JP5178385B2 - Rotating shaft sealing device - Google Patents
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Description
本発明は、回転機械に使用する回転軸シール装置に関する。 The present invention relates to a rotary shaft sealing device used in a rotary machine.
気体又は液体を作動流体とする回転機械おいては、円周方向に複数に分割された非回転側摺動部材を持つ回転軸シール装置が用いられる。この回転軸シール装置は、特に回転軸などの回転体が回転機械内部の圧力隔壁を貫通する部分に設けられる動圧シールの機能を有するものであって、高圧側と低圧側との圧力差が生ずる部分に使用される。 In a rotary machine using gas or liquid as a working fluid, a rotary shaft sealing device having a non-rotating side sliding member divided into a plurality in the circumferential direction is used. This rotary shaft sealing device has a function of a dynamic pressure seal provided in a portion where a rotary body such as a rotary shaft penetrates a pressure partition inside the rotary machine, and the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side is Used in the resulting part.
図8は、従来の回転軸シール装置を使用した回転機械を説明する図である。
蒸気タービンのような回転機械では、回転軸101を有する回転体102を矢印で示す蒸気のような作動流体で回転させ、運動エネルギを回転軸端から得るか、あるいは回転軸を回転させて作動流体にエネルギを伝達し、さまざまな用途に利用する。したがって、機械内部に満たされる作動流体の圧力は、機械が設置されている場所の外気圧力と異なる場合が多い。また機械内部においても多段の軸流ターボ機械などの場合、高圧室103、低圧室104など圧力が異なる複数の部屋に分割されており、各々の境界に圧力隔壁105を設けている。これらの圧力容器106あるいは圧力室の内部に回転軸101を配置するためには、圧力容器又は各圧力隔壁を回転軸101が貫通する必要があり、貫通孔から作動流体の漏洩を防止するために回転軸シール装置107が必要となる。動圧シールの機能を有する回転軸シール装置も従来から使用されており(特許文献1〜3参照)、以下、これについて説明する。
FIG. 8 is a diagram for explaining a rotary machine using a conventional rotary shaft sealing device.
In a rotating machine such as a steam turbine, a rotating
図9は、従来の回転軸シール装置の断面図である。
回転軸203には回転側摺動部材201が取り付けられており、回転側摺動部材201は回転軸203と一体となって回転する。蒸気タービンなどで回転軸203の一部を回転側摺動部材201として使用する場合がある。回転側摺動部材201の外周側には、ケーシングに固定されたホルダ204を設置し、その中に円弧状の非回転側摺動部材202が回転側摺動部材201を取り囲むように取り付けられている。更に非回転摺動部材202は、その外周側に例えばコイルばねなどから構成される弾性体205で円周方向に連結して配置され、かつ半径方向に回転側摺動部材201の外周面に対して押圧されるか、もしくは数μm〜数十μmのシール隙間206を保つ構造となっている。非回転側摺動部材202をばねによりホルダ204に対し軸方向に押圧してもよい。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional rotary shaft sealing device.
A rotating
図10は、従来の回転軸シール装置の非回転側摺動部材の分割形状を表す正面図である。
非回転側摺動部材202は円周方向に複数に分割されており、隣り合う非回転側摺動部材202の摺接面207は半径方向に直線をなす平面である。各非回転側摺動部材202の分割片は、外径円弧面208と内径円弧面209を上記摺接面207で囲むアーチ形状である。非回転摺動部材202を円周方向に分割しているので、機器の組立性及び保守性に優れている。
FIG. 10 is a front view illustrating a divided shape of a non-rotating side sliding member of a conventional rotary shaft sealing device.
The non-rotating
非回転側摺動部材202の各分割片には、シール部を形成するシール隙間206に動圧を生じ易くさせるために、内周面に動圧ポケットを設けた構造のものもある。
Some of the divided pieces of the non-rotating
図11は、従来の動圧ポケットを持つ回転軸シール装置の正面図である。
図12は、動圧ポケットを持つ回転軸シール装置のシール部を説明する図であり、(a)は非回転摺動部材のシール部の展開図(図11のAA矢視図)、(b)はシール部を平面に展開したときの断面図((a)のBB断面図)、(c)はシール隙間に生ずる動圧の分布を示す図である。
FIG. 11 is a front view of a rotary shaft sealing device having a conventional dynamic pressure pocket.
