(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力機械の回転軸の周囲に、前記回転軸の軸心方向に沿って設けられた複数段の常用パッキン箱と、
前記複数段の常用パッキン箱のそれぞれの内部に、前記回転軸の周方向に分割して設けられた常用パッキンと、
前記常用パッキンの周囲に設けられた常用ガータスプリングと、を備え、
前記常用パッキン箱内の水圧及び前記常用ガータスプリングのバネ力によって前記常用パッキンの摺動面を前記回転軸の外周面に圧接すると共に、
前記常用パッキンと前記回転軸との圧接面に外部より給水して水膜を形成し、この水膜により封水するとともに、
最上段の前記常用パッキン箱の上部に予備用パッキン箱を設け、
前記予備用パッキン箱の内部に、前記回転軸の周方向に分割して設けられた予備用パッキンと、前記常用ガータスプリングのバネ力と同等若しくはそれよりも小さなバネ力を有する予備用ガータスプリングとを設け、
前記常用パッキン箱同士及び前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とをバイパス弁を有するバイパス配管にてそれぞれ連結し、前記予備用パッキン箱にその内部の水を排出するための排水穴を形成する共に排水弁を有する排水管を前記排水穴に接続し、
前記バイパス弁及び前記排水弁はそれぞれバイパス用自動制御弁及び排水用自動制御弁によって構成され、
前記常用パッキン箱の内部の水圧を検知する圧力スイッチをさらに有し、前記圧力スイッチからの信号に応じて前記バイパス用自動制御弁及び前記排水用自動制御弁を開閉操作するようにした水力機械の封水装置において、
前記圧力スイッチで検知された前記常用パッキン箱の内部の水圧が第１の上限値を上回った場合に警報信号を発し、
さらに、前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の上限値よりも高い第２の上限値を上回った場合に、前記常用パッキン箱と前記予備用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管上の通常閉の前記バイパス用自動制御弁を開制御すると共に通常開である前記排水用自動制御弁を開保持するようにした
ことを特徴とする水力機械の封水装置。
【請求項２】
前記複数段の常用パッキン箱の内部の水圧が前記第２の上限値を超えている状態が所定時間にわたって継続された場合に前記排水用自動制御弁を閉制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の水力機械の封水装置。
【請求項３】
前記常用パッキン箱は、上段、中段及び下段の３段で構成されており、前記バイパス弁を有する前記バイパス配管によって前記予備用パッキン箱と上段の前記常用パッキン箱とを連結し、中段の前記常用パッキン箱にその内部の水を排出するための排水穴を形成する共に前記圧力スイッチからの信号に応じて開閉操作される排水用自動制御弁を有する排水管を前記排水穴に接続し、前記圧力スイッチで検知された上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が第１の下限値を下回った場合に警報信号を発し、さらに、上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の下限値よりも低い第２の下限値を下回った場合に、通常閉である中段の前記常用パッキン箱用の前記排水用自動制御弁を開制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水力機械の封水装置。
【請求項４】
所定時間経過後に上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の下限値を上回った場合又は中段の前記常用パッキン箱の内部の前記常用パッキンの摩耗量が所定値を超えた場合に、一旦開放した中段の前記常用パッキン箱用の前記排水用自動制御弁を閉制御し、上段の前記常用パッキン箱と前記予備用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス用自動制御弁を開制御すると共に前記予備用パッキン箱の前記排水用自動制御弁を閉制御するようにしたことを特徴とする請求項３記載の水力機械の封水装置。
【請求項５】
中段の前記常用パッキン箱用の前記排水管及び前記排水用自動制御弁は、規定の漏水量の２割以上を排水可能な本数及び口径であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の水力機械の封水装置。
【請求項６】
前記複数段の常用パッキン箱は、上段及び下段の２段で構成されており、前記バイパス弁を有する前記バイパス配管によって前記予備用パッキン箱と上段の前記常用パッキン箱とを連結し、前記圧力スイッチで検知された上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が第１の下限値を下回った場合に警報信号を発し、さらに、上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の下限値よりも低い第２の下限値を下回った場合に通常閉である前記バイパス弁を開制御すると共に前記予備用パッキン箱用の前記排水用自動制御弁を閉制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水力機械の封水装置。
【請求項７】
