JPH0444109B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ タービン１の速度を調整するための液圧式調
整装置を備えたタービンにおいて、 前記液圧式調整装置が、タービン制御装置のニ
ードル弁２であつて、ばね４５，５４によつてそ
れぞれの出発位置に押圧されたパイロツトピスト
ン４及び制御ピストン５とを備えた追従ピストン
装置を有したニードル弁２と、タービン回転数に
依存する圧力を生ずる液圧ポンプ３１とを有して
おり、 前記制御ピストン５のピストンロツド５５が前
記ニードル弁２のノズルニードル５２を構成して
おり、 前記液圧ポンプ３１の吐出流が、少なくとも部
分的に前記パイロツトピストン４をもつ第１の支
管３４と、前記制御ピストン５をもち、前記第１
の支管３４と平行な第２の支管３３とを通過し、 前記二つの支管３３，３４のそれぞれには、一
つのオリフイス５１，４１；３５が、該オリフイ
スによつて形成された圧力がそれぞれのピストン
４５の端面に作用する態様で設けられており、 前記第２の支管３３のオリフイスは、前記制御
ピストン５の端面５１と、軸方向孔４０と半径方
向出口とを有した前記パイロツトピストン４のピ
ストンロツド４１とによつて形成された環状オリ
フイスであることを特徴とするタービン。

２ 特許請求の範囲第１項に記載のタービンにお
いて、前記パイロツトピストン４の前記ピストン
ロツド４１の前記軸方向孔４０が前記パイロツト
ピストン内方へ向かつて細くなつていることを特
徴とするタービン。

３ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載のタ
ービンにおいて、 前記液圧ポンプ３１が容積式ポンプであつて、
前記オリフイス４１，５１；３５と共にタービン
回転数の２乗に比例する圧力を生じさせることを
特徴とするタービン。

４ 特許請求の範囲第１項から第３項のいずれか
１項に記載のタービンにおいて、 前記第１及び第２の支管３４，３３のそれぞれ
には、各ピストン４，５の上流に、もう一つのオ
リフイス３６，３７が設けられていることを特徴
とするタービン。

５ 特許請求の範囲第１項から第４項のいずれか
１項に記載のタービンにおいて、 タービン室６０とポンプ及び／又はギア室７０
との間の隔壁６７の、直接にタービン駆動用の水
に触れる区域が、前記液圧ポンプ３１の吐出流と
の熱交換器として構成されていることを特徴とす
るタービン。

「産業上の利用分野」 本発明はタービンの速度を調整する為の液圧式
調整装置を備えたタービンに関する。

「従来の技術」 タービン用の調整装置は負荷とは無関係にター
ビンの速度を一定に維持するのに役立つている。
タービン、例えば、水で駆動されるペルトンター
ビンの場合、調整装置にはいわゆるニードル弁が
用いられる事が多い。その場合、円錐形のニード
ルがチユーブ状の対応部材内を軸方向に移動する
ことにより、水量の多寡が調整され、それによつ
てタービンの出力をその時々の要求に合わせる事
ができる。

「発明が解決しようとする課題」 この速度を調整する為の調整装置を備えたター
ビンは、主として発電機の駆動装置として用いら
れている。発電機駆動用に使用された場合、極め
て精密の速度調整が要求される。負荷が変化する
際、すなわち、電力消費機器が入切される際、タ
ービンの速度を変更することなくタービンの出力
をそれに対応させなければならない。これに関し
て、調整装置の静特性について述べる。調整装置
の静特性が小さければ小さいほど、負荷変動に際
してのタービンの速度はより一定に維持される。
しかし、静特性が小さい調整装置は複雑であり、
そのため製作費が高くつくことになる。

発電機駆動用以外の用途、例えば、ロープウイ
ンチの駆動用にタービンを用いる場合にも、一定
の限度内でタービンの速度もしくは出力を調整す
る事が好ましい。しかし、その場合には、発電機
の場合には不可欠であつたところの小さい静特性
は必要ではない。

