JP2002538384A - シャフトシール - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
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Abstract
Description
する。本発明は特に、WO-A-96/33357と共通して、シール要素と、こ
のシール要素と同軸に取り付けられた回転シール部であって、シール要素と当該
回転シール部との対向面どうしの間に非接触型の1次シールを形成し、この1次
シールを通る半径方向高圧側から半径方向低圧側への流体の流れを実質的に阻止
する回転シール部と、シールハウジングと、シール要素と同軸に、かつシール要
素に接触しながら、シールハウジングとシール要素との間に配置されたプッシャ
ースリーブと、プッシャースリーブをシールハウジングから遠ざけてシール要素
に対して付勢することによって、このシール要素を回転シール部に向けて軸線方
向に付勢する付勢手段と、プッシャースリーブの周囲に、半径方向高圧側と連通
して、溝内に配置され、プッシャースリーブに対して、半径方向高圧側と半径方
向低圧側との間に2次シールを提供する第1のシール部材とを備えたシャフトシ
ールを提供するものである。このようなシャフトシールは、WO-A-96/33
357に開示されている。
フト沿いのガスの移動を阻止すべき場合、非接触形シャフトシールがしばしば使
用される。通常利用される機械は高圧高速であるため、シール内の熱の発生やシ
ール部の摩耗を抑え、および/または、オイルシールやその付属システムが複雑
化しないように、シャフトシールは非接触形タイプのものが選択される。
速度を越えるような速度で回転するとき、非接触運転をすることによって、望ま
しからぬ面接触を避けることができる。
べ、摩耗が少なく、熱の発生が低いということで、有利である。Gabriel, Ralph
P.による”Fundamentals of Spiral Groove Non-contacting Face Seals(らせ
ん溝を用いた非接触形面シールの原理)”という記事(Journal of American So
ciety of Lubrication Engineers の35巻、7号、367〜375頁)、そし
てSedy, Josephによる”Improved Performance of Film-Riding Gas Seals Thro
ugh Enhancement of Hydrodynamic Effects(流体力学上の効果を強めることに
よるフィルムライディングガスシールの性能向上)”という記事(Transaction
of the American Society of Lubrication Engineers の23巻、1号、35〜
44頁)に、非接触形シール技法およびその設計基準について、述べられている
。これらの記事の内容は、書誌的事項を参照することにより本明細書に組み込ま
れる。
ら成る。これらのシール要素の少なくとも1つの表面に浅い窪みがある。
回転軸と同心状に配され、この斜めの形状の傾きの方向はシャフトの回転方向と
反対になっている。公知の非接触形面シールでは、どちらのシール要素も、リン
グ状で、互いに隣接しあって配置されており、これらのシール面は、圧力差がゼ
ロで回転速度がゼロのときは、接触するようになっている。これらのシールリン
グのうち一方は通常、シャフトスリーブによって回転シャフトに固定されて、他
方はシールハウジング構造体内に配置されて、軸線方向に動くことができるよう
になっている。シャフトシールは、このシールリングを軸線方向に動かすように
、しかも密封された流体の漏れを防止ないしは実質的に最小化するように設計さ
れている。このために、シール部材が、リングとハウジングとの間に配される。
これらの窪みが、2つのシール面を引き離す圧力場を生成するべく作用すること
によって、シールの非接触運転が行われる。実際には、これらの圧力場から生じ
る力の大きさが、シール面どうしが閉じるように付勢する力を克服するほど十分
に大きければ、このシール面どうしは離間して隙間を形成し、その結果、非接触
形運転ができるようになる。
大きくなるにつれ、その大きさが小さくなっていくような特性になっている。一
方、離間力と反対の力、すなわち閉じる力は、シール圧レベルによって決まるも
ので、面どうしがどのように離間しているかとは無関係である。つまり閉じる力
は、シール圧と、軸線方向に可動なシールリングの後面に作用するばね力とから
、生じるものである。離間力、すなわち開く力は、シールの運転中、ないしは十
分な圧が与えられたときの、シール面どうしの間の離間距離に応じて決まるもの
であるから、両方のシール面どうしの間に特異的な釣合い離間(differential e
quilibrium separation)が成り立つのである。このような状態は、閉じる力と
開く力とが、釣り合って互いに等しいとき起こるものである。また釣合い離間は
、いろいろなギャップの範囲を有して常に変動する。この範囲の最小値をゼロよ
り大きくすることがひとつの目標となる。そして、この範囲の最大値で面どうし
が離間するとシールの漏れが増加するため、この範囲をできる限り狭くすること
が、もうひとつの目標である。非接触形シールは、シール面どうしに隙間を有し
