【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、水車の異常診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水車が正常な運転をしているかどうかの判断は、通常、振動，温度を監視することによって行っている。例えば、フランシス水車のランナに異物がはさまったり、可動羽根水車のランナベーンの駆動機構が一部破損または変形し、ランナベーンの設定角度がばらついた場合には、状態の診断は、軸受や騒音の測定結果から間接的に行われる。大抵の場合明らかな異常振動や異常騒音が確認された時点では、該当する水車の要素そのものが、修復不能な程度に変形したり破損して、交換が必要な状態になっている。また、水車のランナベーンの出口形状の仕上がり形状によっては、カルマン渦による共振現象が発生するが、どの羽根に発生しているかを特定して、対策を施すことは困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の診断技術では、ランナに作用する流体力学的な力に関する異常を、水車軸や軸受などの機械振動や騒音測定によって間接的に診断していた。直接流れを監視できれば、異常な状況が軽微なうちに危険性を予知，防止することが可能となる。流れを直接測定する１手法として、動特性の高いピトー管によってランナ出口の流れの角度，流速，圧力の測定を行い、流体力学的な力に関わる異常の状況を直接診断しようという技術が確立されている。
流れを直接測定することで水車要素の変形，破損を軽微な段階で捕捉することが可能である。しかし、ピトー管は非常にわずかではあるが、管壁から流路に突出した構造であるため、流木などがピトー管にぶっかって破損したり、泥がピトー管の測定孔に詰まるなどの不具合を生ずる恐れがあるため、ピトー管は長時間の監視に不適切であった。
【０００４】
図６は超音波流速計の計測原理を説明する図である。
超音波センサＰ1 ，Ｐ2 を管路の中心を通る測線上に対向させて配置し、超音波センサＰ1 からＰ2 へ、超音波センサＰ2 からＰ1 へ超音波を発信すると、Ｐ1 からＰ2 へは流れに従って超音波が進み、Ｐ2 からＰ1 へは流れに逆らって超音波が進むので、音速をＣ，流体のライン流速をＶ，超音波の上流方向の伝播時間をＴ1 ，超音波の下流方向の伝播時間をＴ2 ，センサ間の距離をＬ，超音波の伝播方向と流体の流れる方向との角度をθとすると、
【数１】
Ｔ1 ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）
【数２】
Ｔ2 ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）
ここで数１及び数２を音速Ｃについて解くと、
【数３】
Ｃ＝Ｌ／Ｔ1 ＋Ｖｃｏｓθ＝Ｌ／Ｔ2 −Ｖｃｏｓθ
ここからライン流速Ｖは
【数４】
Ｖ＝（Ｔ1 −Ｔ2 ）×Ｌ／（Ｔ1 ×Ｔ2 ）×２ｃｏｓθとして求められる。
【数５】
Ｔ1 −Ｔ2 ＝ΔＴとすれば、
ΔＴ＝２ＬＶｃｏｓθ／（Ｃ2 −Ｖ2 ｃｏｓ2 θ） Ｃ2 はＶ2 よりはるかに大きいので、
ΔＴ＝２ＬＶｃｏｓθ／Ｃ2
【数６】
Ｖ＝Ｃ2 ΔＴ／２Ｌｃｏｓθ
【数７】
数１及び数２から
Ｔ1 ＋Ｔ2 ＝２ＬＣ／（Ｃ2 −Ｖ2 ｃｏｓ2 θ） Ｃ2 はＶ2 よりはるかに大きいので、
Ｔ1 ＋Ｔ2 ＝２Ｌ／Ｃ
Ｃ＝２Ｌ／Ｔ1 ＋Ｔ2 このＣを数６に代入すると
【数８】
Ｖ＝Ｃ2 ΔＴ／２Ｌｃｏｓθ＝２ＬΔＴ／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）ｃｏｓθ
Ｔ1 ＋Ｔ2 ／２＝Ｔm とすれば、
【数９】
Ｖ＝２ＬΔＴ／（２Ｔm ）2 ｃｏｓθ＝ＬΔＴ／２Ｔm 2 ｃｏｓθ
このようにして流速Ｖを求めることができる。
【０００５】
この発明はランナ出口の吸出し管またはディスチャージリングの管壁から器具を突出することなく、ランナ出口の流れの流速の絶対値及び流れの角度を測定し、その値から水車の異常を診断する異常診断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
水車のランナ出口の吸出し管またはディスチャージリングの管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサを設け、この超音波センサによってランナ出口の流れの流速の絶対値と角度とを求め、水車の異常を診断することによって、上記目的を達成する。
【０００７】
また、２対の超音波センサは、ランナ中心より下流にランナ外径の２倍以内の距離に設置すれば、水車の異常を診断する上に好適である。
【０００８】
【作用】
この発明においては、交差する２対の超音波センサを用いて１対のセンサから形成される測線上の流速を２種類検出する。このようにして得られた２種類の流速から水車軸中心方向の流速成分と水車軸に直角な流速成分とに分解し、両方の流速成分を合成することによって、ランナ出口の流れの流速の絶対値と角度とを求め、これらの値から水車の異常を診断することができる。
【０００９】
【実施例】
実施例１
図１はこの発明の異常診断装置をフランシス水車に取り付けた状態を示す縦断面図である。ケーシング２から導かれた水はランナ１を通って吸出し管３へ流れる。ランナ出口の吸出し管３の管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2を設けた。
２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2は、ランナ中心より下流のランナ外径Ｄの２倍（２Ｄ）以内の距離に設置する。
【００１０】
図５（Ａ）はこの発明の超音波センサによる計測原理を説明する図、（Ｂ）は（Ａ）における流れのベクトル合成を示す図である。ＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2はそれぞれ対をなすセンサである。ＰA1，ＰA2の距離をＬA 、ＰB1，ＰB2の距離をＬB 、ＰA1からＰA2方向の音波の進む時間をＴA1、ＰA2からＰA1方向の音波の進む時間をＴA2、ＰB1からＰB2方向の音波の進む時間をＴB1、ＰB2からＰB1方向の音波の進む時間をＴB2とする。ＰA1，ＰA2方向の流速をＶA 、ＰB1，ＰB2方向の流速をＶB とすればＶA ，ＶB は下記の式から求められる。
