(57)【要約】【課題】  水車構造やその周辺構造を改善して低コスト化を図ることが可能なフランシス水車、及びこれを用いた水車発電ユニット、並びに水車発電ユニットの移設工法を提供する。【解決手段】  管路５からの作動流体を流入する流路６が形成された渦巻状ケーシング７と、流路６と連通する空間部８を画成するカバー部材と、空間部８に収容されたランナと、ランナの下流側に設けられたドラフト管とを有して構成されるフランシス水車において、渦巻状ケーシング７の流入口部７ａに通路面積を可変させるニードル弁２０を配設する。ランナの上流側にステーベーンとガイドベーンを一体化させた固定ベーン１４を複数設ける。また、水車２のベースと発電機３のベースとを一体化し、水車２の主軸１１と発電機３の主軸とを軸線を一致させて直結させると共に主軸を発電機３の筐体に設けられたコロ軸受けにより保持する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路からの作動流体を流入する流路が形成された渦巻状ケーシングと、前記流路と連通する空間部を画成するカバー部材と、前記空間部に収容され、前記作動流体を受けて主軸と一体に回転するランナと、前記ランナの下流側に設けられて前記作動流体を放出するドラフト管とを有して構成されるフランシス水車において、前記渦巻状ケーシングの流入口部に該流入口部の通路面積を可変させるニードル弁を着脱可能に配設したことを特徴とするフランシス水車。
【請求項２】
前記空間部の前記ランナの上流側にステーベーンとガイドベーンを一体化させた固定ベーンを周方向に複数設けたことを特徴とする請求項１記載のフランシス水車。
【請求項３】
請求項１又は２記載の前記フランシス水車のベースと発電機のベースとを一体化し、前記フランシス水車の主軸と前記発電機の主軸を直結させると共に前記直結した主軸を前記発電機の筐体に設けられた軸受けで保持するようにしたことを特徴とする水車発電ユニット。
【請求項４】
前記軸受けは、コロ軸受けで構成されることを特徴とする請求項３記載の水車発電ユニット。
【請求項５】
前記一体化されたベースに移動用キャスタを取り付け可能としたことを特徴とする請求項３又は４記載の水車発電ユニット。
【請求項６】
請求項５記載の水車発電ユニットの移設工法において、前記水車発電ユニットの前記ニードル弁と前記ドラフト管を外すと共に前記一体化されたベースに移動用キャスタを取り付けて搬送する工程と、前記移動用キャスタを前記一体化されたベースから取り外して前記ベースを設置箇所に据え付けると共に前記ニードル弁と前記ドラフト管を取り付ける工程とを有することを特徴とする水車発電ユニットの移設工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低コスト化に適したフランシス水車、及びこれを用いた水車発電ユニット、並びに水車発電ユニットの移設工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
反動水車の代表であるフランシス水車は、管路からの作動流体を流入する流路が形成された渦巻状ケーシングと、この渦巻状ケーシングの流路と連通する空間部を画成するカバー部材と、前記空間部に収容され、作動流体を受けて主軸と一体に回転するランナと、このランナの下流側に設けられて作動流体を放出するドラフト管とを備えて構成されており、管路から流入された水を渦巻状ケーシングの流路から主軸に向って空間部に流入し、この流入された水の圧力エネルギーをランナに作用させて回転させるようにしている。
【０００３】
このようなフランシス水車においては、渦巻状ケーシングの流路から空間部に流入された水をステーベンやガイドベーンを介してランナに供給し、このガイドベーンの開度をガイドベーン開閉機構によって調節して水車出力を調節するものが多いが、例えば、特許文献１に示されるものにあっては、ランナ入口の外周に固定ガイドベーンを配設して従来用いられていた可動ガイドベーンとガイドベーン開閉機構を排除し、ケーシング入口部手前に設置した入口弁の直下流に渦巻状ケーシングをバイパスして外部へ抜水する量を調節する流量調節弁を設け、この流量調節弁によりランナへの供給水量を調節するようにしたものも考えられている
【０００４】
そして、このようなフランシス水車のうち、特に主軸を横置きとしたものにおいては、例えば特許文献２にも示されるように、水車と発電機とが同軸上に配置され、発電機の回転軸が設置基礎上に立てられた一対の軸受台上にすべり軸受（ジャーナル軸受）を介して回転自在に支持されると共に、水車の主軸も同様に軸受台上に設けられた軸受を介して回転自在に支持されるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】実開平７−２５２７４号公報
