JP2007303387A - 水力機械の調速機 - Google Patents

Abstract

【課題】確実にサーボモータを緩閉鎖することのできる水力機械の調速機を提供することである。
【解決手段】水力機械が所定の出力となるように電気的なガイドベーン開度指令を出力するレギュレータと、レギュレータからの電気的なガイドベーン開度指令を油圧信号に変換し主配圧弁に入力するコンバータと、主配圧弁から供給される油量により駆動され油圧によりガイドベーンを開閉操作するサーボモータと、主配圧弁とサーボモータとの間に設けられガイドベーン開度が所定開度となると油量を絞りガイドベーンの閉鎖速度を遅くする緩閉鎖弁と、レギュレータからの電気的な指令により緩閉鎖弁を油圧により駆動制御する緩閉鎖制御弁とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力機械が所定の出力となるようにガイドベーン開度を調整する水力機械の調速機に関する。

一般に、水車またはポンプ水車等の水力機械のガイドベーンは、水力機械の回転速度を一定に保ったり、あるいは出力を調整するための調速機により開閉制御される。図７は従来の水力機械の調速機の構成図である。

水力機械の回転速度Ｎ及びガイドベーン開度Ｇはレギュレータ１１に入力され、レギュレータ１１は、水力機械が所定の回転数を保ちつつ所定出力となるように電気的なガイドベーン開度指令を出力する。レギュレータ１１からの電気的なガイドベーン開度指令はアクチュエータ１２のコンバータ１３に入力され、コンバータで油圧信号に変換され主配圧弁１４に出力される。主配圧弁１４は油圧タンク１５からの油量を調整し、サーボモータ１６の開側ポート１７ａあるいは閉側ポート１７ｂに供給しガイドベーン１９の開度Ｇをコントロールする。サーボモータ１６の開側ポート１７ａと主配圧弁１４との間には緩閉鎖弁１８が設けられている。緩閉鎖弁１８には通常時において開位置に保持するためのスプリング３０が設けられている。

サーボモータ１６は、主配圧弁１４の動きに応じて開閉動作し、それに連動してガイドベーン１９も開操作あるいは閉操作される。このサーボモータ１６の動作量は、アクチュエータ１２及びレギュレータ１１ヘフィードバックされる。フィードバックする方法として、例えば、サーボモータ１６に取付けたレターンポスト２０とレターンシャフト２１に取付けた扇形アーム２２との間を所要数の滑車２３を介してワイヤロープ２４で接統することで行われる。

レターンシャフト２１には別の扇形アーム２５が取付けられ、この扇形アーム２５にはワイヤロープ２４に常に張力を与えるようにワイヤ２６を介してウェイト２７が取付けられる。また、レターンシャフト２１の他端側には、カム２８が取付けられている。このカム２８はガイドベーン閉操作時にサーボモータ１６に連動して回動し、サーボモータ１６の開度が緩閉鎖の動作開度になると、カム２８により緩閉鎖配圧器２９が切り換わり、サーボモータ１６の開側ポート１７ａからの排油は、サーボモータ１６と主配圧弁１４との間に位置する緩閉鎖弁１８により絞られる。このため、サーボモータ１６への流量が小となってサーボモータ１６の閉鎖速度が遅くなりガイドベーンの閉鎖速度は遅くなる。

一般に、ガイドベーン閉鎖時間をＴｃ、ガイドベーン開閉操作時に圧力波が水圧鉄管を往復する時間をＴｒ、管路長をＬ、ガイドベーン閉鎖前の管路流速をＶ、重力加速度をｇ、係数をＫとすると、Ｔｃ＞Ｔｒの場合の水圧変動△Ｈは（１）式で示される。

△Ｈ＝（Ｌ・Ｖ／ｇ・Ｔｃ）・Ｋ …（１）
この（１）式からも明らかなように、ガイドベーンの閉鎖時間Ｔｃが大きい程、水圧変動△Ｈが小さくなる。つまり、ガイドベーンを緩閉鎖するほど鉄管の水圧上昇は小さくなる。従って、ガイドベーン１９を緩閉鎖させることにより、ガイドベーン閉鎖時間Ｔｃが大きな値となって水圧変動△Ｈが小さな値に抑えられるので、緩閉鎖機構が有効であることが分かる。

