(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧油タンク(11)の圧油が主弁配圧弁(13)を介し作動圧油としてそのシリンダに供給される入口弁サーボモータ(14)により開閉制御される水車入口弁制御装置において、
水車入口弁(10)が全閉位置から予定の開度位置まで開くと、これを感知して前記圧油タンク(11)から供給される圧油により切換えられる外部操作式切換弁(16)と、前記主弁配圧弁(13)と前記入口弁サーボモータ(14)との間に設けられ前記外部操作式切換弁(16)の切換動作によりこの外部操作式切換弁(16)を介して一対のポートに供給される作動圧油が一方のポート(a)から他方のポート（Ｂ）に反転することにより切換えられて、切換えられるまでは前記入口弁サーボモータ(14)のシリンダから前記主弁配圧弁(13)へ供給される作動圧油の流入量を制限し、切換えられた後は前記作動圧油の流入量の制限を解除する一方向絞り弁(18)を有する油圧操作切換弁(17)とを付加し、前記水車入口弁(10)の開操作に際し、前記水車入口弁(10)の全閉位置から予定の開度位置までの開操作速度が、前記予定の開度位置から全開までの開操作速度より小さくなるように制御することを特徴とする水車入口弁制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水力発電所に設置され発電機等を回転駆動する水車の入口弁の制御装置の改良に関し、特に、水車入口弁の開操作にあたり、水車入口弁の全閉位置から予定の開度位置までの開操作速度が、前記予定の開度位置から全開までの開操作速度より小さくなるように制御する水車入口弁制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水力発電所に設置される発電用水車は、水圧管路より導入される流水によりその羽根車に回転力が与えられ、この羽根車に発電機を直結して発電機を回転駆動し発電するように構成されている。
【０００３】
ところで、水圧管路より水車内に流水を導入する際、流水は、水圧管路より直接水車内に導入される訳ではなく、通常、水圧管路の末端と水車の入口とを接続する接続管との間に設けられる水車入口弁を介して導入される。
【０００４】
すなわち、水車入口弁は、水車の上流側に設けられる制水弁であって、ちょう形弁・ロータリ弁・スルース弁等があり、水車の停止中には全閉され、水車停止中の漏水を少なくし、さらに、水車のガイドベーンまたはニードルの摩耗の防止を主目的として設置される。また万一、ガイドベーンまたはニードルが閉鎖不能になったときのバックアップ用として使用される。
【０００５】
図５は、従来、一般に使用されている水車入口弁の制御装置の圧油配管系統図である。水車入口弁の一例として「ちょう形弁」を示し、その全閉状態を示している。
【０００６】
図５において、１０は、本発明の制御対象である水車入口弁（ちょう形弁）である。水車入口弁１０は、円筒状の弁胴１０ａと、この弁胴１０ａ内に設けられる円盤状の弁体１０ｂと、この円盤状の弁体１０ｂの外周面の中心線上に突出し、上記円筒状の弁胴１０ａの中心線に直交する直線上の内周面を貫通して弁体１０ｂを弁胴１０ａ内に回動自在に支持する一対の弁軸１０ｃと、弁胴１０ａを貫通して外部に突出した一方の弁軸１０ｃにその一端が固着され、他端は後述する入口弁サーボモータ１４のスピンドル１４ａの一端に連結される入口弁アーム１０ｄとから構成される。なお、２０は上記の水圧管路であり、２１は、この水車入口弁１０を図示しない水車の入口に接続する接続管である。
【０００７】
１１は圧油タンクであり、制御装置の構成機器の駆動源となる圧油を貯溜しており、圧油配管１１ａ，１１ｂを介して後述する電磁切換弁１２および主弁配圧弁１３に圧油を供給する。
【０００８】
