JPH04181073A - 双方向非接触メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非接触メカニカルシールの改良に係わり、更
に詳しくはガスタービンやコンプレッサ等の流体機器の
軸封装置として高周速条件下で使用する非接触メカニカ
ルシールに関する。

〔従来の技術〕

従来、コンプレッサ等における回転軸とハウジレグ間を
密封する非接触メカニカルシールは既に提供されている
。例えば、特公平１−２２５０９号公報には、回転軸に
密封固定した回転リングとハウジングに密封装着し且つ
押圧手段にて軸方向へ付勢した非回転リングとの対面す
る各シール面の何れか一方のシール面に、相対的回転方
向に対して前進角を有する同一長さの多数の螺旋溝を円
周方向に一定間隔て設けて封入流体をシール面間に圧送
してなる非接触メカニカルシールが提供されている。

しかし、従来の非接触メカニカルシールは、非回転リン
グに対する回転リングの特定順方向の回転時にのみ前述
の密封性能を有するものであって、それと逆方向の回転
時には逆にシール面間から封入流体が排出されて圧力が
下がり、真空状態となって両シール面が固く接触するの
である。

実際のコンブレーサー等の運転において、通常は設定さ
れた順方向に回転リングが回転しているが、回転初期又
は停止直前において逆回転することがしばしば生じる。

その場合には、両シール面間か強く接触状態で接触する
のて、シール面の磨耗か多くなるとともに、摩擦熱が発
生してその面の特性を損ないかねない。

一方、順方向にのみ回転する場合であっても、ハウジン
グを貫通させた回転軸の両端部を密封するには、回転軸
の軸方向における回転リングと非回転リングの配置は逆
になるため、前記シール面に形成する螺旋溝も逆方向に
前進角を有するように形成しなければならない。これは
、二種類の対称な非接触メカニカルシールが必要である
ことを意味し、コストの上昇につながるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは
、非回転リングに対する回転リングの回転方向が、順方
向又は逆方向の何れの方向になった場合でも、シール面
に形成された螺旋溝によって封入流体をシール面間に圧
送して非接触状態で密封可能な双方向非接触メカニカル
シールを提供する点にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前述の課題解決のために、回転軸に密封固定
した回転リングと７１ウジングに軸方向可動となして密
封装着し且つ押圧手段にて軸方向へ付勢した非回転リン
グとの対接する両シール面に、その外周縁若しくは内周
縁を基端として延び、その終端を閉止した互いに略鏡像
関係にある螺旋溝をそれぞれ設け、前記回転軸の順方向
回転に伴い一方のシール面の螺旋溝で動圧を発生させ、
逆方向回転に伴い他方のシール面の螺旋溝で動圧を発生
させてなる双方向非接触メカニカルシールを構成した。

また、前記螺旋溝のダム巾比を約０．２〜０゜８に設定
した。

そして、通常は予め設定された順方向にのみ回転する回
転軸とハウジング間を密封するには、前記回転軸の順方
向回転による相対的回転方向に対して前進角を有する螺
旋溝の本数を他方より多く設定するか又はその幅を他方
より広く設定するか又はその深さを他方より深く設定し
た。

また、順方向又は逆方向の何れの方向にも回転する回転
軸とハウジング間を密封するには、前記両シール面に形
成する螺旋溝を、完全な鏡像関係となした。

〔作用〕

以上の如き内容からなる本発明の双方向非接触メカニカ
ルシールは、回転軸のシール面と非回転リングのシール
面に、その外周縁若しくは内周縁を基端として延び、そ
の終端を閉止した互いに略鏡像関係にある螺旋溝をそれ
ぞれ設けたことにより、順方向回転に伴い一方のシール
面に形成した螺旋溝による流体輸送作用によって封入流
体をシール面間に圧送し、また逆方向回転に伴い他方の
シール面に形成した螺旋溝による流体輸送作用によって
同様に封入流体をシール面間に圧送し、回転軸が順方向
又は逆方向に回転した場合でも、両シール面を非接触状
態で密封するものである。

