JP2020193572A - 水車 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガイドベーン駆動装置の小型化を図るとともに、モータからガイドベーンへの運動伝達のロスの軽減を図り、ひいては電動制御適用の水車大型化を可能にする。【解決手段】 渦巻状に形成されたケーシング１６と、該ケーシング１６の中心に位置し、複数のランナベーン１１が周方向に沿って設けられたランナ１２と、該ランナ１２の外周側に設けられ、回動角度が変更可能とされた複数のガイドベーン１４と、これらガイドベーン１４を各別に回動させるガイドベーン駆動装置２０と、前記ガイドベーン１４の外周に設けられた複数のステーベーン１５と、を備え、前記ガイドベーン駆動装置２０の出力軸にガイドベーン１４のガイドベーン軸１４ａを直結する。【選択図】図３

Description

この発明は、水力発電施設に設置され、水力発電に用いられる水車に関する。

水車には多数のガイドベーンが配置されており、各ガイドベーンは１つの駆動機構に連結され、同時に開閉が行われるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、ガイドベーンが配列された上方にガイドリングを設け、ガイドリングと各ガイドベーンとを各別のリンク機構により連結され、ガイドリングを周方向に回動することで、リンク機構を介してガイドベーンの開閉が行われる。

ガイドリングを回動させるために、サーボモータの回転を直線運動に変換して、この直線運動するロッドをガイドリングの外周部に連結しており、これにより、ロッドの接線方向への直線運動をガイドリングの回動に変換するようにしている。

特開平５−１８０１３９号公報

ところで、多数のガイドベーンを同時に開閉させるために、１つのガイドリングに多数のガイドベーンを取り付けているが、ガイドリングを接線方向、すなわち直線運動を介して回動させる構造になっているため、伝達する運動の変換ロスが大きく、また、上記ロッドには直線運動を回転運動に変換するため曲ろうとする力が働き、ロッドの破損、或いは耐久性に問題があった。

また、１つのガイドリングにすべてのガイドベーンを取り付けるため、ガイドリングに対する各ガイドベーンの取付角度を同じにする必要があり、ガイドリングに取り付けた後に、ガイドベーンの取付角度を各ガイドベーンごとに調整する必要があった。このような調整作業は、メカニカルなものであるため、大型化すればするほど、各ガイドベーンのガイドリングとの位置（角度）関係が微妙にずれることがあり、定期的にその調整を行う必要があった。

さらに、１つのサーボモータでガイドベーンの開閉を行うため、負荷が大きくなる大型の水車には適用できないという問題もあった。

そこでこの発明は、ガイドベーン駆動装置の小型化を図り、モータからガイドベーンへの運動伝達のロスの軽減を図りひいては電動制御適用で大型化を可能にした水車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、渦巻状に形成されたケーシングと、該ケーシングの中心に位置し、複数のランナベーンが周方向に沿って設けられたランナと、該ランナの外周側に設けられ、回動角度が変更可能とされた複数のガイドベーンと、これらガイドベーンを各別に回動させるガイドベーン駆動装置と、前記ガイドベーンの外周に設けられた複数のステーベーンと、を備え、前記ガイドベーン駆動装置の出力軸にガイドベーンのガイドベーン軸を直結した、ことを特徴とする。

この発明によれば、ガイドベーン駆動装置の出力軸から直接、ガイドベーン軸に回転力を伝達する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の水車において、各ガイドベーンに、１つのガイドベーン駆動装置を設けた、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の水車において、前記ガイドベーン駆動装置に複数の出力軸を設け、これら出力軸にそれぞれガイドベーンのガイドベーン軸を直結した、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項の水車において、前記ガイドベーン駆動装置にクラッチ機構を設け、ガイドベーンが回動不能になったときに前記ガイドベーン駆動装置に負荷が掛からないようにした、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ガイドベーン駆動装置の出力軸にガイドベーンのガイドベーン軸を直結したので、１つの駆動装置で１又は複数のガイドベーンを駆動することができ、また、駆動装置の動力を直接ガイドベーンに伝えることができ機械ロスを軽減し、駆動装置の動力源であるモータの小型化を図ることができる。複数の小型化したモータを用いることで、大型の水車にも適用することができるというメリットもある。

