JP7146888B2

JP7146888B2 - 水車発電機の軸受構造

Info

Publication number: JP7146888B2
Application number: JP2020212571A
Authority: JP
Inventors: 貴裕黒岩; 真也作野
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: JP2022098908A

Description

本発明の実施形態は、水車発電機の軸受構造に関し、特に、大型化および高速化された水車発電機の軸受構造に関する。

近年、電力供給において、地球温暖化防止の観点から、太陽光、風力、水力といった自然エネルギー発電やバイオマス発電といった再生可能エネルギーが注目され、導入促進が図られている。その１つである水力発電所の設置も、以前に増して盛んに行われている。

水力発電は水の流れにより水車を回し、その動力で発電機を回転させる水車発電機で電力を得る。

水車発電機は水車の構造により、発電機軸が鉛直方向に設置される縦軸型と、発電機軸が水平方向に設置される横軸形とに大別される。

図６は、従来の横軸形水車発電機の構成例を示す側断面図である。

図６に例示する横軸形水車発電機１０には、回転軸１２に重量物として、水車１４の羽根車１６、発電機１８の回転子２０および励磁機２２の回転子２４、電磁ブレーキ２６のブレーキリング２８等が取り付けられており、回転軸１２は、２基の軸受３０、５０で支持されている。

２基の軸受３０、５０のうち、水車１４と発電機１８との間に配置された方を水車側軸受３０、発電機１８とブレーキリング２８との間に配置された方を反水車側軸受５０と称する。

軸受３０、５０の内部にはそれぞれ、回転軸１２の直径方向の荷重（以下、「ラジアル荷重」とも称する）を受けるジャーナル軸受が内蔵されている。

軸受３０、５０はまた、軸受潤滑のための潤滑油を貯液する貯槽を備えている。軸受３０はさらに、潤滑油を冷却するためのオイルクーラ３４も備えている。

図６に例示される水車１４は、フランシス水車と呼ばれる最も一般的な水車であり、水を取り込むケーシングの中に羽根車１６を設置し、放流管８０に向かって流れる水の圧力により羽根車１６を回転させて動力を得る。

この種のフランシス水車に代表される反動水車は構造上、水圧によって発電機１８の軸方向に、大きな力であるスラストカＴが発生する。回転軸１２の軸方向の移動を制限するため、スラストカＴにより発生する軸方向の荷重（以下、「スラスト荷重」とも称する）を支持するスラスト軸受が必要となる。

横軸形水車発電機１０全体のコンパクト化のために、スラスト軸受はジャーナル軸受と同じ軸受、すなわち、水車側軸受３０に配置されるのが一般的である。

図７Ａは、従来の水車側軸受の構成例を示す側断面図である。

図７Ｂは、図７ＡにおけるＡ－Ａ断面における断面図である。

水車側軸受３０では、運転時、貯槽３２内の潤滑油を、ポンプで圧送して、スラスト軸受３１へ給油する必要がある。

スラスト軸受３１は、貯槽３２の液位Ｌよりも高い位置にあるので、スラスト軸受３１に潤滑油を充満させるために、粘性ポンプ３３によって、潤滑油を持ち上げる。粘性ポンプ３３の回転部となるスラストカラー３３ａの周囲には、スラストカラー３３ａと対面して溝部を形成する粘性ポンプ固定部３３ｂと称される部材が配置され、スラストカラー３３ａの下端は、貯槽３２内の潤滑油に浸かっている。

図７Ｂに示すように、スラストカラー３３ａが回転することで、潤滑油の粘性により、前述の溝部、すなわち、粘性ポンプ固定部３３ｂを潤滑油が上昇する粘性ポンプ３３を実現している。

図８Ａは、水車側軸受における潤滑油の圧送経路を示す概念図である。

水車側軸受３０内の貯槽３２の潤滑油は、回転軸１２の回転により、図７Ｂに示すように、粘性ポンプ吸込口３３ｃから取り込まれ、粘性ポンプ３３の作用で、粘性ポンプ吐出口３３ｄへ圧送され、図８Ａに示すように、水車側軸受３０の外部に設けられた、例えばオイルクーラのような熱交換器４６に送られる。

熱交換器４６において潤滑油は、電動送風機４７によって冷却された後に、水車側軸受３０へ戻され、図７Ａに示すように、スラスト軸受３１の中間にある軸受給油口３５から、ホルダー４１内部の給油路を通って、スラスト軸受３１およびジャーナル軸受３６に圧送給油される。

