(57)【要約】【課題】コストアップを抑制しつつ、水車効率を高めるように性能調整ができる構造を有するポンプ逆転水車を提供する。【解決手段】主板３０と複数の羽根１４を備えたランナ１２と、ランナ１２を内部に収容するケーシングとを備え、ランナ１２の回転方向を切り換えることにより揚水及び発電の両モードで運転可能にしたポンプ逆転水車において、ランナ１２の水車運転時吸込側の導入路２８の流路面積を、水車運転時における落差及び流量により設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主板と複数の羽根を備えたランナと、
前記ランナを内部に収容するケーシングとを備え、
前記ランナの回転方向を切り換えることにより揚水及び発電の両モードで運転可能にしたポンプ逆転水車において、
前記ランナの水車運転時吸込側の導入路の流路面積を、水車運転時における落差及び流量により設定することを
特徴とするポンプ逆転水車。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプ逆転水車において、
前記ランナの水車運転時吸込側の羽根高さを変更することにより前記ランナの水車運転時吸込側の導入路の流路面積を設定することを
特徴とするポンプ逆転水車。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のポンプ逆転水車において、
前記ランナの水車運転時吸込側の導入路は、前記主板と、前記羽根と、前記羽根に対向するサイドプレート 又はケーシング部分により構成され、
前記ランナの水車運転時吸込側の羽根高さは、前記羽根の外周端部の加工量で調整され、
前記サイドプレート又は前記ケーシング部分は、前記加工量に対応した形状であることを
特徴とするポンプ逆転水車。
【請求項４】
請求項１ないし２に記載のポンプ逆転水車において、
前記ランナは、オープン型羽根車であることを
特徴とするポンプ逆転水車。
【請求項５】
主板と複数の羽根を備えたランナと、前記ランナを内部に収容するケーシングとを備え、
前記ランナの回転方向を切り換えることにより揚水及び発電の両モードで運転可能にしたポンプ逆転水車の製造方法において、
前記ランナの水車運転時吸込側の導入路の流路面積を、水車運転時における落差及び流量により設定された大きさに製造することを特徴とするポンプ逆転水車の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載のポンプ逆転水車の製造方法において、
前記ランナの水車運転時吸込側の羽根高さを変更することにより、前記ランナの水車運転時吸込側の導入路の流路面積を設定された大きさに製造することを特徴とするポンプ逆転水車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダム、用水路、浄水場、下水処理場、河川等において水の落差を利用した水力発電用ポンプ逆転水車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電用水車は従来、設置場所の水の落差と流量に合わせて最適設計を行っている。しかし、構造が特殊であり、また、毎回設置場所に合わせて設計を行うため、高価である。
【０００３】
コストを下げるため、ポンプを利用し、水流を逆転させて発電を行う、「ポンプ逆転水車」という方式が一般的に存在する。
ポンプ逆転水車に用いるポンプは、一般に、モータの駆動に伴って回転する回転軸に固定した羽根車（インペラ。水車では羽根車は「ランナ」と呼ばれる。）をケーシングの内部に回転自在に配置し、電動機などの駆動源によって羽根車を回転させることで、ケーシングの軸方向から吸い込んだ液体を羽根車の回転で昇圧させ、ケーシング外側に吐出するように構成されている。
【０００４】
この種のポンプは、ポンプとしての使用に加えて、必要に応じて液体の流れを動力に変換するポンプ逆転水車として用いられることがある。このポンプ逆転水車は、例えば、河川の上流の貯水槽に水を汲み上げるときにポンプとして作動させ、その汲み上げた水を流下させる際のエネルギーを電力として取り出すときに水車として作動させる。
