JP2009036267A - シール装置およびそのシール装置を備えた回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部と非回転部とを、常に、非接触状態に維持させて運転を行うシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械を提供する。
【解決手段】本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械は、回転軸１８に設けたカラー１９、２０に組み込まれ、ケーシング１７から半径方向の内径側に向って延長された摺動支持部２１に摺動支持させて収容する非回転側移動体２２を備え、前記回転軸１８が軸方向に向って移動するとき、前記非回転側移動体２２も作動流体の圧力によって並行に移動させ、前記非回転側移動体２２と前記カラー１９，２０とを非接触状態に維持する構成にした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シール装置およびそのシール装置を備えた回転機械に係り、特に、運転中、回転部と非回転部との間に相対変位が発生した場合でも、非回転部を回転部の移動とともに連動させ、非接触状態に維持させて運転の安定化を図るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械に関する。

蒸気タービン、ガスタービン、空気圧縮機、ポンプ等の水、空気、ガス等の作動流体を取扱う回転機械においては、作動流体に圧力差が生じる領域において、回転軸に沿って作動流体が漏出することを防止するためのシール装置が設けられており、その構成として図１１に示すものがある。

図１１に示すシール装置は、回転部と非回転部との間に設けられた非接触タイプのものである。

回転部は、回転軸３にボルト等の固定手段または嵌合手段で接続されるリング状のカラー１を備え、回転軸３と一体にして回転させている。

このカラー１には、その表面に、特許文献１に開示され、図１２および図１３に示される溝７が回転方向と逆方向に向ってらせん状に設けられ、高圧側Ｈから低圧側Ｌに向う作動流体を案内している。

なお、溝７は、図１４および図１５に示すように、平坦部８から凹設され、回転方向に下り傾斜する傾斜部９を備え、この傾斜部９の深さが平坦部８から時計方向または反時計方向に向って深くなるようにしたものも提案されている。

他方、水平継手面で半割れ状のケーシング４には、図７に示すように、ばね等の弾性体５を介装させてリング状のブロックとしての非回転側移動体２が設けられている。

この非回転側移動体２には、ケーシング４から半径方向の内径側に向って延び、かつその周方向に沿う摺動用の支え部１０と、非回転側移動体２の外周側とケーシング４側との隙間からの作動流体の漏洩を防止する、例えばＯリング等の補助シール６と、カラー１と対峙する面に、例えば、カーボン、シリコン等で作製され、高圧側Ｈから低圧側Ｌに向う作動流体の流れを抑制するシール部１１とが設けられている。

このような構成のシール装置を備える回転機械の運転中、カラー１に設けた溝７を介して高圧側Ｈの作動流体が流入すると、非回転側移動体２には、静圧作用、あるいは回転に伴う動圧作用によって浮上力が発生する。

この浮上力は、作動流体が溝７に沿って流れている間に、じょじょに圧力が高まることによって発生するものである。この浮上力の発生に対し、弾性体５から非回転側移動体２に与えられる押圧力でバランスするように、弾性体５には、適正なばね定数が選定されており、非回転側移動体２と回転軸３に設けるカラー１との隙間を数μｍから数百μｍの範囲にし、非接触状態を維持させている。

ところで、蒸気等の作動流体を取扱う回転機械においては、運転条件の変化に伴い、熱容量の相違からケーシング４と回転軸３との間で、軸方向に向って大きな相対変位が発生している。

例えば、蒸気タービンに回転電機を接続させた回転機械の場合、起動から定格運転に至るまでに、ケーシング４と回転軸３とが室温から数百度までの温度上昇があり、両者には熱容量の大小の差があるため、熱による伸びに差が出る。このため、起動から定格運転に至るまでに、ケーシング４と回転軸３との間の軸方向に向って数ｍｍ〜数十ｍｍの変位差が出る。

このように、著しく大きな変位差が出ると、弾性体５は押圧力が設定値から大きくずれる。

例えば、非回転側移動体２とカラー１とが離れる方向に変位すると、弾性体５は圧縮され、押圧力が大きくなり、その端面間の隙間が増加し、作動流体の漏洩量の増加につながる。

