JP6942662B2 - 静圧型主軸軸受装置および水力機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、静圧型主軸軸受装置および水力機械に関する。

従来、水力発電所向けのフランシス水車等の水力機械において、ランナと発電機とを連結する主軸（水車軸とも言う）のガイド軸受（ジャーナル軸受）には、動圧軸受構造が用いられてきた。図１１に、動圧軸受構造で主軸を支持するための潤滑流体（水や油など）の圧力発生原理を示す。

図１１に示すように、主軸１００は、回転しながら軸受１０１内を振れ回る。このことにより、主軸１００の外周面と、軸受１０１の軸受面（内側面）のうち主軸１００に近接した部分との間の隙間に潤滑流体が流れ込み、流体膜が形成される。この流体膜のくさび効果等により動圧が生じ、主軸１００を軸受１０１の中心に戻そうとする反力が増大する。すると、主軸１００の偏心荷重と流体膜の反力とがつり合い、主軸１００と軸受１０１との間の流体膜の厚さが一定に保たれる。このようにして、主軸１００の振れ回りが安定し、主軸１００と軸受１０１とが非接触に保たれる。

しかしながら、上述したような動圧軸受構造では、水力機械の起動時には主軸の回転速度が低いため、流体膜のくさび効果は十分には発生せず、主軸を軸受の中心に戻そうとする流体膜の反力が不足する。このため、主軸の偏心荷重が反力を上回り、主軸と軸受とが接触する場合がある。

また、動圧軸受構造では、軸受面の形状と主軸の回転速度とによって軸受特性が一義的に決定される。このため、上述した流体膜による反力を調整することが困難になっており、水力機器の経年劣化などにより不安定になった主軸の振れ回りを安定化させることが困難になっている。

さらに、河川の汚染の懸念がある油よりも水を潤滑流体として用いることが主流になっているが、水は油よりも粘度が低い。このことにより、水による流体膜の反力を高めるために主軸と軸受との隙間を小さくしているが、この隙間を小さくしたことにより、主軸が軸受に接触することによって焼き付けが生じることが懸念される。

このような主軸と軸受との接触を防止するために、主軸と軸受との間の隙間に加圧された潤滑流体を供給する静圧軸受構造を、動圧軸受構造の代わりに適用することが考えられる。静圧軸受構造では、主軸と軸受との間の隙間に供給される加圧された潤滑流体によって、流体膜が形成される。このことにより、主軸の回転速度によらずに、主軸を軸受の中心に戻そうとする流体膜の反力を安定して発生させることができ、主軸と軸受の接触を効果的に防止することができる。

ところで、主軸を支持する軸受は、主軸の傾きに追従可能であることが好都合である。この場合、軸受は、周方向に配列された複数の軸受セグメントで構成され、各軸受セグメントが、外周側に配置されたピボット支持部にピボット支持され、主軸の傾きに追従してピボット運動可能に構成される。

このようなピボット支持された軸受セグメントと主軸との間の隙間に加圧された潤滑流体を供給する場合には、ピボット支持部と軸受セグメントを通過させる流路を形成することが好適である。しかしながら、軸受セグメントがピボット支持部に対してピボット運動するように相対変位可能になっている。このことにより、ピボット運動によって軸受セグメント内の流路とピボット支持部内の流路との連通が途切れてしまい、ピボット支持部から軸受セグメントへ加圧された潤滑流体を供給することが困難になっている。

特開昭５８−９４６２６号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ピボット運動可能な軸受セグメントで静圧軸受構造を構成して水力機械の主軸を支持することができる静圧型主軸軸受装置および水力機械を提供することを目的とする。

実施の形態による静圧型主軸軸受装置は、水力機械のランナに連結された主軸を、静圧軸受構造をなす加圧された流体を介して支持する装置である。この静圧型主軸軸受装置は、主軸との間に加圧された流体が供給される軸受隙間を形成する軸受セグメントと、軸受セグメントの外周側に設けられ、軸受セグメントをピボット支持するピボット支持部と、を備えている。軸受セグメントは、ピボット支持部を受容する受容部を含んでいる。ピボット支持部は、加圧された流体が通過する支持部流路を含んでいる。軸受セグメントは、加圧された流体が通過するセグメント流路を含んでいる。受容部内に、支持部流路とセグメント流路と連通する連通空間が設けられている。

また、実施の形態による水力機械は、ランナと、ランナに連結された主軸と、上述した静圧型主軸軸受装置と、を備えている。

本発明によれば、ピボット運動可能な軸受セグメントで静圧軸受構造を構成して水力機械の主軸を支持することができる。

図１は、第１の実施の形態における静圧型主軸軸受装置を備えたフランシス水車の構成を示す縦断面図である。 図２は、図１の軸受の横断面と流体の供給系統を図である。 図３は、図２に示す軸受セグメントを拡大して示す横断面図である。 図４は、図２に示す軸受セグメントを示す縦断面図である。 図５は、図４の部分拡大断面図である。 図６は、図４に示す軸受セグメントを内周側から見た図である。 図７は、図４に示す軸受セグメントの変形例を示す縦断面図である。 図８は、図７の部分拡大断面図である。 図９は、第２の実施の形態における軸受セグメントを示す縦断面図である。 図１０は、図９の部分拡大断面図である。 図１１は、第３の実施の形態における軸受セグメントを示す縦断面図である。 図１２は、図１１の部分拡大断面図である。 図１３は、動圧軸受構造を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における静圧型主軸軸受装置および水力機械について説明する。

