JP3687241B2 - Water sealing device and water wheel provided with the water sealing device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は封水装置およびその封水装置を備えた水車に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近の高落差水車の封水装置は、パッキンの摺動面に周方向の給水溝を設け、給水溝には背圧と連通する給水孔を設置し摺動面と背圧をバランスさせた背圧バランス型セグメントシールが複数段重ねて使用されている。この背圧バランス型セグメントシールは分割配置されたパッキンをガータスプリングによりスリーブに抱き合わせた簡単な封水構造である。
【0003】
この背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねた封水構造が特開昭58− 70063 号公報に示されている。ここでは、摺動面に設けた周方向の給水溝の本数が2本の場合について示されているが、周方向の給水溝の本数はパッキンの厚さにより決まるものである。背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねた封水構造では、各段の開口面積を同じくし、圧力差をほぼ同等になるように設計されている。
【0004】
しかし、各段のパッキン摺動面に形成される水膜厚さが異なることにより、圧力差が同等にならない現象が実験中に発生し、圧力差の大きい段で、パッキンの摺動面圧が高くなりパッキン温度が不安定になる現象が認められた。
【0005】
また、一方で、パッキンが薄い場合は周方向の給水溝が1本になり、厚さ方向の中央部分に設けられる。そのため、給水溝と連通する給水孔(図示せず)も厚さ方向の中央部分の半径方向に設けられる。
【0006】
分割配置されたパッキンはガータスプリングによりスリーブに抱き合わせているが、パッキンが薄い場合は、給水溝と連通する給水孔の厚さ方向の位置とガータスプリングとが重なる。その結果、給水孔の入り口面積が減少し給水量が減少する。また、長期使用では藻等により急激に給水孔の入り口面積が減少し給水不足の状態になる。そのため、パッキンは背圧とバランスしなくなり、摺動面が潤滑不良の状態になり、安定した摺動特性が得られない可能性がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように、背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねた封水構造では、圧力差のアンバランスによりパッキンの摺動面圧が高くなりパッキン温度が不安定になる現象が認められ、安定した摺動特性が得られない可能性がある。また、一方で、パッキンが薄い場合は、摺動面への給水量が低下し、摺動面が潤滑不良の状態になり、十分に冷却されず安定した摺動特性が得られない可能性がある。すなわち、上述のような封水構造の場合は、圧力差のアンバランスによる摺動面圧の上昇、あるいは、給水溝への給水不足により長時間安定した摺動特性が得られない。
【0008】
本発明の目的は、圧力差をバランスさせる、或いは給水溝への給水を確実に行うことにより、安定した摺動特性を得ることのできる封水装置を実現することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、主軸にスリーブが固定され、上記スリーブの外周位置に配置された円弧状のパッキンと、上記パッキンを上記主軸の中心に向って常に押圧するガータスプリングと、これらを収納したパッキンケースとを備えた封水装置を複数段重ねたものにおいて、上記スリーブの外周側と上記パッキンケース内周側及び上記円弧状のパッキンとで構成される出口部開口面積を大気側の上段を最も大きくしたことにある。
本発明の他の特徴は、主軸にスリーブが固定され、上記スリーブの外周位置に配置された円弧状のパッキンと、上記パッキンを上記主軸の中心に向って常に押圧するガータスプリングと、これらを収納したパッキンケースとを備えた封水装置を複数段重ねたものにおいて、上記スリーブの外周側と上記パッキンケース内周側及び上記円弧状のパッキンとで構成される出口部開口面積を大気側の上段を最も大きくし、上記円弧状パッキンの摺動面への給水量を増加させる手段を構成したことにある。
【0010】
上記摺動面への給水量を増加させる手段は、給水孔の断面形状を非一様な形状にしたこと、摺動面に設けた縦溝、または上記パッキンの上記ガータスプリングと接触する面に設けた縦溝の何れかで構成すると良い。
また、上記特徴を有する封水装置は水車に適用して特に効果がある。
【0011】
すなわち、このように形成された軸封装置であると各段出口側のスリーブ外周側とパッキンケース内周側及び円弧状パッキンとで構成される隙間面積を各段で相違させることにより、圧力差が均等化できる。このため、各段における円弧状パッキンの押し付け力が同じくなるので、安定した摺動特性が得られる。
