(57)【要約】【課題】立軸の水車およびポンプ水車およびポンプに具備される端面シール型主軸封水装置において、流水中に土砂の混入が多い場合でも、樹脂やカーボン等の安価なシール材を用いても土砂による損傷を受けにくい端面シールを提供する。【解決手段】回転側摺動環２を上面，給水溝９を有する固定側摺動環３を下面とし、給水溝９に土砂粒を沈殿させ、シール面に土砂粒が侵入することを抑制する。土砂粒の侵入をさらに抑制するため、給水溝９の大気圧側に土砂粒を捕獲するための円周溝１４を設けたり、土砂粒排出のために空洞１０や排水穴１２、排水管１３を設ける。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸が立軸である水力機械の軸封装置であって、
前記回転軸側と固定側にそれぞれ設けられ、相対するシール面により端面シールを形成する回転側及び固定側摺動環を有し、
前記回転側及び固定側摺動環は、前記回転側摺動環が上側及び前記固定側摺動環が下側となるように配置されており、
前記下側に配置された前記固定側摺動環の前記シール面に設けられた給水溝と、
前記給水溝に給水する手段とを有することを特徴とする水力機械の軸封装置。
【請求項２】
請求項１において、前記固定側摺動環の前記シール面に、前記給水溝とは別の位置に円周状の円周溝を設けたことを特徴とする水力機械の軸封装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記給水溝又は前記円周溝は、前記シール面の摺動面近傍で幅が細く、該摺動面から離れた位置で幅が広くなるように形成されていることを特徴とする水力機械の軸封装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記給水溝又は前記円周溝の下側に設けられた空洞と、該空洞と前記給水溝又は前記円周溝とを連結する穴を有することを特徴とする水力機械の軸封装置。
【請求項５】
請求項４において、前記空洞と外気をつなぎ、前記空洞内に溜まった水を外部に排出する穴を有することを特徴とする水力機械の軸封装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の軸封装置を有する水力機械であって、
前記回転軸の下端に取り付けられたインペラと、該インペラを覆うケーシングとを有し、
前記回転軸の設けられたフランジに前記回転側摺動環を取り付け、前記ケーシングに前記固定側摺動環を取り付けたことを特徴とする水力機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力機械の軸封装置に係り、特に、回転軸が立軸である水車あるいはポンプ水車あるいはポンプ（以下、水力機械という）に具備される主軸封水装置（軸封装置）における端面シールに関する。
【背景技術】
【０００２】
水力機械に具備される主軸封水装置のうち端面シールは、回転軸である主軸にフランジを設け、このフランジ上にシール面を有する摺動環を設置し、また固定側にもシール面を有する摺動環を設置し、固定側の摺動環のシール面を回転側の摺動環のシール面に押付け回転軸と直角な面で封水する装置である。水力機械に使用される大形の端面シールでは、シール材同士が接触しないように、水膜形成のための円周方向の給水溝を固定側のシール面に設けるのが一般的になっている。この給水溝には、封水する圧力より高圧の加圧水を供給している。加圧水を給水する目的には、加圧水は大気圧側への漏水となるが封水圧側へも漏水するので、異物がシール外よりシール内に侵入してシール面が損傷しないようにすることもある。
【０００３】
このような軸封装置としては、特許文献１に記載のようなものがある。特許文献１に記載のように、回転側摺動環は下側、給水溝を有する固定側摺動環は上側に位置するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１７０５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
封水すべき流体が河川水である時、洪水期等は土砂の混入が多くなることから、こうした状況がひどいと予想される場合では、シール材料としてその硬度が土砂より高いセラミックが用いられる。しかし、セラミックは高価格であることから、低価格の樹脂やカーボンで対応できないかという要望が多い。
【０００６】
しかしながら、例えば、シール材を樹脂とすると、シール面に形成される水膜は一般に５０μ程度でありこれより小さい粒径の土砂は問題ないが、これを超える土砂が何らかの理由によりシール内に入り込むと、土砂は樹脂に食い込みそれが砥石となって回転側摺動環を削り、その削り傷が今度は樹脂でできた固定側摺動環を削り、極短期間でシールが摩耗する現象が発生するおそれがある。
【０００７】
土砂がシール内に混入しないように給水量を増やすことが考えられるが、給水の大部分は圧力の低い大気側に漏れることになり，すなわち漏水量が増加することなり、このことにより漏水を排出する排水ポンプの容量が大きくなるという問題が生じる。また、給水は一般に河川水をろ過して使用しているが、洪水期ではこの給水にも土砂が混入することが考えられる。
【０００８】
本発明の目的は、土砂が混入した状態でも土砂による損傷を受けにくい端面シールを備えた水力機械の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】
【０００９】
