水中設置型の水車発電機
【課題】潤滑剤が不要で高速回転可能な軸封装置を備えた水中設置型の水車発電機を提供する。
【解決手段】水車室４０と発電機室５０との間を軸封する軸封装置１００の第一シールユニット１１０は、水車室側に配置されるとともに回転軸部材に固定された第一回転環１１２と、発電機室側に配置されるとともにケーシング１０に固定された第一固定環１１４と、第一固定環を第一回転環へ付勢する付勢部材（１１６）と、を備え、第一回転環と第一固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方が表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材であり、第二シールユニット１５０は、水車室側に配置されるとともに回転軸部材に固定された第二回転環１５２と、発電機室側に配置されて第二回転環と摺接する第二固定環１５４と、を備え、第二回転環と第二固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方がカーボン摺動材である。
【解決手段】水車室４０と発電機室５０との間を軸封する軸封装置１００の第一シールユニット１１０は、水車室側に配置されるとともに回転軸部材に固定された第一回転環１１２と、発電機室側に配置されるとともにケーシング１０に固定された第一固定環１１４と、第一固定環を第一回転環へ付勢する付勢部材（１１６）と、を備え、第一回転環と第一固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方が表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材であり、第二シールユニット１５０は、水車室側に配置されるとともに回転軸部材に固定された第二回転環１５２と、発電機室側に配置されて第二回転環と摺接する第二固定環１５４と、を備え、第二回転環と第二固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方がカーボン摺動材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力によって水車を回転駆動させることにより、水車の回転軸と一体化された発電機の回転子を駆動させて電気エネルギーを得る水力発電装置に関し、特に、水中に没して河川水と接触する水車室側から発電機を収容する発電機室側への水の浸入を防止するために配置された軸封室部分をドライ環境とした水中設置型の水車発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電装置のうち、特に水中設置型の水車発電機は、ケーシングと、ケーシング内に回転自在に配置された回転ユニットと、発電機と、を備え、外部からケーシング内に流入する流体のエネルギーによって回転ユニットを回転させることにより発電機を作動させ、電気的エネルギーを得る装置である。
ケーシングは、軸方向一端側に配置されて、水車を収容するとともに水中に没して河川水と接触する水車室と、軸方向他端側に配置されて発電機を収容する発電機室と、水車室と発電機室との間に配置されて水車室から発電機室への流体の浸入を阻止する軸封装置を収容した軸封室と、を備えている。また、回転ユニットは、水車室、軸封室、及び発電機室に跨って延在し且つケーシングに対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材を備えている。
【０００３】
軸封装置には、回転軸部材に固定されて回転軸部材とともに回転する回転環と、ケーシングに固定されて回転環と摺接する固定環とを有したメカニカルシールが使用されており、水車室と軸封室との間、軸封室と発電機室との間を夫々密封する２つのメカニカルシールが配置されている。従来、メカニカルシールの多くは、軸封室内に、より詳しくは２つのメカニカルシール間に潤滑剤（オイル等）を封入することによって、回転環及び固定環の摺接面同士の摩耗や発熱を低減している。しかしながら、軸封室から水車室側に潤滑剤が漏出した場合、環境汚染や環境破壊の虞があるため、潤滑剤を使用しないドライタイプのメカニカルシールを使用することが望まれる。
例えば、潤滑剤を使用しないドライタイプのメカニカルシールの発明が記載された例として特許文献１を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平５−２７４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のメカニカルシールは、食品産業や薬品産業分野において使用される攪拌機やブロアーなどに用いられるものであり、回転数の少ない機器に用いられることを前提として設計されたものである。従って、水車発電機のような１分間あたり数百から２千回転といった高回転の装置に使用することはできない。
仮に、特許文献１のメカニカルシールを水車発電機に適用することにより、軸封室内をドライ環境として水車発電機を稼動させた場合、メカニカルシールの摺接面の温度が摩擦により上昇して、メカニカルシールの劣化や破損を招く虞がある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、潤滑剤を用いることなく、高速回転に対応できる軸封装置を備えた水車発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に配置された回転ユニットと、発電機と、を備え、外部からケーシング内に流入する流体のエネルギーによって前記回転ユニットを回転させることにより前記発電機を作動させる水車発電機であって、前記ケーシングは、軸方向一端側に配置されて前記流体を内部に導入する導入部、及び該導入部から導入した前記流体を外部に排出する排出部を備えた水車室と、軸方向他端側に配置されて前記発電機を収容する発電機室と、前記水車室と前記発電機室との間に配置されて前記水車室から前記発電機室への流体の浸入を阻止する軸封装置を収容した軸封室と、を備え、前記回転ユニットは、前記水車室、前記軸封室、及び前記発電機室に跨って延在し且つ前記ケーシングに対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材と、前記回転軸部材に設けられて前記導入部から導入された流体によって該回転軸部材を回転させる羽根と、を備え、前記発電機は、前記回転軸部材に固定された回転子と、該回転子と対面する前記ケーシング内壁に固定された固定子と、を備え、前記軸封装置は、第一のシールユニットと、該第一のシールユニットよりも前記発電機室側に配置された第二のシールユニットと、を備え、前記第一のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第一回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第一回転環と摺接する第一固定環と、該第一固定環を前記第一回転環へ付勢する付勢部材と、を備え、前記第一回転環と第一固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方が表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材であり、前記第二のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第二回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第二回転環に摺接する第二固定環と、を備え、前記第二回転環と第二固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方がカーボン摺動材である水中設置型の水車発電機を特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記第一回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、前記第一固定環がカーボン−ＳｉＣ摺動材である請求項１記載の水中設置型の水車発電機を特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記第二固定環がカーボン摺動材であり、前記第二回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材である請求項１又は２記載の水中設置型の水車発電機を特徴とする。
請求項１乃至３の発明では、水車側に配置された第一シールユニットの固定環と回転環が、常圧焼結ＳｉＣ摺動材と表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材の組合せであり、何れも硬質材料であるから、河川水に含まれる土砂や砂利等のスラリが固定環と回転環の摺接面に浸入しても摩耗を低減することができる。
また、発電機側に配置された第二シールユニットの固定環と回転環が、常圧焼結ＳｉＣ摺動材とカーボン摺動材の組み合わせであり、硬質材料と軟質材料の組合せであるので、潤滑剤を用いないドライ環境下においても摺動抵抗と摩耗を防止することができる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、前記軸封室には、気体が大気圧にて封入されている請求項１乃至３の何れか一項記載の水中設置型の水車発電機を特徴とする。
請求項４の発明では、軸封室に潤滑油等の潤滑剤が封入されていないので、潤滑剤漏れによる環境破壊を防止することができる。また、軸封室に潤滑油等の潤滑剤が封入されていないので、第一シールユニットから浸入した河川水を一時的に貯留するスペースとして軸封室全体を利用することができ、浸水排出作業を含む水中設置型の水車発電機のメンテナンス間隔を長くすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第一シールユニットを硬質材料同士の組合せとし、第二シールユニットを硬質材料と軟質材料の組合せとしたので、潤滑剤を用いないドライ環境下で運転した場合の、シールの劣化や破損を防止することができる。また、ドライ環境下で運転することが可能なので、環境を破壊する虞のある物質の流出を防止することができ、水中設置型の水車発電機のメンテナンス間隔を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る水力発電装置の全体を示した一部断面模式図である。
【図２】本発明に係る水力発電装置の軸封室部分の拡大断面図である。
【図３】本発明に係る軸封装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、本発明に係る水力発電装置の全体を示した一部断面模式図である。図２は、軸封室部分の拡大断面図である。図３は、軸封装置の断面図である。本発明に係る水力発電装置は、水没する水車室と発電機が収容される発電機室との間を軸封する軸封室にタンデム型のメカニカルシールを配置するとともに、軸封室内に油等の潤滑液を封入せず、ドライ環境とした点に特徴がある。
水力発電装置１（水中設置型の水車発電機）は、ケーシング１０と、ケーシング１０内に回転自在に配置された回転ユニット２０と、発電機３０と、を備えており、外部からケーシング１０内に流入する河川水等の流体のエネルギーによって回転ユニット２０を回転させることにより発電機３０を作動させて、電気的エネルギーを得る装置である。
ケーシング１０は、軸方向一端側に配置されて河川水等を内部に導入する導入部４２、導入部４２から導入した河川水を外部に排出する排出部４８を備えた水車室４０と、軸方向他端側に配置されて発電機３０を収容する発電機室５０と、水車室４０と発電機室５０との間に配置されて水車室４０から発電機室５０への流体の浸入を阻止する軸封装置１００を収容した軸封室６０と、を備えている。発電機室５０は、軸封装置１００によりドライ環境に保たれており、水力発電装置１の全体を水中に設置することが可能である。
また、回転ユニット２０は、水車室４０、軸封室６０、及び発電機室５０に跨って延在し且つケーシング１０に対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材２２を備えている。
【００１２】
水車室４０内部には、導入部４２から導入された河川水の流体圧によって回転軸部材２２を回転させる力を生成する羽根７２を備えた水車７０が収容されている。水車７０は、回転軸部材２２の軸方向一端側に配置されている。羽根７２は、回転軸部材２２の外周面に周方向に所定の間隔にて放射状に配置され、回転軸部材２２に固定、一体化されている。
導入部４２は、略円筒状の水車室４０の軸封室６０寄りに形成されて河川水を羽根７２へと案内するガイドベーン４４と、ガイドベーン４４間に形成された開口部４６と、を有している。ガイドベーン４４は板状の案内羽根であり、開口部４６とともに周方向に所定の間隔にて配置されている。
【００１３】
発電機室５０内部には、回転軸部材２２に固定された回転子３２と、回転子３２と対面するケーシング１０内壁に固定された固定子３４と、を備えた発電機３０が収容されている。なお、図１においては、水車が回転子に直接連結されているが、増速機を介して連結されていてもよい。
図１に示すように、河川水はガイドベーン４４に案内されつつ開口部４６から水車室４０に流入する。河川水の流体圧が羽根７２に作用し、回転軸部材２２及び回転子３２を回転させる。発電機３０は、回転する回転子３２と非回転の固定子３４との間で電磁誘導を利用して電気エネルギーを発生させる。水車７０を回転させた河川水は、排出部４８より水車室４０外部に流出する。
【００１４】
図２に示すように、発電機室５０の軸封室６０寄りには、軸封室６０から漏出した河川水を貯める貯留部５２と、河川水を検知する浸水検出用のフロートスイッチ５４とが配置されている。発電機室５０内に河川水が浸入して貯留部５２に一定量を超える河川水が溜まった場合、フロートスイッチ５４が浮き上がって、漏水を検知した旨の検知信号が発せられる。水力発電装置１全体の動作を制御する制御装置（不図示）は、この検知信号を受けて発電機３０を停止させる。
軸封室６０内部には、水車室４０から発電機室５０へと河川水が浸入することを防止する軸封装置１００が配置されている。軸封室６０内部は、大気圧にて気体が封入されたドライ環境である。
軸封装置１００は、水車室４０と軸封室６０の間を軸封する第一シールユニット１１０と、軸封室６０と発電機室５０の間を軸封する第二シールユニット１５０とを備えている。各シールユニットは、夫々固定環と回転環とを有したメカニカルシールであり、図３に示すように軸封装置１００は、２つのメカニカルシールを同一の向きに配置したタンデム型のメカニカルシールを有している。
