特許 7431682 フランシス水車の起動方法およびフランシス水車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-06

(45)【発行日】2024-02-15

(54)【発明の名称】フランシス水車の起動方法およびフランシス水車

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/02 20060101AFI20240207BHJP

   F03B 15/04 20060101ALI20240207BHJP

【ＦＩ】

F03B3/02

F03B15/04 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020106306

(22)【出願日】2020-06-19

(65)【公開番号】P2022001742

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-02-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】中薗 昌彦

(72)【発明者】

【氏名】島 諒介

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－２２２０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－０１４２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４６－０３９０１８（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０４５００３２６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ １／００－１１／０８

Ｆ０３Ｂ １５／００－１５／２２

Ｈ０２Ｐ ９／００－ ９／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ランナに導く水の流量を調整可能なガイドベーンを備えたフランシス水車の起動方法であって、
前記ガイドベーンを第１の開度で開いて、前記ランナの回転数を上昇させる第１回転数上昇工程と、
前記第１回転数上昇工程の後、前記ガイドベーンを前記第１の開度よりも大きい第２の開度で開いて、前記ランナの回転数の上昇を加速する第２回転数上昇工程と、
前記第２回転数上昇工程の後、前記ガイドベーンを無負荷開度で開いて、前記ランナの回転数を定格回転数に調整する回転数調整工程と、を備え、
前記第１の開度は、前記無負荷開度の半分以下の開度であり、
前記第１回転数上昇工程において、前記ランナの回転数を第１の回転数に到達させ、
前記第１の回転数が前記定格回転数の３０％以上の回転数である、または、前記定格回転数における前記ランナの外周部の周速と前記第１の回転数における前記ランナの前記外周部の周速との差が５０ｍ／ｓｅｃ以下である、フランシス水車の起動方法。

【請求項2】

ランナと、
前記ランナに導く水の流量を調整可能なガイドベーンと、
前記ガイドベーンを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記ガイドベーンを第１の開度で開いて、前記ランナの回転数を上昇させる第１回転数上昇工程と、
前記第１回転数上昇工程の後、前記ガイドベーンを前記第１の開度よりも大きい第２の開度で開いて、前記ランナの回転数の上昇を加速する第２回転数上昇工程と、
前記第２回転数上昇工程の後、前記ガイドベーンを無負荷開度で開いて、前記ランナの回転数を定格回転数に調整する回転数調整工程と、を行うように、前記ガイドベーンを制御し、
前記第１の開度は、前記無負荷開度の半分以下の開度であり、
前記第１回転数上昇工程において、前記ランナの回転数を第１の回転数に到達させ、
前記第１の回転数が前記定格回転数の３０％以上の回転数である、または、前記定格回転数における前記ランナの外周部の周速と前記第１の回転数における前記ランナの前記外周部の周速との差が５０ｍ／ｓｅｃ以下である、フランシス水車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、フランシス水車の起動方法およびフランシス水車に関する。

【背景技術】

【0002】

フランシス水車の水車運転時においては、上池からの水が入口管を通ってケーシングに導かれる。ケーシングに流入した水は、ステーベーンおよびガイドベーンを通り、ガイドベーンによって流量が調整されて、ランナに導かれる。このランナへ流入する水によってランナが回転駆動され、ランナに主軸を介して連結された発電機が駆動され、発電が行われる。その後、水はランナから流出し、吸出し管を通って下池または放水路へ放出される。

【0003】

このようなフランシス水車は、通常、以下のようにして起動される。まず、入口管に設けられた入口弁を開き、ケーシング内へ水を流入させる。次に、ガイドベーンを起動開度で開き、流入する水によりランナを回転駆動して、ランナの回転数を上昇させる。続いて、ガイドベーンを無負荷開度で開き、ランナの回転数を定格回転数に調整する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平９－２２２０６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、フランシス水車の起動時において、ガイドベーンを上述した起動開度で開いた際、径方向においてガイドベーンとランナとの間に環状流路が形成される。そして、ガイドベーンを通過した水がこの環状流路を勢いよく流れ、ランナの周囲に速い速度の旋回流れが生じ得る。この旋回流れがランナのランナ羽根に衝突することで、剥離流れが生じ得る。とりわけ、落差が大きいフランシス水車の場合、旋回流れがより高速となり、より強い剥離流れが生じ得る。この際、ランナ内部の圧力が低下し、飽和水蒸気圧以下となる場合がある。この場合、水が蒸発して水中に水蒸気泡が発生し、この水蒸気泡内の水蒸気が凝縮する瞬間に衝撃的な圧力上昇が発生し得る。これにより、衝撃荷重がランナに加わり、ランナを損傷させるおそれがある。

