JP2011132908A - メンテナンス封水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｈｓが大きい水車においても、空気圧を利用しない簡易な方法で封水が可能なメンテナンス封水装置を提供すること。
【解決手段】主軸３の外周に当該主軸と間隔を介して設置され、弾性体で形成されたパッキン１３と、パッキンが収納されたパッキンケース１１と、Ｈｓ水圧力よりも高圧の給水源に接続され、パッキンケース内に高圧水を導く導水管１１１と、パッキンに対して進退可能にパッキンケース内に収納され、導水管から導入される高圧水の圧力を受けてパッキンに力を加えるピストン１５とを備え、パッキンにピストンによって力を加えることで、パッキンを主軸の径方向に弾性変形させて主軸と密着させる。
【選択図】図２

Description

本発明は水力機械における主軸封水装置のメンテナンス時に用いられるメンテナンス封水装置に関する。

水車において、ランナに取り付けられた主軸が静止体（上カバー）を貫通する部分には、主軸と静止体の隙間から作動流体が漏洩することを防止するために主軸封水装置が設置されている。水車運転中の主軸封水装置は主軸（主軸スリーブ）と摺動して使用されるので、水車を停止させて定期的にメンテナンスする必要がある。

ところで、水車は、上池（上ダム）の水を下池（下ダム）に落とす際にランナを回転させて動力を得ているが、この中には水車基準面高さが下池より低いものがある。この種の水車では、水車停止時においても下池水面高さと水車基準面高さの差（以下「Ｈｓ」と称することがある）によって水圧（以下「Ｈｓ水圧力」と称することがある）が生じるため、そのままでは主軸と静止体との隙間から漏水が生じてしまう。そのため、主軸封水装置及びその周辺機器をメンテナンスする場合には、主軸封水装置とは別の封水装置で主軸と静止体の隙間を封水するか、ドラフト抜水する必要がある。

主軸封水装置のメンテナンス時に用いられる封水装置（メンテナンス封水装置）としては、主軸の外周にゴムホース状のシールを設置し、メンテナンス時には、そのゴムホース状のシールをＨｓ水圧力よりも高い空気圧で膨らまして主軸と接触させることで封水しているものがある（特許文献１参照）。

特開平１−１３００６４号公報

ところで、近年の高落差大出力発電所では、Ｈｓが１００ｍ以上となることもあり、Ｈｓ水圧力が１ＭＰａ以上に達することもある。そのため、上記のようなゴムホース状の部材で封水するためには、Ｈｓ水圧力を上回る空気圧が必要となるとともに、ゴムホース状の部材の強度に充分配慮する必要がある。また、このように空気圧を利用して封水するためには、それに必要な圧力が発生可能な昇圧装置が必要となる。一方、メンテナンスにあたってドラフト抜水をして漏水を防止する方法もあるが、ドラフト抜水は大掛かりな作業となるため簡易に行うことができない。

本発明の目的は、Ｈｓが大きい水車においても、空気圧を利用しない簡易な方法で封水が可能なメンテナンス封水装置を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、水力機械における主軸封水装置のメンテナンス時に用いられるメンテナンス封水装置において、主軸の外周に当該主軸と間隔を介して設置され、弾性体によって形成されたパッキンと、このパッキンが収納されたパッキンケースと、下池水面高さと水車基準面高さの差によって生じるＨｓ水圧力よりも高圧の給水源に接続され、前記パッキンケース内に高圧水を導く導水管と、前記パッキンに対して進退可能に前記パッキンケース内に収納され、前記導水管から導入される高圧水の圧力を受けて前記パッキンに力を加える移動体とを備え、前記パッキンは、前記移動体によって力を加えられたとき、前記主軸に向かって弾性変形することにより前記主軸と接するものとする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記導水管は、上池と水車を接続する水圧管路に接続されているものとする。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記パッキンと面接触したパッキン押さえをさらに備え、前記移動体は、前記パッキンケース内に形成されたシリンダ内に収納されたピストンであり、前記ピストンは、前記パッキン押さえを介して前記パッキンに力を加えるものとする。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記パッキンは、Ｈｓ水圧力によって密閉性を確保するセルフシールパッキンであるものとする。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記パッキンは、前記パッキンケース内において、前記主軸側にのみ開口したパッキン収納部に収納されており、さらに、固定溝を介して前記パッキン収納部に固定されているものとする。

