(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、
揚水運転指令を受けると前記入口弁をバイパスするように設けられた側路弁を開いて、一旦前記ポンプ水車を水車として回転させ、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記側路弁を全閉すると共に、前記回転軸をブレーキ装置により停止させた後に揚水始動を行うことを特徴とする揚水発電所の揚水始動方法。
【請求項２】
入口弁としてシート弁を有する球形弁型の入口弁を設け、揚水指令を受けると側路弁に代わって前記シート弁を操作することを特徴とする請求項１記載の揚水発電所の揚水始動方法。
【請求項３】
ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、
揚水指令を受けると前記ポンプ水車のランナ背圧室に連通する配管に接続された排水弁を開いて前記ランナ背圧室内の圧力を低下させることで、ランナ下面に掛かる押込み水圧とランナ上面に掛かる前記ランナ背圧室内の圧力との間に生ずる差圧によって前記回転軸を押上げることにより、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記排水弁を全閉した後に揚水始動を行うことを特徴とする揚水発電所の揚水始動方法。
【請求項４】
ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、
揚水指令を受けると前記ポンプ水車のランナ側圧室に前記水圧鉄管あるいは給水ポンプ等から圧力水を給水して、前記ランナ側圧室に掛かる給水圧力によって前記回転軸を押上げることにより、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記ランナ側圧室への給水を抑止した後に揚水始動を行うことを特徴とする揚水発電所の揚水始動方法。
【請求項５】
ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、
揚水指令を受けると油圧又は空気圧によりシャッキ装置を自動操作して前記回転軸を押上げることにより、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記シャッキ装置によるジャッキアップを解除した後に揚水始動を行うことを特徴とする揚水発電所の揚水始動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転機械、特に水力発電所の可逆回転機における揚水始動方法に係り、特に揚水始動に際してスラスト軸受のすべり面油膜を形成する揚水始動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
揚水発電所の揚水始動方法としては、同期発電電動機の制動巻線によって誘導電動機とし、低減電圧を掛けて揚水始動する低減電圧始動方式や、同期発電機と同期発電電動機を停止時に電気的に結合させた上で両機に励磁を与えると共に、同期発電機を水車始動することで低周波領域にて同期化させて加速する同期始動方式や、発電電動機に直結した小容量の巻線形誘導電動機を駆動する始動用電動機始動方式や、サイリスタを使用して同期発電電動機に低周波電源を供給し、徐々に周波数を上げて行くことにより加速するサイリスタ始動方式がある。
【０００３】
前記いずれの方式においても、設備容量を抑えるために、揚水始動時には吸出管に圧縮空気を送込み、ポンプ水車のランナを気中で回転させたり、スラスト押上装置にてスラスト軸受のすべり面に潤滑油を強制的に給油して軸受油膜を形成することにより、始動トルクを低減する方策が一般的に採られている。
【０００４】
図１６は縦軸に軸受の摩擦係数を、横軸に無次元量ηＮ／ｐ（η：潤滑油の粘度、Ｎ：回転速度、ｐ：平均軸受面圧）を示し、一般に良く知られている動圧作用におけるスラスト軸受の始動摩擦特性を示している。
【０００５】
