JP2017020412A - 流体機械および軸封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の漏洩を防止するための軸封装置の耐久性を高め、耐久性のある流体機械を提供する。【解決手段】流体機械は、ケーシング３１ａ、３１ｂと、ケーシング内に収容される羽根車２１ａと、羽根車２１ａを回転させる主軸１１と、羽根車２１ａまたは主軸１１の回転部とケーシング３１ａ、３１ｂの固定部との対向部位の間隙をシールする非接触環状シール４１、４３とを備え、回転部および固定部の少なくとも一方に、耐摩耗性を高める表面処理部が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、流体と機械の間でエネルギー変換をする流体機械に関し、特に、流体機械における軸封装置の構造に関する。

液体を移送するポンプ等の流体機械は、発電、化学プロセス、下水道、上水道、など各種のプラントや設備に幅広く使用されている。ポンプは、ケーシング内部に羽根車を装着した回転軸が、軸受により回転自由に支持されている。そして、吸込口から吸込まれた液体を、羽根車の回転により昇圧し、吐出口から吐出させる。ポンプ内部の流路において、固定部（ケーシング）と回転部（回転軸及び回転体）との僅かな隙間はシールされ、昇圧された液体の低圧側への漏洩が少なくなるようにしている（特許文献１）。これは、高圧側から低圧側への流体の漏洩が、ポンプ等の流体機械の効率を低下させる大きな要因となるからである。

流体機械のシールには、接触シールと非接触シールとがある。流体機械のシールは、流体機械の性能及び効率等を考慮しながら何れかの方法を採用している。接触シールは、メカニカルシールに代表されるように、摺動面を有し潤滑油を必要とするが、漏れは少ない。非接触シールは、メカニカルシールと比べると軸封効果が劣るが、摺動面がなく潤滑油を必要としないと言う大きな長所がある。

非接触シールとしては、フランジ面に溝を設けた溝シール、フランジ面に複数の凹部を形成したダンパーシール、軸にネジを切ったビスコシール、フランジ面と軸の双方に凹凸を設けてラビリンス通路を形成したラビリンスシールなどがある。溝シールやダンパーシールは、シールの段差によって膨張、収縮を繰り返し、圧力段差をつくってシールする。ビスコシールはネジ効果によって流体を圧縮し、高圧域を作りシールする。ラビリンスシールは、流体が高圧側から狭い隙間を通って広い隙間に入る過程でエネルギーを消失させる。

特開２０１４−２１９０２３

上述した非接触シールにおいては、フランジ面と軸とのクリアランスは、非常に小さいことが求められる。このため、取り扱い液に含まれる砂などの不純物によるシール表面の摩耗が懸念される。特に、上で例示した非接触シールは、流体の膨張・圧縮を繰り返す構造であるため、高い圧縮力が生じるシールの段差部での砂などの不純物による挙動は激しく、流体機械の長期の使用に伴って、段差部が摩耗してシールの効果が低減するおそれがある。
そこで、本発明は、耐久性のある流体機械および軸封装置を提供することを目的とする。

本発明の流体機械は、ケーシングと、前記ケーシング内に収容される回転体と、前記回転体を回転させる回転軸と、前記回転軸または前記回転体の回転部と前記ケーシングの固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置と、を備え、前記回転部と前記固定部の少なくとも一方に、耐摩耗性を高める表面処理が施されている。

このように回転部及び固定部の少なくとも一方に耐摩耗性を高める表面処理が施されていることにより、軸封装置の耐摩耗性を向上させ、流体機械の耐久性を高めることができる。また、軸封装置の全体を硬質材料で構成するのではなく、表面処理により耐摩耗性を高めることにより、コストを抑制することができる。

本発明の流体機械において、前記回転部または前記固定部は溝シールを有し、当該溝シールに耐摩耗性を高める表面処理が施されていてもよい。溝シールに対して耐摩耗性を高める表面処理を行うことにより、溝の摩耗を防ぎ、長期に亘ってシール効果を発揮させることができる。

本発明の流体機械において、前記回転部はビスコシールを有し、当該ビスコシールに耐摩耗性を高める表面処理が施されていてもよい。ビスコシールに対して耐摩耗性を高める表面処理を行うことにより、ビスコシールのネジ溝の摩耗を防ぎ、ビスコシールのポンピング効果を長期に亘って発揮させることができる。

