JP3962065B2 - 軸流シール装置及びこれを使用する軸封装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサ等の回転機器に使用される軸流シール装置であって、回転軸が洞貫するシールケースの内周部に形成された環状のシール室に、シールケースにシール状態で保持され且つ回転軸に嵌挿された一対の軸流シールを装填すると共に、シールケースに、両軸流シール間にシールガスを供給するシールガス供給路を形成して、シールガスを各軸流シールと回転軸との対向周面間からシール室の両側領域に流出させることにより、当該両側領域を遮蔽シールするように構成された軸流シール装置に関するものであり、更にこの軸流シール装置を二次シールとして使用する軸封装置に関するものである。

従来の軸流シール装置としては、例えば、回転軸が洞貫するシールケースの内周部に形成された環状のシール室に、その軸線方向対向壁面たるシール面に夫々押圧接触された状態で回転軸に嵌挿された一対のセグメントシールを装填すると共に、シールケースに、両セグメントシールとシール室の内壁面と回転軸の外周面とで囲繞される空間にシールガスを供給するシールガス供給路を形成して、シール室の両側領域を遮蔽シールするように構成されたセグメントシール装置が公知である。かかるセグメントシール装置には、各セグメントシールを一つのシールリング（円弧状セグメントをガータスプリング（エクステンションスプリング）により環状に緊縛してなる）で構成したもの（例えば、特許文献１参照）と、各セグメントシールを一対の当該シールリングで構成したもの（例えば、特許文献２の図７参照）とがある。

かかる従来の軸流シール装置（セグメントシール装置）は、シールガスとしてシール室の両側領域より若干高圧のガスであって当該両側領域に漏洩して支障のないガス（一般に、当該両側領域の流体に対して不活性であり且つ無害な窒素ガス等が使用される）を使用することによって、当該両側領域を良好に遮蔽シールしうるものである。

実開平０３−０１７４７１号公報 実開平０５−０４０６５６号公報（図７）

しかし、このような従来の軸流シール装置にあっては、シールガス供給路から供給されるシールガス量（シールガス供給量）が過大となったり過少（不足）したりする虞れがあり、適正なシール機能が発揮されない場合があった。また、軸流シールと回転軸との隙間からのシールガスの漏れ量（シールガス漏洩量）は当該隙間の増大に伴って増大する（特に、或るシール条件下では、隙間増大量の３乗に比例してシールガス漏洩量が増大する）が、一般に、当該隙間は軸流シールと回転軸との接触による破壊を避けるために安全率を見込んで大きく設定されることから、シールガス消費量が必要以上に増大してランニングコストが高くなる。
さらに、軸流シール装置が高温条件下で使用される場合には、軸流シールと回転軸との材質が異なることによる熱膨張係数差によって当該隙間が増大することがあるが、このような場合にも、シールガス消費量が必要以上に増大してランニングコストが高くなる。このような問題は、当該軸流シール装置を一次シールとして使用する場合は勿論、当該軸流シール装置を二次シールとして使用する軸封装置においても、同様に生じる。

本発明は、このような問題を生じることなく、シールガス供給路から供給されるシールガス量を適正に制御することができ、常に良好なシール機能を発揮しうる軸流シール装置を提供すると共に、当該軸流シール装置を二次シールとして使用することにより良好なシール機能を発揮しうる軸封装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、第１に、回転軸が洞貫するシールケースの内周部に形成された環状のシール室に、シールケースにシール状態で保持され且つ回転軸に嵌挿された一対の軸流シールを装填すると共に、シールケースに、両軸流シール間にシールガスを供給するシールガス供給路を形成して、シールガスを各軸流シールと回転軸との対向周面間からシール室の両側領域に流出させることにより、当該両側領域を遮蔽シールするように構成された軸流シール装置において、上記の目的を達成すべく、特に、
（１）各軸流シールが、シール室の側壁面たるシール面に押圧接触され且つ回転軸に嵌挿されたセグメントシールであること、
（２）シールケースの内周部に両セグメントシール間に位置する環状の仕切壁を突設して、この仕切壁の内周面にシールガス供給路の下流端が開口されていること、
（３）シールガス供給路にガス流量絞り器を配設して、シールガス供給量が過大となった場合、当該シールガス供給量とシール室から前記両領域へのシールガス漏洩量とが不均衡となってシール室内の圧力が上昇することにより、ガス流量絞り器を通過するシールガス量が減少するように構成すると共に、シールガス供給量が過少となった場合、当該シールガス供給量と前記シールガス漏洩量とが不均衡となってシール室内の圧力が減少することにより、ガス流量絞り器オリフィス１７を通過するガス量が増大するように構成してあること、
を提案するものである。なお、シールガス供給路から供給されるシールガスとしては、冒頭で述べた如く、シール室の両側領域より若干高圧のガスであって当該両側領域に漏洩して支障のないガス（一般に、当該両側領域の流体に対して不活性であり且つ無害な窒素ガス等が使用される）を使用する。ガス流量絞り器としては、一般に、０．３〜５．０ｍｍ径のオリフィス等が使用される。

