JP2002061562A - 水力機械のランナと回転軸との締結装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で高い加工精度が不要とすると共
に、大きなトルクが伝達できるようにする。 【解決手段】 ランナ１０に埋込まれた複数の埋込ボル
ト１１を回転軸のフランジ２１に形成された貫通孔２２
に挿通し、ナット１２により締付けることによりランナ
１０と回転軸とを締結する際に、埋込ボルト１１を取巻
く部分に所定深さの円筒状溝からなるボルト逃部４０を
形成して、ナット１２を締付けた際に発生する力により
埋込ボルト１１周辺部分のランナ１０が隆起等して部分
的に大きな当接力が発生するのを防止し、これによりフ
ランジ２１とランナ１０との間に均一な面圧を作用させ
て大きな摩擦力を効率的に利用できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水車やポンプ水車
等の水力機械のランナと回転軸とを締結して効率的に大
きなトルク伝達が行えるようにした水力機械のランナと
回転軸との締結装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、水車やポンプ水車等の水力機械
におけるランナと回転軸とは構造上の理由から、また使
用材料の違いから分割されて製造され、現地において組
立が行われる。

【０００３】その際、ランナと回転軸とを締結するには
埋込ボルト等の締結部材が一般に使用され、確実なトル
ク伝達を行うために以下の様な回転トルク伝達方法が採
用されている。

【０００４】図９は、かかるランナ１１０と回転軸１２
０との緊結状態を示す部分断面図で、当該回転軸１２０
にはランナ１１０と当接するフランジ１２１が一体に設
けられ、このフランジ１２１とランナ１１０との接する
面に半径方向に延びるキー１３０が設けられている。

【０００５】また、ランナ１１０には複数の埋込ボルト
１１１が埋込まれると共に、フランジ１２１には該埋込
ボルト１１１が挿入される貫通孔１２２が設けられてい
る。

【０００６】そして、これらを組立てる際には、キー溝
にキー１３０を挿着し、ランナ１１０に埋込まれた埋込
ボルト１１１をフランジ１２１の貫通孔１２２に挿入し
てナット１１２を締めてランナ１１０と回転軸１２０と
を締結している。

【０００７】他の締結方法としては、ランナ１１０に取
り付けた埋込ボルト１１１をリーマボルトの代りとして
キーを使用するリーマボルト方式がある。

【０００８】さらに、埋込ボルト１１１の締結力による
ランナ１１０とフランジ１２１と接触面に発生する摩擦
力を利用する方法がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、キー方
式やリーマボルト方式では、ランナ１１０と回転軸１２
０とのトルク伝達を確実に行える利点があるものの、新
規に製造する場合には製造現場でキー１３０を挿着する
キー溝や貫通孔１２２の位置及び寸法等を組立てて確認
することができるものの、例えばランナ１１０を取替え
るような場合には、かかる確認作業を行うことができ
ず、正確、かつ、高精度にキー溝や貫通孔１２２の機械
加工を行わなければならない問題がある。

【００１０】また、リーマボルト方式ではリーマボルト
の交換の際に貫通孔１２２のオーバーサイズ加工が必要
となることもあり、現地での組立工数も多大となる問題
がある。

【００１１】さらに摩擦によるトルク伝達法では、埋込
ボルト１１１の締結力を増大することで伝達トルクを増
大させることが可能で、キー溝や貫通孔１２２等の機械
加工も省略できるため、構造及び組立作業が簡素化され
る利点があるものの、一般的にランナ１１０はステンレ
ス鋳鋼品、回転軸１２０は鍛造品、埋込ボルト１１１は
低合金鋼が用いられていることから、回転軸１２０の降
伏点が低く、伝達トルクを増大させるために任意に締結
力を高めることができない。

【００１２】従って、かかる方法は比較的小さい低容量
発電機等においては有用な方法であるが、大きな伝達ト
ルクが必要とされる大容量発電機等には適用困難な問題
がある。

【００１３】そこで、本発明は、構造が簡単で高い加工
精度が不要とすると共に、大きなトルクが伝達できるよ
うにした経済性と信頼性を高めた水力機械のランナと回
転軸との締結装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、ランナに埋込まれた複数
の埋込ボルトを回転軸のフランジに形成された貫通孔に
挿通し、ナットにより締付けることによりランナと回転
軸とを締結して、水の勢いによりランナが回転する際の
回転トルクを回転軸に伝達させる水力機械のランナと回
転軸との締結装置において、埋込ボルトを取巻く部分に
所定深さの円筒状溝からなるボルト逃部を形成して、ナ
ットを締付けた際に発生する力により埋込ボルト周辺部
分のランナが隆起等し部分的に大きな当接力が発生する
のを防止して、フランジとランナとの間に均一な面圧を
作用させて大きな摩擦力を効率的に利用できるようにし
たことを特徴とする。

