JPWO2004044465A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

水素ガス８を循環させて回転電機本体を冷却するものであって、回転軸７の外周面の所望の位置に、接触するようにブラシシール２１を設け、これによりシール油と水素ガス８の接触、軸受の潤滑油とシール油の接触、水素ガス８の機外への漏洩を防ぐようにしたもの。

Description

本発明は、回転電機本体を水素ガス等の冷却媒体で冷却すると共に軸貫通部をシールする軸封装置を備えた回転電機に関する。

例えば水素冷却発電機は、機内に水素ガスを封入し、この水素ガスにて発電機本体（回転電機本体）を構成する回転子および固定子の冷却を行っている。冷却ガスとして水素ガスを用いるのは、空気より比重が小さく、比熱が大きいからである。この水素冷却発電機では、水素ガスを機内で密封加圧して循環させることにより、高効率の運転が可能となるので、大容量タービン発電機の多くにはこの方式が採用されている。このような水素冷却発電機では、軸受から機内の水素ガスが機外へ漏洩することを防ぐ軸封装置が端部に設けられている［（公知例１：特開平７−７５２９１号公報）および（公知例２：特開平１０−１４１５８号公報）を参照］。
以下、従来の軸封装置について図面を参照して説明する。２８は従来の水素冷却形回転電機の機内冷却水素を密封させる軸封装置９９の近傍の回転電機端部断面図である。１は筒状をなすステータフレームであり、その端部にステータフレーム端板２を介してエンドブラケット３が固定されている。エンドブラケット３にはベアリングブラケット４が固定され、ベアリングブラケット４の内側にはベアリング台座５、更にその内側に軸受装置（ベアリング）６が取付けられている。ベアリング６は回転軸（シャフト）７を回転可能に支持している。
ステータフレーム１、ステータフレーム端板２、エンドブラケット３等により包囲された機内の水素ガス８が、回転電機の運転により回転する回転軸７との隙間から漏洩しないように、軸封装置９９を構成するシールケーシング９およびシールリング１０を設けて、ここで封止する。また、軸封装置９９およびベアリング６に使用する潤滑油がもれないように機外側および機内側に夫々油切り１１、１２が設けられ、機内側油切り１２と軸封装置９９との間にシールキャビティ１３と呼ばれる空間が設けられている。
図２９は、軸封装置９９を構成するシールケーシング９およびシールリング１０の詳細を示した拡大図である。図２９において、シールリング１０は、軸方向に並置された２つのシールリング１０Ａとシールリング１０Ｂとからなり、また、それぞれの内径は、回転軸７の外径よりもわずかに大きく加工されている。
シールケーシング９側からは発電機冷却用水素ガス圧よりわずかに高い圧力でシール油１７が供給される。このシール油１７は、シールリング１０Ａ、１０Ｂ間の軸方向ギャップ１８を介して、シールリング１０Ａ、１０Ｂと回転軸７とにより形成される微小隙間１９に供給され、ここで油膜を作ることにより、機内の水素ガス８の機外漏洩を防止している。ここで、スプリング２０はシールリング１０Ａ、１０Ｂを押圧し、回転軸７とシールリング１０Ａ、１０Ｂとのあいだの周方向ギャップ１９を調整するものである。
図３０は、図２９の３０−３０矢視断面図であり、シールリング１０Ｂは回転軸である回転軸７に対して円周方向に半円弧をなすシールリング上半部１０Ｂａとシールリング下半部１０Ｂｂとからなる。シールリング１０Ａも同様である。
またスプリング２０は、シールケーシング９に設けられたネジ２０ａにより固定されている。スプリング２０は、シールリング１０Ａとシールリング１０Ｂとの間の合わせ目に沿って円環状に配置され、最適な押圧力をもって回転軸７との間に周方向ギャップ１９を形成する。この周方向ギャップ１９の調節により最適油量が供給され、周方向ギャップ１９はシール油１７で満たされ水素ガス８を機内に封じこめることができる。
周方向ギャップ１９から流れ出たシール油１７はシールキャビティ１３側と軸受装置側に流れ、シールキャビティ１３側に流れ出たシール油１７は単独で、また軸受装置側に流れ出たシール油１７は軸受装置６の潤滑油と一緒に回収され、夫々の油は回収後一緒になり、再度図３０３１に示すように加圧ポンプ５９で加圧し軸封装置と軸受装置に夫々送られる。しかし、周方向ギャップ１９から軸受装置６側に流れたシール油１７や軸受装置の潤滑油は、その周囲が空気中であることから油中に空気が混入した状態で加圧ポンプ５９に戻り、加圧後軸封装置に送られることから、周方向ギャップ１９からシールキャビティ１３側に流れ出たシール油１７に混入した空気の一部がシールキャビティ１３側に吐き出され、代わりにシールキャビティ１３内の機内冷却用水素ガス１３がシール油１７に混入し機外に搬出される。シールキャビティ１３内に吐き出された空気は油切り１２と回転軸７の隙間を介して機内の冷却用水素ガス８と入れ替わり結果として機内の冷却用水素ガス８の濃度が低下する。
これを回避するために通常の軸封装置では、加圧ポンプ５９に入る前にこれらの油を真空処理装置５８で真空処理し油の中に冷却用水素ガス８や空気等のガスが混入しない状態で、油を軸封装置や軸受装置６に供給する。
しかし、この真空処理装置５８は比較的高価であり、これら水素ガス等を冷却媒体とする回転電機のコストアップ要因の一つとなっていた。
なお、図３１において、以上の構成以外に、回転電機本体を収納するフレーム内に収納又は図示しない循環系で循環される水素ガスを抽出する水素抽出装置５５と、軸受装置６内の潤滑油内の空気を抽出する空気抽出装置５６と、空気の取除かれた潤滑油を真空処理装置５８及び軸受装置６に与えたりする潤滑油系統システム５７とを備えている。
