水力発電機におけるタービン軸受の種類と特性

現代の水力タービンは、並外れた技術的課題を抱えています。大型の垂直型タービンでは、スラストベアリングは、ローター、タービンランナー、および水力スラストの合計重量である6,000トンを超える軸方向荷重を支えなければなりません。現在、中国の向家壩水力発電所などの施設では、800MWのタービンを備え、単体ユニットの容量は889MVAに達しています。本稿では、水力タービンベアリングについて、その種類、材料、設計上の考慮事項、運用上の課題、および最新の技術革新を検証し、包括的な概要を提供します。
水力タービン軸受システムは、一般的に2つの基本的なカテゴリーに分類され、それぞれが異なる機能を果たす。
スラストベアリング
スラストベアリングは、回転部品の重量とタービンランナーにかかる軸方向の水力スラストによってシャフトに沿って伝達される垂直荷重、すなわち軸方向荷重を支えます。ほとんどの水力タービン用スラストベアリングでは、耐荷重能力を高め、ユニットの安定性を向上させるために、傾斜パッド設計が採用されています。これらのベアリングは、極めて低い摩擦と実質的な摩耗のない薄い潤滑膜を介して、回転部品から固定部品へ大きな軸方向荷重を伝達します。
現代のスラストベアリングの歴史は、1912年にペンシルベニア州のホルトウッド水力発電所で、184トンの推力荷重を持つキングスベリー式スラストベアリングが初めて採用されたことに遡ります。この革新的な技術により、大きな軸方向荷重がかかる、はるかに大型の水力発電ユニットの設計が可能になりました。
ガイドベアリング
ガイドベアリングは、ラジアル荷重を吸収し、シャフトの軸合わせを維持します。垂直シャフトに沿って配置され、ローターをステーターの中心に保持します。ガイドベアリングは、固定形状または傾斜パッドを備え、油潤滑または水潤滑のいずれかを選択できます。
複合ベアリングシステム
多くの水力タービン構成では、スラストベアリングとガイドベアリングの両方が共通のオイルタンク内に収容されており、オイルの循環が相互に影響し合うことで、複雑な潤滑挙動が生じます。2つのベアリングはオイルタンクを共有していますが、それぞれの潤滑油膜は独立して機能し、タンク内の温度と圧力分布は両方のベアリングによって共同で決定されます。