JP4625366B2 - 立軸水車の軸受冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は循環する潤滑油を使用した立軸水車の軸受冷却装置に係り、特に潤滑油を効率よく放熱冷却するヒートパイプを利用した立軸水車の軸受冷却装置に関する。

発電設備に使用される水車やポンプ水車などの立軸水車の軸受冷却装置には、潤滑油の冷却方法として設備の小型化を図るためヒートパイプを使った冷却装置が用いられている。図６は、その一例を示すものであり、空気冷却するヒートパイプを使って立軸水車の軸受冷却装置の潤滑油を冷却する機構を示している。ランナ１に接続した主軸２およびその主軸２の周囲にスカート状に形成された主軸のスカート部１５は、軸受１６によって支持される。軸受冷却装置の下層部に設けられた油槽４には所定量の潤滑油が充填される。主軸のスカート部１５が回転すると油槽４の潤滑油が軸受１６に設けられたねじ溝６を伝わり上昇する。この時潤滑油は、主軸のスカート部１５と軸受１６との間で発生する摩擦熱を吸収する。そして油槽の天板７の上に流れ出ると、天板７に開けた複数の返油穴８を通り油槽４へ流入する。潤滑油は、油槽に侵漬された熱交換器収納体５の第１開口部１１を通り抜ける際にヒートパイプ５１に接触することにより熱交換され冷却される。そして、冷却された潤滑油は主軸の回転により再び軸受のねじ溝６に吸い込まれ軸受１６およびスカート部１５を冷却する。

図５に熱交換器収納体５を示す。熱交換器収納体５はヒートパイプ５１を複数本収納し、また前後方向の面の上下に開口部１１、１２を有する。油槽４中に熱交換器収納体５の下側の第１開口部１１が侵漬され、潤滑油との間で熱交換が行われる。潤滑油から熱を吸収したヒートパイプ５１内部の冷媒はヒートパイプ内を上昇し、上部に達する。

熱交換器収納体５の上側には、軸受冷却装置外の上部に突出された主軸を保護するケース１４に囲まれた第２開口部１２が、収納体５の前後方向の面に設けられている。主軸上部の外周に沿って羽根車１３が列設され、羽根車１３の上部のケースに排出部１７が設けられている。この羽根車１３の回転によって第２開口部１２から吸入された空気がヒートパイプ５１の上部に当たり、ヒートパイプ５１内部の冷媒の熱を吸収し、外部へ強制的に放出される。これによってヒートパイプ５１の上部に上がってきた冷媒は冷却され、ヒートパイプ内を下降するという流れとなる。

潤滑油を冷却する方法として例えば特許文献１には、軸受メタルにヒートパイプを接続し、軸受の漏水または空気を使って冷却する方式が示されている。

特開昭５５−１２９６２１号公報

図６に示すように、従来の立軸水車の軸受冷却装置では軸受周辺のスペースが狭隘であるため、保守の作業性を配慮して、図７に示すように主軸２の同心円周上に熱交換器収納体５が等間隔かつ軸対象に配置され、前記熱交換器収納体５は油槽４上部の天板７を貫通し軸受冷却装置の蓋部に固定されていた。天板７の上面に排出された潤滑油の一部は、熱交換器収納体５の周囲に設けられた天板７との隙間を流れ落ちる。その隙間を流れる潤滑油は、熱交換器収納体５の主軸２に面した側の隙間を落下すると、第１開口部１１のヒートパイプ５１の間を流れることなく油槽４中の潤滑油と合流し熱交換器収納体５と主軸２の間を流れるため、ヒートパイプによって十分に冷却されることなく再びスカート部１５と軸受１６の間のねじ溝６を上昇して、高温のまま軸受冷却装置の中を循環することになる。この結果、温度上昇による潤滑油の劣化が早くなり、交換などの保守を頻繁に行わなければならなかった。

図７において、従来の立軸水車の軸受冷却装置は、返油穴８を熱交換器収納体５よりも水車の径方向外側に配置していたため、多くの潤滑油が天板７と熱交換器収納体５との主軸２に面した側の隙間に流れてしまうため、返油穴８から流れ落ちる量が少なくなっていた。さらに返油穴８から流れ落ちたとしても油槽４内に拡散されてしまうため、主軸２のスカート部１５の回転に連れ回る流れにのって第１開口部１１を通過できるのは、高温になった潤滑油の一部でしかなく、冷却効率が悪いという問題があった。

