JP2013096245A - 水力機械およびその分解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステイベーンの応力を低減でき、かつ、ステイリングの割目シール溶接の影響を受けにくい構造の上カバーを備える水力機械を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、水力機械は、ステイベーンを有するステイリングと、前記ステイリングの内周側に配置された上カバーおよび下カバーと、前記上カバーと前記下カバーとの間の流路に配置されたガイドベーンとを備える。さらに、前記機械は、前記ガイドベーンから流入する水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸とを備える。さらに、前記上カバーは、前記ガイドベーンの回転軸が貫通するガイドベーン串穴部を有する外上カバーと、前記外上カバーよりも内周側に配置された内上カバーとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水力機械およびその分解方法に関する。

水力発電所を新規に建設する場合、メーカーは、高性能、高効率、高寿命、分解組立容易、メンテナンス容易、作業効率向上など、様々な客先要求を考慮する必要がある。メーカーは、これらの客先要求を満たすため、または他社との差別化のため、様々な研究開発や設計などを行っている。近年、このような客先要求の一つとして、建設時やオーバーホール時の現地据付工期の短縮が強く求められている。

図８と図９は、従来の水力機械の構造を示す断面図である。図８、図９の水力機械は、いずれもフランシス水車であり、ケーシング１と、ステイベーン２ａを有するステイリング２と、上カバー３と、下カバー４と、回転軸５ａを有するガイドベーン５と、上部吸出し管６と、ランナ７と、水車主軸８と、下部ピットライナ９と、上部ピットライナ１０と、水車バレル１１と、上カバーシートライナ１２と、下カバーシートライナ１３と、発電機主軸１４とを備えている。

図８では、上部吸出し管６がコンクリートで埋設されている。これに対し、図９では、上部吸出し管６が非埋設となっており、上部吸出し管６と下カバー４を搬出可能なドラフト監査路Ｐが設けられている。よって、図９の場合には、水力機械を分解することなく、ランナ７やガイドベーン５を監査路Ｐ内や監査路Ｐから出た所でメンテナンスすることができ、オーバーホール工期を短縮することができる。

図９の場合、下カバー４の下方に位置する機器はメンテナンスできるが、下カバー４の上方に位置する機器のメンテナンスをどのように行うかが問題となる。そこで、図９の水力機械では、上カバー３の最外径が、上部ピットライナ１０の最内径よりも小さく設計されている。よって、上カバー３を分割することなく一体でピット内から吊り出すことができ、オーバーホール工期をさらに短縮することができる。

しかしながら、図９では、上カバー３の最外径を通常より小さく設計したことにより、通常であれば上カバー３に設けられるガイドベーン串穴部Ｈが、ステイリング２に設けられている。ガイドベーン串穴部Ｈは、ガイドベーン５の回転軸５ａを貫通させるための穴である。

この場合、ステイリング２にかかる水圧が通常より増すため、ステイベーン２ａの応力が増大してしまうと考えられる。また、分割構造のステイリング２の割目にはシール溶接を行うため、この溶接により割目付近の部材が変形する可能性があるが、このような変形が発生すると、主要寸法であるランナ対向面、ガイドベーン串穴部Ｈ、シートライナ取付部などの寸法にばらつきができてしまい、現地での据繰り加工などの対応が必要となる可能性がある。さらには、上カバー３の最外径が通常より小さいため、ガイドベーン５やシートライナ１２、１３は必ず下から抜くことになり、オーバーホールの範囲や方法が限られてしまう。

特開平６−８１７６０号公報 特開平９−１９５９１７号公報

本発明は、ステイベーンの応力を低減でき、かつ、ステイリングの割目シール溶接の影響を受けにくい構造の上カバーを備える水力機械およびその分解方法を提供することを課題とする。

一の実施形態による水力機械は、ステイベーンを有するステイリングと、前記ステイリングの内周側に配置された上カバーおよび下カバーと、前記上カバーと前記下カバーとの間の流路に配置されたガイドベーンとを備える。さらに、前記機械は、前記ガイドベーンから流入する水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸とを備える。さらに、前記上カバーは、前記ガイドベーンの回転軸が貫通するガイドベーン串穴部を有する外上カバーと、前記外上カバーよりも内周側に配置された内上カバーとを有する。

