(57)【要約】  【課題】漏れ損失を低減して効率低下を抑制することができる水力機械のシール装置を提供する。  【解決手段】実施の形態による水力機械のシール装置２０Ａ、２０Ｂは、ランナ５と静止部材９、１１との間に設けられ、ランナ５との間で水流の入り込みを抑制するシール隙間寸法Ｇ１、Ｇ２を画定し、回転軸線Ｘに沿う方向に移動可能に設けられた可動部材２２Ａ、２２Ｂと、寸法計測部２７Ａ、２７Ｂと、駆動部２８Ａ、２８Ｂと、を備えている。寸法計測部２７Ａ、２７Ｂは、シール隙間寸法Ｇ１、Ｇ２を計測する。駆動部２８Ａ、２８Ｂは、寸法計測部２７Ａ、２７Ｂにより計測されたシール隙間寸法Ｇ１、Ｇ２に基づいて、可動部材２２Ａ、２２Ｂを回転軸線Ｘに沿う方向に移動させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流によって回転軸線を中心に回転駆動されるランナと、前記ランナに対向する静止部材との間に設けられた空間への前記水流の入り込みを抑制する水力機械のシール装置であって、
前記ランナと前記静止部材との間に設けられ、前記ランナとの間で前記水流の入り込みを抑制するシール隙間寸法を画定し、前記回転軸線に沿う方向に移動可能に設けられた可動部材と、
前記シール隙間寸法を計測する寸法計測部と、
前記寸法計測部により計測された前記シール隙間寸法に基づいて、前記可動部材を前記回転軸線に沿う方向に移動させる駆動部と、を備えた、水力機械のシール装置。
【請求項２】
前記駆動部を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記寸法計測部により計測された前記シール隙間寸法に基づいて、前記可動部材を移動させるか否かを判断し、移動させると判断した場合には、前記シール隙間寸法に基づいて前記可動部材の移動量を算出する、請求項１に記載の水力機械のシール装置。
【請求項３】
前記制御部は、負荷遮断時に前記可動部材を前記ランナから遠ざける方向に移動させるように前記駆動部を制御する、請求項２に記載の水力機械のシール装置。
【請求項４】
前記ランナに、前記回転軸線に垂直に形成された回転側シール面が設けられ、
前記可動部材に、前記回転側シール面に対向する静止側シール面が設けられ、
前記シール隙間寸法は、前記回転側シール面と前記静止側シール面とによって画定されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水力機械のシール装置。
【請求項５】
前記静止部材は、バンドの外周側に設けられた下カバーを有し、
前記空間は、前記ランナと前記下カバーとの間に設けられた側圧室を含み、
前記回転側シール面および前記静止側シール面は、前記側圧室の水車運転時における出口に設けられている、請求項４に記載の水力機械のシール装置。
【請求項６】
前記静止部材は、クラウンの上方に設けられた上カバーを有し、
前記空間は、前記ランナと前記上カバーとの間に設けられた背圧室を含み、
前記回転側シール面および前記静止側シール面は、前記背圧室の水車運転時における入口に設けられている、請求項４または５に記載の水力機械のシール装置。
【請求項７】
前記回転側シール面は、前記回転軸線に沿う方向において互いに異なる位置で前記回転軸線に垂直に形成された複数の回転側シール分割面を有し、
前記静止側シール面は、前記回転側シール分割面の各々に対向する複数の静止側シール分割面を有し、
前記シール隙間寸法は、一の前記回転側シール分割面と、当該回転側シール分割面に対向する前記静止側シール分割面とによって規定されている、請求項４〜６のいずれか一項に記載の水力機械のシール装置。
【請求項８】
前記回転側シール面および前記静止側シール面のうちの一方は、前記回転軸線に垂直に形成された突出シール面を含む凸部を含み、他方は前記凸部を受容する凹部を含み、
前記凹部は、前記突出シール面に対向する引込シール面を含み、
前記シール隙間寸法は、前記突出シール面と前記引込シール面とによって規定されている、請求項４〜６のいずれか一項に記載の水力機械のシール装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の前記水力機械のシール装置を備えた、水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、水力機械のシール装置および水力機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電等に用いられる水力機械のランナは、静止部材（非回転体）である上カバーおよび下カバーによって覆われている。ランナと上カバーとの間には空間（背圧室）が形成されるとともに、ランナと下カバーとの間にも空間（側圧室）が形成されている。水車運転時には、ランナを通過する水流によってランナ羽根が水流の圧力を受けてランナを回転駆動する動力が生み出される。ところが、ランナを通過することなく、上述した空間を通過する水流が存在する。このような水流は、ランナ羽根に流体力を与えない。このため、空間を通過する水流の流量が多くなるほど、水力機械の効率が低下し、出力が低下する。
【０００３】
このような空間を水流が通過することによって発生する損失は漏れ損失と呼ばれている。この漏れ損失を低減させるために、ランナと静止部材との間にシール部が設けられている。このシール部においては、ランナと静止部材とが接触しない範囲でランナと静止部材との間の隙間は狭められており、通過する水の流量を少なくしている。
【０００４】
しかしながら、長年の運転によってシール部が摩耗することにより隙間が増大したり、ランナの振動や運転条件の変化によっても隙間が増大したりすることがある。また、隙間が変化した場合であっても、ランナと静止部材の接触を防止できるように裕度を大きくとっているため、隙間がさらに増大し得る。このように隙間が増大すると、漏れ損失が増大するという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２４２６９５号公報