（６）上記（３）において、好ましくは、前記パッキンと前記パッキン押さえは、前記主軸の周方向において複数に分割されており、各パッキン同士の合わせ目と、各パッキン押さえ同士の合わせ目とは、前記主軸の周方向において異なる位置に配置されているものとする。

（７）上記（３）において、好ましくは、前記パッキン押さえにおける前記パッキンとの接触面は、その法線が前記主軸の方に向くように傾斜しているものとする。

本発明によれば、Ｈｓが大きい水車においても空気圧を利用することなく簡易に封水することができるので、主軸封水装置のメンテナンスを容易に行うことができる。

本発明の実施の形態に係るポンプ水車の断面図。 本発明の第１の実施の形態に係るパッキンケースの断面図。 本発明の第１の実施の形態に係るメンテナンス封水装置の詳細図。 図３中のIV-IVにおけるメンテナンス封水装置の断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る他のメンテナンス封水装置の断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る導水管と水圧管路を接続する給水管の配管図。 本発明の第１の実施の形態に係るメンテナンス封水装置の動作説明図。 本発明の第２の実施の形態に係るメンテナンス封水装置の詳細図。 本発明の第２の実施の形態に係るメンテナンス封水装置についての主軸封水装置のメンテナンス時の動作説明図。 本発明の第２の実施の形態に係るメンテナンス封水装置についての主軸封水装置のメンテナンス終了時の動作説明図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るポンプ水車の断面図である。図１に示すポンプ水車は、ランナ６と、ランナ６に連結された主軸３と、主軸３をその外周から覆う主軸スリーブ２と、ランナ６の外周に設置されたガイドベーン７と、ランナ６を上方から覆う上カバー４と、ランナ６を下方から覆う下カバー５と、主軸封用パッキン（主軸封水装置）１２及びメンテナンス封水装置１が収納されたパッキンケース１１を備えている。パッキンケース１１は、主軸３が上カバー４を貫通する部分において、主軸３を外周から取り囲むように設置されている。

図２は本発明の第１の実施の形態に係るパッキンケース１１の断面図であり、図３は本発明の第１の実施の形態に係るメンテナンス封水装置１の詳細図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。図２に示すように、パッキンケース１１には、主軸封水装置に含まれる主軸封水用パッキン１２と、メンテナンス封水装置１が収納されている。

主軸封水用パッキン１２は、水車運転中において、主軸３と上カバー４（パッキンケース１１）の隙間からの漏水を防止するためのもので、図２の例では主軸３の軸方向に間隔を介して３つ収納されている。２つの主軸封水用パッキン１２の間には給水管２１が設置されている。給水管２１は、水車運転中に主軸３に向かって射出される封水用の高圧水（主軸封水給水９３）が流通するものである。

メンテナンス封水装置１は、主軸封水用パッキン１２や主軸スリーブ２のメンテナンス時（すなわち、主軸封水用パッキン１２による封水が不可能な場合）において、主軸３と上カバー４（パッキンケース１１）の隙間からの漏水を防止するためのものであり、最もランナ６側に位置する主軸封水用パッキン１２とランナ６との間に設置されている。メンテナンス封水装置１は、パッキン（メンテナンス封水用パッキン）１３と、シリンダ１１０と、ピストン（移動体）１５と、導水管１１１を主に備えている。

パッキン（メンテナンス封水用パッキン）１３は、ゴム等の弾性体によって形成されており、主軸３の外周に主軸３と間隔（ギャップ）を介して設置されている（図３参照）。詳細は後述するが、このギャップの大きさは、ピストン１５によって力を加えられてパッキン１３が主軸３に向かって弾性変形した際に、パッキン１３が主軸３と密着するように調節されている。本実施の形態に係るパッキン１３は、ピストン１５から力を加えられたときに主軸３と容易に接触可能なように、主軸３側に突出した凸部３１を有している。

