JP2010159824A - 回転軸シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の圧力容器に熱膨張などによる不等変形が起き、回転軸シール装置が設けられる圧力隔壁の回転軸に対する相対的な回転変位が生じた場合に、シール効果の低下を防止する。
【解決手段】ホルダ４に支持されたリング状のシール部材２を有する、回転機械用の回転軸シール装置において、シール部材２は、回転軸外表面との間で半径方向シールを行う摺動部材８とホルダ４の内側面との間で軸方向シールを行う軸方向シール部材９とからなり、摺動部材８と軸方向シール部材９の摺接面１０を球面形状とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械に使用する回転軸シール装置に関する。

タービン及びタービン発電機のような気体又は液体を作動流体とする大型回転機械に使用する回転軸シール装置は、特に回転軸などの回転体が回転機械内部の圧力隔壁を貫通する部分に設けられ、高圧側と低圧側との圧力差が生ずる部分に適用される。

図６は、従来の回転軸シール装置を使用した回転機械を説明する図である。
蒸気タービンのような回転機械では、回転軸１０１を有する回転体１０２を矢印で示す蒸気のような作動流体で回転させ、運動エネルギを回転軸端から得るか、あるいは回転軸を回転させて作動流体にエネルギを伝達し、さまざまな用途に利用する。したがって、機械内部に満たされる作動流体の圧力は、機械が設置されている場所の外気圧力と異なる場合が多い。また、機械内部においても多段の軸流ターボ機械などの場合、圧力容器１０６は、高圧室１０３、低圧室１０４など圧力が異なる複数の部屋に分割されており、各々の境界に圧力隔壁１０５を設けている。これらの圧力容器１０６あるいは圧力室の内部に回転軸１０１を配置するためには、圧力容器１０６又は各圧力隔壁１０５を回転軸１０１が貫通する必要があり、貫通孔から作動流体の漏洩を防止するために回転軸シール装置１０７が必要となる。なお、回転軸シール装置１０７が設けられる圧力容器１０６の部分も圧力隔壁として扱う。

また、図７は、従来の回転軸シール装置を使用した他の回転機械を説明する図である。
この回転軸シール装置は、水素冷却タービン発電機のような回転機械であって、圧力容器１２２を回転軸１２１が貫通する部分に使用されている。

発電機内部の冷却のための矢印で示す水素が外部に漏れないように、発電機内側にラビリンスシール１２４を設置しており、これに加え、樹脂製の浮動リングシール１２５あるいは同じ位置にブラシシールなどを設置してきた。これらのシール装置により、発電機内部の水素が発電機の軸受１２３が設置されている軸受箱１２６内部に漏洩し、さらに潤滑油に溶け込み外部へ漏洩することを防止している。

一方、シール部材である非回転側摺動部材を持ち、浮動リング型の動圧シールの機能を有する回転軸シール装置が従来から知られている（特許文献１〜３参照）。このような回転軸シール装置も、上述の回転機械に使用可能な一つである。以下、この回転軸シール装置について説明する。

図８は、このような従来の回転軸シール装置の断面図である。
回転軸２０３には回転側摺動部材２０１が取り付けられており、回転側摺動部材２０１は回転軸２０３と一体となって回転する。蒸気タービンなどで回転軸２０３の一部を回転側摺動部材２０１として使用する場合がある。回転側摺動部材２０１の外周側には、非回転側である例えば圧力容器に固定したホルダ２０４を設置し、その中に円周方向に複数に分割された円弧状の非回転側摺動部材２０２が回転側摺動部材２０１を取り囲むように取り付けられている。更に非回転摺動部材２０２は、その外周側に例えばコイルばねなど構成される弾性体２０５で円周方向に連結して配置され、かつ半径方向に回転側摺動部材２０１の外周面に対して押圧されるか、もしくは数μｍ〜数十μｍのシール隙間を保つ構造となって、半径方向シール面２０６としている。非回転側摺動部材２０２をばねによりホルダ２０４に対し軸方向に押圧してもよい。