潤滑油は、その後、スラスト軸受３１を潤滑し、摩擦熱によって加熱された後に、スラスト軸受３１、ジャーナル軸受３６の最頂部より高い位置に設けられた排油口３７から、貯槽３２に排出される。

また、ジャーナル軸受３６を潤滑し、摩擦熱によって加熱された潤滑油は、定常運転時はオイルディスク給油穴３８を通り、オイルディスク給油口３９から排出される。

また、オイルディスク給油口３９は、運転初期に粘性ポンプ３３による圧送によりジャーナル軸受３６に給油されるまでの間、オイルディスク４０でかきあげた潤滑油を、ジャーナル軸受３６に給油する初期潤滑用の給油口になっている。

ホルダー４１は、スラスト軸受３１、ジャーナル軸受３６、粘性ポンプ回転部３３ａを保持し、潤滑油経路を形成する。ホルダー４１は、貯槽３２およびカバー４２内に固定された支持体（図示せず）によって上下から挟まれることによって支持される。支持体とホルダー４１との当たり面は、球面加工されており、運転中の軸の変位に追従できるようになっている。

水車側軸受３０のジャーナル軸受３６には、粘性ポンプ３３により潤滑油が供給されるまでの初期潤滑のためにオイルディスク４０が設けられており、オイルディスク４０が回転することによって、貯槽３２の潤滑油を、ジャーナル軸受３６まで上げる。

図８Ｂは、反水車側軸受における潤滑油の圧送経路を示す概念図である。

反水車側軸受５０には、図８Ｂに示すように、スラスト軸受はなく、ジャーナル軸受５６のみが内蔵されている。このように、反水車側軸受５０が内蔵しているのはジャーナル軸受５６だけなので、一般的な貯槽５２表面だけで十分に冷却できる。しかし、反水車側軸受５０では、回転軸１２の軸周速が早く、軸受荷重の大きいものは摩擦による発熱が大きく、貯槽５２表面だけでは十分に放熱できない。そこで、貯槽５２内の潤滑油を、反水車側軸受５０の外部に設けられた、例えばオイルクーラのような熱交換器７６へ圧送し、例えば電動送風機７７によって冷却した後、再度、反水車側軸受５０に給油する必要がある。

そこで、反水車側軸受５０にも同様に粘性ポンプ５３を搭載して、潤滑油を貯槽５２→熱交換器７６→ジャーナル軸受５６→貯槽５２へと循環させる必要がある。

特開平2-238178号公報

しかしながら、上述した従来の軸受構造の場合、水車発電機の高速化および大型化に伴い以下の２つの問題がある。

第１の問題は、水車側軸受３０と反水車側軸受５０とがそれぞれ、熱交換器４６、７６を備えているので、設置面積の増加を招くことである。

第２の問題は、水車側軸受３０と反水車側軸受５０とがそれぞれ、粘性ポンプ３３、５３を有しているので、それぞれの粘性ポンプ３３、５３を駆動する為の軸動力が必要となり、電気に変換される軸動力が減るので、発電効率の低減を招くことである。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、水車発電機の高速化および大型化がなされた場合であっても、設置面積の増加を抑え、かつ、発電効率の低下も招くことのない軸受構造を提供することにある。

実施形態の軸受構造は、水車発電機の回転軸を支持する第１の軸受および第２の軸受と、第１の軸受内に設けられ、第１の軸受の冷却のために供された冷却材を、第１の軸受内から外部へ移送する移送部と、移送部によって移送されたすべての冷却材の移送先であり、冷却材を冷却する冷却部とを備え、冷却部によって冷却された冷却材は、第１の軸受および第２の軸受の冷却のために、第１の軸受と第２の軸受との両方に供給され、第２の軸受の冷却のために供された冷却材は、第１の軸受へ移送され、第１の軸受の冷却のために供された冷却材と合流され、第１の軸受は、水車側軸受であり、第２の軸受は、反水車側軸受である。

