JP2024039891A - 水力機械用の軸受装置及び水力機械 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの増大を抑制しつつ、河川水に含まれる異物による主軸受の摩耗を抑制する。【解決手段】水力機械用の軸受装置は、主軸の外周に設けられ、主軸を支持する主軸受と、主軸受と主軸受を浸す潤滑水とを収容する上部水槽と、上部水槽よりもランナに近い位置に設けられ、ランナを回転駆動する河川水の一部が流入する下部水槽と、下部水槽とランナとの間の位置に設けられ、主軸の外周との間に前記河川水が流れる間隙を形成し、下部水槽に流入する河川水の流量を低減する主軸封水部と、を備える。下部水槽は、主軸封水部の間隙を通過して流入した河川水から、主軸の回転に起因して発生する河川水の旋回成分によって異物を分離する。上部水槽は、下部水槽で異物が分離された河川水を潤滑水として収容する。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、水力機械用の軸受装置及び水力機械に関する。

ランナとランナに連結された主軸とを有する水力機械に用いられる水力機械用の軸受装置が知られている。軸受装置は、水力機械の主軸の外周に設けられた主軸受と、主軸受を浸す水や油等の液体を潤滑材として収容する軸受液槽と、を有している。主軸受は、軸受液槽内で主軸の径方向に作用する荷重を受けて主軸を支持する。近年、環境への配慮により、漏油による環境汚染を避ける観点から、主軸受の潤滑材として河川水を用いる軸受装置の需要が高まっている。

ところが、河川水は土砂等の異物を含んでいることから、主軸受の潤滑材として河川水を用いた場合、異物によって主軸受が摩耗するおそれがある。このことの対策として、主軸受の材料として、異物に対する耐摩耗性の高いセラミック等を用いる方法があるが、この場合、製造コストの増大を招くおそれがある。

特開平８－３３８４２８号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、製造コストの増大を抑制しつつ、河川水に含まれる異物による主軸受の摩耗を抑制することができる水力機械用の軸受装置及び水力機械を提供することを目的とする。

実施の形態による水力機械用の軸受装置は、流入する河川水により回転駆動されるランナと、ランナの回転に伴い回転する主軸とを有する水力機械に用いられる。水力機械用の軸受装置は、主軸の外周に設けられ、主軸を支持する主軸受と、主軸受と主軸受を浸す潤滑材とを収容する上部水槽と、上部水槽よりもランナに近い位置に設けられ、ランナを回転駆動する河川水の一部が流入する下部水槽と、下部水槽とランナとの間の位置に設けられ、主軸の外周との間に河川水が流れる間隙を形成し、下部水槽に流入する河川水の流量を低減する主軸封水部と、を備える。下部水槽は、主軸封水部の間隙を通過して流入した河川水から、主軸の回転に起因して発生する河川水の旋回成分によって異物を分離する。上部水槽は、下部水槽で異物が分離された河川水を、潤滑材として収容する。

また、実施の形態による水力機械は、流入する河川水により回転駆動されるランナと、ランナの回転に伴い回転する主軸と、上述の軸受装置と、を備える。

本実施の形態によれば、製造コストの増大を抑制しつつ、河川水に含まれる異物による主軸受の摩耗を抑制することができる。

図１は、第１の実施の形態による立軸フランシス水車の子午面断面図である。 図２は、第１の実施の形態による軸受装置の正面断面図である。 図３は、図２に示される軸受水槽の水位と下池の水位との関係を示す図である。 図４は、第２の実施の形態による軸受装置の正面断面図である。 図５は、図４に示される異物落下部材を下方から見た図である。 図６は、第３の実施の形態による軸受装置の正面断面図である。 図７は、図６に示される異物流入抑制部材を下方から見た図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１～図３を用いて、第１の実施の形態による水力機械用の軸受装置及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立軸フランシス水車について説明する。

図１に示すように、立軸フランシス水車１は、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、を含んでいる。

ケーシング２は、渦巻き状に形成されている。ケーシング２は、水車運転時に、河川水Ｗが貯留される上池から水圧鉄管（いずれも図示せず）を通って河川水Ｗが流入し、流入した河川水Ｗが内部を流れるようになっている。ここで、河川水Ｗは、土砂等の異物を含んでいる場合がある。

ステーベーン３は、ケーシング２に流入した河川水Ｗをガイドベーン４及びランナ５に導くための部材である。複数のステーベーン３が、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の間には、河川水Ｗが流れる流路が形成されている。

ガイドベーン４は、流入した河川水Ｗをランナ５に導くための部材である。複数のガイドベーン４が、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、河川水Ｗ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に流入する河川水Ｗ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。