また、パッキン１３は、パッキンケース１１内において、パッキンホルダ１７によって形成されたパッキン収納部２２にパッキン押さえ１４とともに収納されている。パッキンホルダ１７は、パッキンケース１１の下方にボルト１８を介して固定されており、パッキン１３をその底面及び外側面から取り囲むように形成されている。すなわち、本実施の形態に係るパッキン収納部２２は主軸３側にのみ開口している。このようにパッキン収納部２２を形成すると、ピストン１５によって力を加えられたときに、パッキン１３が主軸３から離れる方向に伸張することがパッキンホルダ１７に抑制される一方で、主軸３に近づく方向に伸張することが促進されるので、パッキン１３と主軸３を容易に密着させることができる。

さらに、本実施の形態では、パッキン１３の位置ズレを防止する観点から、パッキン１３の底面には、パッキンホルダ１７に設けられた凸部３２と嵌合する固定溝３３が設けられている。なお、この凸部３２及び固定溝３３は、図３等に示すように、可能な限り主軸３から離れた位置に形成することが好ましい。このように凸部３２及び固定溝３３を形成すると、パッキン１３が弾性変形する際の主軸３側への伸張が促されるので、主軸３とパッキン１３を容易に密着させることができる。

パッキン押さえ１４は、ピストン１５からの力をパッキン１３に伝達するもので、パッキン１３の上面と面接触した状態でパッキン１３とともにパッキン収納部２２内に収納されている。パッキン押さえ１４の上方には、主軸３の周方向に所定の間隔を介して設置された複数のシリンダ１１０と、各シリンダ１１０に収納されたピストン１５が位置している。

シリンダ１１０は、導水管１１１と連通しており、ピストン（移動体）１５は、パッキン１３及びパッキン押さえ１４に対して進退可能にシリンダ１１０内に収納されている。導水管１１１を介して後述の高圧水がシリンダ１１０内に導入されると、ピストン１５はその高圧水の圧力を受けてパッキン１３に向かって移動し、パッキン１３に力を与える。本実施の形態におけるシリンダ１１０は、その中心軸が主軸３の軸方向と略平行になるように配置されており、導水管１１１に高圧水が導入されると、パッキン押さえ１４には主軸３の軸方向と略平行な力がピストン１５によって与えられる。なお、ピストン１５の外周には、導水管１１１からの高圧水を封水するパッキン１６が取り付けられている。

図４は図３中のIV-IVにおけるメンテナンス封水装置１の断面図である。この図に示すように、パッキン１３、パッキン押さえ１４及びパッキンホルダ１７は、主軸３の周方向において複数に分割されており、主軸３の周方向で隣接する２つのパッキン１３の合わせ目は、同様に隣接する２つのパッキン押さえ１４の合わせ目及び２つのパッキンホルダ１７の合わせ目と一致している。なお、図４に示したパッキン１３、パッキン押さえ１４及びパッキンホルダ１７は、主に組立容易性の観点から４つに分割されている。そして、各パッキン押さえ１４の上方には２つのピストン１５が設置されており、各パッキン１３は２つのピストン１５によって力を加えられるようになっている。

なお、合わせ目における封水性能を向上させる観点からは、各パッキン１３同士の合わせ目と、各パッキン押さえ１４同士の合わせ目又は各パッキンホルダ１７同士の合わせ目とは、主軸３の周方向において異なる位置に配置することが好ましい。図５は本発明の第１の実施の形態に係る他のメンテナンス封水装置の断面図であり、この図の例では、パッキン１３の合わせ目は、パッキン押さえ１４の合わせ目及びパッキンホルダ１７の合わせ目に対して、主軸３の周方向に沿って４５度ずらした位置に配置されている。なお、ここでは、パッキン１３、パッキン押さえ１４及びパッキンホルダ１７が４つに分割されている場合についてのみ触れたが、２つや３つに分割しても良く、又は５つ以上に分割しても良いことは言うまでもない。

