(57)【要約】【課題】大流量運転点における剥離流れに起因した水圧振動や水力損失の発生を抑制可能なフランシス水車を提供する。【解決手段】実施形態によれば、フランシス水車は、圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸とを備える。さらに、前記水車は、前記ランナの下流に位置し、曲がり部位を有する吸出し管を備える。さらに、前記水車は、前記曲がり部位から流体を取り込み、前記ランナと前記曲がり部位との間の流路に前記流体を吐出する吸水管と、前記吸水管に設けられた制御弁とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸と、
前記ランナの下流に位置し、曲がり部位を有する吸出し管と、
前記曲がり部位から流体を取り込み、前記ランナと前記曲がり部位との間の流路に前記流体を吐出する吸水管と、
前記吸水管に設けられた制御弁と、
を備えるフランシス水車。
【請求項２】
前記吸水管は、前記主軸内を通過している、請求項１に記載のフランシス水車。
【請求項３】
前記吸水管は、前記吸出し管内に吐出口を有するＴ字型吸水管である、請求項１に記載のフランシス水車。
【請求項４】
前記吸水管は、前記吸出し管内に複数の吐出口を有する、請求項１に記載のフランシス水車。
【請求項５】
前記吸水管は、前記制御弁の下流側において複数本の管に分岐しており、
前記複数の吐出口は、前記複数本の管に設けられている、
請求項４に記載のフランシス水車。
【請求項６】
さらに、前記吸出し管内の不安定振動を検出する検出手段を備え、
前記制御弁は、前記検出手段の出力に基づいて開口するよう構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のフランシス水車。
【請求項７】
さらに、前記圧力水の落差と流量に基づいて、前記吸出し管内での不安定振動の発生を推定する推定手段を備え、
前記制御弁は、前記推定手段の出力に基づいて開口するよう構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のフランシス水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、フランシス水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、一般的なフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【０００３】
発電運転時には、圧力水が、ケーシング１からステーベーン２およびガイドベーン３を通ってランナ４に流れ込む。ランナ４は、この圧力水により回転駆動され、圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換する。ランナ４の回転エネルギーは、主軸６を介して発電機７に伝達され、発電機７を駆動させる。一方、ランナ４を駆動させた水は、ランナ５の下流に位置し、曲がり部位５ａを有する吸出し管５を経て、放水路へと放出される。
【０００４】
なお、発電運転時のフランシス水車では、ガイドベーン３の開度を変化させることにより、ランナ４に流入する水量を調整し、発電量を変化させる。また、ランナ４は、フランシス型ランナであり、羽根８と、クラウン９と、バンド１０により形成されている。
【０００５】
図９は、水量の違いによりフランシス水車内の子午面流れが変化する様子を示した縦断面図である。
【０００６】
前述したように、発電運転時のフランシス水車では、発電量を調整するために、ガイドベーン３の開度を調整して、ランナ４に流入する水量を変化させる。そのため、ランナ４内の水の流れは、水車の運転状態により大きく変化する。
【０００７】
図９(ａ)に示すように、ランナ４内の子午面流れは、流れを内周側に押し込もうとする水流の動圧力１１と、流れを外周側に押し出そうとするランナ４の回転による遠心力１２のバランスにより決まる。そのため、設計点（発電効率を最高にしたい点）よりも水量の少ない運転点では、遠心力１２が相対的に大きくなり、流れが外周側に偏る（図９(ｂ)）。一方、設計点よりも水量の多い運転点では、遠心力１２が相対的に小さくなり、流れが内周側に偏る（図９(ｃ)）。なお、符号１３は、吸出し管５内の死水領域を示す。
【０００８】
これらの偏り流れのうち、図９(ｃ)に示す大流量運転点の偏り流れは、吸出し管５の曲がり部位５ａでの流れの剥離を助長する。図９(ｃ)では、曲がり部位５ａの剥離流れが、符号１４で示されている。この剥離流れ１４により発生する曲がり部位５ａでの水圧振動や水力損失は大きく、水車の運転範囲拡大の障壁となっている。
【０００９】
