JPH01216075A

JPH01216075A - 軸流水車

Info

Publication number: JPH01216075A
Application number: JP63039422A
Authority: JP
Inventors: Isao Yanagida; 柳田　勲; Joshiro Sato; 佐藤　譲之良; Katsutoshi Arai; 新居　勝敏; Koji Aizawa; 宏二会沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-08-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はランナブレード外周に発電機回転子を取付けた
軸流水車のランナ外周封水装置に係り、特に、大容量、
高周速機に適し、振動追従性、耐熱性、漏水量低減に効
果的な封水装置に関する。

〔従来の技術〕

従来技術はＥｓｃｈｅｒ　Ｖｙｓｓ　Ｎｅｗｓ　　１　
／　１９８１　。

１／１９８２　（文献）ｐ６．Ｆｉｇ、４　にも示され
るように、−船釣には、第５図のようなものである。こ
れによれば、シール体１５の材質は回転部側が硬度の高
い不銹鋼等の金属を用い固定部側は水中の摺動特性の比
較的良好な土砂混入水に対する耐久性の良いゴム系材料
を用いるのが一般的である。又、これらシール体１５は
高周速、振動による固定部側シール体１５の異常摩耗を
防止するため、常時、非接触とするのが通例である。こ
れはシール体１５と回転部側ロータボス２−１との固体
接触を避は両者間に流体潤滑水膜厚（つまり、ギャップ
）を確保させることが必要で、従来例ではゴム系材料で
作られたシール体１５の摺動面に圧力保持孔１５−１を
数個設け、水膜厚相当ギャップを浮上げるに必要な清浄
水の加圧供給を行なっている。この摺動面への清浄水は
下記を目的に供給される。

（１）常時非接触（水膜厚相当のギャップ確保）状態を
作るためシール体１５を河川水より高圧の圧力水で相手
回転体（ロータボス２−１）より浮かせる必要がある。

（２）運転時の振動によってシール面で互いに固体接触
することがあり、更に、シール体１５がゴム系のため、
吸着作用が大きく、摺動面の水膜切れを起こし易くなる
ため、過熱する危険があり、万一の固体接触状態に於い
ても、部分的にでも水膜を確保できるよう又、冷却がで
きるように摺動面に直接、圧力水を供給する必要がある
。

尚、従来方式では（１）の目的を果すためにゴム系シー
ル体１５の背面にシール体が、無制限に浮上るのを防止
するため浮上り量に制限を加えるストッパの役目を持た
せた空気圧膨張式のリング状ゴムホース２３を配置する
。このゴムホース２３に加える空気圧Ｐ、はシール体１
５に加える圧力水の水圧Ｐｏとうまくバランスをとり、
シール体１５の浮上り量をコントロールできるようにし
ておく必要があり、水圧、空気圧のいずれか一方の圧力
を調整するための圧力制御弁２１を必要とする。尚、こ
のゴムホース２３は運転時、振動によってシール体１５
が衝撃的固体接触を生じる際のＢＮ作用にも供せられる
。

従来技術によれば、漏水量は次のようになる。

・トータル漏水量ＱｔＬ＝Ｑ＋、ｔ＋ＱＬｚ＋ＱＬ３＋ＱＬ４・大気中へ
の漏水量ＱｉａＬ＝ＱＬｔ＋ＱＬａＱＬ□＝ｇＤｈ心１１１７Ｑ＋、ｚ＝Ｑｃｚ＝πｄｈ　　２０ｇ（Ｐｏ−Ｐｎ丁Ｑ
ｂａ＝πｏｈｔ「「１ＴこＱＬａ＝　ｔｃ　ｄ　ｈ　　２０　ｇ　（Ｐｏ−Ｐｚ）
、°、Ｑ　ｔａｃ、　　＝　Ｑｔ、ｉ　＋　ＱＬｓ＝　
２　ｔｃ　Ｄ　ｈ々］ｒ石−ｇ−Ｐ。

