JP5808126B2 - 水中機器の運転システム - Google Patents

Description

本発明は、水中機器の運転システムに関する。

水中に設置して使用する水中機器としての水中ポンプでは、そのケーシング内への浸水を防止するために、羽根車の主軸とケーシングとの間にメカニカルシールが設けられている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の水中ポンプでは、メカニカルシールは、羽根車用のハウジングとモータハウジングとの間に形成されたシールハウジングに配置されており、このシールハウジング内に溜められた潤滑油によって潤滑されている。
また、このような水中ポンプは、恒久的に水中に設置したままではなく、定期的に地上へ引き上げ、潤滑油を交換する等のメンテナンスが必要となる。

特開２００８−６３９８１号公報

上記のとおり、メカニカルシールによってポンプ内（ケーシング内）と外部との間は密封されていることから、ポンプ内は気密性が保たれた状態となる。このため、水中に設置した水中ポンプのモータの運転が開始されポンプ内の温度が上昇すると、ポンプ内の圧力が上昇する。
そして、運転状態にあった水中ポンプが停止すると、その温度は低下し、ポンプ内の圧力は運転時よりも低下し、運転時と比べて負圧の状態となる。すると、メカニカルシールを通じてポンプ内に水が引き込まれるおそれがある。

特に、水中ポンプの運転と停止とが繰り返し行われると、ポンプ内の圧力が変動し、ポンプ内への浸水の可能性が高くなり、この結果、水中ポンプを地上へ引き上げて行うメンテナンスの頻度が高くなってしまう。
なお、このような機器内部への水の引き込みが発生し得る水中機器としては、上記のような水中ポンプ以外にも、流水によって羽根車及びその主軸が回転することによって発電を行う水中発電機がある。

そこで、本発明の目的は、運転停止により機器内部の圧力が低下して、外部から機器内部へ水が引き込まれるのを防ぐことが可能となる水中機器の運転システムを提供する。

本発明の水中機器の運転システムは、羽根車の主軸を収容していると共に当該主軸を回転可能に支持しているハウジング、及び、前記主軸と前記ハウジングとの間から当該ハウジング内への浸水を防止する密封装置を有している水中機器と、前記ハウジングとパイプを介して接続され当該パイプを通じて当該ハウジング内に圧縮空気を供給する加圧ポンプと、前記加圧ポンプの動作を制御して前記水中機器の運転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とする加圧制御装置とを備え、前記加圧制御装置は、前記水中機器の設置深さに応じて前記加圧ポンプの出力を調整する出力調整部を有し、前記出力調整部は、管理者が操作する操作部と、当該操作部に入力された前記水中機器の設置深さの情報に基づいて前記加圧ポンプの出力を調整する機能部と、を有し、前記加圧制御装置は、前記主軸の回転が停止し前記ハウジング内の温度が低下することで当該ハウジング内の圧力が低下しようとすると、前記加圧ポンプを動作させて当該ハウジング内に圧縮空気を供給することにより、前記主軸の回転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とすることを特徴とする。
また、本発明の水中機器の運転システムは、羽根車の主軸を収容していると共に当該主軸を回転可能に支持しているハウジング、及び、前記主軸と前記ハウジングとの間から当該ハウジング内への浸水を防止する密封装置を有している水中機器と、前記ハウジングとパイプを介して接続され当該パイプを通じて当該ハウジング内に圧縮空気を供給する加圧ポンプと、前記加圧ポンプの動作を制御して前記水中機器の運転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とする加圧制御装置と、を備え、前記加圧制御装置は、前記水中機器の設置深さを測定する測定器と、前記水中機器の設置深さに応じて前記加圧ポンプの出力を調整する出力調整部と、を有し、前記測定器による測定結果についての情報に基づいて前記加圧ポンプの出力を調整する構成であり、前記加圧制御装置は、前記主軸の回転が停止し前記ハウジング内の温度が低下することで当該ハウジング内の圧力が低下しようとすると、前記加圧ポンプを動作させて当該ハウジング内に圧縮空気を供給することにより、前記主軸の回転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とすることを特徴とする。

