CN102797678B - 轴密封构造以及旋转流体机械 - Google Patents

Abstract

本发明的轴密封构造，包括：第一突出部，从隔开空间而包围旋转轴（3）的壳体朝向旋转轴突出、形成有垂直于旋转轴的环状的密封面；第二突出部，从壳体朝向轴突出而形成有与密封面对置的支承面；密封环，配置于第一突出部与第二突出部之间且内径比轴的外形稍大；以及施力部件，配设于密封环与支承面之间而将密封环向密封面按压。根据该轴密封构造，不会由于轴的挠曲而轴密封能力降低。

Description

轴密封构造以及旋转流体机械

技术领域

本发明涉及一种轴密封构造以及旋转流体机械。

背景技术

在旋转流体机械中，需要对旋转轴与壳体之间的间隙进行密封的轴密封构造。例如，在螺杆压缩机中，如果从转子室沿着转子轴而漏出的流体到达支承转子轴的轴承，则有可能损伤轴承。特别地，在旋转流体机械中，流体的压力较高的排出侧的转子轴的轴密封容易成为问题。

因此，在日本特开2009-287413号的蒸汽用螺杆压缩机中，作为排出侧的转子轴的螺杆转子与轴承之间的轴密封构造，采用下述构造：从螺杆转子侧顺次地设置第一迷宫式密封件、第二迷宫式密封件以及唇形密封件，向第一迷宫式密封件和第二迷宫式密封件之间供给有助于基于迷宫式密封件的轴密封的轴密封流体，将第二迷宫式密封件与唇形密封件之间向大气开放。

迷宫式密封件是下述密封装置：组装在嵌装于转子轴的转子和保持于壳体的定子之间、形成狭窄的间隙并利用在该间隙中流动的流体的压力损失而限制流体的通过。因而，迷宫式密封件如果不能对转子和定子正确地进行调心，则不能充分地发挥作用。

在螺杆压缩机中，在构造上，如果向螺杆转子施加流体的压力，则转子轴挠曲。因此，迷宫式密封件的轴方向的长度较长时，在螺杆压缩机中，转子轴的挠曲量变大，存在迷宫式密封件与轴接触而迷宫式密封件损坏的危险性。进而，有可能基于迷宫式密封件的轴密封变得不充分。

在日本特开2009-287413号的螺杆压缩机中，万一迷宫式密封件的轴密封变得不充分，则有可能从转子室漏出的蒸汽通过迷宫式密封件而损伤唇形密封件。特别地，在这样的压缩蒸汽的压缩机中，通过迷宫式密封件的蒸汽令唇形密封件和转子轴的摩擦部分的温度上升，所以即便该泄露很少，也可能会引起唇形密封件的损伤。如果为了防止这一现象而向唇形密封件与转子室之间的空间供给低温的润滑流体，则低温的流体向转子室侧泄露而令蒸汽冷凝，所以压缩机的效率降低。

发明内容

鉴于上述问题点，本发明的课题在于提供一种不会由于轴的挠曲而轴密封能力降低的轴密封构造、以及即便转子轴挠曲轴密封能力也不会降低的旋转流体机械。

为了解决上述课题，本发明的轴密封构造是对旋转轴与隔开间隔而包围上述旋转轴的壳体的间隙进行密封的轴密封构造，包括：第一突出部，从上述壳体朝向上述旋转轴突出，具有垂直于上述旋转轴的环状的密封面；第二突出部，从上述壳体朝向上述旋转轴突出，具有与上述密封面对置的支承面；密封环，配置于上述第一突出部与上述第二突出部之间，内径比上述旋转轴的外形稍大；以及施力部件，配设于上述密封环与上述支承面之间，将上述密封环向上述密封面按压。

根据该构成，密封环能够沿着密封面沿径方向移动。因此，即便旋转轴挠曲，密封环也追踪于旋转轴而移动，所以密封环与旋转轴的间隙不会变大，轴密封能力不会降低。

此外，本发明的轴密封构造中，上述密封环可以由与上述旋转轴热膨胀率相同的材质构成。

根据该构成，即便旋转轴热膨胀，密封环也以大致相同的比率膨胀，所以，旋转轴与密封环的间隙不会较大地变动，密封能力稳定。

此外，在本发明的轴密封构造中，上述密封环可以具有令PTFE的微粒子弥散共析于无电解镍被膜中的复合镀膜。

根据该构成，在旋转轴挠曲而与密封环接触而沿径方向移动时，两者的摩擦变小，所以能够密封环以及旋转轴的摩耗及烧结。此外，密封面与密封环之间的摩擦也变小，所以向旋转轴的挠曲的追踪性高。

