JP3583438B2 - シャフトシール - Google Patents
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Description
本発明は、ターボ機械に用いられる回転するシャフトのための非接触シャフトシールに関する。
非接触シャフトシールは、両方のシール面が相互に接触するシールよりも、摩耗が少なく熱の発生も少ない故に有利である。ライフ ガブリエルによる「螺旋溝つき非接触面シールの基礎」というタイトルの論文（Ralph P.Gabriel,Journal of American Society of Lubrication Engineers,Vol.35,7,P.367−375）、及び、ジョセフ シーディによる「流体力学的効果を高めることによる、フィルム乗上げ式ガスシールの性能の改善」（Transactions of the American Society of Lubrication Engineers,Vol.23,1,P.35−44）は、非接触シールの技術と設計基準について記述しており、本文にも参考として記載されている。
米国特許4,212,475は、ターボ機械のシャフトシールについて述べていて、そのシャフトシールは、ばねの力を受けたシール要素と、回転するシールリングを含んでいて、それらのうちの一方の端面には、シール面のほか複数の螺旋形の溝が設けられている。それら溝は、溝とシール面の間の境界である第３の円によって接続されている二つの横断円弧で形成されていて、それら二つの横断円弧は、四つの頂点を形成しており、二つの頂点はシール面との境界にあり、二つの頂点は、回転するリングまたは円形の要素の入口端の面、すなわち、上述のリングの一方のものの外側または内側のエッジ上に作られてよい入口端の面にある。このような場合には、シール領域の幅と、リングの端面全体の幅は、溝が、回転するリングまたは円形の要素の外側のエッジから作られているときは、
（GD−ID）／（OD−ID）＝0.5〜0.8
溝がそれらリングの一方のものの内側のエッジから作られているときは、
（OD−GD）／（OD−ID）＝0.5〜0.8
の式で決まる。ここに、
ODは外側直径、
IDは内側直径、
GDは、溝とシール面の境界によって定義される円の直径、である。
溝を形成することは、要素とリングの両方の端面の相互の摩擦によって起こる摩耗を防止する必要に起因している。リングが回転すると、チャンバーから移って来たガスが溝の中に捕らえられ、中心に向かって動かされる。回転の間、溝の中のガスは圧縮され、それの圧力が上昇し、要素に影響を及ぼして円形の要素とリングの両方の端面の間のギャップの生成を助長する力が生成する。この力とギャップは、圧縮機の運転のモードが一定していてシャフトの回転の指定の速度とチャンバー内のギャップの圧力が確実にされる条件の下では、ほぼ一定である。過渡的状態、例えば回転速度が低減されてチャンバー内部のガス圧力は依然として高いという状態においては、ギャップの外側及び内側の、リング及び要素に影響を及ぼす力のバランスが乱される。このときに、歪み、リングと要素の両方の端面相互間の摩擦、それら面の摩耗、及び故障が見られる。運転モードの変化は、ロータの振動の増大や回転型シールリングのねじり振動を招来し、それはシール用の端面の摩耗やシールの故障につながる。このことにより、シャフトの前記のシールの欠点は、過渡的状態での運転の際の低い信頼性にあり、それは、リングと要素の両方のシール端面の間のギャップの不安定性（ギャップの中にある作動流体の層の不安定性）に起因している。
ロシアの発明者証明書1,535,122が、ばね力を受けた円形のシール要素と回転するシールリングでのシャフトシールについて記述していて、そのシールリングの一方の端面にシール面が設けられているが、そのシール面は、その中に設けられた、各々が分割の仕切りを有する螺旋形の複数の溝を有している。そこでは、各々の螺旋形の溝における分割の仕切りは、実質的に長方形の突出部の形に作られている。その突出部は、各々の溝を、鈍角の頂点で終わる二つのキャビティに分割している。その分割の仕切りは、シール面と一体構造、そしてリングの端面と面揃いに作られている。上記の仕切りは、溝の中でのガスの流れを、円形の頂点を有する溝におけるよりも良くすること、つまり、端ギャップの内部の作動流体の半径方向の層を安定化することを意図したものである。しかし、このような性質の仕切りを有するシャフトセルは、スタートアップ、シャットダウン、またはモーターの速度変更のような過渡的状態の間に、ガス層の不安定層を生成する。このことは、過渡的状態（例えばスタートアップやシャットダウン）の間の端ギャップにおける作動流体の半径方向の層の安定化の乱れにつながり、そして、このことは、リングと要素の歪みや振動の発生、ひいては、要素の端面の局部的な摩耗、及び、シールの故障を招来する。
EP−Ａ−0 595 437が、三角形の溝パターンを有する非接触のガスシールを開示している。その溝パターンは、シールの両方向運転を可能にしている。
本発明は、溝の形を改善することによって、ターボ機械を働かせるための過渡的状態を含む種々の運転のモードの下で、端ギャップにおける作動流体の安定した半径方向の層を生成させることを追求している。作動流体は、普通にはガスであるとする。
本発明によれば、特許請求の範囲の請求項１に記載のシャフトシールが提供される。仕切りがガスの流れに対して鋭角をなす面だけを形成するように形作られ．それにより、ガス流れの途絶が少ししか招来されない、というのが望ましい。
