(57)【要約】【課題】水車に向かって発生し得るうず流の影響を抑制することが可能な立軸バルブ型水車発電設備を提供すること。【解決手段】発電機を内部に収納するバルブ１の上面部に整流棒１３−１の一端を固定支持し、整流棒１３−１の他端を流水路に突出して発電所天井１４にまで延長し、該天井１４で固定支持する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方向に形成された流水路に水車の軸と発電機の軸とが鉛直方向に配置される立軸バルブ型水車発電設備において、
前記流水路における上部水面から前記水車に到る部分に配置される整流棒を具備することを特徴とする立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項２】
前記整流棒は、前記発電機を収納するバルブ部上部に一端が固定支持され且つ他端が前記流水路に突出して配置されることを特徴とする請求項１記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項３】
前記整流棒は、前記流水路の上部水面まで到達する長さを有することを特徴とする請求項１又は２記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項４】
前記整流棒は、鉛直軸線を横切る断面の形状が真円形又は直線と円弧の組み合わせで成立することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項５】
前記整流棒は、単数で設置する際の当該整流棒の鉛直軸線を横切る断面最大外径が、バルブの最大外径をＤｂ、整流棒の最大外径をＤｇとするとき、０．２・Ｄｂ≦Ｄｇ≦０．３・Ｄｂの関係が成立することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項６】
前記整流棒は、前記流水路上部の水面境界付近に整流板を具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項７】
前記整流棒は、前記バルブ内部に対するアクセスための空洞構造を具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項８】
前記整流棒は、前記流水路を形成する流水路外壁面に向かって放射状に配置される複数の支持棒を具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項９】
前記支持棒と対向する流水路外壁に、鉛直方向に流水路最上部まで案内溝を設けたことを特徴とする請求項８記載の立軸バルブ型水車発電設備。
【請求項１０】
前記整流棒は、発電所建屋天井に一端が固定支持され且つ他端が前記流水路に突出して配置されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項立軸バルブ型水車発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立軸バルブ型水車発電設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流水路に沿う方向に水車軸が配置され且つ発電機が流水中に配置される水力発電設備に、バルブ型水力発電設備がある。
【０００３】
かかるバルブ型水力発電設備のうちで、ダム上流部に設備を建設することが可能な構成として立方向の流水路に水車軸と発電機軸が鉛直方向に配置される立軸バルブ型水車発電設備が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
この種の立軸バルブ型水車発電設備を、図１４を参照して説明する。
【０００５】
ダム２１の底部付近に設けた構造物１０により形成された立方向の流水路に、たまご形のバルブ１が配置され、該バルブ１内に、固定子２及び回転子３を主要構成部材とした発電機が内蔵されると共に回転子３には流水路に沿う主軸４が結合されており、その主軸４の先端部には水車のランナ５が取り付けられている。これにより、流水路に沿う方向に水車軸が配置され且つ発電機が流水中に配置された構成となっている。
【０００６】
水車のランナ５の上流側には、流量を調節するガイドベーン６が複数枚円周状に配置されており、これらガイドベーン６は、外周部に位置するゲートリング７とリンク機構により連動する。さらにガイドベーン６の上流側には、バルブ１を支えるためのステー８と呼ばれる支持部材がバルブ１から流水路外壁に向かって放射状に設置されている。さらにバルブ１内に構成された発電機の内部を点検するための点検口９が、バルブ１の上部と下部とにそれぞれ設置されており、これら点検口９もバルブ１を支持する重要の構造物のひとつとなっている。
【０００７】
水車運転中の水の流れ方向を図中矢印にて示すが、水は、入口ゲート１７を通り、構造物１０により形成された流水路の中央部に位置するバルブ１を取り囲むように下方に向かって流れ、ガイドベーン６によって整流されランナ５へと導かれる。ランナ５は複数のランナベーン５ａとランナベーン５ａを保持するランナボス５ｂによって構成されており、要求負荷に対応するためにガイドベーン６の開度と連動したランナベーン５ａの取付角度を設定し、負荷変動に対しても高効率な水車運転が可能なようにしている。ランナ５から出た水は、ランナ５の下流側に配置された吸出し管１１へと流出し、図示しない下池へと導かれる。
【０００８】
