JPH0743037B2 - 非接触メカニカルシール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非接触メカニカルシールの改良に係わり、更
に詳しくはガスタービンやコンプレッサ等の流体機器の
軸封装置として高周速条件下で使用する非接触メカニカ
ルシールに関する。

〔従来の技術〕

従来、コンプレッサ等における回転軸のハウジング間を
密封する非接触メカニカルシールは既に提供されてい
る。例えば、特公平１−22509号公報には、第10図に示
す如く、回転軸に密封固定した回転リングａとハウジン
グに密封装着し且つ押圧手段にて軸方向へ付勢した非回
転リングｂとの対面する各シール面の何れか一方のシー
ル面ｃに、第12図に示す如く相対的回転方向に対して前
進角を有する同一長さの多数の螺線溝ｄを円周方向に一
定間隔で設けて封入物体をシール面間に圧送してなる非
接触メカニカルシールが提供されている。

それによって、圧力変動や温度変動により回転リングａ
や非回転リングｂが変形してシール面ｃの平行度が損な
われた場合に、非回転リングｂに互いのシール面が平行
になる方向の偶力を発生させて自動的に安定なシール面
間隔に調整することができるものである。即ち、第10図
に点線で示した正常状態の非回転リングｂが時計方向に
変形して実線で示した状態になると、第11図に示す如く
外周部においては圧力が減少し（P₁）、内周部において
は圧力が増加し（P₂）、更に図示しない押圧手段とのバ
ランスにより非回転リングｂに反時計方向の偶力C₁を発
生させて互いのシール面が平行となるように自己整合さ
せることができるが、この場合においてシール面におけ
る圧力のピーク値は減少するので、負荷能力が減少し自
己整合させる時ギャップが不安定になるといった問題を
有していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところ
は、封入流体を長さの異なる複数種類の螺線溝群により
シール面に圧送し、シール面における動圧のピーク値を
半径方向の異なる複数位置に形成し、回転リングや非定
回転リングの変形に対して自己整合させる偶力を発生さ
せるとともに、何れか一の螺線溝群による動圧のピーク
値が更に大きくなるように設定した非接触メカニカルシ
ールを提供する点にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前述の課題解決の為に、回転軸の密封固定し
た回転リングとハウジングに軸方向可動となして密封装
着し且つ押圧手段にて軸方向へ付勢した非回転リングと
の対接するシール面に相対的回転方向に対して前進角を
有する螺線溝を設けて封入流体をシール面間に圧送して
なる非接触メカニカルシールにおいて、回転リングと非
回転リングの何れか一方若しくは両方のシール面に、そ
の外周縁若しくは内周縁を基端として延び、相対的回転
方向に対して前進角を有するとともに、溝の深さが同一
且つ溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方向に周期
的に設け、一方の短螺線溝のダム巾比を約0.2〜0.5、他
方の長螺線溝のダム巾比を約0.5〜0.8に設定し、長短両
螺線溝群によって発生する動圧の各ピーク値を、ダム巾
比0.5を境としたシール面の半径方向の内外異なる位置
に設定し、回転リングや非回転リングの変形に基づくシ
ール面の平行からのずれを是正する偶力を非回転リング
に発生させてなる非接触メカニカルシールを構成した。