たうえで運転するものなので、同様の構造の接触形シールの漏れよりも大きい漏
れとなる。しかしその一方で、接触がないということは、シール面の摩耗がゼロ
ということであり、したがってシール面どうしの間の熱の発生は比較的低くなる
。このように、発生熱が低いこと、そして摩耗が小さいことによって、非接触形
シールが、シールされる流体がガスである高速ターボ機械や他の圧力装置(pres
sure machine)に適用できるようになったのである。ターボコンプレッサーは、
この流体を圧縮するのに用いられ、ガスが比較的少量なので、通常、非常に高速
でしかも多数の圧縮段を連続的に経て運転される。
わゆる釣合直径(balance diameter)に大きく依存する。これは、接触形シール
についても通用することである。
つのシール面を合わせて押さえる力が大きくなり、面どうしの間のギャップが小
さくなる。かくして、システムからのガスの漏れが少なくなるのである。
バール前後の吐出圧にするのに用いられてきた。このとき、普通、上記で述べた
ような種類の非接触形シャフトシールが、コンプレッサーの入口圧に対してシー
ルするのに用いられる。昨今のコンプレッサーでは、入口圧も吐出圧も高くする
ことが必要とされる傾向にある。しかしこのように圧力レベルが高いと、上記の
ような非接触形シャフトシールでは、問題を引き起こす。これについて、図1、
1a、2、2aを参照しながら、以下に説明する。
ャフトシールの関連構造要素を示したものである。シャフトシールは、この実例
では、コンプレッサーのようなターボ機械(図示せず)に組み込まれている。こ
こで示されたシャフトシール1は、シャフト軸線(参照符号3)と同軸に取り付
けられた(回転しない)シール要素ないしシールリング2と、このシールリング
2と同軸に配置された、したがってシャフト軸線3とも同軸に配置された、回転
シール部ないしは回転シールリング4とを有する。図1の縦断面図では、わかり
やすいように、シャフト軸線より上に配置されたシャフトシールの部分だけを示
していることが認識できよう。
けられている。そしてこの半径方向のフランジ5aに、回転シールリング4が当
接している。そして内側スリーブ5はシャフト6に取り付けられ、シャフト6、
内側スリーブ5および回転シールリング4が、一体化された回転要素として共に
回転している。さらに位置決めスリーブ7が、内側スリーブ5にボルト付けされ
ている。これらの組立構成要素4、5、および7は、位置決めリング21によっ
て軸線方向の一側向きに変位しないようになっており、コンプレッサーの内側に
作用する高圧によってこれと反対向きの軸線方向にも変位しないようになってい
る。
径方向内向きのフランジ8bとシールリング2との間に配置されたプッシャース
リーブ9とを有する。このプッシャースリーブ9は、半径方向のフランジ9bを
有する。そして複数の付勢ばね(これら付勢ばねのうちの1つであるばね10が
図1に示されている)が、軸上の同位置で、半径方向内向きのフランジ8bの各
めくら穴11内に配置され、シャフト軸線のまわりに配分されている。これら複
数の付勢ばねが、半径方向のフランジ9bに作用することによって、プッシャー
スリーブ9を、シールリング2に対して付勢する。そして、ターボ機械(または
圧力装置)の運転中、(回転しない)シールリング2と回転シールリング4とが
合わさって、非接触形1次シールを形成する。これによって、1次シールのシー
ル面どうしの間で、高圧の半径方向外側から低圧の半径方向内側への流体の流れ
を阻止する。シールリング2のシール面は、前面内に切り込まれた浅い溝を有し
て、シールリング2と回転シールリング4とのシール面どうしに必要な離間を生
成している。あるいは、回転シールリング4のほうに、これらの溝を形成しても
よい。
7号にさらに詳細に述べられている。溝の好適な設計に関するこの内容は、この
公報番号を参照することにより、本明細書に組み込まれる。なお、シール要素2
は通常、カーボンや他の適切な材料からできている。
向の限定範囲内の動きをとることができる。こうして、付勢ばねが提供する正味
の付勢力は相対的に小さくなるため、シャフトが通常の速度で回転しているとき
、生成された離間力によって、シールリング4はシールリング2から離間する。
シールリングどうしの間のギャップは、一方で生成された開く力と、他方で生成
された閉じる力とばねの付勢力とを合わせた力とが互いに等しくなるように、自
己調節する。ただしシャフトが静止しているときは、ばねが、シールリング2に
作用して、回転シールリング4と接触するようにしている。
ガスは通常、装置の作動流体から得られるものである。しかしこのガスが、作動
流体でなく、大気中に排気しても問題のない清浄ガスから得られたものでもよい
。この場合、排気されたガスは可燃性ガスとして、輸送して燃焼(発火)させる
こともできる。
至る高さまで作用する。2次シール12、13が設けられているため、シール要
素2の後面の周囲に、高圧が、半径方向低圧(大気圧)側まで通気することを阻
止している。釣合直径は本質的には、2次シール12とシールハウジング8との
接触ラインで定められる。
方向内向きのフランジ8bとの間に設けられている。2次シール12は、従来の
Oリングや図示のばね付勢されたU字シールのような適切形状であればいずれで
もよい。他形状のシールでもよく、選定された厳密な形状は重要ではない。第1
の2次シール12は、図1および1aに示したように、プッシャースリーブ9の
