JPH10220338A - 水力機械の主軸封水装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 たとえセラミックシールが何らかの原因によ
って損傷して封水性能が低下しても多量の漏水量の発生
を防止することができる。 【解決手段】 水車主軸９と上カバー４との間にはセラ
ミックシール１９が設置されてる。このセラミックシー
ル１９は、水車主軸９と一体に回転する下側のシール片
１４と、上カバー４に取付けられた上側のシール片１７
とを有する。セラミックシール１９の上方にはラビリン
スシール２０が設置され、このラビリンスシール２０は
セラミックシール１９の封水性能の低下時にセラミック
シール１９からの漏出水を封水する。この漏出水は排水
管２１を介して排水ピットに排出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水力機械の主軸封
水装置に係り、特にセラミックシールを有する水力機械
の主軸封水装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】水力発電所には水車やポンプ水車などの
水力機械が設置されている。図７は、従来の水力機械の
一例を示したもので、図示を省略した上池からの圧力水
は、カタツムリ形状のケーシング１に流入する。このケ
ーシング１の内周には上下のステーリング２が配置さ
れ、この上下のステーリング２にはステーベーン３が挟
持されている。上側のステーリング２には上カバー４が
設けられ、下側のステーリング２にはディスチャージリ
ング５が設けられている。上カバー４とディスチャージ
リング５との間の流路にはガイドベーン６が配置され、
このガイドベーン６によって流量調整された圧力水は、
ランナ７に流入して、それを回転駆動する。このランナ
７を流出した水は、上部吸出管８を通って図示を省略し
た放水庭に排出される。ランナ７は水車軸、即ち水車主
軸９に取付けられ、この水車主軸９は図示を省略された
発電機に連結されている。圧力水が主軸９と上カバー４
との間の間隙から漏出することを防止するために、上カ
バー４と主軸９との間には主軸封水装置１０が設置され
ている。

【０００３】従来の主軸封水装置は一般に、ラビリンス
シールやグランドパッキンやカーボンパッキンなどが使
用されていた。ラビリンスシールは、非接触タイプであ
るため摩耗や損傷が少ない利点を有するが、しかしなが
ら、漏水量が多いという欠点に加えて、土砂を多く含む
河川に設けられた場合には土砂摩耗防止のために清水の
給水が必要であり、このために給水ストレーナなどの濾
過装置や給水ポンプなどの給水装置を必要とするといっ
た問題がある。グランドパッキンは、パッキンの締込み
によって漏水量を減少させることができる利点を有す
る。

【０００４】しかしながら、保守が面倒であることに加
えて主軸を摩耗させるといった問題がある。更に、グラ
ンドパッキンの焼き付けを防止するために土砂摩耗防止
の清水を給水する必要がある。また、カーボンパッキン
は、ラビリンスシールに比較して漏水量が少ないが、し
かしながら、カーボンが脆く損傷し易いといった欠点に
加えて、土砂によって摩耗し易いため清水の給水が必要
であるといった問題がある。

【０００５】そこで、これらの種々の問題を解決するた
めに、近年セラミックシールが開発されている。図８は
主軸封水装置１０として使用されるセラミックシール１
１を示したもので、主軸９にはシール支持台１２が固定
され、このシール支持台１２にはシールケース１３が固
定され、このシールケース１３には下側のセラミックシ
ール片１４が取付けられている。上カバー４には取付け
ブロック１５が固定され、この取付けブロック１５には
シールケース１６が取付けられ、このシールケース１６
には上側のセラミックシール片１７が取付けられてい
る。スプリング１８は、シールケース１６を介して上側
のセラミックシール片１７を下側のセラミックシール片
１４に圧接する。こうして、シール支持台１２とシール
ケース１３と下側のセラミックシール片１４とは、主軸
９と一体に回転し、他方、取付けブロック１５とシール
ケース１６と上側のセラミックシール片１７とは、静止
している。

