JP4969393B2 - 軸封装置 - Google Patents

Description

本発明は、遠心送風機、特に高温ガスファンに用いて好適な軸封装置に関する。

従来、送風機の軸封装置としては、ラビリンスシールが用いられている。このラビリンスシールは、送風機のファンを覆うケーシングとは別体に構成された軸受台に回転軸と同心に支持されるとともに、ケーシングとはフレキシブルなエクスパンションを介して接続されていた（例えば、特許文献１参照。）。

このような構成にすることで、遠心送風機の運転中にケーシングが熱変形しても、ケーシングと回転軸の変位量の差をエクスパンションで吸収することが出来るので、軸とラビリンスシールとの間の微小隙間を確保することができ、軸とラビリンスシールとの接触を防止することができた。
特開２０００−２７７９５号公報

しかしながら、上述の構成の軸封装置では、車室内を流れる高温ガスの影響により、エクスパンションが経年的に劣化して損傷するため、損傷したエクスパンションからガス漏れが発生するという問題があった。

この問題を回避するため、従来では、エクスパンションを定期的に交換する対策が行われていた。
しかしながら、エクスパンションの交換は、交換技術が特殊なものであるため、特別な技能を有する指導員や作業員にて作業を行う必要があり、交換に要する工期も長くなるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高温ガスなどによる劣化や損傷を防止するとともに、メンテナンスの容易化を図ることができる軸封装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の軸封装置は、軸受台により回転可能に支持された回転軸の円周面と対向して円環状に配置されたラビリンスシール部と、前記軸受台に取付けられるとともに前記ラビリンスシール部を回転軸と同心に支持する支持部と、前記ラビリンスシール部の外周面から径方向外側に向かって延びるリング板状に形成され、周方向に関して複数に分割されたシール板と、前記回転軸の周囲を覆うケーシングに取付けられ、前記シール板を径方向に移動可能に支持するスライド支持部と、を有するスライドプレート部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、熱などに起因する軸封部における回転軸等の変位量と、ケーシングの変位量と、が異なっていても、ラビリンスシール部とスライドプレート部との相対移動により、変位量の差が吸収される。

具体的には、回転軸の径方向に関する熱変位量の差によって生じるケーシングとラビリンスシール部との芯ずれは、シール板とスライド支持部との間の相対移動により吸収される。一方、軸線方向に関する熱変形によって生じるケーシングとラビリンスシール部の軸方向相対変位は、ラビリンスシール部とシール板との間の相対移動により吸収される。
さらに、スライドプレート部は、シール板とスライド支持部とにより上述の熱変位量の差を吸収するため、従来のエクスパンションを用いた方法と比較して、熱やガスなどによる劣化を抑制し、損傷の発生を防止することができる。

上記発明においては、前記ラビリンスシール部には、前記回転軸の軸線に沿って並んで配置された第１ラビリンス部と、第２ラビリンス部と、前記第１ラビリンス部および前記第２ラビリンス部により形成されるラビリンス室と、が設けられ、前記ラビリンス室には、外部からシール流体が供給されていることが望ましい。

本発明によれば、ラビリンス室にシール流体を供給することで、本発明の軸封装置における軸封性能の向上を図ることができる。
つまり、ラビリンス室に供給されたシール流体は、ラビリンスシール部と回転軸との間の隙間からラビリンス室の外側に流出する。これにより、ラビリンスシール部と回転軸との隙間を、軸受台に向かって流れる漏れ流れの発生を抑制することができる。

上記発明においては、前記スライドプレート部には、前記回転軸の軸線に沿って並んで配置された第１スライド支持部と、第２スライド支持部と、第１スライド支持部および第２スライド支持部により形成されたスライド室と、が設けられ、前記スライド室には、外部からシール流体が供給されていることが望ましい。

本発明によれば、スライド室にシール流体を供給することで、本発明の軸封装置における軸封性能の向上を図ることができる。
つまり、スライド室に供給されたシール流体は、ラビリンスシール部とスライドプレート部との間からスライド室の外側に流出する。これにより、ラビリンスシール部とスライドプレート部との間を、軸受台に向かって流れる漏れ流れの発生を抑制することができる。

上記発明においては、前記回転軸とともに回転し、前記ラビリンス室内の流体を、前記回転軸の軸線に沿う方向であって、前記軸受台から遠ざかる方向に向かって送り出すフィンが設けられていることが望ましい。

本発明によれば、ラビリンス室内に、軸受台から遠ざかる方向に向かう流体の流れが形成されるため、ラビリンスシール部と回転軸との隙間を、軸受台に向かって流れる漏れ流れの発生を抑制することができる。

