JP2018162709A - 水力機械の可動羽根操作システム - Google Patents

Abstract

【課題】既設の可動羽根操作システムの改修を容易に行うことができる水力機械の可動羽根操作システムを提供する。【解決手段】実施の形態による水力機械の可動羽根操作システム２０は、回転主軸１５内に設けられた油圧シリンダ２１と、双方向ポンプ３１と、ポンプ駆動モータ３２と、制御部３３と、水力機械１０内に設けられたオイルヘッド５０と、を備えている。双方向ポンプ３１は、第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂのいずれか一方に加圧された操作油を選択的に供給する。オイルヘッド５０は、回転主軸１５を回転可能に連結し、双方向ポンプ３１から第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂに供給される操作油が通過するように構成されている。双方向ポンプ３１、ポンプ駆動モータ３２および制御部３３は、水力機械１０の外部に設置されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、水力機械の可動羽根操作システムに関する。

水力機械には、発電機を回転駆動するために水流から力を受けるランナベーンが設けられている。バルブ水車やカプラン水車等の水力機械では、ランナベーンは、その開度が調整可能に構成されている。このようなランナベーンの開度を調整するために、可動羽根操作システムが設けられている。この可動羽根操作システムは、ランナに流入する水流の流量を調整するために設けられるガイドベーンの開度調整にも用いることができる。

可動羽根操作システムの一例としては、圧油タンクとコンプレッサとを備えた可動羽根操作システムが知られている。この可動羽根操作システムでは、コンプレッサによって圧油タンク内の操作油の圧力が上昇し、圧油タンク内の加圧された操作油が、油圧シリンダに供給されて、可動羽根の開度の調整が行われる。圧油タンクやコンプレッサなどの構成部品は、水力機械本体（例えば、バルブ水車のバルブ）の外部に設置されている。

しかしながら、このような圧油タンクを備えた可動羽根操作システムでは、操作油の使用量が増大する。このため、万が一の漏油の場合には、漏油量が多くなり、環境には好ましくないという懸念がある。

そこで、中小容量の水力機械では、電動サーボモータを駆動部として用いる電動サーボ式の可動羽根操作装置が知られている。この場合、操作油の使用量を低減することができるため、万が一の漏油の場合であっても、漏油量を低減することができ、環境に配慮することができる。

しかしながら、この電動サーボ式の可動羽根操作装置では、電動サーボモータと可動羽根とが、特殊部品となるボールねじを介して連結される。このため、故障等によるボールねじの交換の際には、多くの時間を要していた。

そこで、ガイドベーン用として、電動サーボ式の可動羽根操作装置の代わりに、汎用品で構成されている直接加圧式の可動羽根操作システムが用いられるようになってきている。直接加圧式の可動羽根操作システムでは、上述した圧油タンクを用いることなく、油圧シリンダに、ポンプ等により加圧された操作油を直接的に供給する。このため、操作油の使用量を低減することができる。

しかしながら、ランナベーンの油圧シリンダ（油圧サーボモータ）は、ランナと共に回転する回転主軸内に設けられている。このため、ランナベーン用として直接加圧式の可動羽根操作システムを用いる場合には、油圧シリンダに加圧された操作油を供給するためのポンプ等を含むランナベーン制御装置を、水力機械本体内に設けて、回転主軸に近づけて設置される。

このため、上述した圧油タンク等を用いた可動羽根操作システムを、直接加圧式の可動羽根操作システムに改修する場合には、水力機械本体内にランナベーン制御装置を設置することになり、水力機械本体が大幅に改造される。この場合、可動羽根操作システムの改修量および作業時間が増大するという問題がある。

特開平９−３０３３０１号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、既設の可動羽根操作システムの改修を容易に行うことができる水力機械の可動羽根操作システムを提供することを目的とする。

実施の形態による水力機械の可動羽根操作システムは、水力機械の回転主軸とともに回転する可動羽根の開度を調整する。この可動羽根操作システムは、回転主軸内に設けられた油圧シリンダと、双方向ポンプと、双方向ポンプを駆動するポンプ駆動モータと、ポンプ駆動モータを制御する制御部と、水力機械内に設けられたオイルヘッドと、を備えている。油圧シリンダは、可動羽根に連結されたピストンと、ピストンによって区画された第１シリンダ室および第２シリンダ室と、を有している。双方向ポンプは、第１シリンダ室および第２シリンダ室のいずれか一方に加圧された操作油を選択的に供給する。オイルヘッドは、回転主軸を回転可能に連結し、双方向ポンプから第１シリンダ室および第２シリンダ室に供給される操作油が通過するように構成されている。双方向ポンプ、ポンプ駆動モータおよび制御部は、水力機械の外部に設置されている。

本発明によれば、既設の可動羽根操作システムの改修を容易に行うことができる。

図１は、本実施の形態における水力機械の可動羽根操作システムの全体構成を示す図である。 図２は、図１のオイルヘッドを拡大して示す模式的な構造図である。 図３は、図１のランナベーン制御装置の詳細構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械の可動羽根操作システムについて説明する。ここでは、水力機械の一例として、バルブ水車を例にとって説明する。

まず、図１を用いて、バルブ水車１０について説明する。

バルブ水車１０は、図示しない上池から流水を導く流水路内に設置されている。流水路は、土木構造物として形成された流路壁１によって画定されている。本実施の形態では、流路壁１は、鉛直方向に延びており、図１に示すバルブ水車１０は、立軸バルブ水車となっている。

