(57)【要約】【課題】ポンプ逆転水車において発電可能な発電水量範囲を拡張でき、水量が半減する流量変動にも１台のポンプ逆転水車によって対応することができるポンプ逆転水車および水力発電装置を提供する。【解決手段】主軸６１の軸心廻りでランナ６２の周囲に形成する吸込側流路５５と、主軸６１の軸心方向でランナ６２の両側に形成する吐出側流路５６と、吸込側流路５５を主軸６１の軸心方向における一方側の第１流路５５ａと他方側の第２流路５５ｂに仕切り、かつランナ６２に向けて延在する流路隔壁６６とを有し、ランナ６２が、第１流路５５ａに向けて開口する第１羽根車入口６８ａと、第２流路５５ｂに向けて開口する第２羽根車入口６８ｂと、吐出側流路５６に向けて開口する第１羽根車出口６９ａおよび第２羽根車出口６９ｂと、第１羽根車入口６８ａから第１羽根車出口６９ａに至る流路７０ａと、第２羽根車入口６８ｂから第２羽根車出口６９ｂに至る流路７０ｂとを有する。【選択図】図１
2009235973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の軸心廻りに回転するランナと、ランナを収容するケーシングとを備え、
ケーシングが、回転軸の軸心廻りでランナの周囲に形成する吸込側流路と、回転軸の軸心方向でランナの両側に形成する吐出側流路と、吸込側流路を回転軸の軸心方向における一方側の第１流路と他方側の第２流路に仕切り、かつランナに向けて延在する流路隔壁とを有し、
ランナは、ランナ外周部において第１流路に向けて開口する第１羽根車入口と第２流路に向けて開口する第２羽根車入口を有し、ランナ軸心方向の一方側の端部において吐出側流路に向けて開口する第１羽根車出口とランナ軸心方向の他方側の端部において吐出側流路に向けて開口する第２羽根車出口を有し、第１羽根車入口から第１羽根車出口に至る流路と、第２羽根車入口から第２羽根車出口に至る流路とを有することを特徴とするポンプ逆転水車。
【請求項２】
ランナが、外周部において第１羽根車入口と第２羽根車入口とを隔て、かつケーシングの流路隔壁に向けて延在するランナ隔壁を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ逆転水車。
【請求項３】
請求項１または２に記載のポンプ逆転水車と発電機とを連結してなり、上流側管路を第１管路と第２管路に分岐し、第１管路をポンプ逆転水車の吸込側流路の第１流路に接続し、第２管路をポンプ逆転水車の吸込側流路の第２流路に接続し、第１管路に第１バルブを介装し、第２管路に第２バルブを介装し、ポンプ逆転水車の吐出側流路に下流側管路を接続したことを特徴とする水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ逆転水車および水力発電装置に関し、水力発電に使用するポンプ逆転水車において発電水量範囲を改善する技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水力発電装置の一種にポンプ逆転水車を用いたものが知られている。ポンプ逆転水車１は、一般的に使用されている標準のポンプ(渦巻きポンプあるいは軸流ポンプ)を水車として使用するものである。
【０００３】
例えば、図５に示すように、ポンプ逆転水車１は、水車吸込口（ポンプ吐出口）２に上流側管路（導水管）３を接続し、水車吐出口（ポンプ吸込口）４に下流側管路（排水管）５を接続し、ランナの出力軸と発電機６の入力軸とを連結して使用する。そして、上流側管路３から水車吸込口２を通してポンプケーシング内に水が流入し、水車吐出口４から下流側管路５へ水を吐出する間に、ポンプケーシング内のランナを逆回転させることで水車として発電機６を駆動する。
【０００４】
上記のポンプ逆転水車に使用するポンプとしては遠心ポンプの一種である両吸込渦巻ポンプがある。ポンプとしての両吸込渦巻ポンプは、ポンプ吸込口（水車吐出口）とポンプ吐出口（水車吸込口）とを有するポンプケーシングと、軸動力を受けて駆動軸の軸心廻りに回転するランナ（両吸込型遠心羽根車）と、ポンプケーシング内でランナの軸心廻りに形成する渦巻室と、ポンプケーシング内でランナの軸心方向の両側に形成する側部導室を備えている。
【０００５】
