JP5208098B2

JP5208098B2 - 主軸封水装置

Info

Publication number: JP5208098B2
Application number: JP2009280656A
Authority: JP
Inventors: 亘村松; 和夫新倉; 聡成澤; 悟野本
Original assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
Current assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: JP2011122511A

Description

本発明は水車に備えられた主軸封水装置に関する。

水車には、主軸と上カバーの間にパッキンでシールを施すことで、ランナ背圧室からの作動流体の漏水を防止する主軸封水装置が設けられている。主軸封水装置は、高圧の水を主軸に射出することによって、運転中の摩擦による発熱や土砂や異物による磨耗を抑制している。

一般的に、フランシス水車の主軸封水装置におけるシール部は、ランナに連結された主軸が上カバーを貫通する部分に対して、主軸を外周から取り囲むように設置されている。シール部には封水に用いられる水が流通する給水管が接続されており、その給水管は、土砂や異物を除去するフィルタやストレーナと、封水に必要な圧力まで水圧を上昇させるポンプとを介してドラフトチューブ（給水源）に接続されている。ドラフトチューブを介して取得された水は、ポンプで昇圧され、ストレーナやフィルタによって土砂等の異物を排除された後に、主軸に対して射出される。しかし、このように主軸封水装置を構成すると、水車から離れた給水源まで給水管を布設する必要があり、また、その給水管の水をシールに必要な圧力まで上昇させるポンプ等の昇圧手段を設置する必要があるため、これら設備の設置に伴う建設費用の増大が懸念されている。

この点を鑑みて、水車運転中における昇圧手段の省略を図った技術としては、主軸封水装置の給水管をランナ背圧室に接続したものがある（特許文献１参照）。水車運転中のランナ背圧室の圧力は、遠心力の影響で主軸から遠くなるほど高くなる傾向があり、吸出し高さの水圧より高く、鉄管の水圧より低い。そのため、ランナ背圧室における取水口の位置を選べば、シールに適切な水圧の水を得ることができ、ポンプ等の昇圧手段を省略することが可能となる。

特開平１−３１８７６４号公報

ところが、上記技術では、ランナが停止したりその回転速度が低くなる、水車の起動停止時や試運転時には、ランナ背圧室の圧力が低下してしまい、給水管を介して高圧の水を主軸に射出することができない。そのため、ランナ背圧室からの作動流体の漏洩を防止するには、結局、ポンプ等の昇圧手段を設置する必要が生じてしまう。また、上記技術では、水車運転中においても、ランナ背圧室で生じる水圧脈動が直接主軸封水装置に伝わるため、これによる自励振動が発生することも懸念される。

本発明は、水車運転時のみならず、起動停止時及び試運転時においても、ランナ背圧室からの漏水の抑制が簡易な構造で可能な主軸封水装置を得ることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、ランナに連結された主軸が上カバーを貫通する部分において前記主軸の軸方向に間隔を介して設置された複数のシール部と、前記複数のシール部の間に前記主軸と対向して設けられ、前記主軸に射出される水が通過する射出口と、ランナ背圧室又はランナ側圧室に開口された取水口と、この取水口と前記射出口を接続する給水管と、この給水管の中途に設置された給水タンクとを備え、前記取水口は、前記圧力室内において、水車運転中に前記圧力室内の水を前記給水タンクに汲み上げることが可能な圧力が発生する位置に設置されており、前記給水タンクは、水車運転中の前記シール部のシールに最低限必要な圧力の水を重力によって前記射出口から射出するために必要な高さ以上の位置に設置されているものとする。

本発明によれば水車運転時のみならず、起動停止時及び試運転時においても、ランナ背圧室からの漏水を簡易な構造で抑制できる。

本発明の第１の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図。本発明の第２の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図。本発明の第３の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図。本発明の第４の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図である。

この図に示す水力機械は、ランナ１と、下端にランナ１が連結された主軸２と、ランナ１を上方（主軸２側）から覆う上カバー３と、ランナ１を下方から覆う下カバー１４と、作動流体の漏洩を防止するシール部４と、シール用の水を射出する射出口１８と、シール用の水を取水する取水口１９と、取水口１９と射出口１８を接続する給水管７と、給水管７の中途に設置された給水タンク９を主に備えている。

