(57)【要約】【課題】給水装置を用いることなく、乾燥運転時においてもグランドパッキンと回転軸との摩擦による回転軸の温度上昇を抑制できる軸封装置を提供する。【解決手段】主軸１０の外周側を囲むケーシング２０と、ケーシング２０の上端面に固定される円盤部材３０と、ケーシング２０の上端面に円盤部材３０を固定することで形成される主軸１０とケーシング２０と円盤部材３０とに囲まれた空間に設けられる軸封部４０とで軸封装置が構成される。軸封部４０は、ケーシング側突出部２０ａの上面と円盤部材３０の下端面との間に狭持される。また、軸封部４０において、各グランドパッキン４２は、その内周面及び外周面のそれぞれがパッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面とに密着するとともに、環状部材４５は、その内周面及び外周面のそれぞれがケーシング２０の内周面とパッキンケース４１の外周面とに密着する。【選択図】 図１
2006057734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと該ケーシングの内周側で回転する回転軸の隙間をシールする軸封装置において、
前記ケーシングの内周側と前記回転軸の外周側との間に設けられ、前記ケーシングの内周側と前記回転軸の外周側の隙間をシールする環状のグランドパッキンと、
前記回転軸の軸ぶれを吸収する軸ぶれ吸収機構と、
を備え、
前記ケーシングは、その半径方向内方に突出する突出部を下端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面がＬ字型に形成されるとともに、前記突出部にて前記グランドパッキンを支持することを特徴とする軸封装置。
【請求項２】
前記ケーシングの上方に設けられ、その下端面が前記ケーシングの上端面に当接するとともにその下端面の内径が前記ケーシングの上端面の内径よりも小さい円盤部材を備える一方、
前記回転軸の外周面と、前記ケーシングの内周面と、前記ケーシングの突出部の上面と、前記円盤部材の下端面とに囲まれた空間に、
その半径方向内方に突出する突出部を下端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面がＬ字型に形成されるとともに、前記突出部の上面に前記グランドパッキンが載置され、その内周面に前記グランドパッキンの外周面が密着するように前記グランドパッキンを内周側に支持する下側支持部材と、
その半径方向外方に突出する突出部を上端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面が逆Ｌ字型に形成されるとともに、前記下側支持部材の上端面に固定され、その下端側が前記下側支持部材の内周面と前記回転軸の外周面の隙間に挿入されることで前記突出部の上面に載置される前記グランドパッキンを下方に押圧して支持する上側支持部材と、
前記ケーシングの内周面と前記下側支持部材の外周面とに全周に亘って密着する環状部材と、
が設けられることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
【請求項３】
前記下側支持部材の外周面に、該下側支持部材の全周に亘る凹溝が形成され、
前記凹溝に、前記環状部材が設けられることを特徴とする請求項２に記載の軸封装置。
【請求項４】
前記グランドパッキンは複数設けられ、
前記複数のグランドパッキンそれぞれの間には、その両端面に放射状に延びる溝が多数形成された環状の廻り止め板が１つずつ設けられ、
前記上側支持部材における前記グランドパッキンの端面に当接する端面に、前記廻り止め板の両端面に形成される溝と同形状の溝が多数形成されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の軸封装置。
【請求項５】
前記グランドパッキンは、その外周面が前記下側支持部材の内周面に密着するとともにその内周面が前記回転軸の外周面に密着した状態で、前記下側支持部材の内周面と前記回転軸の外周面の隙間に保持されることを特徴とする請求項２〜請求項４の何れかに記載の軸封装置。
【請求項６】
前記下側支持部材と前記上側支持部材と前記グランドパッキンと前記環状部材とで構成される軸封部が、前記円盤部材と前記ケーシングの突出部との間に狭持されるとともに、前記環状部材を弾性体で構成し、前記軸ぶれ吸収機構として動作させることを特徴とする請求項５に記載の軸封装置。
【請求項７】
前記上側支持部材における前記グランドパッキンに当接する端面と反対側の端面と、前記円盤部材の下端面とに密着するＯリングが設けられることを特徴とする請求項６に記載の軸封装置。
【請求項８】
前記上側支持部材における前記グランドパッキンに当接する端面と反対側の端面に環状の凹溝が形成され、
前記凹溝に、前記Ｏリングが嵌め込まれることを特徴とする請求項７に記載の軸封装置。
【請求項９】
前記環状部材は、その断面が三角形状に形成され、
前記環状部材の底部が前記凹溝の底面に密着するとともに前記環状部材の底部と対向する頂部が前記ケーシングの内周面に密着することを特徴とする請求項６〜請求項８の何れかに記載の軸封装置。
【請求項１０】
前記凹溝は、前記下側支持部材の外周面に複数形成され、
前記各凹溝に、前記環状部材が１つずつ嵌め込まれる一方、
前記下側支持部材の半径方向と垂直な方向に貫通することでその上下両端面に開口するとともに、前記下側支持部材の外周面における隣接する凹溝の間に対しても開口する孔が前記下側支持部材に形成されることを特徴とする請求項６〜請求項９の何れかに記載の軸封装置。
【請求項１１】
前記回転軸の外周側を該回転軸の全周に亘って覆うとともに、その下端から上端にかけて外径が大きくなるように形成された段付き部が全周に亘って設けられる軸スリーブを備え、
前記軸スリーブは、前記段付き部よりも下側の部分の外径が前記グランドパッキンの内径よりも小さく、前記段付き部よりも上側の部分の外径が前記グランドパッキンの内径よりも若干大きく形成される一方、
前記回転軸の外周面と、前記ケーシングの内周面と、前記ケーシングの突出部の上面と、前記円盤部材の下端面とに囲まれた空間において、
前記下側支持部材と前記上側支持部材と前記グランドパッキンと前記環状部材とで構成される軸封部が、前記下側支持部材の下端面が前記ケーシングの突出部の上面に当接する状態から前記上側支持部材の上端面が前記円盤部材の下端面に当接する状態まで移動可能に構成され、
前記下側支持部材の下端面が前記ケーシングの突出部の上面に当接する状態では、前記上側支持部材の下端面に当接する前記グランドパッキンの端面の位置が、前記段付き部の下端の高さと概ね等しいか、或いは前記段付き部の下端の高さよりも低く、前記グランドパッキンの内周面と前記軸スリーブの外周面の隙間が前記軸ぶれ吸収機構として働くとともに、
前記軸封部が、前記上側支持部材の下端面に当接する前記グランドパッキンの端面が前記段付き部の上端よりも高い位置に移動すると、前記グランドパッキンの内周面が前記軸スリーブの外周面に密着し、前記グランドパッキンの内周面と前記軸スリーブの外周面の隙間がシールされることを特徴とする請求項２〜請求項４の何れかに記載の軸封装置。
【請求項１２】
前記下側支持部材の外周面に、該下側支持部材の全周に亘る凹溝が形成され、
前記環状部材は、Ｏリングと、その外径がケーシングの内径と概ね等しいとともに内周側が開口したコ字型の断面を有する環状のコ字型部材とによって構成されており、
前記凹溝にＯリングを設け、更に前記凹溝に前記コ字型部材の開口側を嵌め込むことにより、前記コ字型部材の外周面に前記ケーシングの内周面が当接するとともに前記凹溝の底面と前記コ字型部材の内周面とに前記Ｏリングが密着することを特徴とする請求項１１に記載の軸封装置。
【請求項１３】
前記回転軸の外周側を該回転軸の全周に亘って覆う弾性部材により構成される軸スリーブと、
その半径方向外方に突出する突出部を上端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面が逆Ｌ字型に形成されるとともに、前記ケーシングの上端面に固定され、その下端側が前記ケーシングの内周面と前記軸スリーブの外周面の隙間に挿入されることで前記ケーシングの突出部の上面に載置される前記グランドパッキンを下方に押圧して支持する支持部材と、
を備え、