図１は、本発明の実施形態の水車発電機の軸受構造の構成例を説明するための潤滑油経路図である。図２は、水車側軸受内のホルダーへの潤滑油の入出経路の一例を示す図である。図３Ａは、本実施形態におけるスラスト軸受の構成例を示す正面図である。図３Ｂは、図３ＡにおけるＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３Ｃは、図３ＡにおけるＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図４は、本発明の実施形態による水車側軸受内のホルダーへの潤滑油の入出経路を示す図である。図５は、オイルボックスの構成例を示す概念図である。図６は、従来の横軸形水車発電機の構成例を示す側断面図である。図７Ａは、従来の水車側軸受の構成例を示す側断面図である。図７Ｂは、図７ＡにおけるＡ－Ａ断面における断面図である。図８Ａは、水車側軸受における潤滑油の圧送経路を示す概念図である。図８Ｂは、反水車側軸受における潤滑油の圧送経路を示す概念図である。

以下に、本発明の実施形態の水車発電機の軸受構造を、図面を参照して説明する。

なお、以下の実施形態の説明において、既に説明した部分と同一部分については、同一符号を用いて示し、重複説明を避ける。

図１は、本発明の実施形態の水車発電機の軸受構造の構成例を説明するための潤滑油経路図である。

すなわち、本発明の実施形態の横軸形水車発電機のための軸受構造は、横軸形水車発電機の回転軸１２を支持する第１の軸受（以降、「水車側軸受」と称する）３０および第２の軸受（以降、「反水車側軸受」と称する）５０を備えている。

水車側軸受３０は、水車側軸受３０においてスラスト軸受３１とジャーナル軸受３６との冷却のために供された潤滑油を貯えるための貯槽３２と、貯槽３２に貯液された潤滑油を、水車側軸受３０内から外部へ圧送する移送部である粘性ポンプ３３とを内部に備えている。

水車側軸受３０の外部には、粘性ポンプ３３によって移送された潤滑油を冷却する冷却部であるオイルクーラ３４を備えている。オイルクーラ３４は、熱交換器４６および電動送風機４７を備えている。熱交換器４６には、粘性ポンプ３３によって、潤滑油が移送される。熱交換器４６へ移送された潤滑油は、電動送風機４７からの冷却用空気によって空冷される。

このようにして熱交換器４６において冷却された潤滑油は、熱交換器４６からの戻り配管Ｈ_０上に設けられた分岐部Ｃによって分岐されることによって、水車側軸受３０と反水車側軸受５０との両方に供給される。すなわち、熱交換器４６において冷却された潤滑油は、粘性ポンプ３３の駆動力によって、一部は、分岐部Ｃから配管Ｈ_２を介して、反水車側軸受５０内へ移送され、残りは、分岐部Ｃから配管Ｈ_１を介して、水車側軸受３０内へ移送される。

これによって、潤滑油は、反水車側軸受５０では、ジャーナル軸受５６の冷却のために供される。また、水車側軸受３０では、スラスト軸受３１およびジャーナル軸受３６の冷却のために供される。

反水車側軸受５０は、ジャーナル軸受５６の冷却のために供された潤滑油を貯えるための貯槽５２を内部に備えている。

本発明の実施形態の水車発電機の軸受構造はさらに、水車側軸受３０内の粘性ポンプ３３を用いて、熱交換器４６へ圧送した潤滑油を、分岐部Ｃから配管Ｈ_２を介して、反水車側軸受５０に良好に供給できるように、以下のような工夫を講じている。

図２は、水車側軸受内のホルダーへの潤滑油の入出経路の一例を示す図である。

図３Ａは、スラスト軸受の構成例を示す正面図である。

図３Ｂは、図３ＡにおけるＡ－Ａ線に沿った断面図である。

図３Ｃは、図３ＡにおけるＢ－Ｂ線に沿った断面図である。

スラスト軸受３１を冷却した潤滑油は、スラスト軸受３１の外周部から排油される。このとき、潤滑油は、回転軸１２の旋回により周方向に仕事を加えられ、遠心力により、スラスト軸受３１の内周から外周部へ押し出される。この効果により、スラスト軸受３１の内径側（「内周側」とも称する）は負圧になる。

したがって、反水車側軸受５０への配管Ｈ_２の内部圧力Ｐ_４よりも、スラスト軸受３１の内径側の圧力Ｐ_３の方が低くなり（Ｐ_３＜Ｐ_４）、反水車側軸受５０に潤滑油を移送できない状態になる。