此外，本发明的轴密封构造中，可以具有多个轴密封部，所述轴密封部由上述第一突出部、上述第二突出部、上述密封环、上述施力部件的组合构成，在上述壳体上设置向形成于邻接的上述密封环之间的供给空间中供给密封流体的密封流体流路。

根据该构成，即便旋转轴挠曲，密封环也追踪于旋转轴而移动，所以向与旋转轴的间隙不会变大、且轴密封能力不会降低的密封环之间的供给空间供给密封流体，所以密封流体从供给空间经由密封环与旋转轴的间隙而流出。该密封流体的流动防止应该被轴密封构造密封的流体进入供给空间，所以轴密封变得完全。

此外，在具有多个上述轴密封部的本发明的轴密封构造中，上述壳体可以设置令形成于邻接的上述密封环之间的排气空间与比上述密封流体压力低的低压空间连通的排出流路，上述排出空间位于比上述供给空间靠高压侧。

根据该构成，能够令从高压侧向排出空间漏出的密封对象流体以及从供给空间向排出空间流出的密封流体从排出流路排出到外部，将排出空间维持为比供给空间低压，所以能够可靠地防止密封对象流体进入供给空间。

此外，在具有多个上述轴密封部的本发明的轴密封构造中，上述旋转轴可以在与上述密封流体流路对置的位置处具有在全周范围内形成的梯形截面的梯形槽。

根据该构成，密封流体在梯形槽内在旋转轴的全周范围内以相等的压力扩开，从而能够在密封环与旋转轴的间隙的全周范围内形成均一的密封流体的流动，能够可靠地进行基于密封流体的密封对象流体的密封。此外，梯形槽的倾斜的侧壁能够对要沿着侧壁向径方向内侧移动的流体作用离心力而制止该移动。

此外，在具有多个上述轴密封部的本发明的轴密封构造中，上述旋转轴在与上述排出流路对置的位置处可以具有在全周范围内形成的三角形截面的三角槽。

根据该构成，能够对要沿着倾斜的面向径方向内侧移动的密封对象流体作用离心力而制止该移动。

此外，在具有多个上述轴密封部的本发明的轴密封构造中，可以具有：配设在比上述供给空间靠低压侧且具有朝向低压侧扩径的圆锥形的外周面的套筒；和从上述壳体突出而具有在与上述外周面之间形成微小的间隙的圆锥形的倾斜面的第三突出部。

根据该构成，能够对从低压侧进入该微小的间隙的流体作用离心力而制止该移动。

此外，本发明的旋转流体机械具有上述任意的轴密封构造。

根据该构成，即便由于作用于旋转轴的压缩流体的作用而旋转轴挠曲，轴密封能力也不会降低，轴密封构造的寿命长，所以保养的工作量小。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的轴密封构造的剖视图。

图2是本发明的第二实施方式的轴密封构造的剖视图。

具体实施方式

由此，对于本发明的实施方式，参照附图进行说明。图1表示本发明的第一实施方式的旋转流体机械的轴密封构造。本实施方式是将本发明用于压缩蒸汽用的螺杆压缩机的排出侧的轴密封的例子，即在本实施方式中，将蒸汽作为利用本轴密封构造进行密封的对象的流体。

在本实施方式中，在壳体1的内部利用滚珠轴承4支承螺杆转子2的转子轴（旋转轴）3。

壳体1形成有朝向转子轴3而向径方向突出的多个突出部5～15。突出部6、7、8、10、11、15的螺杆转子2侧（高压侧）的侧面，以及突出部12的滚珠轴承4侧（低压侧）的侧面分别构成垂直于转子轴3的密封面16。此外，突出部5、6、7、9、10、14的滚珠轴承4侧(低压侧）的侧面，以及突出部13的螺杆转子2侧（高压侧）的侧面分别构成垂直于转子轴3的支承面17。

