JP2006348959A

JP2006348959A - 水力機械の軸封水装置

Info

Publication number: JP2006348959A
Application number: JP2006271740A
Authority: JP
Inventors: Takeya Furukawa; 川武也古
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JP4212618B2

Abstract

【課題】水力機械の軸封水装置を組み立てるときに、セラミックスシールにかかる荷重を最小限にする。
【解決手段】静止側シールリング１７ｂの可動ストローク寸法Ｓをランナ１２と上カバ９の軸方向ギャップ寸法Ｒより大きくしたので、主機回転部と少なくとも上カバ９を含んだ静止部品を水車ピット外で組み立て、回転部に静止部を乗せて吊り込む場合もセラミックシールに静止部の重量がかかることを防止でき、組立の際のセラミックシールの損傷の危険を回避することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、水力機械の軸封水装置に係わり、特に水車やポンプ、或はポンプ水車の回転軸と静止部の間から漏洩する漏水をシールする軸封水装置、及びその組立方法に関する。

図８は一般的な水車やポンプ水車などの水力機械を有する水力プラントの概略構成を示す図であり、上記水車やポンプ水車などの水力機械１の回転軸２には、その水力機械１の上方に配設されている発電機３が連結されている。上記水力機械１には図示しない上水池に接続されている鉄管を介して水が供給され、上記水力機械１のランナが回転駆動され、そこでランナを回転駆動した水は、上部吸出管４及び吸出管ランナ５を介して下水池６に放水される。

図９は上記水力機械の概略構成を示す図であり、前記鉄管に接続されたケーシング７の内周にはステアリング８が設けられ、そのステアリング８に複数枚のステイベーン８ａが周方向に配列され流路が形成されている。上記ケーシング７のステアリング８の内周側には上カバ９及び下カバ１０が配設されており、上記ステイベーン８ａの内周側に上カバ９及び下カバ１０で挟持された複数枚のガイドベーン１１が周方向に配列されている。

一方、ケーシング７の中心軸線上には水力機械の回転軸２が設けられており、この回転軸２の下端に上記上カバ９及び下カバ１０間に配設されたランナ１２が固着されている。

しかして、前記ケーシング７に供給された水は、ステイベーン８ａ及びガイドベーン１１を通過して上カバ９及び下カバ１０によって形成されているランナ室内に流入し、ランナ１２を回転駆動した後、上部吸出管４及び吸出管ライナ５を経て下水池６に放水される。

ところで、上記ガイドベーン１１を通過した流水の一部は、上カバ９とランナ１２との間隙１３を通して、上カバ９と水力機械の回転軸２との間から流出しようとするため、静止側である上カバ９と回転部である回転軸２の間には、流水を封じ込める軸封水装置１４が設けられている。そして、この軸封水装置１４からの漏水は、上カバ９の上部を流れ、ステイベーン８ａを貫通する排水穴などを通り、配管により図示しない排水ピット等へ排出される。

上記軸封水装置１４としては、従来、ラビリンスシールタイプやグランドパッキンタイプ、またはカーボンパッキンタイプのものが主流を占めていた。しかしながら、ラビリンスタイプのような非接触タイプのシールは、摩耗や損傷は少ないが、漏水量が多く、また土砂が多い河川においては、土砂摩耗防止のため、清水給水が必要である。また、グランドパッキンは、漏水量はパッキンの締め込みにより低減することができるが、保守が困難であり、また相手側の回転軸を損耗させる等の問題がある。さらに、カーボンパッキンはラビリンスシールに比べて漏水量は少ないが、パッキンの材質であるカーボンは脆く、損傷し易く、また土砂に対しても摩耗し易いため清水給水が必要となる。

