(57)【要約】【課題】水力機械において、配管系の振動特性を好適に設定し、配管系に起こり得る共振の発生を抑え長期にわたって安定した運転を行えるようにする。【解決手段】水力機械１に設けられた制御配管ユニット１５は、ランナ側圧室１２に各々接続された複数の枝管１７、１８、１９、２０と、これら複数の枝管を集合して吸出し管８に開口する集合管２１と、枝管２０から一旦分岐すると共に、この枝管２０に再度合流する分岐管２２と、分岐管２２及び枝管２０に各々設けられた配管構成変更弁２３、２４とを備えている。したがって、配管構成変更弁２３、２４の開閉を適宜切替えることで、配管構成を変更することができ、配管系の固有振動特性を変化させることができる。これにより、配管系に起こり得る共振の発生を抑えることができるので、配管の損傷等を防止でき、長期にわたって水力機械１を安定的に運転させることができる。【選択図】      図１
2004232535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナを回転可能に収容するランナ室と、
前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、
前記ランナ室内の各々異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管と、
前記複数の枝管を集合して前記吸出し管に開口する集合管と、
前記複数の枝管のうちの所定の枝管から一旦分岐すると共に、この所定の枝管に再度合流する分岐管と、
前記分岐管及び前記所定の枝管のうちの少なくとも一方に設けられた配管構成変更弁と
を具備することを特徴とする水力機械。
【請求項２】
ランナを回転可能に収容するランナ室と、
前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、
前記ランナ室内の各々異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管と、
前記複数の枝管を集合して前記吸出し管に開口する集合管と、
前記複数の枝管のうちの所定の枝管に設けられ、この所定の枝管に分岐管の端部を接合するための２つの分岐管接合部と、
前記２つの分岐管接合部の間の前記所定の枝管に設けられた配管構成変更用の予備弁と
を具備することを特徴とする水力機械。
【請求項３】
ランナを回転可能に収容するランナ室と、
前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、
前記ランナ室内の各々異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管と、
前記複数の枝管を集合して前記吸出し管に開口する集合管と、
前記複数の枝管のうちの所定の枝管から分岐して接続されたチャンバと
を具備することを特徴とする水力機械。
【請求項４】
ランナを回転可能に収容するランナ室と、
前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、
前記ランナ室内の各々異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管と、
前記複数の枝管を集合して前記吸出し管に開口する集合管と、
前記複数の枝管のうちの所定の枝管から分岐した状態で接続可能なチャンバの接合用に設けられたチャンバ接合部と
を具備することを特徴とする水力機械。
【請求項５】
前記複数の枝管のうちの少なくとも一つの枝管の全長及び／又は流路断面積が他の枝管と異なることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の水力機械。
【請求項６】
前記配管構成変更弁若しくは前記予備弁の開度、又は前記チャンバ内の容積を調整する調整機構と、
前記集合管と前記複数の枝管とからなる配管系内の圧力を検出する圧力検出装置と、
前記圧力検出装置による検出結果に基づいて、前記調整機構の動作を制御する制御装置と
をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし４、もしくは請求項５のいずれか１項に記載の水力機械。
【請求項７】
前記ランナの回転速度を変化させる可変速運転機構をさらに備え、
前記制御装置が、前記ランナの回転速度に応じて、前記調整機構への制御を変更することを特徴とする請求項６記載の水力機械。
【請求項８】
ランナを回転可能に収容するランナ室と、
前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、
両端にのみ開口が各々設けられ、一端の開口が前記ランナ室内の各々異なる所定部位にそれぞれ接続されていると共に他端の開口が前記吸出し管にそれぞれ接続された複数の単一配管と
を具備することを特徴とする水力機械。
【請求項９】