バルブ水車１０は、バルブ１１（水力機械本体）と、バルブ１１の下流端部に回転可能に設けられたランナ１２と、を備えている。ランナ１２は、ランナボス１３と、ランナボス１３に保持された複数のランナベーン１４（可動羽根）と、を含んでいる。ランナベーン１４は、ランナボス１３に対して回動可能になっており、ランナベーン１４の開度が調整可能になっている。バルブ１１の内部には、図示しない発電機が収容されており、この発電機と、ランナボス１３とが、回転主軸１５を介して連結されている。このことにより、ランナベーン１４が水流を受けると、ランナベーン１４、ランナボス１３および回転主軸１５が共に回転し、この回転駆動力によって発電機が発電を行う。ランナ１２から流出した流水は、図示しない下池（または放水路）に導かれる。

なお、バルブ水車１０のバルブ１１と流路壁１との間には、ランナ１２に流入する水が流れる流路２が形成されている。この流路２内におけるランナ１２の上流側に、複数のガイドベーン１６（案内羽根）が設けられている。ガイドベーン１６は、ランナ１２に流入する水流の流量を調整可能になっている。複数のガイドベーン１６は、バルブ１１に対して回動可能になっており、ガイドベーン１６の開度が調整可能になっている。

ガイドベーン１６の上流には、点検口１７が設けられている。この点検口１７は、バルブ１１から流路壁１に延びており、バルブ水車１０のバルブ１１の内部点検を行うためのものである。なお、点検口１７は、図示しない他の部材とともにバルブ１１を支持する機能も有している。

本実施の形態による水力機械の可動羽根操作システム２０は、上述したランナベーン１４の開度を調整するためのものである。以下に、可動羽根操作システム２０について説明する。

図１に示すように、可動羽根操作システム２０は、回転主軸１５内に設けられた油圧シリンダ２１（ランナベーンサーボモータ）と、油圧シリンダ２１を制御するランナベーン制御装置３０と、オイルヘッド５０と、を備えている。本実施の形態では、ランナベーン制御装置３０は、後述する双方向ポンプ３１、ＡＣサーボモータ３２および制御部３３を有しており、バルブ水車１０のバルブ１１の外部に設置されている。例えば、ランナベーン制御装置３０は、バルブ水車１０が設置された水力発電所の建屋に設置されることが好適である。

油圧シリンダ２１は、ランナベーン１４に連結されたピストン２２と、ピストン２２によって区画された第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂと、を有している。このうちピストン２２は、操作ロッドなどを含むランナベーン操作機構（図示せず）を介して、ランナベーン１４に連結されている。本実施の形態では、油圧シリンダ２１を回転主軸１５内に設けて、ランナ１２に近接させている。このことは、ランナベーン操作機構の構造を簡素化することができ、機械的強度の点で有利である。

第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂには、ランナベーン制御装置３０の双方向ポンプ３１から供給される操作油が充填されている。第１シリンダ室２３ａ内の操作油の圧力が、第２シリンダ室２３ｂ内の操作油の圧力よりも高くなると、ランナベーン１４が第１方向（例えば開方向）に回動し、第２シリンダ室２３ｂ内の操作油の圧力が第１シリンダ室２３ａ内の操作油の圧力よりも高くなると、ランナベーン１４が第１方向とは反対の第２方向（例えば閉方向）に回動するように構成されている。

図２に示すように、バルブ水車１０の回転主軸１５内には、第１シリンダ室２３ａに連通した第１内部経路２４ａが設けられているとともに、第２シリンダ室２３ｂに連通した第２内部経路２４ｂが設けられている。本実施の形態では、第１内部経路２４ａが、回転主軸１５の回転中心に設けられており、第２内部経路２４ｂが、円筒状に形成されており、第１内部経路２４ａの周囲に同心状に設けられている。

図１に示すように、ランナベーン制御装置３０は、第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂのいずれか一方に加圧された操作油を選択的に供給する双方向ポンプ３１と、双方向ポンプ３１を駆動するＡＣサーボモータ３２（ポンプ駆動モータ）と、ＡＣサーボモータ３２を制御する制御部３３と、を有している。このうち双方向ポンプ３１は、第１ポート３１ａと、第２ポート３１ｂと、を有しており、第１ポート３１ａおよび第２ポート３１ｂのいずれか一方から操作油を吸引して他方から吐出するように構成されている。

制御部３３は、ＡＣサーボモータ３２の回転速度指令値を発信するレギュレータ３４（制御指令部）と、レギュレータ３４から発信された回転速度指令値に応じた電力をＡＣサーボモータ３２に供給するサーボアンプ３５（アンプ）と、を有している。このうちサーボアンプ３５から、回転速度指令値に応じた電力がＡＣサーボモータ３２に供給されると、ＡＣサーボモータ３２は、双方向ポンプ３１を正転方向または逆転方向に駆動し、双方向ポンプ３１から第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂのいずれか一方に加圧された操作油が供給される。