また、前記回転軸の順方向回転による相対的回転方向に
対して前進角を有する螺旋溝の本数を他方より多く設定
するか又はその幅を他方より広く設定するか又はその深
さを他、方より深く設定することにより、回転軸が順方
向に回転している場合の密封性能を高め、回転軸か停止
する際に逆方向の回転が生じた場合には、両シール面か
固く接触しない程度に非接触状態を維持するのである。

そして、両シール面に形成する螺旋溝を、完全な鏡像関
係となした場合には、回転軸の回転方向が順方向であっ
ても、逆方向であっても略同様な非接触状態の密封性能
を有するのである。

〔実施例〕

次に添付図面に示した実施例に基づき更に本発明の詳細
な説明する。

第１図は本発明に係る双方向非接触メカニカルシールＭ
の全体構造を示し、ハウジング１と、該ハウジングｌの
開放端を貫通する回転軸２との間に設けている。ここで
、図中Ａは大気圧（低圧）側、Ｂは高圧（シール圧）側
を示している。

本実施例の双方向非接触メカニカルシールＭは、前記回
転軸２に密封固定した回転リング３と、前記ハウジング
１に密封装着した非回転リング４を備え、該回転リング
３と非回転リング４の互いのシール面５，６を対接させ
、そして非回転リング４は密封状態で軸方向可動となす
とともに、ハウジング１に関係づけた押圧手段７にて各
シール面５．６が接近する軸方向に付勢している。そし
て、第２図に示す如く前記回転リング３のシール面５に
は、その外周縁から内方へ延び、相対的回転方向に対し
て前進角を有する螺線溝８を円周方向に一定間隔毎に多
数設けている。一方、第３図に示す如く前記非回転リン
グ４のシール面６には、その外周縁から内方へ延び、相
対的回転方向に対して後退角を有する螺線溝９を円周方
向に一定間隔毎に多数設けている。即ち、前記螺線溝８
と螺線溝９は、その両シール面５，６を対接した場合に
互いに略鏡像関係になるように形成されている。

ここで、前記螺線溝８及９の内方終端は閉止し、即ちシ
ール面５及び６の他の部分と面一となしている。

前記回転リング３は、前記回転軸２に同軸外挿した固定
スリーブ１０に同軸外挿するとともに、該固定スリーブ
１０の一端から延びたフランジ部１１に前記シール面５
とは反対側面を当止し、そしてフランジ部１１を回転軸
２に形成した段部１２に当止状態で前記固定スリーブ１
０に外嵌した締着スリーブ１３と該固定スリーブｌＯの
端部を回転軸２に螺合した保持ナツト１４て締付けるこ
とにより、固定スリーブ１０とともに回転軸２に固定し
、そして回転軸２とフランジ部１１間、回転リング３と
固定スリーブ１０間及び回転リング３とフランジ部１１
間にそれぞれ０リング１５゜１６．１７を介装して密封
している。

前記非回転リング４は、前記ハウジング１に密封固定し
た環状の保持装置１８によって所定位置に軸方向可動と
なして密封保持するとともに、抑圧手段７にて前記回転
リング３のシール面５と、当該非回転リング４のシール
面６が接近する方向へ付勢している。ここで、前記保持
装置１８は、外周一端をハウジング１の段部１９に当止
するとともに、他端を固定スリーブ２０に当止して軸方
向の移動を規制し、更にハウジングｌと保持装置１８の
外周間にはＯリング２１を介装し、また内周縁から軸方
向へ延びた環状の摺動部２２の外周と前記非回転リング
４の内周間に０リング２３を介装して該非回転リング４
を密封状態で軸方向可動となしている。そして、前記保
持装置１８に一端を係着した複数のコイルはね等の弾性
部材からなる押圧手段７の他端を環状のディスク２４を
介して前記非回転リング４のシール面６とは反対側端に
関係づけ、該非回転リング４を前記回転リング３の方向
へ弾性付勢して、両シール面５．６か互いに接近する方
向へ常時押圧力が作用するようになしている。

