JP4037583B2 - 水力機械の軸封装置およびその水力機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水車やポンプ水車等の水力機械の軸封装置に係わり、特に、高圧、高速のポンプ水車等の回転軸からの漏水および漏気を防止する軸封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水車やポンプ水車等の水力機器においては、主軸に直結されたランナ側の圧力水が、外部に漏水しないように、回転部と静止部の間に、軸封水装置を設けている。この軸封水装置には種々の構造のものがあるが、回転する主軸の表面に固体パッキンを接触摺動させることによってシールする構造のものが多用されている。
【０００３】
図１７は、このような構造の主軸封水装置を備えた水力機器の一部を示したものであり、ケーシング１内の圧力水は、ステイリング２とステイベーン２ａで構成された流路を通って整流され、上カバー３と下カバー４により構成される圧力室に流入する。圧力室の入口にはガイドベーン５が配列されており、このガイドベーン５で流量調節された流水は、ランナ６に作用し、ランナ６を回転させた後、吸出管（図示せず）から放水路へ放出される。この間に、流水の一部は、ランナ６の背面にも流れ、上カバー３との間隙を通して主軸７と上カバー３との間に流れようとするが、この圧力水をシールするのが軸封装置８である。なお、ポンプ水車をポンプ運転する場合の水の流れは、上記と逆になる。
【０００４】
軸封装置８は、図１８に示すように、上カバー３に対してボルト９で固定されたパッキン箱１０、及びパッキン箱カバ１１を備えており、このパッキン箱１０内には、パッキン１２が水車軸７の回転軸方向に沿って複数段設けられている。尚、パッキン１２は、摺動特性を考慮して、通常、焼結カーボン材料で製作されることが多い。これらのパッキン１２は円周方向に複数個に分割されており、パッキン押え１３の背部に設けられたガータスプリング１４のバネ力によって水車軸７に向け、常時押圧されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
軸封装置は、ポンプ水車の高落差化に伴って、ますます高圧、高速の厳しい条件にさらされ、特に封水圧力の高圧化に伴い、パッキン破損発生の危険性が増加する傾向にある。
【０００６】
ここで、図１９により、軸封装置８に作用する圧力の関係を述べる。（図１９は、パッキン１２、パッキン押さえ１３、ガータスプリング１４を省略している。）軸封装置８には、通常、１００メッシュ程度のストレーナー（図示せず）を通過後の清水がＰｓなる圧力で給水される。清水給水圧力Ｐｓは、土砂の混入した河川水の流入を防ぐため、ランナ６と上カバー３にて構成される空間の圧力Ｐｂ（ランナ背圧）に対し、０．１〜０．２ＭＰａ程度高い圧力に設定される。給水された清水は、１つには大気解放側（図では上側）へ流出する漏水となり、もうひとつはランナ６と上カバー３にて構成される空間に流れ（図では下側）、河川水を押し戻す役割を果たす。清水給水された直後の圧力室に作用する圧力、すなわち中段パッキン室圧力Ｐｒ２と下段パッキン室圧力Ｐｒ３は、ほぼ、清水給水圧力Ｐｓと同程度の圧力となる。大気解放側に複数段のパッキン１２を組み込む場合は、封水効果により、漸次、圧力が低減されるが、本図の場合は、大気解放側を２段としているので、通常、次段のパッキン室である上段パッキン室圧力Ｐｒ１は、前段のパッキン室圧力Ｐｒ２の半分となる。このような圧力状況において、パッキン箱棚板部１０１や、パッキン箱カバ１１は、圧力室Ｐｒ２とＰｒ１の差圧、または、Ｐｒ１の圧力によって、２点鎖線で図示するように、内径側が持ち上がるように変形する。前述したように、近年のポンプ水車は、高落差化が進んで給水圧力Ｐｓがますます高くなり、この高圧化に伴い、パッキン箱棚板部１０１やパッキン箱カバ１１の変形量が大きくなる傾向にある。
