JP5728132B2 - 流体動圧軸受を用いるタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、油圧サーボアクチュエータに関し、より詳細には、原子力及び火力発電所のタービン回転を制御するスチームバルブの油圧サーボアクチュエータにおいて、ピストンとシリンダとの摩擦を最小化するための流体動圧軸受を用いる油圧サーボアクチュエータに関する。

原子力及び火力発電所などの大型発電機を駆動して電気を生産するためには、発電機に接続された高圧及び低圧タービンに最適量のスチームを供給しなければならなく、高速で回転するタービン又はスチーム系統に異常が発生する場合には、タービンの加速防止のために、直ちにタービンに供給されるスチームを遮断してタービンを保護しなければならない。

このためのものが、図１ａ及び図１ｂに示したタービン出力制御装置３００（制御バルブ）であって、前記タービン出力制御装置３００は、原子力及び火力発電所でスチームタービンに流体エネルギであるスチームを最適に供給してタービンを回転させ、該機械的エネルギが発電機を駆動して電気を生産できるようにすることで、タービンの速度と系統のスチーム量を制御する。

このような前記タービン出力制御装置３００は、図１ａ、図１ｂ及び図２に示したように、単動式（ｓｉｎｇｌｅ）油圧サーボアクチュエータ２００によって作動される。
このような既存の油圧サーボアクチュエータ２００は、油圧サーボアクチュエータ２００の内部に形成されたシリンダチューブ１０と、前記シリンダチューブ１０の内部に一端部が長手方向に内設されるピストンロッド２０と、上述のようにシリンダチューブ１０に内設されているピストンロッド２０の一端部に形成されるピストンヘッド３１からなり、前記シリンダチューブ１０に流入される油圧オイルによって、上下動するピストン３０と、上昇したピストン３０によって圧縮され、元の状態に復帰しながらピストン３０を下降させるバネ４０と、油圧サーボアクチュエータ２００の急速復帰時に油圧オイルを外部に排出する急速排油バルブ５０（ダンプバルブ）からなり、図３ａ及び図３ｂに示しているように、１０００ＭＷ級原子力発電所のスチームタービンには、２０個のスチームを供給するスチーム供給バルブが装着されていて、５００ＭＷ級火力発電所には１０個のスチーム供給バルブが装着されている。

前記タービン出力制御装置３００は、発電所別、発電量制御に応じて一部は、１００％開状態に制御し、一部は、１０〜１００％まで作動し、アクチュエータ２００の固着状態を防ぐために常時微細な動きを有していて、３ヶ月に１回以上順次に開閉を点検する。

また、高熱と汚染粒子などによってシリンダチューブ１０とピストンシール（ｓｅａｌ）部分が固着する故障が発生する場合があるので、原子力発電所の場合、核燃料交換周期である１８ヶ月に１回ずつアクチュエータ２００全体を分解整備（ｏｖｅｒｈａｕｌ）する。

発電所の単動式油圧サーボアクチュエータ２００は、長い行程距離をしばしば旋回（直線運動）ができず、圧力によってシリンダチューブ１０にピストンシールが強く密着した状態で非常に微細に動くことによって摩擦熱が発生し焼着が発生することになり、この時、油圧作動油の中に混入された汚染粒子がくさび（ｗｅｄｇｅ）形態でシリンダ内に挟まることが発生することによって正常な作動ができず、故障が増加する原因となった。

また、商用化はされなかったが、静圧軸受をピストンロッドに用いる技術が特許出願されたが、これは単動式シリンダの特性が反映されていなかった。即ち、ピストンロッドの部分は、低圧の流出量だけを満たしている状態で圧力が存在しないため、シール摩擦が殆ど存在しなく、ピストンロッドの静圧軸受に圧力を加えなければならないので、この高圧力がシール摩擦を増加させる悪影響を与えることがある。

上記特許に開示されている「複動式シリンダ（両ロッドシリンダ）とそれぞれのロッドに静圧軸受を用いる技術」は、発電所系統に異常が発生する場合、非常停止のためにアクチュエータが急速に後進してスチームを遮断するが、この場合、アクチュエータの下端に設置された大きな鋼鉄バネによって急速に作動することによってアクチュエータの行程距離の終端に機械的衝撃が発生し破損されるので、油圧クッション（緩衝）機能が存在するが、これを設置できないという機構学的問題を有している。

