JPH0579446A - 端面形軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】流体機械の端面形軸封装置において、セラミッ
ク材同士の組合せのシールリング７，８を設け、水車，
ポンプ水車の発電調相あるいは揚水起動時に、密封流体
が液体から気体へ、逆に気体から液体に変化するとき、
給水源とシールリング７，８の間に遠隔操作弁１５を設
け、流体機械の密封流体が液体から気体に変化する時に
は、遠隔操作弁１５を開きシールケース５のシールリン
グ７，８と回転軸のシールリングの密封面へ貫通孔から
液体を供給し、逆に密封流体が気体から液体に変化時に
は、遠隔操作弁１５を閉じシールケース５のシールリン
グ７，８の密封面への液体の供給を停止するように制御
する。 【効果】水車，ポンプ水車の全運転条件で軸封装置の密
封面が円滑に摺動し、破損することなく安価で信頼性の
高い端面形軸封装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土砂含有量の多い河川
水や海水を流体とする水車あるいは、ポンプ水車の流体
機械において、回転軸からの流体の漏れを防止する端面
形軸封装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の端面形軸封装置は、特開昭63−16
3073号公報に提案されている。図９は特開昭63−163073
号公報に記載の端面形軸封装置である。流体機械の水車
やポンプ水車の端面形軸封装置は、シールリング７を回
転軸１のフランジに押圧して漏れを防止する。図９に示
す従来の端面形軸封装置において、シールケース５のシ
ールリング７の材質は、加工が容易なカーボン材を使用
している。カーボン材のシールリングは摩耗し易いので
密封する高圧の流体より高い圧力の清水を給水ポンプ１
９からストレーナ２０とフレキシブルホース１４及びシ
ールリング７に設けた孔ｂを通って密封面に常時給水す
る給水装置が必要となる。従って、カーボン材のシール
リングは設備費が多大で、且つ、給水装置が停電または
故障等で給水できなくなった場合、焼損する等、信頼性
が極めて低い欠点がある。さらに、給水装置の取水源が
海水または土砂含有量の多い立地条件下では、海生生物
や土砂によりストレーナが目詰りを起こし所定の給水量
が確保できなくなりシールリングが焼損するのでストレ
ーナのメインテナンスの維持費も多大である。また、カ
ーボン材のシールリングは、密封流体が海水の場合には
腐食するため使用できないという欠点もある。図１０に
示す従来の端面形軸封装置のシールリング７及びシール
リング８の材質は、超硬合金鋼材とセラミック材の組合
せのものとセラミック材同士の組合せのものがある。超
硬合金鋼材とセラミック材の組合せのものは、カーボン
材より耐摩耗性があり、密封流体が液体のときは、密封
部への給水は不要である。しかし、土砂含有量の多い立
地条件下では、カーボン材と同様に密封部に常時給水す
る給水装置が必要となる欠点があり、且つ、密封流体が
海水の場合、腐食するため使用できないという欠点もあ
る。セラミック材同士の組合せのものは、極めて耐摩耗
性に優れ、密封流体が液体のときは、土砂含有量の多い
立地条件下でも密封部への給水は不要である。さらに、
セラミック材同士の組合せのものは耐食性にも優れ密封
流体が海水でも使用できる。しかし、水車、ポンプ水車
のように、調相運転や揚水起動時にランナ室内に給気し
ドラフト水面を押下げる運転のある流体機械では、軸封
装置の密封流体が気体となり密封面がシールリングの摩
擦熱による温度上昇で、超硬合金鋼材とセラミック材の
組合せのものは密封面にかじりやヒートクラックが発生
し、セラミック材同士の組合せのものは表面が破損し易
くなり高温の状態で水が掛かるような急激な冷却を受け
ると割れ密封面が粗悪化し密封流体を密封できなくなる
ことが実験結果から判明した。また、軸封装置の密封流
体が気体の場合は、シールリング８，９の摩擦熱の影響
でシールリングを取り付けているシールライナ９，１０
が熱膨張で変形したり、シールリングとシールライナを
接着している接着剤が摩擦熱で融けシールリングが脱落
