JPH0571830B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は軸シール装置に係り、特に固定系たる
軸シールエレメントに可撓性をもたせてシール機
構を向上させた非接触型の軸シール装置に関す
る。

［従来の技術］ 従来の円筒型軸シール装置は、第１７図に示す
如く、回転軸１に平行なシールリング２の平面で
回転軸１との間にシールすき間Ｃを形成しつつ、
垂直な平面をケーシング３の平面に圧接させ、こ
の接触圧力によつて回転部分の密封を行なう緩衝
機構を有する構成となつている。また、端面型軸
シール装置は、第１８図に示す如く、回転軸ラン
ナ４に平行なシールリング５の平面でランナ４と
の間にシールすき間を形成して回転部分の密封を
行なう緩衝機構を有する構成となつている。した
がつて従来から実施されている軸シール装置は、
いずれにあつても回転系、固定系ともに剛体面で
構成さている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上述した従来のものでは軸シールが
回転系、固定系ともに剛体面で構成されているの
で、次のような問題があつた。

(1) 円筒型シールの場合、高速回転すると軸受流
体のせん断熱および軸１の遠心膨張により、シ
ールすき間Ｃが小さくなる傾向にあるが、著し
いときにはＣ＝Ｏとなり焼付きに至る。

また、固定系たるシールリング２は摺動性を
良好にするため、カーボングラフアイト等がし
ばしば使用されるが、線膨張係数が小さいため
すき間の管理が困難となる。

(2) 端面型シールの場合、第１８図で二点鎖線で
示す如く、シール面間の流体のせん断熱による
変形が生じ、この変形により合せ持つ軸受機能
が低下し、接触のトラブルが発生する。

(3) また、いずれの場合も径方向又は軸方向に十
分なばね性がないため自動調心性が劣る。

このように、従来のものではシール面が共に
剛だから、高速・高温時におけるシールすき間
を安定にせまく保持することが困難であつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、シール面の固定系にばね性と
減衰性とをもたせて高速・高温の条件下でもシー
ルすき間を安定にせまく保持することを可能とす
る軸シール装置を得ようとするものである。

［発明の概要］ 上記目的に沿う本発明の構成は、回転軸に臨ん
でこれとの間に流体膜圧を発生してシールすき間
を形成する弾性のシールフオイルを設け、次いで
このシールフオイルの回転軸と反対側にシールフ
オイルを制振する弾性のダンプフオイルを重ね、
更にこのダンプフオイルにこれを固定系支承面に
弾性支持する弾性のスプリングフオイルを重ねた
弾性フオイル積層構造を有したものである。これ
により、弾性フオイル板厚方向のバネ性、減衰性
が回転軸の周方向に分布して作用するようにし、
高速・高温時にシールすき間が無くなつたり、焼
付きが生じないようにしたものである。

また、上述したシールフオイルとダンプフオイ
ルとスプリングフオイルとを連続して一体形成し
て、この一体形成した一枚の弾性フオイルを回転
軸と固定系支承面との間に巻回して組込んだ弾性
フオイル積層構造を有したものである。これによ
り、フオイルの積層構造を得るために、個別のフ
オイルを重ねるのではなく、１枚の弾性フオイル
を巻回するだけで積層できるようにし、シールエ
レメントに弾性体を使用することにより部品点数
が増大したり、組立作業が煩雑になつたりしない
ようにしたものである。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第１６図に基づいて
説明すれば以下の通りである。

第１図〜第４図はガス，蒸気，油等をプロセス
流体とする非接触型の軸シール構造のうちの軸受
機能を合わせ持つ円筒型シール構造の実施例を示
す。第１図に示す如く、本実施例に係るシール構
造は、固定系たるケース７の支承面８上に、順に
スペーサ９で浮かされたスプリングフオイル１
０，同じくスペーサ９で浮かされたダンプフオイ
ル１１、そして密接されたシールフオイル１２の
基本的に３枚の可撓性を有する薄板（弾性フオイ
ル）を積層するとともに、一端をキー１３で係止
固定してなり、内殻のシールフオイル１２と回転
軸１４とのシールすき間Ｃに形成される流体膜圧
のばね・減衰機能と、積層フオイル構造によるば
ね・減衰機能との双方の機能によつて回転部分の
シールを行なうようになつている。