また、ランナベーン制御装置３０は、バルブ水車１０のバルブ１１の外部に設置された、第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂに供給する操作油を貯留する集油タンク３６と、油圧調整部８０と、を更に有している。第１シリンダ室２３ａまたは第２シリンダ室２３ｂに供給される操作油の油量が少ない場合には、この集油タンク３６に貯留されている操作油が、後述する第１配管７０ａまたは第２配管７０ｂに補給される。なお、図３に示すように、集油タンク３６には、排出弁３７が設けられており、集油タンク３６内の操作油が排出可能になっている。また、集油タンク３６には、ベント部３８が設けられており、集油タンク３６内の圧力が、大気圧に維持されるようになっている。このベント部３８には、フィルタ３９が設けられている。油圧調整部８０の詳細は、後述する。

図１に示すように、バルブ水車１０のバルブ１１内には、オイルヘッド５０が設けられている。図１に示す形態では、オイルヘッド５０は、バルブ１１の上流側端部に配置されている。オイルヘッド５０には、回転主軸１５が回転可能に連結されており、双方向ポンプ３１から第１シリンダ室２３ａおよび第２シリンダ室２３ｂに供給される操作油が通過するようになっている。

図１および図２に示すように、オイルヘッド５０は、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａと第１シリンダ室２３ａとを連通する第１ヘッド室５１ａと、双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂと第２シリンダ室２３ｂとを連通する第２ヘッド室５１ｂと、を有している。より詳細には、第１ヘッド室５１ａは、第１配管７０ａ（後述）と第１内部経路２４ａとを連通し、第２ヘッド室５１ｂは、第２配管７０ｂ（後述）と第２内部経路２４ｂとを連通している。

第１ヘッド室５１ａと第２ヘッド室５１ｂは、回転主軸１５の軸線方向（図２における上下方向）に互いに隣接して配置されている。第１ヘッド室５１ａには、第３ヘッド室５１ｃが隣接して設けられており、第２ヘッド室５１ｂには、第４ヘッド室５１ｄが隣接して設けられている。本実施の形態では、第４ヘッド室５１ｄ、第２ヘッド室５１ｂ、第１ヘッド室５１ａおよび第３ヘッド室５１ｃが、この順番で、油圧シリンダ２１から遠ざかる方向に並設されている。

図２に示すように、第１ヘッド室５１ａと第３ヘッド室５１ｃとは、第１仕切部材５２によって仕切られている。回転主軸１５は、この第１仕切部材５２を貫通しており、第１仕切部材５２と回転主軸１５との間には、第１シール部材５３が設けられている。この第１シール部材５３と第１仕切部材５２との間には、隙間Ｘ１が形成されている。このことにより、第１ヘッド室５１ａ内の操作油の一部は、第３ヘッド室５１ｃに流入するように構成されている。しかしながら、この隙間Ｘ１は、第１シリンダ室２３ａ内の操作油の圧力を上昇させようとする場合に当該圧力を効果的に上昇させることが可能な程度の大きさになっている。なお、隙間Ｘ１による開口は、第１シール部材５３の全周ではなく、周方向の一部分に形成されており、第１シール部材５３は、第１仕切部材５２によって支持されている。

また、第２ヘッド室５１ｂと第４ヘッド室５１ｄとは、第２仕切部材５４によって仕切られている。回転主軸１５は、この第２仕切部材５４を貫通しており、第２仕切部材５４と回転主軸１５との間には、第２シール部材５５が設けられている。第２シール部材５５と第２仕切部材５４との間には、上述した隙間Ｘ１のような操作油を意図的に通流させるための隙間は形成されていない。すなわち、第２ヘッド室５１ｂと第４ヘッド室５１ｄとの間で、操作油が行き来することを防止している。しかしながら、微小な隙間などから、第２ヘッド室５１ｂから第４ヘッド室５１ｄに操作油が流入し、第４ヘッド室５１ｄに貯留されるようになっている。なお、第４ヘッド室５１ｄには、第４ヘッド室５１ｄ内の操作油がバルブ１１に流入することを防止するための堰６２が設けられている。

第２ヘッド室５１ｂには、第３ヘッド室５１ｃに連通するヘッドラインＸ２が連結されており、第２ヘッド室５１ｂ内の操作油の一部は、第３ヘッド室５１ｃに流入するように構成されている。このことにより、第３ヘッド室５１ｃ内の操作油が無くなることを防止しでき、回転主軸１５を回転可能に支持するために第３ヘッド室５１ｃ内に設けられたベアリング（図示せず）を操作油に浸漬させることができる。また、後述するベント部６０からの空気が、第１ヘッド室５１ａ等に混入することも防止できる。このヘッドラインＸ２は、第２シリンダ室２３ｂ内の操作油の圧力を上昇させる場合に当該圧力を効果的に上昇させることが可能な程度の流路断面積を有している。

第１ヘッド室５１ａと第２ヘッド室５１ｂとは、第３仕切部材５６によって仕切られている。回転主軸１５は、この第３仕切部材５６を貫通しており、第３仕切部材５６と回転主軸１５との間には、第３シール部材５７が設けられている。第３シール部材５７と第３仕切部材５６との間には、上述した隙間Ｘ１やヘッドラインＸ２のような操作油を意図的に通流させるための隙間は形成されていない。すなわち、第１ヘッド室５１ａと第２ヘッド室５１ｂとの間で、操作油が行き来することを防止している。

