JP2007162655A - Sealing device of fluid machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ポンプ、水車、コンプレッサ、ガスタービン等の流体機械において、ケーシングと回転体との間の隙間を通ってケーシング内の高圧領域から低圧領域へ流体が漏洩するのを防止するシール装置に関する。 The present invention relates to a sealing device that prevents fluid from leaking from a high pressure region to a low pressure region in a casing through a gap between the casing and a rotating body in a fluid machine such as a pump, a water wheel, a compressor, and a gas turbine. .
流体機械の主軸や羽根車等の回転体とケーシングとの間のシール装置として、例えば特許文献1に記載されているようなウエアリングを用いたものが知られている。ケーシング側に固定されたウエアリングの内周面と回転体との外周面との間に隙間が形成され、この隙間を可能な限り微小に設定することにより、流体が隙間を介して高圧側から低圧側へ漏洩するのを防止している。 As a seal device between a rotating body such as a main shaft or an impeller of a fluid machine and a casing, for example, a device using a wear ring as described in Patent Document 1 is known. A gap is formed between the inner peripheral surface of the wear ring fixed to the casing side and the outer peripheral surface of the rotating body. By setting this gap as small as possible, fluid can flow from the high pressure side through the gap. Prevents leakage to the low pressure side.
しかし、従来のこの種のシール装置には以下の問題がある。 However, this type of conventional sealing device has the following problems.
まず、流体の漏れを低減するためにウエアリングの内周面と回転体の隙間を過度に狭く設定すると、ウエアリングと回転体を高精度で加工したとしても不可避的に生じる寸法誤差や組立精度誤差により、ウエアリングと回転体の組立が不可能となる場合がある。従って、隙間の寸法は組立を考慮したある程度の大きさに設定する必要があり、流体の漏れ量低減には限界がある。 First, if the gap between the inner peripheral surface of the wear ring and the rotating body is set too narrow in order to reduce fluid leakage, dimensional errors and assembly accuracy that are unavoidable even if the wear ring and the rotating body are processed with high accuracy. Due to the error, the wear ring and the rotating body may not be assembled. Therefore, it is necessary to set the size of the gap to a certain degree in consideration of assembly, and there is a limit in reducing the amount of fluid leakage.
また、流体機械の運転中に回転体とウエアリングが接触することで振動が生じ、回転体とウエアリングのかじりないしは焼き付けが起こるおそれもある。前述の特許文献1に記載のシール装置では、焼き付け防止のためにウエアリングに有機材料からなるライニングを設けている。しかし、回転体とウエアリングの接触によりライニングが摩耗するので、流体機械を長期間にわたって運転するとライニングに覆われていた金属材料が露出し、その結果焼き付けが起こる可能性がある。 Further, when the rotating body and the wear ring come into contact with each other during the operation of the fluid machine, vibration is generated, and the rotating body and the wear ring may be galled or burned. In the sealing device described in Patent Document 1 described above, a lining made of an organic material is provided on the wear ring to prevent seizure. However, since the lining wears due to the contact between the rotating body and the wear ring, when the fluid machine is operated for a long period of time, the metal material covered with the lining is exposed, and as a result, baking may occur.
さらに、高圧側からウエアリングと回転体の隙間を通って低圧側に流れる流体の速度は、高圧側と低圧側の圧力差に相当する高い流速を有する。このように高流速の流体が隙間を通過することにより、ウエアリングの摩耗が生じする。また、低圧側の隙間の出口付近では特に高流速となるので急激な圧力低下が起こり、振動や摩耗の原因となるキャビテーションが発生するおそれもある。 Furthermore, the velocity of the fluid flowing from the high pressure side through the gap between the wear ring and the rotating body to the low pressure side has a high flow rate corresponding to the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side. Wear of the wear ring is caused by the fluid having a high flow rate passing through the gap. Further, since the flow velocity is particularly high near the outlet of the gap on the low-pressure side, a rapid pressure drop occurs, and cavitation that causes vibration and wear may occur.
本発明は、流体機械のケーシングと回転体との間の隙間を通ってケーシング内の高圧領域から低圧領域へ流体が漏洩するのを防止するシール装置において、比較的簡易な構造による製造やメンテナンスの容易性を実現しつつ、漏れ量の極小化、振動の低減、焼き付け防止、摩耗の抑制、及びキャビテーションの抑制等を図ることを課題とする。 The present invention relates to a seal device that prevents fluid from leaking from a high pressure region to a low pressure region in a casing through a gap between a casing and a rotating body of a fluid machine. It is an object to minimize leakage, reduce vibration, prevent seizure, suppress wear, suppress cavitation, and the like while realizing ease.
