２３によって構成し、この凹部２１の底部に漏水排水管１５の開口部１４が設けられているので、ランナ２が水車方向Ｔに回転する場合、ランナ２が下カバー９との間の水は斜面２３に沿って凹部２１に流入し、壁面２２によってその流れを阻まれて開口部１４へと流入する。
【００４９】
したがって、特にランナ２が水車方向Ｔに回転する場合に、漏水排水管１５からの排水を促進することができる。
【００５０】
なお、ランナ２が水車方向Ｔと逆（ポンプ方向）に回転する場合であっても、開口部１４が凹部２１の底部に設けられていることによって、水を掻き込む作用が生じるため、従来のポンプ水車と比較した排水は促進される。
【００５１】
すなわち、本実施の形態では、下カバー９への漏水排水管１５の開口部１４を凹部２１の底部に設けたことによって、従来のポンプ水車よりも排水を促進でき、さらにこの凹部２１を水車方向Ｔに対する下手側を略垂直の壁面２２とし、上手側を下カバー９の表面と連なる斜面２３としたため、特にランナ２を水車方向に回転させた場合に、ランナ２と下カバー９との間の水を掻き込むので排水をより促進することができる。
【００５２】
このため、図５（ｂ）に示したように、ランナ２が水車方向に回転する場合であっても、本実施形態によれば排水促進手段である凹部２１がランナ２と下カバー９との間の水を掻き込むため、図３および図４に示した補助漏水排水管１６などを設けずとも、滞留水Ｗをランナ２と下カバー９との隙間から吸い込むことができ、十分かつ効率的に排水できる。
【００５３】
なお、図１においては凹部２１を、水車方向Ｔに対する下手側が略垂直の壁面２２で、上手側が下カバー９と連なる斜面２３によって構成しているが、本実施の形態はこれに限るものではない。
【００５４】
すなわち、この凹部２１は排水促進手段であり、水車方向Ｔにランナ２が回転する際に、ランナ２と下カバー９との間に存在する水をより掻き込むことが出来る形状とされていればよい。
【００５５】
このため、凹部２１は下カバー９の円周方向に沿った垂直断面形状が非対称であり、かつ、凹部２１の円周方向に沿った垂直断面形状を、水車方向Ｔに対する下手側の斜面又は壁面が上手側に比べて急傾斜となるように形成すれば十分である。
【００５６】
また、凹部２１を設けるのではなく、漏水排水管１５の開口部１４のうち、水車方向Ｔに対する上手側を面取り加工し、実質的に凹部２１と同じ構成としてもよい。このように本実施形態においては、凹形状の排水促進手段を漏水排水管１５の周囲に設けて、ランナ２が水車方向Ｔへ回転する際に水を掻き込んで十分に排水させるので、補助漏水排水管を設けずとも十分に滞留水を排水することが可能となるポンプ水車を提供することができる。
【００５７】
本発明の第２の実施の形態を図２により以下に説明する。なお、図２において図１と同一構成に関して同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５８】
本実施の形態に係るポンプ水車も図１として示した第１の実施の形態のポンプ水車同様、下カバー９における漏水排水管１５の開口部１４の周囲に、排水促進手段を設けるものであるが、本実施の形態においては、排水促進手段を凸部２４として構成するものである。
【００５９】
図２に示したように、この凸部２４は開口部１４の周囲のうち、水車方向Ｔに対する下手側のみに設けられており、好ましくは凸部２４の断面形状を水車方向Ｔに対する上手側を略垂直の壁面２５とし、下手側を緩やかな斜面２６とするとよい。
【００６０】
このような凸部２４を設けることによって第１の実施の形態と同様に、ランナ２が水車方向Ｔに回転する場合に、ランナ２と下カバー９との間の流体に働く粘性により水車方向Ｔに流れが生じる。
【００６１】
そして、凸部２４は開口部１４周囲の水車方向Ｔに対する下手側に設けられているため、流れは凸部２４にて堰き止められる用意して開口部１４へと流入し、漏水排水管１５を介して排水される。
【００６２】
なお、ランナ２が水車方向Ｔと逆（ポンプ方向）に回転する場合はランナ２と下カバー９との間にこれとは逆向きの流れが生じるが、凸部２４をその断面形状が水車方向Ｔに対して下手側が緩やかな斜面として形成されているので、ランナ２と下カバー９との間の流れは堰き止められずに開口部１４へと流入するため、滞留水の排水は円滑に行われる。
【００６３】
すなわち、本実施の形態によれば、下カバー９における漏水排水管１５の開口部１４の周囲のうち、水車方向Ｔに対する下手側に凸部２４を設けることで排水促進手段とし、この凸部２４の断面形状を水車方向Ｔに対する上手側を略垂直の壁面２５とし、下手側を緩やかな斜面２６とすることによって、ランナ２が水車方向Ｔに回転する場合に水を開口部１４に掻き込んで排水させるので、滞留水を円滑に排水することができる。
【００６４】
したがって、補助漏水排水管を設けずとも十分に滞留水を排水することが可能なポンプ水車を提供することができる。
【００６５】
なお、本実施の形態においては、凸部２４の断面形状を水車方向Ｔに対する上手側を略垂直の壁面２５とし、下手側を緩やかな斜面２６としているが、これに限るものではない。
【００６６】
つまり、本実施の形態における凸部２４は排水促進手段であり、ランナ２が水車方向Ｔに回転する際にランナ２と下カバー９との間の水を漏水排水管１５へと円滑に排出するような形状となっていればよく、種々の形状を採用することができる。
【００６７】
したがって、例えば、凸部２４を下カバー９の円周方向に沿った垂直断面形状が非対称であり、かつ、凸部２４の円周方向に沿った垂直断面形状を、水車方向Ｔに対する上手側の斜面又は壁面が下手側に比べて急傾斜となるように形成すれば、ランナ２が水車方向Ｔに回転する時に漏水排水管１５への排水を円滑に行い、水車方向Ｔと逆（ポンプ方向）に回転する際にも流れを妨げずに従来と同じように滞留水の排水を行うことが可能となる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ポンプ水車の水面押し下げ運転に際してランナを水車方向に空転させた場合でも、漏水排水管の下カバーへの開口部周囲に設けた排水促進手段によって滞留水を漏水排水管に掻き込んで排水させるため、補助漏水排水管を設けずとも十分に滞留水を排水することが可能なポンプ水車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のポンプ水車のうち、下カバーの一部切欠き斜視図。
【図２】本発明の第１の実施の形態のポンプ水車のうち、下カバーの一部切欠き斜視図。
【図３】従来のポンプ水車の概略構成を説明する断面模式図。
【図４】従来のポンプ水車のうち、下カバーの一部切欠き斜視図。
【図５】ポンプ水車の水面押し下げ運転時のランナの回転に伴う滞留水の挙動を説明する模式図。
【符号の説明】
１　ランナ室
２　ランナ
３　ランナシール部
５　吸出管
７　ガイドベーン
８　ケーシング
９　下カバー
１３　ランナ外周部
１４　開口部
１５　漏水排水管
１６　補助漏水排水管
２１　凹部
２２，２５　壁面
２３，２６　斜面
２４　凸部
【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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