JP2009243321A - Seal device and pump having the seal device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧の流体をシールするポンプのシール装置に係わる。 The present invention relates to a pump sealing device for sealing a high-pressure fluid.
近年、ポンプの容量増大や高揚程化が進められている。このため、ポンプの回転軸部からの流体の漏れを防止するシール装置に対しては、高圧の流体が作用する環境下で使用できる能力が要求されている。 In recent years, the pump capacity has been increased and the head height has been increased. For this reason, the seal device that prevents the fluid from leaking from the rotary shaft portion of the pump is required to have an ability to be used in an environment where a high-pressure fluid acts.
水力機械における回転軸の軸封装置としては、上下のシールリングにセラミックスを使用したものが特開平5−203064号公報(特許文献1)に開示されている。この軸封装置では、上側シールリングの平面シール部の外側端部に円弧状の曲面を備え、平面シール部と側面とが滑らかに連なる構造を有している。このため、回転軸が回転して、この回転軸の軸振れや水圧による変形によって、下側シールリングと上側シールリングとの各シール面に僅かな傾きを生じても下側シールリングの外端部と上側シールリングの外端部とが衝突しないようにし、この各外端部同士を常に円滑に当接して、ランナ側の圧力水を外部へ漏洩しないように軸封機能を保持し信頼性や安全性の向上を図っている。 As a shaft seal device for a rotary shaft in a hydraulic machine, a device using ceramics for upper and lower seal rings is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-203064 (Patent Document 1). In this shaft seal device, an arcuate curved surface is provided at the outer end portion of the flat seal portion of the upper seal ring, and the flat seal portion and the side surface are smoothly connected. For this reason, the outer end of the lower seal ring is rotated even if a slight inclination occurs in the seal surfaces of the lower seal ring and the upper seal ring due to rotation of the rotary shaft and deformation due to shaft runout or water pressure of the rotary shaft. The shaft seal function is maintained to ensure that the outer end of the upper seal ring does not collide with each other and the outer ends are always in smooth contact with each other so that the pressure water on the runner side does not leak outside. And improve safety.
一方、立軸ポンプの軸封装置としては、特開平8−284880号公報(特許文献2)に開示されているような、シールリング材にセラミックスを用いた端面型セラミック軸封装置が使用されるようになってきた。この端面型セラミック軸封装置は、揚水液を潤滑水として利用し、長時間安定して、しかも繰返し気中運転ができる外部給水不要の軸封装置を提供し、特に、回転容器内への土砂の浸入または堆積を防止するようにして、安定した摺動特性を確保している。 On the other hand, as a shaft seal device of a vertical shaft pump, an end face type ceramic shaft seal device using ceramics as a seal ring material as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-284880 (Patent Document 2) is used. It has become. This end face type ceramic shaft seal device provides a shaft seal device that uses pumped liquid as lubricating water, is stable for a long time, and can be operated repeatedly in the air without the need for external water supply. Stable sliding characteristics are ensured by preventing the intrusion or accumulation of water.
しかしながら、特許文献1に記載されている軸封装置では、水圧による変形によって下側シールリングと上側シールリングとの各シール面に傾きを生じても、下側シールリング外端部と上側シールリングの外端部とが当らないようにして、軸封機能を保持しているが、水圧条件に対応して各シール面の傾き量が変化するので、お互い同一箇所で摺動することが無くなじみ難い。その結果、安定した摺動特性を確保できないことが予想される。
However, in the shaft seal device described in
一方、特許文献2に記載されている立軸ポンプの軸封装置では、図9に示すように、シールケース50に固定したケース51にシールリング52が格納されているので、高圧の流体が作用するとシールケース50の水平部分50aが湾曲する。このため、ケース51に格納されたシールリング52も傾斜し、シールリング52の外側部分のみが下側シールリング53と摺動する。このような摺動状態になると、片当り接触部分が過大面圧状態となり、摩耗損傷が早期に進行する可能性がある。その結果、長期間にわたって安定した摺動特性を維持することが困難と推定できる。
On the other hand, in the shaft seal device of the vertical shaft pump described in
以上のように、公知例においては、高圧の流体をシールすることを前提とした場合、シールリングの傾斜に起因する摩耗損傷の防止や摺動特性の安定化に関して、十分に考慮されていないので安定した密封性能及び摺動特性を長期間に渡って維持出来ない可能性がある。 As described above, in the known example, when it is assumed that a high-pressure fluid is sealed, the prevention of wear damage due to the inclination of the seal ring and the stabilization of the sliding characteristics are not sufficiently considered. There is a possibility that stable sealing performance and sliding characteristics cannot be maintained over a long period of time.