（第１の実施の形態）
図１〜図８を用いて、本実施の形態における静圧型主軸軸受装置および水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて、水力機械の一例としてのフランシス水車について説明する。

図１に示すように、フランシス水車１は、上池から水圧管（いずれも図示せず）を通って、水頭エネルギを持った水が流入する渦巻き状のケーシング２と、ケーシング２の内周側に設けられた複数のステーベーン３と、ステーベーン３の内周側に設けられた複数のガイドベーン４と、ガイドベーン４の内周側に設けられたランナ５と、を備えている。このうちステーベーン３は、ケーシング２から流入する水をガイドベーン４に導き、ガイドベーン４は、ステーベーン３からの水をランナ５に導くようになっている。

ガイドベーン４は、上カバー６と下カバー７との間に設けられており、上カバー６および下カバー７に対して回動可能になっている。このことにより、ガイドベーン４は、水の流量を調整し、後述する発電機９の発電出力が調整可能になっている。

図１に示すように、ランナ５は、ガイドベーン４からの水流によって、回転軸線Ｘを中心に回転駆動するように構成されている。すなわち、ランナ５は、上カバー６の下方に設けられて後述する主軸８に連結されたクラウン５ａと、クラウン５ａの外周側に設けられたバンド５ｂと、クラウン５ａとバンド５ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根５ｃと、を有している。ランナ羽根５ｃが水流から受ける圧力によって、水頭エネルギが回転エネルギに変換される。

ランナ５のクラウン５ａには、主軸８を介して発電機９が連結されている。主軸８は、回転軸線Ｘを中心に回転可能になっている。また、ランナ５の下流側には、吸出し管１０が設けられている。吸出し管１０は、図示しない下池（または放水路）に連結されており、ランナ５を回転駆動させた水が下池に放出されるようになっている。

上カバー６の上方には、静圧型主軸軸受装置２０が設けられている。この静圧型主軸軸受装置２０は、主軸８を回転可能に支持しており、主軸８のラジアル荷重を受けるようになっている。すなわち、上述したようにランナ羽根５ｃが水流から圧力を受けるため、ランナ５にラジアル荷重が与えられる。このラジアル荷重は主軸８を介して静圧型主軸軸受装置２０で受けられる。

次に、本実施の形態による静圧型主軸軸受装置２０について、図１〜図８を用いて説明する。ここで、静圧型主軸軸受装置２０は、フランシス水車１のランナ５に連結された主軸８を、静圧軸受構造をなす加圧された潤滑流体（以下、流体Ｆと記す）を介して支持するための装置である。

図１および図２に示すように、静圧型主軸軸受装置２０は、主軸８の周囲に設けられた軸受槽２１と、軸受槽２１内に設けられた軸受３０と、を備えている。このうち、軸受槽２１は、主軸８を支持するための流体Ｆ（例えば水や油）が貯留される槽本体２２と、槽本体２２の上方に設けられたカバー２３と、を含んでいる。カバー２３は、槽本体２２の上端開口部を覆っている。軸受３０の少なくとも一部は、槽本体２２に貯留された流体Ｆに浸漬されている。

軸受槽２１は、上カバー６に固定されている。より具体的には、軸受槽２１から下方に固定部材２４が延びており、この固定部材２４が上カバー６に固定されている。

軸受槽２１の下方には、上カバー６とランナ５との間の隙間から流出した水を排出するための排出空間２５が形成されている。この排出空間２５は、上述した固定部材２４によって画定されている。このような構成により、静圧型主軸軸受装置２０の流体Ｆは、上カバー６とランナ５との間の隙間から流出した水と混合しないように隔離されている。

軸受３０は、主軸８の周囲に設けられており、主軸８のラジアル荷重を受けて主軸８を回転可能に支持している。図２に示すように、軸受３０は、主軸８の外周側に設けられた複数の軸受セグメント３１を含んでいる。軸受セグメント３１は、主軸８の周方向に配列されており、互いに離間している。図２に示す例では、８つの軸受セグメント３１によって軸受３０が構成されているが、軸受セグメント３１の個数はこれに限られることはない。

図１および図２に示すように、主軸８は、その外周面に設けられた主軸スカート４０を含んでいる。主軸スカート４０の外周側に、軸受セグメント３１が配置されている。

図３および図４に示すように、軸受セグメント３１と主軸スカート４０との間には、加圧された流体Ｆが供給される軸受隙間Ｇが形成されている。すなわち、軸受セグメント３１の軸受面（内周面）は、主軸スカート４０の外周面に対向しており、軸受隙間Ｇは、軸受セグメント３１の軸受面と主軸スカート４０の外周面との間に形成されている。

図１および図２に示すように軸受３０の外周側に、軸受３０を支持するリング状の軸受支持台４１が設けられている。軸受支持台４１は、主軸８の半径方向に延びる複数の連結部材４２（図１参照）を介して軸受槽２１に固定されている。

図１〜図４に示すように、軸受支持台４１には、軸受セグメント３１をピボット支持する複数のピボット支持部５０が設けられている。これにより、主軸８の傾きに追従して、軸受セグメント３１がピボット支持部５０に対してピボット運動が可能になっている。ここでピボット運動とは、回転軸線Ｘに対する主軸８の傾きに追従するように、軸受セグメント３１が、傾斜するように揺動運動することをいう。