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から流入する河川水Ｗによって回転駆動される。すなわち、ランナ５は、ランナ５に流入する河川水Ｗ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。

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。複数のランナ羽根５ｃは、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ランナ羽根５ｃの間には、河川水Ｗが流れる流路が形成されている。

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の回転に伴い、上下方向に延びる回転軸線Ｘを中心に回転する。主軸６は、回転軸線Ｘに沿う方向に沿って延びている。以下の説明において、主軸６の回転軸線Ｘに沿う方向を軸方向、主軸６の半径方向を径方向、主軸６の回転方向を周方向とも称する。

主軸６には、発電機７が連結されている。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。

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を介して下池の水を吸い上げて上池に放出させることができ、立軸フランシス水車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。

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。吸出し管８は、下池９（図３参照）に連結されており、ランナ５を回転駆動させた河川水Ｗが、圧力を回復して、下池９に放出されるようになっている。

図２に示すように、ランナ５のクラウン５ａの上方には、上カバー１０が設けられている。クラウン５ａと上カバー１０との間には、背圧室１１が設けられている。背圧室１１には、水車運転時にランナ５を回転駆動する河川水Ｗの一部が流入する。この背圧室１１に流入した河川水Ｗは、後述する軸受装置２０の軸受水槽４０に供給されるようになっている。

次に、図２及び図３を用いて、本実施の形態による水力機械用の軸受装置２０（以下、単に軸受装置２０と記す）について説明する。

軸受装置２０は、ランナ５に連結された主軸６を支持するための装置である。本実施の形態による軸受装置２０は、主軸６の潤滑材として河川水Ｗを用いる。図２に示すように、軸受装置２０は、主軸受３０と、軸受水槽４０と、主軸封水部５０と、を含んでいる。

主軸受３０は、主軸６の外周に設けられている。主軸受３０は、主軸６の径方向に作用する荷重を受けて主軸６を支持する。主軸受３０の内周面は、主軸６の外周面に対向している。主軸受３０の内周面と主軸６の外周面との間には、隙間が設けられている。主軸受３０は、セグメント状に形成され、複数の主軸受３０が、周方向に沿って配列されている。なお、このことに限られることはなく、主軸受３０は、円筒状に形成され、主軸６の外周の周方向における全周にわたって設けられていてもよい。

主軸受３０の径方向における外側に、軸受支持台３２が設けられている。軸受支持台３２には、主軸受３０の径方向の位置を調整するための調整部３３が取り付けられている。調整部３３は、調整ボルト３３ａと調整ナット３３ｂとを有している。調整ボルト３３ａは、軸受支持台３２に螺合され、調整ナット３３ｂにより固定されている。調整ボルト３３ａの径方向における内側の端部は、主軸受３０の外周面に当接し、主軸受３０を径方向における内側に押圧している。調整ボルト３３ａの軸受支持台３２へのねじ込み量を調整することにより、主軸受３０の径方向の位置が調整可能になっている。軸受支持台３２の下部からは、径方向における内側に支持板３４が延びており、主軸受３０を下方から支持している。また、軸受支持台３２は、連結部材３５を介して後述する軸受水槽４０の槽本体４１に連結され、槽本体４１に支持されている。

軸受水槽４０は、主軸受３０の周囲に設けられている。軸受水槽４０は、主軸受３０を覆っている。軸受水槽４０は、主軸受３０の潤滑水である河川水Ｗを収容する。槽本体４１は、底板４１ａと、天板４１ｂと、側板４１ｃと、軸方向仕切板４１ｄ（仕切板）と、径方向仕切板４１ｅと、を有している。

底板４１ａは、軸受水槽４０の底部を構成している。底板４１ａは、軸受水槽４０の軸方向における下方の位置に設けられている。底板４１ａは、天板４１ｂ、側板４１ｃ、軸方向仕切板４１ｄ及び径方向仕切板４１ｅとは別体として構成されていてもよい。底板４１ａは、上カバー１０から延び出た支持部材１０ａにより支持されていてもよい。底板４１ａは、内側を主軸６が通るように、主軸６と同心の円環の薄板状に形成されていてもよい。底板４１ａの内周部の直径は、主軸６の直径よりも大きくなっている。このため、底板４１ａの内周部と主軸６の外周面との間には、隙間が設けられている。

