JP5572395B2 - 密閉構造、特にガス圧縮機あるいはガス膨張機の密閉構造の監視 - Google Patents

Description

本発明は、シャフトシールリングと固定子シールリングと容量測定装置とを有しているシール構造であって、固定部分に対してシャフトを密閉するための監視可能なシール構造と、当該シール構造を監視するための方法と、当該シール構造を有する流体機械特にガス圧縮機あるいはガス膨張機に関する。

特に流体力を用いた機械あるいは流体で作動する機械、例えばガス圧縮機もしくはガス膨張機において、運転中に回転する１つあるいは複数のシャフトは、高圧容積部を低圧容積部に対して密閉するために、固定部分、例えばハウジングに対して密閉されなくてはならない。そのために、運転中に可動するシャフトシールリングと固定子シールリングとの間にシール間隙が形成され、作用媒体が常に当該シール間隙を貫流し、その結果、シール間隙の薄いガスの膜が高圧容積部と低圧容積部とを互いに密閉するようなスライドシールが知られている。

そのようなシール構造を監視するために、特許文献１は、シール間隙の幅を検出する熱エレメントを固定子リングに設けるよう提案している。

特許文献２は、シール間隙に潤滑油の膜が形成される流体シールのために、とりわけシャフトシールリングのセンサーと固定子シールリングとが、それぞれ１つずつ平板コンデンサーの平板電極を形成している容量測定装置を提案している。不利なことに、液体シールのための当該解決法は、回転するシャフトシールリングに測定タップが必要である。

特許文献３は、漏出を受容するための貯蔵室を有するガスシールあるいは液体シールを提案しており、当該貯蔵室の幅は固定子リングの両側に形成された平板コンデンサーによって検出される。可動するシャフトシールリングと固定子シールリングとの間に、シール間隙は設けられていない。

米国特許第４６４３４３７号明細書 独国特許出願公開第１９７２３３２７号明細書 独国特許第１０３１４９２４号明細書

本発明の課題は、当該分野に係る密閉構造の監視を改善することにある。

当該課題は、請求項１の特徴を有するシール構造もしくは請求項１０の特徴を有する方法によって解決され得る。請求項９は、本発明に係るシール構造を有する流体機械を保護し、従属請求項は有利なさらなる形態に関する。

シャフト、特に流体機械の回転子を、例えばハウジングあるいは軸受などのような固定部分に対して密閉するための、本発明に係るシール構造は、シャフトシールリングと固定子シールリングとを備えている。

シャフトシールリングは、シャフトと回転方向に固定されかつ軸方向に固定されて接続されていてよく、例えばシャフトカラーとしてシャフトと一体的に形成されていてよく、分離可能にシャフトと接続されていてよく、例えば螺合されていてよく、あるいは分離不可能にシャフトと接続されていてよく、例えば固着されていてよい。固定子シールリングも、固定部分と回転方向に固定されかつ軸方向に固定されて接続されていてよく、例えばブロックとして固定部分と一体的に形成されていてよく、分離可能に固定部分と接続されていてよく、例えば螺合されていてよく、あるいは分離不可能に固定部分と接続されていてよく、例えば固着されていてよい。

同様に、シャフトシールリングおよび／あるいは固定子シールリングは、回転方向に固定されているが、軸方向には移動可能に固定されてよく、例えばマシンキーあるいはスプラインシャフトなどによって運用されてよく、シャフトシールリングおよび／あるいは固定子シールリングは、好適にはそれぞれ別のリングに対して、例えば液圧式、空圧式、あるいはスプリング装置によって、プレストレスが加えられ、その結果、シール間隙は、当該シール間隙を貫流するガスの膜とプレストレスとの間の力の均衡下にある。好ましいさらなる形態においては、例えばシャフトシールリングおよび／あるいは固定子シールリングは、これに関する開示を引き合いに出した既述の特許文献１に記載されているように、アクチュエータによって、それぞれ別のリングに向かって移動させられることにより、シール間隙は、本発明に従って検出された当該シール間隙の幅に応じて、能動的に制御されることができる。

シャフトシールリングおよび／あるいは固定子シールリングは、結局回転方向および軸方向に移動可能に運用されていてもよい。例えば、回転方向および軸方向に移動可能なシャフトシールリングは、シャフトカラーと、軸方向にプレストレスがかけられた固定子シールリングとの間に設けられていてよく、当該固定子シールリングによってシャフトカラーに対して応力をかけられてよい。

シャフトシールリングに接して、好適にはシャフトシールリングの内部に、コンデンサー電極として用いられる１つあるいは複数のシャフト導体面を有する、シャフト導体面構造が設けられている。固定子シールリングに接して、好適には固定子シールリングの内部に、第１固定子導体面と、当該第１固定子導体面から電気的に絶縁されている第２固定子導体面とを有する固定子導体面構造が設けられており、第１固定子導体面と第２固定子導体面とは、シャフト導体面構造から電気的に絶縁されており、かつ同様にコンデンサー電極として用いられる。導体面とは、目下のところ、例えば金属や炭素などから成る、導電性を有している面を指す。

