JP2618955B2 - 水力機械の軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は水車，ポンプ水車等の水力機械で水潤滑にて
主軸を支持する水力機械の軸受装置に関する。

（従来の技術） 一般に水車，ポンプ水車等の立軸水力機械は、回転部
の軸振れを防止するため軸受装置を備えており、最近で
は水潤滑にて主軸を支持する水中軸受が使われることも
多い。

第６図は水力機械の中でカプラン水車の水中軸受およ
び軸封装置を示したものである。同図において、うず巻
ケーシング15内の圧力水はカイドベーン16を通してラン
ナ９に向って流れてランナ９を回転させた後、図示しな
い吸出管を経て放水路へ吐き出される。上記ランナ９に
直結された主軸７の外周部には、軸受装置として樹脂系
の水中軸受13が設置されている。この水中軸受13におい
ては、摺動面に清水を給水して主軸７の軸振れを防止し
ている。

しかし、この水中軸受13は金属よりもはるかに軟質の
ゴム,4ふっ化エチレン，フェノール樹脂等の樹脂系材料
で形成されているため、高荷重を負担することができ
ず、また主軸７と水中軸受13との間に土砂等の異物が混
入すると、急激に摩耗が加速されて軸振れの増大を引き
起こす。また、潤滑のために常に清水し、土砂等の混入
を防止する必要があった。

さらに、上記軸受装置の直下に軸封装置として、主軸
３と摺動するパッキング14が複数段配置されており、パ
ッキング14の各段にも清水が給水され、土砂水が混入す
るのを防止するようになっている。

しかし、いかに清水を給水したとしても、通常運転中
における土砂の混入はさけられず、パッキング、さらに
は、水中軸受の早期異常摩耗をたびたび引き起こし、軸
振れ増大，軸受装置および軸封装置の繁雑な取替が不可
欠であった。また、清水を常に給水する必要があるた
め、清水を獲得するための膨大な設備あるいは清水を給
水するための複雑な配管等の給排水システムが必要であ
った。さらに、軸封装置を軸受部の下に配置しなければ
ならず、軸受部がランナから離れ、軸振れ抑制の効果を
弱めていた。

一方、最近上記問題を解決する手段として、小型の立
軸ポンプ等で軸受側にセラミックスを使用した水中軸受
装置が開発され、特開昭60−30822号公報，特開昭60−7
3123号公報，特開昭60−81517号公報，特開昭60−84423
公報および特開昭60−88215号公報で公開されている。
第７図はその例を示すが、本構造においては、リング状
のセラミックス片1aを金属ライナー3aの内側に焼ばめし
て固定し、この金属ライナー3aの外周を硬質ゴム4aでラ
イニングして軸受台金２に取り付けている。また主軸側
には超硬合金のスリーブ８が取り付けられている。

このように構成された水中軸受では、主軸，軸受両側
共土砂よりも高硬度となるため、軸受摺動面に土砂が混
入しても摩耗することはない。したがって、樹脂系の水
中軸受のように清水給水する必要もなく、土砂混入防止
用の軸封装置を軸受の下部に設置する必要もなくなる。

しかし水車やポンプ水車のような大形回転機械に本構
造の水中軸受を使用した場合以下のような問題点を有し
ている。すなわち、軸受部分も大口径化するが、リング
状の大口径、セラミックスを作ることは極めて困難であ
る。したがって複数のセグメントに分割したセラミック
ス片により軸受を構成しなければならない。この場合セ
ラミックス片の製造寸法バラツキのため、主軸と軸受間
のクリアランスを均一に配置することができなくなる。
しかし小型の立軸ポンプなどでは回転主軸に作用するラ
ジアルバランスも比較的小さい上に、軸振れがある程度
大きくても許容されるため軸受クリアランスも （TTLd＝主軸系）と大きくセラミックス片のバラツキを
許容することができる。

一方、水車，ポンプ水車等の大型水力機械では、軸振
れの機器に与える影響は指数的に増加するため、極めて
高精度に軸受を設置する必要がある。したがって、軸受
クリアランスも と小さく押さえられており軸振れを防止している。