本発明によれば、水中機器のハウジング内にパイプを通じて圧縮空気を供給する加圧ポンプの動作を、加圧制御装置が制御することにより、水中機器の運転時及び停止時においてハウジングの内圧を一定とする。このように、水中機器の運転状態に関わらず、ハウジングの内圧が一定となることにより、運転が停止した場合に運転時と比べてハウジング内が負圧になるのを防止し、密封装置を通じてハウジング内に水が引き込まれるのを防ぐことが可能となる。

また、前記加圧制御装置は、前記水中機器の設置深さに応じて前記加圧ポンプの出力を調整する出力調整部を有している。加圧ポンプが圧縮空気を供給することによって発生させるハウジング内の圧力（加圧力）は、密封装置を通じてハウジング内に水が浸入するのを防ぐことができる程度に高めることが必要であるが、この必要となる圧力は、水中機器の設置深さに応じて変化する。そこで、前記出力調整部によれば、水中機器の設置深さに応じて加圧ポンプの出力を調整することができ、水中機器の運転状態に関わらず、ハウジングの内圧を一定とすることが可能となる。

また、前記水中機器の運転システムは、前記パイプに接続され、前記加圧ポンプによって発生させた圧縮空気を溜めるアキュムレータを更に備えているのが好ましい。
この場合、加圧ポンプを常時動作させなくても、アキュムレータ内の圧縮空気により、ハウジングの内圧を一定に保つようにすることができ、また、ハウジング内の過度の圧力上昇を防ぐことができる。

また、前記水中機器の運転システムは、前記加圧ポンプによって前記水中機器へと供給する圧縮空気の水分含有量を低下させる吸湿呼吸器を更に備えているのが好ましい。
この場合、乾燥した圧縮空気をハウジング内に供給することができ、ハウジング内に結露が発生するのを抑制することができる。

本発明によれば、水中に投入された水中機器の運転が停止した場合に、運転時と比べてハウジング内が負圧の状態となるのを防止し、密封装置を通じてハウジング内に水が引き込まれるのを防ぐことが可能となる。

本発明の運転システムの実施の一形態を示す概略構成図である。 本発明の運転システムの他の実施形態を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の運転システムの実施の一形態を示す概略構成図である。図１に示す実施形態は、水中発電機１の運転システムであり、水中発電機１を断面で示している。
この運転システムは、水中機器としての水中発電機１と、この水中発電機１のハウジング１０内に圧縮空気を供給する加圧ポンプ２と、この加圧ポンプ２の動作を制御する加圧制御装置３とを備えている。

さらに本実施形態の運転システムは、水中発電機１とケーブル５を介して電気的に接続された受電盤４を備えている。受電盤４は、水中発電機１が発電した電力を受ける機能を有し、図示しないが、遮断器及び継電器等を有する。

水中発電機１は、羽根車１５、羽根車１５を囲むタービンハウジング１４、羽根車１５と一体回転する主軸１６、主軸１６を収容していると共に当該主軸１６を回転可能に支持しているハウジング１０、ハウジング１０内に設けられている発電機部１７、及び、発電機部１７が発電した電力を受け受電盤４側へ送るための電気部１８を有している。
ハウジング１０には、第１の転がり軸受２１と、第２の転がり軸受２２とが軸方向に離れて配置されており、これら転がり軸受２１，２２によって主軸１６は支持されている。
発電機部１７は、主軸１６と一体回転する回転子１７ａと、ハウジング１０に固定され回転子１７ａの外周側に設けられた固定子１７ｂとを有しており、流水によって羽根車１５が回転すると主軸１６と回転子１７ａとが回転し発電が行われる。
そして、水中発電機１は、水中に設置されることから、主軸１６とハウジング１０との間から当該ハウジング１０内への浸水を防止する密封装置（メカニカルシール）１９を有している。

前記ハウジング１０は、発電機部１７及び転がり軸受２１，２２を収容している円筒状のハウジング本体１１と、このハウジング本体１１に軸方向に連結され前記電気部１８を収容している電気室ハウジング１２とを有している。電気室ハウジング１２は、軸方向一方側（上側）が閉じた筒状である。ハウジング本体１１と電気室ハウジング１２とは内部空間が連通しており、また、ハウジング本体１１と電気室ハウジング１２との接合面は、例えばＯリング等により密封されている。そして、ハウジング本体１１の軸方向端部に、ハウジング本体１１の開口を閉じる蓋部材１３が取り付けられており、ハウジング本体１１と蓋部材１３との接合面は例えばＯリング等により密封されている。