本発明は、仕切りの周り及び／またはチャンネルの中での滑らかなガスの流れを可能にするような仕切りを提供する。したがって、従来技術での長方形のような仕切りと比べての、特に過渡的状態の間でのガス層の安定性の著しい改善が提供される。本発明者が想像するところでは、従来技術での仕切りは、それによって出現した鈍角の面の故に、溝の中でのガスの流れに対する障害物として働いていた。したがって、仕切りは、特に過渡的状態の間には、ガスの流れにおける乱れを招来し、ガスの流れに反抗するように働き、それにより、ガス層の安定性を低下させていた。
仕切りは、適当などんな形をしていてもよいが、分割の仕切りが、楔形、例えば２対の相対する頂点を結ぶ二つの円弧の交差によって形成される楔形に作られるのが望ましい。
本発明の望ましい実施形態によれば、シールは下記の特徴を有している。シールリングは、外側直径（DH）と内側直径（DO）を有する。螺旋形の溝がシールリングの外側エッジから延びている場合には、楔形の仕切りの頂点が位置するところの直径（DK）の円と、溝とシール面の間の境界である直径（DB）の円は、
（DK−DB）／（DH−DB）＝0.2〜0.8
の式で定義される。
シール面の幅とシールリングの端面全体は、溝がシールリングの外側エッジから延びている場合、
（DB−DO）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
の式で定義される。
そして、溝がシールリングの内側エッジから延びている場合は、
（DB−DK）／（DB−DO）＝0.2〜0.8
であり、シール面の幅とシールリングの端面全体は、（DH−DB）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
である。ここに、
DHはシールリングの外側エッジの直径、
DKは、溝の楔形仕切りの頂点が位置するところの円の直径、
DBは溝とシール面の間の境界である円の直径、
DOはシールリングの内側直径、である。
さらに、溝の側方エッジを形成する円弧は、半径Ｒで形成され得る。Ｒは、溝が外側直径から作られている場合には、シールリングの外側直径（DH）の半分と相等しい。Ｒは、溝がリングの内側エッジから作られている場合には、内側直径（DO）の半分と相等しい。Ｒは、一つの円の上から測られるが、その円とは、直径が外側直径（DH）と
D/DH＝0.25〜0.4
という関係で結ばれるような円である。
ここで、Ｄは、溝の側方エッジの円弧の半径中心が位置するところの円の直径である。
さらに、またはその代わり、シールリングにある螺旋形の溝に相対しているシール要素の面の外側直径が半径方向の複数のガイドスロットを有していてよい。これらガイドスロットは、螺旋形の溝の中に入るガスの圧力の入口損失を減らす目的で、対向する面と鋭角をなすように形成されている。
要素またはシーリングの外側の溝のない端面上の、端面の面と鋭角をなした半径方向のガイドスロットは、圧力の入口損失の低減、温度の低減、及び動力損失の低減を可能にする。これらスロットは、端ギャップの中への入口における流れの渦の除去と、シールギャップＳの中でのガスの流れの安定性の増大、つまり一定したシールギャップＳの維持、を増進する。
円形の要素と回転するリングの間のシールギャップＳの範囲は、ギャップＳにあるシール端に影響を及ぼすガスによる静的な力のほか、シールする円形の要素と回転するリングの両方の外側面に影響を及ぼす力、ばねの力（または他の片寄せ手段）、及び、螺旋形の溝が作動流体に及ぼす影響に起因するガスによる動的なバランシングの力、の平衡によって維持される。もちろん、ギャップＳは、シール面の幅及び／または溝の長さが変わって来るはずの個々の設置の場合に応じて変えられる。
圧縮機の運転モードの変更に起因する過渡的状態の間、例えば、スタートアップまたはシャットダウンの間には、溝の内側直径上の仕切りによって形成された鋭角が圧力の高い領域を生成し、作動ギャップＳを維持する。作動ガスのモードに応じての、ガスのフィルムのスチフネスの調整は、溝の中の仕切りの角度を変えることによって制御され得る。それにより、要素の片寄せ力に反抗してシールギャップの大きさを一定に保つような力を実現するような、所定のベース圧力が生成され得る。これは、運転のモードの変更の間に力のバランスを維持することにより、振動の減衰や歪みをコントロールする。その結果、両方の端面は実質的に平行に維持され、それら面の摩耗が低減される。
入って来るガスに合わせた、溝の内側に向けての鋭角を形成している楔形の分割仕切りは、溝のどちらかの角度部への作動流体の動きの空気力学の改善を可能にする。
諸直径間の関係が、
（DK−DB）／（DH−DB）＝0.2〜0.8と
（DB−DK）／（DB−DO）＝0.2〜0.8
であれば、ここで説明する設置の場合においては、溝の中での最適のガス流が実現される。
関係が、
（DB−DO）／（DH−DO）＝0.3〜0.5と
（DH−DB）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
であれば、回転するリングとシール要素の両方のシール面の最適の面間ギャップＳの生成のために必要な力を実現し得る螺旋形溝の正しい寸法決めが可能になる。ここに、
DHはシールリングの外側直径、
DKは、溝の楔形（仕切り）の頂点が位置しているところの円の直径、
DBは溝とシール面の間の境界である円の直径、
DOはリングの内側直径、である。
溝の中での空気力学をさらに改善するには、溝の側方エッジを形成する円弧が半径Ｒを有していて、Ｒは、溝がリングの外側エッジから作られている場合にはリングの外側直径（DH）の半分と相等しく、溝がリングの内側エッジから作られている場合にはリングの内側直径（DO）の半分と相等しい。それら円弧の中心は、一つの円の上にあって、その円とは、直径がリングの外側直径と
D/DH＝0.25〜0.4
という関係で結ばれるような円である。ここに、
Ｄは、溝の側方エッジの円弧の半径Ｒの中心が位置するところの円の直径である。