【特許文献２】特許第５４０４２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、漏れ損失を低減して効率低下を抑制することができる水力機械のシール装置および水力機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施の形態による水力機械のシール装置は、水流によって回転軸線を中心に回転駆動されるランナと、ランナに対向する静止部材との間に設けられた空間への水流の入り込みを抑制する装置である。水力機械のシール装置は、ランナと静止部材との間に設けられ、前記ランナとの間で前記水流の入り込みを抑制するシール隙間寸法を画定し、回転軸線に沿う方向に移動可能に設けられた可動部材と、寸法計測部と、駆動部と、を備えている。寸法計測部は、シール隙間寸法を計測する。駆動部は、寸法計測部により計測されたシール隙間寸法に基づいて、可動部材を回転軸線に沿う方向に移動させる。
【０００８】
また、実施の形態による水力機械は、上述した水力機械のシール装置を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、漏れ損失を低減して効率低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施の形態におけるフランシス水車の子午面断面図である。
【図２】図２は、図１の第１シール装置を示す概略断面図である。
【図３】図３は、図１の第２シール装置を示す概略断面図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態における第１シール装置を示す概略断面図である。
【図５】図５は、第３の実施の形態における第１シール装置を示す概略断面図である。
【図６】図６は、図５の変形例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における水力機械のシール装置および水力機械について説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
まず、図１〜図３を用いて、第１の実施の形態における水力機械のシール装置および水力機械について説明する。ここでは、まず、図１を用いて水力機械の一例であるフランシス水車について説明する。
【００１３】
図１に示すように、フランシス水車１は、水車運転時に上池から水圧鉄管（いずれも図示せず）を通って水が流入する渦巻き状のケーシング２と、複数のステーベーン３と、複数のガイドベーン４と、ランナ５と、を備えている。
【００１４】
ステーベーン３は、ケーシング２に流入した水をガイドベーン４およびランナ５に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ステーベーン３の間に水が流れる流路が形成されている。
【００１５】
ガイドベーン４は、流入した水をランナ５に導くためのものであり、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ガイドベーン４の間には、水が流れる流路が形成されている。各ガイドベーン４は、回動可能に構成されており、各ガイドベーン４が回動して開度を変えることにより、ランナ５に流入する水の流量が調整可能になっている。このようにして、後述する発電機７の発電量が調整可能になっている。
【００１６】
ランナ５は、ケーシング２に対して回転軸線Ｘを中心に回転可能に構成され、水車運転時にケーシング２から流入する水によって回転駆動される。すなわち、ランナ５は、ランナ５に流入する水の圧力エネルギを回転エネルギへと変換するためのものである。
【００１７】
ランナ５は、後述する主軸６に連結されたクラウン５ａと、クラウン５ａの外周側に設けられたバンド５ｂと、クラウン５ａとバンド５ｂとの間に設けられた複数のランナ羽根５ｃと、を有している。このうちランナ羽根５ｃは、周方向に所定の間隔を開けて配置されている。ランナ羽根５ｃの間には、水が流れる流路が形成されている。
【００１８】
ランナ５には、主軸６を介して発電機７が連結されている。この発電機７は、水車運転時には、ランナ５の回転エネルギが伝達されて発電を行うように構成されている。
【００１９】
ランナ５の水車運転時の下流側には、吸出し管８が設けられている。この吸出し管８は、図示しない下池または放水路に連結されており、ランナ５を回転駆動した水が、圧力を回復して、下池または放水路に放出されるようになっている。
【００２０】
ランナ５のクラウン５ａの上方には、上カバー９が設けられている。ランナ５は、上カバー９によって覆われている。ランナ５のクラウン５ａと上カバー９との間には、背圧室１０が設けられている。この背圧室１０には、ガイドベーン４を通過した水流の一部が漏れ流れとして、背圧室入口１０ａを通過して流入する。背圧室１０に流入した水流は、クラウン５ａに設けられた連通孔（図示せず）を通過して、吸出し管８内に導かれるようになっている。
【００２１】
ランナ５のバンド５ｂの外周側には、下カバー１１が設けられている。ランナ５のバンド５ｂと下カバー１１との間には、側圧室１２が設けられている。この側圧室１２には、ガイドベーン４を通過した水流の一部が漏れ流れとして、側圧室入口１２ａを通過して流入する。側圧室１２に流入した水流は、側圧室出口１２ｂを通過して吸出し管８内に導かれるようになっている。
【００２２】
なお、発電機７は、電動機としての機能をも有し、電力が供給されることによりランナ５を回転駆動するように構成されていてもよい。この場合、吸出し管８を介して下池の水を吸い上げて上池に放出させることができ、フランシス水車１を、ポンプ水車としてポンプ運転（揚水運転）することが可能になる。この際、ガイドベーン４の開度は、ポンプ揚程に応じて適切な揚水量になるように変えられる。
【００２３】
