JP2003202081A - 回転軸の高圧フィルムシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転部材と静止部材との間に高い圧力差があ
っても作動可能であり、長寿命を有する高圧フィルム周
シールを提供する。 【解決手段】 回転軸とシールとの間の、荷重リングに
係合するセグメントシールリングの孔内表面は、シール
ダムに隣接するシール領域と、上流の軸受領域とを有す
る。軸受領域には、シールセグメントを回転軸から離隔
する方向に移動させてシールリングの孔内表面にかかる
摩擦荷重を減少しシール寿命が増加させるリフトポケッ
トが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明はシールに関し、さらに詳細
には、回転部材と静止部材との間の流体の流れを制限す
るための改良型高圧フィルム周シールであって、両部材
の間に高い圧力差があっても作動し、長寿命を有するシ
ールに関する。本発明は、全ての流体系で使用できる
が、特に、乾燥ガス環境における密封手段して有用であ
る。

【０００２】

【発明の背景】周シールは、航空転用ガスタービンエン
ジン及び工業用ターボ機械を含む種々の用途に広く受け
入れられている装置である。工業用として用いるこれら
のシール装置の条件は、連続運転で最短５年（４３，８
００時間）のオーダーのシール寿命を有することであ
る。これらの周シールは、圧力逃し型（圧力平衡型でな
い）接触装置であり、典型的な工業用ターボ圧縮機にお
いて所要の寿命を得るために、両端間の圧力が１５乃至
２０ｐｓｉｇの用途にその利用が一般的に限定される。
所要の寿命を達成するためにはシールにかかる荷重を低
く抑えることが必要であるが、これは、孔内ダムのシー
ル長さを合理的な小さい値に減少することにより行う。
半径方向及び軸方向のばね荷重も同様に低い値に制御さ
れる。シールリングが静的回転振れまたは振動による軸
の動的運動に追従できないようにする力は、主として、
回転する軸スリーブと、金属製のシールハウジングの内
径との間の露出した隙間から得られる。ロータに追従し
ようとするシールリングの加速による慣性力も存在する
が、これらは、シールリングが低密度、従って軽量の炭
素グラファイトのような材料で作られているため、問題
ではない。これらの目的を達成するためのフィルム周シ
ールを提供しようとする試みが米国特許第３，５７５，
４２４号にTaschenbergにより記載されているが、その
結果、外周面が低圧にさらされ、固定ハウジングコンポ
ーネントにより最小の間隙が得られたシールリングが提
供された。従来型の或る特定の構造は浮動リングコンポ
ーネントより成る二次シールを備えているが、これらは
Popeの米国特許第５，２８４，３４７号のように回転し
ないハウジング部品だけに付随するものである。この構
造は二次シールの間隙を制限するが、回転軸と、円周方
向の浮動荷重リングとの間の間隙を最小限に抑える浮動
荷重リング一次ガスシール構造を発明したものはいな
い。

【０００３】

【発明の概要】本願の発明者の意図は、長寿命で、最大
２５０ｐｓｉまたはそれ以上の圧力差の非常に大きい圧
力降下があっても作動可能であり、圧縮性流体で形成さ
れるガス環境に特に有用な流体周シール装置を、回転軸
とシールとの間の間隙を画定する、セグメントシールリ
ングと縦続するように装着された、荷重リングと呼ぶ、
浮動ハウジング部分にセグメント周シールリングを係合
させて、提供するものである。セグメントシールリング
の孔内表面は、シールダムに隣接するシール領域と、流
体の流れ方向においてその上流の軸受領域とを有する。
本発明の一実施例によると、軸受部分には、シールセグ
メントを回転軸または回転軸に取り付けたスリーブから
離隔する方向に移動させてシールリングの孔内表面にか
かる摩擦荷重を減少するためのリフトポケットも設けら
れている。本発明のシールリングは炭素グラファイトま
たはセラミック複合物のような軽量材料で作られている
ため、リフトポケットのようなシール手段は、金属製軸
スリーブのような硬い金属部品に形成される。このた
め、それらの部品がこすりあっても、リフトポケットが
破壊されて、シールの動作寿命が減少することはない。
セグメントシールと浮動荷重リングとを、フィルム流体
周シールの通常の軸受領域にあるリフトポケットと共に
用いると、シール寿命が増加するだけでなく、高い差圧
でシールが動作することができる。この差圧（ガスシー
ルの）は、適当な寿命を有するこれらの用途のシールに
つき通常予想される１５−２０ｐｓｉ時よりも１オーダ
ー十分に大きいものである。本発明はまた、差圧が高く
てもシールに沿うシールギャップが小さい流体周シール
を提供するものである。さらに、シールリングと浮動荷
重リングが本質的に圧力平衡関係にある実施例が提供さ
れる。

