JP3147025U - 水車の制圧機 - Google Patents

Abstract

【課題】ガイドベーンの動作に対応させて水圧管の水圧上昇を確実に抑制することができる水車の制圧機を提供する。
【解決手段】制圧機は、一端がガイドベーンのガイドリングに連結された棒状のリング連結アーム１１と、一体を成す２つのアーム１２ａ，１２ｂの一方のアーム１２ａにリング連結アーム１１の他端が連結されたリンク部１２と、リンク部１２の他方のアーム１２ｂがダッシュポットシリンダ１３ａに連結されたダッシュポット１３と、一端に支点１４ａを有するレバーであって、他端に重錘１４ｂが設けられると共に、支点１４ａと重錘１４ｂとの間にダッシュポットロッド１３ｂが連結されたフローティングレバー１４と、支点１４ａとダッシュポットロッド１３ｂの連結点１４ｃとの間でフローティングレバー１４に弁ロッド１５ａを介して連結され、バイパス管９と排水管１０との間を開閉する制圧弁１５とを備える。
【選択図】図２

Description

本考案は、水圧管から水車に供給される水流を調整するガイドベーンの閉動作に伴って該水圧管に生じる水圧上昇を抑制する水車の制圧機に関する。

従来、水車の制圧機としては、下記特許文献１に示すように、油圧により水圧管内と排水管とを繋ぐ制圧弁を開閉させてなるものが一般的に用いられている。

ところで、近年、作動油の流出等による環境汚染の懸念から社会的なオイルレス化の動きがあり、制圧機についても油圧に代替する機構の提案がなされてきている。かかる代替機構としては、下記特許文献２に示すように、水平方向に伸びるフローティングレバーの軸上に支点を設け、該支点に対して一方側に、ガイドベーンの開閉機構とは機械的に独立に設けられた電動機により上下運動を行うボールネジの一端が連結されてなるものが知られている。かかる制圧機では、フローティングレバーの支点の他端側に、水圧管内の水を排水する弁体に連結された弁ロッドと、弁ロッドと同軸上に配置されたダッシュポットとが連結され、さらに、他端に、弁体を閉弁するように重錘が設けられている。

かかる制圧機によれば、ガイドベーンの開閉動作に連動するように、電動機の動作を駆動回路により駆動させる。これにより、水車およびこれに連設された発電機の無負荷時に、ガイドベーンの閉動作に連動させて電動機を駆動して弁体を開弁させ、水圧管内の水を排水させて水圧管内の水圧上昇を抑制する。一方、開弁後は、重錘を補助的に使いながら、電動機を逆回転させて、弁体を閉弁させる。
特許第３３８６１４９号公報 実用新案登録第３０１７０５９号公報

しかしながら、かかる制圧機では、弁体の開弁動作を電動機により行うために、停電時には、ガイドベーンの閉動作に連動させて弁体を動作させることができなくなる。かかる停電時の対策として、蓄電池等によりバックアップ電源を確保することも考えられるが、装置構成が複雑となると共に、該バックアップ電源の点検等も必要になり煩雑である。

さらに、停電対策としてバックアップ電源を準備したとしても、ガイドベーンの動作信号の伝達不具合や駆動回路の異常等が生じた場合には、ガイドベーンと連動した弁体の動作が不可能となり、ガイドベーンの閉動作に伴う水圧管の水圧上昇を抑制することができないという不都合を生じる。

以上の事情に鑑みて、本考案は、ガイドベーンの動作に対応させて水圧管の水圧上昇を確実に抑制することができる水車の制圧機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本考案は、水圧管から水車に供給される水流を調整するガイドベーンの閉動作に伴って該水圧管に生じる水圧上昇を抑制する水車の制圧機であって、前記ガイドベーンの開閉機構にリンク機構を介して機械的に連結され、該ガイドベーンの閉動作に対してダッシュポットロッドが上昇するように鉛直方向に配置されたダッシュポットと、一端に支点を有するレバーであって、他端に重錘が設けられると共に、該重錘と該支点との間に前記ダッシュポットロッドが連結されたフローティングレバーと、前記水圧管と該水圧管に連通する排水管との間を開閉する弁であって、前記支点と前記ダッシュポットロッドの連結点との間で前記フローティングレバーに弁ロッドを介して連結され、該フローティングレバーの上昇に対して開弁すると共に、フローティングレバーの下降に対して閉弁する制圧弁とを備えることを特徴とする。

