(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドベーンを開閉するガイドベーン開閉機構と、上記ガイドベーン開閉機構を操作する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーン開閉機構に強制的に閉方向力を付与するガイドベーン閉鎖装置とを具備し、上記ガイドベーン閉鎖装置は、上記ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、上記閉方向力を上記ガイドベーン開閉機構に常に付与するようにした水力機械のガイドベーン開閉装置において、
上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーンの急激な動作を緩衝するシリンダとピストンとから構成されるダッシュポットを上記電導サーボモータに付設し、上記シリンダ内に閉方向の力を発生するスプリングを設けるとともに、上記ガイドベーンが全開位置および自己閉鎖力が作用する範囲外である全開位置近傍にあるときのみ上記ピストンが上記スプリングに当接し、自己閉鎖力の作用する範囲にガイドベーンが位置するときは上記ピストンが上記スプリングから離間するように当該スプリングを上記シリンダ内に配置したことを特徴とする水力機械のガイドベーン開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電動サーボモータを使用した水力機械のガイドベーン開閉装置に係り、特に電動サーボモータの電源喪失時または故障時にガイドベーンを強制的に閉鎖するガイドベーン閉鎖装置を備えた水力機械のガイドベーン開閉装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水車等の水力機械のガイドベーン開閉装置は近年、油圧サーボモータに代って電動サーボモータが広く使用されるようになってきている。
図４は、従来の電動サーボモータ使用の水力機械のガイドベーン開閉装置を示したもので、電動サーボモータ１は、電動機２と、この電動機２の回転出力を減速する減速機３と、この減速機３の減速出力を直進出力に変換する駆動機構４とから構成される。ガイドベーン開閉機構５は、図示を省略したガイドベーンを開閉操作するガイドリング６と、このガイドリング６に連結されたゲートアーム７とから構成され、このゲートアーム７は、リンク８によって駆動機構４に連結されている。
ゲートアーム７には、更にリンク９を介してガイドベーン閉鎖装置１０が連結されている。このガイドベーン閉鎖装置１０は、リンク９に連結された流体シリンダ１１と、この流体シリンダ１１に接続された電磁弁１２と、この電磁弁１２を介して流体シリンダ１１に高圧流体を供給するアキュムレータ１３とから構成される。
【０００３】
通常運転時には、電動サーボモータ１はリンク８及びゲートアーム７を介してガイドリング６を操作してガイドベーンの開度を制御する。電動サーボモータ１の電源喪失時または故障時には、電磁弁１２がアキュムレータ１３の高圧流体を流体シリンダ１１に供給し、これによって流体シリンダ１１はリンク９及びゲートアーム７を介してガイドリング６を閉方向に駆動して、ガイドベーンを強制的に閉鎖させる。
【０００４】
図５は別の従来のガイドベーン閉鎖装置を示したもので、ガイドリング６には重錘１４が吊下げられ、この重錘１４はガイドリング６に常時、閉方向の力を付与している。従って、重錘１４は電動サーボモータ１の電源喪失時または故障時には、ガイドリング６を介してガイドベーンを強制的に閉鎖させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した流体シリンダ使用のガイドベーン閉鎖装置は、流体シリンダや電磁弁やアキュムレータなど複雑な機構を必要とすると共に、圧力源であるアキュムレータの定期的なメンテナンスを必要とし、かつ電磁弁の動作の不確実性などのため、信頼性に欠けるといった問題がある。
また、重錘を使用したガイドベーン閉鎖装置は、重錘の負荷が常時ガイドリングを介して電動機に作用するため、電動機はこの重錘の負荷にガイドベーン開閉機構の操作力を加算したトルクを常時発生する必要があり、電力消費量が非常に増大するといった問題がある。
そこで、本発明の目的は、信頼性が高くかつ電動機に大きな負荷を実質的にかけることのないガイドベーン閉鎖装置を備えた水力機械のガイドベーン開閉装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は、ガイドベーンを開閉するガイドベーン開閉機構と、上記ガイドベーン開閉機構を操作する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーン開閉機構に強制的に閉方向力を付与するガイドベーン閉鎖装置とを具備し、上記ガイドベーン閉鎖装置は、上記ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、上記閉方向力を上記ガイドベーン開閉機構に常に付与するようにした水力機械のガイドベーン開閉装置において、上記電動サーボモータの電源喪失時または故障時に上記ガイドベーンの急激な動作を緩衝するシリンダとピストンとから構成されるダッシュポットを上記電導サーボモータに付設し、上記シリンダ内に閉方向の力を発生するスプリングを設けるとともに、上記ガイドベーンが全開位置および自己閉鎖力が作用する範囲外である全開位置近傍にあるときは上記ピストンが上記スプリングに当接し、自己閉鎖力の作用する範囲にガイドベーンが位置するときは上記ピストンが上記スプリングから離間するように当該スプリングを上記シリンダ内に配置したことを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
