JP4115318B2 - メカニカルシール構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、缶水循環ポンプなどのように高圧条件下で用いられるメカニカルシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば強制循環ボイラの缶水循環ポンプのように、高温高圧の流体圧力が作用する軸封部においては、従来よりメカニカルシールが採用されている。また、一般的なメカニカルシール構造は、高圧下で使用した場合にシール面となるシールリングと静止環との接触面が平行を維持できずにシール性を損なうことが知られている。このため、高温高圧の条件下では、静止環から分割させた遊動環を備えた遊動環型のメカニカルシールが採用されている。
【０００３】
そこで、従来の遊動環型のメカニカルシール構造を図５に基づいて簡単に説明する。図５において、符号の１は回転軸、２は回転環、３はシールリング、４はシールケーシング、５は静止環、６は遊動環、７はスプリングリテーナ、８はスプリング、９はバックアップリング、１０はＯリング、１１はアダプタを示している。
なお、回転環２及びシールリング３は回転軸１に取り付けられた図示省略のインペラと一体に回転する構成部材であり、他のシールケーシング４、静止環５、遊動環６、スプリングリテーナ７等は固定側の構成部材となる。
【０００４】
遊動環６は、回転環２に固定されたシールリング３と、シールケーシング４に軸線方向摺動自在に保持され、かつ回転環方向に付勢された静止環５との間に挟圧保持され、両端側部分がほぼ対称形状をなす円環状の部材である。この場合、缶水等高温高圧の被密封流体領域Ｈと大気圧の非密封流体領域Ｌとの間は、シールリング３と遊動環６との接触面であるシール面３ａ，６ａの相対回転摺接作用により遮蔽シールするように構成されている。
一般的な従来構成では、遊動環６にはコバルトバインダー超硬合金製のものが用いられ、また、バックアップリング９にはグラスファイバー入りポリテトラフルオロエチレンが用いられている。
なお、ポリテトラフルオロエチレンは、一般的には「テフロン（登録商標）」という商品名で広く知られているフッ素樹脂のことである。
このような遊動環を有するメカニカルシールの公知文献としては、例えば下記の特許文献１がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１９８０４２号公報（第３−４頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のメカニカルシール構造では、たとえば強制循環ボイラ内の圧力に近い高圧が作用するような条件下ではリークが発生してしまい、十分なシール機能を発揮することができなかった。このため、缶水循環ポンプでは封水を導入して高圧に対応するなど軸封部へ作用する圧力を極力低く抑え、メカニカルシール部の耐圧条件を緩和して使用しているのが現状である。
したがって、使用可能な耐圧条件をできるだけ高く設定できるようにして、たとえば高温高圧の缶水に曝されてもリークのないメカニカルシール構造が望まれている。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、高温高圧の流体に曝されても軸封部からの漏れをなくすことができる、耐圧特性に優れたメカニカルシール構造の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載のメカニカルシール構造は、回転軸側と一体に回転する回転環に保持されたシールリングとシールケーシング側に保持された静止環との間に遊動環を挟圧保持してなり、前記静止環とスプリングリテーナとの間をＯリング及びブロンズ入りポリテトラフルオロエチレン製のバックアップリングによりシールしたことを特徴とするものである。
【０００９】
このようなメカニカルシール構造によれば、対圧縮性及び対クリープ性に優れているブロンズ入りポリテトラフルオロエチレン製のバックアップリングを採用したことにより、高圧を受けてもバックアップリングが所定位置からはみ出すようなことはなく、シール面の追従性が向上して良好なシール性を得ることができる。
【００１０】
請求項２に記載のメカニカルシール構造は、回転軸側と一体に回転する回転環に保持されたシールリングとシールケーシング側に保持された静止環との間にニッケルバインダー超硬合金製の遊動環を挟圧保持してなることを特徴とするものである。
【００１１】