各ピボット支持部５０は、対応する軸受セグメント３１の外周側に配置されており、主軸８の半径方向に延びる中心軸線Ｃに沿うように形成されている。ピボット支持部５０にはおねじ部（図示せず）が形成されており、軸受支持台４１には、ピボット支持部５０のおねじ部に螺合するめねじ部（図示せず）が形成されている。これにより、軸受セグメント３１と主軸スカート４０との間の軸受隙間Ｇの寸法が調整可能になっている。ピボット支持部５０には軸受支持台４１の外周側からナット４３が螺合されており、ピボット支持部５０は調整後の位置で固定されている。なお、軸受支持台４１の下部から内周側に支持板４４（図１参照）が延びており、軸受セグメント３１を半径方向移動可能に下方から支持している。

図５に示すように、ピボット支持部５０は、軸受セグメント３１が当接する湾曲状（あるいは球面状）の内周端面５１を含んでいる。軸受セグメント３１は、ピボット支持部５０に当接する平坦状の被当接面３２（セグメント本体３５の外周側面３５ａ）を含んでいる。ピボット支持部５０の内周端面５１が、軸受セグメント３１の被当接面３２に当接している。より詳細には、ピボット支持部５０の内周端面５１のうち中央部に位置する当接領域５２が、軸受セグメント３１の被当接面３２のうちの当接領域３３に点接触している。ピボット運動する軸受セグメント３１の姿勢に追従して、ピボット支持部５０の当接領域５２のうちのいずれかの位置と、軸受セグメント３１の当接領域３３のうちのいずれかの位置が、点接触する。すなわち、ピボット支持部５０の当接領域５２と軸受セグメント３１の当接領域３３は、ピボット運動する軸受セグメント３１とピボット支持部５０とが当接し得る領域となっている。各当接領域５２、３３は、軸受セグメント３１のピボット運動範囲によって画定される。なお、被当接面３２（より詳細には、当接領域３３）は、表面硬化処理されていてもよい。この場合、ピボット支持部５０が当接する被当接面３２の硬度を高めることができ、被当接面３２の変形を抑制できる。

図３〜図５に示すように、軸受セグメント３１は、ピボット支持部５０を受容する受容部３４を含んでいる。より詳細には、ピボット支持部５０のうち内周端面５１を含む内周端部が受容部３４に挿入されて受容されている。

本実施の形態においては、軸受セグメント３１は、軸受面および被当接面３２を含むセグメント本体３５と、セグメント本体３５の外周側に設けられた円筒状のボス３６（受容部画定部材）と、を含んでいる。本実施の形態では、軸受セグメント３１の上述した被当接面３２は、セグメント本体３５の外周側面３５ａによって構成されている。

ボス３６は、ピボット支持部５０の周囲に形成されている。これにより、軸受セグメント３１の被当接面３２とボス３６の内周面３７とによって受容部３４が画定されている。軸受セグメント３１のピボット運動範囲は、ピボット支持部５０の外周面５３とボス３６の内周面３７（言い換えると、受容部３４の壁面）との間の隙間によって規定されている。図３および図４に示す例では、ボス３６の直径は、セグメント本体３５の高さ方向（図４における上下方向）の寸法よりも小さく、セグメント本体３５の幅方向（図３における上下方向）の寸法よりも小さくなっている。しかしながら、ボス３６の直径は、セグメント本体３５の高さ方向の寸法や幅方向の寸法よりも大きくなっていてもよい。ボス３６は、例えば、セグメント本体３５とは別体に作製され、セグメント本体３５の外周側面３５ａに当接させて、セグメント本体３５に図示しないボルトで締結されていてもよい。

次に、静圧軸受構造をなす流体Ｆの供給系統について説明する。

図３および図４に示すように、ピボット支持部５０は、軸受隙間Ｇに供給される加圧された流体Ｆが通過する支持部流路６０を含んでいる。支持部流路６０には、軸受槽２１の槽本体２２に貯留された流体Ｆが加圧されて供給されるようになっている。

すなわち、支持部流路６０には、図１および図２に示す供給配管６１が連結されており、この供給配管６１によって支持部流路６０に加圧された流体Ｆが供給される。供給配管６１は、剛性を有しており、軸受槽２１の槽本体２２のうち連結部材４２よりも下方の部分に連結されている。そして、供給配管６１には、供給配管６１を通過する流体Ｆを加圧して、軸受隙間Ｇに送り込むポンプ６２（加圧部）が設けられている。このような構成により、槽本体２２に貯留されている流体Ｆが供給配管６１に取り込まれ、ポンプ６２によって加圧されて支持部流路６０に供給される。ポンプ６２は、図示しない制御装置によって制御されることで、各支持部流路６０に供給される流体Ｆの圧力を自動的に調整可能にしてもよい。なお、供給配管６１は、槽本体２２に連結されることに限られることはない。流体Ｆとして水を用いる場合には、ケーシング２等のランナ５よりも上流の位置から水を取り込んで支持部流路６０に供給するようにしてもよい。また、図２においては、図面を明瞭にするために、供給配管６１がピボット支持部５０の外周端部に接続されている例が示されている。