また、静圧軸受は、圧力が供給されない場合、直ちに軸受の役割を喪失するが、実際に発電所では停電などの異常が発生した時、アクチュエータがバネによって急速に遮断されなければならない場合に軸受役割を果たせない致命的問題点を有している。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、原子力及び火力発電機に接続された高圧及び低圧スチームタービンに好適量のスチームを供給するか、或いは、非常時にスチームの供給を遮断する油圧サーボアクチュエータにおいて、油圧サーボアクチュエータのピストンにテーパー状の流体動圧軸受を採用して摩擦を最小化し、油圧作動油の内部に混入された微細な汚染粒子（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を吸収できる多孔性物質のバッファリング（ｂｕｆｆｅｒ ｒｉｎｇ）を設置して吸着し、急な圧力変化によるピストンのガタツキを防止し、ガイド役割のためにウェアリング（ｗｅａｒｉｎｇ）を設置した原子力及び火力発電所のタービン制御用アクチュエータを提供することにある。

本発明の他の目的及び長所は下記に説明するが、本発明の実施例によって理解できる。
また、本発明の目的及び長所は、特許請求範囲に記載した手段及び組合によって実現できる。

上述の問題点を解決するための手段として、本発明の一実施例によるタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータは、シリンダチューブと、前記シリンダチューブ内で長手方向に挿入し往復移動するピストンロッド、及び前記シリンダチューブ内で前記ピストンロッドの一端部の外周縁に備わり、前記ピストンロッドの一端部に向かってテーパー状となり、前記ピストンロッドと前記シリンダチューブの内周面との間の摩擦を減少させる流体動圧軸受を含む。

前記流体動圧軸受は、前記シリンダチューブの内周面と前記流体動圧軸受の外周縁との間で油圧作動油が微小に流動するように離隔して備えてもよい。

本発明の他の実施例によるタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータは、前記流体動圧軸受の外周縁に備わり、前記ピストンロッドの移動をガイドするためのウェアリングをさらに含んでもよい。

前記ウェアリングは、前記流体動圧軸受の両側の外周縁のうち、直径が大きくなる一側の外周縁に備わってもよい。

前記ウェアリングは、前記流体動圧軸受の一側の外周縁に形成される第１円周型の溝に挿入設置してもよい。

本発明の他の実施例によるタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータは、前記流体動圧軸受の外周縁に備わり、前記シリンダチューブ内に流入される油圧作動油の異質物をろ過するバッファリング（ｂｕｆｆｅｒ ｒｉｎｇ）をさらに含んでもよい。

前記バッファリングは、前記流体動圧軸受の両側の外周縁のうち、直径が小さくなる他側の外周縁に備わってもよい。

前記バッファリングは、前記流体動圧軸受の他側の外周縁に形成される第２円周型の溝に挿入設置されてもよい。

前記バッファリングは、多孔性物質で形成されてもよい。

本発明の実施例によるタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータは、前記ピストンロッドに前記シリンダチューブ内部に位置した一端部の外周縁にテーパー状に形成されたクッション部材を備えてもよい。

以上、上述したように、本発明は、油圧サーボアクチュエータの分解整備後、組立の際にウェアリングによって金属摩擦が発生しなく、作動中にシール摩擦が発生しない効果がある。

また、本発明は、バッファリングによって圧力作動油に混入されている異質物がろ過されるようにすることによって、汚染物質による故障を防止することで油圧サーボアクチュエータの制御安定性を発揮させる効果がある。

一般的なタービン制御用アクチュエータが設置されているタービン出力制御装置を示す一実施例の図である。 一般的なタービン制御用アクチュエータが設置されているタービン出力制御装置を示す一実施例の図である。 従来の原子力及び火力発電所のタービン制御用油圧サーボアクチュエータを示す正面断面図である。 一般的な原子力及び火力発電所のタービン制御バルブ及びスチーム系統図である。 一般的な原子力及び火力発電所のタービン制御バルブ及びスチーム系統図である。 従来のタービン制御用油圧サーボアクチュエータを示す正面断面図である。 本発明の一実施例による流体動圧軸受を用いたタービン制御用油圧サーボアクチュエータを示す正面断面図である。 本発明の一実施例によるタービン制御用油圧サーボアクチュエータがバネによって後進する場合、最終端に現れるクッション作用を示す正面断面図である。 本発明の一実施例による流体動圧軸受のダイヤグラムである。 本発明による流体動圧軸受の隙間（油膜、ｃｌｅａｒａｎｃｅ）変化による流量曲線である。 従来のアクチュエータの構造図を示す断面図である。 本発明の一実施例による流体動圧軸受が装着されたアクチュエータの構造図を示す断面図である。 本発明の他の実施例による流体動圧軸受とウェアリングが装着されたアクチュエータの構造図を示す断面図である。 本発明のまた他の実施例による流体動圧軸受とウェアリング及びバッファリングが装着されたアクチュエータの構造図を示す断面図である。