前記予備用パッキン箱用の前記排水管及び前記排水弁は規定の漏水量の２割以上を排水可能な本数及び口径であり且つ前記排水管は前記予備用パッキン箱の上部に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の水力機械の封水装置。
【請求項８】
前記バイパス配管及び前記バイパス弁は規定の漏水量の２割以上をバイパス可能な本数及び口径であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の水力機械の封水装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の水力機械の封水装置の制御方法であって、
前記常用パッキンが正常な状態にある時には、前記常用パッキン箱同士を連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を開とし、前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を閉とすると共に、前記予備用パッキン箱に接続された前記排水管の前記排水弁を開として浸水を外部へ排出して前記予備用パッキン箱の内部の圧力上昇を防止し、
一方、前記常用パッキンに異常が生じた場合には、前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を開とすることを特徴とする水力機械の封水装置の制御方法。
【請求項１０】
前記常用パッキンに異常が生じた場合には、前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を開とすると共に、前記予備用パッキン箱に接続された前記排水管の前記排水弁を閉として前記予備用パッキン箱の内部の圧力を上昇させ、前記予備用パッキンにより封水するようにしたことを特徴とする請求項９記載の水力機械の封水装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力機械の封水装置及びその制御方法に係わり、特に、水車やポンプ水車等の水力機械の主軸に沿って外部へ漏洩する流出水をシールするのに好適な水力機械の封水装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水車やポンプ水車等の水力機械においては、主軸に直結されたランナ側の圧力水が外部に漏洩しないように、回転部と静止部との間に、主軸封水装置を設けている。
【０００３】
この主軸封水装置には様々な構造のものがあるが、回転する主軸の表面にパッキンを接触摺動させることによってシールするものが多用されている。また、洩止しようとする流体が高圧の場合、上記パッキンを複数段設けて対処することが多い。
【０００４】
図１０は、このような構造の主軸封水装置を備えた水力機械の一部を示したものであり、ケーシング１内の圧力水は、ステーベーン２及びガイドベーン３を通ってランナ４に向かって流れ、ランナ４を回転させた後、吸出管（図示せず）から放水路へ放出される。
【０００５】
この間に、流水の一部は、ランナ４の背面にも流れ、上カバー５との間隙６を通して主軸７と上カバー５との間に流れようとするが、この圧力水をシールするのが主軸封水装置８である。なお、ポンプ水車をポンプ運転する場合の水の流れは、上記と逆になる。
【０００６】
主軸封水装置８は、図１０及び図１１に示したように、上カバー５に対してボルト９で固定されたパッキン箱１０を備えており、このパッキン箱１０内には、カーボン製のパッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃが主軸７の回転軸心方向に沿って複数段設けられている。なお、以下では、各パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃを特に区別する必要がない場合には符号１１で代表することにする。
【０００７】
最下段のパッキン１１ｃは、土砂の混入を考慮して、樹脂製パッキンとすることもある。
【０００８】
これらのパッキン１１は、パッキン押え１２の背部に設けられたガータスプリング１３のバネ力によって、主軸７に向けて常時押圧されている。各パッキン１１は、円周方向に複数個に分割されており、各分割片の相互間は、例えば図１２に示したように、円周方向の間隙Ｌを形成するようにして互いに凸部１４と凹部１５とが組み合わされ、それぞれの内周面は、摺動面Ｆとして、主軸７に被嵌された主軸スリーブ１６の外周面と摺接している。
【０００９】
また、図１３に示したように、嵌合される凸部１４と凹部１５の各コーナーは通常、凸部１４をＣ面、凹部１５をＲ面の面取りを施してあり、パッキン室の圧力水は、このＣ面とＲ面により形成された流路Ａを通り、さらに、分割された各パッキン１１の円周方向の間隙Ｌと、パッキン箱１０と主軸スリーブ１６とのギャップＧで形成された流路Ｂを通って、低圧側パッキン室又は外部に放出される。
【００１０】
一方、図１１に示したように、パッキン箱１０内の２つのパッキン１１ｂ及び１１ｃの間には、清水給水孔１７が設けられ、これに連なる給水パイプ１８を通して、各パッキン１１の摺動面Ｆに外部から清水が供給される。供給される清水の圧力は、主軸フランジ１９とパッキン箱１０との間の圧力室２０内の圧力と同等、若しくは０．１〜０．２ＭＰａ程度高い圧力に調整されている。
【００１１】
したがって、パッキン箱１０内に供給された清水は、パッキン１１と主軸スリーブ１６との間で高圧の水膜を形成し、ランナ４側からの土砂混入水が、パッキン摺動面Ｆ（図１３参照）に混入するのを阻止すると共に、パッキン１１の発熱を抑制し、摺動面Ｆの潤滑効果によりパッキン１１の摩耗促進を抑制する。
【００１２】
