JPH0154584B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、軸と共に回転しかつ流路を備えた回
転密封環と、軸線方向に弾性的に変位可能でハウ
ジングに密封するように結合される静止密封環
と、これら回転密封環と静止密封環との間に自由
に回転可能に設けられる滑動環とを有する、流体
を使用した軸封装置に関する。

この種の軸封装置は、ガスの圧縮および膨張用
流体機械の回転軸とハウジングとの間を密封する
ために使用される。

〔従来の技術〕

英国特許第1269285号明細書による軸封装置で
は、軸と同じ回転数で回転する回転密封環内に設
けられてほぼ半径方向に延びる通路のポンプ作用
により冷却油の流れが生じ、この油流が軸線方向
に転向されて滑動環にある軸線方向穴を通つて導
かれ、静止部分にある別の穴を通つて戻される。

すなわち第７ａ図において、ハウジング４に密
封するように結合されて軸線方向外方へ弾性的に
変位可能な静止密封環１４と、回転する軸１上に
密封するように固定された回転密封環２との間に
は、滑動環８が自由に回転できるように、回転密
封環２の筒状延長部２′に対して半径方向遊隙を
おいて設けられている。ハウジング４にある穴１
５を経て供給される油は、軸１を同軸的に包囲す
る固定スリーブ３０の内側にある環状室３１と、
回転密封環２の筒状延長部２′と軸１との間にあ
る環状室３２とを通り、回転密封環２に設けられ
てほぼ半径方向に延びる通路３３のポンプ作用に
より流れを生じ、この油流は軸線方向に転向され
て、滑動環８にある軸線方向穴３４と、固定密封
環１４にある穴３５と、ハウジング４にある穴３
６とを通り、スリーブ３０の外側にある環状室３
７から、スリーブ３０の自由端で転向して、再び
スリーブ３０の内側の環状室３６へ戻つて、循環
せしめられる。

軸１と共に回転する回転密封環２は、滑動環８
を引きずつて、軸１より低い回転数で回転させ
る。この滑動環８の回転数は、それに作用するト
ルクによつて決定される。このトルクは、大体に
おいて滑動環８の接触面としての両端面に生ずる
摩擦トルクM_I，M_II（第７ｂ図参照）によつて決
定される。

このような滑動環を使用する軸封装置では、摩
擦係数は回転数にわずかしか関係しないので、回
転密封環２から滑動環８へ摩擦によつて伝達され
る滑動環駆動摩擦トルクM_Iは、第８図に示すよ
うに、滑動環８−静止密封環１４間の摩擦トルク
M_IIと滑動環回転数n_Gの上昇につれて増大する滑
動環８の壁面摩擦トルクM_Mとの和（M_II＋M_M）
である滑動環制動摩擦トルクより常に小さい。

全速力で回転する密封環２の通路３３から流出
する油流は、自由に回転する滑動環８にある軸線
方向穴３４へ衝撃なしに流入する場合、タービン
トルクを生じない。なぜならば、この場合穴３４
の入口および出口における速度線図の速度三角形
が同じだからである。

滑動環８が全く回転しないかまたは低い回転数
で回転すると、回転密封環と滑動環との大きい相
対速度により、かなりの摩擦熱も生ずる。一方高
い回転数で循環路に生ずる付加的な流れ損失は、
不利な付加的温度上昇を生ずる。

摩擦熱の発生に関しては、滑動環８が回転密封
環２の半分の回転数で回転すること、すなわち滑
動環８が回転密封環２と静止密封環１４とに対し
てそれぞれ同じ相対速度をもつことが望ましい。
なぜならば、この場合相対速度が最も小さいから
である。しかしながら、ここではそのための手段
は考慮されていない。

したがつてこのような軸封装置は低ないし中速
度にしか適していない。すなわち速度が高いと、
前述した温度上昇を打消すには不充分な放熱のた
め過熱がおこつて、滑動環の消耗を早めることに
なる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、流れのエネルギにより生ずる
トルクによつて滑動環を駆動し、回転密封環のほ
ぼ半分の回転数をとらせることにより滑動環の摩
擦面に最小の摩擦熱しか発生せず、この摩擦熱を
油流により確実に導出できるように、軸封装置を
構成することである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題を解決するため本発明によれば、軸と
共に回転する回転密封環が滑動環に近い方の側に
方向づけられた流れを生ずるポンプ羽根車を備
え、この羽根車が密封兼冷却流体をハウジングに
設けられた転向通路へ導き、この転向通路内に少
なくとも１つの固定案内羽根車が設けられ、滑動
環がタービン羽根車を備えている。

