JP3900986B2 - 既設ポンプをポンプ水車へ転換する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設ポンプをポンプ水車へ転換する方法に係り、特に、ケーシングが埋設された既設ポンプをポンプ水車に転換する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水を低位置から高位置に揚水するにはポンプが用いられる。このポンプは羽根車を有し電動機で回転させることによって水を揚水するものである。一方、水の揚水の需要がある場所では、水を高位置から低位置に落とすことが求められることが多い。この場合、一般的に、ポンプをバイパスさせて、水を自然落水させていた。この点について、落差を利用して発電したエネルギーを効率的に利用したいという要求が起きた。すなわち、ポンプを逆に回転させることにより発電機として用いるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、ポンプとして回転していた羽根車を逆に回転させることができる。しかしながら、本来水車として使うことを前提として設計されていないために、水車としての性能が劣悪で、実質的に、充分な発電ができなかった。
【０００４】
本発明の上記問題点に鑑み、既設ポンプを効率的な発電が可能となるようにポンプ水車へ転換する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、既設ポンプから既設ランナを取外す工程と、既設ランナより小さい外径のランナに交換或いは改変する工程と、交換或いは改変されるランナが設置される位置よりもケーシング側にガイドベーンを形成する工程と、ランナの回転速度を交換或いは改変前より増速させるように回転電機を修正する工程を有する。
【０００６】
また、交換或いは改変されるランナのランナ呑み口高さを、ケーシングのランナ側の流路高さに合わせることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
【０００８】
図１は一般的なポンプである。なお、後述するように、本実施例ではポンプをポンプ水車に転換するものであり、ポンプとポンプ水車とでは同機能の部材を異なった名称で呼んでいるが、ポンプ水車の名称を用いて説明する。図１において、軸１にはランナ２が同軸的に接続されている。ランナ２の上下にはそれぞれ上カバー３及び下カバー４が設けられている。上カバー３及び下カバー４はドーナツ形状であり、軸１は水密リング７を介して上カバー３を突出している。一方、下カバー４にはドラフトチューブ５が接続されている。上カバー３及び下カバー４で囲まれた部分における軸と垂直方向の外側にはケーシング６が設けられている。一方、軸１の上方には回転電機５５が設けられている。なお、回転電機は固定子５６及び回転子５７より構成される。
【０００９】
このように構成されたポンプでは、回転電機５５の回転子５７に通電されると、固定子５６の間で回転力が生じ、この回転力は軸１を介してランナ２に伝達され、ランナ２は図１に示す回転方向（イ）で回転する。これにより、ランナ２の水は遠心力により放射方向の力を受ける。ドラフトチューブ５の水を吸い上げて、ケーシング６に押圧する。そして、ケーシング６の水はＢから紙面奥側を通ってＡに到達し、より高い場所へと吸水される。
【００１０】
次に、図２乃至図７を用いて、ポンプをポンプ水車に転換する具体例を説明する。図２において、上カバー３を上方に持ち上げ外す。なお、図２乃至図７では上カバー３を取外してランナ２を交換しているが、下カバー４を取外して交換するように構成しても良い。図３において、軸１と共にランナ２を上方に持ち上げ外す。このときケーシング６の吸口側（ポンプにおいては吐出口側）先端（先端近傍）にステーベーン２０を溶接等で固着する。ステーベーン２０は軸１と同心円状に複数の翼が等間隔で配列されたものである。図４において、下カバー４におけるケーシング近傍に、例えば溶接等により、追加リング５０を固着する。追加リング５０は外径がケーシング６の吸口（ポンプにおいては、吐出口）とほぼ接する大きさをもっている。一方、追加リング５０の内径は後述する交換ランナ２１の外径に近接する。
【００１１】
図５において、追加リングが設けられた箇所を貫通して下カバー４の一部に達する軸孔１３を切削等により形成する。その軸孔１３に軸１２を挿入する。なお、軸１２にはガイドベーン１４が固着されており、ガイドベーン１４は軸１２と共に回転するように形成されている。ガイドベーン１４は軸１と同心円状に複数の翼が等間隔で配列されたものであって、後述するサーボモータで駆動されて、角度が変り交換ランナ２１に至る水量を調節する。ここで、軸１に交換ランナ２１を固着して、下カバー４近傍に到達するように下げる。ここで、図１に示されるランナ１の外半径Ｒ１及び呑み口高さＴ１を参照すると交換ランナ２１のランナ呑み口高さＴ２はポンプとして機能するランナ２（あるいは、ポンプランナと称する）のランナ呑み口高さＴ１に比べて大きくなっている。また、交換ランナ２１の外半径Ｒ２はポンプランナ２のＲ１により小さく設定される。
【００１２】