揚水発電所のような地下式発電所では、キャビテーション抑制のため押し込み水頭が高くなる、すなわち封水装置がシールすべきドラフト圧力が高くなるので、パッキン箱の段数は上段、中段、下段の３段として、上段及び中段パッキンの摺動面圧を一定値以下に抑えるのが一般的である。
【００１３】
潤滑及び土砂侵入防止用の給水圧力をＰ（ＭＰａ）、上段パッキン箱圧力をＰ１（ＭＰａ）、中段パッキン箱圧力をＰ２（ＭＰａ）、下段パッキン箱圧力をＰ３（ＭＰａ）とすると、中段パッキンの摺動面圧は（Ｐ２−Ｐ１）／２となり、上段パッキンの摺動面圧はＰ１／２となる。すなわち圧力の関係からすると、Ｐ２＝２×Ｐ１となる時に上段パッキンと中段パッキンが圧力バランスして最良の摩耗特性を示すようになる。また、給水圧力Ｐと中段パッキン室圧力Ｐ２の関係は、配管損失等の影響では一般的にはＰ２＝（０．９６〜０．９８）×Ｐとなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多段パッキンを有する封水装置では上記の圧力バランスを取るのが難しい。この圧力バランスを取るための従来の方法としては、例えば特願平７−３３２３１８号「水力機械の軸封装置」が挙げられる。
【００１５】
前述のように給水圧力は封水圧力（停止時であればドラフト圧力）より０．１〜０．２ＭＰａ程度高く設定するが、ドラフト圧力や封水圧力が運転状態により変動したり、主軸の軸振れも運転状態に応じて変動したりすることから、このような方法によっても完全に圧力バランスを取ることが難しく、また、異物混入や腐食等がある。
【００１６】
これらの要因のために、封水作用をする段（３段であれば上段か中段のパッキン）の一段のパッキンが他の段のパッキンよりも摺動面圧が高くなり、他のパッキンよりも先に定常摩耗或いは異常摩耗を起こして規定の摩耗代分を摩耗（この時Ｌ＝０）することになる。
【００１７】
このような状態からさらに摩耗が進行すると、パッキン内径が主軸外径よりも大きくなり、主軸とパッキンとの隙間からの漏水量が増えるため、この摩耗の進行した段での封水は不可能となる。例えば、中段パッキンがこのような状態になると、Ｐ１＝Ｐ２となるため、中段パッキンの摺動面圧は（Ｐ２−Ｐ１）／２＝０、上段パッキンの面圧はＰ１／２＝Ｐ２／２となって上段パッキンのみで荷を負うことになる。
【００１８】
本来多段シールとして設計されていたものであるので、残りの荷を負う段のパッキンのみでは十分な封水ができなくなり、放置すると残りの段のパッキンも異常摩耗を起こしてしまうことになる。
【００１９】
このような事態を回避するためには、一段のパッキンが摩耗した時点でパッキンを交換する必要がある。また、他の要因でパッキンが損傷して欠損や欠落を起こすと、漏水が多くなったり、或いは損傷の影響でパッキンが異常摩耗を起こしたりするので、このような場合にもパッキンを取り替えなければならない。
【００２０】
そして、パッキンを取り替えるためには、封水装置全体を分解することになるので主機を停止する必要がある。さらに、パッキンの予備が無い場合には、納期に数ヶ月を要するために長期間にわたって主機を停止しなければならないという問題があった。
【００２１】
上記の問題に鑑み、本発明は、パッキンが異常摩耗を起こしたり損傷したりした場合でも、主機を停止せずに対処することができる水力機械の封水装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明による水力機械の封水装置は、水力機械の回転軸の周囲に、前記回転軸の軸心方向に沿って設けられた複数段の常用パッキン箱と、前記複数段の常用パッキン箱のそれぞれの内部に、前記回転軸の周方向に分割して設けられた常用パッキンと、前記常用パッキンの周囲に設けられた常用ガータスプリングと、を備え、前記常用パッキン箱内の水圧及び前記常用ガータスプリングのバネ力によって前記常用パッキンの摺動面を前記回転軸の外周面に圧接すると共に、前記常用パッキンと前記回転軸との圧接面に外部より給水して水膜を形成し、この水膜により封水するとともに、最上段の前記常用パッキン箱の上部に予備用パッキン箱を設け、前記予備用パッキン箱の内部に、前記回転軸の周方向に分割して設けられた予備用パッキンと、前記常用ガータスプリングのバネ力と同等若しくはそれよりも小さなバネ力を有する予備用ガータスプリングとを設け、前記常用パッキン箱同士及び前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とをバイパス弁を有するバイパス配管にてそれぞれ連結し、前記予備用パッキン箱にその内部の水を排出するための排水穴を形成する共に排水弁を有する排水管を前記排水穴に接続し、前記バイパス弁及び前記排水弁はそれぞれバイパス用自動制御弁及び排水用自動制御弁によって構成され、前記常用パッキン箱の内部の水圧を検知する圧力スイッチをさらに有し、前記圧力スイッチからの信号に応じて前記バイパス用自動制御弁及び前記排水用自動制御弁を開閉操作するようにした水力機械の封水装置において、前記圧力スイッチで検知された前記常用パッキン箱の内部の水圧が第１の上限値を上回った場合に警報信号を発し、さらに、前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の上限値よりも高い第２の上限値を上回った場合に、前記常用パッキン箱と前記予備用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管上の通常閉の前記バイパス用自動制御弁を開制御すると共に通常開である前記排水用自動制御弁を開保持するようにしたことを特徴とする。
【００２５】
