JP2015529314A - ガスシールを具備する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスシール（ＧＳ）とロータ（Ｒ）とステータ（Ｓ）とを具備する装置であって、ロータ（Ｒ）とステータ（Ｓ）との間においてシール間隙（ＳＧＰ）を密閉するために軸線（Ｘ）に沿って延在している装置であって、回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）と、固定式ステータ側シールリング（ＳＳＲ）と、アキシアル方向において回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）をロータ（Ｒ）に固定している回転式固定要素（ＦＥ）とを備えている装置に関する。固定要素（ＦＥ）が、周方向（ＣＤ）における周の一部分に亘って少なくとも延在しており、固定要素（ＦＥ）が、ロータ（Ｒ）と回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）との間においてアキシアル方向に且つ周方向（ＣＤ）に延在しているラジアル方向における間隙高さ（ＧＨ）の間隙（ＧＰ）の内部に少なくとも部分的に配置されている。間隙（ＧＰ）が、回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）の側においてシールリング表面（ＳＲＳ）によって形成されている一方、ロータ（Ｒ）の側においてロータ表面（ＲＳ）によって形成されており、シールリング表面（ＳＲＳ）が、第１の沈降部（ＳＲＤ）を有しており、ロータ表面（ＲＳ）が、第２の沈降部（ＲＳＤ）を有している。固定要素（ＦＥ）が、第１の沈降部（ＳＲＤ）に部分的に配置されている一方、第２の沈降部（ＲＳＤ）に部分的に配置されており、これにより、回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）とロータ（Ｒ）との間における設定位置を越えた相対的移動が、固定要素（ＦＥ）のラジアル方向における変形を介してのみ可能とされる。

Description

本発明は、ガスシールとロータとステータとを具備する装置であって、ロータとステータとの間においてシール間隙を密閉するために軸線に沿って延在している装置であって、回転式ロータ側シールリングと、固定式ステータ側シールリングと、アキシアル方向において回転式ロータ側シールリングをロータに固定している回転式固定要素とを備えている装置に関する。

ガスシールは、比較的高圧の環境下において漏出量が比較的少ない、特にターボ機械として構成されている圧縮器のような連続流体機械のための好ましいシール形態である。例えば従来技術に基づくラビリンスシールと比較すると、乾式ガスシールの漏出量が一桁少なくなるので、対応するターボ機械の効率を著しく高めることができる。

比較的単純な構造であるラビリンスシールと比較して、近年の乾式ガスシールは、動作環境に関して比較的厳しい。動作の信頼性を高めるためには、対応して準備された清浄なシールガスが必要とされる。さらに、信頼ある動作については、乾式ガスシールは最小回転速度に依存する。

冒頭で述べたガスシールでは、回転式ロータ側シールリングと固定式ステータ側シールリングとは、概して、回転式ロータ側シールリング及び固定式ステータ側シールリングそれぞれに一のシール面が形成された状態で、ラジアル方向に延在しているシール面において互いに対向して配置されている。効果的に密閉するためには、２つのシールリングのシール面が正確に機械加工されており、互いに対して方向づけられていることを必要とする。その結果として、再現可能な動作条件下においてシールガスの摺動被膜がシール面同士の間に構築され、対応してシールが非接触状態で機能する。あらゆる想定し得る動作条件下におけるこのような高い精度の要求は、概して、特別な材料を選定することによってのみ実現されるにすぎない。従って、回転式ステータ側シールリング及び固定式ステータ側シールリングは、通常、ロータ及びステータに一体に接続されている訳ではなく、固定式ステータ側シールリングも、通常、回転式ロータ側シールリングに対して弾性的に固定されている。回転式ロータ側シールリングは、特にアキシアル方向において相対的運動が制御不能とならないように、ロータに固定されている。従来技術に基づくシール配置では、回転式ロータ側シールリングとロータの対応するアキシアル方向の接触肩部とのアキシアル方向における接触部分において、腐食が発生する。従来技術に基づくシール配置では、アキシアル方向における相対運動が可能とされるからである。