好ましい実施の形態にあって、軸流シール装置は、回転軸が洞貫するシールケースの内周部に形成された環状のシール室に、その軸線方向対向壁面たるシール面に夫々押圧接触された状態で回転軸に嵌挿された一対のセグメントシールを装填すると共に、シールケースに、シール室にシールガスを供給するシールガス供給路を形成して、シール室の両側領域を遮蔽シールするように構成されたセグメントシール装置とされる。かかるセグメントシール装置にあって、各セグメントシールは、円弧状セグメントをガータスプリングにより環状に緊縛してなる一つのシールリングで構成されるか、或いは各々が円弧状セグメントをガータスプリングにより環状に緊縛してなる一対のシールリングで構成される。また、両セグメントシール間に位置する環状の仕切壁に、シールガス供給路と交差することなく軸線方向に貫通するスプリング保持孔を形成し、このスプリング保持孔に、両セグメントシールを離間する方向に押圧附勢するスプリングを挿通保持させることにより、両セグメントシールをシール室のシール面に押圧接触させるように構成しておくことが好ましく、また仕切壁にシールガス供給路と交差することなく軸線方向に延びるドライブピンを貫通支持し、このドライブピンの両端部を両セグメントシールの対向面に係合させることにより、各セグメントシールのシールケースに対する相対回転を阻止するように構成しておくことが好ましい。

本発明は、第２に、シールケースとこれを洞貫する回転軸との間に、一次シールと二次シールとを軸線方向に並列配置して、一次シールによって被密封流体領域と両シール間の中間領域とを遮蔽シールすると共に二次シールによって当該中間領域と非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成された軸封装置において、二次シールとして上記した軸流シール装置を使用することを提案する。かかる軸封装置にあっては、シールケースに前記中間領域に連通するシールガス排出路を形成して、このシールガス排出路から、軸流シール装置から当該中間領域に漏洩するシールガスが一次シールから当該中間領域に漏洩する流体を同伴しつつ排出されるように構成しておくことが好ましい。また、被密封流体領域の流体がガスである場合において、一次シールとしては、対向する密封環が非接触状態で相対回転するように構成された非接触形メカニカルシールが使用される。非接触形メカニカルシールとしては、例えば、シールケース側の密封環（ケース側密封環）と回転軸側の密封環（回転軸側密封環）とを、両密封環の対向端面である密封端面の一方の形成した動圧発生溝により発生させた動圧により非接触状態に保持するように構成された動圧型のもの、シールケース及びケース側密封環を貫通するシールガス供給通路から被密封流体領域より高圧のシールガスを密封端面間に供給して、当該密封端面間に静圧を発生させることにより、両密封環を非接触状態に保持する静圧型のもの、又はケース側密封環と回転軸側密封環との間に遊動環を介在して、対向する密封環（回転軸側密封環及び誘導環）をその間に発生させた動圧により非接触状態に保持する誘導環型のもの等が使用される。

本発明の軸流シール装置にあっては、シールガス供給路から供給されるシールガス量が当該供給路に配設したオリフィス等のガス流量絞り器により制御されて、過不足のない適正量のシールガスを供給することができ、常に良好なシール機能が発揮される。また、軸流シールと回転軸との隙間が両者の材質による熱膨張係数差に大きくなった場合や安全率を見込んで大きく設計した場合にも、ガス流量絞り器による絞り機能によりシールガス消費量が必要以上に増大せず、ランニングコストを可及的に低減することができる。

また、本発明の軸封装置によれば、二次シールとして上記した如く適正なシール機能を発揮する軸流シール装置を使用しており、一次シールからの漏洩流体を中間領域からシールガスに同伴させてシールガス排出路から当該軸封装置外へ排出することから、被密封流体が非密封流体領域への漏洩を回避すべき有毒ガス等である場合にも、良好且つ確実な軸封機能を発揮させることができる。

図１は本発明に係る軸封装置をコンプレッサの軸封手段として適用した場合を示す上半部の縦断側面図であり、図２は同軸封装置の下半部を示す縦断側面図であり、図３は図１の要部（本発明に係る軸流シール装置）の拡大図である。

