(57)【要約】【課題】水力発電設備における漏水や湧水を排水する際に、排水ポンプを用いることなく排水ができるようにしてコストダウンを図る。【解決手段】供給された水によりランナ１１を回転させ、その水を吸出管１４により下池に導いてなる水力機械における漏水や建家からの湧水を排水ピット２１に貯留して排水する際に、排水ピット２１と上部吸出管１４ａとを排水管２５により接続し、この排水管２５には排水弁２６を設ける。そして、排水弁２６を開くことにより、排水ピット２１と上部吸出管１４ａと間で発生する圧力差により排水ピット２１に貯留されている水を吸引して吸出管１４に排水する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上池から供給された水により回転するランナと、該ランナから排出される水を下池に導く吸出管を有する水車と、前記水車からの漏水や前記水車が設置される建屋にて発生する湧水を貯留する排水ビットとを備える水力機械において、
前記排水ビットと前記吸出管の上部とを連結し、前記水車の運転中にこれらの間での差圧によって該排水ビットに貯留されている水を吸引して前記吸出管に排水する排水管を設けたことを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記吸出管の上部に接続され、前記吸出管内に空気を導入する空気導入管が設けられ、前記排水管は当該空気導入管を介して前記吸出管の上部に連結されることを特徴とする請求項１記載の水力機械。
【請求項３】
前記吸出管の上部に連結された前記排水管もしくは前記空気導入管の開口部は、当該吸出管の中央部に達するように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の水力機械。
【請求項４】
前記排水管には、当該排水管の逆流を防止する逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３記載の水力機械。
【請求項５】
請求項１乃至３記載の水力機械の運転方法において、前記排水ビットの水位を検出し、当該排水ビットの水位が所定水位以上となった場合に前記排水管により当該排水ビットからの排水を行なうことを特徴とする水力機械の運転方法。
【請求項６】
請求項１乃至３記載の水力機械の運転方法において、前記吸出管内の圧力が前記排水ビットの圧力よりも低くなった場合に前記排水管により当該排水ビットからの排水を行なうことを特徴とする水力機械の運転方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３記載の水力機械の運転方法において、前記排水ビットの水位が所定の水位に達し、かつ、前記吸出管内の圧力が前記排水ビットの圧力よりも高い場合に、当該吸出管内の圧力が低下するように前記水車の運転条件を一時的に切替えることを特徴とする水力機械の運転方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項３記載の水力機械の運転方法において、前記排水ビットの水位が所定の水位に達し、かつ、前記水車が運転停止中である場合に、前記水車を一時的に運転して前記吸出管内の圧力を低下させることを特徴とする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、水車及びポンプ水車を備える水力機械における漏水や建家からの湧水等を排水する水力機械及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水力発電設備を図９に例示して説明する。同図は、水力発電設備の概略構成を示す図で、図示しない上池からの水によりランナ１０１が回転し、このランナ１０１に連結された主軸１０２を介して発電機１０３が駆動されて発電が行われるようになっている。ランナ１０１を回転させた水は吸出管１０４を介して図示しない下池に放水される。
【０００３】
このような水力発電設備の建家は大半が地下か半地下に埋設された構造となっている。
【０００４】
このため建家の周辺岩盤から大量の地下水が湧水し、また水車からは主軸１０２の封水部１０５等から漏水が発生する。このような湧水や漏水は、機能上及び構造上から無くすることができない。
【０００５】
そこで、発電所の建家で比較的低い位置に排水ピット１２０が設けられ、湧水は湧水集水管１１０により、漏水は漏水集水管１１１により排水ピット１２０に一時的に貯留されるようになっている。
【０００６】
そして、排水ピット１２０の水位が所定水位に達すると、排水ポンプ１２１が起動されて排水管１２２を介して発電所建家外や吸水管１０４内に排水するようにしている（特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１４１２０３号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０２０４３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、後述する理由により排水ポンプ１２１には揚程、揚水量等の大きな装置が必要とされると共に、かかる大型の排水ポンプ１２１を駆動するための電力及びそのための電源設備等の付帯設備が必要になりコストアップの要因となっていた。
