JP6334300B2 - 直動式水力機械 - Google Patents

Description

本発明は単一の軸を電動機または発電機と水力機械（ポンプ/水車）とが共有する方式の直動式ポンプに係わり，特にセンサーを水力機械に取り付けて運転状態を監視することにより，機器の信頼性を改善する技術に関する。

ポンプは長期間運転される機器の代表的な機械である。従来，信頼性を維持する手段は定期点検を継続的に行い，故障を未然に防止することが行われている。しかしながら，故障時期を定期点検で予測することは困難であるため，故障を防ぐ手段として予防保全が一般的に行われている。予防保全では，故障実績などから交換する部品を特定し，正常稼働している状態で部品交換するため，定期点検費用も含めた保全費用が高額となり問題になっている。

一方，近年，電子技術の発達により，ポンプにセンサーを取り付け，センサー信号を評価することで機械の運転状態を監視し，信頼性を改善する取り組みがなされている（特許文献１参照）。

特許第3923880号公報

しかしながら、上記の従来技術ではポンプという水力機械に特有の問題であるキャビテーションの検知及びキャビテーション防止の対策について解決されていない。また，寿命予測の手段についても周波数分析等を用いる複雑な処理装置を必要とするためシステムが高価になるという課題がある。

上記課題を解決する一例として、単一の軸を電動機または発電機と、水力機械とが共有する直動式水力機械において、前記水力機械に取り付けられた加速度センサーと、前記電動機または発電機の回転速度の制御を行うインバータと、を備え、前記加速度センサーは少なくとも前記水力機械のケーシングと、前記電動機または発電機の軸受近傍とに配置され、前記ケーシングに配置された加速度センサーの最大加速度が、所定値を超え且つ前記軸受近傍に配置された加速度センサーの最大加速度よりも大きいときにキャビテーションの発生を検知し、前記加速度センサーからの信号により、キャビテーションの発生が検知されたとき、前記インバータは、その時点の前記電動機または発電機の電流と、予め記憶した前記水力機械の最高効率点における前記電動機または発電機の電流とを比較し、その時点の前記電動機または発電機の電流が予め記憶した前記水力機械の最高効率点における前記電動機または発電機の電流より小さいときには、前記電動機または発電機の回転速度を下げる構成とする。

本発明によれば，簡単な構成にてキャビテーションを検知することができる。また、キャビテーションが発生したときにキャビテーション強さを弱めるか又は無くすことにより水力機械の信頼性を改善することができる。

本発明の直動式ポンプ 本発明のコントローラ一体型直動式ポンプ 従来技術の直動式ポンプ 直動式ポンプの性能特性 ケーシングの最大加速度とNPSHRの相関 小流量域の羽根入口速度三角形の変化（ポンプ） 大流量域の羽根入口速度三角形の変化（ポンプ） 小流量域の羽根入口速度三角形の変化（水車） 大流量域の羽根入口速度三角形の変化（水車）

本発明は，直動式ポンプに係わる。図３は直動式ポンプを示しており，単一の軸３を電動機１とポンプ２とが共有する方式の直動式ポンプを示す。ポンプ２は主要部品である軸３，軸３に固定された羽根車４，羽根車４を覆う形のケーシング５，軸３を介して羽根車４を駆動する電動機１で構成されている。電動機１を運転し羽根車４が回転すると水流は吸込ノズル２-１から流入し，羽根車４によって加圧され吐出しノズル２-２から流出する。ポンプは回転速度がほぼ一定で運転されるので性能特性は図４に示す形になる。NPSHR（必要有効吸込ヘッド）はキャビテーションの発生強さを表す物理特性のひとつであり，図４の点線丸印で示す流量域ではキャビテーションが発生しやすい。キャビテーションは羽根車４で発生し，キャビテーションが強くなると羽根車４を損傷するためポンプの製品寿命が短くなる。したがって，ポンプの信頼性を改善するにはキャビテーションの発生を防止する必要があり，使用条件によりキャビテーション発生が避けられない場合でも，キャビテーションを弱い状態に抑えることが望まれる。