各弾性フオイルはスペーサ９も含めて第２図に
示す如きフイルム形状をした別体構造で、ケース
７内に挿入されてリング状に支承面８を覆うよう
になつている。すなわち、スプリングフオイル１
０は上下面ともフラツトな弾性フオイルから成
り、これを支承面８から部分的に浮かすスペーサ
９の機能はラダーフオイル１５が果している。ラ
ダーフオイル１５は弾性フオイルの幅方向に両端
部分１６，１６を残して穿設した長さL₀′の矩形
状窓部１７を長さ方向に並設したもので、矩形状
窓部１７，１７間の竪格子がスプリングフオイル
１０のスペーサ９となる。

ダンプフオイル１１は下面がフラツトであるけ
れども上面に流体が局所的に満たされ得る形状任
意なポケツト１８が約板厚の半分の深さで長さ方
向に所定間隔を隔てて加工してある。図示例で
は、ポケツト１８は十字形をしている。ダンプフ
オイル１１をスプリングフオイル１０から部分的
に浮かすスペーサ９の機能は、スプリングフオイ
ル１０の場合に使用したと同一形状のラダーフオ
イル１５が果す。２つのラダーフオイル１５，１
５の差異は、特に第１図からわかるように、ケー
ス７内への挿入組立時にスペーサ９のピツチを二
分の一ずらして取り付ける点、すなわち、スプリ
ングフオイル１０を支承するスペーサ９，９間に
ダンプフオイル１１のスペーサ９が来るようにず
らして積層する点にある。このように竪格子たる
スペーサ９，９をずらした２枚のラダーフオイル
１５，１５間にスプリングフオイル１０を介在さ
せるようにしたのは、スプリングフオイル１０に
波状変形性を与えてばね機能を持たせるためであ
る。このばね機能を有する領域は、フオイル全幅
Ｌではなく、両端部分１６，１７を除く矩形状窓
部１７の長さL₀′の部分である。両端部分１６，
１７の長さＬ−L₀′の部分は、ばね性はなく、フ
オイル間は密着し、気密を保つ機能を有する。

シールフオイル１２は下面がフラツトであるけ
れども上面がL₀（＜L₀′）のシール領域を有する断
面凸形状をしている。そして、凸部たるシール領
域面は、本シールが非接触型のクリアランスシー
ルであることから、摺動性，耐摩耗性を考慮した
表面処理を適宜施してある。図示例ではシールフ
オイル１２がプレーン型であるが、この形状は任
意であり、スパイラルグルーブ，ヘリングボー
ン・ポケツト型等いずれでもよい。また、その中
央で長さ方向に所定間隔を隔てて複数個のオリフ
イス１９が設けてあり、このオリフイス１９の真
下に恰度ダンプフオイル１１のポケツト１８が来
るようにシールフオイル１２をダンプフオイル１
１上に重ねる。このようにオリフイス１９をポケ
ツト１８に連通するように重ねたのは、シール領
域で形成される流体膜圧をオリフイス１９を通し
てポケツト１８に解放することによりダンプフオ
イル１１上面とシールフオイル１２下面間に局所
的に流体膜を形成させてスクイズ膜ダンパ機能を
ダンプフオイル１１に与えるためである。ポケツ
ト１８に流体膜圧が作用したときダンプフオイル
１１の径方向外方への弾性変形が許容されるよう
に、オリフイス１９，ポケツト１８位置はダンプ
フオイル１１を支承するスペーサ９，９間にもつ
てくる。また、隣り合うオリフイス１９，ポケツ
ト１８の間隔は、第１図の図示例ではスペーサ間
ピツチの２倍となるようにしてある。

