JP2022530231A

JP2022530231A - 特に高温媒体に用いるメカニカルシール装置、及びポンプ装置

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Publication number: JP2022530231A
Application number: JP2021563634A
Authority: JP
Inventors: オーバータナー，キリアン; バウアー，ヨハネス; ゲルグ，ヨーゼフ; レディッグ，ステファン; キールマイヤー，ヨーゼフ; ラップ，クリストフ
Original assignee: イーグルブルクマンジャーマニーゲセルシャフトミトベシュレンクテルハフツングウントコンパニーコマンディトゲゼルシャフト
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: US11619307B2; EP3963235B1; JP7320075B2; EP3963235A1; WO2020221489A1; US20220221060A1; CN113785146A; DE102019206205B3; MX2021013103A

Abstract

【解決手段】本発明は、回転部品（２１）をシールするためのメカニカルシール装置に関し、該メカニカルシール装置は、回転摺動リング（３）及び固定摺動リング（４）を有し、これらのシール面（３ａ，４ａ）間にシールギャップ（５）が画定されている摺動リングシール（２）と、回転摺動リング（３）に隣接して配設された再循環搬送部（７）と、を備え再循環搬送部（７）が、再循環された流体を冷却するための冷却装置（２０）が配設された再循環路（１９）と、再循環ロータ（８）と、中空円筒状ハウジング（９）と、を備え、再循環路（１９）は、摺動リングシール（２）のシールギャップ（５）の領域における空洞（６）に至り、中空円筒状ハウジング（９）は、内殻面（１１）及び外殻面（１２）を備え、外殻面（１２）には搬送部流路（１０）が設けられ、該搬送部流路（１０）は、始点部（１３）から終点部（１４）まで前記外殻面（１２）に沿って形成され、搬送部流路（１０）の始点部１３は、離間ウェブ（１５）により、終点部（１４）から離間しており、中空円筒状ハウジング（９）には、内殻面（１１）から搬送部流路（１０）に開口する複数の供給開口（１６）が設けられ、終点部（１４）には、出口開口（１７）が１つ設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、特に高温媒体に用いるメカニカルシール装置、及びこのようなメカニカルシール装置を有するポンプ装置に関する。

メカニカルシール装置は、様々な構成のものが従来技術として知られている。メカニカルシールにおける各摺動リングの領域では、動作時に熱が生じることがあり、極端なケースでは、摺動リングが損傷する、又はその耐用寿命が短くなることがある。各摺動リングにおける温度を低下させるには、冷却されたシール媒体が用いられ、これを摺動リング、特にシールギャップ内に供給する。これにより、各摺動リングにおける温度を低下させることができる。しかし、これには、バリア流体系を追加的に組み込むという、大掛かりな構造的作業を要するという欠点がある。メカニカルシール装置を、例えば、発電所における用途等で高温媒体に対して用いる場合には、発熱の問題は更に増える。

このため、本発明は、特に高温媒体をシールするためのメカニカルシール装置であって、簡素且つ簡易な設計及び低コストの製造性で、温度によるメカニカルシールの損傷を回避可能なメカニカルシール装置を提供することを目的とする。更に、本発明は、高温媒体の搬送に特に適したポンプ装置であって、本発明に係るメカニカルシール装置を用いてポンプ装置のポンプをシール可能なポンプ装置を提供することも目的とする。

上記の目的は、請求項１の特徴を有するメカニカルシール装置、又は請求項１１の特徴を有するポンプ装置によって達成される。それぞれの従属請求項は、本発明の好適な更なる実施形態を示している。

