(57)【要約】【課題】水中の油汚染等を懸念することなく、水中において摺動特性に優れた軸受構造を持つ水車発電装置を提供する。【解決手段】水車発電装置１は、回転羽根２とこの回転羽根２に取り付けられた水車回転軸３とを主に備える水車５と、水車回転軸３の駆動力が伝達されて発電を行う発電機６と、摺動特性に優れた軸受パッド７ａ、８ａの摺動面７ｂに給水路として横溝７ｃ及び縦溝７ｄを有し、流水中で水車回転軸３の各端部をラジアル方向から支持する一対の水中軸受７、８とを備えている。これにより、水中軸受７、８の軸受パッド７ａ、８ａと水車回転軸３との摺動部分に効果的は給水を行えるので、この摺動部分に良好な摺動作用が起こり、さらにこの摺動部分を冷却することもできる。これにより、水車発電装置１の軸受構造部分の摺動性を高めることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転羽根とこの回転羽根に取り付けられた回転軸とを備える水車と、
前記水車の備える前記回転軸の駆動力が伝達されて発電を行う発電機と、
前記回転軸と摺動する軸受パッドの摺動面に給水路を備え、流水中で前記回転軸の少なくとも一方の端部を径方向から支持する水中軸受と
を具備することを特徴とする水車発電装置。
【請求項２】
前記軸受パッドの摺動材料は、水中における前記回転軸との摩擦係数が、０．３０以下であることを特徴とする請求項１記載の水車発電装置。
【請求項３】
前記軸受パッドの摺動材料は、有機材料若しくは無機材料、又は充填材を含有した複合材料であることを特徴とする請求項１又は２記載の水車発電装置。
【請求項４】
前記充填材は、平均直径が０．０５μｍ〜１００μｍの範囲内にあり、且つアスペクト比が１を超える繊維若しくはウィスカー状の材料であることを特徴とする請求項３記載の水車発電装置。
【請求項５】
前記充填材は、平均粒径が０．０５μｍ〜１００μｍの範囲内の粒子状の材料であることを特徴とする請求項３記載の水車発電装置。
【請求項６】
前記充填材は、前記複合材料中の含有率が１〜３０重量％の範囲内にあることを特徴とする請求項３記載の水車発電装置。
【請求項７】
前記回転軸は、鉄合金からなり、前記水中軸受との摺動部には、コバルト合金、ニッケル合金若しくはタングステンカーバイド合金がライニングされていることを特徴とする請求項１又は２記載の水車発電装置。
【請求項８】
前記回転軸は、鉄合金からなり且つ前記水中軸受との摺動部にスリーブが嵌合され、このスリーブには、コバルト合金、ニッケル合金若しくはタングステンカーバイド合金がライニングされていることを特徴とする請求項１又は２記載の水車発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水車の駆動により発電を行う水車発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、軸流水車発電装置は、固定案内羽根と回転羽根とを有する水車とこの水車により駆動される発電機とから主に構成され、さらに、回転羽根に取り付けられた水車回転軸、その水車回転軸の軸受、及び水車回転軸からの動力を伝達する動力伝達装置等を備えている。ここで、上記軸受は、油潤滑の転がり軸受が主に使用され、例えばボスに嵌め込まれたかたちで水車回転軸を支持している。
【０００３】
例えば、上記水車回転軸及びその軸受は、密閉円筒内に収容されて流水中に設置され、外部からの流水は、リング状のパッキンでシールされている。また、水車回転軸からの動力を流水外に設置された発電機に伝達する動力伝達系も、流水に触れないように密閉された経路が形成されている。
【０００４】
しかしながら、上述した水車発電装置では、シール部の内側へ水が絶えず流入しようとする外圧の加わった状態や、長年の運転によるパッキンや水車回転軸の磨耗の影響でシール部内へ漏水が発生するおそれがある。この場合、軸受や動力伝達系の潤滑不良による不具合と、潤滑油が、外部へ流出し、水路の油汚染が懸念される。そこで、水車における駆動部分の軸受を水中軸受とした装置等も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３９７７１号公報（第２頁，図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような水中軸受を適用した水車では、長期間にわたっての運転や、大型（高出力型）の装置を運転すること等を考えた場合、軸受部分の摺動性の面で課題を残すことになる。
【０００７】
そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、水中の油汚染等を懸念することなく、水中において摺動特性に優れた軸受構造を持つ水車発電装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る水車発電装置は、回転羽根とこの回転羽根に取り付けられた回転軸とを備える水車と、前記水車の備える前記回転軸の駆動力が伝達されて発電を行う発電機と、前記回転軸と摺動する軸受パッドの摺動面に給水路を備え、流水中で前記回転軸の少なくとも一方の端部を径方向から支持する水中軸受とを具備することを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明の実施形態に係る水車発電装置を正面側からみた断面図、図２は、その側面（右側面）の断面図である。
【００１０】
これらの図に示すように、この水車発電装置１は、回転羽根２とこの回転羽根２に取り付けられた水車回転軸３とを主に備える水車５と、水車回転軸３の駆動力が伝達されて発電を行う発電機６と、流水中で水車回転軸３の各端部を径方向（ラジアル方向）から支持する一対の円筒型の水中軸受７、８とを備えている。上記水中軸受７、８は、軸受パッド（摺動片）と基材片との結合体からなり、例えばボス１０に嵌め込まれたかたちで水車回転軸３を支持している。また、上記回転羽根２の回転中心には回転羽根車２ａが設けられている。
【００１１】
また、水車５には、流水を整流するために固定案内羽根１１が設けられている。水車回転軸３から発電機６への動力伝達機構は、水車回転軸３上の水中軸受７、８の間に固定されたプーリ１３と、発電機６の発電機回転軸（入力軸）１２に取り付けられたプーリ１４と、プーリ１３、１４間に架け渡されたベルト１５とによって構成されている。動力伝達機構としてのこのようなプーリ１３、１４及びベルト１５に代えて、ギアやこのギアに係合するチェーンを適用してもよい。また、水車５には、流水方向Ｙの上流側と下流側とに、各々ほぼ円筒状の上流側ケーシング１７と下流側ケーシング１８とが設けられており、これらのケーシングと固定案内羽根１１とで整流された水流により、当該水車５が駆動される。
【００１２】
次に、本実施形態の水車発電装置１が備える水中軸受７、８の構造を図３に基づき説明する。同図に示すように、水中軸受７、８が備える軸受パッド７ａ、８ａの摺動面７ｂには、水中軸受７、８の外部を流れる流水を当該摺動面７ｂ側に給水する給水路として横溝７ｃ及び縦溝７ｄが設けられている。横溝７ｃは、軸受パッド７ａ、８ａの摺動面７ｂの内周方向に沿ってリング状に複数形成されている。一方、縦溝７ｄは、軸受パッド７ａ、８ａの摺動面７ｂにおいて、隣り合う横溝７ｃどうしを、水中軸受７、８の軸方向に接続するように複数形成されている。ここで、上述したような横溝を摺動面７ｂの内周面に螺旋状に設け、縦溝７ｄを削除するようにしてもよい。
【００１３】
さらに、このような横溝７ｃ及び縦溝７ｄは、上流側ケーシング１７内に取り込まれた流水を水中軸受７、８側へ導水する中継用水路９に接続されている。つまり、水中軸受７、８は、流水中で水車回転軸３と摺動することになる。したがって、横溝７ｃ及び縦溝７ｄにて軸受パッド７ａ、８ａの摺動面７ｂ上に供給される（導かれる）流水により、水中軸受７、８の軸受パッド７ａ、８ａと水車回転軸３との摺動部分では、良好な潤滑作用が得られるとともに、さらにこの摺動部分を冷却することができる。これにより、水中軸受７、８の軸受構造部分の摺動性を高めることができる。
【００１４】
ここで、軸受パッド７ａ、８ａの摺動材料は、有機材料及び充填材を含有した有機系複合材料で構成されている。上記有機材料として好適な材料としては、例えば、四ふっ化エチレン、四ふっ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン、ポリエーテルエーテルケトン若しくはポリイミドからなる低摩擦樹脂材料又はこれらをブレンドしたポリマーアロイ等が例示される。軸受損失の低減を実現するため、摩擦係数が０．３以下であればよいが、０．２以下であればさらによく、０．１以下が理想的な状態である。また、このような有機材料に代えて、無機材料を摺動材料に含有させ、摩擦係数を犠牲にせず、耐摩耗性を向上させることもできる。
【００１５】
また、軸受パッド７ａ、８ａの摺動材料の充填材として好適な材料としては、炭素、グラファイト、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ベリリア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ボロン、炭化チタン、ホー酸アルミニウム、チタン酸カリウムから選ばれた無機材料や、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ボロンから選ばれた固体潤滑材の少なくとも一種の繊維、ウィスカー若しくは粒子等が例示される。