本願についての優先権基礎出願である特許文献１は、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４を引用している。特許文献１は、ロータに対するスライディングリングのアキシアル方向における固定及び密封を同時に実現する技術を開示している。特許文献３は、両向きに延在している２つの螺旋状溝を具備するガスシールであって、シャフト及び関連して対応するリングが固定された状態において一方のスライディングリングが弾性的に圧縮されて回転している、ガスシールを開示している。特許文献４は、静的なシール配置に関連する。従って、腐食を防止するための解決策は、今日に至るまで未知であり、実現されていない。

独国特許出願公開第１０２０１２２１５８８７号明細書 独国実用新案出願公開第６９０４７４０号明細書 独国特許出願公開第４１１９７６８号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００４１２０８号明細書

従って、本発明の目的は、腐食が発生しないように、上述のガスシールの回転式ロータ側シールリングをアキシアル方向端部において励振に抗してロータに固定することである。

本発明における目的を達成するために、請求項１の特徴部分に記載された特徴によって表わされる上述の概略的な配置が提案されている。

例えばアキシアル方向、ラジアル方向、周方向、及び周方向のような、すべての方向を指示する用語は、特別の定めがない限り、請求項１に規定されるロータ軸線に関するものである。

本発明における固定要素によって、アキシアル方向において回転式ロータ側シールリングをロータに確実に固定することができる。本明細書では、ロータは、専ら中実の単一部材から成るシャフトを意味するばかりでなく、例えば、好ましくはロータにスリーブ状に押しこまれていると共にアキシアル方向においてロータに固定されているシールモジュールの回転式の構成部品も意味する。

本発明の一の特有の利点は、ラジアル方向において固定要素を弾性変形させることによる本発明における非常に単純な取付にある。その結果として、取付のために工具が不要となる。同様に、回転式ロータ側シールリングをロータに取り付けることも取り外すこともできる。ラジアル方向及びアキシアル方向において同時に回転式ロータ側シールリングをロータに永続的に固定することによって、回転式ロータ側シールリングをロータに対してラジアル方向に方向づけることができる。さらに、ロータから回転式ロータ側シールリングに対する任意の励振が、固定要素によって圧縮されて減衰される。

本発明の一の優位な発展形態では、固定要素は可塑的に変形せず、好ましくは弾性的に変形する。好ましくは、固定要素は、固定要素を構成する材料の弾性変形範囲内において排他的に変形する。

固定要素は、特に、ロータ又は回転式シールリングの略全周に亘って延在しているので、その結果として、非対称な形状にはならず、バランスされている。

さらに好ましい実施例では、固定要素は、螺旋状のリングとして構成されている。螺旋状のバネは、ラジアル方向の変形能についての要件を可能な限り満たすように経験的に選定することができる。螺旋状の固定要素は、好ましくは、平坦な断面から成り、特に好ましくは、鋼から、特にステンレス鋼から作られている。攻撃的なガス、特に硫化水素が利用される用途では、固定要素を構成する材料が酸性ガスに対する耐性を有していることが望ましい。

基本的に、ロータ及び回転式ロータ側シールリングに形成された沈降部が、全周に亘って延在していることが望ましい。同様に、ロータとの嵌合及び圧力嵌めの組み合わせによって、部分的に沈降部に配置されている固定要素が回転式ロータ側シールリングを固定していることが望ましい。好ましくは、ロータ肩部において回転式ロータ側シールリングをロータに対して密封する補助的な固定式シール要素であって、アキシアル方向のプレストレス力を回転式ロータ側シールリングに作用させる補助的な固定式シール要素が含まれているように、配置が構成されている。本発明では、固定要素の弾性変形による復元力が、補助的なシール要素のアキシアル方向におけるプレストレス力に反作用する場合に、固定要素の復元力が、設定位置から外れる回転式ロータ側シールリングのアキシアル方向における相対移動に対して反作用し、補助的シール要素のプレストレス力より大きいことに留意すべきである。

特に好ましくは、固定要素は、固定要素の弾性変形による復元力が補助的シール要素のアキシアル方向におけるプレストレス力と動作中（すなわち、通常の回転速度）のロータの許容範囲内のアキシアル方向の偏心によるロータ側シールリングの励振による慣性力との和となるように構成されている。