【0006】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナの損傷を抑制することができるフランシス水車の起動方法およびフランシス水車を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施の形態によるフランシス水車の起動方法は、ランナに導く水の流量を調整可能なガイドベーンを備えたフランシス水車の起動方法である。フランシス水車の起動方法は、ガイドベーンを第１の開度で開いて、ランナの回転数を上昇させる第１回転数上昇工程と、第１回転数上昇工程の後、ガイドベーンを第１の開度よりも大きい第２の開度で開いて、ランナの回転数の上昇を加速する第２回転数上昇工程と、第２回転数上昇工程の後、ガイドベーンを無負荷開度で開いて、ランナの回転数を定格回転数に調整する回転数調整工程と、を備える。第１の開度は、無負荷開度の半分以下の開度である。

【0008】

また、実施の形態によるフランシス水車は、ランナと、ランナに導く水の流量を調整可能なガイドベーンと、ガイドベーンを制御する制御装置と、を備える。制御装置は、ガイドベーンを第１の開度で開いて、ランナの回転数を上昇させる第１回転数上昇工程と、第１回転数上昇工程の後、ガイドベーンを第１の開度よりも大きい第２の開度で開いて、ランナの回転数の上昇を加速する第２回転数上昇工程と、第２回転数上昇工程の後、ガイドベーンを無負荷開度で開いて、ランナの回転数を定格回転数に調整する回転数調整工程と、を行うように、ガイドベーンを制御する。第１の開度は、無負荷開度の半分以下の開度である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ランナの損傷を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施の形態によるフランシス水車の子午面断面図である。

【図2】図２は、図１のフランシス水車の運転時の状態を示す上面断面図である。

【図3】図３は、図１のフランシス水車の停止時の状態を示す上面断面図である。

【図4】図４は、実施の形態によるフランシス水車の起動方法におけるガイドベーンの開度およびランナの回転数を示す時間線図である。

【図5】図５は、一般的なフランシス水車の起動方法におけるガイドベーンの開度を示す時間線図である。

【図6】図６は、一般的なフランシス水車の起動方法において、ガイドベーンを起動開度で開いたときの水の流れを示す部分拡大上面断面図である。

【図7】図７は、実施の形態によるフランシス水車の起動方法において、ガイドベーンを微小開度で開いたときの水の流れを示す部分拡大上面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態によるフランシス水車の起動方法およびフランシス水車について説明する。

【0012】

まず、図１～図３を用いて、本実施の形態によるフランシス水車について説明する。なお、以下では、水車運転時の水の流れに従って説明する。

【0013】

図１～図３に示すように、フランシス水車１は、入口系統２と、ケーシング３と、複数のステーベーン４と、複数のガイドベーン５と、ランナ６と、を備えている。なお、図２および図３においては、入口系統２の図示は省略している。

【0014】

入口系統２は、不図示の上池からの水をケーシング３に導くように構成されている。入口系統２は、入口管２１と、入口管２１に設けられた入口弁２２と、入口弁２２をバイパスするバイパス管２３と、バイパス管２３に設けられたバイパス弁２４と、を有している。

【0015】

入口管２１は、不図示の上池から延びる水圧鉄管とケーシング３とに接続されており、不図示の上池からの水が流れて、当該水をケーシング３に導くことができるように構成されている。

