CN102388245B - 密封环及船尾管密封装置 - Google Patents

密封环及船尾管密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种密封环及船尾管密封装置，其课题在于将密封唇部的接触应力维持在不产生泄漏和早期异常磨损等的适当状态，维持密封性的同时提高耐久性，进而提高嵌合于壳体的环状槽的密封外周部的安装性，使密封唇部的接触应力稳定化。所述密封环的特征在于，键部(29)的顶部以中心(T)为顶点向半径方向外侧以山形形成，并且从键部(29)向跟部(31)以轴向厚度变薄的方式具有台阶部(37a、37b)，背面侧的台阶部(37b)的内径形成为比正面侧的台阶部(37a)大，并且，唇部(35)的唇前端(39)呈山形突出，与将唇前端(39)向衬套(15)按压的环状弹簧(41)嵌合的弹簧槽(43)的中心(P)在比唇前端(39)靠唇背面侧处在唇背面宽度的推进轴方向长度的10％的范围内偏置设置。

Description

密封环及船尾管密封装置
技术领域
本发明涉及一种密封环及使用其的船尾管密封装置，所述密封环设于船舶用的推进轴和壳体部件之间，防止海水浸入船内侧，所述推进轴贯通在船尾管的船外侧设置的壳体部件内。
背景技术
以往，由橡胶或弹性体构成的密封环用于船尾管密封装置。
例如，在专利文献1(日本特开2000-238694号公报)中，如图7所示，公开了一种船尾管密封装置010，其中，与安装在贯通船尾管01的推进轴(螺旋桨轴)02上的衬套03滑接的由弹性部件构成的唇型的密封环04、05、06夹在多个壳体部件07间配设，通过配置在船尾侧的第一密封环04和与其相邻的第二密封环05形成第一船尾环状空间08，并且，通过第二密封环05和第三密封环06形成第二船尾环状空间09，防止海水的浸入、异物的侵入以及船内侧的润滑油泄漏。
作为该密封环04、05、06的剖面形状公开有如图8所示的形状。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2000-238694号公报
用于船尾管密封装置的密封环由密封外周部和密封唇部构成，在密封外周部的向壳体的嵌合部分设置过盈量而进行组装，所述密封外周部与在设于船尾管的船外侧的壳体的内周侧形成的环状槽嵌合，所述密封唇部与螺旋桨轴的外周或外嵌于螺旋桨轴的衬套外周面密接。
因此，当密封外周部向壳体嵌合时，若由于扭转或卡住(咬み込み)的产生或安装后的温度变化而使密封外周部产生变形，则密封唇部的接触应力变化，存在对密封性带来不良影响的可能性。
另外，若支承向螺旋桨轴外周面或衬套外周面密接的密封唇部的臂部刚性弱，则密封唇部不能够以适当的应力状态向衬套外周面接触，密封唇部的滑动面产生满接触(ベタ当たり)状态而容易产生早期异常磨损，另外，由于异常磨损所引起的滑动发热产生橡胶物性的软化和变形，存在海绵化而产生气泡(泡痕)或产生内部裂纹的可能性。因此，对密封环的密封唇的剖面形状和支承密封唇部的臂部的刚性进行了各种研究。
如图8所示，上述专利文献1公开的密封环的剖面形状为，在密封环04与螺旋桨轴02的衬套03接触的滑接面，在衬套的滑接面012设置多个微小的凹凸011，以使螺旋桨轴02旋转时，将第一船尾环状空间08内的水强制地向高压侧的船外送出，通过该凹凸011，在螺旋桨轴02旋转时积极地产生送入作用。
从而，在该专利文献1中，没有公开如下内容：密封环的外周部与在壳体的内周形成的槽稳定地嵌合这样的密封环的剖面形状；将密封环的外周部容易地嵌合于壳体的剖面形状；以及将密封唇部的接触应力维持在适当状态来防止经由密封唇部和螺旋桨轴的滑动面泄漏或密封唇部产生早期异常磨损等，从而提高密封性。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种密封环及使用其的船尾管密封装置，从而将密封唇部的接触应力维持在不产生泄漏和早期异常磨损等的适当状态，在维持密封性的同时提高耐久性，进而，提高嵌合于壳体的环状槽的密封外周部的安装性，使密封唇部的接触应力稳定化。