水力機械のガイドベーンを開閉駆動するサーボモータと、このサーボモータへの圧油の給排を制御する主配圧弁との間に緩閉鎖弁を設け、この緩閉鎖弁の流路の絞りを制御する圧油を供給する電磁弁を設け、緩閉鎖弁の流路は電磁弁が無励磁のときに絞られた状態とし、電磁弁の断線等の故障や停電の場合にもガイドベーンを緩やかに閉鎖できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１−１３８３７５号公報

ところが、可逆ポンプ水車のように発電と揚水との両方向運転を行ない、どちらかというと振動の生じ易い水力機械あるいは落下変動の大きな水力機械においては、原動機である水力機械に振動が起こると、振動は上カバーやガイドベーン開閉機構部品等を介してサーボモータ１６へ伝達され、さらにレターンポスト２０を介してワイヤロープ２４に伝達される。

そうすると、図８に示すように隣接する滑車２３間でワイヤロープ２４が共振し、滑車２３との摺り合わせを継続すると、ワイヤロープ２４の素線が摩滅、切断してついにはワイヤロ一プ２４が切断されることがある。ワイヤロープ２４が切断されると、レターンシャフト２１はウェイト２７の自重によるモーメントで回動し、カム２８が全開位置となって緩閉鎖配圧器２９も全開位置に保持される。このため、緩閉鎖弁１８はスプリング３０により開位置に保持され、サーボモータ１６から主配圧弁１４への油の流れは、この緩閉鎖弁１８で絞られない状態となる。

一方、レターンシャフト２１の動きは、レギュレータ１１側へ同時にフィードバックされ、ガイドベーン１９は全開状態にあるとの信号が入力されるため、ワイヤロープ２４の切断前のガイドベーン開度に戻すべくカイドベーン閉指令が出される。ところが、ワイヤロープ２４が切断されているため、サーボモータ１６の動作量のフィードバックはアクチュエータ１２側やレギュレータ１１側へは伝達されず、従ってさらに閉指令が出され続ける。このため、緩閉鎖動作は行われず急な閉鎖速度でガイドベーン１９が閉鎖されることになる。

図９は、サーボモータ１６のストロークとガイドベーン閉鎖時間との関連を示すグラフである。正常においてはサーボモータストロークがａになると、緩閉鎖配圧器２９が切り換わり、サーボモータ１６の開側ポート１７ａからの排油は緩閉鎖弁１８により絞られる。これにより、緩閉鎖動作が行われガイドベーン閉鎖時間Ｔｃでガイドベーンは緩閉鎖する。なお、サーボモータストロークがｂになると、図７では図示省略のサーボモータ緩衝弁を使用してさらに緩閉鎖動作を行うことも可能である。

一方、サーボストロークがｃの時点でワイヤロープ２４が切断されると、本来であれば閉鎖時間Ｔｃ’で閉鎖するところ、緩閉鎖弁１８が動作しないので閉鎖時間Ｔｃ”で急に閉鎖することになる。このため、鉄管水圧は異常上昇を起こし、鉄管やケーシング破損という危険な状態につながるおそれがある。

従来の水車調速機においてこのような不具合が生じるのは、緩閉鎖配圧器２９を操作するカム機構１４をレターンシャフト２１に設け、サーボモータ１６の動作を間接的にカム機構１４に伝達して駆動しているからである。

