JP2002195420A - Deformation control method for rotary ring - Google Patents

Deformation control method for rotary ring

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JP2002195420A
JP2002195420A JP2001393765A JP2001393765A JP2002195420A JP 2002195420 A JP2002195420 A JP 2002195420A JP 2001393765 A JP2001393765 A JP 2001393765A JP 2001393765 A JP2001393765 A JP 2001393765A JP 2002195420 A JP2002195420 A JP 2002195420A
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JP
Japan
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deformation
rotating ring
face
ring
seal
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JP2001393765A
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Japanese (ja)
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Ryoji Muraki
良次 村木
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Ebara Corp
Eagle Industry Co Ltd
Original Assignee
Ebara Corp
Eagle Industry Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reliably prevent problems such as an excessive leakage of a sealed object and the contact of an inner peripheral section with an opposite side even when the effect of a thermal deformation against a dynamic pressure action becomes relatively large. SOLUTION: The seal end face 2 of a rotary ring 1 is rotated relative to the seal end face 21 of a fixed ring 20 via an object to form a noncontact mechanical seal. When the effect of the thermal deformation against the dynamic pressure action becomes relatively large, the rotary ring 1 is not practically deformed by centrifugal force. At the high-speed rotation in the second stage, the rotary ring 1 tends to be deformed mainly by heat and centrifugal force, however the deformation of the rotary ring 1 by heat is canceled by the deformation by centrifugal force in this deformation control method for the rotary ring.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は回転環の変形制御
方法に関し、特に、高速用気体用端面型非接触シールに
用いられる、回転環の変形制御方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of controlling deformation of a rotating ring, and more particularly to a method of controlling deformation of a rotating ring used for an end face type non-contact seal for high-speed gas.

【0002】[0002]

【従来技術およびその問題点】高速用気体用端面型非接
触シールに用いられる回転環は、主として炭化タングス
テン、炭化珪素、窒化珪素等の硬質セラミック材料から
構成され、加工や解析を簡素化するために矩形又は矩形
に近い左右対称の断面形状に形成されている(図8参
照)。
2. Description of the Related Art A rotating ring used for an end face type non-contact seal for high-speed gas is mainly made of a hard ceramic material such as tungsten carbide, silicon carbide, silicon nitride, etc., in order to simplify processing and analysis. A rectangular shape or a symmetrical cross-sectional shape close to the rectangle is formed (see FIG. 8).

【0003】そして、このような構成の回転環31を例
えば高速用気体用端面型非接触メカニカルシールの回転
環31として用い、メカニカルシールをシール箇所に装
着して回転体(図示せず)を回転させると、回転体と一
体に回転環31が回転して回転環31のシール端面32
と固定環(図示せず)のシール端面とがシール対象物
(不活性ガス、危険ガス、空気、蒸気等、以下同じ)を
介して相互に摺動し、シール箇所がシールされるもので
ある。
[0003] The rotating ring 31 having such a structure is used as, for example, a rotating ring 31 of an end face type non-contact mechanical seal for high-speed gas, and a mechanical seal is attached to a seal portion to rotate a rotating body (not shown). Then, the rotating ring 31 rotates integrally with the rotating body, and the seal end face 32 of the rotating ring 31 is rotated.
And a seal end face of a stationary ring (not shown) slide with each other via an object to be sealed (inert gas, dangerous gas, air, steam, and the like, the same applies hereinafter), and the sealing portion is sealed. .

【0004】この場合、シール対象物の圧力と回転環3
1又は固定環を相手側方向に押圧する付勢部材(図示せ
ず)の付勢力との協働によって、両シール端面間に作用
するオープニングフォースとクロージングフォースのバ
ランスが取られ、両シール端面間がシール対象物を介し
た状態で数ミクロン程度の間隔に保持されるものであ
る。
In this case, the pressure of the object to be sealed and the rotating ring 3
The opening force and the closing force acting between the two seal end faces are balanced by cooperation with the urging force of an urging member (not shown) that presses the one or the fixed ring in the counterpart direction. Are held at intervals of about several microns with the object to be sealed interposed therebetween.

【0005】上記のような構成の回転環31は、矩形又
は矩形に近い左右対称の断面形状に形成されているの
で、高速回転をさせても、遠心力による変形は主として
径方向に生じ、軸方向にはほとんど生じないことにな
る。従って、両シール端面間の圧力分布に影響を及ぼす
両環の変形成分は、圧力によるものと熱によるものとを
考慮すればよいことになる。
Since the rotating ring 31 having the above-described configuration is formed in a rectangular shape or a symmetrical cross-sectional shape close to a rectangular shape, deformation caused by centrifugal force occurs mainly in the radial direction even when the rotating ring 31 is rotated at a high speed. Very little will occur in the direction. Therefore, the deformation components of the two rings that affect the pressure distribution between the two seal end faces can be determined by considering pressure and heat.