为了解决上述课题，第一发明为一种密封环，其设于船舶用的推进轴和在船尾管的船外侧设置的壳体部件之间，防止海水浸入船内侧，所述推进轴贯通所述壳体部件内，以所述密封环在推进轴方向的剖面形状为观察基准，所述密封环具备：键部，其与形成于壳体内周的环状槽嵌合；跟部，其从该键部朝向推进轴心沿径向延伸；臂部，其从该跟部的前端保持一定倾斜角度地向径向内侧延伸，且由形成于壳体侧的支承部件支承内侧；唇部，其形成于该臂部的前端且与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接，所述密封环的特征在于，所述键部的顶部以轴向厚度的中心为顶点向半径方向外侧以山形形成，并且，从键部向跟部以轴向厚度变薄的方式在键部的正面侧和背面侧分别具有台阶部，该台阶部的内径形成为键部的背面侧比正面侧大，所述唇部的唇前端向半径方向内侧呈山形突出，在唇部形成有弹簧槽，该弹簧槽与将唇前端向推进轴侧按压的环状弹簧嵌合，该弹簧槽的中心在比所述唇前端靠唇背面侧处在唇背面宽度的推进轴方向长度的10％的范围内偏置设置。
根据上述第一发明，所述键部的顶部以轴向厚度的中心为顶点向半径方向外侧以山形形成，并且，从键部向跟部以轴向厚度变薄的方式在键部的正面侧和背面侧分别具有台阶部，该台阶部的内径形成为键部的背面侧比正面侧大，因此，提高密封环的键部向环状槽的安装性，防止安装时键部没有顺畅地嵌入而卡止使密封环变形的情况。其结果是，防止键部变形且唇部的接触应力变化而对密封性带来不良影响。
即，由于背面侧的高度低，将正面侧朝向跟前而容易将密封环向壳体内的环状槽压入。从而，容易组装，在船舶停靠码头等而处于不拔出推进轴的状态下，容易在轴上进行密封环的更换。
进而，根据第一发明，所述唇部的唇前端向半径方向内侧呈山形突出，在唇部形成有弹簧槽，该弹簧槽与将唇前端向推进轴侧按压的环状弹簧嵌合，该弹簧槽的中心在比所述唇前端靠唇背面侧处在唇背面宽度的推进轴方向长度的10％的范围内偏置设置，因此，在键部嵌合于所述环状槽、且所述唇部与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接的安置状态时，环状弹簧位于距唇前端唇背面宽度的推进轴方向长度的大致20％的位置，唇前端侧的接触应力变高，从而能够提高唇部的密封性能。另外，通过提高唇前端侧的接触应力，唇背面的接触的满接触状态也不易产生，从而防止异常磨损的产生。
从而，将密封唇部的接触应力维持在不产生泄漏和早期异常磨损等的适当状态，能够在维持密封性的同时提高耐久性。
另外，以第一发明为基础，优选的是，所述唇部相对于推进轴方向的唇正面角β形成为比唇背面角α大，唇正面角β设定在45～55°的范围，且唇背面角α设定在25～30°的范围。
若唇背面角α及唇正面角β比上述设定范围大，则唇前端成为锐角，在振动大的船舶中，产生唇前端的接触面宽度的不足，从而容易产生海水从正面侧向背面侧的泄漏以及润滑油从背面侧向正面侧的泄漏。另外，反之，若唇背面角α及唇正面角β比设定范围小，则唇前端成为钝角，唇前端的接触面宽度变大，产生过度接触而不能够确保接触压力，密封性恶化且容易产生早期异常磨损。
从而，通过设定在上述范围，能够抑制在唇前端产生的异常现象，从而在维持密封性的同时提高耐久性。特别是，通过如此设定唇前端正面侧及背面侧的角度，与所述环状弹簧的偏置位置互起作用，能够将唇前端的接触应力适当维持且提高密封性。
另外，以第一发明为基础，优选的是，所述支承部件的前端与所述臂部的接触位置处的臂部厚度H、和从所述接触位置至唇前端的所述倾斜角度方向上的臂距离L满足H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系。
如上所述，设定为满足H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系，即，将H3/L4用作参数来设定从臂部至唇部的刚性。
从支承部件的接触位置开始前端为产生悬臂支承梁的挠曲的部分，因此，使用悬臂支承梁的挠曲式(1)表示唇前端的挠曲量V，使用求解挠曲量的式(1)中的H3/L4作为参数来评价使唇前端以适当的接触应力接触的臂部及唇部的刚性。
V＝K1(WL4/EI)＝K2(WL4/EH3)    …(1)
W：施加在密封环正面侧的压力，K1、K2：常数，E：杨氏模量(使用材料、使用例如氟橡胶的杨氏模量)
根据试验结果，发现了H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系。其结果是，通过设定为该范围，能够维持在不存在密封唇部的滑动面过度接触(满接触)而产生早期异常磨损这种情况的适当状态，维持密封性的同时提高耐久性。