図６において、交換上カバー１５の貫通孔１６にガイドベーン１４の軸１２が挿入されるように、交換上カバー１５を下げる。また、ガイドベーン１４の軸１２は図示しないがガイドベーンリングを介して図示しないサーボモータに連絡されている。サーボモータ（図示せず）が駆動されると、ガイドベーンリング（図示せず）を介して、それぞれのガイドベーン１４が等角度で水流を交換ランナ２１に導く。
【００１３】
図７において、交換ランナ２１に交換し、新たに可動ガイドベーン１４を追加し、さらに、ステーベーン２０を新たに追加して改造された転換ポンプ水車を示す。なお、ポンプに接続された電動機は、回転速度を上昇させた交換発電電動機５５０に交換されている。交換ランナ２１の羽根外径は、ガイドベーン１４が挿入できる程度に点線で示される既設ランナ２より小さくなっている。
【００１４】
ここで、発電電動機５５０の回転速度Ｎは、交換ランナ２１の羽根外径Ｄの縮小率にほぼ逆比例して高く設定する。すなわち、一般に、

で示されるＫは一定に保たれたときに効率が保たれるので、この式に応じ、Ｄを小さくした分Ｎを大きくするのである。このことによって、交換ランナ２１の羽根外周部の周速係数は既設機と同等に設定されるので、ポンプ性能も既設機と同等に保つことができる。また、ランナ呑み口高さＴ２は、既設ケーシング６のランナ側の流路幅（ステーリングの流路幅）に合わせて既設ランナより大きく設定する。これにより、壁面での流れの乱れを抑えることができる。ガイドベーン１４は、上カバーの同心円上に均一な間隔で配置され、図示されないリンクレバーメカニズムを介してサーボモータ（図示せず）で駆動される。ガイドベーン１４が閉口するとガイドベーン１４は互いに接触するほどに近接する。一方でガイドベーン１４が開口すると、ガイドベーン１４は互い離れ水を通る隙間をつくる。ステーベーン２０は、概略ガイドベーンと同じ方向に、半径方向に対して斜めに配置する。
【００１５】
図７及び８において、水車運転時（矢印（ロ））は、図示しない水圧鉄管からケーシング６に水を導入し、水はケーシング６内Ａから紙面奥方向に流れ、ステーベーン２０に導かれ整流される。水は旋回しながら、ガイドベーン１４で流量が調節され、さらに、交換ランナ２１に水流を受けて回転しながら動力を発生する。交換ランナ２１の下流では、ドラフトチューブ５から水が減速して放水路へ導かれる。なお、ポンプ運転時（矢印(イ)）は、交換ランナ２１を水車運転時とは逆向きに回転させることによって水は逆向きに流れる。ドラフトチューブ５から導入された水は交換ランナ２１によって力を与えられ、ガイドベーン１４とステーベーン２０を経てケーシング６へ入り、水圧鉄管を上って揚水される。
【００１６】
次に、本発明の参考例を図９により説明する。この本発明の参考例の場合、図９に示されるように、既設ポンプにすでにステーベーン（デフューザベーン）３６が存在するものが前提とされ、このようなポンプを改造してポンプ水車とするものである。なお、第１の実施例と同様な部分は同記号を用いる、第２の実施例では、ステーベーン（デフューザベーン）３６の外周側の羽根角度をより円周方向へ向くように改造する。すなわち、図９（Ｂ）において、３１に示す斜線部を削りとる。また、図９（Ｃ）において、ステーリング３２とケーシング６の接点部においては、水車運転時流れを滑らかに導くベルマウス３４を溶接によって形成する。さらに、もともと軸１に結合されていた発電機(図示せず)の交換発電電動機を可変速機とすることにより、ポンプ運転時の揚程調整幅を大きくしたり、入力を調整したりするだけでなく、水車運転時には回転速度を低く設定することによって、水車運転時の有効落差範囲を拡大したり低落差・部分負荷時の振動を減少させることもできる。
【００１７】
本参考例によれば、既設ケーシングを流用して、既設ポンプをほぼ完全なポンプ水車に改造することができるので、ポンプとしての性能も既設機と同等であり、かつ水車としてもポンプに匹敵する性能を有するターボ機械に生まれ変わる。
【００１８】
さらに、本発明の参考例を図１０により説明する。この本発明の参考例では既設ステーリングがあるものとし、ランナ２を交換すると共に、主としてガイドベーンを追加するものである。図１０において、交換ランナは概略既設ポンプの既設ランナと同等の羽根外径を有する。ただし、交換ランナにおいては内周側の羽根角度は図１０の実線部分４３に示すようにより円周方向に向くようになっている(点線４４は既設ランナの羽根角度である)。また、すでに、発電電動機（図示せず）の回転速度は既設機と同じとするので、位相逆転機能のみを追加して、既設電動機を流用することも可能である。交換ランナのランナ呑み口高さは、既設ステーリングの流路幅に合わせて既設ランナより大きく設定する。これにより、壁面での流れの乱れを抑えることができる。既設ステーリングの空間に入るよう例えば第１の実施例は図７のようにガイドベーンを配置する。ガイドベーン枚数はこの空間の大きさに合わせ、空間が小さければ羽根枚数は多く、空間が大きければ羽根枚数は少なく選定する。ガイドベーン１４は、既設ステーリングを突き抜ける軸を有し、ステーリング上部に同心円上に均一な間隔で配置され、リンクレバーメカニズムを介してサーボモータにより駆動される。