12A and 12B are views for explaining a seal portion of a rotary shaft sealing device having a dynamic pressure pocket. FIG. 12A is a development view of the seal portion of the non-rotating sliding member (a view taken along the line AA in FIG. 11). ) Is a cross-sectional view (BB cross-sectional view of (a)) when the seal portion is developed on a plane, and (c) is a diagram showing a distribution of dynamic pressure generated in the seal gap.
図11及び図12(a)〜12(c)に示すように、非回転側摺動部材202の各分割片には、回転軸外表面と対向する内周面に動圧ポケットであるシール流体入口ポケット210と回転下流側に連なるシール流体昇圧ポケット211を形成している。シール流体入口ポケット210は、シール流体昇圧ポケット211より深い凹部であり、側面が開口している。回転機械の作動流体であるシール流体がシール隙間内部に入り易くし、図12(c)に示すように円周方向に行き止まりとなったシール流体昇圧ポケット211で動圧量を増幅する。
従来の回転軸シール装置は、円周方向に複数に分割した非回転側摺動部材202を有し、非回転側摺動部材の分割片間に摺接面を持つが、回転軸が回転することによって、回転軸表面と非回転側摺動部材分割片の内面とのシール隙間206に動圧が生じ、機械内部の流体の漏洩を防ぐシール機能を発揮する。
The conventional rotating shaft sealing device has a non-rotating
図13は、非回転側摺動部材の分割片が外径側に移動する状態を表す図である。
回転軸203の回転中に非回転側摺動部材202の分割片はその内周面に動圧を受け、半径方向の外径側に向かう力を受ける。一方、非回転側摺動部材202の分割片は、外周を弾性体205で巻回され半径方向内周側への押圧力を受けており、これらの力が釣合う位置まで、各非回転側摺動部材202の分割片は、半径方向の外径側に移動する。
FIG. 13 is a diagram illustrating a state where the divided pieces of the non-rotating side sliding member move to the outer diameter side.
During the rotation of the rotating
非回転側摺動部材202の分割片は、半径方向への移動により配置される直径が大きくなるが、各非回転側摺動部材202の円周方向長さは変わらないため各摺接面207に隙間212ができてしまう。
よって非回転側摺動部材202の分割片間の摺接面207に機械内部の流体が吹き抜け、漏洩が生じる。
The divided pieces of the non-rotating
Therefore, the fluid inside the machine blows through the sliding
そこでシール隙間206に動圧を生じ、シール機能を発揮した状態においても、非回転側摺動部材202の分割片間の摺接面207に隙間212ができないような形状あるいは構造を持ち、流体の漏洩量の低減を可能とすることが課題となっている。
Therefore, even when dynamic pressure is generated in the
本発明の目的は、非回転側摺動部材の分割片間の摺接面に隙間ができないようにして、摺接面からの流体の漏洩量の低減を可能とした回転軸シール装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a rotary shaft sealing device that can reduce the amount of fluid leakage from a sliding contact surface so that there is no gap on the sliding contact surface between divided pieces of a non-rotating side sliding member. There is.
