JP2610605B2 - ケーシング壁と軸との間の貫通部間隙の軸封装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ケーシング壁とこれに対して相対的に回
転する軸との間の貫通部間隙を密封する軸封装置であっ
て、軸を取り囲むパッキンリングがケーシング壁に対し
てもまた軸に対しても密封し、且つケーシング壁に相対
的に変位可能であるが軸によって回転しないようにされ
たものに関する。

〔従来の技術〕

このような所謂「軸封装置」は、例えば空気以外の流
体が封じ込められているケーシングの壁を通る軸貫通部
が密封されねばならない場合に多種多様に使用されてい
る。このような軸封装置は、例えば水素のようなガスに
よって冷却されるターボ発電機の軸に対して例えば必要
である。その場合、軸封部の使用に際してケーシング中
に封じ込まれるべき流体の圧力が周囲圧力より大きいか
小さいかはさしたる問題ではない。

この種の軸封装置は、例えばドイツ連邦共和国特許出
願公開第3723729号明細書及び英国特許出願公開第07607
81号明細書に記載されている。これらの文献は軸封装置
の改良の特に多様の可能性を明らかにしている。ドイツ
連邦共和国特許出願公開第3723729号明細書は貫通部を
持つケーシング壁のパッキンリングの構成に関するもの
であり、このパッキンリングはケーシング壁に対して相
対的に回転可能ではないが、位置決めの目的で容易に変
位可能である。英国特許出願公開第0760781号明細書に
おいては、パッキンリング、ケーシング壁及び軸の間の
間隙に密封液及び／或いは潤滑液を供給するための多様
な可能性が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

この発明は、上述の種類の軸封装置の機能の監視方法
に関する。多くの場合、特に大型の電気機械等において
は、軸はケーシング壁やパッキンリングに対して相対的
に高回転数（ターボ発電機の場合代表的には3000回転／
分）で回転する。それ故パッキンリングの軸上での滑り
性能については非常に高い要求が課せられており、通常
特に高性能の潤滑が行われねばならない。多くの場合パ
ッキンの機能監視が望まれる。このような機能監視は、
軸に直接隣接するパッキンリング部分の温度を適当なセ
ンサにより計測することによって既に実現している。し
かしこの測定方法はパッキンリングの熱容量のゆえに多
少緩慢である。即ち、滑り性能の劣化は、ある時間を経
過した後パッキンリングが著しく加熱されたとき初めて
検知され、従ってパッキンリング及び／或いは軸におけ
る損傷はある遅れをもって初めて検出される。

従ってこの発明の目的は、ケーシング壁と軸との間の
貫通部間隙を密封する軸封装置において、一般的に公知
の従来装置における上述の不都合を解消し、かつパッキ
ンリングと軸との間の滑り性能の劣化を迅速に確認する
能力を備え、かくしてかかる予防策を採ることにより物
質上の損傷を回避できるような軸封装置を提供しようと
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題を解決するために、この発明によれば、ケー
シング壁と軸との間の貫通部間隙を密封する軸封装置に
おいて、軸がケーシング壁に対して相対的に回転できる
ようにされそしてパッキンリングが当該軸を取り囲み、
その際前記パッキンリングがケーシング壁と軸との間の
貫通部間隙を密封しかつケーシング壁に相対的に変位可
能であり、少なくとも１つのばね要素が軸の回転によっ
てパッキンリングに加わる回転モーメントを機械的な応
力に変換することができ、この機械的な応力を決定しか
つこの応力が所定の基準値から著しくずれた場合にこれ
を警報する手段が設けられていることを特徴とする。

〔作用〕

この発明によれば、軸の回転によりパッキンリングに
作用する回転モーメントが直接測定されることにより、
軸とパッキンリングとの間の滑り性能のわずかな変化が
直ちに検知できる。従って摩擦によって生ずる熱エネル
ギーがある程度蓄積したことの結果としての時間遅れが
なくなる。パッキンリングの軸に対する滑り性能を直接
表す測定値は、既に起こった損傷を検知するためにだけ
でなく、連続運転する場合には損傷が起こりそうだとい
う警告信号を見出すためにも、利用でき絶えず監視でき
る。

ばね要素の機械的な応力を決定する手段はばね要素に
置かれる少なくとも１つの測定検出部と、この測定検出
部に接続されて当該測定検出部の信号を評価して上述の
警報を発する評価装置とを含む。