また、前記複数段の常用パッキン箱の内部の水圧が前記第２の上限値を超えている状態が所定時間にわたって継続された場合に前記排水用自動制御弁を閉制御するようにすると良い。
【００２６】
また、前記常用パッキン箱は、上段、中段及び下段の３段で構成されており、前記バイパス弁を有する前記バイパス配管によって前記予備用パッキン箱と上段の前記常用パッキン箱とを連結し、中段の前記常用パッキン箱にその内部の水を排出するための排水穴を形成する共に前記圧力スイッチからの信号に応じて開閉操作される排水用自動制御弁を有する排水管を前記排水穴に接続し、前記圧力スイッチで検知された上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が第１の下限値を下回った場合に警報信号を発し、さらに、上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の下限値よりも低い第２の下限値を下回った場合に、通常閉である中段の前記常用パッキン箱用の前記排水用自動制御弁を開制御するようにすると良い。
【００２７】
また、所定時間経過後に上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の下限値を上回った場合又は中段の前記常用パッキン箱の内部の前記常用パッキンの摩耗量が所定値を超えた場合に、一旦開放した中段の前記常用パッキン箱用の前記排水用自動制御弁を閉制御し、上段の前記常用パッキン箱と前記予備用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス用自動制御弁を開制御すると共に前記予備用パッキン箱の前記排水用自動制御弁を閉制御するようにすると良い。
【００２８】
また、中段の前記常用パッキン箱用の前記排水管及び前記排水用自動制御弁は、規定の漏水量の２割以上を排水可能な本数及び口径にすると良い。
【００２９】
また、前記複数段の常用パッキン箱は、上段及び下段の２段で構成されており、前記バイパス弁を有する前記バイパス配管によって前記予備用パッキン箱と上段の前記常用パッキン箱とを連結し、前記圧力スイッチで検知された上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が第１の下限値を下回った場合に警報信号を発し、さらに、上段の前記常用パッキン箱の内部の水圧が前記第１の下限値よりも低い第２の下限値を下回った場合に通常閉である前記バイパス弁を開制御すると共に前記予備用パッキン箱用の前記排水用自動制御弁を閉制御するようにすると良い。
【００３０】
また、前記予備用パッキン箱用の前記排水管及び前記排水弁は規定の漏水量の２割以上を排水可能な本数及び口径であり且つ前記排水管は前記予備用パッキン箱の上部に接続されていることが望ましい。
【００３１】
また、前記バイパス配管及び前記バイパス弁は規定の漏水量の２割以上をバイパス可能な本数及び口径とすると良い。
【００３２】
また、本発明による水力機械の封水装置の制御方法は、上述した水力機械の封水装置を制御するための制御方法であって、前記常用パッキンが正常な状態にある時には、前記常用パッキン箱同士を連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を開とし、前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を閉とすると共に、前記予備用パッキン箱に接続された前記排水管の前記排水弁を開として浸水を外部へ排出して前記予備用パッキン箱の内部の圧力上昇を防止し、一方、前記常用パッキンに異常が生じた場合には、前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を開とすることを特徴とする。
【００３３】
また、前記常用パッキンに異常が生じた場合には、前記予備用パッキン箱と前記常用パッキン箱とを連結する前記バイパス配管の前記バイパス弁を開とすると共に、前記予備用パッキン箱に接続された前記排水管の前記排水弁を閉として前記予備用パッキン箱の内部の圧力を上昇させ、前記予備用パッキンにより封水するようにすると良い。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の前提となる技術
以下、本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置は、図１０乃至図１３に示した従来の構成において、図１１に示したパッキン箱１０の上部に予備用のパッキン箱を追加設置したものである。
【００３５】
図１は、本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置の概略構成を示した断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００３６】
図１乃至図３に示したように本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置は、水力機械の回転主軸（回転軸）７の周囲に、回転主軸７の軸心方向に沿って設けられた複数段の常用パッキン箱２１ａ、２１ｂ、２１ｃを備えている。
【００３７】
これらの複数段の常用パッキン箱２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれの内部には、回転主軸７の周方向に分割して設けられた常用パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、これらの常用パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃの周囲に設けられた常用ガータスプリング１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、が設けられている。
