JP4079417B2

JP4079417B2 - 環状シール

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Publication number: JP4079417B2
Application number: JP2002212010A
Authority: JP
Inventors: 口真人江
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2008-04-23
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Also published as: JP2004052916A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ・水車・タービン等の流体回転機械において、羽根車段間における漏れ量を抑制する非接触タイプの環状シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触環状シールとして、ポンプや水車、タービンなどにフラットシールや溝付きシール、ハニカムシールなどのシールリングが用いられてきている。
この様な従来の環状シールの概要が、図６、図７で示されている。
図６において、回転軸Ｓの周囲に、スリーブ状の環状シール５０が配置されており、回転軸Ｓと環状シール５０の半径方向内方面との間のシール隙間Ａ_０における漏れ量を抑制している。
【０００３】
しかし、上述したような従来の非接触タイプの環状シール５０は、何れも、図７で示すようにソリッドな摺動面を有している。そのため、過大な軸振動が発生した場合には、環状シール５０の半径方向内方面（摺動面）５０ａと回転軸Ｓとが衝突、干渉して、当該摺動面５０ａが破損したり、摩耗したりするという問題が存在する。
また、回転軸Ｓとの干渉による摺動面５０ａの摩耗という問題に起因して、シール隙間Ａ_０を狭くすることが出来ないので、シール隙間Ａ_０を流れる流体の漏れ量を抑制することが出来ない、という問題も存在する。
【０００４】
環状シール５０に関する上記の問題点は、圧縮機やガスタービン等の気体を対象とする回転機器に適用されているラビリンスシールについても、同様に存在する。
環状シール５０やラビリンスシールについて存在する上述の問題を解決すべく、各種フローティングシールも考案されているが、漏れ特性に優れていても、減衰特性など動特性が小さく、その適用には別種類の問題が付きまとう。
【０００５】
その他の従来技術としては、フローティングリングとシールステータ間に漏れ防止のためのＯ−リング等を設置する技術が知られている。しかし、この技術では、軸振動に対する追従運動が得られない等の問題点が存在する。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、シール隙間を狭め以ってシール隙間の漏れ流れを抑制し、軸振動に伴い発生する流体反力の安定性に寄与する減衰を増大することが出来て、不安定要素を可能な限り低減し、回転軸との接触を極力避けることが可能であり、しかも、機構面での信頼性の高い環状シールの提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、回転軸とケーシングとの間に摺動プレートが設けられ、その摺動プレートはケーシングの上流側端部と下流側端部とで固定され、かつ複数の区画に分割されており、該摺動プレートが半径方向外方の弾性手段によって支持されている環状シールにおいて、前記摺動プレートは、前記回転軸の回転により発生する流体膜の圧力によって半径方向の変形が可能であり、そして軸方向に分割されており、その軸方向上流側の摺動プレートと下流側の摺動プレートとの間隔および前記間隔の軸方向位置を変えることで当該摺動プレートの変形の態様を設定することを可能とした構造を備えている。
【０００８】
斯かる構成を具備する本発明によれば、ケーシング（１）の半径方向内側（回転軸に近い側）に薄い摺動プレート（２）を設けているので、軸振動が発生し回転軸（Ｓ）が摺動プレート（２）に近接しても、摺動プレート（２）は半径方向外方に凹むように変形（２ａ）し、摺動プレート（２）と回転軸（Ｓ）との非接触状態が保たれる。
ここで、斯かる摺動プレート（２）の変形は、物理的な作動であり、誤作動が生じることが有り得ないので、環状シール（１０）の機構面での信頼性は極めて高い。
【０００９】
そして、摺動プレート（２）と回転軸（Ｓ）との非接触状態が高い信頼性に提示されるため、摺動プレート（２）と回転軸（Ｓ）との半径方向隙間（シール隙間の半径方向寸法Ａ_０）を小さくすることが可能となり、以ってシール隙間Ａ_０の漏れ流れを抑制することが出来る。
【００１０】
さらに、摺動プレート（２）が半径方向外方に凹むと、当該凹んだ箇所（２ａ）に流体が流れ込むことにより、シール隙間（Ａ_０）における旋回流（Ｆｒ）が半径方向外方に凹んだ箇所（２ａ）に吸収されて、緩和される（打ち消される）。