本発明は、流体機械のケーシングと回転体との間の隙間を通って前記ケーシング内の高圧領域から低圧領域へ流体が漏洩するのを防止するシール装置において、前記ケーシングに固定され、前記高圧領域側と前記低圧領域側を貫通して前記回転体が差し込まれた主貫通孔が形成され、かつ前記主貫通孔の孔周壁と前記回転体の外周面との間に第1の隙間が形成されている、一体構造の主リングと、前記主リングの前記主貫通孔の前記高圧領域側の部分の前記孔周壁に形成された環状収容溝に収容され、前記高圧領域側と前記低圧領域側を貫通して前記回転体が差し込まれる前記主貫通孔の直径よりも小さい直径を有する補助貫通孔が形成され、かつ前記補助貫通孔の孔周壁と前記回転体の前記外周面との間に前記第1の隙間よりも狭い第2の隙間が形成されている、一体構造の薄厚補助リングとを備える、流体機械のシール装置を提供する。 The present invention provides a sealing device that prevents fluid from leaking from a high-pressure region in the casing to a low-pressure region through a gap between a casing and a rotating body of a fluid machine. A main through hole into which the rotating body is inserted through the side and the low pressure region side, and a first gap is formed between a peripheral wall of the main through hole and an outer peripheral surface of the rotating body. A main ring having an integral structure, and an annular housing groove formed on the peripheral wall of the main through hole of the main ring on the high pressure region side, and the high pressure region side and the low pressure region side are An auxiliary through hole having a diameter smaller than the diameter of the main through hole through which the rotating body is inserted is formed, and the first through hole is formed between a peripheral wall of the auxiliary through hole and the outer peripheral surface of the rotating body. 2nd narrower than 1 gap During it is formed, and a thin auxiliary ring of integral structure, to provide a seal device of the fluid machine.
主リングと別体の薄厚補助リングを備えるので、この薄厚補助リングに形成された補助貫通孔の直径を主リングに形成された主貫通孔の直径よりも大幅に小さくし、第2の隙間を第1の隙間よりも大幅に狭くできる。その結果、第1及び第2の隙間を通って高圧領域から低圧領域へ漏洩する流体の漏れ量を極小化できる。この漏れ量の極小化によって漏れ損失を低減し、流体機械の効率を向上できる。 Since the thin auxiliary ring is provided separately from the main ring, the diameter of the auxiliary through hole formed in the thin auxiliary ring is made significantly smaller than the diameter of the main through hole formed in the main ring, and the second gap is formed. It can be significantly narrower than the first gap. As a result, the amount of fluid leaking from the high pressure region to the low pressure region through the first and second gaps can be minimized. By minimizing the amount of leakage, leakage loss can be reduced and the efficiency of the fluid machine can be improved.
主リングと別体の薄厚補助リングを備え、主リングに形成された主貫通孔の孔周壁と回転体の外周面の間の隙間(第1の隙間)よりも、薄厚補助リングに形成された補助貫通孔の孔周壁と回転体の外周面の間の隙間(第2の隙間)を狭く設定している。その結果、回転体と主リング(主貫通孔の孔周壁)が接触せず、回転体が主リングに衝突することによる振動の発生を防止できると共に、回転体と主リングのかじりないしは焼き付けを防止できる。 A thin auxiliary ring is provided separately from the main ring, and is formed in the thin auxiliary ring rather than a gap (first gap) between the peripheral wall of the main through hole formed in the main ring and the outer peripheral surface of the rotating body. A gap (second gap) between the peripheral wall of the auxiliary through hole and the outer peripheral surface of the rotating body is set narrow. As a result, the rotating body and the main ring (hole peripheral wall of the main through hole) do not come into contact with each other, so that vibrations caused by the rotating body colliding with the main ring can be prevented, and the rotating body and the main ring can be prevented from being galled or seized. it can.
薄厚補助リング側の第2の隙間よりも主リング側の第1の隙間が低圧領域側にあり、第1の隙間は第2の隙間よりも広い。そのため、高圧領域側から低圧領域側に向けて第1の隙間を流れる流体の流速が低減されるので、主リングの摩耗(主貫通孔の孔周壁の摩耗)を防止できる。また、第1の隙間の低圧領域側の出口付近における流体の流速が低減されるので、この部分での急激な圧力低下が生じず、キャビテーションの発生を防止できる。 The first gap on the main ring side is on the low pressure region side than the second gap on the thin auxiliary ring side, and the first gap is wider than the second gap. Therefore, since the flow velocity of the fluid flowing through the first gap from the high pressure region side toward the low pressure region side is reduced, the main ring can be prevented from being worn (the wear of the peripheral wall of the main through hole). In addition, since the flow velocity of the fluid in the vicinity of the outlet on the low pressure region side of the first gap is reduced, a sudden pressure drop does not occur in this portion, and the occurrence of cavitation can be prevented.
