JP2023135955A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングに堰部材を設けなくても、フラッシング流体を容易に排出することができるメカニカルシールを提供する。【解決手段】メカニカルシール１は、回転軸７１に一体回転可能に設けられ回転密封環１３を有する回転側ユニット２と、ケーシング７２に設けられ機内領域７３に被密封流体を密封すべく回転密封環１３が摺動する静止密封環３５を有する静止側ユニット３と、を備える。回転側ユニット２は、ケーシング７２の排出口７２ｂ１に対向するリング外周面２３ａを有し、機内領域７３内のフラッシング流体をリング外周面２３ａに沿って回転軸７１の回転方向に流すポンピングリング２１を備える。静止側ユニット３は、リング外周面２３ａよりも径方向外側に配置され、リング外周面２３ａに沿って前記回転方向に流れるフラッシング流体の流れを、排出口７２ｂ１へ向かう径方向外方への流れに変更する堰部５１を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

火力発電所のボイラーに給水するポンプのように高圧・高温条件下で使用される軸封手段として、例えば特許文献１に示すメカニカルシールが知られている。かかるメカニカルシールは、図５に示すように、ケーシング１０１側に設けられた静止密封環１０２と、回転軸１０３側に設けられて静止密封環１０２に対して摺動する回転密封環１０４と、回転軸１０３と共に回転するポンピングリング１０５と、を備えている。ケーシング１０１は、機内領域にフラッシング流体を供給する供給路１０６と、機内領域のフラッシング流体を外部へ排出する排出路１０７と、排出路１０７の径方向内端において円環状に形成された円環路１０８と、円環路１０８に設けられた堰部材１０９と、を有している。

堰部材１０９は、図６（図５のＡ－Ａ矢視断面図）に示すように、円環路１０８において、排出路１０７よりも回転軸１０３（ポンピングリング１０５）の回転方向下流側へ少しずれた位置に配置されている。なお、便宜上、図６では堰部材１０９をクロスハッチングで示している。供給路１０６から機内領域に供給されたフラッシング流体は、静止密封環１０２と回転密封環１０４との摺動部付近を流れた後、ポンピングリング１０５によって円環路１０８に導かれる（図５参照）。円環路１０８に導かれたフラッシング流体は、回転軸１０３の回転方向に流れる。フラッシング流体の前記回転方向の流れは、堰部材１０９によって排出路１０７へ向かう径方向外方への流れに変更される（図６参照）。

特開２０１９－０６０４９７号公報

ケーシング１０１によっては、円環路１０８に堰部材１０９を設けることができない場合がある。この場合、ポンピングリング１０５によってフラッシング流体を円環路１０８に導いても、円環路１０８内のフラッシング流体が排出路１０７に流れ難くなる。その結果、供給路１０６から機内領域に供給されるフラッシング流体の流量が不足し、静止密封環１０２と回転密封環１０４との摺動部分がドライ摺動となる。ドライ摺動になると、前記摺動部分の摩耗が促進されたり、前記摺動部分が荒れて密封性能が低下したりすることで、メカニカルシールの寿命が極端に短くなるおそれがある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ケーシングに堰部材を設けなくても、フラッシング流体を容易に排出することができるメカニカルシールを提供することを目的とする。

（１）本開示のメカニカルシールは、回転軸に一体回転可能に設けられ、回転密封環を有する回転側ユニットと、前記回転軸を包囲しているケーシングに設けられ、当該ケーシング内の機内領域に被密封流体を密封すべく前記回転密封環が摺動する静止密封環を有する静止側ユニットと、を備え、前記回転側ユニットは、前記ケーシングの内周側に形成された排出口に対向するリング外周面を有し、前記機内領域に供給されたフラッシング流体を前記リング外周面に沿って前記回転軸の回転方向に流すポンピングリングを備え、前記静止側ユニットは、前記リング外周面よりも径方向外側に配置され、前記リング外周面に沿って前記回転方向に流れるフラッシング流体の流れを、前記排出口へ向かう径方向外方への流れに変更する堰部を備える。

上記メカニカルシールによれば、回転軸と共にポンピングリングが回転することにより、機内領域に供給されたフラッシング流体は、リング外周面に沿って回転軸の回転方向に流れる。フラッシング流体の前記回転方向の流れは、静止側ユニットの堰部によって、排出口へ向かう径方向外方への流れに変更される。これにより、リング外周面に沿って流れるフラッシング流体は、堰部によって排出口へ流れ易くなる。したがって、ケーシングに堰部材を設けなくても、静止側ユニットの堰部によって、フラッシング流体を排出口から容易に排出することができる。