天板４１ｂは、軸受水槽４０の天井部を構成している。天板４１ｂは、軸受水槽４０の軸方向における上方の位置に設けられている。天板４１ｂは、底板４１ａ、側板４１ｃ、軸方向仕切板４１ｄ及び径方向仕切板４１ｅとは別体として構成されていてもよい。天板４１ｂは、側板４１ｃの上部に取り付けられていてもよい。天板４１ｂは、内側を主軸６が通るように、主軸６と同心の円環の薄板状に形成されていてもよい。天板４１ｂの内周部の直径は、主軸６の直径よりも大きくなっている。このため、天板４１ｂの内周部と主軸６の外周面との間には、隙間が設けられている。

側板４１ｃは、軸受水槽４０の側部を構成している。側板４１ｃは、軸受水槽４０の径方向における外側の位置に設けられている。側板４１ｃは、内側に主軸６及び主軸受３０が位置するように、主軸６と同心の円筒状に形成されていてもよい。側板４１ｃの内周面は、主軸６の外周面に対向している。

軸方向仕切板４１ｄは、側板４１ｃから径方向における内側に延び出るように設けられている。軸方向仕切板４１ｄは、側板４１ｃに取り付けられていてもよい。軸方向仕切板４１ｄは、内側を主軸６が通るように、主軸６と同心の円環の薄板状に形成されていてもよい。軸方向仕切板４１ｄの外周部の直径は、側板４１ｃの内周面の直径と等しくなっている。また、軸方向仕切板４１ｄの内周部の直径は、主軸６の直径よりも大きくなっている。このため、軸方向仕切板４１ｄの内周部と主軸６の外周面との間には、隙間が設けられている。軸方向仕切板４１ｄは、軸受水槽４０の内部を軸方向に後述する上部水槽４２と後述する下部水槽４３とに仕切っている。

径方向仕切板４１ｅは、側板４１ｃよりも径方向における内側の位置に設けられている。径方向仕切板４１ｅは、軸方向仕切板４１ｄよりも軸方向における下方の位置に設けられている。すなわち、径方向仕切板４１ｅは、後述する下部水槽４３に設けられている。径方向仕切板４１ｅは、底板４１ａよりも径方向における外側の位置に設けられていてもよい。径方向仕切板４１ｅは、上カバー１０から延び出た支持部材１０ａにより支持されていてもよい。径方向仕切板４１ｅは、主軸６と同心の中空の円錐台状に形成されていてもよい。径方向仕切板４１ｅは、軸方向において下方から上方に向かうにつれて内径が大きくなるように傾斜していてもよい。径方向仕切板４１ｅは、軸受水槽４０の内部を径方向に仕切っている。より具体的には、径方向仕切板４１ｅは、下部水槽４３の内部を径方向に仕切っている。これにより、下部水槽４３の内部において、径方向仕切板４１ｅと側板４１ｃとの間に、後述する異物回収部４４が設けられている。

軸受水槽４０は、上部水槽４２及び下部水槽４３を含んでいる。軸受水槽４０は、上述した軸方向仕切板４１ｄによって、内部を軸方向に上部水槽４２と下部水槽４３とに仕切られている。

上部水槽４２は、軸受水槽４０の軸方向における上方の位置に設けられている。上部水槽４２は、主軸受３０と河川水Ｗとを収容する。上部水槽４２は、主軸受３０と共に、上述した軸受支持台３２、調整部３３、支持板３４及び連結部材３５を収容してもよい。上部水槽４２は、主軸受３０の潤滑水として河川水Ｗを収容する。より具体的には、上部水槽４２は、後述する下部水槽４３で異物が分離された河川水Ｗを、主軸受３０の潤滑水として収容する。上部水槽４２は、主軸受３０を浸すように河川水Ｗを収容する。なお、河川水Ｗは、主軸受３０の全体を浸さなくてもよく、主軸受３０の少なくとも一部を浸せばよい。河川水Ｗは、下部水槽４３から軸方向仕切板４１ｄと主軸６との間の隙間を通って上部水槽４２に流入する。

下部水槽４３は、軸受水槽４０の軸方向における下方の位置に設けられている。すなわち、下部水槽４３は、上部水槽４２よりもランナ５に近い位置に設けられている。下部水槽４３は、河川水Ｗを収容する。下部水槽４３は、ランナ５を回転駆動する河川水Ｗの一部が流入する。河川水Ｗは、背圧室１１から後述する主軸封水部５０の間隙を通過して下部水槽４３に流入する。より具体的には、主軸封水部５０の間隙を通過した河川水Ｗは、底板４１ａの内周部と主軸６の外周面との間の隙間を通って下部水槽４３に流入する。

