(57)【要約】【課題】水車又はポンプ効率を低下させることなく、スラスト力を低減し、水車起動時など通常運転範囲外で発生するスラスト力の不安定現象を抑制する水力機械を提供する。【解決手段】実施形態の水力機械は、クラウン３とバンド４との間にランナ羽根２を複数配列してランナ１が構成され、ランナ１の上側及び下側にそれぞれ上カバー６及び下カバー５を配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能である。また、実施形態の水力機械は、ランナ１の外周部近傍における下カバー５に、高さ方向の位置を調整可能な下カバーライナ１０を設置し、下カバーライナ１０は、水車運転時にバンド４の外周のランナ羽根２面側より下方に下げるようにした。【選択図】図１
2013019289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの取付状態における上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、
前記ランナの外周部近傍の前記下カバーに、高さ方向の位置を調整可能な下カバーライナを設置し、
前記下カバーライナは、前記水車運転時に前記バンドの外周の前記ランナ羽根面側より下方に下げることを特徴とする水力機械。
【請求項２】
前記下カバーライナは、前記ポンプ運転時に前記ランナ羽根面側より上方に上げることを特徴とする請求項１に記載の水力機械。
【請求項３】
前記ランナと前記下カバーとの間に形成された側圧室の圧力を監視する側圧監視装置と、
前記側圧監視装置により監視された圧力に基づいて前記下カバーライナの高さを調整する高さ調整機構と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の水力機械。
【請求項４】
クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの取付状態における上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、
前記ランナの外周部近傍の前記上カバーに、高さ方向の位置を調整可能な上カバーライナを設置し、
前記上カバーライナは、前記ポンプ運転時に前記クラウンの外周の前記ランナ羽根面側より上方に上げることを特徴とする水力機械。
【請求項５】
前記上カバーライナは、前記水車運転時に前記ランナ羽根面側より下方に下げることを特徴とする請求項４に記載の水力機械。
【請求項６】
前記ランナと前記上カバー間に形成された背圧室の圧力を監視する背圧監視装置と、
前記背圧監視装置により監視された圧力に基づいて前記上カバーライナの高さを調整する高さ調整機構と、
を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の水力機械。
【請求項７】
クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの取付状態における上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、
前記ランナの外周部近傍の前記下カバー、前記上カバーに、それぞれ高さ方向の位置を調整可能な下カバーライナ、上カバーライナを設置し、
前記上カバーライナは、前記ポンプ運転時に前記クラウンの外周の前記ランナ羽根面側より上方に上げ、前記下カバーライナは、前記水車運転時に前記バンドの外周の前記ランナ羽根面側より下方に下げることを特徴とする水力機械。
【請求項８】
クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、
前記バンド外周部の前記ランナ羽根設置面側が周方向に異なる高さに形成され、前記ランナ羽根近傍以外では前記バンド高さを前記下カバーの高さより高くしたことを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えばフランシス形ポンプ水車などの水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は従来のフランシス形ポンプ水車を示す縦断面図である。
【０００３】
図６に示すように、水車運転（発電運転）時には、図示しない上池からの水は、この上池につながる水圧鉄管を通りケーシング１２からステーベーン１３及びガイドベーン７を通ってランナ１に流れ込む。ランナ１は、流れ込む水流によって回転駆動される。その回転エネルギーは、主軸１４を介して発電電動機１５へと伝達され、発電電動機１５により電力に変換される。
