JPH01176814A - 水力機械の水中軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は水力機械の軸受装置に係り、特に海水揚水用の
立軸型水力機械の水中軸受装置に関する。

（従来の技術） 一般に揚水発電所のポンプ水車は、第７図に示されたよ
うに構成され、発電運転時にはケーシング１内の流水が
ステーベーン２を通して流入しガイドベーン３によって
流量および流れ方向を調整される。この流量調整された
流水は、上カバー４と下カバー５との間のランナ６に流
入しこれを回転駆動した後、図示を省略されたドラフト
チューブへ流入する。これにより、カップリング部７を
介してランナ６に直結された主軸８が回転して図示を省
略された発電電動機により発電を行う。−方、揚水運転
時には、上記発電電動機が電動機として作用して上述と
逆の流れによって揚水する。

主軸８には、その軸振れを防止するために軸受゛装置９
が設置されている。この軸受装置９は、油槽１０内の油
１１の中に浸漬され軸受メタル１２に形成された油槽の
剛性を利用して主軸８の軸振れを抑制している。また油
槽１０内には油１１を冷却する冷却装置１３が収容され
、この冷却装置１３には冷却用水が給水される。軸受装
置９とカップリング部７との間の主軸８には、回転部と
静止部との間の封水を行う封水装置１４が設置されてい
る。この封水装置１４には、パツキン１５の摺動面の摩
擦熱による焼付防止と河川水からの土砂等の侵入を防止
するために、外部から清水圧力水が給水されている。と
ころで、海水揚水用の水力機械においても、上述の如き
ポンプ水車と同様に構成されるが、特に海水による防食
対策として流水部特に主軸カップリング部には特殊防食
処理が施されている。

また、カブラン水車の如き軸流型水力機械では、第８図
に示されたように軸振れが比較的小さいため、軸受装置
９にフェノール樹脂等の水中メタル１２ａが用いられる
ことがある。この樹脂系の水中メタル１２ａは、土砂等
の異物の混入によって摩耗が急激に加速されるため、こ
の軸受の潤滑水には清水が用いられている。この水中軸
受装置９の下方には、清水の圧力水が給水される封水装
置１４が設置され、海水が水中メタル１２ａに侵入する
ことを防止している。

（発明が解決しようとする問題点） ところが第７図に示すような軸受装置では、油を貯蔵す
る大型の油槽１０および冷却装置１３が必要であり、構
造が複雑となるとともに海水を利用する為、特に主軸カ
ップリングフランジ部の防食対策が重要かつ難題でコス
トの上昇を招来している。また第８図の軸受装置では、
樹脂製水中メタル１２ａを用いているので、軸振れが比
較的に小さい水力機械にしか使用できず、また樹脂系水
中メタルの潤滑水として清水が必要であるのでこの清水
を得るための設備が必要となりかつその保守管理が煩雑
である。さらに第７図と第８図の軸受装置とも、カップ
リング部７と軸受との間に封水装置１４が存在するため
、軸受装置はランナ６から離れてしまい軸振れの抑制効
果が低下してしまう。また封水装置には、清水の圧力水
が必要となり、清水用設備が必要となるといった問題も
ある。

そこで、本発明は、油槽および清水の給水を不要とし、
さらに独立の封水装置を不要とし、又主軸カップリング
フランジ部の防食対策を不要として主軸の軸振れを充分
に抑制することができる水力機械の水中軸受装置を得る
ことを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、主軸とランナのカップリング部の主軸フラン
ジ外周部に固設され、セラミックス製の円環状の回転側
軸受部材と、上カバーの内周側リングに固着された軸受
支持台に上記回転側軸受部材を取囲むように固設され、
内周面に軸方向に互いに離間した複数本の円環状軸受部
が突設された、上記セラミックスよりも機械的強度が劣
るセラミックスまたは超硬合金製からなる円環状の固定
側軸受部材とを具備し、上記回転側軸受部材は、固定側
軸受部材より軸方向に上方に突出し、上端部に外側方に
突出する環状フランジ部が形成されていることを特徴と
する。

（作　用） 水力機械の運転中に生ずる軸振れ等の変動荷重は、回転
側軸受部材と固定側軸受部材との接触によって支持され
る。しかも、軸受装置がランナに最も近接した主軸のカ
ップリングフランジ外周部に配設されているので、軸振
れが効果的に抑制され、また軸受部からの漏水は回転側
軸受部材の環状フランジ部により、上カバ一方向に流さ
れ、主軸カップリング部に流れることなく排水処理が可
能で、主軸カップリング部の防食処理を容易にすること
ができる。

