JPH08159076A - 水力機械の調相運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速大容量の水力機械において、調相運転移
行時のランナ室廻りの排水や空気置換を速やかに、かつ
確実に行い、円滑に調相運転に移行できる運転方法を得
る。 【構成】 調相運転切替指令で、ガイドベーン２を全閉
後、吸出し管４に高圧空気を給気すると同時に、第１排
水弁11および第２排水弁を開口制御する。さらに、給気
管６に補給気管16を並設し、ランナ室10の圧力が設定圧
力まで低下した事を圧力検出器で検出し、給気弁７を閉
止制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水車、ポンプ、ポンプ水
車などの水力機械の調相運転方法に係り、特許法に発電
調相運転あるいは揚水運転から揚水調相運転へ移行する
際の、排水弁および給気弁の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】水車、ポンプ、ポンプ水車などの水力機
械において、最近では電力系統の安定化あるいは電力需
要に対して即応するために、水力機械の回転部に空気を
給気して空中で空転させる、いわゆる調整運転を行うこ
とが多くなってきた。

【０００３】図４は従来の水力機械の一例として、フラ
ンシス型ポンプ水車の概略構成を示したものである。こ
のようなフランシス型ポンプ水車で調相運転を行う場合
には、水力機械に直結する図示しない発電機の負荷トル
クを軽減するために、ガイドベーン２を全閉にしてラン
ナ３の下方の吸出し管４の上部に空気タンク５から給気
管６で高圧空気を給気してランナ３まわりの水を吸出し
管４の下方に押下げ、ランナ３を空中で空転させる。ま
た通常運転時のスラスト力を低減するためにランナ室10
である外側背圧室８と側圧室９とを連通するバランス管
18を備えるとともに、外側背圧室８や側圧室９の水を吸
出管４に排水する第１排水弁11を介装した第１排水管12
と、ランナ３の回転によって運ばれた水やガイドベーン
２からの漏水をランナ外周流路３ａから吸出管４に排水
する第２排水弁13を介装した第２排水管14とを備えてい
る。一般には、第１排水管12の吸出し管４への開口部12
ａが第２排水管14の開口部14ａよりもランナ側に向かう
上方に設置されている。このようにランナ室10やランナ
外周流路３ａの水を十分排水する事により調相運転時の
負荷トルクを軽減できる。

【０００４】このような構成のフランシス型ポンプ水車
の調相運転方法は、図５に示すように、例えば発電運転
から発電調相運転へ移行する時には、調相運転切替指令
でまずガイドベーン２を全閉し、全閉後給気弁７および
補給気弁15を開口し吸出し管４に高圧空気を給気する。
吸出し管４の水位があらかじめ定められた設定水位Ｙま
で低下すると同時に給気弁７および補給気弁15を閉止制
御し、かつ第１排水弁11および第２排水弁13を開口制御
してランナ室10やランナ外周流路３ａ内の水を排水する
運転方法である。なおその後の吸出し管４の水位の上昇
変動に対しては補給気弁15を開閉制御して水位を調整す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近のフラ
ンシス型ポンプ水車などは、経済性を追求して高速、大
容量化してきている。ここで、特に高速、大容量化の１
つのパラメータとして、ランナ出口径部３ｂにおける周
速エネルギーがあり、ランナ出口周速をｕ（ｍ／ｓ）、
重力加速度をｇ（ｍ／ｓ² ）とした場合、ｕ² ／２ｇが
周速エネルギーと定義される。従来のレベルは周速エネ
ルギーが１４０ｍ以下であったが、最近はこれを越える
ものが多くなってきており、実績的に見るとこの１４０
ｍが高速大容量化の目安になっている。

【０００６】高速大容量化によって、周速エネルギーが
増大した結果、調相運転へ移行する際、ガイドベーン２
の全閉状態いわゆる締切運転では、従来では見られない
ランナ３の遠心風圧力による二次的な流れが吸出し管４
内に生ずることになった。吸出し管４内の水はランナ３
の回転方向に旋回するとともに、ランナ３の遠心風圧力
で龍巻き状態になった空気の影響で水面近傍の中心部は
ランナ３方向に向かう。一方吸出し管４の内壁面４ａ近
傍では遠心力による旋回流と下方に向かう強い渦巻き状
の二次流れが発生し、吸出し管４の内壁面４ａには大き
い遠心力の水膜が形成される。一方ランナ室10すなわち
外側背圧室８と側圧室９、ランナ外周流路３ａの水はそ
れぞれ第１排水管12および第２排水管14で吸出し管４に
排水するようになっている。しかし、ランナ３内がほぼ
空気で置換された後では、ランナ３のポンプ作用が極め
て小さくなるため、前述の吸出し管４の内壁面４ａの水
膜の遠心力に負けて開口部12ａ，14ａが閉塞状態になり
排水が困難になってきた。特に設定水位近傍に開口部14
ａを有する第２排水管14の方が水膜の影響を大きく受け
る。また、給気管６についても同理由から給気が難しく
なるとともに、激しい二次流れのため給気管６から給気
された空気が吸出し管４から放水路に流出する傾向も強
くなった。このように高速大容量化によって、吸出し管
４内の水と空気の挙動が従来に見られない激しいものと
なり、ランナ室10やランナ外周流路３ａ内の水の排水不
能による負荷トルクの増加や吸出し管４内への効果的な
給気が難しくなる等で調相運転に円滑に移行できないケ
ースが発生してきた。