取水口１９は、ランナ１に隣接する空間であって、水車の運転に伴って水圧が上昇するランナ背圧室５又はランナ側圧室１５に開口されている。本実施の形態では、取水口１９は、上カバー３とランナ１のクラウンプレート６の間に形成されたランナ背圧室５に開口している。ランナ背圧室５内が水で満たされている場合にランナ１を回転させると、ランナ１とともにランナ背圧室５内の水も回転運動する。これにより、ランナ１回転中のランナ背圧室５内の圧力は、主軸１側が最も低く、主軸１からランナ径方向の外側に向かって徐々に高くなるように概ね分布される。

また、取水口１９は、ランナ背圧室５において、ポンプ等の昇圧手段を用いることなくランナ背圧室５内の圧力のみで水車運転中にランナ背圧室５内の水を給水タンク９に汲み上げることが可能な圧力が発生する位置に設置されている。ところで、給水タンク９内の水位は、ランナ背圧室５内の最大圧力エネルギーに相当する位置エネルギーとして計算される。そこで、取水口１９の高さと給水タンク９の底面の高さとの差をＨｔｈ［m］とし、水の密度をρ［kg/m³］とし、重力加速度をｇ［m/s²］とすると、本実施の形態における取水口１９は、水車運転中のランナ背圧室５内のランナ径方向において、下記式（１）で表される圧力Ｐｈ［Pa］を確保できる位置に設置されていると換言することができる。

Ｐｈ＞Ｈｔｈ・ρｇ・・・（１）
なお、前述のように、ランナ１回転中のランナ背圧室５内の圧力は、ランナ径方向外側に向かう程上昇する傾向がある。そのため、ランナ背圧室５内において水車運転中の圧力が「Ｈｔｈ・ρｇ」に達する位置が特定できれば、当該位置よりもランナ径方向外側に取水口１９を設置すれば式（１）の条件が満たされることになる。

給水タンク９は、射出口１８を介して主軸２に射出される水が蓄えられる部分であり、取水口１９及び射出口１８よりも高い位置に設置されている。特に、給水タンク９は、ポンプ等の昇圧手段を用いることなく重力のみによって、水車運転中のシール部４におけるシールに最低限必要な圧力の水を射出口１８から射出するために必要な高さ以上の位置に設置されている。ここで、射出口１８と給水タンク９における位置エネルギーの差が、射出口１８の外側における圧力エネルギーよりも大きくなるように、給水タンク９の設置高さを調節するものとするとき、射出口１８の高さと給水タンク９の底面の高さとの差をＨｔｆ［m］とし、射出口１８から射出される水の圧力であって、水車運転中のシール部４のシールに最低限必要な圧力をＰｆ［Pa］とすると、給水タンク９の底面は、下記式（２）が満たされる高さに設置されていると換言することができる。

Ｈｔｆ＞Ｐｆ／ρｇ・・・（２）
また、給水タンク９の上部は、大気開放されている。これにより、ランナ背圧室５内で水圧脈動が発生した場合にも、射出口１８における水圧を保持することができるので、自励振動の発生を抑制できる。

ところで、取水口１９を介して過剰に水が供給され給水タンク９の上端部から溢れ出すことを防止する観点からは、給水タンク９に水位センサ１３を設置してその水位を監視することが好ましい。すなわち、給水タンク９の水位が設定値以上に達した場合には、取水口１９からの給水を遮断して、給水タンク９の水位を常に設定値以下に保持することが好ましい。また、上記と同様の観点から、給水タンク９の深さ（底面から上端部までの高さ）ｈｔ［m］は、取水口１９の設置位置における水車運転中の最大圧力をＰｈｍａｘ［Pa］とすると、下記式（３）が満たされるように設定しても良い。このように給水タンク９の深さｈｔを設定すると、給水タンク９の水位がｈｔ以上のときは取水口１９から水が汲み上げられることがなくなるので、水位センサ１３等が故障しても水が溢れ出すことを防止できる。

Ｐｈｍａｘ／ρｇ＜ｈｔ＋Ｈｔｈ・・・（３）
シール部（パッキン部）４は、作動流体である水が外部に漏洩することを防止する部分であり、主軸２が上カバー３を貫通する部分において、主軸２を外周から取り囲むように上カバー３内に収納されている。シール部４は、主軸２の軸方向に間隔を介して複数設置されている。複数のシール部４の間には、主軸２に射出される水が通過する射出口１８が、主軸２と対向して設置されている。本実施の形態では、図１に示すように２つのシール部４が設置されており、その２つのシール部４の間に射出口１８が設置されている。