另外，以第一发明为基础，优选的是，以如下方式设定所述臂部及唇部的刚性：不将所述H3/L4作为参数，在键部嵌合于所述环状槽且所述唇部与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接的安置状态下，在密封环的正面侧比背面侧高且正面侧与背面侧的压差为约0.15MPa时所述唇前端的接触宽度为2～3mm。
如上所述，通过设定接触宽度，能够在不使用由挠曲式设定的H3/L4的情况下直接规定接触宽度，从而维持在不存在唇部的滑动面过度接触(满接触)而产生早期异常磨损这种情况的适当状态，能够维持密封性的同时提高耐久性。需要说明的是，该2～3mm的接触宽度的最佳值为通过试验而预先确认的值。
其次，第二发明涉及一种船尾管密封装置，其具备密封环，该密封环设于船舶用的推进轴和在船尾管的船外侧设置的壳体部件之间，防止海水浸入船内侧，所述推进轴贯通所述壳体部件内，以所述密封环在推进轴方向的剖面形状为观察基准，所述密封环具备：键部，其与形成于壳体内周的环状槽嵌合；跟部，其从该键部朝向推进轴心沿径向延伸；臂部，其从该跟部的前端保持一定倾斜角度地向径向内侧延伸，且由形成于壳体侧的支承部件支承内侧；唇部，其形成于该臂部的前端且与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接，所述船尾管密封装置的特征在于，所述键部的顶部以轴向厚度的中心为顶点向半径方向外侧以山形形成，并且，从键部向跟部以轴向厚度变薄的方式在键部的正面侧和背面侧分别具有台阶部，该台阶部的内径形成为键部的背面侧比正面侧大，键部与所述环状槽嵌合而被装入(締め込み)，并且背面侧的所述台阶部与所述环状槽之间在径向形成空间，所述唇部的唇前端向半径方向内侧呈山形突出，在唇部形成有弹簧槽，该弹簧槽与将唇前端向推进轴侧按压的环状弹簧嵌合，该弹簧槽的中心在比所述唇前端靠唇背面侧处在唇背面宽度的推进轴方向长度的10％的范围内偏置设置。
根据该第二发明，能够获得具有由上述第一发明说明的密封环的作用效果的船尾管密封装置。
另外，以第二发明为基础，优选的是，所述唇部相对于推进轴方向的唇正面角β形成为比唇背面角α大，唇正面角β设定在45～55°的范围，且唇背面角α设定在25～30°的范围。
另外，以第二发明为基础，优选的是，所述支承部件的前端与所述臂部的接触位置处的臂部厚度H、和从所述接触位置至唇前端的所述倾斜角度方向上的臂距离L满足H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系。
另外，以第二发明为基础，优选的是，以如下方式设定所述臂部及唇部的刚性：在键部嵌合于所述环状槽、且所述唇部与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接的安置状态下，在密封环的正面侧比背面侧高且正面侧与背面侧的压差为约0.15MPa时所述唇前端的接触宽度为2～3mm。
通过采用这种结构，能够得到具有上述第一发明说明的密封环的船尾管密封装置。
另外，以第二发明为基础，优选的是，在所述环状槽的两侧壁的径向大致中央部形成有环状的避让槽。
这样，通过在所述环状槽的两侧壁的径向大致中央部形成有环状的避让槽，当将键部压入壳体的环状槽而嵌合时，键部的侧壁的一部分进入所述避让槽，因此，抑制键部装入后向内径侧的移动，从而将键部以嵌合状态定位在环状槽内，使键部的位置稳定。
【发明效果】
根据第一发明，提高密封环的键部的安装性，防止安装时键部的变形，其结果是，防止键部变形且唇部的接触应力变化而对密封性带来不良影响。另外，容易将密封环向壳体内的环状槽压入，能够在不拔出推进轴的情况下在轴上更换密封环。
进而，根据第一发明，唇部的唇前端向半径方向内侧呈山形突出，在唇部形成有弹簧槽，该弹簧槽与将唇前端向推进轴侧按压的环状弹簧嵌合，该弹簧槽的中心在比所述唇前端靠唇背面侧处在唇背面宽度的推进轴方向长度的10％的范围内偏置设置，因此，在键部嵌合于所述环状槽、且所述唇部与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接的安置状态下，环状弹簧位于距唇前端唇背面宽度的推进轴方向长度的大致20％的位置，从而使唇前端侧的接触应力变高，能够提高唇部的密封性能。另外，通过提高唇前端侧的接触应力，不易产生唇背面的接触的满接触状态，防止异常磨损的产生。
从而，密封唇部的接触应力被维持在不产生泄漏和早期异常磨损等的适当状态，能够在维持密封性的同时提高耐久性。