本発明の目的は、確実にサーボモータを緩閉鎖することのできる水力機械の調速機を提供することである。

本発明の水力機械の調速機は、水力機械が所定の出力となるように電気的なガイドベーン開度指令を出力するレギュレータと、前記レギュレータからの電気的なガイドベーン開度指令を油圧信号に変換し主配圧弁に入力するコンバータと、前記主配圧弁から供給される油量により駆動され油圧によりガイドベーンを開閉操作するサーボモータと、前記主配圧弁と前記サーボモータとの間に設けられガイドベーン開度が所定開度となると油量を絞り前記ガイドベーンの閉鎖速度を遅くする緩閉鎖弁と、前記レギュレータからの電気的な指令により前記緩閉鎖弁を油圧により駆動制御する緩閉鎖制御弁とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、緩閉鎖制御弁にサーボ弁を使用し電気的に制御することにより、従来のレターンワイヤーや滑車といった復原機構が不要になりワイヤー切断による緩閉鎖分不動作による鉄管水圧の異常上昇を防止できる。さらに緩閉鎖制御弁で複数の閉鎖モードを制御できるためシステムが簡素化される。またバックアップ電磁弁を設置することにより緩閉鎖制御弁のスティックという制御不能な事態に陥っても電磁弁制御により確実に緩閉鎖を効かせることができるため、いかなる場合でも鉄管水圧の異常上昇を防止し水力機械を安全に停止できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる水力機械の調速機の構成図である。図７に示した従来例に対し、レターンポスト２０、レターンシャフト２１、扇形アーム２２、滑車２３、ワイヤロープ２４、扇形アーム２５、ワイヤ２６、ウェイト２７、カム２８、緩閉鎖配圧器２９に代えて、アクチュエータ１２の起動停止を行う起動停止弁３１、レギュレータ１１からの電気的な指令により緩閉鎖弁１８を油圧により駆動制御する緩閉鎖制御弁３２、緩閉鎖制御弁３２が故障したとき緩閉鎖弁１８の緩閉鎖をバックアップするバックアップ電磁弁３３、主配圧弁１４のストロークを検出する主配圧弁作動トランス３４、緩閉鎖弁差動トランス３５、復原用差動トランス３６が設けられている。図７と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

サーボモータ１６が、ある一定開度で運転している状態で急閉鎖指令が出た際には、レギュレータ１１からの信号に対してコンバータ１３が動作し、主配圧弁１４を介して圧油がサーボモータ１６の閉側ポート１７ｂに給油され開側ポート１７ａから排油される。これにより規定の速度で閉鎖するが、ある一定のサーボモータ開度で速度を遅くし、緩閉鎖を効かせる必要がある。そこで、サーボモータ１６に緩閉鎖を効かせるストロークを復原用差動トランス３６で検出し、レギュレータ１１にフィードバックして緩閉鎖制御弁３２に電気信号を与える。

この電気信号により、緩閉鎖制御弁３２は閉方向に動作し、緩閉鎖弁１８を規定のストロークまで動作させる。緩閉鎖弁１８のストロークは緩閉鎖弁差動トランス３５で検出する。緩閉鎖弁１８が動作することにより開側ポート１７ａの排油量が絞られるので、サーボモータ１６の閉鎖速度が遅くなり、鉄管水圧の異常上昇を防止し水車を安全に停止させることになる。

図２は本発明の実施の形態における緩閉鎖弁の緩閉鎖状態を示す断面図である。緩閉鎖を効かせるサーボモータストロークを復原用差動トランス３６で検出し、レギュレータ１１にフィードバックしてレギュレータ１１から緩閉鎖制御弁３２に電気信号を与える。この電気信号により緩閉鎖制御弁３２は閉方向に動作する。これにより、圧油は緩閉鎖制御弁３２を介し緩閉鎖弁ピストン３７の閉側ポート３７ａに給油され開側ポート３７ｂより排油され緩閉鎖弁ピストン３７は閉側に動作する。

この動作ストロークは緩閉鎖弁差動トランス３５で検出されレギュレータ１１にフィードバックされる。レギュレータ１１からの信号により緩閉鎖制御弁３２は中立位置に復帰しオールポートブロックとなり、緩閉鎖弁ピストン３７への給排油はストップする。従って、緩閉鎖弁ピストン３７は規定の位置でストップしその位置を保持する。緩閉鎖弁バルブ３８も緩閉鎖弁ピストン３７と同じ量だけストロークする。緩閉鎖弁バルブ３８と緩閉鎖弁シート３９のポートのラップが切れている部分の寸法Ｘによりサーボモータ１６の排油量が絞られサーボモータ１６の閉鎖スピードが遅くなり緩閉鎖する。