益に　Ｐｏ　；給水圧（ｋｇ／Ｊ）Ｐ　ｏ　４　Ｐ　ｚ　十０　、５〜１　、０　ｋｇ　／
　ｄｇ　；重力の加速度（９，８ｍ／ｓ”）Ｐ五　；ラ
ンナ上流の河川水圧（ｋｇ／ｄ）Ｐｚ；ランナ下流の河
川水圧（ｋｇ／ｄ）Ｄ　；シール体外径（ｍ）ｄ　；　　〃　内径（ｍ）ｈ　；水膜厚さ（ｍ）ＱＬｌ；漏水量（ｍ３／ｓ）・トータル給水量Ｑｓ　＝ΣＱＬ１＝　２　ｔｃ　Ｄ　ｈＦヨ５τ己＋π
ｄｈ　　２０ｇ（２Ｐｏ−Ｐｔ−Ｐｚ）尚、ランナブレ
ード外径φ６．７ｍ、Ｈｍａｘ＝２０ｍクラスの■型バ
ルブ水車の場合、大気中への漏水量は、両式よりＱ　ｉ
ａＬ師７０　Ｑ　／ｓｅｅ程度と予想される。（水膜厚
６０μと仮定）このレベルの漏水量（４、２ｍ３／＋ｍ
１ｎ）　　は、非常に大きく、又、漏水量はシール径に
比例して増加するため、大型機又は高落差機への適用は
ほとんど不可能となっている。適用の限界は、第６図に
示すようにランナブレード外径≦φ７ｍ、Ｈ−一≦１０
ｍと考えられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記の従来技術は次のような課題がある。

（１）シール体１５の材質・・・・・・ゴムを使用する
ため。

清水給水が減少、あるいは、圧力低下を起こした場合、
あるいは、背面ゴムホース２３の内圧が変化（上昇）し
た場合、振動大の場合などで水膜厚減少、水膜切れなど
を生じ易く、部分的なドライ状態での固体接触摺動によ
るゴム破損。

焼損などに発展し易い。従って、寿命が短いことが予想
される。

（２）構成部品数が多く、故障、保守のびん度が多く経
済性を高めるのが容易でない。

（３）ゴムのシール体１５摺動面倒に冷却、潤滑。

水膜厚確保のための清水加圧供給が必要とされ、清浄化
処理設備、ポンプ等の付帯設備を必要とし、保守性、経
済性を高めるのが難しい。

（４）過熱防止、ドライ摺動防止（水膜完全確保）のた
め、シールすべき河川水圧Ｐ１．Ｐ２よりも高圧のＰｏ
の清水供給をするので、この高圧供給水による大気中へ
の漏水量が大きい。又、この漏水は全て回収されずに廃
棄されるため、この漏水に見合う不経済な清水供給を必
要とじている。運転維持費の低減が図れない。

（５）シール体１５であるゴムはドライ状態での摺動特
性が極めて悪く、非常に短時間で摩滅、破損を発生する
ことが知られており、その点で取扱いはデリケートであ
る。尚、部分的なドライ状態は避けられないため、寿命
が短く、（１）、　（４）等からも大型機への適用が困
難になる。

（６）従来方式はシール体１５への清水加圧給水と背面
のゴムホースへの空気圧供給とを、常時。

必要とする。これらの機能が失なわれた時には。

次のようなトラブルに発展する可能性があり。

給水給気系統の安全性、信頼性を高める必要がある。

（ｉ）給気消失トラブル時・・・・・・封水装置漏水増
加（ｉｔ）給水　　　〃　　　　・・・・・・水膜確保
機能消失バッキング過熱。

焼損〔課題を解決するための手段〕前記の課題を解決するため、次のような技術的手段を採
用した。

（１）シール体１５の材質・・・・・・高速高面圧の水
中摺動特性に勝れている炭化硅素系セラミックスを相対
する双方（固定部シール体２回転部シール体共に）に適
用する。特に、土砂摩耗に対する耐久性が大きいことか
ら、従来方式のように摺動面へ直接清水を供給する必要
が無くなること、更に、耐熱性に非常に勝れているため
、従来方式より非常に薄膜の水膜厚み（摺動面ギャップ
）を許容できるため、従来方式のような固定部側シール
体１５を清水加圧によって浮上げる必要が無くなり、清
水加圧給水が不要となる。

この結果、従来方式の問題点（１）、　（３）、　（４
）。

（５）を解決できる。すなわち、信頼性向上、寿命増大
、保守性、経済性向上、漏水量低減、運転維持費の低減
、大型機への適用可能（大型の■型バルブ水車実用化図
れる。）等を可能にする。

（２）シール体材質にセラミックスを用いるため、複雑
な水膜厚確保のための装備（摺動面への清水加圧給水、
空気圧供給式のゴムホース、清水ポンプ、清浄化設備、
配管等）を省略することができ、単純化された構造で対
応することができる。