キャビテーションは，ポンプの運転点が最高効率点から離れることにより羽根車４の流れが乱れて局所的に水の飽和蒸気圧以下になる部分で気泡が発生し，気泡が下流へ流されるときの圧力勾配で気泡が押しつぶされる現象である。気泡が潰れるときに衝撃圧力が発生し羽根車４を損傷する。キャビテーション気泡は目視で確認することができるが，ポンプは羽根車４がケーシング５に覆われているため見ることができない。したがって，キャビテーションを検知するためにはキャビテーションに伴って生じる何らかの物理現象をセンサーにより測定しなければならない。発明者らはキャビテーションの強さに比例してキャビテーションによる流水音が大きくなることに着目し，各種の物理現象を測定した結果，ケーシングに取り付けた加速度センサーで測定した最大加速度がキャビテーション強さを表すNPSHRと相関することを明らかにした。その結果を図５に示す。最大加速度が1G（所定値）未満ではキャビテーションによる流水音は小さく最大加速度も明瞭に判定することができないが，最大加速度が1Gを超えると最大加速度を明瞭に測定することが出来，ケーシングの最大加速度とNPSHRの相関関係からキャビテーションを検知できることが分かった。ポンプの形式により前記所定値が異なることもあるため、ポンプに応じて前記所定値を変えてもよい。

図１に本発明の直動式ポンプを示す。ケーシング５に加速度センサー８を取り付け，電動機１のポンプ側の軸受６（以下負荷側軸受）近傍に加速度センサー９を取り付け，さらに，前記電動機の負荷側軸受と反対側の軸受７（以下反負荷側軸受）近傍に加速度センサー１０が取り付けられている。加速度センサー８，９，１０の信号線は信号処理装置１１に接続されている。信号処理装置１１は注意表示灯１２と警告表示灯１３を備えている。信号処理装置１１は三つの加速度センサーから出力される最大加速度を計算するとともに，これら三つの最大加速度を比較し，ケーシング５の最大加速度が1Gを超え，且つ負荷側軸受６の最大加速度よりも大きいときにキャビテーションの発生を知らせる注意表示灯１２を点灯しユーザに注意喚起する。キャビテーションはポンプ内の流体で発生するため、羽根車、ケーシングへ伝わる。そのため、ケーシング５の最大加速度が負荷側軸受６の最大加速度よりも大きい場合は、軸受の劣化ではなくキャビテーションによるものであることが分かる。

さらに、軸受劣化による故障を分析した結果，直動式ポンプの場合，軸受故障のほとんどが電動機の軸受の一方が先に故障することが分かった。この結果から，本発明の信号処理装置１１は三つの加速度センサーの最大加速度を比較し，負荷側軸受６の最大加速度がケーシング５の最大加速度より大きく，且つ，負荷側軸受６の最大加速度と反負荷側軸受７の最大加速度との差が，何れか大きい方の最大加速度の半分以上あるときに劣化を知らせる警告表示灯１３を点灯しユーザに警告喚起する。負荷側軸受６の最大加速度がケーシング５の最大加速度より大きい場合は、キャビテーションではなく軸受の劣化によるものである。一方の軸受の最大加速度が他方に比べ著しく大きい場合は、その軸受は劣化しているものと判断できる。

図２は本発明のコントローラ一体型直動式ポンプである。コントローラ一体型直動式ポンプは，電動機１の回転速度を制御するインバータ２２が電動機１と一体に構成されたポンプである。本発明のコントローラ一体型直動式ポンプは，ケーシング５に加速度センサー８を取り付け，電動機１のポンプ側の軸受６（以下負荷側軸受）近傍に加速度センサー９を取り付け，さらに，前記電動機の負荷側軸受と反対側の軸受（以下反負荷側軸受）近傍に加速度センサー１０が取り付けられている。加速度センサー８，９，１０の信号線は信号処理装置１１に接続されている。信号処理装置１１はインバータ２２−１の中に設置されている。さらにインバータ２２-２はメモリを備え，前記メモリにはポンプの最高効率点の電流値と最大電流値が記録されている。インバータ１２は信号処理装置１１とデータの送受ができるようになっている。したがって，インバータ２２は信号処理装置１１の処理結果を受けてポンプの回転速度を制御することができる。信号処理装置１１は三つの加速度センサーから出力される最大加速度を計算するとともに，これら三つの最大加速度を比較し，ケーシング５の最大加速度が1Gを超え，且つ負荷側軸受６の最大加速度よりも大きいときにキャビテーションが発生したと判定し，インバータ２２へキャビテーション発生信号を発信する。インバータ２２はそのときの電動機１の電流と予め記録されているポンプ最高効率点の電流を比較し，電動機１の電流がポンプ最高効率点の電流よりも小さい場合は，電動機の回転速度を徐々に下げるように制御し，信号処理装置１１からのキャビテーション発生信号が無くなるまで電動機の回転速度を下げる制御を行う。

