JP2006322342A

JP2006322342A - 水力機械の軸封装置

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Publication number: JP2006322342A
Application number: JP2005144363A
Authority: JP
Inventors: Toronron Tan; トロンロンタン; Makoto Mikami; 上誠三; Taizo Inagaki; 垣泰造稲
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】回転軸からの漏水を確実に抑え、かつ、パッキンおよびパッキン対向面の回転軸側の摩耗損傷を効果的に防ぐようにした水力機械の軸封装置を提供する。
【解決手段】この軸封装置３１は、回転軸１を取り囲むように設けられ、軸方向に複数段配列されたパッキン室を有したパッキンケース４と、このパッキンケース４の前記パッキン室に各々設けられ、周方向に複数個に分割され、前記回転軸から外部に流れる漏水を止めるパッキン５，６，７とを有する水力機械の軸封装置において、パッキン５、６、７は、充填材を含有した四ふっ化エチレン樹脂材料からなるとともに、回転軸１のパッキン５，６，７に対向する面がコバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力発電所における水車等の水力機械に係り、特に水力機械の回転軸から外部への漏水を抑えるための水力機械の軸封装置に関する。

一般に、水車、ポンプ水車などの水力機械においては、回転軸に直結されたランナ側の圧力水が外部に漏洩するのを抑えるために軸封装置を備える。この軸封装置は、回転軸を取り囲むように設けられるパッキンケースと、このパッキンケース内の回転軸の回りに直接に装着された環状のパッキンとを有し、回転軸から外部への漏水を止めるように構成されている。

一般に、長時間の摺動に耐えられるようにパッキンは耐摩耗性を有するカーボン系若しくは樹脂含浸カーボン系材料が使われている。しかし、水力発電所における水車等の水力機械は河川水を利用するため、流水には大量の土砂などの異物が含まれる場合があり、水中における潤滑性不足および柔らかいカーボンは土砂によるアブレーシブ(abrasive)摩耗が進み、寿命が短くなってしまう。通常、回転軸には耐食性に優れたステンレス材料製のスリーブが用いられているが、土砂の多い河川で使用される場合は、土砂摩耗による損傷が激しく短期間で交換する必要がある。

近年、水力発電所では水力機器の寿命を伸ばし、メンテナンス周期を長くする傾向があるが、上記の問題点が発生する場合には頻繁に分解・修理が必要となり、膨大な費用と時間を要する。

このような要請に対応して、パッキンを四フッ化エチレン樹脂にするとともに、この樹脂に炭素粉、黒鉛粉、カーボンファイバー、グラスバイバー、青銅粉などの充填剤を添加して高圧で圧縮成形したパッキンが開示されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、開示されたこの軸封装置では、主軸に被嵌させたスリーブの摺動面（パッキンが接触する面）に対しては何ら対策が施されていないため、相変わらず、土砂による摩耗が生じる。

また、別の技術としてパッキン材料を四フッ化エチレン樹脂を含浸した炭化珪素のセラミックス材にするとともに、主軸に被嵌させたスリーブの摺動面には溶射等による超合金の被膜を形成し、さらにこの超合金被膜の空孔部に四フッ化エチレン樹脂を含浸処理した技術が開示されている（例えば特許文献２参照）。しかし、この場合でも、いくつかの問題がある。まず、四フッ化エチレン樹脂を溶射した被膜の内部まで含浸することは難しく、かつその効果である摩擦係数の低下を長期にわたって維持させることは出来ない。逆に言えば、長期にわたって摩擦係数の低下を維持できるほど含浸することは技術的に難しい。さらに、主軸とパッキンとの間に混入した土砂は、硬度を有する超合金被膜面から選択的に四フッ化エチレン樹脂の含浸部に移動し、そこに埋め込まれる可能性が高い。そのため、かえってこの部分での土砂の滞留が起こり、摺動面のアブレーシブ摩耗が進む可能性を否定できない。
特開昭５５−１６０１７２特開平１１−３２４８８４

本発明の目的は上記の問題点を鑑み、回転軸からの漏水を確実に抑え、かつ、パッキンおよびパッキン対向面の回転軸側の摩耗損傷を効果的に防ぐことができる水力機械の軸封装置を提供することにある。

本発明は、回転軸を取り囲むように設けられパッキン室を有するパッキンケースと、このパッキンケースの前記パッキン室に設けられ、周方向に複数個に分割され、前記回転軸から外部に流れる漏水を止めるパッキンとを備えた水力機械の軸封装置において、前記パッキンは、充填材を含有した四ふっ化エチレン樹脂材料からなるとともに、前記回転軸の前記パッキンに対向する面がコバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなることを特徴とする。