１２は電磁切換弁であり、図示しない制御装置の制御盤より送出される水車入口弁１０の「開」「閉」の制御指令信号を、それぞれ別個に受信して励磁されるソレノイド１２ａおよびソレノイド１２ｂと、これらの各々のソレノイド１２ａ，１２ｂの励磁により切換えられる図示中央のポート部１２ｃとから構成される。そして、「開」「閉」の制御指令信号を受信すると、それぞれソレノイド１２ａおよびソレノイド１２ｂが励磁され、ポート部１２ｃが左・右に駆動されて、圧油タンク１１より圧油配管１１ａを介して供給される圧油の接続を、操作油管１２ｄおよび１２ｅの間で切換え、操作油管１２ｄおよび１２ｅ内を流れる作動圧油の流れ方向を矢線ｘ，ｙで示すように反転させる。
【０００９】
１３は主弁配圧弁であり、図示上部の油圧シリンダ部１３ａと、下部のポート部１３ｂとから構成される。油圧シリンダ部１３ａには、操作油管１２ｄおよび１２ｅを介して、上記の電磁切換弁１２の切換動作によりその流れ方向が反転する作動圧油が供給され、ポート部１３ｂを図示上・下に駆動して、圧油配管１１ｂを介して供給される圧油の接続を、操作油管１３ｃおよび１３ｄの間で切換え、操作油管１３ｃおよび１３ｄ内を流れる作動圧油の流れ方向を矢線で示すように反転させる。
【００１０】
１４は既述のように入口弁サーボモータであり、上記のようにして図示の如く、その流れ方向が反転された作動圧油が操作油管１３ｃおよび１３ｄを介して供給され、そのスピンドル１４ａを図示上・下方向に駆動して水車入口弁１０を開・閉制御する。
【００１１】
次に、上記構成の従来の制御装置による水車入口弁１０の開操作について説明する。
【００１２】
図示しない制御装置の制御盤より、水車入口弁１０への「開」操作指令が与えられると、電磁切換弁１２のソレノイド１２ａが励磁され、ポート部１２ｃは図示右方向に駆動されて、そのＰポートとＡポート、ＴポートとＢポートとが通じるように電磁切換弁１２は切換わる。
【００１３】
したがって、圧油タンク１１より圧油配管１１ａを介して供給されていた圧油は、操作油管１２ｄを介し作動圧油として主弁配圧弁１３の油圧シリンダ部１３ａの図示上部室に流入し、図示下部室内のスプリングの反発力に抗して油圧シリンダ部１３ａ内のピストンを図示下方向に押し下げる。そのため主弁配圧弁１３のポート部１３ｂは、図示下方向に駆動されて、そのＰポートとＡポート、ＴポートとＢポートとが通じるように切換わる。
【００１４】
なお、ピストンが図示下方向に押し下げられると、下部室内の作動油は、操作油管１２ｅを介し電磁切換弁１２のＢポート，Ｔポートおよび排油管１２ｆを経て集油タンク２２ａに排出される。
【００１５】
上記のようにして主弁配圧弁１３が切換えられると、圧油タンク１１より圧油配管１１ｂを介してそのポート部１３ｂに供給されていた圧油は、操作油管１３ｃを介し作動圧油として入口弁サーボモータ１４のシリンダの図示下部室に流入し、これを作動させて入口弁サーボモータ１４のスピンドル１４ａを図示上方向に駆動する。この駆動力は、スピンドル１４ａの下端に連結された入口弁アーム１０ｄを介して弁軸１０ｃに伝達され、弁軸１０ｃを時計方向に回動させるから弁体１０ｂも時計方向に回動し、水車入口弁１０は開いて行く。
【００１６】
なお、スピンドル１４ａが図示上方向に駆動されると、入口弁サーボモータ１４のシリンダの上部室内の作動油は、操作油管１３ｄを介し主弁配圧弁１３のＢポート，Ｔポートおよび排油管１３ｇを経て集油タンク２２ｂに排出される。
【００１７】
以上、水車入口弁１０の開操作について簡単に説明したが、弁体１０ｂの開操作速度は、主弁配圧弁１３のポート部１３ｂのＡおよびＢポートの出口（または入口）に、それぞれスロットルプレート１３ｅおよび１３ｆを設け、作動圧油の入口弁サーボモータ１４のシリンダへの単位時間当りの流入量（流出量）を設定することにより調整することができる。
【００１８】
