JPS6150183B2

JPS6150183B2 -

Info

Publication number: JPS6150183B2
Application number: JP54064398A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kokado; Norio Ooishi; Koichi Okamoto; Masaki Sakuyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1979-05-22
Filing date: 1979-05-22
Publication date: 1986-11-01
Also published as: JPS55155963A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は回転するシヤフトの液封に関するも
のである。

以下、従来のこの種の装置の例として、液冷回
転子型回転電機に適用した場合を説明する。

周知のように、回転電機にあつてその単機容量
を増大するには、温度上昇をいかに抑えるか、つ
まり効果的な冷却をいかに実現するかにかかつて
いる。換言すれば、回転電機の容量はその温度上
昇の抑制すなわち冷却性能により決まるといつて
も過言ではない。他方、回転電機のうちの発電
機、特にタービン発電機は発電所建設の効率化の
点からますますその単機容量の増大が必要となつ
てきている。ところで、これまでタービン発電機
の冷却には水素ガスを循環する冷却方式が採用さ
れ、単機容量の増大が実現されてきたが、すでに
限界ともいえる状態にあり、水素ガス冷却では現
在以上の飛躍的な容量の増大が期待できない。そ
こで別の冷却方式の実用化が強く望まれるところ
である。

この要求に応えるには、冷却媒体として水素ガ
スに代えて冷却効率の良い冷却流体例えば水を利
用することが考えられる。この考えのもとに、固
定子に冷却液を循環させてこれを冷却することは
すでに提案され、実現されているが、これを発展
させ首尾よく回転子にまで冷却液を循環させるこ
とができれば、冷却効果を飛躍的に増大させるこ
とができる。

ところが、タービン発電機を例にとつた場合、
回転子は通常毎分3600回転（60Hz）もの高速度で
回転しており、かかる高速回転体にいかにして冷
却液を導入し、かつこれを導出するかが実現のた
めの最大の問題であり、これが液冷回転子形回転
電機の普及を阻害してきた。

第１図は従来考えられた液冷回転子の冷却液導
出入装置を示す図であり、１は送給ポンプ（図示
せず）を介して冷却液例えば純水が供給される入
口管である。冷却液として純水が用いられるのは
次の理由による。冷却液は後述のように各管内及
び回転子コイル内を循環せられるものであるか
ら、もしかかる冷却液として不純物の混入した水
を用いた場合、その不純物のため各管及び回転子
コイルが腐蝕することになり、このため何等の不
純物をも含まない純水を用いることが望ましいわ
けである。２は開口部２ａを有しこの開口部を介
して上記入口管１からの冷却液を受け入れる円管
状の流入管であり、その中空内部２ｂは冷却液の
流入路となる。３は上記流入管２の周囲に所定の
間隙をおいて設けられた円管状の流出管であり、
流入管２との間の間隙３ｂは冷却液の流出路とな
る。３ａはこの流出管３の一端に設けられた開口
部であり、この開口部を介して冷却液が排出され
る。ところで上記流出管３と流入管２は第２図の
ように一体に結合されて給排管４を構成する。即
ち第２図において、２ｃは流入管２の外周にこれ
と一体に形成された複数個（図は６個の場合を示
す）の突出片であり、この突出片２ｃは流出管３
との間のスペーサとなつて流入管２と流出管３と
を一体に結合すると共に両管２，３の補強の役目
を兼ねている。この突出片２ｃを有した流入管２
と流出管３とは例えば焼ばめ等により堅固に一体
結合され、給排管４を構成する。４ａはこの給排
管４の終端に形成されたフランジ、５はこのフラ
ンジと密着し例えばボルト（図示せず）などによ
り結合されるフランジ５ａを有した回転電機の回
転子軸であり、この回転子軸にはいうまでもなく
回転子コイル（図示せず）が装着されている。ま
たこの回転子軸５には図から明らかなように、上
記給排管４の流入路２ｂ及び流出路３ｂにそれぞ
れ連通する流入路５ｂと流出路５ｃとが設けら
れ、流入路５ｂから送給された冷却液は回転子コ
イルを循環したのち流出路５ｃに排出されるよう
になつている。なお図中の矢印は冷却液の流れを
示すものであるが、上記のように冷却液は回転子
コイルを循環冷却した後、流出路５ｃ，３ｂを経
由して流出管３の開口部３ａから排出される。６
１はこの開口部３ａからの排出液を受け入れるた
めの第１の出口室であり、冷却液（純水）が大気
と接触して汚染されるのを防止するため常に冷却
液が充満状態を保つように構成されている。７１
はこの第１の出口室の冷却液を導出するための第
１の出口管であり、この第１の出口管から導出さ
れた冷却液は上記のように大気と接触せず汚染さ
れていないから、熱交換器（図示せず）等により
温度を下げた後送給ポンプ（図示せず）を介して
再び入口管１に送給され、再循環に供される。８
１は入口管１内から冷却液が第１の出口室６１に
漏れるのを抑えるための第１のラビリンスシール
であり、回転部と固定部との間の漏液を皆無にす
ることが不可能であることから、専ら漏れをいか
に少なく抑えるかの努力が払われる。この漏液は
上記のように第１の出口管７１を介して再度循環
に供されるから大きな問題とはならないが、あま
りに漏れ量が多いと効率が悪くなるから少ない方
が望ましいことはいうまでもない。８２は上記第
１の出口室６１と回転する給排管４との間の漏れ
を抑えるための第２のラビリンスシール、６２は
この第２のラビリンスシールをすり抜けた第１の
出口室６１からの漏液を受け入れる第２の出口室
である。この第２の出口室６２は上記第１の出口
室６１とは異なり冷却液が充満することがなく、
したがつて冷却液（純水）が大気と接触して汚染
されるおそれがある。９はこれを防止するための
供気管であり、この供気管を介して第２の出口室
６２に窒素、水素などのしやへい気体を常時供給
することにより、第２の出口室６２内の圧力を常
に大気圧より僅かに高い状態に保ち、第２の出口
室への大気の侵入を阻止することとしている。し
たがつてこの第２の出口室６２の漏液も大気と接
触せず汚染されていないから、第２の出口管７２
から導出した冷却液は上記第１の出口室６１から
導出した冷却液と同様、熱交換器、送給ポンプ
（何れも図示せず）を介して再循環に供される。