本発明の軸封装置によれば、ラビリンスシール部とスライドプレート部との相対移動により、熱などに起因する、軸封部における回転軸の変位量とケーシングの変位量との差が吸収されるため、高温ガスなどによる劣化や損傷を防止するとともに、メンテナンスの容易化を図ることができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係る軸封装置について、図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態の軸封装置を備えた送風装置の概略を説明する模式図である。
本実施形態では、本発明の軸封装置１０を、火力発電所などのボイラにガスを送る遠心型の送風装置１に適用して説明する。
なお、本発明の軸封装置１０は、上述のように、ボイラにガスを送る送風装置１に適用してもよいし、その他の気体を送り出す送風装置の軸封装置１０に適用してもよく、特に限定するものではない。

送風装置１には、図１に示すように、インペラ４を回転駆動させるモータ２と、モータ２の回転駆動力をインペラ４に伝達する回転軸３と、ガスをボイラに向かって送り出すインペラ４と、インペラ４の周囲を覆うことで流路を形成するケーシング５と、回転軸３を回転可能に支持する軸受台７と、回転軸３とケーシング５との間に配置された軸封装置１０と、が設けられている。

モータ２は、外部から供給された電力により回転駆動力を発生するものである。モータ２は回転軸３に接続され、モータ２において発生した回転駆動力は回転軸３に伝達可能に構成されている。
なお、モータ２としては、公知のモータを用いることができ、特に限定するものではない。

回転軸３は、モータ２において発生した回転駆動力をインペラ４に伝達する円柱状の部材である。本実施形態では、回転軸３は軸線が略水平に延び、一方の端部にモータ２が接続され、略中央にインペラ４が配置されている例に適用して説明する。
さらに、回転軸３におけるモータ２とインペラ４との間に一方の軸受台７Ａが配置され、他方の端部の近傍に他方の軸受台７Ｂが配置されている。

インペラ４は、モータ２の回転駆動力によりガスをボイラに向かって送り出すものである。インペラ４には、回転することによりボイラに向かって送風を行う翼８と、翼８の側面を覆う側板９とが設けられている。
なお、インペラ４の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

ケーシング５は、インペラ４の周囲を覆うことにより、インペラ４に流入するガスの流路の一部と、ボイラに向かうガスの流路の一部を形成するもの、つまり車室を構成するものである。
ケーシング５には回転軸３が貫通して配置され、ケーシング５と回転軸３との間には、軸封装置１０が配置されている。

軸受台７は、回転軸３を回転可能に支持する軸受け装置である。軸受台７には、回転軸３の一方の端部側におけるモータ２とインペラ４との間であって、ケーシング５の外側に配置された一方の軸受台７Ａと、他方の端部近傍に配置された他方の軸受台７Ｂと、が設けられている。さらに、軸受台７Ａ，７Ｂには、軸封装置１０の構成要素であるラビリンスシール部１１を支持する支持部１４が取付けられ、ラビリンスシール部１１が常に回転軸３と同心を保つことが出来るような構成となっている。

軸受台７Ｂは、回転軸３の熱などによる軸線方向への変形を吸収可能に、つまり、内部のすべり軸受部（図示せず）において回転軸３の軸線方向の熱伸びを許容できるような構造を採用した上で、基礎上に固定されている。軸受台７Ａも同様に基礎上に固定して配置されている。
なお、軸受台７Ａ，７Ｂとしては、公知の軸受け装置を用いることができ、特に限定するものではない。

次に、本実施形態の特徴である、軸封装置１０の構成について説明する。
図２は、図１の軸封装置の構成を説明する部分拡大図である。
軸封装置１０は、回転軸３が回転した状態で、回転軸３とケーシング５との間のシールを行うものである
軸封装置１０には、図２に示すように、回転軸３の円周面と対向して配置されたラビリンスシール部１１と、ラビリンスシール部１１とケーシング５との間に配置されたスライドプレート部１２と、回転軸３の円周面上に配置されたフィン１３と、ラビリンスシール部１１を回転軸３と同心に支持する支持部１４と、が設けられている。

図３は、図２のラビリンスシール部およびスライドプレート部の構成を説明する部分拡大図である。
ラビリンスシール部１１は、回転軸３との間に微小隙間を形成することにより、回転軸３が回転した状態で、回転軸３とケーシング５との間のシールを行うものである。