軸線方向に延びる主スリーブ部分9aに形成された溝14内に配置されている。
この2次シール12は、軸線方向に延びる主スリーブ部分9aに形成された溝1
4の底部に対して、密封的に圧接している。そして2次シール12はまた、半径
方向内向きのフランジ8bの軸線方向に延びる半径方向内側面に対しても、密封
的に圧接して、釣り合いモードで運転中に、シャフトシール用の釣り合った釣合
直径を定める。
半径方向のフランジ9bとの間に設けられている。そしてこの2次シール13も
やはり、Oリング形状や図示のばね付勢されたU字シール、Y字シールでよい。
この2次シール13は、プッシャースリーブ9に形成された溝15内に配置され
ている。あるいはこの溝15は、シール要素2のほうに形成されていてもよい。
の半径方向高圧側に入れる。この高圧が、プッシャースリーブ9の半径方向のフ
ランジ9bにおける前面の外側環状域に作用する。この外側環状域は、シールリ
ング2に対する第2の2次シール13のシールラインで定められる内径と、半径
方向のフランジ9bの半径方向外側の直径とを有する。高圧流体はまた、プッシ
ャースリーブ9の後面に、釣合直径に至る高さまで作用する。第1の2次シール
12と第2の2次シール13とは、与えられた高圧を、半径方向低圧側からシー
ルする。半径方向低圧とは、シャフトシールを単一で使用する場合には大気圧で
あり、複数のシャフトシールをカスケード式に使用する場合にはシールされる圧
より低い圧となる。半径方向のフランジ9bの後面において、シール13のシー
ル径から釣合直径の高さにまで至る領域に作用する差圧によって、常に、シール
リング2に対する正味の閉じる力(図1においては左向き)がプッシャースリー
ブ9に作用する。この閉じる力は、付勢ばね10の作用によって補助され、シー
ルリング2に対して、閉じる方向に、これらの力がかかる。
一方で、2次シール13のシール径の高さまでの、シールリング2の後面に作用
する高圧流体が、閉じる力を生成する。さらに、シールリング2の前面(または
シールリング4の後面)に切り込まれた斜めの形状の表面窪みないしは溝が、シ
ールリング2とシールリング4との間に作用する離間圧力場を形成する。この圧
力場の大きさは、コンプレッサーシャフトの回転速度に依存する。シールする高
圧、窪みないしは溝の深さ、そしてシールリング2および4の間のギャップのサ
イズもまた、圧力場の大きさに影響を与える。シャフトシールのシールリング2
および4が接触するか離間するかは、生成された閉じる力と開く力との大きさと
、ばねの正味の付勢力とに依存する。
は、シールリング2とシールリング4との間のシール接触によって、1次シール
は、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間で、流体を実質的に密封したシール
を保つ。このような状態のもとで、1次シールによって生成される正味の離間力
は、高圧が作用しているため、ばねの付勢力と1次シールに作用する正味の閉じ
る力との合計を越えるほど大きくない。
流体圧力が、シールリング2に作用する正味の閉じる力を越えるような離間力を
生成できるようになったとき、シールリング2は、シールリング4から遠ざかり
始め、釣り合ったところまでいく。ここでは、回転しないシールリング2と回転
シールリング4との間に、非接触形シールが保たれる。上記で述べたように、2
次シール12、13は、それぞれ、プッシャースリーブ9、シールリング2の後
面を通って、高圧流体が漏れるのを阻止するべく常に機能している。
A-96/33358号に開示されている。
溝14が、プッシャースリーブ9でなく、シールハウジング8のほうに形成され
ている。このような構造については、(単なる例として)Nippon Pillar Packin
g 社のEP-A-0591586号および同社によるUS-A-5421593号に
開示されている。
で製造されてきたコンプレッサーの一般的なシール圧で、十分に運転できる。こ
のようなコンプレッサーは普通、通常およそ200バールからおよそ500バー
ルでガスを圧縮するものとして、製造されてきた。しかし昨今の実務上では、3
00バール以上から、800バール以上までの圧で、ガスを圧縮する運転が望ま
れるようになってきた。しかし現存のシャフトシールは、そのような入口圧の値
に耐えるのに適した設計ではない。以下に図1aおよび2aを参照しながら、そ
の理由を述べる。
圧の値のもとで運転したときの結果を示している。これらの図に示されたように
、プッシャースリーブ9の軸線方向に延びる主スリーブ部分9aの外側面に高圧
が作用して、シール12と、半径方向部分9bの後面との接合部との間で、この
軸線方向に延びる主スリーブ部分9aを内向きに変形させ、このときの偏向は、
軸線方向に延びる主スリーブ部分9aと半径方向のフランジ9bとの間の接合部
から、軸線方向に遠ざかる距離が長くなるほど、大きくなる。このねじれ変形は
図1aでは、文字Aで示されている。これに対応して、半径方向内側フランジ8
bの中側(前)面にも高圧が作用して、矢印Bで示されたように、このフランジ
が、後ろ向きにねじれ変形する。この結果、図1aおよび2aに示されたように
、シールハウジング8の半径方向内側フランジ8bの内側面と、プッシャースリ
ーブ9の軸線方向に延びる主スリーブ部分9aの外側面との間に存在していた通
常は極めて小さなギャップが、大きくなる。