【０００５】
特許文献１のポンプ逆転水車では、製品コストの高騰を招くことなく、簡単な構成によって水車効率を高めることのできるポンプ逆転水車を提供するために、インペラを変更して、各羽根の径方向外側の端縁が、先端側に向かって曲率半径が漸減する曲面形状に形成されている。
【０００６】
特許文献２はポンプ逆転水車ではないが、調整ライナーという別パーツを用いて、水車性能を調整している。
特許文献３は、ポンプ逆転水車ではないポンプにおいて、その性能を低コストで調整するために、互いに隣接する羽根の間に、インペラの外径より内側に位置して一方の羽根から他方の羽根に向かって延びる仕切翼を設けることを開示する。
【０００７】
特許文献４は、ポンプ逆転水車ではないポンプにおいて、その性能を低コストで調整するために、ケーシング内にインペラと同心円状に配置されるガイドプレートを入れ、ガイドプレートは、インペラ側とケーシング側を貫通する複数の通路を有し、複数の通路内の一つの通路が吐出口に連通することで性能調整を行うことを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１８４６９９号
【特許文献２】特開２００８−２４８７６２号
【特許文献３】特開２００７−５１５９２号
【特許文献４】特開２０１２−８２７７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ポンプ逆転水車のメリットは、ポンプ用途と水車用途を兼用して使用できるため、ポンプ運転時は揚水を行い、また水流を逆転させて、水車発電もできるという点にある。
しかし、ポンプ逆転水車は、最高効率が得られる落差と流量の関係(「性能ライン」と呼ばれる)が各ポンプ内部における流路の開口面積の大きさで一意的に決まるため、その性能ラインから外れた条件での運転点（落差と流量の関係が、性能ラインから外れている状態）では、発電効率が悪いという問題点があった。
【００１０】
その対策として、ポンプ逆転水車が使用される場所の落差と流量（運転点）で最高効率が得られるサイズのポンプ逆転水車を製作すれば良いが、この方法には下記のデメリットがある。
【００１１】
使用される場所の落差と流量に合わせて、そのたびに最適設計を実施した場合、既存のポンプが利用できないため、コストが高くなる。
既存のポンプのラインナップ数を増やすという方法があるが、必要なポンプ製作用木型の数も増加し、管理費用が高くなるため、一台分のコストも高くなる。
【００１２】
使用される場所の落差と流量に対応できるよう、逆転水車運転時のポンプインペラ外周側（水流の入口側）に、可動式のガイドベーンを設けた構造に改造する方法もある。例えば、クロスフロー水車やフランシス水車などの従来の水車専用構造ではこの方式を採用して、可動式ガイドベーンで性能変化に対応している。しかし、構造が複雑となり、コストアップにつながるため、ポンプ逆転水車のコストメリットが失われてしまう。
【００１３】
そこで本発明は、コストアップを抑制しつつ水車効率を高めるように性能調整ができる構造を有するポンプ逆転水車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】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明では、主板と複数の羽根を備えたランナと、前記ランナを内部に収容するケーシングとを備え、前記ランナの回転方向を切り換えることにより揚水及び発電の両モードで運転可能にしたポンプ逆転水車において、前記ランナの水車運転時吸込側の導入路の流路面積が、水車運転時における落差及び流量により設定されている。
【００１５】
導入路の流路面積は、例えば、導入路の開始部である開口部の面積により設定される。
この時に、前記ランナの水車運転時吸込側の羽根高さを変更することにより、前記ランナの水車運転時吸込側の開口部の流路面積を設定することが好ましい。
【００１６】