主リングと薄厚補助リングはいずれも複数の部品を組み立てた構造ではなく、単一の部品からなる一体構造であり、薄厚補助リングを撓ませて主リングの環状収容溝に嵌め込むことで主リングに薄厚補助リングを組み付けることができる。従って、本発明のシール装置は製造が容易である。また、必要があれば薄厚補助リングを撓ませて主リングの環状収容溝から抜き出すだけで主リングから取り外すことができ、交換用の新しい薄厚補助リングも撓ませて環状収容溝に嵌め込むだけで主リングに取り付けることができる。この点で本発明のシール装置は簡単にメンテナンスを行うことができる。 Both the main ring and the thin auxiliary ring are not a structure in which multiple parts are assembled, but a single structure consisting of a single part. The main ring is bent by fitting the thin auxiliary ring into the annular receiving groove of the main ring. A thin auxiliary ring can be attached to the. Therefore, the sealing device of the present invention is easy to manufacture. If necessary, the thin auxiliary ring can be removed from the main ring simply by bending it out of the main ring annular receiving groove, and the replacement thin auxiliary ring can also be bent into the annular receiving groove. Can be attached to the main ring. In this respect, the sealing device of the present invention can be easily maintained.
前記第2の隙間の寸法と、前記環状収容溝の底壁と前記薄厚補助リングの外周との間に形成された第3の隙間の寸法との和が、前記第1の隙間よりも小さいことが好ましい。 The sum of the dimension of the second gap and the dimension of the third gap formed between the bottom wall of the annular housing groove and the outer periphery of the thin auxiliary ring is smaller than the first gap. Is preferred.
薄厚補助リングは、最大で第3の隙間の寸法に相当する距離だけ環状収容溝内を回転部材の軸線と直交する方向(径方向)に移動できる。回転体が薄厚補助リングに接触ないしは衝突しても、この移動により薄厚補助リングの損傷や摩耗を低減できる。一方、回転体で押された薄型補助リングが回転部材の回転方向に対して直交する方向に移動しても、回転体が主リング(主リング貫通孔の孔周壁)に衝突する前に薄板補助リングの外周が環状収容溝の底壁に当接する。従って、回転体と主リングの衝突による振動の発生や、回転体と主リングの焼き付けは確実に防止できる。 The thin auxiliary ring can move in the annular housing groove in a direction (radial direction) perpendicular to the axis of the rotating member by a distance corresponding to the dimension of the third gap at the maximum. Even if the rotating body contacts or collides with the thin auxiliary ring, this movement can reduce damage and wear of the thin auxiliary ring. On the other hand, even if the thin auxiliary ring pushed by the rotating body moves in the direction perpendicular to the rotating direction of the rotating member, the thin plate assists before the rotating body collides with the main ring (the peripheral wall of the main ring through hole). The outer periphery of the ring contacts the bottom wall of the annular receiving groove. Therefore, generation of vibration due to collision between the rotating body and the main ring and seizure of the rotating body and the main ring can be reliably prevented.
前記環状収容溝の互いに対向する一対の側壁間の距離が前記薄厚補助リングの厚みよりも大きいことが好ましい。 It is preferable that a distance between a pair of opposite side walls of the annular housing groove is larger than a thickness of the thin auxiliary ring.
環状収容溝の側壁間の距離と薄厚補助リングの厚みの差に相当する距離だけ回転体の軸線方向に移動可能な状態で、薄厚補助リングは環状収容溝内に収容されている。そして、薄厚補助リングは高圧領域側の面に作用する圧力と低圧領域側(主貫通孔側)の面に作用する圧力の差圧に相当する力で主リングに押圧されている。従って、回転体が薄厚補助リングに接触ないしは衝突すると、この押圧力に比例する摩擦力が薄厚補助リングと主リングとの間に生じ、この摩擦力は薄厚補助リングの径方向の移動に対する抵抗となる。その結果、補助リングは回転体の振動に対して減衰摩擦力として機能し、回転体の振動を低減する。 The thin auxiliary ring is accommodated in the annular accommodating groove so as to be movable in the axial direction of the rotating body by a distance corresponding to the difference between the distance between the side walls of the annular accommodating groove and the thickness of the thin auxiliary ring. The thin auxiliary ring is pressed against the main ring with a force corresponding to a differential pressure between the pressure acting on the surface on the high pressure region side and the pressure acting on the surface on the low pressure region side (main through hole side). Therefore, when the rotating body contacts or collides with the thin auxiliary ring, a frictional force proportional to the pressing force is generated between the thin auxiliary ring and the main ring, and this frictional force is a resistance against the radial movement of the thin auxiliary ring. Become. As a result, the auxiliary ring functions as a damping frictional force against the vibration of the rotating body, and reduces the vibration of the rotating body.