のフランジ8bとプッシャースリーブ9の主スリーブ部分9aとの間のギャップ
がますます広がるのに伴い、2次シール12が、広がるギャップを通って押し出
され始め、ビード12bの形成が始まる。2次シールにこのようなビードがない
うちは、2次シールには、プッシャースリーブ9の軸線方向後ろ向きのスライド
に対する摩擦抵抗が、ほとんどない。しかしビード12bの形成が始まるとこの
摩擦抵抗が大きくなり、ビードによって、スライドを行いにくくなったプッシャ
ースリーブ9とハウジング8とがつながってしまうところまで実際に成りうる。
さらに、ビード12が大きくなっていくにつれて、不安定状況が高まり、それに
よって、ビードの押し出しが続くために2次シール12のシール性が顕著に下が
って、やがて、2次シール12がギャップを通って抜け出したり抜け落ちたりす
るほどの不安定状況に達することとなり、シャフトシールの破損という結果にな
ってしまう。ビード12bは通常、2次シール12の後方周囲全部を覆って形成
されるのではなく、一般に、2次シール12の周囲附近の1つの角の部分だけに
形成されることを、述べておく。
きに、半径方向のフランジ8bとプッシャースリーブ9との間に存在するギャッ
プを最小化することが検討されてきた。しかし、シャフトシールを運転されない
とき、プッシャースリーブ9は、限定されたものであっても軸線方向の動きが自
由にできるようにしておくために、このキャップをどれほど小さくできるかとい
うことには限界がある。またプッシャースリーブ9の主スリーブ部分9aが半径
方向内向きに偏向するのは避けられないが、それでもなお、運転圧が十分に高く
なったとき、(回転する)シャフトの内側スリーブ5と接触するほどに、プッシ
ャースリーブ9の偏向が進まないようにしなければならない。
硬いものを使用すること、あるいは、2次シールのシール部自体より硬い材料で
できたバックアップリングを用いることが、検討されてきた。しかし、材料を選
択するにあたってその硬度を高めることにも限界があり、特に、材料が硬くなる
と結果的に必要なシール効果を提供しにくく、さらにまた、発生する摩擦力も高
まることになる。
マーシールの場合、運転圧がおよそ200から250バールで、ビード形成が始
まってしまう。
良されたものであり、高い運転圧にも耐えられ、その範囲はゼロバールから30
0バールあるいはそれより高くなっている。本発明は、本明細書の最初に定義し
たようなシャフトシールに関するもので、補助スリーブを設けたことを特徴とす
る。この補助スリーブとは、プッシャースリーブの周囲に同軸に配置され、第1
のシール部材によって、プッシャースリーブとのシール接触が保たれ、さらに、
半径方向の高圧側に作用する流体圧力によって、軸線方向に付勢されて、3次シ
ールを形成する構造になっている。
生じるため、シャフトシールに流体圧力が作用していないときにプッシャースリ
ーブと補助スリーブとの間に存在していた小さいギャップが、図1、1a、そし
て2、2aを参照して開示されたような従来技術のときほど、大きくなることは
ない。したがって、第1のシール部材とシールハウジングとの間に起こりうる摩
擦抵抗は増大しにくく、また第1のシール部材が高い運転圧のもとで抜け出すよ
うなことも起こりにくくなる。
保つことだけである。そして補助スリーブの構造、材料および設計は、当該補助
スリーブのねじれが、流体圧力を受けて、プッシャースリーブのねじれと実質的
に適合できて、その結果、これら2つの要素間のギャップが、作用する流体圧力
と無関係に一定となり、それによって、第1のシール部材にビード形成のおそれ
がないように、あるいはこのようなおそれを最小化するようになっていると、理
想的である。
ていると好ましい。こうすると、高い流体圧力のもとで運転するときに、プッシ
ャースリーブに作用する閉じる力を最大化できる。これは、第1のシール部材に
よって提供される、プッシャースリーブに対するシールが、半径方向内側に配置
されるからである。あるいは、前記第1のシール部材が配置された前記溝が、補
助スリーブのほうに形成されていてもよい。
このような構造により、3次シールのシール効果がいつでも確実に完全なものに
でき、その結果、流体圧力がかけられたときに、補助スリーブを通って半径方向
低圧側に無制限に流れることを阻止できる。しかし、これに代えて、付勢手段が
、シールハウジングとプッシャースリーブとの間で作用するようにすることも可
能である。というのは、高い流体圧力が半径方向高圧側にかけられたときに、補
助スリーブは、3次シールの配置により、軸線方向に付勢されて、3次シールに
必要とされるシール機能を確保すると考えられるからである。もっとも簡易化さ
れた形としては、シャフトシールの使用の際、補助スリーブの横断方向の面とシ
ールハウジングの横断方向の面との間の面接触によって、3次シールが提供され
ている。ただし、シールの完全性を高めるには、3次シールがあらためて別に設
けられていることが好ましい。
たOリングを備えていると好ましい。これの変形態様では、3次シールが、シー
ルハウジングの横断方向の端面に形成された溝内に配置されたOリングを備えて
いる。あるいはまた、3次シールは、ばね付勢されたU字型やY字型のシールで
もよい。
スリーブ部分の一方の端部に、シール要素と対面接触する半径方向のフランジを
備えている。プッシャースリーブをこのような設計にすると、プッシャースリー