測定検出部としては、通常の電子的な評価装置の相応
のインターフェースに接続される特に電気機械的なセン
サが使用される。その場合複数個の測定検出部をばね要
素の対応のインターフェースに固定し、適当な方法でこ
れらを互いに連結するのがよい。たとえば４つのストレ
ーンゲージがばね要素に取り付けられ、ホイートストン
電橋の形成のために互いに接続される。このようにし
て、例えば温度変動により起こり得るような機械的応力
の測定擾乱の影響を抑制することができる。これにより
測定精度、従って監視の信頼性は著しく向上する。

最も簡単な場合には警報は音響的或いは光学的信号で
ある。この信号により設備の運転員は軸の停止を要請さ
れる。しかしながら、測定値をパッキンリングへの潤滑
剤の流れを調整するための適当な自動制御システムの枠
内で利用することもこの発明の範囲内で可能である。こ
の場合機械的な応力測定手段と連結されかつそこに生じ
た信号によって調整可能である潤滑剤供給装置が設けら
れる。

この発明の好ましい実施例においては、ばね要素とし
て撓み棒が備えられる。この撓み棒はパッキンリングに
利用する回転モーメントによって撓むことが可能であ
り、また少なくとも１つの電気的測定検出部、即ち少な
くとも１つのストレーンゲージを備えており、この電気
的測定検出部には電気的評価装置が接続されている。

その場合撓み棒を取りつけるためには多くの方法があ
る。例えば撓み棒をケーシング壁に固定結合することが
できる。この場合パッキンリングは例えば突起を備え、
この突起が回転モーメントにより撓み棒に押しつけられ
て撓み棒が弾性的に撓む。撓み棒には公知の如く例えば
ストレーンゲージのような測定検出部が取りつけられ、
この測定検出部により撓み棒の撓みが測定される。突起
を備える代わりにパッキンリングはスリットを備え、こ
のスリットに撓み棒を差し込むこともできる。さらに撓
み棒は直接パッキンリングに、例えば軸に対して垂直に
パッキンリングに穿った適当な孔にねじ込むことにより
結合することもできる。かかる場合ケーシング壁に受け
台を固定し、これに撓み棒が回転モーメントによって押
しつけられるようにする。前述のように、撓み棒には適
当な測定検出部を装着することができる。

ばね要素として撓み棒を備えたこの発明のいずれの実
施例においても、撓み棒は撓みの決定のために相補的信
号を出すようにした複数の測定検出部を備えている。回
転モーメントは常に撓み棒に対してその撓みを一定の撓
み方向、即ち回転に対して正接方向になるように作用す
る。撓み方向に沿って制限されている撓み棒の各側面に
はそれぞれ１つの測定検出部、特にストレーンゲージを
備えるのが好ましい。この場合撓み棒が撓むと一方の側
面に押圧力が、他方の側面に引張力が生ずる。このこと
はそれぞれの測定検出部が相補的信号を出し、これらの
信号を組み合わすことにより応力測定の測定精度の改善
に利用されることを意味する。測定動作の非直線性もま
た抑制できるので、相補的な信号のための２つの測定検
出部を備えた撓み棒の構成は、例えばパッキンリングに
密封液及び／或いは潤滑液を供給するための前述の調整
装置のような制御装置に組み込むのに特に良好に適して
いる。

測定検出部としては公知のストレーンゲージの他に圧
電素子も考えられる。このような測定検出部はこの発明
では、これをケーシング壁に固定された受け台とパッキ
ンリングの突起との間に挿入するようにして使用するの
が好ましい。回転モーメントによって突起は受け台に対
して押圧し、圧電素子を押圧するので、これにより通常
の手段で測定可能な電圧が生ずる。

勿論複数の種類の測定検出部を設け、一方では安全性
の理由から重要な冗長度を応力測定に導入し、他方では
測定動作の精度を場合によっては互いにずれた測定範囲
を持つ複数の方法の組み合わせで向上させることもでき
る。

〔実施例〕

この発明を図に示す実施例を参照してさらに説明す
る。

図１はパッキンリング１を示し、このパッキンリング
がケーシングからの軸３の貫通部を密封している。この
図ではケーシングのうちその壁２だけが略示されてい
る。パッキンリング１はその外周部が完全な円形には図
示されていない。なおこのことはこの発明の意味合いに
おいては必ずしも絶対的に必要なわけではなく、図は先
ず第一にパッキンリング１の内周部が円形もしくは円筒
形であることに関係して示されているに過ぎない。パッ
キンリング１とケーシング壁２との間にはばね９（この
場合単なるスパイラルばねとして示されている）が挿入
されている。軸３が回転すると、パッキンリング１に回
転モーメントが作用する。この回転モーメントは一方で
はばね９に力を及ぼし、これによりばね９は具体的なケ
ースでは引っ張られる。このばねの伸びは測定検出部５
で求められる。この検出部は例えば摺動接点を持つポテ
ンショメータであり、この接点はばね９の一端に結合さ
れ、ばね９の端部はパッキンリング１に充分剛に接続さ
れている。ばね９が引っ張られると摺動接点はポテンシ
ョメータ上を移動し、これによりポテンショメータ５の
電気的性質が変化するが、これは電気的評価装置７によ
って確定される。この評価装置７には軸３によりパッキ
ンリング１に作用する回転モーメントの基準値が予め与
えられている。これは通常正常運転時に設定される値で
ある。評価装置７は測定検出部５を介して確定された値
と所定の基準値とを比較し、この測定値が基準値と著し
くずれている場合には警報を出す。この警報は具体的な
場合では、例えばランプ16の点灯である。勿論この警報
は音響信号或いは全設備における他の制御装置への電気
信号のような任意な形態も考えられる。