【００３８】
そして、常用パッキン箱２１ａ、２１ｂ、２１ｃ内の水圧及び常用ガータスプリング１３ａ、１３ｂ、１３ｃのバネ力によって常用パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃの摺動面を回転主軸７のスリーブ１６の外周面に圧接すると共に、常用パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃと回転主軸７との圧接面に外部より給水して水膜を形成し、この水膜により封水するようになっている。
【００３９】
さらに、本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置においては、最上段の常用パッキン箱２１ａの上部に予備用パッキン箱２２が設けられている。この予備用パッキン箱２２の内部には、回転主軸７の周方向に分割して設けられた予備用パッキン２３と、常用ガータスプリング１３ａ、１３ｂ、１３ｃと同等若しくはそれよりも小さなバネ力を有する予備用ガータスプリング３１と、が設けられている。この予備用ガータスプリング３１のバネ力によって、予備用パッキン２３の摺動面が回転主軸７のスリーブ１６の外周面に弱圧接される。
【００４０】
上段及び中段の常用パッキン箱２１ａ、２１ｂ同士がバイパス配管２４ｂによって連結されており、バイパス配管２４ｂの途中には手動弁から成るバイパス弁２６ｂが設けられている。このバイパス弁２６ｂは通常において開である。上段及び中段の常用パッキン箱２１ａ、２１ｂの内部の圧力は、圧力計２５ａ、２５ｂによって計測することができる。
【００４１】
また、予備用パッキン箱２２と上段の常用パッキン箱２１ａとがバイパス配管２４ａによって連結されており、バイパス配管２４ａの途中には手動弁から成るバイパス弁２６ａが設けられている。予備用パッキン箱２２の内部の圧力は、圧力計２５ｄによって計測することができる。
【００４２】
さらに、予備用パッキン箱２２には、その内部の水を排出するための排水穴４０が形成されており、この排水穴４０には、手動弁から成る排水弁３０を有する排水管２９が接続されている。
【００４３】
常用パッキン箱２１ａ、２１ｂ、２１ｃの内部に収納されている常用パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃが定常摩耗、異常摩耗或いは損傷した場合、この部位の背圧が高くなるか低くなるかして上段パッキン箱２１ａと中段パッキン箱２１ｂ内の圧力水の圧力バランスが崩れる。このような状態が圧力計２５ａ、２５ｂによって観測された場合には、バイパス弁（手動弁）２６ｂを開閉操作して上中段の圧力バランスを回復するようにしている。
【００４４】
通常時おいては、上段パッキン箱２１ａと予備用パッキン箱２２とを接続するバイパス配管２４ａ上のバイパス弁（手動弁）２６ａは閉とされており、一方、予備用パッキン箱２２内の漏水を排水する排水管２９上の排水弁３０は開状態とされている。排水弁３０を通常開とすることにより、予備用パッキン箱２２内の圧力上昇が防止される。
【００４５】
次に、本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置の動作について説明する。
【００４６】
予備用パッキン２３が不使用すなわち予備品状態にあるときでも、この予備用パッキン２３は回転する主軸スリーブ１６に摺接しているが、この予備用パッキンには摩擦はほとんど生じない。なぜなら、このときの予備用パッキン２３の面圧は予備用ガータスプリング３１によるもののみであり非常に小さく、さらに、予備用パッキン箱２２への漏水により予備用パッキン２３と主軸スリーブ１６との摺動面で流体潤滑状態が確保されるためである。
【００４７】
しかしながら、ドラフト圧力の変動や負荷変動に起因して上中段の圧力バランスが崩れたり、河川水中の土砂や異物がパッキン摺動面に浸入すると、上段或いは中段の常用パッキン１１ａ、１１ｂの摩耗が促進され、摩耗代分が摩耗しきってしまったり、異常摩耗したり、或いは損傷したりする。
【００４８】
このような状態になると、パッキン箱内圧力の増減やパッキン箱からの漏水量の増減が生じることになる。圧力変動はパッキン箱に取り付けた圧力計２５ａ、２５ｂで数値確認可能であるが、漏水状況は日常の目視点検によることが一般的であり、精度は高くない。
【００４９】
ここで、上段の常用パッキン箱２１ａ内の圧力が上昇した場合を検討すると、中段の常用パッキン箱２１ｂが損傷或いは摩耗により充分な封水効果を発揮できなくなった状態にあることが、上段の常用パッキン箱２１ａ内の圧力測定結果から分かる。
【００５０】
このまま放置すると上段の常用パッキン１１ａには過大な荷が作用することになるため、これを避けるべく上段の常用パッキン箱２１ａと予備用パッキン箱２２とを接続するバイパス配管２４ａ上のバイパス弁（手動弁）２６ａを開操作すると共に、予備用パッキン箱２２に漏れ出てくる漏水を排水する排水管２９上の排水弁（手動弁）３０を閉操作する。
【００５１】
これらの操作によって、上段の常用パッキン箱２１ａ内の圧力水が予備用パッキン箱２２内へ流れ込み、上段の常用パッキン箱２１ａ内の圧力が弁操作前と同等以下となり、一方、予備用パッキン箱２２内の圧力が上昇する。このため、上段の常用パッキン１１ａには、前記の弁操作前においては上段の常用パッキン箱２１ａ内の圧力の半分が作用していたところ、弁操作後には二つのパッキン室の差圧の半分が作用することになって摺動面圧が下がり、規定の摩耗状態へと復帰する。