以上述べた従来例の軸封装置以外に、非接触式のシール装置として次のように構成したものがある。これは例えば図２８に示すようにシールリング１０は、エンドブラケット２２に取付けられたシールケーシング９内に収納され、回転軸７との問に狭い間隙を形成するようにスプリング２０で支持されている。シールリング１０は、回転軸７の軸方向に２列に並設され、両者の隙間に外部から機内ガス圧より若干高い高圧油を供給し、この圧油が間隙を通過し図２９に示す矢印のごとき漏洩油を形成することによって機内ガスを密封している。このような構成ものでは、運転中に、シールリング１０、シールケーシング９および回転軸７等が複雑に熱変形するため、シール油量（パージ油量）が設計値を超過したり、過渡的（特に起動時）に予想以上に増大したりすることがある。また、変形によって局所的に油膜厚さが減少し、該部の摩擦力に起因した振動が発生することがある。近年、このような問題を解決すべくブラシ式接触シールの開発が進められており、ガスタービン、蒸気タービン用の気体シール、低差圧の液体用シールあるいは防塵用シールとして使用されつつある。しかし、タービン発電機の機内ガスシールのような、液体をシール媒体（パージ油）として用いた高差圧用液体シールとしては、十分なシール特性が得られていない上に、かなりの量のシール油が必要である。
従来以上述べた公知例以外に、次に述べるような公知例３（特開２００２−８１５５２号公報）と、公知例４（特開２００３−１６１１０８号公報）と、公知例５（特開２００２−３０３３７１号公報）と、公知例６（特開２００１−９０８４２号公報）とがある。
公知例３には、回転軸のごとき回転体が圧力隔壁を貫通する部分に設けられるブラシシール装置の改良で、次のように記載されている。すなわち、製造時或いは運用に入ってからの点検時に機器を分解し、内部の回転軸を取り出しやすくするため、ブラシシール装置として、「円周方向に分割された複数のブラシシールのセグメントを有する」構造が記載されているが、漏洩油等の圧力でブラシシールが倒れることが考えられる点の対策については何等記載されていない。
公知例４には、ラビリンスシールを有するターボ機械において、回転軸のシール性能を向上させる目的でラビリンスシールにブラシシールを併用するシール装置において、その取付け方法について着脱が容易なものや、誤取付けがないような構造について記載されているにすぎない。公知例４は、ラビリンスシールであり、ラビリンスシールはラビリンスシールを挟んで高圧側から低圧側への流体の漏れを少なくするシール機構であって、軸受を挟んで配置される油切りとは、異なる。基本的に油切りは油切りを挟んだ両側の流体圧力が同じで、流体の漏れ量を制限するものではない。また、油切りの目的は、ミスト状の油または液体の油が漏れるのを防止あるいは少なくするもので、ラビリンスシールとは異なる。
一方、公知例４には、ラビリンスシールの作用効果に関しては、ラビリンスシールの高圧側に設け、ブラシシールの低圧側に背板を設けることによりシール性能を向上させる、あるいはラビリンスシールの両側にブラシシールを取付けてシール性能を向上させると言う作用効果も書かれているが、油切りとは異なる。
公知例５には、オイルミスト（霧状の油の粒子）を軸受キャビティー内に封じ込めるものが記載されているが、軸受キャビティー内で発生したオイルミストを軸受キャビティー内に閉じ込める為に、軸受ハウジングの片側又は両側側面に取付けるものである。従って、公知例５はオイルミスト（霧状の油の粒子）を軸受キャビティー内に封じ込めるものに対し、一つは軸受の側面から噴出す液状の油（通常サイドリークと呼ばれる）と機内ガスを封じ込める油を使った軸封装置のシール油とを分離（接触させない）するものであり、もう一つは機内で使用する全ての油（シール油および軸受油）を外気（空気）と接触しないように遮断するもので、何れの場合も必ずしも軸受側面に設けるものではない。
公知例６には、ブラシを特殊なもの（極細の繊維を編んだもの）にすることにより流体の漏れを減少させること、金属ブラシと違い異状放電がない、金属ブラシやセラミックブラシのように破損しないなどが記載されているが、この特殊なブラシを用いたブラシシールを機械の内外圧力差がある機械に取付けたこととしており、基本的に圧力差をシールしないものとは明らかに異なる。

本発明の第１の目的は、機内冷却ガスとシール油の接触を防ぎ、シール油の真空処理を行うことなく機内冷却ガス濃度の低下を抑制することのできる軸封装置を備えた回転電機を提供することにある。
本発明の第２の目的は、起動から定常回転まで全ての運転条件において、少油量で足り且つ過渡的な油量変動が無く、更に振動安定性に優れた高耐圧ブラシ式接触シール装置を備えた回転電機を提供することにある。
本発明の第３の目的は、機内の冷却媒体の濃度を低下させることがなく、供給前にシール媒体の真空処理をする必要がなく、真空処理装置を必要としない安価な軸封装置を備えた回転電機の提供することを目的とする。
本発明は前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、
前記回転軸の外周面に接触するように配設される構成を含み前記冷却媒体と前記シール媒体と或いは前記シール媒体及び又は前記軸受装置内の潤滑媒体と外気が接触するのを防止するシール機構とを具備した回転電機である。
本発明は前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入或いは前記フレームの外側に流出するのを防ぐ油切りと、前記フレーム内であって前記軸受装置と前記フレーム内側の油切りとの間にシールキャビティを形成するように配設され、前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、前記回転軸の外周面に接触するように配設される構成を含み前記冷却媒体と前記シールキャビティ内の媒体又は前記冷却媒体と前記シール媒体と或いは前記シール媒体及び又は前記軸受装置内の潤滑媒体と外気が接触するのを防止するシール機構とを具備した回転電機である。
本発明は前記目的を達成するため、請求項９に対応する発明は、回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、前記フレーム内に冷却媒体を供給して前記回転電機本体を冷却する冷却媒体系と、前記フレーム内部又は及び前記フレーム外部でかつ前記回転軸の外周側を取り囲むと共に、所定の収納空間を形成するブラシホルダと、前記ブラシホルダ内であって前記回転軸の軸方向に沿って複数段を構成するように収納され、各段は前記回転軸に接触する円形リング状のブラシシールを備えると共に、各々反回転軸側に該ブラシシールを支持する支持部を備え、かつ各ブラシシールは軸方向に沿って半径方向に複数に分割され、隣接する各段のブラシシールの分割部の位置をずらすようにし、前記フレーム内の冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩しないようにするブラシシール機構本体と、前記ブラシホルダ内に前記ブラシシールが、前記冷却媒体と外部との圧力差によって、前記ブラシシールが軸方向に倒れるのを防止する倒れ防止部材とを具備した回転電機である。
