JP4120578B2 - ランナベーンの水圧駆動装置。 - Google Patents

Description

この発明は、ランナのランナベーンの操作装置をランナ下方の吸出し管に設けた水車またはポンプ水車に関し、特に、自然環境に配慮した水力発電所や、送水ラインに設置して浄水や食品関連にも使用できる水圧駆動式の水車またはポンプ水車に関する。

従来、水力発電所や送水ライン等に設置する水車やポンプ水車は水車の羽根やガイドベーンの翼角度を操作し、出力や回転数を制御している。既存の水車やポンプ水車には、翼角度の操作装置として、油圧駆動装置や電動駆動装置等の操作部が陸上に設置しているものや、駆動装置の操作部がランナボスの中やランナの吸出し側等、水中に設置してある。油圧駆動装置を流路に設置するものは、油圧駆動装置等の作動油は廃油の処理を行なうための装置が必要となり、構造が複雑となる。作動油は粘度が高いため、作動機器の効率が悪く、作動油の取扱いに注意しないと火災の発生の恐れもある。そして、作動油や潤滑油が外部に漏れ、ランナベーンを通過した水に混入して環境を汚染することが懸念され、浄水や食品関連の分野では敬遠されている。

電動駆動装置の操作部を水路の外部に設置した既存のランナベーン水車としては、例えば、特許文献１に記載してあるように、可変速モータの動力を遊星減速機で伝達して操作ロッドでランナベーンの翼角を変化させる操作装置は公知である。また、操作部をランナボスの近傍に設けた可動翼水車としては、例えば、特許文献２に記載してあるように、ランナベーンのリンク機構を操作する操作ロッドを主軸に挿通させ、主軸の外部に配設した電動式サーボモータと、その操作力を伝達する軸受の潤滑油槽から構成されたランナベーン水車も公知である。そして、サーボモータによりランナベーンとガイドベーンの開度を調節する制御装置としては、例えば、特許文献３に記載してあるように、ランナ下流の吸出管に圧力検出器を接続したピトー管を取付けて、角度を検出する可動羽根水車も知られている。
特許第２７３５１０９号公報（請求項１、図１） 特開平９−２０３３７０号公報（段落番号００１８乃至段落番号００２３、図１及び図２） 特開平７−１１９６１０号公報（段落番号００１６及び段落番号００２１、図１及び図７）

従来の水路の外部から遊星減速機を設けて操作する既存のランナベーン水車は、作動油や潤滑油がランナベーンを通過した水に混入することがないものであるが、主軸の中に通す翼角制御用の操作軸が長くなり、長尺の翼角操作軸は主軸の振動が伝達される。操作軸と主軸の保持構造が複雑となり、コストアップの問題が発生する。また、ランナボスの上部にランナベーンの操作装置を設けたランナベーン水車にあっては、操作装置が短くなり水車の小型化が可能となるものであるが、軸受の潤滑油槽の油が液中に漏れ出す恐れがある。そして、角度検出機能を有するピトー管を設けた可動翼水車にあっては、ランナベーンの開度制御が行なえるものであるが、ランナベーンにより水流に乱れが生じ、測定誤差が生じる懸念もある。

この発明は、吸出し管に設けたランナベーンの操作装置を水圧駆動式として、環境負荷の低減と安全性を向上させ、製作期間の短縮と低コストを可能とするランナベーンの水圧駆動装置を提供する。