本発明は、給水溝を土砂等の異物収集の用途に供し、シール面に土砂等の異物が浸入する確立を低下させるために、給水溝を設けた固定側摺動環を下側に配置するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
シール面に形成される水膜厚みより大きい土砂粒が噛み込み等により封水圧側からシール内に侵入する場合を考えると、封水圧側のシール面は土砂粒により損傷を受けるが、給水溝に侵入した土砂粒は自重のため給水溝の底に移動し大気圧側のシール面に侵入する確率が低くなる。この結果、安価な樹脂等のシール材料でも土砂による損傷を受けにくい端面シールが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施例である軸封装置（端面シール）を示す。端面シールは、水力機械の回転軸である主軸１に垂直で回転側と固定側に設けた相対するシール面、即ち、回転側摺動環２と固定側摺動環３のシール面により形成されている。
【００１３】
回転側摺動環２は、水力機械の主軸１に設けられた主軸フランジ１ａの下に取り付けられている。なお、水力機械の回転軸である主軸１の下端には水力機械のインペラ（ランナ）が取り付けられている（図示省略）。
【００１４】
固定側摺動環３は、ホルダ４に取り付けられている。ホルダ４は、固定側摺動環３と回転側摺動環２が口開かないように、固定側摺動環３を上方向に押えつけるバネ６を介してカバー５に支持されている。このカバー５は、水力機械のケーシング（図示省略）の一部又はケーシングにより支持される部材により構成されている。
【００１５】
固定側摺動環３には、シール面に給水を行うための給水溝９が凹形状で円周方向（円周状）に形成されている。給水溝９には、複数の給水穴８から給水され、加圧水が円周方向に等分位置から供給される。
【００１６】
固定側摺動環３の材質は、樹脂，カーボンが使用され、このとき回転側摺動環２は不銹鋼（あるいはシール面のみ不銹鋼）が使用される。カバー５とホルダ４の間にはホルダ４の上下方向の変位を許容して封水するためのパッキン７が設置されている。
【００１７】
上記構造により、主軸１の横方向の移動に対しては回転側摺動環２が水平方向に移動することにより、また、主軸１の上下方向の移動に対しては固定側摺動環３が追従して上下動することにより、封水圧側２１と大気側２２を封水する性能を維持する。
【００１８】
給水溝形状は固定側に凹形状に形成しているので、例えばシール面に形成される水膜厚みより大きい土砂粒が噛み込み等により封水圧側からシール内に侵入する場合を考えると、封水圧側のシール面は土砂粒により損傷を受けるが、給水溝に侵入した土砂粒は自重のため給水溝の底に移動し、大気圧側のシール面に侵入する確率が低くなる。同様のことがシールの給水経路から大きな土砂粒が入っていた場合についても成り立ち、給水溝に侵入した土砂粒は自重のため給水溝の底に移動し、給水溝より大気圧側あるいは封水圧側のシール面に侵入する確率が低くなる。
【００１９】
このように、本発明の実施例の端面シールによれば、土砂が混入した場合でも、シール面へ土砂が侵入することを抑制できるので、土砂による損傷を抑制することが可能となる。
【００２０】
上述の実施例は、安価な樹脂等をシール材を用いた場合に適したものであるが、シール材は樹脂等に限定されるものでなく、例えば、セラミック材の場合にも適用可能である。なお、固定側摺動環３の材質がセラミックの時はセラミックはその硬度が高いので回転側摺動環２もセラミックが使用される。
【００２１】
図２に本発明の他の実施例を示す。図２の実施例は、上述の実施例において、給水溝中に入り込んだ土砂粒が再びシール面に入り込むことを防止するために、土砂粒がシール面に到達する機会を更に減少させるように給水溝を構成したものである。固定側摺動環３の給水溝の形状を摺動面近傍で幅が細く摺動面から離れた位置で幅を広くしたものであり、図２では給水溝９の断面形状を凸形状とした場合を示している。摺動面近傍で給水溝の幅が細くなっていることから、給水溝に一旦入り込んだ土砂粒は、給水溝からシール面に再び侵入することが抑制される。また、摺動面から離れた位置で幅が広くなっているので、多くの土砂粒を給水溝に集めることができる。
【００２２】
図３に本発明の他の実施例を示す。図３の実施例は、上述の実施例において、給水溝中を移動する土砂粒を捕獲する目的で給水溝の下側に空洞１０を設け、この空洞１０と給水溝９を複数の連結穴１１で連結する構造の具体例を示すものである。図３では、ホルダ４に凹形状の溝を形成し、このホルダ４に固定側摺動環３を取り付けることで空洞１０を形成している。尚、円周方向に空洞１０を形成すると給水溝９に給水する給水穴８と干渉するため、図４（図３の断面ＡＡの矢視図）に示すように、給水穴８を設ける部分には空洞１０を形成せずに干渉を回避するようにしている。連結穴１１は円筒形状とし円周方向に複数個均等に配置されるように固定側摺動環３に形成されている。
【００２３】
この実施例によれば、給水溝中を移動する土砂粒は、連結穴１１を通って空洞１０に落ち込む。空洞内にほとんど流れは発生しないことから、土砂粒は再び連結穴１１を通って給水溝９に戻ることがなくなる。
【００２４】
なお、上述の実施例では、ホルダ４に凹形状の溝を形成し、このホルダ４に固定側摺動環３を取り付けることで空洞１０を形成しているが、固定側摺動環３の下側に溝を形成して空洞を形成することも可能である。
【００２５】
図５に本発明の他の実施例を示す。図５の実施例は、図３にて示した空洞１０に土砂粒が堆積し空洞の土砂粒の捕獲能力がなくなる若しくは低下するのを防止するため、空洞と外気をつなぐ穴を設け空洞内の水を外部へ排出するようにしたものである。
【００２６】
