JP5575347B1 - 軸封装置付き回転電機 - Google Patents

Abstract

軸封装置付き回転電機において、シールリングの温度分布を、シンプルな構造で均一化することを目的とする。軸封装置付き回転電機は、シャフトを有する回転子と、回転子の周囲に配設される固定子と、複数の貫通穴が形成されシャフトの周囲に配設されるシールリングと、給油口を有し、シールリングの周囲を囲むグランドシールと、シールリングとグランドシールとの間に配設された仕切り板と、グランドシールが固定され、回転子と固定子とを収容するハウジングと、を備えている。

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、軸封装置を備えた回転電機に関するものである。

タービン発電機などの回転電機には、内部を冷却するために、水素などのガスが冷却媒体として用いられている。冷却媒体はシールリングを使用した軸封装置によって回転電機内に封入される（例えば特許文献１〜５）。この軸封装置では、給油管を通ってシールリングの背面部屋に油が供給されている。油はそこからシールリングの内周側に向けて移動する。このような構造では、給油口に近い部分のシールリングの背面温度が低くなる。シールリングは膨張（または変形）できないため、給油口に近い部分ではシャフトを覆う油膜が薄くなり、油膜の温度が上昇する。

油膜の温度上昇は、シールリングに損傷を引き起こす。温度のバラツキを抑えるために、あらかじめ内径を大きめに製作されるシールリングは、油を過剰に消費する。軸封装置の構成部品（ポンプ、フィルタ等）の仕様はこの過剰な油量にあわせて設計されている。ガスをシールするために必要な油量を抑えるために、シールリングへの給油方向を複数にする工夫が成されている（例えば特許文献１）。

特開昭58-5568号公報 特開昭58-186353号公報 特開昭61-85030号公報 特開昭64-8839号公報 特開平9-303406号公報

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、シールリングの温度分布を、シンプルな構造で均一化することを目的とする。

この発明に係る軸封装置付き回転電機は、シャフトを有する回転子と、回転子の周囲に配設される固定子と、複数の貫通穴が形成されシャフトの周囲に配設されるシールリングと、給油口を有し、シールリングの周囲を囲むグランドシールと、シールリングとグランドシールとの間に配設された仕切り板と、グランドシールが固定され、回転子と固定子とを収容するハウジングと、を備え、仕切り板は、グランドシールに設けられている給油口と対向していることを特徴とする。

この発明に係る軸封装置付き回転電機によれば、シールリングの温度分布を、シンプルな構造で均一化することができる。

この発明の実施の形態に係る軸封装置付き回転電機の全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る軸封機構の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１に係るグランドシールの構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１に係る軸封機構の構成を示す正面断面図である。 この発明の実施の形態２に係る軸封機構の構成を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態２に係る軸封機構の構成を示す正面断面図である。 この発明の実施の形態２に係る仕切り板の構成を示す展開図である。

以下に本発明にかかる軸封装置付き回転電機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。図において、同一符号が付与されている構成要素は、同一の、または、相当する構成要素を表している。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は回転電機１０と給油装置２０を備えた軸封装置付き回転電機１００の全体構成を示している。タービン発電機などの回転電機１０は、ハウジング７、回転子１５、固定子１６、軸封機構４０などから構成されている。回転子１５にはシャフト２が取り付けられている。シャフト２の両端はすべり軸受３０によって支えられている。給油装置２０は、真空ポンプ１１、密封油ポンプ１２、真空タンク１３、差圧調整弁１４などから構成されている。真空タンク１３には密封油２１が貯蔵されている。回転電機１０と給油装置２０は給油管６で接続されている。密封油２１は給油管６を通って軸封機構４０に供給される。軸封機構４０から排出された密封油２１は、油回収管６ｃを通って真空タンク１３に戻る。回転電機１０の内部には、水素が充填されている。水素は冷却効果を高めるために循環される。

図２は、軸封機構４０の構成を示す断面図である。図の左側が機外側になる。シャフト２とシールリング１の間にガス圧よりも高圧な密封油２１を供給することにより、ハウジング７からガスが漏洩することを防止している。グランドシール３は、シールリング１の周囲を囲んでおり、シールリング１を収める構造になっている。シールリング１はシャフト２を囲むように配設されている。シールリング１とグランドシール３の間の空間は背面部屋４と呼ばれている。給油管６を経由した密封油２１は、グランドシール３の給油口６ａから背面部屋４に流入し、ブラケット９の排油口６ｂから流出する。