本発明の実施例を詳細に説明する前に、下記の詳細な説明に記載するか又は図面に示した構成要素の構成及び配列の詳細によってその応用が制限されないことが分かる。本発明は他の実施例で具現又は実施されることができ、多様な方法で遂行されることができる。
また、装置又は要素方向（例えば、「前（ｆｒｏｎｔ）」、「後（ｂａｃｋ）」、「上（ｕｐ）」、「下（ｄｏｗｎ）」、「上（ｔｏｐ）」、下（ｂｏｔｔｏｍ））、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」、「横（ｌａｔｅｒａｌ）」などのような用語に関して本明細書で使用した表現及び述語は、単に本発明の説明を単純化するために使用し、関連装置又は要素が単純に特定方向を有するべきであることを示すか或いは意味するのではないことが分かる。
本発明は、上記の目的を達成するために下記の特徴を有する。

以下、添付図面を参照して、本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。本明細書及び請求範囲で使用した用語又は単語は、通常又は辞書において定義する意味に限定して解釈してはならなく、また、発明者は、自分の発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を好適に定義できるという原則から本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されるべきである。
従って、本明細書に記載された実施例と図面に示した構成は、本発明の最も望ましい一実施例に過ぎなく、本発明の技術的思想を全て代弁するのではないので、本出願時点において、これらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。

以下、図面を参照して本発明の実施例による流体動圧軸受を用いるタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータを詳細に説明する。

図５は、本発明の一実施例による流体動圧軸受を使ったタービン制御用油圧サーボアクチュエータを示す正面断面図であり、図６は、本発明の一実施例によるタービン制御用油圧サーボアクチュエータがバネによって後進する場合、最終端に現れるクッション作用を示す正面断面図である。

図５及び図６を参照すると、油圧サーボアクチュエータ１００は、シリンダチューブ１１０と、ピストンロッド１２０及び流体動圧軸受１３２を含む。ピストンロッド１２０及び流体動圧軸受１３２は、シリンダチューブ１１０内に設ける。ピストンロッド１２０は、前記シリンダチューブ１１０内に長手方向に挿入され、流体動圧軸受１３２は、前記ピストンロッド１２０の一端部の外周縁に設ける。流体動圧軸受１３２は、ピストンロッド１２０の一端部に向かってテーパー状となり、ピストンロッド１２０とシリンダチューブ１１０の内周面との間の摩擦を減少させることができる。

シリンダチューブ１１０の内周面と流体動圧軸受１３２の外周縁との間は、離隔されていて、その間でシリンダチューブ１１０内に流入される油圧作動油が微小流動できる。

一方、ピストンロッド１２０には、シリンダチューブ１１０の内部に位置した一端部の外周縁にテーパー状に形成されたクッション部材１２２を設けてもよい。クッション部材１２２は、バネによってピストンロッド１２０が下降される時、クッション部材１２２の外周縁側に油圧作動油がヘッドブロックの間から徐々に排出しながらヘッドブロックが閉じられるようにして、流体動圧軸受１３２とヘッドブロックとの間の油圧作動油によってクッション圧力が形成できるようになっている。

従来には、図９に示したように、前記ピストンロッド２０の一端部に形成されるシリンダヘッド７０の場合、外周縁にピストンシールＳ（ｓｅａｌ）を形成し、シリンダチューブ１０の内周縁と接触し、且つピストンロッド２０が上下動する形態を有する。しかし、このような場合、シリンダチューブ１０の内周縁に摩擦熱が発生することになって装備の寿命短縮と共に、シリンダチューブ１０とピストン（より詳しくは、ピストンヘッド）相互間の接触部位に異質物が挟まる問題が発生した。そこで、本発明では、図６のように、ピストンロッド１２０の一端部の外周縁に、ピストンロッド１２０の長手方向の一側に向かってテーパー状となっている流体動圧軸受１３２を設けてピストンとして使う。このようなテーパー状の流体動圧軸受１３２の外周縁は、シリンダチューブ１１０の内周縁と接触しないで間隙形態で相互間離隔する形態になるようにする。