また、逆に、非回転側移動体２とカラー１とが近づく方向に変位すると、弾性体５は引っ張られ、押圧力が小さくなり、運転中、その端面同士が接触し、摩擦力が大きくなり、シール部１１が損傷したり、あるいは摩擦力（制動力）が増す中で回転軸３を廻しつづけ、これに伴うエネルギの無駄な消費、等、運転上、種々の支障をきたす要因になっている。

このような支障を解決する一手段として、例えば特許文献２に見られるように、非回転側移動体２にスラスト軸受を設け、さらに回転軸にスラストカラーを設け、回転軸で発生するスラストをスラスト軸受けで抑えるとともに、非回転側移動体２とカラー１とを軸方向に向って連動させる発明が提案されている。
実開平５−９００４９号公報 特開平９−１１２７０７号公報

図１１に示した非接触タイプのシール装置においては、ケーシング４と回転軸３との間で軸方向に向って大小の変位差が生じた場合、作動流体の漏洩増加、あるいはその端面間の摩擦力の増加に基づくシール部の損傷、さらには、摩擦力が増加する中、制動力を受けた回転軸を廻しつづけるための無駄なエネルギの消費等種々の不都合、不具合がある。

また、特許文献２に見られるように、非回転側移動体２と回転軸３に設けたカラー１とを互いに軸方向に向って連動させる場合、数多くの構成部品を設けなければならず、構造の複雑化と相まって組立て作業やメンテナンス作業に多くの労力を必要とし、作業者に多くの負担を強いる。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、運転中に回転部と非回転部とが軸方向に向って移動し、相対変位差が生じた場合、非回転部を回転部に連動させ、その隙間を常に適正値にして非接触状態を維持させ、損傷事故やエネルギの無駄な消費を抑制し、安定運転を行わせるシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、非回転部の回転部に対する組立て、分解の際、作動労力をより一層軽減させる構造簡素なシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械を提供することにある。

本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、回転軸に設けたカラーに組み込まれ、ケーシングに摺動支持させて収容する非回転側移動体を備え、前記回転軸が軸方向に向って移動するとき、前記非回転側移動体も作動流体の圧力によって並行に移動させ、前記非回転側移動体と前記カラーとを非接触状態に維持する構成にしたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、回転軸に設けたカラーを包囲し、ケーシングに摺動支持させて収容し、前記カラーを跨いで形成される非回転側移動体とを備え、前記回転軸が軸方向に向って移動するとき、前記非回転側移動体も作動流体の圧力によって並行に移動させ、前記非回転側移動体と前記カラーとを非接触状態に維持する構成にしたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記非回転側移動体は、ドーナツ形状のリング体であることを特徴とするものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記非回転側移動体は、前記カラーを跨ぐ２つの片を組み合せた断面コ字状に形成したものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記ケーシングは、半径方向の内径側に向って延長され、前記非回転側移動体を摺動支持させて収容する摺動支持部を備えたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記摺動支持部は、前記ケーシングの周方向に沿って形成するものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、前記カラーは、高圧側に位置するカラーに離間配置し、低圧側に位置するカラーとを備えたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、前記カラーは、前記非回転側移動体との隙間を流出する作動流体の圧力を高める溝を備えたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、前記非回転側移動体は、その外周側と前記ケーシングとの間に補助シールを備えたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、前記補助シールは、Ｏリング、リング片、ベローズ、板ばねのうち、いずれかであることを特徴とするものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、前記カラーは、高圧側に位置するカラーおよび低圧側に位置するカラーのうち、いずれかに、カラーの離間位置を調整する調整部を備え、この調整部は、離間位置を調整するカラーを挟設するスペーサと固定手段とを備えたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、前記非回転側移動体は、前記カラーを跨ぐ２つの片を組み合せた断面コ字状に形成する際、調整部を備え、この調整部は、２つの片に介装するスペーサと、このスペーサを２つの片に固定する固定手段とを備えたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、前記非回転側移動体は、前記カラーに組み込む際、２つ以上にし、互いを弾性体で接続させる構成にしたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、前記弾性体は、ばねであることを特徴とするものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、前記非回転側移動体は、前記カラーに組み込む際、水平面で上半部と下半部とに２分割し、互いを固定手段で接続させる構成にしたものである。