それにより、回転軸（Ｓ）の振れ回りを促進するような望ましくない力（例えば、旋回流（Ｆｒ）の影響の大きい不安定要素であるクロスバネ力、つまり旋回流（Ｆｒ）の速度が粘性抵抗を超えることによる発生する液膜の自励振動の振動エネルギ等）を減少することが出来る。
そして、回転軸（Ｓ）の振れ回りを促進する力を減少できるので、本発明の環状シール（１０）によれば、回転軸（Ｓ）の許容回転数を増加することが出来る。
【００１１】
これに加えて本発明の環状シール（１０Ｂ〜１０Ｇ）では、摺動プレート（２Ｂ〜２Ｇ）が複数の区画に分割されている。そして、例えば、摺動プレート（２Ｂ、２Ｄ〜２Ｇ）を軸方向に分割すれば、上流側摺動プレート（２ＢＵ、２ＤＵ〜２ＧＵ）と下流側摺動プレート（２ＢＬ、２ＤＵ〜２ＧＬ）との間隙（Ｃ）の位置を決定することにより、摺動プレート（２Ｂ、２Ｄ〜２Ｇ）の背圧及び摺動プレート（２Ｂ、２Ｄ〜２Ｇ）の変形の態様（静的均衡点）を、適宜設定する（或いは制御する）ことが出来る。
【００１２】
一方、摺動プレート（２Ｃ〜２Ｇ）を周方向に分割すれば、周方向に分割された摺動プレート（２Ｃ〜２Ｇ）は、周方向について半径方向内方、半径方向外方と、相互に織り込むように積層されていることにより、摺動プレート（２Ｃ〜２Ｇ）の独立した運動による摩擦効果により、所謂「クーロン減衰」が導き出せる。そして、クーロン減衰により回転軸の振動に伴って発生する流体反力の安定性に寄与する減衰を増大することが出来る。
【００１３】
勿論、摺動プレート（２Ｃ〜２Ｇ）を軸（Ｓ）方向へ複数の区画に分割すると共に、周方向についても複数区画に分割することが可能である。
【００１４】
本発明において、前記摺動プレート（２Ｄ）の半径方向外方（背面：ケーシング１側）に弾性手段（補助的な弾性手段４、４Ａ〜４Ｅ、４２、４４、４６、４８、４９）を配置する。
その様な弾性手段を配置すれば、摺動プレート（２Ｄ）の変形を拘束して摺動プレート（２Ｄ）が過度の変形により破損してしまうことを防止することが出来る。
【００１５】
ここで、上記弾性手段（補助的な弾性手段）としては、波状バネ（４、４Ａ〜４Ｅ）や複数の板バネ（４４）、玉（４８）等を用いることが出来る。そして、波状ばね（４、４Ａ〜４Ｅ）等は、一体に形成されたもの、軸方向或いは周方向に分割されているもの、弾性反発力が場所毎に異なるもの（山部と谷部のピッチや板厚などの剛性を決めるファクターがそれぞれ異なる構造を有しているもの）等、種々のものを適用可能である。
【００１６】
また、本発明によれば、回転軸とケーシングとの間に摺動プレートが設けられ、その摺動プレートはケーシングの上流側端部と下流側端部とで固定され、かつ複数の区画に分割されており、該摺動プレートが半径方向外方の弾性手段によって支持されている環状シールにおいて、前記摺動プレートは、前記回転軸の回転により発生する流体膜の圧力によって半径方向の変形が可能であり、そして軸方向に分割されており、上流側摺動プレートと下流側摺動プレートとが積層された構造を備えている。
【００１８】
本発明を適用した流体回転機械（例えば、ガスタービン、圧縮機、ポンプ等）は、回転軸の高圧側と低圧側との間の領域に、上述した環状シールを配置している。
【００１９】
また、本発明の実施に際して、前記摺動プレート（２Ｂ、２Ｄ〜２Ｇ）の表面を二硫化モリブデンや窒化チタンなど化学化合物をコーティングし、或いは、真空蒸着法や溶射等の手法によって窒化珪素等のセラミクスをコーティングすることにより、潤滑性を高めて、摩耗による損傷を低減させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態に係る環状シール１０の作動原理について説明する。
【００２１】
本発明に係る環状シール１０は、図６、図７で示す従来の環状シール５０と、外観は類似している。
しかし、図６、図７で示す従来技術の環状シール５０が単一の円筒形のケーシング状部材で構成されているのに対して、図１で示す本発明の環状シール１０は、ケーシング（シールステータ）１と、該ケーシング１の高圧側Ｃ_Ｈ及び低圧側Ｃ_Ｌの両端部に設けられたケーシング端部１ａ、１ｂと、ケーシング端部１ａ、１ｂに溶接Ｗによって結合された摺動プレート２とから概略構成されている。
以降に説明する各実施形態の環状シールの構成部材の内、ケーシング１、及びケーシング端部１ａ、１ｂは特に記さない場合には、全て同じ符号を用いるものとする。
【００２２】
この摺動プレート２は、ケーシング１の半径方向内方（回転軸に近い側）に配置されている。図１では摺動プレート２の厚さ（半径方向寸法）はケーシング１と変わらない程度まで厚く表現されているが、実際にはケーシング１に比較して極めて薄い。
【００２３】