【０００４】
また、ランナ１を駆動した水は、吸出し管１６を経て放水路（下池）へと流出する。このような水車運転時には、ガイドベーン７の開度を変化させることにより、ランナ１に流入する水量を調整し、発電量を変化させている。
【０００５】
一方、ポンプ運転（揚水運転）時には、ランナ１は、発電電動機１５により水車運転時とは逆方向に回転駆動されることによりポンプ作用することになる。この時、下池からの水は、吸出し管１６を通り、ランナ１の回転駆動により揚水され、ガイドベーン７、ステーベーン１３、ケーシング１２及び上記水圧鉄管を通って、上池へと導かれる。
【０００６】
また、水車ランナ周りにおいて、ランナ１の上側には上カバー６が、下側には下カバー５がそれぞれ設けられている。これら上カバー６及び下カバー５は、ランナ１を収納するランナ室を形成している。ランナ１は、円盤状のクラウン３、リング状のバンド４及びランナ羽根２により形成されている。
【０００７】
このような水車ランナでは、クラウン３の背面と上カバー６との間に囲まれた領域を背圧室８といい、バンド４と下カバー５との間に囲まれた領域を側圧室９という。背圧室８は、クラウン３の外周と上カバー６との間に、側圧室９は、バンド４の外周と下カバー５との間に隙間がそれぞれ形成されているため、それぞれランナ１入口に近い位置に高い圧力が作用することになる。
【０００８】
この背圧室８と側圧室９の圧力は、クラウン３の外周と上カバー６との隙間や、バンド４の外周と下カバー５との隙間を狭くし、シール構造とすることにより、ある程度は低減することができる。水車又はポンプ運転時には、この背圧室８と側圧室９との水圧のバランスにより、主軸１４方向のスラスト力が生じることになる。この場合の軸方向の力をみると、背圧室８の方が側圧室９よりも軸方向に作用する面積が大きいため、一般的には下向きの力が生じることになる。
【０００９】
このスラスト荷重は、発電電動機１５に設置されているスラスト軸受で受けている。しかしながら、このスラスト荷重が大きい場合は、容量の大きな軸受が必要となり、大きなコストがかかってしまう。このため主軸１４に過大なスラスト力が加わらないようにスラスト力を調整することが必要となる。
【００１０】
このスラスト力を調整するには、背圧室８側から圧力の低い吸出し管１６の流水面に繋がる配管を設置し、背圧室８の圧力を低減させ、下方向のスラスト力を低減させる方法がある。
【００１１】
また、スラスト力を低減させる技術として、クラウンを押す背圧室の圧力による力と、バンドを押す側圧室の圧力による力との不釣合いにより生じる軸スラストを低減するため、クラウンを貫通するバランスホールを設けるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−１５４７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、スラスト力を低減するには、背圧室８から配管を通して流れる流量を多くすると、背圧室８の圧力は低減することとなる。この場合は、ランナ羽根２面を通らない流れ（漏れ流量）が増加し、水車又はポンプ効率が低下してしまう。
【００１４】
また、背圧室８側に中間シールを設け、この中間シールの位置を外周側にし、また背圧室８の外周側における高圧部の面積を小さくすることにより、スラスト力を低減することも可能である。
【００１５】
しかしながら、背圧室８の外周側と側圧室９との圧力バランスが過度に異なる場合には、水車起動時などの通常運転状態でない状態のとき、ランナ１周りの圧力が不安定になり、下側にかかるスラスト力が過大になったり、逆に上向きにかかるスラスト力が大きくなったりすることがある。このような状況で不安定なスラスト力がかかってしまうことは、好ましくない。
【００１６】
また、既設水車などを更新する場合においては、通常シール寸法、位置などの変更は行わないため、スラスト力は既設水車と同等となる。既設水車の更新の際にスラスト力を既設水車並みにし、漏れ流量の低減が図れれば、効率の向上が期待できる。
【００１７】
本発明の実施形態は、水車又はポンプ効率を低下させることなく、スラスト力を低減し、水車起動時など通常運転範囲外で発生するスラスト力の不安定現象を抑制可能な水力機械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】
