JP6577719B2

JP6577719B2 - 可動翼操作装置

Info

Publication number: JP6577719B2
Application number: JP2015035771A
Authority: JP
Inventors: 雄次中尾; 侑大竹; 卓也長田
Original assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
Current assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: JP2016156349A

Description

本発明は、可動翼を有する水力機械の可動翼の位置を調整する可動翼操作装置に関する。

水力機械には、カプラン水車、斜流水車などのように可動翼を持つ羽根車を備えた可動翼式の水力機械がある。可動翼を有する水力機械は、羽根車の可動翼を回転操作してその開度調整を行う可動翼操作装置を有する。可動翼操作装置は、操作液を利用した機構で、直動機構を操作し、直動機構の直動方向の移動をリンク機構で回動方向の移動に変換して羽根車に伝達することで、可動翼を回動させる。

特許文献１には、可動翼操作装置を有する水力機械として、可動翼（可動羽根）と、この可動翼を回動自在に保持する可動翼保持部と、可動翼に回動動作を行わせるリンク機構を有する羽根車と、この羽根車に一体に結合されると共に回転自在に支持される回転軸と、この回転軸の一部を利用して形成されたリンク機構を介し可動羽根の回動操作を操作液により行う液圧式操作装置と、回転軸に装着され、操作液を供給するポンプ装置と、回転軸に装着されポンプ装置から液圧式操作装置への操作液の供給に用いられる操作液用配管とを備え、操作液が通流する部位の全てを回転軸に装着する水力機械が記載されている。また、可動翼操作装置としては、操作液の供給を行う液圧供給装置を静止部分に配置し、液圧供給装置により液圧が供給され、リンク機構を動作させる部分を、回転軸の途中や可動翼保持部の中に配置する装置がある。

特許第４５６５７３２号公報

水力機械の可動翼操作装置は、主軸の内部に操作液が供給される経路が設けられていると、操作液を供給する機構のメンテナンスの際に、主軸の内部、例えば発電機が配置されている部分の部品の交換や、補修が生じることになる。このため、メンテナンス等の際の作業に手間がかかる。また、主軸の内部に操作液を供給する経路を、主軸に挿入された操作ロッドや、主軸に設けることになる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構造で、かつ、メンテナンス等の作業をより簡単に行うことができる可動翼操作装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、水力機械の可動翼の位置を操作する可動翼位置操作装置であって、前記可動翼に連結され、前記可動翼を回動させるリンク機構と、前記水力機械の主軸の内部に挿入され、前記リンク機構に連結され、前記主軸とともに回転し、軸方向に移動可能である操作ロッドと、前記操作ロッドを前記軸方向に移動させる軸方向移動装置と、を有し、前記操作ロッドは、前記主軸よりも鉛直方向上側の端部に突出しており、前記軸方向移動装置は、前記操作ロッドの前記リンク機構が設置されている端部とは逆側の端部に配置され、前記操作ロッドとともに回転し、前記操作ロッドと連結したピストン及び前記ピストンが配置されたシリンダを備える操作液シリンダと、前記操作液シリンダに接続され、前記操作液シリンダと回転する回転部と前記回転部を回転自在な状態で支持する支持部とを有し、前記回転部と前記支持部との間に操作液を流通させる管路が形成された軸継手と、前記軸継手を介して、前記シリンダの前記ピストンの両側に操作液を供給可能な操作液供給装置と、を有することを特徴とする。

また、前記水力機械は、回転部が前記主軸とともに回転する発電機が前記可動翼よりも鉛直方向上側に配置され、前記主軸は、前記発電機よりも鉛直方向上側の端部に突出していることが好ましい。

また、前記操作液供給装置は、前記軸継手の固定部に接続された配管と、前記操作液を供給する経路を切換可能なポンプと、前記ポンプを駆動させるモータと、を有し、前記配管と前記シリンダと前記ポンプで操作液回路を形成することが好ましい。

