JP4172748B2 - 水力機械のガイドベーン操作装置およびガイドベーン操作方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力機械のガイドベーンの開閉操作を行う水力機械のガイドベーン操作装置およびガイドベーン操作方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な水力機械においては、上池からの水がランナへ流入する入口部付近に複数のガイドベーンが設けられており、これらの開度を任意に調節することで水力機械の回転数を制御している。これらの複数のガイドベーンはそれぞれリンク機構によって接続されており、このリンク機構とつながるサーボモータを作動させることで、全てのガイドベーンが一斉に同じ開度に調節されるよう構成されている。サーボモータには大きく分けると油圧式および電動式の２種類があり、最近では、メンテナンス性等の利点が大きい電動式のサーボモータを小型の水力機械に対して適用する例も見られるが、大型の水力機械などにおいては通常油圧式サーボモータが用いられることが多い。
図８に従来の油圧式のサーボモータによるガイドベーンの操作装置の概略模式図を示す。
サーボモータ１は油圧式ピストン２とこれに接続されたピストンロッド３、および、これらを収納するシリンダ４からなり、シリンダ４内は油圧式ピストン２によって開側シリンダ室４ａ，閉側シリンダ室４ｂに仕切られている。そして、開側シリンダ室４ａおよび閉側シリンダ室４ｂ内の油圧を調整し、圧油の出し入れを行うことによって油圧式ピストン２およびピストンロッド３が直線運動を行う。そして油圧式ピストン２およびピストンロッド３は、水車５に設けられたガイドベーン６とリンク機構により接続されている。すなわち、サーボモータ１の油圧式ピストン２を動作させる（以下単に、「サーボモータ１を動作させる」とも言う）ことにより、ガイドベーン６の開度が調整され、水車５のランナ７およびこれと直結した発電機８の回転速度が調整される。ここで、図８においては、油圧式ピストン２とガイドベーン６の動作は、開側シリンダ室４ａに圧油が流入しシリンダ室閉側４ｂから圧油が排出される場合に油圧式ピストン２が図の右方向に動いてガイドベーン６が開動作し、閉側シリンダ室４ｂに圧油が流入し開側シリンダ室４ａから圧油が排出される場合は油圧式ピストン２が図の左方向に動いてガイドベーン６が閉動作するようになっている。
【０００３】
また、水車５には、ランナ７およびこれに直結した発電機８の回転数を速度信号として検出する速度検出手段として、回転軸に歯車１０が取り付けられ、電磁ピックアップ１１が歯車の回転数を電気信号として検出し、これを速度信号として出力している。
次に、サーボモータ１を動作させるために設けられた種々の油圧制御弁の動作について述べる。
圧油タンク２０には、高圧の油（以下、「圧油」と記す。）が貯められるとともに、この圧油の流路となる油管が接続されている。そして圧油は油管を通じて各油圧制御弁に導かれており、これらの油圧制御弁の切換によって最終的にサーボモータ１に圧油が供給されるよう構成されている。
サーボモータ１の開側シリンダ室４ａ、閉側シリンダ室４ｂには、圧油の出し入れを行うための油管である開側操作管３０ａ、閉側操作管３０ｂの一端がそれぞれ接続されている。そして、開側操作管３０ａおよび閉側操作管３０ｂの他端は主配圧弁２１に接続されている。主配圧弁２１には、圧油タンク２０より圧油が供給されるとともに、排油ポートが設けられており、圧油タンク２０からの圧油を開側操作管３０ａもしくは閉側操作管３０ｂへ供給するか、またはこれら全ての油管を閉塞させて開側シリンダ室４ａ、閉側シリンダ室４ｂ、および圧油タンク２０内の油圧を保持することができる。ここで、主配圧弁２１はスプール弁などの開度調整の可能な切換弁であるのが普通である。
【０００４】
主配圧弁２１の弁体にはコントロールピストン２２の一端が連結されており、主配圧弁２１の開度調整はコントロールピストン２２へ圧油を送ることによって行われる。そして、コントロールピストン２２へ送られる圧油の制御は、パイロットバルブ２３によって行う。すなわち、コントロールピストン２２のシリンダの両端にはコントロールピストン開側操作管２２ａおよびコントロールピストン閉側操作管２２ｂが取り付けられており、この２本の油管はパイロットバルブ２３へ接続される構成となっている。
ここで、パイロットバルブ２３も主配圧弁２１同様、スプール弁などの開度調整の可能な切換弁であり、パイロットバルブ２３の弁体と、各油管が接続されるポートとの隙間には、シートバルブ２３ａが挟まれている。このシートバルブ２３ａは変位することによって、各ポートの位置を上下させることに相当する作用を持つものであり、下部よりバネによって支持されている。さらに、コントロールピストン２２の他端にはコントロールピストン２２の変位に応じて動作するレターンアーム２４が取り付けられており、レターンアーム２４の一端は、パイロットパルブの上方に延伸され、前述したパイロットバルブ２３のシートバルブ２３ａを上方から押さえつけるように構成されている。
【０００５】
これらの、主配圧弁２１、コントロールピストン２２、パイロットバルブ２３、シートバルブ２３ａおよびレターンアーム２４の作用について以下に述べる。ガイドベーン６を開動作させる場合、開側シリンダ室４ａに圧油を送ればよいので、パイロットバルブ２３の弁体を上方に変位させて、コントロールピストン開側操作管２２ａからコントロールピストン２２へ圧油を送り、コントロールピストン２２とこれに連結された主配圧弁２１の弁体を上方に変位させればよい。このとき、コントロールピストン２２の変位に伴ってレターンアーム２４も上方に変位し、これによってシートバルブ２３ａも上方に変位する。シートバルブ２３ａの変位は、パイロットバルブ２３のポート位置を変位させることと同じ作用を有するため、シートバルブ２３ａが上方に変位するとパイロットバルブ２３は中正位置に戻される。これによってパイロットバルブ２３からコントロールピストン開側操作管２２ａへの圧油の流れが遮断され、コントロールピストン２２および主配圧弁２１は、そのときの開度で停止する。そして、このような作用によってガイドベーン６は必要量だけ変位し、その開度を保つことができるようになっている。つまり、レターンアーム２４の動作は、パイロットバルブ２３の弁体とシートバルブ２３ａの関係を中正位置に戻す復原運動を行わせるものであり、この復原量によってコントロールピストン２２の動作量が決定される。
【０００６】
上述したように、ランナ７および発電機８の回転数を調整するためのガイドベーン６の開度は、油圧によって制御されるが、最終的な制御対象である回転数は電気信号として検出されるので、この電気信号を油圧の信号に変換する必要が生じる。そして、前述の電磁ピックアップ１１によって検出された速度信号を機械的な変位に変換する装置がコンバータ１３である。次にコンバータ１３の作用について述べる。
電磁ピックアップ１１によって検出された速度信号は、レギュレータ１２に入力される。レギュレータ１２は、入力された速度信号とランナ７および発電機８の定格回転数との偏差を比較演算し、この偏差量に相応するアナログ信号をコンバータ１３に出力する。
コンバータ１３内には、図示しないが永久磁石とこの永久磁石による磁場の中に制御コイルが設けられており、制御コイルはコネクティングロッド１３ａに接続されている。そしてレギュレータ１２からのアナログ信号は電流として制御コイルに流されることでコンバータスプリング１３ｂからの反力とのバランスが崩れて、コネクティングロッド１３ａが変位する。そして、コネクティングロッド１３ａはパイロットバルブ２３の弁体と接続されており、パイロットバルブ２３は、コンバータ１３が発生する機械的な変位によって操作される。
【０００７】
また、これらのガイドベーン操作装置にはこれら以外に種々の安全装置などが設けられており、水力機械に異常が生じた際にも安全に停止ができるように構成されている。
急停止弁２５は水車５のランナ７を緊急に停止させる際にガイドベーン６を強制的に閉鎖するための弁である。急停止弁２５には弁体の変位に応じて変位するアーム２５ａが設けられており、このアーム２５ａはコネクティングロッド１３ａを上側から押さえつけられるように取り付けられている。すなわち、アーム２５ａは急停止弁２５が上方に位置している場合はコネクティングロッド１３ａの変位を拘束しないが、急停止弁２５が下側に最大変位した場合にコネクティングロッド１３ａおよびパイロットバルブ２３を強制的に下方に押さえつけるようになっている。
そして、急停止弁２５への油管には電磁弁２６が設けられ、電磁弁２６が励磁されると急停止弁２５の下側に油圧が作用するように構成されている。この電磁弁２６は通常運転時には励磁されており、急停止弁２５は上側へ持ち上げられているが、水車５の異常によって図示しない保護継電器などが動作すると、電磁弁２６の励磁が解かれ、バネの作用によって流路が切り換えられ、急停止弁２５が下方に最大変位する。そして、アーム２５ａがコネクティングロッド３ａおよびパイロットバルブ２３を下方に強制的に最大変位させるので、ガイドベーン６は閉鎖方向へ最大変位する。
【０００８】
また、例えば送電線への落雷等により瞬時に発電機８の負荷が遮断された場合、水車５のランナ７および発電機８の回転数は急速に上昇する。そして、この場合にも上述のようにガイドベーン６は閉鎖方向に最大変位することとなる。このようにガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖する場合、水車５に流れていた水流を急激に遮断することによって、水車５へ水を導く水圧鉄管などに水撃現象を生じることになる。このため、ガイドベーン操作装置にはガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖する直前に閉鎖速度を緩やかにする、つまりガイドベーン６を緩閉鎖させる機構が設けられている。
次にこのガイドベーン６の緩閉鎖について述べる。
主配圧弁２１とサーボモータ１の開側シリンダ室４ａとを接続する圧油流路の途中には緩閉鎖弁２７と逆止弁２８が並列に設けられており、この逆止弁２８は主配圧弁２１から開側シリンダ室４ａへの流れが自由になる向きで配置されている。すなわち、ガイドベーン６の開操作の際には、緩閉鎖弁２７をバイパスして主配圧弁２１から開側シリンダ室４ａへ圧油が自由に流入できるようになっている。
緩閉鎖弁２７は圧油タンク２０からの油圧によって動作する絞り弁である。そして、緩閉鎖弁２７を動作させる圧油を圧油タンク２０から供給する油管の途中には、緩閉鎖弁用配圧弁２９が設けられている。この緩閉鎖弁用配圧弁２９は、下部に設けられたカム４０が回転することによって弁体がバネ力に抗して押し上げられ、これにより圧油流路を開くように切り替わって緩閉鎖弁２７を動作させるものである。
【０００９】
そして、カム４０の回転中心はレターンシャフト４１となっており、レターンシャフト４１の他端には、２枚の扇形アーム４２ａ，４２ｂが略対向して設けられている。そして一方の扇形アーム４２ａにはワイヤ４３ａを介して重錘４４が取り付けられており、他方の扇形アーム４２ｂにも、ワイヤ４３ｂが取り付けられている。そして、このワイヤ４３ｂは複数のプーリ４５を介してサーボモータ１のピストンロッド３に取り付けられている。すなわち、重錘４４の作用により扇形アーム４２ｂのワイヤ４３ｂには常に張力が発生しており、サーボモータ１が動作してピストンロッド３が変位すると、その変位が扇形アーム４２ｂ，４２ａへとワイヤ４３ｂを介して伝えられレターンシャフト４１が回転してカム４０も回転する。
ここで、サーボモータ１のピストンロッド３はガイドベーン６とリンクしているので、ピストンロッド３の変位はガイドベーン６の実開度を示している。すなわち、ワイヤ４３ａ，４３ｂおよび扇形アーム４２ａ，４２ｂによってガイドベーン６の実開度はレターンシャフト４１およびカム４０の回転角度の情報となり、これによって緩閉鎖弁２７の動作が制御されている。つまり、図８に示したガイドベーン操作装置において、ガイドベーン６が閉鎖すると、油圧シリンダのピストンロッド３が図の左方向へ変位するが、ガイドベーン６の開度が予め定められたある開度になると、上述のワイヤ４３ｂ、扇形アーム４２ｂ、およびレターンシャフト４１等の作用によってカム４０が回転して緩閉鎖弁用配圧弁２９を切り換え、緩閉鎖弁２７が動作するようになっている。このとき、ガイドベーン６は閉動作中であるので、サーボモータ１の開側シリンダ室４ａ内の圧油が開側操作管３０ａを通って排出されているが、逆止弁２８の作用によりこの圧油は全てが緩閉鎖弁２７へ導かれてその流量を絞られる。従って油圧式ピストン２の動作は緩やかになり、ガイドベーン６が緩閉鎖する。よってこれらの作用により、サーボモータ１が最大変位でガイドベーン６を急閉鎖させた場合でも、ガイドベーンが全閉する手前で緩閉鎖させ、水車５へ水を導く水圧鉄管などに水撃現象が生じることを防いでいる。