（２）前記静止側ユニットは、前記静止密封環の外周面を支持するアダプタリングを備え、前記堰部は、前記アダプタリングの一部であるのが好ましい。
この場合、静止側ユニットに堰部を別途設ける必要がないので、静止側ユニットの構成を簡素化することができる。

（３）前記堰部における前記回転方向の上流側の端面は、径方向外側に向かうにしたがって、前記回転方向に向かって傾斜するテーパ面を有するのが好ましい。
この場合、堰部における前記回転方向の上流側の端面は、そのテーパ面によって、フラッシング流体の前記回転方向の流れを径方向外方への流れにスムーズに変更することができる。これにより、リング外周面に沿って流れるフラッシング流体は、さらに排出口へ流れ易くなる。

本開示によれば、ケーシングに堰部材を設けなくても、フラッシング流体を容易に排出することができる。

本開示の実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。 ポンピングリングとその周辺を示す拡大断面図である。 図２のＩ－Ｉ矢視断面図である。 堰部の変形例を示す断面図である。 従来のメカニカルシールの断面図である。 図５のＡ－Ａ矢視断面図である。

次に、本開示の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［全体構成］
図１は、本開示の実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。図１において、メカニカルシール１は、例えば火力発電所のボイラーに給水するポンプに用いられ、ポンプの内部においてボイラー水を被密封流体として密封するものである。メカニカルシール１は、ポンプの回転軸７１と、回転軸７１を包囲しているケーシング７２との間において、回転軸７１の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に沿って配置されている。

本実施形態のメカニカルシール１は、回転軸７１に一体回転可能に設けられた回転側ユニット２と、ケーシング７２に設けられた静止側ユニット３と、を備えている。なお、本明細書では、便宜上、図１の右側を軸方向一方側といい、図１の左側を軸方向他方側という（図２および図３についても同様）。

［回転側ユニット］
回転側ユニット２は、スリーブ１１、ストッパリング１２、回転密封環１３、補強環１４、およびポンピングリング２１を備えている。スリーブ１１は、回転軸７１の外周に嵌合して固定された円筒状のスリーブ本体１１ａと、スリーブ本体１１ａの軸方向他端部から径方向外側に延びる円板状のスリーブ板部１１ｂと、スリーブ板部１１ｂの径方向外端から軸方向一方側に延びる円筒状のスリーブ筒部１１ｃと、を有している。

スリーブ本体１１ａの軸方向一端部の内周には、その周方向の所定箇所にキー溝１１ｄが形成されている。キー溝１１ｄと回転軸７１の外周面と間にはキー部材１５が挿入されている。スリーブ本体１１ａの軸方向一方側における回転軸７１の外周には、キー部材１５が軸方向一方側に抜け出さないようにストッパリング１２が嵌め込まれている。

ストッパリング１２の軸方向他端部は、スリーブ本体１１ａの軸方向一端部の外周に嵌合されており、その嵌合部分にはセットスクリュー１６がストッパリング１２の径方向に締め込まれている。以上により、スリーブ１１は、回転軸７１に固定されている。スリーブ本体１１ａの軸方向他端部の内周面と回転軸７１の外周面との間は、Ｏリング１７によりシール（二次シール）されている。スリーブ板部１１ｂの軸方向他方側およびスリーブ筒部１１ｃの径方向外側には、ポンピングリング２１が配置されている。ポンピングリング２１の詳細については後述する。

スリーブ本体１１ａとスリーブ筒部１１ｃとの間には、回転密封環１３が配置されている。回転密封環１３の軸方向一方側の端面にはシール面１３ａが形成されている。回転密封環１３の外周面には、補強環１４が嵌合して固定されている。補強環１４は、スリーブ筒部１１ｃの内周側に挿入された状態で、ピン１９によりスリーブ筒部１１ｃに連結されている。スリーブ筒部１１ｃの内周面と回転密封環１３の外周面との間は、Ｏリング２０によりシール（二次シール）されている。スリーブ板部１１ｂの軸方向一方側の側面と回転密封環１３の軸方向他方側の端面との間は、Ｏリング２４によりシール（二次シール）されている。

