(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナボスの周方向に間隔的に配置され、それぞれベーン軸中心周りに回転自在な複数のランナベーンを有する縦軸の軸流型水車であって、ベーン軸中心から下流側の流路に位置するディスチャージリングの内面を、ランナベーン外周の球面に沿う球状流水面としたものにおいて、ディスチャージリングの流水面部分を弾性体によって変形可能に構成し、その弾性体の内部空間に液体を密封し、その液体を外部の圧力供給装置によって加圧することで流水面を水車流路内部に出没調節可能としたことを特徴とするランナベーンシールギャップ調整装置。
【請求項２】
ランナボスの周方向に間隔的に配置され、それぞれベーン軸中心周りに回転自在な複数のランナベーンを有する縦軸の軸流型水車であって、ベーン軸中心から下流側の流路に位置するディスチャージリングの内面を、ランナベーン外周の球面に沿う球状流水面としたものにおいて、ディスチャージリングの流水面部分を弾性体によって変形可能に構成し、その弾性体の内部空間に押し板を収容させ、この押し板を外部の駆動装置で押引駆動することで流水面を水車流路内に出没調節可能としたことを特徴とするランナベーンシールギャップ調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、縦軸の軸流水車のランナベーンシールギャップ調整装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は水力発電所で使用されている一般的な縦軸のカプラン水車の構造を示したものである。主軸１に取り付けられたランナ２のランナボス３に、周方向に等間隔に配置された複数枚のランナベーン４が取り付けられている。各ランナベーン４は、ベーン軸中心５の周りで回転可能な構成となっている。
【０００３】
運転時には、流体がケーシング６からステーベーン７、ガイドベーン８および導水カバー９を通り、ディスチャージリング１０で囲まれたランナ２に流入して、ランナ２を回転駆動し、主軸１を介して図示しない発電機を回転する。ランナ２を通過した流体は、吸出し管１１に流入する。ランナベーン４は流量に応じてベーン軸中心５の周りに回転し、効率の良い運転がなされる。
【０００４】
このようなランナベーン４を回転させるために、ランナベーン４の外周先端面４ａは球面として加工され、回転しても外周面が常に同一球面上にある。また、ディスチャージリング１０の下部流水面１０ａもランナベーン４の回転に対応して、シールギャップ１２を考慮した若干大径な球面として加工されている（下部流水面を以下、球状流水面という）。なお、ベーン軸中心５から上方のディスチャージリング１０の上部流水面１０ｂは、これを球面とするとランナ２の最外周径よりも流路内径が小さくなる部分が生じて機器組立て時にランナ２を上方から挿入することができなくなるため、一定径の円筒状の流路とされている（上部流水面を以下、筒状流水面という）。
【０００５】
据付け時において一般に、ランナ２と主軸１とは、静止流路の完成後に流路内に挿入される。なお、挿入時に主軸１は発電機に接続されておらず、一旦静止流路に下ろされ、この状態で発電機を据付けた後、発電機軸と水車主軸１とが接続され、ランナ２が回転自在になるように設置される。このような手順で据付けを行う理由は、発電機軸と水車軸との接続には同一軸にするためのインロー部を必要とするためで、インロー部の長さ以上にランナ２と主軸１を下げておかなければならない。その後ランナ軸中心と静止流路の軸中心位置を近づける調整により芯だしを行い、芯だし終了後にランナベーンシールギャップの大きさが決定されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、水車などの水力機械の大きさは様々で、ランナベーンシールギャップ１２もそれぞれ異なる。したがって、ランナ２をディスチャージリング１０の球状流水面１０ａに接触させて下げた状態でインロー部の長さ以上のランナベーンシールギャップ１２を確保できる場合もあるが、そうでない場合もある。ランナベーンシールギャップ１２をインロー部の長さ以上に確保できない場合は、ランナ２をさらに下げる必要があるため、ディスチャージリング１０の球状流水面１０ａを下方に設置する。
【０００７】