ランナは、外周部に開口する複数の羽根車出口（水車時入口）を軸心廻りで放射状に配置し、軸心方向の両側の端部に開口する複数の羽根車入口（水車時出口）を軸心の周囲に所定間隔で配置してある。また、ランナは、軸心方向の一方の端部に開口する羽根車入口から羽根車出口に至る流路と、軸心方向の他方の端部に開口する羽根車入口から羽根車出口に至る流路とを備えている。ポンプケーシングは側部導室がポンプ吸込口と羽根車入口とを連通する吸込側流路をなし、渦巻室が羽根車出口とポンプ吐出口とを連通する吐出側流路をなす。
【０００６】
上述した構成により、ポンプとしての使用時に両吸込渦巻ポンプでは、側部導室および渦巻室が搬送対象液で満ちた状態で、軸動力を受けて駆動軸の軸心廻りにランナが回転してランナ内の搬送対象液を遠心力で渦巻室を通してポンプ吐出口から吐き出し、両方の側部導室からランナ内に搬送対象液を吸込む。
【特許文献１】特開２００５−３３７２０２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６１２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したポンプ逆転水車は基本構造体として標準のポンプを使用し、ランナの羽根を含め形状的にポンプと同じ部品を使うことが可能である。このため、ポンプ逆転水車は他の種類の水車に比べて構造が簡単で、部品点数が少ないので保守点検が容易である。
【０００８】
しかしながら、その反面において、一般的な水車において採用しているガイドベーンを有していないので、基本的に定格運転を行うことを前提としており、運転流量が安定せず、流量変化が大きい場合には効率が著しく低下する。
【０００９】
よって、例えば、図６に例示するように、ポンプ逆転水車を定格運転する状態で最高効率点Ｍにおける水量をＱη１００とすると、その半分の水量のＱη５０では発電することができない。
【００１０】
このため、図７に示すように、２台のポンプ逆転水車１１、１２を並列に配置し、上流側管路（導水管）１３を分岐して各ポンプ逆転水車１１、１２に並列に接続し、各分岐管１４、１５にバルブ１６、１７を介装し、ポンプ逆転水車１１、１２のそれぞれに発電機１８、１９を連結するとともに、下流側管路（排水管）２０、２１を接続する構成がある。ここで、ポンプ逆転水車１１、１２の定格水量は、上流側管路１３に一台のポンプ逆転水車を接続する場合の半分の水量とする。
【００１１】
この構成により、上流側管路１３から下流側管路２０、２１へ流れる水量に応じてポンプ逆転水車１１、１２および発電機１８、１９の運転台数を切り替える。例えば、上流側管路１３から下流側管路２０、２１へ流れる水量が半減した場合には、一方のバルブ１６もしくは１７を閉じて対応するポンプ逆転水車１１もしくは１２の運転を停止する。
【００１２】
しかしながら、この構成は設置スペースおよびコストが相当に高くなる問題がある。
本発明は上記した課題を解決するものであり、ポンプ逆転水車において発電可能な発電水量範囲を拡張でき、水量が半減する流量変動にも１台のポンプ逆転水車よって対応することができるポンプ逆転水車および水力発電装置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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のポンプ逆転水車は、回転軸の軸心廻りに回転するランナと、ランナを収容するケーシングとを備え、ケーシングが、回転軸の軸心廻りでランナの周囲に形成する吸込側流路と、回転軸の軸心方向でランナの両側に形成する吐出側流路と、吸込側流路を回転軸の軸心方向における一方側の第１流路と他方側の第２流路に仕切り、かつランナに向けて延在する流路隔壁とを有し、ランナは、ランナ外周部において第１流路に向けて開口する第１羽根車入口と第２流路に向けて開口する第２羽根車入口を有し、ランナ軸心方向の一方側の端部において吐出側流路に向けて開口する第１羽根車出口とランナ軸心方向の他方側の端部において吐出側流路に向けて開口する第２羽根車出口を有し、第１羽根車入口から第１羽根車出口に至る流路と、第２羽根車入口から第２羽根車出口に至る流路とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のポンプ逆転水車において、ランナが、外周部において第１羽根車入口と第２羽根車入口とを隔て、かつケーシングの流路隔壁に向けて延