JP2019218956A - 軸封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性に優れ、かつ、取替、補修が容易な軸封装置を提供すること。【解決手段】回転機械の回転軸２０に設置される軸封装置１であって、前記軸封装置は、環状のシール部材２を回転軸のラジアル（半径）方向に重ねて形成し、前記シール部材は、シール板３と該シール板の表面に設けられラジアル方向に伸びるフィン４を備え、かつ、回転軸の円周方向に２つ以上に分割されて構成され、さらに、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の円周方向に２つ以上に分割されたことで生じる分割線を円周方向にずらして配置したことを特徴とする軸封装置。【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械の回転軸に設置される軸封装置に関する。本発明は、特に、空気圧縮機やタービンなどの回転流体機械の軸受部の軸封装置に関する。

例えば、鋼を製造する製鋼転炉はトラニオンリングを用いた炉体支持および炉体傾動の構造となっているが、操業時の炉体の熱膨張による負荷を抑制するため、炉体鉄皮およびトラニオンリングの冷却が必要となってくる。その際に、冷却エアーをトラニオンリングの回転軸周りから流入させることになるが、該回転軸が約１０００〜１５００ｍｍφと大径であることや傾動の際の変位の問題から漏洩量を抑制するためのシール構造が課題となっている。

回転軸周りのシール構造において、従来の技術では、例えば、特許文献１で開示されたアキシアル方向のラビリンス構造による軸封装置がある。特許文献１の軸封構造では、筐体の外側において回転軸に固定されて一緒に回転する鍔部を有し、筐体の外側および鍔部の間には隙間が空いており、その隙間にアキシアル方向のラビリンス構造が設けられている。また、回転軸と鍔部の隙間の寸法を小さくして、回転軸の非回転時の防水性能を高めるとともに、隙間に入り込んでしまった水や油などの流動体を、回転軸の回転に伴い発生する遠心力で外部に排出することとを両立させている。

特許文献２では、シールリングとシールフィンにより回転軸の外周にリング状のチャンバーを形成し、各シールフィンにスリットを周方向にずらして配置することで、回転方向流れを抑制し、回転軸の不安定振動を防止するとともに、シール性を確保している。

特許文献３では、リング状のダイヤフラムの内周側に円周方向および軸方向に少なくとも２分割以上の複数個に分割されたハニカム材を取付け、複数のハニカム材の円周方向の分割面と、隣接する軸方向に分割された複数のハニカム材の円周方向の分割面とをずらして配置することで、ハニカム材の円周方向の分割面からの空気漏れを抑制している。

特許文献４では、ラビリンスを回転軸の回転方向に傾斜した複数の可撓性部材より階段状に構成し、回転軸と可撓性シールとが接触しても可撓性シールは外周側へと逃げるため、可撓性シールは回転軸と強く接触することなく、回転軸とのクリアランスを小さく保持することで、シール効果を向上させている。

特開２０１４−２１９０９５号公報 特開２０１１−２４７３０７号公報 特開２００７−１１３４５８号公報 実開昭６０−１４５６６７号公報

特許文献１のシール構造では、軸周りの筐体の外側と鍔部の間の隙間にアキシアル（軸）方向のラビリンスを設けているが、この構造を軸方向の変位が大きい箇所へ適用した際に、間隙距離が変動しシール性が低下するという問題がある。また、軸封装置の取替・交換の際には、一体型である鍔部を軸端から取り外す必要が生じ、１０００ｍｍφ以上の大径の軸への適用の際には取替時間が膨大となる。

特許文献２では、ラビリンスを構成するシールフィンの軸方向へのスリット配置が、漏れ流れに対向するような直線状であるため、比較的低回転速度の軸周りに適用した場合、漏れ流体の回転方向流れが小さくなり、流路が単純な直線状になりうる。そのため、ラビリンスのシールフィンによる圧力損失が減少し、漏れ量が増加する。また、ラビリンスを構成するラビリンスシールが一層のため、セグメント接合部なる間隙部分からの漏洩が懸念される。

