(57)【要約】【課題】ランナの回転軸の上下動に対するシールケースの追従性を向上させ、長期に亘って高い信頼性を確保することができる軸封装置及びこれを用いたポンプ水車を提供する。【解決手段】ケーシング１と、ポンプ水車の回転軸２００に取付けた回転リング２と、ケーシング１及び回転軸２００の間隙に位置するシールケース３と、このシールケース３及びケーシング１の間隙を封止するＯリング５と、シールケース３及び回転リング２の間隙を封止するシールリング６と、このシールリング６におけるシール面Ｓに対し、外部の給水手段からの供給水を導くものであって、そのシール面Ｓまでの給水経路が、給水孔１７及び貯水部１８の間で断続部を形成している間接給水手段とを備える。【選択図】  図２
2004270659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ水車のランナケーシングと回転軸との間隙からの流体の漏れを防止する軸封装置において、
前記回転軸に取付けた回転リングと、
この回転リング及び前記回転軸を囲うよう、前記ランナケーシングに取付けたケーシングと、
このケーシング及び前記回転軸の間隙に位置し、前記回転軸を挿通するとともに、前記ケーシングに対し軸方向に摺動可能に設けたシールケースと、
このシールケース及び前記ケーシングの間隙を封止するＯリングと、
前記シールケース及び前記回転リングにそれぞれ取付けた互いに対向する静止側シールリング及び回転側シールリングからなり、前記シールケース及び前記回転リングの間隙を封止するシールリングと、
このシールリングにおける前記静止側シールリング及び回転側シールリングの摺動面であるシール面に対し、外部の給水手段からの供給水を導くものであって、そのシール面までの給水経路の途中に少なくとも１つの断続部を有する間接給水手段と
を備えたことを特徴とする軸封装置。
【請求項２】
請求項１記載の軸封装置において、前記間接給水手段は、前記ケーシング内に供給水を導く給水孔と、この給水孔を介して導かれた供給水を一時的に貯留する貯水部と、この貯水部内の貯留水を、前記シール面に導く導水孔とを備えていることを特徴とする軸封装置。
【請求項３】
請求項１記載の軸封装置において、前記間接給水手段は、前記ケーシング内に供給水を導く給水孔と、この給水孔からの供給水を、前記シール面に向かって噴射するノズルとを備えていることを特徴とする軸封装置。
【請求項４】
請求項１記載の軸封装置において、前記ケーシング内の高圧空気を排気する排気管路と、この排気管路を開閉するバルブとを更に備え、前記間接給水手段は、前記ケーシング内に供給水を導く給水孔と、この給水孔からの供給水を流通する給水路を有するラビリンスシールとを備えていることを特徴とする軸封装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の軸封装置において、前記シールケースに取付けられ、前記静止側シールリングを着脱可能に保持するカートリッジケースを更に備えたことを特徴とする軸封装置。
【請求項６】
回転軸の軸端に設けたランナと、
このランナを覆うよう形成したランナケーシングと、
前記回転軸に取付けた回転リングと、
この回転リング及び前記回転軸を囲うよう、前記ランナケーシングに取付けたケーシングと、
このケーシング及び前記回転軸の間隙に位置し、前記回転軸を挿通するとともに、前記ケーシングに対し軸方向に摺動可能に設けたシールケースと、
このシールケース及び前記ケーシングの間隙を封止するＯリングと、
前記シールケース及び前記回転リングにそれぞれ取付けた互いに対向する静止側シールリング及び回転側シールリングからなり、前記シールケース及び前記回転リングの間隙を封止するシールリングと、
このシールリングにおける前記静止側シールリング及び回転側シールリングの摺動面であるシール面に対し、外部の給水手段からの供給水を導くものであって、そのシール面までの給水経路の途中に少なくとも１つの断続部を有する間接給水手段と
を備えたことを特徴とするポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ水車の回転軸部からの流体の漏れを防止する軸封装置に係り、特に、端面型の軸封装置及びこれを用いたポンプ水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポンプ水車は、上池から下池に落下する水流から水車の原理で得たランナの回転動力を、例えばランナの回転軸に直結した発電機に伝達する水車運転と、例えば夜間等の電力消費量が少ないときに、発電機をモータとしてランナを逆転駆動させ、下池の水を上池に汲み上げるポンプ運転とを繰り返し行う。このようなポンプ水車には、一般にランナの近傍に、ケーシングとケーシングを貫通するランナの回転軸との間隙からの高圧濁水の漏れを防止するために軸封装置が設けてある。
【０００３】
ここで、ポンプ水車においては、前述したポンプ運転を開始する際、その初動負荷の低減を目的として、ランナケーシング内に高圧空気（給気）を送り込み、ランナケーシング内における水面を下池側に押し下げた状態で、連続的にランナを空転させる水面押し下げ運転が行われる。この水面押し下げ運転時には、軸封装置周辺も水上に露出し無水状態となるため、ポンプ運転時や水車運転時と比較して、回転側と静止側の間隙をシールするシール面（例えばシールリングの摺動面）の冷却性・潤滑性が低下する。そこで、従来、水面押し下げ運転時でも上記シール面の冷却性・潤滑性が十分に確保されるよう、シールケースにシールリングまで貫通した導水孔を穿設しておき、この導水孔と外部の給水手段との間をフレキシブル配管等で配管して給水経路を形成することにより、水面押し下げ運転時、この給水経路を介して上記シール面に直接給水する端面型の軸封装置を備えたものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−４２６５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術においては、水面押し下げ運転時のシール面への給水のために、外部の給水手段とシールケースとの間を配管しているため、シールケースの動きが配管により制約されてしまう。