更に、溝の長さの異なる二種類の螺線溝を用い、一方の
短螺線溝のダム巾比を約0.3、他方の長螺線溝のダム巾
比を約0.6に設定した。

そして、溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方向に
交互に設けた。

〔作用〕

以上の如き内容からなる本発明の非接触メカニカルシー
ルは、回転リングが非回転リングに対して回転すると、
相対的回転方向に対して前進角を有するとともに、溝の
深さが同一且つ溝の長さの異なる二種類の螺線溝群のそ
れぞれの相対的回転によって封入流体をシール面間に圧
送して、該シール面間に動圧を発生させて非接触状態を
形成して密封するのであり、そして一方の螺線溝のダム
巾比を約0.2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比を約0.5
〜0.8に設定し、長短両螺線溝群によって発生する動圧
の各ピーク値を、ダム巾比0.5を境としたシール面の半
径方向の内外異なる位置に設定した特異な圧力分布を形
成することにより、回転リングや非回転リングの変形に
基づくシール面の平行からのずれを是正する偶力を非回
転リングに発生させるのである。即ち、運転中に回転リ
ングや非回転リングの変形によって非接触状態の両シー
ル面間のギャップが、半径方向外側で挟まった場合に
は、半径方向外側部に終端を有する螺線溝群により動圧
のピーク値が増大し、非回転リングにギャップの外側部
分を広げる方向の偶力を発生させ、また半径方向内側で
挟まった場合には、半径方向内側部に終端を有する螺線
溝群による動圧のピーク値が増大し、非回転リングにギ
ャップの内側部分を広げる方向の偶力を発生させる自己
整合機能を備え、封入物体の漏洩を最小限に抑制するの
である。

〔実施例〕

次に添付図面に示した実施例に基づき更に本発明の詳細
を説明する。

第１図は本発明に係る非接触メカニカルシールＭの全体
構造を示し、ハウジング１と、該ハウジング１の開放端
を貫通する回転軸２との間に設けている。ここで、図中
Ａは大気圧（低圧）側、Ｂは高圧（シール圧）側を示し
ている。

本実施例の非接触メカニカルシールＭは、前記回転軸２
に密封固定した回転リング３と、前記ハウジング１に密
封装着した非回転リング４を備え、該回転リング３と非
回転リング４の互いのシール面5,6を対接させ、そして
非回転リング４は密封状態で軸方向可動となすととも
に、ハウジング１に関係づけた押圧手段７にて各シール
面5,6が接近する軸方向に付勢している。そして、第２
図に示す如く前記回転リング３の外周縁から内方へ延
び、相対的回転方向に対して前進角を有する長さの異な
る二種類の螺線溝、即ち短螺線溝８と長螺線溝９を円周
方向に交互に設けている。

前記回転リング３は、前記回転軸２に同軸外挿した固定
スリーブ10に同軸外挿するとともに、該固定スリーブ10
の一端から延びたフランジ部11に前記シール面５とは反
対側面を当止し、そしてフランジ部11を回転軸２に形成
した段部12に当止状態で前記固定スリーブ10に外嵌した
締着スリーブ13と該固定スリーブ10の端部を回転軸２に
螺合した保持ナット14で締付けることにより、固定スリ
ーブ10とともに回転軸に固定し、そして回転軸２とフラ
ンジ部11間、回転リング３と固定スリーブ10間及び回転
リング３とフランジ部11間にそれぞれＯリング15,16,17
を介装して密封している。

前記非回転リング４は、前記ハウジング１に密封固定し
た環状の保持装置18によって所定位置に軸方向可動とな
して密封保持するとともに、押圧手段７にて前記回転リ
ング３のシール面５と、当該非回転リング４のシール面
６が接近する方向へ付勢している。ここで、前記保持装
置18は、外周一端をハウジング１の段部19に当止すると
ともに、他端を固定スリーブ20に当止して軸方向の移動
を規制し、更にハウジング１と保持装置18の外周間には
Ｏリング21を介装し、また内周縁から軸方向へ延びた環
状の摺動部22の外周と前記非回転リング４の内周間にＯ
リング23を介装して該非回転リング４を密封状態で軸方
向可動となしている。そして、前記保持装置18に一端を
係着した複数のコイルばね等の弾性部材からなる押圧手
段７の他端を環状のディスク24を介して前記非回転リン
グ４のシール面６とは反対側端に関係づけ、、該非回転
リング４を前記回転リング３の方向へ弾性付勢して、両
シール面5,6が互いに接近する方向へ常時押圧力が作用
するようになしている。

