JP4831809B2 - 濁水用回転装置の軸シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、濁水中に設けられた回転装置の軸シール構造に関し、特に、シール部材の磨耗を低減して軸シール構造の長寿命化を図った濁水用回転装置の軸シール構造に関する。

従来、例えば燃焼設備における石炭ガス化炉のスラグ排出装置、汚水処理設備における汚泥掻揚機、或いは各種建設機器などにおいて濁水中に設けられる回転装置は、濁水が軸受へ浸入することを防止するために軸シール構造を備えている。軸シール構造は、ハウジング内に配設された軸受を介して回転軸が回転自在に支持され、該回転軸に対面するハウジングの内周面に形成された円周溝内にシール部材を嵌合配置してなる（特許文献１等参照）。

一例として、特許文献２（特開平２００５−２３８１１４号公報）に示される軸シール構造を備えた石炭ガス化炉のスラグ排出装置につき説明する。図５（ａ）は従来のスラグ排出装置の概略縦断面図、（ｂ）は回転歯と固定歯の配置を示す図である。石炭ガス化炉にて発生したスラグは溶融し、該石炭ガス化炉の底部に配設されたスラグ排出装置５１に落下する。スラグ排出装置５１の圧力容器５２内は、石炭ガス化炉内と同様に高圧に保持され、スラグホッパ水が充填されている。石炭ガス化炉から圧力容器５２内に落下した溶融スラグは、スラグホッパ水により冷却固化される。圧力容器５２は、高温、高圧に耐え得る上部圧力容器５３と、その下部に連結される下部圧力容器５４とで構成されている。

上部スラグホッパ５５の底部開口下方の下部圧力容器５４内には、ロール式クラッシャ５８が配設されている。ロール式クラッシャ５８は、回転する回転歯５９と下部圧力容器５４に固定された固定歯６０とで構成されている。回転歯５９は、下部圧力容器５４の壁部を貫通して水平方向に配設された回転軸６１に固定されている。回転軸６１が下部圧力容器５４の壁部を貫通する部位には、各々シール付の軸受６３が設けられている。このシール付軸受６３は、上述の高圧、高温に耐え得るものとなっている。また、下部圧力容器５４の外側には回転軸６１を回転させるための電動機６４が配設されている。
上述の構成において、上部圧力容器５４にて固化したスラグは、回転する回転歯５９と、固定歯６０とにより粉砕される。この時、回転歯５９には、半径方向に大きな曲げ応力が発生する。この大きな曲げ応力は、回転歯５９については、その直径が大きいため殆ど問題になることはない。しかしながら、回転軸６１に与える影響は無視できず、回転軸６１の回転歯５９端からシール付軸受６３迄の間に半径方向の押圧力を与える。

図６は図５に示されるスラグ破砕装置の軸シール構造の要部拡大図である。この軸シール構造は、回転軸６１と軸受ハウジング６３の間に設けられ、Ａが下部圧力容器内空間、Ｂが潤滑油室である。回転軸６１に対面するハウジング６３の内周面には円周溝が形成され、該円周溝にシール部材が嵌合されている。このシール構造は、容器内空間Ａ側に設けられた容器側シール６５と、潤滑油室側に設けられた軸受側シール６６とからなる。また、容器側シール６５と軸受側シール６６の間にはシール水空間Ｃが形成され、加圧された水道水を供給することにより潤滑油とスラグホッパ水の間がシールされている。

