JP2008291856A - ターボポンプ用のメカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】ベローズを用いずにばね（付勢）、１次シール面を並列に配置し、さらに２次シールを上流に配置することによって軸長を短くすることができ、軸の固有振動数を高めることができるメカニカルシールを提供する。
【解決手段】メイティングリング１２、シールリング１４及び付勢装置１６を備える。メイティングリング１２は、インペラ１とタービン４を連結する軸３に液密に取り付けられ、軸と共に回転する。シールリング１４は、軸に直交し回転シール面１２ａに密着可能な固定シール面１４ａを半径方向内端部に有する。シールリング１４は、ハウジング７に軸方向に移動可能な構成で液密に取り付けられている。付勢装置１６は、シールリング１４を回転シール面１２ａに向けて軸方向に付勢し、かつ回転し得ない構成でハウジング７に固定する。圧縮ばね２１は、運用時に流体と高圧ガスの差圧が所定の量、発生してもシール面の面圧を確保できるように設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボポンプ用のメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、軸方向へ動き得るシールリングの端面を、メイティングリングの端面にばねによって密接させてシール（液封）する構造をもつ。すなわち、メカニカルシールの基本構造は、シール端面の摩耗に従い、ばねなどによって軸方向に動くことができるシールリング、及び動かないメイティングリングからなり、軸にほぼ垂直な相対的に回転するシール端面において流体の漏れを制限する働きをする。

メカニカルシールは、シール流体圧力によるシール端面への負荷を低減させるバランス形、シール端面への負荷を低減させることができないアンバランス形、ばねなどを内蔵するシールリングが軸と共に回転する回転形、ばねなどを内蔵するシールリングが回転しない固定形に大別できる。
図３に、（Ａ）アンバランス回転メカニカルシール、（Ｂ）バランス回転メカニカルシール、および（Ｃ）バランス静止メカニカルシールの構造例を示す。なお、二次シールとは、固定側相互間又は回転側相互間のシールを意味する。

メカニカルシールは、例えば特許文献１，２などに既に開示されている。

特許文献１の装置は、低温液体を圧送するポンプの運転停止中にその軸封部分に氷が付着することを防止することを目的とし、図４に示すように、低温液体圧送ポンプのポンプハウジングに窒素ガス吹込通路５５をメカニカルシール組付穴５３に向かって透設し、この窒素ガス吹込通路５５に乾燥窒素供給源５６を連通接続してメカニカルシール組付穴５３とメカニカルシール５７のスリーブ５８との間に形成される回転摺動空間５４内に乾燥窒素をゲージ圧０．１Ｋｇ／ｃｍ^２以下の微圧で連続的に供給するものである。

特許文献２のメカニカルシールは、メイティングリングの軸振れや軸方向変動に追従してプライマリーリングの優れた追従性を確保し、組付状態で軸方向長さを短縮できることを目的とし、図５に示すように、押圧手段のディスクの内周面６０とリテーナースリーブ６１の外周面６２との間に所定空隙を設定し、中心に円形開口６３を形成した基板６４の一側面口縁部であって半径方向内外に環状リップ６５，６６を突設し、両リップ間にそれらを拡開方向へ付勢する弾性リング６７を嵌着し且つ外側のリップよりも半径方向外方に延びた基板の外周部をフランジ部６８となした樹脂シールを用い、基板の他側面をプライマリーリングの端面６９に接触させ且つフランジ部をディスクの押圧面７０で挾持し、内外リップを前記空隙内に収容し、それぞれリテーナースリーブの外周面とディスクの内周面に接触させるものである。