そして、蓋部材１３には、主軸１６を挿通させる孔が形成されており、この蓋部材１３と主軸１６との間が前記密封装置１９によって止水されている。以上より、ハウジング１０内には一つの密封空間Ｋが形成されている。つまり、電気室ハウジング１２とハウジング本体１１とは、その内部で共通する密封空間Ｋが形成されている。

加圧ポンプ２、加圧制御装置３、及び、受電盤４は大気中に設置され、本実施形態では地上の管理室内に設置される。このため、水中発電機１と受電盤４とはケーブル５を介して接続されており、また、加圧ポンプ２は、水中発電機１のハウジング１０内に圧縮空気を供給するために、パイプ６を介してハウジング１０と接続されている。本実施形態のパイプ６は、フレキシブルパイプである。また、加圧ポンプ２の吐出側には、逆止弁２５が設けられている。

加圧ポンプ２は、パイプ６を通じてハウジング１０内に圧縮空気を供給する。本実施形態では、パイプ６は電気室ハウジング１２に接続されているが、上記のとおり電気室ハウジング１２とハウジング本体１１とは、内部で共通する密封空間Ｋが形成されているので、加圧ポンプ２によって供給された圧縮空気は、密封空間Ｋに充填される。

加圧制御装置３は、コンピュータプログラムが記憶されているコンピュータ（又はシーケンサ）からなる制御本体部３ａと、パイプ６内の圧縮空気の圧力を測定する圧力計（圧力リレー）３ｂとを有し、圧力計３ｂの検出結果に応じて、制御本体部３ａは、コンピュータプログラムに基づいて、加圧ポンプ２が有するモータの駆動と停止とを制御することができる。また、加圧制御装置３は、加圧ポンプ２によって発生させた圧縮空気の流量（圧力）を調整するバルブ３ｃを有し、制御本体部３ａは、圧力計３ｂの検出結果に応じて、コンピュータプログラムにしたがってバルブ３ｃを制御して圧縮空気の流量（圧力）を調整することができる。

この加圧制御装置３によれば、圧力計３ｂの検出結果に基づいて、パイプ６を通じてハウジング１０に送り込む圧縮空気の流量（圧力）を調整し、ハウジング１０内の圧力を制御することができる。そして、本発明では、加圧制御装置３は、水中発電機１の運転時及び停止時においてハウジング１０の内圧を一定とすべく加圧ポンプ２の動作を制御する。

加圧ポンプ２が圧縮空気を供給することによって発生させるハウジング１０内の圧力（加圧力）は、密封装置１９を通じてハウジング１０内に水が浸入するのを防ぐことができる程度に高めることが必要であるが、この必要となる圧力は、水中発電機１の設置深さ（水深）に応じて変化する。

そこで、加圧制御装置３（制御本体部３ａ）は、水中発電機１の設置深さ（水深）に応じて、加圧ポンプ２の出力を調整する出力調整部３ｄを有している。本実施形態では、出力調整部３ｄは、管理者が操作する操作部（図示せず）と、この操作部に入力された情報に基づいて加圧ポンプ２の出力を調整する機能部とを有している。この機能部は、前記コンピュータプログラムが制御本体部３ａによって実行されることで発揮される。前記操作部は、例えば管理者が水中発電機１の設置深さの値の入力を行うヒューマンインターフェースである。

または、加圧制御装置３は、前記操作部の代わりに、水中発電機１の設置深さを測定する測定器を有していてもよい。この場合、この測定器による測定結果についての情報が、制御本体部３ａに送信され、この情報に基づいて制御本体部３ａが加圧ポンプ２の出力を調整する。
このような各出力調整部３ｄによれば、水中発電機１の設置深さに応じて加圧ポンプ２の出力を調整することができ、ハウジング１０内を、水中発電機１の設置深さに応じた内圧で、しかも、一定の圧力に保つことが可能となる。