図１で示す様な環状シール１０において、振動や外力の付加等の理由により回転軸Ｓの中心Ｓ_Ｃとシール中心１０_Ｃとが図２で示す様に偏心すると、回転軸Ｓと摺動プレート２との半径方向の隙間（シール隙間）Ａ_０の小さい（或いは狭い）箇所Ａが生じてしまう。
ここで、半径方向隙間（シール隙間）Ａ_０が狭い箇所Ａでは、当該シール隙間Ａに存在する潤滑用流体による流体膜の圧力（動圧）が大きいため、回転軸Ｓを摺動プレート２から離隔しようとする作用効果を生じる（くさび効果）。その結果、Ａの隙間が広がり、液体がＡに流れ込む。
【００２４】
回転軸Ｓが回転すれば、熱膨張や遠心力により当該回転軸Ｓには半径方向の膨らみが生じるが、図２を参照して上述したように、シール隙間Ａ_０の流体膜には、摺動プレート２と回転軸Ｓとを離隔する様に作用する動圧が発生するので、回転軸Ｓと摺動プレート２との非接触状態が完全に保たれるのである。
【００２５】
斯かる現象（シール隙間Ａ_０の流体膜に発生する動圧により、回転軸Ｓと摺動プレート２との非接触状態が保持される、という現象）は、回転軸Ｓが非常に低い回転速度で回転している状態においても発生する。
【００２６】
回転軸Ｓの回転速度が上昇すると、それに伴い、遠心力等の影響で当該回転軸Ｓは半径方向へ更に膨らむが、図２で説明した現象（回転軸Ｓと摺動プレート２との非接触状態が保持される現象）により、回転軸Ｓの半径方向への膨らみに追従する様に、シール隙間Ａ_０の流体膜により、当該回転軸Ｓは環状シール１０の半径方向内方の摺動プレート２から離隔される。
そのため、シール隙間Ａ_０の半径方向寸法が数十μｍであっても、回転軸Ｓが半径方向へ１００μｍ以上膨張することが許容される。
尚、図２から図４では集合体である環状シール（図1の符号１０）のケーシング（図1の符号１）及びケーシングの両端部（図1の１ａ、１ｂ）の図示は省略されている。
【００２７】
ここで、回転軸Ｓと摺動プレート２との非接触状態が完全に保持されることから、図１で示す環状シール１０を用いた場合には、回転軸Ｓと環状シール１０の摺動プレート２との間の摩擦損失が極めて小さくなる。
【００２８】
図１で示すような環状シール１０においては、例えば回転軸Ｓがポンプ駆動用の回転軸である場合には、羽根車（図１〜図４では図示せず）から発生する流体力や回転軸や回転体の不釣合いに起因して、軸振動或いは回転軸Ｓの振れ回り現象が発生する。そして、斯かる軸振動や回転軸Ｓの振れ回りに起因して、シール隙間Ａ_０内の流体の動圧が変動する。
このシール隙間Ａ_０内の流体の動圧が変動すると、図３で示す様に、摺動プレート２が応答して、半径方向に凹凸を形成する。
【００２９】
図３において、シール隙間Ａ_０内の流体の動圧が変動しない場合が実線で示されており、変動した場合が２点鎖線で示されている。当該流体動圧が上昇した個所では、摺動プレート２は半径方向外方に凹み（凹部２ａ）、当該凹んだ部分２ａの隣接箇所では、摺動プレート２の弾性に起因して半径方向内方に突出する（凸部２ｂを生じる）。
【００３０】
シール隙間Ａ_０を流れる流体の圧力が上昇して摺動プレート２が半径方向外方に凹むと、図４に示すように、回転軸Ｓと摺動プレート２との間の領域が拡大され、近傍領域の流体が流れ込む（Ｙ矢印）ため、当該箇所（シール隙間Ａ_０の流体圧力が上昇した箇所）の動的圧力は降下する。
【００３１】
シール隙間Ａ_０を流れる流体の圧力が上昇した箇所（摺動プレート２が半径方向外方に凹んだ箇所）２ａと隣接する箇所（摺動プレート２が半径方向内方に突出した箇所）２ｂとでは、回転軸Ｓと摺動プレート２との間の半径方向間隔（シール隙間）Ａ_０が狭くなり、そこに存在する流体の圧力が上昇する。すると、当該隣接箇所２ｂの摺動プレート２が半径方向外側に凹む。換言すれば、シール隙間Ａ_０の流体が圧力変動を小さくする様な挙動を示し、斯かる流体の挙動に呼応して摺動プレート２が半径方向について変形する（凹凸を生じる）。
【００３２】
図３で示す様に摺動プレート２が半径方向外方に凹むという作用を奏するため、図１で示す本発明のシール１０では、図６、図７で示す通常のソリッドシールタイプの環状シール５０において、シール隙間Ａ_０内の流体に必ず発生する回転方向の流れ（旋回流Ｆｒ：図５参照）を緩和する。
図３或いは図４で示す様に（回転軸Ｓの振れ回りなどにより）摺動プレート２が半径方向外方に凹むと、当該凹んだ箇所２ａに流体が流れ込む（Ｙ矢印）ことにより、図５で示す旋回流Ｆｒは前記半径方向外方に凹んだ箇所２ａに吸収されて緩和される（打ち消される）のである。
【００３３】
旋回流Ｆｒが吸収されて、緩和される（打ち消される）ことにより、振れ回りを促進するような望ましくない力（例えば、旋回流Ｆｒの影響の大きい不安定要素であるクロスバネ力、つまり旋回流Ｆｒの速度が粘性抵抗を超えることにより発生する液膜の自励振動の振動エネルギ等）を減少することが出来る。
これにより、図１で示す環状シール１０によれば、回転軸Ｓの許容回転数を増加することが出来る。
【００３４】