図２に示すように、供給配管６１は途中で分岐するようにしてもよい。すなわち、図２に示す例では、供給配管６１は、槽本体２２の側に設けられた１つの共通配管部分６１ａと、支持部流路６０の側に設けられ、共通配管部分６１ａから分岐した複数の分岐配管部分６１ｂと、を含んでいる。槽本体２２から取り込まれた流体Ｆは、共通配管部分６１ａを通過して各分岐配管部分６１ｂに分配されるようになっている。

各分岐配管部分６１ｂには、対応する支持部流路６０に供給される流体Ｆの流量を調整可能な絞り弁６３（流量調整部）が設けられていてもよい。絞り弁６３は、手動操作式でもよく、電動操作式でもよい。後者の場合には、図示しない制御装置によって絞り弁６３を制御することで、各支持部流路６０に供給される流体Ｆの流量を自動的に調整することが可能になる。なお、図１においては、図面を明瞭にするために、絞り弁６３は省略されている。

図３および図４に示すように、軸受セグメント３１は、軸受隙間Ｇに供給される加圧された流体Ｆが通過するセグメント流路６４を含んでいる。本実施の形態では、セグメント流路６４は、上述したセグメント本体３５に形成されている。

受容部３４内には、支持部流路６０とセグメント流路６４とを連通する連通空間６５が形成されている。この連通空間６５は、軸受セグメント３１の被当接面３２と、ボス３６の内周面３７と、ピボット支持部５０の内周端面５１とによって画定されている。支持部流路６０から流出した流体Ｆは、連通空間６５を通過してセグメント流路６４に流入する。セグメント流路６４内の流体Ｆは、軸受隙間Ｇに流入する。

図５および図６に示すように、支持部流路６０の出口６０ｂは、ピボット支持部５０の内周端面５１のうち軸受セグメント３１が当接し得る当接領域５２以外の領域に配置されている。支持部流路６０は、供給配管６１に連結された１つの入口６０ａ（図４参照）と、連通空間６５に露出された複数の出口６０ｂと、を含んでいてもよい。この場合、これらの出口６０ｂは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿って見たときに、当接領域５２の周囲で、ピボット支持部５０の周方向に均等に配置されている。そして、支持部流路６０の各出口６０ｂは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃから等しい距離で配置されている。図３〜図５に示すように、支持部流路６０は、入口６０ａの側に設けられた共通流路６０ｃと、出口６０ｂの側に設けられ、共通流路６０ｃから分岐した複数の分岐流路６０ｄとを含んでおり、途中から複数の供給路に分岐されている。このようにして、１つの入口６０ａに供給された流体Ｆを複数の出口６０ｂに分配するようになっている。

同様にして、図５に示すように、セグメント流路６４の入口６４ａは、軸受セグメント３１の被当接面３２のうちピボット支持部５０に当接し得る当接領域３３以外の領域に配置されている。図３〜図５に示すように、軸受セグメント３１には複数のセグメント流路６４が設けられていてもよい。この場合、各セグメント流路６４は、連通空間６５に露出された入口６４ａと、軸受隙間Ｇに露出された出口６４ｂと、を含む。これらの入口６４ａは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿って見たときに、当接領域３３の周囲で、ピボット支持部５０の周方向に均等に配置されている。そして、各セグメント流路６４の入口６４ａは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃから等しい距離で配置されている。セグメント流路６４の入口６４ａは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿って見たときに、支持部流路６０の出口６０ｂと重なるように配置されていてもよいが、重ならない位置に配置されていてもよい。また、セグメント流路６４は、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿う方向に延びるように形成されていてもよい。この場合、セグメント流路６４の出口６４ｂは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿って見たときに、セグメント流路６４の入口６４ａと重なる位置に配置される。しかしながら、セグメント流路６４の形状やセグメント流路６４の出口６４ｂの位置は、これに限られることはない。

図３〜図５に示すように、ピボット支持部５０の外周面５３とボス３６の内周面３７（言い換えると、受容部３４の壁面）との間に、連通空間６５を密封するシール部６６が設けられている。本実施の形態では、シール部６６は、弾力性を有する弾性シールリング６７で構成されている。より具体的には、ボス３６の内周面３７に、ピボット支持部５０の周方向に延びる溝６８が設けられており、この溝６８内に、弾性シールリング６７が挿入されている。そして、弾性シールリング６７は、ピボット支持部５０の外周面５３に当接するとともに溝６８の底面６８ａ（ピボット支持部５０の外周面５３に対向する面）に当接している。例えば、弾性シールリング６７は、ニトリルゴム（ＮＢＲ）製のＯリングとしてもよい。なお、シール部６６は、弾性シールリング６７で構成されることに限られず、例えば、軸受セグメント３１がピボット運動可能であれば、剛体とみなすことができるシールリングで構成されていてもよい。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

フランシス水車１の運転時、ランナ５と発電機９を連結する主軸８が回転する。

この間、供給配管６１に設けられたポンプ６２が駆動される。このことにより、軸受槽２１の槽本体２２に貯留されている流体Ｆが供給配管６１に取り込まれて、加圧してピボット支持部５０の支持部流路６０に供給される。主軸８が偏心している場合には、各分岐配管部分６１ｂに設けられた絞り弁６３の開度を調整して、各支持部流路６０に供給される流体Ｆの流量を調整してもよい。例えば、絞り弁６３の開度を大きくして支持部流路６０に供給される流体Ｆの流量が増大し、絞り弁６３の下流側における流体Ｆの圧力が高められ、その結果、軸受隙間Ｇにおける流体Ｆの圧力が高まる。あるいは、ポンプ６２によって流体Ｆの加圧力を調整してもよい。例えば、ポンプ６２の吐出力を高めることにより、ポンプ６２の下流側における流体Ｆの圧力が高められ、その結果、軸受隙間Ｇにおける流体Ｆの圧力が高まる。このことにより、軸受隙間Ｇにおける流体Ｆの圧力が高められて、後述する流体膜の反力を高めることができ、主軸８の偏心を効果的に抑制することができる。