図中のＡ点は摩擦係数が最小となる臨界点であり、この臨界点より左側の境界潤滑領域では、平均軸受面圧ｐが一定と考えると回転速度Ｎが小さい程摩擦係数μは急増する。つまり、境界潤滑領域の超低回転速度となる始動時には非常に大きな始動トルクが必要となることを示している。
【０００６】
このため、前述したように始動時にはスラスト押上装置による静圧作用により、軸受すべり面に強制的に油膜を形成し、流体潤滑領域から始動することで始動時に要するトルクを軽減している。また、スラスト軸受のすべり面に一旦油膜が形成されると、油膜の厚さは徐々に軽減するもののスクイズ効果により短時間では油膜切れに至らないことは一般に良く知られている。
【０００７】
次に水車発電機に用いられているスラスト軸受を一例に、従来より広く回転電機等に使用されているスラスト軸受の構造及びスラスト押上装置の構成を図１７及び図１８により説明する。
【０００８】
図１７において、回転軸１にはスラストカラー２が取付けられ、このスラストカラー２の下面には回転板３が設けられている。そして、複数の扇形の静止板４が回転軸１の周りに放射状に配置され、回転板３を摺動可能に支持している。
【０００９】
静止板４は複数のバネ等の弾性部材５を介して支持板６により指示されている。また、スラストカラー２の側面にはガイド軸受８が取付けられ、その外部には油槽７が設けられており、その内部は潤滑油９で満たされている。
【００１０】
また、図１８において、油槽７内の潤滑油９を電動機１２に直結されたスラスト押上ポンプ１１に引込み、ポンプにて昇圧した後にスラスト軸受静止板４に設けた押上用孔１０より軸受すべり面に強制的に給油して、回転軸１を押上げるとともに、回転軸１に直結された回転板３と静止板４の間に油膜を形成させる。
【００１１】
従来の水車発電機に用いられるスラスト軸受のすべり面の材料は、金属の錫を主成分とした軸受材料合金（ＪＩＳ呼称でホワイトメタルＷＪ２）が使用されているが、長時間停止後等で回転板３と静止板４の間の潤滑油膜切れによって金属接触しているような場合には、その状態から回転軸１を回転させると即に軸受損傷に至ることから、スラスト押上装置により軸受滑り面に強制的に給油することで軸受油膜が形成された後に、回転軸１を回転させることが必須であった。
【００１２】
しかしながら、スラスト押上装置を設置する場合には、各静止板に均等に強制的に給油するために設けられる流量調整弁１４やスラスト軸受のすべり面に形成された軸受油膜の圧力が漏れないように設けられる逆止弁１３を油槽７内に設けるが、これらの点検・取替等の保守を行う場合には、油槽内の潤滑油を抜油する必要があり、また潤滑油を戻し入れする際には油槽７内の清掃を含めて潤滑油を清掃することが必要となり、この段取りのためには回転電機を長期間に渡って停止しなれけばならなかった。
【００１３】
また、最近ではスラスト軸受のすべり面材料として、従来のホワイトメタルに比べて摩擦係数の小さい樹脂系材料を適用したものが開発されている。この場合には、長時間停止後等で回転板と静止板の間の潤滑油膜切れが生じているような状態から回転軸を回転させても、始動トルクを確保できれば従来のように軸受損傷に至ることはないため、水力的には大きな始動トルクの得られる発電始動時にはスラスト押上装置により軸受すべり面に強制的に給油して軸受油膜を形成する必要はないが、揚水始動時においてはスラスト押上装置を設けないと、始動トルクを確保するという観点から、従来以上の容量を有する始動装置の設置が必要になるという問題があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来においては、スラスト軸受に対してスラスト押上装置を設置することが必須であったため、スラスト押上装置からの潤滑油を各静止板に均等に強制的に給油するために設けられる流量調整弁１４やスラスト軸受すべり面に形成された軸受油膜の圧力が漏れないように設けられる逆止弁１３を油槽７内に設けることになるが、これらの点検や取替等の保守を行う場合には、油槽内の潤滑油を抜油する必要があり、また潤滑油を戻し入れする際には、油槽７内の清掃を含めて潤滑油を清掃することが必要で、この段取りのためには回転電機を長期間に渡って停止しなければならないという問題があった。
【００１５】