本発明は前記目的を達成するため、請求項１５に対応する発明は、回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、前記軸受装置に潤滑媒体を循環させるための潤滑媒体循環系と、
前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入或いは前記フレームの外側に流出するのを防ぐ油切りと、前記フレーム内であって前記軸受装置より機内側に配設され、前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記シール媒体と前記潤滑媒体とが接触するのを防止するシール機構とを具備した回転電機である。
本発明は前記目的を達成するため、請求項１６に対応する発明は、回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、前記フレーム内であって前記軸受装置より機内側に対して、前記回転軸の外周面側にシール媒体を循環させて前記軸受装置に供給する潤滑媒体と分離するシール媒体循環系と、前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に接触するように配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入或いは前記フレームの外側に流出するのを防ぐ油切りと、前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記シール媒体と前記潤滑媒体とが接触するのを防止するシール機構とを具備した回転電機である。
本発明は前記目的を達成するため、請求項１８に対応する発明は、回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、前記軸受装置に潤滑媒体を循環させるための潤滑媒体循環系と、前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入および外側に流出するのを防ぐ油切りと、前記フレーム内であって前記軸受装置より機内側に配設され、前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、前記軸受装置の前記フレーム内側であって、前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記軸受装置の潤滑媒体と前記シール媒体が接触するのを防止するシール機構とを具備した回転電機である。
本発明は前記目的を達成するため、請求項１９に対応する発明は、１９．回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、前記軸受装置に潤滑媒体を循環させるための潤滑媒体循環系と、
前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入および外側に流出するのを防ぐ油切りと、前記軸受装置の前記フレーム外側であって、前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記軸受装置の潤滑媒体と前記シール媒体が接触するのを防止するシール機構とを具備した回転電機である。

図１は本発明の第１の実施例の軸封装置を備えた回転電機の端部を示す断面図。
図２は本発明の第２の実施例の回転電機の軸封装置を示す断面図。
図３は本発明の第３の実施例の軸封装置を備えた回転電機の端部を示す断面図。
図４は本発明の第４の実施例の回転電機の軸封装置を示す断面図。
図５は本発明の第５の実施例の回転電機の軸封装置を示す断面図。
図６は本発明の第６の実施例の回転電機の軸封装置を示す断面図。
図７は本発明に係る第７の実施例の概略構成を示す図。
図８Ａ，Ｂは、図７に示した第７の実施例におけるブラシの正面形状を示す図。
図９は本発明に係る第８の実施例におけるブラシの倒れ防止方法の説明図。
図１０は図９に示した第８の実施例におけるブラシの倒れ防止の他の方法を示す説明図。
図１１は本発明に係る第９の実施例におけるブラシ間の隙間を塞ぐ手段を示す説明図。
図１２は図１１に示した第９の実施例におけるブラシ間の隙間を塞ぐ他の手段を示す説明図。
図１３は本発明に係る第１０の実施例における回転軸とブラシを同心状態に維持するための手段を示す説明図。
図１４は図１３に示した第１０の実施例における回転軸とブラシを同心状態に維持する他の手段を示す説明図。
図１５は図１３および図１４に示した第１０の実施例における回転軸とブラシを同心状態にすべく外部から制御する方法を示す説明図。
図１６は図１３ないし図１５に示した第１０の実施例における回転軸とブラシを同心状態にすべく外部から制御する他の方法を示す説明図。
図１７は本発明に係る第１１の実施例を示すもので、ブラシ式接触シールをタービン発電機に適用する方法を示す構成を示す図。
図１８は図１７に示した第１１の実施例を示すもので、ブラシ式接触シール装置をタービン発電機に適用するときの構造を示す図。
図１９は図１７および図１８に示した第１１の実施例を示すもので、ブラシ式接触シール装置をタービン発電機に適用するときの構造を示す図。
図２０は本発明の第１２の実施例における軸封装置周辺の軸方向断面図。
図２１は本発明の第１２の実施例の変形例における軸封装置周辺の軸方向断面図。
図２２は本発明の第１３の実施例における軸封装置周辺の軸方向断面図。
図２３は本発明の第１３の実施例の変形例における軸封装置周辺の軸方向断面図。
図２４は本発明の第１３の実施例のもう一つの変形例における軸封装置周辺の軸方向断面図。
図２５は本発明の第１４の実施例における軸封装置周辺の軸方向断面図。