【００１０】
以上述べたように、水車５の回転速度の制御は、電磁ピックアップ１１に検出された速度信号を機械的な変位に変換し、これを基に主配圧弁２１、コントロールピストン２２、パイロットバルブ２３等の各油圧切換弁を制御してサーボモータ１を動作させ、これによってガイドベーン６の開度を調整することで行われており、さらに緊急停止時にガイドベーン６を強制的に閉鎖させる急停止弁２５や、ガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖することを防ぐ緩閉鎖弁２７などを適切に制御することによって安全に水車５を運転できるように構成されている。
しかし、主配圧弁２１の制御を行う構成は非常に複雑な機構を用いているため価格が高価になる上、据付時の調整やオーバーホール時の再調整が煩雑であり長い時間を要することなどから、最近では、主配圧弁２１の制御機構を簡素化するために、電気的な制御を行うものが提案されつつある。
このようなガイドベーン操作装置について図９を用いて説明する。なお、図９において図８と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図９に示したガイドベーン操作装置は、図８におけるパイロットバルブ２３とコンバータ１３を省略し、電気−油圧サーボ弁である主配圧サーボ弁１５によってコントロールピストン２２を動作させ、図８で示したレターンアーム２４による復原動作に代わって、コントロールピストン２２の変位を差動トランス５０により検出し、この検出信号をレギュレータ１２に入力して電磁ピックアップ１１からの速度信号との比較演算を行い、主配圧サーボ弁１５を制御する信号を出力するように構成したものである。
【００１１】
主配圧サーボ弁１５は、圧油タンク２０からの圧油管と排油管が接続されており、レギュレータ１２からの信号に対応する圧油をコントロールピストン２２のコントロールピストン開側操作管２２ａへ送る。そして一方のコントロールピストン閉側操作管２２ｂも圧油タンク２０と接続されており、コントロールピストン２２はコントロールピストン開側操作管２２ａ内の圧油の発生する力とコントロールピストン閉側操作管２２ｂ内の圧油が発生する力とのバランスによってその変位が制御されている。
そして、コントロールピストン開側操作管２２ａの途中には、電磁弁である急停止弁１６が設けられている。この急停止弁１６は、緊急停止の際に励磁されることによってコントロールピストン開側操作管２２ａを排油管に接続して圧力を開放することで、コントロールピストン２２を下方へ最大変位させ、これによってガイドベーン６を急閉鎖するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、緩閉鎖弁２７の制御機構は依然としてワイヤ４３ａ，４３ｂやレターンシャフト４１、カム４０を使用した上述の構成が用いられており、このため緩閉鎖弁２７の制御機構については調整に長い時間を要するといった問題があった。
さらに、ワイヤ４３ａ，４３ｂには常に張力が発生しているが、水車５の運転中にはワイヤ４３ａ，４３ｂが振動を受けるため、最悪の場合ワイヤ４３ａ，４３ｂが切断されるなどの事態も起こる事が知られている。例えば特開平１−３０５１６６号公報には、ワイヤ４３ｂが切断された場合でも緩閉鎖弁２７を確実に作動させる技術が開示されているが、この技術によっても緩閉鎖弁２７の動作のためには依然カム機構やアーム機構は必要であり、日常の点検保守を十分に行う必要がある。
また、従来の緩閉鎖弁２７は緩閉鎖弁用配圧弁２９の切換えによって絞り作用が生じるだけで、その絞り量の制御などは不可能であったため、ガイドベーン６がさまざまな閉鎖モードで閉鎖する場合でもガイドベーン６が設定されたガイドベーン開度以下になると常に同じように緩閉鎖弁２７が動作するものであった。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、制御のための機構が簡素化でき、安価で調整に要する手間や時間が少なく、種々の運転モードに対しても柔軟な制御が可能なガイドベーン操作装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁および、前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置において、前記緩閉鎖弁は電気−油圧サーボ弁によって油圧制御される可変絞り弁であり、前記電気−油圧サーボ弁と前記緩閉鎖弁の間に前記緩閉鎖弁の開度を強制的に予め定められた開度に設定することができる緩閉鎖弁閉鎖弁と、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するガイドベーン開度検出手段と、前記緩閉鎖弁の実開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出する緩閉鎖弁開度検出手段と、前記ガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を送出するサーボ弁制御手段と、を備え、前記サーボ弁制御手段は、ガイドベーン開度と緩閉鎖弁閉鎖目標値の関数である緩閉鎖弁閉鎖目標値特性を格納した緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部と、入力されたガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁閉鎖目標値特性に基いて緩閉鎖弁閉鎖目標値を出力する緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部と、前記緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差に基いてサーボ弁制御信号を発生させるサーボ弁制御信号出力部を備えることを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置を提供する。
また、本発明においては、水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁および、前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置において、前記緩閉鎖弁は電気−油圧サーボ弁によって油圧制御される可変絞り弁であり、前記電気−油圧サーボ弁と前記緩閉鎖弁の間に前記緩閉鎖弁の開度を強制的に予め定められた開度に設定することができる緩閉鎖弁閉鎖弁と、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するガイドベーン開度検出手段と、前記緩閉鎖弁の実開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出する緩閉鎖弁開度検出手段と、前記ガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を送出するサーボ弁制御手段と、を備え、前記サーボ弁制御手段は、ガイドベーン閉鎖開始からの経過時間とガイドベーン開度予想値との関数であるガイドベーン閉鎖特性を基に、前記経過時間が入力されてこれに対応するガイドベーン開度予想値をガイドベーン閉鎖特性開度として出力するガイドベーン閉鎖特性記憶部と、ガイドベーン開度偏差閾値を格納するガイドベーン開度偏差閾値設定部と、前記ガイドベーン閉鎖特性開度と前記サーボ弁制御手段に入力されたガイドベーン実開度情報との偏差が前記ガイドベーン開度偏差閾値よりも大きいことを検出して停止時緩閉鎖制御異常を判定するガイドベーン開度偏差比較部を有することを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置を提供する。
また、本発明においては、油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁と、前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置を用いたガイドベーン操作方法において、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出し、前記緩閉鎖弁を前記ガイドベーン実開度情報に基づいて油圧制御して任意開度とし、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するとともに、緩閉鎖弁の開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出し、前記ガイドベーン実開度情報と前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を前記電気−油圧サーボ弁に送出し、前記サーボ弁制御信号は、予め定められた緩閉鎖弁閉鎖目標値特性およびガイドベーン実開度情報より求められた緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差に基づいて発せられることを特徴とする水力機械のガイドベーン操作方法を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水力機械のガイドベーン操作装置の概略模式図を示す。なお、図１において、図８および図９に示した従来のガイドベーン操作装置と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態においては、従来アーム機構やカム機構を用いてガイドベーンの開度を検出して制御していた緩閉鎖弁を、電気−油圧サーボ弁によって制御するような構成とした。
すなわち、図１において、緩閉鎖弁２７は、緩閉鎖制御弁１７の変位によってその開度が調整される可変絞り弁となっており、この緩閉鎖制御弁１７は、緩閉鎖弁２７と連結するピストンおよびこのピストンを収納するシリンダによって構成されている。
緩閉鎖制御弁１７のシリンダ内はピストンによって上側シリンダ室と下側シリンダ室に隔てられており、下側シリンダ室には緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａが接続され、上側シリンダ室には緩閉鎖制御弁閉側操作管１７ｂが接続されている。そして、この緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａは緩閉鎖弁閉鎖弁１９を介して電気−油圧サーボ弁である緩閉鎖サーボ弁１８に接続されており、緩閉鎖制御弁閉側操作管１７ｂは圧油タンク２０と連通するように接続されている。さらに、緩閉鎖サーボ弁１８には、圧油タンク２０からの油管が接続されるポートと排油管が接続される排油ポートが設けられている。さらに、信号線によってレギュレータ１２と接続されており、レギュレータ１２から制御信号を受けるようになっている。
【００１８】
また、ピストンロッド３には油圧式ピストン２の変位を検出する差動トランス５１が設けられ、同様に緩閉鎖制御弁１７にはピストンの変位を検出する差動トランス５２設けられている。そしてこれらの差動トランス５１，５２からの変位信号はレギュレータ１２に入力される。すなわち、差動トランス５１によって検出された変位信号に基きガイドベーン６の実開度情報が求められ、差動トランス５２によって検出された変位信号に基いて緩閉鎖弁７の実開度情報が求められる。