ところで、本実施の形態のようにピストン１５からパッキン押さえ１４に主軸３の軸方向の力が加えられる場合には、パッキン押さえ１４におけるパッキン１３との接触面は、その法線が主軸３の方に向くように傾斜させて形成することが好ましい。この点を鑑みて、本実施の形態に係るパッキン押さえ１４におけるパッキン１３との接触面は、主軸３の径方向の外側に向かって下り傾斜に形成されている（図３等参照）。このように形成されたパッキン押さえ１４を介して、ピストン１５からの力をパッキン１３に加えると、その力の方向を主軸３に向かう方向（後述の図７中の矢印参照）に変更することができるので、パッキン１３が弾性変形して主軸３側に伸張することを更に促進できる。

図２等に示す導水管１１１は、パッキンケース１１内のシリンダ１１０（ピストン１５）に高圧水を導くもので、下池水面高さと水車基準面高さの差（Ｈｓ）によって生じるＨｓ水圧力よりも高圧の給水源に接続されている。本実施の形態に係る導水管１１１は、パッキンケース１１に穴あけ加工を施して設けられており、プラグ１９（図２参照）はその際に生じた不要な穴を閉じるためのものである。

図６は本発明の第１の実施の形態に係る導水管１１１と水圧管路９５を接続する給水管９６の配管図である。この図に示すように、本実施の形態における導水管１１１は、給水管９６を介して水圧管路９５に接続されている。

水圧管路９５は、上池と水車を接続する管路であり、その中途には、主に水車停止時に閉じられる入口弁８が設置されている。水圧管路９５側における給水管９６の端部は、入口弁８の上流側で水圧管路９５と接続されている。水圧管路９５は水車基準面高さに設置されているので、本実施の形態では、上池水面高さと水車基準面高さの差によって生じる圧力を有する高圧水が導水管１１１に導入可能になっている。

給水管９６には、水圧管路９５との接続部から導水管１１１との接続部に向かって順番に、ストレーナ８１と、排砂タンク８２と、開閉弁８４と、三方弁８３が設置されている。ストレーナ８１及び排砂タンク８２は、水圧管路９５からの水に含まれる異物を除去するものである。開閉弁８４は、メンテナンス封水装置１への給水が必要な主軸封水用パッキン１２のメンテナンス時に開かれ、メンテナンス封水装置１への給水が不要な水車運転時には閉じられる。三方弁８３は、メンテナンス封水装置１の給水が必要なときには水圧管路９５と導水管１１１を連通するように操作され、メンテナンスが終了したときには導水管１１１と排水管８５を連通するように操作される。なお、本実施の形態における給水管９６は、排砂タンク８２と開閉弁８４の間で分岐して入口弁８のシール（図示せず）に接続されており、水圧管路９５内の高圧水は必要に応じて入口弁８の封水にも利用されている。

ここで、上記のように構成されるメンテナンス封水装置１の動作について、図を参照しつつ説明する。図７は本発明の第１の実施の形態に係るメンテナンス封水装置１の動作説明図である。

上記のメンテナンス封水装置１において、主軸封水用パッキン１２や主軸スリーブ２等のメンテナンスを行う際には、開閉弁８４を開いて、三方弁８３によって水圧管路９５と導水管１１１を連通し、水圧管路９５からの水圧力９２をピストン１５に加える。これにより、図７に示すように、ピストン１５は、シリンダ１１０内においてパッキン押さえ１４に向かって移動し、パッキン押さえ１４を下方に押し下げる。ピストン１５によって押し下げられたパッキン押さえ１４は、パッキン収納部２２内においてパッキン１３を押しつぶして弾性変形させる。これによりパッキン１３は、主軸３に向かって伸張し、凸部３１を介して主軸３と密着するので、Ｈｓ水圧力９１を封じることができる。