【００１５】
第一シールユニット１１０は、水車室４０側に配置されるとともに回転軸部材２２に固定された第一回転環１１２と、発電機室５０側に配置されるとともにケーシング１０に固定されて第一回転環１１２と摺接する第一固定環１１４と、第一固定環１１４を第一回転環１１２へ弾性付勢する第一スプリング１１６（付勢部材）と、を備えている。
第一回転環１１２は、通常の粉末冶金の手法によって得られ、９７％以上のＳｉＣを有する常圧焼結ＳｉＣ摺動材（硬度：Ｈｓ１０５〜１２５）から形成されている。耐酸、耐アルカリ、耐スラリのシリコンカーバイト単体である。第一回転環１１２は、ノックピン１１７により、第一カラー１１８を介して回転軸部材２２に一体的に固定されている。
第一カラー１１８は、回転軸部材２２に一体的に固定されている。回転軸部材２２と第一カラー１１８の間、及び第一カラー１１８と第一回転環１１２の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１２２、１２４によって密封されている。また、第一カラー１１８は、回転軸部材２２の径方向に段差を有しており、外周側の軸方向厚みが、回転軸部材２２側（内周側）よりも薄く構成されている。このように段差を有することで、第一回転環１１２を第一カラー１１８に嵌め込む際の位置決定が容易となる。また、組み立て時のセットミスを防止することができる。
第一回転環１１２の外周には、第一回転環１１２を保護するチタン製の保護リング１２４が圧入されており、第一回転環１１２の破損を防止する。
【００１６】
第一固定環１１４は、カーボンの一部がＳｉＣに転換された厚さ１．０〜１．５ｍｍのガス不浸透性の表層部１１４ａ（図中多数の点を付した部分）を有するカーボン−ＳｉＣ摺動材（表層部１１４ａの硬度：Ｈｓ８０〜９５）から形成されている。耐熱衝撃性に優れ、表層部に存在するカーボンによる自己潤滑性に優れた材料である。表層部１１４ａにおける組成は、ＳｉＣの含有量よりもカーボンの含有量の方が高くなっている。表層部１１４ａにおけるＳｉＣの占有率は１０〜５０％、好ましくは２０〜２５％、カーボンの占有率は５０〜９０％、好ましくは７５〜８０％がよい。
また、第一固定環１１４は、第一回転環１１２の摺接面１１２ａと摺接する環状に突出した摺接面１１４ｂを有している。第一固定環１１４は、ケース１２６及びノックピン１２８によってケーシング１０に固定、一体的されている。
ケース１２６とケーシング１０の間、及びケース１２６と第一固定環１１４の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１３０、１３２によって密封されている。
ケース１２６内には、第一固定環１１４を第一回転環１１２側へと弾性付勢する第一スプリング１１６が収容されており、第一固定環１１４は軸方向に移動可能な状態で支持されている。第一スプリング１１６を第一固定環１１４側に配置することにより、回転軸部材２２の回転に伴う遠心力及び振動の影響を受けにくくすることができるので、第一スプリング１１６の動作を安定させることができるとともに、破損を防止することができる。
第一固定環１１４の外周には、第一固定環１１４を保護するチタン製の保護リング１３４が圧入されており、第一固定環１１４の破損を防止する。
【００１７】
ところで、第一シールユニット１１０の水車室４０側は河川水の存在する部分であり、河川水内に含まれる土砂や砂利等のスラリが第一回転環１１２及び第一固定環１１４と接触する。上述のように、第一回転環１１２はＳｉＣから形成されており、また第一固定環１１４の表層部１１４ａにはＳｉＣが存在するので、互いに硬質部材同士の組合せである。従って、河川水中のスラリが摺接面１１２ａ、摺接面１１４ｂとの間に浸入しても、固定環及び回転環の摩耗を防止することができる。
また、第一回転環１１２及び第一固定環１１４の外周面に夫々保護リング１２４、１３４が配置されているので、河川水内に混在する異物が第一回転環１１２又は第一固定環１１４に接触した場合の、固定環及び回転環の破壊を防止できる。
さらに、第一スプリング１１６が軸封室６０内に配置されているので、河川水とは直接接触しない構成である。従って、第一スプリング１１６が河川水に含まれる塩分等により腐食することを防止できる。
【００１８】
第二シールユニット１５０は、水車室４０側に配置されるとともに回転軸部材２２に固定された第二回転環１５２と、発電機室５０側に配置されるとともにケーシング１０に固定されて第二回転環１５２と摺接する第二固定環１５４と、第二固定環１５４を第二回転環１５２へ付勢する第二スプリング１５６（付勢部材）と、を備えている。
第二回転環１５２は、第一回転環１１２と同様に常圧焼結ＳｉＣ摺動材から形成されている。第二回転環１５２は、第二カラー１５８を介して回転軸部材２２に一体的に固定されている。
第二カラー１５８は、セットスクリュー１６０によって回転軸部材２２に固定、一体化されている。回転軸部材２２と第二カラー１５８の間、及び第二カラー１５８と第二回転環１５２の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１６２、１６４によって密封されている。また、第二カラー１５８は、回転軸部材２２の径方向に段差を有しており、第二回転環１５２をカラーにはめ込む際の位置決定が容易となる。また、組み立て時のセットミスを防止することができる。
【００１９】
第二固定環１５４は、カーボン摺動材から形成されている。第二回転環１５２の摺接面１５２ａと摺接する環状に突出した摺接面１５４ａを有している。第二固定環１５４は、ケース１６６及びノックピン１６８等によってケーシング１０に固定、一体化されている。
ケース１６６と第二固定環１５４の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１７０によって密封されている。
ケース１６６内には、第二固定環１５４を第二回転環１５２側へと弾性付勢する第二スプリング１５６が収容されており、第二固定環１５４は軸方向に移動可能な状態で支持されている。第二スプリング１５６を第二固定環１５４側に配置することにより、回転軸部材２２の回転に伴う遠心力及び振動の影響を受けにくくすることができるので、第二スプリング１５６の動作を安定させることができるとともに、破損を防止することができる。
【００２０】
軸封装置１００が配置された軸封室６０は、上述のように潤滑液が存在せず、大気圧にて気体が封入されたドライ環境である。軸封室６０には、少なくとも固体・液体以外の物質、具体的には空気、窒素ガス、又はその他の気体を封入する。気体が漏出したときに人体や環境に悪影響を与えないために、封入する気体は人体や環境に無害な物質であることが望ましい。特に軸封室６０に空気を封入した場合には、制御装置による水力発電装置１の管理が容易となる。
また、軸封室６０には気体が封入されているので、第一シールユニット１１０から軸封室６０へ河川水が浸入した場合に、軸封室６０全体が漏洩水を貯める貯水タンクとしての役割を果たす。従って、軸封室６０に潤滑剤を封入した場合に比べて、漏洩水の貯水量を増大させることができ、漏洩水排出作業を含む水力発電装置１の点検周期を長くすることができる。
【００２１】