特許文献３では、２分割以上のハニカム材を取り付け、隣接するハニカム材について円周方向の分割面を軸方向にずらしているが、ラジアル（半径）方向に積層せず単層であり、軸方向のみ流路にラビリンスが形成されるような構造となっているため、シール性に改善の余地がある。

特許文献４では、シール部の補修の際に全周にわたり取り外しが必要となり、また組立時の組立が複雑な構造となっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シール性に優れ、かつ、取替、補修が容易な軸封装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために、シール板と該シール板の表面にラジアル（半径）方向に立設したフィンを備える環状のシール部材を、回転軸のラジアル方向に重ね、かつ、回転軸の円周方向に２つ以上に分割し、さらにラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の円周方向に２つ以上に分割したことで生じる分割線を円周方向にずらして配置した軸封装置を提案する。

さらに、シール部材を、回転軸の軸方向においても２つ以上に分割し、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の軸方向に２つ以上に分割したことで生じる分割線を軸方向にずらして配置した軸封装置を提案する。

すなわち、本発明は以下の構成を有する。
［１］回転機械の回転軸に設置される軸封装置であって、
前記軸封装置は、環状のシール部材を回転軸のラジアル（半径）方向に重ねて形成し、
前記シール部材は、シール板と該シール板の表面に設けられラジアル方向に伸びるフィンを備え、かつ、回転軸の円周方向に２つ以上に分割されて構成され、
さらに、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の円周方向に２つ以上に分割されたことで生じる分割線を円周方向にずらして配置したことを特徴とする軸封装置。
［２］シール部材が、回転軸の軸方向に２つ以上に分割されて構成され、
さらに、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の軸方向に２つ以上に分割されたことで生じる分割線を軸方向にずらして配置したことを特徴とする［１］に記載の軸封装置。

本発明によれば、シール性に優れ、かつ、取替、補修が容易な軸封装置を提供することができる。

本発明の軸封装置は、軸方向の変位によるシール性の低下が生じず、ラジアル（半径）方向への漏洩を抑制するとともに、シール部材を分割したことでシール部材の取替、補修が容易である。

本発明の軸封装置は、シール部材を円周方向に分割したため、分割部においても流路が形成され、また、分割線をずらすようにシール部材を積層させたため、流路をより長くより複雑化し、圧力損失拡大による漏洩量の抑制が可能となった。さらにシール部材を軸方向に分割することで前記効果をより高めることができる。

また、本発明の軸封装置によれば、シール部材を分割したことにより、大径軸周り、例えば１０００ｍｍφ以上といった大径軸周りにシール構造を取付ける際、据付および取外しが容易になり、分割された一部のシール部材の交換等も可能となりメンテナンス性が向上するといった効果もある。

図１は本発明の軸封装置の一実施形態例を示す軸方向に平行な断面図である。 図２は本発明の軸封装置の一実施形態例を示す軸方向に垂直な断面図である。 図３は図２に示した軸封装置のシール部材の円周方向の分割数を変更した実施形態例を示す軸方向に垂直な断面図である。 図４は本発明の対向型のラビリンス状流路を有する軸封装置の一実施形態例を示す軸方向に平行な断面図である。

ラビリンス状の流路を有する軸封装置（以下、ラビリンスシールともいう）は、非接触シール構造のため、間隙が必ず生じており、漏洩を完全に防ぐことは不可能である。ラビリンスシールの目的としては、流体の流入口から流出口に至る流路内での圧力損失を拡大させることにより、流出口での吐出圧を最低限とし、漏洩量を抑制することが狙いである。

本発明の軸封装置によれば、シール部材を、回転軸のラジアル（半径）方向に重ね、かつ、回転軸の円周方向に２つ以上に分割し、さらにラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の円周方向に２つ以上に分割したことで生じる分割線を円周方向にずらして配置した構造とすることで、ラジアル方向のフィンを有するシール部材により形成されるラビリンス状の流路に加え、前記分割線により生じる間隙を利用して流路を複雑化し、流路内での圧力損失を増大させ、漏洩量を抑制することが可能となる。

