JP2014202342A - 発電機用軸封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分割型シールリングの各部分リング同士の合せ目における隙間を通じた油の漏出経路を封止する部分を設置することで、油の漏出量を低減可能とする。
【解決手段】ケーシングと、前記ケーシングの内部に配置したロータと、前記ロータと固定した回転軸と、前記回転軸の外周に軸方向に対向して併設された一対のシールリングと、これらのシールリングを収納するシールケースとを備え、前記一対のシールリングは円周方向で分割された複数の部分リングから成る分割型シールリングであって、該部分リングを回転軸間に隙間をもって円環状に並べて配置されてなり、かつ、該部分リングの合せ目を内径側で相互に重ねたことを特徴とする発電機用軸封装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は水素ガスを冷却媒体とするタービン発電機の発電機用軸封装置に関する。

大型のタービン発電機は、機内の冷却用に、気体の中で最も熱伝達効率が高い水素ガスを封入して使用される。この発電機においては、回転軸が機外に突出する部位に、例えば特許文献１に示すような軸封装置を設置し、水素ガスが機外に漏出するのを防止している。

この軸封装置では、高圧給油手段に接続したシールケーシングの内部において、２つのシールリングが油膜を介して回転軸と摺動可能に嵌合し、その軸方向端面が機内（水素ガス）と機外（大気など）のそれぞれに面して配置されている。シールリングは、概略円環状のリングを円周方向に分割した複数の部分リングから成る分割型シールリングが使用されている。

回転軸、シールリング、シールケーシングの間に生ずる隙間を水素ガスよりも高圧な密封油で常時満たすことにより、密封油が機内側と機外側の両方に漏出する一方、水素ガスが機内から機外へ漏出するのが防止される。

ところで、水素ガスは密封油に溶け込みやすい性質があり、機内に溜まった油を外部に排出する過程で、ともに機外に放出されてしまう。したがって、軸封装置から機内へ漏出する密封油量の増加は、水素ガスの消費を増加させる要因となるため、近年、その低減が課題となっている。

軸封装置から機内への密封油の漏出量低減を図る従来技術には、特許文献１が知られている。この文献には、「シールケーシング内に収納され、円周方向に複数個に分割されたセクタ外周面にスプリングを設けて各セクタが一体化支持されたシールリングと、回転軸との隙間に圧油を供給する軸封装置において、前記シールリングが、円周方向に分割され、そのシールリングの各セクタの合せ目が半径方向に相互に拘束される構造であって、且つ半径方向に多層構成とし、このうち外層材の熱伝導率は内層材の熱伝導率よりも大きく、さらに前記外層材の線膨張係数は前記内層材の線膨張係数よりも小さく、また前記外層材の弾性係数は前記内層材の弾性係数よりも大きい材料で構成したことを特徴とする回転機の軸封装置」が開示されている。

また、「円周方向に分割されたシールリングの各セクタの合せ目を半径方向に相互に拘束する手段として合せ目軸方向にピンを挿入したことを特徴とする回転機の軸封装置」と開示されている。

この文献によれば、分割型のシールリング（セクタ）の合せ目が半径方向に相互に拘束される構造とすることにより、密封油の漏出量を小さくすることが可能となる。また、異物等による回転軸及びシールリングの損傷が防止する。

さらに他の従来技術としては、特許文献２が知られている。この文献には、「真円またはほぼ真円のリング本体を複数に分割した分割リング体のそれぞれの端面を突き合わせて連結したことを特徴とするピストンリング」が開示されている。また、「突き合わせする前記一方の端面に凸部を形成すると共に、前記他方の端面に凹部を形成し、前記凸部と凹部を係合することを特徴とするピストンリング」が開示されている。

特開昭５８−２１１０７２号公報 特開２００３−２９４１４０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、シールリングの各セクタの合せ目を半径方向に相互に拘束して密着させて密封油の漏出量を低減しているが、万一の円周方向への離れに対する配慮がされていないので、漏出量が増加するという問題がある。