また、別の実施形態は、ステイリングの内周側に配置された上カバーおよび下カバーと、前記上カバーと前記下カバーとの間の流路に配置されたガイドベーンとをピット内に備え、前記上カバーは、前記ガイドベーンの回転軸が貫通するガイドベーン串穴部を有する外上カバーと、前記外上カバーよりも内周側に配置された内上カバーとを有する水力機械の分解方法である。前記方法では、前記内上カバーを前記ピット外に吊り上げて搬出し、前記内上カバーの搬出後に、前記ピット内で前記外上カバーを複数個のカバーに分解する。

第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。 ステイリング、外上カバー、および内上カバーの構造を示す上面図である。 第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。 第２実施形態の水力機械の分解手順を示す断面図(1/3)である。 第２実施形態の水力機械の分解手順を示す断面図(2/3)である。 第２実施形態の水力機械の分解手順を示す断面図(3/3)である。 第３実施形態の水力機械の分解手順を示す断面図である。 従来の水力機械の構造を示す断面図である。 従来の水力機械の構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。

一般に水車やポンプなどの水力機械は、二床式構造の建屋内やバレル式構造の建屋内に設置されている。図１の水力機械は、バレル式構造の建屋内に設置されたフランシス水車に相当する。図１では、左側が水力機械の内周側となっており、右側が水力機械の外周側となっている。

図１の水力機械は、ケーシング１と、ステイベーン２ａを有するステイリング２と、上カバー３と、下カバー４と、回転軸５ａを有するガイドベーン５と、上部吸出し管６と、ランナ７と、水車主軸８と、下部ピットライナ９と、上部ピットライナ１０と、水車バレル１１と、上カバーシートライナ１２と、下カバーシートライナ１３と、発電機主軸１４と、ガイドベーンアーム２１と、ガイドリング２２と、軸受台２３と、主軸封水装置２４とを備えている。

図１の水力機械では、上池からの水が、ケーシング１からステイリング２を通ってランナ７に流入する。ケーシング１は、上池から導水する鉄管に接続されており、ステイリング２は、ステーベーン２ａを上下に挟み込んで流路を形成している。

上カバー３（３ａおよび３ｂ）と下カバー４は、ステイリング２の内周側に配置されており、ステイリング２とボルトで締結されている。また、ガイドベーン５は、上カバー３と下カバー４との間の流路に円形翼列状に配置されている。上カバー３と下カバー４はそれぞれ、この流路の上側と下側に配置されている。図１の水力機械は、ガイドベーン５の回転軸５ａを回転させることで、ランナ７に流入する水の流量を調整することができる。なお、符号１２、１３はそれぞれ、上カバーシートライナ１２と、下カバーシートライナ１３を示す。

ガイドベーン５で流量調整された水は、ランナ７に流入する。ランナ７は、ガイドベーン５から流入した水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換する。ランナ７の回転エネルギーは、主軸８、１４により発電機（図示せず）に伝達される。主軸８、１４は、ランナ７に連結された水車主軸８と、発電機に連結された発電機主軸１４により構成されており、水車主軸８と発電機主軸１４は、カップリング部Ｃでつながれている。ランナ７から流れ出た水は、上部吸出し管６を通って吸出し管ライナから放水路に排出される。

下部ピットライナ９と上部ピットライナ１０は、ステイリング２の上部において、水車ピットを形成している。これらのピットライナ９、１０には、図１に示すように、コンクリートで固められた水車バレル１１が設けられている。

なお、図１では、上部吸出し管６が非埋設となっており、上部吸出し管６と下カバー４を搬出可能なドラフト監査路Ｐが設けられている。

（１）ステイリング２と上カバー３の構造
本実施形態では、上カバー３は、外周側に配置された外上カバー３ａと、内周側に配置された内上カバー３ｂにより構成されている（図１）。外上カバー３ａは、ガイドベーン５の回転軸５ａが貫通するガイドベーン串穴部Ｈを有しており、ステイリング２とボルトで締結されている。また、内上カバー３ｂは、外上カバー３ａよりも内周側に配置されており、外上カバー３ａとボルトで締結されている。

