JP2022060818A - Spindle water sealing device of hydraulic machine and hydraulic machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態は、水力機械の主軸封水装置および水力機械に関する。 Embodiments of the present invention relate to a spindle water sealing device of a hydraulic machine and a hydraulic machine.
水車またはポンプ水車等の水力機械のランナに連結された主軸には、主軸封水装置が設けられている。主軸封水装置は、ランナを作動させる作動水が、外部に漏洩することを抑制するための装置である。主軸封水装置は、作動水の漏洩を抑制するだけでなく、ポンプ水車の調相運転時に空転するランナ内の圧縮空気が外部に漏洩することを抑制するという機能も有している。 A spindle water sealing device is provided on the spindle connected to the runner of a hydraulic machine such as a turbine or a pump turbine. The spindle water sealing device is a device for suppressing the leakage of the working water that operates the runner to the outside. The spindle water sealing device not only suppresses the leakage of working water, but also has the function of suppressing the leakage of compressed air in the runner that spins during the phase adjustment operation of the pump turbine to the outside.
このような主軸封水装置は、径方向シール構造を採用している装置と、軸方向シール構造を採用している装置と、に分類される。 Such a spindle water sealing device is classified into a device adopting a radial seal structure and a device adopting an axial seal structure.
径方向シール構造では、主軸の周方向に複数のセグメントが配列されている。各々のセグメントが、主軸に向かって径方向に押圧され、これにより、外部に作動水が漏洩することを抑制している。しかしながら、径方向シール構造では、互いに隣り合うセグメント同士の間に隙間が形成される。この隙間を通って作動水が外部に漏洩し得る。この隙間を小さくすることが困難であるため、径方向シール構造では、作動水の漏洩量の低減が困難になり得る。 In the radial seal structure, a plurality of segments are arranged in the circumferential direction of the spindle. Each segment is pressed radially toward the spindle, thereby suppressing the leakage of working water to the outside. However, in the radial seal structure, a gap is formed between the segments adjacent to each other. Working water may leak to the outside through this gap. Since it is difficult to reduce this gap, it may be difficult to reduce the amount of leakage of working water in the radial seal structure.
軸方向シール構造では、静止側シール部材と回転側シール部材とが、主軸の軸方向に対向して配置される。静止側シール部材と回転側シール部材とが軸方向に押圧され、これにより、外部に作動水が漏洩することを抑制している。静止側シール部材および回転側シール部材はそれぞれ、リング状に形成される。より詳細に説明すると、静止側シール部材および回転側シール部材はそれぞれ、周方向に複数に分割されており、静止側シール部材および回転側シール部材のそれぞれに、隙間が形成される。しかしながら、これらの隙間は、小さくすることができる。このため、軸方向シール構造では、作動水の漏洩量を効果的に低減することができる。 In the axial seal structure, the stationary side seal member and the rotary side seal member are arranged so as to face each other in the axial direction of the main shaft. The stationary side sealing member and the rotating side sealing member are pressed in the axial direction, thereby suppressing leakage of working water to the outside. The stationary side sealing member and the rotating side sealing member are each formed in a ring shape. More specifically, the stationary side sealing member and the rotating side sealing member are each divided into a plurality of parts in the circumferential direction, and a gap is formed in each of the stationary side sealing member and the rotating side sealing member. However, these gaps can be made smaller. Therefore, in the axial seal structure, the amount of leakage of the working water can be effectively reduced.
このように主軸封水装置が作動水の漏洩量を低減することにより、水力機械の効率が向上できる。一般に、作動水の漏洩量は、ランナ内を流れる作動水の流量に比べて無視できる程度に小さい。このため、主軸封水装置に求められるニーズとしては、作動水の漏洩に起因した水力機械の保全に係るコストを抑制することが挙げられる。 As described above, the spindle water sealing device reduces the amount of leakage of the working water, so that the efficiency of the hydraulic machine can be improved. In general, the amount of hydraulic water leaked is negligibly small compared to the flow rate of the hydraulic water flowing through the runner. Therefore, one of the needs for the spindle water sealing device is to suppress the cost related to the maintenance of the hydraulic machine due to the leakage of the working water.
例えば、軸方向シール構造では、回転側シールリングが静止側シールリングに対して回転摺動する。このことにより、回転側シールリングと静止側シールリングとの接触面であるシール面が摩擦によって発熱し、シール面が焼損する可能性が考えられる。このため、回転側シールリングと静止側シールリングとの間の隙間に冷却用の水を供給し、シール面を除熱することが行われる。ポンプ水車では、ランナ内の作動水の圧力が比較的高いことから、主軸封水装置内の作動水の圧力も高くなり得る。この場合、作動水の漏洩を抑制するためにシール面の押圧力が高められ、シール面の温度が上昇し得る。シール面の除熱が不十分である場合には、シール面が焼損する可能性もある。 For example, in the axial seal structure, the rotary side seal ring rotates and slides with respect to the stationary side seal ring. As a result, it is conceivable that the sealing surface, which is the contact surface between the rotating side sealing ring and the stationary side sealing ring, generates heat due to friction, and the sealing surface may be burnt out. Therefore, cooling water is supplied to the gap between the rotating side sealing ring and the stationary side sealing ring to remove heat from the sealing surface. In a pump turbine, the pressure of the working water in the runner is relatively high, so that the pressure of the working water in the spindle sealing device can also be high. In this case, the pressing force of the sealing surface is increased in order to suppress the leakage of the working water, and the temperature of the sealing surface may rise. If the heat removal of the sealing surface is insufficient, the sealing surface may be burnt out.