［静止側ユニット］
静止側ユニット３は、シールケース３１、リテーナ３２、保持環３３、アダプタリング３４、および静止密封環３５を備えている。シールケース３１は、円環状に形成されている。シールケース３１の径方向外側部は、ケーシング７２の軸方向一方側の側面に当接した状態で、図示しないボルトによりケーシング７２に固定されている。シールケース３１の軸方向他方側の側面とケーシング７２の軸方向一方側の側面との間は、Ｏリング３７によりシール（二次シール）されている。シールケース３１の径方向内側部の軸方向他方側には、円環状の環状溝３１ａが形成されている。

リテーナ３２は、シールケース３１の環状溝３１ａに嵌め込まれた状態で、ボルト３８によりシールケース３１に固定されている。リテーナ３２の外周面と環状溝３１ａの内周面との間は、Ｏリング３９によりシール（二次シール）されている。リテーナ３２の軸方向他方側の外周には、保持環３３が軸方向に移動可能に取り付けられている。保持環３３の軸方向他方側の端面には押圧面３３ａが形成されている。

リテーナ３２と保持環３３との間には、スプリング４０が設けられている。スプリング４０は、リテーナ３２に対して保持環３３を軸方向他方側へ付勢している。保持環３３の内周面とリテーナ３２の外周面との間は、Ｏリング４１によりシール（二次シール）されている。

アダプタリング３４は、ケーシング７２内においてシールケース３１の軸方向他方側に配置されている。アダプタリング３４は、円筒状に形成されたアダプタ本体３４ａと、アダプタ本体３４ａの軸方向他端部から径方向外側に突出する円環状の突出部３４ｂと、突出部３４ｂに一体に形成された堰部５１と、を有している。

アダプタ本体３４ａの軸方向一端部は、ボルト３６によりリテーナ３２の外周に固定された状態で、シールケース３１の環状溝３１ａに嵌め込まれている。アダプタ本体３４ａの軸方向の途中部には、径方向に貫通する貫通孔３４ｃが形成されている。貫通孔３４ｃは、アダプタ本体３４ａの周方向に複数形成されている。突出部３４ｂの外周面は、ケーシング７２の内周面に嵌合されている。突出部３４ｂの外周面とケーシング７２の内周面との間は、Ｏリング４２によりシール（二次シール）されている。堰部５１の詳細については後述する。

静止密封環３５は、保持環３３と回転密封環１３との間に挟まれて保持されている。静止密封環３５の外周面は、球面状に形成されており、アダプタ本体３４ａの内周面に嵌合して支持されている。静止密封環３５の軸方向一方側には、保持環３３の押圧面３３ａに接触する押圧面３５ａが形成されている。これにより、静止密封環３５は、スプリング４０の付勢力により保持環３３を介して軸方向他方側に押圧されている。静止密封環３５における押圧面３５ａよりも径方向外側の側面と保持環３３の押圧面３３ａとの間は、Ｏリング４３によりシール（二次シール）されている。

静止密封環３５の軸方向他方側には、回転密封環１３のシール面１３ａが摺動するシール面３５ｂが形成されている。これにより、ケーシング７２内における回転密封環１３および静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂよりも径方向外側には、被密封流体が密封される機内領域７３が形成されている。静止密封環３５には、軸方向に貫通する連通孔３５ｃが形成されている。

［フラッシング流体の流路］
ケーシング７２には、回転密封環１３と静止密封環３５との摺動部（シール面１３ａ，３５ｂ）を冷却および潤滑するフラッシング流体の流路が形成されている。以下、回転密封環１３と静止密封環３５との摺動部を、摺動部１３ａ，３５ｂともいう。本実施形態のフラッシング流体は、被密封流体と同じ流体（ボイラー水）からなる。ケーシング７２には、前記流路として、供給路７２ａと、排出路７２ｂと、円環路７２ｃと、が形成されている。

供給路７２ａは、ケーシング７２の外部から機内領域７３にフラッシング流体を供給する流路である。供給路７２ａは、ケーシング７２において径方向に延びており、ケーシング７２の内周面で開口する供給口７２ａ１を有している。供給口７２ａ１は、アダプタ本体３４ａの径方向外側に位置している。

排出路７２ｂは、供給路７２ａから機内領域７３に供給されたフラッシング流体をケーシング７２の外部に排出する流路である。排出路７２ｂは、ケーシング７２の供給路７２ａよりも軸方向他方側において径方向に延びており、ケーシング７２の内周側に形成された排出口７２ｂ１を有している。

円環路７２ｃは、機内領域７３と排出路７２ｂとを繋ぐ流路である。円環路７２ｃは、ケーシング７２の排出路７２ｂよりも径方向内側において、ケーシング７２の周方向に円環状に形成されている（図３参照）。本実施形態の円環路７２ｃは、ケーシング７２の内周面で開口する凹溝からなる。円環路７２ｃの底面（外周面）には、排出路７２ｂの排出口７２ｂ１が開口している。