【0016】

入口弁２２は、入口管２１に設けられており、開閉することによって、入口管２１における水の流れを許可または遮断することができるように構成されている。フランシス水車１の停止時には、入口弁２２は閉じられている。一方、フランシス水車１の運転時には、入口弁２２は開かれている。入口弁２２の開閉は、後述する制御装置Ｃにより制御されてもよい。

【0017】

バイパス管２３は、入口管２１のうち入口弁２２の上流側の部分と入口管２１のうち入口弁２２の下流側の部分とに接続されており、入口弁２２をバイパスして水をケーシング３に導くことができるように構成されている。

【0018】

バイパス弁２４は、バイパス管２３に設けられており、開閉することによって、バイパス管２３における水の流れを許可または遮断することができるように構成されている。フランシス水車１の停止時には、バイパス弁２４は閉じられている。一方、フランシス水車１の運転時には、バイパス弁２４は開かれている。バイパス弁２４の開閉は、後述する制御装置Ｃにより制御されてもよい。

【0019】

ケーシング３は、渦巻き状に形成されており、入口系統２からの水が流入して、当該水が内部を流れるように構成されている。

【0020】

ステーベーン４は、ケーシング３よりも内側に設けられている。ステーベーン４は、ケーシング３に流入した水をガイドベーン５およびランナ６に導くように構成されている。図２および図３に示すように、ステーベーン４は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ステーベーン４の間には、水が流れる流路が形成されている。

【0021】

ガイドベーン５は、ステーベーン４よりも内側に設けられている。ガイドベーン５は、流入した水をランナ６に導くように構成されている。図２に示すように、ガイドベーン５は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ガイドベーン５の間には、水が流れる流路が形成されている。各ガイドベーン５は回動可能に構成されており、各ガイドベーン５が回動して開度Ｇを変えることにより、ランナ６に導く水の流量を調整可能になっている。図３に示すように、フランシス水車１の停止時には、ガイドベーン５は閉じられている。ガイドベーン５の開度Ｇは、後述する制御装置Ｃにより制御されてもよい。

【0022】

ランナ６は、ガイドベーン５よりも内側に設けられている。ランナ６は、ケーシング３に対して回転軸線Ｘを中心に回転可能に構成され、ガイドベーン５から流入する水によって回転駆動される。ランナ６は、主軸７に連結されたクラウン８と、クラウン８の外周側に設けられたバンド９と、クラウン８とバンド９との間に設けられた複数のランナ羽根１０と、を有している。図２および図３に示すように、ランナ羽根１０は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。各ランナ羽根１０は、クラウン８とバンド９とにそれぞれ接合されている。各ランナ羽根１０の間には、水が流れる流路（翼間流路）が形成されている。各流路をガイドベーン５からの水が流れ、各ランナ羽根１０が当該水から圧力を受けてランナ６が回転駆動される。これにより、ランナ６に流入する水のエネルギーが回転エネルギーへと変換される。

【0023】

ランナ６には、主軸７を介して発電機１１が連結されている。発電機１１は、水車運転時には、ランナ６の回転エネルギーが伝達されて発電を行うように構成されている。

【0024】

ランナ６の下流側には、吸出し管１２が設けられている。吸出し管１２は、不図示の下池または放水路に連結されており、ランナ６を回転駆動させた水が、圧力を回復して、下池または放水路に放出されるようになっている。

【0025】

なお、発電機１１は、電動機としての機能をも有し、電力が供給されることによりランナ６を回転駆動するように構成されていてもよい。この場合、吸出し管１２を介して下池の水を吸い上げて上池に放出させることができ、フランシス水車１を、ポンプ水車としてポンプ運転（揚水運転）することが可能になる。この際、ガイドベーン５の開度Ｇは、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。