また、樹脂系材料を適用したスラスト軸受において、スラスト押上装置を設けない場合には、始動トルクを確保するという観点から始動装置の容量が従来にも増して大きくなり、設備容量の最小限化が図れないばかりか、既設の回転電機に樹脂系材料を適用したスラスト軸受を導入する場合には既存の設備での揚水始動が行えないという問題があった。
【００１６】
本発明は上記のような問題を解消するためなされたもので、その目的は設備容量の最小限化を図り、既存設備においては既存の設備容量にて揚水始動が行えるとともに、スラスト押上装置を具備することにより生じていた保守に要する回転電機の停止期間を省き、回転電機の稼働率を上げることのできる揚水発電所の揚水始動方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により揚水発電所の揚水始動を行うものである。
請求項１に対応する発明は、ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、揚水運転指令を受けると前記入口弁をバイパスするように設けられた側路弁を開いて、一旦前記ポンプ水車を水車として回転させ、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記側路弁を全閉すると共に、前記回転軸をブレーキ装置により停止させた後に揚水始動を行うことを特徴とする。
【００１８】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明において、入口弁としてシート弁を有する球形弁型の入口弁を設け、揚水指令を受けると側路弁に代わって前記シート弁を操作することを特徴とする。
【００１９】
請求項３に対応する発明は、ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、揚水指令を受けると前記ポンプ水車のランナ背圧室に連通する配管に接続された排水弁を開いて前記ランナ背圧室内の圧力を低下させることで、ランナ下面に掛かる押込み水圧とランナ上面に掛かる前記ランナ背圧室内の圧力との間に生ずる差圧によって前記回転軸を押上げることにより、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記排水弁を全閉した後に揚水始動を行うことを特徴とする。
【００２０】
請求項４に対応する発明は、ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、揚水指令を受けると前記ポンプ水車のランナ側圧室に前記水圧鉄管あるいは給水ポンプ等から圧力水を給水して、前記ランナ側圧室に掛かる給水圧力によって前記回転軸を押上げることにより、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記ランナ側圧室への給水を抑止した後に揚水始動を行うことを特徴とする。
【００２１】
請求項５に対応する発明は、ポンプ水車と発電電動機とをスラスト軸受により移動可能に支承された回転軸により直結し、且つ発電運転時には水圧鉄管より入口弁を通して流入する位置エネルギを有する水により前記ポンプ水車を回転駆動して前記発電電動機を発電機として運転し、揚水運転時には電気エネルギの供給を受けて前記発電電動機を電動機として前記ポンプ水車を駆動することにより、吸出し管より汲上げた水を前記入口弁より前記水圧鉄管を通して揚水するようにした揚水発電所において、揚水指令を受けると油圧又は空気圧によりシャッキ装置を自動操作して前記回転軸を押上げることにより、前記スラスト軸受の回転板と静止板との間に油膜を形成させた上で、前記シャッキ装置によるジャッキアップを解除した後に揚水始動を行うことを特徴とする。
【００２２】