軸封室６０内部の圧力は、少なくとも水車室５０の圧力より低い圧力にする必要がある。なお、水車室５０は水没して水圧を受けることから、通常は、軸封室６０内の圧力を大気圧に保つようにすればよい。仮に、圧力条件が「軸封室６０内の圧力＞水車室５０内の圧力」となった場合、水車室４０と軸封室６０との間を軸封する第一シールユニット１１０の摺動面に液膜が無くなってドライ運転になり、軸封装置１００が破損する虞がある。
また、本実施形態においては、第二回転環１５２をＳｉＣ摺動材とし、第二固定環１５４をカーボン摺動材として、硬質部材と軟質部材の組合せとすることにより、ドライ環境下における摺動抵抗を低減し、摩擦による発熱を低減させることができる。
なお、本発明に係る水力発電装置１は、動力によって河川水等を揚水する水中ポンプとして使用することが可能である。例えば発電機３０には、発電機としての動作が可能であり、且つ電動機としての動作が可能な電動発電機を用いることができる。回転軸部材２２の回転方向又は水車７０の羽根の向きを適宜変更した上で電力を入力することにより、揚水することが可能である。
また、上記電動発電機を用いなくとも、発電機３０の代わりに電動機を配置することにより、発電機以外の部分を水力発電装置１と同一構成とする水中ポンプを作成することができる。この場合、内部に配置する電動機は、回転子及び固定子を備えた電動機とし、必要に応じて始動装置を接続する。また、電動機として誘導電動機を用いてもよい。
【００２２】
［実施例］
以下、上記軸封装置１００を作製し模擬試験を行った。なお実機に使用された第一回転環及び第二回転環の硬度はＨｓ１２０、第一固定環の硬度はＨｓ９０、第二固定環の硬度はＨｓ９２である。
〔１〕第一シールユニット１１０の試験
（ａ）無拘束速度試験
最も過酷な運転条件となる無拘束回転を想定して、１８３０回転／分にて２時間の試験運転を行った。その結果、第一シールユニット１１０からの漏水及び第一回転環１１２と第一固定環１１４の摩耗は認められなかった。また、摺接面１１２ａと摺接面１１４ｂを肉眼にて確認したところ、特に問題は認められず良好であった。
（ｂ）ドライ運転及び熱衝撃試験
第一シールユニット１１０に対して、２００℃から２０℃までの範囲で急激な温度変化を加える熱衝撃試験を行った。
完全ドライ条件下で９１５回転／分にて２時間運転を行ったところ、シールユニットの温度は１６５℃まで上昇した。その後、シールユニットを２０℃〜３０℃の水中に没した状態で９１５回転／分にて２時間運転を行った。ドライ摺動後における耐熱衝撃性が良好であり、また漏水量も１〜２．１ｃｃ／ｈと良好であることが確認できた。
【００２３】
〔２〕第二シールユニット１５０の試験
軸封室６０が河川水で満たされた状態を想定し、軸封室６０を満水状態とし、発電機室５０側をドライ状態として試験を行った。
（ａ）無拘束速度試験
無拘束回転を想定して１８３０回転／分にて２時間の試験運転を行った。軸封室６０から発電機室５０側へ３１．５〜８３ｃｃ／ｈの漏水が認められた。
（ｂ）定格運転試験
定格運転を想定して、９１５回転／分にて４時間の試験運転を行った。漏水量は無拘束速度試験時の３０〜４０％に減少した。
【００２４】
〔３〕軸封装置１００の試験
水力発電装置１の運転状態を模擬した試験を行った。水車室４０内部の圧力が０．２ＭＰａを超えないという条件の下に行った。これは水力発電装置１の設計値であり、水深２０ｍに相当する圧力である。
（ａ）起動〜定格運転試験
起動から定格運転に至るまでを想定し、回転数を０回転／分から７３５回転／分まで、２．５時間かけて徐々に上げて運転した。その結果、第一シールユニット１１０からの漏水は認められなかった。また、摺接面１１２ａ、１１４ｂ、１５２ａ、１５４ａに関し、その状態を肉眼で目視確認したが、特に問題は認められず良好であった。
（ｂ）負荷遮断試験
事故、その他の原因で負荷が急激に失われた場合を想定し、３分間で７３５回転／分→１３４４回転／分→０回転／分に回転数を低下させる試験を行った。その結果、第一シールユニット１１０からの漏水は認められなかった。また、摺接面１１２ａ、１１４ｂ、１５２ａ、１５４ａに関し、その状態を肉眼で目視確認したが、特に問題は認められず良好であった。
【符号の説明】
【００２５】
１…水力発電装置、１０…ケーシング、２０…回転ユニット、２２…回転軸部材、３０…発電機、３２…回転子、３４…固定子、４０…水車室、４２…導入部、４４…ガイドベーン、４６…開口部、４８…排出部、５０…発電機室、５２…貯留部、５４…フロートスイッチ、６０…軸封室、７０…水車、７２…羽根、１００…軸封装置、１１０…第一シールユニット、１１２…第一回転環、１１４…第一固定環、１１６…第一スプリング、１１８…第一カラー、１２４…保護リング、１２６…ケース、１２８…ノックピン、１３４…保護リング、１５０…第二シールユニット、１５２…第二回転環、１５４…第二固定環、１５６…第二スプリング、１５８…第二カラー、１６６…ケース。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力によって水車を回転駆動させることにより、水車の回転軸と一体化された発電機の回転子を駆動させて電気エネルギーを得る水力発電装置に関し、特に、水中に没して河川水と接触する水車室側から発電機を収容する発電機室側への水の浸入を防止するために配置された軸封室部分をドライ環境とした水中設置型の水車発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電装置のうち、特に水中設置型の水車発電機は、ケーシングと、ケーシング内に回転自在に配置された回転ユニットと、発電機と、を備え、外部からケーシング内に流入する流体のエネルギーによって回転ユニットを回転させることにより発電機を作動させ、電気的エネルギーを得る装置である。
ケーシングは、軸方向一端側に配置されて、水車を収容するとともに水中に没して河川水と接触する水車室と、軸方向他端側に配置されて発電機を収容する発電機室と、水車室と発電機室との間に配置されて水車室から発電機室への流体の浸入を阻止する軸封装置を収容した軸封室と、を備えている。また、回転ユニットは、水車室、軸封室、及び発電機室に跨って延在し且つケーシングに対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材を備えている。
【０００３】
軸封装置には、回転軸部材に固定されて回転軸部材とともに回転する回転環と、ケーシングに固定されて回転環と摺接する固定環とを有したメカニカルシールが使用されており、水車室と軸封室との間、軸封室と発電機室との間を夫々密封する２つのメカニカルシールが配置されている。従来、メカニカルシールの多くは、軸封室内に、より詳しくは２つのメカニカルシール間に潤滑剤（オイル等）を封入することによって、回転環及び固定環の摺接面同士の摩耗や発熱を低減している。しかしながら、軸封室から水車室側に潤滑剤が漏出した場合、環境汚染や環境破壊の虞があるため、潤滑剤を使用しないドライタイプのメカニカルシールを使用することが望まれる。
例えば、潤滑剤を使用しないドライタイプのメカニカルシールの発明が記載された例として特許文献１を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平５−２７４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のメカニカルシールは、食品産業や薬品産業分野において使用される攪拌機やブロアーなどに用いられるものであり、回転数の少ない機器に用いられることを前提として設計されたものである。従って、水車発電機のような１分間あたり数百から２千回転といった高回転の装置に使用することはできない。