また、本実施形態の運転システムは、加圧ポンプ２と共に管理室に設けられているアキュムレータ７を更に備えている。アキュムレータ７は、パイプ６に接続されており、加圧ポンプ２によって発生させた圧縮空気を溜めることができる。アキュムレータ７は、ハウジング１０と逆止弁２５との間において接続されている。
このアキュムレータ７によれば、加圧ポンプ２を常時動作させなくても、アキュムレータ７内に溜めた圧縮空気により、ハウジング１０の内圧を一定に保つようにすることができ、また、アキュムレータ７は、パイプ６を通じてハウジング１０内の内圧の吸収が可能な空気槽としても機能し、ハウジング１０内の過度の圧力上昇を防ぐことができる。

さらに、本実施形態の運転システムは、加圧ポンプ２と共に管理室に設けられている吸湿呼吸器８を更に備えている。吸湿呼吸器８は、加圧ポンプ２が大気を取り込む吸気ポート側に設けられており、加圧ポンプ２によって水中発電機１へと供給する圧縮空気の水分含有量を低下させる。
この吸湿呼吸器８によれば、乾燥した圧縮空気をハウジング１０内に供給することができ、ハウジング１０内に結露が発生するのを抑制することができる。特にケーブル５の素線の僅かな隙間から、外気（空気）がハウジング１０内に吸い込まれることがあるが、乾燥した圧縮空気がパイプ６を通じて供給されることで、ハウジング１０内の結露を防止する。

以上のように構成された水中発電機１によれば、密封装置１９によってハウジング１０内と外部との間は密封されていることから、ハウジング１０内は気密性が保たれた状態となる。このため、水中に設置した水中発電機１が運転状態にあると（主軸１６が回転すると）、特に転がり軸受２１，２２において温度が上昇し、ハウジング部１０内の温度が上昇する。
この場合、従来では、ハウジング内の圧力が上昇し、その後、運転が停止されると（主軸の回転が停止すると）温度は低下し、ハウジング内の圧力は運転時よりも低下し、密封装置を通じてハウジング内に水が引き込まれるおそれがある。

しかし、本実施形態に係る運転システムによれば、主軸１６の回転が停止し、ハウジング１０内の温度が低下し、ハウジング１０内の圧力が低下しようとすると、この圧力が圧力計３ｂによって測定され、この測定結果に基づいて加圧制御装置３が加圧ポンプ２の動作を制御し、パイプ６を通じて水中発電機１のハウジング１０内に圧縮空気を供給する。これにより、主軸１６の回転時及び停止時においてハウジング１０の内圧を一定とすることができる。
このように、水中発電機１の運転状態に関わらず、ハウジング１０の内圧を一定とすることにより、運転が停止した場合に運転時と比べてハウジング１０内が負圧の状態となるのを防止し、密封装置１９を通じてハウジング１０内に水が引き込まれるのを防ぐことが可能となる。

図２は、本発明の運転システムの他の実施形態を示す概略構成図である。図２に示す実施形態は、水中ポンプ３１の運転システムである。
この運転システムは、水中機器としての水中ポンプ３１と、この水中ポンプ３１のハウジング４０内に圧縮空気を供給する加圧ポンプ２と、この加圧ポンプ２の動作を制御する加圧制御装置３とを備えている。加圧ポンプ２及び加圧制御装置３の構成は前記実施形態と同じであり、説明を省略する。

水中ポンプ３１は、水中発電機１と同様に、羽根車４５の主軸４６を収容していると共にこの主軸４６を転がり軸受５１，５２によって回転可能に支持しているハウジング４０、及び、主軸４６とハウジング４０との間から当該ハウジング４０内への浸水を防止する密封装置４９を有している。なお、水中ポンプ３１は、羽根車４５が回転することによって水を吐出する吐出管５０が、地上（制御盤３２側）に向けて設けられている。

また、本実施形態においても、加圧制御装置３は出力調整部３ｄを有しており、また、アキュムレータ７及び吸湿呼吸器８が設けられている。この出力調整部３ｄは、前記実施形態と同様に、水中ポンプ３１の設置深さに応じて加圧ポンプ２の出力を調整する機能を有している。また、アキュムレータ７は、パイプ６に接続され、加圧ポンプ２によって発生させた圧縮空気を溜めることができる。そして、吸湿呼吸器８は、加圧ポンプ２によって水中ポンプ３１へと供給する圧縮空気の水分含有量を低下させる。