また、前記操作液供給装置は、前記シリンダに１３ＭＰａ以上の圧力の操作液を供給することが好ましい。

本発明は、簡単な構造で、かつ、メンテナンス等の作業をより簡単に行うことができるという効果を奏する。

図１は、水力発電装置の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す水力発電装置のランナ操作装置の一部を拡大して示す模式図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、水力発電装置の概略構成を示す模式図である。図１に示す水力発電装置５は、発電機フロア２に配置されている。水力発電装置５は、発電機６と発電機６を回転させる水力機械１０と、を有する。発電機６は、発電機フロア２に設置されている。発電機６は、発電機フロア２に対して静止する静止部７と、静止部７に対して回転する回転部８とを有する。発電機６は、回転部８が静止部７に対して回転することで、発電する。発電機６は、回転部８と主軸１２を通じて水力機械１０に接続されている。水力機械１０は、発電機６の回転部８に支持され、回転部８とともに回転する。また、水力機械１０の一部は、静止部７と同様回転しない。

次に、図１に加え、図２を用いて、水力機械１０について説明する。図２は、図１に示す水力発電装置のランナ操作装置の一部を拡大して示す模式図である。本実施形態の水力機械１０は、カプラン水車である。水力機械１０は、主軸（回転軸、発電機軸）１２と、ランナベーン１４と、ランナボス１６と、ランナ操作装置２０と、を有する。また、水力機械１０は、さらに水路４のランナベーン１４の上流側にガイドベーンを配置してもよい。

本実施形態の水力機械１０は、鉛直方向に沿って主軸１２が設置され、主軸１２を通じて発電機６の回転部８と接続された状態で鉛直方向を軸として軸周りに回転する。主軸１２は、鉛直方向上側の端部が発電機６の鉛直方向上側の端面より鉛直方向上側に突出している。主軸１２は、中空軸である。

ランナベーン１４は、主軸１２の鉛直方向下側の端部の水路４に配置されている。ランナベーン１４は、回転方向に複数配置されている。ランナボス１６は、主軸１２の鉛直方向下側の端部に配置され、ランナベーン１４を回動自在な状態で支持する。

ランナ操作装置２０は、ランナベーン１４を回動させ、ランナベーン１４の向きを調整する装置である。ランナ操作装置２０は、複数のランナベーン１４のそれぞれを通り、回転軸に直交する方向を軸として、複数のランナベーン１４を一体で回動させる。ランナ操作装置２０は、リンク機構２４と、操作ロッド２６と、スペーサ２８と、軸方向移動装置３０と、カバー３８と、を有する。

リンク機構２４は、一方がランナベーン１４に接続され、他方が操作ロッド２６に接続されている。リンク機構２４は、直動運動を回動運動に変換する機構である。操作ロッド２６の直動運動を回動運動に変換することで、ランナベーン１４を回動させる。

操作ロッド２６は、主軸１２の内部に挿入されている。操作ロッド２６は、鉛直方向下側の端部でリンク機構２４に接続されている。操作ロッド２６は、鉛直方向上側の端部が主軸１２よりも鉛直方向上側に突出している。

スペーサ２８は、主軸１２の鉛直方向上側の端部に固定されている。スペーサ２８は、主軸１２と一体で回転する。スペーサ２８は、内部が中空であり、主軸１２よりも突出している操作ロッド２６が挿入されている。

軸方向移動装置３０は、操作ロッド２６を軸方向に移動させる。軸方向移動装置３０は、操作液シリンダ３２と、軸継手３４と、操作液供給装置３６と、カバー３８と、を有する。

操作液シリンダ３２は、スペーサ２８の鉛直方向上側に配置され、スペーサ２８と一体で回転する。操作液シリンダ３２は、操作液供給装置３６から供給される操作液により、操作ロッド２６を軸方向に移動させる。つまり操作液シリンダ３２は、操作ロッド２６を直動方向に移動させる。操作液シリンダ３２は、ピストン４２と、ピストン４２に接続されたロッド４４と、ピストン４２を収納するシリンダ４６と、を有する。ロッド４４は、一方の端部がピストン４２に固定され、他方の端部がシリンダ４６よりもスペーサ２８側に突出し、操作ロッド２６に固定されている。シリンダ４６は、スペーサ２８の鉛直方向上側に固定されている。操作液シリンダ３２は、シリンダ４６内のピストン４２よりも鉛直方向上側の領域が第１室４８となり、シリンダ４６内のピストン４２よりも鉛直方向下側の領域、つまりスペーサ２８側の領域が第２室４９となる。

