JP6567802B2 - 水車の主軸封水装置および主軸封水方法 - Google Patents

Description

この発明は、水車の主軸からの漏水を抑制・防止する、水車の主軸封水装置および主軸封水方法に関する。

水力発電所などの水車の主軸には、漏水を抑制・防止するための封水装置が設けられている。この封水装置には、非接触式であるラビリンスシール方式や、接触式であるカーボンパッキン方式、グランドパッキン方式、メカニカルパッキン方針などが採用されている。このうち、非接触式では、主軸との間に隙間が存在するため、この隙間から漏水が当初から発生するおそれがあり、さらに、長期間使用することで隙間が大きくなって漏水量が増加するおそれがある。一方、接触式では、シール面が主軸に接触してシールするため、漏水が極めて少ないが、長期間使用することで摩耗によってシール面が粗くなったりして、シール面の接触不良が発生し漏水量が増加するおそれがある。

また、水車の停止時に放水口の水位が上昇し、水位が封水装置の設置位置以上になった場合、漏水量が多くなる。

一方、遠心ポンプによって漏水を防止する、という技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、主軸の外周面に、この主軸の回転により遠心方向に向かう水圧を発生させる遠心ポンプを設けるとともに、主軸封水本体の上部を遠心ポンプに小間隙を介して対向させるように構成したものである。

特開平０８−１７７７０５号公報

ところで、上記特許文献１の技術では、遠心ポンプで発生される水圧が主軸の回転数に依存するため、主軸の回転数・回転状態によっては漏水を適正に抑制・防止できない場合がある。しかも、水車の停止時には、遠心ポンプが作動しないため、放水口の水位が上昇して、水位が封水装置の設置位置以上になった場合に、漏水を抑制・防止することができなくなる。

そこでこの発明は、主軸からの漏水を適正に抑制・防止することが可能な、水車の主軸封水装置および主軸封水方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、水車の主軸からの漏水を防止する、水車の主軸封水装置であって、前記主軸が挿入される筒状で、内周面にリング状のラビリンス溝が軸方向に複数形成され、前記ラビリンス溝の下流側の内周面に凹状で周方向に延びるエアポケットが設けられたラビリンスシールと、前記水車の回転とは独立して圧縮空気を生成し、該圧縮空気を前記エアポケットに供給することで前記エアポケット内を昇圧する圧縮空気供給手段と、を備え、前記水車の稼働状態に係らず前記圧縮空気供給手段が常時稼働され、前記水車の停止時であっても常に前記エアポケット内が昇圧されて該エアポケットよりも下流側への漏水を防止することを特徴とする。

この発明によれば、圧縮空気供給手段によって圧縮空気がエアポケットに供給されてエアポケット内が昇圧され、これにより、エアポケットよりも上流側からの漏水が下流側へ流れるのが抑制・防止される。

請求項２の発明は、請求項１に記載の水車の主軸封水装置において、前記圧縮空気供給手段は、前記エアポケット内の圧力を調整可能となっている、ことを特徴とする。

この発明によれば、主軸とラビリンスシールとの隙間の大きさを含む漏水条件に基づいて、エアポケット内の圧力を調整する。

請求項３の発明は、水車の主軸からの漏水を防止する、水車の主軸封水方法であって、筒状で内周面にリング状のラビリンス溝が軸方向に複数形成され、前記ラビリンス溝の下流側の内周面に凹状で周方向に延びるエアポケットが設けられたラビリンスシールに、前記主軸を挿入し、前記水車の回転とは独立して圧縮空気を生成する圧縮空気供給手段を前記水車の稼働状態に係らず常時稼働して、前記水車の停止時であっても常に前記圧縮空気を前記エアポケットに供給することで前記エアポケット内を昇圧し、該エアポケットよりも下流側への漏水を防止する、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の水車の主軸封水方法において、前記主軸と前記ラビリンスシールとの隙間の大きさを含む漏水条件に基づいて、前記エアポケット内の圧力を調整する、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、圧縮空気供給手段からの圧縮空気によってエアポケット内が昇圧され、エアポケットよりも下流側への漏水を抑制・防止することが可能となる。また、請求項３の発明によれば、圧縮空気供給手段からの圧縮空気によってエアポケット内が昇圧されて、エアポケットよりも下流側への漏水が抑制・防止される。そして、圧縮空気供給手段は、水車の回転とは独立して圧縮空気を生成、供給するため、主軸の回転数や水車が停止しているか否かに係らず、常にエアポケット内を昇圧して主軸からの漏水を適正に抑制・防止することが可能となる。また、ラビリンスシールにエアポケットを設け、エアポケットに圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段を備えるだけでよいため、構成が簡易で、しかも、主軸周りに多くの改造やスペースを要しないため、適用が容易である。