尚、前記非回転リング４は、前記回転リング３に対して
回転時に完全に接触しないのではなく、回転軸２が静止
状態から回転を始めて初期の段階では接触抵抗により回
転リング３と摺動し、回転軸２が一定回転数以上になっ
た場合には動圧が高くなって互いのシール面５．６が滑
るので非回転リング４は摺動を略停止する。、尚、シー
ル面５゜６間に介在する流体の粘性によりその摺動が略
停止する回転数は異なる。

また、本実施例では、回転リング３と非回転リング４を
一対備えた非接触メカニカルシールＭの例を示したか、
これらを複数用いて軸方向に互いに関係づけて配列させ
たタンデム型のものも採用し得るのである。

第２図及び第３図は本発明の回転リング３及び非回転リ
ング４のシール面５及び６に形成した螺線溝８及び９の
パターンの一例をそれぞれ示し、図示したものは両螺線
溝８，９を完全な鏡像関係に形成したものである。

次に、ダム重比を次式により定義する。

ここで、ＧＤはシール面５．６の共通部分の外形、ＩＤ
は内径、ＧＤは螺線溝の溝領域と平坦領域との境界で形
成される輪郭円の直径である。

（１）式は螺線溝をシール面の外周側を基端として形成
した場合に適用する式であり、（２）は内周側を基端と
して形成した場合に適用する式であり、本発明において
は螺線溝８，９のダム重比を約０゜２〜０．８に設定し
ている。このダム重比の最適値は、他のパラメータ、例
えば封入流体の種類及び圧力、回転数等によって変化す
るが、より好ましい値としては短螺線溝８のダム重比は
約０．３〜０．６である。尚、回転リング３と非回転リ
ング４とてそのダム重比を変えることも可能である。

ここで、本発明における螺線溝は、約２〜１５μｍの深
さを有し、その巾及び前進角の角度は封入流体のシール
圧力及び回転数等によって決定される。尚、本実施例で
は回転リング３のシール面５には前進角を有する螺線溝
８を形成し、非回転リング４のシール面６には後退角を
有する螺線溝９を形成したが、逆の関係に形成すること
も可能である。

また、螺線溝のパターンは、第２図及び第３図に示した
ものに限定されず、各種のパターンを採用し得る。図示
しないが、前記回転軸２の通常の回転方向である順方向
回転に対し、相対的回転方向に対して前進角を有する螺
旋溝８又は９の本数を他方より多く設定するか又はその
幅を他方より広く設定するか又はその深さを他方より深
く設定して、シール面５，６間に圧送する流量を、相対
的回転方向に対して後退角を有する螺線溝９又は８によ
って逆に高圧側Ｂへ排出される流量を少なく設定し、シ
ール面５，６の圧力を封入流体のシール圧力よりも十分
高くなるように設定している。

尚、螺線溝８と９を完全な鏡像関係に形成した場合でも
、本実施例の如く、螺線溝の平面形状においてその開放
端の溝巾より内方の終端の溝巾を狭くすることにより、
相対的回転方向に対して前進角を有する螺線溝によって
シール面５，６間に圧送する流量より後退角を有する螺
線溝によって高圧側Ｂへ排出する流量は少ないことが実
験的に確かめられている。

そして、当該螺線溝をシール面の表面に形成する方法は
、炭化タングステン、炭化珪素、窒化珪素、アルミナセ
ラミック、金属材等の材料で所定形状に回転リング３及
び非回転リング４を成形した後、シール面となる面に螺
線溝を化学的、物理的若しくは電気化学的な手法を用い
て形成する。