図１０は、吸出し管５の曲がり部位５ａに整流羽根１５を挿入したフランシス水車を示す縦断面図である。
【００１０】
曲がり部位５ａの剥離流れ１４は、例えば、曲がり部位５ａに整流羽根１５を設置することで低減可能である。図１０では、曲がり部位５ａに、複数枚の整流羽根１５がほぼ平行に設置されている。
【００１１】
しかしながら、図１０の方法では、整流羽根１５と回転流との干渉により発生する水力損失も大きく、効果的に水力損失を低減することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平４−２２７６５号公報
【特許文献２】米国特許第６７２９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、大流量運転点における剥離流れに起因した水圧振動や水力損失の発生を抑制可能なフランシス水車を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一の実施形態によるフランシス水車は、圧力水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸とを備える。さらに、前記水車は、前記ランナの下流に位置し、曲がり部位を有する吸出し管を備える。さらに、前記水車は、前記曲がり部位から流体を取り込み、前記ランナと前記曲がり部位との間の流路に前記流体を吐出する吸水管と、前記吸水管に設けられた制御弁とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【図２】第２実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【図３】不安定振動の発生の推定方法について説明するためのグラフである。
【図４】第３実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【図５】第４実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【図６】第５実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【図７】第６実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【図８】一般的なフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【図９】水量の違いによりフランシス水車内の子午面流れが変化する様子を示した縦断面図である。
【図１０】吸出し管の曲がり部位に整流羽根を挿入したフランシス水車を示す縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【００１８】
図１のフランシス水車は、図８に示す構成要素に加えて、吸水管２１と、振動検出手段２２と、制御弁２３を備えている。
【００１９】
吸水管２１は、曲がり部位５ａから水、空気などの流体を取り込み、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の流路にこの流体を吐出する管である。よって、曲がり部位５ａから吸水管２１に取り込まれた流体は、曲がり部位５ａよりも上流の流路に戻されることとなる。図１に示す符号２１ａは、吸水管２１の吸水口を示す。吸水口２１ａは、大流量運転点において剥離流れ１４が発生する位置に設けられている。また、吸水管２１は、主軸６内を貫通しており、吸水口２１ａからの流体をランナコーン２４の下流へと吐出する。
【００２０】
振動検出手段（以下「検出手段」と表記する）２２は、吸出し管５内の水圧振動を検出するよう、吸出し管５の外壁面に設置されている。検出手段２２は、例えば振動計または圧力計である。検出手段２２は、図１では曲がり部位５ａの凸面側の外壁面に設置されているが、曲がり部位５ａの凹面側の外壁面に設置してもよい。
【００２１】
制御弁２３は、吸水管２１に設けられた弁である。制御弁２３は、検出手段２２の出力に基づいて開口するよう構成されている。
【００２２】
次に、大流量運転時におけるフランシス水車の動作について説明する。
【００２３】
大流量運転時には、吸出し管５の曲がり部位５ａに、剥離流れ（剥離領域）１４が発生することがある。この場合、吸出し管５内では、この剥離流れ１４に起因する不安定振動が発生する。
【００２４】
また、大流量運転時には、ランナコーン２４の下流域に、水圧が低下して水が蒸気化したキャビテーション流域２５が現れる。そのため、ランナコーン２４の下流域の水圧は、吸水口２１ａ付近の水圧よりも低くなる。
【００２５】