【０００７】
パッキン箱棚板１０１やパッキン箱カバー１１が、過度の変形を起こすと、図２０に示すように、パッキン片１２は、両端で支持されたように水圧を受けるため、パッキン片１２にはＭなる曲げモーメントが発生する。パッキン１２は、通常、カーボンなどの脆性材料のため、弾性変形量は極めて小さく、パッキン箱棚板１０１やパッキン箱カバー１１の変形に追従できず、この結果、パッキン１２には中央部に大きな応力が発生し、図２１のＢ部のように折損してしまう恐れがある。
【０００８】
そこで、高圧、高速の厳しい条件において使用される軸封装置のパッキン１２は、図１８に示すパッキン１２厚み寸法ｔｐやパッキン１２幅寸法Ｂｐを大きくしてパッキン片１２の剛性を確保したり、パッキン箱棚板１０１厚みｔｂやパッキン箱カバー厚さｔｃを大きくして、内径側の変形を抑えることにより、パッキン片１２の破断を防止している。
【０００９】
しかしながら、パッキン１２の厚み寸法ｔｐやパッキン箱棚板１０１の厚みｔｂ、パッキン箱カバー１１の厚みｔｃを増やすと言うことは、即ち、図１８に示す軸封装置８全体の軸方向高さ寸法Ｌｓが大きくなることを意味する。この場合、図１７に示す水車軸７の軸振れを制御するためのガイド軸受１５とランナ６のオーバーハング量が大きくなって軸振れが大となり、運転上、大きな障害となる。
【００１０】
また、単純にパッキン１２の厚み寸法ｔｐを大きくすると、パッキン１２と水車軸７との摺動面積が増え、摺動面への潤滑水の不足による固体接触を引き起こす可能性があるため、通常は、図２０に示すような溝、或いは給水孔を設けることにより、摺動面へ潤滑水を供給できるようにしている。このような溝を設けた場合、パッキン１２摺動面と背面に作用する圧力は図２２のようになると考えられる。即ち、摺動面に作用する水圧Ｐｉは、溝が設けてあるｔｇ寸法までは、パッキン１２背面に作用するパッキン室の圧力Ｐｒとほぼ等しく、封水効果を持つシール部寸法ｔｓにおいてのみ圧力が降下する。つまり、パッキン１２が本来有すべき機能、即ち、流体をシールするという機能は、パッキン１２全体の厚み寸法ｔｐのうちのシール部厚さｔｓのみであり、それ以外のｔｇなる寸法は、パッキン１２の剛性を確保するためのものにすぎない。換言すれば、シール部寸法ｔｓのみでパッキン１２の破断を防止することができれば、パッキン厚さｔｐとシール部厚さｔｓを同寸法とし、従来のような複雑な溝加工を行う必要が無くなるのである。
【００１１】
次に、パッキン１２の幅寸法Ｂｐを大きくした場合は、パッキン１２を収納するためのパッキン箱１０やパッキン箱カバー１１も必然的に大きくなり、パッキン箱棚板１０１やパッキン箱カバ１１の取付ボルト１６から最内径までのオーバーハング量Ｌが増えるため、パッキン片１２の剛性を確保できても、パッキン箱棚板１０１やパッキン箱カバー１１の変形量が大きくなってしまうという問題がある。
【００１２】
パッキン片１２の曲げモーメントを抑える手段としては、パッキン片１２の１片あたりの周方向長さ寸法Ｌｐ（図２０）を小さくする、即ち、周方向に分割するパッキン片１２を多分割化することでも、支点間隔が小さくなるので、曲げモーメントＭを抑える効果が得られると期待されるが、単純に多分割化することは、水車軸７外径と、パッキン箱１０あるいはパッキン箱カバー１１内径とパッキン片で構成される漏水ポート箇所の面積Ａ（図２３）の増加を意味し、従来型軸封装置に比し、封水効果の低下を招く。パッキン片１２を多分割とし且つ全体的な漏水ポート面積を抑えるためには、漏水ポート１カ所当たりの面積Ａを小さくする必要がある。漏水ポート面積Ａを小さくするためには、パッキン片の廻り止めコマ１７とパッキン片１２との間隔Ｇｋや、隣接パッキン間の間隔Ｇｐを小さくする必要があるが、このためには廻り止めコマ１７単体での形状寸法、取付位置、取付姿勢、及び隣接する廻り止めコマ１７との相対関係寸法Ｌｋ（図２４）などの精度が要求されるため、非常な困難がともなう。
