特開 2024-13659 立軸回転電機用の軸受装置及び立軸回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024013659

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】立軸回転電機用の軸受装置及び立軸回転電機

(51)【国際特許分類】

   F16N 7/08 20060101AFI20240125BHJP

   F16N 29/00 20060101ALI20240125BHJP

   F16N 7/38 20060101ALI20240125BHJP

   H02K 7/08 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

F16N7/08

F16N29/00 B

F16N7/38 F

F16N7/38 C

H02K7/08 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022115918

(22)【出願日】2022-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(74)【代理人】

【識別番号】100198029

【弁理士】

【氏名又は名称】綿貫 力

(72)【発明者】

【氏名】ストヤノヴィチ パブレ

(72)【発明者】

【氏名】金田 大成

(72)【発明者】

【氏名】川崎 智

【テーマコード（参考）】

5H607

【Ｆターム（参考）】

5H607BB25

5H607DD03

5H607GG03

5H607GG09

5H607HH07

(57)【要約】

【課題】運転中の立軸回転電機の非常停止を抑制する。
【解決手段】立軸回転電機用の軸受装置は、回転部の周囲に設けられたガイド軸受と、ガイド軸受を覆い、ガイド軸受を浸す潤滑剤を貯留する軸受槽と、軸受槽内の温度を計測する温度計測部と、ガイド軸受と回転部との間のギャップ量を計測するギャップセンサと、ギャップ量を調整可能な調整機構と、調整機構を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、立軸回転電機の停止時には、温度計測部により計測された温度に基づいて調整機構を制御してギャップ量を調整し、立軸回転電機の運転時には、ギャップセンサにより計測されたギャップ量に基づいて調整機構を制御してギャップ量を調整する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転部を有する立軸回転電機に設けられる立軸回転電機用の軸受装置であって、
前記回転部の周囲に設けられたガイド軸受と、
前記ガイド軸受を覆い、前記ガイド軸受を浸す潤滑剤を貯留する軸受槽と、
前記軸受槽内の温度を計測する温度計測部と、
前記ガイド軸受と前記回転部との間のギャップ量を計測するギャップセンサと、
前記ギャップ量を調整可能な調整機構と、
前記調整機構を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記立軸回転電機の停止時には、前記温度計測部により計測された温度に基づいて前記調整機構を制御して前記ギャップ量を調整し、前記立軸回転電機の運転時には、前記ギャップセンサにより計測された前記ギャップ量に基づいて前記調整機構を制御して前記ギャップ量を調整する、立軸回転電機用の軸受装置。

【請求項2】

前記温度計測部は、前記潤滑剤の温度を計測する潤滑剤温度センサを含む、請求項１に記載の立軸回転電機用の軸受装置。

【請求項3】

前記温度計測部は、前記ガイド軸受の温度を計測する軸受温度センサを含む、請求項１に記載の立軸回転電機用の軸受装置。

【請求項4】

前記温度計測部は、前記潤滑剤の温度を計測する潤滑剤温度センサと、前記ガイド軸受の温度を計測する軸受温度センサと、を含む、請求項１に記載の立軸回転電機用の軸受装置。

【請求項5】

前記調整機構は、操作油を用いて前記ガイド軸受を油圧操作することにより前記ギャップ量を調整する油圧操作機構を含む、請求項１に記載の立軸回転電機用の軸受装置。

【請求項6】

前記調整機構は、ウォームギアを介して前記ガイド軸受を電動操作することにより前記ギャップ量を調整する電動操作機構を含む、請求項１に記載の立軸回転電機用の軸受装置。

【請求項7】

回転軸と、
請求項１から６のいずれか一項に記載の立軸回転電機用の軸受装置と、を備える、立軸回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、立軸回転電機用の軸受装置及び立軸回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