上記課題を解決するため、本発明の回転軸シール装置は、円周方向に複数個に分割されたリング状の非回転側摺動部材と、前記非回転側摺動部材の外周に巻回され、内周側へ押圧する弾性体とからなり、回転時に前記非回転側摺動部材の内周面と回転軸外表面との間にシール隙間を形成する、回転機械用の回転軸シール装置において、隣り合う前記非回転側摺動部材の分割片の摺接面は平面又は曲面であり、半径方向軸線に対して回転軸の回転方向に傾斜しているとともに、回転時において前記非回転側摺動部材の各分割片の回転上流側のシール隙間が回転下流側のシール隙間よりも広いことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a rotating shaft sealing device of the present invention is wound around a ring-shaped non-rotating side sliding member divided into a plurality of portions in the circumferential direction and the outer periphery of the non-rotating side sliding member. A rotary shaft sealing device for a rotary machine, which comprises an elastic body that presses toward the inner peripheral side, and forms a seal gap between the inner peripheral surface of the non-rotating side sliding member and the outer surface of the rotary shaft during rotation. The sliding contact surfaces of the divided pieces of the adjacent non-rotating side sliding members are flat or curved, and are inclined in the rotation direction of the rotation axis with respect to the radial axis, and the non-rotating side sliding during rotation. The seal gap on the upstream side of each divided piece of the moving member is wider than the seal gap on the downstream side .
本発明により、非回転側摺動部材の隣り合う分割片の摺接面に隙間ができず、摺接面からの流体の漏洩量の低減が可能となる。 According to the present invention, there is no gap between the sliding contact surfaces of the adjacent divided pieces of the non-rotating side sliding member, and the amount of fluid leakage from the sliding contact surface can be reduced.
本発明に係る回転軸シール装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る回転軸シール装置の非回転側摺動部材の分割形状を表す正面図、図2は、回転軸シール装置に動圧が生じたときの非回転側摺動部材の分割片が移動する状態を表す正面図である。
An embodiment of a rotary shaft sealing device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a front view showing a divided shape of a non-rotating side sliding member of a rotating shaft sealing device according to
図1において蒸気タービンのような回転機械の回転軸すなわち回転側摺動部材1の外周側には、ケーシングに固定されたホルダを設置し、回転側摺動部材1を取り巻くように非回転摺動部材2をリング状に配置する。非回転摺動部材2は、円周方向に複数個の分割片からなっている。回転軸外表面と非回転側摺動部材2の内周面の間はシール部であり、従来の回転軸シール装置と同様に半径方向に一定のシール隙間6を設けておく。隣り合う非回転側摺動部材2の分割片は摺接面7で接しており、摺接面7が半径方向軸線Lに対して傾斜した面となるようにする。各非回転側摺動部材2の分割片は、外径円弧面8と内径円弧面9を上記摺接面7で囲むアーチ形状である。なお、非回転側摺動部材2は、ホルダに対してピン(不図示)により回り止めされている。
In FIG. 1, a holder fixed to the casing is installed on the rotating shaft of a rotating machine such as a steam turbine, that is, the outer peripheral side of the rotating
回転側摺動部材1が回転することによってシール隙間6に動圧が生じ、高圧側の流体が低圧側への吹き抜けを防ぐ。同時に非回転側摺動部材2の分割片は内周面に動圧を受けることにより外周側に移動しようとする。一方、非回転側摺動部材2の分割片の外周側は従来と同様にコイルばねなどの弾性体5を巻回し内周側へ押圧力を受けている。したがって非回転側摺動部材2の分割片は、内周面に作用する動圧力と外周に作用する押圧力がつり合う位置まで半径方向に移動し、シール隙間6が広がる。このとき、分割片が半径方向へ移動する際に摺接面7に沿って移動するため、図2に示すよう半径方向に対して傾いて外周側に移動し互いの摺接面7の接触状態を保つ。摺接面7が傾斜しているためほとんど面接触が達成できる。
As the rotation-
更に、摺接面7が半径方向軸線Lに対して回転軸の回転方向に傾斜しているため、摺接面7に沿って傾きながら分割片が半径方向外周側に移動すると図2に示すように分割片の回転上流側のシール隙間6aは回転下流側のシール隙間6bより広くなる。
Further, since the
非回転摺動部材2の分割片は、従来の回転軸シール装置(図11)と同様に回転軸外表面と対向する内周面に動圧ポケットであるシール流体入口ポケットとシール流体昇圧ポケットを設けるが、本発明では分割片が傾くように動圧を制御するために、形状及び配置を工夫している。
The split piece of the
図3は、非回転摺動部材のシール部の動圧ポケットを説明する図であり、(a)は形状例を表す断面図、(b)はシール隙間に生ずる動圧分布を示す図である。
図3(a)に示すようにシール流体入口ポケット10と回転下流側に連なるシール流体昇圧ポケット11からなる動圧ポケットの形状及び配置を調整する。例えば、従来の回転軸シール装置の動圧ポケット(図12)と比べて全体的に円周方向の寸法を短くする共に、回転下流側に位置をずらし、シール流体昇圧ポケット11の端部に傾斜を付けている。これにより図3(b)に示すようにシール隙間に生じる動圧の分布を調整し、分割片を半径方向外側へ移動させる力の中心位置を分割片の中心から円周方向の回転上流側へずらして、分割片を積極的に傾かせることができる。
3A and 3B are diagrams for explaining the dynamic pressure pockets of the seal portion of the non-rotating sliding member. FIG. 3A is a cross-sectional view showing an example of the shape, and FIG. 3B is a diagram showing a distribution of dynamic pressure generated in the seal gap. .