例えば、エツチング、粉末を吹きつけるブラスト及び各
種めっき処理によって形成することかできる。

次に、本実施例の双方向非接触メカニカルシールＭにお
いて、非回転リング４はその内周において圧力を受ける
ので、その圧力バランスは、ＢＤをバランス直径とすれ
ば、 で表され、その値は０．５〜１．５に設定している。

しかして、前記回転軸２の特定の順方向の回転方向に対
して回転リング３のシール面５に前進角を有する螺線溝
８を形成し、非回転リング４のシール面６には後退角を
有する螺線溝９を形成するとともに、両螺線溝８，９を
完全な鏡像関係に形成した場合について、その具体的な
動作を以下に述べる。

先ず、前記回転軸２が第４図に示す如く、順方向に高速
回転すると、そのシール面５に形成された螺線溝８によ
り所定のシール圧を有する封入流体をシール面５，６間
に圧送し、それにより第５図に示す如く、該シール面の
半径方向の内部（螺線溝８の終端近傍）においてシール
圧より高い動圧Ｐ　０１が発生し、一方、非回転リング
４のシール面６に形成された螺線溝９は該非回転リング
４の相対的回転方向に対して後退角を有するので、該螺
線溝９によりシール面５，６間に存在する流体を半径方
向外周である高圧側Ｂへ排出し、シール面５，６間の圧
力を減少させ、その結果、前記動圧Ｐ　０１は図示した
ようにＰ。に変更されるが、この動圧Ｐ０のピーク値は
シール圧よりも十分高いので、封入流体を密封すること
が可能である。

次に、前記回転軸２が第６図に示す如く、逆方向に高速
回転すると、その非回転リング４のシール面６に形成さ
れた螺線溝９は該非回転リング４の相対的回転方向に対
して前進角を有するので、該螺線溝９により、所定のシ
ール圧を有する封入流体をシール面５．６間に圧送し、
それにより第７図に示す如く、該シール面の半径方向の
内部（螺線溝９の終端近傍）においてシール圧より高い
動圧Ｐ　Ｉ＋が発生し、一方、回転リング３のシール面
５に形成された螺線溝８は該回転リング３の回転方向に
対して後退角を有するのて、該螺線溝８によりシール面
５，６間に存在する流体を半径方向外周である高圧側Ｂ
へ排出し、シール面５゜６間の圧力を減少させ、その結
果、前記動圧Ｐ　１１は図示したようにＰｌに変更され
るが、この動圧Ｐ１のピーク値はシール圧よりも十分高
いので、封入流体を密封することが可能である。

尚、本実施例では順方向回転に対する動圧Ｐ０は逆方向
回転に対する動圧Ｐ１よりも若干圧力か高い。これは、
静止した封入流体に対する回転リング３の相対的回転速
度は、略その回転速度に近いが、一方、封入流体に対す
る非回転リング４の相対的回転速度はそれと比較して極
端に小さく、そのため回転軸２の順方向回転に対して前
進角を有する螺線溝８によるシール面５，６間への圧送
が、回転軸２の逆方向回転に対して前進角を有する螺線
溝９によるシール面５．６間への圧送に勝るからである
。

このように、前記動圧によって非回転リング４は前記押
圧手段７の押圧力に抗して軸方向へ移動し、流体による
動圧と該押圧手段７の押圧力とか釣り合った状態、即ち
シール面５，６間に平行なギャップを有する非接触状態
になる。この状態において、不可避的に封入流体はシー
ル面５．６間から回転軸２と非回転リング４との間に流
れ、大気側へ若干漏洩する。