このようなことから、近年軸封水装置１４としてセラミックシールが開発された。図１０は、上記セラミックシールを採用した軸封水装置１４の概略構成を示す断面図であり、回転側には、水力機械の回転軸２に固定されたシール台１５上に回転側シールケース１６ａが固着され、その回転側シールケース１６ａ上に高硬度材料であるセラミックスからなる回転側シールリング１７ａが取り付けられている。一方、静止側には、上カバ９にその上カバ９と回転軸２とで形成された環状空間を囲むように封水ケーシング１８が装着され、その封水ケーシング１８に回転軸２の軸方向にのみ移動可能に静止側シールケース１６ｂを設け、その静止側シールケース１６ｂの下面に、前記回転側シールリング１７ａと対向するようにセラミックスからなる静止側シールリング１７ｂが取り付けられている。上記静止側シールケース１６ｂは封水ケーシング１８にスプリング１９で支持されており、そのスプリング１９の付勢力によって静止側シールリング１７ｂが回転側シールリング１７ａに弾圧され、これによって間隙１３から漏洩しようとする流水がシールされるようにしてある。また、上記静止側シールケース１６ｂには、回転軸２と封水ケーシング１８との間に挿入される筒状部が一体的に形成され、その筒状部外周部に封水ケーシング１８の内周面との間の封水を行うＯ−リング２０が設けられている。

ところが、セラミックシールは耐摩耗性、耐久性に優れているが、脆性材料であるセラミックスは、主機運転時の振動や、負荷遮断時の衝撃などにより、損傷を受け、封水性能が損なわれる可能性がある。

また、通常、セラミックスは高硬度で耐摩耗性に優れ、かつ固体接触した場合の摩擦係数も金属に比べ非常に小さいので、一般的には数秒から１０秒程度の短い時間であれば、乾燥摺動も可能とされている。たとえば、立軸ディフューザーポンプの水中軸受は、主機起動時の乾燥摺動を防ぐため、従来は清水給水を行う必要があったが、セラミック軸受の採用により、給水レスを実現している。

しかしながら、下水池の水位がランナ中心より低い水車の場合は、主機起動時及び停止時に上カバ９とランナ１２との間隙１３の圧力は数分間負圧となり、シール部に残存している水も間隙１３側に吸い込まれ、軸封水装置１４が数分間負圧となり、シール部に残存している水も間隙１３側に吸い込まれ、軸封水装置１４の両シールリング１７ａ，１７ｂが数分にわたり乾燥摺動し、損傷する恐れがある。

さらに、セラミックシールタイプの軸封水装置を備えた水力機械を組み立てる際は、組立時におけるセラミックス部品の損傷を防ぐために、セラミックス部品に過大な荷重を負担させないように考慮する必要がある。

すなわち、図１１に示すように、ランナ１２、回転軸２などの主機回転部を下カバ１０に仮置きして、上カバ９の上部に位置する静止側部品を組み立て、最後に回転部を正規位置に戻す場合には、シールリング１７ａ，１７ｂには静止側シールケース１６ｂの重量以外の荷重がかかることはないが、静止側シールケース１６ｂも下がった位置に仮置きされているので、主機回転部を正規位置に戻す際に、軸封ケーシング１８と静止側シールケース１６ｂの間に設けられているＯ−リング２０の位置がずれ、両者間にＯ−リング２０を噛み込む恐れがある。

そこで、これを回避するためには、Ｏ−リング２０のシール面となる段付部の寸法を大きくとっておくか、または静止側シールケース１６ｂを軸封ケーシング１８に仮固定できるような治具を準備しておく必要がある。

また、図１２に示すように、水車ピット外で主機回転部と上カバ９、場合によってはガイドベーン１１までを組み立て、回転部に静止部を乗せた状態で吊り込む場合には、上カバ９とランナ１２との軸方向ギャップＲ（図９）が静止側シールケース１６ｂの可動ストロークＳ（図１０）よりも大きいと静止側部品の重量がシールリング１７ａ，１７ｂにかかることになる等の問題がある。