【０００４】

【実施例の詳細な説明】同一の参照番号を同一の構成要
素について使用し、構成要素の変形例を同一の参照番号
にプライム符号を付したもので示す添付図面を参照し
て、図１は、回転可能な軸１０を内臓するハウジング８
が略示した本発明のシール装置の実施例の概略的な断面
図である。図１には図示しないが、ハウジング８は、例
えば圧縮機のハウジングのような種々の機械装置を分離
するハウジングであり、回転軸は、電気モーターまたは
タービンのような駆動機構（図示せず）と係合するため
に、また他方の端部で圧縮機の翼のような被駆動機構
（図示せず）と係合するために、ハウジング８を貫通し
ていることが明らかである。

【０００５】この例のハウジング８は、取外し可能なハ
ウジングセグメント１２に接続されているが、このセグ
メントは、Ｏリング１４のような適当なシールにより漏
洩を防止するべくハウジング８に密封固定されているた
め、ハウジング８とセグメント１２との間の界面を介す
るハウジング８の内部からの漏洩はない。固定装置（図
示せず）を取外せば、周シール（以下に説明する）への
アクセスが可能になる。ハウジング８の下方に延びる肩
部１６は、ハウジングセグメント１２と対向し、また、
回転可能な軸１０の方を向いている。ハウジング８内で
肩部１６と接触するのは、ほぼＬ字形断面を有する環状
シールハウジング１８であるが、この環状シールハウジ
ングは、金属製で、中央開口２２を有する下方に延びた
環状フランジ２０を備えている。シールハウジング１８
とハウジング８との間の漏洩は、それらの間の界面に沿
って流体が流れないようにする環状周溝とＯリング２４
とにより阻止される。シールハウジング１８の取外し可
能なカバーリング２６は、ハウジングセグメント１２に
隣接するシールハウジング１８の端部に装着されてお
り、そのカバーリングの下方に延びる環状フランジ２８
は、フランジ２０の開口２２とほぼ整列する関係にあ
り、軸１０に沿って軸方向に離隔する開口３０を備えて
いる。シールハウジング１８とカバーリング２６とは、
キャップボルト３２（ただ１個だけを示す）のような円
周方向に離隔したボルトにより互いに固定され、軸方向
に離隔したフランジ２０と２８との間に、シール装置の
コンポーネントを受容する環状領域を画定する。

【０００６】軸１０は、ハウジング８内に組み込んだ状
態で、フランジ２０と２８との間のほぼ中間点で始まる
ネックダウン部分を有する。このため、軸１０は軸スリ
ーブ３４を受容する。軸スリーブ３４は、外方に延びる
周溝とＯリングとの組み合わせ３６により軸１０とスリ
ーブ３４との間の空間の漏洩を防止するように、軸の外
表面上に装着されている。スリーブ３４は、軸１０の相
補的凹部４２と整列する軸スリーブ３４に形成された少
なくとも１つの凹部３８により、軸１０に関して回転で
きない。両方の凹部３８、４２内を延びるピン４０は、
環状ロックマット４４のような適当な手段により定位置
に固定されるが、このロックナットは、４６の螺着手段
のような適当な手段により軸に固定されている。軸スリ
ーブ３４は、軸１０上の軸方向定位置に軸スリーブ３４
を維持するために軸の肩部５０と係合する突起部４８を
有する。

【０００７】スリーブ３４は、軸方向に離隔したフラン
ジ２０、２８の開口２２、３０を貫通して軸１０上に配
置される。フランジ２０と２８との間の開口には、セグ
メント一次シールリング５２が配置されている。セグメ
ントシールリング５２は、図２Ａ、２Ｂ及び３−７にも
図示してある。この例（図２Ａ及び２Ｂを参照）におい
て、セグメント一次シールリング５２は３つのセグメン
ト５４より成るが、各セグメントはオフセット舌状部５
５と、斜めに切った溝部分５８（図７を参照）とを有す
る。舌状部５５の斜面（図示せず）は、溝５８内にぴっ
たり受容されるため、セグメント５４間における半径方
向または軸方向の流体の流れが阻止される。この例の各
シールリングのセグメント５４は、炭素グラファイト複
合材料または窒化ケイ素または炭化ケイ素のようなセラ
ミック材料のような、適当な耐摩耗性、低密度、軽量及
び適当な潤滑性を有する材料で全体を形成されている。
シールリングセグメントは、軸スリーブ３４の外周面と
係合する一次周シールの孔内表面５６を有する。軸スリ
ーブ３４の外周面は、全体的に金属で形成され、好まし
くは、シールリングセグメント５４と摩擦係合の可能性
がある位置に硬い被覆を施すのが好ましい。軸１０に設
けた別個の軸スリーブ３４の使用例を図示したが、軸１
０それ自体をシールリング５２のシール表面として作用
させ、軸１０の外周面にポケット９６及び供給溝（後述
する）を形成して、シール装置から軸スリーブ３４を省
略することが可能である。