発明は上記のような事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、高圧の流体をシールする場合においても、シールリングの傾斜を確実に防止して、安定した密封性能が確保できる高信頼性のシール装置及びそのシール装置を搭載したポンプを得ることにある。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and the object of the invention is to reliably prevent tilting of the seal ring and ensure stable sealing performance even when sealing a high-pressure fluid. The object is to obtain a highly reliable sealing device and a pump equipped with the sealing device.
前記目的を達成するために、本発明のシール装置は、回転軸に固定されたフランジと、このフランジに対して固定されたシールリングと、該回転軸の外側に該フランジを囲むように配置したカバーを備えたハウジングと、該シールリングと摺動するシートリングと、このシートリングを押圧する静止環と、を備えたシール装置において、前記静止環に設けられたピンが挿入される孔部を有する金属リングが前記シートリングの外周側に設けられ、前記シートリングは前記静止環に対して独立して設けられたものである。 In order to achieve the above object, a sealing device of the present invention is arranged so as to surround a flange fixed to the rotary shaft, a seal ring fixed to the flange, and outside the rotary shaft. In a sealing device comprising a housing having a cover, a seat ring that slides with the seal ring, and a stationary ring that presses the seat ring, a hole portion into which a pin provided in the stationary ring is inserted The metal ring is provided on the outer peripheral side of the seat ring, and the seat ring is provided independently of the stationary ring.
また前記目的を達成するために、本発明のポンプは、回転軸と、この回転軸の下端に固定された羽根車と、該回転軸を挿通すると共に、内部に流体の流路を有するポンプケーシングと、このポンプケーシングと前記回転軸との隙間からの漏洩を防止するシール装置とを備えたポンプにおいて、前記シール装置は前記回転軸に固定されたフランジと、このフランジに対して固定されたシールリングと、該回転軸の外側に該フランジを囲むように配置したカバーを備えたハウジングと、該シールリングと摺動するシートリングと、このシートリングを押圧する静止環と、を備えたシール装置において、前記静止環に設けられたピンが挿入される孔部を有する金属リングが前記シートリングの外周側に設けられ、前記シートリングは前記静止環に対して独立して設けられたものである。 In order to achieve the above object, a pump according to the present invention is a pump casing having a rotating shaft, an impeller fixed to the lower end of the rotating shaft, and a passage for fluid inside the rotating shaft. And a seal device for preventing leakage from a gap between the pump casing and the rotary shaft, wherein the seal device includes a flange fixed to the rotary shaft, and a seal fixed to the flange. A seal device comprising: a ring, a housing having a cover arranged so as to surround the flange on the outer side of the rotating shaft; a seat ring that slides with the seal ring; and a stationary ring that presses the seat ring A metal ring having a hole into which a pin provided in the stationary ring is inserted is provided on an outer peripheral side of the seat ring, and the seat ring is opposed to the stationary ring. Those provided independently Te.
本発明によれば、密封性能及び摺動特性の安定化が図れ、高信頼性のシール装置を得ることができ、高圧ポンプのシール装置として使用できる。 According to the present invention, sealing performance and sliding characteristics can be stabilized, and a highly reliable sealing device can be obtained, which can be used as a sealing device for a high-pressure pump.