ここで、下部水槽４３に流入した河川水Ｗは、旋回成分を有している。すなわち、河川水Ｗは、主軸封水部５０の間隙を流れている間に、主軸６の回転によって、径方向における外側に向かう旋回成分が付与される。このため、下部水槽４３に流入した河川水Ｗに含まれる異物は、この主軸６の回転に起因して発生する河川水Ｗの旋回成分によって、周方向に旋回しながら下部水槽４３の径方向における外側に向かう。このようにして、下部水槽４３は、主軸封水部５０の間隙を通過して流入した河川水Ｗから、主軸６の回転に起因して発生する河川水Ｗの旋回成分によって異物を分離する。

下部水槽４３は、河川水Ｗに含まれる異物を回収する異物回収部４４を有していてもよい。異物回収部４４は、下部水槽４３の径方向における外側の位置に設けられている。異物回収部４４は、径方向仕切板４１ｅと側板４１ｃとの間に設けられている。上述したように、径方向仕切板４１ｅは、軸方向における下方から上方に向かうにつれて内径が大きくなるように傾斜している。このことにより、下部水槽４３に流入した河川水Ｗは、径方向仕切板４１ｅ上で旋回成分を維持することができる。このため、河川水Ｗに含まれる異物は、河川水Ｗの流れに乗って、径方向仕切板４１ｅに沿うように周方向に旋回しながら径方向における外側に向かい、異物回収部４４に導かれる。こうして、河川水Ｗに含まれる異物は、異物回収部４４に回収される。

下部水槽４３は、異物回収部４４に回収された異物を、河川水Ｗと共に外部に排出する排出部４４ａを有していてもよい。排出部４４ａは、異物回収部４４の底部に設けられていてもよい。また、排出部４４ａに、排出装置４４ｂが接続されていてもよい。排出装置４４ｂは、軸受水槽４０の外部に設置されていてもよい。排出装置４４ｂは、排出部４４ａから異物及び河川水Ｗを所定時間毎に排出するように構成されている。例えば、排出装置４４ｂは、タイマー制御により、異物回収部４４から一定量の河川水Ｗを一定時間毎に排出してもよい。排出装置４４ｂは、例えばストレーナであってもよい。

また、排出部４４ａから排出された異物を捕捉するフィルタ４４ｃが設けられていてもよい。フィルタ４４ｃは、排出装置４４ｂと後述する流入部４４ｄとの間に設けられていてもよい。フィルタ４４ｃは、後述する流入部４４ｄに近い位置に設けられていてもよい。排出装置４４ｂにより排出部４４ａから排出された異物は、外部に排出されてもよい。一方、排出装置４４ｂにより排出部４４ａから排出された河川水Ｗは、フィルタ４４ｃを通過して再び下部水槽４３に供給されてもよい。河川水Ｗは、フィルタ４４ｃを通過することによりろ過される。すなわち、フィルタ４４ｃにより河川水Ｗに含まれる異物が補足される。下部水槽４３は、排出部４４ａから排出されフィルタ４４ｃを通過した河川水Ｗを再び内部に流入させる流入部４４ｄを有していてもよい。流入部４４ｄは、異物回収部４４を画定する側板４１ｃに設けられていてもよい。

また、下部水槽４３に、主軸６と共に回転するインペラ４５が設けられていてもよい。インペラ４５は、主軸６の外周面に取り付けられていてもよい。インペラ４５は、下部水槽４３内を回転する。インペラ４５は、下部水槽４３内において、主軸封水部５０の出口に近い位置に設けられていてもよい。インペラ４５は、底板４１ａに近接するように設けられていてもよい。本実施の形態においては、下部水槽４３に、１つのインペラ４５が設けられている。

インペラ４５は、インペラ胴体部４５ａと、複数のインペラ羽根部４５ｂと、を有している。インペラ胴体部４５ａは、主軸６と同心の円筒状に形成されていてもよい。インペラ胴体部４５ａの内周面は、主軸６の外周面に対向している。インペラ胴体部４５ａは、インペラ胴体部４５ａの内周面が主軸６の外周面に接触するように、主軸６の外周面に取り付けられている。インペラ胴体部４５ａの内周面の直径は、主軸６の直径と等しくなっている。インペラ羽根部４５ｂは、インペラ胴体部４５ａの外周面に放射状に取り付けられている。インペラ羽根部４５ｂは、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。各インペラ羽根部４５ｂの外周部の直径は、径方向仕切板４１ｅの内周面の最小直径よりも小さくなっている。

このインペラ４５の回転による遠心力によって、下部水槽４３に流入した河川水Ｗには、径方向における外側に向かう旋回成分が更に付与される。このため、下部水槽４３は、インペラ４５の回転による遠心力によって、河川水Ｗから異物をより効果的に分離することができる。