請求項２の発明によれば、エアポケット内の圧力を調整可能なため、主軸とラビリンスシールとの隙間の大きさなどの、漏水量が変化する条件（漏水条件）に基づいて、エアポケット内の圧力を調整することで、主軸からの漏水をより適正に抑制・防止することが可能となる。同様に請求項４の発明においても、主軸からの漏水をより適正に抑制・防止することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る水車の主軸封水装置を示す断面図である。 図１のＡ部拡大図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る水車の主軸封水装置（以下、「主軸封水装置」という）１を示す断面図であり、図２は、図１のＡ部拡大図である。この主軸封水装置１は、水力発電所の水車の主軸１０１からの漏水Ｗを抑制・防止するための装置であり、主として、ラビリンスシール２と、シールカバー体３と、エアコンプレッサ（圧縮空気供給手段）４とを備えている。ここで、この実施の形態では、水車がフランシス水車で、主軸１０１の下部にライナ１０２が連結され、ライナ１０２の周囲に渦巻ケーシング（図示せず）が配設されて、漏水Ｗは主軸１０１に沿って下方から上方に流れるものとする。また、主軸１０１の外周面には、円筒状のカラー１０３が装着（圧入）されている。

ラビリンスシール２は、主軸１０１が挿入される筒状で、内周面に凹状で周方向に延びるエアポケット２ｂが設けられたシール部材であり、エアポケット２ｂを除いて、通常のラビリンスシールと同等の構成となっている。すなわち、略円筒状で、シール円筒部２１の内径は、カラー１０３（主軸１０１）を挿入でき、カラー１０３の外周面との間に所定の隙間が形成されるように設定され、また、内周面には、リング状のラビリンス溝２ａが軸方向に複数形成されて、ラビリンス通路が形成されている。

エアポケット２ｂは、図２に示すように、最上位（最下流側）のラビリンス溝２ａの上方に形成され、断面形状が凹状で、円周方向に延びてリング状に形成されている。このエアポケット２ｂの大きは、後述する圧縮空気が供給されてエアポケット２ｂ内が昇圧することで、ラビリンス溝２ａを通過した漏水Ｗがエアポケット２ｂを通過しないように設定されている。

また、シール円筒部２１の周壁には、エアポケット２ｂまで貫通する横穴２ｃが形成され、この横穴２ｃを介してエアポケット２ｂが、後述するシールカバー体３の空気供給経路３５と連通するようになっている。一方、シール円筒部２１の上端には、円環状のシールフランジ２２が形成され、このシールフランジ２２には、皿ボルト２３を挿入するためのボルト挿入孔が形成されている。さらに、シールフランジ２２の上面には、平たい円環状のストッパ２４が、環内にカラー１０３が隙間なく挿入された状態で、第１のボルト２５で取り付けられている。このストッパ２４は、ラビリンスシール２側からの漏水Ｗが外部に流出するのを抑制・防止する役割を有している。

シールカバー体３は、図１に示すように、円筒状のカバー円筒部３１の上下端部に、円環状のカバーフランジ３２、３３が形成されている。カバー円筒部３１の内径は、ラビリンスシール２のシール円筒部２１の外径とほぼ同径に設定され、カバー円筒部３１の上端面には、皿ボルト２３が螺合するネジ穴が形成されている。そして、カバー円筒部３１内にシール円筒部２１を挿入し、シールフランジ２２のボルト挿入孔に皿ボルト２３を挿入してネジ穴にねじ込むことで、ラビリンスシール２とシールカバー体３とが連結されている。

また、第１のカバーフランジ３２は、第２のボルト３４によって水車の基台（渦巻ケーシング）１０４に固定され、第２のカバーフランジ３３には、ストッパ２４の上方を覆うカバー体５が第３のボルト５１によって取り付けられている。