【００１３】
本発明は、このような実状に鑑みなされたもので、パッキン片の薄肉単純形状化を図り、コンパクトで信頼性の高い軸封装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は、回転軸の周りに配設されたパッキン箱とこのパッキン箱の開口部を覆うパッキン箱カバーによって形成される円環状空間に、周方向に複数個のパッキン片を回転軸に当接するように配置した軸封装置において、半径方向内方に向かって開口する凹部が周方向に離間して形成された櫛歯状リングをパッキン箱内に内装し、この櫛歯状リングの凹部にパッキン片を嵌装するとともに、前記凹部にパッキン片を嵌装した櫛歯状リングの軸方向側面に円環状リングを当接させて重ね、前記凹部にパッキン片を嵌装した櫛歯状リングと前記円環状リングとをパッキン箱内に軸方向に交互に複数段配置したことである。
この櫛歯状リングは、機械加工によって製作できるので、パッキン片の収納空間は非常に精度が良く、このため、パッキン片を多分割化することが可能となる。また、パッキン箱カバーと櫛歯状リングとパッキン箱棚板を一体締結とすることで、これらの軸方向への変形は小さく抑えることができる。これらにより、パッキン片に発生する曲げモーメントは極めて小さくなり、パッキン片の厚さを薄くしても破断することが無い。従って、軸封装置全体の高さ寸法を小さくすることが可能である。
【００１５】
また、軸封装置全体の封水効果が向上するとともに、パッキン１段分に対する負荷圧力が低減でき、パッキンの延命化を図ることができる。
【００１６】
本発明の第２の特徴は、複数の前記凹部にパッキン片を嵌装した櫛歯状リングを、軸方向に互いに当接させて複数段重ねるとともに、隣接する櫛歯状リングの一方の櫛歯状リングの凹部の位置が他方の櫛歯状リングの凸部の位置になるように配置したことを特徴とするものである。
これにより、封水効果が大幅に向上するとともに、パッキン１片の周方向長さ寸法をさらに小さくし、パッキンに作用する曲げモーメントを抑えることができる。
【００１７】
本発明の第３の特徴は、前記パッキン片に、前記パッキン片を前記回転軸に向かって押圧する初期押付力を付与する押圧手段を設けたことである。
従って、主機始動時において、パッキン片と水車軸の間にギャップがあると一時的に多量の漏水が流出してしまうが、本発明によれば、初期的なパッキン位置ズレに対する漏水過多を防止することができる。
【００１８】
本発明の第４の特徴は、前記パッキンに、前記パッキン片がその適正な摩耗代以上に半径方向内方へ移動することを防止する係止手段を設けたことである。これにより、万一、パッキンの異常摩耗が発生したとしても、パッキン片の強度上、必要な大きさは確保できるので、異常摩耗時のパッキンの折損を防ぐことが可能である。
【００１９】
本発明の第５の特徴は、前記パッキン片がその摩耗により半径方向内方へ移動したことを検出する手段を設けたことである。
これにより、パッキン片の摩耗状況をレコーダー等で記録したり、摩耗の進行度によっては、警報を発する、あるいは主機を停止するなどの手段を講じることにより、信頼性の高い軸封装置となる。
【００２０】
本発明の第６の特徴は、上記記載の水力機械の軸封装置を備えた水力機械である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２２】
第１実施形態
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図であって、図１７に示すような水力装置に使用された軸封装置を表す斜視図である。図２は、図１に示す軸封装置の縦断面図、図３は図２におけるIII-III断面図、図４は図２におけるIV-IV断面図である。