このようなメカニカルシール構造によれば、耐食性に優れたニッケルバインダー超硬合金を採用したので、遊動環のシール面におけるコロージョンによるエロージョンの発生を抑制してシール性及び耐久性を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に記載のメカニカルシール構造は、回転軸側と一体に回転する回転環に保持されたシールリングとシールケーシング側に保持された静止環との間に遊動環を挟圧保持してなり、前記遊動環にハイドロカット部を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
このようなメカニカルシール構造によれば、シール面の潤滑水取込を目的として設けられるハイドロカット部を通じて、シール面への潤滑水（インジェクション水を利用）を供給することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るメカニカルシール構造の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図３は缶水循環ポンプ２００の概要を示しており、上部に位置する駆動モータ２３０と下部に設けられたインペラ２０１とが、一本の回転軸１で連結されている。駆動モータ２３０とインペラ２０１との間は原動機台２０２と呼ばれ、該原動機台２０２内の上部には軸受２０３が、そして、下部には後述する遊動環型のメカニカルシール（以後、「遊動環型メカニカルシール」と呼ぶ）２０が組み込まれている。
【００１５】
遊動環型メカニカルシール２０における缶水のシール方法としては、ボイラ運転中は給水ポンプ（図示省略）も運転されているため、給水の一部を導入したインジェクション水を上下のフローティングリング２０４、２０５間に導入し、このインジェクション水により封水して、缶水がインペラ２０１から上昇するのを抑制することができる。
なお、フローティングリング２０４，２０５間に導入されたインジェクション水（図中に太線矢印で示す）は、一部が缶水と合流して図示省略の水ドラムへ送水され、残りは図示省略の脱気器などへ導かれる。
また、導入したインジェクション水は、フローティングリング２０４，２０５でたとえば９８Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２ ）程度まで減圧した後、メカニカルシール２０で最終的なシールがなされる。
【００１６】
しかし、ボイラ運転を停止したホットバンキング中は、給水ポンプの運転も停止されるため、図４に示すように、インジェクション水の供給がなくなって封水ができなくなる。このため、たとえば１９６０Ｐａ（２００ｋｇ／ｃｍ^２ ）程度とボイラ本体内とほぼ同様の高圧となる缶水が、図中に太線矢印で示すように回転軸１に沿って上昇するので、高温高圧の缶水圧力をメカニカルシール２０だけでシールする必要が生じる。
【００１７】
ここで使用する遊動環型メカニカルシール２０は、図１に示すように、ポンプの回転軸１と一体的に動作する回転側の主な構成要素として回転環２及びシールリング３等があり、また、静止側の主な構成要素としては、スプリングリテーナ７、アダプタ１１、静止環５及び遊動環６等がある。
このメカニカルシール２０では、静止側となる遊動環６のシール面６ａと回転側となるシールリング３のシール面３ａとの接触面における相対回転摺接作用により、高圧流体側の被密封流体領域Ｈと大気圧の非密封流体領域Ｌとに遮蔽シールするように構成されている。
スプリングリテーナ７に保持されたスプリング８は、静止環５及び遊動環６に付勢してシールリング３へ向けて上から下へ押圧する機能を有しており、バックアップリング９を介して配設したＯリング１０により、静止環５とスプリングリテーナ７との間をシールして、高圧流体側の被密封流体領域Ｈから大気圧の非密封流体領域Ｌへ缶水が漏れないようにしている。
【００１８】
遊動環６は、円環状をなす本体部の両端面に突設されたほぼ同一形状をなす円環状の押圧部６１及びシール部６２からなる断面凸字形状の部材であり、押圧部６１の端面が静止環５の端面５ａに接触すると共に、シール部６２の端面となるシール面６ａがシールリング３の端面たるシール面３ａと摺接する。
また、この遊動環６には、図２に示すように、シール面６ａを部分的に切り欠いてハイドロカット部６ｂを設けてある。このハイドロカット部６ｂは、相対回転して摺接するシール面３ａ，６ａ間に冷却等を目的とする潤滑水が供給されるようにしたものである。図示の例では、ハイドロカット部６ｂが４５度ピッチで８箇所に設けられている。なお、ハイドロカット部６ｂの数や配置は、図示の例に限定されるものではない。
【００１９】