射出口１８は、給水タンク９からの水が主軸２に射出される部分であり、複数のシール部４の間に位置するように主軸２と対向して設置されている。先述のように、給水タンク９からの水は、射出口１８に到達するまでに作動流体の漏洩を防止できる圧力まで上昇されているので、水車運転中のシール部４における摩擦による発熱や、作動流体である河川水等に含まれる土砂等の異物による磨耗を抑制することができる。

給水管７の中途には、取水口１９から射出口１８に向かって順番に、第１流量調整弁８と、給水タンク９と、第２流量調整弁１０と、ストレーナ１１が設置されている。

第１流量調整弁（第１弁）８は、給水タンク９と取水口１９の間に位置するように給水管７に設置されている。この第１流量調整弁８は、（Ａ）ランナ１の回転数が低い水車の起動停止時やランナ背圧室５に水が無い試運転時等であって、取水口１９から給水管７を介して給水タンク９に水を汲み上げるために必要な圧力が確保できないときや、（Ｂ）給水タンク９に水を汲み上げる必要が無いときに閉められる。また、第２流量調整弁（第２弁）１０は、給水タンク９と射出口１８の間に位置するように給水管７に設置されており、ランナ１が完全に停止したときに閉められる。

本実施の形態では、作動流体に含まれる異物によってシール部４や主軸２が磨耗等することを防止する観点から、取水口１９からの水に含まれる異物を除去する異物除去装置として、第２流量調整弁１０と射出口１８の間にストレーナ１１を設置している。なお、ストレーナ１１は、上記の位置に限られず、取水口１９と第１流量調整弁８の間、第１流量調整弁８と給水タンク９の間、又は給水タンク９と第２流量調整弁１０の間に設置しても良いことは言うまでもない。

上記のように構成される主軸封水装置において、まず、水車運転中には、第１流量調整弁８及び第２流量調整弁１０を開いておく。このとき、ランナ１の回転によりランナ背圧室５内の圧力が上昇するので、ランナ背圧室５内の水はその圧力だけで取水口１９及び給水管７を介して給水タンク９に汲み上げられる。そして、このように給水タンク９に汲み上げられた水は、重力だけでシールに必要な圧力まで上昇されて、射出口１８から主軸２に向かって射出される。その際、給水タンク９は大気開放されているので、ランナ背圧室５で圧力脈動が発生しても、これに起因する自励振動が発生することを防止できる。なお、本実施の形態のように給水タンク９に水位センサ１３を設置している場合には、その水位センサ１３により給水タンク９内の水位が設定値以上に達したか否かを判定し、設定値以上に達したと判定されたときに第１流量調整弁８を閉じ、給水タンク９から水が溢れることを防止することが好ましい。

一方、ランナ背圧室５内の圧力が、給水タンク９に水を汲み上げられる程度に確保できなくなる水車の起動停止時及び試運転時には、第１流量調整弁８を閉じ、給水タンク９内の水が取水口１９に向かって逆流することを防止する。このときにも、給水タンク９には水車運転中に汲み上げられた水が存在しているので、その水を射出口１８から射出することでポンプ等の昇圧手段を用いることなくシールを行うことができる。これにより、給水タンク９に水を汲み上げられない場合にも、射出口１８にシールに必要な水を供給することができる。なお、水車の停止完了時等でランナ１が完全に停止した場合には、第２流量調整弁１０を閉じることが好ましい。これにより給水タンク９内の水が無用に減少することを防止でき、再起動時のシールに用いることができる。したがって、本実施の形態によれば、水車運転時のみならず、起動停止時及び試運転時においても、ランナ背圧室５からの漏水を簡易な構造で抑制することができる。これにより水車建設費用を従来よりも低減することができる。

ところで、本実施の形態に係る主軸封水装置は、図１に示すように、ランナ１の回転数を調整する調速機２０と、この調速機２０からの信号に基づいて第１流量調整弁８及び第２流量制御弁１０の開閉を制御する制御装置１２を備えている。