なお、水車入口弁１０の開操作中における弁体１０ｂの動作ストロークに対する従来の操作時間特性は図６に示す通りであり、等速度特性となっている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水車入口弁１０を全閉し水車を停止しておくと、一般に、水車のガイドベーンの密閉度は完全ではないから漏水が発生する。これに対し、水車入口弁１０の密閉度は、ほぼ完全であるから漏水は発生しない。したがって、水車入口弁１０の弁胴１０ａと水車の入口との間を接続する接続管２１および水車ケーシングを満たしていた水は、ガイドベーンからの漏水により次第に減少し、やがてすべての水が流出して空気と置換し、その結果、水車入口弁１０の上流側と下流側との間に圧力差が発生する。
【００２０】
このように圧力差が発生した状態の下で、水車入口弁１０を開操作すると、圧力差の発生がない場合に比べ、開操作過程の特に、その開始時において過大な操作力を必要とすることになる。
【００２１】
また、開き始めの時点においては、水車入口弁１０の上流側の水圧管路２０内の圧力水が急激に下流側の管路（主として水車ケーシング）内に流入するため、下流側管路内に滞留していた空気が瞬間的に圧縮され、その反力により水圧管路内に水圧上昇が発生する。この水圧上昇はかなりの大きさに達する場合があり、ときには水圧管路の水圧の許容値を越えることがある。
【００２２】
上記のように、水車入口弁１０の上流側と下流側との間に圧力差が発生した状態の下で開操作すると、過大な操作力を必要とし、さらに、水圧管路内に、水圧管路の水圧の許容値を越える水圧上昇が発生する等、水力発電所の安全性をそこなうことになり問題であった。
【００２３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水車入口弁の上流側と下流側との間に圧力差が発生した状態下で水車入口弁を開操作しても、過大な操作力を必要とせず、かつ、水圧管路内の水圧の上昇を低く抑えて、水力発電所の安全性をそこなうことのない水車入口弁制御装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、圧油タンク(11)の圧油が主弁配圧弁(13)を介し作動圧油としてそのシリンダに供給される入口弁サーボモータ(14)により開閉制御される水車入口弁制御装置において、水車入口弁(10)が全閉位置から予定の開度位置まで開くと、これを感知して前記圧油タンク(11)から供給される圧油により切換えられる外部操作式切換弁(16)と、前記主弁配圧弁(13)と前記入口弁サーボモータ(14)との間に設けられ前記外部操作式切換弁(16)の切換動作によりこの外部操作式切換弁(16)を介して一対のポートに供給される作動圧油が一方のポート(a)から他方のポート（Ｂ）に反転することにより切換えられて、切換えられるまでは前記入口弁サーボモータ(14)のシリンダから前記主弁配圧弁(13)へ供給される作動圧油の流入量を制限し、切換えられた後は前記作動圧油の流入量の制限を解除する一方向絞り弁(18)を有する油圧操作切換弁(17)とを付加し、前記水車入口弁(10)の開操作に際し、前記水車入口弁(10)の全閉位置から予定の開度位置までの開操作速度が、前記予定の開度位置から全開までの開操作速度より小さくなるように制御することを特徴とする。
【００２５】
【作用】
水車入口弁の開き初めから予定の開度までは小さな開操作速度で開操作することにより、水車入口弁の上流側と下流側との圧力差を少なくし、その後、通常の設定開操作速度で開操作するから、開操作の開始時点において過大な操作力を必要とせず、かつ、水圧管路の水圧の上昇は低く抑えられる。
【００２６】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明の一実施例として示す水車入口弁の制御装置の圧油配管系統図で、水車入口弁の全閉状態を示しており、図５と同一部分には同一符号を付しているので、それらの詳細な説明は省略する。
【００２７】
図１において、１０は水車入口弁、１０ａは弁胴、１０ｂは弁体、１０ｃは弁軸、１０ｄは入口弁アームである。１１は圧油タンク、１１ａ，１１ｂ，１１ｃはそれぞれ圧油配管である。１２は電磁切換弁、１２ａおよび１２ｂはソレノイド、１２ｃはポート部、１２ｄ，１２ｅはそれぞれ操作油管、１２ｆは排油管である。１３は主弁配圧弁、１３ａは油圧シリンダ部、１３ｂはポート部、１３ｃ，１３ｄはそれぞれ操作油管、１３ｅ，１３ｆはそれぞれスロットルプレート、１３ｇは排油管である。１４は入口弁サーボモータ、１４ａはスピンドルある。２０は水圧管路、２１は接続管である。
