JPH07293708A - 水力機械の端面型軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ポンプ水車、又は調相運転が行われる水車など
の水力機械の端面型軸封装置において、密封流体が空気
となるポンプ水車の揚水起動時に発生しやすい、密封面
の発熱によるシールリングの破損を防止する。 【構成】ポンプ水車の回転軸１に周設しているフランジ
の上面に間接的に載設されるシールリング３と、ブラケ
ット８に間接的に固設されるシールリング６とにより形
成される密封面を有する端面型軸封装置において、パッ
キンボックス１１の上側密封部を形成する、パッキンボ
ックスカバー７を貫通して少なくとも１個の排気孔１
５、排気孔１５と連結する排気管１６、及び排気管１６
に付設した自動弁１７を設け、揚水運転開始時に自動弁
１７を開いてパッキンボックス１１内の空気を排出し、
空気の排出完了時に自動弁１７を閉じる構成にしてあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水力機械の端面型軸封
装置に係り、特にポンプ水車、又は調相運転が行われる
水車などの水力機械の端面型軸封装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】水力機械の端面型軸封装置については、
従来から種々のものが開発されている。本発明で特に対
象とする水力機械は、ポンプ水車、又は調相運転が行わ
れる水車であるが、これに関連する技術は、特開昭６３
−１７０５６６号公報に開示されている。ここでは、こ
の公知例を用い、図４により、従来の水力機械の端面型
軸封装置について説明する。図４は、従来の水力機械の
端面型軸封装置の略解図である。

【０００３】回転軸１に周設されたフランジにはシール
ライナ２が固着され、シールライナ２にはシールリング
３が載設されている。なお、シールライナ２へのシール
リング３の固定は、シールライナ２とシールリング３と
の隙間に接着剤を充填することによって行われている。

【０００４】回転軸１の周囲には、ケーシング４が設け
られ、ケーシング４の上面にはパッキンボックスカバー
７の下面の外周側が固着され、パッキンボックスカバー
７の内周面には、パッキン１０を介して外周面上側が向
き合う形でブラケット８が設けられている。

【０００５】ブラケット８にはシールライナ５が固着さ
れ、シールライナ５にはシールリング６が固設されてい
る。なお、シールライナ５へのシールリング６の固定に
は、上述のシールライナ２にシールリング３を固着する
場合と同様な方法が用いられている。

【０００６】シールリング６は、パッキンボックスカバ
ー７とブラケット８との間に設けられたバネ９によっ
て、一定の力で下方に押圧されている。このため、シー
ルリング３の上面がシールリング６の下面によって押し
付けられるので、シールリング６の下面とシールリング
３の上面とが緊密に接触し、いわゆる密封面が形成され
ている。

【０００７】上述のように、パッキンボックスカバー７
の内周面とブラケット８の外周面上側との隙間部には、
パッキン１０が取り付けられてあり、また、フランジの
下方にも密封面を形成させることによって、ケーシング
４の内側にはパッキンボックス１１が形成されている。

【０００８】また、密封面に給水するための給水孔１２
が、シールリング６、シールライナ５、及びブラケット
８の下部を貫通して設けられてあり、給水孔１２は給水
管１４に連結され、給水管１４の端部に給水ポンプ１３
が接続されている。

【０００９】水力機械の端面型軸封装置では、このよう
にして密封面が形成され、水の漏れが防止されている。
特に、土砂の含有量の多い河川水、及び金属を腐食しや
すい海水が使用される水力機械の場合は、シールリング
３及びシールリング６に、耐摩耗性及び耐食性に優れた
セラミックス材が用いられている。

【００１０】ポンプ水車は、水車運転からポンプ運転へ
の移行時、水車用として回転していた回転軸１は一旦停
止され、その後、回転軸１はポンプ用として逆方向に回
転される。この場合は、回転軸１に固着したランナを囲
むケーシング内に空気を注入し、電動機入力を少なくし
ている。一方、調相運転が行われる水車の場合は、調相
運転時、上述の場合と同様に空気を注入して電動機入力
を少なくしている。すなわち、このような運転時には、
パッキンボックス１１内にも空気が充満している。

【００１１】そして、ポンプ運転の場合では、回転速度
が定格に達したとき、注入した空気が排出され、揚水運
転が開始される。水車の調相運転の場合も、回転速度が
定格に達したとき、注入した空気が排出される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の端面型
軸封装置では、パッキンボックス１１内における密封面
よりも上側の空気は、空気の排出後もそのまま残るた
め、残った空気が水面の動揺により密封面を通過するこ
とがある。この場合、密封面を構成する、セラミックス
からなる一対のシールリングは、乾燥摩擦により発熱す
る。また、空気が排出されたパッキンボックス内に流入
した水が、密封面に流れ込むとき、シールリングは、急
激に冷却されるので、熱衝撃により破損する欠点があ
る。