一方、主軸封水用パッキン１２等のメンテナンスが終了したときには、開閉弁８５を閉じて、三方弁８３によって導水管１１１を排水管８５と連通し、シリンダ１１０内の排圧を行う。これにより、ピストン１５は水圧力９２から開放され、パッキン押さえ１４はパッキン１３の弾性力によって当初の位置に押し上げられる（図３参照）。パッキン１３の凸部３１は、パッキン１３が元の形状に戻った際に主軸３から離れるので、メンテナンス封水装置１による封水は解除される。

上記のように、本実施の形態のメンテナンス封水装置１は、導水管１１１を介して導入される上池水面高さと水車基準面高さの差によって生じる水圧力９２を利用して封水しているので、水車停止時に大きなＨｓ水圧力９１が発生する場合にもこれを封水することができる。さらに、本実施の形態では、従来技術のように空気圧を利用した封水を行っていないので、ポンプ等の昇圧装置を用いる必要もなく、高圧空気を充填する材料（例えば、ゴムホース状の部材）の強度に配慮する必要もない。したがって、本実施の形態によれば、Ｈｓが大きい水車においても、空気圧を利用しない簡易な方法でＨｓ水圧力を封水することができるので、主軸封水装置等のメンテナンスを容易に行うことができる。

図８は本発明の第２の実施の形態に係るメンテナンス封水装置１Ａの詳細図である。本実施の形態におけるメンテナンス封水装置１Ａは、先の実施の形態におけるパッキン１３をセルフシールパッキンとした点に特徴がある。この図に示すメンテナンス封水装置１Ａは、パッキンホルダ１７ａと、パッキン１３ａを備えている。

パッキンホルダ１７ａは、主軸３側の端部に面取り部３７を有している。この面取り部３７は、先の実施の形態に係るパッキンホルダ１７について、パッキン１３の底面が載置される面上の主軸３側の端部に対し、面取りを施して形成したものに相当する。

パッキン１３ａは、その主軸３側において凸部３５と受圧面３６を有しており、凸部３５を介して作用するＨｓ水圧力９１によって密閉性を確保するセルフシールパッキン（リップパッキン）である。凸部３５は、主軸スリーブ２（主軸３）とパッキンホルダ１７の間隙内に位置しており、その間隙内で下方（ランナ６側）に向かって突出して設けられている。メンテナンス封水装置１Ａが作動していないときの凸部３５は、パッキンホルダ１７ａにおける面取り部３７上に位置し、その面取り部３７とともに略逆Ｖ字型の凹部を形成している。この凹部にはＨｓ水圧力９１が作用可能であり、メンテナンス封水装置１Ａの作動時には、この凹部を介してＨｓ水圧力９１を受けた凸部３５が上方に押し上げられる。受圧面３６は、水車運転時に給水管２１（図２参照）から供給される主軸封水給水９３による圧力を受けるための面であり、凸部３５の上方に設けられている。 ここで、上記のように構成されるメンテナンス封水装置１Ａの動作について、図を参照しつつ説明する。図９は本発明の第２の実施の形態に係るメンテナンス封水装置１Ａについての主軸封水装置のメンテナンス時の動作説明図であり、図１０は本発明の第２の実施の形態に係るメンテナンス封水装置１Ａについての主軸封水装置のメンテナンス終了時の動作説明図である。

上記のメンテナンス封水装置１Ａにおいて、主軸封水用パッキン１２等のメンテナンスを行う際には、先の実施の形態と同様に、水圧管路９５からの水圧力９２をピストン１５に加える。これにより、ピストン１５は、図９に示すように、パッキン押さえ１４に向かって移動し、パッキン押さえ１４を下方に押し下げる。ピストン１５によって押し下げられたパッキン押さえ１４は、パッキン１３ａを押しつぶして弾性変形させる。これによりパッキン１３ａは、主軸３に向かって伸張して主軸３と密着する。そして、ランナ６側からＨｓ水圧力９１が凸部３５に作用すると、凸部３５は上方に押し上げられパッキン１３ａを主軸３にさらに強く密着させる（図９参照）。すなわち、本実施の形態によれば、凸部３５がＨｓ水圧力９１によりセルフシール効果を生むので、第１の実施の形態よりも強い力で封水することができる。