本発明の流体機械において、前記回転部または前記固定部はダンパーシールを有し、当該ダンパーシールに耐摩耗性を高める表面処理が施されていてもよい。ダンパーシールに対して耐摩耗性を高める表面処理を行うことにより、凹凸の摩耗を防ぎ、長期に亘ってシール効果を発揮させることができる。

本発明の流体機械において、前記回転部および前記固定部はラビリンスシールを構成してもよい。ラビリンスシールに対して耐摩耗性を高める表面処理を行うことにより、ラビリンス通路の摩耗を防ぎ、ラビリンス通路によってエネルギーを消失させる効果を長期に亘って発揮させることができる。

本発明の流体機械において、前記表面処理は、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理であってもよい。また、前記表面処理の厚さは、好ましくは５０μｍ以上、１５０μｍ以下であり、さらに好ましくは８０μｍ以上、１２０μｍ以下である。

本発明の流体機械はポンプであり、前記回転体は羽根車であってもよい。羽根車を有するポンプに対して、本発明の構成を適用することにより、流体の漏洩によるポンプ効率の低下を長期に亘って防止することができる。

本発明の軸封装置は、流体機械の回転部と固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置であって、前記回転部と前記固定部の少なくとも一方に、耐摩耗性を高める表面処理が施されている。

このように回転部と固定部の少なくとも一方に耐摩耗性を高める表面処理が施されていることにより、軸封装置の耐摩耗性を向上させ、流体機械の耐久性を高めることができる。また、軸封装置の全体を硬質材料で構成するのではなく、シール部材の表面処理により耐摩耗性を高めることにより、コストを抑制することができる。

本発明によれば、流体の漏洩を防止するための軸封装置の耐久性を高め、流体機械の耐久性を高めることができる。

第１の実施の形態のポンプの構成を示す図である。 図１に示すポンプの１段目羽根車の拡大図を示す図である。 第１の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。 羽根車に適用された軸封装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。 第３の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。 第４の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。 本実施の形態の変形例に係る軸封装置の構成を示す図である。 本実施の形態の変形例に係る軸封装置の構成を示す図である。 本実施の形態の変形例に係る軸封装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る流体機械について、ポンプを例として取り上げ、図面を参照して説明する。以下では、多段遠心ポンプを例として説明するが、本発明の流体機械は、多段遠心ポンプに限られず、斜流ポンプ、軸流ポンプ等であってもよい。また、段数についても、多段に限られず、単段ポンプであってもよい。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態に係る高圧ポンプ１を示す断面図である。この高圧ポンプ１は、電動機に連結されて回転する主軸１１と、主軸１１に嵌合されてこの主軸１１と共に回転する羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃと、羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃを収容するケーシング３１と、ケーシング３１に取り付けられて、主軸１１を回転自在に支持する軸受４０とを備えている。この高圧ポンプ１を回転駆動するための電動機（図示略）は、主軸１１の左端に嵌合されたカップリング１３を介して連結される。

主軸１１に締結された１段目羽根車２１ａは、主軸１１の回転に伴って回転し、吸込み口３３から流体を高圧ポンプ１内へと導く。１段目羽根車２１ａにより昇圧された流体は、第１流路３５ａを通り、２段目羽根車２１ｂへと導かれる。２段目羽根車２１ｂによって昇圧された流体は、第２流路３５ｂを通過し３段目羽根車２１ｃへと導かれる。流体は３段目の羽根車２１ｃで更に昇圧されて、吐出し口３７より吐出され、図示していない配管によって移送される。流体は、１段目羽根車２１ａ、２段目羽根車２１ｂそして３段目羽根車２１ｃによって昇圧される。

各羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃの吸込側と吐出側には、必ず低圧側と高圧側が生じる。高圧側と低圧側が生じると、僅かな隙間を通して、高圧側から低圧側へ一部の流体は漏洩しようとする。つまり、ケーシング３１と羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃとの隙間を通って、高圧側から低圧側への液体の流れが生じる。液体の漏洩量が多ければポンプ効率は低下するので、流体の漏洩を防止することが望ましい。ポンプ１には、流体の漏洩を抑制するために、円で囲んだ部位に、非接触環状シールが設けられている。