【0006】この場合、圧力による変形は、動圧溝、静
圧溝、テーパー部、段部等をシール端面32に形成する
浮力発生手段34や回転環31及び固定環の断面形状を
調節する手段によって任意に制御することができるが、
熱による変形は、皆無にできないことは勿論、高速シー
ルである限り無視できる程度にとどめることも困難であ
る。
In this case, the deformation due to the pressure is caused by adjusting the cross-sectional shapes of the buoyancy generating means 34, the rotary ring 31 and the fixed ring, which form a dynamic pressure groove, a static pressure groove, a taper portion, a step portion, etc. on the seal end face 32. Can be arbitrarily controlled by
Of course, deformation due to heat cannot be completely eliminated, but it is also difficult to keep it negligible as long as it is a high-speed seal.

【0007】熱は、回転部品の各表面から発生するが、
シール対象物の膜と接しているシール端面32から最も
高密度に発生するので、回転環31の内部には、シール
端面32側が高く反対端面33側が低い温度勾配が発生
し、この温度勾配によってシール端面32は内周側が迫
り出す内高変形(convex deformatio
n)を示すことになる。
[0007] Heat is generated from each surface of the rotating component.
Since the highest density is generated from the seal end face 32 in contact with the film of the object to be sealed, a temperature gradient is generated inside the rotary ring 31 on the seal end face 32 side and low on the opposite end face 33 side. The end face 32 has an inner high deformation (convex deformation) in which the inner peripheral side approaches.
n).

【0008】多くの場合、内高変形は、両シール端面間
に発生するオープニングフォースを増大させ、両シール
端面間からのシール対象物の漏洩量を増加させるが、逆
に動圧溝が位置する外周寄りの間隔が広くなって動圧作
用が弱まり、内周部が相手側に接触する危険性が増加す
る場合もある。
In many cases, the inner high deformation increases the opening force generated between both seal end faces and increases the amount of leakage of the object to be sealed from between the two seal end faces. On the contrary, the dynamic pressure grooves are located. In some cases, the distance closer to the outer periphery is widened, the dynamic pressure action is weakened, and the risk of the inner periphery contacting the other side may increase.

【0009】動圧型非接触シールでは、回転数が高いほ
ど動圧作用が高まり、両シール端面間の間隔が広がり、
両シール端面間に安定したシール対象物の膜が形成され
ようとする基本特性があるが、動圧作用に対して熱によ
る変形の影響が相対的に大きくなった場合、シール対象
物の過大な漏洩や内周部の相手側への接触等の問題が生
じる。
In the dynamic pressure type non-contact seal, the higher the number of revolutions, the higher the dynamic pressure action, the wider the gap between both seal end faces,
There is a basic property that a stable film of the object to be sealed is formed between both seal end faces, but if the influence of heat deformation relative to the dynamic pressure action becomes relatively large, excessive Problems such as leakage and contact of the inner peripheral portion with the other side occur.

【0010】ここで、熱変形の影響が相対的に大きくな
る場合とは、シール端面32の幅、すなわち外径から内
径を引いた寸法が大きくて僅かな傾き角度であっても内
周部が相手側に接触する危険性が増加する場合や、材料
の特性上、熱変形自体が大きい場合である。
Here, the case where the influence of thermal deformation becomes relatively large means that the inner peripheral portion has a small inclination angle even if the width of the seal end face 32, that is, the dimension obtained by subtracting the inner diameter from the outer diameter is large. This is the case where the risk of contact with the other party increases or where the thermal deformation itself is large due to the characteristics of the material.

【0011】この発明は、動圧作用に対して熱による変
形の影響が相対的に大きくなった場合であっても、シー
ル対象物の過大な漏洩や内周部の相手側への接触等の問
題を確実に阻止することができる、回転環の変形制御方
法を提供することを目的とするものである。
According to the present invention, even when the influence of deformation due to heat becomes relatively large with respect to the dynamic pressure action, it is possible to prevent excessive leakage of the object to be sealed or contact of the inner peripheral portion with the counterpart. It is an object of the present invention to provide a method for controlling deformation of a rotating ring, which can surely prevent the problem.

【0012】[0012]

【問題点を解決するための手段】本発明の解決手段を例
示すると、各請求項に記載の回転環の変形制御方法であ
る。
Means for Solving the Problems An example of the solution of the present invention is a method for controlling deformation of a rotating ring described in each claim.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】この発明の1つの実施形態によれ
ば、回転環が、軸線方向の一端に軸線と直交するシール
端面を有し、他端に軸線と直交する反対端面を有する。
かつ、該シール端面がシール対象物を介して固定環のシ
ール端面と摺動するようになっている。
According to one embodiment of the present invention, a rotating ring has a seal end face orthogonal to the axis at one end in the axial direction and an opposite end face orthogonal to the axis at the other end.
Further, the seal end face slides on the seal end face of the stationary ring via the object to be sealed.

【0014】重心が板厚の中心よりも反対端面側に位置
するような断面形状に形成した手段を採用している。
A means having a sectional shape such that the center of gravity is located on the opposite end face side from the center of the plate thickness is employed.

【0015】また、外周部に段部、凹部、傾斜部等を形
成して左右非対称な断面形状に形成し、板厚の中心より
も反対端面側に重心を位置させた手段を採用している。
Also, a step, a concave portion, an inclined portion, and the like are formed on the outer peripheral portion to form an asymmetrical cross-sectional shape, and the center of gravity is positioned on the end face side opposite to the center of the plate thickness. .