【００１６】
ここで、上記充填材は、平均直径が０．０５μｍ〜１００μｍの範囲内にあり、且つアスペクト比が１を超える繊維若しくはウィスカー状の材料であることや、平均粒径が０．０５μｍ〜１００μｍの範囲内の粒子状の材料であることが望ましい。また、当該充填材は、複合材料中の含有率が１〜３０重量％の範囲内にあることが望ましい。
【００１７】
また、上述した有機材料や充填材を、プーリ１３、１４や上記ギアを構成する材料に適用してもよい。なお、プーリ１３、１４やこのプーリ代わる上記ギアの場合、有機材料として、ナイロン、ナイロンポリアセタル、ポリカーボネート、四ふっ化エチレン、四ふっ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、若しくはポリイミドからなる低摩擦樹脂材料又はこれらをブレンドしたポリマーアロイを適用してよい。
【００１８】
ここで、上述した複合材料のうちで軸受パッド７ａ、８ａの摺動材料として特に好適な材料を選択した場合において、水中における負荷面圧に対しての静摩擦係数を図４に示す。同図４に示す第１の摺動材料は、有機材料（母材）としてＰＴＦＥ（四ふっ化エチレン樹脂）を適用し、さらに充填材として複合材料（当該摺動材料）中の含有率が１０重量％となるように炭素繊維を含有したものである。また、第２の摺動材料は、有機材料としてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を適用し、さらに充填材として含有率が３０重量％となるように炭素繊維−グラファイト−ＰＴＦＥをブレンドした材料を含有したものである。さらに、第３の摺動材料は、有機材料としてＰＩ（ポリイミド）を適用し、充填材として含有率が２５重量％となるようにグラファイト−ＰＴＦＥをブレンドした材料を含有したものである。
【００１９】
図４では、これらの摺動材料と摺動させる相手材（水車回転軸）としては、ステンレス系のＳＵＳ４３１を適用し、測定条件としては水温２９３Ｋで２〜８ＭＰａの負荷面圧を個々の摺動材料に付与した場合の静摩擦係数が示されている。
【００２０】
一方、図５では、上述した第１〜第３の摺動材料と摺動させる相手材としては、同様にステンレス系のＳＵＳ４３１を適用し、測定条件としては水温を２９３Ｋ、面圧を４ＭＰａ、摺動速度を１．１ｍ／ｓとし、相手材に対して上記第１〜第３の摺動材料を０〜約１１Ｋｍまで移動させた場合の動摩擦係数の値が示されている。
【００２１】
これらの結果から明らかなように、軸受パッド７ａ、８ａの摺動材料を図４及び図５に示した複合材料から選択することにより、水中における水車回転軸３と軸受パッド７ａ、８ａとの摩擦係数が０．１５程度となり、良好な摺動特性を得ることができる。
【００２２】
さらに、上述した複合材料のうちで軸受パッド７ａ、８ａの摺動材料として特に好適な材料を選択した場合において、水中における当該摺動材料の磨耗特性を図６に示す。同図６に示す第１の摺動材料は、有機材料（母材）としてＰＴＦＥを適用し、充填材として炭素繊維を含有したものである。また、第２の摺動材料は、有機材料としてＰＴＦＥを適用し、充填材としてカーボン・グラファイトを含有したものである。さらに、第３の摺動材料は、有機材料としてＰＴＦＥを適用し、充填材としてホー酸アルミニウムを含有したものである。
【００２３】
また、本発明の実施例であるこれら第１〜第３の摺動材料と比較する比較例として、従来から一般的に用いられていた繊維強化樹脂と樹脂含浸カーボンとを同図に示す。図６では、測定条件として、面圧を２ＭＰａ、摺動速度を１５ｍ／ｓとし場合の個々の摺動材料の磨耗減量が示されている。
【００２４】
このデータから明らかなように、従来から用いられていた例えば樹脂を含浸させたカーボン系の材料や繊維強化樹脂を適用した軸受パッドに比べ、本実施形態の摺動材料を適用した軸受パッドは、磨耗減量を格段に低減させることができる。
【００２５】
次に、水車回転軸３の構成材料について図面に基づき説明する。水車回転軸３は、図７に示すように、その芯材３ａが、耐食性及び耐摩耗性に優れた鉄合金からなり、また、少なくとも水中軸受７、８との摺動部には、コバルト合金、ニッケル合金若しくはタングステンカーバイド合金がライニングされたライニング層３ｂが形成されている。また、図８に示すように、水車回転軸３に代えて、水車回転軸２１を適用してもよい。水車回転軸２１では、その芯材２１ａにスリーブ２１ｂが嵌合されており、スリーブ２１ｂにおける少なくとも水中軸受との摺動部には、コバルト合金、ニッケル合金若しくはタングステンカーバイド合金がライニングされたライニング層２１ｃが形成されている。