また、本実施の形態によるフランシス水車１は、シール装置（水力機械のシール装置）を更に備えている。このシール装置は、ランナ５と、ランナ５に対向する静止部材との間に設けられた空間への水流の入り込みを抑制するようになっている。以下、本実施の形態によるシール装置についてより詳細に説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態においては、シール装置は、上述した背圧室１０および側圧室１２にそれぞれ設けられている。すなわち、静止部材が下カバー１１および上カバー９に相当し、空間が上述した側圧室１２および背圧室１０に相当する。側圧室１２に設けられたシール装置（以下、第１シール装置２０Ａと記す）は、ランナ５と、ランナ５に対向する下カバー１１（静止部材）との間に設けられた側圧室１２（空間）への水流の入り込みを抑制するように構成されている。第１シール装置２０Ａは、側圧室１２の水車運転時における側圧室出口１２ｂに配置されている。背圧室１０に設けられたシール装置（以下、第２シール装置２０Ｂと記す）は、ランナ５とランナ５に対向する上カバー９（静止部材）との間に設けられた背圧室１０（空間）への水流の入り込みを抑制するように構成されている。第２シール装置２０Ｂは、背圧室１０の水車運転時における背圧室入口１０ａに配置されている。
【００２５】
図２に示すように、第１シール装置２０Ａは、ランナ５のバンド５ｂに設けられた第１回転側シール面２１Ａと、第１回転側シール面２１Ａと下カバー１１との間に設けられた第１可動部材２２Ａと、第１可動部材２２Ａに設けられた第１静止側シール面２３Ａと、を備えている。このうち、第１可動部材２２Ａは、ランナ５のバンド５ｂとの間で側圧室１２への水流の入り込みを抑制する後述する第１シール隙間寸法を画定している。なお、第１静止側シール面２３Ａは、後述するように、回転軸線Ｘに沿う方向に移動可能な第１可動部材２２Ａに設けられているが、第１可動部材２２Ａは回転不能になっている。このため、第１静止側シール面２３Ａという名称には、第１回転側シール面２１Ａと区別させることを目的として「静止側」という用語を用いている。後述する第２静止側シール面２３Ｂについても同様である。
【００２６】
第１回転側シール面２１Ａおよび第１静止側シール面２３Ａは、回転軸線Ｘに垂直な面として形成されている。第１静止側シール面２３Ａは、第１回転側シール面２１Ａに対向し、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間に、所定の隙間寸法（以下、第１シール隙間寸法と記す）が規定されている。この第１シール隙間寸法（図２におけるＧ１）は、側圧室１２に流入する水流の流量を少なくするように設定されており、水の流量を制限している。このようにして、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとによってシール部が構成されている。
【００２７】
第１可動部材２２Ａは、回転軸線Ｘに沿う方向に移動可能になっている。第１可動部材２２Ａは、第１伝達機構２４Ａを介して、後述する下カバー回転部１１ｃに連結されている。第１駆動部２８Ａによる駆動力が第１可動部材２２Ａに伝達可能であれば、第１伝達機構２４Ａの構成は任意である。例えば、第１伝達機構２４Ａとして、第１可動部材２２Ａの外周面におねじ部（図示せず）が設けられ、下カバー１１のうち当該外周面に対向する内周面に、おねじ部に螺合するめねじ部（図示せず）が設けられていてもよい。この場合、下カバー１１は、下カバー本体１１ａと、下カバー本体１１ａよりも吸出し管８の側に設けられた下カバー下流側部１１ｂと、下カバー本体１１ａと下カバー下流側部１１ｂとの間に設けられた下カバー回転部１１ｃと、を有していてもよい。この下カバー回転部１１ｃは、下カバー本体１１ａおよび下カバー下流側部１１ｂに対して回転可能に構成されている。下カバー本体１１ａおよび下カバー下流側部１１ｂは回転不能になっており、下カバー回転部１１ｃと下カバー本体１１ａとの間、および下カバー回転部１１ｃと下カバー下流側部１１ｂとの間からの漏水を防止するように構成されている。下カバー回転部１１ｃは、歯車機構などを用いて第１駆動部２８Ａの駆動力を受けるように構成されていてもよい。下カバー回転部１１ｃの内周面には、第１可動部材２２Ａのおねじ部に螺合する上述しためねじ部が形成されている。なお、第１可動部材２２Ａと下カバー回転部１１ｃ（または下カバー下流側部１１ｂ）との間の隙間には、水の入り込みが不能に構成されていてもよく、または、当該隙間が、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の隙間よりも小さく設定されていてもよい。このようにして、側圧室出口１２ｂを通過する水は、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の隙間を流れるようになっている。
【００２８】
第１可動部材２２Ａは、下カバー１１に対して回転不能に構成されている。第１可動部材２２Ａを回転不能にするための構成は任意である。例えば、下カバー下流側部１１ｂから回転軸線Ｘに沿う方向に延びる第１ガイド棒２５Ａが設けられて、この第１ガイド棒２５Ａが第１可動部材２２Ａに設けられた第１ガイド孔２６Ａに対して回転軸線Ｘに沿う方向に摺動可能にしてもよい。このような構成により、第１可動部材２２Ａの回転が、第１ガイド棒２５Ａによって規制される。
【００２９】
本実施の形態による第１シール装置２０Ａは、第１寸法計測部２７Ａと、第１駆動部２８Ａと、第１制御部２９Ａと、を更に備えている。
【００３０】
第１寸法計測部２７Ａは、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法を計測するように構成されている。例えば、第１寸法計測部２７Ａは、第１計測部本体２７ＡＢと、第１静止側シール面２３Ａに設けられるとともに第１計測部本体２７ＡＢに接続された第１受発光部２７ＡＳと、を有し、この第１受発光部２７ＡＳから第１回転側シール面２１Ａにレーザ光を照射するように構成してもよい。レーザ光は、第１回転側シール面２１Ａで反射して、第１受発光部２７ＡＳで受光される。このことにより、第１寸法計測部２７Ａは、第１可動部材２２Ａに対する第１回転側シール面２１Ａの相対的位置を計測することができ、第１シール隙間寸法を得ることができる。なお、第１寸法計測部２７Ａの構成はこれに限られることはない。例えば、図示しないが、２つの受発光部を用いて、そのうちの一方で第１回転側シール面２１Ａの位置を計測し、他方で第１可動部材２２Ａの下面の位置を計測し、第１シール隙間寸法を得るようにしてもよい。この際、下カバー下流側部１１ｂおよび第１可動部材２２Ａにレーザ光が透過可能な窓を設けて、この窓の下方であって下カバー下流側部１１ｂよりも下方に、２つの受発光部を配置してもよい（２つの受発光部を第１計測部本体２７ＡＢと一体に形成してもよい）。後述する第２寸法計測部２７Ｂについても同様である。