【００２８】
また、１６は外部操作式切換弁、１７は油圧操作切換弁、１８は弁、１９はストライカである。これらは、図１に示した従来の制御装置に付加した本発明を構成するための要素であり、以下、これらについて詳細に説明する。
【００２９】
外部操作式切換弁１６は、ポート部１６ａと、このポート部１６ａに作用し、常時図示左方へ向う偏倚力を与えるスプリング１６ｂと、ポート部１６ａの図示左方に突出し、その先端にローラ１６ｄを取付けられたアーム１６ｃとから構成される。そして、ポート部１６ａは、アーム１６ｃとその先端に取付けられたローラ１６ｄを介して、スプリング１６ｂにより前述の入口弁サーボモータ１４のスピンドル１４ａの頂端に取付けられたストライカ１９の図示下半分にテーパが付された作動面に圧接されており、入口弁サーボモータ１４の動作によるスピンドル１４ａの上・下方向運動に応ずる上記作動面の移動により、外部操作式切換弁１６は切換制御される。
【００３０】
すなわち、水車入口弁１０は当初全閉状態にあり、図示のように、ポート部１６ａのＡポートとＴポート、ＢポートとＰポートとが通じているが、水車入口弁１０に「開」操作指令が与えられ、入口弁サーボモータ１４の動作によりスピンドル１４ａが図示上方向に移動し水車入口弁１０が予定の開度位置まで開き、ストライカ１９の作動面のテーパ部にアーム１６ｃのローラ１６ｄが圧接されるようになると、外部操作式切換弁１６のポート部１６ａは、図示左方向に移動して、ＡポートとＰポート、ＢポートとＴポートとが通じるように切換制御され、圧油タンク１１より圧油配管１１ｃを介して供給される圧油の接続を、操作油管１６ｅおよび１６ｆの間で切換え、操作油管１６ｅおよび１６ｆ内を流れる作動圧油の流れ方向を反転させ、後述の油圧操作切換弁１７を切換制御する。
【００３１】
油圧操作切換弁１７は、図示中央のポート部１７ａを主体とし、このポート部１７ａには、その図示上下に、上記の操作油管１６ｅおよび１６ｆよりそれぞれ別個に作動圧油が供給され、ポート部１７ａを図示上下方向に駆動して切換制御するＸポートとＹポートとが設けられる。なお、ポート部１７ａのＢポートには、操作油管１３ｄから分岐された油管１３ｈが接続されているが、Ｂポートに連通するｂポートには、図示はしないが、プラグが挿入されて閉塞されており、ポート部１７ａが図示の切換位置にある時には、本発明の動作には関与しない。
【００３２】
弁１８は、上記の油圧操作切換弁１７のポート部１７ａのＡポートに接続される上記操作油管１３ｄの末端に接続されている。そしてこの操作油管１３ｄ内を図示左から右方向に向かう作動圧油の流れに対しては何等作用することはないが、反対に、図示右から左方向に向かう作動圧油の流れに対しては、その流量を制限して減少させるように作用し、制限により減少される流量は所望の値に調整することが可能である。
【００３３】
次に、上記構成の本発明装置の作動を図２を参照して詳細に説明する。図２は、水車入口弁１０の制御装置に対し、図示しない制御盤より「開」操作指令が与えられて、電磁切換弁１２が開操作位置に切換えられ、この電磁切換弁１２の切換えにより主弁配圧弁１３も開操作位置に切換えられた水車入口弁１０の開操作の状態を示し、図１と同一部分には同一符号を付しており、図１と異なるところは、これらの電磁切換弁１２と主弁配圧弁１３とがそれぞれ切換えられた状態を示している点のみである。
【００３４】
「開」操作指令により電磁切換弁１２のソレノイド１２ａが励磁され、ポート部１２ｃは図示右方向に駆動されて、そのＰポートとＡポート、ＴポートとＢポートとが通じるように切換えられ、図示の状態になる。
【００３５】