特開平５−２１５０９９号公報、「低温液体圧送ポンプの軸封部での氷着防止方法及びその装置」 特開平８−１５２０６８号公報、「メカニカルシール」

図３から明らかなように、従来のメカニカルシールでは、シールリングの付勢機構が軸に沿って設置されているため、軸への装着長さが長く、その分、軸長を長くする必要があった。
特許文献１のメカニカルシールは、バランス回転形であり、特許文献２のメカニカルシールは、アンバランス回転形であり、文献１，文献２ともに，１次シール構造と押圧機構を直列に構成しており、本質的に軸方向長さを低減できない構造となっている。
そのため、従来のメカニカルシールでは、軸長が長くなり、軸の固有振動数が低くなってしまい、回転機械の設計上の大きな制約となっていた。特に、１万ｒｐｍ以上の高速回転が可能なターボポンプでは、軸の固有振動数を高めることが強く要望されていた。

例えば従来のターボポンプに用いられているベローズを二次シールとしたメカニカルシールでは、ベローズを１次シール構造の下流側に配置しているが，ベローズ構造はある程度の長さを必要とするために，軸方向長さを短くすることができず，軸の固有振動数を高めることができなかった。

しかし、ベローズを用いたメカニカルシールのベローズにはその構造に起因して耐久性が乏しく、また、コスト高、構造の複雑化、ベローズの疲労による短寿命化、信頼性の低下などの問題があった。

本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ベローズを用いずにばね（付勢）、１次シール面を並列に配置し、さらに２次シールを上流に配置することによって軸長を短くすることができ、軸の固有振動数を高めることができるメカニカルシールを提供することにある。

本発明によれば、流体を加圧するインペラと、該インペラに連結された軸を介してインペラを高圧ガスで回転駆動するタービンと、前記軸を回転可能に支持する軸受を内蔵するハウジングとを備えたターボポンプ用のメカニカルシールであって、
前記インペラとタービンの間に位置し、前記軸に軸方向に移動し得ない構成で液密に取り付けられ、前記軸と共に回転し、タービン側に軸に直交する回転シール面を有するメイティングリングと、
前記軸に直交し前記回転シール面に密着可能な固定シール面を半径方向内端部に有するシールリングと、
該シールリングを前記回転シール面に向けて軸方向に付勢し、かつ回転し得ない構成でハウジングに固定する付勢装置とを備え、
前記シールリングは、固定シール面から半径方向外方に延びた中空孔のある円板もしくは円筒状の構造体であり、前記ハウジングに軸方向に移動可能な構成で液密に取り付けられ、
前記シールリングの中間部に流体と高圧ガスの差圧が作用する、ことを特徴とするターボポンプ用のメカニカルシールが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記付勢装置は、シールリングの外周部を隙間をもって貫通し、インペラ側端部がハウジングに固定され、タービン側端部に拡径部を有する複数の付勢支持ロッドと、前記拡径部とシールリングとの間に圧縮状態で把持された複数の圧縮ばねとからなる。

前記シールリングは、インペラ側に軸方向に延びる中空円筒部と、該中空円筒部の外面とこれを収容するハウジングの中空円筒穴との間に位置する摺動可能な固定側二次シールとを有する。

上記本発明の構成によれば、軸に装着されるのはメイティングリングのみであり、固定シール面がシールリングの半径方向内端部に設けられ、付勢装置がシールリングを回転シール面に向けて軸方向に付勢し、かつ回転し得ない構成でハウジングに固定されるので、メイティングリング、シールリング、及び付勢装置を半径方向に重ねて配置し、これらを軸方向に並列に配置することで、軸方向長さを短くすることができる。また，１次シールより上流側に２次シールを配置することで、軸方向長さを短縮することもできる。
従って、軸長を短くできるため、軸の固有振動数を高くすることができる。

また、例えば、シールリングが、インペラ側に軸方向に延びる中空円筒部と、中空円筒部の外面とこれを収容するハウジングの中空円筒穴との間に位置する摺動可能な固定側二次シールとを有する構成により、前記シールリングをハウジングに軸方向に移動可能な構成で液密に取り付けることができるので、ベローズを用いずに軸への装着長さを短縮して軸の固有振動数を高めることができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明のメカニカルシールを備えたターボポンプの全体構成図である。この図は、ターボポンプ全体の軸心Ｚ−Ｚより上側のみを示す。また、図２は、図１のメカニカルシールを示す拡大図である。