主軸封水部５０は、軸受水槽４０の下部水槽４３よりもランナ５に近い位置に設けられている。すなわち、主軸封水部５０は、下部水槽４３とランナ５との間の位置に設けられている。主軸封水部５０は、主軸６の外周との間に河川水Ｗが流れる間隙を形成している。主軸封水部５０は、下部水槽４３に流入する河川水Ｗの流量を低減するように構成されている。河川水Ｗは、背圧室１１から主軸封水部５０の間隙に流入し、主軸封水部５０の間隙を通過して、下部水槽４３に流入するようになっている。

主軸封水部５０は、スリーブ５１と、シール部材５２と、を有していてもよい。スリーブ５１は、主軸６と同心の円筒状に形成されていてもよい。スリーブ５１の内周面は、主軸６の外周面に対向している。スリーブ５１は、スリーブ５１の内周面が主軸６の外周面に接触するように、主軸６の外周面に取り付けられている。シール部材５２は、スリーブ５１に対向するように設けられている。シール部材５２は、主軸６と同心の略円筒状に形成されていてもよい。シール部材５２は、枠体部５３に支持されている。スリーブ５１とシール部材５２との間に、上述した間隙が形成されている。シール部材５２は、ラビリンスシール構造を有していてもよい。すなわち、シール部材５２は、スリーブ５１との間の隙間が相対的に小さい部分と相対的に大きい部分とが軸方向に交互に並ぶように構成されていてもよい。このような構成により、主軸封水部５０の間隙における流体抵抗が増大し、背圧室１１から下部水槽４３に流入する河川水Ｗの流量を低減することができる。また、河川水Ｗは、主軸封水部５０の間隙を流れている間に、主軸６の回転によって旋回成分が付与される。

図３に示すように、水車運転時に、下池９の水位Ｈ２は、軸受水槽４０の水位Ｈ１以上であってもよい。図３に示す軸受水槽４０の水位Ｈ１は、図２に示す上部水槽４２の水位Ｈ１と同一である。軸受水槽４０の水位Ｈ１は、主軸受３０の上端部の位置と一致していてもよい。下池９の水位Ｈ２は、ランナ５に流入した河川水Ｗが到達する下池９の水位である。水車運転時に、下池９の水位Ｈ２が軸受水槽４０の水位Ｈ１よりも低い場合、軸受水槽４０に収容された河川水Ｗが、圧力差によりランナ５の側に流出するおそれがある。これにより、軸受水槽４０の水位Ｈ１が低下し、河川水Ｗが潤滑水として機能しなくなるおそれがある。これに対して、下池９の水位Ｈ２を軸受水槽４０の水位Ｈ１以上にすることにより、軸受水槽４０に収容された河川水Ｗがランナ５の側に流出することを防止することができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態による立軸フランシス水車１において水車運転を行う場合、図示しない上池から水圧鉄管、ケーシング２及びステーベーン３を介して河川水Ｗがガイドベーン４に流入し、ガイドベーン４からランナ５に河川水Ｗが流入する。このランナ５に流入した河川水Ｗにより、ランナ５が回転駆動される。回転駆動されるランナ５は、連結された主軸６を介して発電機７に回転エネルギを伝達し、発電機７による発電が行われる。ランナ５を回転駆動させた河川水Ｗは、ランナ５から吸出し管８を通って下池９に放出される。

ランナ５を回転駆動する河川水Ｗの一部は、クラウン５ａと上カバー１０との間に設けられた背圧室１１に流入する。背圧室１１内の河川水Ｗは、主軸封水部５０の間隙に流入し、主軸封水部５０の間隙を流れる。主軸封水部５０の間隙を通過した河川水Ｗは、底板４１ａの内周部と主軸６の外周面との間の隙間を通って下部水槽４３に流入する。

ここで、河川水Ｗは、主軸封水部５０の間隙を流れている間に、主軸６の回転によって、径方向における外側に向かう旋回成分が付与される。また、下部水槽４３内では、主軸６の回転に伴い、インペラ４５が回転している。このインペラ４５の回転による遠心力によって、河川水Ｗに旋回成分が更に付与される。このため、下部水槽４３に流入した河川水Ｗに含まれる異物は、これらの主軸６の回転に起因して発生する河川水Ｗの旋回成分によって、周方向に旋回しながら下部水槽４３の径方向における外側に向かう。このようにして、下部水槽４３で河川水Ｗから異物が分離される。また、河川水Ｗに含まれる異物は、河川水Ｗの流れに乗って、径方向仕切板４１ｅに沿うように周方向に旋回しながら径方向における外側に向かい、異物回収部４４に導かれる。こうして、河川水Ｗから分離された異物は、異物回収部４４に回収される。