【0026】

また、本実施の形態によるフランシス水車１は、制御装置Ｃを備えている。

【0027】

制御装置Ｃは、ガイドベーン５を制御可能に構成されている。制御装置Ｃは、フランシス水車１の起動時に、後述する第１回転数上昇工程と、後述する第２回転数上昇工程と、後述する回転数調整工程と、を行うように、ガイドベーン５を制御する。より具体的には、制御装置Ｃは、まず、第１回転数上昇工程において、ガイドベーン５を第１の開度Ｇ１で開いて、ランナ６の回転数Ｎを上昇させるように、ガイドベーン５を制御する。次に、制御装置Ｃは、第２回転数上昇工程において、ガイドベーン５を第２の開度Ｇ２で開いて、ランナ６の回転数Ｎの上昇を加速するように、ガイドベーン５を制御する。その後、制御装置Ｃは、回転数調整工程において、ガイドベーン５を無負荷開度Ｇ３で開いて、ランナ６の回転数Ｎを定格回転数Ｎ０に調整するように、ガイドベーン５を制御する。

【0028】

また、制御装置Ｃは、入口弁２２およびバイパス弁２４を制御可能に構成されていてもよい。この場合、制御装置Ｃは、後述する流入開始工程のバイパス弁開工程において、バイパス弁２４を開くように、バイパス弁２４を制御する。また、制御装置Ｃは、後述する流入開始工程の入口弁開工程において、入口弁２２を開くように、入口弁２２を制御する。

【0029】

次に、図４を用いて、本実施の形態によるフランシス水車の起動方法について説明する。

【0030】

本実施の形態によるフランシス水車１の起動方法は、ケーシング３内への水の流入を開始する流入開始工程と、ランナ６の回転数Ｎを第１の回転数Ｎ１に到達させる第１回転数上昇工程と、ランナ６の回転数Ｎを第２の回転数Ｎ２に到達させる第２回転数上昇工程と、ランナ６の回転数Ｎを定格回転数Ｎ０（到達目標回転数）に調整する回転数調整工程と、を備えている。

【0031】

フランシス水車１の停止時には、入口弁２２、バイパス弁２４、およびガイドベーン５は閉じられている（図３参照）。この状態で、まず、流入開始工程が行われる。この流入開始工程においては、ケーシング３内への水の流入が開始される。流入開始工程は、バイパス弁２４を開くバイパス弁開工程と、入口弁２２を開く入口弁開工程と、を含んでいる。

【0032】

流入開始工程においては、まず、バイパス弁開工程が行われる。この工程においては、入口弁２２およびガイドベーン５が閉じた状態で、バイパス弁２４が開かれる。これにより、上池からの水が入口管２１からバイパス管２３に流れ、バイパス弁２４を通って、ケーシング３内に導かれる。これにより、ケーシング３内の水の圧力を上昇させ、入口弁２２の上流側とケーシング３内との間の圧力差を減少させることができる。このため、入口弁２２の開閉を容易に行うことができる。

【0033】

次に、入口弁開工程が行われる。この工程においては、バイパス弁２４が開き、かつガイドベーン５が閉じた状態で、入口弁２２が開かれる。これにより、上池から多くの水が入口弁２２を通ってケーシング３内に導かれる。こうして、ケーシング３内への水の流入が開始される。

【0034】

流入開始工程の後に、第１回転数上昇工程が行われる。この第１回転数上昇工程においては、ガイドベーン５を第１の開度Ｇ１（微小開度Ｇ１）で開いて、ランナ６の回転数Ｎを上昇させる。ここで、微小開度Ｇ１は、後述する無負荷開度Ｇ３の半分以下（５０％以下）の開度である。第１回転数上昇工程は、ガイドベーン５の開度Ｇを微小開度Ｇ１まで上昇させる第１開度上昇工程と、ガイドベーン５の開度Ｇを微小開度Ｇ１で維持する微小開度維持工程と、を含んでいる。

【0035】

図４には、ガイドベーン５の開度Ｇおよびランナ６の回転数Ｎを示す時間線図の一例が示されている。図４の（ａ）のグラフにおいては、横軸は時刻Ｔを示し、縦軸はガイドベーン５の開度Ｇを示している。図４の（ｂ）のグラフにおいては、横軸は時刻Ｔを示し、縦軸はランナ６の回転数Ｎを示している。