【０００９】
即ち、排水ピット１２０は集水の機能を高めるため発電所の最も低い場所に据付ける傾向があるため、発電所建家外や吸水管１０４等までの高低差が大きくなってしまい揚程の大きな排水ポンプ１２１が必要とされ、湧水や漏水が多い場合には大きな揚水量の排水ポンプ１２１が必要となる。
【００１０】
また、排水ポンプ１２１の設置に当たっては、設置面積（排水装置の占有面積）を増やすことがないように、排水ピット１２０の上部に排水ポンプ１２１が設置される場合があり、この場合には排水ピット１２０のまで配管を延長する必要が生じるためその分だけ揚程を大きくしなければならない。
【００１１】
そこで、本発明は、かかる排水ポンプを省くことによりコストダウンを可能にした水力機械及びその運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、上池から供給された水により回転するランナと、該ランナから排出される水を下池に導く吸出管を有する水車と、水車からの漏水や水車が設置される建屋にて発生する湧水を貯留する排水ビットとを備える水力機械において、排水ビットと吸出管の上部とを連結し、水車の運転中にこれらの間での差圧によって該排水ビットに貯留されている水を吸引して吸出管に排水する排水管を設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２にかかる発明は、吸出管の上部に接続され、吸出管内に空気を導入する空気導入管が設けられ、排水管は当該空気導入管を介して吸出管の上部に連結されることを特徴とする。
【００１４】
請求項３にかかる発明は、吸出管の上部に連結された排水管もしくは空気導入管の開口部は、当該吸出管の中央部に達するように構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項４にかかる発明は、排水管には、当該排水管の逆流を防止する逆止弁が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至３記載の水力機械の運転方法において、排水ビットの水位を検出し、当該排水ビットの水位が所定水位以上となった場合に排水管により当該排水ビットからの排水を行なうことを特徴とする。
【００１７】
請求項６にかかる発明は、請求項１乃至３記載の水力機械の運転方法において、吸出管内の圧力が排水ビットの圧力よりも低くなった場合に排水管により当該排水ビットからの排水を行なうことを特徴とする。
【００１８】
請求項７にかかる発明は、請求項１乃至請求項３記載の水力機械の運転方法において、排水ビットの水位が所定の水位に達し、かつ、吸出管内の圧力が排水ビットの圧力よりも高い場合に、当該吸出管内の圧力が低下するように水車の運転条件を一時的に切替えることを特徴とする。
【００１９】
請求項８にかかる発明は、請求項１乃至請求項３記載の水力機械の運転方法において、排水ビットの水位が所定の水位に達し、かつ、水車が運転停止中である場合に、水車を一時的に運転して吸出管内の圧力を低下させることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態の説明に適用される水力発電設備の概略構成を示す図で、水力発電設備は発電機３、該発電機３を駆動する水車４、施設内の排水を行う排水装置５等を主要構成として、主軸６により水車４で発生した回転力が発電機３に伝達されるようになっている。
【００２１】
水車４は、水の運動エネルギーを回転エネルギーに変えるランナ１１、図示しない上池からの水をランナ１１に導くケーシング１６、該ランナ１１に供給される水量を調整する図示しないガイドベーン１７、ランナ１１の上部周囲及び下部周囲を覆うように設けられた上カバー１２及び下カバー１３、該下カバー１３と連結されてランナ１１からの水を図示しない下池に導く吸出管１４、上カバー１２に連結されて主軸６を封水する封水部１５等を有している。
【００２２】
排水装置５は、湧水や漏水を一時貯留する排水ピット２１、湧水を集めて当該排水ピット２１に導く湧水集水管２２、封水部１５等からの漏水を集めて排水ピット２１に導く漏水集水管２３、一端開口が吸出管１４のランナ側上部に接続されて、他端開口が排水ピット２１の底部に設けられた排水管２５、該排水管２５に設けられた排水弁２６等を有している。
【００２３】
なお、本明細書では、吸出管１４のランナ側上部を上部吸出管１４ａと記載する。
【００２４】
このような構成で、上池からの水によりランナ１１が回転し、主軸６を介して発電機３が駆動されて発電が行われる。ランナ１１を回転させた水は、吸出管１４を介して下池に放水される。
【００２５】
一方、湧水は湧水集水管２２により、また漏水か漏水集水管２３により集められて排水ピット２１に貯留され、排水弁２６を開くことにより排水管２５を介して上部吸出管１４ａ内に吸込まれて、ランナ１１からの水と共に下池に放水される。
【００２６】
排水ピット２１の水が上部吸出管１４ａ内に吸込まれる理由は、以下の理由による。即ち、上部吸出管１４ａを流動する水はランナ１１からの水の旋回方向速度と軸流方向との速度分布に起因して様々な挙動を示す。
【００２７】