図７はこのように、ディスチャージリング１０の球状流水面１０ａを本来の位置（破線）よりも下方に配置した状態（実線）を示している。ところが、このようにしてランナ２を回転自在に取り付けたときには、ランナベーンシールギャップ１２が性能上確保すべき値（１２ａ）よりも大きくなってしまい、この隙間からの漏れが増大して性能を低下させ、発電所として必要な出力を得ることができない状況になる可能性があった。
【０００８】
本発明の目的は、発電所の水車にランナを挿入する際に、インロー長さを確保するために球状流水面を本来の位置よりも低下する必要がある場合でも、性能上確保すべきランナベーンシールギャップの寸法が十分に確保できるランナベーンシールギャップ調整装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ランナボスの周方向に間隔的に配置され、それぞれベーン軸中心周りに回転自在な複数のランナベーンを有する縦軸の軸流型水車であって、ベーン軸中心から下流側の流路に位置するディスチャージリングの内面を、ランナベーン外周の球面に沿う球状流水面としたものにおいて、ディスチャージリングの流水面部分を弾性体によって変形可能に構成し、その弾性体の内部空間に液体を密封し、その液体を外部の圧力供給装置によって加圧することで流水面を水車流路内部に出没調節可能としたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、ランナボスの周方向に間隔的に配置され、それぞれベーン軸中心周りに回転自在な複数のランナベーンを有する縦軸の軸流型水車であって、ベーン軸中心から下流側の流路に位置するディスチャージリングの内面を、ランナベーン外周の球面に沿う球状流水面としたものにおいて、ディスチャージリングの流水面部分を弾性体によって変形可能に構成し、その弾性体の内部空間に押し板を収容させ、この押し板を外部の駆動装置で押引駆動することで流水面を水車流路内に出没調節可能としたことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
請求項１の装置においては、流水面が弾性体であるため、弾性体内部の圧力が低いと、ランナを置いた時にインローの長さになるまで沈み込み、ランナと発電機とを接続したあとで弾性体内部の圧力を高めて流水面を流路側に押し、性能上確保すべきランナベーンシールギャップを得ることができる。また、インローの長さが問題にならない場合を含めて、弾性体内部の圧力が低い時に、ランナベーン回転中心よりも上流側流路の最小内径がランナ最外周径よりも大きくなるように設定すれば、ランナの投入が可能となり、ランナベーン回転中心よりも上流側流路についてもランナベーンシールギャップを調整できることになる。
【００１２】
請求項２の装置においては、流水面が弾性体であるため、弾性体内部の圧力が低いとランナを置いた時にインローの長さになるまで沈み込み、ランナと発電機が接続したあとで弾性体内部の板を流路側へ押して、性能上確保すべきランナベーンシールギャップを得ることになる。また、インローの長さが問題にならない場合を含めて、弾性体内部の板を流路側へ押さない状態で、ランナベーン回転中心よりも上流側流路の最小内径がランナ最外周径よりも大きくなるように設定すれば、ランナの投入が可能となり、ランナベーン回転中心よりも上流側流路についてランナベーンシールギャップを調整できることになる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明のランナベーンシールギャップ調整装置の実施例を図１および図２を参照して説明する。なお、以下の各実施例は縦軸のカプラン水車に適用したものであり、ランナ周辺の全体構成については図６をそのまま参照する。
【００１４】
図１は第１実施例を示している。本実施例では、ランナボスの周方向に間隔的に配置され、それぞれベーン軸中心周りに回転自在な複数のランナベーン４を有する縦軸の軸流型水車であって、ベーン軸中心から下流側の流路に位置するディスチャージリング１０の内面を、ランナベーン４外周の球面に沿う球状流水面としたものにおいて、ディスチャージリング１０の流水面側がゴム等の弾性体によって変形可能に構成されている。即ち、ディスチャージリング１０は、内周側の上下およびその中間部に鍔３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有する金属製のベースリング３０と、このベースリング３０の各鍔３０ａ，３０ｂ，３０ｃ間に設けられた上下１対の球状流水面１０ａ1，１０ａ2を有する略袋状の弾性体製の下部リング３１および上部リング３２と、これら下部リング３１および上部リング３２をベースリング３０に固定する取付け板３３，３４とによって構成されている。下部リング３１および上部リング３２の内部空間はベースリング３０側に設けた連通用の配管３５，３６によって加圧用の液体が供給可能とされている。