【0036】

第１回転数上昇工程においては、まず、図４に示すように、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に第１開度上昇工程が行われる。この工程においては、ガイドベーン５を開くように回動させて、ガイドベーン５の開度Ｇを０％（閉じた状態）から微小開度Ｇ１まで上昇させる。これにより、各ガイドベーン５の間に微小な流路が形成され、ケーシング３内に流入した水が、ガイドベーン５の間の各流路を流れて、ランナ６に流入し始める。

【0037】

次に、図４に示すように、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間に微小開度維持工程が行われる。この工程においては、ガイドベーン５の開度Ｇを微小開度Ｇ１で維持する。この間、ケーシング３内に流入した水は、各ガイドベーン５の間の微小な流路を流れて、ランナ６に流入し続ける（図７参照）。ランナ６に流入した水は、各ランナ羽根１０の間の流路を流れる。この流路を流れる水からランナ羽根１０が圧力を受けて、ランナ６が回転駆動され、ランナ６の回転数Ｎが上昇する。これにより、図４に示すように、ランナ６の回転数Ｎを、時刻Ｔ３で第１の回転数Ｎ１まで上昇させることができる。

【0038】

ここで、第１の回転数Ｎ１は、ランナ６の定格回転数Ｎ０よりも小さい回転数であり、例えばランナ６の定格回転数Ｎ０の３０％以上の回転数であってもよい。また、後述する定格回転数Ｎ０におけるランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖ０と第１の回転数Ｎ１におけるランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖ１との差は、５０ｍ／ｓｅｃ以下であってもよい。

【0039】

第１回転数上昇工程の後に、第２回転数上昇工程が行われる。この第２回転数上昇工程においては、ガイドベーン５を微小開度Ｇ１よりも大きい第２の開度Ｇ２（起動開度Ｇ２）で開いて、ランナ６の回転数Ｎの上昇を加速する。第２回転数上昇工程は、ガイドベーン５の開度Ｇを起動開度Ｇ２まで上昇させる第２開度上昇工程と、ガイドベーン５の開度Ｇを起動開度Ｇ２で維持する起動開度維持工程と、を含んでいる。

【0040】

第２回転数上昇工程においては、まず、図４に示すように、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの間に第２開度上昇工程が行われる。この工程においては、ガイドベーン５を開くように回動させて、ガイドベーン５の開度Ｇを微小開度Ｇ１から起動開度Ｇ２まで上昇させる。これにより、各ガイドベーン５の間の流路の幅が広がり、より多くの水が、ランナ６に流入し始める。

【0041】

次に、図４に示すように、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの間に起動開度維持工程が行われる。この工程においては、ガイドベーン５の開度Ｇを起動開度Ｇ２で維持する。この間、ケーシング３内に流入した水は、各ガイドベーン５の間の流路を流れて、ランナ６に流入し続ける。ランナ６に流入した水は、各ランナ羽根１０の間の流路を流れる。この流路を流れる水からランナ羽根１０が圧力を受けて、ランナ６が回転駆動され、ランナ６の回転数Ｎの上昇が加速される。これにより、図４に示すように、ランナ６の回転数Ｎを、時刻Ｔ５で第２の回転数Ｎ２まで上昇させることができる。

【0042】

このように、ガイドベーン５の開度Ｇを微小開度Ｇ１から起動開度Ｇ２に上昇させて、ランナ６に導く水の流量を増大させることで、ランナ６の回転数Ｎを速やかに上昇させることができる。これにより、フランシス水車１の起動時間の増大を抑制することができる。

【0043】

ここで、起動開度Ｇ２は、上述したように、微小開度Ｇ１よりも大きい開度であるが、例えばガイドベーン５の最大開度の１０％以上２０％以下の開度であってもよい。また、第２の回転数Ｎ２は、第１の回転数Ｎ１よりも大きく、ランナ６の定格回転数Ｎ０よりも小さい回転数であり、例えばランナ６の定格回転数Ｎ０の８０％以上９５％以下の回転数であってもよい。