図２６は本発明の第１６の実施例における軸封装置周辺の軸方向断面図。
図２７は従来の軸封装置を備えた回転電機の端部を示す断面図。
図２８は従来の軸封装置の断面図。
図２９は図２８のシールケーシング部を拡大して示す断面図。
図３０は図２９の３０−３０線に沿って切断し矢印方向に見た断面図。
図３１は従来の回転電機の軸受装置及びシール媒体の配管系統図。

以下、本発明に係る軸封装置を備えた回転電機の実施例について、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す回転電機の軸封装置周辺の軸方向断面図であり、前述した従来の技術を示す図２８と異なるところは、機内側油切り１２のシールキャビティ１３側にシールブラシからなる潤滑材を必要としないシール機構であるブラシシール２１を設けている構造である。すなわち、本実施例においては、シールケーシング９に取付けられたシールリング１０と機内側油切り１２に取付けられたブラシシール２１によって軸封装置１００が構成される。
このように構成された第１の実施例の回転電機の軸封装置１００において、機内の冷却媒体である水素ガス８は、機内圧と回転軸７の攪拌作用などにより機内側油切り１２と回転軸７との隙間よりシールキャビティ１３へと進入しようとするが、基本的に回転軸７との間に隙間を有しないブラシシール２１が機内側油切り１２のシールキャビティ１３側に取付けてあるので、水素ガス８はシールキャビティ１３に進入することがない。
従って、シール油１７はシールキャビティ１３内へ進入するが、シール油１７と水素ガス８は接触することがないので、シール油１７内の混入気体（空気）による機内水素ガス８の濃度の低下がないので、シール油１７を真空処理する必要がなく、図３１に示す潤滑油供給系に真空処理装置５８を設ける必要がない。この場合、シールリングと回転軸７の間に空気が混じることがないようにシール媒体例えばシール油を供給（満たして）する必要がある。
なお、ブラシシール２１はその特性上潤滑材を必要としないことは言うまでもない。また、ブラシシール２１の代わりに内周面にホワイトメタルを有するシールリングとしてもよい。
次に、本発明の回転電機の軸封装置の第２の実施例を図２を用いて説明する。すなわち、従来と同じシールリング１０Ａ，１０Ｂを保持するシールケーシング９のシールキャビティ１３側にシール機構であるブラシシール２２を取り付けた構造である。
このように構成された第２の実施例の軸封装置１０１においては、シールキャビティ側のシールリング１０Ａ、ベアリング側のシールリング１０Ｂの軸方向ギャップ１８よりシールリング１０Ａとシールリング１０Ｂと回転軸７との夫々の微小隙間１９に流れ込み、夫々シールキャビティ側およびベアリング側へ夫々流れ出るが、シールキャビティ１３側にはブラシシール２２が設けられているので、シールキャビティ１３側へ流れ出たシール油１７はシールキャビティ１３に流れ出ることはない。
従って、機内側油切り１２と回転軸７の隙間よりシールキャビティ１３に進入した水素ガス８とシール油１７が接触することがないので、シール油１７に外部の空気が混入していたとしても、機内の冷却ガスである水素ガス８の濃度が低下することはなく、シール油１７を真空処理する必要がなく、従来の技術の図３１に示す潤滑油供給系に真空処理装置５８を設ける必要がない。
次に、本発明の回転電機の軸封装置の第３の実施例を図３を用いて説明する。本実施例においては、図２７の機内側油切り１２を設けずに、この部分に複数のシールブラシ２４をブラシシールホルダ２３により支持した、潤滑材を必要としないシール機構をエンドブラケット３に取付ける。ブラシシール２４は軸方向に多段（図３では３段）に設ける。このブラシシール２４と、シールケーシング９に取り付けられたシールリング１０によって軸封装置１０２が構成される。
このように構成された第３の実施例においては、機内の冷却ガスである水素ガス８はブラシシール２４によって阻止されてシールキャビティ１３に進入することがない。また、シールリング１０と回転軸７の隙間より流出したシール油１７は同じくブラシシール２４によって阻止されてシールキャビティ１３より機内側に出ることがない。従って、機内冷却水素ガス８とシール油１７とが接触することがないので、シール油１７の内部に空気が混入していても機内冷却用水素ガス８にシール油１７に混入していた空気が放出されることはなく、水素ガス濃度が低下することはない。従って、シール油１７の供給系統に真空処理装置を設けてシール油１７の真空処理を行う必要がないので、従来の回転電機の軸封装置に必要であった、図３１に示すシール油１７の供給系統の真空処理装置５８を必要としない。
次に、本発明の軸封装置を備えた回転電機の第４の実施例を説明する。本実施例は、図４に示すように、シールキャビティ側のシールリング１０Ｃとベアリング側のシールリング１０Ｂで構成されるシールリング１０のうち、シールリング１０Ｃの軸方向長さ（幅）をシールリング１０Ｂのの軸方向長さ（幅）より長くした構造である。
このように構成された第４の実施例の軸封装置１０３において、シール油１７はシールリング１０の軸方向ギャップ１８よりシールリング１０Ｃと回転軸７及びシールリング１０Ｂと回転軸７との間の夫々の徹小隙間１９に流れ込みシールキャビティ側およびベアリング側へ夫々流れ出る。
このとき、シールキャビティ側シールリング１０Ｃはベアリング側シールリング１０Ｂよりも軸方向長さが長いので、シール油１７が周方向ギャップ（微小隙間）１９を流れる際の流路抵抗がベアリング側シールリング１０Ｂ側よりも大きい。その結果、同じ周方向ギャップ１９でもシールキャビティ１３側へ流れ出るシール油（図中点線矢印で表記）はベアリング側へ流れ出るシール油１７よりも少なくなる。
こうして、キャビティ側シールリング１０Ｃとベアリング側シールリング１０Ｂの軸方向長さを調整することによって、シールキャビティ１３側に流れ出るシール油１７の量は極めて少なくなるので、シール油１７内に混入した空気がシールキャビティ１３内の水素ガス８に放出される量は極めて少なくなる。