また、作動水には、土砂が混入する。このため、静止側シールリングと回転側シールリングとの間の隙間に土砂を含んだ水が流入し得る。この場合、シール面の摩耗を促進するおそれがある。 In addition, earth and sand are mixed in the working water. Therefore, water containing earth and sand may flow into the gap between the stationary side seal ring and the rotating side seal ring. In this case, wear of the sealing surface may be accelerated.
実施の形態は、このような点を考慮してなされたものであり、シール面を除熱することができるとともにシール面への土砂混入を抑制することができる水力機械の主軸封水装置および水力機械を提供することを目的とする。 The embodiment is made in consideration of such a point, and is a spindle water sealing device and hydraulic power of a hydraulic machine capable of removing heat from the sealing surface and suppressing sediment from being mixed into the sealing surface. The purpose is to provide a machine.
実施の形態による水力機械の主軸封水装置は、水力機械のランナに連結された主軸に設けられ、ランナと上カバーとの間に形成される背圧室内の作動水の外部への漏洩を抑制する装置である。水力機械の主軸封水装置は、背圧室から作動水が流入する入口室と、外部に連通した外部連通口と、入口室と外部連通口との間に設けられた加圧室と、を備えている。入口室と加圧室との間に、第1シール部が設けられている。第1シール部は、主軸の軸方向に垂直な第1シール面を含んでいる。加圧室と外部連通口との間に第2シール部が設けられている。第2シール部は、主軸の軸方向に垂直な第2シール面を含んでいる。加圧室に、加圧水供給部によって加圧水が供給される。 The main shaft water sealing device of the hydraulic machine according to the embodiment is provided on the main shaft connected to the runner of the hydraulic machine, and suppresses the leakage of the working water in the back pressure chamber formed between the runner and the upper cover to the outside. It is a device to do. The main shaft water sealing device of a hydraulic machine has an inlet chamber into which working water flows from the back pressure chamber, an external communication port communicating with the outside, and a pressurizing chamber provided between the inlet chamber and the external communication port. I have. A first seal portion is provided between the entrance chamber and the pressurizing chamber. The first seal portion includes a first seal surface perpendicular to the axial direction of the main shaft. A second seal is provided between the pressurizing chamber and the external communication port. The second seal portion includes a second seal surface perpendicular to the axial direction of the main shaft. Pressurized water is supplied to the pressurized chamber by the pressurized water supply unit.
実施の形態による水力機械は、ランナと、ランナに連結された主軸と、ランナの上方に位置する上カバーと、上述した水力機械の主軸封水装置と、を備えている。 The hydraulic machine according to the embodiment includes a runner, a spindle connected to the runner, an upper cover located above the runner, and a spindle water sealing device for the hydraulic machine described above.
実施の形態によれば、シール面を除熱することができるとともにシール面への土砂混入を抑制することができる。 According to the embodiment, heat can be removed from the sealing surface and sediment contamination on the sealing surface can be suppressed.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械の主軸封水装置および水力機械について説明する。 Hereinafter, the spindle water sealing device and the hydraulic machine of the hydraulic machine according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1~図3を用いて、本実施の形態における水力機械の主軸封水装置および水力機械について説明する。ここでは、まず、図1を用いて水力機械の一例であるフランシス水車について説明する。 The spindle water sealing device and the hydraulic machine of the hydraulic machine according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. Here, first, a Francis turbine, which is an example of a hydraulic machine, will be described with reference to FIG.