図２は、図１に開示した羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃの内の、１段目羽根車２１ａの拡大図を示す。ポンプ１における流体の漏洩箇所は主に、羽根車吸込口２３の外周面とケーシング３１との対向部位Ｘと、羽根車２１ａの背面の外周面とケーシング３１との対向部位Ｙである。これら各対向部位Ｘ，Ｙに形成される隙間に、本実施形態に係る非接触環状シール４１、４３が設置される。このシール４１、４３によって、流体の漏洩を低減させる軸封装置が構成される。

図２を用いて流体の漏洩のメカニズムを説明する。主軸１１に嵌合された羽根車２１ａは、主軸１１が回転すると同時に回転して、羽根車吸込口２３から流体を吸い込む。吸い込まれた流体は、回転する羽根によってエネルギーを与えられ、流路内で高圧となり吐出される。吐出された高圧の流体は、多段ポンプであればケーシング３１の流路を流れ、次の２段目羽根車２１ｂに移送される。単段ポンプ（図示略）の場合であれば、ケーシングの流路を通り吐出配管へと導かれる。勿論、多段ポンプであっても最終段の羽根車であれば、ケーシング３１の流路から吐出し配管へと導かれる。しかし、高圧側の吐出口２５から流れ出る流体のごく一部は、羽根車２１ａとケーシング３１との間の僅かな間隙から、低圧側に流れ出る。流れ出た流体は漏洩流体であり、当然ながらポンプ１の効率を低下させる。

ポンプの効率を低下させないために、本実施の形態の高圧ポンプ１は、図２に示すように、回転部としての羽根車２１ａと固定部としてのケーシング３１の間隙に、非接触環状シール４１を設け、また、回転部としての主軸１１と固定部としてのケーシング３１との間隙に非接触環状シール４３を設けて隙間を狭くし、漏洩流量を少なくする工夫をしている。

図３は、対向部位Ｙにおける非接触環状シール４３の一部を拡大して示す図である。ケーシング３１、つまり固定側の非接触環状シール４３ｂには、複数の溝４３ｃが切ってある。この溝４３ｃの段差によって流体の膨張、収縮を繰り返し、圧力段差によって高圧側からの流体の漏洩をシールする。非接触環状シール４３ｂの表面には、硬質材料からなる表面処理部４４が形成されている。表面処理部４４の厚さは５０μｍ〜１５０μｍであり、好ましくは８０μｍ〜１２０μｍである。硬質材料としては、Ｃｒめっき、Ｎｉ−Ｗめっき、またはＷＣを用いることができる。非接触環状シール４３ｂに対して、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理を行うことによって、表面処理部４４が形成される。

図４は、対向部位Ｘにおける非接触環状シール４１の一部を拡大して示す図である。対向部位Ｘにおいても、対向部位Ｙと同様に、ケーシング３１、つまり固定側の非接触環状シール４１ｂには、複数の溝４１ｃが切ってある。また、非接触環状シール４１ｂの表面には、硬質材料からなる表面処理部４４が形成されている。

このように本実施の形態では、非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの表面に硬質材料からなる表面処理部４４が形成されているため、高圧ポンプ１内を流れる流体中に含まれる不純物によるシール表面の摩耗を抑制することができる。これにより、長期に亘って溝の形状を維持し、シール効果を保持することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の高圧ポンプについて説明する。第２の実施の形態の高圧ポンプの基本的な構成は、第１の実施の形態の高圧ポンプ１と同じであるが（図１、図２参照）、非接触環状シール４１、４３の構造が異なる。

図５は、対向部位Ｙにおける非接触環状シール４３の一部を拡大して示す図である。主軸１１、つまり回転側の非接触環状シール４３ａには、ネジ４３ｄが形成されており、非接触環状シール４３は、いわゆるビスコシールを構成している。ビスコシールは、主軸１１が回転すると、ポンピング効果により流体を高圧側へ押し返し、高圧側からの流体の漏洩をシールする。非接触環状シール４３ａの表面には、硬質材料からなる表面処理部４４が形成されている。表面処理部４４の厚さは５０μｍ〜１５０μｍであり、好ましくは８０μｍ〜１２０μｍである。硬質材料としては、Ｃｒめっき、Ｎｉ−Ｗめっき、またはＷＣを用いることができる。非接触環状シール４３ａに対して、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理を行うことによって、表面処理部４４が形成される。なお、対向部位Ｘにおける非接触環状シール４１も同様の構成を有している。