請求項１の特徴を有する本発明に係るメカニカルシール装置には、メカニカルシールの冷却の大幅な向上が可能になるという利点がある。更に、シール回路が別途必要にならないため、メカニカルシール装置の設計及び製造が大幅に簡素化される。特に、追加的な冷却媒体を含むシール回路における追加的な循環ポンプを省略することができるため、循環ポンプを省くことに加えて、メカニカルシール装置の動作時に要するエネルギーを低減することもできる。本発明によれば、これは、回転摺動リング及び固定摺動リングを備え、これらのシール面間にシールギャップが画定されているメカニカルシール装置によって実現される。更に、回転摺動リングに隣接して配設された再循環搬送部が設けられている。再循環搬送部は、循環された流体を冷却するために冷却装置が配設された再循環路に流体を搬送する。再循環路は、再循環搬送部から、メカニカルシールのシールギャップに配設された空洞に至る。これにより、低温の媒体が各摺動リングに供給される。再循環搬送部は、回転再循環ロータ及び中空円筒状ハウジングを備える。再循環ロータは、例えば、軸又は該軸に取り付けられたスリーブ等の回転部品に接続されている。再循環搬送部のハウジングは、内殻面及び外殻面を有し、外殻面には搬送部流路が設けられている。搬送部流路は、始点部及び終点部を備え、外殻面に沿って周方向に形成されている。始点部と終点部とは、離間ウェブにより互いに離間している。したがって、搬送部流路は周方向に閉じてはおらず、始点領域と終点領域とは、離間ウェブが仕切りとなるため、周方向に連通していない。更に、ハウジングの内殻面から搬送部流路に開口する複数の供給開口が設けられている。更に、搬送部流路の終点部には、出口開口が１つ設けられている。

このため、流体は、再循環搬送部によって、ハウジングの内側面から各供給開口を介して搬送部流路に搬送され、搬送部流路からは、冷却装置に向かって、出口開口を介して再循環路に搬送される。流体が冷却装置で冷却された後、冷却済みの流体は、摺動リングシールのシールギャップにおける空洞に導かれ、これに隣接して位置する各摺動リングを略冷却する。これによって、各摺動リングの摩耗が減って、摺動リング及びメカニカルシール全体の耐用寿命が大幅に伸びる、即ち、交換間隔を長くできる。本発明に係るメカニカルシール装置は、例えば、高温媒体を使用する発電所での用途や工業用途において、高温媒体をシールすることに特に適している。

再循環搬送部のハウジングにおける出口開口は、メカニカルシール装置の軸方向に向けられていることが好ましい。これにより、メカニカルシール装置の構造が特に簡素及び簡易になり、特に径方向において小さな設計が可能になる。この結果、例えば、発電所等におけるポンプのハウジングに、メカニカルシール装置を簡素且つ容易に取り付けることが可能になる。

本発明の他の好適な実施形態によれば、再循環搬送部のハウジングにおける搬送部流路の幅は、始点部を始点として終点部まで広がる。搬送部流路の幅は、連続的に広がることが特に好ましい。或いは、搬送部流路の幅は、始点部から終点部までステップ状、好ましくは同一の等しいステップ状に広がる。ハウジングには、その周囲に沿って複数の供給開口が設けられているため、動作時において、搬送部流路の領域における流体の圧力レベルは、概ね一定に維持される。これは、搬送部流路の幅が広がることによって圧力が実際に上昇するが、複数の位置から供給装置を介して連続的に供給することで、圧力レベルが再度低下する。

最高の搬送性能を実現するために、搬送部流路に開口する複数の供給開口は、メカニカルシール装置の軸方向に対して鋭角αで傾斜している。

再循環搬送部の再循環ロータは、複数の羽根を備えていることが特に好ましい。各羽根は、弓状の中空円筒状の部位であると、これらを特に簡易且つ安価に製造できるため、好ましい。各羽根は、再循環搬送部のハウジングにおける供給開口の径方向の内側に、その一部が配設されていることが更に好ましい。

動作時に結果的に生じる振動を避けるため、循環ロータの羽根の数は、供給開口の数の倍数にはなっていない。即ち、羽根の数は、供給開口の数と同一ではなく、２倍、３倍…でもない。例えば、５個の供給開口に対し、９枚の羽根が設けられる。これによって、動作時の振動が大幅に減少するため、メカニカルシールの耐用寿命を更に長くすることができる。再循環搬送部が最高の搬送性能を実現するために、ハウジングにおける全ての供給開口の中心点は、メカニカルシールの中心軸に対して垂直な第１平面に位置していることが好ましい。