特開２００５−２９９５号公報 特開平２００５−２３８１１４号公報

一般的に、シール部材には耐摩耗性に優れた合成樹脂等が利用されるが、シール部材の摺動面の圧力が高いと摩耗が著しくなり、頻繁に交換する必要がある。また、固形の異物が混入した濁水中に設置される回転装置では、回転軸とハウジングとの間に異物が噛み込まれた場合に、回転軸が半径方向に変位するためシール部材とハウジングが摺動してハウジングの側面が摩耗するという問題もあった。特許文献２に記載される軸シール構造では、シール性能の向上は図れるものの上記したような摩耗の問題により、軸シール構造の長寿命化が課題とされていた。また、従来の軸シール構造は軸受やハウジングに一体化された構成であったため、増し締め等のメンテナンスが困難であるという問題もあった。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、シール部材の磨耗を低減でき、軸シール構造の長寿命化を可能とした濁水用回転装置の軸シール構造を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、濁水を収容する容器内に回転装置が設けられ、前記容器の貫通部に固定された軸受に対して回転軸が回転自在に挿入された回転装置の軸シール構造であって、前記軸受がハウジングに固定され、該ハウジングに形成された潤滑油室側に位置する軸受側シール部と、前記濁水側に位置する容器側シール部と、前記軸受側シール部と前記容器側シール部の間に回転軸を囲繞するごとく形成されたシール水空間と、を備えた濁水用回転装置の軸シール構造において、
少なくとも何れかの前記シール部において、前記回転軸と対面する側に前記シール水空間側から前記回転軸に沿って延在するように形成された動圧発生溝を有することを特徴とする。

本発明のように、シール部に動圧発生溝を形成することにより、シール水、濁水若しくは潤滑油が該動圧発生溝に流入し、充満した液体によりシール部に対して半径方向外側に向かう圧力が発生し、回転軸への押圧力が低減される。従って、シール部の磨耗が抑制でき、延いては軸シール構造の長寿命化が図れる。
さらに本発明において、前記シール水空間と前記潤滑油室の間に前記回転軸を囲繞するごとく形成したドレン溝と、該ドレン溝とシール水空間の間に設けた中間シール部と、を備えることが好ましい。

尚、濁水を収容する容器内に回転装置が設けられ、前記容器の貫通部に固定された軸受に対して回転軸が回転自在に挿入された回転装置の軸シール構造であって、前記軸受がハウジングに固定され、該ハウジングに形成された潤滑油室側に位置する軸受側シール部と、前記濁水側に位置する容器側シール部と、前記軸受側シール部と前記容器側シール部の間に回転軸を囲繞するごとく形成されたシール水空間と、を備えた濁水用回転装置の軸シール構造において、
前記シール水空間と前記潤滑油室の間に形成したドレン溝と、該ドレン溝とシール水空間の間に設けた中間シール部と、を備えてもよい。

本発明のように、圧力開放したドレン溝を設けることにより、軸受側シール部にかかる差圧を低減することができ、シール部材の長寿命化が図れるとともに、軸受側シール部のシール性を向上させ、潤滑油の漏れを確実に防止することが可能となる。また、万が一潤滑油が漏れした場合であっても、潤滑油室とシール水空間の間にドレン溝が設けられていることから、漏出した潤滑油がシール水に混入することがなく、シール水が清浄に保たれる。

さらに、前記容器側シール部のみに動圧発生溝を設け、前記軸受側シール部を接触シール構造としたことを特徴とする。
このように、潤滑油をシールする軸受側シール部を完全接触シール構造とすることによってシール性を高く維持し、潤滑油の漏れを確実に防止することができる。このとき、ドレン溝が設けられていることにより軸受側シール部の耐圧を極めて低くすることができるため、磨耗を最小限に抑えることができ、一方、高耐圧性の容器側シール部及び／又は中間シール部は動圧発生溝により回転軸への押圧力を低減され磨耗を抑制できる。従って、本構成によれば、必要なシール性能を維持した上で軸シール構造全体の長寿命化が可能となる。

さらにまた、前記ハウジングのうち前記シール部を含む回転軸周囲を、該ハウジングとは別体で形成したスリーブ構造としたことを特徴とする。
これにより、シール部材が回転軸との摺動により磨耗した場合であっても、ハウジング全体を交換することなくスリーブのみを交換すればよく、交換が容易となりメンテナンス性が向上する。
また、軸シール構造をハウジングと別体のスリーブに形成することで、シール部材嵌合溝、シール水空間、ドレン溝等の加工精度を向上させることができる。