以下、本発明の各実施例について図を用いて説明する。第2実施例以降の実施例においては第1実施例と共通する構成の重複する説明を省略する。なお、各実施例の図における同一符号は同一物又は相当物を示す。ここでは、後述するシールリング4とシートリング7に用いる材料として、セラミック材料である炭化珪素を用いた場合について説明するが、炭化珪素以外のセラミックスでも、使用流体環境下で安定した摺動特性と耐摩耗性を示す材質であれば特に限定するものではない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the second and subsequent embodiments, the duplicate description of the configuration common to the first embodiment is omitted. In addition, the same code | symbol in the figure of each Example shows the same thing or an equivalent. Here, the case where silicon carbide, which is a ceramic material, is used as the material used for the
図1は本実施例におけるシール装置40の断面構造を示すものである。回転軸1に円盤状のフランジ2が固定されている。このフランジ2の上面には、フランジ2に設けられたケース3と、ケース3に格納されたシールリング4が設けられ、シールリング4はフランジ2に対してボルト(図示せず)によりケース3を通じて固定されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a
回転軸1に固定されたフランジ2の外側を囲むようにハウジング6が配置されている。このハウジング6の上面部にはカバー5が設けられている。シールリング4に対向してシートリング7が当接した状態に設置される。本実施例においては、シールリング4とシートリング7は同材質のセラミック材料としている。
A
このシートリング7の上面は静止環8により押圧されているが、静止環8とは独立して配置されている。静止環8は断面L字型の部材であり、回転軸1に平行な筒部とフランジ2と平行な鍔部とからなる。シートリング7は静止環8の水平部分であるフランジ2に平行な鍔部と接触して押圧される。
The upper surface of the
静止環8の回転軸1に平行な筒部とカバー5との隙間に弾性を有するシール部材9が装着されている。
A
静止環8をシートリング7の上面と常に接触させるため、静止環8のフランジ2に平行な鍔部におけるシートリング7との接触面に対してその反対側の面とカバー5との間を引き離す力を生じさせるコイルバネ10を設け、このコイルバネ10により静止環8がシートリング7をシールリング4方向に押圧する。コイルバネ10は静止環8の鍔部上に、周方向に複数個設置している。
In order to always bring the
シートリング7の外周側には金属リング11が焼き嵌め固定されている。シートリング7の回転を防止するため、静止環8に固定したピン12が金属リング11の連通孔14に挿入されている。ピン12と連通孔14とからなるシートリング7の回転防止機構により、回転軸1に伴い回転するシールリング4に連動してシートリング7は回転せずにシールリング4と摺動する。
A
また、連通孔シートリング7の位置決めのために、金属リング11の外周部とハウジング6の内周部との間の隙間に支持部材13が設置されている。回転軸1の上下動に追従できるように、静止環8はカバー5とシール部材9を介して相対運動ができるように保持されている。
Further, a
このシール装置40では、フランジ下面2Aと回転軸1とハウジング6とで囲まれる部分に高圧流体が作用し、シールリング4とシートリング7とが当接している摺動面から流体が漏洩していく。ここで、図中の矢印は高圧流体の流れ方向を示している。
In this
図2は高圧流体が作用した後のシール装置の断面構造を示す。図2を用いて本実施例におけるシール装置40の作用について説明する。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the sealing device after the high pressure fluid has acted. The operation of the
シール装置40では高圧流体が作用することにより、静止環8の水平部分が湾曲する静止環8の変形が発生する。そのため、静止環8の水平部下面8Aも湾曲する。一方、シートリング7は、静止環8とは独立関係にあるので、静止環8の湾曲変形の影響を受けることなく、ほぼ水平状態を維持する。したがって、シールリング4と当接するシートリング摺動面7Aはほぼ水平状態にあり、シールリング4の摺動面と略均一な接触状態が維持される。これにより摺動面の偏摩耗が回避でき、安定した摺動特性が得られる。
In the
ちなみに静止環8の水平部下面8Aの外周近傍のみがシートリング上面7Bと接触することになり、水平部下面8Aの内周側にくさび状の隙間が形成されるが、水平部下面8Aの外周近傍の接触部分で高圧流体の漏洩が防止するので軸封機能を維持できる。
Incidentally, only the vicinity of the outer periphery of the lower surface 8A of the horizontal portion of the
このくさび状の隙間には流体が常に侵入し酸欠状態が回避されので、静止環8とシートリング7との間に電位差が生じたとしても、この電位差による腐食が防止でき、高信頼性化に寄与する。一方、シートリング7と静止環8との接触面積が、従来技術におけるシール装置よりも減少し接触面圧が上昇するが、本実施例のようにセラミック材料を摺動部材として用いた場合、圧縮強度が高く十分な耐荷重性を有するので高信頼性が確保できる。
Since fluid always intrudes into the wedge-shaped gap to avoid an oxygen deficient state, even if a potential difference occurs between the
シートリング7は外側に金属リング11を焼き嵌めして圧縮応力を付与しているので、強度信頼性が向上し割れ難くくしている。また、支持部材13によりシートリング7はほぼ水平方向の中心位置に保持されているので、対向するシールリング4の摺動面と均一な接触圧力で摺動する。そのためシールリング4とシートリング7の摺動面はなじみ易く、結果的に平滑な摺動面が形成される。一旦平滑な面が形成されると、シールリング4とシートリング7の双方が同材質なので、摩耗がほとんど進展しなくなり安定した摺動面が長期に渡って維持される。
Since the
次に、図3に示すシートリング7に作用する圧力分布を用いて、シートリング7への作用を説明する。図中Pは高圧流体の圧力を示す。また、Wは静止環の押付け力を示す。シートリングの外周側には一様に流体圧力Pが作用する。また、摺動面は平行平面となるので三角形の圧力分布となる。このようにシートリングに作用する力はシートリングを上下、及び内径方向に収縮させるように働く。したがって、外周側が上下方向に僅か収縮するような形状になって、内周側(大気側)が接触するような摺動形態となり外当りによる片当りが防止され、安定した摺動特性が得られる。
