| 【発明の名称】 |
水力機械の軸封装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】タン トロンロン
【氏名】古川 武也
【氏名】稲垣 泰造
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| 【要約】 |
【課題】回転軸からの漏水を確実に抑え、しかも摺動パッドおよび回転軸の摩耗、損傷を効果的に防ぐこと。
【解決手段】軸封装置はパッキンケース４と、パッキン室内に設けられる環状のパッキンセグメント５、６、７と、パッキンセグメント５、６、７に合わせてそれぞれ設けられる、調整ボルト８とを備える。パッキンセグメント５、６、７はそれぞれ基材と摺動パッドとからなる。それぞれ基材および摺動パッドは双方の接合面において不可分に結合される。摺動パッドは１０重量％炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトン樹脂で構成される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 回転軸を取り囲むように設けられ、軸方向に複数列にわたり並ぶパッキン室を備えたパッキンケースと、このパッキンケースの該パッキン室に各々設けられ、該回転軸から外部に流れる漏水を止める摺動パッドを有する環状のパッキンセグメントとを備え、前記パッキンセグメントの該摺動パッドは基材との結合体として構成され、前記摺動パッドおよび基材が双方の接合面において不可分に結合されてなる水力機械の軸封装置。
【請求項２】 前記摺動パッドと前記基材との結合体が周方向に複数区分に従い分割されることを特徴とする請求項１記載の水力機械の軸封装置。
【請求項３】 前記パッキンセグメントの背面にそれぞれ該摺動パッドの区分に従い設けられた複数個の調整機構を有し、前記回転軸と前記摺動パッドとの間隔を調整するにあたり、該調整機構を操作して当該間隔を調整するようにしたことを特徴とする請求項１記載の水力機械の軸封装置。
【請求項４】 少なくとも高圧側第１列および第２列の前記摺動パッドがそれぞれ周方向の不連続区間となる凹部を有し、前記凹部同士を周方向において互いに連通したことを特徴とする請求項１記載の水力機械の軸封装置。
【請求項５】 前記摺動パッドの該凹部の幅員が水の流動方向に沿って順次減少するようにしたことを特徴とする請求項４記載の水力機械の軸封装置。
【請求項６】 前記パッキンセグメントの該基材と該摺動パッドとが化学的な接着により不可分に、または機械的な接合によって一体に結合されることを特徴とする請求項１記載の水力機械の軸封装置。
【請求項７】 前記基材が耐食性を有する金属材料、または樹脂材料で構成されることを特徴とする請求項６記載の水力機械の軸封装置。
【請求項８】 前記摺動パッドがポリエーテルエーテルケトン、四ふっ化エチレン、ポリイミドから選ばれた１種の材料で構成されることを特徴とする請求項６記載の水力機械の軸封装置。
【請求項９】 前記摺動パッドを構成する樹脂材料がセラミックス繊維、ウィスカーまたは粒子のうちの少なくとも１種を含有し、セラミックスは炭素、ガラス、グラファイト、アルミナ、シリカ、窒化ケイ素、チタン酸カリウム、ホウ酸アルミニウムのいずれか１種からなることを特徴とする請求項６記載の水力機械の軸封装置。
【請求項１０】 前記基材の、少なくとも接合界面領域が多孔質体からなり、前記摺動パッドの材料の一部を前記基材の該多孔質体内に含浸させて一体化したことを特徴とする請求項８記載の水力機械の軸封装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水力機械に係り、特に、水力機械の回転軸から外部への漏水を抑えるための軸封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、水車、ポンプ水車などに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するのを抑えるために軸封装置を備えている。この軸封装置は回転軸を取り囲むように設けられるパッキンケースと、このパッキンケース内のパッキン室に配置される環状のパッキンセグメントとを備え、各パッキンセグメントの摺動パッドが回転軸に圧接状態に装着され、回転軸から外部への漏水を止めるように構成されている。