以上記載のごとく本発明によれば、シール部に動圧発生溝を形成することにより、回転軸への押圧力が低減され、シール部材の長寿命可が可能となる。
また、圧力開放したドレン溝を設けることにより、軸受側シール部にかかる差圧を低減することができ、シール部材の長寿命化が図れるとともに、軸受側シール部のシール性を向上させ、潤滑油の漏れを確実に防ぐことができる。
さらに、ハウジングのうちシール部を含む回転軸周囲をスリーブ構造とすることにより、シール部の交換が容易となりメンテナンス性が向上する。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施例１に係る軸シール構造の概略を示す側断面図、図２は本発明の実施例２に係る軸シール構造を模式的に示す側断面図、図３は本発明の実施例３に係る軸シール構造を模式的に示す側断面図、図４は本発明の実施例４に係る軸シール構造の概略を示す側断面図、図５は本実施例に係る軸受機構の詳細断面図である。
本実施例では一例として、石炭ガス化炉のスラグ排出装置における軸シール構造につき説明するが、他にも汚水処理設備における汚泥掻揚機、或いは各種建設機器などのように濁水中に設けられた濁水用回転装置における軸シール構造に適用される。

まず、図４を参照して本実施例に係る濁水用回転装置における軸受機構につき説明する。圧力容器５４内は高圧に維持され、該容器内の空間Ａには高圧の濁水が充填されている。スラグ破砕装置の場合、圧力容器５４は３ＭＰａ程度の圧力で加圧されており、該容器内には高温、高圧のスラグホッパ水が充填されている。圧力容器５４内に投入された溶融スラグはスラグホッパ水により冷却、固化され容器内に設けられた回転歯５９と図示略の固定歯により破砕される。

圧力容器５４の側壁には円状の穴が開けられ、この穴に軸受箱２０が図示略のガスケット等を介在させて多数の取付ボルト２８ａにより取付けられている。軸受箱２０の中央開口部には、回転軸１が貫通している。該回転軸１の直径は、容器外側に向けて大径、中径、小径と３段階で小さくなっている。軸受箱２０と回転軸１の中径の部分との間にはリング状の軸受外輪２３、多数の軸芯ころ２５及びリング状の軸受内輪２４により構成された自動調芯ころ軸受２９が挿入されている。
前記自動調芯ころ軸受２９の圧力容器５４内側には、内側軸受カバー（シールハウジング）２１が設けられている。該内側軸受カバー２１は、図示略のガスケット等を介在させて多数の取付ボルト２８ｃにより軸受箱２０に取付けられている。

内側軸受カバー２１の中心孔には、回転軸１の大径の部分が貫通している。そして、内側軸受カバー２１と回転軸１の間には、２組の耐圧が１ＭＰａ以上の容器側シール５、軸受側シール６が配設されており、圧力容器５４内の高圧の濁水が自動調芯ころ軸受２９内に浸入しないようにシールされている。また、２組の容器側シール５と軸受側シール６の間にはシール水空間Ｃが形成されている。

そして、軸受箱２０ｂ及び外側軸受カバー２２の上部にはシール水供給通路９が形成されて、内側軸受カバー２１の上部には軸受箱２０のシール水供給通路９とシール水空間Ｃとを連通するシール水供給通路８が形成されている。
軸受箱２０のシール水供給通路９には、図示略のシール水フィルタが介装されたシール水循環サイクルが設けられており、電動モータ等によって駆動される水圧ポンプによりシール水が循環するようになっている。
さらに、シール水循環サイクルには水圧調整弁が設けられ、シール水空間Ｃに供給する水圧力が制御される。シール水空間Ｃのシール水圧力は、容器内空間Ａの圧力（スラグホッパの場合約３ＭＰａ）よりも若干高く、且つ自動調芯ころ軸受２９及び空間Ｃ内の潤滑油圧力（例えば４ＭＰａ）と同じか若干低い圧力（例えば３．５ＭＰａ）に設定されている。空間Ｃのシール水は、容器側シール５から圧力容器５４内に僅かに漏れるが、元々圧力容器５４内は濁水で満たされているため何ら問題はない。

本実施例においては、容器側シール５ａ、軸受側シール６間にシール水空間Ｃを設け、該空間Ｃ内の水圧（例えば３．５ＭＰａ）を、濁水Ａの水圧（約３ＭＰａ）よりも若干高くすることで、僅かに漏れる清浄水により、容器側シール５の回転軸対向面を清浄に保ち、シールの信頼性が向上する。更に、シール水空間Ｃ内の水圧（約３．５ＭＰａ）を、自動調芯ころ軸受２９及び潤滑油室Ｂ内の圧力（約４ＭＰａ）と同じか若干低くすることで、自動調芯ころ軸受２９内に清浄水が進入するリスクが無く、軸受の信頼性が増す。