立軸の水車発電機や揚水発電設備の発電電動機等の立軸回転電機では、立軸回転電機の運転時の回転部の振れを抑制するために、回転部の周囲にガイド軸受が設けられる。一般的に、ガイド軸受は、潤滑剤に浸されるように軸受槽内に設置され、軸受カバーにより密閉される。このため、ガイド軸受と回転部との間のギャップ量は据付時に設定され、定期点検時等の立軸回転電機の停止時に、軸受カバーを分解して、ギャップ量の確認及び調整を行う。

【0003】

軸受槽内の潤滑剤の温度が低い状態で立軸回転電機を起動した場合、回転部の方がガイド軸受よりも先に温度が上昇して外周側に熱膨張し、回転部とガイド軸受との温度差による熱膨張の違いから、ガイド軸受と回転部との間のギャップが狭くなる（ギャップ量が小さくなる）場合がある。この場合、回転部とガイド軸受との接触を防止するために、運転中の立軸回転電機が非常停止（トリップ）される場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平４－３７２５４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、運転中の立軸回転電機の非常停止を抑制することができる立軸回転電機用の軸受装置及び立軸回転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】

実施の形態による立軸回転電機用の軸受装置は、回転部を有する立軸回転電機に設けられる。立軸回転電機用の軸受装置は、回転部の周囲に設けられたガイド軸受と、ガイド軸受を覆い、ガイド軸受を浸す潤滑剤を貯留する軸受槽と、軸受槽内の温度を計測する温度計測部と、ガイド軸受と回転部との間のギャップ量を計測するギャップセンサと、ギャップ量を調整可能な調整機構と、調整機構を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、立軸回転電機の停止時には、温度計測部により計測された温度に基づいて調整機構を制御してギャップ量を調整し、立軸回転電機の運転時には、ギャップセンサにより計測されたギャップ量に基づいて調整機構を制御してギャップ量を調整する。

【0007】

また、実施の形態による立軸回転電機は、回転軸と、上述の立軸回転電機用の軸受装置と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本実施の形態によれば、運転中の立軸回転電機の非常停止を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１の実施の形態による軸受装置の概略構成を示す正面断面図である。

【図2】図２は、第２の実施の形態による軸受装置の概略構成を示す正面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

【0011】

（第１の実施の形態）
まず、図１を用いて、第１の実施の形態による立軸回転電機及び立軸回転電機用の軸受装置について説明する。

【0012】

本実施の形態による立軸回転電機１は、立軸の水車発電機である。立軸回転電機１は、揚水発電設備の発電電動機等であってもよい。立軸回転電機１は、回転部２と、軸受装置１０と、を備えている。

【0013】

回転部２は、主軸３を含んでいる。主軸３は、鉛直方向に延びている。主軸３は、例えば、不図示のランナ羽根等を介して流水から動力を得ることで回転可能であってもよい。主軸３は、主軸ジャーナル４を有している。主軸ジャーナル４は、主軸３の周方向の全周にわたって延在していてもよい。

【0014】

軸受装置１０は、ガイド軸受２０と、軸受槽３０と、温度計測部４０と、ギャップセンサ５０と、調整機構６０と、を備えている。

【0015】

ガイド軸受２０は、回転部２の周囲に設けられている。より具体的には、ガイド軸受２０は、回転部２の主軸ジャーナル４の周囲に設けられている。ガイド軸受２０は、主軸ジャーナル４の全周にわたって設けられていてもよい。また、ガイド軸受２０は、主軸ジャーナル４の周方向に沿って複数のセグメントメタルに分割されたセグメント型の軸受であってもよい。ガイド軸受２０は、主軸ジャーナル４と接触しておらず、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間にはギャップが設けられている。

【0016】

軸受槽３０は、ガイド軸受２０を覆うように設けられている。軸受槽３０は、潤滑剤３１を貯留している。ガイド軸受２０及び主軸ジャーナル４は、潤滑剤３１に浸されている。潤滑剤３１は、油又は水であってもよい。軸受槽３０は、軸受支持台３２と、軸受カバー３３と、を有していてもよい。軸受支持台３２は、軸受槽３０内でガイド軸受２０を支持する。軸受カバー３３は、ガイド軸受２０を軸受槽３０内に密封する。