本発明の目的は、発電以外の用途に適する速度
調整装置を備えたタービンを提供する事である。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するために、本発明のタービン
の速度を調整するためのノズル用液圧式調整装置
を備えたタービンにおいては、前記液圧式調整装
置が、タービン制御装置のニードル弁であつて、
ばねによつてそれぞれの出発位置に押圧されたパ
イロツトピストン及び制御ピストンとを備えた追
従ピストン装置を有したニードル弁と、タービン
回転数に依存する圧力を生ずる液圧ポンプとを有
している。前記制御ピストンのピストンロツドが
前記ニードル弁のノズルニードルを構成してい
る。前記液圧ポンプの吐出流が、少なくとも部分
的に前記パイロツトピストンをもつ第１の支管
と、前記制御ピストンをもち、前記第１の支管と
平行な第２の支管とを通過し、前記二つの支管の
それぞれには、一つのオリフイスが、該オリフイ
スによつて形成された圧力がそれぞれのピストン
の端面に作用する態様で設けられている。前記第
２の支管のオリフイスは、前記制御ピストンの端
面と、軸方向孔と半径方向出口とを有した前記パ
イロツトピストンのピストンロツドによつて形成
された環状オリフイスである。

また、前記パイロツトピストンの前記ピストン
ロツドの前記軸方向孔が前記パイロツトピストン
内方へ向かつて細くなつていてもよい。

さらに、前記液圧ポンプが容積式ポンプであつ
て、前記オリフイスと共にタービン回転数の２乗
に比例する圧力を生じさせることが好ましい。

前記第１及び第２の支管のそれぞれには、各ピ
ストンの上流に、もう一つのオリフイスが設けら
れていることが好ましい。

タービン室とポンプ及び／又はギア室との間の
隔壁の、直接にタービン駆動用の水に触れる区域
が、前記液圧ポンプの吐出流との熱交換器として
構成されていることが好ましい。

「作用」 タービンの回転数が高くなると、第１の支管の
オリフイスによつて第１の支管内の流体圧力が高
くなる。この圧力がパイロツトピストンに作用
し、パイロツトピストンをそのばねの押圧力に抗
して制御ピストンの方へ移動させる。この移動に
よつて、制御ピストンの端面とパイロツトピスト
ンのピストンロツドとによつて形成される環状オ
リフイスのギヤツプが小さくなり、制御ピストン
に作用している圧力が高くなる。それにより、制
御ピストンは、そのばねの押圧力に抗して移動
し、ノズルの開口面積を減少させる。その結果、
ノズルからの原動水の噴射量が減少し、タービン
の速度が低下する。これによつて、第１の支管内
の圧力が低下し、パイロツトピストンが制御ピス
トンから離れる方向に移動し、新しい平衡位置に
戻る。この結果、第２の支管内の環状オリフイス
が大きくなり、制御ピストンに作用する圧力が低
下し、制御ピストンがパイロツトピストンに追従
する。このため、ノズルの面積が大きくなり、原
動水の噴射量が増加し、タービンの速度が増大す
る。このようにタービンの速度の変化は、直ちに
調整作用を生ぜしめ、タービン速度は一定に調整
される。

先細になつたパイロツトピストンの軸方向孔
は、液圧による軸方向の力を実際上なくしてい
る。

液圧ポンプが容積式ポンプであり、オリフイス
と共にタービン回転数の２乗に比例する圧力を生
成することによつて、僅かなオリフイス面積の変
動が大きな圧力変動を引き起こす。それは、容積
式ポンプは、流量変動に対する圧力変動が大きい
流量特性を有しているからである。これにより、
オリフイス面積が小さく変動しても、大きな圧力
変動が得られ、ピストンの反応を早くすることが
できる。

第１及び第２の支管の別のオリフイスは、液圧
ポンプの流量のピーク値を平準化し、互いに動的
に影響を与える事を防止している。

タービン室とポンプ及び／又はギア室との間の
隔壁は、ポンプ及び／又はギア室への凝縮水の発
生又は発汗を防止するように、液圧ポンプから吐
出された液圧オイルで暖められている。