ラビリンスシール部１１には、図２および図３に示すように、インペラ４側に配置された第１ラビリンス部２１と、軸受台７側に配置された第２ラビリンス部２２と、第１ラビリンス部２１および第２ラビリンス部２２を支持するラビリンス円筒部２３が設けられている。
第１ラビリンス部２１、第２ラビリンス部２２、回転軸３およびラビリンス円筒部２３によりラビリンス室２４が形成され、ラビリンス室２４には、シールエアを供給する第１シールエア供給部２５が設けられている。

第１ラビリンス部２１および第２ラビリンス部２２には、回転軸３の円筒面から径方向外側に向かって延びるリング板状の部材と、当該部材の径方向内側の端部に設けられたラビリンスシール２６と、が設けられている。
ラビリンスシール２６は、回転軸３に向かって延びる複数のリング板状の突起を備え、回転軸３との間に微小な隙間を複数形成するものである。
第２ラビリンス部２２には、後述する第１シールエア供給部２５が接続されている。

ラビリンス円筒部２３は、回転軸３の周囲に配置された円筒状の部材であって、第１ラビリンス部２１および第２ラビリンス部２２における径方向外側の端部が取付けられる部材である。
さらに、ラビリンス円筒部２３の径方向外側の円周面には、スライドプレート部１２のシール板３１が接触して配置されている。

ラビリンス室２４は、第１ラビリンス部２１、第２ラビリンス部２２およびラビリンス円筒部２３により形成されたリング状の凹部と、回転軸３とにより形成されたリング状の空間である。
ラビリンス室２４と対向する回転軸３の円周面には、後述するフィン１３が配置されている。言い換えると、ラビリンス室２４の内部にフィン１３が配置されている。

第１シールエア供給部２５は、ラビリンス室２４に高圧空気であるシールエアを供給して、ラビリンスシール部１１におけるシール性を向上させるものである。
第１シールエア供給部２５は、第２ラビリンス部２２のリング板状の部材に接続され、例えば、工場などで用いられている高圧空気を、ラビリンス室２４に供給するものである。

なお、第１シールエア供給部２５により供給されるシールエアは、上述のように、工場で用いられる高圧空気を利用してもよいし、個別に設けられた空気圧縮部から供給された高圧空気を利用してもよく、特に限定するものではない。

スライドプレート部１２はケーシング５に取付けられ、回転軸３とケーシング５とを、シール性を保ちつつ径方向および軸線方向に相対移動可能とするものである。具体的には、回転軸３と同心となるように支持部１４を介して軸受台７に固定されたラビリンスシール部１１と、ケーシング５とを、相対移動可能とするものである。

スライドプレート部１２は、図２および図３に示すように、シール板３１と、インペラ４側に配置された第１スライド支持部（スライド支持部）３２と、軸受台７側に配置された第２スライド支持部（スライド支持部）３３と、第１スライド支持部３２および第２スライド支持部３３を支持するスライド円筒部３４と、が設けられている。
第１スライド支持部３２およびシール板３１、第２スライド支持部３３およびシール板３１、ラビリンス円筒部２３、および、スライド円筒部３４によりスライド室３５が形成され、スライド室３５にはシールエアを供給する第２シールエア供給部３６が設けられている。

シール板３１は、第１スライド支持部３２および第２スライド支持部３３とともに、ラビリンスシール部１１とケーシング５とを相対移動可能とするものである。
シール板３１は、ラビリンス円筒部２３の外周面から、径方向外側に向かって延びるリング板状の部材であって、周方向に関して２分割された部材である。言い換えると、扇状に分割された部材である。
シール板３１は、耐熱性を有する金属、例えばステンレス鋼などから形成されている。

第１スライド支持部３２および第２スライド支持部３３には、シール板３１が挿入されるスリット３７が、回転軸３の軸線方向に沿って２つ並んで設けられている。スリット３７は、径方向内側に向かって開口し、シール板３１が径方向に沿って移動可能に構成されている。

スライド円筒部３４は、ラビリンス円筒部２３の径方向外側、かつ、ケーシング５の内周側に配置された略円筒状の部材である。スライド円筒部３４には、第１スライド支持部３２および第２スライド支持部３３の径方向外側の端部と、後述する第２シールエア供給部３６と、が取付けられている。

スライド室３５は、第１スライド支持部３２、第２スライド支持部３３およびスライド円筒部３４により形成されたリング状の凹部と、ラビリンス円筒部２３とにより形成されたリング状の空間である。

第２シールエア供給部３６は、スライド室３５に高圧空気であるシールエアを供給して、スライドプレート部１２におけるシール性を向上させるものである。
第２シールエア供給部３６は、スライド円筒部３４に接続され、例えば、工場などで用いられている高圧空気を、スライド室３５に供給するものである。