【0017】

温度計測部４０は、軸受槽３０内の温度を計測する。温度計測部４０は、軸受槽３０内に設けられていてもよい。温度計測部４０は、潤滑剤温度センサ４１と、軸受温度センサ４２と、を含んでいてもよい。潤滑剤温度センサ４１は、潤滑剤３１の温度を計測する。潤滑剤温度センサ４１は、潤滑剤３１内に設けられていてもよい。軸受温度センサ４２は、ガイド軸受２０の温度を計測する。軸受温度センサ４２は、ガイド軸受２０の表面又は内部に設けられていてもよい。これらの温度センサ４１、４２は、例えば、測温抵抗体（ＲＴＤ）や熱電対により構成されていてもよい。図示された例においては、温度計測部４０は、潤滑剤温度センサ４１及び軸受温度センサ４２の両方の温度センサ４１、４２を含んでいる。しかしながら、温度計測部４０は、潤滑剤温度センサ４１及び軸受温度センサ４２のいずれか一方の温度センサ４１、４２を含んでいてもよい。温度計測部４０により計測された温度は、後述する制御装置７０に送られる。

【0018】

ギャップセンサ５０は、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量（ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間の距離）を計測する。ギャップセンサ５０は、ガイド軸受２０の主軸ジャーナル４に対向する面の近傍に配置されていてもよい。ギャップセンサ５０は、軸受支持台３２に設けられていてもよい。ギャップセンサ５０は、光、電波、超音波等によりガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間の距離を測定する非接触式の測距センサであってもよい。ギャップセンサ５０により計測されたギャップ量は、後述する制御装置７０に送られる。

【0019】

調整機構６０は、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整可能に構成されている。本実施の形態においては、調整機構６０は、操作油を用いてガイド軸受２０を油圧操作することによりギャップ量を調整する油圧操作機構６１を含んでいる。油圧操作機構６１は、油圧装置６２と、油圧シリンダ６３と、を備えていてもよい。油圧装置６２は、油圧シリンダ６３に操作油を供給可能に構成されている。油圧装置６２は、軸受槽３０の外部に配置されていてもよい。油圧シリンダ６３は、ガイド軸受２０の外周側に配置されている。油圧シリンダ６３は、軸受槽３０内、とりわけ潤滑剤３１内に配置されていてもよい。油圧シリンダ６３は、油圧装置６２から操作油が供給されることにより、ピストンロッド６４でガイド軸受２０の外周部を押圧し、ガイド軸受２０を径方向に移動させることができる。これにより、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整することができる。調整機構６０、すなわち油圧装置６２は、後述する制御装置７０からの制御信号により制御される。

【0020】

制御装置７０は、調整機構６０を制御する。制御装置７０は、調整機構６０を制御して、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整することができる。より具体的には、制御装置７０は、油圧装置６２に制御信号を送信し、油圧装置６２は、その制御信号に基づいて油圧シリンダ６３に操作油を供給する。操作油が供給された油圧シリンダ６３は、ピストンロッド６４でガイド軸受２０の外周部を押圧してガイド軸受２０を径方向に移動させる。このようにして、制御装置７０により油圧装置６２が制御されて、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が調整される。

【0021】

制御装置７０は、立軸回転電機１の停止時には、温度計測部４０により計測された温度に基づいて調整機構６０を制御して、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整する。すなわち、制御装置７０は、立軸回転電機１の停止時に、温度計測部４０により計測された温度に基づいて、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間の適切なギャップ量を設定する。そして、制御装置７０は、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量がその設定したギャップ量になるように、調整機構６０に制御信号を送信して調整機構６０を制御する。