検出手段２２は、吸出し管５内の剥離流れ１４に起因する不安定振動を検出すると、所定の信号を出力して制御弁２３を開口させる。前述したように、ランナコーン２４の下流域の水圧は、吸水口２１ａ付近の水圧よりも低くなっている。よって、制御弁２３が開口されると、吸水口２１ａ付近の流体、すなわち、剥離領域１４内の流体は、吸水管２１に取り込まれ、ランナコーン２４の下流へと吐出される。その結果、曲がり部位５ａの剥離領域１４を消滅させることができる。さらには、ランナコーン２４の下流域のキャビテーションを減らすことができる。
【００２６】
以上のように、本実施形態のフランシス水車は、曲がり部位５ａから流体を取り込み、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の流路にこの流体を吐出する吸水管２１を備える。よって、本実施形態によれば、大流量運転時に曲がり部位５ａに発生する剥離流れ１４を低減させ、剥離流れ１４に起因する水圧振動や水力損失の発生を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態のフランシス水車は、吸出し管５内の不安定振動を検出する検出手段２２と、吸水管２１に設けられ、検出手段２２の出力に基づいて開口する制御弁２３とを備える。よって、本実施形態によれば、剥離流れ１４を低減する処理を自動化することが可能となる。
【００２８】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【００２９】
図２のフランシス水車は、図１に示す振動検出手段２２の代わりに、振動発生推定手段２６を備えている。
【００３０】
振動発生推定手段（以下「推定手段」と表記する）２６は、不安定振動そのものを直接的に検出するのではなく、ケーシング１に流入する水の落差と流量の測定値から、不安定振動の発生を間接的に推定する。
【００３１】
本実施形態では、不安定振動が発生する際の落差と流量を模擬試験により調べておき、フランシス水車の記憶部内に記憶させておく。また、発電運転時において、推定手段２６は、水力発電所に標準的に装備されている落差計、流量計から、それぞれ落差と流量の測定値を受信する。そして、推定手段２６は、これらの落差と流量が所定の値になると、不安定振動が発生したと判断し、所定の信号を出力して制御弁２３を開口させる。
【００３２】
ここで、図３を参照し、本実施形態における不安定振動の発生の推定方法について説明する。図３は、不安定振動の発生の推定方法について説明するためのグラフである。
【００３３】
図３において、横軸はＮ／Ｈ1/2を表し、縦軸はＱ／Ｈ1/2を表す。ただし、Ｈ、Ｑはそれぞれ落差、流量を表し、Ｎは水車の回転数を表す。また、曲線Ａは、水車効率が等しい点を示す等効率曲線であり、曲線Ｂは、ガイドベーン３の開度が等しい点を示す水車流量特性線である。また、点Ｃは、落差がＨ0のときに最高効率が得られる点を示し、落差Ｈ1、Ｈ2はそれぞれ、落差Ｈ0よりも低い落差と、高い落差を例示したものである。
【００３４】
本実施形態では、例えば、小流量運転による大きな偏り流れが領域Ｒ1にて発生し、大流量運転による大きな偏り流れが領域Ｒ2にて発生する、との模擬試験結果が得られる。さらには、領域Ｒ2にて不安定振動が発生するとの模擬試験結果が得られる。
【００３５】
この場合、本実施形態では、領域Ｒ2内の落差Ｈと流量Ｑを、フランシス水車の記憶部内に記憶させておく。そして、推定手段２６は、落差Ｈと流量Ｑの測定値が領域Ｒ2内の値になると、不安定振動が発生したと判断し、制御弁２３を開口させる。
【００３６】
以上のように、本実施形態のフランシス水車は、吸出し管５内での不安定振動の発生を推定する推定手段２６と、吸水管２１に設けられ、推定手段２６の出力に基づいて開口する制御弁２３とを備える。よって、本実施形態によれば、不安定振動を直接検出する振動計や圧力計などの測定器（検出手段２２）が不要となる。
【００３７】
よって、本実施形態によれば、第１実施形態よりも簡単な構成で、剥離流れ１４に起因する水圧振動や水力損失の発生を抑制することが可能となる。
【００３８】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【００３９】
図４のフランシス水車は、図１のフランシス水車の吸水管２１を、Ｔ字型吸水管３１に置き換えた構造を有している。
【００４０】
Ｔ字型吸水管３１は、吸水管２１と同様に、曲がり部位５ａから水、空気などの流体を取り込み、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の流路にこの流体を吐出する管である。Ｔ字型吸水管３１には、吸水管２１と同様に、制御弁２３が設けられている。図４に示す符号３１ａは、Ｔ字型吸水管３１の吸水口を示す。吸水口３１ａは、吸水口２１ａと同様に、大流量運転点において剥離流れ１４が発生する位置に設けられている。