従来方式の問題点（２）を解決できる。

〔実施例〕

本発明では１回転体、固定部側いずれのシール体１５に
も炭化硅素系セラミックスを使用する。

炭化硅素系セラミックスは硬度が高く、超硬工具材より
も硬く、ダイヤモンドに内辺する高硬度材で土砂に対し
て耐摩耗性が大きい。また、耐熱性にも勝れ、最高使用
温度１０００〜１５００℃にも耐えるため、水膜厚を非
常に薄くした状態の使用、もしくは、部分的固体接触状
態にも充分耐えることができる。

従って、清水を摺動面に直接的に加圧給水する必要はな
くなる。

本発明の実施例を第１図ないし第４図で説明する。第１
図は本発明の対象となっているランナブ、レード１の外
周に発電機ロータ２を直接取付ける構造の横軸軸流水車
の構造断面を示す、ランナ外周の封水装置はＮα１１の
部分に設置されるもので、その拡大図を第２図、第３図
に示す６発電機ロータ２の内周部にはランナブレード１
の外側ステム１−１が嵌め込まれたロータボス２−１が
配置される。これはランナブレード１で発生した回転ト
ルクをブレード外側ステム１−１によって発電機ロータ
２へ伝達させ上、下流ディスチャージリング１２．１３
間を貫通し、その両平面部分二ケ所で封水を行なうため
の封水装置１１を設ける。封水装置の詳細を第３図に示
す０本図は二ケ所の封水装置のうち下流側のみを示す。

回転体側のシール体１５はロータボス２−１の平面部分
に取外し可能な数分割されたシール押え１４を使用して
この内、外径面の寸法調整２組入れにより台形状シール
体の傾斜面、長底辺の密着を与えて固定される。必要に
応じ接着剤を併用すれば、セラミックスにとって有効で
ある。シール体の材質は前述のように、勝れた特徴をも
つ炭化硅素系セラミックスとし、固定部側シール体１５
と同一材質とするのが良い。これは、大型、高周速、汚
濁河川水等に対し、双方の材料特性を合せることが摺動
潤滑特性、耐熱、耐摩耗性（寿命）の点で最良である。

これは他方が異なった特性の場合、すなわち、セラミッ
クスに比し、数段下の特性であった場合には効果が不充
分で一方のみセラミックスを使う意味がなくなることを
示す８回転側（ロータボス２−１側）のシール体１５を
シール押え１４を介して取付けるのは、シール体の交換
をする場合に超大型１重量品の発電機ロータを分解する
必要がないようにしたものである。固定部側シール体１
５は同心の内外径ｄｌ、Ｄｓ　をもち、この部分で円筒
シールパツキンを装着したシールリング１６に前述と同
様の方法で取付けられる。シールリング１６はその内径
側をディスチャージリング１２゜１３と嵌合し、外径側
をシールリングカバーと嵌合しており、それらとの間で
形成される空間に外部より、給水管２０により、常時、
水圧を作用させておく。この水圧による荷重はシール体
１５の押付は面圧を得るためのもので。

シールリング１６の摩擦力＝二（ＤＩ２−　ｄ　ｔ”）
　Ｐ。

の関係から得られる水圧Ｐｏとして与えるのが望ましい
。この圧力は通常の横軸軸流水車の適用落差範囲内にあ
るため、河川水圧をそのまま適用する。尚、水圧によら
ず弾性バネ力だけで対応できる場合もある。適用予定の
水圧が低い場合には、コイルバネ１９．あるいは、別の
弾性バネ力を併用すると良い、なお、図中、３は発電機
ステータ、４は上流軸、５は上流案内軸受、６はスラス
ト軸受、７は下流軸受、８は上流ステーベーン、９は下
流ステーベーン、１０は下流軸。このバネは据付時のシ
ール体１５の密着調整時にも使用する。

他方、水圧が高すぎる場合には、第２図のように、減圧
器２５．主排水管２６を設けて減圧することで対応する
ことが可能である。尚、運転状態によっては大振動によ
ってシール体１５．シールリング１６の動揺が生じた時
、空間内水圧が異常に高まりシール面圧に悪影響を及ぼ
すため、一定圧力以上に上昇せぬようにコントロールす
る必要があリ、圧力調整弁２１を設ける。ここでバネの
取付ピッチｄ、及びシールリング１６の内外径ｄｔ。

