JP2018135798A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保守点検する期間を長く延ばして、容易に維持することができる水力発電装置を提供する。
【解決手段】この水力発電装置は、水力を回転力に変換する翼車２と、翼車２に取り付けられ軸受７，８により回転自在に支持される翼軸５と、翼軸５の回転を増速するギヤ部６と、ギヤ部６に連結されて発電する発電機とを備える。翼軸５、軸受７，８、およびギヤ部６を収容するギヤボックス９を備え、ギヤボックス９内に食品機械用グリースが用いられる。ギヤボックス９内における、軸受７，８に用いられる食品機械用グリースと、ギヤ部６に用いられる食品機械用グリースとは、増稠剤と基油の種類が同じで、且つ、軸受７，８に用いられる食品機械用グリースよりもギヤ部６に用いられる食品機械用グリースの稠度が大きい。
【選択図】図４

Description

この発明は、水力発電装置に関し、例えば、水路等に設置される水力発電装置に関する。

従来の水力発電装置は、水車のみが水没したものであり、各種補機類を必要としていたが、水車部と増速機部を一体とし発電機部を水上に設置したものが生み出されてきた（特許文献１）。
図１０に示すように、水車部５０と増速機部５１を一体とし発電機部５２を水上に設置した水力発電装置は、水の抵抗を抑えるため極力コンパクト化が図られており、ギヤボックス内の歯車と、この歯車を支持する軸受は隣接して配設されている。限られた空間に増速用のギヤとこのギヤを支持する軸受が隣接するが故に、軸受とギヤの両方に有効な潤滑剤を用いる。この潤滑剤として、メンテナンス性を考慮すると油よりグリースの方が扱い易いため、耐食性、耐水性を有するグリースが適用される。

また、回転翼の回転トルクを伝達させる翼軸は、翼を取り付ける軸の一部が水と接触し、ギヤボックス内へ水が浸入することを防ぐため、オイルシールが用いられている。このオイルシールは、内部から水中側にポンプ作用を奏するように配設して、ギヤボックス内へ水が浸入しない構成を採っている。
前記グリースには食品機械用グリースを用いている。近年、水路に使用される水車では、安全・安心の観点から、食品機械用グリースの適用がユーザに支持されている。この食品機械用グリースは漏出による環境汚染の問題が無いため好適である。

特開平９−３２７１６号公報

しかしながら、ギヤボックスに食品機械用グリースを用いた場合に、ギヤの潤滑状態が不安定となり、ギヤに過度の昇温等が生じることがあった。これにより、水力発電装置を保守点検する期間が短くなり、この水力発電装置を維持、管理するうえでメンテナンスコスト等の負担が嵩む。また、食品機械用グリースであっても漏出が少ない方が望ましい。すなわちグリースの漏出が少なければ潤滑寿命が延びる効果が有る。

この発明の目的は、保守点検する期間を長く延ばして、容易に維持することができる水力発電装置を提供することである。

この発明の水力発電装置は、水力を回転力に変換する翼車と、
この翼車に取り付けられ軸受により回転自在に支持される翼軸と、
この翼軸の回転を増速するギヤ部と、
このギヤ部に連結されて発電する発電機と、を備えた水力発電装置において、
前記翼軸、前記軸受、および前記ギヤ部を収容するギヤボックスを備え、このギヤボックス内に食品機械用グリースが用いられ、前記ギヤボックス内における、前記軸受に用いられる食品機械用グリースと、前記ギヤ部に用いられる食品機械用グリースとは、増稠剤と基油のいずれも種類が同じで、且つ、前記軸受に用いられる食品機械用グリースよりも前記ギヤ部に用いられる食品機械用グリースの稠度が大きい。
前記食品機械用グリースは、食品機械用途として、漏出しても環境汚染が問題とならないグリースであり、各種規格によって定められており、例えば、使用温度、極圧性、耐水性等の食品機械の使用条件に応じて種々定められる。