【数１０】
ＶA ＝（ＴA1−ＴA2）ＬA ／（ＴA1×ＴA2）×２
ＶB ＝（ＴB1−ＴB2）ＬB ／（ＴB1×ＴB2）×２
水車の軸中心と測線ＰA1，ＰA2とのなす角度をθA 、水車の軸中心と測線ＰB1，ＰB2とのなす角度をθB とすれば、水車軸中心方向の流速成分Ｖax及びこれと直角方向の流速成分ＶO は下記の式から求められる。
【数１１】
Ｖax＝ＶA ｃｏｓθA ＋ＶB ｃｏｓθB
ＶO ＝ＶA ｓｉｎθA ＋ＶB ｓｉｎθB
両者をベクトル合成することにより流速の絶対値Ｖが求められ、流速の絶対値Ｖと流速成分Ｖaxとの成す角度αが求められる。
【数１２】
Ｖ＝√（Ｖax 2 ＋ＶO 2 ）
α＝ｔａｎ-1（ＶO ／Ｖax）
この異常診断装置によれば、流水力学的異常を早期に検出できて、フランシス水車ではランナ羽根の破損または流木等の詰まりを検出できる。超音波センサＰA1，ＰA2と超音波センサＰB1，ＰB2との測線がなす角度は１０°ないし１７０°とすれば、流れの状態を検出する上に好適である。
【００１１】
実施例２
図２はこの発明の異常診断装置をカプラン水車に取り付けた状態を示す縦断面図である。図２において図１と同じ部位は同じ符号を付してある。
図２においてケーシング２から導かれた水は、ランナ羽根１ａを通って吸出し管３へ流れる。ランナ羽根出口の吸出し管３の管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2を設けた。２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2は、ランナ中心より下流のランナ外径Ｄの２倍（２Ｄ）以内の距離に設置する。
この場合も測定原理は図５（Ａ），（Ｂ）に示す図により同様に説明できる。超音波センサＰA1，ＰA2と超音波センサＰB1，ＰB2との測線がなす角度は１０°ないし１７０°とすれば、流れの状態を検出する上に好適である。
この異常診断装置によれば、流水力学的異常を早期に検出できて、カプラン水車ではランナベーン駆動機構の経年変化による緩みまたは流木などの詰まりを早期に検出できる。
また、この発明による超音波センサは、可動羽根水車の制御センサとしても使用できる。
【００１２】
実施例３
図３はこの発明の異常診断装置をバルブ水車に取り付けた状態を示す縦断面図である。図３において水路４によって導かれバルブの外側を流れる水は、バルブ水車のランナ羽根１ａを通って吸出し管３へ流れる。
ディスチャージリング５の管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2を設けた。２対の超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2は、ランナ中心より下流のランナ外径Ｄの２倍（２Ｄ）以内の距離に設置する。
この場合も測定原理は図５（Ａ），（Ｂ）に示す図により同様に説明できる。
【００１３】
図４（Ａ）は図３のランナ下流側の拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。
図４の例は超音波センサＰA1，ＰA2、ＰB1，ＰB2をバルブ水車の出口のデイスチャージリング５へ測線が交差するように配置した。超音波センサＰA1，ＰA2と超音波センサＰB1，ＰB2との測線がなす角度は１０°ないし１７０°とすれば、流れの状態を検出する上に好適である。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、水車のランナ出口の吸出し管またはディスチャージリングの管壁に測線が交差するように配置された２対の超音波センサを設け、この超音波センサによってランナ出口の流れの流速の絶対値と流れの角度とを求め、これらの値からフランシス水車ではランナ羽根の破損または流木などの詰まりを検出でき、可動羽根水車ではランナベーン駆動機構の経年変化による緩みまたは流木などの詰まりを早期に発見し、重大事故を未然に防ぐことができる。
また、この発明による超音波センサは、可動羽根水車の制御センサとしても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１の異常診断装置の取り付け状態を示す縦断面図である。
【図２】この発明の実施例２の異常診断装置の取り付け状態を示す縦断面図である。
【図３】この発明の実施例３の異常診断装置の取り付け状態を示す縦断面図である。
【図４】（Ａ）は図３のランナ出口の拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。
【図５】（Ａ）はこの発明の実施例による超音波センサによる計測原理を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のベクトル合成を示す図である。
【図６】超音波センサによる計測原理を示す図である。
【符号の説明】
１ ランナ
１ａ ランナ羽根
２ ケーシング
３ 吸出し管
４ 水路
５ ディスチャージリング
Ｐ1 超音波センサ
Ｐ2 超音波センサ
ＰA1 超音波センサ
ＰA2 超音波センサ
ＰB1 超音波センサ
ＰB2 超音波センサ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a water turbine abnormality diagnosis device.
[0002]
[Prior art]