つまり、本実施の形態においては、レギュレータ１２が緩閉鎖サーボ弁１８の制御手段としても作用するように構成されている。そしてレギュレータ１２は、ガイドベーン６の実開度情報および緩閉鎖弁２７の実開度情報を演算し、この結果に基いて緩閉鎖サーボ弁１８に制御信号を出力する緩閉鎖弁制御部を有する。次に、この緩閉鎖弁制御部について、図２を参照して述べる。なお、図２においても、図１、図８および図９と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図２は図１として示した本実施の形態のレギュレータ１２内に設けられた緩閉鎖弁制御部のブロック図である。緩閉鎖弁制御部６０には緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２、加減算器７３、および緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４が設けられており、ガイドベーン開度検出手段６１にて検出されたガイドベーン実開度情報６３および緩閉鎖弁開度検出手段６２により検出された緩閉鎖弁実開度情報６４が入力され、緩閉鎖サーボ弁制御信号６５が出力される。ここで、本実施の形態におけるガイドベーン開度検出手段６１は図１の差動トランス５１およびこの差動トランス５１によって検出される変位信号を時間積分するなどの処理を行ってガイドベーン実開度情報６３を求めるレギュレータ１２内の部分であり、緩閉鎖弁開度検出手段６２は図１の差動トランス５２およびこの差動トランス５２によって検出される変位信号を時間積分するなどの処理を行って緩閉鎖弁実開度情報６４を求めるレギュレータ１２内の部分である。
【００１９】
緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１にはガイドベーン開度と緩閉鎖弁開度を対応付ける関数である緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７が格納されており、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２と接続されている。ガイドベーン実開度情報６３は、緩閉鎖弁閉鎖目標設定部７２へ入力され、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２は、入力されたガイドベーン実開度情報６３に基いて、緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１内の緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７を参照して緩閉鎖弁２７の開度目標値を緩閉鎖弁閉鎖目標値７５として出力する。出力された緩閉鎖弁閉鎖目標値７５は加減算器７３に入力される。加減算器７３では緩閉鎖弁閉鎖目標値７５と緩閉鎖弁実開度情報６４との偏差を求め、これに緩閉鎖弁２７や緩閉鎖制御弁１７に機構的に働く閉方向への力を相殺させるための補正値バイアスを加算して緩閉鎖弁制御量７６を求める。そしてこの緩閉鎖弁制御量７６は緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４へ入力される。緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４は、入力された緩閉鎖弁制御量７６に基いて緩閉鎖サーボ弁制御信号６５を出力する。
そしてこの緩閉鎖サーボ弁制御信号６５が図１におけるレギュレータ１２の緩閉鎖制御部からの制御信号として緩閉鎖サーボ弁１８へ出力され、緩閉鎖サーボ弁１８が動作し、緩閉鎖弁２７の開度が緩閉鎖弁閉鎖目標値７５に近づくように変位する。ここで、緩閉鎖弁２７の開度は、緩閉鎖弁開度検出手段６２によって緩閉鎖弁実開度情報６４として緩閉鎖弁制御部６０内にフィードバックされるので、これらの構成によって緩閉鎖弁２７は緩閉鎖弁実開度情報６４と緩閉鎖弁閉鎖目標値７５の偏差がなくなるように制御される。
【００２０】
次に再び図１を参照して、これらの制御による緩閉鎖サーボ弁１８および緩閉鎖弁２７の動作について述べる。
図１においてレギュレータ１２の緩閉鎖制御部からの制御信号が緩閉鎖サーボ弁１８に出力されると、緩閉鎖サーボ弁１８が変位する。これによって緩閉鎖サーボ弁１８に接続された圧油タンク２０からの油管と緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａとの間の圧油流路が切り換わり、緩閉鎖制御弁１７の下側シリンダ室内の油圧による力と緩閉鎖制御弁１７の上側シリンダ室内の油圧による力とのバランスによって緩閉鎖制御弁１７のピストンが変位し、このピストンに連結された緩閉鎖弁２７の開度が調節される。
また、緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａの途中に設けられた緩閉鎖弁閉鎖弁１９は、緩閉鎖弁２７の制御異常が生じた時などに緩閉鎖弁２７を強制的に作動させるための電磁弁であり、通常運転時は図１のように緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａを連通させている。そして、緩閉鎖弁２７の制御異常や、ガイドベーン６が所定の開度に達しても緩閉鎖弁２７が動作しないことなどが検出されると緩閉鎖弁閉鎖弁１９が励磁され、緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａを排油管に接続するように切り換える。緩閉鎖制御弁１７の上側シリンダ室には圧油タンク２０から圧油が供給されているので、この切り換えによって緩閉鎖制御弁１７の下側シリンダ室内の圧油は排油され、緩閉鎖制御弁１７は下側に最大変位する。従って緩閉鎖弁２７が作動し、ガイドベーン６が緩閉鎖する。
【００２１】
従って、本実施の形態を用いることで、従来カム機構やアーム機構を用いていた緩閉鎖弁２７の制御機構を大幅に簡略化することができ、小型化、低コスト化が図れるとともに、保守性が大幅に向上し、現地据付調整やオーバーホール時の再調整などに要する期間の短縮が図れる。また、緩閉鎖弁２７は可変絞り弁であり、その開度はレギュレータ１２からの制御信号によって制御されることとなり、ガイドベーン６が最大変位で閉鎖する場合だけでなく、様々な運転モードに対応して任意の絞り量で動作させることができ、複雑な緩閉鎖特性が必要な場合でも緩閉鎖弁２７を常にガイドベーン開度に応じた所定の開度となるように制御して適切な緩閉鎖特性を実現することができる。
さらに、本実施の形態は、図９に示した、主配圧弁２１の切り換え制御を主配圧サーボ弁１５によって行うものについても適用することができる。この場合を第１の実施の形態の変形例としてその概略模式図を図３に示す。なお、図３において、図１、図８、および図９と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図３に示したように、この変形例においては、主配圧サーボ弁１５によってコントロールピストン２２が制御され、これによって主配圧弁２１の切り換えおよび開度調整が行われるとともに、緩閉鎖サーボ弁１８によって緩閉鎖制御弁１７が制御され、これによって緩閉鎖弁２７の開度調整が行われるようになっている。
【００２２】
また、コントロールピストン２２、ピストンロッド３および緩閉鎖制御弁１７にはそれぞれこれらのピストンの変位を検出する差動トランス５０，５１，５２が取り付けられており、これらの差動トランス５０，５１，５２にて検出された信号がレギュレータ１２へと入力される構成となっている。
すなわち本変形例では、レギュレータ１２は、電磁ピックアップ１１が検出する速度信号やコントロールピストン２２に設けられた差動トランス５０の検出する変位信号等に基づいて主配圧サーボ弁１５へ制御信号を出力する主配圧弁制御部と、差動トランス５１の検出するピストンロッド３の変位によるガイドベーン６の実開度情報と差動トランス５２が検出する緩閉鎖制御弁１７の変位による緩閉鎖弁２７の実開度情報に基づいて緩閉鎖弁２７の開度を調整するための制御信号を緩閉鎖サーボ弁１８へと出力する緩閉鎖弁制御部とから構成されるものである。この場合、主配圧弁制御部からの主配圧サーボ弁への制御信号を、差動トランス５１の検出するピストンロッド３の変位によるガイドベーン実開度情報も参照して出力することも可能であり、この場合、差動トランス５１の検出するピストンロッド３の変位は主配圧弁制御部および緩閉鎖弁制御部の両方へ入力されることとなる。
【００２３】
このような構成とすることで、ガイドベーン操作装置から複雑な機構部をなくすことが可能であるので、調整や保守性の更なる向上を図ることができる。また例えば、主配圧弁２１と緩閉鎖弁２７を同一の胴殻内に設けることもできる。この場合、主配圧弁２１および緩閉鎖弁２７を近接して配置でき、これらの間を配管で接続する必要がないなど装置を更に小型化でき、低コストのガイドベーン操作装置を提供することが可能となる。
またこの変形例においては、主配圧弁２１および緩閉鎖弁２７はレギュレータ１２からの制御信号によって制御されることとなるので、主配圧弁制御部と緩閉鎖弁制御部とを協調動作させて主配圧サーボ弁１５および緩閉鎖サーボ弁１８へ制御信号を出力させることができる。
図４は、水車５の急停止時などにガイドベーン６を急閉鎖する場合の時間経過とガイドベーン開度の関係を示すグラフの一例である。この例におけるガイドベーン６の閉鎖パターンは、ガイドベーン６をまずある開度まで急閉鎖させ、一旦その開度を保った後に更に閉鎖して全閉させるものである。このような複雑な閉鎖パターンを採用する場合でも、本変形例では主配圧弁２１や緩閉鎖弁２７を機構部によって制御しないため、レギュレータ１２内の主配圧弁制御部と緩閉鎖弁制御部との簡単な電気的調整によってガイドベーン６の閉鎖パターンを設定することが可能となる。
【００２４】
また、緩閉鎖弁２７を全閉も可能な可変絞り弁とし、ガイドベーン６の閉鎖途中で緩閉鎖弁２７を全閉にすれば開側シリンダ室４ａから圧油が配圧弁２１に流れなくなり、ガイドベーン６の開度をその位置で保つことができる。従って、このようにすると緩閉鎖弁２７の制御のみによって図４の複雑な閉鎖パターンでガイドベーン６を閉鎖させることも可能である。
すなわち、本実施の形態およびその変形例を用いることで、緩閉鎖弁２７を常にガイドベーン開度に応じた所定の開度となるように制御して適切な緩閉鎖特性を実現することができる。
次に本発明の第２の実施の形態を図５を用いて説明する。なお、図５において、図２と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図５は、本実施の形態における緩閉鎖弁制御部のブロック図である。ここで、緩閉鎖弁制御部６０以外の構成は、図１および図３に示した第１の実施の形態と同様であるので、図面およびその詳細な説明を省略する。
図５に示すように本実施の形態は、緩閉鎖弁制御部６０内の緩閉鎖弁閉鎖目標特性値記憶部７１に、複数の緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…が格納されており、運転状態や運用モードに応じた緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…のうちの一つを任意に選択できるように構成したものである。
【００２５】
すなわち、緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１には切換器７８が設けられており、この切換器７８は運転状態や運用モードなどの条件の入力を受けて緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…のうちの一つを選択し、これを緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７として用いてガイドベーン実開度情報６３に対応する緩閉鎖弁閉鎖目標値７５を出力する。
ここで、切換器７８は、例えば可逆式の水力機械における「揚水運転」もしくは「発電運転」といった運転モードによって緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…を切り換えるようにすることができ、また、負荷遮断による急停止か、図１および図３に示した急停止弁２６，１６の動作による急停止かによって緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…を切り換える構成としてもよい。
また、緊急停止信号などによって作動する図示しないタイマーを設け、このタイマーによって切換器７８を動作させる構成としてもよい。このような構成とすると、ガイドベーン６をある開度まで急閉鎖し、その後一旦開いてから再び閉じるようなより複雑なガイドベーン閉鎖パターンを採用する場合でも、緩閉鎖弁２７を必要な時だけ動作させることができる。