また、上記特許文献２のものは、分割リング体のそれぞれの端面を突き合わせ密着させてシール性を向上しているが、分割リングの端面が離れる動きに対する配慮がされていないので、シール性が低下するという問題がある。

いずれの特許文献も、分割した合せ目に形成される経路からの漏油量低減に対する十分な配慮がされていないので、シール性が低下するという問題がある。

本発明の目的は、信頼性を損なうことなく、密封油量の低減、水素ガス消費量（回収量）の低減を図ると共に、安定したシール性をもたらす発電機の軸封装置を提供することにある。

上記目的は、内部に水素ガスを封入したケーシングと、前記ケーシングの内部に配置したロータと、前記ロータと固定した回転軸と、前記回転軸の外周に軸方向に対向して併設された一対のシールリングと、これらのシールリングを収納するシールケースとを備え、前記シールケース内に圧入された高圧流体が前記一対のシールリングと回転軸とで形成される隙間をそれぞれ軸方向に流れることによりケーシング内の水素ガスの漏洩を防止する発電機用軸封装置において、前記一対のシールリングは円周方向で分割された複数の部分リングから成る分割型シールリングであって、該部分リングを回転軸間に隙間をもって円環状に並べて配置されてなり、かつ、該部分リングの合せ目を内径側で相互に重ねたことにより達成される。

また、上記目的は、
前記一対のシールリングの分割数を４個にしたことにより達成される。

また、上記目的は、
前記シールリングが対向するシールケース側に低熱伝導体層を敷設したことにより達成される。

また、上記目的は、前記低熱伝導体層の材料をＰＥＥＫ樹脂で形成したことにより達成される。

本発明によれば、分割型シールリングにおける部分リング同士の合せ目の隙間から機内へ通じる流路を、内径側で相互に重ねて封止することにより、密封油の機内側への漏出量を低減し、水素ガス消費量の少ない発電機用軸封装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る停止時における分割型シールリングの正面図である。 本発明の第１実施形態に係る軸封装置の拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係る運転時における分割型シールリングの部分リング同士の合せ目付近の配置を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の第１変形例に係る停止時における分割型シールリングの正面図である。 本発明の第１実施形態の第２変形例に係る運転時における分割型シールリングの部分リング同士の合せ目付近の配置を示す概略構成図である。 部分リング同士の合せ目の隙間と機内側への密封油漏出油との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る軸封装置の拡大断面図である。 一般的な軸封装置の配置を示す発電機の概略構成図である。

まず、一般的な水素冷却発電機の軸封装置の位置関係を図８により説明する。

図８において、発電機ロータ１は回転軸２に取り付けられ、発電機ケーシング３に納められている。発電機ケーシング３内には、発電機ロータ１等を冷却するために冷却水素６が封入されている。この水素６は、図示しない熱交換器と発電機ケーシング３とを循環し、発電機ケーシング３内を一定温度以下に保つように温度調節されている。回転軸２は発電機ケーシング３を貫通して外部に突出する。回転軸２が発電機ケーシング３を貫通する部位において、発電機ケーシング３から水素６が漏出するのを防ぐため、発電機ケーシング３と回転軸２との間に軸封装置４ａ、４ｂが設けられている。

軸封装置４ａ、４ｂは回転軸２の外径よりも大きい内径を有し、回転軸２表面と軸封装置４ａ、４ｂの内周面との間に所定の隙間を設けている。軸封装置４ａ、４ｂはともに一対のシールリングが装着されている。５ａ、５ｂは軸受であり、軸封装置４ａ、４ｂとともに発電機ケーシング３に固定されている。次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
図１は、本発明の第１実施形態に係る停止時における分割型シールリングの正面図である。シールリング３０は分割型シールリングであり、概略円環状のリングを周方向に４分割した部分リング３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）の集合体として構成されている。部分リング３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）は回転軸間に隙間４１ａをもって円環状に並べて配置され、かつ、部分リングの内径側で相互に重ねている部分５１で構成している。