そして、ガイドベーン１７を絞ってランナ１１への水量を減じる（部分負荷運転と言う）と、軸流速度成分に対して旋回速度成分が大きな比率を持つようになり、このような状態では上部吸出管１４ａ内での水の旋回流が増大してランナ１１下端付近から下流に向かって渦巻状のホワール９と呼ばれる死水域が発達する。このホワール９内は、圧力の低い空気等からなり、このため上部吸出管１４ａの内部圧力が低下して大気圧以下になる。
【００２８】
一方、排水ピット２１の圧力は大気圧であるので、これらの間には差圧が発生して、この差圧が排水管２５の両方の開口に作用するため、排水弁２６を開くと排水ピット２１に貯留された水は当該差圧により吸出管１４に吸引されて下池へと排水することが可能になる。
【００２９】
従って、従来のように排水ポンプ１２１を用いることなく排水ピット２１に貯留された水を排水することが可能になると共に、当該排水ポンプ１２１を駆動するための電源設備等の付帯設備が不要となって、コストダウンが可能になる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００３１】
上記第１の実施の形態においては、部分負荷運転時にホワール９が生じた際に上部吸出管１４ａ内の圧力が大気圧以下になることを利用して、排水ピット２１に貯留された水を排水する場合について説明した。
【００３２】
このようなホワール９は時々刻々振れ回り振動や騒音を発生させるので、当該振動等を抑制するため通常は空気を上部吸出管１４ａ内に導く空気導入管３１を設けて、空気弁３２を開くことにより上部吸出管１４ａ内から水車内部に空気を導入している。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、図２に示すように、この空気導入管３１に排水管２５を連結して排水が行われるようにしたものである。なお、排水管２５と空気導入管３１とは、空気弁３２と上部吸出管１４ａとの間で接続されている。
【００３４】
これにより排水ピット２１の水を排水する際には、空気弁３２を適宜絞って又は閉じて排水管２５に差圧がかかるようにして、排水弁２６を開くことにより、当該差圧により排水ピット２１の水が排水管２５、空気導入管３１を介して吸出管１４に吸引されて排水することが可能になる。
【００３５】
なお、空気導入管３１は、水車の建設時にコンクリート等からなる建屋構造物内に埋設されるが、上部吸出管１４ａの付近等では露出配管されている部分があるので、当該露出部分に排水管２５を接続するならば、上部吸出管１４ａに穴を開けて排水管２５を直接接続する場合に比べ接続作業が容易になると共に、既存設備が利用できる利点がある。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００３７】
これまで説明した第１及び第２の実施の形態においては、排水管２５の開口は上部吸出管１４ａの内壁に形成されることになる。
【００３８】
しかし、上部吸出管１４ａ内の圧力には分布があるため、効率的に排水を行うにはこの圧力分布を適切に利用することが望まれる。
【００３９】
図３（ｂ）は上部吸出管１４ａ内の圧力分布を示す図で、横軸に水車出力、縦軸に圧力低下率ρを示している。この圧力低下率ρは、上部吸出管１４ａの水頭圧Ｈｉと吸出管１４の出口での水頭圧Ｈｄとの差分を水車の有効落差Ｈｅで無次元化して表したもので（ρ＝（Ｈｉ＋Ｈｄ）／Ｈｅ）、当該圧力低下率ρの絶対値が大きい方が差圧が大きく、排水能力が高いことを示している。
【００４０】
同図から分るように、圧力低下率ρは最も発電効率が良くなる設計点ηｏｐｔ（破線）で最も小さくなり、かつ、吸出管１４の管壁側（実線）と中心側（点線）では中心側（ホワール９が発生している領域）の方が全体的に大きな圧力低下率ρを示している。
【００４１】
なお、図３（ｂ）でＰ１００％のライン（一点鎖線）は、水車出力が１００％の位置を示し、略ガイドベーン１７が全開した時の水車出力に対応している。
【００４２】
このような観点から本実施の形態では、図３（ａ）に示すように、上部吸出管１４ａに接続された排水管２５に延設管３３を接続して、その開口３３ａが上部吸出管１４ａの中心側に位置するようにしている。
【００４３】
これにより、上部吸出管１４ａ内に位置する延設管３３の開口３３ａと排水ピット２１内に位置する排水管２５の開口との差圧を大きくすることができて効率的な排水が可能となる。
【００４４】
次に、本発明の第４の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００４５】
第３の実施の形態においては、上部吸出管１４ａ内に圧力分布があることを利用して、効率的な排水が行えるように上部吸出管１４ａの中心側に開口３３ａを持つ延設管３３を排水管２５に接続して設けて、大きな排水能力が常時得られるようにした。
【００４６】
しかし、このような延設管３３は水の流れを阻害したり、逆に長い延設管３３は水の流れにより破損等を起し易すく、また通常運転においては排水能力が過剰となる場合もある。
【００４７】
そこで、本実施の形態では、図４に示すように、水車運転条件、排水ピット２１の水位等と連動して動作する伸縮装置３４を延設管３３に設けて、当該延設管３３の開口３３ａの位置を調整できるようにしている。
【００４８】