図１に示すように、オイルヘッド５０には、ランナベーン１４の開度位置を検出する開度位置検出器５８が設けられている。この開度位置検出器５８で検出されたランナベーン１４の開度位置検出値は、上述したレギュレータ３４に送信される。レギュレータ３４は、図示しない制御装置から送信されるランナベーン１４の開度指令値から換算された開度位置指令値と、開度位置検出器５８から送信されるランナベーン１４の開度位置検出値との偏差を算出する。算出された偏差は、サーボアンプ３５に送信され、サーボアンプ３５は、この偏差が所定値よりも大きいか否かを判断し、大きいと判断した場合、ＡＣサーボモータ３２の回転速度を増大させる切替機能を有している。

また、オイルヘッド５０には、第３ヘッド室５１ｃ内の操作油の油面を検出する油面検出器５９が設けられている。この油面検出器５９により検出された油面レベルが所定値よりも低い場合には、後述する第１配管７０ａまたは第２配管７０ｂ内に、集油タンク３６から操作油が補給されることが好適である。このことにより、油面の低下で第１配管７０ａに、第３ヘッド室５１ｃ内の空気が混入することを防止することができる。また、オイルヘッド５０には、第３ヘッド室５１ｃの内部と、大気とを連通するベント部６０が設けられており、第３ヘッド室５１ｃ内の圧力が大気圧に維持されるようになっている。このベント部６０には、フィルタ６１が設けられている。

双方向ポンプ３１とオイルヘッド５０は、第１配管７０ａおよび第２配管７０ｂによって連結されている。このうち第１配管７０ａは、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａとオイルヘッド５０の第１ヘッド室５１ａとを連通している。すなわち、第１配管７０ａは、バルブ１１内に設けられたオイルヘッド５０の第１ヘッド室５１ａから、バルブ１１の外部に延び、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａに連通している。

同様に、第２配管７０ｂは、双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂとオイルヘッド５０の第２ヘッド室５１ｂとを連通している。すなわち、第２配管７０ｂは、バルブ１１内に設けられたオイルヘッド５０の第２ヘッド室５１ｂから、バルブ１１の外部に延び、双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂに連通している。このようにして、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａが、第１ヘッド室５１ａを介して第１シリンダ室２３ａに連通するとともに、第２ポート３１ｂが、第２ヘッド室５１ｂを介して第２シリンダ室２３ｂに連通している。

なお、第１配管７０ａおよび第２配管７０ｂは、上述した点検口１７を通るように配置してもよい。この場合、第１配管７０ａおよび第２配管７０ｂが、水流に曝されることを回避でき、配管７０ａ、７０ｂの構造を簡素化することができ、機械的強度の点で有利である。また、第１配管７０ａおよび第２配管７０ｂの各々は、複数の配管をつなぎ合わせて構成してもよい。

図１に示すように、第１配管７０ａには、第１カウンターバランス弁７１ａが設けられている。この第１カウンターバランス弁７１ａは、オイルヘッド５０の第１ヘッド室５１ａ内の操作油の圧力低下を防止するためのものである。より具体的には、第１カウンターバランス弁７１ａは、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａから第１ヘッド室５１ａに向かう方向の操作油の流れを許容するが、第１ヘッド室５１ａから第１ポート３１ａに向かう方向の操作油の流れを阻止するように構成されている。このことにより、第１ヘッド室５１ａ内の操作油の圧力が低下すると、双方向ポンプ３１から第１ヘッド室５１ａに操作油が流れて、当該圧力を上昇させる。このことにより、第１ヘッド室５１ａ内の操作油の圧力が一定圧力以上となるように維持されている。また、第１カウンターバランス弁７１ａは、第１ヘッド室５１ａ内の操作油の圧力が所定値以上に上昇した場合には、第１ヘッド室５１ａから双方向ポンプ３１に向かう方向の操作油の流れを許容する。なお、本実施の形態では、第１カウンターバランス弁７１ａおよび第２カウンターバランス弁７１ｂは、バルブ水車１０のバルブ１１の外部に設置されているとともに、ランナベーン制御装置３０の外部に設置されている。

同様にして、第２配管７０ｂには、第２カウンターバランス弁７１ｂが設けられている。この第２カウンターバランス弁７１ｂは、第１カウンターバランス弁７１ａと同様の機能を有しており、ここでは詳細な説明は省略する。

図１に示すように、集油タンク３６とオイルヘッド５０とは、回収配管７２によって連結されている。この回収配管７２は、バルブ１１内に設けられたオイルヘッド５０の第３ヘッド室５１ｃおよび第４ヘッド室５１ｄから、バルブ１１の外部に延び、集油タンク３６に連通している。そして、回収配管７２は、第３ヘッド室５１ｃ内の操作油と第４ヘッド室５１ｄ内の操作油を集油タンク３６に回収する。この回収配管７２は、第１配管７０ａおよび第２配管７０ｂと同様に、点検口１７を通るように配置されていてもよい。

集油タンク３６に、貯留した操作油を循環させる循環配管７３が連結されている。この循環配管７３には、循環ポンプ７４と活線浄油機７５が設けられている。このうち活線浄油機７５は、循環配管７３を通過する操作油を浄化するように構成されている。なお、図３においては、図面を明瞭にするために、循環配管７３は省略している。

次に、図３を用いてランナベーン制御装置３０の油圧調整部８０について、より詳細に説明する。

油圧調整部８０は、第１配管７０ａの側の系統における操作油の圧力、および第２配管７０ｂの側の系統における操作油の圧力を調整する。すなわち、可動羽根操作システム２０の運転中、第１配管７０ａの側の系統内の操作油の油量が低減したり、第２配管７０ｂの側の系統内の操作油の油量が低減したりする。油量が低減すると、操作油の圧力の低下を招く。このことに対処するために、本実施の形態によるランナベーン制御装置３０は、油圧調整部８０を有している。

