JP2000509127A - 水力機械用シーリングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ハブボディ（１）を伴ったランナーつまりローターと、ハブボディの中のオイルで潤滑された軸受（７，８）において回転可能に取り付けられたブレードつまりベーンを有するタイプの水力機械のためのシールシステムである、前記軸受と周囲の水との間に設けられたシール手段を有するシールシステムにおいて、前記シール手段は、第１の円周状シール部材（６０）と前記第１のシール部材の内側の第２の円周状シール部材（６１）を有し、円周状スペース（６５）が前記第１と第２のシール部材の間に存在しており、その円周状スペースは、流路（６４）を経て、前記軸受におけるオイルの圧力よりも大きい圧力を有する水と接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】 水力機械用シーリングシステム 技術分野 本発明は、ハブボディと、そのハブボディの中のオイルで潤滑された軸受にお いて回転可能に軸支されたベーンつまりブレードを有するランナーつまりロータ ーを有するタイプの水力機械のためのシールシステムであって、前記軸受と周囲 の水との間に配置されたシール手段を有するシールシステムに関する。 本発明は、カプラン水車、特に、ランナープレートの軸受のための全く目新し い潤滑システムを有するカプラン水車において用いられるために開発されたが、 従来のカプラン水車にも、また角度の調整が可能なブレードを有する船舶のプロ ペラのような、前文に挙げられた他のタイプの水力機械にも用いられる。 従来の技術 従来、カプラン水車におけるハブチャンバーはオイルで満たされている。その オイルの主たる目的はランナーブレードの軸受を潤滑することにある。他の重要 な機能は、ハブの中において適切な腐食防止を行わせることと、ハブの中への水 の侵入を検知することである。今日のハブの設計に関する限り完全に考慮外にす ることができないリスクとしての、ハブの中に水が侵入することを防止するため に、ハブボディ全体が加圧オイルで満たされている。しかしながら、このことは 、オイルが漏れ出るというリスクにつながる。実際問題として、カプラン水車か らのオイルの漏れは非常に頻繁に起こるので、それは、かなりの環境問題と考慮 されている。何故ならば、漏れ出したオイルは水車が運転しいてるところの河川 を汚染するからである。さらに、ハブが空になるまでオイルが出てしまったなら ば、事故が起こり得るのであり、その事故は河川に多大の損害を及ぼすこととな り得る。それでもなお、ハブボディの中のオイルを加圧することは、水がハブに 侵入しないという保証にはならない。 発明の簡単な開示 本発明は、上記の諸問題に挑戦し、オイル漏れのリスクを最小にする改善され たシールシステムを提供することを目的としている。本発明は、以降に述べる、 ハブボディチャンバーの内部が周囲雰囲気と同じ圧力を有しないことを特徴とす る全く目新しい潤滑システムを有するカプラン水車において用いられるために開 発された。本発明のシールシステムは、この新しい潤滑システムが設けられた水 力機械に関連して特に効果的であるが、ハブボディ全体が加圧オイルで満たされ ている従来型の水力機械にも好都合に用いられる。 上述およびその他の目的は、本発明が特徴としている、特許請求の範囲第１項 の特徴の部分に記載してある事柄によって達成され得る。 さらにある本発明の特徴や態様は、特許請求の範囲の各項と、以降の一つの望 ましい実施態様の説明から明らかにであろう。 図面の簡単な説明 一つの望ましい実施態様の次の説明においては、附属の図面が参照される。 図１は、本発明が公知の設計のものに用いられ、本発明の特徴部分が概略的に 示されている、カプラン水車のランナーの軸方向断面図であり、 図２は、図１の線II−IIに沿って見たランナーの横断面図であり、 図３は、図１において枠で囲んだIIIの部分の拡大された詳細図であって、ハ ブの中への水の侵入を防止するシステムを示している図であり、 図４は、図１の線IV−IVに沿った側面図である。 これらの図においては、本発明の原理の理解のために必要な詳細だけを示して おり、図１においてランナーブレードのような他の詳細は、本質的なことをよリ 明瞭にするために省略してある。 発明の詳細な説明 図１において、水車のシャフトフランジ１３に取り付けられたハブボディは、 全体を１で示されている。ハブの内部は、本書では、全体を２で示されているハ ブボディチャンバーであって、それは、本書では乾式液受けとしている水車のノ ーズ部分の領域のうちの下方部分３をも含む。この水車には、図４のように複数 のランナーブレード４が設けられていて、その各々はブレードフランジ５を有し 、そのブレードフランジは、ねじ結合によってブレードトラニオン６に固定され ている。