また、本発明は、前記充填材は、炭素、カーボン、グラファイト、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ボロン、炭化チタン、ホー酸アルミニウム、チタン酸カリウムから選ばれた無機材料および二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ボロンから選ばれた固体潤滑材の少なくとも一種の繊維、ウイスカー若しくは粒子であることを特徴とする。

また、本発明は、前記充填材は、前記有機系複合材料中の体積含有率が１〜３０％の範囲内であることを特徴とする。

また、本発明は、前記回転軸は鉄系材料からなることを特徴とする。

また、本発明は、前記回転軸の摺動面に、前記コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金の層を、溶射、肉盛により積層・形成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記回転軸の摺動面に、前記コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなる軸方向に複数分割されたスリーブを装着し、これら分割されたスリーブを嵌合、溶接、ボルト締め等の機械的結合によって円筒状に一体化したことを特徴とする。

また、本発明は、前記回転軸の摺動面に、前記コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金を鉄系材料のスリーブに溶射、肉盛りしたものであって軸方向に複数分割されたものを装着し、これら分割されたスリーブを嵌合、溶接若しくはボルト締め等の機械的結合によって円筒状に一体化したことを特徴とする。

本発明によれば、回転軸、スリーブの摩耗損傷を効果的に防ぐことができ長寿命の軸封装置を提供することができる。また、摩擦係数の低減により、始動時において潤滑水を供給する必要がなく、安定な運転状態を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態につき図１及び図２を参照して説明する。
図１は、水力機械の軸封装置の縦断面を示す図であって、軸封装置３１は、回転軸１を取り囲むようにランナ背圧室２に隣接して設けられている。回転軸１は、締結ボルト３にてランナー（図示せず）に結合されている。

軸封装置３１は、パッキンケース４とこのパッキンケース４内に配設された環状のパッキン５、６、７とから構成されている。各々のパッキン５、６、７の背後には、アダプター８、９、１０が設けられ、このアダプター８、９、１０の外周には、ガータスプリング１１、１２、１３が設けられている。そして、これらガータスプリング１１、１２、１３によって、回転時にパッキン５、６、７が回転軸外周面に押付けられるように構成されている。パッキンケース４は、支持台１４と、この支持台１４の上に積載されるパッキン箱１５、１６と、パッキン箱１６上を覆うパッキンカバー１７とを有している。

パッキン５、６、７と摺動する回転軸１の摺動面には、コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなる表面改質層１８が設けられている。

このような構成において、パッキン５、６、７は、水中における潤滑性および耐摩耗性に優れた充填材を含有した四ふっ化エチレン樹脂材料から構成されている。また、回転軸側の表面改質層１８の材質は、コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金から選定される。

また、パッキン５、６、７の四ふっ化エチレン樹脂材料に含有する充填材は、水中における自己潤滑性および耐摩耗性に優れた炭素、カーボン、グラファイト、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ボロン、炭化チタン、ホウ酸アルミニウム、チタン酸カリウムから選ばれた無機材料、および二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ボロンから選ばれた固体潤滑材の少なくとも一種を含有する。

さらに、充填材の形状は、繊維、ウイスカー若しくは粒子の何れか若しくは複数の形状を含有しても良い。

充填材の大きさは、特に制限するべきでないが、水力機械に導かれる河川の水に含まれる土砂の大きさによって適宜に選定することができる。例えば、土砂の平均粒径が大きい場合、充填材の平均粒径５０から１００μｍの範囲が望ましい。また、逆に、微細な土砂の場合では、充填材の平均粒径１０μｍ程度が効果的である。

充填材の含有量は、一般に体積率で１５〜２０％の範囲が望ましいが、特にパッキンの長寿命化を図る場合では、３０％を選定することができる。

軸封装置の性能の目安となるＰＶ値（Ｐ：封水圧力、Ｖ：周速）に対し、比較的ＰＶ値が小さい摺動条件において、回転軸のスリーブとして耐食性に優れたステンレスを使用することができる。しかし、ＰＶ値が大きく、水中に硬い土砂が大量に含まれる河川において、回転軸側の摩耗損傷を極力に抑え、長寿命を図るためには少なくともパッキンに対向する摺動面がコバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなる構成を選定し、耐摩耗性を高めるのが効果的である。

上記回転軸１の表面改質層１８は、コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金をパッキンの対向面の回転軸の摺動面に直接に溶射、肉盛をして積層・形成する。

