(57)【要約】【課題】分割型シールリングの各部分リング同士の合せ目における隙間を通じた油の漏出経路を封止する別体の可動シール板を設置することで、油の漏出量を低減可能とする。【解決手段】水素ガスを封入するケーシングと、前記ケーシングの内部に取り付けられたロータと、前記ロータと接続して前記ケーシングの外部に突出する回転軸と、前記回転軸が前記ケーシングから外部に突出する部位において前記ケーシングの内部から外部への気体の移動を妨げる軸封装置とを備えた発電機において、前記軸封装置は高圧の密閉油を供給する給油手段に接続するシールケースと、円周方向で分割された複数の部分リングから成る分割型シールリングと、隣接する２つの前記部分リング同士の合せ目をまたいで両方の前記部分リングと摺動する可動シール板とを備えることを特徴とする発電機。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを封入するケーシングと、前記ケーシングの内部に取り付けられたロータと、前記ロータと接続して前記ケーシングの外部に突出する回転軸と、前記回転軸が前記ケーシングから外部に突出する部位において前記ケーシングの内部から外部への気体の移動を妨げる軸封装置とを備えた発電機において、前記軸封装置は高圧の密閉油を供給する給油手段に接続するシールケースと、円周方向で分割された複数の部分リングから成る分割型シールリングと、隣接する２つの前記部分リング同士の合せ目をまたいで両方の前記部分リングと摺動する可動シール板とを備えることを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機において、前記ケーシングと前記分割型シールリングと前記可動シール板とで囲まれた空間に高圧の密封油を供給する静圧通路を設けたことを特徴とする軸封装置を備えたことを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１に記載の発電機において、前記回転軸の円筒外周面と相対する前記可動シール板の摺動面は、前記回転軸の回転方向について前記回転軸よりも曲率半径が大きいことを特徴とする軸封装置を備えたことを特徴とする発電機。
【請求項４】
請求項１に記載の発電機において、前記可動シール板と前記シールケースとの間に弾性体を挿入したことを特徴とする軸封装置を備えたことを特徴とする発電機。
【請求項５】
請求項１に記載の発電機において、前記可動シール板の材質は黒鉛を含む炭素質基材に樹脂あるいは金属を含浸したカーボン材料であることを特徴とする軸封装置を備えた発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素で冷却する発電機に係り、特に回転軸に対して油を介してシールリングが摺動することにより水素を封止する軸封装置を備えるタービン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型のタービン発電機は、機内の冷却用に、気体の中で最も熱伝達効率が高い水素ガスを封入して使用される。この発電機においては、回転軸が機外に突出する部位に、軸封装置を設置し、水素ガスが機外に漏出するのを防止している。
【０００３】
この軸封装置では、高圧給油手段に接続したシールケースの内部において、２つのシールリングが油膜を介して回転軸と摺動可能に嵌合し、その軸方向端面が機内（水素ガス）と機外（大気など）のそれぞれに面して配置されている。シールリングは、概略円環状のリングを円周方向に分割した複数の部分リングから成る分割型シールリング、あるいは一体構造である一体シールリングが使用されている。
【０００４】
回転軸、シールリング、シールケースの間に生ずる隙間を水素ガスよりも高圧な密封油で常時満たすことにより、密封油が機内側と機外側の両方に漏出する一方、水素ガスが機内から機外へ漏出するのが防止される。
【０００５】
ところで、水素ガスは密封油に溶け込みやすい性質があり、機内に溜まった油を外部に排出する過程で、ともに機外に放出されてしまう。したがって、軸封装置から機内へ漏出する密封油量の増加は、水素ガスの消費を増加させる要因となるため、近年、その低減が課題となっている。
【０００６】
軸封装置から機内への密封油の漏出量低減を図る従来技術として、特許文献１には、一体シールリングは、分割型のシールリングに比較して密封油の漏出量が小さいことが示されており、一体シールリングの適用箇所を増加させることにより、密封油の漏出量を低減可能となることが記載されている。また、分割型のシールリングを用いる際には、シールリングの幅を拡大して回転軸と接触する面を広くすることにより密封油の漏出量の低減を図ることが記載されている。
【０００７】
他の従来技術として特許文献２には、油圧を利用して環状パッキンをシールリング側面に押し当て、保持体とシールリングとの隙間から機内に通じる流路を封止することにより、漏出量を低減することが記載されている。
【０００８】