【０００７】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
ので、その目的は周速エネルギーが１４０ｍ以上の高速
大容量の水力機械でも、円滑に調相運転に移行できる簡
便にして合理的な水力機械の調相運転方法を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に対応する発明は、水力機械の調相運転に
おいて、調相運転切替指令で、まずガイドベーンを全閉
し、次に吸出し管に高圧空気を給気し、かつ給気と同時
又は吸出し管内の水位が、第２排水管の吸出し管への開
口部よりもランナ側に向かう上方に位置する段階のいず
れかの段階で、第１排水管を介装された第１排水弁およ
び第２排水管に介装された第２排水弁の内少なくとも第
２排水弁を開口制御する調相運転方法である。

【０００９】請求項２に対応する発明は、吸出し管に高
圧空気を給気するための給気弁を介装した給気管に、こ
の給気管の途中から分岐し再度合流する給気管よりも口
径の小さい、補給気弁を介装した補給気管を並設した水
力機械の調相運転において、給気指令では、前記給気弁
と補給気弁の両方を開口して高圧空気を吸出し管内に給
気し、次にランナ外側背圧室又はランナ側圧室などのラ
ンナ室の水圧が所定の設定圧力まで低下した事を圧力検
出器で検知して給気弁を閉止し、さらに吸出し管内の水
位が所定の設定位置に降下したところで補給気弁も閉止
制御する調相運転方法である。

【００１０】

【作用】請求項１に対応する発明によれば、吸出し管へ
の給気と同時、又は吸出し管内の水位が第２排水管の吸
出し管への開口部よりもランナ側に向かう上方に位置す
る段階のいずれかの段階で、第２排水等を開口するの
で、ランナの回転による遠心力で圧力の高いランナ室や
ランナ外周流路の水を圧力の低い吸出し管に積極的に排
水できる。特に吸出し管内の液面近傍に生じる激しい二
次流れの影響を受ける前に排水できる。したがってラン
ナ内の水が速やかに空気に置換されるので、負荷トルク
の増大を抑制し、調相運転への移行が円滑に行われる。

【００１１】請求項２に対応する発明によれば、ランナ
室の水圧が所定の設定圧力まで低下した事を検知して給
気管の給気弁を閉止し、給気管よりも口径の小さい補給
気管から給気することにより、吸出し管内の二次流れに
よって吸出し管下方に流出する空気を最小限に抑制でき
るので、過給気を防止して空気タンクの圧力を無駄に低
下させる事もなく、吸出し管内の水位を所定の設定位置
に安定に押下げることができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例について図１および図
２を参照して説明する。図１は本発明を適用した水力機
械の一実施例の縦断面図であり、フランシス型ポンプ水
車に適用した例である。

【００１３】本実施例が既に説明した図４の従来例と構
成の異なる点は、ランナ室10に圧力検出器17を設置した
ことであり、その他の構成は同一であるので、同一部分
には同一符号を付してその説明は省略する。

【００１４】このように構成された本実施例の調相運転
方法について図２の動作説明図を用いて説明する。例え
ば発電運転から発電調相運転に移行する時には、調相運
転切替指令で、まずガイドベーン２を全閉し、全閉後給
気弁７および補給気弁15を開口制御して、給気管６から
吸出し管４内に空気タンク５に蓄えられた高圧空気を給
気する。給気と同時に第１排水弁11および第２排水弁13
を開口制御する。一方ライナ室10の圧力が設定圧力Ｚま
で低下した事を圧力検出器17で検知して給気弁７を閉止
する。その後補給気管16のみで給気を継続し、所定の設
定水位Ｙになった時点で補給気弁15をも閉止する。

【００１５】なお本実施例では、第１排水弁11および第
２排水弁13の開口制御を給気と同時にしたが、ガイドベ
ーン３全閉と同時、あるいは吸出し管４内の水位が第２
排水管14の吸出し管４への開口部14ａよりもランナ３側
に向かう上方に位置する段階でもよい。