ブラケット９とシャフト２の間には密封油２１が充満している。シールリング１は、シールリング１とシャフト２の間の隙間に形成される油膜の圧力によって、シャフト２に対して浮上する。隙間の大きさは、回転電機１０の運転中にシールリング１がシャフト２に接触することのないように決定されている。密封油２１の油量を少なくするためには隙間を小さくすることが有効である。シールリング１には、シャフトと垂直な方向に貫通している給油調節穴１ａと、給油調節穴１ａに連通しかつシャフトの軸方向に穿設された給油調節穴１ｂが形成されている。仕切り板５はグランドシール３の内周側に固定されている。油回収管６ｃは排油口６ｂに接続される。

図３はグランドシール３の構成を示す断面図である。グランドシール３には、給油口６ａと溝８が形成されている。溝８はシールリング１の周囲を一部のみ囲むように加工されている。溝８に金属製の仕切り板５が挿入される。仕切り板５は、給油口６ａから流入した密封油２１の流れを遮断するように、給油口６ａと対向する位置に配置される。溝８はグランドシール３の内周側に設けられている。給油管６は給油口６ａに接続される。

図４は軸封機構４０の構成を示す正面断面図である。仕切り板５は、給油口６ａと対向している。仕切り板５によって、背面部屋４のうち給油口６ａの付近のみが、径方向に２つに分割されている。仕切り板５により給油口６ａの近傍のシールリング１が極端に冷やされることを防ぐ。密封油２１は給油口６ａを通り、仕切り板５に衝突して分流されてから背面部屋４に供給される。さらに、密封油２１はシールリング１の給油調節穴１ａを通り、シールリング外径側からシールリング内径側に放射状に分散する。シャフト２とシールリング１の間に供給された密封油２１はシャフト２とシールリング１の間に油膜を形成し、回転電機１０に充填されている水素などのガスをシールする。

ここでは、給油口６ａの近傍には仕切り板５に油量調節用の穴が開いていない構造としている。これにより、シールリング周方向の温度差をなくし変形を抑制することにより隙間を小さく油量を少なくすることができる。給油口６ａの近傍において、仕切り板５に油量調節用の穴が開いている場合、密封油は、この仕切り板５の油量調節用の穴を通って、シールリングを直接的に冷却することになる。このように構成することで、密封油２１がシールリング１の特定の１ケ所を極端に冷やすことを防ぎ、信頼性を確保したままで隙間を小さくし、油量を抑えることができる。仕切り板５は、グランドシール３の溝８に挿入する形になっており、比較的シンプルな構造で上記機能を果たすことができる。

実施の形態２．
実施の形態２について図に基づいて説明する。図５は、実施の形態２に係る軸封機構４０の構成を示す断面図である。グランドシール３の内側には円筒状の仕切り板５が固定されている。シールリング１はシャフト２を囲むように配置されている。シールリング１とグランドシール３の間に形成されている背面部屋は、仕切り板５によって外側背面部屋４ａと内側背面部屋４ｂに分離されている。シールリング１はグランドシール３に収まっている。密封油２１は、グランドシール３に形成された給油口６ａから外側背面部屋４ａに流入し、グランドシール３に形成された排油口６ｂから流出する。

シールリング１は、シールリング１とシャフト２の間の隙間に形成される油膜の圧力によって、シャフト２に対して浮上している。隙間の大きさは、回転電機１０の運転中にシールリング１がシャフト２に接触することのないように決定されている。密封油２１の油量を少なくするためには隙間を小さくすることが有効である。シールリング１には、シャフトと垂直な方向に貫通している給油調節穴１ａと、給油調節穴１ａに連通しかつ軸方向に穿設された給油調節穴１ｂが形成されている。複数の油量調節穴を有する仕切り板５は、シールリング１よりも外側に、シャフト２と同軸上に配設されている。