このようにしてフオイルエレメントは、シール
すき間Ｃが形成する流体膜圧のばね・減衰要素以
外に、フオイル間で形成するばね・減衰要素が支
承面８の周方向に分布して配置されることにな
る。

なお、フオイルエレメントの窓部１７，ポケツ
ト１８，オリフイス１９，凸部等は公知のフオト
エツチング技術等で加工成形する。

第３図及び第４図は、ケース７内に挿入すべく
円筒形に一巻きしたフオイルエレメントの合せ部
を示すもので、合せ端部の一方に凸部２０を形成
し、他方にこの凸部２と係合する凹部２１を形成
し、これらを嵌め合せるようにしたもので、これ
によりフオイルエレメント間のシール性を保持す
るようになつている。

このようにして構成されたケース７とフオイル
エレメントから成るフオイル軸シールエレメント
２２を実際に軸シール装置に適用したのが第５図
〜第７図である。第５図は緩衝機構を有するフロ
ーテイングリング形式を、第７図は固定リング型
をそれぞれ示している。

さて、上記のような構成において、回転軸１４
の高速回転が始まつたり、雰囲気温度が高温にな
つたりすると、流体のせん断熱や回転軸の膨張に
よりシールすき間Ｃが小さくなるので、第１図に
おいて、シールすき間Ｃに発生する流体膜圧が一
段と高くなり、この流体膜圧によつてシールフオ
イル１２が径方向外方へ押される。したがつて、
ラダーフオイル１５のスペーサ９により弾性変形
が許容されるように支承面８上に積層して支持さ
れたスプリングフオイル１０とダンプフオイル１
１のうちのスプリングフオイル１０が波状に弾性
変形する。また、高速回転に伴う回転軸１４の自
励振動によりシールすき間Ｃに発生する昇圧流体
膜圧の一部は、シールフオイル１２に穿設したオ
リフイス１９を通つてダンプフオイル１１の上面
に形成したポケツト１８に導かれる。このダンプ
フオイル１１上面のポケツト１８に導かれた流体
膜圧は、流路面積がオリフイス１９よりもポケツ
ト１８の方が大きくなつているので、シールすき
間Ｃに形成されている高圧の流体膜圧を低下させ
ることなく十分大きなものとすることができ、そ
のため可撓性を有するダンプフオイル１１は局所
的に径方向外方へ変位し、変位した部分に流体が
局所的に満たされることになる。

ところで、軸シール装置を高速・高温で安定に
作動させるためには、流体膜圧によるばね・減衰
要素以外に外部の適切なばね・減衰要素がシール
面に沿つて配置されていることが必要である。

ところが、本実施例ではその外部の適切なば
ね・減衰機能を、積層した５枚のフオイル構造に
より構成している。すなわち、ばね要素として、
シールすき間Ｃに発生する流体膜圧の作用によつ
てスプリングフオイル１０が支承面８の周方向に
沿つて波状変形するので、周方向にばねが分布し
て配置されることになる。また、外部減衰要素と
してシールすき間Ｃに発生する昇圧流体膜圧の作
用によつてダンプフオイル１１が局所的に変位し
流体が周方向に沿つて局所的に満たされるので、
この満たされた部分がスクイズ膜ダンパとして機
能し、この機能が周方向に分布して配置されるこ
とになる。したがつて、本実施例による軸シール
構造によれば高速で発生する外乱や自励振動を効
果的に吸収あるいは制止するとともに、高速・高
温下で小さくなろうとする傾向にあるシールすき
間Ｃをゼロとすることなく、安定に且つ極めて小
さく保持することができる。

また、シールフオイル１２とダンプフオイル１
１との面間はその大部分が密着しており、ダンプ
フオイル１１及びスプリングフオイル１０とラダ
ーフオイル１５，１５の両端部分１６，１７との
間も密着し、更にフオイルエレメントの合せ端部
も嵌め合せて隙間を小さくするようにしてあるの
で、密封性の向上をはかることができる。