【0022】

制御装置７０は、温度と適切なギャップ量の関係を数式やデータベース等の形式で保持していてもよい。制御装置７０は、温度計測部４０により計測された温度から、その温度に対応した適切なギャップ量を、当該数式やデータベース等を参照することにより取得してもよい。例えば、制御装置７０は、軸受槽３０内の温度が比較的低温の第１温度である場合、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が比較的大きい第１所定量になるようにギャップ量を調整してもよい。また例えば、制御装置７０は、軸受槽３０内の温度が第１温度よりも高い第２温度である場合、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が第１所定量よりも小さい第２所定量になるようにギャップ量を調整してもよい。

【0023】

また、制御装置７０は、立軸回転電機１の運転時には、ギャップセンサ５０により計測されたギャップ量に基づいて調整機構６０を制御して、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整する。すなわち、制御装置７０は、立軸回転電機１の運転時に、ギャップセンサ５０により計測されたギャップ量に基づいて調整機構６０をフィードバック制御し、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が適切なギャップ量に維持されるようにギャップ量を調整する。

【0024】

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。

【0025】

まず、立軸回転電機１の停止時には、制御装置７０により調整機構６０が制御されて、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が調整される。より具体的には、制御装置７０から油圧装置６２に制御信号が送信され、その制御信号に基づいて油圧装置６２から油圧シリンダ６３に操作油が供給される。操作油が供給された油圧シリンダ６３のピストンロッド６４によりガイド軸受２０の外周部が押圧され、ガイド軸受２０が径方向に移動する。これにより、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が調整される。

【0026】

ここで、立軸回転電機１の停止時、軸受槽３０内の潤滑剤３１が不図示の冷却装置により十分に冷却され、軸受槽３０内の潤滑剤３１の温度が低温になっている場合がある。この状態で立軸回転電機１を起動した場合、主軸ジャーナル４の方がガイド軸受２０よりも先に温度が上昇して外周側に急速に熱膨張し、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が急速に小さくなる（ギャップが狭くなる）場合がある。このため、立軸回転電機１の停止時には、制御装置７０により、温度計測部４０により計測された温度に基づいて調整機構６０が制御されて、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量は、その温度に対応した適切なギャップ量になるように調整される。例えば、軸受槽３０内の温度が比較的低温の第１温度である場合、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量は、比較的大きい第１所定量になるように調整される。また例えば、軸受槽３０内の温度が第１温度よりも高い第２温度である場合、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量は、第１所定量よりも小さい第２所定量になるように調整される。これにより、立軸回転電機１の起動時に、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が急速に小さくなることによって、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４とが接触することが防止される。

【0027】

次に、立軸回転電機１が起動されると、立軸回転電機１の回転部２が、不図示のランナ羽根を介して流水から動力を得て回転する。立軸回転電機１の運転時にも、制御装置７０により調整機構６０が制御されて、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が調整される。

【0028】

ここで、立軸回転電機１の運転時、主軸ジャーナル４及びガイド軸受２０の温度が上昇する。上述したように、主軸ジャーナル４の方がガイド軸受２０よりも先に温度が上昇して外周側に熱膨張するため、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が小さくなる（ギャップが狭くなる）場合がある。このため、立軸回転電機１の運転時には、制御装置７０により、ギャップセンサ５０により計測されたギャップ量に基づいて調整機構６０が制御されて、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量は、適切なギャップ量に維持されるように調整される。これにより、立軸回転電機１の運転時に、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップを確保することができ、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４とが接触することが防止される。

【0029】

このように本実施の形態によれば、制御装置７０は、立軸回転電機１の停止時には、温度計測部４０により計測された温度に基づいて調整機構６０を制御して、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整する。また、制御装置７０は、立軸回転電機１の運転時には、ギャップセンサ５０により計測されたギャップ量に基づいて調整機構６０を制御して、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整する。このことにより、立軸回転電機１の運転時に、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４とが接触することを確実に防止することができる。このため、運転中の立軸回転電機１の非常停止（トリップ）を抑制することができる。また、本実施の形態によれば、立軸回転電機１の停止や分解を行うことなく、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整することができる。このため、立軸回転電機１のメンテナンスを容易化することができる。