【００１５】
配管３５，３６は外部の圧力供給装置２３に液供給可能に接続され、制御装置２４によって制御されるようになっている。このような構成において、ランナ２をディスチャージリング１０の下側流水面１０ａ1上に置く場合には上部リング３２から圧力供給装置２３で液抜きを行い、仮想線で示すように、上側流水面１０ｃを外周側に凹ませてランナ２の最外周径が通る内径を確保する。下側流水面１０ａ1上にランナ２を置くと、流水面がゴム面であるため下方に沈み込んで、ランナ２と発電機との接続に必要なインロー長さを確保することができる。
【００１６】
ランナ２が発電機に主軸１を介して回転自在に取り付けられた後は、圧力供給装置２３から液体を弾性体であるゴムの流水面の内側空間に伝え、流路内側へ膨らませる。この場合、制御装置１６により圧力供給装置１５からの圧力を調整することで、ランナベーン最外周先端面４ａと各流水面１０ａ1，１０ａ2とのランナベーンシールギャップ１２を調整することができる。
【００１７】
このような本実施例の装置によれば、性能上確保すべき下部のシールギャップ１２を調整することができるのは勿論であるが、ランナベーン軸中心５より上側の流水面１０ａ2も球面状とすることができる。したがって、本実施例のように上側のシールギャップ１２も調整できるようにしたものでは、水車性能低下を抑制するだけでなく、漏れ損失を軽減して、水車性能を向上させることができる。
【００１８】
図２は第２実施例を示している。本実施例の装置は、第１実施例の液体圧での直接変形に代えて、複数個に分割された球面形状などの任意形状をもつ押し板３７，３８を円周上に配列し、それらをシリンダ等の駆動装置３９，４０と、この駆動装置３９，４０に接続した位置制御装置４１とにより流路側へ出し入れするようにしたものである。
【００１９】
これにより、弾性体による流水面１０ａ1，１０ａ2を流路側に押引して、ランナベーン最外周先端面４ａと流水面１０ａ1，１０ａ2とのランナベーンシールギャップ１２を調整することができ、性能上確保すべきシールギャップ距離を調整することができる。
【００２０】
本実施例によっても、ランナベーン軸中心５より上側の流水面１０ａ2を球面状とすることができるので、従来の円筒流水面１０ｂのシールギャップ１２が大きいものと異なり、上側のシールギャップ１２が調整でき、漏れ損失を軽減して水車性能を向上させることができる。
【００２１】
なお、図３には参考例１を示している。本参考例では、球状流水面１０ａおよび円筒状流水面１０ｂを有するディスチャージリング１０が、他の流路構成部品から独立して構成されている。そして、このディスチャージリング１０が、吸出し管１１との間に設けた隙間１３により流路の前後方向（図の上下方向）に沿って所定距離、移動可能な状態で取り付けられている。
【００２２】
ディスチャージリング１０の下方には、隙間１３よりも上下幅の大きい空間部１４が形成されている。この空間部１４に、バネまたはゴムなどの弾性体１９が円周方向に複数個間隔的に、または全周に渡って連続的に接続された構成になっている。この弾性体１９は、通常の状態においてはディスチャージリング１０を十分に支持して上方に押上げる弾性力を有しており、一定以上の押下げ力を与えた場合にだけ下方に移動できるようになっている。
【００２３】
このような構成によると、据付け時において、ランナ２をディスチャージリング１０を押下げて球状流水面１０ａに当接させた場合に、その重量でバネまたはゴムなどの弾性体１９が収縮してディスチャージリング１０が下降できるので、図示しない発電機と主軸との接続に必要なインロー長さを確保することができる。
【００２４】
