JPH0634055A - 軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転軸５０の回転方向が変わるものでも、最
適のシール性能を発揮し、調整，交換等の手間がかから
ない。 【構成】 ケーシング１０に固着された固定シールリン
グ３０と、回転軸５０に固着された回転ハウジング６
１，６２に軸方向に移動可能に装着された回転シールリ
ング７１，７２と、この各回転シールリング７１，７２
を固定シールリング３０に圧接させる押圧ばね８１，８
２と、各回転シールリング７１，７２に形成された傾斜
突起７１ｆ，７２ｆと、各回転シールリングと固定シー
ルリングとが対面するシール面に形成された動圧発生溝
７１ｃ，７２ｃとを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転軸の軸封装置に
関し、特に、揚水発電所等で使用されるポンプ水車のよ
うに両方向に回転する回転軸の軸封装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の軸封装置を示す。ケーシン
グ１０に固着したシールボックス２１と回転軸５０のス
リーブ５１との間にグランドパッキン２２及び中間リン
グ２３を挿入し、パッキン押え２４をボルト２５で締込
んでグランドパッキン２２を圧迫してスリーブ５１とシ
ールボックス２１とに密接させてシールする。この軸封
装置内への異物の進入排除等のため、清水供給装置２７
から中間リング２３に清水を圧入する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の軸封装置は上記
のようであるが、使用中グランドパッキン２２の摩耗等
により漏れが多くなるので、その度にボルト２５を増し
締めしなけらばならず、締め過ぎると摩擦発熱して損傷
が生じる。また、グランドパッキン２２の交換や清水供
給装置２７の保守等も必要であるというような課題があ
った。また、回転軸の回転方向が変わるものでは、その
度にグランドパッキン２２の締め具合を調整する必要が
あるというような課題があった。

【０００４】この発明は上記課題を解消するためになさ
れたもので、回転軸の回転方向が変わるものでも、常に
最適のシール性能を発揮し、調整，交換等の手間がかか
らない軸封装置を得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る軸封装置
は、ケーシングに固着された固定シールリングと、回転
軸に固着された回転ハウジングに軸方向に移動可能に装
着された正転用及び逆転用の回転シールリングと、この
各回転シールリングを前記固定シールリングに圧接させ
る押圧ばねと、前記各回転シールリングに形成された傾
斜突起と、前記各回転シールリングと固定シールリング
とが対面するシール面に形成された動圧発生溝とを備え
たものである。

【０００６】

【作用】この発明における各回転シールリングは、押圧
ばねにより押圧されて固定シールリングに圧接し、流体
の漏れを制限する。回転軸が回転すると各回転シールリ
ングも回転し、各回転シールリングに形成された傾斜突
起に流体が当たり、一方の回転シールリングには、固定
シールリングに向かう方向に流体力が生じ、押圧ばねの
力と共にその回転シールリングを固定シールリングに押
しつけてシールする。逆方向に回転軸が回転すると、他
方の回転シールリングに固定シールリングに向かう方向
の流体力が生じ、押圧ばねの力と共にその他方の回転シ
ールリングを固定シールリングに押しつけてシールす
る。また、回転シールリングと固定シールリングとが対
面するシール面に形成された動圧発生溝には、回転軸が
回転すると、シール面を離間させようとする動圧が発生
し、微小なシール隙間が保持される。これにより、小さ
な摩擦で良好なシール性能が発揮される。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１において、５０は回転軸であり、揚水発電所
等におけるポンプ水車のような流体機械の主軸である。
回転軸５０の上方には図示しない発電機または電動機が
あり、回転軸５０の下方には図示しないタービン（水
車）またはポンプの羽根がある。１０はケーシングであ
り、図の下方に回転軸５０に取り付けられた羽根が回転
するタービン室またはポンプ室を形成するものである。
回転軸５０がケーシング１０を貫通する箇所にこの軸封
装置が設けられている。

【０００８】この軸封装置は、図１に示すように、ケー
シング１０に固着された固定シールリング３０と、固定
シールリング３０の上方で回転軸５０に固着された上回
転ハウジング６１と、上回転ハウジング６１に軸方向に
移動可能に設けられた上回転シールリング７１と、上回
転シールリング７１を固定シールリング３０の上面に押
しつけるように設けられた押圧ばね８１と、上回転ハウ
ジング６１と上回転シールリング７１との間をシールす
るＯリング９１と、固定シールリング３０の下方で回転
軸５０に固着された下回転ハウジング６２と、下回転ハ
ウジング６２に軸方向に移動可能に設けられた下回転シ
ールリング７２と、下回転シールリング７２を固定シー
ルリング３０の下面に押しつけるように設けられた押圧
ばね８２と、下回転ハウジング６２と下回転シールリン
グ７２との間をシールするＯリング９２とを備えてい
る。