上述した遊動環型のメカニカルシールは、高圧特性に優れていることが知られているが、たとえば缶水循環ポンプにおいて封水がなくなったような運転条件下の缶水（１９６０Ｐａ程度の高圧流体）でもリークが生じないようにするためには、さらに耐圧特性を向上させる必要がある。
そこで、高圧におけるリークの原因を追及するため、発明者らは種々の試験・研究を行ってきた。
【００２０】
この結果、第１の成果として、グラスファイバー入りポリテトラフルオロエチレン製であるバックアップリング９が高圧の作用を受けると、所定位置からのはみ出しによるシール面の追従不良が発生する場合があり、これを原因としてリークが生じることを見出した。すなわち、静止環５とスプリングリテーナ７との間にシール不良箇所が生じ、同シール不良個所から高圧流体のリークが発生することがあるのである。
そこで、バックアップリング９について、種々の材料変更を行って試験を実施したところ、ブロンズ入りポリテトラフルオロエチレン製のバックアップリング９を採用するのが最も優れた結果をもたらすことを見出した。これは、ブロンズ入りポリテトラフルオロエチレン製のバックアップリング９が、高圧仕様に必要な耐圧縮性や耐クリープ性の面で優れているためと推測される。
【００２１】
第２の成果として、高圧を受けてリークが発生したメカニカルシール２０を分解点検したところ、遊動環６のシール面６ａにコロージョンによるエロージョンの発生が認められた。これは遊動環６の材質（コバルトバインダー超硬合金）に問題があるためと推測されることから、様々な材料を用いて耐食性に関する試験を実施したところ、ニッケルバインダー超硬合金が最も優れた耐食性を示した。したがって、本発明では、ニッケルバインダー超硬合金製の遊動環６を採用することにした。
【００２２】
これまで説明したメカニカルシール構造は、強制循環ボイラの缶水循環ポンプの軸封部に限定されることはなく、特に高温高圧の流体を扱うポンプ類の軸封構造として広く適用可能なことは言うまでもない。
そして、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜組合せたり変更したりすることが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のメカニカルシール構造によれば、以下の効果を奏する。
（１）バックアップリングをブロンズ入りポリテトラフルオロエチレン製としたので、静止環とスプリングリテーナとの間でバックアップリングのはみ出しによるリーク発生を防止できるようになり、高圧に対する耐久性や信頼性を向上させることができる。
（２）遊動環をニッケルバインダー超硬合金製としたので、遊動環のシール面にコロージョンによるエロージョンが発生するのを防止でき、高圧に対する耐久性や信頼性を向上させることができる。
（３）遊動環にハイドロカット部を設けたことにより、シール面の潤滑性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る遊動環型メカニカルシール構造の一実施形態を示す要部断面図である。
【図２】 図１に示した遊動環型メカニカルシールの遊動環を示す図あり、（ａ）はハイドロカット部を示す拡大図、（ｂ）は底面図である。
【図３】 缶水循環ポンプの概要を示す断面図であり、インジェクション水のポンプ内経路を示している。
【図４】 図３に示す缶水循環ポンプへのインジェクション水供給が停止され、缶水が軸封部に流れる経路を示す図である。
【図５】 従来の遊動環型メカニカルシール構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
２ 回転環
３ シールリング
３ａ シール面
５ 静止環
６ 遊動環
６ａ シール面
６ｂ ハイドロカット部
７ スプリングリテーナ
９ バックアップリング
１０ Ｏリング
２０ 遊動環型メカニカルシール

Claims (3)

1. 回転軸側と一体に回転する回転環に保持されたシールリングとシールケーシング側に保持された静止環との間に遊動環を挟圧保持してなり、前記静止環とスプリングリテーナとの間をＯリング及びブロンズ入りポリテトラフルオロエチレン製のバックアップリングによりシールしたことを特徴とするメカニカルシール構造。
2. 前記シールリングと前記静止環との間に、ニッケルバインダー超硬合金製の遊動環を挟圧保持してなることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール構造。
3. 前記遊動環にハイドロカット部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール構造。

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