【0016】さらに、金属単体、樹脂単体、又は金属材
又は樹脂材の表面の少なくとも一部をコーティング、メ
ッキ、溶射、蒸着、窒化等の手段により硬化させた材料
からなる手段を採用したものである。
Further, a means made of a metal alone, a resin alone, or a material obtained by curing at least a part of the surface of a metal material or a resin material by means of coating, plating, thermal spraying, vapor deposition, nitriding or the like is employed. .

【0017】さらに、この発明の別の実施形態によれ
ば、メカニカルシールは、回転体に取り付けられて回転
体と一体に回転するとともに、軸線方向の一端に軸線と
直交するシール端面を有し他端に軸線と直交する反対端
面を有する環状の回転環と、固定体に取り付けられると
ともに、軸線方向の一端に軸線と直交するシール端面を
有し、該シール端面が前記回転環のシール端面とシール
対象物を介して摺動する環状の固定環と、前記回転環又
は前記固定環を相手側方向に押圧する付勢部材とを具
え、シール対象物の圧力と前記付勢部材の付勢力との協
働によってクロージングフォース(閉じる力)とオープ
ニングフォース(開く力)のバランスを取ることによ
り、前記回転環のシール端面と前記固定環のシール端面
との間を所定の間隔に保持するようになっているメカニ
カルシールである。
Further, according to another embodiment of the present invention, the mechanical seal is attached to the rotating body and rotates integrally with the rotating body, and has a seal end face at one end in the axial direction orthogonal to the axis. An annular rotating ring having an opposite end surface perpendicular to the axis at one end, and a seal end surface attached to the fixed body and having an axial end at one end in the axial direction, wherein the seal end surface is sealed with the seal end surface of the rotary ring. An annular stationary ring that slides through the object, and a biasing member that presses the rotating ring or the stationary ring in the opposite direction are provided, and the pressure of the sealing object and the biasing force of the biasing member are reduced. By balancing the closing force (opening force) and the opening force (opening force) in cooperation, a predetermined distance is maintained between the seal end face of the rotating ring and the seal end face of the fixed ring. It is a mechanical seal that is way.

【0018】前記回転環を、重心が板厚の中心よりも反
対端面側に位置するような断面形状に形成した手段を採
用している。
Means is employed in which the rotating ring is formed in a sectional shape such that the center of gravity is located on the opposite end face side from the center of the plate thickness.

【0019】さらに、前記回転環を、外周部に段部、凹
部、傾斜部等を形成して左右非対称な断面形状に形成
し、板厚の中心よりも反対端面側に重心を位置させた手
段を採用している。そして、前記回転環は、金属単体・
樹脂単体・又は金属材又は樹脂材の表面の少なくとも一
部をコーティング、メッキ、溶射、蒸着、窒化等の手段
により硬化させた材料からなる手段を採用している。
Further, the rotating ring is formed in a laterally asymmetric cross-sectional shape by forming a step portion, a concave portion, an inclined portion, etc. on the outer peripheral portion, and the center of gravity is located on the end face side opposite to the center of the plate thickness. Is adopted. The rotating ring is composed of a metal simple substance
Means made of a resin alone or a material obtained by curing at least a part of the surface of a metal material or a resin material by means of coating, plating, thermal spraying, vapor deposition, nitriding or the like is employed.

【0020】この発明は、19500rpmのような高
速回転時に、反対端面側に大きな遠心力を作用させるこ
とができ、この遠心力によってシール端面に外高変形を
生じさせることができる。したがって、シール端面に生
じる熱による内高変形を外高変形によって打ち消すこと
ができる。
According to the present invention, a large centrifugal force can be applied to the opposite end surface side at the time of high-speed rotation such as 19500 rpm, and the centrifugal force can cause the outer end surface to be deformed at a high level. Therefore, the inner high deformation caused by the heat generated at the seal end face can be canceled by the outer high deformation.

【0021】[0021]

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0022】図1には、この発明による回転環の一つの
実施形態が示されている。すなわち、この回転環1は、
炭化タングステン、炭化珪素、窒化珪素等の硬質セラミ
ックス材料から環状に形成されるものであって、軸線方
向の一端は軸線と直交するシール端面2に形成され、他
端は軸繰と直交する反対端面3に形成されている。
FIG. 1 shows one embodiment of a rotating ring according to the present invention. That is, the rotating ring 1
It is formed annularly from a hard ceramic material such as tungsten carbide, silicon carbide, silicon nitride, and the like. One end in the axial direction is formed on a seal end surface 2 orthogonal to the axis, and the other end is an opposite end surface orthogonal to the axial run. 3 is formed.

【0023】回転環1のシール端面2には、動圧溝、静
圧溝、テーパー部、段差等による浮力発生手段4が設け
られ、この浮力発生手段4によって固定環(図示せず)
のシール端面との間が所定の間隔に保持されるようにな
っている。
A buoyancy generating means 4 is provided on the seal end face 2 of the rotating ring 1 by a dynamic pressure groove, a static pressure groove, a tapered portion, a step, etc., and the buoyancy generating means 4 fixes a fixed ring (not shown).
Is maintained at a predetermined distance from the seal end face.