ホルダ４に排水穴１２を開けて、空洞１０とホルダ４上部の大気とを連通させ、更にホルダ４の上部には排水管１３を接続しカバー外へ排水している。土砂粒は排水の流れにのって水と共に外部に排出され、空洞が土砂粒で一杯になり土砂粒を捕獲する機能が低下するのを防止している。なお、空洞１０には給水圧が作用しているので、排水管から排水される水量は大きくなり、端面シールへの給水量が減少するのと同じになるので、排水管１３には絞り等を設けて排水量を小さくするようにした方が良い。あるいは、排水量を加味した給水量を与えることも考えられる。
【００２７】
図６及び図７に本発明の他の実施例を示す。図６及び図７の実施例は、固定側摺動環３に給水溝９とは別の位置に円周状の溝を設けたものである。
【００２８】
図６の実施例は、給水溝９からみて封水圧側に円周状の溝を設ける場合の具体例を示すものであり、図７の実施例は、給水溝９からみて大気圧側に円周状の溝を設ける場合の具体例を示すものである。なお、図６及び図７において、固定側摺動環３における給水溝９と円周溝１４の位置関係は、シール面１５，１６，１７の長さが等しくなるように位置決めするのがよい。
【００２９】
給水溝９より封水圧側に円周溝１４を設けた場合（図６）では、シール外から侵入した土砂粒を封水圧側の円周溝１４で沈殿せしめ、給水溝９並びに給水溝９より内周のシール面１６への土砂粒の侵入を防ぐことができる。仮に、給水溝９まで土砂粒が侵入したとしても給水溝９に沈殿せしめることにより、より確実にシール面１７への土砂粒の侵入を防ぐことができる。
【００３０】
給水溝９より大気圧側に円周溝１４を設けた場合（図７）では、例えば給水管路から侵入し給水溝９で捕らえきれなかた土砂粒を大気圧側の円周溝１４で沈殿せしめ大気圧側のシール面１７への土砂粒の侵入を防ぐことができる。
【００３１】
図８に本発明の他の実施例を示す。図８の実施例は、図２の実施例を図７の実施例に適用したものである。即ち、給水溝９に入り込んだ土砂粒が再びシール面に侵入することを抑制するのと同様に、図８の実施例では、円周溝１４の中に入り込んだ土砂粒が再びシール面に入り込むことを防止して土砂粒がシール面に到達する機会を減少させるために、円周溝１４の形状を摺動面近傍で幅が細く摺動面から離れた位置で幅を広くしたものであり、円周溝１４の断面形状を凸形状とした例を示している。尚、図６の実施例における円周溝に適用することも同様に考えられる。
【００３２】
図９に本発明の他の実施例を示す。図９の実施例は、図３の実施例を図７の実施例に適用したものである。即ち、図９の実施例は、円周溝１４中を移動する土砂粒を捕獲する目的で円周溝１４の下側に空洞１０を設け、この空洞１０と円周溝１４を複数の連結穴１１で連結する構造の具体例を示すものである。尚、図６の実施例における円周溝に適用すること、即ち、空洞等を形成することも同様に考えられる。
【００３３】
図１０は、本発明の他の実施例を示す。図１０の実施例は、図５の実施例を図９の実施例に適用したものである。即ち、図１０の実施例は、図９にて示した空洞１０に土砂粒が堆積し、空洞１０の土砂粒の捕獲能力がなくなるのを防止するため、空洞１０と外気をつなぎ、空洞１０内の土砂粒を水と共に外部へ排出する排水穴を１２を設ける構造の具体例を示すものである。また、図６の実施例にも適用可能である。
【００３４】
なお、給水溝９からみて大気圧側に円周溝１４を設ける場合は、カバー５側に漏れる漏水量を排水管１３を通してカバー外に排出することになるので、見かけの上カバー５側への漏水量が減少する効果が発生する。
【００３５】
また、排水穴１２は空洞１０を設けない図６及び図７に示した端面シールの円周溝１４に直接接続してもよい。
【００３６】
円周溝あるいは空洞と外気をつなぐ穴を設け円周溝あるいは空洞内の水を外部へ排出することにより、給水溝にて記載した内容と同一の効果が得られシール面を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例である端面シールの構造図。
【図２】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【図３】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【図４】図３の断面ＡＡの矢視図。
【図５】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【図６】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【図７】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【図８】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【図９】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【図１０】本発明の他の一実施例を示す端面シールの構造図。
【符号の説明】
【００３８】
１…主軸、１ａ…フランジ、２…回転側摺動環、３…固定側摺動環、４…ホルダ、５…カバー、６…バネ、７…パッキン、８…給水穴、９…給水溝、１０…空洞、１１…連結穴、１２…排水穴、１３…排水管、１４…円周溝、１５，１６，１７…シール面、２１…封水圧、２２…大気圧。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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