「実施例」 羽根１１をもつペルトンタービン１は、ニード
ル弁２のノズル２０から出る噴射水１０により駆
動される。タービン１の出力又は速度の調整は、
液圧調整装置３により行なわれる。液圧ポンプ３
１、たとえばギアポンプは、ギアユニツト（図示
せず）を介してタービンにより駆動され、タンク
２３から液圧オイルを液圧調整装置３に供給す
る。液圧調整装置３は分岐点３３３４のところで
２つの支管３３，３４に分かれる。支管３３は制
御ピストン５のところへ、また、支管３４（実際
の測定回路）はパイロツトピストン４のところへ
導かれる。液圧オイルは、それぞれ戻り支管３
３′，３４′を通り、タンク２３へ戻る。戻り支管
３３′，３４′は再び合流点３３３４′で一緒にな
る。支管３４，３４′には、オリフイス３５，３
６が液圧オイル流のために備えられている。ま
た、支管３３，３３′には第１のオリフイス３７
が備えられている。第２のオリフイスは、軸方向
孔４０をもつピストンロツド４１と制御ピストン
５のロツドとは反対側の端面５１、すなわち、そ
れらの間にある環状ギヤツプにより形成される。
図示の実施例では、ピストンロツド５５は、ニー
ドル弁２のノズルニードル５２として構成されて
いる。

パイロツトピストン及び制御ピストンは、ハウ
ジング５３内に配置されている。ハウジング５３
は、外側に、たとえば３つのウエブ５３ａ（２つ
のみ図示）を有しており、これらのウエブ５３ａ
を介してハウジング５３が、ニードル弁ハウジン
グ２５内の原動水流内に配置され、固定されてい
る。液圧管は、たとえばこれらのウエブのなかを
通すことができる。それぞれ１つのコイルばね５
４，４５は、制御ピストン５及びパイロツトピス
トン４を後方の、出発位置へ押付ける。

タービン速度の調整装置は次のように機能す
る。すなわち、一定回転速度の場合、液圧ポンプ
３１は液圧回路内に、タービン１の回転数の２乗
に比例する圧力を生じさせる。支管内には−全体
として見て−同じ値の圧力降下が生じる。支管３
４，３４′内のオリフイス３５は、それの上流側
に圧力を生ぜしめる。

同じように、オリフイス３６の上流側にも圧力
が形成される。支管３４，３４′内のオリフイス
３５，３６は、圧力分配器として働き、これによ
つて、パイロツトピストン室内でパイロツトピス
トン４の端面に作用する圧力の大きさを決定す
る。

支管３３，３３′では、オリフイス３７と環状
オリフイスとが、圧力分配器として働く、環状オ
リフイスは、制御ピストン５の端面５１と、端面
５１の側に開いている軸方向孔４０と半径方向出
口とをもつピストンロツド４１とにより形成され
る。

タービン１の回転数が高くなると、パイロツト
ピストン室４６内の圧力が上昇し、パイロツトピ
ストン４のピストンロツド４１を介してパイロツ
トピストン４を押圧し、ばね４５の押圧力に抗し
て制御ピストン５の方向に動かす。この結果、環
状オリフイスのギヤツプが小さくなる。そうする
と、今度は、制御ピストン室５０内の圧力が増
し、制御ピストン５が、ばね５４の圧力と、原動
水によりピストンロツド５５に作用する軸方向力
とに抗して、ノズル２０の方向に動かされる。そ
の結果、ノズル２０の開放横断面が減少し、原動
水の噴射水１０が減量され、タービン１の速度も
低下する。これによつてパイロツトピストン室４
６内の圧力が降下し、パイロツトピストン４が制
御ピストンから離れて、新しい平衡位置に移動す
る。この結果、制御ピストン５の端面５１とパイ
ロツトピストンのピストンロツド４１との間の環
状オリフイスは、より大きくなり、これにより、
制御ピストン室５０内の圧力が降下し、制御ピス
トン５がパイロツトピストン４に追従する。この
ためノズル２０の原動水の通る横断面積が大きく
なり、タービン１の速度が増大する。タービン１
の負荷もしくは速度の変化は、直ちに、このよう
な調整作用を生ぜしめる。ある負荷で、ばねがあ
るばね定数をもつ場合には、ノズルニードル５２
は、ある平衡位置へ調整される。

専門家には周知の寸法づけ措置により、調整回
路が振動しないように容易に寸法づけが可能であ
る。ばね（４５ないし５４）のばね定数は、たと
えば調整の静特性を決定する。調整特性は、たと
えば次なようにすることで改善することができ
る。すなわち、パイロツトピストン４の支管３
４，３４′内の流れ、すなわち貫流量を制御ピス
トン５の支管３３，３３′内の貫流量より多くす
るのである。