従って、上記請求項１乃至請求項５に対応する発明にあっては、スラスト押上装置の設置により油槽内に設けられる流量調節弁や逆止弁等を保守するために、油槽内潤滑油の抜油、油槽内の清掃、潤滑油の戻し入れ等の段取りによって回転電機を長期間停止する必要がなくなることで、回転電機の稼働率を大幅に高めることができ、特に樹脂系材料をスラスト軸受のすべり面に用いた場合にはスラスト押上装置を設けずとも始動トルクを低減することができるため、始動装置の設備容量を最小限にでき、既存の設備に対して樹脂系材料をすべり面に用いたスラスト軸受を適用する場合においても、新たに始動用設備の追加や容量増加することなく、既存設備容量にて揚水始動することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第１の実施の形態のポンプ水車の構成例を示すものである。
【００２４】
図１に示すように発電運転時には上池と下池の間に生ずる落差による位置エネルギーを有した水は、水圧鉄管１５、入口弁１６、ケーシング１９，ステーベン２０を経由してガイドベーン２１にて流量調整され、圧力エネルギーを持ってランナ２２に流入し、吸出し管２５を経由して下池に放水される。ランナ２２はこの圧力エネルギーを発電方向の回転エネルギーに変換し、回転軸１を通して図示しない発電電動機に伝達する。これにより、発電電動機は発電機として運転される。
【００２５】
一方、揚水運転時には発電電動機を電動機として駆動すると、発電運転時とは逆に下池の水は吸出し管２５を経由してランナ２２に流入し、ランナ２２にて発電電動機より回転軸１を通して伝達された揚水方向の回転エネルギーを圧力エネルギーに変換し、ガイドベーン２１、ステーベン２０、ケーシング１９、入口弁１６、水圧鉄管１５を経由して上池に揚水される。
【００２６】
次に図２により第１の実施の形態の揚水始動手順について説明する。
Ｓ１にて揚水運転指令を受け、Ｓ２にて入口弁用側路弁１８を開くことで、上池からの水圧は水圧鉄管１５、側路弁１８、ケーシング１９、ステーベン２０を経由してガイドベーン２１に伝達される。この際、ガイドベーン２１は全閉されているが、ガイドベーンは完全な止水効果がないため、ベーンからの漏水によるランナ２２に回転トルクが生じる。特に高落差機においてはガイドベーン漏水によるランナ２２へのエネルギーの注入が大きくなるため、ガイドベーンの漏水によりランナ２２の発電（水車）方向への回転が得られることになる。
【００２７】
このとき、Ｓ３にてランナ２２に直結された回転軸１が回転したことは、Ｓ４にて近接スイッチ２７と歯車２８より構成される停止確認装置にて確認することができる。即ち、回転軸１の回転に伴い、回転軸１に取付けられた歯車２８も回転するが、ある一定時間内に歯車２８の歯が近接スイッチ２７を過ぎた場合には回転していると判断できる。
【００２８】
回転軸１の回転により、回転軸１に直結されたスラスト軸受の回転板が回転するため、前述した動圧作用によりスラスト軸受のすべり面に油膜が形成され、流体潤滑領域となる。この時点で、Ｓ５にて入口弁用側路弁１８を全閉することで、ガイドベーン漏水によるランナ２２への注入エネルギーを遮断するとともに、Ｓ６にてブレーキ装置を動作して回転軸１の回転を抑止する。
【００２９】
Ｓ７にて前記停止確認装置により回転軸１の停止が確認されると、Ｓ８にてブレーキ装置を解除し、Ｓ９にて水面押し下げから始まる通常実施される揚水始動を開始する。なお、前述したようにスラスト軸受のすべり面油膜は一旦形成されると、スクイズ効果により短時間で油膜切れすることがないため、スラスト軸受は流体潤滑領域において揚水始動が行える。
【００３０】
図３は上述した揚水始動手順をタイムチャートにて示すものである。図３では横軸に時間を取り、縦軸には揚水運転指令、入口弁用側路弁１８の開閉動作、ケーシング水圧２９、回転速度、停止確認装置の動作、ブレーキ装置の動作、スラスト軸受油膜厚さ、水面押下給気指令を示している。
【００３１】
なお、本発明はスラスト軸受のすべり面材料として樹脂系材料を適用した場合に有効な手段であり、低落差機等において、ガイドベーン漏水のみでは回転軸１を回転させるに十分な回転トルクが得られない場合には、ガイドベーン２１を小開してランナ２２へ注入する水量、つまり注入エネルギーを増加させ、回転軸１を回転させる方法もある。
【００３２】
図４は本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第２の実施の形態における球形弁型の入口弁の断面構造を示すものである。