また、もともとの自動調心作用があるフローテ
イング型軸シール装置は勿論のこと、固定式の軸
シール装置にあつても、シールエレメンがばね・
減衰性を有するフオイル積層構造を採用している
ため、この構造自身で自動調心性が付与されるこ
ととなり、回転軸１４の接触を有効に回避するこ
とができる。

すなわち、本実施例によれば回転軸１４の熱・
遠心力による変形・膨張に対応して機能する能力
は、従来の剛体シール装置のそれをはるかにしの
ぐという特長がある。このため、高速回転するタ
ーボ機械一般、特に高温または低温の流体をプロ
セス流体とするターボ圧縮機，ターボ膨張機，タ
ーボチヤージヤー，ターボ冷凍機等に適用してメ
リツトが大きい。

第８図は第１図の実施例の変形例を示すもの
で、第１図と異なる点は、スプリングフオイル３
０，ダンプフオイル３１，シールフオイル３２を
連続して一体加工し、これをケース３３の支承面
３４上に三重巻きしてスプリングフオイル３０の
端部に設けたキー３５によつてケース３３に係止
固定した点である。一体加工した弾性フオイル３
６は、第９図に示す如く、左からスプリングフオ
イル部Ｓ，ダンプフオイル部Ｄ，シールフオイル
部Ｅの順に連続している。スプリングフオイル部
Ｓとダンプフオイル部Ｄとに形成される矩形状凹
部３７，３７は、既述のラダーフオイル１５の場
合の如き穴の開いた窓ではなく、底部厚みt₁を残
した凹部である。矩形状凹部３７はピツチｂで長
さ方向に複数個形成されているが、スプリングフ
オイル部Ｓとダンプフオイル部Ｄとの境界部は特
に1.5bのピツチで大きく形成してある。このよう
に形成すれば、三重巻きしてケース３３内に組ん
だとき、スプリングフオイル部Ｓのスペーサ３
８，３８間にダンプフオイル部Ｄのスペーサ３８
が位置するようになつて、ばねを周方向に分布し
て配置することができる。したがつて、スプリン
グフオイル部Ｓとダンプフオイル部Ｄとに表裏を
貫通しない矩形状凹部３７を設けることによつ
て、別体フオイルのとき必要としたラダーフオイ
ル１５が不要となり、スプリングフオイル３０及
びダンプフオイル３１自身がスペーサ３８を有す
ることになる。一方、シールフオイル部Ｅの凸部
に形成されるオリフイス３９はこれを連通するポ
ケツト４０をシールフオイル部Ｅに一体的に有し
ている。したがつて、シールフオイル３２が重な
るダンプフオイル３１表面に別個にポケツト４０
を形成する必要がない。

このように本変形例では５枚も必要としていた
フオイルをたつた１枚のフオイルでシールエレメ
ントを構成できて、部品点数が少なく軸シール構
造の成形・組立・加工が更に容易になり、低コス
ト化がはかれるという利点が得られる。

次に、本発明を非接触型端面シール装置に適用
した実施例について説明する。

第１０図に示す如く端面型シール構造の構成原
理は円筒型シール構造と基本的に同様で、中央に
軸孔を有するスプリングフオイル４２，これとほ
ぼ同一形状のダンプフオイル４３，シールフオイ
ル４４の３枚の円板状弾性フオイルから成り、ダ
ンプフオイル４３とスプリングフオイル４２とは
その下面に放射状に並んだ複数個の扉形状凹部４
５を有している。第１１図に示す如く扉形状凹部
４５は円板上フオイルの外周側に気密を保つとと
もに複数の取付け孔４６を設けるための取付けリ
ング４７を残すために外周側で閉塞し、また内周
側に大きな弾性変形を許容させるために内周側で
開放している。スプリングフオイル４２とダンプ
フオイル４３との違いは、取付孔４６の周方向位
置に対する、周方向に複数個等配されている扉形
状凹部４５の加工位置に差があることである。す
なわち、第１０図に示すく、扉形状凹部４５のピ
ツチ角θの1/2だけ互いにずらして加工してあり、
これによりフオイル板厚方向のばね性を周方向に
分配して有するようになつている。一方、シール
フオイル４４は上面に複数本のスパイラルグルー
プ４８を刻設した場合を例示してあり、スパイラ
ルグループ４８の外周側には複数個の取付孔４６
を穿設した取付リング４７が、内周側にはシール
性能を大きく支配するランド部４９が形成されて
いる。スパイラルグループ４８は第１２図に示す
くフオイル厚さの二分の一ぐらいの深さでランナ
の回転方向を示す矢印方向に漸次幅狭となつてい
る。

