JPS6048635B2 - 水力機械の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水力機械の制御装置に係り、特に水車、ポン
プ水車等のガイドベーンの水口を異つた閉鎖速度で段階
的に閉鎖できるようにした水力機械のガイドベーン閉鎖
装置に関する。

一般に、フランシス水車およびポンプ水車は、運転中に
負荷しや断を行つたり、または何らかの不測の原因によ
り非常停止を行う場合がある。

このような場合、従来は負荷急変時直ちにガイドベーン
を急閉鎖し、次いで緩閉鎖に移行し、その閉鎖速度を維
持したままガイドベーンを全閉状態まで閉鎖する。いわ
ゆる急緩２段閉鎖方式が行われてきた。しかしながら、
高落差高揚程ポンプ水車のように水圧管路が長く、しか
も回転速度による流量変化が大きい場合には、水圧上昇
が大きくなるという水力機械の特性により回転速度によ
る流量激減部の閉鎖速度は極端に遅くする必要がある。
そこで、第１図に示すように、負荷変動発生と同時にガ
イドベーンを第１段閉鎖線６−１に沿つて急閉鎖し、続
いて水車等の回転速度上昇により流量が激減する水車運
転領域において、第２段閉鎖線１−２に沿つて緩閉鎖に
移行し、その後さらに第３段閉鎖線２−３に沿つてガイ
ドベーンを急速に閉鎖させる、いわゆる急緩急３段閉鎖
方式が採用されるようになつてきた（特公昭４９一４０
９０冴公報参照）。一方水力機械においては、降水量の
変化などにより水力機械の上部貯水池の水位が変化する
ために運転落差の変動が生じる。運転落差の変動が生じ
れば、水力機械に流入する水量も変化するから、一定の
基準出力を得るため低落差の場合には、ガイドベーンの
水口開度を大きく、また高落差の場合は逆に水口開度を
小さくして運転を行つている。そこで負荷しや断または
非常停止を行なう場合−においてもこのような変化する
水力機械の運転落差に対応したあられる運転条件に合致
した方法が必要となる。

すなわち水口開度の最も大きい最低落差で運転中に負荷
しや断または非常停止を行なう場合、水．口開度が大き
い分だけ第１段閉鎖速度を与える時間Ｔ，が長くなり、
その結果水力機械には最大の回転速度上昇が生じる。

水力機械に生ずるこの回転速度上昇を抑制するため従来
は第２段閉鎖速度を与える時間Ｔ２を最低落差を基準に
して時限装−置を使つて画一的に設定していた（特開昭
５２一１１８１仙号公報参照）。しかしながら、高落差
で水力機械を運転中に負荷しや断または非常停止を行な
う場合には、最低落差の場合より時間Ｔ，が短かいため
回転速度上昇は大きくなく、時間Ｔ。

はその分だけ短かくて良い。よって時間Ｔ２を画一的に
設定した場合には、最低落差て運転する場合以外は、回
転速度上昇を生じた状態が必要以上に長くなるため水力
機械は、無負荷開度に戻るまでに、振動、遠心力、水圧
脈動に起因して苛酷な状態に必要以上に長くさらされる
というおそれがあつた。