通常運転時で、ガイドベーン開度がガイドベーンの全開位置及びその近傍位置にある時以外は、ダッシュポット内のピストンがスプリングから離間しているので、電動サーボモータはスプリングの閉方向力に影響なしにガイドベーン開閉機構を駆動する。
電動サーボモータが電源喪失または故障した場合には、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時は、自己閉鎖力が働かない状態になっているが、ダッシュポット内のスプリングがピストンに当接しているので閉方向力をガイドベーン開閉機構に付与してガイドベーンを強制的に閉鎖する。ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置以外の位置にある時は、ガイドベーンは自己閉鎖力によって閉鎖する。
【０００９】
このように、ガイドベーン閉鎖装置はガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与する構成であるため、電動サーボモータは実質的に殆どガイドベーン閉鎖装置の負荷を受けることがなく、電力消費の増大や大容量の電動機の使用を回避することができる。
更に、ガイドベーン閉鎖装置は、電動サーボモータが電源喪失または故障したか否かに関係なく、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時には常に閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与する構成であるため、電動サーボモータの電源喪失時または故障時にそれを検出して起動するような装置を特に必要とせず、構成が簡単となり信頼性を高めることができる。
【００１０】
次に、上述した本発明の作用を、ガイドベーンを操作するのに必要な力との関係に基づき更に詳細に説明する。
図３は、一般的な水車等の水力機械のガイドベーンを操作するのに必要な力の特性の代表的な一例を示したグラフである。横軸はガイドベーン開度（％）であり、縦軸はガイドベーンを操作するのに必要な力である。縦軸の（＋）側は開力を、（−）側は閉力を夫々表している。曲線Ａ１は開く時に必要な力を表し、曲線Ａ２はガイドベーンの水圧不平衡力を表し、曲線Ａ３は閉じる時に必要な力を表し、曲線Ａ４は摩擦力を表す。
曲線Ａ３はガイドベーン全開付近以外の開度、即ち約９５％以下の開度において（＋）側であるので、一般の水力機械のガイドベーンはガイドベーン全開付近以外では自己閉鎖力が作用していることが分かる。即ち、ガイドベーンは、ガイドベーン全開付近以外では、外力の作用が無くなると、自己閉鎖力によって自動的に閉鎖する、いわゆる閉まり勝手状態である。
ところが、ガイドベーン開度が約９５％以上の全開近付では、閉じる力Ａ３は負になり、開方向の力に転じる。即ちガイドベーンは、ガイドベーン全開近付では外力の作用が無くなると、開方向に動作する、いわゆる開き勝手状態になってしまう。
【００１１】
そこで、本発明にあっては、ガイドベーン閉鎖装置はガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与する。点線Ａ５はこのガイドベーン閉鎖装置が付与する閉方向力を表し、このガイドベーン閉鎖装置の閉方向力は、図３のグラフ例では開度８５％付近から全開、即ち開度１００％まで、ほぼ直線的に増大している。この点線Ａ５の閉方向力の付与によって、閉じる力Ａ３は、開度８５％付近から二点鎖線Ａ６に移る。こうして、ガイドベーンの全部の開度において、閉じる力Ａ３、Ａ６は（＋）側となる。従って、ガイドベーンは、電動サーボモータの電源喪失または故障によってガイドベーン開閉機構に外力が作用しなくなった場合には、全開付近ではガイドベーン閉鎖装置の閉方向力によって閉鎖し、それ以外の開度では自己閉鎖力によって閉鎖する。
【００１２】
【実施例】
以下に本発明による水力機械のガイドベーン開閉装置の実施例を図４及び図５と同部分には同一符号を付して示した図１及び図２を参照して説明する。
図１において、電動サーボモータ１は、電動機２と、この電動機２の回転出力を減速する減速機３と、この減速機３の減速出力を直進出力に変換する駆動機構４とから構成される。ガイドベーン開閉機構５は、図示を省略したガイドベーンを開閉操作するガイドリング６と、このガイドリング６に連結されたゲートアーム７とから構成され、このゲートアーム７はリンク８によって駆動機構４に連結されている。ゲートアーム７と駆動機構４との連結は、駆動機構４がリンク８を図１で右方向に移動した時にガイドベーン開度を大きくし、逆に左方向に移動した時にガイドベーン開度を小さくするように定められている。そこで、本実施例の説明では、このような右方向を開方向と称し、左方向を閉方向と称する。
【００１３】