第１３図は、かかる３枚のフオイルエレメント
を取り付けた非接触型端面シール装置の実施例を
示している。フオイルエレメントの取付リング４
７，４７，４７部分を重ねて取付板５０に置き、
取付孔４６を合せて締付板５１を重ね、取付ボル
ト５２で締め込むことにより、３枚のフオイルエ
レメント間の径方向の密封性を高めている。フオ
イルエレメントを締め込んだランナ５６側と反対
側の取付板５０の一端には、ホルダ５３に連結し
た気密性のあるベローズ等の弾性部材５４が接合
され、ホルダ５３間との気密を保ちつつフオイル
軸シールエレメント５５を弾性支持している。

既述の円筒型シール装置は真円のプレーン軸受
として機能させ、狭いシールすき間Ｃを安定に保
持させてシール機能を発揮させるものであるが、
スパイラルグループ型端面シール装置は特にグル
ープ４８の昇圧作用により軸受機能とシール機能
を発揮させるものである。すなわち、端面型シー
ル構造は、第１０図に示すくポンプ・イン型のス
パイラルグループ４８をシールフオイル４４上面
に加工し、第１３図に示すように、低圧側（外周
側P₂）の流体を高圧側（内周側P₁）へ向けてポ
ンプ・インさせるように設計してある。したがつ
て、スパイラルグループ４８は、軸受機能ととも
に、低圧側流体P₂をグループエンドまで昇圧さ
せて、高圧流体P₁の外方流出を妨げる作用を果
たし、もつてシール性能を高める機能を発揮す
る。なお、シール性能はシールフオイル４４のラ
ンド部４９のシールすき間Ｃの大小に依存すると
ころ大であり、このランド部４９のシールすき間
Ｃをいかに安定に小さく保持できるかが全体のシ
ール性能を支配する。

ところで、非接触型端面シール構造の設計上、
圧力バランスは重要である。第１４図に示す如
く、シールフオイル４４上面に作用するP₂〜
P′〜P₁の積分値と、取付板５０に作用するP₂，
P₁および弾性部材５４等のオフセツトF₀の総和
が定常状態で等しくなるように圧力バランスを定
める。ここでP′はスパイラルグループ４８のグル
ープエンド部で発生する圧力であり、P₂，P₁は、
回転数および作動すき間の関数である。

また、スパイラルグループ型ではポンプ・アウ
ト型も考えられる。これはグループを内周側に設
けランド部を外周側に設けた構造であり、第１５
図に示すような圧力バランスとなる。すなわち、
グループのポンピング機能は、P₂の低圧側流体
を外方に昇圧させ軸受機能をもたさせるととも
に、P₁の高圧側流体が内周側へ流入するのを制
限する効果がある。以上のようなシール機能は通
常の剛体面シールにおいても同様な作用があるの
で、フオイル構造の特性ではない。

特にフオイル構造の端面シールが剛体面シール
に比して優れた機能を発揮するのは高速領域にお
いてである。すなわち、非接触型端面シールは非
常に狭い作動すき間で運転されることになるの
で、高速領域では流体のせん断熱による面内発熱
が生じ、シール面が熱変形して平面度が低下す
る。ところが、本発明によるフオイル構造の非接
触端面シールは、上述の熱変性に対応できる機能
を有する。第１６図に示す如く、ランナ５６が変
形しても扉形状凹部４５を有するスプリングフオ
イル４２及びダンプフオイル４３でバツクアツプ
されるシール面は可撓性を有するので、ランナ５
６の変形に対応した変位を呈することができ、非
接触性を保持することができる。その結果、シー
ル面の熱変形に起因する高速シールの使用限界の
低下防止をはかることができ、この種トラブルの
原因を解消できる。また、フオイルエレメントの
可撓性の効果は、熱変形のみならず遠心変形，異
物侵入等に対する許容度の向上にも及び、実用性
を格段と拡張することができる。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次のような優れた
効果を発揮する。