このように本実施の形態では、非接触環状シール４３ａの表面に硬質材料からなる表面処理部４４が形成されているため、高圧ポンプ内を流れる流体中に含まれる不純物によるシール表面の摩耗を抑制することができる。これにより、長期に亘ってネジの形状を維持し、シール効果を保持することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の高圧ポンプについて説明する。第３の実施の形態の高圧ポンプの基本的な構成は、第１の実施の形態の高圧ポンプ１と同じであるが（図１、図２参照）、非接触環状シール４１、４３の構造が異なる。

図６（ａ）は、対向部位Ｙにおける非接触環状シール４３の一部を拡大して示す図である。ケーシング３１、つまり固定側の非接触環状シール４３ｂには、複数の凹部４３ｅが形成されている。図６（ｂ）は、非接触環状シール４３ｂに形成された複数の凹部４３ｅを示す図である。図６（ｂ）に示すように、凹部４３ｅは円形の形状を有している。なお、凹部４３ｅの形状は円形状に限られず、例えば、六角形状であってもよい。第３の実施の形態の非接触環状シール４３は、いわゆるダンパーシールを構成している。

ダンパーシールは、凹部４３ｅの段差によって流体の膨張、収縮を繰り返し、この圧力段差によって高圧側からの流体の漏洩をシールする。非接触環状シール４３ａの表面には、硬質材料からなる表面処理部４４が形成されている。表面処理部４４の厚さは５０μｍ〜１５０μｍであり、好ましくは８０μｍ〜１２０μｍである。硬質材料としては、Ｃｒめっき、Ｎｉ−Ｗめっき、またはＷＣを用いることができる。非接触環状シール４３ｂに対して、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理を行うことによって、表面処理部４４が形成される。なお、対向部位Ｘにおける非接触環状シール４１も同様の構成を有している。

このように本実施の形態では、非接触環状シール４３ｂの表面に硬質材料からなる表面処理部４４が形成されているため、高圧ポンプ内を流れる流体中に含まれる不純物によるシール表面の摩耗を抑制することができる。これにより、長期に亘って凹部４３ｅの形状を維持し、シール効果を保持することができる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態の高圧ポンプについて説明する。第４の実施の形態の高圧ポンプの基本的な構成は、第１の実施の形態の高圧ポンプと同じであるが（図１、図２参照）、非接触環状シール４１、４３の構造が異なる。

図７は、対向部位Ｙにおける非接触環状シール４３の一部を拡大して示す図である。ケーシング３１側と、主軸１１側の双方に溝が形成され、双方の溝が僅かなクリアランスを介して噛み合うように構成されている。これにより、非接触環状シール４３ａと非接触環状シール４３ｂとの間にラビリング通路４３ｆが形成される。第４の実施の形態の非接触環状シール４３は、いわゆるラビリンスシールを構成している。

ラビリンスシールは、流体が高圧側から狭い隙間を通って広い隙間に入る過程でエネルギーを消失させることにより、流体の漏洩をシールする。非接触環状シール４３ａ、非接触環状シール４３ｂの表面には、硬質材料からなる表面処理部４４が形成されている。表面処理部４４の厚さは５０μｍ〜１５０μｍであり、好ましくは８０μｍ〜１２０μｍである。硬質材料としては、Ｃｒめっき、Ｎｉ−Ｗめっき、またはＷＣを用いることができる。非接触環状シール４３ａ，４３ｂに対して、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理を行うことによって、表面処理部４４が形成される。なお、対向部位Ｘにおける非接触環状シール４１も同様の構成を有しているが、第１の実施の形態における対向部位Ｙ（図３）と対向部位Ｘ（図４）と同様の関係であるため、説明を省略する。