なお、第２シールエア供給部３６により供給されるシールエアは、上述のように、工場で用いられる高圧空気を利用してもよいし、個別に設けられた空気圧縮部から供給された高圧空気を利用してもよく、特に限定するものではない。

図４は、図３のフィンの構成を説明する模式図である。
フィン１３は、図３および図４に示すように、ラビリンス室２４と対向する回転軸３の外周面に配置された翼列である。翼列における翼の傾きは、回転軸３の回転より発生する空気の流れが、インペラ４に向かう向きとなる傾きに設定されている。
なお、本実施形態では、フィン１３が設けられた軸封装置１０に適用して説明するが、フィン１３が軸封装置１０に設けられなくてもよく、特に限定するものではない。

支持部１４は、図２に示すように、ラビリンスシール部１１を支持するものである。支持部１４の一方の端部は、ラビリンスシール部１１に取付けられ、他方の端部は、軸受台７Ａ，７Ｂに取付けられており、常にラビリンスシール部１１と回転軸３とを同心に保ち、回転軸３とラビリンスシール２６との隙間を一定に保つように構成されている。

次に、上記の構成からなる送風装置１における送風方法について説明する。
送風装置１のモータ２に電力が供給されると、図１に示すように、モータ２は回転軸３を回転駆動する。回転軸３に設けられたインペラ４は、回転軸３により回転駆動され、ガスを送風装置の吐出口に向けて送り出す。具体的には、回転軸３の一方および他方の端部側から、回転軸３に沿って流入したガスは、回転駆動されるインペラ４に吸入される。インペラ４に吸入されたガスは、径方向外側に向かって送り出され、ボイラ等に向かって送風される。

次に、本実施形態の特徴である軸封装置１０におけるシール方法および熱変位量の差の吸収方法について説明する。
まず、軸封装置１０におけるシール方法について説明する。
軸封装置１０におけるラビリンスシール部１１は、図３に示すように、回転軸３の回転を阻害することなく、ケーシング５の内部から外部へのガスの漏れを抑制している。
具体的には、ラビリンスシール部１１を、支持部１４を介して軸受台７に固定することで、第１ラビリンス部２１および第２ラビリンス部２２におけるラビリンスシール２６と回転軸３との間に、複数の微小な隙間が形成されているため、回転軸３の回転は阻害されない。
一方、ラビリンスシール２６と回転軸３との間には、複数の微小な隙間が形成されているため、ケーシング５の内部から外部へのガス漏れに対する流れ抵抗が高くなり、ガスの漏れが抑制される。

さらに、ラビリンスシール部１１のラビリンス室２４、および、スライドプレート部１２のスライド室３５には、それぞれ第１シールエア供給部２５および第２シールエア供給部３６からシールエアが供給され、軸封装置１０における軸封性能の向上が図られている。

具体的には、ラビリンス室２４およびスライド室３５に、ケーシング５内のガス流れよりも高圧なシールエアを供給することにより、ラビリンス室２４およびスライド室３５からケーシング５にシールエアを流すことで、ケーシング５の内部から外部へのガス漏れが抑制される。

また、回転軸３が回転駆動されると、図３および図４に示すように、ラビリンス室２４内のフィン１３も回転駆動される。フィン１３が回転駆動されると、フィン１３によりラビリンス室２４内の空気がインペラ４側に向かって流れる。つまり、ケーシング５の外側から内側に向かう空気流れが発生し、ケーシング５の内部から外部へのガス漏れが抑制される。

次に、熱変位量の差の吸収方法について説明する。
ケーシング５は、回転軸３等と比較して、板厚の薄い部材から構成されているため、熱による変形が大きくなる。スライドプレート部１２の第１スライド支持部３２および第２スライド支持部３３は、ケーシング５に取付けられているため、ケーシング５の変形にともない、回転軸３の径方向および軸線方向の変位が生じる。

例えば、第１および第２スライド支持部３２，３３が径方向外側に変位すると、スリット３７内に入っていたシール板３１が、ラビリンス円筒部２３の外周面と接触した状態を保ちつつスリット３７から突出し、熱変位量の差が吸収される。逆に、第１および第２スライド支持部３２，３３が径方向内側に変位すると、シール板３１は、ラビリンス円筒部２３の外周面と接触した状態を保ちつつスリット３７内に押し込まれ、熱変位量の差が吸収される。
一方、第１および第２スライド支持部３２，３３が軸線方向に変位すると、シール板３１が、ラビリンス円筒部２３の外周面と接触した状態を保ちつつ、当該外周面に沿って移動し、熱変位量の差が吸収される。