【0012】
一方で、このように形成された軸封装置であると円弧状パッキンの摺動面への給水量が増加し、摺動面の潤滑性,冷却性が向上し安定した摺動特性が得られる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図1〜図6により説明する。図1には本発明による封水装置の第1の実施例を示す縦断面図、図2は円弧状パッキンの周方向の配置状況を示す図である。図1に示す封水装置10は、主軸1と水車カバー11との隙間からの流体の漏れを防止する装置であり、この封水装置10は、主軸1にスリーブ2が固定され、このスリーブ2の外周位置に配置された円弧状パッキン5と、上記パッキン5を主軸1の中心に向って常に押圧するガータスプリング6と、これらを収納したパッキンケース8,8a,8bとを備えた封水装置を3段重ねて構成されている。ここでは、封水装置が3段構造の場合について説明するが、封水装置段数は封水圧力により決まるものであり、特に限定するものではない。パッキン5は摺動面に周方向の給水溝3を設け、給水溝3には背圧と連通する給水孔4を設置している。また、この給水孔4のガータスプリング6との接触面を円錐加工面4aとしている。3段構造では、上から順に上段,中段,下段と呼称する。パッキンの材質は、上段,中段に潤滑性の良いカーボンを使用し、下段には耐土砂摩耗性に優れた樹脂が使用される。
【0014】
下段と中段パッキンの間には供給孔9を設け清水を給水して、摺動面への土砂等の混入防止とともに摺動面の冷却を図っている。封水機構は下段の樹脂パッキンで封水装置に流れ込む河川水の土砂を遮蔽しながら封水し、更に、摺動特性に優れたカーボンを中段及び上段に設けて漏水量を軽減するようにした。
【0015】
この封水装置を3段重ねた構造で、各段出口部のスリーブ外周側とパッキンケース内周側及び円弧状パッキン5とで構成される隙間面積を各段で相違させている。
【0016】
各段の出口部の全隙間面積は以下の式で計算される。
【0017】
【数1】
G=L×(a,b,c)×n …(数1)
ここで、L:パッキン間の周方向距離
a:上段出口部の半径隙間
b:中段出口部の半径隙間
c:下段出口部の半径隙間
n:パッキン個数
G:各段出口部の全隙間面積
各段で、パッキン間の周方向距離L、パッキン個数nを同じにしているので各段の出口部の半径隙間(a,b,c)を変化させ、各段出口部の全隙間面積を相違させている(図2参照のこと)。また、a,b,cの大小関係はa>b≧cである。cを最も小さくしているのは異物を含む河川水ができるだけ給水側に入れないようにするためである。また、図中矢印は流体の流れる方向を示す。清水給水圧力は下段封水圧力より通常1kg/cm2 程度高めに設定される。
【0018】
このように構成された封水装置で、清水は供給孔9より入り下段方向及び中段方向に給水される。中段に入った清水は上段へと流れていく。上段出口部の全隙間面積は中段出口部の全隙間面積よりも大きくしているので、中段から上段への漏水量よりも上段から大気への漏水量の方が多くなる。この結果、従来のような中段パッキンの摺動面に形成される水膜厚さが上段より厚くなっても、漏水させられるため上段の背圧Paが高くなることはなく、安定した摺動特性が得られる。
【0019】
実験結果によれば、中段出口部の全隙間面積と上段出口部の全隙間面積との比を0.6〜0.8の範囲に設定すると中段と上段の差圧(Pb−Pa)が上段と大気の差圧(Pa−Po)に等しくなり、差圧が均等化される。
【0020】
また、この封水装置では円弧状パッキンの摺動面への給水量を増加させる手段として、給水孔4のガータスプリング6との接触面を円錐加工面4aとしている。この結果より、給水孔4の入り口がガータスプリングにより閉塞させられることがなく、パッキン摺動面への給水量が従来よりも増大し、かつパッキン摺動面が背圧(Pa,Pb)とバランスし冷却性が向上し安定した摺動特性が得られる。
【0021】
図2はパッキン5の周方向の配置状況を示す図である。パッキン5間の隙間面積Gはパッキン個数だけできる。隙間面積Gは数1で計算される。隙間面積Gはパッキン間の周方向距離Lを各段で相違させることによっても変えることができる。また、円弧状パッキン5の個数を各段で相違させることにより、結果的にパッキン間の周方向距離Lが変わるので隙間面積Gを相違させることができる。
【0022】
図3は図1に示した本発明による封水装置の第1の実施例で、上段の円弧状パッキン5の形状を説明したものである。円弧状パッキン5の両端部に面取り5a部を設けたパッキン形状としている。このような両端部に面取り5a部を設けたパッキンを上段に、パッキンの両端部に面取りをしていないパッキンを中段に配置して、封水装置を構成している。この場合、両端部に設けた面取り5a部からの漏水量が中段よりも増大するので、各段の出口部半径隙間の関係をa=b>cにすればよい。また、パッキンのコーナ部を大きく面取りすることは、コーナ部での破損が防止され取り扱い性が向上する。
