(57)【要約】【課題】ガイドベーンでのキャビテーションの有無を判定することにある。【解決手段】水入口部がケーシング５に連結され、水出口部が吸出し管１１に連結された水車収納容器内の水入口部に水流量を調節するためのガイドベーン７が配設され、且つ水車収納容器内に回転可能に配設した回転軸にランナ１が固定されて構成された水力機械のキャビテーション診断装置において、ＡＥセンサによりランナ１の羽根枚数をＺｒ、ランナ１の回転周波数をＮとしたとき、ガイドベーン７のキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出し、振動センサ１９によりガイドベーン軸の捩り振動成分を検出し、これらの検出信号を判定器１８によりＮ・Ｚｒ成分が卓越し、且つガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越していることを条件にガイドベーンにキャビテーションが有ると判定する。【選択図】      図１
2007071120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水入口部がケーシングに連結され、水出口部が吸出し管に連結された水車収納容器内の前記水入口部に水流量を調節するためのガイドベーンが配設され、且つ前記水車収納容器内に回転可能に配設した回転軸にランナが固定されて構成され、前記ケーシングから水入口部及び水出口部を介して前記吸出し管に水を通流させて前記ランナを回転駆動させる水力機械のキャビテーション診断装置において、
前記ガイドベーンのアームに取付けられ、且つ前記ランナの羽根枚数をＺｒ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ガイドベーンのキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出する検出手段と、前記ガイドベーン軸の捩り振動成分を検出する振動成分検出手段と、前記検出手段により検出されたＮ・Ｚｒ成分が卓越し、且つ前記振動成分検出手段により検出された前記ガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越していることを条件に前記ガイドベーンにキャビテーションが有ると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする水力機械のキャビテーション診断装置。
【請求項２】
水入口部がケーシングに連結され、水出口部が吸出し管に連結された水車収納容器内の前記水入口部に水流量を調節するためのガイドベーンが配設され、且つ前記水車収納容器内に回転可能に配設した回転軸にランナが固定されて構成され、前記ケーシングから水入口部及び水出口部を介して前記吸出し管に水を通流させて前記ランナを回転駆動させる水力機械のキャビテーション診断装置において、
前記ガイドベーンのアームに取付けられ、且つ前記ランナの羽根枚数をＺｒ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ガイドベーンのキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出する第１の検出手段と、前記水車収納容器の外周部位に取付けられ、且つ前記ガイドベーンの枚数をＺｇ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ランナの入口部のキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｇ成分として検出する第２の検出手段と、前記ガイドベーン軸の捩り振動成分を検出する振動成分検出手段と、前記第１の検出手段により検出されたＮ・Ｚｒ成分が卓越し、前記第２の検出手段により検出されたＮ・Ｚｇ成分が卓越し、且つ前記振動成分検出手段により検出された前記ガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越していることを条件に前記ランナ入口部及び前記ガイドベーンにキャビテーションがあると判定する判定手段とを備えたことを特徴とする水力機械のキャビテーション診断装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の水力機械のキャビテーション診断装置において、前記振動成分検出手段は、前記ガイドベーン軸に取付けられた歪みゲージの計測信号からガイドベーン軸の捩り振動成分を検出することを特徴とする水力機械のキャビテーション診断装置。
【請求項４】
水入口部がケーシングに連結され、水出口部が吸出し管に連結された水車収納容器内の前記水入口部に水流量を調節するためのガイドベーンが配設され、且つ前記水車収納容器内に回転可能に配設した回転軸にランナが固定されて構成され、前記ケーシングから水入口部及び水出口部を介して前記吸出し管に水を通流させて前記ランナを回転駆動させる水力機械のキャビテーション診断方法において、
前記ランナの羽根枚数をＺｒ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ガイドベーンのキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出すると同時に、前記ガイドベーン軸の捩り振動成分を検出し、これら検出された前記Ｎ・Ｚｒ成分及び前記ガイドベーン軸の捩り振動成分が共に卓越しているとき、前記ガイドベーンにキャビテーションが有ると判定することを特徴とする水力機械のキャビテーション診断方法。
