(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に水素ガスを封入するケーシングの内部に取り付けられたロータと、このロータを前記ケーシングの内部で回転支持するための回転軸と、この回転軸の両端と前記ケーシングとの間を封止するための軸封装置に取り付けられたシールリングと、このシールリングと隣接して前記回転軸を支持する軸受とを備えた発電機用軸封装置において、
前記軸封装置は前記ケーシングに支持され、前記回転軸の一端側の軸受が前記ケーシングとは異なる材質の軸受台で支持され、前記回転軸の他端側の軸受がケーシングに支持されているものであって、
前記軸封装置の一端側のシールリングが円周方向で複数個に分割され、他端側軸封装置のシールリングが一体シールリングであることを特徴とする発電機用軸封装置。
【請求項２】
請求項１記載の発電機用軸封装置において、
分割された前記一端側のシールリングの前記回転軸と接触する面を、前記他端側の一体シールリングの前記回転軸と接触する面より広くしたことを特徴とする発電機用軸封装置。
【請求項３】
請求項２記載の発電機用軸封装置において、
前記一端側軸封装置における円周方向に複数に分割されたシールリングの軸方向幅W2を、前記他端側軸封装置における一体シールリングの軸方向幅W1より広くしたことを特徴とする発電機用軸封装置。
【請求項４】
請求項１記載の発電機用軸封装置において、
前記ケーシングと前記シールリングとの接触部分をシールケーシングとし、該シールケーシング上またはシールリング上に、低剛性体層を設けたことを特徴とする発電機用軸封装置。
【請求項５】
請求項４記載の発電機用軸封装置において、
前記低剛性体層をＰＥＥＫ樹脂で形成したことを特徴とする発電機用軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素により冷却される発電機用軸封装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大型のタービン発電機においては、気体の中で最も熱伝達効率が高い水素ガスを機内冷却用として封入している。この水素ガスのシール構造として、例えば特許文献１に示すような軸シール装置がある。この軸シールは二重のシールリングからなり、片側のシールリングは機内の水素ガスと高圧給油側に面し、一方のシールリングは高圧給油側と機外側に面している。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１４６１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１は、片当りについては記載されているが回転軸が大きく偏心する場合のシールの追従については記載されていない。
【０００５】
本発明の目的は、回転軸の面とシールリング面間の給油圧力を上げて回転軸の偏心に追従可能なシールリングを備えた発電機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】
【０００６】
上記目的は、内部に水素ガスを封入するケーシングの内部に取り付けられたロータと、このロータを前記ケーシングの内部で回転支持するための回転軸と、この回転軸の両端と前記ケーシングとの間を封止するための軸封装置に取り付けられたシールリングと、このシールリングと隣接して前記回転軸を支持する軸受とを備えた発電機用軸封装置において、前記軸封装置は前記ケーシングに支持され、前記回転軸の一端側の軸受が前記ケーシングとは異なる材質の軸受台で支持されたものであって、前記軸封装置のシールリングを円周方向で複数個に分割されてなり、他方側軸封装置のシールリングは一体シールリングとしたことにより達成される。
【０００７】
また、上記目的は、分割された前記シールリングの前記回転軸と接触する面を、前記一体シールリングの前記回転軸と接触する面より広くしたことにより達成される。
【０００８】
また、上記目的は、前記シールリングの前記回転軸と接触する面は前記回転軸の軸方向に長くしたことにより達成される。
【０００９】