かかる本考案の水車の制圧機によれば、ガイドベーンの開閉機構にリンク機構を介して、ダッシュポットが機械的に連結されるため、ガイドベーンの動作を直接ダッシュポットに伝達することができる。そして、ダッシュポットに伝達された動作は、ダッシュポットにより緩衝され、ガイドベーンの急激な閉動作のみがダッシュポットロッドを介してフローティングレバーに伝達され、かかるフローティングレバーの動作に連動して制圧弁が開弁する。

このとき、一端に支点を有するフローティングレバーに対して、一端（支点）から他端に向かって、弁ロッド、ダッシュポットロッドが連結される。そのため、支点から離れた位置で、ダッシュポットロッドの動作をフローティングレバーに伝達することができ、弁ロッドの連結位置に比してより小さな力で、フローティングレバーを動作させることができる。一方、支点から近い位置で、フローティングレバーの動作を弁ロッドに伝達させることができ、ダッシュポットロッドの連結位置に比してより大きな力を弁ロッドに発生させることができる。

以上の機械的連結機構により、停電やガイドベーンの動作信号の伝達不具合等にかかわらず、ガイドベーンの閉動作に連動させて、小さな力でフローティングレバーを上昇させて制圧弁を開弁させることができ、水圧管内の圧力上昇を確実に抑制することができる。そして、開弁後は、フローティングレバーの他端に設けられた重錘の自重により、ダッシュポットの復元速度に従ってゆっくりと制圧弁を閉弁させることができる。

また、本考案の水車の制圧機において、前記制圧弁は、錐形状のコーン部と、前記水圧管に内部が連通すると共に該コーン部と同軸方向において着座する筒状の弁体とを備え、該弁体と前記コーン部とを離間させることにより開弁することを特徴とする。

かかる本考案の水車の制圧機によれば、制圧弁を、コーン部とコーン部に着座するスリーブ弁とを備えるコーンスリーブ弁により構成することで、動作時の水圧抵抗を低減することができ、小さな力で制圧弁を開閉させることができる。

本考案の一実施形態としての水車の制圧機について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、水力発電所の概略図であり、図２は、水車の制圧機の構成図であり、図３は、水車の制圧機の制御状態を示す説明図である。

まず、図１を参照して、水車１および制圧機２が設置される水力発電所の概要について説明する。

水力発電所は、高所に設けられて水を貯留する貯留水槽３と、一端が貯留水槽３の内部に連通し、高所から低所に向かって配置された水圧管４と、水圧管４の他端が接線方向から接続された中空ドーナツ状のケーシング５と、ケーシング５の内周面に隣接し、同軸上に設けられた水車１に供給する水流を調整するガイドベーン６と、ガイドベーン６をガイドリング７を介して変位させるサーボモータ８とを備える。

さらに、水力発電所は、ケーシング５の一部が接続されたバイパス管９と、バイパス管９が接続される排水管１０と、バイパス管９と排水管１０との間を開閉させる制圧機２とを備える。

かかる水力発電所では、通常、貯留水槽３から水圧管４の落差により加速された水が、ケーシング５内にこれを旋回するように導入され、ガイドベーン６により水流が調整されて水車１に供給され、水車１が回転駆動する。このとき、水流を調整するガイドベーン６の開度は、これにリンク機構を介して連結されたガイドリング７をサーボモータ８で回転させることにより、その回転量に応じて変位調整される。

水車１の回転軸は、同軸上に図示しない発電機の主軸（ロータ）に連結されており、水車の回転速度に応じて発電が行われる。また、水車１に供給された水は、中心部に流れ込んだ後、図示しない排水管により排水される。