図1に示すように、フランシス水車1は、水車運転時に上池から水圧鉄管(いずれも図示せず)を通って作動水が流入する渦巻き状のケーシング2と、複数のステーベーン3と、複数のガイドベーン4と、ランナ5と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the Francis
ステーベーン3は、ケーシング2に流入した作動水をガイドベーン4およびランナ5に導くための部材である。ステーベーン3は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ステーベーン3の間に作動水が流れる流路が形成されている。
The stay vane 3 is a member for guiding the working water flowing into the
ガイドベーン4は、流入した作動水をランナ5に導くための部材である。ガイドベーン4は、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ガイドベーン4の間には、作動水が流れる流路が形成されている。各ガイドベーン4は、回動可能に構成されており、各ガイドベーン4が回動して開度を変えることにより、ランナ5に流入する作動水の流量が調整可能になっている。このようにして、後述する発電機7の発電量が調整可能になっている。
The guide vane 4 is a member for guiding the inflowing working water to the
ランナ5は、ケーシング2に対して回転軸線Xを中心に回転可能に構成されている。ランナ5は、水車運転時にケーシング2から流入する作動水によって回転駆動される。すなわち、ランナ5は、ランナ5に流入する作動水の圧力エネルギを回転エネルギへと変換するための部材である。
The
ランナ5は、後述する主軸6に連結されたクラウン5aと、クラウン5aの外周側に設けられたバンド5bと、クラウン5aとバンド5bとの間に設けられた複数のランナ羽根5cと、を有している。このうちランナ羽根5cは、周方向に所定の間隔を開けて配置されている。ランナ羽根5cの間には、作動水が流れる流路が形成されている。
The
ランナ5には、主軸6が連結されている。主軸6は、ランナ5とともに、上下方向に延びる回転軸線Xを中心に回転可能に構成されている。主軸6は、回転軸線Xに沿う方向(以下、軸方向dと称する)に沿って延びている。
A
主軸6には、発電機7が連結されている。この発電機7は、水車運転時には、ランナ5の回転エネルギが伝達されて発電を行うように構成されている。
A
なお、発電機7は、電動機としての機能をも有し、電力が供給されることによりランナ5を回転駆動するように構成されていてもよい。この場合、吸出し管8を介して下池の作動水を吸い上げて上池に放出させることができ、フランシス水車1を、ポンプ水車としてポンプ運転(揚水運転)することが可能になる。この際、ガイドベーン4の開度は、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。
The
ランナ5の水車運転時の下流側には、吸出し管8が設けられている。この吸出し管8は、図示しない下池または放水路に連結されており、ランナ5を回転駆動した作動水が、圧力を回復して、下池または放水路に放出されるようになっている。
A
図2に示すように、ランナ5のクラウン5aの上方に、上カバー9が設けられている。ランナ5のクラウン5aと上カバー9との間に、背圧室10が設けられている。背圧室10には、発電運転時にガイドベーン4の流路を流れた作動水の一部が漏れ流れとして流入する。より具体的には、ガイドベーン4とランナ5との間に隙間が形成されており、この隙間から背圧室10に作動水が流入する。この背圧室10に流入した作動水が、外部に漏洩することを抑制するために、後述する主軸封水装置20が主軸6に設けられている。
As shown in FIG. 2, an
次に、図2および図3を用いて、本実施の形態による水力機械の主軸封水装置(以下、単に主軸封水装置20と記す)について説明する。主軸封水装置20は、上述した主軸6に設けられ、ランナ5と上カバー9との間に形成された背圧室10内の作動水の外部への漏洩を抑制するための装置である。
Next, with reference to FIGS. 2 and 3, the spindle water sealing device of the hydraulic machine according to the present embodiment (hereinafter, simply referred to as the spindle water sealing device 20) will be described. The spindle
図2に示すように、主軸封水装置20は、入口室21と、外部連通口22と、加圧室23と、下側シール部40と、下側シール押圧部50、上側シール部60と、上側シール押圧部70、加圧水供給部80と、排気部90と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the spindle
入口室21には、背圧室10から作動水が流入する。入口室21は、主として、ランナ5のクラウン5aと、上カバー9と後述するカップリングカバー28とによって区画されていてもよい。入口室21は、カップリングカバー28によって、下側入口室24と上側入口室25とに区画されている。下側入口室24と上側入口室25とは、カップリングカバー28と上カバー9との間の隙間を介して連通している。このことにより、下側入口室24内の作動水は、カップリングカバー28と上カバー9との間の隙間を通って上側入口室25に流入する。上側入口室25内の作動水の圧力と、下側入口室24内の作動水の圧力は、実質的に等しくなる。
Working water flows into the
入口室21と背圧室10とは、シールライナ26によって区画されている。シールライナ26は、背圧室10から下側入口室24に作動水が流入することを抑制している。しかしながら、シールライナ26とクラウン5aとの間に隙間が形成されているとともに、シールライナ26と上カバー9との間に隙間が形成されている。これらの隙間を通って、背圧室10内の作動水の一部は、下側入口室24に流入する。この際、作動水は、シールライナ26によって減圧されて下側入口室24に流入する。
The
下側入口室24には、バランスホール27が連通している。バランスホール27は、主軸6に形成されている。下側入口室24内の作動水の一部は、バランスホール27を通って、ランナ羽根5cの下流側部分に流出する。
A
主軸6には、カップリングカバー28が取り付けられている。カップリングカバー28は、主軸6をランナ5のクラウン5aに連結する締結部材11を覆っている。カップリングカバー28は、軸方向dで見たときにリング状に形成されており、断面視では、逆L字状に形成されている。カップリングカバー28の外周面は、上カバー9の内周面に近接しているが、カップリングカバー28と上カバー9との間の隙間には、流体が流通可能になっている。
A
外部連通口22は、主軸封水装置20の外部に連通している。外部連通口22は、主軸封水装置20の上部に位置している。外部連通口22は、連通口区画部材29によって区画されている。
The
加圧室23は、入口室21と外部連通口22との間に設けられている。加圧室23には、加圧水供給部80から加圧水が供給される。このため、加圧室23内の圧力は、入口室21内の圧力より高くなっている。加圧室23は、主として、上カバー9と、カップリングカバー28と、主軸6の外周面に設けられたスリーブ30と、ハウジング31と、下側リテーナ32と、装置カバー33と、上側リテーナ34と、メイティングリング35と、によって区画されていてもよい。
