JPH0656214B2

JPH0656214B2 - 乾式ガスシール装置

Info

Publication number: JPH0656214B2
Application number: JP2182858A
Authority: JP
Inventors: ハインリツヒ，ローレンツェン
Original assignee: ズルツアー―エツシヤー・ウイス・アクチエンゲゼルシヤフト
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2009-07-27
Also published as: DE3925403C2; CH680606A5; JPH0351582A; DE3925403A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ケーシング壁を通つて回転する軸のための、
軸方向滑りリングパツキンとして構成された乾式ガスシ
ール装置であつて、前記軸と共に回転しシール面の担体
として構成された軸ブシユと、ガスによつて前記シール
面に圧着されかつ潤滑される滑り面を有する周方向定位
の滑りリングとを備えた形式のものに関する。

〔従来の技術〕

このような軸方向の軸シール装置は例えば欧州特許第１
３６７８号明細書に基づいて公知であり、ターボ機械例
えばターボ圧縮機又はタービンの、或る圧力下にあるケ
ーシング内室を、外部へ又は中間室への軸の貫通部のと
ころでシールしてケーシング内室からの圧力媒体の流出
を阻止するために使用される。この流出阻止は遮断媒
体、例えばシールガスを用いて行われ、該遮断媒体は滑
りリングの滑り面をシール面に接圧し、ひいてはケーシ
ング内室からのガスの流出を最小限に抑え、その場合シ
ール装置の漏れは相応のパツキンリングによつて最小可
能値に保たれる。同時にシール装置を無接触式に回転さ
せるためのギヤツプが形成される。

この場合特に、摂氏数百度に及ぶ高いガス温度で稼働す
るターボ機械において不利な点は、ケーシング壁におけ
る軸貫通部で高い昇温と大きな温度変動が発生して、そ
の結果個々の部材を熱膨張させることである。この熱膨
張によつて、シール作用を害なわせる許容不能な変形が
惹起される。昇温が比較的高く、これによつて軸の膨張
が生じた場合には更に又、軸ブシユ及び、大抵はセラミ
ツクから成るシール体は、該シール体を破損させターボ
機械にダメージを及ぼすような機械的応力を受ける。ま
た特に高速運転のターボ機械では、部分的に著しく大き
な遠心力が生じ、やはり変形を惹起する。この変形の結
果、周速度が一層高くなると、例えば軸ブシユはシール
体と共に軸から離間し、つまり特定の位置及びセンタリ
ングはもはや維持されなくなる。これによつて不釣合が
生じ、かつシールギヤツプに許容不能の変化が生じる。
遠心力の作用を受けて軸ブシユとシール体との伸びが異
なることに基づいてシール体における機械的応力が増大
しかつダメージの虞れが生じる。それゆえに公知のガス
遮断式軸方向の軸シール装置では許容温度及び温度変動
並びに回転数は制限を受けている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、先行技術の前記欠点を排除し、特に冒
頭で述べた形式の軸方向の軸シール装置を改良して、い
かなる温度でも、温度に変動が生じても、また周速度及
び回転数が増大しても、ダメージを受ける虞れなく軸を
適正にシールできるようにすることである。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決する本発明の構成手段は、シールフラン
ジを有する軸ブシユが軸を半径方向遊びを以て内包しか
つ形状嵌合式のセンタリング継手によって前記軸と結合
されており、前記センタリング継手が軸の膨張時に前記
軸ブシユに対してばね弾性的であり、しかも軸に対する
前記シール面の区域における軸ブシユの膨張を阻止する
ように構成されている点にある。

その場合、軸ブシユと軸との間の前記のようなばね弾性
的なセンタリング継手を特に有利に製作するためには、
軸は、その外周面を半径方向間隔をおいて取囲む円筒リ
ング状のウエブを有し、該ウエブは軸ブシユの円筒環状
の溝内に嵌合し、しかも該溝の半径方向外寄りの周壁が
ばね弾性的であるのに対して、半径方向内寄りの周壁が
剛性に構成されている。温度が上昇し、それに基づいて
軸が拡張しかつウエブが半径方向にずれ動く際に、溝の
前記半径方向外寄りの周壁は弾性的に変形され、かつ軸
上における軸ブシユの形状嵌合式センタリングを固定的
にするために役立つ。軸ブシユ自体はその際変形せず、
むしろシール面の位置に不都合な影響を及ぼさないよう
に自動調心される。回転数の増大時の遠心力に基づく軸
ブシユの溝の拡張は、該溝の剛性的な半径方向内寄りの
周壁と軸の剛性的なウエブとの間の形状嵌合によつて阻
止される。

〔作用〕

従つて本発明のシール装置の機能は事実上、ターボ機械
の運転温度には無関係になり、また軸回転数又は周速度
にも無関係になる。本発明による前記ばね弾性的なセン
タリング継手は、いかなる場合にも、シールギヤツプに
影響を及ぼす諸部分の温度、周速度及び材料には無関係
に、軸上における軸ブシユの固定的なセンタリングを保
証し、すなわち軸と軸ブシユのために、熱膨張係数の異
なつた材料を使用することが可能である。これによつて
特に例えば、軸ブシユの熱膨張をシール体の熱膨張に適
合させることが可能になり、ひいてはシール効果が一層
改善され、かつ破損の危険率が一層低下されることにな
る。