図４に示すように、水圧鉄管１５とケーシング１９との間に球形弁型の入口弁が設けられている。この入口弁は弁胴４１内に弁体４０が設けられ、弁胴４１の一端部は水圧鉄管１５側に連結され、他端部はディスマウントリングジョイント４４を介してケーシング１９側に連結されている。また、弁胴４１の水圧鉄管１５側の内面に上流側シート弁４３が、ケーシング側の内面には下流側シート弁４２がそれぞれ設けられ、さらに弁胴４１とケーシング１９との間を連結するバイパス管に側路弁１８が設けられている。
【００３３】
ここで、図中に実線で示す弁体４０は全閉状態を表し、シート弁４２，４３ともに止水するようになっている。また図中で下流側のシート弁４２は止水時を表し、通水時は右へ移動している。
【００３４】
なお、下流側のシート弁４２は普通常用とし、上流側のシート弁４３は下流側のシート弁４２が補修又は交換される場合に用いる保守用で、通常時は開で常に図示左側に移動している。
【００３５】
また、ディスマウントリングジョイント４４は入口弁全体を分解せずに下流側のシート弁４２を交換できるようにするためのものである。
次に図５により第２の実施の形態の揚水始動手順について説明する。
【００３６】
Ｓ１１にて揚水運転指令を受け、Ｓ１２にて図１の入口弁用側路弁１８に代わって下流側シート弁４２を開くと、第１の実施の形態で述べたと同様に、上池からの水圧は水圧鉄管１５、下流側のシート弁４２、ケーシング１９、ステーベン２０を経由してガイドベーン２１に伝達される。この際、ガイドベーン２１は全閉されているが、ガイドベーンは完全な止水効果がないため、ベーンからの漏水によるランナ２２に回転トルクが生じる。特に高落差機においてはガイドベーン漏水によるランナ２２へのエネルギーの注入が大きくなるため、ガイドベーンの漏水によりランナ２２の発電（水車）方向への回転が得られることになる。
【００３７】
このとき、Ｓ１３にてランナ２２に直結された回転軸１が回転したことを、Ｓ１４にて近接スイッチ２７と歯車２８より構成される停止確認装置にて確認することができる。即ち、回転軸１の回転に伴い、回転軸１に取付けられた歯車２８も回転するが、ある一定時間内に歯車２８の歯が近接スイッチ２７を過ぎた場合には回転していると判断できる。
【００３８】
回転軸１の回転により、回転軸１に直結されたスラスト軸受の回転板が回転するため、前述した動圧作用によりスラスト軸受のすべり面に油膜が形成され、流体潤滑領域となる。この時点で、Ｓ１５にて下流側のシート弁４２を全閉することで、ガイドベーン漏水によるランナ２２への注入エネルギーを遮断するとともに、Ｓ１６にてブレーキ装置を動作して回転軸１の回転を抑止する。
【００３９】
Ｓ１７にて前記停止確認装置により回転軸１の停止が確認されると、Ｓ１８にてブレーキ装置を解除し、Ｓ１９にて水面押し下げから始まる通常実施される揚水始動を開始する。なお、前述したようにスラスト軸受のすべり面油膜は一旦形成されると、スクイズ効果により短時間で油膜切れすることがないため、スラスト軸受は流体潤滑領域において揚水始動が行える。
【００４０】
なお、本発明はスラスト軸受のすべり面材料として樹脂系材料を適用した場合に有効な手段であり、低落差機等において、ガイドベーン漏水のみでは回転軸１を回転させるに十分な回転トルクが得られない場合には、ガイドベーン２１を小開してランナ２２へ注入する水量、つまり注入エネルギーを増加させ、回転軸１を回転させる方法もある。
【００４１】
図６は本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第３の実施の形態のポンプ水車の断面構造を示すもので、図１と同一部品には同一符号を付して示す。
【００４２】
図６において、上カバー２３で覆われたランナ背圧室３１に連通する配管に排水弁（排気弁）３０が設けられ、またランナ背圧室３１の圧力を検出するランナ背圧圧力計３２とドラフト水圧を検出するドラフト水圧計３３が設けられる以外は図１と同じである。
【００４３】