【０００３】通常、長時間の摺動に耐えられるように摺動パッドは耐摩耗性を有するカーボン、セラミックス等の材料で作られている。この材料は摩耗自体は他の材料と比べて少ないものの、典型的な脆性材料であることから、使用条件によっては修復不能な損傷が生じるなど、唯一無二の材料とはいえない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】水力機械の回転軸は様々な要因が重なってもたらされる励振力のために通常よりも大きい軸振動を生じることが避けられない。回転軸にこうした過大な軸振動が生じると、カーボン等の典型的な脆性材料からなる摺動パッドは回転軸の変位および変形に追従できず、多くの場合、損傷してしまう。
【０００５】さらに、水力機械に導かれる水には土砂などの異物が多量に含まれている場合があり、このような運転条件の悪化が起こると、柔らかいカーボンは土砂によるアブレーシブ(abrasive)摩耗のために短時間のうちに摩耗が進み、寿命が極度に短くなってしまう。
【０００６】一方、セラミックスからなる摺動パッドでは材質が硬く、回転軸とのなじみが良好でないことから、回転軸に損傷を与えることがある。また、一般に、セラミックスは耐熱衝撃性が低く、水の断続的な供給で引き起こされる熱衝撃のために摺動パッドの水と触れる部分にクラック等を発生することがある。
【０００７】さらに、摺動パッドを支える金属のベースへの固定は機械的結合に頼らざるを得ない。この場合、強度を確保するために厚さが増してベースへの熱の伝達が十分でなくなり、摺動面側の温度上昇が激しくなって摩耗が進み易くなる。また、熱衝撃を受ける程度も大きくなり、破損が生じ易くなる。
【０００８】上記の摺動パッドおよび回転軸における摩耗、損傷などの不具合の多くは未解決のままであり、水力機械の高圧化、高速化が一層進むことを考慮したとき、速やかに解決することを求められる。
【０００９】そこで、本発明の目的は回転軸からの漏水を確実に抑え、しかも摺動パッドおよび回転軸の摩耗、損傷を効果的に防ぐようにした水力機械の軸封装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明はパッキンセグメントの摺動パッドが基材との結合体として構成され、摺動パッドが双方の接合面において不可分に結合される。
【００１１】本発明においては摺動パッドと基材とが、望ましくは、化学的な接着により不可分に、または他の結合方法によって一体に結合される。摺動パッドには耐摩耗性樹脂材料から、特に耐摩耗性に優れた、たとえばセラミックス繊維、ウィスカーまたは粒子を含浸させた樹脂材料を選定する。この樹脂材料を基材の一部に含浸させるために基材はその接合界面領域が、望ましくは、多孔質体として構成される。
【００１２】この耐摩耗性樹脂材料からなる摺動パッドは、望ましくは、特に高圧側複数列については回転軸との間に適正な間隙を保って使用する。これにより、回転軸からの漏水を確実に止めることができ、しかも摺動パッドおよび回転軸の摩耗、損傷を防ぐことが可能になる。
【００１３】さらに、本発明は、望ましくは、摺動パッドと基材との結合体が周方向に複数区分に従い分割される。
【００１４】摺動パッドをそれぞれ区分に従い分割することにより回転軸と摺動パッドとの間隙を個別に調整することができる。
【００１５】また、望ましくは、本発明は、パッキンセグメントの背面にそれぞれ摺動パッドの区分に従い設けられる複数個の調整機構を有する。
【００１６】この調整機構を用いて回転軸と摺動パッドの間隙を零から予め決められた値に調整するとき、極めて容易に調整することが可能になる。
【００１７】さらに、本発明は、望ましくは、少なくとも高圧側第１列および第２列の摺動パッドが周方向の不連続区間となる凹部を有し、この凹部同士を周方向において互いに連通する。
【００１８】このような凹部からなる不連続区間を配置することにより土砂を含む漏水が回転軸を伝わりながら、摺動パッドに流れても、凹部に流れたところで土砂が凹部に落ち、土砂を確実に分離することができる。これにより、アブレーシブ摩耗によって摺動パッドが損傷するのを防ぐことが可能になる。
【００１９】また、本発明は、望ましくは、凹部の幅員が水の流動方向に沿って順次減少するようにする。凹部の幅員を低圧側に向かって順次減少することにより漏水の圧力を段階的に下げることが可能になる。
【００２０】さらに、本発明は、セグメントの基材と摺動パッドとが化学的な接着により不可分に、または機械的な接合によって一体に結合される。