【００３１】
第１駆動部２８Ａは、第１可動部材２２Ａを、第１寸法計測部２７Ａにより計測された第１シール隙間寸法に基づいて、回転軸線Ｘに沿う方向に移動させるように構成されている。図２に示す例では、第１駆動部２８Ａは、上述した下カバー回転部１１ｃを回転させることにより第１可動部材２２Ａを移動させるようになっている。
【００３２】
第１制御部２９Ａは、第１寸法計測部２７Ａにより計測されて送信された第１シール隙間寸法に基づいて、第１可動部材２２Ａを移動させるか否かを判断し、移動させると判断した場合には、この第１シール隙間寸法に基づいて第１可動部材２２Ａの移動量を算出する。より具体的には、所定の基準値と計測された第１シール隙間寸法との差を算出し、その差が、所定のしきい値よりも大きいか否かを判断し、大きい場合には、当該差に応じた移動量を算出する。そして、第１制御部２９Ａは、算出された移動量に応じて、下カバー回転部１１ｃを回転させるように第１駆動部２８Ａを制御する。このようにして、第１可動部材２２Ａが、第１寸法計測部２７Ａにより計測された第１シール隙間寸法に応じて回転軸線Ｘに沿う方向に移動するようになっている。
【００３３】
図３に示すように、第２シール装置２０Ｂは、ランナ５のクラウン５ａに設けられた第２回転側シール面２１Ｂと、第２回転側シール面２１Ｂと上カバー９との間に設けられた第２可動部材２２Ｂと、第２可動部材２２Ｂに設けられた第２静止側シール面２３Ｂと、を備えている。このうち、第２可動部材２２Ｂは、ランナ５のクラウン５ａとの間で背圧室１０への水流の入り込みを抑制する後述する第２シール隙間寸法を画定している。
【００３４】
第２回転側シール面２１Ｂおよび第２静止側シール面２３Ｂは、回転軸線Ｘに垂直な面として形成されている。第２静止側シール面２３Ｂは、第２回転側シール面２１Ｂに対向し、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間に、所定の隙間寸法（以下、第２シール隙間寸法と記す）が規定されている。この第２シール隙間寸法（図３におけるＧ２）は、背圧室１０に流入する水流の流量を少なくするように設定されており、水流をシールする部分として構成されている。このようにして、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとによってシール部が構成されている。
【００３５】
第２可動部材２２Ｂは、回転軸線Ｘに沿う方向に移動可能になっている。第２可動部材２２Ｂは、第２伝達機構２４Ｂを介して、後述する上カバー回転部９ｃに連結されている。第２駆動部２８Ｂによる駆動力が第２可動部材２２Ｂに伝達可能であれば、第２伝達機構２４Ｂの構成は任意である。例えば、第２伝達機構２４Ｂとして、第２可動部材２２Ｂの外周面におねじ部（図示せず）が設けられ、上カバー９のうち当該外周面に対向する内周面に、おねじ部に螺合するめねじ部（図示せず）が設けられていてもよい。この場合、上カバー９は、上カバー本体９ａと、上カバー本体９ａよりもケーシング２の側に設けられた上カバー上流側部９ｂと、上カバー本体９ａと上カバー上流側部９ｂとの間に設けられた上カバー回転部９ｃと、を有していてもよい。この上カバー回転部９ｃは、上カバー本体９ａおよび上カバー上流側部９ｂに対して回転可能に構成されている。上カバー本体９ａおよび上カバー上流側部９ｂは回転不能になっており、上カバー回転部９ｃと上カバー本体９ａとの間、および上カバー回転部９ｃと上カバー上流側部９ｂとの間からの漏水を防止するように構成されている。上カバー回転部９ｃは、歯車機構などを用いて第２駆動部２８Ｂの駆動力を受けるように構成されていてもよい。上カバー回転部９ｃの内周面には、第２可動部材２２Ｂのおねじ部に螺合する上述しためねじ部が形成されている。なお、第２可動部材２２Ｂと上カバー回転部９ｃ（または上カバー上流側部９ｂ）との間の隙間には、水の入り込みが不能に構成されていてもよく、または、当該隙間が、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の隙間よりも小さく設定されていてもよい。このようにして、背圧室入口１０ａを通過する水は、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の隙間を流れるようになっている。
【００３６】
第２可動部材２２Ｂは、上カバー９に対して回転不能に構成されている。第２可動部材２２Ｂを回転不能にするための構成は任意である。例えば、上カバー上流側部９ｂから回転軸線Ｘに沿う方向に延びる第２ガイド棒２５Ｂが設けられて、この第２ガイド棒２５Ｂが第２可動部材２２Ｂに設けられた第２ガイド孔２６Ｂに対して回転軸線Ｘに沿う方向に摺動可能にしてもよい。このような構成により、第２可動部材２２Ｂの回転が、第２ガイド棒２５Ｂによって規制される。
【００３７】
本実施の形態による第２シール装置２０Ｂは、第２寸法計測部２７Ｂと、第２駆動部２８Ｂと、第２制御部２９Ｂと、を更に備えている。
【００３８】
第２寸法計測部２７Ｂは、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の第２シール隙間寸法を計測するように構成されている。例えば、第２寸法計測部２７Ｂは、第２計測部本体２７ＢＢと、第２静止側シール面２３Ｂに設けられるとともに第２計測部本体２７ＢＢに接続された第２受発光部２７ＢＳと、を有し、この第２受発光部２７ＢＳから第２回転側シール面２１Ｂにレーザ光を照射するように構成してもよい。レーザ光は、第２回転側シール面２１Ｂで反射して、第２受発光部２７ＢＳで受光される。このことにより、第２寸法計測部２７Ｂは、第２シール隙間寸法を計測することができる。