【０００８】シールリングセグメント５４は、各端部が
接するように配置すると、連続する周孔表面５６のフラ
ンジ２８から遠隔の端縁部に実質的に連続するシールダ
ム６２が形成される。各シールリングセグメントは、周
孔表面５６上のシールダム６２の上流側に隣接するとこ
ろに実質的に連続するシールダム溝６４を有する。シー
ルダム溝６４は、各セグメント５４の溝５８及び舌状部
５５に隣接する雌端部で終端する。従って、各セグメン
ト５４の継目の孔内表面５６の小さな部分を除き、シー
ルダム溝６４は本質的に連続している。

【０００９】図１、５及び６に示すように、シールダム
溝６４は、複数の開口６８により各シールリングセグメ
ント５４の後方または外周面６７と流体連通関係にある
が、これら複数の開口６８は、シールダム溝６４とシー
ルリングセグメント５４の外周面側６７にかかるガス圧
力とが流体連通関係になるように、シールリングセグメ
ント５４の周りでほぼ等距離離隔している。後述するよ
うに、この外周面６７は、ハウジング８内の高圧領域Ｐ
１にさらされている。

【００１０】図１、３、４及び７に示すように、シール
リングセグメント５４は、外周面６７に周溝６８を有す
るが、この周溝は、シールリングセグメント５４を軸１
０及び軸スリーブ３４の方へ半径方向内方に付勢するガ
ーターばね７１を受容するためにシールリング５２の周
面を延びている。加えて、各シールリングセグメント５
４の右側を半径方向に延びる表面にはばねを受容する複
数の凹部７０が設けられており、これらの凹部は、シー
ルの組み立てが完了すると、シールカバー２６のフラン
ジ２８と対向する。図２Ｂに示すように、各シールセグ
メント５４はかかる凹部７０を４個有するが、これらは
シールリングセグメント５４をフランジ２８から離れる
方向に、またフランジ２０へ近付く方向に付勢するコイ
ルばねを受容する（図１を参照）。

【００１１】図１に示すように、本質的に一体型の浮動
荷重リング７４は、シールリングセグメント５４と、シ
ールリングハウジング１８のフランジ２０との間に介在
する。浮動荷重リング７４は、金属製であるのが望まし
く、内周面に下方且つ軸方向に向いた凹部７６を有し、
この凹部内には、焼嵌めのような適当な方法によりイン
サート７８が固定されている。インサート７８は、荷重
リング７４の内周面の半径方向内方に、また荷重リング
に対向するフランジ２０の側の半径方向表面８０からわ
ずかに外方に延びている。荷重リングのインサート７８
は、各シールリングセグメント５４を形成する材料のよ
うな適当な材料で形成され、軸スリーブ３４と係合する
と、そのスリーブ３４と摩擦係合するように、浮動シー
ルリングのコンポーネントとして配置されている。同様
に、フランジ２０に隣接してインサート７８の半径方向
に延びる表面は、該フランジ２０と係合して補助的なシ
ールを形成するように配置されるが、金属製の荷重リン
グ７４が金属製のフランジ２０と係合するのではない。
荷重リング７４の外周面は１個またはそれ以上の凹部８
２を有するが、これらの凹部はシールハウジング１８の
凹部に固定される回転防止ピン８４を受容する。これら
のピン８４は、浮動荷重リングが軸１０及び軸シール３
４に関して回転しないようにする。ピン８４は、シール
リングが、ピン８４による干渉を受けずに浮動可能で、
半径方向及び軸方向に限られた量だけ移動できるように
凹部８２内に緩く受容されるため、シール装置の組み立
てが可能となる。