ブの軸線方向に延びる主スリーブ部分が、プッシャースリーブの必要な軸線方向
の限定的な動きを調整するのに役立つことができ、同時に、第1のシール部材が
補助スリーブとシール接触を保つことができ、そして半径方向のフランジが、付
勢手段の付勢力を受けて、その付勢力をシール要素に対してかける機能を都合よ
く果たすことができ、好ましい。さらにこのフランジは、プッシャースリーブの
一方の軸線方向の端部において、半径方向内向きのねじれに実質的に対抗する。
プッシャースリーブがこのような好適な形であるとき、補助スリーブも同様に、
軸線方向に延びる主スリーブ部分を有し、この主スリーブ部分の一方の端部に半
径方向のフランジを備えて、このフランジがプッシャースリーブのフランジと向
き合うようになっていると好ましい。補助スリーブをこのような構造にすると、
圧を受けた補助スリーブのねじれが、プッシャースリーブのねじれと、確実にぴ
ったり適合しやすくなる。
ブが、端部フランジを持つことなく、全長にわたって1つのスリーブとなってい
る。そして、シャフトシールの使用の際、補助スリーブにおける第1のシール部
材のシールのところを越えて軸線方向の低圧端部の外側に作用する高い流体圧力
が、この端部を内向きに偏向させ、この場合もやはり、第1のシール部材がシャ
フトシールから抜け落ちるおそれが少なくなる。
ッシャースリーブとの隣り合った半径方向の面どうしの間に設けても良い。
てそこから突き出たリップによって3次シールを設けることができる。そしてこ
のリップは、前記シールハウジングと前記補助スリーブのうちの他方と密封的に
接触している。さらにまた、前記シールリングと前記プッシャーリングのうちの
一方と一体形成されてそこから突き出たリップによって、前記シールリングと前
記プッシャースリーブとの間の前記2次シールを提供してもよい。そしてこのリ
ップは、前記シールリングと前記プッシャーリングのリップのうちの他方と密封
的に接触を保っている。
ウジングとの間にそれぞれ直接接触シールを形成するためにリップを形成した好
適な構造によって、別個のシール部材を使用する必要がなくなり、それゆえ、構
造上の簡易化とコストの削減がはかれる。
と外側環状プッシャーディスクとを備え、この内側プッシャースリーブ要素と外
側環状プッシャーディスクとが、互いに接触を保つ半径方向の表面をそれぞれ有
する。
リーブ要素と外側環状補助ディスクとが、互いに接触を保つ半径方向の表面をそ
れぞれ有する。
のいずれの場合においても、軸線方向に延びる部分と前方の半径方向の部分との
接合部域に作用していたねじれ力が、大幅に小さくなる。
だし以下は、便宜的に、図1、1aおよび2、2aに関して述べた従来技術の実
例のときのように、コンプレッサーという特定のケースに関した説明を行ってい
る。
図面を参照して、以下に説明する。
図1を参照して上記で述べられたシャフトシールと、以下の述べる点を除いては
、同じものである。構造が同一のものに対しては、同一の参照番号で示される。
20を、追加して備えている。この補助スリーブ20は、プッシャースリーブ9
の周囲にこのプッシャースリーブ9と同軸状に、プッシャースリーブ9と補助ス
リーブ20とを半径方向に離間する小さなギャップを有して、配置されており、
半径方向内側のフランジ8b内の切り欠き17内に配置されている。この補助ス
リーブ20は、軸線方向に延びる主スリーブ部分20aを備えている。この主ス
リーブ部分20aは、その一方の端部に、プッシャースリーブ9の半径方向のフ
ランジ9bの後面と向き合う、半径方向のフランジ20bを有する。付勢ばね1
0は、プッシャースリーブ9の半径方向のフランジ9bと、補助スリーブ20の
半径方向のフランジ20bとの間に作用し、それによって、補助スリーブ20を
さらにシールハウジング8の切り欠き17内に付勢する。
面と、それに隣接するシールハウジング8の前方に向いた横断方向の環状面19
との間に、実質的に流動型のシールが提供される。図3aに示されたように、こ
の3次シール16が、ばね付勢されたY字形のシールの形態であることが好まし
い。あるいは3次シールが、主スリーブ部分20aに形成された溝内に配置され
たOリング16’(図3b参照)でもよく、この溝は、シールハウジング8の半
径方向内側のフランジ8bに形成されたものでもよく、またこの場合にOリング
ではなく、ばね付勢されたU字シール16”(図3c参照)でも、ばね付勢され
たY字シールでもよい。第1の2次シール部材12によって、補助スリーブ20
とプッシャースリーブ9との間に、流体を実質的に密封するシールが提供される
。
構造を明瞭に示すものである。この図は、斜め形状の溝が、回転しないシールリ
ング2ではなく、回転シールリング4のほうのシール面上に形成されているとい
う点で異なる形態を示すものでもある。
シャフトシールの場合とちょうど同じように、シールの高圧流体側で、プッシャ
ースリーブ9に対して、高圧流体が作用し、軸線方向に延びるスリーブ部分9a
を、半径方向内向きに偏向させる。軸線方向に延びる主スリーブ部分9aのねじ
れは、主スリーブ部分9aに作用する内側圧と外側圧との間の圧力差のために、
2次シール12の軸線方向の位置から、プッシャースリーブ9の長さ方向に沿っ
て漸増する。そしてプッシャースリーブ9の半径方向のフランジ9bは、その端
部域において、プッシャースリーブ9のねじれに実質的に抵抗している。そこで