再循環搬送部のハウジングにおける搬送部流路は、搬送部流路が、メカニカルシールの中心軸Ｘ－Ｘに対して垂直な第２平面に位置する第１壁を備えるように形成されていることが更に好ましい。

出口開口の始点は、軸方向に対して垂直な第３平面に位置していることが好ましい。この場合、第２平面と第３平面との間の第１距離は、第２平面と第１平面との間の第２距離の少なくとも２倍である。これにより、供給開口が位置する第１平面と、出口開口の始点がある平面との間の距離がより大きくなる。したがって、再循環搬送部の搬送性能が更に向上する。

更に、本発明は、ポンプロータを有するポンプと、本発明に係るメカニカルシール装置とを備えるポンプ装置に関する。

ポンプ装置は、メカニカルシール装置が、ポンプのハウジング部の径方向内側に配設されるように設計されていることが好ましい。これにより、メカニカルシール装置をポンプのポンプロータに特に直に隣接して配置できるため、特に構造の軸方向の長さが短くなる。再循環搬送部は、メカニカルシール上に直接配設され、且つ、特にメカニカルシールの径方向において特に平坦な設計を有し、また、本発明に係るメカニカルシール装置を設置済みのポンプのハウジングに簡素且つ簡易に組み込むことができるため、本発明に係るメカニカルシール装置を用いて、既存のポンプを容易に改良することも可能である。

上記のポンプ装置は、例えば、発電所の用途等における高温で供給される水といった高温媒体の圧送用に設計されていることが好ましい。

以下、本発明の好適な実施形態を、以下の添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の第１の好適な実施形態に係るメカニカルシール装置を有するポンプ装置の概略図である。図１のメカニカルシール装置の概略断面図である。図２の再循環搬送部のハウジングの概略斜視図である。図３のハウジングの概略側面図である。図３のハウジングの概略側面図である。図２の再循環搬送部の概略断面図である。本発明の第２の好適な実施形態に係るメカニカルシール装置を有するポンプ装置のハウジングの概略図である。

以下、図１～図６を参照して、本発明の第１の好適な実施形態に係るメカニカルシール装置１を有するポンプ装置３０を説明する。

図１に示すように、ポンプ装置３０は、ポンプ３１と、大気３６に対してポンプ３１の流体室３４をシールするメカニカルシール装置１とを駆動軸２１上に備える。

ポンプ３１は、ポンプハウジング３３内に配設されたポンプロータ３２を備える。流体室３４は、駆動軸２１とポンプハウジング３３との間のギャップ３５を介して、メカニカルシール装置１が配設された受入室３７に接続されている。

メカニカルシール装置１は、図２で詳細に確認できる。本明細書において、メカニカルシール装置１は、メカニカルシール２及び再循環搬送部７を備える。

メカニカルシール２は、回転摺動リング３及び固定摺動リング４を備え、これらのシール面３ａ，４ａ間にシールギャップ５が画定されている。回転摺動リング３は、例えば圧嵌を用いて、駆動軸２１に押圧されたスリーブ２２に固定されている。

再循環搬送部７は、スリーブ２２に固定された再循環ロータ８と、中空円筒状ハウジング９とを備え、再循環ロータ８は、中空円筒状ハウジング９の内側に配設されている。再循環搬送部７は、再循環された流体を冷却するために冷却装置２０が配設された再循環路１９（図１を参照）を更に備える。

再循環搬送部７の再循環ロータ８及び中空円筒状ハウジング９は、図３～図６において詳細に図示されている。循環ロータ８は、ハウジング９の内側に配設されており、複数の羽根８０を備える。本実施形態では、循環ロータ８は、図６に示すように、丁度９枚の羽根を有する。