前記弾性部材は、その上端部と下端部とにおける内周面が前記回転軸の外周面に密着するとともに、その上端部と下端部の間における前記弾性部材の内周面全周に亘って凹部が設けられ、前記弾性部材における凹部が設けられた部分の内周面と前記回転軸の外周面の間に隙間が設けられることで前記弾性部材が前記軸ぶれ吸収機構として働くとともに、
前記グランドパッキンは、その内周面と外周面のそれぞれが前記弾性部材における凹部が設けられた部分の外周面と前記ケーシングの内周面とに密着する状態で、前記弾性部材における凹部が設けられた部分の外周面と前記ケーシングの内周面の隙間に保持されることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
【請求項１４】
前記軸スリーブが、前記弾性部材と、前記回転軸の外周側を該回転軸の全周に亘って覆うとともにその下端部が前記弾性部材の上端部に当接する金属部材と、前記弾性部材の上端部と前記金属部材の下端部とに挿入されることで前記弾性部材と前記金属部材とを接続するピンとによって構成されることを特徴とする請求項１３に記載の軸封装置。
【請求項１５】
前記グランドパッキンは複数設けられ、
前記複数のグランドパッキンそれぞれの間には、その両端面に放射状に延びる溝が多数形成された環状の廻り止め板が１つずつ設けられ、
前記支持部材における前記グランドパッキンと当接する端面に、前記廻り止め板の両端面に形成される溝と同形状の溝が多数形成されることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシングと回転軸の隙間をシールする軸封装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水車やポンプにおいて、ケーシングと回転軸の隙間をシールする軸封装置にグランドパッキンを用いたものが知られている。これら水車及びポンプでは、グランドパッキンがケーシングと回転軸とに密着した状態に保たれるため、回転軸が回転する際に回転軸とグランドパッキンの間に摩擦が生じて回転軸が発熱する。これに対し、これら水車及びポンプに給水装置を設け、回転軸とグランドパッキンの摺動面を水で潤滑するとともに回転軸及びグランドパッキンを水で冷却するものが知られている。
【０００３】
このように、水車やポンプなどの回転機に使用される軸封装置として、例えば図６のような構成のものがある。この軸封装置において、回転軸１００の外周面のうちケーシング１０１の内周面に対向する部分が全周に亘って軸スリーブ１００ａで覆われている。また、回転軸１００の外周側には、環状に形成されるとともに該回転軸１００を囲むケーシング１０１が設けられている。
【０００４】
上記ケーシング１０１は、その内周面の全体が回転軸１００の外周面に対向する一方、その下部に該ケーシング１０１の半径方向内方へ突出する突出部１０３を有している。また、ケーシング１０１には、その外周面の一箇所に該ケーシング１０１の半径方向内方へ延びる凹部１０４が形成され、凹部１０４の底面とケーシング１０１の内周面とに開口するとともに該ケーシング１０１の半径方向に貫通する給水孔１０５が形成されている。そして、この凹部１０４には、給水装置（図示せず）に接続されるとともにケーシング１０１と軸スリーブ１００ａの隙間に給水を行う給水ホース１０６が挿入される。
【０００５】
一方、ケーシング１０１と軸スリーブ１００ａの隙間には、ランタンリング１０７と複数のグランドパッキン１０２（図６では４つのグランドパッキン１０２を示す）とが設けられている。各グランドパッキン１０２は、環状に形成され、その外周面がケーシング１０１の内周面に密着するとともに、その内周面が軸スリーブ１００ａの外周面に密着している。また、グランドパッキン１０２と同様に環状に形成されるランタンリング１０７は、その径方向の厚みがケーシング１０１と軸スリーブ１００ａの隙間の幅よりも小さく、その外周面のみがケーシング１０１の内周面に密着している。そして、このランタンリング１０７には、ケーシング１０１の給水孔１０５と連通するとともに該ランタンリング１０７の半径方向に貫通する貫通孔１０８が形成されている。
【０００６】
また、４つのグランドパッキン１０２のうちの２つをその端面が互いに当接するように突出部１０３の上面に積み重ねて載置し、上側に位置するグランドパッキン１０２の上端面にランタンリング１０７の下端面を当接させるとともに、ランタンリング１０７の上端面に残りの２つのグランドパッキン１０２をその端面が互いに当接するように載置することで、これらグランドパッキン１０２及びランタンリング１０７がケーシング１０１と軸スリーブ１００ａの隙間に保持されている。更に、これらグランドパッキン１０２を、ボルト等によりケーシング１０１の上端面に固定されたパッキン押え１０９で押し込むことにより、各グランドパッキン１０２がその半径方向に膨張するように変形し、各グランドパッキン１０２が軸スリーブ１００ａの外周面とケーシング１０１の内周面の両方に確実に密着する。
【０００７】
上述のように、ランタンリング１０７は、その径方向の厚みがケーシング１０１と軸スリーブ１００ａの隙間の幅よりも小さく、その外周面のみがケーシング１０１の内周面に密着しているため、軸スリーブ１００ａとランタンリング１０７の間に隙間が形成される。一方、ランタンリング１０７の上下端面には、ケーシング１０１の内周面と軸スリーブ１００ａの外周面とに密着するグランドパッキン１０２が当接している。よって、軸スリーブ１００ａとランタンリング１０７の間に、回転軸１００の全周に亘って環状の空間１１０が形成される。
【０００８】
尚、図６に示す軸封装置を備えた水車では、回転軸１００の下端部分に可動翼（図示せず）が取り付けられ、ケーシング１０１の下方に河川水が貯留する部分（図示せず）が設けられるとともに、ケーシング１０１の上方が大気側となっている。そして、ケーシング１０１の上方とケーシング１０１の下方とは、ケーシング１０１と回転軸１００の隙間に設けられるグランドパッキン１０２によって仕切られている。
【０００９】
このような水車において、ダム等より落下してきた河川水が回転軸１００に取り付けられた可動翼に接触すると、この可動翼に作用する水圧によって回転軸１００が回転する。また、乾燥運転時において、回転軸１００が回転すると、軸スリーブ１００ａが、該軸スリーブ１００ａに密着するグランドパッキン１０２に対して摺動し、軸スリーブ１００ａの外周面とグランドパッキン１０２の内周面との間に摩擦が生じて軸スリーブ１００ａを含む回転軸１００が発熱する。
【００１０】
それに対して、回転軸１００が回転する際に、給水ホース１０６から給水孔１０５及び貫通孔１０８を通じて一定の圧力の水が軸スリーブ１００ａとランタンリング１０８とに囲まれた空間１１０に供給される。そのため、軸スリーブ１００ａとグランドパッキン１０２との間に水が注入され、軸スリーブ１００ａの外周面とグランドパッキン１０２の内周面との摺動面が潤滑される。これにより、軸スリーブ１００ａの外周面とグランドパッキン１０２の内周面との摩擦が減り、乾燥運転時における上述の回転軸１００の発熱が抑制される。
【００１１】
また、豪雨時には、ダム等より落下する河川水の量が大幅に増加し、ケーシング１０１の下方に設けられた河川水が貯留する部分の水位が大幅に上昇するため、この河川水がケーシング１０１と軸スリーブ１００ａの隙間に入り込もうとする。このとき、軸スリーブ１００ａに対するグランドパッキン１０２の押圧力が小さいと、異物やスラリー等を含む河川水が軸スリーブ１００ａとグランドパッキン１０２の間に入り込み、グランドパッキン１０２に対する軸スリーブ１００ａの摺動性を著しく低下させるおそれがある。
【００１２】
それに対して、給水ホース１０６から給水孔１０５及び貫通孔１０８を通じて河川水の圧力よりも高い圧力の水を軸スリーブ１００ａとランタンリング１０８とに囲まれた空間１１０に供給すると、軸スリーブ１００ａとグランドパッキン１０２との間に水が注入され、異物やスラリー等を含む河川水が軸スリーブ１００ａとグランドパッキン１０２の間に入り込むことが防止される。
【００１３】
また、上記のように構成された水車の他に、ダム等から落下する水を給水装置に使用し、この水を封水室に供給することで乾燥運転時における主軸の発熱を防止するものが知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】実開平５−４２６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図６にも示すように、水車やポンプに用いられる軸封装置は、グランドパッキンがケーシングの内周面と軸スリーブの外周面とに密着する構造であるため、回転軸に軸ぶれが生じると、グランドパッキンと軸スリーブとの接触面の面圧が増加し、回転軸の温度が上昇するとともにグランドパッキンの摩耗量が増加する。それに対して、図６に示す軸封装置は、給水装置を用いてランタンリングと軸スリーブの隙間に水を供給することで、単に回転軸とグランドパッキンとの摩擦による回転軸の温度上昇を防止している。