一般に揚水発電所では、ポンプ水車は下池面レベルよりも標高の低い位置に据付けられているため、停止時には上カバー２３と下カバー２４に囲まれたランナ２２の周りには水が満たされており、吸出し管２５を通じて下池水面レベルとの標高差分の水圧が掛かっている。この状態において、出口側が大気解放されている配管に接続された排水弁３０を開くと、図７に示すようにランナ背部シール３４に囲まれた平面投影面積をＡｓ、下池水面レベルとポンプ水車の据付けレベルとの標高差Ｈｓ、排出弁３０を開いたことにより圧力低下したランナ背部シール３４に囲まれた部分の圧力をＨｏとすると、ランナ２２には下式に示すような上向きの力Ｆが働き、この押し上げる力Ｆがランナ２２、回転軸１、発電電動機の回転子等から構成される回転部の重量を上回ることで、回転軸１を押し上げることができる。
【００４４】
Ｆ＝Ａｓ×（Ｈｓ−Ｈｏ）
しかるに、回転軸１に直結された図１７に示すスラストカラー２、回転板３が上方へ押上られることで、回転板３と静止板４の間のスラスト軸受すべり面に潤滑油が侵入し油膜が形成される。
【００４５】
前述したようにスラスト軸受のすべり面の油膜は一旦形成されればスクイズ効果により短時間で油膜切れすることはないため、この結果スラスト軸受は流体潤滑領域において、揚水始動が行えることになる。
【００４６】
次に図８により第３の実施の形態の揚水始動手順について説明する。
Ｓ２１にて揚水始動指令を受け、Ｓ２２で排水弁３０を開くと、背部シール３４に囲まれたランナ背圧室内の圧力が低下する。これにより前述したようにＳ２３にて回転軸１は上方向に移動し、スラスト軸受のすべり面に油膜が形成され、流体潤滑できることになる。この時点でＳ２４にて排気弁３０を全閉し、Ｓ２５にて水面押し下げから通常実施される揚水始動を開始する。
【００４７】
図９は上述した揚水始動手順をタイムチャートにて示すものである。図９では横軸に時間を取り、縦軸には揚水運転指令、排水弁３０の開指令、排水弁３０の開閉動作、圧力計３２によるランナ背圧室内の圧力、圧力計３３によるドラフト水圧、スラスト軸受油膜厚さ、水面押下給気指令を示している。
【００４８】
なお、本発明はスラスト軸受のすべり面材料として金属系材料であるホワイトメタル及び樹脂系材料のいずれを適用した場合にも有効な手段であり、排水弁３０は水面押下空気の排気に用いる排気弁と兼用する方法もある。
【００４９】
図１０は本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第４の実施の形態のポンプ水車の断面構造を示すもので、図１と同一部品には同一符号を付して示す。
【００５０】
図１０において、水圧鉄管１５と、下カバー２４とランナ２２で覆われたランナ側圧室４６との間を連通させて設けられた配管に給水弁４５が設けられ、またランナ側圧室４６にはランナ出口シール４８、ランナ外周シール４９が設けられると共に、圧力を検出するランナ側圧圧力計４７が設けられる以外は図１と同じである。
【００５１】
ポンプ水車が停止している時には、前述した通り上カバー２３と下カバー２４に囲まれたランナ２２の周りには水が満たされている。この状態において、水圧鉄管１５あるいは給水ポンプ吐出側に接続された給水弁を開き、水圧鉄管あるいは給水ポンプからランナ側圧室４６に圧力水を供給することで、ランナ２２と下カバー２４とランナ出口シール４８とランナ外周シール４９により囲まれたランナ側圧室４６内の圧力を上昇する。つまり、ランナ２２の平面投影面積をＡｒ、ランナ出口シール４８に囲まれた平面投影面積をＡｓ（一般にランナ出口シール４８に囲まれた平面投影面積とランナ背部シール３４に囲まれた平面投影面積は等しい。）、圧力水の給水により昇圧されたランナ側圧室４６内の圧力をＨｐ、下池水面レベルとポンプ水車据付けレベルとの標高差をＨｓとすると、ランナ２２には下式に示すような上向きの力Ｆが働き、この押し上げる力Ｆがランナ２２、回転軸１、発電電動機の回転子等から構成される回転部の重量を上回ることで、回転軸１を押し上げることができる。
【００５２】
Ｆ＝（Ａｒ−Ａｓ）×（Ｈｐ−Ｈｓ）
しかるに、回転軸１に直結された図１７に示すスラストカラー２、回転板３が押し上げられることで、回転板３と静止板４の間のスラスト軸受のすべり面に潤滑油が侵入し、油膜が形成される。