在するランナ隔壁を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の水力発電装置は、上述した何れかのポンプ逆転水車と発電機とを連結してなり、上流側管路を第１管路と第２管路に分岐し、第１管路をポンプ逆転水車の吸込側流路の第１流路に接続し、第２管路をポンプ逆転水車の吸込側流路の第２流路に接続し、第１管路に第１バルブを介装し、第２管路に第２バルブを介装し、ポンプ逆転水車の吐出側流路に下流側管路を接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明によれば、上流側管路から下流側管路へ流れる流水の流量が定格水量を満たす場合には、第１バルブおよび第２バルブを開放する。この状態で、吸込側流路の第１流路を流れる流水がランナの第１羽根車入口に流入して第１羽根車出口から吐出側流路へ流出し、吸込側流路の第２流路を流れる流水がランナの第２羽根車入口に流入して第２羽根車出口から吐出側流路へ流出し、流水の有効落差を受けてランナが回転し、発電機を駆動して発電する。
【００１７】
上流側管路から下流側管路へ流れる流水の流量が減少する場合に、定格水量の所定割合に減少するまでは、第１バルブおよび第２バルブの双方を開放する状態で発電する。このとき、発電機の出力は流水の流量に応じて減少する。
【００１８】
上流側管路から下流側管路へ流れる流水の流量が定格水量の所定割合にまで減少したときには、第１バルブもしくは第２バルブを閉じて吸込側流路の第１流路もしくは第２流路への流水を遮断し、流水を第１流路もしくは第２流路へ集中させることで発電を継続する。よって、ポンプ逆転水車において発電可能な発電水量範囲を拡張でき、水量が半減する流量変動にも１台のポンプ逆転水車によって対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１および図３において、水力発電装置は、ポンプ逆転水車５１と発電機５２とを連結したものであり、ポンプ逆転水車は両吸込遠心ポンプの一種である両吸込渦巻ポンプからなる。
【００２０】
上流側管路５３は第１管路５３ａと第２管路５３ｂに分岐しており、第１管路５３ａに第１バルブ５４ａを介装し、第２管路５３ｂに第２バルブ５４ａを介装している。
第１管路５３ａはポンプ逆転水車５１の水車吸込口（ポンプ吐出口）に連通する吸込側流路５５の第１流路５５ａに接続し、第２管路５３ｂはポンプ逆転水車５１の水車吐出口（ポンプ吸込口）に連通する吸込側流路５５の第２流路５５ｂに接続している。ポンプ逆転水車５１の吐出側流路５６には下流側管路５７が接続している。
【００２１】
ポンプ逆転水車５１は、主軸（回転軸）６１の軸心廻りに回転するランナ（遠心羽根車）６２と、ランナ６２を収容するケーシング６３とを備え、ケーシング６３の両側に設けた軸受６４により主軸（回転軸）６１を回転自在に支持している。
【００２２】
ケーシング６３は、渦巻室をなす吸込側流路５５が主軸６１の軸心廻りでランナ６２の周囲に形成してあり、側部導室をなす吐出側流路５６が主軸６１の軸心方向でランナ６２の両側に形成してある。ケーシング６３は、吸込側流路５５と吐出側流路５６とを隔てる内壁６５を有するとともに、流路隔壁６６を有している。
【００２３】
流路隔壁６６は吸込側流路５５を主軸６１の軸心方向における一方側の第１流路５５ａと他方側の第２流路５５ｂに仕切っており、主軸６１の半径方向に沿ってランナ６２に向けて延在している。内壁６５はランナ６２の端部を囲んで開口する開口部を有し、開口部にライナーリング６７を配置している。
【００２４】
ランナ６２は、ランナ外周部において第１流路５５ａに向けて開口する複数の第１羽根車入口（ポンプ時出口）６８ａと、第２流路５５ｂに向けて開口する複数の第２羽根車入口（ポンプ時出口）６８ｂとを有し、ランナ軸心方向の一方側の端部において吐出側流路５６に向けて開口する複数の第１羽根車出口（ポンプ時入口）６９ａと、ランナ軸心方向の他方側の端部において吐出側流路５６に向けて開口する複数の第２羽根車出口（ポンプ時入口）６９ｂとを有している。そして、第１羽根車入口６８ａから第１羽根車出口６９ａに至る流路７０ａと、第２羽根車入口６８ｂから第２羽根車出口６９ｂに至る流路７０ｂとを備えている。
【００２５】