この構成によると、ギヤボックス内において、軸受用の食品機械用グリースと、ギヤ部用の食品機械用グリースとは、増稠剤と基油の種類が同じとしている。但し、軸受用の食品機械用グリースよりもギヤ部用の食品機械用グリースの稠度が大きい。ギヤ部に用いた稠度が大きい柔らかい食品機械用グリースは、ギヤ歯面への潤滑供給性が良好となり、ギヤ部の過度の昇温等が抑制される。軸受に用いた稠度が小さい硬い食品機械用グリースは、軸受から漏出することが抑制され、軸受の潤滑性能が維持される。

またギヤボックス内において、軸受用の食品機械用グリースと、ギヤ部用の食品機械用グリースとが混じり合うことがあっても、両グリースは増稠剤と基油の種類が同じであるため、性能に及ぼす影響はほとんど無い。
したがって、水力発電装置を保守点検する期間を長く延ばして、容易に維持することができる。

前記軸受は、少なくとも前記ギヤ部側の一側面にシール部材を備えても良い。前記シール部材は、例えば、芯金を覆う弾性体から成るシール、または、金属製のシールド板である。
この構成によると、前記シール部材により、軸受用の食品機械用グリースと、ギヤ部用の食品機械用グリースとが混じり難くなるため、ギヤ部および軸受の潤滑性能を維持するうえでより望ましい。

前記ギヤボックスは、ギヤ部付近部に、食品機械用グリースを貯留するグリース溜りを有するものであっても良い。前記ギヤ部付近部は、例えば、ギヤ部の一部分に対して所定間隔を隔てて設けられ、重力により前記食品機械用グリースを一定量貯留することができるギヤボックスの一部である。
この構成によると、ギヤボックスのギヤ部付近部にグリース溜りを備え、このグリース溜りに食品機械用グリースを貯留しておくことで、ギヤ歯面に食品機械用グリースが確実に供給される。

前記ギヤボックスには、前記食品機械用グリースを排出するドレン穴が設けられていても良い。この場合、水力発電装置のメンテナンス時において、古い食品機械用グリースをドレン穴から容易に排出することができる。

前記ギヤボックス内への水の浸入を防ぐ複数のオイルシールが前記翼軸に設けられても良い。この場合、一枚のオイルシールが翼軸に設けられた構成よりも食品機械用グリースの漏出速度が遅くなり、ギヤボックス内の食品機械用グリースの減少も抑制される。

この発明の水力発電装置は、水力を回転力に変換する翼車と、この翼車に取り付けられ軸受により回転自在に支持される翼軸と、この翼軸の回転を増速するギヤ部と、このギヤ部に連結されて発電する発電機と、を備えた水力発電装置において、前記翼軸、前記軸受、および前記ギヤ部を収容するギヤボックスを備え、このギヤボックス内に食品機械用グリースが用いられ、前記ギヤボックス内における、前記軸受に用いられる食品機械用グリースと、前記ギヤ部に用いられる食品機械用グリースとは、増稠剤と基油のいずれも種類が同じで、且つ、前記軸受に用いられる食品機械用グリースよりも前記ギヤ部に用いられる食品機械用グリースの稠度が大きい。このため、水力発電装置を保守点検する期間を長く延ばして、容易に維持することができる。

この発明の実施形態に係る水力発電装置の正面図である。 同水力発電装置の側面図である。 同水力発電装置の一部（図２のIII部）の斜視図 同水力発電装置のギヤボックス構造を示す図である。 同図４の一部（V部）を拡大して拡大図である。 同水力発電装置のオイルシール等の拡大断面図である。 同水力発電装置のオイルシールと従来例のオイルシールの比較例を示す断面図である。 この発明の他の実施形態に係るオイルシールの配置例を示す断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係るオイルシール等の配置例を示す断面図である。 従来例の水力発電装置の正面図である。

この発明の実施形態に係る水力発電装置を図１ないし図７と共に説明する。
＜水力発電装置全体の概略構成について＞
図１〜図３に示すように、この水力発電装置は、例えば、河川、用水路等の流水のある水路１に設置され、翼車２の回転を受けて発電を行う。この水力発電装置は、発電装置本体３と、この発電装置本体３を支持する支持装置４とを備える。発電装置本体３は、図４に示す翼車２、翼軸５、ギヤ部６、軸受７，８、ギヤボックス９、および図１に示す発電機１０を有する。先ず、支持装置４について説明する。