また、シール部材を円周方向に２つ以上に分割することで、大径軸を有する据付後の軸周りに適用する場合に、シール部材の取付けおよび取外しが容易となる。また、補修が必要な箇所ごと、例えばシール部材の分割片や各層ごとに限っての更新も可能となる。

さらに、シール部材を、回転軸の軸方向においても２つ以上に分割し、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の軸方向に２つ以上に分割したことで生じる分割線を軸方向にずらして配置した構造とすることで、流路をより長くより複雑にすることができ、圧力損失をより増大させ、漏洩量をより抑制することが可能となる。

以下に、本発明のより具体的な実施形態例について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の実施形態例に限定されるものではない。

図１は、本発明の軸封装置の一実施形態例を示す軸方向に平行な断面図である。図１において２０は回転軸、３０はケーシング、３１はケーシングカバーを示している。図１に示す軸封装置１は、回転軸２０の外周に設置されており、回転軸２０とケーシング３０の間に配置されている。

本発明の軸封装置は、環状のシール部材が回転軸のラジアル（半径）方向に重ねて形成される。図１に示す軸封装置１は、シール部材２がラジアル方向に３層（回転軸２０側から順に、シール部材２ａ、２ｂ、２ｃの３層）に積層されている。なお、シール部材の積層数は２層以上であれば特に限定されず、例えば、２層であってもよいし、４層以上であってもよい。

シール部材２は、シール板３と該シール板３の表面に設けられラジアル方向に伸びる複数のフィン４を備える。軸封装置１は、かかるシール部材２を有することで、ラビリンス状の流路をラジアル方向に有する。図１に示す軸封装置１において、回転軸２０側に配置されたシール部材２ａのフィン４は、回転軸２０の表面と一定の間隔を有している。

シール板の断面形状は、特に限定されず、例えば、長方形であってもよいし、Ｕ字型やＬ字型であってもよい。また、図１に示す軸封装置１のように、異なる断面形状のシール板を有するシール部材を組み合わせてもよい。図１に示す軸封装置１は、１層目に断面形状が長方形のシール板３を有するシール部材２ａを配置し、２層目に１層目のシール部材２ａよりも軸方向長さが短い断面形状が長方形のシール板３を有するシール部材２ｂを積層し、さらに３層目に断面形状がＵ字型（門型）のシール板３を有するシール部材２ｃを前記シール部材２ｂを覆うように積層して形成されている。

図２は、図１に示す軸封装置１の軸方向中央部付近の軸方向に垂直な断面図である。図２に示されるように、本発明の軸封装置は、回転軸廻りを、シール部材で覆っており、シール部材は、円周方向に２つ以上に分割されて構成されている。本発明の軸封装置は、シール部材が回転軸の円周方向に２つ以上に分割されて構成されることで、分割されたシール部材の分割片間に分割線を有する。そして、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、シール部材が円周方向に分割されたことで生じる分割線を円周方向にずらして配置されている。なお、ここで分割線を厳密に定義する必要はないが、分割線は、例えばシール部材の分割片同士が接する場合にはその接触線とすることができ、接しない場合には両者間の隙間を分割線とみなすことができる。

図２に示す軸封装置１は、シール部材２が円周方向に４分割されて構成されている。そして、円周方向に分割されたことで分割線５を有している。さらに、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記分割線５を円周方向にずらして配置されている。具体的には、シール部材２ａの分割線５ａとシール部材２ｂの分割線５ｂを軸中心からみて４５°ずらして配置し、前記分割線５ｂとシール部材２ｃの分割線５ｃを軸中心からみて４５°ずらして配置している。

なお、本発明において、シール部材の円周方向の分割数は２以上であればよく、その分割数は特に限定されない。また、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材の分割線は、円周方向にずらして配置されていればよく、ずらす角度等は特に限定されない。図３は、図２に示す軸封装置１のシール部材の円周方向の分割数を変更した実施形態例を示す軸方向に垂直な断面図である。この実施形態例では、シール部材を円周方向に２分割し、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材の分割線を９０°ずらして配置している。このように、シール部材の円周方向の分割数、分割線をずらす角度は任意である。