なお、前記ランナの水車運転時吸込側の導入路は、前記主板と、前記羽根と、前記羽根に対向するサイドプレート 又はケーシング部分により構成し、前記ランナの水車運転時吸込側の羽根高さは、前記羽根の外周端部の加工量で調整し、前記サイドプレート又は前記ケーシング部分は、前記加工量に対応した形状とすることができる。
【００１７】
また、前記ランナは、オープン型羽根車である。
なお、主板と複数の羽根を備えたランナと、前記ランナを内部に収容するケーシングとを備え、前記ランナの回転方向を切り換えることにより揚水及び発電の両モードで運転可能にしたポンプ逆転水車の製造方法において、前記ランナの水車運転時吸込側の導入路の流路面積を、水車運転時における落差及び流量により設定された大きさに製造することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、オープン型羽根車を有するポンプ逆転水車において、設置場所によっ
て決まる様々な運転点（設置場所の落差及び流量）に、水車の最高効率を適合させた性能調整のための改造が、低コストで実現可能である。水車としての羽根の入口側にある羽根の高さを加工によって変更し、かつ一部品（羽根に対向するケーシング部分又はサイドプレート）の形状変更のみで実現可能だからである。
【００１９】
例えば、予め複数の各標準サイズのポンプのうち、設置条件の運転点に最も適合するポンプで、かつ必要とする羽根の高さより大きい羽根の高さを有するポンプを選択し、当該ポンプ逆転水車の羽根の高さを、切削により調整し、当該運転点で水車の最高効率が得られるように性能を調整できる。
【００２０】
オープン型羽根車を具備するポンプ逆転水車は、側板がないため、ゴミ詰まりを抑制でき、かつ加工が容易であるという利点もあり、ランナ外周側の羽根の高さのみを変更することにより、多様な落差と流量の運転点で最高効率が得られるように低コストで性能調整を行うことができる。
【００２１】
上記のランナ外周側の羽根の高さ変更は、側板を持たないオープン型羽根車形状の特徴を利用し、ランナ製作時に羽根のオープン側端部（羽根に対向するサイドプレート（又はケーシング部分）側の端部）の加工量の変更と、加工量に対応した固定側部品（サイドプレート又はケーシング部分）の形状を変更することのみで対応することができるため、大幅なコストアップをせずに、性能調整を行うことができる。
【００２２】
ランナ外周側の羽根の高さを変更する加工を行った場合、ポンプ運転時に、ランナの外周側にある羽根と、固定側ケーシングの流路（渦巻ポンプの場合、インペラの外周を取り囲むボリュート通路）との間に大きな段差が形成されるため、ポンプ運転時の流れ（水車運転時とは逆方向の流れ）では流路が急拡大となり、流れ損失が生じて、ポンプ運転効率の大幅な低下が予想される。しかし、水車運転時の流れでは段差部で縮流となるため、水車運転効率への影響は少ない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ポンプ逆転水車１０の全体を鉛直方向で切った断面図である。
【図２】図２Ａは、羽根１４の１枚分を円周方向に投影した断面図である。図２Ｂは、図１のＡ−Ａ断面に対応する。
【図３】図３はサイドプレート２４の形状を示し、図３Ａは図３ＢのＣ−Ｃ断面を示す。
【図４】性能ラインの一例を概念的に示すグラフである。
【図５】図５は、図１のサイドプレート２４部分の拡大図である。
【図６】オープン型羽根車とクローズ型羽根車の特徴を説明する図である。
【図７】「両吸込み羽根車」と「片吸込み羽根車」の特徴を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に添付図面を参照して、本発明による渦巻形ポンプ水車の実施例を詳細に説明する。図１〜３は、この発明の一実施形態に係るポンプ逆転水車１０の概略構成を示す図である。図１は、ポンプ逆転水車１０の全体を鉛直方向で切った断面図である。図２Ａは、羽根１４の１枚分を円周方向に投影した断面図である。図２Ｂは、図１のＡ−Ａ断面に対応するランナ１２を示す。図３はサイドプレート２４の形状を示し、図３Ａは図３ＢのＣ−Ｃ断面を示す。
【００２５】