ランナを回転可能に収容するランナ室と、前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、前記ランナ室内の各々異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管と、前記複数の枝管を集合して前記吸出し管に開口する集合管と、前記複数の枝管のうちの所定の枝管から一旦分岐すると共に、この所定の枝管に再度合流する分岐管と、前記分岐管及び前記所定の枝管のうちの少なくとも一方に設けられた配管構成変更弁と、前記配管構成変更弁の開度を調整する弁開度調整機構とを備えた水力機械の運転方法であって、
前記集合管と前記複数の枝管とからなる配管系内の圧力を検出する圧力検出工程と、
前記圧力検出工程による検出結果に基づいて、前記弁開度調整機構の動作を制御する工程と
を有することを特徴とする水力機械の運転方法。
【請求項１０】
ランナを回転可能に収容するランナ室と、前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、前記ランナ室内の各々異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管と、前記複数の枝管を集合して前記吸出し管に開口する集合管と、前記複数の枝管のうちの所定の枝管から分岐して接続されたチャンバと、前記チャンバ内の容積を調整する容積調整機構とを備えた水力機械の運転方法であって、
前記集合管と前記複数の枝管とからなる配管系内の圧力を検出する圧力検出工程と、
前記圧力検出工程による検出結果に基づいて、前記容積調整機構の動作を制御する工程と
を有することを特徴とする水力機械の運転方法。
【請求項１１】
前記水力機械が、前記ランナの回転速度を変化させる可変速運転機構を備え、
前記ランナの回転速度に応じて、前記弁開度調整機構又は前記容積調整機構への動作制御を変更する工程をさらに有することを特徴とする請求項９又は１０記載の水力機械の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水車やポンプ水車等の水力機械及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７に示すように、例えば、従来の水力機械１００には、ランナ背圧室１０１とランナ側圧室１０２との圧力を平衡にするために互いを接続する外側バランス管１０３、ランナ背圧室１０１と吸出し管１０４とを接続する内側バランス管１０５、ランナ１０６の空転運転の際等にランナ側圧室１０２に滞留する水を排水できるようにランナ側圧室１０２と吸出し管１０４とを接続する排水管ユニット１０７等、多数の制御配管が設けられている。
【０００３】
このような制御配管において、その効果を十分に得るためには、それ相応のサイズの配管を適用することや、その開口径を大きくする必要がある。しかしながら、配管サイズやその開口径を大きくした場合、所望の水力特性を得ることが難しくなると共に制御配管の開口スペースを確保するためのレイアウト上の制約を受けることになる。そこで、ランナ１０６の外周部、ランナ背圧室１０１及びランナ側圧室１０２等を有するランナ室１０８と、吸出し管１０４とを接続する制御配管の配管構成として次に示すような構造が採られてる。例えば上記排水管ユニット１０７の配管構成としては、図１７並びに図１８の配管図及び図１９の配管モデル図にそれぞれ示すように、ランナ側圧室１０２内に複数の開口部１０９、１１０、１１１、１１２を設け、これらの開口部にそれぞれ接続された複数の枝管１１３、１１４、１１５、１１６を、一端が閉止端１２０とされている集合管１１７に合流させ、その集合管１１７を閉止弁１１８を介して吸出し管１０４の開口部１１９に開口させるといった構造等が採用されている。
【０００４】
ところで、このような制御配管を備える水力機械１００では、通常の運転時には、上記閉止弁１１８が閉止されることになるため、この場合、集合管１１７における閉止弁１１８よりもランナ室１０８側の部位及び上述した複数の枝管１１３、１１４、１１５、１１６で１つの配管系（排水管ユニット１０７）が構成される。この際、ランナ１０６周りの開口部には周期的な圧力脈動が生じるため、上記配管系にはこの系全体を振動させる加振力が作用することになる。ここで、配管系に作用する加振力の周波数が配管系の水柱固有振動数と一致してしまった場合には、配管内に共振が生じ大きな圧力脈動が発生する。
【０００５】
そこで、配管内のこの圧力脈動を低減させるために、配管の途中に共振室を設け、配管から共振室に通じる開口部の断面積をスライダの移動によって変更することで、配管系の共振周波数を変化させる装置等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６０−１３６６９７号公報（第２−３頁，第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１７ないし図１９に示した配管構造を採る水力機械１００では、個々の枝管の水柱固有振動特性が連成して配管系全体としての固有振動特性が決定される。したがって、水力機械１００では、個々の枝管が集合されていることにより生じる連成振動の影響により、所定の周波数範囲内に存在する固有振動のモード数が実質的に増加することになる。このため、ランナ１０６の回転により生じる加振周波数と配管系の固有振動数とが一致する危険性が高まり、共振による配管の損傷等が懸念される。
【０００８】
そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、配管系の振動特性を好適に設定することで、配管系に起こり得る共振の発生を抑え長期にわたって安定した運転を行える水力機械及びその運転方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、例えば、ランナを回転可能に収容するランナ室と、前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、前記ランナ室内の各々異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管と、前記複数の枝管を集合して前記吸出し管に開口する集合管と、前記複数の枝管のうちの所定の枝管から一旦分岐すると共に、この所定の枝管に再度合流する分岐管と、前記分岐管及び前記所定の枝管のうちの少なくとも一方に設けられた配管構成変更弁とを備えた水力機械である。
【００１０】
また、本発明は、例えば、ランナを回転可能に収容するランナ室と、前記ランナ室の下方に連結された吸出し管と、両端にのみ開口が各々設けられ、一端の開口が前記ランナ室内の各々異なる所定部位にそれぞれ接続されていると共に他端の開口が前記吸出し管にそれぞれ接続された複数の単一配管とを備えた水力機械である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る水力機械を示す縦断面図である。
【００１２】
同図に示すように、この水力機械１は、いわゆるフランシス型の水車であって、ランナ上カバー２とランナ下カバー３とで形成されるランナ室５と、主軸４に固定されランナ室５内に回転可能に収容されたランナ６とを備えている。ランナ室５の外方には、ケーシング７が連結され、また、ランナ室５の下方にはドラフトチューブとも呼ばれる吸出し管８が連結されている。
【００１３】
ケーシング７は、ランナ室５を渦巻状に包囲するように形成されており、ランナ室５への巻き始め部から巻き終い部にかけてその断面直径が徐々に小さくなるように形成されている。ケーシング７の巻き始め部は、導水管（図示せず）に接続され、この導水管は、導水弁を介して上池に接続されている。一方、吸出し管８は下池へ接続されている。
【００１４】
ランナ室５の外周部には、ランナ上カバー２と下カバー３との間に保持されるかたちで、可動式のガイドベーン９が、ランナ室５の周方向に沿って複数枚設けられている。これらガイドベーン９は、ガイドベーン駆動制御部１０によりその開度が調整され、ケーシング７とランナ室５との間を流出・流入する水の流量を調整する。なお、ランナ室５と渦巻状のケーシング７との間には、周方向に沿って固定式のステーベーンが複数枚設けられている。
【００１５】
また、水力機械１には、ランナ室５内のランナ背圧室１１とランナ側圧室１２との圧力を平衡にするために互いを接続する外側バランス管（図示せず）、ランナ６の空転運転の際等にランナ側圧室１２に滞留する水を排水できるようにランナ側圧室１２と吸出し管８とを接続する排水管群としての制御配管ユニット１５、ランナ背圧室１１と吸出し管８とを接続する内側バランス管（図示せず）等、多数の制御配管が設けられている。
【００１６】
このような水力機械１では、上述した導水弁及びガイドベーン９を開くことによって、上池から、ケーシング７、ランナ室５及び吸出し管８を経て、下池までの流路が連通し、発電運転や揚水運転といった通常運転が行われる。一方、導水弁及びガイドベーン９を閉塞した場合には、空転運転を行うことが可能である。この空転運転には、水力機械の発電機や発電電動機が接続された電力系統の電気的な位相を調整するための調相運転や、揚水運転の開始時に行なわれる揚水待機運転等がある。
【００１７】
ここで、本実施形態の水力機械１が備える制御配管系の構造について説明する。また、ここでは、上記制御配管ユニット１５の構造を例に採り図面に基づき説明する。図２は上記制御配管ユニット１５の配管図、図３はその構成をさらに模式的に示すモデル図である。
【００１８】
図１ないし図３に示すように、制御配管ユニット１５は、ランナ室５を構成するランナ側圧室１２内の互いに異なる所定の部位にそれぞれ接続された複数の枝管１７、１８、１９、２０と、これらの枝管を集合して吸出し管８に開口する集合管２１と、これらの枝管のうちの所定の枝管、例えば枝管２０から一旦分岐すると共に、この枝管２０に再度合流する分岐管２２と、この分岐管２２及び枝管２０にそれぞれ設けられた配管構成変更弁２３、２４とを備えて構成されている。
【００１９】
ランナ側圧室１２には、その側圧室を底面側からみて、その周回方向に例えば９０度の間隔をおいて開口部２５、２６、２７、２８が設けられている。この開口部２５、２６、２７、２８には、枝管１７、１８、１９、２０の一端の開口部がそれぞれ接続されている。枝管１７、１８、１９、２０の他端の開口部は、上述したように集合管２１に各々連結されている。集合管２１は、その一端部が閉止端１６であり、他端が吸出し管８の開口部２９に連結されている。この集合管２１における枝管２０の連結部分と、吸出し管８の連結部分との間には、排水用の閉止弁３０が取り付けられている。本実施形態では、枝管２０、分岐管２２、配管構成変更弁２３、２４及び閉止弁３０を除き、枝管１７、１８、１９及び集合管２１における枝管１９との連結部分までが例えば埋設されている。