另外，根据第二发明，能够得到具有由所述第一发明的密封环发挥的作用效果的船舶的船尾管密封装置。
附图说明
图1是具备表示实施方式的密封环的船尾管密封装置的整体结构图的示例。
图2是表示密封环单体的形状的说明图。
图3是表示密封环安装于壳体的环状槽的状态的整体结构图。
图4是表示唇前端的背面角和正面角的关系的图表。
图5表示密封环的安置状态下的旋转试验结果，(a)是表示其试验结果的图表，(b)是表示试验条件的说明图。
图6是表示环状弹簧的偏置配置引起的接触面压力的变化的说明图。
图7是现有技术的说明图。
图8是现有技术的说明图。
具体实施方式
以下，使用图示的实施方式详细说明本发明。其中，该实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别限定的记载，本发明的范围就不限定于此。
参照图1说明船尾管密封装置的整体结构。如图1所示，船尾管密封装置1包括：螺旋桨3安装于端部的推进用的螺旋桨轴(推进轴)5；从船尾管7向船外侧突出设置且内部贯通有螺旋桨轴5的壳体(壳体部件)9；密封该壳体9的内周侧和螺旋桨轴5的外周侧之间的密封环11。
在螺旋桨3利用螺栓13固定有螺旋桨轴5的衬套15，衬套15的主体部包围螺旋桨轴5的外周与螺旋桨轴5一体旋转。三根唇形的密封环11a、11b、11c的唇与该衬套15的主体部外周滑接。另外，在最靠船尾侧安装有鱼网防止环17，以防止鱼网等海水中的异物进入。
壳体9的多个壳体9a～9e以层叠状态重叠而利用螺栓19一体固定于船尾管7，各个密封环11a、11b、11c夹在壳体9b～9e间而被保持。最靠船尾侧配置的第一密封环11a、相邻的第二密封环11b的唇朝向海水侧而防止海水向船内侧流入。最靠近船内侧的第三密封环11c的唇朝向船内侧，以防止船内侧的润滑油向船外漏出。
另外，利用第一密封环11a和第二密封环11b形成第一船尾环状空间21，利用第二密封环11b和第三密封环11c形成第二船尾环状空间23，第三密封环11c的船尾管7侧的第三船尾环状空间25与未图示的油积存箱连通。在航行前预先在这些船尾环状空间中填充油而使这些船尾环状空间成为密封状态。
在此，密封环11a、11b、11c由橡胶或弹性体的弹性部件构成，作为橡胶材料，由耐水、耐油优良的氟橡胶(例如，杜邦株式会社制的商品名Viton)、或丁腈橡胶(NBR)形成。
密封环11为圆环(环)形状，在中心的中空部分插入衬套15，圆环部分的剖面形状具有固定剖面形状，螺旋桨轴5方向的剖面形状如图2所示。
如图2所示，密封环11(在此，针对第一密封环11a进行说明，其他的第二密封环11b、第三密封环11c也具有同样的剖面形状。)包括：键部29，该键部29嵌合于环状槽27(参照图3)，所述环状槽27形成在固定于船尾管7的船体外侧且以包围螺旋桨轴5的方式形成的壳体(壳体部件)9的内周；跟部31，该跟部31从该键部29向螺旋桨轴5的中心线沿径向延伸；臂部33，该臂部33从该跟部31的前端向正面侧具有一定倾斜角度地延伸；唇部35，该唇部35形成于该臂部33的前端而与衬套15的外周面密接。以下详细说明各部分。
(键部)
键部29的顶部以轴向厚度的中心T为顶点向半径方向外侧以山形形成。例如，在两侧均等地具有大致15度的倾斜角。如此，通过形成均等的山形，在将键部29压入且夹入壳体9内的环状槽27内时，橡胶被压缩，山形的顶部向两方向避让，即向两方向具有压缩余量的空间，从而键部29的环状槽27内的中心位置自然确定，使得键部29的嵌合状态稳定。
另外，以从键部29向跟部31轴向厚度变薄的方式在键部29的正面侧A和背面侧B分别形成台阶部37a、37b，台阶部37a、37b形成为圆角形状。
另外，背面侧B的台阶部37b的内径形成为大于正面侧A的台阶部37a的内径。即，键部29的高度形成为背面侧B比正面侧A低。具体而言，相对于键部29的正面侧高度为7～15mm，背面侧高度形成为5.5～11mm。对于内径，背面侧B的台阶部37b的内径37bd形成为比正面侧A的台阶部37a的内径37ad大1.5～4mm。
如上所述，通过将背面侧的高度形成为正面侧高度的70～80％，当将键部29插入壳体9的环状槽27之际(沿图3虚线箭头Y方向压入键部29之际)，由于背面侧高度低，因此背面侧的台阶部37b顺畅地嵌入环状槽27内，从而能够在不发生卡住的情况下简单且可靠地装入。该正面侧和背面侧的高度关系根据试验性插入的容易度和插入后的稳定性而设定。