図３に示すように、油圧調整部８０は、筐体８１と、筐体８１内に設けられた第１メインライン８２ａおよび第２メインライン８２ｂと、を含んでいる。

第１メインライン８２ａは、第１配管７０ａと双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａとを連通し、第２メインライン８２ｂは、第２配管７０ｂと双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂとを連通している。第１メインライン８２ａと第２メインライン８２ｂは、第１バイパスライン８３、第２バイパスライン８４および第３バイパスライン８５によって連通している。第１バイパスライン８３には、第１チェック弁８６ａおよび第２チェック弁８６ｂが設けられている。第２バイパスライン８４には、第１リリーフ弁８７ａおよび第２リリーフ弁８７ｂが設けられている。第３バイパスライン８５には、第１パイロットチェック弁８８ａおよび第２パイロットチェック弁８８ｂが設けられている。

第１バイパスライン８３、第２バイパスライン８４および第３バイパスライン８５には、集油タンク３６から延びる補給ライン８９が連通している。この補給ライン８９は、集油タンク３６からの操作油を、第１バイパスライン８３のうちの第１チェック弁８６ａと第２チェック弁８６ｂとの間の部分、第２バイパスライン８４のうちの第１リリーフ弁８７ａと第２リリーフ弁８７ｂとの間の部分、第３バイパスライン８５のうちの第１パイロットチェック弁８８ａと第２パイロットチェック弁８８ｂとの間の部分に、供給するように構成されている。

上述した第１チェック弁８６ａは、第１メインライン８２ａから集油タンク３６に向かう方向の操作油の流れを阻止するが、集油タンク３６から第１メインライン８２ａに向かう方向の操作油の流れを許容するように構成されている。このことにより、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力が、集油タンク３６内の操作油の圧力（すなわち、大気圧）よりも低下した場合に、集油タンク３６から第１メインライン８２ａに操作油が補給される。同様にして、上述した第２チェック弁８６ｂは、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力が、集油タンク３６内の操作油の圧力よりも低下した場合に、集油タンク３６から第２メインライン８２ｂに操作油が補給される。

上述した第１リリーフ弁８７ａは、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力が所定値以上に上昇した場合に、第１メインライン８２ａから集油タンク３６に向かう方向の操作油の流れを許容するように構成されている。このことにより、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力が過大に上昇することを防止している。同様にして、上述した第２リリーフ弁８７ｂは、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力が所定値以上に上昇した場合に、第２メインライン８２ｂから集油タンク３６に向かう方向の操作油の流れを許容するように構成されており、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力が過大に上昇することを防止している。

上述した第１パイロットチェック弁８８ａおよび第２パイロットチェック弁８８ｂは、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力と第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力との圧力比に応じて、第３バイパスライン８５における操作油の流れを許容するように構成されている。より具体的には、第１パイロットチェック弁８８ａは、基本的に、第１メインライン８２ａから集油タンク３６に向かう操作油の流れを阻止するが、第２メインライン８２ｂ内の圧力が上昇し、第１メインライン８２ａ内の圧力に対する第２メインライン８２ｂの圧力の比が大きくなった場合には、第１メインライン８２ａから集油タンク３６に向かう操作油の流れを許容する。一方、第１パイロットチェック弁８８ａは、第２メインライン８２ｂから第１メインライン８２ａに向かう方向の操作油の流れを許容する。なお、この第１パイロットチェック弁８８ａは、上述した第１チェック弁８６ａと同様の機能も有している。

同様に、第２パイロットチェック弁８８ｂは、基本的に、第２メインライン８２ｂから集油タンク３６に向かう操作油の流れを阻止するが、第１メインライン８２ａ内の圧力が上昇し、第２メインライン８２ｂの圧力に対する第１メインライン８２ａの圧力の比が大きくなった場合には第２メインライン８２ｂから集油タンク３６に向かう操作油の流れを許容する。一方、第２パイロットチェック弁８８ｂは、第１メインライン８２ａから第２メインライン８２ｂに向かう方向の操作油の流れを許容する。なお、この第２パイロットチェック弁８８ｂは、上述した第２チェック弁８６ｂと同様の機能も有している。

第１メインライン８２ａには、止め弁９０ａを介して圧力計９１ａが連結されている。この圧力計９１ａは、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力を表示するためのものである。同様に、第２メインライン８２ｂには、止め弁９０ｂを介して圧力計９１ｂが連結されている。この圧力計９１ｂは、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力を表示するためのものである。

第１メインライン８２ａと双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａとは、第１連通ライン１００ａによって連通されている。この第１連通ライン１００ａには、排出弁１０１ａが設けられており、第１配管７０ａの側の系統内の操作油を排出可能に構成されている。同様に、第３メインラインと双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂとは、第２連通ライン１００ｂによって連通されている。この第２連通ライン１００ｂには、排出弁１０１ｂが設けられており、第２配管７０ｂの側の系統内の操作油を排出可能に構成されている。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用効果について説明する。