支持部流路６０に供給された流体Ｆは、支持部流路６０の各出口６０ｂから流出し連通空間６５に流入する。連通空間６５は支持部流路６０およびセグメント流路６４に比べると大きな容積を有しているため、連通空間６５に流入した流体Ｆは連通空間６５に貯留（保持）される。連通空間６５内では、流体Ｆは加圧下で貯留される。

その後、連通空間６５内の流体Ｆは、軸受セグメント３１の各入口６４ａから対応するセグメント流路６４に流入する。各セグメント流路６４に流入した流体Ｆは出口６４ｂから流出して、軸受セグメント３１と主軸８との間の軸受隙間Ｇに流入する。

軸受隙間Ｇに流入した流体Ｆで、軸受隙間Ｇに、主軸８を軸受の中心に戻そうとする流体膜が形成され、この流体膜によって主軸８が支持される。すなわち、流体Ｆによって軸受隙間Ｇ内の流体Ｆの圧力が高められ、静圧軸受構造として主軸８が支持される。

このように本実施の形態によれば、ピボット支持部５０を受容する受容部３４に、ピボット支持部５０の支持部流路６０と軸受セグメント３１のセグメント流路６４とを連通する連通空間６５が設けられている。このことにより、軸受セグメント３１がピボット運動した場合であっても、連通空間６５によって支持部流路６０とセグメント流路６４との連通状態を維持することができる。このため、支持部流路６０に供給された加圧された流体Ｆを、セグメント流路６４を介して、主軸８と軸受セグメント３１との間の軸受隙間Ｇに供給することができる。この結果、ピボット運動可能な軸受セグメント３１で静圧軸受構造を構成してフランシス水車１の主軸８を支持することができる。

また、本実施の形態によれば、主軸８と軸受セグメント３１との間の軸受隙間Ｇに、ピボット支持部５０の支持部流路６０および軸受セグメント３１のセグメント流路６４を介して加圧された流体Ｆを供給することができる。このことにより、軸受隙間Ｇに供給された加圧された流体Ｆで、静圧軸受構造として主軸８を支持することができる。この場合、主軸８の回転速度によらずに、主軸８を軸受の中心に戻そうとする流体膜の反力を安定化させることができる。このため、主軸８の振れ回りを安定化させて主軸８と軸受３０との接触を防止できる。とりわけ、流体Ｆが油よりも粘度が低い水であっても、流体膜の反力を高めることができ、主軸８と軸受３０との接触を効果的に防止できる。

また、本実施の形態によれば、支持部流路６０とセグメント流路６４とを連通する連通空間６５に加圧された流体Ｆを貯留することができる。このことにより、軸受隙間Ｇに供給される流体Ｆの圧力を維持することができ、流体膜による主軸８の支持を安定化させることができる。すなわち、軸受隙間Ｇに供給される流体Ｆの圧力が、軸受隙間Ｇ内の流体Ｆの圧力の変動の影響を受けることを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、主軸８と軸受セグメント３１との間の軸受隙間Ｇに供給される流体Ｆは、ピボット支持部５０の支持部流路６０と、連通空間６５と、軸受セグメント３１のセグメント流路６４とを通過する。このことにより、既設の動圧型主軸軸受装置を、静圧型主軸軸受装置２０に容易に改修することができる。すなわち、既設の動圧型主軸軸受装置が、支持部流路６０が設けられていないピボット支持部５０と、セグメント流路６４が設けられていない軸受セグメント３１とを備えている場合には、ピボット支持部５０に支持部流路６０を形成するとともに軸受セグメント３１にセグメント流路６４を形成する。そして、支持部流路６０に流体Ｆを供給する供給配管６１を連結する。このことにより、本実施の形態による静圧型主軸軸受装置２０を得ることができる。このため、動圧型主軸軸受装置から静圧型主軸軸受装置２０への改修の際に、ピボット支持部５０や軸受セグメント３１の周囲の他の部材の改造を最小限に留めることができ、静圧型主軸軸受装置２０への改修作業を容易化させることができる。

また、本実施の形態によれば、軸受セグメント３１のセグメント本体３５の外周側に、セグメント本体３５と共に受容部３４を画定するボス３６が設けられている。このことにより、受容部３４を容易に形成することができる。また、受容部３４の周囲がボス３６で構成されるため、セグメント本体３５とボス３６とで構成される軸受セグメント３１の全体としての材料の使用量を少なくして質量を低減することができる。

また、本実施の形態によれば、支持部流路６０の出口６０ｂが、ピボット支持部５０の内周端面５１のうち軸受セグメント３１が当接し得る当接領域５２以外の領域に配置されている。このことにより、支持部流路６０の出口６０ｂが、軸受セグメント３１によって塞がれることを防止できる。このため、軸受セグメント３１がピボット運動した場合であっても、支持部流路６０と連通空間６５との連通状態を維持することができる。また、当接領域５２に支持部流路６０の出口６０ｂが形成されることを防止でき、当接領域５２におけるピボット支持部５０の強度を確保することができる。さらには、ピボット支持部５０の当接領域５２を連続状の滑らかな面で形成することができ、軸受セグメント３１をスムースにピボット運動させることができる。