以上の構成により、供給路７２ａから機内領域７３に供給されたフラッシング流体は、アダプタ本体３４ａの貫通孔３４ｃおよび静止密封環３５の連通孔３５ｃを通過し、摺動部１３ａ，３５ｂを冷却および潤滑する。その後、フラッシング流体は、ポンピングリング２１の外周側から円環路７２ｃに流れ込んだ後、排出路７２ｂからケーシング７２の外部に排出される。

［ポンピングリング］
図２は、ポンピングリング２１とその周辺を示す拡大断面図である。ポンピングリング２１は、機内領域７３に供給されたフラッシング流体を排出路７２ｂの排出口７２ｂ１付近へ導くものである。本実施形態のポンピングリング２１は、円板状に形成されたポンピング板部２２と、円筒状に形成されたポンピング筒部２３と、を有している。

ポンピング板部２２は、スリーブ板部１１ｂの軸方向他方側の側面に沿って配置されている。ポンピング板部２２は、ボルト１８によりスリーブ板部１１ｂに固定されている。これにより、ポンピングリング２１は、回転軸７１と共に回転可能である。ポンピング板部２２の外周には、環状凹部２２ａおよび環状凸部２２ｂが軸方向全体にわたって交互に連続して形成されている。環状凸部２２ｂの外径は、ケーシング７２のポンピング板部２２と対向する内周面の直径よりも僅かに小さい。これにより、ポンピング板部２２の外周とケーシング７２の前記内周面との間には、環状のラビリンス隙間Ｓが形成されている。

ラビリンス隙間Ｓにより、フラッシング流体が、ポンピングリング２１よりも軸方向他方側へ流れ込むのを抑制することができる。その結果、摺動部１３ａ，３５ｂ付近をフラッシング流体の雰囲気に維持することができる。また、ラビリンス隙間Ｓにより、ポンピングリング２１よりも軸方向他方側の被密封流体がポンピングリング２１よりも軸方向一方側へ流れ込むのも抑制することができる。

ポンピング筒部２３は、ポンピング板部２２の外周側から、スリーブ筒部１１ｃの外周面に沿って軸方向一方側に延びている。ポンピング筒部２３の外周面２３ａ（以下、リング外周面２３ａともいう）は、円環路７２ｃに対して径方向内側に間隔をあけて配置されている。これにより、ポンピング筒部２３のリング外周面２３ａは、円環路７２ｃを介して排出口７２ｂ１に対向して配置されている。リング外周面２３ａは、その軸方向の途中部から軸方向一端に向かうにしたがって径方向内側に向かって傾斜する案内面２３ｂを有している。案内面２３ｂは、リング外周面２３ａの周方向に間隔をあけて複数形成されている。

以上の構成により、回転軸７１と共にポンピングリング２１が回転することにより、機内領域７３のフラッシング流体は、ポンピング筒部２３の軸方向一方側から各案内面２３ｂに沿ってリング外周面２３ａに導かれる。そして、リング外周面２３ａに導かれたフラッシング流体は、リング外周面２３ａに沿って、回転軸７１（ポンピングリング２１）の回転方向（以下、単に回転方向ともいう）に流れる。

［堰部］
図３は、図２のＩ－Ｉ矢視断面図である。なお、便宜上、図３では堰部５１をクロスハッチングで示している（図４も同様）。図２および図３に示すように、堰部５１は、アダプタリング３４の突出部３４ｂの軸方向他端における周方向の一カ所から、軸方向他方側に向かって延びる短冊状の部材である。堰部５１は、リング外周面２３ａの径方向外側に配置されている。本実施形態の堰部５１は、リング外周面２３ａと円環路７２ｃとの間に配置され、排出口７２ｂ１よりも軸方向一方側から、排出口７２ｂ１よりも軸方向他方側まで延びている。

図３に示すように、堰部５１は、リング外周面２３ａと円環路７２ｃとの間において、排出口７２ｂ１よりも回転方向（図３の時計回り方向）の下流側に少しずれた位置に配置されている。図３の断面視において、堰部５１の回転方向の上流側の端面５１ａは、排出口７２ｂ１における回転方向の下流端の径方向内側に位置している。本実施形態の堰部５１の端面５１ａは、径方向にまっすぐ延びている。