また、本発明に係るシール装置を備えた回転機械は、上述の目的を達成するために、請求項１６に記載したように、請求項１〜１５記載のもののうち、いずれか１項記載のシール装置を回転電機に組み込んだものである。

本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械は、非回転側移動体を軸方向に向って自由に摺動支持させて収容する摺動支持部を備え、回転軸が軸方向に向って移動する場合であっても、作動流体の圧力によって非回転側移動体も並行して移動させ、カラーとの隙間を確保して非接触状態に維持させる構成にしたので、作動流体の漏洩量増加や非回転部と回転部との接触による摩擦増加に伴うシール部の損傷事故等を防止することができる。

以下、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第１実施形態を示す概念図である。

なお、図１は、中心線ＣＬを境に上半部分のシール装置を示している。

本実施形態に適用されるシール装置１４は、非接触タイプであり、回転部１５と非回転部１６との間に設けられる。

回転部１５は、非回転部１６の水平継手面で分割された半割れ状のケーシング１７の中央に配置する回転軸（ロータ）１８と、この回転軸１８にボルト等の固定手段または嵌合手段で接続され、回転軸１８の周方向に沿って形成されるリング状の高圧側カラー（回転側第１リング）１９と、この高圧側カラー１９に離間配置するリング状の低圧側カラー（回転側第２リング）２０とを備える。

一方、非回転部１６は、回転部１５の回転軸１８、高圧側カラー１９、低圧側カラー２０を包囲形成する半割れ状のケーシング１７と、このケーシング１７から延長され、高圧側カラー１９と低圧側カラー２０との間に組み込むシール装置１４を軸方向に向って自由に摺動支持させて収容し、ケーシング１７から半径方向の内径側に向って延びる筒状の摺動支持部２１とを備え、この摺動支持部２１をケーシング１７の周方向に沿って形成させる。

摺動支持部２１に摺動支持されるシール装置１４は、回転軸１８の周方向に沿う、非回転側移動体２２、具体的にはドーナツ形状のリング体と、この非回転側移動体２２に設けられ、高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれの対峙面にカーボンまたはシリコン等で作製被着するシール部２３ａ，２３ｂと、非回転側移動体２２の外周面とケーシング１７との隙間を介して高圧側Ｈから低圧側Ｌに向う作動流体の流れを防止する、例えばＯリング等の補助シール２４を備える。

また、シール装置１４は、非回転側移動体２２の軸方向の長さをＬｓとし、高圧側カラー１９と低圧側カラー２０との距離をＬｒとするとき、Ｌｓ＜Ｌｒの関係式を満たし、（Ｌｒ−Ｌｓ）の隙間を数μｍから数百μｍの範囲に設定する。

このような構成を備えるシール装置１４において、運転中、高圧側Ｈの作動流体が高圧側カラー１９と非回転側移動体２２との隙間Ｃ_１、低圧側カラー２０と非回転側移動体２２との隙間Ｃ_２を介して低圧側Ｌに向って流れる間に、高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれの内面側に設けられる、例えば図１２または図１４に示した溝を通過するとき、非回転側移動体２２には、静圧の作用、あるいは回転に伴う動圧の作用により圧力が高くなり、浮上力が発生する。

このとき、非回転側移動体２２の高圧側カラー１９側の浮上力と、非回転側移動体２２の低圧側カラー２０の浮上力とが等しくなるまで、非回転側移動体２２は、隙間Ｃ_１、Ｃ_２の範囲内で軸方向に移動してバランスし、隙間Ｃ_１、Ｃ_２の確保の下、非接触状態が維持される。

そして、非回転側移動体２２は、半割れ状のケーシング１７から半径方向の内径側に向って延長される摺動支持部２１に対し軸方向に向って自由に移動できる構成にしているので、例えば、回転軸１８が作動流体からの熱を受け、ケーシング１７に対し軸方向に向って移動する場合であっても、上述の隙間を確保しつつ、回転軸１８と並行して移動する。