【００１５】請求項２にかかる発明は、埋込ボルトの直
径をＤ、フランジの厚さをｔ、ボルト逃部の深さをｄと
し、ランナ側弾性等価長Ｌ１（Ｌ１＝ｄ＋０．４×Ｄ）
及び、回転軸側弾性等価長Ｌ２（Ｌ２＝ｔ＋０．６×
Ｄ）の比（Ｌ１／Ｌ２）を弾性等価長の比ＲＬとして定
義した際に、当該弾性等価長の比ＲＬが０．３＜ＲＬ＜
０．５の範囲になるようにボルト逃部の深さｄを設定し
て、ナットを締付けた際に発生する力により埋込ボルト
周辺部分のランナが隆起等してもその部分がフランジに
当接しないようにして、フランジとランナとの間に均一
な面圧を作用させて大きな摩擦力を効率的に利用できる
ようにしたことを特徴とする。

【００１６】請求項３にかかる発明は、埋込ボルトがラ
ンナに埋込まれている部分の直径をＤ１、ナットが螺合
している部分の直径をＤ２、フランジの厚さをｔ、ボル
ト逃部の深さをｄとし、ランナ側弾性等価長Ｌ１（Ｌ１
＝ｄ＋０．４×Ｄ１）及び、回転軸側弾性等価長Ｌ２
（Ｌ２＝ｔ＋０．６×Ｄ２）の比（Ｌ１／Ｌ２）を弾性
等価長の比ＲＬとして定義した際に、当該弾性等価長の
比ＲＬが０．３＜ＲＬ＜０．５の範囲になるようにボル
ト逃部の深さｄを設定し、又は埋込ボルトの直径の比を
Ｄ１／Ｄ２＞１になるように設定して、ナットを締付け
た際に発生する力により埋込ボルト周辺部分のランナが
隆起等してもその部分がフランジに当接しないようにし
て、フランジとランナとの間に均一な面圧を作用させて
大きな摩擦力を効率的に利用できるようにしたことを特
徴とする。

【００１７】請求項４にかかる発明は、埋込ボルトより
回転軸中心側のフランジ又はランナに隙間部を設けて、
当該フランジとランナとの接触面積を所定量小さくし
て、フランジとランナとの間に均一な面圧を作用させて
大きな摩擦力を効率的に利用できるようにしたことを特
徴とする。

【００１８】請求項５にかかる発明は、フランジとラン
ナとの接触面積をＳ、埋込ボルトの断面積をＳｂとし
て、面積比ＲＳ（Ｓ／Ｓｂ）を定義した際に、当該面積
比ＲＳが４＜ＲＳ＜７の範囲になるように隙間部を設定
して、フランジとランナとの間に均一な面圧を作用させ
て大きな摩擦力を効率的に利用できるようにしたことを
特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を図を
参照して説明する。本発明にかかる締結装置は、例えば
水力発電機のような水力機械の水車又はポンプ水車等に
用いられている。

【００２０】かかる水車又はポンプ水車等の水力機械
は、図１に示すように発電機又は発電電動機１と該発電
機又は発電電動機１に回転駆動力を付与する水車又はポ
ンプ水車２等を主要構成とし、発電機又は発電電動機１
には円筒状固定子３とその内側に装着されて回転するこ
とにより固定子３に誘導起電力を発生させて発電させる
回転子４等を備えている。

【００２１】また、水車又はポンプ水車２は図２に詳細
に示すように、水の位置エネルギー等を回転エネルギー
に変換するためのランナ１０が設けられ、当該ランナ１
０は回転子４の回転軸２０と締結装置により締結されて
いる。

【００２２】これによりケーシングを介しスティリング
５を通過した水がランナ１０に当り、そのエネルギーが
回転エネルギーに変換され、当該回転エネルギーにより
回転子４が回転して発電が行われる。なお、ランナ１０
に当った水は吐出管６から吐出される。

【００２３】図３はランナ１０と回転軸２０とを締結装
置により締結した際の部分断面図を示した図で、回転軸
２０にはフランジ２１が設けられ、当該フランジ２１と
ランナ１０とが埋込ボルト１１、ナット１２等により締
結されている。