また、上記目的は、前記ケーシングと前記シールリングとの接触部分のシールケーシング上またはシールリング上に、低剛性体層を設けたことにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、前記低剛性体層をＰＥＥＫ樹脂で形成したことにより達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転軸の偏心に追従可能なシールリングを備えた発電機の軸封装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、一般的な水素冷却発電機の軸封装置を図１、図２を用いて説明する。  
図１は、一般的な軸封装置の配置を示す概略構成図である。  
図２は、一般的な軸封装置の断面図である。  
図３は、他の一般的な軸封装置を示す概略構成図である。  
図１において、発電機ロータ１は回転軸２に取り付けられ、発電機ケーシング３に納められている。発電機ケーシング３内には、発電機ロータ１等を冷却するために冷却水素６が封入されている。この水素６は、図示しない熱交換器と発電機ケーシング３とを循環し、発電機ケーシング３内を一定温度以下に保つように温度調節されている。発電機ケーシング３からの水素６の漏出を防ぐための軸封装置４ａ、４ｂが発電機ケーシング３と回転軸２との間に設けられている。この軸封装置４ａ、４ｂはロータ１両端にある回転軸２を封止するように２箇所設けられている。
【００１３】
軸封装置４ａ、４ｂは回転軸２の外径よりも大きい内径を有し、回転軸２表面と軸封装置４ａ、４ｂの内壁面との間に所定の隙間を設けている。５ａ、５ｂは軸受であり、軸封装置４ａ、４ｂとともにケーシング３に固定されている。
【００１４】
図２において、軸封装置４（４ａ、４ｂ）は、回転軸２の外径よりも大きい内径を持ち軸方向に一定の隙間を隔てて設置される一対の円環状シールリング１１aおよび１１bと、この一対のシールリング１１ａ、１１ｂに高圧の密封油を供給する給油手段14と、この一対のシールリング１１ａ、１１ｂおよび密封油を包含するシールケーシング１３およびシールリング１１ａ、１１ｂの外周に接するように設けられたスプリング１２からなっている。
【００１５】
給油手段１４より一対のシールリング１１ａ、１１ｂに供給された密封油は、シールリング１１ａ、１１ｂと回転軸２との隙間１５aまたは１５bを通り、発電機外または発電機内に流れ出るようになっている。この密封油が隙間１５aおよび１５bを完全に満たすことにより、発電機内の水素が発電機外へ漏出することを防いでいる。
【００１６】
図３において、図３も図１と同じく一般的な水素冷却発電機であるが唯一異なる違いは軸受５ａがシールケーシング１３とは別体の軸受台７で支持されている点である。
【００１７】
このように、軸受５aが軸封装置４aを支持するケーシング３とは別材料の軸受台７で支持されていると、運転時に回転軸2の軸心は軸封装置４aの軸心方向に大きくずれやすい。これは、軸封装置４aを支持するケーシング３に比べ、軸受台７の熱容量が小さいため軸受大７の熱伸びが大きいからである。
【００１８】
軸受台７が熱伸びすると回転軸２は軸受５ｂ（図３上、右側）を軸として軸受５aとともに鉛直上方に持ち上げられる。これに対し、軸封装置４aを支持する発電機ケーシング３の熱伸びは小さいため、軸封部４aの鉛直上方への移動は小さい。したがって、回転軸２の軸心は相対的に軸封装置4aから見て鉛直上方に偏心することになる。
【００１９】
このように回転軸２の偏心がシールリング１１aおよび１１bと回転軸２との隙間である１５aおよび１５bよりも大きい場合、シールリング１１aおよび１１bの追従性によっては、回転軸２はその鉛直上方において図２に示すシールリング１１aおよび１１bに接触しやすくなり、接触部分が損傷する可能性がある。仮に損傷に至らない程度の軽微な接触であっても、熱曲がりによる振動を誘起す原因となる。
【００２０】
ところで、水素ガスは密封油に溶け込みやすい性質があり、密封油が発電機外に流れ出すことは水素ガスの流出となり、水素ガスの補充が必要となり、その分コストアップに繋がる。水素ガスの補充は、水素ガスの低下によって冷却効果が低下し、接触部分での摩擦熱により回転軸が熱変形し、これに伴い回転振動の増加に繋がるからである。
【００２１】
このように軸受がケーシングと異なる材質の別部材で支持された発電機の場合、振動が大きいことが判明したので、本発明の発明者らは回転軸の動き（振動）に追従して固体接触による振動を低減可能なシールリングの検討を行ったものである。
【実施例１】
【００２２】
以下、本発明の一実施例を図４、図５を用いて説明する。  