【００１８】
上記目的を達成するために、本実施形態の水力機械は、クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの取付状態における上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、前記ランナの外周部近傍の前記下カバーに、高さ方向の位置を調整可能な下カバーライナを設置し、前記下カバーライナは、水車運転時に前記バンドの外周の前記ランナ羽根面側より下方に下げることを特徴とする。
【００１９】
また、本実施形態の水力機械は、クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの取付状態における上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、前記ランナの外周部近傍の前記上カバーに、高さ方向の位置を調整可能な上カバーライナを設置し、前記上カバーライナは、ポンプ運転時に前記クラウンの外周の前記ランナ羽根面側より上方に上げることを特徴とする。
【００２０】
さらに、本実施形態の水力機械は、クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの取付状態における上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、前記ランナの外周部近傍の前記下カバー、前記上カバーに、それぞれ高さ方向の位置を調整可能な下カバーライナ、上カバーライナを設置し、前記上カバーライナは、ポンプ運転時に前記クラウンの外周の前記ランナ羽根面側より上方に上げ、前記下カバーライナは、水車運転時に前記バンドの外周の前記ランナ羽根面側より下方に下げることを特徴とする。
【００２１】
そして、本実施形態の水力機械は、クラウンとバンドとの間にランナ羽根を複数配列してランナが構成され、前記ランナの上側及び下側にそれぞれ上カバー及び下カバーを配置し、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能な水力機械であって、前記バンド外周部の前記ランナ羽根設置面側が周方向に異なる高さに形成され、前記ランナ羽根近傍以外では前記バンド高さを前記下カバーの高さより高くしたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る水力機械の第１実施形態を適用したフランシス形ポンプ水車のランナ周りを示す拡大縦断面構成図である。
【図２】第１実施形態においてランナの高さ位置を変化させて軸方向に作用するスラスト力を水車運転及びポンプ運転で測定した結果を示す説明図である。
【図３】第１実施形態において上カバーライナ、下カバーライナの位置を上下方向に変化させたときのスラスト力の変化を示す説明図である。
【図４】本発明に係る水力機械の第２実施形態を適用したフランシス形ポンプ水車のランナ周りを示す拡大図である。
【図５】第２実施形態におけるランナ羽根、クラウン及びバンドを示す拡大縦断面図である。
【図６】従来のフランシス形ポンプ水車を示す縦断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る水力機械の各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
（構  成）
図１は本発明に係る水力機械の第１実施形態を適用したフランシス形ポンプ水車のランナ周りを示す拡大縦断面図である。
【００２５】
なお、以下の各実施形態では、図６に示すフランシス形ポンプ水車と同一の部分には、同一の符号を付して説明する。また、以下の各実施形態では、鉛直方向に設置された主軸回りにランナが回転する例について説明する。さらに、以下の各実施形態を適用した水力機械は、水車運転及びポンプ運転を切り換えて運転可能である。
【００２６】
図１に示すように、ランナ１は、円盤状のクラウン３とリング状のバンド４との間にランナ羽根２を周方向に複数配列して構成されている。ランナ１の取付状態における下側には下カバー５が、上側には上カバー６がそれぞれ設けられている。これら下カバー５及び上カバー６は、ランナ１を収納するランナ室を形成している。
【００２７】
バンド４と下カバー５との間は、側圧室９に形成される。また、クラウン３の背面と上カバー６との間は、背圧室８に形成される。