図４に示す通り最高効率点の電流値より小さい電流値でキャビテーションが発生する原因は，流量が最高効率点に比べ小さいために，羽根車へ流入する流れの状態が変化することによる。変化の様子を図６に示す。図６はポンプ入口流れの速度三角形を示している。最高効率点の速度三角形（ＵBEP，ＶBEP，ＷBEP）は流量が減少すると絶対速度ベクトル（Ｖ）が小さく（ＶBEP→ＶQMIN）なる。これに伴い羽根に流入する相対流れも変化する（ＷBEP→ＷQMIN）。その結果，相対流れの方向が羽根形状に沿わなくなるため流れの剥離が発生する。剥離域では静圧力が低下しキャビテーションが発生する。

以上述べたキャビテーションに対し，本発明はインバータによりポンプの回転速度徐々に下げる。回転速度を下げることにより速度三角形は，羽根車の周速度が小さくなる（ＵBEP→ＵDSD）ので図６に太い破線で示す形になる。その結果，相対流れの方向（ＷDSD）が羽根形状に沿うようになり流れの剥離が無くなるのでキャビテーションも発生しない。

また，インバータ１２は信号処理装置１１からキャビテーション発生信号を受信したときに，そのときの電動機１の電流と予め記録されているポンプ最高効率点の電流を比較し，電動機１の電流がポンプ最高効率点の電流よりも大きい場合は，電動機の回転速度を徐々に上げるように制御し，信号処理装置１１からのキャビテーション発生信号が無くなるか若しくは電動機１の電流が最大電流に達するまで電動機の回転速度を上げる制御を行う。

図４に示す通り最高効率点の電流値より大きい電流値でキャビテーションが発生する原因は，流量が最高効率点に比べ大きいために，羽根車へ流入する流れの状態が変化することによる。変化の様子を図７に示す。図7はポンプ入口流れの速度三角形を示している。最高効率点の速度三角形（ＵBEP，ＶBEP，ＷBEP）は流量が増加すると絶対速度ベクトル（Ｖ）が大きく（ＶBEP→ＶQMAX）なる。これに伴い羽根に流入する相対流れも変化する（ＷBEP→ＷQMAX）。その結果，相対流れの方向が羽根形状に沿わなくなるため小流量域とは反対側に流れの剥離が発生する。剥離域では静圧力が低下しキャビテーションが発生する。

以上述べたキャビテーションに対し，本発明はインバータによりポンプの回転速度徐々に上げる。回転速度を上げることにより速度三角形は，羽根車の周速度が大きくなる（ＵBEP→ＵASD）ので図７に太い破線で示す形になる。その結果，相対流れの方向（ＷASD）が羽根形状に沿うようになり流れの剥離が無くなるのでキャビテーションも発生しない。

本発明は直動式ポンプについて実施形態を示すが，キャビテーションに関する同様の課題を有する水力機械である水車についても本発明を適用可能である。特に直動式ポンプの回転方向を逆転することにより水車として用いる直動式水車に適用できる。直動式水車に本発明を適用するときは，実施形態の電動機を発電機に，ポンプを水車とすればよい。

水車においてもポンプと同様に小流量になると発電機の電流値が最高効率点の電流値よりも小さくなる。最高効率点の速度三角形（ＶBEP，ＵBEP，ＷBEP）は絶対速度ベクトルが小さく（ＶBEP→ＶQMIN）なり相対速度ベクトルの方向が変わる（ＷBEP→ＷQMIN）。これにより流れが羽根形状に沿わなくなるため剥離が発生する。剥離域では静圧力が低下しキャビテーションが発生する。

以上述べたキャビテーションに対し，本発明はインバータにより水車の回転速度徐々に下げる。回転速度を下げることにより速度三角形は，羽根車の周速度が小さくなる（ＵQMIN→ＵDSD）ので図８に太い破線で示す形になる。その結果，相対流れの方向（ＷDSD）が羽根形状に沿うようになり流れの剥離が無くなるのでキャビテーションも発生しない。

一方，大流量になるとポンプと同様に発電機の電流値が最高効率点の電流値よりも大きくなる。最高効率点の速度三角形（ＶBEP，ＵBEP，ＷBEP）は絶対速度ベクトルが大きく（ＶBEP→ＶQMAX）なり相対速度ベクトルの方向が変わる（ＷBEP→ＷQMAX）。これにより流れが羽根形状に沿わなくなるため剥離が発生する。剥離域では静圧力が低下しキャビテーションが発生する。

以上述べたキャビテーションに対し，本発明はインバータにより水車の回転速度徐々に上げる。回転速度を上げることにより速度三角形は，羽根車の周速度が大きくなる（ＵQMAX→ＵASD）ので図９に太い破線で示す形になる。その結果，相対流れの方向（ＷASD）が羽根形状に沿うようになり流れの剥離が無くなるのでキャビテーションも発生しない。