【0024】回転環1の外周面の右半分は全周に亘って
所定の深さで切欠され、その部分に環状の段部5が形成
されるようになっている。そして、このような段部5を
外周面に形成することによって断面形状が左右非対称と
なり、重心の位置が板厚の中心よりも反対端面3方向に
所定の寸法ずれた位置に設定されることになる。
The right half of the outer peripheral surface of the rotary ring 1 is cut out at a predetermined depth over the entire circumference, and an annular step 5 is formed at that portion. By forming such a stepped portion 5 on the outer peripheral surface, the cross-sectional shape becomes asymmetrical left and right, and the position of the center of gravity is set at a position shifted by a predetermined dimension in the direction of the end surface 3 opposite to the center of the plate thickness. Become.

【0025】なお、7は回り止め用の切欠きであって、
外周面の少なくとも一箇所に設けられている。
Reference numeral 7 denotes a notch for preventing rotation.
It is provided at at least one location on the outer peripheral surface.

【0026】図2には、図1に示す回転環1を用いた高
圧用気体用端面型非接触メカニカルシール10の一つの
実施形態が示されている。このメカニカルシール10
は、回転体である回転軸25に装着される金属製のリテ
ーナ11と、リテーナ11の外周側に装着される前述し
た回転環1と、固定体26側に装着される金属製のカバ
ー16と、カバー16の内周側に装着されるカーボン製
の固定環20と、固定環20とカバー16との間に装着
されて、固定環20を回転環1の方向に押圧する付勢部
材であるコンプレッションスプリング23とを具えてい
る。
FIG. 2 shows an embodiment of an end face type non-contact mechanical seal 10 for high-pressure gas using the rotating ring 1 shown in FIG. This mechanical seal 10
Is a metal retainer 11 mounted on a rotating shaft 25 as a rotating body, the above-described rotating ring 1 mounted on the outer peripheral side of the retainer 11, and a metal cover 16 mounted on the fixed body 26 side. A fixed ring 20 made of carbon mounted on the inner peripheral side of the cover 16, and an urging member mounted between the fixed ring 20 and the cover 16 to press the fixed ring 20 in the direction of the rotating ring 1. The compression spring 23 is provided.

【0027】リテーナ11は、回転軸25に嵌合される
筒状の本体部12と、本体部12の軸線方向の一端に一
体に形成される径方向外方に環状に張り出るフランジ部
13とからなり、フランジ部13の軸線方向の一端面に
は環状の溝14が所定の深さで穿設され、この溝14内
に回転環1が調心部材つまり調心用板ばね15を介して
装着されるようになっている。
The retainer 11 includes a cylindrical main body 12 fitted to the rotating shaft 25, a flange 13 formed integrally with one end of the main body 12 in the axial direction and projecting radially outward in a ring shape. An annular groove 14 is formed at one end face in the axial direction of the flange portion 13 at a predetermined depth, and the rotating ring 1 is inserted into the groove 14 through a centering member, that is, a centering leaf spring 15. It is designed to be attached.

【0028】回転環1の回り止め用の切欠き7とリテー
ナ11との間には回り止め用のピン(図示せず)が装着
され、この回り止め用のピンによって回転環1がリテー
ナ11に対して相対的に回動するのを防止することがで
きるものである。
A non-rotating pin (not shown) is mounted between the non-rotating notch 7 of the rotary ring 1 and the retainer 11, and the rotary ring 1 is attached to the retainer 11 by the non-rotating pin. It is possible to prevent relative rotation.

【0029】カバー16は、円板状に形成されるもので
あって、中心部には軸線方向に貫通する回転軸25を押
通させるための孔17が穿設されるとともに、軸線方向
の一端面には、所定の深さの環状の溝18が穿設され、
この溝18内に後述する固定環20が軸繰方向に移動可
能に装着されるようになっている。
The cover 16 is formed in the shape of a disk, and has a hole 17 at the center thereof for passing a rotating shaft 25 penetrating in the axial direction. An annular groove 18 having a predetermined depth is formed in the end face,
A fixed ring 20, which will be described later, is mounted in the groove 18 so as to be movable in the axial rotation direction.

【0030】固定環20は、カーボンから形成される環
状をなすものであって、軸線方向の一端は軸線と直交す
るシール端面21に形成され、他端は軸線と直交する反
対端面22に形成されている。
The stationary ring 20 has an annular shape formed of carbon. One end in the axial direction is formed on a seal end surface 21 orthogonal to the axis, and the other end is formed on an opposite end surface 22 orthogonal to the axis. ing.

【0031】固定環20の反対端面22とカバー16の
溝18の底面との間には、周方向に向かって所定の間隔
ごとにコンプレッションスプリング23が装着され、こ
れらのコンプレッションスプリング23の付勢力によっ
て固定環20が回転環1の方向に押圧されるようになっ
ている。
A compression spring 23 is mounted between the opposite end surface 22 of the fixed ring 20 and the bottom surface of the groove 18 of the cover 16 at predetermined intervals in the circumferential direction. The fixed ring 20 is pressed in the direction of the rotating ring 1.