この発明のより具体的な改良を図２に示す。図２はパ
ッキンリング１を示し、このパッキンリングはケーシン
グ壁２に形成された凹部に挿入され、ケーシング壁２と
軸３との間の貫通部４を密封している。回転している軸
３によりパッキンリング１に伝達される回転モーメント
の監視を行うために、ケーシング壁２にはばね要素とし
て撓み棒10が挿入されてボルト23により固定されてい
る。回転モーメントによりパッキンリング１の突起12が
撓み棒10に対して押しつけられている。これにより撓み
棒10は弾性的に撓む。この撓みはストレーンゲージ６に
より測定され、これに接続された評価装置７に送られて
処理される。図示のケースではパッキンリング１は実質
的に完全に油で洗われている。パッキンリング１の外周
部は実質的に完全に油室17に入っており、この油室17内
には撓み棒10と突起12も存在する。従って撓み棒10は、
油室17からの洩れを回避するために、ケーシング壁２に
密封状態で挿入されねばならない。これにより撓み棒10
のケーシング壁２への固定がやや複雑化している。スト
レーンゲージ６は撓み棒10の内部には設置される。この
ことは場合によっては測定精度の減少をもたらすかも知
れないが、ストレーンゲージが液体で濡れてはならない
ので必要である。パッキンリング１の側面にも油溝18及
び19を通して油が潤滑及び／或いは密封のため供給され
ている。これは、一方ではパッキンリング１のケーシン
グ壁２に対する滑り性能を確保するために、そして他方
では貫通部間隙４をできるだけ完全に密封するために必
要である。パッキンリング１の内周面にも油溝20及び21
を備えている。油溝を設けるのは一般に潤滑と密封のた
め必要である。しかしまたこの２つの油溝20及び21を使
用することにより、潤滑及び密封のために使われた油が
ケーシング内に封じ込められるべきガス（例えばターボ
発電機の場合水素）に到達することも阻止される。２つ
の油系統を設けることにより油の汚染が充分な程度に制
限される。図示の例では油室17及び油溝18、19、20及び
21に対する油の供給は供給装置８により油送管22を通し
て行われる。供給装置８は評価装置７と接続されてお
り、これにより調整できる。従ってパッキンリング１の
軸３に対する滑り性能は油圧の調整によって制御でき
る。図２ではストレーンゲージ６がただ１つしか示され
ていないが、これは多数の測定検出部の代表とみなされ
るべきである。撓み棒10は油で洗われており、従って油
圧を受けている。この圧力も勿論撓み棒10に取りつけら
れた測定検出部によって検出される。さらに密封油の温
度変動も同程度に測定検出部に影響するが、この温度変
動も排除されてない。それ故図２の装置構成においては
撓み棒10の機械的応力の測定を擾乱の影響から遠ざける
ことが重要である。前述したように、このことは４つの
測定検出部をブリッジ接続することにより達成される。

図３はこの発明の軸封装置のさらに異なる実施例の概
略構成を示す。軸３はパッキンリング１により取り巻か
れている。このパッキンリング１にはばね要素として撓
み棒11が形成されているが、これは図２の構成と同様に
パッキンリング１にねじ込まれる。軸３により生ずるパ
ッキンリング１に対する回転モーメントにより撓み棒11
は、分かりよくする理由から図示されてないケーシング
に固定されている受け台13に押しつけられる。撓み棒11
と受け台13との間には測定検出部として圧電素子24が挟
まれており、撓み棒11が受け台13に押しつけられると
き、この圧電素子も一緒に押圧される。この圧電素子の
押圧により圧電素子24には電圧が発生し、この電圧は対
応の評価装置７で測定され処理される。軸３が回転する
ことによって生ずる回転モーメントによる撓み棒11の撓
みは回転に対して正接方向14に行われる。撓み棒11が側
面15の各々にそれぞれ１つのストレーンゲージ６を備え
ている。この側面15によって撓み棒11が撓み方向14に沿
って制限されている。このようにして、撓み棒11の撓み
を測定するために、ストレーンゲージ６に接続された評
価装置７に２つの相補的な信号が提供され、これにより
測定精度の著しい改善が達成される。