【0044】

第２回転数上昇工程の後に、回転数調整工程が行われる。この回転数調整工程においては、ガイドベーン５を無負荷開度Ｇ３で開いて、ランナ６の回転数Ｎを定格回転数Ｎ０に調整する。回転数調整工程は、ガイドベーン５の開度Ｇを無負荷開度Ｇ３まで下降させる開度下降工程と、ガイドベーン５の開度Ｇを無負荷開度Ｇ３で維持する無負荷開度維持工程と、を含んでいる。

【0045】

回転数調整工程においては、まず、図４に示すように、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間に開度下降工程が行われる。この工程においては、ガイドベーン５を閉じるように回動させて、ガイドベーン５の開度Ｇを起動開度Ｇ２から無負荷開度Ｇ３まで下降させる。

【0046】

次に、図４に示すように、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７までの間に無負荷開度維持工程が行われる。この工程においては、ガイドベーン５の開度Ｇを無負荷開度Ｇ３で維持する。この間、ランナ６に流入する水によってランナ６が回転駆動され、ランナ６の回転数Ｎが更に上昇する。これにより、図４に示すように、ランナ６の回転数Ｎを、時刻Ｔ７で定格回転数Ｎ０に到達させることができる。

【0047】

このように、ランナ６の回転数Ｎが定格回転数Ｎ０に到達する前に、ガイドベーン５の開度Ｇを起動開度Ｇ２から無負荷開度Ｇ３に低下させて、ランナ６に導く水の流量を減少させることで、ランナ６の回転数Ｎの上昇を緩やかにしている。これにより、ランナ６の回転数Ｎが定格回転数Ｎ０を超えないようにしつつ、ランナ６の回転数Ｎを徐々に上昇させて定格回転数Ｎ０に到達させることができる。

【0048】

ここで、無負荷開度Ｇ３は、上述したように、起動開度Ｇ２よりも小さい開度であるが、例えばガイドベーン５の最大開度の５％以上１５％以下の開度であってもよい。

【0049】

なお、上述した流入開始工程、第１回転数上昇工程、第２回転数上昇工程、および回転数調整工程において、入口弁２２の開閉、バイパス弁２４の開閉、およびガイドベーン５の開度Ｇの調整は、制御装置Ｃにより行われてもよい。しかしながら、制御装置Ｃによらず、作業員により手動で操作されてもよい。

【0050】

このようにして、ランナ６の回転数Ｎが定格回転数Ｎ０に調整され、本実施の形態によるフランシス水車１が起動される。その後、フランシス水車１は通常運転（負荷運転）が行われ、ランナ６の回転エネルギーが発電機１１に伝達されて、発電機１１による発電が行われる。

【0051】

次に、図５～図７を用いて、本実施の形態によるフランシス水車１の起動方法の作用効果について説明する。

【0052】

まず、一般的なフランシス水車１の起動方法について説明する。一般に、フランシス水車１の起動時には、入口弁２２を開いて、ケーシング３内への水の流入を開始した後、図５に示すように、ガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開いて、ランナ６の回転数Ｎを上昇させる。その後、ランナ６の回転数Ｎが所定の回転数に到達したら、ガイドベーン５を無負荷開度Ｇ３にして、ランナ６の回転数Ｎを定格回転数Ｎ０に調整する。

【0053】

この場合、ガイドベーン５を上述した起動開度Ｇ２で開いた際、図６に示すように、径方向においてガイドベーン５とランナ６との間に環状流路３０が形成される。そして、各ガイドベーン５の間の流路を流れた水が、この環状流路３０を勢いよく流れ、ランナ６の周囲に速い速度の旋回流れ３１が生じ得る。この旋回流れ３１がランナ羽根１０に衝突することで、剥離流れ３２が生じ得る。この際、ランナ６の内部の圧力が低下し、飽和水蒸気圧以下となる場合がある。この場合、水が蒸発して水中に水蒸気泡が発生し、この水蒸気泡内の水蒸気が凝縮する瞬間に衝撃的な圧力上昇が発生し得る。これにより、衝撃荷重がランナ６に加わり、ランナ６を損傷させるおそれがある。