この発明に係る水車またはポンプ水車におけるランナベーンの水圧駆動装置は、ランナの軸心に沿ってランナベーンの操作装置を配設し、操作装置の操作軸に翼角操作のリンク機構を連結して、操作軸の往復運動を回転運動に変換させてランナベーンの取付け角度を調整する水車またはポンプ水車において、吸出し管に立設した円筒状のケーシングに回動自在なシリンダーケースを配設し、シリンダーケースに垂下した操作軸とランナベーンの翼軸を曲動自在な連結軸に枢着すると共に、操作軸のピストンをシリンダーケースのシリンダー室に内設し、ケーシングとシリンダーケースの間に上部作動水室と下部作動水室を形成して、シリンダー室の上方に形成する上部作動水室をピストンの上方の上部シリンダー室に連通させ、シリンダー室の下方に形成する下部作動水室をピストンの下方の下部シリンダー室に連通させるもので、吸出し管の水流を阻害しない形状の操作装置となり、加圧水流による振動と騒音が軽減される。そして、ランナベーンの操作装置と翼角操作のリンク機構が短くなる。シリンダー室に圧力水を供給する作動水室は、ケーシングとシリンダーケースの間に複数のメカニカルシールを嵌着して上部作動水室と下部作動水室を形成したもので、簡単な構造で往復運動を回転運動に変換でき、部品加工や組立も容易となる。

水車またはポンプ水車への圧力水の供給は、吸出し管とケーシングに止着した整流板に一対の作動水管を配設し、ケーシングに内設した上部作動水室と下部作動水室に連通させて圧力水を供給または排出させるもので、操作部から圧力水が漏れても作動油を使用しないので、吸出し管を通過した水による環境を汚染することがない。そして、操作装置の操作機構部は、ケーシングとシリンダーケースの間に無給油軸受を嵌着し、シリンダーケースを回動自在としたもので、操作機構部の無給油化が可能となり、水車またはポンプ水車を通過した水に潤滑油が混入して環境を汚染することもない。

操作装置のシリンダーケースの回動手段が、シリンダーケースの上端部をケーシングから突出させてランナボスに連結し、ランナとともに操作軸を内設したシリンダーケースを回転可能としたもので、回転するシリンダー室に直接作動水の供給を可能とし、シリンダーケースの密封性を向上させ、操作軸の滑らかな摺動を可能とする。そして、ランナベーンの制御手段が、操作軸の下端から垂下した検知杆に位置検出器を対設し、ランナのランナベーンの回動角度を検知するもので、短い操作軸に主軸の振動が直接伝達されることがなく、ランナベーンの正確な角度検知が可能となる。また、ガイドベーンの翼角度の切替え手段が、上カバーの上面にランナと同心状に作動環を配設し、作動環とガイドベーンに連結したステムをリンク杆で枢着し、作動環に水圧シリンダーを連結して、ガイドベーンを回動させるもので、ガイドベーン開度とランナベーン開度を最適に組み合わせることができる。

この発明のランナベーンの水圧駆動装置は上記のように構成してあり、ランナベーンの操作装置が吸込水流の流れを阻害しない形状となる。短い操作軸に主軸の振動が直接伝達されないので、ランナベーンの正確な角度の検知が可能となる。そして、ランナベーンの操作装置と翼角操作のリンク機構が短くなり、簡単な構造で連結軸の摺動をランナベーンの回動に変換することができ、部品加工や組立も容易となる。また、水没させた操作装置に作動油と潤滑油を使用しないので、ランナベーンを通過した水による環境を汚染することがない。

この発明に係るランナベーンの水圧駆動装置は、ケーシングから流路に流入してきた圧力水を、複数枚のステーベーンで整流化させ、ステムの軸心まわりを回動するガイドベーンで流量を調節する。始動時や出力の変動に応じて、操作装置の操作軸に配設した位置検出器でランナベーンの回動角度を検知し、ランナベーンの翼角度を算定して、作動水管から高圧水を供給する。シリンダーケースの上部シリンダー室あるいは下部シリンダー室に加圧水を圧入し、操作軸に嵌着したピストンを摺動させる。ランナベーンの翼角操作により水流の方向が切換わり、それに合わせてガイドベーンの角度を調整すれば、水流ロスを少なくして常に効率の良い運転が行なわれ、自然環境を汚染することもない。