この効果は、スラストカラー３３ａの周速が高くなるに伴い大きくなる。

これを防ぐために、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、スラスト軸受３１を支えるためにスラスト軸受３１間に設けられたスラスト軸受支台４４の外周側に、スラスト軸受３１を冷却した潤滑油を、スラスト軸受の内周側に導く、すなわち、摺動面の反対側に潤滑油を逃がすための通油穴４８を設ける。

通油穴４８を通過した潤滑油は、図３Ｃに示すように、一方はスラスト軸受３１の外部へ、もう一方はスラスト軸受３１の内周側に送られ、スラスト軸受３１の冷却のために再循環される。

図４は、本発明の実施形態による水車側軸受内のホルダーへの潤滑油の入出経路を示す図である。

回転部であるスラストカラー３３ａの旋回により周方向に仕事を加えられた潤滑油は、外周部でホルダー４１と衝突し静圧が上がる。これにより、潤滑油は、図４に示すように、スラスト軸受支台４４の通油穴４８から裏側に通過する。スラスト軸受支台４４の裏側の溝に抜けた潤滑油の一部は、ホルダー４１外に排出され、一部はスラスト軸受３１の内周部に送られる。これによって、図２を用いて説明したようなスラスト軸受内周部が負圧となる現象（Ｐ_３＜Ｐ_４）を防ぎ、Ｐ_３＞Ｐ_４を実現することができる。したがって、熱交換器４６からの潤滑油の一部は、配管Ｈ_２を介して反水車側軸受５０に確実に圧送される。

また、各スラスト軸受３１間の通油穴４８により、各スラスト軸受３１間を通過する油量が均一になるので、各スラスト軸受３１への冷却効果は均一となる。

貯槽５２と貯槽３２との間には、オイルボックス６０が設けられている。

図５は、オイルボックスの構成例を示す概念図である。

オイルボックス６０は、貯槽５２の下部側に接続された配管Ｈ_４と、貯槽３２に接続された配管Ｈ_５とによって形成された堰６１を備えており、貯槽５２と貯槽３２とを縁切りしている。

さらに、堰６１によって、貯槽５２における潤滑油の液位Ｌ_１を、貯槽３２における潤滑油の液位Ｌ_２よりも十分高く維持している。すなわち、オイルボックス６０は、貯槽５２における潤滑油の液位Ｌ_１が、貯槽３２における潤滑油の液位Ｌ_２よりも十分高くなるように維持する液位維持部である。

このような構成により、貯槽５２から貯槽３２へ潤滑油を重力によって移送することが可能となり、貯槽５２から配管Ｈ_４を介してオイルボックス６０に到達した潤滑油は、堰６１を越流した後、逆流することなく、配管Ｈ_５を経由して貯槽３２へ移送される。これによって、貯槽５２からの潤滑油は、スラスト軸受３１およびジャーナル軸受３６の冷却のために供された潤滑油と、貯槽３２において合流する。

このようなオイルボックス６０の構成によって、配管Ｈ_５下側は液相（油相）となり、Ｈ_５上側は気相（空気）となる。堰６１の最上部の高さを、貯槽５２の液位Ｌ_１と同じとすることにより、配管Ｈ_５の液位を、貯槽３２の液位Ｌ_２と同じとすることができる。

ところで、図１に示すように、水車側軸受３０への配管Ｈ_１に比べ、反水車側軸受５０への配管Ｈ_２は長い。このため、配管Ｈ_２内では、静止時に蓄積する空気の容積も大きい。この配管Ｈ_２内の空気は、運転開始初期、潤滑油とともに反水車側軸受５０に押し出される。この空気は気泡Ｇとなって、貯槽５２の表面に蓄積する。

運転開始初期に生じる気泡Ｇは、潤滑油とともに、貯槽５２内に落下する。これによって、気泡Ｇは貯槽５２の上側に蓄積し、いずれ消失する。これによって、貯槽５２の下部の、気泡Ｇの無い潤滑油だけが、配管Ｈ_４を介してオイルボックス６０に流れ込み、堰６１を越流した後に、貯槽３２に流れ込む。これにより、反水車側軸受５０で生じた気泡Ｇは貯槽３２に入ることはない。

万が一、気泡Ｇが貯槽３２に入ってしまい、粘性ポンプ３３に吸い込まれると、気泡Ｇは細かくなり消失しにくくなり、結果的に、粘性ポンプ３３の吐出量を低下させてしまうが、本実施形態では、上述したように、気泡Ｇが同伴されていない潤滑油を、貯槽３２へ移送するので、粘性ポンプ３３の吐出量を低下させることはない。