吸込側流路５５の第１流路５５ａは水車吸込口と第１羽根車入口６８ａとを連通し、吸込側流路５５の第２流路５５ｂは水車吸込口と第２羽根車入口６８ｂとを連通する。吐出側流路５６が第１羽根車出口６９ａおよび第２羽根車出口６９ｂと水車吐出口とを連通する。
【００２６】
他の構成として、図４に示すように、ランナ６２の外周部にケーシング６３の流路隔壁に向けて延在するランナ隔壁６２ａを設け、ランナ隔壁６２ａと流路隔壁６６により第１羽根車入口６８ａと第２羽根車入口６８ｂとを隔てることも可能である。
【００２７】
この構成により、流路隔壁６６の突出量を減らすことができるので、ケーシング鋳物を形成し易くなる。
上記した構成により、上流側管路５３から下流側管路５７へ流れる流水の流量が定格水量を満たす場合には、第１バルブ５４ａおよび第２バルブ５４ｂを開放する。この状態で、上流側管路５３の第１管路５３ａから吸込側流路５５の第１流路５５ａへ流れる流水はランナ６２の第１羽根車入口６８ａに流入し、流路７０ａを通って第１羽根車出口６９ａから吐出側流路５６へ流出し、下流側管路５７へ流れ出る。上流側管路５３の第２管路５３ｂから吸込側流路５５の第２流路５５ｂへ流れる流水はランナ６２の第２羽根車入口６８ｂに流入し、流路７０ｂを通って第２羽根車出口６９ｂから吐出側流路５６へ流出し、下流側管路５７へ流れ出る。
【００２８】
このとき、図２に示すように、定格水量Ｑη１００の下で流水の有効落差を受けてランナ６２が定格回転し、発電機５２を駆動して発電する。上流側管路５３から下流側管路５７へ流れる流水の流量が、定格水量Ｑη１００の所定割合、例えば６０％の水量Ｑη６０に減少するまで、第１バルブ５４ａおよび第２バルブ５４ｂの双方を開放する状態で発電する。流水の流量が変化すると発電機５２の出力は流水の流量に応じて減少する。この様子を図中Ａで示す。
【００２９】
上流側管路５３から下流側管路５７へ流れる流水の流量が定格水量Ｑη１００の所定割合である水量Ｑη６０にまで減少したときには、第１バルブ５４ａもしくは第２バルブ５４ｂを閉じて吸込側流路５５の第１流路５５ａもしくは第２流路５５ｂへの流水を遮断し、流水を第１流路５５ａもしくは第２流路５５ｂへ集中させることで発電を継続する。この様子を図中Ｂで示す。
【００３０】
よって、ポンプ逆転水車５１において発電可能な発電水量範囲を拡張でき、水量が半減する流量変動にも１台のポンプ逆転水車５１によって対応することができる。
なお、第１羽車入口６８ａの軸方向の幅または径と、第２羽車入口６８ｂの軸方向の幅または径とが同一である必要はなく、幅や径を変えることによりランナの特性を変えたものであっても良い。なお、幅を変えた場合には羽車入口の幅に合わせて流路隔壁６６の位置を決定することになる。こうすることで、水量に応じた切り替えができる他、軸推力を一方向に安定させ、軸受を一方向対応のものにすると共に軸の振れを防止して騒音等の問題を解決することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の水力発電装置を示す模式図
【図２】本発明の水力発電装置における出力と水量の関係を示すグラフ図
【図３】本発明のポンプ逆転水車を示す断面図
【図４】本発明の他の実施の形態におけるポンプ逆転水車を示す断面図
【図５】従来の水力発電装置を示す模式図
【図６】水力発電装置における出力と水量の関係を示すグラフ図
【図７】従来の水力発電装置を示す模式図
【符号の説明】
【００３２】
５１  ポンプ逆転水車
５２  発電機
５３  上流側管路
５３ａ  第１管路
５３ｂ  第２管路
５４ａ  第１バルブ
５４ｂ  第２バルブ
５５  吸込側流路
５５ａ  第１流路
５５ｂ  第２管路
５６  吐出側流路
５７  下流側管路
６１  主軸（回転軸）
６２  ランナ（遠心羽根車）
６２ａ  ランナ隔壁
６３  ケーシング
６４  軸受
６５  内壁
６６  流路隔壁
６７  ライナーリング
６８ａ  第１羽根車入口（ポンプ時出口）
６８ｂ  第２羽根車入口（ポンプ時出口）
６９ａ  第１羽根車出口（ポンプ時入口）
６９ｂ  第２羽根車出口（ポンプ時入口）
７０ａ、７０ｂ  流路
【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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