第４の実施例では、シールキャビティ側シールリング１０Ｃの形状以外は従来の構成と同じであり、シールキャビティ１３は更に機内側にある機内側油切り１２により構成されており、機内側の冷却水素ガス８とシールキャビティ１３側の水素ガス８の循環量は機内側油切り１２の存在により少なくなるので、シール油１７に混入した空気が機内の冷却水素ガス８の濃度を低下させる度合は非常に小さい。
従って、図３１に示すシール油１７の供給系統に真空処理装置５８を設けてシール油１７の真空処理を行う必要がないので、従来の回転電機の軸封装置に必要であった、シール油１７の供給系統の真空処理装置５８を必要としない。
次に、本発明の軸封装置１０４を備えた回転電機の第５の実施例を説明する。本実施例は図５に示すように、シールキャビティ側のシールリングの代わりにブラシシール２５を設け、これとベアリング側のシールリング１０Ｂをシールケーシング９で保持した構成である。ブラシシール２５とシールリング１０Ｂの間には軸方向ギャップ１８が設けられ、外周はスプリング２０によって押えられている。ブラシシール２５の内周は回転軸７の外周面に接触しているが、シールリングの内周と回転軸７の外周の間には周方向ギャップ１９が設けられている。
このように構成された本実施例においては、シール油１７は軸方向ギャップ１８からベアリング側シールリング１０Ｂと回転軸７との間の周方向ギャップ１９を介してベアリング側にだけ流れ出る。また、機内側油切り１２と回転軸７とのあいだの隙間を介してシールキャビティ１３に進入した機内冷却用水素ガス８はシールリング２５が存在するため直接シール１７油に接触することはなく、シール油１７内の空気が水素ガス８中へ放出されることがないので、機内の水素ガス８の濃度が低下することはない。従って、図３０３１に示すシール油１７の供給系統に真空処理装置５８を設けてシール油１７の真空処理を行う必要がないので、従来の回転電機の軸封装置に必要であった、シール油１７の供給系統の真空処理装置５８を必要としない。また、ブラシシール２１Ａにより、シールキャビティ１３内には水素ガスが入ってこないので、真空処理装置５８が不要である。
次に、本発明の軸封装置１０５を備えた回転電機の第６の実施例を説明する。本実施例は図６に示すように、機内側油切り１２及び機外側油切り１１の代りに、ブラシシール２１Ａ及び２１Ｂを配置し、これらをエンドプラケット３及びベアリングブラケット４に取付けても同様に得られる。
第６の実施例によれば、油切り１１、１２を設けないので、構成部品が少なくてすみ安価となる。
図７は、本発明に係る第７の実施例の概略構成を示す図である。この図７に示すように、ブラシシール機構は、ブラシホルダ１５と、ブラシシール機構本体とからなっている。
ブラシホルダ１５は、回転電機フレーム内部又は及び回転電機フレーム外部でかつ回転軸７の外周側を取り囲むと共に、所定の収納空間を形成したものである。ブラシシール機構本体は、ブラシホルダ１５内であって回転軸７の軸方向に沿って複数段のブラシシール２１を構成するように収納され、各段のブラシシール２１は回転軸７に接触する円形リング状のブラシ２１ｂを備えると共に、各々反回転軸側に該ブラシシールを支持する基端支持部２１ａを備えたものである。各ブラシシール２１は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように軸方向に沿って半径方向に複数に分割され、隣接する各段の基端支持部２１ａの分割部２１ａｃ及びブラシ２１ｂの分割部２１ｂｃの位置をずらすようにし、フレーム内の冷却媒体がフレーム外部に漏洩しないように配置されている。図８（ａ）、（ｂ）は、図７に示した２つのブラシ２１をそれぞれを軸方向から見た形状を示したもので、何れも回転軸７を取り囲む円環状に形成される。そして、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、組立の関係で周方向に２分割（または３以上の数に分割）される。この場合、分割部に隙間が生ずるため、ここから図７に示すように多量の油漏洩１４が生じる可能性がある。
そこで、ブラシシール２１を回転軸の軸方向に沿って２段または数段にして設置し、且つブラシシール２１の分割部２１ａｃ及び２１ｂｃの位置を周方向にずらして、ブラシホルダ１５内に収納することにより、分割部から発生する油漏洩１４を減少させることができる。
ところが、ブラシシール２１は、図７に示したように、基端支持部２１ａに設けられたクランプ部の幅がブラシ２１ｂより大きいため、ブラシホルダ１５とブラシシール２１との間、およびブラシ２１ｂ相互間に隙間を生ずる。
このため、高圧部から低圧部に向かって油の圧力によるブラシシール２１の倒れ（曲がり）が生じ、回転軸７とブラシ２１ｂの先端との間に隙間が生じたり、適正な押付け代（回転軸内径−ブラシ内径）を維持したりすることができなくなったりする。
図９は、このような問題点に対処するためなされた本発明の第７の実施例を説明するための図である。ブラシホルダ１５の内側内周部に倒れ防止部材３５（ステップ）を設けて、ブラシシール２１の倒れを防止するようにしたものである。このように、ブラシシール２１を倒れ防止部材３５の作用によって挟み込むことにより、ブラシシール２１の倒れを防止して耐圧性に優れたシール性能を得ることができる。
図１０は、本発明の第８の実施例を説明するための図である。ブラシシール２１を挟み込む幅を任意に変えられるように、可動型の倒れ防止部材２６を設け、この倒れ防止部材２６の押出し量を調整ねじ２８で調整できるように構成したものである。このように構成することにより、適正な挟み込み幅を与えることができるようにしたものである。
数段からなるブラシシール２１は、図７に示すように、ブラシール２１相互間に隙間を有する。初段のブラシシール２１の分割部２１ａｃ、２１ｂｃから漏れた流体は、この隙間を通って回転軸の円周方向に流れ、次の段の分割部に達して漏れる可能性がある。
このようにして、最終段まで達した上で漏洩することが考えられる。図９及び図１０に示した実施例では、この隙間を小さくすることができるものの、図９及び図１０に示すように、なおもかなりの隙間が残ることが予測される。
図１１は、これを解決するためになされた本発明の第９の実施例を説明するための図であり、シール板９を複数のブラシシール２１相互間に、間隔部材２９を設けたもので、これによりブラシ２１相互間の隙間をほとんど無くして流体の漏れる管路を塞ぎ、漏れ量を低減することができる。