以上述べた動作は、回転軸２の順方向回転又は逆方向回
転において、十分な速さの回転速度に達した運転時の場
合であるが、回転数が低い始動初期又は停止直前の動圧
が低い場合にも、各シール面５，６の平坦部が密着する
ので、封入流体の漏洩量は少ない。また、本発明の双方
向非接触メカニカルシールＭを順方向にのみ回転する装
置に組み込んで使用した場合、始動初期又は停止直前に
おいて異常な逆回転が生じた場合でも、互いのシール面
５，６間に封入流体か圧送されるので、いかなる場合で
も両シール面５，６が固く固着することがなく、シール
面５．６の磨耗や摩擦熱による変質等が生じることかな
いのである。

また、本発明の双方向非接触メカニカルシールＭを装着
する装置が、原理上の運転に際してその回転軸２の回転
方向が順方向の回転のみであるものである場合、その密
封性能を高めるためには、相対的回転方向に対して前進
角を有する螺線溝による動圧が可能な限り高いことが望
ましい。その場合には、通常の回転方向に対して前進角
を有する螺線溝８又は９の本数を他方より多く設定する
か又はその幅を他方より広く設定するか又はその深さを
他方より深く設定すれば、順方向回転時に優れた密封性
を持たせることが可能である。

一方、回転軸２をハウジング１に対して貫通状態で配し
、その両端部に本発明の双方向非接触メカニカル−シー
ルＭ、　Ｍを対向させて装着する場合のように、特定の
回転方向における密封性能と、それとは逆方向の回転に
対する密封性能を略一致させたい場合かある。それには
、前記螺線溝８及び９を互いに完全な鏡像関係になるよ
うに形成することも考えられるか、その螺線溝の形状に
よっては完全な鏡像関係に形成しても、順、逆方向の回
転に対して同一の密封性能が得られないことがあること
は、前述の通りである。その場合には、螺線溝の平面形
状を調節するか若しくは前述の如く溝の本数、溝巾、溝
深さ、溝長さ等を調節して完全な鏡像関係から若干変化
を持たせれば、原理的に可能である。

〔発明の効果〕

以上にしてなる本発明の双方向非接触メカニカルシール
によれば、回転軸に密封固定した回転リングとハウジン
グに軸方向可動となして密封装着し且つ押圧手段にて軸
方向へ付勢した非回転リングとの対接するシール面に螺
線溝を設けて封入流体をシール面間に圧送してなる非接
触メカニカルシールにおいて、回転リングと非回転リン
グの両シール面に、その外周縁若しくは内周縁を基端と
して延び、その終端を閉止した互いに略鏡像関係にある
螺線溝をそれぞれ設けてなるのて、回転軸の順方向回転
に伴い一方のシール面に形成した相対的回転方向に対し
て前進角を有する螺旋溝による流体輸送作用によって封
入流体をシール面間に圧送して、そのシール面間の圧力
を封入流体のシール圧より十分に高くなして密封するこ
とかできるとともに、また回転軸の逆方向回転に伴い他
方のシール面に形成した相対的回転方向に対して前進角
を有する螺旋溝による流体輸送作用によって同様に封入
流体をシール面間に圧送して密封することか可能であり
、それにより回転軸か順方向又は逆方向に回転した場合
でも、両シール面を非接触状態で密封することができる
。

従って、回転軸の回転初期又は停止直前において逆回転
が生じても、従来の非接触メカニカルシールのように、
両シール面間が強く接触することによる該シール面の磨
耗が多くなるとともに、摩擦熱か発生してその面の特性
を損なうといった問題が全く生じないのである。

また、′ハウジングを貫通させた回転軸の両端部を密封
するには、回転軸の軸方向における回転リングと非回転
リングの配置は逆になるため、従来は互いに逆方向の回
転を順方向に設定した非接触メカニカルシールをもうち
ていたか、本発明によれば同一の双方向非接触メカニカ
ルシールを回転軸の両端部に対向状態に装着しても、一
方の螺線溝が相対的回転方向に対して前進角を有するの
で、両方とも良好な密封性能を有するのであり、コスト
の低減化を図ることかできる。