【００２８】
ランナ１の外周部近傍の下カバー５には、高さ方向の位置を調整可能な下カバーライナ１０が設置されている。この下カバーライナ１０は、筒状に形成され、高さ調整機構としての駆動機構２１ａにより上下方向に移動可能である。側圧室９の圧力は、側圧監視装置としての圧力監視装置２０ａにより監視されている。この圧力監視装置２０ａにより監視された圧力に基づいた駆動信号が所定の時間間隔で駆動機構２１ａに出力される。この駆動機構２１ａは、入力した駆動信号により下カバーライナ１０を駆動してその高さが調整される。つまり、下カバーライナ１０の高さは、側圧室９の圧力に基づいて調整される。下カバーライナ１０の高さは、バンド４の外周のランナ羽根２面側との相対位置により規定される。
【００２９】
同様に、ランナ１の外周部近傍の上カバー６には、高さ方向の位置を調整可能な上カバーライナ１１が設置されている。この上カバーライナ１１は、筒状に形成され、高さ調整機構としての駆動機構２１ｂにより上下方向に移動可能である。背圧室８の圧力は、背圧監視装置としての圧力監視装置２０ｂにより監視されている。この圧力監視装置２０ｂにより監視された圧力に基づいた駆動信号が所定の時間間隔で駆動機構２１ｂに出力される。この駆動機構２１ｂは、入力した駆動信号により上カバーライナ１１が駆動してその高さが調整される。つまり、上カバーライナ１１の高さは、背圧室８の圧力に基づいて調整される。上カバーライナ１１の高さは、クラウン３の外周のランナ羽根２面側との相対位置により規定される。
【００３０】
圧力監視装置２０ａ，２０ｂは、それぞれ圧力センサ及び制御装置を備え、圧力センサにより側圧室９又は背圧室８の圧力が検出され、この検出結果に基づいて上記制御装置から駆動機構２１ａ，２１ｂに駆動信号が出力される。
【００３１】
ここで、駆動機構２１ａ，２１ｂは、下カバーライナ１０又は上カバーライナ１１に水圧を加えて駆動させる水圧式の駆動機構の他、油圧式、電気式のものが適用可能である。
【００３２】
（作  用）
図２は第１実施形態においてランナの高さ位置を変化させて軸方向に作用するスラスト力を水車運転及びポンプ運転で測定した結果を示す説明図である。
【００３３】
なお、図２は模型試験により測定した結果であり、中間の位置はランナ中心高さが上カバー及び下カバーの中心高さに設置されている状態であることを示している。また、本試験では水車又はポンプ方向の水力効率がほとんど変化しない範囲でランナ高さを変化させて計測した結果である。
【００３４】
図２に示すように、ランナ１の高さを高くすると、水車運転時はスラスト力が徐々に小さくなり、一方でポンプ運転時はスラスト力が徐々に大きくなることが分かる。
【００３５】
これはランナ高さを固定して、下カバー５又は上カバー６のランナ１に対する相対的な位置を変化させることと同じである。具体的には、水車運転時では、下カバー５又は上カバー６の高さを下げると、相対的にランナ１の高さが高くなった状態と同じになり、スラスト力が小さくなることを示している。
【００３６】
一方、ポンプ運転では、下カバー５又は上カバー６の高さを高くし、相対的にランナ１の高さを低くした状態と同じにすることにより、スラスト力を小さくすることが可能となる。
【００３７】
図３は第１実施形態において下カバーライナ１０、上カバーライナ１１の位置を上下方向に変化させたときのスラスト力の変化を示す説明図である。
【００３８】
図３に示すように、水車運転、ポンプ運転に応じて下カバーライナ１０、上カバーライナ１１の高さを調整することにより（図３の二点鎖線で示す）、水車運転、ポンプ運転ともスラスト力の小さい状態とすることが可能となる。
【００３９】
すなわち、下カバー５又は上カバー６に対して常にランナ１の高さが同じ状態のときに比べ、全運転状態でスラスト力を小さくすることが可能となる。
【００４０】
本実施形態では、下カバー５又は上カバー６の高さを調整するため、上記のようにランナ１外周部の下カバーライナ１０、上カバーライナ１１が上下方向に可動な構造となっている。
【００４１】
（効  果）
このように本実施形態によれば、下カバーライナ１０、上カバーライナ１１は、側圧室９又は背圧室８の圧力に応じて高さ調整が可能なため、運転状態や圧力状態に応じて高さを変えることにより、スラスト力を低減することが可能となる。
【００４２】
