专利名称：水轮机等的调速器及控制阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及水轮机及泵水轮机的调速器及控制阀，特别涉及水轮机等的调速器用三向控制阀。
背景技术：
三向控制阀在控制液压伺服电动机的调速器中使用，该液压伺服电动机驱动调整水轮机及泵水轮机的流入水量的导向叶片。对比文献1记载了一种水轮机及泵水轮机的调速器用三向控制阀。如该对比文献1所述，液压增压器(三向控制阀)的柱塞(主阀)配置成可在垂直方向上上下移动。另外，成为控制活塞驱动柱塞的构成，该控制活塞通过来自导阀供给的压油而上下移动。为了使柱塞通过控制活塞上下移动，控制活塞与主阀成为直接连接的结构(一体结构)。
专利文献 特开2000-18145号公报在调速器的压油系统中，如果混入空气的话，就会引起控制系统发生波动等的不稳定现象，需要去除混入的空气。通常调速器用三向控制阀是安装在与导向叶片的液压伺服电动机的控制关联的压油系统中最高的位置上。虽然在专利文献1上没有明示，但一般的结构是在液压增压器(调速器用三向控制阀)的主体上设置空气抽出用阀，将控制压油中进入的空气抽到外部。可是，现状的调速器用三向控制阀在结构上不能将空气抽出用阀配置在压油口、开侧口、闭侧口的各口的最上部，特别是在比空气抽出阀靠上的部位(例如，专利文献1上没有明示，但柱塞(主阀)的导向的上部的导向上部室)滞留了空气时，不能将空气抽出。
如果在压油系统中混入空气的状态下控制液压伺服电动机，会引起由于油和空气的压缩比不同产生的传递力不一定，引起自激振动状态，不能针对来自上位的控制装置的控制目标开度进行适当的控制。另外，本身会存在引起压油系统的油锤现象的要因。而且，还有可能由于波动现象发生滑动运动，由此引起机器破损。
另外，由于柱塞(主阀)是与柱塞的阀座发生滑动运动，控制活塞是与控制活塞的主体发生滑动运动，但由于是柱塞和控制活塞直接连接的结构(一体结构)，所以要求满足在一体结构上的高精度的垂直度及偏心度的加工、组装，在制作上需要长时间，或成本提高。
发明内容
本发明的目的在于提供能够切实进行水轮机等的调速器中使用的控制阀的空气抽出的控制阀结构。
本发明的其他目的在于提供水轮机的调速器中使用的控制阀的加工、组装简单的控制阀结构。
为了达到上述目的，在本发明中，控制阀的柱塞(主阀)的移动方向成为水平方向地构成控制阀，在控制阀的各口的最上部配置空气抽出阀。
另外，为了达到上述其他的目的，在本发明中，控制阀的柱塞(主阀)的移动方向成为水平方向地构成控制阀，同时柱塞和控制活塞做成分离结构，在柱塞两端配置控制活塞。
通过本发明，可以将空气抽出阀设置在控制阀的最上部，能够切实进行压油系统的空气抽出。
另外，通过本发明，不必考虑柱塞及控制活塞在一体结构时的垂直度及偏心度的高精度化，所以加工组装很容易。另外，起因于控制阀的柱塞的移动方向成为水平方向，控制阀的分解、组装作业成为水平方向的作业，但由于柱塞和控制活塞是分离结构，所以与一体结构相比，有对安装空间的制约减小的效果。
图1是表示本发明的一个实施例的调速器的概略系统图。
图2是表示本发明的一个实施例的三向控制阀的结构图。
图中2、17电—机械变换器；4p、16柱塞；7d、7e、18、20控制活塞；14主体；15阀座；19、21罩；37空气抽出用阀；a 操作压油口；b开侧口；c 闭侧口；f、g 排油口；A、B—压力室
具体实施例方式
以下用
本发明的一个实施例。
图1表示了控制水力发电站的水轮机或泵水轮机的导向叶片的调速器的概略系统图。
控制导向叶片的控制信号(控制目标电信号)是从控制装置1输入到电—机械变换器2。电—机械变换器2是将电信号变换成机械动作的变换器，使直接连接电—机械变换器2的导阀3移动，将驱动控制活塞7d或控制活塞7e的控制压油供给到控制阀4的4d或4e。例如，从控制装置1输出使导向叶片“开”的开侧信号后，导阀3就会通过电—机械变换器2向图中左侧移动。导阀3向左侧移动后，为了将从没有图示的压油箱供给的压油6经常供给到导阀套3b的3c部分、控制阀4的4d及4a部分，3c的压油通过3a，压油通到控制阀4的4e部分。