【００１５】
しかしながら、この図６に示す軸封装置のように、給水装置を用いて回転軸の軸ぶれに伴う回転軸の温度上昇を抑制できたとしても、この給水装置を設けることにより、軸封装置が大型化するだけでなく、給水装置の漏水対策として給水ホース等の配管を確実にシールする必要があり、軸封装置の構成が複雑化するとともに軸封装置の製造工程が煩雑化するという問題がある。
【００１６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、給水装置を用いることなく、乾燥運転時においてもグランドパッキンと回転軸との摩擦による回転軸の温度上昇を抑制できる軸封装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の軸封装置は、ケーシングと該ケーシングの内周側で回転する回転軸の隙間をシールする軸封装置であって、前記ケーシングの内周側と前記回転軸の外周側との間に設けられ、前記ケーシングの内周側と前記回転軸の外周側の隙間をシールする環状のグランドパッキンと、前記回転軸の軸ぶれを吸収する軸ぶれ吸収機構とを備え、前記ケーシングは、その半径方向内方に突出する突出部を下端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面がＬ字型に形成されるとともに、前記突出部にて前記グランドパッキンを支持することを特徴とする。
【００１８】
このような軸封装置において、前記ケーシングの上方に設けられ、その下端面が前記ケーシングの上端面に当接するとともにその下端面の内径が前記ケーシングの上端面の内径よりも小さい円盤部材を備える一方、前記回転軸の外周面と、前記ケーシングの内周面と、前記ケーシングの突出部の上面と、前記円盤部材の下端面とに囲まれた空間に、その半径方向内方に突出する突出部を下端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面がＬ字型に形成されるとともに、前記突出部の上面に前記グランドパッキンが載置され、その内周面に前記グランドパッキンの外周面が密着するように前記グランドパッキンを内周側に支持する下側支持部材と、その半径方向外方に突出する突出部を上端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面が逆Ｌ字型に形成されるとともに、前記下側支持部材の上端面に固定され、その下端側が前記下側支持部材の内周面と前記回転軸の外周面の隙間に挿入されることで前記突出部の上面に載置される前記グランドパッキンを下方に押圧して支持する上側支持部材と、前記ケーシングの内周面と前記下側支持部材の外周面とに全周に亘って密着する環状部材とが設けられるものとしても構わない。
【００１９】
このとき、前記下側支持部材の外周面に、該下側支持部材の全周に亘る凹溝が形成され、前記凹溝に、前記環状部材が設けられる。
【００２０】
また、上述の軸封装置それぞれにおいて、前記グランドパッキンは複数設けられ、前記複数のグランドパッキンそれぞれの間には、その両端面に放射状に延びる溝が多数形成された環状の廻り止め板が１つずつ設けられ、前記上側支持部材における前記グランドパッキンの端面に当接する端面に、前記廻り止め板の両端面に形成される溝と同形状の溝が多数形成されるものとしても構わない。そして、上側支持部材により各グランドパッキンを下方へ押圧すると、上側支持部材の下端面や廻り止め板の両端面に密着する各グランドパッキンの端面が上側支持部材の下端面の溝や廻り止め板の両端面の溝に食い込むとともに、各グランドパッキンがその半径方向に膨張するように変形する。
【００２１】
また、上述の軸封装置それぞれにおいて、前記グランドパッキンは、その外周面が前記下側支持部材の内周面に密着するとともにその内周面が前記回転軸の外周面に密着した状態で、前記下側支持部材の内周面と前記回転軸の外周面の隙間に保持されるものとしても構わない。
【００２２】
このとき、前記下側支持部材と前記上側支持部材と前記グランドパッキンと前記環状部材とで構成される軸封部が、前記円盤部材と前記ケーシングの突出部との間に狭持されるとともに、前記環状部材を弾性体で構成し、前記軸ぶれ吸収機構として動作させる。これにより、回転軸に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じると、ケーシングの内周面と下側支持部材の外周面とに密着する環状部材が変形し、軸ぶれ吸収機構として動作する環状部材によって回転軸の軸ぶれが吸収される。
【００２３】
また、このとき、前記上側支持部材における前記グランドパッキンに当接する端面と反対側の端面と、前記円盤部材の下端面とに密着するＯリングが設けられる。これにより、回転軸に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じると、Ｏリングが円盤部材に対して摺動する。尚、Ｏリングは、その表面全体がテフロン（登録商標）等の樹脂で被覆されていてもよい。そして、Ｏリングの表面全体をテフロン（登録商標）等の樹脂で被覆すると、Ｏリングと円盤部材の下端面との摩擦力が減少し、円盤部材に対するＯリングの摺動性が向上する。
【００２４】
更に、このとき、前記上側支持部材における前記グランドパッキンに当接する端面と反対側の端面に環状の凹溝が形成され、前記凹溝に、前記Ｏリングが嵌め込まれる。
【００２５】
また、上述の軸封装置それぞれにおいて、前記環状部材は、その断面が三角形状に形成され、前記環状部材の底部が前記凹溝の底面に密着するとともに前記環状部材の底部と対向する頂部が前記ケーシングの内周面に密着するものとしても構わない。
【００２６】
また、上述の軸封装置それぞれにおいて、前記凹溝は、前記下側支持部材の外周面に複数形成され、前記各凹溝に、前記環状部材が１つずつ嵌め込まれる一方、前記下側支持部材の半径方向と垂直な方向に貫通することでその上下両端面に開口するとともに、前記下側支持部材の外周面における隣接する凹溝の間に対しても開口する孔が前記下側支持部材に形成されるものとしても構わない。このように、ケーシングの内部に軸封部が設けられて軸封装置が構成されるとき、ケーシングの内周面と回転軸の外周面の隙間に、グランドパッキンと環状部材とによって回転軸の全周に亘る複数の空間が分離形成される。これに対し、下側支持部材の内部に前記孔を形成することで、これら空間が前記孔を通じて繋がるため、これら空間の圧力が均一に保たれる。
【００２７】
また、上述の軸封装置それぞれにおいて、前記回転軸の外周側を該回転軸の全周に亘って覆うとともに、その下端から上端にかけて外径が大きくなるように形成された段付き部が全周に亘って設けられる軸スリーブを備え、前記軸スリーブは、前記段付き部よりも下側の部分の外径が前記グランドパッキンの内径よりも小さく、前記段付き部よりも上側の部分の外径が前記グランドパッキンの内径よりも若干大きく形成される一方、前記回転軸の外周面と、前記ケーシングの内周面と、前記ケーシングの突出部の上面と、前記円盤部材の下端面とに囲まれた空間において、前記下側支持部材と前記上側支持部材と前記グランドパッキンと前記環状部材とで構成される軸封部が、前記下側支持部材の下端面が前記ケーシングの突出部の上面に当接する状態から前記上側支持部材の上端面が前記円盤部材の下端面に当接する状態まで移動可能に構成され、前記下側支持部材の下端面が前記ケーシングの突出部の上面に当接する状態では、前記上側支持部材の下端面に当接する前記グランドパッキンの端面の位置が、前記段付き部の下端の高さと概ね等しいか、或いは前記段付き部の下端の高さよりも低く、前記グランドパッキンの内周面と前記軸スリーブの外周面の隙間が前記軸ぶれ吸収機構として働くとともに、前記軸封部が、前記上側支持部材の下端面に当接する前記グランドパッキンの端面が前記段付き部の上端よりも高い位置に移動すると、前記グランドパッキンの内周面が前記軸スリーブの外周面に密着し、前記グランドパッキンの内周面と前記軸スリーブの外周面の隙間がシールされるものとしても構わない。