【0023】
図4に本発明による軸封装置の第2の実施例を示す。
【0024】
この実施例で、前記第1の実施例と異なるのはパッキン摺動面に設けた給水溝3への給水手段を、給水溝3と連通するように各段入り口側に縦溝4bを設けた点にある。この縦溝の深さは、給水溝3の深さとほぼ同等にしている。これは、パッキンが摩耗進行していったときに給水溝3がなくなるまで使用できるように配慮されている。
【0025】
この実施例によれば、基本的には前述した第1の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、縦溝4bによりスリーブ2が冷却されるので、摺動面の冷却性が向上し許容背圧が高くとれるので、その結果パッキン厚みを薄くすることが可能である。パッキン厚みが薄くなると複数段重ねた構造では封水装置の高さが低くなり、低コスト化が図れる。更に、封水装置の位置をランナ側に近づけられるため、主軸の長さも短くでき、低コスト化につながる。
【0026】
図5に本発明による軸封装置の第3の実施例を示す。
【0027】
この実施例では、第1の実施例と異なるのはパッキン摺動面に設けた給水溝3への給水手段を、パッキンの外周側のガータスプリングとの接触部に給水孔4と連通するように縦溝4cを設けた点にある。縦溝4cの形状は給水孔への給水が確実に行える形状であれば特に限定するものではない。
【0028】
この実施例によれば、基本的には前述した第1の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、縦溝4cが下向きなのでヘドロ等が給水孔の中に入り難くなり、パッキン摺動面の損傷等が防止される。その結果、パッキンの長寿命化がはかれる。
【0029】
図6に本発明による軸封装置の第4の実施例を示す。
【0030】
この実施例では、第1の実施例と異なるのはパッキン摺動面に設けた給水溝3への給水手段を、パッキンの外周側のガータスプリングとの接触部に給水孔4と連通するように縦溝4dを設けた点にある。縦溝4dの形状は給水孔への給水が確実に行える形状であれば特に限定するものではない。
【0031】
この実施例によれば、基本的には前述した第1の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、縦溝4dが上下方向に開口しているので、給水孔入り口の流速が非常に遅くなり、異物等の浸入が防止される。その結果、パッキンの長寿命化がはかれる。
【0032】
次に、本発明の封水装置を水車に適用した場合について述べる。即ち、水車は図7に示すように、主軸1と、主軸1の下部に固定されたランナ41と、ランナ41の上部に配置され、水車カバー11に本実施例の封水装置とを有している。この封水装置10は、スリーブ2と、パッキンケース8とを備えている。水車カバー11に取り付けている封水装置10は図1に示す実施例のものである。
【0033】
実施例によれば、差圧が均等化できること、摺動面への給水量が増えることなど基本的には第2〜第4の実施例と同等の作用効果を得ることができる。
【0034】
これに加え、長期間安定して運転できる水車が提供できる。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、このように構成された封水装置であると各段出口側のスリーブ外周側とパッキンケース内周側及び円弧状パッキンとで構成される隙間面積を各段で相違させることにより、圧力差が均等化できる。このため、各段における円弧状パッキンの押し付け力が同じくなるので、安定した摺動特性が得られる。一方で、このように形成された軸封装置であると円弧状パッキンの摺動面への給水量が増加し、摺動面の潤滑性,冷却性が向上し安定した摺動特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による封水装置の第1の実施例を示す縦断面図。
【図2】パッキンの周方向の配置状況を示す説明図。
【図3】パッキンの両端部の面取り状況を示す説明図。
【図4】本発明による封水装置の第2の実施例を示す縦断面図。
【図5】本発明による封水装置の第3の実施例を示す縦断面図。
【図6】本発明による封水装置の第4の実施例を示す縦断面図。
【図7】本発明による封水装置を適用した水車を示す縦断面図。
【符号の説明】
1…主軸、2…スリーブ、3…給水溝、4…給水孔、5…パッキン、6…ガータスプリング、7…上カバー、4a…円錐加工面、8,8a,8b…パッキンケース、9…供給孔、10…封水装置、11…水車カバー、Pa,Pb,Pc…各段背圧。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a water sealing device and a water wheel provided with the water sealing device .