この種の立軸バルブ型水車発電設備は一般に比較的落差の低い地点に適用され、このことから流水路上部水面から水車流路に至るまでの垂直距離Ｌが、フランシス水車等に比べて短く、また、フランシス水車等に比べて水車内を流れる水量が多い。これらのことから水車を運転することにより、流水路水面から水車に向かっては吸い込み渦１２といわれる強い旋回を持ったロープ状のうず流が局所的に発生する。
【０００９】
このうず流は、水車運転によって水が急激に水車流路へと吸引されることによって発生するものであり、一度生じたうず流は水面から水車へと途切れることなく連続的に発生する。この渦は、水車に多大な損失を発生させ得、流水面水位の不安定現象が発生し水車内の流れに不安定な現象を引き起こす。
【００１０】
このため水車運転状態に変動が生じ、水車主機をはじめとする機器の運転にも支障をきたすことになる。
【００１１】
一般にこの渦の発生を回避する手段としては、コンクリート製の構造物１０の内壁面形状を変更する等の対策が講じられるが、立地条件により対策方法が異なることから、設備全体の建設コストの増大を招くことになる。
【特許文献１】特開平９−２８０１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上述べた様に、立軸バルブ型水車発電設備においては、水車の流水路を形成する水面に、水車運転によるうず流が水車に向かって発生する。このうずにより水車性能が悪化すると共に、うず流の発生によって水車運転状態が不安定となり運転に支障をきたす。
【００１３】
このような立軸バルブ型水車は、円筒ケーシングを用いる所謂チューブラ水車であり、低落差領域に適用する水車であることから、比較的小さな損失であっても有効落差に対する比率としてあらわされる水車損失の観点からは、無視できない大きなものになる。
【００１４】
本発明の目的は、水車に向かって発生し得るうず流の影響を抑制することが可能な立軸バルブ型水車発電設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために本発明は、立方向に形成された流水路に水車の軸と発電機の軸とが鉛直方向に配置される立軸バルブ水車において、
前記流水路における上部水面から前記水車に到る部分に配置される整流棒を具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、水車運転時、水の流れは整流棒を中心とした緩やかな旋回力を持った流れとなり、局部的うず流が発生しにくくなり、仮に発生した場合においても、この整流棒を中心にうず巻きながら水車上部流路内を流れるため、うず流は消滅し易くなり、水車流路内部へは流れ込まない。
【００１７】
なお、前記整流棒は、前記発電機を収納するバルブ部上部に一端が固定支持され且つ他端が流水路に突出して配置する構成、また発電所建屋天井に一端が固定支持され且つ他端が流水路に突出して配置される構成を採用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように本発明によれば、うず流を発生を抑制するものであり、仮にうず流が発生した場合においてもこのうず流の旋回力を低減し、水車流路へのうず流の流れ込みを防止することができるため、水車流水路で発生する損失を低減することができ、高性能で高信頼性の立軸バルブ水車発電設備を提供できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明による立軸バルブ型水車発電設備の実施形態を説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１４と同一部分には同一符号を付した図１に示すように、本実施形態では、発電機を内部に収納するバルブ１の上面部に整流棒１３−１の一端を固定支持し、整流棒１３−１の他端を流水路に突出して発電所天井１４にまで延長し、該天井１４で固定支持した構成である。
【００２１】
一般に、水車流水路内の水車バルブ部１の周辺に発生するロープ状のうず流は、水車の吸出し管１１から下流の放水路へ水流が急激に大量に流れ出すことにより発生するものである。立軸バルブ型水車発電設備においては、水車流水路水面１１と水車流路との垂直距離Ｌが短く、大量の水を放出することから、このようなうず流が発生し易い。このうず流の発生部位を特定することは困難であり、一度発生したなら継続的に水車に流れ込む。
【００２２】
本実施形態によれば、バルブ１の上面部に一端を固定支持し、他端を流水路に突出した整流棒１３−１を設けていることにより、流れは整流棒１３−１を中心とした緩やかな旋回力を持った流れとなり、局部的うず流が発生しにくくなる。仮に発生した場合においても、この整流棒１３−１を中心にうず巻きながら水車上部流路内を流れる。このため、うず流はバルブ１上面の整流棒１３−１の取り付け部付近で消滅し水車流路内部へは流れ込まない。また、バルブ上部に位置する整流棒により均一な流れが達成できるため、水車に流れ込む流れとしては水車に悪影響を与えない流れを作ることができる。
【００２３】
本実施形態によれば、整流棒１３−１をバルブ１の上面と発電所天井１４とで両端を固定支持しているので、整流棒１３−１の安定性を増すと共に、水車全体の剛性を増加することができるため、水車運転時に発生する諸現象に対しても信頼性ある水車構造が提供できる。また、本実施形態では整流棒を一本としたものを示したが、複数本の整流棒を設置することで整流効果を向上することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