仮に、特許文献１のメカニカルシールを水車発電機に適用することにより、軸封室内をドライ環境として水車発電機を稼動させた場合、メカニカルシールの摺接面の温度が摩擦により上昇して、メカニカルシールの劣化や破損を招く虞がある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、潤滑剤を用いることなく、高速回転に対応できる軸封装置を備えた水車発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に配置された回転ユニットと、発電機と、を備え、外部からケーシング内に流入する流体のエネルギーによって前記回転ユニットを回転させることにより前記発電機を作動させる水車発電機であって、前記ケーシングは、軸方向一端側に配置されて前記流体を内部に導入する導入部、及び該導入部から導入した前記流体を外部に排出する排出部を備えた水車室と、軸方向他端側に配置されて前記発電機を収容する発電機室と、前記水車室と前記発電機室との間に配置されて前記水車室から前記発電機室への流体の浸入を阻止する軸封装置を収容した軸封室と、を備え、前記回転ユニットは、前記水車室、前記軸封室、及び前記発電機室に跨って延在し且つ前記ケーシングに対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材と、前記回転軸部材に設けられて前記導入部から導入された流体によって該回転軸部材を回転させる羽根と、を備え、前記発電機は、前記回転軸部材に固定された回転子と、該回転子と対面する前記ケーシング内壁に固定された固定子と、を備え、前記軸封装置は、第一のシールユニットと、該第一のシールユニットよりも前記発電機室側に配置された第二のシールユニットと、を備え、前記第一のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第一回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第一回転環と摺接する第一固定環と、該第一固定環を前記第一回転環へ付勢する付勢部材と、を備え、前記第一回転環と第一固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方が表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材であり、前記第二のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第二回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第二回転環に摺接する第二固定環と、を備え、前記第二回転環と第二固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方がカーボン摺動材である水中設置型の水車発電機を特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記第一回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、前記第一固定環がカーボン−ＳｉＣ摺動材である請求項１記載の水中設置型の水車発電機を特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記第二固定環がカーボン摺動材であり、前記第二回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材である請求項１又は２記載の水中設置型の水車発電機を特徴とする。
請求項１乃至３の発明では、水車側に配置された第一シールユニットの固定環と回転環が、常圧焼結ＳｉＣ摺動材と表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材の組合せであり、何れも硬質材料であるから、河川水に含まれる土砂や砂利等のスラリが固定環と回転環の摺接面に浸入しても摩耗を低減することができる。
また、発電機側に配置された第二シールユニットの固定環と回転環が、常圧焼結ＳｉＣ摺動材とカーボン摺動材の組み合わせであり、硬質材料と軟質材料の組合せであるので、潤滑剤を用いないドライ環境下においても摺動抵抗と摩耗を防止することができる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、前記軸封室には、気体が大気圧にて封入されている請求項１乃至３の何れか一項記載の水中設置型の水車発電機を特徴とする。
請求項４の発明では、軸封室に潤滑油等の潤滑剤が封入されていないので、潤滑剤漏れによる環境破壊を防止することができる。また、軸封室に潤滑油等の潤滑剤が封入されていないので、第一シールユニットから浸入した河川水を一時的に貯留するスペースとして軸封室全体を利用することができ、浸水排出作業を含む水中設置型の水車発電機のメンテナンス間隔を長くすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第一シールユニットを硬質材料同士の組合せとし、第二シールユニットを硬質材料と軟質材料の組合せとしたので、潤滑剤を用いないドライ環境下で運転した場合の、シールの劣化や破損を防止することができる。また、ドライ環境下で運転することが可能なので、環境を破壊する虞のある物質の流出を防止することができ、水中設置型の水車発電機のメンテナンス間隔を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る水力発電装置の全体を示した一部断面模式図である。
【図２】本発明に係る水力発電装置の軸封室部分の拡大断面図である。
【図３】本発明に係る軸封装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、本発明に係る水力発電装置の全体を示した一部断面模式図である。図２は、軸封室部分の拡大断面図である。図３は、軸封装置の断面図である。本発明に係る水力発電装置は、水没する水車室と発電機が収容される発電機室との間を軸封する軸封室にタンデム型のメカニカルシールを配置するとともに、軸封室内に油等の潤滑液を封入せず、ドライ環境とした点に特徴がある。
水力発電装置１（水中設置型の水車発電機）は、ケーシング１０と、ケーシング１０内に回転自在に配置された回転ユニット２０と、発電機３０と、を備えており、外部からケーシング１０内に流入する河川水等の流体のエネルギーによって回転ユニット２０を回転させることにより発電機３０を作動させて、電気的エネルギーを得る装置である。
ケーシング１０は、軸方向一端側に配置されて河川水等を内部に導入する導入部４２、導入部４２から導入した河川水を外部に排出する排出部４８を備えた水車室４０と、軸方向他端側に配置されて発電機３０を収容する発電機室５０と、水車室４０と発電機室５０との間に配置されて水車室４０から発電機室５０への流体の浸入を阻止する軸封装置１００を収容した軸封室６０と、を備えている。発電機室５０は、軸封装置１００によりドライ環境に保たれており、水力発電装置１の全体を水中に設置することが可能である。