各部分リング３１の合せ目で、各円周方向の外径側合せ目３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）と内径側合せ目３４（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ）は接触した状態にある。また、各部分リング３１の各半径方向の合せ目３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ）も概略隙間なく接触させた状態にある。

各部分リング３１の合せ目をこのように構成することにより、外周面３５から摺動面３６に連通する開口部が形成されないので、合せ目の半径方向の漏油が無くなり密封性が向上する。各合せ目は接触状態になっているので、外周側に作用する密封油の圧力により、一体のシールリング形状を保持できる。

各部分リング３１の内径側に重ねている部分５１を有しているので、半径方向と円周方向に拘束されるので合せ目が開くことが回避される。

シールリング３０は４分割の部分リングを円周方向に並べた構造としている。４分割の場合、合せ目位置を水平、垂直位置とすることができるので、バランス良くリング形状を維持できる。また、シールリングを装着しているシールケースは半割構造となっているので、4分割の部分リングは、シールケースの半割面の両側から装着し、夫々の４分割の部分リング合せ面と半割面との出入り無く合致させると組込み作業が終了となり、他の分割数に比較して組込み作業時間が短縮でき作業性が向上する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る軸封装置４ａ付近の拡大断面図である。回転軸２は発電機ケーシング３（図示せず）に固定され、内部を回転軸２が貫通している。

図２において、軸封装置４ａは、シールケース２１と、一対のシールリング３０と、このシールリング３０の外周に接するように設けられたスプリング２４からなっている。シールリング３０は複数個に分割され合せ目で、相互に重ねている部分５１を設けて、構成されている。

シールケース２１は、高圧の密封油を供給する外部の給油手段（図示せず）と接続し、給油通路２２を通じて密封油を内部空間２３に導入する。シールリング３０は、外周に接するスプリング２４のバネ力および内部空間２３の密封油の圧力によりシールケース２１内壁のそれぞれ機内側、機外側に押し付けられる。シールリング３０の内径は回転軸２の外径よりも大きく、回転軸２外周面とシールリング３０内周面との隙間４１ａ、４１ｂを形成する。

重ねている部分５１は概略隙間なく形成されているので、合せ目において、シールケースの内周面２１ａへの半径方向に通じる流路が封止されるので、この流路からの漏油はほとんど無くなり、給油通路２２を通じて内部空間２３に導入された密封油の多くは、一対のシールリング３０の間を通過したのち、回転軸２外周面とシールリング３０内周面との隙間４１ａ、４１ｂを通じてそれぞれ発電機の機内および機外へ漏出する。

図３は、本発明の第１実施形態に係る運転時における分割型シールリングの部分リング同士（３１ａ、３１ｄ）の合せ目付近の配置を示す概略構成図である。図３において、一点鎖線はシールケース２１内壁の半径方向位置を示す。Ｒ１、Ｒ２はシールケース２１内壁の内半径、外半径寸法を示す。ここでは、隣接する部分リング３１ａ、３１ｄを取り上げ合せ目の構成について説明するが、残りの分割リング同士の合せ目も類似の形状となっている。

部分リング３１ａ、３１ｄは円周方向に合せ目が離れた状態の配置となっている。このように、合せ目が開いているのは、運転時において、回転軸の偏心やシールリング３０の摺動面で発生する摩擦熱により、シールリング３０の内径が僅か大きくなるためである。

このような状態でも、外周側の重ねていない部分５５に隙間が形成された場合でも、漏油が軽減できることを説明する。

この図において、回転軸２は紙面に垂直な方向に延伸し、手前が機内側である。図３に示すように、重ねている部分の厚さは軸方向幅の１／２程度としている。部分リングの重ねている部分に隙間がないように、厚さの加工精度が要求されるので、隣接の重ねている部分を同時研削し、装着した場合に軸方向厚さになるようにする。そのためには、重ねている部分の厚さは軸方向幅の１／２程度にすることが望ましい。