【0030】

また、本実施の形態によれば、温度計測部４０は、潤滑剤３１の温度を計測する潤滑剤温度センサ４１と、ガイド軸受２０の温度を計測する軸受温度センサ４２と、を含んでいる。このように複数の温度センサ４１、４２を用いることにより、軸受槽３０内の温度をより正確に把握することができる。このため、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量をより適切なギャップ量に調整することができ、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との接触をより効果的に防止することができる。

【0031】

また、本実施の形態によれば、調整機構６０は、操作油を用いてガイド軸受２０を油圧操作することによりギャップ量を調整する油圧操作機構６１を含んでいる。このように調整機構６０として油圧操作機構６１を用いることにより、ギャップ量の調整時に所定の押圧力で確実にガイド軸受２０の外周部を押圧することができる。このため、意図しないギャップ量の変動を抑制することができ、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との接触を確実に防止することができる。

【0032】

（第２の実施の形態）
次に、図２を用いて、第２の実施の形態による立軸回転電機用の軸受装置について説明する。

【0033】

図２に示す第２の実施の形態においては、調整機構が、ウォームギアを介してガイド軸受を電動操作することによりギャップ量を調整する電動操作機構を含む点が主に異なる。他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と略同一である。図２において、図１に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0034】

本実施の形態においては、調整機構６０は、ウォームギア６７を介してガイド軸受２０を電動操作することによりギャップ量を調整する電動操作機構６５を含んでいる。電動操作機構６５は、電動駆動装置６６と、ウォームギア６７と、を備えていてもよい。電動駆動装置６６は、シャフト６６ｓを介してウォームギア６７に駆動力を伝達するように構成されている。電動駆動装置６６は、駆動モータを含んでいてもよい。電動駆動装置６６は、軸受槽３０の外部に配置されていてもよい。ウォームギア６７は、ガイド軸受２０の外周側に配置されている。ウォームギア６７は、軸受槽３０内、とりわけ潤滑剤３１内に配置されていてもよい。ウォームギア６７は、電動駆動装置６６からの駆動力をシャフト６７ｓを介してロッド６８に伝達し、当該ロッド６８でガイド軸受２０の外周部を押圧することで、ガイド軸受２０を径方向に移動させることができる。これにより、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整することができる。電動操作機構６５は、制御装置７０からの制御信号により制御される。

【0035】

本実施の形態においては、制御装置７０は、電動操作機構６５を制御して、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量を調整する。より具体的には、制御装置７０は、電動駆動装置６６に制御信号を送信し、電動駆動装置６６は、その制御信号に基づいて駆動され、シャフト６６ｓを介してウォームギア６７に駆動力を伝達する。駆動力が伝達されたウォームギア６７は、その駆動力をシャフト６７ｓを介してロッド６８に更に伝達し、当該ロッド６８でガイド軸受２０の外周部を押圧して、ガイド軸受２０を径方向に移動させる。このようにして、制御装置７０により電動操作機構６５が制御されて、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との間のギャップ量が調整される。

【0036】

このように本実施の形態によれば、調整機構６０は、ウォームギア６７を介してガイド軸受２０を電動操作することによりギャップ量を調整する電動操作機構６５を含んでいる。このように調整機構６０として電動操作機構６５を用いることにより、精密な動作でより正確にギャップ量を調整することができる。このため、ギャップ量の誤差を低減することができ、ガイド軸受２０と主軸ジャーナル４との接触を確実に防止することができる。

【0037】

以上述べた実施の形態によれば、運転中の立軸回転電機の非常停止を抑制することができる。

【0038】

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１：立軸回転電機、２：回転部、１０：軸受装置、２０：ガイド軸受、３０：軸受槽、３１：潤滑剤、４０：温度計測部、４１：潤滑剤温度センサ、４２：軸受温度センサ、５０：ギャップセンサ、６０：調整機構、６１：油圧操作機構、６５：電動操作機構、６７：ウォームギア、７０：制御装置

【図1】

【図2】