この実施例においてポンプ逆転水車１０は、渦巻ポンプ１０であり、外周部に向かって延出する複数の羽根１４を有するオープン型インペラ（ランナ）１２と、このランナ１２を内部に収容する第１ケーシング１６とを備えている。ランナ１２には、回転シャフト１
８が同軸に連結され、この回転シャフト１８とランナ１２が第１ケーシング１６の軸心部に回転可能に支持されている。回転シャフト１８には、発電機と電動機の機能を併せ持つ図示しない発電電動機が連結されている。ポンプ逆転水車１０の軸受部は、軸受ケーシング１９内に収容されている。
【００２６】
ランナ１２は、回転シャフト１８に連結された円盤状の主板３０と複数の羽根１４を備える。主板の軸に近い部分はボス部２０を備え、ボス部２０は、軸から半径方向外側に向かって湾曲しながら隆起する湾曲ガイド面２０ａが設けられている。
【００２７】
羽根１４に対向する側に、サイドプレート２４が設置されている。サイドプレート２４は、図３に示すように、導入された液体が軸方向に沿って流れるように中央が開口しており、ランナ１２の軸方向の出口２６である。サイドプレート２４の出口２６には、第２ケーシング３４が設けられている。
【００２８】
図２Ｂに示すように、隣接する羽根１４間の隙間は、ランナ１２の径方向外周側から液体（水）が導入される導入路２８であり、導入路 ２８は、主板３０と、羽根１４と、羽根１４のオープン側（軸方向の出口２６がある側を、一般に「オープン側」と呼ぶ。）にあるサイドプレート２４とにより構成される。
【００２９】
なお、主板３０の外周部の一部には、図２Ｂに示すように、切欠き３２を設けてもよい。切欠き３２を設けた目的は、主板３０の裏側にゴミが引っ掛かった際に、切欠き３２からゴミが外れるようにするためである。
【００３０】
主板３０上に配置される各羽根１４は、ボス部２０から径が変化する円弧状に延出している。したがって、ポンプ運転時にインペラ（ランナ）１２がＰ方向に回転すると、各羽根１４は回転中心の回りに旋回しつつ、第２ケーシング３４の開口部（水車運転時の出口２６）から軸方向に導入された液体を遠心力によって径方向外側に吐出する。
【００３１】
水車運転時には、第１ケーシング１６経由でランナ１２の径方向外側から導入された液体によって各羽根１４はポンプ運転時とは反対のＷ方向に回転させられ、出口２６から軸方向に液体を吐出する。こうして、ポンプ運転時には、インペラ（ランナ）の回転によって軸方向から吸い込んだ液体を、インペラ（ランナ）の外周側に吐出し、水車運転時には、ランナの外周側から導入された液体によってランナを回転させる。
【００３２】
第１ケーシング１６は、図１に示すように、ランナ１２の外周側を取り囲むボリュート状の通路３６と、その通路３６から接線方向に延出する通路３８とを備え、通路３６の内周側がランナ１２の外周側の径方向の導入路２８（隣接する羽根１４間の隙間）に臨むとともに、通路３８の端部がポンプ運転時に吐出側となる外部の図示しない配管に接続されている。また、第２ケーシング３４の中央には、ランナ１２の中央の軸方向の出口２６に連通する通路が設けられ、その通路がポンプ運転時に吸入側となる外部の図示しない配管に接続されている。
【００３３】
通路３６は、通路３８と接合されており、通路３６の内径は一定ではなく、通路３８が接続される領域の内径が最も大きく、その領域からインペラ１２の周囲に沿って延出するに従って内径が小さくなるボリュート形状となっている。
【００３４】
以上のように構成されたポンプ逆転水車１０をポンプとして作動させる場合には、発電電動機の動力によってインペラ（ランナ）１２を図２ＢのＰ方向に駆動回転させる。こうして、インペラ（ランナ）１２が回転すると、インペラ（ランナ）１２上の羽根１４の旋回によって出口２６から吸い上げられた液体が通路３６を介して通路３８に吐出されるよ
うになる。
【００３５】