As shown in FIG. 3A, the shape and arrangement of the dynamic pressure pocket including the seal
上記のようにシール隙間6に動圧が生じ、シール機能を発揮した状態においても、非回転側摺動部材2の分割片は摺接面7の接触が保たれるため、分割片間の摺接面7の隙間をなくし、分割片間からの吹き抜けを防ぐことができ、流体の漏洩量を低減することが可能となる。更に分割片の回転上流側のシール隙間6aが回転下流側のシール隙間6bより広くなることから、回転によるシール隙間にシール流体を巻き込み易くなり、シール隙間6における動圧の発生が容易となり、漏洩量の低減が可能となる。
As described above, even when dynamic pressure is generated in the
図4は、摺動面の傾斜角度と増加漏洩量比を示す図である。
図1に示すように摺接面7を平面とし、半径方向軸線Lに対する傾斜を分割片の回転下流側に10°〜70°の範囲にした形状とする。
FIG. 4 is a diagram showing the inclination angle of the sliding surface and the increased leakage amount ratio.
As shown in FIG. 1, the
摺接面7に沿って10°〜70°の範囲で傾きながら分割片が半径方向外側に移動し、図2に示したように分割片の回転上流側のシール隙間6aは、傾斜角度に応じた範囲で回転下流側のシール隙間6bより広くなる。
The split piece moves radially outward while tilting in the range of 10 ° to 70 ° along the sliding
図4に示すように摺接面7の傾斜角度が0°〜10°では分割片が摺接面7の接触を保ちつつ傾きながら半径方向外側へ移動する際に、摺接面7の傾斜角度が小さいために接触状態を保ち難く、分割片間の隙間が生じ易く流体の漏洩量が増加する。一方、摺接面が70°〜90°の範囲では分割片が半径方向外側へ移動した際に摺接面7の接触状態は保たれ易いが、摺接面7の角度が大きくなるに従い、同じ半径方向外側への移動距離でも回転上流側と回転下流側のシール隙間6a,6bの差が大きくなる。このため回転上流側のシール隙間6aが広くなりすぎることから、シール隙間6内に生ずる動圧が保たれず、この範囲の吹き抜け量が多くなり、流体の漏洩量が増加する。
摺接面の傾斜角度が10°〜70°の範囲では、上記漏洩量の増加の防止が可能となる。
As shown in FIG. 4, when the inclination angle of the sliding
When the inclination angle of the sliding contact surface is in the range of 10 ° to 70 °, the increase in the leakage amount can be prevented.
(実施形態2)
図5は、実施形態2に係る回転軸シール装置の非回転側摺動部材の分割形状を表す正面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a front view illustrating a divided shape of the non-rotating side sliding member of the rotary shaft sealing device according to the second embodiment.