Next, the action on the
図4に本発明におけるシール装置40の第二の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのは、静止環8下面のシートリング7外周部上面が接する外側部分にOリング15を装着した点にある。
FIG. 4 shows a second embodiment of the sealing
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、Oリング15がシール部材として機能するので静止環8とシートリング7との接触面からの漏水量を低減できる。その結果、全体の漏水量低減が図れ、シール性能向上に寄与できる。
According to this embodiment, basically the same operation and effect as the first embodiment described above can be obtained, and since the O-
また、シートリング7をガイドしている部分が2箇所となるので、支持部材13のみで支持していた場合に比較し、シートリング7の位置を変化させることなくより安定して支持できる。そのためシールリング4とシートリング7の摺動面の接触状態の安定化が達成でき耐久信頼性の向上に大きく寄与できる。
Moreover, since the part which guides the
図5に本発明におけるシール装置40の第三の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのはシートリング7の上下面のハウジング6側に、静止環8やシールリング4の対向面から離れた面をもたらす段差部16を設けた点にある。
FIG. 5 shows a third embodiment of the sealing
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、シールリング4の摺動面及び静止環8との接触幅が狭くなるので、加工仕上げ精度を容易に向上でき、加工費用の節約となり低コスト化が達成できる。また、段差部16より外側では密封流体により常時冷却されるので放熱性が改善でき、静止環8との摺動面が静止環8を押付ける面圧を高く設定することが可能となるので、密封流体の圧力条件を高くすることが可能となりシール装置40の適用範囲拡大に貢献できる。
According to this embodiment, basically the same operational effects as the first embodiment described above can be obtained, and the contact width between the sliding surface of the
図6に本発明におけるシール装置40の第四の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのはシートリング7上下面のハウジング6側に、静止環8やシールリング4の対向面から離れた面をもたらす段差部16を設け、かつシートリング7の上面の段差部16と静止環8とが接する部分のシートリング7側にOリング15aを装着した点にある。
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the sealing
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、シールリング4の摺動面及び静止環8との接触幅が狭くなるので加工精度を短時間で得ることができ、加工費用の低減に有効である。また、Oリング15aを装着したことより密封性能の改善が図られる。
According to this embodiment, basically the same operational effects as those of the first embodiment described above can be obtained, and the contact width between the sliding surface of the
図7に本発明におけるシール装置40の第五の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのは回転軸1に固定されたフランジ2にシールリング41を直接装着して固定した点にある。回転軸1とシールリング41が接触する部分にはOリング15bを装着している。また、シールリング41の外周側でフランジ2の溝17にOリング15cが装着されている。
FIG. 7 shows a fifth embodiment of the sealing
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、シールリング4が万一損傷し交換が必要になった時、ケース3から取り外し、再固定する作業工程がなく直接交換できるので交換作業が短時間で容易に行うことができ、交換費用の節約になる。
According to this embodiment, basically the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained, and when the
つぎに、高圧対応の立軸ポンプに本実施例のシール装置を搭載した場合について、図8を用いて説明する。ここでは、流路を構成するポンプケーシング内に回転軸を支持する軸受を具備した高圧ポンプを用いて説明するが、ポンプケーシングの外に軸受を配置している場合でも、シール装置は回転軸部と固定部との隙間からの漏水防止のために設置するものであり、高圧ポンプに使用される軸受の配置及び構造については特に限定するものではない。 Next, the case where the sealing device of this embodiment is mounted on a high-pressure vertical pump will be described with reference to FIG. Here, a high pressure pump having a bearing that supports a rotating shaft in a pump casing that constitutes a flow path will be described. However, even when a bearing is disposed outside the pump casing, the sealing device is a rotating shaft portion. It is installed for preventing water leakage from the gap between the fixed portion and the arrangement and structure of the bearing used in the high-pressure pump.
