JP4115081B2

JP4115081B2 - 軸封装置

Info

Publication number: JP4115081B2
Application number: JP2000338552A
Authority: JP
Inventors: 宜昭瀧ヶ平; 秀和高橋
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: JP2002139157A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば汽力発電プラントのボイラ用ポンプ等、密封対象流体が高温になるような回転機器の軸封手段として好適に用いられ、特に、ポンピングリングを有する軸封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、密封対象流体が高温になるボイラ用ポンプの回転軸の軸周を密封する軸封装置として、典型的には図３に示されるようなものが知られている。
【０００３】
図３において、参照符号１００はボイラ用ポンプの回転軸、参照符号１１０は、ボイラ用ポンプの軸孔部１１１及びこれに軸方向に連結された複数のシールカバー１１２〜１１４からなり、回転軸１００の軸周を包囲するように配置された軸封部ハウジングである。この回転軸１００と軸封部ハウジング１１０との間には、メカニカルシール１２０と、その機内Ａ側のポンピングリング１３０が配置される。
【０００４】
メカニカルシール１２０は、回転軸１００に外挿固定された軸スリーブ１０１の鍔状ホルダ１０２に密封的に装着されて回転軸１００と一体的に回転するメイティングリング１２１と、軸封部ハウジング１１０におけるシールカバー１１４の内周部にコンプレスリング１２３を介して非回転状態にかつ密封的に装着されたシールリング１２２が、コンプレスリング１２３の背面側に配置されたコイルスプリング１２４の付勢力により、互いの対向端面同士で密接し、その密封摺動面ＳＦにおいて、軸封機能を奏するものである。
【０００５】
ポンピングリング１３０は、内周が軸スリーブ１０１に密着すると共に、外周が、シールカバー１１２の内周面と所定の隙間Ｇをもって近接しており、回転時にポンピング孔１３１内に発生する遠心力によって、ポンプ作用を発揮する。
【０００６】
ポンピングリング１３０より大気Ｂ側であってメカニカルシール１２０の外周に位置する中間室Ｃには、循環水ＣＷが充満している。この循環水ＣＷは、軸封部ハウジング１１０におけるシールカバー１１４に開設された循環水注入孔１１４ａ及びシールカバー１１２に開設された循環水排出孔１１２ａを通じて、ポンピングリング１３０の遠心ポンプ作用により、機外に配置された循環水クーラー（図示省略）との間で循環され、密封対象である機内Ａのボイラ水ＨＷよりも低い温度に保持されている。そして、この循環水ＣＷの循環によって、メカニカルシール１２０におけるメイティングリング１２１とシールリング１２２の密封摺動面ＳＦが冷却されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の構成を有する従来の軸封装置によると、共に金属材料からなるポンピングリング１３０とシールカバー１１２との干渉を避けるために、その対向面間に少なくとも０．１〜０．２ｍｍ程度の径方向隙間Ｇを設けていることから、ポンピングリング１３０によって循環水排出孔１１２ａに吐出される循環水ＣＷの一部が、隙間Ｇを通じて機内Ａあるいは中間室Ｃへ漏れ出すことは避けられず、ポンピングリング１３０によるポンプ効率を向上させることが困難であるといった問題が指摘される。
【０００８】
また、隙間Ｇを通じて、機内Ａの高温のボイラ水ＨＷと、ポンピングリング１３０内を通る低温の循環水ＣＷとの間で混合や熱交換が行われ、このため循環水ＣＷの温度が上昇してしまい、メカニカルシール１２０におけるメイティングリング１２１とシールリング１２２の密封摺動面ＳＦに対する冷却効率を向上させることが困難であるといった問題が指摘される。
【０００９】
したがって、メカニカルシール１２０におけるメイティングリング１２１とシールリング１２２の密封摺動面ＳＦを適正な温度に保つためには、容量の大きい循環水クーラーや、更には軸封部ハウジング１１０を包囲する冷却ジャケットの設置等が必要になり、装置全体のコスト高を来すことになる。
