(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転主軸と同心状に配設された出力軸とを相対的に回転させることにより、操作ロッドを介して前記回転主軸に取付けられた可変ピッチ羽根の取付角度を変化させる水力機械用可変ピッチプロペラ駆動装置において、
前記出力軸の端部に雄ねじが形成されたねじ軸部を設け、
このねじ軸部の外周に、このねじ軸部に係合して自転しながら前記ねじ軸部の外周を公転する複数のローラねじ軸を配設し、
前記ローラねじ軸を、前記ねじ軸部と同心状に配設したナット状部材の雌ねじに係合させ、
前記ナット状部材を前記操作ロッドに連結し、
前記操作ロッドを前記回転主軸に対して軸線方向にのみ移動可能とする移動方向規制手段を設けた、
ことを特徴とする水力機械用可変ピッチプロペラ駆動装置。
【請求項２】
前記移動方向規制手段は、前記ナット状部材の外周面と前記回転主軸の内周面との間に介装されたスライドキーであることを特徴とする請求項１記載の水力機械用可変ピッチプロペラ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カプラン水車や軸流ポンプの如き水力機械等における可変ピッチプロペラの回転主軸に対する羽根の角度を変化させるための駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水車やポンプ或いはブロワ等においては、回転軸に対する羽根の取付角度を任意に変更できる可変ピッチプロペラを使用し、その羽根の取付角を変化させることによってその負荷の調節を行うことができるようにしたものがある。
【０００３】
すなわち、回転主軸の一端に、複数の羽根を放射状に装着したランナボスが一体的に連結してあり、上記各羽根の支持軸が上記ランナボス内において軸線周りに回動自在に軸支してある。一方、中空状に形成された回転主軸の一部には油圧シリンダが形成され、その油圧シリンダ内に配設されたピストンに、中空の回転主軸内に同心的に挿通された操作ロッドの一端が連結され、その他端がリンク機構を介して前記各羽根の支持軸に連結されている。
【０００４】
そして、回転主軸の端部から配圧弁を介して圧油を上記圧油シリンダに供給し、ピストンを任意の方向に移動させることによって、前記操作ロッドを軸線方向に移動させ、その移動によって羽根の各支持軸を軸線回りに回動させ、各羽根の取付角度を変化させるようにしてある。
【０００５】
ところが、このような装置においては、回転主軸の駆動回転中にも羽根の取付角度の調整を行うことができるようにするため、油圧シリンダに対する油圧の給排を回転シール機構等を介して行わなければならず、油圧のシール機構が複雑となる等の問題がある。特に、水車等のような空気よりも粘性抵抗が大きい流体を扱うものでは、羽根に対する抵抗が大きな反力となって油圧シリンダ側に負荷するため、相当な高圧の油圧を作動させなければならず、シール部での油洩れ焼付き等の事故が発生する可能性もある。
【０００６】
そこで油圧シリンダの代わりに電動機を使用し、この電動機の出力軸を前記操作ロッドに螺合させて、その操作ロッドを往復動させるようにしたものも提案されている。
【０００７】
すなわち、図６は上記従来の可変ピッチプロペラ駆動装置を適用した可変ピッチプロペラ水車の概略構成を示す図であって、下端にランナボス１ａを一体的に装着した回転主軸１が軸受２によって回転自在に支持されている。上記ランナボス１ａには放射方向に複数の羽根３が取付けられており、その各羽根の支持軸３ａがランナボス１ａ内で軸支され、支持軸３ａを回動させることによって羽根３の取付角度を変化させることができるようにしてある。
【０００８】
一方、回転主軸１は中空状に形成され、この回転主軸１内に操作ロッド４が軸線方向にのみ移動可能に同心状に配設され、その操作ロッド４の下端に固着されたアーム４ａが、リンク及びレバー機構５を介して前記羽根３の各支持軸３ａに連結されている。したがって、上記操作ロッド４を軸線方向に往復移動させることによって、リンク及びレバー機構５を介して各羽根３の取付角度を変化させることができる。
【０００９】
上記回転主軸１の頂端部には、本発明に係る可変ピッチプロペラ駆動装置の作動機構６が装着されており、その作動機構６への入力軸７がカップリング８及び中間軸９を介して電動機１０に連結されている。また、上記作動機構６の他端にある出力軸１１は推力軸受１４により大きな推力を支えるようになっており、その下端に形成されたねじ部１１ａが前記操作ロッド４の頂部に設けられているナット４ｂに螺合されている。
【００１０】