（実施例） 以下、第１図乃至第６図を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。なお、第７図および第８図と同一部分に
は同一符号を付しその詳細な説明は省略する。

第１図において、ランナ６と主軸８とを直結するカップ
リング部の主軸フランジ８ａの外周部に゛は、円環状の
回転側軸受部材２０が固着されておリ、この回転側軸受
部材２０の外周部にはこれを取囲むようにして固定側軸
受部材２１が配設されている。

すなわち、上カバー４の内周側リング２２には、第２図
に示すように直径方向に２分割された軸受支持台２３が
それぞれボルト等の締結部材２４によって固亡されてお
り、その軸受支持台２３の内周面に、上記固定側軸受部
材２１が装着されている。上記固定側軸受部材２１は第
３図に示すように湾曲した矩形状の複数の固定側軸受セ
グメント２１ａからなり、この２個以上の固定側軸受セ
グメント２１ａが第２図および第４図に示すように円環
状にかつ軸方向に複数段配設されている。

この固定側軸受セグメント２１ａは、例えばタングステ
ンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金やケイ素化合物等の
セラミックスから作られ、内周面に横方向に延びた軸受
部２５が突設されている。

この軸受部２５の上下両面は互いに収斂する方向に傾斜
する傾斜面２５ａとしてあり、この軸受部２５の上下の
フランジ部２６には、左右両端にそれぞれ取付用孔２７
が穿設されている。そして、このような固定側軸受セグ
メント２１ａが前記軸受支持台２３の内周全面に皿ビス
等の締結部材２８によって固着されている。なお、上記
一対の各分割軸受支持台２３ａはフランジ構造の合せ面
２９を有し、ボルト等の締結部材によって環状に一体化
されている。

一方、回転側軸受部材２０も複数の回転側軸受セグメン
ト２０ａによって構成され、この回転側軸受セグメント
２０ａが少なくとも２つ以上円環状に、かつこの円環状
のセグメントが軸方向に前記固定側軸受セグメント２１
ａと同じ段数だけ主軸フランジ８ａの外周面に固着され
ている。

この回転側軸受セグメント２０ａは、固定側軸受セグメ
ント２１ａより機械的強度が大きい炭化ケイ素（Ｓ　ｉ
　Ｃ）や窒化ケイ素（Ｓｉ８Ｎ４）等のセラミック製で
あり、主軸フランジ８ａの外周面と同一曲面の内周面を
有し、４隅には取付孔３０が穿設されており（第５図）
、この取付孔３０を介して皿ビス等の締結部材３１によ
って上記主軸フランジ８ａに固着されている。

ところで、上記回転側軸受セグメント２０ａの最上段の
セグメントは、固定側軸受部材２１の頂端より軸方向に
上方に突出せしめられており、上端部に外側方に突出す
る環状フランジ部３２が形成されている（第６図）。

回転側軸受部材２０と固定側軸受部材２１との隙間は非
常に小さくなるように定められている。

具体的には、第６図に示されたように主軸フランジ８ａ
の直径をり。とじ回転側軸受部材２０の外径をＤｌとし
、第２図に示されたように固定側軸受部材２１の内径、
厳密には軸受部２５における内径をｐ　としたとき、隙
間（Ｄ２−Ｄｌ）は約０．０００２Ｄ　　乃至０．０Ｏ
０３Ｄｏに定められている。

しかして、水力機械の運転中に生ずる軸振れ等の変動荷
重は、回転側軸受部材２０と固定側軸受部材２１との接
触によって支持される。この時に回転側軸受部材２０に
負荷された荷重は、この部材２０が取付けられた主軸フ
ランジ８ａの領域全体に分散されて主軸８に伝達される
。他方、固定側軸受部材２１に負荷された荷重は、軸受
支持台２３の全体に分散されて伝達され締結部材２４を
介して上カバー４の剛体部に伝達される。したがって回
転側および静止側とも荷重分担率が低く抑えられる。ま
た、軸受装置はカップリング部７の主軸フランジ８ａに
配置されているため、ランナ６からの変動荷重を受ける
荷重点としての軸受部までの距離が最短寸法となり、軸
受部を節としたランナ６の振れ回りを充分に抑制し、発
電機側の軸受装置（不図示）を含めた全体の軸系振動モ
ードが安定化される。