【００２８】
これにより、乾燥運転時には、軸封部における下側支持部材の下端面がケーシングの突出部の上面に当接する状態となるため、グランドパッキンの内周面と軸スリーブの外周面の間に隙間が設けられ、回転軸に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じても、この隙間が軸ぶれ吸収機構として働くことで該回転軸がグランドパッキンと接触することなく回転する。一方、豪雨時には、軸封部が水圧によって上方へ押し上げられる。このとき、グランドパッキンの内周面が軸スリーブの外周面に密着し、グランドパッキンの内周面と軸スリーブの外周面の隙間が確実にシールされる。
【００２９】
このとき、前記下側支持部材の外周面に、該下側支持部材の全周に亘る凹溝が形成され、前記環状部材は、Ｏリングと、その外径がケーシングの内径と概ね等しいとともに内周側が開口したコ字型の断面を有する環状のコ字型部材とによって構成されており、前記凹溝にＯリングを設け、更に前記凹溝に前記コ字型部材の開口側を嵌め込むことにより、前記コ字型部材の外周面に前記ケーシングの内周面が当接するとともに前記凹溝の底面と前記コ字型部材の内周面とに前記Ｏリングが密着する。これにより、軸封部が、下側支持部材の下端面がケーシングの突出部の上面に当接する状態から上側支持部材の上端面が円盤部材の下端面に当接する状態まで移動するとき、ケーシングの内周面に当接するコ字型部材の外周面が、ケーシングの内周面に対して摺動する。
【００３０】
また、このような軸封装置において、前記回転軸の外周側を該回転軸の全周に亘って覆う弾性部材により構成される軸スリーブと、その半径方向外方に突出する突出部を上端側に有することでその半径方向と垂直な方向の断面が逆Ｌ字型に形成されるとともに、前記ケーシングの上端面に固定され、その下端側が前記ケーシングの内周面と前記軸スリーブの外周面の隙間に挿入されることで前記ケーシングの突出部の上面に載置される前記グランドパッキンを下方に押圧して支持する支持部材とを備え、前記弾性部材は、その上端部と下端部とにおける内周面が前記回転軸の外周面に密着するとともに、その上端部と下端部の間における前記弾性部材の内周面全周に亘って凹部が設けられ、前記弾性部材における凹部が設けられた部分の内周面と前記回転軸の外周面の間に隙間が設けられることで前記弾性部材が前記軸ぶれ吸収機構として働くとともに、前記グランドパッキンは、その内周面と外周面のそれぞれが前記弾性部材における凹部が設けられた部分の外周面と前記ケーシングの内周面とに密着する状態で、前記弾性部材における凹部が設けられた部分の外周面と前記ケーシングの内周面の隙間に保持されるものとしても構わない。
【００３１】
これにより、回転軸に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じると、弾性部材における凹部が設けられた部分の外周面のうちグランドパッキンの内周面に密着する部分が、その半径方向内方へ凹むように撓んで変形し、軸ぶれ吸収機構として働く弾性部材によって回転軸の軸ぶれが吸収される。
【００３２】
このとき、前記軸スリーブが、前記弾性部材と、前記回転軸の外周側を該回転軸の全周に亘って覆うとともにその下端部が前記弾性部材の上端部に当接する金属部材と、前記弾性部材の上端部と前記金属部材の下端部とに挿入されることで前記弾性部材と前記金属部材とを接続するピンとによって構成される。
【００３３】
また、上述の軸封装置それぞれにおいて、前記グランドパッキンは複数設けられ、前記複数のグランドパッキンそれぞれの間には、その両端面に放射状に延びる溝が多数形成された環状の廻り止め板が１つずつ設けられ、前記支持部材における前記グランドパッキンと当接する端面に、前記廻り止め板の両端面に形成される溝と同形状の溝が多数形成されるものとしても構わない。そして、支持部材により各グランドパッキンを下方へ押圧すると、支持部材の下端面や廻り止め板の両端面に密着する各グランドパッキンの端面が該支持部材の下端面の溝や該廻り止め板の両端面の溝に食い込むとともに、各グランドパッキンがその半径方向に膨張するように変形する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、ケーシングの内周面と回転軸の外周面の隙間に上側支持部材及び下側支持部材を設け、グランドパッキンの内周面及び外周面のそれぞれを下側支持部材の内周面と回転軸の外周面とに密着させた状態で該グランドパッキンを上側支持部材と下側支持部材の間で支持するとともに、環状部材をケーシングの内周面と下側支持部材の外周面とに密着させることで、乾燥運転時に回転軸に軸ぶれが生じても、環状部材の変形により回転軸の軸ぶれを吸収することができ、グランドパッキンと回転軸との接触面において、その一部の面圧が過大となることを防止することができる。従って、本発明によれば、乾燥運転時においてもグランドパッキンと回転軸との摩擦による回転軸の温度上昇を抑制することができる。また、従来のような給水装置を用いる必要がないため、軸封装置を小型化できるとともに軸封装置の構成を簡素化でき、更には軸封装置の製造工程を単純化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施形態における軸封装置として、水車に用いられる軸封装置を例に挙げて説明するが、水車に限られるものではなく、ポンプなどの回転機においても適用可能である。
【００３６】
《発明の実施形態１》
図１に示すように、本実施形態の水車は、主軸１０の外周側を囲むケーシング２０と、ケーシング２０の上端面に固定される円盤部材３０と、ケーシング２０の上端面に円盤部材３０を固定することで形成される主軸１０とケーシング２０と円盤部材３０とに囲まれた空間に設けられる軸封部４０とで構成される軸封装置を備えている。
【００３７】
そして、上記主軸１０は、その断面形状が円形であって、棒状に形成されている。この主軸１０は、水車の回転軸として機能するものである。また、この主軸１０は、その外周側をケーシング２０に囲まれており、その外周面のうちケーシング２０の内周面に対向する部分が全周に亘って金属製の軸スリーブ１０ａで覆われている。
【００３８】
主軸１０の外周側に設けられるケーシング２０は、円筒状に形成され、その中心部分に設けられた穴に主軸１０が挿通可能な構成とされている。また、このケーシング２０は、その上下両端面が平らに形成されており、その内周面の全体が主軸１０の外周面に対向する一方、その下部に該ケーシング２０の半径方向内方へ突出するケーシング側突出部２０ａを有することで、その主軸１０の延びる方向における断面が略Ｌ字型となっている。このように、ケーシング２０は、外径が互いに等しく、且つ内径が異なる２つの円筒部材が上下に重なった形状に形成されている。
【００３９】
また、ケーシング側突出部２０ａの上面は、主軸１０の延びる方向に対して垂直な面、即ちケーシング２０の上下両端面と平行な面となっている。そして、このケーシング側突出部２０ａの上面には、ケーシング２０の全周に亘って該ケーシング２０と一体化した突起部２０ｂが設けられており、この突起部２０ｂの上面は平らに形成されている。
【００４０】
また、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に、軸封部４０が設けられている。この軸封部４０は、その下端側が上記突起部２０ｂの上面に当接するとともに、その高さが主軸１０の延びる方向における突起部２０ｂの上面からケーシング２０の上端面に至るまでの長さと概ね等しくなっている。つまり、この軸封部４０の下端側を上記突起部２０ｂの上面に当接させたとき、軸封部４０の上面がケーシング２０の上端面と概ね同じ高さに位置する。
【００４１】
具体的に、この軸封部４０は、下側支持部材としてのパッキンケース４１と、複数のグランドパッキン４２と、複数の廻り止め板４３と、上側支持部材としてのパッキン押え４４と、複数の環状部材４５と、Ｏリング４６とによって構成されている。
【００４２】
このうちパッキンケース４１は、円筒状に形成され、その中心部分に設けられた穴に主軸１０が挿通可能な構成とされている。また、パッキンケース４１は、その半径方向の幅が軸スリーブ１０ａの外周面とケーシング２０の内周面の隙間の幅よりも小さくなっている。更に、パッキンケース４１は、その上下両端面が平らに形成され、その上端面における同一円周上にボルト４７を挿入するための穴４１ａが複数設けられている。
【００４３】