即，若背面侧的高度很低，则从背面侧按压键部29的面积减少，因此，装入后的键部29的位置不稳定。从而，需要如上述那样的一定范围。
另外，防止如下情况：键部29向环状槽27装入时，键部29不顺畅地嵌入而卡住，键部29发生变形进而唇部35的接触面变形。作为其结果，能够防止唇部35的接触应力变化而对密封性带来恶劣影响。
进而，由于背面侧的高度低，将正面侧朝向跟前而容易将密封环11a向壳体9内的环状槽27压入，因此，在船舶停靠码头等而处于不拔出螺旋桨轴5且拆下螺旋桨3和衬套15的状态下容易进行密封环11a的更换。
(臂部)
从跟部31的下方前端朝向正面侧A形成有保持一定倾斜角度θ延伸的臂部33。倾斜角度θ形成在25～30度的范围内。在该臂部33的前端形成有与衬套15的外周面密接的唇部35。
另外，直至该臂部33的中途位置，密封环11a在安置于壳体9内而从正面侧作用有海水压时与形成于壳体9的支承部件49抵接而被从内侧沿径向支承。
(唇部)
唇部35的唇前端39在半径方向内侧以山形突出而形成。另外，在唇部35形成有半圆剖面形状的弹簧槽43，该弹簧槽43与将唇前端39向衬套15按压的环状弹簧41(参照图3)嵌合，该弹簧槽43的中心P在比唇前端39靠唇背面侧处在唇背面宽度45的螺旋桨轴方向长度45a的大致10％的范围内偏置47而设置。即，图2的相对于唇背面宽度45的轴方向长度45a的偏置47位于大致10％的范围内。具体而言，唇背面宽度45的轴方向长度设定为8～12mm，相对于此偏置量设定为0.3～1.0mm(3～9％)。
如上所述，密封环11a在自由状态(没有将密封环11a装入壳体9内的单体的状态)下，弹簧槽43的中心P在比唇前端39靠唇背面侧处在唇背面宽度45的螺旋桨轴方向长度45a的大致10％的范围内偏置47而设置，因此，在将键部29嵌合于壳体9的环状槽27且使唇部35与衬套15的外周面密接的安置状态下，在比唇前端39靠唇背面侧处在唇背面宽度45的轴方向长度下偏置量为1.5～2.5mm(相对于唇背面宽度45的轴方向长度为8～12mm，偏置量为1.5～2.5mm(19～21％))。
从而，在自由状态下偏置在大致10％的范围内，在安置状态下偏置成为大致20％。
从而，在密封环11a安置在衬套15外周面的状态下在距离唇前端39大致20％的位置配置环状弹簧41，因此，唇背面宽度45中，唇前端39侧接触应力提高，从而能够提高唇部35的密封性能。另外，通过提高唇前端39侧的接触应力，不易发生唇背面的接触的满接触状态而防止异常磨损的发生。
从而，密封唇部的接触应力被维持在不产生泄漏和早期异常磨损等的适当状态，能够在维持密封性的同时提高耐久性。
另外，唇部35的唇前端39向半径方向内侧呈山形突出，在自由状态下，唇正面侧相对于螺旋桨轴方向的唇正面角β和唇背面侧相对于螺旋桨轴方向的唇背面角α具有β＞α的关系，设定为β＝45～55°的范围且α＝25～30°的范围。
唇正面角β设定为比唇背面角α大的原因在于，安置密封环11a而在正面侧作用有海水的压力时，唇部35倒向唇背面侧，在唇背面侧形成滑动面。
另外，若唇背面角α及唇正面角β比设定范围大，则唇前端39成为锐角，在振动大的船舶中，容易产生唇前端39的接触面宽度不足而使海水从正面侧A向背面侧B(参照图2、图3)泄漏、润滑油从背面侧向正面侧泄漏的情况。另外，反之，若唇背面角α及唇正面角β小于设定范围，则唇前端成为钝角，唇前端39的接触面宽度变大，产生过度接触而不能够确保接触压力，容易使密封性恶化并且产生早期异常磨损。
具体而言，如图4的实施例1所示，若设为自由状态下45°≤β≤55°且25°≤α≤30°的范围，则在该α、β的范围下，安置密封环11a而通过后述的性能试验的试验条件(使正面侧比背面侧高约0.15MP的状态)确认时，没有产生从背面侧向正面侧的泄漏量，也没有产生滑动面的异常磨损。
如比较例1所示，当背面角α为20°≤α＜25°，小于实施例1时，唇前端39的接触面宽度变大产生异常磨损，如比较例2所示，当正面角β为55°＜β≤65°，大于实施例1时，唇前端成为锐角，接触面宽度变小，从背面侧向正面侧的泄漏量增大。另外，如比较例3所示，当背面角α小为20°≤α＜25°、正面角β大为55°＜β≤65°时，从背面侧向正面侧的泄漏及滑动面的异常磨损均容易产生。