【００２３】
この軸封装置２１０において、廻り止めコマ１７と同様の機能、即ちパッキンの周方向の動きを拘束し、径方向への動きを案内する機能を備えた部品として、内径側を櫛歯状とした櫛歯状リング４０をパッキン箱３０内に備えたことを特徴とする。この櫛歯状リング４０は、その内周側に、半径方向内方に向かって開口するとともに、周方向に離間して形成された複数の凹部４０ａを有している。この凹部４０ａには、パッキン３２が半径方向に摺動可能に配設されている。
この櫛歯状リング４０は、廻り止めの機能を持つ内径の櫛部を精度良く加工することができるので、パッキン３２の多分割化が可能となる。
また、パッキン箱カバー取付ボルト３９をもって、パッキン箱棚板１２１と櫛歯状リング４０とパッキン箱カバ３１を一体締結とすることで、パッキン箱棚板１２１の軸方向の変形を抑えることができる。
また、取付ボルト３９のピッチサークルは従来よりも内径側にすることできるので、パッキン箱カバー３１のオーバーハング量Ｌは小さくなり、パッキン箱棚板１２１やパッキン箱カバー３１の変形を、極めて小さくすることができる。
以上の効果で、パッキン片３２の厚み寸法ｔｐを薄くすることが可能であり、軸封装置全体高さＬｓを小さくすることができる。
さらに、パッキン片３２は多分割の薄板とすることで、従来パッキン片３２の摺動面に設けていた潤滑水導入用の溝や孔を設ける必要が無く、略直方体の１面のみを摺動面として円筒面とした、ごく単純な形状としても、摺動面には十分な潤滑水が得られる。
また、前記櫛歯状リング４０と円環状リング４１を交互に複数段重ねることにより、パッキン３２の１段分に作用する圧力が軽減され、パッキン３２の延命効果が図れるとともに、大きな封水効果を得ることができる。
【００２４】
第２実施形態
図５は、本発明の第２の実施の形態である軸封装置２２０を示す断面図であり、図６は図５におけるVI-VIに沿う断面図、図７は図５において水車軸がないとした場合のVII方向の矢視図である。この軸封装置２２０においては、複数の櫛歯状リング４０が軸方向に直接重ね合わされて配設されている。また、重ね合わされて隣合った２つの櫛歯状リング４０は、一方の凹部４０ａが他方の櫛歯状凸部４０ｂの上に重なるように配置されている。従って、それぞれのリングの凹部４０ａに嵌装されたパッキン片３２をその周方向両端部を直接重ね合わせて配設することができる。このため、隣接パッキン間隔Ｇｐ（図２３参照）を０にすることができ、シール性を向上させることができる。また、隣接パッキン間隔Ｇｐを０にできるので、パッキン片３２の周方向長さを長くすることによって全周に対するパッキン間隔の比率を増加させる必要が無い。このため、パッキン片３２の周方向長さＬｐを短くすることができ、従ってパッキン片の強度を向上させることができる。このようにして、漏水ルートを極限まで小さくし、封水効果を最大限に発揮できる。
【００２５】
参考例
図８は、本発明に関する参考例である軸封装置２３０の断面図であり、図９は図８におけるIX-IX線に沿う断面図である。
【００２６】
この軸封装置２３０においては、軸封装置２１０における櫛歯状リング４０の凹部４０ａに相当する凹部をパッキン箱３０，５０に形成している。
すなわち、パッキン箱３０，５０に、その軸方向の一側面と内径側側面に開口する複数の凹部３０ａ，５０ａを周方向に離間して形成している。そして、この凹部３０ａ，５０ａにパッキン片３２を半径方向摺動可能に嵌装している。この軸封装置２３０によっても、軸封装置２１０と同様の効果が得られる。
【００２７】
第３実施形態
