JP2013525700A - 正確に締付け固定された回転環を有するメカニカルシール - Google Patents

Abstract

回転環（１）と固定環（２）とを備え、回転環（１）と固定環（２）とはそれぞれ互いに接触する摺動面（１ａ，２ａ）を有し、回転環（１）の摺動面（１ａ）は固定環（２）の摺動面（２ａ）に向き合っているメカニカルシールは、冒頭に述べたタイプのメカニカルシールを、回転数、圧力および温度がそれぞれ種々に変動しても、確実な機能が保証されるように構成しかつさらに改良するという課題を解決するために、回転環（１）は２つの径方向面（１ｂ，１ｃ）を有し、径方向面にそれぞれ締付カム（１ｄ，１ｅ）が配置されている。

Description

本発明は、回転環と固定環とを備え、前記回転環と前記固定環とはそれぞれ互いに接触する摺動面を有し、前記回転環の摺動面は前記固定環の摺動面と向き合っているメカニカルシールに関する。

冒頭に述べたタイプのメカニカルシールは欧州特許公開公報第１２０９３８６号から公知である。

回転環は、平均摺動面直径を基準にして、２００ｍ／ｓまでの摺動速度で固定環に対して相対回転することができる。摺動速度が高速であれば、シール隙間内の粘性摩擦によって、固定環および回転環にかなりの熱伝達が行われる。固定環および回転環双方の軸方向温度勾配はこれらのリングに大きな歪みをもたらすことがある。その際、シール隙間の形状は望ましくない変形あるいは許容不能な歪みを生じ、しかも、シール隙間の幅に関してＶ字形の拡がりが生ずることもある。

上記を背景として、欧州特許公開公報第１２０９３８６号から、回転環がブシュ部と締付要素とによって軸に相対回転不能に固定されることが知られている。

上記公知のメカニカルシールにおいては、回転環が回転中に望ましくない傾倒を生じる可能性がある点が欠点である。このような場合には、摺動面間のシール隙間の形状に望ましくない変化がもたらされることがある。この場合、このメカニカルシールは生じうるあらゆる動作状態において確実な機能を必ずしも保証することはできなくなる。

しかしながら、特に、圧力、回転数および温度の点で動作条件が大きく変動するターボマシンたとえばコンプレッサまたはガスタービンにメカニカルシールが使用される場合、メカニカルシールの機能ならびに動作信頼性に関して非常に高度な要求がなされる。

欧州特許公開公報第１２０９３８６号

そこで、本発明の目的は、冒頭に述べたタイプのメカニカルシールを、回転数、圧力および温度がそれぞれ種々に変動したとしても確実な機能および動作信頼性が保証されるように構成すること、そしてそれをさらに技術的に展開することである。

本発明では、上記の課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。

それによれば、その特徴は、冒頭に述べたタイプのメカニカルシールは、回転環が２つの径方向面を有し、当該径方向面にそれぞれ締付カムが配置されていることである。

本発明によれば、軸方向に突き出した締付カムによって回転環の確実な締付けを保証することが可能であることが認識される。発生する転倒モーメントは、驚くべきことには、上記特徴により容易に相殺され、回転環の転倒が回避される。その際、締付要素の間に装着された回転環はそれらの締付要素と摩擦接触可能であるとみなされる。そこでは、転倒モーメントをもたらす摩擦力が発生する。このことを考慮し、作用する転倒モーメントが互いに相殺されるように締付カムを配置可能なことが認識され、締付カムにより転倒モーメントが確実にかつ相殺されるように作用する面を形成することができるのである。したがって、この回転環は、圧力、回転数および温度に関する負荷が激しく変動する場合においても、その転倒挙動に関して高度な安定性を示す。これにより、動作条件が大きく変動する場合においても、シール隙間の最適な形状は維持されることになる。

径方向面にそれぞれ締付カムが配置されているという記述内容には、締付カムが回転環に直接形成されること、もしくは軸の締付のための部分や締付要素に形成されることの両者を含むものとして理解されるべきである。
上述の処方により、冒頭に述べた課題は解決される。

回転環が２つの径方向面を有し、その径方向面からそれぞれ締付カムが軸方向に突き出している。好適には、締付カムが、ブシュ部および締付要素に形成されるのではなく、回転環に形成されることである。これは回転環に使用される材料がブシュ部ないし締付要素に使用される材料よりも軟質であることを考慮したことによる。さらに、締付カムの均等な摩耗の達成が可能となる。

締付カムはリング状にかつ回転環と同心上に形成されるとよい。これにより、回転環は線状押圧によって軸に固定されることになる。

締付カムは回転環から作り出され、締付カムはこの回転環と一体に形成されるとよい。

締付カムは回転環の両側に径方向において同じ高さ位置に形成されるとよい。これによって、発生する転倒モーメントは同一の面で作用し、都合よく互いに相殺されるように構成することが可能となる。

つまり、回転環と軸とが径方向に互いに相対運動すると、転倒モーメントが生じてしまう。このような転倒モーメントは締付カムが同じ径方向高さ位置に配置されることによって相殺される。