【請求項５】
水入口部がケーシングに連結され、水出口部が吸出し管に連結された水車収納容器内の前記水入口部に水流量を調節するためのガイドベーンが配設され、且つ前記水車収納容器内に回転可能に配設した回転軸にランナが固定されて構成され、前記ケーシングから水入口部及び水出口部を介して前記吸出し管に水を通流させて前記ランナを回転駆動させる水力機械のキャビテーション診断方法において、
前記ランナの羽根枚数をＺｒ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ガイドベーンのキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出すると同時に、前記ガイドベーン軸の捩り振動成分を検出し、且つ前記ガイドベーンの枚数をＺｇ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ランナの入口部のキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｇ成分として検出し、これら検出されたＮ・Ｚｒ成分、Ｎ・Ｚｇ成分及び前記ガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越していることを条件に前記ランナ入口部及び前記ガイドベーンにキャビテーションがあると判定することを特徴とする水力機械のキャビテーション診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力機械のガイドベーンに発生するキャビテーションを判定するキャビテーション診断装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械においては、キャビテーション現象が発生する。ここで、キャビテーション現象とは、上流にあった微小な気泡核が流体の飽和蒸気圧より低い圧力の部位に到達した時、この気泡核が発端となり空洞が発生し、下流の高圧部位で潰れる現象である。この時衝撃的な圧力上昇を伴うため、その近傍では一種の金属疲労を起こし表面が壊食される。
【０００３】
従って、水力機械を長期間使用していくためには、キャビテーションの発生を検知して、このキャビテーションが発生しない運転条件を選択する必要がある。
【０００４】
しかしながら、キャビテーションの発生する場所が決まっているわけではなく、ランナのみならず、ガイドベーンにも発生する場合がある。現在はランナ入口、出口、出口シールギャップ、センターホワ−ル等で発生するキャビテーションを判別できるキャビテーション診断装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３―９７４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに、ガイドベーンにキャビテーションが発生した場合、どのような手段でどのようにして検知するかについては未だ解明されていないことから、現状ではガイドベーンに発生するキャビテーションを判定できるものは見当たらない。
【０００６】
本発明は上記のような状況のもとになされたもので、ガイドベーンでのキャビテーションの有無を判定することができる水力機械のキャビテーション診断装置及び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】
本発明は上記の目的を達成するため、次のようなキャビテーション診断装置及び方法により水力機械のガイドベーンに発生するキャビテーションの有無を判定するものである。
【０００８】
（１）本発明は、水入口部がケーシングに連結され、水出口部が吸出し管に連結された水車収納容器内の前記水入口部に水流量を調節するためのガイドベーンが配設され、且つ前記水車収納容器内に回転可能に配設した回転軸にランナが固定されて構成され、前記ケーシングから水入口部及び水出口部を介して前記吸出し管に水を通流させて前記ランナを回転駆動させる水力機械のキャビテーション診断装置において、前記ガイドベーンのアームに取付けられ、且つ前記ランナの羽根枚数をＺｒ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ガイドベーンのキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出する検出手段と、前記ガイドベーン軸の捩り振動成分を検出する振動成分検出手段と、前記検出手段により検出されたＮ・Ｚｒ成分が卓越し、且つ前記振動成分検出手段により検出された前記ガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越していることを条件に前記ガイドベーンにキャビテーションが有ると判定する判定手段とを備える。
【０００９】
