JPS5920572A - 水車用水潤滑軸受 - Google Patents

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】 本発明はフランシス水車用水潤滑軸受に係り、特に、構
造の単純化、保守の簡略化、ランナ効率向上、振動特性
改善、原価低減を図れる水潤滑軸受に関する。

従来のフランシス水車用軸受は第１図のように油潤滑軸
受である。この方式はランナ１及び主軸封水装置４の上
方に距離■］なるオーバハング寸法を与えた位置に主軸
スカート２−１を設け、これをジャーナルしこの対向部
に軸受装置５を設け、多数の軸受片で構成されるセグメ
ント軸受からなる。本方式では、オーバハング寸法Ｈに
軸受装置５とランナーとの中間にりって、主軸の封水を
減少さ亡る封水装置ｔ、４の保守、分解組立上のスペー
スを確保せねばならない事、軸受から発する熱を奪うだ
めのクーラー管、を油槽５−５に取付けるため、又、油
４！　ｓ　−５の放熱面積を確保するため笠から決まる
軸受油槽５−５の寸法、容積で決定される。同、このオ
ーバハング寸法は設計的には出来る限り小さい方が好ま
しく、これが大きいと、（１）　　ランナへかかる軸直
角方向力による軸の曲がりは不可避であｐｌこのオーバ
ハング寸法が犬きくなるほど、（オーバハングＨの３乗
に比例して）軸の曲がりによるランナ外周の外側への変
位が犬となり、固定部との接触事故を生ずる。

（２）水車、発電機回転軸系の危険速度はこのオーバハ
ング１１のほぼ７乗に反比例して低下する。

主軸径り、ｄは強要上からでなく、この危険速度を所定
限界内に押える事から決定される事もあ）、不経済であ
る。

（３）主軸は通常の主軸としての荷重負担、すなわち、
トルク伝達としての捩り応力、軸推力にょる引張応力等
を分担するが、この他に個々のケースでこのオーバハン
グが異なる事がらとのオーバハングによる曲げ応力が繰
シ返し応力となって作用し、場合によっては、この曲げ
応力が全応力の中で非常に大きな比重を占め、主軸強度
に及ばず影響が犬となる。

（４）軸の振れ回シが大きくなるので、軸受の片べり（
軸受が下拡がシのテーパ状摩耗）がひどくなる。撮れ回
りによって軸振れが過大となり、軸受の異常摩耗、過熱
、を生じ易すくなる。

（５）水車上カバー３の全体高さ１】はオーバハング１
１の増大によって増加せざるを得ないが、上カバーの所
定の撓み剛性を与えるに必要充分な高さり。より、一般
的に大きく、経済的でない。

（６）更に、上記の欠点（１）〜（４）に対する対策と
して、従来よシ経験的に軸受下方の軸直径ｄを増し、剛
性増加でカバーする方法が採られるが、この方法ではこ
の部分の重量増加を招き、経済的でない。

（カ　ランナギャップ（ランナクラウン１−１外周、ラ
ンナバンド１−３外周と固定部間のギャップ）はランチ
へ流入する圧力水がランチ羽根１−２に流入せず、ラン
ナギャップからの漏れ損失と２ｐ水車の効率低下となる
ので、可能な限υ小さくする事が必要である。このラン
ナギャップは運転中に於けるランチの外側変位、主軸の
曲げ変位、固定部部品の水圧による変位等、を考慮し、
決定される。ここで、主軸の曲げ変位はオーパーツ・ン
グＨで決定されるだめ、ランナギャップを縮少する事が
、困咀であや、効率改善が図れない。