ここで、ストップアーム４０とストップナット４１とが設けられ、緩閉鎖弁ピストン３７は、このストップアーム４０とストップナット４１とで定まるギャップ分の範囲内でストロークする。

以上のように、緩閉鎖制御弁３２としてサーボ弁を使用し電気的に制御することにより、機械的復原機構のワイヤー切れ等による緩閉鎖分不動作を防止できる。これにより、確実に緩閉鎖弁１８が動作するため、急閉鎖時の鉄管水圧の異常上昇を防止し安全に水力機械を停止できる。

図３はレギュレータに予め記憶しておく複数の閉鎖モードのグラフであり、図３（ａ）は水力機械が発電運転時の閉鎖モードのグラフ、図３（ｂ）は水力機械が揚水運転時の閉鎖モードのグラフである。

図３（ａ）に示すように発電運転の場合には第二段が緩閉鎖弁１８を使用しての制御となり、また、図３（ｂ）に示すように揚水運転の場合には第一段及び第二段が緩閉鎖弁１８を使用しての制御となる。

これらの各閉鎖モードにより緩閉鎖弁ピストン３７のストロークを変化させ、緩閉鎖弁バルブ３８と緩閉鎖弁シート３９とのラップが切れている部分の寸法Ｘを変える。これにより、サーボモータ１６の排油量が絞られ閉鎖スピードが変化する。

レギュレータ１１からの信号により緩閉鎖制御弁３２を介して緩閉鎖弁ピストン３７が動作し、このストロークを緩閉鎖弁差動トランス３５で検出する。そして、各閉鎖モードにおける緩閉鎖弁ピストン３７の設定ストロークを各々レギュレータ１１にインプットしておき、緩閉鎖弁差動トランス３５でストロークを検出しレギュレータ１１にフィードバックする。そして、緩閉鎖制御弁３２を中立位置に復帰させることにより、各閉鎖モードにおける緩閉鎖弁バルブ３８と緩閉鎖弁シート３９との寸法Ｘを制御することが可能となる。

以上のように、緩閉鎖制御弁３２により電気的に制御することにより、このような複数の閉鎖モードを１台の緩閉鎖制御弁３２で制御することが可能であるため、揚水発電所の閉鎖モードのように複数の閉鎖モードを必要とする緩閉鎖弁制御においては、特にコスト的及び構造的に有利である。

通常の発電運転時の閉鎖モードは図３（ａ）に示す閉鎖モードであり、第一段の閉鎖後に規定のサーボストロークでサーボモータ１６の排油量を絞り第二段の閉鎖速度を遅くし水圧変動△Ｈ及び回転上昇△Ｎとも保証値に納める制御を行う。しかし、過渡現象解析により第一段の閉鎖直後に第二段の閉鎖速度で閉鎖するよりも第一段閉鎖後にサーボモータ１６を一定開度で数秒間停止させる方が水圧上昇に対して有効なケースがあることがわかった。そこで、緩閉鎖制御弁３２の閉鎖過程においてサーボモータ１６を一時停止する閉鎖モードを採用する。

図４は本発明の実施の形態における緩閉鎖弁の閉鎖過程においてサーボモータを一時停止する閉鎖モードのグラフ、図５は本発明の実施の形態における緩閉鎖弁の第一段閉鎖後の一時停止状態を示す断面図である。

緩閉鎖を効かせるサーボモータストロークを復原用差動トランス３６により検出し、レギュレータ１１にフィードバックして緩閉鎖制御弁３２に電気信号を与える。この電気信号により、緩閉鎖制御弁３２は閉方向に動作する。これにより、圧油は緩閉鎖制御弁３２を介して緩閉鎖弁ピストン３７の閉側ポート３７ａに給油され、開側ポート３７ｂより排油されて緩閉鎖弁ピストン３７は閉側に動作する。