＜支持装置４について＞
図１および図２に示すように、支持装置４は、二本の水平支持材１１，１１と、支持プレート１２と、支持筒１３とを有する。二本の水平支持材１１，１１は、水路１の両側壁面の上端間に平行に架け渡された棒状の支持材である。これら水平支持材１１，１１は、支持プレート１２を介して一定間隔を隔てた状態で設けられている。支持プレート１２は、水平支持材１１，１１に支持され、支持プレート１２の上部に発電機１０が設置されている。

図２に示すように、支持プレート１２の下部に、支持筒１３を介して、ギヤボックス９が連結されている。支持筒１３は、中空円筒状で上下方向に沿って延び、この支持筒１３の上端部および下端部にそれぞれフランジ部が設けられている。支持プレート１２の下部に対し、支持筒１３の上端部のフランジ部が複数のボルトにより連結されている。図３に示すように、支持筒１３の下端部のフランジ部に対し、ギヤボックス９が複数のボルトにより連結されている。

＜翼車等について＞
図１に示すように、翼車２は、水路１の流水中に没する状態で設けられ水力を回転力に変換する。翼車２は、回転軸心Ｌ１が流水の流れる方向と平行なプロペラ型である。翼車２は、前記回転軸心Ｌ１に設けられるハブ２ａと、このハブ２ａの外周面から半径方向外方に放射状に延びる複数（例えば５枚）のブレード２ｂとを有する。図２に示すように、各ブレード２ｂの先端部は、上流側に向けて傾斜している。

＜ギヤボックス構造等＞
図４に示すように、前記ハブ２ａに同軸に翼軸５が取り付けられ、この翼軸５は、二つの軸受７，８により回転自在に支持される。翼軸５の回転はギヤ部６により増速される。翼軸５、軸受７，８、およびギヤ部６は、ギヤボックス９に収容されている。
一方、図２に示すように、発電機１０の入力軸（図示せず）が支持筒１３内に延びている。支持筒１３内において、前記入力軸の下端と動力伝達軸１４の上端とが、図示外の回転連結具を介して同軸に連結されている。動力伝達軸１４の軸心と翼軸５の軸心とが互いに直交するように配置されている。また動力伝達軸１４は、支持筒１３内の軸受（図示せず）により、この支持筒１３に回転自在に支持されている。

図４に示すように、ギヤ部６は、互いに噛み合う一対の傘歯車６ａ，６ｂを備える。ギヤボックス９内において、翼軸５の外周にキー１５を介して一方の傘歯車６ａが嵌合され、動力伝達軸１４の外周にキー１６を介して他方の傘歯車６ｂが嵌合されている。動力伝達軸１４の下端部における外周面に雄ねじが形成され、この雄ねじにナット部材１７が螺合されることで、動力伝達軸１４に対して傘歯車６ｂが抜け止めされる。これら傘歯車６ａ，６ｂにより、翼軸５の回転が動力伝達軸１４に増速されて伝達される。したがって、図２に示すように、動力伝達軸１４と共に前記入力軸が回転することで、発電機１０が発電する。

図４に示すように、ギヤボックス９は、ギヤボックス本体１８と、このギヤボックス本体１８の開口端に印籠嵌合される嵌合部１９とを有する。図５に示すように、嵌合部１９の外周面に環状溝１９ａが形成され、この環状溝１９ａに環状のシール部材２０が設けられている。環状のシール部材２０として例えばＯリングが適用される。このシール部材２０により、ギヤボックス本体１８の内周面と嵌合部１９の外周面との密封性を高めている。