等々、多数のマイナス要素をもっている。これらを対策
する方法として本発明に最も近い方法として第２図に示
す例がある。本例はランナクラウン１−１の外周及びラ
ンチバンド１−３の外周に対向する固定部ライナー１１
に多数の静圧ポケット溝１１　＝ａ、　＋１１１１受ガ
イドｉ＠１１−ｂを第３図に示すように設は各ポケット
溝に静圧力を確保すべく第２図、第３図のような給水管
１６を設けて、ランナ外周対向部を水潤滑の静圧軸受と
する方法である。これによれば、前述の（１）〜（６）
の欠点は解消する事ができる。しかし、実際上、次のよ
うな難問があり適用が困難となっている。

すなわち、本静圧軸受では第４図に示すように、静圧ボ
ケツ）１１−ａ内の圧力ＰＩを、軸受出口圧力Ｐ、より
高く保つよう、高圧水を給水管１６、給水口１７を経て
静圧ボケツ）１１−ａ内に導くようにしているので、本
軸受の荷重支持能力ＷはＰ＋　　Ｐ、にほぼ比例し、 Ｗ＝Ａ、・（Ｐ＋　　Ｐ−）Ｆ　Ｗ で表わされる。ここで、 Ｗ　：軸受負荷能力（Ｋり） Ａ、：静圧ポケットのある一方向投影面積の合計値（ｃ
ｍ”　　） Ｆ、：係数・・・軸振れ（主軸の芯ずれ変位）にほぼ比
例（厳密には単純比例ではな いが）Ｌ１給水口１７、給水管１ １６の寸法等で与えられる係数 であシ、上式よυＰ　＋　＝　Ｐ。時はＷ−０となる。

すなわち軸受の機能が消滅する事を示す。従って、本方
式の場合第２図に示すように、 静圧ポケット内圧力Ｐｔ＞軸受出口圧力Ｐ、＞うは入口
水圧Ｐ２（給水圧）　　　　　　　　　　　　（河川水
圧）と云う関係が必要であり、かつ、Ｐ＋　　Ｐ。は軸
受負荷能力の点から極力大きい事が望まれる。従って、
ＰＩの圧力を確保するためには、水車ランチへ流入する
河川水圧Ｐ、より充分に品い圧力、例えば、専用の加圧
給水ポンプが必要となる。通常Ｐ＋　　Ｐ、−０５〜１
．０　Ｐ　、程度とするので、落差１００ｍクラスの水
車を１例にとって検討すれば、ポンプ吐出圧Ｐ、キＰ＋
＝（０，５〜１．０　）　Ｐ、　＋　１）。

は約１５０〜２００ｍ程度のものが必要となる。

又、ポンプ吐出量については、ランナギャップ１、５　
ｍｍクラスでＰ＋　　Ｐｅ中５〜１０　Ｋｐ／　ｃｍ”
を確保させるための必要流量として、概略Ｑ中３０００
〜５０００　Ｌ／ｍｉｎであり、軸受装置用としては余
りにも太きく、実際的でない。又、仮りに放置、製作し
たとしても、発電所全体の運転維持費用（モーター電力
式）が膨大となろう又、給水として一定の性状を得るべ
き各種の処理装置（ストレーナ−２配管）等の設備費も
膨大となる。以上のような理由から、実用化が極めてむ
ずかしい状態であった。

本発明の目的は （１）原価低減 （２）構造簡略化 （３）保守の容易化 （４）上カバー高さ、主軸匝等機器寸法の縮少化（５）
水車効率改善 （６）回転体の危険速度改善 （７）　　ｌ１ｅｌｔ受の異常摩耗、過熱の改善（８）
　　ランナ接触事故の解消 （９）水潤滑軸受に於ける軸受給水系統の簡素化を図れ
る水車用水潤滑軸受を提供するにある。

本発明の要点は水車主軸受の設置位置を下げ、オーバハ
ング寸法を縮少すべく、主軸ランナ側フランジの外周対
向部に設置し、水を潤滑流体としたこと、水潤滑軸受を
静圧軸受方式とすること、軸受給水系統の簡素化を図る
ため、ランナクラウン外周シール部変位 給すること、各軸受セグメントへの給水は、その１１Ｇ
水平面位置をちょうど１８０ｅ反転さぜたランナクラウ
ン外周シール部から取水する給水管によること、および
主軸ランナ側フランジ外周対向の水温ζｔｔ　１ｌＱｌ
ｌ受に加え、その上部主軸部に更に別給水源の水潤滑＋
＋ｑｌ＋受を設置することにある。