また、パッキンケース４１は、その内周面の全体が軸スリーブ１０ａの外周面に対向するととともにその外周面の全体がケーシング２０の内周面に対向する一方、その下部に該ケーシング２０の半径方向内方へ突出するパッキンケース側突出部４１ｂを有することで、その主軸１０の延びる方向における断面が略Ｌ字型となっている。このように、パッキンケース４１は、外径が互いに等しく、且つ内径が異なる２つの円筒部材が上下に重なった形状に形成されている。そして、パッキンケース側突出部４１ｂの上面は、主軸１０の延びる方向に対して垂直な面、即ちケーシング２０の上下両端面と平行な面となっている。
【００４４】
更に、パッキンケース４１は、その外周面の２箇所に該パッキンケース４１の全周に亘る凹溝４１ｃを有している。そして、パッキンケース４１は、その下端面がケーシング２０の突起部２０ｂの上面に当接するとともに、軸スリーブ１０ａの外周面とパッキンケース４１の内周面及びパッキンケース４１の外周面とケーシング２０の内周面の間に隙間が生じる状態で、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に載置されている。
【００４５】
また、パッキンケース４１の内部には、圧力バランス孔４８が複数形成されている。各圧力バランス孔４８は、パッキンケース４１の半径方向と垂直な方向に貫通することで該パッキンケース４１の上端面と下端面とに開口するとともに、パッキンケース４１の外周面における一方の凹溝４１ｃと他方の凹溝４１ｃの間に対しても開口している。
【００４６】
パッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間には、複数のグランドパッキン４２（例えば、３つ）と複数の廻り止め板４３（例えば、２つ）とが設けられている。具体的には、図２に示すように、各グランドパッキン４２は環状に形成されており、その半径方向と垂直な方向の断面が正方形ないし長方形となっている。
【００４７】
また、各グランドパッキン４２には、該グランドパッキン４２を主軸１０の外周に嵌め込み可能なように、その径方向に切断されたカット面４２ａがグランドパッキン４２の周方向の１箇所に形成されている。このカット面４２ａは、グランドパッキン４２の半径方向と垂直な方向に対し３０〜４５度程度傾斜している。また、グランドパッキン４２は、その半径方向の幅がパッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間の幅よりも若干大きくなっている。
【００４８】
各廻り止め板４３は、金属製もしくは樹脂製であり、その形状が環状であって薄板状に形成されている。また、各廻り止め板４３は、その半径方向の幅がパッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間の幅と概ね等しくなっている。更に、各廻り止め板４３の上下両端面には、放射状に溝４３ａが多数形成されている。
【００４９】
具体的に、この溝４３ａは、各廻り止め板４３の上下両端面において周方向に連続した複数の凸部と凹部とによって形成されている。また、この溝４３ａは、各廻り止め板４３の上下両端面に、該廻り止め板４３の内周端から外周端に亘って設けられており、該廻り止め板４３の半径方向に延びている。更に、この溝４３ａは、各廻り止め板４３の外周側から見た断面形状が三角形となっている。尚、この溝４３ａは、各廻り止め板４３の外周側から見た断面形状が波形に形成されていてもよい。
【００５０】
そして、図２に示すように、各グランドパッキン４２のカット面４２ａの位相を１８０度ずつずらした状態で３つのグランドパッキン４２それぞれの間に廻り止め板４３を１つずつ設け、各グランドパッキン４２の端面を廻り止め板４３の端面に当接させる。更に、図１に示すように、最も下側に位置するグランドパッキン４２の下端面をパッキンケース側突出部４１ｂの上面に当接させることで、これらグランドパッキン４２及び廻り止め板４３がパッキンケース４１に支持される。また、このとき、各グランドパッキン４２は、その外周面と内周面のそれぞれがパッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面とに密着した状態で、パッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に保持されている。
【００５１】
また、パッキンケース４１の外周面に該パッキンケース４１の全周に亘って形成される凹溝４１ｃには、ゴム等の弾性体からなる環状部材４５が嵌め込まれている。この環状部材４５は、その断面が内周面側を底とするとともに外周面側を頂点とする三角形状となっている。そして、この環状部材４５は、その内周面側が凹溝４１ｃの底面に密着するとともに、その外周面側がケーシング２０の内周面に密着した状態で、ケーシング２０の内周面とパッキンケース４１の外周面における凹溝４１ｃの隙間に保持されている。
【００５２】
更に、ケーシング２０の上端面には、該ケーシング２０の上端面にボルト４７により固定されるとともに上記３つのグランドパッキン４２を下方に押圧して支持するパッキン押え４４が取り付けられている。このパッキン押え４４は、円筒状に形成され、その中心部分に設けられた穴に主軸１０が挿通可能な構成とされている。また、このパッキン押え４４は、その上部に該パッキン押え４４の半径方向外方へ突出するパッキン押え側突出部４４ａを有することで、その主軸１０の延びる方向における断面が略逆Ｌ字型となっている。このように、パッキン押え４４は、内径が互いに等しく、且つ外径が異なる２つの円筒部材が上下に重なった形状に形成されている。
【００５３】
具体的に、図１に示すように、パッキン押え４４の下端面は、その外径がグランドパッキン４２の外径よりも若干小さく、パッキン押え４４の上端面は、その外径がケーシング２０の内径よりも大きくなっている。また、図２に示すように、パッキン押え４４の下端面には、廻り止め板４３の上下両端面に形成される溝４３ａと同形状の溝４４ｂが放射状に多数形成され、パッキン押え４４の上端面には、その全周に亘って凹溝４４ｃが形成されている。この凹溝４４ｃは、その内周端の径が後述する円盤部材３０の内径よりも大きくなっている。そして、この凹溝４４ｃには、テフロン（登録商標）等の樹脂によって表面を被覆された環状のＯリング４６が嵌め込まれおり、Ｏリング４６の厚みは凹溝４４ｃの深さより大きくなっている。
【００５４】
更に、パッキン押え４４における上記凹溝４４ｃの外周側であってパッキン押え側突出部４４ａには、ボルト４７を挿入して該パッキン押え４４をパッキンケース４１の上端面に固定するための穴４４ｄが同一円周上に複数設けられている。この穴４４ｄは、パッキン押え側突出部４４ａの半径方向と垂直な方向に貫通することで、該パッキン押え側突出部４４ａの上端面と下端面とに開口している。
【００５５】
そして、図１に示すように、パッキン押え４４の下部をパッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に挿入するとともに、パッキン押え４４の下端面を３つのグランドパッキン４２のうち最も上側に位置するグランドパッキン４２の上端面に当接させ、パッキン押え４４の穴４４ｄにボルト４７を挿入してボルト４７の先端部分をパッキンケース４１の穴４１ａに押し込むことで、各グランドパッキン４２がパッキン押え４４により下方へ押圧される。また、パッキン押え４４により各グランドパッキン４２を下方へ押圧すると、パッキン押え４４の下端面や廻り止め板４３の上下両端面に密着する各グランドパッキン４２の端面が該パッキン押え４４の下端面の溝４４ｂや該廻り止め板４３の上下両端面の溝４３ａに食い込むとともに、各グランドパッキン４２がその半径方向に膨張するように変形する。よって、各グランドパッキン４２がパッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の両方に確実に密着する。
【００５６】
このように、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間では、環状部材４５がケーシング２０の内周面及びパッキンケース４１の外周面における凹溝４１ｃの底面に密着するとともに、各グランドパッキン４２がパッキンケース４１の内周面及び軸スリーブ１０ａの外周面に密着することで、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間が確実にシールされる。