【０００９】図１に示すように、固定シールリング３０
は、回転軸５０が通る穴あき厚円板状であり、固定シー
ルリング３０の外周部は、ケーシング１０との間にＯリ
ング３５やガスケット等を挾んで、取付ボルト３４でケ
ーシング１０にタイトに固着されている。固定シールリ
ング３０の上方及び下方の箇所には、回転ハウジング６
１及び６２が、固定シールリング３０に対向するように
回転軸５０に固着して設けられている。回転ハウジング
６１及び６２は、回転軸５０に外嵌する小径円筒状の部
分と、回転シールリング７１，７２にそれぞれ外嵌する
大径円筒状の部分とを有する段違い円筒状に形成されて
いる。回転ハウジング６１及び６２は、小径円筒状の部
分で、Ｏリング６５を挾んで止めねじ６４によりタイト
に回転軸５０に固着されている。回転シールリング７１
及び７２は、鍔状部を有する円筒状で、それぞれ回転ハ
ウジング６１及び６２に軸方向に移動可能に内嵌するよ
うに形成されている。回転ハウジング６１，６２と回転
シールリング７１，７２との間にはそれぞれ押圧ばね８
１，８２が設けられ、それぞれ回転シールリング７１及
び７２を固定シールリング３０の方へ押しつけている。
回転ハウジング６１，６２と回転シールリング７１，７
２との間にはそれぞれＯリング９１，９２が嵌挿され、
回転シールリング７１及び７２が軸方向に多少移動して
も回転ハウジング６１，６２と回転シールリング７１，
７２との間のシールが維持されるようになっている。

【００１０】図１及び図２に示すように、回転シールリ
ング７１及び７２の鍔状部の外周面には、それぞれ傾斜
突起７１ｆ及び７２ｆが形成されている。この傾斜突起
７１ｆ及び７２ｆは、図２に示すように、軸方向に斜め
に径方向にフィン状に突出して形成されている。図２
（Ｂ）に示すように、上回転シールリング７１の傾斜突
起７１ｆの傾斜方向と、下回転シールリング７２の傾斜
突起７２ｆの傾斜方向とは同じ方向である。

【００１１】図１及び図３に示すように、回転シールリ
ング７１及び７２が固定シールリング３０に対面する面
はシール面となり、回転シールリング７１及び７２のシ
ール面には、それぞれ動圧発生溝７１ｃ及び７２ｃが形
成されている。この動圧発生溝７１ｃ及び７２ｃは、図
３に示すように、シール面内に凹楔状に削成されたもの
である。動圧発生溝７１ｃ及び７２ｃのテーパー方向は
互いに逆方向である。傾斜突起７１ｆ及び７２ｆの傾斜
方向が、図２に示すような右上がり傾斜であれば、動圧
発生溝７１ｃ及び７２ｃのテーパー方向は、図３に示す
ように、動圧発生溝７１ｃは左側で深く、右側で浅い右
下がりテーパー状に形成し、動圧発生溝７２ｃは右側で
深く、左側で浅い右下がりテーパー状に形成する。動圧
発生溝７１ｃ及び７２ｃの長さ，幅，深さ，テーパー角
度，個数等は模型試験などにより決定すればよい。ま
た、動圧発生溝７１ｃの上記形状，個数等と、動圧発生
溝７２ｃの上記形状，個数等とは同じである必要はな
く、正回転用及び逆回転用にそれぞれ最適のシール状態
が得られるように異ならせてもよい。なお、回転シール
リング７１及び７２の動圧発生溝７１ｃ及び７２ｃの径
方向両側は、固定シールリング３０のシール面に平行な
平面のシール面に形成され、これらのシール面は、滑ら
かな平面に形成されている。また、これらの平面は回転
軸５０の軸心線に正確に垂直になるように組み立てられ
る。

【００１２】次に、図１に示す実施例の作用について説
明する。この流体機械が発電機として動作するときは、
回転軸５０の図の下方にある羽根はタービンの羽根とな
り、ケーシング１０で囲われた水車室内を通過する落差
エネルギーを有する水により正方向に回転駆動され、回
転軸５０を介して、図の上方にある発電機を正方向に回
転駆動し発電する。逆に、ポンプとして動作するとき
は、図の上方にある発電機は電動機となって逆方向に回
転し、回転軸５０を介して、図の下方にある羽根を逆方
向に回転駆動し、ケーシング１０で囲われた水車室であ
るポンプ室内の水をダム等に揚水する。

【００１３】図１において、回転軸５０が回転していな
いときは、上回転シールリング７１は押圧ばね８１によ
り押し下げられて、上回転シールリング７１のシール面
は固定シールリング３０の上面のシール面に当たって密
接し、下回転シールリング７２は押圧ばね８２により押
し上げられて、下回転シールリング７２のシール面は固
定シールリング３０の下面のシール面に当たって密接す
る。この両シール面が密接することにより水等の流体の
漏れが封止または制限される。