【0032】そして、上記のように構成したメカニカル
シール10を固定体26と回転体25(回転軸25)と
の間に装着し、回転軸25を回転させると、回転軸25
と一体にリテーナ11及び回転環1が回転し、回転環1
のシール端面2と固定環20のシール端面21とが、そ
れらの間にシール対象物(不活性ガス、危険ガス、空
気、蒸気等)を介して相互に摺動し、固定体26と回転
体25との間、すなわちシール箇所がシールされるもの
である。
When the mechanical seal 10 constructed as described above is mounted between the fixed body 26 and the rotating body 25 (rotary shaft 25), and the rotating shaft 25 is rotated, the rotating shaft 25 is rotated.
The retainer 11 and the rotating ring 1 rotate integrally with the rotating ring 1
The seal end face 2 of the fixed ring 20 and the seal end face 21 of the stationary ring 20 slide with each other via an object to be sealed (inert gas, dangerous gas, air, steam, etc.) therebetween, and the fixed body 26 and the rotating body 25, that is, the sealing portion is sealed.

【0033】この場合、回転環1は左右非対称の断面形
状に形成されていて、重心が板厚の中心から反対端面3
側にずれた位置に設定されているので、高速回転時(と
くに後述の第2段階の高速回転時)に、反対端面3側に
大きな遠心力を作用させることができることになり、こ
の遠心力によってシール端面2にシール端面2の外周側
が迫り出す外高変形(concave deforma
tion)を生じさせることができ、この外高変形によ
ってシール端面2に生じる熱による内高変形を打ち消す
ことができることになる。
In this case, the rotating ring 1 is formed in an asymmetrical cross-sectional shape, and the center of gravity is shifted from the center of the plate thickness to the opposite end surface 3.
As a result, a large centrifugal force can be applied to the opposite end face 3 during high-speed rotation (especially during the second-stage high-speed rotation described later). Outer high deformation in which the outer peripheral side of the seal end face 2 approaches the seal end face 2 (concave deforma)
) can be caused, and the inner high deformation caused by heat generated in the seal end face 2 due to the outer high deformation can be canceled.

【0034】したがって、回転環1が熱によって変形し
ても、両シール端面2,21間のオープニングフォース
(開く力)とクロージングフォース(閉じる力)のバラ
ンスを取ることができるので、両シール端面2、21間
に安定したシール対象物の膜を形成することができる。
この結果、オープニングフォース(開く力)が増大して
シール対象物の漏洩量が増加したり、動圧溝等の浮力発
生手段4が位置するシール端面2,21間の外周寄りの
間隔が広くなって動圧作用が弱まり、回転環1のシール
端面2の内周部が相手側に接触する危険性が増加するよ
うなことがなくなる。
Therefore, even if the rotating ring 1 is deformed by heat, the opening force (opening force) and the closing force (closing force) between the two seal end faces 2 and 21 can be balanced, so that the two seal end faces 2 can be balanced. , 21 can be stably formed.
As a result, the opening force (opening force) increases and the amount of leakage of the object to be sealed increases, and the distance between the seal end faces 2 and 21 where the buoyancy generating means 4 such as a dynamic pressure groove is located becomes large. As a result, the dynamic pressure action is weakened, and the risk that the inner peripheral portion of the seal end face 2 of the rotating ring 1 comes into contact with the counterpart is not increased.

【0035】図示した実施形態においては、遠心力によ
る外高変形によって熱による内高変形を打ち消している
が、圧力による外高変形によって熱による内高変形を打
ち消すことも原理的には可能である。しかし、圧力によ
る外高変形が促されるシールでは、低速時や静止時に十
分なオープニングフォース(開く力)が得られず、非接
触シールとして機能しない場合がある。
In the illustrated embodiment, the inner high deformation due to heat is canceled by the outer deformation due to centrifugal force, but it is also possible in principle to cancel the inner high deformation due to heat by the outer deformation due to pressure. . However, with a seal in which external deformation due to pressure is promoted, a sufficient opening force (opening force) cannot be obtained at low speed or at rest, and the seal may not function as a non-contact seal.

【0036】ここで、圧力、熱、遠心力による変形の関
係について詳細に説明する。
Here, the relationship between deformation due to pressure, heat, and centrifugal force will be described in detail.

【0037】シール端面の発熱は、微小隙間におけるシ
ール対象物の粘性剪断によるものが支配的であり、公式
によりトルクは回転数に比例し、発熱は回転数の2乗に
比例する。従って、結果として生じる温度勾配や熱変形
も回転数の2乗に比例する。一方、回転円板や回転円筒
の遠心力による変形も回転数の2乗に比例する。このよ
うに、熱変形と遠心力による変形はほぼ同じ比率で増加
していくことになるので、遠心力による変形を積極的に
活用することにより、広い回転数範囲に亘って熱変形に
よる悪影響を生じさせないような変形の制御が可能とな
る。
The heat generated at the end face of the seal is predominantly due to the viscous shearing of the object to be sealed in the minute gap. According to the formula, the torque is proportional to the rotation speed, and the heat generation is proportional to the square of the rotation speed. Therefore, the resulting temperature gradient and thermal deformation are also proportional to the square of the rotational speed. On the other hand, the deformation of the rotating disk or the rotating cylinder due to the centrifugal force is also proportional to the square of the rotation speed. As described above, the thermal deformation and the deformation due to the centrifugal force increase at almost the same ratio. Therefore, by positively utilizing the deformation due to the centrifugal force, the adverse effect due to the thermal deformation over a wide rotation speed range is obtained. Control of deformation that does not occur can be performed.