〔発明の効果〕

この発明は、総括するに、ケーシング壁とこれに対し
て相対的に回転する軸との間の貫通部間隙をこの軸を取
り囲むパッキンリングでもって密封する軸封装置であっ
て、しかもパッキンリングの軸に対する滑り性能が即時
に測定可能でかつパッキンリング及び／或いは軸におけ
る損傷をその発生の時点で早期に検出することのできる
ものを可能にする。

図面の簡単な説明 図１はこの発明による監視可能な軸封装置の概略構成を
示す。

図２はこの発明による軸封装置の特別の実施例を示す。

図３はこの発明における測定検出部の特に有利な構成の
概略図示す。

１……パッキンリング ２……ケーシング壁 ３……軸 ４……貫通部間隙 ５……測定検出部 ６……ストレーンゲージ ７……評価装置 ９……ばね 10、11……撓み棒 24……圧電素子

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシング壁（２）と軸（３）との間の貫
   通部間隙（４）を密封する軸封装置において、軸（３）
   がケーシング壁（２）に対して相対的に回転できるよう
   にされそしてパッキンリング（１）が当該軸（３）を取
   り囲み、その際前記パッキンリング（１）が前記貫通部
   間隙（４）を密封しかつケーシング壁（２）に相対的に
   変位可能であり、少なくとも１つのばね要素（９、10、
   11）が軸の回転によってパッキンリング（１）に加わる
   回転モーメントを機械的な応力に変換することができ、
   この機械的な応力を決定しかつこの応力が所定の基準値
   から著しくずれた場合にこれを警報するための手段
   （５、６、24;7;16）が備えられていることを特徴とす
   るケーシング壁と軸との間の貫通部間隙の軸封装置。
2. 【請求項２】機械的な応力を決定するための手段がばね
   要素（９、10、11）に結合される少なくとも１つの測定
   検出部（５、６、24）と、この測定検出部に接続されて
   当該検出部（５、６、24）から信号を受け取り機械的な
   応力が所定の基準値から著しくずれた場合に警報を発す
   るための評価装置（７）とを含むことを特徴とする請求
   項１による軸封装置。
3. 【請求項３】パッキンリング（１）に潤滑剤を供給する
   ための少なくとも１つの供給装置（８）が備えられ、こ
   の潤滑剤供給装置が機械的な応力を決定するための手段
   （５、６、24;7）と結合され、そしてそこで生じた信号
   により潤滑剤の油圧が調整できることを特徴とする請求
   項１による軸封装置。
4. 【請求項４】ａ）ばね要素が回転モーメントによって機
   械的応力を受ける少なくとも１つの撓み棒（10、11）で
   あり、 ｂ）機械的応力を決定するための手段が撓み棒（10、1
   1）上に少なくとも１つの電気的測定検出部（６）と、
   この測定検出部に接続された電気的評価装置（７）とを
   含むことを特徴とする請求項１による軸封装置。
5. 【請求項５】ａ）撓み棒（10）がケーシング壁（２）に
   固定結合されており、 ｂ）パッキンリング（１）が、回転モーメントによって
   撓んだ状態で撓み棒（10）に対して押圧可能にされてい
   る突起（12）を備えていることを特徴とする請求項４に
   よる軸封装置。
6. 【請求項６】受け台（13）がケーシング壁（２）に固定
   結合され、撓み棒（11）がパッキンリング（１）と固定
   結合され、そして撓み棒（11）が回転モーメントによっ
   て前記受け台（13）に対して押圧されて撓み得るように
   されていることを特徴とする請求項４による軸封装置。
7. 【請求項７】ａ）撓み棒（10、11）は回転モーメントに
   よって撓み方向（14）に撓み得るようにされ、 ｂ）撓み棒（10、11）が撓み方向（14）に直交した２つ
   の側面（15）を有し、 ｃ）少なくとも１つの電気的測定検出部が２つの側面
   （15）のそれぞれに備えられたストレーンゲージ（６）
   を含む ことを特徴とする請求項５による軸封装置。
8. 【請求項８】ａ）パッキンリング（１）は、ケーシング
   壁（２）に固定結合された受け台（13）に対して回転モ
   ーメントによって押圧できるようにされた突起（12）を
   備え、 ｂ）この突起（12）と受け台（13）との間には圧電型の
   検出部（24）が挿入されていることを特徴とする請求項
   １による軸封装置。