【００２４】ランナ１０には、複数の埋込ボルト１１が
埋込まれ、また回転軸２０のフランジ２１には当該埋込
ボルト１１が貫通する貫通孔２２が設けられている。

【００２５】また、埋込ボルト１１が埋込まれているラ
ンナ１０の埋込口には、当該埋込ボルト１１より大きな
径のボルト逃部４０が形成されている。このボルト逃部
４０は、ネジ切り加工が施されておらず、少なくとも埋
込ボルト１１に加わる力を支えるようにはなっていな
い。

【００２６】このような構成で、埋込ボルト１１に貫通
孔２２を貫通させて、フランジ２１とランナ１０とを当
接させ、その後ナット１２を締めることによりフランジ
２１をランナ１０に締結する。

【００２７】図４は埋込ボルト１１による締結部分の詳
細部分断面図である。同図において、Ｌ１はランナ側弾
性等価長であり、Ｌ２は回転軸側弾性等価長であって、
フランジ２１の厚さをｔ、埋込ボルト１１の直径をＤ、
ボルト逃部４０の深さをｄとすると以下のように定義さ
れる。

【００２８】Ｌ１＝ｄ＋α×Ｄ …（式１） Ｌ２＝ｔ＋β×Ｄ …（式２） ここで、α＝０．４、β＝０．６であり、埋込ボルト１
１とナット１２４とに認められている弾性等価長係数で
ある。

【００２９】このような構成において埋込ボルト１１の
締結力を一定とした場合に、弾性等価長の比ＲＬ（ＲＬ
＝Ｌ１／Ｌ２）とし、ランナ１０とフランジ２１とが滑
り始める伝達トルク（結合が不完全な状況）から求まる
見掛けの摩擦係数（動摩擦係数）をμとして、これらの
関係を実験的に求めた結果が図５である。

【００３０】同図からランナ１０のボルト逃部４０が深
くなるほど、言い換えればランナ側弾性等価長Ｌ１が大
きくなるほど見掛けの摩擦係数μが直線的に増加し、弾
性等価長比ＲＬが約０．５程度を越えてからは見掛けの
摩擦係数μは略一定になることが分る。

【００３１】なお、ボルト逃部４０を設けない場合より
設けた方が見掛けの摩擦係数μを大きくすることができ
る理由としては、ボルト逃部４０を設けない場合には埋
込ボルト１１がランナ１０と螺合している部分が締付力
によりナット１２側に引寄せられる（力を受ける）の
で、その力によりナット１２の下部側部分のランナ１０
が隆起するように変形して、当該部分で強く当接するた
め、接触面積に対しての見かけの摩擦係数μが小さくな
るものと考えられる。

【００３２】そこで、本発明では弾性等価長の比ＲＬを
０．３＜ＲＬ＜０．５の範囲に設定した。これにより、
同一形状における見掛けの摩擦係数μを最適値に設定す
ることができ、埋込ボルト１１の締結力を高めずとも
（ナット１２を締めすぎなくても）、フランジ２１とラ
ンナ１０との当接面に均一的な面圧を作用させることが
でき、これにより摩擦力が増大して、大きな伝達トルク
を得ることが可能になる。

【００３３】次に、本発明の第２の実施の形態を図を参
照して説明する。なお、先に説明した実施の形態と同一
構成については同一符号を用いて説明を適宜省略する。

【００３４】先の実施の形態においては見掛けの摩擦係
数μを大きくするために、ボルト逃部４０を設けてラン
ナ側弾性等価長Ｌ１を長くした。

【００３５】しかし、式１及び式２からも分るように、
ランナ側弾性等価長Ｌ１及び、回転軸側弾性等価長Ｌ２
は埋込ボルト１１の直径Ｄに依存している。

【００３６】そこで、本実施の形態においては、図６に
示すように埋込ボルト１１の直径を変化させている。即
ち、ランナ１０側に埋込まれた部分の埋込ボルト１１の
直径をＤ１とし、ナット１２が螺合する部分の埋込ボル
ト１１の直径をＤ２とした。この場合に式１及び式２
は、以下のように書直すことができる。

【００３７】Ｌ１＝ｄ＋α×Ｄ１ …（式３） Ｌ２＝ｔ＋β×Ｄ２ …（式４） ここで、α＝０．４、β＝０．６で弾性等価長係数であ
る。

【００３８】従って、ｄ、ｔ、α、βが同じ値のとき弾
性等価長の比ＲＬ（Ｌ＝Ｌ１／Ｌ２）は、直径Ｄ１が大
きければ大きくなり、また直径Ｄ２が小さければ大きく
なって見掛けの摩擦係数μを大きくすることができる。