上述の実施形態においては、諸関係は実験的に定められ得る。それら実施形態においては、定義された範囲が、シールの安定性に最大の改善を与える。
要するに、上記の諸手段により、過渡的な状態を含む種々のターボ機械の運転モードにおける端ギャップの内部の作動流体の安定した層を有するシャフトシールが提供される。
回転するシールリングの中に螺旋形の溝が形成されるのではなくて、回転しないシール要素の中に溝が形成されてもよい。このようにすることは、溝の中に入る流体の流れが減るので、ギャップＳを生成するために溝の寸法を変えることを必要とするかもしれない。
過渡的状態の間に流体が送り込まれるところの各チャンネルの終端に与えられた小さい容積が、回転するシールリングと回転しないシール要素の間の距離（Ｓ）を維持するような高圧力の領域を生成する。
溝と仕切り壁の形状は、必要な圧力を維持させるような流体の流れを生成させるように設計される。
以降においては、本発明の望ましい実施例を、下記の図面を参照しつつ説明する。図面において、
図１は、シールの縦断面図、
図２は、溝がリングの外側直径上に作られた場合の図１のＡ−Ａ矢視の断面図、
図３は、溝がリングの内側直径上に作られた場合の図１のＡ−Ａ矢視の断面図、
図４は、図１のＢ−Ｂ矢視の断面図、
図５は、図４のＣ−Ｃ矢視の断面図、
図６は、シールに働く力の、概略図的な圧力分布マップ、
図７は、図２のシールリングの１部分の拡大図、
図８は、図７のＡ−Ａ矢視の視図（寸法無視）、
図９は、図７のＢ−Ｂ矢視の視図（寸法無視）である。
本発明は、押し付け用のばね２を伴った円形のシール要素１と回転するリング３を含んで成っているシャフトシールを提供する。リング３の端面４には、シール面５と、それの内側または外側の円から螺旋角度に沿って延びている螺旋形の複数の溝６が設けられている。そこでは、溝６は、シール面５と一体構造で端面４と面揃いになっている分割仕切りを有している。仕切り７は、楔７の形に作られていて、その楔形は、２対の相対する頂点、すなわち、溝の入口端Ｓ上と、溝６とシール面５の境界になっている円の直径上にある相対する頂点10と11,12と13を結ぶ二つの追加的な円弧８と９の交差によって形成されていて、二つの鋭角を溝６とシール面５の間の境界上の頂点10と13において、そしてなお、一つの鋭角14を溝６の中において形成している。
それら溝は、リングの外側直径DHの側からと、それの内側直径DOの側からの、どちらで作られてもよい。浅い溝６（図２参照）が、シール要素１に面したシールリング３の面の中で形成されている。その溝の底面は、断面の幅内で平らであって（Ａ−Ａ矢視及びＢ−Ｂ矢視の断面を示す図7,8、及び９参照）、螺旋の角度に沿って、一方の、リングの外側円への開口から、内側に向いた10と13にある頂点に向けて、半径方向内側に延びている（再び図２参照）。頂点10,13は、リングの内側の円から半径方向外側に離れていて、そこに、溝のないリング表面の一つの半径方向セクション５（ダム領域）を残している。溝の螺旋の方向は、この場合においては、シャフトの回転方向に対して反対の方向である。
回転するリング３の外側直径DH、楔（仕切り）７の頂点が合わされたところの円の直径DK、溝６とシール面５の間の境界である円の直径DB、及び、シールリング３の内側直径DOの関係は、
（ｉ）溝６がシールリングの外側エッジから作られているときは、
（DK−DB）／（DH−DB）＝0.2〜0.8、
（ii）溝６がシールリングの内側エッジから作られているときは、
（DB−DK）／（DB−DO）＝0.2〜0.8
である。
シール面５の幅と、螺旋形の溝６が設けられているリング３の端面全体の幅の関係は、
（ｉ）溝６がリングの外側直径の外側エッジの端から作られているときは、
（DB−DO）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
（ii）溝６がリング３の内側エッジから作られているときは、
（DH−DB）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
である。ここに、
DHは、溝６が設けられたリング３または要素１の外側直径、
DKは、楔（仕切り）７の頂点と溝６があるところの円の直径、
DBは溝６とシール面５の境界である円の直径、
DOは、リング３または要素１の内側直径、である。
溝６がシール面の外側エッジからのものであるときは、横断円弧、すなわち、リング３の外側直径の端からある溝６の頂点10,12、及び13,11を結ぶ横断円弧は、リング３の外側直径DHの大きさの半分に等しい半径Ｒで形成されていればよい。
溝が、シール面の内側エッジから延びているのであれば、横断円弧は、リング３の内側直径の大きさの半分に等しい半径Ｒで形成されていればよい。
その円のどちらにある場合でも、円弧の半径Ｒの中心は、
D/DH＝0.25〜0.4
の式で決まる直径上にある。ここに、
Ｄは、溝の側方エッジの円弧の半径Ｒの中心があるところの円の直径である。
さらに、またはその代わりに、端面15、すなわち、リングをシールしている、（この場合）螺旋形の溝６のない要素１の端面、の外側直径が、半径方向の、端面15と鋭角をなすように作られた複数のガイドスロット16を有している。リングをシールしている要素１と回転するリング３は、シャフト17のチャンバー18の中に置かれていて、外側面19,20,21、及び22を有している。
作動（シール）ギャップＳが、リング３と円形の要素１の両方の端面の間に形成されている。