【００２０】
分岐管２２に取り付けられた配管構成変更弁２３は、分岐管２２における長手方向の所定部位、例えば中央部分に設けられ、一方、枝管２０に取り付けられた配管構成変更弁２４は、枝管２０における分岐管２２の両端の開口部の連結部分３１、３２間に設けられている。
【００２１】
ここで、水力機械１の発電運転等の通常運転時、すなわち、導水管及びガイドベーン９が開口され、閉止弁３０が閉止されて水力機械１の運転が行われる場合には、ランナ６の羽根枚数×回転速度を基準振動とする圧力脈動が発生し、この脈動は、枝管１７、１８、１９、２０及び集合管２１内の水柱を伝播し、制御配管ユニット１５全体の連成振動を引き起こすことになる。この際、制御配管ユニット１５に作用する加振力の周波数が、配管系の水柱固有振動数と一致してしまった場合には、配管内に共振が生じ大きな圧力脈動が発生する可能性がある。
【００２２】
そこで、分岐管２２及び配管構成変更弁２３、２４を備える制御配管ユニット１５では、配管構成変更弁２３、２４の開閉を適宜切替えることで、配管構成（例えば配管の長さ等）を変更することが可能となり、連成される配管系の固有振動特性を変化させることができる。すなわち、枝管２０の全長を使用する配管系と、枝管２０の途中に分岐管２２を介在させて使用する配管系とのいずれかで、加振周波数と固有振動数との一致を回避することが可能となる。
【００２３】
したがって、本実施形態の水力機械１によれば、制御配管ユニット１５の振動特性を好適に設定することが可能となるので、配管系に起こり得る共振の発生を抑制でき、配管の損傷（疲労破壊）等を防止することができる。これにより、長期にわたって水力機械１を安定した状態で運転させることができる。
【００２４】
なお、この実施形態の構成に代えて、分岐管を集合管２１に設けてもよいし、また、分岐管を他の枝管に設けてもよいし、分岐管を複数設けてもよい。さらに、上記配管構成変更弁２３、２４の両方を全開にした配管構成で水力機械１の通常運転を行うようにしてもよい。また、配管構成変更弁２３、２４に電磁弁等を適用してもよい。この場合、運転状態や振動の発生状況等に応じて、弁の開度、つまり配管内の流路の断面積を適宜調整することでき、これにより、固有振動特性を変化させることができる。
【００２５】
さらに、分岐管２２の中央部に設けられていた配管構成変更弁２３に代えて、分岐管２２の両端部、すなわち枝管２０と分岐管２２との連結部分３１、３２の近傍にそれぞれ、一対の弁を配置してもよい。この場合、分岐管２２の未使用時にこの配管を完全に閉塞させることができ、分岐管２２の使用時と未使用時との配管構成の差別化、つまり配管系の振動特性の変更をより正確に行うことができる。また、複数の枝管１７、１８、１９、２０のうちの少なくとも一つの枝管の全長や流路断面積を他の枝管と異なるようにしてこれを構成してもよい。この場合、個々の枝管どうしの振動の位相が一致する可能性が低減され、連成振動による振動量の増加を抑制することができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図４及び図５に基づき説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、第１の実施形態の水力機械１に設けられていた制御配管ユニット１５に代えて、図４及び図５に示す制御配管ユニット３５を備えて構成されている。
【００２７】
すなわち、制御配管ユニット３５は、分岐管接続機構３６を備えて構成されている。この分岐管接続機構３６には、制御配管ユニット１５に設けられていた分岐管２２の両端の開口部を各々接合するための一対の分岐管接合部としての座３７、３８と、枝管２０における上記座３７、３８の間に設けられた配管構成変更用の予備弁３９とが設けられている。予備弁３９は、第１の実施形態の配管構成変更弁２４と同一の機能を有する。また、後付け可能な分岐管２２には、第１の実施形態の配管構成変更弁２３を取り付けておいてもよい。座３７、３８には、例えばねじ溝等を形成しておくこと等が例示される。この場合、分岐管２２の両端部分に予めねじ部を形成しておくこと等で配管どうしの連結作業を容易に行うことができる。
【００２８】
このように構成された本実施形態によれば、制御配管ユニット３５に作用する圧力脈動の周波数が、その配管系の水柱固有振動数と一致する可能性がある場合、つまり配管系が共振するおそれがある場合等には、座３７、３８を通じて分岐管２２を枝管２０に接続すると共に、予備弁３９及び配管構成変更弁２３の開閉を適宜切替えることで、制御配管ユニット３５全体の固有振動特性を変化させることができる。これにより、振動の影響で配管系を損傷すること等を防止でき、長期間にわたって水力機械を安定的に運転させることができる。なお、分岐管２２を枝管２０に取り付けた場合に、枝管２０における座３７、３８の間を完全に閉塞できるように、座３７、３８の設置部分を継ぎ手構造にしてもよい。