容量測定装置によって、固定子導体面構造の少なくとも２つの固定子導体面間の電気容量を検出することができる。第１固定子導体面と、当該第１固定子導体面から電気的に絶縁されているシャフト導体面とは第１のコンデンサーを形成し、シャフト導体面と、２つの導体面に対して電気的に絶縁されている第２固定子導体面とは、第１のコンデンサーと直列接続されている第２のコンデンサーを形成している。その結果、第１固定子導体面と第２固定子導体面とは、容易にタップ可能な直列接続の連結を形成している。シール間隙の幅が変化し、かつそれによってシャフトシールリングと固定子シールリングとの間の軸方向の距離が変化するに従って、第１固定子導体面とシャフト導体面との間の距離、およびシャフト導体面と第２固定子導体面との距離も変化する。それによって第１コンデンサーと第２コンデンサーの容量も変化し、連結を介してタップ可能な、直列接続の容量が変化する。このとき有利なことに、距離の変化に伴って、２つのコンデンサーの容量も変化する。シール間隙の拡大と、シャフトシールリングあるいは固定子シールリングの破損と、かつそれによるシールの悪化は、例えば検出された直列接続の容量の減少に基づいて認識することができる。

本発明の好ましい実施形態においては、固定子導体面構造および／あるいはシャフト導体面構造の２つあるいはそれ以上の導体面は、互いによって実質的にそれぞれ１つの環を作る。有利なことには、それによってシールは、実質的にシャフトの円周全体にわたって検出され得る。さらにそのような環の切片状の導体面は、例えば完全な環を２つあるいはそれ以上の絶縁バーで遮断することによって、容易に製造可能である。しかも、環の切片状の導体面から成るそのような導体面構造は、ほとんど半径方向の構成空間を必要としない。

付加的にあるいは選択的に、固定子導体面構造および／あるいはシャフト導体面構造の２つの導体面は、互いに対してもしくはシャフトの回転軸に対して、それぞれ同心円状に設けられてもよい。それによってシールは、実質的にシャフトの円周全体にわたって検出され得る。

導体面構造は、別のシールリングに対向する、１つのシールリングのスライド面上に設けられてよく、例えば薄い金属膜として塗布されてよく、特に蒸着されてよい。スライド面のシールを阻害しないようにするために、例えば金属膜がノッチに設けられ、好適には引き続いてその他のスライド面とともに平坦に加工され、例えば磨かれ、研磨され、および／あるいは磨き上げられることによって、導体面構造は実質的に、まさにスライド面とともに設けられてよい。特に同質のスライド面を実現し、かつ機械による阻害から導体面構造を保護するために、対応するシールリングのスライド面の下方に当該導体面構造を設けることが特に好ましい。そのために例えば、対応する金属リングもしくは当該金属リングの切片は、好適には焼結された土台とともに、原型が作られ、あるいはその後、スライド面と向かい合っている端面から対応する凹所に挿入されるか、あるいはスライド面から凹所に挿入されてよい。当該凹所は、その後に閉ざされる。それぞれの導体面構造の個々の導体面を互いに対して電気的に絶縁するために、このような土台は、好適には非導電性材料、例えば炭化ケイ素から製造される。

本発明に係るシール構造は、特にガス圧縮機あるいはガス膨張機の回転子を密閉するために適しており、当該シール構造においては、部分的に高い圧力をかけられているガスがシール間隙を常に貫流するため、シールを監視することが特に重要であるが、部分的に回転数が高いため、回転するシールリングにタップをつけることは難しい。

さらなる利点と特徴とは、従属請求項と実施例とからもたらされる。それについて、部分的に概略化されて、示されるのは以下である。

本発明の実施形態によるシール構造を有するガス膨張機の部分縦断図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った、シャフトシールリングの横断図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った、固定子シールリングの横断図である。 シャフトシールリングと固定子シールリングにおける導体面構造によって形成されている、直列接続されたコンデンサーの電気等価回路である。

図１は、ガス圧縮機のハウジング１の部分縦断面を示しており、当該ハウジング１に回転子２の形状でシャフトが回転可能に受容されている。本発明に係るシール構造は、ガス圧縮機内部の高圧容積部６を、低圧容積部７に対して密閉する。そのために、シャフトシールリング３と固定子シールリング４の、互いに対向するスライド面の間に、狭いシール間隙が形成されており、当該シール間隙は運転中常に薄いガス膜に貫流されている。シール間隙は絞りとして作用し、高圧容積部６内の深刻な圧力損失を防ぐ。

シャフトシールリング３は、回転子２のシャフトカラーに受容されており、当該回転子２と螺合されており（図示せず）、その結果、シャフトシールリング３は、回転子２と回転方向に固定されかつ軸方向に固定されて接続されており、当該回転子２とともに、ハウジング１に対して相対的に回転する。