The determination of whether the water turbine is operating normally is usually made by monitoring vibration and temperature. For example, if a foreign object is caught in the runner of the Francis turbine, or the drive mechanism of the runner vane of the movable vane turbine is partially damaged or deformed, and the runner vane setting angle varies, the diagnosis of the condition is performed by measuring the bearing and noise. Indirectly from the result. In most cases, when an obvious abnormal vibration or abnormal noise is confirmed, the element of the relevant turbine itself is deformed or damaged to an extent that it cannot be repaired, and needs to be replaced. Further, depending on the finished shape of the outlet shape of the runner vane of the water turbine, a resonance phenomenon due to Karman vortex occurs, but it is difficult to take a countermeasure by specifying which blade is generating.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In conventional diagnostic techniques, abnormalities related to hydrodynamic forces acting on the runner are indirectly diagnosed by measuring mechanical vibrations and noise of the water wheel shaft and bearings. If the direct flow can be monitored, the danger can be predicted and prevented while the abnormal situation is minor. As a method to directly measure the flow, a technology has been established to measure the angle, flow velocity and pressure of the runner outlet using a highly dynamic Pitot tube to directly diagnose the abnormal situation related to hydrodynamic force. ing.
By measuring the flow directly, it is possible to catch the deformation and breakage of the turbine element in a minor step. However, although the Pitot tube is very small, it has a structure that protrudes from the tube wall to the flow path, so there is a problem such as driftwood hitting the Pitot tube and being damaged, or mud clogging the measurement hole of the Pitot tube. The Pitot tube was unsuitable for long-term monitoring because of the potential risk.
[0004]
FIG. 6 is a diagram for explaining the measurement principle of the ultrasonic velocimeter.
When the ultrasonic sensors P 1 and P 2 are arranged opposite to each other on the line passing through the center of the pipe line, and ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic sensors P 1 to P 2 and from the ultrasonic sensors P 2 to P 1 , P The ultrasonic wave advances from 1 to P 2 according to the flow, and the ultrasonic wave advances from P 2 to P 1 against the flow. Therefore, the sound velocity is C, the fluid line flow velocity is V, and the propagation time of the ultrasonic wave in the upstream direction is set. T 1 , T 2 is the propagation time in the downstream direction of the ultrasonic wave, L is the distance between the sensors, and θ is the angle between the propagation direction of the ultrasonic wave and the flow direction of the fluid.