このように本実施の形態では、非接触環状シール４３ａ及び非接触環状シール４３ｂの表面に硬質材料からなる表面処理部４４が形成されているため、高圧ポンプ内を流れる流体中に含まれる不純物によるシール表面の摩耗を抑制することができる。これにより、長期に亘ってラビリンス通路４３ｆの形状を維持し、シール効果を保持することができる。

（変形例）
上記した実施の形態では、種々のシール構造において、凹凸を持つ側の表面に硬質材料からなる表面処理部４４を施した例について説明したが、凹凸のない側の表面に表面処理部４４を施してもよい。図８は、第１の実施の形態で説明した溝シールの非接触環状シール４３の例を示す図である。図８に示すように、凹凸のない主軸１１側に表面処理部４４を設けてもよい。

また、上記した第１乃至第３の実施の形態で説明した溝シール、ビスコシール、ダンパーシールを適宜組み合わせてもよい。図９は、非接触環状シール４３の一部を拡大して示す拡大図である。主軸１１側の非接触環状シール４３ａにネジ４３ｄが形成され、ケーシング３１側の非接触環状シール４３ｂに溝４３ｃが形成されている。このようにビスコシールと溝シールの２つのシール構造を組み合わせることにより、シール効果を高めることができる。そして、これらのシールに表面処理部４４を備えることで、長期に亘って、シール効果を維持することができる。

図１０は、非接触環状シールの別の例を示す図である。主軸１１側の非接触環状シール４３ａにネジ４３ｄが形成され、ケーシング３１側の非接触環状シール４３ｂに凹部４３ｅが形成されている。ネジ４３ｄによって構成されるビスコシールは、主軸１１が回転すると、ポンピング効果により流体を高圧側へ押し返し、軸封特性に優れている。凹部４３ｅで構成されるダンパーシールは、ネジ溝シールでは低減できない振動を振動減衰効果によって低減させることができ、振動特性に優れている。このように、ビスコシールとダンパーシールとを組み合わせることにより、軸封特性を良くして揚水性能を高めると共に振動特性を良くして安定的な運転が可能になる。そして、これらのシールに表面処理部４４を備えることで、長期に亘って、シール効果を維持することができる。

本発明は、流体と機械の間でエネルギー変換をする流体機械等として有用である。

１１ 主軸
１３ カップリング
２１ａ １段目羽根車
２１ｂ ２段目羽根車
２１ｃ ３段目羽根車
２３ 羽根車吸込口
３１ ケーシング
３３ 吸込み口
３５ａ、３５ｂ 流路
３７ 吐出し口
４１、４３ 非接触環状シール
４１ｃ、４３ｃ 溝
４３ｄ ネジ
４３ｅ 凹部
４３ｆ ラビリンス通路

Claims (10)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内に収容される回転体と、
   前記回転体を回転させる回転軸と、
   前記回転軸または前記回転体の回転部と前記ケーシングの固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置と、
   を備え、
   前記回転部と前記固定部の少なくとも一方に、耐摩耗性を高める表面処理が施されている流体機械。
2. 前記回転部または前記固定部は溝シールを有し、当該溝シールに耐摩耗性を高める表面処理が施されている請求項１に記載の流体機械。
3. 前記回転部はビスコシールを有し、当該ビスコシールに耐摩耗性を高める表面処理が施されている請求項１または２に記載の流体機械。
4. 前記回転部または前記固定部はダンパーシールを有し、当該ダンパーシールに耐摩耗性を高める表面処理が施されている請求項１乃至３のいずれかに記載の流体機械。
5. 前記回転部および前記固定部はラビリンスシールを構成している請求項１に記載の流体機械。
6. 前記表面処理は、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理である請求項１乃至５のいずれかに記載の流体機械。
7. 前記表面処理の厚さは、５０μｍ以上、１５０μｍ以下である請求項１乃至６のいずれかに記載の流体機械。
8. 前記表面処理の厚さは、８０μｍ以上、１２０μｍ以下である請求項１乃至６のいずれかに記載の流体機械。
9. 前記流体機械はポンプであり、
   前記回転体は羽根車である請求項１乃至８のいずれかに記載の流体機械。
10. 流体機械の回転部と固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置であって、
    前記回転部と前記固定部の少なくとも一方に、耐摩耗性を高める表面処理が施されている軸封装置。

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