【００２１】このような化学的接着法、または機械的接合法を用いることにより強固な結合体を得ることが可能になり、摺動パッドの損傷を少なくすることができる。また、摺動パッドの厚さ寸法を薄くすることができ、摺動パッドが摩擦等によって温度が上昇するときも、発生した熱を効率よく基材に伝えることができる。
【００２２】また、本発明は、望ましくは、基材が耐食性を有する金属材料、または樹脂材料で構成される。
【００２３】さらに、本発明は、望ましくは、摺動パッドがポリエーテルエーテルケトン、四ふっ化エチレン、ポリイミドから選ばれた１種の材料で構成される。
【００２４】また、本発明は、望ましくは、摺動パッドを構成する樹脂材料がセラミックス繊維、ウィスカーまたは粒子のうちの少なくとも１種を含有し、セラミックスは炭素、ガラス、グラファイト、アルミナ、シリカ、窒化ケイ素、チタン酸カリウム、ホウ酸アルミニウムのいずれか１種からなる。
【００２５】さらに、本発明は、望ましくは、基材の、少なくとも接合界面領域が多孔質体からなり、摺動パッドの材料の一部を基材の多孔質体内に含浸させて一体化して構成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１において、軸封装置は回転軸１を取り囲むようにランナ背圧室２に隣接して設けられている。回転軸１は圧力水が流動するランナ３を備える。この軸封装置はパッキンケース４と、このパッキンケース４内の後記のパッキン室にそれぞれ装着される、環状のパッキンセグメント５、６、７と、このパッキンセグメント５、６、７に合わせてその外周部に各々に設けられる調整機構、たとえば、パッキンケース４のねじ孔と螺合する調整ボルト８とから構成されている。
【００２７】このパッキンケース４はケース本体９と、ケース本体９内の空間を独立した３個の部屋に区画している３枚の仕切り板１０ａ、１０ｂ、１０ｃとを備えている。本実施の形態において、各部屋は軸方向に順に第１パッキン室１１、第２パッキン室１２、第３パッキン室１３と称する。この第１パッキン室１１内にパッキンセグメント５が装着される。また、第２パッキン室１２内にパッキンセグメント６が装着され、第３パッキン室１３内にパッキンセグメント７が装着される。
【００２８】一方、調整ボルト８はそれぞれパッキンセグメント５、６、７の外周部にそれぞれ当接可能にケース本体９に形成されるねじ孔と螺合している。また、調整ボルト８は後記の各摺動パッドを回転軸１に圧接するために周方向に等分した位置にパッキンセグメント５、６、７の摺動パッドに合わせてそれぞれ設けられている。
【００２９】また、詳細を図２に示すように、周方向に等分に分割しているパッキンセグメント５はステンレス鋼からなる基材１４と、ポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる摺動パッド１５とから構成されている。同様に、周方向に等分に分割しているパッキンセグメント６はステンレス鋼からなる基材１６と、ポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる摺動パッド１７とから構成され、同様に、周方向に等分に分割しているパッキンセグメント７はステンレス鋼からなる基材１８と、ポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる摺動パッド１９とから構成されている。
【００３０】さらに、高圧側第１列および第２列の摺動パッド１５、１７は短い不連続区間を有する。不連続区間では水の流れを止めるパッド材料を使用しない。摺動パッド１５はパッド間に形成される凹部２０を有する。凹部２０は中心線Ｃに倣い軸方向に形成されている。摺動パッド１７は隣接する２個のパッド間にわたって形成される凹部２１を有する。凹部２１は中心線Ｃと平行を保って軸方向に形成されている。低圧側の摺動パッド１９は全周にわたって連続しており、不連続区間を持たない。摺動パッド１７の凹部２１の幅は摺動パッド１５の凹部２０の幅よりも狭く形成されている。