The pressurizing
ハウジング31は、上カバー9に固定されている。ハウジング31は、第1固定部材の一例である。ハウジング31は、上カバー9の上端部に取り付けられた外周側部31aと、外周側部31aから主軸6に向かって径方向内側に延びる内周側部31bと、を含んでいる。外周側部31aと内周側部31bとの間の部分から上方に壁部31cが延びている。外周側部31aと内周側部31bと壁部31cとによってハウジング31が構成されており、ハウジング31は、断面視で逆T字状に形成されている。ハウジング31は、軸方向dで見たときに、主軸6の周方向に延びるようにリング状に形成されている。
The
加圧室23は、ハウジング31の内周側部31bによって、下側加圧室36と上側加圧室37とに区画されている。下側加圧室36は、内周側部31bの下方に形成されており、上側加圧室37は、内周側部31bの上方に形成されている。下側加圧室36と上側加圧室37とは、メイティングリング35とハウジング31の内周側部31bとの間の隙間を介して連通している。このことにより、上側加圧室37内の加圧水は、メイティングリング35と内周側部31bとの間の隙間を通って下側加圧室36に流入する。上側加圧室37内の加圧水の圧力と、下側加圧室36内の加圧水の圧力は、実質的に等しくなる。
The pressurizing
図3に示すように、ハウジング31の外周側部31aと上カバー9との間には、シールリングs1が設けられている。このことにより、外周側部31aと上カバー9との間の隙間を流体が流通することを抑制している。
As shown in FIG. 3, a seal ring s1 is provided between the outer
図2および図3に示すように、下側リテーナ32は、ハウジング31の下方であって、上カバー9の内周側に設けられている。下側リテーナ32は、第1保持部材の一例である。下側リテーナ32は、ハウジング31に対して軸方向dに移動可能になっている。より具体的には、下側リテーナ32は、軸方向dで見たときに、主軸6の周方向に延びるようにリング状に形成されている。下側リテーナ32の外周面に、スライドガイド38が設けられている。スライドガイド38は、上カバー9の円筒状の内周面に対して摺動可能になっている。下側リテーナ32は、カップリングカバー28の上方に位置しており、カップリングカバー28に対向している。下側リテーナ32は、その下面で後述する下側シールリング42を保持している。このようにして、下側リテーナ32は、下側シールリング42とともに、ハウジング31および上カバー9に対して軸方向dに移動可能に構成されている。スライドガイド38は、シール性能を有している。すなわち、スライドガイド38は、スライドガイド38と上カバー9の内周面との間の隙間を流体が流通することを抑制している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図2に示すように、装置カバー33は、上カバー9にハウジング31を介して固定されている。装置カバー33は、第2固定部材の一例である。装置カバー33は、ハウジング31の壁部31cの上端部に取り付けられている。装置カバー33は、断面視で、径方向に延びており、壁部31cよりも径方向内側に延びている。装置カバー33は、軸方向dで見たときに、主軸6の周方向に延びるようにリング状に形成されている。図3に示すように、装置カバー33とハウジング31の壁部31cの上端部との間には、シールリングs2が設けられている。このことにより、壁部31cと装置カバー33との間の隙間を流体が流通することを抑制している。図2に示すように、装置カバー33の上面に、上述した連通口区画部材29が取り付けられている。
As shown in FIG. 2, the
上側リテーナ34は、装置カバー33の内周側に設けられている。上側リテーナ34は、第2保持部材の一例である。上側リテーナ34は、装置カバー33に対して軸方向dに移動可能になっている。より具体的には、上側リテーナ34は、軸方向dで見たときに、主軸6の周方向に延びるようにリング状に形成されている。上側リテーナ34の外周面が、装置カバー33の内周面に対して摺動可能になっている。上側リテーナ34は、その下面で、後述する上側シールリング62を保持している。このようにして、上側リテーナ34は、上側シールリング62とともに装置カバー33に対して軸方向dに移動可能に構成されている。上側リテーナ34と装置カバー33との間には、シールリングs3が設けられている。このことにより、上側リテーナ34と装置カバー33との間の隙間を流体が流通することを抑制している。なお、上側リテーナ34は、上側リテーナ本体34aと、上側リテーナ本体34aの下部から径方向外側に延びる上側ばね受け34bと、を含んでいる。上側ばね受け34bは、後述する上側ばね71の付勢力を受ける部分である。
The
メイティングリング35は、上側リテーナ34の下方に設けられている。メイティングリング35は、上述したスリーブ30に取り付けられている。メイティングリング35は、上側リテーナ34に対向している。メイティングリング35は、軸方向dで見たときにリング状に形成されており、ハウジング31の内周側部31bと同様の高さ位置に配置されている。メイティングリング35の外周面は、内周側部31bの内周面に近接しているが、メイティングリング35と内周側部31bとの間の隙間には、流体が流通可能になっている。
The
図2および図3に示すように、下側シール部40は、入口室21と加圧室23との間に設けられている。下側シール部40は、第1シール部の一例である。下側シール部40は、上側入口室25と下側加圧室36との間で流体が流通することを抑制している。下側シール部40は、主軸6の軸方向dに垂直な下側シール面41を含んでいる。下側シール面41は、第1シール面の一例である。下側シール部40は、軸方向シール構造を有している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
下側シール部40は、下側リテーナ32に保持された下側シールリング42と、主軸6に保持された下側スライディングリング43と、を含んでいる。下側シールリング42は、第1静止側シール部材の一例であり、下側スライディングリング43は、第1回転側シール部材の一例である。下側シールリング42と下側スライディングリング43との接触面が、上述した下側シール面41を構成している。より具体的には、下側スライディングリング43が、下側シールリング42の下方に位置している。下側シールリング42の下面と下側スライディングリング43の上面とにより、下側シール面41が構成されている。
The
下側シールリング42は、下側リテーナ32の下方に位置しており、下側リテーナ32の下面に保持されている。下側シールリング42は、滑り性が良好な樹脂材料で形成されていてもよい。また、下側シールリング42は、軸方向dで見たときに、全体としてリング状に形成されている。下側シールリング42は、主軸6の周方向に配列された複数の部材に分割されていてもよい。
The
下側スライディングリング43は、カップリングカバー28の上方に位置しており、カップリングカバー28の上面に保持されている。下側スライディングリング43は、滑り性が良好な金属材料で形成されていてもよい。また、下側スライディングリング43は、軸方向dで見たときに、全体としてリング状に形成されている。下側スライディングリング43は、主軸6の周方向に配列された複数の部材に分割されていてもよい。