【００５７】
また、本実施形態の円盤部材３０は、その下端面がケーシング２０の上端面に当接しており、ボルト等（図示せず）により該ケーシング２０に固定されている。具体的に、この円盤部材３０は、円筒状に形成され、その中心部分に設けられた穴に主軸１０が挿通可能な構成とされている。また、この円盤部材３０は、その内径がケーシング側突出部２０ａの内径と概ね等しくなっている。
【００５８】
そして、軸封部４０におけるパッキンケース４１の下端面をケーシング２０の突起部２０ｂの上面に載置したとき、上述のように、軸封部４０の上面がケーシング２０の上端面と概ね同じ高さに位置するとともに、パッキン押え４４の凹溝４４ｃに嵌め込まれるＯリング４６の厚みがこの凹溝４４ｃの深さよりも大きくなっている。このため、Ｏリング４６がパッキン押え４４の凹溝４４ｃの底面と円盤部材３０の下端面とに密着し、パッキン押え４４の上端面と円盤部材３０の下端面の間に若干の隙間が形成された状態で、軸封部４０が円盤部材３０の下端面とケーシング側突出部２０ａの上面との間に狭持される。
【００５９】
このように、ケーシング２０の内部に軸封部４０が設けられて軸封装置が構成されるとき、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に、グランドパッキン４２と環状部材４５とＯリング４６とによって軸スリーブ１０ａの全周に亘る複数の空間が分離形成される。
【００６０】
具体的に、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間には、ケーシング２０、円盤部材３０、パッキンケース４１、パッキン押え４４、Ｏリング４６、及び上側に位置する環状部材４５によって囲まれた空間Ａと、ケーシング２０、パッキンケース４１、及び２つの環状部材４５によって囲まれた空間Ｂと、ケーシング２０、パッキンケース４１、及び下側に位置する環状部材４５とによって囲まれた空間Ｃとが分離形成される。このとき、これら空間Ａ〜Ｃは、それぞれがパッキンケース４１に設けられた圧力バランス孔４８によって繋がっているため、空間Ａ〜Ｃの圧力が均一に保たれる。
【００６１】
尚、図１に示す軸封装置を備える水車では、主軸１０の下端部分に可動翼（図示せず）が取り付けられ、ケーシング２０の下方に河川水が貯留する部分（図示せず）が設けられるとともに、ケーシング２０の上方が大気側となっている。そして、ケーシング２０の上方とケーシング２０の下方とは、グランドパッキン４２と、環状部材４５と、Ｏリング４６とによって仕切られている。
【００６２】
このように構成された軸封装置を備える水車において、ダム等より落下してきた河川水が主軸１０の下端部分に取り付けられた可動翼（図示せず）に接触すると、この可動翼に作用する水圧によって主軸１０が回転する。
【００６３】
ここで、乾燥運転時において、ケーシング２０の下方に設けられた河川水が貯留する部分の水位は、軸封部４０の下面、即ちパッキンケース４１の下端面の高さよりも低くなっている。このとき、主軸１０が回転すると、軸スリーブ１０ａが、該軸スリーブ１０ａに密着するグランドパッキン４２に対して摺動し、グランドパッキン４２の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の間に摩擦が生じる。また、主軸１０に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じると、パッキン押え４４の凹溝４４ｃの底面と円盤部材３０の下端面とに密着するＯリング４６が円盤部材３０に対して摺動し、パッキンケース４１の凹溝４１ｃの底面とケーシング２０の内周面とに密着する環状部材４５が変形してケーシング２０の内周面に働く環状部材４５の押圧力が変化する。
【００６４】
このように、乾燥運転時に主軸１０に軸ぶれが生じても、環状部材４５が軸ぶれ吸収機構として働き、該環状部材４５が主軸１０の軸ぶれを吸収することで、グランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの接触面において、その一部の面圧が過大となることが防止される。
【００６５】
また、Ｏリング４６の表面をテフロン（登録商標）等の樹脂で被覆することで、Ｏリング４６と円盤部材３０の下端面との摩擦力が減少する。よって、Ｏリング４６を円盤部材３０に対してスムーズに摺動させることができ、主軸１０の軸ぶれに対する軸封部４０の応答性を向上させることができる。
【００６６】
また、各グランドパッキン４２の間に廻り止め板４３を１つずつ挟み込み、パッキン押え４４により各グランドパッキン４２を押圧して各グランドパッキン４２の端面がパッキン押え４４の下端面の溝４４ｂ及び廻り止め板４３の上下両端面の溝４３ａに食い込んだ状態とすることで、グランドパッキン４２と廻り止め板４３との周方向の摩擦力が増加する。よって、グランドパッキン４２が主軸１０と共に回転することを防止でき、パッキンケース４１の内周面に密着する各グランドパッキン４２の外周側の摩耗を阻止してパッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間を確実にシールすることができる。
【００６７】
更には、パッキンケース４１に圧力バランス孔４８を設けて空間Ａ〜Ｃそれぞれの圧力を均等に保つことで、ケーシング２０の内周面に働く環状部材４５の押圧力が均等化されるため、グランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａの接触面の面圧が部分的に過大となることを防止できる。
【００６８】
一方、豪雨時には、ダム等より落下する河川水の量が大幅に増加し、ケーシング２０の下方に設けられた河川水が貯留する部分の水位が大幅に上昇するため、この河川水がケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に入り込もうとする。しかしながら、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間は、グランドパッキン４２と、環状部材４５と、Ｏリング４６とによってシールされている。このため、異物やスラリー等を含む河川水がケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に入り込むことが確実に防止される。
【００６９】
従って、本実施形態によれば、グランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの接触面において、その一部の面圧が過大となることを防止でき、乾燥運転時においてもグランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの摩擦による主軸１０の温度上昇を抑制することができる。また、従来のような給水装置を用いる必要がないため、軸封装置を小型化できるとともに軸封装置の構成を簡素化でき、更には軸封装置の製造工程を単純化することができる。
【００７０】
《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２は、上記実施形態１の水車に適用される軸封装置の構成を変更したものである。ここでは、本実施形態の軸封装置について、上記実施形態１と異なる点を説明する。
【００７１】
図３に示すように、本実施形態の軸封装置は、主軸１０の外周側を囲むケーシング２０と、ケーシング２０と主軸１０の隙間に設けられる軸封部４０と、後述する弾性部材５１とで構成されている。このうちケーシング２０には、その上端面における同一円周上にボルト４７を挿入するための穴２０ｃが複数設けられている。
【００７２】
また、本実施形態の水車では、軸スリーブ１０ａが弾性部材５１と金属部材５２とによって構成されている。このうち弾性部材５１は、軸スリーブ１０ａのうちケーシング２０の内周面と対向する部分を構成している。そして、弾性部材５１の上端部が金属部材５２の下端部に当接するとともに、この弾性部材５１の上端部と金属部材５２の下端部とに複数のピン５３が挿入されることで、弾性部材５１と金属部材５２とが接続されている。
【００７３】