本発明は、下記のように作動するシャフトシールを提供している。ターボ機械を運転すると、作動流体、例えば移送されるガスは、回転するリング３とシール要素１の上のチャンバー18へと動く。シャフト17が回転していると、移送されるガスは、ガイドスロット16と螺旋形のスロット６を経て動き、そこでガスは、中心に向かってシール面５に向って動きつつ圧縮され、圧力が上昇する。運転中には、ガスは、溝に沿って半径方向内方へと流れつつ、圧入されて圧力が上り、溝の頂点10,13において最高圧力に達する。この、より高い圧力が、ばね２の力に反抗して二つのシール１と３の間に小さいギャップＳ（図１）を開く。ギャップを通してのガスの漏れは、低い設計流量にある（さきに参考にした論文参照）．シャフト17が回転していないときには、ばね２が、可動のシール要素１を動かしてギャップを閉じる。本発明の設計では、シールは両方向性ではなく、シールを離す圧力は、シャフトの回転の両方向で生成するのではない。しかし、この技術は、両方向性のシールにも応用され得る。
したがって、溝の形は、通常は数ミクロンに等しいギャップＳの大きさを決定するために適合させられ得る。シール端ギャップＳの大きさは、要素１とリング３の、シール端面4,15及び外側面19,20,21,22に影響を及ぼしているガスの静的な力のほか、ばね２の力、及び、螺旋形の溝６が作動流体に及ぼす効果の結果としての動的にバランスする力の平衡によって維持される。
このシールの設計においては、ギャップＳの中で発せられる圧力は、固定されたシール要素１の裏側に向けて存在している圧力（固定されたシール要素の左側の圧力曲線で示されている）に対抗してバランスしている。ＯリングRA（通常第２のシールと言われる）が半径方向に置かれていることが、システム圧力にさらされる裏側の面積を決めている。第２のシールが置かれているところの直径は、シールのバランス直径である。
例えばスタートアップやシャットダウンの間のような、運転モードを変えるときには、定義された圧力が、作動ギャップＳの中の頂点10と13における溝の角度の内側で、そこでのガスのフィルムの抵抗力をコントロールしつつ、生成される。回転速度が高い場合（シール上と作動ギャップＳ内の圧力差は一定で）には、圧縮されるべきガスは、頂点12と10を結ぶ壁に沿って運動し、頂点10の角度の内側で圧縮される。
圧縮機のスタートアップやシャットダウンの間に過渡的モードで運転しているときには、回転するリング３の円周速度が低い故に、ガスは、最高圧力では、実質的に壁の連結頂点13と11を結ぶ壁に沿って動き、頂点13の角度の中で圧縮される。
したがって、運転のモードを変えるときには、シールのアセンブリーとしては、溝が他の形である場合に比べて、より幅の広い、シャフトの回転数が低いときに作動する面が摩擦することがない定常運転の範囲を有する。
シール要素１と回転するシールリング３の軸方向の変位、つまり軸方向の振動があった場合、シールするギャップＳの大きさは変わる。シールするギャップの増大は、ギャップ内のガス流量の半径方向コンポーネントの増大を招来する。その場合、ガスは、角度13の中で圧縮される。
シールするギャップＳの減少は、ギャップ内のガス流量の周方向コンポーネントの増大を招来する。ガスは、頂点10における角度の中で圧縮される。
要するに、本発明は、軸方向振動をかなり減少させ、結果的にそれをダンピングさせるような、螺旋形の溝６の形を提供している。そこでは、シールするギャップの両方の作動する面は接触しない。
このシャフトシールは、回転するリング３に対してのシール要素１の角度変位が起こった場合の自己アラインメントの能力を有する。角度的歪みが起こった場合、シールする半径方向にあるギャップの増大が一方の側で起こり、減少が他方の側で起こる。上述したように、本発明のシールは、シールするギャップＳにおける力のバランス、したがって、シールのアセンブリーとしての角度的歪みの減少、すなわち角度的安定化を提供する。
図面から知られるように、どの実施形態においても、種々ある円は同心的であって、それらの中心は回転するリング３の回転の軸線上にある。
非接触シャフトシールは、両方のシール面が相互に接触するシールよりも、摩耗が少なく熱の発生も少ない故に有利である。ライフ ガブリエルによる「螺旋溝つき非接触面シールの基礎」というタイトルの論文（Ralph P.Gabriel,Journal of American Society of Lubrication Engineers,Vol.35,7,P.367−375）、及び、ジョセフ シーディによる「流体力学的効果を高めることによる、フィルム乗上げ式ガスシールの性能の改善」（Transactions of the American Society of Lubrication Engineers,Vol.23,1,P.35−44）は、非接触シールの技術と設計基準について記述しており、本文にも参考として記載されている。
米国特許4,212,475は、ターボ機械のシャフトシールについて述べていて、そのシャフトシールは、ばねの力を受けたシール要素と、回転するシールリングを含んでいて、それらのうちの一方の端面には、シール面のほか複数の螺旋形の溝が設けられている。それら溝は、溝とシール面の間の境界である第３の円によって接続されている二つの横断円弧で形成されていて、それら二つの横断円弧は、四つの頂点を形成しており、二つの頂点はシール面との境界にあり、二つの頂点は、回転するリングまたは円形の要素の入口端の面、すなわち、上述のリングの一方のものの外側または内側のエッジ上に作られてよい入口端の面にある。このような場合には、シール領域の幅と、リングの端面全体の幅は、溝が、回転するリングまたは円形の要素の外側のエッジから作られているときは、
（GD−ID）／（OD−ID）＝0.5〜0.8
溝がそれらリングの一方のものの内側のエッジから作られているときは、
（OD−GD）／（OD−ID）＝0.5〜0.8
の式で決まる。ここに、
ODは外側直径、
IDは内側直径、
GDは、溝とシール面の境界によって定義される円の直径、である。