【００２６】
ここで、水車回転軸３の好適な構成材料の組成及び特性を例えば表１に例示する。
【表１】
2004225533.tif 000003
【００２７】
さらに、表１の材料を選択した場合の磨耗特性を図９の試験装置で測定した結果を図１０に示す。なお、図９の試験装置は、ホルダ（質量６６０ｇ）３２を上に載せたテストピース３１を、周速５１７ｍ／ｍｉｎで（方向Ｓに）ローラ搬送されるエメリー布３３と摺動させる。なお、３４はストッパである。図１０から明らかなように、磨耗減量の少ない例えばタングステンカーバイド合金やニッケル合金を選択することで、摺動特性に優れた水車回転軸３を構成することができる。
【００２８】
このように構成される本実施形態の水車発電装置１によれば、水中において摺動特性に優れた軸受構造を備えることで、軸受部分の性能低下や寿命の短縮化等を招くおそれがなく、構造の簡素化やメンテナンス等の省略によりコストの低減を図ることができる。
【００２９】
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明は前記実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本実施形態では、本発明を構成する水中軸受を、水車回転軸３のラジアル軸受に適用した場合について説明したが、本発明を構成する水中軸受を、スラスト軸受（図示せず）として適用することも可能である。
【００３０】
また、上述した水車回転軸３を複数個の軸受パッドで取囲むようにし、且つこれらの軸受パッドの背面からばね力若しくは圧力媒体による静水圧力によって、複数個の軸受パッドを水車回転軸３に接触させるようにして水中軸受を構成してもよい。また、軸受パッドの背面に球面部を設け、前記球面部と同曲率の球面部を有するバックプレートと座接させ、前記軸受パッドが全方位に自在に回転し、この軸受パッドの摺動面と水車回転軸３の周面を全面接触するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水中の油汚染等を懸念することなく、水中において摺動特性に優れた軸受構造を持つ水車発電装置を提供することができる。これにより、例えば、大型の水車発電装置をメンテナンス等を行わずに長期間にわたって運転させること等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る水車発電装置を正面側からみた断面図である。
【図２】図１の水車発電装置を側面（右側面）からみた断面図である。
【図３】図１の水車発電装置が備える水中軸受の構造を詳細に示す図である。
【図４】図３の水中軸受の軸受パッドの摺動材料として特に好適な材料を選択した場合において水中における負荷面圧に対しての静摩擦係数を示す図である。
【図５】図３の水中軸受の軸受パッドの摺動材料として特に好適な材料を選択した場合において水中における負荷面圧に対しての動摩擦係数を示す図である。
【図６】図３の水中軸受の軸受パッドの摺動材料として特に好適な材料を選択した場合の水中における磨耗特性を示す図である。
【図７】図１の水車発電装置が備える水車回転軸の構造を示す図である。
【図８】図７と異なる他の水車回転軸の構造を示す図である。
【図９】図１の水車発電装置が備える水車回転軸の材料の磨耗減量の試験装置を示す断面図である。
【図１０】図９の試験装置による水車回転軸の材料の磨耗特性を示す図である。
【符号の説明】
１…水車発電装置、２…回転羽根、３，２１…水車回転軸、３ａ，２１ａ…芯材、３ｂ，２１ｃ…ライニング層、５…水車、６…発電機、７、８…水中軸受、７ａ、８ａ…軸受パッド、７ｂ…軸受パッドの摺動面、７ｃ…横溝、７ｄ…縦溝、９…中継用水路、２１ｂ…スリーブ。
【図１】
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【図２】
2004225533.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004225533.tif 000008
【図６】
2004225533.tif 000009
【図７】
2004225533.tif 000010
【図８】
2004225533.tif 000011
【図９】
2004225533.tif 000012
【図１０】
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