電動サーボモータ１には緩衝装置として機能するダッシュポット１５が付設されている。このダッシュポット１５は、基部１６に固定されたシリンダ１７と、ピストン１８と、一端がピストン１８に他端が駆動機構４に夫々連結されたピストンロッド１９と、スロットルチェッキ弁２０とから構成される。シリンダ１７内にはスプリング２１が内蔵され、このスプリング２１は、ピストン１８がシリンダ１７の右端付近に移動した時にのみ、ピストン１８に閉方向の付勢力を付与する。なお、スプリング２１は図示例ではコイルスプリングを使用したが、皿バネなど、その他の任意のスプリングを使用することができる。
【００１４】
ダッシュポット１５はその絞り効果、即ちスロットルチェッキ弁２０を適当に調整することによって、駆動機構４の閉方向力を緩和してガイドベーンをスムーズに閉方向駆動することができる。
次に、この実施例の作用を説明する。
通常運転時には、電動機２は、減速機３と駆動機構４とリンク８とを介してガイドベーン開閉機構５を駆動して、ガイドベーン開度を制御する。このガイドベーン開度が全開付近になると、ダッシュポット１５のピストン１８がスプリング２１に当接するため、電動機２はスプリング２１の付勢力に抗してガイドリング６を駆動することになる。しかしながら、ガイドベーン開度が全開付近以外では、ピストン１８がスプリング２１から離間しているため、電動機２はスプリング２１の付勢力の影響なしに、ガイドベーン開閉機構５を駆動することができる。
【００１５】
電動サーボモータ１が電源喪失または故障した場合には、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時は、ダッシュポット１５のピストン１８がスプリング２１に当接している。従って、スプリング２１が、ピストン１８と駆動機構とリンク８とを介してガイドベーン開閉機構５に閉方向の付勢力を付与しているので、この付勢力によってガイドベーンが強制的に閉鎖される。また、ガイドベーンが全開近傍位置以外の位置にある時は、ガイドベーンは自己閉鎖力によって閉鎖する。
【００１６】
図２は本発明の第２の実施例を示したもので、ダッシュポット１５は、電動サーボモータ１に連結されるのではなく、ゲートアーム７に直接連結されている。この第２の実施例の作用は、第１の実施例の作用と実質的に同一である。
もちろん、ダッシュポット１５はガイドリング６に直接連結してもよい。
以上のように、本発明の第１及び第２の実施例は、ガイドベーンが全開及びその近傍位置にあるときのみに、スプリング２１がガイドベーン開閉機構５に閉方向力を付与するように構成したので、従来のガイドベーン閉鎖装置では必要としてた流体シリンダや電磁弁やアキュムレータ等が不要となり、構成が非常に簡単になる。更に、閉方向力はスプリング２１によって付与される構成であるため、故障が極めて少なくかつ動作が確実であり、ガイドベーン閉鎖装置の信頼性を高めることができる。
【００１７】
また、電動機２がスプリング２１の力に抗してガイドベーン開閉機構６、７を駆動するのは、ガイドベーンが全開及びその近傍位置にある時のみであるので、従来の重錘使用のガイドベーン閉鎖装置に比べて、電動機の容量やその電力消費量を大幅に低減することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、自己閉鎖力の作用しない範囲と、それ以外の範囲とで区別し、ダッシュポット内のスプリングの閉鎖力が前者の範囲で付加されるようにして後者ではスプリングの閉鎖力が効かないようにスプリングを配置しているので、ダッシュポットとスプリングを一体にしたシンプルな構成により、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時のみ、ダッシュポット内に配置したスプリングが閉方向力をガイドベーン開閉機構に付与することができ、電動サーボモータは実質的に殆どガイドベーン閉鎖装置の負荷を受けることがなくなり、電力消費の増大や大容量の電動機の使用を回避することができる。
更に、ガイドベーン閉鎖装置は、電動サーボモータが電源喪失または故障したか否かに関係なく、ガイドベーンが全開位置及びその近傍位置にある時には閉方向力をガイドベーン開閉機構に常に付与するため、電動サーボモータの電源喪失または故障を検出して起動するような装置を特に必要とせず、構成が簡単となり信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水力機械のガイドベーン開閉装置の第１の実施例を示した概略図。
【図２】本発明による水力機械のガイドベーン開閉装置の第２の実施例を示した概略図。
【図３】水力機械のガイドベーンを操作するのに必要な力とガイドベーン開度との関係を示したグラフ。
【図４】従来の水力機械のガイドベーン開閉装置を示した概略図。
【図５】別の従来の水力機械のガイドベーン開閉装置を示した概略図。
【符号の説明】
１  電動サーボモータ
５  ガイドベーン開閉機構
２１  スプリング（ガイドベーン閉鎖装置）
【図１】
0003688743.tif 000002
【図２】
0003688743.tif 000003
【図３】
0003688743.tif 000004
【図４】
0003688743.tif 000005
【図５】
0003688743.tif 000006