軸継手３４は、操作液シリンダ３２の鉛直方向上側に配置されている。軸継手３４は、ロータリージョイント（ロータリーユニオン）であり、操作液シリンダ３２の操作液の経路と、操作液供給装置３６の操作液との経路と、を繋げる。軸継手３４は、高圧用回転継手であり、建設機械、工作機械あるいは圧延機で用いられるような軸継手、例えば、２０ＭＰａ以上の高圧で使用される高圧用回転継手を用いることが好ましい。軸継手３４は、操作液シリンダ３２のシリンダ４６に固定され、シリンダ４６とともに回転する回転部５０と、回転部５０に対して回転自在に連結された静止部５２とを有する。軸継手３４は、回転部５０と静止部５２との間にベアリングが配置されている。軸継手３４は、回転部５０と静止部５２との間にベアリングを配置し、ギャップを精密に管理することにより高圧下での漏油を最小限に抑えている。軸継手３４の内部には、操作液が流れる経路が形成されている。操作液が流れる経路については、操作液供給装置３６とともに説明する。

操作液供給装置３６は、操作液シリンダ３２に操作液を供給する。操作液供給装置３６は、モータにより可逆ポンプを操作して、操作液を供給する方向を切り換えるハイブリッドサーボである。操作液供給装置３６は、第１経路６０と、第２経路６２と、ポンプ６４と、モータ６６と、操作液貯留タンク６８と、を有する。

第１経路６０は、ポンプ６４と、第１室４８とを繋げる経路である。第１経路６０は、配管７０と、静止側管路７２と、回転側管路７４と、シリンダ内管路７６と、を有する。配管７０は、一方の端部がポンプ６４と接続しており、他方の端部が軸継手３４の静止部５２に接続している。静止側管路７２は、配管７０と接続しており、静止部５２の内周面に回転軸周りに形成された周状の管路を有する。回転側管路７４は、一方の端部が静止側管路７２の周状の管路と接続され、他方の端がシリンダ４６と接続されている。回転側管路７４は、周状の管路と接続されることで、静止部５２に対して回転部５０が回転しても静止側管路７２と接続した状態を維持する。シリンダ内管路７６は、一方の端部が回転側管路７４と接続され、他方の端部が第１室４８と接続されている。第１経路６０は、配管７０と、静止側管路７２と、回転側管路７４と、シリンダ内管路７６とが接続されていることで、ポンプ６４と、第１室４８とを繋げている。

第２経路６２は、ポンプ６４と、第２室４９とを繋げる経路である。第２経路６２は、配管８０と、静止側管路８２と、回転側管路８４と、シリンダ内管路８６と、を有する。配管８０は、一方の端部がポンプ６４と接続しており、他方の端部が軸継手３４の静止部５２に接続している。静止側管路８２は、配管８０と接続しており、静止部５２の内周面に回転軸周りに形成された周状の管路を有する。回転側管路８４は、一方の端部が静止側管路８２の周状の管路と接続され、他方の端がシリンダ４６と接続されている。回転側管路８４は、周状の管路と接続されることで、静止部５２に対して回転部５０が回転しても静止側管路８２と接続した状態を維持する。シリンダ内管路８６は、一方の端部が回転側管路８４と接続され、他方の端部が第２室４９と接続されている。第２経路６２は、配管８０と、静止側管路８２と、回転側管路８４と、シリンダ内管路８６とが接続されていることで、ポンプ６４と、第２室４９とを繋げている。

ポンプ６４は、配管７０に操作液を供給する状態と、配管８０に操作液を供給する状態を切り換えることができる可逆ポンプである。モータ６６は、ポンプ６４を駆動する。操作液貯留タンク６８は、ポンプ６４に操作液を供給し、軸継手３４から漏油される操作液を回収する。

カバー３８は、発電機６のカバーに固定されている。カバー３８は、主軸１２の鉛直方向上側の端部に連結されているランナ操作装置２０の各部、具体的に操作液シリンダ３２と軸継手３４の外周を覆っている。