図１及び図２に示す軸封装置は、コンプッサのハウジング（図示せず）に取り付けられたシールケース１とこれを洞貫する回転軸（タービン軸）２との間に、一次シール３と二次シール４とを軸線方向に並列配置して、一次シール３によって被密封流体領域（コンプレッサの機内領域）Ａと両シール３，４間の中間領域Ｂとを遮蔽シールすると共に二次シール４によって当該中間領域Ｂと非密封流体領域（コンプレッサの機外領域）Ｃとを遮蔽シールすることにより、被密封流体領域Ａの流体（ガス）の非密封流体領域Ｃへの漏洩を完璧に阻止するように構成されたものである。

一次シール３は、図１及び図２に示す如く、シールケース１に軸線方向移動可能に保持された静止環（ケース側密封環）５と、静止環５に対向して回転軸２に設けられた回転環（回転軸側密封環）６と、シールケース１と静止環５との間に介装されたスプリング７（図２参照）と、両密封環５，６間に挟圧保持された遊動環８と、を具備して、回転環６の密封端面に形成した動圧発生溝６ａにより回転環６と遊動環８との間に動圧を発生させることにより、両環６，８間を非接触状態に保持しつつ、被密封流体領域Ａと中間領域Ｂとを遮蔽シールするように構成された遊動環型の非接触形メカニカルシールである。なお、回転軸２は、本体軸２ａとこれに嵌挿固定された複数のスリーブ２ｂ…とからなり、回転環６はスリーブ２ｂ…に嵌合固定されている。また、静止環５は、これに取り付けたドライブピン５ａをシールケース１に設けた係合孔に係合させることにより、シールケース１に対する相対回転を阻止されている。また、誘導環８は、静止環５に取り付けたドライブピン５ｂを遊動環８に設けた係合孔に係合させることにより、静止環５に対する相対回転を阻止されている。また、静止環５と誘導環８との間は、この間に介装したＯリング９により二次シールされている。

二次シール４は本発明に係る軸流シール装置であり、この軸流シール装置４は、図１及び図２に示す如く、シールケース１の内周部に形成された環状のシール室１０に一対の軸流シールたるセグメントシール１１，１１を装填すると共に、シールケース１に、シール室１０にシールガス１２を供給するシールガス供給路１３を形成して、シール室１０の両側領域つまり中間領域Ｂと非密封流体領域Ｃとを遮蔽シールするように構成されたセグメントシール装置である。

シールケース１の内周部には、シール室１０を軸線方向に二分する環状の仕切壁１ａが突設されており、各セグメントシール１１は当該仕切壁１ａと各シール面１０ａとの間に装填されている。

各セグメントシール１１は、周方向に複数部分（円弧状セグメント）に分割された一つのシールリング１１ａで構成されている。すなわち、シールリング１１ａは、図１〜図３に示す如く、複数の円弧状セグメントをガータスプリング１４でリング状に緊縛してなるものであり、回転軸２（スリーブ２ｂ）に嵌挿されている。両セグメントシール１１，１１は、図２に示す如く、その間に介装した適当数（一つのみ図示）のスプリング（圧縮コイルスプリング）１５により軸線方向に離間すべく附勢されている。すなわち、各セグメントシール１１つまりシールリング１１ａの側端面は、スプリング１５によってシール面１０ａに押圧接触されている。仕切壁１ａには、後述するシールガス供給路１３と交差することなく軸線方向に貫通するスプリング保持孔１０ｃが形成されており、このスプリング保持孔１０ｃにスプリング１５が挿通保持されている。また、仕切壁１ａには、図２に示す如く、当該シールガス供給路１３と交差することなく軸線方向に延びる適当数（一つのみ図示）のドライブピン１６が貫通支持されており、このドライブピン１６の両端部を両シールリング１１ａ，１１ａの対向面に形成した係合孔に係合させることにより、各シールリング１１ａのシールケース１に対する相対回転を阻止している。

シールガス供給路１３は、図１及び図３に示す如く、シールケース１を径方向に貫通して仕切壁１ａの内周部に開口されており、シール室１０の両側領域Ｂ，Ｃより若干高圧のシールガス１２をシール室１０に供給するようになっている。シールガス１２としては、各領域Ａ〜Ｃの流体に対して不活性であり非密封流体領域Ｃに漏洩して支障ない無害な窒素ガス等が使用されている。

