(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸にスリーブが固定され、上記スリーブの外周位置に配置された円弧状のパッキンと、上記パッキンを上記主軸の中心に向って常に押圧するガータスプリングと、これらを収納したパッキンケースとを備えた封水装置を複数段重ねたものにおいて、上記スリーブの外周側と上記パッキンケース内周側及び上記円弧状のパッキンとで構成される出口部開口面積を大気側の上段を最も大きくしたことを特徴とする封水装置。
【請求項２】
主軸にスリーブが固定され、上記スリーブの外周位置に配置された円弧状のパッキンと、上記パッキンを上記主軸の中心に向って常に押圧するガータスプリングと、これらを収納したパッキンケースとを備えた封水装置を複数段重ねたものにおいて、上記スリーブの外周側と上記パッキンケース内周側及び上記円弧状のパッキンとで構成される出口部開口面積を大気側の上段を最も大きくし、上記円弧状パッキンの摺動面への給水量を増加させる手段を構成したことを特徴とする封水装置。
【請求項３】
請求項２において、前記摺動面への給水量を増加させる手段は、給水孔の断面形状を非一様な形状にしたこと、摺動面に設けた縦溝、または上記パッキンの上記ガータスプリングと接触する面に設けた縦溝の何れかで構成されていることを特徴とする封水装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の封水装置を備えていることを特徴とする水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は封水装置およびその封水装置を備えた水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の高落差水車の封水装置は、パッキンの摺動面に周方向の給水溝を設け、給水溝には背圧と連通する給水孔を設置し摺動面と背圧をバランスさせた背圧バランス型セグメントシールが複数段重ねて使用されている。この背圧バランス型セグメントシールは分割配置されたパッキンをガータスプリングによりスリーブに抱き合わせた簡単な封水構造である。
【０００３】
この背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねた封水構造が特開昭58−  70063 号公報に示されている。ここでは、摺動面に設けた周方向の給水溝の本数が２本の場合について示されているが、周方向の給水溝の本数はパッキンの厚さにより決まるものである。背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねた封水構造では、各段の開口面積を同じくし、圧力差をほぼ同等になるように設計されている。
【０００４】
しかし、各段のパッキン摺動面に形成される水膜厚さが異なることにより、圧力差が同等にならない現象が実験中に発生し、圧力差の大きい段で、パッキンの摺動面圧が高くなりパッキン温度が不安定になる現象が認められた。
【０００５】
また、一方で、パッキンが薄い場合は周方向の給水溝が１本になり、厚さ方向の中央部分に設けられる。そのため、給水溝と連通する給水孔（図示せず）も厚さ方向の中央部分の半径方向に設けられる。
【０００６】
分割配置されたパッキンはガータスプリングによりスリーブに抱き合わせているが、パッキンが薄い場合は、給水溝と連通する給水孔の厚さ方向の位置とガータスプリングとが重なる。その結果、給水孔の入り口面積が減少し給水量が減少する。また、長期使用では藻等により急激に給水孔の入り口面積が減少し給水不足の状態になる。そのため、パッキンは背圧とバランスしなくなり、摺動面が潤滑不良の状態になり、安定した摺動特性が得られない可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねた封水構造では、圧力差のアンバランスによりパッキンの摺動面圧が高くなりパッキン温度が不安定になる現象が認められ、安定した摺動特性が得られない可能性がある。また、一方で、パッキンが薄い場合は、摺動面への給水量が低下し、摺動面が潤滑不良の状態になり、十分に冷却されず安定した摺動特性が得られない可能性がある。すなわち、上述のような封水構造の場合は、圧力差のアンバランスによる摺動面圧の上昇、あるいは、給水溝への給水不足により長時間安定した摺動特性が得られない。
【０００８】
本発明の目的は、圧力差をバランスさせる、或いは給水溝への給水を確実に行うことにより、安定した摺動特性を得ることのできる封水装置を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、主軸にスリーブが固定され、上記スリーブの外周位置に配置された円弧状のパッキンと、上記パッキンを上記主軸の中心に向って常に押圧するガータスプリングと、これらを収納したパッキンケースとを備えた封水装置を複数段重ねたものにおいて、上記スリーブの外周側と上記パッキンケース内周側及び上記円弧状のパッキンとで構成される出口部開口面積を大気側の上段を最も大きくしたことにある。
本発明の他の特徴は、主軸にスリーブが固定され、上記スリーブの外周位置に配置された円弧状のパッキンと、上記パッキンを上記主軸の中心に向って常に押圧するガータスプリングと、これらを収納したパッキンケースとを備えた封水装置を複数段重ねたものにおいて、上記スリーブの外周側と上記パッキンケース内周側及び上記円弧状のパッキンとで構成される出口部開口面積を大気側の上段を最も大きくし、上記円弧状パッキンの摺動面への給水量を増加させる手段を構成したことにある。