この切換動作により、圧油タンク１１より圧油配管１１ａを介して供給されていた圧油は、連通したＰポートからＡポートを通り、操作油管１２ｄを介し作動圧油として主弁切換弁１３の油圧シリンダ部１３ａの図示上部室に流入し、下部室内のスプリングの反発力に抗して油圧シリンダ部１３ａ内のピストンを図示下方向に押し下げる。そのため、主弁配圧弁１３のポート部１３ｂは図示下方向に駆動されて、そのＰポートとＡポート、ＴポートとＢポートとが通じるように切換えられ、図示の状態になる。
【００３６】
なお、ピストンが図示下方向に押し下げられると、下部室内の作動油は、操作油管１２ｅを介し電磁切換弁１２のＢポート，Ｔポートおよび排油管１２ｆを経て集油タンク２２ａに排出される。
【００３７】
上記のようにして主弁配圧弁１３が切換えられると、圧油タンク１１より圧油配管１１ｂを介して供給されていた圧油は、Ｐポート、Ａポートを通り、操作油管１３ｃを介し作動圧油として入口弁サーボモータ１４の図示下部室に流入し、入口弁サーボモータ１４を作動させて、そのスピンドル１４ａを図示上方向に駆動する。
【００３８】
スピンドル１４ａが図示上方向に駆動されると、入口弁サーボモータ１４のシリンダの図示上部室内の作動油は、操作油管１７ｂを介して油圧操作切換弁１７のａポート，Ａポートを通り、弁１８に流入するが、作動油は弁１８を図示左方向に通過するから、その流量は制限される。流量が制限されて流出した作動油（排油）は、操作油管１３ｄ，主弁配圧弁１３のＢポート，Ｔポートおよび排油管１３ｇを経て集油タンク２２ｂに排出される。
【００３９】
このようにして、スピンドル１４ａは図示上方向に駆動されるが、その駆動力はスピンドル１４ａの下端に連結された入口弁アーム１０ｄを介して弁軸１０ｃに伝達され、弁軸１０ｃを時計方向に回動させるから弁体１０ｂも時計方向に回動し、水車入口弁１０の開操作が開始される。
【００４０】
この場合、上記スピンドル１４ａの駆動速度、すなわち水車入口弁１０の開操作速度は、入口弁サーボモータ１４のシリンダの図示上部室内の作動油の排出速度に比例するから、水車入口弁１０の開操作開始時点における開操作速度は制限された速度となる。
【００４１】
弁１８により作動油の通過流量が制限され、開操作が制限された速度の下で、スピンドル１４ａが徐々に上方向に駆動されて行くと、水車入口弁１０が予定の開度位置まで開き、ストライカ１９も徐々に上昇し、やがて、ストライカ１９の作動面の図示垂直部分に圧接していた外部操作式切換弁１６のローラ１６ｄは、上記の作動面の図示テーパ部分に圧接される位置に移行する。この移行により、外部操作式切換弁１６のポート部１６ａは、図示左方向に駆動されるから、そのＰポートとＡポート、ＴポートとＢポートとが通じるように切換わる。
【００４２】
図３は、上記の動作状態を示すローラ１６ｄとストライカ１９の拡大図である。なお１９ａは、スピンドル１４ａの頂端にストライカ１９を取付ける際に、ストライカ１９の上下方向の位置決めをする調整ねじであり、上記の外部操作式切換弁１６の切換位置（後述の図４に示す点Ｐの時間）の調整に使用する。
【００４３】
上記の切換動作により、圧油タンク１１より圧油配管１１ｃを介して外部操作式切換弁１６に供給されていた圧油は、Ｐポート，Ａポートを通り、作動圧油として、操作油管１６ｆを介し油圧操作切換弁１７のＹポートに供給されて、そのａポートとＢポート、ｂポートとＡポートとが通じるように油圧操作切換弁１７を切換え、Ｘポート内の作動油は、操作油管１６ｅに流出し、外部操作式切換弁１６のＢポート，Ｔポートを通り、排油管１６ｇを経て集油タンク２２ｃに排出される。
【００４４】
油圧操作切換弁１７の切換前には、入口弁サーボモータ１４の図示上部室から操作油管１７ｂを経て、ポート部１７ａのａポート，Ａポートを通り、さらに弁１８を通過の際に、その流量が制限されていた作動油（排油）は、油圧操作切換弁１７が切換られたことにより、今度は、ａポート，Ｂポートを通ることになるから、その流量は制限されることなく、操作油管１３ｈを経て操作油管１３ｄに流入し、主弁配圧弁１３のＢポート，Ｔポートおよび排油管１３ｇを経て集油タンク２２ｂに排出される。
【００４５】