【００１３】また、従来では、密封面が満足に形成され
ないことがあるので、それについて、図５を用いて説明
する。図５は密封面の圧力分布の説明図であり、Ｐｏは
密封圧、Ｐｉは給水圧、Ｐａは大気圧を、それぞれ示し
ている。

【００１４】従来の端面型軸封装置では給水圧Ｐｉが一
定であるため、種々の落差で使用される水力機械のよう
に、密封圧Ｐｏが落差によって大きく変化する場合、給
水圧Ｐｉを高落差側に設定したときは、ポンプ水車の揚
水起動時、又は水車の調相運転時若しくは低落差運転時
には、図３に示すように密封圧Ｐｏは小さくなる。すな
わち、この場合は、密封圧Ｐｏに比べて給水圧Ｐｉが大
きくなるので、密封面を形成する一対のシールリング
は、上下方向に引き離され、密封面が形成されず、漏水
量が増加する欠点がある。

【００１５】一方、給水圧Ｐｉを低落差側に設定した場
合は、高落差運転時には給水圧Ｐｉに比べて密封圧Ｐｏ
が大きくなるので、密封面の圧力分布は設定値より高く
なり、このため、シールリングが発熱により焼損する欠
点がある。

【００１６】また、従来の高落差の水力機械の端面型軸
封装置の場合、密封面への給水は給水ポンプにより行わ
れている。したがって、給水ポンプが電源の遮断等によ
り停止した場合には、密封面への給水が断たれるため、
シールリングは焼損する危険性がある。

【００１７】特に、従来のシールリングはセラミックス
製であるので、破損しやすく、破損したときには大量の
漏水が生じ、水力プラントが水没する可能性がある。

【００１８】本発明の目的は、ポンプ水車の揚水起動
時、又は水車の調相運転時において、密封面の発熱によ
るシールリングの破損を防止し、信頼性の高い、ポンプ
水車、又は調相運転が行われる水車の端面型軸封装置を
提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題は、次のように
して達成することができる。

【００２０】（１）ポンプ水車、又は調相運転が行われ
る水車などの水力機械における回転軸に周設したフラン
ジ、フランジに固着した下側シールライナ、下側シール
ライナに載設した、セラミックス製の下側シールリン
グ、回転軸を囲むケーシング、ケーシングの上面に下面
の一部を固着したパッキンボックスカバー、パッキンボ
ックスカバーの内周面にパッキンを介して外周面上側が
向き合うブラケット、ブラケットの下面に上面を固着し
た上側シールライナ、及び上側シールライナの下部に固
設した、セラミックス製の上側シールリングを有し、下
側シールリングの上面が上側シールリングの下面を押圧
して密封面が得られ、ケーシングの内側に空気及び水の
少なくともいずれかを密封するパッキンボックスが形成
される水力機械の端面型軸封装置において、パッキンボ
ックスの上部密封部を形成するパッキンボックスカバー
を貫通する少なくとも１個の排気孔、排気孔に接続する
排気管、及び排気管に付設される弁を設けていること。

【００２１】（２）（１）において、密封面を構成す
る、下側シーリング及び上側シーリングの少なくともい
ずれかの面の周方向に連通若しくは断続して、少なくと
も１個の円弧、又は円弧と直線とを組合わせた形状の周
方向溝、及び周方向溝に給水する給水孔と、給水孔に連
結する給水管と、給水管に接続する給水ポンプとをもつ
給水系統を有し、パッキンボックスの内部の水圧力を検
出し、水圧力の昇降に連動して給水の圧力を調節する手
段を備えていること。

【００２２】（３）（２）において、周方向溝の幅の中
心を、密封面における半径方向の幅の中点よりもパッキ
ンボックスの側に近接させていること。

【００２３】（４）（２）又は（３）において、密封面
を構成する、下側シーリング及び上側シーリングの少な
くともいずれかの面に、周方向溝とパッキンボックスと
を連通する半径方向溝を設けていること。

【００２４】（５）（２）において、給水系統における
給水の圧力の最高値と同一、又は最高値よりも高い値の
給水の圧力を有し、給水系統の断水時に稼働する非常用
給水系統を併設していること。