一方、カバー円筒部３１の周壁には、図２に示すように、外周面から内周面に貫通する空気供給経路３５が形成され、この空気供給経路３５の内周面側の開口３５ａが、ラビリンスシール２の横穴２ｃと対向・連通するようになっている。一方、空気供給経路３５の外周面側の開口３５ｂには、後述するエアコンプレッサ４のエアチューブ４１を接続するためのプラグ３６が取り付けられている。

エアコンプレッサ４は、水車の回転とは独立して圧縮空気を生成し、この圧縮空気をラビリンスシール２のエアポケット２ｂに供給することで、エアポケット２ｂ内を昇圧するものである。すなわち、水車とは独立した電源によって稼働し、水車の回転に係らず任意の時間に圧縮空気を生成可能なコンプレッサであり、吐出口に接続されたエアチューブ４１の自由端部が、シールカバー体３のプラグ３６に接続されている。

これにより、エアコンプレッサ４で生成された圧縮空気が、エアチューブ４１を流れてシールカバー体３の空気供給経路３５に流入し、ラビリンスシール２の横穴２ｃを介してエアポケット２ｂに供給される。そして、圧縮空気がエアポケット２ｂ内に充満して、エアポケット２ｂ内の圧力が上昇するものである。ここで、圧縮空気の圧力は、エアポケット２ｂ内の圧力が所定の圧力に上昇することで、ラビリンス溝２ａ側（上流側）からの漏水Ｗをせき止めて、漏水Ｗがエアポケット２ｂよりも下流側に流れるのを抑制・防止できるように、設定されている。

さらに、エアコンプレッサ４は、生成する圧縮空気の圧力を調整可能で、エアポケット２ｂ内の圧力を調整・変更できるようになっている。これにより、主軸１０１（カラー１０３）とラビリンスシール２との隙間の大きさや、ラビリンス溝２ａの形状、数（漏水防止効果）、ラビリンスシール２の使用期間（劣化度）、主軸１０１の回転数など、漏水量が変化する条件・要件（漏水条件）に基づいて、圧縮空気の圧力を調整してエアポケット２ｂ内の圧力を調整・最適化することで、漏水条件に応じて、漏水Ｗがエアポケット２ｂよりも下流側に流れるのを適正に抑制・防止可能となっている。

このようなエアコンプレッサ４は、保守時などを除いて常時稼働し、水車の停止時であっても、常にエアポケット２ｂ内が昇圧されるようになっている。

次に、このような構成の主軸封水装置１の作用および、主軸封水装置１による水車の主軸封水方法（以下、「主軸封水方法」という）について説明する。

まず、主軸１０１に主軸封水装置１を組み付ける。すなわち、上記のように、シールカバー体３の空気供給経路３５とラビリンスシール２の横穴２ｃとを連通させるように、カバー円筒部３１内にシール円筒部２１を挿入して、ラビリンスシール２とシールカバー体３とを連結する。そして、エアポケット２ｂが設けられたラビリンスシール２内に主軸１０１を挿入して、主軸１０１やシールカバー体３などを設置し、エアコンプレッサ４のエアチューブ４１をシールカバー体３のプラグ３６に接続する。

次に、エアコンプレッサ４を稼働させて、上記のようにして、圧縮空気をエアポケット２ｂに供給することでエアポケット２ｂ内を昇圧し、このエアポケット２ｂよりも下流側への漏水Ｗを防止する。すなわち、エアポケット２ｂ内の圧力が上昇することで、ラビリンス溝２ａ側（上流側）からの漏水Ｗがせき止められ、漏水Ｗがエアポケット２ｂよりも下流側に流れるのが防止される。さらに、エアポケット２ｂに供給された圧縮空気が、ラビリンスシール２（シール円筒部２１）とカラー１０３との隙間にも流れて、漏水Ｗがラビリンス溝２ａを経由して下流側に流れるのが抑制される。

また、エアポケット２ｂ内の圧力、つまり、エアコンプレッサ４による圧縮空気の圧力は、主軸１０１（カラー１０３）とラビリンスシール２との隙間の大きさなどの漏水条件に基づいて調整する。さらに、漏水条件が変わったことが確認された場合や、エアポケット２ｂよりも下流側での漏水Ｗが確認された場合には、エアポケット２ｂ内の圧力を調整して（上昇させて）漏水Ｗを抑制・防止する。そして、水車の稼働状態に係らず、エアコンプレッサ４を常時稼働させて、漏水防止を継続的に行うものである。