図１のターボポンプは、流体を加圧するインペラ１と、インペラ１に連結された軸３を介してインペラ１を回転駆動するタービン４と、軸３を回転可能に支持する軸受５，６を内蔵するハウジング７とを備える。
インペラ１は、この例では一段インペラ１であり、上流側に同軸に配置されたインデューサ８から吸引した流体を加圧し、図示しない外部に供給するようになっている。
流体は、例えば５０Ｋ以下に冷却された液体水素であり、インペラ１の背面からメカニカルシール１０に達する隙間を通過してメカニカルシール１０のインペラ側（図で左側）まで達するようになっている。

図２において、本発明のメカニカルシール１０は、メイティングリング１２、シールリング１４及び付勢装置１６を備える。

メイティングリング１２は、インペラ１とタービン４の間に位置する。この例においてメイティングリング１２は、軸３に軸方向に移動し得ない構成で液密に取り付けられ、軸３と共に回転するようになっている。
また、メイティングリング１２は、そのタービン側に軸３に直交する回転シール面１２ａを有する。

シールリング１４は、軸３に直交し回転シール面１２ａに密着可能な固定シール材１４ａを半径方向内端部に有する。

シールリング１４は、固定シール材１４ａから半径方向外方に延びた中空孔のある円板もしくは円筒状の構造体であり、ハウジング７に軸方向に移動可能な構成で液密に取り付けられている。

この例においてシールリング１４は、インペラ側に軸方向に延びる中空円筒部１５と、中空円筒部１５の外面とこれを収容するハウジング７の中空円筒穴との間に位置する摺動可能な固定側二次シール１９とを有する。固定側二次シール１９は、例えば５０Ｋ以下の極低温で使用可能なテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）樹脂製のＵ形断面リングとその内側に挿入された弾性リングからなる。この固定側二次シール１９として、市販のテフロン製オムニシールを用いることができる。

付勢装置１６は、この例において、複数の付勢支持ロッド２０と圧縮ばね２１とからなる。付勢支持ロッド２０と圧縮ばね２１は、シールリング１４の外周部に周方向に一定の間隔を隔てて複数組（少なくとも４組、好ましくは１０組以上）設けられている。

付勢支持ロッド２０は、シールリング１４の外周部を隙間をもって貫通し、インペラ側端部がハウジングに固定され、タービン側端部に拡径部２０ａを有する。圧縮ばね２１は、この例では圧縮コイルばねであり、拡径部２０ａとシールリング１４のタービン側端面との間に圧縮状態で把持されている。付勢支持ロッド２０は、例えば、ボルトであり、その回転数もしくはネジ長さにより、拡径部２０ａ（ボルトの頭部）の位置を調整し、圧縮ばね２１の圧縮量を調節することができる。
上述した構成により、シールリング１４を回転シール面１２ａに向けて軸方向に付勢し、かつ回転し得ない構成でハウジング７に固定することができる。

シールリング１４には流体と高圧ガスの差圧（極低温流体側が高い）が作用するようになっている。

上述したターボポンプは、以下のように作動する。
タービン４は、高圧（約４０ｋｇ／ｃｍ^２ａ）の作動ガスで回転駆動される。この回転力は、軸３を介してインペラ１に伝達され、インペラ１を高速回転（１万ｒｐｍ以上）する。インペラ１の回転により、上流側に同軸に配置されたインデューサ８から吸引した流体（例えば液体水素）を加圧し、図示しない外部に供給する。
本発明のメカニカルシール１０は、回転シール面１２ａと固定シール材１４ａで一次シール面が構成されている。
メカニカルシール１０のインペラ側（図で左側）には、加圧された流体（例えばＬＨ２）のシール上流温度（５０Ｋ以下）とシール上流圧力（約１５ｋｇ／ｃｍ^２ａ）が作用し、メカニカルシール１０のタービン側（図で右側）には、シール下流温度（約１００Ｋ）とシール下流圧力（約７ｋｇ／ｃｍ^２ａ）が作用する。
従って、シールリング１４には、シール上流圧力とシール下流圧力の差圧が作用する。この差圧は、定格で約８ｋｇ／ｃｍ^２である。

