JP4222199B2 - リップシール及び水車 - Google Patents

Description

本発明はリップシールに係り、特に水車の主軸と固定部との隙間からの流体の漏れを防止するリップシールとこれを利用した水車に関する。

最近の高落差水車のシールとしては、パッキンの摺動面に周方向の給水溝を設け、給水溝には背圧と連通する給水孔を設置し摺動面と背圧をバランスさせた背圧バランス型セグメントシールが複数段重ねて使用されている。この背圧バランス型セグメントシールは分割配置されたパッキンをガータスプリングによりスリーブに抱き合わせた簡単な封水構造である。

この背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねたシール構造が特許文献１に示されている。背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねたシール構造では、各段の開口面積を同じくし、圧力差をほぼ同等になるように設計されている。

特開昭５８−７００６３号公報 日本機械学会発行の機械工学便覧、水力機械一般（Ｂ５−３５）のシールの項目

しかし、この方式を低落差の水車に適用することを考えると、セグメントパッキン間の周方向隙間が大きいので漏水量が多く、漏水量低減構造が求められる。

漏水量低減構造としては、Ｊ型パッキンを用いたリップシール構造が有効と考えられる。このＪ型パッキンを用いたリップシール構造は主軸に固定したスリーブの外周面にＪ型パッキンを接触摺動させる構造なので摺動部に隙間が殆どなく、漏水量はセグメントシールに比較し大幅に低減する。

そこで、リップシールを水車のシールに適用するため、実機大モデル試験装置を用いて摺動試験を実施した。その結果、摺動発熱が大きく摺動部が焼損し、水車のシールに適用できないことが分かった。

更に、漏水量低減構造としてはポンプに使用されているグランドパッキン方式がある。この方式は非特許文献１で紹介されている。水車に使用した場合、シール部の位置が地下部に設けられているので漏水量調整が容易でない。

以上のように、背圧バランス型セグメントシールを複数段重ねた封水構造では、セグメントパッキン間の周方向隙間が大きいので漏水量が多く、周方向隙間を小さくした漏水量低減構造が求められる。しかし、周方向隙間を小さくした場合摺動面の冷却が不十分となり、安定した摺動特性が得られない可能性がある。

また、リップシールも摺動発熱が大きく摺動面が潤滑不良の状態になり安定した摺動特性が得られないので、水車のシールに適用できない。

一方、グランドパッキン方式は漏水量低減に有効であるが、安定した摺動特性を得るために漏水量を適正値に調整する必要があり、メンテナンスフリー化に対する配慮が十分されていない。すなわち、上述のような封水構造では、漏水量低減と同時に安定した摺動特性を確保することに対し、十分配慮されていない。更に、長期間の使用においてもメンテナンスを必要としないシールについても考慮されていない。

本発明は上記のような事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、漏水量が少なく、かつ安定した摺動特性を示し、長期間の使用においてもメンテナンスが略不要で漏水量も略不変のシールを提供することにある。

上記目的は、次のようにして達成できる。
（１）主軸にスリーブが固定され、このスリーブの外周を囲むようにパッキンが配置され、該パッキンを支持する金属リングを装着し、これらを収納したパッキンケースとを備えたリップシールにおいて、スリーブ外周と接触摺動するパッキン側に少なくとも一本以上の円周溝と該円周溝及び密封側に連通する複数個の縦溝を設けて構成する。
（２）更に、円周溝から大気側に連通するスリットを設けて構成する。
（３）主軸と、該主軸にスリーブが固定され、かつ該主軸の下部に固定されたランナと、内部にランナを配置すると共に主軸を挿通した固定部材と、固定部材と主軸間からの漏水を防止するリップシールを有する水車において、リップシールは、スリーブ外周と接触摺動するパッキン側に少なくとも一本以上の円周溝と該円周溝及び密封側に連通する複数個の縦溝を設けて構成する。
（４）リップシールを有する水車において、リップシールは、円周溝から大気側に連通するスリットを設けて構成する。

このように構成されたリップシールであるとスリーブ外周と接触摺動するパッキン側に少なくとも一本以上の円周溝と該円周溝及び密封側に連通する複数個の縦溝を設けることにより、溝部に密封液が導入され円周溝から密封側の間は密封圧力とほぼ均等の圧力分布となる。このため摺動面の接触圧力が低減でき安定した摺動特性が得られる。

以下、本発明の実施例を図１〜図７により説明する。図１には本発明によるリップシールの第１の実施例を示す縦断面図、図２はパッキン摺動面に設けた円周溝と該円周溝及び密封側に連通する複数個の縦溝の配置状況を示す図である。図１に示すリップシールは、主軸１にスリーブ２が固定され、このスリーブ２の外周を囲むようにリング状のＪ型パッキン４が配置され、該Ｊ型パッキン４を支持する金属リング５を装着し、これらを収納したパッキンケース３とを備えて構成されている。Ｊ型パッキン４は金属リング５を介してボルト５ａにより固定されている。Ｊ型パッキン４の摺動面には円周溝６を設け、かつ該円周溝６に連通するように縦溝７ａ，７ｂが複数個設置されている（図２参照）。パッキンの材質としては、ウレタンゴムを使用した例について説明しているが、本発明のリップシールにおいては摺動面がほぼ流体潤滑状態で作動するので摺動特性に対する材質の影響がなく特に限定するものではない。また、図中矢印は流体の流れる方向を示す。