[Expression 1]
T 1 = L / (C−V cos θ)
[Expression 2]
T 2 = L / (C + V cos θ)
Here, solving Equation 1 and Equation 2 for the speed of sound C,
[Equation 3]
C = L / T 1 + V cos θ = L / T 2 −V cos θ
From here the line flow velocity V is
V = (T 1 −T 2 ) × L / (T 1 × T 2 ) × 2 cos θ.
[Equation 5]
If T 1 −T 2 = ΔT,
ΔT = 2LV cos θ / (C 2 −V 2 cos 2 θ) Since C 2 is much larger than V 2 ,
ΔT = 2LV cos θ / C 2
[Formula 6]
V = C 2 ΔT / 2L cos θ
[Expression 7]
From Equations 1 and 2, T 1 + T 2 = 2LC / (C 2 −V 2 cos 2 θ) Since C 2 is much larger than V 2 ,
T 1 + T 2 = 2L / C
C = 2L / T 1 + T 2 Substituting this C into Equation 6,
V = C 2 ΔT / 2Lcos θ = 2LΔT / (T 1 + T 2 ) cos θ
If T 1 + T 2/2 = T m,
[Equation 9]
V = 2LΔT / (2T m ) 2 cos θ = LΔT / 2T m 2 cos θ
In this way, the flow velocity V can be obtained.
[0005]
This invention measures the absolute value of the flow velocity of the runner outlet and the angle of the flow without projecting the instrument from the suction pipe of the runner outlet or the tube wall of the discharge ring, and diagnoses the abnormality of the water turbine from the measured value. An object is to provide an apparatus.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Two pairs of ultrasonic sensors are provided so that the line of measurement intersects the suction pipe or discharge ring wall of the runner outlet of the turbine, and the absolute value and angle of the flow velocity of the runner outlet flow are determined by this ultrasonic sensor. The above object is achieved by diagnosing the abnormality of the water turbine.
[0007]
Further, if the two pairs of ultrasonic sensors are installed at a distance within twice the outer diameter of the runner downstream from the center of the runner, it is suitable for diagnosing an abnormality in the water turbine.
[0008]
[Action]
In the present invention, two types of flow velocity on the survey line formed from a pair of sensors are detected using two pairs of intersecting ultrasonic sensors. The two flow velocities obtained in this way are decomposed into a flow velocity component in the center direction of the water wheel axis and a flow velocity component perpendicular to the water wheel shaft, and by synthesizing both flow velocity components, the absolute flow velocity of the runner outlet flow is obtained. The value and the angle are obtained, and the abnormality of the water turbine can be diagnosed from these values.
[0009]
【Example】
Example 1
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a state where the abnormality diagnosis device of the present invention is attached to a Francis turbine. The water guided from the casing 2 flows through the runner 1 to the suction pipe 3. Two pairs of ultrasonic sensors P A1 , P A2 , P B1 , P B2 are provided so that the measurement lines intersect with the pipe wall of the suction pipe 3 at the runner outlet.
The two pairs of ultrasonic sensors P A1 , P A2 , P B1 , P B2 are installed at a distance within twice (2D) the runner outer diameter D downstream from the runner center.
[0010]
FIG. 5A is a diagram for explaining the measurement principle by the ultrasonic sensor of the present invention, and FIG. 5B is a diagram showing flow vector synthesis in FIG. P A1 , P A2 , P B1 , and P B2 are pairs of sensors. The distance between P A1 and P A2 is L A , the distance between P B1 and P B2 is L B , the time that the sound wave travels in the direction from P A1 to P A2 is T A1 , and the time that the sound wave travels in the direction from P A2 to P A1 is T A2 and T B1 are the time for the sound wave in the direction from P B1 to P B2, and T B2 is the time for the sound wave in the direction from P B2 to P B1 . If the flow velocity in the direction of P A1 and P A2 is V A and the flow velocity in the direction of P B1 and P B2 is V B , then V A and V B can be obtained from the following equations.
[Expression 10]
V A = (T A1 −T A2 ) L A / (T A1 × T A2 ) × 2
V B = (T B1 −T B2 ) L B / (T B1 × T B2 ) × 2
Assuming that the angle between the axis of the turbine and the lines P A1 and P A2 is θ A and the angle between the axis of the turbine and the lines P B1 and P B2 is θ B , the flow velocity component V ax in the direction of the axis of the turbine And the flow velocity component V O in the direction perpendicular thereto is determined from the following equation.