压油通到控制阀4的4e部分时，由于与控制阀4的4d设有面积差，即由于4e部分的面积大，所以柱塞(主阀)4p向左侧移动。柱塞4p一向左侧移动，控制阀4的4a的压油就会通过5a，通到导向叶片伺服电动机5的5c部，使导向叶片伺服电动机5的活塞5e向右侧(开侧)动作。另一导向叶片伺服电动机5的5d的压油通过5b，通过从控制阀4的4f排油，导向叶片伺服电动机5进行开动作。
另外，柱塞4p一向左侧移动时，安装在柱塞4p上的控制杆41连动而向左侧移动，所以，导阀套3b也通过压缩弹簧3d的力而追随控制杆41向左侧移动，只要将压油通向导阀套3b的3a的孔与导阀3重叠，3a的压油就不通了，由此能够保持柱塞4p的位置，导向叶片伺服电动机5继续进行开侧动作。
导向伺服电动机的位置由位置检测器8检测，作为电信号8a返回到控制装置1，如果成为目标位置，就输出使导阀3向柱塞4p不将压油通到5a、5b的位置移动(向右侧移动)的电信号，导向叶片伺服电动机5的动作停止。
相反，当控制装置1输出关闭信号后，由于从控制阀4的4e的压油从3a通过导阀套3b的3e而进行排油，柱塞4p向右侧移动，控制阀4的4a的压油通过5b，使导向叶片伺服电动机5向左侧(闭侧)动作。导向叶片伺服电动机5的5c的压油通过5a从控制阀的4g排油。
在图2表示为本发明的一个实施例的控制阀(水轮机及泵水轮机的调速器用三向控制阀)的结构图。
图2的控制阀是切换压油的供给方向的柱塞16被水平方向移动控制而构成。另外，柱塞16和使柱塞16左右移动的控制活塞18、20成为分离结构，控制活塞18、20配置在柱塞16的两端。柱塞16配置在成为柱塞16的滑动导向的阀座15中。在阀座15上设有从压油箱(图示省略，以下同)经常供给的压油的操作压油口a、将压油供给到伺服电动机开侧的开侧口b、将压油供给到伺服电动机闭侧的闭侧口c。为了确保流量，这些口设在周方向的4个地方或8个地方。在阀座15的外周配置有主体14。在主体14的两端安装有将控制活塞18、20配置在其中的罩19、21。由控制活塞18、20和罩19、21构成控制柱塞16向左右移动的柱塞移动控制部。来自电一机械变换器17的控制压油供给到设于罩19上的压力室A，来自压油箱的压油经常供给到设于罩21的压力室B。电—机械变换器17接收来自上位的控制装置的控制目标电信号，如图1所示，通过使导阀移动进行液压控制。如图2所示，压力室A、B的控制活塞18、20的受压面积不同，受压面积大致设定为压力室A一侧∶压力室B一侧＝2∶1，通过该面积差形成的操作力的平衡，控制控制活塞18、20向左右移动，其结果，控制柱塞16移动。通过控制柱塞16的移动，控制压油向三向切换。
假设柱塞16向左方向移动时，从压油箱供给的压油从操作压油口a经由开侧口b，将控制压油供给到供给伺服电动机开侧，调整水轮机或泵水轮机的流入水量的导向叶片的伺服电动机向开方向，即向使水轮机或泵水轮机的流入水量增加的方向动作。另一方面，伺服电动机的闭侧的油通过闭侧口c，向排油口f一侧排油。同样，当柱塞16向右方向移动时，从压油箱供给的压油从操作压油口a经由闭侧口c，将控制压油供给到伺服电动机闭侧，调整水轮机或泵水轮机的流入水量的导向叶片的伺服电动机向闭方向动作。此时，伺服电动机的开侧的油通过开侧口b向排油口g侧排油。
在主体14的内周一侧，形成按每一操作压油口a、开侧口b、闭侧口c的各切换口隔开的圆筒状的空间X。在各个空间的最高的位置上，设有空气抽出用阀37。这样，将柱塞16配置在水平方向上，成为在主体14内周一侧按每一柱塞16的切换口隔开的圆筒状的空间的结构，由此，在主体14的最高位置，即在压油系统的最高位置(能去除空气的部分)混入压油系统的空气能够滞留。于是，通过在主体14的最高位置配置空气抽出用阀37，能够将包括伺服电动机的压油系统中的滞留空气完全抽出。