本実施の形態における制御装置１２は、調速機２０からの信号によって通常の水車運転が行われていると判断した場合には、第１流量調整弁８及び第２流量調整弁１０を開く。これにより、上記と同様に、給水タンク９に水が汲み上げられ、その水によってシール部４におけるシールが行われる。

一方、水車の起動時及び試運転時には、調速機２０から水車の始動信号が制御装置１２に送信されるので、制御装置１２は、その信号をきっかけにして第２流量調整弁１０を開く。これにより、水車運転時に給水タンク９に貯えられた水によってシール部４のシールを行うことができる水車起動時には、このように水車を始動した後に調速機２０から水車の始動完了信号を受け取ると、制御装置１２は、さらに第１流量調整弁８を開き、ランナ背圧室５から給水タンク９への給水をはじめる。これにより通常の水車運転に移行することができる。

そして、水車の停止時には、調速機２０から水車の停止信号が制御装置１２に送信される。制御装置１２は、この停止信号を受け取ると、第１流量調整弁８を閉じて、給水タンク９の水がランナ背圧室５に逆流しないようにする。これにより、水車停止中においても、給水タンク９の水を利用してシール部４のシールを行うことができる。その後、ランナ１が完全に停止して、調速機２０から水車の完全停止信号を受け取ると、制御装置１２は、さらに第２流量調整弁１０を閉じる。これにより給水タンク９の水が無用に減少することを防止できる。

以上のように、制御装置１２を用いれば、流量調整弁８，１０の開閉を水車の運転状況に合わせて自動制御することができる。また、本実施の形態における制御装置１２は、水位センサ１３と接続されており、水位センサ１３からの信号を受信可能になっている。そのため、水位センサ１３からの信号に基づいて、給水タンク９の水位が設定値以下に保持されるように第１流量調整弁８の開閉を制御すれば、給水タンク９から水が溢れ出すことを自動的に防止できる。

また、取水口１９と第１流量調整弁８の間に位置するように給水管７に逆止弁を設ければ、水車の停止時に第１流量調整弁８を閉じることなく、給水タンク９の水がランナ背圧室５に逆流しないようにすることも可能となり、第１流量調整弁８が故障した際の対策としても有用となる。また、第１流量調整弁８と代替すれば、更なる構造の簡易化ができる。

図２は本発明の第２の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図についても同様とする）。この図に示す主軸封水装置は、ストレーナ１１に代わる異物除去装置として、水中の異物を沈殿させて除去する異物除去装置１７を給水タンク９の底部に接続している点で第１の実施の形態と異なる。このような異物除去装置１７を設置しても、作動流体に含まれる異物によってシール部４や主軸２が磨耗等することを防止することができる。

図３は本発明の第３の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図である。この図に示す主軸封水装置は、取水口１９が、下カバー１４とランナ１のバンドプレート１６の間に形成されたランナ側圧室１５に開口している点で第１の実施の形態と異なる。

ランナ側圧室１５内が水で満たされている場合にランナ１を回転させると、ランナ側圧室１５の水も回転運動し、ランナ背圧室５と同様にランナ側圧室１５の圧力も主軸からランナ径方向の外側に向かって徐々に高くなる。そのため、本実施の形態のようにランナ側圧室１５に取水口１９を設置しても、先述の式（１）及び（２）を満たすように主軸封水装置を構成すれば、第１の実施の形態と同様の効果を発揮することができる。

図４は本発明の第４の実施の形態に係る主軸封水装置の説明図である。この図に示す主軸封水装置は、ストレーナ１１に代わる異物除去装置として、水中の異物を沈殿させて除去する異物除去装置１７を給水タンク９の底部に接続している点で第３の実施の形態と異なる。このような異物除去装置１７を設置しても、作動流体に含まれる異物によってシール部４や主軸２が磨耗等することを防止することができる。

１…ランナ、２…主軸、３…上カバー、４…シール部、５…ランナ背圧室、６…クラウンプレート、７…給水管、８…第１流量調整弁、９…給水タンク、１０…第２流量調整弁、１１…ストレーナ、１２…制御装置、１３…水位センサ、１４…下カバー、１５…ランナ側圧室、１６…バンドプレート、１７…異物除去装置、１８…射出口、１９…取水口、２０…調速機