半径方向の内向きのねじれは、もう一方の端部で最大となる。
助スリーブ20の、特にその外側表面の周囲に作用して、補助スリーブを同様に
ねじれさせる。したがって、プッシャースリーブ9の外側表面と補助スリーブ2
0の内側表面との間に存在する小さなギャップが、これ以上変化するようなこと
はなく、それによって、高圧が2次シール12に作用しても、シールがこのギャ
ップから押し出されるようなことがなくなる、ないしは少なくとも最小化される
。したがって、高圧、たとえば300バール以上で運転するときでさえ、2次シ
ール12が、プッシャースリーブ9のスライドに対して高い摩擦抵抗をもたらし
始めるようなことは決してなく、プッシャースリーブ9の溝14から抜け出した
り抜け落ちたりすることもない。
高圧側で作用する圧力とは無関係なままとなるように設計されていると好ましい
。このためには、補助スリーブ20とプッシャースリーブ9との構造や相対的な
寸法を適当に選択し、そしてこれら補助スリーブ20とプッシャースリーブ9を
作る材料を適切に選択することによって、達成できる。補助スリーブ20の半径
方向および周方向の剛性(toroidal stiffness)が、プッシャースリーブ9のそ
れらと同じであると好ましい。補助スリーブ20とプッシャースリーブ9とを作
る材料が同じで、その結果、補助スリーブ20とプッシャースリーブ9との間の
ギャップが、温度変化とは無関係に実質的に不変なままとなるのも、好ましい。
これらの変更態様は個別でもあるいは組み合わせても採用できる。
成された溝ではなく、補助スリーブ20内に形成された溝に、適合させるもので
ある。
用するのではなく、プッシャースリーブ9をシールリング2に対して付勢するた
めにだけ機能するというものである。そしてこの第2変更態様のような構造を用
いた場合でも、3次シール16で適切なシール性能が提供されると考えられる。
というのは、高圧流体が半径方向の高圧側に作用するとき、補助スリーブ20に
おける2次シール12と3次シール16の配置によって、補助スリーブ20を、
シールハウジング8の半径方向内側のフランジ8bに対して付勢するような、軸
線方向の正味の力が生じるからである。
の第1実施形態におけるような端部フランジを何らもつことなく、その全長にわ
たって軸線方向に延びた1つのスリーブとなっていることを述べておく。そして
2次シール12のシール機能のために、2次シール12の軸線方向高圧側では、
補助スリーブ20の軸線方向の部分に作用する内側の力と外側の力とが互いに釣
り合っている。一方2次シール12の軸線方向低圧側で、補助スリーブ20の軸
線方向の部分に作用する正味の半径方向の内向きの力があり、これによって補助
スリーブ20は、プッシャースリーブ9の軸線方向に延びる主スリーブ部分9a
に向かって内向きにねじれるのである。このねじれの結果、プッシャースリーブ
9と補助スリーブ20との間のギャップが最小化され、それによってシール12
が抜け出すおそれも最小化されることになる。
図3aに示したような3次シール16が、別に設けられたシール部材として提供
されているわけではない。つまり、別に設けられたシール部材としてではなく、
シールハウジング8と一体的に成形されてシールハウジング8の半径方向の内向
きフランジ8bから軸線方向で前方に突き出たリップ8cの前面と、補助スリー
ブ20の軸線方向に延びている部分(主スリーブ部分)20aの後面との間の直
接シール接触として、3次シールが提供されている。あるいはこのリップ8cが
、補助スリーブ20の軸線方向に延びている部分20aのほうと一体的に形成さ
れて後ろ向きに突き出たものとして、シールハウジング8の半径方向の内向きフ
ランジ8bの横断方向の前面に対してシールするようになっていてもよい。
用されているが、図6に示されたように、プッシャースリーブ9の半径方向のフ
ランジ9bの前面から前方に突き出てフランジ9bと一体的に形成されたリップ
9cが提供されることによって、2次シール13を別の要素として使用するので
はなく、シールリング2の後面と直接シール接触させることができる。あるいは
このリップ9cが、シールリング2の後面のほうと一体的に形成されて後ろ向き
に突き出たものとして、プッシャースリーブ9の半径方向のフランジ9bの前面
に対してシールするようになっていてもよい。なお図6aは、運転状態のもとで
のシャフトシールを示している。
9についての変更態様である。単一部品要素であったプッシャースリーブの代わ
りに、この第4実施形態では、2つの部品、内側プッシャースリーブ23と外側
環状プッシャーディスク22とを組み合わせたプッシャースリーブになっている
。ここで内側プッシャースリーブ23は、軸線方向に延びる部分23aとこの軸
線方向に延びる部分23aの前端にある半径方向のフランジ23bとを備えてお
り、外側環状プッシャーディスク22は、内側プッシャースリーブ23の周囲に
同軸状に配置されている。外側環状プッシャーディスク22の半径方向内側部分
の前面22’は、内側プッシャースリーブ23の半径方向のフランジ23bの後
面23’と、密封的に接触を保っている。
前方に突き出たリップ23cを介して、シールリング2に対してシールしている
。ここでリップ23cは、半径方向のフランジ23bと一体的に形成されて、シ
ールリング2の後面と直接接触している。あるいはこのリップ23cは、シール
リング2の後面のほうと一体的に成形されてそこから後方に突き出て、半径方向