異物回収部４４に回収された異物は、河川水Ｗと共に排出部４４ａから外部に排出される。異物及び河川水Ｗは、排出装置４４ｂにより、所定時間毎に排出される。排出部４４ａから排出された異物は、フィルタ４４ｃに補足される。フィルタ４４ｃに補足された異物は、外部に排出される。一方、フィルタ４４ｃを通過し濾過された河川水Ｗは、流入部４４ｄから再び下部水槽４３に流入する。

下部水槽４３で異物が分離された河川水Ｗは、軸方向仕切板４１ｄの内周部と主軸６の外周面との間の隙間を通って上部水槽４２に流入する。こうして、上部水槽４２には、下部水槽４３で異物が分離された河川水Ｗが、潤滑水として収容される。

このように本実施の形態によれば、下部水槽４３は、主軸封水部５０の間隙を通過して流入した河川水Ｗから、主軸６の回転に起因して発生する河川水Ｗの旋回成分によって異物を分離する。上部水槽４２は、下部水槽４３で異物が分離された河川水Ｗを、主軸受３０の潤滑水として収容する。このことにより、上部水槽４２に異物が流入することを抑制することができ、主軸受３０の潤滑水に異物が含まれることを抑制することができる。このため、異物によって主軸受３０が摩耗することを抑制することができる。また、主軸受３０の材料として、異物に対する耐摩耗性の高いセラミック等を用いることを不要にすることができる。このため、製造コストの増大を抑制することができる。このように本実施の形態によれば、製造コストの増大を抑制しつつ、河川水Ｗに含まれる異物による主軸受３０の摩耗を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、主軸６に、主軸受３０に対向する主軸スカート（軸受ジャーナル）を設けることを不要にすることができる。すなわち、主軸６に主軸スカートが設けられていなくても、主軸受３０の潤滑水に異物が含まれることを抑制することができる。このため、主軸６の重量を低減することができる。また、主軸６の主軸受３０に対向する部分の外径を小さくすることができ、主軸受３０の内径を小さくすることができる。このため、主軸受３０を小型化することができる。

また、本実施の形態によれば、下部水槽４３に、主軸６と共に回転するインペラ４５が設けられ、下部水槽４３は、インペラ４５の回転による遠心力によって、河川水Ｗから異物を分離する。このことにより、河川水Ｗに含まれる異物をより効果的に分離することができる。このため、上部水槽４２に異物が流入することをより一層抑制することができ、異物によって主軸受３０が摩耗することをより一層抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、軸受水槽４０は、内部を軸方向に上部水槽４２と下部水槽４３とに仕切る軸方向仕切板４１ｄを有している。このように、１つの軸受水槽４０の内部を、軸方向仕切板４１ｄにより上部水槽４２と下部水槽４３とに区分けすることにより、軸受装置２０の大型化及び製造コストの増大を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、下部水槽４３は、径方向における外側の位置に設けられた、河川水Ｗに含まれる異物を回収する異物回収部４４を有している。このように、異物回収部４４で異物を回収することにより、河川水Ｗに含まれる異物をより効果的に分離することができる。このため、上部水槽４２に異物が流入することをより一層抑制することができ、異物によって主軸受３０が摩耗することをより一層抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、下部水槽４３は、異物回収部４４に回収された異物を、河川水Ｗと共に外部に排出する排出部４４ａを有している。このように、排出部４４ａから異物を外部に排出することにより、異物回収部４４内の異物が、径方向における内側に移動することを抑制することができる。このため、上部水槽４２に異物が流入することをより一層抑制することができ、異物によって主軸受３０が摩耗することをより一層抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、排出部４４ａから排出された異物を捕捉するフィルタ４４ｃが設けられ、下部水槽４３は、排出部４４ａから排出されフィルタ４４ｃを通過した河川水Ｗを再び内部に流入させる流入部４４ｄを有している。このように、排出部４４ａから排出された河川水Ｗを、フィルタ４４ｃを通過させて濾過した後に、再び流入部４４ｄから下部水槽４３内に流入させることにより、河川水Ｗから異物を除去しつつ、軸受水槽４０の水位Ｈ１の変動を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、排出部４４ａから異物及び河川水Ｗを所定時間毎に排出する排出装置４４ｂが設けられている。このことにより、異物回収部４４に回収された異物を、所定時間毎に自動的に外部に排出することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、下部水槽４３に、１つのインペラ４５が設けら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、下部水槽４３に、複数のインペラ４５が設けられていてもよい。複数のインペラ４５は、軸方向に並ぶように主軸６に取り付けられていてもよい。この場合、下部水槽４３に流入した河川水Ｗに、より大きな旋回成分を付与することができる。このため、下部水槽４３は、複数のインペラ４５の回転による遠心力によって、河川水Ｗから異物をより効果的に分離することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図４及び図５を用いて、第２の実施の形態による水力機械用の軸受装置及び水力機械について説明する。