したがって、回転主軸１と出力軸１１との間に相対的な回転を発生させると、操作ロッド４が軸線方向に移動し、リンク及びレバー機構５を介して各羽根３の取付け角度が変化される。また、回転主軸１と出力軸１１とを一体回転させると、出力軸１１と操作ロッド４が一体的に回転するので、操作ロッド４の軸線方向の移動がなく、各羽根３の取付角度は所定値に維持される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、一般にカプラン水車や軸流ポンプ等では、運用上常時羽根３の角度を大きく変化させることは少なく、負荷変動に伴なって少角度の調整が主となる。したがって、操作ロッド４のストロークも小さい変化となり、ねじ部１１ａ及びナット４ｂも微少回転が主となる。
【００１２】
したがって、上記ねじ部１１ａ及びナット４ｂは球状の転動体のいわゆるベアリングを介して構成されているため、微少回転を長く且つ継続的に動作させると、転動体は常に一部の個所のみが互いに接することになり、転動体表面に疲労破損を生じ、ボールねじ装置の寿命を著しく短かくする等の問題がある。
【００１３】
そこで、これにかわり得る方法として、台形ねじ等も提案されているが、回転を軸方向に変換する機械効率がボールねじに比較して著しく劣り、結果として装置が過大となり、回転体内部に収納することができなくなる等の不都合がある。
【００１４】
本発明はこのような点に鑑み、ボールねじと同等の効率をもち、かつ微少ストロークの連続運転においても十分疲労及び摩耗に耐え得るようにした可変ピッチプロペラ駆動装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転主軸と同心状に配設された出力軸とを相対的に回転させることにより、操作ロッドを介して前記回転主軸に取付けられた可変ピッチ羽根の取付角度を変化させる水力機械用可変ピッチプロペラ駆動装置において、
前記出力軸の端部に雄ねじが形成されたねじ軸部を設け、
このねじ軸部の外周に、このねじ軸部に係合して自転しながら前記ねじ軸部の外周を公転する複数のローラねじ軸を配設し、
前記ローラねじ軸を、前記ねじ軸部と同心状に配設したナット状部材の雌ねじに係合させ、
前記ナット状部材を前記操作ロッドに連結し、
前記操作ロッドを前記回転主軸に対して軸線方向にのみ移動可能とする移動方向規制手段を設けたことを特徴とする。
なお、前記移動方向規制手段は、前記ナット状部材の外周面と前記回転主軸の内周面との間に介装されたスライドキーとすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の可変ピッチプロペラ駆動装置を適用した可変ピッチプロペラ水車の部分図であって、回転主軸１の頂端部には可変ピッチプロペラ駆動装置の作動機構６が装着されており、その作動機構６への入力軸７がカップリング８及び中間軸９を介して電動機１０に連結されている。そして、上記作動機構６の他端には出力軸１１が設けられており、その出力軸１１の下端部には雄ねじが形成されたねじ軸部１４が形成され、そのねじ軸部１４に上記出力軸１１の回転を軸方向の変位に変換するための変換機構１５が設けられており、その変換機構１５に操作ロッド４が連結されている。
【００１７】
図２は上記変換機構１５の一部切欠き斜視図、図３はその変換機構１５の縦断側面であり、上記ねじ軸部１４には断面三角形状の４〜６条の多条ねじが加工されている。
【００１８】
上記ねじ軸部１４の外周部には、そのねじ軸部１４のねじに係合して自転しながらねじ軸部１４の外周を公転する複数のローラねじ軸１６が遊星状に配設されており、そのローラねじ軸１６の外周部が、ねじ軸部１４と同心状に設けられたナット状部材１７の雌ねじ１７ａに係合されている。
【００１９】
上記ナット状部材１７の内面に形成されている雌ねじ１７ａは上記ねじ軸部１４のねじと同じ断面形状をしており、ローラねじ軸１６には１条の三角ねじが加工されており、ローラねじ軸１６のねじ溝形状は高定格、高剛性を得るために曲面となっており、リード角はローラねじ軸１６が回転した際に軸方向に移動しないようにナット状部材１７の雌ねじと同じにしてある。
【００２０】
各ローラねじ軸１６の両端部には、軸線方向に延びる多数の切溝を形成することによって歯車１６ａが形成されており、ナット状部材１７の両端部に固着された内歯歯車１８に噛合され、さらに上記各ローラねじ軸１６の両端から突設された軸部１６ｂがそれぞれガイドリング１９の穴に挿入係合され各ローラねじ軸１６が等間隔に保持されるようにしてある。
【００２１】
さらに、上記ナット状部材１７は、図１に示すように、スライドキー２０によって回転主軸１に対してその軸線方向にのみ移動可能としてあり、そのナット状部材１７に可変ピッチプロペラ作動用の操作ロッド４が連結されている。
【００２２】