中空円筒状ハウジング９は、内殻面１１及び外殻面１２を有する。図２から分かるように、循環ロータ８は、内殻面１１に対して僅かな間隔を置いて配設されている。外殻面１２には、搬送部流路１０が形成されている。搬送部流路１０の深さは、僅か数ミリである。

図３～図５から分かるように、搬送部流路１０は、始点部１３及び終点部１４を備える。本明細書において、始点部１３及び終点部１４は、離間ウェブ１５により、互いに離間している。このため、搬送部流路１０は、ハウジング９の外周の周方向全域に亘って位置しておらず、始点部１３は、終点部１４に対して１つの周方向にのみ接続している。これにより、周方向全域に延在する流路が設けられた場合に生じる搬送損失を回避できる。

流体を循環ロータ８から搬送部流路１０へ必ず搬送できるようにするために、複数の供給開口１６が中空円筒状ハウジング９に設けられている。一例としての本実施形態では、丁度５個の供給開口１６が設けられている。供給開口１６は、ハウジング９の内殻面１１を搬送部流路１０に接続する貫通開口である。このため、流体は、ハウジング９の径方向内側から、該ハウジングの径方向外側にある搬送部流路１０へ搬送される。

図２及び図３から特に分かるように、搬送部流路１０の終点部１４において、出口開口１７が１つ設けられている。出口開口１７は、軸方向に向けられている（図６を参照）。出口開口１７には、再循環路１９の始点となる第１開口９１に至る出口流路１８が接続されている。第１開口９１は、第１接続開口９３を介して出口流路１８に接続されている。第１開口９１は、第２ハウジング部９０内に配設されている。

そして、再循環路１９は、流体を冷却装置２０へ導く。そこから、流体は、第２開口９２まで到達する。第２開口９２も第２ハウジング部９０内に設けられている。図２から分かるように、第１開口９１及び第２開口９２は、互いに１８０°ずれて対向配置できる。流体は、第２開口９２から、第２接続開口９４及び別の接続流路９５を介してメカニカルシール上の空洞６に送られる。これにより、シールギャップ５及び２つの摺動リング３，４の領域に低温の流体を供給できるため、メカニカルシール２における温度は過度に高くことは不可能になる。

このように、本発明によれば、ポンプ３１によって搬送された流体は、メカニカルシール２の冷却にも用いられる。この場合、流体は、ギャップ３５を介して再循環搬送部７へ供給され、そこから、各供給開口１６及び搬送部流路１０を介して１つの出口開口１７へ誘導される。流体は、そこから再循環路１９を介して冷却装置２０に導かれて冷却された後、第２開口９２、第２接続開口９４、及び更なる接続流路９５を介して、メカニカルシール２上の空洞６に戻される。これにより、メカニカルシール２及びその構成要素における温度を、比較的低温に維持することが可能になる。

図４及び図５から特に分かるように、供給開口１６は、全ての供給開口１６の中心が、メカニカルシールの軸方向Ｘ－Ｘに対して垂直な第１平面Ｅ１に配設されるように設けられている。各供給開口１６は、搬送部流路１０の第１壁１０ａに対して直に隣接するように配置されている。

図５から分かるように、第１壁１０ａは、第１壁１０ａが軸方向Ｘ－Ｘに対して垂直な第２平面Ｅ２に設けられるように設けられている。一方、搬送部流路１０の第２壁１０ｂは、始点部１３を始点として終点部１４まで、搬送部流路１０のサイズが連続的に大きくなるように配設されている。更に、出口開口１７の始点は、軸方向Ｘ－Ｘに対して垂直な第３平面Ｅ３に位置している。本明細書において、第２平面Ｅ２と第３平面Ｅ３との間の第１距離Ｄ１は、第２平面Ｅ２と第１平面Ｅ１との間の第２距離Ｄ２の少なくとも２倍である。これにより、各供給開口１６と出口開口１７との間に十分に長い距離を確保できるため、再循環搬送部７の性能が更に向上する。