この発明に係るランナベーンの水圧駆動装置を図面に基づき詳述すると、図１は実施例のカプラン水車の縦断面図であって、貯水池などの上流水路より圧力水を流入させる渦巻状のケーシング１がコンクリートに埋設してある。そのケーシング１の内側に水平状の上カバー２と漏斗状の下カバー３を連結して流路４が形成してある。流路４に流水を整流化させる複数枚のステーベーン５・・・と、上カバー２から垂下したステム６に水流方向と流入水量を調整する回動自在な複数枚のガイドベーン７・・・が連結してある。

流路４の中央部にランナ８が配設してあり、ランナ８を中心に複数枚のステーベーン５・・・とガイドベーン７・・・が放射状に配置してある。ランナボス１０に設けた軸受１１に翼軸１２が回動自在に嵌入してあり、翼軸１２に連結したランナベーン９を流路４に垂下してある。ランナボス１０の上端部が上カバー２の内周面に回転自在に枢支してあり、ランナボス１０に嵌着したランナハブ１３が主軸１４の下端に止着してある。ランナハブ１３に連結した主軸１４が上カバー２に支架したケース１５に軸封１６されている。下カバー３の下端に吸出し管１７が連結してあり、上部整流板１８と下部整流板１９が配設してあり、ランナベーン９を回転させた渦流と水圧脈動を打ち消して、圧力水を吸出し管１７から排水させる

図２はランナとリンク機構の縦断面図であって、ランナボス１０とランナハブ１３の間にランナベーン９の翼角操作のリンク機構２０が配設してあり、ランナ８の翼軸１２に連結してある。図３は翼角操作のリンク機構の側面図であって、ランナベーン９の翼軸１２にアーム２１のボス部２１ａが嵌着してあり、アーム２１の先端部２１ｂにコ字状の吊設杆２２の底部がボルト２３とナット２４で吊設してある。吊設杆２２のコ字状の先端部に両端をナット２５、２５で固定したピン２６に連結軸２７に設けたボールジョイント２８が回動自在に連結してある。連結軸２７はメネジ管とボルト軸とで伸縮調整可能としてあり、連結軸２７の他端にもボールジョイント２９が配設してある。

図１に示すように、吸出し管１７に配設した上部整流板１８と下部整流板１９に操作装置３０が支架してあり、ランナ８の軸心に沿って立設してある。図３に示すように、操作装置３０に配設した操作軸３１の上端部に作動杆３２が水平状に連結してあり、作動杆３２がリンク機構２０の連結軸２７のボールジョイント２９に回動自在に嵌入してある。この操作装置３０の操作軸３１を昇降させれば、連結軸２７の両端部のボールジョイント２８、２９が曲動し、連結軸２７を三次元に回動する。連結軸２７の曲動がアーム２１に嵌着した翼軸１２に伝達されてランナベーン９の翼角を切替える。ガイドベーン７で調節した圧力水の流量に応じて、複数のランナベーン９・・・を同時に作動させる。ランナベーン９で受止めた圧力エネルギーをランナ８の回転力に変換して主軸１４に伝達し、発電エネルギーや揚水エネルギーを発生させる

図４はランナベーンの操作装置の断面図であって、吸出し管１７に配設した操作装置３０は、円筒状のケーシング３３が上部整流板１８と下部整流板１９に支架されて立設してある。ケーシング３３の内部にシリンダーケース３４が配設してあり、ケーシング３３に嵌着したゴム製またはセラミック製の無給油軸受３５で軸支して、シリンダーケース３４を回動自在としてある。操作機構部の無給油化が可能となり、揚水した水に潤滑油が混入して環境を汚染することがない。ケーシング３３に回動自在としたシリンダーケース３４は、上端部をケーシング３３から突出させてランナボス１０の下端に連結してあり、シリンダーケース３４がランナ８とともにケーシング３３の内部で回転するようにしてある