図8に示す高圧の立軸ポンプは、回転軸1と、この回転軸1の下端に固定された羽根車31と、回転軸1を挿通すると共に、内部に流体の流路を形成したポンプケーシング32と、このポンプケーシング32と回転軸1との隙間からの漏洩を防止するシール装置40と、カップリング33を介して回転軸1を駆動するモータ34を有している。回転軸1はポンプケーシング32の流路内に設置した2個の軸受35で支持されている。
The high-pressure vertical shaft pump shown in FIG. 8 has a
そして、シール装置40は、上述したように、回転軸1に円盤状のフランジ2が固定されていて、このフランジ2の外側を囲むようにハウジング6が配置されている。
In the
図8におけるシール装置40は、上述したように本発明の実施例における構造を備え、シールリング4とシートリング7は同材質のセラミック材料としている。
The
シール装置40を用いることで、シールリング4と当接するシートリング7の摺動面はほぼ水平状態にあり、略均一な接触状態が維持されので、シールリング4とシートリング7との摺動面の偏摩耗が回避でき安定した摺動特性が得られる。
By using the
したがって、高圧流体の作用下においても安定した摺動特性と密封性能を得ることができるので、高圧ポンプのシール装置として使用できる。 Therefore, stable sliding characteristics and sealing performance can be obtained even under the action of a high-pressure fluid, so that it can be used as a sealing device for a high-pressure pump.
以上説明したように本実施例によれば、シールリング4と、外周側に金属リング11を焼き嵌めしたシートリング7と、静止環8とが互いに独立して配置している。そのため、静止環8の水平部分が高圧の流体の作用により湾曲しても、独立しているシートリング7を傾斜させることなく、シートリング7の摺動面をほぼ平行状態に保持でき外当りになることが回避される。
As described above, according to the present embodiment, the
また、金属リング11を焼き嵌めしたシートリング7はハウジング6との隙間に設置した支持部材13により、シートリング7の位置を同一位置に保持できるので、シールリング4との対向位置が同一箇所となり早期になじみ面が得られる。したがって、摺動特性の安定化が図れ、摺動面の耐摩耗性を長期に渡って維持することができ、高信頼性のシール装置40を得ることができ、高圧ポンプのシール装置として搭載できる。
Further, since the
また、シールリング4とシートリング7とは、同材質の材料、特にセラミック材料を用いることで、お互いの摺動面は同様ななじみ過程を経過し、平滑化され良好な摺動面が形成される。セラミックスは高耐摩耗性を有するので長期使用に対する摺動面の形状変化が防止でき、運転初期から継続して安定した軸封機能が維持できる。また、摺動面の熱変形も対称形状となるのでシールリング4とシートリング7のどちらか一方が偏摩耗することも回避される。
In addition, the
1 回転軸
2 フランジ
3 ケース
4,41 シールリング
5 カバー
6 ハウジング
7 シートリング
8 静止環
9 シール部材
10 コイルバネ
11 金属リング
13 支持部材
14 連通孔
15・15a・15b・15c Oリング
16 段差部
17 溝
31 羽根車
32 ポンプケーシング
33 カップリング
34 モータ
35 軸受
40 シール装置
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JP2008089150A JP2009243321A (en) | 2008-03-31 | 2008-03-31 | Seal device and pump having the seal device |
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
CN102338118A (en) * | 2011-08-18 | 2012-02-01 | 江家炜 | Component structure of water pump seal element as well as automatic manufacturing mechanism and method thereof |
-
2008
- 2008-03-31 JP JP2008089150A patent/JP2009243321A/en active Pending
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