また、回転ユニット２０は、水車室４０、軸封室６０、及び発電機室５０に跨って延在し且つケーシング１０に対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材２２を備えている。
【００１２】
水車室４０内部には、導入部４２から導入された河川水の流体圧によって回転軸部材２２を回転させる力を生成する羽根７２を備えた水車７０が収容されている。水車７０は、回転軸部材２２の軸方向一端側に配置されている。羽根７２は、回転軸部材２２の外周面に周方向に所定の間隔にて放射状に配置され、回転軸部材２２に固定、一体化されている。
導入部４２は、略円筒状の水車室４０の軸封室６０寄りに形成されて河川水を羽根７２へと案内するガイドベーン４４と、ガイドベーン４４間に形成された開口部４６と、を有している。ガイドベーン４４は板状の案内羽根であり、開口部４６とともに周方向に所定の間隔にて配置されている。
【００１３】
発電機室５０内部には、回転軸部材２２に固定された回転子３２と、回転子３２と対面するケーシング１０内壁に固定された固定子３４と、を備えた発電機３０が収容されている。なお、図１においては、水車が回転子に直接連結されているが、増速機を介して連結されていてもよい。
図１に示すように、河川水はガイドベーン４４に案内されつつ開口部４６から水車室４０に流入する。河川水の流体圧が羽根７２に作用し、回転軸部材２２及び回転子３２を回転させる。発電機３０は、回転する回転子３２と非回転の固定子３４との間で電磁誘導を利用して電気エネルギーを発生させる。水車７０を回転させた河川水は、排出部４８より水車室４０外部に流出する。
【００１４】
図２に示すように、発電機室５０の軸封室６０寄りには、軸封室６０から漏出した河川水を貯める貯留部５２と、河川水を検知する浸水検出用のフロートスイッチ５４とが配置されている。発電機室５０内に河川水が浸入して貯留部５２に一定量を超える河川水が溜まった場合、フロートスイッチ５４が浮き上がって、漏水を検知した旨の検知信号が発せられる。水力発電装置１全体の動作を制御する制御装置（不図示）は、この検知信号を受けて発電機３０を停止させる。
軸封室６０内部には、水車室４０から発電機室５０へと河川水が浸入することを防止する軸封装置１００が配置されている。軸封室６０内部は、大気圧にて気体が封入されたドライ環境である。
軸封装置１００は、水車室４０と軸封室６０の間を軸封する第一シールユニット１１０と、軸封室６０と発電機室５０の間を軸封する第二シールユニット１５０とを備えている。各シールユニットは、夫々固定環と回転環とを有したメカニカルシールであり、図３に示すように軸封装置１００は、２つのメカニカルシールを同一の向きに配置したタンデム型のメカニカルシールを有している。
【００１５】
第一シールユニット１１０は、水車室４０側に配置されるとともに回転軸部材２２に固定された第一回転環１１２と、発電機室５０側に配置されるとともにケーシング１０に固定されて第一回転環１１２と摺接する第一固定環１１４と、第一固定環１１４を第一回転環１１２へ弾性付勢する第一スプリング１１６（付勢部材）と、を備えている。
第一回転環１１２は、通常の粉末冶金の手法によって得られ、９７％以上のＳｉＣを有する常圧焼結ＳｉＣ摺動材（硬度：Ｈｓ１０５〜１２５）から形成されている。耐酸、耐アルカリ、耐スラリのシリコンカーバイト単体である。第一回転環１１２は、ノックピン１１７により、第一カラー１１８を介して回転軸部材２２に一体的に固定されている。
第一カラー１１８は、回転軸部材２２に一体的に固定されている。回転軸部材２２と第一カラー１１８の間、及び第一カラー１１８と第一回転環１１２の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１２２、１２４によって密封されている。また、第一カラー１１８は、回転軸部材２２の径方向に段差を有しており、外周側の軸方向厚みが、回転軸部材２２側（内周側）よりも薄く構成されている。このように段差を有することで、第一回転環１１２を第一カラー１１８に嵌め込む際の位置決定が容易となる。また、組み立て時のセットミスを防止することができる。
第一回転環１１２の外周には、第一回転環１１２を保護するチタン製の保護リング１２４が圧入されており、第一回転環１１２の破損を防止する。
【００１６】
第一固定環１１４は、カーボンの一部がＳｉＣに転換された厚さ１．０〜１．５ｍｍのガス不浸透性の表層部１１４ａ（図中多数の点を付した部分）を有するカーボン−ＳｉＣ摺動材（表層部１１４ａの硬度：Ｈｓ８０〜９５）から形成されている。耐熱衝撃性に優れ、表層部に存在するカーボンによる自己潤滑性に優れた材料である。表層部１１４ａにおける組成は、ＳｉＣの含有量よりもカーボンの含有量の方が高くなっている。表層部１１４ａにおけるＳｉＣの占有率は１０〜５０％、好ましくは２０〜２５％、カーボンの占有率は５０〜９０％、好ましくは７５〜８０％がよい。
また、第一固定環１１４は、第一回転環１１２の摺接面１１２ａと摺接する環状に突出した摺接面１１４ｂを有している。第一固定環１１４は、ケース１２６及びノックピン１２８によってケーシング１０に固定、一体的されている。
ケース１２６とケーシング１０の間、及びケース１２６と第一固定環１１４の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１３０、１３２によって密封されている。
ケース１２６内には、第一固定環１１４を第一回転環１１２側へと弾性付勢する第一スプリング１１６が収容されており、第一固定環１１４は軸方向に移動可能な状態で支持されている。第一スプリング１１６を第一固定環１１４側に配置することにより、回転軸部材２２の回転に伴う遠心力及び振動の影響を受けにくくすることができるので、第一スプリング１１６の動作を安定させることができるとともに、破損を防止することができる。
第一固定環１１４の外周には、第一固定環１１４を保護するチタン製の保護リング１３４が圧入されており、第一固定環１１４の破損を防止する。
【００１７】
ところで、第一シールユニット１１０の水車室４０側は河川水の存在する部分であり、河川水内に含まれる土砂や砂利等のスラリが第一回転環１１２及び第一固定環１１４と接触する。上述のように、第一回転環１１２はＳｉＣから形成されており、また第一固定環１１４の表層部１１４ａにはＳｉＣが存在するので、互いに硬質部材同士の組合せである。従って、河川水中のスラリが摺接面１１２ａ、摺接面１１４ｂとの間に浸入しても、固定環及び回転環の摩耗を防止することができる。
また、第一回転環１１２及び第一固定環１１４の外周面に夫々保護リング１２４、１３４が配置されているので、河川水内に混在する異物が第一回転環１１２又は第一固定環１１４に接触した場合の、固定環及び回転環の破壊を防止できる。
さらに、第一スプリング１１６が軸封室６０内に配置されているので、河川水とは直接接触しない構成である。従って、第一スプリング１１６が河川水に含まれる塩分等により腐食することを防止できる。
【００１８】
第二シールユニット１５０は、水車室４０側に配置されるとともに回転軸部材２２に固定された第二回転環１５２と、発電機室５０側に配置されるとともにケーシング１０に固定されて第二回転環１５２と摺接する第二固定環１５４と、第二固定環１５４を第二回転環１５２へ付勢する第二スプリング１５６（付勢部材）と、を備えている。