図１２は、本発明の第１０の実施例を説明するための図であり、図１１に示した間隔部材２９の代わりに回転軸に７に接触する小型ブラシ３０を設置したもので、図１１と同様の効果を得ることができる。ブラシシール２１および回転軸７は、運転中同心状態に維持される必要があるが、回転軸７の浮き上がりやホルダー１５の熱変形などによって同心状態が組立時と異なってくる。
図１３は、この対策として本発明の第１１の実施例を説明するための図であり、ホルダー支持ケーシング５１を設け、ケーシング５１の中にシール機構を収納し、さらに半径方向に動けるように円周上の数箇所をスプリング（ばね）４２で支持する。これにより、回転軸７が偏心した方向のブラシシール２１の反力により、シール機構は同心位置に戻される。
図１４は、本発明の第１２の実施例を説明するための図であり、図１３の機能を他の構造で実施したものである。すなわち、ブラシシール２１の外周面に支持板３４を取付け、この支持板３４とブラシホルダ１５との間にばね３３を設けて支持する。尚、ブラシホルダ１５と支持板３４の摺動ずる面にはパッキン５３を設け、摺動面からの漏れを防止するようになっている。
図１５は、本発明の第１３の実施例を説明するための図であり、図１４のばね３３の代わりにベローズ５０を設け、このベローズ５０内に高圧流体３７を給排するための配管３６、回転軸７とブラシ２１との相対位置を検出するためのギャップセンサ３８を設け、外部から同心状態を制御できるようにしたものである。
ブラシホルダ１５に取付けられたギャップセンサ３８によって、回転軸７およびブラシホルダ１５の偏心状態を測定し、この偏心量をキャンセルするように偏心した方のベローズ５０内の圧力を下げるか、または逆側のベローズ５０内の圧力を上げるように高圧流体３７を給排し、ベローズ５０の長さを調整する。
ここで、ギャップセンサ３８およびベローズ５０は、少なくとも円周上に９０度ピッチで４個設置することにより、どの方向に偏心しても対応できるようにする。
図１６は、本発明の第１４の実施例を説明するための図であり、図１５のベローズ５０の代わりに圧電素子３９を設置し、その長さを圧電素子３９に印加する電圧を変えることで制御するようにしたものであり、図１５と同様の機能を有するものである。
図１７および図１８は、ブラシ式接触シール装置をタービン発電機に用いた本発明の第１５の実施例を示している。この接触式シール装置は、ベアリングブラケット４の内周に取付けられたシール取付け座４４の機外側および機内側に接触シール４０および４１として設け、両接触シール４０、４１間にシール油１７を供給して機内の冷却水素ガス８を密封するものである。
このような第１５の実施例すなわち接触式シール装置を適用することによって、従来のフローティングシール形式で発生した過渡的なシール油量の増大や摩擦力に起因したラビング振動を低減することが可能である。
図１９は、本発明の第１６の実施例を説明するための図であり、図１７に示したエンドブラケット３の内周縁に設けられているシール取付座４４に、図１５で示すように機内側および機外側の双方にブラシ式接触シール４０Ａ、４１Ａを設けた構成を示すものである。これ以外の構成として、ギャップセンサ３８Ａ、３８Ｂ、ベローズ５０Ａ、５０Ｂ、ギャップセンサ３８Ａ、３８Ｂ、パッキン２７Ａ、２７Ｂを備えていることは言うまでもない。この場合も、図１５と同様な効果が得られる。
図２０は、本発明の第１７の実施例を説明するための回転電機の軸封装置周辺の軸方向断面図である。従来の技術を示す図２７と異なるところは、従来のエンドブラケット３に取付けられているシールケーシング９のベアリング６と対向する側面に、ブラシシールからなるシール機構３１を取付、回転軸の外周面にブラシシールが接触するように設けられている。これ以外の構成要素は、図２７と同一であり、軸封装置（シールケーシング９と、シールリング１０からなるもの）としての基本的な作用もまったく同じである。
このように構成された図２０の実施例において、従来の軸封装置を構成するシールリング１０と回転軸７との隙間に供給されたシール油１７と軸受装置（ベアリングブラケット４と、ベアリング台座５と、ベアリング６からなるもの）に供給された潤滑油は、従来の軸封装置のシールケーシング９の軸受装置側に取り付けられた、ブラシシール３１によって、従来の軸封装置のシールリング９と回転軸７の間に供給されるシール油１７と軸受装置に供給される潤滑油が混合することを防ぎ、夫々の油は夫々別々の循環系により循環されるので、夫々の油が混合することはない。従って、潤滑油に混入した空気がブラシシール３１を越えて従来の軸封装置の機内側で放出されることはなく、またシール油１７に混入した機内冷却用水素ガス８がブラシシール３１を越えて軸受装置側に放出されることはないので、シール油１７内の混入気体による機内水素ガス８の濃度の低下がないので、従来の技術のようにシール油１７を真空処理する必要がなく、潤滑油供給系に真空処理装置５８を設ける必要がない。なお、ブラシシール３１はその特性上潤滑剤を必要としないことは言うまでもない。
図２１は、図２０の変形例を説明するための図であり、図２０に示すブラシシール３１を、軸封装置のシールケーシング９の側面に取り付けず、ベアリング６の側面であってシールケーシング９の側面に取付けたものである。図２１の場合も図２０と同一の作用効果が得られる。
は言うまでもない。
次に、本発明に係る軸封装置を備えた回転電機の第１８の実施例について図２２、図２３、図２４、図２５を用いて説明する。図２２は本発明の第１８の実施例を示す回転電機の軸封装置周辺の軸方向断面図であり、従来の技術を示す図２７と異なるところは、ベアリング６の側面であって、機外側油切り１１と対向する側面に取付けたものである。これ以外の構成要素は、図２７と同一であり、軸封装置１０７としての基本的な作用も従来技術とまったく同じである。
このように構成された第１８の実施形態において、軸受装置のベアリング６の軸端側側面にブラシシール３１を設けることによって、従来の軸封装置に供給されるシール油１７と軸受装置に供給される潤滑油は、外気と接触することがなく、これらの油に空気が混入することはなく、機内側で接触する冷却用水素ガス８が混入するだけであり、機内の冷却水素ガス８中へこれらの油から空気が放出されることはない。従って、機内冷却用水素ガス８の濃度が低下することはなく、シール油１７を真空処理する必要がなく、図３０に示す潤滑油供給系に真空処理装置５８を設ける必要がない。