なお、図２の実施形態では、受電盤４の代わりに、水中ポンプ３１の運転を制御する制御盤３２が設けられている。制御盤３２は、ケーブル５を介して水中ポンプ３１と接続されており、動作指令信号を与え、水中ポンプ３１のモータ部４７の運転と停止の切り替え制御を行う。

また、この水中ポンプ３１は、浸水を検知する浸水センサ４８をハウジング４０内に有している。浸水センサ４８がハウジング４０内の浸水を検知すると、制御盤３２へ浸水を意味する情報（信号）を出力する。なお、この浸水センサ４８は、図１の水中発電機１にも設けられており、浸水センサ４８は受電盤４等に信号を出力する。

また、本発明の運転システムは、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、ハウジング１０（４０）内の一部に、密封装置１９（４９）が設けられている領域として、密封装置室が形成されており、本実施形態では、この密封装置室には潤滑油が存在していない型式の水中発電機１（水中ポンプ３１）の場合を説明したが、密封装置室に潤滑油が設けられている型式であってもよい。

１ 水中発電機（水中機器）
２ 加圧ポンプ
３ 加圧制御装置
３ｄ 出力調整部
６ パイプ
７ アキュムレータ
８ 吸湿呼吸器
１０，４０ ハウジング
１５，４５ 羽根車
１６，４６ 主軸
１９，４９ 密封装置
３１ 水中ポンプ（水中機器）

Claims (4)

1. 羽根車の主軸を収容していると共に当該主軸を回転可能に支持しているハウジング、及び、前記主軸と前記ハウジングとの間から当該ハウジング内への浸水を防止する密封装置を有している水中機器と、
   前記ハウジングとパイプを介して接続され当該パイプを通じて当該ハウジング内に圧縮空気を供給する加圧ポンプと、
   前記加圧ポンプの動作を制御して前記水中機器の運転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とする加圧制御装置と、
   を備え、
   前記加圧制御装置は、前記水中機器の設置深さに応じて前記加圧ポンプの出力を調整する出力調整部を有し、
   前記出力調整部は、管理者が操作する操作部と、当該操作部に入力された前記水中機器の設置深さの情報に基づいて前記加圧ポンプの出力を調整する機能部と、を有し、
   前記加圧制御装置は、前記主軸の回転が停止し前記ハウジング内の温度が低下することで当該ハウジング内の圧力が低下しようとすると、前記加圧ポンプを動作させて当該ハウジング内に圧縮空気を供給することにより、前記主軸の回転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とすることを特徴とする水中機器の運転システム。
2. 羽根車の主軸を収容していると共に当該主軸を回転可能に支持しているハウジング、及び、前記主軸と前記ハウジングとの間から当該ハウジング内への浸水を防止する密封装置を有している水中機器と、
   前記ハウジングとパイプを介して接続され当該パイプを通じて当該ハウジング内に圧縮空気を供給する加圧ポンプと、
   前記加圧ポンプの動作を制御して前記水中機器の運転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とする加圧制御装置と、
   を備え、
   前記加圧制御装置は、前記水中機器の設置深さを測定する測定器と、前記水中機器の設置深さに応じて前記加圧ポンプの出力を調整する出力調整部と、を有し、前記測定器による測定結果についての情報に基づいて前記加圧ポンプの出力を調整する構成であり、
   前記加圧制御装置は、前記主軸の回転が停止し前記ハウジング内の温度が低下することで当該ハウジング内の圧力が低下しようとすると、前記加圧ポンプを動作させて当該ハウジング内に圧縮空気を供給することにより、前記主軸の回転時及び停止時において前記ハウジングの内圧を一定とすることを特徴とする水中機器の運転システム。
3. 前記パイプに接続され、前記加圧ポンプによって発生させた圧縮空気を溜めるアキュムレータを更に備えている請求項１又は２に記載の水中機器の運転システム。
4. 前記加圧ポンプによって前記水中機器へと供給する圧縮空気の水分含有量を低下させる吸湿呼吸器を更に備えている請求項１〜３のいずれか一項に記載の水中機器の運転システム。

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