さらに、図１で示す環状シール１０は図３で示す様に摺動プレート２が半径方向外方に凹むという作用を奏し、摺動プレート２が軸振動に追従した形で応答するので、摺動プレート２と回転軸Ｓとの間の接触の可能性が大幅に小さくなる。そのため、環状シール１０の漏れ量に最も影響を及ぼすシール隙間Ａ_０を小さく設定することが出来る。
これにより、シール隙間Ａ_０の流れである漏れ流れを抑制して、シール隙間Ａ_０の影響を大きく受ける流体反力のうち不安定力を小さくし、減衰力を大きくすることが可能となる。
【００３５】
以上が、本発明の実施形態に係る環状シール１０の基本的な作動原理である。
【００３６】
図８、図９は、本発明の第１実施形態を示す。
図８で示す様に、第１実施形態に係る環状シール１０Ｂでは、摺動プレート２Ｂが軸方向に複数区画（図示の実施形態では上流側２ＢＵと、下流側の２ＢＬの２区画）に分割されている。
【００３７】
摺動プレートを２分割しているので、上流側摺動プレート２ＢＵと下流側摺動プレート２ＢＬとの間に間隙Ｃを介して、シール隙間Ａ_０での圧力と同一の圧力が摺動プレート２Ｂ（２ＢＵ、２ＢＬ）の半径方向外側（摺動プレート２Ｂ（２ＢＵ、２ＢＬ）の背面）に作用する。換言すると、シール隙間Ａ_０と同一圧力が摺動プレート２Ｂ（２ＢＵ、２ＢＬ）の背面における静圧として存在する。
【００３８】
図９（９−１）は、第１実施形態の環状シール１０Ｂであり、上流側摺動プレート２ＢＵと下流側摺動プレート２ＢＬとの間隙の位置が符号「Ｃ」で示されている。
図９（９−１）の環状シール１０Ｂのシール隙間Ａ_０の圧力は、上流側で最大Ｐ_ｉｘとなり、下流側の最小値Ｐ_ｉｎに向かってリニアに降下する。斯かるシール隙間Ｃの圧力線図Ｐ_ｉが、図９（９−２）で示されている。
【００３９】
図８に関連して説明したように、摺動プレート２Ｂの間隙Ｃを介して、シール隙間Ａ_０の圧力と同一の圧力が摺動プレート２Ｂの半径方向外側（摺動プレート２Ｂの背面）に作用する。換言すれば、摺動プレート２Ｂの背面側の圧力は、上流側摺動プレート２ＢＵと下流側摺動プレート２ＢＬとの間隙Ｃにおけるシール隙間Ａ_０の圧力と同一となる。
そして、図９（９−３）で示す摺動プレート２Ｂの背面側の圧力Ｐ_０は、図９（９−２）に示すシール隙間Ａ_０の圧力線図Ｐ_ｉの区間Ｐ_ＣＣの圧力と等しくなる。
【００４０】
図１、図３等を参照して前述したように、摺動プレート２Ｂはそこに作用する圧力に応答して変形する。図８、図９で示す第１実施形態において、摺動プレート２Ｂに作用する圧力は、図９（９−２）で示すシール隙間Ａ_０の圧力Ｐｉと、図９（９−３）で示す摺動プレート２Ｂの背圧Ｐ_０とを合成した圧力となる。斯かる圧力により摺動プレート２Ｂが変形した状態が、図９（９−４）で示されている。
【００４１】
図９（９−２）で示すシール隙間Ａ_０の圧力Ｐ_ｉは、使用条件により一定となる。そして、図９（９−３）で示す様に、摺動プレート２Ｂの背面側の圧力Ｐ_Ｏは、上流側摺動プレート２ＢＵと下流側摺動プレート２ＢＬとの間隙Ｃにおけるシール隙間Ａ_０の圧力Ｐ_Ｃと同一となるので、当該間隙Ｃの位置を設定すれば、自動的に定まる。
すなわち、図８、図９で示す第１実施形態によれば、上流側摺動プレート２ＢＵと下流側摺動プレート２ＢＬとの間隙Ｃの位置を決定することにより、摺動プレート２Ｂの背圧Ｐ_Ｏ及び摺動プレート２Ｂの変形の態様（静的均衡点）を、適宜設定する（或いは制御する）ことが出来るのである。
【００４２】
図１０、図１１は、本発明の第２実施形態を示す。
図８、図９の第１実施形態では、摺動プレート２Ｂは軸方向に分割されているが、図１０、図１１の第２実施形態では、摺動プレート２Ｂは更に、周方向に複数の区画（例えば２区画）に分割されている。
【００４３】
図１０で示す様に、環状シール１０Ｃの摺動プレート２Ｃは更に周方向分割され、２Ｃ−１、２Ｃ−２、２Ｃ−３、２Ｃ−４の４部品で構成されている。そして、摺動プレート２Ｃが周方向に分割されると、通常、上流側から下流側（白抜きの矢印方向）に向かって回転軸Ｓの方向に向かう形で当該摺動プレート２Ｃ（２Ｃ−１、２Ｃ−２）が反る様に変形する。その結果として、図１２の所謂「末すぼまりシール」１０Ｄの様に、上流側から下流側へ（白抜きの矢印方向）の圧力勾配が小さくなり、シール隙間Ａ_０を流れる流体の漏れ量が減少する、という作用効果を奏する。
【００４４】
図１０では、周方向の複数の区画２Ｃ−１と２Ｃ−２、２Ｃ−３と２Ｃ−４は同一形状となっており、各区画２Ｃ−１と２Ｃ−２、２Ｃ−３と２Ｃ−４の間には間隙Ｃ_Ｃが形成されている。
【００４５】
図１３〜図２５は、本発明の第３実施形態を示す。
図１３〜図１５において、環状シール１０Ｄはケーシング１と、該ケーシング１の上流側、下流側の両端部１ａ、１ｂと、円環状の摺動プレート２Ｄ（図１４では２１Ｄ）とで構成されている。
【００４６】