ランナベーン１４を第１方向に回動させる場合、レギュレータ３４からサーボアンプ３５に回転速度指令値が発信され、この回転速度指令値に応じた電力が、サーボアンプ３５からＡＣサーボモータ３２に供給される。すると、ＡＣサーボモータ３２は、双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂから操作油を吸引して第１ポート３１ａから操作油を吐出するように、双方向ポンプ３１を駆動する。このことにより、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａから、第１メインライン８２ａ、第１配管７０ａ、第１ヘッド室５１ａおよび第１内部経路２４ａを介して油圧シリンダ２１の第１シリンダ室２３ａに加圧された操作油が供給される。すなわち、第１シリンダ室２３ａ内の操作油の圧力が上昇する。このことにより、上昇した操作油の圧力を受けてピストン２２が駆動されて、図示しないランナベーン操作機構を介してランナベーン１４を第１方向に回動させ、ランナベーン１４は、所望の開度位置に位置付けられる。

第１ヘッド室５１ａ内の操作油の圧力が上昇している間、開度位置検出器５８によりランナベーン１４の開度位置が検出され、ランナベーン１４の開度位置検出値が、レギュレータ３４に送信される。レギュレータ３４は、この開度位置検出値と、図示しない制御装置から送信されるランナベーン１４の開度指令値から換算された開度位置指令値との偏差を算出する。サーボアンプ３５は、レギュレータ３４によって算出された偏差が所定値よりも大きいと判断した場合に、切替機能によってＡＣサーボモータ３２の回転速度を増大させる。このことにより、双方向ポンプ３１の操作油の吐出力を高めることができる。このため、油圧シリンダ２１が操作油から受ける圧力を高めることができ、ランナベーン１４の第１方向への回動速度を増大させることができる。

また、この間、第１ヘッド室５１ａ内の操作油の一部は、第３ヘッド室５１ｃに流入する。第３ヘッド室５１ｃに流入した操作油は、回収配管７２を通過して集油タンク３６に回収される。集油タンク３６に回収された操作油は、後述するように、所定の場合に第１配管７０ａの側の系統または第２配管７０ｂの側の系統に補給される。このことにより、操作油を可動羽根操作システム２０内で循環させることができ、操作油の劣化を抑制できる。

一方、ランナベーン１４を第２方向に回動させる場合、レギュレータ３４からサーボアンプ３５に回転速度指令値が発信され、この回転速度指令値に応じた電力が、サーボアンプ３５からＡＣサーボモータ３２に供給される。すると、ＡＣサーボモータ３２は、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａから操作油を吸引して第２ポート３１ｂから操作油を吐出するように、双方向ポンプ３１を駆動する。このことにより、双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂから、第２メインライン８２ｂ、第２配管７０ｂ、第２ヘッド室５１ｂおよび第２内部経路２４ｂを介して油圧シリンダ２１の第２シリンダ室２３ｂに加圧された操作油が供給される。すなわち、第２シリンダ室２３ｂ内の操作油の圧力が上昇する。このことにより、操作油の圧力を受けてピストン２２が駆動されて、ランナベーン１４を、第１方向とは反対の第２方向に回動させ、ランナベーン１４は、所望の開度位置に位置付けられる。

第２ヘッド室５１ｂ内の操作油の圧力が上昇している間、開度位置検出器５８によりランナベーン１４の開度位置が検出され、ランナベーン１４の開度位置検出値が、レギュレータ３４に送信される。レギュレータ３４は、この開度位置検出値と、図示しない制御装置から送信されるランナベーン１４の開度指令値から換算された開度位置指令値との偏差を算出する。サーボアンプ３５は、レギュレータ３４によって算出された偏差が所定値よりも大きいと判断した場合に、切替機能によってＡＣサーボモータ３２の回転速度を増大させる。このことにより、双方向ポンプ３１の操作油の吐出力を高めることができる。このため、油圧シリンダ２１が操作油から受ける圧力を高めることができ、ランナベーン１４の第２方向への回動速度を増大させることができる。

また、この間、第２ヘッド室５１ｂ内の操作油の一部は、第４ヘッド室５１ｄに流入する。第４ヘッド室５１ｄに流入した操作油は、回収配管７２を通過して集油タンク３６に回収される。集油タンク３６に回収された操作油は、後述するように、所定の場合に第１配管７０ａの側の系統または第２配管７０ｂの側の系統に補給される。このことにより、操作油を可動羽根操作システム２０内で循環させることができ、操作油の劣化を抑制できる。

可動羽根操作システム２０の運転中、オイルヘッド５０の第１ヘッド室５１ａ内の操作油の圧力が低下した場合には、第１カウンターバランス弁７１ａが、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａから第１ヘッド室５１ａに向かう方向の操作油の流れを許容する。このことにより、第１ヘッド室５１ａ内の操作油の圧力を上昇させて一定圧力以上となるように維持することができ、第１ヘッド室５１ａや、第１ヘッド室５１ａに連通した第１配管７０ａ、第１内部経路２４ａなどに、空気が混入して操作性が悪化することを防止できる。

一方、オイルヘッド５０の第２ヘッド室５１ｂ内の操作油の圧力が低下した場合には、第２カウンターバランス弁７１ｂが、双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂから第２ヘッド室５１ｂに向かう方向の操作油の流れを許容する。このことにより、第２ヘッド室５１ｂ内の操作油の圧力を上昇させて一定圧力以上となるように維持することができ、第２ヘッド室５１ｂや、第２ヘッド室５１ｂに連通した第２配管７０ｂや第２内部経路２４ｂなどに、空気が混入して操作性が悪化することを防止できる。