【0038】圧力による変形と、熱による変形と、遠心
力による変形は、それぞれ有限要素法等によって計算が
可能であるが、実際の製品において、漏洩量が予想値と
ずれる場合もある。静止時の漏洩量が予想通りで回転時
の漏洩量が予想と異なる場合、回転環1を追加工するこ
とにより、遠心力による変形量の加減が可能となる。例
えば、図3に示すように、図1の状態から外周面を追加
工して段差の深さを減らしたり、図4に示すように、反
対端面3側の外周部に面取りを設けたりすることによっ
て、遠心力による外高変形を小さくできる。また、図5
に示すように、シール端面2に近い部分を追加工するこ
とにより、逆に遠心力による外高変形を大きくすること
ができる。
The deformation due to the pressure, the deformation due to the heat, and the deformation due to the centrifugal force can be respectively calculated by the finite element method or the like. However, in an actual product, the leakage amount may deviate from the expected value. When the leakage amount at the time of stoppage is as expected and the leakage amount at the time of rotation is different from the expectation, the amount of deformation due to the centrifugal force can be adjusted by additionally processing the rotating ring 1. For example, as shown in FIG. 3, the outer peripheral surface is additionally processed from the state shown in FIG. 1 to reduce the depth of the step, or as shown in FIG. 4, a chamfer is provided on the outer peripheral portion on the opposite end surface 3 side. Thereby, outer deformation due to centrifugal force can be reduced. FIG.
As shown in (2), by additionally processing a portion close to the seal end face 2, it is possible to increase the outer height deformation due to the centrifugal force.

【0039】回転環は、従来一般に行われていた普通の
高速回転(以下、第1段階の高速回転という)のときは
遠心力による外高変形は無視できる程度にしか発生しな
いが、さらに高速度(たとえば19500rpm)の段
階の高速回転(以下、第2段階の高速回転という)にな
ると、遠心力による外高変形が顕著になる。
In the rotating ring, the outer high deformation due to the centrifugal force occurs only to a negligible degree at the time of ordinary high-speed rotation (hereinafter referred to as the first-stage high-speed rotation) which has been generally performed. At a high-speed rotation (for example, 19500 rpm) (hereinafter referred to as a second-stage high-speed rotation), outer high deformation due to centrifugal force becomes remarkable.

【0040】本発明は、このような高速回転時(特に1
9500rpmのような第2段階の高速回転時)に生じ
る回転環の遠心力による変形を積極的に活用することに
より、広い使用条件範囲に亘ってシール対象物の過大な
漏洩量やシール端面の相手側への接触による損傷が発生
することを防ぐものである。このことにより、端面型非
接触シールが大型化、高速化、高圧化する過程での障害
の一つを取り除くものとして、大きな効果を奏する。ま
た、非接触シールに限らず、メカニカルシールでは、セ
ラミックやカーボンが密封環として使用されてきたが、
このような脆性材料を高速シールの回転環とした場合、
何らかの予期せぬ事故によって回転環が破損したり、そ
れを機に二次的な回転機械の損傷に至る虞もある。回転
環を金属のような延性材料で製作することにより、破損
対策とする試みが具体化しているが、金属を使用する際
に克服すべき一つの問題点が熱変形の大きさである。多
くの場合、金属はセラミックと比較して、熱伝導率が低
く、熱膨脹係数が高いために、熱による内高変形が大き
くなる。しかし、本発明によれば、熱による変形を遠心
力による変形で相殺させることが可能であり、金属製回
転環の実用化に寄与するものである。金属表面にシール
端面として要求されるトライボロジー特性がない場合
は、コーティング等の表面処理が施工されるが、本発明
による効果はそのまま適用される。
The present invention is applicable to such a high-speed rotation (in particular,
By actively utilizing the deformation caused by the centrifugal force of the rotating ring that occurs during the second stage of high-speed rotation such as 9500 rpm), an excessive amount of leakage of the object to be sealed and a counterpart of the seal end face over a wide range of use conditions. This prevents damage caused by contact with the side. As a result, the end face type non-contact seal removes one of the obstacles in the process of increasing the size, increasing the speed, and increasing the pressure. In addition, not only non-contact seals, but also ceramics and carbon have been used as sealing rings in mechanical seals,
When such a brittle material is used as a rotating ring of a high-speed seal,
The rotating ring may be damaged due to any unexpected accident, and the rotating ring may be damaged by the accident. Attempts to prevent damage by forming the rotating ring from a ductile material such as a metal have been embodied, but one problem to be overcome when using a metal is the magnitude of thermal deformation. In many cases, metals have lower thermal conductivity and higher coefficient of thermal expansion than ceramics, so that the inner high deformation due to heat is large. However, according to the present invention, deformation due to heat can be offset by deformation due to centrifugal force, which contributes to the practical use of a metal rotating ring. If the metal surface does not have the tribological properties required for the seal end face, a surface treatment such as coating is applied, but the effect of the present invention is applied as it is.