図２３は、ブラシシール３１をベアリング６の軸端側側面に設ける代りに、機外側油切り１１の機内側側面に設けた例である。図２３のように機外側油切り１１の機内側に設けることで、ベアリング６の軸端側側面にも潤滑油が潤滑され、軸受装置の冷却性能が低下しない。
図２４は、ブラシシール３１をベアリング６の軸端側側面に設ける代りに、機外側油切り１１の軸端側に設けた例である。図２４のようにブラシシール３１を外側油切り１１の軸端側に設けた場合には、ブラシシール３１の取り付けが容易で、既設の機械に対しても適応することが可能である。
図２５は、機外側油切り１１の代りに、ブラシシールホルダ２３をベアリングブラケット４の側面であって軸端側に取り付け、ブラシシールホルダ２３にブラシシール３１を設けた例である。図２５のように機外側油切り１１の代りにブラシシール３１を取り付ける構成では、構成部品が少なくてすみ安価となる。
次に、本発明に係る軸封装置１０８を備えた回転電機の第１９の実施例について、図２６を参照して説明する。図２６は回転電機の軸封装置の周辺の軸方向断面図を示している。
従来の技術を示す図２７と異なるところは、機外側油切り１１をベアリングブラケット４に設けず、この代りにブラシシール３１を内蔵したブラシシールホルダ２３をベアリングブラケット４に取り付け、且つ従来の軸封装置である、シールリング９を取り付けない構造となっている。これ以外の構成要素は、図２７と同一である。
このように構成された第１９の実施形態において、ベアリング６を潤滑する潤滑油と機内冷却用水素ガス８は、機外側に漏れないように新に軸端部に設けられた、基本的に回転軸７との半径方向隙間がゼロであるブラシシール３１によってシールされるので、潤滑油が機外の空気に接触することや機内の冷却水素ガス１３が機外にもれることはない。従って、潤滑油が循環装置を経て再びベアリング６に供給され機内側に流れ出た場合でも潤滑油から機内冷却用水素ガス８中へ空気が放出され、機内冷却用水素ガス８の濃度を低下させることがないので、図２９で示した潤滑油の供給系統に真空処理装置５８を設けて潤滑油の真空処理を行う必要がないので、従来の回転電機の軸封装置に必要であった、油の供給系統の真空処理装置５８を必要としない。
本発明は、前述した実施例に限定されず、種々変形して実施できる。例えば、前述したブラシシール２１、２１Ａ、２１Ｂ、３１は、いずれも難燃性の素材で構成する。このようにすることにより、水素ガス８が万一漏れて着火した場合でも、シール部が燃えることにより欠損し水素ガス８の漏れ量が増大することはなく最小限の漏れ量に留めることが可能となり、機内冷却ガスに水素ガス８を使った回転電機の安全性が向上する。

本発明は、冷却媒体を連続掃気する回転電機、軸受潤滑剤とこれをシール媒体をそれぞれ別々に循環する潤滑系統を有する発電機、冷却媒体により回転電機本体を冷却する回転電機のいずれにも適用できる。

Claims (20)

1. 回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、
   前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、
   前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、
   前記回転軸の外周面に接触するように配設される構成を含み前記冷却媒体と前記シール媒体と或いは前記シール媒体及び又は前記軸受装置内の潤滑媒体と外気が接触するのを防止するシール機構と、
   を具備した回転電機。
2. 回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、
   前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、
   前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入或いは前記フレームの外側に流出するのを防ぐ油切りと、
   前記フレーム内であって前記軸受装置と前記フレーム内側の油切りとの間にシールキャビティを形成するように配設され、前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、
   前記回転軸の外周面に接触するように配設される構成を含み前記冷却媒体と前記シールキャビティ内の媒体又は前記冷却媒体と前記シール媒体と或いは前記シール媒体及び又は前記軸受装置内の潤滑媒体と外気が接触するのを防止するシール機構と、
   を具備した回転電機。
3. 前記シール機構は、前記油切り、前記シールリング装置、前記軸受装置のいずれに取付けた請求項１又は２記載の回転電機。
4. 前記シール機構は、前記油切りに代えて設けた請求項１又は２記載の回転電機。
5. 前記シール機構は、前記回転軸の外周面に接触するブラシ及びこのブラシを支持するブラシホルダからなる請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機。
6. 前記シール機構は、前記回転軸の外周面に接触するホワイトメタルからなる請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機。
7. 前記シールリング装置は、シールリングが前記回転軸の軸方向に対して直交する方向で複数に分割され、このシールリングのうち前記フレーム内側のシールリングを前記回転軸と接触するブラシを含むシールとした請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機。
8. 前記シールリング装置は、軸方向に複数のシールリングで構成され、このうち前記フレームの内側が前記フレームの外側に比べて、軸方向長さが長くなるように構成した請求項１〜７のいずれかに記載の回転電機。