【００１２】図１からわかるように、フランジ２０は、
半径方向に延びる表面の最下方において荷重リング７４
の方へ延びる環状突出部８６を有するため、荷重リング
７４とフランジ２０との係合による補助的なシール８７
は、荷重リングのインサート７８と突出部８６との間で
のみ形成されることがわかる。突出部８６の半径方向に
延びる金属製の表面は、本質的に平坦な表面を提供する
ように、精密に機械加工され、硬い被覆を施すのが好ま
しいことがわかる。この表面は、荷重リングインサート
７８の半径方向に延びる隣接表面と係合するが、この隣
接表面もまた非常に小さな公差範囲内で本質的に平坦な
ように機械加工及び／またはラップ仕上げされる。同様
に、荷重リングインサート７８の全ての表面は、荷重リ
ング７４及びインサート７８の金属及び非金属部分間の
漏洩を防止するために、また、荷重リングの内周面と軸
スリーブ３４との間に本質的に一定のギャップを維持す
るために、ラップ仕上げにより本質的に平坦にされてい
る。波形ばね９０のような付勢手段は、荷重リング７４
と、カバーリング２６との間に介在し、荷重リング７４
をフランジ２０の突出部８６と係合するように付勢して
補助的なシール８７を形成する。フランジ２８に向いた
荷重リング７４の半径方向表面には、複数の非回転ピン
９２が、各シールセグメント５４につき少なくとも１個
設けられている。これらのピンは、シールセグメント５
４の凹部（図２Ａを参照）内に延びて、荷重リング７４
及び軸スリーブ３４に関するシールセグメントの回転を
防止する。シール及び荷重リングとそれらに付随するコ
ンポーネントを組み込んでシールハウジング１８を形成
すると、シールセグメント５４は、軸スリーブ３４と係
合するように付勢されて一次シール５７を形成し、また
浮動荷重リング７４に隣接する側の半径方向表面は二次
シール６１を形成することがわかる。荷重リング７４の
この表面上の係合領域は、これらコンポーネント間の摩
耗と漏洩とを最小限に抑えるために精密に機械加工さ
れ、硬い表面にされることがわかる。補助的なシール８
７については、荷重リングは、波形ばね９０及びコイル
ばね７２によりフランジ２０の肩部８６に対して押圧さ
れている。

【００１３】ハウジング８は、異なる圧力の２つの領域
Ｐ１及びＰ０を有するが、領域Ｐ１（図１の右側）は高
圧、領域Ｐ０は通常それよりも低い圧力であることがわ
かる。本発明のシール装置の目的は、領域Ｐ１とＰ０と
の間の圧力差を維持することである。従って、領域Ｐ１
の圧力はフランジ２０と２８との間の空間にも存在する
ため、シールリング５２及び荷重リング７４の外周側
の、フランジ２８に隣接するシールリングセグメントの
半径方向側は高圧である。フランジ２０及びその突出部
８６と浮動荷重リング７４との間の流体（ガス）の漏洩
は、それらの間に形成される補助的なシール８７により
防止され、また、フランジ２８及びシールリング５２に
最も近い荷重リング７４の半径方向表面に沿う漏洩は、
ばね７２及び９０の負荷の作用下で二次シール６１を形
成する、これらのコンポーネントの表面間の摩擦係合に
より阻止される。従って、領域Ｐ１とＰ０との間の全て
の漏洩流は、全てシールギャップに沿って、即ち、シー
ルリング５２の孔内領域６２と、シールリングインサー
ト７８とスリーブ３４の外周面との間の空間との間だけ
を流れるように意図されている。本発明の一次シール５
７は、領域Ｐ１とＰ０との間の圧力差が最大２５０ｐｓ
ｉまたはそれ以上である（本発明のシールと、許容圧力
差が２０−３０ｐｓｉにすぎない業界で現在使用されて
いるシールと比較されたい）環境で使用可能な長寿命
（５年またはそれ以上）のフィルムシールであるように
意図されている。さらに、シールリング５２の孔内領域
５６の流路は、流体の流れ方向で見て、矢印Ａ（図６を
参照）の間の上流の軸受け領域と、シールダム６０に隣
接する下流のリフト領域とを含み、通路６８を介してシ
ールダム溝６４に高圧が導入されることがわかる。