該摺動プレート２Ｄ（２１Ｄ）は、前記両端部１ａ、１ｂが対向する面の外周側に、例えば一端が溶接Ｗによって固着された上流側摺動プレート２ＤＵと下流側摺動プレート２ＤＬとからなり、図１３及び図１５の例では両摺動プレート２ＤＵ、２ＤＬの間には間隙Ｃが存在する。又、図１４の例では、摺動プレート２１Ｄは上流側摺動プレート２１ＤＵと下流側摺動プレート２１ＤＬとから構成され、該上流側摺動プレート２１ＤＵと下流側摺動プレート２１ＤＬとは他の一端側が互いに重なり合う所謂「ジョグル加工」Ｊによって接合されている。
【００４７】
そして上述の摺動プレート背面２Ｄ、２１Ｄには、図１６で詳述するような波状バネ４等、補助的な弾性手段が設けられている。その様な弾性手段を設け、当該手段に反発力を生じさせることにより、静圧均衡による摺動プレート２Ｄ、２１Ｄの半径方向の変形量を抑制することが出来る。摺動プレート２Ｄ、２１Ｄの半径方向における変形量があるレベルで抑制される結果、当該変形により摺動プレート２Ｄ、２１Ｄが破損することが未然に防止される。
【００４８】
弾性手段は、図１６で示すような波状のファイルばね４、図１８で示すＯ−リング４２、板バネ（図示せず）、コイルバネ（図示せず）、図１９及び図２０で示すスナップリング４４、図２１及び図２２で示す螺子状のバネ４６、図２３及び図２４で示す球状のばね４８等、様々な形態が考えられる。
【００４９】
図１４では上流側（図示の左側）と下流側（図示の右側）とは、弾性手段が別体４Ａ、４Ａで構成されているが、図１３で示す様に、環状シール１０Ｄの軸方向全体に亘って、弾性手段４を一体に構成することも可能である。
なお、弾性手段４、４Ａは、その一端をケーシング端部１ａ又は／及び１ｂに固着し、他端をフリーにする。
或いは、図１７に示すように、弾性手段を別体４Ｄ、４Ｅに構成し、山・谷のピッチを軸方向で互いに１ピッチ分ずらす様に構成してもよい。
【００５０】
また、図１３、図１４では、弾性手段４、４Ａの凸部の形状、大きさ及びピッチは同じであり、弾性反発力は一定に構成されているが、図１５で示す様に、弾性手段４Ｂ、４Ｃの弾性反発力を（例えば上流側４Ｂと下流側４Ｃとで）変化させることも可能である。弾性手段４Ｂ、４Ｃの弾性反発力を適宜設定することにより、シール隙間Ａ_０内やプレート２Ｄ背面の静圧分布や動荷量の掛かり方に応じた設計を可能としている。
例えば、弾性手段を波バネで構成した場合には、図１５に示すように、その山部と谷部のピッチＰｉｔｃｈ１、Ｐｉｔｃｈ２や板厚ｔ１、ｔ２をそれぞれ異なる様に構成しても、同様な作用効果が得られる。
【００５１】
図示はされていないが、剛性強化のためにＯ−リングに沿うようにバネ材料で製作されたスナップリングをあてがう事が好ましい。
或いは、Ｏ−リングに切りこみを入れることでプレート背面の圧力分布を制御することも可能である。
これに加えて、図２５に示すＯ−リング４２（図２５ではＯ−リング溝１ｃを示す）とＯ−リング４２との間にフォイル軸受けのように周方向に波打っているような形の波状バネ４９を挿入し、このバネ４９と摺動プレート２との接している線間Ｘでのプレートの変形ｄにより（図２６参照）クロスカップル効果を低減する工夫をすることも出来る。
【００５２】
図２７〜図３３は、本発明の第４実施形態を示している。
図２７において、摺動プレート２Ｅは上流側２ＥＵ及び下流側２ＥＬに分割されており、さらに、上流側の摺動プレート２ＥＵ及び下流側の摺動プレート２ＥＬは、周方向に複数（図２７では３区画に）分割されている。すなわち、図２７では、摺動プレート２Ｅは全部で６つの区画に分割されている。
【００５３】
図２７及び図２８において、摺動プレート（の各区画）２ＥＵ、２ＥＬの軸方向縁部とシールケーシング（シールステータ）の両端部１ａ、１ｂとの間の固定および気密保持のための手段としては、レーザービーム溶接Ｗｌを行う手法が採用されている。
【００５４】
第４実施形態において、摺動プレート２Ｅは軸方向に分割されているが、軸方向に分割されている摺動プレート２ＥＵ、２ＥＬの境界部分における接合の態様が、図２９〜図３３に示されている。
【００５５】
図２９は上流側と下流側の摺動プレート２ＥＵ、２ＥＬの間に間隙Ｃがあり、図３０では両摺動プレート２ＥＵ、２ＥＬは突き合わされている。
図３１は両摺動プレート２ＥＵ、２ＥＬの隣り合う端部がＬ字状に形成され、該Ｌ字状端部が当接するように構成されている。
図３２は両摺動プレート２ＥＵ、２ＥＬの隣り合う端面に相補の関係にある凹部２Ｅａと、凸部２Ｅｂが形成され相補するように接合されている。
図３３は上流側プレート２ＥＵの下流側に対向する端部はＬ字状に形成され、下流側プレート２ＥＬの上流側に対向する端部は、断面が前記上流側のＬ字状端部を握持するような柄杓状に形成されている。
【００５６】
図３４〜図３７は、本発明の第５実施形態を示している。
第４実施形態と同様に、第５実施形態の全体を符号１０Ｆで示す環状シールにおいても、摺動プレート２Ｆは、軸方向に分割（図示の例では２区画）されていると共に、周方向にも分割されている（図示では３区画）。しかし、第５実施形態では、摺動プレート２Ｆが半径方向について２重に配置されている点で、第４実施形態と相違している。
