(57)【要約】【課題】水車の状態等に関わらず入口弁１１の弁閉鎖時間が略一定となるようにする。【解決手段】サーボモータ１６と切換弁１８との間に流動する圧油流量を規制する絞弁１７を設け、該絞弁１７とサーボモータ１６との間に切換弁１８側の油圧とサーボモータ１６側の油圧との差圧により動作して、切換弁１８側の油圧がサーボモータ１６側の油圧より大きい場合には流量を増大させ、該切換弁１８側の油圧がサーボモータ１６側の油圧より小さい場合には流量を減少させることによりサーボモータ１６からの排油速度を略一定にする差圧応動弁３０を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧により作動し入口弁を開閉させるサーボモータと、該サーボモータへの圧油の供給流路を切換える切換弁と、該切換弁と前記サーボモータを接続する配管に設けられ、該配管を通流する圧油の流量を調整する絞弁とを備えた水力機械の入口弁制御装置において、
前記絞弁とサーボモータの間の配管に設けられ、前記絞弁前後の圧油の差圧によって通流する圧油の流量を調整する差圧応動弁を備えたことを特徴とする水力機械の入口弁制御装置。
【請求項２】
前記切換弁と前記絞弁との間の配管と、前記差圧応動弁と前記サーボモータとの間の配管に接続されるバイパス配管と、当該バイパス配管の途中に設けられ、前記サーボモータから前記切換弁の方向への圧油の通流を規制する逆止弁とを備えることを特徴とする請求項１記載の水力機械の入口弁制御装置。
【請求項３】
前記サーボモータはピストンとシリンダから構成され、該シリンダには副ポートがシリンダエンドに設けられると共に、前記ピストンの動作により閉塞される主ポートが該副ポートから離間して設けられ、前記主ポート及び前記副ポートが前記作動応動弁と配管により接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水力機械の入口弁制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧式のサーボモータで入口弁の開閉操作を行う水力機械の入口弁制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水力機械等において用いられている入口弁制御装置としては、例えば特許文献１や特許文献２に示されているものの他、図７に示すような構成の入口弁制御装置１００が用いられている。なお、図７は入口弁１１が閉じた状態を示している。
【０００３】
当該入口弁制御装置１００は、水圧鉄管１２に設けられた弁体１３からなる入口弁１１に弁操作アーム１４を介して重錘１５が取付けられ、この弁操作アーム１４にサーボモータ１６が連結されている。
【０００４】
サーボモータ１６は絞弁１７を介して電磁式の切換弁１８と配管８及び配管９により接続されている。
【０００５】
そして、入口弁１１を開くときには、切換弁１８を切換えて圧油をサーボモータ１６に供給する。これによりサーボモータ１６のサーボモータピストン２０が押上げられて開弁する。
【０００６】
一方、入口弁１１を閉じるときは、切換弁１８を図７に示す状態に切換えてサーボモータ１６に貯留されている圧油を排油する。これによりサーボモータ１６のサーボモータピストン２０は重錘１５の重さにより押下げられて閉弁する。
【０００７】
このとき入口弁１１の閉弁所要時間は、絞弁１７の絞量を調整して設定される。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−８６２６９号公報
【特許文献２】
特開平８−１３５５５９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水車の状態等により弁閉鎖時における入口弁１１に加わる閉鎖モーメントが変化する場合が生じ、このため弁閉鎖時間が短くなってしまう等の問題があった。
【００１０】
例えば、水車の通常停止時においては、入口弁１１の弁閉鎖に先立ちガイドベーンが閉じられるので、当該入口弁１１は水が停止した状態で閉鎖される。従って、この場合は重錘１５による閉鎖モーメントしか入口弁１１に加わらない。
【００１１】
