JP3688743B2 - 水力機械のガイドベーン開閉装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、電動サーボモータを使用した水力機械のガイドベーン開閉装置に係り、特に電動サーボモータの電源喪失時または故障時にガイドベーンを強制的に閉鎖するガイドベーン閉鎖装置を備えた水力機械のガイドベーン開閉装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
水車等の水力機械のガイドベーン開閉装置は近年、油圧サーボモータに代って電動サーボモータが広く使用されるようになってきている。
図4は、従来の電動サーボモータ使用の水力機械のガイドベーン開閉装置を示したもので、電動サーボモータ1は、電動機2と、この電動機2の回転出力を減速する減速機3と、この減速機3の減速出力を直進出力に変換する駆動機構4とから構成される。ガイドベーン開閉機構5は、図示を省略したガイドベーンを開閉操作するガイドリング6と、このガイドリング6に連結されたゲートアーム7とから構成され、このゲートアーム7は、リンク8によって駆動機構4に連結されている。
ゲートアーム7には、更にリンク9を介してガイドベーン閉鎖装置10が連結されている。このガイドベーン閉鎖装置10は、リンク9に連結された流体シリンダ11と、この流体シリンダ11に接続された電磁弁12と、この電磁弁12を介して流体シリンダ11に高圧流体を供給するアキュムレータ13とから構成される。
【0003】
通常運転時には、電動サーボモータ1はリンク8及びゲートアーム7を介してガイドリング6を操作してガイドベーンの開度を制御する。電動サーボモータ1の電源喪失時または故障時には、電磁弁12がアキュムレータ13の高圧流体を流体シリンダ11に供給し、これによって流体シリンダ11はリンク9及びゲートアーム7を介してガイドリング6を閉方向に駆動して、ガイドベーンを強制的に閉鎖させる。
【0004】
図5は別の従来のガイドベーン閉鎖装置を示したもので、ガイドリング6には重錘14が吊下げられ、この重錘14はガイドリング6に常時、閉方向の力を付与している。従って、重錘14は電動サーボモータ1の電源喪失時または故障時には、ガイドリング6を介してガイドベーンを強制的に閉鎖させる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した流体シリンダ使用のガイドベーン閉鎖装置は、流体シリンダや電磁弁やアキュムレータなど複雑な機構を必要とすると共に、圧力源であるアキュムレータの定期的なメンテナンスを必要とし、かつ電磁弁の動作の不確実性などのため、信頼性に欠けるといった問題がある。
また、重錘を使用したガイドベーン閉鎖装置は、重錘の負荷が常時ガイドリングを介して電動機に作用するため、電動機はこの重錘の負荷にガイドベーン開閉機構の操作力を加算したトルクを常時発生する必要があり、電力消費量が非常に増大するといった問題がある。
そこで、本発明の目的は、信頼性が高くかつ電動機に大きな負荷を実質的にかけることのないガイドベーン閉鎖装置を備えた水力機械のガイドベーン開閉装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、ガイドベーンを開閉するガイドベーン開閉機構と、上記ガイドベーン開閉機構を操作する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーン開閉機構に強制的に閉方向力を付与するガイドベーン閉鎖装置とを具備し、上記ガイドベーン閉鎖装置は、上記ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、上記閉方向力を上記ガイドベーン開閉機構に常に付与するようにした水力機械のガイドベーン開閉装置において、上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーンの急激な動作を緩衝するシリンダとピストンとから構成されるダッシュポットを上記電導サーボモータに付設し、上記シリンダ内に閉方向の力を発生するスプリングを設けるとともに、上記ガイドベーンが全開位置および自己閉鎖力が作用する範囲外である全開位置近傍にあるときは上記ピストンが上記スプリングに当接し、自己閉鎖力の作用する範囲にガイドベーンが位置するときは上記ピストンが上記スプリングから離間するように当該スプリングを上記シリンダ内に配置したことを特徴とするものである。
【0008】
【作用】
通常運転時で、ガイドベーン開度がガイドベーンの全開位置及びその近傍位置にある時以外は、ダッシュポット内のピストンがスプリングから離間しているので、電動サーボモータはスプリングの閉方向力に影響なしにガイドベーン開閉機構を駆動する。
電動サーボモータが電源喪失または故障した場合には、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時は、自己閉鎖力が働かない状態になっているが、ダッシュポット内のスプリングがピストンに当接しているので閉方向力をガイドベーン開閉機構に付与してガイドベーンを強制的に閉鎖する。ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置以外の位置にある時は、ガイドベーンは自己閉鎖力によって閉鎖する。