【特許文献２】特開平６−３３５１９９号公報（００１２、００１３欄、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、事故時の急激な負荷変動や回転速度調整を行なうためには素早い流量制御が必要となるが、従来の可動式ガイドベーンにあっては複雑なガイドベーン開閉機構が必要となり、安価に製造することができない不都合があった。また、上述した特許文献１のようにガイドベーンを固定してバイバス通路に流量調節弁を設ける構成にあっては、ガイドベーン機構は簡素化できるものの、入口弁に加えて流量調節弁が必要となり、また、流量調節弁で抜水量を調節する構成では、十分な回転速度調整機能が得られないという不都合がある。
【０００７】
しかも、水車効率はランナの上流側に配されたステーベーンやガイドベーンの角度によって決定されるが、ガイドベーンは通路抵抗を増大させる要因ともなるので、水車効率を向上させるためには、ガイドベーン損失の低減が有効である。
【０００８】
また、従来の水車発電装置においては、水車と発電機とを別々の工場で製作し、それぞれの機能を検証した上でいずれか一方を他方の工場へ輸送し、一旦組み付けて総合調整試験を行い、しかる後に、水車と発電機とを分解して現地へ搬入し、現地で再び組付けて有水試験により調整する必要があり、竣工に至るまでに複雑かつ重複した工程が必要であった。
【０００９】
更に、水車発電装置は、定期的な分解細密点検を必要とするが、このような装置が設置される箇所は僻地であることも多く、点検施工に伴う時間損失や労働環境などの点で不利であった。特に、水車や発電機は重量があるので、これらの運搬作業のためには固定クレーンやホイストクレーン等の吊上装置が必要となり、多大な労力を要していた。
【００１０】
しかも、従来においては、水車と発電機とがそれぞれ独立した軸受、軸受架台、軸受架台基礎が必要であったことから軸方向に長いスペースを必要とするので、組立調整が必要となり、据付に長期工程が必要であった。また、広い設置スペースが必要となることから、現地での組立調整や定期点検を行うためには、所定の建物が必要であった。
【００１１】
さらにまた、従来の水車発電装置は、軸受としてジャーナル軸受を利用していたため、独立した基礎と架台が必要となり、軸方向に長いスペースを要し、小型化を図ることができない不都合があった。特に、軸受としてジャーナル軸受が用いられる場合には、多量の潤滑油が必要となり、一級河川の最上流域に水車や発電機を設置する場合には、軸受から流出する潤滑油により環境汚染を招く不都合があり、潤滑油の厳格な管理が必要であった。
【００１２】
そこで、この発明においては、上述した諸事情に鑑みてなされたものであり、水車構造やその周辺構造を改善して低コスト化を図ることが可能なフランシス水車、及びこれを用いた水車発電ユニット、並びに水車発電ユニットの移設工法を提供することを主たる課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を達成するために、この発明に係るフランシス水車は、管路からの作動流体を流入する流路が形成された渦巻状ケーシングと、前記流路と連通する空間部を画成するカバー部材と、前記空間部に収容され、前記作動流体を受けて主軸と一体に回転するランナと、前記ランナの下流側に設けられて前記作動流体を放出するドラフト管とを有して構成され、前記渦巻状ケーシングの流入口部に該流入口部の通路面積を可変させるニードル弁を着脱可能に配設したことを特徴としている（請求項１）。
【００１４】
したがって、従来のバイパス通路を介して抜水流量を調節する流量調節弁に代えて、渦巻状ケーシングの流入口部に通路面積を可変させるニードル弁を配設したので、負荷や回転速度の急変に対して流量制御を素早く行うことが可能となり、ガイドベーン制御方式と同様の機能を維持しつつ設備の簡素化を図ることが可能となる。
【００１５】
また、上述の構成において、前記空間部のランナの上流側にステーベーンとガイドベーンを一体化させた固定ベーンを周方向に複数設けることが好ましい（請求項２）。このような構成とすることで、ガイドベーンによる損失を減少させることが可能となり、また、固定ベーンとランナ羽根の形状をマッチングさせることが可能となる。
【００１６】
さらに、上述したフランシス水車のベースと発電機のベースとを一体化し、前記フランシス水車の主軸と前記発電機の主軸とを軸線を一致させて直結させると共に前記直結した主軸を前記発電機の筐体に設けられた軸受けで保持する構成にするとよい（請求項３）。
【００１７】
このような構成によれば、水車と発電機とのベースが一体化され、それぞれの主軸が同軸上に直結されて発電機の筐体に設けられた軸受によって保持されるので、小型軽量化を図ることが可能となり、それぞれの軸受に対し、軸受架台や軸受架台基礎が不要となり、また、水車と発電機との組み付け調節が不要となる。