（２）本発明は、水入口部がケーシングに連結され、水出口部が吸出し管に連結された水車収納容器内の前記水入口部に水流量を調節するためのガイドベーンが配設され、且つ前記水車収納容器内に回転可能に配設した回転軸にランナが固定されて構成され、前記ケーシングから水入口部及び水出口部を介して前記吸出し管に水を通流させて前記ランナを回転駆動させる水力機械のキャビテーション診断装置において、ガイドベーンのアームに取付けられ、且つ前記ランナの羽根枚数をＺｒ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ガイドベーンのキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出する第１の検出手段と、前記水車収納容器の外周部位に取付けられ、且つ前記ガイドベーンの枚数をＺｇ、前記ランナの回転周波数をＮとしたとき、前記ランナの入口部のキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｇ成分として検出する第２の検出手段と、前記ガイドベーン軸の捩り振動成分を検出する振動成分検出手段と、前記第１の検出手段により検出されたＮ・Ｚｒ成分が卓越し、前記第２の検出手段により検出されたＮ・Ｚｇ成分が卓越し、且つ前記振動成分検出手段により検出された前記ガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越していることを条件に前記ランナ入口部及び前記ガイドベーンにキャビテーションがあると判定する判定手段とを備える。
【００１０】
（３）本発明は上記（１）又は（２）の水力機械のキャビテーション診断装置において、前記振動成分検出手段は、前記ガイドベーン軸に取付けられた歪みゲージの計測信号からガイドベーン軸の捩り振動成分を検出する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による水力機械のキャビテーション診断装置及び方法は、ガイドベーンでのキャビテーションの有無を判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明による水力機械のキャビテーション診断装置を適用した水車の実施形態を説明するための構成図である。
【００１４】
図１において、２は一端が図示しない発電機の回転子に取付け固定された主軸で、この主軸２の他端に取付けられた回転軸にランナ１が固定されている。このランナ１の上、下にはそれぞれ上カバー３と下カバー４がランナ１を覆うように設けられ、これによりほぼ円筒状の水車収納容器を構成している。
【００１５】
また、７は水車収納容器内に回転可能に設けられたランナ１の外周位置に等配設されたガイドベーンで、このガイドベーン７はケーシング５から水車収納容器の水入口部に設けたステーベーン６を経てランナ１に流入してくる流水量を調節するためのものである。このガイドベーン７はガイドベーン軸８の端部に設けられたガイドベーンアーム９を介して図示しない回転駆動装置に連結され、開度制御が可能になっている。
【００１６】
さらに、１１は水車収納容器の水出口部に取付けられた吸出し管で、この吸出し管１１はランナ１に流入し、羽根１０で仕事をした流水を放水路へ流出するためのものである。
【００１７】
一方、１２．１２´はかかる構成の水車において、水中に存するガイドベーンアーム９及び上カバー３の底板のランナ１の外周部位に取付けられたＡＥ（アコーステックエミッション）センサで、このＡＥセンサ１２，１２´で検出された出力信号はそれぞれ前置増幅器１３，１３´、ハイパスフィルタ１４，１４´、整流器１５，１５´、ローパスフィルタ１６，１６´、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）回路１７，１７´を順次通してキャビテーション判定器１８に入力される。
【００１８】
また、１９はガイドベーンアーム９に取付けられた振動センサで、この振動センサ１９はガイドベーン軸の捩り振動を検出するもので、その検出信号は増幅器２０、ＦＦＴ回路２１を通してキャビテーション判定器１８に入力される。
【００１９】
次に上記のように構成された水力機械のキャビテーション診断装置の作用について述べる。
【００２０】
ＡＥセンサ１２，１２´は、材料が破壊や変形する際に発生する弾性エネルギの放出を捉える目的で開発されたもので、高周波の微小弾性波信号を検出することに優れている。
【００２１】
キャビテーションが潰れるとき、衝撃的な圧力上昇を起し、このときＡＥと類似な高い周波数の弾性波を発生させる。
【００２２】
本発明では、ＡＥセンサを用いることと、検出した高周波の信号において、個々の周波数の振動値については、キャビテーション発生点からＡＥセンサ１２，１２´までの伝達経路に大きく左右され、キャビテーション発生点との関連性が薄いことから考慮せず、その振幅変化に注目して汎用化している。
【００２３】
ランナ１外周部の水の流れは、回転するランナ１の羽根１０が通過することにより変化するため、ガイドベーン７に発生するキャビテーションは、ランナ１の羽根枚数Ｚｒとランナ１の回転周波数Ｎの積（Ｎ・Ｚｒ）で僅かに振幅変調を受ける。
【００２４】
一方、ランナ１の外周部に発生するキャビテーションは、発生部位が羽根１０の先端部や付根部というように周方向に羽根１０の１枚毎に変化する分布となることから、ガイドベーンアーム９部のＡＥセンサ１２ではキャビテーション発生部が羽根１０の１ピッチ毎に、一種の触手の作用をしているガイドベーン７に近付いたり、遠ざかったりする効果により、Ｎ・Ｚｒで振幅変化しているように捉えられる。
【００２５】