【００２６】
さらに、ガイドベーンが開操作中であるか閉操作中であるかを切換器７８に入力して緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…の切り換えを行うようにすると、ガイドベーン開操作中には緩閉鎖弁２７を作動させずに、閉操作中だけ作動するようにすることができる。そしてこの構成を採用すると、ガイドベーン開操作中に圧油が緩閉鎖弁２７を通過するようにしてもその流量を絞られることはないので、図１および図３に示した、サーボモータ１の開側操作管３０ａの途中に緩閉鎖弁２７と並列に設けられた逆止弁２８を省略することができる。
したがって本実施の形態を用いると、第１の実施の形態で述べた効果の他に、水力機械の様々な運転モードや運用形態に応じて適切に緩閉鎖弁２７を作動させることが可能になる。
次に、本発明の第３の実施の形態を図６を用いて説明する。なお、図６において、図２および図５と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図６は、本実施の形態における緩閉鎖弁制御部のブロック図である。ここで、緩閉鎖弁制御部６０以外の構成は、図１および図３に示した第１の実施の形態と同様であるので、図面およびその詳細な説明を省略する。
【００２７】
図６に示すように本実施の形態は、緩閉鎖弁制御部６０内に、緩閉鎖弁閉鎖目標値７５と緩閉鎖弁実開度情報６３との偏差である緩閉鎖弁開度偏差８０を緩閉鎖弁開度偏差閾値設定部８１に予め設定された緩閉鎖弁開度偏差閾値８２と比較する緩閉鎖弁開度偏差比較部７９を設ける構成としたものである。
すなわち、本実施の形態においては、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２において設定された緩閉鎖弁閉鎖目標値７５は、加減算器７３ａに入力され、ここで緩閉鎖弁実開度情報６４との偏差である緩閉鎖弁開度偏差８０が求められる。ここで、この緩閉鎖弁開度偏差８０は加減算器７３ｂへ入力され、補正値バイアスが加算され緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４へ送られるとともに、緩閉鎖弁開度偏差比較部７９へも入力されるようになっている。緩閉鎖弁開度偏差比較部７９は、緩閉鎖弁開度偏差閾値設定部８１に予め設定された緩閉鎖弁開度偏差閾値８２を参照し、緩閉鎖弁開度偏差８０が緩閉鎖弁開度偏差閾値８２よりも大きい場合、タイマー８３ａを作動させる。そして、この状態が一定時間経過すると緩閉鎖弁制御異常と判定して緩閉鎖弁制御異常信号を発するとともに、図１および図３に示した緩閉鎖弁閉鎖弁１９を励磁して緩閉鎖弁２７を強制的に作動させる。
【００２８】
このように、本実施の形態を用いると、緩閉鎖弁２７の制御異常を確実に検出し外部に警報出力するとともに、緩閉鎖弁２７を強制的に作動させることができる。また、この警報を運転員への対応要請信号として表示することで、早期の不適合対応が可能となる。
次に、本発明の第４の実施の形態を図７を用いて説明する。なお、図７において、図２、図５および図６と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図７は、本実施の形態における緩閉鎖弁制御部のブロック図である。ここで、緩閉鎖弁制御部６０以外の構成は、図１および図３に示した第１の実施の形態と同様であるので、図面およびその詳細な説明を省略する。
図７に示すように本実施の形態は、緩閉鎖弁制御部６０内に、ガイドベーン閉鎖時のガイドベーン閉鎖開始からの経過時間が入力されると対応するガイドベーン開度予想値をガイドベーン閉鎖特性開度８４として出力するガイドベーン閉鎖特性記憶部８５と、このガイドベーン閉鎖特性開度８４とガイドベーン実開度情報６３との偏差であるガイドベーン開度偏差８６と予め定められたガイドベーン開度偏差閾値８７とを比較するガイドベーン開度偏差比較部８９を設けたものである。
【００２９】
すなわち、本実施の形態において、ガイドベーン閉鎖特性記憶部８５には、ガイドベーン閉鎖時のガイドベーン閉鎖開始からの経過時間とガイドベーン開度予想値との関数であるガイドベーン閉鎖特性が格納されている。そして、水車５が停止操作に入ると、その信号がガイドベーン閉鎖特性記憶部８５へ入力され、これによって図示しない内蔵タイマーを作動させ、水車５の停止操作開始からの経過時間を求める。そしてガイドベーン閉鎖特性記憶部８５は、この経過時間に対応するガイドベーン開度予想値をガイドベーン閉鎖特性を参照して求め、ガイドベーン閉鎖特性開度８４として出力し、加減算器９０へ入力する。
加減算器９０には、ガイドベーン実開度情報６３も入力されるようになっており、加減算器９０へガイドベーン閉鎖特性開度８４が入力されると、ガイドベーン実開度情報６３との偏差であるガイドベーン開度偏差８６が出力され、ガイドベーン開度偏差比較部８９へ入力される。ガイドベーン開度偏差比較部８９は、ガイドベーン開度偏差閾値設定部８７に予め設定されたガイドベーン開度偏差閾値８８を参照し、ガイドベーン開度偏差８６がガイドベーン開度偏差閾値８８より大きい場合にタイマー８３ｂを作動させる。そして、この状態が一定時間経過すると停止時緩閉鎖弁制御異常と判定する。
【００３０】
ここで、本実施の形態において、ガイドベーン閉鎖特性記憶部８５は、複数の運転モードに対応するガイドベーン閉鎖特性を格納するように構成することも可能である。また、ガイドベーン閉鎖特性として、全回の水車停止時のガイドベーン閉鎖特性を格納しておき、これとの比較によって停止時緩閉鎖弁制御異常を判定するようにもできる。
停止時緩閉鎖弁制御異常は予定されているガイドベーン６の緩閉鎖特性に対して実際のガイドベーン６の閉鎖特性が追従しないことを示しており、ガイドベーン６の緩閉鎖特性への追従性を確認できる。従って本実施の形態を用いると、例えば水車５の経年変化などによりガイドベーン６が初期の緩閉鎖特性を持たなくなった場合であっても異常を検出することができる。よって、水車５を通常停止操作時によって停止する場合でも、ガイドベーン６の緩閉鎖特性が緊急時に安全に水車５を停止できるものとなっているかを確認できるため、機器の信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、安価で調整に要する手間や時間が少なく、種々の運転モードに対しても柔軟な制御が可能であり、安全性の高いガイドベーン操作装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の概略模式図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図３】本発明の第１の実施の形態の変形例に係るガイドベーン操作装置の概略模式図
【図４】ガイドベーン急閉鎖時の経過時間とガイドベーン開度との関係を表すグラフ
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図８】従来のガイドベーン操作装置の概略模式図
【図９】従来のガイドベーン操作装置の概略模式図
【符号の説明】
１ サーボモータ
２ 油圧式ピストン
３ ピストンロッド
４ シリンダ
４ａ 開側シリンダ室
４ｂ 閉側シリンダ室
５ 水車
６ ガイドベーン
７ ランナ
８ 発電機
１１ 電磁ピックアップ
１２ レギュレータ
１３ コンバータ
１５ 主配圧サーボ弁
１６，２５ 急停止弁
１７ 緩閉鎖制御弁
１８ 緩閉鎖サーボ弁
１９ 緩閉鎖弁閉鎖弁
２０ 圧油タンク
２１ 主配圧弁
２２ コントロールピストン
２３ パイロットバルブ
２４ レターンアーム
２７ 緩閉鎖弁
２８ 逆止弁
２９ 緩閉鎖弁用配圧弁
４０ カム
４１ レターンシャフト
４２ａ，４２ｂ 扇型アーム
４３ａ，４３ｂ ワイヤ
４４ 重錘
４５ プーリ
５０，５１、５２ 差動トランス
６０ 緩閉鎖弁制御部
６１ ガイドベーン開度検出手段
６２ 緩閉鎖弁開度検出手段
６３ ガイドベーン実開度情報
６４ 緩閉鎖弁実開度情報
６５ 緩閉鎖サーボ弁制御信号
７１ 緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部
７２ 緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部
７３，９０ 加減算器
７４ 緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部
７５ 緩閉鎖弁閉鎖目標値
７６ 緩閉鎖弁制御量
７７ 緩閉鎖弁閉鎖目標値特性
７８ 切換器
７９ 緩閉鎖弁開度偏差比較部
８０ 緩閉鎖弁開度偏差
８１ 緩閉鎖弁開度偏差閾値設定部
８２ 緩閉鎖弁開度偏差閾値
８４ ガイドベーン閉鎖特性開度
８５ ガイドベーン閉鎖特性記憶部
８６ ガイドベーン開度偏差
８７ ガイドベーン開度偏差閾値設定部
８８ ガイドベーン開度偏差閾値
８９ ガイドベーン開度偏差比較部
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力機械のガイドベーンの開閉操作を行う水力機械のガイドベーン操作装置およびガイドベーン操作方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な水力機械においては、上池からの水がランナへ流入する入口部付近に複数のガイドベーンが設けられており、これらの開度を任意に調節することで水力機械の回転数を制御している。これらの複数のガイドベーンはそれぞれリンク機構によって接続されており、このリンク機構とつながるサーボモータを作動させることで、全てのガイドベーンが一斉に同じ開度に調節されるよう構成されている。サーボモータには大きく分けると油圧式および電動式の２種類があり、最近では、メンテナンス性等の利点が大きい電動式のサーボモータを小型の水力機械に対して適用する例も見られるが、大型の水力機械などにおいては通常油圧式サーボモータが用いられることが多い。
図８に従来の油圧式のサーボモータによるガイドベーンの操作装置の概略模式図を示す。
サーボモータ１は油圧式ピストン２とこれに接続されたピストンロッド３、および、これらを収納するシリンダ４からなり、シリンダ４内は油圧式ピストン２によって開側シリンダ室４ａ，閉側シリンダ室４ｂに仕切られている。そして、開側シリンダ室４ａおよび閉側シリンダ室４ｂ内の油圧を調整し、圧油の出し入れを行うことによって油圧式ピストン２およびピストンロッド３が直線運動を行う。そして油圧式ピストン２およびピストンロッド３は、水車５に設けられたガイドベーン６とリンク機構により接続されている。すなわち、サーボモータ１の油圧式ピストン２を動作させる（以下単に、「サーボモータ１を動作させる」とも言う）ことにより、ガイドベーン６の開度が調整され、水車５のランナ７およびこれと直結した発電機８の回転速度が調整される。ここで、図８においては、油圧式ピストン２とガイドベーン６の動作は、開側シリンダ室４ａに圧油が流入しシリンダ室閉側４ｂから圧油が排出される場合に油圧式ピストン２が図の右方向に動いてガイドベーン６が開動作し、閉側シリンダ室４ｂに圧油が流入し開側シリンダ室４ａから圧油が排出される場合は油圧式ピストン２が図の左方向に動いてガイドベーン６が閉動作するようになっている。
【０００３】
また、水車５には、ランナ７およびこれに直結した発電機８の回転数を速度信号として検出する速度検出手段として、回転軸に歯車１０が取り付けられ、電磁ピックアップ１１が歯車の回転数を電気信号として検出し、これを速度信号として出力している。
次に、サーボモータ１を動作させるために設けられた種々の油圧制御弁の動作について述べる。
圧油タンク２０には、高圧の油（以下、「圧油」と記す。）が貯められるとともに、この圧油の流路となる油管が接続されている。そして圧油は油管を通じて各油圧制御弁に導かれており、これらの油圧制御弁の切換によって最終的にサーボモータ１に圧油が供給されるよう構成されている。
サーボモータ１の開側シリンダ室４ａ、閉側シリンダ室４ｂには、圧油の出し入れを行うための油管である開側操作管３０ａ、閉側操作管３０ｂの一端がそれぞれ接続されている。そして、開側操作管３０ａおよび閉側操作管３０ｂの他端は主配圧弁２１に接続されている。主配圧弁２１には、圧油タンク２０より圧油が供給されるとともに、排油ポートが設けられており、圧油タンク２０からの圧油を開側操作管３０ａもしくは閉側操作管３０ｂへ供給するか、またはこれら全ての油管を閉塞させて開側シリンダ室４ａ、閉側シリンダ室４ｂ、および圧油タンク２０内の油圧を保持することができる。ここで、主配圧弁２１はスプール弁などの開度調整の可能な切換弁であるのが普通である。