図４に示すように、シリンダーケース３４の外周部に複数のメカニカルシール３６・・・が嵌着してあり、ケーシング３３とシリンダーケース３４の間を水封して上部作動水室３７と下部作動水室３８を形成してある。上部作動水室３７と下部作動水室３８の間のシリンダーケース３４には、その中間部を拡張してシリンダー室３９が形成してある。作動水供給部分の配置を水圧シリンダー４８の上下に配置して、操作装置３０の周辺を流れる吸込水流を阻害しない形状としてある。シリンダーケース３４の内部に翼角操作のリンク機構２０に連結した操作軸３１が摺動自在に垂下してあり、操作軸３１に嵌着したピストン４０をシリンダー室３９に配設してある。操作軸３１をシリンダーケース３４とともに回転させながら、操作軸３１を上下に摺動させる。

図４に示すように、上部作動水室３７に対設するシリンダーケース３４に通孔４９が設けてあり、上部作動水室３７をピストン４０の上方の上部シリンダー室３９ａに連通させてある。シリンダーケース３４の下端３４ａが開口してあり、下部作動水室３８はシリンダーケース３４の下端３４ａを通じてピストン４０の下方の下部シリンダー室３９ｂに連通させてある。吸出し管１７の吸込水流の流れを阻害しない形状の操作装置３０となり、回転するシリンダー室３９に直接作動水を供給する。シリンダーケース３４の密封性を維持しながら、操作軸３１の滑らかな摺動を可能とする。

図１に示す、吸出し管１７に止着した上部整流板１８と下部整流板１９に上部作動水管４１と下部作動水管４２が支架してあり、上部作動水管４１を上部作動水室３７に連通させ、下部作動水管４２を下部作動水室３８に連通させてある。上部作動水管４１と下部作動水管４２は、吸出し管１７を貫通して地上部の公知の貯水池などの圧力水の供給源に接続してある。上部作動水管４１と下部作動水管４２のどちらか一方に加圧水を供給して他方から排水し、上部シリンダー室３９ａまたは下部シリンダー室３９ｂに加圧水を圧入する。シリンダー室３９のピストン４０を移動して操作軸３１を上昇または下降させ、操作軸３１の上端部に連結した翼角操作のリンク機構２０を作動させる。水没している操作装置３０には作動油を使用しないので、揚水による環境を汚染することがない。吸出し管１７に配設した操作装置３０と、ボールジョイント２８、２９を使用した翼角操作のリンク機構２０が短くなり、簡単な構造で連結軸２７の摺動をランナベーン９の回動に変換することができ、部品の加工や組立も容易となる。

図４に示すように、操作軸３１の下端からマグネット４３を設けた検知杆４４が垂下してあり、検知杆４４に対設した位置検出器４５がケーシング３３の下端に支架してある。短い操作軸３１がランナ８の振動と吸出し管１７の水流の影響を直接受けないので、ランナベーン９の角度の正確な検知が可能となる。そして、操作軸３１の上下の摺動距離を検知してランナベーン９の翼角度を切替えて流量制御を行なうので、吐出弁の調整による流量制御に比較してエネルギーロスが少ない。図５はステーベーンの翼角の操作装置であって、上カバー２の上面にランナ８と同心状に作動環４６が回動自在に配設してあり、作動環４６とステーベーン５に連結したステム６をリンク杆４７で枢着してある。作動環４６に水圧シリンダー４８が連結してあり、作動環４６を回動させてステーベーン５の翼角度を切替え、流入水の流量制御を行なうようにしてある。

この発明のランナベーンの水圧駆動装置は、ランナベーンの操作装置を吸出し管に設け、簡単な構造の水圧駆動式としたものである。ランナベーンの操作装置と翼角操作のリンク機構に作動油と潤滑油を使用しないので、環境負荷の低減と安全性が向上し、自然環境に配慮した水力発電所や、送水ラインに設置して浄水や食品関連にも使用できる水圧駆動式の水車またはポンプ水車として利用できる。