ここで、集油タンク３６に貯留された操作油の一部は、循環ポンプ７４によって循環配管７３に吸引されて循環する。この間、操作油は、活線浄油機７５によって浄化される。このため、集油タンク３６に貯留された操作油を浄化することができ、操作油の汚染による操作性が低下することを抑制できる。また、活線浄油機７５を、第１配管７０ａや第２配管７０ｂではなく、循環配管７３に設けることにより、活線浄油機７５の不具合によって油圧シリンダ２１の操作が阻害されることを回避できる。

次に、油圧調整部８０の作用効果について説明する。

例えば、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力に対する第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力の比が大きい場合には、第１パイロットチェック弁８８ａは、第１メインライン８２ａから集油タンク３６に向かう操作油の流れを許容する。このことにより、第１メインライン８２ａ内の操作油が集油タンク３６に流れ、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力が異常上昇することを防止する。すなわち、双方向ポンプ３１の第１ポート３１ａから操作油を吸引して第２ポート３１ｂから操作油を吐出する場合に、第１配管７０ａの側の容量が第２配管７０ｂの側の容量よりも大きいと、第１配管７０ａの側の容量と第２配管７０ｂの側の容量との容量差分の操作油を集油タンク３６に送らない限り、油圧シリンダ２１のピストン２２は動作しなくなり得る。このことにより、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力が異常に上昇し得る。第１パイロットチェック弁８８ａは、第１配管７０ａの側の容量が第２配管７０ｂの側の容量よりも大きいときにピストン２２を動作させるために、第１配管７０ａの側の容量と第２配管７０ｂの側の容量との容量差分の操作油を集油タンク３６に送る流路となる。また、ピストン２２が動作することで、このような第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力上昇を効果的に防止することができる。

一方、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力に対する第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力の比が大きい場合には、第２パイロットチェック弁８８ｂは、第２メインライン８２ｂから集油タンク３６に向かう操作油の流れを許容する。このことにより、第２メインライン８２ｂ内の操作油が集油タンク３６に流れ、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力が異常上昇することを防止する。すなわち、双方向ポンプ３１の第２ポート３１ｂから操作油を吸引して第１ポート３１ａから操作油を吐出する場合に、第２配管７０ｂの側の容量が第１配管７０ａの側の容量よりも大きいと、第２配管７０ｂの側の容量と第１配管７０ａの側の容量との容量差分の操作油を集油タンク３６に送らない限り、油圧シリンダ２１のピストン２２は動作しなくなり得る。このことにより、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力が異常に上昇し得る。第２パイロットチェック弁８８ｂは、第２配管７０ｂの側の容量が第１配管７０ａの側の容量よりも大きいときにピストン２２を動作させるために、第２配管７０ｂの側の容量と第１配管７０ａの側の容量との容量差分の操作油を集油タンク３６に送る流路となる。また、ピストン２２が動作することで、このような第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力上昇を効果的に防止することができる。

このようにして、油圧調整部８０により、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力と、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力とを調整することができる。

また、油圧調整部８０の第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力が、大気圧よりも低下した場合には、集油タンク３６に貯留されている操作油が、補給ライン８９から第１バイパスライン８３に供給され、第１チェック弁８６ａを通過して第１メインライン８２ａに供給される。このことにより、第１メインライン８２ａ内に操作油を補給することができ、第１メインライン８２ａ内の操作油の圧力が大気圧よりも低下することを防止できる。この際、補給ライン８９から第３バイパスライン８５にも操作油が供給され、第１パイロットチェック弁８８ａを通過して第１メインライン８２ａに操作油を供給することもできる。

同様に、油圧調整部８０の第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力が、大気圧よりも低下した場合には、集油タンク３６に貯留されている操作油が、補給ライン８９から第１バイパスライン８３に供給され、第２チェック弁８６ｂを通過して第２メインライン８２ｂに供給される。このことにより、第２メインライン８２ｂ内に操作油を補給することができ、第２メインライン８２ｂ内の操作油の圧力が大気圧よりも低下することを防止できる。この際、補給ライン８９から第３バイパスライン８５にも操作油が供給され、第２パイロットチェック弁８８ｂを通過して第２メインライン８２ｂに操作油を供給することもできる。

ところで、本実施の形態によれば、既設で用いられていた圧油タンクを用いることなく、双方向ポンプ３１によって、油圧シリンダ２１に加圧された操作油を直接的に供給することができる。このことにより、可動羽根操作システム２０で使用される操作油の使用量を低減することができる。この場合、万が一の漏油の場合であっても、漏油量を少なくすることができ、環境負荷を低減することができる。また、本実施の形態のように双方向ポンプ３１を用いて油圧シリンダ２１に加圧された操作油を直接的に供給する場合、圧油タンクのように貯留された操作油を加圧する場合に比べて、油圧シリンダ２１の駆動に要する電力を低減することができる。このため、可動羽根操作システム２０で消費されるエネルギを低減し、省エネルギ化に貢献することができる。

また、本実施の形態によれば、油圧シリンダ２１およびオイルヘッド５０は、バルブ水車１０のバルブ１１内に設けられているが、双方向ポンプ３１、ＡＣサーボモータ３２および制御部３３を有するランナベーン制御装置３０は、バルブ水車１０のバルブ１１の外部に設置されている。このことにより、バルブ水車１０の外部に圧油タンクやコンプレッサ等が設置された既設の可動羽根操作システムを、本実施の形態による可動羽根操作システム２０に改修する場合、圧油タンクやコンプレッサなどを、本実施の形態によるランナベーン制御装置３０に交換すればよい。この場合、バルブ水車１０のバルブ１１内の更新作業を不要にすることができる。このため、操作油の使用料を低減することができる可動羽根操作システム２０へ、既設の可動羽根操作システムを容易に改修することができる。