【００１４】本願発明者の意図は、シールリング５２の
軸受領域Ａとスリーブ３４との間をこすり合わせる力を
除去して、上述したような圧力差で長寿命を確保するこ
とである。この目的のための圧力除去システムを図８及
び９に示すが、シールリングの軸受領域Ａには、その領
域が摩擦したりこすり合ったりする可能性を減少するた
めに、円周方向に延びる、比較的短く、浅いリフトポケ
ット９６が互いに離隔して設けられている。この例のリ
フトポケット９６は、軸スリーブ３４に形成され、ハウ
ジング８の領域Ｐ１と連通する、その軸スリーブに設け
た軸方向通路９８により高圧を供給される。図９に示す
この例のリフトポケット９６は、互いに整列関係にある
が、それらは、所望であれば、軸受領域でオフセット且
つオーバーラップしてもよい。図１から、これらの通路
９８はシールセグメント５４の軸受領域Ａの部分の下に
あり、軸受領域Ａの上流方向に延びて高圧（Ｐ１）にさ
らされることがわかる。スリーブ３４を形成する材料は
シールセグメント５４の材料よりも硬いから、シールセ
グメント５４と軸スリーブ３４とがこすり合うと、軟ら
かいシールセグメント５４の方が摩耗して、リフトポケ
ット９６の健全性が維持されることがわかる（ポケット
は０．５ミリインチまたはそれ以下の非常に浅いもので
あるため、それらがシールセグメント５４上に形成され
ておれば、軸スリーブ３４とシールセグメント５４の表
面の長期間に亘る摩擦係合により消滅する可能性がある
ことがわかる）。本発明の精神から逸脱することなくシ
ールリングセグメント５４に通路９８及びリフトポケッ
ト９６を形成することができるが、硬い軸スリーブ３４
にポケット９６及び通路９８を形成すると、これらのポ
ケット及び通路がシールの寿命全体に亘って保持される
ため、明確な利点が得られることがわかるであろう。

【００１５】図１０及び１１は、二次シール６１が形成
される表面から見た浮動荷重リング７４の平面図であ
り、その上には荷重リング７４の内周面に隣接してシー
ルダム１００が設けられている。シールダム１００は、
荷重リングの金属部分上に形成され、このダムは、圧力
負荷を最小限に抑えるためにできるだけ狭いものにされ
ている。加えて、圧力負荷は、荷重リング７４の表面上
をシールダム１００から半径方向外方に延びて３つの離
隔した周溝１０４と接続する半径方向の溝１０２により
さらに減少されるが、これら３つの周溝１０４は組み立
てが完了すると各シールセグメント５４と整列関係にあ
る。従って、溝１０４は互いに接続されておらないが、
それらの間の隆起部分により分離されている。荷重リン
グ７４には、回転防止ピン９２を受容するための開口９
３が形成され、上述したように、回転防止ピン８４（図
１）を受容するためのキー溝８２が設けられている。上
述したように、インサート７８は、フランジ２０に向い
た側の荷重リング７４の表面から外方に延び、インサー
ト７８とフランジ２０の突出部８６との間の摩擦係合が
金属対金属の接触ではなくて突出部８６とインサート７
８との間で起こるように肩部７９を形成する。図１１に
示すように、インサートまたはダイナー７８を受容する
荷重リング７４の金属部分の半径方向に延びる表面上に
は、複数の供給溝１０６が機械加工により形成されてお
り、これらの溝は、荷重リング７４の金属部分とインサ
ート７８との間の焼嵌めした界面で生じる漏洩ガスを排
出し、これらのコンポーネントが分離しないようにする
働きがある。

【００１６】シールシステムのクリアランスを分散配置
すると、一次シールのリングの表面荷重、即ち、シール
リング５２の表面６１にかかる荷重を大きく減少するこ
とができる。図１は上述したクリアランスを誇張して示
すが、半径方向のクリアランスＸは、機械の組み立て及
び公差にとって必要なクリアランス、即ち、フランジ２
０の内周面と軸スリーブ３４の外周面との間の開口２２
である。この公差は、０．０３５インチ＋となるように
設計される。浮動荷重リング７４は、そのチェンバ内で
シールハウジング１８と共に半径方向にＸだけ自由に浮
動し、軸スリーブ３４と荷重リングインサート７８との
間の通常は約０．００５インチ（５ミル）の実際に小さ
なクリアランスＹで回転する軸スリーブ３４上に載って
いる。このクリアランスＹは、機械にとって許容可能な
実際の振動警報／トリップ設定に基づきセットされる。
換言すれば、軸がリングの孔部内で、連続して接触する
ことなく自由に振動できるようにセットされる。金属製
の浮動荷重リング７４と軸スリーブ３４との間のクリア
ランスをＺで示すが、このクリアランスは大きく減少さ
れ、接触を回避するために荷重リングインサート７８と
軸スリーブ３４との間のクリアランスＹより小さいもの
であってはならず、好ましくは０．００５乃至０．０１
０インチ（５−１０ミル）である。このクリアランスに
より、浮動荷重リングに対する一次シールリングに圧力
不平衡の全荷重が発生する。この圧力負荷は、クリアラ
ンスＸにより生じるもののほんの一部である。シールダ
ム６０における孔部のクリアランスはこれらのクリアラ
ンスより有意に小さい。即ち、０．００２インチ（０．
２ミル）のオーダーであり、これはガス用一次周シール
のギャップとして注目すべきものである。