この発明に係る水車またはポンプ水車のランナベーンの水圧駆動装置の縦断面図である。 同じく、ランナとリンク機構の縦断面図である。 同じく、ランナベーンに連結するリンク機構の側面図である。 同じく、リンク機構に連結する操作装置の拡大図である。 同じく、ガイドベーンの翼角の操作装置の要部平面図である。

符号の説明

２ 上カバー
７ ガイドベーン
６ ステム
８ ランナ
９ ランナベーン
１０ ランナボス
１２ 翼軸
１７ 吸出し管
１８ 上部整流板
１９ 下部整流板
２０ リンク機構
２７ 連結軸
３０ 操作装置
３１ 操作軸
３３ ケーシング
３４ シリンダーケース
３５ 無給油軸受
３６ メカニカルシール
３７ 上部作動水室
３８ 下部作動水室
３９ シリンダー室
３９ａ 上部シリンダー室
３９ｂ 下部シリンダー室
４０ ピストン
４１ 上部作動水管
４２ 下部作動水管
４４ 検知杆
４５ 位置検出器
４６ 作動環
４７ リンク杆
４８ 水圧シリンダー

Claims (7)

1. ランナ（８）の軸心に沿ってランナベーン（９）の操作装置（３０）を配設し、操作装置（３０）の操作軸（３１）に翼角操作のリンク機構（２０）を連結して、操作軸（３１）の往復運動を回転運動に変換させてランナベーン（９）の取付け角度を調整する水車またはポンプ水車において、吸出し管（１７）に立設した円筒状のケーシング（３３）に回動自在なシリンダーケース（３４）を配設し、シリンダーケース（３４）に垂下した操作軸（３１）とランナベーン（９）の翼軸（１２）を曲動自在な連結軸（２７）に枢着すると共に、操作軸（３１）のピストン（４０）をシリンダーケース（３４）のシリンダー室（３９）に内設し、ケーシング（３３）とシリンダーケース（３４）の間に上部作動水室（３７）と下部作動水室（３８）を形成して、シリンダー室（３９）の上方に形成する上部作動水室（３７）をピストン（４０）の上方の上部シリンダー室（３９ａ）に連通させ、シリンダー室（３９）の下方に形成する下部作動水室（３８）をピストン（４０）の下方の下部シリンダー室（３９ｂ）に連通させたことを特徴とするランナベーンの水圧駆動装置。
2. 上記ケーシング（３３）とシリンダーケース（３４）の間に複数のメカニカルシール（３６・・・）を嵌着して上部作動水室（３７）と下部作動水室（３８）を形成したことを特徴とする請求項１に記載のランナベーンの水圧駆動装置。
3. 上記吸出し管（１７）とケーシング（３３）に止着した整流板（１８、１９）に一対の作動水管（４１、４２）を配設し、ケーシング（３３）に内設した上部作動水室（３７）と下部作動水室（３８）に連通させたことを特徴とする請求項１または２に記載のランナベーンの水圧駆動装置。
4. 上記ケーシング（３３）とシリンダーケース（３４）の間に無給油軸受（３５）を嵌着し、シリンダーケース（３４）を回動自在としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のランナベーンの水圧駆動装置。
5. 上記シリンダーケース（３４）の上端部をケーシング（３３）から突出させてランナボス（１０）に連結し、ランナ（８）とともに操作軸（３１）を内設したシリンダーケース（３４）を回転可能としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のランナベーンの水圧駆動装置。
6. 上記操作軸（３１）の下端から垂下した検知杆（４４）に位置検出器（４５）を対設し、ランナ（８）のランナベーン（９）の回動角度を検知することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のランナベーンの水圧駆動装置。
7. 上記上カバー（２）の上面にランナ（８）と同心状に作動環（４６）を配設し、作動環（４６）とガイドベーン（７）に連結したステム（６）をリンク杆（４７）で枢着し、作動環（４６）に水圧シリンダー（４８）を連結して、ガイドベーン（７）を回動させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のランナベーンの水圧駆動装置。

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