溝を形成することは、要素とリングの両方の端面の相互の摩擦によって起こる摩耗を防止する必要に起因している。リングが回転すると、チャンバーから移って来たガスが溝の中に捕らえられ、中心に向かって動かされる。回転の間、溝の中のガスは圧縮され、それの圧力が上昇し、要素に影響を及ぼして円形の要素とリングの両方の端面の間のギャップの生成を助長する力が生成する。この力とギャップは、圧縮機の運転のモードが一定していてシャフトの回転の指定の速度とチャンバー内のギャップの圧力が確実にされる条件の下では、ほぼ一定である。過渡的状態、例えば回転速度が低減されてチャンバー内部のガス圧力は依然として高いという状態においては、ギャップの外側及び内側の、リング及び要素に影響を及ぼす力のバランスが乱される。このときに、歪み、リングと要素の両方の端面相互間の摩擦、それら面の摩耗、及び故障が見られる。運転モードの変化は、ロータの振動の増大や回転型シールリングのねじり振動を招来し、それはシール用の端面の摩耗やシールの故障につながる。このことにより、シャフトの前記のシールの欠点は、過渡的状態での運転の際の低い信頼性にあり、それは、リングと要素の両方のシール端面の間のギャップの不安定性（ギャップの中にある作動流体の層の不安定性）に起因している。
ロシアの発明者証明書1,535,122が、ばね力を受けた円形のシール要素と回転するシールリングでのシャフトシールについて記述していて、そのシールリングの一方の端面にシール面が設けられているが、そのシール面は、その中に設けられた、各々が分割の仕切りを有する螺旋形の複数の溝を有している。そこでは、各々の螺旋形の溝における分割の仕切りは、実質的に長方形の突出部の形に作られている。その突出部は、各々の溝を、鈍角の頂点で終わる二つのキャビティに分割している。その分割の仕切りは、シール面と一体構造、そしてリングの端面と面揃いに作られている。上記の仕切りは、溝の中でのガスの流れを、円形の頂点を有する溝におけるよりも良くすること、つまり、端ギャップの内部の作動流体の半径方向の層を安定化することを意図したものである。しかし、このような性質の仕切りを有するシャフトセルは、スタートアップ、シャットダウン、またはモーターの速度変更のような過渡的状態の間に、ガス層の不安定層を生成する。このことは、過渡的状態（例えばスタートアップやシャットダウン）の間の端ギャップにおける作動流体の半径方向の層の安定化の乱れにつながり、そして、このことは、リングと要素の歪みや振動の発生、ひいては、要素の端面の局部的な摩耗、及び、シールの故障を招来する。
EP−Ａ−0 595 437が、三角形の溝パターンを有する非接触のガスシールを開示している。その溝パターンは、シールの両方向運転を可能にしている。
本発明は、溝の形を改善することによって、ターボ機械を働かせるための過渡的状態を含む種々の運転のモードの下で、端ギャップにおける作動流体の安定した半径方向の層を生成させることを追求している。作動流体は、普通にはガスであるとする。
本発明によれば、特許請求の範囲の請求項１に記載のシャフトシールが提供される。仕切りがガスの流れに対して鋭角をなす面だけを形成するように形作られ．それにより、ガス流れの途絶が少ししか招来されない、というのが望ましい。
本発明は、仕切りの周り及び／またはチャンネルの中での滑らかなガスの流れを可能にするような仕切りを提供する。したがって、従来技術での長方形のような仕切りと比べての、特に過渡的状態の間でのガス層の安定性の著しい改善が提供される。本発明者が想像するところでは、従来技術での仕切りは、それによって出現した鈍角の面の故に、溝の中でのガスの流れに対する障害物として働いていた。したがって、仕切りは、特に過渡的状態の間には、ガスの流れにおける乱れを招来し、ガスの流れに反抗するように働き、それにより、ガス層の安定性を低下させていた。
仕切りは、適当などんな形をしていてもよいが、分割の仕切りが、楔形、例えば２対の相対する頂点を結ぶ二つの円弧の交差によって形成される楔形に作られるのが望ましい。
本発明の望ましい実施形態によれば、シールは下記の特徴を有している。シールリングは、外側直径（DH）と内側直径（DO）を有する。螺旋形の溝がシールリングの外側エッジから延びている場合には、楔形の仕切りの頂点が位置するところの直径（DK）の円と、溝とシール面の間の境界である直径（DB）の円は、
（DK−DB）／（DH−DB）＝0.2〜0.8
の式で定義される。
シール面の幅とシールリングの端面全体は、溝がシールリングの外側エッジから延びている場合、
（DB−DO）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
の式で定義される。
そして、溝がシールリングの内側エッジから延びている場合は、
（DB−DK）／（DB−DO）＝0.2〜0.8
であり、シール面の幅とシールリングの端面全体は、（DH−DB）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
である。ここに、
DHはシールリングの外側エッジの直径、
DKは、溝の楔形仕切りの頂点が位置するところの円の直径、
DBは溝とシール面の間の境界である円の直径、
DOはシールリングの内側直径、である。
さらに、溝の側方エッジを形成する円弧は、半径Ｒで形成され得る。Ｒは、溝が外側直径から作られている場合には、シールリングの外側直径（DH）の半分と相等しい。Ｒは、溝がリングの内側エッジから作られている場合には、内側直径（DO）の半分と相等しい。Ｒは、一つの円の上から測られるが、その円とは、直径が外側直径（DH）と
D/DH＝0.25〜0.4
という関係で結ばれるような円である。
ここで、Ｄは、溝の側方エッジの円弧の半径中心が位置するところの円の直径である。