【００１７】動作時にシールリングセグメント５４にか
かる荷重を示す圧力図１２を参照すると、シールリング
セグメント５４の軸受領域Ａのリフトポケットにより、
シールリング５２に正味で上方向の力がかかることがわ
かる。図１３は、図１−１０の荷重リングにかかる負荷
と、側方負荷の不平衡な状態をハッチング領域で示す。
従って、この例の負荷リングは不平衡な状態にある。

【００１８】図１４の別の実施例は、荷重リングを平衡
状態にした本発明のシール装置である。図１４の同一コ
ンポーネントについてはさらに説明しないが、この例で
は、軸スリーブ３４’の外周面上には、フランジ２０に
向いた下方に延びる肩部１１０が設けられ、荷重リング
インサート７８’の肩部１１０の鼻部分１１２と係合す
ることがわかる。加えて、荷重リングインサート７８’
の鼻部分１１４は、突出部８６’の外表面と係合して、
それらの間に補助的なシール８７’を形成する。肩部１
１０の半径方向長さは、荷重リング７４’の圧力平衡を
達成するため、鼻部分１１４の半径方向長さに依存す
る。さらに、荷重リング７４’は、フランジ２０の方へ
延びる突起部１１６を有し、また、キー溝８２’が突出
部１１６の側に形成され、回転防止ピン８４’がフラン
ジ２０からキー溝８２’内へ延びる。この実施例におい
て、カバー４６’の固定手段はスナップリング３２’で
ある。図１５は、図１４の平衡荷重リングの圧力図であ
り、それにかかる荷重が本質的に圧力平衡状態であるこ
とを示す。

【００１９】上述したように、６１において二次シール
にかかる圧力負荷及びシール５７’にかかる圧力負荷
（図１４を参照）は、現在の周シールの一次シールの圧
力負荷と比べると最大で２５％減少可能であるため、現
場で用いる現在の周シール技術よりも１．５オーダー以
上大きい圧力差で作動可能な（ガス環境で使用される場
合）長寿命のフィルム周シールが提供される。さらに、
軸受領域におけるフィルムの幾何学的関係により、長寿
命を可能にする接触のない動作が得られる。軸受機能及
びシール機能は完全に別個のものであり、互いに依存関
係にない。流体軸受には深い供給溝により高圧の流体が
供給されるが、一方、シールダム及び孔内表面にはシー
ルリングセグメント５４に穿孔した通路６８を介して高
圧の流体が供給される。ロータとハウジングのクリアラ
ンスによる禁止力は、浮動荷重リング７４、７４’を用
いることにより極度に小さな値に減少される。荷重リン
グ７４または７４’はまた、狭いクリアランスのバック
アップシール装置として、即ち、動作の不具合の場合の
浮動ブッシングとして機能する。図示のように、浮動荷
重リングは禁止力をほとんど０に減少するために圧力平
衡型として設計可能である。既存の技術の１５倍以上の
圧力差を有する環境での周シールの動作は、フェイスタ
イプのシールによってのみ達成可能な圧力範囲に匹敵す
る。

【００２０】高い軸速度によるテストを、圧力差が最大
２２５ｐｓｉのガス環境で本発明の直径５．６インチの
シールについて行った。７５時間のテストを終了した
後、シールリングセグメント５４と軸スリーブ３４との
間の接触または浮動リングインサート７８と軸スリーブ
３４との接触は僅かであったことが観察された。摩耗は
認められなかった。

【００２１】本発明は、最適の実施モードであるとして
開示した特定の実施例に限定されず、頭書の特許請求の
範囲内に含まれる全ての実施例を包含するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のシール装置の概略的な断面図
であり、軸の中心線より上方の固定ハウジング及び回転
軸だけを示すものである。