前記主リング貫通孔の前記薄厚補助リングの前記低圧側に臨む部分に拡径部が形成されていることが好ましい。この拡径部の寸法や形状を変えることで、前述の薄厚補助リングを主リングに押圧する力を調整できる。従って、拡径部の寸法や形状の調節により、回転体の振動に対する減衰摩擦力を調節できる。 It is preferable that an enlarged-diameter portion is formed in a portion of the main ring through hole facing the low pressure side of the thin auxiliary ring. By changing the size and shape of the enlarged diameter portion, the force for pressing the thin auxiliary ring against the main ring can be adjusted. Therefore, the damping frictional force against the vibration of the rotating body can be adjusted by adjusting the size and shape of the enlarged diameter portion.
前記主貫通孔の前記孔周壁に表面粗度を増大させる加工が施されていることが好ましい。主貫通孔の孔周壁と回転体の外周面との間の隙間である第1の隙間における流体摩擦抵抗が増すので、第1及び第2の隙間を通って高圧領域から低圧領域へ漏洩する流体の漏れ量をより一層低減し、漏れ損失をさらに低減して流体機械の効率を一層向上できる。この種の加工としては、例えばローレット加工があるが流体摩擦抵抗を充分に増すことができる加工であれば、特に限定されない。 It is preferable that the hole peripheral wall of the main through hole is processed to increase the surface roughness. Since the fluid frictional resistance in the first gap, which is the gap between the hole peripheral wall of the main through hole and the outer peripheral surface of the rotating body, increases, the fluid leaks from the high pressure region to the low pressure region through the first and second gaps. The amount of leakage of the fluid machine can be further reduced, the leakage loss can be further reduced, and the efficiency of the fluid machine can be further improved. Examples of this type of processing include knurling, but are not particularly limited as long as the processing can sufficiently increase the fluid frictional resistance.
本発明の流体機械のシール装置は、比較的簡易な構造で製造やメンテナンスが容易でありながら、漏れ量の極小化、振動の低減、焼き付け防止、摩耗の抑制、及びキャビテーションの抑制等を図ることができる。 The sealing device for a fluid machine of the present invention has a relatively simple structure and is easy to manufacture and maintain, while minimizing leakage, reducing vibration, preventing seizure, suppressing wear, suppressing cavitation, and the like. Can do.
図1は本発明の実施形態に係るシール装置を備える2段式の遠心ポンプ1を示す。この遠心ポンプ1のケーシング2内にはインターブシュ3で仕切られた2つの渦巻室4A,4Bが形成されている。渦巻室4A,4Bには、それぞれ1段目の羽根車5Aと2段目の羽根車5Bが左右対称の姿勢で配置されている。これらの羽根車5A,5Bは、水平方向に延びる主軸6に固定されている。主軸6はケーシング2を貫通して延びている。ケーシング2には一対の軸受ブラケット7A,7Bが固定され、これらの軸受ブラケット7A,7Bに収容された軸受8A,8Bにより主軸6の両端が回転自在に支持されている。また、主軸6がケーシング2を貫通する部分には封止用のグランドパッキン9A,9Bが配設されている。主軸6の図において右側の端部が原動機(図示せず。)に接続されている。