ブレードトラニオンは、ハブボディ１の中において、内側と外側の滑り 軸受７と８、それぞれの中で軸支されている。トラニオン６、したがってブレー ド４は、公知のように、つまり、サーボモータ９、ハブボディ１の中で垂直方向 に動き得るピストンロッド１０，クロスヘッド１１、および全体的に１２で示さ れたレバー機構を含む運動手段によって、軸受７と８の中での回転によって角度 を調整され得る。ピストン９を動かすために、液圧チャンバー１４と１５が設け られている。パイプ１７を伴った軸方向ボア１６が、ピストン９，ピストンロッ ド１０、およびクロスヘッド１１を貫通して延びている。 以上において説明した各要素は従来技術に属するので、本書では、さらに詳し くは説明しないし、油圧チャンバー１４と１５の中の油圧油によって動かされる ピストン９についても、さらに詳しくは説明しない。 本発明によれば、ハブチャンバー２は、ボア１６の中のパイプ１７を経て大気 圧Ｐ３と繋がっている。さらに、本発明によれば、容積型の油圧モーター１８と それによって駆動される容積型の油圧ポンプ１９が、乾式液受け３の中に収容さ れている。この油圧モーター１８は、ユニット４９の中にあるが図示されていな い圧力源によって、第１の導通路２０、旋回継手２１、パイプ１７によって下方 の乾式液受け３まで延びている第２の導通路２２、ホース部分２３、及び接続導 通路２４、を経て駆動される。油圧モーター１８からは、導通路２５、ホース部 分２６、及び導通路２７が、クロスヘッド１１とピストンロッド１０の中の導通 路２８へと延びている。導通路２８は、ピストンロッド１０の外側の、それとフ レードトラニオン６の間にある閉じられた円周状スペース３１に通じている。導 通路３０が、スペース３１から外側軸受８へと、各ブレードトラニオン６を通し て延びている。 チャンバー２は、ランナーが回転しているときよりも増えることがない一定量 のオイル３５を収容していて、そのオイルは、ハブボディ１の壁に向けて押し付 けられて、図１の軸方向断面内ではボウルの形をなして図２のようにブレードト ラニオン６同志の間にある一定の容積をほぼ満たしている。水車シャフトが垂直 であるときには重力の影響の下で、オイルの容積３５の内側面３６は完全に垂直 ではなく、図１のように、下に行くほど内方に向かうように少しく傾斜するので 、なお、下方の乾式液受け３の中へと、内側面３６Ａを有する小さい容積３５Ａ が延びている。液受け３の中には、容積３５Ａから油圧ポンプ１９へと通ずる吸 込み導通路３７がある。ポンプ１９からは、導通路３８、ホース部分３９および 戻り導通路４１が旋回継手２１に通じており、そこからは、戻り導通路４２が、 ユニット４９の中にあるオイルトラフ（図示せず）に通じている。 供給導通路２０には、水車ランナーがほぼ正規の回転速度（少なくとも正規回 転速度の９０％）で回転するまでは開かないようにした電磁弁４５が設けられて いる。供給側導通路２０には、定流量弁４６も設けられている。なお、戻り導通 路４２には、水を検知または分離し、それを汚染したオイルと共に除去するため の、流れ監視器４７とタンク４８が設けられている。さらに、オイルによって汚 染されたかもしれない水に配慮するために分離器５０が設けられていてよい。清 浄化されたオイルは、分離器５０からタンク４８へと再循環され得る。ユニット ４９は、その中において、圧力源とオイルトラフなどを含む。 以上説明したシステムは下記のように作動する。スタートアップの際に、水車 には、例えばパイプ１７を通して、チャンバー２の中に一定量のオイルが充填さ れる。正常運転中には、ユニット４９の中の圧力源（不図示）からオイルが、導 通路２０、旋回継手２１、導通路２２，２３および２４を経て、油圧ポンプ１９ を駆動する油圧モーター１８に供給される。油圧モーター１８から、オイルは、 導通路２５，２６および２７を経て導通路２８に至り、ピストンロッド１０の中 の開口を通してスペース３１の中へと導かれる。そのオイルは、内側のトラニオ ン軸受７を潤滑しつつ通過し、その後にはハブボディチャンバー２の中に飛び散 り、外側トラニオン軸受に達してそれを潤滑するより前に先ずハブの種々の部分 を潤滑する。しかし、レバー機構１２にある軸受は自己潤滑型であるのが適当で ある。 さらに、オイルがスペース３１から流路３０を通して外側軸受８に導かれてい て、それら軸受も潤滑されることを確実にしている。ランナーが回転することに より、オイルは、軸受７や８から、なお、ハブボディ１の丸みのついた壁に向け て押され、そこのボウル形のスペースを満たす。このオイルの容積３５は、チャ ンバー２の全容積のほんの一部分例えば１０％以下に相当しているに過ぎない。 