図４は、本発明の一実施例を備えたシールリングの正面図である。  
図５は、油膜が付着した状態を示すシールリングの正面図である。  
図３で示したように、図面に向かって左側に位置する軸受５ａがケーシング３とは別体の軸受台７で支持されると、向かって右側の軸受５ｂを軸として偏心してしまうことが判ったため、軸封装置４（４ａ）のシールリング１１ａ、１１ｂを図４の左側に示すリングのように分割リングとしたものである。図４の右側に位置する軸受５ｂ側のシールリング１１は従来通りの未分割のシールリングとなっている。
【００２３】
シールリング１１（ａ，ｂ）とした場合の油膜の状態を図５で説明すると、回転軸２の外周面と分割シールリング１１（ａ，ｂ）との間には油膜１４ａが形成されるが、本実施例ではシールリング１１（ａ，ｂ）が分割されているので回転軸２の偏心状態に応じてシールリング１１（ａ，ｂ）は柔軟に移動すると同時に油膜１４ａの厚みも変化する。
【００２４】
本実施例によれば、発電機は図３に示すようにガスタービンや蒸気タービンにより駆動されるが、これらのタービンが取り付けられる駆動側の軸受５ａは、タービン端部の軸受５ａと共有するなどの理由により、発電機ケーシング３から離れた位置の独立した軸受台７上に設けられることがある。このような場合でも、軸封装置４ａは、発電機ケーシング３内に設けられる。このような構造では、軸受５ａと軸封装置４ａを支持する軸受台７の発電機運転中の熱伸びが異なる。回転軸２は、軸受台７の伸びにより鉛直上方に押し上げられるため、軸封装置４ａにおいては回転軸２が相対的に大きく偏心することになる。
【００２５】
もう一方の回転軸２の端部では、軸受５ｂと軸封装置４ｂとは同一の部材のケーシング３により支持されているため、軸封部における回転軸の相対的な偏心量は大きくはならない。
【００２６】
本実施例によれば、軸受５ａが軸受台７で支持された軸封部においてシールリングを円周方向に分割しているため、シールリングと回転軸との間の油膜剛性を高め、振動を低減することができる。
【００２７】
このことを図５、図６を用いて説明する。
【００２８】
図５に示すように回転軸２の回転に伴う隙間での動圧の発生により、分割された各シールリングは互いに少々ずれた状態となる。このためくさび効果が高まり、油膜中の動圧がより発生しやすくなり、油膜剛性を上げることができる。
【００２９】
図６に示すように、相対偏心量が臨界値よりも大きくなるとシールリング１１と回転軸２とが接触するようになり、これを誘因とした振幅の大きな振動が生じるようになる。例えば、一体型のシールリングにおいては相対偏心量と振動量を示す曲線は21aのようになるが、このときの臨界値はＡとなる。これに対し、分割型のシールリングにおいては相対偏心量と振動量を示す曲線は21bのようになる。このときの臨界値はＢでありAよりも大きくなる。つまり、分割型とすることで振動増大の臨界値が大きくなるため、振動を回避することができる。
【００３０】
本実施例においては、軸受と軸封部とが同一の部材により支持されている軸封部では、シールリングは一体型としている。図７に示すように、一体型のシールリングと分割型のシールリングとを比較すると、一体型のシールリングの方が密封油流量を少なくすることが可能である。なお、「一体型」シールリングには、単一の部材で作られたシールリングだけでなく、複数に分割されたセグメントを、接合、締結することで、一体として使用する形式のものを含む。
【実施例２】
【００３１】
実施例２について図８を用いて説明する。  
図８において、実施例１においては、軸受５が軸受岱で支持された軸封部のシールリングを円周方向に分割することで回転軸とシールリングとの間の接触を発生しにくくすることにより、軸振動の増加を回避することとした。しかしながら、シールリング１１を分割すると図４の右側に示すような一体型シールリングより密封油量が多くなる可能性があり、水素消費量が多くなる可能性がある。
【００３２】
そこで、本実施例においては図８に示すように、軸受５が軸受台７で支持された軸封部のシールリングの軸方向幅W2を、軸受と同一の部材に支持された軸封部のシールリング軸方向幅を図２に示したW1よりも広くしたものである。
【００３３】
このように軸方向幅を広くすることで、図７に示すように密封油流量を低減することが可能となる。これは、シールリングの軸方向幅が広くなることにより、密封油の流路抵抗が増すために流出量が絞られるためである。