このように、本実施形態は、ケーシング１７から半径方向の内径側に向って延長し、非回転側移動体２２が軸方向に向って自由に摺動支持して収容する摺動支持部２１を備え、回転軸１８が軸方向に向って移動する場合であっても、作動流体の圧力によって非回転側移動体２２も並行して移動させ、非回転側移動体２２と高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれの隙間を確保して非接触状態を維持させる構成にしたので、作動流体の漏洩量増加や非回転部と回転部との接触による摩擦増加に伴うシール部の損傷事故を防止することができ、摩擦増加に伴って制動力を受けたまま回転軸が回転することによる無駄なエネルギの消費を抑制することができる。

図２は、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第２実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態と同一構成要素または対応する要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態は、回転軸１８にボルト等のコーティング手段または嵌合手段で接続され、回転軸１８の周方向に沿って形成するカラー（リング）２５を包囲して組み込むシール装置１４と、このシール装置１４を軸方向に向って摺動支持させて収容し、ケーシング１７から半径方向の内径側に向って延長する摺動支持部２１とを備えたものである。

この摺動支持部２１は、ケーシング１７に着脱自在に接続され、ケーシング１７の周方向に沿って形成される。

一方、シール装置１４は、回転軸１８に設けたカラー（リング）２５を跨ぎ、２つの片２２ａ、２２ｂを組み合せた断面コ字状にして回転軸１８の周方向に沿うように形成する非回転側移動体２２と、この非回転側移動体２２の２つの片２２ａ、２２ｂの内面側であって、カラー２５に対峙する面に設けたシール部２３ａ、２３ｂと、非回転側移動体２２の外周面とケーシング１７との隙間を介して高圧側Ｈから低圧側Ｌに向う作動流体の漏れを防止する補助シール２４とを備える。

そして、片２２ａ、２２ｂは、互いをボルト等の固定手段を用いて接続される。

また、シール装置１４は、非回転側移動体２２の２つの片２２ａ、２２ｂにおける内面の軸方向の距離をＬｓとし、カラー２５の厚みをＬｒとするとき、Ｌｒ＜Ｌｓの関係式を満たし、（Ｌｓ−Ｌｒ）の隙間を数μｍから数百μｍの範囲に設定する。

このような構成を備えるシール装置１４において、運転中、高圧側Ｈの作動流体が隙間Ｃ_１、Ｃ_２を介して低圧側Ｌに向って流れる間に、カラー２５の高圧側Ｈおよび低圧側Ｌのそれぞれの面に設けられる、例えば図１２または図１４に示した溝を通過するとき、非回転側移動体２２には、静圧の作用、あるいは回転に伴う動圧の作用により圧力が高くなり、浮上力が発生する。

このとき、非回転側移動体２２の一方の片２２ａの浮上力と、他方の片２２ｂの浮上力とが等しくなるまで、非回転側移動体２２は、隙間Ｃ_１、Ｃ_２の範囲内で軸方向に向って移動してバランスし、隙間Ｃ_１、Ｃ_２の確保の下、非接触状態が維持される。

このように、本実施形態は、ケーシング１７から半径方向の内径側に向って延長し、非回転側移動体２２を軸方向に向って自由に摺動支持させて収容する摺動支持部２１を備え、回転軸１８が軸方向に向って移動する場合であっても、非回転側移動体２２も軸方向に向って並行して移動させつつ、非回転側移動体２２とカラー２５の高圧側面および低圧側面とのそれぞれの隙間を確保して非接触状態を維持させる構成にしたので、作動流体の漏洩量増加や非回転部と回転部との接触による摩擦増加に伴うシール部の損傷事故を防止することができ、摩擦増加に伴って制動力を受けたまま回転軸が回転することによる無駄なエネルギの消費を抑制することができる。

図３は、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第３実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態と同一構成要素または対応する要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態は、回転軸１８にボルト等の固定手段または嵌合手段等で接続され、回転軸１８の周方向に沿って形成されるリング状の高圧側カラー１９と、この高圧側カラー１９に離間配置するリング状の低圧側カラー２０との間に組み込まれるシール装置１４と、このシール装置１４を軸方向に向って自由に摺動支持させて収容するケーシング１７から半径方向の内径側に向って延びる筒状の摺動支持部２１とを備えたものである。