第２の出口室６２内のしやへい気体を密封する
ため、密封液供給管８４から出口室６２内のしや
へい気体より僅かに圧力の高い密封液が供給され
る。密封液は、ラビリンスシール８３をすり抜け
て第２の出口室６２内に漏れこむが、前述の如く
第２の出口室６２から導出された冷却液は純水化
処理されることなく再循環に供されるので、密封
液は冷却液と同じく純水でなければならない。一
方、第３の出口室６３は大気が入つているため、
６３へ漏れこんだ密封液は大気で汚染されるので
廃棄しなければならない。勿論、純水化処理して
再使用することはできるが、廃棄又は再使用のい
ずれにしても、純水製造装置或いは純水化処理装
置の大型化を防ぐために、密封液の第３の出口室
６３への漏れ込みを極力抑える必要がある。４ｂ
は給排管外周に回転方向と逆向きに加工されたね
じで、高速回転中には対向する静止面とで生み出
すポンプ効果により、密封液の第３の出口室６３
への漏れ量を極めて少ない値に抑えることができ
る。また８６は給排管４すなわち回転軸を包囲す
るように設けられた環状の伸縮材すなわち環状の
ゴムで静止中には、供気管８７から圧縮気体を供
給して環状のゴム８６を給排管外周面に圧着する
ことにより密封液の第３の出口室６３への漏れを
防止できる。

以上述べてきたシール構成では、ねじの生じる
ポンプ効果が充分でない低速回転中には、密封液
の第３の出口室６３への漏れを抑えるために、供
気管８７から供給する空気圧を加減することによ
り、環状のゴム８６が給排管外周と微小な間隙と
なるようにしなければならなかつた。

ところが、給排管４が直結されている回転子軸
５はすべり軸受（図示せず）によつて支承されて
いるため、回転上昇に伴い給排管が浮上してきた
り、或いは給排管４は回転子軸５からオーバハン
グしているため共振回転数通過時に比較的大きな
振動をするので、環状のゴム８６には給排管外周
と微小な間隙を保つたまま給排管の動きに追従す
る機能が要求される。

従来用いられていた環状のゴム８６には、上記
の如き給排管の動きへの追従といつた機能は期待
できなかつたので、環状のゴム８６が給排管外周
と微小な間隙を保つたままで給排管を回転させる
と、ゴムが焼付いたり摩耗したりした。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、環状のゴム８６の
形状を変更することにより、環状のゴム８６に給
排管の動きに追従するような機能を追加して環状
のゴム８６が給排管外周と微小な間隙を保つたま
まで給排管が回転しても環状のゴム８６が焼付い
たり摩耗したりする危険性の少ない装置を提供す
ることを目的としている。