したがって、本発明は、組立時の際にセラミックスにかかる荷重を最小限に抑えることができる軸封水装置を得ることを目的とする。

本発明は、水力機械の回転軸周囲部に設けられ、回転側に固着されたセラミックスからなる回転側シールリングと、その回転側シールリングと対向し、回転側シールリングに弾圧されるように保持されたセラミックスからなる静止側シールリングを有する水力機械の軸封水装置において、静止側シールリングの可動ストローク寸法を、ランナと上カバの軸方向ギャップ寸法より大きくしたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明は、静止側シールリングの可動ストローク寸法をランナと上カバの軸方向ギャップ寸法より大きくしたので、主機回転部と少なくとも上カバを含んだ静止部品を水車ピット外で組み立て、回転部に静止部を乗せて吊り込む場合もセラミックシールに静止部の重量がかかることを防止でき、組立の際のセラミックシールの損傷の危険を回避することができる。

以下、図１乃至図６を参照して本発明の参考例および一実施形態について説明する。なお、図中図８及び図９と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第１参考例
図１は本発明の軸封水装置における第１参考例を示す断面図であり、回転側シールケース１６ａに装着されたセラミックスからなる回転側シールリング１７ａと、静止側シールケース１６ｂに装着されたセラミックスからなる静止側シールリング１７ｂが互いに摺動可能に圧接されており、両シール間からの漏水を防止するようにしてある。

上記回転側シールリング１７ａ及び静止側シールリング１７ｂは、ともに前述のように窒化珪素や炭化珪素などの高硬度材料であるセラミックスにより形成されており、耐摩耗性、耐久性に非常に優れている。しかし、このセラミックスは脆性材料であるため、振動や負荷遮断時の衝撃により、破損する恐れがある。このセラミックシールを使用した軸封水装置はその封水機能が充分働いていれば漏水量は微量であるが、上述の如き原因などで損傷した場合には充分な封水機能を保てなくなることも起り得る。

そこで、本第１参考例においては、静止側シールケース１６ｂと回転部である回転軸２とのギャップδを小さくし、シール効果が発揮できるようにしてある。しかして、回転側シールリング１７ａと静止側シールリング１７ｂ間から漏水が発生しても、上記静止側シールケース１６ｂと回転軸２間のギャップδを小さくして、バックアップシールを構成するようにしてあるため、上記ギャップ部でシールのバックアップが行われ、軸封水装置としての機能が損なわれることがなく、信頼性を向上させることができる。

第２参考例
図２は本発明の第２参考例を示す図であって、両シールリング１７ａ，１７ｂ間からの漏水の流出側である静止側シールケース１６ｂの内周面すなわち回転軸２との対向面に周方向に延びる多数の凹状溝２１が形成され、ラビランス構造が形成されている。しかして、この場合も両シールリング１７ａ，１７ｂ間から漏水が生じたとしても、上記多数の凹状溝２１からなるラビリンス構造部によって封水が行われ、図１に示すものと同様の効果を奏する。

第３参考例
図３は、本発明の第３参考例を示す図であって、封水ケーシング１８の上部に、回転軸２との間に封水作用を行うラビリンスシール２２及びグランドパッキン２３が設けられ、両シールリング１７ａ，１７ｂのシールのバックアップを行うようにしてある。したがって、この場合には単に回転軸との間の隙間を狭くするもの以上のシール効果を期待することができる。

第４参考例
図４は、本発明の第４参考例を示す図であり、図における静止側シールケース１６ｂの上方側、すなわち両シールリング１７ａ，１７ｂ間からの漏水の流出側に、給水管２４が接続開口されており、その給水管２４を介して上記漏水の流出側に給水を供給し得るようにしてある。

通常、セラミックシールは、高硬度で耐摩耗性、耐久性に優れているため、封水の対象となる水さえあれば別途給水を行わずに運転することが可能であるが、下水池の水位がランナより低い水車では、主機起動時及び停止時に封水圧力が負圧となるため、シール部に残存する水が上流側に吸い込まれ、シールリングが乾燥摺動する恐れがある。

そこで、給水管２４によって給水を行うことにより、上カバ９とランナ１２との間隙１３が負圧となると、上記給水がシールリング１７ａ，１７ｂ間の摺動面を介して上記負圧側に吸い込まれるので、シール部に給水されることとなり、乾燥摺動による回転側シールリング１７ａ、静止側シールリング１７ｂの損傷を防ぐことができる。

