(57)【要約】【課題】運転制御配管の固有振動数と加振周波数が一致することを比較的容易に防止して、安全に運転することのできる可変速水力機械およびその運転方法を提供する。【解決手段】落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の水圧変動を監視し、前記運転制御配管１内の圧力脈動ΔＰの大きさが予め設定された上限値Ｐ０を超えたときは、ランナの回転速度を上昇または下降させて運転を行う方法とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の水圧変動を監視し、前記運転制御配管内の圧力脈動の大きさが予め設定された上限値を超えたときは、ランナの回転速度を上昇または下降させて運転を行うことを特徴とする可変速水力機械の運転方法。
【請求項２】
落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の歪みを監視し、前記運転制御配管内に生じる歪みの変動の大きさが予め設定された上限値を超えたときは、ランナの回転速度を上昇または下降させて運転を行うことを特徴とする可変速水力機械の運転方法。
【請求項３】
落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の水柱振動による圧力脈動が大きくなる回転速度と水温の関係を予め計算または計測により把握し、前記運転制御配管内の水温を監視し、実機運転にあたっては監視水温に応じて圧力脈動が増大すると予測される速度近傍での運転を回避することを特徴とする可変速水力機械の運転方法。
【請求項４】
落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、水圧センサまたは歪みゲージの少なくともいずれか一方を排水管やバランス管などの運転制御配管内の水柱振動による圧力脈動の大きさが最大となると予測される箇所に設置したことを特徴とする可変速水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転制御配管を備え可変速運転を行う水力機械およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械の多くは、運転制御配管として、ランナ背圧室と側圧室の圧力を平衡させるために両者を連通するバランス管や、ランナ空転運転を行う際にランナの外周側に滞留する水を排水するためにランナ背圧室や側圧室と吸出し管を連通する制御配管、および、ランナ外周部と吸出し管を連通する制御配管などを設けている。図６（ａ）に模式的に示すように、これらの運転制御配管１には、その開口部を介して水力機械内部の流れの水圧脈動が加振力として作用し、運転制御配管１に固有の水柱振動が生じる。
【０００３】
また多くの運転制御配管では、その効果を十分に得るために開口部を複数設けて、それらからの枝管を集合管に集め、その集合管が弁を介して吸出し管に連結される構成になっている。そのため、枝管個々の水柱固有振動特性が連成して配管系としての固有振動特性が複雑になり、一定の周波数範囲内に存在する固有振動モードの数が増加する。さらに、固有振動数は配管の幾何学的形状だけでなく水温にも依存することから、図６（ｂ）に示すように同一の固有振動モードにおいても水温により固有振動数が変化することになる。
【０００４】
そのため使用条件によっては、ランナの回転速度に比例する水圧脈動の周波数すなわち加振周波数と、配管系の固有振動数が一致するという危険性が高まることになる。両者が一致すると、共振を起こして極めて大きな圧力脈動が配管内に発生して、最悪の場合には配管の損傷にいたる。図６（ｂ）の例では、加振周波数ｆ０に対して、水温Ｔ０のときにｎ次モードの固有振動数と一致することを示している。逆に、加振周波数がｆ０´であれば、水温のいかんによらず共振は生じない。
【０００５】
可変速運転を行う場合には、加振周波数はランナ回転変化幅に相当する一定の幅をもった加振周波数帯を形成するために、共振点が運転範囲内に含まれることを完全に防ぐことは一層難しい。このような可変速運転を行う流体機械においては、例えば図７に示すように運転制御配管１内に弁６やチャンバ７を設けて、運転状態に応じてそれらの開度や容積を変化させることで運転制御配管系の固有振動特性を制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６０−１３６６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら弁やチャンバを設ける方法では、構造が複雑になるという問題がある。  
そこで本発明は、運転制御配管の固有振動数と加振周波数が一致することを比較的容易に防止して、安全に運転することのできる可変速水力機械およびその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の水圧変動を監視し、前記運転制御配管内の圧力脈動の大きさが予め設定された上限値を超えたときは、ランナの回転速度を上昇または下降させて運転を行う方法とする。