【００２９】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を図６に基づき説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、第１の実施形態の水力機械１に設けられていた制御配管ユニット１５に代えて、図６に示す制御配管ユニット４０を備えて構成されている。
【００３０】
すなわち、制御配管ユニット４０は、制御配管ユニット１５に設けられていた分岐管２２に代えて、枝管２０から入口配管４１を介して分岐接続されたチャンバ４２を備えている。本実施形態では、チャンバ４２を設置したことで、配管系の固有振動数が低下し、連成される配管系の固有振動特性を変化させることができる。したがって、枝管１７、１８、１９、２０及び集合管２１からなる配管構成では、共振が生じてしまうような場合でも、チャンバ４２を設置してあることで、この共振を回避することができる。なお、チャンバを集合管２１に設けてもよいし、チャンバを他の枝管に設けてもよいし、チャンバを複数設けてもよい。
【００３１】
本実施形態では、配管系の固有振動特性を変化させる構成として、チャンバを適用したことで、チャンバの形状を適宜設定し、配管系の固有振動特性を大きく変化させることができる。また、枝管２０におけるチャンバ４２の取付スペースに制約がある場合でも、上記入口配管４１を引き回し、枝管２０から大きく離間した場所にチャンバを設置すること等も可能である。
【００３２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を図７及び図８に基づき説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、第３の実施形態の水力機械に設けられていた制御配管ユニット４０に代えて、図７及び図８に示す制御配管ユニット４５を備えて構成されている。
【００３３】
すなわち、制御配管ユニット４５には、チャンバ接続機構４６が設けられている。このチャンバ接続機構４６には、制御配管ユニット４０に設けられていたチャンバ４２を枝管２０に対して入口配管４１を介し分岐接続するチャンバ接合部としての座４７が設けられている。したがって、本実施形態によれば、制御配管ユニット４５内の圧力脈動による加振周波数と、その配管系の固有振動数とが一致し、配管系の共振が起こってしまうような場合等には、座４７に、入口配管４１を介してチャンバ４２を接合することで、制御配管ユニット４５全体の固有振動特性を変化させることができる。
【００３４】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を図９及び図１０に基づき説明する。なお、第３の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、第３の実施形態の水力機械に設けられていた制御配管ユニット４０に代えて、図９及び図１０に示す制御配管ユニット５０を備えて構成されている。
【００３５】
すなわち、制御配管ユニット５０には、その容積を可変する可変チャンバユニット５１が設けられている。この可変チャンバユニット５１には、入口配管５２を介して枝管２０に接続されたチャンバ５４内の容積を可変させるために調整機構としてシリンダ機構５３が設けられている。このシリンダ機構５３によって、チャンバ５４の容積を共振を回避可能な容積に設定しその状態を維持できると共に、水力機械の運転状態に応じて、チャンバ５４内の容積を適宜変更させることができる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、チャンバ５４の容積を変更することで、制御配管ユニット５０の固有振動特性を一定の幅をもって変化させることが可能となり、配管系の共振を回避することができる。ここで、例えば、配管途中と固定的な容積の共振室等とが接続され、且つこの接続部分の入口面積を可変するといった構造の配管系等と比べた場合、チャンバ等の容積自体を変化させる本実施形態では、固有振動特性をより大きく変化させることできる。
【００３７】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態を図１１に基づき説明する。なお、上述した実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、第５の実施形態の水力機械に設けられていた制御配管ユニット５０に代えて、図１１に示す制御配管ユニット５５を備えて構成されている。
【００３８】
すなわち、制御配管ユニット５５は、第５の実施形態の制御配管ユニット５０に加え、そのユニット内（配管系内）の圧力をリアルタイムに検出する圧力検出装置５６と、圧力検出装置５６による検出結果に基づいて、シリンダ機構５３の動作を制御する制御装置５７とを備えて構成されている。圧力検出装置５６は、制御配管ユニット５５内の圧力が異常な値を示しているか否か、つまり、配管系に共振が起こっているか否かを検出するものである。
【００３９】
制御装置５７は、圧力検出装置５６によって検出された配管系内の圧力値を、所定のしきい値と比較し、測定した圧力値がしきい値を超えた場合に、モニタされている圧力値がしきい値以下になるようにシリンダ機構５３を制御しチャンバ５４の容積を調整する。したがって、本実施形態によれば、配管系が共振の影響で大きく振動してしまうこと等を抑制しつつ長期にわたって安定した水力機械の運転が可能になる。