これにより、延設管３３の長さが調整できるようになり、水流の流れを阻害したり破損等を受難くすると共に必要とされる排水能力が適切に得られるようにしたものである。
【００４９】
このような構成で、例えば排水ピット２１内の水を排水する必要がない場合や大きな排水能力が必要とされない場合には、延設管３３を上部吸出管１４ａの管壁付近に収納し、大きな排水能力が必要になった場合には延設管３３を上部吸出管１４ａの中心側に延す。
【００５０】
大きな排水能力が必要とされる場合として、通常状態においては延設管３３の開口３３ａが上部吸出管１４ａの管壁側に位置していても十分に排水処理が行える状況で、例えば地震等が発生して一時的に湧水が急増したような場合が例示できる。
【００５１】
このように必要と排水能力に応じて延設管３３を伸縮させてその開口位置を変えることで、水流の流れを阻害したり破損等を受難くすると共に必要とされる排水能力が適切に得られるようになる。
【００５２】
次に、本発明の第５の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５３】
これまで説明した各実施の形態では、排水ピット２１の水は排水管２５に作用する差圧により排水する構成であるため大掛かりな排水ポンプ１２１等を必要としない利点があるものの、下池水位が著しく上昇して高水位になった場合や水車が起動、停止時等の過渡状態にある場合には、上部吸出管１４ａの圧力が排水ピット２１の圧力より高くなることがあり、かかる場合には上部吸出管１４ａから排水ピット２１に水が逆流することが危惧される。
【００５４】
そこで、本実施の形態では、図５に示すように、排水管２５に逆止弁３５を設けて上部吸出管１４ａから排水ピット２１に水が逆流しないようにしたものである。
【００５５】
これにより、運転状況等により上部吸出管１４ａの圧力が排水ピット２１の圧力より高くなっても排水ピット２１に水が逆流するのを防止できるようになり信頼性が向上する。
【００５６】
次に、本発明の第６の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５７】
これまで説明した各実施の形態においては、排水ピット２１の貯水量に関わらず排水処理が行えるような構成であったが、本実施の形態にかかる発明では排水ピット２１に所定量の水量が貯留されたときに排水処理を行うようにしたものである。
【００５８】
このため図６に示すように、排水ピット２１の水位を検出する水位検出器３６を設けると共に、逆止弁３５と上部吸出管１４ａとの間の排水管２５に電動弁等の排水弁３７を設けて、当該排水弁３７が水位検出器３６からの信号に基づき動作するようにしている。
【００５９】
これにより、排水ピット２１の水位が所定水位まで上昇すると、水位検出器３６がこれを検出して排水弁３７が開かれて、排水ピット２１の水が排水できるようになり効率的な排水が可能になる。
【００６０】
無論、排水ピット２１の水位が所定水位に達していても、上部吸出管１４ａ側の圧力が排水ピット２１より高い場合があるので、このような場合に上部吸出管１４ａから排水ピット２１に水の逆流を防止する必要があり、かかる作用を逆止弁３５がなしている。
【００６１】
次に、本発明の第７の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００６２】
上記第６の実施の形態では、排水ピット２１に貯留された水位が所定水位に達したときに、当該水位を検出して排水弁３７が開くようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図７に示すように、上部吸出管１４ａ側圧力をＰｄ、排水ピット２１側圧力をＰｐとした際に両者の圧力差を算出する差圧検出器３８を設けて、当該差圧検出器３８からの信号に基づき排水弁３７が動作するようにしても良い。
【００６３】
このような構成にすることにより、上部吸出管側圧力Ｐｄ＜排水ピット側圧力Ｐｐの場合には、排水弁３７が開き排水を可能にし、上部吸出管側圧力Ｐｄ≧排水ピット側圧力Ｐｐの場合には、排水弁３７が閉じて排水を停止することで、逆流を防止しながら効率的な排水が可能になる。
【００６４】
なお、上部吸出管側圧力Ｐｄ＜排水ピット側圧力Ｐｐの条件が満たされた場合に排水処理が開始されるように設定したので、原則として上部吸出管１４ａから排水ピット２１に水の逆流は生じないが、排水弁３７が停電時（無通電時）には開く構成であると、この間に逆流が発生する恐れがあるので、逆止弁３５を設けて、かかる場合でも逆流が発生しないようにしている。
【００６５】
次に、本発明の第８の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００６６】
これまでの説明では、排水処理を行う際の条件として上部吸出管１４ａの圧力が排水ピット２１の圧力より低くなることを条件としたが、この条件の他に発電所の下池水位も吸引排水が可能であるか否かを判断する条件として重要である。
【００６７】
図８は、発電所の上部吸出管内圧力Ｈｉを水車出力に対して示した図で、Ｈｓ値は発電所の下池水位から自然吸引が可能である上限を示す値である。従って、このＨｓ値を下廻る領域においてこれまで説明したような吸引排水が可能となる。
【００６８】