【００１０】
上記摺動面への給水量を増加させる手段は、給水孔の断面形状を非一様な形状にしたこと、摺動面に設けた縦溝、または上記パッキンの上記ガータスプリングと接触する面に設けた縦溝の何れかで構成すると良い。
また、上記特徴を有する封水装置は水車に適用して特に効果がある。
【００１１】
すなわち、このように形成された軸封装置であると各段出口側のスリーブ外周側とパッキンケース内周側及び円弧状パッキンとで構成される隙間面積を各段で相違させることにより、圧力差が均等化できる。このため、各段における円弧状パッキンの押し付け力が同じくなるので、安定した摺動特性が得られる。
【００１２】
一方で、このように形成された軸封装置であると円弧状パッキンの摺動面への給水量が増加し、摺動面の潤滑性，冷却性が向上し安定した摺動特性が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図６により説明する。図１には本発明による封水装置の第１の実施例を示す縦断面図、図２は円弧状パッキンの周方向の配置状況を示す図である。図１に示す封水装置１０は、主軸１と水車カバー１１との隙間からの流体の漏れを防止する装置であり、この封水装置１０は、主軸１にスリーブ２が固定され、このスリーブ２の外周位置に配置された円弧状パッキン５と、上記パッキン５を主軸１の中心に向って常に押圧するガータスプリング６と、これらを収納したパッキンケース８，８ａ，８ｂとを備えた封水装置を３段重ねて構成されている。ここでは、封水装置が３段構造の場合について説明するが、封水装置段数は封水圧力により決まるものであり、特に限定するものではない。パッキン５は摺動面に周方向の給水溝３を設け、給水溝３には背圧と連通する給水孔４を設置している。また、この給水孔４のガータスプリング６との接触面を円錐加工面４ａとしている。３段構造では、上から順に上段，中段，下段と呼称する。パッキンの材質は、上段，中段に潤滑性の良いカーボンを使用し、下段には耐土砂摩耗性に優れた樹脂が使用される。
【００１４】
下段と中段パッキンの間には供給孔９を設け清水を給水して、摺動面への土砂等の混入防止とともに摺動面の冷却を図っている。封水機構は下段の樹脂パッキンで封水装置に流れ込む河川水の土砂を遮蔽しながら封水し、更に、摺動特性に優れたカーボンを中段及び上段に設けて漏水量を軽減するようにした。
【００１５】
この封水装置を３段重ねた構造で、各段出口部のスリーブ外周側とパッキンケース内周側及び円弧状パッキン５とで構成される隙間面積を各段で相違させている。
【００１６】
各段の出口部の全隙間面積は以下の式で計算される。
【００１７】
【数１】
Ｇ＝Ｌ×(ａ，ｂ，ｃ)×ｎ                                  …（数１）
ここで、Ｌ：パッキン間の周方向距離
ａ：上段出口部の半径隙間
ｂ：中段出口部の半径隙間
ｃ：下段出口部の半径隙間
ｎ：パッキン個数
Ｇ：各段出口部の全隙間面積
各段で、パッキン間の周方向距離Ｌ、パッキン個数ｎを同じにしているので各段の出口部の半径隙間（ａ，ｂ，ｃ）を変化させ、各段出口部の全隙間面積を相違させている（図２参照のこと）。また、ａ，ｂ，ｃの大小関係はａ＞ｂ≧ｃである。ｃを最も小さくしているのは異物を含む河川水ができるだけ給水側に入れないようにするためである。また、図中矢印は流体の流れる方向を示す。清水給水圧力は下段封水圧力より通常１kg／cm2 程度高めに設定される。
【００１８】
このように構成された封水装置で、清水は供給孔９より入り下段方向及び中段方向に給水される。中段に入った清水は上段へと流れていく。上段出口部の全隙間面積は中段出口部の全隙間面積よりも大きくしているので、中段から上段への漏水量よりも上段から大気への漏水量の方が多くなる。この結果、従来のような中段パッキンの摺動面に形成される水膜厚さが上段より厚くなっても、漏水させられるため上段の背圧Ｐａが高くなることはなく、安定した摺動特性が得られる。
【００１９】
実験結果によれば、中段出口部の全隙間面積と上段出口部の全隙間面積との比を０.６〜０.８の範囲に設定すると中段と上段の差圧（Ｐｂ−Ｐａ）が上段と大気の差圧（Ｐａ−Ｐｏ）に等しくなり、差圧が均等化される。
【００２０】
また、この封水装置では円弧状パッキンの摺動面への給水量を増加させる手段として、給水孔４のガータスプリング６との接触面を円錐加工面４ａとしている。この結果より、給水孔４の入り口がガータスプリングにより閉塞させられることがなく、パッキン摺動面への給水量が従来よりも増大し、かつパッキン摺動面が背圧（Ｐａ，Ｐｂ）とバランスし冷却性が向上し安定した摺動特性が得られる。
【００２１】
図２はパッキン５の周方向の配置状況を示す図である。パッキン５間の隙間面積Ｇはパッキン個数だけできる。隙間面積Ｇは数１で計算される。隙間面積Ｇはパッキン間の周方向距離Ｌを各段で相違させることによっても変えることができる。また、円弧状パッキン５の個数を各段で相違させることにより、結果的にパッキン間の周方向距離Ｌが変わるので隙間面積Ｇを相違させることができる。
【００２２】