FIG. 1 shows a two-stage centrifugal pump 1 having a sealing device according to an embodiment of the present invention. In the
原動機により主軸6が回転すると、渦巻室4A,4B内で羽根車5A,5Bが回転する。吸込口11から渦巻室4Aに流入した水は1段目の羽根車5Aで加圧された後、模式的に示す流路12を通って渦巻室4Bに流入する。渦巻室4Bに流入した水は2段目の羽根車5Bでさらに加圧された後、吐出口13から吐出される。
When the main shaft 6 is rotated by the prime mover, the
羽根車5A,5Bは、主軸6に固定されたボス部15と、ボス部15から主軸6の径方向に延びる円形の主板16を備える。主板16には、複数の羽根17の基端側が固定されている。また、これらの羽根17の先端側は側板18で連結されている。側板18は外周が円形で、その中央には両端開口の円筒状で主板16から離れる方向に突出するマウスリング部19を備える。マウスリング部19で囲まれた開口が羽根車入口21を構成している。また、主板16と側板18の外周に挟まれた部分が羽根車出口22を構成している。主板16及び側板18は主軸6と同軸に配置されている。従って、主軸6の軸線Lは主板16及び側板18の回転中心でもある。渦巻室4A,4B内の水は羽根車入口21から回転する羽根車5A,5Bに吸い込まれ、羽根17で加圧されて羽根車出口22から吐出される。従って、渦巻室4A,4Bは、羽根車入口21側が低圧領域4aで羽根車出口22側が高圧領域4bとなっている。
The impellers 5 </ b> A and 5 </ b> B include a
シール装置25A,25Bは、渦巻室4A,4B内の水が高圧領域4bから低圧領域4aへ漏洩するのを防止する。具体的には、シール装置25A,25Bは、ケーシング2と羽根車5のマウスリング部19の外周面との隙間を通って渦巻室4A,4B内の高圧領域4bの水が低圧領域4aへ漏洩するのを防止する。1段目の渦巻室4Aに配設されたシール装置25Aと2段目の渦巻室4Bに配設されたシール装置25Bは、構造も機能も同一であり、図において左右方向の取り付け姿勢のみが異なる。以下、2段目の渦巻室4Bに配設されたシール装置25Bについて詳細に説明する。
The
図2、図3、及び図5をさらに参照すると、シール装置25Bはその外周がケーシング2にねじ止めで固定されたウエアリング(主リング)31と、このウエアリング31に対して主軸6の軸線Lに対して直交する方向及び軸線Lが延びる方向にある程度移動可能な状態で取り付けられたフローティングリング(薄厚補助リング)32とからなる。ウエアリング31は、例えばステンレス鋼、鋳鉄、青銅鋳物等からなり、多数の部品を組み立てた構造ではなく、単一の部品からなる一体構造である。一方、フローティングリング32は、摺動性能と耐磨耗性に優れ、かつある程度弾性的変形性を有する材料からなる。例えば、4フッ化エチレン(PTFE)等のフッ素樹脂やポリエステルエーテルケトン(PEEK)等のポリアミド樹脂等の各種の合成樹脂、硬質ゴム、軽金属、皮革等をフローティングリング32の材料として使用できる。ウエアリング31と同様に、フローティングリング32は多数の部品を組み立てた構造ではなく、単一の部品からなる一体構造である。
With further reference to FIGS. 2, 3, and 5, the seal device 25 </ b> B has a wear ring (main ring) 31 whose outer periphery is fixed to the
ウエアリング31は全体として薄厚の環状であり、低圧領域4a側の端面(図において左側の端面)から高圧領域4b側の端面(図において右側の端面)まで貫通する断面円形の貫通孔(主貫通孔)31aが形成されている。この貫通孔31aには高圧領域4b側から羽根車5Bのマウスリング部19が差し込まれている。また、貫通孔31aの高圧領域4b側の部分の孔周壁、詳細には貫通孔31aの孔周壁のうちウエアリング31の高圧領域4b側の端面近傍の部分には、環状収容溝31bが形成されており、この環状収容溝31bにフローティングリング32が収容されている。貫通孔31aのフローティングリング32の低圧領域4a側の端面に臨む部分、すなわち貫通孔31aの孔周壁と環状収容溝31bの一対の側壁のうち低圧領域4b側の側壁との接続部分には、低圧領域4a側から高圧領域4b側に向けて径が漸増する面取部31cが形成されている。符号δで示すように、環状収容溝31bの底壁からの環状収容溝31bの高圧領域4a側の側壁の突出量は、フローティングリング32の環状収容溝31bからの脱落防止に必要な最小限の量に設定されている。