【００１８】
ここで、軸受けは、コロ軸受で構成することが潤滑油が不要とする上で好ましい（請求項４）。また、搬送作業を容易且つ簡易に行うために、一体化されたベースに移動用キャスタを取り付け可能にするとよい（請求項５）。このような移動用キャスタを取り付け可能とする水車発電ユニットの移設工法においては、水車発電ユニットのニードル弁とドラフト管を外すと共に一体化されたベースに移動用キャスタを取り付けて搬送する工程と、移動用キャスタを一体化されたベースから取り外してこのベースを設置箇所に据え付けると共にニードル弁とドラフト管を取り付ける工程とを備えることが、容易かつ簡易な搬送作業を実現する上で好ましい（請求項６）。
【発明の効果】
【００１９】
以上述べたように、請求項１に係る発明によれば、管路からの作動流体を流入する流路が形成された渦巻状ケーシングの流入口部に通路面積を可変させるニードル弁を配設したので、従来のバイパス通路を介して抜水流量を調節する流量調節弁が不要となり、ガイドベーン制御方式と同様の機能を維持しつつ設備の簡素化を図ることが可能となるので、設備コストの低減を図ることが可能となる。また、ランナへの供給流量を制御するために渦巻状ケーシングの流入口部にニードル弁が設けられるので、充分な回転速度調整が可能となり、水車発電機の回転上昇に伴う強度対策が不要となる。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、ランナの上流側にステーベーンとガイドベーンを一体化させた固定ベーンを配設するようにしたので、ガイドベーンによる損失を減少させることが可能となり、また、固定ベーンとランナ羽根の形状のマッチングが可能となり、水車効率を高めることが可能となる。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、フランシス水車のベースと発電機のベースとを一体化し、フランシス水車の主軸と前記発電機の主軸とを軸線を一致させて直結させると共に主軸を発電機の筐体に設けられた軸受けによって保持するようにしたので、軸受のために独立した架台が不要となり、また、軸方向の寸法を短くすることが可能となる。このため、水車発電ユニットの小型軽量化やコストの低減を図ることが可能となる。また、水車と発電機とを現地で組付けて調節することが不要となるので、竣工に至る工程の短縮化を図り、コストの低減を図ることが可能となる。さらに、水車と発電機がユニット化されているので、水車発電ユニットを任意の場所へ移して定期点検等を行うことが可能となり、水車発電ユニットを屋外に設置することも可能となる。このため、水車や発電機を設置するための建物を割愛することが可能となり、設備コストを低減することが可能となる。
【００２２】
請求項４に係る発明によれば、軸受けをコロ軸受で構成したので、多量の潤滑油が不要となり、潤滑油漏れの虞を無くすことが可能となる。
【００２３】
請求項５に係る発明によれば、一体化されたベースに移動用キャスタを取り付け可能にしたので、搬送時には移動用キャスタを利用して搬送することが可能となり、搬送作業を容易且つ簡易に行うことが可能となる。
【００２４】
請求項６に係る発明によれば、水車発電ユニットのニードル弁とドラフト管を外すと共に一体化されたベースに移動用キャスタを取り付けて搬送する工程と、移動用キャスタを一体化されたベースから取り外してこのベースを設置箇所に据え付けると共にニードル弁とドラフト管を取り付ける工程とを有して水車発電ユニットが移設されるので、搬送時には搬送しやすい状態にすると共に、クレーン等の吊上装置が不要となり、搬送作業を低コストで容易且つ簡易に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明の最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１及び図２において、本発明に係るフランシス水車を利用した水車発電ユニット１が示されている。この水車発電ユニット１は、水車２と発電機３とを一体化したもので、水車２のベース４ｂと発電機３のベース４ａとが一体化され、この一体化ベース４に水車２と発電機３とを同軸上に配して構成されている。
【００２７】
水車２は、横軸型で、管路５からの水が流入する流路６を形成する渦巻状ケーシング７を有している。渦巻状ケーシング７の内側には、図３にも示されるように、流路６と連通する空間部８が一対のカバー部材９，１０によって画成され、この空間部８に、主軸１１に装着され、流路６から流入する水を受けて主軸１１と一体に回転する複数枚のランナ羽根１２を有するランナ１３が収容されている。管路５から渦巻状ケーシング７に入った水は、流路６で流速を増しつつ空間部８に流入し、空間部８に配された固定ベーン１４間を通過してランナ１３に供給され、ランナ１３を回転させた後にこのランナ１３の下流側に設けられたドラフト管１５を介して放水路１６へ導かれる。