さらに他の従来技術として特許文献３には、回転軸と摺動するシールリングの内周面に所定のくぼみを設け、そのくぼみをシールケース内の油が充填される空間に連通させることにより、シールリングを回転軸に対して引き付ける力を発生させ、シールリングと回転軸との隙間を狭めて密閉油の漏出量を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−９７２７３号公報
【特許文献２】特表２０００−５０１１６２号公報
【特許文献３】米国特許４０８２２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の従来技術では次のような問題がある。
【００１１】
特許文献１では、シールリングと回転軸とが摺動する面を拡大して密封油の漏出量を低減するため、シールリングの体格および摺動による損失が増加しやすいという問題がある。
【００１２】
また、特許文献２では、分割型シールリングを用いた際に、各部分リング同士の合せ目の隙間から機内に通じる流路を封止する効果がほとんど期待できず、この流路を通じた密封油の漏出という問題がある。
【００１３】
また、特許文献３では、シールリングを回転軸に引き付ける力を発生させ、シールリング内周と回転軸外周との隙間を縮小するため、摩擦発熱や両者の万一の直接接触に備えた信頼性確保のため、高性能な摺動材料を多く要するという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、信頼性を損なうことなく、密封油が軸封装置から機内へ漏出する量を低減し、水素ガス消費量の少ない発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の発電機は、水素ガスを封入するケーシングと、前記ケーシングの内部に取り付けられたロータと、前記ロータに接続して前記ケーシングの外部に突出する回転軸と、前記回転軸が前記ケーシングから外部に突出する部位で前記ケーシング内部から外部への気体の移動を妨げる軸封装置とを備えた発電機において、前記軸封装置は高圧の密閉油を供給する給油手段に接続するシールケースと、円周方向で分割された複数の部分リングから成る分割型シールリングと、隣接する２つの前記部分リング同士の合せ目をまたいで両方の前記部分リングと摺動する可動シール板とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、分割型シールリングにおける部分リング同士の合せ目の隙間から機内へ通じる流路を別体の可動シール板で封止することにより、密封油の機内側への漏出量を低減し、水素ガス消費量の少ない発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例に係る発電機を示した概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る発電機の軸封装置付近の拡大断面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る発電機における分割型シールリングの説明図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る発電機の軸封装置における部分リング同士の合せ目付近の拡大断面図である。
【図５】従来の発電機の軸封装置における部分リング同士の合せ目付近の拡大断面図である。
【図６】部分リング同士の合せ目の隙間と機内側への密封油漏出量との関係を示すグラフである。
【図７】第2実施例に係る発電機の軸封装置付近の拡大断面図である。
【図８】第2実施例に係る発電機の軸封装置における部分リングの同士の合せ目付近の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の発電機についての実施例について、図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の第1実施例に係る発電機を示した概略構成図である。図１ において、ロータ１は回転軸２に取り付けられ、ケーシング３ に納められている。ケーシング３内には、ロータ１等を冷却するために水素ガス６が封入されている。この水素ガス6は、熱交換器（図示せず）とケーシング３とを循環し、ケーシング３内を一定温度以下に保つように温度調節されている。回転軸２はケーシング３を貫通して外部に突出する。回転軸２がケーシング３を貫通する部位において、ケーシング３から水素６が漏出するのを防止するため、ケーシング３と回転軸２との間に軸封装置４ａ、４ｂが設けられている。
【００１９】
軸封装置４ａ、４ｂの内径は回転軸２の外径よりも大きく、回転軸2外周面と軸封装置４ａ、４ｂの内周面との間に所定の隙間を設けている。軸受５ａ、５ｂは軸封装置４ａ、４ｂとともにケーシング３に固定されている。
【００２０】
図２は、発電機の軸封装置４ａ付近の拡大断面図である。回転軸２は紙面左右方向に延伸し、左が機内側、右が機外側を示す。軸封装置４ａはケーシング３（図示せず）に固定され、内部を回転軸２が貫通している。図２において、軸封装置４ａは、シールケース２１と、一対のシールリング３０と、このシールリング３０の外周に接するように設けられたスプリング２４および可動シール板２７からなっている。