The
フローティングリング32はウエアリング31よりも大幅に薄厚の環状であり、低圧領域4a側の端面(図において左側の端面)から高圧領域4b側の端面(図において右側の端面)まで貫通する断面円形の貫通孔(補助貫通孔)32aが形成されている。この貫通孔32aを高圧領域4b側から羽根車5Bのマウスリング部19が貫通している。フローティングリング32は、それ自体を撓ませることでウエアリング31の高圧領域4b側の端面から環状収容溝31bに嵌め込まれている。
The floating
次に、ウエアリング31及びフローティングリング32の寸法について詳述する。この寸法の説明では、貫通孔31a、貫通孔32a、及びマウスリング部19が同軸であるものとする。
Next, the dimensions of the
ウエアリング31の貫通孔31aの直径Dm1は、羽根車5Bのマウスリング部19の直径(外径)Drよりも大きく設定されている。従って、貫通孔31aの孔周壁とマウスリング部19の外周面との間には、直径Dm1と直径Drの差に相当する幅C2を有する環状の隙間(第1の隙間)35が形成されている。また、面取部31cの高圧領域4b側の端部は、貫通孔31aの直径Dm1よりも大きい直径Dcを有する。さらに、前述のように環状収容溝31bの高圧領域4b側の側壁の突出量δは最小限に設定されているので、ウエアリング31の高圧領域4b側の端面における貫通孔31aの開口部は、貫通孔31aの他の部分(面取部31cを含む)の直径Dm1,Dcよりも大幅に大きい直径Dm3を有する。
The diameter D m1 of the through
フローティングリング32の貫通孔32aの直径Da1は、羽根車5Bのマウスリング部19の直径Drよりも大きく設定されている。従って、貫通孔32aの孔周壁とマウスリング部19の外周面との間には、直径Da1と直径Drの差に相当する幅C1を有する環状の隙間(第2の隙間)36が形成されている。貫通孔32aの直径Da1は貫通孔31aの直径Dm1よりも小さく設定されている。従って、隙間36の幅C1は隙間35の幅C2よりも狭い。
The diameter D a1 of the through
フローティングリング32の外径(直径)Da2は、ウエアリング31に形成された環状収容溝31bの底壁の直径Dm2よりも小さく設定されている。従って、環状収容溝31bの底壁とフローティングリング32の外周との間には幅Cs(隙間36の幅C1よりも充分大きい。)を有する環状の隙間(第3の隙間)37が形成されている。従って、フローティングリング32は、最大で隙間37の幅Csに相当する距離だけ軸線Lに直交する方向(フローティングリング32自体の径方向)に移動できる。隙間35の幅C2は、隙間36の幅C1と隙間37の幅Csの和よりも大きく設定されている。換言すれば、幅C1,C2,Csには以下の式(1)の関係がある。
The outer diameter (diameter) D a2 of the floating
環状収容溝31bの互いに対向する一対の側壁間の距離t1はフローティングリング32の厚みt2よりも大きく設定されている。従って、フローティングリング32は距離t1と厚みt2の差に相当する距離だけ軸線L方向(フローティングリング32自体の厚み方向)に移動できる。
A distance t 1 between a pair of opposite side walls of the
図3を参照すると、貫通孔31aの孔周壁、具体的には貫通孔31aの孔周壁のうち面取部31cよりも低圧領域4aの部分には、ローレット加工38を施して表面粗度を増大させ、隙間35を通る水に作用する流体摩擦抵抗を増大させている。なお、図3では図示の単純化のために貫通孔31aの孔周壁の周方向の一部にのみローレット加工38を図示しているが、実際には貫通孔31aの孔周壁の周方向の全体にローレット加工38が施されている。このローレット加工38は図4Aに示すように四角形の凹部38aを線状の突起38bが取り囲むものでも、図4Bに示すように三角形の凹部38aを線状の凸部が取り囲むものでもよい。また、隙間35を通る水に作用する流体摩擦抵抗を充分に増大できれば、ローレット加工38以外の加工で貫通孔31aの孔周壁の表面粗度を増大させてもよい。
Referring to FIG. 3,
次に、遠心ポンプ1の運転中にシール装置25Bがどのようにシール機能を発揮するかを説明する。 Next, how the sealing device 25B performs the sealing function during the operation of the centrifugal pump 1 will be described.