The lower sliding
下側シールリング42の材料と下側スライディングリング43の材料は、両者の組み合わせで動摩擦係数が小さくなるように選定されていてもよい。この場合、シール面の摩擦による発熱を抑制することができ、求められる除熱量を低減することができる。また、下側シールリング42の材料と下側スライディングリング43の材料は、両者の組み合わせで耐土砂摩耗性が高くなるように選定されていてもよい。
The material of the
下側シール押圧部50は、下側シール面41に押圧力を作用させる。下側シールリング42と下側スライディングリング43とは、下側シール押圧部50によって軸方向dに互いに押圧されている。下側シール押圧部50は、第1シール押圧部の一例である。本実施の形態による下側シール押圧部50は、下側シールリング42を、下側スライディングリング43に向かって下方に押圧している。主軸6の周方向に、複数の下側シール押圧部50が配列されていてもよい。
The lower
下側シール面41の面圧は、後述する上側シール面61の面圧よりも低くなっていてもよい。ここで下側シール面41の面圧とは、下側シール面41に作用する単位面積当たりの押圧力を意味する。後述する上側シール面61の面圧も同様である。
The surface pressure of the
下側シール押圧部50は、ハウジング31に対して下側リテーナ32を下側スライディングリング43に向けて押圧する。例えば、図3に示すように、下側シール押圧部50は、ロッド51と、下側ばね受け52と、下側ばね53と、を含んでいてもよい。
The lower
ロッド51は、下側リテーナ32に取り付けられている。ロッド51の下部におねじ部が形成されており、このおねじ部が、下側リテーナ32に設けられたねじ孔に螺合している。ロッド51は、ロッド51のおねじ部にナット54が締め付けられており、このナット54によって下側リテーナ32へのロッド51の緩み止めが施されている。
The
ロッド51は、軸方向dに延びている。そして、ロッド51は、ハウジング31の内周側部31bを貫通して、内周側部31bよりも上方に延びている。
The
下側ばね受け52は、ロッド51に取り付けられている。下側ばね受け52は、第1受け部の一例である。下側ばね受け52は、ハウジング31の内周側部31bの上方に位置している。下側ばね受け52は、2つのナット52aで構成されていてもよい。2つのナット52aは、ロッド51の上部に設けられたおねじ部に締め付けられている。
The
下側ばね53は、下側ばね受け52とハウジング31の内周側部31bとの間に介在されている。下側ばねは、付勢部材の一例である。下側ばね53は、コイル状に形成されており、下側ばね53の内側にロッド51が貫通している。下側ばね53は、内周側部31bの上面と下側ばね受け52の下面を押圧している。ロッド51は、下側ばね53から上方に向く付勢力を受けている。
The
下側シール押圧部50は、下側シール面41の面圧を調整可能になっている。より具体的には、上述した下側ばね受け52を上下方向に移動させることにより、下側ばね53の付勢力の大きさを調整することができる。すなわち、下側シールリング42が下側スライディングリング43を押圧する押圧力は、下側リテーナ32の自重から下側ばね53の付勢力を差し引いた力に相当する。このため、下側ばね53の付勢力の大きさを調整することにより、下側シールリング42が下側スライディングリング43を押圧する押圧力を調整することができる。この結果、下側シール面41の面圧を調整することができる。下側ばね受け52を移動させる場合には、例えば、装置カバー33をハウジング31から取り外してもよい。
The lower
図2および図3に示すように、上側シール部60は、加圧室23と外部連通口22との間に設けられている。上側シール部60は、第2シール部の一例である。上側シール部60は、上側加圧室37と外部連通口22との間で流体が流通することを抑制している。上側シール部60は、主軸6の軸方向dに垂直な上側シール面61を含んでいる。上側シール面61は、第2シール面の一例である。上側シール部60は、軸方向dシール構造を有している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
上側シール部60は、上側リテーナ34に保持された上側シールリング62と、主軸6に保持された上側スライディングリング63と、を含んでいる。上側シールリング62は、第2静止側シール部材の一例であり、上側スライディングリング63は、第2回転側シール部材の一例である。上側シールリング62と上側スライディングリング63との接触面が、上述した上側シール面61を構成している。より具体的には、上側スライディングリング63が、上側シールリング62の下方に位置している。上側シールリング62の下面と上側スライディングリング63の上面とにより、上側シール面61が構成されている。
The
上側シールリング62は、上側リテーナ34の下方に位置しており、上側リテーナ34の下面に保持されている。上側シールリング62は、上述した下側シールリング42と同様に構成されていてもよい。
The
上側スライディングリング63は、メイティングリング35の上方に位置しており、メイティングリング35の上面に保持されている。上側スライディングリング63は、上述した下側スライディングリング43と同様に構成されていてもよい。
The upper sliding
上側シール押圧部70は、上側シール面61に押圧力を作用させる。上側シールリング62と上側スライディングリング63とは、上側シール押圧部70によって軸方向dに互いに押圧されている。上側シール押圧部70は、第2シール押圧部の一例である。本実施の形態による上側シール押圧部70は、上側シールリング62を、上側スライディングリング63に向かって下方に押圧している。主軸6の周方向に、複数の上側シール押圧部70が配列されていてもよい。
The upper
上側シール押圧部70は、装置カバー33に対して上側リテーナ34を上側スライディングリング63に向けて押圧する。例えば、図3に示すように、上側シール押圧部70は、上側ばね71を含んでいてもよい。上側シール面61の面圧は、下側シール面41の面圧よりも高くなっていてもよい。
The upper
上側ばね71は、上側リテーナ34と装置カバー33との間に介在されている。より具体的には、上側リテーナ34の上側ばね受け34bと、装置カバー33の内周側部31bとの間に、上側ばね71が介在されている。上側ばね71は、コイル状に形成されており、上側ばね受け34bと装置カバー33の内周側部31bとを押圧している。上側シールリング62は、上側ばね71から下方に向く付勢力を受けている。
The
図2に示すように、加圧水供給部80は、加圧室23に加圧水を供給するように構成されている。例えば、加圧水供給部80は、吸出し管8内の作動水を加圧して、加圧水として加圧室23に供給してもよい。より具体的には、加圧水供給部80は、取水口81と、供給口82と、供給ライン83と、加圧ポンプ84と、ストレーナ85と、を含んでいてもよい。
As shown in FIG. 2, the pressurized
取水口81は、図1に示すように、吸出し管8に設けられている。吸出し管8のうち、曲がり部よりも下流側の部分に取水口81が設けられていてもよい。