水力機械１０は、水路４に水が流れ、ランナベーン１４が配置されている領域を通過すると、通過する水の力でランナベーン１４が回転方向の力を受ける。ランナベーン１４に回転方向の力が作用するとランナベーン１４、ランナボス１６及び主軸１２が回転する。水力発電装置５は、水力機械１０が回転することで、発電機６の回転部８が回転し、発電する。

また、ランナ操作装置２０は、操作液供給装置３６のモータ６６でポンプ６４を駆動させ、第１経路６０を介して第１室４８に操作液を供給することで、第１室４８の操作液の圧を第２室４９の操作液の圧よりも高くし、ピストン４２を第２室４９側に付勢する。これにより、ピストン４２が第２室４９側、つまりスペーサ２８側に移動され、ピストン４２に連結されている操作ロッド２６が鉛直方向下側に移動される。操作ロッド２６が移動することで、リンク機構２４を介してランナベーン１４が回動される。また、第２室４９から排出された操作液は、第２経路６２からポンプ６４に排出される。ポンプ６４は、第２経路６２から排出された操作液を第１経路６０に供給する。このように、操作液供給装置３６は、シリンダ４６、第１経路６０、第２経路６２、ポンプ６４を１つの閉じられた経路と、操作液を移動させる。

また、ランナ操作装置２０は、操作液供給装置３６のモータ６６でポンプ６４を駆動させ、第２経路６２を介して第２室４９に操作液を供給することで、第２室４９の操作液の圧を第１室４８の操作液の圧よりも高くし、ピストン３２を第１室４８側に付勢する。これにより、ピストン４２が第１室４８側、つまり軸継手３４側に移動され、ピストン４２に連結されている操作ロッド２６が鉛直方向上側に移動される。操作ロッド２６が移動することで、リンク機構２４を介してランナベーン１４が、操作ロッド２６が鉛直方向下側に移動した場合とは反対の方向に回動される。また、第１室４８から排出された操作液は、第１経路６０からポンプ６４に排出される。ポンプ６４は、第１経路６０から排出された操作液を第２経路６２に供給する。このように、操作液供給装置３６は、シリンダ４６、第１経路６０、第２経路６２、ポンプ６４を１つの閉じられた経路と、操作液を移動させる。ランナ操作装置２０は、操作液シリンダ３２に供給する操作液を制御し、操作液の圧を調整することで、ランナベーン１４を回動操作し開度を調整する。

本実施形態のランナ操作装置２０は、操作ロッド２６を主軸１２よりも鉛直方向上側まで配置し、発電機６よりも鉛直方向上側に突出させ、操作ロッド２６の鉛直方向上側に操作液が循環するシリンダを配置することで、操作液が操作ロッド２６及び主軸１２の内部に作動油が流入しない構造とすることができる。これにより、ランナ操作装置２０の構造を簡単にすることができ、操作液が循環する経路のメンテナンスを簡単にすることができる。具体的には、経年あるいは事故で補修や交換が必要になった場合も、発電機を分解せずに処理が可能であり、停止期間や補修コストを大幅に低減できる。

また、ランナ操作装置２０は、操作液供給装置３６に、可逆式のポンプ６４をモータ６６で駆動し、双方向に操作液を供給するハイブリッドサーボとすることで、例えばギアポンプやスクリューポンプから圧油タンクに蓄圧された圧油の場合、あるいは斜板式ピストンポンプやギアポンプなどの定容量の容積型ポンプを直接接続している場合よりも効率よく高い圧力の操作液を供給することができる。操作液を高圧にできることで、操作液シリンダ３２及び軸継手３４を小型化することができる。具体的には、操作液供給装置３６は、シリンダに５ＭＰａ以上の圧力の操作液を供給することが好ましく、シリンダに１３ＭＰａ以上の圧力の操作液を供給することがさらに好ましい。これにより、操作液シリンダ３２及び軸継手３４を小型化することができる。また、発電機６に補強等を行わずに、主軸１２の鉛直方向上側の端部に操作液シリンダ３２及び軸継手３４を配置することができる。なお、操作液供給装置３６は、シリンダに５ＭＰａ以上、好ましくは１３ＭＰａ以上の圧力の操作液を供給することで、装置を小型化することができ、効率よく駆動を行うことができるが、シリンダに５ＭＰａ未満の圧力の作動液を供給する構成としてもよい。