図７は、本発明の一実施例による流体動圧軸受のダイヤグラムであり、図１０は、本発明の一実施例による流体動圧軸受が装着されたアクチュエータの構造図を示す断面図である。

図７及び図１０を参照すると、流体動圧軸受１３２は、クッション圧力を受けるクッション部材１２２側に位置した一端の直径ｄ_０を他端より小さくし、常時タンクに接続されて圧力が殆どないピストンロッド１２０側に位置した他端の直径ｄ_１を一端より大きくして、結局、クッション部材１２２側の方向に向かってテーパー状を有するようにする。流体動圧軸受１３２の両側の偏心量ｅの変化によって、流体動圧軸受１３２の外周縁とシリンダチューブ１１０の内周縁との相互間の間隙が小さい方からピストンロッド１２０の長手方向の中心軸に対して直角の方向に力が発生して、流体動圧軸受１３２の外周縁全体にかけて、流体動圧軸受１３２とシリンダチューブ１１０の内周縁との間隙が自動的に同一に維持される。即ち、シリンダチューブ１１０内の流体動圧軸受１３２の両側が同心を維持することによって、シリンダチューブ１１０の内周縁と流体動圧軸受１３２の外周縁の相互間のシール（ｓｅａｌ）摩擦が存在しないため、摩擦摩耗による故障を根源的に解決し、急速な作動によるスティックスリップ（ｓｔｉｃｋ ｓｌｉｐ）の発生を防止する。

このような構造によって、流体動圧軸受１３２の外周縁とシリンダチューブ１１０の内周縁との間で油圧作動油が微小流動することによって、流体動圧軸受１３２がシリンダチューブ１１０内でシリンダチューブ１１０の幅方向に往復して移動しながら自主的に重心を取るようになることによって、流体動圧軸受１３２とシリンダチューブ１１０の相互間は、接触しないが、相互間の間隙の間で油圧作動油は微小流動が可能な構造になる。

これは流体力学的技術を使うことによって、圧力を供給した時と圧力を供給しないでバネによって急速にピストンが動く時に発生する流体の加速度によって発生する流体の流れで軸受機能が可能になり、従来のアクチュエータに設置されたオリフィス（図４の参照番号「６０」）から噴流する許容流量（０．２〜０．４ＧＰＭ、約０．７５７〜１.５１４ ｌ／ｍｉｎ．）を勘案して、本発明の図７に示したダイヤグラムのような構造を有する本発明の流体動圧軸受１３２の規格を下記式（１）を使ってシミュレーションした結果、本発明の図８に示したような間隙（油膜、ｃｌｅａｒａｎｃｅ）の変化による流量曲線を有することを特徴とする。

…（１）

この時、ｃは、流体動圧軸受１３２の最も厚い部分の外周縁とシリンダチューブ１１０の内周縁との間の間隙（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）であり、ｔは、流体動圧軸受１３２のテーパーの高さ（ｔａｐｅｒ ｈｅｉｇｈｔ）であり、Ｌは、流体動圧軸受１３２のテーパー長（ｔａｐｅｒ ｌｅｎｇｔｈ）であり、ｅは、偏心（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ）であり、ｄは、シリンダチューブ１１０の内径である。Ｑは、流体動圧軸受１３２の外周縁とシリンダチューブ１１０の内周縁との間を流動する流量であり、ΔＰは、クッション部材１２２側の圧力Ｐ_２とピストンロッド１２０側の圧力Ｐ_１との差である。

図１１は、本発明の他の実施例による流体動圧軸受とウェアリングが装着されたアクチュエータの構造図を示す断面図である。

図１１を参照すると、流体動圧軸受１３２の外周縁には、ピストンロッド１２０の移動をガイドするためのウェアリング１３４（ｗｅａｒｉｎｇ）をさらに含んでもよい。流体動圧軸受１３２のテーパー状の両側の外周縁のうち、直径が次第に大きくなる一側の外周縁に第１円周型の溝Ｇ１を形成し、その円周型の溝Ｇ１にウェアリング１３４が対応して挿入設置されてもよい。ウェアリング１３４は、本発明に係る油圧サーボアクチュエータ１００の初期組立及び作動中に突然圧力変化が生じる時、ウェアリング１３４がシリンダチューブ１１０の内周縁と接触しながらアクチュエータ１００の流体動圧軸受１３２のガタツキを防止し、ピストン１３０の円滑な移動が可能になるようにピストン１３０の移動をガイドする役割をする。