【０００８】
請求項２の発明は、落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の歪みを監視し、前記運転制御配管内に生じる歪みの変動の大きさが予め設定された上限値を超えたときは、ランナの回転速度を上昇または下降させて運転を行う方法とする。
【０００９】
請求項３の発明は、落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の水柱振動による圧力脈動が大きくなる回転速度と水温の関係を予め計算または計測により把握し、前記運転制御配管内の水温を監視し、実機運転にあたっては監視水温に応じて圧力脈動が増大すると予測される速度近傍での運転を回避する方法とする。
【００１０】
請求項４の発明は、落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、水圧センサまたは歪みゲージの少なくともいずれか一方を排水管やバランス管などの運転制御配管内の水柱振動による圧力脈動の大きさが最大となると予測される箇所に設置した構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、運転制御配管の固有振動数と加振周波数が一致することを比較的容易に防止して、安全に運転することのできる可変速水力機械およびその運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の第１ないし第５の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の第１の実施例を示すフローチャートと振動特性図である。図１（ａ）に示すように、水圧センサ２により運転制御配管１内の圧力変動を監視し、測定された圧力脈動ΔＰを予め設定した上限値Ｐ０と比較して、ΔＰ≦Ｐ０の場合はそのままの回転速度で運転し、ΔＰ＞Ｐ０の場合はランナ回転速度を上昇または下降させて運転する。その際、
【数１】
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となる方向にランナ回転速度ｆｒを変化させることで、圧力脈動を小さく抑えた運転が行える。
【００１４】
図１（ｂ）の振動特性図に示すように、可変速機ではランナの回転速度変化幅に相当する加振周波数帯が存在する。いま、図のように、運転時水温Ｔ０においてランナ回転速度に対応する加振周波数ｆ０の加振力が配管系に作用していて、それが固有振動数と一致したとすると、配管内には共振により加振力と比べて極めて大きな圧力脈動が発生するが、本実施例によれば、ΔＰ＞Ｐ０の判断に基づいて回転速度をわずかに上昇または下降させることで、共振状態から開放されて圧力脈動は加振力レベルまで低下する。
【００１５】
このように本実施例は、落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管１内の水圧変動を監視する水圧センサ２を設置し、運転制御配管１内の圧力脈動ΔＰの大きさが予め設定された上限値Ｐ０を超えた場合に、ランナの回転速度ｆｒを上昇または下降させて運転を行うようにしたものである。
【００１６】
運転制御配管１の固有振動数と加振周波数が近づくと共振状態に入り運転制御配管１の水柱振動による圧力脈動ΔＰが大きくなるが、この実施例によれば、検知した圧力脈動ΔＰが設定上限値Ｐ０を超えた場合に共振状態にあると判断し、ランナの回転速度ｆｒを変えることにより加振周波数を変化させて、固有振動数と加振周波数を離すことができる。このことにより、運転制御配管１内の圧力脈動を小さく抑えることが可能になり、運転制御配管１に疲労を生じさせない安定した運転を行うことができる。
【実施例２】
【００１７】
図２は本発明の第２の実施例を示す。運転制御配管の歪み変動Δεの大きさは運転制御配管内の圧力脈動ΔＰの大きさと関連し、図２（ｂ）に示すように歪み変動Δεと圧力脈動ΔＰとの関係が定量的に把握できれば、歪み変動Δεを計測することで運転制御配管内部の圧力脈動ΔＰを予測することが可能である。
【００１８】
本実施例では、図２（ａ）に示すように、歪みゲージ３により測定された歪み変動Δεを予め設定した上限値ε０と比較して、Δε≦ε０の場合はそのままの回転速度で運転し、Δε＞ε０の場合はランナ回転速度を上昇または下降させて運転する。Δε＞ε０の判断に基づいて回転速度をわずかに上昇または下降させることで、共振状態から開放されて圧力脈動は加振力レベルまで低下する。なお、運転制御配管の歪みの他でも、圧力脈動と密接に関連した量、例えば運転制御配管の振動の大きさなどを監視する装置を取り付けても同様な効果が得られる。
【００１９】
このように本実施例は、落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械において、排水管やバランス管などの運転制御配管１の歪みを監視する歪みゲージ３を設置し、運転制御配管内に生じる歪みの変動Δεの大きさが予め設定された上限値ε０を超えた場合に、ランナの回転速度を上昇または下降させて運転を行うようにしたものである。