したがって、入口弁サーボモータ１４のシリンダの図示上部室から単位時間に排出される作動油の流量（シリンダの図示下部室に単位時間に供給される作動油の流量）は、制限されない通常のスロットルプレート１３ｆにより設定された値に増加するから、水車入口弁１０の開操作速度も加速され、このスロットルプレート１３ｆにより設定された初期開速度により全開位置まで開操作される。
【００４６】
以上の水車入口弁１０の開操作中における弁体１０ｂの操作ストロークに対する本発明による操作時間特性は図４に示す通りであり、弁体１０ｂが予定の開度位置まで開く間（Ｏより点Ｐまで）の開操作速度は小さく、点Ｐ以降の開操作速度は、スロットルプレート１３ｆにより設定された大きな値となる。
【００４７】
上記のように、水車入口弁１０の開操作速度は、開操作開始時点（Ｏ）より点Ｐまでは小さく、水車入口弁１０はゆっくりと開いて行く。そして、水車入口弁１０の開操作に際して、最も大きな操作力を必要とするのは、開操作開始時点から開度の小さい操作区間であるが、この区間における開操作速度は上記のように小さいから、過大な操作力を要することなしに開操作が可能となる。
【００４８】
また、開操作開始時点（Ｏ）から予定の小さな開度（点Ｐ）までは、水車入口弁１０はゆっくりと開いて行くから、水圧管路２０から水車側に、多量の流水が急激に突入することはなく、少量の水を徐々に流入させることにより、水車入口弁１０の上流側と下流側との差圧が少なくなった状態、または差圧が無くなった状態にした後に、通常の設定開操作速度で水車入口弁１０を開動作させることができるから、水圧管路の水圧上昇を低い値に抑制することが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明によれば、水車入口弁の開操作に際し、大きな開操作力を必要とする開操作開始時点から予定の小さい開度位置までは小さな速度で開操作し、それ以降は通常の設定速度で開操作するようにしたから、過大な操作力を要することなしに開操作することができる。
【００５０】
また、開操作の初期に、水圧管路から水車側に、少量の水を徐々に流入させることにより、水車入口弁の上流側と下流側との差圧を少なくし、その後、通常の設定速度で開操作するようにしたから、水圧管路の水圧上昇を低い値に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例として示す水車入口弁の制御装置の圧油配管系統図である。
【図２】本発明の開操作時の水車入口弁の制御装置の圧油配管系統図である。
【図３】本発明の作動を説明するための図２の部分拡大図である。
【図４】水車入口弁の開操作中における弁体の操作ストロークに対する本発明による操作時間特性を示す線図である。
【図５】従来の水車入口弁の制御装置の圧油配管系統図である。
【図６】水車入口弁の開操作中における弁体の操作ストロークに対する従来の操作時間特性を示す線図である。
【符号の説明】
１０      水車入口弁
１０ａ    弁胴
１０ｂ    弁体
１１      圧油タンク
１２      電磁切換弁
１２ａ，１２ｂ    ソレノイド
１２ｃ    ポート部
１３      主弁配圧弁
１３ａ    シリンダ部
１３ｂ    ポート部
１４      入口弁サーボモータ
１４ａ    スピンドル
１６      外部操作式切換弁
１６ａ    シリンダ部
１６ｂ    スプリング
１７      圧油操作切換弁
１７ａ    ポート部
１８      弁
１９      ストライカー
２０      水圧管路
２１      接続管
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ    集油タンク
【図１】
0003769307.tif 000002
【図２】
0003769307.tif 000003
【図３】
0003769307.tif 000004
【図４】
0003769307.tif 000005
【図５】
0003769307.tif 000006
【図６】
0003769307.tif 000007