【００１０】
本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題とするところは、循環液によるメカニカルシールの密封摺動面の冷却効率を向上させることによって、密封対象流体が高温である場合も良好な密封性能を発揮し得る軸封装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題は、本発明によって有効に解決することができる。
すなわち請求項１の発明に係る軸封装置は、回転軸及びこの回転軸の外周を包囲する軸封部ハウジングの間に設置されたメカニカルシールと、前記回転軸に前記メカニカルシールの密封摺動面よりも機内側に位置して設けられて前記メカニカルシールの外周に循環液を循環供給させるポンピングリングとを備え、前記ポンピングリングの外周面に、前記軸封部ハウジングに設けた循環液排出孔に対応して吐出孔を設けた軸封装置において、前記吐出孔の軸方向両側に位置して前記ポンピングリングおよび軸封部ハウジング間にウェアリングを配置し、前記ウェアリングは、ＰＴＦＥ又はポリイミド樹脂等の自己潤滑性樹脂材料よりなり、加熱して熱膨張した状態で前記ポンピングリングに外挿した後、除熱して収縮させることによって前記ポンピングリングに密着固定され、その外径寸法は、前記軸封部ハウジングのうち前記ポンピングリングの外周に位置するシールカバーの内周面の径寸法と略同等又は微小間隙を介して僅かに小径となっていることを特徴とするものである。そして、この構成によって、前記循環液排出孔の軸方向両側で互いに近接対向する前記軸封部ハウジングと前記ポンピングリングの対向面との隙間を、十分に小さくすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸封装置の好適な実施の形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る軸封装置の好適な実施の形態を、軸心を通る平面で切断して示す装着状態の断面図、図２は、この実施の形態において用いられるポンピングリングを一部切断して示す斜視図である。
【００１４】
まず図１において、参照符号１０はボイラ用ポンプの軸封部ハウジング、参照符号２０は、この軸封部ハウジング１０の内周から機内Ａへ挿通された回転軸である。軸封部ハウジング１０は、ポンプ軸孔部１１と、その機外側に回転軸２０の軸周を包囲するように配置されて螺子部材１５，１６によって軸方向に互いに連結されたシールカバー１２〜１４からなる。ポンプ軸孔部１１、シールカバー１２〜１４の間は、それぞれＯリング１７〜１９によって密封されている。
【００１５】
この実施の形態における軸封装置は、回転軸２０と軸封部ハウジング１０との間に配置されたメカニカルシール３０と、その機内Ａ側に配置されたポンピングリング４０とからなる。また、回転軸２０には軸スリーブ２１が外挿固定され、この回転軸２０と軸スリーブ２１との間は、図示されていないパッキン等によって密封されている。
【００１６】
メカニカルシール３０は、回転軸２０側に密封的に装着されて回転軸２０と一体的に回転するメイティングリング３１と、軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１３の内周に配置されて非回転状態かつ密封的に保持されたシールリング３２が、コイルスプリング３６の付勢力により、互いの対向端面同士で密接し、その密封摺動面ＳＦにおいて、軸封機能を奏するものである。
【００１７】
詳しくは、回転軸２０の軸スリーブ２１には、軸封部ハウジング１０における最も機内Ａ側にあるシールカバー１２の機外寄りの内周に位置して、鍔状ホルダ２２が一体に形成されており、メカニカルシール３０におけるメイティングリング３１は、この鍔状ホルダ２２の環状凹部２２ａに、Ｏリング３３を介して密封的に保持されると共に、鍔状ホルダ２２に植設されたピン２２ｂと係合されることによって、軸スリーブ２１（回転軸２０）との相対回転が防止されている。
【００１８】