図１０ないし図１３は、第３の実施の形態である。パッキン片３２を水車軸７へ押圧する手段を示す部分斜視図である。パッキン片３２を水車軸７に押圧する手段は、図１０においては、圧縮コイルスプリング６２であり、図１１においては、ガータスプリング６３でり、図１２においては、拡開方向に作用する板バネ６４であり、図１３においては、ゴムなどの弾性体からなるリング６５である。
これらに例示するような弾性体を用いて、パッキン３２を常に水車軸７に向けて押圧させておくことで、安定した封水効果が得られるとともに、運転始動時における過渡的な漏水過多を防止できる。
【００２８】
第４実施形態
図１４、図１５は、第４の実施の形態を示すものであって、摩耗によるパッキン片３２の半径方向内方への移動を制限するための手段をそれぞれ示す図である。
図１４においては、パッキン片３２の先端下面に段部６１を設けるとともに、円環状リング２１の上面に凸部６２を設け、初期状態において両者間に間隔δを設定している。このようにすることによって、パッキン片３２の内周側端面が摩耗しても、パッキン片３２は変位δ以上は、半径方向内方に移動できないようにしている。
図１５においては、凹部４０ａの入口部に内方に突出する凸部６３を設けるとともに、パッキン片３２の外周側の両側部に凸部６４を設け、初期状態において両者間に間隔δを設定している。このようにすることによって、パッキン片３２の内周側端面が摩耗しても、パッキン片３２は変位δ以上は、半径方向内方に移動できないようにしている。
これらにより、万一、パッキン３２の異常摩耗が発生したとしても、パッキン片３２の強度上、必要な大きさは確保できるので、異常摩耗時のパッキン３２の折損を防ぐことが可能である。
【００２９】
第５実施形態
図１６は、第５の実施の形態を示すものであって、パッキン片３２の摩耗による半径方向への変位を検出する手段を示す断面図である。
この図において、パッキン箱３０及び櫛歯状リング４０を径方向に貫通するようにガイドブッシュ４６を取り付け、このガイドブッシュ４６とキャップ４７からなる円筒状空間に測定棒４８と圧縮コイルスプリング４２を備えている。そして、圧縮コイルスプリング４２の力によって測定棒４８を常にパッキン片３２に当接させ、測定棒４８が常にパッキン片３２の径方向の動きに追従できるようにしている。
また、測定棒４８の外端部近傍にギャップセンサ４９を配置し、これらを用いて測定棒４８とギャップセンサ４９のギャップＳを監視できるようにしている。
従って、ギャップセンサ４９の出力信号を用いて、パッキン片３２の摩耗状況をレコーダー等で記録したり、摩耗の進行度によっては、警報を発することができる。さらに、そのような場合には、主機を停止するなどの手段を講じることがき、したがって軸封装置の信頼性を向上させることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による軸封装置は、精度の良いパッキン収納空間を構成できることで、パッキン片を多分割としても封水性能を低下することがなく、しかも、パッキン箱の変形を極めて小さくしてパッキン片に作用する曲げモーメントを抑えることが可能であることから、パッキン片を薄くしても、パッキン破断することが回避でき、またパッキン片を薄くすることで軸封装置全体の高さ寸法を抑えて、水車軸の軸振れ軽減に効果があるとともに、パッキン片形状を単純化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態である軸封装置を示す斜視図。
【図２】 図１に示す軸封装置をしめす軸断面図
【図３】 図２中のIII-IIIに沿う断面図。
【図４】 図２中のIV-IVに沿う断面図。
【図５】 本発明の第２の実施形態である軸封装置を示す軸断面図。
【図６】 図５中のVI-VIに沿う断面図。
【図７】 図５において水車軸がないとした場合のVII方向からの矢視図。
【図８】 本発明の参考例の軸封装置を示す軸断面図。
【図９】 図８中のIＸ-IＸ線に沿う断面図。