[0002]
[Prior art]
A recent high-head water turbine sealing device has a water supply groove in the circumferential direction on the sliding surface of the packing, and a water supply hole that communicates with the back pressure in the water supply groove to balance the sliding surface and the back pressure. A plurality of pressure balance type segment seals are used. This back pressure balance type segment seal has a simple water-sealing structure in which the divided packing is ligated to the sleeve by a garter spring.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-70063 discloses a sealed structure in which a plurality of back pressure balanced segment seals are stacked. Here, although the case where the number of the circumferential water supply grooves provided on the sliding surface is two is shown, the number of the circumferential water supply grooves is determined by the thickness of the packing. In a sealed structure in which a plurality of back pressure balanced segment seals are stacked, the opening area of each stage is the same, and the pressure difference is designed to be substantially equal.
[0004]
However, due to the difference in the water film thickness formed on the packing sliding surface of each stage, a phenomenon in which the pressure difference does not become equal occurs during the experiment, and the sliding surface pressure of the packing increases at the stage where the pressure difference is large. A phenomenon was observed in which the packing temperature was increased and the packing temperature became unstable.
[0005]
On the other hand, when the packing is thin, there is one circumferential water supply groove, which is provided in the central portion in the thickness direction. Therefore, a water supply hole (not shown) communicating with the water supply groove is also provided in the radial direction of the central portion in the thickness direction.
[0006]
The splitly arranged packing is ligated to the sleeve by a garter spring. When the packing is thin, the position in the thickness direction of the water supply hole communicating with the water supply groove overlaps with the garter spring. As a result, the entrance area of the water supply hole is reduced and the amount of water supply is reduced. Moreover, in the long-term use, the entrance area of the water supply hole is suddenly reduced due to algae or the like, and the water supply becomes insufficient. For this reason, the packing does not balance with the back pressure, the sliding surface becomes in a poorly lubricated state, and stable sliding characteristics may not be obtained.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, in a sealed structure in which back pressure balanced segment seals are stacked in multiple stages, a phenomenon in which the packing sliding surface pressure increases due to an unbalanced pressure difference and the packing temperature becomes unstable is observed. Dynamic characteristics may not be obtained. On the other hand, if the packing is thin, the amount of water supplied to the sliding surface will decrease, the sliding surface will be in a poorly lubricated state, and it may not be cooled sufficiently and stable sliding characteristics may not be obtained. is there. That is, in the case of the above-described sealed structure, stable sliding characteristics cannot be obtained for a long time due to an increase in sliding surface pressure due to an imbalance in pressure difference or insufficient supply of water to the water supply groove.
[0008]
An object of the present invention, to balance the pressure differential, or by reliably row TURMERIC the water supply to the water supply groove is to realize a seal water device which can obtain a stable sliding characteristics.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a sleeve is fixed to a main shaft, an arc-shaped packing disposed at an outer peripheral position of the sleeve, and a garter spring that constantly presses the packing toward the center of the main shaft. And an outlet opening area constituted by an outer peripheral side of the sleeve, an inner peripheral side of the packing case, and the arc-shaped packing Is that the upper part of the atmosphere side is the largest.
Another feature of the present invention, the sleeve is fixed to the main shaft, an arcuate packing disposed on the outer periphery position of the sleeve, a garter spring that always presses the packing towards the center of the spindle, these In the case where a plurality of sealing devices each having a stored packing case are stacked, the opening area of the outlet portion formed by the outer peripheral side of the sleeve, the inner peripheral side of the packing case, and the arc-shaped packing is set on the atmosphere side. The upper stage is the largest, and the means for increasing the amount of water supplied to the sliding surface of the arc-shaped packing is configured.
[0010]
The means for increasing the amount of water supply to the sliding surface is that the cross-sectional shape of the water supply hole is made non-uniform, the vertical groove provided on the sliding surface, or the surface that contacts the garter spring of the packing. It is good to comprise in either of the provided vertical groove.
Further, the water sealing device having the above characteristics is particularly effective when applied to a water turbine.
[0011]
That is, in the case of the shaft seal device formed in this way, the gap area formed by the outer peripheral side of the sleeve on the outlet side of each step, the inner peripheral side of the packing case, and the arc-shaped packing is made different in each step, so that the pressure difference Can be equalized. For this reason, since the pressing force of the arc-shaped packing in each step is the same, stable sliding characteristics can be obtained.
[0012]
On the other hand, the shaft seal device formed in this way increases the amount of water supplied to the sliding surface of the arc-shaped packing, improves the lubricity and cooling of the sliding surface, and provides stable sliding characteristics. .