本発明の一実施例を第５図に示す。

主軸ランナ側フランジ２−２の外周対向部を水潤滑軸受
とし、オーバ・・ング寸法Ｈを従来の約５０％以下に縮
少することができる。第５図は軸受１１の内面に多数の
静圧ポケット溝１１−ａを設け、加圧水を給水管１６、
給水口１７を経て供給する静圧方式の軸受であるっこの
軸受の上部には上カバー内への漏水を低減する封水装置
４が設けられる。これは、グランドバッキング方式、あ
るいはカーボンあるいは樹脂製分割型メカニカルシール
等が用いられる。

尚、この給水の取水源はランナクラウン１−１の外周シ
ールを通過した圧力水を供給するように考慮されている
。この目的は通常１〜３Ｍ程度のランナギャップを通過
して流入した圧力水中には、このギャップ以上の大きな
異物の流れ込みはないので、ランナギャップ部を、あた
かも、ストレーナ−として利用できるので、好都合であ
り、大量の流量を処理する大容量の専用ストレーナ−を
配置する必要がなくなる。

この取水部の圧力（すなわちＰ＋）はランナ入口圧力Ｐ
ｒに対し、シール部の損失を差引き、通常Ｐ、の３０〜
４０％程度の圧力となっている。

一方、軸受出口圧力Ｐ。は放水路側からの背圧に略等し
いランナ出口圧力Ｐ、。に対し、ランナバランスホール
１−４の損失分だけ高圧となっているが、略Ｊ〕。中Ｐ
、。と見做せる。ここで落差５０ｍ〜１００ｍクラスの
水車を考えた時ＰＩキ１．５〜４、０　Ｋｇ／ｃｍ”　
、　ｐ　、キＯ〜１．５　Ｋｑ　／ｃｍ　”程度の圧力
が確保できる、従って、静圧軸受に有効に作用できる圧
力差は第４図に示すように、Ｐ＋Ｐ０−１．５〜２．５
　Ｉ（ｑ７（７）２程度迄であシ、静圧軸受として充分
な圧力が供給できる。第５図には図示を省略しているが
水車の起動時は、この給水管１６内の圧力が充分に高く
なっていないので、起動時のみ別水源の高圧水が軸受１
１に供給される。

尚、ここで取水源であるランナクラウン１−１外周シー
ルを通った後の圧力Ｐ＋は、ランナ入口圧力Ｐ、と対応
して変化し得るものである。そこで、ランナ入口圧力Ｐ
、は全周に亘って一様ではなく、刻々変動する。これが
、ランナを主軸直角方向に水力的なアンバランス力を与
える原因となっている。従って、このランナ入口圧力Ｐ
２の変動をうまく利用する事により、大巾に軸振動を低
減できる。本発明では各軸受セグメントへの給水管をそ
のｔｌｌｌｌ受セグメントと対象位置の配管取出し部（
ランナクラウンシールを通過した取水部）から取水する
よう考慮したものである。こうする事によって、ある瞬
間、あるランナ入口の圧力Ｐ。

が上昇し、ランナが圧力上昇点と１８００対称方向に水
力アンバランス荷重を与える結果、ランナ、及び主軸は
その方向へ押し付けられる。従って、そのイ装置に合致
した軸受セグメントの静圧ポケット溝内に、圧力上昇し
たランチ入口圧力Ｐ７を導いておく事例よシ、水力アン
バランス荷重に抵抗する復元力を発生し、この結果、軸
振動を著しく低下する事ができる。この結果、従来の通
常軸振れに対し２０〜３０％の低減となる。