【００５２】
以上述べたように本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置によれば、常用パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃに異常が発生した場合には、主機を停止させることなく、バイパス弁２６ａ、２６ｂ及び排水弁３０の開閉操作のみで、予備用パッキン２３を異常な常用パッキンに代替させて良好な封水性能を持続させることができる。
【００５３】
第１実施形態
次に、本発明の第１実施形態による水力機械の封水装置について図４乃至図６を参照して説明する。なお、本実施形態は上述した本発明の前提となる技術の構成を一部変更したものであり、以下では、上記本発明の前提となる技術と異なる部分について説明する。
【００５４】
図４は、本実施形態による水力機械の封水装置の概略構成を示した断面図であり、図５は図４のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図６は図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００５５】
図４乃至図６に示したように本実施形態による水力機械の封水装置は、図１乃至図３に示した本発明の前提となる技術における手動弁から成るバイパス弁２６ａ、２６ｂに代えて、電動弁等の自動制御弁から成るバイパス用自動制御弁２８ａ、２８ｂを設置したものである。
【００５６】
また、本発明の前提となる技術における手動弁から成る排水弁３０に代えて、電動弁等の自動制御弁から成る排水用自動制御弁３２が設置されている。
【００５７】
さらに、本発明の前提となる技術における圧力計２５ａ、２５ｂ、２５ｄに加えて、又はこれらの圧力計２５ａ、２５ｂ、２５ｄに代えて、常用パッキン箱２１ａ、２１ｂ及び予備用パッキン箱２２の内部の圧力に応じて作動する圧力スイッチ２７をそれぞれ追加設置する。なお、図４においては上段の常用パッキン箱２１ａの圧力スイッチ２７のみを示す。
【００５８】
また、中段の常用パッキン箱２１ｂには、その内部の水を排出するための排水穴（図示せず）が形成されており、この排水穴には、排水用自動制御弁３４を有する排水管３３が接続されている。
【００５９】
次に、本実施形態による水力機械の封水装置の動作について説明する。
【００６０】
本実施形態においては、圧力スイッチ２７からの検出信号に応じてバイパス用自動制御弁２８ａ、２８ｂ及び排水用自動制御弁３２を開閉操作される。これにより、常用パッキン１１ａ、１１ｂ、１１ｃに異常が生じた場合には、自動制御により予備用パッキン２３に切り換えることができる。
【００６１】
より具体的には、以下に示すようないくつかの制御方法が考えられる。
【００６２】
第１の制御方法としては、圧力スイッチ２７で検出された上段の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、第１の上限値、例えば給水圧力の半分の値の１．２〜１．３倍すなわち給水圧力の０．６〜０．６５倍を上回った場合に警報信号を発するようにする。
【００６３】
さらに、第１の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、前記第１の上限値よりも高い第２の上限値、例えば給水圧力の半分の値の１．４〜１．５倍すなわち給水圧力の０．７〜０．７５を上回った場合に、上段の常用パッキン箱２１ａと予備用パッキン箱２２とを連結するバイパス配管２４ａ上のバイパス用自動制御弁２８ａを開制御すると共に、予備用パッキン箱２２の排水管２９上の通常開である排水用自動制御弁３２を開保持して、予備用パッキン箱２２内から水を排出する。
【００６４】
上記の圧力状態にある時には、中段の常用パッキン１１ｂに異常が生じてシール効果が無くなり、上段の常用パッキン１１ａのみで設定以上の封水圧力を保持している状態であり、このままの状態では経時後に上段の常用パッキン１１ａに異常が生じてしまう。
【００６５】
これに対して上記第１の制御方法を用いることによって、バイパス用自動制御弁２８ａの操作によって上段の常用パッキン箱２１ａ内の圧力水を、予備用パッキン箱２２の内部を経由して排水することができ、このため、上段の常用パッキン１１ａの摺動面圧が下がり、上段の常用パッキン１１ａの摩耗促進或いは異常摩耗を防止することができる。これにより、良好な封水性能を持続させることができる。
【００６６】
第２の制御方法としては、前記第１の制御方法による制御が行われた後、上段の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、上述した第２の上限値を超えている状態が所定時間にわたって継続していることをタイマー等によって検知したら、通常開である排水用自動制御弁３２を閉制御する方法がある。排水用自動制御弁３２が閉鎖されると、予備用パッキン箱２２の内部に圧力が立ち、予備用パッキン２３の封水機能が発揮される。
【００６７】
予備用パッキン箱２２内に圧力が立つと、上段の常用パッキン１１ａの摺動面圧は、上段の常用パッキン箱２１ａ内の圧力と予備用パッキン箱２２内の圧力（この圧力は排水用自動制御弁３２の開閉により制御する。）との差圧の半分にまで下がるので、上段の常用パッキン１１ａの摩耗促進或いは異常摩耗を防止することができる。
【００６８】