【００２１】
シールケース２１は、高圧の密封油を供給する外部の給油手段（図示せず）と接続し、給油通路２２を通じて密封油を内部空間２３に導入する。シールリング３０は、外周に接するスプリング２４のバネ力および内部空間２３の密封油の圧力によりシールケース２１内壁のそれぞれ機内側、機外側に押し付けられる。シールリング３０の内径は回転軸２の外径よりも大きく、回転軸２外周面とシールリング３０内周面との隙間４１ａ、４１ｂを形成する。可動シール板２７は、シールケース２１内の機内側の一部に設けられた収納空間２５の内部に収められ、収納空間２５と内部空間２３は静圧通路２６にて通じている。
【００２２】
給油通路２２を通じて内部空間２３に導入された密封油の多くは、２つのシールリング３０の間を通過したのち、回転軸２外周面とシールリング３０内周面との隙間４１ａ、４１ｂを通じてそれぞれ発電機の機内および機外へ漏出する。内部空間２３の密封油の一部は静圧通路２６を通じて収納空間２５を満たし、可動シール板に回転軸側に向かう力を作用させる。これにより、可動シール２７は運転中にシールケースの内周面２１ａよりも内側に一部突出した状態で、回転軸２の外周面と、シールケース２１の収納空間２５を構成する面と、シールリング３０の機内側側面とのそれぞれに対し直接接触して、あるいはごく薄い油膜を介して摺動する。
【００２３】
図３は、シールリング３０の詳細を示す図である。シールリング３０は分割型シールリングであり、概略円環状のリングを周方向に４分割した部分リング３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）の集合体として構成されている。各部分リング３１の各周方向端面は合せ目３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）にて初期的に隣接する他の部分リング３１の周方向端面に接した状態にある。各部分リング３１はスプリング２４のバネ力と、密封油の圧力と、シールケース２１との摩擦力とのバランスおよび熱変形に応じて可動に保持されており、条件によって各合せ目３２はズレや開きを生じ、隙間を形成する。
【００２４】
図４は、本発明の第1実施例に係る発電機の軸封装置における部分リング同士の合せ目付近の拡大断面図（図２のＡ−Ａ断面）である。この図において、回転軸２は紙面に垂直な方向に延伸し、手前が機内側である。図４において、可動シール板２７は２つの部分リング３１ａ、３１ｄの軸方向端面に対し、合せ目の隙間４２をまたいで摺動可能に接している。回転軸２の外周面の半径Ｒ１と、回転軸２の外周面と相対する可動シール板２７の半径Ｒ２とを比較すると、Ｒ２の方が大きい。
【００２５】
本発明を適用せず、可動シール板２７が存在しない場合、図５に示すように部分リング３１ａと３１ｄとの合わせ目の隙間４２は、シールケースの内周面２１ａと回転軸２の外周面との隙間に連通し、機内に開口する流路を形成する。これに対し、本発明を適用した場合、図４に示すように隙間４２からシールケース内周面２１ａと回転軸２の外周面との隙間に通ずる流路が可動シール板２７により封止されるため、この流路を通じた密封油の漏出が低減される。
【００２６】
また、可動シール板２７における回転軸２との摺動面の半径Ｒ２が回転軸２の外周面の半径Ｒ１よりも大きいことにより、運転中の動圧発生により回転軸２と可動シール板２７との間に油膜が形成されやすくなるため、可動シール板２７が回転軸２に対して過度に直接接触を生じることによる摩耗の増加が抑制される。
【００２７】
なお、図２は図１における軸封装置４ａを代表として示したが、位置関係を機内側と機外側とで反転させることにより軸封装置４ｂについても同様に適用可能である。また、図４は部分リング３１ａと３１ｄとの合わせ目について示したが、他の合せ目についても同様に適用可能である。
【００２８】
図６は、部分リング同士の合せ目の隙間と機内側への密封油漏出量との関係を評価したグラフである。回転軸２の外周面とシールリング３０の内周面との隙間が同等なもので比較したところ、可動シール板２７を設けない場合、部分リング同士の合わせ目の隙間を拡大すると、機内側への密封油漏出量が増加した。一方で、可動シール板２７を設けた場合、部分リング同士の合わせ目の隙間を拡大しても漏出量がほとんど増加しなかった。
【００２９】
すなわち、本発明の第1実施例によれば、部分リング３１同士の合わせ目の隙間４２を通じて機内に通じる流路を可動シールリング２７により封止することにより、機内への密封油の漏出量を低減することができる。
【００３０】