そして、従来のようなガイドリングが不要になるため、各ガイドベーンなどの機械的な位置調整が不要となり、水車のメンテナンスにおいての分解組立、或いは調整の時間を短縮することができ、水車停止による停電期間の短縮を図ることができる。

さらに、水車周辺のガイドリング、リンク機構が不要になるため、構造的にシンプルとなり清掃なども容易にでき、リンク機構などへの巻込み事故も防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、各ガイドベーンを各別のガイドベーン駆動装置により開角度の調整を行うようにしたので、ガイドベーン駆動装置の動力源であるモータを電気的に同期させ制御することで、各ガイドベーンの開閉を同期させることができる。

換言すれば、各ガイドベーンの開角度を機械的に調整する必要は無く、例えば、水車のセッティングが完了した時点で、各ガイドベーンの開角度がばらばらであっても、そのときに機械的な調整をせずに、モータを個別に制御し、ガイドベーンをすべて閉塞状態にした後、各モータへの制御信号を同期することで、各ガイドベーンの開角度を常に一致させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、１つの駆動装置で複数のガイドベーンを駆動するようにしたので、駆動装置の動力源であるモータの小型化を図ることができる。複数の小型化したモータを用いることで、大型の水車にも適用することができるというメリットもある。

また、各モータの電流値を測定していくことで、各ガイドベーンの動作力が把握でき、ガイドベーン軸の軸受劣化などが分かり、水車機構のトレンド管理が容易になり、高度な設備管理が可能になる。

請求項４に記載の発明によれば、前記ガイドベーン駆動装置にクラッチ機構を設けたので、水流中の異物がガイドベーンに挟まって場合などに、クラッチ機構が作動して、ガイドベーン駆動装置への負担を軽減することができる。

これは、従来、ガイドベーン軸に「弱点ピン」を設け、異物が挟まったときに弱点ピンが折れることで他の駆動機構の破損防止を図っていたが、このような弱点ピンを設けなくても良くなり、更には、弱点ピンを折った後、その修復するための分解組立などの作業も不要にすることができる。

図２〜図５とともにこの発明の実施の形態１を示し、水車の全体の構成を示す部分断面斜視図である。 水車のガイドベーン及びステーベーンの配置を示す断面図である。 要部を示す縦断面図である。 要部の斜視図である。 要部の平面図である。 この発明の実施の形態２を示すもので、要部の平面図である。

以下、この発明を図示の各実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１〜図５は、この発明の実施の形態１を示し、図１は水車の全体の構成を示す部分断面斜視図、図２は水車のガイドベーン及びステーベーンの配置を示す断面図、図３は要部を示す縦断面図、図４は要部を示す斜視図、図５は要部を示す平面図である。なお、図１は、図２のI−I線に沿って切断して示したものである。

水車１は、その中心に、周方向へ間隔をあけて複数のランナベーン１１が設けられたランナ１２を有しており、このランナ１２が主軸１３の先端部に設けられて回転可能とされている。このランナ１２の外周側には、それぞれ周方向へ間隔をあけて設けられた複数のガイドベーン１４及びステーベーン１５が順に設けられており、その外周側に、渦巻状に形成されたケーシング１６が設けられている。また、ランナ１２の下方側には、次第に拡径されたドラフトチューブ１７が設けられている。

水車１は、上池などから水が渦巻状のケーシング１６へ送り込まれることにより、旋回しながら次第に中心へ送り込まれ、ステーベーン１５及びガイドベーン１４を通過してランナ１２へ流れ込む。そして、このランナ１２のランナベーン１１によって回転力が発生し、これによりランナ１２が回転して主軸１３に接続された図示しない発電機の回転軸が回転して発電される。