【０００４】
主配圧弁２１の弁体にはコントロールピストン２２の一端が連結されており、主配圧弁２１の開度調整はコントロールピストン２２へ圧油を送ることによって行われる。そして、コントロールピストン２２へ送られる圧油の制御は、パイロットバルブ２３によって行う。すなわち、コントロールピストン２２のシリンダの両端にはコントロールピストン開側操作管２２ａおよびコントロールピストン閉側操作管２２ｂが取り付けられており、この２本の油管はパイロットバルブ２３へ接続される構成となっている。
ここで、パイロットバルブ２３も主配圧弁２１同様、スプール弁などの開度調整の可能な切換弁であり、パイロットバルブ２３の弁体と、各油管が接続されるポートとの隙間には、シートバルブ２３ａが挟まれている。このシートバルブ２３ａは変位することによって、各ポートの位置を上下させることに相当する作用を持つものであり、下部よりバネによって支持されている。さらに、コントロールピストン２２の他端にはコントロールピストン２２の変位に応じて動作するレターンアーム２４が取り付けられており、レターンアーム２４の一端は、パイロットパルブの上方に延伸され、前述したパイロットバルブ２３のシートバルブ２３ａを上方から押さえつけるように構成されている。
【０００５】
これらの、主配圧弁２１、コントロールピストン２２、パイロットバルブ２３、シートバルブ２３ａおよびレターンアーム２４の作用について以下に述べる。ガイドベーン６を開動作させる場合、開側シリンダ室４ａに圧油を送ればよいので、パイロットバルブ２３の弁体を上方に変位させて、コントロールピストン開側操作管２２ａからコントロールピストン２２へ圧油を送り、コントロールピストン２２とこれに連結された主配圧弁２１の弁体を上方に変位させればよい。このとき、コントロールピストン２２の変位に伴ってレターンアーム２４も上方に変位し、これによってシートバルブ２３ａも上方に変位する。シートバルブ２３ａの変位は、パイロットバルブ２３のポート位置を変位させることと同じ作用を有するため、シートバルブ２３ａが上方に変位するとパイロットバルブ２３は中正位置に戻される。これによってパイロットバルブ２３からコントロールピストン開側操作管２２ａへの圧油の流れが遮断され、コントロールピストン２２および主配圧弁２１は、そのときの開度で停止する。そして、このような作用によってガイドベーン６は必要量だけ変位し、その開度を保つことができるようになっている。つまり、レターンアーム２４の動作は、パイロットバルブ２３の弁体とシートバルブ２３ａの関係を中正位置に戻す復原運動を行わせるものであり、この復原量によってコントロールピストン２２の動作量が決定される。
【０００６】
上述したように、ランナ７および発電機８の回転数を調整するためのガイドベーン６の開度は、油圧によって制御されるが、最終的な制御対象である回転数は電気信号として検出されるので、この電気信号を油圧の信号に変換する必要が生じる。そして、前述の電磁ピックアップ１１によって検出された速度信号を機械的な変位に変換する装置がコンバータ１３である。次にコンバータ１３の作用について述べる。
電磁ピックアップ１１によって検出された速度信号は、レギュレータ１２に入力される。レギュレータ１２は、入力された速度信号とランナ７および発電機８の定格回転数との偏差を比較演算し、この偏差量に相応するアナログ信号をコンバータ１３に出力する。
コンバータ１３内には、図示しないが永久磁石とこの永久磁石による磁場の中に制御コイルが設けられており、制御コイルはコネクティングロッド１３ａに接続されている。そしてレギュレータ１２からのアナログ信号は電流として制御コイルに流されることでコンバータスプリング１３ｂからの反力とのバランスが崩れて、コネクティングロッド１３ａが変位する。そして、コネクティングロッド１３ａはパイロットバルブ２３の弁体と接続されており、パイロットバルブ２３は、コンバータ１３が発生する機械的な変位によって操作される。
【０００７】
また、これらのガイドベーン操作装置にはこれら以外に種々の安全装置などが設けられており、水力機械に異常が生じた際にも安全に停止ができるように構成されている。
急停止弁２５は水車５のランナ７を緊急に停止させる際にガイドベーン６を強制的に閉鎖するための弁である。急停止弁２５には弁体の変位に応じて変位するアーム２５ａが設けられており、このアーム２５ａはコネクティングロッド１３ａを上側から押さえつけられるように取り付けられている。すなわち、アーム２５ａは急停止弁２５が上方に位置している場合はコネクティングロッド１３ａの変位を拘束しないが、急停止弁２５が下側に最大変位した場合にコネクティングロッド１３ａおよびパイロットバルブ２３を強制的に下方に押さえつけるようになっている。
そして、急停止弁２５への油管には電磁弁２６が設けられ、電磁弁２６が励磁されると急停止弁２５の下側に油圧が作用するように構成されている。この電磁弁２６は通常運転時には励磁されており、急停止弁２５は上側へ持ち上げられているが、水車５の異常によって図示しない保護継電器などが動作すると、電磁弁２６の励磁が解かれ、バネの作用によって流路が切り換えられ、急停止弁２５が下方に最大変位する。そして、アーム２５ａがコネクティングロッド３ａおよびパイロットバルブ２３を下方に強制的に最大変位させるので、ガイドベーン６は閉鎖方向へ最大変位する。
【０００８】
また、例えば送電線への落雷等により瞬時に発電機８の負荷が遮断された場合、水車５のランナ７および発電機８の回転数は急速に上昇する。そして、この場合にも上述のようにガイドベーン６は閉鎖方向に最大変位することとなる。このようにガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖する場合、水車５に流れていた水流を急激に遮断することによって、水車５へ水を導く水圧鉄管などに水撃現象を生じることになる。このため、ガイドベーン操作装置にはガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖する直前に閉鎖速度を緩やかにする、つまりガイドベーン６を緩閉鎖させる機構が設けられている。
次にこのガイドベーン６の緩閉鎖について述べる。
主配圧弁２１とサーボモータ１の開側シリンダ室４ａとを接続する圧油流路の途中には緩閉鎖弁２７と逆止弁２８が並列に設けられており、この逆止弁２８は主配圧弁２１から開側シリンダ室４ａへの流れが自由になる向きで配置されている。すなわち、ガイドベーン６の開操作の際には、緩閉鎖弁２７をバイパスして主配圧弁２１から開側シリンダ室４ａへ圧油が自由に流入できるようになっている。
緩閉鎖弁２７は圧油タンク２０からの油圧によって動作する絞り弁である。そして、緩閉鎖弁２７を動作させる圧油を圧油タンク２０から供給する油管の途中には、緩閉鎖弁用配圧弁２９が設けられている。この緩閉鎖弁用配圧弁２９は、下部に設けられたカム４０が回転することによって弁体がバネ力に抗して押し上げられ、これにより圧油流路を開くように切り替わって緩閉鎖弁２７を動作させるものである。
【０００９】
そして、カム４０の回転中心はレターンシャフト４１となっており、レターンシャフト４１の他端には、２枚の扇形アーム４２ａ，４２ｂが略対向して設けられている。そして一方の扇形アーム４２ａにはワイヤ４３ａを介して重錘４４が取り付けられており、他方の扇形アーム４２ｂにも、ワイヤ４３ｂが取り付けられている。そして、このワイヤ４３ｂは複数のプーリ４５を介してサーボモータ１のピストンロッド３に取り付けられている。すなわち、重錘４４の作用により扇形アーム４２ｂのワイヤ４３ｂには常に張力が発生しており、サーボモータ１が動作してピストンロッド３が変位すると、その変位が扇形アーム４２ｂ，４２ａへとワイヤ４３ｂを介して伝えられレターンシャフト４１が回転してカム４０も回転する。
ここで、サーボモータ１のピストンロッド３はガイドベーン６とリンクしているので、ピストンロッド３の変位はガイドベーン６の実開度を示している。すなわち、ワイヤ４３ａ，４３ｂおよび扇形アーム４２ａ，４２ｂによってガイドベーン６の実開度はレターンシャフト４１およびカム４０の回転角度の情報となり、これによって緩閉鎖弁２７の動作が制御されている。つまり、図８に示したガイドベーン操作装置において、ガイドベーン６が閉鎖すると、油圧シリンダのピストンロッド３が図の左方向へ変位するが、ガイドベーン６の開度が予め定められたある開度になると、上述のワイヤ４３ｂ、扇形アーム４２ｂ、およびレターンシャフト４１等の作用によってカム４０が回転して緩閉鎖弁用配圧弁２９を切り換え、緩閉鎖弁２７が動作するようになっている。このとき、ガイドベーン６は閉動作中であるので、サーボモータ１の開側シリンダ室４ａ内の圧油が開側操作管３０ａを通って排出されているが、逆止弁２８の作用によりこの圧油は全てが緩閉鎖弁２７へ導かれてその流量を絞られる。従って油圧式ピストン２の動作は緩やかになり、ガイドベーン６が緩閉鎖する。よってこれらの作用により、サーボモータ１が最大変位でガイドベーン６を急閉鎖させた場合でも、ガイドベーンが全閉する手前で緩閉鎖させ、水車５へ水を導く水圧鉄管などに水撃現象が生じることを防いでいる。
【００１０】
以上述べたように、水車５の回転速度の制御は、電磁ピックアップ１１に検出された速度信号を機械的な変位に変換し、これを基に主配圧弁２１、コントロールピストン２２、パイロットバルブ２３等の各油圧切換弁を制御してサーボモータ１を動作させ、これによってガイドベーン６の開度を調整することで行われており、さらに緊急停止時にガイドベーン６を強制的に閉鎖させる急停止弁２５や、ガイドベーン６が最大変位で完全に閉鎖することを防ぐ緩閉鎖弁２７などを適切に制御することによって安全に水車５を運転できるように構成されている。
しかし、主配圧弁２１の制御を行う構成は非常に複雑な機構を用いているため価格が高価になる上、据付時の調整やオーバーホール時の再調整が煩雑であり長い時間を要することなどから、最近では、主配圧弁２１の制御機構を簡素化するために、電気的な制御を行うものが提案されつつある。
このようなガイドベーン操作装置について図９を用いて説明する。なお、図９において図８と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図９に示したガイドベーン操作装置は、図８におけるパイロットバルブ２３とコンバータ１３を省略し、電気−油圧サーボ弁である主配圧サーボ弁１５によってコントロールピストン２２を動作させ、図８で示したレターンアーム２４による復原動作に代わって、コントロールピストン２２の変位を差動トランス５０により検出し、この検出信号をレギュレータ１２に入力して電磁ピックアップ１１からの速度信号との比較演算を行い、主配圧サーボ弁１５を制御する信号を出力するように構成したものである。
【００１１】
主配圧サーボ弁１５は、圧油タンク２０からの圧油管と排油管が接続されており、レギュレータ１２からの信号に対応する圧油をコントロールピストン２２のコントロールピストン開側操作管２２ａへ送る。そして一方のコントロールピストン閉側操作管２２ｂも圧油タンク２０と接続されており、コントロールピストン２２はコントロールピストン開側操作管２２ａ内の圧油の発生する力とコントロールピストン閉側操作管２２ｂ内の圧油が発生する力とのバランスによってその変位が制御されている。
そして、コントロールピストン開側操作管２２ａの途中には、電磁弁である急停止弁１６が設けられている。この急停止弁１６は、緊急停止の際に励磁されることによってコントロールピストン開側操作管２２ａを排油管に接続して圧力を開放することで、コントロールピストン２２を下方へ最大変位させ、これによってガイドベーン６を急閉鎖するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、緩閉鎖弁２７の制御機構は依然としてワイヤ４３ａ，４３ｂやレターンシャフト４１、カム４０を使用した上述の構成が用いられており、このため緩閉鎖弁２７の制御機構については調整に長い時間を要するといった問題があった。
