JPH0258506B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、蒸気タービンあるいはポンプ等の回
転軸から被密封流体の漏れを防ぐ軸シールのう
ち、化学的に活性な物質でも使用できるビスコシ
ールを用いた密封方法に関するものである。

〔従来の技術〕 従来から“軸シール”は、例えば、水蒸気ター
ビンの軸シールの場合は接触式のメカニカルシー
ルや蒸気圧を減じて行く非接触式のラビリンスシ
ールが使われている。メカニカルシールは接触式
であるため、シール圧も大きく完全密封に近い状
態にできるが、蒸気等の被密封流体の種類によつ
ては、シール材料に腐食を生じるため、例えば、
被密封流体が金属カリウム蒸気のような化学的に
非常に活性な物質の場合には長時間使用できない
などかなりの制約を受ける。一方、ラビリンスシ
ールは非接触式のため被密封流体による腐食に関
してそれほど厳しくないが蒸気等の漏れを完全に
防ぐことはその構造上できない。他方、対向ビス
コシールは実用例がほとんどなく、わずかに高速
増殖炉用Naポンプ軸シールや米国のNASAが宇
宙電源発電機に使用することを計画したことが知
られている程度である。対向ビスコシールは化学
的に非常に活性な物質を被密封流体とする場合に
でもほぼ“完全な密封”が可能であるが、軸シー
ル長当たりの密封圧力が小さいことと、軸回転停
止時には漏れる欠点がある。この対向ビスコシー
ルを使用する場合、回転停止の漏れについてはシ
ールシステムおよびシステル運転方法によつて十
分カバーできることが確認されている。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の対向ビスコシールの密封圧力
を実質上大きくすることと圧力変動に追随するこ
とを目的とするものである。もともとビスコシー
ルは回転軸と固定部（ハウジング）との間隙（ク
リアランス）を小さくするか、周速度を大きくす
ることにより密封圧力を大きくすることができ
る。しかし、現実にはその限界があり、それほど
大きくできない。上記以外にビスコシール部のポ
ンプ圧力を大きくして密封圧力を高める方法とし
てシーラントを一部漏洩させる方法が考えられ
る。この場合は被密封流体とシーラントが同一物
質であることが必要である。ただし、シーラント
が被密封流体と分離できる場合は同一物質でなく
てもよい。本発明はこのようなことが許される場
合に使用可能となる。この方法の利点はシーラン
トを被密封流体側に流すことにより、シーラント
を流さない場合に比べて数倍以上の密封圧力がと
れるので軸シール長が短くでき、かつ、カバーガ
ス圧力調整は一定圧力に加圧するだけなので、被
密封流体の圧力変動に対応したカバーガス圧力の
制御を必要としないこと、また、シーラントの流
れによつてシール部を冷却できることが上げられ
る。

この方法は遮蔽室をほぼ真空にする場合には最
も制御が簡単で、かつ、化学的に非常に活性な流
体、例えば、金属カリウム蒸気タービンの軸シー
ル等に適している。なお、高温でも十分使用でき
るのでその応用範囲が広い。

〔発明の構成〕

第１図は、カリウム蒸気タービンの回転軸シー
ルシステムにおける対向ビスコシールの密封圧力
制御システム例を示す。図において、左側にター
ビン１、右側に発電機（図示せず）、この間、回
転軸１６にそつて対向ビスコシール（ビスコシー
ル２２，２４を互いに逆向きネジに切つて回転軸
上に組み込み、互いにそのポンプ作用による圧力
（ポンプ圧力）がその中央部に加わるようにした
ビスコシールを総称して対向ビスコシールとい
う、またその中央部を対向部２３という、この対
向部２３は通常ネジを切つていない）が設けられ
ている。そしてこの対向ビスコシールの発電機側
にメカニカルシール１３，１５および軸受（図示
せず）がある。対向ビスコシールとメカニカルシ
ール１３，１５の間には遮蔽室２０が設けられ、
一方、ビスコシール２２，２４には対向部２３の
上方の液槽４からカリウム液がシーラント３とし
て供給され、液槽４内のシーラント３の液面５お
よび遮蔽室２０には、シーラント加圧系としてカ
バーガス供給源からのカバーガス圧力が導入され
ており、遮蔽室２０側のビスコシール２２内に
は、遮蔽室２０のカバーガスとの気液界面２１が
存在し、（気液界面２１の対向部２３からの長さ
は液槽４内のシーラント３の高さ、すなわち、カ
リウム液のヘツドｈと液槽４内のカバーガス圧力
および遮蔽室２０の圧力とのバランスによつて決
まる）、タービン１側にはシーラント３が漏洩す
るように図の右側ビスコシール２２に比べ左側
（タービン１側）のビスコシール２４のネジ部を
短くするかまたはクリアランスを大きくする。こ
の漏洩量によつて変動する液槽４内のカバーガス
圧力を圧力センサ２９で検知し制御器９で処理し
て電磁弁２７を作動させ一定圧力になるようにす
る（この考え方は対向部２３の圧力を一定にする
方法である）。また、液槽４内のシーラント３の
液頭（ヘツドｈ）が一定になるようにシーラント
供給系が付加されている。この液槽４内の液面５
は、例えば、第１図のＡ，Ｂの液面計でその位置
を検出して制御器６を通して流量制御弁７でシー
ラント３を制御する。遮蔽室２０の圧力は液槽４
内の圧力と同じにすれば気液界面２１の位置はヘ
ツドｈ一定により変わらない。また遮蔽室２０の
圧力を独立して一定圧力に保つようにしても気液
界面２１は液槽４内のガス圧力一定によつて変わ
らない。しかし、この場合は気液界面２１の位置
はヘツドｈおよび遮蔽室２０圧力と液槽４圧力に
よつてバランスする位置となる。