一の優位な発展形態では、第１の沈降部及び/又は第２の沈降部が、ラジアル方向突起それぞれによって、アキシアル方向の両側面において周囲の少なくとも一部分に亘って境界を形成している。

さらに又は特に代替的には、好ましくは、固定要素が回転式ロータ側シールリング及びロータの設定位置の範囲内において互いにプレストレスを受けているか又は弾性的に変形されているか、又は弾性的な復元力がロータ側シールリングをシャフト、ロータ、若しくはシャフトスリーブのシャフト肩部又は接触肩部に対して押圧している。その結果として、ロータ側シールリングが、上述の接触によってアキシアル方向において一意に決定される位置に配置される。

固定要素は、好ましくは、アキシアル方向力によってロータ側シールリングを固定する唯一の固定要素とされる。

好ましくは、腐食を回避するために、固定要素はラジアル方向において弾性的に変形する。回転式ロータ側シールリング及びロータが設定点の範囲内において互いに対して配置されている。これにより、沈降部の表面に垂直力が作用し、その結果として、弾性変形が表面と固定要素との間において最終的な摩擦力を発生させる。当該摩擦力が、動作中に発生するトルクをロータ側シールリングからロータに伝達させる。

本発明の一の改善点は、第１の沈降部に部分的に且つ第２の沈降部に部分的に配置されている点において特に望ましい。これにより、回転式ロータ側シールリングとロータとの間における設定点の範囲を越えるアキシアル方向の相対的な移動が、固定要素のラジアル方向における変形を介してのみ可能となり、ロータ側シールリングが、上述のラジアル方向における変形によってロータから取り外し可能となる。

本発明について、一の例示的な実施例を利用することによって、図面を参照しつつ以下に詳述する。

本発明におけるガスシールを具備する装置の長手方向断面の概略図である。 本発明における固定要素の周方向部分の概略図である。

図１は、本発明におけるガスシールＧＳを具備する装置の長手方向断面の概略図である。ガスシールＧＳは、ステータＳとロータＲとを備えている。固定式ステータ側シールリングＳＳＲと弾性要素ＥＬとハウジング要素ＣＡＳとは、ステータＳの必須の構成要素である。シャフトＳＨとキャリアスリーブＣＳとシャフトナットＳＮと回転式ロータ側シールリングＲＳＲとは、ロータＲの重要な構成要素である。キャリアスリーブＣＳは、軸線Ｘに沿って且つシャフトＳＨと同軸に延在しており、シャフトナットＳＮによって、シャフトＳＨに接触した状態で、アキシアル方向においてシャフト肩部（図示しない）に対して固定されている。シールＳＯは、シャフトＳＨとキャリアスリーブＣＳとの間に残っている間隙を封止している。キャリアスリーブＣＳは、ラジアル方向に突出している肩部ＳＤであって、アキシアル方向接触面ＣＳＦを具備する肩部ＳＤを有している。アキシアル方向接触面ＣＳＦは、第２の固定式シール要素ＳＳＥを受容するように機能する凹所ＳＳＤを有している。第２の固定式シール要素ＳＳＥは、回転式ロータ側シールリングＲＳＲの接触面ＳＳＦに当接している。第２のシール要素ＳＳＥは、弾性要素ＥＥＬ及び固定要素ＦＥのプレストレス力によって、回転式ロータ側シールシングＲＳＲの接触面ＳＦＳを介して、キャリアスリーブＣＳと回転式シール要素ＲＳＲとの間においてアキシアル方向に押圧されている。また、当該実施例では、回転式シールリングＲＳＲと固定式ステータ側シールリングＳＳＲとの間におけるアキシアル方向の接触が、回転式ロータ側シールリングＲＳＲ及び固定式ステータシールリングＳＳＲの封止平面ＳＳＦ同士が互いに反対側に配置されている、封止面ＳＰの停止点において発生する。