第３の制御方法としては、上段の常用パッキン箱２１ａと予備用パッキン箱２２とを接続するバイパス配管２４ａ上のバイパス用自動制御弁２８ａを閉操作すると共に、予備用パッキン箱２２の排水管２９上の排水用自動制御弁３２を開操作する。
【００６９】
そして、圧力スイッチ２７で検出された上段の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、第１の下限値、例えば給水圧力の半分の値の０．７〜０．８倍すなわち給水圧力の０．３５〜０．４倍を下回った場合に警報信号を発し、さらに、上段の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、前記第１の下限値よりも低い第２の下限値、例えば給水圧力の半分の値の０．５〜０．６倍すなわち給水圧力の０．２５〜０．３倍を下回った場合に、通常閉である中段の常用パッキン箱２１ｂ用の排水用自動制御弁３４を開制御する。
【００７０】
上記の圧力状態にある時は、中段の常用パッキン１１ｂのみで設定以上の封水圧力を保持している状態であり、このままの状態では経時後に中段の常用パッキン１１ｂに異常が生じてしまう。
【００７１】
これに対して上記第３の制御方法を用いることによって、中段の常用パッキン箱２１ｂの内部の圧力水を排水用自動制御弁３４を経由して排水することができ、これにより中段の常用パッキン１１ｂの摺動面圧が下がり、中段の常用パッキン１１ｂの摩耗促進或いは異常摩耗を防止することが可能となる。これにより、良好な封水性能を持続させることができる。
【００７２】
第４の制御方法としては、前記第３の制御方法による制御が行われた後、所定時間経過後に、圧力スイッチ２７で検出された上段の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、前記第１の下限値を上回った場合、又は中段の常用パッキン箱２１ｂの内部の常用パッキン１１ｂの摩耗量が所定値（摩耗代）を超えた場合に、一旦開放した中段の常用パッキン箱２１ｂ用の排水用自動制御弁３４を閉制御し、上段の常用パッキン箱２１ａと予備用パッキン箱２２とを連結するバイパス配管２４ａのバイパス用自動制御弁２８ａを開制御すると共に、予備用パッキン箱２２の排水管２９上の排水用自動制御弁３２を閉制御するようにする。
【００７３】
上記の操作により、予備用パッキン箱２２内に圧力が立ち、封水機能が発揮されるので、中段の常用パッキン１１ｂの摺動面圧は、中段の常用パッキン箱２１ｂ内の圧力と予備用パッキン箱２２内の圧力との差圧の半分まで下がり、中段の常用パッキン１１ｂの摩耗促進或いは異常摩耗を防止することができる。
【００７４】
第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態による水力機械の封水装置について、図７乃至図９を参照して説明する。
【００７５】
図７は、本実施形態による水力機械の封水装置の概略構成を示した断面図であり、図８は図７のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図９は図７のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００７６】
図７乃至図９に示したように本実施形態による水力機械の封水装置は、上述した第１実施形態において中段の常用パッキン箱２１ｂ及び常用パッキン１１ｂを省略したものであり、その他の配管、弁類、圧力スイッチ等の構成は第１実施形態と共通する。このように本実施形態においては、常用パッキン箱は上下二段にて構成されている。
【００７７】
図７乃至図９に示した構成より成る本実施形態の水力機械の封水装置においては、通常時においては、上段の常用パッキン箱２１ａと予備用パッキン箱２２とを接続するバイパス配管２４ａ上のバイパス用自動制御弁２８ａを閉とすると共に、予備用パッキン箱２２の排水管２９上の自動制御弁３２を開とする。
【００７８】
そして、異常が発生した場合、例えば、圧力スイッチ２７で検出された上段の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、第１の下限値、例えば給水圧力の０．９５倍を下回った場合には警報信号を発する。
【００７９】
さらに、上段の常用パッキン箱２１ａの内部の水圧が、前記第１の下限値よりも低い第２の下限値、例えば給水圧力の０．９倍を下回った場合に、通常閉であるバイパス用自動制御弁２８ａを開制御すると共に、予備用パッキン箱２２用の排水用自動制御弁３２を閉制御するようにする。
【００８０】
上記の操作により、上段の常用パッキン１１ａが摩耗した時には、予備用パッキン２３を上段の常用パッキン１１ａに代替させることができ、これにより、良好な封水性能を持続させることができる。
【００８１】
第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態による水力機械の封水装置について説明する。本実施形態は、上述した第１乃至第２実施形態において、配管及び弁類の仕様を特定したものである。
【００８２】
今、一段の常用パッキンの封水能力が損傷等で不十分となり、例えば中段の常用パッキン１１ｂのみで荷を負った場合を考えると、この中段の常用パッキン１１ｂには設定圧力の２倍の圧力が作用することになる。漏水量は圧力の平方根に比例するので、圧力バランスが取れている場合に比べて（１／０．５）1/2＝２1/2倍＝１．４倍となる。
【００８３】
すなわち、圧力バランスが取れた封水装置の中段の常用パッキン箱２１ｂから圧力水を排水して圧力を設定値にまで下げるには、漏水量の０．４倍相当を排出できれば良いことになる。