しかし、水車調速機の制御装置が故障してガイドベーンの制御ができなくなったような場合には、流水状態（ランナウェイ状態）で入口弁１１を閉じる必要が生じ、このとき流水遮断に伴う大きな閉鎖モーメントが入口弁１１に作用して閉鎖時間が短くなってしまう。
【００１２】
即ち、ガイドベーンの制御が正常に行われているときには、入口弁１１を閉じる際の閉鎖モーメントは重錘１５によるモーメントのみであるが、ガイドベーンが制御不能になると流水によるモーメントも閉鎖モーメントとして作用するため、閉鎖時間が短くなってしまう。
【００１３】
また、水車のケーシングが破壊した際には、水圧鉄管１２の圧力水は大気中に流出するフリーディスチャージ状態になるので、このようなときの入口弁１１の弁閉鎖にはさらに大きな流水による閉鎖モーメントが作用する。
【００１４】
図８は、このような各状態において入口弁１１に作用する閉鎖モーメントの関係を示す図で、それぞれの状態で入口弁１１に作用する閉鎖モーメントが大きく異なり、場合によっては水車の許容力を超えてしまうこともある。
【００１５】
そこで、本発明は、水車の状態等に関わらず入口弁の弁閉鎖時間が略一定となるようにして信頼性及び安全性を向上させた水力機械の入口弁制御装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、油圧により作動し入口弁を開閉させるサーボモータと、該サーボモータへの圧油の供給流路を切換える切換弁と、該切換弁とサーボモータを接続する配管に設けられ、該配管を通流する圧油の流量を調整する絞弁とを備えた水力機械の入口弁制御装置において、絞弁とサーボモータの間の配管に設けられ、絞弁前後の圧油の差圧によって通流する圧油の流量を調整する差圧応動弁を備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項２にかかる発明は、切換弁と絞弁との間の配管と、差圧応動弁とサーボモータとの間の配管に接続されるバイパス配管と、当該バイパス配管の途中に設けられ、サーボモータから切換弁の方向への圧油の通流を規制する逆止弁とを備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項３にかかる発明は、サーボモータはピストンとシリンダから構成され、該シリンダには副ポートがシリンダエンドに設けられると共に、ピストンの動作により閉塞される主ポートが該副ポートから離間して設けられ、主ポート及び副ポートが作動応動弁と配管により接続されていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を頭を参照して説明する。図１は第１の実施の形態の説明に適用される水力機械の入口弁制御装置１０の概略構成を示す図である。
【００２０】
当該水力機械の入口弁制御装置１０は、概ね図７を用いて説明した従来構成と同じ構成であるので、同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００２１】
図１に示す水力機械の入口弁制御装置１０は、絞弁１７とサーボモータ１６との間に差圧応動弁３０を設けている点が従来の構成と大きく相違している。
【００２２】
即ち、当該入口弁制御装置１０は、水圧鉄管１２に設けられた弁体１３からなる入口弁１１に弁操作アーム１４を介して重錘１５が取付けられ、この弁操作アーム１４にサーボモータ１６が連結されている。
【００２３】
サーボモータ１６は、差圧応動弁３０を介してニードル型の絞弁１７に接続され、この絞弁１７が切換弁１８と接続されている。
【００２４】
切換弁１８は、図示しない制御盤からの制御信号によりソレノイドコイル１８ａ又はソレノイドコイル１８ｂのいずれかを励磁して圧油の供給又は排油が行えるようにしている。
【００２５】
そして、入口弁１１を開くときには、ソレノイドコイル１８ａを励磁する。これにより圧油がポートＰからポートＡ側に流動しサーボモータ１６に供給されて、当該サーボモータ１６のサーボモータピストン２０を押上げることにより入口弁１１が開弁する。なお、ポートＢはプラグ止めされている。
【００２６】