また回転側と静止側の回りは、海水が充満し、回転側軸
受部材２０と固定側軸受部材２１との接触による摩擦熱
はこの海水によって冷却される。

さらに海水中の土砂等の異物が軸受部材２０゜２１間に
侵入しても軸受部材２０．２１はセラミックスや超硬合
金などの高硬度材料製であるので摩耗量は非常に小さく
なる。軸受部材２０．２１に侵入した異物は、第３図に
示した傾斜面２５ａによってランナ側に滑りおちるので
、軸受内に滞留することはない。もし、長期間の使用に
よって機械的強度が劣る固定側軸受部材２１が摩耗した
場合にはボルト２４を取り外し、軸受支持台２３を分割
した後にセグメント２１ａを取り外して交換する。万一
、回転側軸受部材２０が損傷した場合には上述のように
軸受支持台２３を分解して回転側軸受部材２０を露出さ
せてセグメント２０ａを交換する。

固定側軸受部材２１は、第１図に明示したように複数個
の軸受部２５が突出しラビリンスシールを形成し、海水
を封水する。特に回転側軸受部材２０と固定側軸受部材
の軸受部２５との間隙（Ｄ２−Ｄｌ）は（０，０００２
〜０．０００３）・Ｄｏと小さいので、封水効果が大き
い。しかも軸受装置から漏れた海水は回転側軸受部材２
０の頂端部に形成された環状フランジ部３２によって上
カバー４方向に偏流され、主軸カップリング面に流れる
ことなく上カバー４に設けられた公知の排水孔から排出
される。

この実施例では、回転側および固定側軸受部材２０．２
１の各々は比較的成形の容易なセグメント１７ａ、１８
ａから構成されているため、一体成形の場合に比べて寸
法精度が大幅に改善され、軸受性能および信頼性が向上
する。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、軸受
装置は流水によって潤滑および冷却されるため潤滑また
は冷却用の清水設備を必要とせず大幅なコスト低減を図
ることができる。また、回転側および固定側軸受部材が
、セラミックスや超硬合金のような高硬度材料から作ら
れているため、流水による腐蝕が無く、さらに、流水中
の土砂等の異物が侵入しても、損傷が無く耐久性を向上
できる。さらに固定側軸受部材の軸受部が突出してラビ
リンスシールを形成し、軸受装置自身が封水機能を有し
ているため独立の封水装置が不要となり軸受装置をラン
ナの上部に配設することが可能となり、軸振れを効果的
に抑制することができる。

さらに回転側軸受部材の上端部を固定側軸受部材より上
方に突出しかつ上端に外側方に突出する環状フランジ部
が形成されているため軸受から漏水した流水は主軸カッ
プリング部に流入することなく排水処理が可能となり、
流水による主軸カップリング部の防食処理が容易となる
等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水力機械の水中軸受装置の一実施
例を示した縦断面図、第２図は分割軸受支持台の平面図
、第３図は固定側軸受セグメントを示した斜視図、第４
図は分割軸受支持台に取付けられた固定側軸受セグメン
トを示した正面図、第５図は回転側軸受部材を構成する
セグメントを示す斜視図、第６図は主軸に固着された回
転側軸受セグメントを一部破断して示した断面図、第７
図と第８図はそれぞれ従来の水力機械の軸受装置を示し
た縦断面図である。 ８・・・主軸、８ａ・・・主軸フランジ、２０・・・回
転側軸受部材、２０ａ・・・回転側軸受セグメント、２
１・・・固定側軸受部材、２１ａ・・・固定側軸受セグ
メント、１９・・・軸受支持台、２５・・・軸受部、３
２・・・環状フランジ部。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ＄　ｌ　図 ２１　２Ｑ 第２　図 第　４　図 ′　　　阜　５　副 第　６　図 蓼　７Ｂ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主軸とランナのカップリング部の主軸フランジ外周部に
   固設され、セラミックス製の円環状の回転側軸受部材と
   、上カバーの内周側リングに固着された軸受支持台に上
   記回転側軸受部材を取囲むように固設され、内周面に軸
   方向に互いに離間した複数本の円環状軸受部が突設され
   た、上記セラミックスよりも機械的強度が劣るセラミッ
   クスまたは超硬合金製からなる円環状の固定側軸受部材
   とを具備し、上記回転側軸受部材は、固定側軸受部材よ
   り軸方向に上方に突出し、上端部に外側方に突出する環
   状フランジ部が形成されていることを特徴とする、水力
   機械の水中軸受装置。