本発明は、前記の点に鑑みなされたもので、軸受回りの保守点検など作業性を確保しつつ主軸の回転を利用して潤滑油を自己循環させ、潤滑油の流れを制御することにより、軸受が効率良く冷却される立軸水車の軸受冷却装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１による発明は、潤滑油によって冷却される軸受部と、返油穴を有する上部天板と、前記軸受部から排出され前記上部天板の上面を流れる潤滑油を前記返油穴を通して回収する油槽と、複数のヒートパイプを内蔵し前記ヒートパイプの両端部の前後に開口を設けその一端を前記油槽に侵漬した熱交換器収納体とを有する立軸水車の軸受冷却装置において、前記返油穴からその下部の油槽に潤滑油を案内するガイド管を有し、前記ガイド管は一端を前記返油穴に固着され、前記ガイド管の他端から潤滑油が吐出される方向が油槽内を流れる潤滑油の流線方向と平行となり、さらに潤滑油の吐出方向に沿った潤滑油の流線上に前記熱交換器収納体の開口部を配置したことを特徴とする。

請求項２による発明は、請求項１において、前記ガイド管からの潤滑油の吐出方向に沿った潤滑油の流線上に、前記熱交換器収納体の開口部を前記流線に対して略直角に配置したことを特徴とする。

請求項３による発明は、請求項１ないし２において、前記ガイド管において、入口径より出口径を同じかまたは大きくしたことを特徴とする。

上記の構成によって潤滑油は、油槽上の天板上を主軸のスカート部の回転に引きずられて主軸側から外周側に向かう曲線を描いた流線に沿って流れ、返油穴およびガイド管を通り付勢されて油槽内に吐出され、油槽内において内周側に向かう曲線を描いた流れにのって熱交換器収納体の下部開口部に当たる。

本発明は以上説明したように構成しているので、以下に記載されるような効果を奏する。

第１の発明の装置は、返油穴からその下部の油槽に潤滑油を案内するガイド管を有し、そのガイド管は一端をその返油穴に固着され、そのガイド管の他端から潤滑油が吐出される方向が油槽内を流れる潤滑油の流線方向と平行となり、さらに潤滑油の排出方向に沿った潤滑油の流線上に熱交換器収納体の開口部が配置されている。このような装置とすることによって、軸受を冷却して昇温した潤滑油が油槽内の潤滑油にあまり希釈されずに熱交換器収納体のヒートパイプに衝突するようになる。このような機構により軸受から吸収した熱が油槽中の潤滑油に拡散するのを最小限にしてヒートポンプに吸収されることになり、効率よく潤滑油が冷却され、冷却された潤滑油によって軸受が効率よく冷却される。

また第２の発明の装置では、ガイド管からの潤滑油の吐出方向に沿った潤滑油の流線上に、熱交換器収納体の開口部が流線に対して略直角に配置されている。これによって加熱された潤滑油が確実にヒートパイプに衝突するため、より効果的に潤滑油の熱をヒートパイプに伝導して冷却することができる。

さらに、ガイド管は、入口径より出口径を同じかまたは大きくすることにより、潤滑油が返油穴からガイド管の内部を円滑に流れることができるとともに、出口端の潤滑油と油槽中の潤滑油とを円滑に合流させることができ、粘性摩擦による潤滑油の温度上昇を抑制することができる。

図１に本発明の一実施例を示し、以下これを原理的に説明する。潤滑油を収納する軸受冷却装置３は、天板７によって仕切られた上部油槽室１０と、下部の油槽４と、熱交換器収納体５と、軸受１６と、スカート部１５と、ガイド管９とで構成される。上部油槽室１０には、軸受カバー３１と軸受カバー支持体３２と天板７とが設けられており、天板７には潤滑油を油槽４に戻す返油穴８が設けられている。ガイド管９は、この返油穴８の下側に溶接固定される。ガイド管９はその胴部すなわち溶接部から出口端までの間を自由に曲げることが可能となるよう薄肉の鋼管で作られており、その先端の出口からの潤滑油の吐出方向に沿った潤滑油の流線上に、熱交換器収納体５の開口部１１がその流線に対して略直角になるように配置されている。ガイド管９の外径は返油穴８の径とほぼ等しく、５０ｍｍから１５０ｍｍの範囲にあり、油槽４の容量に依存する。熱交換器収納体５は、軸受カバー３１と主軸の周辺を覆うカバー１４によって支持されている。熱交換器収納体５は３本から７本程度のヒートパイプを有する。
主軸のスカート部１５が回転すると油槽４中の潤滑油が軸受１６に設けられたねじ溝６を伝わり上昇する。この時潤滑油は、主軸のスカート部１５と軸受１６との間で発生する摩擦熱を吸収して温度が上昇する。そして油槽の天板７の上に流れ出ると、潤滑油は熱交換器収納体５に遮られることなく天板７に開けた返油穴８に達する。この後潤滑油はガイド管９を通り油槽４へ流入する。このときの落差により潤滑油は加勢され、ガイド管９の出口端から吐出される。