前述のようにフローティングリング32は径方向にある程度移動可能であるので、回転するマウスリング部19に対して流体静力学的な釣り合い位置に自律的に移動してこの位置維持する。この釣り合い位置では、フローティングリング32の貫通孔32aの孔周壁とマウスリング部19の外周面との間には、全周にほぼ等しい幅C1の隙間36が形成される。
Since the floating
また、前述のようにフローティングリング32は厚み方向にも移動可能であり、高圧領域4b側の端面と低圧領域4a側の端面に作用する圧力の圧力差により生じる押圧力Faにより、高圧領域4a側から低圧領域側4bへ向けて押圧される。その結果、図6に示すように、フローティングリング32は環状収容溝31bの一方の側壁(図において左側の側壁)に押し付けられる。押圧力Faは以下の式(2)で表される。
Further, as described above, the floating
この式(2)において、PHは高圧領域4bの圧力で、PCは面取部31cの圧力である。
In the formula (2), the P H at a pressure of the
式(2)を参照すれば明らかなように、押圧力Faは面取部31cの圧力Pcを変えることで調節できる。また、面取部31cの圧力は面取部31cの図において右端部の直径Dc(低圧領域4a側から高圧領域4b側へ向けての拡径の割合)を変えることで調節できる。従って、押圧力Faは面取部31cの寸法や形状を変更することで簡単に調節できる。
As is apparent from reference to the equation (2), the pressing force F a can be adjusted by changing the pressure P c of the
高圧領域4bの圧力PHと低圧領域4aの圧力PLの差圧により、高圧領域4bから低圧領域4aに向けて水の漏れが生じる。この漏洩する水は、高圧領域4aからまずフローティングリング32の貫通孔32aとマウスリング部19との間の隙間36に流入し、さらに面取部31cからウエアリング31の貫通孔31aとマウスリング部19との間の隙間35を通って低圧領域4aへ流れる。シール装置25Bは、ウエアリング31とは別体のフローティングリング32を備え、このフローティングリング32に形成された第2貫通孔の直径Da1をウエアリング31に形成された貫通孔31aの直径Dm1よりも小さく設定し、隙間36を隙間35よりも狭く設定している(幅C1,C2)。その結果、高圧領域4bから隙間36と隙間35を経て低圧領域4aへ漏洩する流体の漏れ量を極小化できる。この漏れ量の極小化によって漏れ損失を低減し、遠心ポンプ1の効率を向上できる。また、貫通孔31aの孔周壁にローレット加工38を施すことで隙間35を流れる水に作用する流体摩擦抵抗を増大させているので、高圧領域4bから低圧領域4aへ漏洩する水の漏れ量をより一層低減できる。その結果、漏れ損失がさらに低減され、効率が一層向上する。
The differential pressure of the pressure P L of the pressure P H and the low pressure region 4a of the
高圧領域4b側に位置するフローティングリング32の隙間36の幅C1よりも、低圧領域4a側に位置するウエアリング31の隙間35の幅C2が広いので、隙間35を流れる水の流速が低減される。この点について説明すると、一般に流体の流速Vは単位時間当たりの体積流量Qを断面積Aで除した商であるので(V=Q/A)、隙間36における流速V1と隙間35における流速V2には以下の式(3)の関係がある。
Than the width C 1 of the
この式(3)において、A1は隙間36の断面積で、A2は隙間35の断面積である。前述のように隙間36の幅C1は隙間35の幅C2よりも小さく、断面積A1は断面積A2よりも小さいので、隙間35における流速V2は隙間36における流速V1よりも遅い。このように隙間35における流速V1を低減することにより、ウエアリング31の貫通孔31aの孔周壁の摩耗を防止できる。一般に摩耗量は流速の5乗に比例するので、流速V1の低減によりウエアリング31の摩耗を効果的に防止できる。また、隙間35の低圧領域側の出口付近における水の流速が低減されるので、この部分で急激な圧力低下が生じず、キャビテーションの発生を防止できる。
In this formula (3), A 1 is the cross-sectional area of the
ウエアリング31の隙間35の幅C2よりもフローティングリング32の隙間36の幅C1を狭く設定しているので、マウスリング部19はウエアリング31に接触する前に、まずフローティングリング32に接触する。しかし、フローティングリング32は前述のように最大で隙間37の幅Csに相当する距離だけ径方向に移動できるので、この移動によるフローティングリング32の損傷や摩耗を低減できる。一方、隙間35の幅C2は、隙間36の幅C1と隙間37の幅Csの和よりも大きく設定しているので、マウスリング部19で押されたフローティングリング32が径方向に移動しても、図7に示すように、マウスリング部19がウエアリング31の貫通孔31aの孔周壁に衝突する前に、フローティングリング32の外周が環状収容溝31bの底壁に当接する。従って、マウスリング部19とウエアリング31の衝突よる振動の発生や、マウスリング部19とウエアリング31のかじりないし焼き付けを確実に防止できる。
Since than the width C 2 of the
フローティングリング32は高圧領域4bと低圧領域4aの差圧による押圧力Faで環状収容溝31bの側壁に押し付けられているので、マウスリング部19がフローティングリング32に接触すると、この押圧力Faに比例する摩擦力Fν(Fν=μ×Fa:μは摩擦係数)がフローティングリング32とウエアリング31との間に生じ、この摩擦力Fνはフローティングリング32の径方向の移動に対する抵抗となる。その結果、フローティングリング32はマウスリング部19の振動に対して減衰摩擦力として機能し、マウスリング部19の振動を低減する。また、フローティングリング32がマウスリング部19の回転により、いわゆる連れ回りするのをこの摩擦力Fνで自動的に防止できる。前述のように押圧力Faは面取部31cの寸法や形状で調節できるので、摩擦力Fνも面取部31cの寸法や形状で簡単に調節できる。
Since floating