【００５３】
前述したようにスラスト軸受のすべり面の油膜は一旦形成されるとスクイズ効果により短時間で油膜切れすることはなく、この結果スラスト軸受は流体潤滑領域において、揚水始動が行えることになる。
【００５４】
図１０では水圧鉄管１５から給水する場合を示しているが、前述したように給水ポンプから圧力水を給水することもできる。
次に図１１により第４の実施の形態の揚水始動手順について説明する。
【００５５】
Ｓ３１にて揚水始動指令を受け、Ｓ３２で給水弁４５を開くと，ランナ側圧室４６の圧力が上昇することで、Ｓ３３にて前述したように回転軸１が上方に移動し、スラスト軸受のすべり面に油膜が形成され、流体潤滑できることになる。この時点で、Ｓ３４にて給水弁３５を全閉し、Ｓ３５にて水面押し下げから始まる通常実施される揚水始動を開始する。
【００５６】
図１２は上述した揚水始動手順をタイムチャートにて示すものである。図１２では横軸に時間を取り、縦軸には揚水運転指令、給水弁４５の開指令、給水弁４５の開閉動作、ランナ側圧室内の圧力４７、スラスト軸受の油膜厚さ、水面押し下げ給気指令を示している。
【００５７】
なお、本発明はスラスト軸受のすべり面材料として金属系材料であるホワイトメタル及び樹脂系材料のいずれを適用した場合にも有効な手段である。
本発明は、前述した第３の実施の形態と第４の実施の形態とを併用するようにしてもよい。つまり、両実施の形態を併用することにより、下式に示すような上向きの力Ｆが働き、回転軸１を押上げことができるものであり、本発明はスラスト軸受のすべり面材料として金属系材料であるホワイトメタル及び樹脂系材料の何ずれを適用した場合にも有効な手段である。
【００５８】
Ｆ＝Ａｒ×（Ｈｐ−Ｈｓ）＋Ａｓ×（２Ｈｓ−Ｈｐ−Ｈｏ）
図１３は本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第５の実施の形態における発電電動機の断面構造を示すものである。
【００５９】
図１３において、３５は回転軸１に取付けられた回転子、３６はこの回転子３５に対して微小ギャップを存して設けられた固定子であり、回転子３５に取付けられたブレーキリング３７に空気タンク３９から供給される圧縮空気により動作させてブレーキジャッキ３８を接触させることでブレーキが掛けられるようになっている。
【００６０】
このような発電電動機において、発電運転時にはランナ２２からの回転エネルギーは回転軸１を経て発電電動機の回転子３５に伝達され、電機エナルギーに変換して固定子３６より系統へ出力される。一方、揚水運転時には系統より受け取った電機エネルギーを回転エネルギーに変換し、さらに回転軸１を通してランナに伝達される。
【００６１】
回転電機を停止する際には、空気タンク３９よりブレーキ装置３８に圧縮空気を送込むことでブレーキ装置内のブレーキシューを押上げ、回転子３５に取付けられたブレーキリング３７にブレーキシューを押し当てたときの摩擦力によって回転を停止させる。
【００６２】
一般にブレーキ装置はジャッキ装置を具備しているが、ジャッキ装置はスラスト軸受の点検等のような保守時に回転部の重量を支える場合に使用するため、手動操作としている。また、ブレーキ装置は回転電機を制動する目的としているため、一般には回転部を押し上げることで、図１７に示す回転板３と静止板４の間のスラスト軸受のすべり面に潤滑油が侵入して油膜が形成され、スラスト軸受は流体潤滑領域において揚水始動が行えることになる。
【００６３】
次に図１４により第５の実施の形態の揚水始動手順について説明する。
Ｓ４１にて揚水始動指令を受け、Ｓ４２にてブレーキ・ジャッキ装置３８を自動操作することで、Ｓ４３にて回転軸１は上方に移動し、スラスト軸受すべり面に油膜が形成される。
【００６４】
前述したようにスラスト軸受のすべり面の油膜は一旦形成されればスクイズ効果により短時間で油膜切れすることはないため、この結果スラスト軸受は流体潤滑領域において、揚水始動が行えることになる。
【００６５】
この時点で、Ｓ４４にてブレーキ・ジャッキ装置３８を解除し、Ｓ４５にて水面押下げから始まる通常実施される揚水始動を開始する。