また、本実施の形態によれば、セグメント流路６４の入口６４ａが、軸受セグメント３１の被当接面３２のうちピボット支持部５０に当接し得る当接領域３３以外の領域に配置されている。このことにより、セグメント流路６４の入口６４ａが、ピボット支持部５０によって塞がれることを防止できる。このため、軸受セグメント３１がピボット運動した場合であっても、連通空間６５とセグメント流路６４との連通状態を維持することができる。また、当接領域３３にセグメント流路６４の入口６４ａが形成されることを防止でき、当接領域３３におけるセグメント本体３５の強度を確保することができる。さらには、軸受セグメント３１の当接領域３３を連続状の滑らかな面で形成することができ、スムースにピボット運動することができる。

また、本実施の形態によれば、ピボット支持部５０の外周面５３と受容部３４の壁面（ボス３６の内周面３７）との間に、連通空間６５を密封するシール部６６が設けられている。このことにより、連通空間６５の密封性を向上させることができ、連通空間６５内の流体Ｆの圧力を維持することができる。このため、軸受隙間Ｇ内の流体Ｆの圧力を維持することができ、主軸８の支持を安定化させることができる。

また、本実施の形態によれば、シール部６６は弾性シールリング６７で構成されている。このことにより、シール部６６の市場性を高めることができ、コストの低減を図ることができるとともにメンテナンス性を向上させることができる。また、弾性シールリング６７を採用することにより、シール部６６の構造を簡素化させることができる。さらに、弾性シールリング６７が弾力性を有していることにより、軸受セグメント３１がピボット運動する際に弾性シールリング６７が弾性変形することができる。このため、軸受セグメント３１のピボット運動の範囲を広げることができ、主軸８に対する追従性を向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、軸受セグメント３１が、セグメント本体３５と、ボス３６とを含んでいる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、軸受セグメント３１は、ボス３６を含まないように構成されていてもよい。例えば、受容部３４は、軸受セグメント３１のセグメント本体３５の外周側面３５ａに凹状に形成されるようにしてもよい。この場合、軸受セグメント３１を構成する部品点数を低減することができる。

また、上述した本実施の形態においては、軸受セグメント３１の被当接面３２が、セグメント本体３５の外周側面３５ａによって構成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、図７および図８に示すように、軸受セグメント３１の被当接面３２は、ボス３６のボス被当接面３６ａ（画定部材被当接面）によって構成されていてもよい。図７に示す例では、受容部３４は、ボス３６の外周側面３６ｂに凹状に形成されている。ボス被当接面３６ａは、この受容部３４の内側端面（図７における左側端面）をなしている。ピボット支持部５０の内周端面５１が、軸受セグメント３１の被当接面３２（ここでは、ボス被当接面３６ａ）に当接している。より詳細には、ピボット支持部５０の内周端面５１のうちの当接領域５２が、軸受セグメント３１の被当接面３２のうちの当接領域３３に点接触している。

ボス３６は、支持部流路６０とセグメント流路６４とを連通する複数のボス流路３８（画定部材流路）と、セグメント流路６４とボス流路３８との間に設けられた第２の連通空間３９と、を有している。図８に示すように、各ボス流路３８は、連通空間６５に露出された入口３８ａと、第２の連通空間３９に露出された出口３８ｂと、を含む。ボス流路３８の入口３８ａは、軸受セグメント３１の被当接面３２のうちピボット支持部５０に当接し得る当接領域３３以外の領域に配置されている。ボス流路３８の入口３８ａは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿って見たときに、当接領域３３の周囲で、ピボット支持部５０の周方向に均等に配置されている。そして、ボス流路３８の各入口３８ａは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃから等しい距離で配置されている。ボス流路３８の入口３８ａは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿って見たときに、支持部流路６０の出口６０ｂと重なるように配置されていてもよいが、重ならない位置に配置されていてもよい。また、ボス流路３８は、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿う方向に延びるように形成されていてもよい。この場合、ボス流路３８の出口３８ｂは、ピボット支持部５０の中心軸線Ｃに沿って見たときに、ボス流路３８の入口３８ａと重なる位置に配置される。しかしながら、ボス流路３８の形状やボス流路３８の出口３８ｂの位置は、これに限られることはない。

第２の連通空間３９は、ボス３６の内周側面３６ｃに凹状に形成されており、各セグメント流路６４に連通するとともに各ボス流路３８に連通している。すなわち、各セグメント流路６４の入口６４ａは、第２の連通空間３９に露出している。このことにより、軸受セグメント３１とボス３６とを組み合わせる際に、セグメント流路６４と第２の連通空間３９とを容易に位置合わせすることができる。また、第２の連通空間３９が設けられていることにより、軸受隙間Ｇに供給される流体Ｆの圧力が、軸受隙間Ｇ内の流体Ｆの圧力の変動の影響を受けることを抑制できる。