また、図６から更に分かるように、供給開口１６は、各供給開口１６の中心線Ｍが、メカニカルシール２の中心軸を始点とする径方向線Ｒに対して鋭角αに配設されるように設けられている。これにより、供給開口１６は、図６において矢印Ａで示す回転方向（搬送方向）に傾斜するため、搬送部流路１０の搬送性能が更に増加する。本明細書において、角度αは、全ての供給開口１６で同一である。

供給開口１６の数及び再循環ロータ８の羽根８０の数は、羽根の数が供給開口１６の偶数倍にならないように選択される。これにより、動作時に生じ得る振動を抑制できる。

各供給開口の断面の総和が、出口開口１７の断面と等しいことが更に好ましい。

再循環搬送部７を設けることで、更に、追加的な流体を用いる別途のバリア流体系を省略できつつも、メカニカルシール２の冷却を実現できる。このため、追加的な別途の循環ポンプを循環回路で動作させる必要がないことから、システムの投資コストを低減できると同時に、運用コストも大幅に低減される。冷却用の流体の再循環は、本発明の再循環搬送部７のみによって実施される。

図１から分かるように、再循環搬送部７は、ポンプ３１とメカニカルシール２との間に軸方向Ｘ－Ｘに配設されている。この場合、メカニカルシール装置１、特に再循環搬送部７は、ポンプハウジング３３内に配設されている。本発明に係る再循環搬送部７の設計は、例えば、既存のポンプを調節せずに、該ポンプを本発明に係るメカニカルシール装置１を用いて改良できるように、非常に平坦に設計とすることができる。本発明は、再循環搬送部７の一部とメカニカルシール２の一部とをポンプハウジング３３内に配設できるため、メカニカルシール装置１の軸方向Ｘ－Ｘにおける全長を比較的短く抑えることができるという別の利点もある。このため、メカニカルシール装置１は、ポンプの供給業者からは最大限に小さくすることが望まれている径方向の設置スペースに必要な条件も満たしている。

更に、本発明に係るメカニカルシール装置１は、入口と出口が一体化されている。このため、本発明によれば、ポンプの製造業者は、ポンプハウジング３１に対して冷却のための変更を加える必要がない。

以下、本発明の第２の好適な実施形態例に係るメカニカルシール装置１を、図７を参照して説明する。第２実施形態例は、第１実施形態例と略同一であり、技術的に同じ構成要素は同じ参照符号で示す。

図７から分かるように、第２実施形態例における搬送部流路１０は、第１実施形態例とは異なる幾何学的形状で形成されている。搬送部流路を連続的に広げるのではなく、搬送部流路１０を、始点部１３を始点として終点部１４までステップ状に広げるようにする。この場合、ステップ状に広がる第２壁１０ｃが設けられる。いずれの場合も、各ステップの周方向の長さは同じである。ステップ状の第２壁１０ｃにより、動作時において、流路１０における圧力の増加を非常に正確に定義できる。

他の点に関しては、第２実施形態例は第１実施形態例に対応しているため、上記の説明を参照できる。

１メカニカルシール装置
２メカニカルシール
３回転摺動リング
３ａ回転摺動リングのシール面
４固定摺動リング
４ａ固定摺動リングのシール面
５シールギャップ
６メカニカルシール上の空洞
７再循環搬送部
８再循環ロータ
９中空円筒状ハウジング
１０搬送部流路
１０ａ第１壁
１０ｂ第２壁
１０ｃステップ状に広がる第２壁
１１内殻面
１２外殻面
１３始点部
１４終点部
１５離間ウェブ
１６供給開口
１７出口開口
１８出口流路
１９再循環路
２０冷却装置
２１駆動軸
２２スリーブ
３０ポンプ装置
３１ポンプ
３２ポンプロータ
３３ポンプハウジング
３４流体室
３５ギャップ
３６大気
３７受入室
８０羽根
９０第２ハウジング部
９１第１接続部
９２第２接続部
９３第１接続開口
９４第２接続開口
９５追加的な接続開口
Ａ回転方向
Ｄ１第１距離
Ｄ２第２距離
Ｅ１第１平面
Ｅ２第２平面
Ｅ３第３平面
Ｍ供給開口の中心軸
Ｒ径方向線
Ｘ－Ｘ軸方向
α 鋭角

