JP2006348848A - 水車の主軸封水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
片当たりを防止でき、シールリングの角部に異常磨耗が起こりにくい長寿命の水車の主軸封水装置を提供することにある。
【解決手段】
水車上内カバー２にスプリング１５を介して支持された樹脂製の固定側シールリング１１と、水車のランナー３に固定された金属製の回転側シールリング１２とを有し、固定側シールリング１１と、回転側シールリング１２との間にシール水を供給して封水する。固定側シールリング１２は、回転側シールリング１３との摺動面側に設けられた同心円状に配列された少なくとも２条のシール水供給用環状溝１１ａ，１１ｂを備え、これらの環状溝に水車駆動水流路側の水圧よりも高い圧力のシール水を供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水車の主軸封水装置に係り、特に、スプリング支持の固定側シールリングを用いたものに用いるに好適な水車の主軸封水装置に関する。

従来、水車の主軸のスラストシール（封水装置）には、ホワイトメタル，グランドパッキン方式が採用されているが、土砂の多いところでは磨耗が早いものであった。また、磨耗に強いセラミックシール方式では、シール面に直接給水が必要であり、水切れが起こると瞬時にヒートショックが発生してセラミックシールリングが損傷するという問題があった。

そこで、最近の水車の主軸の封水装置には、例えば、特開２００４−２７０６５９号公報に記載のように、固定側シールリングには樹脂製のものを使用し、回転側シールリングには金属製のものが使用するものが知られている。この種の水車主軸封水装置では、樹脂製の固定側シールリングに一条のシール水供給用環状溝を設け、固定側シールリングと回転側シールリングとの摺動面に水車駆動水流路側（ランナー側）の水圧よりも若干高い圧力の潤滑水（シール水）を供給して、水車駆動水流路側と水車上内カバーの内側との間の封水をするとともに、摺動面の焼付を防止している。

回転側のシールリングは水車主軸に直結したランナーに固定されており、主軸の軸振れによってシール面が傾くことがある。回転側のシール面が傾いても、水車上内カバーに固定されている固定側のシールリングが回転側のシール面の傾きに追随してシール機能を発揮できるように、固定側シールリングをスプリングで支持して微小角度傾くことが出来る構造にしている。

特開２００４−２７０６５９号公報

しかしながら、 特開２００４−２７０６５９号公報に記載のように、樹脂製の固定側シールリングに一条のシール水供給用環状溝を設けた封水装置では、回転側シールリングは水車主軸に固定されており、主軸回転時の振動によって、固定側シールリングが回転側シールリングに対して傾き、片当たりをするという問題があった。片当たりが生じると、樹脂製のシールリングの角部に異常磨耗が起こり封水装置の寿命を短くし、しいては、シールリングの交換作業に時間と労力を要し、かつ、水車発電機設備の稼働率を低下させていた。

本発明の目的は、片当たりを防止でき、シールリングの角部に異常磨耗が起こりにくい長寿命の水車の主軸封水装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、水車上内カバーにスプリングを介して支持された樹脂製の固定側シールリングと、水車のランナーに固定された金属製の回転側シールリングとを有し、前記固定側シールリングと、前記回転側シールリングとの間にシール水を供給して封水する水車の主軸封水装置であって、前記固定側シールリングは、前記回転側シールリングとの摺動面側に設けられた同心円状に配列された少なくとも２条のシール水供給用環状溝と、これらの環状溝に水車駆動水流路側の水圧よりも高い圧力のシール水を供給するシール水供給手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、片当たりを防止でき、シールリングの角部に異常磨耗が起こりにくく、長寿命化し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記シール水供給手段は、前記の環状溝の周方向の複数箇所に、水車駆動水流路側の水圧よりも高い圧力のシール水を供給するようにしたものである。

本発明によれば、回転側シールリングの片当たりを防止でき、シールリングの角部に異常磨耗が起こりにくい長寿命化を図ることができる。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による水車の主軸封水装置が用いられる水車の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置が用いられる水車の要部構成を示す断面図である。

水車（カプラン水車）は、主軸１と、上内カバー２と、ランナー３と、水車駆動水流路４などからなる。ランナー３は、白抜きの矢印Ｗのように、水車駆動水が水車駆動水流路４を流れることにより回転する。ランナー３の回転により、ランナー３に直結された水車の主軸１および主軸１に直結された発電機が回転する。