軸封部ハウジング１０における最も大気Ｂ側のシールカバー１４には、内周フランジ部１４ａ及びその内径端部から機内Ａ側へ向けて突出した保持筒部１４ｂが形成されており、この保持筒部１４ｂには、Ｏリング３４を介してコンプレスリング３５が保持されている。シールカバー１４の内周フランジ部１４ａの内側面には、円周方向所定間隔で複数のスプリング保持穴１４ｃが形成されており、このスプリング保持穴１４ｃとコンプレスリング３５との間に、それぞれコイルスプリング３６が配置されている。
【００１９】
シールリング３２は、コンプレスリング３５の前面（コイルスプリング３６と反対側の面）に当接配置されると共に、このコンプレスリング３５との間がＯリング３７で密封され、外周面に円周方向等間隔で形成された係合突起３２ａが、これに対応して軸封部ハウジング１０における中間のシールカバー１３の内周部に形成された係合切欠１３ａと係合することによって、非回転状態かつ軸方向移動可能な状態に保持されている。すなわち、シールリング３２は、コンプレスリング３５を介してコイルスプリング３６の軸方向付勢力を受けることにより、前面（コンプレスリング３５と反対側の面）に円周方向に連続して形成された摺動突起３２ｂにおいて、メイティングリング３１の端面と密接され、密封摺動面ＳＦを形成している。
【００２０】
ポンピングリング４０は、本体４１と、その外周部から軸方向両側へ突出した一対の環状突縁４２，４２と、この環状突縁４２，４２の外周面に形成された溝部にそれぞれ装着固定された一対のウェアリング４４，４４からなる。図２の斜視図にも示されるように、本体４１には、その内周面４１ａからメカニカルシール３０側を向いた端面４１ｂの内周部にかけて軸方向に延びる吸入切欠４０ａと、そこから径方向へ貫通した吐出孔４０ｂが、円周方向等間隔で複数形成され、軸方向に貫通したボルト挿通孔４０ｃが円周方向等間隔で複数形成されている。
【００２１】
このポンピングリング４０は、本体４１の内周部が、軸スリーブ２１における鍔状ホルダ２２よりも機内Ａ側に、その外周面に形成された段差部２１ａに当接した状態で密嵌されると共に、ボルト挿通孔４０ｃにそれぞれ挿通されたボルト４３を、軸スリーブ２１の鍔状ホルダ２２の背面に形成された螺子穴にねじ込むことによって、鍔状ホルダ２２（軸スリーブ２１）に固定される。
【００２２】
ウェアリング４４は、自己潤滑性材料、典型的にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂材からなるものであって、適宜加熱して熱膨張した状態で各環状突縁４２の外周溝部に外挿した後、除熱して収縮させることによって、密着固定される。また、このウェアリング４４は、ポンピングリング４０の外周面に開口した各吐出孔４０ｂの開口部の軸方向両側に位置しており、外径が、軸封部ハウジング１０のうちポンピングリング４０の外周に位置するシールカバー１２の内周面の径と略同等、又は微小間隙を介して僅かに小径となっている。
【００２３】
軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１２には、ポンピングリング４０における一対のウェアリング４４，４４との対向面の間に位置して、円周方向に連続した環状凹部１２ａが形成され、この環状凹部１２ａの円周方向一箇所から、循環水排出孔１２ｂが径方向に貫通して開設されている。また、最も大気Ｂ側のシールカバー１４には、メカニカルシール３０におけるコンプレスリング３５の外周空間に開口した循環水注入孔１４ｄが径方向に貫通して開設されている。
【００２４】
機外に設置された循環水クーラー５０は、その給水口５０ａが、配管５１を介して軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１２の循環水排出孔１２ｂに接続され、排水口５０ｂが、配管５２を介してシールカバー１４の循環水注入孔１４ｄに接続されている。
【００２５】
軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１３の内周部には、先に説明した係合切欠１３ａのほか、循環水注入孔１４ｄから注入される循環水ＣＷが最短距離で短絡するのを防止するためにこれを円周方向へ導くスリーブ部１３ｂと、メカニカルシール３０におけるメイティングリング３１とシールリング３２の外周部間へ向けて延び、循環水ＣＷを密封摺動面ＳＦの外周を経由するように内周側へ迂回させる内向き鍔部１３ｃが形成されている。