する可能性がある。軸封装置のシールリングが破損した
場合、水力発電所は水没するという重大事故となる。従
って、セラミック材の組合せのシールリングの端面形軸
封装置は、ポンプ及び調相運転のある水車及びポンプ水
車の流体機械には、密封流体が気体となるため使用でき
ない欠点がある。また、従来の端面形軸封装置は、シー
ルケースのシールリングの密封面に、溝ａを周方向に設
け、前記溝ａと密封流体に連通する溝ｆが設け供給され
た液体が遠心力で排出されるような構造としている。こ
の構造では、密封面に供給する液体が断たれた場合、密
封面の液体が短時間に排出され、断水による主機停止指
令が出て主機が停止するまでの間にシールリングは焼損
する欠点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、土砂
含有量の多い河川水や海水を流体とする水車及びポンプ
水車において、水車運転から発電調相運転または揚水運
転から揚水調相運転に移行する時のように、密封流体が
液体から気体に変化してもシールリングの密封面が焼損
せず信頼性の高い端面形軸封装置を供給するにある。さ
らに、軸封装置の密封面への液体の供給量を低減し、安
価で信頼性の高い端面形軸封装置を供給することにあ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】土砂含有量の多い河川水
や海水を流体とする水車及びポンプ水車の流体機械の軸
封装置は、回転軸及びシールケースのシールリングの材
質が双方ともセラミック材の組合せの端面型軸封装置と
し、シールケースのシールリングに貫通孔を設け、液体
供給源とシールケースのシールリングの間に遠隔操作弁
を設け、前記流体機械の密封流体が液体から気体に変化
時には、前記遠隔操作弁を開き前記シールリングの密封
面へ前記貫通孔から液体を供給し、逆に密封流体が気体
から液体に変化時には前記遠隔操作弁を閉じ前記シール
リングの密封面への液体の供給を停止するように制御す
る。また、発電運転から発電調相運転または揚水運転か
ら揚水調相運転に移行するときには、ガイドベーンの無
負荷開度から水面押下げ空気導入弁開指令までの間に前
記遠隔操作弁を開き始め前記シールリングの密封面へ液
体を供給し、発電調相運転または揚水調相運転中は、前
記遠隔操作弁を常時全開とし、前記シールリングの密封
面へ液体を供給し、発電調相運転または揚水運転からそ
れぞれ主機を停止するときには、水面押下げ空気排出弁
閉指令から回転軸が停止するまで間に前記遠隔操作弁を
閉じ始め前記シールリングの密封面への液体の供給を停
止するよう制御する。また、主機停止状態から揚水運転
に移行するときには、水面押下げ空気導入弁開指令から
回転軸が回転するまでの間に前記遠隔操作弁を開き始
め、前記シールリングの密封面へ液体を供給し、水面押
下げ空気排出弁閉指令からガイドベーンが開き始めるま
での間に前記遠隔操作弁を閉じ始め前記シールリングの
密封面への液体の供給を停止するように制御する。ま
た、発電調相運転から発電運転または揚水調相運転から
揚水運転に移行するときには、水面押下げ空気排出弁閉
指令からガイドベーンが開き始めるまで間に前記遠隔操
作弁を閉じ始め前記シールリングの密封面への液体の供
給を停止するよう制御する。また、前記シールケース
に、フロート式の水位計または、電気式あるいは超音波
等を利用した液面検出器を設け、液体供給源と前記シー
ルケースのシールリングの間に前記液面検出器によって
開閉する遠隔操作弁を設け、前記液面検出器がシールリ
ングの密封面の高さより高い位置で前記遠隔操作弁が作
動するように設定すると共に、密封流体の液面が前記設
定位置より低いとき、前記遠隔操作弁を開き前記シール
リングの密封面へ液体を供給し、逆に、密封流体の液面
が前記設定位置より高いとき、前記遠隔操作弁を閉じ前
記シールリングの密封面への液体の供給を停止するよう
制御する。また、軸封装置の密封面への液体の供給量を
さらに低減し、安全性を高めるために、回転軸あるいは
前記シールケース、または、前記シールケース及び回転
軸双方のシールリングの密封面の周方向に連続あるいは
断続した溝を設け、前記溝と反密封流体に連通する溝を
前記シールケースのシールリングの密封面に設ける。