図４及び図５に示す第２の実施の形態においては、異物回収部の上方に、仕切板から突出し、異物を異物回収部に向けて落下させる異物落下部材が設けられている点が主に異なる。他の構成は、図１～図３に示す第１の実施の形態と略同一である。図４及び図５において、図１～図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図４に示すように、異物回収部４４の上方に、異物落下部材６０が設けられている。異物落下部材６０は、軸方向仕切板４１ｄに設けられている。異物落下部材６０は、軸方向仕切板４１ｄに取り付けられていてもよい。異物落下部材６０は、軸方向仕切板４１ｄから下方に向けて突出している。異物落下部材６０は、周方向に延びていてもよい。図４及び図５に示すように、異物落下部材６０は、部分円環の薄板状に形成されていてもよい。また、図５に示すように、複数の異物落下部材６０が、周方向に間隔をあけて配置されていてもよい。この場合、各異物落下部材６０は、周方向における両側に設けられた端部６１を有していてもよい。異物落下部材６０は、異物を異物回収部４４に向けて落下させる。異物落下部材６０は、異物を端部６１に衝突させることにより、異物を落下させてもよい。

下部水槽４３に流入した河川水Ｗに含まれる異物は、主軸６の回転に起因して発生する河川水Ｗの旋回成分によって、周方向に旋回しながら下部水槽４３の径方向における外側に向かう。河川水Ｗに含まれる異物は、河川水Ｗの流れに乗って、径方向仕切板４１ｅに沿うように周方向に旋回しながら径方向における外側に向かい、異物回収部４４の上方に導かれる。異物回収部４４の上方に導かれた異物は、異物落下部材６０、とりわけ異物落下部材の端部６１に衝突して、異物回収部４４に向けて落下する。

このように本実施の形態によれば、異物回収部４４の上方に、軸方向仕切板４１ｄから突出し、異物を異物回収部４４に向けて落下させる異物落下部材６０が設けられている。このことにより、河川水Ｗの旋回成分によって異物回収部４４の上方まで導かれた異物を、異物回収部４４に落下させることができる。このため、異物を異物回収部４４に効率的に回収することができる。

また、本実施の形態によれば、軸方向仕切板４１ｄに異物落下部材６０が設けられていることにより、異物が軸方向仕切板４１ｄ及び側板４１ｃに衝突することを抑制することができる。このため、異物によって軸方向仕切板４１ｄ及び側板４１ｃが摩耗することを抑制することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図６及び図７を用いて、第３の実施の形態による水力機械用の軸受装置及び水力機械について説明する。

図６及び図７に示す第３の実施の形態においては、異物回収部よりも主軸に近い位置に、仕切板から突出し、異物が上部水槽に流入することを抑制する異物流入抑制部材が設けられている点が主に異なる。他の構成は、図１～図３に示す第１の実施の形態と略同一である。図６及び図７において、図１～図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図６に示すように、異物回収部４４よりも主軸６に近い位置に、異物流入抑制部材７０が設けられている。すなわち、異物流入抑制部材７０は、異物回収部４４よりも径方向における内側に設けられている。異物流入抑制部材７０は、軸方向仕切板４１ｄに設けられている。異物流入抑制部材７０は、軸方向仕切板４１ｄに取り付けられていてもよい。異物流入抑制部材７０は、軸方向仕切板４１ｄから下方に向けて突出している。異物流入抑制部材７０は、周方向に延びていてもよい。図６および図７に示すように、異物流入抑制部材７０は、円筒状に形成されていてもよい。異物流入抑制部材７０は、異物が上部水槽４２に流入することを抑制する。

下部水槽４３に流入した河川水Ｗに含まれる異物は、主軸６の回転に起因して発生する河川水Ｗの旋回成分によって、周方向に旋回しながら下部水槽４３の径方向における外側に向かう。河川水Ｗに含まれる異物は、河川水Ｗの流れに乗って、径方向仕切板４１ｅに沿うように周方向に旋回しながら径方向における外側に向かい、異物回収部４４に導かれる。ここで、河川水Ｗが旋回成分を失うことにより、河川水Ｗに含まれる異物の一部が、径方向における内側に移動することがある。また、異物回収部４４内の異物が、径方向における内側に移動することもあり得る。この場合、径方向における内側に移動した異物が、下部水槽４３から軸方向仕切板４１ｄと主軸６との間の隙間を通って上部水槽４２に流入するおそれがある。