一方、このポンプ逆転水車１０を水車として作動させる場合には、通路３８に導入された液体を、通路３６を通してランナ１２の外周側（導入路２８）に流入させる。こうして、ランナ１２に外周側から液体が旋回して流入すると、その液体はランナ１２上の各羽根１４をＷ方向に押圧しつつ、各羽根１４の外面形状に沿って径方向外側から内側へと流入する。このときランナ１２の中心側に流入した液体は出口２６に排出され、ランナ１２は各羽根１４に作用する押圧力によってＷ方向に回転する。これにより、発電電動機は回転シャフト１８を介して駆動され、その駆動力によって発電を行うことになる。
【００３６】
ところで、水車としての最高効率が得られる落差と流量の関係(「性能ライン」)は、ランナとケーシングの形状により一意的に決まるため、その性能ラインから外れた条件での運転点では、発電効率が悪いという問題がある。性能ラインの一例を図４に、概念的に示す。
【００３７】
図４の横軸は流量、縦軸は落差を示し、曲線Ｓ１〜Ｓ６は、ポンプの大きさがＳ１〜Ｓ６であるときのポンプ逆転水車１０の性能ラインを示す。ポンプの大小は、Ｓ１が最小であり、Ｓ６が最大であり、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４＜Ｓ５＜Ｓ６という大小関係があるとする。
【００３８】
運転点Ｍ１を例にして説明する。落差が１．５メートル、流量が０．２５ｍ３／ｓであるＭ１点を設置場所として水車の運転を考えた場合、Ｓ６のポンプ逆転水車が選定される。この場合、落差が１．５メートルあり、２ｋｗの発電が見込めるが、ポンプ逆転水車Ｓ６では、水車の性能から落差０．８メートル（Ｍ２点）分しか利用できず、１ｋｗしか発電できない。
【００３９】
そこで、本発明では、図２Ａに示すように、ランナ１２の径方向外周側にある羽根１４の回転軸方向の高さ(ランナ入口幅)４２ａ，４２ｂ，４２ｃを、水車運転時における落差及び流量により、例えば５７ｍｍ、４３ｍｍ、２９ｍｍのうちのいずれか１つに設定する。図２Ａに示す高さ４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、それぞれ５７ｍｍ、４３ｍｍ、２９ｍｍである。導入路２８の開口部４５の面積は、開口部４５における羽根の高さ４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、隣接する羽根１４により形成される流路の開口部４５における幅４６との積である。
【００４０】
高さを変えた時の開口面積の変化量は、高さが５７ｍｍのときを基準として、４３ｍｍのときは、４３÷５７＝０．７５４であり、２９ｍｍのときは、２９÷５７＝０．５０８であり、それぞれ、流路の開口面積が２５％、５０％減少する。性能調整量に対応した流路の開口面積の設定量は、羽根１４の回転軸方向の高さを変更して水車性能試験を行い決定する。
【００４１】
その時の羽根のオープン側端面の外形は、外形線４０ａ，４０ｂ，４０ｃのように加工される。加工量は、５７ｍｍのときを基準として、４３ｍｍ又は２９ｍｍになるように、切削等の加工が行われる。外形線４０ｂ，４０ｃは、外形線４０ａを平行移動したものである。外形線４０ａのときの開口面積が図４のＳ６に対応し，外形線４０ｂのときの開口面積が図４のＳ６ａに対応する。
【００４２】
羽根１４のオープン側端面を、外形線４０ａ，４０ｂ，４０ｃのように調整すると同時に、サイドプレート２４を、羽根１４のオープン側端面の加工量（外形線４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）に対応した形状にする。これについて図５により説明する。図５は、図１のサイドプレート２４部分の拡大図である。実線で示すサイドプレート２４が、図２の外形線
４０ａに対応し、斜線で示すサイドプレート２４ａが、図２の外形線４０ｂに対応する。従って、長さ４４ａは、５７ｍｍであり、長さ４４ｂは、４３ｍｍである。外形線４０ｃに対応するサイドプレート２４は、図示していない。サイドプレート２４ａは一般的に金属製で、予め製造しておいてもよいし、出口側２６の端部を加工してもよい。
【００４３】
本発明では、サイドプレート２４又はサイドプレート２４ａのように加工又は改造は行うが、羽根１４とサイドプレート２４以外のポンプ逆転水車１０の各部の形状や大きさは変更しない。羽根とサイドプレートのみを変更することにより、さまざまな設置場所の落差と流量に対応可能となる。