一方、発電機の無負荷時には、ガイドベーン６の閉動作に伴って水圧管４内の水圧が上昇し得る。これを抑制するように、ガイドベーン６の閉動作に連動して制圧機２が作動、バイパス管９と排水管１０との間を連通させる。このようにして、ケーシング５および水圧管４内の水を排水させることで、ガイドベーン６の閉動作に伴って水圧管４に生じる水圧上昇を抑制する。

以上が、水力発電所の概要である。

次に、図２を参照して、制圧機２の構成について説明する。

制圧機２は、一端がガイドベーン６のガイドリング７に連結された棒状のリング連結アーム１１と、一体を成す２つのアーム１２ａ，１２ｂの一方のアーム１２ａにリング連結アーム１１の他端が連結されたリンク部１２と、リンク部１２の他方のアーム１２ｂがダッシュポットシリンダ１３ａに連結されたダッシュポット１３と、一端に支点１４ａを有するレバーであって、他端に重錘１４ｂが設けられると共に、支点１４ａと重錘１４ｂとの間にダッシュポットロッド１３ｂが連結されたフローティングレバー１４と、支点１４ａとダッシュポットロッド１３ｂの連結点１４ｃとの間でフローティングレバー１４に弁ロッド１５ａを介して連結され、バイパス管９と排水管１０との間を開閉する制圧弁１５とを備える。

リング連結アーム１１は、接線方向からガイドリング７に連結され、ガイドリング７の回転に対して軸方向に進退する。具体的に、本実施形態では、ガイドベーン６を開くようにガイドリング７が時計回りに回転すると、リング連結アーム１１がガイドリング側に後退する。一方、ガイドベーン６を閉じるようにガイドリング７が反時計回りに回転すると、リング連結アーム１１がダッシュポット１３側に前進する。

リンク部１２は、２つのアーム１２ａ，１２ｂが支点１２ｃを中心に同一角度を維持しつつ回転するリンク機構であって、アーム１２ａに連結されたリング連結アーム１１の進退によりアーム１２ａ，１２ｂが回転する。このとき、アーム１２ｂは、これが連結されるダッシュポットシリンダ１３ａを上下動させるように配置される。具体的に、本実施形態では、ガイドベーン６を開くためにリング連結アーム１１がガイドリング７側に後退すると、アーム１２ａ，１２ｂが反時計回りに回転し、ダッシュポットシリンダ１３ａが下降する。一方、ガイドベーン６を閉じるためにリング連結アーム１１がダッシュポット１３側に前進すると、アーム１２ａ，１２ｂが時計回りに回転し、ダッシュポットシリンダ１３ａが上昇する。

ダッシュポット１３は、鉛直方向に配置されたダッシュポットシリンダ１３ａと、ダッシュポットシリンダ１３ａ内に挿通されたダッシュポットロッド１３ｂと、ダッシュポットロッド１３ｂの下端に設けられてダッシュポットシリンダ１３ｂの動作に連動して進退するピストン１３ｃとを備える。

ダッシュポットシリンダ１３ａは、上端側と下端側とがパイパス管路１３ｄにより結ばれており、バイパス管路１３ｄには絞り弁１３ｅが設けられている。これにより、ダッシュポットシリンダ１３ａ内に充填されたダッシュポットオイルは、絞り弁１３ｅの開度に応じた流量でダッシュポットシリンダ１３ａの上端側と下端側との間を往来可能となっている。

ピストン１３ｃには、上下方向に貫通する貫通孔１３ｆと、貫通孔１３ｆをピストン１３ｃの下端面側から覆う円盤状の封止部材１３ｇと、封止部材１３ｇを上方に付勢するコイルバネ１３ｈとから構成される逆止弁を備える。