【0009】
このように、ガイドベーン閉鎖装置はガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与する構成であるため、電動サーボモータは実質的に殆どガイドベーン閉鎖装置の負荷を受けることがなく、電力消費の増大や大容量の電動機の使用を回避することができる。
更に、ガイドベーン閉鎖装置は、電動サーボモータが電源喪失または故障したか否かに関係なく、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時には常に閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与する構成であるため、電動サーボモータの電源喪失時または故障時にそれを検出して起動するような装置を特に必要とせず、構成が簡単となり信頼性を高めることができる。
【0010】
次に、上述した本発明の作用を、ガイドベーンを操作するのに必要な力との関係に基づき更に詳細に説明する。
図3は、一般的な水車等の水力機械のガイドベーンを操作するのに必要な力の特性の代表的な一例を示したグラフである。横軸はガイドベーン開度(%)であり、縦軸はガイドベーンを操作するのに必要な力である。縦軸の(+)側は開力を、(−)側は閉力を夫々表している。曲線A1は開く時に必要な力を表し、曲線A2はガイドベーンの水圧不平衡力を表し、曲線A3は閉じる時に必要な力を表し、曲線A4は摩擦力を表す。
曲線A3はガイドベーン全開付近以外の開度、即ち約95%以下の開度において(+)側であるので、一般の水力機械のガイドベーンはガイドベーン全開付近以外では自己閉鎖力が作用していることが分かる。即ち、ガイドベーンは、ガイドベーン全開付近以外では、外力の作用が無くなると、自己閉鎖力によって自動的に閉鎖する、いわゆる閉まり勝手状態である。
ところが、ガイドベーン開度が約95%以上の全開近付では、閉じる力A3は負になり、開方向の力に転じる。即ちガイドベーンは、ガイドベーン全開近付では外力の作用が無くなると、開方向に動作する、いわゆる開き勝手状態になってしまう。
【0011】
そこで、本発明にあっては、ガイドベーン閉鎖装置はガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与する。点線A5はこのガイドベーン閉鎖装置が付与する閉方向力を表し、このガイドベーン閉鎖装置の閉方向力は、図3のグラフ例では開度85%付近から全開、即ち開度100%まで、ほぼ直線的に増大している。この点線A5の閉方向力の付与によって、閉じる力A3は、開度85%付近から二点鎖線A6に移る。こうして、ガイドベーンの全部の開度において、閉じる力A3、A6は(+)側となる。従って、ガイドベーンは、電動サーボモータの電源喪失または故障によってガイドベーン開閉機構に外力が作用しなくなった場合には、全開付近ではガイドベーン閉鎖装置の閉方向力によって閉鎖し、それ以外の開度では自己閉鎖力によって閉鎖する。
【0012】
【実施例】
以下に本発明による水力機械のガイドベーン開閉装置の実施例を図4及び図5と同部分には同一符号を付して示した図1及び図2を参照して説明する。
図1において、電動サーボモータ1は、電動機2と、この電動機2の回転出力を減速する減速機3と、この減速機3の減速出力を直進出力に変換する駆動機構4とから構成される。ガイドベーン開閉機構5は、図示を省略したガイドベーンを開閉操作するガイドリング6と、このガイドリング6に連結されたゲートアーム7とから構成され、このゲートアーム7はリンク8によって駆動機構4に連結されている。ゲートアーム7と駆動機構4との連結は、駆動機構4がリンク8を図1で右方向に移動した時にガイドベーン開度を大きくし、逆に左方向に移動した時にガイドベーン開度を小さくするように定められている。そこで、本実施例の説明では、このような右方向を開方向と称し、左方向を閉方向と称する。
【0013】
電動サーボモータ1には緩衝装置として機能するダッシュポット15が付設されている。このダッシュポット15は、基部16に固定されたシリンダ17と、ピストン18と、一端がピストン18に他端が駆動機構4に夫々連結されたピストンロッド19と、スロットルチェッキ弁20とから構成される。シリンダ17内にはスプリング21が内蔵され、このスプリング21は、ピストン18がシリンダ17の右端付近に移動した時にのみ、ピストン18に閉方向の付勢力を付与する。なお、スプリング21は図示例ではコイルスプリングを使用したが、皿バネなど、その他の任意のスプリングを使用することができる。
【0014】
ダッシュポット15はその絞り効果、即ちスロットルチェッキ弁20を適当に調整することによって、駆動機構4の閉方向力を緩和してガイドベーンをスムーズに閉方向駆動することができる。
次に、この実施例の作用を説明する。
通常運転時には、電動機2は、減速機3と駆動機構4とリンク8とを介してガイドベーン開閉機構5を駆動して、ガイドベーン開度を制御する。このガイドベーン開度が全開付近になると、ダッシュポット15のピストン18がスプリング21に当接するため、電動機2はスプリング21の付勢力に抗してガイドリング6を駆動することになる。しかしながら、ガイドベーン開度が全開付近以外では、ピストン18がスプリング21から離間しているため、電動機2はスプリング21の付勢力の影響なしに、ガイドベーン開閉機構5を駆動することができる。