【００１４】次に、図１において、下方にある羽根は水
車の羽根となり、上方にあるものは発電機となって、正
方向に回転軸５０が回転する場合について説明する。回
転軸５０の回転にともない、回転軸５０に固着された回
転ハウジング６１及び６２も、回転ハウジング６１及び
６２に軸方向に移動可能に設けられた回転シールリング
７１及び７２も回転軸５０と共に回転する。図２及び図
３に矢印で示す方向が正回転方向であるとすれば、図２
に示すように、下回転シールリング７２の右上がり傾斜
に形成された傾斜突起７２ｆに衝突した水は上方へ流れ
を変えさせられ、その反動で傾斜突起７２ｆには下向き
の流体力がかかる。この下向きの流体力は、押圧ばね８
２の下回転シールリング７２を押し上げる力を相殺し、
下回転シールリング７２が固定シールリング３０に圧接
する力が小さくなる。これにより、固定シールリング３
０の下面のシール面及び下回転シールリング７２のシー
ル面の発熱，摩耗などが少なくなる。

【００１５】下回転シールリング７２のシール面やＯリ
ング９２などの箇所を漏れて、回転軸５０の外周に入っ
た水は、押圧ばね８１で押しつけられた上回転シールリ
ング７１と固定シールリング３０の上面のシール面で封
止または漏れが制限される。上回転シールリング７１か
ら漏れて出た水が上回転シールリング７１の周囲に溜る
と、図２に示すように、上回転シールリング７１の傾斜
突起７１ｆに水が衝突して上方に流れが変えさせられ、
その反動として傾斜突起７１ｆに下向きの流体力がかか
る。この下向きの流体力は押圧ばね８１の力と共同して
上回転シールリング７１を固定シールリング３０に押し
つけ、上回転シールリング７１のシール面は固定シール
リング３０の上面のシール面に強く密接しようとする。
すると、図３に示すように、上回転シールリング７１の
シール面の中の動圧発生溝７１ｃに、くさび作用により
流体の動的圧力が生じる。この動的流体圧は、上回転シ
ールリング７１と固定シールリング３０のシール面間の
隙間が小さくなれば大きくなり、隙間が大きくなれば小
さくなるので、前記押圧ばね８１の力と傾斜突起７１ｆ
に生じる流体力とで押し下げられる上回転シールリング
７１のシール面が、固定シールリング３０の上面のシー
ル面との間に微小な隙間で保持させられることになる。
したがって、押圧ばね８１の力、傾斜突起７１ｆの形状
及び個数、動圧発生溝７１ｃの形状及び個数等を適当に
設定することにより、上回転シールリング７１と固定シ
ールリング３０のシール面の隙間または接触状態を最適
の状態とすることができ、シール性能を最適の状態に設
定することができる。

【００１６】次に、図１において、上方のものを電動機
として回転軸５０を逆回転させ、下方の羽根を逆回転駆
動することにより、ポンプとして揚水する場合について
説明する。この場合は、図２及び図３において、矢印と
逆方向の回転になる。回転が逆方向になるので、前記と
逆に、下回転シールリング７２の傾斜突起７２ｆに当た
る流体は下向きに流れを変えさせられ、傾斜突起７２ｆ
には上向きの流体力がかかる。この流体力は押圧ばね８
２の力と共同して下回転シールリング７２を固定シール
リング３０の下面に押しつけ、下回転シールリング７２
のシール面は固定シールリング３０の下面のシール面に
強く当接しようとする。すると、図３に示すように、図
示矢印と逆の方向に回転する下回転シールリング７２の
動圧発生溝７２ｃに動的流体力が生じ、下回転シールリ
ング７２と固定シールリング３０の下面のシール面間に
微小な隙間を保持させようとする。これらの力のバラン
スにより、下回転シールリング７２と固定シールリング
３０の下面のシール面の相対状態を適当なものとするこ
とができ、シール性能を最適な状態とすることができ
る。なお、この場合、上回転シールリング７１は押圧ば
ね８１によって固定シールリング３０に押しつけられて
おり、上回転シールリング７１と固定シールリング３０
の上面のシール面も水の漏れを制限する。また、上回転
シールリング７１の外側に水が溜った場合、図２におい
て、回転が矢印と逆であるので、上回転シールリング７
１の傾斜突起７１ｆにかかる流体力は、上方向となり、
押圧ばね８１の力と相殺して、上回転シールリング７１
の固定シールリング３０に押しつける力が弱くなり、上
回転シールリング７１と固定シールリング３０上面のシ
ール面の発熱，摩耗等が少なくなる。