【0041】この発明によるメカニカルシールの具体的
な1つの実施例における回転環と固定環の変形状態を図
6に示し、参考例のメカニカルシールにおける回転環と
固定環の変形状態を図7に示す。これらは、軸径76m
m用のガス用非接触メカニカルシールの回転環1と固定
環20の変形状態を計算により求めたものである。
FIG. 6 shows a deformed state of the rotating ring and the fixed ring in one specific embodiment of the mechanical seal according to the present invention, and FIG. 7 shows a deformed state of the rotating ring and the fixed ring in the mechanical seal of the reference example. . These have a shaft diameter of 76m
The deformation state of the rotating ring 1 and the fixed ring 20 of the non-contact mechanical seal for gas for m is obtained by calculation.

【0042】回転環1は、マルテンサイト系ステンレス
製でシール端面2のみにセラミック膜を形成している。
固定環20は、カーボングラファイト製である。回転環
1の厚さは9mmであり、図7の参考例では、断面の図
心がシール端面2から4.50mmの位置にある。図7
の参考例のシールを窒素ガスでゲージ圧3.43MPa
に加圧し、19500rpm(第2段階の高速回転速
度)で回転させた時の窒素ガス漏洩量実測値は89N1
/minであった。回転環1外周部を追加工した本発明
の実施例(図6)では、断面の図心6がシール端面2か
ら4.59mmのところに移動し、厚さの中央よりも反
対端面3側に近づいた。固定環20は、図7と同一であ
る。図6の本発明の実施例のシールを窒素ガスでゲージ
圧3.43MPaに加圧し、19500rpm(第2段
階の高速回転速度)で回転させた時の窒素ガス漏洩量実
測値は45N1/minであった。追加工前後ともシー
ル端面2の接触等の異常は発生していないが、追加工に
より漏洩量が89N1/minから45N1/minへ
と約半分に低下した。このように、断面の図心6の位置
を意図的にずらすことによって、とくに19500rp
mのごとき第2段階の高速回転時に、シールの特性を改
善できることが分かった。
The rotary ring 1 is made of martensitic stainless steel and has a ceramic film formed only on the seal end face 2.
The fixed ring 20 is made of carbon graphite. The thickness of the rotary ring 1 is 9 mm, and in the reference example of FIG. 7, the centroid of the cross section is located at 4.50 mm from the seal end face 2. FIG.
The seal of the reference example was gauged with nitrogen gas at a pressure of 3.43 MPa.
, And the actual measured value of the nitrogen gas leakage amount when rotating at 19500 rpm (the second stage high-speed rotation speed) is 89N1.
/ Min. In the embodiment of the present invention in which the outer peripheral portion of the rotating ring 1 is additionally processed (FIG. 6), the centroid 6 of the cross section moves to 4.59 mm from the seal end face 2 and is located closer to the opposite end face 3 than the center of the thickness. Approaching the. The fixed ring 20 is the same as in FIG. When the seal of the embodiment of the present invention shown in FIG. 6 is pressurized to a gauge pressure of 3.43 MPa with nitrogen gas and rotated at 19500 rpm (high-speed rotation speed in the second stage), the actual measured value of nitrogen gas leakage is 45 N1 / min. there were. Although no abnormality such as contact of the seal end face 2 occurred before and after the additional processing, the leakage amount was reduced by about half from 89 N1 / min to 45 N1 / min by the additional processing. In this way, by intentionally shifting the position of the centroid 6 of the cross section, particularly at 19500 rpm
It was found that the characteristics of the seal could be improved during the second stage of high speed rotation, such as m.

【0043】[0043]

【発明の効果】この発明は前記のように構成したことに
より、回転時に、とくに19500rpmのごとき第2
段階の高速回転時に、反対端面側に大きな遠心力を作用
させることができ、この遠心力によってシール端面にシ
ール端面の外周側が迫り出す外高変形を生じさせること
ができる。したがって、熱による変形によってシール端
面に内周側が迫り出す内高変形が生じようとしても、そ
の内高変形を遠心力による外高変形によって打ち消すこ
とができることになる。この結果、シール端面間からの
シール対象物の漏洩量が増加したり、シール端面間の外
周寄りの間隔が広くなってシール端面の内周部が相手側
に接触する危険性が増加したりするのを阻止することが
でき、シール端面間に安定したシール対象物による膜を
形成することができ、シール箇所を安定してシールする
ことができることになる。
According to the present invention having the above-described structure, the second rotation can be achieved, particularly at 19500 rpm.
At the stage of high-speed rotation, a large centrifugal force can be applied to the opposite end face side, and this centrifugal force can cause an outer high deformation in which the outer peripheral side of the seal end face approaches the seal end face. Therefore, even if an inner height deformation in which the inner peripheral side approaches the seal end face due to the deformation due to heat is generated, the inner height deformation can be canceled by the outer height deformation due to the centrifugal force. As a result, the amount of leakage of the object to be sealed from between the seal end faces increases, and the distance between the seal end faces near the outer periphery is widened, and the risk that the inner peripheral portion of the seal end face comes into contact with the mating side increases. Can be prevented, a stable film of the object to be sealed can be formed between the seal end faces, and the sealed portion can be stably sealed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明による回転環の変形制御方法の一実施
形態を示した断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a method for controlling deformation of a rotating ring according to the present invention.