【0054】

これに対して本実施の形態では、上述したように、ガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開く前に、ガイドベーン５を微小開度Ｇ１で開いて、ランナ６の回転数Ｎを第１の回転数Ｎ１に到達させている（図４参照）。図７に示すように、ガイドベーン５を微小開度Ｇ１で開いた場合、各ガイドベーン５の間に微小な流路が形成され、ケーシング３内に流入した水は、これらの微小な流路を流れて、ランナ６に流入する。微小な流路では、圧力損失が大きくなり、旋回流れ３１の運動エネルギーに変換される圧力のエネルギーが小さくなる。このため、ガイドベーン５を微小開度Ｇ１で開いている間、環状流路３０を流れる旋回流れ３１の速度を抑制することができ、剥離流れ３２の発生を抑制することができる。

【0055】

一方、ガイドベーン５を微小開度Ｇ１で開いている間にも、ランナ６の回転数Ｎを上昇させることができる。本実施の形態では、ランナ６の回転数Ｎを第１の回転数Ｎ１に到達させた後、ガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開いている。ガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開いた際、図６の場合と同様に、ランナ６の周囲に速い速度の旋回流れ３１が生じ得る。このとき、本実施の形態では、ランナ６の回転数Ｎは第１の回転数Ｎ１に到達していることから、ランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖはそれに対応する周速Ｖ１に到達している。このことにより、ガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開いたときの旋回流れ３１の速度とランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖとの速度差を小さくすることができる。このため、旋回流れ３１がランナ羽根１０に衝突する勢いを緩和することができ、剥離流れ３２の発生を抑制することができる。

【0056】

このように本実施の形態によれば、フランシス水車１の起動時の第１回転数上昇工程において、ガイドベーン５を無負荷開度Ｇ３の半分以下の微小開度Ｇ１で開いて、ランナ６の回転数Ｎを上昇させている。このことにより、第１回転数上昇工程において、旋回流れ３１の速度を抑制しつつ、ランナ６の回転数Ｎを上昇させることができる。これにより、第２回転数上昇工程において、ガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開いたときの旋回流れ３１の速度とランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖとの速度差を小さくすることができる。このため、旋回流れ３１がランナ羽根１０に衝突する勢いを緩和することができ、剥離流れ３２の発生を抑制することができる。この結果、剥離流れ３２に伴う衝撃荷重がランナ６に加わることを抑制することができ、ランナの損傷を抑制することができる。

【0057】

また、本実施の形態によれば、第１の回転数Ｎ１は、定格回転数Ｎ０の３０％以上の回転数である。第１の回転数Ｎ１を定格回転数Ｎ０の３０％以上の回転数にすることにより、第２回転数上昇工程において、ガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開いたときの旋回流れ３１の速度とランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖとの速度差をより小さくすることができる。このため、旋回流れ３１がランナ羽根１０に衝突する勢いをより効果的に緩和することができ、剥離流れ３２の発生をより一層抑制することができる。

【0058】

また、本実施の形態によれば、定格回転数Ｎ０におけるランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖ０と第１の回転数Ｎ１におけるランナ羽根１０の外周縁１３の周速Ｖ１との差が５０ｍ／ｓｅｃ以下である。ランナ羽根１０の外周縁１３がこのような比較的速い周速Ｖ１を有しているときにガイドベーン５を起動開度Ｇ２で開くことにより、旋回流れ３１がランナ羽根１０に衝突する勢いをより効果的に緩和することができ、剥離流れ３２の発生をより一層抑制することができる。

【0059】

以上述べた実施の形態によれば、ランナの損傷を抑制することができる。

【0060】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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は意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0061】

なお、上述した実施の形態では、フランシス水車がポンプ運転を行うことができるポンプ水車である例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、フランシス水車は、ポンプ運転を行わないように構成されていてもよい。

【符号の説明】

【0062】

１：フランシス水車、５：ガイドベーン、６：ランナ、１３：外周縁、Ｃ：制御装置、Ｇ１：微小開度、Ｇ２：起動開度、Ｇ３：無負荷開度、Ｎ：回転数、Ｎ０：定格回転数、Ｎ１：第１の回転数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】