〔実施例〕

次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。

図示の実施例では軸１は例えばターボ機械のケーシング
壁２を通つて、高圧Pi部位から低圧Pa部位へ気密にガイ
ドされている。シール装置は、軸１に装着された軸ブシ
ユ３を有し、該軸ブシユは軸１を半径方向遊び４を以て
内包しているので、運転中の加熱による軸１の直径変動
は軸ブシユ３の変形なしに吸収される。これに対して軸
１の外部域１″寄りでは軸ブシユ３はスリーブ状端部
３″によつて軸１にばね弾性的に支承されているので、
ここでも軸変形は、シールギヤツプに影響を及ぼすこと
なく吸収される。軸ブシユ３は、軸１の熱膨張係数に対
比して小さな熱膨張係数を有する金属、例えばアンバー
（Invar）という商品名で公知になつている高ニツケル
合金鋼、から成つているのが有利である。軸ブシユ３は
外周面にシール体５を支持し、該シール体はその外周面
に円環状シール面６を形成している。該シール体５は、
軸ブシユ３に類似した熱膨張係数を有する超硬金属、例
えば炭化珪素から成るのが有利である。しかし炭化タン
グステンや類似の滑り特性を有する別の材料も適してい
る。

またシール装置は、ケーシング壁２内に挿入されたパツ
キンホールダ２′内に周方向では定位に、すなわち回転
不能に配置されているが軸方向では幾分摺動可能な滑り
リング７を有し、該滑りリングは内周面側７′でパツキ
ンホールダ２′の付加部８に対してセンタリングされて
いる。滑りリング７及びパツキンホールダ２′もやは
り、熱膨張能の低い金属、例えばアンバーという商品名
で公知になつているような高ニツケル合金鋼、から成つ
ているのが有利である。滑りリング７は内部寄りの両側
に、円環状シール面６に向いた滑り面９′を有する滑り
体９を保持し、該滑り体は良好な滑り特性の材料、例え
ばカーボンセラミツク材から成り、該材料には、熱伝導
性の改善のために金属添加剤が添加されていてもよい。

軸シール装置には導管１０を介してケーシング壁２を通
してシールガスが圧力Psで供給され、該圧力はターボ機
械のシールすべき高圧Piよりも僅かに高くてもよい。そ
の場合圧力Psはターボ機械自体から取出されるか又は外
部ガスとして供給されてもよい。シールガスはギヤツプ
１１を通つて滑りリング７の背面７″に達して該滑りリ
ングを軸ブシユ３に圧着するので、回転するシール体５
のシール面６は、周方向定位の滑り体９の滑り面９′に
当接し、こうしてケーシングの内部からのガスの流出が
充分に防止される。それにもかかわらず流出する微量ガ
スは導管１３を介して導出される。その場合、滑り面の
潤滑は公知の方式で、例えば滑り面又はシール面に設け
たポケツト又は条溝を介して空気動力学的にか、又は、
滑り体を通してガスを滑り面に供給することによつて空
気静力学的に行われる。

本実施例では前記シール装置以外に、シール効果を一層
改善するために、あるいは故障発生時の非常シール装置
として、ほぼ同様に構成された滑りリングシール装置１
４が設けられているが、該滑りリングシール装置は、場
合によつては省くこともできる。

軸１と軸ブシユ３が著しく異なつた温度をもつことのあ
るような、ケーシング壁における軸貫通部ではターボ機
械の運転中に、昇温時に軸１の外径が軸ブシユ３の内径
よりも著しく拡張するという問題が生じる。逆に又、回
転数が高くなると軸ブシユ３が軸１よりも著しく拡張す
る傾向がある。このような、軸１と軸ブシユ３の直径変
動を吸収するために軸ブシユ３はばね弾性継手によつて
軸１と連結されており、該ばね弾性継手は、連結部位に
おいて半径方向膨張差の発生を許容するが、シール効果
にとつて重要な軸ブシユ３の位置とシール面域における
軸ブシユの寸法に不都合な影響を及ぼすことのないよう
な継手である。