嵌合部１９における嵌合孔１９ｂに軸受７の外輪外周面が嵌合されている。図４に示すように、ギヤボックス本体１８の嵌合孔１８ａに軸受８の外輪外周面が嵌合されている。これら軸受７，８は同軸で互いに対向するように配置されている。軸受７，８は、それぞれ深溝玉軸受が適用される。但し、一方（図４左側）の軸受７は、他方の軸受８よりも軸受サイズが大きいものが採用されている。また一方の軸受７は、両側面に軸受空間を密封するシール部材７ａ，７ａを備えているのに対し、他方の軸受８は、シール部材の無い開放型である。前記シール部材７ａとして、この例では金属製のシールド板が適用されている。

翼軸５は、軸方向の基端側から先端側（図４右側）に沿って、順次、中径部５ａ、フランジ部５ｂ、大径部５ｃ、および小径部５ｄを有し、これらは一体に形成されている。
翼軸５の大径部５ｃに一方の軸受７の内輪内径面が嵌合されている。軸受７の内輪の一端面がフランジ部５ｂに当接され、前記内輪の他端面が止め輪２１により位置決めされている。

翼軸５の小径部５ｄに他方の軸受８の内輪内径面が嵌合されている。この軸受８の内輪の一端面と、傘歯車６ａの円筒部の端面との間に、間座２２が設けられている。さらに小径部５ｄの先端側の外周面に雄ねじが形成され、この雄ねじにナット部材２３を螺合することで、軸受８が軸方向に位置決めされている。

間座２２は、他方の軸受８に近い外周面部分に、半径方向に立設する環状の鍔２２ａが付設された鍔付の間座２２である。鍔２２ａの外周面は、軸方向の基端側から先端側に向かうに従って、小径となる傾斜面に形成されている。ギヤボックス本体１８の嵌合孔１８ａの先端部は、前記鍔２２ａの外周面の傾斜面に所定隙間δを隔てて対向する傾斜面に形成されている。

図５に示すように、ギヤボックス９は、食品機械用グリースＧｒを貯留するグリース溜り２４を有する。このグリース溜り２４は、ギヤボックス本体１８の底面部２５、この底面部２５に繋がる壁面部２６、および嵌合部１９のうち前記壁面部２６に対向する対向面部２７から構成される。またグリース溜り２４は、冷却が促進されるよう底面部２５の肉厚が薄くしてある。このグリース溜り２４に貯留された食品機械用グリースＧｒに、傘歯車６ａの少なくとも一部の歯が浸された状態に維持される。傘歯車６ａが回転することで、グリース溜り２４に貯留された食品機械用グリースＧｒが掻き上げられ各部に行き渡る。

なお食品機械用グリースＧｒは、図４に示す傘歯車６ａ、６ｂの各歯に予め塗布されている。軸受７，８の軸受空間にも食品機械用グリースＧｒが封入されている。但し、後述するように、軸受７，８に、用いられる食品機械用グリースＧｒと、ギヤ部６に用いられる食品機械用グリースＧｒとは、増稠剤と基油の種類が同じで、且つ、軸受７，８に用いられる食品機械用グリースＧｒよりもギヤ部６に用いられる食品機械用グリースＧｒの稠度が大きい。増稠剤の種類として、例えば、ウレア化合物、リチウム石けん、フッ素樹脂等が挙げられるが、増稠剤の種類が同じとは、軸受用およびギヤ部用の両グリース共に、増稠剤として、例えば、同じウレア化合物が適用されることを意味する。但し、前記ウレア化合物だけに限定されるものではない。基油の種類として、例えば、鉱油、エステル、ジエステル、合成油等が挙げられるが、基油の種類が同じとは、軸受用およびギヤ部用の両グリース共に、基油として、例えば、同じ鉱油が適用されることを意味する。但し、前記鉱油だけに限定されるものではない。

ギヤボックス本体１８の底面部２５には、貯留された食品機械用グリースＧｒを排出するドレン穴２５ａが設けられ、このドレン穴２５ａに図示外のドレンボルトが着脱自在に設けられている。またギヤボックス本体１８の上面部には、食品機械用グリースＧｒを給脂するための給脂穴１８ｂが設けられ、この給脂穴１８ｂにグリースニップル（図示せず）等が設けられている。ギヤボックス９内の食品機械用グリースＧｒを吸引可能なアタッチメント（図示せず）を給脂穴１８ｂに装着すれば、より容易に食品機械用グリースＧｒの交換作業ができる。新たに給脂された食品機械用グリースＧｒの一部は、重力の影響によりグリース溜り２４に貯留される。