この後、ランナ２が発電機に主軸１を介して回転自在に取り付けられ、主軸１およびランナ２が持ち上げられてその重量が除去されると、弾性体１９の復元力によってディスチャージリング１０が上昇して元の位置に戻り、ランナベーン最外周先端面４ａと球状流水面１０ａとで形成されるランナベーンシールギャップ１２が性能上確保すべき寸法となり、水車性能低下を抑制することができる。
【００２５】
なお、この参考例１ではディスチャージリング１０を上方に移動する手段として弾性体１４を適用したが、これに代えて、油圧ジャッキなどの圧力を作動源としてディスチャージリング１０を元の位置に戻すもの、またはモーターなどを動力源として、機械的にディスチャージリング１０を元の位置に戻す装置を適用することも可能である。
【００２６】
図４は第参考例２を示している。本参考例ではディスチャージリング１０が上下の隙間１５，１６を介して流路前後方向に沿って移動可能な状態で取り付けられている。このディスチャージリング１０の上方および下方に隙間１５，１６よりも上下幅の大きい空間部１７，１８が形成されている。この各空間部１７，１８に油圧ジャッキ２０が円周方向に複数個取り付けられ、それぞれ配管２１，２２を通して圧力供給装置２３に接続されている。圧力供給装置２３には、制御装置２４が接続され、この制御装置２４によって油圧ジャッキ２０に供給される圧力が調節できるようになっている。
【００２７】
このような構成によると、ディスチャージリング１０の上下に配置した油圧ジャッキ１４の作動によって、隙間１５，１６の範囲内でディスチャージリング１０を上下方向に移動することができる。したがって、据付け特に下方の油圧ジャッキ１９を下げることにより、ランナ２をディスチャージリング１０の球状流水面１０ａに接する位置まで下げ、ランナ２と発電機との接続に必要なインロー長さを確保することができる。
【００２８】
ランナ２が発電機に主軸１を介して回転自在に接続された後は、下方の油圧ジャッキ２０によりディスチャージリング１０を上げ、ランナベーンシールギャップ１２を調節することができる。この場合、上方および下方の各油圧ジャッキ２０の圧力調整を制御装置２４で行うことにより、性能上確保すべきランナベーンシールギャップ１２の微調整を行うことができる。
【００２９】
なお、本参考例においても、油圧ジャッキ２０に代え、モーターなどを動力源として機械的にディスチャージリング１０を移動可能に支持させることもできる。
【００３０】
図５は参考例３を示している。本参考例では参考例２の構成に加え、ディスチャージリング１０の後方に空間２５が形成され、ディスチャージリング１０が半径方向にも移動可能な状態で取り付けられている。そして、ディスチャージリング１０の外周側に油圧ジャッキ２６が円周方向に沿って複数個取り付けられ、配管２７を通して圧力供給装置２３に接続されている。圧力供給装置２３には制御装置２４が接続されている点は前記第２実施例と同様である。また、ディスチャージリング１０の外周側には半径方向の位置決めが可能な固定部材２８，２９が設けられている。
【００３１】
このような構成によっても、下方の油圧ジャッキ１７を下げることにより、ランナ２を下げてディスチャージリング１０の球状流水面１０ａ上に置くことでランナ２と発電機との接続に必要なインロー長さを確保することができる。
【００３２】
ランナ２が発電機に主軸１を介して回転自在に取り付けられた後は、外周側の油圧ジャッキ２６の圧力調整を制御装置２４と圧力供給装置２３とによって行い、ランナ２の軸中心とディスチャージリング１０の軸中心とを合わせる芯出しを行い、位置が決定したら半径方向に移動しないように固定部材２８，２９で固定する。その後、上方および下方の各油圧ジャッキ１９，２０の圧力調整を制御装置２４と圧力供給装置２３とによって行い、ランナベーン最外周先端面４ａと球状流水面１０ａとのランナベーンシールギャップ１２を微調整することができる。
【００３３】