このように構成されたリップシールにおいて、密封液は密封側と連通する縦溝７ａを介して円周溝６に浸入し、更に、円周溝６の大気側に設けた縦溝７ｂに到達する。その後、密封液は大気側に漏水する。図３に摺動面の圧力分布を示す。圧力分布は円周溝が無い場合は密封圧力（ゲージ圧力でＰ）が直線的に減少し大気圧（ゲージ圧力で０）になる。点１ａ，１ｂ，１ｃでかこむ三角分布になる。一方、円周溝を設けた場合は円周溝のところまで密封圧力（ゲージ圧力でＰ）となり、その後密封圧力が直線的に減少し大気圧（ゲージ圧力で０）になる。点２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄでかこむ台形分布となる。したがって、円周溝を設けることにより、円周溝がない場合よりも点２ａ，２ｃ，２ｄでかこむ三角形分布が摺動面反力として作用する。このように、縦溝７ａを介して密封側と円周溝とを連通させることにより、円周溝６から密封側７ｃの摺動面は密封圧力とほぼ均等の圧力分布となる。この結果から、摺動面に円周溝６がないものに比較して摺動面の接触圧力を低減できる。一方、摺動面に発生する熱量ＨはＨ＝μ×Ｐ×Ｖの積で表される。ここで、μ：摩擦係数，Ｐ：押付け力（Ｎ），Ｖ：周速（ｍ／ｓ）を示す。摩擦係数は摺動面に形成される水膜分布で決まる。摺動面に円周溝を設けた場合は円周溝と密封側とで囲まれる部分は水膜が十分に形成されるので、ほぼ流体潤滑状態で作動することが分かる。そのため、安定した摺動特性が得られる。また、発生する熱量も摩擦係数及び押付け力の低減に伴い減少できるので、摺動面の冷却性が向上し漏水量が低減も可能となる。

上述のように、このようなリップシールの構成であると、長期間の使用に対しても安定した密封性能と摺動特性が維持できる。したがって、水車のシールとして使用できる。

シール部に本発明のリップシールを用いた効果を確認するため、実機大モデル試験により摺動面に円周溝を設けた場合と設けない場合において、パッキン摺動面の温度特性を実測検討した。

試験では主軸スリーブを回転させ周速(７.８５ｍ／ｓ）を一定値に保持した状態で、密封圧力を段階的に上昇させていき、パッキン摺動面の温度上昇ΔＴと潤滑特性数Ｓとの関係を検討した。

この実機大モデル試験の結果を図４に示す。

水道水を密封液とし、主軸スリーブにパッキンを押付け摺動させた場合において、概念的に流体潤滑から境界潤滑に移行する潤滑特性数を表す線図、すなわち潤滑特性数Ｓ＝η・Ｎ／Ｐと実測の摺動面パッキン温度上昇（パッキン温度−漏水温度）の関係を図に示す。ここで、η：摺動面近傍の温度における水道水の粘性係数（Ｐａ・ｓ），Ｎ：回転数
(rps），Ｐ：軸受面圧（Ｐａ）である。

線図においてパッキン温度上昇は潤滑特性数の低下とともに減少し、ある臨界値を経て急激に増大する傾向を示す。この臨界値を境にして、潤滑特性数が大きい領域を流体潤滑領域と称している。潤滑特性数の臨界値が小さいほうが摺動特性に優れていることになる。

図４に示すように、摺動面に円周溝を設けた場合、パッキン温度上昇は潤滑特性数の低下に伴い減少し、潤滑特性数が２.６８×１０^-9でも１.４℃と安定している。止まり縦溝のみの場合、パッキン温度上昇は潤滑特性数の低下に伴い増大し、安定していない。一方、貫通した縦溝の場合、パッキン温度上昇は潤滑特性数の低下に伴いわずかずつ増大し、潤滑特性数が２.４６×１０^-10 で３.６℃と安定せず増加傾向を示している。また、このような貫通した縦溝方式では、漏水量が多く目標値(５０Ｌ／min）を超過し使用できない。水車の運転条件は図中に示すように、潤滑特性数が３.２１×１０^-9 である。したがって、円周溝を設けた場合、安定したパッキン温度特性を示すことが確認された。さらに、漏水量も目標値(５０Ｌ／min）以下で有り水車のシールとして使用できることが分かった。

図５に示す実施例は摺動面の形状的には図２とほぼ同じであるが、異なる点は円周溝６から大気側に連通するスリット８を設けて構成したことにある。このような構成にしても同等の作用効果を奏することはいうまでもない。また、本実施例では次のような効果がある。スリット８の部分を密封液が通過する際スリーブ摺動面を潤滑するので、スリット８が無い場合に比較して冷却性が向上する。そのため、摺動面の潤滑性も改善される。その結果、摺動面が水膜で保護され長期間安定した摺動特性が得られる。更に、密封液に異物等が含まれる場合はスリット８が異物排出機能を有するのでパッキンの耐摩耗性が向上し、長寿命のシールが達成できる。スリット８を設けた場合でも、スリット８からの漏水量は僅か増加する程度であり目標値以下に押えることができる。