一方、入口弁１１を閉じるときは、ソレノイドコイル１８ｂを励磁して図１に示す状態にする。これによりポートＰはポートＢに通じるが、このポートＢはプラグ止されているので圧油は供給されず、ポートＡは図示しない集油槽と配管接続されているポートＴに通じて、サーボモータ１６に貯留されている圧油が排油される。
【００２７】
サーボモータ１６に貯留されている圧油が排油されると重錘１５の重さや状況に応じて流水からのモーメント等によりにサーボモータピストン２０が押下げられて入口弁１１は閉弁する。
【００２８】
なお、このようなサーボモータピストン２０の昇降速度、即ち入口弁１１の開閉速度は、主に切換弁１８とサーボモータ１６を結ぶ配管８と配管９との間に設けられて、流路面積を増減調整する絞弁１７により設定される。
【００２９】
しかし、この絞弁１７のみでは水車の状態等に応じて入口弁１１の開閉速度が変化するので、本発明では該絞弁１７とサーボモータ１６との間に差圧応動弁３０を設けて、常に略一定の開閉速度になるように調整するようにしている。
【００３０】
この差圧応動弁３０は、弁シリンダ３１内に連結棒３２で連結された第１ピストン３３及び第２ピストン３４とが収納されて、第１ピストン３３と弁シリンダ３１との間の空間が開弁室３５、第１ピストン３３と第２ピストン３４との間の空間が第１閉弁室３６、第２ピストン３４と弁シリンダ３１との間が第２閉弁室３７をなしている。
【００３１】
開弁室３５にはスプリング３８が設けられて、第１ピストン３３を第２ピストン３４側に付勢すると共に、当該開弁室３５は絞弁１７の下流側（切換弁１８側）と配管５により接続できるように開弁室ポート３９が設けられて、当該絞弁１７の下流側と同圧力になるようになっている。
【００３２】
また、第１閉弁室３６は、絞弁１７の上流側（サーボモータ１６側）と配管６により接続できるように絞弁側第１閉弁室ポート４０が設けられると共に、サーボモータ１６と配管９により接続できるようにサーボモータ側第１閉弁室ポート４１が設けられている。
【００３３】
さらに、第２閉弁室３７は、絞弁１７の上流側（サーボモータ１６側）と配管７により接続できるように絞弁側第２閉弁室ポート４２が設けられている。
【００３４】
そして、開弁室ポート３９、絞弁側第１閉弁室ポート４０、絞弁側第２閉弁室ポート４２のポート面積は、第１ピストン３３や第２ピストン３４の動きにより変化することはないが、サーボモータ側第１閉弁室ポート４１のポート面積は、第２ピストン３４の動きに応じて変化する。
【００３５】
このような構成において、図２に示すように、第１ピストン３３、第２ピストン３４、連結棒３２、連結棒３２と第１ピストン３３との接続部４２の半径をそれぞれ、ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ２とし、絞弁１７の下流側（切換弁１８側）の油圧をｐ１、スプリング力をｆ、絞弁１７の上流側（サーボモータ１６側）の油圧をｐ２とする。
【００３６】
このとき、第１ピストン３３に作用する第２ピストン３４の方向の力Ｆ１と、第２ピストン３４と反対の方向の力Ｆ２との差分ΔＦ＝Ｆ２−Ｆ１は、ΔＦ＝Ｆ２−Ｆ１＝π＊ｄ１２＊（ｐ２−ｐ１）−ｆ    …（式１）
となる。
【００３７】
スプリング力ｆは常に一定とすることができるので、第１ピストン３３に作用する力の差分ΔＦは、絞弁１７の下流側の油圧ｐ１と上流側の油圧ｐ２との差圧に比例し、差分ΔＦが正のときはサーボモータ側第１閉弁室ポート４１が閉じられる方向に動き、差分ΔＦが負のときはサーボモータ側第１閉弁室ポート４１が開かれる方向に動く。
【００３８】
一般に、サーボモータ１６に圧油を供給することにより入口弁１１を開弁するときは、ｐ１＞ｐ２の関係が満たされるので、差分ΔＦが負となりサーボモータ側第１閉弁室ポート４１は開かれる方向に動くのでサーボモータ１６への圧油供給は制限を受けることがない。
【００３９】
一方、サーボモータ１６の圧油を排油して入口弁１１を閉弁するときはｐ１＜ｐ２の関係が満たされるので、差分ΔＦが正となりサーボモータ側第１閉弁室ポート４１が閉じる方向に動き、排油速度が制限される。
【００４０】