【００３１】一方、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）にパッキンセグメント５の詳細を示している。図示は省略するが、パッキンセグメント６、７も同様に構成される。図３（ａ）において、ステンレス鋼からなる基材１４の表面に多孔質中間層２２が形成されている。この多孔質中間層２２には１０重量％炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトン樹脂を含浸している。この多孔質中間層２２に重ねて１０重量％炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる摺動パッド１５が形成され、基材１４と摺動パッド１５とが不可分に結合したパッキンセグメント５として構成されている。基材１４と多孔質中間層２２との結合には、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、剥離の起こりにくい小突起を使用している。
【００３２】本実施の形態の軸封装置は、望ましくは、組み立てにおいて次のように寸法を規定する。高圧側第１列の摺動パッド１５と回転軸１との間の間隙は、好ましくは、２００〜４００μｍであり、より好ましくは２５０〜３５０μｍである。さらに、中間の第２列の摺動パッド１７と回転軸１との間の間隙は、好ましくは、５０〜１５０μｍであり、より好ましくは、８０〜１２０μｍである。また、低圧側の摺動パッド１９と回転軸１との間にはどのような隙間もない。すなわち、摺動パッド１９と回転軸１とは互いに密着している。各摺動パッドの間隙の調整はパッキンケース４と螺合している調整ボルト８を用いて行う。
【００３３】本実施の形態は上記構成からなるもので、運転中、回転軸１の表面に流れた漏水が高圧側のパッキンセグメント５に流れる。漏水は回転軸１とパッキンセグメント５の摺動パッド１５との間の微少な隙間を通って中間のパッキンセグメント６に流れる。この漏水のうち、一部は、さらに回転軸１とパッキンセグメント６の摺動パッド１７との間の微少な隙間を通って低圧側のパッキンセグメント７に流れる。このパッキンセグメント７の摺動パッド１９と回転軸１とは密着しており、漏洩した水は摺動パッド１９から外へは流出しない。このように、回転軸１を伝わり微量の漏水が流れても、軸封装置から外部にかけて流出するのを防ぐことができる。
【００３４】一方、漏水中に土砂が含まれていると、これが漏水と共に軸封装置内を流動する。土砂を含む漏水が隙間を通って摺動パッド１５に流れたとき、漏水は回転軸１の回転運動に連れて凹部２０に達し、そこで重さのある土砂が分離されて凹部２０に落ちる。この漏水の一部は摺動パッド１５から隙間を通って摺動パッド１７に流れる。ここでも、漏水は回転軸１の回転運動に連れて凹部２１に達し、重さのある土砂が分離されて凹部２１に落ちる。
【００３５】こうして、漏水中から土砂を速やかに分離して摺動パッド１５、１７内に長時間留まるのを抑えることが可能になる。これにより、摺動パッド１５、１７、１９がアブレーシブ摩耗によって短時間のうちに損傷するのを防ぐことができる。また、回転軸１の表面が土砂のために傷つくのを防ぐことができる。
【００３６】この凹部２０、２１の幅員は高圧側が広く、低圧側に向かうに従いその幅が狭く形成されるので、漏水の圧力を段階的に下げることができる。
【００３７】
【発明の効果】本発明によれば、パッキンセグメントの基材と摺動パッドとを双方の接合面において不可分に結合した結合体を構成し、パッキンケース内に組み込むようにしたので、回転軸から漏水を確実に止めることができ、しかも摺動パッドおよび回転軸の摩耗、損傷を防ぐことが可能になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
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| 【出願日】 |
平成１１年１０月５日（１９９９．１０．５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１００５１６
【弁理士】
【氏名又は名称】三谷 惠 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１０８１１２（Ｐ２００１−１０８１１２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月２０日（２００１．４．２０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２８３８２４ |
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