【００２８】
渦巻状ケーシング７の流入口部７ａには、流入口部７ａの通路面積を可変させるニードル弁２０が着脱可能に配設されている。渦巻状ケーシング７の流入口部７ａには、ニードル弁２０を操作するニードル弁駆動装置２１が取り付けられた入口曲管２２が接続され、ニードル弁２０は、この入口曲管２２に収容されてニードル弁駆動装置２１により駆動されるようになっている。渦巻状ケーシング７の流入口部７ａの開口周縁には別体又は一体の部材によって形成された弁座２３が設けられ、ニードル弁２０は、この弁座２３に作動流体（水）の流入方向から着座する弁体２４と、この弁体２４から上流側へ延びてニードル弁駆動装置２１に接続された弁棒２５とを有して構成され、ニードル弁駆動装置２１の手動又は自動の操作により弁棒２５を進退させ、これにより弁体２４のリフト量を調節して水車の起動停止制御、水車調速制御、及び起動後の流量制御等が行われるようになっている。
【００２９】
なお、ニードル弁駆動装置２１が設けられた入口曲管２２は、給水管２６に対して連結管２７を介して接続されており、これら給水管２６、連結管２７、入口曲管２２によって渦巻状ケーシング７に作動流体を流入する管路５が構成されている。
【００３０】
また、空間部８に配された固定ベーン１４は、円周上に等間隔、又は不等間隔で複数配設されているもので、従来のステーベーンとガイドベーンとを一体化した形状に形成されており、開閉機構は特に設けられておらず、カバー部材９，１０間に固定されている。
【００３１】
これに対して発電機３は、自身の主軸３１が水車２の主軸１１と軸線を一致させて直結され、筐体３２に設けられたコロ軸受３３，３４に回転自在に支持されている。したがって、発電機３の主軸１１は、それ自体を支持する格別な軸受を必要とせず、発電機３の主軸３１を支持するコロ軸受３４によって同時に支持されている。そして、発電機３は、自身の主軸３１に筐体３２内に設けられた図示しない固定子内で回転する回転子が固定され、この回転子を回転させることで固定子に起電力を発生させるようになっている。
【００３２】
水車２と発電機３とが一体化される一体化ベース４は、水車２の主軸１１と発電機３の主軸３１とが同軸となるように水車２のベース４ｂの高さと発電機３のベース４ａの高さが調節されている。また、この一体化ベース４の底部４ｃには、図４に示されるように、搬送用の移動用キャスタ３７が一体化ベース４をジャッキアップさせることにより取り付け可能となっている。
【００３３】
上記構成において、管路５を介して流入された水は、ニードル弁２０の開度に応じて流量が調節され、渦巻状ケーシング７の流路６に流入し、この流路６から空間部８に流入されて固定ベーン１４間を通ってランナ１３に供給され、この供給された水の圧力エネルギーと速度エネルギーによりランナ１３を主軸１１と一体に回転させる。
【００３４】
したがって、ニードル弁２０の弁体２４のリフト量を調節することで、負荷や回転速度の急変に対して流量制御を素早く行うことが可能となり、ガイドベーン制御方式と同様に水車２の起動停止制御、水車調速制御などの機能を維持しつつ、ガイドベーンの開度調節機構やバイパス通路の流量調節機構を不要にして設備の簡素化を図ることが可能となる。
【００３５】
また、従来においては、ステーベーンがガイドベーンと別体に設けられていたので、ステーベーンとガイドベーンとのギャップ部分で乱流が生じたり、ガイドベーン自体によって水の流れを阻止する抵抗損失が生じており、また、ステーベーンはガイドベーンの上流側に設けられるので、ステーベーンの形状をランナ羽根１２の形状とマッチングさせることが困難であったが、本構成においては、ステーベーンとガイドベーンとを一体化した固定ベーン１４が空間部８に配されているので、乱流を抑えて水の流れが安定すると共に従来のガイドベーンによる抵抗損失もなくなり、また、固定ベーン１４の全体をランナ羽根１２の形状とマッチングさせることが可能となり、水車効率を向上させることが可能となる。
【００３６】
さらに、水車２のベース４ｂと発電機３のベース４ａとを一体化し、水車２の主軸１１と発電機３の主軸３１とを軸線を一致させて直結させると共に主軸３１を発電機３の筐体３２に設けられたコロ軸受３３，３４で保持するようにしたので、小型軽量化を図ることが可能となる。また、それぞれの軸受３３，３４に対し、独立した軸受架台や軸受架台基礎が不要となり、また、水車２と発電機３とを現地で組み付け調節することが不要となるので、竣工に至る工程の単純化と短縮化を大幅に図ることが可能となる。
【００３７】
さらに、従来においては、主軸１１，３１の軸受としてジャーナル軸受が用いられていたが、上述の構成においては、コロ軸受３３，３４が用いられているので、軸受けの損壊事故が発生しても、外部に油が流出して環境汚染を招く不都合がなくなり、潤滑油の厳格な管理も不要となる。