上記の設定条件（軸回転数、液槽４内圧力、ヘ
ツドｈ：一定）では一定流量のシーラント３が漏
洩する。しかし、この漏洩量はタービン（被密封
流体）側の圧力変動に順応して変化するので後述
（第２図）のようにその限界以下では自分自身で
自動的に密封圧力を制御する結果になる。そのほ
か８，１１，１８，２８は手動弁、１２は減圧調
整弁、１４は潤滑油、１９はドレン、２６はター
ビン１側の軸シール部端を示し、シーラント３中
とくに流出部分を２５で示している。

〔発明の作用〕

第１図において例えば遮蔽室２０の圧力を真空
ポンプで引いてほぼ０気圧とすると、対向ビスコ
シールの右側ビスコシール２２の気液界面２１の
位置は液槽４内の圧力と液頭（ヘツドｈ）の和が
ビスコシール２２のポンプ圧と釣り合うところで
安定する。この状態でタービン１側の被密封流体
の圧力が上昇すると、左側ビスコシール２４のシ
ーラント３の漏洩が少なくなり、ついに漏洩が止
まり気液界面（図示せず）が生じ、その気液界面
が対向部２３に至る。したがつて対向部２３に至
るまでは右側ビスコシール２２の気液界面２１は
安定であるから、この間の被密封流体の圧力変化
が許される。また、タービン１側の圧力が低くな
り遂に０気圧となるまで下がると、タービン１側
へのシーラント３の漏洩量は最大となる。この原
理を以下に説明する。

第２図は縦軸にシーラント漏洩量、横軸にビス
コシールのポンプ圧力をとり、その特性を示した
ものである。図中N₁，N₂は軸１６の回転数でN₁
＜N₂である。ａ点は軸回転数N₁の場合の漏洩量
＝０におけるポンプ圧力で通常“締切圧”と呼ば
れ、ポンプ圧力がこの圧力以下のときは気液界面
がビスコシール内にできる。また、シーラント３
を漏洩させるとそのポンプ圧力はその漏洩量に比
例して大きくなる特性をもつている。いま、第１
図の対向ビスコシールについて考えると、第１図
の左側ビスコシール２４にシーラント３を漏洩さ
せ、最初、第２図のｂ点であつたとする。このと
き、第１図の各部の圧力バランスがとれていたと
する。ここで被密封流体の圧力（タービン１側圧
力）が上昇して来ると、対向部２３の圧力は一定
にしているので、左側ビスコシール２４のポンプ
圧力が小さくならねばならない。第２図におい
て、この圧力変化をみると、最初、シーラント漏
洩量ｂ点に対応するｄ点のポンプ圧力は、例え
ば、ｅ点へ移り、その分だけシーラント漏洩量は
減少してｅ点の圧力に対応するｇ点に移る。この
ように第１図における対向ビスコシールの圧力バ
ランスは保たれることになる。すなわち、シーラ
ント漏洩量の変化が、圧力バランスを自動的に調
整する結果となる。しかし、この圧力変化は被密
封流体の圧力が高くなつて漏洩量が０となり、第
２図のａ点に来ると、気液界面（図示せず）が生
じる。第１図でみると、左側ビスコシール２４に
生じ、さらに、圧力が大きくなり、ついにその気
液界面が対向部２３に達すると圧力バランスは崩
れ、タービン１側の被密封流体は左側ビスコシー
ル２４をぬけて対向部２３から液槽４へ、そして
また右側ビスコシール２２へもぬけて密封状態が
破れる。したがつて、この範囲までの圧力上昇が
被密封流体の圧力変化として許される。他方、被
密封流体の圧力が小さくなると、第２図から分か
るようにシーラント漏洩量は増え、ポンプ圧力は
大きくなり、その圧力バランスを保つようになる
のでシーラント供給系の容量が十分であれば被密
封流体の圧力が０気圧まで下がつても圧力バラン
スは崩れない。したがつて、この圧力変動範囲は
シーラント３を漏洩させない場合に比べてはるか
に大きい密封圧力をつくることができる。ただ
し、本発明はシーラント３の供給系または循環系
路が必要である。このシーラント３を供給する場
合、第１図に示す例では、液槽４内の液頭（ヘツ
ドｈ）を一定に保つための液位制御器６が必要で
ある。この液位センサは第１図ではＡ，Ｂによつ
て上位、下位を検出する電極棒を図示している
が、液位検出はシーラント３の種類によつては他
の方法にしなくてはならない。