【０００５】

【作用】土砂含有量の多い河川水や海水を流体とする水
車及びポンプ水車の流体機械の軸封装置において、回転
軸及び回転軸を囲むケーシング内のシールケースのシー
ルリングの材質が双方ともセラミック材の組合せの端面
型軸封装置は、耐食性，耐摩耗性の優れた軸封装置とな
る。さらに、シールケースのシールリングに貫通孔を設
け、液体供給源とシールケースのシールリングの間に遠
隔操作弁を設け、前記流体機械の密封流体が液体から気
体に変化時には、前記遠隔操作弁を開き前記シールリン
グの密封面へ前記貫通孔から液体を供給し、逆に密封流
体が気体から液体に変化時には前記遠隔操作弁を閉じ前
記シールリングの密封面への液体の供給が停止されるた
め密封面への液体の供給が必要時のみ供給されるため供
給量が低減される。同様に、運転状態によって前記遠隔
操作弁の開閉を制御することで密封面への液体の供給量
が低減される。また、前記シールケースに、フロート式
の水位計または、電気式あるいは超音波等を利用した液
面検出器を設け、液体供給源と前記シールケースのシー
ルリングの間に前記液面検出器によって開閉する遠隔操
作弁を設け、前記液面検出器がシールリングの密封面の
高さより高い位置で前記遠隔操作弁が作動するように設
定すると共に、密封流体の液面が前記設定位置より低い
とき、前記遠隔操作弁を開き前記シールリングの密封面
へ液体を供給し、逆に、密封流体の液面が前記設定位置
より高いとき、前記遠隔操作弁を閉じ前記シールリング
の密封面への液体の供給を停止するよう制御すことによ
り、密封面への液体の供給が必要時のみ供給されるため
供給量が低減されると共に密封面は液体で確実に満たさ
れる。また、回転軸や前記シールケースのシールリング
の密封面の周方向に連続あるいは断続して溝を設け、さ
らに、前記溝と反密封流体に連通する溝を設けることに
より、密封流体が気体の時、液体の供給が断たれ、断水
による主機停止指令が出て主機が停止するまでの間は、
運転中に軸封装置から若干漏れて反密封流体側に溜って
いた液体が前記溝と反密封流体に連通する溝を通って密
封面へ逆に供給されるため、セラミック材のシールリン
グの焼付きは防止される。また、前記溝と反密封流体に
連通して設けた溝は、密封部に液体が供給されていると
き、液体の排出が良好となり、液体の滞留がなくなり、
密封部の熱交換が円滑におこなわれ密封部の発熱が防止
される。