さらに、ワイヤ４３ａ，４３ｂには常に張力が発生しているが、水車５の運転中にはワイヤ４３ａ，４３ｂが振動を受けるため、最悪の場合ワイヤ４３ａ，４３ｂが切断されるなどの事態も起こる事が知られている。例えば特開平１−３０５１６６号公報には、ワイヤ４３ｂが切断された場合でも緩閉鎖弁２７を確実に作動させる技術が開示されているが、この技術によっても緩閉鎖弁２７の動作のためには依然カム機構やアーム機構は必要であり、日常の点検保守を十分に行う必要がある。
また、従来の緩閉鎖弁２７は緩閉鎖弁用配圧弁２９の切換えによって絞り作用が生じるだけで、その絞り量の制御などは不可能であったため、ガイドベーン６がさまざまな閉鎖モードで閉鎖する場合でもガイドベーン６が設定されたガイドベーン開度以下になると常に同じように緩閉鎖弁２７が動作するものであった。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、制御のための機構が簡素化でき、安価で調整に要する手間や時間が少なく、種々の運転モードに対しても柔軟な制御が可能なガイドベーン操作装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁および、前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置において、前記緩閉鎖弁は電気−油圧サーボ弁によって油圧制御される可変絞り弁であり、前記電気−油圧サーボ弁と前記緩閉鎖弁の間に前記緩閉鎖弁の開度を強制的に予め定められた開度に設定することができる緩閉鎖弁閉鎖弁と、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するガイドベーン開度検出手段と、前記緩閉鎖弁の実開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出する緩閉鎖弁開度検出手段と、前記ガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を送出するサーボ弁制御手段と、を備え、前記サーボ弁制御手段は、ガイドベーン開度と緩閉鎖弁閉鎖目標値の関数である緩閉鎖弁閉鎖目標値特性を格納した緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部と、入力されたガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁閉鎖目標値特性に基いて緩閉鎖弁閉鎖目標値を出力する緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部と、前記緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差に基いてサーボ弁制御信号を発生させるサーボ弁制御信号出力部を備えることを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置を提供する。
また、本発明においては、水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁および、前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置において、前記緩閉鎖弁は電気−油圧サーボ弁によって油圧制御される可変絞り弁であり、前記電気−油圧サーボ弁と前記緩閉鎖弁の間に前記緩閉鎖弁の開度を強制的に予め定められた開度に設定することができる緩閉鎖弁閉鎖弁と、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するガイドベーン開度検出手段と、前記緩閉鎖弁の実開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出する緩閉鎖弁開度検出手段と、前記ガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を送出するサーボ弁制御手段と、を備え、前記サーボ弁制御手段は、ガイドベーン閉鎖開始からの経過時間とガイドベーン開度予想値との関数であるガイドベーン閉鎖特性を基に、前記経過時間が入力されてこれに対応するガイドベーン開度予想値をガイドベーン閉鎖特性開度として出力するガイドベーン閉鎖特性記憶部と、ガイドベーン開度偏差閾値を格納するガイドベーン開度偏差閾値設定部と、前記ガイドベーン閉鎖特性開度と前記サーボ弁制御手段に入力されたガイドベーン実開度情報との偏差が前記ガイドベーン開度偏差閾値よりも大きいことを検出して停止時緩閉鎖制御異常を判定するガイドベーン開度偏差比較部を有することを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置を提供する。
また、本発明においては、油圧式ピストンを有するサーボモータと、前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁と、前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置を用いたガイドベーン操作方法において、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出し、前記緩閉鎖弁を前記ガイドベーン実開度情報に基づいて油圧制御して任意開度とし、前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するとともに、緩閉鎖弁の開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出し、前記ガイドベーン実開度情報と前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を前記電気−油圧サーボ弁に送出し、前記サーボ弁制御信号は、予め定められた緩閉鎖弁閉鎖目標値特性およびガイドベーン実開度情報より求められた緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差に基づいて発せられることを特徴とする水力機械のガイドベーン操作方法を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水力機械のガイドベーン操作装置の概略模式図を示す。なお、図１において、図８および図９に示した従来のガイドベーン操作装置と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態においては、従来アーム機構やカム機構を用いてガイドベーンの開度を検出して制御していた緩閉鎖弁を、電気−油圧サーボ弁によって制御するような構成とした。
すなわち、図１において、緩閉鎖弁２７は、緩閉鎖制御弁１７の変位によってその開度が調整される可変絞り弁となっており、この緩閉鎖制御弁１７は、緩閉鎖弁２７と連結するピストンおよびこのピストンを収納するシリンダによって構成されている。
緩閉鎖制御弁１７のシリンダ内はピストンによって上側シリンダ室と下側シリンダ室に隔てられており、下側シリンダ室には緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａが接続され、上側シリンダ室には緩閉鎖制御弁閉側操作管１７ｂが接続されている。そして、この緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａは緩閉鎖弁閉鎖弁１９を介して電気−油圧サーボ弁である緩閉鎖サーボ弁１８に接続されており、緩閉鎖制御弁閉側操作管１７ｂは圧油タンク２０と連通するように接続されている。さらに、緩閉鎖サーボ弁１８には、圧油タンク２０からの油管が接続されるポートと排油管が接続される排油ポートが設けられている。さらに、信号線によってレギュレータ１２と接続されており、レギュレータ１２から制御信号を受けるようになっている。
【００１８】
また、ピストンロッド３には油圧式ピストン２の変位を検出する差動トランス５１が設けられ、同様に緩閉鎖制御弁１７にはピストンの変位を検出する差動トランス５２設けられている。そしてこれらの差動トランス５１，５２からの変位信号はレギュレータ１２に入力される。すなわち、差動トランス５１によって検出された変位信号に基きガイドベーン６の実開度情報が求められ、差動トランス５２によって検出された変位信号に基いて緩閉鎖弁７の実開度情報が求められる。
つまり、本実施の形態においては、レギュレータ１２が緩閉鎖サーボ弁１８の制御手段としても作用するように構成されている。そしてレギュレータ１２は、ガイドベーン６の実開度情報および緩閉鎖弁２７の実開度情報を演算し、この結果に基いて緩閉鎖サーボ弁１８に制御信号を出力する緩閉鎖弁制御部を有する。次に、この緩閉鎖弁制御部について、図２を参照して述べる。なお、図２においても、図１、図８および図９と同一の構成について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図２は図１として示した本実施の形態のレギュレータ１２内に設けられた緩閉鎖弁制御部のブロック図である。緩閉鎖弁制御部６０には緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２、加減算器７３、および緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４が設けられており、ガイドベーン開度検出手段６１にて検出されたガイドベーン実開度情報６３および緩閉鎖弁開度検出手段６２により検出された緩閉鎖弁実開度情報６４が入力され、緩閉鎖サーボ弁制御信号６５が出力される。ここで、本実施の形態におけるガイドベーン開度検出手段６１は図１の差動トランス５１およびこの差動トランス５１によって検出される変位信号を時間積分するなどの処理を行ってガイドベーン実開度情報６３を求めるレギュレータ１２内の部分であり、緩閉鎖弁開度検出手段６２は図１の差動トランス５２およびこの差動トランス５２によって検出される変位信号を時間積分するなどの処理を行って緩閉鎖弁実開度情報６４を求めるレギュレータ１２内の部分である。
【００１９】
緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１にはガイドベーン開度と緩閉鎖弁開度を対応付ける関数である緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７が格納されており、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２と接続されている。ガイドベーン実開度情報６３は、緩閉鎖弁閉鎖目標設定部７２へ入力され、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２は、入力されたガイドベーン実開度情報６３に基いて、緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１内の緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７を参照して緩閉鎖弁２７の開度目標値を緩閉鎖弁閉鎖目標値７５として出力する。出力された緩閉鎖弁閉鎖目標値７５は加減算器７３に入力される。加減算器７３では緩閉鎖弁閉鎖目標値７５と緩閉鎖弁実開度情報６４との偏差を求め、これに緩閉鎖弁２７や緩閉鎖制御弁１７に機構的に働く閉方向への力を相殺させるための補正値バイアスを加算して緩閉鎖弁制御量７６を求める。そしてこの緩閉鎖弁制御量７６は緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４へ入力される。緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４は、入力された緩閉鎖弁制御量７６に基いて緩閉鎖サーボ弁制御信号６５を出力する。
そしてこの緩閉鎖サーボ弁制御信号６５が図１におけるレギュレータ１２の緩閉鎖制御部からの制御信号として緩閉鎖サーボ弁１８へ出力され、緩閉鎖サーボ弁１８が動作し、緩閉鎖弁２７の開度が緩閉鎖弁閉鎖目標値７５に近づくように変位する。ここで、緩閉鎖弁２７の開度は、緩閉鎖弁開度検出手段６２によって緩閉鎖弁実開度情報６４として緩閉鎖弁制御部６０内にフィードバックされるので、これらの構成によって緩閉鎖弁２７は緩閉鎖弁実開度情報６４と緩閉鎖弁閉鎖目標値７５の偏差がなくなるように制御される。