从而，通过将α、β设定为上述范围，能够抑制在唇前端39的接触面产生的异常现象，且在维持密封性的同时提高耐久性。特别是，如上所述，设定唇前端39的正面侧及背面侧的角度与所述环状弹簧41的偏置47互起作用，能够使唇前端39的接触面的接触应力适当化并防止异常磨损。
另外，如图2、3所示，从跟部31朝向臂部33沿臂部33的倾斜方向θ延伸而从下方支承臂部33的支承部件49形成在壳体9上，该支承部件49的前端与臂部33的接触位置51(详细而言，支承部件49的倾斜与前端侧的R部交叉的交点位置)处的臂部厚度H和从接触位置51至唇前端39在倾斜角度方向上的臂距离L满足H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系。
即，如图2所示，从支承部件49的前端与臂部33的接触位置51开始前端为产生悬臂支承梁的挠曲的部分，因此，使用悬臂支承梁的挠曲式(1)表示唇前端39的挠曲量V，使用求解挠曲量的式(1)中的H3/L4作为参数来评价使唇前端39以适当的接触应力接触的臂部33及唇部35的刚性。
V＝K1(WL4/EI)＝K2(WL4/EH3)    …(1)
W：施加在密封环正面侧的压力，K1、K2：常数，E：杨氏模量(使用材料、使用例如氟橡胶的杨氏模量)。
根据试验结果，发现了H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系。其结果是，通过设定为该范围，能够维持在不存在密封唇部的滑动面过度接触(满接触)而产生早期异常磨损这种情况的适当状态，维持密封性的同时提高耐久性。
另外，也可以以如下方式设定臂部33及唇部35的刚性：不将H3/L4作为参数，在将密封环11a安置在壳体9内而安装有衬套15的状态下，在密封环11a的正面侧A比背面侧B高而正面侧A与背面侧B的压差为约0.15MPa时唇前端的接触面宽度为2～3mm。
如此，通过设定接触面宽度，从而能够维持在不存在唇部35的滑动面过度接触(满接触)而产生早期异常磨损这种情况的适当状态，在维持密封性的同时提高耐久性。
即，以保持上述H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系的方式设定臂部33及唇部35的刚性，或在唇前端的接触面宽度符合规定条件的基础上以满足一定范围的方式设定臂部33及唇部35的刚性，同样能够设定适当的接触应力。
此外，支承部件49的前端位置、即支承部件49的长度B被设定在如下范围内：与臂部33的长度U和厚度H之间具有B/(U+H)＝60～71％的关系。
从而，在设定上述H3/L4的范围的基础上，通过设定支承部件49的前端位置的范围，能够将臂部33的刚性维持在更适当的状态。
(向壳体的安置状态)
如图3所示，在将键部29嵌合于壳体9的环状槽27且使唇部35与衬套15的外周面密接的安置状态下，臂部33与支承部件49以如下方式安置：大致平行地形成c的间隙，且在支承部件49的前端与从臂部33至唇部35的R部之间形成m的间隙。另外，如图4所示，唇背面角为α′。
若在密封环11a的正面侧作用有海水的压力，则唇部35及臂部33挠曲，而与支承部件49的前端接触，若继续变形，则前端的臂部33及唇部35从接触位置51开始变形。
与键部29嵌合的环状槽27的两侧壁的高度在两侧为同一高度，在从键部29至跟部31形成的台阶部37b的内径侧形成有空间N，如上述说明那样，键部29的装入简单且可靠。
进而，在与键部29嵌合的环状槽27的两侧壁的径向大致中央部，环状的避让槽53形成在两侧。通过形成该环状的避让槽53，当将键部29压入壳体9的环状槽27而嵌合时，键部29的侧壁的一部分进入避让槽53，因此，抑制键部29装入后向内径侧的移动，从而将键部29以嵌合状态定位在环状槽27内，使键部29的位置稳定化。
另外，与形成在唇部35的弹簧槽43嵌合的环状弹簧41在衬套15插入之前，处于嵌合于弹簧槽43而不松动的程度，在衬套15插入后，成为作用有弹力的状态。从而，如用唇部35的偏置量进行说明的那样，弹簧槽43的中心P与唇前端39的位置关系设定为：在自由状态下，偏置47在唇背面宽度45的螺旋桨轴方向长度45a的大致10％的范围内，在安置状态下向大致20％的位置移动。
(性能试验结果)
其次，参照图5说明密封环11a的性能确认试验的结果。