摺動支持部２１に収容させるシール装置１４は、第１実施形態と同様に、ドーナツ状のリング体として形成される非回転側移動体２２と、高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれの対峙面に被着するカーボンまたはシリコン等で作製されるシール部２３ａ、２３ｂと、ケーシング１７側または非回転側移動体２２の外周側のうち、いずれか一方の面に固定させ、残りの面を摺動させるとともに、シール機能も兼ねた剛体としてのリング片２６とを備える。

このような構成を備えるシール装置１４において、運転中、高圧側カラー１９と非回転側移動体２２との隙間Ｃ_１、低圧側カラー２０と非回転側移動体２２との隙間Ｃ_２のそれぞれを介して作動流体が高圧側Ｈから低圧側Ｌに向って流れると、第１実施形態と同様の高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれに設けた溝を通過するとき、非回転側移動体２２には、静圧の作用、あるいは回転に伴う動圧の作用により圧力が高くなり、浮上力が発生する。

このとき、非回転側移動体２２の高圧側カラー１９側の浮上力と、非回転側移動体の低圧側カラー２０の浮上力とが等しくなるまで、非回転側移動体２２は、第１実施形態と同様に軸方向に向って移動してバランスし、隙間Ｃ_１、Ｃ_２の確保の下、非接触状態が維持される。

このように、本実施形態は、高圧側カラー１９と低圧側カラー２０との間に設けるシール装置１４と、このシール装置１４を軸方向に向って自由に摺動支持させて収容する摺動支持部２１とを備え、シール装置１４を回転軸１８と並行して移動させる構成にしたので、非回転部と回転部との接触による摩擦増加に伴うシール部の損傷事故等を防止することができる。

なお、本実施形態は、非回転側移動体２２を摺動支持して収容する摺動支持部２１と、非回転側移動体２２の外周側とケーシング１７との間にリング片２６とを備え、回転軸１８と非回転側移動体２２とを並行に移動させる構成にしているが、この例に限らず、例えば、図４に示すように、非回転側移動体２２の外周側とケーシング１７との間に溶接部２８を介して、例えば、ベローズ、板ばね等の軸方向に向って伸縮し、かつ回転軸１８の周方向に沿って設けられ、作動流体の漏出を防止するシール体２７であってもよい。

図５は、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第５実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態と同一構成要素または対応する要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態は、非回転側移動体２２の軸方向の長さをＬｓとし、高圧側カラー１９と低圧側カラー２０との距離をＬｒとするとき、Ｌｓ＜Ｌｒの関係式を満たし、（Ｌｒ−Ｌｓ）の隙間を数μｍから数百μｍの範囲に設定するものであるが、例えば、製造上の加工誤差のため、Ｌｓ＞Ｌｒになった場合を考慮したものであり、仮に、製造上の加工誤差があっても、Ｌｓ＜Ｌｒの関係式を満たすことができるように調整部２９を設けたものである。

この調整部２９は、低圧側カラー２０を、回転軸１８と別体に作製するとともに、低圧側カラー２０と回転軸１８との間に段差３０を設け、この段差３０に回転軸１８の周方向に沿い、厚みを自由に変更させることができるリング状のスペーサ３１を介装させて寸法調整を図る一方、回転軸１８に設けたねじ部３２を介してナット３３を螺合させ、低圧側カラー２０を分割した回転軸１８に接続させたものである。

なお、スペーサ３１と回転軸１８および低圧側カラー２０とのそれぞれの間には、例えばＯリング等の補助シール２４ａ、２４ｂが設けられ、作動流体の漏洩防止を図っている。

このように、本実施形態は、非回転側移動体２２を組み込む高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のうち、低圧側カラー２０に工作誤差等に伴う寸法調整ができる調整部２９を設けたので、シール装置１４を回転軸１８に対して容易に組み込むことができ、非回転側移動体２２と、高圧側カラー１９および低圧側カラー２０とを互いに非接触状態に維持させて、安定運転を行わせることができる。