【０００６】水力機械の運転中に主軸９が回転すると、
下側のセラミックシール片１４は上側のセラミックシー
ル片１７に接触しながら主軸９と一体に回転して、上カ
バー４と主軸９との間を封水する。このセラミックシー
ル１１は、上側及び下側のセラミック片１４、１７が互
いに接触しているため、漏出水の量が非常に少なく、か
つ耐摩耗性に優れるため清水の給水が不要である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、セラミック
シールは、主機運転時に発生することがある過大な振動
や負荷遮断に発生することがある過大な衝撃などによっ
てセラミックシール片が破損し、これによって封水性能
が低下してしまうといった問題がある。そこで、本発明
の目的は、たとえセラミックシールが何らかの原因によ
って損傷して封水性能が低下しても多量の漏水量の発生
を防止することができる水力機械の主軸封水装置を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に請求項１に記載された発明は、水車主軸からの漏水を
防止するセラミックシールを有する水力機械の主軸封水
装置において、上記セラミックシールからの漏出水を封
水する第２のシールを具備することを特徴とするもので
ある。

【０００９】通常はセラミックシールが確実に封水す
る。もしもセラミックシールが何らかの原因によって損
傷して封水性能が低下し、圧力水がセラミックシールか
ら漏出した場合にも、第２のシールがセラミックシール
からの漏出水を封水する。

【００１０】請求項２に記載された発明は、請求項１に
記載の水力機械の主軸封水装置において、上記第２のシ
ールはそのシール部が、上記セラミックシールの少なく
とも正常動作時には非接触状態であることを特徴とする
ものである。セラミックシールはその正常動作時には確
実に封水するため、第２のシールは封水機能を発揮する
必要がない。従って、このセラミックシールの正常動作
時には、第２のシールのシール部を非接触状態とするこ
とによって、第２のシールの長寿命化を図ることができ
る。

【００１１】請求項３に記載された発明は、請求項２に
記載の水力機械の主軸封水装置において、上記第２のシ
ールはラビリンスシールであることを特徴とするもので
ある。第２のシールとしてはラビリンスシールを使用す
ることができる。ラビリンスシールは非接触タイプであ
るため摩耗や損傷が少ない。また、セラミックシールの
損傷は極めて起り難くいので、ラビリンスシールのため
に土砂摩耗防止のために清水の給水を不要とすることも
できる。

【００１２】請求項４に記載された発明は、請求項２に
記載の水力機械の主軸封水装置において、上記第２のシ
ールは互いに対向する一対のシール片から構成されるバ
ックアップシールであり、上記一対のシール片は通常互
いに離間するように配置され、上記セラミックシールか
らの漏出水の圧力によって互いに接触して上記漏出水を
封水することを特徴とするものである。第２のシールと
してはバックアップシールを使用することもできる。こ
のバックアップシールは、一対のシール片が通常は互い
に離間しているため摩耗が起こり難くい。セラミックシ
ールの損傷等によって圧力水がセラミックシールから漏
出した場合には、一対のシール片はその漏出水の圧力に
よって互いに接触して確実に封水することができる。

【００１３】請求項５に記載された発明は、請求項１に
記載の水力機械の主軸封水装置において、上記セラミッ
クシールからの漏出を検出して警報を発生する警報手段
を更に具備することを特徴とするものである。

【００１４】セラミックシールの損傷等によって封水性
能が低下し圧力水がセラミックシールから漏出した場合
には、警報手段がそれを検出して警報を発生する。請求
項６に記載された発明は、請求項５に記載の水力機械の
主軸封水装置において、上記セラミックシールと上記第
２のシールとの間に一端が接続された排水管と、上記排
水管の他端が接続された排水ピットとを更に具備し、上
記警報手段は上記排水管を流れる漏出水を検出すること
を特徴とするものである。

【００１５】セラミックシールからの漏出水は排水管を
通って排水ピットに排出される。また、警報手段はこの
排水管を流れる漏出水を検出するので、セラミックシー
ルの漏水を確実に検出することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明による水力機械の主
軸封水装置の実施例を図７及び図８と同部分には同一符
号を付して示した図１乃至図６を参照して説明する。

【００１７】図１は本発明の第１の実施例の全体の構成
を示したもので、図示を省略した上池からの圧力水は、
カタツムリ形状のケーシング１に流入する。このケーシ
ング１の内周には上下のステーリング２が配置され、こ
の上下のステーリング２にはステーベーン３が挟持され
ている。上側のステーリング２には上カバー４が設けら
れ、下側のステーリング２にはディスチャージリング５
が設けられている。上カバー４とディスチャージリング
５との間の流路にはガイドベーン６が配置され、このガ
イドベーン６によって流量調整された圧力水は、ランナ
７に流入して、それを回転駆動する。このランナ７を流
出した水は、上部吸出管８を通って図示を省略した放水
庭に排出される。ランナ７は水車軸、即ち水車主軸９に
取付けられ、この水車主軸９は図示を省略された発電機
に連結されている。圧力水が主軸９と上カバー４との間
の間隙から漏出することを防止するために、上カバー４
と主軸９との間には主軸封水装置１０が設置されてい
る。