主軸封水装置６は、上内カバー２の先端部と、回転するランナー３の上方部との間に設けられ、水車駆動水流路４の水が主軸１と上内カバー２で形成される上内カバー空間５に流入しないように封水する。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による水車の主軸封水装置の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置の構成を示す断面図であり、図１の丸で囲んだ部分Ａの拡大断面図である。図３は、本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置に用いられる固定側シールリングの構成を示す図であり、図３（Ａ）は側断面図であり、図３（Ｂ）は底面図である。なお、図２において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図２に示すように、主軸封水装置６は、固定側シールリングホルダー１３に固定された樹脂製の固定側シールリング１１と、ランナー３の上部に形成された金属製の回転側シールリング１２などから構成される。固定側シールリングホルダー１３は、上内カバー２の下端部に設けられたスプリング押え１４により、スプリング１５を介して支持され、下方へ押し下げられている。これにより、固定側シールリングホルダー１３のシール面は、回転側シールリング１２のシール面へ押し付けられる。

固定側シールリング１１は、スプリング１５を介して支持されているため、回転側シールリング１２のシール面が傾いても、固定側シールリング１１が回転側シールリング１２のシール面の傾きに追随して微小角度傾くことができ、シール機能を保持できる。

図３に示すように、固定側シールリング１１には、２条のシール水供給用環状溝１１ａ，１１ｂが同心円状に形成されている。さらに、各々のシール水供給用環状溝１１ａ，１１ｂに、円周方向に等間隔で４箇所のシール水供給用貫通孔１１’ａ，１１’ｂが設けられている。ここで、本実施形態の特徴とする点は、固定側シールリング１１に設けたシール水供給用環状溝を、１条ではなく、２条にした点にある。

これらの４箇所のシール水供給用貫通孔１１’ａと１１’ｂのセットに対応して、図２に示すように、固定側シールリングホルダー１３の内部には、４箇所にシール水供給通路１３ａが形成されている。また、シール水供給通路１３ａの上端には、それぞれフレキシブルチューブ１６が接続されている。固定側シールリング１１を保持する固定側シールリングホルダー１３が、シール水供給装置を構成している。

図示されていないシール水供給源からは、水車の水車駆動水流路４側（ランナー側）の水圧よりも若干高い圧力の潤滑水（シール水）が、フレキシブルチューブ１６，シール水供給通路１３ａ，シール水供給用貫通孔１１’ａ，１１’ｂを介して、環状溝１１ａ，１１ｂに供給することにより、固定側シールリング１１と回転側シールリング１２との摺動面を潤滑すると共に、水車駆動水流路４側と水車上内カバー２の内側の空間５との間の封水をする。

回転側シールリング１２は水車主軸１に取り付けられたランナー３に固定されており、主軸回転時の振動によって、固定側シールリング１１が回転側シールリング１２に対して傾くことがある。このような場合、固定側シールリングが片当たりをし、樹脂製のシールリング１１の角部に異常磨耗が起こる可能性がある。

そのような場合、本実施形態の主軸封水装置は、回転側シールリング１２と固定側シールリング１１の間のギャップがシールリングの内側と外側とで差が生じたとき、以下の図４で説明する原理により、ギャップの狭い部分のシール水の圧力がギャップの広い部分の圧力より高くなり、ギャップが均一になるように固定側シールリング１１を傾ける構造になっている。

次に、図４を用いて、本実施形態による水車の主軸封水装置の動作について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置の動作説明図であり、図４（Ａ）は主軸封水装置の拡大断面図であり、図４（Ｂ）は圧力分布図である。なお、図４において、図２と同一符号は、同一部分を示している。

固定側シールリングが回転側シールリングに対して傾きが生じたときのシールリングの間のギャップ内の圧力分布およびシールリング間のギャップを均一化する復元力の説明図である。

図４（Ａ）は、固定側シールリング１１が回転側シールリング１２に対して傾いた状態を示している。実際の傾きは微小であるが、理解しやすいように、図では誇張して描いてある。図中の白抜き矢印Ｆは、図２に示したスプリング１５による固定側シールリング１１を下方へ押し下げる力を表し、実線の矢印は、シール水のシール水供給用貫通孔１１’ａ，１１’ｂへの流入を表わしている。なお、固定側シールリング１１と回転側シールリング１２の間のギャップは右側のギャップＧ２が左側のギャップＧ１より大きくなった場合を示している。