尚、本発明によれば、ランチ中心と軸受中心間距離、す
なわち、オーバハングＨは第５図のように、従来よシ大
巾に低減し、主軸の曲げ変位が大巾に小さくでき、この
結果、ランナギャップ（ランナクラウン、ランチバンド
外周と固定部間のギャップ）を従来の６０〜７０％程度
に縮少でき、水車効率が向上する。

なお、図中２は主軸、５−１はセグメントメタル、５−
２は調整ボルト、５−３は潤滑油、５−４はクーラー管
、５−６はオイルダム、５−７は油槽である。

本発明によれば、下記の効果が得られる。

（］）水車、発電機軸系の固有撮動数を上げる事ができ
危険速度を上昇させ安全率を高められる。

（２）軸受位置を下げられるため、水車上カバー高さは
軸受位置とは、はぼ無関係に上カバー単独で剛性を与え
られるため、その高さ寸法１１を従来より低くでき、重
量低減が可能である。

（３）オーバ・・ング縮少によシ主軸の曲げ応力整小さ
くでき、この分寸法縮少、重量低減が図れる。

（４）　　単純な構造、部品数の大巾縮減化が可能とな
る。

（５）オーバハング寸法Ｈを縮少でき、主軸の曲げ変位
が小さくできるので、従来この変位分を考え設定されて
いたう／ナギャップは、この分小さくできる。ランナ外
周漏れ損失も小さく゛なり水車効率が改善できる。

（６）オーバハング寸法Ｈが縮少し、主軸の曲げ変位が
非常に小さくなるので、２ンナと固定部との接触が防げ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の油潤滑方式の軸受の断面図、第２図はラ
ンナ外周を直接軸受とする従来の方式の断面図、第３図
は静圧軸受方式の軸受の断面図、第４図は同上静圧軸受
の内面圧力の分布図、第５図は本発明の水潤滑軸受の構
造断面図である。 ■・・・ランナ、２・・・主軸、３・・・水車上カバー
、４・・・主軸封水装置、１１・・・水潤滑４１ハ受、
１６・・・給水管、１７・・・給水口、２ｏ・・・主軸
ランナ排水穴。 早　　／　　困 第　２　目 第　３　　口 第４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主軸ランナ側７ランジ及び主軸封水装置の上方部の
   主軸スカートに対向して設けられ、潤滑油によってｅ３
   滑される水車主軸用の軸受装置に於いて、前記潤滑油に
   代って、水を潤滑体とする無給油軸受、すなわち水潤滑
   軸受を、主軸ランナ側フランジの外周対向部に設置し、
   前記水潤滑軸受の上部に前記主軸封水装置を設置するこ
   とを特徴とする水車用水潤滑軸受。 ２、特許請求の範囲第１項記載の水潤滑軸受装置に於い
   て、ランチクラウンの外周シールギャップを通過した圧
   力水を前記軸受装置の潤滑水として供給するように構成
   したことを特徴とする水車用水潤滑軸受。 ３、特許請求の範囲第１項記載の水温ｆＶｆ　＋１１１
   受装置に於いて、前記軸受装置を数個のセグメント形と
   し、それらの内周円筒面のほぼ中央部を凹ませた静圧ポ
   ケット溝としこの静圧ポケット溝の外側より圧力水を供
   給し、前記静圧”ポケット内に確保された流体の静圧力
   で軸受にかかる荷重を支持するように構成したことを特
   徴とする水車用水潤滑軸受。 ４、特許請求の範囲第２項および同第３項を含むことを
   特徴とする水車用水潤滑軸受。 ５、特許請求の範囲第４項記載の水潤滑軸受に於いて、
   前記軸受各セグメントへの給水管の接続を、取水部と給
   水部とを平面的にほぼ対称位置となるよう（接続したこ
   とを特徴とする水車用水潤滑軸受。