一方、自動調芯ころ軸受２９の圧力容器５４外側には、外側軸受カバー（シールハウジング）２２が設けられている。該外側軸受カバー２２は、図示略のガスケット等を介在させて多数の取付ボルト２８ｂにより軸受箱２０に取付けられている。
外側軸受カバー２２の中心孔には、回転軸１の小径の部分が貫通している。そして、外側軸受カバー２２と回転軸の間にはリング状の非高圧シール４が配設されており、軸受装置内の潤滑油が外部に漏れないようにシールされている。尚、非高圧シール４は、シール押板３０及び取付ボルト３１により脱落しないように封入されている。

内側軸受カバー２１及び外側軸受カバー２２には、自動調芯ころ軸受２９に隣接する位置で且つ回転軸１を囲繞するごとく形成された潤滑油室Ｂ、Ｂが設けられている。該潤滑油室Ｂ、Ｂ及び自動調芯ころ軸受２９には潤滑油が充填されている。
外側軸受カバー２２には自動調芯ころ軸受２９及び潤滑油室Ｂに潤滑油を供給する図示略の潤滑油供給通路と潤滑油回収通路が形成されている。潤滑油回収通路は、潤滑油フィルタが介装された管路により潤滑油タンクに接続される。潤滑油圧力は、管路に設けられた圧力調整弁により制御され、潤滑油を自動調芯ころ軸受２９及び潤滑油室Ｂに加圧供給している。

図１に本実施例１に係る濁水用回転装置の軸シール構造を示す。この軸シール構造は、加圧容器５４に固設したハウジング２に設けられた容器側シール５及び軸受側シール６と、これらのシールの間に形成されたシール水空間Ｃとからなるシール機構を備える。ハウジング２は、図４に示す内側軸受カバー２１であってもよいし、加圧容器５４であってもよい。
ハウジング２は回転軸１の周囲を囲繞するごとく配設され、該ハウジング２の容器内空間Ａ側（濁水側）には、容器側シール５が設けられている。該容器側シール５は、ハウジング２に形成された円周溝に嵌合配置され、耐高差圧構造となっている。好適には容器側シール５は、回転軸１との対向面側に設けられた押さえ部材５ｂと、該押さえ部材５ｂの外周側に装着されたＯリング５ａから構成される。尚、前記押さえ部材５ｂは摩擦係数の小さいテフロン（登録商標）が好ましい。

ハウジング２の潤滑油室Ａ側には、軸受側シール６が設けられている。該軸受側シール６は、上記した容器側シール５と同様に、耐高差圧構造を有し、好適には回転軸１との対向面側に設けられた押さえ部材６ｂと、該押さえ部材６ｂの外周側に装着されたＯリング６ａから構成される。尚、前記押さえ部材５ｂは摩擦係数の小さいテフロン（登録商標）が好ましい。

また、容器側シール５と軸受側シール６の間には、シール水空間Ｃが形成されている。該シール水空間Ｃは、ハウジング２の回転軸１に臨む内周側に形成され、該回転軸１を取囲むごとく設けられている。シール水空間Ｃにはシール水供給通路８が連通され、該シール水供給通路８からシール水が供給されるようになっている。

さらに、本実施例１の特徴的な構成として、容器側シール５及び軸受側シール６の少なくとも何れか一方のシールにおいて、押さえ部材５ｂ、６ｂの回転軸１に対する対向面に動圧発生溝５ｃが形成された構成となっている。このように、動圧発生溝５ｃが形成された構成とすることにより、シール水、濁水若しくは潤滑油が該動圧発生溝５ｃに流入し、充満した水によりシール５、６に対して半径方向外側に向かう動圧が発生し、回転軸１への押圧力が低減される。従って、シール５、６の摺動による磨耗が抑制でき、延いてはシール部材の長寿命化が達成できる。