〔発明の作用・効果〕

こうして軸と同じ回転数で回転する回転密封環
に設けられるポンプ羽根車は、ハウジングに設け
られた転向通路にある少なくとも１つの案内羽根
車により、方向づけられた油の流れを生じ、滑動
環に設けられるタービン羽根車へこの流れが流入
する。流れのエネルギはタービン羽根車中でトル
クに変換され、このトルクが滑動環を回転させ
る。滑動環から流出する油流は、最短経路でうず
を生ずることなくポンプ羽根車により再び吸入さ
れて循環する。

本発明による軸封装置では、ポンプ羽根車、案
内羽根車およびタービン羽根車を組合わせ、その
寸法および羽根角の設定により、滑動環は、軸の
ほぼ半分の回転数で回転し、したがつて回転密封
環と静止密封環とに対してそれぞれ同じ相対速度
をとることができる。こうして一方の相対速度が
他より高いことにより大きい摩擦熱が回避され
る。しかも油の流れに適した循環路は、壁の所に
おける摩擦損失のほかには、うずの形成による出
力損失を生じない。さらにタービン羽根車および
ポンプ羽根車により強制的に導かれる油流は、相
対回転する部分の対向面すなわち密封面に生ずる
摩擦熱の強力な放熱を行ない、それにより軸封装
置の信頼性および寿命が著しく改善される。

〔実施例〕

第１図において、流体機械の軸１上には、回転
数n_Wで回転する回転密封環２が設けられ、この
回転密封環２にポンプ羽根車３が一体化されてい
る。このポンプ羽根車３により、ハウジング４に
設けられた転向通路５を通る流体例えば油が、固
定案内羽根車６を経て、滑動環８に一体化された
タービン羽根車７へ供給され、空間１２を経て再
びポンプ羽根車３へ流入し、こうして循環せしめ
られる。滑動環８は２つの密封環９，１０（ここ
では炭素）を含み、これらの密封環９，１０は、
流体機械の処理ガス空間１１を空間１２および１
３内の密封油に対して密封し、しかも一方の側で
は軸１と共に回転する回転密封環２に対して密封
し、また他方の側では軸線方向へ弾性的に変位可
能で密封するようにハウジング４と結合された静
止密封環１４に対して密封している。滑動環８の
密封環９，１０とその周囲は、その軸線方向変位
が許容範囲内にあるように設計されている。

前述した循環のため穴１５を通つて供給される
油は空間１３へ入り、そこから複数の穴１６を通
つて転向通路５へ流入する。周方向に見てこれら
の穴１６は、流れる油が大きい方向変化なしに転
向通路５へ流入するように傾斜している（第１ａ
図）。

必要な場合には付加的な外部接続口２４を経
て、付加的な油を交換のためポンプ−タービン循
環路へ導くことができる。

空間１３へ流入する油の一部は滑り軸受２３を
経て直接空間２２へ達する。

第２図は、第１図の−線に沿う断面、すな
わちハウジング４の転向通路５にある案内羽根車
６と、滑動環８にあるタービン羽根車７とを示し
ている。油流は案内羽根車６内に生ずる絶対速度
c_IGで半径方向外側から滑動環８のタービン羽根
車７へ入り、絶対速度c_2Gで半径方向内側へ出る。

第３図は、このときの油流の絶対速度ｃ、ター
ビン羽根車７に対する油流の相対速度ｗおよびタ
ービン羽根車７の周速度ｕの速度線図（速度三角
形）を示し、流入個所すなわち第２図においてタ
ービン羽根車７の外径における速度には添え字１
Ｇを、流出個所すなわちタービン羽根車７の内径
における速度には添え字２Ｇをつけてある。ター
ビン羽根車７の外径における周速度u_1Gにより、
流入絶対速度c_1Gから相対流入速度w_1Gが得られ
る。タービン羽根車７の内径において油流が相対
速度w_2Gで流出し、その際周速度u_2Gから絶対流出
速度c_2Gが得られる。流入側と流出側における絶
対速度c_1Gとc_2Gとの周方向成分差、および周速度
u_1Gとu_2Gとの差から、タービン羽根車７によつて
生ずるトルクM_Tが得られる。