【００８４】
また、前述のように圧力アンバランスを０．７まで許容した場合には、これを考慮すると（１／０．７）1/2＝１．４３1/2＝１．２となるので、圧力アンバランスのある封水装置では少なくとも規定の漏水量の２割はスムーズに排水できる容量が必要であることが分かる。
【００８５】
そこで、本実施形態においては、例えば図４乃至図６に示した第１実施形態のように常用パッキンが上段、中段、下段の３段構成の場合、上段の常用パッキン箱２１ａと中段の常用パッキン箱２１ｂとを接続するバイパス配管２４ｂ及びバイパス用自動制御弁２８ｂ、上段の常用パッキン箱２１ａと予備用パッキン箱２２とを接続するバイパス配管２４ａ及びバイパス用自動制御弁２８ａ、中段の常用パッキン箱２１ｂ用の排水管３３及び排水用自動制御弁３４、並びに、予備用パッキン箱２２の排水管２９及び排水用自動制御弁３２のそれぞれの本数、口径等の仕様を、封水装置の規定の漏水量の２割から４割以上がスムーズに流れるように設定する。
【００８６】
また、本実施形態においては、予備用パッキン箱２２用の排水管２９を、予備用パッキン箱２２の上部に接続している。
【００８７】
上記構成より成る本実施形態によれば、例えば中段の常用パッキン箱２１ｂ用の排水用自動制御弁３４を開動作した時に、中段の常用パッキン箱２１ｂ内の圧力水を無理なく排水することができ、圧力バランスの確保を無理なく行うことができる。
【００８８】
また、予備用パッキン箱２２用の排水管２９及び排水用自動制御弁３２は、規定の漏水量の２割から４割以上を排水可能であり、さらに、予備用パッキン箱２２の上部に排水管２９を接続したので、予備用パッキン箱２２内の圧力水を無理なく排水可能であり、予備用パッキン箱２２内に圧力が立つことなく摺動面圧を略ゼロに保持することができ、また、予備用パッキン箱２２の排水水位が高くなるので、予備用パッキン２３の摺動面への給水で水膜が形成されて予備用パッキン２３の摩耗防止を図り得る。このため、予備用パッキン２３を常用パッキンに代替させるまでの間、予備用パッキン２３を未使用状態に保持することができる。
【００８９】
なお、最低限の排水容量、すなわち規定の漏水量の２割から４割以上の範囲での数値選定は主機の要項や運転状況等を考慮して行える。当然のことだが、配管口径は余裕を取って大きめとし、流量を調整できる弁や絞りを設けて流量調整を行ってもよい。
【００９０】
【発明の効果】
以上述べたように本実施形態による水力機械の封水装置及びその制御方法によれば、常用パッキンに加えて予備用パッキンを設けたので、常用パッキンが異常摩耗又は損傷した場合には、主機を停止することなく予備用パッキンに切り換えて良好な封水性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の本発明の前提となる技術による水力機械の封水装置を示した断面図。
【図２】  図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】  図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図４】  本発明の第１実施形態による水力機械の封水装置を示した断面図。
【図５】  図４のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図６】  図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図７】  本発明の第２実施形態による水力機械の封水装置を示した断面図。
【図８】  図７のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図９】  図７のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図１０】  従来の水力機械の封水装置を示した断面図。
【図１１】  図１０に示した従来の水力機械の封水装置の要部を拡大して示した断面図。
【図１２】  図１１に示した従来の水力機械の封水装置のパッキンを拡大して示した斜視図。
【図１３】図１１に示した従来の水力機械の封水装置のパッキンの部分を拡大して示した断面図。
【符号の説明】
７    回転主軸
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ    常用パッキン
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ    常用ガータスプリング
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ    常用パッキン箱
２２    予備用パッキン箱
２３    予備用パッキン
２４ａ、２４ｂ    バイパス配管
２５ａ、２５ｂ、２５ｄ    圧力計
２６ａ、２６ｂ    バイパス弁
２７    圧力スイッチ
２８ａ、２８ｂ    バイパス用自動制御弁
２９    排水管
３０    排水弁
３１    予備用ガータスプリング
３２    排水用自動制御弁
４０    排水穴
【図１】
0003983908.tif 000002
【図２】
0003983908.tif 000003
【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】
0003983908.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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