这样，由于能够在结构上完全去除混入压油系统的空气，所以不会发生自激振动现象或油锤现象，能够对控制目标开度确实且正常地进行控制。
图2的实施例的构成是将柱塞移动控制部(控制活塞18、20)从柱塞16分离，配置在柱塞16的左右两面，将来自电—机械变换器17的控制压油供给到压力室A，将来自压油箱的压油供给到压力室B。通过该构成，各个柱塞移动控制部的操作力能够向按压柱塞16方向作用，能够进行与柱塞16和柱塞移动控制部一体化时同样的控制。而且，通过控制供给到压力室A的压油，调整在压力室A、B发生的操作力，所以能够通过压力室A、B的操作力的平衡，控制柱塞16的移动。根据该实施例，将柱塞16和柱塞移动控制部分离，在柱塞16的左右配置柱塞移动控制部，所以与柱塞16和柱塞移动控制部一体化的结构相比，即便将柱塞16配置在水平方向，也能够减少作业空间，能够使对调速器用三向控制阀的安装空间的制约显著减少。另外，在制造加工组装时，针对被要求的垂直度及偏心度的高精度化，能够排除将柱塞及控制活塞一体化的高精度要求，所以能够缩短制造期，并且实现低成本化。
另外，在图2的实施例中，在组装调速器用三向控制阀的柱塞16时，特别是在作为安装状态组装主体14、阀座15时，作为柱塞16的组装的导向，要预先将导向部Y设置在阀座15上。即加工阀座15的内侧，在整个内周设置沟Z。该沟Z是为了确保包括来自口以外的地方的压油流的规定流量而设置的。导向部Y在没有形成各口的地方遍及全周地形成凸状。当将柱塞16配置在水平方向上的情况下，在将柱塞16装入阀座15内时，在由柱塞16的切换阀和阀座15形成遮盖部的部分，成为柱塞16的切换阀的宽度阀座15的切口部(沟槽部)，柱塞的自重或组装者的技能带来的柱塞16与阀座15的直径差，基于该直径差的间隙会产生倾斜，从而不能通过顺利进行组装作业，且本身存在对柱塞16、阀座15的重要部分造成损伤的因素，但通过设置导向部Y，能消除该问题。即当柱塞16的切换阀相对阀座15处于阻挡控制压油的中立位置时，在液压口的切口部(沟槽部)设置导向柱塞16的切换阀的外周的导向部Y，能够使柱塞16的组装作业容易地进行。另外，当柱塞16处于阻挡控制压油的中立位置时，最好在柱塞16的切换阀不在的阀座15的液压口的切口部也设置导向部Y。在这里，设置在阀座15上的导向部Y与阀座15的内径尺寸相配合。另外，当柱塞16的1个切换阀通过阀座15的切口部时，由于柱塞16和阀座15的直径间隙而产生的柱塞的倾斜所造成的切换阀的径向的移动量在阀座15的切口部的两端是直径间隙以下地决定导向部Y的宽度。通过这样的构成，柱塞16的切换阀成为至少平时由2点或以上支撑的结构，能够防止在将柱塞16装入阀座内时发生的柱塞16的脱落。
另外，图2的实施例中，在柱塞移动控制部，在罩19及罩21上与排油口g及排油口f相通的部分设有通到控制活塞18或20的滑动部分的垂直方向孔27。垂直方向孔27的下端部28配置成位于控制活塞18或20的滑动部分的上部。因此，从开侧口b及闭侧口c排出的油在通过排油口g及f时，被积蓄在垂直方向孔27中，该积蓄的油通过油的自由落下徐徐流出到活塞18和罩19之间的间隙及活塞20和罩21之间的间隙中。因此，流出到这些间隙中的油作为两者的滑动部分的润滑材料起作用，所以能够得到圆滑的滑动特性。
另外，当在罩19及罩21的垂直方向孔27的下端部28上设置椭圆沟槽或长方形的沟槽时，可以使流出到活塞18与罩19或活塞20与罩21的直径间隙中的油的量增加。通过该实施例，能够防止润滑不足造成的卡住等的滞涩，能够得到罩和活塞的圆滑的滑动特性。
形成上述垂直方向孔27等的理由如下。即当将柱塞移动控制部配置在柱塞16的两侧时，控制柱塞16的移动的控制活塞18、20和导向该控制活塞18、20的罩19、21的活塞滑动部位于来自伴随调速器用三向控制阀的开、闭控制的伺服电动机的控制压油的排油口f、g，所以，通过该部分的油的压力大致低至大气压。另一方面，由于控制活塞18、20和罩19、21之间的直径间隙微小，所以使大气压的油进入到滑动部是困难的状态，难以得到滑动部的润滑性能。控制活塞和罩直接发生机械性接触的可能性大，会发生润滑不足造成的滞涩问题。上述实施例中，将通到控制活塞18、20和导向控制活塞的罩19、21的滑动部分的垂直方向孔27设置在罩19、21上，向其引导从柱塞的切换口被排出的油，通过油的自由落下将油供给滑动部分，由此确保润滑性，能够防止控制活塞和罩的滞涩现象。