本実施形態では、図5に示すように非回転側摺動部材2の分割片の摺接面7が半径方向軸線に対して傾斜した曲面であり、その曲面は、例えば半径方向に曲率半径が増加するようにする。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the sliding
非回転摺動部材2の分割片が半径方向へ移動する際に、曲面をなした摺接面に沿って移動し互いの摺接面の接触状態を保つ。
これにより、各分割片はシール隙間6に動圧が生じると傾きながら半径方向外側へ移動するが、摺接面7が曲面になっているため移動が円滑になり、摺接面7の接触状態を保つことが容易になり、また、摺接面7においてほとんど面接触が達成できる。したがって、漏洩量の増加の防止が可能となる。
When the divided pieces of the
As a result, each divided piece moves radially outward while inclining when dynamic pressure is generated in the
(実施形態3)
図6は、実施形態3に係る回転軸シール装置の非回転側摺動部材を説明する図であり、(a)は分割形状を表す正面図、(b)は摺接面の形状を表す図である。
(Embodiment 3)
6A and 6B are diagrams illustrating a non-rotating side sliding member of the rotary shaft sealing device according to the third embodiment, in which FIG. 6A is a front view illustrating a divided shape, and FIG. 6B is a diagram illustrating a shape of a sliding contact surface. It is.
本実施形態では、非回転摺動部材の分割片は、実施形態1又は2における非回転摺動部材2の分割片の摺接面7の形状に加え、摺接面7が図6(a)及び図6(b)に示すように軸方向の段差12を持ち、互いが嵌まり合う形状をしている。
In the present embodiment, the divided piece of the non-rotating sliding member includes the sliding
摺接面7が軸方向に段差を持つことから分割片の半径方向の位置に係わらず、摺接面7の接触状態を保つことが可能となる。
これにより、分割片間の摺接面7の隙間が無くなり、漏洩量の低減が可能となる。
Since the
Thereby, there is no gap in the sliding
図7は、非回転側摺動部材の摺接面の他の形状を表す図である。
実施形態1又は2の非回転摺動部材2における分割片の摺接面7の形状に加え、摺接面7が円周方向に凸部13及びこれに嵌まり合う凹部14を持つ形状をしている。
FIG. 7 is a diagram illustrating another shape of the sliding contact surface of the non-rotating side sliding member.
In addition to the shape of the sliding
摺接面7が円周方向に互いに嵌まり合う凹凸部を持つことから分割片の半径方向の位置に係わらず軸方向の摺接面7の接触状態を保つことが可能となる。
これにより、分割片間の摺接面7の隙間が無くなり、漏洩量の低減が可能となる。
Since the
Thereby, there is no gap in the sliding
1…回転側摺動部材(回転軸)、2…非回転側摺動部材、5…弾性体、6…シール隙間、7…摺接面、8…外径円弧面、9…内径円弧面、10…シール流体入口ポケット、11…シール流体昇圧ポケット、12…軸方向の段差、13…軸方向の凸部、14…軸方向の凹部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
隣り合う前記非回転側摺動部材の分割片の摺接面は平面又は曲面であり、半径方向軸線に対して回転軸の回転方向に傾斜しているとともに、回転時において前記非回転側摺動部材の各分割片の回転上流側のシール隙間が回転下流側のシール隙間よりも広いことを特徴とする回転軸シール装置。 The ring-shaped non-rotating side sliding member divided into a plurality of parts in the circumferential direction, and an elastic body wound around the outer periphery of the non-rotating side sliding member and pressed toward the inner periphery side, In the rotary shaft sealing device for a rotary machine that forms a seal gap between the inner peripheral surface of the non-rotating side sliding member and the outer surface of the rotary shaft,
The sliding surfaces of the divided pieces of the adjacent non-rotating side sliding members are flat or curved, and are inclined in the rotation direction of the rotation axis with respect to the radial axis, and the non-rotating side sliding during rotation. A rotary shaft seal device, wherein a seal clearance on the upstream side of each divided piece of the member is wider than a seal clearance on the downstream side of rotation.
ことを特徴とする請求項5に記載の回転軸シール装置。 6. The rotary shaft sealing device according to claim 5 , wherein the step in the axial direction has a concave shape in which one is convex and the other is fitted in the circumferential direction.
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