【００３８】
次に、以上の水車発電ユニット１を設置箇所に搬入する工程を説明する。
先ず、図４に示されるように、水車２と発電機３とを一体化ベース４に組付けた水車発電ユニット１をニードル弁２０が設けられた入口曲管２２を外した状態にすると共に、一体化ベース４をジャッキアップして移動用キャスタ３７を一体化ベース４の底部４ｃに取り付ける。そして、水車発電ユニット１を押すことによって移動させ、スロープ状の搬入架台を利用してトラックの荷台に積載し、現地まで搬送した後に、図５に示されるように、トラック３０の荷台から前記搬入架台３８を利用して設置箇所の近くに下ろし、設置箇所まで押して移動させる。そして、設置基礎上まで移動させた後に、一体化ベース４をジャッキアップして移動用キャスタ３７を取り外し、図６及び図７に示されるように、一体化ベース４を設置基礎３５上の所定箇所にボルト等によって固定し、また、渦巻状ケーシング７の流入口部７ａにニードル弁２０やニードル弁駆動装置２１が設けられた入口曲管２２を取り付ける。そして、ドラフト管１５を設置箇所に設けられた放水管３６に接続すると共に、入口曲管２２を設置箇所に設けられた給水管２６に連結管２７を介して接続し、また、図示しない電源コネクタに電源ケーブルを接続して、据付作業を完了させる。その後、有水試験による調整を行い竣工させる。
【００３９】
また、据え付けられた状態からメンテナンスなどのために別の場所へ搬送する場合には、上述した作業と逆の順序の作業を行い、搬送すればよい。
【００４０】
したがって、上述の構成によれば、搬送時においては、ニードル弁２０を外すと共に一体化ベース４に移動用キャスタ３７を取り付けて移動可能とし、据付時には、ニードル弁２０を取り付けると共に移動用キャスタ３７を一体化ベース４から取り外して据え付けるようにしたので、搬送は人力による押し作業によって完了させることが可能となり、水車発電ユニット１の搬送時にクレーン等の吊上装置が不要となり、搬送作業を容易且つ簡易に行うことが可能となる。
【００４１】
また、上述の移設工法により水車２と発電機３を一体化させた状態で搬入、搬出ができるので、任意の場所に搬入し、また、任意の場所から搬出することが可能となる。このため、屋外に据え付けてメンテナンス時には別の場所へ搬送してメンテナンス作業をすることも可能となるので、発電所の建物を省略することも可能となる。
【００４２】
なお、上述の構成においては、ガイドベーンをステーベーンと別体に設けたことによる抵抗損失を考慮してこれらのベーンを一体化させた固定ベーン１４を配設し、この固定ベーン１４の形状をランナ羽根１２の形状にマッチングさせて水車効率を向上させるようにしたが、固定ベーン１４自体を取り除いた構成にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明に係る水車発電ユニットに用いられるフランシス水車を示す断面図である。
【図２】図２は、図１を側方から見た水車発電ユニットの一部切り欠きの側面図である。
【図３】図３は、水車のランナ付近を示す拡大断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る水車発電ユニットの搬送時における状態を説明する図であり、図４（ａ）は、水車発電ユニットを水車側から見た図、図４（ｂ）は図４（ａ）を側方から見た図である。
【図５】図５は、水車発電ユニットの搬送工程を説明する図であり、図５（ａ）は、搬送する状態を上方から見た図、図５（ｂ）は図５（ａ）を水平方向から見た図である。
【図６】図６は、水車発電ユニットの据付状態を水車側から見た図である。
【図７】図７は、水車発電ユニットの据付状態を図６の側方から見た図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  水車発電ユニット
２  水車
３  発電機
４  一体化ベース
４ａ，４ｂ  ベース
５  管路
６  流路
７  渦巻状ケーシング
７ａ  流入口部
８  空間部
９，１０  カバー部材
１３  ランナ
１４  固定ベーン
１５  ドラフト管
１１，３１  主軸
２０  ニードル弁
３２  筐体
３３，３４  コロ軸受
３７  移動用キャスタ
【図１】
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【図２】
2005273565.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005273565.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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