なお、水面押下げ給気はブレーキ・ジャッキ装置３８の自動操作前あるいは自動操作と並行して実施することもできる。
【００６６】
図１５は上述した揚水始動手順をタイムチャートにて示すものである。図１５では横軸に時間を取り、縦軸には揚水運転指令、ジャッキアップ指令、ブレーキ・ジャッキ装置３８の動作、スラスト軸受の油膜厚さ、水面押下給気指令を示している。
【００６７】
なお、本発明はスラスト軸受のすべり面材料として金属系材料であるホワイトメタル及び樹脂系材料の何ずれを適用した場合にも有効な手段であり、ブレーキ・ジャッキ装置の操作は空気圧以外に油圧、水圧、電動の方法に代えることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、設備容量の最小限化を図り、既存設備においては既存の設備容量にて揚水始動が行えるとともに、スラスト押上装置を具備することにより生じていた保守に要する回転電機の停止期間を省き、回転電機の稼働率を上げることのできる揚水発電所の揚水始動方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第１の実施の形態を示すボンプ水車の構成図。
【図２】第１の実施の形態の揚水始動手順を示す図。
【図３】第１の実施の形態の揚水始動方法を説明するタイムチャート。
【図４】本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第２の実施の形態における球形弁型入口弁の構造を示す断面図。
【図５】第２の実施の形態の揚水始動手順を示す図。
【図６】本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第３の実施の形態のボンプ水車を断面して示す構成図。
【図７】第３の実施の形態におけるランナを示す図。
【図８】第３の実施の形態の揚水始動手順を示す図。
【図９】第３の実施の形態の揚水始動方法を説明するタイムチャート。
【図１０】本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第４の実施の形態のポンプ水車を断面して示す構成図。
【図１１】第４の実施の形態の揚水始動手順を示す図。
【図１２】第４の実施の形態の揚水始動方法を説明するタイムチャート。
【図１３】本発明による揚水発電所の揚水始動方法を説明するための第５の実施の形態における発電電動機の断面構造図。
【図１４】第５の実施の形態の揚水始動手順を示す図。
【図１５】第５の実施の形態の揚水始動方法を説明するタイムチャート。
【図１６】軸受摩擦特性を示す図。
【図１７】スラスト軸受装置の構成を示す断面図。
【図１８】スラスト押上装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１……回転軸
２……スラストカラー
３……回転板
４……静止板
５……バネ等の弾性部
６……支持台
７……油槽
８……ガイド軸受
９……潤滑油
１０……スラスト押上用孔
１１……スラスト押上ポンプ
１２……電動機
１３……逆止弁
１４……流量調整弁
１５……鉄管
１６……入口弁
１７……入口弁サーボ
１８……側路弁
１９……ケーシング
２０……ステーベン
２１……ガイドベーン
２２……ランナ
２３……上カバー
２４……下カバー
２５……吸出し管
２７……近接スイッチ
２８……歯車
２９……ケーシング水圧計
３０……排水弁
３１……ランナ背圧室
３２……ランナ背圧圧力計
３３……ドラフト水圧計
３４……ランナ背部シール
３５……回転子
３６……固定子
３７……ブレーキリング
３８……ブレーキ・ジャッキ
３９……空気タンク
４０……弁体
４１……弁胴
４２……下流側シート弁
４３……上流側シート弁
４４……ディスマウントリングジョイント
４５……給水弁
４６……ランナ側圧室
４７……ランナ側圧圧力計
４８……ランナ出口シール
４９……ランナ外周シール
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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