【００５７】
図３４において、上方（半径方向内方：回転軸に近い側）の摺動プレート２ＦＵ、２ＦＬと、下方（半径方向外方：回転軸から遠い側）の摺動プレート２１ＦＵ、２１ＦＬが設けられている。
上方摺動プレート２ＦＵ、２ＦＬと下方摺動プレート２１ＦＵ、２１ＦＬとは、軸方向（漏れ流れの方向）については、図３４から明らかなように、上流側、下流側が同一の境界部（境界線Ｌ）で分割されている。
又、前記上方摺動プレート２ＦＵ、２ＦＬと下方摺動プレート２１ＦＵ、２１ＦＬの一端は、ケーシング１の両端部１ａ、１ｂにレーザービーム溶接Ｗｌによって結合されている。
【００５８】
しかし、周方向については、図３５〜図３７で明らかなように、上方摺動プレート２ＦＵ、２ＦＬの区画間の境界線ＬＵと、下方摺動プレート２１ＦＵ、２１ＦＬの区画間の境界線ＬＬとは、位置が相違している。
【００５９】
なお、図３６は摺動プレート２Ｆを展開した状態を示しており、上方摺動プレート２ＦＵ、２ＦＬにおける区画間の境界線ＬＵは実線で示されており、下方摺動プレート２１ＦＵ、２１ＦＬにおける区画間の境界線ＬＬは点線で示されている。
【００６０】
周方向に分割された摺動プレート２Ｆは、周方向について半径方向内方、半径方向外方と、相互に織り込むように積層されていることにより、摺動プレート２Ｆの独立した運動による摩擦効果により、所謂「クーロン減衰」が導き出せる。そして、クーロン減衰により回転軸系の安定性を向上させる効果が得られる。
【００６１】
図３８〜図４６は本発明の第６実施形態を示している。
第６実施形態である全体を符号１０Ｇで示す環状シールは、図３８及び図３９に示すように、第４、第５実施形態同様、摺動プレート２Ｇは、軸方向に分割（図示の例では２区画）されていると共に、周方向にも分割されている（図示では３区画）。
【００６２】
しかし、図３８から明らかなように、第６実施形態においては、上流側（図３８中、左側）の摺動プレート２ＧＵと下流側（図３８中、右側）の摺動プレート２ＧＬは、ケーシング１の全長に対する長さの割合が異なるように構成されており、図３９に示すように上流側の摺動プレート２ＧＵの面積の大部分は下流側の摺動プレート２ＧＬの一部にラップしている場合もある。又、（図３８を参照して）上流側と下流側との摺動プレートの分割線ＬＵ、ＬＬは一致することなく千鳥に配置されている。
【００６３】
斯かる構成を採用することにより、上流側摺動プレート２ＧＵの周方向の区画間境界線（分割線ＬＵ）と下流側摺動プレートの周方向の区画間境界線（分割線ＬＬ）との周方向位置が相違し、当該境界線が上流側から下流側まで一直線に構成されてしまうことが無い。
当該境界線が上流側から下流側まで一直線に構成されてしまうと、該一直線の境界線が流体のバイパス流路として作用して、シール隙間Ａ_０を流れる流体が該バイパス流路を流れ、その流量が増加してしまう。
これに対して、第６実施形態では、上述したような「上流側から下流側まで一直線に構成された境界線」（バイパス流路）の形成を未然に防止して、漏れ量のいたずらな上昇を避けることが可能となっている。
【００６４】
斯かる第６実施形態では、上述した様に、上流側摺動プレート２ＧＵの軸方向長さと、下流側摺動プレート２ＧＬの軸方向長さとを相違させることが出来る。
【００６５】
図４０に示す上流側の摺動プレート２ＧＵと下流側の摺動プレート２ＧＬの間には、間隙Ｃがある。
また、図４１（図３９と同じ）で示す様に、下流側プレート２ＧＬは、上流側プレート２ＧＵの下方（半径方向外方）に積層されている。
【００６６】
また、図４２で示す様に、上流側摺動プレート２ＧＵの軸方向下流側端部近傍で、下流側摺動プレート２ＧＬを半径方向について屈曲（ジョグル加工）させても良い。
【００６７】
さらに、図４３で示す様に、上流側２ＧＵ及び下流側摺動プレート２ＧＬを何れも折り曲げて、上流側摺動プレート２ＧＵの折り曲げた端部を、下流側プレート２ＧＬの折り曲げた端部内に嵌合せしめて（櫨折加工して）も良い。
【００６８】
或いは、図４４で示す様に、上流側摺動プレート２ＧＵの少なくとも下流側端部近傍部分の半径方向外方（図４４では下方向）の形状と、それに対応する下流側摺動プレート２ＧＬの形状とを、相互に係合する相補的な形状（図示では半円弧状断面の凹溝２Ｇａ・凸溝２Ｇｂが形成されている）に構成しても良い。
【００６９】
第６実施形態において、図３９における下流側摺動プレート２ＧＬの半径方向外側の空間Ａｏに図示しない経路を介して液体が浸入するように構成されていれば、当該空間Ａｏには圧力が発生して、摺動プレートの半径方向外方の静圧が高い状態、所謂「内圧型」となる。その様な状態において、例えば、上流側が下流側に比べて静圧の値が高く、摺動プレート２Ｇが半径方向外方に撓む変形量が大きい（外圧型）場合であっても、下流側摺動プレート２ＧＬが上流側摺動プレート２ＧＵに対して半径方向外方にあり、所謂「内圧型」であるため、摺動プレート２Ｇの半径方向外方への撓み量（変形量）を抑え、所定の範囲内に収まる様に作用する。