【００２０】
次に再び図１を参照して、これらの制御による緩閉鎖サーボ弁１８および緩閉鎖弁２７の動作について述べる。
図１においてレギュレータ１２の緩閉鎖制御部からの制御信号が緩閉鎖サーボ弁１８に出力されると、緩閉鎖サーボ弁１８が変位する。これによって緩閉鎖サーボ弁１８に接続された圧油タンク２０からの油管と緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａとの間の圧油流路が切り換わり、緩閉鎖制御弁１７の下側シリンダ室内の油圧による力と緩閉鎖制御弁１７の上側シリンダ室内の油圧による力とのバランスによって緩閉鎖制御弁１７のピストンが変位し、このピストンに連結された緩閉鎖弁２７の開度が調節される。
また、緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａの途中に設けられた緩閉鎖弁閉鎖弁１９は、緩閉鎖弁２７の制御異常が生じた時などに緩閉鎖弁２７を強制的に作動させるための電磁弁であり、通常運転時は図１のように緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａを連通させている。そして、緩閉鎖弁２７の制御異常や、ガイドベーン６が所定の開度に達しても緩閉鎖弁２７が動作しないことなどが検出されると緩閉鎖弁閉鎖弁１９が励磁され、緩閉鎖制御弁開側操作管１７ａを排油管に接続するように切り換える。緩閉鎖制御弁１７の上側シリンダ室には圧油タンク２０から圧油が供給されているので、この切り換えによって緩閉鎖制御弁１７の下側シリンダ室内の圧油は排油され、緩閉鎖制御弁１７は下側に最大変位する。従って緩閉鎖弁２７が作動し、ガイドベーン６が緩閉鎖する。
【００２１】
従って、本実施の形態を用いることで、従来カム機構やアーム機構を用いていた緩閉鎖弁２７の制御機構を大幅に簡略化することができ、小型化、低コスト化が図れるとともに、保守性が大幅に向上し、現地据付調整やオーバーホール時の再調整などに要する期間の短縮が図れる。また、緩閉鎖弁２７は可変絞り弁であり、その開度はレギュレータ１２からの制御信号によって制御されることとなり、ガイドベーン６が最大変位で閉鎖する場合だけでなく、様々な運転モードに対応して任意の絞り量で動作させることができ、複雑な緩閉鎖特性が必要な場合でも緩閉鎖弁２７を常にガイドベーン開度に応じた所定の開度となるように制御して適切な緩閉鎖特性を実現することができる。
さらに、本実施の形態は、図９に示した、主配圧弁２１の切り換え制御を主配圧サーボ弁１５によって行うものについても適用することができる。この場合を第１の実施の形態の変形例としてその概略模式図を図３に示す。なお、図３において、図１、図８、および図９と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図３に示したように、この変形例においては、主配圧サーボ弁１５によってコントロールピストン２２が制御され、これによって主配圧弁２１の切り換えおよび開度調整が行われるとともに、緩閉鎖サーボ弁１８によって緩閉鎖制御弁１７が制御され、これによって緩閉鎖弁２７の開度調整が行われるようになっている。
【００２２】
また、コントロールピストン２２、ピストンロッド３および緩閉鎖制御弁１７にはそれぞれこれらのピストンの変位を検出する差動トランス５０，５１，５２が取り付けられており、これらの差動トランス５０，５１，５２にて検出された信号がレギュレータ１２へと入力される構成となっている。
すなわち本変形例では、レギュレータ１２は、電磁ピックアップ１１が検出する速度信号やコントロールピストン２２に設けられた差動トランス５０の検出する変位信号等に基づいて主配圧サーボ弁１５へ制御信号を出力する主配圧弁制御部と、差動トランス５１の検出するピストンロッド３の変位によるガイドベーン６の実開度情報と差動トランス５２が検出する緩閉鎖制御弁１７の変位による緩閉鎖弁２７の実開度情報に基づいて緩閉鎖弁２７の開度を調整するための制御信号を緩閉鎖サーボ弁１８へと出力する緩閉鎖弁制御部とから構成されるものである。この場合、主配圧弁制御部からの主配圧サーボ弁への制御信号を、差動トランス５１の検出するピストンロッド３の変位によるガイドベーン実開度情報も参照して出力することも可能であり、この場合、差動トランス５１の検出するピストンロッド３の変位は主配圧弁制御部および緩閉鎖弁制御部の両方へ入力されることとなる。
【００２３】
このような構成とすることで、ガイドベーン操作装置から複雑な機構部をなくすことが可能であるので、調整や保守性の更なる向上を図ることができる。また例えば、主配圧弁２１と緩閉鎖弁２７を同一の胴殻内に設けることもできる。この場合、主配圧弁２１および緩閉鎖弁２７を近接して配置でき、これらの間を配管で接続する必要がないなど装置を更に小型化でき、低コストのガイドベーン操作装置を提供することが可能となる。
またこの変形例においては、主配圧弁２１および緩閉鎖弁２７はレギュレータ１２からの制御信号によって制御されることとなるので、主配圧弁制御部と緩閉鎖弁制御部とを協調動作させて主配圧サーボ弁１５および緩閉鎖サーボ弁１８へ制御信号を出力させることができる。
図４は、水車５の急停止時などにガイドベーン６を急閉鎖する場合の時間経過とガイドベーン開度の関係を示すグラフの一例である。この例におけるガイドベーン６の閉鎖パターンは、ガイドベーン６をまずある開度まで急閉鎖させ、一旦その開度を保った後に更に閉鎖して全閉させるものである。このような複雑な閉鎖パターンを採用する場合でも、本変形例では主配圧弁２１や緩閉鎖弁２７を機構部によって制御しないため、レギュレータ１２内の主配圧弁制御部と緩閉鎖弁制御部との簡単な電気的調整によってガイドベーン６の閉鎖パターンを設定することが可能となる。
【００２４】
また、緩閉鎖弁２７を全閉も可能な可変絞り弁とし、ガイドベーン６の閉鎖途中で緩閉鎖弁２７を全閉にすれば開側シリンダ室４ａから圧油が配圧弁２１に流れなくなり、ガイドベーン６の開度をその位置で保つことができる。従って、このようにすると緩閉鎖弁２７の制御のみによって図４の複雑な閉鎖パターンでガイドベーン６を閉鎖させることも可能である。
すなわち、本実施の形態およびその変形例を用いることで、緩閉鎖弁２７を常にガイドベーン開度に応じた所定の開度となるように制御して適切な緩閉鎖特性を実現することができる。
次に本発明の第２の実施の形態を図５を用いて説明する。なお、図５において、図２と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図５は、本実施の形態における緩閉鎖弁制御部のブロック図である。ここで、緩閉鎖弁制御部６０以外の構成は、図１および図３に示した第１の実施の形態と同様であるので、図面およびその詳細な説明を省略する。
図５に示すように本実施の形態は、緩閉鎖弁制御部６０内の緩閉鎖弁閉鎖目標特性値記憶部７１に、複数の緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…が格納されており、運転状態や運用モードに応じた緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…のうちの一つを任意に選択できるように構成したものである。
【００２５】
すなわち、緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部７１には切換器７８が設けられており、この切換器７８は運転状態や運用モードなどの条件の入力を受けて緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…のうちの一つを選択し、これを緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７として用いてガイドベーン実開度情報６３に対応する緩閉鎖弁閉鎖目標値７５を出力する。
ここで、切換器７８は、例えば可逆式の水力機械における「揚水運転」もしくは「発電運転」といった運転モードによって緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…を切り換えるようにすることができ、また、負荷遮断による急停止か、図１および図３に示した急停止弁２６，１６の動作による急停止かによって緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…を切り換える構成としてもよい。
また、緊急停止信号などによって作動する図示しないタイマーを設け、このタイマーによって切換器７８を動作させる構成としてもよい。このような構成とすると、ガイドベーン６をある開度まで急閉鎖し、その後一旦開いてから再び閉じるようなより複雑なガイドベーン閉鎖パターンを採用する場合でも、緩閉鎖弁２７を必要な時だけ動作させることができる。
【００２６】
さらに、ガイドベーンが開操作中であるか閉操作中であるかを切換器７８に入力して緩閉鎖弁閉鎖目標値特性７７ａ，７７ｂ，…の切り換えを行うようにすると、ガイドベーン開操作中には緩閉鎖弁２７を作動させずに、閉操作中だけ作動するようにすることができる。そしてこの構成を採用すると、ガイドベーン開操作中に圧油が緩閉鎖弁２７を通過するようにしてもその流量を絞られることはないので、図１および図３に示した、サーボモータ１の開側操作管３０ａの途中に緩閉鎖弁２７と並列に設けられた逆止弁２８を省略することができる。
したがって本実施の形態を用いると、第１の実施の形態で述べた効果の他に、水力機械の様々な運転モードや運用形態に応じて適切に緩閉鎖弁２７を作動させることが可能になる。
次に、本発明の第３の実施の形態を図６を用いて説明する。なお、図６において、図２および図５と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図６は、本実施の形態における緩閉鎖弁制御部のブロック図である。ここで、緩閉鎖弁制御部６０以外の構成は、図１および図３に示した第１の実施の形態と同様であるので、図面およびその詳細な説明を省略する。
【００２７】
図６に示すように本実施の形態は、緩閉鎖弁制御部６０内に、緩閉鎖弁閉鎖目標値７５と緩閉鎖弁実開度情報６３との偏差である緩閉鎖弁開度偏差８０を緩閉鎖弁開度偏差閾値設定部８１に予め設定された緩閉鎖弁開度偏差閾値８２と比較する緩閉鎖弁開度偏差比較部７９を設ける構成としたものである。
すなわち、本実施の形態においては、緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部７２において設定された緩閉鎖弁閉鎖目標値７５は、加減算器７３ａに入力され、ここで緩閉鎖弁実開度情報６４との偏差である緩閉鎖弁開度偏差８０が求められる。ここで、この緩閉鎖弁開度偏差８０は加減算器７３ｂへ入力され、補正値バイアスが加算され緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部７４へ送られるとともに、緩閉鎖弁開度偏差比較部７９へも入力されるようになっている。緩閉鎖弁開度偏差比較部７９は、緩閉鎖弁開度偏差閾値設定部８１に予め設定された緩閉鎖弁開度偏差閾値８２を参照し、緩閉鎖弁開度偏差８０が緩閉鎖弁開度偏差閾値８２よりも大きい場合、タイマー８３ａを作動させる。そして、この状態が一定時間経過すると緩閉鎖弁制御異常と判定して緩閉鎖弁制御異常信号を発するとともに、図１および図３に示した緩閉鎖弁閉鎖弁１９を励磁して緩閉鎖弁２７を強制的に作動させる。
【００２８】
このように、本実施の形態を用いると、緩閉鎖弁２７の制御異常を確実に検出し外部に警報出力するとともに、緩閉鎖弁２７を強制的に作動させることができる。また、この警報を運転員への対応要請信号として表示することで、早期の不適合対応が可能となる。
次に、本発明の第４の実施の形態を図７を用いて説明する。なお、図７において、図２、図５および図６と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図７は、本実施の形態における緩閉鎖弁制御部のブロック図である。ここで、緩閉鎖弁制御部６０以外の構成は、図１および図３に示した第１の実施の形態と同様であるので、図面およびその詳細な説明を省略する。