【００２０】
運転制御配管１の固有振動数と加振周波数が近づくと運転制御配管１の水柱振動による圧力脈動と共に運転制御配管１の歪みも大きくなるが、両者の関係を予め把握しておくことによって、検知した歪みから運転制御配管内部の圧力脈動を予測することができる。検知した歪みが設定上限値を超えた場合に共振状態にあると判断し、ランナの回転速度を変えることにより加振周波数を変化させて、固有振動数と加振周波数を離すことができる。このことにより、運転制御配管内の圧力脈動を小さく抑えることができ、運転制御配管１に疲労を生じさせない安定した運転を行うことができる。
【実施例３】
【００２１】
図３は本発明の第３の実施例の水力機械の運転方法を振動特性図上に示したものである。同一の固有振動モードにおいても固有振動数は水温によって変化するが、その変化は計算または計測で求めることができる。そこで、各水温での固有振動数を求めておき、運転時水温Ｔ０での固有振動数を挟んで上側および下側の一定範囲ｆＮ２＜ｆ＜ｆＮ１を運転禁止帯として設定する。本実施例によれば、計測される水温に応じて予め設定された運転禁止帯での運転が回避されることで、圧力脈動が小さな安定した運転を行うことができる。
【００２２】
このように本実施例は、落差・流量などの運転状態に応じてランナの回転速度を一定の変化幅内で制御して運転を行う可変速水力機械の運転方法において、排水管やバランス管などの運転制御配管内の水温を監視する装置を設置し、前記運転制御配管内の水柱振動による圧力脈動が大きくなる回転速度と水温の関係を予め計算または計測により把握し、実機運転にあたっては監視水温に応じて圧力脈動が増大すると予測される速度近傍での運転を回避するようにした運転方法である。この実施例によれば、運転時の運転制御配管内水温に応じた危険速度周辺を避けて運転することが可能になり、運転制御配管内の圧力脈動を小さく抑えて、運転制御配管に疲労を生じさせない安定した運転を行うことができる。
【実施例４】
【００２３】
図４は本発明の第４の実施例を示し、運転制御配管１内の圧力脈動が最大となると予測される位置Ａに水圧センサ２を取り付けたものである。最大の圧力脈動を示す位置の予測は、計算または計測で行う。本実施例によれば、運転制御配管１内の最大圧力脈動を直接捉えることができるため、ランナの回転速度をより適切に制御することが可能となり、運転制御配管１内の圧力脈動を小さく抑えることができる。なお、運転制御配管１内に現れる振動モードが変わると、運転制御配管１内で最大の圧力脈動を示す位置も変わるため、それぞれの振動モードに対して最大の圧力脈動を示すと予測される複数の位置に水圧センサ２を設置するのがよい。また水圧センサの代りに歪みゲージを取り付けてもよい。
【実施例５】
【００２４】
図５は本発明の第５の実施例を示し、最大の圧力脈がＡ部で発生すると予測される運転制御配管１の非埋設部に水圧センサ２を取り付けたものである。センサ取り付け位置での圧力脈動の大きさと、Ａ部での圧力脈動との関連を予め把握しておくことで、間接的に最大の圧力脈動が推測でき、運転制御配管が共振しているか否かを判断することができる。水圧センサの代りに歪みゲージを取り付けてもよい。
【００２５】
この実施例によれば、水圧センサや歪みゲージを後からでも容易に取り付けることができる。そのため既設の可変速水力機械においても、運転制御配管内の圧力脈動を小さく抑えて、制御配管に疲労を生じさせない安定した運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施例を示し、（ａ）は運転方法を示すフローチャート、（ｂ）は運転制御配管の振動特性を示すグラフ。
【図２】本発明の第２の実施例を示し、（ａ）は運転方法を示すフローチャート、（ｂ）は運転制御配管の圧力脈動と歪み変動の関係を示すグラフ。
【図３】本発明の第３の実施例を示し、運転制御配管の振動特性を示すグラフ。
【図４】本発明の第４の実施例の可変速水力機械の要部の構成を示す図。
【図５】本発明の第５の実施例の可変速水力機械の要部の構成を示す図。
【図６】従来の可変速水力機械における運転制御配管の水柱振動の例（ａ）、および振動特性（ｂ）を示すグラフ。
【図７】従来の可変速水力機械における運転制御配管の共振回避のための構成例を示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１…運転制御配管、２…水圧センサ、３…歪みゲージ、５…配管、６…弁、７…チャンバ、ｆ０…加振周波数、ｆＮ１…運転禁止の上限、ｆＮ２…運転禁止の下限、Ｔ０…運転時水温、ΔＰ…圧力脈動、Ｐ０…圧力脈動設定上限値、Δε…歪み変動、ε０…歪み変動設定上限値、Ａ…最大の圧力脈動が生じる位置。
【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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