すなわち、運転中にランナの回転軸が上下動した場合、この上下動に対しシールケースが追従し難い構成となっている。この場合、例えば、回転軸の上下動に伴いシール面に作用する圧力が増大したとき、この上下動にシールケースが追従しきれないためにシール面圧が許容値を超えてしまう場合もあり、その結果、シールリングが焼損してしまう可能性がある。このことから、特許文献１の記載技術においては、長期間安定した摺動特性を確保し信頼性をより向上させる点において、更なる改善の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、ランナの回転軸の上下動に対するシールケースの追従性を向上させ、長期に亘って高い信頼性を確保することができる軸封装置及びこれを用いたポンプ水車を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するため、本発明は、ポンプ水車のランナケーシングと回転軸との間隙からの流体の漏れを防止する軸封装置において、前記回転軸に取付けた回転リングと、この回転リング及び前記回転軸を囲うよう、前記ランナケーシングに取付けたケーシングと、このケーシング及び前記回転軸の間隙に位置し、前記回転軸を挿通するとともに、前記ケーシングに対し軸方向に摺動可能に設けたシールケースと、このシールケース及び前記ケーシングの間隙を封止するＯリングと、前記シールケース及び前記回転リングにそれぞれ取付けた互いに対向する静止側シールリング及び回転側シールリングからなり、前記シールケース及び前記回転リングの間隙を封止するシールリングと、このシールリングにおける前記静止側シールリング及び回転側シールリングの摺動面であるシール面に対し、外部の給水手段からの供給水を導くものであって、そのシール面までの給水経路の途中に少なくとも１つの断続部を有する間接給水手段とを備える。
【０００８】
本発明によれば、水面押し下げ運転時、フレキシブルホース等で配管するなどして、シールリングまで連続した給水経路で直接的にシール面に給水するのではなく、間接給水手段によって、断続部を有する断続した給水経路を介して供給水を導く。そのため、フレキシブルホース等で配管する場合と異なり、給水経路によってシールケースの動作を制約することがなく、回転軸の上下動に対しシールケースを十分に追従させることができる。これにより、回転軸の上下動に伴ってシール面に作用する圧力が増大する場合にも、これに追従してシールケースが上下動するので、シール面の圧力過大によるシールリングの焼損等を防止することができる。よって、長期に亘って高い信頼性を確保することができる。
【０００９】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記間接給水手段は、前記ケーシング内に供給水を導く給水孔と、この給水孔を介して導かれた供給水を一時的に貯留する貯水部と、この貯水部内の貯留水を、前記シール面に導く導水孔と
を備えている。
【００１０】
（３）上記（１）において、また好ましくは、前記間接給水手段は、前記ケーシング内に供給水を導く給水孔と、この給水孔からの供給水を、前記シール面に向かって噴射するノズルとを備えている。
【００１１】
（４）上記（１）において、また好ましくは、前記ケーシング内の高圧空気を排気する排気管路と、この排気管路を開閉するバルブとを更に備え、前記間接給水手段は、前記ケーシング内に供給水を導く給水孔と、この給水孔からの供給水を流通する給水路を有するラビリンスシールとを備えている。
【００１２】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか１つにおいて、更に好ましくは、前記シールケースに取付けられ、前記静止側シールリングを着脱可能に保持するカートリッジケースを更に備える。
【００１３】
（６）また、上記目的を達成するために、本発明のポンプ水車は、回転軸の軸端に設けたランナと、このランナを覆うよう形成したランナケーシングと、前記回転軸に取付けた回転リングと、この回転リング及び前記回転軸を囲うよう、前記ランナケーシングに取付けたケーシングと、このケーシング及び前記回転軸の間隙に位置し、前記回転軸を挿通するとともに、前記ケーシングに対し軸方向に摺動可能に設けたシールケースと、このシールケース及び前記ケーシングの間隙を封止するＯリングと、前記シールケース及び前記回転リングにそれぞれ取付けた互いに対向する静止側シールリング及び回転側シールリングからなり、前記シールケース及び前記回転リングの間隙を封止するシールリングと、このシールリングにおける前記静止側シールリング及び回転側シールリングの摺動面であるシール面に対し、外部の給水手段からの供給水を導くものであって、そのシール面までの給水経路の途中に少なくとも１つの断続部を有する間接給水手段とを備える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の軸封装置及びこれを用いたポンプ水車の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の軸封装置を用いるポンプ水車の一構成例の全体構造を表す断面図である。この図１に示すように、ポンプ水車は、ランナ（羽根車）１００と、このランナ１００を下部に固定した回転軸２００と、ランナ１００の上下にそれぞれ設けた上・下カバー３００ａ，３００ｂからなり、ランナ１００を覆うよう形成されたランナケーシング３００と、本発明の軸封装置４００と、回転軸２００を回転自在に支持する軸受装置５００と、ランナケーシング３００内に出入りする河川水（作動流体）の流量を調整するガイドベーン６００とを備えている。