このように構成されたダッシュポット１３は、ダッシュポットシリンダ１３ａの動きが小さく緩やかである場合には、その動きに合わせてダッシュポットシリンダ１３ａの上室１３ｉと下室１３ｊのダッシュポットオイルがバイパス管路１３ｄを介して移動する。そのため、通常、ピストン１３ｃおよびダッシュポットロッド１３ｂは、静止状態に維持され、これらに連結されたフローティングレバー１４も静止状態に維持される。

一方、ダッシュポットシリンダ１３ａの下方への急激な変位に対しては、前記逆止弁により次のように動作する。すなわち、ダッシュポットシリンダ１３ａの下方への変位により上室１３ｉの圧力が高まると、かかる圧力によりコイルバネ１３ｈの付勢力に逆らって封止部材１３ｇが押し下げられる。これにより、上室１３ｉのダッシュポットオイルが貫通孔１３ｆを介して下室１３ｊへ流れ込み、ダッシュポットシリンダ１３ａは、ダッシュポットロッド１３ａを動かすことなく下方へと変位する。

また、ダッシュポットシリンダ１３ａの上方への急激な変位に対しては、前記逆止弁により次のように動作する。すなわち、ダッシュポットシリンダ１３ａの上方への変位により下室１３ｊの圧力が高まり、封止部材１３ｇが押し上げられて貫通孔１３ｆが封止される。このとき、ダッシュポットシリンダ１３ａの上方への移動速度は、バイパス管路１３ｄを介してのダッシュポットオイルの移動速度を上回るため、下室１３ｊの圧力が開放さることなく、該圧力によりピストン１３ｃが押し上げられて、ダッシュポットロッド１３ｂが上方へ変位する。

尚、ダッシュポットロッド１３ｂの上方への変位後、これを下方へ変位させる際には、（下室１３ｊの圧力が高く貫通孔１３ｆは封止部材１３ｇにより封止されているため、）絞り弁１３ｅの開度に応じたバイパス管路１３ｄの往来流量に従って、ダッシュポットロッド１３ｂはゆっくりと下方へ変位する。

フローティングレバー１４は、一端に支点を有する片持ち状態で、弁ロッド１５ａ、ダッシュポットロッド１３ｂにより水平方向に支持される。ここで、フローティングレバー１４は、一端（支点１４ａ）から他端に向かって、弁ロッド１５ａ、ダッシュポットロッド１３ｂの順に連結される。

そのため、支点１４ａから離れた位置で、ダッシュポットロッド１３ｂの動作がフローティングレバー１４に伝達される。これにより、弁ロッド１５ａの連結位置に比してより小さな力で、フローティングレバー１４を動作させることができる。一方、支点１４ａに近い位置で、フローティングレバー１４の動作が弁ロッド１５ａに伝達される。これにより、ダッシュポットロッド１３ｂの連結位置に比してより大きな力を弁ロッド１５ａに発生させることができる。

また、フローティングレバー１４の他端には、重錘１４ｂが設けられており、フローティングレバー１４は、通常、水平よりやや下方の定位置に維持されている。

尚、フローティングレバー１４の支点１４ａやリンク部１２の支点１２ｃは、別途フレーム等を準備してこれに支持させてもよいが、簡易的には、本実施形態のように、弁ロッド１５ａが挿通する制圧機本体１６により支持させることが好ましい。

制圧弁１５は、鉛直方向に伸びる制圧機本体１６の内部に挿通された弁ロッド１５ａと、弁ロッド１５ａの下端部に設けられた筒状の弁体１５ｂと、弁体１５ｂが鉛直方向において着座する錐形状のコーン部１５ｃとを備える。

弁体１５ｂは、筒体の内部が水圧管４に連通しており、コーン部１５ｃに着座することにより閉弁し、コーン部１５ｃから離間することにより開弁する。このように、制圧弁１５をコーンスリーブ弁とすることにより、動作時の水圧抵抗を低減することができ、小さな力で弁を開閉させることができる。