可動シール板２７の材質として、回転軸２との直接接触が生じた際にも回転軸２に重度の摩耗や損傷を発生させにくいという観点から、カーボン系、セラミクス系、樹脂系の材料が使用されうる。図３に示した例では、黒鉛を含む炭素質基材に樹脂を含浸したカーボン軸受材料が使用されている。ただし、可動シール板２７の材質として、回転軸２とシールケース２１およびシールリング３０の材質や運転速度および密封油と水素ガスの圧力条件等に合わせ、例えば、黒鉛を含む炭素質基材に金属を含浸したカーボン軸受材料、炭化珪素、窒化珪素、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ナイロン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、フェノール樹脂等、およびこれらの樹脂と焼結金属、粒子、繊維材料等による複合材が使用されてもよい。
【００３１】
可動シール板２７は、部分リング３１同士の合せ目の隙間４２を通じて機内に通じる流路を封止すれば良く、全周を覆う必要はない。図２および図４のように、可動シール板２７を合せ目の隙間４２をまたいで周方向の一部を覆い、収納空間２５の密封油の圧力で径方向にスライド可能に配置することにより、回転軸２が径方向に変位した場合においてもそれに追随して密封性を維持することができる。また、可動シール板２７と回転軸２との摺動により生ずる発熱も、回転軸２の周方向に均等に伝達され、回転軸２に周方向の温度分布が生じるのを防止できる。
（第2実施例）
図７は、第2実施例に係る発電機の軸封装置４ｂ付近の拡大断面図、図８は部分リング同士の合せ目付近の拡大断面図（図７のＡ−Ａ断面）である。図１〜図６に示した第１実施例と同様の構成及び作用は、この第2実施例に取り込まれるものとして詳細な説明を省略し、相違する点について説明する。
【００３２】
図７に示すように、第2実施例は、収納空間２５内部においてシールケース２１と可動シール板２７とが弾性体５１を介して接続されている点と、同じく収納空間２５内部においてシールケース２１に樹脂製の壁板５２が固定されている点と、同じく収納空間２５内部においてシールケース２１と可動シール板２７との間に補助シール５３が挿入されている点で第１実施例と相違している。なお、壁板５２および補助シール５３の材質として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ナイロン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、フェノール樹脂等、およびこれらの樹脂と焼結金属、粒子、繊維材料等による複合材、カーボン軸受材料が使用されても良い。あるいはこれらの材料をシールケース２１の表面にコーティングした形態でも良い。また、弾性体５１としては、コイルばね、板ばね、皿ばね、細工ばね等が使用されても良い。また、前記壁板５２および補助シール５３と可動シール板２７との密着性を向上するため、前記壁板５２および補助シール５３とシールケース２１との間にコイルばね、板ばね、皿ばね、細工ばね等を介しても良い。このような第2実施例によれば、前記した第１実施例と同様の作用効果を奏することができることに加えて、弾性体５１のバネ力で可動シール板２７を回転軸２の外周に対してより確実に押し当て、安定した軸封効果を得ることが可能となる。また、可動シール板２７とシールケース２１とが摺動性の良い壁板５２を介して摺動することにより摩擦係数が減少し、可動シール板２７を回転軸２の外周に対してより確実に押し当て、安定した軸封効果を得ることが可能となる。また、収納空間２５内部における可動シール板２７とシールケース２１との隙間を通じた流路を補助シール５３で封止することにより、この流路を通じた密閉油の漏出を低減することが可能となる。なお、弾性体５１、壁板５２および補助シール５３はそれぞれ独立の作用を有しており、必要に応じて単独で使用しても良い。
【符号の説明】
【００３３】
１    ロータ
２    回転軸
３    ケーシング
４、４ａ、４ｂ    軸封装置
５ａ、５ｂ    軸受
６    水素ガス
２１    シールケース
２１ａ  シールケース内周面
２２    給油通路
２３    内部空間
２４    スプリング
２５    収納空間
２６    静圧通路
２７    可動シール板
３０    シールリング
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ    部分リング
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ    合せ目
４１ａ、４１ｂ    回転軸２外周とシールリング３０内周との隙間
４２    合わせ目の隙間
５１    弾性体
５２    壁板
５３    補助シール
【図１】
2014095421.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014095421.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014095421.tif 000009
【図８】
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