図６は、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第６実施形態を示す概念図である。

なお、第２実施形態と同一構成要素または対応する要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態は、シール装置１４が第２実施形態と同様に、回転軸１８に設けたカラー２５を跨ぎ、２つの片２２ａ、２２ｂを組み合せた断面コ字状にして回転軸１８の周方向に沿うように形成する非回転側移動体２２として適用する場合、製造上の加工誤差を考慮したものであり、加工誤差を調整する調整部２９を設けたものである。

この調整部２９は、非回転側移動体２２の片２２ａ、２２ｂを互いに分割して別体に作製し、分割した片２２ａ、２２ｂとの間に厚みが変更できるスペーサ３１を介装させ、片２２ａ、２２ｂ、スペーサ３１を互いに接続させるボルト３４を備えたものである。

なお、スペーサ３１と分割した片２２ａ、２２ｂの内面との間には、例えばＯリング等の補助シール２４ａ、２４ｂが設けられ、作動流体の漏洩防止を図っている。

このように、本実施形態は、回転軸１８に設けたカラー２５を跨ぐように構成する非回転側移動体２２の２つの片２２ａ、２２ｂにおける軸方向の距離をＬｓとし、カラー２５の厚みをＬｒとするとき、製造上の加工誤差があってＬｒ＜Ｌｓの関係式を満たすように調整部２９を備えたので、非回転側移動体２２とカラー２５の高圧側面および低圧側面のそれぞれとの隙間を確実に確保して非接触状態を維持させることができる。

図７は、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第７実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態と同一構成要素または対応する要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態は、回転軸１８に冷し嵌めまたはボルト等で接続した高圧側カラー１９および低圧側カラー２０との間に組み込まれ、ケーシング１７から半径方向の内径側に向って延長する筒状の摺動支持部２１に支持、収容させ、軸方向に向って自由に摺動するシール装置１４を分割構造にしたものである。

すなわち、回転軸１８の周方向に沿って設けられる摺動支持部２１に支持、収容されるシール装置１４は、回転軸１８の周方向に沿いドーナツ状のリング体として形成する非回転側移動体２２を、高圧側Ｈに位置させる高圧非回転側移動体３６と低圧側Ｌに位置させる低圧非回転側移動体３７とに分割し、これらの移動体３６、３７を、弾性体３５、具体的にはばねで互いを接続させる構成にする。

非回転側移動体２２から分割された高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７のそれぞれは、高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれの対峙面にカーボンまたはシリコン等で作製被着されるシール部２３ａ、２３ｂを備えるとともに、高圧非回転側体および低圧非回転側移動体３７のそれぞれの外周側とケーシング１７との隙間にＯリング等の補助シール２４ａ、２４ｂを備える。

また、高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７のそれぞれは、高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれとの間に隙間Ｃ_１、Ｃ_２を形成して非接触タイプにしている。

さらに、また、高圧側カラー１９および低圧側カラー２０のそれぞれは、第１実施形態で述べたと同じ形状の溝を備え、ここを通過する作動流体からの静圧作用または回転に伴う動圧の作用により高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７のそれぞれに浮上力を発生させる。

この浮上力の発生に対し、弾性体３５から高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７のそれぞれに与えられる押圧力でバランスできるように、弾性体３５には適正なばね定数が選定されている。

このような構成を備えるシール装置１４において、高圧側Ｈの作動流体が隙間Ｃ_１、Ｃ_２を介して低圧側Ｌに向って流れるとき、静圧作用または動圧作用によって作動流体の圧力が高まり、高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７のそれぞれに浮上力を発生させる。

このとき、高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７のそれぞれは、弾性体３５からの押圧力が加えられ、高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７のそれぞれは、摺動支持部２１内を軸方向に向って移動してバランスし、隙間Ｃ_１、Ｃ_２の範囲内の下、非接触状態を維持させる。