【００２６】
なお、参照符号１４ｅは、軸封部ハウジング１０における最も大気Ｂ側のシールカバー１４に、その内周フランジ部１４ａの内周面に向けて径方向に開設したクエンチング給排孔であり、参照符号６０は、このクエンチング給排孔１４ｅを通じてメカニカルシール３０の内周隙間に流通されるクエンチング水が大気Ｂ側へ流出するのを防止するための二次シールである。
【００２７】
以上の構成において、回転軸２０がその軸心の周りに回転すると、この回転力は、軸スリーブ２１からその鍔状ホルダ２２に植設されたピン２２ｂを介してメカニカルシール３０のメイティングリング３１に伝達され、これによってメイティングリング３１は回転軸２０と一体的に回転される。一方、コイルスプリング３６の付勢力によってメイティングリング３１に密接しているシールリング３２は、外周の係合突起３２ａが軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１３の係合切欠１３ａと係合していることによって非回転状態に保持されているため、メイティングリング３１とシールリング３２は互いに密接摺回動し、その密封摺動面ＳＦにおいて、適当な液体潤滑状態を維持しながら軸封機能を奏する。
【００２８】
メカニカルシール３０は、当該ボイラ用ポンプの駆動（回転軸２０の回転）によって機内Ａのポンプ室（図示省略）内を経由して送られるボイラ水ＨＷを密封対象とするものであるが、このボイラ水ＨＷは非常に高温であるため、熱負荷によってメカニカルシール３０の密封性能に悪影響を与えないように、メカニカルシール３０の外周を、機外に設置した循環水クーラー５０によってボイラ水ＨＷよりも十分に低温に保持された循環水ＣＷが、ポンピングリング４０の遠心ポンプ作用によって、図１に太い矢印で示されるような経路で循環流通されるようになっている。したがって直接的には、メカニカルシール３０は、循環水ＣＷを密封対象としていることになる。
【００２９】
なお、ボイラ水ＨＷと循環水ＣＷは、温度が相違するだけであって、同一のものである。
【００３０】
詳しくは、ポンピングリング４０は、ボルト４３によって軸スリーブ２１の鍔状ホルダ２２に固定されているため、回転軸２０と一体的に回転する。ポンピングリング４０が回転すると、その各吐出孔４０ｂ内に充満している循環水ＣＷが遠心力によって外周側へ投げ出される一方、吸入切欠４０ａ内が低圧になることによって、中間室Ｃの循環水ＣＷが吸入される。
【００３１】
ポンピングリング４０の吐出孔４０ｂから外周へ吐出された循環水ＣＷは、軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１２の内周面の環状凹部１２ａから循環水排出孔１２ｂ及びこれに接続された配管５１を介して、機外の循環水クーラー５０に送られる。そして、循環水クーラー５０内での熱交換により所定の低温状態になった循環水ＣＷは、配管５２を介して、軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１４の循環水注入孔１４ｄから中間室Ｃへ還流される。
【００３２】
循環水注入孔１４ｄからその内端開口部に達した循環水ＣＷは、シールカバー１３のスリーブ部１３ｂにより円周方向へ導かれながらこのスリーブ部１３ｂを迂回し、更にシールリング３２とシールカバー１３との間の隙間を介して、密封摺動面ＳＦの外周に達する。ここで、循環水ＣＷは、シールカバー１３の内向き鍔部１３ｃにより、強制的に密封摺動面ＳＦへ向けて内周側へ迂回させられるので、この密封摺動面ＳＦで発生した熱を効率良く除去する。
【００３３】
密封摺動面ＳＦのとの熱交換により昇温した循環水ＣＷは、メイティングリング３１の外周から鍔状ホルダ２２の背面側を経由して、ポンピングリング４０の吸入切欠４０ａへ吸入され、上述した一連の経路での循環が繰り返される。
【００３４】
