JP5349691B2 - 補償要素を伴うメカニカルシールアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、うねりに対する補償要素を備えるメカニカルシールアセンブリに関し、特に、高圧が課されるメカニカルシールアセンブリに関する。

例えば２００×１０^５Ｐａを上回る圧力を伴う高圧ガスシールなどの高圧メカニカルシールアセンブリの場合には、非常に大きな軸力を吸収するために分割リングが回転シャフトに配置される。この分割リングは通常はシャフト溝内に配置されてＬ断面リングによって取り囲まれ、それにより、いわゆる「取り外し可能な軸肩」が形成される。この分割リングの分割に起因して、軸力が分割リングに作用するときには平坦性がもはやもたらされず、その結果、回転シールリングの後当接面またはシールリング自体に至るまで歪みが生じ得る。これがメカニカルシールアセンブリに漏れをもたらす場合がある。また、非常に大きい軸力の結果として、分割リングがその分割に起因して不均一に変形するといったことが起こる場合があり、それにより、この変形が固定シールリングの表面へと押し通る場合がある。これが摺動面に摩耗跡をもたらすとともに、それにより、漏れ気密性についての望ましくない問題が引き起こされる。摺動面に対する分割のそのような押し通しを防止するため、この問題は、今まで、摺動面間のシール隙間を広げることによって解決されてきた。しかしながら、これが望ましくない高い漏出率をもたらす。

したがって、本発明に内在する目的は、簡単な構造を有して容易に低コストで製造されつつ、メカニカルシールアセンブリで漏れの問題を生じさせることなく分割出力吸収リングの使用を可能にするメカニカルシールアセンブリを提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有するメカニカルシールアセンブリによって解決され、従属請求項は本発明の好ましい更なる実施形態を示している。

請求項１の特徴を有する本発明のメカニカルシールアセンブリは、シールリングまたは他の部品で分割の歪みまたは窪みを発生させることなく回転部品で分割出力吸収リングを使用できるという利点を有する。本発明によれば、第１のリングと、第２のリングと、第３のリングとを備える補償リングユニットが設けられる。第３のリングは第１のリングと第２のリングとの間に配置され、また、第１および第２のリングは第３のリングよりも高い強度を有する。補償リングユニットの３つのリングの異なる強度に起因して、回転部品での分割出力吸収リングの使用に起因する歪みは、場合により生じる歪みを柔軟な第３のリング（中間リング）により補償することによって吸収される。このことは、非常に高い圧力時に大きな軸力が分割リングに作用する場合に第３のリングに対してその強度限界を超える荷重がかけられ、それにより、第３のリングが塑性変形を受け、したがって、第３のリングが歪みを補償することを意味する。その結果、非常に高い圧力の時であっても、容易に装着できる分割出力吸収リングを使用できる。これは、補償リングユニットが分割出力吸収リングと高圧領域との間の出力流れ中に配置されているからである。

好ましくは、第１のリングが第１の表面を有し、第２のリングが第２の表面を有する。この場合、２つの表面が軸方向で互いに対向しており、また、２つの表面が第３のリングと直接に接触している。それに伴って、十分な表面圧力が第１または第２のリングと第３のリングとの間で得られる。

補償リングユニットの第１および第２のリングの強度が等しいことが好ましい。第１および第２のリングが同じ材料から形成されるのが特に好ましい。この場合、強度における大きさを決定するための基準として３つのリングの引張強度を使用することが更に好ましいことに留意すべきである。

第１のリングおよび第２のリングがそれぞれ段部を備えることが特に好ましく、その場合、第３のリングが第１および第２のリングの段部間に軸方向で配置される。それに伴って、特定のコンパクトな構造を実現できる。

第１のリングの最小内径が第２のリングの最小内径に等しいことが好ましい。それに伴って、一方では、補償リングユニットの簡単なアセンブリが可能になり、他方では、簡単でコンパクトな構造が得られる。

補償リングユニットは、第１のリングおよび第２のリングが軸方向で互いに対向する表面のみによって第３のリングを介して互いに接続されるように構成されるのが特に好ましい。それに伴って、互いに軸方向で対向する第１および第２のリングの表面のいずれも直接に接触せずに第３のリングを介してのみ接触するようにされてもよい。これにより、高い軸方向荷重の場合に第３のリングがその補償機能を最適に満たすことができる。

異なる作動状態で場合により必要とされる第３のリングの変形を常に保証するため、第１のリングと第３のリングとの間および／または第２のリングと第３のリングとの間の表面圧力は第３のリングの降伏限界よりも高いことが好ましい。同時に、表面圧力は第１または第２のリングの降伏限界の半分以下でもある。この場合、表面圧力は、軸力が生じるときに、第３のリングと第１または第２のリングのそれぞれとの間に存在する。