第二回転環１５２は、第一回転環１１２と同様に常圧焼結ＳｉＣ摺動材から形成されている。第二回転環１５２は、第二カラー１５８を介して回転軸部材２２に一体的に固定されている。
第二カラー１５８は、セットスクリュー１６０によって回転軸部材２２に固定、一体化されている。回転軸部材２２と第二カラー１５８の間、及び第二カラー１５８と第二回転環１５２の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１６２、１６４によって密封されている。また、第二カラー１５８は、回転軸部材２２の径方向に段差を有しており、第二回転環１５２をカラーにはめ込む際の位置決定が容易となる。また、組み立て時のセットミスを防止することができる。
【００１９】
第二固定環１５４は、カーボン摺動材から形成されている。第二回転環１５２の摺接面１５２ａと摺接する環状に突出した摺接面１５４ａを有している。第二固定環１５４は、ケース１６６及びノックピン１６８等によってケーシング１０に固定、一体化されている。
ケース１６６と第二固定環１５４の間は、夫々フッ素ゴムからなるＯリング１７０によって密封されている。
ケース１６６内には、第二固定環１５４を第二回転環１５２側へと弾性付勢する第二スプリング１５６が収容されており、第二固定環１５４は軸方向に移動可能な状態で支持されている。第二スプリング１５６を第二固定環１５４側に配置することにより、回転軸部材２２の回転に伴う遠心力及び振動の影響を受けにくくすることができるので、第二スプリング１５６の動作を安定させることができるとともに、破損を防止することができる。
【００２０】
軸封装置１００が配置された軸封室６０は、上述のように潤滑液が存在せず、大気圧にて気体が封入されたドライ環境である。軸封室６０には、少なくとも固体・液体以外の物質、具体的には空気、窒素ガス、又はその他の気体を封入する。気体が漏出したときに人体や環境に悪影響を与えないために、封入する気体は人体や環境に無害な物質であることが望ましい。特に軸封室６０に空気を封入した場合には、制御装置による水力発電装置１の管理が容易となる。
また、軸封室６０には気体が封入されているので、第一シールユニット１１０から軸封室６０へ河川水が浸入した場合に、軸封室６０全体が漏洩水を貯める貯水タンクとしての役割を果たす。従って、軸封室６０に潤滑剤を封入した場合に比べて、漏洩水の貯水量を増大させることができ、漏洩水排出作業を含む水力発電装置１の点検周期を長くすることができる。
【００２１】
軸封室６０内部の圧力は、少なくとも水車室５０の圧力より低い圧力にする必要がある。なお、水車室５０は水没して水圧を受けることから、通常は、軸封室６０内の圧力を大気圧に保つようにすればよい。仮に、圧力条件が「軸封室６０内の圧力＞水車室５０内の圧力」となった場合、水車室４０と軸封室６０との間を軸封する第一シールユニット１１０の摺動面に液膜が無くなってドライ運転になり、軸封装置１００が破損する虞がある。
また、本実施形態においては、第二回転環１５２をＳｉＣ摺動材とし、第二固定環１５４をカーボン摺動材として、硬質部材と軟質部材の組合せとすることにより、ドライ環境下における摺動抵抗を低減し、摩擦による発熱を低減させることができる。
なお、本発明に係る水力発電装置１は、動力によって河川水等を揚水する水中ポンプとして使用することが可能である。例えば発電機３０には、発電機としての動作が可能であり、且つ電動機としての動作が可能な電動発電機を用いることができる。回転軸部材２２の回転方向又は水車７０の羽根の向きを適宜変更した上で電力を入力することにより、揚水することが可能である。
また、上記電動発電機を用いなくとも、発電機３０の代わりに電動機を配置することにより、発電機以外の部分を水力発電装置１と同一構成とする水中ポンプを作成することができる。この場合、内部に配置する電動機は、回転子及び固定子を備えた電動機とし、必要に応じて始動装置を接続する。また、電動機として誘導電動機を用いてもよい。
【００２２】
［実施例］
以下、上記軸封装置１００を作製し模擬試験を行った。なお実機に使用された第一回転環及び第二回転環の硬度はＨｓ１２０、第一固定環の硬度はＨｓ９０、第二固定環の硬度はＨｓ９２である。
〔１〕第一シールユニット１１０の試験
（ａ）無拘束速度試験
最も過酷な運転条件となる無拘束回転を想定して、１８３０回転／分にて２時間の試験運転を行った。その結果、第一シールユニット１１０からの漏水及び第一回転環１１２と第一固定環１１４の摩耗は認められなかった。また、摺接面１１２ａと摺接面１１４ｂを肉眼にて確認したところ、特に問題は認められず良好であった。
（ｂ）ドライ運転及び熱衝撃試験
第一シールユニット１１０に対して、２００℃から２０℃までの範囲で急激な温度変化を加える熱衝撃試験を行った。
完全ドライ条件下で９１５回転／分にて２時間運転を行ったところ、シールユニットの温度は１６５℃まで上昇した。その後、シールユニットを２０℃〜３０℃の水中に没した状態で９１５回転／分にて２時間運転を行った。ドライ摺動後における耐熱衝撃性が良好であり、また漏水量も１〜２．１ｃｃ／ｈと良好であることが確認できた。
【００２３】
〔２〕第二シールユニット１５０の試験
軸封室６０が河川水で満たされた状態を想定し、軸封室６０を満水状態とし、発電機室５０側をドライ状態として試験を行った。
（ａ）無拘束速度試験
無拘束回転を想定して１８３０回転／分にて２時間の試験運転を行った。軸封室６０から発電機室５０側へ３１．５〜８３ｃｃ／ｈの漏水が認められた。
（ｂ）定格運転試験
定格運転を想定して、９１５回転／分にて４時間の試験運転を行った。漏水量は無拘束速度試験時の３０〜４０％に減少した。
【００２４】
〔３〕軸封装置１００の試験
水力発電装置１の運転状態を模擬した試験を行った。水車室４０内部の圧力が０．２ＭＰａを超えないという条件の下に行った。これは水力発電装置１の設計値であり、水深２０ｍに相当する圧力である。
（ａ）起動〜定格運転試験
起動から定格運転に至るまでを想定し、回転数を０回転／分から７３５回転／分まで、２．５時間かけて徐々に上げて運転した。その結果、第一シールユニット１１０からの漏水は認められなかった。また、摺接面１１２ａ、１１４ｂ、１５２ａ、１５４ａに関し、その状態を肉眼で目視確認したが、特に問題は認められず良好であった。
（ｂ）負荷遮断試験
事故、その他の原因で負荷が急激に失われた場合を想定し、３分間で７３５回転／分→１３４４回転／分→０回転／分に回転数を低下させる試験を行った。その結果、第一シールユニット１１０からの漏水は認められなかった。また、摺接面１１２ａ、１１４ｂ、１５２ａ、１５４ａに関し、その状態を肉眼で目視確認したが、特に問題は認められず良好であった。
【符号の説明】
【００２５】