図６は軸封機構４０の構成を示す正面断面図である。シャフト２の周りにはシールリング１と仕切り板５が同軸上に配設されている。仕切り板５はシールリング１を全周にわたって囲んでいる。仕切り板５には油量調節穴Ｈ１〜Ｈ８が設けられている。仕切り板５に形成されている油量調節穴の数と、シールリング１に形成されている給油調節穴１ａの数は同じにしておくことが好ましい。密封油２１は、油量調節穴Ｈ１〜Ｈ８を通過し、外側背面部屋４ａと内側背面部屋４ｂを充満する。密封油２１がシャフト２の周りに油膜を形成するまでになるべく長い距離を移動するように、給油口６ａは直下に仕切り板５の油量調節穴Ｈ１〜Ｈ８が見えない位置に配設する。

図７は仕切り板５の展開図を表している。仕切り板５には等間隔で油量調節穴Ｈ１〜Ｈ８が穿設されている。穴の大きさは、油量調節穴Ｈ１と油量調節穴Ｈ２が一番小さく、油量調節穴Ｈ５と油量調節穴Ｈ６が一番大きい。仕切り板５は、穴の一番小さい油量調節穴Ｈ１と油量調節穴Ｈ２の中央部が、給油口６ａに対向するように配設する。仕切り板５の油量調節穴は、給油口６ａから遠くなるほど穴の大きさが大きくなっており、密封油は全ての油量調節穴Ｈから均等に供給される。仕切り板５はグランドシール３の溝に挿入する形になっており、比較的シンプルな構造で上記機能を果たすことができる。

密封油２１は給油口６ａを通り、まず背面部屋のうち、外側背面部屋４ａに供給される。そこから、密封油２１は仕切り板５に沿って移動し、油量調節穴Ｈ１〜８のいずれかから内側背面部屋４ｂに供給される。さらに、密封油２１はシールリング１の給油調節穴１ａを通り、シャフト２とシールリング１の間に供給される。密封油２１はシャフト２とシールリング１の間に油膜を形成し、回転電機１０に充填されているガスをシールする。このようにすることで、密封油２１がシールリング１の特定の１ケ所を極端に冷やすことを防ぎ、信頼性を確保したままで隙間を小さくし、油量を抑えることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、発電所向けの回転電機において、シャフトから冷却ガスが漏洩することを防ぐために設置される軸封装置に関するものである。

１ シールリング、１ａ 給油調節穴、１ｂ 給油調節穴、２ シャフト、
３ グランドシール、４ 背面部屋、４ａ 外側背面部屋、
４ｂ 内側背面部屋、５ 仕切り板、６ 給油管、６ａ 給油口、
６ｂ 排油口、６ｃ 油回収管、７ ハウジング、８ 溝、
９ ブラケット、１０ 回転電機、１１ 真空ポンプ、
１２ 蜜封油ポンプ、１３ 真空タンク、１４ 差圧調整弁、
１５ 回転子、１６ 固定子、２０ 給油装置、２１ 密封油、
３０ すべり軸受、４０ 軸封機構、Ｈ１〜Ｈ８ 油量調節穴、
１００ 軸封装置付き回転電機。

Claims (6)

1. シャフトを有する回転子と、
   前記回転子の周囲に配設される固定子と、
   複数の貫通穴が形成され前記シャフトの周囲に配設されるシールリングと、
   給油口を有し、前記シールリングの周囲を囲むグランドシールと、
   前記シールリングと前記グランドシールとの間に配設された仕切り板と、
   前記グランドシールが固定され、前記回転子と前記固定子とを収容するハウジングと、を備え、
   前記仕切り板は、前記グランドシールに設けられている前記給油口と対向していることを特徴とする軸封装置付き回転電機。
2. 前記グランドシールの内周側には溝が形成されていて、前記仕切り板は、この溝に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置付き回転電機。
3. 前記仕切り板は、前記シールリングを全周にわたって囲んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の軸封装置付き回転電機。
4. 前記仕切り板には複数の油量調節穴が開口されていることを特徴とする請求項３に記載の軸封装置付き回転電機。
5. 前記給油口は、前記複数の油量調節穴が直下に見える位置を避けて配設されていることを特徴とする請求項４に記載の軸封装置付き回転電機。
6. 前記複数の油量調節穴は、前記グランドシールに設けられている給油口から遠ざかるほど穴の大きさが大きくなっていることを特徴とする請求項５に記載の軸封装置付き回転電機。

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