更に好ましくは、中間リングとして形成される第３のリングがアルミニウムまたはアルミニウム含有材料から形成されるのが好ましく、および／または、第１および第２のリングがスチールから形成されるのが好ましい。

本発明に係るメカニカルシールアセンブリは、２００×１０^５Ｐａを上回る圧力が生じる高圧ガス用途で使用されるのが好ましい。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態について詳しく説明する。

本発明の第１の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略図を示している。 図１に示される補償リングユニットの拡大図を示している。

以下、図１および図２を参照して、本発明の第１の好ましい実施形態に係るメカニカルシールアセンブリ１について詳しく説明する。

図１は、高圧領域２１を低圧領域２２に対してシールする本発明の好ましい実施形態に係るメカニカルシールアセンブリ１の概略構造を示している。メカニカルシールアセンブリ１は、回転シャフト２に配置されて、回転シールリング３と固定シールリング４とを備えており、これらのシールリング間にシール隙間５が形成される。固定シールリング４はハウジング６に接続される。参照符号１９は、固定シールリング４に対して軸方向でプレテンションをかけるためのプレテンションユニットを示している。

また、シャフト２のシャフト溝９内に配置される分割出力吸収リング７が設けられる。分割出力吸収リング７はＬ断面リング８によって取り囲まれる。ここで、分割出力吸収リング７はシャフト２の中心軸Ｘ−Ｘに対して径方向に分割され、それにより、結果として、Ｌ断面リング８によって取り囲まれる２つの半リング部が生じる。また、分割出力吸収リング７およびＬ断面リング８は、高圧領域２１からメカニカルシールアセンブリを通じて伝えられる軸力Ｆを吸収するように構成される取り外し可能な軸肩を形成する。分割リングを含むこの配置によって吸収されるべき力を明確にするために、図１はシャフト径Ｄ_Ｗおよび液圧径Ｄ_ｈを示している。この場合、シャフト径Ｄ_Ｗはメカニカルシールの領域のシャフト２の径であり、液圧径Ｄ_ｈは、回転シールリング３および固定シールリング４によってメカニカルシールでシールされるべき径である。図１に示される実施形態ではプレテンションユニット１９が配置されるチャンバ２５も高圧領域２１に接続されるため、液圧径Ｄ_ｈは、シールリングの最大接触径ではなく、かなり小さい。その結果、分割出力吸収リング７は、高圧領域２１から液圧径Ｄ_ｈとシャフト径Ｄ_Ｗとの間の環状面を通じて作用する力Ｆを吸収できなければならない。

分割出力吸収リング７の分割に起因して場合により生じる歪みを回避するため、第１のスリーブ１６と回転シールリング３との間の金属シールエッジ１７の領域、および／または、シールリング３および４の摺動面の領域には、本発明にしたがって補償リングユニット１０が設けられる。第１のスリーブ１６は複数のスタッドボルト２０によって第２のスリーブ１８に接続される。補償リングユニット１０は、第１のリング１１と、第２のリング１２と、第３のリング１３とを備える。第１のリング１１および第２のリング１２はそれぞれ少なくとも１つの段部を有するＬ断面リングとして形成され、第１のリング１１は第１の段部１１ｂと第２の段部１１ｃとを備える（図２参照）。第２のリング１２は単一の段部１２ｂだけを備える。第３のリング１３は第１のリング１１と第２のリング１２との間に配置される。ここで、第３のリング１３は長方形断面を有する。特に図２から分かるように、軸方向Ｘ−Ｘに向けられる第１のリング１１の表面１１ａは第３のリング１３の第１の軸方向側と接触する表面内にあり、また、軸方向Ｘ−Ｘに向けられる第２のリング１２の表面１２ａも第３のリング１３の他の軸方向側と接触する表面内にある。つまり、図２に示されるように、２つのリング１１および１２は軸方向Ｘ−Ｘで第３のリング１３を介してのみ接続される。

また、第１のスリーブ１６および第２のスリーブ１８を介して第１のリング１１に伝えられる力Ｆは専ら第３のリング１３を介して第２のリング１２に伝えられる。このとき、第２のリング１２は分割リング７に二次元的に直接に当接している。

また、高圧領域２１と分割リング７との間での本発明の補償リングユニット１０の使用は、メカニカルシールアセンブリ１の他の部品で生じる歪みの危険を伴うことなく分割リングの使用を可能にする。過度に高い力Ｆの発生時、第３のリング１３が塑性変形する。この第３のリングは２つの他のリング１１および１２よりも強度が低い。第３のリング１３の降伏により、分割リング７を通じてもたらされる望ましくないうねりを補償できる。第１のリング１１と第２のリング１２との間の周方向隙間１４、１５は０〜０．０３５ｍｍの最小隙間幅しか有していないため、第３のリング１３が降伏する場合に周方向隙間１４、１５を通じた押し出しを避けることができる。