以上説明したように、本実施形態の軸受構造によれば、従来、水車側軸受３０と反水車側軸受５０との両方に設置されていた熱冷却器を、１つの熱冷却器で共用できるので、設置面積の増加をもたらすことはない。

また、それに伴って、従来、水車側軸受３０と反水車側軸受５０との両方に設置されていた粘性ポンプ３３を、水車側軸受３０だけに設ければよくなるので、粘性ポンプ３３を駆動する為の軸動力も低減でき、電気に変換される軸動力の低減を抑制し、発電効率の低減を抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０横軸形水車発電機
１２回転軸
１４水車
１６羽根車
１８発電機
２０回転子
２２励磁機
２４回転子
２６電磁ブレーキ
２８ブレーキリング
３０水車側軸受
３１スラスト軸受
３２貯槽
３３粘性ポンプ
３３ａスラストカラー
３３ｂ粘性ポンプ固定部
３３ｃ粘性ポンプ吸込口
３３ｄ粘性ポンプ吐出口
３４オイルクーラ
３５軸受給油口
３６ジャーナル軸受
３７排油口
３８オイルディスク給油穴
３９オイルディスク給油口
４０オイルディスク
４１ホルダー
４２カバー
４４スラスト軸受支台
４６熱交換器
４７電動送風機
４８通油穴
５０反水車側軸受
５２貯槽
５３粘性ポンプ
５６ジャーナル軸受
６０オイルボックス
６１堰
７６熱交換器
７７電動送風機
８０放流管

Claims

水車発電機のための軸受構造であって、
前記水車発電機の回転軸を支持する第１の軸受および第２の軸受と、
前記第１の軸受内に設けられ、前記第１の軸受の冷却のために供された冷却材を、前記第１の軸受内から外部へ移送する移送部と、
前記移送部によって移送されたすべての冷却材の移送先であり、前記冷却材を冷却する冷却部とを備え、
前記冷却部によって冷却された冷却材は、前記第１の軸受および前記第２の軸受の冷却のために、前記第１の軸受と前記第２の軸受との両方に供給され、
前記第２の軸受の冷却のために供された冷却材は、前記第１の軸受へ移送され、前記第１の軸受の冷却のために供された冷却材と合流され、
前記第１の軸受は、水車側軸受であり、前記第２の軸受は、反水車側軸受である、軸受構造。
前記第１の軸受および前記第２の軸受はそれぞれ、前記冷却のために供された冷却材を貯液するための貯槽を備えており、前記第２の軸受の貯槽における前記冷却材の液位を、前記第１の軸受の貯槽における前記冷却材の液位よりも高くすることによって、前記第２の軸受の貯槽から前記第１の軸受の貯槽へと前記冷却材を重力によって移送することを可能とした、請求項１に記載の軸受構造。
前記第２の軸受の貯槽における前記冷却材の液位を、前記第１の軸受の貯槽における前記冷却材の液位よりも高く維持する液位維持部を備えた、請求項２に記載の軸受構造。
前記冷却部によって冷却された前記冷却材の一部は、前記移送部の駆動力によって、前記第２の軸受内へ移送される、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の軸受構造。
前記冷却材は、前記回転軸の回転のための潤滑油である、請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の軸受構造。
前記第１の軸受は、スラスト軸受を備え、
前記スラスト軸受を支えるスラスト軸受支台に、前記スラスト軸受を冷却した前記冷却材を、前記スラスト軸受の内周側へ導く導通穴を設け、
前記スラスト軸受を冷却した前記冷却材が、前記導通穴を通って、一部が、前記スラスト軸受の内周側へ導かれ、前記スラスト軸受の内周側を通った後に、前記スラスト軸受の冷却のために再循環される、請求項１に記載の軸受構造。
前記冷却部によって冷却された前記冷却材を、前記第１の軸受へ導く第１の配管と、前記第２の軸受へ導く第２の配管とを備え、
前記再循環によって、前記スラスト軸受の外周側を圧力源として前記内周側を加圧することにより、前記第１の配管内の圧力を、前記第２の配管内の圧力よりも高くする、請求項６に記載の軸受構造。