【００１５】
こうした構成により、このポンプ水車は、水車運転時には、上池（上ダム、図示せず）より落水する河川水を、ランナケーシング３００のほぼ水平方向から流入させ、ほぼ鉛直方向の吸出し口３００ｃから流出させる際、水車の原理によってランナベーン１００ａに作用する水流の流体エネルギーをランナ１００の回転動力に変換する。この回転動力は、ランナ１００と回転軸２００を介して同軸に接続した発電機（図示せず）に伝達され、電気エネルギーに変換される（発電される）。一方、ポンプ運転時には、先述の発電機（図示せず）を駆動装置（モータ）として、水車運転時とは逆方向にランナ１００を回転駆動させ、吸出し口３００ｃから吸込んだ下池（下ダム、図示せず）の水を、上池に汲み上げる。このポンプ運転は、一般に、電力消費量が比較的少ない時間帯、例えば夜間等に行われる。
【００１６】
上記した本発明の軸封装置４００は、ポンプ水車の回転軸部、具体的には、回転軸２００を挿通する上カバー（固定体）３００ａ及び回転軸２００の間隙からの河川水（高圧濁水）の漏洩を防止するものである。以下に、本発明の軸封装置の第１実施形態を図２を用いて説明する。
【００１７】
図２は、本発明の軸封装置の第１実施形態の詳細構造を示す断面図である。この図２に示すように、軸封装置４００は、いわゆる端面型のものであって、ランナケーシング３００（上カバー３００ａ）に固定したケーシング１と、回転軸２００に取付けた回転リング２と、このケーシング１及び回転軸２００の間に位置し、回転軸２００を挿通するシールケース３と、このシールケース３を回転リング２に押し付けるコイルばね４と、シールケース３とケーシング１（カバー１ｂ）との間隙をシール（封止）するＯリング５と、シールケース３及び回転リング２にそれぞれ取付けた互いに対向する炭化珪素セラミックス製の静止側シールリング６ａ及び回転側シールリング６ｂからなり、シールケース３と回転リング２との間隙をシール（封止）するシールリング６と、このシールリング６の静止側シールリング６ａ及び回転側シールリング６ｂの摺動面であるシール面Ｓに給水する間接給水手段（後述）とを備えている。
【００１８】
上記ケーシング１は、上カバー３００ａに固定され、回転軸２００、回転リング２及びシールケース３を囲うように取付けた略円筒状の本体１ａと、このケーシング本体１ａの上部に設けたカバー１ｂとで構成されている。また、ケーシング本体１ａの内周側には、溶接により固定したピン７と、このピン７の外径側に差し込んだブロック８が設けられており、ブロック８はピン７の廻りに回転自在に装着されている。
【００１９】
上記回転リング２は、複数（例えば２つ）に分割されており、これら分割ピースを抱合せボルト９で締結することにより、回転軸２００に対し、回転軸２００を締め付けるように取り付けられている。また、この回転リング２のフランジ面２ａには、上記回転側シールリング６ｂの格納・固定用のケース１０が、図示しないボルトによって着脱可能に設けられている。
【００２０】
上記シールケース３には、その外周側における上記ピン７及びブロック８に対向する位置に、ケーシング１に対する軸方向（図２中上下方向）の動きをガイドするための立溝１１が設けてある。すなわち、この立溝１１がブロック８と係合することにより、シールケース３の動きは、軸方向（図２中上下方向）にガイドされると同時に、立溝１１の内壁面とブロック８の外径面とが接触することで周方向に拘束される（回転が防止される）。また、このシールケース３の回転リング２との対向端面には、静止側シールリング６ａを着脱可能に格納・保持するカートリッジケース１２が、図示しないボルトにより着脱可能に固定されている。また、このシールケース３のカバー１ｂとの対向端面には、ガイドピン１３が植設されており、このガイドピン１３の先端部は、カバー１ｂに穿設したガイド穴１４に緩挿される形となっている。
【００２１】
上記コイルばね４は、内側にガイドピン１３を挿通し、カバー１ｂとシールケース３の互いの対向端面間に挟装されており、シールケース３を回転リング２側に付勢することによって、静止側シールリング６ａを回転側シールリング６ｂに押し付けている。こうした構成により、回転軸２００が上下動に追従してシールケース３がケーシング１に対して摺動（上下動）するとともに、シール面Ｓにかかる圧力が、ほぼコイルばね４の付勢力程度に保たれるようになっている。
【００２２】
上記間接給水手段は、本実施の形態においては、外部給水装置（図示せず）と配管１５で接続されたコネクタ部１６と、このコネクタ部１６を介し配管１５に連通する給水孔１７と、この給水孔１７からの給水を一時的に貯水する貯水部１８と、この貯水部１８内の貯留水をシール面Ｓに導く導水孔（立孔）１９と、摺動部（シール面Ｓ）の外周部に沿って設けた円周溝２０と、この円周溝２０に連通した放射溝２１とで構成されている。
【００２３】
上記コネクタ部１６は、給水孔１５の位置に対応してカバー１ｂ上に配設されている。給水孔１５は、カバー１ｂを貫通して貯水部１８の上方に臨んでおり、給水孔１７と貯水部１８との間は、離間して断続部を形成している。貯水部１８は、シールケース３の段差部（カバー１ｂとの対向部）上にリング状に設けられており、その底部からシール面Ｓにかけ、シールケース３、カートリッジケース１０及び静止側シールリング６ａを貫通する形で導水孔１９が連通している。この導水孔１９は、図２では１つしか図示していないが、実際にはリング状に形成されたシール面Ｓの外周部に対し、周方向複数箇所において、貯水部１８から連通している。上記円周溝２０は、これら複数の導水孔１９を連通するよう、静止側シールリング６ａの回転側シールリング６ｂとの対向面に、シール面Ｓの外周に沿って環状に形成してある。放射溝２１は、静止側シールリング６ａの回転側シールリング６ｂとの対向面に、この円周溝２０から径方向外側に向かって放射状に複数設けてある。但し、これら円周溝２０及び放射溝２１は、回転側シールリング６ｂ側に設けても構わない。