水力機械において上記のような制御を行うことにより、キャビテーションの影響を低減または除去することができる。

１ 電動機
２ ポンプ
２−１ ポンプ吸込ノズル
２−２ ポンプ吐出しノズル
３ 軸
４ 羽根車
５ ケーシング
６ ポンプ側の電動機軸受（負荷側軸受）
７ ポンプと反対側の電動機軸受（反負荷側軸受）
８ ケーシングに取り付けた加速度センサー
９ 負荷側軸受近傍に取り付けた加速度センサー
１０ 反負荷側軸受近傍に取り付けた加速度センサー
１１ 信号処理装置
１２ 注意喚起表示灯
１３ 警告喚起表示灯
２１ コントローラ一体型直動式ポンプ
２２ インバータ
２２−１ インバータ構成部品
２２−２ インバータ構成部品

Claims (6)

1. 単一の軸を電動機または発電機と、水力機械とが共有する直動式水力機械において、
   前記水力機械に取り付けられた加速度センサーと、
   前記電動機または発電機の回転速度の制御を行うインバータと、を備え、
   前記加速度センサーは少なくとも前記水力機械のケーシングと、前記電動機または発電機の軸受近傍とに配置され、
   前記ケーシングに配置された加速度センサーの最大加速度が、所定値を超え且つ前記軸受近傍に配置された加速度センサーの最大加速度よりも大きいときにキャビテーションの発生を検知し、
   前記加速度センサーからの信号により、キャビテーションの発生が検知されたとき、前記インバータは、その時点の前記電動機または発電機の電流と、予め記憶した前記水力機械の最高効率点における前記電動機または発電機の電流とを比較し、その時点の前記電動機または発電機の電流が予め記憶した前記水力機械の最高効率点における前記電動機または発電機の電流より小さいときには、前記電動機または発電機の回転速度を下げることを特徴とする直動式水力機械。
2. 単一の軸を電動機または発電機と、水力機械とが共有する直動式水力機械において、
   前記水力機械に取り付けられた加速度センサーと、
   前記電動機または発電機の回転速度の制御を行うインバータと、を備え、
   前記加速度センサーは少なくとも前記水力機械のケーシングと、前記電動機または発電機の軸受近傍とに配置され、
   前記ケーシングに配置された加速度センサーの最大加速度が、所定値を超え且つ前記軸受近傍に配置された加速度センサーの最大加速度よりも大きいときにキャビテーションの発生を検知し、
   前記加速度センサーからの信号により、キャビテーションの発生が検知されたとき、前記インバータは、その時点の前記電動機または発電機の電流と、予め記憶した前記水力機械の最高効率点における前記電動機または発電機の電流とを比較し、その時点の前記電動機または発電機の電流が予め記憶した前記水力機械の最高効率点における前記電動機または発電機の電流より大きいときには、前記電動機または発電機の回転速度を上げることを特徴とする直動式水力機械。
3. 前記インバータは、前記電動機または発電機の回転速度を徐々に下げるように制御し、
   前記キャビテーションの発生が無くなるまで前記電動機または発電機の回転速度を下げることを特徴とする請求項１に記載の直動式水力機械。
4. 前記インバータは、前記電動機または発電機の回転速度を徐々に上げるように制御し、
   前記キャビテーションの発生が無くなるか若しくは前記電動機または発電機の電流が前記最大電流に達するまで前記電動機または発電機の回転速度を上げることを特徴とする請求項２に記載の直動式水力機械。
5. 単一の軸を電動機または発電機と、水力機械とが共有する直動式水力機械において、
   前記水力機械のケーシングと、前記電動機または発電機の軸受近傍に配置された加速度センサーと、
   前記加速度センサーの信号線が接続される信号処理装置と、
   外部に情報を表示する表示部と、を備え
   前記信号処理装置は前記加速度センサーから出力される最大加速度を計算するとともに、前記ケーシングの加速度センサーの最大加速度が、所定値を超え且つ前記軸受近傍のセンサーの最大加速度よりも大きいときにキャビテーションの発生を検知し、前記表示部においてキャビテーションの発生につき表示をすることを特徴とする直動式水力機械。
6. 前記電動機または発電機の軸受近傍に配置された加速度センサーは、水力機械側軸受（負荷側軸受）とその反対側軸受（反負荷側軸受）の少なくとも２箇所に設置され、
   前記負荷側軸受の最大加速度が前記ケーシングの最大加速度より大きく、且つ、前記負荷側軸受の最大加速度と前記反負荷側軸受の最大加速度との差が、前記二つの軸受の最大加速度の何れか大きい方の最大加速度の半分以上あるときには、前記表示部において前記電動機または発電機の軸受の劣化につき表示することを特徴とする請求項５記載の直動式水力機械。

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