また、ランナ操作装置２０は、操作液を回転部に導入するための複雑な構造を持つ操作液の導入装置に代わり、単純な形状でかつ高圧の操作液を供給する導入装置を採用する。これにより、可動翼の開度調整に必要な作動機構の小型化が可能になり、かつ、水力機械の製造コストを低減することが可能になる。

また、本実施形態のランナ操作装置２０は、操作液シリンダ３２のシリンダ４６と主軸１２の間にスペーサ２８を設けることで、操作液シリンダ３２を主軸１２に対して、分離しやすくでき、かつ組み立てしやすくすることができる。

ここで、ランナ操作装置２０は、操作液として、油を用いることが好ましいが、これに限定されない。操作液としては、水車装置に使用可能であるならば適宜の液体の採用が可能である。また本実施形態は、水力機械１０をカプラン水車であるとしてきたが、これに限定されることはなく、斜流水車やバルブ水車などの可動翼を有する他の可動羽根式の水車装置とするができる。また、水力機械１０は、可動羽根式のポンプ装置を含む可動羽根式の水力機械装置にも適用可能である。

２発電機フロア
４水路
５水力発電装置
６発電機
７静止部
８回転部
１０水力機械
１２主軸（回転軸、発電機軸）
１４ランナベーン
１６ランナボス
２０ランナ操作装置
２４リンク機構
２６操作ロッド
２８スペーサ
３０軸方向移動装置
３２操作液シリンダ
３４軸継手
３６操作液供給装置
３８カバー
４２ピストン
４４ロッド
４６シリンダ
４８第１室
４９第２室
５０回転部
５２静止部
６０第１経路
６２第２経路
６４ポンプ
６６モータ
６８操作液貯留タンク
７０、８０配管
７２、８２静止側管路
７４、８４回転側管路
７６、８６シリンダ内管路

Claims

水力機械の可動翼の位置を操作する可動翼操作装置であって、
前記可動翼に連結され、前記可動翼を回動させるリンク機構と、
前記水力機械の主軸の内部に挿入され、前記リンク機構に連結され、前記主軸とともに回転し、軸方向に移動可能である操作ロッドと、
前記操作ロッドを前記軸方向に移動させる軸方向移動装置と、を有し、
前記操作ロッドは、前記主軸の鉛直方向上側の端部よりも突出しており、
前記軸方向移動装置は、前記操作ロッドの前記リンク機構が設置されている端部とは逆側の端部に配置され、前記操作ロッドとともに回転し、前記操作ロッドと連結したピストン及び前記ピストンが配置されたシリンダを備える操作液シリンダと、
前記操作液シリンダに接続され、前記操作液シリンダと回転する回転部と前記回転部を回転自在な状態で支持する支持部とを有し、前記回転部と前記支持部との間に操作液を流通させる管路が形成された軸継手と、
前記軸継手を介して、前記シリンダの前記ピストンの両側に操作液を供給可能な操作液供給装置と、を有し、
前記管路は、前記支持部に形成された周状の静止側管路と、前記回転部に形成され、前記静止側管路に接続されると共に前記シリンダと接続された回転側管路とを含むことを特徴とする可動翼操作装置。
前記水力機械は、回転部が前記主軸とともに回転する発電機が前記可動翼よりも鉛直方向上側に配置され、
前記主軸は、前記発電機の鉛直方向上側の端部よりも突出していることを特徴とする請求項１に記載の可動翼操作装置。
前記操作液供給装置は、前記軸継手の前記支持部に形成された前記管路に接続された配管と、前記操作液を供給する経路を切換可能なポンプと、前記ポンプを駆動させるモータと、を有し、前記配管と前記シリンダと前記ポンプで操作液回路を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可動翼操作装置。
前記操作液供給装置は、前記シリンダに１３ＭＰａ以上の圧力の操作液を供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可動翼操作装置。