【００２４】
こうした構造により、この間接給水手段は、別途設けた外部給水装置（図示せず）からの供給水を、配管等を介した連続した給水経路によって直接的にシール面Ｓに導くのではなく、断続部を有する断続した給水経路によって、間接的にシール面Ｓに導き水膜を形成するようになっている。
【００２５】
次に、上記構成の本実施の形態の軸封装置及びこれを用いたポンプ水車の動作を説明する。
前述したように、図１に示したポンプ水車は、水車運転と、ポンプ運転とを繰り返し行う。これら水車運転時及びポンプ運転時、或いは停止時に、ランナケーシング３００内が満水状態となった場合、ポンプ水車における回転軸２００部分、すなわち上カバー３００ａ及び回転軸２００の間隙部分からポンプ水車の本体側に流入しようとする河川水は、軸封装置４００におけるＯリング５及びシールリング６によりほぼ止水される。この際、シールリング６においては、回転軸２００とともに回転側シールリング６ｂが回転し、静止側シールリング６ａに対しシール面Ｓを境に摺動するため、シール面Ｓの潤滑・冷却が必要となる。これに対し、水車運転時又はポンプ運転時には、シール面Ｓの周囲が河川水で満たされるため、シール面Ｓに水が侵入し水膜が形成されるので、安定した潤滑性・冷却性が確保される。
【００２６】
一方、ポンプ運転を開始する際、ポンプ水車の初動負荷軽減のため、いわゆる水面押し下げ運転を行う。この水面押し下げ運転においては、ガイドベーン６００をほぼ閉じた状態で、別途設けた図示しない給気手段（コンプレッサ等）によってランナケーシング３００内に高圧空気を送り込み、ランナケーシング３００内の河川水を下池方向（吸出し口３００Ｃ方向）に押し下げ、ランナ１００がほぼ水上に露出した状態で、所定回転速度に昇速するまでランナ１００を回転駆動させる（空転させる）。
【００２７】
この水面押し下げ運転時には、軸封装置４００のケーシング１内の空間が高圧空気で満たされるため、シール面Ｓの周囲に潤滑・冷却のための水がなくなり、シール面Ｓの潤滑性・冷却性が低下し、著しい場合にはシールリング６の焼損にもつながりかねない。そこで、この水面押し下げ運転時には、前述の間接給水手段により、外部給水装置からの供給水をシール面Ｓに導く。
【００２８】
この場合、まず、外部給水装置（図示せず）から、配管１５、コネクタ部１６、給水孔１７を介し、Ｏリング５及びシールリング６により封止されたケーシング１内の空間内に供給された水は、そこに充満している高圧空気よりも０．１ＭＰａ程度高い圧力で押し込まれる。こうして給水孔１７を介して送り込まれた供給水は、貯水部１８に流下し一時的に貯留され、その後、導水孔１９を介して円周溝２０に導かれる。円周溝２０に導かれた供給水は、外周側からの高圧空気とともに摺動面（シール面Ｓ）に侵入し、シール面Ｓに水膜を形成する。また、円周溝２０で飽和状態となった供給水は、最終的に放射溝２１を介して高圧空気側に漏水していくため、円周溝２０の外周部の非シール面も、この放射溝２１を通過する水により冷却・潤滑される。本実施の形態においては、このような給水経路で外部からの供給水を導くことで、水面押し下げ運転中でも、シール面Ｓ、非シール面ともに供給水によって冷却・潤滑されるので、焼損等といった不具合の発生を防止でき、長期間安定した摺動特性を確保することができる。
【００２９】
以下に、本実施の形態により得られる作用効果を順次説明する。
（１）シールケースの追従性向上
本実施の形態によれば、水面押し下げ運転時、フレキシブルホース等で配管するなどして、シールリング６まで連続した給水経路で直接的にシール面Ｓに給水するのではなく、前述のように、断続部を有する断続した給水経路を介して供給水を導く。そのため、フレキシブルホース等で配管する場合と異なり、給水経路によってシールケース３の動作を制約することがなく、回転軸２００の上下動に対しシールケース３を十分に追従させることができる。これにより、シールリング６の安定した密封性能を長期間確保することができる。また、回転軸２００の上方への移動に伴い、シール面Ｓに作用する圧力が増大する場合にも、これに応じてシールケース３も上方に移動し、シール面Ｓに作用する圧力はほぼコイルばね１４の付勢力程度に保たれる。したがって、シール面Ｓの圧力過大によるシールリング６の焼損等も防止できる。よって、本実施の形態によれば、長期に亘って高い信頼性を確保することができる。
【００３０】
（２）シールリングの片当り防止
また、前述した特許文献１記載の軸封装置においては、「コ」の字型の回転側及び静止側シールリングを対向させ、その内部に高圧空気よりも０．１ＭＰａ程度高圧の供給水を供給し、給水圧力によってシール面に供給水を侵入させるようになっている。そのため、外部の高圧空気と対向する形で供給水がシール面に水膜を形成する形となり、シール面に形成される圧力分布が径方向に一様になり難く、このアンバランスが原因でシールケースが傾斜して浮上する傾向にあった。こうした現象が一旦生じると、シールケースはますます傾斜し易くなるため、回転側シールリングが静止側シールリングに対して片当り状態で摺動してしまい、過大なシール面圧の発生によってシールリングが損傷してしまう場合があり、安定した密封性能を維持できない可能性がある。
【００３１】
それに対し、本実施の形態においては、シール面Ｓの外周側に供給水を導くため、シール面Ｓ外周近傍の供給水の圧力は高圧空気圧力と同等となり、なおかつ供給水がシール面Ｓに侵入する際、高圧空気と対向することなく、高圧空気ととおに径方向内側に向かって一様に進入する。そのため、シール面Ｓの径方向における圧力分布（圧力勾配）が周方向各所において一様となるので、シールケース３が傾斜した状態で浮上することを防止でき、安定した密封性能を維持できるとともに、シール面の片当り等により発生するヒートショック（急激な冷却）による割れ損傷が確実に防止できる、信頼性を大きく向上させることができる。