この表面改質層１８に替えて、以下のようなスリーブ１９，２０を回転軸１に装着してもよい。

すなわち、コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなる円筒状スリーブ１９であって軸方向に複数分割したものを、パッキンに対向する回転軸の摺動面に、勘合、溶接若しくはボルト締め等で一体化して装着する。

また、コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金を外周側にコーティングした鉄系材料の円筒状スリーブ２０であって軸方向に複数分割したものを、パッキンに対向する回転軸の摺動面に、勘合、溶接若しくはボルト締め等で一体化して装着する。

なお、ボルト締めなどにより機械的な結合する場合には、分割片の接合面にはソギを設け、回転時にパッキンに損傷を与えないようにしておくのが良い。

また、ボルトはパッキン対向面を外した位置、例えばパッキン間の隙間部に配置される。

一方、パッキン５、６、７の摺動面に、潤滑、冷却および水中の土砂を排出するための凹溝の水路を設けても良く、このようにすれば潤滑、冷却効果を発揮する。また、凹溝の水路は、摺動面に介在する土砂の排出場所として極めて有効である。

また、パッキン箱１５に外側から摺動面へ至る貫通孔２１を形成してもよい。このようにすれば、強制的に給水することによって、潤滑、冷却を促進するとともに、摺動面に介在する土砂の排出をさらに一段と効果に行うことができ、摩耗の進行を著しく軽減させることができる。また、回転軸と摺動パッドの界面に水膜が形成されることによって、材料間の直接接触を防止することができ、摩耗損傷を大幅に軽減することができる。

以上説明したように、この軸封装置３１にあっては、パッキン５，６，７を、充填材を含有した四ふっ化エチレン樹脂材料で構成し、回転軸１のパッキン５，６，７に対向する面に、コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなる表面改質層１８を形成し、パッキン５，６，７の充填材を、炭素、カーボン、グラファイト、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ボロン、炭化チタン、ホー酸アルミニウム、チタン酸カリウムから選ばれた無機材料および二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ボロンから選ばれた固体潤滑材の少なくとも一種の繊維、ウイスカー若しくは粒子で構成している。したがって、回転軸１の表面改質層１８の摩耗損傷を効果的に防ぐことができ長寿命の軸封装置を提供することができる。また、摩擦係数の低減により、始動時において潤滑水を供給する必要がなく、安定な運転状態を得ることができる。

本発明の一実施の形態である軸封装置を示めす縦断面図。図１に示すパッキンを示す斜視図。

符号の説明

１回転軸
４パッキンケース
５，６，７パッキン
１８表面改質層
１９，２０スリーブ
３１軸封装置

Claims

回転軸を取り囲むように設けられパッキン室を有するパッキンケースと、このパッキンケースの前記パッキン室に設けられ、周方向に複数個に分割され、前記回転軸から外部に流れる漏水を止めるパッキンとを備えた水力機械の軸封装置において、
前記パッキンは、充填材を含有した四ふっ化エチレン樹脂材料からなるとともに、前記回転軸の前記パッキンに対向する面がコバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなることを特徴とする水力機械の軸封装置。
前記充填材は、炭素、カーボン、グラファイト、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ボロン、炭化チタン、ホー酸アルミニウム、チタン酸カリウムから選ばれた無機材料および二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ボロンから選ばれた固体潤滑材の少なくとも一種の繊維、ウイスカー若しくは粒子であることを特徴とする請求項１に記載の水力機械の軸封装置。
前記充填材は、前記有機系複合材料中の体積含有率が１〜３０％の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水力機械の軸封装置。
前記回転軸は鉄系材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水力機械の軸封装置。
前記回転軸の摺動面に、前記コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金の層を、溶射、肉盛により積層・形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水力機械の軸封装置。
前記回転軸の摺動面に、前記コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金からなる軸方向に複数分割されたスリーブを装着し、これら分割されたスリーブを嵌合、溶接、ボルト締め等の機械的結合によって円筒状に一体化したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水力機械の軸封装置。
前記回転軸の摺動面に、前記コバルト合金、ニッケル合金、タングステンカーバイド合金若しくはタングステンカーバイドを含有したコバルト合金若しくはニッケル合金を鉄系材料のスリーブに溶射、肉盛りしたものであって軸方向に複数分割されたものを装着し、これら分割されたスリーブを嵌合、溶接若しくはボルト締め等の機械的結合によって円筒状に一体化したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水力機械の軸封装置。