【００１９】
本参考例によれば、回転速度を変えずにポンプ水車への転換ができるので、既設機の押し込み水頭が浅い場合にも、ポンプの性能を犠牲にしないで、ポンプ水車へ転換することが可能になる。また、発電電動機を交換しなくてすむので経済的である。一方で、可動ガイドベーンにより水車出力の調整ができ、水車運転時の効率・振動特性も良好なポンプ水車となる。
【００２０】
さらに、本発明の参考例を図１１に示す。この本発明の参考例では、上記参考例と比較して、交換ランナの形状が異なる。他は同様である。
【００２１】
図１１において、交換ランナは上記参考例で示されたように、新たにポンプ水車ランナとして設計製作されたものでもよいし、あるいは、既設ポンプのランナ２の羽根出口部を改変した改変ランナでもよい。改変の方法としては、図１０に示されるように、羽根出口を寝かせる形状４３としても良い。あるいは、図１１に示されているように既設ランナベーン５１をそのまま用いて羽根外径５２を小さくするよう羽根先端部５３を削除しもよい。既設ステーリングの空間部には固定のガイドベーンを配置しても良い。ガイドベーンは、半径方向に対して斜めに配置する。すでにディフューザベーンが設置されている場合は、その水車入り口部を滑らかに整形して固定ガイドベーンとしてもよい。固定ガイドベーンであるため、水車の出力調整はバルブを用いて行うことになる。
【００２２】
本参考例によれば、最小の費用で、ポンプをポンプ水車へ転換することができる。つまり、ミニマムコストで、揚水場に、緊急時の発電機能を与えることができるようになる。
【００２３】
また、本発明の参考例を図１２に示す。この本発明の参考例ではケーシング６内にガイドベーン６１を形成した。
【００２４】
次に、本発明の参考例を図１３に示す。この本発明の参考例ではケーシング６内にステーベーン６２を形成した。ここに、本発明の他の参考例を図１４に示す。この参考例はケーシング６内にベルマウス８１を設けた。
【００２５】
このように、既設のポンプをポンプ水車へ転換することができるので、通常、揚水ポンプとして運転しているターボ機械であっても、必要な場合に水車として運転することができ、発電により電力を得ることができる。揚水場が、電力逼迫時の緊急発電所としての機能を果たすことも可能であるし、余剰の水を使った発電によりエネルギーの有効利用を図ることも可能である。
【００２６】
また、発電運転時の効率・振動特性のよいポンプ水車に転換することができるので、より経済的な発電運転が可能になるばかりでなく、振動低減によりポンプ水車の保守を軽減させることが可能となる。
【００２７】
さらに、ポンプの改造にあたっては、既設の渦巻きケーシングを交換する必要がないので、これらケーシングがコンクリートに埋設され、実質上交換が不可能な場合にもポンプをポンプ水車へ転換することが可能である。また、ケーシングを交換しない分、経済的な転換が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、実質的な実用に具せるよう、ポンプをポンプ水車に転換できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施例における転換前のポンプ車を示す図である。
【図２】 第１の実施例における上カバー取外しを説明する図である。
【図３】 第１の実施例におけるランナ取外しを説明する図である。
【図４】 第１の実施例における下カバー加工を示す図である。
【図５】 第１の実施例における転換ランナ組み込み及びステーベーン組み込みを示す図である。
【図６】 第１の実施例におけるガイドベーン及び上カバー組み込みを示す図である。
【図７】 第１の実施例における転換ポンプ水車を示す図である。
【図８】 第１の実施例における転換ポンプ水車の全体図である。
【図９】 本発明の参考例の改変ポンプ水車の断面図である。
【図１０】 本発明の参考例を示す図である。
【図１１】 本発明の参考例を示す図である。
【図１２】 本発明の参考例を示す図である。
【図１３】 本発明の参考例を示す図である。
【図１４】 本発明の参考例を示す図である。
【符号の説明】
２…既設ポンプランナ、６…ケーシング、１４…ガイドベーン、２０…ステーベーン、２１…交換ランナ、５５…回転電機。

Claims (2)

1. 既設ポンプをポンプ水車に転換する方法であって、
   前記既設ポンプから既設ランナを取外す工程と、
   前記既設ランナより小さい外径のランナに交換或いは改変する工程と、
   前記交換或いは改変されるランナが設置される位置よりもケーシング側にガイドベーンを形成する工程と、
   前記ランナの回転速度を交換或いは改変前より増速させるように回転電機を修正する工程を有することを特徴とする既設ポンプをポンプ水車へ転換する方法。
2. 請求項１において、前記交換或いは改変されるランナのランナ呑み口高さを、前記ケーシングのランナ側の流路高さに合わせることを特徴とする既設ポンプをポンプ水車へ転換する方法。

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