【００３２】
（３）小型化・低コスト化
フレキシブルホース等といった配管を用いてシール面への給水経路を形成する場合、狭隘な空間に複数の配管を設置しなければならないので、小型化が困難であった。また、回転軸が上下動すると、これに伴って上下動しようとするシールケースから配管が外れてしまうこともあり、配管が外れてしまうと、水面押し下げ運転時のシール面の冷却・潤滑の機能が損なわれてしまう場合もあった。この場合、フレキシブル配管の外れ防止のためには、信頼性の高いジョイント機構が必要となり、それだけ軸封装置自体の製造コストを押し上げてしまう。
【００３３】
それに対し、本実施の形態においては、フレキシブルホース等の配管を用いない分、小型化が可能となり、それだけ低コスト化することができる。また、フレキシブルホースを用いないので高信頼性のジョイント機構等も不要であり、このことも、より小型化、低コスト化を図る上でのメリットである。
【００３４】
（４）メンテナンス性向上
本実施の形態においては、上記カートリッジケース１０やケース１２は、それぞれシールケース３、回転リング２に対しボルトにより固定されているので容易に着脱することができ、さらに、静止側シールリング６ａ等もカートリッジケース１０に対し着脱構造となっている。また、給水経路を構成する配管を省略したことにより、それら配管のメンテナンスが不要となる。これらのことから、シールリング６の交換を容易に行うことができ、メンテナンス性を向上させることができる。
但し、こうしたメンテナンス性向上のための構成は、本発明の基本的効果である上記（１）を得る限りにおいては、必ずしも必要な構成ではない。
【００３５】
（５）急停止対応
一般に、ポンプ水車においては、回転軸を駆動停止させても即座に回転を停止させることはできない。そのため、単に配管を介してシール面に給水する構成では、何等かの外乱によって、例えば外部給水装置が停止した場合、回転軸を急停止させた後、完全に停止するまでの間、シール面への給水が途絶えてしまう。その結果、その間、潤滑性・冷却性の低下した状態下で常に摺動することになり、シールリングが損傷し易い。
【００３６】
それに対し、本実施の形態においては、シール面Ｓへの給水経路に貯水部１８を設けているので、仮に外部給水装置が停止したとしても、その段階で貯水部１８にストックされている供給水が、導水孔１９を介してシール面Ｓに全て供給されるまで、一定の時間を確保することができる。したがって、急停止後、回転軸２００がほぼ回転停止するまでの間、供給水無しでシール面Ｓが摺動することを防止することができ、給水停止によるシールリング６の損傷を防止することができる。
但し、こうした給水停止時の対応の構成は、本発明の基本的効果である上記（１）を得る限りにおいて必ずしも必要なものではなく、例えば、貯留部１８を介さず、導水孔１９の入口部分を漏斗状にしておく等して、供給孔１７から流下する供給水を直接導水孔１９に受け入れる構成としても構わない。
【００３７】
（６）シール面への土砂侵入の抑制
ポンプ運転や水車運転の最中は、河川水が導水孔１９から入り円周溝２０に到達し放射溝２１から外側に流出するように循環する。このため、円周溝２０においては、河川水とともに侵入した土砂粒子は遠心力によって浮遊しながら外周側に集まり、放射溝２１から排砂されるので、円周溝２０内のシール面Ｓ側の部分では土砂濃度が低くなる。そのため、シール面Ｓへの大きな土砂粒子の侵入を防止できるので、シール面Ｓの損傷を抑制することができ、長期間安定した排砂機能が維持できる。
但し、このように、シール面Ｓへの土砂侵入の抑制のために円周溝２０及び放射溝２１を設ける構成としたが、これらは、本発明の基本的効果である上記（１）を得る限りにおいて必ずしも必要なものではない。
【００３８】
（７）組立の容易化
また、本実施の形態においては、前述したようにフレキシブルホースが不要であるため、シールケース３を装着する際、フレキシブルホースの取り付け作業を省略することができるので、シールケース３の組み込み調整作業が容易となる。また、特にポンプ水車のように大径をなす回転軸２００に装着するとき、回転リングが一体的に環状に構成されている場合、回転リングを回転軸２００に圧入しなければならず、この作業に大変な労力及び時間を要するが、本実施の形態においては、回転リング２が分割構成であるため、抱合せボルト９によって容易に回転軸２００に着脱することができる。これにより、組立性及び分解性が極めて良好となり、組立を容易化することができる。
但し、本発明の基本的効果である上記（１）を得る限りにおいては、一体構成の回転リングを用いる構成としても構わない。
【００３９】
（８）その他
本実施の形態においては、静止側シールリング６ａ及び回転側シールリング６ｂにセラミックス（炭化珪素）を使用している。この炭化珪素セラミックスは、水中では低摩擦係数を示すことが知られている。したがって、水によって潤滑・冷却される静止側シールリング６ａ及び回転側シールリング６ｂを炭化珪素セラミックスで形成することにより、互いに摺動し合う際の摩擦係数は非常に低い値となり、長期に亘って安定した摺動特性が得られる。
但し、本発明の基本的効果である上記（１）を得る限りにおいては、シールリング６の材質を、必ずしも炭化珪素セラミックスに限定する必要はなく、例えばＰＥＥＫ系樹脂等を用いても良い。シールリング６の材質に関しては、特に限定はない。
【００４０】
図３は、本発明の軸封装置の第２実施形態の詳細構造を表す断面図で、前述の第１実施形態における図２に対応する図である。但し、この図３において、図２と同様の部分又は同様の部分に相当する部分には同符号を付し説明を省略する。この図３に示す本実施の形態における軸封装置４００Ａは、例えば先の図１のポンプ水車において、前述した第１実施形態における軸封装置４００に代えて用いられるものであり、間接給水手段の構成を除く他の構成は、先の軸封装置４００と同様の構成である。