このランナ１２を回転させた水は、ドラフトチューブ１７内を流れて下池や河川へ送り出されるようになっている。なお、この水車１を揚水用のポンプとして用いる場合は、主軸１３を回転させることにより、ドラフトチューブ１７からランナ１２によって下池側の水が吸い上げられて、ガイドベーン１４及びステーベーン１５からケーシング１６内へ送り出されて上池へ送り込まれるようになっている。

各ガイドベーン１４は、その上方に設けられたガイドベーン駆動装置２０により、ガイドベーン１４の開度を調整可能になっている。

具体的には、ガイドベーン駆動装置２０は、ガイドベーン軸１４ａの上端を回転自在に支持する取付部材２３に取着されており、１つのサーボモータ２２と１つの減速機２１とを有し、また、サーボモータ２２と減速機２１との間にはクラッチ機構２４が配設され、このようなガイドベーン駆動装置２０の出力軸が上記ガイドベーン１４のガイドベーン軸１４ａに直結されている。

減速機２１は、サーボモータ２２の回転運動を直線運動に変換することなく回転運動のまま出力軸に伝達して、直結されたガイドベーン軸１４ａを回転運動（回動）させるようになっている。

これにより、サーボモータ２２の回転運動をそのまま回転運動としてガイドベーン１４に伝達するため、運動変換に伴うロスを軽減することができ、そのため、比較的小型のサーボモータ２２でガイドベーン１４を駆動することができる。これは、ガイドベーン１４を駆動するためのサーボモータ２２の小型化は、大型の水車１に適用することができるということでもある。

そして、各ガイドベーン１４は各別のガイドベーン駆動装置２０により開角度の調整を行うため、サーボモータ２２を電気的に同期させ制御することで、各ガイドベーン１４の開閉を同期させることができる。

換言すれば、各ガイドベーン１４の開角度を機械的に調整する必要は無く、例えば、水車１のセッティングが完了した時点で、各ガイドベーン１４の開角度がばらばらであっても、そのときに機械的な調整をせずに、サーボモータ２２を個別に制御し、例えば、ガイドベーン１４をすべて閉塞状態にした後、各サーボモータ２２への制御信号を同期することで、各ガイドベーン１４の開角度を常に一致させることができる。

また、この実施の形態１にあっては、サーボモータ２２と減速機２１との間にクラッチ機構２４を設けたので、水流中の異物がガイドベーン１４、１４間に挟まって場合などに、クラッチ機構２４が作動して、サーボモータ２２への負担を軽減することができる。

なお、各ガイドベーン駆動装置２０の電源回路にそれぞれ配線用遮断器を設ければ、ガイドベーン１４、１４間に異物が挟まった際に、該当するガイドベーン駆動装置２０、２０のみの配線用遮断器を遮断するようにしても良い。

ちなみに水車運転中のガイドベーン位置の保持には、各サーボモータ２２か減速機２１もしくはクラッチ機構２４内部に設けるブレーキ機構や、ガイドベーン軸１４ａ外周に追加する摺動固定機構の設定等があげられる。

（実施の形態２）
図６は、この発明の実施の形態２を示すもので、要部を示す平面図である。

この実施の形態２では、１つのサーボモータに対して３つのガイドベーンを設けた点で実施の形態１と構成が異なり、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することでその説明を省略する。

水車３は、上記実施の形態１で説明した水車１と同様に、ランナ１２の外周側には、それぞれ周方向へ間隔をあけて設けられた複数のガイドベーン１４が順に設けられており、これらガイドベーン１４、１４、・・・は、３つのガイドベーン１４、１４、１４に対して１つのガイドベーン駆動装置３０が直結されている。

ガイドベーン駆動装置３０は、ガイドベーン軸１４ａの上端を回転自在に支持する取付部材２３に取着されており、１つのサーボモータ３２と１つの減速機３１とを有し、減速機３１には３つの出力軸が設けられている。また、サーボモータ３２と減速機３１との間にはクラッチ機構（図示は省略する）が配設され、このようなガイドベーン駆動装置３０の３つの出力軸が３つの上記ガイドベーン１４のガイドベーン軸１４ａにそれぞれ直結されている。