【００１８】主軸封水装置１０は、図２に示されたよう
にセラミックシール１９とラビリンスシール２０とから
構成される。このセラミックシール１９は、主軸９には
シール支持台１２が固定され、このシール支持台１２に
はシールケース１３が固定され、このシールケース１３
には下側のセラミックシール片１４が取付けられてい
る。上カバー４には取付けブロック１５が固定され、こ
の取付けブロック１５にはシールケース１６が取付けら
れ、このシールケース１６には上側のセラミックシール
片１７が取付けられている。スプリング１８は、取付け
ブロック１５に設けられ、シールケース１６を介して上
側のセラミックシール片１７を下側のセラミックシール
片１４に圧接する。下側及び上側のセラミックシール片
１４、１７は、炭化硅素などの高硬度で耐摩耗性及び耐
久性に優れた材料からなる。

【００１９】ラビリンスシール２０は、取付けブロック
１５の上方延長部に固定され、セラミックシール１９よ
りも上方に設けられている。なお、ラビリンスシール２
０は主軸９の周方向に沿って複数個に分割されている。
更に、上下のセラミックシール片１４、１７とラビリン
スシール２０との間の流路には、排水管２１の一端が接
続され、この排水管２１の他端は図示を省略された排水
ピットに接続されている。

【００２０】次に、この第１の実施例の作用を説明す
る。水力機械の運転中に主軸９が回転すると、下側のセ
ラミックシール片１４は上側のセラミックシール片１７
に接触しながら主軸９と一体に回転して、上カバー４と
主軸９との間を封水する。この時には、セラミックシー
ル１９からの漏出水は微量であるため、ラビリンスシー
ル２０は実質的に封水機能を発揮する必要がない。

【００２１】もし、セラミックシール１９が、例えば主
機の運転時に起こった過大な振動や負荷遮断に発生した
過大な衝撃などによって損傷して、封水性能が低下した
場合には、圧力水がセラミックシール１９から漏出す
る。しかしながら、セラミックシール１９の下流側に位
置するラビリンスシール２０は、セラミックシール１９
からの漏出水を封水する。このラビリンスシール２０に
よって封水された漏出水は排水管２１から排出される。

【００２２】このように、ラビリンスシール２０は、セ
ラミックシール１９の性能低下時にのみに、実質的に使
用されるので、土砂摩耗防止のために清水の給水を不要
とすることができる。

【００２３】図３は本発明の第２の実施例を示したもの
で、セラミックシール１９の構成は第１の実施例のもの
と同一である。このセラミックシール１９の上段にはバ
ックアップシール２２が設置され、このバックアップシ
ール２２は周方向に複数個に分割されている。バックア
ップシール２２は、取付けブロック１５の上方延長部に
取付けられた下側のシール片２３と、この下側のシール
片２３に対向する上側のシール片２４と、スプリング２
５とから構成される。このスプリング２５は、下側シー
ル片２３と上側シール片２４とが互いに離間するように
下側シール片２３を下方に付勢する。

【００２４】通常は、セラミックシール１９が上カバー
４と主軸９との間を封水している。この時には、バック
アップシール２２は、シール片２３とシール片２４とが
互いに離間しており、シール片２３、２４の摩耗等を生
じない。もし、セラミックシール１９が損傷して封水性
能が低下した場合には、圧力水がセラミックシール１９
から漏出する。この漏出水の圧力がスプリング２５の付
勢力に抗して下側シール片２３を押し上げて上側シール
片２４に接触させる。こうして、バックアップシール２
２は漏出水を封水し、漏出水は排水管２１から排出され
る。

【００２５】図４は本発明の第３の実施例を示したもの
で、排水管２１は図２及び図３に示したように入口端が
セラミックシール１９とラビリンスシール２０またはバ
ックアップシール２２との間の流路に接続され、出口端
が排水ピット２６に接続されている。排水管２１は入口
端から所定の長さＬだけ上方に延在し、それから水平に
なり、更に下降して排水ピット２６に接続されている。
排水管２１の途中、具体的にはその下降部分にはフロー
リレー２７が設置され、このフローリレー２７には警報
装置２８が接続されている。