固定子シールリング４は、ハウジングの環状のノッチに、軸方向に移動可能かつ回転方向に固定されて（図示せず）運用されている。固定子シールリング４は、バネ５によってシャフトシールリング３に対してプレストレスを加えられ、その結果、シール間隙は運転中、当該シール間隙を貫流するガス膜とバネ５との力の均衡下で、所定の幅に合わさる。

シール間隙のこの幅、すなわちシャフトシールリング３と固定子シールリング４の、互いに対向するスライド面の軸方向における距離を監視するために、シャフトシールリング３には環状のシャフト導体面９が形成され（図２参照）、固定子シールリング４には、第１固定子導体面８．１と、当該第１固定子導体面から電気的に絶縁された第２固定子導体面８．２とを有する固定子導体面構造が形成されており、当該第２固定子導体面８．２は、第１固定子導体面８．１と実質的に環を作る（図３参照）。金属製の導体面８．１，８．２，９は、シールリング３，４の原型を作る際に、当該シールリングの、電気的に絶縁された土台にともに形成され、その結果導体面８．１，８．２，９は、互いに対向するスライド面の下方に設けられ、互いに電気的に絶縁される。

２つの回転子導体面８．１，８．２は、軸方向の滑り接触を介して、固定子シールリング４の軸方向の動きを配線１０によって補償するために、外部から電気的にタップ可能であり、その結果第１固定子導体面８．１と第２固定子導体面８．２との間の容量Ｃが検出可能である。

特に図４の等価回路から分かるように、第１固定子導体面８．１は、当該第１固定子導体面８．１と向かい合っており、第１固定子導体面８．１に対して電気的に絶縁されているシャフト導体面９とともに、第１コンデンサーＣ１を形成しており、当該第１コンデンサーＣ１は、第２コンデンサーＣ２と直列接続されている。当該第２コンデンサーＣ２は、シャフト導体面９と、当該シャフト導体面９と向かい合っておりシャフト導体面９に対して電気的に絶縁されている第２固定子導体面８．２とによって形成されている。２つのコンデンサーの容量と、２つの固定子導体面８．１，８．２の間の配線１０でタップされた直列接続の容量Ｃとは、シール間隙が拡大した場合に、あるいはシールリングが破損した場合に減少するので、当該容量Ｃに基づいてシールを監視することができる。

１ ハウジング（固定部分）
２ シャフト（回転子）
３ シャフトシールリング
４ 固定子シールリング
５ バネ
６ 高圧容積部
７ 低圧容積部
８．１ 第１固定子導体面
８．２ 第２固定子導体面
９ シャフト導体面
１０ 電気接続配線
Ｃ コンデンサー
Ｃ１ コンデンサー
Ｃ２ コンデンサー

Claims (11)

1. シャフト導体面構造を有するシャフトシールリング（３）と、前記シャフト導体面構造から電気的に絶縁された固定子導体面構造を有する固定子シールリング（４）と、容量測定装置とを有しているシール構造であって、固定部分（１）に対してシャフト（２）を密閉するための前記シール構造において、前記固定子導体面構造は、第１固定子導体面（８．１）と、該第１固定子導体面（８．１）から電気的に絶縁された少なくとも１つの第２固定子導体面（８．２）とを備えており、前記シャフト導体面構造は、少なくとも１つのシャフト導体面（９）を備えており、前記測定装置は、前記固定子導体面構造の２つの固定子導体面（８．１，８．２）の間の電気容量（Ｃ）を検出するための装置を備えていることを特徴とするシール構造。
2. 前記固定子導体面構造および／あるいは前記シャフト導体面構造の少なくとも２つの導体面（８．１，８．２）が、実質的に環を作ることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記固定子導体面構造および／あるいはシャフト導体面構造の少なくとも２つの導体面が、互いに対して同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のシール構造。
4. 前記シャフト導体面構造が、前記シャフトシールリングの内部に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシール構造。
5. 前記固定子導体面構造が、前記固定子シールリングの内部に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシール構造。
6. 前記シャフトシールリングおよび／あるいは前記固定子シールリングが、炭化ケイ素を含む非導電性材料から成る、それぞれの導体面構造のための土台を備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシール構造。
7. 前記固定子シールリングが、前記固定部分に対して回転方向に固定されかつ／あるいは軸方向に固定されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシール構造。
8. 前記シャフトシールリングが、前記シャフトに対して回転方向に固定されかつ／あるいは軸方向に固定されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシール構造。
9. ハウジング（１）と、シャフト（２）と、前記ハウジングに対して前記シャフトを密閉するための、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシール構造とを有する、ガス圧縮機あるいはガス膨張機等の流体機械において、運転中に、シャフトシールリング（３）と固定子シールリング（４）との間に、作用媒体が貫流するシール間隙が形成されていることを特徴とする流体機械。
10. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシール構造を監視するための方法において、運転中に、前記固定子導体面構造の２つの固定子導体面（８．１，８．２）の間の電気容量（Ｃ）が検出されることを特徴とする方法。
11. シールの悪化が、検出された前記容量の減少に基づいて認識されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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