【０００６】

【実施例】図１に、本発明の一実施例を示す。回転軸１
に設けたシールライナ１０に取付けたセラミック材のシ
ールリング８は、シールリング押え１３により隙間を接
着剤で充填し固定されている。回転軸１を囲むケーシン
グ２内にシールケース５を設け、シールケース５に設け
たシールライナ９に取付たセラミック材のシールリング
７をシールリング押え１２により隙間を接着剤で充填し
固定されている。シールリング７は、ケーシング２に取
り付けられたパッキングボックスカバー１１と廻り止め
３の間にあるコイルばね４によって、シールリング８に
押圧している。密封流体は固定部のパッキングボックス
カバー１１と上下に可動するＯリング６の部分及び回転
するシールリング８とシールリング７の部分が摺動しな
がら密封される。軸封装置において、シールリングがセ
ラミック材同士の組合せのものは、密封面に液体があれ
ば円滑に摺動し焼付きを起こさないので給水源は、密封
面より高い位置にタンクを設ける程度の圧力でよい。従
って、シールリングがセラミック材同士の組合せのもの
は、ポンプ及びポンプ駆動用のモータ等の給水設備が不
要となり設備費が大幅に低減でき、且つ、信頼性の向上
が図れる効果がある。セラミック材同士の組合せのシー
ルリングの密封面に供給する液体はタンク１６から遠隔
操作される軸封給水弁１５を通りフレキシブルホース１
４からシールリング７に設けられた一個または、複数個
の貫通孔ｂを通って密封面に供給される。ここで、軸封
給水弁１５は、図３に示すように発電運転から発電調相
運転または揚水運転から揚水調相運転に移行するときに
は、ガイドベーン及び水面押下げ空気導入弁と連動しガ
イドベーンの無負荷開度から水面押下げ空気導入弁開指
令までの間に開き始めシールケースのシールリングの密
封面に液体の供給を開始し、発電調相運転または揚水調
相運転中、常時全開し前記シールケースのシールリング
の密封面に液体の供給し、発電調相運転または揚水運転
からにそれぞれ主機停止するときには、水面押下げ空気
排出弁及び回転軸速度と連動し水面押下げ空気排出弁閉
指令から回転軸が停止するまで閉じ始めシールケースの
シールリングの密封面に液体の供給を停止するよう制御
する。また、図４に示すように、主機停止状態から揚水
運転に移行するとき電動弁１５は、水面押下げ空気導入
弁、水面押下げ空気排出弁及び回転軸速度に連動し、水
面押下げ空気導入弁開指令から回転軸が回転するまでの
間に開き始めシールケースのシールリングの密封面に液
体の供給開始し、水面押下げ空気排出弁閉指令からガイ
ドベーンが開き始めるまでに閉じ始めシールケースのシ
ールリングの密封面に液体の供給を停止するよう制御す
る。また、図５に示すように、発電調相運転から発電運
転または揚水調相運転から揚水運転に移行するとき軸封
給水弁１５は、水面押下げ空気排出弁及びガイドベーン
と連動し、水面押下げ空気排出弁閉指令からガイドベー
ンが開き始めるまで間に閉じ始めシールケースのシール
リングの密封面に液体の供給を停止するよう制御する。
また、図８に示すような、シールケースにフロート式の
水位計１８を設置する。フロート式の水位計１８のスイ
ッチが作動する設定値は、フロート１７が密封面の高さ
より高い位置とする。端面形軸封装置の密封流体が設定
値より高い場合、軸封給水弁１５が閉じ密封面に液体へ
の供給を停止し、逆に、密封流体が設定値より低い場合
は、軸封給水弁１５が開きシールリングの密封面に液体
を供給するよう軸封給水弁１５を制御する。図２は、密
封部の詳細図を示す。シールリング７の密封面には、溝
ａが周方向に設けられ溝ａと反密封流体に連通する溝ｅ
が設けられている。図６及び図７は、本発明の溝の平面
形状を示す。図６は、シールリングの溝ａが円周に連続
して設けられ溝ａと反密封流体とを連通する法線方向の
溝ｅを設けたものである。

【０００７】

【発明の効果】本発明によれば、軸封装置が給水を必要
とするときのみに給水されるため給水装置の稼働頻度が
少なくなり、給水装置の寿命が延び、また、清水の確保
が困難な立地条件の海水を流体とする流体機械等では、
給水量が少なくて済む効果がある。さらに、軸封装置の
給水装置の給水源が土砂含有量の多い河川水を流体とす
る流体機械においても、給水量が少なくて済むためスト
レーナ等のメインテナンスが少なくなり経済性に優れる
効果もある。また、液面計を用いた端面形軸封装置は、
密封面の雰囲気が常に液体となり、シールリング焼付き
を起こさず信頼性の高い軸封装置を提供できる効果があ
る。シールケースのシールリングの密封面の周方向に設
けた溝及び、溝と反密封流体とを連通する法線方向の溝
において、前者は溝に液体の溜りができ、また後者は、
運転中に軸封装置から若干漏れて反密封流体側に溜って
いた液体が溝と反密封流体に連通する溝を通って密封面
へ逆に供給されため、液体の供給が断たれても主機を停
止するまでの時間内は、溝の液体の溜りでセラミック材
のシールリングの焼付きが防止されさらに信頼性が増す
効果がある。また後者は、密封部に給水されている状態
では、密封部に供給される液体の滞留がなくなり、熱交
換が円滑におこなわれ密封部の発熱が防止され、信頼性
がさらに増す効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】本発明の一実施例の密封部の断面図。