図６に示す実施例は構造的には図１とほぼ同じであるが、異なる点はリップシールを２段設け、かつ、リップシール間に給水手段を設けて構成したことにある。このような構成にしても同等の作用効果を奏することはいうまでもない。また、本実施例では次のような効果がある。リップシールを２段設けているので、漏水面積が各段で同じであれば各段の圧力差が同じになる。そのため、２段構造では２倍の密封圧力に耐えることから、１段当りの密封圧力が１段構造に比較し、１／２に低下させることができる。したがって、摺動面に発生する熱量Ｈも１／２となり長寿命化が達成できる。また、２段構造においては、万一１段が損傷しても２段目が機能するので１段構造よりも信頼性が向上する。２段構造において、中間室９に密封圧力よりも０.１ＭＰａ 程度高い圧力の冷却水を供給すると、冷却水が密封側にも漏水する。その結果、密封液に含まれる異物等の進入がなくなり、摺動面の損傷が確実に防止できる。そのため、耐摩耗性が各段に向上し長期間の使用に対しても安定したシール性能が維持され、メンテナンス費用が不要となり低コストのシールが提供できる。

次に、本発明のリップシールを水車に適用した場合について述べる。即ち、水車は図７に示すように、主軸１と、主軸１の右端部に固定されたランナ（図示せず）と、ランナの左側に配置され、水車カバー（固定部材）１０に本実施例のリップシールとを有している。このリップシール１１は、図６に示すように２段構造としている。リップシールは、主軸１にスリーブ２が固定され、このスリーブ２の外周を囲むようにリング状のＪ型パッキン４が配置され、該Ｊ型パッキン４を支持する金属リング５を装着し、これらを収納したパッキンケース３とを備えて構成されている。このようなリップシールを水車に搭載することにより、安定した摺動特性と漏水量低減が達成できるので、長期間安定して運転できる水車が提供できる。

以上説明した本発明の実施例によれば、スリーブ外周と接触摺動するパッキン側に少なくとも一本以上の円周溝と該円周溝及び密封側に連通する複数個の縦溝を設けることにより、溝部に密封液が導入され円周溝から密封側の間は密封圧力とほぼ均等の圧力分布となる。このため摺動面の接触圧力が低減でき安定した摺動特性が得られる。また、パッキン摺動部は数μｍ程度の水膜厚さであり、少漏水量特性を示す。更に、溝部に導入された密封液が摺動面の潤滑性，冷却性を向上するので、ほぼ流体潤滑状態で摺動することが期待できる。

本発明によるリップシールの第１の実施例を示す縦断面図。 パッキン摺動面に設けた円周溝，縦溝の配置状況を示す説明図。 パッキン摺動面の圧力分布を示す説明図。 本発明によるリップシール摺動特性を示す説明図。 パッキン摺動面に設けた円周溝，縦溝及びスリットの配置状況を示す説明図。 本発明によるリップシールの第２の実施例を示す縦断面図。 本発明による封水装置を適用した水車を示す縦断面図。

符号の説明

１…主軸、２…スリーブ、３…パッキンケース、４，４ａ，４ｂ…パッキン、５，５ｂ，５ｃ…金属リング、５ａ…ボルト、６…円周溝、７ａ，７ｂ…縦溝、８…スリット、９…中間室、１０…水車カバー、１１…リップシール。

Claims (4)

1. 主軸に固定されたスリーブと、このスリーブの外周を囲むように配置されたパッキンと該パッキンを支持する金属リングと、これらを収納したパッキンケースとを備えたリップシールであって、前記リップシールは、密封側と大気側との間に設けられ、前記スリーブ外周と接触摺動する前記パッキン側に、少なくとも一本以上の円周溝と、該円周溝及び前記密封側に連通する複数個の縦溝と、前記円周溝から前記大気側に連通するスリットを設けたことを特徴とするリップシール。
2. 請求項１において、リップシールを複数段重ね、前記複数段のリップシール間に密封圧力よりも高い圧力の冷却水を供給するようにしたことを特徴とするリップシール。
3. 請求項１において、前記スリットの大気側の開口面積を、前記縦溝の密封側の開口面積よりも小さくしたことを特徴とするリップシール。
4. 主軸と、該主軸に固定されたスリーブと、該主軸の下部に固定されたランナと、内部に前記ランナを配置すると共に前記主軸を挿通した水車カバーと、該水車カバーと前記主軸間からの漏水を防止するリップシールを有する水車であって、前記リップシールは、密封側と大気側との間に設けられ、前記スリーブ外周と接触摺動する前記パッキン側に、少なくとも一本以上の円周溝と、該円周溝及び前記密封側に連通する複数個の縦溝と、前記円周溝から前記大気側に連通するスリットを設けて構成されていることを特徴とする水車。

Images