１…水力発電装置、１０…ケーシング、２０…回転ユニット、２２…回転軸部材、３０…発電機、３２…回転子、３４…固定子、４０…水車室、４２…導入部、４４…ガイドベーン、４６…開口部、４８…排出部、５０…発電機室、５２…貯留部、５４…フロートスイッチ、６０…軸封室、７０…水車、７２…羽根、１００…軸封装置、１１０…第一シールユニット、１１２…第一回転環、１１４…第一固定環、１１６…第一スプリング、１１８…第一カラー、１２４…保護リング、１２６…ケース、１２８…ノックピン、１３４…保護リング、１５０…第二シールユニット、１５２…第二回転環、１５４…第二固定環、１５６…第二スプリング、１５８…第二カラー、１６６…ケース。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に配置された回転ユニットと、発電機と、を備え、外部からケーシング内に流入する流体のエネルギーによって前記回転ユニットを回転させることにより前記発電機を作動させる水車発電機であって、
前記ケーシングは、軸方向一端側に配置されて前記流体を内部に導入する導入部、及び該導入部から導入した前記流体を外部に排出する排出部を備えた水車室と、軸方向他端側に配置されて前記発電機を収容する発電機室と、前記水車室と前記発電機室との間に配置されて前記水車室から前記発電機室への流体の浸入を阻止する軸封装置を収容した軸封室と、を備え、
前記回転ユニットは、前記水車室、前記軸封室、及び前記発電機室に跨って延在し且つ前記ケーシングに対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材と、前記回転軸部材に設けられて前記導入部から導入された流体によって該回転軸部材を回転させる羽根と、を備え、
前記発電機は、前記回転軸部材に固定された回転子と、該回転子と対面する前記ケーシング内壁に固定された固定子と、を備え、
前記軸封装置は、第一のシールユニットと、該第一のシールユニットよりも前記発電機室側に配置された第二のシールユニットと、を備え、
前記第一のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第一回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第一回転環と摺接する第一固定環と、該第一固定環を前記第一回転環へ付勢する付勢部材と、を備え、前記第一回転環と第一固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方が表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材であり、
前記第二のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第二回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第二回転環と摺接する第二固定環と、を備え、前記第二回転環と第二固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方がカーボン摺動材であることを特徴とする水中設置型の水車発電機。
【請求項２】
前記第一回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、前記第一固定環がカーボン−ＳｉＣ摺動材であることを特徴とする請求項１記載の水中設置型の水車発電機。
【請求項３】
前記第二固定環がカーボン摺動材であり、前記第二回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であることを特徴とする請求項１又は２記載の水中設置型の水車発電機。
【請求項４】
前記軸封室には、気体が大気圧にて封入されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の水中設置型の水車発電機。
【請求項１】
ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に配置された回転ユニットと、発電機と、を備え、外部からケーシング内に流入する流体のエネルギーによって前記回転ユニットを回転させることにより前記発電機を作動させる水車発電機であって、
前記ケーシングは、軸方向一端側に配置されて前記流体を内部に導入する導入部、及び該導入部から導入した前記流体を外部に排出する排出部を備えた水車室と、軸方向他端側に配置されて前記発電機を収容する発電機室と、前記水車室と前記発電機室との間に配置されて前記水車室から前記発電機室への流体の浸入を阻止する軸封装置を収容した軸封室と、を備え、
前記回転ユニットは、前記水車室、前記軸封室、及び前記発電機室に跨って延在し且つ前記ケーシングに対して相対回転可能に軸支された単一の回転軸部材と、前記回転軸部材に設けられて前記導入部から導入された流体によって該回転軸部材を回転させる羽根と、を備え、
前記発電機は、前記回転軸部材に固定された回転子と、該回転子と対面する前記ケーシング内壁に固定された固定子と、を備え、
前記軸封装置は、第一のシールユニットと、該第一のシールユニットよりも前記発電機室側に配置された第二のシールユニットと、を備え、
前記第一のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第一回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第一回転環と摺接する第一固定環と、該第一固定環を前記第一回転環へ付勢する付勢部材と、を備え、前記第一回転環と第一固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方が表層部のカーボンの一部をＳｉＣに転換したカーボン−ＳｉＣ摺動材であり、
前記第二のシールユニットは、前記水車室側に配置されるとともに前記回転軸部材に固定された第二回転環と、前記発電機室側に配置されるとともに前記ケーシングに固定されて前記第二回転環と摺接する第二固定環と、を備え、前記第二回転環と第二固定環のうちの一方が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、他方がカーボン摺動材であることを特徴とする水中設置型の水車発電機。
【請求項２】
前記第一回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であり、前記第一固定環がカーボン−ＳｉＣ摺動材であることを特徴とする請求項１記載の水中設置型の水車発電機。
【請求項３】
前記第二固定環がカーボン摺動材であり、前記第二回転環が常圧焼結ＳｉＣ摺動材であることを特徴とする請求項１又は２記載の水中設置型の水車発電機。
【請求項４】
前記軸封室には、気体が大気圧にて封入されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の水中設置型の水車発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１９３６６３（Ｐ２０１２−１９３６６３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５８１６１（Ｐ２０１１−５８１６１）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【出願人】（０００１０１８７９）イーグル工業株式会社 (119)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【出願人】（０００１０１８７９）イーグル工業株式会社 (119)
【Ｆターム（参考）】
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