【００１６】しかし望ましくは、ほぼ給気とほぼ同時に
開口制御する方がよい。また第１排水弁は従来と同様
に、設定水位まで降下したら開口制御してもよい。次
に、以上のような調相運転方法の実施例の作用効果につ
いて説明する。

【００１７】上記のように、吸出し管４への給気と同時
に第１排水弁11および第２排水弁13を開口制御するの
で、ランナ３の回転による遠心力のポンプ作用によって
ランナ外周路３ａへと押しつけられているランナ室10の
水は圧力の低い吸出し管４に積極的に排水され、これと
同時に吸出し管４内に給気された空気はランナ室10へ流
入して、ランナ室10の水を排水すると共に空気と円滑に
置換される。

【００１８】特に、吸出し管４内の水位が上方にある内
に排水するので、第１排水管12および第２排水管14の吸
出し管４への開口部12ａ，14ａが液面近傍に生じる激し
い二次流れの影響を受ける前に排水できる。したがっ
て、ランナ３内の水が速やかに空気に確実に置換される
ので、負荷トルクの増大を抑制し、調相運転への移行が
円滑に行われる。

【００１９】一方、給気の初期段階でランナ室10の圧力
が低下して設定圧力Ｚになったら給気弁７を閉止するこ
とにより、吸出し管４内の二次流れによって吸出し管４
下方に流出する空気を最小限に抑制できるので、過給気
を防止できる。したがって空気タンク５の圧力の低下を
極力抑制し、補給気管16から給気を継続することによっ
て吸出し管４内の水位を所定の設定水位に安定に押下げ
る事ができる。なお所定の設定圧力Ｚは水力機械の特性
に応じて、調整試験等で決定できる。

【００２０】なお、本実施例の他の実施例を図３に示
す。本例はガイドベーン２を全閉後、図示しない入口弁
を閉動作し、入口弁が閉まったことを条件に給気および
排水を行う方法である。通常は入口弁が全閉になるま
で、ケーシング９には図示しない上池からの高い圧力が
作用している。したがって、ガイドベーン２の間隙から
の漏水がランナ外周流路３ａやランナ室10に流入し、こ
の部分の排水に時間を要することがあった。しかし本発
明によれば入口弁を全閉してから給気や排水を開始する
ので、ケーシング１からランナ室10やランナ外周流路３
ａに流入する漏水を極力抑制した状態で、排水や空気置
換を実施できるので、調相運転への移行を円滑に行うこ
とができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、発
電運転から発電調相運転あるいは揚水運転から揚水調相
運転に円滑に移行できる、簡便にして合理的な水力機械
の調相運転方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した水力機械の一実施例を示す縦
断面図。

【図２】本発明の一実施例を示す動作説明図。

【図３】本発明の他の実施例を示す動作説明図。

【図４】従来の水力機械の一例を示す縦断面図。

【図５】従来例の動作説明図。

【符号の説明】

１…ケーシング、 ２…ガイドベーン、３…ラン
ナ、 ３ａ…ランナ外周流路、４…吸出し
管、 ５…空気タンク、６…給気管、
７…給気弁、８…外側背圧室、 ９…側圧
室、10…ランナ室、 11…第１排水弁、12…第
１排水管、 13…第２排水弁、14…第２排水管、
15…補給気弁、16…補給気管、 17…
圧力検出器、18…バランス管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ランナ室の外側背圧室と側圧室を導通す
   るバランス管と、このバランス管と吸出し管とを第１排
   水弁を介して連通する第１排水管と、ランナ外周部とガ
   イドベーンとの間のランナ外周流路と吸出し管とを第２
   排水弁を介して連通する第２排水管を備えるとともに、
   吸出し管に高圧空気を給気するための給気弁を介装した
   給気管に、この給気管の途中から分岐し再度合流する、
   補給気弁を介装した補給気管を併設した水車、ポンプ、
   ポンプ水車などの水力機械の調相運転において、調相運
   転切替指令で、まずガイドベーンを全閉し、次に前記給
   気弁および補給気弁を開口して吸出し管に高圧空気を給
   気し、かつ給気と同時又は吸出し管内の水位が前記第２
   排水管の吸出し管への開口部よりもランナ側に向かう上
   方に位置する段階のいずれかの段階で、前記第１排水弁
   および第２排水弁の内少なくとも第２排水弁を開口制御
   する事を特徴とする水力機械の調相運転方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の水力機械の調相運転にお
   いて、給気指令では、給気弁と補給気弁の両方を開口し
   て吸出し管に高圧空気を給気し、次に外側背圧室又は側
   圧室などのランナ室の圧力が所定の設定圧力まで低下し
   た事を圧力検出器で検知して給気弁を閉止し、さらに補
   給気管で給気を継続し、吸出し管内の水位が所定の設定
   水位に達したところで補給気弁も閉止する事を特徴とす
   る水力機械の調相運転方法。