【００４１】
また、符号３１ｂは、Ｔ字型吸水管３１の管壁に設けられた吐出口を示す。Ｔ字型吸水管３１は、図４に示すように、吸出し管５の管壁を貫通しており、ランナコーン２４の下流域に吐出口３１ｂを有している。よって、本実施形態では、吐出口３１ｂから流体を吐出することで、第１実施形態と同様に、ランナコーン２４の下流域のキャビテーションを減らすことができる。
【００４２】
大流量運転時における水車の動作は、第１実施形態の場合と同様である。検出手段２２は、吸出し管５内の剥離流れ１４に起因する不安定振動を検出すると、所定の信号を出力して制御弁２３を開口させる。その結果、吸水口３１ａ付近の流体、すなわち、剥離領域１４内の流体がＴ字型吸水管３１に取り込まれ、吐出口３１ｂからランナコーン２４の下流へと吐出される。これにより、曲がり部位５ａの剥離領域１４を消滅させることができる。さらには、ランナコーン２４の下流域のキャビテーションを減らすことができる。
【００４３】
以上のように、本実施形態のフランシス水車は、曲がり部位５ａから流体を取り込み、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の流路にこの流体を吐出するＴ字型吸水管３１を備える。よって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、大流量運転時に曲がり部位５ａに発生する剥離流れ１４を低減させ、剥離流れ１４に起因する水圧振動や水力損失の発生を抑制することが可能となる。
【００４４】
なお、第３実施形態のＴ字型吸水管３１には、第１実施形態の吸水管２１に比べ、主軸５を貫通させる必要がなく、水車の製造が容易になるという利点がある。一方、第１実施形態には、吸水管２１が吸出し管５内の水流にさらされないため、吸水管２１が破損するおそれが少ないという利点がある。
【００４５】
また、吐出口３１ｂは、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の地点であれば、吸出し管５内のどの位置に設置してもよいが、キャビテーションを効果的に減らすためには、吸出し管５の中心軸付近に設置することが望ましい。また、Ｔ字型吸水管３１は、吐出口３１ｂを複数有していてもよい。
【００４６】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【００４７】
図５のフランシス水車は、図４のフランシス水車の検出手段２２を、推定手段２６に置き換えた構造を有している。そして、推定手段２６は、前述のように、落差と流量の測定値が所定の値になると、不安定振動が発生したと判断し、制御弁２３を開口させる。
【００４８】
このように、本実施形態のフランシス水車は、吸出し管５内での不安定振動の発生を推定する推定手段２６と、Ｔ字型吸水管３１に設けられ、推定手段２６の出力に基づいて開口する制御弁２３とを備えている。よって、本実施形態によれば、不安定振動を直接検出する振動計や圧力計などの測定器（検出手段２２）が不要となる。
【００４９】
よって、本実施形態によれば、第３実施形態よりも簡単な構成で、剥離流れ１４に起因する水圧振動や水力損失の発生を抑制することが可能となる。
【００５０】
（第５実施形態）
図６は、第５実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【００５１】
図６のフランシス水車は、図１のフランシス水車の吸水管２１を、吸水管４１に置き換えた構造を有している。
【００５２】
吸水管４１は、吸水管２１と同様に、曲がり部位５ａから水、空気などの流体を取り込み、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の流路にこの流体を吐出する管である。吸水管４１には、吸水管２１と同様に、制御弁２３が設けられている。図６に示す符号４１ａは、吸水管４１の吸水口を示す。吸水口４１ａは、吸水口２１ａと同様に、大流量運転点において剥離流れ１４が発生する位置に設けられている。
【００５３】
吸水管４１は、制御弁２３の下流側において２本の管に分岐している。そして、これら２本の管は、図６に示すように、吸出し管５の管壁を貫通しており、ランナコーン２４の下流域にそれぞれ吐出口４１ｂ、４１ｃを有している。よって、本実施形態では、吐出口４１ｂ、４１ｃから流体を吐出することで、第１実施形態と同様に、ランナコーン２４の下流域のキャビテーションを減らすことができる。
【００５４】