另外，图2的实施例中，设有限制伺服电动机的动作速度的机构。即需要将阻断流入水轮机的水量时的水压上升抑制在一定范围，调整水力发电所的水轮机的流入水量的导向叶片的伺服电动机的最大动作速度是将水压上升抑制在一定范围而被决定的，另外，从保护的观点出发，即便调速器发生故障也必须保证伺服电动机的动作速度。在这里，伺服电动机的动作速度是与单位时间供给的油量成比例的，所以，需要限制从调速器用三向控制阀流出的油量。从图2的调速器用三向控制阀流出的油量决定于柱塞16的移动量，即决定于柱塞16的切换阀与阀座15的开口面积。在本实施例中，为限制从调速器用三向控制阀流出的最大油量，设有机械地限制柱塞16的移动量的机构。
该移动限制机构为机械地限制拄塞移动控制部的控制活塞18的移动量，由棒29、套筒32、平板30(长方形或圆形的平板)、止动部件33、34及调整螺栓35、36所构成。该移动限制机构被安装在安装于罩19上的罩31上。棒29与控制活塞18同心地配置，能够左右方向地自由移动。在棒29上一体地安装有平板30。另外，在关于与平板30和棒29的轴向中心同一的中心的对称的位置，即关于成为与控制活塞18的轴向中心同一的中心的对称位置上，设有止动部件33、34，在止动部件33、34上安装有调整螺栓35、36。将平板30与调整螺栓35、36之间的间隙L调整为同一，限制棒29及控制活塞18的移动量。根据本实施例，在关于控制活塞的中心对称的位置上设有同时动作的2个止动部件33、34，通过作用于平板来限制控制活塞的移动，由此，不会使偏负载作用于棒29及控制活塞18(柱塞移动控制部)上，能够限制调速器用三向控制阀的最大油量。即通过移动限制机构不对柱塞移动控制部给予偏负载，所以，不会有损害柱塞移动控制部的正常控制状态。本实施例的移动限制机构是将活塞机构设于止动部件33、34，即便做成可动的机构也没有任何问题。
另外，图2的实施例设有柱塞移动量检测装置。柱塞移动量检测装置通过检测控制活塞的移动量来进行柱塞移动量的检测。该柱塞移动量检测装置是由设于柱塞移动控制部的控制活塞20的前端部的轴承23、安装于轴承23上的位置检测用的杆24、安装于杆24上的传感器25及导向销26构成。轴承23将控制活塞20作为内轮，外轮连接在杆24上。杆24在与轴承23连接的相反一侧连接传感器25。传感器25设置在安装在罩21上的罩22上。在杆24上设有插入导向销26的孔，杆24的孔和导向销26之间的间隙(D-d)设定成如下的尺寸即便杆24以与控制活塞20的连接部为中心转动，传感器25上也不会作用有负载，即设定成使杆24的孔和导向销26不接触的尺寸。
由于是没有相对于控制活塞20的圆周方向的动作的限制而自由转动的结构，所以，当在控制活塞20上安装作为位置检测用支撑的杆24，并将传感器25另外设置在固定一侧(罩22)上时，又可能发生控制活塞20的转动动作传给支撑物上，通过控制活塞20的转动运动使设置在固定一侧的传感器25破损，但本实施例中，将控制活塞20的移动量传给传感器25的位置检测用的杆24与连接控制活塞20的部分之间存在轴承23，所以，通过轴承23能够吸收控制活塞20的转动运动，能够将杆24的传感器25一侧保持在一定的位置上。其结果，能够防止控制活塞20的转动运动造成的对传感器25的负载作用。
权利要求
1.一种水轮机等的调速器，控制驱动水轮机等的导向叶片的液压伺服电动机，其特征在于，具备向上述液压伺服电动机供给控制压油的控制阀；向上述控制阀供给控制压油的导阀；以及基于来自控制装置的电信号驱动上述导阀的电—机械变换器；上述控制阀包括设有压油切换阀的柱塞；配置在上述柱塞的外周，并设有压油切换口的阀座；配置在上述阀座的外周的主体；以及接受来自上述导阀的控制压油的供给，而使上述柱塞移动的柱塞移动控制部；上述柱塞的移动方向成为水平方向地配置上述控制阀，同时在形成于上述主体内、内有压油的空间的最高位置配置空气抽出阀。