ところが、セラミックス片は機械加工がほとんどで困
難であるため、各片ごとに寸法にバラツキがある。これ
を従来のように軸受台金に取り付けた場合、精度良く軸
芯まわりに配置したり、均一に軸受クリアランスを設定
したりすることができなかった。したがって、水車，ポ
ンプ水車等の大型水力機械では、セラミックス材の水中
軸受を適用することは不可能であった。

（発明が解決しようとする課題） 以上説明したように、従来の樹脂系の水中軸受では摩
耗量が多くかつ頻繁に軸受を取り替えねばならず、ま
た、清水給水，土砂混入防止のため、トラブルの発生し
やすい繁雑な給排水システムや、軸受装置下部に軸封装
置等を設けなければならなかった。また従来のセラミッ
クス軸受では、セラミックス片を軸芯まわりに均一に高
精度に配置することが困難で、軸受クリアランスも均一
に設定できなかった。

したがって、本発明の目的においては、水中軸受の早
期摩耗を防止すること、軸受部土砂水が混入可能と、清
水給水，土砂混入防止用の軸封装置を不要とすること、
大型水力機械においても均一で精度良い軸受クリアラン
スを設定可能なことおよび軸受の軸振れを効果的に低減
することのできる水力機械の軸受装置を提供するにあ
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、回転する主軸の軸振れを抑えるようにした
水力機械の軸受装置において、前記主軸の摺り面にタン
グステンカーバイトなどの超硬合金をコーティングした
金属スリーブを取り付け、前記相手軸受の内面にセグメ
ント状に分割された複数のセラミックス片をその外周に
金属ライナーを接合しさらにその外周に軟質ゴム等の伸
縮性に富んだ弾性物質をライニングして配置するととも
に、その各セグメントの金属ライナーの上下端を調整ホ
ルダーを介してボルトなどの締結部品で軸受台金に締付
固定したことを特徴とするものである。

（作 用） 本発明においては、超硬合金をコーティングした金属
スリーブとセラミックス片との摺り合せにより軸受の早
期摩耗が防止される。セグメント状のセラミックス片を
金属ライナーおよび弾性物質を介して締結固定したこと
により、軸受クリアランスの設定も精度良く行なうこと
ができる。

（実施例） 以下本発明を第１図および第２図に示す実施例を参照
して説明する。第１図および第２図において、１が炭化
ケイ素（SiC），窒化ケイ素（Si₃N₄）等のセラミックス
片で、軸受台金２の内周面にセグメント状に複数配置さ
れている。このセラミックス片１は接着等により金属ラ
イナー３に内貼りされており、引張強度等の小さいセラ
ミックス片１はこの金属ライナー３によって補強されて
いる。さらに金属ライナー３は軟質ゴム等の伸縮性の大
きい弾性物質４をはさんで軸受台金２に取り付けられて
いる。従来のセラミックス軸受では、ここに伸縮性の極
めて小さい硬質ゴム等がはさみ込まれていたが、本発明
では軟質ゴム系の伸縮性の大きい弾性物質４を使用して
いる。

セラミックス片１を補強する金属ライナー３の上下端
は、第１図のようにセラミックス片１より長く突き出し
ており、この部分に嵌合するように上下にそれぞれ調整
ホルダー５が設けられている。この調整ホルダー５はボ
ルト等の調整締結部品６によって半径方向に移動可能と
なっている。また、相手主軸７にはタングスタンカーバ
イト（WC）等の超硬合金を溶射等によりコーティングし
た金属スリーブ８を取り付けている。

以上のように構成した本発明の水力機械の軸受装置に
おいては、軸受摺動面に土砂水等が流れ込んできても、
主軸，軸受両側とも土砂より高硬度のため摩耗すること
はなく、土砂防止対策や清水給水等を行なう必要がなく
なる。また、従来の樹脂系軸受に比し、はるかに耐磨耗
性も向上する。

またセラミックス材は製造上の困難さからあまり大口
径用の軸受とはできないが、本発明のようにセグメント
形式で分割形式とするために小さいセラミックス片１を
用いて大形のセラミックス製水中軸受を形成することが
できる。