更に、前記回転軸の順方向回転による相対的回転方向に
対して前進角を育する螺旋溝の本数を他方より多く設定
するか又はその幅を他方より広く設定するか又はその深
さを他方より深く設定することにより、通常の運転時に
回転軸が順方向にのみ回転する場合において、その密封
性能を高めることができ、回転軸に逆方向の回転が生じ
た場合にも、両シール面が固く接触しない程度に非接触
状態を維持させることができるのである。

そして、両シール面に形成する螺旋溝を、完全な鏡像関
係となした場合には、回転軸の回転方向が順方向であっ
ても、逆方向であっても略同様な非接触状態の密封性能
を有するように設定可能であり、また螺線溝の加工か容
易になり、コストの低減化を図ることかてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の双方向非接触メカニカルシールを回転
軸とハウジング間に装着した状態の要部断面図、第２図
は回転リングのシール面に形成した螺線溝のパターンの
一例を示す端面図、第３図は非回転リングのシール面に
形成した螺線溝のパターンの一例を示す端面図、第４図
は順方向に回転する回転リングと非回転リングの位置関
係を示した簡略説明図、第５図は第４図の状態のシール
面間の圧力分布図、第６図は逆方向に回転する回転リン
グと非回転リングの位置関係を示した簡略説明図、第７
図は第６図の状態のシール面間の圧力分布図である。 Ｍ：双方向非接触メカニカルシール、Ｐｏｌ：順方向回
転における前進角を有する螺線溝による動圧、Ｐｏ　：
順方向回転における全動圧、Ｐ、：逆方向回転における
前進角を有する螺線溝による動圧、Ｐｌ　：逆方向回転
における全動圧、１：ハウジング、２：回転軸、３：回
転リング、４：非回転リング、５：シール面、６：シー
ル面、７：押圧手段、８：螺線溝、９：螺線溝、１吐固
定スリーブ、１１：フランジ部、１２：段部、１３：締
着スリーブ、１４：保持ナツト、１５：０リング、１６
：Ｏリング、１７：０リング、１８：保持装置、１９：
段部、２吐固定スリーブ、２１：０リング、２２：摺動
部、２３：０リング、２４：ディスク。 特許出願人　　　阿　部　吉　秀 第２ｒＩＡ 第３図 第１１！Ｉ Ｉ ｉ〜 ト−− 第４＠ 第６１１１ 第５１！ｌ 圧　　力 第７図 圧　　力

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）回転軸に密封固定した回転リングとハウジングに軸
   方向可動となして密封装着し且つ押圧手段にて軸方向へ
   付勢した非回転リングとの対接する両シール面に、その
   外周縁若しくは内周縁を基端として延び、その終端を閉
   止した互いに略鏡像関係にある螺旋溝をそれぞれ設け、
   前記回転軸の順方向回転に伴い一方のシール面の螺旋溝
   で動圧を発生させ、逆方向回転に伴い他方のシール面の
   螺旋溝で動圧を発生させてなることを特徴とする双方向
   非接触メカニカルシール。 ２）前記螺旋溝のダム巾比を約０．２〜０．８に設定し
   てなる請求項１記載の双方向非接触メカニカルシール。 ３）前記回転軸の順方向回転による相対的回転方向に対
   して前進角を有する螺旋溝の本数を他方より多く設定し
   てなる請求項１又は２記載の双方向非接触メカニカルシ
   ール。 ４）前記回転軸の順方向回転による相対的回転方向に対
   して前進角を有する螺旋溝の幅を他方より広く設定して
   なる請求項１又は２記載の双方向非接触メカニカルシー
   ル。 ５）前記回転軸の順方向回転による相対的回転方向に対
   して前進角を有する螺旋溝の深さを他方より深く設定し
   てなる請求項１又は２記載の双方向非接触メカニカルシ
   ール。 ６）前記両シール面に形成する螺旋溝を、完全な鏡像関
   係となした請求項１又は２記載の双方向非接触メカニカ
   ルシール。