ここで、この実施の形態２にあっては３つのガイドベーン１４、１４、１４に対して１つのガイドベーン駆動装置３０を設けたが、この発明はこれに限らず、１つのガイドベーン駆動装置３０に対して、２つのガイドベーン１４、１４や、４つのガイドベーン１４、１４、１４、１４といった任意の数を直結するようにしても良い。

１つのガイドベーン駆動装置に直結するガイドベーンの数を多くすればするほど、ガイドベーン駆動装置の数を少なくすることができるというメリットがある反面、ガイドベーン駆動装置の出力を大きくしなければならず、ガイドベーン駆動装置の大型化を誘発することになるため、目的であるガイドベーン駆動装置の小型化に反することになる。そのため、１つのガイドベーン駆動装置に対するガイドベーンの数をいくつにするかは、コスト的な問題、ガイドベーン駆動装置の出力的な問題、スペース的な問題などを考慮した上で設計することが好ましい。

以上のように、このガイドベーン駆動装置２０、３０によると、モータの回転運動を直線運動に変換することなく回転運動のまま出力軸に伝達して、直結されたガイドベーン軸１４ａを回転運動（回動）させるので、変換ロスが少なく、その分、モータの小型化を図ることができる。このことはサーボモータの出力上これまで適用できなかった大型水車にも駆動装置の電動化（油レス）が可能になることを示している。また、個別のモータ２２、３２により各ガイドベーン１４を回転（回動）させるため、各モータ２２、３２への電気信号を制御することで、各ガイドベーン１４の開角度を常に一致させることができる。そのため、従来のように１つのガイドリングに対して各ガイドベーンの向き（取付状態）を機械的な調整をする必要も無くなる。

さらに各サーボモータの電流値を把握することで、駆動装置の劣化状況のトレンド管理が容易にでき、より高度な設備管理が可能になる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、ガイドベーン駆動装置２０、３０のモータとしてサーボモータ２２、３２を適用した例について説明したが、これに限定されず、ステッピングモータであっても良い。要は、モータ軸の回転角度や回転速度を検知し、また、自己の回転位置を把握する機能と、動作指令がないときにその位置を保持する機能を有するものであれば適用することができる。

また、上記実施の形態において、モータと減速機とからなるガイドベーン駆動装置について説明したが、モータ自体が高出力（高トルク）でガイドベーンの開閉動作を行うことができるものであれば、減速機を省略することができる。

１ 水車
１１ ランナベーン
１２ ランナ
１３ 主軸
１４ ガイドベーン
１４ａ ガイドベーン軸
１５ ステーベーン
１６ ケーシング
２０ ガイドベーン駆動装置
２４ クラッチ機構
３ 水車
３０ ガイドベーン駆動装置

Claims (4)

1. 渦巻状に形成されたケーシングと、該ケーシングの中心に位置し、複数のランナベーンが周方向に沿って設けられたランナと、該ランナの外周側に設けられ、回動角度が変更可能とされた複数のガイドベーンと、これらガイドベーンを各別に回動させるガイドベーン駆動装置と、前記ガイドベーンの外周に設けられた複数のステーベーンと、を備え、
   前記ガイドベーン駆動装置の出力軸にガイドベーンのガイドベーン軸を直結した、
   ことを特徴とする水車。
2. 各ガイドベーンに、１つのガイドベーン駆動装置を設けた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水車。
3. 前記ガイドベーン駆動装置に複数の出力軸を設け、これら出力軸にそれぞれガイドベーンのガイドベーン軸を直結した、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水車。
4. 前記ガイドベーン駆動装置にクラッチ機構を設け、ガイドベーンが回動不能になったときに前記ガイドベーン駆動装置に負荷が掛からないようにした、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水車。
   

Images