以上のように、本主軸封水装置１および本主軸封水方法によれば、エアコンプレッサ４からの圧縮空気によってエアポケット２ｂ内が昇圧され、エアポケット２ｂよりも下流側への漏水Ｗを抑制・防止することができる。そして、エアコンプレッサ４は、水車の回転とは独立して圧縮空気を生成、供給するため、主軸１０１の回転数や水車が停止しているか否かに係らず、常にエアポケット２ｂ内を昇圧して主軸１０１からの漏水Ｗを適正に抑制・防止することが可能となる。

しかも、エアポケット２ｂ内の圧力を調整可能なため、主軸１０１（カラー１０３）とラビリンスシール２との隙間の大きさなどの漏水条件に基づいて、エアポケット２ｂ内の圧力を調整することで、主軸１０１からの漏水Ｗをより適正に抑制・防止することが可能となる。また、圧縮空気によって漏水Ｗを抑制・防止するため、環境への負荷がない。一方、エアコンプレッサ４の故障などにより圧縮空気の供給が一時的に行えない場合でも、ラビリンスシール２自体によって漏水Ｗを抑制・防止することが可能である。

また、ラビリンスシール２にエアポケット２ｂを設け、エアポケット２ｂに圧縮空気を供給するエアコンプレッサ４を備えるだけでよいため、構成が簡易で、しかも、主軸１０１周りに多くの改造やスペースを要しないため、適用が容易である。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、エアポケット２ｂを最上位の上方に設けているが、ラビリンスシール２の軸方向の長さや漏水量などに応じて、ラビリンスシール２の軸方向の中央部などにエアポケット２ｂを設けてもよく、エアポケット２ｂを複数設けてもよい。

さらに、ラビリンスシール２にエアポケット２ｂを直接形成しているが、エアポケット２ｂを備えるリングを、ラビリンスシール２の上部などに一体的に設けるようにしてもよい。また、エアポケット２ｂよりも下流側での漏水Ｗを検知するセンサを設け、センサの検知結果（漏水Ｗの有無、漏水量）に基づいて、自動的にエアポケット２ｂ内の圧力を調整するようにしてもよい。

１ 水車の主軸封水装置
２ ラビリンスシール
２ａ ラビリンス溝
２ｂ エアポケット
３ シールカバー体
４ エアコンプレッサ（圧縮空気供給手段）
１０１ 主軸
Ｗ 漏水

Claims (4)

1. 水車の主軸からの漏水を防止する、水車の主軸封水装置であって、
   前記主軸が挿入される筒状で、内周面にリング状のラビリンス溝が軸方向に複数形成され、前記ラビリンス溝の下流側の内周面に凹状で周方向に延びるエアポケットが設けられたラビリンスシールと、
   前記水車の回転とは独立して圧縮空気を生成し、該圧縮空気を前記エアポケットに供給することで前記エアポケット内を昇圧する圧縮空気供給手段と、
   を備え、前記水車の稼働状態に係らず前記圧縮空気供給手段が常時稼働され、前記水車の停止時であっても常に前記エアポケット内が昇圧されて該エアポケットよりも下流側への漏水を防止することを特徴とする水車の主軸封水装置。
2. 前記圧縮空気供給手段は、前記エアポケット内の圧力を調整可能となっている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水車の主軸封水装置。
3. 水車の主軸からの漏水を防止する、水車の主軸封水方法であって、
   筒状で内周面にリング状のラビリンス溝が軸方向に複数形成され、前記ラビリンス溝の下流側の内周面に凹状で周方向に延びるエアポケットが設けられたラビリンスシールに、前記主軸を挿入し、
   前記水車の回転とは独立して圧縮空気を生成する圧縮空気供給手段を前記水車の稼働状態に係らず常時稼働して、前記水車の停止時であっても常に前記圧縮空気を前記エアポケットに供給することで前記エアポケット内を昇圧し、該エアポケットよりも下流側への漏水を防止する、
   ことを特徴とする水車の主軸封水方法。
4. 前記主軸と前記ラビリンスシールとの隙間の大きさを含む漏水条件に基づいて、前記エアポケット内の圧力を調整する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の水車の主軸封水方法。

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