部分リング３１ａと部分リング３１ｄは内径側に重ねている部分５１を形成すると共に、円筒面５２の部分では接触させている。部分リング３１ａの凸部端面５３と部分リング３１ｄの凹部端面５４に隙間を形成している。円筒面５２の半径Ｒ３とシールケース２１内壁の外半径Ｒ２との関係はＲ２＜Ｒ３としている。このような関係にすることで、円筒面５２の部分で円周方向に対する封止機能が得られる。また、重ねていない部分５５の隙間と摺動面の通路口５６と連通しているが、摺動面と回転軸との隙間は狭く通路口５６から軸方向へ流出する断面積が小さく封止効果が期待できる。従来例では、合せ目に重ねている部分が無いので、合せ目に隙間を形成すると、シールケース２１内壁の内径Ｒ１と部分リング摺動面の半径方向に大きな隙間（従来構造での流路：斜線で示す枠内）ができて漏油するので密封性が低下する要因となっていた。

図４は、本発明の第１実施形態の第１変形例に係る組込み時における分割型シールリングの正面図である。図１〜図３に示した第１実施形態と同様の構成及び作用は、この第１変形例に取り込まれるものとして詳細な説明を省略し、相違する点について説明する。

図４に示すように、第１実施形態の第１変形例はシールリング３０において、分割型シールリングであり、概略円環状のリングを周方向に４分割した部分リング３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）の集合体として構成されているが、部分リングの重ねていない部分の外径側合せ目３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）に隙間が形成されている点で相違している。

このような第１実施形態の第１変形例によれば、前記した第１実施形態と同様の作用効果を奏することができることに加えて、重ねていない部分５５と重ねている部分を同時に接触させようとすると、高度な加工精度が必要となり、高価なものになるが、重ねていない部分５５に隙間を持たせる設計とすることで、低コストの部分リングを提供できる。

図５は本発明の第１実施形態の第２変形例に係る分割型シールリングの部分リング同士の合せ目付近の配置を示す概略構成図である。

図１〜図４に示した第１実施形態と同様の構成及び作用は、この第１変形例に取り込まれるものとして詳細な説明を省略し、相違する点について説明する。

図５に示すように、第１実施形態の第２変形例は、
部分リング３１ａ、３１ｄの合せ目において、重ねている部分５１を内径側から外径方向に傾斜させている点で第１実施形態と相違している。

このような第１実施形態の第２変形例によれば、前記した第１実施形態と同様の作用効果を奏することができることに加えて、重ねている部分５１の摺動面の軸方向の距離ｈが長くなるので、密封性が更に向上できる。また、重ねている部分の加工が容易となり、部分リングの製作費用の低コスト化にも寄与できる。

図６は、部分リング同士の合せ目の隙間と機内側への密封油漏出量との関係を評価したグラフである。回転軸２の外周面とシールリング３０の内周面との隙間が同等なもので比較したところ、部分リングの内径側合せ目を重ねない場合、部分リング合せ目の隙間を拡大すると、機内側への密封油漏出量が増加した。一方で、部分リングの内径側合せ目を重ねている場合、部分リング合せ目の隙間を拡大しても漏出量がほとんど増加しなかった。

すなわち、本発明の実施形態によれば、部分リング同士の重ねていない部分の隙間５５から機内に通じる流路を内径側の重ねている部分で封止することにより、機内への密封油の漏出量を低減することができる。