図６は、この水力発電装置のオイルシール等の拡大断面図である。図７は、この水力発電装置のオイルシール２８と従来例のオイルシール５３の比較例を示す断面図である。図７の矢印の長さはグリース漏出速度を表し、矢印の方向はグリース漏出方向を表す。後述の図８、図９についても同じである。図４、図６および図７に示すように、この実施形態では、ギヤボックス９の嵌合部１９と、翼軸５の中径部５ａの外周面との間に、複数（この例では二枚）のオイルシール２８が設けられている。

この実施形態では、二枚のオイルシール２８，２８を装着しているため、一枚目のオイルシール２８と二枚目のシールリップ２８で区切られた部分が別空間となり、この空間のグリースが水側へ漏出しても隣接する二枚目のシールリップが障壁となり、ギヤボックス側つまり軸受側のグリースの漏出が抑制される。その結果、従来例の一枚シールより、グリースの漏出速度が遅くなり、グリースの減少も抑制される。

＜食品機械用グリースについて＞
この実施形態では、軸受７，８に用いられる食品機械用グリースとして、例えば、モービルＳＨＣシリーズのポリレー４６２（混和稠度：２８０）が用いられ、ギヤ部６に用いられる食品機械用グリースとして、ポリレー００５（混和稠度：４１５）を用いている。各グリースは、共にポリレーシリーズのグリースで、互いに混じりあっても性能に及ぼす影響は殆ど無い。

図４に示すように、軸受７は、少なくともギヤ部側の一側面にシール部材７ａを備えているため、軸受７用の食品機械用グリースと、ギヤ部６用の食品機械用グリースとが混じり難くなる。また、間座２２に鍔２２ａを付ける等により、軸受８用の食品機械用グリースと、ギヤ部６用の食品機械用グリースとが混じり難くなる。なお、前述の食品機械用グリースの他に、ＮＯＫクリューバーのクリューバーフードＮＨ１ ９４−３０１、フックスルブリテックのカシーダグリースＥＰＳ ００を用いることもできる。

また、実施形態の食品機械用グリースの稠度差は１３５であるが、稠度差が１０５を超え１６５未満の範囲に有れば、有効な潤滑特性が得られる。稠度差による潤滑特性の良否を表１に示す。この試験条件は、以下の通りである。
試験条件；１３０ｍｉｎ^−１ 、試験時間：１０００時間
表１おいて、「最適」の判断基準はＦｅの含有量において０．１ｗｔ％以下、「適」の判断基準は同０．１〜０．４ｗｔ％、「不適」の判断基準は同０．４ｗｔ％以上である。

＜作用効果について＞
以上説明した水力発電装置によれば、ギヤボックス９内において、軸受７，８用の食品機械用グリースと、ギヤ部６用の食品機械用グリースとは、増稠剤と基油の種類が同じとしている。但し、軸受７，８用の食品機械用グリースよりもギヤ部６用の食品機械用グリースの稠度が大きい。ギヤ部６に用いた稠度が大きい柔らかい食品機械用グリースは、ギヤ歯面への潤滑供給性が良好となり、ギヤ部６の過度の昇温等が抑制される。軸受７，８に用いた稠度が小さい硬い食品機械用グリースは、軸受７，８から漏出することが抑制され、軸受７，８の潤滑性能が維持される。

またギヤボックス９内において、軸受７，８用の食品機械用グリースと、ギヤ部６用の食品機械用グリースとが混じり合うことがあっても、両グリースは増稠剤と基油の種類が同じであるため、性能に及ぼす影響はほとんど無い。
したがって、水力発電装置を保守点検する期間を長く延ばして、容易に維持することができる。

