JP2019518173A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】媒体分離用または減圧用ポンプのローターのメカニカルシールに関し、製品の各部および全体の加工性の向上に加えて、製品の信頼性を向上させる。【解決手段】多段構造のメカニカルシールでは各段において、ローターがシャフトの上に位置し、ステーターがローターに接触し、ばねの力で軸方向へ移動可能であり、ケーシングに対してＯリングで密封されて、高圧空間と低圧空間とを連通させる隙間を制限する。この隙間は、軸方向へ移動可能な段状のピストンとして機能するように設計されている。このピストンの大きい方の外径Ｄ2と小さい方の外径Ｄ1、およびステーターの内径Ｄ0は次式（１）を満たす：【数１】【選択図】図１

Description

本発明は媒体分離用または減圧用ポンプのローターのメカニカルシールに関し、特に、原子力発電プラントで使用される主循環ポンプに利用されるものに関する。

メカニカルシールとして知られているある構造（特許文献１参照）は、一連の作業段と最終段とが連続して設置された多段構造のメカニカルシールである。各段は、シャフトの上に位置するローターと、このローターには接触し、ケーシングにはＯリングで密封され、ばねの力で軸方向へ移動可能であって、高圧空間と低圧空間とを連通させる隙間を制限するステーターとを含む。ケーシングには、段形状を含む円筒形状の穴がシャフトの軸方向に空けられており、その内径の小さい側が高圧空間と連通し、大きい側が低圧空間と連通している。この低圧空間の中には、軸方向に移動可能な段形状のピストンが設置されており、外径の小さい端がステーターと相互作用できるように、上記の穴の内径の大きい側から小さい側までにわたって密封されている。この構造は、もしメカニカルシールのいずれかの段が開けば、ばねに加えて段形状のピストンの力でその段を強力に閉じる役割を果たす。

ロシア連邦特許第２０８４７３０号明細書

メカニカルシールの上記の構造の欠点は、補助的な機械構造、すなわちピストンが存在することにある。万一、このピストンの動きが、たとえば圧力の最も低い位置で妨げられた場合、シールの動作に影響する危険性がある。その結果、シールの摺動部材が破壊されかねない。メカニカルシールのこの構造にはまた、ピストンの動作に関する欠陥もある。ピストンが段形状である関係上、それが動作する際、その円筒形状の外径の大きい部分と小さい部分との端面が、対向する本体表面との間に形成する空間の容積が変化する。この空間は完全に密封されているので、その中に真空部分、または媒体の凝縮部分が生じ得る。この影響によりピストンは、その自由な移動が妨げられる結果、その正しい動作が阻まれる。

本発明の目的は次のとおりである。

−摺動部材の数を減らすことにより、メカニカルシールの信頼性を向上させる。

−製品の組み立てを簡単化し、部品数を削減することにより、加工性を向上させる。

特に、次の技術的効果を達成可能にする。

−メカニカルシールの保守作業に必要な時間を短縮させる。

−部品数の削減により、金属消費量を削減する。

この技術的効果を達成するという目的でメカニカルシールのある構造を提案する。この構造は上記の典型例とは次のように異なる。

多段構造のメカニカルシールは、連続して設置された作業段と最終段とを含む。各段は、シャフトの上に位置するローターと、このローターに接触している、ばねの力で軸方向へ移動可能なステーターとを含む。このステーターは、ケーシングに対してＯリングで密封されていると同時に、高圧空間と低圧空間とを連通させる隙間を制限している。ケーシングは外筒を各段に１個ずつ含む。この外筒の中には段状環とスラスト環とが連続して取り付けられている。スラスト環は、段状環とステーターとの間にばねを閉じ込める役割を果たす。ステーターとケーシングの段状環とは次のように設計されている。ステーターは、ゴムシールで密封され、軸方向へ移動可能な段形状のピストンの機能を実現する。それと共に、このピストンのうち、外径が小さい部分は高圧側、すなわちゴムシールよりも前方に位置し、外径が大きい第２部分は低圧側、すなわちゴムシールよりも後方に位置する。外径の小さい円筒部分から大きい円筒部分への移行領域においては、ステーターに対して減圧が行われる。すなわち、ステーターと対向する段状環のうち、ステーターのピストンに対向する円筒形状の外径の移行部分に貫通穴が空けられている。これにより、ステーターがどの位置にあっても、その低圧側の境界を越えない。この貫通穴は、ステーターが移動する際に空間の容積内に形成される真空と凝縮とを打ち消す役割を果たす。ケーシングの穴は外筒と段状環との間で、２本のゴム環に挟まれることにより、密封されている。

メカニカルシールの作用は次のとおりである。メカニカルシールの正常動作では、制限された隙間を通して各作業段に圧力が一部ずつ（隙間を通過する容量に依存する。）加わる。その結果、ステーターのピストンは、ゴムシールの前方からは次式（１）が表す力Ｆ₁を受け、後方からは次式（２）が表す力Ｆ₂を受ける。

ここで、Ｄ₁はピストンの小さい方の外径であり、Ｄ₀はステーターの内径であり、Ｐ₁はゴムシールの前方の圧力である。Ｄ₂はピストンの大きい方の外径であり、Ｐ₂はゴムシールの後方の圧力であり、前方の圧力Ｐ₁のｋ倍、ｋＰ₁に等しい。ｋ（０＜ｋ＜１）はステーターによって制限された隙間による圧力損失係数である。これらの力Ｆ₁、Ｆ₂は等しいはずであるので、ステーターは動作位置では、次式（３）が表すばねの力Ｄ₂しか受けない。