また、非回転側摺動部材２０２とホルダ２０４との隙間部分には、非回転側摺動部材２０２の外周側を回り込んで高圧側から低圧側への作動流体の漏洩を防止するため、非回転側摺動部材２０２とホルダ２０４との接触による軸方向シール面２１２又はＯリングなどの補助シールが設けられる。

したがって、このような回転軸シール装置では、回転側摺動面と非回転側摺動面との間の半径方向シール面２０６と、非回転側摺動面とホルダとの間の軸方向シール面２１２の２箇所にシール機能が必要となる。

図９は、従来の回転軸シール装置の非回転側摺動部材の分割形状を表す正面図である。
非回転側摺動部材２０２は円周方向に複数に分割されており、隣り合う非回転側摺動部材２０２の摺接面２０７は回転軸に垂直な断面において半径方向に直線をなす平面である。非回転側摺動部材２０２の各分割片は、外径円弧面２０８と内径円弧面２０９を上記摺接面２０７で囲むアーチ形状である。非回転摺動部材２０２を円周方向に分割しているので、機器の組立性及び保守性に優れている。

非回転側摺動部材２０２の各分割片には、半径方向シール面２０６を形成するシール隙間に動圧を生じ易くさせるために、内周面に動圧ポケットを設けた構造のものもある。

図１０は、従来の動圧ポケットを持つ回転軸シール装置の正面図である。
非回転側摺動部材２０２の各分割片には、回転軸外表面と対向する内周面に動圧ポケットであるシール流体入口ポケット２１０と回転下流側に連なるシール流体昇圧ポケット２１１を形成している。シール流体入口ポケット２１０は、シール流体昇圧ポケット２１１より深い凹部であり、側面が開口している。回転機械の作動流体であるシール流体がシール隙間内部に入り易くし、円周方向に行き止まりとなったシール流体昇圧ポケット２１１で動圧量を増幅する。

特開平９−１４４５５号公報 特開２０００−３５２４６７号公報 特開２００２−１２２２４３号公報

発電用のタービンあるいはタービン発電機のごとく大型の回転機械においては両端を軸受で支持された軸方向に長い回転軸が圧力容器及び圧力隔壁を貫通している。機械の運転状況によっては、圧力隔壁の支持部となる圧力容器に温度分布ができ、熱膨張量の分布が生じ圧力容器が不等変形することがある。

図１１は、圧力容器に不等変形が起きた回転機械を説明する図である。
図１１において、圧力容器１０６の下半側が上半側より温度が低くなると、下半側の熱膨張量が上半側の膨張量より小さくなり、圧力容器１０６がアーチ状に変形することがある。

このとき圧力隔壁１０５は、圧力容器１０６に固定されているため、圧力容器１０６の変形に合わせて変形する。

図１２は、回転軸に対する圧力隔壁の相対的な移動を説明する図であり、（ａ）は相対的な並進変位を生じた場合を示す図、（ｂ）は軸方向の相対的な回転変位を生じた場合を示す図である。

実際には、回転軸に対する圧力隔壁の相対的な並進変位と相対的な回転変位が複合して生ずる場合がある。このとき、相対的な回転変位が生ずる場合、従来の回転軸シール装置では、回転側摺動部材２０１とホルダ２０４との相対回転位置が直交しなくなることがあり、回転側摺動部材、ホルダ及び非回転側摺動部材の３者の位置関係に変化を来たす。
図１３は、回転側摺動部材、ホルダ及び非回転側摺動部材の３者の位置関係を示す図であり、（ａ）は半径方向シール面の平行が保たれなくなった状態を示す図、（ｂ）は軸方向シール面の平行が保たれなくなった状態を示す図である。

図１３（ａ）に示すように圧力隔壁を兼ねるホルダ２０４の内側面の低圧側面に、軸方向シール面２１２を持つ非回転側摺動部材２０２が高圧側からシール流体の圧力に押され押付けられる。よって回転側摺動部材２０１と非回転側摺動部材２０２との間の半径方向シール面２０６のシール隙間は、くさび状になり、該隙間に生ずる動圧も予定したものと異なる分布となる。