尚、前記非回転リング４は、回転時に完全に接触しない
のではなく、回転軸２が静止状態から回転を始めて初期
の段階では接触抵抗により回転リング３と摺動し、回転
軸２が一定回転数以上になった場合には互いのシール面
5,6が滑るので非回転リング４は摺動を略停止するが、
それはシール面5,6間に介在する流体の粘性によりその
摺動が略停止する回転数は異なる。また、圧力差により
いかなる時も完全に摺動しないようにすることもでき
る。

また、本実施例では、回転リング３と非回転リング４を
一対備えた非接触メカニカルシールＭの例を示したが、
これらを複数用いて軸方向に互いに関係づけて配列させ
たタンデム型のものも採用し得るのである。

第２図は本発明の回転リング３のシール面５に形成した
螺線溝のパターンの一例を示し、図示したものは短螺線
溝流螺線溝９の二種類の螺線溝を回転リング３の外周縁
から内方へ相対的回転方向に対して前進角を設けて円周
方向に交互に形成したものであり、螺線溝を形成しない
シール面は平坦となしている。

次に、ダム巾比を次式により定義する。

ここで、ODはシール面5,6の共通部分の外形、IDは内
径、GDは螺線溝の溝領域と平坦領域との境界で形成され
る輪郭円の直系であり、GDは短螺線溝８の場合にはSG
D、長螺線溝９の場合にはLGDの値が入る。

（１）式は螺線溝をシール面の外周側を基端として形成
した場合に適用する式であり、（２）は内周側を基端と
して形成した場合に適用する式であり、本発明において
は短螺線溝８のダム巾比を約0.2〜0.5、長螺線溝９のダ
ム巾比を約0.5〜0.8に設定している。このダム巾比の最
適値は、他のパラメータによって変化するが、より好ま
しい値としては短螺線溝８のダム巾比は約0.3、長螺線
溝９のダム巾比は約0.6である。

また、本発明における螺線溝は、約２〜15μｍの深さを
有し、その巾及び前進角の角度は封入流体のシール圧力
及び回転数等によって決定される。尚本実施例では螺線
溝を回転リング３のシール面５に形成したが、非回転リ
ング４のシール面６に形成することも、更に両方のシー
ル面5,6に形成することも原理的に可能である。

そして、当該螺線溝をシール面の表面に形成する方法
は、炭化タングステン、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ
セラミック、金属材等の材料で所定形状に成形した後、
シール面となる面に螺線溝を化学的、物理的若しくは電
気化学的な手法を用いて形成する。例えば、エッチン
グ、粉末を吹きつけるブラスト及び各種めっき処理によ
って形成することができる。

尚、螺線溝のパターンは、第２図に示したものに限定さ
れず、各種のパターンを採用し得る。例えば、第３図に
示す如く、短螺線溝８が二本、長螺線溝９が一本の基本
パターンを円周方向に形成したものや、逆に第４図に示
す如く、短螺線溝８が一本、長螺線溝９が二本の基本パ
ターンを円周方向に形成したものであり、また第５図に
示す如く、短螺線溝８と長螺線溝９との溝巾を変えたも
のがある。更に、以上のパターンを組合わせたものも可
能であり、溝の長さの異なる三種類以上の螺線溝との組
合わせたものも可能である。

次に、本実施例の非接触メカニカルシールＭにおいて、
非回転リング４はその内周において圧力を受けるので、
バランスはBDをバランス直径とすれば、 で表され、その値は0.5〜1.5に設定している。