また、本実施の形態によれば、上述したように、双方向ポンプ３１、ＡＣサーボモータ３２および制御部３３を有するランナベーン制御装置３０は、バルブ水車１０のバルブ１１の外部に設置されている。このことにより、ランナベーン制御装置３０の操作や点検を、バルブ１１内ではなく、バルブ１１の外部で行うことができ、作業性を向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、第１カウンターバランス弁７１ａおよび第２カウンターバランス弁７１ｂが、ランナベーン制御装置３０の外部に設置されてい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、第１カウンターバランス弁７１ａおよび第２カウンターバランス弁７１ｂは、ランナベーン制御装置３０内に組み込まれていてもよい。

また、上述した本実施の形態においては、集油タンク３６に連結された循環配管７３に活線浄油機７５が設けられてい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、活線浄油機７５は、回収配管７２に設けられていてもよい。この場合には、回収配管７２に図示しないポンプを設けて、オイルヘッド５０の第３ヘッド室５１ｃおよび第４ヘッド室５１ｄから操作油を吸引させることが好適である。このポンプは、油面検出器５９により検出される第３ヘッド室５１ｃ内の操作油の油面に基づいて駆動されることが好ましい。例えば、ポンプは、検出される油面が所定の上限値よりも高い場合に駆動され、所定の下限値よりも低い場合に停止させることが好ましい。

以上述べた実施の形態によれば、既設の可動羽根操作システムの改修を容易に行うことができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。この実施形態やその変形は、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。

なお、上述した実施の形態では、水力機械の一例として立軸バルブ水車を例にとって説明したが、このことに限られることはなく、横軸バルブ水車にも可動羽根操作システムを適用することができ、更には、バルブ水車以外のカプラン水車等の水力機械にも、可動羽根操作システムを適用することができる。

１０：バルブ水車、１４：ランナベーン、１５：回転主軸、１７：点検口、２０：可動羽根操作システム、２１：油圧シリンダ、２２：ピストン、２３ａ：第１シリンダ室、２３ｂ：第２シリンダ室、３１：双方向ポンプ、３２：ＡＣサーボモータ、３３：制御部、３４：レギュレータ、３５：サーボアンプ、３６：集油タンク、５０：オイルヘッド、７０ａ：第１配管、７０ｂ：第２配管、７１ａ：第１カウンターバランス弁、７１ｂ：第２カウンターバランス弁、７２：回収配管、７５：活線浄油機

Claims (7)

1. 水力機械の回転主軸とともに回転する可動羽根の開度を調整する水力機械の可動羽根操作システムであって、
   前記可動羽根に連結されたピストンと、前記ピストンによって区画された第１シリンダ室および第２シリンダ室と、を有し、前記回転主軸内に設けられた油圧シリンダと、
   前記第１シリンダ室および前記第２シリンダ室のいずれか一方に加圧された操作油を選択的に供給する双方向ポンプと、
   前記双方向ポンプを駆動するポンプ駆動モータと、
   前記ポンプ駆動モータを制御する制御部と、
   前記水力機械内に設けられるとともに前記回転主軸を回転可能に連結し、前記双方向ポンプから前記第１シリンダ室および前記第２シリンダ室に供給される操作油が通過するオイルヘッドと、を備え、
   前記双方向ポンプ、前記ポンプ駆動モータおよび前記制御部は、前記水力機械の外部に設置されている、水力機械の可動羽根操作システム。
2. 前記双方向ポンプと前記オイルヘッドは、前記第１シリンダ室に連通した第１配管と、前記第２シリンダ室に連通した第２配管と、によって連結されている、請求項１に記載の水力機械の可動羽根操作システム。
3. 前記第１配管および前記第２配管は、前記水力機械の内部点検を行うための点検口を通るように配置されている、請求項２に記載の水力機械の可動羽根操作システム。
4. 前記第１配管に、第１カウンターバランス弁が設けられ、
   前記第２配管に、第２カウンターバランス弁が設けられている、請求項２または３に記載の水力機械の可動羽根操作システム。
5. 前記制御部は、前記ポンプ駆動モータの回転速度指令値を発信する制御指令部と、前記制御指令部から発信された前記回転速度指令値に応じた電力を前記ポンプ駆動モータに供給するアンプと、を有し、
   前記アンプは、前記可動羽根の開度位置検出値と前記可動羽根の開度位置指令値との偏差が所定値よりも大きい場合、前記ポンプ駆動モータの回転速度を増大させる切替機能を有している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水力機械の可動羽根操作システム。
6. 前記水力機械の外部に設置され、前記第１シリンダ室および前記第２シリンダ室に供給する操作油を貯留する集油タンクと、
   前記集油タンクと前記オイルヘッドとを連結した回収配管と、を更に備え、
   前記回収配管は、前記オイルヘッド内の操作油の一部を、前記集油タンクに回収する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の水力機械の可動羽根操作システム。
7. 操作油を浄化する活線浄油機を更に備えた、請求項６に記載の水力機械の可動羽根操作システム。

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