軸受７は、少なくともギヤ部６側の一側面にシール部材７ａを備えたため、シール部材７ａにより、軸受７用の食品機械用グリースと、ギヤ部６用の食品機械用グリースとが混じり難くなるため、ギヤ部６および軸受７の潤滑性能を維持するうえでより望ましい。
ギヤボックス９のギヤ部付近部にグリース溜り２４を備え、このグリース溜り２４に食品機械用グリースを貯留しておくことで、ギヤ歯面に食品機械用グリースが確実に供給される。グリース溜り２４は、冷却が促進されるよう底面部２５の肉厚が薄くしてあるため、食品機械用グリースの水冷効果が得られ易い。

ギヤボックス９には、食品機械用グリースを排出するドレン穴２５ａが設けられているため、水力発電装置のメンテナンス時において、古い食品機械用グリースをドレン穴２５ａから容易に排出することができる。ギヤボックス本体１８の上面部には、食品機械用グリースを給脂するための給脂穴１８ｂが設けられているため、容易に食品機械用グリースの交換作業ができる。
ギヤボックス９内への水の浸入を防ぐ複数のオイルシール２８が前記翼軸５に設けられているため、一枚のオイルシールが翼軸に設けられた構成よりも食品機械用グリースの漏出速度が遅くなり、ギヤボックス９内の食品機械用グリースの減少も抑制される。

＜他の実施形態について＞
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

図８に示すように、オイルシール２８，２８間の距離（軸方向の距離）を、前述の実施形態よりも広げ、オイルシール２８，２８間に食品機械用グリースを充填しておいても良い。換言すれば、二枚のオイルシール２８，２８間をグリース溜り２９としても良い。この場合、二枚のオイルシール２８，２８間をグリース溜り２９が障壁となることで、前述の実施形態よりも、グリースの漏出速度がさらに遅くなり、グリースの減少もさらに抑制される。

図９に示すように、翼軸５の外周面のうち、水と接触するオイルシール２８の前（上流側）に、グリース拡散抑制用のＯリング３０等を配設しても良い。この場合、図７の実施形態よりも、グリースの漏出速度がさらに遅くなり、グリースの減少もさらに抑制される。

オイルシール２８を三枚以上設けても良い。
軸受７は、ギヤ部６側の一側面のみにシール部材７ａを備えた片側シールとしても良い。
シール部材７ａは、芯金を覆う弾性体から成るシールとしても良い。
軸受７，８は、それぞれ深溝玉軸受以外の転がり軸受を適用することも可能である。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２…翼車
５…翼軸
６…ギヤ部
７，８…軸受
７ａ…シール部材
９…ギヤボックス
１０…発電機
２４…グリース溜り
２５ａ…ドレン穴
２８…オイルシール

Claims (5)

1. 水力を回転力に変換する翼車と、
   この翼車に取り付けられ軸受により回転自在に支持される翼軸と、
   この翼軸の回転を増速するギヤ部と、
   このギヤ部に連結されて発電する発電機と、を備えた水力発電装置において、
   前記翼軸、前記軸受、および前記ギヤ部を収容するギヤボックスを備え、このギヤボックス内に食品機械用グリースが用いられ、前記ギヤボックス内における、前記軸受に用いられる食品機械用グリースと、前記ギヤ部に用いられる食品機械用グリースとは、増稠剤と基油のいずれも種類が同じで、且つ、前記軸受に用いられる食品機械用グリースよりも前記ギヤ部に用いられる食品機械用グリースの稠度が大きい水力発電装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置において、前記軸受は、少なくとも前記ギヤ部側の一側面にシール部材を備えた水力発電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の水力発電装置において、前記ギヤボックスは、ギヤ部付近部に、食品機械用グリースを貯留するグリース溜りを有する水力発電装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水力発電装置において、前記ギヤボックスには、前記食品機械用グリースを排出するドレン穴が設けられている水力発電装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水力発電装置において、前記ギヤボックス内への水の浸入を防ぐ複数のオイルシールが前記翼軸に設けられた水力発電装置。
   

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