つぎに、液槽４および遮蔽室２０内のカバーガ
スの圧力について述べる。

第１図において、液槽４内の圧力を一定に保つ
には、圧力センサ２９によりその圧力を検出し、
その信号を制御器で判断、処理して電磁弁２７を
作動させて液槽４内の圧力を制御する。他方、遮
蔽室２０が０気圧でなく一定圧力を維持する場合
は圧力センサ３０によりその圧力を検出して制御
器９によつて判断、処理して電磁弁１０または電
磁弁１７を作動させて遮蔽室２０の圧力を一定圧
に保つ。このとき液槽４と遮蔽室２０内の圧力関
係として、この両部の圧力を等しくするか（この
方法は図示されていないが圧力制御が１系列にな
り制御が簡単になる）、または液槽４内の圧力の
方を高くするか（この方法は液槽４内のヘツドｈ
を低くできる。しかし、図のように制御が２系列
となつてより複雑となる）の方法がある。いずれ
にしても右側ビスコシール２２内の気液界面２１
が一定位置を保つように液槽４および遮蔽室２０
内の圧力を制御しなくてはならない。

これまでの説明は軸回転数一定の条件で行なつ
たが、軸回転数が変化した場合、すなわち、大き
な負荷変動、運転の立ち上げおよび停止などの場
合はカバーガス圧力を制御しなければならない。
それには第１図の回転数センサ（回転計）３５に
より、その変動を検出し、これを制御器９で判
断、処理して電磁弁１０，１７，２７を作動させ
液槽４および遮蔽室２０内のカバーガス圧力を制
御し、常に回転数に対応した対向部２３の圧力に
保持すればよい。ただし気液界面２１の位置を一
定にする軸回転数と対向部２３の圧力関係はビス
コシールの形状、寸法、シーラント温度、気液界
面の位置設定等によつて一義的に決まるので制御
器９にあらかじめ記憶させておく必要がある。

本発明は回転軸シールに関するものでタービン
蒸気に限らず、例えば第１図のタービンケーシン
グ２内が液体で満たされ、その液を攪拌する装着
あるいはポンプの場合でも、前述と同じ方法でこ
の液を密封することができる。

第３図は対向部の圧力一定の考え方で第１図と
同様のシーラント３を被密封流体側へ流出させる
方法の他の例を書いたものである。この場合は対
向部２３の圧力変動を圧力センサ３０により検出
して制御器９で判断、処理して電磁ポンプ３２を
作動させその加圧力を一定にするもので、電磁ポ
ンプ３２はシーラント供給系とシーラント加圧系
の双方を構成するものである。図においてアキユ
ムレータ３１はこの系の圧力ノイズを吸収するも
のである。この場合は液槽（サービスタンク：３
４）の界面のヘツドは第１図と違つて一定にする
必要がない。３３は手動弁である。

〔発明の効果〕

本発明は、被密封流体と密封流体との圧力差が
大きく対向ビスコシールのポンプ圧のみでは密封
できない場合でも適用できるのでその適用範囲が
広いという長所の他に、カバーガス圧力制御およ
び液槽内のヘツドの調整が比較的安易であるこ
と、シーラントを被密封流体側へ流出させるので
シール部およびシヤフトに伝わる熱の冷却が容易
であるなどの長所がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に使用する軸封装置の一
例を示す配管図、第２図はビスコシールの圧力特
性を示す説明図、第３図は軸封装置の他の例を示
す配管図である。 １……タービン、２……タービンケーシング、
３……シーラント、４……液槽、５……液面、６
……液位制御器、７……流量制御弁、８，１１，
１８，２８，３３……手動弁、９……制御器、１
０，１７，２７……電磁弁、１２……減圧調整
弁、１３，１５……メカニカルシール、１４……
潤滑油、１６……回転軸、１９……ドレン、２０
……遮蔽室、２１……気液界面、２２……右側ビ
スコシール、２３……対向部、２４……左側ビス
コシール、２５……流出シーラント、２６……タ
ービン側軸シール部端、２９，３０……圧力セン
サ、３１……アキユムレータ、３２……電磁ポン
プ、３４……サービスタンク、３５……回転数セ
ンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 互いに逆向きにネジを切つた一対のビスコシ
   ールを同一回転軸上に軸方向に組み合わせ、該両
   ビスコシールの対向部にシーラント供給系からシ
   ーラントを供給して該シーラントを被密封流体側
   のビスコシールから漏洩させ、シーラントの漏洩
   に伴う前記対向部のシーラントへのシーラント加
   圧系による印加圧力の変動を検出し、該検出値に
   基づいて前記対向部のシーラント圧力が一定とな
   るよう前記シーラント加圧系およびシーラント供
   給系を制御してなることを特徴とするビスコシー
   ルを用いた密封方法。