【００４４】
本発明に係わるポンプ逆転水車の製造方法では、既述のように、羽根１４の、ランナ１２の外周側における高さを、水車運転時における落差及び流量を有効に利用できるように最適値に加工する。
【００４５】
以上説明したように、本発明では、羽根の高さは、羽根のオープン側端部の加工量で調整され、サイドプレートは、この加工量に対応した形状とする。すなわち、図２、及び図５の斜線部の加工量を変更することにより、多様な運転点で最高効率が得られる。
【００４６】
なお、本実施例では、サイドプレート２４と第２ケーシング３４は、別部材としたが、サイドプレート２４と第２ケーシング３４を一体化して、１つの部材として構成してもよい。この場合、図５に示すサイドプレート２４，２４ａは、ケーシング部分に相当し、ケーシング部分を外形線４０ａ，４０ｂ，４０ｃに合わせた形状とする。
【００４７】
また、本実施例では、オープン型羽根車を採用しているが、オープン型羽根車とは、図６Ｂに示すように、主板（シュラウド）３０のみが有る羽根車である。主板と側板４４が有る羽根車をクローズ型羽根車と呼び、図６Ａに示す。クローズ型羽根車の場合、インペラの軸方向の出口(水車運転時の吐出側)に側板があるため、加工によりインペラの入口幅を変更する場合は、側板を含めて製造時に形状を変更する必要があるため容易ではなく、コストアップも招く。
【００４８】
上記の実施例のポンプ逆転水車は、ボリュートケーシングタイプだが、インペラの外周方向のケーシング側にディフューザを設けたディフューザポンプにも本発明を適用することができる。
【００４９】
本実施例は、渦巻ポンプであるが、本発明は、インペラを通過する流れがインペラ軸心と同方向の軸流形ポンプ水車、及びインペラを通過する流れがインペラ軸心に対して斜め方向の斜流形ポンプ水車にも適用することができる。これらのポンプに本発明のオープン型羽根車構造を適用することにより、羽根とサイドプレートのみを変更することにより、さまざまな設置場所の落差と流量に対応可能となる。
【００５０】
本実施例は、吸込形式としては「片吸込み」と呼ばれるものである。「片吸込み」とは、図７Ｂに示すように、インペラ軸心方向に出口２６（水車運転時の吐出口）があり、水車運転時、インペラ軸心方向に、液体を吐出するものである。「両吸込み」とは、図７Ａに示すように、インペラ軸心方向の両側に出口２６ａ（水車運転時の吐出口）があり、水車運転時、インペラ軸心方向の両側から液体を吐出するものである。本発明は、オープン型羽根車タイプである限り、「両吸込み」と「片吸込み」の両方に適用できる。
【００５１】
本発明では、ランナの外周側にある羽根の高さが、水車運転時における落差及び流量により設定されているが、ポンプ逆転水車のランナ外周側（水車運転時の吸込み側）の導入路の開口部の面積を、ポンプ逆転水車の設置場所の落差及び流量に対して、水車としての
最高効率が得られるように設定してもよい。開口部の面積の変更方法としては、「インペラ(羽根)の高さ」と、「隣接する羽根の間にある流路の幅(羽根の間隔、又は羽根の間の隙間)」の両方又は一方を変更することができる。
【００５２】
また、ランナ外周側にある羽根の高さを調整する際に、図１の実施例では、水車としての羽根の入口側にある羽根のオープン側の端部を加工によって変更し、かつサイドプレート２４の形状を変更したが、これとは別に、水車としての羽根の入口側にあるベースプレート２２側を厚めに製造しておいて、厚みを加工によって変更し、羽根の高さの調整に対応する構造としてもよい。また、サイドプレート２４の形状変更と、ベースプレート２２の厚み変更を組み合わせて、羽根の高さの調整に対応する構造としてもよい。
【００５３】
なお、以上の説明では、液体として、水の場合について説明したが、液体であれば、水以外の液体にも本発明は適用可能である。
【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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