以下、図２と図３を参照し、ステイリング２と上カバー３の構造について説明する。

図２は、ステイリング２、外上カバー３ａ、および内上カバー３ｂの構造を示す上面図である。

図２(ａ)〜図２(ｃ)に示すように、ステイリング２、外上カバー３ａ、内上カバー３ｂはいずれも、概ねリング状の平面形状を有している。ただし、内上カバー３ｂが非分割構造を有しているのに対し、外上カバー３ａは、４つのカバーに分割された４分割構造を有している。これらのカバーは、約９０度の中心角を有する扇型の平面形状を有しており、外上カバー３ａは、これら４つのカバーを組み立てることで形成されている。また、外上カバー３ａと同様に、ステイリング２も４分割構造を有している。

本実施形態では、ステイリング２と上カバー３の組立は、次のように行う。まず、ステイリング２を構成する４つの分割部分同士を溶接する。次に、ステイリング２に対し、外上カバー３ａを構成する４つの分割部分（カバー）をボルトで締結する。この際、ステイリング２と外上カバー３ａとの間と、外上カバー３ａを構成する４つの分割部分同士の間には、ゴムパッキンを介在させる。また、これらの分割部分同士も、ボルトで締結する。次に、外上カバー３ａに対し、内上カバー３ｂをボルトで締結する。この際、外上カバー３ａと内上カバー３ｂとの間には、ゴムパッキンを介在させる。

なお、外上カバー３ａは、２分割構造、３分割構造、またはＮ分割構造（Ｎは５以上の整数）を有していてもよい。ただし、２分割構造の場合には、分割部分を吊り上げる際に分割部分を傾けることが必要となる。また、３分割構造の場合には、４分割構造の場合に比べ、分割部分の形状や構造が複雑になる。また、Ｎ分割構造の場合には、４分割構造の場合に比べ、分割部分の組立が面倒になる。よって、外上カバー３ａは、４分割構造とすることが望ましい。また、ステイリング２も、２分割構造、３分割構造、またはＮ分割構造を有していてもよい。

なお、図２(ｂ)には、外上カバー３ｂに設けられたガイドベーン串穴部Ｈが示されている。上述の図１は、図２(ａ)〜図２(ｃ)に示すＡ−Ａ’線に沿った断面図となっている。一方、図２(ａ)〜図２(ｃ)に示すＢ−Ｂ’線に沿った断面図を、図３に示す。

図３は、第１実施形態の水力機械の構造を示す断面図である。ただし、図３は、上述の通り、図１とは別の断面を示している。

本実施形態の水力機械は、図３に示すように、ステイリング２と外上カバー３ａとの間に設置された外側パッキン３１と、外上カバー３ａを構成する４つのカバー同士の間に設置された割目パッキン３２と、外上カバー３ａと内上カバー３ｂとの間に設定された内側パッキン３３とを備えている。これらのパッキン３１〜３３により、流路からの水漏れが防止されている。なお、本実施形態では、これらのパッキン３１〜３３は、ゴム製であるが、ゴム以外の素材で形成されていてもよい。

（２）第１実施形態の作用効果
次に、再び図１を参照し、第１実施形態の作用効果について説明する。

以上のように、本実施形態では、上カバー３を、外上カバー３ａと内上カバー３ｂで構成している。また、本実施形態では、ガイドベーン串穴部Ｈを、ステイリング２ではなく外上カバー３ａに設けている。

図９の従来例では、ガイドベーン串穴部Ｈをステイリング２に設けている。そのため、この従来例の場合には、ステイリング２に大きな水圧がかかってしまう。これに対し、本実施形態では、ガイドベーン串穴部Ｈを外上カバー３ａに設けているため、ステイリング２にかかる水圧が、従来例の場合に比べて小さくなる。よって、本実施形態によれば、ステーベーン２ａの応力を低減することができる。

また、本実施形態では、ガイドベーン串穴部Ｈを外上カバー３ａに設けているため、主要寸法部分であるランナ対向面、ガイドベーン串穴部Ｈ、シートライナ取付部などが外上カバー３ａに含まれる。よって、これらの主要寸法部分は、ステイリング２の割目からの距離が遠くなり、ステイリング２の割目シール溶接の影響を受けにくくなる。よって、本実施形態によれば、現地での据繰り加工などの対応が不要となり、現地据付工程を短縮することができる。その結果、据繰り加工などの加工費を削減することができる。