さらにセラミックス片１の弱い引張り強度は、金属ラ
イナー３により補強され、またもろさ，衝撃力に対する
弱さは軟質ゴム等の弾性物質４により衝撃力を吸収させ
ることにより、各セグメントは強い強度と弱い衝撃性を
有するようになる。緩衝材となる弾性物質４は従来の発
明では硬質ゴム等であったが、本発明では軟質ゴムを用
いて耐衝撃性も向上している。また、この軟質ゴム等の
伸縮性の大きい弾性物質４では強く押しつけることによ
り圧縮変形を生ずる。

したがって、第１図および第２図に示す本発明の軸受
装置によれば、調整ホルダー５をボルト等の調整締結部
品６により軸受半径方向に押しつけることにより、調整
ホルダー５の嵌合部を介して、セラミックス片１を固定
した金属ライナー３を押えつけ、軟質ゴム等の伸縮性大
なる弾性物質４が圧縮されて変形し、セラミックス片１
の摺動面を半径方向に移動させることができる。この移
動量は調整ホルダー５の押え法により決まるが、本発明
では軟質ゴム等の伸縮性の大なる弾性物質を使用してい
るため数mmの範囲で任意の位置に設定することが可能と
なる。

従来のセラミックス軸受では各セラミックス片１の位
置を調整できなかったため、水車やポンプ水車などの軸
受の同芯精度および小さい軸受クリアランス等を要求す
る大形の水力機械では採用することができなかった。

しかし本発明によればセラミックス片１のバラツキを
調整ホルダー５の押え方により、伸縮性大なる弾性物質
４を圧縮変形させてセラミックス片１の摺動面の位置を
半径方向に調整できるため、精度の高い軸受同芯度が得
られ、小さな軸受クリアランスに対しても精度良く設定
することが可能となる。また調整ホルダー５はセラミッ
クス片１を押しつけるのではなく、金属ライナー３を押
す構造としているため、セラミックス片１に無理な力が
作用することもない。

よって、大形の水力機械の水中軸受としてセラミック
ス軸受を適用できるようになり、耐磨耗性の向上した清
水給水，土砂侵入防止用の軸封装置等も不要となり、水
中軸受を得ることが可能となる。

さらに本発明による他の実施例を第３図にて説明す
る。第３図は本発明による軸受装置を組込んだカプラン
水車の断面図である。本図においては、ランナ９に直結
して回転を伝える主軸７の下端位置に、本発明による軸
受装置が組み込まれている。

主軸７には表面をダングステンカーバイト（WC）等の
超硬合金でコーティングされた金属スリーブ８が取りつ
けられている。また軸受側は摺動面にセラミックス片１
をセグメント上に円周方向に設置し、金属ライナー３お
よび軟質ゴム等の弾性物質４を介して調整ホルダー５に
より軸受台金２に押しつられて固定されている。カプラ
ン水車等では の小さい軸受クリアランスが設定されるが、本発明によ
ればセラミックス片１を有するバラツキを調整ホルダー
５の押し込みにより軟質ゴム４を変形させて、同芯に精
度良く調整設定することができる。

従来の樹脂系の水中軸受では軸受部には清水が給水さ
れるため、清水給水のための繁雑な給排水システム，渦
過装置等が必要であったが、本発明では不要となってい
る。また、従来は土砂水が軸受摺動部に混入するのを防
止するための軸封装置が軸受装置の下に設けられていた
が、本発明では土砂が混入しても異常摩耗するようなこ
とはなく、土砂混入防止用の軸封装置も不要となって、
ランナ９のすぐ上に軸受装置が設置され、軸封作用は軸
受上部に設けられたラビリンス10によっている。

このように構成された本発明の軸受装置を採用したカ
プラン水車においては、河川の土砂水が第３図の矢印Ａ
のごとく侵入してきた、軸受摺動面は土砂水で満たされ
る。内報、軸受台金２の上部にはラビリンス10があるた
め、その土砂水は、封水作用を受ける。封水されながら
も通過した一部の土砂水は、ポンプ等で外部へ排水され
る。