このような本参考例の装置によっても、性能上確保すべきシールギャップを精度良く調整することができ、水車性能低下を抑制することができる。なお、本参考においても、油圧ジャッキ１９，２０，２６に代えて、モーターなどを動力源として機械的にディスチャージリング１０を移動可能に支持させることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の実施例で詳述したように、請求項１の発明によれば、流水面が弾性体でその流水面を液体を介した圧力供給装置と制御装置により圧力をかけて流路側へ押し出す方法としているため、ランナをディスチャージリングの流水面上に置くと、その重みで弾性体が沈み込み、ランナと発電機との接続に必要なインロー長さを確保することができ、また、ランナが発電機と主軸を介して回転自在に取り付けられた状態では、流水面が流路側に膨らむため、ランナベーン最外周先端面と流水面で構成されるランナベーンシールギャップを、性能上確保すべき寸法することができ、水車性能低下を抑制することができる。また、ランナベーン回転中心より上側の流路に適用する場合でも、流水面が弾性体であるため、外側へ流水面を押し込んで、ランナ最外周径よりも大きい内径とすることができ、ランナを出し入れすることができる。ランナが発電機と主軸を介して回転自在に取り付けられた状態では、円筒流水面の場合よりも上側ランナベーンシールギャップを小さくでき、漏れ損失が低減するため、水車性能を向上させることができる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、流水面が弾性体でその流水面を円周上に分割した任意形状の押し板とそれを駆動および制御する駆動装置と位置制御装置を有しているため、ランナをディスチャージリングの流水面上に置くと、その重みで弾性体が沈み込み、ランナと発電機との接続に必要なインロー長さを確保することができ、また、ランナが発電機と主軸を介して回転自在に取り付けられた状態では、流水面が分割した任意形状の押し板と駆動装置により流路側に膨らみ、ランナベーン最外周先端面と流水面で構成されるランナベーンシールギャップを、性能上確保すべき寸法することができ、水車性能低下を抑制することができる。また、ランナベーン回転中心より上側の流路に適用する場合でも、流水面が弾性体であるため、押し板を外側へ引き込んで流水面の内径を、ランナ最外周径よりも大きくすることができ、ランナを出し入れすることができる。ランナが発電機と主軸を介して回転自在に取り付けられた状態では、円筒流水面の場合よりも上側ランナベーンシールギャップを小さくでき、漏れ損失が低減するため、水車性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るランナベーンシールギャップ調整装置の第１実施例を示すもので、ランナベーンと流水面とのシールギャップ状態を示した概略図。
【図２】  本発明に係るランナベーンシールギャップ調整装置の第２実施例を示すもので、ランナベーンと流水面とのシールギャップ状態を示した概略図。
【図３】  ランナベーンシールギャップ調整装置の参考例１を示すもので、ランナベーンと流水面とのシールギャップ状態を示した概略図。
【図４】  ランナベーンシールギャップ調整装置の参考例２を示すもので、ランナベーンと流水面とのシールギャップ状態を示した概略図。
【図５】  ランナベーンシールギャップ調整装置の参考例３を示すもので、ランナベーンと流水面とのシールギャップ状態を示した概略図。
【図６】  一般のカプラン水車の構造を示す断面図。
【図７】  従来の装置を示すもので、ディスチャージリングが下側に設置された時のシールギャップ状態を示す比較図。
【符号の説明】
１  主軸
２  ランナ
３  ランナボス
４  ランナベーン
４ａ  ランナベーン最外周先端面
５  ランナベーン回転中心
６  ケーシング
７  ステーベーン
８  ガイドベーン
９  導水カバー
１０  ディスチャージリング
１０ａ，１０ａ1，１０ａ2  球状流水面
１０ｂ  円筒状流水面
１１  吸出し管
１２  ランナベーンシールギャップ
１３，１５，１６  隙間
１４，１７  空間部
１９  弾性体
２０，２６  油圧ジャッキ
２３  圧力供給装置
２４  制御装置
２８，２９  固定部材
３０  ベースリング
３０ａ，３０ｂ  鍔
３１  下部リング
３２  上部リング
３３，３４  取付け板
３５，３６  配管
３７，３８  押し板
３９，４０  駆動装置
４１  位置制御装置
【図１】
0003763593.tif 000002
【図２】
0003763593.tif 000003
【図３】
0003763593.tif 000004
【図４】
0003763593.tif 000005
【図５】
0003763593.tif 000006
【図６】
0003763593.tif 000007
【図７】
0003763593.tif 000008