【００２５】（６）（１）において、端面型軸封装置の
下側又は上側に、半径方向にシールを押しつけて封水す
る円筒型軸封装置を併設していること。

【００２６】

【作用】本発明では、パッキンボックスの上部密封部を
形成するパッキンボックスカバーを貫通する少なくとも
１個の排気孔、排気孔に接続する排気管、及び排気管に
付設される弁を設けてあり、ポンプ水車における揚水起
動時と同時若しくはその前後に、又は水車の調相運転に
おける発電運転開始時と同時若しくはその前後に、弁を
開いてパッキンボックス内の空気を排出し、空気の排出
完了時に弁を閉じるようにしている。

【００２７】したがって、パッキンボックス内の空気の
排出時において、空気はすべて排出されるので、空気が
密封面に流れ込むことによる、シールリングの発熱を回
避することができる。

【００２８】また、密封面を構成する、下側シーリング
及び上側シーリングの少なくともいずれかの面の周方向
に連通若しくは断続して、少なくとも１個の円弧、又は
円弧と直線とを組合わせた形状の周方向溝、及び周方向
溝に給水する給水孔と、給水孔に連結する給水管と、給
水管に接続する給水ポンプとをもつ給水系統を有し、パ
ッキンボックス内の水圧力を検出し、水圧力の昇降に連
動して給水の圧力を調節する手段を備えている。したが
って、密封面の圧力分布を常に一定に保持することがで
きる。

【００２９】また、密封面の圧力分布では、高い圧力部
分がパッキンボックス側に偏る傾向にあるので、本発明
では、周方向溝の幅の中心を、密封面における半径方向
の幅の中点よりもパッキンボックス側に近接させてあ
る。したがって、密封面における圧力分布のうち、高い
圧力部分に給水圧の中央部分が一致する形となり、密封
面の密封精度を向上させることができる。なお、密封面
における反パッキンボックス側の低い圧力部分のシール
リングを排除しても、密封面の密封精度の保持について
大きな影響を及ぼさない。したがって、その部分を排除
して、シーリング製作上の経済的効果を向上させること
ができる。

【００３０】また、密封面を構成する、下側シーリング
及び上側シーリングの少なくともいずれかの面に、周方
向溝とパッキンボックスとを連通する半径方向溝を設け
ているので、給水ポンプによる密封面への給水が、万一
断たれた場合でも、パッキンボックスから半径方向溝を
通して密封面に給水することができる。したがって、シ
ーリングの焼損を回避することができる。

【００３１】また、給水系統における給水圧の最高値と
同一、又は最高値よりも高い値の給水圧を有し、給水系
統の断水時に稼働する非常用給水系統を併設しているの
で、通常運転用給水系統の電源が遮断された場合でも、
密封面に給水を続けることができる。

【００３２】更に、端面型軸封装置の下側又は上側に、
半径方向にシールを押しつけて封水する円筒型軸封装置
を併設しているので、端面型軸封装置が破損しても、漏
水量の増大を防止することができる。

【００３３】

【実施例】本発明の一実施例を、図１及び図２を用いて
説明する。図１は本実施例のポンプ水車の端面型軸封装
置の略解図、図２は本実施例の要部縦断面図である。す
なわち、本発明で対象とする水力機械としては、特にポ
ンプ水車と調相運転が行われる水車とがあげられるが、
本実施例では、ポンプ水車を実施の対象とした。

【００３４】図１及び図２において、本実施例の従来例
（図４）と比較して異なる点をあげると、次のとおりで
ある。

【００３５】（１）パッキンボックスカバー７に排気孔
１５を穿設し、排気孔１５に排気管１６を連結し、更に
排気管１６に自動弁１７を付設した。

【００３６】（２）従来設置してある給水管１４を延長
して、途中に可変絞り２１を付設し、その延長先で給水
管１４を分岐し、一方には端部に従来の給水ポンプ１３
を設置するが、他方は自動弁１９及び絞り２０を介し
て、端部を水源１８に接続させた。

【００３７】（３）給水管１４の水圧を検出する圧力計
２２と、パッキンボックス１１内の水圧を検出する圧力
計２３とを設置した。なお、圧力計２２と圧力計２３と
を用いて、給水圧を制御するが、その方法については後
述する。

【００３８】（４）密封面を形成する一対のシールリン
グのうち、シールリング６に、溝幅の中心を密封面にお
ける半径方向の幅の中点よりもパッキンボックス１１の
側に近接させて、周方向溝２４を設けた。

【００３９】（５）周方向溝２４とパッキンボックス１
１とを連通する半径方向溝２５を設けた。

【００４０】ポンプ水車における揚水起動時、パッキン
ボックス１１内の水は空気に置換され、パッキンボック
ス１１内は空気で充満される。これが、揚水起動運転か
ら揚水運転に移行した場合、パッキンボックス１１内に
水が流入することになる。