上述した本発明の構成によれば、軸３に装着されるのはメイティングリング１２のみであり、固定シール材１４ａがシールリング１４の半径方向内端部に設けられ、付勢装置１６がシールリング１４を回転シール面１２ａに向けて軸方向に付勢し、かつ回転し得ない構成でハウジング７に固定するので、メイティングリング１２、シールリング１４、及び付勢装置１６を半径方向に重ねて配置し、これらを軸方向に並列に配置することで、軸方向長さを短くすることができる。また，１次シールより上流側に２次シールを配置することで、軸方向長さを短縮することもできる。
従って、軸長を短くできるため、軸の固有振動数を高くすることができる。

また、シールリング１４が、インペラ側に軸方向に延びる中空円筒部１５と、中空円筒部１５の外面とこれを収容するハウジング７の中空円筒穴との間に位置する摺動可能な固定側二次シール１９とを有する構成により、シールリング１４をハウジング７に軸方向に移動可能な構成で液密に取り付けることができるので、ベローズを用いずに軸への装着長さを短縮して軸の固有振動数を高めることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明のメカニカルシールは、極低温流体に限定されず、その他の流体にも適用することができる。

本発明のメカニカルシールを備えたターボポンプの全体構成図である。 図１のメカニカルシールを示す拡大図である。 従来のメカニカルシールの構造例を示す図である。 特許文献１の装置を示す模式図である。 特許文献２のメカニカルシールの模式図である。

符号の説明

１ インペラ、３ 軸、４ タービン、
５，６ 軸受、７ ハウジング、８ インデューサ、
１０ メカニカルシール、
１２ メイティングリング、１２ａ 回転シール面、
１４ シールリング、１４ａ 固定シール材、
１６ 付勢装置、１９ 固定側二次シール、
２０ 付勢支持ロッド、
２０ａ 拡径部、２１ 圧縮ばね

Claims (3)

1. 流体を加圧するインペラと、該インペラに連結された軸を介してインペラを高圧ガスで回転駆動するタービンと、前記軸を回転可能に支持する軸受を内蔵するハウジングとを備えたターボポンプ用のメカニカルシールであって、
   前記インペラとタービンの間に位置し、前記軸に軸方向に移動し得ない構成で液密に取り付けられ、前記軸と共に回転し、タービン側に軸に直交する回転シール面を有するメイティングリングと、
   前記軸に直交し前記回転シール面に密着可能な固定シール面を半径方向内端部に有するシールリングと、
   該シールリングを前記回転シール面に向けて軸方向に付勢し、かつ回転し得ない構成でハウジングに固定する付勢装置とを備え、
   前記シールリングは、固定シール面から半径方向外方に延びた中空孔のある円板もしくは円筒状の構造体であり、前記ハウジングに軸方向に移動可能な構成で液密に取り付けられ、
   前記シールリングに流体と高圧ガスの差圧が作用する、ことを特徴とするターボポンプ用のメカニカルシール。
2. 前記付勢装置は、シールリングの外周部を隙間をもって貫通し、インペラ側端部がハウジングに固定され、タービン側端部に拡径部を有する複数の付勢支持ロッドと、前記拡径部とシールリングとの間に圧縮状態で把持された複数の圧縮ばねとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ用のメカニカルシール。
3. 前記シールリングは、インペラ側に軸方向に延びる中空円筒部と、該中空円筒部の外面とこれを収容するハウジングの中空円筒穴との間に位置する摺動可能な固定側二次シールとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のターボポンプ用のメカニカルシール。

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