これに対して本実施の形態によれば、異物回収部４４よりも主軸６に近い位置に、軸方向仕切板４１ｄから突出し、異物が上部水槽４２に流入することを抑制する異物流入抑制部材７０が設けられている。このことにより、径方向における内側に移動した異物を、この異物流入抑制部材７０に衝突させて、軸方向仕切板４１ｄと主軸６との間の隙間に到達することを抑制することができる。このため、上部水槽４２に異物が流入することをより一層抑制することができ、異物によって主軸受３０が摩耗することをより一層抑制することができる。

以上述べた実施の形態によれば、製造コストの増大を抑制しつつ、河川水に含まれる異物による主軸受の摩耗を抑制することができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これらの新規な実施の形態は、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。これらの実施の形態やその変形は、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。

１：立軸フランシス水車、５：ランナ、６：主軸、２０：軸受装置、３０：主軸受、４０：軸受水槽、４１ｄ：軸方向仕切板、４２：上部水槽、４３：下部水槽、４４：異物回収部、４４ａ：排出部、４４ｂ：排出装置、４４ｃ：フィルタ、４４ｄ：流入部、４５：インペラ、５０：主軸封水部、６０：異物落下部材、７０：異物流入抑制部材、Ｗ：河川水

Claims (11)

1. 流入する河川水により回転駆動されるランナと、前記ランナの回転に伴い回転する主軸とを有する水力機械に用いられる水力機械用の軸受装置であって、
   前記主軸の外周に設けられ、前記主軸を支持する主軸受と、
   前記主軸受と、前記主軸受を浸す潤滑水とを収容する上部水槽と、
   前記上部水槽よりも前記ランナに近い位置に設けられ、前記ランナを回転駆動する前記河川水の一部が流入する下部水槽と、
   前記下部水槽と前記ランナとの間の位置に設けられ、前記主軸の外周との間に前記河川水が流れる間隙を形成し、前記下部水槽に流入する前記河川水の流量を低減する主軸封水部と、を備え、
   前記下部水槽は、前記主軸封水部の前記間隙を通過して流入した前記河川水から、前記主軸の回転に起因して発生する前記河川水の旋回成分によって異物を分離し、
   前記上部水槽は、前記下部水槽で前記異物が分離された前記河川水を、前記潤滑水として収容する、水力機械用の軸受装置。
2. 前記下部水槽に収容され、前記主軸と共に回転するインペラを備え、
   前記下部水槽は、前記インペラの回転による遠心力によって、前記河川水から前記異物を分離する、請求項１に記載の水力機械用の軸受装置。
3. 前記上部水槽及び前記下部水槽を含む軸受水槽を備え、
   前記軸受水槽は、内部を軸方向に前記上部水槽と前記下部水槽とに仕切る仕切板を有する、請求項１に記載の水力機械用の軸受装置。
4. 前記下部水槽は、径方向における外側の位置に設けられた、前記河川水に含まれる前記異物を回収する異物回収部を有する、請求項１に記載の水力機械用の軸受装置。
5. 前記下部水槽は、前記異物回収部に回収された前記異物を、前記河川水と共に外部に排出する排出部を有する、請求項４に記載の水力機械用の軸受装置。
6. 前記排出部から排出された前記異物を捕捉するフィルタを備え、
   前記下部水槽は、前記排出部から排出され前記フィルタを通過した前記河川水を再び内部に流入させる流入部を有する、請求項５に記載の水力機械用の軸受装置。
7. 前記排出部から前記異物及び前記河川水を所定時間毎に排出する排出装置を備える、請求項５に記載の水力機械用の軸受装置。
8. 前記上部水槽及び前記下部水槽を含む軸受水槽を備え、
   前記軸受水槽は、内部を軸方向に前記上部水槽と前記下部水槽とに仕切る仕切板を有し、
   前記下部水槽は、径方向における外側の位置に設けられた、前記河川水に含まれる前記異物を回収する異物回収部を有する、請求項１に記載の水力機械用の軸受装置。
9. 前記異物回収部の上方に設けられ、前記仕切板から突出し、前記異物を前記異物回収部に向けて落下させる異物落下部材を備える、請求項８に記載の水力機械用の軸受装置。
10. 前記異物回収部よりも前記主軸に近い位置に設けられ、前記仕切板から突出し、前記異物が前記上部水槽に流入することを抑制する異物流入抑制部材を備える、請求項８に記載の水力機械用の軸受装置。
11. 流入する河川水により回転駆動されるランナと、
    前記ランナの回転に伴い回転する主軸と、
    請求項１に記載の水力機械用の軸受装置と、を備える、水力機械。

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