また、図１３（ｂ）に示すように回転側摺動部材２０１と非回転側摺動部材２０２との半径方向シール面２０６が内部に生ずる動圧によって平行に保たれる場合に、非回転側摺動部材２０２の低圧側側面とホルダの内側面の低圧側面との軸方向シール面２１２が平行に接触しない場合もある。このように運転の状態で圧力容器１０６に不等変形が起きたことにより回転側摺動部材２０１と非回転側摺動部材２０２との相対的な回転方向の移動が生じ、半径方向シール面２０６あるいは軸方向シール面２１２が平行に保たれなくなり予定のシール効果が得られない場合がある。

そこで、本発明の目的は、回転機械の圧力容器に熱膨張などによる不等変形が起き、回転軸シール装置が設けられる圧力隔壁の回転軸に対する相対的な回転変位が生じた場合に、シール効果の低下を防止することにある。

上記課題を解決するため、本発明の回転軸シール装置は、ホルダに支持されたリング状のシール部材を有する、回転機械用の回転軸シール装置において、
前記シール部材は、回転軸外表面との間で半径方向シールを行う摺動部材と前記ホルダの内側面との間で軸方向シールを行う軸方向シール部材とからなり、前記摺動部材と前記軸方向シール部材の摺接面を球面形状としたことを特徴とする。

本発明によれば、回転軸シール装置が設けられる圧力隔壁の回転軸に対する相対的な回転変位が生じた場合でも、回転軸との半径方向シール面及びホルダとの軸方向シール面を平行に保つことができ、予定のシール効果を得ることが可能になる。

本発明に係る実施形態１の回転軸シール装置を示す断面図。 回転軸シール装置の作用を説明する部分断面図。 本発明に係る実施形態２の回転軸シール装置を示す断面図であり、（ａ）は部分的な構造を示す断面図、（ｂ）は潤滑剤保持溝の平面形状を示す図。 本発明に係る実施形態３の回転軸シール装置を示す断面図。 本発明に係る実施形態５の回転軸シール装置を示す断面図。 従来の回転軸シール装置を使用した回転機械を説明する図。 従来の回転軸シール装置を使用した他の回転機械を説明する図。 従来の回転軸シール装置の断面図。 従来の回転軸シール装置の非回転側摺動部材の分割形状を表す正面図。 従来の動圧ポケットを持つ回転軸シール装置の正面図。 圧力容器に不等変形が起きた回転機械を説明する図。 回転軸に対する圧力隔壁の相対的な移動を説明する図であり、（ａ）は相対的な並進変位を生じた場合を示す図、（ｂ）は軸方向の相対的な回転変位を生じた場合を示す図。 回転側摺動部材、ホルダ及び非回転側摺動部材の３者の位置関係を示す図であり、（ａ）は半径方向シール面の平行が保たれなくなった状態を示す図、（ｂ）は軸方向シール面の平行が保たれなくなった状態を示す図。

（実施形態１）
図１は、本発明に係る実施形態１の回転軸シール装置を示す断面図であり、図２は、本実施形態の回転軸シール装置の作用を説明する部分断面図である。

図１において、圧力隔壁を兼ねるホルダ４内に支持されるリング状のシール部材２は、非回転側の摺動部材８と軸方向シール部材９とからなる。回転軸３すなわち回転側摺動部材１を取り巻くように摺動部材８を配置する。回転側摺動部材１の外表面と摺動部材８の内周面との間には従来の動圧シールと同様に半径方向シール面６としての予定のシール隙間を設けておく。摺動部材８が円周方向に複数に分割される場合には、その外周側を例えばコイルばねなどから構成される弾性体５を円周方向に巻き付け、複数のアーチ形状の摺動部材８を結束し、リング状にする。

一方、シール部材２の支持構造となるホルダ４の低圧側内側面に向き合う位置に軸方向シール部材９を配置する。軸方向シール部材９とホルダ４の間で軸方向シール面７を形成する。
軸方向シール部材９は、円周方向に複数に分割し、ねじなどの締結部品でリング状とする構造にもできる。

摺動部材８と軸方向シール部材９とは、互いに回転可能に摺接面１０で接しており、摺接面１０は、回転軸３の中心線上に中心がある球の球面形状、特に本実施の形態においては球帯形状とする。