在突出部5与6之间、突出部6与7之间、突出部7与8之间、突出部9与10之间、突出部10与11之间、突出部12与13之间、以及突出部14与15之间，分别配置有内径比转子轴3稍大的密封环18、和沿轴方向被压缩的施力部件19。施力部件19一端与密封环18抵接，另一端与支承面17抵接，利用其弹性力向密封面16按压密封环18。

本实施方式的密封环18在由与转子轴3相同的材质（例如不锈钢）构成的金属制的环上具有复合镀膜（例如注册商标カニフロン），其在无电解镍被膜中令PTFE的微粒子弥散共析而成。

此外，壳体1在突出部10与11之间，即压接于突出部10的密封面16的密封环18与压接于突出部11的密封面16的密封环18之间所形成的第一排出空间处，设置有向大气开放的第一排出流路20，在突出部11与12之间，即压接于突出部11的密封面16的密封环18与压接于突出部12的密封面16的密封环18之间所形成的第二排出空间处，设有向大气开放的第二排出流路21。

此外，壳体1在突出部13与14之间，换言之在压接于突出部12的密封面16的密封环18与压接于突出部15的密封面16的密封环18之间所形成的供给空间处，设置有供给密封流体（例如空气及氮气）的密封流体流路22。因而，笫一排出流路20以及第二排出流路21设置于比密封流体流路22高压侧（螺杆转子2侧）。

在转子轴3上，在对置于第二排出流路21的位置处，形成有螺杆转子2侧斜向地大约45°地倾斜、滚珠轴承4侧垂直的V字型的三角槽23，此外，在对置于密封流体流路22的位置，形成有底边沿轴方向延伸、两侧壁倾斜地大约45°地倾斜的梯形截面的梯形槽24。

此外，转子轴3在中途缩径，在其阶梯差与滚珠轴承4之间嵌装套筒25。套筒25以构成有朝向滚珠轴承4侧扩径的圆锥形的外周面26的方式向外侧突出。壳体1的突出部15的滚珠轴承4侧的侧面构成以与突出部25的外周面26相同的角度倾斜的圆锥形的倾斜面27。由此，在突出部15的倾斜面27与套筒25的外周面26之间，形成有作为以朝向低压侧扩径的方式倾斜的微小的间隙的狭窄的密封间隙28。

在本实施方式的密封构造中，密接于密封面16的密封环18分别接近于转子轴3的外周，令要通过密封环18与转子轴3之间的微小的间隙的流体产生压力损失，从而能够发挥抑制蒸汽的通过的轴密封功能。

密封环18能够沿着密封面16在径方向上移动。因而，即便转子轴3挠曲而在各密封环18的某位置处转子轴3相对于壳体1发生偏心，密封环18也分别追踪于转子轴3而在径方向上移动。由此，能够防止密封环18以及转子轴3的磨耗以及破损，密封环18与转子轴3之间的间隙维持为不会扩大，防止轴密封能力的降低。

即，形成密封面16以及支承面17的突出部的对、和配置于这些的密封面16与支承面17之间的密封环18以及施力部件19构成作为轴密封构造的最小单位的轴密封部，本实施方式具有七个轴密封部。另外，当然地，本发明的旋转流体机械的轴密封构造不限定于该具有七个轴密封部的情况。上述的轴密封部的个数能够适宜地增减。

此外，密封环18由与转子轴3相同的材质构成，所以其热膨胀率与转子轴3相同。因而，即便转子轴3的温度上升而转子轴3的直径由于热膨胀而变大，密封环18也同样地热膨胀，其内径扩大。由此，转子轴3与密封环18之间的间隙大致保持为一定，轴密封能力不发生变化。

此外，密封环18具有复合镀膜，其是摩擦系数小的表面处理，令PTFE的微粒子向无电解镍被膜中弥散共析而成。所以，与密封面16之间的摩擦力小，以较小的力令其沿着密封面16在径方向上移动。由此，转子轴3偏心而与密封环18抵接时的密封环18的移动变得可靠。进而，该表面处理还降低密封环18与转子轴3之间的摩擦，所以抑制转子轴3偏心而与密封环18抵接时的密封环18的摩耗及破损，能够长期地维持轴密封能力。