第４図は第１図の−線に沿う断面を示し、
ポンプ羽根車３へ、半径方向内側から油が絶対流
入速度c_1P（第５図）で供給されるが、第４図によ
る構成では、この絶対流入速度c_1Pの大きさおよ
び方向が、タービン羽根車７の絶対流出速度c_2G
（第３図も参照）とほぼ同じになつている。また、
第４図の構成では、滑動環８したがつてタービン
羽根車７の回転数が、軸１したがつてポンプ羽根
車６の回転数n_Wのほぼ半分の値をとるようにな
つており、それに応じてポンプ羽根車３の周速度
u_1P（第５図）は、タービン羽根車７の周速度u_2G
の約２倍になつている（第３図も参照）。速度c_1P
とu_1Pから相対流入速度w_1Pが得られ、これがポン
プ羽根車３の内側羽根角を決定する。油流はポン
プ羽根車３から相対速度w_2Pで半径方向外側へ流
出し、その際周速度u_2Pにより絶対流出速度c_2Pが
生ずる（第５図）。絶対速度c_2Pでポンプ羽根車３
を出る油流は、転向通路５において運動量モーメ
ントの法則に従つて減速され、続いて再び案内羽
根車６へ入り、この案内羽根車６内において油流
は再びタービン羽根車７の絶対流入速度c_1G（第３
図）を得る。ポンプ羽根車３の流出側と流入側に
おける油流の絶対速度の周方向成分差および周速
度差から、ポンプ羽根車３から油流へ与えられる
エネルギが得られる。

なお滑動環８に設けられるタービン羽根車７
は、第６図に示すように、密封環２による駆動摩
擦トルクM_Iのほかに付加的なトルクM_Tを発生
し、この付加的なトルクM_Tは（軸１の回転数n_W
を一定と考えて）滑動環８の回転数n_Gの増大につ
れて減少する傾向をもつている。一方壁面摩擦ト
ルクM_Mは滑動環回転数n_Gと共に増大する傾向を
もつている。こうして、滑動環８へ伝達される駆
動トルク（M_I＋M_T）が制動トルク（M_II＋M_M）
に等しくなる滑動環回転数n_G〓を求めることがで
きる。ここでM_IIは前述したように滑動環８と静
止密封環１４との間の摩擦トルクである。

公知のように構成された密封片２１は、油が転
向通路５から羽根車６とタービン羽根車７との間
の空間へ直接流れて行くのを防止している。

滑り軸受２３は公知の構造のラジアル軸受とし
て構成され、それにより滑動環８がその半径方向
に案内される。供給される油は、密封環９および
１０を通る漏油および場合によつてはバイパス流
路へ導出される油の分だけ減少して、公知のよう
に密封間隙として構成された環状間隙１７を通つ
て流出する。この密封間隙１７の寸法は、冷却の
ため空間１３からまた場合によつては外部接続口
２４を経てポンプータービン循環路へ流入する油
が大きい圧力損失なしにこの密封間隙１７を通つ
て流出できるように定められている。圧力をさら
に減少するために、この密封間隙１７の後に公知
の構造の浮動環１９が設けられて、これに空間１
８から密封油が供給される。浮動環１９を経て油
は、排油流路につながる空間２０へ達する。

ハウジングに固定した静止密封環１４は異なる
ように構成することもできる。ベロー１４ａの代
りに、ｏリング内に設けられて引張りばねあるい
は圧縮ばねの予荷重を受けるブシユを設けること
もできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による軸封装置の縦断面図、第
１ａ図は第１図のＡ−Ａ線によるハウジング部分
の断面図、第２図は第１図の−線に沿う案内
羽根車およびタービン羽根車の断面図、第３図は
タービン羽根車の流入側および流出側における速
度線図、第４図は第１図の−線に沿うポンプ
羽根車の断面図、第５図はポンプ羽根車の流入側
および流出側における速度線図、第６図は滑動環
のトルクをその回転数に関して示す線図、第７ａ
図および第７ｂ図は公知の軸封装置の縦断面図お
よびその概略図、第８図は第７図の滑動環のトル
クをその回転数に関して示す線図である。 １…軸、２…回転密封環、３…ポンプ羽根車、
４…ハウジング、５…転向通路、６…案内羽根
車、７…タービン羽根車、８…滑動環、１４…静
止密封環。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸と共に回転しかつ流路を備えた回転密封環
   と、軸線方向に弾性的に変位可能でハウジングに
   密封するように結合される静止密封環と、これら
   回転密封環と静止密封環との間に自由に回転可能
   に設けられる滑動環とを有する軸封装置におい
   て、軸１と共に回転する回転密封環２が滑動環８
   に近い方の側に方向づけられた流れを生ずるポン
   プ羽根車３を備え、この羽根車３が密封兼冷却流
   体をハウジング４に設けられた転向通路５へ導
   き、この転向通路５内に少なくとも１つの固定案
   内羽根車６が設けられ、滑動環８がタービン羽根
   車７を備えていることを特徴とする、流体を使用
   した軸封装置。 ２ 滑動環８が滑り軸受２３内に半径方向に案内
   されていることを特徴とする、特許請求の範囲第
   １項に記載の軸封装置。