緩閉鎖弁バルブ３８が緩閉鎖弁シート３９のポートをすべて閉止するストロークを緩閉鎖弁差動トランス３５で検出し、レギュレータ１１にフィードバックする。レギュレータ１１からの信号により緩閉鎖制御弁３２は中立位置に復帰しフルポートブロックとなる。このため、緩閉鎖弁バルブ３８と緩閉鎖弁シート３９とはフルポートブロックになるので、サーボモータ１６の開側ポート１７ａと閉側ポート１７ｂとの圧油は封じ込められる。従って、圧油はどちらにも流れない状態になりサーボモータ１６は現状のストロークの位置でストップする。

そして、タイマーにより一定の時間を検出すると、レギュレータ１１から緩閉鎖制御弁３２に開信号が入り開動作する。これにより、緩閉鎖弁ピストン３７の開側ポート３７ｂに給油され、閉側ポート３７ａから排油されることにより緩閉鎖弁１８は開動作する。つまり、図２に示す緩閉鎖状態となり、第二段の閉鎖速度となるべくインプットされた緩閉鎖弁バルブ３８のストロークを緩閉鎖弁差動トランス３５で検出し、前述の場合と同様の動作により、緩閉鎖弁バルブ３８は検出された位置まで動作し緩閉鎖弁シート３９とで形成されたＸ寸法による絞りにより、サーボモータ１６の開側ポート５ｂの排油が絞られ規定の第二段の閉鎖速度で閉動作する。このように、緩閉鎖弁１８を電気的に制御することにより、サーボモータ１６を中間開度において数秒間一時停止させることが可能となる。

図６は本発明の実施の形態における緩閉鎖制御弁が故障しバックアップ電磁弁で制御した場合の緩閉鎖弁の動作状態を示す断面図である。万一、緩閉鎖制御弁３２にスティックや機械的かじり等という制御不能の事態が発生した場合には、バックアップ電磁弁３３を動作させ鉄管水圧を異常上昇させずに安全に水力機械を緩閉鎖して停止させる。

図１に示すように、緩閉鎖制御弁３２とバックアップ電磁弁３３とが油圧により接続されている。通常運転時は緩閉鎖制御弁３２で制御し、バックアップ電磁弁３３は配管の一部として使用される。緩閉鎖弁ピストン３７の閉側ポート３７ａには常時油圧が掛かり開側ポート３７ｂには緩閉鎖制御弁３２及びバックアップ電磁弁３３を介して圧油が供給されている。

もし、緩閉鎖制御弁３２にスティックやかじり等が発生し制御不能となり緩閉鎖制御が必要となった際には、緩閉鎖弁１８が動作しないため偏差大が発生する。これにより、レギュレータ１１はバックアップ電磁弁３３による制御に切り換える。通常の運転中は、バックアップ電磁弁３３は開状態になっているがこれを閉動作させる。

これにより、緩閉鎖弁ピストン３７の開側ポート３７ｂの圧油はバックアップ電磁弁３３を介して排油されるため、緩閉鎖弁ピストン３７は閉方向に動作する。緩閉鎖制御弁３２で制御する場合は、緩閉鎖弁ピストン３７の動きを緩閉鎖弁差動トランス３５で検出していたが、バックアップ制御時は電気的にストロークは検出せず、ストップアーム４０とストップナット４１のギャップにより設定されたギャップ分ストロークする。

通常は図２に示すように、緩閉鎖弁バルブ３８の下面と緩閉鎖弁シート３９とによりＸ寸法を設定し緩閉鎖スピードを設定するが、バックアップ時の制御は油圧による閉制御のみのため緩閉鎖弁ピストン３７を押し上げることができず、通常の緩閉鎖制御のように、緩閉鎖弁バルブ３８の下面と緩閉鎖弁シート２６とによりＸ寸法を形成することができない。そこで、サーボモータ１６の閉側ポート１７ｂの排油を緩閉鎖弁バルブ３８の内部を通過させ、緩閉鎖弁バルブ３８の上面と緩閉鎖弁シート３９とによりＹ寸法を形成しバックアップ制御時の閉鎖時間を設定する。この設定は、前述したように、ストップアーム４０とストップナット４１のギャップにより設定する。