Ｄｌは次のように設定するのが良い。

これはシール体１５に作用するバネカＦ、水圧カー（Ｄ
ｌ”−ｄｘ”）Ｐｏをシールリング１６を傾斜させずに
シール面に垂直に作用させるために必要となる。

図中２２は排水管。

以上は、配管を通して河川水圧を掛ける方式であるが、
これに代って、第４図のように、ランナブレード廻りの
河川水圧をそのまま使用することもできる。

第３図、第４図の本発明では、大気中への漏水量ＱＬは
、 ”５１６　Ｑ　／ｓｅｃと予想することができ、従来方式の約２５％に低減され
る。これから軸流水車（Ｉ型バルブ水車）の適用範囲は
落差、ランナブレード外径寸法共に従来方式より大巾に
拡大できることになる（第６図参照）。

本発明を可能にしたものはセラミックスシール体の取付
構造であり、硬度の非常に高い材料で自由な機械仕上が
むずかしかったが、近年の加工技術の進歩、接着材料の
進歩などにより従来困難とみられていた信頼度の高い取
付けができるようになったことである。尚、シール体１
５をほぼ等脚台形とし、これをシール押え１４ですき間
無く取付けることが大型Ｉ型バルブ水車の封水装置、大
振動、高周速部分への適用を可能にした。尚１台形状シ
ール体１５はシール押え１４を省略し、相手取付側の台
形溝にシール体１５の分割片を円周方向に滑動させ全分
割片を接着固定しても良い。

図中１７は円筒シールパツキン、１８はシールリングカ
バー、２４は清水供給管である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、漏水量、運転維持費が低減し。

構造を簡単化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の横軸軸流水車の組立図、第
２図は本発明になる軸流水車ランナ外周封水装置の付近
を示す断面図、第３図、第４図は本発明の断面図、第５
図は従来方式を示す断面図、第６図は軸流水車封水装置
の適用範囲を示す図である。１１・・・ランナ外周封水装置。め　ｔランプ九−ド７ト曇（ア）

Claims

【特許請求の範囲】１、複数枚のランナブレードと、前記ランナブレードの
外周端の円柱状突起部と互いに嵌合し、前記ランナブレ
ードの発生トルクを発電機ロータに伝達する平板リング
状に形成されたロータボスと、前記発電機ロータとある
間隙を保つて対向して取付けられたステータとを含む軸
流水車に於いて、前記ロータボスがディスチャージリングを上、下流に二
分し、貫通する部分で、回転部と固定部の双方に互いに
平面摺動させるセラミック製リング状シールを設けたこ
とを特徴とする、軸流水車。２、特許請求の範囲第１項に於いて、前記ロータボスの両平面に各々対向した同芯二重円筒面
の凹み空間をもち、前記空間へ河川水圧を供給する導入
口及び配管を備えた前記上流ディスチャージリング、前
記下流ディスチャージリングと、前記凹み空間内で前記
圧力を受けてその軸方向に滑動できるように嵌合された
シールリングと、前記シールリングの前記ロータボスに
対向する面に相手摺動面と互いに平面摺動するよう取付
けたセラミック製リング状シール体、前記ロータボスの
平面部に取付けられたリング板状の前記と同一材質のシ
ール体を含むことを特徴とする軸流水車。３、特許請求の範囲第１項に於いて、シール体の接触圧力を一定範囲に保持すべく前記リング
状シール背面の流体圧を一定範囲に保つための圧力制御
弁を設けたことを特徴とする軸流水車。４、特許請求の範囲第１項に於いて、シール体の背面に前記ディスチャージリングと前記ラン
ナブレード、前記ロータボスとの間の間隙及び前記シー
ルリングの内径面と前記ディスチャージリング間の間隙
を通して河川水圧を直接作用させるようにしたことを特
徴とする軸流水車。５、特許請求の範囲第１項に於いて、前記リング状シールの背面に弾性バネ力を常時作用させ
るか、もしくは、水圧力と併用させるようにするか、い
ずれかによりシール面の押付力を得るようにしたことを
特徴とする軸流水車。６、特許請求の範囲第１項に於いて、シール体の断面形状をその内、外径面に傾斜を持たせ、
かつ摺動面を短辺とする等脚台形状に形成し、相手取付
側の内、外径いずれか一方を前記シール体の傾斜に合せ
た溝とし、他方に前記シール体の傾斜に合致させた面を
もつシール押えを配し、これを前記ロータボス及び前記
シールリングに取付けたことを特徴とする軸流水車。