具体的に、上記弾性部材５１は、環状に形成されるとともに、その上端部と下端部の径方向の厚みが上記金属部材５２の径方向の厚みと等しく、その上端部と下端部との内周面が主軸１０の外周面に密着している。一方、弾性部材５１は、その上端部と下端部との間の部分の厚みが上端部及び下端部の厚みよりも薄く、上端部と下端部の間における弾性部材５１の内周面全周に亘って凹部５１ａが形成されている。そして、弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の内周面と主軸１０の外周面の間に隙間が設けられることで、この弾性部材５１が軸ぶれ吸収機構として働く。
【００７４】
また、本実施形態の軸封部４０は、複数のグランドパッキン４２と、複数の廻り止め板４３と、パッキン押え４４とによって構成されている。このうち複数のグランドパッキン４２（例えば、３つ）は、ケーシング２０の内周面と弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面の隙間に設けられている。
【００７５】
また、各グランドパッキン４２の間には廻り止め板４３が１つずつ設けられ、廻り止め板４３の上下両端面は各グランドパッキン４２の端面に当接している。そして、ケーシング側突出部２０ａの上面に最も下側に位置するグランドパッキン４２の下端面を当接させた状態で、これらグランドパッキン４２及び廻り止め板４３がケーシング２０に支持される。また、このとき、各グランドパッキン４２は、その外周面と内周面のそれぞれがケーシング２０の内周面と弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面とに密着した状態で、ケーシング２０の内周面と弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面の隙間に保持されている。
【００７６】
更に、パッキン押え４４の下部をケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に挿入するとともに、パッキン押え４４の下端面を３つのグランドパッキン４２のうち最も上側に位置するグランドパッキン４２の上端面に当接させ、パッキン押え４４の穴４４ｄにボルト４７を挿入してボルト４７の先端部分をケーシング２０の穴２０ｃに押し込むことで、各グランドパッキン４２がパッキン押え４４により下方へ押圧される。また、パッキン押え４４により各グランドパッキン４２を下方へ押圧すると、パッキン押え４４の下端面や廻り止め板４３の上下両端面に密着する各グランドパッキン４２の端面が該パッキン押え４４の下端面の溝４４ｂや該廻り止め板４３の上下両端面の溝４３ａに食い込むとともに、各グランドパッキン４２がその半径方向に膨張するように変形する。よって、各グランドパッキン４２がケーシング２０の内周面と弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面の両方に確実に密着する。
【００７７】
このように構成された軸封装置を備える水車において、主軸１０が回転すると、軸スリーブ１０ａが、該軸スリーブ１０ａに密着するグランドパッキン４２に対して摺動し、弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面とグランドパッキン４２の内周面との間に摩擦が生じる。
【００７８】
ここで、上述のように、弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の内周面と主軸１０の外周面の間には、隙間が設けられている。このため、主軸１０に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じると、弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面のうちグランドパッキン４２の内周面に密着する部分が、その半径方向内方へ凹むように撓んで変形する。すなわち、弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の内周面と主軸１０の外周面とに囲まれた空間に向かって、弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面のうちグランドパッキン４２の内周面に密着する部分が食い込むような状態となる。
【００７９】
このように、乾燥運転時に主軸１０に軸ぶれが生じても、弾性部材５１が軸ぶれ吸収機構として働き、該弾性部材５１の凹部５１ａが主軸１０の軸ぶれを吸収することで、グランドパッキン４２の内周面と弾性部材５１における凹部５１ａが設けられた部分の外周面との摩擦力が低減され、グランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの接触面において、その一部の面圧が過大となることが防止される。
【００８０】
従って、本実施形態によれば、軸封装置をケーシング２０と、グランドパッキン４２と、廻り止め板４３と、パッキン押え４４と、弾性部材５１とによって構成することにより、軸封装置の部品点数を減らすことができるとともに軸封装置の構成を簡素化できる。また、軸スリーブ１０ａの外周面のうちグランドパッキン４２の内周面に密着する部分を弾性部材５１により構成することで、乾燥運転時においてもグランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの摩擦による主軸１０の温度上昇を抑制することができる。
【００８１】
《発明の実施形態３》
本発明の実施形態３は、上記実施形態１の水車に適用される軸封装置の構成を変更したものである。ここでは、本実施形態の軸封装置について、上記実施形態１と異なる点を説明する。尚、本実施形態の水車では、パッキン押え４４の上端面に形成される凹溝４４ｃ及び該凹溝４４ｃに嵌め込まれるＯリング４６と、パッキン押え４４の内部に形成される圧力バランス孔４８とが省略されている。
【００８２】
図４及び図５に示すように、本実施形態の水車では、軸スリーブ１０ａの外周面に該軸スリーブ１０ａの全周に亘って段付き部５４が設けられている。この段付き部５４は、主軸１０の延びる方向に対して略４５度傾斜しており、その下端から上端にかけて外径が大きくなるように形成されている。そして、軸スリーブ１０ａの外径は、段付き部５４よりも上側の方が段付き部５４よりも下側と比べて大きくなっている。
【００８３】
また、ケーシング側突出部２０ａの上面には、その形状が薄板状であって環状に形成された台座６１が載置されている。この台座６１は、ケーシング側突出部２０ａの上面に固定されており、例えばゴム等の弾性体によって構成されている。
【００８４】
また、本実施形態の軸封部４０は、パッキンケース４１と、複数のグランドパッキン４２と、複数の廻り止め板４３と、パッキン押え４４と、複数の環状部材であるＯリング４９及びコ字型部材５０とによって構成されている。
【００８５】
このうち複数のグランドパッキン４２（例えば、３つ）は、パッキンケース４１の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に設けられている。各グランドパッキン４２は、その内径が軸スリーブ１０ａのうち段付き部５４よりも下側の部分の外径よりも大きく、段付き部５４よりも上側の部分の外径よりも若干小さくなっている。また、各グランドパッキン４２の間には廻り止め板４３が１つずつ設けられ、廻り止め板４３の上下両端面は各グランドパッキン４２の端面に当接している。そして、パッキンケース側突出部４１ｂの上面に最も下側に位置するグランドパッキン４２の下端面を当接させた状態で、これらグランドパッキン４２及び廻り止め板４３がパッキンケース４１に支持される。
【００８６】
更に、パッキンケース４１の上端面にボルト４７で固定されたパッキン押え４４により各グランドパッキン４２を下方に押圧すると、パッキン押え４４の下端面や廻り止め板４３の上下両端面に密着する各グランドパッキン４２の端面が該パッキン押え４４の下端面の溝４４ｂや該廻り止め板４３の上下両端面の溝４３ａに食い込み、各グランドパッキン４２がその半径方向に膨張するように変形する。
【００８７】
ここで、本実施形態の軸封部４０は、図４に示すように、そのパッキンケース４１の下端面が台座６１の上面に当接する状態から、図５に示すように、そのパッキン押え４４の上端面が円盤部材３０の下端面に当接する状態まで、主軸１０の延びる方向に移動可能に構成されている。
【００８８】