このように、本実施形態は、回転軸１８に接続する高圧側カラー１９および低圧側カラー２０との間に組み込むシール装置１４の非回転側移動体２２を、高圧非回転側移動体３６と低圧非回転側移動体３７とに分割し、分割した高圧非回転側移動体３６と低圧非回転側移動体３７とを弾性体３５で互いに接続させ、弾性体３５の押圧力を利用して高圧非回転側移動体３６および低圧非回転側移動体３７を移動させ、高圧非回転側移動体３６、弾性体３５、低圧非回転側移動体３７の合計距離Ｌｓを可変するとともに、隙間Ｃ_１、Ｃ_２の範囲の下で移動させるようにし、たとえ、高圧非回転側移動体３６、低圧非回転側移動体３７、あるいは高圧側カラー１９、低圧側カラー２０に製作上の加工誤差があっても、高圧側カラー１９と低圧側カラー２０との距離ＬｒがＬｒ＞Ｌｓの関係式を満たす構成にしたので、シール装置１４の高低圧側カラー１９、２０に対する接触等を防止し、安定運転を行わせることができる。

図９は、本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第８実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態と同一構成要素または対応する要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

回転機械のうち、例えば、回転電機に軸結合する蒸気タービンにおいては、図８に示すように、回転部１５の軸端でケーシング内とケーシング外とで大きな圧力差が発生するため多数段のシール装置１４を備えることがある。

この多数段のシール装置１４は、高圧側Ｈから低圧側Ｌに向って流れる作動流体の漏洩を防止するものであり、高圧側Ｈから低圧側Ｌに向って順に、回転軸１８に接続された第１カラー（リング）２５ａ、補助シール２４ａ、２４ｂを介装し、回転軸１８の段差３０と第１スペーサ３１ａとで挟設する第２カラー（リング）２５ｂ、補助シール２４ａ、２４ｂを介装し、第１スペーサ３１ａと第２スペーサ３１ｂとで挟設する第３カラー（リング）２５ｃ、補助シール２４ａを介装し、第２スペーサ３１ｂと回転軸１８に設けたねじ部３２に螺合させるナット３３とで挟設する第４カラー（リング）２５ｄを備えるとともに、第１カラー２５ａと第２カラー２５ｂとの間、および第３カラー２５ｃと第４カラー２５ｄとの間に組み込まれ、ケーシング１７との間に補助シール２４を介装するドーナツ状のリング体として形成される非回転側移動体３９ａ、３９ｂを備えている。

このような構成を備えるシール装置１４は、例えば、第１カラー２５ａと第２カラー２５ｂとの間に組み込まれた非回転側移動体３９ａを回転軸１８から取り外す場合、低圧側Ｌから高圧側Ｈに向って順に、ナット３３、第４カラー２５ｄ、第２スペーサ３１ｂ、非回転側移動体３９ｂ、………を取り外さなければならず、作動者にとって大きな負担を強いる。

本実施形態は、この点を考慮し、分解、組立てを容易にしたものであり、図９および図１０に示すように、第１カラー２５ａ（第３カラー２５ｃ）と第２カラー２５ｂ（第４カラー２５ｄ）との間に組み込まれ、ケーシング１７から半径方向の内径側に向って延長された摺動支持部２１に摺動支持して収容される非回転側移動体３９ａ（３９ｂ）を上半部４０と下半部４１とに水平継手面ＨＬで２分割にし、水平継手面ＨＬに補助シール４２を介装してボルト３４で固定させたものである。

このように、本実施形態は、非回転側移動体３９ａ（３９ｂ）を水平継手面ＨＬで上半部４０と下半部４１とに２分割し、ボルト３４で固定させる構成にしたので、分解、組立てを容易に行うことができ、作業者の労力をより一層軽減させることができる。

本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第１実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第２実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第３実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第４実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第５実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第６実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第７実施形態を示す概念図。 例示としての蒸気タービンのグランド部を示す概念図。 本発明に係るシール装置およびそのシール装置を備えた回転機械の第８実施形態を示す概念図。 図９のＤ−Ｄ矢視方向から見た正面図。 従来のシール装置を示す概念図。 図１１のＡ−Ａ矢視方向から見た正面図。 図１２のＢ−Ｂ矢視方向で切断した部分断面図。 カラーに溝を設けたことを示す概念図。 図１４のＣ−Ｃ矢視方向で切断した部分断面図。