上記の構成によれば、熱変形などに起因する、軸封部における回転軸３等の熱変位量と、ケーシング５の熱変位量と、が異なっていても、ラビリンスシール部１１とスライドプレート部１２との相対移動により、熱変位量の差を吸収することができる。
具体的には、回転軸３の径方向に関する熱変位量の差は、シール板３１と第１スライド支持部３２およびシール板３１と第２スライド支持部３３との間の相対移動により吸収される。一方、軸線方向に関する熱変位量の差は、ラビリンスシール部１１とシール板３１との間の相対移動により吸収することができる。

さらに、スライドプレート部１２は、耐熱性を有する金属から形成されたシール板３１と第１スライド支持部３２およびシール板３１と第２スライド支持部３３とにより上述の熱変位量の差を吸収するため、従来のエクスパンションを用いた方法と比較して、熱やガスなどによる劣化を抑制し、損傷の発生を防止することができる。

第１シールエア供給部２５によりラビリンス室２４にシールエアを供給することで、本実施形態の軸封装置における軸封性能の向上を図ることができる。
つまり、ラビリンス室２４に供給されたシールエアは、ラビリンスシール部１１と回転軸３との間の隙間からラビリンス室２４の外側に流出する。これにより、ラビリンスシール部１１と回転軸３との隙間を、軸受台７Ａ，７Ｂに向かって流れる漏れ流れの発生を抑制することができる。

第２シールエア供給部３６によりスライド室３５にシールエアを供給することで、本実施形態の軸封装置における軸封性能の向上を図ることができる。
つまり、スライド室３５に供給されたシールエアは、ラビリンスシール部１１とスライドプレート部１２との間からスライド室３５の外側に流出する。これにより、ラビリンスシール部１１とスライドプレート部１２との間を、軸受台７Ａ，７Ｂに向かって流れる漏れ流れの発生を抑制することができる。

フィン１３を設けたことにより、ラビリンス室２４内に、軸受台７Ａ，７Ｂから遠ざかる方向に向かう流体の流れが形成されるため、ラビリンスシール部１１と回転軸３との隙間を、軸受台７Ａ，７Ｂに向かって流れる漏れ流れの発生を抑制することができる。

本実施形態の軸封装置を備えた送風装置の概略を説明する模式図である。 図１の軸封装置の構成を説明する部分拡大図である。 図２のラビリンスシール部およびスライドプレート部の構成を説明する部分拡大図である。 図３のフィンの構成を説明する模式図である。

符号の説明

１ 送風装置
３ 回転軸
５ ケーシング
１０ 軸封装置
１１ ラビリンスシール部
１２ スライドプレート部
１３ フィン
１４ 支持部
２１ 第１ラビリンス部
２２ 第２ラビリンス部
２４ ラビリンス室
３１ シール板
３２ 第１スライド支持部（スライド支持部）
３３ 第２スライド支持部（スライド支持部）
３５ スライド室

Claims (4)

1. 軸受台により回転可能に支持された回転軸の円周面と対向して円環状に配置されたラビリンスシール部と、
   前記軸受台に取付けられるとともに前記ラビリンスシール部を回転軸と同心に支持する支持部と、
   前記ラビリンスシール部の外周面から径方向外側に向かって延びるリング板状に形成され、周方向に関して複数に分割されたシール板と、前記回転軸の周囲を覆うケーシングに取付けられ、前記シール板を径方向に移動可能に支持するスライド支持部と、を有するスライドプレート部と、
   が設けられていることを特徴とする軸封装置。
2. 前記ラビリンスシール部には、前記回転軸の軸線に沿って並んで配置された第１ラビリンス部と、第２ラビリンス部と、前記第１ラビリンス部および前記第２ラビリンス部により形成されるラビリンス室と、が設けられ、
   前記ラビリンス室には、外部からシール流体が供給されていることを特徴とする請求項１記載の軸封装置。
3. 前記スライドプレート部には、前記回転軸の軸線に沿って並んで配置された第１スライド支持部と、第２スライド支持部と、第１スライド支持部および第２スライド支持部により形成されたスライド室と、が設けられ、
   前記スライド室には、外部からシール流体が供給されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸封装置。
4. 前記回転軸とともに回転し、前記ラビリンス室内の流体を、前記回転軸の軸線に沿う方向であって、前記軸受台から遠ざかる方向に向かって送り出すフィンが設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の軸封装置。

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