【図２Ａ】図２Ａは、図１のシールリングの左側を示す
縮尺平面図である。

【図２Ｂ】図２Ｂは、図１のシールリングの右側を示す
平面図である。

【図３】図３は、図２Ａの線３−３に沿うシールリング
の拡大断面図である。

【図４】図４は、図２Ａの線４−４に沿う図３によく似
た図である。

【図５】図５は、図２Ａの線５−５に沿う拡大断面図で
ある。

【図６】図６は、図１−５のシールリングの孔内表面の
断片的な拡大図であり、２つのセグメント間の接合部を
示す。

【図７】図７は、図２Ａの線７−７に沿うシールリング
の拡大断面図である。

【図８】図８は、本発明に用いる軸スリーブの周面の一
部の断片的な平面図であり、セグメントシールリングの
孔内表面の軸受セグメントのリフトポケット及び供給孔
を示す。

【図９】図９は、図８の線９−９に沿う軸スリーブの断
面図である。

【図１０】図１０は、図１の浮動荷重リングの右側半径
表面の縮尺平面図であり、図１の右から左を見た荷重リ
ング表面を示す。

【図１１】図１１は、図１及び１０の荷重リングの拡大
断面図である。

【図１２】図１２は、図１及び３のシールリングセグメ
ントの拡大圧力図である。

【図１３】図１３は、図１の実施例の荷重リングにかか
る圧力を示す圧力図である。

【図１４】図１４は、平衡シールを設けた本発明の別の
実施例を示す、図１によく似た概略的な断面図である。

【図１５】図１５は、図１４の実施例の荷重リングに作
用する力を示す圧力図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA06 CA32 CA58 DA08 DA13 3J041 AA03 BC01 BD01 DA05 3J042 AA05 AA11 AA13 BA02 CA15

