JP4212618B2 - Shaft seal water device of hydraulic machine - Google Patents
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Description
本発明は、水力機械の軸封水装置に係わり、特に水車やポンプ、或はポンプ水車の回転軸と静止部の間から漏洩する漏水をシールする軸封水装置、及びその組立方法に関する。 The present invention relates to a shaft sealing device for a hydraulic machine, and more particularly to a shaft sealing device that seals water leaking from between a rotating shaft and a stationary part of a water turbine or a pump or a pump turbine, and an assembling method thereof.
図8は一般的な水車やポンプ水車などの水力機械を有する水力プラントの概略構成を示す図であり、上記水車やポンプ水車などの水力機械1の回転軸2には、その水力機械1の上方に配設されている発電機3が連結されている。上記水力機械1には図示しない上水池に接続されている鉄管を介して水が供給され、上記水力機械1のランナが回転駆動され、そこでランナを回転駆動した水は、上部吸出管4及び吸出管ランナ5を介して下水池6に放水される。
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a hydraulic power plant having a hydraulic machine such as a general water turbine or a pump turbine, and a rotating
図9は上記水力機械の概略構成を示す図であり、前記鉄管に接続されたケーシング7の内周にはステアリング8が設けられ、そのステアリング8に複数枚のステイベーン8aが周方向に配列され流路が形成されている。上記ケーシング7のステアリング8の内周側には上カバ9及び下カバ10が配設されており、上記ステイベーン8aの内周側に上カバ9及び下カバ10で挟持された複数枚のガイドベーン11が周方向に配列されている。
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the hydraulic machine. A
一方、ケーシング7の中心軸線上には水力機械の回転軸2が設けられており、この回転軸2の下端に上記上カバ9及び下カバ10間に配設されたランナ12が固着されている。
On the other hand, a
しかして、前記ケーシング7に供給された水は、ステイベーン8a及びガイドベーン11を通過して上カバ9及び下カバ10によって形成されているランナ室内に流入し、ランナ12を回転駆動した後、上部吸出管4及び吸出管ライナ5を経て下水池6に放水される。
Thus, the water supplied to the
ところで、上記ガイドベーン11を通過した流水の一部は、上カバ9とランナ12との間隙13を通して、上カバ9と水力機械の回転軸2との間から流出しようとするため、静止側である上カバ9と回転部である回転軸2の間には、流水を封じ込める軸封水装置14が設けられている。そして、この軸封水装置14からの漏水は、上カバ9の上部を流れ、ステイベーン8aを貫通する排水穴などを通り、配管により図示しない排水ピット等へ排出される。
By the way, a part of the flowing water that has passed through the guide vane 11 tries to flow out from between the
上記軸封水装置14としては、従来、ラビリンスシールタイプやグランドパッキンタイプ、またはカーボンパッキンタイプのものが主流を占めていた。しかしながら、ラビリンスタイプのような非接触タイプのシールは、摩耗や損傷は少ないが、漏水量が多く、また土砂が多い河川においては、土砂摩耗防止のため、清水給水が必要である。また、グランドパッキンは、漏水量はパッキンの締め込みにより低減することができるが、保守が困難であり、また相手側の回転軸を損耗させる等の問題がある。さらに、カーボンパッキンはラビリンスシールに比べて漏水量は少ないが、パッキンの材質であるカーボンは脆く、損傷し易く、また土砂に対しても摩耗し易いため清水給水が必要となる。
As the shaft
このようなことから、近年軸封水装置14としてセラミックシールが開発された。図10は、上記セラミックシールを採用した軸封水装置14の概略構成を示す断面図であり、回転側には、水力機械の回転軸2に固定されたシール台15上に回転側シールケース16aが固着され、その回転側シールケース16a上に高硬度材料であるセラミックスからなる回転側シールリング17aが取り付けられている。一方、静止側には、上カバ9にその上カバ9と回転軸2とで形成された環状空間を囲むように封水ケーシング18が装着され、その封水ケーシング18に回転軸2の軸方向にのみ移動可能に静止側シールケース16bを設け、その静止側シールケース16bの下面に、前記回転側シールリング17aと対向するようにセラミックスからなる静止側シールリング17bが取り付けられている。上記静止側シールケース16bは封水ケーシング18にスプリング19で支持されており、そのスプリング19の付勢力によって静止側シールリング17bが回転側シールリング17aに弾圧され、これによって間隙13から漏洩しようとする流水がシールされるようにしてある。また、上記静止側シールケース16bには、回転軸2と封水ケーシング18との間に挿入される筒状部が一体的に形成され、その筒状部外周部に封水ケーシング18の内周面との間の封水を行うO−リング20が設けられている。
For this reason, a ceramic seal has recently been developed as the shaft
ところが、セラミックシールは耐摩耗性、耐久性に優れているが、脆性材料であるセラミックスは、主機運転時の振動や、負荷遮断時の衝撃などにより、損傷を受け、封水性能が損なわれる可能性がある。 However, ceramic seals are excellent in wear resistance and durability, but ceramics, which are brittle materials, can be damaged by vibration during operation of the main engine or impact at the time of load interruption, and the sealing performance can be impaired. There is sex.