図１２は、本発明のまた他の実施例による流体動圧軸受とウェアリング及びバッファリングが装着されたアクチュエータの構造図を示す断面図である。

図１２を参照すると、バッファリング１３３（ｂｕｆｆｅｒ ｒｉｎｇ）は、上述したウェアリング１３４と同様に流体動圧軸受１３２の外周縁に設けられ、且つ、ウェアリング１３４の反対側に設けられることができる。流体動圧軸受１３２のテーパー状の両側の外周縁のうち、直径が次第に小さくなる他側の外周縁に第２円周型の溝Ｇ２を形成し、その円周型の溝Ｇ２に対応してバッファリング１３３が挿入設置されてもよい。バッファリング１３３は、上述した流体動圧軸受１３２の外周縁側に微小流動する油圧作動油の内部に混入された異質物（汚染物質、汚染粒子、ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を吸収又は吸着し、異質物によるシリンダチューブ１１０の詰まり又は損傷を防止するためのものであって、油圧作動油が含有している異質物は、ろ過しつつ油圧作動油を、間隙を通じて移動させる形態である。このために、バッファリング１３３は、網状などで形成された多孔性物質から構成されてもよい。

このように、本発明の実施例によるタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータによって、ピストンとシリンダチューブとの相互摩擦を最小化することができ、流体動圧軸受の外周縁にウェアリング及びバッファリングをさらに設けてピストンロッドの移動をガイドし、油圧作動油内の異質物をろ過してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は、かかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、油圧サーボアクチュエータの分解整備後の組立時に、ウェアリングによって金属摩擦が発生しなく、作動中のシール摩擦が発生しないという効果がある。

また、本発明は、バッファリングによって圧力作動油に混入されている異質物をろ過することによって、汚染物質による故障を防止することで油圧サーボアクチュエータの制御安定性を発揮する効果がある。

Claims (9)

1. シリンダチューブと、
   前記シリンダチューブ内で長手方向に挿入し往復移動するピストンロッドと、
   前記シリンダチューブ内で前記ピストンロッドの一端部の外周縁に備わり、前記ピストンロッドの一端部に向かってテーパー状となり、前記ピストンロッドと前記シリンダチューブの内周面との間の摩擦を減少させる流体動圧軸受と、を含み、
   前記流体動圧軸受の外周縁に備わり、前記ピストンロッドの移動をガイドするためのウェアリングをさらに含むタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
2. 前記ウェアリングは、前記流体動圧軸受の両側の外周縁のうち、直径が大きくなる一側の外周縁に備わる請求項１に記載のタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
3. 前記ウェアリングは、前記流体動圧軸受の一側の外周縁に形成される第１円周型の溝に挿入設置される請求項２に記載のタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
4. シリンダチューブと、
   前記シリンダチューブ内で長手方向に挿入し往復移動するピストンロッドと、
   前記シリンダチューブ内で前記ピストンロッドの一端部の外周縁に備わり、前記ピストンロッドの一端部に向かってテーパー状となり、前記ピストンロッドと前記シリンダチューブの内周面との間の摩擦を減少させる流体動圧軸受と、を含み、
   前記流体動圧軸受の外周縁に備わり、前記シリンダチューブ内に流入する油圧作動油の異質物をろ過するバッファリング（ｂｕｆｆｅｒ ｒｉｎｇ）をさらに含むタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
5. 前記バッファリングは、前記流体動圧軸受の両側の外周縁のうち、直径が小さくなる他側の外周縁に備わる請求項４に記載のタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
6. 前記バッファリングは、前記流体動圧軸受の他側の外周縁に形成される第２円周型の溝に挿入設置される請求項５に記載のタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
7. 前記バッファリングは、多孔性物質から形成される請求項４に記載のタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
8. 前記流体動圧軸受は、前記シリンダチューブの内周面と前記流体動圧軸受の外周縁との間で油圧作動油が微小流動するように離隔して備わる請求項１または４に記載のタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。
9. 前記ピストンロッドには、前記シリンダチューブの内部に位置した一端部の外周縁にテーパー状に形成されたクッション部材が備わる請求項１または４に記載のタービン制御用スチームバルブの油圧サーボアクチュエータ。