【００３９】
第２駆動部２８Ｂは、第２可動部材２２Ｂを、第２寸法計測部２７Ｂにより計測された第２シール隙間寸法に基づいて、回転軸線Ｘに沿う方向に移動させるように構成されている。図３に示す例では、第２駆動部２８Ｂは、上述した上カバー回転部９ｃを回転させることにより第２可動部材２２Ｂを移動させるようになっている。
【００４０】
第２制御部２９Ｂは、第２寸法計測部２７Ｂにより計測されて送信された第２シール隙間寸法に基づいて、第２可動部材２２Ｂを移動させるか否かを判断し、移動させると判断した場合には、この第２シール隙間寸法に基づいて第２可動部材２２Ｂの移動量を算出する。より具体的には、所定の基準値と計測された第２シール隙間寸法との差を算出し、その差が、所定のしきい値よりも大きいか否かを判断し、大きい場合には、当該差に応じた移動量を算出する。そして、第２制御部２９Ｂは、算出された移動量に応じて、上カバー回転部９ｃを回転させるように第２駆動部２８Ｂを制御する。このようにして、第２可動部材２２Ｂが、第２寸法計測部２７Ｂにより計測された第２シール隙間寸法に応じて回転軸線Ｘに沿う方向に移動するようになっている。
【００４１】
第１シール装置２０Ａの第１制御部２９Ａと、第２シール装置２０Ｂの第２制御部２９Ｂは、別々に構成されていてもよいが、一体に構成されていてもよい。
【００４２】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００４３】
本実施の形態によるフランシス水車１において水車運転を行う場合、図示しない上池から水圧鉄管、ケーシング２及びステーベーン３を介して水がガイドベーン４に流入し、ガイドベーン４からランナ５に水が流入する。このランナ５に流入された水によって、ランナ５が回転駆動される。回転駆動されるランナ５は、連結された主軸６を介して発電機７に回転エネルギを伝達し、発電機７による発電が行われる。ランナ５に流入した水は、ランナ５から吸出し管８を通って、図示しない下池に放出される。
【００４４】
ガイドベーン４から流出した水の一部は、側圧室入口１２ａを通過して側圧室１２に流入する。側圧室１２に流入した水は、側圧室出口１２ｂを通過して吸出し管８内に導かれる。側圧室出口１２ｂでは、第１シール装置２０Ａのシール部を構成する第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の隙間を水が流れる。上述したように、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法は、所定の値に設定されているため、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の隙間を流れる水の流量は制限されている。
【００４５】
しかしながら、長年の運転によってシール部（すなわち、第１回転側シール面２１Ａまたは第１静止側シール面２３Ａ）が摩耗することにより第１シール隙間寸法が増えたり、ランナ５の振動や運転条件の変化によって第１シール隙間寸法が増えたりし得る。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、水車運転を行っている間、第１シール装置２０Ａの第１寸法計測部２７Ａにより、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法が計測される。計測された第１シール隙間寸法は、第１制御部２９Ａに送信されて、第１制御部２９Ａが、この第１シール隙間寸法に基づいて第１可動部材２２Ａを移動させるか否かを判断する。移動すべきと判断した場合には、第１制御部２９Ａは、第１可動部材２２Ａの移動量を算出する。算出された移動量に応じて、第１駆動部２８Ａが、第１静止側シール面２３Ａが形成された第１可動部材２２Ａを回転軸線Ｘに沿う方向に移動させる。このことにより、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法が、所定の範囲内に収まるように調整される。この結果、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の隙間を流れる水の流量が制限される。
【００４７】
同様に、ガイドベーン４から流出した水の一部は、背圧室入口１０ａを通過して背圧室１０に流入する。背圧室１０に流入した水は、図示しない連通孔を通過して吸出し管８内に導かれる。背圧室入口１０ａでは、第２シール装置２０Ｂのシール部を構成する第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の隙間を水が流れる。上述したように、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の第２シール隙間寸法は、所定の値に設定されているため、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の隙間を流れる水の流量は制限されている。
【００４８】
しかしながら、長年の運転によってシール部（すなわち、第２回転側シール面２１Ｂまたは第２静止側シール面２３Ｂ）が摩耗することにより第２シール隙間寸法が増えたり、ランナ５の振動や運転条件の変化によって第２シール隙間寸法が増えたりし得る。
【００４９】