【図１０】 本発明の第３の実施形態であるパッキン片押圧手段を示す図であって、押圧手段としてコイルスプリングを採用した場合を示す斜視図。
【図１１】 本発明の第３の実施形態であるパッキン片押圧手段を示す図であって、押圧手段としてガータスプリングを採用した場合を示す斜視図。
【図１２】 本発明の第３の実施形態であるパッキン片押圧手段を示す図であって、押圧手段として板バネを採用した場合を示す斜視図。
【図１３】 本発明の第３の実施形態であるパッキン片押圧手段を示す図であって、押圧手段としてゴムリングを採用した場合を示す斜視図。
【図１４】 本発明の第４の実施形態を示す図であって、摩耗によるパッキン片の半径方向内方への移動を制限するための手段を示す軸断面図。
【図１５】 本発明の第４の実施形態を示す図であって、摩耗によるパッキン片の半径方向内方への移動を制限するための他の手段を示す水平方向断面図。
【図１６】 本発明の第５の実施形態を示す図であって、パッキン片の摩耗による半径方向への変位を検出する手段を示す断面図
【図１７】 従来の水力機械を示す軸断面図。
【図１８】従来の軸封装置を示す軸断面図。
【図１９】 従来の軸封装置の圧力の作用状態を示す軸断面図。
【図２０】 パッキンに作用する力の関係を示す斜視図。
【図２１】 パッキン折損状態を示す斜視図。
【図２２】 パッキンの径方向に作用する圧力状態を示す図。
【図２３】 パッキンと廻り止めコマと漏水ポートの関係を示す斜視図。
【図２４】廻り止めコマの配置を示す平面図。
【符号の説明】
７ 水車軸
１０ パッキン箱
１１ パッキン箱カバ
１２ パッキン
２０ 櫛歯状リング
２１ 円環状リング
２２ 圧縮コイルスプリング
２３ ガータースプリング
２４ 板バネ
２５ ゴムリング
２８ 測定棒
２９ ギャップセンサ
６１ 段部
６２ 凸部
６３ 凸部
６４ 凸部
２１０ 軸封装置
２２０ 軸封装置
２３０ 軸封装置

Claims (6)

1. 回転軸の周りに配設されたパッキン箱と
   このパッキン箱の開口部を覆うパッキン箱カバーによって形成される円環状空間に、周方向に複数個のパッキン片を回転軸に当接するように配置した軸封装置において、
   半径方向内方に向かって開口する凹部が周方向に離間して形成された櫛歯状リングをパッキン箱内に内装し、この櫛歯状リングの凹部にパッキン片を嵌装するとともに、
   前記凹部にパッキン片を嵌装した櫛歯状リングの軸方向側面に円環状リングを当接させて重ね、
   前記凹部にパッキン片を嵌装した櫛歯状リングと前記円環状リングとをパッキン箱内に軸方向に交互に複数段配置したことを特徴とする水力機械の軸封装置。
2. 複数の前記凹部にパッキン片を嵌装した櫛歯状リングを、軸方向に互いに当接させて複数段重ねるとともに、
   隣接する櫛歯状リングの一方の櫛歯状リングの凹部の位置が他方の櫛歯状リングの凸部の位置になるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の水力機械の軸封装置。
3. 前記パッキン片に、前記パッキン片を前記回転軸に向かって押圧する初期押付力を付与する押圧手段を設けたことを特徴とする、請求項１または２に記載の水力機械の軸封装置
4. 前記パッキンに、前記パッキン片がその適正な摩耗代以上に半径方向内方へ移動することを防止する係止手段を設けたことを特徴とする、請求項１または２に記載の水力機械の軸封装置。
5. 前記パッキン片がその摩耗により半径方向内方へ移動したことを検出する手段を設けたことを特徴とする、請求項１または２に記載の水力機械の軸封装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の水力機械の軸封装置を備えた水力機械。

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