【００３９】特に、図６に示す場合は、埋込ボルト１１
の直径を上述したように変えると共に、ボルト逃部４０
が設けられているので、２重の効果により見掛けの摩擦
係数μを大きくすることができ、より大きな伝達トルク
を得ることが可能になる。

【００４０】このような構成においても、図５に示す結
果から弾性等価長の比ＲＬを０．３＜ＲＬ＜０．５の範
囲に設定することが好ましいことは言うまでもない。

【００４１】なお、ランナ１０側の埋込ボルトの直径を
大きくすると、その部分の剪断力が大きくなるので、当
該部分の埋込ボルト１１の長さを短くすることができる
利点もある。

【００４２】次に、本発明の第３の実施の形態を図を参
照して説明する。なお、先に説明した実施の形態と同一
構成については同一符号を用いて説明を適宜省略する。

【００４３】これまでの実施の形態においては、ボルト
逃部４０を設けたり埋込ボルト１１の直径を変えたりし
て見掛けの摩擦係数μを大きくし、これによって大きな
トルクが伝達できるようにした。

【００４４】しかし本発明はこれに限定されるものでは
なく、供述するようにランナ１０とフランジ２１との接
触面積とボルトの断面積との面積比を変化させることに
より見掛けの摩擦係数μを大きくして伝達トルクを増大
させても良い。

【００４５】即ち、ランナ１０とフランジ２１とを埋込
ボルト１１で締結するが、この際埋込ボルト１１の締付
力を大きな面積で受ける場合と小さな面積（有効な面
積）で受ける場合とでは、面圧の一様性が異なるので見
掛けの摩擦係数μも異なってくる。

【００４６】そこで、ランナ１０とフランジ２１との接
触面積をＳとし、埋込ボルト１１の断面積をＳｂとした
とき、これらの面積比ＲＳ（Ｓ／Ｓｂ）と見掛けの摩擦
係数μと関係を実験的に求め、図示したのが図７であ
る。

【００４７】同図は、上述した弾性等価長の比ＲＬ（Ｒ
Ｌ＝Ｌ１／Ｌ２）を０．４８６（実線）、０．３５０
（１点鎖線）、０．１８５（２点鎖線）にした場合の面
積比ＲＳと見掛けの摩擦係数μとの関係を示し、面積比
ＲＳを小さくすることにより見掛けの摩擦係数μを大き
くすることができることが分る。

【００４８】このような観点から本実施の形態では、図
８に示すようにフランジ２１がランナ１０と接する部分
のうち回転軸中心側に隙間部４３を設けて、当該フラン
ジ２１とランナ１０との接触面積を小さくしている。

【００４９】なお、当該隙間部４３は埋込ボルト１１に
近づき過ぎない程度で近接した位置が好ましく、回転軸
２０より外周側でインロー１５までの範囲内に形成する
ことが好ましい。

【００５０】これにより、当該隙間部４３を設けた場合
の面積比をＲＳ１、設けない場合の面積比をＲＳ２とす
ると、ＲＳ１＜ＲＳ２の関係が成立し、より大きな見か
けの摩擦係数μを得ることが可能になって、一定の締付
け力でも大きなトルクを伝達することが可能になる。

【００５１】なお、面積比ＲＳとしては、４＜ＲＳ＜７
の範囲に設定することが好ましい。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、埋
込ボルトを取巻く部分に所定深さの円筒状溝からなるボ
ルト逃部を形成したので、ナットを締付けた際に発生す
る力により埋込ボルト周辺部分のランナが隆起等し部分
的に大きな当接力が発生するのを防止でき、フランジと
ランナとの間に均一な面圧が作用して大きな摩擦力を効
率的に利用できるようになる。従って、一定の締結力で
も大きなトルクを伝達することが可能になる。

【００５３】特に、弾性等価長の比ＲＬが０．３＜ＲＬ
＜０．５の範囲になるようにボルト逃部の深さを設定し
たので、効率的に大きな摩擦力を発生させて一定の締結
力でも大きなトルクを伝達することが可能になる。

【００５４】また、その際にランナに埋込まれている部
分の埋込ボルトの直径をＤ１、ナットが螺合している部
分の埋込ボルトの直径をＤ２として、Ｄ１／Ｄ２＞１に
なるように設定したので、短いボルトで、効率的に大き
な摩擦力を発生させて一定の締結力でも大きなトルクを
伝達することが可能になる。

【００５５】さらに、埋込ボルトより回転軸中心側のフ
ランジ又はランナに隙間部を設けて当該フランジとラン
ナとの接触面積を所定量小さくしたので、フランジとラ
ンナとの間に均一、かつ、大きな面圧が作用するように
なり、効率的に大きな摩擦力を発生させて一定の締結力
でも大きなトルクを伝達することが可能になる。