さらに、またはその代わり、シールリングにある螺旋形の溝に相対しているシール要素の面の外側直径が半径方向の複数のガイドスロットを有していてよい。これらガイドスロットは、螺旋形の溝の中に入るガスの圧力の入口損失を減らす目的で、対向する面と鋭角をなすように形成されている。
要素またはシーリングの外側の溝のない端面上の、端面の面と鋭角をなした半径方向のガイドスロットは、圧力の入口損失の低減、温度の低減、及び動力損失の低減を可能にする。これらスロットは、端ギャップの中への入口における流れの渦の除去と、シールギャップＳの中でのガスの流れの安定性の増大、つまり一定したシールギャップＳの維持、を増進する。
円形の要素と回転するリングの間のシールギャップＳの範囲は、ギャップＳにあるシール端に影響を及ぼすガスによる静的な力のほか、シールする円形の要素と回転するリングの両方の外側面に影響を及ぼす力、ばねの力（または他の片寄せ手段）、及び、螺旋形の溝が作動流体に及ぼす影響に起因するガスによる動的なバランシングの力、の平衡によって維持される。もちろん、ギャップＳは、シール面の幅及び／または溝の長さが変わって来るはずの個々の設置の場合に応じて変えられる。
圧縮機の運転モードの変更に起因する過渡的状態の間、例えば、スタートアップまたはシャットダウンの間には、溝の内側直径上の仕切りによって形成された鋭角が圧力の高い領域を生成し、作動ギャップＳを維持する。作動ガスのモードに応じての、ガスのフィルムのスチフネスの調整は、溝の中の仕切りの角度を変えることによって制御され得る。それにより、要素の片寄せ力に反抗してシールギャップの大きさを一定に保つような力を実現するような、所定のベース圧力が生成され得る。これは、運転のモードの変更の間に力のバランスを維持することにより、振動の減衰や歪みをコントロールする。その結果、両方の端面は実質的に平行に維持され、それら面の摩耗が低減される。
入って来るガスに合わせた、溝の内側に向けての鋭角を形成している楔形の分割仕切りは、溝のどちらかの角度部への作動流体の動きの空気力学の改善を可能にする。
諸直径間の関係が、
（DK−DB）／（DH−DB）＝0.2〜0.8と
（DB−DK）／（DB−DO）＝0.2〜0.8
であれば、ここで説明する設置の場合においては、溝の中での最適のガス流が実現される。
関係が、
（DB−DO）／（DH−DO）＝0.3〜0.5と
（DH−DB）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
であれば、回転するリングとシール要素の両方のシール面の最適の面間ギャップＳの生成のために必要な力を実現し得る螺旋形溝の正しい寸法決めが可能になる。ここに、
DHはシールリングの外側直径、
DKは、溝の楔形（仕切り）の頂点が位置しているところの円の直径、
DBは溝とシール面の間の境界である円の直径、
DOはリングの内側直径、である。
溝の中での空気力学をさらに改善するには、溝の側方エッジを形成する円弧が半径Ｒを有していて、Ｒは、溝がリングの外側エッジから作られている場合にはリングの外側直径（DH）の半分と相等しく、溝がリングの内側エッジから作られている場合にはリングの内側直径（DO）の半分と相等しい。それら円弧の中心は、一つの円の上にあって、その円とは、直径がリングの外側直径と
D/DH＝0.25〜0.4
という関係で結ばれるような円である。ここに、
Ｄは、溝の側方エッジの円弧の半径Ｒの中心が位置するところの円の直径である。
上述の実施形態においては、諸関係は実験的に定められ得る。それら実施形態においては、定義された範囲が、シールの安定性に最大の改善を与える。
要するに、上記の諸手段により、過渡的な状態を含む種々のターボ機械の運転モードにおける端ギャップの内部の作動流体の安定した層を有するシャフトシールが提供される。
回転するシールリングの中に螺旋形の溝が形成されるのではなくて、回転しないシール要素の中に溝が形成されてもよい。このようにすることは、溝の中に入る流体の流れが減るので、ギャップＳを生成するために溝の寸法を変えることを必要とするかもしれない。
過渡的状態の間に流体が送り込まれるところの各チャンネルの終端に与えられた小さい容積が、回転するシールリングと回転しないシール要素の間の距離（Ｓ）を維持するような高圧力の領域を生成する。
溝と仕切り壁の形状は、必要な圧力を維持させるような流体の流れを生成させるように設計される。
以降においては、本発明の望ましい実施例を、下記の図面を参照しつつ説明する。図面において、
図１は、シールの縦断面図、
図２は、溝がリングの外側直径上に作られた場合の図１のＡ−Ａ矢視の断面図、
図３は、溝がリングの内側直径上に作られた場合の図１のＡ−Ａ矢視の断面図、
図４は、図１のＢ−Ｂ矢視の断面図、
図５は、図４のＣ−Ｃ矢視の断面図、
図６は、シールに働く力の、概略図的な圧力分布マップ、
図７は、図２のシールリングの１部分の拡大図、
図８は、図７のＡ−Ａ矢視の視図（寸法無視）、
図９は、図７のＢ−Ｂ矢視の視図（寸法無視）である。
本発明は、押し付け用のばね２を伴った円形のシール要素１と回転するリング３を含んで成っているシャフトシールを提供する。リング３の端面４には、シール面５と、それの内側または外側の円から螺旋角度に沿って延びている螺旋形の複数の溝６が設けられている。そこでは、溝６は、シール面５と一体構造で端面４と面揃いになっている分割仕切りを有している。仕切り７は、楔７の形に作られていて、その楔形は、２対の相対する頂点、すなわち、溝の入口端Ｓ上と、溝６とシール面５の境界になっている円の直径上にある相対する頂点10と11,12と13を結ぶ二つの追加的な円弧８と９の交差によって形成されていて、二つの鋭角を溝６とシール面５の間の境界上の頂点10と13において、そしてなお、一つの鋭角14を溝６の中において形成している。