第３のリング１３は、以下の方程式が満たされるように形成される。

Ｓ３＜Ｆｌ≦１／２×Ｓ１
この場合、Ｓ３は第３のリング１３の降伏限界であり、Ｆｌは高圧領域２１内の最大圧力時の既存の表面圧力であり、該表面圧力は、軸方向に向けられた表面１１ａ、１２ａと第３のリング１３の対応する環状面との間で生じ、また、Ｓ１は第１のリング１１または第２のリング１２の降伏限界である。降伏限界に関しては、同じ材料が選択される場合には第１のリング１１および第２のリング１２における降伏限界が等しく、異なる材料が選択される場合には第１のリング１１または第２のリング１２の小さい方の降伏限界が値Ｓ１に関して使用されることに留意すべきである。

好ましくは、第３のリング１３は例えばアルミニウム合金などの比較的柔軟な材料から形成され、また、第１のリング１１および第２のリング１２はスチール材料から形成される。また、本発明で使用される用語「降伏限界」とは、強度が決定されるときに材料の不可逆的な塑性変形が生じる点のことである。補償リングユニット１０のリング１１、１２、および１３の異なる強度は、引張試験によって引張強度を決定することにより設定されるのが好ましい。しかしながら、リング１１、１２、および１３がそれらの圧縮強度を考慮して決定されることも想定し得る。

本発明を単一のメカニカルシールアセンブリおよび二重メカニカルシールアセンブリで使用することができる。補償リングユニット１０が分割リング７に直接に隣接して配置されるのが好ましい。この配置は、分割リング７に直接に隣接して配置されている部品の歪みを補償することができ、それにより、メカニカルシールアセンブリの更なる部品が変形されないという利点を有する。別の方法として、中間部品を使用することもできる。

Claims (9)

1. 高圧領域（２１）と低圧領域（２２）との間をシールするためのメカニカルシールアセンブリであって、
   固定部品（６）に接続される固定シールリング（４）と、
   回転部品（２）に接続される回転シールリング（３）と、
   前記回転部品（２）に配置される分割出力吸収リング（７）と、
   第１のリング（１１）と、第２のリング（１２）と、第３のリング（１３）とを備える補償リングユニット（１０）と、
   を備え、
   前記補償リングユニット（１０）が前記回転シールリング（３）と前記分割出力吸収リング（７）との間に軸方向（Ｘ−Ｘ）で配置され、
   前記第１のリング（１１）および前記第２のリング（１２）が前記第３のリング（１３）よりも高い強度を有し、
   前記補償リングユニット（１０）が前記高圧領域（２１）と前記分割出力吸収リング（７）との間の出力流れ中に配置され、
   前記第１および第２のリング（１１、１２）が互いに軸方向（Ｘ−Ｘ）で対向する第１および第２の表面（１１ａ、１２ａ）を有し、これらの表面が前記第３のリング（１３）を介して接続されることを特徴とするメカニカルシールアセンブリ。
2. 前記第１のリング（１１）の強度が前記第２のリング（１２）の強度に等しいことを特徴とする請求項１記載のメカニカルシールアセンブリ。
3. 前記第１のリング（１１）が第１の段部（１１ｂ）を備え、前記第２のリング（１２）が第２の段部（１２ｂ）を備え、前記第３のリング（１３）が前記第１の段部（１１ｂ）と前記第２の段部（１２ｂ）との間に軸方向（Ｘ−Ｘ）で配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシールアセンブリ。
4. 前記第１のリング（１１）が少なくとも２つの段部（１１ｂ、１１ｃ）を有する多段Ｌ断面リングであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
5. 前記第１のリング（１１）の最小内径が前記第２のリング（１２）のそれに等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
6. 前記第１のリング（１１）と前記第３のリング（１３）との間の表面圧力および／または前記第２のリング（１２）と前記第３のリング（１３）との間の表面圧力は、前記第３のリング（１３）の降伏限界よりも高く、前記第１のリング（１１）または前記第２のリング（１２）の降伏限界の半分以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
7. 前記第３のリング（１３）がアルミニウムまたはアルミニウム含有材料から形成されおよび／または前記第１および第２のリングがスチールから形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
8. 前記補償リングユニット（１０）が前記分割リング（７）に直接に隣接して配置されて分割リングと接触することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
9. 前記第１のリング（１１）から前記第２のリング（１２）への軸方向（Ｘ−Ｘ）に向けられる力（Ｆ）の伝達が専ら前記第３のリング（１３）を介して行なわれることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のメカニカルシールアセンブリ。

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