また、通常、セラミックスは高硬度で耐摩耗性に優れ、かつ固体接触した場合の摩擦係数も金属に比べ非常に小さいので、一般的には数秒から10秒程度の短い時間であれば、乾燥摺動も可能とされている。たとえば、立軸ディフューザーポンプの水中軸受は、主機起動時の乾燥摺動を防ぐため、従来は清水給水を行う必要があったが、セラミック軸受の採用により、給水レスを実現している。 In general, ceramics have high hardness and excellent wear resistance, and the friction coefficient when in solid contact is much smaller than that of metal. It is also possible to move. For example, underwater bearings for vertical shaft diffuser pumps have conventionally been required to supply fresh water in order to prevent dry sliding when the main engine is started. However, the use of ceramic bearings has eliminated water supply.
しかしながら、下水池の水位がランナ中心より低い水車の場合は、主機起動時及び停止時に上カバ9とランナ12との間隙13の圧力は数分間負圧となり、シール部に残存している水も間隙13側に吸い込まれ、軸封水装置14が数分間負圧となり、シール部に残存している水も間隙13側に吸い込まれ、軸封水装置14の両シールリング17a,17bが数分にわたり乾燥摺動し、損傷する恐れがある。
However, in the case of a water turbine whose water level in the sewage pond is lower than the center of the runner, the pressure in the
さらに、セラミックシールタイプの軸封水装置を備えた水力機械を組み立てる際は、組立時におけるセラミックス部品の損傷を防ぐために、セラミックス部品に過大な荷重を負担させないように考慮する必要がある。 Furthermore, when assembling a hydraulic machine equipped with a ceramic seal type shaft seal water device, it is necessary to consider not to overload the ceramic component in order to prevent damage to the ceramic component during assembly.
すなわち、図11に示すように、ランナ12、回転軸2などの主機回転部を下カバ10に仮置きして、上カバ9の上部に位置する静止側部品を組み立て、最後に回転部を正規位置に戻す場合には、シールリング17a,17bには静止側シールケース16bの重量以外の荷重がかかることはないが、静止側シールケース16bも下がった位置に仮置きされているので、主機回転部を正規位置に戻す際に、軸封ケーシング18と静止側シールケース16bの間に設けられているO−リング20の位置がずれ、両者間にO−リング20を噛み込む恐れがある。
That is, as shown in FIG. 11, the main machine rotating parts such as the
そこで、これを回避するためには、O−リング20のシール面となる段付部の寸法を大きくとっておくか、または静止側シールケース16bを軸封ケーシング18に仮固定できるような治具を準備しておく必要がある。
Therefore, in order to avoid this, the size of the stepped portion that becomes the seal surface of the O-
また、図12に示すように、水車ピット外で主機回転部と上カバ9、場合によってはガイドベーン11までを組み立て、回転部に静止部を乗せた状態で吊り込む場合には、上カバ9とランナ12との軸方向ギャップR(図9)が静止側シールケース16bの可動ストロークS(図10)よりも大きいと静止側部品の重量がシールリング17a,17bにかかることになる等の問題がある。
In addition, as shown in FIG. 12, when assembling the main engine rotating part and the
したがって、本発明は、組立時の際にセラミックスにかかる荷重を最小限に抑えることができる軸封水装置を得ることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a shaft seal water device that can minimize the load applied to ceramics during assembly.