ここで、上述の構成によれば、ポンピングリング４０の外周面における吐出孔４０ｂの開口部の軸方向両側に位置して装着された一対のウェアリング４４，４４の外径が、シールカバー１２の内周面に対してほぼ密接状態又は極めて微小な間隙を介して近接又はほぼ密接している。このため、ポンピングリング４０の吐出孔４０ｂからシールカバー１２の環状凹部１２ａを介して循環水排出孔１２ｂへ吐出される循環水ＣＷの一部が機内Ａ及び中間室Ｃへ漏出するようなことがなく、機内Ａの高温のボイラ水ＨＷと混合したり熱交換されることも防止される。
【００３６】
したがって、ポンピングリング４０によるポンプ効率が向上し、その結果、循環水ＣＷの循環流量の減少が防止され、メカニカルシール３０の密封摺動面ＳＦにおける熱負荷が効率良く除去される。また、機内Ａと中間室Ｃとの間が、ポンピングリング４０によってほぼ確実に分離されるため、機内Ａにおける高温のボイラ水ＨＷとの混合や熱交換による循環水ＣＷの昇温も微小に抑えられ、循環水クーラー５０における循環水ＣＷの熱交換（冷却）効率も向上する。
【００３９】
また、自己潤滑性材料としては、上述の実施の形態のようなＰＴＦＥ樹脂材に限らず、ポリイミド樹脂等、他のエンジニアプラスチックも好適に使用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１の発明に係る軸封装置によれば、ポンピングリングの外周面に設けた吐出孔の軸方向両側に位置してポンピングリングおよび軸封部ハウジング間にウェアリングを配置し、このウェアリングは、ＰＴＦＥ又はポリイミド樹脂等の自己潤滑性樹脂材料よりなり、加熱して熱膨張した状態でポンピングリングに外挿した後、除熱して収縮させることによってポンピングリングに密着固定され、その外径寸法は、軸封部ハウジングのうちポンピングリングの外周に位置するシールカバーの内周面の径寸法と略同等又は微小間隙を介して僅かに小径となっているために、軸封部ハウジングとポンピングリングの対向面間の隙間を十分に小さくすることができる。このため、ポンピングリングから吐出される循環液の漏れ出しを抑制してポンプ効率を向上させることができ、その結果、メカニカルシール外周における循環液の流量が増加し、しかも、機内の密封対象流体が高温であっても、この密封対象流体との混合や熱交換による循環液の昇温が有効に防止されるので、密封摺動面の熱負荷除去効果を向上させ、循環液の冷却手段における熱交換効率も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸封装置の好適な実施の形態を、軸心を通る平面で切断して示す装着状態の断面図である。
【図２】図１に示される実施の形態において用いられるポンピングリングを一部切断して示す斜視図である。
【図３】従来の技術に係る軸封装置を、軸心を通る平面で切断して示す装着状態の半断面図である。
【符号の説明】
１０軸封部ハウジング
１２ｂ循環水排出孔（循環液排出孔）
１４ｄ循環水注入孔（循環液注入孔）
２０回転軸
３０メカニカルシール
４０ポンピングリング
４４ウェアリング（自己潤滑性材料）
５０循環水クーラー
Ａ機内
Ｂ大気
Ｃ中間室
ＣＷ循環水（循環液）
ＨＷボイラ水（密封対象流体）
ＳＦ密封摺動面

Claims

回転軸（２０）及びこの回転軸（２０）の外周を包囲する軸封部ハウジング（１０）の間に設置されたメカニカルシール（３０）と、
前記回転軸（２０）に前記メカニカルシール（３０）の密封摺動面（ＳＦ）よりも機内（Ａ）側に位置して設けられて前記メカニカルシール（３０）の外周に循環液（ＣＷ）を循環供給させるポンピングリング（４０）とを備え、
前記ポンピングリング（４０）の外周面に、前記軸封部ハウジング（１０）に設けた循環液排出孔（１２ｂ）に対応して吐出孔（４０ｂ）を設けた軸封装置において、
前記吐出孔（４０ｂ）の軸方向両側に位置して前記ポンピングリング（４０）および軸封部ハウジング（１０）間にウェアリング（４４）を配置し、
前記ウェアリング（４４）は、ＰＴＦＥ又はポリイミド樹脂等の自己潤滑性樹脂材料よりなり、加熱して熱膨張した状態で前記ポンピングリング（４０）に外挿した後、除熱して収縮させることによって前記ポンピングリング（４０）に密着固定され、その外径寸法は、前記軸封部ハウジング（１０）のうち前記ポンピングリング（４０）の外周に位置するシールカバー（１２）の内周面の径寸法と略同等又は微小間隙を介して僅かに小径となっていることを特徴とする軸封装置。