図７に示す例では、ボス３６の硬度が、軸受セグメント３１の硬度よりも高くなっている。このことにより、ピボット支持部５０が当接するボス被当接面３６ａの硬度を高めることができ、ボス被当接面３６ａの変形を抑制できる。また、ボス被当接面３６ａは、表面硬化処理が施されていてもよい。この場合には、ボス被当接面３６ａの硬度をより一層高めることができ、ボス被当接面３６ａの変形をより一層抑制できる。

また、上述した本実施の形態においては、供給配管６１が、槽本体２２に貯留されている流体Ｆが１つの共通配管部分６１ａから各支持部流路６０に対応する分岐配管部分６１ｂに分配されるように構成されている例について説明した。しかしながら、供給配管６１の構成はこれに限られることはない。例えば、各支持部流路６０に流体Ｆを供給する系統は、支持部流路６０毎に別々に構成されていてもよい。すなわち、各支持部流路６０に、別々の供給配管６１によって槽本体２２から取り込まれた流体Ｆが供給されるようにしてもよい。この場合、各供給配管６１にポンプ６２が設けられる。また、複数の共通配管部分６１ａを設けて、各共通配管部分６１ａが、いくつかの分岐配管部分６１ｂに流体Ｆを分配するようにしてもよい。例えば、２つの共通配管部分６１ａを設けて、各共通配管部分６１ａが４つの分岐配管部分６１ｂに流体Ｆをそれぞれ分配するようにしてもよい。

また、上述した本実施の形態では、水力機械の一例としてフランシス水車を例にとって説明したが、このことに限られることはなく、フランシス水車以外の水力機械にも、本実施の形態による静圧型主軸軸受装置２０および水力機械を適用することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図９および図１０を用いて、本発明の第２の実施の形態における静圧型主軸軸受装置および水力機械について説明する。

図９および図１０に示す第２の実施の形態においては、シール部が、シール内周側部分とシール外周側部分とを含む点が主に異なり、他の構成は、図１〜図８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図９および図１０において、図１〜図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図９および図１０に示すように、シール部６６は、シール本体部分７０と、シール内周側部分７１と、シール外周側部分７２と、を含んでいる。シール内周側部分７１は、シール本体部分７０よりもピボット支持部５０の内周側に配置されており、シール外周側部分７２は、シール本体部分７０よりもピボット支持部５０の外周側に配置されている。

シール内周側部分７１は、シール本体部分７０の連通空間６５の側の端部からピボット支持部５０の内周側かつ連通空間６５の側に延びている。すなわち、シール内周側部分７１は、シール本体部分７０の当該端部を通るピボット支持部５０の中心軸線Ｃに垂直な面よりも、連通空間６５の側に延びるように形成されている。シール内周側部分７１は、ピボット支持部５０の外周面５３に当接している。

シール外周側部分７２は、シール本体部分７０の連通空間６５の側の端部からピボット支持部５０の外周側かつ連通空間６５の側に延びている。すなわち、シール外周側部分７２は、シール本体部分７０の当該端部を通るピボット支持部５０の中心軸線Ｃに垂直な面よりも、連通空間６５の側に延びるように形成されている。シール外周側部分７２は、ボス３６の内周面３７に設けられた溝６８の底面６８ａに当接している。

これらのシール内周側部分７１とシール外周側部分７２とによって、シール凹部７３が形成されている。シール凹部７３は、連通空間６５の側に開口している。

図１０に示すように、本実施の形態によるシール部６６は全体としてＹ字状に形成されている。しかしながら、シール本体部分７０の中心軸線Ｃに沿う方向の長さを短くして、シール部６６を全体としてＶ字状またはＵ字状に形成してもよい。

図９および図１０に示すように、軸受セグメント３１のボス３６に対して主軸８の外周側には、シール部６６を連通空間６５の側に押圧する押圧カバー７４（押圧部材）が設けられている。押圧カバー７４は、突出部７４ａを含み、ボス３６に取り付けられると突出部７４ａが溝６８に入り込み、シール部６６を押圧するようになっている。

このように本実施の形態によれば、シール内周側部分７１とシール外周側部分７２とを含むシール部６６が、押圧カバー７４によって、連通空間６５の側に押圧されている。このことにより、シール部６６は連通空間６５の側への力を受けて、シール内周側部分７１の先端部およびシール外周側部分７２の先端部が互いに離れる方向（ピボット支持部５０の半径方向、図１０に示す上下方向）に広がるように弾性変形することができる。このため、シール内周側部分７１がピボット支持部５０の外周面５３に押し付けられる力を強めることができるとともに、シール外周側部分７２が溝６８の底面６８ａに押し付けられる力を強めることができ、シール部６６の密封性能を向上させることができる。また、シール内周側部分７１の先端部およびシール外周側部分７２の先端部が互いに離れる方向に弾性変形できるため、ピボット支持部５０の外周面５３とボス３６の内周面３７との隙間を大きくすることができる。この場合、軸受セグメント３１のピボット運動の範囲を広げることができ、主軸８に対する追従性を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
次に、図１１および図１２を用いて、本発明の第３の実施の形態における静圧型主軸軸受装置および水力機械について説明する。

図１１および図１２に示す第３の実施の形態においては、シール部が、ピボット支持部の外周面に当接した低摩擦リングと、低摩擦リングと受容部の壁面との間に設けられた弾力性を有する弾性シールリングと、を含む点が主に異なり、他の構成は、図１〜図８に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１１および図１２において、図１〜図８に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図１１および図１２に示すように、シール部６６は、ピボット支持部５０の外周面５３に当接した低摩擦リング８０と、低摩擦リング８０と受容部３４の壁面との間に設けられた弾性シールリング６７（例えば、Ｏリング）と、を含んでいる。