支管３３，３３′内の液圧オイルがパイロツト
ピストン４のピストンロツド４１に及ぼす軸方向
力を事実上排除するために、ピストンロツド４１
内の軸方向孔４０が内方へ向つて細くなるように
する、たとえば円錐形にするか、段階をつけるか
にし、かつまた制御ピストン室５０内のピストン
ロツド４１の外側は、円筒形をもつようにする。

以上説明した配置の場合、タービン１は、所定
の原動水圧で特定の回転数用に設計される。原動
水圧を変えずに目標回転速度の変更は、たとえ
ば、第３の支管７２、すなわち液圧ポンプ回路内
に弁７１をもつバイパスにより極めて簡単に行な
うことができる。要求される調整精度に応じて、
タービン１やギヤ（図示せず）の潤滑は、調整装
置の液圧ポンプ３１により潤滑支管を介して行な
うことができる。この措置により調整装置をもつ
タービン１のコンパクトな構造形式が可能にな
る。液圧調整装置の各支管にある２つのオリフイ
スを用いることにより、良好な調整特性が保証さ
れる。しかし、また、ある場合には、各支管のオ
リフイス３６，３７が省略されても十分に良好な
調整が可能である。

数千回転の回転数をもつペルトンタービン１の
場合、従動側の回転数を低くするにはギヤユニツ
トを用いる必要がある。このギヤユニツトを冷却
せねばならない場合は、液圧回路内のオイルを冷
却器（図示せず）に通すようにすることができ
る。液圧回路内の液圧オイルは、必要であれば、
同じように、たとえばこの冷却器を通して案内
し、冷却することができる。図示の実施例は、ニ
ードル弁をもつたペルトンタービンであるが、本
発明は、これに限定されるものではなく、他の形
式のタービン及びタービンの制御装置を含むもの
である。

第２図の略示断面図に示したタービン６は、タ
ービンハウジング６２内のタービン室６０にペル
トンホイール６１を有しており、このタービン６
では、ポンプ及び／又はギア室７０が、直接にタ
ービンハウジング６２の壁部６７に取付けられて
いる。通路８０をもつプレート８とタービンハウ
ジングの壁部６７は、ポンプ及び／又はギア室７
０内のポンプ及び／又はギア（図示せず）の液圧
オイル用の冷却器を形成している。これによつ
て、ポンプ及び／又はギア室７０には、タービン
原動水により著しく冷却され、凝縮水又は発汗が
生ぜしめられるような著しく低い温度の区域が無
くなる。冷却を要する高温の液圧オイルにより、
ポンプ及び／又はギア室７０に向いた熱交換面６
７，８，８０が十分に温められる。

この熱交換面は、言うまでもなく、ハウジング
６２又は７のいずれかの一部として構成すること
もできる。どのような構成を選択しようと、重要
な点は、作動中には、ポンプ及び／又はギア室７
０のどの区域も発汗や凝縮水が生じるような低い
温度にはならないという点である。

「発明の効果」 本発明は、以上説明したように構成されている
ので、以下に記載されるような効果を奏する。

タービン制御装置のニードル弁を追従ピストン
装置を有したニードル弁としたことにより、小さ
な静特性は有していないが、タービン速度をある
速度に自動的に保持することが可能なタービンを
得る事が出来る。

そして、パイロツトピストンの軸方向孔を先細
りにすることで、パイロツトピストンに作用する
軸方向力を実際上なくすことができる。

さらに、液圧ポンプを容積式ポンプとし、オリ
フイスと共にタービン回転数の２乗に比例する圧
力を生ぜしめることによつて、小さなオリフイス
面積の変動で、大きな圧力変動が得られ、ピスト
ンの反応速度を早めることができる。

また、別のオリフイスを設けることによつて、
液圧ポンプの流量のピーク値を平準化し、互いに
動的に影響を及ぼすことを防止できる。

また、タービン室とポンプ及び／又はギア室と
の隔壁は、液圧オイルによつて暖めらるているの
で、ポンプ及び／又はギア室への凝縮水の発生又
は発汗を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、液圧式調整装置を備えたペルトンタ
ービンの概略構成図、 第２図はペルトンタービンの概略断面図。

１……タービン、２……ニードル弁、４……パ
イロツトピストン、５……制御ピストン、３１…
…液圧ポンプ、３３……第２の支管、３４……第
１の支管、３５……オリフイス、４０……軸方向
孔、４１……ピストンロツド、４５……ばね、５
１……端面、５２……ノズルニードル、５４……
ばね、５５……ピストンロツド。