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング内で回転可能な回転軸に沿う
   密封を行うために該ハウジングに設けた周シール装置で
   あって、 ハウジングは、それぞれが回転軸を受容する開口を備
   え、回転軸に沿って軸方向に離隔した２つの環状フラン
   ジを有し、回転軸は離隔したフランジの開口を貫通する
   外周面を有し、第１のフランジは、第２のフランジから
   遠い方の半径方向に延びる側面において第１のハウジン
   グ領域の高い圧力にさらされており、第２のフランジ
   は、第１のフランジから遠い方の半径方向に延びる表面
   において第２のハウジング領域の比較的低い圧力にさら
   されており、 シール装置は、第１のハウジング領域から第２のハウジ
   ング領域への回転軸に沿う流体の流れを制限するために
   前記フランジの半径方向に延びる２つの対向表面間に配
   置され、シール装置は、２つの対向表面間に位置し、そ
   れぞれが回転軸を中央開口で受容するように縦続的に離
   隔して配置された少なくとも２つのほぼ環状のシール手
   段を有し、一方のシール手段は、第１のフランジの対向
   表面に隣接し、適切な耐摩耗性、低密度、軽量及び適当
   な潤滑性を有する材料から形成されたセグメントシール
   リングより成り、セグメントシールリングは各セグメン
   トの内周面に孔内表面を有し、これらのセグメントは、
   一次シールを形成するように軸の周面の方へまたはそれ
   から離れる方向に半径方向に移動可能なように装着さ
   れ、また隣接するセグメント間の漏洩を防止するような
   形状を有し、第２のシール手段は第２のフランジとセグ
   メントシールリングの対向表面間に配置され、またハウ
   ジング、第２のフランジ、セグメントシールリング及び
   軸の周面により画定される空間内で浮動するように装着
   され、荷重リングは、二次シールを形成するためにセグ
   メントシールリングの各セグメントの半径方向に延びる
   表面と係合する半径方向に延びる表面を有し、 荷重リングは、補助的なシールを形成するために第２の
   フランジの対向表面と係合するように配置された半径方
   向に延びるシール表面を有し、その内周面は軸の周面を
   ぴったり受容するように配置された内周面を有し、ハウ
   ジングから延びる回転防止装置は、荷重リングと係合し
   てハウジングに関する荷重リングの回転を阻止し、 第１のばねは、第１のフランジの対向表面と、シールリ
   ングの各セグメントの隣接する半径方向に延びる表面と
   の間で圧縮されて、セグメントを第１のフランジの対向
   表面から離れる方向に付勢して浮動荷重リングの隣接す
   る半径方向に延びる表面と係合させることにより、それ
   らの間に二次的なシールを形成し、二次的なシールを第
   ２のフランジの対向表面の方へ軸方向に移動させて、負
   荷リングの半径方向に延びる表面が第２のフランジの対
   向表面と係合させることにより、補助的なシールを形成
   し、 シールリングセグメントの外周面に装着されたガーター
   ばねは、セグメントを軸の外周面の方へ移動させ、各セ
   グメントの孔内表面は軸の周面と係合するように移動可
   能であり、フランジとハウジングとは、セグメントシー
   ルリング及び荷重リングの外周面と、第１のフランジの
   対向表面に隣接するセグメントシールリングの半径方向
   に延びる表面とを、第１のハウジング領域の高い圧力に
   さらすような形状を有し、 シールリングセグメントの各孔内表面は、第１のハウジ
   ング領域から第２のハウジング領域の方へ軸に沿って縦
   続する軸受表面及びそれに隣接するリフト領域を有し、
   軸受領域は第１のハウジング領域に隣接し、リフト領域
   は軸方向流体の流れの方向で下流に位置し、シールリン
   グセグメントは、セグメントの下流の端縁部に隣接する
   孔内表面に本質的に連続する周シールダムを有し、セグ
   メントはその孔内表面上にシールダムに隣接するその上
   流側に周溝を形成し、各シールリングセグメントは、高
   圧にさらされるその側面から延びてかかる流体を周溝に
   供給する複数の供給溝を有し、 軸の外周面及び全てのシールリングセグメントの軸受領
   域の表面の少なくとも１つは、それらの表面のそれ以外
   のものと整列関係にある少なくとも１つの浅い円周方向
   に延びるリフトポケットを有し、その１つの表面は軸方
   向に延びる供給溝を有し、その溝は各リフトポケットと
   連通し且つ各リフトポケットからハウジングの高圧領域
   へ延びて、高圧の流体を各リフトポケットに供給するこ
   とにより、セグメントの軸受領域と軸スリーブとの間の
   接触を最小限に抑えてシール装置の寿命を増加させるシ
   ール装置。
2. 【請求項２】 円周方向に延びる浅いリフトポケット
   と、軸方向に延びる供給溝とは、各シールセグメントの
   軸受領域に形成される請求項１のシール装置。
3. 【請求項３】 円周方向に延びる浅いリフトポケット
   と、軸方向に延びる供給溝とは、各シールセグメントの
   軸受領域の下にくるように軸の外周面に形成される請求
   項１のシール装置。
4. 【請求項４】 軸の外周面は、シールリングセグメント
   を形成する材料よりも耐摩耗性の大きい材料で作られて
   いる請求項１のシール装置。
5. 【請求項５】 浮動荷重リングは、シールリングセグメ
   ントと同じ材料で作られた下向きのインサートに固定さ
   れ、インサートは、第２のフランジと係合し、荷重リン
   グの外周面を形成するような大きさで荷重負荷リング上
   に配置される請求項１のシール装置。
6. 【請求項６】 軸の外周面は、外周面の摩耗を減少する
   ように硬い被覆を有する請求項１のシール装置。
7. 【請求項７】 セグメントシールリングの各セグメント
   の半径方向に延びる表面と係合するように配置された荷
   重リングの半径方向に延びる表面は、荷重リングの半径
   方向に延びる表面の摩耗を減少するために硬い被覆を有
   する請求項１のシール装置。
8. 【請求項８】 少なくとも１つのハウジングフランジ
   は、シール装置の点検及び改造を可能にするようにハウ
   ジングに着脱自在に固定されている請求項１のシール装
   置。
9. 【請求項９】 半径方向に延びる圧力除去用の溝は、二
   次シールの圧力を除去し且つ荷重リングとシールセグメ
   ントとの間の半径方向の相対運動を許容するように荷重
   リングの半径方向に延びる表面に形成されている請求項
   １のシール装置。
10. 【請求項１０】 軸の外周面は、軸スリーブとセグメン
    トシールリングとの間の一次シールを形成する軸表面の
    部分よりも直径が小さい、浮動荷重リングと整列関係に
    ある第１の部分を有し、荷重リングは開口内の軸スリー
    ブの第１の部分の方へ延び且つその部分をぴったりと受
    容する環状の鼻状部を有する請求項１のシール装置。
11. 【請求項１１】 軸スリーブの鼻状部と第１の部分との
    間のクリアランスは約５ミルインチのオーダーであり、
    荷重リングはシール動作の間は本質的に圧力が平衡して
    いる請求項１０のシール装置。
12. 【請求項１２】 浮動シールリングはそれに固定した下
    向きのインサートを有し、鼻状部はインサート上に形成
    されている請求項１１のシール装置。
13. 【請求項１３】 下向きのインサートは補助的なシール
    を形成する第２のフランジの対向表面と係合する第２の
    鼻状部を有し、第２の鼻状部の半径方向の寸法は一次シ
    ールを形成する軸スリーブの部分と第１の軸スリーブの
    間との半径の差に本質的に等しい請求項１２のシール装
    置。