図７に示すように本実施の形態は、緩閉鎖弁制御部６０内に、ガイドベーン閉鎖時のガイドベーン閉鎖開始からの経過時間が入力されると対応するガイドベーン開度予想値をガイドベーン閉鎖特性開度８４として出力するガイドベーン閉鎖特性記憶部８５と、このガイドベーン閉鎖特性開度８４とガイドベーン実開度情報６３との偏差であるガイドベーン開度偏差８６と予め定められたガイドベーン開度偏差閾値８７とを比較するガイドベーン開度偏差比較部８９を設けたものである。
【００２９】
すなわち、本実施の形態において、ガイドベーン閉鎖特性記憶部８５には、ガイドベーン閉鎖時のガイドベーン閉鎖開始からの経過時間とガイドベーン開度予想値との関数であるガイドベーン閉鎖特性が格納されている。そして、水車５が停止操作に入ると、その信号がガイドベーン閉鎖特性記憶部８５へ入力され、これによって図示しない内蔵タイマーを作動させ、水車５の停止操作開始からの経過時間を求める。そしてガイドベーン閉鎖特性記憶部８５は、この経過時間に対応するガイドベーン開度予想値をガイドベーン閉鎖特性を参照して求め、ガイドベーン閉鎖特性開度８４として出力し、加減算器９０へ入力する。
加減算器９０には、ガイドベーン実開度情報６３も入力されるようになっており、加減算器９０へガイドベーン閉鎖特性開度８４が入力されると、ガイドベーン実開度情報６３との偏差であるガイドベーン開度偏差８６が出力され、ガイドベーン開度偏差比較部８９へ入力される。ガイドベーン開度偏差比較部８９は、ガイドベーン開度偏差閾値設定部８７に予め設定されたガイドベーン開度偏差閾値８８を参照し、ガイドベーン開度偏差８６がガイドベーン開度偏差閾値８８より大きい場合にタイマー８３ｂを作動させる。そして、この状態が一定時間経過すると停止時緩閉鎖弁制御異常と判定する。
【００３０】
ここで、本実施の形態において、ガイドベーン閉鎖特性記憶部８５は、複数の運転モードに対応するガイドベーン閉鎖特性を格納するように構成することも可能である。また、ガイドベーン閉鎖特性として、全回の水車停止時のガイドベーン閉鎖特性を格納しておき、これとの比較によって停止時緩閉鎖弁制御異常を判定するようにもできる。
停止時緩閉鎖弁制御異常は予定されているガイドベーン６の緩閉鎖特性に対して実際のガイドベーン６の閉鎖特性が追従しないことを示しており、ガイドベーン６の緩閉鎖特性への追従性を確認できる。従って本実施の形態を用いると、例えば水車５の経年変化などによりガイドベーン６が初期の緩閉鎖特性を持たなくなった場合であっても異常を検出することができる。よって、水車５を通常停止操作時によって停止する場合でも、ガイドベーン６の緩閉鎖特性が緊急時に安全に水車５を停止できるものとなっているかを確認できるため、機器の信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、安価で調整に要する手間や時間が少なく、種々の運転モードに対しても柔軟な制御が可能であり、安全性の高いガイドベーン操作装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の概略模式図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図３】本発明の第１の実施の形態の変形例に係るガイドベーン操作装置の概略模式図
【図４】ガイドベーン急閉鎖時の経過時間とガイドベーン開度との関係を表すグラフ
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るガイドベーン操作装置の緩閉鎖弁制御部のブロック図
【図８】従来のガイドベーン操作装置の概略模式図
【図９】従来のガイドベーン操作装置の概略模式図
【符号の説明】
１ サーボモータ
２ 油圧式ピストン
３ ピストンロッド
４ シリンダ
４ａ 開側シリンダ室
４ｂ 閉側シリンダ室
５ 水車
６ ガイドベーン
７ ランナ
８ 発電機
１１ 電磁ピックアップ
１２ レギュレータ
１３ コンバータ
１５ 主配圧サーボ弁
１６，２５ 急停止弁
１７ 緩閉鎖制御弁
１８ 緩閉鎖サーボ弁
１９ 緩閉鎖弁閉鎖弁
２０ 圧油タンク
２１ 主配圧弁
２２ コントロールピストン
２３ パイロットバルブ
２４ レターンアーム
２７ 緩閉鎖弁
２８ 逆止弁
２９ 緩閉鎖弁用配圧弁
４０ カム
４１ レターンシャフト
４２ａ，４２ｂ 扇型アーム
４３ａ，４３ｂ ワイヤ
４４ 重錘
４５ プーリ
５０，５１、５２ 差動トランス
６０ 緩閉鎖弁制御部
６１ ガイドベーン開度検出手段
６２ 緩閉鎖弁開度検出手段
６３ ガイドベーン実開度情報
６４ 緩閉鎖弁実開度情報
６５ 緩閉鎖サーボ弁制御信号
７１ 緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部
７２ 緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部
７３，９０ 加減算器
７４ 緩閉鎖サーボ弁制御信号出力部
７５ 緩閉鎖弁閉鎖目標値
７６ 緩閉鎖弁制御量
７７ 緩閉鎖弁閉鎖目標値特性
７８ 切換器
７９ 緩閉鎖弁開度偏差比較部
８０ 緩閉鎖弁開度偏差
８１ 緩閉鎖弁開度偏差閾値設定部
８２ 緩閉鎖弁開度偏差閾値
８４ ガイドベーン閉鎖特性開度
８５ ガイドベーン閉鎖特性記憶部
８６ ガイドベーン開度偏差
８７ ガイドベーン開度偏差閾値設定部
８８ ガイドベーン開度偏差閾値
８９ ガイドベーン開度偏差比較部
Claims (8)
- 水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、
前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁および、
前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置において、
前記緩閉鎖弁は電気−油圧サーボ弁によって油圧制御される可変絞り弁であり、
前記電気−油圧サーボ弁と前記緩閉鎖弁の間に前記緩閉鎖弁の開度を強制的に予め定められた開度に設定することができる緩閉鎖弁閉鎖弁と、
前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するガイドベーン開度検出手段と、
前記緩閉鎖弁の実開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出する緩閉鎖弁開度検出手段と、
前記ガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を送出するサーボ弁制御手段と、
を備え、
前記サーボ弁制御手段は、
ガイドベーン開度と緩閉鎖弁閉鎖目標値の関数である緩閉鎖弁閉鎖目標値特性を格納した緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部と、
入力されたガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁閉鎖目標値特性に基いて緩閉鎖弁閉鎖目標値を出力する緩閉鎖弁閉鎖目標値設定部と、
前記緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差に基いてサーボ弁制御信号を発生させるサーボ弁制御信号出力部を備えることを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置。 - 請求項１に記載のガイドベーン操作装置において、
前記緩閉鎖弁閉鎖目標値記憶部には複数の緩閉鎖弁閉鎖目標値特性が格納されており、
水力機械の運転状態により前記複数の緩閉鎖弁閉鎖目標値特性のうちの一つを選択する切換手段を有することを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置。 - 請求項１または請求項２のいずれかに記載のガイドベーン操作装置において、
前記サーボ弁制御手段は、
緩閉鎖弁開度偏差閾値を格納する緩閉鎖弁開度偏差閾値設定部と、
緩閉鎖弁閉鎖目標値特性記憶部に格納された緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差が緩閉鎖弁開度偏差閾値よりも大きいことを検出して緩閉鎖弁制御異常を判定する緩閉鎖弁開度偏差比較部を備えることを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置。 - 水力機械のガイドベーンを駆動する油圧式ピストンを有するサーボモータと、
前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁および、
前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置において、
前記緩閉鎖弁は電気−油圧サーボ弁によって油圧制御される可変絞り弁であり、
前記電気−油圧サーボ弁と前記緩閉鎖弁の間に前記緩閉鎖弁の開度を強制的に予め定められた開度に設定することができる緩閉鎖弁閉鎖弁と、
前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するガイドベーン開度検出手段と、
前記緩閉鎖弁の実開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出する緩閉鎖弁開度検出手段と、
前記ガイドベーン実開度情報および前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を送出するサーボ弁制御手段と、
を備え、
前記サーボ弁制御手段は、
ガイドベーン閉鎖開始からの経過時間とガイドベーン開度予想値との関数であるガイドベーン閉鎖特性を基に、前記経過時間が入力されてこれに対応するガイドベーン開度予想値をガイドベーン閉鎖特性開度として出力するガイドベーン閉鎖特性記憶部と、
ガイドベーン開度偏差閾値を格納するガイドベーン開度偏差閾値設定部と、
前記ガイドベーン閉鎖特性開度と前記サーボ弁制御手段に入力されたガイドベーン実開度情報との偏差が前記ガイドベーン開度偏差閾値よりも大きいことを検出して停止時緩閉鎖制御異常を判定するガイドベーン開度偏差比較部を有することを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置。 - 油圧式ピストンを有するサーボモータと、
前記油圧式ピストンのシリンダへ圧油を送る配圧弁と、
前記配圧弁と前記シリンダ間の前記圧油の流路途中に設けられ前記流路を通流する前記圧油の流量を絞る緩閉鎖弁を備える水力機械のガイドベーン操作装置を用いたガイドベーン操作方法において、
前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出し、前記緩閉鎖弁を前記ガイドベーン実開度情報に基づいて油圧制御して任意開度とし、
前記ガイドベーンの実開度を電気的なガイドベーン実開度情報として検出するとともに、
緩閉鎖弁の開度を電気的な緩閉鎖弁実開度情報として検出し、
前記ガイドベーン実開度情報と前記緩閉鎖弁実開度情報に基づいて電気−油圧サーボ弁を駆動するサーボ弁制御信号を前記電気−油圧サーボ弁に送出し、
前記サーボ弁制御信号は、
予め定められた緩閉鎖弁閉鎖目標値特性およびガイドベーン実開度情報より求められた緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差に基づいて発せられることを特徴とする水力機械のガイドベーン操作方法。 - 請求項５に記載のガイドベーン操作装置の操作方法において、
複数の緩閉鎖弁閉鎖目標値特性予め定め、
水力機械の運転状態により複数の前記緩閉鎖弁閉鎖目標値特性のうちの一つを選択することを特徴とする水力機械のガイドベーン操作方法。 - 請求項５または請求項６のいずれかに記載のガイドベーン操作方法において、
緩閉鎖弁閉鎖目標値と緩閉鎖弁実開度情報との偏差が予め定められた緩閉鎖弁開度偏差閾値よりも大きい場合に緩閉鎖弁制御異常と判定することを特徴とする水力機械のガイドベーン操作装置の操作方法。 - 請求項５から請求項７のいずれかに記載のガイドベーン操作方法において、
ガイドベーン閉鎖開始からの経過時間に基づいて予め定められたガイドベーン閉鎖特性開度とガイドベーン実開度情報との偏差が予め定められたガイドベーン開度偏差閾値よりも大きい場合に停止時緩閉鎖制御異常と判定することを特徴とする水力機械のガイドベーン操作方法。
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