本発明の他の好適な実施形態によれば、再循環搬送部のハウジングにおける搬送部流路の幅は、始点部を始点として終点部まで広がる。搬送部流路の幅は、連続的に広がることが特に好ましい。或いは、搬送部流路の幅は、始点部から終点部までステップ状、好ましくは同一の等しいステップ状に広がる。ハウジングには、その周囲に沿って複数の供給開口が設けられているため、動作時において、搬送部流路の領域における流体の圧力レベルは、概ね一定に維持される。これは、搬送部流路の幅が広がることによって圧力が実際に上昇するが、複数の位置から供給開口を介して連続的に供給することで、圧力レベルが再度低下する。

Claims

回転部品（２１）をシールするためのメカニカルシール装置であって、
回転摺動リング（３）及び固定摺動リング（４）を有し、これらのシール面（３ａ，４ａ）間にシールギャップ（５）が画定されているメカニカルシール（２）と、
前記回転摺動リング（３）に隣接して配設された再循環搬送部（７）と、を備え
前記再循環搬送部（７）が、再循環された流体を冷却するための冷却装置（２０）が配設された再循環路（１９）と、再循環ロータ（８）と、中空円筒状ハウジング（９）と、を備え、
前記再循環路（１９）が、前記メカニカルシール（２）の前記シールギャップ（５）の領域における空洞（６）に至り、前記中空円筒状ハウジング（９）が、内殻面（１１）及び外殻面（１２）を備え、前記外殻面（１２）には搬送部流路（１０）が設けられ、該搬送部流路（１０）が、始点部（１３）から終点部（１４）まで前記外殻面（１２）に沿って形成され、
前記搬送部流路（１０）の前記始点部（１３）が、離間ウェブ（１５）により、前記終点部（１４）から離間しており、
前記中空円筒状ハウジング（９）には、前記内殻面（１１）から前記搬送部流路（１０）に開口する複数の供給開口（１６）が設けられ、
前記終点部（１４）には、出口開口（１７）が１つ設けられている、
ことを特徴とするメカニカルシール装置。
前記出口開口（１７）が、前記メカニカルシール装置の軸方向（Ｘ－Ｘ）に向けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
前記搬送部流路（１０）の幅が、前記始点部（１３）から前記終点部（１４）まで広がる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール装置。
前記搬送部流路（１０）が、前記始点部を始点として前記終点部まで、連続的に広がる又はステップ状に広がる、
ことを特徴とする請求項３に記載のメカニカルシール装置。
前記供給開口（１６）のそれぞれの中心軸（Ｍ）が、径方向線（Ｒ）に対して角度αで傾斜している、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
前記再循環ロータ（８）が、複数の羽根（８０）を備える、
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
前記羽根（８０）の数が、前記供給開口（１６）の数の偶数倍でない、
ことを特徴とする請求項６に記載のメカニカルシール装置。
全ての前記供給開口（１６）の中心が、軸方向（Ｘ－Ｘ）に対して垂直な第１平面（Ｅ１）に位置している、
ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
前記搬送部流路（１０）が、軸方向（Ｘ－Ｘ）に対して垂直な第２平面（Ｅ２）に位置する第１壁（１０ａ）を備える、
ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
前記排出開口（１７）の始点が、前記軸方向（Ｘ－Ｘ）に対して垂直な第３平面（Ｅ３）に位置しており、前記第２平面と前記第３平面との間の第１距離（Ｄ１）が、前記第２平面と前記第１平面との間の第２距離（Ｄ２）の少なくとも２倍である、
ことを特徴とする請求項９に記載のメカニカルシール装置。
ポンプロータ（３２）を有するポンプ（３１）と、請求項１～１０のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置（１）と、を備える、
ことを特徴とするポンプ装置。
前記メカニカルシール装置（１）が、ポンプハウジング（３３）の径方向内側に配設されている、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ装置。