上述した球の中心位置及び半径は、回転軸あるいは圧力容器及び圧力隔壁の形状と寸法と不等変形量からそれぞれの回転軸シール装置で決定する。例えば回転軸を支持する軸受部の回転軸中心を共通の摺接面の球帯中心としてそれぞれで半径を変えることもできる。

次に作用を説明する。
図１において、圧力容器に熱膨張などによる不等変形がなく、回転側摺動部材１とホルダ４との相対回転位置が直交している状態を示している。圧力容器に熱膨張などによる不等変形が起きると、図２に示すように回転側摺動部材１とホルダ４との相対回転位置が直交しなくなる。

図２において、摺動部材８と軸方向シール部材９とは回転軸３の中心線上の一点を中心とした球の球帯形状の摺接面１０で接している。このため、回転側摺動部材１とホルダ４との相対回転位置θが直交しない場合、ホルダ４と軸方向シール部材９との軸方向シール面７が密着しつつ、摺動部材８と軸方向シール部材９が摺接面１０に沿って相対的に回転移動し、回転側摺動部材１との間の半径方向シール面６におけるシール隙間が予定したとおりに保たれる。すなわち、シール部材２の半径方向及び軸方向のシール面が向かい合う面に追従し、半径方向シール面６と軸方向シール面７のシール性能が確保できる。

上述の作用から、次のような効果が得られる。
機械の運転状況による圧力容器の据付状態からの不等変形が起き、圧力隔壁の回転軸に対する相対的な回転変位が生じた場合でも、シール部材の各シール面が平行に保たれ、予定の形状あるいは相対位置からずれない。これにより、予定したとおりのシール効果が確保され、漏洩量の低減が可能となる。

以下に述べる実施形態２〜５は、実施形態１と相異する点を説明し、共通する点は説明を省略する。
（実施形態２）
図３は、本発明に係る実施形態２の回転軸シール装置を示す断面図であり、（ａ）は部分的な構造を示す断面図、（ｂ）は潤滑剤保持溝の平面形状を示す図である。

本実施形態では、図３（ａ）に示すようにシール部材２において球帯状の摺接面１０に二硫化モリブデン粉末のごとき乾性皮膜潤滑剤を塗布する。

更に、シール部材２の少なくとも一方、例えば摺動部材８の摺接面１０の円周方向に沿って潤滑剤保持溝１１を加工する。潤滑剤保持溝１１は複数加工することもできる。また、潤滑剤保持溝１１は摺動部材８が円周方向に複数に分割されたアーチ形状をしている場合には、図３（ｂ）に示すように円周方向に摺動部材８の円弧長さより短い長さとして、かつ摺動部材８の円周方向端面に突き抜けないような位置に加工する。

このように、球帯状の摺接面１０面に潤滑剤を塗布することにより摺接面における摺動部材８と軸方向シール部材９間の回転移動が円滑になる。また、摺接面１０上に潤滑剤保持溝１１を付けることによって、潤滑剤が溝内に滞留し、長期間にわたって潤滑効果を持続することが可能となり、長い間、円滑な摺接面１０の回転移動が得られる。

（実施形態３）
図４は、本発明に係る実施形態３の回転軸シール装置を示す断面図である。
図４に示すように、シール部材２の少なくとも一方、例えば摺動部材８の摺接面１０にフッ化炭素樹脂系材料あるいは銅合金系材料あるいは炭化珪素（SiC）材料の皮膜の固定、すなわち皮膜層１２の形成を行う。皮膜層１２の形成は溶射加工などで行うことができる。

また、皮膜層１２を、金属材料を一次的に高温環境下に置くことで表層に生ずる酸化皮膜で形成する。
更に、摺動部材８を構成する鋼材の表面層に窒素を浸透させた窒化層あるいは炭素を拡散浸透させた浸炭層で皮膜層１２を形成する。

上記いずれの場合も皮膜層１２は、摺接面１０の全面ではなく部分的に被覆を施工することもできる。
また、皮膜層１２は軸方向シール部材９の摺接面１０に形成することもできる。