低摩擦リング８０は、リング状に形成されており、弾性シールリング６７とピボット支持部５０との摩擦を低減するための部材である。このような摩擦を低減することができれば、低摩擦リング８０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの任意の材料で形成することができる。

弾性シールリング６７は、低摩擦リング８０の外周面に当接するとともに溝６８の底面６８ａに当接している。弾性シールリング６７の弾力性によって、低摩擦リング８０は、ピボット支持部５０の外周面５３に当接している。

このように本実施の形態によれば、ピボット支持部５０の外周面５３に低摩擦リング８０が当接し、低摩擦リング８０と受容部３４の壁面との間に弾力性を有する弾性シールリング６７が設けられている。このことにより、弾性シールリング６７とピボット支持部５０との摩擦を低減することができる。このため、軸受セグメント３１のピボット運動をスムースにさせることができる。また、弾性シールリング６７とピボット支持部５０の外周面５３との間に低摩擦リング８０が介在されることにより、ピボット支持部５０の外周面５３および弾性シールリング６７更には低摩擦リング８０自体の摩耗を低減することができる。例えば、土砂摩耗させるような水がランナ５に流入すること等により主軸８の偏心が大きい場合には、ピボット支持部５０の外周面５３、弾性シールリング６７、低摩擦リング８０の摩耗を効果的に低減することができる。このため、ピボット支持部５０、弾性シールリング６７および低摩擦リング８０の交換周期を長くすることができ、メンテナンス上有利である。

以上述べた実施の形態によれば、ピボット運動可能な軸受セグメントで静圧軸受構造を構成して水力機械の主軸を支持することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：フランシス水車、５：ランナ、８：主軸、２０：静圧型主軸軸受装置、２１：軸受槽、３１：軸受セグメント、３２：被当接面、３３：当接領域、３４：受容部、３５：セグメント本体、３５ａ：外周側面、３６：ボス、５０：ピボット支持部、５１：内周端面、５２：当接領域、６０：支持部流路、６０ｂ：出口、６１：供給配管、６２：ポンプ、６３：絞り弁、６４：セグメント流路、６４ａ：入口、６５：連通空間、６６：シール部、７０：シール本体部分、７１：シール内周側部分、７２：シール外周側部分、７４：押圧カバー、８０：低摩擦リング、Ｆ：流体、Ｇ：軸受隙間、

Claims (8)

1. 水力機械のランナに連結された主軸を、静圧軸受構造をなす加圧された流体を介して支持する静圧型主軸軸受装置であって、
   前記主軸との間に加圧された前記流体が供給される軸受隙間を形成する軸受セグメントと、
   前記軸受セグメントの外周側に設けられ、前記軸受セグメントをピボット支持するピボット支持部と、を備え、
   前記軸受セグメントは、前記ピボット支持部を受容する受容部を含み、
   前記ピボット支持部は、加圧された前記流体が通過する支持部流路を含み、
   前記軸受セグメントは、加圧された前記流体が通過するセグメント流路を含み、
   前記受容部内に、前記支持部流路と前記セグメント流路と連通する連通空間が設けられ、
   前記軸受セグメントは、前記ピボット支持部に当接する平坦状の被当接面を含み、
   前記ピボット支持部は、前記軸受セグメントが当接する湾曲状の内周端面を含み、
   前記ピボット支持部の内周端面の中央部に、前記軸受セグメントに当接する当接領域が形成されている、静圧型主軸軸受装置。
2. 前記軸受セグメントは、前記セグメント流路を含むセグメント本体と、前記セグメント本体の外周側であって、前記ピボット支持部の周囲に設けられた円筒状の受容部画定部材と、を含み、
   前記受容部は、受容部画定部材に設けられ、
   前記受容部画定部材は、前記ピボット支持部が当接する画定部材被当接面と、前記連通空間と前記セグメント流路とを連通する画定部材流路と、を含み、
   前記受容部画定部材の硬度が、前記セグメント本体の硬度よりも高い、請求項１に記載の静圧型主軸軸受装置。
3. 前記支持部流路の出口は、前記内周端面のうち前記軸受セグメントが当接し得る当接領域以外の領域に配置されている、請求項１または２に記載の静圧型主軸軸受装置。
4. 前記セグメント流路の入口は、前記被当接面のうち前記ピボット支持部に当接し得る当接領域以外の領域に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の静圧型主軸軸受装置。
5. 前記ピボット支持部の外周面と前記受容部の壁面との間に、前記連通空間を密封するシール部が設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の静圧型主軸軸受装置。
6. 前記主軸の周囲に設けられ、前記流体が貯留される軸受槽と、
   前記軸受槽に貯留された前記流体を前記支持部流路に供給する供給配管と、
   前記供給配管を通過する前記流体を加圧する加圧部と、を更に備えた、請求項１〜５のいずれか一項に記載の静圧型主軸軸受装置。
7. 前記支持部流路に供給される前記流体の流量を調整可能な流量調整部を更に備えた、請求項６に記載の静圧型主軸軸受装置。
8. 前記ランナと、
   前記ランナに連結された前記主軸と、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の前記静圧型主軸軸受装置と、を備えた、水力機械。

Images