而して、シールガス供給路１３には、ガス流量絞り器１７が配設されている。この例では、図１及び図３に示す如く、シールガス供給路１３の適所であって仕切壁１ａを貫通するシールガス供給路部分の近傍上流側の部位に環状板１７ａを配して、その中心孔（０．３〜５．０ｍｍ径）で形成されるオリフィスを絞り器１７としてある。

また、シールケース１には、図１及び図３に示す如く、中間領域Ｂに連通するシールガス排出路１８が形成されていて、このシールガス排出路１８から、軸流シール装置４から中間領域Ｂに漏洩するシールガス１３が一次シール（遊動環型非接触形メカニカルシール）３から中間領域Ｂに漏洩する流体（ガス）を同伴しつつ排出されるようになっている。

以上のように構成された軸封装置にあっては、一次シールたる遊動環型非接触形メカニカルシール３により被密封流体領域Ａの流体（被密封流体たるガス）がシールされる。このとき、一次シール３が漏れを許容する非接触形メカニカルシールであることから、微量ながらも、被密封流体は固定環６と遊動環８との間から中間領域Ｂに漏洩することになる。

一方、以上のように構成された二次シールたる軸流シール装置（セグメントシール装置）４にあっては、両セグメントシール１１，１１がシール室１０の両側壁面たるシール面１０ａ，１０ａに押圧接触された状態で回転軸２に嵌挿されており、中間領域Ｂ及び非密封流体領域Ｃより高圧のシールガス１２がシールガス供給路１３からシール室１０に供給される。このとき、シール室１０に供給されたシールガス１２は、両セグメントシール１１，１１と回転軸２との対向周面間から両領域Ｂ，Ｃへと分流して漏洩することになる。したがって、中間領域Ｂと非密封流体領域Ｃとの間が確実に遮蔽シールされることになる。そして、中間領域Ｂに漏洩したシールガス１２は、一次シール３から中間領域Ｂへの漏洩流体を同伴しつつシールガス排出路１８から排出される。したがって、被密封流体領域Ａから非密封流体領域Ｃへの被密封流体の漏洩が確実に阻止されることになり、被密封流体が非密封流体領域Ｃにそのまま放出することが好ましくないガス（有毒ガス等）である場合にも、これを良好且つ安全にシールすることができる。

而して、シールガス１２はシールガス供給路１３に配設したオリフィス１７によって絞られた上でシール室１０に供給されることから、シール室１０の両側領域Ｂ，Ｃの差圧や圧力が変動する等のシール条件下においても、シールガス供給路１３からシール室１０に供給されるシールガス量（シールガス供給量）が過大になったり、逆に過少となって中間領域Ｂ（又は非密封流体領域Ｃ）からシール室１０への逆流現象が生じたりするようなことがなく、常にシール室１０には適正量のシールガス１２が供給されることになり、軸流シール装置４によるシール機能が良好に発揮されることになる。すなわち、シールガス供給量が過大となると、当該シールガス供給量とシール室１０からのシールガス漏洩量（セグメントシール１１，１１から両領域Ｂ，Ｃに流出するシールガス量）とが不均衡となって、シール室１０内の圧力つまりシールガス供給路１３におけるオリフィス１７より下流側部分の圧力が上昇して、オリフィス１７を通過するガス量が減少し、シールガス供給量が適正に調整（減少）される。逆に、シールガス供給量が過少となった場合、シールガス供給量とシールガス漏洩量とが不均衡となって、シール室１０内の圧力（シールガス供給路１３におけるオリフィス１７より下流側部分の圧力）が減少して、オリフィス１７を通過するガス量が増大し、シールガス供給量が適正に調整（増加）される。このように、シールガス供給量がオリフィス１７の機能により自動的に調整制御されて、常に、適正なシールガス供給量が得られ、軸流シール装置４によるシール機能が良好に発揮される。

また、各セグメントシール１１と回転軸２との間からのシールガス漏洩量は、両者２，１１間の隙間が熱膨張係数差等によって大きくなった場合や軸流シール１１の破壊を防止するために当該隙間を安全率を見込んで大きく設定した場合にも、オリフィス機能により必要以上に増加することがない。したがって、軸流シール４を高温条件下において使用する場合にも、シールガス消費量が必要以上に増大してランニングコストが高騰するようなことがない。また、シールガス消費量を増大させることなく、当該隙間を大きく設計しておくことができ、軸流シール１１の破壊を防止して、信頼性の高いシール機能を発揮させることができる。