【００１７】次に、図４に示す他の実施例について説明
する。図４において、ケーシング１０に固着された固定
シールリング３０、回転軸５０に固着された回転ハウジ
ング６１，６２、回転ハウジング６１，６２に軸方向に
移動可能に設けられた回転シールリング７１，７２、回
転シールリング７１，７２を押圧する押圧ばね８１，８
２等の形状，構成，機能等は図１乃至図３に示す軸封装
置とほぼ同様である。図４に示す実施例では、傾斜突起
７１ｆ及び７２ｆが、回転シールリング７１及び７２の
内周面に複数列に形成されている。この傾斜突起７１ｆ
及び７２ｆの機能，作用は前述と同様であるが、下回転
シールリング７２から漏れた水が回転軸５０の外周面と
上回転シールリング７１の内周面との間に入れば、上回
転シールリング７１の外側に水がなくても、傾斜突起７
１ｆがその機能を発揮する点が前述と異なる。この実施
例は、傾斜突起７１ｆの機能は発揮させ、しかも、上回
転シールリング７１の外側の水は排除したい場合に好都
合である。

【００１８】なお、上記実施例において、傾斜突起７１
ｆ及び７２ｆの傾斜角度，形状，個数等は、上回転シー
ルリング７１と下回転シールリング７２とで異ならせ
て、正方向回転，逆方向回転にそれぞれ最適のシール性
能が発揮されるように形成するのがよい。また、動圧発
生溝７１ｃ及び７２ｃの長さ，幅，深さ，テーパー角
度，個数等も、最適の状態が得られるように異ならせて
るのがよい。また、上回転シールリング７１の傾斜突起
７１ｆは、条件によっては省略してもよい。なお、上記
実施例では、動圧発生溝７１ｃ及び７２ｃの形状はテー
パー状としたが、段付き（Rayleigh step ）としてもよ
い。

【００１９】図１乃至図４について説明したように、こ
の軸封装置は、押圧ばね８１，８２で押しつけられ、傾
斜突起７１ｆ，７２ｆで回転方向によって異なる方向の
流体力を受け、シール面に動圧発生溝７１ｃ，７２ｃが
形成された２組の回転シールリング７１，７２を備え、
正回転のときは上回転シールリング７１で主としてシー
ルし、逆回転のときは下回転シールリング７２で主とし
てシールするようにしたので、各押圧ばね８１，８２の
強さ，各傾斜突起７１ｆ，７２ｆの形状等及び各動圧発
生溝７１ｃ，７２ｃの形状等を、正回転，逆回転の流体
圧力等の条件に合わせて設定することにより、正回転で
も逆回転でも最適の状態で流体の漏れを制限することが
できる。なお、回転シールリング７１，７２及び固定シ
ールリング３０を高硬度材質のものとすれば、さらに優
れた耐久性等が得られる。なお、この発明による軸封装
置では、回転軸５０に対して摩擦する部分がないので、
従来必要であったスリーブ５１は不要となる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、シー
ル面に動圧発生溝を有し、回転方向によって異なる方向
の流体力を発生する傾斜突起を有する２組の回転シール
リングを備え、回転方向に応じていずれかの回転シール
リングで主としてシールさせるようにしたので、回転軸
の回転方向が変わるものでも、最適のシール性能を発揮
し、調整，交換等の手間がかからない軸封装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による軸封装置の縦断面図
である。

【図２】この発明の一実施例による軸封装置の回転シー
ルリングの傾斜突起の作用を示し、（Ａ）は斜視図、
（Ｂ）は側面図である。

【図３】この発明の一実施例による軸封装置の回転シー
ルリングの動圧発生溝の作用を示し、（Ａ）は側面図、
（Ｂ）は断面図である。

【図４】この発明の他の実施例による軸封装置の縦断面
図である。

【図５】従来の軸封装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１０：ケーシング、 ３０：固定シールリング、 ５０：回転軸、 ６１：上回転ハウジング、 ６２：下回転ハウジング、 ７１：上回転シールリング、 ７２：下回転シールリン
グ、 ７１ｆ，７２ｆ：傾斜突起、 ７１ｃ，７２ｃ：動圧発生溝、 ８１，８２：押圧ばね、 ９１，９２：Ｏリング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングに固着された固定シールリン
   グと、回転軸に固着された回転ハウジングに軸方向に移
   動可能に装着された正転用及び逆転用の回転シールリン
   グと、この各回転シールリングを前記固定シールリング
   に圧接させる押圧ばねと、前記各回転シールリングに形
   成された傾斜突起と、前記各回転シールリングと固定シ
   ールリングとが対面するシール面に形成された動圧発生
   溝とを備えたことを特徴とする軸封装置。