もしゴムシールが開けば、その後方の圧力Ｐ₂が前方の圧力Ｐ₁に等しくなるので、ピストンの表面にはゴムシールの後方から次式（４）が表す力Ｆ₂’が作用し始める。

この力Ｆ₂’はゴムシールの前方からの力Ｆ₁よりも強いので、ピストンを隙間が閉じる方向へ移動させる。ピストンのこの移動の間、その内側の空洞の容積変化を打ち消す目的で、ステーターを減圧させる領域、すなわち段状環の対向部分に位置する貫通穴は膨張槽に接続されている。

メカニカルシールの全体図（軸方向の断面図）である。

多段構造のメカニカルシールは外側に円筒形状のケーシング１０を含む。この中には、シャフト上に位置し、接触面１を含むローター３と、ばねの力で軸方向に移動可能であり、ローターとの接触面２を含むステーター４とに加え、段状環１１とスラスト環１２とが各段に１個ずつ、連続して設置されている。ステーター４とスラスト環１２との間にはばね１３が取り付けられており、接触面１、２の間に押圧力を与えている。ローター３、ステーター４、および段状環１１によって形成された高圧空間７は、ローター３、ステーター４、段状環１１、およびスラスト環１２の間に形成された低圧空間８と、ステーター４によって制限された隙間９で接続されている。高圧空間と低圧空間とはゴム環６によって分割されている。

ステーター４と段状環１１とは、軸方向に移動可能な段形状のピストンとしてステーターが機能するように設計されている。それと共に、このピストンのうち、外径が小さい部分は高圧側、すなわちゴム環よりも前方に位置し、外径が大きい第２部分は低圧側、すなわちゴム環よりも後方に位置する。外径の小さい円筒部分から大きい円筒部分への移行領域には、ステーターに対する減圧部１４が設けられている。すなわち、ステーター４と対向する段状環１１のうち、円筒形状の外径の移行部分に貫通穴１５が空けられている。これにより、ステーターがどの位置にあっても、その低圧側の境界を越えない。この貫通穴は、ステーター４が移動する際、ステーター４と段状環１１との間でゴム環６によって制限された空間の容積内に形成される真空と凝縮とを打ち消す役割を果たす。外筒１０と段状環１１との間の容積は２本のゴム環５で密封されている。

このメカニカルシールの作用は次のとおりである。メカニカルシールの正常動作では、制限された隙間９を通して各作業段に圧力が一部ずつ（隙間を通過する容量に依存する。）加わる。その結果、ステーター４のピストンは、高圧空間７の側からは次式（５）が表す力Ｆ₁を受け、低圧空間８の側からは次式（６）が表す力Ｆ₂を受ける。

ここで、Ｄ₁はピストンの小さい方の外径であり、Ｄ₀はステーターの内径であり、Ｐ₁は高圧空間側からの圧力である。Ｄ₂はピストンの大きい方の外径であり、Ｐ₂は低圧空間側からの圧力であり、高圧空間側からの圧力Ｐ₁のｋ倍、ｋＰ₁に等しい。ｋ（０＜ｋ＜１）はステーターによって制限された隙間による圧力損失係数である。これらの力Ｆ₁、Ｆ₂は等しいはずであるので、ステーター４は動作位置では、次式（７）が表すばね１３の力Ｄ₂しか受けない。

もしゴム環が開けば、高圧空間と低圧空間とでは圧力が等しくなるので、ピストンの表面には次式（８）が表す力Ｆ₂’が作用し始める。

この力Ｆ₂’は、ピストンを隙間が閉じる方向へ移動させる。

ステーター４の移動中、ステーター４と段状環１１との間でゴム環６によって制限された空間の容積内で生じる圧力変化を打ち消す目的で、その空間は貫通穴１５により、メカニカルシールを越えて膨張槽に接続されている。

Claims (2)

1. 連続して設置された複数の段を含むメカニカルシールであって、各段は、
   シャフトの上に位置するローターと、
   前記ローターに接触している、ばねの力で軸方向へ移動可能なステーターと、
   を含み、
   前記ステーターは、ケーシングに対してＯリングで密封されていると同時に、高圧空間と低圧空間とを連通させる隙間を制限しており、
   前記ケーシングは、段状環とスラスト環とが連続して組み合わされた外筒を各段に１個ずつ含み、前記段状環は、前記外筒には密封され、前記ステーターには対向しており、前記スラスト環は、前記段状環と前記ステーターとの間で前記ばねとして機能し、
   前記ステーターによって制限された隙間は、前記段状環に対して密封された、軸方向へ移動可能な段形状のピストンとして機能するように設計されており、それと共に、前記ピストンのうち、外径が小さい部分は高圧側、すなわち前記段状環に対するシールよりも前方に位置し、外径が大きい第２部分は低圧側、すなわち前記シールよりも後方で、かつ前記外筒の内側に位置し、
   前記外筒のうち、前記ステーターに対向する外径の移行領域において、前記段状環には貫通穴が空けられ、前記ケーシングとステーターとの隙間を膨張槽に連通させている
   ことを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記ステーターの内径と前記ピストンの外径とが次式（１）を満たすことを特徴する請求項１に記載のメカニカルシール：
   

   

   ここで、Ｄ₂は前記ピストンの大きい方の外径であり、Ｄ₁は前記ピストンの小さい方の外径であり、Ｄ₀は前記ステーターの内径であり、ｋは前記ステーターによって制限された隙間による圧力損失係数である。

Images