【００５６】また、隙間部を設けてフランジとランナと
の接触面積をＳ、埋込ボルトの断面積をＳｂとした際の
面積比ＲＳ（Ｓ／Ｓｂ）が４＜ＲＳ＜７の範囲になるよ
うにしたので、フランジとランナとの間に均一、かつ、
大きな面圧が作用するようになり、効率的に大きな摩擦
力を発生させて一定の締結力でも大きなトルクを伝達す
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される例としての水力発電機の概
略構成を示す斜視図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】第１の実施の形態の説明に適用される締結装置
の部分断面図である。

【図４】図３の要部拡大図である。

【図５】弾性等価長の比ＲＬと見掛けの摩擦係数μとの
関係を示す図である。

【図６】第２の実施の形態の説明に適用される締結装置
の部分断面図である。

【図７】面積比ＲＳ（Ｓ／Ｓｂ）と見掛けの摩擦係数μ
と関係を示す図である。

【図８】第３の実施の形態の説明に適用される締結装置
の部分断面図である。

【図９】従来の説明に適用される締結装置の部分断面図
である。

【符号の説明】

１ 発電電動機 ２ ポンプ水車 ３ 固定子 ４ 回転子 １０ ランナ １１ 埋込ボルト １２ ナット １５ インロー ２０ 回転軸 ２１ フランジ ２２ 貫通孔 ４０ ボルト逃部 ４３ 隙間部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 肇 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 3H072 AA07 BB01 BB07 CC42

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水力機器のランナに埋込まれた複数の埋
   込ボルトを回転軸のフランジに形成された貫通孔に挿通
   し、ナットにより締付けることにより前記ランナと回転
   軸とを締結して、水の勢いにより前記ランナが回転する
   際の回転トルクを前記回転軸に伝達させる水力機械のラ
   ンナと回転軸との締結装置において、 前記埋込ボルトを取巻く部分に所定深さの円筒状溝から
   なるボルト逃部を形成したことを特徴とする水力機械の
   ランナと回転軸との締結装置。
2. 【請求項２】 前記埋込ボルトの直径をＤ、フランジの
   厚さをｔ、ボルト逃部の深さをｄとし、 ランナ側弾性等価長Ｌ１ （Ｌ１＝ｄ＋０．４×Ｄ） 及び、回転軸側弾性等価長Ｌ２ （Ｌ２＝ｔ＋０．６×
   Ｄ） の比（Ｌ１／Ｌ２）を弾性等価長の比ＲＬとして定義し
   た際に、当該弾性等価長の比ＲＬが０．３＜ＲＬ＜０．
   ５の範囲になるように前記ボルト逃部の深さｄを設定し
   たことを特徴とする請求項１記載の水力機械のランナと
   回転軸との締結装置。
3. 【請求項３】 前記埋込ボルトがランナに埋込まれてい
   る部分の直径をＤ１、前記ナットが螺合している部分の
   直径をＤ２、フランジの厚さをｔ、ボルト逃部の深さを
   ｄとし、 ランナ側弾性等価長Ｌ１ （Ｌ１＝ｄ＋０．４×Ｄ１） 及び、回転軸側弾性等価長Ｌ２ （Ｌ２＝ｔ＋０．６×
   Ｄ２） の比（Ｌ１／Ｌ２）を弾性等価長の比ＲＬとして定義し
   た際に、当該弾性等価長の比ＲＬが０．３＜ＲＬ＜０．
   ５の範囲になるように前記ボルト逃部の深さｄを設定
   し、又は埋込ボルトの直径の比をＤ１／Ｄ２＞１になる
   ように設定したことを特徴とする請求項１記載の水力機
   械のランナと回転軸との締結装置。
4. 【請求項４】 前記埋込ボルトより回転軸中心側のフラ
   ンジ又はランナに隙間部を設けて、当該フランジとラン
   ナとの接触面積を所定量小さくしたことを特徴とする請
   求項１乃至３いずれか１項記載の水力機械のランナと回
   転軸との締結装置。
5. 【請求項５】 前記フランジとランナとの接触面積を
   Ｓ、前記埋込ボルトの断面積をＳｂとして、面積比ＲＳ
   （Ｓ／Ｓｂ）を定義した際に、当該面積比ＲＳが４＜Ｒ
   Ｓ＜７の範囲になるように前記隙間部を設定したことを
   特徴とする請求項４記載の水力機械のランナと回転軸と
   の締結装置。