【００４１】このような場合、本実施例では、排気管１
６の自動弁１７を開いて、パッキンボックス１１内の空
気を排出した後、自動弁１７を閉じるようにしている。

【００４２】この操作により、シールリング３とシール
リング６とにより形成されている密封面への空気の浸入
がなくなる。すなわち、密封面は、パッキンボックス１
１内に浸入してきた水によりブラケット８が下方に押し
つけられ、この押し付け力により、シールリング６がシ
ールリング３を押圧して形成されるものであるが、密封
面への空気の浸入を防止できるので、シールリング３と
シールリング６のいずれも焼損の危険性を回避すること
が可能となった。

【００４３】また、密封面と給水ポンプ１３とを連通す
る給水管１４を用いて、密封面への給水を行うことは従
来通りであるが、この方法に対して、本実施例では、更
に、ケーシング４に密封面とほぼ同じ高さに圧力計２３
を付設するとともに、給水管１４には圧力計２２と可変
絞り２１とを付設している。

【００４４】そして、圧力計２３によりパッキンボック
ス１１内の水圧を検出することにより、ポンプ水車の運
転時における密封面の圧力分布を推定している。また、
給水圧は圧力計２２により検出している。すなわち、こ
れらの水圧の検出によって、給水圧が密封面の圧力分布
の最高圧よりも若干高くなるように、可変絞り２１の開
度を調整し、密封面の圧力分布を一定に保持することが
可能となった。したがって、密封面からの漏水を防止す
ることができ、また、密封面の焼損の危険性を確実に回
避することが可能となった。

【００４５】また、本実施例では、シールリング６に
は、周方向に連続して周方向溝２４を設けている。これ
によって、密封面への給水を確実にしている。

【００４６】また、密封面における高い圧力部分は、パ
ッキンボックス１１側に偏る傾向にあるが、本実施例で
は、図２に示すように、周方向溝２４の幅の中心をシー
ルリング６の幅の中点よりパッキンボックス１１側に近
接して設けている。したがって、密封面の圧力分布にお
ける高い圧力部分に給水圧の中央部分を対応させること
が可能となり、密封精度を向上させることができた。更
に、シールリングにおける低い圧力を示す部分を削除す
ることにより、シールリングの幅を小さくすることがで
き、端面型軸封装置を安価に提供することが可能となっ
た。

【００４７】また、本実施例では、図２に示すように、
密封面に設けられた周方向溝２４とパッキンボックス１
１内とを連通する半径方向溝２５を設けている。したが
って、給水が断水した場合でも、パッキンボックス１１
内の水を、半径方向溝２５を通して密封面に流入できる
ので、シールリングの焼損を防止することが可能となっ
た。

【００４８】また、給水管１４には、電源の遮断時に開
く自動弁１９を付設してあり、電源の遮断時には自動弁
１９を開いて、水源１８から取水した水を、絞り２０を
介して給水管１４に流し込む非常用給水系統を設けてい
る。ここで、非常用給水系統の水源１８の水は、端面型
軸封装置の密封圧よりも常時高い圧力を有する水圧鉄
管、又はポンプ水車における水力発電所の設備から取水
している。すなわち、電源遮断、又は給水ポンプ１３の
故障などの非常時には自動弁１９が開き、密封面への給
水ができるので、給水ポンプ１３による取水が不可能な
場合でも、シールリングの焼損を防止することが可能と
なった。

【００４９】図３は、密封面への給水系統のブロック線
図である。密封面への給水には、上述のように、水源と
給水ポンプとの２系統の給水源がある。通常は、給水ポ
ンプ用の電源スイッチを閉じることにより、給水ポンプ
から圧力水をが吐き出させている。

【００５０】前述の自動弁１９（図１参照）には、図３
における電源センサー、比較器及び選択器の各機能が付
加されている。上述のように、通常は、給水ポンプを用
いて給水するが、給水ポンプ用の電源の故障などによ
り、給水ポンプが稼働しない場合は、給水源を水源に切
り換えるようにしている。

【００５１】圧力計２３（図１参照）と圧力計２２（図
１参照）との各圧力センサーの信号は、計算器に取り込
まれている。計算器は、２個の圧力センサーの信号の差
を計算し、その差に相応する最適な給水量となるように
可変絞り２１（図１参照）を作動させ、密封面の圧力分
布が適切で、かつ一定であるように制御している。

【００５２】本発明の他の実施例について説明する。本
実施例は、上述の実施例における端面型軸封装置の下方
に、パッキンケースカバーに支えられたカーボン材のセ
グメントシールと樹脂材のセグメントシールとを、輪環
状バネにより回転軸に押し付けて封水する、通常の円筒
型軸封装置を設けた場合である（図示省略）。