符号の説明

１ カラー
２ 非回転側移動体
３ 回転軸
４ ケーシング
５ 弾性体
６ 補助シール
７ 溝
８ 平坦部
９ 傾斜部
１０ 支え部
１１ シール部
１４ シール装置
１５ 回転部
１６ 非回転部
１７ ケーシング
１８ 回転軸
１９ 高圧側カラー
２０ 低圧側カラー
２１ 摺動支持部
２２ 非回転側移動体
２２ａ、２２ｂ 片
２３ａ、２３ｂ シール部
２４ 補助シール
２４ａ、２４ｂ 補助シール
２５ カラー
２５ａ 第１カラー
２５ｂ 第２カラー
２５ｃ 第３カラー
２５ｄ 第４カラー
２６ リング片
２７ シール体
２８ 溶接部
２９ 調整部
３０ 段差
３１ スペーサ
３１ａ 第１スペーサ
３１ｂ 第２スペーサ
３２ ねじ部
３３ ナット
３４ ボルト
３５ 弾性体
３６ 高圧非回転側移動体
３７ 低圧非回転側移動体
３８ グランド部
３９ａ、３９ｂ 非回転側移動体
４０ 上半部
４１ 下半部
４２ 補助シール

Claims (16)

1. 回転軸に設けたカラーに組み込まれ、ケーシングに摺動支持させて収容する非回転側移動体を備え、前記回転軸が軸方向に向って移動するとき、前記非回転側移動体も作動流体の圧力によって並行に移動させ、前記非回転側移動体と前記カラーとを非接触状態に維持する構成にしたことを特徴とするシール装置。
2. 回転軸に設けたカラーを包囲し、ケーシングに摺動支持させて収容し、前記カラーを跨いで形成される非回転側移動体とを備え、前記回転軸が軸方向に向って移動するとき、前記非回転側移動体も作動流体の圧力によって並行に移動させ、前記非回転側移動体と前記カラーとを非接触状態に維持する構成にしたことを特徴とするシール装置。
3. 前記非回転側移動体は、ドーナツ形状のリング体であることを特徴とする請求項１記載のシール装置。
4. 前記非回転側移動体は、前記カラーを跨ぐ２つの片を組み合せた断面コ字状に形成したことを特徴とする請求項２記載のシール装置。
5. 前記ケーシングは、半径方向の内径側に向って延長され、前記非回転側移動体を摺動支持させて収容する摺動支持部を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のシール装置。
6. 前記摺動支持部は、前記ケーシングの周方向に沿って形成することを特徴とする請求項５記載のシール装置。
7. 前記カラーは、高圧側に位置するカラーに離間配置し、低圧側に位置するカラーとを備えたことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
8. 前記カラーは、前記非回転側移動体との隙間を流出する作動流体の圧力を高める溝を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のシール装置。
9. 前記非回転側移動体は、その外周側と前記ケーシングとの間に補助シールを備えたことを特徴とする請求項１または２記載のシール装置。
10. 前記補助シールは、Ｏリング、リング片、ベローズ、板ばねのうち、いずれかであることを特徴とする請求項９記載のシール装置。
11. 前記カラーは、高圧側に位置するカラーおよび低圧側に位置するカラーのうち、いずれかに、カラーの離間位置を調整する調整部を備え、この調整部は、離間位置を調整するカラーを挟設するスペーサと固定手段とを備えたことを特徴とする請求項６記載のシール装置。
12. 前記非回転側移動体は、前記カラーを跨ぐ２つの片を組み合せた断面コ字状に形成する際、調整部を備え、この調整部は、２つの片に介装するスペーサと、このスペーサを２つの片に固定する固定手段とを備えたことを特徴とする請求項２記載のシール装置。
13. 前記非回転側移動体は、前記カラーに組み込む際、２つ以上にし、互いを弾性体で接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
14. 前記弾性体は、ばねであることを特徴とする請求項１３記載のシール装置。
15. 前記非回転側移動体は、前記カラーに組み込む際、水平面で上半部と下半部とに２分割し、互いを固定手段で接続させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
16. 請求項１〜１５記載のもののうち、いずれか１項記載のシール装置を回転電機に組み込んだことを特徴とするそのシール装置を備えた回転機械。

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