図１４、図１と同一部分には同一符号を付した図２に示すように、本実施形態では、一端がバルブ１の上面に固定支持された整流棒１３−２の他端が、流水路上部水面１５にまで到達する長さとしたものである。
【００２５】
本実施形態によれば第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる上に、整流棒１３−２の高さを、整流作用を必要とする流水路上部水面１５を網羅する高さまでとしたことにより、構造の簡素化が図られる。
【００２６】
（第３実施形態）
図１４、図１及び図２と同一部分には同一符号を付した図３に示すように、本実施形態では、整流棒１３−３の鉛直方向軸線を横切る断面Ａ−Ａでの形状を、真円形又は直線と円弧の組み合わせで成立するものとして、図４（ａ）に示すように円形、又は図４（ｂ）に示すように楕円形状にしたものである。
【００２７】
一般に流水路内の障害物は流れを阻害することになる。断面形状は流水に対して敏感であることから、流れの不均一性を生じるような角部のある形状は好ましくない。
【００２８】
本実施形態の整流棒１３−３は、断面形状を円形又は楕円形に構成する事で水流の損失を低減するものである。また、円形状を基本形状とした方が材料調達上も有利であり、特殊加工も必要としないため建設コストの増加を最小限に抑えることができる。この他、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２９】
（第４実施形態）
図１４、図１乃至図４と同一部分には同一符号を付した図５に示すように、本実施形態では、複数ではなく単数の整流棒１３−４とした場合について、その鉛直方向軸線を横切る断面形状の大きさについて、バルブ１の水車軸４を横切る断面の大きさをＤｂ、バルブ１の上面に取り付けられた整流棒１３−４の同様の断面形状の大きさをＤｇとする時、両者の関係は０．２・Ｄｂ≦Ｄｇ≦０．３・Ｄｂが成り立つように定義するものである。
【００３０】
整流棒１３は水車流路内部にあって流路を構成する一部材であり、バルブ上部の流れを整流する役割を担うが、その大きさには適正値があり、極端に大きければ損失を増加させることになり水車に悪影響を及ぼすことになる。また、逆に極端に細ければ整流効果が得られない。
【００３１】
バルブ径Ｄｂと整流棒径Ｄｇの関係が水車にどのようなエネルギ損失を及ぼすのかを、流れ解析において調査したものが図６である。この図に示すように、損失はＤｇ／Ｄｂ＝０．２５付近で最小となり、整流棒径が大きくなるにつれて増大する。一方Ｄｇ／Ｄｂ＝が０に近づくに連れて、うず流が発生し損失が増加している。この結果からもとめた整流棒大きさの最適値範囲を本実施形態で採用していることにより、水車に与える影響が少ないバルブ径に対して２０％〜３０％の範囲内と判断できる。この他、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３２】
（第５実施形態）
図１４、図１乃至図４と同一部分には同一符号を付した図７に示すように、本実施形態では、整流棒１３−５の流水路上部の水面１５境界付近に、図８に示すように、整流板１６を取り付けたものである。本実施形態では水面境界付近に整流板１６を取り付けるものであるが、整流棒１３−５の全体にこの整流板１６を取り付けた場合でも可能である。また、整流板１６の取り付け方向は、本実施形態のように水流に対して対向する方向でも良いが、整流棒１３−５の後方位置でもよい。
【００３３】
この構成では、上流から入口ゲート１７を通過して水車上部の流水路に到達した水流（図中矢印にて図示）はその後水車流路へと流入する。この際、整流棒１３−５によりその周辺の流れは局部的に乱れることになる。本実施形態の整流板１６を取り付けることにより、整流棒１３−５の周辺の流れはスムーズとなる。この整流板１６の肉厚を根本から先端にかけて徐々に薄くすることで効果を高めることができる。
【００３４】
以上のように本実施形態によれば、バルブ上部の流れを整流することを目的として取り付けた整流棒１３−５の周りの流れを乱すことがないため、整流棒１３−５としての効果を十分に発揮することができ、水車に流入する水流に損失が発生することがないため水車の高効率化が達成できる。この他、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
（第６実施形態）
図１４、図１乃至図８と同一部分には同一符号を付した図９に示すように、本実施形態では、整流棒１３−６の内部を空洞化し、該空洞を、バルブ１の内部に収納する発電機部品の搬入・搬出口、あるいは、水車、発電機、周辺機器の制御線等を外部に引き出すための連絡口を兼用とするものである。
【００３６】
一般的に発電所建屋上部にはクレーン２０が設置されており、このクレーン２０を用いて整流棒１３−６の内部を貫通し、バルブ１の内部の発電機室内に物品を搬入することが可能である。従来ではバルブ１の上下に点検口を設けてバルブ内にアクセスできるようにしているが、この整流棒１３−６を点検口と兼用することで上部点検口９を設けない構成とすることも可能である。尚、バルブ１と整流棒１３−６をそれぞれ剛性の高い構造とすることが可能である場合は、この整流棒１３−６を発電設備の据付け時の吊り上げ用部材としても兼用でき、据付分解工程を大幅に改善することができる。
【００３７】