固定要素ＦＥは、ロータＲのキャリアスリーブＣＳと回転式ロータ側シールリングＲＳＲとの間に形成された間隙ＧＰの領域に配置されている。間隙ＧＰは、ラジアル方向の間隙高さＧＨを有している。回転式ロータ側シールリングＲＳＲは、ロータＲに関してラジアル方向内方に向いているシールリング表面ＳＲＳに、第１の沈降部ＳＲＤを備えており、ロータＲ又はキャリアスリーブＣＳは、反対側に、第２の沈降部ＲＳＤを備えている。第１の沈降部ＳＲＤ及び第２の沈降部ＲＳＤにおいては、固定要素ＦＥそれぞれが、部分的にラジアル方向に配置されている。第１の沈降部ＳＲＤ及び第２の沈降部ＲＳＤは、固定要素ＦＥと同様に、周方向に延在している。動作の際に、回転式ロータ側シールリングＲＳＲは、アキシアル方向の目標位置に位置しており、回転式ロータ側シールリングＲＳＲとキャリアスリーブＣＳ又はロータＲの残り部分との間におけるアキシアル方向の相対的移動に伴って、第１の沈降部ＳＲＤ及び第２の沈降部ＲＳＤそれぞれが部分的にラジアル方向に配置されていることによって固定要素ＦＥのラジアル方向における変形するので、目標位置の範囲から外れるようにのみ移動可能とされる。このような固定要素ＦＥの変形が、上述の相対的移動の反対方向に対応して方向づけられている復元力ＢＦの発生を伴って専ら弾性的に行なわれる。回転式ロータ側シールリングＲＳＲが環状に形成されていることの結果として、回転式ロータ側シールリングＲＳＲによって、移動要素ＦＥの変形力のうちラジアル方向成分が吸収される。固定要素ＦＥからのアキシアル方向におけるプレストレス力が、第２の固定式シール要素ＳＳＥからのアキシアル方向におけるプレストレス力ＡＳＦの反対方向において、第２の固定式シール要素ＳＳＥを永続的にプレストレスするように、第１の沈降部ＳＲＤ及び第２の沈降部ＲＳＤは、固定要素ＦＥと共に適応している。

図２は、固定要素ＦＥの周方向部分の概略図である。固定要素ＦＥは、周方向において螺旋状に延在している平坦な鋼材として構成されている。材料は、酸性ガスに対する耐性を有している。

図２に表わす螺旋状構造の固定要素ＦＥは、さらなる利点を有している。さらなる利点とは、回転式ロータ側シールリングＲＳＲをロータＲにアキシアル方向において固定することに加えて、周方向において固定することができるということである。周方向位置をロータＲに対して相対的に変更するように適応しているトルクが回転式ロータ側シールリングＲＳＲに作用している場合には、ラジアル方向において固定要素ＦＥに作用するプレストレス力によって、螺旋を形成するように巻かれている平坦部分の縁部又は鋼製の平坦な部分の縁部が、ロータＲ又は回転式ロータ側シールリングＲＳＲに支持されており、このようにして相対的移動が防止されている。

Ｓ ステータ
ＧＳ ガスシール
ＳＳＲ 固定式ステータ側シールリング
ＳＬ 弾性要素
ＣＡＳ ハウジング要素
ＳＨ シャフト
ＣＳ キャリアスリーブ
ＳＮ シャフトナット
ＲＳＲ 回転式ロータ側シールリング
Ｒ ロータ
ＳＯ シール
ＳＤ 肩部
ＣＳＦ アキシアル方向接触面
ＳＳＥ 第２の固定式シールリング（要素）
ＳＳＤ 凹所
ＳＳＦ （回転式ロータ側シールリングＲＳＲの）接触面
ＥＥＬ 弾性要素
ＦＥ 固定要素
ＳＦＳ （回転式ロータ側シールリングの）接触面
ＳＳＦ 封止平面
ＳＰ 封止面
ＧＰ 間隙
ＧＨ 間隙高さ
ＳＲＳ シールリング表面
ＳＲＤ 第１の沈降部
ＲＳＤ 第２の沈降部

Claims (11)