バックアップ電磁弁３３は、緩閉鎖制御弁３２が健全であれば常時開状態で構わないが、バックアップ電磁弁３３自身のスティックを防止するため起動停止毎に開閉動作を行い、健全性を確認する。従って、緩閉鎖制御弁が制御不能に陥っても、バックアップ電磁弁３３にてバックアップすることにより異常上昇させずに水車を安全に停止させることが可能である。

本発明の実施の形態によれば、緩閉鎖制御弁３２は電気信号により制御されており、ワイヤーや滑車等の機械的復原機構がないため、ワイヤー切断等による緩閉鎖弁１８の不動作がなく確実に緩閉鎖できる。従って、水圧異常上昇による鉄管等の破損や回転上昇による主機への悪影響の不安がなくなる。また万一の場合に備え、バックアップ電磁弁３３を具備しているので、緩閉鎖制御弁３２が動作不能という事態に陥ってもバックアップ制御により緩閉鎖を効かせ、水力機械を安全に停止させることが可能となり、水力機械の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係わる水力機械の調速機の構成図。 本発明の実施の形態における緩閉鎖弁の緩閉鎖状態を示す断面図。 本発明の実施の形態におけるレギュレータに予め記憶しておく複数の閉鎖モードのグラフ。 本発明の実施の形態における緩閉鎖弁の閉鎖過程においてサーボモータを一時停止する閉鎖モードのグラフ。 本発明の実施の形態における緩閉鎖弁の第一段閉鎖後の一時停止状態を示す断面図。 本発明の実施の形態における緩閉鎖制御弁が故障しバックアップ電磁弁で制御した場合の緩閉鎖弁の動作状態を示す断面図。 従来の水力機械の調速機の構成図。 従来の水力機械の調速機における滑車間で発生するワイヤロープの共振の説明図。 従来の水力機械の調速機におけるサーボモータのストロークとガイドベーン閉鎖時間との関連を示すグラフ。

符号の説明

１１…レギュレータ、１２…アクチュエータ、１３…コンバータ、１４…主配圧弁、１５…油圧タンク、１６…サーボモータ、１７ａ…開側ポート、１７ｂ…閉側ポート、１８…緩閉鎖弁、１９…ガイドベーン、２０…レターンポスト、２１…レターンシャフト、２２…扇形アーム、２３…滑車、２４…ワイヤロープ、２５…扇形アーム、２６…ワイヤ、２７…ウェイト、２８…カム、２９…緩閉鎖配圧器、３０…スプリング、３１…起動停止弁、３２…緩閉鎖制御弁、３３…バックアップ電磁弁、３４…主配圧弁作動トランス、３５…緩閉鎖弁差動トランス、３６…復原用差動トランス、３７…緩閉鎖弁ピストン、３８…緩閉鎖弁バルブ、３９…緩閉鎖弁シート、４０…ストップアーム、４１…ストップナット

Claims (4)

1. 水力機械が所定の出力となるように電気的なガイドベーン開度指令を出力するレギュレータと、前記レギュレータからの電気的なガイドベーン開度指令を油圧信号に変換し主配圧弁に入力するコンバータと、前記主配圧弁から供給される油量により駆動され油圧によりガイドベーンを開閉操作するサーボモータと、前記主配圧弁と前記サーボモータとの間に設けられガイドベーン開度が所定開度となると油量を絞り前記ガイドベーンの閉鎖速度を遅くする緩閉鎖弁と、前記レギュレータからの電気的な指令により前記緩閉鎖弁を油圧により駆動制御する緩閉鎖制御弁とを備えたことを特徴とする水力機械の調速機。
2. 前記レギュレータは、前記サーボモータのストロークに応じて予め複数の閉鎖モードを記憶しておき、その閉鎖モードに従って前記緩閉鎖制御弁に電気的な指令を出力し、前記緩閉鎖弁を油圧により駆動制御することを特徴とする請求項１記載の水力機械の調速機。
3. 前記レギュレータは、前記緩閉鎖弁の閉鎖過程において前記サーボモータを一時停止する閉鎖モードを有したことを特徴とする請求項２記載の水力機械の調速機。
4. 前記緩閉鎖制御弁が故障したとき緩閉鎖弁の緩閉鎖をバックアップするバックアップ電磁弁を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一記載の水力機械の調速機。

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