另外，密封环18也可以进行其他种类的表面处理（摩擦系数μ为0.2程度以下的、摩擦系数小的表面处理。具体而言基于镍、磷、硼（boron）的三元合金的无电解镀层的被膜处理（注册商标カニボロン）这样的表面处理），也可以不进行表面处理。此外，密封环18也可以由不同于转子轴3的材质（含有碳这样的金属以外的材质）形成。但是，利用不同于转子轴3的材质（特别地比转子轴3热膨胀率小的材质）形成密封环18时，为了防止由于转子轴3的热膨胀而密封环18自身受到损伤，优选密封环18不是由单一的部件构成而采用将多个圆弧状的部件组装而构成的所谓的分段式密封等。

此外，在本实施方式中，向密封流体流路22供给至少具有大气压以上的压力的密封流体，在比密封流体流路22靠螺杆转子2侧设置有第一排出流路20以及第二排出流路21，所以突出部12与突出部15之间的空间的压力变得高于突出部11与突出部12之间的压力（第二排出流路）。因此，密封流体在密接于突出部12的密封环18与转子轴3之间的间隙中从突出部13侧朝向突出部11侧，即从滚珠轴承4侧朝向螺杆转子2侧流动。

因此，从螺杆转子2沿转子轴3而流出的蒸汽即便通过突出部11的密封环18，也被突出部12的密封环18与转子轴3之间的密封流体的流动阻止，只能从第二排出流路21流出到外部。此外，进而将沿着转子轴3向滚珠轴承4侧流出的蒸汽从第一排出流路20向大气放出，所以第二排出流路21的压力不高于密封流体流路22的压力，能够确保一定的密封流体的流动。

此外，在本实施方式中，转子轴3的对置于第二排出流路21的位置处形成有三角槽23。即便沿转子轴3漏出的蒸汽冷凝而变为冷凝水而附着于转子轴3、沿着转子轴3而到达三角槽23，冷凝水为了进而沿着转子轴3向滚珠轴承4侧移动，需要沿着朝向滚珠轴承4侧缩径的三角槽23而向径方向内侧移动。但是，对转子轴3上的冷凝水作用有基于转子轴3的旋转的离心力，所以冷凝水不会朝向三角槽23的底部移动。即，冷凝水不会超过三角槽23。

进而，在本实施方式中，转子轴3的对置于密封流体流路22的位置处形成有梯形槽24，所以从密封流体流路22供给的密封流体在该梯形槽24内沿转子轴3的周方向以均一的压力行进。由此，在邻接的密封环18与转子轴3之间的间隙的全周的范围内形成以均等的速度通过的一致的流动。因此，防止在周方向上局部地蒸汽通过。

此外，该梯形槽24的倾斜的侧壁与三角槽23相同，具有借助离心力而制止沿转子轴3的液体的移动的功能。由此，从螺杆转子2漏出的蒸汽的冷凝水不仅不会向滚珠轴承4侧移动，在润滑油从滚珠轴承4漏出时，还积存润滑油而进一步防止润滑油的漏出。

此外，在本实施方式中，在套筒25与突出部15之间形成有作为倾斜的微小间隙的密封间隙28。该密封间隙28为，即便滚珠轴承4的润滑油进入了密封间隙28，也借助外周面26的旋转而对润滑油作用离心力，沿着倾斜面27向滚珠轴承4侧推回润滑油。由此，防止经由密封间隙28的向螺杆转子2侧的滚珠轴承4的润滑油的漏出，能够确保滚珠轴承4的润滑。

另外，更优选图1的滚珠轴承4与密封间隙28之间的空间与连通于未图示的低压空间（例如，大气压的齿轮箱）的低压连通路连接。根据该构成，形成下述密封流体的流动：从密封流体流路22供给的密封流体通过夹在突出部14与突出部15之间的密封环18与转子轴3之间的微小的间隙，进而通过密封间隙28、滚珠轴承4与密封间隙28之间的空间，向未图示的低压空间流通。利用该密封流体的流动，防止润滑油经由密封间隙28向螺杆转子2侧漏出。另外，此时，优选形成向滚珠轴承4供给润滑油的润滑油供给路。