尚、図２において、制圧弁１５は、仮想線Ｘを対して右側が閉弁状態、左側が開弁状態を示している。

以上の構成の制圧機２によれば、ガイドベーン６の開閉機構に、リンク部１２を介してダッシュポットシリンダ１３ａが機械的に連結されるため、ガイドベーン６の動作が直接ダッシュポット１３に伝達される。ダッシュポット１３により、ガイドベーン６の緩慢な開閉動作によるダッシュポットシリンダ１３ａの変化は緩衝され、ガイドベーン６の急激な閉動作の場合にのみ、ダッシュポットロッド１３ｂが上昇して、フローティングレバー１４を押し上げる。そして、フローティングレバー１４に連結された弁ロッド１５ａが上昇して、弁体１５ｂがコーン部１５ｃから離間して開弁状態となる。

これにより、ガイドベーン６の閉動作に伴って水圧管４内に生じる水圧上昇に対して、バイパス管９からケーシング５および水圧管４内の水を排水管１０に向かって排水させることができる。

具体的に、図３に制御状態および水圧上昇率のシミュレーション結果を示す。図３において、ラインＡは、ガイドベーン６の開度（％）を示し、ラインＢは、制圧弁１５の弁開度（％）を示し、ラインＣは、水圧管４内の水圧上昇率（％）を示す。また、ラインｃは、制圧機２が無い場合の水圧管４内の水圧上昇率を示す。

原点時刻において、ガイドベーン６（ラインＡ）が急激な閉動作を開始すると、これに伴って制圧機２が作動して制圧弁１５（ラインＢ）が徐々に開弁し、水圧管４およびケーシング５内の水を排水する。そのため、水圧管４内に生じえる圧力上昇（ラインＣ）を抑制して、制圧機２がない場合（ラインｃ）に比して圧力上昇率を大幅に低減することができる。

そして、ガイドベーン６が開動作完了と前後して、制圧弁２は、フローティングレバー１４の他端に設けられた重錘１４ｂの自重により、ダッシュポット１３の復元速度に従ってゆっくりと閉弁する。

以上、詳しく説明したように、本実施形態の水車の制圧機２によれば、停電等にかかわらず、ガイドベーン６の閉動作に連動させて確実に制圧弁１５を開弁させることができ、水圧管４内の圧力上昇を確実に抑制することができる。

水力発電所の概略図。 水車の制圧機の構成図。 水車の制圧機の制御状態を示す説明図。

符号の説明

１…水車、２…制圧機、３…貯留水槽、４…水圧管、５…ケーシング、６…ガイドベーン、７…ガイドリング、８…サーボモータ、９…バイパス管、１０…排水管、１１…リング連結アーム、１２…リンク部（リンク機構）、１３…ダッシュポット、１３ａ…ダッシュポットシリンダ、１３ｂ…ダッシュポットロッド、１４…フローティングレバー、１５…制圧弁、１５ａ…弁ロッド、１５ｂ…弁体、１５ｃ…コーン部。

Claims (2)

1. 水圧管から水車に供給される水流を調整するガイドベーンの閉動作に伴って該水圧管に生じる水圧上昇を抑制する水車の制圧機であって、
   前記ガイドベーンの開閉機構にリンク機構を介して機械的に連結され、該ガイドベーンの閉動作に対してダッシュポットロッドが上昇するように鉛直方向に配置されたダッシュポットと、
   一端に支点を有するレバーであって、他端に重錘が設けられると共に、該重錘と該支点との間に前記ダッシュポットロッドが連結されたフローティングレバーと、
   前記水圧管と該水圧管に連通する排水管との間を開閉する弁であって、前記支点と前記ダッシュポットロッドの連結点との間で前記フローティングレバーに弁ロッドを介して連結され、該フローティングレバーの上昇に対して開弁すると共に、フローティングレバーの下降に対して閉弁する制圧弁と
   を備えることを特徴とする水車の制圧機。
2. 請求項１記載の水車の制圧機において、
   前記制圧弁は、錐形状のコーン部と、前記水圧管に内部が連通すると共に該コーン部と同軸方向において着座する筒状の弁体とを備え、該弁体と前記コーン部とを離間させることにより開弁することを特徴とする水車の制圧機。

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