そこで、本実施の形態では、水車運転を行っている間、第２シール装置２０Ｂの第２寸法計測部２７Ｂにより、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の第２シール隙間寸法が計測される。計測された第２シール隙間寸法は、第２制御部２９Ｂに送信されて、第２制御部２９Ｂが、この第２シール隙間寸法に基づいて第２可動部材２２Ｂを移動させるか否かを判断する。移動すべきと判断した場合には、第２制御部２９Ｂは、第２可動部材２２Ｂの移動量を算出する。算出された移動量に応じて、第２駆動部２８Ｂが、第２静止側シール面２３Ｂが形成された第２可動部材２２Ｂを回転軸線Ｘに沿う方向に移動させる。このことにより、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の第２シール隙間寸法が、所定の範囲内に収まるように調整される。この結果、第２回転側シール面２１Ｂと第２静止側シール面２３Ｂとの間の隙間を流れる水の流量が制限される。
【００５０】
このように本実施の形態によれば、ランナ５と静止部材（上カバー９および下カバー１１）との間に、可動部材２２Ａ、２２Ｂが設けられている。ランナ５と可動部材２２Ａ、２２Ｂとの間（より詳細には、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間）のシール隙間寸法が計測され、計測されたシール隙間寸法に基づいて、可動部材２２Ａ、２２Ｂが回転軸線Ｘに沿う方向に移動する。このことにより、可動部材２２Ａ、２２Ｂが移動することにより、摩耗や振動、運転条件の変化などが生じた場合であってもシール隙間寸法を所定の範囲内に収めるように調整することができる。このため、ランナ５と可動部材２２Ａ、２２Ｂとの間（より詳細には、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間）の隙間を流れる水の流量を制限することができ、漏れ損失を低減して効率低下を抑制することができる。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、上述したように、可動部材２２Ａ、２２Ｂが回転軸線Ｘに沿う方向に移動することができるため、シール部においてランナ５と可動部材２２Ａ、２２Ｂとの接触を防止することができる。このことにより、フランシス水車１の性能および信頼性を向上させることができる。また、可動部材２２Ａ、２２Ｂを移動させることにより、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間のシール隙間寸法を調整することができる。このことにより、フランシス水車１の組立後にシール隙間寸法を調整することができる。このため、フランシス水車１の組立時には、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間のシール隙間寸法の調整を不要にすることができ、組立工程を短縮させることができる。
【００５２】
また、本実施の形態によれば、第１シール装置２０Ａが、側圧室出口１２ｂに設けられている。このことにより、バンド５ｂに設けられた第１回転側シール面２１Ａと、バンド５ｂと下カバー１１との間の第１可動部材２２Ａに設けられた第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法を、所定の範囲内に収めるように調整することができる。このため、バンド５ｂと下カバー１１との間に設けられた側圧室１２への水流の入り込みを抑制することができ、側圧室１２を通る水流による漏れ損失を低減することができる。
【００５３】
また、本実施の形態によれば、第２シール装置２０Ｂが、背圧室入口１０ａに設けられている。このことにより、クラウン５ａに設けられた第２回転側シール面２１Ｂと、クラウン５ａと上カバー９との間の第２可動部材２２Ｂに設けられた第２静止側シール面２３Ｂとの間の第２シール隙間寸法を、所定の範囲内に収めるように調整することができる。このため、クラウン５ａと上カバー９との間に設けられた背圧室１０への水流の入り込みを抑制することができ、背圧室１０を通る水流による漏れ損失を低減することができる。
【００５４】
なお、上述した本実施の形態においては、側圧室出口１２ｂに第１シール装置２０Ａが設けられるとともに、背圧室入口１０ａに第２シール装置２０Ｂが設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第１シール装置２０Ａおよび第２シール装置２０Ｂのいずれか一方は、設けられていなくてもよい。
【００５５】
また、上述した本実施の形態においては、第１シール装置２０Ａの第１制御部２９Ａは、負荷遮断時に第１可動部材２２Ａを第１回転側シール面２１Ａから遠ざける方向に移動させるように第１駆動部２８Ａを制御してもよい。すなわち、第１制御部２９Ａは、図示しない遮断器を制御する制御装置に接続されて、当該制御装置から送信される負荷遮断信号を受信可能に構成されていてもよい。この制御装置から、負荷遮断を行ったことを示す負荷遮断信号が第１制御部２９Ａに送信された場合に、第１可動部材２２Ａを第１回転側シール面２１Ａから遠ざける方向に移動させるように第１駆動部２８Ａが制御されてもよい。遮断器が負荷遮断を行った場合、発電機７の負荷が喪失され、ランナ５の回転軸線Ｘに沿う方向における位置が急激に変化する場合がある。このため、負荷遮断が行われた場合には、第１可動部材２２Ａを第１回転側シール面２１Ａから遠ざけて、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法を増やす。このことにより、ランナ５と第１可動部材２２Ａとの接触を防止することができ、フランシス水車１の性能および信頼性を向上させることができる。第２シール装置２０Ｂの第２制御部２９Ｂについても同様である。
【００５６】
（第２の実施の形態）
次に、図４を用いて、第２の実施の形態による水力機械のシール装置および水力機械について説明する。
【００５７】
図４に示す第２の実施の形態においては、回転側シール面が、回転軸線に沿う方向において互いに異なる位置に配置された複数の回転側シール分割面を有し、静止側シール面が、回転側シール分割面の各々に対向する複数の静止側シール分割面を有している点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５８】