【００４０】
なお、圧力の絶対値をしきい値と比較することに代えて、一定の時間内における圧力の変化量を検出し、この変化量が所定値以上になった場合に、制御装置５７によりシリンダ機構５３の動作を制御させるようにしてもよい。また、検出する要素として、圧力の他、配管系内の水温、水に混入する気泡の割合、配管自体の振動量、及びランナ６の回転数の変化等を検出するようにし、これらの検出結果に基づき、チャンバ５４の容積を調整するようにしてもよい。
【００４１】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態を図１２に基づき説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、第１の実施形態の水力機械１に設けられていた制御配管ユニット１５に代えて、図１２に示す制御配管ユニット６０を備えて構成されている。
【００４２】
すなわち、この実施形態に係る制御配管ユニット６０は、第１の実施形態の制御配管ユニット１５に加え、配管構成変更弁２３、２４の開度を調整する弁開度調整機構６１と、上述した圧力検出装置５６と、圧力検出装置５６による検出結果に基づいて、弁開度調整機構６１の動作を制御する上記制御装置５７とから構成されている。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、配管系内の圧力の検出結果に基づいて、配管構成変更弁２３、２４の開度が適宜調整され、制御配管ユニット６０の振動特性を好適に設定することが可能となる。これにより、配管系に生じる振動量を実質的に低減でき、配管の損傷等を防止することができる。
【００４４】
（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態を図１３及び図１４に基づき説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、ランナ６の回転速度を変化させる可変速運転機構６７を備えるものであって、第７の実施形態で適用された制御配管ユニット６０に代えて、図１３に示す制御配管ユニット６５を備えて構成されている。
【００４５】
すなわち、この実施形態に係る制御配管ユニット６５は、制御配管ユニット６０が備えていた圧力検出装置５６に代えて、ランナ６の回転速度を検出する運転モード検出装置６６を備えている。
【００４６】
さらに、図１４を用いて詳述すると、可変速運転を行う水力機械では、ランナ６の回転で生じた圧力脈動による加振周波数ｆｎが、無論一定ではなく、例えば下限の加振周波数ｆＬから、上限の加振周波数ｆｕまでの範囲、つまり加振周波数範囲６８の幅を持つことから、この加振周波数と制御配管ユニット６５の固有振動数とが一致する可能性が高くなる。すなわち、現状での運転状態の加振周波数ｆ０が固有振動数と一致すると共振が生じることになる。
【００４７】
そこで、制御装置５７は、図１３に示すように、ランナ６の回転速度を検出し、検出した回転速度と配管系の水中固有振動数との関係により弁開度調整機構６１を動作制御して配管構成変更弁２３、２４の開度を調整する。つまり、制御装置５７は、ランナ６の回転速度に起因する圧力脈動の周波数と、配管系の水柱固有振動数とが一致してしまうことを避けるように弁開度調整機構６１を介して配管構成変更弁２３、２４の開度を調整する。
【００４８】
これにより、図１４に示すように、弁開度調整前の配管系の固有振動数の逓倍成分ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１、ｅ１を、弁開度調整後、逓倍成分ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２、ｅ２へ移行させることが可能となる。したがって、本実施形態によれば、水力機械の運転モード、つまりランナ６の回転速度に応じて、制御配管ユニット６５の固有振動数を変化させるので、可変速運転時においても配管系の共振を回避でき、配管の損傷等を防止することができる。
【００４９】
（第９の実施形態）
次に、本発明の第９の実施形態を図１５及び図１６に基づき説明する。なお、上述した実施形態と同一の部材については、同一の符号を付与する。
この実施形態に係る水力機械は、第１の実施形態の水力機械１に設けられていた制御配管ユニット１５に代えて、図１５及び図１６に示す制御配管ユニット７０を備えて構成されている。
【００５０】
すなわち、制御配管ユニット７０は、両端にのみ開口が各々設けられ、一端の開口が、ランナ室５内のランナ側圧室１２の開口部２５、２６、２７、２８にそれぞれ接続されていると共に、他端の開口が、吸出し管８の互いに異なる位置にある開口部７５、７６、７７、７８にそれぞれ接続された分岐や合流のない複数の単一配管７９、８０、８１、８２と、これらの単一配管上にそれぞれ設けられた閉止弁８３、８４、８５、８６とから構成されている。
【００５１】