本発明は、上下方向に延びる回転軸と一体に回転するランナとこのランナの上方に設けられてランナ室を形成する上カバとの間の環状空間から流出しようとする流水を閉じこめるための水力機械の軸封水装置であって、
前記回転軸の側に固着されたセラミックスからなる回転側シールリングと、
前記回転側シールリングと対向し、前記回転側シールリングに上方から弾圧されるように保持されたセラミックスからなる静止側シールリングと、
前記上カバに装着されて前記環状空間を取り囲む、前記上カバに装着された封水ケーシングと、
前記静止側シールリングを前記回転側シールリングに向かって下方に弾圧する、前記封水ケーシングに設けられたスプリングと、を備え、
前記水力機械を組み立てるために、前記回転軸に取り付けた前記回転側シールリングの上に前記静止側シールリングを乗せるとともに、前記回転軸に取り付けた前記ランナの上に前記上カバおよび前記封水ケーシングを乗せたときに、前記静止側シールリングと前記封水ケーシングとの間に上下方向の隙間が生じるように、
前記静止側シールリングの上下方向の可動ストローク寸法を、前記ランナと前記上カバとの間の上下方向のギャップ寸法より大きくしたことを特徴とする。
The present invention relates to a hydraulic machine for confining running water that flows out from an annular space between a runner that rotates integrally with a rotary shaft that extends in the vertical direction and an upper cover that is provided above the runner and forms a runner chamber. Shaft sealing water device,
A rotating side seal ring made of ceramics fixed to the rotating shaft side ;
And the rotary side sealed ring facing the stationary seal ring of retained ceramics as oppression from above the rotating seal ring,
A sealed casing attached to the upper cover, attached to the upper cover and surrounding the annular space;
A spring provided in the sealed casing that elastically presses the stationary seal ring downward toward the rotary seal ring,
In order to assemble the hydraulic machine, the stationary seal ring is placed on the rotary seal ring attached to the rotary shaft, and the upper cover and the sealed casing are placed on the runner attached to the rotary shaft. So that there is a vertical gap between the stationary seal ring and the sealed casing,
The vertical direction of the movable stroke dimension of the stationary-side seal ring, characterized by being larger than the vertical gap dimension between the upper cover and the runner.
以上説明したように、本発明は、静止側シールリングの可動ストローク寸法をランナと上カバの軸方向ギャップ寸法より大きくしたので、主機回転部と少なくとも上カバを含んだ静止部品を水車ピット外で組み立て、回転部に静止部を乗せて吊り込む場合もセラミックシールに静止部の重量がかかることを防止でき、組立の際のセラミックシールの損傷の危険を回避することができる。 As described above, according to the present invention, the movable stroke dimension of the stationary side seal ring is made larger than the axial gap dimension of the runner and the upper cover, so that the stationary part including the main engine rotating part and at least the upper cover is placed outside the turbine pit. Even when the stationary part is placed on the rotating part and suspended, the weight of the stationary part can be prevented from being applied to the ceramic seal, and the risk of damage to the ceramic seal during assembly can be avoided.