【００４１】
本実施の形態における間接給水手段は、コネクタ部１６と、給水孔１７と、この給水孔１７を介し導かれた供給水を流通するリング給水管２４と、このリング給水管２４を流れる供給水をシール面Ｓに向かって噴射するノズル２５と、放射溝２１と、円周溝２０と、導水孔１９と、貯水部１８とで構成されている。但し、本実施の形態において、給水孔１７は、ケーシング本体１ａに設けられており、コネクタ部１６は、ケーシング本体１６の段差部に取付けられている。給水孔１７が接続するリング給水管２４は、シールリング６の周囲を囲うよう、シール面Ｓとほぼ同じ高さに位置している。ノズル２５は、このリング給水管２４から径方向内側に向けて複数配設され、シール面Ｓ、言い換えれば放射溝２１方向に向けられており、このノズル２５及び放射溝２１の間が給水経路の断続部を形成している。
なお、ノズル２５の大きさや個数は、シール面Ｓの潤滑・冷却に必要な水量を確保する観点から定まるものであって、特に限定されない。また、本実施の形態においては、貯水部１８は省略可能である。
【００４２】
このような構成の間接給水手段により、本実施の形態の軸封装置４００Ａは、水面押し下げ運転時、図示しない外部給水装置からの供給水を、配管１５、コネクタ部１６、給水孔１７を介してリング給水管２４に導き、リング給水管２４に充満した供給水を、ノズル２５を介して放射溝２１に向かって噴射することにより、水が高圧空気とともにシール面Ｓに侵入し水膜を形成する。ポンプ運転時及び水車運転時のシール面Ｓへの水膜形成は、図２を用いて説明した第１実施形態と同様である。
【００４３】
本実施の形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、シール面Ｓに供給された水が、ノズル２５からの噴流であるため、伝熱促進の作用により、更なるシールリング６の冷却効果が得られ、摺動特性をより安定させることができる。
【００４４】
図４は、本発明の軸封装置の第３実施形態の詳細構造を表す断面図で、前述の第１実施形態における図２に対応する図である。但し、この図４において、図２と同様の部分又は同様の部分に相当する部分には同符号を付し説明を省略する。この図４に示す本実施の形態における軸封装置４００Ｂは、例えば先の図１のポンプ水車において、前述した第１実施形態における軸封装置４００に代えて用いられるものである。
【００４５】
本実施の形態における間接給水手段は、コネクタ部１６と、給水孔１７と、回転リング２及びケーシング本体１ａの間隙に配置したラビリンスシール２６と、給水孔１７と接続したラビリンスシール２６の給水路２７と、貯水部１８と、導水孔１９と、円周溝２０と、放射溝２１とで構成されている。また、カバー１ｂには、内部の高圧空気の空気抜き用の排気孔２８が設けられており、この排気孔２８からケーシング１の外部に連通し、排気孔２８とともに排気管路を構成する排気管２９には、空気抜きバルブ３０が設けられている。このように、本実施の形態においては、ラビリンスシール２６及びその給水路２７の後で、給水経路が断続している。その他の構成は、図２の軸封装置４００と同様である。
【００４６】
上記構成の間接給水段により、本実施の形態の軸封装置４００Ｂは、水面押し下げ運転時、図示しない外部給水装置からの供給水を、配管１５、コネクタ部１６、給水孔１７、ラビリンスシール２６及びその給水路２７に導くと同時に、空気抜きバルブ３０を開放し、ラビリンスシール２６よりも上部空間の空気を排気する。この排気が完了したら、空気抜きバルブ３０を閉じる。これにより、ラビリンスシール２６の上部空間は、外部給水装置からの供給水で満たされ、シール面Ｓに供給水が侵入し水膜が形成される。ポンプ運転時及び水車運転時のシール面Ｓへの水膜形成は、図２を用いて説明した第１実施形態と同様である。
【００４７】
本実施の形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、ラビリンスシール２６よりも上部の空間は、常に水が充満した状態となるので、シール面Ｓは、ポンプ運転や水車運転のときと同様、確実に潤滑され、更に、水温が上昇し難いことから、供給水の粘度低下が防止できる。その結果、シール面Ｓの水膜厚さを厚くすることができ、シール面Ｓの摩擦損失をより効率的に低減させることができる。
【００４８】
図５は、本発明の軸封装置の第４実施形態の詳細構造を表す断面図で、前述の第１実施形態における図２に対応する図である。但し、この図５において、図２と同様の部分又は同様の部分に相当する部分には同符号を付し説明を省略する。この図５に示す本実施の形態における軸封装置４００Ｃは、例えば先の図１のポンプ水車において、前述した第１実施形態における軸封装置４００に代えて用いられるものであり、間接給水手段の構成を除く他の構成は、先の軸封装置４００と同様の構成である。
【００４９】
本実施の形態における間接給水手段が、図２に示した軸封装置４００の間接給水手段と相違する点は、カートリッジケース１２外周部に、下方に突出するようにリング部材３１を追設し、円周溝２０及び放射溝２１を省略した点である。本実施の形態においては、給水孔１７及び貯水部１８の間、導水孔１９及びシール面Ｓの間において、給水経路が断続している。
【００５０】
このような構成の間接給水装置によって、本実施の形態における軸封装置４００Ｃは、コネクタ部１６、給水孔１７、貯水部１８、導水孔１９を介し、外部給水装置からの供給水がシールリング６とリング部材３１との間の空間に導かれ、この空間内に充満した水が、高圧空気とともにシール面Ｓに侵入し水膜を形成する。ポンプ運転時及び水車運転時のシール面Ｓへの水膜形成は、図２を用いて説明した第１実施形態と同様である。