これにより、摺動部材８の摺接面１０の摩擦係数が低下し、耐摩耗性が向上し、かつ酸化防止が可能となる。摺接面１０の摺動時の摩擦力が低下することで、シール装置の前後差圧による押し付け荷重環境下における摺動が円滑になり、わずかな動圧の変化で摺接面１０の摺動が可能となる。また、摺接面１０の固着すなわちかじりを防止し、高温環境下での摺動面１０の焼き付き防止効果が得られ、長期間にわたり円滑な摺動が確保できる。

（実施形態４）
図１及び図３に示すシール部材２における摺動部材８又は軸方向シール部材９を、酸化ジルコニウム（ZrO₂）あるいはアルミナオキサイド（Al₂O₃）のごときセラミック材料あるいはチタン合金で構成する。

耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性に優れた材料で摺接面１０を構成するため摩耗や酸化によるかじり焼き付きの防止が可能となる。摺接面１０での摺動が円滑になり、長期間にわたり円滑な摺動が確保できる。

（実施形態５）
図５は、本発明に係る実施形態５の回転軸シール装置を示す断面図である。
図５において、シール部材２における摺動部材８と軸方向シール部材９との摺接面１０の間にフッ化炭素樹脂系材料あるいは銅合金系材料あるいはセラミック系材料で、摺接面１０に隙間なく沿うような形状に成形した薄板１３を挟む。薄板１３は、摺動部材８又は軸方向シール部材９の一方に固定する。薄板１３は円周方向に複数に分割することもできる。

これにより、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性に優れた材料の薄板を介して各摺接面間の摺動を行うことで摩耗や酸化によるかじりや焼き付きの防止が可能となる。摺接面の摺動が円滑になり、長期間にわたり円滑な摺動が確保できる。

１…回転側摺動部材、２…シール部材、３…回転軸、４…ホルダ、５…弾性体、６…半径方向シール面（シール隙間）、７…軸方向シール面、８…摺動部材、９…軸方向シール部材、１０…摺接面、１１…潤滑剤保持溝、１２…皮膜層、１３…薄板。

Claims (11)

1. ホルダに支持されたリング状のシール部材を有する、回転機械用の回転軸シール装置において、
   前記シール部材は、回転軸外表面との間で半径方向シールを行う摺動部材と前記ホルダの内側面との間で軸方向シールを行う軸方向シール部材とからなり、前記摺動部材と前記軸方向シール部材の摺接面を球面形状としたことを特徴とする回転軸シール装置。
2. 前記摺接面は、回転軸の中心線上に中心がある球の球面形状とすることを特徴とする請求項１に記載の回転軸シール装置。
3. 前記軸方向シール部材は、円周方向に複数に分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転軸シール装置。
4. 前記摺動部材と前記軸方向シール部材との摺接面の間に潤滑剤を塗布したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の回転軸シール装置。
5. 前記摺動部材又は前記軸方向シール部材の少なくとも一方の摺接面に円周方向に延在する溝を施したことを特徴とする請求項４に記載の回転軸シール装置。
6. 前記摺動部材又は前記軸方向シール部材の少なくとも一方の摺接面の表面に、フッ化炭素樹脂系材料、銅合金系材料、チタン合金系材料又は炭化珪素材料の皮膜層を形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の回転軸シール装置。
7. 前記摺動部材又は前記軸方向シール部材の少なくとも一方の摺接面の表面に、酸化皮膜層を形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の回転軸シール装置。
8. 前記摺動部材又は前記軸方向シール部材の少なくとも一方の摺接面の表面に、窒素を浸透させた窒化層又は炭素を浸透させた浸炭層の皮膜層を形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の回転軸シール装置。
9. 前記摺動部材又は前記軸方向シール部材は、セラミック材料又はチタン合金であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の回転軸シール装置。
10. 前記セラミック材料は、酸化ジルコニウム又はアルミナオキサイドであることを特徴とする請求項９に記載の回転軸シール装置。
11. 前記摺動部材と前記軸方向シール部材との摺接面の間に、隙間なく沿うような形状に成形したフッ化炭素樹脂系材料、銅合金系材料、又はセラミック系材料の薄板を挟んで配置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の回転軸シール装置。

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