以下、図1乃至図6を参照して本発明の参考例および一実施形態について説明する。なお、図中図8及び図9と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。 A reference example and an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In the figure, the same parts as those in FIGS. 8 and 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
第1参考例
図1は本発明の軸封水装置における第1参考例を示す断面図であり、回転側シールケース16aに装着されたセラミックスからなる回転側シールリング17aと、静止側シールケース16bに装着されたセラミックスからなる静止側シールリング17bが互いに摺動可能に圧接されており、両シール間からの漏水を防止するようにしてある。
First Reference Example FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first reference example in the shaft seal water device of the present invention. The rotary
上記回転側シールリング17a及び静止側シールリング17bは、ともに前述のように窒化珪素や炭化珪素などの高硬度材料であるセラミックスにより形成されており、耐摩耗性、耐久性に非常に優れている。しかし、このセラミックスは脆性材料であるため、振動や負荷遮断時の衝撃により、破損する恐れがある。このセラミックシールを使用した軸封水装置はその封水機能が充分働いていれば漏水量は微量であるが、上述の如き原因などで損傷した場合には充分な封水機能を保てなくなることも起り得る。
Both the rotating
そこで、本第1参考例においては、静止側シールケース16bと回転部である回転軸2とのギャップδを小さくし、シール効果が発揮できるようにしてある。しかして、回転側シールリング17aと静止側シールリング17b間から漏水が発生しても、上記静止側シールケース16bと回転軸2間のギャップδを小さくして、バックアップシールを構成するようにしてあるため、上記ギャップ部でシールのバックアップが行われ、軸封水装置としての機能が損なわれることがなく、信頼性を向上させることができる。
Therefore, in the first reference example, the gap δ between the stationary-
第2参考例
図2は本発明の第2参考例を示す図であって、両シールリング17a,17b間からの漏水の流出側である静止側シールケース16bの内周面すなわち回転軸2との対向面に周方向に延びる多数の凹状溝21が形成され、ラビランス構造が形成されている。しかして、この場合も両シールリング17a,17b間から漏水が生じたとしても、上記多数の凹状溝21からなるラビリンス構造部によって封水が行われ、図1に示すものと同様の効果を奏する。
Second Reference Example FIG. 2 is a view showing a second reference example of the present invention, in which the inner peripheral surface of the stationary
第3参考例
図3は、本発明の第3参考例を示す図であって、封水ケーシング18の上部に、回転軸2との間に封水作用を行うラビリンスシール22及びグランドパッキン23が設けられ、両シールリング17a,17bのシールのバックアップを行うようにしてある。したがって、この場合には単に回転軸との間の隙間を狭くするもの以上のシール効果を期待することができる。
Third Reference Example FIG. 3 is a view showing a third reference example of the present invention, in which a
第4参考例
図4は、本発明の第4参考例を示す図であり、図における静止側シールケース16bの上方側、すなわち両シールリング17a,17b間からの漏水の流出側に、給水管24が接続開口されており、その給水管24を介して上記漏水の流出側に給水を供給し得るようにしてある。
Fourth Reference Example FIG. 4 is a view showing a fourth reference example of the present invention, in which a water supply pipe is provided on the upper side of the stationary
通常、セラミックシールは、高硬度で耐摩耗性、耐久性に優れているため、封水の対象となる水さえあれば別途給水を行わずに運転することが可能であるが、下水池の水位がランナより低い水車では、主機起動時及び停止時に封水圧力が負圧となるため、シール部に残存する水が上流側に吸い込まれ、シールリングが乾燥摺動する恐れがある。 Normally, ceramic seals have high hardness, excellent wear resistance, and durability, so it is possible to operate without water supply as long as there is water to be sealed, but the water level in the sewage pond In the case of a water turbine whose runner is lower than that of the runner, the sealing water pressure becomes negative when the main engine is started and stopped, so that water remaining in the seal portion is sucked upstream and the seal ring may dryly slide.
そこで、給水管24によって給水を行うことにより、上カバ9とランナ12との間隙13が負圧となると、上記給水がシールリング17a,17b間の摺動面を介して上記負圧側に吸い込まれるので、シール部に給水されることとなり、乾燥摺動による回転側シールリング17a、静止側シールリング17bの損傷を防ぐことができる。
Therefore, when water is supplied through the
また、給水系統に自動弁25を設け、タイマー等により間隙13が負圧となる主機起動時及び停止時にのみ開作動させ、給水するようにすることによって、給水量を大幅に低減することができる。さらに、給水系統に流量検出器26を設け、その流量検出器26により給水管24の通水を確認し、それを主機起動条件の一つとし、或は通水異常を検出した際は警報を発し、セラミックシールの点検を促すような情報を出力するようにしてもよい。