しかして、前記回転軸２が高速回転すると回転リング３
のシール面５に形成された回転方向に対して前進角を有
する短螺線溝８及び長螺線溝９により所定のシール圧を
有する封入流体をシール面5,6間に圧送し、それにより
該シール面の半径方向の内外部（螺線溝の終端近傍）に
おいてシール圧より高い動圧が発生し、その動圧によっ
て非回転リング４は前記押圧手段７の押圧力に抗して軸
方向へ移動し、流体による動圧と該押圧手段７の押圧力
とが釣り合った状態、即ちシール面5,6間に平行なギャ
ップを有する非接触状態になる。この状態において、封
入流体はシール面5,6間から回転軸２と非回転リング４
との間に流れ、大気側へ若干漏洩する。この漏洩は、原
理的に避けられないが、本発明の短螺線溝８と長螺線溝
９の二種類の螺線溝群からなるものは、シール面の半径
方向の内外部にそれぞれの作用により動圧のピークを形
成するので、封入流体の密封性に優れている。当然、溝
の長さの異なる更に多種類の螺線溝群を形成した場合に
は、それに応じてシール面における動圧のピーク位置が
増えるのである。ここで、回転数が低い始動初期又は停
止直前においては、動圧が減少するが、各シール面5,6
の平坦部が密着するので、封入流体の漏洩量は少ない。

通常の運転状態においては、非回転リング４は第６図及
び第８図に示した点線位置にあり、その状態ではそれぞ
れ第７図及び第９図に点線で示した圧力分布を形成す
る。この圧力分布において、縦軸はシール面の半径方向
の位置に対応し、上部にピーク値を有する分布は短螺線
溝８により、下部にピーク値を有する分布は長螺線溝９
によるものである。

そこで、運転中に非回転リング４が熱的変動や圧力変動
によってそれ自身が変形し若しくは回転リング３に対し
て相対的に変形して、シール面６が第６図に実線で示す
如く内側へ曲がったとすると、その結果、新たな圧力分
布は第７図に実線で示すようになり、動圧と前記押圧手
段７の押圧力との作用よってシール面６の半径方向内外
部において、短螺線溝８により圧力P₀₁とP₀₂が発生し、
長螺線溝９により圧力P₁₁とP₁₂が発生し、P₀₁とP₁₁の合
力と、P₀₂とP₁₂の合力とによって、非回転リング４の断
面における重心Ｗの周りに設定された平行位置に戻そう
とする反時計方向の偶力C₁が生じる。

また、シール面６が外側へ曲がった場合にも、第８図及
び第９図に示す如く、平行位置に戻そうとする時計方向
の偶力C₂が生じる。

ここで、第７図及び第９図に示す如く、非回転リング４
のシール面６の変形により短螺線溝８と長螺線溝９によ
る動圧の一方のピーク値は減少するが、他方は逆に増加
するので、シール面5,6間の総合的な圧力の低下は生じ
ず、その結果、封入流体の漏洩量を従来の同一長さの螺
線溝を用いたものと比較して、極めて少なく抑制できる
のである。

〔発明の効果〕

以上にしてなる本発明の非接触メカニカルシールによれ
ば、回転軸に密封固定した回転リングとハウジングに軸
方向可動となして密封装着し且つ押圧手段にて軸方向へ
付勢した非回転リングとの対接するシール面に相対的回
転方向に対して前進角を有する螺線溝を設けて封入流体
をシール面間に圧送してなる非接触メカニカルシールに
おいて、回転リングの非回転リングの何れか一方若しく
は両方のシール面に、その外周縁若しくは内周縁を基端
として延び、相対的回転方向に対して前進角を有すると
ともに、溝の深さが同一且つ溝の長さの異なる二種類の
螺線溝を円周方向に周期的に設け、一方の短螺線溝のダ
ム巾比を約0.2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比を約0.
2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比を約0.5〜0.8に設定
し、長短両螺線溝群によって発生する動圧の各ピーク値
を、ダム巾比0.5を境としたシール面の半径方向の内外
異なる位置に設定し、回転リングや非回転リングの変形
に基づくシール面の平行からのずれを是正する偶力を非
回転リングに発生させてなるので、長さの異なるそれぞ
れの螺線溝群の相対的回転による流体輸送作用によって
封入流体をシール面間に圧送して、その動圧によって高
速回転時に両シール面を非接触状態に維持することがで
きることは勿論、ダム巾比0.5を境としたシール面の半
径方向の内外異なる位置に、それぞれの螺線溝群による
動圧のピーク値を有する圧力分布を形成することによ
り、非回転リング等の変形によるシール面の平行からの
ずれを是正する偶力を非回転リングに発生させることが
でき、両シール面の平行度を自動的に調整する優れた自
己整合機能を有するのであり、またシール面が平行から
ずれた場合に、何れか一の螺線溝群の動圧のピーク値が
通常運転時より更に高くなって封入流体の漏洩を最小限
に抑制することができるのである。