それら溝は、リングの外側直径DHの側からと、それの内側直径DOの側からの、どちらで作られてもよい。浅い溝６（図２参照）が、シール要素１に面したシールリング３の面の中で形成されている。その溝の底面は、断面の幅内で平らであって（Ａ−Ａ矢視及びＢ−Ｂ矢視の断面を示す図7,8、及び９参照）、螺旋の角度に沿って、一方の、リングの外側円への開口から、内側に向いた10と13にある頂点に向けて、半径方向内側に延びている（再び図２参照）。頂点10,13は、リングの内側の円から半径方向外側に離れていて、そこに、溝のないリング表面の一つの半径方向セクション５（ダム領域）を残している。溝の螺旋の方向は、この場合においては、シャフトの回転方向に対して反対の方向である。
回転するリング３の外側直径DH、楔（仕切り）７の頂点が合わされたところの円の直径DK、溝６とシール面５の間の境界である円の直径DB、及び、シールリング３の内側直径DOの関係は、
（ｉ）溝６がシールリングの外側エッジから作られているときは、
（DK−DB）／（DH−DB）＝0.2〜0.8、
（ii）溝６がシールリングの内側エッジから作られているときは、
（DB−DK）／（DB−DO）＝0.2〜0.8
である。
シール面５の幅と、螺旋形の溝６が設けられているリング３の端面全体の幅の関係は、
（ｉ）溝６がリングの外側直径の外側エッジの端から作られているときは、
（DB−DO）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
（ii）溝６がリング３の内側エッジから作られているときは、
（DH−DB）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
である。ここに、
DHは、溝６が設けられたリング３または要素１の外側直径、
DKは、楔（仕切り）７の頂点と溝６があるところの円の直径、
DBは溝６とシール面５の境界である円の直径、
DOは、リング３または要素１の内側直径、である。
溝６がシール面の外側エッジからのものであるときは、横断円弧、すなわち、リング３の外側直径の端からある溝６の頂点10,12、及び13,11を結ぶ横断円弧は、リング３の外側直径DHの大きさの半分に等しい半径Ｒで形成されていればよい。
溝が、シール面の内側エッジから延びているのであれば、横断円弧は、リング３の内側直径の大きさの半分に等しい半径Ｒで形成されていればよい。
その円のどちらにある場合でも、円弧の半径Ｒの中心は、
D/DH＝0.25〜0.4
の式で決まる直径上にある。ここに、
Ｄは、溝の側方エッジの円弧の半径Ｒの中心があるところの円の直径である。
さらに、またはその代わりに、端面15、すなわち、リングをシールしている、（この場合）螺旋形の溝６のない要素１の端面、の外側直径が、半径方向の、端面15と鋭角をなすように作られた複数のガイドスロット16を有している。リングをシールしている要素１と回転するリング３は、シャフト17のチャンバー18の中に置かれていて、外側面19,20,21、及び22を有している。
作動（シール）ギャップＳが、リング３と円形の要素１の両方の端面の間に形成されている。
本発明は、下記のように作動するシャフトシールを提供している。ターボ機械を運転すると、作動流体、例えば移送されるガスは、回転するリング３とシール要素１の上のチャンバー18へと動く。シャフト17が回転していると、移送されるガスは、ガイドスロット16と螺旋形のスロット６を経て動き、そこでガスは、中心に向かってシール面５に向って動きつつ圧縮され、圧力が上昇する。運転中には、ガスは、溝に沿って半径方向内方へと流れつつ、圧入されて圧力が上り、溝の頂点10,13において最高圧力に達する。この、より高い圧力が、ばね２の力に反抗して二つのシール１と３の間に小さいギャップＳ（図１）を開く。ギャップを通してのガスの漏れは、低い設計流量にある（さきに参考にした論文参照）．シャフト17が回転していないときには、ばね２が、可動のシール要素１を動かしてギャップを閉じる。本発明の設計では、シールは両方向性ではなく、シールを離す圧力は、シャフトの回転の両方向で生成するのではない。しかし、この技術は、両方向性のシールにも応用され得る。
したがって、溝の形は、通常は数ミクロンに等しいギャップＳの大きさを決定するために適合させられ得る。シール端ギャップＳの大きさは、要素１とリング３の、シール端面4,15及び外側面19,20,21,22に影響を及ぼしているガスの静的な力のほか、ばね２の力、及び、螺旋形の溝６が作動流体に及ぼす効果の結果としての動的にバランスする力の平衡によって維持される。
このシールの設計においては、ギャップＳの中で発せられる圧力は、固定されたシール要素１の裏側に向けて存在している圧力（固定されたシール要素の左側の圧力曲線で示されている）に対抗してバランスしている。ＯリングRA（通常第２のシールと言われる）が半径方向に置かれていることが、システム圧力にさらされる裏側の面積を決めている。第２のシールが置かれているところの直径は、シールのバランス直径である。
例えばスタートアップやシャットダウンの間のような、運転モードを変えるときには、定義された圧力が、作動ギャップＳの中の頂点10と13における溝の角度の内側で、そこでのガスのフィルムの抵抗力をコントロールしつつ、生成される。回転速度が高い場合（シール上と作動ギャップＳ内の圧力差は一定で）には、圧縮されるべきガスは、頂点12と10を結ぶ壁に沿って運動し、頂点10の角度の内側で圧縮される。
圧縮機のスタートアップやシャットダウンの間に過渡的モードで運転しているときには、回転するリング３の円周速度が低い故に、ガスは、最高圧力では、実質的に壁の連結頂点13と11を結ぶ壁に沿って動き、頂点13の角度の中で圧縮される。