Further, by providing an
実施形態
図5は水力機械の軸封水装置の組立状態を示す図であり、回転部に静止部である上カバ9、ガイドベーン11などを乗せて吊り込み、回転軸2を或る位置まで下降させた状態で、上カバ9及びガイドベーン11を正規位置に据え付け、その後さらに回転軸2とランナ12を若干下降させて正規位置に設定する。
Embodiment FIG. 5 is a view showing an assembled state of a shaft seal water device for a hydraulic machine. The
しかして、上記回転部に静止部である上カバ9、ガイドベーン11などを乗せて吊った状態のとき、図6に示すように封水ケーシング18と静止側シールケース16bとの間に回転軸2の軸線方向にクリアランスCが確保できるようにしてある。すなわち、静止側シールリングの可動ストローク寸法S(図10)を、ランナ12と上カバ9の軸方向ギャップ寸法R(図9)より大きくしてある。したがって、図5に示すように、ランナ12の下面によって上カバ9を支持し、ランナ12の上面が上カバ9の下面に接している場合においても、図6に示すように、封水ケーシング18と静止側シールケース16bとの間にクリアランスCが生ずる。
Accordingly, when the
したがって、上記上カバ9等の吊り上げ時には、上カバ9及び封水ケーシング18等の静止部重量がシールリング17a,17bに加わることが防止され、組立時にセラミックスにかかる荷重を最小限にすることができる。
Therefore, when the
第5参考例
また、図7は水力機械の軸封水装置の組立方法の参考例を示す図であって、図7に示すように、回転軸2及びランナ12等の主機回転部と上カバ9が既に正規員に据え付けられた後に、軸封水装置14を組立てる。したがって、組立て時に回転側及び静止側のシールリング17a,17bに作用する荷重は、静止側シールケース16bの重量とスプリング19の付勢力のみの最小限の荷重を受けるだけで組み立てることができ、組立時におけるセラミックスの損傷を防止することができる。
Fifth Reference Example FIG. 7 is a diagram showing a reference example of a method for assembling a shaft seal water device for a hydraulic machine. As shown in FIG. 7, the main machine rotating parts such as the
2 回転軸
7 ケーシング
8a ステイベーン
9 上カバ
10 下カバ
11 ガイドベーン
12 ランナ
14 軸封水装置
16a 回転側シールケース
16b 静止側シールケース
17a 回転側シールリング
17b 静止側シールリング
18 封水ケーシング
19 スプリング
20 Oリング
22 ラビリンスシール
23 グランドパッキン
24 給水管
25 自動弁
26 流量検出器
2 Rotating
Claims (1)
前記回転軸の側に固着されたセラミックスからなる回転側シールリングと、
前記回転側シールリングと対向し、前記回転側シールリングに上方から弾圧されるように保持されたセラミックスからなる静止側シールリングと、
前記上カバに装着されて前記環状空間を取り囲む、前記上カバに装着された封水ケーシングと、
前記静止側シールリングを前記回転側シールリングに向かって下方に弾圧する、前記封水ケーシングに設けられたスプリングと、を備え、
前記水力機械を組み立てるために、前記回転軸に取り付けた前記回転側シールリングの上に前記静止側シールリングを乗せるとともに、前記回転軸に取り付けた前記ランナの上に前記上カバおよび前記封水ケーシングを乗せたときに、前記静止側シールリングと前記封水ケーシングとの間に上下方向の隙間が生じるように、
前記静止側シールリングの上下方向の可動ストローク寸法を、前記ランナと前記上カバとの間の上下方向のギャップ寸法より大きくしたことを特徴とする水力機械の軸封水装置。 Shaft seal water of a hydraulic machine for confining running water that flows out of an annular space between a runner that rotates integrally with a rotary shaft that extends in the vertical direction and an upper cover that is provided above the runner and forms a runner chamber. A device,
A rotating side seal ring made of ceramics fixed to the rotating shaft side ;
And the rotary side sealed ring facing the stationary seal ring of retained ceramics as oppression from above the rotating seal ring,
A sealed casing attached to the upper cover, attached to the upper cover and surrounding the annular space;
A spring provided in the sealed casing that elastically presses the stationary seal ring downward toward the rotary seal ring,
In order to assemble the hydraulic machine, the stationary seal ring is placed on the rotary seal ring attached to the rotary shaft, and the upper cover and the sealed casing are placed on the runner attached to the rotary shaft. So that there is a vertical gap between the stationary seal ring and the sealed casing,
Wherein the vertical moving stroke dimension of the stationary seal ring, shaft seal water system of hydraulic machine, characterized in that larger than the vertical gap dimension between the upper cover and the runner.
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