在向壳体9的安置状态且安装有衬套15的状态下，在图5(b)所示的试验条件下，即衬套15的外周面的周向速度为3.8m/s、正面侧A比背面侧B高、压差为0.15MPa、且正面侧为清水而背面侧为油，确认了从背面侧向正面侧的泄漏量、滑动部的接触宽度、滑动面的磨损状态、唇部的变形。需要说明的是，在衬套主体部的外径为600mm的#600密封环且唇背面宽度45的轴方向长度45a为9mm的条件下进行了确认。
如图5(a)所示，实施例1表示环状弹簧41的偏置47为0.5mm，设有支承部件49的情况。此外，相对于例如图3的臂部33的轴方向长度为约11mm，支承部件49的接触位置51设定为m＝约4mm左右。
实施例2中，环状弹簧41的偏置47为1.0mm，其他与实施例1相同。
另外，比较例4表示与实施例2同样但没有支承部件49的情况，比较例5表示环状弹簧41的偏置47为2.0mm且设置支承部件49的情况，比较例6表示没有设置比较例5的支承部件49的情况。
在实施例1、2中，能够确认泄漏及滑动面状态的异常均没有发生、唇部35也没有变形，并可确认该实施例1、2的情况下的接触宽度为2～3mm的范围为适当范围。
针对该接触宽度，图6示出了接触宽度X(从唇前端向背面侧的轴向距离，参照图3)和该接触宽度下的接触面压力的分布状态。
如实施例1所示，在以环状弹簧41的偏置47为0.5mm的方式将环状弹簧41的偏置47设定在唇背面宽度的轴方向长度的10％以下的情况下，接触宽度X为2mm，如图6的线S1那样，在唇前端侧接触应力提高，从而密封性能提高。
如比较例5那样，在以环状弹簧41的偏置47为2.0mm的方式将环状弹簧41的偏置47设定为超过唇背面宽度的轴方向长度的10％的情况下，接触宽度X为4mm，如图6的线S2那样，在唇前端侧接触应力变弱，密封性能降低，并且，显现出满接触的趋势而有早期异常磨损的可能性。
进而，如比较例6所示，在没有支承部件49的情况下，臂部33的刚性降低，接触宽度X成为6.5mm，如图6的线S3那样，接触应力变弱而在大的范围分布，因此，密封性能降低，并且满接触的趋势进一步变大而有早期异常磨损的可能性。
另外，比较例4表示与实施例2仅支承部件49的有无不同的情况，在有支承部件49的实施例2的情况下，为H3/L4＝14×10-4，在没有支承部件49的比较例4的情况下，为H3/L4＝4.6×10-4。当没有支承部件49且L变大、H3/L4比10×10-4小时，如上所述，接触应力变弱且分布在大的范围，因此，密封性能降低，并且，满接触的趋势进一步变大而有早期异常磨损的可能性。
另外，当L变短、H3/L4比30×10-4大时，挠曲量变小，因此，针对轴振动的追随性也降低。进而，在因衬套磨损或损伤等而进行削正的情况下，由于衬套过盈量少，因此无法获取削正量。另外，在以少的过盈量组装密封装置的情况下，当因恶劣气候等轴振动变大时，产生海水浸入和油泄漏的可能性变大。
如以上实施方式那样，通过改良密封环11a的键部29的形状及装入键部29的环状槽27的形状，提高密封环11a的安装性，从而防止安装时键部29的变形以及伴随该变形的唇部35的变形，其结果是，防止键部29变形且唇部35的接触应力变化而对密封性带来不良影响。
另外，容易将密封环11a压入壳体9内的环状槽27，能够不拔出螺旋桨轴5而在螺旋桨轴5上更换密封环11a、11b、11c。
进而，弹簧槽43的中心P在比唇前端39靠唇背面侧处在唇背面宽度45的推进轴方向长度45a的10％的范围内偏置，从而，在将键部29嵌合于环状槽27且使唇部35与衬套15的外周面密接的安置状态时，环状弹簧41位于距唇前端39唇背面宽度的推进轴方向长度的大致20％的位置，从而提高唇前端侧的接触应力，能够提高唇部35的密封性能。另外，通过提高唇前端侧的接触应力，不易发生唇背面的接触的满接触状态，防止异常磨损的发生。
另外，通过以满足H3/L4＝(10～30)×10-4(1/mm)的关系的方式设定臂部33及唇部35的刚性，或者通过在正面侧A比背面侧B高且产生0.15MPa程度的压差的通常使用状态下，将唇前端39的接触宽度X设定为2～3mm，由此能够提高唇前端部的接触应力，提高密封性能，唇部35的接触应力被维持在不产生泄漏和早期异常磨损等的适当状态，在维持密封性的同时提高耐久性。
【工业实用性】
根据本发明，设定为将密封唇部的接触应力维持在不发生泄漏和早期异常磨损等的适当状态，维持密封性的同时提高耐久性，并且，进一步提高嵌合于壳体的环状槽的密封外周部的安装性，从而能够使密封唇部的接触应力稳定化，因此适合用于密封环及使用其的船尾管密封装置。