図４に示すように、第１シール装置２０Ａの第１回転側シール面２１Ａは、回転軸線Ｘに沿う方向において互いに異なる位置に配置された複数の回転側シール分割面４１を有している。各回転側シール分割面４１は、回転軸線Ｘに垂直な面として形成されている。図４に示す例では、最も内周側に設けられた回転側シール分割面４１が最も上方に配置され、最も外周側に設けられた回転側シール分割面４１が最も下方に配置されている。互いに隣り合う回転側シール分割面４１は、回転軸線Ｘに沿う方向に延びる回転側接続面４２を介して接続されている。このようにして、第１回転側シール面２１Ａは、階段状に形成されている。
【００５９】
第１静止側シール面２３Ａは、各回転側シール分割面４１に対向する複数の静止側シール分割面４３を有している。各静止側シール分割面４３は、回転軸線Ｘに垂直な面として形成されている。図４に示す例では、最も内周側に設けられた静止側シール分割面４３が最も上方に配置され、最も外周側に設けられた静止側シール分割面４３が最も下方に配置されている。互いに隣り合う静止側シール分割面４３は、回転軸線Ｘに沿う方向に延びる静止側接続面４４を介して接続されている。このようにして、第１静止側シール面２３Ａは、階段状に形成されている。
【００６０】
各回転側シール分割面４１に、一の静止側シール分割面４３が対向している。そして、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法は、互いに対向する回転側シール分割面４１と静止側シール分割面４３との間の隙間寸法として規定されており、両者の間の隙間を流れる水の流量が制限されている。各回転側シール分割面４１と対向する静止側シール分割面４３との間の隙間寸法は等しくてもよいが、異なるようにしてもよい。後者の場合には、各隙間寸法のうち最も小さい隙間寸法が、第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法として規定されるようにしてもよい。図４においては、中央の回転側シール分割面４１と中央の静止側シール分割面４３との間の隙間寸法が第１シール隙間寸法Ｇ１を規定し、第１寸法計測部２７Ａの第１受発光部２７ＡＳが、中央の静止側シール分割面４３に設けられている例を示している。なお、各回転側接続面４２には、一の静止側接続面４４が対向している。互いに対向する回転側接続面４２と静止側接続面４４との間の隙間寸法は、互いに対向する回転側シール分割面４１と静止側シール分割面４３との間の隙間寸法よりも大きくなっている。
【００６１】
同様に、第２シール装置２０Ｂの第２回転側シール面２１Ｂは、回転軸線Ｘに沿う方向において互いに異なる位置に配置された複数の回転側シール分割面４１を有している。第２静止側シール面２３Ｂは、回転側シール分割面４１の各々に対向する複数の静止側シール分割面４３を有している。第２回転側シール面２１Ｂおよび第２静止側シール面２３Ｂは、第１回転側シール面２１Ａおよび第１静止側シール面２３Ａとそれぞれ同様に構成することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００６２】
このように本実施の形態によれば、ランナ５に設けられた回転側シール面２１Ａ、２１Ｂは、回転軸線Ｘに沿う方向において互いに異なる位置に配置された複数の回転側シール分割面４１を有し、可動部材２２Ａ、２２Ｂに設けられた静止側シール面２３Ａ、２３Ｂは、回転側シール分割面４１の各々に対向する複数の静止側シール分割面４３を有している。このことにより、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間の隙間における水の流れを乱れさせることができる。すなわち、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間の隙間における流路抵抗を増大させることができる。このため、当該隙間を流れる水の流量をより一層制限することができ、漏れ損失をより一層低減することができる。とりわけ、本実施の形態によれば、可動部材２２Ａ、２２Ｂを回転軸線Ｘに沿う方向に移動させることにより、流路抵抗を増大させることができる回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間のシール隙間寸法を所定の範囲内に収めるように調整することができる。このため、漏れ損失の低減効果を高めることができる。
【００６３】
なお、上述した本実施の形態においては、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂにおいて、最も内周側に設けられた回転側シール分割面４１が最も上方に配置され、最も外周側に設けられた回転側シール分割面４１が最も下方に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、最も内周側に設けられた回転側シール分割面４１が最も下方に配置され、最も外周側に設けられた回転側シール分割面４１が最も上方に配置されていてもよい。静止側シール面２３Ａ、２３Ｂについても同様である。
【００６４】
（第３の実施の形態）
次に、図５および図６を用いて、第３の実施の形態による水力機械のシール装置および水力機械について説明する。
【００６５】
図５および図６に示す第３の実施の形態においては、回転側シール面および静止側シール面のうちの一方は、突出シール面を含む凸部を含み、他方は凸部を受容する凹部を含み、凹部は、突出シール面に対向する引込シール面を含む点が主に異なり、他の構成は、図１〜図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５および図６において、図１〜図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６６】