また、給水系統に自動弁２５を設け、タイマー等により間隙１３が負圧となる主機起動時及び停止時にのみ開作動させ、給水するようにすることによって、給水量を大幅に低減することができる。さらに、給水系統に流量検出器２６を設け、その流量検出器２６により給水管２４の通水を確認し、それを主機起動条件の一つとし、或は通水異常を検出した際は警報を発し、セラミックシールの点検を促すような情報を出力するようにしてもよい。

実施形態
図５は水力機械の軸封水装置の組立状態を示す図であり、回転部に静止部である上カバ９、ガイドベーン１１などを乗せて吊り込み、回転軸２を或る位置まで下降させた状態で、上カバ９及びガイドベーン１１を正規位置に据え付け、その後さらに回転軸２とランナ１２を若干下降させて正規位置に設定する。

しかして、上記回転部に静止部である上カバ９、ガイドベーン１１などを乗せて吊った状態のとき、図６に示すように封水ケーシング１８と静止側シールケース１６ｂとの間に回転軸２の軸線方向にクリアランスＣが確保できるようにしてある。すなわち、静止側シールリングの可動ストローク寸法Ｓ（図１０）を、ランナ１２と上カバ９の軸方向ギャップ寸法Ｒ（図９）より大きくしてある。したがって、図５に示すように、ランナ１２の下面によって上カバ９を支持し、ランナ１２の上面が上カバ９の下面に接している場合においても、図６に示すように、封水ケーシング１８と静止側シールケース１６ｂとの間にクリアランスＣが生ずる。

したがって、上記上カバ９等の吊り上げ時には、上カバ９及び封水ケーシング１８等の静止部重量がシールリング１７ａ，１７ｂに加わることが防止され、組立時にセラミックスにかかる荷重を最小限にすることができる。

第５参考例
また、図７は水力機械の軸封水装置の組立方法の参考例を示す図であって、図７に示すように、回転軸２及びランナ１２等の主機回転部と上カバ９が既に正規員に据え付けられた後に、軸封水装置１４を組立てる。したがって、組立て時に回転側及び静止側のシールリング１７ａ，１７ｂに作用する荷重は、静止側シールケース１６ｂの重量とスプリング１９の付勢力のみの最小限の荷重を受けるだけで組み立てることができ、組立時におけるセラミックスの損傷を防止することができる。

本発明の水力機械の軸封水装置の第１参考例を示す断面図。本発明の水力機械の軸封水装置の第２参考例を示す断面図。本発明の水力機械の軸封水装置の第３参考例を示す断面図。本発明の水力機械の軸封水装置の第４参考例を示す断面図。本発明の一実施形態の水力機械の軸封水装置の組立て状態を示す図。図５における軸封水装置部の拡大断面図。本発明の第５参考例における水力機械の軸封水装置の組立方法を示す図。水力プラントの概略構成を示す図。本発明に係わる水力機械を示す断面図。従来のセラミック製軸封水装置の拡大断面図。水力機械の組立手順の一例を示す図。水力機械の組立手順の他の例を示す図。

符号の説明

２回転軸
７ケーシング
８ａステイベーン
９上カバ
１０下カバ
１１ガイドベーン
１２ランナ
１４軸封水装置
１６ａ回転側シールケース
１６ｂ静止側シールケース
１７ａ回転側シールリング
１７ｂ静止側シールリング
１８封水ケーシング
１９スプリング
２０Ｏリング
２２ラビリンスシール
２３グランドパッキン
２４給水管
２５自動弁
２６流量検出器

Claims

水力機械の回転軸周囲部に設けられ、回転側に固着されたセラミックスからなる回転側シールリングと、その回転側シールリングと対向し、回転側シールリングに弾圧されるように保持されたセラミックスからなる静止側シールリングを有する水力機械の軸封水装置において、
静止側シールリングの可動ストローク寸法を、ランナと上カバーの軸方向ギャップ寸法より大きくしたことを特徴とする、水力機械の軸封水装置。