一方、図４（Ｂ）は、シールリング間のギャップの圧力分布を示している。図４（Ｂ）の横軸は、シールリングの径方向位置を図４（Ａ）のシールリング図の位置に対応させて示し、縦軸はシールリングの対応した径方向位置における圧力を示している。

図４（Ｂ）において、破線は、固定側シールリング１１と回転側シールリング１２の間のギャップが一定の場合のギャップ部の圧力分布を示している。

それに対して、図４（Ａ）に示すように、固定側シールリング１１と回転側シールリング１２の間のギャップは右側のギャップＧ２が左側のギャップＧ１より大きくなっている場合、シール水供給用環状溝Ｃ１とシール水供給用環状溝Ｃ２内のシール水圧力は、ギャップＧ２から漏れる量が多い分、図４（Ｂ）に実線で示すように、シール水供給用貫通孔１１’ａの部分の圧力Ｐ１に対して、シール水供給用貫通孔１１’ｂの部分の圧力Ｐ２の方が低くなる。

摺動面のシール水圧分布は、ギャップが均一の時は図中の破線のように一定であるが、ギャップＧ２が大きくなると実線のように変化し、固定側シールリング１１を押し上げる力が変化する。この変化により、スプリング１５の押し下げ力との差により、固定側シールリング１１の右側を押し下げる力が働き、ギャップを均一にするような向きに固定側シールリング１１を傾ける。このような作用によって、片当たりが生じようとすると、固定側シールリング１１の傾きが変わるので、片当たるによる異常摩耗が発生し難くなる。

なお、以上の説明では、シール水供給用環状溝は２条としているが、シール水供給用環状溝の数が２条以上の場合でも上記と同様な効果が得られるものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、固定側シールリングにシール水供給用環状溝を複数条（例えば、２条）同心円状に設けたので、回転側シールリングと固定側シールリングの間のギャップがシールリングの内側と外側とで差が生じたとき、ギャップの狭い部分のシール水の圧力がギャップの広い部分の圧力より高くなり、ギャップが均一になるように固定側シールリングを傾けることになる。これにより、固定側シールリングの片当たりを防止し、シールリングの角部に異常磨耗が起こりにくい長寿命の封水装置を提供することができる。この結果として、水車発電機設備の稼働率を向上させることができる。具体的には、固定側シールリングにシール水供給用環状溝を１条とした時、固定側シールリングの角部の摩耗は、３ｍｍ／年程度であり、シールリングの寿命は４〜５年であった。それに対して、固定側シールリングにシール水供給用環状溝を２条とした時、固定側シールリングの角部の摩耗は、０．５ｍｍ／年程度であり、シールリングの寿命は２０年と飛躍的に長寿命化できた。

本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置が用いられる水車の要部構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置に用いられる固定側シールリングの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による水車の主軸封水装置の動作説明図である。

符号の説明

１…水車の主軸
２…上内カバー
３…ランナー
４…水車駆動水流路
５…ガイド管空間
６…主軸封水装置
１１…固定側シールリング
１１ａ，１１ｂ…シール水供給用環状溝
１１’ａ，１１’ｂ…シール水供給用貫通孔
１２…回転側シールリング
１３…固定側シールリングホルダー
１３ａ…シール水供給通路
４…スプリング押え
１５…スプリング
１６…フレキシブルチューブ

Claims (2)

1. 水車上内カバーにスプリングを介して支持された樹脂製の固定側シールリングと、水車のランナーに固定された金属製の回転側シールリングとを有し、前記固定側シールリングと、前記回転側シールリングとの間にシール水を供給して封水する水車の主軸封水装置であって、
   前記固定側シールリングは、前記回転側シールリングとの摺動面側に設けられた同心円状に配列された少なくとも２条のシール水供給用環状溝と、
   これらの環状溝に水車駆動水流路側の水圧よりも高い圧力のシール水を供給するシール水供給手段を備えたことを特徴とする水車の主軸封水装置。
2. 請求項１記載の水車の主軸封水装置において、
   前記シール水供給手段は、前記の環状溝の周方向の複数箇所に、水車駆動水流路側の水圧よりも高い圧力のシール水を供給することを特徴とする水車の主軸封水装置。

Images