図３は図１に示した本発明による封水装置の第１の実施例で、上段の円弧状パッキン５の形状を説明したものである。円弧状パッキン５の両端部に面取り５ａ部を設けたパッキン形状としている。このような両端部に面取り５ａ部を設けたパッキンを上段に、パッキンの両端部に面取りをしていないパッキンを中段に配置して、封水装置を構成している。この場合、両端部に設けた面取り５ａ部からの漏水量が中段よりも増大するので、各段の出口部半径隙間の関係をａ＝ｂ＞ｃにすればよい。また、パッキンのコーナ部を大きく面取りすることは、コーナ部での破損が防止され取り扱い性が向上する。
【００２３】
図４に本発明による軸封装置の第２の実施例を示す。
【００２４】
この実施例で、前記第１の実施例と異なるのはパッキン摺動面に設けた給水溝３への給水手段を、給水溝３と連通するように各段入り口側に縦溝４ｂを設けた点にある。この縦溝の深さは、給水溝３の深さとほぼ同等にしている。これは、パッキンが摩耗進行していったときに給水溝３がなくなるまで使用できるように配慮されている。
【００２５】
この実施例によれば、基本的には前述した第１の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、縦溝４ｂによりスリーブ２が冷却されるので、摺動面の冷却性が向上し許容背圧が高くとれるので、その結果パッキン厚みを薄くすることが可能である。パッキン厚みが薄くなると複数段重ねた構造では封水装置の高さが低くなり、低コスト化が図れる。更に、封水装置の位置をランナ側に近づけられるため、主軸の長さも短くでき、低コスト化につながる。
【００２６】
図５に本発明による軸封装置の第３の実施例を示す。
【００２７】
この実施例では、第１の実施例と異なるのはパッキン摺動面に設けた給水溝３への給水手段を、パッキンの外周側のガータスプリングとの接触部に給水孔４と連通するように縦溝４ｃを設けた点にある。縦溝４ｃの形状は給水孔への給水が確実に行える形状であれば特に限定するものではない。
【００２８】
この実施例によれば、基本的には前述した第１の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、縦溝４ｃが下向きなのでヘドロ等が給水孔の中に入り難くなり、パッキン摺動面の損傷等が防止される。その結果、パッキンの長寿命化がはかれる。
【００２９】
図６に本発明による軸封装置の第４の実施例を示す。
【００３０】
この実施例では、第１の実施例と異なるのはパッキン摺動面に設けた給水溝３への給水手段を、パッキンの外周側のガータスプリングとの接触部に給水孔４と連通するように縦溝４ｄを設けた点にある。縦溝４ｄの形状は給水孔への給水が確実に行える形状であれば特に限定するものではない。
【００３１】
この実施例によれば、基本的には前述した第１の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、縦溝４ｄが上下方向に開口しているので、給水孔入り口の流速が非常に遅くなり、異物等の浸入が防止される。その結果、パッキンの長寿命化がはかれる。
【００３２】
次に、本発明の封水装置を水車に適用した場合について述べる。即ち、水車は図７に示すように、主軸１と、主軸１の下部に固定されたランナ４１と、ランナ４１の上部に配置され、水車カバー１１に本実施例の封水装置とを有している。この封水装置１０は、スリーブ２と、パッキンケース８とを備えている。水車カバー１１に取り付けている封水装置１０は図１に示す実施例のものである。
【００３３】
実施例によれば、差圧が均等化できること、摺動面への給水量が増えることなど基本的には第２〜第４の実施例と同等の作用効果を得ることができる。
【００３４】
これに加え、長期間安定して運転できる水車が提供できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、このように構成された封水装置であると各段出口側のスリーブ外周側とパッキンケース内周側及び円弧状パッキンとで構成される隙間面積を各段で相違させることにより、圧力差が均等化できる。このため、各段における円弧状パッキンの押し付け力が同じくなるので、安定した摺動特性が得られる。一方で、このように形成された軸封装置であると円弧状パッキンの摺動面への給水量が増加し、摺動面の潤滑性，冷却性が向上し安定した摺動特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による封水装置の第１の実施例を示す縦断面図。
【図２】パッキンの周方向の配置状況を示す説明図。
【図３】パッキンの両端部の面取り状況を示す説明図。
【図４】本発明による封水装置の第２の実施例を示す縦断面図。
【図５】本発明による封水装置の第３の実施例を示す縦断面図。
【図６】本発明による封水装置の第４の実施例を示す縦断面図。
【図７】本発明による封水装置を適用した水車を示す縦断面図。
【符号の説明】
１…主軸、２…スリーブ、３…給水溝、４…給水孔、５…パッキン、６…ガータスプリング、７…上カバー、４ａ…円錐加工面、８，８ａ，８ｂ…パッキンケース、９…供給孔、１０…封水装置、１１…水車カバー、Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ…各段背圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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