そして、例えば、ガイドベーンが制御不能になった場合のようには、入口弁１１に大きな閉鎖モーメントが作用してｐ１＜＜ｐ２の関係が成立つので、サーボモータ側第１閉弁室ポート４１の閉塞度が大きくなり排油速度は大きく制限される。
【００４１】
排油速度が制限されてくると油圧による差圧の項（π＊ｄ１２＊（ｐ２−ｐ１））はスプリング力ｆと釣合うようになり、この状態を維持するようになる。
【００４２】
従って、水車の状態等に関わらず入口弁１１の閉鎖時間が略一定となり信頼性や安全性が向上する。
【００４３】
なお、上記説明では、絞弁１７としてニードル型の絞弁１７を用いた場合について説明した。
【００４４】
このようなニードル型の絞弁１７では、圧油の温度変化により粘度が変わると、これに伴い流量が変変化して入口弁１１の開閉時間が変動することがある。
【００４５】
このような場合には、図３に示すように、当該ニードル型の絞弁１７に替え、流動する圧油の流量が粘性に依存しないという特徴を持つ薄刃オリフィス型の絞弁１９を設けることが好ましい。
【００４６】
これにより圧油の粘性が変化しても常に一定の流量を流すことが可能になり、入口弁１１の開閉時間が所望の時間で開閉でき信頼性が向上する。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施の形態の説明を図を参照して説明する。なお、上述した第１の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００４８】
第１の実施の形態においては、差圧応動弁３０を設けて、水車の状態等に関わらず入口弁１１の閉鎖時間が略一定となるようにした。
【００４９】
このとき入口弁１１を開弁する際には、差圧応動弁３０におけるサーボモータ側第１閉弁室ポート４１は全開となるので、当該差圧応動弁３０により給油速度は制限を受けることはなかった。
【００５０】
しかし、給油路中には絞弁１７があり、当該絞弁１７は入口弁１１の開弁時及び閉弁時共に同じ状態であるため、開弁速度をより速くしたいという要求に対して応えることができなかった。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、図４に示すように、絞弁１７や差圧応動弁３０をバイパスするように逆止弁５０を設けて、入口弁１１を開弁する際には当該逆止弁５０を介して圧油がサーボモータ１６に供給されるようし、入口弁１１を閉弁する際には差圧応動弁３０及び絞弁１７を介して排油されるようにする。
【００５２】
これによりサーボモータ１６に供給される圧油が絞弁１７で絞られたりすることがないため入口弁１１を効率的に開弁することが可能になる。
【００５３】
次に、本発明の第３の実施の形態の説明を図を参照して説明する。なお、上述した第１及び第２の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５４】
これまで説明した各実施の形態においては、入口弁１１を閉弁する際には、排油速度が一定になるようにするため、排油完了時点でサーボモータピストン２０がモータシリンダ５１のシリンダエンド５２に衝突してしまうことが予想される。
【００５５】
そこで、本発明では、水車の状態等に関わらず入口弁１１の閉鎖時間が略一定となるようにすると共に、閉弁完了間際には排油速度を遅くして、サーボモータピストン２０とシリンダエンド５２との衝突を緩和できるようにしたものである。
【００５６】
このため、図５に示すように、サーボモータ１６のモータシリンダ５１には、主ポート５３と副ポート５４からなる２つのポートが設けられ、各ポートはサーボモータ側第１閉弁室ポート４１と配管５５及び配管５６により接続されている。
【００５７】
この主ポート５３は、シリンダエンド５２から所定の高さ位置に形成され、副ポート５４はシリンダエンド５２の位置に形成されて、配管５６の管径は配管５５より適宜小さいものが用いられている。
【００５８】
これによりサーボモータ１６に貯留された圧油を排油すると、絞弁１７と差圧応動弁３０とにより規定される排油速度で主ポート５３及び副ポート５４を介して排油されてサーボモータピストン２０が降動する。
【００５９】