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a water-sealing device according to the present invention, and FIG. 2 is a view showing a circumferential arrangement state of arc-shaped packings. A
[0014]
A supply hole 9 is provided between the lower and middle packings to supply fresh water so as to prevent mixing of earth and sand into the sliding surface and to cool the sliding surface. The water-sealing mechanism seals the river water sediment that flows into the water-sealing device with the lower-stage resin packing, and seals the water in the middle and upper tiers to reduce the amount of water leakage. .
[0015]
With the structure in which the water sealing devices are stacked in three stages, the gap areas constituted by the sleeve outer periphery side, the packing case inner periphery side, and the arc-shaped
[0016]
The total clearance area at the exit of each stage is calculated by the following formula.
[0017]
[Expression 1]
G = L × (a, b, c) × n (Expression 1)
Where L: circumferential distance between packings a: radial gap at upper outlet b: radial gap at middle outlet c: radial gap at lower outlet n: number of packing G: total gap area at each outlet Since the circumferential distance L between the packings and the number of packings n are the same in each step, the radial gaps (a, b, c) at the outlets of each step are changed, and the total clearance area of each step outlet is made different. (See FIG. 2). The magnitude relationship between a, b, and c is a> b ≧ c. The reason for making c the smallest is to prevent river water containing foreign matter from entering the water supply side as much as possible. Moreover, the arrow in the figure indicates the direction in which the fluid flows. The fresh water supply pressure is usually set about 1 kg / cm 2 higher than the lower sealed water pressure.
[0018]
In the sealing device configured in this manner, fresh water enters through the supply hole 9 and is supplied in the lower and middle stages. Shimizu that entered the middle stage flows to the upper stage. Since the total gap area of the upper stage outlet is larger than the total gap area of the middle stage outlet, the amount of water leaked from the upper stage to the atmosphere is greater than the quantity of water leaked from the middle stage to the upper stage. As a result, even if the water film thickness formed on the sliding surface of the middle packing as in the prior art becomes thicker than the upper stage, the back pressure Pa of the upper stage does not increase because of water leakage, and stable sliding characteristics Is obtained.
[0019]
According to the experimental results, when the ratio of the total clearance area of the middle outlet and the total clearance area of the upper outlet is set in the range of 0.6 to 0.8, the differential pressure (Pb-Pa) between the middle and upper And the atmospheric differential pressure (Pa-Po), and the differential pressure is equalized.
[0020]
In this sealing device, as a means for increasing the amount of water supplied to the sliding surface of the arc-shaped packing, the contact surface of the
[0021]
FIG. 2 is a view showing the arrangement of the
[0022]
FIG. 3 is a first embodiment of the water sealing device according to the present invention shown in FIG. 1 and explains the shape of the upper arc-shaped
[0023]
FIG. 4 shows a second embodiment of the shaft seal device according to the present invention.
[0024]
In this embodiment, the difference from the first embodiment is that the water supply means for the
[0025]
According to this embodiment, basically the same effect as the first embodiment can be obtained, and the sleeve 2 is cooled by the
[0026]
FIG. 5 shows a third embodiment of the shaft seal device according to the present invention.
[0027]
In this embodiment, the difference from the first embodiment is that the water supply means for the
[0028]
According to this embodiment, basically the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained, and since the
[0029]
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the shaft seal device according to the present invention.
[0030]
In this embodiment, the difference from the first embodiment is that the water supply means for the
[0031]
According to this embodiment, basically the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained, and the
[0032]
Next, the case where the water-sealing device of the present invention is applied to a water wheel will be described. That is, as shown in FIG. 7, the water turbine has a
[0033]
According to the embodiment, the same operational effects as the second to fourth embodiments can be basically obtained such that the differential pressure can be equalized and the amount of water supplied to the sliding surface is increased.
[0034]
In addition, it is possible to provide a water turbine that can be stably operated for a long time.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the water sealing device configured as described above, the gap area constituted by the sleeve outer peripheral side, the packing case inner peripheral side, and the arc-shaped packing at each step outlet side is made different at each step. Thus, the pressure difference can be equalized. For this reason, since the pressing force of the arc-shaped packing in each step is the same, stable sliding characteristics can be obtained. On the other hand, the shaft seal device formed in this way increases the amount of water supplied to the sliding surface of the arc-shaped packing, improves the lubricity and cooling of the sliding surface, and provides stable sliding characteristics. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a water-sealing device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing the arrangement of packings in the circumferential direction.
FIG. 3 is an explanatory view showing the chamfered state of both ends of the packing.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the water sealing apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a third embodiment of the water-sealing device according to the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the water-sealing device according to the present invention.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a water wheel to which a water sealing device according to the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
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JPH10169788A (en) | 1998-06-26 |
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