【００５３】このように、円筒型軸封装置を併設するこ
とにより、万一、上述の実施例における端面型軸封装置
が破損し、漏水が増加した場合でも、封水が可能とな
り、漏水量を大幅に減少させることができる。

【００５４】なお、本発明の実施例では、水車ポンプを
実施対象としたが、調相運転が行われる水車についても
実施した結果、同様の効果を得ることができた。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、ポンプ水車、又は調相
運転が行われる水車における、セラミックス材からな
る、一対のシールリングを有する端面型軸封装置におい
て、密封流体が空気となるポンプ水車の揚水起動時、又
は水車の調相運転時に発生しやすい、密封面の発熱によ
るシールリングの破損を防止し、信頼性の高い端面型軸
封装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のポンプ水車の端面型軸封装
置の略解図である。

【図２】図１の端面型軸封装置の要部縦断面図である。

【図３】本発明の一実施例の給水系統のブロック線図で
ある。

【図４】従来の水力機械の端面型軸封装置の略解図であ
る。

【図５】密封面の圧力分布の説明図である。

【符号の説明】

１…回転軸、２、５…シールライナ、３、６…シールリ
ング、４…ケーシング、７…パッキンボックスカバー、
８…ブラケット、９…バネ、１０…パッキン、１１…パ
ッキンボックス、１２…給水孔、１３…給水ポンプ、１
４…給水管、１５…排気孔、１６…排気管、１７、１９
…自動弁、１８…水源、２０…絞り、２１…可変絞り、
２２、２３…圧力計、２４…周方向溝、２５…半径方向
溝、Ｐａ…大気圧、Ｐｏ…密封圧、Ｐｉ…給水圧。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポンプ水車、又は調相運転が行われる水
   車などの水力機械における回転軸に周設したフランジ、
   前記フランジに固着した下側シールライナ、前記下側シ
   ールライナに載設した、セラミックス製の下側シールリ
   ング、前記回転軸を囲むケーシング、前記ケーシングの
   上面に下面の一部を固着したパッキンボックスカバー、
   前記パッキンボックスカバーの内周面にパッキンを介し
   て外周面上側が向き合うブラケット、前記ブラケットの
   下面に上面を固着した上側シールライナ、及び前記上側
   シールライナの下部に固設した、セラミックス製の上側
   シールリングを有し、前記下側シールリングの上面が前
   記上側シールリングの下面を押圧して密封面が得られ、
   前記ケーシングの内側に空気及び水の少なくともいずれ
   かを密封するパッキンボックスが形成される水力機械の
   端面型軸封装置において、前記パッキンボックスの上部
   密封部を形成するパッキンボックスカバーを貫通する少
   なくとも１個の排気孔、前記排気孔に接続する排気管、
   及び前記排気管に付設される弁を設けていることを特徴
   とする水力機械の端面型軸封装置。
2. 【請求項２】 前記密封面を構成する、前記下側シーリ
   ング及び前記上側シーリングの少なくともいずれかの面
   の周方向に連通若しくは断続して、少なくとも１個の円
   弧、又は円弧と直線とを組合わせた形状の周方向溝、及
   び前記周方向溝に給水する給水孔と、前記給水孔に連結
   する給水管と、前記給水管に接続する給水ポンプとをも
   つ給水系統を有し、前記パッキンボックスの内部の水圧
   力を検出し、前記水圧力の昇降に連動して前記給水の圧
   力を調節する手段を備えている請求項１記載の水力機械
   の端面型軸封装置。
3. 【請求項３】 前記周方向溝の幅の中心を、前記密封面
   における半径方向の幅の中点よりも前記パッキンボック
   スの側に近接させている請求項２記載の水力機械の端面
   型軸封装置。
4. 【請求項４】 前記密封面を構成する、前記下側シーリ
   ング及び前記上側シーリングの少なくともいずれかの面
   に、前記周方向溝と前記パッキンボックスとを連通する
   半径方向溝を設けている請求項２又は３記載の水力機械
   の端面型軸封装置。
5. 【請求項５】 前記給水系統における給水の圧力の最高
   値と同一、又は前記最高値よりも高い値の給水の圧力を
   有し、前記給水系統の断水時に稼働する非常用給水系統
   を併設している請求項２記載の水力機械の端面型軸封装
   置。
6. 【請求項６】 前記端面型軸封装置の下側又は上側に、
   半径方向にシールを押しつけて封水する円筒型軸封装置
   を併設している請求項１記載の水力機械の端面型軸封装
   置。