そして、このサーボモータピストン２０が主ポート５３を塞ぐようになると、圧油は副ポート５４のみを介して排油されるようになり、排油速度が遅くなってサーボモータピストン２０とシリンダエンド５２との衝突が緩和される。
【００６０】
これにより差圧応動弁３０の絞弁１７の開度が、どのような設定であってもサーボモータ１６の機械部品にダメージを与えることなく運転することが可能になり信頼性や安全性が向上する。
【００６１】
なお、サーボモータピストン２０とシリンダエンド５２との衝突緩和効果を発揮させるために、副ポート５４に接続されている配管５６の管径を主ポート５３に接続されている配管５５の管径より小さくしている。
【００６２】
このため入口弁１１を開ける際に、サーボモータピストン２０による主ポート５３の閉塞解除までは開弁速度が遅くなってしまう。
【００６３】
このような場合には、図６に示すように、配管５５及び配管５６の管径を同じ大きさにすると共に、配管５６に流量調整が可能な可調整絞弁５８を設け、かつ、該可調整絞弁５８と並列に逆止弁５９を設けている。
【００６４】
この逆止弁５９は、差圧応動弁３０からサーボモータ１６への圧油の流動は自由に行えるが、サーボモータ１６から差圧応動弁３０への圧油の流動は規制するように設けられている。
【００６５】
これにより、入口弁１１を閉じるときには、サーボモータピストン２０が主ポート５３を塞ぐまでは、当該主ポート５３と副ポート５４とを介して排油が行われ、サーボモータピストン２０が主ポート５３を塞ぐと副ポート５４を介してのみ排油が行われる。
【００６６】
このとき副ポート５４を介して排油される圧油は、可調整絞弁５８を通過するので、当該可調整絞弁５８の設定に応じた排油速度となる。
【００６７】
従って、配管５５，５６の管径を同じ大きさに設定してもサーボモータピストン２０とシリンダエンド５２との衝突緩和効果を発揮させることが可能になる。
【００６８】
なお、可調整絞弁５８における絞量は、装置固有の値とすることができるので、固定絞弁により代用してもよいことは言うまでもない。
【００６９】
一方、入口弁１１を開くときには、圧油は逆止弁５９を介してサーボモータ１６に供給されるので、可調整絞弁５８による流量調整機能が作用せず、迅速に入口弁１１を開弁することが可能になる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水車の状態等に関わらず入口弁の弁閉鎖時間を略一定にできるので、水車機械の信頼性及び安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の説明に適用される入口弁制御装置の概略構成を示す図である。
【図２】差圧応動弁の拡大図である。
【図３】薄刃オリフィス型の絞弁を用いた入口弁制御装置の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の説明に適用される入口弁制御装置の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の説明に適用される入口弁制御装置の概略構成を示す図である。
【図６】図５に代る構成の入口弁制御装置の概略構成を示す図である。
【図７】従来の技術の説明に適用される入口弁制御装置の概略構成を示す図である。
【図８】入口弁に作用する閉鎖モーメントの関係を示す図である。
【符号の説明】
１０  入口弁制御装置
１１  入口弁
１５  重錘
１６  サーボモータ
１７  絞弁
１８  切換弁
１９  絞弁
２０  サーボモータピストン
３０  差圧応動弁
５０，５９  逆止弁
５３  主ポート
５４  副ポート
５８  可調整絞弁
【図１】
2004218584.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004218584.tif 000005
【図４】
2004218584.tif 000006
【図５】
2004218584.tif 000007
【図６】
2004218584.tif 000008
【図７】
2004218584.tif 000009
【図８】
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