のフランジ23bの前面に対してシールするようになっていてもよい。
、単一要素としてのプッシャースリーブ9においては、その半径方向のフランジ
9bと軸線方向に延びる部分9aとの間の接合部域に生じていたねじれ力が、大
いに減少することである。
ついての変更態様である。単一部品要素であったプッシャースリーブ20の代わ
りに、この第5実施形態では、2つの部品、内側補助スリーブ要素24と外側環
状補助ディスク25とを組み合わせた補助スリーブになっている。この外側環状
補助ディスク25は、内側補助スリーブ要素24の前端において、その周囲に同
軸状に配置されている。内側補助スリーブ要素24の前方の半径方向面24’と
、外側環状補助ディスク25の後方の半径方向面25’とは、互いに密封的に接
触を保っている。
して述べた第3実施形態の場合のような)単一部品要素で、補助スリーブだけが
(図8に示された第5実施形態の場合のような)2つの部品を組み合わせた構造
でもよい。
と同様に、単一部品要素の補助スリーブの代わりに、第5実施形態のような2つ
の部品を組み合わせた補助スリーブにすることによる利点は、(単一要素として
の補助スリーブ20においては、シャフトシールの運転中に、その半径方向のフ
ランジ20bと軸線方向に延びる部分20aとの間の接合部域に生じていた)ね
じれ力が、大いに減少することである。さらにまた2つの部品を組み合わせた補
助スリーブは、運転中に、プッシャースリーブの変形に応じた変形をすることも
できる。
サー内で作用する極めて高い流体圧力によって、フランジ8のリップシール8c
やプッシャースリーブ23のリップ23cに作用する力は、これらリップシール
8cや23cの接触面積が比較的小さいため、大変大きくなり、かくして実質的
に流体を漏らさないようなシールが保たれるのである。
構造によって、図3、3aに示されたような第1実施形態による2次シール13
および3次シール16として機能するシール部材を、別に改めて設ける必要がな
くなる。これによって、構造上の簡易化ひいては低コストがはかれる。
、それらの積層体)でできた例えば単一の環を、その軸線の周囲で角度をずらし
ていった種々のところで波打ちを連続的に起こすように変形させた波形ばねでも
よい。変形した環は、シールリング2と補助スリーブ20との間で、(場合によ
っては)シールリング2とシールハウジング8の半径方向内側のフランジ8bと
の間で圧縮され、それによって、板ばねによるような、本発明で必要とされる付
勢作用が提供できる。
を源としており、この圧はしたがって、コンプレッサーの運転速度の上昇に伴い
高くなる。コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用した場合、そ
の流体の圧は通常、その流体の吐出圧に維持されることになる。コンプレッサー
が静止中は、1次シールに作用する正味の力はシールリング2を回転シールリン
グ4に対して保持しておくように閉じる力であるのが好ましい。しかし、コンプ
レッサーが十分に速度を上げたとき、一方のシールリングの斜めの形状の溝や窪
みによって生成された離間力、すなわち1次シールの別の力(開く力)が十分に
大きくなって、2つのシールリングを離間させる。
でも、コンプレッサーの作動流体が高圧流体の源である場合と本質的に同じ運転
である。コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用したこの実施形
態においては、コンプレッサーが静止中は、シールリング2を回転シールリング
4に対して保持しておくのが好ましいが、静止状態のもとでシャフトシールをわ
ずかに開いておくことも可能である。というのは、コンプレッサーを通常の運転
速度で運転しているときに、シャフトシールが非接触形運転を提供することだけ
が、本質的に必要とされることだからである。
部分拡大図。
Claims (18)
- 【請求項1】 シール要素(2)と、 このシール要素(2)と同軸に取り付けられた回転シール部(4)であって、
シール要素(2)と当該回転シール部(4)との対向面どうしの間に、シール要
素(2)と共に非接触型の1次シールを形成し、この1次シールを通る半径方向
高圧側から半径方向低圧側への流体の流れを実質的に阻止する回転シール部(4
)と、 シールハウジング(8)と、 シール要素(2)と同軸に、かつシール要素(2)に接触しながら、シールハ
ウジング(8)とシール要素(2)との間に配置されたプッシャースリーブ(9
)と、 プッシャースリーブ(9)をシールハウジング(8)から遠ざけてシール要素
(2)に対して付勢することによって、このシール要素(2)を回転シール部(
4)に向けて軸線方向に付勢する付勢手段(10)と、 プッシャースリーブ(9)の周囲に、半径方向高圧側と連通して、溝(14)
内に配置され、プッシャースリーブ(9)に対して、半径方向高圧側と半径方向
低圧側との間に2次シールを提供する、第1のシール部材(12)と を備えたシャフトシールにおいて、 プッシャースリーブ(9)の周囲に同軸に配置され、第1のシール部材(12
)によってプッシャースリーブ(9)とシール接触を保つ補助スリーブ(20)
を更に備え、 この補助スリーブ(20)が、半径方向高圧側に作用する流体圧によって軸線
方向に付勢されて、補助スリーブ(20)とシールハウジング(8)との間に3