【図３】本発明の軸封装置給水弁の動作を示す説明図。

【図４】本発明の軸封装置給水弁の動作を示す説明図。

【図５】本発明の軸封装置給水弁の動作を示す説明図。

【図６】本発明の一実施例のシールリングを示す平面
図。

【図７】本発明の一実施例のシールリングを示す平面
図。

【図８】本発明の一実施例を示す断面図。

【図９】従来のシールリングにカーボン材を使用した軸
封装置を示す断面図。

【図１０】従来のシールリングに超硬合金鋼とセラミッ
ク材の組合わせの軸封装置の断面図。

【符号の説明】

５…シールケース、７…シールリング、８…シールリン
グ、１５…軸封給水弁。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体機械の回転軸にシールリングを設け、
   前記回転軸の外周を囲むケーシング内にシールケースを
   設け、前記シールケースに前記シールリングを設け前記
   シールリングを押圧して密封し、且つ、運転状態によっ
   て密封流体が液体から気体へ、逆に気体から液体に変化
   する流体機械の端面形軸封装置において、前記シールリ
   ングの材質を前記回転軸及び前記シールケース双方共セ
   ラミックにし、前記シールケースの前記シールリングに
   一個または複数個の貫通孔を設け、液体供給源と前記シ
   ールケースの前記シールリングの間に遠隔操作弁を設
   け、前記流体機械の密封流体が液体から気体に変化時に
   は、前記遠隔操作弁を開き前記シールケースの前記シー
   ルリングと前記回転軸の前記シールリングの密封面へ前
   記貫通孔から液体を供給し、逆に密封流体が気体から液
   体に変化時には、前記遠隔操作弁を閉じ前記シールケー
   スのシールリングの密封面への液体の供給を停止するよ
   う制御することを特徴とする端面形軸封装置。
2. 【請求項２】請求項１において、発電運転から発電調相
   運転、または、揚水運転から揚水調相運転に移行すると
   き、ガイドベーンの無負荷開度から水面押下げ空気導入
   弁開指令までの間に前記遠隔操作弁を開き始め前記シー
   ルケースの前記シールリングの密封面へ液体を供給し、
   発電調相運転または揚水調相運転中は常時前記遠隔操作
   弁を開き、前記シールケースの前記シールリングの密封
   面へ液体を供給するように制御する端面形軸封装置。
3. 【請求項３】請求項１において、発電調相運転、また
   は、揚水調相運転から主機を停止するとき、水面押下げ
   空気排出弁閉指令から回転軸が停止するまでの間に前記
   遠隔操作弁を閉じ始め前記シールケースのシールリング
   の密封面への液体の供給を停止するよう制御する端面形
   軸封装置。
4. 【請求項４】請求項１において、主機停止状態から揚水
   運転に移行するとき、水面押下げ空気導入弁開指令から
   回転軸が回転するまでの間に前記遠隔操作弁を開き始め
   前記シールケースのシールリングの密封面へ液体を供給
   し、水面押下げ空気排出弁閉指令からガイドベーンが開
   き始めるまでの間に前記遠隔操作弁を閉じ始め前記シー
   ルケースのシールリングの密封面への液体の供給を停止
   するよう制御する端面形軸封装置。
5. 【請求項５】請求項１において、発電調相運転から発電
   運転、または、揚水調相運転から揚水運転に移行すると
   き、水面押下げ空気排出弁閉指令からガイドベーンが開
   き始めるまでの間に前記隔操作弁を閉じ始め前記シール
   ケースのシールリングの密封面への液体の供給を停止す
   るよう制御する端面形軸封装置。
6. 【請求項６】請求項１において、前記シールケースに液
   面検出器を設け、液体供給源と前記シールケースのシー
   ルリングの間に液面検出器によって開閉する遠隔操作弁
   を設け、前記液面検出器がシールリングの密封面の高さ
   より高い位置で前記遠隔操作弁が作動するように設定す
   ると共に、密封流体の液面が前記設定位置より低いと
   き、前記遠隔操作弁を開き前記シールリングの密封面へ
   液体を供給し、逆に、密封流体の液面が前記設定位置よ
   り高いとき、前記遠隔操作弁を閉じ前記シールリングの
   密封面への液体の供給を停止するよう制御する端面形軸
   封装置。
7. 【請求項７】請求項１において、前記シールケース及び
   回転軸双方、または、何れか一方のシールリングの密封
   面に、一個または複数個の溝を周方向に一本または複数
   本、連続または断続して設けると共に、前記溝と反密封
   流体に連通する一個または複数個の溝を前記シールケー
   スのシールリングの密封面に設ける端面形軸封装置。