図５に示すように、第１シール装置２０Ａの第１静止側シール面２３Ａは、第１回転側シール面２１Ａの側に突出する凸部５１を含んでいる。凸部５１は、その先端に設けられた突出シール面５２を含んでいる。第１静止側シール面２３Ａのうち凸部５１の両側に、静止側シール本体面５３が形成されている。突出シール面５２と静止側シール本体面５３は、回転軸線Ｘに沿う方向において互いに異なる位置に配置されている。凸部５１の両側に形成された静止側シール本体面５３は、回転軸線Ｘに沿う方向において同一の位置に配置されている。突出シール面５２および静止側シール本体面５３は、回転軸線Ｘに垂直な面として形成されている。突出シール面５２と各静止側シール本体面５３とは、回転軸線Ｘに沿う方向に延びる静止側接続面５４を介して接続されている。このようにして、第１静止側シール面２３Ａは、凸状に形成されている。
【００６７】
第１回転側シール面２１Ａは、第１静止側シール面２３Ａの凸部５１を受容する凹部５５を含んでいる。凹部５５は、突出シール面５２に対向する引込シール面５６を含んでいる。第１回転側シール面２１Ａのうち凹部５５の両側に、回転側シール本体面５７が形成されている。引込シール面５６と回転側シール本体面５７は、回転軸線Ｘに沿う方向において互いに異なる位置に配置されている。凹部５５の両側に形成された回転側シール本体面５７は、回転軸線Ｘに沿う方向において同一の位置に配置されている。引込シール面５６および回転側シール本体面５７は、回転軸線Ｘに垂直な面として形成されている。引込シール面５６と各回転側シール本体面５７とは、回転軸線Ｘに沿う方向に延びる回転側接続面５８を介して接続されている。このようにして、第１回転側シール面２１Ａは、凹状に形成されている。
【００６８】
第１回転側シール面２１Ａと第１静止側シール面２３Ａとの間の第１シール隙間寸法は、互いに対向する突出シール面５２と引込シール面５６との間の隙間寸法として規定されており、両者の間の隙間を流れる水の流量が制限されている。静止側シール本体面５３と回転側シール本体面５７との間の隙間寸法は、突出シール面５２と引込シール面５６との間の隙間寸法と等しくてもよいが、突出シール面５２と引込シール面５６との間の隙間寸法よりも大きくしてもよい。図５においては、突出シール面５２と引込シール面５６との間の隙間寸法が第１シール隙間寸法Ｇ１を規定し、第１寸法計測部２７Ａの第１受発光部２７ＡＳが、突出シール面５２に設けられている例を示している。なお、各回転側接続面５８には、一の静止側接続面５４が対向している。互いに対向する回転側接続面５８と静止側接続面５４との間の隙間寸法は、互いに対向する引込シール面５６と突出シール面５２との間の隙間寸法よりも大きく、互いに対向する回転側シール本体面５７と静止側シール本体面５３との間の隙間寸法よりも大きくなっている。
【００６９】
同様に、第２シール装置２０Ｂの第２静止側シール面２３Ｂは、第２回転側シール面２１Ｂの側に突出する凸部５１を含んでいる。第２回転側シール面２１Ｂは、第２静止側シール面２３Ｂの凸部５１を受容する凹部５５を含んでいる。第２静止側シール面２３Ｂおよび第２回転側シール面２１Ｂは、第１静止側シール面２３Ａおよび第１回転側シール面２１Ａとそれぞれ同様に構成することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００７０】
このように本実施の形態によれば、可動部材２２Ａ、２２Ｂに設けられた静止側シール面２３Ａ、２３Ｂが、突出シール面５２を含む凸部５１を含み、ランナ５に設けられた回転側シール面２１Ａ、２１Ｂが、突出シール面５２に対向する引込シール面５６を含む凹部５５を含んでいる。このことにより、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間の隙間における水の流れを乱れさせることができる。すなわち、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間の隙間における流路抵抗を増大させることができる。このため、当該隙間を流れる水の流量をより一層制限することができ、漏れ損失をより一層低減することができる。とりわけ、本実施の形態によれば、可動部材２２Ａ、２２Ｂを回転軸線Ｘに沿う方向に移動させることにより、流路抵抗を増大させることができる回転側シール面２１Ａ、２１Ｂと静止側シール面２３Ａ、２３Ｂとの間のシール隙間寸法を所定の範囲内に収めるように調整することができる。このため、漏れ損失の低減効果を高めることができる。
【００７１】
なお、上述した本実施の形態においては、静止側シール面２３Ａ、２３Ｂが凸部５１を含み、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂが凹部５５を含んでいる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、図６に示すように、回転側シール面２１Ａ、２１Ｂが凸部５１を含み、静止側シール面２３Ａ、２３Ｂが凹部５５を含むようにしてもよい。
【００７２】
以上述べた実施の形態によれば、漏れ損失を低減して効率低下を抑制することができる。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１：フランシス水車、５：ランナ、９：上カバー、１０：背圧室、１０ａ：背圧室入口、１１：下カバー、１２：側圧室、１２ｂ：側圧室出口、２０Ａ：第１シール装置、２０Ｂ：第２シール装置、２１Ａ：第１回転側シール面、２１Ｂ：第２回転側シール面、２２Ａ：第１可動部材、２２Ｂ：第２可動部材、２３Ａ：第１静止側シール面、２３Ｂ：第２静止側シール面、２７Ａ：第１寸法計測部、２７ＡＢ：第１計測部本体、２７ＡＳ：第１受発光部、２７Ｂ：第２寸法計測部、２７ＢＢ：第２計測部本体、２７ＢＳ：第２受発光部、２８Ａ：第１駆動部、２８Ｂ：第２駆動部、２９Ａ：第１制御部、２９Ｂ：第２制御部、４１：回転側シール分割面、４２：回転側接続面、４３：静止側シール分割面、４４：静止側接続面、５１：凸部、５２：突出シール面、５５：凹部、５６：引込シール面、Ｘ：回転軸線
【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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