したがって、運転のモードを変えるときには、シールのアセンブリーとしては、溝が他の形である場合に比べて、より幅の広い、シャフトの回転数が低いときに作動する面が摩擦することがない定常運転の範囲を有する。
シール要素１と回転するシールリング３の軸方向の変位、つまり軸方向の振動があった場合、シールするギャップＳの大きさは変わる。シールするギャップの増大は、ギャップ内のガス流量の半径方向コンポーネントの増大を招来する。その場合、ガスは、角度13の中で圧縮される。
シールするギャップＳの減少は、ギャップ内のガス流量の周方向コンポーネントの増大を招来する。ガスは、頂点10における角度の中で圧縮される。
要するに、本発明は、軸方向振動をかなり減少させ、結果的にそれをダンピングさせるような、螺旋形の溝６の形を提供している。そこでは、シールするギャップの両方の作動する面は接触しない。
このシャフトシールは、回転するリング３に対してのシール要素１の角度変位が起こった場合の自己アラインメントの能力を有する。角度的歪みが起こった場合、シールする半径方向にあるギャップの増大が一方の側で起こり、減少が他方の側で起こる。上述したように、本発明のシールは、シールするギャップＳにおける力のバランス、したがって、シールのアセンブリーとしての角度的歪みの減少、すなわち角度的安定化を提供する。
図面から知られるように、どの実施形態においても、種々ある円は同心的であって、それらの中心は回転するリング３の回転の軸線上にある。
Claims (9)
- 回転するシールリング（３）の端面に向かう片寄せ力を受けているシール要素（１）を有するシャフトシールであって、シールリング（３）またはシール要素（１）の端面（４）がシール面（５）を有し、このシール面（５）がその一方の縁部からシール面（５）の周りを延びている一つの境界へ延びている螺旋形の複数の溝（６）を有しており、各溝（６）が、前記境界から延びていて前記溝（６）を二つのチャンネルに分割している分割仕切り（７）を有している、シャフトシールにおいて、前記仕切り（７）が、溝（６）内の流体の流れの途絶を実質的に最小にするように、互いに鋭角をなして交差する二つの仕切り壁からなっており、そして、前記仕切りが二つだけの仕切り壁を有していて、一方の仕切り壁が、前記溝（６）の一方の側方壁と前記境界の交差部から延びており、他方の仕切り壁が、前記溝（６）の他方の側方壁と前記境界の交差部から延びていることを特徴とするシールリング。
- 仕切り（７）が実質的に楔形に作られている、請求項１記載のシャフトシール。
- 仕切りが、シール面（５）の中で溝を閉じていて、一方の仕切り壁と一方の側方壁が、それら間に鋭角を作るように交差しており、他方の仕切り壁と他方の側方壁が、それら間に鋭角を作るように交差している、請求項１または２に記載のシャフトシール。
- 仕切り壁、及び／または側方壁が湾曲している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシャフトシール。
- 分割仕切りが、境界と第１の円弧及び第２の円弧の中に形成された楔を含んでいて、第１の円弧は、一方の仕切り壁と一方の側方壁の交差点からシール面（５）のエッジの近くの他方の側方壁へ延びており、第２の円弧は、前記の他方の仕切り壁と前記他方の側方壁の交差点からシール面（５）のエッジの近くの一方の側方壁へ延びている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシャフトシール。
- シールリング（３）の外側エッジが直径DHの円であり、シールリング（３）の内側エッジが直径DOの円であり、各々の溝の中で仕切り壁同志の交差は直径DKの円の上で行われており、各々の溝の中で前記仕切り壁と側方壁の交差は直径DBの円の上で行われており、それら円の関係は、
（ｉ）溝（６）がシール面（５）の外側エッジから作られている場合には、
（DK−DB）／（DH−DB）＝0.2〜0.8、
（ii）溝（６）が回転するリング（３）はたは環状の要素（１）の内側直径のエッジから作られている場合には、
（DB−DK）／（DB−DO）＝0.2〜0.8
の式で決まる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシャフトシール。 - シール面（５）の幅と、リング（３）または要素（１）の端面（４）全体の幅が、
（iii）溝（６）がシール面（５）の外側エッジの端から作られている場合には、
（DB−DO）／（DH−DO）＝0.3〜0.5、
（iv）溝がシール面（５）の内側エッジから作られている場合には、
（DH−DB）／（DH−DO）＝0.3〜0.5
の式で決まる、請求項６記載のシャフトシール。 - 各々の溝（６）の各々の前記側方壁が、半径Ｒの円弧に沿って延びていて、そのＲは、（ａ）溝（６）がシール面（５）の外側エッジから延びている場合には外側直径（DH）の半分、（ｂ）溝がシール面（５）の内側エッジから延びている場合にはシール面（５）の内側直径の半分に等しく、なお、それら円弧の中心は、直径Ｄの円の上にあり、そのＤのシール面の外側直径DHとの関係は、
D/DH＝0.25〜0.4
の式で決まる、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシャフトシール。 - シール要素（１）またはシール面（３）の、螺旋形の溝（６）を有しないシール面が、半径方向の複数のガイドスロット（16）を含んでいて、これら半径方向ガイドスロット（16）の各々の引っ込んだ壁は、シール面の内側または外側のエッジから、シール面に対して鋭角をなすように延びている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシャフトシール。
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