9. 回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、
   前記フレーム内に冷却媒体を供給して前記回転電機本体を冷却する冷却媒体系と、
   前記フレーム内部又は及び前記フレーム外部でかつ前記回転軸の外周側を取り囲むと共に、所定の収納空間を形成するブラシホルダと、
   前記ブラシホルダ内であって前記回転軸の軸方向に沿って複数段を構成するように収納され、各段は前記回転軸に接触する円形リング状のブラシシールを備えると共に、各々反回転軸側に該ブラシシールを支持する支持部を備え、かつ各ブラシシールは軸方向に沿って半径方向に複数に分割され、隣接する各段のブラシシールの分割部の位置をずらすようにし、前記フレーム内の冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩しないようにするブラシシール機構本体と、
   前記ブラシホルダ内に前記ブラシシールが、前記冷却媒体と外部との圧力差によって、前記ブラシシールが軸方向に倒れるのを防止する倒れ防止部材と、
   を具備した回転電機。
10. 前記倒れ防止部材の半径方向の設置位置を調整可能な調整機構を、更に具備した請求項９記載の回転電機。
11. 前記ブラシホルダ内であって前記ブラシシール相互間に、間隔部材を更に具備した請求項９又は１０に記載の回転電機。
12. 前記フレーム内に、前記ブラシホルダを、前記回転軸の円周方向周りに調心するための機構を更に設けた請求項９〜１１のいずれかに記載の回転電機。
13. 前記ブラシホルダと前記ブラシとの問および前記ブラシホルダと前記回転軸との間の隙間を測定するギャップセンサを設け、このギャップセンサの出力によって前記自動調心するための機構の変位量を自動調整するために利用するようにした請求項９〜１１のいずれかに記載の回転電機。
14. 前記ブラシホルダと、前記ブラシシール機構本体からなるブラシ式接触シール装置を、前記回転軸の軸方向に沿って少なくとも２箇所に設け、前記ブラシ式接触シール装置の相互間にパージ油を供給するようにした請求項９〜１３のいずれかに記載の回転電機。
15. 回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、
    前記軸受装置に潤滑媒体を循環させるための潤滑媒体循環系と、
    前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、
    前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入或いは前記フレームの外側に流出するのを防ぐ油切りと、
    前記フレーム内であって前記軸受装置より機内側に配設され、前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、
    前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記シール媒体と前記潤滑媒体とが接触するのを防止するシール機構と、
    を具備した回転電機。
16. 回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、
    前記フレーム内であって前記軸受装置より機内側に対して、前記回転軸の外周面側にシール媒体を循環させて前記軸受装置に供給する潤滑媒体と分離するシール媒体循環系と、
    前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に接触するように配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入或いは前記フレームの外側に流出するのを防ぐ油切りと、
    前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記シール媒体と前記潤滑媒体とが接触するのを防止するシール機構と、
    を具備した回転電機。
17. 前記シール機構は、前記シーリング装置、前記軸受装置、前記油切りのいずれかに取付けた請求項１５又は１６に記載の回転電機。
18. 回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、
    前記軸受装置に潤滑媒体を循環させるための潤滑媒体循環系と、
    前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、
    前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入および外側に流出するのを防ぐ油切りと、
    前記フレーム内であって前記軸受装置より機内側に配設され、前記回転軸の外周面側にシール媒体を供給する構成を含み前記冷却媒体が前記フレーム外部に漏洩するのを防止するシーリング装置と、
    前記軸受装置の前記フレーム内側であって、前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記軸受装置の潤滑媒体と前記シール媒体が接触するのを防止するシール機構と、
    を具備した回転電機。
19. 回転電機本体を収納するフレーム内にその回転子に有する回転軸が回転可能に支持された軸受装置と、
    前記軸受装置に潤滑媒体を循環させるための潤滑媒体循環系と、
    前記フレーム内に冷却媒体を循環して前記回転電機本体を冷却するための冷却媒体循環系と、
    前記軸受装置の前記フレーム内側及び又は外側における前記回転軸の外周面に配設され、前記軸受装置に供給される潤滑剤が前記フレーム内側に流入および外側に流出するのを防ぐ油切りと、
    前記軸受装置の前記フレーム外側であって、前記回転軸の外周面に接触するようにブラシシールからなる構成を含み前記軸受装置の潤滑媒体と前記シール媒体が接触するのを防止するシール機構と、
    を具備した回転電機。
20. 前記ブラシシールの材質は、難燃性の材料で構成した請求項１〜１９のいずれかに記載の回転電機。

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