【実施例３】
【００３４】
実施例３について図９、図１０を用いて説明する。両図は、図６中のC点を通り回転軸と同心の円周上における、シールケーシングとシールリングとの発電機運転時の接触状態を示すものである。図９は従来構造の接触状態を示し、図１０は本発明による構造の接触状態を示す。
【００３５】
本例においては、シールケーシング上の、シールリングと接触する表面に、低剛性体層を設けたものとして説明する。シールケーシングに設ける低剛性体層の材料は、例えばPEEK樹脂などの耐熱性の樹脂である。この材質は、強化用添加物の配合量にもよるが、せいぜい数GPa程度の剛性である。層の厚さとしては、数mm程度である。
【００３６】
発電機運転時は、シールリングと回転軸とのしゅう動部における発熱により加熱されることによる熱変形や、封入水素の圧力による応力変形により、シールケーシングは円周方向に波を打つように変形する。このため、シールケーシングとシールリングとの接触部は図９に示すように不均一なものとなる。このような状態では、ケーシングとリングは部分的には接触するが、他の部分では数〜数10μｍの間隔が開いた状態となる。このような隙間部分においては密封油が流出しやすくなっており、密封油流量、ひいては水素消費量を増加させる一因となっていた。
【００３７】
シールケーシングに低剛性体層を設けると、接触を生じる部分は押しつぶされるため、図１０のように隙間部分の間隔を狭めることができる。これにより密封油量を低減できるため、水素消費量の低減も可能となる。
【００３８】
また、本実施例のように樹脂材料を用いると、一般に鉄鋼材よりも樹脂のほうが熱伝導は悪いので、断熱の効果によりシールリングと回転軸とのしゅう動面の発熱がシールケーシングに伝わることを抑え、シールケーシングの熱変形を抑制することが可能となる。さらに、一般に鉄鋼材よりも樹脂のほうが潤滑特性が良い（摩擦係数が低い）ので、図６における点Bをさらに右側に移動させる効果もあるため、振動低減にも効果がある。
【００３９】
以上のごとく、軸受と別の部材に支持された軸封部においてはシールリングを円周方向に分割した。このため、シールリングと回転軸との間の接触が生じにくくなり、接触を誘因とする振動を防止することが可能となる。また、軸受と同一の部材に支持された軸封部においては、シールリングを一体のものとした。このため、密封油量を低減させることができる。以上のように、本発明による軸封装置では振動の防止と、密封油流量低減とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一般的な水素冷却発電機の概略構成図である。
【図２】一般的な水素冷却発電機に取り付けられた軸封装置の拡大断面図である。
【図３】他の構成を備えた一般的な水素冷却発電機の概略構成図である。
【図４】本発明の一実施例を備えたシールリングの正面図である。
【図５】本実施例の効果を説明するシールリングの正面図である。
【図６】軸封装置における回転軸の相対偏心量と振動振幅の関係を示すグラフ図である。
【図７】シールリング各形態による密封油流量を比較したグラフ図である。
【図８】他の実施例を説明する軸封装置の断面図である。
【図９】従来ケーシングとシールリング接触面の隙間と接触圧力構造の接触状態を示す図である。
【図１０】本発明によるケーシングとシールリング接触面の隙間と接触圧力構造の接触状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…発電機ロータ、２…回転軸、３…発電機ケーシング、４…軸封装置、４ａ…軸封装置、５ａ…軸受、６…冷却水素、７…軸受ペデスタル、１１ａ、１１ｂ…円環状シールリング、１２…スプリング、１３…シールケーシング、１４…給油手段、１５ａ，１５ｂ…隙間。
【図１】
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【図２】
0004665689.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004665689.tif 000007
【図７】
0004665689.tif 000008
【図８】
0004665689.tif 000009
【図９】
0004665689.tif 000010
【図１０】
0004665689.tif 000011