水力発電機事例

落差200mにて水力発電するペルトン水車発電機

鉱山地下の湧水を使用した落差200mを使っての水力発電を行うための水力発電装置設計製作事例が次の写真のペルトン水車発電装置となります。

この高落差に最適な水力タービンであるペルトン水車と呼ばれる型式の水力タービンは、その昔アメリカの金鉱山掘削ブームの時に鉱山から出る湧水を利用した動力機械としてペルトン氏により発明され発展されてきたものですから、この設計製作事例は日本におけるそれと同じような利用形態となったものです。

落差は200mありますが湧水の量がそれほど多くないため、この発電所の発電出力は450KWとなっています。
450KWの電気は東北電力に売電されており、鉱山内電力も賄います。

そしてこのペルトン水車発電装置が据え付けられている場所が鉱山内の坑道に据え付けられていますから、非常にまれな完全な地下発電所となっています。
つまり水力発電装置の周りは強固な岩盤となっています。
この発電所の最初の全体計画調査の時も坑道の中を登ったり降りたりしながら水圧鉄管のルートを選定し、非常に狭い坑道の中に上手く発電装置が入るような計画を行ったりとなかなかに大変な計画と工事だったと記憶しています。

フランシス水車のガイドベーン可動リンク機構部の詳細

フランシス水車において流量調整の為にある可変ガイドベーンのリンク機構部詳細図を次のように載せてみます。

可変ガイドベーンリンク機構の構造は、ガイドリングと呼ばれているドーナツ形状のリングが回転すると、それに均等放射状に配置されている第一のリンクが一斉に動く。

第一のリンクの動きに伴いそれに連結されているガイドベーンの軸に固定された第2のリンクが引っ張られたり押されたりしてガイドベーンをその軸周りに回転させることとなる。


2枚のリンクが用いられるのはそのテコによる作用でガイドベーン回転動作をやり易くするためである。
以上が流量調整用可動ガイドベーン機構の説明であるが、その欠点は部品点数が増え少々高価となるところです。

フランシス水車発電機の据え付け図を見る

小型のフランシス水車発電機の据え付け図を見て頂いて、説明したいと思います。
次が小水力用ドラム型ケーシングフランシス水車発電機の据え付け正面図となります。

この図について説明を行います。図中右側のモーターのような外形を持つ円筒形部分が発電機となります。
図中真ん中ぐらいにある円筒形状のものがドラム型ケーシングフランシス水車発電機となり、小水力用に高価な渦巻きケーシングをやめて円筒形のケーシングを採用しています。
円筒形ケーシングのフランシス水車と渦巻きケーシングのフランシス式水車は効率は数%しか変わりないので、小型水力発電用フランシス水車は円筒ケーシングを採用すべきでしょう。

次に、円筒形ケーシングフランシス水車の左側真ん中から配管がでており、左斜め下に向かって広がりを持ちながら取り付けられています。

この広がりを持つ放水管をドラフトチューブ(吸出し管)と呼んでいて、これがあるのでフランシス水車は その横軸中心線と放水路水面との落差も有効にタービン部に作用させることが可能です。

その為には効率の良い吸出し管が要りますが、適切な広がり角を持つ円錐管形であれば割と吸出し効率は高くなります。
よって水力タービン設計ではタービン本体部だけでなく、吸出し管部も慎重に設計を行わなければなりません

水力発電機据付図の事例

水力発電機を据え付ける場合に必要な据付図の事例を次に示します。次は据付平面図となります。

プロペラ水車組み立て途中1

そして次の図は、据付側面図となります。

プロペラ水車組み立て途中2

これら水力発電機据付図の特徴は、土木設備との兼ね合いがあるため、土木図面に合致するように機械関係および電気関係の図を描かなければならないところです。

土木設備の図面は機械の図面よりは精度が落ちることが予想され、現地での据付作業でも支障が出ないように気をつけて機械設置図を描かなければなりません。