大流量運転時における水車の動作は、第１実施形態の場合と同様である。検出手段２２は、吸出し管５内の剥離流れ１４に起因する不安定振動を検出すると、所定の信号を出力して制御弁２３を開口させる。その結果、吸水口４１ａ付近の流体、すなわち、剥離領域１４内の流体が吸水管４１に取り込まれ、吐出口４１ｂ、４１ｃからランナコーン２４の下流へと吐出される。これにより、曲がり部位５ａの剥離領域１４を消滅させることができる。さらには、ランナコーン２４の下流域のキャビテーションを減らすことができる。
【００５５】
以上のように、本実施形態のフランシス水車は、曲がり部位５ａから流体を取り込み、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の流路にこの流体を吐出する吸水管４１を備える。よって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、大流量運転時に曲がり部位５ａに発生する剥離流れ１４を低減させ、剥離流れ１４に起因する水圧振動や水力損失の発生を抑制することが可能となる。
【００５６】
なお、第５実施形態の吸水管４１には、第１実施形態の吸水管２１に比べ、主軸５を貫通させる必要がなく、水車の製造が容易になるという利点がある。また、第５実施形態の吸水管４１には、第３実施形態のＴ字型吸水管３１に比べ、吸出し管５内の水流に対する抵抗が小さく、水流により破損するおそれが少ないという利点がある。
【００５７】
また、吐出口４１ｂ、４１ｃは、ランナ４と曲がり部位５ａとの間の地点であれば、吸出し管５内のどの位置にどの向きで設置してもよいが、キャビテーションを効果的に減らすためには、吸出し管５の中心軸周辺に中心軸方向に向けて設置することが望ましい。
【００５８】
また、吸水管４１は、制御弁２３の下流側において３本以上の管に分岐させ、これらの管の各々に吐出口を設けてもよい。なお、これらの吐出口の位置や向きは、対称性が良好になるよう設定することが望ましい。
【００５９】
また、吸水管４１を複数本の管に分岐させる場合、分岐点の上流側に共通の制御弁２３を設ける代わりに、分岐点の下流側の各々の管に制御弁２３を設けてもよい。本実施形態の効果は、このような構成でも同様に得ることが可能である。ただし、前者の構成には、制御弁２３の個数が１個で済むという利点がある。
【００６０】
（第６実施形態）
図７は、第６実施形態のフランシス水車の構造を示す縦断面図である。
【００６１】
図７のフランシス水車は、図６のフランシス水車の検出手段２２を、推定手段２６に置き換えた構造を有している。そして、推定手段２６は、前述のように、落差と流量の測定値が所定の値になると、不安定振動が発生したと判断し、制御弁２３を開口させる。
【００６２】
このように、本実施形態のフランシス水車は、吸出し管５内での不安定振動の発生を推定する推定手段２６と、吸水管４１に設けられ、推定手段２６の出力に基づいて開口する制御弁２３とを備えている。よって、本実施形態によれば、不安定振動を直接検出する振動計や圧力計などの測定器（検出手段２２）が不要となる。
【００６３】
よって、本実施形態によれば、第５実施形態よりも簡単な構成で、剥離流れ１４に起因する水圧振動や水力損失の発生を抑制することが可能となる。
【００６４】
以上、第１から第６実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施することができる。また、これらの実施形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことにより、様々な変形例を得ることもできる。これらの形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれており、特許請求の範囲及びこれに均等な範囲には、これらの形態や変形例が含まれる。
【符号の説明】
【００６５】
１：ケーシング、２：ステーベーン、３：ガイドベーン、４：ランナ、
５：吸出し管、５ａ：曲がり部位、６：主軸、７：発電機、８：羽根、
９：クラウン、１０：バンド、
１１：動圧力、１２：遠心力、１３：死水領域、１４：剥離流れ、１５：整流羽根、
２１：吸水管、２１ａ：吸水口、２２：振動検出手段、２３：制御弁、
２４：ランナコーン、２５：キャビテーション流域、２６：振動発生推定手段、
３１：Ｔ字型吸水管、３１ａ：吸水口、３１ｂ：吐出口、
４１：吸水管、４１ａ：吸水口、４１ｂ：吐出口、４１ｃ：吐出口
【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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