ここで断面図を用いて潤滑油の流れについて詳細に説明する。図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、図中の矢印が上部油槽室１０にある天板７上の潤滑油の流れを示している。潤滑油は、軸受１６のねじ溝６から外周側に向かって排出されるが、主軸２のスカート部１５の回転に引きずられて主軸２の回転方向すなわち時計回り方向の速度成分を有するため、図中の矢印のように、時計回り方向にかつ外周側に向かって流れ出る。そしてその流れは熱交換器収納体５に遮られることなく、熱交換器収納体５よりも上流側（反時計方向側）に設けられた返油穴８に流れ込む。返油穴８が熱交換器収容体５よりも上流側となる配置とすることにより、天板７に流れるより多くの潤滑油を返油穴８に流すことができる。

次に図３は図１のＢ−Ｂ断面図であり、油槽４における潤滑油の流れを示している。油槽４中の潤滑油はスカート部１５と軸受１６の間のねじ溝６から吸い上げられ、かつ主軸２の回転に引きずられるので、潤滑油の流れは図中の矢印で示すように、時計方向に回転しながら内周方向に向かう流れとなる。ガイド管９の出口端からの吐出方向の流線上に対して、熱交換器収納体５の開口部１１を略直角になるように熱交換器収納体５を配置する。これによりガイド管９から吐出された潤滑油の大部分が油槽４中の潤滑油の流れ（図中の矢印）にのって、熱交換器収納体５の開口部１１に設けられたヒートパイプ５１の間を集中的に流れることになるため、より効果的に潤滑油の熱をヒートパイプに伝導して冷却することができる。

図４において、返油穴８に固着されるガイド管９は、出口端が潤滑油の流線と同じ方向を向くように曲げ加工される。

さらに、天板７に接続するガイド管９では、出口径を入口径と同じかあるいはそれ以上、具体的には出口径は最大で入口径の１．５倍程度がよい。このような寸法にすることによって潤滑油は、返油穴８から落下することによって得た速度と圧力が減衰することなくガイド管９の内側を円滑に流れ、出口端からヒートパイプ５１間に向けて円滑に吐出されることができる。

本発明による立軸水車の軸受冷却装置を示した実施態様の断面図である。 図１のＡ矢視図断面図である。 図１のＢ矢視図断面図である。 図３のＣ−Ｃ矢視図断面図である。 本発明による熱交換器収納体を示した図である。 従来の立軸水車の軸受冷却装置を示した実施態様の断面図である。 図６のD矢視図断面図である。

符号の説明

１ ランナ
２ 主軸
３ 軸受冷却装置
４ 油槽
５ 熱交換器収納体
６ ねじ溝
７ 天板
８ 返油穴
９ ガイド管
１０ 上部油槽室
１１ 第１開口部
１２ 第２開口部
１３ ファン
１４ カバー
１５ スカート部
１６ 軸受
１７ 排出部
３１ 軸受カバー
３２ 軸受カバー支持体
５１ ヒートパイプ

Claims (3)

1. 潤滑油によって冷却される軸受部と、返油穴を有する天板と、前記軸受部から排出され前記天板の上面を流れる潤滑油を前記返油穴を通して回収する油槽と、複数のヒートパイプを内蔵し前記ヒートパイプの両端部の前後に開口を設けその一端を前記油槽に侵漬した熱交換器収納体とを有する立軸水車の軸受冷却装置において、
   前記返油穴からその下部の油槽に潤滑油を案内するガイド管を有し、前記ガイド管は一端を前記返油穴に固着され、前記ガイド管の他端から潤滑油が吐出される方向が油槽内を流れる潤滑油の流線方向と平行となり、さらに潤滑油の吐出方向に沿った潤滑油の流線上に前記熱交換器収納体の開口部を配置したことを特徴とする立軸水車の軸受冷却装置。
   
2. 前記ガイド管からの潤滑油の吐出方向に沿った潤滑油の流線上に、前記熱交換器収納体の開口部を前記流線に対して略直角に配置したことを特徴とする、請求項１に記載した立軸水車の軸受冷却装置。
   
3. 前記ガイド管において、入口径より出口径を同じかまたは大きくしたことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載した立軸水車の軸受冷却装置。

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