以上の構成により、ポンピングリング２１の回転によりリング外周面２３ａに沿って回転方向に流れるフラッシング流体の流れは、堰部５１の端面５１ａにより、排出口７２ｂ１へ向かう径方向外方への流れに変更される。これにより、フラッシング流体は、堰部５１の端面５１ａから円環路７２ｃを通過して排出口７２ｂ１へ流れ易くなる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態のメカニカルシール１によれば、回転軸７１と共にポンピングリング２１が回転することにより、供給路７２ａから機内領域７３に供給されたフラッシング流体は、リング外周面２３ａに沿って回転軸７１の回転方向に流れる。フラッシング流体の前記回転方向の流れは、静止側ユニット３の堰部５１によって、排出路７２ｂの排出口７２ｂ１へ向かう径方向外方への流れに変更される。これにより、リング外周面２３ａに沿って流れるフラッシング流体は、堰部５１によって排出口７２ｂ１へ流れ易くなる。したがって、ケーシング７２に堰部材を設けなくても、静止側ユニット３の堰部５１によって、フラッシング流体を排出口７２ｂ１から容易に排出することができる。

また、堰部５１は、静止密封環３５の外周面を支持するアダプタリング３４の一部であるため、静止側ユニット３に堰部５１を別途設ける必要がない。このため、静止側ユニット３の構成を簡素化することができる。

［堰部の変形例］
図４は、堰部５１の変形例を示す断面図である。本変形例の堰部５１では、回転方向の上流側の端面５１ａの形状が上記実施形態と異なる。本変形例における堰部５１の端面５１ａは、径方向内側から径方向外側に向かうにしたがって、回転方向に向かって傾斜するテーパ面５１ｂを有している。本変形例のテーパ面５１ｂは、端面５１ａの全体、つまり端面５１ａの径方向内端から径方向外端にかけて形成されている。また、本変形例のテーパ面５１ｂは、円環路７２ｃを介して排出口７２ｂ１に対向して配置されている。なお、テーパ面５１ｂは、端面５１ａの一部に形成されていてもよい。

本変形例によれば、堰部５１における前記回転方向の上流側の端面５１ａは、そのテーパ面５１ｂによって、フラッシング流体の前記回転方向の流れを径方向外方への流れにスムーズに変更することができる。これにより、リング外周面２３ａに沿って流れるフラッシング流体は、さらに排出口７２ｂ１へ流れ易くなる。

［その他］
本実施形態の堰部５１は、アダプタリング３４の一部であるが、アダプタリング３４とは別体に設けられてもよいし、静止側ユニット３の他の部材に設けられてもよい。

上記実施形態のメカニカルシール１は、火力発電所のボイラーに給水するポンプ以外の回転機器にも適用することができる。また、上記実施形態のメカニカルシール１では、フラッシング流体として被密封流体を用いているが、被密封流体以外の流体を用いてもよい。その場合、被密封流体と混ざっても支障がない流体を用いればよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ メカニカルシール
２ 回転側ユニット
３ 静止側ユニット
１３ 回転密封環
２１ ポンピングリング
２３ａ 外周面（リング外周面）
３４ アダプタリング
３５ 静止密封環
５１ 堰部
５１ａ 端面
５１ｂ テーパ面
７１ 回転軸
７２ ケーシング
７２ｂ１ 排出口
７３ 機内領域

Claims (3)

1. 回転軸に一体回転可能に設けられ、回転密封環を有する回転側ユニットと、
   前記回転軸を包囲しているケーシングに設けられ、当該ケーシング内の機内領域に被密封流体を密封すべく前記回転密封環が摺動する静止密封環を有する静止側ユニットと、を備え、
   前記回転側ユニットは、前記ケーシングの内周側に形成された排出口に対向するリング外周面を有し、前記機内領域に供給されたフラッシング流体を前記リング外周面に沿って前記回転軸の回転方向に流すポンピングリングを備え、
   前記静止側ユニットは、前記リング外周面よりも径方向外側に配置され、前記リング外周面に沿って前記回転方向に流れるフラッシング流体の流れを、前記排出口へ向かう径方向外方への流れに変更する堰部を備える、メカニカルシール。
2. 前記静止側ユニットは、前記静止密封環の外周面を支持するアダプタリングを備え、
   前記堰部は、前記アダプタリングの一部である、請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記堰部における前記回転方向の上流側の端面は、径方向外側に向かうにしたがって、前記回転方向に向かって傾斜するテーパ面を有する、請求項１または請求項２に記載のメカニカルシール。

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