この発明の一実施例を図について説明する。第
４図において環状のゴム８６はゴムの幅と厚みの
比を大きくとつてある。そのことは、第３図の従
来品と比較すると明白であろう。以下に、ゴムの
幅と厚みを大きくとつた理由を説明する。

第５図は、第４図の環状のゴム８６に圧力が加
わつた状態を示している。図中、Ｐ_Gは圧縮気体
による圧力、Ｐ_Wはシールすべき液体の圧力、Ｐ_L
は環状のゴムの面８６ａにおける液体の圧力であ
る。Ｐ_Gはゴムの外周均等に分布するが、Ｐ_Wはゴ
ムの内面のうち半分にしか加わらないため、ゴム
は第５図の如く傾斜する。この傾斜により、環状
のゴムの面８６ａの圧力Ｐ_Lは第５図に示した如
くＰ_Wと０を結んだ直線より上にふくらんだ曲線
となる。

第６図は給排管４がｅだけ偏心した状態を示し
ている。

給排管４が偏心した結果、第６図の上半では環
状のゴムの面８６ａと給排管４の間隙はせまくな
るが、下半では逆に広くなる。

その結果、上半と下半では環状のゴムの面８６
ａの圧力PL₁とPL₂が第７図のように異つた分布
を示し、間隙のせまくなつた上半の圧力PL₁は広
くなつた下半の圧力PL₂を上まわる。

すなわち、上半と下半で圧力の不均一が起り、
第７図中で横線を加えた部分の力が間隙を均一化
させる方向に環状のゴム８６を押す。

従つて、第４図に示した環状のゴム８６には、
給排管４の動きに追従する機能が備つているので
ある。

流体力学の教えるところによれば、第５図に図
示した間隙h₁とh₂の間にh₂／h₁≒2.2なる関係が
ある時PLの積分値が最大となる。

従つて環状のゴム８６を用いてシールする最高
回転数において、環状のゴム８６が摩耗し始める
最小すきまをh₁にとり、その時のＰ_G，Ｐ_Wによつ
てh₂＝2.2h₁なるような傾斜がつくように環状の
ゴムの諸寸法を決定すれば最も有効である。

なお、以上の説明では冷却回転子型回転電機の
冷却液導出入装置に適用した例を上げたが、本発
明が、回転するシヤフトの液封の全てに有効なの
は言うまでもないことである。

以上のように、この発明によれば、環状のゴム
の幅と厚みの比を大きくしたことにより、環状の
ゴムにシヤフトの動きに追従する機能が備わる。
従つて、環状のゴムがシヤフトと微小な間隙を保
つたままでシヤフトが回転しても、環状のゴムが
焼付たり摩耗したりする危険性の少ない装置が提
供できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の冷却液導出入装置を示す図、第
２図は第１図の−線における断面図、第３図
は従来の装置の一例を示す図、第４図はこの発明
の軸封装置の一実施例を示す図、第５図はこの発
明の軸封装置の圧力が加わつた状態を示す図、第
６図はこの発明の軸封装置でシヤフトが偏心した
場合の図、第７図はシヤフトが偏心した場合の圧
力分布を示す図。なお各図中同一符号は同一または相当部分を示
すものであり、１は入口管、２は流入管で、２ａ
はその開口部、２ｂは流入路、２ｃは突出片、３
は流出管で、３ａはその開口部、３ｂは流出路、
４は給排管で、４ａはそのフランジ、４ｂはその
外周面に回転方向の逆向きに設けられたねじ、５
は回転子軸で、５ａはそのフランジ、５ｂは流入
路、５ｃは流出路、６１，６２，６３は出口室、
７１，７２，７３は出口管、８１，８２，８３は
ラビリンスシール、９，８７は供気管、８４は密
封液供給管、８５は静止面、８６は環状のゴム、
８６ａはそのシヤフトに対向する面、８６は８６
の保持器である。

Claims

【特許請求の範囲】

１回転軸外周と微少間隙を介して対向する面を
軸方向の幅の中央の内周に有し上記回転軸を包囲
するように上記幅方向両端が固定されて設けられ
た環状の伸縮材と、この伸縮材の外周面に圧力を
作用させるように圧縮気体を供給する供気管とを
備え、上記回転軸の外周囲に供給される液体を封
入する軸封装置において、上記伸縮材は上記対向
面が軸方向に傾斜することにより、上記回転軸の
径方向の動杢に追従できるようにその厚さに対す
る幅の比を大きくしたことを特徴とする軸封装
置。