Claims (7)

1.一种密封环，其设于船舶用的推进轴和在船尾管的船外侧设置的壳体部件之间，防止海水浸入船内侧，所述推进轴贯通所述壳体部件内，以所述密封环在推进轴方向的剖面形状为观察基准，所述密封环具备：键部，其与形成于壳体内周的环状槽嵌合；跟部，其从该键部朝向推进轴心沿径向延伸；臂部，其从该跟部的前端保持一定倾斜角度地向径向内侧延伸，且由形成于壳体侧的支承部件支承内侧；唇部，其形成于该臂部的前端且与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接，
所述密封环的特征在于，
所述键部的顶部以轴向厚度的中心为顶点向半径方向外侧以山形形成，并且，从键部向跟部以轴向厚度变薄的方式在键部的正面侧和背面侧分别具有台阶部，背面侧的台阶部的内径形成为比正面侧的台阶部的内径大，从而在所述键部与所述环状槽嵌合时，背面侧的台阶部在其内径侧与壳体之间形成空间，
所述唇部的唇前端向半径方向内侧呈山形突出，在唇部形成有弹簧槽，该弹簧槽与将唇前端向推进轴侧按压的环状弹簧嵌合，该弹簧槽的中心在比所述唇前端靠唇背面侧处在唇背面宽度的推进轴方向长度的10％的范围内偏置设置，
进而，所述唇部相对于推进轴方向的唇正面角β形成为比唇背面角α大，唇正面角β设定在45～55°的范围，且唇背面角α设定在25～30°的范围。
2.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，
所述支承部件的前端与所述臂部的接触位置处的臂部厚度H、和从所述接触位置至唇前端的所述倾斜角度方向上的臂距离L满足H3/L4=(10～30)×10-4(1/mm)的关系。
3.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，
以如下方式设定所述臂部及唇部的刚性：在键部嵌合于所述环状槽、且所述唇部与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接的安置状态下，在密封环的正面侧比背面侧高且正面侧与背面侧的压差为约0.15MPa时所述唇前端的接触宽度为2～3mm。
4.一种船尾管密封装置，其具备密封环，该密封环设于船舶用的推进轴和在船尾管的船外侧设置的壳体部件之间，防止海水浸入船内侧，所述推进轴贯通所述壳体部件内，以所述密封环在推进轴方向的剖面形状为观察基准，所述密封环具备：键部，其与形成于壳体内周的环状槽嵌合；跟部，其从该键部朝向推进轴心沿径向延伸；臂部，其从该跟部的前端保持一定倾斜角度地向径向内侧延伸，且由形成于壳体侧的支承部件支承内侧；唇部，其形成于该臂部的前端且与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接，
所述船尾管密封装置的特征在于，
所述键部的顶部以轴向厚度的中心为顶点向半径方向外侧以山形形成，并且，从键部向跟部以轴向厚度变薄的方式在键部的正面侧和背面侧分别具有台阶部，背面侧的台阶部的内径形成为比正面侧的台阶部的内径大，从而在所述键部与所述环状槽嵌合时，背面侧的台阶部在其内径侧与壳体之间形成空间，
所述唇部的唇前端向半径方向内侧呈山形突出，在唇部形成有弹簧槽，该弹簧槽与将唇前端向推进轴侧按压的环状弹簧嵌合，该弹簧槽的中心在比所述唇前端靠唇背面侧处在唇背面宽度的推进轴方向长度的10％的范围内偏置设置，
进而，所述唇部相对于推进轴方向的唇正面角β形成为比唇背面角α大，唇正面角β设定在45～55°的范围，且唇背面角α设定在25～30°的范围。
5.根据权利要求4所述的船尾管密封装置，其特征在于，
所述支承部件的前端与所述臂部的接触位置处的臂部厚度H、和从所述接触位置至唇前端的所述倾斜角度方向上的臂距离L满足H3/L4=(10～30)×10-4(1/mm)的关系。
6.根据权利要求4所述的船尾管密封装置，其特征在于，
以如下方式设定所述臂部及唇部的刚性：在键部嵌合于所述环状槽、且所述唇部与推进轴的外周面或外嵌于推进轴的衬套部件的外周面密接的安置状态下，在密封环的正面侧比背面侧高且正面侧与背面侧的压差为约0.15MPa时所述唇前端的接触宽度为2～3mm。
7.根据权利要求4所述的船尾管密封装置，其特征在于，
在所述环状槽的两侧壁的径向大致中央部形成有环状的避让槽。
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