以上のように本実施形態によれば、内部が空洞化の整流棒１３−６を設けることで、物品の搬入・搬出経路を兼用することが可能となるため、バルブ１の上部付近の点検口９を省略することが可能となり点検口９によって生じていた損失を排除することができる。この他、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
（第７実施形態）
図１４、図１乃至図９と同一部分には同一符号を付した図１０に示すように、本実施形態では、整流棒１３−７に、この整流棒１３−７から流水路を構成するコンクリート製の外壁１０に防振用支持棒１８を放射状に複数枚取り付けたものである。コンクリート製の流路外壁面１０と防振用支持棒１８は頑強に固定することで、水車全体の鉛直軸に対しての振れを抑えることが可能である。また、この防振用支持棒１８はバルブ１の下方のステーに対してかなり上部で支持することから、バルブ水車の防振効果は大幅に向上する。
【００３９】
以上のように本実施形態によれば、バルブ１の上面に取り付けた整流棒１３−７と流水路外壁とを、整流棒１３−７に取り付けた防振支持棒１８によって一体化することで水車を揺らそうとする力を防御するものである。従来はバルブ上部に防振ステーを設けてバルブ上部の振動を抑えていたが、本発明によればこの上部防振ステーを省略することができる、水車全体を剛性の高い構造物として構成することができる。この他、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
（第８実施形態）
図１４、図１乃至図１０と同一部分には同一符号を付した図１１に示すように、本実施形態では、図１０における整流棒１３−７を起点として流路を構成するコンクリート製の外壁１０に向かって防振用支持棒１８を放射状に複数枚取り付けたものにおいて、図１２に示すように、流水路外壁面１０の防振支持棒１８が接続する部位に防振ステー１８の幅寸法をわずかに上回るだけの幅を持った溝１９を鉛直方向に流水路上部終点まで設けるものである。
【００４１】
立軸バルブ水車の流路への据付け作業が最も重要でかつ困難な作業である。本実施形態では、水車全体を水車室に据え付ける際の周方向の位置決め用の案内溝１９を設けて、該溝１９をガイドとすることでスムーズかつ正確な位置決めが可能となるものである。この他、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
（第９実施形態）
図１４、図１乃至図１２と同一部分には同一符号を付した図１３に示すように、本実施形態では、発電所建屋天井１４部に、整流棒１３−８の一端を固定支持し、他端は流水路に突出して配置されるように、最下端はバルブ上部流路の水面１５まで到達するようにしたものである。この場合、中心の整流棒１３−８と外側の整流棒１３−８とで最下端の位置を調整、すなわち、図１３では、中心の整流棒１３−８をバルブ１の上面に最接近させ、外側の整流棒１３−８を中心の整流棒１３−８よりも後退させることで、整流棒１３−８個々及び全体で整流作用を得ることができる。
【００４３】
本実施形態によれば、バルブ１の上面に整流棒を固定することができ無い場合等、整流棒の取り付け条件が緩和される。この他、本実施形態は、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
本発明は、流水路における上部水面から前記水車に到る部分に整流棒を配置するものであって、図１〜図１２までは、バルブ部上部に一端が固定支持され且つ他端が流水路に突出した整流棒であり、図１３は、発電所建屋天井に一端が固定支持され且つ他端が流水路に突出した整流棒である。また図１〜図１３に示す整流棒は、各図に示す構造の一又は複数を相互に採用することができる。
【００４５】
なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る立軸バルブ型水車発電設備の第１の実施形態を示す縦断面図。
【図２】同第２の実施形態を示す縦断面図。
【図３】同第３の実施形態を示す縦断面図。
【図４】図３における断面Ａ−Ａを示す図。
【図５】同第４の実施形態を示す縦断面図。
【図６】同実施形態におけるバルブ径Ｄｂと整流棒径Ｄｇの関係が水車にどのようなエネルギ損失を及ぼすのかを示す測定図。
【図７】同第５の実施形態を示す縦断面図。
【図８】図７における断面Ａ−Ａを示す図。
【図９】同第６の実施形態を示す縦断面図。
【図１０】同第７の実施形態を示す縦断面図。
【図１１】同第８の実施形態を示す縦断面図。
【図１２】図１１における要部を詳細に示す図。
【図１３】同第９の実施形態を示す縦断面図。
【図１４】従来の立軸バルブ型水車発電設備の一例を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１…バルブ、２…固定子、３…回転子、４…主軸、５…ランナ、５ａ…ランナベーン、５ｂ…ランナボス、６…ガイドベーン、７…ゲートリング、８…ステー、
９…点検口、１０…流水路外壁、１１…吸出し管、１２…うず流、１３−１，１３−２，１３−３，１３−４，１３−５，１３−６，１３−７，１３−８…整流棒、１４…発電所建屋天井、１５…流水路水面、１６…整流板、１７…入口ゲート、１８…防振用支持棒、１９…案内溝、２０…クレーン、２１…ダム。
【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】
2005163563.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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