次シール(16)を形成するように構成されている、ことを特徴とするシャフト
シール。 - 【請求項2】 前記第1のシール部材(12)が配置された、前記溝(14)が、プッシャー
スリーブ(9)に形成されている、請求項1記載のシャフトシール。 - 【請求項3】 前記第1のシール部材(12)が配置された、前記溝(14)が、補助スリー
ブ(20)に形成されている、請求項1記載のシャフトシール。 - 【請求項4】 付勢手段(10)が、プッシャースリーブ(9)と補助スリーブ(20)との
間に作用する、請求項1から3のいずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項5】 付勢手段(10)が、シールハウジング(8)とプッシャースリーブ(9)と
の間に作用する、請求項1から3のいずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項6】 シャフトシールの使用の際、補助スリーブとシールハウジングとの各横断方向
の面どうしが向き合って接触することにより、3次シール(16)が提供される
、請求項1から5のいずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項7】 3次シール(16)が、補助スリーブ(20)の横断方向端面に形成された溝
(18)内に配置されたOリング(16’)を備える、請求項1から5のいずれ
か1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項8】 3次シール(16)が、シールハウジング(8)の横断方向端面に形成された
溝(18)内に配置されたOリングを備える、請求項1から5のいずれか1つに
記載のシャフトシール。 - 【請求項9】 3次シール(16)が、ばね付勢されたU字シールである、請求項1から5の
いずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項10】 3次シール(16)が、ばね付勢されたY字シールである、請求項1から5の
いずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項11】 プッシャースリーブ(9)が、軸線方向に延びる主スリーブ部分(9a)を含
み、この主スリーブ部分(9a)が一方の端部に、シール要素(2)と向き合っ
て接触する半径方向のフランジ(9b)を備え、 補助スリーブ(20)もまた、軸線方向に延びる主スリーブ部分(20a)を
含み、この主スリーブ部分(20a)が一方の端部に、プッシャースリーブ(9
)のフランジ(9b)に面する半径方向のフランジ(20b)を備える、請求項
1から10のいずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項12】 プッシャースリーブ(9)が、軸線方向に延びる主スリーブ部分(9a)を含
み、この主スリーブ部分(9a)が一方の端部に、シール要素(2)と向き合っ
て接触する半径方向のフランジ(9b)を備え、 補助スリーブ(20)は、その全長にわたって1つのスリーブの形態をなす、
請求項1から10のいずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項13】 前記シールリング(2)と前記プッシャースリーブ(9)との隣り合う半径方
向の表面どうしの間に、前記2次シール(12)とは別の2次シール(13)を
更に含む、請求項1から12のいずれか1つに記載のシャフトシール。 - 【請求項14】 前記シールハウジング(8)と前記補助スリーブ(20)のうちの一方に一体
化形成されてそこから突き出たリップ(8c)によって前記3次シール(16)
が提供され、このリップが、前記シールハウジング(8)と前記補助スリーブ(
20)のうちの他方と密封的に接触している、請求項1から4のいずれか1つに
記載のシャフトシール。 - 【請求項15】 前記プッシャースリーブ(9)と前記シールリング(2)のうちの一方に一体
化形成されてそこから突き出たリップ(9c)によって、前記シールリング(2
)と前記プッシャースリーブ(9)との間の前記2次シール(13)が提供され
、このリップが、前記プッシャースリーブ(9)と前記シールリング(2)のう
ちの他方と密封的に接触を保っている、請求項1から11のいずれか1つに従属
する請求項13、または請求項14に記載のシャフトシール。 - 【請求項16】 前記プッシャースリーブ(9)が、内側プッシャースリーブ要素(23)と外
側環状プッシャーディスク(22)とを備え、 これらの内側プッシャースリーブ要素と外側環状プッシャーディスクとが、互
いに接触を保つ半径方向の表面(23’、22’)をそれぞれ有する、請求項1
4または15に記載のシャフトシール。 - 【請求項17】 前記補助スリーブ(20)が、内側補助スリーブ要素(24)と外側環状補助
ディスク(25)とを備え、 これらの内側補助スリーブ要素と外側環状補助ディスクとが、互いに接触を保
つ半径方向の表面(24’、25’)をそれぞれ有する、請求項14、15また
は16に記載のシャフトシール。 - 【請求項18】 請求項1から17のいずれか1つに記載のシャフトシールを組み込んだ、ター
ボ機械ないしは他の圧力装置。
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