同図から設計点であるηｏｐｔ点付近では、上部吸出管内圧力ＨｉがＨｓ値と同等であることから大きな排水能力を期待することができないが、ガイドベーン１７の開度を幾分しぼり水車出力を下げた領域では上部吸出管内圧力ＨｉとＨｓ値との差が大きくなり排水能力が向上することがわかる。
【００６９】
即ち、水車運転中であっても水力発電所の設置条件により吸引排水することができない運転状態があり、このような場合でも運転状態を変化させることで排水能力が向上する。
【００７０】
そこで、本実施の形態では、水車がηｏｐｔ付近の排水能力が低い条件で運転されている最中に排水ピット２１の水位が所定値に達した場合には、一時的に水車出力を下げて排水能力を高めて排水処理を行い、当該排水処理が完了すると水車出力を元の状態に戻すように制御するようにしている。
【００７１】
かかる制御は、図示しない運転制御装置により行われ、その際には排水能力とガイドベーン１７の開度や水車出力との関係が、予め上部吸出管１４ａの圧力、下池水位の関係から求めて設定され、また新設発電所の場合は模型試験において求めて設定されている。
【００７２】
これにより、水車の運転状況や下池の水位等にも対応して排水処理が行えるようになり信頼性が向上する。
【００７３】
次に、本発明の第９の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上述した実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００７４】
これまで説明した各実施の形態においては、水車が運転中の場合について説明した。しかし、水車が停止中であっても湧水等が生じるため排水ピット２１に水が溢れてしまうような場合が生じる。
【００７５】
そこで、水車が停止中で排水ピット２１の水が所定量に達した場合には、排水を目的として水車を運転させる。
【００７６】
かかる制御は、図示しない運転制御装置により行われ、その際には排水能力とガイドベーン１７の開度や水車出力との関係が、予め上部吸出管１４ａの圧力、下池水位の関係から求めて設定され、また新設発電所の場合は模型試験において求めて設定されている。
【００７７】
これにより、水車の運転状況や下池の水位等にも対応して排水処理が行えるようになり信頼性が向上する。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、排水ピットと吸出管の上部とを連結して、これらの間での差圧により該排水ピットに貯留されている水を吸引して吸出管に排水する排水管と、該排水管に設けられて排水するか否かを規制する排水弁とを設けたので、排水ポンプを用いることなく排水ができるようになりコストダウンが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用される水力発電設備の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の説明に適用される水力発電設備の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の説明に適用される図で、（ａ）は延設管の構成を示す部分図であり、（ｂ）は上部吸出管の圧力分布を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の説明に適用される図で、延設管を伸縮自在に設けた構成を示す部分図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の説明に適用される水力発電設備の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態の説明に適用される水力発電設備の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態の説明に適用される水力発電設備の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第８及び第９の実施の形態の説明に適用される水車出力に対する上部吸出管内圧力を例示した図である。
【図９】従来の技術の説明に適用される水力発電設備の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
３  発電機
４  水車
５  排水装置
６  主軸
９  ホワール
１１  ランナ
１４ａ  上部吸出管
１４  吸出管
２１  排水ピット
２２  湧水集水管
２３  漏水集水管
２５  排水管
２６，３７  排水弁
３１  空気導入管
３２  空気弁
３３  延設管
３４  伸縮装置
３５  逆止弁
３６  水位検出器
３８  差圧検出器
【図１】
2004245157.tif 000003
【図２】
2004245157.tif 000004
【図３】
2004245157.tif 000005
【図４】
2004245157.tif 000006
【図５】
2004245157.tif 000007
【図６】
2004245157.tif 000008
【図７】
2004245157.tif 000009
【図８】
2004245157.tif 000010
【図９】
2004245157.tif 000011