そこで、本発明の目的は、負荷しや断等の非常時に水力
機械を長時間にわたつて過速度に状態にさらすことなく
、また、水圧変動値、回転速度が許容値を上回ることの
ないように抑制し、さらい正常運転時には閉鎖速度を早
めて負荷応答性を高めることができる水力機械の制御装
置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による水力機械の制
御装置は、水力機械のガイドベーンを閉鎖操作するサー
ボモータと、水力機械の回転速度の変化に応動して上記
サーボモータに圧油を供給する主配圧弁と、ガイドベー
ン閉鎖時におけるサーボモータの排油側の管路中に弁体
が組込まれて流路断面の面積を第１段，第２段および第
３段にわたつて選択的に絞り、第１段閉鎖速度、第２段
閉鎖速度および第３段閉鎖速度の異つた閉鎖速度でガイ
ドベーンを段階的に閉じるようにした絞り切換弁と、こ
の絞り切換弁に第２段閉鎖速度を与えるようにピストン
が作用する第１の作動ピストンシリンダと、この第１の
作動ピストンシリンダとピストンと同方向にピストンが
突出し、かつ後方に待機して第１の作動ピストンシリン
ダのピストン後退時上記絞り切換弁の弁体に第３段閉鎖
速度を与えるようにピストンが作用する第２の作動ピス
トンシリンダと、上記第１および第２の作動ピストンシ
リンダに圧油源からの圧油を分配供給する管路と、この
管路の途中に組込まれ、通常はドレン位置にあるが第１
段閉鎖の終了時にパイロット弁によつて作動位置に切換
えられる第１の切換弁と、この第１の切換弁よりも上流
側の上記管路上に組込まれ、通常はドレン位置にあるが
第１段閉鎖の終了時に作動位置に切換えられる第２の切
換弁と、この第２の切換弁をドレン位置から作動位置へ
切換えて上記管路を圧油源に連通させるカムと、上記第
１の切換弁と上記第１の作動ビストンシリンダとの間に
上記管路上に組込まれ、通常はドレン位置におかれた第
３の切換弁と、この第３の切換弁に作用し、水力機械の
ケーシングおよび鉄管等の水圧検知部内の水圧が設定値
よりも上昇したときにピストンを突出されて第３の切換
弁をドレン位置から作動位置へと切換えるピストンシリ
ンダ装置とこのピストンシリンダ装置と上記水力機械の
水圧検知部との間を連絡し、水圧検知部の水圧変動を上
記ピストンシリンダ装置に伝達する水圧検知管とを有し
てなることを特徴とするものであり、本発明によれば、
ガイドベーンの第２段閉鎖の開始時点の終了時点を自在
に調節制御して水力機械のケーシングおよび鉄管からの
水圧を検知して緩閉鎖を行わせることができ、水力機械
の特性に合せて最適な制御をすることが可能となる。

また、負荷しや断等の非常時にも水力機械を長時間にわ
たつて過速度の状態にさらすことなく、水力機械内の水
圧変動値が許容値を上回ることのないように制御するこ
とができる。以下、本発明による水力機械の制御装置を
図に示す各実施例について説明する。

本発明の第１の実施例を示す第２図において、符号１は
ガイドベーンを開閉駆動するサーボモータを示し、この
サーボモータ１は管路２，３を介して主配圧弁４と接続
されている。

上記サーボモータ１のピストン１ａの動きは、主配圧弁
のスプール４ａの中立位置からの変位によつて制御され
、上記スプール４ａの変位とサーボモータ１のピストン
１ａの速度との関係は、第３図に示すとおり、ほぼ比例
関係にある。そして、主配圧弁４Ｊの給油ボート４ｂに
は、圧油源５からの圧油が管路６を介して供給される。
一方、上記主配圧弁のスプール４ａは、パイロット弁７
のピストン７ａに直結されており、上記スプール４ａの
中立位置からの変位はパイロット弁７によつて制御され
、パイロット弁のピストン７ａの動きはストッパアーム
８ａとストッパ８ｂとによつてそのストロークを規制さ
れ、あらかじめ中立位置から最大ストロークｘを与えた
ところで停止し、この点でサーボモータ１の閉鎖速度
）Ｖｘが決定されるようになつている。