【００７０】
また、摺動プレート２Ｇを介した半径方向における圧力差は適度なプリロード（与圧）を与え、回転軸Ｓの回転開始時（起動時）に発生しやすい不安定振動を抑制する効果をもたらす場合がある。
【００７１】
第６実施形態においても、摺動プレート２Ｇとシールステータ１との間の固定および気密保持のためには、レーザービーム溶接Ｗｌが採用されている。
なお、図４５及び４６に示す全体を符号１０Ｋで示す実施形態は、摺動プレート２Ｋが上流側及び下流側の２Ｋ、２ＫＬに分割されてそれぞれ２層で構成されており、下方の摺動プレートと上方の摺動プレートとの周方向分割線の位置がずらされ、かつ上流側と下流側とも千鳥に配置されている例である。
【００７２】
図４７は、図示の環状シール１０Ｈを軸部Ｓｔと、該軸部Ｓｔの周りを回転するタービン６と、圧縮機７と、前記軸部Ｓｔを支持する軸受け８と、前記軸部の回転に係合するモータ発電機９とによって構成されたマイクロガスタービン５に適用した状態を示す。図中、白抜きの矢印は作動流体の流れを、又、小矢印は漏れ流体の流れの方向を示し、温度は当該領域の流体の温度を示す。
明確に図示はされていないが、環状シール１０Ｈの摺動プレート２Ｈの背面（半径方向外側）にはバネ鋼またはベリリウム銅などバネ用材料などで作られたスナップリング状のバネ要素４Ｈが軸方向に多数並べられた構成になっている。特に、マイクロガスタービン５の場合は切削性が比較的優れ強度があり、高温や腐食に対する耐久性の強いインコネル系などの材料が採用される。
【００７３】
ここで、摺動プレート２Ｈが半径方向外方に変形した場合に、上述したスナップリング状のバネ要素４Ｈとプレート２Ｈとの接点が線で接するように、当該スナップリング状のバネ要素４Ｈの先端はＶカットされ、プレスなどの手段により折り曲げられているのが好ましい。
【００７４】
図４８は、図示の環状シール１０Ｉを圧縮機６７に適用した状態を示している。
ここで、図４８の圧縮機６７は、雰囲気温度が２００℃以下の環境で使用される。図示されていないが、斯かる圧縮機６７で使用される環状シール１０Ｉにおいては、摺動プレート２Ｉのコーティング材料は合成樹脂、例えばテフロン（登録商標）Ｓやポリイミド系の材料が好ましい。そして、摺動プレート２Ｉの材料はＳＵＳ３０４ＣＳＰやリン青銅、ベリリウム銅等、選択肢が多い。
【００７５】
図４８では示されていないが、摺動プレート２Ｉの背面（半径方向外方）に補助的な弾性手段、例えば波状ばね４Ｉを設ける場合には、軸方向に多数の一定または不規則なピッチを有するようにシールケーシングに溝を形成し、該溝の中にフッ素ゴム性のＯ−リングを収容するのが好ましい。この様に構成すれば、摺動プレート２Ｉの変形に伴うＯ−リングとプレート２Ｉの線接触によりＯ−リング自体の減衰性と弾性力とが適度なロータダイナミクスパフォーマンスを引き出すからである。
【００７６】
図４９、図５０は、図示の環状シール１０Ｊをポンプ５５に適用した状態を示している。尚、図中白抜きの矢印は作動流体（水）の流れの方向を示し、小矢印は当該の漏れ流体の流れの方向を示す。
図４９においては、流体が水であるポンプが対象であるため、空気などを流体としている回転機械に適用する場合に比べ、シール隙間の静圧や動圧が大きくなる。そのため、明確には図示されていないが、摺動プレートの板厚を厚くしたり、摺動プレートを多重に重ね合わせたりして用いている。
【００７７】
図４９で用いられた環状シール１０Ｊの詳細が、図５０で示されている。
図５０において、摺動プレート２Ｊの半径方向外方（背面）に第２のプレート２２Ｊを介して設けられた補助的な弾性手段は板ばね４Ｊに半球状の突起４Ｊａを設けたものであるが、相対的に剛性の高い球面バネや、板厚の厚く或いは山谷のピッチが小さい波状ばね、切削やエッチングなどにより実現されるシールケーシングと一体型の凹凸形状（平行溝やハニカム状のもの）等を採用することが可能である。
明確には示されていないが、摺動プレート２Ｊの変形を抑制するために、例えば、レーザービーム溶接Ｗｌにより多くの摺動プレート（の区画）２Ｊ、２２Ｊをケーシング１側に固定し、摺動面と背面との間の静圧の差を小さくならしめている。
【００７８】
なお図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では、軸方向に２区画、周方向に３区画（合計６区画）分割して示されているが、摺動プレートはさらに多数の区画に分割することが可能である。
また、摺動プレート２（２Ｂ〜２Ｊ）とシールステータ１との間の固定および気密保持のためには、レーザービーム溶接Ｗｌが用いられているが、その他の固定及び気密保持技術を使用することが可能である。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１）ラビリンスシール、フラットシール等、従来のソリッドシールと比べて、シール隙間を小ならしめる効果により、漏れ量が小さく復元力や減衰力を向上させうるシールを開発することが可能となる。