なお、本発明に係る軸封装置及び軸流シール装置は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。

例えば、軸流シール装置４がセグメントシール装置である場合にあっては、図４に示す如く、各軸流シールたるセグメントシール１１を一対のシールリング１１ａ，１１ａで構成しておくことも可能である。また、各軸流シール１１は、上記したセグメントシール（フローティングリングシール）の他、サーカムファレンシャルシール，固定ブッシュシール，レイリーステップシール等であってもよい。また、軸流シール装置４は一次シールとして使用することもできるが、軸流シール装置４を二次シールとして使用する軸封装置にあっては、一次シール３が上記した誘導環型非接触形メカニカルシール以外の非接触形メカニカルシール（例えば、動圧型非接触形メカニカルシール，静圧型非接触形メカニカルシール等）であっても、ケース側密封環と回転軸側密封環とが相対回転摺接する端面接触型メカニカルシールや遊動環と回転軸側密封環とが相対回転摺接する遊動環型メカニカルシール等であってもよい。

本発明に係る軸封装置の上半部を示す縦断側面図である。 同軸封装置の下半部を示す縦断側面図である。 図１の要部（軸流シール装置）の拡大図である。 本発明に係る軸流シール装置の変形例を示す図３相当の縦断側面図である。

符号の説明

１ シールケース
１ａ 仕切壁
２ 回転軸
３ 一次シール（遊動環型非接触形メカニカルシール）
４ 二次シール（軸流シール装置）
５ 静止環
６ 回転環（対向する密封環）
７ スプリング
８ 遊動環（対向する密封環）
１０ シール室
１０ａ シール面
１１ セグメントシール
１１ａ シールリング
１２ シールガス
１３ シールガス供給路
１４ ガータスプリング
１５ スプリング
１６ ドライブピン
１７ オリフィス（ガス流量絞り器）
１８ シールガス排出路
Ａ 被密封流体領域
Ｂ 中間領域（シール室の両側領域）
Ｃ 非密封流体領域（シール室の両側領域）

Claims (7)

1. 回転軸が洞貫するシールケースの内周部に形成された環状のシール室に、シールケースにシール状態で保持され且つ回転軸に嵌挿された一対の軸流シールを装填すると共に、シールケースに、両軸流シール間にシールガスを供給するシールガス供給路を形成して、シールガスを各軸流シールと回転軸との対向周面間からシール室の両側領域に流出させることにより、当該両側領域を遮蔽シールするように構成された軸流シール装置において、
   各軸流シールが、シール室の側壁面たるシール面に押圧接触され且つ回転軸に嵌挿されたセグメントシールであり、
   シールケースの内周部に両セグメントシール間に位置する環状の仕切壁を突設して、この仕切壁の内周面にシールガス供給路の下流端が開口されており、
   シールガス供給路にガス流量絞り器を配設して、シールガス供給量が過大となった場合、当該シールガス供給量とシール室から前記両領域へのシールガス漏洩量とが不均衡となってシール室内の圧力が上昇することにより、ガス流量絞り器を通過するシールガス量が減少するように構成すると共に、シールガス供給量が過少となった場合、当該シールガス供給量と前記シールガス漏洩量とが不均衡となってシール室内の圧力が減少することにより、ガス流量絞り器オリフィス１７を通過するガス量が増大するように構成してあることを特徴とする軸流シール装置。
2. 各セグメントシールが、円弧状セグメントをガータスプリングにより環状に緊縛してなる一つのシールリングで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載する軸流シール装置。
3. 仕切壁にシールガス供給路と交差することなく軸線方向に貫通するスプリング保持孔を形成し、このスプリング保持孔に、両セグメントシールを離間する方向に押圧附勢するスプリングを挿通保持させることにより、両セグメントシールをシール室のシール面に押圧接触させるように構成したことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する軸流シール装置。
4. ガス流量絞り器がオリフィスであることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項３に記載する軸流シール装置。
5. シールケースとこれを洞貫する回転軸との間に、一次シールと二次シールとを軸線方向に並列配置して、一次シールによって被密封流体領域と両シール間の中間領域とを遮蔽シールすると共に二次シールによって当該中間領域と非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成された軸封装置において、
   二次シールが請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載する軸流シール装置であることを特徴とする軸封装置。
6. シールケースに前記中間領域に連通するシールガス排出路を形成して、このシールガス排出路から、軸流シール装置から当該中間領域に漏洩するシールガスが一次シールから当該中間領域に漏洩する流体を同伴しつつ排出されるように構成したことを特徴とする、請求項５に記載する軸封装置。
7. 一次シールが、対向する密封環が非接触状態で相対回転するように構成された非接触形メカニカルシールであり、被密封流体領域の流体がガスであることを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載する軸封装置。