ここで、水力機械の発電運転時等の通常運転中では、閉止弁８３、８４、８５、８６はそれぞれ閉止され、単一配管７９、８０、８１、８２は、一端が開放端で他端が閉止端の単純な配管となる。この際、制御配管ユニット７０の単一配管７９、８０、８１、８２どうしは互いに独立しているため、個々の配管どうしの振動の位相等が一致する可能性が低減され、個々の枝管どうしが干渉し合う連成振動の発生が防止される。これにより、制御配管ユニット７０の所定の周波数範囲内に存在する固有振動のモード数が実質的に減り、ランナ６の回転により生じる加振周波数と配管系の固有振動数とが一致する危険性を低減することができる。したがって、本実施形態によれば、配管系の振動特性が好適に設定され、共振による配管の損傷等を防止することができる。なお、長い枝管を引き回して集合管に集めるといった配管構成に比べ、配管系に種々の欠陥が内在する可能性が低減されるという利点もある。
【００５２】
以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、本発明をフランシス水車に適用したが、カプラン水車やぺルトン水車等の水力機械に本発明を適用してもよい。また、上記実施形態では、水柱振動が対象となる配管系であったが、勿論、気柱振動が対象となる配管系等にも本発明を適用することが可能である。また、上述した実施形態では、言うまでもなく、配管系の騒音を低減させる効果を得ることもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水力機械及びその運転方法によれば、配管系の振動特性を好適に設定することができるので、配管系に起こり得る共振の発生を抑え長期にわたって安定した運転を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水力機械を示す縦断面図である。
【図２】図１の水力機械が備える制御配管ユニットの構成を示す配管図である。
【図３】図２の制御配管系の構成を模式的に示すモデル図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示すモデル図である。
【図５】図４の制御配管ユニットに設けられた分岐管接続機構を詳細に示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示すモデル図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示すモデル図である。
【図８】図７の制御配管ユニットに設けられたチャンバ接続機構を詳細に示す図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示すモデル図である。
【図１０】図９の制御配管ユニットに設けられた可変チャンバユニットを詳細に示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示すモデル図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示すモデル図である。
【図１３】本発明の第８の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示すモデル図である。
【図１４】図１３の制御配管ユニットの固有振動数の変化を説明するための図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態に係る水力機械の制御配管ユニットの構成を示す配管図である。
【図１６】図１５の制御配管ユニットの構成を模式的に示すモデル図である。
【図１７】従来の水力機械を示す縦断面図である。
【図１８】図１７の水力機械が備える制御配管ユニットの構成を示す配管図である。
【図１９】図１８の制御配管ユニットの構成を模式的に示すモデル図である。
【符号の説明】
１…水力機械、２…ランナ周りでの開口部、３…吸出し管での開口部、５…ランナ室、６…ランナ、８…吸出し管、１１…ランナ背圧室、１２…ランナ側圧室、１５，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６５…制御配管ユニット、１７，１８，１９，２０…枝管、２１…集合管、２２…分岐管、２３，２４…配管構成変更弁、２５，２６，２７，２８…ランナ側圧室の開口部、２９…吸出し管の開口部、３６…分岐管接続機構、３７，３８，４７…座、３９…予備弁、４２，５４…チャンバ、４６…チャンバ接続機構、５１…可変チャンバユニット、５３…シリンダ機構、５６…圧力検出装置、５７…制御装置、６１…弁開度調整機構、６６…運転モード検出装置、６７…可変速運転機構、７５，７６，７７，７８…吸出し管の開口部、７９，８０，８１，８２…単一配管。
【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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【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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