JPH04181073A - 双方向非接触メカニカルシール - Google Patents
双方向非接触メカニカルシールInfo
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- Mechanical Sealing (AREA)
Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
した。
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。
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。
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。
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。
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。
な説明する。
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。
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。
ール面5及び6の他の部分と面一となしている。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
、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。
種めっき処理によって形成することかできる。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
、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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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)
- 【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。
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