(1) シールフオイル，ダンプフオイル及びスプリ
ングフオイルから成る弾性フオイル積層構造を
有するため、高速・高温時に発生する流体のせ
ん断熱や熱・遠心膨張によつてシール面間が変
形しても、弾性フオイルのばね性や減衰性によ
りシールすき間がゼロとなつたり、接触したり
することがないから、焼付きや抱着き等のトラ
ブルが生ぜず、したがつて安定に小すき間を保
持することができる。

(2) しかも、弾性フオイルのばね性と減衰性によ
り大きな自動調心作用が得られるので、組立が
容易となる。

(3) また、シールフオイルとダンプフオイルとス
プリングフオイルとを別体でなく連続して一体
成形したため部品点数が少なく、低コスト化を
はかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適一実施例を示す要部正断
面図、第２図は第１図におけるフオイルエレメン
トの展開斜視図、第３図はスプリングフオイル，
ダンプフオイル又はシールフオイルの合せ端部の
嵌合状態を説明する斜視図、第４図はラダーフオ
イルの合せ端部の嵌合状態を説明する斜視図、第
５図はフオイル軸シールエレメントを組込んだフ
ローテイングリング型軸シール装置の側断面図、
第６図は第５図のフオイル軸シールエレメントの
正断面図、第７図はフオイル軸シールエレメント
を組込んだ固定リング型軸シール装置の側断面
図、第８図は第１図の変形例を示す正断面図、第
９図は第８図におけるフオイルエレメントの展開
図、第１０図は本発明の他の実施例を示すフオイ
ルエレメントの分解平面図、第１１図は第１０図
におけるスプリングフオイル又はダンプフオイル
の要部斜視図、第１２図は同シールフオイルの要
部斜視図、第１３図は第１０図のフオイルエレメ
ントを組込んだ端面シール装置の側断面図、第１
４図はスパイラルグループ型端面シールのポン
プ・イン型圧力バランスの状態図、第１５図は同
じくポンプ・アウト型圧力バランスの状態図、第
１６図は第１３図におけるランナが変形した場合
のフオイルエレメントの対応を示した断面図、第
１７図は従来の円筒型シールの概略構成図、第１
８図は同じく端面型シールの概略構成図である。 図中、８は固定系支承面、１０はスプリングフ
オイル、１１はダンプフオイル、１２はシールフ
オイル、１４は回転軸、３０はスプリングフオイ
ル、３１はダンプフオイル、３２はシールフオイ
ル、３４は固定系支承面、３６は連続して一体と
なつた弾性フオイル、４２はスプリングフオイ
ル、４３はダンプフオイル、４４はシールフオイ
ル、５６は軸ランナである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸と固定系支承面との間に、流体膜圧を
   発生してシールすき間を形成するシールフオイル
   と、該シールフオイルを制振するダンプフオイル
   と、該ダンプフオイルを上記固定系支承面に弾性
   支持するスプリングフオイルとから成る弾性フオ
   イル積層構造を有することを特徴とする軸シール
   装置。 ２ 液体膜圧を発生して回転軸との間にシールす
   き間を形成するシールフオイルと、該シールフオ
   イルを制振するダンプフオイルと、該ダンプフオ
   イルを固定系支承面に弾性支持するスプリングフ
   オイルとが連続して一体となつた弾性フオイルを
   形成し、この弾性フオイルを上記回転軸に巻き付
   けるごとく回転軸と固定系支承面との間に積層し
   てなる弾性フオイル積層構造を有することを特徴
   とする軸シール装置。