As shown in FIG. 1, the
供給口82は、図2に示すように、加圧室23に設けられている。供給口82は、上側加圧室37に設けられていてもよい。この場合、上側加圧室37に、加圧水が供給される。しかしながら、供給口82は、下側加圧室36に設けられていてもよい。
As shown in FIG. 2, the
供給ライン83は、取水口81と供給口82とを連通しており、取水口81から取り込まれた作動水を、供給口82に供給する。供給ライン83には、加圧ポンプ84が設けられており、作動水が加圧される。また、供給ライン83には、ストレーナ85が設けられており、作動水中に含まれる異物が除去される。異物としては、例えば、小石または砂などの土砂が挙げられる。ストレーナ85は、加圧ポンプ84の下流側に設けられていてもよく、または加圧ポンプ84の上流側に設けられていてもよい。
The
このようにして、加圧水供給部80は、吸出し管8内の作動水を加圧して加圧室23に供給する。こんことにより、加圧室23内の圧力は、入口室21内の圧力よりも高くなる。加圧室23内の圧力の調整は、加圧ポンプ84の吐出力の調整によって行われてもよい。
In this way, the pressurized
また、加圧室23内の圧力を調整することにより、上側シール面61の面圧を調整することができる。すなわち、上側シールリング62が上側スライディングリング63を押圧する押圧力は、上側ばね71の付勢力から加圧室23の圧力を差し引いた力に相当する。このことにより、加圧室23内の圧力を増大させることによって、上側シール面61の面圧を低減することができる。一方、加圧室23内の圧力を低減させることによって、上側シール面61の面圧を増大させることができる。加圧室23内の圧力を調整した場合には、下側シール面41の面圧も変化する。このため、下側シール押圧部50の下側ばね受け52の位置を調整することにより、下側シール面41の面圧を調整することができる。この場合、下側シール面41の面圧を、上側シール面61の面圧よりも低くすることができる。
Further, by adjusting the pressure in the pressurizing
排気部90は、入口室21内の気体を外部に排出するように構成されている。例えば、排気部90は、排気口91と、排気ライン92と、排気弁93と、を含んでいてもよい。
The
排気口91は、図2に示すように、入口室21に設けられている。排気口91は、上側入口室25に設けられていてもよい。
As shown in FIG. 2, the
排気ライン92は、排気口91に連通しており、排気口91から、入口室21内の気体を外部に排出する。排気ライン92には、排気弁93が設けられている。例えば、ポンプ水車の調相運転時にランナ5を空転させる場合、フランシス水車1内の流路に空気が充満する。調相運転を終了した後には、排気弁93を開くことにより、流路内の空気を、入口室21および排気ライン92を介して外部に排出することができる。このことにより、フランシス水車1の流路内を作動水で迅速に充満させることができる。
The
このような構成からなる本実施の形態において、水車運転時の作動水の流れについて説明する。 In the present embodiment having such a configuration, the flow of working water during operation of the water turbine will be described.
水車運転時、ガイドベーン4の流路を流れた作動水が、ランナ5の流路に流入し、ランナ5が回転駆動される。このことにより、ランナ5は主軸6とともに、回転軸線Xを中心に回転する。ランナ5を回転駆動させた作動水は、ランナ5の流路から排出されて、吸出し管8に流入する。そして、作動水は、吸出し管8を通って、下池または放水路に放出される。
During operation of the turbine, the hydraulic water flowing through the flow path of the guide vane 4 flows into the flow path of the
ランナ5および主軸6の回転に伴い、下側シール部40の下側スライディングリング43は回転する。そして、下側シールリング42と下側スライディングリング43とにより下側シール面41が形成される。同様に、上側シール部60の上側スライディングリング63は、メイティングリング35とともに回転する。そして、上側シールリング62と上側スライディングリング63とにより上側シール面61が形成される。
As the
水車運転の間、ガイドベーン4の流路を流れた作動水の一部は、ランナ5のクラウン5aと上カバー9との間に形成された背圧室10に流入する。背圧室10内の作動水は、シールライナ26によって減圧されて、下側入口室24に流入する。下側入口室24に流入する作動水には、土砂が混入している場合がある。下側入口室24に流入した作動水の一部は、上側入口室25に流入する。
During the operation of the turbine, a part of the working water flowing through the flow path of the guide vane 4 flows into the
上側加圧室37には、加圧水供給部80によって加圧水が供給される。より具体的には、吸出し管8を流れる作動水の一部は、取水口81から取り込まれて、供給ライン83内で加圧ポンプ84によって加圧される。加圧された作動水は、ストレーナ85を通って、土砂などの異物が除去される。その後、作動水は、加圧水として、供給口82から上側加圧室37に供給される。このことにより、上側加圧室37内の圧力および下側加圧室36内の圧力が高められる。この結果、加圧室23内の圧力が、入口室21内の圧力よりも高くなる。
Pressurized water is supplied to the upper
上述したように、下側シール面41の面圧は、上側シール面61の面圧よりも低くなっている。このことにより、加圧室23内の加圧水が、下側シールリング42と下側スライディングリング43との間の隙間に流入し、当該隙間に加圧水の水膜が形成される。そして流入した加圧水は、入口室21に流出する。このことにより、下側シール面41が加圧水によって冷却され、除熱される。また、入口室21内の作動水が、加圧室23に流入することが抑制される。入口室21内の作動水は、バランスホール27からランナ5の流路に排出される。
As described above, the surface pressure of the
一方、上側シール部60の上側シール面61の面圧は、下側シール面41の面圧よりも高くなっている。このことにより、加圧室23内の加圧水が、外部連通口22に流出することが抑制される。このため、加圧室23内の圧力が低下することが抑制され、この結果、入口室21内の作動水が、加圧室23に流入することが抑制される。
On the other hand, the surface pressure of the upper sealing surface 61 of the