図４にねじ軸部１４、ローラねじ軸１６及びナット状部材１７の係合状態の拡大図を示し、図５に組立状態の変換機構部の外観を示す。
【００２３】
しかして、回転主軸１と一体的に回転するナット状部材１７と出力軸１１とが一体回転させられている場合にはねじ軸部１４とナット状部材１７が一体的に回転するので、操作ロッド４の軸線方向の移動はなく、各羽根の取付角度は所定値に維持されている。
【００２４】
一方、回転主軸１と出力軸１１との間に相対的な回転を発生させると、出力軸１１すなわちねじ軸部１４の回転に伴なってローラねじ軸１６が自転しながらねじ軸部１４の回りに公転する。したがって、ローラねじ軸１６には軸線方向の力が作用し、それに伴なってナット状部材１７が軸線方向に移動し、それに連結されている操作ロッド４が軸線方向に移動してリンク及びレバー機構を介して各羽根の取付角度が変化される。
【００２５】
なお、上記実施例においては出力軸１１の先端部にねじ軸部１４を形成したものを示したが、操作ロッド４にネジ軸部を形成し、ナット状部材１７を出力軸１１に連結するようにしてもよい。
【００２６】
ところで、上記変換機構においては、図４等に示すようにねじ軸部１４とローラねじ軸１６等の接触部の直径が大きく、ナット状部材１７とローラねじ軸１６、或いはローラねじ軸１６とねじ軸部１４との間の接触点が多く、また多条ねじで構成することにより小リードでも軸方向の大きな荷重に耐えることができ、かつ高剛性である。さらにローラねじ軸１６は遊星状に配置されているため、同一軸方向の負荷荷重に対してボールねじよりも小型化ができる。
【００２７】
遊星状のローラねじについて負荷試験を実施した結果、ねじ軸部１４を駆動するための摩擦トルクはボールねじ軸とほぼ同一であり、逆転スラスト荷重が加った場合でも滑らかに回動することが確かめられた。また、微少ストロークで連続動作させた結果、上記特徴のため、十分な耐久性を有していることが確認された。
【００２８】
通常のボールねじは球状の転動体を使用するため、大容量のものは動定格荷重Ｃａが９０ton 程度が限度であるが、ローラねじを使用するものでは２００ton まで可能であることが実験により確認され、ボールねじに対する優位性が判明した。表１にボールねじとローラねじの比較を示す。
【００２９】
【表１】
0003916692.tif 000002
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、回転主軸と同心状に配設された出力軸とを相対的に回転させることにより、操作ロッドを介して前記回転主軸に取付けられた可変ピッチ羽根の取付角度を変化させる水力機械用可変ピッチプロペラ駆動装置において、前記出力軸の端部に雄ねじが形成されたねじ軸部を設け、このねじ軸部の外周に、このねじ軸部に係合して自転しながら前記ねじ軸部の外周を公転する複数のローラねじ軸を配設し、前記ローラねじ軸を、前記ねじ軸部と同心状に配設したナット状部材の雌ねじに係合させ、前記ナット状部材を前記操作ロッドに連結し、前記操作ロッドを前記回転主軸に対して軸線方向にのみ移動可能とする移動方向規制手段を設けたことを特徴とするものである。
これにより、ボールねじを使用した従来の装置と同等の伝達効率で操作ロッドを軸方向に駆動することができるばかりでなく、またローラねじの接触面が大きいので、可変ピッチプロペラの微少揺動の連続でもボールねじに比較して耐久性を向上させることができ、しかも同一負荷に対してボールねじを使用したものよりも小型化することができる。
さらに、ナット状部材に対して遊星状に配設されたローラねじ軸に歯車を設け、ナット状部材に設けられた内歯歯車に噛合させた場合には、各ローラねじ軸の回転ずれを生ずることがなく装置全体を高速で回転しながらねじ軸部を回転主軸に対して相対的に回転させても安定した動作を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変ピッチプロペラ駆動装置の概略構成を示す部分図。
【図２】本発明に使用する変換機構の一部切欠き斜視図。
【図３】上記変換機構の縦断側面図。
【図４】ローラねじ軸部の拡大図。
【図５】変換機構の外観図。
【図６】従来の可変ピッチプロペラ駆動装置の概略構成図。
【符号の説明】
１  回転主軸
３  羽根
４  操作ロッド
１１  出力軸
１４  ねじ軸部
１５  変換機構
１６  ローラねじ軸
１６ａ  歯車
１７  ナット状部材
１７ａ  雌ねじ
１８  内歯歯車
１９  ガイドリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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