軸受摺動面に土砂水が侵入すると、従来の樹脂性水中
軸受ではたちどころに異常摩耗を生じていたが、本発明
の軸受装置では摺動面がセラミックス片１と超硬合金８
で土砂より硬いため、摩耗を生ずることはない。また、
セラミックス片１の衝撃力に弱く、もろい材料である
が、土砂等がセラミックスに衝撃的にぶつかるようなこ
とがあっても、セラミックス片１は軟質ゴム等の弾性物
質４によって衝撃吸収されるため破損するようなことは
ない。

一方、従来の小型ポンプ等で用いられているセラミッ
クス軸受では大形化が不可能であったが、本発明によれ
ばセラミックス片を分割してセグメント状に配置するた
めに大形化も可能である。また、各セラミックス片のも
っている寸法のバラツキも調整可能なため、従来の大形
水力機械と同様の小さい軸受クリアランスを設定でき、
軸振れを小さく押えることができる。

さらに加えて、本発明の水中軸受では、従来の樹脂系
水中軸受よりも加振源であるランナ９に近い位置に設置
できるため、軸受の制御効果は高まり、軸振れが減少さ
せることも可能となる。

したがって、本発明の水力機械の軸受装置によれば、
従来の樹脂軸受に比して軸受側の早期摩耗を防止でき、
軸受への清水給水および土砂混入防止用の軸封装置を不
要とすることができると共に、軸振れを効果的に低く押
えることも可能となる。また、従来の水車，ポンプ水車
等の大形の水力機械には適用できなかったセラミックス
軸受を、各セグメントのセラミックス摺動面位置を半径
方向に調整可能とし、大型の水力機械においても充分高
精度を有する軸受クリアランスの小さく均一な水軸受と
することができる。

次に、本発明による軸受装置の他の実施例を第４図お
よび第５図に縦断面図および平面図として示す。この他
の実施例では、セラミックス片１を金属ライナーに固定
するためにセラミックス片１の左右端部にゴムシート等
の弾性物質を介して金属押え12によって押え、この金属
押え12を金属ライナー３あるいは軸受台金２にボルト13
等により固定したものである。本変形例によれば、セラ
ミックス片１と金属ライナー３の固定を接着のみによら
ず、機械的に固定するため、セラミックス片の脱落の危
険性もなくなり、より信頼性のある水中軸受とすること
ができる。

［発明の効果］ 以上のように本発明においては、主軸および軸受の摺
合面を超硬合金をコーティングした金属スリーブおよび
セグメント状セラミックス片とで形成し、かつそのセグ
メント状セラミックス片を金属ライナーおよび弾性物質
を介して軸受台金に締付固定したことにより、軸受の早
期摩耗を防止し、軸受部への清水給水が不要となること
から繁雑な給排水系統が不要となって事故源も少なくな
り、土砂混入防止用の軸封装置が不要となって軸受が加
振源に近づいて軸振れを効果的に低減できる。さらにバ
ラツキのあるセラミックス片の摺動面位置を調整可能に
し、同芯精度が向上して、小さい軸受クリアランスを均
一に設定できるなどの実用に効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水力機械の軸受装置の一実施例を
示す縦断面図、第２図は第１図II−II線の断面図、第３
図は本発明の軸受装置を立軸カプラン水車に適用した場
合の断面図、第４図は本発明の他の実施例を示す縦断面
図、第５図は第４図Ｖ−Ｖ線の断面図、第６図は従来の
立軸カプラン水車の軸鵜部を示す断面図、第７図は従来
の軸受装置を示す縦断面図、第８図は第７図VIII−VIII
線の断面図である。 1,1a……セラミックス片 ２……軸受台金 ３……金属ライナー ４……弾性物質 ５……調整ホルダー ６……調整ボルト ７……主軸 ８……金属スリーブ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転する主軸の軸振れを抑えるようにした
   水力機械の軸受装置いおいて、前記主軸の外周の摺り面
   にタングステンカーバイトなどの超硬合金をコーティン
   グした金属スリーブを取り付け、前記相手軸受の内面に
   セグメント状に分割された複数のセラミックス片をその
   外周に金属ライナーを接合しさらにその外周に軟質ゴム
   等の伸縮性に富んだ弾性物質をライニングして配置する
   とともに、その各セグメントの金属ライナーの上下端を
   調整ホルダーを介してボルトなどの締結部品で軸受台金
   に締付固定したことを特徴とする水力機械の軸受装置。