[Expression 11]
V ax = V A cos θ A + V B cos θ B
V O = V A sin θ A + V B sin θ B
An absolute value V of the flow velocity is obtained by vector synthesis of both, and an angle α formed by the absolute value V of the flow velocity and the flow velocity component V ax is obtained.
[Expression 12]
V = √ (V ax 2 + V O 2 )
α = tan −1 (V O / V ax )
According to this abnormality diagnosis apparatus, a hydrodynamic abnormality can be detected at an early stage, and in the Francis turbine, breakage of runner blades or clogging of driftwood, etc. can be detected. If the angle formed by the measurement line between the ultrasonic sensors P A1 and P A2 and the ultrasonic sensors P B1 and P B2 is 10 ° to 170 °, it is suitable for detecting the flow state.
[0011]
Example 2
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a state where the abnormality diagnosis device of the present invention is attached to a Kaplan turbine. 2, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
In FIG. 2, the water guided from the casing 2 flows to the suction pipe 3 through the runner blade 1a. Two pairs of ultrasonic sensors P A1 , P A2 , P B1 , and P B2 are provided on the pipe wall of the suction pipe 3 at the outlet of the runner blade so that the measurement lines intersect. The two pairs of ultrasonic sensors P A1 , P A2 , P B1 , P B2 are installed at a distance within twice (2D) the runner outer diameter D downstream from the runner center.
In this case as well, the measurement principle can be explained in the same manner with reference to the diagrams shown in FIGS. If the angle formed by the measurement line between the ultrasonic sensors P A1 and P A2 and the ultrasonic sensors P B1 and P B2 is 10 ° to 170 °, it is suitable for detecting the flow state.
According to this abnormality diagnosing device, a hydrodynamic abnormality can be detected at an early stage, and in the Kaplan turbine, loosening due to secular change of the runner vane drive mechanism or clogging of driftwood can be detected at an early stage.
The ultrasonic sensor according to the present invention can also be used as a control sensor for a movable impeller turbine.
[0012]
Example 3
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a state where the abnormality diagnosis device of the present invention is attached to a valve turbine. In FIG. 3, the water guided by the water channel 4 and flowing outside the valve flows to the suction pipe 3 through the runner blade 1 a of the valve turbine.
Two pairs of ultrasonic sensors P A1 , P A2 , P B1 , and P B2 are provided so that the line of measurement intersects the tube wall of the discharge ring 5. The two pairs of ultrasonic sensors P A1 , P A2 , P B1 , P B2 are installed at a distance within twice (2D) the runner outer diameter D downstream from the runner center.
In this case as well, the measurement principle can be explained in the same manner with reference to the diagrams shown in FIGS.
[0013]
4A is an enlarged view of the runner downstream side of FIG. 3, and FIG. 4B is a view in the direction of arrow B in FIG.
In the example of FIG. 4, the ultrasonic sensors P A1 , P A2 , P B1 , and P B2 are arranged so that the survey lines cross the discharge ring 5 at the outlet of the valve turbine. If the angle formed by the measurement line between the ultrasonic sensors P A1 and P A2 and the ultrasonic sensors P B1 and P B2 is 10 ° to 170 °, it is suitable for detecting the flow state.
[0014]
【The invention's effect】
According to the present invention, two pairs of ultrasonic sensors are provided so that the line of measurement intersects the suction pipe of the runner outlet of the water turbine or the pipe wall of the discharge ring, and the flow velocity of the runner outlet is controlled by the ultrasonic sensors. The absolute value and the flow angle are obtained, and from these values, the Francis turbine can detect runner vane breakage or clogging of driftwood, etc., and the movable vane turbine can quickly detect loosening or clogging of driftwood due to aging of the runner vane drive mechanism. Discover and prevent serious accidents in advance.
The ultrasonic sensor according to the present invention can also be used as a control sensor for a movable impeller turbine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an attachment state of an abnormality diagnosis apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an attachment state of an abnormality diagnosis apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an attachment state of an abnormality diagnosis apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
4A is an enlarged view of a runner outlet in FIG. 3, and FIG. 4B is a view in the direction of arrow B in FIG.
5A is a diagram showing a measurement principle by an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a diagram showing vector synthesis of FIG. 5A.
FIG. 6 is a diagram illustrating a measurement principle by an ultrasonic sensor.
[Explanation of symbols]
1 runner 1a runner blade 2 casing 3 suction pipe 4 water channel 5 discharge ring P 1 ultrasonic sensor P 2 ultrasonic sensor P A1 ultrasonic sensor P A2 ultrasonic sensor P B1 ultrasonic sensor P B2 ultrasonic sensor