【図2】この発明による回転環の変形制御方法の一実施
形態を示した断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of a method for controlling deformation of a rotating ring according to the present invention.

【図3】回転環の変形制御方法の他の実施形態を示した
断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of a method for controlling deformation of a rotating ring.

【図4】回転環の変形制御方法の他の実施形態を示した
断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of a method for controlling deformation of a rotating ring.

【図5】回転環の変形制御方法の他の実施形態を示した
断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another embodiment of a method for controlling deformation of a rotating ring.

【図6】この発明による回転環の変形制御方法の一実施
例における回転環と固定環の変形状態を示した断面図で
ある。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a deformed state of a rotating ring and a stationary ring in an embodiment of the method of controlling deformation of a rotating ring according to the present invention.

【図7】参考例における回転環と固定環の変形状態を示
した断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a deformed state of a rotating ring and a fixed ring in a reference example.

【図8】従来の回転環の一例を示した断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing an example of a conventional rotating ring.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,31……回転環 2,21,32……シール端面 3,22,33……反対端面 4,34……浮力発生手段 5……段部 6……断面の図心 7…回り止め用の切欠き 10……メカニカルシール 11……リテーナ 12……本体部 13……フランジ部 14,18……溝 15……調心部材(調心用板ばね) 16……カバー 17……孔 20……固定環 23……付勢部材(コンプレッションスプリング) 25……回転体(回転軸) 26……固定体 1, 31 ... Rotating ring 2, 21, 32 ... Seal end face 3, 22, 33 ... Opposite end face 4, 34 ... Buoyancy generating means 5 ... Step section 6 ... Centroid of section 7 ... Non-rotating Notch 10 Mechanical seal 11 Retainer 12 Body 13 Flange 14, 18 Groove 15 Alignment member (leaf spring for alignment) 16 Cover 17 Hole 20 ... fixed ring 23 ... urging member (compression spring) 25 ... rotating body (rotating shaft) 26 ... fixed body

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 回転環(1)のシール端面(2)が、シ
ール対象物を介して固定環(20)のシール端面(2
1)に対して回転し、非接触式メカニカルシールを構成
している状態において、回転環(1)が、圧力、熱及び
遠心力により変形されるが、動圧作用に対して熱による
変形の影響が相対的に大きくなった場合に、主として熱
と遠心力により回転環(1)が変形されようとするが、
熱による回転環(1)の変形を遠心力による変形により
キャンセルすることを特徴とする回転環の変形制御方
法。
1. A seal end face (2) of a rotating ring (1) is fixed to a seal end face (2) of a stationary ring (20) via an object to be sealed.
The rotating ring (1) is deformed by pressure, heat and centrifugal force in a state of rotating with respect to 1) and forming a non-contact type mechanical seal, but is deformed by heat against dynamic pressure action. When the influence becomes relatively large, the rotating ring (1) tends to be deformed mainly by heat and centrifugal force,
A deformation control method for a rotating ring, wherein the deformation of the rotating ring (1) due to heat is canceled by the deformation due to centrifugal force.
【請求項2】 動圧作用に対して熱による変形の影響が
相対的に大きくなった場合に、回転環(1)とシール対
象物で生じた熱により、回転環(1)の内高変形が発生
しようとし、それと同時に、回転環(1)に生じた遠心
力により、回転環(1)の外高変形が発生しようとし、
それにより、熱による内高変形を遠心力による外高変形
によってキャンセルすることを特徴とする請求項1に記
載の回転環の変形制御方法。
2. When the deformation due to heat becomes relatively large with respect to the dynamic pressure action, the inner ring of the rotation ring (1) is deformed by heat generated by the rotation ring (1) and the object to be sealed. , And at the same time, due to the centrifugal force generated in the rotating ring (1), an outer high deformation of the rotating ring (1) tends to occur,
2. The method according to claim 1, wherein the inner deformation caused by heat is canceled by the outer deformation caused by centrifugal force.
【請求項3】 金属がマルテンサイト系ステンレスであ
る請求項1又は2に記載の回転環の変形制御方法。
3. The method for controlling deformation of a rotating ring according to claim 1, wherein the metal is martensitic stainless steel.
【請求項4】 回転環(1)のシール端面(2)にコー
ティングが設けられている請求項1〜3のいずれか1項
に記載の回転環の変形制御方法。
4. The method for controlling deformation of a rotating ring according to claim 1, wherein a coating is provided on a seal end face (2) of the rotating ring (1).
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