本発明の装置は、本願明細書に述べたタイプのメカニカルシールと軸とを有し、回転環は締付要素とブシュ部とによって軸に相対回転不能に連結され、その際、第１の締付カムは前記ブシュ部に接し、第２の締付カムは上記締付要素に接する。ブシュ部と締付要素とによって回転環は軸に正確に締付け固定される。

本願明細書に開示したメカニカルシールは、回転数、圧力および温度のそれぞれが種々に変動した場合においても、確実な機能が保証されるので、ターボマシン、たとえばコンプレッサまたはガスタービンへの使用に特に適している。

本願明細書に開示したメカニカルシールは気体または気体と液体とからなる混合物を封止し、摺動面は気体潤滑されている。

さて、本発明の思想を好適な方法で実施しかつ発展改良する多様な可能性が存在する。これについては、一方では、従属請求項に示されており、他方では、図面を参照して行われる本発明によるメカニカルシールの好適な実施形態に関する以下の説明が参照となる。

以下、図面を参照して行われる好ましい実施形態の説明と共に、本発明の技術思想に基づく好ましい変形例およびさらに技術展開された形態も説明される。

回転環が軸方向に締付カムを有していない従来の技術のメカニカルシールの断面図である。 回転環が両側に突き出した締付カムを有するメカニカルシールの軸側部分の断面図である。

図１は従来の技術におけるメカニカルシールを示している。

図１に示すメカニカルシールは、回転環１と固定環２とを備え、回転環１と固定環２とはそれぞれ互いに接触する摺動面１ａ、２ａを有し、回転環１の摺動面１ａは固定環２の摺動面２ａに向き合っている。

回転環１は回転軸５に固定装着されており、前記軸５と共に回転する。固定環２はハウジング６内にゆとりを持ってセンタリングされ、配設されている。

図２は、回転環１と固定環２とを備え、回転環１と固定環２とはそれぞれ互いに接触する摺動面１ａ、２ａを有し、回転環１の摺動面１ａは固定環２の摺動面２ａと軸方向において向き合っている、図１に示すメカニカルシールと同様の構造を有するメカニカルシールの軸領域を示している。回転環１は軸方向において相反する２つの径方向面１ｂ、１ｃを有しており、当該径方向面１ｂ、１ｃからそれぞれ１つの締付カム１ｄ、１ｅが軸方向に突き出している。これらの締付カム１ｄ、１ｅは回転環１から両側に突き出ている。

締付カム１ｄ、１ｅは回転環１と同心状で、リング状に形成されている。ただし、これらは径方向面１ｂ、１ｃに部分的にのみ形成されてもよい。

径方向面１ｂ、１ｃは、摺動面１ａならびに摺動面１ａとは相反する側の径方向の面（摺動面１ａの反対面）を基準としてそこから、それぞれ軸方向内側に偏位している。

締付カム１ｄ、１ｅは回転環１の両側に、軸５の回転軸心から径方向に向かって同じ高さ位置に形成されている。

具体的に言えば、図２は、上述したタイプのメカニカルシールと回転軸５とを備え、回転環１は締付要素５ａとブシュ部５ｂとによって軸５に相対回転不能に連結され、その際、第１の締付カム１ｄはブシュ部５ｂに密接し、第２の締付カム１ｅは締付要素５ａに接するように構成した装置の軸領域を示している。

好適実施形態の１つでは、締付カム１ｄ、１ｅは、ブシュ部５ｂならびに締付要素５ａに形成されているのではなく、回転環１に形成されている。これは回転環１に使用される材料がブシュ部５ｂないし締付要素５ａに使用される材料よりも軟質であることに基づいている。さらに、締付カム１ｄ、１ｅの均等な摩耗の達成が意図されている。

回転環１は金属製であり、直径（内寸）３００ｍｍを有している。

固定環２は炭素材製である。

本発明の技術思想のさらなる好適な実施態様およびそれらの技術的に展開された形態については、一方では、本願明細書の全体的な記載が、他方で、添付の特許請求項が参照される。

Claims (5)

1. 回転環（１）と固定環（２）とを備え、前記回転環（１）と前記固定環（２）とはそれぞれ互いに接触する摺動面（１ａ，２ａ）を有し、前記回転環（１）の前記摺動面（１ａ）は前記固定環（２）の前記摺動面（２ａ）に向き合っているメカニカルシールであって、
   前記回転環（１）は２つの径方向面（１ｂ，１ｃ）を有し、前記径方向面にそれぞれ締付カム（１ｄ，１ｅ）が配置されていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記回転環（１）は２つの径方向面（１ｂ，１ｃ）を有し、前記径方向面（１ｂ，１ｃ）からそれぞれ前記締付カム（１ｄ，１ｅ）が軸方向に突き出ていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記締付カム（１ｄ，１ｅ）は前記回転環（１）と同心状で、リング状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記締付カム（１ｄ，１ｅ）は前記回転環（１）の両側に径方向において同じ高さ位置に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のメカニカルシール。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のメカニカルシールと、軸（５）とを備えた構造であって、前記回転環（１）は締付要素（５ａ）とブシュ部（５ｂ）とによって前記軸（５）に相対回転不能に連結され、その際、第１の締付カム（１ｄ）は前記ブシュ部（５ｂ）に接し、第２の締付カム（１ｅ）は前記締付要素（５ａ）に接する構造。

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