オイルの容積３５は、乾式液受け３の中へと延びているオイル容積の一部分３５ Ａからのオイルを、ポンプ１９が、吸込み導通路３７を経て吸い込み、さらに導 通路３８，３９，４０，４１、旋回継手２１、および戻り導通路４２を経て送出 することにより、一定に保たれる。ポンプ１９の容積能力がモーター１８のそれ よりも大きいことによって、オイルのレベル３６Ａやオイルの容積３５が一定に 保たれることが保証される。オイルの流れは、定流量弁４６によって一定に保た れ、流れ監視器４７によって監視されるので、機能の乱れが表示され、処置され 得る。オイルの中に水があるならば、それはタンク４８の中で検知され、必要な らば分離器５０の中で分離された上で、オイルはタンク４８へまたは直接にユニ ット４９に再循環される。水がシステムの中に入ったならば、例えばシールリン グの交換によって引き続いての水侵入を防止するために、予め決められた適当な 時期に測定が行われる。これに関連して述べておきたいのは、本発明においては 、潤滑油がシステム内の循環経路の中で連続的に循環していることと、システム 内の潤滑油の全量が比較的に少ないことによって、水の検出が容易になっている ことである。さらに述べておきたいのは、油圧チャンバー１４または１５からハ ブボディチャンバー２の中へと漏れ出る可能性のある油圧油は、システムの中で 配慮されて、循環するオイルの中に加えられることである。 例えばオイルの容積３５の２０ｇの遠心力を発生し得るようなランナーの回転 によって、オイルは、ある大きさの力でもって、外側のブレードトラニオン軸受 ８に向けて押し付けられ、そうである限り、チャンバー２の中のオイルに過圧力 がかかることはない。つまり、オイルの容積３５に作用する圧力は、正常時には 、周囲の水の圧力より低く、そのことは、オイルが周囲の水の中へと漏れ出ると いうリスクを大幅に少なくする。 ハブボディチャンバーの中のオイルに過圧力がかかることがないので、オイル が周囲の水の中に漏れ出るリスクは極めて小さいが、このリスクは、外側のブレ ードトラニオン軸受８と周囲の水の間の良好なシールによってさらに最小化され る。図３において、そのようなシールシステムが示されていて、それは、ブレー ドフランジ５を包囲している環状ギャップ６２の中に収容された、それぞれがゴ ムまたは他のエラストマーで作られた外側と内側のシールリング６０と６１を含 む。シールリング６０，６１は、ねじによってハブボディ１に取り付けられたク ランプリング６３によって、ギャップ６２の中に保持されている。ハブボディチ ャンバー２が加圧されることはないが、オイルが漏れ出る最大のリスクが、水車 の吸込み側、すなわち、圧力が極めて低いランナーブレードの“下側”つまり“ 裏側”において存在する。この圧力Ｐ２は、図３に示したハブの内部の圧力で運 転中の雰囲気の気圧Ｐ３よりも低い。その一方で、ランナーブレードの圧力側、 すなわちランナーブレード４の上側の圧力Ｐ１は、常に大気圧よりも高い。これ ら条件が、本発明のシールの設計において利用されている。ランナーブレードの 圧力側の領域内のブレードフランジ５の外側から、つまり、ブレードフランジ５ におけるブレード４よりも上方の点から、流路６４が、外側と内側のシールリン グ、それぞれ６０と６１、の間の、ギャップ６２の中の円周状スペース６５の中 へと延びている。換言すれば、両シールリングの間の環状の円周状スペース６５ は、周囲の水と、水車の圧力側において流路６４によって連通されていて、その ことは、スペース６５が、ブレードフランジ５の全周にわたって、水が圧力側に おいて有する圧力と同じ圧力Ｐ１を有することを意味する。このことは、さらに 、内側のシールリング６１の外側の圧力が、シールリングの全周にわたって、つ まり、外側の水の圧力Ｐ２が大気圧より低いブレードフランジの吸込み側の領域 内でも、シールリング６１の内側における圧力よりも高いことを意味する。した がって、円周状スペース６５の加圧は、オイルの漏れに対するロックとして機能 する。 さらに、または代案として、スペース６５を、周囲の水以外の何らかの圧力源 から、望ましくは水車シャフトのアクスルボックス（不図示）からの純水によっ て、水車シャフト、水車シャフトフランジ１３、及びハブボディ１を貫通してス ペース６５へと延びている流路６８を経て加圧してもよい。また、原理的には他 の圧力源、望ましくは加圧純水を収容した圧力源が用いられ得る。そのような代 案は、ランナーブレードつまりプロペラブレードの圧力側の圧力が比較的に低い 場合、例えば比較的に落差の小さい発電所におけるカプラン水車の場合、に特に 有利であり得る。何故ならば、この場合のスペース（６５）の加圧が、ランナー ブレード／プロペラブレードの圧力側に働いている圧力よりも高い圧力を有する 圧力源から行われるからである。この代案は、同時にハブボディチャンバーが過 圧下にあるオイルで満たされているときに、特に有利であり得る。 