1. ガスシール（ＧＳ）とステータ（Ｓ）とロータ（Ｒ）とを具備する装置であって、前記ロータ（Ｒ）と前記ステータ（Ｓ）との間においてシール間隙（ＳＧＰ）を密閉するために軸線（Ｘ）に沿って延在している前記装置において、
   前記装置が、回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）と、固定式ステータ側シールリング（ＳＳＲ）と、アキシアル方向において前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）を前記ロータ（Ｒ）に固定している回転式固定要素（ＦＥ）とを備えており、
   前記固定要素（ＦＥ）が、周方向（ＣＤ）における周の一部分に亘って少なくとも延在しており、
   前記固定要素（ＦＥ）が、前記ロータ（Ｒ）と前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）との間においてアキシアル方向に且つ周方向（ＣＤ）に延在しているラジアル方向における間隙高さ（ＧＨ）の間隙（ＧＰ）の内部に少なくとも部分的に配置されており、
   前記間隙（ＧＰ）の前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）の側が、シールリング表面（ＳＲＳ）によって形成されている一方、前記間隙（ＧＰ）の前記ロータ（Ｒ）の側が、ロータ表面（ＲＳ）によって形成されており、
   前記シールリング表面（ＳＲＳ）が、第１の沈降部（ＳＲＤ）を有しており、
   前記ロータ表面（ＲＳ）が、第２の沈降部（ＲＳＤ）を有しており、
   前記固定要素（ＦＥ）が、前記第１の沈降部（ＳＲＤ）に部分的に配置されている一方、前記第２の沈降部（ＲＳＤ）に部分的に配置されており、
   これにより、前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）と前記ロータ（Ｒ）との間における設定位置の範囲を越えたアキシアル方向の相対的移動が、前記固定要素（ＦＥ）のラジアル方向における変形を介してのみ可能とされることを特徴とする装置。
2. 前記固定要素（ＦＥ）が、ラジアル方向において弾性変形可能とされるように構成されており、その結果として、前記設定位置の範囲を越えてアキシアル方向において相対的移動をする際に弾性変形することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記固定要素（ＦＥ）が、前記設定位置の範囲を越えてアキシアル方向において相対的移動をする際に専ら弾性変形することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記固定要素（ＦＥ）が、全周に亘って延在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記固定要素（ＦＥ）が、平坦部分を螺旋状に巻くことによって構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記装置が、第２の固定式シール要素（ＳＳＥ）を備えており、
   前記第２の固定式シール要素（ＳＳＥ）が、ロータ肩部（ＲＳＤ）に接触した状態おいて前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）を前記ロータ（Ｒ）に対して密閉しており、アキシアル方向においてプレストレス力（ＡＳＦ）を前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）に作用させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記固定要素（ＦＥ）が、前記設定位置を越えたアキシアル方向における相対的変位の反対方向のアキシアル方向復元力（ＢＦ）を発生させるように弾性的とされ、
   前記アキシアル方向における復元力（ＢＦ）が、前記第２の固定式シール要素（ＳＳＥ）のアキシアル方向における前記プレストレス力（ＡＳＦ）より大きいことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記固定要素（ＦＥ）が、平坦な鋼材から螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 前記平坦な鋼螺旋の材料が、酸性ガスに対する耐性を有していることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記第１の沈降部（ＳＲＤ）及び／又は前記第２の沈降部（ＲＳＤ）のアキシアル方向の境界が、一のラジアル方向突起によって周の少なくとも一部分に亘って両側に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記固定要素（ＦＥ）が、前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）及び前記ロータ（Ｒ）が前記設定位置の範囲内において互いに対して位置している場合に、ラジアル方向において弾性的に変形しており、
    これにより、前記第１の沈降部（ＳＲＤ）及び前記第２の沈降部（ＲＳＤ）の表面に対して垂直な力が、前記表面と前記固定要素（ＦＥ）との間に摩擦力を発生させ、前記摩擦力が、動作の際に発生するトルクを前記回転式ロータ側シールリング（ＲＳＲ）から前記ロータ（Ｒ）に伝達させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。

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