また、本実施形態では、外上カバー３ａが分割構造を有しているため、外上カバー３ａをピット内で分解し、ピット外に吊り出すことができる。よって、外上カバー３ａを吊り出してできたスペースを利用して、ガイドベーン５やシートライナ１２、１３などを上から吊り出すことが可能となる。よって、本実施形態によれば、オーバーホール時の目的に合わせて、これらを上から吊り出すか下から抜くかを選択することが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、ステイベーン２ａの応力を低減でき、ステイリング２の割目シール溶接の影響を受けにくく、ガイドベーン５やシートライナ１２、１３の吊り出しが可能な構造の上カバー３を実現することが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、図１の水力機械を、図４〜図６に示す手順で分解する。図４〜図６は、第２実施形態の水力機械の分解手順を示す断面図である。

本実施形態では、オーバーホール時などにおいて、水力機械を分解し、分解した機器を吊り上げて、ピット内からピット外に搬出する。本実施形態では、水力機械を分解した後にまず、図１に示すガイドベーンアーム２１、ガイドリング２２、軸受台２３、主軸封水装置２４などを吊り上げて、ピット内からピット外に搬出する（図４）。

一般的な水力機械では、次に、水車主軸８とランナ７との間のカップリングボルトを外し、水車主軸８を吊り上げてピット内から搬出する。一方、本実施形態では、内上カバー３ｂの最外径、即ち、αで示す部分の径を、上部ピットライナ１０の最内径よりも小さく設計しておく。さらには、内上カバー３ｂの最内径、即ち、βで示す部分の径を、水車主軸８と発電機主軸１４とをつなぐカップリング部Ｃの径よりも大きく設計しておく。そして、本実施形態では、次に、水車主軸８がピット内にある状態で、内上カバー３ｂをピット内から吊り出す（図５）。

また、本実施形態では、水車主軸８とランナ７は、内上カバー３ｂが搬出されたピット内からピット外に一体で吊り上げ可能な形状に設計されている（図６）。例えば、ランナ７の最外径は、外上カバー３ａの最内径よりも小さく設計されている。

よって、本実施形態では、次に、水車主軸８とランナ７を、カップリングボルトを外さずにピット内からピット外に一体で吊り出す（図６）。その結果、ピット内には広いスペースが確保される。よって、ピット内で外上カバー３ａを４つに分解するなどの作業が可能となる。また、本実施形態では、水車主軸８とランナ７をピット外からピット内へ搬入する際にも、水車主軸８とランナ７を締結したまま一体で搬入する。

以上のように、本実施形態の水車主軸８とランナ７は、内上カバー３ｂが搬出されたピット内からピット外に一体で吊り上げ可能な形状を有している。よって、本実施形態によれば、水力機械の分解組立の際に、水車主軸８とランナ７を締結したまま搬出、搬入することが可能となり、分解組立の工期短縮が可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、図５および図６に示す手順を、図７に示す手順に置き換える。図７は、第３実施形態の水力機械の分解手順を示す断面図である。

本実施形態ではまず、ガイドベーンアーム２１、ガイドリング２２、軸受台２３、主軸封水装置２４などを吊り上げてピット外に搬出する（図４）。次に、水車主軸８とランナ７のカップリングボルトを外さずに、かつ内上カバ３ｂをランナ７に預けて、水車主軸８、ランナ７、内上カバ３ｂを一体でピット内からピット外へ吊り出す（図７）。また、水車主軸８とランナ７と内上カバー３ｂをピット外からピット内へ搬入する際にも、水車主軸８とランナ７と内上カバー３ｂを一体で搬入する。

そのため、本実施形態では、水車主軸８とランナ７と内上カバー３ｂは、ピット内からピット外に一体で吊り上げ可能な形状に設計されている（図７）。例えば、ランナ７の最外径は、外上カバー３ａの最内径よりも小さく設計されている。さらに、内上カバー３ｂの最外径（αで示す部分の径）は、上部ピットライナ１０の最内径よりも小さく設計されている。

しかしながら、本実施形態では、内上カバー３ｂの最内径（βで示す部分の径）を、水車主軸８と発電機主軸１４とをつなぐカップリング部Ｃの径よりも大きく設計する必要はない。理由は、内上カバー３ｂは、水車主軸８と発電機主軸１４と一体で吊り出されるため、カップリング部Ｃとの衝突を回避するよう設計する必要がないからである。