上記パイロット弁７は、さらに管路９，１０を介して油
圧サーボ弁１１と接続され、この油圧サーボ弁１１には
、管路１２を介して前記圧油源５からの圧油が供給され
る。

ちなみに、上記油圧サーボ弁１１には、図示を省略した
回転速度検出部又は水車出力制御部からの出力電気信号
と、サーボモータ１のピストン１ａの動きを電気信号に
変換するポテンショメータ１３からの復元信号等が加え
られ、油圧サーボ弁１１の出力によつてパイロット弁７
が制御されるようになつている。しカルて、前述したサ
ーボモータ１の管路３上には、第１段，第２段および第
３段にわたつて異つた閉鎖速度をガイドベーンに与える
３段階の絞り通路を備えた３ボート絞り切換弁１４が組
み込まれ、サーボモータ１のシリンダ内の圧油は、あら
かじめ選択された絞り通路を通じて絞られ、シリンダ内
の圧油の排出流量を制御され、主配圧弁４を経由してド
レン側に戻される。上記絞り切換弁１４にはアーム１５
が設けられ、このアーム１５には、独立的に作動する第
１および第２の作動ピストンシリング１６，１７のピス
トンロッドの先端がそれぞれ独立して当接し、このピス
トンロッドの突出位置によつて絞り切換弁１４の絞りボ
ートの位置が選択される。上記一方の作動ピストンシリ
ンダ１６は、管路１８，１９を直列に介して前記圧油側
の管路６に接続され、管路１９上には第１の流路切換弁
２０が管路１８との接続部近くに組込まれると共に、管
路１９上の圧油源に近い側には、第２の流路切換弁２１
が組込まれている。

これらの切換弁２０，２１は通常はドレン位置にある常
閉形の２位置切換弁である。また、上記管路１８上の第
１の作動ピストンシリンダ１６の上流側には、常閉形の
第３の流路切換弁２２が組込まれ、作動ピストンシリン
ダ１６に対して圧油を選択的に給排するようになつてい
る。さらに、前記第２の作動ピストンシリンダ１７は管
路２３を介して管路１８と管路１９との連結部に分岐接
続されている。ところで、前記第２の切換弁２１は、カ
ム２４によつて２つの位置を選択的に切換えられ、この
カム２４は軸２５によつて回動され、この軸２５の回動
はプーリ２６およびローブ２７を介して与えられ、ロー
ブ２７の先端は前記サーボモータ１のピストン１ａに接
続されている。したがつて、ガイドベーンを閉じる方向
にピストン１ａが動くとき、ローブ２７はカウンターウ
ェイトＷの重量に抗して引張られ、プーリ２６は矢視方
向へ回動し、カム２４を矢視方向へ回動させ、第１段閉
鎖の終点１に達したとき、カム２４が第２の切換弁２１
をドレン位置から作動位置へ切換えるように働く。また
、前記第１の流路切換弁２０は、前記ストッパアーム８
ａに取り付けられた作動杆２８によつてドレン位置から
作動位置へと切換えられる。

この作動杆２８は遊びストロークＹを与え、このストロ
ークＹは、前記ストロークＸとＸ＞Ｙの関係にあつて、
Ｘ−Ｙが流路切換弁２０の切換スト フロークとなつて
いる。さらにまた、前記第３の切換弁２２の近傍にはピ
ストン３０とシリンダ３１からなるピストンシリンダ装
置３２が配置されており、ピストン３０は通常はスプリ
ング３３によつて後退する方向へはね負荷されており、
図中、ピストン３０は後退した位置におかれているが、
ピストン３０がばね力に抗して前進したとき第３の切換
弁２３をドレン位置から作動位置へと切換えるようにな
つている。

上記シリンダ３１には水圧検知管３４の一端Ｊが接続さ
れており、この水圧検知管３４の他端はガイドベーンの
上流側にあたるうず巻ケーシングまたは鉄管等の水圧検
知部に接続されている。次に上記第２図に示した実施例
による装置の作用を述べる。いま、水車が高出力状態に
あつてサーボモータ１が全開位置にあるとき、第２切換
弁２１はドレン位置にあるから、管路１９，１８，２３
はいずれもドレン側に切換えられて無圧状態となつてお
り、このとき、絞り切換弁１４は第１段閉鎖速度をサー
ボモータ１に与える全開位置を保持している。

このような正常状態から負荷がしや断した場合、水車の
回転速度は急激に上昇し、これを検知した速度検出装置
からの閉信号によつて油圧サー ．ホ弁１１が働き、圧
油源５からの圧油を管路９を通してパイロット弁７に送
り、主配圧弁４のスプール４ａを下げ、サーボモータ１
を閉動しはじめる。