このように本実施の形態によれば、背圧室10に連通した入口室21と外部に連通した外部連通口22との間に加圧室23が設けられている。加圧室23と入口室21との間に下側シール部40が設けられ、加圧室23と外部連通口22との間に上側シール部60が設けられている。加圧室23には、加圧水が供給される。このことにより、加圧室23内の圧力を、入口室21内の圧力よりも高めることができ、加圧室23内の加圧水を、下側シール部40の下側シール面41に流入させることができる。このため、下側シール面41を加圧水によって効果的に除熱することができる。また、入口室21内の作動水が加圧室23に流入することを抑制できる。このため、入口室21内の作動水に土砂が混入している場合であっても、下側シール面41が土砂などによって摩耗することを抑制できる。この結果、シール面を除熱することができるとともにシール面への土砂混入を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, the pressurizing
また、本実施の形態によれば、上述したように、加圧室23内の圧力を、入口室21内の圧力よりも高めることができる。このことにより、入口室21内の作動水が、加圧室23に流入することを抑制できる。このため、水圧脈動が、上側シール部60に伝達されることを抑制でき、上側シール部60のシール性能が低下することを抑制できる。
Further, according to the present embodiment, as described above, the pressure in the pressurizing
また、本実施の形態によれば、下側シールリング42を保持する下側リテーナ32は、ハウジング31に対して軸方向dに移動可能になっており、下側シール押圧部50は、ハウジング31に対して下側リテーナ32を下側スライディングリング43に向けて押圧している。このことにより、下側シールリング42を、下側スライディングリング43に効果的に押圧することができ、下側シール面41のシール性能を効果的に高めることができる。このため、水圧脈動が、上側シール部60に伝達することをより一層抑制することができ、入口室21内の作動水が、下側シール面41に流入することをより一層抑制できる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、下側シール押圧部50は、下側シール面41の面圧を調整可能になっている。このことにより、下側シール面41の摩耗状態および上側シール面61の摩耗状態に応じて、下側シール面41のシール性能を調整することができる。また、上側シール面61の面圧を、下側シール面41の面圧よりも高くすることができる。このことにより、加圧室23内の加圧水が、外部連通口22に流出することを抑制できるとともに、入口室21に流入することができる。このため、加圧室23内の圧力を維持しながら、下側シール面41を除熱することができるとともに、下側シール面41が土砂などによって摩耗することを抑制できる。
Further, according to the present embodiment, the lower
また、本実施の形態によれば、下側シール押圧部50のロッド51に取り付けられた下側ばね受け52の位置を調整することにより、下側ばね53の付勢力の大きさを調整することができる。このため、下側シール面41の面圧を調整することができる。
Further, according to the present embodiment, the magnitude of the urging force of the
また、本実施の形態によれば、上側シールリング62を保持する上側リテーナ34は、装置カバー33に対して軸方向dに移動可能になっており、上側シール押圧部70は、装置カバー33に対して上側リテーナ34を上側スライディングリング63に向けて押圧している。このことにより、上側シールリング62を、上側スライディングリング63に効果的に押圧することができ、上側シール面61のシール性能を効果的に高めることができる。このため、加圧室23内の加圧水が、外部連通口22に流出することを抑制でき、加圧室23内の圧力を維持することができる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施の形態によれば、加圧水供給部80は、ランナ5の下流側に設けられた吸出し管8内の作動水を加圧して、加圧水として加圧室23に供給する。このことにより、加圧水に供給するための作動水を取り出すために、ランナ5の流路における作動水の流れに影響を及ぼすことを抑制できる。このため、フランシス水車1の効率が低下することを抑制できる。
Further, according to the present embodiment, the pressurized
また、本実施の形態によれば、加圧水供給部80は、加圧水中の異物を除去するストレーナ85を含んでいる。このことにより、加圧室23中の加圧水に、土砂などの異物が混入することを抑制できる。このため、下側シール面41および上側シール面61が土砂などによって摩耗することを抑制できる。
Further, according to the present embodiment, the pressurized
また、本実施の形態によれば、入口室21内の気体が、排気部90によって外部に排出される。このことにより、ポンプ水車で調相運転から発電運転に切り替える際に、フランシス水車1内の流路に充満した空気を、入口室21を介して外部に排出することができる。このため、流路内に作動水を迅速に充満させることができる。この場合、発電運転に迅速に移行させることができ、ポンプ水車においては、発電運転だけでなく揚水運転にも迅速に移行させることができる。
Further, according to the present embodiment, the gas in the
なお、上述した本実施の形態においては、主軸封水装置20は、下側シール部40と、上側シール部60と、を備えており、2段シール構造で構成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。主軸封水装置20は、3段以上の複数段シール構造を有していてもよい。
In the above-described embodiment, the spindle
また、上述した本実施の形態においては、下側シールリング42が、静止側部材である下側リテーナ32に保持され、下側スライディングリング43が、回転側部材であるカップリングカバー28に保持されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、下側シールリング42が、カップリングカバー28に保持され、下側スライディングリング43が、下側リテーナ32に保持されていてもよい。上側シールリング62および上側スライディングリング63についても同様である。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上述した本実施の形態においては、水力機械の一例としてフランシス水車1を例にとって説明したが、このことに限られることはない。本実施の形態による主軸封水装置20は、フランシス水車1以外の水車に適用されてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
以上述べた実施の形態によれば、シール面を除熱することができるとともにシール面への土砂混入を抑制することができる。 According to the above-described embodiment, heat can be removed from the sealing surface and sediment contamination on the sealing surface can be suppressed.