ウエアリング31とフローティングリング32はいずれも複数の部品を組み立てた構造ではなく、単一の部品からなる一体構造であり、フローティングリング32を撓ませてウエアリング31の環状収容溝31bに嵌め込むことでウエアリング31にフローティングリング32を組み付けることができる。従って、シール装置25Bは製造が容易である。また、必要があればフローティングリング32を撓ませてウエアリング31の環状収容溝31bから抜き出すだけでウエアリング31から取り外すことができ、交換用の新しいフローティングリング32も撓ませて環状収容溝31bに嵌め込むだけでウエアリング31に取り付けることができる。この点でシール装置25Bは簡単にメンテナンスを行うことができる。
Each of the
本発明は実施形態のものに限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明は遠心ポンプ以外の他の方式ポンプや、コンプレッサ、ガスタービン等のポンプ以外の他の流体機械にも適用できる。また、本発明は、ブッシュの内部のシール、回転軸がケーシングを貫通する部分等にも適用できる。さらに、フローティングリング32を複数個設けてもよい。さらにまた、図8に示すように実施形態の面取部31cに代えて、貫通孔31aの環状収容溝31bと接続する部分に段差部31dを設けてもよい。
The present invention is not limited to the embodiment, and various modifications are possible. For example, the present invention can be applied to other type pumps other than centrifugal pumps, and other fluid machines other than pumps such as compressors and gas turbines. The present invention can also be applied to a seal inside the bush, a portion where the rotating shaft passes through the casing, and the like. Further, a plurality of floating
1 遠心ポンプ
2 ケーシング
3 インターブシュ
4A,4B 渦巻室
4a 低圧領域
4b 高圧領域
5A,5B 羽根車
6 主軸
7A,7B 軸受ブラケット
8A,8B 軸受
9A,9B グランドパッキン
11 吸込口
12 流路
13 吐出口
15 ボス部
16 主板
17 羽根
18 側板
19 マウスリング部
21 羽根車入口
22 羽根車出口
25A,25B シール装置
31 ウエアリング(主リング)
31a 貫通孔(主貫通孔)
31b 環状収容溝
31c 面取部
32 フローティングリング(薄厚補助リング)
32a 貫通孔(補助貫通孔)
35 隙間(第1の隙間)
36 隙間(第2の隙間)
37 隙間(第3の隙間)
38 ローレット加工
38a 凹部
38b 凸部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
31a Through hole (main through hole)
32a Through hole (auxiliary through hole)
35 gap (first gap)
36 gap (second gap)
37 gap (third gap)
38
Claims (5)
前記ケーシングに固定され、前記高圧領域側と前記低圧領域側を貫通して前記回転体が差し込まれた主貫通孔が形成され、かつ前記主貫通孔の孔周壁と前記回転体の外周面との間に第1の隙間が形成されている、一体構造の主リングと、
前記主リングの前記主貫通孔の前記高圧領域側の部分の前記孔周壁に形成された環状収容溝に収容され、前記高圧領域側と前記低圧領域側を貫通して前記回転体が差し込まれる前記主貫通孔の直径よりも小さい直径を有する補助貫通孔が形成され、かつ前記補助貫通孔の孔周壁と前記回転体の前記外周面との間に前記第1の隙間よりも狭い第2の隙間が形成されている、一体構造の薄厚補助リングと
を備える、流体機械のシール装置。 In a sealing device for preventing fluid from leaking from a high pressure region to a low pressure region in the casing through a gap between a casing and a rotating body of a fluid machine,
A main through hole fixed to the casing and penetrating the high pressure region side and the low pressure region side and into which the rotating body is inserted is formed, and a hole peripheral wall of the main through hole and an outer peripheral surface of the rotating body An integral main ring with a first gap formed therebetween;
The main ring is housed in an annular housing groove formed in the peripheral wall of the hole on the high pressure region side of the main through hole, and the rotating body is inserted through the high pressure region side and the low pressure region side. An auxiliary through hole having a diameter smaller than the diameter of the main through hole is formed, and a second gap that is narrower than the first gap is formed between the hole peripheral wall of the auxiliary through hole and the outer peripheral surface of the rotating body. And a thin auxiliary ring having a monolithic structure.
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