このために軸１は内部域１′において、該軸を環状間隙
15′を以て取囲む円筒リング状のウエブ１５を有してい
る。他方、軸ブシユ３の対応端部３′は円筒環状の溝１
６を有し、該溝は、軸１に一体成形されたウエブ１５を
係合させて冷却状態で形状嵌合式のセンタリング座を形
成するように設計されている。この目的のために前記円
筒環状の溝１６の半径方向内寄りの周壁16′は、壁が比
較的剛性で、要するに変形されないような壁厚に構成さ
れている。半径方向内寄りの周壁16′の外周面はウエブ
１５に対してｏリング状のパツキン16″によつてシール
されており、該パツキンはウエブ１５の或る程度の直径
変動に追従することができる。半径方向内寄りの周壁1
6′の内周面は全軸ブシユ３と同じように軸１に対して
半径方向遊び４を有し、該半径方向遊びは加熱時の軸の
充分な直径増大を接触なしに許容する。これに対して円
筒環状の溝１６の半径方向外寄りの周壁17はばね弾性的
に構成されておりかつ内向き環部17′によつてウエブ１
５に接圧し、これによつて軸１の昇温時にも確実なセン
タリング嵌合を保証することができる。しかし内部域
１′における軸１の熱膨張時、ひいては又、ウエブ１５
の直径増大時には半径方向外寄りの周壁１７は弾性的に
拡張される。しかしながら軸ブシユ３はこの弾性的な変
形可能性のゆえにシール面の区域ではその位置に留ま
り、いかなる応力も受けない。要するに運転中の軸１の
昇温によつてシールギヤツプの変形は生ぜず、軸シール
装置の機能がダメージを受ける虞れもない訳である。他
面において軸ブシユ３の円筒環状の溝１６の拡張は、該
溝の剛性的な半径方向内寄りの周壁16′と軸１の円筒リ
ング状のウエブ１５との係合によつて阻止されるので、
この場合も軸ブシユ３はシールギヤツプの変形なしにそ
の位置とセンタリングを維持する。

〔発明の効果〕

要するに本発明の軸シール装置は、運転中に軸貫通部に
著しい温度変動を生ぜしめるような高い温度のターボ機
械のために、また回転数及び周速度の高いターボ機械の
ためにも適している。また本発明の軸シール装置は、経
費のかかる冷却手段を講じることなしにターボ機械の高
い運転温度を許容すると同時に、高い回転数による運転
を可能にする。

同等のことは、外部域１″の低圧Pa寄りの滑りリングシ
ール装置１４における軸と軸ブシユとのセンタリング継
手についても当て嵌まり、この場合軸ブシユは、温度に
基づく軸の膨張がシール面区域においていかなる変形も
軸ブシユに伝達しないように弾性的に構成されている。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による乾式ガスシール装置の１実施例とし
ての軸パツキンの軸線に沿つた断面図である。１…軸、１′…内部域、１″…外部域、２…ケーシング
壁、２′…パツキンホールダ、３…軸ブシユ、３′…対
応端部、３″…スリーブ状端部、４…半径方向遊び、５
…シール体、６…円環状シール面、７…滑りリング、
７′…内周面側、７″…背面、８…付加部、９…滑り
体、９′…滑り面、１０，１３…導管、Pi…高圧、Pa…
低圧、Ps…シールガスの圧力、１４…滑りリングシール
装置、１５…円筒リング状のウエブ、15′…環状間隙、
１６…円筒環状の溝、16′…半径方向内寄りの周壁、1
6″…ｏリング、１７…半径方向外寄りの周壁、17′…
内向き環部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング壁（２）を通つて回転する軸
（１）のための、軸方向滑りリングパツキンとして構成
された乾式ガスシール装置であつて、前記軸（１）と共
に回転しシール面（６）の担体として構成された軸ブシ
ユ（３）と、ガスによつて前記シール面（６）に圧着さ
れかつ潤滑される滑り面(9′）を有する周方向定位の滑
りリング（７）とを備えたものにおいて、シールフラン
ジを有する軸ブシユ（３）が軸（１）を半径方向遊び
（４）を以て内包しかつ形状嵌合式のセンタリング継手
（15,16）によつて前記軸（１）と結合されており、前
記センタリング継手が軸（１）の膨張時に前記軸ブシユ
（３）に対してばね弾性的であり、しかも軸（１）に対
する前記シール面（６）の区域における軸ブシユ（３）
の膨張を阻止するように構成されていることを特徴とす
る、乾式ガスシール装置。
【請求項２】軸（１）と軸ブシユ（３）とのセンタリン
グ継手が一方の部材（１）に円筒リング状のウエブ（１
５）を有し、該ウエブが他方の部材（３）に設けた円筒
環状の溝（１６）内に嵌合し、しかも前記センタリング
継手の少なくとも一部分（１７）が半径方向で弾性的に
構成されている、請求項１記載の乾式ガスシール装置。
【請求項３】円筒リング状のウエブが、ケーシング内部
域(1′）で軸１にケーシング外部域の方に向つて軸方向
に設けられていて該軸を間隙を以て取囲む円筒リング
（１５）として構成されており、かつ円筒環状の溝が、
軸ブシユ(3)のシールフランジの、シール面（６）とは
反対の側に設けられていて前記円筒リング(15)を囲む溝
（１６）として構成されている、請求項２記載の乾式ガ
スシール装置。
【請求項４】溝（１６）が、ウエブ（１５）に対してパ
ツキン（16″）によつてシールされた半径方向内寄りの
剛性的な周壁（16′）と、少なくとも内部域寄り端部
（17′）で前記ウエブ（１５）の外周面に圧着する半径
方向外寄りのばね弾性的な周壁（１７）とによつて形成
されている、請求項３記載の乾式ガスシール装置。
【請求項５】軸ブシユ（３）の熱膨張係数が軸（１）の
熱膨張係数よりも小さい、請求項１から４までのいずれ
か１項記載の乾式ガスシール装置。