接着，图2表示本发明的第二实施方式的轴密封构造。另外，本实施方式中，对于与第一实施方式相同的构成要素标注相同的符号而省略重复说明。

本实施方式中，转子轴3不具有三角槽23，代之设置有具有与突出部12密接的唇形部的V形环29。此外，本实施方式不具有套筒25，转子轴3的大径部以对滚珠轴承4进行定位的方式延伸。而且，该部分处也配设有具有与突出部15密接的唇形部的V形环30。

该实施方式中，借助由于转子轴3旋转而发生的离心力、和供给至密封流体流路22的密封流体，将V形环29 、30的唇形部扩开，在V形环29和突出部12之间以及V形环30和突出部15之间形成微小的间隙,由此，V形环29 、30以与突出部12、15非接触的状态旋转，防止与密封流体的流动反向的蒸汽及冷凝水、或者润滑油的移动。另外，在停止时，V形环29和突出部12以及V形环30和突出部15密接，从而防止蒸汽及冷凝水、或者润滑油的移动。

另外，在上述的实施方式中，将本发明用于螺杆压缩机的排出侧，但本发明能够作为各种装置的旋转轴的轴密封构造而广泛使用。此外，本发明用于螺杆膨胀器（膨胀机）这样的旋转流体机械的高压侧的轴密封装置是有效的，但也可以用于低压侧的轴密封装置。

进而，上述的实施方式具有向大气开放的排出流路20、21，但本发明的排出流路也可以与维持为比密封流体低压的低压空间连通。

另外，本发明的轴密封构造、以及具有该轴密封构造的旋转流体机械不限定于上述实施方式。例如，在上述的第一实施方式中，示出了形成有螺杆转子2侧倾斜地以大约45°倾斜、滚珠轴承4侧垂直的V宇型的三角槽23，但对于大约45°的倾斜的面及垂直的面，也可以适宜地变更为各种的面的角度。此外，也可以取代梯形截面的梯形槽24而采用例如截面形成为大致半圆状的圆弧槽、及截面形成为V字状的V字槽。

此外，第二实施方式中，对于在V形环29、30之间设置的密封环18与施力部件19，只要密封流体消耗量（即为了防止油向转子室侧泄漏、和从转子室泄露的蒸汽向轴承侧泄露所必须的流体的流量）为能够允许的程度也可以没有。

Claims (7)

1.一种轴密封构造，对旋转轴与隔开间隔而包围上述旋转轴的壳体的间隙进行密封，包括：

第一突出部，从上述壳体朝向上述旋转轴突出，具有垂直于上述旋转轴的环状的密封面；

第二突出部，从上述壳体朝向上述旋转轴突出，具有与上述密封面对置的支承面；

密封环，配置于上述第一突出部与上述第二突出部之间，内径比上述旋转轴的外形稍大；

以及施力部件，配设于上述密封环与上述支承面之间，将上述密封环向上述密封面按压，

具有多个轴密封部，所述轴密封部由上述第一突出部、上述第二突出部、上述密封环、上述施力部件的组合构成，

在上述壳体上设置密封流体流路，所述密封流体流路向形成于邻接的上述密封环之间的供给空间中供给密封流体，

上述壳体设置有排出流路，所述排出流路令形成于邻接的上述密封环之间的排气空间与比上述密封流体压力低的低压空间连通，

上述排出空间位于比上述供给空间靠高压侧。

2.根据权利要求1所述的轴密封构造，其特征在于，

上述密封环由与上述旋转轴热膨胀率相同的材质构成。

3.根据权利要求1所述的轴密封构造，其特征在于，

上述密封环具有令PTFE的微粒子弥散共析于无电解镍被膜而成的复合镀膜。

4.根据权利要求1所述的轴密封构造，其特征在于，

上述旋转轴在与上述密封流体流路对置的位置处具有在全周的范围内形成的梯形截面的梯形槽。

5.根据权利要求1所述的轴密封构造，其特征在于，

上述旋转轴在与上述排出流路对置的位置处具有在全周的范围内形成的三角形截面的三角槽。

6.根据权利要求1所述的轴密封构造，其特征在于，

具有：配设在比上述供给空间靠低压侧且具有朝向低压侧扩径的圆锥形的外周面的套筒；

和从上述壳体突出而具有在与上述外周面之间形成微小的间隙的圆锥形的倾斜面的第三突出部。

7.一种旋转流体机械，其特征在于具有权利要求1～6的任意一项所述的轴密封构造。