【００２６】セラミックシール１９が正常に作動して上
カバー４と主軸９との間を封水しているの時には、セラ
ミックシール１９からの漏出水は微量であり、この漏出
水は排水管２１の立上り部分Ｌを越えることはなく、従
ってフローリレー２７には漏出水が流れない。ところ
が、損傷等によってセラミックシール１９の封水性能が
低下して多量の漏出水が発生すると、この漏出水はラビ
リンスシール２０またはバックアップシール２２によっ
て封水されるため、排水管２１の立上り部分Ｌを越え
て、フローリレー２７を通って排水ピット２６に排出さ
れる。フローリレー２７はこの漏出水を検出し、検出信
号を発生する。警報装置２８はこの検出信号に応じて警
報を発生し、セラミックシール１９の故障を警告する。

【００２７】図５は第３の実施例の変形例であり、図４
のフローリレー２７の代りに水検知器２を使用したもの
である。この水検知器２は排水管２１を流れる漏出水の
有無を検出して検出信号を発生する。図６は第３の実施
例の変形例であり、図４のフローリレー２７の代りに圧
力スイッチ３０を使用したものである。この圧力スイッ
チ３０は排水管２１を流れる漏出水の圧力を検出して検
出信号を発生する。

【００２８】以上の第１及び第２の実施例では、セラミ
ックシール１９を漏出した漏出水を封水する第２のシー
ルとして、夫々ラビリンスシール２０及びバックアップ
シール２２を使用した。これらのラビリンスシール２０
及びバックアップシール２２は、少なくともセラミック
シール１９の正常機能時には、シール部が非接触である
ため、シール部の摩耗を防止することができる利点を有
する。従って、第２のシールとしては、ラビリンスシー
ル２０及びバックアップシール２２が望ましい。しかし
ながら、本発明の第２のシールは、ラビリンスシール２
０及びバックアップシール２２に限ることなく、主軸９
をシールすることができるものであれば任意のシールを
使用することもできる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、セラミックシールが何らかの原因によって損傷
して封水性能が低下し、圧力水がセラミックシールから
漏出した場合にも、第２のシールがセラミックシールか
らの漏出水を封水することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水力機械の主軸封水装置の第１の
実施例を概略的に示した断面図。

【図２】第１の実施例の要部を拡大して示した断面図。

【図３】本発明による水力機械の主軸封水装置の第２の
実施例を示した断面図。

【図４】本発明による水力機械の主軸封水装置の第３の
実施例の一部を示した断面図。

【図５】第３の実施例の変形例を示した断面図。

【図６】第３の実施例の別の変形例を示した断面図。

【図７】従来の水力機械の主軸封水装置を概略的に示し
た断面図。

【図８】従来の水力機械の主軸封水装置を拡大して示し
た断面図。

【符号の説明】

９ 水車主軸 １０ 主軸封水装置 １９ セラミックシール ２０ ラビリンスシール（第２のシール） ２２ バックアップシール（第２のシール）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水車主軸からの漏水を防止するセラミック
   シールを有する水力機械の主軸封水装置において、上記
   セラミックシールからの漏出水を封水する第２のシール
   を具備することを特徴とする水力機械の主軸封水装置。
2. 【請求項２】上記第２のシールはそのシール部が、上記
   セラミックシールの少なくとも正常動作時には非接触状
   態であることを特徴とする請求項１に記載の水力機械の
   主軸封水装置。
3. 【請求項３】上記第２のシールはラビリンスシールであ
   ることを特徴とする請求項２に記載の水力機械の主軸封
   水装置。
4. 【請求項４】上記第２のシールは互いに対向する一対の
   シール片から構成されるバックアップシールであり、上
   記一対のシール片は通常互いに離間するように配置さ
   れ、上記セラミックシールからの漏出水の圧力によって
   互いに接触して上記漏出水を封水することを特徴とする
   請求項２に記載の水力機械の主軸封水装置。
5. 【請求項５】上記セラミックシールからの漏出を検出し
   て警報を発生する警報手段を更に具備することを特徴と
   する請求項１に記載の水力機械の主軸封水装置。
6. 【請求項６】上記セラミックシールと上記第２のシール
   との間に一端が接続された排水管と、上記排水管の他端
   が接続された排水ピットとを更に具備し、上記警報手段
   は上記排水管を流れる漏出水を検出することを特徴とす
   る請求項５に記載の水力機械の主軸封水装置。