サーボモータ１の急閉鎖方向への運動でガイドベーンの
開度は急激に減少するから、水車ケー ・シングおよび
鉄管内の水圧は急激に上昇する。この水車上昇値は水圧
検知部から水圧検知管３４を通してシリンダ３１に伝達
される。伝達された水圧上昇値がばね３３によつて設定
された値よりも大きいときはピストン３０を図の左方へ
動かし、第３の切換弁２２をドレン位置から作動位置へ
と切換える。一方、サーボモータ１のピストン１ａの動
きは、ポテンショメータ１３によつて検出され、その出
力信号は油圧サーボ弁１１に伝達されるが、当初は速度
検出信号が圧倒的に大きいので、主配圧弁のスプール４
ａは、ストッパアーム８ａを伴つて下降を続け、ストロ
ークＸだけ下降したところで、作動杆２８が流路切換弁
２０を押し込んで切換弁２０をドレン位置から作動位置
へと切換える。

この間に水車がガイドベーンは、第１図において第１段
の閉鎖線に沿つて閉鎖され、同図の１点に達したときに
切換弁２０が作動位置に切換わることになる。しカルて
、サーボモータ１の閉方向への動きと同期してワイヤロ
ーブ２７が引張られ、プーリ２６および軸２５を介して
カム２４を矢視方向へ回動させる。

そして、カム２４の回動が進んで切換点１り達したとこ
ろで、第２の切換弁２１をドレン位置から作動位置へと
切換える。すると、圧油は、管路１９より切換弁２０に
通じて管路１８に入り、すてに作動位置におかれた第３
の切換弁２２を通じて作動ピストンシリンダ１６に供給
される。そして、ピストン１６ａのストロークに応じて
絞り切換弁１４を第２段絞り通路側へ切換え、ガイドベ
ーンは、第１図の第２段閉鎖線に沿つて緩閉鎖される。
同時に圧油は、管路２３より作動ピストンシリンダ１７
に送られてピストン１７ａを下降させ、絞り切換弁１４
に第３段の絞り通路を与えるところで停止し、待機状態
に入る。他方、水車ケーシングおよび鉄管内の水圧が設
定値以下になると、ピストン３０はばね力によつて後退
し、第３の切換弁２２を作動位置からドレン位置へ戻し
、ピストン１６ａを後退させる。このように、水車ケー
シングおよび鉄管内の水圧が設定値以下になるまでピス
トン１６ａの前進状態が保持され、この間、サーボモー
タ１の緩閉鎖は第１図の第２段閉鎖線１−２間にわたつ
て保持されることになる。そして、水圧検知部内の水圧
の低下により、ピストン１６ａが後退すると、絞り切換
弁１４は前述したとおり、ピストン１７ａでセットされ
た第３段の絞り通路となり、サーボモータ１は第２図の
第３段閉鎖線に沿つて閉鎖されることになる。ちなみに
、正常な運転状態で負荷調整のため、サーボモータ１を
操作するとき、全ストロークにわたつて急速な開閉は少
なく、速度変化も少ないので多段閉鎖する必要はない。

また、閉鎖信号に応働し、主配圧弁４のスプール４ａの
動く範囲がストロークＹ内にあるとき、管路１８，２３
内は無圧状態となつているから、絞り切換弁１４は開放
状態となつており、サーボモータ１の開閉速度は主配圧
弁４のスプール４ａのストロークに対応して、第１図に
破線で示すような速度て直線閉鎖することができる。次
に本発明の他の実施例を第４図および第５図を参照して
説明する。

第４図に示した実施例は、水圧検知管３４上に、可変形
逆止弁付流量調整弁３５を組込んだ実施例であり、水圧
検知管３４上には逆止弁３６が組込まれ、この逆止弁３
６を迂回するバイパス管路３７上に流量調整弁３８が設
けられている。