一方、主軸封水用パッキン１２等のメンテナンスが終了したときには、先の実施の形態と同様に、シリンダ１１０内の排圧を行ってパッキン押さえ１４を当初の位置に戻すが、図１０に示すように凸部３５にはＨｓ水圧力９１が作用しているため、そのままではパッキン１３ａを主軸３から離すことができない。そこで、シリンダ１１０内の排圧が終了したら、給水管２１から主軸封水給水９３を供給して主軸封水用パッキンで封水する。これにより、パッキン１３ａにおける受圧面３６に主軸封水給水９３からの圧力が作用するので、パッキン１３ａを主軸から離すことができ、メンテナンス封水装置１Ａによる封水を解除できる。

したがって、本実施の形態によっても、空気圧を利用しない簡易な方法でＨｓ水圧力を封水することができるので、主軸封水装置等のメンテナンスを容易に行うことができる。

１ メンテナンス封水装置
３ 主軸
６ ランナ
１１ パッキンケース
１２ 主軸封水用パッキン
１３ パッキン（メンテナンス封水用パッキン）
１４ パッキン押さえ
１５ ピストン
１７ パッキンホルダ
２２ パッキン収納部
３１ 凸部
３２ 凸部
３３ 固定溝
３５ 凸部
３６ 受圧面
９５ 水圧管路
９６ 給水管
１１０ シリンダ
１１１ 導水管

Claims (7)

1. 水力機械における主軸封水装置のメンテナンス時に用いられるメンテナンス封水装置において、
   主軸の外周に当該主軸と間隔を介して設置され、弾性体によって形成されたパッキンと、
   このパッキンが収納されたパッキンケースと、
   下池水面高さと水車基準面高さの差によって生じるＨｓ水圧力よりも高圧の給水源に接続され、前記パッキンケース内に高圧水を導く導水管と、
   前記パッキンに対して進退可能に前記パッキンケース内に収納され、前記導水管から導入される高圧水の圧力を受けて前記パッキンに力を加える移動体とを備え、
   前記パッキンは、前記移動体によって力を加えられたとき、前記主軸に向かって弾性変形することにより前記主軸と接することを特徴とするメンテナンス封水装置。
2. 請求項１に記載のメンテナンス封水装置において、
   前記導水管は、上池と水車を接続する水圧管路に接続されていることを特徴とするメンテナンス封水装置。
3. 請求項１に記載のメンテナンス封水装置において、
   前記パッキンと面接触したパッキン押さえをさらに備え、
   前記移動体は、前記パッキンケース内に形成されたシリンダ内に収納されたピストンであり、
   前記ピストンは、前記パッキン押さえを介して前記パッキンに力を加えることを特徴とするメンテナンス封水装置。
4. 請求項１に記載のメンテナンス封水装置において、
   前記パッキンは、Ｈｓ水圧力によって密閉性を確保するセルフシールパッキンであることを特徴とするメンテナンス封水装置。
5. 請求項１に記載のメンテナンス封水装置において、
   前記パッキンは、前記パッキンケース内において、前記主軸側にのみ開口したパッキン収納部に収納されており、さらに、固定溝を介して前記パッキン収納部に固定されていることを特徴とするメンテナンス封水装置。
6. 請求項３に記載のメンテナンス封水装置において、
   前記パッキンと前記パッキン押さえは、前記主軸の周方向において複数に分割されており、
   各パッキン同士の合わせ目と、各パッキン押さえ同士の合わせ目とは、前記主軸の周方向において異なる位置に配置されていることを特徴とするメンテナンス封水装置。
7. 請求項３に記載のメンテナンス封水装置において、
   前記パッキン押さえにおける前記パッキンとの接触面は、その法線が前記主軸の方に向くように傾斜していることを特徴とするメンテナンス封水装置。

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