このため、従来よりも背圧室８からの漏れ流量を増加させることなく、スラスト力を低減させることが可能となり、従来とスラスト力が同じ大きさでよい場合は、バランスパイプなどの漏れ流量を抑制しても、従来と同じスラスト力とすることができることから、水車運転時又はポンプ運転時の水車又はポンプ効率を向上させることも可能となる。
【００４３】
また、水車起動時などにおいても、側圧室９又は背圧室８の圧力を監視しながら下カバーライナ１０、上カバーライナ１１の高さを調整してスラスト力を調整することができるため、スラスト力が不安定な状態になることを未然に防ぐことが可能となる。
【００４４】
なお、本実施形態では、下カバー５側及び上カバー６側の下カバーライナ１０、上カバーライナ１１を同時に調整してスラスト力を低減する例について説明したが、これに限らず下カバー５側の下カバーライナ１０のみ、又は上カバー６側の上カバーライナ１１のみの高さを調整しても同様の効果が得られる。
【００４５】
（第２実施形態）
（構  成）
図４は本発明に係る水力機械の第２実施形態を適用したフランシス形ポンプ水車のランナ周りを示す拡大図である。図５は第２実施形態におけるランナ羽根、クラウン及びバンドを示す拡大縦断面図である。
【００４６】
図４及び図５に示すように、本実施形態は、ランナ１のバンド４の外周部におけるランナ羽根２の設置面側の高さは、周方向に異なる高さとなっている。また、バンド４面は、相対的にランナ羽根２近傍よりもランナ羽根２間では、突部４ａを一体に形成することで、ランナ羽根２近傍の面よりも高くなっている。
【００４７】
すなわち、本実施形態は、バンド４の外周部のランナ羽根２の設置面側が周方向に異なる高さに形成され、ランナ羽根２近傍以外では突部４ａを形成することで、相対的にバンド４の高さを下カバー５の高さより高くしている。
【００４８】
（作用及び効果）
ところで、ランナ１を水車に設置するときの高さは、通常運転時のランナ１の高さ変化を考慮して、通常運転時にバンド４面のランナ羽根２近傍の高さがバンド４面と同じ高さになるように設置する。これにより、通常運転時、ランナ１のバンド４面におけるランナ羽根２とランナ羽根２との中間部分は、バンド４面よりも高くなる。
【００４９】
上述したように、ランナ１の相対位置を上カバー６や下カバー５よりも高くすると、水車運転時のスラスト力は小さくなり、バンド４面だけ下カバー５よりも高く設置した場合でもこの傾向がある。
【００５０】
ただし、過度にバンド４面を下カバー５面より高くすると、ランナ羽根２の設置面側に流入する流れがバンド４面で乱れ、その乱れた流れがランナ羽根２の設置面に影響することがある。このため、ランナ羽根２の設置面近傍では、バンド４面高さと下カバー５面の高さを同じにすることが望ましい。
【００５１】
本実施形態では、このような状況に鑑み、ランナ羽根２近傍は、バンド４面と下カバー５面を同じ高さにし、ランナ羽根２間は突部４ａを形成してバンド４面を下カバー５面よりも高くすることにより、スラスト力を低減する効果を得ている。
【００５２】
また、従来とスラスト力が同じ大きさでよい場合は、前記第１実施形態と同様にバランスパイプなどの漏れ流量を抑制しても、従来と同じスラスト力とすることができることから、水車運転時又はポンプ運転時の水車又はポンプ効率を向上させることも可能となる。
【００５３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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ていない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１…ランナ、２…ランナ羽根、３…クラウン、４…バンド、４ａ…突部、５…下カバー、６…上カバー、７…ガイドベーン、８…背圧室、９…側圧室、１０…下カバーライナ、１１…上カバーライナ、１２…ケーシング、１３…ステーベーン、１４…主軸、１５…発電電動機、１６…吸出し管、２０ａ…圧力監視装置（側圧監視装置）、２０ｂ…圧力監視装置（背圧監視装置）、２１ａ，２１ｂ…駆動機構（高さ調整機構）
【図１】
2013019289.tif 000003
【図２】
2013019289.tif 000004
【図３】
2013019289.tif 000005
【図４】
2013019289.tif 000006
【図５】
2013019289.tif 000007
【図６】
2013019289.tif 000008