2.根据权利要求1所述的水轮机等的调速器，其特征在于，上述控制阀被配置在上述调速器的压油系统中最高的位置。
3.一种水轮机等的调速器，控制驱动水轮机等的导向叶片的液压伺服电动机，其特征在于，具备向上述液压伺服电动机供给控制压油的控制阀；向上述控制阀供给控制压油的导阀；以及基于来自控制装置的电信号驱动上述导阀的电—机械变换器；上述控制阀包括设有压油切换阀的柱塞；配置在上述柱塞的外周，并设有压油切换口的阀座；配置在上述阀座的外周的主体；以及接受来自上述导阀的控制压油的供给，而使上述柱塞移动的柱塞移动控制部；上述柱塞的移动方向成为水平方向地配置上述控制阀，同时在上述主体的内周一侧设置按每一上述压油切换口隔开的圆筒状的空间，设置连通上述圆筒状的空间的空气抽出阀。
4.一种控制阀，基于来自导阀的控制压油进行液压增压，其特征在于，包括设有压油切换阀的柱塞；配置在上述柱塞的外周，并设有压油切换口的阀座；配置在上述阀座的外周的主体；以及接受来自上述导阀的控制压油的供给，而使上述柱塞移动的柱塞移动控制部；上述柱塞的移动方向成为水平方向地配置上述控制阀，同时在形成于上述主体内、内有压油的空间的最高位置配置空气抽出阀。
5.根据权利要求4所述的控制阀，其特征在于，上述柱塞移动控制部配置在上述柱塞的两端；各柱塞移动控制部包括与上述柱塞另体地构成，并移动方向成为水平方向地被配置的控制活塞；在内周配置上述控制活塞，并安装在上述主体上的罩；以及形成于上述罩内，并通过供给压油而产生使上述控制活塞移动的力的压力室；在上述柱塞移动控制部内，向一方的柱塞移动控制部的压力室供给来自上述导阀的压油，向另一方的柱塞移动控制部的压力室经常供给来自压油箱的压油。
6.根据权利要求4所述的控制阀，其特征在于，在上述压油切换阀将控制压油阻挡在控制阀内的中立位置的状态下，将引导上述切换阀的外周的导向部设于上述阀座上。
7.根据权利要求5所述的控制阀，其特征在于，在上述罩的上述主体一侧设有向上述控制活塞与上述罩之间的滑动部连通、并通过重力能够供给油的连通孔。
8.根据权利要求7所述的控制阀，其特征在于，使上述连通孔的至少上述滑动部一侧形成椭圆或长方形。
9.根据权利要求4所述的控制阀，其特征在于，具备机械地限制上述控制活塞的移动量的移动量限制机构；上述移动量限制机构包括直接或间接地固定在上述控制活塞上的板；以及在以上述控制活塞的轴向中心位置为中心的对称位置上的上述板的2个地方，限制上述板的水平方向的移动的止动部件。
10.根据权利要求4所述的控制阀，其特征在于，具备检测上述柱塞的移动量的检测装置；上述检测装置包括固定在上述控制活塞上的轴承；固定在上述轴承的外轮上的杆；检测上述杆的水平方向移动量的传感器；以及限制上述杆绕上述控制活塞的轴的转动的导向部件。
全文摘要
本发明提供一种能够切实进行水轮机等的调速器中使用的控制阀的空气抽出的控制阀结构。并且，提供控制阀的加工、组装很容易的控制阀结构。控制阀的柱塞(16)的移动方向成为水平方向地构成控制阀，在控制阀的各口(a、b、c)的最上部配置空气抽出用阀(37)。另外，在控制阀的柱塞(16)的移动方向成为水平方向地构成控制阀的同时，柱塞(16)和控制活塞(18、20)做成分离结构，在柱塞(16)的两端配置控制活塞(18、20)。由此可以在控制阀的最上部设置空气抽出用阀(37)，能够切实进行压油系统的空气抽出。不必考虑柱塞(16)及控制活塞(18、20)一体结构时的垂直度及偏心度的高精度化，由此加工和组装很容易。
文档编号F03D7/00GK1702318SQ20051007084
公开日2005年11月30日 申请日期2005年5月19日 优先权日2004年5月24日
发明者今井秀昭 申请人:株式会社日立制作所