これはランナ１上で羽根１０の枚数に対応して振幅変調しているわけではないが、ガイドベーン７を通過することによる変調は受ける。しかるに、ガイドベーンアーム９部ではガイドベーン７及びランナ１外周部のキャビテーションによる両ＡＥ信号の振幅変化がＮ・Ｚｒ成分として検出される。
【００２６】
上カバー３の底板のランナ外周部位に設けたＡＥセンサ１２´は、ランナ１の外周部に近いため、ガイドベーン７の通過により僅かにガイドベーン７の枚数Ｚｇとランナ１の回転周波数Ｎの積（Ｎ・Ｚｇ）で変調を受けたランナ外周部のキャビテーション信号により感度よく検出できる。また、ガイドベーン７にキャビテーションが発生すると、空洞が潰れるとき、その近傍の水がガイドベーン７の前に激しくぶつかるため、捩り固有振動を誘発する。
【００２７】
ガイドベーン７に取付けたＡＥセンサ１２の検出信号は増幅器１３で増幅され、ハイパスフィルタ回路１４、整流回路１５、ローパスフィルタ回路１６を通して包絡線（振幅変化成分）処理され、その信号はＦＦＴ回路１７で処理される。
【００２８】
また、上カバーの底板のランナ外周部位に取付けたＡＥセンサ１２´の検出信号は、増幅回路１４´で増幅され、ハイパスフィルタ回路１４´、整流回路１５´、ローパスフィルタ回路１６´を通して包絡線処理され、その信号はＦＦＴ回路１７´で処理される。このＦＦＴ回路１７´で処理した信号にはキャビテーションにより発生した生の周波数成分はなく、振幅変化周波数成分が残る。
【００２９】
従って、いまＡＥセンサ１２からの信号に回転周波数をＮ、ランナ１の羽根枚数をＺｒ、としたとき、Ｎ・Ｚｒ成分が卓越し、ＡＥセンサ１２´からの信号にガイドベーン枚数をＺｇとしたとき、Ｎ・Ｚｇ成分が卓越し、且つガイドベーンアーム９の振動センサ１９からの信号にガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越している場合、キャビテーション判定器１８ではランナ１のガイドベーンキャビテーション及びランナ入口キャビテーション有りと判定する。
【００３０】
また、ＡＥセンサ１２からの信号にＮ・Ｚｒ成分が卓越し、ＡＥセンサ１２´の信号にＮ・Ｚｒ成分が卓越し、且つガイドベーンアーム９の振動センサ１９からの信号にガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越していない場合、キャビテーション判定部１８ではランナ１の入口キャビテーション有りで、ガイドベーン７のキャビテーション無しと判定する。
【００３１】
さらに、ＡＥセンサ１２からの信号にＮ・Ｚｒ成分が卓越し、ＡＥセンサ１２´の信号にＮ・Ｚｇ成分が卓越していなく、且つ振動センサ１９からの信号にガイドベーン軸の捩り振動成分が卓越している場合、キャビテーション判定部１８ではランナ１の入口キャビテーション無しで、ガイドベーン７のキャビテーション有りと判定する。
【００３２】
また、ＡＥセンサ１２からの信号にＮ・Ｚｒ成分が卓越していない場合、キャビテーション判定部１８ではランナ１の入口キャビテーション及びガイドベーン７のキャビテーション無しと判定する。
【００３３】
ここで、Ｎ・Ｚｒ成分、Ｎ・Ｚｇ成分及び捩り振動成分が卓越しているとは、バックグランドノイズレベルに対して２倍以上のことを言う。
【００３４】
このように本実施形態では、ランナ１の羽根枚数をＺｒ、ランナ１の回転周波数をＮとしたとき、ガイドベーン７のキャビテーションによる振幅変化をＮ・Ｚｒ成分として検出すると共に、ガイドベーン軸８の捩り振動成分を検出し、これら検出されたＮ・Ｚｒ成分が卓越し、且つガイドベーン軸８の捩り振動成分が卓越していることを条件にガイドベーンにキャビテーションが有ると判定するようにしたので、ガイドベーンでのキャビテーションの有無を判定することができる。
【００３５】
上記実施形態では、ガイドベーンアーム９にガイドベーンの捩り振動を検出する振動センサ１９を取付け、この振動センサ１９の検出信号を増幅器２０に入力するようにしたが、これら振動センサ１９及び増幅器２０に代えて次のような構成としてもよい。
【００３６】
すなわち、図２に示すようにガイドベーン軸８に軸の捩り歪みを検出する方向に歪みゲージ２２を取付け、この歪みゲージ２２の出力信号を動歪計２３に入力してガイドベーン軸８の捩り振動信号を検出し、この検出信号をＦＦＴ回路２１に与えるようにしたものである。
【００３７】
このような構成としても、上記同様にガイドベーンでのキャビテーションの有無を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による水力機械のキャビテーション診断装置を適用した水車の実施形態を示す構成説明図。
【図２】同実施形態において、ガイドベーンの捩り振動検出手段の他の例を示す構成説明図。
【符号の説明】
【００３９】
１…ランナ、２…主軸、３…上カバー、４…下カバー、５…ケーシング、６…ステ−ベン、７…ガイドベーン、８…ガイドベーン軸、９…ガイドベーンアーム、１０…羽根、１１…吸出し管、１２，１２´…ＡＥセンサ、１３，１３´…前置増幅器、１４，１４´…ハイパスフィルタ、１５，１５´…整流器、１６，１６´…ローパスフィルタ、１７，１７´…ＦＦＴ回路、１８…キャビテーション判定器、１９…振動センサ、２０…増幅器、２１…ＦＦＴ回路、２２…歪みゲージ、２３…動歪計。
【図１】
2007071120.tif 000003
【図２】
2007071120.tif 000004