【００５１】
本実施の形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果が得られることに加え、シールリング６とリング部材３１との間の空間がリング状の空間を形成し、この空間に充満させた供給水をシール面Ｓに侵入させるとともに、余剰の供給水は空間の外周部の間隙から漏れ出る構成であるため、シールリング６に円周溝２０や放射溝２１を形成する必要がなく、それだけシールリング６の幅を狭くでき、低コスト化を図ることができる。
【００５２】
図６は、本発明の軸封装置の第５実施形態の詳細構造を表す断面図で、前述の第４実施形態を示した図５に対応する図である。但し、この図６において、図５と同様の部分又は同様の部分に相当する部分には同符号を付し説明を省略する。この図６に示す本実施の形態における軸封装置４００Ｄは、例えば先の図１のポンプ水車において、前述した第４実施形態における軸封装置４００Ｃに代えて用いられるものであり、間接給水手段の構成を除く他の構成は、先の軸封装置４００Ｃと同様の構成である。
【００５３】
本実施の形態における間接給水手段が、図５の間接給水手段と相違する点は、ケース１０の外周部に、上方に突出するように設けたリング状のリブ３２を追設した点である。本実施の形態においても、給水孔１７及び貯水部１８の間、導水孔１９及びシール面Ｓの間において、給水経路が断続している。
【００５４】
このような構成の間接給水装置によって、本実施の形態における軸封装置４００Ｄは、コネクタ部１６、給水孔１７、貯水部１８、導水孔１９を介し、外部給水装置からの供給水がシールリング６とリブ３２及びリング部材３１との間の空間に導かれ、この空間内に充満した水が、高圧空気とともにシール面Ｓに侵入し水膜を形成する。ポンプ運転時及び水車運転時のシール面Ｓへの水膜形成は、図２を用いて説明した第１実施形態と同様である。
【００５５】
本実施の形態においても、前述した第４実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、ケース１０に設けたリブ３２とカートリッジケース１２に設けたリング部材３１とでシール機能が得られるので、導かれた水の保持能力が第４実施形態における軸封装置４００Ｃに比較して高く、よりシール面Ｓへの給水を確実に行え信頼性を向上させることができる。
【００５６】
図７は、本発明の軸封装置の第６実施形態の詳細構造を表す断面図で、前述の第１実施形態における図２に対応する図である。但し、この図７において、図２と同様の部分又は同様の部分に相当する部分には同符号を付し説明を省略する。この図７に示す本実施の形態における軸封装置４００Ｅは、例えば先の図１のポンプ水車において、前述した第１実施形態における軸封装置４００に代えて用いられるものであり、間接給水手段の構成を除く他の構成は、先の軸封装置４００と同様の構成である。
【００５７】
本実施の形態における間接給水手段が、図２に示した軸封装置４００と相違する点は、給水孔１７と貯水部１８との間に、給水孔１７から流下する供給水を一時貯留する貯水槽３３と、この貯水槽３３に設けられ、貯水槽３３内の貯留水を貯水部１８に流下する供給管３４とを介設した点にある。この貯水槽３３は、給水孔１７の下部に位置するよう、ケーシング本体１ａの内壁面に固定されており、供給管２８は、その出口が貯水部１８内に臨むよう、貯水槽３３の底部付近に設けられている。本実施の形態においては、貯水槽３３の前後２箇所で給水経路が断続している。
【００５８】
このような構成の間接給水手段により、本実施の形態の軸封装置４００Ｅは、水面押し下げ運転時、配管１５、コネクタ部１６を介し給水孔１７から流下した水を、一旦貯水槽３３に受け入れ、この貯水槽３３内の貯留水を供給管３４を介して貯水部１５に供給する。その後は、図２を用いて説明した軸封装置４００と同様にして、シール面Ｓに水膜を形成する。ポンプ運転時及び水車運転時のシール面Ｓへの水膜形成は、図２を用いて説明した第１実施形態と同様である。
【００５９】
本実施の形態においても、前述した第１実施形態と同等の効果を得ることができるとともに、貯水部１８に加えて貯水槽３３にも水を貯留することができるので、図２に示した軸封装置４００と比較して貯水槽３３の容積分だけ、多くの供給水を貯水することができる。すなわち、外部給水装置の停止後、軸封装置４００に比べてもシール面Ｓへの給水時間を長く確保することができるので、外部給水装置が何等かの外乱により停止した場合でも、回転軸２００を停止させてからその回転が止まるまでの間、給水無しでシール面Ｓが摺動してしまうといった事態をより確実に防止することができる。したがって、回転軸２００の急停止時のシール面Ｓの潤滑をより確実に確保でき、シールリング６の焼損を更に確実に防止することができるので、信頼性を格段に向上させることができる。
【００６０】
図８は、本発明の軸封装置の第７実施形態の詳細構造を表す断面図で、前述の第１実施形態における図２に対応する図である。但し、この図８において、図２と同様の部分又は同様の部分に相当する部分には同符号を付し説明を省略する。この図８に示す本実施の形態における軸封装置４００Ｆは、例えば先の図１のポンプ水車において、前述した第１実施形態における軸封装置４００に代えて用いられるものであり、間接給水手段の構成を除く他の構成は、先の軸封装置４００と同様の構成である。
【００６１】
本実施の形態における間接給水手段が、図２に示した軸封装置４００と相違する点は、外部給水供給装置３５から供給される水を貯留する貯水タンク３６と、外部給水装置３５及び貯水タンク３６を接続する配管３７と、貯水タンク３６及び軸封装置４００Ｆ内の封止空間を接続する配管３８とを追設した点である。貯水タンク３６は、配管１５を介しコネクタ部１６に接続しており、図７で説明した貯留槽３３と同様、給水停止時に供えて貯留部１８とともに貯水目的で設けられたものであるが、図７の貯水槽３３と異なり、ケーシング１の外部に配設する分、スペースの制約を受けないため、容積の大きなものが用いられる。また、配管３７には、外部給水装置３７への逆流防止のための逆止弁３９が設けてある。