【0015】
電動サーボモータ1が電源喪失または故障した場合には、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時は、ダッシュポット15のピストン18がスプリング21に当接している。従って、スプリング21が、ピストン18と駆動機構とリンク8とを介してガイドベーン開閉機構5に閉方向の付勢力を付与しているので、この付勢力によってガイドベーンが強制的に閉鎖される。また、ガイドベーンが全開近傍位置以外の位置にある時は、ガイドベーンは自己閉鎖力によって閉鎖する。
【0016】
図2は本発明の第2の実施例を示したもので、ダッシュポット15は、電動サーボモータ1に連結されるのではなく、ゲートアーム7に直接連結されている。この第2の実施例の作用は、第1の実施例の作用と実質的に同一である。
もちろん、ダッシュポット15はガイドリング6に直接連結してもよい。
以上のように、本発明の第1及び第2の実施例は、ガイドベーンが全開及びその近傍位置にあるときのみに、スプリング21がガイドベーン開閉機構5に閉方向力を付与するように構成したので、従来のガイドベーン閉鎖装置では必要としてた流体シリンダや電磁弁やアキュムレータ等が不要となり、構成が非常に簡単になる。更に、閉方向力はスプリング21によって付与される構成であるため、故障が極めて少なくかつ動作が確実であり、ガイドベーン閉鎖装置の信頼性を高めることができる。
【0017】
また、電動機2がスプリング21の力に抗してガイドベーン開閉機構6、7を駆動するのは、ガイドベーンが全開及びその近傍位置にある時のみであるので、従来の重錘使用のガイドベーン閉鎖装置に比べて、電動機の容量やその電力消費量を大幅に低減することができる。
【0018】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、自己閉鎖力の作用しない範囲と、それ以外の範囲とで区別し、ダッシュポット内のスプリングの閉鎖力が前者の範囲で付加されるようにして後者ではスプリングの閉鎖力が効かないようにスプリングを配置しているので、ダッシュポットとスプリングを一体にしたシンプルな構成により、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、ダッシュポット内に配置したスプリングが閉方向力をガイドベーン開閉機構に付与することができ、電動サーボモータは実質的に殆どガイドベーン閉鎖装置の負荷を受けることがなくなり、電力消費の増大や大容量の電動機の使用を回避することができる。
更に、ガイドベーン閉鎖装置は、電動サーボモータが電源喪失または故障したか否かに関係なく、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時には閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与するため、電動サーボモータの電源喪失または故障を検出して起動するような装置を特に必要とせず、構成が簡単となり信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による水力機械のガイドベーン開閉装置の第1の実施例を示した概略図。
【図2】本発明による水力機械のガイドベーン開閉装置の第2の実施例を示した概略図。
【図3】水力機械のガイドベーンを操作するのに必要な力とガイドベーン開度との関係を示したグラフ。
【図4】従来の水力機械のガイドベーン開閉装置を示した概略図。
【図5】別の従来の水力機械のガイドベーン開閉装置を示した概略図。
【符号の説明】
1 電動サーボモータ
5 ガイドベーン開閉機構
21 スプリング(ガイドベーン閉鎖装置)
Claims (1)
- ガイドベーンを開閉するガイドベーン開閉機構と、上記ガイドベーン開閉機構を操作する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーン開閉機構に強制的に閉方向力を付与するガイドベーン閉鎖装置とを具備し、上記ガイドベーン閉鎖装置は、上記ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、上記閉方向力を上記ガイドベーン開閉機構に常に付与するようにした水力機械のガイドベーン開閉装置において、
上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーンの急激な動作を緩衝するシリンダとピストンとから構成されるダッシュポットを上記電導サーボモータに付設し、上記シリンダ内に閉方向の力を発生するスプリングを設けるとともに、上記ガイドベーンが全開位置および自己閉鎖力が作用する範囲外である全開位置近傍にあるときのみ上記ピストンが上記スプリングに当接し、自己閉鎖力の作用する範囲にガイドベーンが位置するときは上記ピストンが上記スプリングから離間するように当該スプリングを上記シリンダ内に配置したことを特徴とする水力機械のガイドベーン開閉装置。
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