基本的には、本発明は、周囲の水へのオイルの漏れの防止を扱うものである。 このことは、本発明によれば、本発明が特徴としている、添付の特許請求の範囲 に記載された少なくとも幾つかの特徴、または、それら特徴が相互に組み合わさ つた全体、によって達成される。これら特徴の中の、特に述べておきたいものは 、潤滑システムの中のオイルの全量が少なくて、ハブボディチャンバーの全容積 よりも実質的に少ないこと、ハブボディチャンバーが大気圧にあること、潤滑油 がループの中を循環していること、オイルの漏れがあればそれが検出され処置さ れ得るように、オイルの流れを制御する手段が設けられていること、および、オ イルの漏れを許す前に水の侵入を優先するような効果的なシール手段が設けられ ていることである。それと同時に、潤滑が効果的であって、侵入した水によって 害されないことが要求されることである。このことに関して、水がオイルよりも 高い密度を有するという条件があるので、水がオイルから分離するとか水が遠心 力の故に外側軸受８に集るという傾向が生ずる、ということを考慮しなければな らない。この傾向を防止するために、オイルをスペース３１から導通路３０を通 して軸受８へと導くことが重要であろう。この機能は、外側軸受８へのオイルの 流れを安全に案内するために、例えば内側軸受７の効果的なシールのような種々 の緊縮手段を設けることによって、さらに保証され得る。軸受８においては、進 入するオイルが、可能性のある侵入した水と混合することが許されてよく、その 水は容積３５の中でオイルと混合し、最終的には戻り導通路４２を通して排出さ れ、検出されて除去される。 本発明が以上の記述において説明された設計のランナーに限られるのでなく、 ましてや一般のカプラン水車に限られるのでないことが理解されるべきである。 例えば、本発明は、水平な回転軸線を有する前文のタイプの水力機械にも好都合 に用いられ得る。そのような機械においても、ランナーの中の比較的に少ない量 のオイルが、遠心力によって周囲に向けて押し出されるであろう。この場合生成 されるオイルの容積の形が、垂直のシャフトを有する機械のそれとは異なり、は っきり言うならば円筒形の内面が形成される、ということは確かであるが、この 事実は、油圧ポンプ１９における吸込み導通路３７の位置決めにおいて考慮され 得る。 なお述べておきたいのは、ポンプ１９が、図示した実施態様の場合も、ポンプ の吸込み導通路３７にも作用する遠心力を考慮して、ポンプが吸込み導通路を通 してオイルを取り込み得るように位置決めされていることである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハブボディ（１）を伴ったランナーつまりローターと、ハブボディの中の オイルで潤滑された軸受（７，８）において回転可能に軸支されたベーンつまリ ブレード（４）を有する水力機械のためのシステムであって、前記軸受と周囲の 水との間に配置されたシール手段を有するシールシステムにおいて、前記シール 手段が、第１の円周状シール部材（６０）と、前記第１のシール部材の内側の第 ２の円周状シール部材（６１）を有し、前記第１と第２のシール部材の間に円周 状スペース（６５）が存在しており、その円周状スペースは、流路（６４）によ って、前記軸受におけるオイルの圧力よりも大きい圧力を有する水と接続されて いる、ことを特徴とするシールシステム。 ２．シール部材が、一方はランナーブレードトラニオン（６）または相当品と ランナーブレード（５）または相当品を有するユニット、他方はハブボディを有 するユニット、の間のギャップ（６２）の中に配置されている、請求項１記載の シールシステム。 ３．シール部材が、ランナーブレードフランジとハブボディの間のギャップ（ ６２）の中に配置されている、請求項２記載のシールシステム。 ４．円周状スペース（６５）が、一つの流路（６４）を経て、ランナーブレー ドまたは相当品の圧力側で周囲の水と接続していて、それにより、円周状スペー スの中の流体は実質的に、圧力側において水が有する圧力と同じ圧力を達成する 、請求項１から３のいずれか１項に記載のシールシステム。 ５．円周状スペース（６５）が、一つの流路（６８）を経て、水力機械の構成 の中にある圧力源、望ましくは機械のシャフトのアクスルボックス、と接続され ていて、その流路は、圧力源から円周状スペースまでハブボディを経て延びてい る、請求項１から４のいずれか１項に記載のシールシステム。 ６．シール部材が、ギャップ（６２）の壁に押し当てられているシールリップ を有するシールリング（６０，６１）から成り、シールリングのシールリップは 、前記円周状スペース（６５）に当たるように曲げられている、請求項１から５ のいずれか１項に記載のシールシステム。