また、図４に示すように、軸封部４０は、そのパッキンケース４１の下端面が台座６１の上端面に当接する状態において、パッキン押え４４の下端面に当接する最も上側に位置するグランドパッキン４２の上端面の位置が段付き部５４の下端の高さと概ね等しいか、或いは段付き部５４の下端の高さよりも低くなっている。よって、このとき、グランドパッキン４２は、その外周面がパッキンケース４１の内周面に密着し、グランドパッキン４２の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の間に隙間が形成されるとともに、この隙間が軸ぶれ吸収機構として働く。
【００８９】
一方、図５に示すように、軸封部４０が、パッキン押え４４の下端面に当接する最も上側に位置するグランドパッキン４２の上端面が段付き部５４の上端よりも高い位置に移動すると、グランドパッキン４２の内周面が軸スリーブ１０ａの外周面に密着し、グランドパッキン４２の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間がシールされる。
【００９０】
また、図４及び図５に示すように、パッキンケース４１の外周面の２箇所に設けられる凹溝４１ｃのそれぞれには、Ｏリング４９とコ字型部材５０とが設けられている。このうちＯリング４９は、その断面が円形に形成されている。また、コ字型部材５０は、環状に形成され、その半径方向と垂直な方向の断面がコ字型に形成されて内周側が開口するとともに、その外径がケーシング２０の内径と等しくなっている。
【００９１】
そして、凹溝４１ｃにＯリング４９を設け、更に凹溝４１ｃにコ字型部材５０の開口側を嵌め込むことにより、ケーシング２０の内周面にコ字型部材５０の外周面が当接するとともに、凹溝４１ｃの底面とコ字型部材５０の内周面とにＯリング４９が密着する。このように、ケーシング２０の内周面とパッキンケース４１の内周面における凹溝４１ｃの隙間は、Ｏリング４９とコ字型部材５０とによってシールされている。
【００９２】
このように構成された軸封装置を備える水車において、乾燥運転時には、ケーシング２０の下方に設けられた河川水が貯留する部分の水位が軸封部４０の下面、即ちパッキンケース４１の下端面の高さよりも低くなっている。そして、このとき、ケーシング２０の下方は大気圧以下になるとともに、ケーシング２０の上方は大気圧となっている。よって、図４に示すように、軸封部４０は、その自重及びケーシング２０の上方と下方との圧力差によりパッキンケース４１の下端面が台座６１の上面に当接する状態で、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に保持される。
【００９３】
また、このとき、グランドパッキン４２の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の間に隙間が形成される。つまり、乾燥運転時において、主軸１０はグランドパッキン４２と接触することなく回転する。このため、主軸１０に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じても、該主軸１０がグランドパッキン４２と接触することなく回転する。このように、本実施形態では、グランドパッキン４２の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間が軸ぶれ吸収機構として働く。また、主軸１０の軸ぶれ幅が大きく、軸スリーブ１０ａの外周面がグランドパッキン４２の内周面に接触したとしても、パッキンケース４１の凹溝４１ｃに設けられたＯリング４９が変形することでグランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの摩擦力が低減され、グランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの接触面において、その一部の面圧が過大となることが防止される。
【００９４】
一方、豪雨時には、ダム等より落下する河川水の量が大幅に増加し、ケーシング２０の下方に設けられた河川水が貯留する部分の水位が大幅に上昇するため、この河川水がケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に入り込もうとする。このとき、図５に示すように、軸封部４０の下面、即ちパッキンケース４１の下端面に水圧が作用し、パッキンケース４１の凹溝４１ｃに嵌め込まれたコ字型部材５０の外周面がケーシング２０の内周面に対して摺動しつつ、軸封部４０が上方へ押し上げられる。そして、パッキン押え４４の上端面が円盤部材３０の下端面に当接する状態で、軸封部４０がケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に保持される。
【００９５】
また、このとき、グランドパッキン４２は、その外周面がパッキンケース４１の内周面に密着するとともに、その内周面が軸スリーブ１０ａの外周面に密着する。また、コ字型部材５０の外周面がケーシング２０の内周面に当接するとともに、Ｏリング４９がコ字型部材５０の内周面とパッキンケース４１の凹溝４１ｃの底面とに密着する。このように、ケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間は、グランドパッキン４２、Ｏリング４９、及びコ字型部材５０によって確実にシールされる。このため、異物やスラリー等を含む河川水がケーシング２０の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の隙間に入り込むことが確実に防止される。
【００９６】
また、豪雨時には、グランドパッキン４２の内周面が軸スリーブ１０ａの外周面に密着するため、主軸１０が回転する際にグランドパッキン４２の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の間に摩擦が生じる。一方、主軸１０に、その軸方向に対して垂直な方向に軸ぶれが生じると、パッキンケース４１の凹溝４１ｃの底面とコ字型部材５０の内周面とに密着するＯリング４９が変形する。このように、主軸１０に軸ぶれが生じても、Ｏリング４９が変形することで、グランドパッキン４２と軸スリーブ１０ａとの接触面において、その一部の面圧が過大となることが防止される。
【００９７】
本実施形態によれば、乾燥運転時にグランドパッキン４２の内周面と軸スリーブ１０ａの外周面の間に隙間が設けられ、主軸１０に軸ぶれが生じた場合にも軸スリーブ１１ａの外周面とグランドパッキン４２の内周面とが非接触となる。このため、主軸１０に軸ぶれが生じた場合にもグランドパッキン４２の摩耗量をゼロにして主軸１０の温度上昇を確実に防ぐことができ、グランドパッキン４２の寿命を大幅に増加させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上説明したように、本発明は、ケーシングと回転軸の隙間をシールする軸封装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】実施形態１に係る軸封装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施形態１に係る軸封装置において、軸封部の一部の構造を示す斜視図である。
【図３】実施形態２に係る軸封装置の構造を示す断面図である。
【図４】実施形態３に係る軸封装置の構造及び乾燥運転時における軸封部の位置を示す断面図である。
【図５】実施形態３に係る軸封装置の構造及び豪雨時における軸封部の位置を示す断面図である。
【図６】従来に係る水車の軸封装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１０    主軸
１０ａ  軸スリーブ
２０    ケーシング
２０ａ  ケーシング側突出部
２０ｂ  突起部
２０ｃ  穴
３０    円盤部材
４０    軸封部
４１    パッキンケース
４１ａ  穴
４１ｂ  パッキンケース側突出部
４１ｃ  凹溝
４２    グランドパッキン
４２ａ  カット面
４３    廻り止め板
４３ａ  溝
４４    パッキン押え
４４ａ  パッキン押え側突出部
４４ｂ  溝
４４ｃ  凹溝
４４ｄ  穴
４５    環状部材
４６    Ｏリング
４７    ボルト
４８    圧力バランス孔
【図１】
2006057734.tif 000003
【図２】
2006057734.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006057734.tif 000008