本発明の軸封装置は、シール部材を回転軸の軸方向に２つ以上に分割してもよい。図１に示す軸封装置１は、軸方向に、１層目のシール部材２ａを３分割、２層目のシール部材２ｂを２分割、３層目のシール部材２ｃを３分割した構造とした。そして、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、シール部材が軸方向に分割されたことで生じる分割線を軸方向にずらして配置した。具体的には、シール部材２ａが軸方向に分割されたことで生じる分割線６ａとシール部材２ｂが軸方向に分割されたことで生じる分割線６ｂとを軸方向に分割片の軸方向長さの１／２ずらして配置し、前記分割線６ｂとシール部材２ｃが軸方向に分割されたことで生じる分割線６ｃとを軸方向に分割片の軸方向長さの１／２ずらして配置した。

上述の軸封装置１において、シール流体は、例えば、流入口７から軸封装置１のラビリンス状の流路内へ入り込み、各流路をたどって最終的に流出口８へと到達する。この流入口７から流出口８までの流路が、円周方向、ラジアル方向、軸方向へと分岐していくことで、シール流体が流出口８にたどりつくまでの圧力損失を拡大させることが可能となる。これにより、シール流体の漏れ量を小さくすることが出来る。

なお、上述のとおり、本発明において、シール部材のラジアル方向の積層数は特に限定されないが、より多くの層を積層することで、軸封装置の流入口から流出口までの流路が、より長くより複雑となるため、圧力損失をより拡大させることができ漏洩量をより抑制しやすくなる。

また、本発明では、流路をより長くより複雑とするためには、シール部材を軸方向に分割して構成することが好ましい。その際の分割数は特に限定されず、シール部材の軸方向の長さや軸封装置のシール性等を考慮して適宜に定めることができる。さらにラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、軸方向に分割したことで生じる分割線は軸方向にずらして配置することが好ましいが、その際、分割線は、ラジアル方向に隣接するシール部材の軸方向中央付近がよりよい。

また、前記の図１〜３では、シール板の片面にフィンが設けられたシール部材を用いた直通型のラビリンス流路を有する軸封装置を示しているが、シール板の軸側にあたる内面および外面の両面にフィンを設けたシール部材を用いた対向型のラビリンス流路を有する軸封装置としてもよい。図４は、本発明の対向型のラビリンス流路を有する軸封装置の一実施形態例を示す軸方向に平行な断面図である。対向型のラビリンス流路を形成する際には、最も回転軸側にあたるシール板を回転軸に直接取り付け、最も外側にあたるシール板をケーシングに取り付け、その間に配置するシール板は、フィンを両面に有するようにする。そして、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材のフィンを咬み合わせるようにシール部材を積層することで、分割可能な対向型のラビリンス流路を有する軸封装置となる。

本発明の軸封装置は、転炉炉体用、詳しくは転炉炉体支持及び転炉炉体傾動用のトラニオンリングの冷却空気の流入部のエアー漏洩を抑制するために、トラニオンリングの回転軸に好適に適用できる。他にも、蒸気タービンや空気圧縮機等の回転流体機械の軸封装置として適用可能である。

１ 軸封装置
２ シール部材
３ シール板
４ フィン
５ 分割線（シール部材が円周方向に分割されたことで生じる分割線）
６ 分割線（シール部材が軸方向に分割されたことで生じる分割線）
７ 流入口
８ 流出口
２０ 回転軸
３０ ケーシング
３１ ケーシングカバー

Claims (2)

1. 回転機械の回転軸に設置される軸封装置であって、
   前記軸封装置は、環状のシール部材を回転軸のラジアル（半径）方向に重ねて形成し、
   前記シール部材は、シール板と該シール板の表面に設けられラジアル方向に伸びるフィンを備え、かつ、回転軸の円周方向に２つ以上に分割されて構成され、
   さらに、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の円周方向に２つ以上に分割されたことで生じる分割線を円周方向にずらして配置したことを特徴とする軸封装置。
2. シール部材が、回転軸の軸方向に２つ以上に分割されて構成され、
   さらに、ラジアル方向に重ねた隣接するシール部材について、前記回転軸の軸方向に２つ以上に分割されたことで生じる分割線を軸方向にずらして配置したことを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。