また、非回転リングの断面における重心位置にもよる
が、短螺線溝のダム巾比を約0.3、長螺線溝のダム巾比
を約0.6に設定することにより、前記重心位置に対して
半径方向向外部に長短両螺線溝群の動圧のピーク値を有
する圧力分布を形成することができ、シール面の平行か
らのずれによって一方の螺線溝群の動圧のピーク値が増
大し、他方の螺線溝群の動圧のピーク値が減少し、圧力
バランスが崩れることで非回転リングに発生する偶力
が、効率的に重心周りに作用し、シール面が速かに平行
状態へ復帰する。

そして、溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方向に
交互に設けたことにより、円周方向の動圧の分布を均一
にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の非接触メカニカルシールを回転軸とハ
ウジング間の装着した状態の要部断面図、第２図は本発
明の螺線溝のパターンの一例を示す端面図、第３図〜第
５図は同じく螺線溝の他のパターンを示す端面図、第６
図は非回転リングが時計方向へ変形した状態の簡略側面
図、第７図は第６図の状態のシール面間の圧力分布図、
第８図は非回転リングが反時計方向へ変形した状態の簡
略側面図、、第９図は第８図の状態のシール面間の圧力
分布図、第10図は従来の非接触メカニカルシールにおい
て非回転リングが時計方向へ変形した状態の簡略側面
図、第11図は第10図の状態のシール面間の圧力分布図、
第12図は同じく従来の螺線溝のパターンを示す端面図で
ある。 M:非接触メカニカルシール、P₀₁,P₀₂:短螺線溝による圧
力、P₁₁,P₁₂:長螺線溝による圧力、C₁,C₂:偶力、W:断面
における重心、1:ハウジング、2:回転軸、3:回転リン
グ、4:非回転リング、5:シール面、6:シール面、7:押圧
手段、8:短螺線溝、9:長螺線溝、10:固定スリーブ、11:
フランジ部、12:段部、13:締着スリーブ、14:保持ナッ
ト、15:Oリング、16:Oリング、17:Oリング、18:保持装
置、19:段部、20:固定スリーブ、21:Oリング、22:摺動
部、23:Oリング、24:ディスク。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸に密封固定した回転リングのハウジ
   ングに軸方向可動となして密封装着し且つ押圧手段にて
   軸方向へ付勢した非回転リングとの対接するシール面に
   相対的回転方向に対して前進角を有する螺線溝を設けて
   封入流体をシール面間に圧送してなる非接触メカニカル
   シールにおいて、回転リングと非回転リングの何れか一
   方若しく両方のシール面に、その外周縁若しくは内周縁
   を基端として延び、相対的回転方向に対して前進角を有
   するとともに、溝の深さが同一且つ溝の長さの異なる二
   種類の螺線溝を円周方向に周期的に設け、一方の短螺線
   溝のダム巾比を約0.2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比
   を約0.5〜0.8に設定し、長短両螺線溝群によって発生す
   る動圧の各ピーク値を、ダム巾比0.5を境としたシール
   面の半径方向の内外異なる位置に設定し、回転リングや
   非回転リングの変形に基づくシール面の平行からのずれ
   を是正する偶力を非回転リングに発生させてなることを
   特徴とする非接触メカニカルシール。
2. 【請求項２】一方の短螺線溝のダム巾比を約0.3、他方
   の長螺線溝のダム巾比を約0.6に設定してなる請求項第
   １項記載の非接触メカニカルシール。
3. 【請求項３】溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方
   向に交互に設けてなる請求項第１項又は第２項記載の非
   接触メカニカルシール。