≪第２実施形態≫
本発明の第２実施形態について図７を用いて説明する。

図７に示すように、第２の実施形態は、分割型シールリングの対向するシールケース２１内壁側に低熱伝導体層６０のシートを敷設している点で第１の実施形態と相違している。低熱伝導体層の材質としては、分割型シールリングが回転軸の偏心による半径方向に可動した際にも重度な摩耗や損傷を発生させにくいという観点から、樹脂系の材料が使用されうる。図７に示した例では炭素繊維を含むポリエーテルエーテルケトン樹脂が使用されている。ただし、低熱伝導体層６０の材質としては、回転軸２とシールケース２１およびシールリング３０の材質や運転速度および密封油と水素ガスの圧力条件等に合わせ、例えば、炭素繊維を含むポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ナイロン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、超高分子量ポリエチレン樹脂等、およびこれらの樹脂と繊維材料等による複合材が使用されてもよい。

あるいはこれらの材料をシールケース２１内壁の表面にコーティングした形態でも良い。または、金属系の板の表面に低熱伝導体層６０をコーティングした部材をシールケース２１内壁に取り付けた形態でも良い。低熱伝導体層６０の敷設形態は長期信頼性を維持できるものであれば、とくに限定するものではない。これらの材料は、強化用添加物の配合量にもよるが、せいぜい数ワット/（ｍ・℃）の熱伝導率が好ましい。低熱伝導体層６０の厚さとしては、数ｍｍ程度である。

このような第２の実施形態によれば、前記した第１の実施形態と同等の作用効果を奏することができることに加えて、
断熱効果でシールリング３０の円周方向の熱変形が軽減され、シールケース内壁との接触面からの漏油が改善できる。

また、シールリングとシールケース２１内壁とが摺動性の良い低熱伝導体層を介して摺動することにより摩擦係数が減少し、万一の軸振動が起きてもシールリングは円環形状が確実に保持できる。

１ ロータ
２ 回転軸
３ 発電機ケーシング
４、４ａ、４ｂ 軸封装置
５ａ、５ｂ 軸受
６ 水素ガス
２１ シールケース
２１ａ シールケース内周面
２２ 給油通路
２３ 内部空間
２４ スプリング
３０ シールリング
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 部分リング
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ 外径側合せ目
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ 半径方向の合せ目
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ 内径側合せ目
４１ａ、４１ｂ 回転軸２外周とシールリング３０内周との隙間
５１ 重ねている部分
５５ 重ねていない部分
６０ 低熱伝導体層

Claims (6)

1. 内部に水素ガスを封入したケーシングと、前記ケーシングの内部に配置したロータと、前記ロータと固定した回転軸と、前記回転軸の外周に軸方向に対向して併設された一対のシールリングと、これらのシールリングを収納するシールケースとを備え、前記シールケース内に圧入された高圧流体が前記一対のシールリングと回転軸とで形成される隙間をそれぞれ軸方向に流れることによりケーシング内の水素ガスの漏洩を防止する発電機用軸封装置において、前記一対のシールリングは円周方向で分割された複数の部分リングから成る分割型シールリングであって、該部分リングを回転軸間に隙間をもって円環状に並べて配置されてなり、かつ、該部分リングの合せ目を内径側で相互に重ねたことを特徴とする発電機用軸封装置。
2. 請求項１に記載の発電機用軸封装置において、前記一対のシールリングは円周方向で４分割された部分リングから成ることを特徴とする発電機用軸封装置。
3. 請求項１に記載の発電機用軸封装置において、前記一対のシールリングは円周方向で４分割された部分リングで、かつ部分リングの重ねていない部分の合せ目に隙間を形成したことを特徴とする発電機用軸封装置
4. 請求項１に記載の発電機用軸封装置において、前記一対のシールリングは円周方向で４分割された部分リングで、かつ部分リングの重ねている部分を内径側から外径方向に傾斜させていることを特徴とする発電機用軸封装置
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載の発電機用軸封装置において、前記シールリングが対向するシールケース内壁側に低熱伝導体層を敷設したことを特徴とする発電機用軸封装置。
6. 請求項５に記載の発電機用軸封装置において、前記低熱伝導体層の材質を
   ＰＥＥＫ樹脂としたことを特徴とする発電機用軸封装置。