このような実施例によれば、サーボモータ１の急閉鎖方
向への運動で水車ケーシングおよび鉄管内の水圧が上昇
すると、圧力水は逆止弁３６を通してシリンダ３１内に
入り、ピストン３０を前進させて前記実施例と同様に作
用する。ところが、第２段閉鎖が進行して水車ケーシン
グおよび鉄管内の水圧が設定値以下になつたとき、逆止
弁３６が働いてシリンダ３１の背圧室内の水は流量調整
弁３８によつて流量を制御され、ピストン３０の動作速
度を遅くするから第３の切換弁２２の作動位置からドレ
ン位置への切換時間を遅延させることができる。その結
果、流量調整弁３８の絞り量を調整することにより、第
２段の閉鎖動作開始時の水圧設定値と第２段の閉鎖動作
終了時の水圧設定値を異なつた値とすることができる。
一方、第５図に示した実施例は、水圧検知管３４上に、
通常時連通位置にある常開形の第４の切換弁４０が組込
まれ、この第４の切換弁４０はピストンシリンダ４１と
連結されており、切換弁４０ははね４２によつて作動位
置を保持されている。

しかして、第３の切換弁２２と第１の作動ピストンシリ
ンダ１６との間の管路１８からは管路４３が分岐し、こ
の管路４３の先に第５の切換弁４４が設けられている。
この切換弁４４は、ノーマル位置において、前記ピスト
ンシリンダ４１の背圧室がドレン回路と連通している。
また、上記切換弁４４の近傍にはピストン４５とシリン
ダ４６からなるピストンシリンダ装置４７が配置されて
おり、ピストン４５は通常はスプリング４８によつて後
退方向にばね負荷されており、図中ピストン４５は後退
した位置におかれている。上記シリンダ４６の背圧室内
には管路４９を介して水車ケーシングおよび鉄管の水圧
検知部からの圧力水が導入される。このように構成され
た実施例によれば、負荷しや断時に第１の切換弁２０お
よび第２の切換弁２１が共にドレン位置から作動位置へ
切換えられると、圧力検知部からの圧力水は切換弁４０
を通してシリンダ３１の背圧室に導入されピストン３０
を前進させて第３の切換弁２２を作動位置へ切換える。

すると、管路１８内を流れる圧力水は第１の作動ピスト
ンシリング１６に供給されると共に一部は管路４３を介
して第５の切換弁４４に送られる。一方、圧力検知部か
らの圧力水は、管路４９を通してシリンダ４６の背圧室
に作用し、ピストン４５を突出させて第５の切換弁４４
をドレン位置から作動位置へと切換え、管路４３内の圧
力水をピストンシリング４１に作用させて第４の切換弁
４０を閉止させる。水圧検知管３４の閉止により、圧力
検知部の水圧が下がつてもピストン３０はロックされて
いるから、第２段閉鎖状態はそのまま保持されることに
なる。