（２）また、摺動プレートの変形に起因するクロスバネ効果低減が計られ、自励振動発生の可能性が大幅に小さくなる。
（３）これらの結果、回転軸系の安定性が向上し、漏れ量抑制に伴う効率の向上が実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の環状シールの基本的な構成を示す断面図。
【図２】図１の環状シールにおいて、回転軸が偏心した状態を示す縦断面図。
【図３】図１の環状シールの作用効果を示す縦断面図。
【図４】図１の環状シールの他の作用効果を示す縦断面図。
【図５】環状シールの旋回流を示す縦断面図。
【図６】従来の環状シールの断面図。
【図７】従来の環状シールの斜視図。
【図８】本発明の第１実施形態を示す部分断面図。
【図９】第１実施形態の作用効果を説明する図。
【図１０】本発明の第２実施形態を示す斜視図。
【図１１】第２実施形態の横断面図。
【図１２】末すぼまりシールを示す図。
【図１３】本発明の第３実施形態を示す部分断面図。
【図１４】第３実施形態の他の例を示す部分断面図。
【図１５】第３実施形態のさらに他の例を示す部分断面図
【図１６】第３実施形態で用いられる弾性手段の１例を示す断面図。
【図１７】第３実施形態で用いられる弾性手段の他の例を示す断面図。
【図１８】弾性手段のその他の例を示す断面図。
【図１９】弾性手段のさらに他の例を示す部分断面図。
【図２０】図１９の弾性手段の平面図。
【図２１】弾性手段の別の例を示す部分断面図。
【図２２】図２１の弾性手段の部分斜視図。
【図２３】弾性手段のさらに別の例を示す部分断面図。
【図２４】図２３のＺ矢視図。
【図２５】弾性手段のさらに別の例を示す部分斜視図。
【図２６】図２５のＢ−Ｂ断面図。
【図２７】本発明の第４実施形態に係る摺動プレート２Ｅを示す展開図。
【図２８】摺動プレート２Ｅの各区画２ＥＵの軸方向縁部とシールステータ１との接合状態を示す部分斜視図。
【図２９】第４実施形態における摺動プレート２Ｅの軸方向分離箇所における接合の１態様を示す図。
【図３０】図２９とは異なる接合の態様を示す図。
【図３１】図２９、図３０とは異なる接合の態様を示す図。
【図３２】図２７〜図２９とは異なる接合の態様を示す図。
【図３３】図２９〜図３２とは異なる接合の態様を示す図。
【図３４】本発明の第５実施形態を示す部分断面図。
【図３５】第５実施形態を半径方向内方から見た部分斜視図。
【図３６】第５実施形態で用いられる摺動プレートの展開図。
【図３７】図３６のＡ−Ａ線断面図。
【図３８】本発明の第６実施形態で用いられる摺動プレートの展開図。
【図３９】第６実施形態の部分断面図。
【図４０】摺動プレートの分割部の部分拡大断面図。
【図４１】図３９の部分拡大断面図。
【図４２】第６実施形態の変数例を示す部分拡大断面図。
【図４３】第６実施形態の別の変数例を示す部分拡大断面図。
【図４４】第６実施形態のさらに別の変数例を示す部分拡大断面図。
【図４５】摺動プレートの別の実施形態の展開図。
【図４６】図４５のＣ−Ｃ断面図。
【図４７】本発明の環状シールをマイクロガスタービンに適用した状態を示す断面図。
【図４８】本発明の環状シールを圧縮機に適用した状態を示す断面図。
【図４９】本発明の環状シールをポンプに適用した状態を示す断面図。
【図５０】図４９の環状シールの詳細断面図。
【符号の説明】
１・・・ケーシング
２・・・摺動プレート
１０・・・環状シール
Ｓ・・・回転軸

Claims

回転軸とケーシングとの間に摺動プレートが設けられ、その摺動プレートはケーシングの上流側端部と下流側端部とで固定され、かつ複数の区画に分割されており、該摺動プレートが半径方向外方の弾性手段によって支持されている環状シールにおいて、前記摺動プレートは、前記回転軸の回転により発生する流体膜の圧力によって半径方向の変形が可能であり、そして軸方向に分割されており、その軸方向上流側の摺動プレートと下流側の摺動プレートとの間隔および前記間隔の軸方向位置を変えることで当該摺動プレートの変形の態様を設定することを可能とした構造を備えていることを特徴とする環状シール。
回転軸とケーシングとの間に摺動プレートが設けられ、その摺動プレートはケーシングの上流側端部と下流側端部とで固定され、かつ複数の区画に分割されており、該摺動プレートが半径方向外方の弾性手段によって支持されている環状シールにおいて、前記摺動プレートは、前記回転軸の回転により発生する流体膜の圧力によって半径方向の変形が可能であり、そして軸方向に分割されており、上流側摺動プレートと下流側摺動プレートとが積層された構造を備えていることを特徴とする環状シール。
回転軸の高圧側と低圧側との間の領域に、請求項１または２のいずれかに記載された環状シールを配置していることを特徴とする流体回転機械。