Claims

ランナに連結された主軸が上カバーを貫通する部分において、前記主軸の軸方向に間隔を介して設置された複数のシール部と、
前記複数のシール部の間に前記主軸と対向して設けられ、前記主軸に射出される水が通過する射出口と、
水車の運転に伴って水圧が上昇するランナ背圧室又はランナ側圧室に開口された取水口と、
この取水口と前記射出口を接続する給水管と、
この給水管の中途において、前記取水口及び前記射出口よりも高い位置に設置された給水タンクとを備え、
前記取水口は、前記ランナ背圧室又はランナ側圧室において、水車運転中に前記ランナ背圧室又はランナ側圧室内の水を前記給水タンクに汲み上げることが可能な圧力が発生する位置に設置されており、
前記給水タンクは、水車運転中の前記シール部のシールに最低限必要な圧力の水を重力によって前記射出口から射出するために必要な高さ以上の位置に設置されていることを特徴とする主軸封水装置。
ランナに連結された主軸が上カバーを貫通する部分において、前記主軸の軸方向に間隔を介して設置された複数のシール部と、
前記複数のシール部の間に前記主軸と対向して設けられ、前記主軸に射出される水が通過する射出口と、
前記ランナに隣接する空間であって、前記ランナの回転に伴って水圧が上昇する圧力室に開口された取水口と、
この取水口と前記射出口を接続する給水管と、
この給水管の中途において、前記取水口及び前記射出口よりも高い位置に設置された給水タンクとを備え、
前記取水口の高さと前記給水タンクの底面の高さとの差をＨｔｈ［m］とし、
水の密度をρ［kg/m³］とし、
重力加速度をｇ［m/s²］とし、
前記射出口の高さと前記給水タンクの底面の高さとの差をＨｔｆ［m］とし、
前記取水口における水車運転中の水の圧力をＰｈ［Pa］とし、
前記射出口から射出される水の圧力であって、水車運転中の前記シール部のシールに最低限必要な圧力をＰｆ［Pa］とすると、
前記取水口は、前記ランナ背圧室又はランナ側圧室において、「Ｐｈ＞Ｈｔｈ・ρｇ」が満たされる位置に設置されており、
前記給水タンクの底面は、「Ｈｔｆ＞Ｐｆ／ρｇ」が満たされる高さに設置されていることを特徴とする主軸封水装置。
請求項１又は２に記載の主軸封水装置において、
前記給水タンクと前記取水口の間に位置するように前記給水管に設置され、前記取水口から前記給水管を介して前記給水タンクに水を汲み上げるために必要な圧力が確保できないときに閉められる弁をさらに備えることを特徴とする主軸封水装置。
請求項１又は２に記載の主軸封水装置において、
前記給水タンクと前記取水口の間に位置するように前記給水管に設置された第１弁と、
前記給水タンクと前記射出口の間に位置するように前記給水管に設置された第２弁と、
前記ランナの回転数を調整する調速機と、
この調速機からの信号に基づいて前記第１弁及び前記第２弁の開閉を制御する制御装置とをさらに備え、
前記制御装置は、
水車の起動時及び試運転時においては、前記調速機から水車の始動信号を受け取ると前記第２弁を開き、前記調速機から水車の始動完了信号を受け取ると前記第１弁を開き、
水車の停止時においては、前記調速機からの水車の停止信号を受け取ると前記第１弁を閉じ、前記調速機から水車の完全停止信号を受け取ると前記第２弁を閉じることを特徴とする主軸封水装置。
請求項４に記載の主軸封水装置において、
前記給水タンクの水位を検出する水位センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記水位センサからの信号に基づいて、前記給水タンクの水位が設定値以下に保持されるように前記第１弁の開閉を制御することを特徴とする主軸封水装置。
請求項１又は２に記載の主軸封水装置において、
前記給水タンクと前記取水口の間に位置するように前記給水管に設置された逆止弁をさらに備えることを特徴とする主軸封水装置。
請求項１又は２に記載の主軸封水装置において、
前記取水口からの水に含まれる異物を除去する異物除去装置をさらに備えることを特徴とする主軸封水装置。
請求項２に記載の主軸封水装置において、
前記取水口の設置位置における最大圧力をＰｈｍａｘ［Pa］とすると、
前記給水タンクの深さｈｔは、「Ｐｈｍａｘ／ｐｇ＜ｈｔ＋Ｈｔｈ」が満たされるように設定されていることを特徴とする主軸封水装置。