ところが、圧力検知部の水圧が低下すると、スプリング
４８のばね力が打勝つてピストン４５を後退させ第５の
切換弁４４をドレン位置に切換え、第４の切換弁４０を
作動位置に再度戻し、シリンダ３１の背圧室内の圧力を
減圧してピストン３０を後退させ、第３の切換弁２２を
ドレン位置に戻して、絞り切換弁１４を第２段閉鎖位置
から第３段閉鎖位置に移行させる。このように、ピスト
ンシリンダ３２とピストンシリンダ４７を組合せること
により、第２段閉鎖の開始と終了時点を任意に設定する
ことが可能となる。このように本発明によれば、ガイド
ベーンの第２段閉鎖の開始時点と終了時点を自在に調節
制御でき、水力機械のケーシングおよび鉄管からの水圧
を検知して緩閉鎖を行わせるから、水力機械の特性に合
せて最適な制御をすることが可能となる。また、負荷し
や断等の非常時にも水力機械を長時間にわたつて過速度
の状態にさらすことなく、水力機械内の水圧変動値が許
容値を上回ることのないように制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガイドベーンの閉鎖時間とサーボモータストロ
ークの関係を示す線図、第２図は本発明の一実施例によ
る水力機械の制御装置を示す線図的説明図、第３図は主
配圧弁のスプールのストロークとサーホモータの開閉速
度との関係を示す線図、第４図は本発明の他の実施例の
要部を示す線図的説明図、第５図は本発明のさらに他の
実施例の要部を示す線図的説明図である。 １ ・・・サーボモータ、４・・・主配圧弁、５・・・
圧油源、７・・・パイロット弁、１１・・・油圧サーボ
弁、１４・・・絞り切換弁、１６・・・第１の作動ピス
トンシリンダ、１７・・・第２の作動ピストンシリンダ
、２０・・・第１の流路切換弁、２１・・・第２の流路
切換弁、２２・・・第３の流路切換弁、２４・・・カム
、３２・・・ピストンシリンダ装置、３４・・・水圧検
知管、３５・・・可変形逆止弁付流量調整弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水力機械のガイドベーンを開閉操作するサーボモー
   タと、水力機械の回転速度の変化に応働して上記サーボ
   モータに圧油を給排する主配圧弁と、ガイドベーン閉鎖
   時におけるサーボモータの排油側の管路中に弁体が組込
   まれて流路断面の面積を第１段，第２段および第３段に
   わたつて選択的に絞り、第１段閉鎖速度、第２段閉鎖速
   度および第３段閉鎖速度の異つて閉鎖速度でガイドベー
   ンを段階的に閉じるようにした絞り切換弁と、この絞り
   切換弁に第２段閉鎖速度を与えるようにピストンが作用
   する第１の作動ピストンシリンダと、この第１の作動ピ
   ストンシリンダのピストンと同方向にピストンが突出し
   、かつ後方に待機して第１の作動ピストンシリンダのピ
   ストン後退時上記絞り切換弁の弁体に第３段閉鎖速度を
   与えるようにピストンが作用する第２の作動ピストンシ
   リンダと、上記第１および第２の作動ピストンシリンダ
   に圧油源からの圧油を分配供給する管路と、この管路の
   途中に組込まれ、通常はドレン位置にあるが第１段閉鎖
   の終了時にパイロット弁によつて作動位置に切換えられ
   る第１の切換弁と、この第１の切換弁よりも上流側の上
   記管路上に組込まれ、通常はドレン位置にあるが第１段
   閉鎖の終了時に作動位置に切換えられる第２の切換弁と
   、この第２の切換弁をドレン位置から作動位置へ切換え
   て上記管路を圧油源に連通させるカムと、上記第１の切
   換弁と上記第１の作動ピストンシリンダとの間の上記管
   路上に組込まれ、通常はドレン位置におかれた第３の切
   換弁と、この第３の切換弁に作用し、水力機械のケーシ
   ングおよび鉄管等の水圧検知部内の水圧が設定値よりも
   上昇したときにピストンを突出させて第３の切換弁をド
   レン位置から作動位置へと切換えるピストンシリンダ装
   置と、このピストンシリンダ装置と上記水力機械の水圧
   検知部との間を連絡し、水圧検知部の水圧変動を上記ピ
   ストンシリンダ装置に伝達する水圧検知管とを有してな
   る、複数段の異つた閉鎖速度でガイドベーンを段階的に
   閉鎖できるようにした、水力機械の制御装置。 ２ 上記水圧検知管は、通常は作動位置にあつて上記第
   ３の切換弁を操作するピストンシリンダ装置に水圧検知
   部からの圧力水を供給する第４の切換弁と、この第４の
   切換弁と接続され、通常はドレン位置にあるが水圧検知
   部の水圧が設定値以上になつてとき上記第４の切換弁を
   作動位置から停止位置へと切換える第５の切換弁と、こ
   の第５の切換弁に作用し、水圧検知部内の水圧が設定値
   よりも上昇したときにピストンを突出させて第５の切換
   弁をドレン位置から作動位置へと切換えるピストンシリ
   ンダ装置とを有してなる特許請求の範囲第１項記載の水
   力機械の制御装置。