本発明の実施形態といくつかの変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態および変形例を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。 Although embodiments and modifications of the present invention have been described, these embodiments and modifications are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments and modifications can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof. Further, as a matter of course, it is also possible to partially and appropriately combine these embodiments and modifications within the scope of the gist of the present invention.
1:フランシス水車、5:ランナ、6:主軸、8:吸出し管、9:上カバー、10:背圧室、20:主軸封水装置、21:入口室、22:外部連通口、23:加圧室、31:ハウジング、32:下側リテーナ、33:装置カバー、34:上側リテーナ、40:下側シール部、41:下側シール面、42:下側シールリング、43:下側スライディングリング、50:下側シール押圧部、51:ロッド、52:下側ばね受け、53:下側ばね、60:上側シール部、61:上側シール面、62:上側シールリング、63:上側スライディングリング、70:上側シール押圧部、80:加圧水供給部、85:ストレーナ、90:排気部、d:軸方向 1: Francis water wheel, 5: runner, 6: spindle, 8: suction pipe, 9: top cover, 10: back pressure chamber, 20: spindle water sealing device, 21: inlet chamber, 22: external communication port, 23: addition Pressure chamber, 31: Housing, 32: Lower retainer, 33: Device cover, 34: Upper retainer, 40: Lower seal part, 41: Lower seal surface, 42: Lower seal ring, 43: Lower sliding ring , 50: Lower seal pressing part, 51: Rod, 52: Lower spring receiver, 53: Lower spring, 60: Upper seal part, 61: Upper seal surface, 62: Upper seal ring, 63: Upper sliding ring, 70: Upper seal pressing part, 80: Pressurized water supply part, 85: Strainer, 90: Exhaust part, d: Axial direction
Claims (9)
前記背圧室から前記作動水が流入する入口室と、
外部に連通した外部連通口と、
前記入口室と前記外部連通口との間に設けられた加圧室と、
前記入口室と前記加圧室との間に設けられ、前記主軸の軸方向に垂直な第1シール面を含む第1シール部と、
前記加圧室と前記外部連通口との間に設けられ、前記主軸の軸方向に垂直な第2シール面を含む第2シール部と、
前記加圧室に加圧水を供給する加圧水供給部と、を備えた、水力機械の主軸封水装置。 A spindle water sealing device for a hydraulic machine, which is provided on a spindle connected to a runner of a hydraulic machine and suppresses leakage of working water in a back pressure chamber formed between the runner and the upper cover to the outside.
An inlet chamber into which the working water flows from the back pressure chamber and
An external communication port that communicates with the outside and
A pressurizing chamber provided between the entrance chamber and the external communication port,
A first seal portion provided between the inlet chamber and the pressurizing chamber and including a first seal surface perpendicular to the axial direction of the main shaft, and a first seal portion.
A second sealing portion provided between the pressurizing chamber and the external communication port and including a second sealing surface perpendicular to the axial direction of the spindle, and a second sealing portion.
A spindle water sealing device for a hydraulic machine, comprising a pressurized water supply unit for supplying pressurized water to the pressurized chamber.
前記第1固定部材に対して前記軸方向に移動可能な第1保持部材と、
前記第1シール面に押圧力を作用させる第1シール押圧部と、を備え、
前記第1シール部は、前記第1保持部材に保持された第1静止側シール部材と、前記主軸に保持された第1回転側シール部材と、を含み、
前記第1シール押圧部は、前記第1固定部材に対して前記第1保持部材を前記第1回転側シール部材に向けて押圧する、請求項1に記載の水力機械の主軸封水装置。 The first fixing member fixed to the upper cover and
A first holding member that can move in the axial direction with respect to the first fixing member,
A first seal pressing portion that exerts a pressing force on the first sealing surface is provided.
The first seal portion includes a first stationary side seal member held by the first holding member and a first rotation side seal member held by the spindle.
The spindle water sealing device for a hydraulic machine according to claim 1, wherein the first seal pressing portion presses the first holding member against the first fixing member toward the first rotation side seal member.
前記第2固定部材に対して前記軸方向に移動可能な第2保持部材と、
前記第2シール面に押圧力を作用させる第2シール押圧部と、を備え、
前記第2シール部は、前記第2保持部材に保持された第2静止側シール部材と、前記主軸に保持された第2回転側シール部材と、を含み、
前記第2シール押圧部は、前記第2固定部材に対して前記第2保持部材を前記第2回転側シール部材に向けて押圧する、請求項1~4のいずれか一項に記載の水力機械の主軸封水装置。 The second fixing member fixed to the upper cover and
A second holding member that can move in the axial direction with respect to the second fixing member,
A second seal pressing portion that exerts a pressing force on the second sealing surface is provided.
The second seal portion includes a second stationary side seal member held by the second holding member and a second rotation side seal member held by the spindle.
The hydraulic machine according to any one of claims 1 to 4, wherein the second seal pressing portion presses the second holding member against the second fixing member toward the second rotation side seal member. Main shaft water sealing device.
前記ランナに連結された主軸と、
前記ランナの上方に位置する上カバーと、
請求項1~8のいずれか一項に記載の水力機械の主軸封水装置と、を備えた、水力機械。 With Lanna,
The spindle connected to the runner and
The upper cover located above the runner and
A hydraulic machine comprising the spindle water sealing device of the hydraulic machine according to any one of claims 1 to 8.
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