【００６２】
このような構成の間接給水手段により、本実施の形態の軸封装置４００Ｆは、水面押し下げ運転時、配管３７を介して外部給水装置３５から供給される水を、貯水タンク３６に貯留し、この貯水タンク３６内の貯留水が、配管１５、コネクタ部１６を介し給水孔１７から流下し、貯水部１８に再び貯留される。その後は、図２の軸封装置４００と同様の要領で、シール面Ｓに水膜が形成される。また、ポンプ運転時及び水車運転時のシール面Ｓへの水膜形成は、図２を用いて説明した第１実施形態と同様であるが、これら水車運転やポンプ運転の際には、軸封装置４００Ｆのケーシング１内に充満する河川水が、配管３８又は配管１５を介して貯水タンク３６にストックされる。
【００６３】
本実施の形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、軸封装置４００Ｆの外部に設けた比較的容積の大きな貯水タンク３６に貯水できるので、この貯水タンク３６の容積分、第１実施形態よりも給水経路中にストックできる水量が多く、図７の第６実施形態と同じく、外部給水装置３５が停止してしまった場合に確実に対応することができる。また、本実施の形態においては、水車運転時に配管３８又は配管１５を介し、軸封装置４００Ｆ内に充満する河川水が貯水タンク３６一杯にストックされるので、その後、水面押し下げ運転に移行する際、軸封装置４００Ｆのケーシング１内に高圧空気が供給されると、この貯水タンク３６内に貯水された河川水が、配管１５、コネクタ部１６、給水孔１７、貯水部１８、導水孔１９を介し、シール面Ｓ外周部に給水される。このように、水車運転時に貯水タンク３６に河川水が貯水されるので、外部給水装置３５からの供給量が低減できる。そのため、外部給水装置３５の小型化を図ることができ、それだけ製造コストを抑えることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、シール面への給水経路によってシールケースを拘束しないので、回転軸の上下動に対しシールケースを十分に追従させることができ、長期に亘って高い信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸封装置を用いるポンプ水車の一構成例の全体構造を表す断面図である。
【図２】本発明の軸封装置の第１実施形態の詳細構造を示す断面図である。
【図３】本発明の軸封装置の第２実施形態の詳細構造を表す断面図である。
【図４】本発明の軸封装置の第３実施形態の詳細構造を表す断面図である。
【図５】本発明の軸封装置の第４実施形態の詳細構造を表す断面図である。
【図６】本発明の軸封装置の第５実施形態の詳細構造を表す断面図である。
【図７】本発明の軸封装置の第６実施形態の詳細構造を表す断面図である。
【図８】本発明の軸封装置の第７実施形態の詳細構造を表す断面図である。
【符号の説明】
１                    ケーシング
２                    回転リング
３                    シールケース
５                    Ｏリング
６                    シールリング
６ａ                  静止側シールリング
６ｂ                  回転側シールリング
１２                  カートリッジケース
１６                  コネクタ部（間接給水手段）
１７                  給水孔（間接給水手段）
１８                  貯水部（間接給水手段）
１９                  導水孔（間接給水手段）
２０                  円周溝（間接給水手段）
２１                  放射溝（間接給水手段）
２４                  リング給水管（間接給水手段）
２５                  ノズル（間接給水手段）
２６                  ラビリンスシール（間接給水手段）
２７                  給水路（間接給水手段）
２８                  排気孔（排気管路）
２９                  排気管（排気管路）
３０                  バルブ
３１                  リング部材（間接給水手段）
３２                  リブ（間接給水手段）
３３                  貯水槽（間接給水手段）
３４                  供給管（間接給水手段）
３５                  外部給水装置（外部の給水手段）
３６                  貯水タンク（間接給水手段）
３７，３８            配管（間接給水手段）
１００                ランナ
２００                回転軸
３００                ランナケーシング
４００，４００Ａ〜Ｆ  軸封装置
Ｓ                    シール面
【図１】
2004270659.tif 000003
【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】
2004270659.tif 000008
【図７】
2004270659.tif 000009
【図８】
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