図２に本実施例２に係る濁水用回転装置の軸シール構造を示す。尚、以下実施例２乃至実施例４において、上記実施例１と同様の構成についてはその詳細な説明を省略する。
本実施例２に係る軸シール構造は、実施例１と同様に容器側シール５及び軸受側シール６と、これらのシールの間に形成されたシール水空間Ｃとを有し、さらに本実施例２の特徴的な構成として、ハウジング２にドレン溝１５と中間シール７が設けられた構成となっている。

ドレン溝１５はシール水空間Ｃと潤滑油室Ｂの間に形成される。該ドレン溝１５は、圧力開放されており、これにより容器内空間Ａと潤滑油室Ｂの差圧が減少される。
そしてドレン溝１５とシール水空間ｃの間に中間シール７が設けられている。該中間シール７は、ハウジング２に形成された円周溝に嵌合配置され、耐高差圧構造となっている。好適には中間高圧シール７は、回転軸１との対向面側に設けられた押さえ部材７ｂと、該押さえ部材７ｂの外周側に装着されたＯリング７ａから構成される。尚、前記押さえ部材７ｂは摩擦係数の小さいテフロン（登録商標）が好ましい。

軸シール構造において、シール水空間Ｃのシール水圧力は、濁水の軸間への進入を防止するために容器内Ａの濁水圧力より高く設定されている。これにより潤滑油室Ｂの潤滑油圧力とシール水空間Ｃのシール水圧力の差圧が大きくなり、軸受側シール６の耐久性が低下するとともに潤滑油の漏れ量が大きくなってしまう。従って、本構成のごとく圧力開放したドレン溝１５を設けることにより、軸受側シール６にかかる差圧を低減することができ、シール部材の長寿命化が図れるとともに、軸受側シール６のシール性を向上させ、潤滑油の漏れを確実に防止することが可能となる。また、万が一潤滑油が漏出した場合であっても、潤滑油室Ａとシール水空間Ｃの間にドレン溝１５が設けられていることから、漏出した潤滑油がシール水に混入することがなく、シール水が清浄に保たれる。

例えば、本構成の軸シール構造をスラグ破砕装置に適用した場合、圧力容器Ａのスラグホッパ水圧力が約３．０ＭＰａ、潤滑油室Ｂの潤滑油圧力が０．２〜０．３ＭＰａであり、シール水空間Ｃのシール水圧力は、スラグホッパ水圧力より高い３．５ＭＰａに設定される。従来の構成では軸受側シール６の耐圧は４ＭＰａ程度とされていたが、本構成ではドレン溝１５を設けることによって軸受側シール６の耐圧を０．５程度とすることが可能となる。

図３に本実施例３に係る濁水用回転装置の軸シール構造を示す。本実施例３に係る軸シール構造は、実施例１に示した動圧発生溝と実施例２に示したドレン溝を組み合わせた構成となっている。
ハウジング２の回転軸１周囲には、該回転軸１の軸方向に沿って容器内側から順に、容器内空間Ａ、容器側シール５、シール水空間Ｃ、中間シール７、ドレン溝１５、軸受側シール６、潤滑油室Ｂが配設されている。

本構成は、潤滑油室Ｂに近接する軸受側シール６には動圧発生溝を設けず、容器側シール５及び中間シール６の少なくとも何れか一方にのみ動圧発生溝を設ける構成となっている。このように、潤滑油をシールする軸受側シール６を完全接触シール構造とすることによってシール性を高く維持し、潤滑油の漏れを確実に防止するようにしている。このとき、ドレン溝１５が設けられていることにより軸受側シール６の耐圧を極めて低くすることができ、磨耗を最小限に抑えることができる。一方、高耐圧性の容器側シール５及び／又は中間シール７は動圧発生溝１５により回転軸１への押圧力を低減され磨耗を抑制できる。従って、本実施例によれば、必要なシール性能を維持した上でシール構造全体の長寿命化が可能となる。