以上のように、本実施形態の水車主軸８とランナ７と内上カバー３ｂは、ピット内からピット外に一体で吊り上げ可能な形状を有している。よって、本実施形態によれば、水力機械の分解組立の際に、水車主軸８とランナ７と内上カバー３ｂを一体で搬出、搬入することが可能となり、分解組立の工期短縮が可能となる。

なお、第３実施形態には、第２実施形態に比べ、水車主軸８、ランナ７、内上カバー３ｂを一度に搬出、搬入できる分だけ工期を短縮できるという利点がある。一方、第２実施形態は、例えば、水車主軸８、ランナ７、内上カバー３ｂを一度に搬出、搬入するのが重量的に重過ぎる場合などに効果的である。

以上、第１から第３実施形態について説明したが、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たものではない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施することができる。また、これらの実施形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことにより、様々な変形例を得ることもできる。これらの形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれており、特許請求の範囲及びこれに均等な範囲には、これらの形態や変形例が含まれる。

１：ケーシング、２：ステイリング、２ａ：ステイベーン、
３：上カバー、３ａ：外上カバー、３ｂ：内上カバー、４：下カバー、
５：ガイドベーン、５ａ：回転軸、６：上部吸出し管、７：ランナ、８：水車主軸、
９：下部ピットライナ、１０：上部ピットライナ、１１：水車バレル、
１２：上カバーシートライナ、１３：下カバーシートライナ、１４：発電機主軸、
２１：ガイドベーンアーム、２２：ガイドリング、
２３：軸受台、２４：主軸封水装置、
３１：外側パッキン、３２：割目パッキン、３３：内側パッキン

Claims (8)

1. ステイベーンを有するステイリングと、
   前記ステイリングの内周側に配置された上カバーおよび下カバーと、
   前記上カバーと前記下カバーとの間の流路に配置されたガイドベーンと、
   前記ガイドベーンから流入する水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
   前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸とを備え、
   前記上カバーは、
   前記ガイドベーンの回転軸が貫通するガイドベーン串穴部を有する外上カバーと、
   前記外上カバーよりも内周側に配置された内上カバーと、
   を有する水力機械。
2. 前記外上カバーは、複数個のカバーに分割された構造を有している、請求項１に記載の水力機械。
3. 前記主軸は、前記ランナに連結された水車主軸と、前記発電機に連結された発電機主軸とを含み、
   前記内上カバーの最内径は、前記水車主軸と前記発電機主軸とをつなぐカップリング部の径よりも大きい、請求項１または２に記載の水力機械。
4. 前記主軸に含まれる水車主軸と、前記ランナは、前記内上カバーが搬出されたピット内からピット外に一体で吊り上げ可能な形状を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の水力機械。
5. 前記主軸に含まれる水車主軸と、前記ランナと、前記内上カバーは、ピット内からピット外に一体で吊り上げ可能な形状を有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の水力機械。
6. ステイリングの内周側に配置された上カバーおよび下カバーと、前記上カバーと前記下カバーとの間の流路に配置されたガイドベーンとをピット内に備え、前記上カバーは、前記ガイドベーンの回転軸が貫通するガイドベーン串穴部を有する外上カバーと、前記外上カバーよりも内周側に配置された内上カバーとを有する水力機械の分解方法であって、
   前記内上カバーを前記ピット外に吊り上げて搬出し、
   前記内上カバーの搬出後に、前記ピット内で前記外上カバーを複数個のカバーに分解する、
   水力機械の分解方法。
7. 前記水力機械はさらに、前記ガイドベーンから流入する水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸とを前記ピット内に備え、
   前記内上カバーの搬出後に、前記主軸に含まれる水車主軸と、前記ランナを、前記ピット外に一体で吊り上げる、請求項６に記載の水力機械の分解方法。
8. 前記水力機械はさらに、前記ガイドベーンから流入する水の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、前記ランナの回転エネルギーを発電機に伝達する主軸とを前記ピット内に備え、
   前記内上カバーを、前記主軸に含まれる水車主軸と、前記ランナと一体で、前記ピット外に吊り上げる、請求項６に記載の水力機械の分解方法。

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