図４に本実施例４に係る濁水用回転装置の軸シール構造を示す。本実施例４に係る軸シール構造は、ハウジングのうちシール挿入部を別体のスリーブ構造としている。
ハウジング（内側軸受カバー）２２の回転軸１の挿入部には、スリーブ１０が嵌入されており、該スリーブ１０は取付ボルト１２によりハウジング２２に固定される。また、スリーブ１０とハウジング２２への濁水の浸入を防ぐために、該スリーブ１０とハウジング２２の間にＯリング等のシール１１が挟持されている。該スリーブ１０には、実施例１乃至実施例３に示したシール構造が設けられている。スリーブ１０の径は、容器外側に向けて小径、中径、大径と３段階で段階的に拡径されており、前記シール１１はスリーブ１０の中径部位に配設されている。

本構成により、シール部材が回転軸１との摺動により磨耗した場合であっても、ハウジング２２全体を交換することなくスリーブ１０のみを交換すればよく、交換が容易となりメンテナンス性が向上する。
また、シール構造をハウジングと別体のスリーブ１０に形成することで、シール５〜７、シール水空間Ｃ、ドレン溝１５等の加工精度を向上させることができる。
さらに、スリーブ１０の小径から中径への段差部には取付ボルト１０が設けられるが、該取付ボルト１２の先端でスリーブ１０を押圧固定している。従って、回転軸１とスリーブ１０の間に異物が混入して回転軸１にスリーブ１０が焼き付いた場合に、取付ボルト１０が折損するなどによって異常が直ぐに検知できる。また、スリーブ１０が焼き付いた場合においても、ハウジング２２自体が損傷することなくスリーブ１０の交換のみで対処できる。

本発明は、回転装置における接触型軸シール構造においてシール部材の磨耗を抑制して長寿命化を可能とした構成であるため、石炭ガス化炉のスラグ排出装置、汚水処理設備における汚泥掻揚機、或いは各種建設機器などのように濁水中に設けられた濁水用回転装置全般の軸シール構造に適用できる。

本発明の実施例１に係る軸シール構造の概略を示す側断面図である。 本発明の実施例２に係る軸シール構造を模式的に示す側断面図である。 本発明の実施例３に係る軸シール構造を模式的に示す側断面図である。 本発明の実施例４に係る軸シール構造の概略を示す側断面図である。 本実施例に係る軸受機構の詳細断面図である。 （ａ）は従来のスラグ排出装置の概略縦断面図、（ｂ）は回転歯と固定歯の配置を示す図である。 図６に示す軸シール構造の要部拡大図である。

符号の説明

１ 回転軸
５ 容器側シール
６ 軸受側シール
７ 中間シール
５ａ、６ａ、７ａ Oリング
５ｂ、６ｂ、７ｂ 押さえ部材
５ｃ、６ｃ、７ｃ 動圧発生溝
８、９ シール水供給通路
１０ スリーブ
１２ 取付ボルト
１５ ドレン溝
２０ 軸受箱
２１ 内側軸受カバー
２２ 外側軸受カバー
２９ 自動調芯ころ軸受
Ａ 容器内空間
Ｂ 潤滑油室
Ｃ シール水空間

Claims (4)

1. 濁水を収容する容器内に回転装置が設けられ、前記容器の貫通部に固定された軸受に対して回転軸が回転自在に挿入された回転装置の軸シール構造であって、前記軸受がハウジングに固定され、該ハウジングに形成された潤滑油室側に位置する軸受側シール部と、前記濁水側に位置する容器側シール部と、前記軸受側シール部と前記容器側シール部の間に回転軸を囲繞するごとく形成されたシール水空間と、を備えた濁水用回転装置の軸シール構造において、
   少なくとも何れかの前記シール部において、前記回転軸と対面する側に前記シール水空間側から前記回転軸に沿って延在するように形成された動圧発生溝を有することを特徴とする濁水用回転装置の軸シール構造。
2. 前記シール水空間と前記潤滑油室の間に形成したドレン溝と、該ドレン溝とシール水空間の間に設けた中間シール部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の濁水用回転装置の軸シール構造。
3. 前記容器側シール部のみに前記動圧発生溝を設け、前記軸受側シール部を接触シール構造としたことを特徴とする請求項１若しくは２記載の濁水用回転装置の軸シール構造。
4. 前記ハウジングのうち前記シール部を含む回転軸周囲を、該ハウジングとは別体で形成したスリーブ構造としたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の濁水用回転装置の軸シール構造。

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